JP6169984B2 - 熱電モジュール - Google Patents

Description

本発明は、恒温槽、冷蔵庫、自動車用のシートクーラー、半導体製造装置、レーザーダイオードまたは廃熱発電等に使用される熱電モジュールに関するものである。

熱電モジュールとして、例えば、特許文献１あるいは特許文献２に開示された熱電モジュールが知られている。熱電モジュールは、例えば熱電素子に電力を供給することによって、その熱電素子の一端側と他端側との間に温度差を生じさせることができる。また、熱電モジュールは、例えば熱電素子の一端側と他端側との間に温度差を与えることによって、電力を生じさせることができる。これらの性質を活かして、熱電モジュールは温度調節または熱電発電等に用いられる。

特許文献に開示された熱電モジュールを始めとして従来の熱電モジュールにおいては、具体的な構成はいくらか異なるものの、複数の熱電素子がこれらを電気的に直列に接続するための配線導体を介して２枚の基板に挟まれている。そして、少なくとも一方の基板上に、温度測定または温度制御を行なうための温度検知素子、例えばサーミスタを備えている。

従来の熱電モジュールにおいては、温度検知素子についての電気的な接続は、その電極の片方は配線導体を通じて熱電素子に接続され、もう片方は配線導体を通じて外部回路に接続するためのリード部材に接続されていた。その一例を図５に部分平面図で示す。

図５は、従来の熱電モジュールの例における温度検知素子近傍の要部を示す部分平面図である。図５に示す熱電モジュール４０において、１は下側基板としての第１支持基板、２は上側基板としての第２支持基板である。なお、図５においては第２支持基板２を透視して示している。また、断面図ではないが適宜にハッチングを施している。３は熱電素子であり、ｎ型熱電素子３ａおよびｐ型熱電素子３ｂがそれぞれ複数配列されている。４は温度検知素子、５は配線導体、６はリード部材である。配線導体５は第１支持基板１の上面および第２支持基板２の下面にそれぞれ配設されており、複数の熱電素子３を電気的に直列に接続するとともに熱電素子３の一部に温度検知素子４を接続しており、さらに外部回路との電力等の入出力のためのリード部材６が接続されている。

この例に示すように、従来の熱電モジュール４０においては、温度検知素子４は電極の片方が配線導体５ｂを通じて熱電素子３に接続され、もう片方の電極が配線導体５ａを通じてリード部材６に接続されていた。

特開平１０−２４７７５２号公報 特開２００３−７８０８８号公報

ここで、温度検知素子４は、熱負荷がかかると温度検知素子４内の導電性樹脂が膨張し、膨張によって導電性樹脂内の導電物質間の接合が遮断されることで絶縁体になることによって、回路に流れる電流を遮断するという機能を有している。

しかしながら、従来の熱電モジュール４０においては、温度検知素子４が配線導体５ａを通じてリード部材６側から受ける熱量と、配線導体５ｂを通じて熱電素子３との接続側から受ける熱量とには、リード部材６は熱源でない一方で熱電素子３は熱源であるために、違いが生じることがあった。この温度検知素子４が受ける熱量の違いにより、本来の機能を発現するはずの膨張に達するまでの時間と異なった時間になることとなって、例えば過電流によって熱電モジュール４０が熱暴走をした際に温度検知素子４が正常に機能せず、熱電モジュール４０が発熱を続けてしまい、その結果、熱電モジュール４０が破壊するという不具合が発生することがあるという問題点があった。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたものであり、温度検知素子における熱的偏りを低減して熱暴走による破壊という不具合の発生を低減することができる熱電モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態の熱電モジュールは、第１領域および該第１領域に隣接する第２領域を有する上面を備えた第１支持基板と、前記第１領域に下面が対向するように設けられた第２支持基板と、前記第１領域および前記第２支持基板の間に複数配列された熱電素子と、前記第２領域に実装された温度検知素子と、前記第１支持基板上に設けられた、前記熱電素子を外部電源に接続するための２つのリード部材とを備えており、該温度検知素子は前記第１支持基板上に形成された２つの配線導体に接続されているとともに、該２つの配線導体が前記熱電素子のうちの異なる熱電素子にそれぞれ接続されており、前記２つのリード部材、前記熱電素子、前記２つの配線導体および前記温度検知素子が前記２つのリード部材を始点および終点として直列に電気的に接続されているとともに、前記２つのリード部材のそれぞれと前記温度検知素子との間に複数の前記熱電素子がそれぞれ接続されていることを特徴とするものである。

本発明の一実施形態の熱電モジュールによれば、温度検知素子が、第１支持基板上に形成された２つの配線導体に接続されているとともに、これら２つの配線導体が熱電素子のうちの異なる熱電素子にそれぞれ接続されていることから、温度検知素子へ両方の電極から伝えられる熱がいずれも熱電素子からのものとなって温度検知素子における熱的偏りが低減されるため、温度検知素子を正常に機能させることができ、熱電モジュールの熱暴走による破壊といった不具合の発生を低減することができる。

本発明の一実施形態の熱電モジュールを示す分解斜視図である。 図１に示した熱電モジュールにおける要部を示す部分平面図である。 本発明の他の実施形態の熱電モジュールにおける要部を示す部分平面図である。 本発明のさらに他の実施形態の熱電モジュールにおける要部を示す部分平面図である。 従来の熱電モジュールの例における要部を示す部分平面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る熱電モジュールについて、図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態の熱電モジュール１０を示す分解斜視図である。図２は図１
に示した熱電モジュール１０における温度検知素子４近傍の要部を示す部分平面図である。なお、図１においては、後述する配線導体５の記載は省略している。また、図２においては、部材を把握しやすくするために、第２支持基板２を透視して示し、断面図ではないが適宜にハッチングを施している。図１および図２に示すように、本発明の一実施形態の熱電モジュール１０は、第１領域１ａおよびこの第１領域１ａに隣接する第２領域１ｂを有する上面を備えた第１支持基板１と、第１領域１ａに下面が対向するように設けられた第２支持基板２と、第１支持基板１の第１領域１ａおよび第２支持基板２の間に複数配列された熱電素子３と、第１支持基板１の第２領域１ｂに実装された温度検知素子４とを備えている。この温度検知素子４は、第１支持基板１上に形成された２つの配線導体５（５ａ，５ｂ）に接続されているとともに、これら２つの配線導体５（５ａ，５ｂ）が複数の熱電素子３のうちの異なる熱電素子３（３ａ，３ｂ）にそれぞれ接続されている。これにより、熱電素子３（３ａ，３ｂ）から発生する熱量は基本的に同じであるため、２つの配線導体５（５ａ，５ｂ）から両方の電極を介して温度検知素子４へ伝えられる熱がほぼ等しくなって、温度検知素子４における熱的偏りが低減される。その結果、過電流による熱電素子３の異常発熱に対して温度検知素子４が本来の機能を正常に発現できるようになるので、熱電モジュール１０の熱暴走による、熱電モジュール１０の熱電素子３と第１支持基板１または第２支持基板２との間の断線による破壊という不具合の発生が低減できる。

なお、本実施形態は、熱電モジュール１０を例えば自動車のシート温調のために、車載用シートクーラーとして使用する場合の例で説明する。そのため、第１支持基板１および第２支持基板２にはそれぞれ外側に放熱用のフィン７が接合されている。例えば、ブロアの風をこのフィン７に通すことで冷風とし、車載用シートクーラーとして自動車のシートの冷却等に利用される。なお、同様にブロアの風をこのフィン７に通すことで温風とし、車載用シートヒーターとして自動車のシートの加熱等に利用されてもよい。

＜第１支持基板１および第２支持基板２＞
第１支持基板１および第２支持基板２は、第１支持基板１の第１領域１ａおよびそれに対向する第２支持基板２で熱電素子３（３ａ，３ｂ）を支持し、第１支持基板１の第２領域１ｂで温度検知素子４を支持するための部材である。第１および第２支持基板１，２には熱電素子３（３ａ，３ｂ）および温度検知素子４に電力を供給するための配線導体５が設けられることから、第１および第２支持基板１，２の少なくとも配線導体５側は絶縁材料からなる。第１および第２支持基板１，２としては、例えば、アルミナフィラーを添加してなるエポキシ樹脂板または酸化アルミニウム質焼結体もしくは窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック板の熱電素子３（３ａ，３ｂ）と反対側の主面に、外部への伝熱または放熱用の銅板（図示せず）を貼り合わせた基板を用いることができる。また、第１および第２支持基板１，２の他の例としては、銅板、銀板または銀−パラジウム板の熱電素子３（３ａ，３ｂ）側の主面に、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、酸化アルミニウム質焼結体または窒化アルミニウム質焼結体等からなる絶縁性のセラミック層を設けた基板を用いることができる。

第１および第２支持基板１，２は、平面視したときの形状が、例えば四角形状または多角形状等である。形状が四角形状である場合には、寸法は、例えば縦を４０〜５５ｍｍ、横を２０〜２５ｍｍ、厚さを０．１〜０．３ｍｍに設定することができる。

＜熱電素子３＞
熱電素子３は、ペルチェ効果によって温度調節を行なうため、またはゼーベック効果によって発電を行なうための部材である。本実施形態においては、熱電素子３ａをｐ型とし、熱電素子３ｂをｎ型としている。これらｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂは、例えばＡ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）からなる熱電材料、好ましくはＢｉ（ビスマス）またはＴｅ（テルル）系の熱電材料で本体部が形成されている。具体的には、ｐ型熱電素子３ａは、例えばＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で形成される。また、ｎ型熱電素子３ｂは、例えばＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体からなる熱電材料で形成されている。

ここで、ｐ型熱電素子３ａとなる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、アンチモンおよびテルルからなるｐ型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。また、ｎ型熱電素子３ｂとなる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、テルルおよびセレンからなるｎ型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。

これらの棒状の熱電材料の側面にメッキが付着することを防止するレジストをコーティングした後、ワイヤーソーを用いて、例えば０．３〜５ｍｍの長さに切断する。次いで、切断面のみに電解メッキを用いてニッケル層および錫層を順次形成する。ｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂの形状は、例えば、円柱状、四角柱状または多角柱状等にすることができる。特に、形状を円柱状にすることが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において熱電素子３ａ，３ｂに生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子３ａ，３ｂを円柱状に形成する場合には、寸法は、例えば直径が１〜３ｍｍに設定される。

熱電素子３（３ａ，３ｂ）は、第１支持基板１の上面の第１領域１ａおよびこれに対向する第２支持基板２の下面の間に、熱電素子３（３ａ，３ｂ）の直径の０．５〜２倍の間隔で縦横の並びに複数配列される。そして、熱電素子３（３ａ，３ｂ）は、配線導体５にこの配線導体５と同様のパターンに塗布された半田によって、配線導体５に接合されている。複数の熱電素子３（３ａ，３ｂ）は、隣接するｐ型熱電素子３ａとｎ型熱電素子３ｂとが配線導体５によって交互に直列に接続されて、全体として直列に電気的に接続されている。

＜温度検知素子４＞
温度検知素子４は、過電流が流れた際にそれ自体が膨張することで絶縁体になり、回路に流れる電流を遮断する機能を有する。温度検知素子４は、例えば銅板と温度応答性のポリエチレン樹脂にカーボンブラックを分散させた導電体との積層体であり、両端に電極を有し、上下面は保護樹脂でコーティングされている。熱電素子３および配線導体５で構成された回路に過電流が流れることによって温度検知素子４の温度が上昇すると、温度応答性のポリエチレン樹脂が膨張し、このポリエチレン樹脂に分散されたカーボンブラック間の接合が切れることで絶縁体になって、回路に流れる電流を遮断することができる。このため、温度検知素子４に加わる熱量が部分で異なると、導電体の膨張速度が異なることになり、機能の発現までの時間が異なることになる。そうなると、熱電モジュール１０が過電流によって熱暴走した際は、回路に流れる電流を遮断する機能を発揮する時間が本来よりも遅くなる場合に、熱電モジュール１０の内部において熱電素子３と第１支持基板１または第２支持基板２との間の接合が切れてしまい、熱電モジュール１０が破壊することとなる。

これに対して本実施形態の熱電モジュール１０によれば、温度検知素子４が、第１支持基板１上に形成された２つの配線導体５に接続されているとともに、これら２つの配線導体５が熱電素子３（３ａ，３ｂ）のうちの異なる熱電素子３（３ａ，３ｂ）にそれぞれ接続されていることから、温度検知素子４へ両方の電極から伝えられる熱がいずれも熱電素子３（３ａ，３ｂ）からのものとなって温度検知素子４における熱的偏りが低減されるため、温度検知素子４を正常に機能させることができ、熱電モジュール１０の熱暴走による破壊といった不具合の発生を低減することができる。

温度検知素子４は、平面視したときの形状が例えば四角形状であり、寸法は、例えば縦が１〜８ｍｍ、横が１〜８ｍｍ、高さが０．５〜３ｍｍに設定することができる。

なお、温度検知素子４は、上述の構成のものに限られない。温度を検知して回路の電流を制御する機能を有するものであれば、本発明の熱電モジュール１０において熱的偏りを低減して本来の機能を正常に発揮させることができるので、本発明の効果を奏するものとして使用可能である。

＜配線導体５＞
配線導体５は、主として熱電素子３（３ａ，３ｂ）に電力を供給するため、または熱電素子３（３ａ，３ｂ）で生じた電力を取り出すための部材である。配線導体５は複数の熱電素子３（３ａ，３ｂ）および温度検知素子４を電気的に接続するように設けられている。具体的には、第１支持基板１の第１領域１ａ上において隣接するｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂを順に直列に電気的に接続し、さらに第１支持基板１の第２領域１ｂ上において温度検知素子４をこれらに直列に電気的に接続している。ここで、温度検知素子４は、第１支持基板１の第２領域１ｂ上に形成された２つの配線導体５（５ａ，５ｂ）に接続されているとともに、これら２つの配線導体５ａ，５ｂが熱電素子３（３ａ，３ｂ）のうちの異なる熱電素子３（３ａ，３ｂ）にそれぞれ接続されている。本例では、温度検知素子４に接続された配線導体５のうち図２に示すリード部材６側の配線導体５ａは図２において左側の熱電素子３（３ａ，３ｂ）のｎ型熱電素子３ｂに接続されており、反対側の配線導体５ｂは図２において右側の熱電素子３（３ａ，３ｂ）のｐ型熱電素子３ａに接続されている。なお、温度検知素子４と熱電素子３（３ａ，３ｂ）との接続関係はこの例に限定されるものではなく、ｐ型熱電素子３ａとｎ型熱電素子３ｂとが逆になっていても構わない。

配線導体５は、例えば銅、銀または銀−パラジウム等によって形成される。配線導体５は、例えば第１および第２支持基板１，２の熱電素子３側の主面に銅板を貼り付けておき、これを所望のパターンにエッチングすることによって形成される。また、打ち抜き加工によって成形した銅板を第１および第２支持基板１，２の熱電素子３側の主面に貼り付けてもよい。

配線導体５の形状および寸法は、配線導体５によって接続する熱電素子３（３ａ，３ｂ）および温度検知素子４の形状、配列および寸法に応じて適宜に設定すればよい。

＜リード部材６＞
リード部材６は、熱電モジュール１０内の回路に電流を流すための電流の入口および出口の役割を果たすものである。リード部材６は、例えば太さが０．１〜０．２ｍｍの銅線を１０〜３０本縒り合わせたものを、ポリエチレン樹脂で被覆している。その片側の端部は配線導体５への接合のために縒り合わせた銅線が１〜５ｍｍの長さで剥き出しになっており、もう片側の端部には銅合金を銅メッキおよび錫メッキしたターミナル電極を有している。リード部材６の全体の形状は例えば円柱状であり、寸法は、例えば径は０．５〜２ｍｍ程度、長さは２ｃｍ〜２０ｃｍ程度まで設定できる。

＜フィン７＞
フィン７は、これを通過する気体に、電力を供給した熱電素子３の一端側と他端側との間に発生した温度差を第１および第２支持基板１，２を介して効率よく伝えるため、またはこれを通過する気体の熱を第１および第２支持基板１，２を介して熱電素子３に効率よく伝えて熱電素子３の一端側と他端側に温度差を発生させることによって電力を生じさせるための部材である。フィン７は、熱伝導率の高い、例えば銅、銀またはアルミニウム等によって形成される。また、フィン７の形状および寸法などは、フィン７を通過する気体
と第１および第２支持基板１，２を介して熱電素子３との間で効率よく所望の熱交換ができるように、熱電モジュール１０の仕様に応じて適宜設定すればよい。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。例えば、上述の熱電モジュール１０は、車載用シートクーラーに用いる例を示したが、これに限られない。具体的には、例えば車載用バッテリー冷却等のために用いられてもよい。

＜変形例１＞
次に、本発明の他の実施形態である変形例１の熱電モジュールについて説明する。

図３は本発明の他の実施形態の熱電モジュール２０における要部を示す、図２と同様の部分平面図である。図３に示す熱電モジュール２０は図１および図２に示す熱電モジュール１０と基本的に同じ構成であるが、要部において違いがある。図３に示すように、本実施形態の熱電モジュールは、熱電素子３を外部電源に接続するための２つのリード部材６を第１支持基板１上にさらに備え、２つのリード部材６、熱電素子３（３ａ，３ｂ）、２つの配線導体５（５ａ，５ｂ）および温度検知素子４が２つのリード部材６を始点および終点として直列に電気的に接続されているとともに、２つのリード部材６のそれぞれと温度検知素子４との間に複数の熱電素子３（３ａ，３ｂ）がそれぞれ接続されている。図３に示す例では、温度検知素子４の図３における左側に接続された配線導体５ａには、その先の図３における右側のリード部材６との間に３組の熱電素子３（３ａ，３ｂ）が接続されている。一方、右側に接続された配線導体５ｂには、図３における左側のリード部材６との間に、図３に示した１組の熱電素子３（３ａ，３ｂ）の先に図示しない多数の熱電素子３（３ａ，３ｂ）が接続されている。これにより、第１支持基板１の全体に同じ熱量を発生させる熱源である熱電素子３（３ａ，３ｂ）が配列しているので、第１支持基板１が均熱化するようになる。そのため、温度検知素子４に加わる熱負荷が、配線導体５（５ａ，５ｂ）間で同じ熱量を発生させる熱源である熱電素子３（３ａ，３ｂ）からの熱負荷によってほぼ均等になることで、温度検知素子４への熱負荷も一様にほぼ均等になるので、温度検知素子４の応答精度を向上させることができる。

＜変形例２＞
次に、本発明のさらに他の実施形態である変形例２の熱電モジュールについて説明する。

図４は本発明の変形例２の熱電モジュール３０の要部を示す図２と同様の部分平面図である。なお、図４においてはリード部材６および配線導体５の一部は図示していない。図４に示す熱電モジュール３０においては、温度検知素子４が近傍の配線導体５（５ａ，５ｂ）の一部とともに樹脂８によって覆われている。なお、図４においては、樹脂８によって覆われている温度検知素子４を破線で示している。この例の熱電モジュール３０のように、樹脂８で温度検知素子４およびこの温度検知素子４下の配線導体５を覆うことにより、この樹脂８は固体であることからその量が変動することが基本的には無いため、温度検知素子４周りの環境は、空気に晒されてその空気が揺らぐ場合よりも安定した状態になる。よって、温度検知素子４の使用環境が熱平衡で安定な状態となりやすくなるため、温度検知素子４の応答精度を向上させることができる。また、温度検知素子４は銅板と導電体との積層体で、全体として一様に同じ構造をしていることから、温度検知素子４の両方の電極から放出される熱も均一化するため、温度検知素子４にそれぞれ接続された２つの熱電素子３と温度検知素子４との間の熱収支がほぼ同程度となり、温度検知素子４の応答性を向上させることができる。

この樹脂８としては、例えばシリコーン樹脂やエラストマー系樹脂等が使用できる。こ
れらの樹脂を、温度検知素子４が外気と接触しないよう全体に密着するように例えばシリンダー塗布器で温度検知素子４の表面に塗布して、これを固化させることで樹脂８が形成される。

温度検知素子４を覆う樹脂８には、シリコーン樹脂を用いることが好ましい。シリコーン樹脂は撥水性であり、第１支持基板１の第２領域１ｂの上面が表面粗さＲａが１５〜２５μｍの樹脂またはセラミックスである場合にそれとの密着性もよいので、温度検知素子４への水分の侵入を効果的に防ぐことができる。それにより、水分による温度検知素子４の腐食あるいはリークによる誤作動の発生を防ぐことができるので、温度検知素子４を安定して作動させることが可能となる。また、熱電モジュール３０の温度上昇によって温度検知素子４や配線導体５が膨張する際に、温度検知素子４の周りを覆う樹脂８が固いものであった場合には膨張が妨げられ、温度検知素子４が導電体から絶縁体になるための膨張も妨げられるために、温度検知素子４が誤った温度で作動してしまって熱電モジュール３０の熱暴走を誘発するおそれがある。これに対して、樹脂８にシリコーン樹脂を用いることで、シリコーン樹脂の柔軟性によってそれを防ぐことができるため、温度検知素子４の応答精度を向上させることができる。

また、温度検知素子４とともに近傍の配線導体５（５ａ，５ｂ）を樹脂８で覆う場合には、配線導体５（５ａ，５ｂ）とこれを覆う樹脂８との間に空隙があることが好ましい。配線導体５（５ａ，５ｂ）と樹脂８との間に空隙があることで、熱電モジュール３０の温度が上昇して配線導体５（５ａ，５ｂ）が熱膨張する際に、配線導体５（５ａ，５ｂ）が樹脂８に束縛されることなく膨張することができるようになる。それにより、配線導体５（５ａ，５ｂ）の密度が低下するので、配線導体５（５ａ，５ｂ）の熱抵抗が低下し、熱電素子３（３ａ，３ｂ）から発せられる熱を熱抵抗に妨げられることなく温度検知素子４へ伝えられるため、温度検知素子４の応答精度を向上させることができる。

このような配線導体５（５ａ，５ｂ）と樹脂８との間の空隙は、様々な形状および大きさであってよいが、例えば配線導体５（５ａ，５ｂ）と第１支持基板１と樹脂８との３面を有する空隙であり、大きさが配線導体５（５ａ，５ｂ）に沿って長さが０．１〜１ｍｍ、幅が１０〜５０μｍ、高さが１０〜１００μｍの楕円柱状であることが好ましい。

本発明の熱電モジュールは、例えば実施形態の熱電モジュール１０を例にとると、例えば以下のようにして製造することができる。

まず、熱電素子３を第１支持基板１の第１領域１ａに配設した配線導体５に接合する。

具体的には、第１支持基板１上に形成した配線導体５の熱電素子３との接合箇所に半田ペーストを塗布し、半田層を形成する。ここで、半田ペーストの塗布方法としては、メタルマスクまたはスクリーンメッシュを用いたスクリーン印刷法がコストおよび量産性の観点から好ましい。

次いで、半田層が形成された配線導体５の上に熱電素子３を配列する。熱電素子３はｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂの２種類の素子を交互に配列することが必要である。交互に配列する方法としては公知の技術を用いることができるが、特にｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂのそれぞれを別々に振動させながら配列穴加工された治具に振り込む振込み方式で配列させた後、この治具に配列された熱電素子３を転写するようにして第１支持基板１上に配列する方法が簡便で好ましい。このとき、ｐ型熱電素子３ａとｎ型熱電素子３ｂとを交互に配列する。

第１支持基板１上に熱電素子３（ｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂ）を配列し
た後、熱電素子３（ｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂ）の上面に反対側の第２支持基板２を設置する。具体的には、配線導体５の表面に半田ペーストが塗布された第２支持基板２を、熱電素子３（ｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂ）の上面に公知の技術によって半田接合する。半田接合の方法としては、リフロー炉あるいはヒーターによる加熱等のいずれでもよいが、第２支持基板２に樹脂製のものを用いる場合であれば、熱電素子３の上下面に第１および第２支持基板１，２を介して圧力をかけながら加熱することが、半田と熱電素子３（ｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂ）との密着性を高める上で好ましい。

次に、第１支持基板１の第２領域１ｂに形成された、それぞれ異なる熱電素子３が接続された２つの配線導体５に、温度検知素子４を接合する。具体的には、第１支持基板１の第２領域１ｂ上に形成された２つの配線導体５（５ａ，５ｂ）の上に温度検知素子４を配置する。この温度検知素子４を例えば板バネで第１支持基板１に固定する。そして、温度検知素子４の両側の電極を、それぞれ糸半田を用いて第１支持基板１上に形成した配線導体５（５ａ，５ｂ）と接合する。以上のようにｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂと配線導体５とを半田で接合する際に上下で交互に順次接合することによって、複数のｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂを全体として電気的に直列に接続する。

次に、熱電モジュール１０の熱電素子３を配列した部分の外周部を封止するため、封止材の材料を印刷またはディスペンサ等で外周部の第１支持基板１と第２支持基板２との間に塗布する。封止材の材料としては、例えばエポキシ樹脂を用いる。

また、必要に応じて、熱電モジュール３０のように、温度検知素子４上に樹脂８を印刷またはディスペンサ等で塗布して温度検知素子４を覆う。樹脂８の材料としては、例えばシリコーン樹脂を用いる。

また、必要に応じて、第１支持基板１の配線導体５にリード部材６を接合する。具体的には、第１支持基板１の第２領域１ｂ上に形成したリード取付用の配線導体５の上にリード部材６を配置する。このリード部材６を例えば板バネで第１支持基板１に固定する。そして、リード部材６を糸半田を用いて配線導体５と接合する。

そして、第１支持基板１の下面および第２支持基板２の上面に、それぞれフィン７を接合する。フィン７は、第１支持基板１の下面および第２支持基板２の上面に公知の技術によって半田接合する。半田接合の方法としては、両支持基板の表面に半田ペーストをメタルマスクもしくはスクリーンメッシュを用いて印刷し、フィン７を治具で両支持基板の表面と接触するように固定した状態で、リフロー炉あるいはヒーターによる加熱等の方法で接合すればよい。

以上により、熱電モジュール１０が得られる。

以下、本発明の熱電モジュールの実施例を説明する。

まず、ビスマス、アンチモン、テルル、セレンから成るｎ型熱電材料およびｐ型熱電材料をブリッジマン法によって溶融凝固させ、直径１ｍｍの断面円形の棒状の材料を作製した。具体的には、ｎ型熱電材料はＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＢｉ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体で作製し、ｐ型熱電材料はＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体で作製した。ここで、材料の表面を粗化するため、棒状のｎ型熱電材料およびｐ型熱電材料の表面に硝酸でエッチング処理を行なった。

次に、被覆層で被覆した棒状のｎ型熱電材料および棒状のｐ型熱電材料を高さ（厚さ）が０．８ｍｍになるようにワイヤーソーにて切断し、ｎ型熱電素子３ｂおよびｐ型熱電素子３ａを得た。得られたｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂには、電解メッキで切断面にニッケル層を形成した。

次に、一方主面にエポキシ樹脂から成る厚さが７０μｍの絶縁層が形成され、その上に厚さが７０μｍの配線導体５が形成された銅製の第１支持基板１（縦５３．９ｍｍ×横２２．４ｍｍ×厚さ２１０μｍ）を準備した。そして、この第１領域１ａの配線導体５上に半田ペーストをスクリーン印刷した。

さらに、この半田ペースト上に、ｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂが交互に電気的に直列に接続されるように、マウンターを使用して各熱電素子３（３ａ，３ｂ）を１６８個ずつ配設した。このように配列されたｐ型熱電素子３ａおよびｎ型熱電素子３ｂを第１支持基板１と第２支持基板２とで挟み込むようにし、熱電素子３の上下面に基板を介して圧力を加えながらリフロー炉で加熱して、配線導体５に熱電素子３を半田を介して接合した。

次に、第１支持基板１の第１領域１ａおよび第２支持基板２の外周部に封止材としてエポキシ樹脂をディスペンサを用いて厚さ１．５ｍｍで塗布し、その後、８０℃で１時間かけてエポキシ樹脂を熱硬化させて封止した。その後、第１支持基板１の下面および第２支持基板２の上面に銅製のフィン７を半田を挟んでそれぞれ配置し、リフロー炉を通してそれぞれのフィン７を半田で接合した。

次に、第１支持基板１の第２領域１ｂの２つの配線導体５（５ａ，５ｂ）上に温度検知素子４を位置決めして１個配置した。その後、試料１では、温度検知素子４の両側の電極をスズ−銀−銅からなる糸半田にて、２つの配線導体５のそれぞれに接合した。この試料１では、２つの配線導体５のそれぞれに異なる熱電素子３が接続されているものとした。一方、試料２では、温度検知素子４の片側の電極を、第１支持基板１上の熱電素子３が接続されている１つの配線導体５に配置し、もう片側の電極を、銅線を樹脂で被覆したリード線を１本温度検知素子４と共に熱電素子３が接続されていないもう１つの配線導体５に配置して、それぞれスズ−銀−銅からなる糸半田にて接合した。

次に、試料１には、リード部材６としての銅線を樹脂で被覆したリード線２本を、リード部材６−配線導体５−複数の熱電素子３−配線導体５−温度検知素子４−配線導体５−複数の熱電素子３−配線導体５−リード部材６の直列回路になるように、第１支持基板３の第２領域１ｂ上に形成された配線導体５にそれぞれスズ−銀−銅からなる糸半田にて接合した。一方、試料２には、銅線を樹脂で被覆したリード部材６−配線導体５−複数の熱電素子３−配線導体５−温度検知素子４−リード部材６の直列回路になるように、もう１本のリード部材６としての銅線を樹脂で被覆したリード線を、第１支持基板１の第２領域１ｂ上に形成された配線導体５にスズ−銀−銅からなる糸半田にて接合した。以上のようにして、本発明の熱電モジュールの実施例としての試料１と、比較例としての試料２とを組み立てた。

次に、組み立てたそれぞれの試料について以下の評価を行なった。ここでは、試料１および試料２を各２０個準備した。評価方法は、各試料をリード部材６を介して直流電源に繋ぎ、直流電圧を印加した。具体的には、印加する電圧を４Ｖ／ｓで段階的に上昇させながら電圧を印加した。つまり、電圧の印加を開始してから１ｓ（秒）後の電圧は４Ｖであり、３ｓ（秒）後の電圧は１２Ｖである。これに伴って、電圧の印加を開始してから時間が経過するにつれて、各試料を流れる電流が大きくなっている。このときの熱電モジュー
ル抵抗をリード部材６に抵抗測定器を接続して測定し、熱電モジュール全体の抵抗値が１ｋΩを超えた時点を温度検知素子４が機能する基準とみなし、温度検知素子４が導電体から絶縁体になり、回路に流れる電流を遮断する機能を発現するまでの時間を測定した。なお、熱電モジュールに流れる電流が遮断されるまでの時間は、温度検知素子４の温度上昇速度に比例する。即ち、配線導体５から温度検知素子４に加えられる熱量に依存する。

この評価の結果、温度検知素子４の機能発現までの時間が試料１では平均で２．７ｓ（秒）であり、試料２では平均で４．４ｓ（秒）であった。以上の結果から、比較例である試料２よりも本発明の実施例である試料１の方が、温度検知素子４の機能発現までの時間が短いことが確認できた。これにより、温度検知素子４の温度上昇速度は、試料２よりも試料１の方が速いことが分かった。即ち、試料１が配線導体５（５ａ，５ｂ）から加えられる熱量と、試料２が配線導体から加えられる熱量とを比較すると、前者の方が大きいといえる。これは、試料１では配線導体５（５ａ，５ｂ）には熱源である熱電素子３（３ａ，３ｂ）が接続しているのに対し、試料２では配線導体５の一方は熱源である熱電素子３であり、もう一方はリード部材６であるためと考えられる。

このことを実証するため、同じ試料１および試料２について、各５個の試料に対して同様の実験系にて温度検知素子４の両端に熱電対を接合し、直流電圧を印加して２秒後の温度を計測した。その結果、試料１における２秒後の温度は、配線導体５ａ側（熱電素子３ｂと接続）で平均６７℃、配線導体５ｂ側（熱電素子３ａと接続）で平均６６℃であった。一方、試料２における２秒後の温度は、配線導体５ａ側（リード部材６と接続）で平均３４℃、配線導体５ｂ側（熱電素子３ａと接続）で平均６５℃であった。以上のことから、実施例の試料１では、温度検知素子４へ両方の電極から伝えられる熱がいずれも熱電素子３からのものとなって温度検知素子４における熱的偏りが低減されるため、温度検知素子４を正常に機能させることができ、熱電モジュール１０の熱暴走による破壊という不具合の発生を低減できることが確認された。

１ 第１支持基板
１ａ 第１領域，１ｂ 第２領域
２ 第２支持基板
３ 熱電素子
３ａ ｐ型熱電素子，３ｂ ｎ型熱電素子
４ 温度検知素子
５ 配線導体
５ａ，５ｂ 配線導体
６ リード部材
７ フィン
８ 樹脂

Claims (1)

1. 第１領域および該第１領域に隣接する第２領域を有する上面を備えた第１支持基板と、前記第１領域に下面が対向するように設けられた第２支持基板と、前記第１領域および前記第２支持基板の間に複数配列された熱電素子と、前記第２領域に実装された温度検知素子と、前記第１支持基板上に設けられた、前記熱電素子を外部電源に接続するための２つのリード部材とを備えており、
   該温度検知素子は前記第１支持基板上に形成された２つの配線導体に接続されているとともに、該２つの配線導体が前記熱電素子のうちの異なる熱電素子にそれぞれ接続されており、
   前記２つのリード部材、前記熱電素子、前記２つの配線導体および前記温度検知素子が前記２つのリード部材を始点および終点として直列に電気的に接続されているとともに、前記２つのリード部材のそれぞれと前記温度検知素子との間に複数の前記熱電素子がそれぞれ接続されていることを特徴とする熱電モジュール。