JP2002359405A - 熱電素子配列ユニットおよびその製造方法並びに熱電素子配列ユニットを用いた熱電モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ｐ型とｎ型の熱電素子を複数配置した熱電素
子配列ユニットを容易に製造する。 【解決手段】 ｐ型素子固定嵌合用貫通孔３３を複数配
列形成した櫛歯形状の第１の絶縁性スペーサ１５ａと、
ｎ型素子固定嵌合用貫通孔３４を複数配列形成した櫛歯
形状の第２の絶縁性スペーサ１５ｂを有し、第１の絶縁
性スペーサ１５ａのｐ型素子固定嵌合用貫通孔３３にそ
れぞれｐ型の熱電素子１ａを挿通固定し、第２の絶縁性
スペーサ１５ｂのｎ型素子固定嵌合用貫通孔３４にそれ
ぞれｎ型の熱電素子１ｂを挿通固定し、第１の絶縁性ス
ペーサ１ａの櫛歯３５の隙間に第２の絶縁性スペーサ１
５ｂの櫛歯３６を嵌合し、ｐ型の熱電素子１ａとｎ型の
熱電素子１ｂとを隣り合わせに交互に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電流を通電するこ
とにより冷却・加熱を行うペルチェ素子や、発電を生じ
せしめるゼーベック素子等の熱電素子を配列してユニッ
ト化した熱電素子配列ユニットおよびその製造方法並び
に熱電素子配列ユニットを用いた熱電モジュールに関す
るものである。

【０００２】

【背景技術】熱電素子として一般的に知られているペル
チェ素子は、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、ｐ、ｎ
型素子を形成し、このｐ、ｎ型素子を注入電極を介在さ
せ交互に直列に並べ、該直列素子の両端に、電圧を印加
し、電流を流すことにより、素子と電極界面で冷却・加
熱効果を生ぜしめる素子であり、図１１の（ａ）、
（ｂ）に示す構成をとる。

【０００３】また、ペルチェ素子の具体的構成は、ｐ、
ｎの熱電素子１を直列に接続する電極２等を形成した厚
さ０．３〜１ｍｍ程度のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセ
ラミック薄板等からなる絶縁性基板３、４を上下に対向
して配置し、上記基板３、４間に直径０．６〜３ｍｍ程
度、長さ０．５〜３ｍｍ程度のｐ型、ｎ型のビスマス・
テルル等からなる熱電素子１を配置してなる。なお、こ
れら熱電素子１と、電極２間や、リード素子電極５間は
図示しない半田等により固定されている。図中、６はリ
ード端子である。

【０００４】熱電素子１は従来、以下の二つの方法で作
られることが一般的である。 インゴット切断法：Ｂｉ_２Ｔｅ_３にセレン、アンチモン
等の元素を適当量添加して、図示しない７００℃〜９０
０℃に保たれた融液からブリッジマン炉等を用いて直径
数十センチのインゴットを図１５（ａ）に示すように作
製し、更にこれをウェハ状にスライシングし、更に図１
５（ｂ）に示すように、該ウェハ８を、ダイサー９等の
切断手段により切断して上記所定寸法に素子１を形成す
る。尚、ｐ型、ｎ型の素子１はそれぞれ合金組成を調整
して別個に作成される。

【０００５】型内成長法：図１２（ａ）の斜視図に示す
ようにカーボンやアルミナ等からなる二つ割の成形型１
０を合わせ、図示しない位置決め・固定手段により固定
し、図１３のようにＢｉ_２Ｔｅ_３にセレン、アンチモン
等の元素を適当量添加した７００℃〜９００℃に保たれ
た融液１１に浸漬し、融液から成形型１０を引き上げる
ことにより、図１２（ｂ）に示す角柱或いは円柱状の素
子を得る。得られた素子は、図１４に示すように、図示
しない固定治具に取りつけられた後、長さ０．５〜３ｍ
ｍ程度の所定寸法に切断してモジュールに組み込む熱電
素子１とする。なお、Ｂｉ_２Ｔｅ_３にセレンを添加する
ことによりｐ型の熱電素子材料となり、Ｂｉ_２Ｔｅ_３に
アンチモンを添加することによりｎ型の熱電素子材料と
なる。

【０００６】次に熱電素子１を組み立てて熱電モジュー
ルを作成する方法について示すが、従来以下の二つの製
造方法（組立て方法）が採られていた。 直接組立て法：図１６に示すように、アルミナ等のセラ
ミック製の整列治具１２を、あらかじめ電極２を形成
し、更に半田をメッキ等により形成したアルミナ等から
なる回路基板４の上に載せ、所定寸法に切断されたｐ及
びｎ型熱電素子１を交互に整列治具１２の配列孔１３内
に入れて並べ、トンネル炉内で熱電素子１と基板４の電
極２間を固定する。固定後、整列治具１２を外し、上側
に回路基板３を載せ、同様の方法で熱処理し、半田等で
固定することで熱電モジュールを作成する。

【０００７】スペーサ組立て法：熱電素子１を、図１７
（ａ）に示すように所定の本数に対応する貫通孔１４を
設けた薄板のセラミックやガラス／エポキシ樹脂等から
なる絶縁性スペーサ１５を複数枚、所定の距離離間して
配置し、ｐ型、ｎ型の素子１を棒状のまま、交互に突き
通し、エポキシ接着剤を、貫通孔１４と熱電素子１間に
塗布し、硬化させることにより固定する。しかる後、切
断治具（図示せず）にスペーサごと、一体化体を装着
し、図１７（ｂ）に示すように、ダイシングソー等の切
断手段により熱電素子１を切断線１６に沿って切断し、
図９に示す熱電素子配列ユニット（絶縁性スペーサ１５
に複数のｐ型とｎ型の熱電素子１が交互に配列固定され
たスペーサ／素子複合体）１７を作る。かかる工程の
後、熱電素子配列ユニット１７の上下に前記、直接組み
立て法と同様の半田固定法により基板３、４を配置し、
図９（ｂ）に示す熱電モジュールを得る。

【０００８】尚、Ｂｉ_２Ｔｅ_３をベースとする熱電素子
１は、銅や銀からなる電極材と直接、半田付けにより良
好な電気的・機械的接続をすることが困難なため、通
常、熱電素子１の両端部にＮｉ．Ａｕメッキ等を用いる
ことが多いが、この場合、図１０に示すように、熱電素
子１の中間部に、メッキレジスト等を形成する絶縁のた
めのコーティング１８を設けメッキ１９が形成される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】インゴット切断法や型
内成長法のいずれにおいても、小径・短尺の熱電素子１
をｐ、ｎそれぞれに切断して作る方法においては、端部
にメッキを行う際に、両端子間のメッキ短絡が生じやす
い問題点があった。そのために図１０に示すように中間
部にメッキが付着することを防止するためのレジストコ
ーティング１８を一本、一本確実に施し、又、熱電素子
１の放熱特性を損じることが無いようにメッキ後に、こ
のコーティング１８を完全に除去することを行っていた
が、工程が煩雑であり、かつコーティング１８の完全被
覆・除去のために多大な工数がかかる問題点があった。

【００１０】また、型内成長法により作成した多数の熱
電素子１を図１７に示すように、絶縁性スペーサ１５の
貫通孔１４に挿入していく方法においては、該Ｂｉ_２Ｔ
ｅ_３合金が極めて脆く、かつ小応力に対して変形しやす
い性質を持つため、１ｍｍ以下の素子１については貫通
孔自体を１．２ｍｍ以上にとる必要があり、熱電モジュ
ールの素子冷却面での均熱性を保持するための条件であ
る素子１の高密度配列が困難であるという問題点があっ
た。

【００１１】また、この方法ではスペーサ１５があるた
めに熱電素子の両端の短絡現象は生じない利点はある
が、スペーサ１５と貫通孔１４を一体化するためのエポ
キシ接着剤の塗布・乾燥・硬化に時間がかかる欠点と放
熱性を損なわないために行うはみ出し部分のエポキシ樹
脂除去が困難である欠点を有している。

【００１２】更に、いずれの方法においてもｐ、ｎ素子
１を手作業で交互に配列することは極めて面倒であり、
自動化するために高価な部品挿入・配設機を使用せざる
を得なく、又、この場合でも、一個一個の配列に時間が
かかる問題点があった。

【００１３】本発明においては、ｐ、ｎ各熱電素子を切
断したり、個別に挿入することなく、又、メッキ短絡が
生じにくく、更にエポキシ樹脂等を用いることなく、多
数本の熱電素子を容易に、かつ、高密度に配列すること
が可能な熱電素子配列ユニットおよびその製造方法並び
に熱電素子ユニットを用いた熱電モジュールを提供する
ことを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、次のような構成をもって、課題を解決する
手段としている。すなわち、第1の発明の熱電素子配列
ユニットは、櫛歯形状の第１の絶縁性スペーサと櫛歯形
状の第２の絶縁性スペーサとを有し、前記第1の絶縁性
スペーサのそれぞれの櫛歯には1つ以上のｐ型素子固定
嵌合用貫通孔が配列形成されて該ｐ型素子固定嵌合用貫
通孔にはそれぞれｐ型の熱電素子が挿通固定され、前記
第２の絶縁性スペーサのそれぞれの櫛歯には1つ以上の
ｎ型素子固定嵌合用貫通孔が配列形成されて該ｎ型素子
固定嵌合用貫通孔にはそれぞれｎ型の熱電素子が挿通固
定されており、前記第１の絶縁性スペーサの櫛歯の隙間
に前記第２の絶縁性スペーサの櫛歯が嵌合して前記ｐ型
の熱電素子と前記ｎ型の熱電素子とが隣り合わせに交互
に配置されている構成をもって課題を解決する手段とし
ている。

【００１５】また、第２の発明の熱電素子配列ユニット
は、上記第１の発明の構成に加え、前記第１の絶縁性ス
ペーサと第２の絶縁性スペーサは互いに間隔を介して嵌
合配置されている構成をもって課題を解決する手段とし
ている。

【００１６】さらに、第３の発明の熱電素子配列ユニッ
トは、上記第１又は第２の発明の構成に加え、前記第１
と第２の絶縁性スペーサの櫛歯は櫛歯の基端部から斜め
方向に伸設形成されている構成をもって課題を解決する
手段としている。

【００１７】さらに、第４の発明の熱電素子配列ユニッ
トの製造方法は、複数のｐ型素子固定嵌合用貫通孔を備
えた櫛歯形状の第１の絶縁性スペーサと、複数のｎ型素
子固定嵌合用貫通孔を備えた櫛歯形状の第２の絶縁性ス
ペーサとを用意し、前記第1の絶縁性スペーサに形成さ
れた複数のｐ型素子固定嵌合用貫通孔に対応する貫通孔
を備えた少なくとも一対のｐ型素子成形手段を、孔位置
を合わせて前記第１の絶縁性スペーサの表裏両面に重ね
合わせ着脱自在に一体化することでｐ型素子形成積層体
を形成し、該ｐ型素子形成積層体をｐ型素子の材料の融
液に浸漬してｐ型素子形成積層体の孔に融液を充填さ
せ、然る後に冷却硬化してｐ型の熱電素子をｐ型素子形
成積層体の前記孔内に成形し、然る後に前記ｐ型素子成
形手段を第１の絶縁性スペーサから取り除いて複数のｐ
型の熱電素子を第１の絶縁性スペーサに配列形成する工
程と、前記第２の絶縁性スペーサに形成された複数のｎ
型素子固定嵌合用貫通孔に対応する貫通孔を備えた少な
くとも一対のｎ型素子成形手段を、孔位置を合わせて前
記第２の絶縁性スペーサの表裏両面に重ね合わせ着脱自
在に一体化することでｎ型素子形成積層体を形成し、該
素子形成積層体をｎ型素子の材料の融液に浸漬してｎ型
素子形成積層体の孔に融液を充填させ、然る後に冷却硬
化してｎ型の熱電素子をｎ型素子形成積層体の前記孔内
に成形し、然る後に前記ｎ型素子成形手段を第２の絶縁
性スペーサから取り除いて複数のｎ型の熱電素子を第２
の絶縁性スペーサに配列形成する工程とを有し、しかる
後に、前記第1の絶縁性スペーサの櫛歯の隙間に前記第
２の絶縁性スペーサの櫛歯を嵌合して前記ｐ型の熱電素
子と前記ｎ型の熱電素子とを隣り合わせに交互に配置す
る構成をもって課題を解決する手段としている。

【００１８】さらに、第５の発明の熱電モジュールは、
上記第１又は第２又は第３の発明の熱電素子配列ユニッ
トが上下の基板間に配設され、各熱電素子の端部が上下
の各基板側の電極に接続されてｐ型の熱電素子とｎ型の
熱電素子とが交互に直列接続されている構成をもって課
題を解決する手段としている。

【００１９】本発明の熱電素子配列ユニットにおいて、
櫛歯形状の第１の絶縁性スペーサのそれぞれの櫛歯には
1つ以上のｐ型素子固定嵌合用貫通孔が配列形成されて
該ｐ型素子固定嵌合用貫通孔にはそれぞれｐ型の熱電素
子が挿通固定され、前記第２の絶縁性スペーサのそれぞ
れの櫛歯には1つ以上のｎ型素子固定嵌合用貫通孔が配
列形成されて該ｎ型素子固定嵌合用貫通孔にはそれぞれ
ｐ型の熱電素子が挿通固定されている。

【００２０】そして、前記第１の絶縁性スペーサの櫛歯
の隙間に前記第２の絶縁性スペーサの櫛歯が嵌合して、
前記ｐ型の熱電素子と前記ｎ型の熱電素子とが隣り合わ
せに交互に配置されて本発明の熱電素子配列ユニットが
形成されている。

【００２１】上記のように、本発明の熱電素子配列ユニ
ットは、第１の絶縁性スペーサの櫛歯の隙間に前記第２
の絶縁性スペーサの櫛歯を嵌合して形成されているもの
であり、本発明の熱電素子配列ユニットの製造方法のよ
うに、第１、第２の絶縁性スペーサの素子固定嵌合用貫
通孔にそれぞれ複数のｐ型、ｎ型の熱電素子を成形し
て、その状態で、第１の絶縁性スペーサの櫛歯の隙間に
前記第２の絶縁性スペーサの櫛歯を嵌合して形成できる
ので、本発明の熱電素子配列ユニットは容易に製造可能
である。

【００２２】つまり、本発明の熱電素子配列ユニットに
あっては、第１、第２の絶縁性スペーサにそれぞれ形成
されたｐ型、ｎ型の素子固定嵌合用貫通孔壁面とｐ型、
ｎ型の熱電素子の固定は、溶融状態の熱電素子材料が固
体化する凝固の固定力で固定されるので、接着剤の使用
は不要となる。

【００２３】したがって、本発明の熱電素子配列ユニッ
トにおいては、接着剤を用いることによる接着剤塗布、
乾燥等の煩雑、非効率性の作業から開放されるととも
に、接着剤による放熱性の阻害要因も取り除かれるの
で、信頼性の高い高品質の熱電素子配列ユニットを低コ
ストで提供でき、この熱電素子配列ユニットを使用した
熱電モジュールの信頼性、高性能化が図れ、併せて、生
産性改善の低コスト化が達成可能となる。

【００２４】また、本発明の熱電素子配列ユニットは、
第１と第２の配列ユニットを上記のように別工程で形成
することができるものであるため、例えば１つの絶縁性
スペーサにｐ型熱電素子とｎ型熱電素子の両方を挿通固
定する場合よりも容易に熱電素子配列ユニットを形成で
きる。

【００２５】つまり、例えば１つの絶縁性スペーサにｐ
型熱電素子とｎ型熱電素子の両方を挿通固定する場合に
は、細心の注意が必要となり、また、一方側の熱電素子
を絶縁性スペーサの貫通孔に形成する際、他方の熱電素
子の材料が付着等しないようにマスキングする必要があ
るが、本発明においてはマスキングが不要となり、熱電
素子配列ユニットの製造が容易となる。

【００２６】また、一方の熱電素子を形成後、マスキン
グをした状態で他方の熱電素子形成用に熱電素子の材料
の融液に、先に形成した熱電素子を浸漬することによっ
て、先に形成した熱電素子特性に悪影響を与える心配も
無くなり、熱電素子配列ユニットの歩留まりを向上させ
ることができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例を図面
に基づき説明する。なお、以下の説明において、従来例
と共通の構成部分には共通の符号を付して、重複説明は
省略又は簡略化する。図１の（ａ）には、本発明に係る
熱電素子配列ユニットの一実施形態例が分解状態で示さ
れており、同図の（ｂ）には、この実施形態例の熱電素
子配列ユニット１７の平面図が、同図の（ｃ）には同図
の（ｂ）のＡ−Ａ’断面図が、それぞれ示されている。

【００２８】同図の（ａ）に示すように、本実施形態例
の熱電素子配列ユニット１７は、櫛歯形状の第１の絶縁
性スペーサ１５（１５ａ）と櫛歯形状の第２の絶縁性ス
ペーサ１５（１５ｂ）とを有している。第１、第２の絶
縁性スペーサ１５（１５ａ,１５ｂ）は、いずれも、厚
さ０．１〜１ｍｍ程度のセラミック等の耐熱基板からな
る。第１の絶縁性スペーサ１５ａの櫛歯３５の基端部３
０は直角２辺に形成され、第２の絶縁性スペーサ１５ｂ
の櫛歯３６の基端部３１も直角２辺に形成されている。

【００２９】なお、図６の（ａ）には、本実施形態例の
熱電素子配列ユニット１７を構成する第２の絶縁性スペ
ーサ１５ｂの平面図が示され、同図の（ｂ）には第１の
絶縁性スペーサ１５ａの平面図が示されている。

【００３０】第１の絶縁性スペーサ１５ａの櫛歯３５
は、基端部３０から斜め方向に伸設形成されており、そ
れぞれの櫛歯３５には、1つ以上のｐ型素子固定嵌合用
貫通孔３３が配列形成されている。該ｐ型素子固定嵌合
用貫通孔３３は、それぞれ、例えば直径が０．６ｍｍに
形成されており、図１の（ａ）に示すように、ｐ型素子
固定嵌合用貫通孔３３にそれぞれｐ型の熱電素子１（１
ａ）が挿通固定されて第1の配列ユニット４１が形成さ
れている。

【００３１】また、第２の絶縁性スペーサ１５ｂの櫛歯
３６は、基端部３１から斜め方向に伸設形成されてお
り、それぞれの櫛歯３６には、1つ以上のｎ型素子固定
嵌合用貫通孔３４が配列形成されている。該ｎ型素子固
定嵌合用貫通孔３４は、それぞれ、例えば直径が０．６
ｍｍに形成されており、ｎ型素子固定嵌合用貫通孔３４
にそれぞれｐ型の熱電素子１（１ｂ）が挿通固定されて
第２の配列ユニット４２が形成されている。

【００３２】本実施形態例の熱電素子配列ユニット１７
は、図１の（ｂ）に示すように、第1の配列ユニット４
１を構成する第１の絶縁性スペーサ１５ａの櫛歯３５の
隙間に、第２のユニット４２を構成する第２の絶縁性ス
ペーサ１５ｂの櫛歯３６が嵌合することにより形成さ
れ、それにより、ｐ型の熱電素子１ａとｎ型の熱電素子
１ｂとが隣り合わせに交互に配置され、かつ、第１の絶
縁性スペーサ１５ａの基端部３０と第２の絶縁性スペー
サ１５ｂの基端部３１を辺とした四辺形状（四角形状）
に形成されている。

【００３３】また、本実施形態例の熱電素子配列ユニッ
ト１７において、第１の絶縁性スペーサ１５ａと第２の
絶縁性スペーサ１５ｂは互いに間隔を介して嵌合配置さ
れており、第１と第２の絶縁性スペーサ１５ａ，１５ｂ
同士が接触して干渉することを抑制している。さらに、
本実施形態例において、ｐ型の熱電素子１ａとｎ型の熱
電素子１ｂは第1の絶縁性スペーサ１５ａと第２の絶縁
性スペーサ１５ｂの表裏両面から突出している。

【００３４】本実施形態例の熱電素子配列ユニット１７
は以上のように構成されており、次に、本実施形態例の
熱電素子配列ユニット１７の製造方法について説明す
る。

【００３５】図２の（ａ）に示すように、第１の絶縁性
スペーサ１５ａの表面側に、カーボン等により形成され
た耐熱性の成形上型２１を配置し、第１の絶縁性スペー
サ１５ａの裏面側に、カーボン等により形成された耐熱
性の成形下型２２を配置する。成形上型２１と成形下型
２２は第１の絶縁性スペーサ１５ａに形成された複数の
ｐ型素子固定嵌合用貫通孔３３に対応する貫通孔２０を
備えた一対のｐ型素子成形手段として機能するものであ
り、例えば同じ厚みに形成されている。

【００３６】成形上型２１と成形下型２２のそれぞれの
孔２０の位置を第１の絶縁性スペーサ１５ａのｐ型素子
固定嵌合用貫通孔３３に合わせて第１の絶縁性スペーサ
１５ａの表裏両面に重ね合わせ、着脱自在に一体化する
ことで、図２の（ｂ）に示すようにｐ型素子形成積層体
２３を形成する。

【００３７】なお、ｐ型素子形成積層体２３は、成形下
型２２と第１の絶縁性スペーサ１５ａと成形上型２１を
適宜の保持手段（図示せず）を用いて機械的に一体化
し、分解可能に保持して形成されるものであり、例えば
成形上型２１と成形下型２２の四隅に形成した孔３２に
ピン（図示せず）を嵌合する等の方法により保持され
る。

【００３８】そして、ｐ型素子形成積層体２３を、上側
開口のハウジング４３に装着した状態で、図３の（ａ）
に示すように、ｐ型素子の材料の融液１１（１１ａ）を
収容した融液浴２６に浸漬してｐ型素子形成積層体２３
の孔に融液１１ａを充填させる。

【００３９】なお、上記ハウジング４３は、カーボン等
の耐熱性の材料により形成し、融液浴２６は例えばグラ
ファイト等により箱状に形成し、ｐ型素子の材料の融液
１１ａは、Ｂｉ_２Ｔｅ_３にＳｂ_２Ｔｅ_３を固溶させて生
成したｐ型の熱電素子材料を７００〜８００℃に加温・
溶融させて形成する。

【００４０】その後の引き上げ冷却によって、ｐ型の熱
電素子材料を冷却硬化してｐ型素子の熱電素子１ａをｐ
型素子形成積層体２３の前記孔内に成形し、ｐ型素子形
成積層体２３をハウジング４３から外し、成形上型２１
と成形下型２２を第１の絶縁性スペーサ１５ａから取り
除いて、図３の（ｂ）に示すように、複数のｐ型熱電素
子１ａが第１の絶縁性スペーサ１５ａに配列された第１
の配列ユニット４１を得る。

【００４１】なお、必要に応じ、成形上型２１と成形下
型２２を第１の絶縁性スペーサ１５ａから取り除く前に
ｐ型の熱電素子１ａの両面（上面と下面）の研磨を行な
い、ｐ型の熱電素子１ａの両端面にメッキを行う場合
は、第１の絶縁性スペーサ１５ａから成形下型２２と成
形上型２１を取り去る前に、前記研磨工程の後に、ニッ
ケルメッキ等を行う。

【００４２】また、上記第１の配列ユニット４１を得る
工程と別の、以下に述べる工程により第２の配列ユニッ
ト４２を得る。すなわち、図４の（ａ）に示すように、
第２の絶縁性スペーサ１５ｂの表面側に、カーボン等に
より形成された耐熱性の成形上型５１を配置し、第２の
絶縁性スペーサ１５ｂの裏面側に、カーボン等により形
成された耐熱性の成形下型５２を配置する。

【００４３】成形上型５１と成形下型５２は第２の絶縁
性スペーサ１５ｂに形成された複数のｎ型素子固定嵌合
用貫通孔３４に対応する貫通孔５０を備えた一対のｎ型
素子成形手段として機能するものであり、例えば同じ厚
みに形成されている。

【００４４】成形上型５１と成形下型５２のそれぞれの
孔５０の位置を第２の絶縁性スペーサ１５ｂのｎ型素子
固定嵌合用貫通孔３４に合わせて第２の絶縁性スペーサ
１５ｂの表裏両面に重ね合わせ、着脱自在に一体化する
ことで、図４の（ｂ）に示すようにｎ型素子形成積層体
２４を形成する。

【００４５】なお、ｎ型素子形成積層体２４は、成形下
型５２と第２の絶縁性スペーサ１５ｂと成形上型５１を
適宜の保持手段（図示せず）を用いて機械的に一体化
し、分解可能に保持して形成されるものであり、例えば
成形上型５１と成形下型５２の四隅に形成した孔３８に
ピン（図示せず）を嵌合する等の方法により保持され
る。

【００４６】そして、ｎ型素子形成積層体２４を上側開
口のハウジング４３に装着した状態で、図５の（ａ）に
示すように、ｎ型素子の材料の融液１１（１１ｂ）を収
容した融液浴２６に浸漬してｎ型素子形成積層体２４の
孔に融液を充填させる。

【００４７】なお、上記ハウジング４３は、カーボン等
の耐熱性の材料により形成し、融液浴２６は例えばグラ
ファイト等により箱状に形成し、ｎ型素子の材料の融液
１１ｂは、Ｂｉ_２Ｔｅ_３にＢｉ_２Ｓｅ_３を固溶させて生
成したｎ型の熱電素子材料を７００〜８００℃に加温・
溶融させて形成する。

【００４８】その後の引き上げ冷却によって、ｎ型の熱
電素子材料を冷却硬化してｎ型素子の熱電素子１ｂをｎ
型素子形成積層体２４の前記孔内に成形し、然る後にｎ
型素子形成積層体２４をハウジング４３から外し、成形
上型５１と成形下型５２を第２の絶縁性スペーサ１５ｂ
から取り除いて、図５の（ｂ）に示すように、複数のｎ
型熱電素子１ｂが第１の絶縁性スペーサ１５ｂに配列さ
れた第２の配列ユニット４２を得る。

【００４９】なお、必要に応じ、成形上型５１と成形下
型５２を第２の絶縁性スペーサ１５ｂから取り除く前に
ｎ型の熱電素子１ｂの両面（上面と下面）の研磨を行な
い、ｎ型の熱電素子１ｂの両端面にメッキを行う場合
は、第２の絶縁性スペーサ１５ｂから成形下型５２と成
形上型５１を取り去る前に、前記研磨工程の後に、ニッ
ケルメッキ等を行う。

【００５０】本実施形態例において、前記第１の配列ユ
ニット４１を得る工程と、第２の配列ユニット４２を得
る工程の順序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、いずれか一方を先に行なっても良い
し、両方をそれぞれ同じタイミングで行なってもよい。

【００５１】そして、図１に示したように、第１の絶縁
性スペーサ１５ａの櫛歯３５の隙間に第２の絶縁性スペ
ーサ１５ｂの櫛歯３６を嵌合することにより、ｐ型の熱
電素子１ａとｎ型の熱電素子１ｂとを隣り合わせに交互
に配置して、本実施形態例の熱電素子配列ユニット１７
を得る。

【００５２】本実施形態例の熱電素子配列ユニット１７
は、上記のように、第１の配列ユニット４１と第２の配
列ユニット４２を個別に形成し、第１の絶縁性スペーサ
１５ａの櫛歯３５の隙間に第２の絶縁性スペーサ１５ｂ
の櫛歯３６を嵌合することにより製造するものであり、
ｐ型とｎ型の熱電素子１ａ，１ｂが交互に規則正しく配
列された熱電素子配列ユニット１７を容易に製造するこ
とができる。

【００５３】また、本実施形態例の熱電素子配列ユニッ
ト１７は、上記のように第１の配列ユニット４１と第２
の配列ユニット４２とを別工程で形成することができる
ものであるため、例えば１つの絶縁性スペーサにｐ型熱
電素子とｎ型熱電素子の両方を挿通固定する場合よりも
容易に熱電素子配列ユニット１７を形成できる。

【００５４】つまり、例えば１つの絶縁性スペーサにｐ
型の熱電素子１ａとｎ型の熱電素子１ｂの両方を挿通固
定する場合には、細心の注意が必要となり、また、一方
側の熱電素子１を絶縁性スペーサの貫通孔に形成する
際、他方の熱電素子１の材料が付着等しないようにマス
キングする必要があるが、本実施形態例においてはマス
キングが不要となり、熱電素子配列ユニット１７の製造
が容易となる。

【００５５】また、一方の熱電素子１を形成後、マスキ
ングをした状態で他方の熱電素子形成用に熱電素子１の
材料の融液に、先に形成した熱電素子１を浸漬すること
によって、先に形成した熱電素子の特性に悪影響を与え
る心配も無くなる。

【００５６】さらに、本実施形態例の熱電素子配列ユニ
ット１７を構成する第１と第２の配列ユニット４１，４
２は、第１、第２の絶縁性スペーサ１５ａ，１５ｂにそ
れぞれ形成されたｐ型素子固定嵌合用貫通孔３３の壁面
とｎ型素子固定嵌合用貫通孔３４の壁面と熱電素子１
ａ，１ｂの固定を、溶融状態の熱電素子材料が固体化す
る凝固の固定力で行なっているので、接着剤の使用は不
要となる。

【００５７】したがって、本実施形態例の熱電素子配列
ユニット１７においては、接着剤を用いることによる接
着剤塗布、乾燥等の煩雑、非効率性の作業から開放され
るとともに、接着剤による放熱性の阻害要因も取り除か
れるので、信頼性の高い高品質の熱電素子配列ユニット
１７を低コストで提供でき、この熱電素子配列ユニット
１７を使用した熱電モジュールの信頼性、高性能化が図
れ、併せて、生産性改善の低コスト化が達成できる。

【００５８】図７には、本実施形態例の熱電素子配列ユ
ニット１７を用いて熱電モジュールを形成する方法が示
されており、同図に示すように、熱電素子配列ユニット
１７を基板３，４間に配置し、基板側の電極２と熱電素
子１（１ａ，１ｂ）の端面メッキ部分を半田接続するこ
とにより、熱電モジュールが得られる。

【００５９】この際、図８の（ａ）に示すように、基板
４の角部に形成された２つのリード端子電極５には、そ
れぞれリード端子６が接続され、その後、同図の（ｂ）
に示すように、基板３が熱電素子配列ユニット１７上に
設けられ、同図の（ｃ）に示すように、各熱電素子１
（１ａ，１ｂ）の端部が上下の各基板３，４側の電極に
接続されてｐ型の熱電素子１ａとｎ型の熱電素子１ｂと
を交互に直列接続した本発明の熱電モジュールを得る。

【００６０】なお、本発明は上記実施形態例に限定され
ることなく様々な実施の形態を採り得る。例えば、上記
実施形態例において、ｐ型とｎ型の熱電素子１（１ａ，
１ｂ）の両端面に導体メッキを施す方法を述べたが、熱
電素子１（１ａ，１ｂ）の材料として半田接続性が良好
の材料が使用された場合は、このメッキ工程は省略する
ことも可能である。

【００６１】また、上記実施形態例では、第１、第２の
絶縁性スペーサ１５ａ，１５ｂの基端部３０，３１は、
それぞれ直角２辺に形成され、第１、第２の絶縁性スペ
ーサ１５ａ，１５ｂの櫛歯３５，３６は、それぞれ、基
端部３０，３１から斜め方向に伸設形成されていたが、
第１、第２の絶縁性スペーサ１５ａ，１５ｂの基端部３
０，３１は直線状に形成してもよいし、第１、第２の絶
縁性スペーサ１５ａ，１５ｂの櫛歯３５，３６は、それ
ぞれ、基端部３０，３１からほぼ垂直方向に伸設形成さ
れていてもよい。

【００６２】このようにした場合でも、櫛歯３５，３６
の嵌合によりｐ型の熱電素子１ａとｎ型の熱電素子１ｂ
とを交互に配列して熱電素子配列ユニット１７を得るこ
とができるし、熱電素子配列ユニット１７の上下に配設
する基板側の電極の配置構成を適宜設定することによ
り、ｐ型の熱電素子１ａとｎ型の熱電素子１ｂとを交互
に直列接続すれば、本発明の熱電モジュールを構成する
ことができる。

【００６３】ただし、第１、第２の絶縁性スペーサ１５
ａ，１５ｂの基端部３０，３１および櫛歯３５，３６の
構成を上記実施形態例のようにすると、四角形状の基板
面に沿って熱電素子１をより一層高密度に配列すること
ができ、効率的に動作可能な熱電モジュールを形成可能
にできるため、好ましい。

【００６４】

【発明の効果】本発明の熱電素子配列ユニットは、第１
の絶縁性スペーサの櫛歯の隙間に第２の絶縁性スペーサ
の櫛歯を嵌合することにより形成されているものであ
り、本発明の熱電素子配列ユニットの製造方法のよう
に、第１の絶縁性スペーサにｐ型の熱電素子を成形等に
より固定する工程と、第２の絶縁性スペーサにｎ型の熱
電素子を成形等により固定する工程とを別々に行なった
後、絶縁性スペーサ同士を嵌合して製造できるので、容
易に製造することができる。

【００６５】つまり、本発明の熱電素子配列ユニットに
よれば、ｐ型、ｎ型の熱電素子は、それぞれ成形により
形成することができるので、ｐ型、ｎ型の熱電素子を個
別に切断、配列することが無く、したがって、素子配列
の誤りや、素子配列等の取り扱い時に素子が脆性破損す
る等の問題を除去でき、又、熱電素子の大きさが広いも
のも素子数の多いものもほぼ同一の時間で製造出きる
等、生産性が高い。

【００６６】また、本発明の熱電素子配列ユニットによ
れば、熱電素子の径の小さなものの高密度配列が可能で
あり、熱電モジュールに使用した場合に、均一な冷却・
加熱効果が得られるため、通信用レーザダイオード等の
温度制御用のモジュールとして有効である。

【００６７】さらに、本発明の熱電素子配列ユニットに
よれば、熱電素子端面のメッキ等の端部処理が簡易であ
り、かつ、そのメッキ処理時に熱電素子の端部間周面へ
のコーティング処理が不要となり、また、メッキ後にそ
のコーティングを取り除く作業も不要となる。

【００６８】さらに、本発明の熱電素子配列ユニットに
おいては、第１、第２の絶縁性スペーサの素子固定嵌合
用貫通孔に融液が直接接触し、素子固定嵌合用貫通孔内
面の微小突起（孔内壁面の凹凸）等に融液状の素子材料
が食い込んで、その後の冷却により素子材料が固体化す
ることによってｐ型、ｎ型の熱電素子を第１、第2の絶
縁性スペーサの素子固定嵌合用貫通孔にそれぞれ凝固固
定することができるため、熱電素子と絶縁性スペーサと
の固定に接着剤等が不要であり、接着作業が省略できる
とともに、当然に従来例においては必要であった接着剤
のはみ出し部分の除去工程も省略できる。

【００６９】さらに、本発明の熱電素子配列ユニットに
よれば、熱電素子の長さを直接成長法に比べ短くするこ
とができるため、素子形成工程の時間を短くすることが
できる。

【００７０】さらに、本発明の熱電素子配列ユニット
は、第１の絶縁性スペーサにｐ型の熱電素子を成形等に
より固定する工程と、第２の絶縁性スペーサにｎ型の熱
電素子を成形等により固定する工程とを別々に行えるも
のであるため、例えば１つの絶縁性スペーサにｐ型熱電
素子とｎ型熱電素子の両方を挿通固定する場合よりも容
易に熱電素子配列ユニットを形成できる。

【００７１】つまり、例えば１つの絶縁性スペーサにｐ
型熱電素子とｎ型熱電素子の両方を挿通固定する場合に
は、細心の注意が必要となり、また、一方側の熱電素子
を絶縁性スペーサの貫通孔に形成する際、他方の熱電素
子の材料が付着等しないようにマスキングする必要があ
るが、本発明の熱電素子配列ユニットにおいてはマスキ
ングが不要となり、熱電素子配列ユニットの製造が容易
となる。

【００７２】また、本発明の熱電素子配列ユニットにお
いては、一方の熱電素子を形成後、マスキングをした状
態で他方の熱電素子形成用に熱電素子の材料の融液に、
先に形成した熱電素子を浸漬することによって、先に形
成した熱電素子特性に悪影響を与える心配も無くなり、
熱電素子配列ユニットの歩留まりを向上させることがで
きる。

【００７３】さらに、本発明の熱電素子配列ユニットに
おいて、第1の絶縁性スペーサと第２の絶縁性スペーサ
は互いに間隔を介して嵌合配設されている構成によれ
ば、第１の絶縁性スペーサと第２の絶縁性スペーサが干
渉し合うことを抑制できる。

【００７４】さらに、本発明の熱電素子配列ユニットに
おいて、第１と第２の絶縁性スペーサの櫛歯は櫛歯の基
端部から斜め方向に伸設形成されている構成によれば、
絶縁性スペーサの面方向により高密度に熱電素子を配列
することができ、効率的に動作可能な熱電モジュールの
形成を図ることができる。

【００７５】さらに、本発明の熱電素子配列ユニットの
製造方法によれば、上記優れた効果を奏する熱電素子配
列ユニットを確実に得ることができる。

【００７６】さらに、本発明の熱電モジュールによれ
ば、上記優れた効果を奏する本発明の熱電素子配列ユニ
ットを用いて熱電モジュールを構成することにより、製
造が容易で歩留まりが高く、さらに、均一な冷却・加熱
効果を得られる、通信用レーザダイオード等の温度制御
用として適した優れた熱電モジュールを実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱電素子配列ユニットの一実施形
態例の構成を示す説明図である。

【図２】上記実施形態例の熱電素子配列ユニットを構成
する第１の配列ユニットの製造工程を示す説明図であ
る。

【図３】上記第１の配列ユニットの図２に続く製造工程
を示す説明図である。

【図４】上記実施形態例の熱電素子配列ユニットを構成
する第２の配列ユニットの製造工程を示す説明図であ
る。

【図５】上記第２の配列ユニットの図４に続く製造工程
を示す説明図である。

【図６】上記実施形態例の熱電素子配列ユニットを構成
する第１の絶縁性スペーサと第２の絶縁性スペーサの平
面図である。

【図７】上記実施形態例の熱電素子配列ユニットを使用
した熱電モジュールの組立て状態を、リード端子を省略
して示す説明図である。

【図８】上記実施形態例の熱電素子配列ユニットを使用
した熱電モジュールをリード端子取り付け状態で示す説
明図（ａ）、（ｂ）と熱電モジュールの分解断面図
（ｃ）である。

【図９】熱電素子配列ユニットを使用した熱電モジュー
ルの組立て状態例の説明図である。

【図１０】熱電素子の両端にメッキを施す従来例の説明
図である。

【図１１】一般的な熱電モジュールの組立て状況の説明
図である。

【図１２】型内成長法による熱電素子の作製説明図であ
る。

【図１３】型内成長法による熱電素子の成長工程の説明
図である。

【図１４】成長形成した熱電素子の材料を切断して所定
長さの熱電素子を形成する説明図である。

【図１５】インゴット切断法による熱電素子の作製法の
説明図である。

【図１６】熱電モジュールの直接組立て法の説明図であ
る。

【図１７】熱電モジュールのスペーサ組立て法の説明図
である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ 熱電素子 １５，１５ａ，１５ｂ 絶縁性スペーサ １７ 熱電素子配列ユニット ２１，５１ 成形上型 ２２，５２ 成形下型 ２３，２４ 素子形成積層体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 櫛歯形状の第１の絶縁性スペーサと櫛歯
   形状の第２の絶縁性スペーサとを有し、前記第1の絶縁
   性スペーサのそれぞれの櫛歯には1つ以上のｐ型素子固
   定嵌合用貫通孔が配列形成されて該ｐ型素子固定嵌合用
   貫通孔にはそれぞれｐ型の熱電素子が挿通固定され、前
   記第２の絶縁性スペーサのそれぞれの櫛歯には1つ以上
   のｎ型素子固定嵌合用貫通孔が配列形成されて該ｎ型素
   子固定嵌合用貫通孔にはそれぞれｎ型の熱電素子が挿通
   固定されており、前記第１の絶縁性スペーサの櫛歯の隙
   間に前記第２の絶縁性スペーサの櫛歯が嵌合して前記ｐ
   型の熱電素子と前記ｎ型の熱電素子とが隣り合わせに交
   互に配置されていることを特徴とする熱電素子配列ユニ
   ット。
2. 【請求項２】 第１の絶縁性スペーサと第２の絶縁性ス
   ペーサは互いに間隔を介して嵌合配置されていることを
   特徴とする請求項１記載の熱電素子配列ユニット。
3. 【請求項３】 第１と第２の絶縁性スペーサの櫛歯は櫛
   歯の基端部から斜め方向に伸設形成されていることを特
   徴とする請求項１または請求項２記載の熱電素子配列ユ
   ニット。
4. 【請求項４】 複数のｐ型素子固定嵌合用貫通孔を備え
   た櫛歯形状の第１の絶縁性スペーサと、複数のｎ型素子
   固定嵌合用貫通孔を備えた櫛歯形状の第２の絶縁性スペ
   ーサとを用意し、前記第1の絶縁性スペーサに形成され
   た複数のｐ型素子固定嵌合用貫通孔に対応する貫通孔を
   備えた少なくとも一対のｐ型素子成形手段を、孔位置を
   合わせて前記第１の絶縁性スペーサの表裏両面に重ね合
   わせ着脱自在に一体化することでｐ型素子形成積層体を
   形成し、該ｐ型素子形成積層体をｐ型素子の材料の融液
   に浸漬してｐ型素子形成積層体の孔に融液を充填させ、
   然る後に冷却硬化してｐ型の熱電素子をｐ型素子形成積
   層体の前記孔内に成形し、然る後に前記ｐ型素子成形手
   段を第１の絶縁性スペーサから取り除いて複数のｐ型の
   熱電素子を第１の絶縁性スペーサに配列形成する工程
   と、前記第２の絶縁性スペーサに形成された複数のｎ型
   素子固定嵌合用貫通孔に対応する貫通孔を備えた少なく
   とも一対のｎ型素子成形手段を、孔位置を合わせて前記
   第２の絶縁性スペーサの表裏両面に重ね合わせ着脱自在
   に一体化することでｎ型素子形成積層体を形成し、該素
   子形成積層体をｎ型素子の材料の融液に浸漬してｎ型素
   子形成積層体の孔に融液を充填させ、然る後に冷却硬化
   してｎ型の熱電素子をｎ型素子形成積層体の前記孔内に
   成形し、然る後に前記ｎ型素子成形手段を第２の絶縁性
   スペーサから取り除いて複数のｎ型の熱電素子を第２の
   絶縁性スペーサに配列形成する工程とを有し、しかる後
   に、前記第1の絶縁性スペーサの櫛歯の隙間に前記第２
   の絶縁性スペーサの櫛歯を嵌合して前記ｐ型の熱電素子
   と前記ｎ型の熱電素子とを隣り合わせに交互に配置する
   ことを特徴とする熱電素子配列ユニットの製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１又は請求項２又は請求項３記載
   の熱電素子配列ユニットが上下の基板間に配設され、各
   熱電素子の端部が上下の各基板側の電極に接続されてｐ
   型の熱電素子とｎ型の熱電素子とが交互に直列接続され
   ている熱電モジュール。