JP6145664B2 - 熱電変換モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ゼーベック効果による熱電発電やペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）を行うために利用される熱電変換モジュールに関する。

従来、熱電発電や熱電冷却を行うために利用される熱電変換モジュールの一例として、例えば、ｐ型熱電材料からなる複数のｐ型素子とｎ型熱電材料からなる複数のｎ型素子が二次元的に配列された構造とされた面状の熱電変換モジュールが知られている。このような面状の熱電変換モジュールにおいて、モジュールの表裏両面には、複数の電極が設けられ、各電極を介して一つのｐ型素子と一つのｎ型素子が電気的に接続される。これにより、複数のｐ型素子と複数のｎ型素子が交互に直列接続されている。

このような熱電変換モジュールの表面側と裏面側に温度差（温度勾配）を与えると、ｐ型素子では低温側が高電位、高温側が低電位となる一方、ｎ型素子では高温側が高電位、低温側が低電位となる。その結果、低温側ではｐ型素子からｎ型素子へと電流が流れ、高温側ではｎ型素子からｐ型素子へと電流が流れる。

ところで、上述のようなｐ型素子やｎ型素子は、従来、ｐ型熱電材料やｎ型熱電材料と同一組成の原料組成物を加熱して熔解又は焼結したものから、機械的加工（切削加工）によってブロック状の成形体を切り出し、それらを基板上に配列して直列に接続していた。しかし、熱電材料には硬く脆いものが多い。そのため、微細な精密加工は難しく、小型化薄型化を図ることは困難であった。また、成形体の切り出し加工では、歩留まりが低くなるという問題もあった。

また、熱伝導性に優れる熱電材料を利用する場合、ブロック状に切り出された素子を利用すると、熱電変換モジュールの表裏に大きな温度差を与えても、素子の内部を熱が伝わりやすい。そのため、素子の両端間では十分な温度差が発現しないという問題があった。

このような諸問題に対し、素子の形状を工夫することにより、素子両端間で大きな温度差を発現させることができ、熱電発電モジュールの小型化をも実現可能な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の技術においては、ｐ型あるいはｎ型の素子の少なくとも一方の素子の形状が球を複数組み合わせた形状とされる（特許文献１：請求項１参照）。このような素子であれば、隣り合う位置にある球と球との接合部分に、断面積が最も小さくなるくびれ部分が形成される。そのため、くびれ部分で熱流束が滞ることになり、ブロック状に切り出された素子よりも素子両端間で熱が伝わりにくくなる。その結果、素子両端間の温度差が大きくなるので、熱電変換モジュールの熱電変換性能を向上させることができる。

また、このように個々の素子の性能（起電力）が向上すれば、より小型の素子でも必要な性能を確保することができる。したがって、熱電変換モジュールの軽量化、薄型化、小型化を図ることができる。

特許４５２４３８２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているような形状（球を複数組み合わせた形状）の素子（ｐ型素子又はｎ型素子）には、以下のような点で、未だ改良の余地が残されていた。

まず、上述のような形状の素子を複数の球状粒子から製造する場合、複数の球状粒子が一列に並べられた状態を維持したまま各粒子間を接合しなければならない。そのため、直径が数ｍｍ程度の小さな球状粒子を利用する場合には、小さな球状粒子を整列させる作業や、その整列状態を維持したまま粒子間を接合する作業などに多大な手間がかかる、という問題があった。

また、そのような形状のｐ型素子及びｎ型素子を利用して熱電変換モジュールを製造する際には、例えば、複数のｐ型素子及び複数のｎ型素子の長手方向（各素子を構成する球の配列方向）を一方向に揃えて、各素子間には互いに間隔を空けた状態で、各素子が配列され、ｐ型素子とｎ型素子が交互に直列接続される。

しかし、直径が数ｍｍ程度の小さな球状粒子を複数個接合することによって構成された素子の場合、素子自体のサイズも相応に小さいものとなる。そのため、そのような小さな素子の長手方向を一方向に揃える作業、その揃えた素子を所定の間隔を空けて配列・固定する作業などには多大な手間がかかる、という問題があった。

さらに、上述のような形状の素子の場合、球状粒子間の接合箇所には、上述のようなくびれ部分がある。そのため、ブロック状に切り出された素子に比べると、くびれ部分での機械的強度を確保することが難しく、素子の構造が脆弱になりやすい、という問題があった。そのため、素子がくびれ部分で破断するのを避けるには、熱電変換モジュールに過大な衝撃や振動が伝わらない用途でしか、熱電変換モジュールを利用できず、その用途が限られてしまう、という問題があった。

より具体的な例を挙げれば、例えば、熱電変換モジュールを自動車などに搭載する場合、自動車の走行中には相応の衝撃や振動が熱電変換モジュールに加わるおそれがある。そのため、そのような衝撃や振動によって素子の破断を招くおそれがあれば、そのような素子を採用した熱電変換モジュールを自動車に搭載する用途で使用することは難しいことになる。

また、例えば、熱電変換モジュールを携帯機器などに搭載する場合でも、携帯機器を落としたりどこかにぶつけたりしたときに相応の衝撃が加わるおそれがある。そのため、そのような衝撃によって素子の破断を招くおそれがあれば、そのような素子を採用した熱電変換モジュールを携帯機器に搭載する用途で使用することは難しいことになる。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の粒状体によって構成される素子を利用しているにもかかわらず、当該素子を容易に製造することができ、衝撃や振動に対する耐久性も良好な熱電変換モジュールを提供することにある。

以下、本発明において採用した構成について説明する。本発明の熱電変換モジュールは、複数層の面状体が積層された構造とされており、各面状体は、面状に形成された基材と、ｐ型熱電材料によって形成された複数のｐ型粒状体と、ｎ型熱電材料によって形成された複数のｎ型粒状体とを有し、前記複数のｐ型粒状体及び前記複数のｎ型粒状体は、前記基材の表裏面に沿った方向に互いに間隔を空けた状態で前記基材に保持されており、隣り合う位置に積層された前記面状体間では、前記ｐ型粒状体同士及び前記ｎ型粒状体同士が電気的に接続されることにより、複数層分の前記ｐ型粒状体が直列接続されて一組が構成される複数組分のｐ型素子と、複数層分の前記ｎ型粒状体が直列接続されて一組が構成される複数組分のｎ型素子とが構成され、積層方向両端にある前記面状体においては、前記ｐ型粒状体と前記ｎ型粒状体が電気的に接続されることにより、前記ｐ型素子と前記ｎ型素子とが交互に直列接続された構造とされている。

このような構造の熱電変換モジュールであれば、先に複数の素子が作製されてから、それらの素子が所定位置に配列された構造の熱電変換モジュールに比べ、格段に容易に製造可能となり、熱電変換モジュールの生産性を向上させることができる。

より詳しく説明すると、まず、本発明の熱電変換モジュールの場合、各面状体においては、複数のｐ型粒状体及び複数のｎ型粒状体が、基材の表裏面に沿った方向に互いに間隔を空けた状態で基材に保持された構造になっている。そのため、このような構造の面状体を作製する際には、小さな粒状体を一列に並べて粒子間を接合する、といった手間のかかる作業は不要である。

また、本発明の熱電変換モジュールの場合、複数層の面状体が積層されることによって、複数層分のｐ型粒状体と複数層分のｎ型粒状体が直列接続され、これにより、複数組分のｐ型素子と複数組分のｎ型素子が構成された構造となっている。そのため、このような面状体を積層する際にも、粒状体よりも格段に大きくて取り扱いが容易な面状体を積層すればよく、小さな粒状体を一列に並べて粒子間を接合する、といった手間のかかる作業は不要となる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールの場合、複数の素子の向きを一方向に揃えるとともに、それらの素子間に間隔を空けて配列する作業についても、複数層の面状体が積層された時点で完了する。そのため、複数の素子が作製された後に、それらの素子の向きを一方向に揃えて、それらの素子間に間隔を空けて配列する技術とは異なり、複数の素子を配列する作業に手間がかかることもない。

つまり、本発明の熱電変換モジュールのような構造であれば、複数の粒状体そのものを一列に並べて素子を作製する作業や、そのような素子を配列する作業が不要となる。したがって、それらの作業が必要となる構造の熱電変換モジュールに比べ、熱電変換モジュールの生産性が向上するのである。

また、本発明の熱電変換モジュールの場合、複数層の面状体が積層されて、複数組分のｐ型素子と複数組分のｎ型素子が構成された状態において、隣り合う素子間には基材が介在する構造となっている。そのため、仮に素子に衝撃や振動が伝わったとしても、素子は基材によって支えられる。したがって、このような基材に相当するものが設けられていない構造（例えば、複数の素子だけが配列されて、素子間が空隙となっているような構造）とされた熱電変換モジュールに比べ、衝撃や振動に対する耐久性を向上させることができる。

ところで、本発明の熱電変換モジュールは、前記隣り合う位置に積層された前記面状体間において、互いに電気的に接続される前記ｐ型粒状体同士及び前記ｎ型粒状体同士は、直接接続されていることが好ましい。

このように構成された熱電変換モジュールによれば、粒状体間には導電体等の介在物が存在しない。したがって、そのような介在物によって電気的特性が低下するのを抑制することができる。

一方、本発明の熱電変換モジュールは、前記隣り合う位置に積層された前記面状体間において、互いに電気的に接続される前記ｐ型粒状体同士及び前記ｎ型粒状体同士は、導電体を介して間接的に接続されているものであっても好ましい。

このように構成された熱電変換モジュールによれば、粒状体間は導電体を介して電気的に接続される。そのため、粒状体同士を直接接触させることが可能な位置に配置しなくても済む。したがって、粒状体の配設位置についての自由度が高くなり、例えば、熱的特性や機械的特性などを考慮した最適な位置に粒状体を配置しつつ、そのような粒状体間を結ぶ導電体を設けて所期の素子を構成することができる。

なお、このような導電体としては、導電性の高い材料（例えば金属）の薄板又は薄膜、異方導電性接着剤によって形成される接着層などを挙げることができる。金属の薄板の場合、平板状に加工されたものであってもよいし、ばねとして機能する形状に加工されたものであってもよい。導電性の薄膜は、スパッタリングやイオンプレーティングなどの物理的薄膜形成法で形成されたものでもよいし、無電解めっきなどの化学的薄膜形成法で形成されたものでもよい。これらは２以上を併用してもよく、例えば、金属の薄板にめっき被膜を組み合わせたり、金属の薄板に異方導電性接着剤を組み合わせたりしてもよい。

また、本発明の熱電変換モジュールにおいて、前記ｐ型粒状体及び前記ｎ型粒状体は、各粒状体の一部を平坦に加工することによって形成された平坦面を有し、前記隣り合う位置に積層された前記面状体間において電気的に接続される他の粒状体又は前記導電体に対し、前記平坦面で接触又は接合された構造とされていることが好ましい。

このように構成された熱電変換モジュールによれば、粒状体に形成された平坦面が接触面又は接合面として利用される。したがって、このような平坦面が形成されていない粒状体を利用する場合に比べ、接触面又は接合面となる界面の面積を確保しやすく、接触面又は接合面における電気的な接続をより確実なものとすることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールにおいて、前記ｐ型粒状体及び前記ｎ型粒状体は、各粒状体を前記基材に保持させてから当該基材の表裏面と平行に形成された前記平坦面を有し、前記隣り合う位置に積層された前記面状体間において電気的に接続される他の粒状体又は前記導電体に対し、前記平坦面で接触又は接合された構造とされていることが好ましい。

このように構成された熱電変換モジュールによれば、平坦面は、各粒状体を基材に保持させてから当該基材の表裏面と平行に形成される。したがって、各粒状体に平坦面を形成してから各粒状体を基材に保持させたものに比べ、平坦面と基材の表裏面との平行度を容易に高めることができ、接触面又は接合面における電気的な接続をより確実なものとすることができる。

本発明の一実施形態として例示した熱電変換モジュールを示す図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその正面図、（ｄ）はその底面図。 同熱電変換モジュールを示す図であり、（ａ）は図１（ｂ）中にＡ−Ａ線で示した切断面における断面図、（ｂ）は図１（ｂ）中にＢ−Ｂ線で示した切断面における断面図。 同熱電変換モジュールの使用方法の例を示す説明図。 同熱電変換モジュールの製造手順を示す説明図。 粒状体に平坦面を設けた事例に関する説明図。 粒状体同士を直接接触又は接合した事例に関する説明図。 （ａ）はばね性を有する導電体を粒状体間に介在させた事例に関する説明図、（ｂ）は異方導電性接着剤を粒状体間に介在させた事例に関する説明図。

次に、本発明の実施形態について、いくつかの具体的な事例を挙げて説明する。
〔１〕事例１
［熱電変換モジュールの構造］
図１（ａ）〜図１（ｄ）に示すように、熱電変換モジュール１は、板状に形成された本体２と、本体２の長手方向の一端から延出された複数（本事例では８本）の端子３Ａ〜３Ｈとを備えている。

本体２において、互いに表裏をなす位置にある二つの面２Ａ，２Ｂのうち、一方の面２Ａには、複数（本事例では２３個×８列）の導電体５Ａと、複数（本事例では４個）の導電体５Ｂが設けられている。他方の面２Ｂには、複数（本事例では２３個×８列）の導電体６Ａと、複数（本事例では２個）の導電体６Ｂと、複数（本事例では３個）の導電体６Ｃが設けられている。上述した複数の端子３Ａ〜３Ｈのうち、両端にある端子３Ａ，３Ｈは、導電体６Ｂの一部によって構成され、両端以外の位置にある端子３Ｂ〜３Ｇは、導電体６Ｃの一部によって構成されている。

本体２は、複数層（本事例では５層）の面状体７が積層された構造とされている。隣り合う位置にある面状体７間は、例えば接着剤等を介して互いに接着されていてもよいし、複数の面状体７が積層された状態を維持できるのであれば、接着されていなくてもよい。接着することなく積層状態を維持する手法としては、例えば、積層された複数の面状体７を図示しない包装体に封入する、複数の面状体７が互いにずれないように拘束するホルダで保持する、といったものを考え得る。

各面状体７は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、面状に形成された基材１０と、ｐ型熱電材料によって形成された複数のｐ型粒状体１１と、ｎ型熱電材料によって形成された複数のｎ型粒状体１２とを有する。

本事例において、基材１０は、耐熱性の高い樹脂材料（本事例ではポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ））によって形成されている。また、ｐ型粒状体１１は、ｐ型熱電材料の一つであるＦｅ₂Ｖ_0.9Ｔｉ_0.1Ａｌによって形成され、ｎ型粒状体１２は、ｎ型熱電材料の一つであるＦｅ₂ＶＡｌ_0.9Ｓｉ_0.1によって形成されている。ｐ型粒状体１１及びｎ型粒状体１２は、双方とも直径０．５ｍｍの球状粒子とされている。

各面状体７において、複数のｐ型粒状体１１及び複数のｎ型粒状体１２は、基材１０の表裏面に沿った方向に互いに間隔を空けた状態で基材１０に保持されている。そして、隣り合う位置に積層された面状体７，７間では、ｐ型粒状体１１同士及びｎ型粒状体１２同士が、導電体１５を介して電気的に接続されている。これにより、熱電変換モジュール１全体では、複数組のｐ型素子２１と複数組のｎ型素子２２が構成されている。

なお、本事例において、上述した複数の導電体５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，１５は、いずれもＮｉめっきを施したＣｕの薄板によって構成されている。これは、上述のｐ型粒状体１１及びｎ型粒状体１２を形成する各熱電材料はいずれもＮｉとの相性がよく、Ｃｕのような導電性が高い材料からなる基材の表面にＮｉ被膜を形成した構造にすると、各導電体と各粒状体との接続強度が向上するからである。

１組のｐ型素子２１は、５層の面状体７が積層された際に、各層に含まれる５つのｐ型粒状体１１が、それらの間に介在する４つの導電体１５を介して直列に接続されることによって構成される。また、１組のｎ型素子２２は、５層の面状体７が積層された際に、各層に含まれる５つのｎ型粒状体１２が、それらの間に介在する４つの導電体１５を介して直列に接続されることによって構成される。

積層方向両端にある面状体７は、上述した本体２の両面２Ａ，２Ｂを構成している。この両面２Ａ，２Ｂでは、ｐ型粒状体１１とｎ型粒状体１２が、上述の導電体５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，６Ｃを介して電気的に接続され、これにより、上述のｐ型素子２１とｎ型素子２２が交互に直列接続された構造とされている。

図２（ａ）に示す構造は、端子３Ａに対応する位置に構成されたものであるが、これと同等な構造が、端子３Ｃ，３Ｅ，３Ｇに対応する位置にも構成されている。また、図２（ｂ）に示す構造は、端子３Ｂに対応する位置に構成されたものであるが、これと同等な構造が、端子３Ｄ，３Ｆ，３Ｈに対応する位置にも構成されている。これにより、端子３Ａ−端子３Ｈ間においては、熱電変換モジュール１が備えるすべてのｐ型素子２１とｎ型素子２２が交互に直列接続された構造となる。

ところで、上述の通り、端子３Ａ−端子３Ｈ間において、熱電変換モジュール１が備えるすべてのｐ型素子２１とｎ型素子２２が交互に直列接続された構造となる。そのため、この熱電変換モジュール１で最大の電位差を得るには、端子３Ａ，３Ｈを利用するとよく、その場合、端子３Ｂ〜３Ｇは利用しなくてもよい。

具体的には、端子３Ａ，３Ｈは回路側に接続されて利用されるが、端子３Ｂ〜３Ｇは回路側に接続されなくてもよい。なお、この場合、端子３Ｂ〜３Ｇは、電力を取り出すための端子としては利用されないが、一部が端子３Ｂ〜３Ｇとなっている導電体６Ｃ自体は、ｐ型素子２１とｎ型素子２２とを電気的に接続する役割を果たしている。

一方、この熱電変換モジュール１は、図３（ａ）に示すような位置で２分割したり、図３（ｂ）に示すような位置で４分割したりすることもできる。図３（ｂ）には、３箇所の分割位置すべてで分割することで、１／４に分割された４つの分割体を例示してあるが、１箇所の分割位置だけで分割することで、１／４と３／４に分割された２つの分割体としてもよい。また、２箇所の分割位置で分割することで、１／４と１／４と２／４に分割された３つの分割体としてもよい。このような分割を行った場合に、端子３Ｂ〜３Ｇは、直列接続された素子群の最端部に位置する端子になり得る。

例えば、図３（ａ）に示すような位置で２分割した場合であれば、一方の分割体では、端子３Ａ，３Ｄが、直列接続された素子群の最端部に位置する端子になり、これらが回路側に接続される。また、他方の分割体では、端子３Ｅ，３Ｈが、直列接続された素子群の最端部に位置する端子になり、これらが回路側に接続される。

つまり、導電体６Ｃは、略Ｕ字型に形成されて、その両端が本体２から突出する位置に配置されることで、Ｕ字部分が繋がっている状態においては素子間を電気的に接続する一方、Ｕ字部分が切断された状態においては端子として利用できるようになっている。

［熱電変換モジュールの製造方法］
次に、熱電変換モジュール１の製造方法について説明する。
まず、上述した各熱電材料によって上述のｐ型粒状体１１及びｎ型粒状体１２を作製する。各熱電材料を粒子化する手法については特に限定されないが、実用的な一例を挙げれば、アトマイズ法によって各熱電材料を球状粒子化すると好ましい。特に、遠心力アトマイズ法やプラズマ回転電極法により作製された粒子は、真球度が高く、かつ粒度分布が小さい。したがって、これらの方法により得られた粒子を、二軸ローラー方式や電鋳ふるい方式などの方法によって分級することにより、均一粒径のｐ型粒状体１１及びｎ型粒状体１２を得ることができる。また、パルス付加オリフィス噴射法やレイリーアトマイズ法を用いれば、粒径が極めて揃った粒状体を直接作製することもでき、これにより、分級工程を省くことができる。

次に、上述のような分級又は分級以外の手法によって粒径が揃えられたｐ型粒状体１１を、所定位置に凹部が形成された整列トレー３１に載せる。そして、周知の振込機やフィーダを利用して、ｐ型粒状体１１を整列トレー３１の凹部に応じた位置に整列させるとともに、余剰分のｐ型粒状体１１を整列トレー３１から脱落させる（図４（ａ）参照）。

続いて、整列トレー３１上において整列させた複数のｐ型粒状体１１を吸着ノズル３２で吸着し（図４（ｂ）参照）、吸着ノズル３２によって複数のｐ型粒状体１１を整列トレー３１から持ち上げる（図４（ｃ）参照）。

そして、それら複数のｐ型粒状体１１を下側金型３３へと移動させて（図４（ｄ）参照）、下側金型３３内の所定位置に複数のｐ型粒状体１１を設置する（図４（ｅ）参照）。その後は、吸着ノズル３２による吸引を停止させて、吸着ノズル３２を複数のｐ型粒状体１１から離間させれば、ｐ型粒状体１１の設置が完了する（図４（ｆ）参照）。

同様の手法で、複数のｎ型粒状体１２を下側金型３３へと移動させ（図４（ｇ）参照）、ｐ型粒状体１１，１１の間又は隣となる位置に、ｎ型粒状体１２を設置する（図４（ｈ）参照）。その後は、吸着ノズル３２による吸引を停止させて、吸着ノズル３２を複数のｎ型粒状体１２から離間させれば、ｎ型粒状体１２の設置が完了する（図４（ｉ）参照）。

次に、下側金型３３上に整列させた複数のｐ型粒状体１１及び複数のｎ型粒状体１２を、上側金型３４との間に挟み込む（図４（ｊ）参照）。そして、下側金型３３と上側金型３４との間に形成される空間内に、基材１０となる樹脂材料を射出成形等の手法で流し込み（図４（ｋ）参照）、樹脂材料が硬化したら下側金型３３と上側金型３４を外すことにより、面状体７（粒子埋設シート）が完成する（図４（ｌ）参照）。

基材１０となる樹脂材料は、熱電変換モジュール１で熱電発電を行う用途において、熱電変換モジュール１一面が高温環境に配置されることを考慮すれば、耐熱性の高い樹脂材料を選定することが好ましい。

そのような耐熱性の高い樹脂材料の代表例としては、例えば、上述したポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）の他、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）などのエンジニアリングプラスチックを挙げることができる。

こうして完成した面状体７には、積層時に層間となる位置に導電体１５が取り付けられる。また、積層時に積層体（複数の面状体７を積層したもの）の表裏面となる位置には導電体５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，６Ｃが取り付けられる。各導電体５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，１５とｐ型粒状体１１又はｎ型粒状体１２との間は、接合されていてもよいし、電気的な接続を維持することができるのであれば接触させてあるだけでもよい。ただし、電気抵抗をより低下させることができるという観点からは、接合しておくことが好ましい。

接合する場合、具体的な接合方法は特に限定されないが、例えば、接合箇所に対して加圧しながらパルス電流等を流すことで、パルス電流が起こす抵抗加熱により、接点部分を局所熔解して熔接する方法は好ましい。また、局所熔解する手段として、レーザ加熱を使用する方法もある。あるいは、接合箇所にはんだペーストなどを介在させておき、加熱によってはんだ接合を行ってもよい。

接触させておくだけの場合は、その接触を維持させるための対処が必要である。例えば、層間となる位置に配置される導電体１５の場合は、導電体１５以外の箇所で基材１０，１０間が接合されていれば、導電体１５自体の接合は不要である。基材１０，１０間を接合する方法としては、基材１０，１０間を接着剤で接着する方法、基材１０，１０そのものを熱融着させる方法等が考えられる。

導電体５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，１５については、これらが埋設された樹脂シート（導電体埋設シート）を別途作製し、上述した粒子埋設シート（面状体７）と導電体埋設シートとを交互に積層することにより、各導電体５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，１５を所期の位置に配置することができる。このような導電体埋設シートは、インサート成形によって製造することができ、あるいは、先に成形された樹脂シートに対し、金属薄板を後から埋め込んで製造することも可能である。

この他、あらかじめ大型の金属薄板に対してｐ型粒状体１１及びｎ型粒状体１２を所定の位置に配列した状態で接合しておき、これを樹脂に埋め込み、金属薄板をエッチングなどでパターン化してから、これらを積層する、といった手法を利用してもよい。あるいは、単層の粒子埋設シート（面状体７）を作製した段階で、物理蒸着や化学成膜法によって導電体５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，１５となるパターン形成し、それらを積層してもよい。

［効果］
以上説明したような熱電変換モジュール１によれば、上述のような面状体７を作製してから、それらを積層することで複数組のｐ型素子２１と複数組のｎ型素子２２を有する熱電変換モジュール１を構成することができる。

したがって、複数組のｐ型素子に相当するものと複数組のｎ型素子に相当するものを、それぞれ作製してから、それらの素子を所定位置に配列した構造の熱電変換モジュールに比べ、格段に容易に製造することができる。したがって、熱電変換モジュールの生産性を向上させることができる。

また、この熱電変換モジュール１によれば、複数組分のｐ型素子２１と複数組分のｎ型素子２２の素子間には、基材１０が介在する構造となっている。したがって、このような基材１０に相当するものが設けられていない構造（例えば、複数の素子だけが配列されて、素子間が空隙となっているような構造）とされた熱電変換モジュール１に比べ、衝撃や振動に対する耐久性を向上させることができる。

さらに、事例１においては、隣り合う位置に積層された面状体７間において、互いに電気的に接続されるｐ型粒状体１１同士及びｎ型粒状体１２同士は、導電体１５を介して間接的に接続されている。そのため、粒状体同士を直接接触させることが可能な位置に配置しなくても済み、粒状体の配設位置についての自由度が高くなる。

〔２〕事例２
上記事例１においては、球状のｐ型粒状体１１及び球状のｎ型粒状体１２を利用して、面状体７を構成する例を示したが、図５（ａ）に示すように、面状体７を作製した後、面状体７の表裏の一部を（例えば、図５（ａ）に一点鎖線で示す位置まで）削り取ることにより、球状のｐ型粒状体１１及び球状のｎ型粒状体１２に、図５（ｂ）に示すような平坦面１１Ａ，１２Ａを形成してもよい。

このような平坦面１１Ａ，１２Ａを有する構成を採用した場合でも、図５（ｃ）に示すように、上記事例１と概ね同等な構造の熱電変換モジュール５１を構成することができる。

この熱電変換モジュール５１の場合、ｐ型粒状体１１及びｎ型粒状体１２に平坦面１１Ａ，１２Ａが形成してあるので、例えば、ｐ型粒状体１１又はｎ型粒状体１２と導電体１５との接触面又は接合面となる界面の面積は、事例１のような点接触となる構造よりも大きくなる。

したがって、界面における電気抵抗が小さくなり、界面における電気的な接続をより確実なものとし、熱電変換モジュール５１の電気的特性を事例１以上に向上させることができる。

また、この事例２の場合、上記平坦面１１Ａ，１２Ａは、ｐ型粒状体１１及びｎ型粒状体１２を基材１０に保持させてから、面状体７全体を削ることによって形成されている。このような手法で平坦面１１Ａ，１２Ａを形成すれば、平坦面１１Ａ，１２Ａは、最終的に得られた基材１０の表裏面と平行になる。

したがって、各粒状体に平坦面を形成してから各粒状体を基材に保持させるものとは異なる、平坦面１１Ａ，１２Ａと基材１０の表裏面との平行度を容易に高めることができ、接触面又は接合面における電気的な接続をより確実なものとすることができる。

さらに、このようにｐ型粒状体１１及びｎ型粒状体１２を基材１０に保持させてから、面状体７全体を削れば、ｐ型粒状体１１及びｎ型粒状体１２の大きさに多少のばらつきがあっても、平坦面１１Ａ，１２Ａを形成した時点で、各粒状体の厚さ方向寸法を揃えることができる。したがって、このような手法で各粒状体の厚さ方向寸法が揃うことを前提として、粒状体を製造すれば済むので、粒状体の直径を精度よく揃えておかなければならない製法に比べ、粒状体の分級などに要する手間が軽減され、生産性が向上する。

〔３〕事例３
上記事例１，２においては、隣り合う位置に積層された面状体７間において、互いに電気的に接続されるｐ型粒状体１１同士及びｎ型粒状体１２同士は、導電体１５を介して電気的に接続されていたが、図６（ａ）に示すように、導電体１５をなくして、ｐ型粒状体１１同士及びｎ型粒状体１２同士を直接接続してもよい。

このように構成された熱電変換モジュール６１の場合、粒状体間には導電体１５のような介在物が存在しないので、そのような介在物によって電気的特性が低下するのを抑制することができる。

なお、本事例３においても、図６（ｂ）に示す熱電変換モジュール６６のように、ｐ型粒状体１１及びｎ型粒状体１２に、事例２で説明したような平坦面１１Ａ，１２Ａを設けて、平坦面１１Ａ，１２Ａ同士を接触又は接合した構造としてもよい。

〔４〕事例４
図７（ａ）に示す熱電変換モジュール７１においては、上述の各事例において面状体７，７間に設けられていた導電体１５に代えて、ばね性のある金属製の接点部材７３を設けてある。この接点部材７３は、面状体７，７間に挟み込まれた際に圧縮されることにより、その上下両側にあるｐ型粒状体１１又はｎ型粒状体１２に圧接する。

このような接点部材７３は、ｐ型粒状体１１又はｎ型粒状体１２に接合されていないので、ｐ型粒状体１１又はｎ型粒状体１２に圧接する状態を適正に維持するには、例えば、面状体７，７間において基材１０，１０同士を接着又は熱融着することで、接点部材７３を粒状体間に封入するとよい。

〔５〕事例５
図７（ｂ）に示す熱電変換モジュール８１においては、面状体７，７間が異方導電性接着剤によって接着され、面状体７，７間には異方導電性接着層８３が形成されている。

この異方導電性接着層８３は、ｐ型粒状体１１同士又はｎ型粒状体１２同士に挟み込まれた局所局所において導電性を示すものの、その周囲では導電性を示さない。そのため、互いに離間した位置関係にあるｐ型粒状体１１同士、ｎ型粒状体１２同士、あるいはｐ型粒状体１１とｎ型粒状体１２などが、異方導電性接着層８３を介して電気的に接続されてしまうことはない。

〔６〕その他の事例
以上、本発明の実施形態について、いくつかの事例を挙げて説明したが、本発明は上記の具体的な事例に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。

例えば、上記事例では、ｐ型熱電材料、ｎ型熱電材料として、特定の組成比のＦｅ₂ＶＡｌ系熱電材料を例示したが、この組成比は一例であり、ｐ型又はｎ型熱電材料としての性能を維持できる範囲内で、適宜組成比を変更してもかまわない。また、上記実施形態では、Ｆｅ₂ＶＡｌ系熱電材料に第４元素としてＳｉを添加する例を示したが、これもｐ型又はｎ型熱電材料としての性能を維持できる範囲内で、任意の第４元素を添加することができる。

また、上記事例では、Ｆｅ₂ＶＡｌ系熱電材料を例示したが、他の熱電材料を利用してもよい。そのような熱電材料としては、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料、Ｍｇ−Ｓｉ系熱電材料、Ｍｎ−Ｓｉ系熱電材料、Ｆｅ−Ｓｉ系熱電材料、Ｓｉ−Ｇｅ系熱電材料、Ｐｂ−Ｔｅ系熱電材料など、各種合金系の熱電材料を挙げることができる。

さらに、上記事例においては特に言及しなかったが、基材１０は、樹脂材料の種類や厚さを変えることにより、硬質で曲げ剛性が高い構造にすることも、軟質で曲げ剛性が低い構造にすることもできる。基材１０を曲げ剛性が低くて柔軟に変形するものとすれば、帯状に形成した熱電変換モジュールを発熱源に巻き付けて使用したり、湾曲した発熱面に沿わせて配置したりするようなことも可能である。

１…熱電変換モジュール、２…本体、３Ａ〜３Ｈ…端子、５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ…導電体、７…面状体、１０…基材、１１…ｐ型粒状体、１２…ｎ型粒状体、１１Ａ，１２Ａ…平坦面、１５…導電体、２１…ｐ型素子、２２…ｎ型素子、３１…整列トレー、３２…吸着ノズル、３３…下側金型、３４…上側金型、５１，６１，６６，７１，８１…熱電変換モジュール、７３…接点部材、８３…異方導電性接着層。

Claims (5)

1. 複数層の面状体が積層された構造とされており、
   各面状体は、面状に形成された基材と、ｐ型熱電材料によって形成された複数のｐ型粒状体と、ｎ型熱電材料によって形成された複数のｎ型粒状体とを有し、前記複数のｐ型粒状体及び前記複数のｎ型粒状体は、前記基材の表裏面に沿った方向に互いに間隔を空けた状態で前記基材に保持されており、
   隣り合う位置に積層された前記面状体間では、前記ｐ型粒状体同士及び前記ｎ型粒状体同士が電気的に接続されることにより、複数層分の前記ｐ型粒状体が直列接続されて一組が構成される複数組分のｐ型素子と、複数層分の前記ｎ型粒状体が直列接続されて一組が構成される複数組分のｎ型素子とが構成され、
   積層方向両端にある前記面状体においては、前記ｐ型粒状体と前記ｎ型粒状体が電気的に接続されることにより、前記ｐ型素子と前記ｎ型素子とが交互に直列接続された構造とされている
   熱電変換モジュールの製造方法であって、
   前記基材を成形可能な形状の空間を有する金型内において、前記互いに間隔を空けた状態となる位置に、前記ｐ型粒状体及び前記ｎ型粒状体を保持する工程と、
   前記金型内に樹脂材料を流し込み、前記樹脂材料を硬化させて前記基材を成形することにより、前記面状体を作製する工程と、
   複数層の前記面状体を積層して、隣り合う位置に積層された前記面状体間では、前記ｐ型粒状体同士及び前記ｎ型粒状体同士を電気的に接続する工程と、
   積層方向両端に配置される前記面状体について、前記ｐ型粒状体と前記ｎ型粒状体を電気的に接続する工程と
   を備える熱電変換モジュールの製造方法。
2. 前記隣り合う位置に積層された前記面状体間において、互いに電気的に接続される前記ｐ型粒状体同士及び前記ｎ型粒状体同士は、直接接続されている
   請求項１に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
3. 前記隣り合う位置に積層された前記面状体間において、互いに電気的に接続される前記ｐ型粒状体同士及び前記ｎ型粒状体同士は、導電体を介して間接的に接続されている
   請求項１に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
4. 前記ｐ型粒状体及び前記ｎ型粒状体は、各粒状体の一部を平坦に加工することによって形成された平坦面を有し、前記隣り合う位置に積層された前記面状体間において電気的に接続される他の粒状体又は前記導電体に対し、前記平坦面で接触又は接合された構造とされている
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
5. 前記ｐ型粒状体及び前記ｎ型粒状体は、各粒状体を前記基材に保持させてから当該基材の表裏面と平行に形成された前記平坦面を有し、前記隣り合う位置に積層された前記面状体間において電気的に接続される他の粒状体又は前記導電体に対し、前記平坦面で接触又は接合された構造とされている
   請求項４に記載の熱電変換モジュールの製造方法。