JP4294965B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばDVD、パーソナルコンピュータや、サーバー、高性能電子計算機等の電子機器におけるLD,CPU、CCDなどの発熱を伴う電子部品に取り付けて、主に電子機器或いは電子部品の冷却を行うために用いられる熱電変換モジュール関するものである。
【０００２】
【背景技術】
ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールが、光通信分野等の様々な分野に用いられている。例えば図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、ペルチェモジュールは、互いに間隔を介して上下に配置された基板６，７の間に、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を立設配置して形成されている。（例えば、特許文献１、２、３参照。）。
【０００３】
基板６，７は、電気絶縁性を有する電気絶縁性基板であり、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックにより形成されている。基板６，７には、それぞれ、その片面側（対向面側）に複数の導通用の電極２が互いに間隔を介して配列形成されている。それぞれの電極２は長尺形状の長方形状に形成されており、上下の基板６，７は、電極２の位置を互いにずらした状態で電極形成面１６，１７を対向させて配置されている。
【０００４】
前記熱電変換素子５は対応する電極２を介して直列に接続され、熱電変換素子５の接続回路が形成されている。それぞれの電極２には、リード線２８の接合部を除いて、熱電変換素子５が電極２の長手方向に対して２個ずつ互いに等間隔で配置されている。熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、一般に、図１６（ｂ）に示すような円柱形状または、角柱形状に形成されている。また、電極２上には図示されていない半田が形成されて該半田を介して熱電変換素子５が電極２上に固定されている。
【０００５】
熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、ペルチェ素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成されたＮ型の熱電変換素子５ｂとを有する。Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは、それぞれ、例えばビスマス・テルル等の金属間化合物にアンチモン、セレン等の元素を添加することにより形成されている。Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは交互に配置され、電極２を介して直列に接続されてＰＮ素子対が形成されている。
【０００６】
ペルチェモジュールは、リード線２８から電極２に電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電流が流れて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。
【０００７】
このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部、例えば上側基板６側の端部が冷却せしめられると、上側基板６を介し、基板６の上側に設けられた部材の冷却（吸熱）が行われる。つまり、ペルチェモジュールは、一般に、ＩＣ等の電子部品の発熱体を冷却するために用いられる。なお、図１６に示す例において、下側基板７側に、加熱対象物を設ければ、ペルチェモジュールによって加熱対象物の加熱を行うこともできる。
【０００８】
図１０、図１２には、角柱形状の熱電変換素子５を有する従来の熱電変換モジュールの構成例がそれぞれ示されている。これらの図において、（ａ）は、上側の基板６を省略して示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は基板６に形成された電極２と熱電変換素子５の配置状態を、基板６を透かして見た状態で示す平面図である。図１０は、上下の基板６，７を同じ大きさに形成した熱電変換モジュールの例であり、図１２は、リード線２８を固定するために、下側基板７を上側基板６より大きく形成した熱電変換モジュールの例である。
【０００９】
また、図１１には、図１０に示す熱電変換モジュールの分解構成が示されており、図１３には、図１２に示す熱電変換モジュールの分解構成が示されている。図１１、図１３において、（ａ）は下側基板７の電極形成面１７の平面図、（ｂ）は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配置構成の平面図、（ｃ）は上側基板６の平面図である。
【００１０】
図１１、図１３に示すように、従来の熱電変換モジュールにおいて、基板６，７の電極形成面１６，１７に形成される電極２は互いに等しい大きさに形成され、かつ、基板６，７の端面３，４から設定間隔Ｓだけ内側に、互いに間隔を介して配置されている。また、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）も互いに等しい大きさに形成され、互いに等間隔で配置されている。
【００１１】
熱電変換モジュールの製造において、基板６，７の形成は、以下のようにして行われる。つまり、例えば図１４（ａ）に示すように、複数の熱電変換モジュールの基板６を製造可能な大きさの基板６ａ上に電極２を多数形成し、その基板６ａをダイシングソー２０等により切断することにより１つの熱電変換モジュールに適用される基板６を形成する。また、同様にして、基板７も形成する。
【００１２】
基板６，７はアルミナ等のセラミックにより形成されていて硬く、また、電極２は金属により形成されていて軟らかいので、上記切断に際し、仮に、電極２が形成されている部位を基板と共にダイシングソー等により切断すると、図１４（ｂ）、（ｃ）に示すようなバリ２２が生じる。
【００１３】
そこで、電極２は、上記のように、基板６，７の端面３，４から設定間隔Ｓだけ内側に形成され、バリ２２が生じることを抑制している。また、熱電変換素子５は、対応する電極２上に配置するので、図１０、図１２に示したように、基板６，７の端面３，４側に配置される熱電変換素子５は、その側面８が基板６，７の端面３，４よりも内側になるように配置される。
【００１４】
また、従来、ペルチェモジュールを組み立てるときは、図１５（ａ）に示すように、第１のガイド治具３１の凹部３５に下側基板７を配置し、その上に、第１のガイド治具３１の開口幅Ｗ１より狭い開口幅Ｗ２を有するガイド治具３２を設け、熱電変換素子５をガイドしながら下側基板７の電極形成面１７上に配置する。ガイド治具３２の開口幅を第１のガイド治具３１の開口幅より狭く形成することにより、熱電変換素子５の側面８を基板７の側面より内側に配置する。なお、熱電変換素子５は半田を介して対応する電極２（同図には図示せず）上に設けられる。
【００１５】
次に、図１５（ｂ）に示すように、第１のガイド治具３１の開口幅Ｗ１と同じ開口幅Ｗ３を有する第３のガイド治具３３を第２のガイド治具３２の上に配置し、上側基板６をガイドしながら、基板６の電極形成面１６を熱電変換素子５に対向させ、半田を介して基板６を熱電変換素子５の上に配置する。そして、第１〜第３のガイド治具３１〜３３は、例えばピン３６等により一体的に固定する。
【００１６】
その後、第１〜第３のガイド治具３１〜３３と共に、基板６，７に熱電変換素子５を挟んだ状態で、リフロー炉等に入れて半田を溶融させ、その後、冷却凝固させることにより、熱電変換素子５を上下の基板６，７に半田固定する。そして、第１〜第３のガイド治具３１〜３３を外し、図１５（ｃ）に示すように、基板７にリード線２８を接続することにより、ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールを完成させる。
【００１７】
なお、上記図１０〜図１６は、それぞれ、電極２、熱電変換素子５の配置構成を模式的に示しており、各基板６，７に形成されている数も簡略化して示してあるが、一般に、１つの熱電変換モジュールにはこれらの図に示すよりも多い数の電極２と熱電変換素子５が配置されている。
【００１８】
【特許文献１】
特開２０００―３６６８０
【特許文献２】
特開平８―１５５７９
【特許文献３】
特開平８―３２１６３７
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のペルチェモジュールは、熱電変換素子５の側面８が基板６，７の端面３，４よりも内側になるように熱電変換素子５を配置していたので、図１５に示したようにペルチェモジュールの組み立て工程が煩雑であり、上側基板６の端面３と熱電変換素子５の側面８と下側基板７の端面４との位置ずれが生じやすく、製造歩留まりを向上させることが難しいといった問題があった。
【００２０】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、製造が容易で製造歩留まりを向上可能な熱電変換モジュールを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、上下に互いに間隔を介して対向配置された基板の対向表面に複数の電極が基板端面から設定間隔内側に設けられて互いに間隔を介して配設され、前記基板の間に立設配置された複数の熱電変換素子が対応する電極を介して接続されている熱電変換モジュールにおいて、少なくとも前記基板の一端面側に配置された複数の熱電変換素子の側面が基板端面と一致している構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２２】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記基板に形成した電極は長尺形状と成し、複数の熱電変換素子は互いに同じ大きさに形成されて互いに等間隔で配置され、側面が基板端面と一致している側面一致熱電変換素子が対応する電極から前記基板端面側にはみ出るように、２個の側面一致熱電変換素子または１個の側面一致熱電変換素子とリード線とが基板端面の長手方向および電極の長手方向に間隔を介して共通に接触配置する電極の狭幅寸法を、２個の側面一致熱電変換素子または１個の側面一致熱電変換素子とリード線とが基板端面の長手方向および電極の長手方向に間隔を介して共通に接触していない電極の狭幅寸法よりも小さく形成した構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２３】
さらに、第３の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記複数の電極を互いに同じ大きさに形成して互いに等間隔で配置し、側面が基板端面と一致している側面一致熱電変換素子が対応する電極から前記基板端面側にはみ出るように、側面一致熱電変換素子の底面積を側面が基板端面と一致していない熱電変換素子の底面積より大きく形成した構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００２５】
図１には、本発明に係る熱電変換モジュールの第１実施形態例が模式的に示されている。図１において、（ａ）は、上側の基板６を省略して示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は基板６に形成された電極２と熱電変換素子５の配置状態を、基板６を透かして見た状態で示す平面図である。
【００２６】
また、図２には、本実施形態例の熱電変換モジュールの分解構成が示されている。図２において、（ａ）は下側基板７の電極形成面１７の平面図、（ｂ）は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配置構成の平面図、（ｃ）は上側基板６の平面図である。
【００２７】
これらの図に示すように、本実施形態例の熱電変換モジュールは、図１０に示した従来例とほぼ同様に配置された基板６，７、電極２、熱電変換素子５を有しており、本実施形態例が従来例と異なる特徴的なことは、少なくとも基板６，７の一端面（ここでは全部の端面）３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致していることである。なお、図１において、側面８が基板６，７の端面３，４と一致している側面一致熱電変換素子５をハッチングして示している。
【００２８】
複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は互いに同じ大きさに形成され、互いに等間隔で配置されている。また、本実施形態例では、図１にハッチングして示す側面一致熱電変換素子５が対応する電極２から基板６，７の端面３，４側にはみ出るように電極２の大きさを形成している。つまり、２個の側面一致熱電変換素子５または、１個の側面一致熱電変換素子５とリード線２８とが基板端面３，４の長手方向および電極２の長手方向に間隔を介して共通に接触配置する電極２ａの狭幅寸法を、２個の側面一致熱電変換素子５または１個の側面一致熱電変換素子５とリード線２８とが基板端面３，４の長手方向に間隔を介して共通に接触していない電極２ｂ，２ｃの狭幅寸法よりも小さく形成している。
【００２９】
なお、電極２ｂは、１つの側面一致熱電変換素子５と側面が基板端面３，４と一致していない１つの熱電変換素子５を配置している電極であり、電極２ｃは、側面一致熱電変換素子５を配置していない電極である。電極２ｂは、側面一致熱電変換素子５が電極２ｂから基板６，７の端面３，４側にはみ出るように、そのはみ出し分だけ電極２ｃに比べて長手方向の長さが短く形成されている。
【００３０】
図３には、本実施形態例の熱電変換モジュールの組み立て工程が模式的に示されている。本実施形態例のペルチェモジュールを組み立てるときは、図３（ａ）に示すように、ガイド治具３０の凹部３６に下側基板７を配置し、その上に、複数の熱電変換素子５を配置し、さらに、図３（ｂ）に示すように、熱電変換素子５の上に上側基板６を配置する。
【００３１】
本実施形態例では、基板６，７の端面３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致しているので、従来例のように、熱電変換素子５の側面８が基板６，７の端面よりも内側に配置されるようにガイドしながら配置する必要はなく、１つのガイド治具３０を用いて、基板６，７と熱電変換素子５の配置を一度に行うことができ、熱電変換モジュールを容易に組み立てられる。
【００３２】
なお、本実施形態例においても、熱電変換素子５は半田（図示せず）を介して対応する電極２（同図には図示せず）に固定接続され、図３（ｃ）に示すように、ガイド治具３０から外して形成される。基板７にはリード線（同図には図示せず）が接続される。
【００３３】
本実施形態例は以上のように構成されており、上記のように非常に簡単に組み立てることができ、上側基板６の端面３と熱電変換素子５の側面８と下側基板７の端面４との位置ずれが生じることも無く、製造歩留まりを向上させることができる。
【００３４】
また、近年、熱電変換モジュールの小型化の要求が高まり、小型でも効率良く冷却等の動作を行えるペルチェモジュール等の熱電変換モジュールを提案することは重要な課題となってきている。本実施形態例は、電極２ａ，２ｂを電極２ｃより小さく形成し、その分だけ基板６，７を小さく形成できるので、熱電変換モジュールの小型化を達成でき、上記要求を満たすことができる。
【００３５】
図４には、本発明に係る熱電変換モジュールの第２実施形態例が模式的に示されている。図４において、（ａ）は、上側の基板６を省略して示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は基板６に形成された電極２と熱電変換素子５の配置状態を、基板６を透かして見た状態で示す平面図である。
【００３６】
また、図５には、本実施形態例の熱電変換モジュールの分解構成が示されている。図５において、（ａ）は下側基板７の電極形成面１７の平面図、（ｂ）は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配置構成の平面図、（ｃ）は上側基板６の平面図である。
【００３７】
これらの図に示すように、第２実施形態例の熱電変換モジュールは、上記第１実施形態例の熱電変換モジュールとほぼ同様に構成されており、第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なることは、上側基板６を下側基板７より小さく（下側基板７を上側基板６より大きく）形成したことである。なお、図４のハッチングにより示す熱電変換素子５が側面一致熱電変換素子５である。また、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様にして組み立てられる。
【００３８】
第２実施形態例では、電極２の配列形態や熱電変換素子５の配列個数を上記第１実施形態例と異なるものとしているが、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様に、基板６，７の端面３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致しているので、上記第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００３９】
また、第２実施形態例でも、電極２ａ，２ｂを電極２ｃより小さく形成し、その分だけ基板６，７を小さく形成できるので、熱電変換モジュールの小型化を達成できる。
【００４０】
図６には、本発明に係る熱電変換モジュールの第３実施形態例が模式的に示されている。図６において、（ａ）は、上側の基板６を省略して示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は基板６に形成された電極２と熱電変換素子５の配置状態を、基板６を透かして見た状態で示す平面図である。
【００４１】
また、図７には、本実施形態例の熱電変換モジュールの分解構成が示されている。図７において、（ａ）は下側基板７の電極形成面１７の平面図、（ｂ）は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配置構成の平面図、（ｃ）は上側基板６の平面図である。
【００４２】
これらの図に示すように、第３実施形態例の熱電変換モジュールは、上記第１、第２実施形態例の熱電変換モジュールと同様に、基板６，７の端面３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致している。なお、図６において、側面８が基板６，７の端面３，４と一致している側面一致熱電変換素子５をハッチングして示している。
【００４３】
また、第３実施形態例は、複数の電極２を互いに同じ大きさに形成して互いに等間隔で配置し、側面が基板端面と一致している側面一致熱電変換素子５が対応する電極２から前記基板端面側にはみ出るように、側面一致熱電変換素子５の底面積を側面が基板端面と一致していない熱電変換素子５の底面積より大きく形成している。
【００４４】
第３実施形態例は以上のように構成されており、第３実施形態例も、上記第１、第２実施形態例と同様に、基板６，７の端面３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致しているので、上記第１、第２実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００４５】
図８には、本発明に係る熱電変換モジュールの第４実施形態例が模式的に示されている。図８において、（ａ）は、上側の基板６を省略して示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は基板６に形成された電極２と熱電変換素子５の配置状態を、基板６を透かして見た状態で示す平面図である。
【００４６】
また、図９には、本実施形態例の熱電変換モジュールの分解構成が示されている。図９において、（ａ）は下側基板７の電極形成面１７の平面図、（ｂ）は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配置構成の平面図、（ｃ）は上側基板６の平面図である。
【００４７】
これらの図に示すように、第４実施形態例の熱電変換モジュールは、上記第３実施形態例の熱電変換モジュールとほぼ同様に構成されており、第４実施形態例が上記第２実施形態例と異なることは、上側基板６を下側基板７より小さく（下側基板７を上側基板６より大きく）形成したことである。なお、図８において、側面８が基板６，７の端面３，４と一致している側面一致熱電変換素子５をハッチングして示している。
【００４８】
第４実施形態例も上記第３実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００４９】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設個数等は特に限定されるものではなく、適宜設定されるものであり、基板６，７の端面３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致していればよい。
【００５０】
なお、上記各実施形態例のように、基板６，７の全ての端面３，４側に配置された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致するようにすると、上記各実施形態例のような効果をより確実に発揮することができるが、少なくとも一つの端面３，４とその端面３，４側に配置された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致するようにすることにより、従来例より熱電変換モジュールの製造を容易にし、歩留まりを向上することができる。
【００５１】
さらに、上記各実施形態例は、電極２を長方形状に形成したが、電極２は長尺形状に形成されていればよく、例えば長円形状に形成してもよい。
【００５２】
さらに、上記説明は、いずれもペルチェ効果によって、熱電変換モジュールが冷却・加熱を行う例について説明したが、本発明の熱電変換モジュールは、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールにも適用できる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも前記基板の一端面側に配置された複数の熱電変換素子の側面が基板端面と一致しているので、非常に簡単に組み立てることができ、上側基板の端面と熱電変換素子の側面と下側基板の端面との位置ずれが生じることも無く、製造歩留まりを向上させることができる。
【００５４】
また、本発明において、複数の熱電変換素子を互いに同じ大きさとして互いに等間隔で配置し、２個の側面一致熱電変換素子または１個の側面一致熱電変換素子とリード線とが基板端面の長手方向に間隔を介して共通に接触配置する電極の狭幅寸法を、２個の側面一致熱電変換素子または１個の側面一致熱電変換素子とリード線とが基板端面の長手方向に間隔を介して共通に接触配置していない電極の狭幅寸法よりも小さく形成した構成によれば、その分だけ基板を小さく形成できるので、熱電変換モジュールの小型化を達成できる。
【００５５】
さらに、本発明において、複数の電極を互いに同じ大きさに形成して互いに等間隔で配置し、側面が基板端面と一致している側面一致熱電変換素子が対応する電極から前記基板端面側にはみ出るように、側面一致熱電変換素子の底面積を側面が基板端面と一致していない熱電変換素子の底面積より大きく形成した構成によれば、従来の熱電変換モジュールに用いた基板を用いて容易に熱電変換モジュールを組み立てられ、歩留まりを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱電変換モジュールの第１実施形態例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図２】上記第１実施形態例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図３】本発明に係る熱電変換モジュールの組み立て方法例を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明に係る熱電変換モジュールの第２実施形態例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図５】上記第２実施形態例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図６】本発明に係る熱電変換モジュールの第３実施形態例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図７】上記第３実施形態例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図８】本発明に係る熱電変換モジュールの第４実施形態例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図９】上記第４実施形態例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図１０】従来の熱電変換モジュールの一例の要部構成を分解状態で模式的に示す説明図である。
【図１１】図１０に示す従来例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図１２】従来の熱電変換モジュールにおける別の例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図１３】図１２に示す従来例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図１４】熱電変換モジュールの基板製造方法と、製造方法を異にした場合のバリ発生状況を示す説明図である。
【図１５】従来のペルチェモジュールの組み立て工程を模式的に示す説明図である。
【図１６】従来のペルチェモジュールの別の構成例を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
２，２ａ，２ｂ 電極
３，４，８ 端面
５，５ａ，５ｂ 熱電変換素子
６，７ 基板
１６，１７ 電極形成面
２８ リード線
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばDVD、パーソナルコンピュータや、サーバー、高性能電子計算機等の電子機器におけるLD,CPU、CCDなどの発熱を伴う電子部品に取り付けて、主に電子機器或いは電子部品の冷却を行うために用いられる熱電変換モジュール関するものである。
【０００２】
【背景技術】
ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールが、光通信分野等の様々な分野に用いられている。例えば図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、ペルチェモジュールは、互いに間隔を介して上下に配置された基板６，７の間に、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を立設配置して形成されている。（例えば、特許文献１、２、３参照。）。
【０００３】
基板６，７は、電気絶縁性を有する電気絶縁性基板であり、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックにより形成されている。基板６，７には、それぞれ、その片面側（対向面側）に複数の導通用の電極２が互いに間隔を介して配列形成されている。それぞれの電極２は長尺形状の長方形状に形成されており、上下の基板６，７は、電極２の位置を互いにずらした状態で電極形成面１６，１７を対向させて配置されている。
【０００４】
前記熱電変換素子５は対応する電極２を介して直列に接続され、熱電変換素子５の接続回路が形成されている。それぞれの電極２には、リード線２８の接合部を除いて、熱電変換素子５が電極２の長手方向に対して２個ずつ互いに等間隔で配置されている。熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、一般に、図１６（ｂ）に示すような円柱形状または、角柱形状に形成されている。また、電極２上には図示されていない半田が形成されて該半田を介して熱電変換素子５が電極２上に固定されている。
【０００５】
熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、ペルチェ素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成されたＮ型の熱電変換素子５ｂとを有する。Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは、それぞれ、例えばビスマス・テルル等の金属間化合物にアンチモン、セレン等の元素を添加することにより形成されている。Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは交互に配置され、電極２を介して直列に接続されてＰＮ素子対が形成されている。
【０００６】
ペルチェモジュールは、リード線２８から電極２に電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電流が流れて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。
【０００７】
このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部、例えば上側基板６側の端部が冷却せしめられると、上側基板６を介し、基板６の上側に設けられた部材の冷却（吸熱）が行われる。つまり、ペルチェモジュールは、一般に、ＩＣ等の電子部品の発熱体を冷却するために用いられる。なお、図１６に示す例において、下側基板７側に、加熱対象物を設ければ、ペルチェモジュールによって加熱対象物の加熱を行うこともできる。
【０００８】
図１０、図１２には、角柱形状の熱電変換素子５を有する従来の熱電変換モジュールの構成例がそれぞれ示されている。これらの図において、（ａ）は、上側の基板６を省略して示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は基板６に形成された電極２と熱電変換素子５の配置状態を、基板６を透かして見た状態で示す平面図である。図１０は、上下の基板６，７を同じ大きさに形成した熱電変換モジュールの例であり、図１２は、リード線２８を固定するために、下側基板７を上側基板６より大きく形成した熱電変換モジュールの例である。
【０００９】
また、図１１には、図１０に示す熱電変換モジュールの分解構成が示されており、図１３には、図１２に示す熱電変換モジュールの分解構成が示されている。図１１、図１３において、（ａ）は下側基板７の電極形成面１７の平面図、（ｂ）は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配置構成の平面図、（ｃ）は上側基板６の平面図である。
【００１０】
図１１、図１３に示すように、従来の熱電変換モジュールにおいて、基板６，７の電極形成面１６，１７に形成される電極２は互いに等しい大きさに形成され、かつ、基板６，７の端面３，４から設定間隔Ｓだけ内側に、互いに間隔を介して配置されている。また、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）も互いに等しい大きさに形成され、互いに等間隔で配置されている。
【００１１】
熱電変換モジュールの製造において、基板６，７の形成は、以下のようにして行われる。つまり、例えば図１４（ａ）に示すように、複数の熱電変換モジュールの基板６を製造可能な大きさの基板６ａ上に電極２を多数形成し、その基板６ａをダイシングソー２０等により切断することにより１つの熱電変換モジュールに適用される基板６を形成する。また、同様にして、基板７も形成する。
【００１２】
基板６，７はアルミナ等のセラミックにより形成されていて硬く、また、電極２は金属により形成されていて軟らかいので、上記切断に際し、仮に、電極２が形成されている部位を基板と共にダイシングソー等により切断すると、図１４（ｂ）、（ｃ）に示すようなバリ２２が生じる。
【００１３】
そこで、電極２は、上記のように、基板６，７の端面３，４から設定間隔Ｓだけ内側に形成され、バリ２２が生じることを抑制している。また、熱電変換素子５は、対応する電極２上に配置するので、図１０、図１２に示したように、基板６，７の端面３，４側に配置される熱電変換素子５は、その側面８が基板６，７の端面３，４よりも内側になるように配置される。
【００１４】
また、従来、ペルチェモジュールを組み立てるときは、図１５（ａ）に示すように、第１のガイド治具３１の凹部３５に下側基板７を配置し、その上に、第１のガイド治具３１の開口幅Ｗ１より狭い開口幅Ｗ２を有するガイド治具３２を設け、熱電変換素子５をガイドしながら下側基板７の電極形成面１７上に配置する。ガイド治具３２の開口幅を第１のガイド治具３１の開口幅より狭く形成することにより、熱電変換素子５の側面８を基板７の側面より内側に配置する。なお、熱電変換素子５は半田を介して対応する電極２（同図には図示せず）上に設けられる。
【００１５】
次に、図１５（ｂ）に示すように、第１のガイド治具３１の開口幅Ｗ１と同じ開口幅Ｗ３を有する第３のガイド治具３３を第２のガイド治具３２の上に配置し、上側基板６をガイドしながら、基板６の電極形成面１６を熱電変換素子５に対向させ、半田を介して基板６を熱電変換素子５の上に配置する。そして、第１〜第３のガイド治具３１〜３３は、例えばピン３６等により一体的に固定する。
【００１６】
その後、第１〜第３のガイド治具３１〜３３と共に、基板６，７に熱電変換素子５を挟んだ状態で、リフロー炉等に入れて半田を溶融させ、その後、冷却凝固させることにより、熱電変換素子５を上下の基板６，７に半田固定する。そして、第１〜第３のガイド治具３１〜３３を外し、図１５（ｃ）に示すように、基板７にリード線２８を接続することにより、ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールを完成させる。
【００１７】
なお、上記図１０〜図１６は、それぞれ、電極２、熱電変換素子５の配置構成を模式的に示しており、各基板６，７に形成されている数も簡略化して示してあるが、一般に、１つの熱電変換モジュールにはこれらの図に示すよりも多い数の電極２と熱電変換素子５が配置されている。
【００１８】
【特許文献１】
特開２０００―３６６８０
【特許文献２】
特開平８―１５５７９
【特許文献３】
特開平８―３２１６３７
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のペルチェモジュールは、熱電変換素子５の側面８が基板６，７の端面３，４よりも内側になるように熱電変換素子５を配置していたので、図１５に示したようにペルチェモジュールの組み立て工程が煩雑であり、上側基板６の端面３と熱電変換素子５の側面８と下側基板７の端面４との位置ずれが生じやすく、製造歩留まりを向上させることが難しいといった問題があった。
【００２０】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、製造が容易で製造歩留まりを向上可能な熱電変換モジュールを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、上下に互いに間隔を介して対向配置された基板の対向表面に複数の電極が基板端面から設定間隔内側に設けられて互いに間隔を介して配設され、前記基板の間に立設配置された複数の熱電変換素子が対応する電極を介して接続されている熱電変換モジュールにおいて、少なくとも前記基板の一端面側に配置された複数の熱電変換素子の側面が基板端面と一致している構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２２】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記基板に形成した電極は長尺形状と成し、複数の熱電変換素子は互いに同じ大きさに形成されて互いに等間隔で配置され、側面が基板端面と一致している側面一致熱電変換素子が対応する電極から前記基板端面側にはみ出るように、２個の側面一致熱電変換素子または１個の側面一致熱電変換素子とリード線とが基板端面の長手方向および電極の長手方向に間隔を介して共通に接触配置する電極の狭幅寸法を、２個の側面一致熱電変換素子または１個の側面一致熱電変換素子とリード線とが基板端面の長手方向および電極の長手方向に間隔を介して共通に接触していない電極の狭幅寸法よりも小さく形成した構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２３】
さらに、第３の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記複数の電極を互いに同じ大きさに形成して互いに等間隔で配置し、側面が基板端面と一致している側面一致熱電変換素子が対応する電極から前記基板端面側にはみ出るように、側面一致熱電変換素子の底面積を側面が基板端面と一致していない熱電変換素子の底面積より大きく形成した構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００２５】
図１には、本発明に係る熱電変換モジュールの第１実施形態例が模式的に示されている。図１において、（ａ）は、上側の基板６を省略して示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は基板６に形成された電極２と熱電変換素子５の配置状態を、基板６を透かして見た状態で示す平面図である。
【００２６】
また、図２には、本実施形態例の熱電変換モジュールの分解構成が示されている。図２において、（ａ）は下側基板７の電極形成面１７の平面図、（ｂ）は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配置構成の平面図、（ｃ）は上側基板６の平面図である。
【００２７】
これらの図に示すように、本実施形態例の熱電変換モジュールは、図１０に示した従来例とほぼ同様に配置された基板６，７、電極２、熱電変換素子５を有しており、本実施形態例が従来例と異なる特徴的なことは、少なくとも基板６，７の一端面（ここでは全部の端面）３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致していることである。なお、図１において、側面８が基板６，７の端面３，４と一致している側面一致熱電変換素子５をハッチングして示している。
【００２８】
複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は互いに同じ大きさに形成され、互いに等間隔で配置されている。また、本実施形態例では、図１にハッチングして示す側面一致熱電変換素子５が対応する電極２から基板６，７の端面３，４側にはみ出るように電極２の大きさを形成している。つまり、２個の側面一致熱電変換素子５または、１個の側面一致熱電変換素子５とリード線２８とが基板端面３，４の長手方向および電極２の長手方向に間隔を介して共通に接触配置する電極２ａの狭幅寸法を、２個の側面一致熱電変換素子５または１個の側面一致熱電変換素子５とリード線２８とが基板端面３，４の長手方向に間隔を介して共通に接触していない電極２ｂ，２ｃの狭幅寸法よりも小さく形成している。
【００２９】
なお、電極２ｂは、１つの側面一致熱電変換素子５と側面が基板端面３，４と一致していない１つの熱電変換素子５を配置している電極であり、電極２ｃは、側面一致熱電変換素子５を配置していない電極である。電極２ｂは、側面一致熱電変換素子５が電極２ｂから基板６，７の端面３，４側にはみ出るように、そのはみ出し分だけ電極２ｃに比べて長手方向の長さが短く形成されている。
【００３０】
図３には、本実施形態例の熱電変換モジュールの組み立て工程が模式的に示されている。本実施形態例のペルチェモジュールを組み立てるときは、図３（ａ）に示すように、ガイド治具３０の凹部３６に下側基板７を配置し、その上に、複数の熱電変換素子５を配置し、さらに、図３（ｂ）に示すように、熱電変換素子５の上に上側基板６を配置する。
【００３１】
本実施形態例では、基板６，７の端面３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致しているので、従来例のように、熱電変換素子５の側面８が基板６，７の端面よりも内側に配置されるようにガイドしながら配置する必要はなく、１つのガイド治具３０を用いて、基板６，７と熱電変換素子５の配置を一度に行うことができ、熱電変換モジュールを容易に組み立てられる。
【００３２】
なお、本実施形態例においても、熱電変換素子５は半田（図示せず）を介して対応する電極２（同図には図示せず）に固定接続され、図３（ｃ）に示すように、ガイド治具３０から外して形成される。基板７にはリード線（同図には図示せず）が接続される。
【００３３】
本実施形態例は以上のように構成されており、上記のように非常に簡単に組み立てることができ、上側基板６の端面３と熱電変換素子５の側面８と下側基板７の端面４との位置ずれが生じることも無く、製造歩留まりを向上させることができる。
【００３４】
また、近年、熱電変換モジュールの小型化の要求が高まり、小型でも効率良く冷却等の動作を行えるペルチェモジュール等の熱電変換モジュールを提案することは重要な課題となってきている。本実施形態例は、電極２ａ，２ｂを電極２ｃより小さく形成し、その分だけ基板６，７を小さく形成できるので、熱電変換モジュールの小型化を達成でき、上記要求を満たすことができる。
【００３５】
図４には、本発明に係る熱電変換モジュールの第２実施形態例が模式的に示されている。図４において、（ａ）は、上側の基板６を省略して示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は基板６に形成された電極２と熱電変換素子５の配置状態を、基板６を透かして見た状態で示す平面図である。
【００３６】
また、図５には、本実施形態例の熱電変換モジュールの分解構成が示されている。図５において、（ａ）は下側基板７の電極形成面１７の平面図、（ｂ）は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配置構成の平面図、（ｃ）は上側基板６の平面図である。
【００３７】
これらの図に示すように、第２実施形態例の熱電変換モジュールは、上記第１実施形態例の熱電変換モジュールとほぼ同様に構成されており、第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なることは、上側基板６を下側基板７より小さく（下側基板７を上側基板６より大きく）形成したことである。なお、図４のハッチングにより示す熱電変換素子５が側面一致熱電変換素子５である。また、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様にして組み立てられる。
【００３８】
第２実施形態例では、電極２の配列形態や熱電変換素子５の配列個数を上記第１実施形態例と異なるものとしているが、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様に、基板６，７の端面３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致しているので、上記第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００３９】
また、第２実施形態例でも、電極２ａ，２ｂを電極２ｃより小さく形成し、その分だけ基板６，７を小さく形成できるので、熱電変換モジュールの小型化を達成できる。
【００４０】
図６には、本発明に係る熱電変換モジュールの第３実施形態例が模式的に示されている。図６において、（ａ）は、上側の基板６を省略して示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は基板６に形成された電極２と熱電変換素子５の配置状態を、基板６を透かして見た状態で示す平面図である。
【００４１】
また、図７には、本実施形態例の熱電変換モジュールの分解構成が示されている。図７において、（ａ）は下側基板７の電極形成面１７の平面図、（ｂ）は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配置構成の平面図、（ｃ）は上側基板６の平面図である。
【００４２】
これらの図に示すように、第３実施形態例の熱電変換モジュールは、上記第１、第２実施形態例の熱電変換モジュールと同様に、基板６，７の端面３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致している。なお、図６において、側面８が基板６，７の端面３，４と一致している側面一致熱電変換素子５をハッチングして示している。
【００４３】
また、第３実施形態例は、複数の電極２を互いに同じ大きさに形成して互いに等間隔で配置し、側面が基板端面と一致している側面一致熱電変換素子５が対応する電極２から前記基板端面側にはみ出るように、側面一致熱電変換素子５の底面積を側面が基板端面と一致していない熱電変換素子５の底面積より大きく形成している。
【００４４】
第３実施形態例は以上のように構成されており、第３実施形態例も、上記第１、第２実施形態例と同様に、基板６，７の端面３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致しているので、上記第１、第２実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００４５】
図８には、本発明に係る熱電変換モジュールの第４実施形態例が模式的に示されている。図８において、（ａ）は、上側の基板６を省略して示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は基板６に形成された電極２と熱電変換素子５の配置状態を、基板６を透かして見た状態で示す平面図である。
【００４６】
また、図９には、本実施形態例の熱電変換モジュールの分解構成が示されている。図９において、（ａ）は下側基板７の電極形成面１７の平面図、（ｂ）は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配置構成の平面図、（ｃ）は上側基板６の平面図である。
【００４７】
これらの図に示すように、第４実施形態例の熱電変換モジュールは、上記第３実施形態例の熱電変換モジュールとほぼ同様に構成されており、第４実施形態例が上記第２実施形態例と異なることは、上側基板６を下側基板７より小さく（下側基板７を上側基板６より大きく）形成したことである。なお、図８において、側面８が基板６，７の端面３，４と一致している側面一致熱電変換素子５をハッチングして示している。
【００４８】
第４実施形態例も上記第３実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００４９】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設個数等は特に限定されるものではなく、適宜設定されるものであり、基板６，７の端面３，４側に配置された複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致していればよい。
【００５０】
なお、上記各実施形態例のように、基板６，７の全ての端面３，４側に配置された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致するようにすると、上記各実施形態例のような効果をより確実に発揮することができるが、少なくとも一つの端面３，４とその端面３，４側に配置された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面８が基板端面３，４と一致するようにすることにより、従来例より熱電変換モジュールの製造を容易にし、歩留まりを向上することができる。
【００５１】
さらに、上記各実施形態例は、電極２を長方形状に形成したが、電極２は長尺形状に形成されていればよく、例えば長円形状に形成してもよい。
【００５２】
さらに、上記説明は、いずれもペルチェ効果によって、熱電変換モジュールが冷却・加熱を行う例について説明したが、本発明の熱電変換モジュールは、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールにも適用できる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも前記基板の一端面側に配置された複数の熱電変換素子の側面が基板端面と一致しているので、非常に簡単に組み立てることができ、上側基板の端面と熱電変換素子の側面と下側基板の端面との位置ずれが生じることも無く、製造歩留まりを向上させることができる。
【００５４】
また、本発明において、複数の熱電変換素子を互いに同じ大きさとして互いに等間隔で配置し、２個の側面一致熱電変換素子または１個の側面一致熱電変換素子とリード線とが基板端面の長手方向に間隔を介して共通に接触配置する電極の狭幅寸法を、２個の側面一致熱電変換素子または１個の側面一致熱電変換素子とリード線とが基板端面の長手方向に間隔を介して共通に接触配置していない電極の狭幅寸法よりも小さく形成した構成によれば、その分だけ基板を小さく形成できるので、熱電変換モジュールの小型化を達成できる。
【００５５】
さらに、本発明において、複数の電極を互いに同じ大きさに形成して互いに等間隔で配置し、側面が基板端面と一致している側面一致熱電変換素子が対応する電極から前記基板端面側にはみ出るように、側面一致熱電変換素子の底面積を側面が基板端面と一致していない熱電変換素子の底面積より大きく形成した構成によれば、従来の熱電変換モジュールに用いた基板を用いて容易に熱電変換モジュールを組み立てられ、歩留まりを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱電変換モジュールの第１実施形態例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図２】上記第１実施形態例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図３】本発明に係る熱電変換モジュールの組み立て方法例を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明に係る熱電変換モジュールの第２実施形態例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図５】上記第２実施形態例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図６】本発明に係る熱電変換モジュールの第３実施形態例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図７】上記第３実施形態例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図８】本発明に係る熱電変換モジュールの第４実施形態例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図９】上記第４実施形態例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図１０】従来の熱電変換モジュールの一例の要部構成を分解状態で模式的に示す説明図である。
【図１１】図１０に示す従来例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図１２】従来の熱電変換モジュールにおける別の例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図１３】図１２に示す従来例の電極形成態様と熱電変換素子の配置態様を示す説明図である。
【図１４】熱電変換モジュールの基板製造方法と、製造方法を異にした場合のバリ発生状況を示す説明図である。
【図１５】従来のペルチェモジュールの組み立て工程を模式的に示す説明図である。
【図１６】従来のペルチェモジュールの別の構成例を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
２，２ａ，２ｂ 電極
３，４，８ 端面
５，５ａ，５ｂ 熱電変換素子
６，７ 基板
１６，１７ 電極形成面
２８ リード線
Claims (3)
- 上下に互いに間隔を介して対向配置された基板の対向表面に複数の電極が基板端面から設定間隔内側に設けられて互いに間隔を介して配設され、前記基板の間に立設配置された複数の熱電変換素子が対応する電極を介して接続されている熱電変換モジュールにおいて、少なくとも前記基板の一端面側に配置された複数の熱電変換素子の側面が基板端面と一致していることを特徴とする熱電変換モジュール。
- 基板に形成した電極は長尺形状と成し、複数の熱電変換素子は互いに同じ大きさに形成されて互いに等間隔で配置され、側面が基板端面と一致している側面一致熱電変換素子が対応する電極から前記基板端面側にはみ出るように、２個の側面一致熱電変換素子または１個の側面一致熱電変換素子とリード線とが基板端面の長手方向および電極の長手方向に間隔を介して共通に接触配置する電極の狭幅寸法を、２個の側面一致熱電変換素子または１個の側面一致熱電変換素子とリード線とが基板端面の長手方向および電極の長手方向に間隔を介して共通に接触していない電極の狭幅寸法よりも小さく形成したことを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
- 複数の電極を互いに同じ大きさに形成して互いに等間隔で配置し、側面が基板端面と一致している側面一致熱電変換素子が対応する電極から前記基板端面側にはみ出るように、側面一致熱電変換素子の底面積を側面が基板端面と一致していない熱電変換素子の底面積より大きく形成したことを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
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