JP4575106B2 - Thermoelectric converter - Google Patents

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Description

本発明は、冷却や加熱および温度差により発電を行う熱電変換素子からなる熱電変換装置に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion device including a thermoelectric conversion element that generates power by cooling, heating, and a temperature difference.

熱電変換素子は、P型熱電材料とN型熱電材料とを、金属を介して接合し、PN接合を形成することにより作製される。この熱電変換素子は、素子に電流を流すことにより、一方の接合対で冷却、他方の接合対で発熱が起こるいわゆるペルチェ効果を生じ、これを利用した冷却装置や精密温度制御装置などとして利用されている。   The thermoelectric conversion element is manufactured by joining a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material via a metal to form a PN junction. This thermoelectric conversion element produces a so-called Peltier effect in which current flows through the element to cool in one joint pair and heat is generated in the other joint pair. This thermoelectric conversion element is used as a cooling device or precision temperature control device using this effect. ing.

一般に、熱電変換素子は複数個の熱電エレメントと呼ばれる柱状のP型およびN型熱電材料片(以下、熱電エレメントと呼ぶ)とこれらを接合する金属電極を備えた2枚の基板により構成されている。P型及びN型熱電エレメントは2枚の基板に挟み込まれた状態で、一端面が一方の基板の金属電極に、他端面がもう一方の基板の金属電極にそれぞれ固着され、該金属電極を介してPN接合対が形成されるとともに、PN接合対が直列につながれるようになっている。   In general, a thermoelectric conversion element is composed of a plurality of columnar P-type and N-type thermoelectric material pieces (hereinafter referred to as thermoelectric elements) called thermoelectric elements and two substrates provided with metal electrodes for joining them. . In a state where the P-type and N-type thermoelectric elements are sandwiched between two substrates, one end surface is fixed to the metal electrode of one substrate, and the other end surface is fixed to the metal electrode of the other substrate. Thus, a PN junction pair is formed and the PN junction pairs are connected in series.

このような構造をしている熱電変換素子への電力の供給あるいは取り出しを行うために、この熱電変換素子を構成する一方の基板には、はんだ等により単芯または撚線からなるリード線が取り付けられている。例えば、特許文献1に、このような例が記載されている。   In order to supply or take out electric power to or from the thermoelectric conversion element having such a structure, a lead wire made of a single core or a stranded wire is attached to one substrate constituting the thermoelectric conversion element by solder or the like. It has been. For example, Patent Document 1 describes such an example.

一方、デジタルカメラやビデオカメラ等では、画像のセンシングにCCDイメージセンサーやCMOSイメージセンサー等の半導体を用いた固体撮像素子を用いているが、これらの半導体を用いたイメージセンサーは、温度上昇と共に暗電流が増化する。この暗電流の増化は、センシングした画像の画質の低下をもたらしている。   On the other hand, digital cameras and video cameras use solid-state image sensors using semiconductors such as CCD image sensors and CMOS image sensors for image sensing. Image sensors using these semiconductors darken as temperature rises. The current increases. This increase in dark current results in a decrease in the image quality of the sensed image.

温度上昇による暗電流の増加を防ぐために、上記の半導体を用いたイメージセンサーを熱電変換素子で冷却することが行われている。このような例は、特許文献2に記載されている。
特開平3−201579号公報(2頁および6頁第1図) 特開平2000−101888号公報
In order to prevent an increase in dark current due to a temperature rise, an image sensor using the above semiconductor is cooled by a thermoelectric conversion element. Such an example is described in Patent Document 2.
Japanese Patent Laid-Open No. 3-201579 (pages 1 and 2 and FIG. 1) Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-101888

しかしながら、熱電変換素子に取り付けられたリード線により、電力の供給あるいは取り出しを行う場合、電源をはじめとする外部の装置との接続が面倒であったり、取り付ける相手によっては直接取り付けられないといった問題があった。   However, when power is supplied or taken out by a lead wire attached to the thermoelectric conversion element, there is a problem that connection with an external device such as a power source is troublesome or it cannot be directly attached depending on the attachment partner. there were.

さらに、熱電変換素子はその原理より、素子を構成する熱電エレメントの基板に平行な断面の断面積とエレメントの高さの比を一定に保てば、小型化、薄型化が可能であることから、近年、熱電変換素子の薄型化、小型化が進んでいる。リード線は、二枚の基板の間に収められた状態で一方の基板にはんだ等で取り付ける方法と、一方の基板に対し電極取り付け部分を大きくした基板に取り付ける方法があった。しかしながら、上述のように薄型化、小型化が進むにつれて、前者の取り付け方法では、リード線が入るのに十分な隙間が基板間に確保できないことが生じる。後者の取り付け方法では、リード線の太さや接合に使用するはんだの盛り上がりにより、リード線を取り付けた基板に対向するもう一方の基板よりこれらが高くなってしまうことが生じる。この場合、熱電変換素子を取り付ける部材とリード線が接触していまい、熱電変換素子と部材との取り付けがうまく出来なくなってしまうという問題があった。図10に従来の熱電変換素子の概略図を示す。図10(a)は、従来の熱電変換素子の概略のうち、断面を示す図であり、図10(b)は上面より見た図を示す図である。   Furthermore, thermoelectric conversion elements can be reduced in size and thickness if the ratio of the cross-sectional area of the cross section parallel to the substrate of the thermoelectric elements constituting the element and the height of the elements is kept constant. In recent years, thermoelectric conversion elements have been made thinner and smaller. There are a method of attaching the lead wire to one substrate with solder or the like while it is housed between two substrates, and a method of attaching the lead wire to a substrate having a larger electrode attachment portion than the one substrate. However, as the thickness and size are reduced as described above, the former attachment method cannot ensure a sufficient gap between the substrates for the lead wires to enter. In the latter attachment method, the thickness of the lead wire and the rise of the solder used for joining may cause the height to be higher than the other substrate facing the substrate to which the lead wire is attached. In this case, there is a problem that the member to which the thermoelectric conversion element is attached and the lead wire are not in contact with each other, and the thermoelectric conversion element and the member cannot be attached well. FIG. 10 shows a schematic diagram of a conventional thermoelectric conversion element. Fig.10 (a) is a figure which shows a cross section among the outlines of the conventional thermoelectric conversion element, FIG.10 (b) is a figure which shows the figure seen from the upper surface.

本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。   The present invention provides the following means in order to solve the above problems.

本発明の熱電変換素子は、P型熱電材料からなる複数のP型熱電エレメントと、N型熱電材料からなる複数のN型熱電エレメントとこれらP型及びN型の異種熱電エレメントを一対ずつ接合してPN接合対を形成可能とする金属等からなる電極を有する第1基板と第1基板とともに、前記P型およびN型熱電エレメントを挟む状態に配置され、PN接合対を形成可能とする金属等からなる電極を有する第2基板とから構成されており、この熱電変換素子の入出力電極が上記第1基板および第2基板の少なくとも一方の基板で、上記エレメントを挟む面とは反対側の面に引き出されている。これにより、熱電変換素子への電力の入力あるいは、熱電変換素子からの電力の取り出しは、第1基板あるいは第2基板の外面より行うことができるようになる。   The thermoelectric conversion element of the present invention joins a plurality of P-type thermoelectric elements made of P-type thermoelectric material, a plurality of N-type thermoelectric elements made of N-type thermoelectric material, and a pair of these P-type and N-type different thermoelectric elements. The first substrate and the first substrate having electrodes made of metal or the like that can form a PN junction pair, and the P-type and N-type thermoelectric elements are disposed between the first substrate and the first substrate so that the PN junction pair can be formed. A surface of the thermoelectric conversion element that is at least one of the first substrate and the second substrate on the side opposite to the surface that sandwiches the element. Has been drawn to. Thereby, the input of electric power to the thermoelectric conversion element or the extraction of electric power from the thermoelectric conversion element can be performed from the outer surface of the first substrate or the second substrate.

また、本発明の熱電変換素子の入出力電極の基板外面への引き回しを第1基板あるいは第2基板に設けられたスルーホールまたは基板の端面より行うようにしてある。これにより、リード線などの特別な配線を用いず入出力電極を基板の内面から外面へ引き回すことができる。   In addition, the input / output electrodes of the thermoelectric conversion element of the present invention are routed to the outer surface of the substrate from the through holes provided in the first substrate or the second substrate or the end surfaces of the substrate. Thus, the input / output electrodes can be routed from the inner surface to the outer surface without using special wiring such as lead wires.

また、本発明の熱電変換素子の第1基板もしくは第2基板の少なくとも一方の基板において、エレメントを挟む面と反対側の面がメタライズされ、このメタライズされた部分がエレメントを挟む面より引き回された入出力電極と接続されている。これにより、このメタライズ部がペルチェ素子の入出力電極となる。   In addition, in at least one of the first substrate and the second substrate of the thermoelectric conversion element of the present invention, the surface opposite to the surface sandwiching the element is metallized, and this metallized portion is routed from the surface sandwiching the element. Connected to the input / output electrodes. Thereby, this metallized part becomes an input / output electrode of the Peltier element.

また、本発明の熱電変換素子の第1基板もしくは第2基板の少なくとも一方の基板において、エレメントを挟む面と反対側の面に、電気的に分割された複数のメタライズ部が形成され、このメタライズ部の1つもしくは複数にエレメントを挟む面より引き回された入出力電極が電気的に接続されている。これにより、入出力電極と同時に、入出力電極とは電気的に分離されたメタライズ部が基板の外面に形成される。   In addition, in at least one of the first substrate and the second substrate of the thermoelectric conversion element of the present invention, a plurality of electrically divided metallized portions are formed on the surface opposite to the surface sandwiching the element. An input / output electrode drawn from a surface sandwiching the element is electrically connected to one or more of the parts. Accordingly, simultaneously with the input / output electrodes, a metallized portion electrically separated from the input / output electrodes is formed on the outer surface of the substrate.

また、本発明の熱電変換素子の第1基板もしくは第2基板のいずれか一方が、樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材としている。この場合、樹脂は耐熱性を有するものが好ましいく、その厚みは、薄ければ薄いほど良い。熱伝導などを考慮すると樹脂層の厚みは、0.1マイクロmから100マイクロm程度が好ましい。   Moreover, either the 1st board | substrate or the 2nd board | substrate of the thermoelectric conversion element of this invention uses the material which has a resin or resin as a main component as a base material. In this case, the resin preferably has heat resistance, and the thinner the resin, the better. In consideration of heat conduction and the like, the thickness of the resin layer is preferably about 0.1 to 100 μm.

また、本発明の熱電変換素子の第1基板もしくは第2基板のいずれか一方が、樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材とし、銅が積層されている。この銅層は、熱伝導が低い樹脂からなる基材からの熱を受け、この熱を拡散する。また、この銅層を利用して、熱電変換素子に取り付けられる部材への接着、接合性を高めることができる。たとえば、はんだ等による接続が可能となる。   Moreover, either the 1st board | substrate or the 2nd board | substrate of the thermoelectric conversion element of this invention makes a base material the resin or the material which has resin as a main component, and copper is laminated | stacked. This copper layer receives heat from a base material made of a resin having low thermal conductivity, and diffuses this heat. In addition, by using this copper layer, it is possible to improve adhesion and bonding to a member attached to the thermoelectric conversion element. For example, connection by solder or the like is possible.

本発明によれば、熱電変換素子の入出力用の電極が熱電変換素子を構成する基板の外面に引き出されるので、内面側からのリード線による配線による電力供給だけでなく、外面より、電力を供給できるようになるので、配線に自由度を持たせることができる。   According to the present invention, since the input / output electrodes of the thermoelectric conversion element are drawn out to the outer surface of the substrate constituting the thermoelectric conversion element, not only the power supply by the wiring from the inner surface side but also the electric power from the outer surface. Since the power can be supplied, the degree of freedom can be given to the wiring.

また、熱電変換素子の基板に設けたスルーホールまたは基板の端面を利用して、内面側から入出力電極を外面に引き回すことにより、不必要な配線を取り付けることなく引き回しができると同時に、基板作製時に同時にこの引き回し配線を形成することができるので、製造上のコストが下げることができる。   In addition, by using through holes provided in the substrate of the thermoelectric conversion element or the end face of the substrate, the input / output electrodes are routed from the inner surface to the outer surface, so that unnecessary wiring can be routed and at the same time the substrate is manufactured. Since this routing wiring can be formed at the same time, the manufacturing cost can be reduced.

基板内面より引き回された配線が、外面に設けられたメタライズ部に接続されることにより、熱電変換素子への電力供給もしくは熱電変換素子からの電力出力を外面から行うことが可能となる。このメタライズ部を熱電変換素子へ接続するための配線を施したプリント配線基板などにはんだ等の導電性を有する接合剤で接続することにより電力をプリント配線基板などから供給もしくは出力することができるようになるので、熱電変換素子と外部との電気的な接続を容易にする。さらに、外面メタライズ部の構造を適宜設計することにより、熱電変換素子に対する熱接続も向上することができる。すなわち、電気と熱の接続を同時に行うことができるようになる。   By connecting the wiring routed from the inner surface of the substrate to the metallization portion provided on the outer surface, it becomes possible to supply power to the thermoelectric conversion element or output power from the thermoelectric conversion element from the outer surface. By connecting the metallized portion to a printed wiring board with wiring for connecting to the thermoelectric conversion element with a conductive bonding agent such as solder, power can be supplied or output from the printed wiring board or the like. Therefore, electrical connection between the thermoelectric conversion element and the outside is facilitated. Furthermore, the thermal connection to the thermoelectric conversion element can be improved by appropriately designing the structure of the outer metallized portion. In other words, electricity and heat can be connected simultaneously.

熱電変換素子の第1基板もしくは第2基板の少なくとも一方の基板において、エレメントを挟む面と反対側の面に、電気的に分割された複数のメタライズ部が形成され、このメタライズ部の1つもしくは複数にエレメントを挟む面より引き回された入出力電極が電気的に接続されていることにより、入出力電極と同時に、入出力電極とは電気的に分離されたメタライズ部が基板の外面に形成される。これにより、入出力電極と接続されたメタライズ部はあらかじめ配線をほどこしたプリント配線基板等に接続し、電気的に接続されないメタライズ部を熱が流出入する部材、たとえば被温度制御部材や放熱を行うための部材へ直接はんだ等の接合剤により、同時に接続できる。これにより、放熱性、温度制御性を高めると同時に熱電変換素子への電力の入出力を容易に行えるようになり、製造においても非常に効率が高まる。   In at least one of the first substrate and the second substrate of the thermoelectric conversion element, a plurality of electrically divided metallized portions are formed on the surface opposite to the surface sandwiching the element, and one of the metalized portions or By connecting the input / output electrodes routed from the surface that sandwiches the elements to each other, a metallized part that is electrically separated from the input / output electrodes is formed on the outer surface of the substrate simultaneously with the input / output electrodes. Is done. As a result, the metallized portion connected to the input / output electrodes is connected to a printed wiring board or the like that has been pre-wired, and the metalized portion that is not electrically connected to the metalized portion, such as a temperature control member or heat radiating member. It can be simultaneously connected to the member for directly using a bonding agent such as solder. As a result, heat dissipation and temperature controllability can be improved and power can be easily input and output to the thermoelectric conversion element, which greatly increases efficiency in manufacturing.

熱電変換素子を構成する第1基板もしくは第2基板の少なくとも一方の基板を構成する部材を樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材とすることにより、スルーホールや端面配線による基板内面から基板外面への配線の引き回しをしやすくする。また、樹脂等は熱電変換素子を構成する電極材料や熱電材料と熱膨張率がセラミックス等の無機材料とくらべ非常に近いので、製造上におけるはんだ接合等における熱的な衝撃や使用時における熱ひずみに対して有効に働く。なお、厚みについては、熱伝導率を考慮すると、0.1μmから100μm程度が好ましい。   A member constituting at least one of the first substrate and the second substrate constituting the thermoelectric conversion element is made of a resin or a resin-based material as a base material, so that the substrate is formed from the inner surface of the substrate by through holes or end surface wiring. Makes it easy to route the wiring to the outside. Resins, etc. are very close in thermal expansion coefficient to electrode materials and thermoelectric materials that make up thermoelectric conversion elements compared to inorganic materials such as ceramics. Works effectively against. The thickness is preferably about 0.1 μm to 100 μm in consideration of thermal conductivity.

熱電変換素子を構成する第1基板もしくは第2基板のいずれか一方が、樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材とし、銅が積層されている。この銅層は、熱伝導が低い樹脂からなる基材からの熱を受け、この熱を拡散する。また、この銅層を利用して、熱電変換素子に取り付けられる部材への接着、接合性を高めることができる。たとえば、はんだ等による接続が可能となる。   Either one of the first substrate and the second substrate constituting the thermoelectric conversion element is made of a resin or a resin-based material as a base material, and copper is laminated. This copper layer receives heat from a base material made of a resin having low thermal conductivity, and diffuses this heat. In addition, by using this copper layer, it is possible to improve adhesion and bonding to a member attached to the thermoelectric conversion element. For example, connection by solder or the like is possible.

(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態に係わる熱電変換素子について、図面を参照にして説明する。図1(a)は本発明である熱電変換素子の概略断面図である。また、図1(b)は、この熱電変換素子を第2基板3方向よりみた概略図面である。この熱電変換素子は、熱電材料からなる熱電エレメント1がアルミナからなる第1基板2とアルミナからなる第2基板3により挟まれた構造をとっている。第1基板2および第2基板3の熱電エレメント1側の面には、PN接合をおこなうための電極4が形成されている。第1基板2にはこのPN接合を行うための電極4のうち両端が入出力電極5を兼ねている。第1基板2には、スルーホール穴6が形成されている。このスルーホール6内はメタライズされており、外面のメタライズ部7へと一体化されており、電気的に接続がとられている。
(First embodiment)
Hereinafter, the thermoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Fig.1 (a) is a schematic sectional drawing of the thermoelectric conversion element which is this invention. FIG. 1B is a schematic view of the thermoelectric conversion element as viewed from the direction of the second substrate 3. This thermoelectric conversion element has a structure in which a thermoelectric element 1 made of a thermoelectric material is sandwiched between a first substrate 2 made of alumina and a second substrate 3 made of alumina. Electrodes 4 for performing PN junction are formed on the surfaces of the first substrate 2 and the second substrate 3 on the thermoelectric element 1 side. Both ends of the electrode 4 for performing the PN junction on the first substrate 2 also serve as the input / output electrodes 5. A through hole hole 6 is formed in the first substrate 2. The inside of the through hole 6 is metallized and integrated with the metallized portion 7 on the outer surface, and is electrically connected.

図2は第1基板の外面の構造を示した図である。熱電変換素子の二つの電極をスルーホール6aおよびスルーホール6bを通して、外面に引き出しメタライズ部7aおよびメタライズ部7bへ接続しているおり、これらのメタライズ部7aおよびメタライズ部7bが各々熱電変換素子の入出力電極となっている。このうち、図2(a)では、それぞれのメタライズ部が同じ形状をしており、熱電変換素子を構成しているエレメント1の下までそれぞれ伸びた構造をとっている例である。図2(b)は一方のメタライズ部7aは、熱電変換素子を構成しているエレメント1の下まで至っておらず、メタライズ部7bがエレメント1の下まで広がっている構造をとっている例である。   FIG. 2 is a view showing the structure of the outer surface of the first substrate. Two electrodes of the thermoelectric conversion element are drawn out through the through hole 6a and the through hole 6b and connected to the metallized part 7a and the metallized part 7b. The metallized part 7a and the metallized part 7b are respectively inserted into the thermoelectric conversion element. Output electrode. Among these, FIG. 2A shows an example in which each metallized portion has the same shape and has a structure extending to the bottom of the element 1 constituting the thermoelectric conversion element. FIG. 2B shows an example in which one metallized portion 7 a does not reach below the element 1 constituting the thermoelectric conversion element, and the metallized portion 7 b extends below the element 1. .

さらに、図3は、入出力電極につながるメタライズ部7aおよびメタライズ部7bとは別に独立したメタライズ部8aまたはメタライズ部8bを形成した例である。図3aでは、入出力電極につながるメタライズ部7aおよび7bは、スルーホール6aおよびスルーホール6bの近傍のみに形成されており、独立したメタライズ部8aはメタライズ部7aおよびメタライズ部7bから、第1基板2のエレメント1設置部の下に形成されている。図3(b)は、独立したメタライズ部8bがスルーホール6aおよびスルーホール6bの近傍にのみ形成されたメタライズ部7aおよびメタライズ部7bの間にまで広げた例である。   Further, FIG. 3 shows an example in which a metallized part 8a or a metallized part 8b independent from the metallized part 7a and the metallized part 7b connected to the input / output electrodes is formed. In FIG. 3a, the metallized parts 7a and 7b connected to the input / output electrodes are formed only in the vicinity of the through hole 6a and the through hole 6b, and the independent metallized part 8a is separated from the metallized part 7a and the metallized part 7b by the first substrate. 2 is formed under the element 1 installation portion. FIG. 3B shows an example in which the independent metallized portion 8b extends between the metallized portion 7a and the metallized portion 7b formed only in the vicinity of the through hole 6a and the through hole 6b.

第1基板1の外面メタライズ部の形状等については、図2および図3に示した以外にも考えられるが、熱電変換素子が取り付けられる部材の形状等によりメタライズ部7a、7bおよび独立したメタライズ部8a、8bの形状、大きさ、メタライズ層の材質等は変わることはいうまでもない。また、第1実施形態では、第1基板2の内面と外面の接続をスルーホール6により行ったが、図4に示したように、第1基板2の端面に端面メタライズ部9を設けることにより内面と外面の接続を行うこともできる。   The shape and the like of the outer surface metallized portion of the first substrate 1 may be considered other than those shown in FIGS. 2 and 3, but depending on the shape of the member to which the thermoelectric conversion element is attached, the metallized portions 7a and 7b and the independent metallized portion Needless to say, the shape and size of 8a and 8b, the material of the metallization layer, and the like are changed. In the first embodiment, the inner surface and the outer surface of the first substrate 2 are connected by the through hole 6. However, as shown in FIG. 4, the end surface metallized portion 9 is provided on the end surface of the first substrate 2. It is also possible to connect the inner and outer surfaces.

図5は本実施形態で作製した熱電変換素子を実際に対象物に取り付けた例である。熱電変換素子10は、第1基板2側で入出力行うための配線11を形成してある部材12とはんだ13により接続されている。この場合、部材12の材質はすくなくとも配線11の部分では絶縁物である必要があるが、全体としては、その材質、性状、機能を問うものではない。一方、第2基板3に部材14が搭載されている。第2基板3と部材14との接続は、熱伝導性グリースなどで行われるが、第2基板3の外面にメタライズを施しておけば、部材14がはんだ付け可能なものであれば、はんだ付けをおこなってもよい。はんだ付けが可能な場合、熱電変換素子10の取り付けは、電気的、熱的な接続は一回のハンダ付けで可能になりうるので非常に効率が上がる。取り付けられた熱電変換素子10は、冷却素子として使用する場合と発電変換素子として使用する場合がある。   FIG. 5 shows an example in which the thermoelectric conversion element manufactured in this embodiment is actually attached to an object. The thermoelectric conversion element 10 is connected to a member 12 on which a wiring 11 for performing input / output on the first substrate 2 side is connected by a solder 13. In this case, at least the material of the member 12 needs to be an insulator in the portion of the wiring 11, but the material, properties, and functions are not questioned as a whole. On the other hand, a member 14 is mounted on the second substrate 3. The connection between the second substrate 3 and the member 14 is made with thermally conductive grease or the like. If the outer surface of the second substrate 3 is metalized, the member 14 can be soldered if it can be soldered. You may do. When soldering is possible, the thermoelectric conversion element 10 can be attached with high efficiency because electrical and thermal connection can be achieved by a single soldering. The attached thermoelectric conversion element 10 may be used as a cooling element or a power generation conversion element.

この熱電変換素子10は、発電および冷却として使用することができるが、いずれの場合においても、部材12、部材14のいずれが高温側、低温側であっても良い。   The thermoelectric conversion element 10 can be used for power generation and cooling, but in either case, either the member 12 or the member 14 may be on the high temperature side or the low temperature side.

(第2実施形態)
次に、本発発明に係わる第2実施形態について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment according to the present invention will be described.

本実施形態では、第1基板2aにポリイミド樹脂を使い、第2基板3aにアルミナを用いている。図6に第2実施形態に係わる熱電変換素子の概略断面図を示す。ポリイミド樹脂はアルミナ等のセラミックス材料等と比べると、熱伝導率の高さの点で劣っているが、加工性、柔軟性、強度等の点で優れている。ポリイミド樹脂の厚みをできる限り薄くすることにより熱抵抗を下げるようにする。厚みは0.1μmから100μm程度が好ましい。ポリイミド樹脂層の厚みが薄い場合は、メタライズ部となる銅箔上に液状のポリイミド樹脂を塗布し硬化することによりポリイミド樹脂層を形成する。厚い場合は、フィルム状のポリイミド樹脂を銅等の金属でメタライズすればよい。ポリイミド樹脂と銅等の金属が積層された部材を作製したのち、穴あけ加工、めっき、フォトリソグラフィー等の技術を用いることによりPN電極、メタライズ部等を形成すれば容易に第1基板2aを作製することができる。一方の第2基板3aは、アルミナ上へのめっきとフォトリソグラフィー技術により容易に作製する。第1基板2aと第2基板3aとの間に挟まれる熱電材料としてビスマス・テルル系材料を使用する場合、ビスマス・テルルのエレメント端面にニッケルメッキを施しておき、PN接合を行うための電極4にはんだ付けすることにより熱電変換素子を作製する。   In the present embodiment, polyimide resin is used for the first substrate 2a, and alumina is used for the second substrate 3a. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the thermoelectric conversion element according to the second embodiment. A polyimide resin is inferior in terms of high thermal conductivity compared to a ceramic material such as alumina, but is excellent in terms of workability, flexibility, strength, and the like. The thermal resistance is lowered by reducing the thickness of the polyimide resin as much as possible. The thickness is preferably about 0.1 μm to 100 μm. When the thickness of the polyimide resin layer is thin, the polyimide resin layer is formed by applying and curing a liquid polyimide resin on the copper foil that becomes the metallized portion. If it is thick, a film-like polyimide resin may be metallized with a metal such as copper. After producing a member in which a metal such as polyimide resin and copper is laminated, the first substrate 2a can be easily produced by forming a PN electrode, a metallized portion, etc. by using a technique such as drilling, plating, photolithography, etc. be able to. One second substrate 3a is easily produced by plating on alumina and photolithography. When a bismuth / tellurium-based material is used as the thermoelectric material sandwiched between the first substrate 2a and the second substrate 3a, the element end face of bismuth / tellurium is nickel-plated to perform PN bonding. A thermoelectric conversion element is produced by soldering to the substrate.

このようにして作製された熱電変換素子を冷却素子として使用する場合、入力電極が形成されている第1基板2aを冷却側として用いることが好ましい。冷却素子として熱電変換素子を使用する場合、冷却側基板を通過する熱量は、放熱側基板を通過する熱量より、かなり小さくなる。熱伝導に劣るポリイミド樹脂等の有機材料を基板として使用する場合、極力通過する熱量を小さくすることにより発生する温度差を小さくできるので、本形態の場合第1基板2aを冷却側にすることにより性能をより高く発揮できる。   When using the thermoelectric conversion element produced in this way as a cooling element, it is preferable to use the 1st board | substrate 2a in which the input electrode is formed as a cooling side. When a thermoelectric conversion element is used as the cooling element, the amount of heat passing through the cooling side substrate is considerably smaller than the amount of heat passing through the heat dissipation side substrate. When an organic material such as polyimide resin that is inferior in heat conduction is used as a substrate, the temperature difference generated by reducing the amount of heat passing through as much as possible can be reduced, so in the case of this embodiment, the first substrate 2a is set on the cooling side. Higher performance can be achieved.

また、第1基板および第2基板を構成する基材の材質違いに対する組み合わせは、任意行うことができる。図7(a)は第1基板および第2基板の両方に樹脂製基材を用い、第2基板3bの外面にメタライズ部15を形成し、第2基板3bをはんだによる外部部材との接続を可能としたものである。図7(b)は第1基板にアルミナ基板を用い、第2基板に外面にメタライズ部15を形成した樹脂製基材を用いた例を示した図である。   Moreover, the combination with respect to the material difference of the base material which comprises a 1st board | substrate and a 2nd board | substrate can be performed arbitrarily. FIG. 7 (a) uses a resin base material for both the first substrate and the second substrate, forms a metallized portion 15 on the outer surface of the second substrate 3b, and connects the second substrate 3b to an external member by soldering. It is possible. FIG. 7B is a view showing an example in which an alumina substrate is used as the first substrate and a resin base material in which the metallized portion 15 is formed on the outer surface is used as the second substrate.

第1基板外面のメタライズ部15の配置については、図2および図3に示したものなどが使えることは、第1実施形態と同様である。
(第3実施形態)
本発発明に係わる第3実施形態について説明する。
As for the arrangement of the metallized portion 15 on the outer surface of the first substrate, the one shown in FIGS. 2 and 3 can be used as in the first embodiment.
(Third embodiment)
A third embodiment according to the present invention will be described.

図8は、第3実施形態に係わる熱電変換素子の縦断面の概略図である。
第1基板2dおよび第2基板3dにいずれにもスルーホール6d、6eを形成し、熱電変換素子の入出力電極5aおよび5bを第1基板2dおよび第2基板3dにおのおの別々の基板に形成する。図9(a)から(c)は第1基板2dの外面のメタライズ部の配置を示した図である。第2基板3dについても、スルーホール6eの位置が異なるだけで、実質的な配置は図9(a)から(c)と同様である。
FIG. 8 is a schematic view of a longitudinal section of a thermoelectric conversion element according to the third embodiment.
Through holes 6d and 6e are formed in both the first substrate 2d and the second substrate 3d, and the input / output electrodes 5a and 5b of the thermoelectric conversion elements are formed in separate substrates, the first substrate 2d and the second substrate 3d. . FIGS. 9A to 9C are views showing the arrangement of the metallized portions on the outer surface of the first substrate 2d. The second substrate 3d is substantially the same as FIGS. 9A to 9C except that the position of the through hole 6e is different.

この構造によると、熱電変換素子の入出力電極の一方を高温側、他方を低温側となる。あらかじめ、熱電変換素子を取り付ける部材に接続用配線を施しておけば、はんだ等容易に接続できる。一方の基板に両方の電極を設けた場合とことなり、部材との接続時に、はんだ等の流れによる電気的なショートを防ぐことができる。   According to this structure, one of the input / output electrodes of the thermoelectric conversion element is on the high temperature side and the other is on the low temperature side. If connection wiring is provided in advance on the member to which the thermoelectric conversion element is attached, solder or the like can be easily connected. Unlike the case where both electrodes are provided on one substrate, an electrical short due to the flow of solder or the like can be prevented when connecting to a member.

本発明の第1実施形態に係わる熱電変換素子の概略を示した図である。It is the figure which showed the outline of the thermoelectric conversion element concerning 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の第1基板の外面の入出力電極につながるメタライズ部を示した図であるIt is the figure which showed the metallization part connected to the input / output electrode of the outer surface of the 1st board | substrate of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の第1基板の外面の入出力電極につながるメタライズ部と独立したメタライズ部を示した図であるIt is the figure which showed the metallization part independent of the metallization part connected to the input / output electrode of the outer surface of the 1st board | substrate of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の第1基板の端面に端面メタライズ部を設けることにより内面と外面の接続を行った熱電変換素子の概略断面を示した図である。It is the figure which showed the schematic cross section of the thermoelectric conversion element which connected the inner surface and the outer surface by providing an end surface metallization part in the end surface of the 1st board | substrate of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態で作製した本発明の熱電変換素子を対象物に取り付けた例を示した図である。It is the figure which showed the example which attached the thermoelectric conversion element of this invention produced in 1st Embodiment of this invention to the target object. 本発明の第2実施形態に係わる熱電変換素子の概略断面を示した図である。It is the figure which showed the schematic cross section of the thermoelectric conversion element concerning 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態における熱電変換素子を構成する第1基板と第2基板の組み合わせを変えた場合の熱電変換素子の概略断面を示す図である。It is a figure which shows the schematic cross section of the thermoelectric conversion element at the time of changing the combination of the 1st board | substrate and 2nd board | substrate which comprise the thermoelectric conversion element in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係わる熱電変換素子の概略断面を示した図である。It is the figure which showed the schematic cross section of the thermoelectric conversion element concerning 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態の熱電変換素子を構成する第1基板の外面メタライズ部の配置を示した図である。It is the figure which showed arrangement | positioning of the outer surface metallization part of the 1st board | substrate which comprises the thermoelectric conversion element of 3rd Embodiment of this invention. 本発明と対比するための従来の熱電変換素子の概略を示した図である。It is the figure which showed the outline of the conventional thermoelectric conversion element for contrast with this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・熱電エレメント
2、2a、2b、2c、2d・・・第1基板
3、3a、3b、3c、3d・・・第2基板
4・・・PN接合を行うための電極
5・・・入出力電極
6、6a、6b、6c、6d、6e・・・スルーホール
7、7a、7b、7c、7d・・・外面メタライズ部
8a、8b、8c、8d・・・独立したメタライズ部
9・・・端面メタライズ部
10・・・熱電変換素子
11・・・入出力を行うための配線
12・・・熱電変換素子に取り付けられる部材
13・・・はんだ
14・・・熱電変換素子に取り付けられる部材
15・・・メタライズ部
16・・・リード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thermoelectric element 2, 2a, 2b, 2c, 2d ... 1st board | substrate 3, 3a, 3b, 3c, 3d ... 2nd board | substrate 4 ... Electrode 5 for performing PN junction ... Input / output electrodes 6, 6 a, 6 b, 6 c, 6 d, 6 e... Through holes 7, 7 a, 7 b, 7 c, 7 d... External metallized portions 8 a, 8 b, 8 c, 8 d.・ ・ ・ End metallization part 10 ・ ・ ・ thermoelectric conversion element 11 ・ ・ ・ wiring 12 for input / output ・ ・ ・ member 13 attached to thermoelectric conversion element ・ ・ ・ solder 14 ・ ・ ・ attached to thermoelectric conversion element Member 15 ... Metallized portion 16 ... Lead wire

Claims (7)

P型熱電材料からなる複数のP型熱電エレメントと、N型熱電材料からなる複数のN型熱電エレメントと、これらP型及びN型の異種熱電エレメントを一対ずつ接合してPN接合対を形成可能とする電極を有する第1基板と、該第1基板とともに、前記P型およびN型熱電エレメントを挟む状態に配置され、PN接合対を形成可能とする電極を有する第2基板とを備えた熱電変換素子において、
この熱電変換素子の入出力電極のうち一方が上記第1基板および第2基板の一方に設けられ、前記入出力電極のうち他方が上記第1基板および第2基板の他方に設けられるとともに、上記エレメントを挟む面とは反対側の面に引き出されていることを特徴とする熱電変換装置。
A plurality of P-type thermoelectric elements made of P-type thermoelectric material, a plurality of N-type thermoelectric elements made of N-type thermoelectric material, and a pair of these P-type and N-type different thermoelectric elements can be joined to form a PN junction pair And a second substrate having an electrode that can be formed with a PN junction pair disposed between the P-type and N-type thermoelectric elements together with the first substrate. In the conversion element,
One of the input / output electrodes of the thermoelectric conversion element is provided on one of the first substrate and the second substrate , the other of the input / output electrodes is provided on the other of the first substrate and the second substrate, and A thermoelectric conversion device, wherein the thermoelectric conversion device is drawn to a surface opposite to a surface sandwiching the element.
上記熱電変換素子の第1基板および第2基板において、エレメントを挟む面から反対の面への電極の引き回しが、基板に設けられたスルーホールによりなされていることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換装置。 2. The first substrate and the second substrate of the thermoelectric conversion element, wherein the electrode is routed from the surface sandwiching the element to the opposite surface by a through hole provided in the substrate. Thermoelectric conversion device. 上記熱電変換素子の第1基板および第2基板において、エレメントを挟む面から反対の面への電極の引き回しが、基板の端面よりなされていることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換装置。 2. The thermoelectric conversion device according to claim 1 , wherein in the first substrate and the second substrate of the thermoelectric conversion element, the electrode is routed from the surface sandwiching the element to the opposite surface from the end surface of the substrate. 3. . 上記熱電変換素子の第1基板および第2基板において、エレメントを挟む面と反対側の面がメタライズされ、このメタライズされた部分がエレメントを挟む面より引き回された入出力電極と接続されていることを特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載の熱電変換装置。 In the first substrate and the second substrate of the thermoelectric conversion element, the surface opposite to the surface sandwiching the element is metallized, and the metallized portion is connected to the input / output electrode routed from the surface sandwiching the element. The thermoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3, wherein the thermoelectric conversion device is characterized in that: 上記熱電変換素子の第1基板および第2基板において、エレメントを挟む面と反対側の面に、電気的に分割された複数のメタライズ部が形成され、このメタライズ部の1つもしくは複数にエレメントを挟む面より引き回された入出力電極が電気的に接続されていることを特徴とする請求項1から請求項4のうちいずれか1項に記載の熱電変換装置。 In the first substrate and the second substrate of the thermoelectric conversion element, a plurality of electrically divided metallized portions are formed on a surface opposite to a surface sandwiching the elements , and an element is disposed on one or a plurality of the metalized portions. The thermoelectric converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the input / output electrodes routed from the sandwiching surface are electrically connected. 上記熱電変換素子の第1基板および第2基板において、樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材としていることを特徴とする請求項1から請求項5のうちいずれか1項に記載の熱電変換装置。 The thermoelectric device according to any one of claims 1 to 5, wherein the first substrate and the second substrate of the thermoelectric conversion element are made of a resin or a resin-based material as a base material. Conversion device. 上記熱電変換素子の第1基板および第2基板において、樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材とし、この基材に銅が積層されていることを特徴とする請求項1から請求項6のうちいずれか1項に記載の熱電変換装置。 7. The first substrate and the second substrate of the thermoelectric conversion element, wherein a base material is a resin or a resin-based material, and copper is laminated on the base material. The thermoelectric conversion apparatus of any one of these.
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