WO2007141890A1

WO2007141890A1 - 熱電変換モジュールおよびその製造方法

Info

Publication number: WO2007141890A1
Application number: PCT/JP2006/319123
Authority: WO
Inventors: Masahiro Sasaki; Yasuhiro Kawauchi; Takanori Nakamura
Original assignee: Murata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2007-12-13

Abstract

　熱電変換モジュールは、複数の熱電構成体（１１）を積層した積層体を備える。複数の熱電構成体（１１）の各々は、絶縁層（１２）と、その表面に印刷によって形成されたｐ型熱電半導体層（１３）とｎ型熱電半導体層（１４）とを含む。ｐ型熱電半導体層（１３）とｎ型熱電半導体層（１４）とは、直接に交互に接続し合うことによって１本以上の蛇行形状を構成し、この蛇行形状を進行方向後ろから見たときに左側に向かって延在する部分と右側に延在する部分とでｐ型熱電半導体層（１３）とｎ型熱電半導体層（１４）とのいずれの種類であるかが区別されるように配置されている。

Description

明細書

熱電変換モジュールおよびその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、熱電変換モジュールおよびその製造方法に関するものである。

背景技術

[0002] 従来の熱電素子の一般的構造としては、特開平 6— 338636号公報 (特許文献 1) の図 5に示されているようなものがある。この構造においては、素子全体は板状であり、 p型および n型の熱電材料が多数の柱として厚み方向に延在するように配置され、表裏両面において、互いに隣接する p型と n型との熱電材料の端部同士をつなぐように板状の導電体が配置され、それぞれ熱電対を構成している。素子全体にわたって多数形成される熱電対はすべて直列に接続されて!ヽる。 pn接続を担う板状の導電体は表裏両面に位置するので、この熱電素子における外部との熱の授受方向、すなわち発電のために温度差をつけるべき方向は厚み方向となって、る。

[0003] さらに、熱電シートに相当するものが特開平 8— 32126号公報 (特許文献 2)に開示されている。この構造は、耐熱絶縁フィルムの表面に、下側の導電性ペースト、 P 型および N型の半導体ペースト、上側の導電性ペーストの順に積層して印刷した構造であり、素子全体にわたって熱電対が多数形成される形となっているが、これらの熱電対はすべて直列に接続されている。この熱電シートにおける外部との熱の授受方向はやはりシートの厚み方向となっている。

[0004] さらに、「熱電変換装置」と称するものが特開 2004— 104041号公報 (特許文献 3) の図 1に開示されている。この熱電変換装置は、一対のフレキシブルな高分子シートの間に棒状の p型および n型の熱電半導体エレメントを交互に配置し、両端にそれぞれ隣接する P型および n型の熱電半導体エレメントの端部同士を接続するための電極を配置することにより、多数の熱電対を直列に接続した構造となっている。この熱電変換装置における外部との熱の授受方向は棒状の熱電半導体エレメントの長手方向となっているので、高分子シートの表面に平行な方向となっている。

特許文献 1：特開平 6— 338636号公報特許文献 2：特開平 8— 32126号公報

特許文献 3：特開 2004—104041号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 特許文献 1の構造においては、多数の柱構造を配列することとなるので、高密度化には不向きである。また、外部との熱の授受方向が厚み方向となるので、この方向に関する温度差を大きくとるためにこの方向の長さを大きくすると、結局は薄型化に反することとなる。

[0006] 特許文献 2の構造においては、薄型化には効果的であるが、外部との熱の授受方向はシートの厚み方向であるため、薄型化した結果、温度差を大きくとりにくいという短所がある。また、各構成要素を印刷して重ねる必要があるため、各構成要素はある程度広い面積のものとせざるを得ず、シートの面方向の高密度化すなわち、小面積化には不向きである。

[0007] 特許文献 3の構造においては、半導体エレメントが棒状となっているため、シートの面方向の高密度化も可能であるが、機械加工限界により、シートの厚み方向の高密度化は困難である。

[0008] そこで、本発明は、温度差を発生させるための距離を大きくとりやすぐ高密度化も可能な熱電変換モジュールおよびその製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 上記目的を達成するため、本発明に基づく熱電変換モジュールは、複数の熱電構成体を積層した積層体を備え、上記複数の熱電構成体の各々は、絶縁層と、上記絶縁層の表面に印刷によって第 1平面的パターン群で形成された P型熱電半導体層と、上記絶縁層の表面に印刷によって第 2平面的パターン群で形成された n型熱電半導体層とを含み、上記第 1平面的パターン群は、複数の第 1基本パターンが離散的に並んで繰り返す部分を含み、上記第 2平面的パターン群は、複数の第 2基本バターンが離散的に並んで繰り返す部分を含み、上記第 1基本パターンと上記第 2基本ノターンとは、直接に交互に接続し合うか、または上記絶縁層の表面に離散的に並んで繰り返すように印刷された金属層をそれぞれ介して間接的に交互に接続し合うことによって 1本の蛇行形状または互いに平行に配列された 2本以上の蛇行形状を構成し、上記 1本の蛇行形状または互いに平行に配列された 2本以上の蛇行形状を進行方向後ろ力見たときに左側に向力つて延在する部分と右側に延在する部分とで上記第 1基本パターンと上記第 2基本パターンとのいずれの種類であるかが区別されるように配置されている。

[0010] 上記発明において好ましくは、上記積層体の側面に形成された 2つの外部電極を備え、上記熱電変換モジュールは、上記蛇行形状の一端から上記絶縁層の端までを電気的に接続する第 1引出し部と、上記蛇行形状の他端から上記絶縁層の端までを電気的に接続する第 2引出し部を含み、上記 2つの外部電極は、上記第 1引出し部と上記第 2引出し部とにそれぞれ個別に電気的に接続されている。

[0011] 上記発明において好ましくは、上記蛇行形状の一端を上記複数の熱電構成体のすべてに渡って積層方向に貫通するように電気的に接続する第 1ビアホールと、上記蛇行形状の他端を上記複数の熱電構成体のすべてに渡って積層方向に貫通するように電気的に接続する第 2ビアホールとを備え、上記第 1および第 2ビアホールの各々において少なくとも一方の端は上記積層体の外面に露出している。

[0012] 上記発明にお!/、て好ましくは、上記 p型熱電半導体層および上記 n型熱電半導体層のうち少なくとも一方は、出力因子のピーク温度が互いに異なる複数の半導体層片を含み、上記複数の半導体層片は、出力因子のピーク温度の値に応じて順に配置されている。

[0013] 上記目的を達成するため、本発明に基づく熱電変換モジュールの製造方法の第 1 の局面は、絶縁シートの表面に p型熱電半導体材料と n型熱電半導体材料とを両方印刷して pn接合部を 1ケ所以上形成することによって熱電シートを形成する単シート印刷工程と、上記単シート印刷工程によって形成された上記熱電シートを複数枚積層する工程と、上記積層する工程の後に焼成する工程とを含む。

[0014] 上記目的を達成するため、本発明に基づく熱電変換モジュールの製造方法の第 2 の局面は、絶縁基材の表面に、熱電構成体形成工程を複数回繰り返すことによって熱電構成体を積層させる全体形成工程と、上記全体形成工程の後に焼成する工程とを含み、上記熱電構成体形成工程は、 p型熱電半導体材料と n型熱電半導体材料とを両方印刷して pn接合部を 1ケ所以上形成することによって熱電構成部を形成する pn接合部印刷工程と、上記熱電構成部の上記 pn接合部を覆うように絶縁層を形成する工程とを含む。

発明の効果

[0015] 本発明によれば、 pn接合部を印刷によって絶縁層表面に形成することができるので作製作業が容易であり、高密度化も容易である。また、外部との熱の授受方向は積層体の厚み方向ではなぐ積層体の 1層 1層をなす熱電構成体の主表面に平行な方向であるので、温度差を与えるべき方向の寸法を長くとることも容易である。

図面の簡単な説明

[0016] [図 1]本発明に基づく実施の形態 1における熱電変換モジュールの斜視図である。

[図 2]本発明に基づく実施の形態 1における熱電変換モジュールに含まれる熱電構成体の単独での斜視図である。

[図 3]本発明に基づく実施の形態 1における熱電変換モジュールに関係する第 1平面的パターン群の平面図である。

[図 4]本発明に基づく実施の形態 1における熱電変換モジュールに関係する第 2平面的パターン群の平面図である。

[図 5]本発明に基づく実施の形態 1における熱電変換モジュールに含まれる熱電構成体の上面説明図である。

[図 6]本発明に基づく実施の形態 1にお、て蛇行形状のノリエーシヨンにっ、て示す第 1の平面図である。

[図 7]本発明に基づく実施の形態 1にお、て蛇行形状のノリエーシヨンにっ、て示す第 2の平面図である。

[図 8]本発明に基づく実施の形態 1にお、て蛇行形状のノリエーシヨンにっ、て示す第 3の平面図である。

[図 9]本発明に基づく実施の形態 1にお、て蛇行形状のノリエーシヨンにっ、て示す第 4の平面図である。

[図 10]本発明に基づく実施の形態 1にお、て蛇行形状のノリエーシヨンにっ、て示す第 5の平面図である。 [図 11]本発明に基づく実施の形態 1にお、て蛇行形状のノリエーシヨンにっ、て示す第 6の平面図である。

[図 12]本発明に基づく実施の形態 1にお、て蛇行形状のノリエーシヨンにっ、て示す第 7の平面図である。

[図 13]本発明に基づく実施の形態 1にお、て蛇行形状のノリエーシヨンにっ、て示す第 8の平面図である。

[図 14]本発明に基づく実施の形態 1にお、て蛇行形状のノリエーシヨンにっ、て示す第 9の平面図である。

[図 15]本発明に基づく実施の形態 1にお、て蛇行形状のノリエーシヨンにっ、て示す第 10の平面図である。

圆 16]本発明に基づく実施の形態 1において 2本以上の蛇行形状が配列される第 1 の例の平面図である。

圆 17]本発明に基づく実施の形態 1において 2本以上の蛇行形状が配列される第 2 の例の平面図である。

[図 18]本発明に基づく実施の形態 1における熱電変換モジュールをビアホール方式とした場合の熱電変換モジュールに含まれる熱電構成体の単独での斜視図である。

[図 19]本発明に基づく実施の形態 1における熱電変換モジュールをビアホール方式とした場合の斜視図である。

圆 20]本発明に基づく実施の形態 2において温度と出力因子との関係を示す第 1のグラフである。

圆 21]本発明に基づく実施の形態 2において温度と出力因子との関係を示す第 2のグラフである。

圆 22]本発明に基づく実施の形態 2における熱電変換モジュールに含まれる熱電構成体の第 1の例の上面図である。

圆 23]本発明に基づく実施の形態 2における熱電変換モジュールに含まれる熱電構成体の第 2の例の上面図である。

[図 24]本発明に基づく実施の形態 3における熱電変換モジュールの製造方法のフロ一チャートである。 [図 25]本発明に基づく実施の形態 3における熱電変換モジュールの製造方法の第 1 の工程の説明図である。

[図 26]本発明に基づく実施の形態 3における熱電変換モジュールの製造方法の第 2 の工程の説明図である。

[図 27]本発明に基づく実施の形態 3における熱電変換モジュールの製造方法の第 3 の工程の説明図である。

[図 28]本発明に基づく実施の形態 3における熱電変換モジュールの製造方法の第 4 の工程の説明図である。

[図 29]本発明に基づく実施の形態 4における熱電変換モジュールの製造方法のフロ一チャートである。

[図 30]本発明に基づく実施の形態 4における熱電変換モジュールの製造方法の第 1 の工程の説明図である。

[図 31]本発明に基づく実施の形態 4における熱電変換モジュールの製造方法の第 2 の工程の説明図である。

[図 32]本発明に基づく実施の形態 4における熱電変換モジュールの製造方法の第 3 の工程の説明図である。

符号の説明

[0017] 10 積層体、 10u (作製途中の）積層体、 11 熱電構成体、 12 絶縁層、 12f 絶縁シート、 13, 13h p型熱電半導体層、 13hl, 13h2, 13h3 半導体層片、 14, 1 4h n型熱電半導体層、 15 第 1平面的パターン群、 16 第 2平面的パターン群、 1 7 外部電極、 18 第 1引出し部、 19 第 2引出し部、 20, 21, 22, 23 金属層、 24 第 1ビアホール、 25 第 2ビアホール、 24a, 25a (各ビアホールの;)露出部、 26a, 26b pn接合部、 27 熱電シート、 90 矢印、 100, 101 熱電変換モジュール、 15 1 第 1基本パターン、 161 第 2基本パターン。

発明を実施するための最良の形態

[0018] (実施の形態 1)

図 1〜図 5を参照して、本発明に基づく実施の形態 1における熱電変換モジュールについて説明する。この熱電変換モジュールは、複数の熱電構成体を積層した積層体を備え、前記複数の熱電構成体の各々は、絶縁層と、前記絶縁層の表面に印刷によって第 1平面的パターン群で形成された p型熱電半導体層と、前記絶縁層の表面に印刷によって第 2平面的パターン群で形成された n型熱電半導体層とを含み、前記第 1平面的パターン群は、複数の第 1基本パターンが離散的に並んで繰り返す部分を含み、前記第 2平面的パターン群は、複数の第 2基本パターンが離散的に並んで繰り返す部分を含み、前記第 1基本パターンと前記第 2基本パターンとは、直接に交互に接続し合うか、または前記絶縁層の表面に離散的に並んで繰り返すように印刷された金属層をそれぞれ介して間接的に交互に接続し合うことによって 1本の蛇行形状または互いに平行に配列された 2本以上の蛇行形状を構成し、前記 1本の蛇行形状または互いに平行に配列された 2本以上の蛇行形状を進行方向後ろ力見たときに左側に向かって延在する部分と右側に延在する部分とで前記第 1基本バターンと前記第 2基本パターンとの、ずれの種類であるかが区別されるように配置されている。

[0019] この熱電変換モジュールにつ、て、その構成の文言を区切りながら、より詳しく説明する。まず、この熱電変換モジュール 100は、図 1に示すように複数の熱電構成体 11 を積層した積層体 10を備える。複数の熱電構成体 11の各々は、図 2に示すように、絶縁層 12と、この絶縁層 12の表面に印刷によって第 1平面的パターン群で形成された P型熱電半導体層 13と、前記絶縁層の表面に印刷によって第 2平面的パターン群で形成された n型熱電半導体層 14とを含む。図 3に第 1平面的パターン群 15を示す。図 4に第 2平面的パターン群 16を示す。第 1平面的パターン群 15は、複数の第 1基本パターン 151が離散的に並んで繰り返す部分を含む。第 2平面的パターン群 16は、複数の第 2基本パターン 161が離散的に並んで繰り返す部分を含む。

[0020] 第 1基本パターン 151と第 2基本パターン 161とは、

(a)直接に交互に接続し合うか、

または

(b)前記絶縁層の表面に離散的に並んで繰り返すように印刷された金属層をそれぞれ介して間接的に交互に接続し合う、

ことによって 1本の蛇行形状または互いに平行に配列された 2本以上の蛇行形状を構成する。図 2の例では第 1基本パターン 151と第 2基本パターン 161とが上記 (a) に則って「直接に」交互に接続し合うことによって、 1本の蛇行形状が構成されている

[0021] この熱電変換モジュール 100においては、第 1基本パターン 151と第 2基本パターン 161とは、前記「 1本の蛇行形状または互!、に平行に配列された 2本以上の蛇行形状」を進行方向後ろから見たときに左側に向力つて延在する部分と右側に延在する部分とで前記第 1基本パターンと前記第 2基本パターンとのいずれの種類であるかが区別されるように配置されている。蛇行形状を「進行方向後ろから」見るとは、図 2において矢印 90の向きに見るようなことを意味する。蛇行形状は矢印 90の向きに進行する形状となっているからである。図 2において矢印 90は左力も右を指すようになつて!、るが、図 2にお、て左右、ずれを進行方向後ろと考えてもよ!、。

[0022] よりわ力りやすくするために、熱電構成体 11の上面図を、矢印 90が下力も上向きになるような向きで図 5に表示する。図 5に示すように、矢印 90に沿って蛇行形状を見たとき、蛇行形状は図 5における下から上へと進行しているものとみなすことができる。蛇行形状は、進行方向の左側に延在することと右側に延在することとを交互に繰り返して成立している形状であるので、各基本パターンも図 5の中に横方向の矢印で示したように左右のどちらに向力つて延在しているか分類することができる。図 5の例では、「左」に向力つて延在しているとみなすことができるのは第 1基本パターン 151 であり、「右」に向かって延在しているとみなすことができるのは第 2基本パターン 161 である。

[0023] さらに好ましくは、この熱電変換モジュール 100は、図 1に示すように積層体 10の側面に形成された 2つの外部電極 17を備える。熱電変換モジュール 100は、前記蛇行形状の一端から前記絶縁層の端までを電気的に接続する第 1引出し部 18と、前記蛇行形状の他端力前記絶縁層の端までを電気的に接続する第 2引出し部 19を含む。前記 2つの外部電極 17は、第 1引出し部 18と第 2引出し部 19とに対してそれぞれ個別に電気的に接続されて！ヽる。

[0024] なお、図 1においては積層体 10の最上面に印刷されたパターンは図示省略している。積層体 10の最上面には図 2に示したような蛇行形状のパターンが露出していてもよい。あるいは、最上層にこのような蛇行形状が印刷されていない絶縁層 12を積み重ねることによって蛇行形状のパターンは覆、隠されて、てもよ、。

[0025] 本実施の形態における熱電変換モジュール 100は、絶縁層 12の表面に印刷によつて平面的パターンとして p型， n型の熱電半導体層を形成し、これらを交互につなげたものである熱電構成体 11を積層した積層体 10であるので、 p型， n型の熱電半導体層の接続箇所を多数含んでいながら作製が容易であり、高密度化も容易である。また、外部との熱の授受方向は厚み方向ではなぐ熱電構成体 11の主表面に平行な方向であるので、温度差を与えるべき方向の寸法を長くとることも容易である。熱電構成体 11の厚みは変えずに長さを大きくすれば、温度差を与えるべき距離は長くなる。また、熱電構成体の積層枚数を適宜変えることで薄くすることも厚くすることも可能である。

[0026] さらに、側面に 2つの外部電極 17を備えることにより、外部との接続がしゃすくなる。外部電極 17は、積層体 10の側面に配置されているのですベての層の熱電構成体の第 1引出し部 18または第 2引出し部 19と一斉に電気的に接続することも容易である。

[0027] 蛇行形状のノリエーシヨンにっ、て説明する。「蛇行形状」は「ミアンダ (meander) 形状」または「ミアンダパターン」と呼ばれることもある。図 1〜図 5の例では、蛇行形状は図 6に示すように L字形状と逆 L字形状とを交互に並べたパターンとなっていた。ここでは、蛇行形状の進行方向を図 6における左力右とすると進行方向前側に向かつて L字形状の短辺が延びる配置となっていた。しかし、このようなパターンに限らず、図 7に示すようなパターンであってもよい。すなわち、図 6、図 7に示すように L字形状の短辺はどちらに延びていてもよい。さらに、図 8に示すように略 Z字形状と略逆 Z 字形状とを交互に並べたパターンであってもよい。図 9、図 10に示すように Vターンを繰り返すジグザグ形状であってもよ、。図 11に示すように Uターンを繰り返す蛇行形状であってもよい。図 6〜図 11で示した例ではいずれも、 p型熱電半導体層である第 1基本パターンと n型熱電半導体層である第 2基本パターンとが直接に交互に接続し合って蛇行形状を構成している。これに対して、図 12〜図 15に示した例では、 p型熱電半導体層である第 1基本パターンと n型熱電半導体層である第 2基本パターンとは、上記 (b)の条件に則って、離散的に並んで繰り返すように印刷された金属層 20, 21 , 22, 23をそれぞれ介して間接的に交互に接続し合うことによって蛇行形状を構成している力このような構成であってもよい。

[0028] 第 1基本パターンと第 2基本パターンとが交互に接続し合うことによって構成される蛇行形状は 1本に限らず互いに平行に配列された 2本以上の蛇行形状であってもよい。たとえば図 16、図 17に示すようなものであってもよい。図 16、図 17ではそれぞれ 3本の蛇行形状が構成されている。図 17に示すように Vターンを繰り返すジグザグ形状であれば、 V字の谷間を利用して複数の蛇行形状を互いに接近させて配置することができるので、高密度化に好都合である。

[0029] 本実施の形態では、好ましい形態として積層体 10の側面に 2つの外部電極 17が形成された例について説明したが、各層の熱電構成体 11を電気的に接続し、同時に電流を取り出すための構成としては、このような外部電極 17を用いる構成の代わりにビアホールによって各層を電気的に接続する構成であってもよい。すなわち、上述の熱電変換モジュールの好ましい構成としては、図 18、図 19に示す熱電変換モジュール 101のようなものであってもよい。熱電変換モジュール 101は、図 18に示すように、前記蛇行形状の一端を前記複数の熱電構成体 11のすべてに渡って積層方向に貫通するように電気的に接続する第 1ビアホール 24と、前記蛇行形状の他端を前記複数の熱電構成体 11のすべてに渡って積層方向に貫通するように電気的に接続する第 2ビアホール 25とを備える。図 19に示すように、第 1および第 2ビアホール 24, 25の端は積層体 10の外面に露出していればよい。図 19では、第 1ビアホール 24は露出部 24aを有し、第 2ビアホール 25は露出部 25aを有する。このようになっていれば、第 1,第 2のビアホール 24, 25の端が積層体 10の外面に露出している露出部 2 4a, 25aを利用して外部力もの電気的接続を容易に行なうことができ、確実にすべての熱電構成体 11との間の電気的接続を達成することができる。

[0030] なお、図 19では露出部 24a, 25aはいずれも積層体 10の上下両方の外面に露出させている力このように上下両方の外面に露出させる構成に限らず、上面のみまたは下面のみに露出させることとしてもょ、。露出部 24aと露出部 25aとで一方は上面のみ、他方は下面のみに露出させることとしてもよい。 [0031] ビアホールの端を露出させる方式の場合、この積層体全体の左右の端部を金属べ一スト中にそれぞれディップすることによって、ビアホールの露出部に対して電気的に接続する外部電極を、積層体の各端部全体を覆うように形成することも可能である

[0032] また、ビアホールの露出部に接するように印刷などで外部電極を形成してもよ!/、。

その場合、たとえば帯状電極がビアホールの露出部を覆うように印刷される。

[0033] 熱電変換モジュール 101においても熱電変換モジュール 100 (図 1参照）と同様に積層体 10の最上面には蛇行形状のパターンが露出して、てもよく、絶縁層に覆！、隠されていてもよい。

[0034] (実施の形態 2)

一般に、熱電半導体層は材質によって図 20に示すように、特定のピーク温度を有し、その上下の温度では出力因子曲線は勾配を有している。したがって、熱電構成体としては、出力因子曲線のピーク温度力やや外れた温度範囲で、出力因子曲線の勾配が安定し、かつある程度急峻となっている適当な範囲 Rにおいて最も効率良く発電することができる。

[0035] 図 21〜図 23を参照して、本発明に基づく実施の形態 2における熱電変換モジユールについて説明する。この熱電変換モジュールは、基本的に実施の形態 1で説明したものと同様であるが、さらに追加的な特徴として、前記 p型熱電半導体層および前記 n型熱電半導体層のうち少なくとも一方は、出力因子のピーク温度が互いに異なる複数の半導体層片を含み、前記複数の半導体層片は、出力因子のピーク温度の値に応じて順に配置されて、る。

[0036] ここでいう複数の半導体層片は、図 21に示すように出力因子のピーク温度が互いに異なる。これらの半導体層片の種類を図 21に示すように PI, P2, P3と表示すると、本実施の形態における熱電変換モジュールは、図 22に示すような構成であってもよぐ図 23に示すような構成であってもよい。図 22に示す構成に比べて図 23に示す構成の方が印刷が容易である。

[0037] 図 22の例においては、実施の形態 1における p型熱電半導体層 13に代えて p型熱電半導体基板 13hが含まれている。 p型熱電半導体層 13hは出力因子のピーク温度がそれぞれ異なる PI, P2, P3の 3種類の材質力もなる半導体層片 13hl, 13h2, 1 3h3を含んでいる。

[0038] 一方、図 23の例にぉ、ては、複数の蛇行形状が平行に配列されており、蛇行形状の 1本 1本ごとに含まれている p型熱電半導体層の材質種類が異なっており、図 23における上下方向に PI, P2, P3が分かれて並んでいる。

[0039] 図 22、図 23のいずれの例においても、 PI, P2, P3の並ぶ順は、出力因子のピーク温度の順となっている。図 22、図 23のいずれの例においても、 n型熱電半導体層については、実施の形態 1と同じく 1種類の n型熱電半導体層 14のままとしたが、 p型熱電半導体層の代わりに n型熱電半導体層につ、て出力因子のピーク温度が互、に異なる複数の半導体層片を含ませて同様の構成としてもよい。あるいは、 p型， n型の両方につ、て互ヽに異なる複数の半導体層片を含ませて同様の構成としてもよ!ヽ

[0040] PI, P2, P3の 3種類の半導体層片 13hl, 13h2, 13h3の並ぶ方向は温度差をつける方向と平行にすることが好ましい。

[0041] 本実施の形態における熱電変換モジュールでは、部位によって、出力因子のピーク温度がそれぞれ異なる半導体層片が配置されているので、 1つの大きな温度勾配の中で各半導体層片がそれぞれ最適な温度範囲に直面するようにして各半導体片に最大の働きをさせるように設計することが可能となる。

[0042] (実施の形態 3)

図 24〜図 28を参照して、本発明に基づく実施の形態 3における熱電変換モジユールの製造方法につ!、て説明する。この熱電変換モジュールの製造方法の大まかなフローチャートを図 24に示す。この熱電変換モジュールの製造方法は、絶縁シートの表面に P型熱電半導体材料と n型熱電半導体材料とを両方印刷して pn接合部を 1ケ所以上形成することによって熱電シートを形成する単シート印刷工程と、前記単シート印刷工程によって形成された前記熱電シートを複数枚積層する工程とを含む。

[0043] 単シート印刷工程では、図 25に示すような絶縁シート 12fの表面に、 p型熱電半導体材料と n型熱電半導体材料とを順に印刷する。すなわち、図 26に示すようにまず片方を印刷する。この例では、第 1平面的パターン群 15となるように p型熱電半導体材料を印刷している。次に図 27に示すように第 2平面的パターン群 16となるように n 型熱電半導体材料を印刷して!/ヽる。 P型熱電半導体材料と n型熱電半導体材料とはそれぞれの端が一部重なるようにして印刷することによって交互接続を確実にすることが好ましい。その結果、 pn接合部 26a, 26bがそれぞれ複数形成されている。ここでは、 p型熱電半導体材料を先に印刷し、 n型熱電半導体材料を後に印刷している力の順序は逆であってもよ、。これらの熱電半導体材料の印刷はスクリーン印刷で行なうことができる。また、両者の接続が確実にできるのであれば、両方を同時に印刷してもよい。こうして、図 27に示す熱電シート 27が得られる。

[0044] なお、単シート印刷工程で用いる絶縁シート 12fは、たとえば BaO— Al O— SiO

2 3 2 系セラミック材料や、 ZnO-MgO-Al O—SiO系ガラス材料などのアルミナを主

2 3 2

成分とする材料を含むスラリーをシート成形することにより形成された未焼成のダリーンシートであってよい。 p型熱電半導体材料は、たとえばクロメル粉末を有機ビヒクルに混鍊させてなるペーストであってよい。 n型熱電半導体材料は、たとえばコンスタンタン粉末を有機ビヒクルに混鍊させてなるペーストであってよい。

[0045] 図 28に示すように、単シート印刷工程によって形成された熱電シート 27を複数枚積層する工程を行なう。図 28では作製途中の積層体 10uの上に 1枚の熱電シート 2 7を載せている。これを必要回数だけ繰り返した後、圧着させ、必要に応じて個々の大きさにカットし、さらに焼成することによって完成した積層体 10 (図 1参照）が得られる。さらに必要に応じて外部電極 17を形成する工程を行なえば、図 1に示した熱電変換モジュール 100が得られる。

[0046] なお、外部電極 17の代わりに図 18、図 19に示したような第 1ビアホール 24、第 2ビァホール 25を形成する場合は、第 1の方法としては、たとえばレーザ照射やパンチングによって積層体 10に貫通孔を形成する。 Cu粉末を有機ビヒクルに混鍊させてなるペーストをスクリーン印刷によってこの貫通孔に充填すればよい。あるいは、第 2の方法としては、積層体 10を形成する前に、積層体 10の各層となるべき絶縁シートのビァホールに相当する位置に個別に予め貫通孔を設けておき、これらの絶縁シートが積層されることによって貫通孔が連接して第 1ビアホール 24、第 2ビアホール 25を形成するようにしてちょい。 [0047] 本実施の形態における熱電変換モジュールの製造方法によれば、実施の形態 1で説明した熱電変換モジュールを容易に得ることができる。この製造方法では、 p型， n 型の熱電半導体層をいずれも印刷工程によって形成することができるので、作製が容易であり、薄く形成することができる。また、高密度化することもできる。 p型， n型の半導体層同士の接続を「直接に」行なうのではなく、図 12〜図 15に示すように「金属層を介して」行なう場合は、単シート印刷工程の中で金属層の印刷工程も行なうこととすればよい。この場合、金属層と p型熱電半導体材料との間、金属層と n型熱電半導体材料との間で、端部がそれぞれ一部重なるように印刷することが好ましい。こうすることによって、 p型熱電半導体材料金属層 n型熱電半導体材料金属層 p型熱電半導体材料金属層 n型熱電半導体材料金属層 …とヽぅ順の電気的接続を実現する。このような金属層の印刷にあたっては、たとえば Cu粉末を有機ビヒクルに混鍊させてなるペーストをスクリーン印刷すればよい。

[0048] (実施の形態 4)

図 29〜図 32を参照して、本発明に基づく実施の形態 4における熱電変換モジユールの製造方法につ!、て説明する。この熱電変換モジュールの製造方法の大まかなフローチャートを図 29に示す。実施の形態 3では単シート印刷工程があり、単体で存在し得る熱電シート 27 (図 27参照）をまず作製して力もこれを積層していたが、本実施の形態における熱電変換モジュールの製造方法では、単シート印刷工程は行なわず、積層体に対して直接、印刷と絶縁層形成とを繰返し行なうことで積層体を成長させている。

[0049] この熱電変換モジュールの製造方法は、絶縁基材の表面に、熱電構成体形成ェ程を複数回繰り返すことによって熱電構成体を積層させる全体形成工程を含み、前記熱電構成体形成工程は、 P型熱電半導体材料と n型熱電半導体材料とを両方印刷して pn接合部を 1ケ所以上形成することによって熱電構成部を形成する pn接合部印刷工程と、前記熱電構成部の前記 pn接合部を覆うように絶縁層を形成する工程とを含む。

[0050] 熱電構成体形成工程には、 pn接合部印刷工程と絶縁層を形成する工程とが含まれている。 1つの熱電構成体形成工程の中に含まれるこれら 2つの工程はどちらを先ととらえてもよい。全体形成工程は、熱電構成体形成工程の繰返しである。すなわち

、全体形成工程は、 pn接合部印刷工程と絶縁層を形成する工程とを交互に繰返すことを含んでいる。ここでは、熱電構成体形成工程は pn接合部印刷工程を先に行なつて絶縁層を形成する工程を後に行なうものと仮定して説明する。

[0051] ただし、何もな、ところに、きなり印刷することはできな、ので、最初に印刷を行なう対象として絶縁基材を用意する。この絶縁基材は図 25に示した絶縁シート 12fのようなものであってよいが、より大きな部材であってもよい。ここでいう絶縁基材は、後に形成する絶縁層と同じ形状である必要はない。本実施の形態では、積層体 lOuとしてある程度積み上がった状態力説明する。

[0052] まず、 pn接合部印刷工程を行なう。この工程は、 p型熱電半導体材料と n型熱電半導体材料との 2つの印刷の工程を含む。たとえば図 30に示すように、作製途中の積層体 lOuの上面に対して p型熱電半導体材料と n型熱電半導体材料とを順に印刷する。図 30の例ではまず第 1平面的パターン群 15となるように p型熱電半導体材料を印刷している。次に図 31に示すように、第 2平面的パターン群 16となるように n型熱電半導体材料を印刷している。ここまで力 ¾n接合部印刷工程である。 p型熱電半導体材料と n型熱電半導体材料とはそれぞれの端が一部重なるようにして印刷することによって交互接続を確実にすることが好ましい。その結果、 pn接合部 26a, 26bがそれぞれ複数形成されている。ここでは、 pn接合部印刷工程の中で、 p型熱電半導体材料を先に印刷し、 n型熱電半導体材料を後に印刷して、るがこの順序は逆であつてもよい。また、両者の接続が確実にできるのであれば、両方を同時に印刷してもよい。

[0053] 次に、絶縁層を形成する工程を行なう。すなわち、熱電構成部の pn接合部 26a, 2 6bを覆うように絶縁層 12を形成する工程を行なう。これによつて、図 32に示すように、上述の熱電構成体形成工程にぉヽて印刷された p型熱電半導体材料および n型熱電半導体材料は絶縁層 12の下に隠れて見えなくなる。積層体 lOuの最上面には未印刷の絶縁層 12上面が露出することとなる。ここまでが絶縁層を形成する工程である。

[0054] pn接合部印刷工程と絶縁層を形成する工程を合わせたものが熱電構成体形成ェ程であり、上述したように、全体形成工程は、熱電構成体形成工程の繰返しであるので、この積層体 lOuの最上面に対してさらに熱電構成体形成工程を行なう。こうして、熱電構成体形成工程と絶縁層を形成する工程とを交互に繰り返すことによって積層体 lOuは成長し、所望の数だけ熱電構成体が積層された積層体 10 (図 1参照）となる。さらに必要に応じて外部電極 17を形成する工程を行なえば、図 1に示した熱電変換モジュール 100が得られる。

[0055] なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

産業上の利用可能性

[0056] 本発明は、熱電変換モジュールおよびその製造方法に適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 複数の熱電構成体 (11)を積層した積層体 (10)を備え、

前記複数の熱電構成体の各々は、

絶縁層（12)と、

前記絶縁層の表面に印刷によって第 1平面的パターン群（15)で形成された p型熱電半導体層（13)と、

前記絶縁層の表面に印刷によって第 2平面的パターン群（16)で形成された n型熱電半導体層（14)とを含み、

前記第 1平面的パターン群は、複数の第 1基本パターン（151)が離散的に並んで繰り返す部分を含み、

前記第 2平面的パターン群は、複数の第 2基本パターン（161)が離散的に並んで繰り返す部分を含み、

前記第 1基本パターンと前記第 2基本パターンとは、直接に交互に接続し合うか、または前記絶縁層の表面に離散的に並んで繰り返すように印刷された金属層（21, 22 , 23)をそれぞれ介して間接的に交互に接続し合うことによって 1本の蛇行形状または互いに平行に配列された 2本以上の蛇行形状を構成し、

前記 1本の蛇行形状または互いに平行に配列された 2本以上の蛇行形状を進行方向後ろ力も見たときに左側に向力つて延在する部分と右側に延在する部分とで前記第 1基本パターンと前記第 2基本パターンとのいずれの種類であるかが区別されるように配置されている、熱電変換モジュール（100, 101)。

[2] 前記積層体の側面に形成された 2つの外部電極（17)を備え、

前記熱電変換モジュールは、

前記蛇行形状の一端から前記絶縁層の端までを電気的に接続する第 1引出し部（ 18)と、前記蛇行形状の他端力前記絶縁層の端までを電気的に接続する第 2引出し部（19)を含み、

前記 2つの外部電極は、前記第 1引出し部と前記第 2引出し部とにそれぞれ個別に電気的に接続されている、請求の範囲第 1項に記載の熱電変換モジュール。

[3] 前記蛇行形状の一端を前記複数の熱電構成体のすべてに渡って積層方向に貫通するように電気的に接続する第 1ビアホール（24)と、

前記蛇行形状の他端を前記複数の熱電構成体のすべてに渡って積層方向に貫通するように電気的に接続する第 2ビアホール（25)とを備え、

前記第 1および第 2ビアホールの各々において少なくとも一方の端（24a, 25a)は前記積層体の外面に露出している、請求の範囲第 1項に記載の熱電変換モジユール。

[4] 前記 p型熱電半導体層および前記 n型熱電半導体層のうち少なくとも一方は、出力因子のピーク温度が互いに異なる複数の半導体層片（13hl, 13h2, 13h3)を含み、前記複数の半導体層片は、出力因子のピーク温度の値に応じて順に配置されている、請求の範囲第 1項に記載の熱電変換モジュール。

[5] 絶縁シート（12f)の表面に p型熱電半導体材料と n型熱電半導体材料とを両方印刷して pn接合部（26a, 26b)を 1ケ所以上形成することによって熱電シート (27)を形成する単シート印刷工程と、

前記単シート印刷工程によって形成された前記熱電シートを複数枚積層する工程と、

前記積層する工程の後に焼成する工程とを含む、熱電変換モジュールの製造方法

[6] 絶縁基材の表面に、熱電構成体形成工程を複数回繰り返すことによって熱電構成体を積層させる全体形成工程と、

前記全体形成工程の後に焼成する工程とを含み、

前記熱電構成体形成工程は、 P型熱電半導体材料と n型熱電半導体材料とを両方印刷して pn接合部（26a, 26b)を 1ケ所以上形成することによって熱電構成部を形成する pn接合部印刷工程と、

前記熱電構成部の前記 pn接合部を覆うように絶縁層（12)を形成する工程とを含む、熱電変換モジュールの製造方法。