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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023068310
(43)【公開日】2023-05-17
(54)【発明の名称】熱電モジュールおよびその製造方法
(51)【国際特許分類】
H10N 10/17 20230101AFI20230510BHJP
H10N 10/01 20230101ALI20230510BHJP
【ＦＩ】
H01L35/32 A
H01L35/34
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021179279
(22)【出願日】2021-11-02
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和元年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ＮＥＤＯ先導研究プログラム／エネルギー・環境新技術先導研究プログラム／汎用普及に資する長期安定小型熱電電池の開発」委託研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000144027
【氏名又は名称】株式会社ミツバ
(71)【出願人】
【識別番号】504203572
【氏名又は名称】国立大学法人茨城大学
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100126664
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 慎吾
(74)【代理人】
【識別番号】100196689
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 康一郎
(72)【発明者】
【氏名】多田 智紀
(72)【発明者】
【氏名】鵜殿 治彦
(57)【要約】
【課題】ダイシングされた熱電素子を１つずつ搬送する必要がなく、熱電素子に対して効率的に熱を伝搬可能な熱電モジュールおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】両面に電極パターンを有する第１多層基板および第２多層基板と、隣接する２列に配置されたｎ型熱電素子からなるｎ型素子群と、ｎ型素子群と並列に、かつ、隣接する２列に配置されたｐ型熱電素子からなるｐ型素子群と、を備え、ｎ型素子群およびｐ型素子群は、第１多層基板の第１おもて面電極パターンと第２多層基板の第２おもて面電極パターンとの間に配置され、第１多層基板および第２多層基板の両面の電極パターンは、隣接するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される隣接Π型構造素子が順に直列に接続され、離間するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される離間Π型構造素子が順に直列に接続されるように形成された熱電モジュール。
【選択図】図１
【解決手段】両面に電極パターンを有する第１多層基板および第２多層基板と、隣接する２列に配置されたｎ型熱電素子からなるｎ型素子群と、ｎ型素子群と並列に、かつ、隣接する２列に配置されたｐ型熱電素子からなるｐ型素子群と、を備え、ｎ型素子群およびｐ型素子群は、第１多層基板の第１おもて面電極パターンと第２多層基板の第２おもて面電極パターンとの間に配置され、第１多層基板および第２多層基板の両面の電極パターンは、隣接するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される隣接Π型構造素子が順に直列に接続され、離間するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される離間Π型構造素子が順に直列に接続されるように形成された熱電モジュール。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
おもて面および裏面のそれぞれに第１おもて面電極パターン、第１裏面電極パターンを有する第１多層基板と、
おもて面および裏面のそれぞれに第２おもて面電極パターン、第２裏面電極パターンを有する第２多層基板と、
隣接する２列に配置された複数のｎ型熱電素子で構成されたｎ型素子群と、
前記ｎ型素子群と並列に配置され、隣接する２列に配置された複数のｐ型熱電素子で構成されたｐ型素子群と、を備え、
前記ｎ型素子群および前記ｐ型素子群は、前記第１多層基板の前記第１おもて面電極パターンと前記第２多層基板の前記第２おもて面電極パターンとの間に配置され、
前記第１おもて面電極パターン、前記第１裏面電極パターン、前記第２おもて面電極パターン、および、前記第２裏面電極パターンは、隣接するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される隣接Π型構造素子が順に直列に接続され、かつ、離間するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される離間Π型構造素子が順に直列に接続されるように形成されている、熱電モジュール。
おもて面および裏面のそれぞれに第２おもて面電極パターン、第２裏面電極パターンを有する第２多層基板と、
隣接する２列に配置された複数のｎ型熱電素子で構成されたｎ型素子群と、
前記ｎ型素子群と並列に配置され、隣接する２列に配置された複数のｐ型熱電素子で構成されたｐ型素子群と、を備え、
前記ｎ型素子群および前記ｐ型素子群は、前記第１多層基板の前記第１おもて面電極パターンと前記第２多層基板の前記第２おもて面電極パターンとの間に配置され、
前記第１おもて面電極パターン、前記第１裏面電極パターン、前記第２おもて面電極パターン、および、前記第２裏面電極パターンは、隣接するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される隣接Π型構造素子が順に直列に接続され、かつ、離間するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される離間Π型構造素子が順に直列に接続されるように形成されている、熱電モジュール。
【請求項2】
前記第１おもて面電極パターン、前記第１裏面電極パターン、前記第２おもて面電極パターン、および、前記第２裏面電極パターンは、前記隣接Π型構造素子が順に直列に接続された隣接Π型構造素子群と、前記離間Π型構造素子が順に直列に接続された離間Π型構造素子群とが直列に接続されるように形成されている、請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項3】
前記第２おもて面電極パターンは、前記隣接Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とが直列に接続する複数の横長電極と、前記離間Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子およびｐ型熱電素子が個々に接続する複数の単独電極とを有する、請求項１又は請求項２に記載の熱電モジュール。
【請求項4】
前記第２裏面電極パターンは、前記離間Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とが直列に接続する複数の帯状電極を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
【請求項5】
前記第１おもて面電極パターンは、隣り合う前記隣接Π型構造素子の極性が異なる熱電素子同士が直列に接続する複数の隣接階段状電極と、前記離間Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子およびｐ型熱電素子が個々に接続する複数の単独電極とを有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
【請求項6】
前記第１裏面電極パターンは、隣り合う前記離間Π型構造素子の極性が異なる熱電素子同士が直列に接続する複数の離間階段状電極と、を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
【請求項7】
前記ｎ型素子群および前記ｐ型素子群をそれぞれ、複数備える、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
【請求項8】
ｎ型熱電材料およびｐ型熱電材料をｎ型素子群およびｐ型素子群に対応する大きさにダイシングし、ｎ型熱電材料ブロックおよびｐ型熱電材料ブロックを形成する第１ダイシング工程と、
前記ｎ型熱電材料ブロックおよび前記ｐ型熱電材料ブロックを、両面に電極パターンを有する第１多層基板の第１おもて面電極パターン上に配置し、前記第１おもて面電極パターンと接合する第１接合工程と、
前記ｎ型熱電材料ブロックと、前記ｐ型熱電材料ブロックと、を、ダイシングし、隣接する２列に配置された複数のｎ型熱電素子からなるｎ型素子群と、隣接する２列に配置された複数のｐ型熱電素子からなるｐ型素子群と、を形成する第２ダイシング工程と、
両面に電極パターンを有する第２多層基板の第２おもて面電極パターンを、前記第１おもて面電極パターンとともに、前記ｎ型素子群および前記ｐ型素子群を挟むように配置し、前記ｎ型素子群および前記ｐ型素子群のそれぞれの前記ｎ型熱電素子と前記ｐ型熱電素子とを前記第２おもて面電極パターンと接合する、第２接合工程と、を備え、
隣接するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される隣接Π型構造素子が順に直列に接続され、かつ、離間するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子で形成される離間Π型構造素子が順に直列に接続されるように形成する、熱電モジュールの製造方法。
前記ｎ型熱電材料ブロックおよび前記ｐ型熱電材料ブロックを、両面に電極パターンを有する第１多層基板の第１おもて面電極パターン上に配置し、前記第１おもて面電極パターンと接合する第１接合工程と、
前記ｎ型熱電材料ブロックと、前記ｐ型熱電材料ブロックと、を、ダイシングし、隣接する２列に配置された複数のｎ型熱電素子からなるｎ型素子群と、隣接する２列に配置された複数のｐ型熱電素子からなるｐ型素子群と、を形成する第２ダイシング工程と、
両面に電極パターンを有する第２多層基板の第２おもて面電極パターンを、前記第１おもて面電極パターンとともに、前記ｎ型素子群および前記ｐ型素子群を挟むように配置し、前記ｎ型素子群および前記ｐ型素子群のそれぞれの前記ｎ型熱電素子と前記ｐ型熱電素子とを前記第２おもて面電極パターンと接合する、第２接合工程と、を備え、
隣接するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される隣接Π型構造素子が順に直列に接続され、かつ、離間するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子で形成される離間Π型構造素子が順に直列に接続されるように形成する、熱電モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱電モジュールおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
地球温度化対策となる省エネルギー社会を実現するため、自動車や工場から排出されている２００～４００℃の廃熱を有効利用する研究開発が盛んになっている。熱電変換は、ゼーベック効果を利用した熱エネルギーから電気エネルギーへの直接変換、又は、ペルチェ効果を利用した電気エネルギーから熱エネルギーへの直接変換を行う技術である。例えば、熱電素子に温度差を与えると、ゼーベック効果による熱起電力を発生させることができるため、熱電変換は、廃熱からの発電を可能とする技術として注目されている。
【0003】
熱電変換を行う熱電素子としては、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子との各上下の面が電極層に接続された熱電素子が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、複数の熱電素子が備えられた熱電モジュールとして、同じ形の矩形状の電極層が基板上の片側に規則的に並び、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子が、交互に設けられた構成が開示されている。
【0004】
また、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが交互に電気的に直列に接続された回路部を備えた複数の熱電変換部が同一基板上に設けられ、少なくとも２つの熱電変換部の回路部が交差するような配置の熱電変換モジュールが開示されている（特許文献２）。特許文献２では、基板の内部にも電極が配置され、絶縁材料で多層基板（プリント基板）を用いてもよいことが開示されている。特許文献２においても、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とは、基板上に交互に設けられた構成が開示されている。
【0005】
内部に電極を有する多層配線基板を用いることで、複雑な回路設計に対応することが可能であると開示されている（特許文献３）。特許文献３では、並列回路と直列回路とを一つの熱電モジュールに組み込むため、内部配線パターンを含む多層配線パターンを備える多層配線基板を用いている。具体的には、特許文献３では、Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子に個々に接続する複数の表面電極と、複数の熱電変換ユニットを所定の回路パターンに従って接続するための多層の内部配線パターンを有すると開示されている。特許文献３にも、交互にＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが、基板上に交互に設けられた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平１１－２７４５７７号公報
【特許文献2】特開２００３－３４７６０４号公報
【特許文献3】特許第５１２５１１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１～３のような、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子が、交互に設けられた熱電モジュールを製造するには、ダイシングされたｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を、搬送用ロボットなどを用いて１つずつ基板に配置して量産する必要がある。
【0008】
従って、特許文献１～３に開示された方法では、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を配置する工程が煩雑であり、また、搬送用ロボットへの投資が必要であるため、製造コストが高い。
【0009】
また、多層基板は異なる層の配線パターンの間に熱抵抗の大きい絶縁層が設けられており、特許文献２，３のような、内部に配線パターンを有する多層基板を用いる方法では、２層以上の絶縁層が必要となり、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に対して、効率よく熱を伝えられない。
【0010】
本発明は、上記事情に鑑みてなされた発明であり、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を配置する工程が簡便であり、且つダイシングされたｐ型熱電素子やｎ型熱電素子を１つずつ搬送するための搬送用ロボットへの投資が不要であり、熱電素子に対して効率よく熱を伝えることが可能な熱電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】
【0011】
上記の課題を解決するために、本発明に係る熱電モジュールは、おもて面および裏面のそれぞれに第１おもて面電極パターン、第１裏面電極パターンを有する第１多層基板と、おもて面および裏面のそれぞれに第２おもて面電極パターン、第２裏面電極パターンを有する第２多層基板と、隣接する２列に配置された複数のｎ型熱電素子で構成されたｎ型素子群と、前記ｎ型素子群と並列に配置され、隣接する２列に配置された複数のｐ型熱電素子で構成されたｐ型素子群と、を備え、前記ｎ型素子群および前記ｐ型素子群は、前記第１多層基板の前記第１おもて面電極パターンと前記第２多層基板の前記第２おもて面電極パターンとの間に配置され、前記第１おもて面電極パターン、前記第１裏面電極パターン、前記第２おもて面電極パターン、および、前記第２裏面電極パターンは、隣接するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される隣接Π型構造素子が順に直列に接続され、かつ、離間するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される離間Π型構造素子が順に直列に接続されるように形成されている。
【0012】
本発明に係る熱電モジュールの製造方法は、ｎ型熱電材料およびｐ型熱電材料をｎ型素子群およびｐ型素子群に対応する大きさにダイシングし、ｎ型熱電材料ブロックおよびｐ型熱電材料ブロックを形成する第１ダイシング工程と、前記ｎ型熱電材料ブロックおよび前記ｐ型熱電材料ブロックを、おもて面および裏面のそれぞれに第１おもて面電極パターン、第１裏面電極パターンを有する第１多層基板上に配置し、前記第１おもて面電極パターンと接合する第１接合工程と、前記ｎ型熱電材料ブロックと、前記ｐ型熱電材料ブロックと、を、ダイシングし、隣接する２列に配置された複数のｎ型熱電素子からなるｎ型素子群と、隣接する２列に配置された複数のｐ型熱電素子からなるｐ型素子群と、を形成する第２ダイシング工程と、おもて面および裏面のそれぞれに第２おもて面電極パターン、第２裏面電極パターンを有する第２多層基板を、前記第１おもて面電極パターンと前記第２おもて面電極パターンとの間に、前記ｎ型素子群および前記ｐ型素子群を挟むように配置し、前記ｎ型素子群および前記ｐ型素子群のそれぞれの前記ｎ型熱電素子と前記ｐ型熱電素子とを前記第２おもて面電極パターンと接合する、第２接合工程と、を備える。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を配置する工程が簡便であり、且つダイシングされたｐ型熱電素子やｎ型熱電素子を１つずつ搬送するための搬送用ロボットへの投資が不要であり、熱電素子に対して効率よく熱を伝えることが可能な熱電モジュールおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の一実施形態に係る熱電モジュールの斜視図である。
【図4】隣接Π型構造素子の断面図である。
【図5】離間Π型構造素子の構造および接続の仕方を説明するための図である。
【図11】本発明の一実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を説明するための図であり、第１ダイシング工程の様子を示す図である。
【図12】本発明の一実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を説明するための図であり、第１接合工程の様子を示す図である。
【図13】本発明の一実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を説明するための図であり、第２ダイシング工程の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【0016】
図１は、本発明の一実施形態に係る熱電モジュール１００の斜視図である。
熱電モジュール１００は、おもて面３０aおよび裏面３０ｂのそれぞれに第１おもて面電極パターン５０Ａ、第１裏面電極パターン５０Ｂを有する第１多層基板３０と、おもて面４０aおよび裏面４０ｂのそれぞれに第２おもて面電極パターン６０Ａ、第２裏面電極パターン６０Ｂを有する第２多層基板４０と、隣接する２列（２０a，２０ｂ）に配置された複数のｎ型熱電素子で構成されたｎ型素子群２０と、ｎ型素子群２０と並列に配置され、隣接する２列（１０a，１０ｂ）に配置された複数のｐ型熱電素子で構成されたｐ型素子群１０と、を備え、ｎ型素子群２０およびｐ型素子群１０は、第１多層基板３０の第１おもて面電極パターン５０Ａと第２多層基板４０の第２おもて面電極パターン６０Ａとの間に配置され、第１おもて面電極パターン５０Ａ、第１裏面電極パターン５０Ｂ、第２おもて面電極パターン６０Ａ、および、第２裏面電極パターン６０Ｂは、隣接するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される隣接Π型構造素子が順に直列に接続され、かつ、離間するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される離間Π型構造素子が順に直列に接続されるように形成されている。
熱電モジュール１００は、おもて面３０aおよび裏面３０ｂのそれぞれに第１おもて面電極パターン５０Ａ、第１裏面電極パターン５０Ｂを有する第１多層基板３０と、おもて面４０aおよび裏面４０ｂのそれぞれに第２おもて面電極パターン６０Ａ、第２裏面電極パターン６０Ｂを有する第２多層基板４０と、隣接する２列（２０a，２０ｂ）に配置された複数のｎ型熱電素子で構成されたｎ型素子群２０と、ｎ型素子群２０と並列に配置され、隣接する２列（１０a，１０ｂ）に配置された複数のｐ型熱電素子で構成されたｐ型素子群１０と、を備え、ｎ型素子群２０およびｐ型素子群１０は、第１多層基板３０の第１おもて面電極パターン５０Ａと第２多層基板４０の第２おもて面電極パターン６０Ａとの間に配置され、第１おもて面電極パターン５０Ａ、第１裏面電極パターン５０Ｂ、第２おもて面電極パターン６０Ａ、および、第２裏面電極パターン６０Ｂは、隣接するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される隣接Π型構造素子が順に直列に接続され、かつ、離間するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される離間Π型構造素子が順に直列に接続されるように形成されている。
【0017】
熱電モジュール１００において、ｐ型素子群１０は、例えば第１おもて面電極パターン５０Ａのうち、第１部分５１と重なるように配置されている。ｎ型素子群２０は、例えば第２おもて面電極パターン５０Ａのうち、第１部分５１と並列な部分である第２部分５２と重なるように配置されている。このように、熱電モジュール１００において、ｐ型素子群１０およびｎ型素子群２０は、隣接しており、並列に配置されている。
【0018】
隣接する２列に配置されたｐ型素子群１０に含まれるｐ型熱電素子のうち、ｎ型素子群２０と離間している列（外側列）に配置されているｐ型熱電素子を総称して外側ｐ型素子列１０ａと呼称し、ｎ型素子群２０と隣接している列（内側列）に配置されているｐ型熱電素子を総称して内側ｐ型素子列１０ｂと呼称する。
【0019】
隣接する２列に配置されたｎ型素子群２０に含まれるｎ型熱電素子のうち、ｐ型素子群１０と離間している列（外側列）に配置されているｎ型熱電素子を総称して外側ｎ型素子列２０ａと呼称し、ｐ型素子群１０と隣接している列（内側列）に配置されているｎ型熱電素子を総称して内側ｎ型素子列２０ｂと呼称する。
【0020】
詳細を後述するが、内側ｐ型素子列１０ｂに含まれるｐ型熱電素子と、内側ｎ型素子列２０ｂに含まれるｎ型熱電素子とは、第１おもて面電極パターン５０Ａおよび第２おもて面電極パターン６０Ａとともに隣接Π型構造素子を形成する。外側ｐ型素子列１０ａに含まれるｐ型熱電素子と、外側ｎ型素子列２０ａに含まれるｎ型熱電素子とは、第１おもて面電極パターン５０Ａ、第１裏面電極パターン５０Ｂ、第２おもて面電極パターン６０Ａおよび第２裏面電極パターン６０Ｂとともに離間Π型構造素子を形成する。
【0021】
熱電モジュール１００において、第１おもて面電極パターン５０Ａ、第１裏面電極パターン５０Ｂ、ｐ型素子群１０、ｎ型素子群２０，第２おもて面電極パターン６０Ａおよび第２裏面電極パターン６０Ｂは、電気的に直列に接続されている。第１おもて面電極パターン５０Ａ、第１裏面電極パターン５０Ｂ、第２おもて面電極パターン６０Ａ、および、第２裏面電極パターン６０Ｂは、隣接Π型構造素子が順に直列に接続された隣接Π型構造素子群と、離間Π型構造素子が順に直列に接続された離間Π型構造素子群とが直列に接続されるように形成されていることが好ましい。熱電モジュール１００は、例えば第１裏面電極パターン５０Ｂを高温にし、第２裏面電極パターン６０Ｂを低温にすると、ゼーベック効果により、第１おもて面電極パターン５０Ａのスタート部Ｓｔが高電位となり、終端部Ｅｎが低電位になる。逆に、熱電モジュール１００の第１裏面電極パターン５０Ｂを低温にし、第２裏面電極パターン６０Ｂを高温にすると、第１おもて面電極パターン５０Ａのスタート部Ｓｔが低電位となり、終端部Ｅｎが高電位になる。
【0022】
図２Ａ、図２Ｂは、図１の熱電モジュール１００が備える第１多層基板３０の平面図であり、図２Ａは第１おもて面電極パターン５０Ａを示し、図２Ｂは第１裏面電極パターン５０Ｂを示す。図３は、図１の熱電モジュール１００が備える第２多層基板４０の平面図であり、図３Ａは第２おもて面電極パターン６０Ａを示し、図３Ｂは第２裏面電極パターン６０Ｂを示す。熱電モジュール１００において、第１おもて面電極パターン５０Ａおよび第２おもて面電極パターン６０Ａは対向するように配置され、第２裏面電極パターン６０および第２裏面電極パターン６０Ｂは、積層方向外側を向くように配置されている。
【0023】
第１多層基板３０および第２多層基板４０は、それぞれ少なくとも一部でおもて面の電極パターンと裏面の電極パターンとが接続された多層基板である。図２Ａ～図３Ｂに示す平面図において、一点破線の円で示す部分は、例えばスルーホールＨが設けられる部分であり、当該部分では、おもて面電極パターンと裏面電極パターンとが積層方向につながっている。すなわち、第１多層基板３０および第２多層基板４０は、積層方向から平面視してスルーホールＨと重なる位置において、開口となっており、当該部分におもて面電極パターンと裏面電極パターンとをつなぐ導電材料が設けられている。
【0024】
図２および図３では、電気回路上、スタート部Ｓｔに近い側からの順序が後になるほど大きい数字を含む参照符号が用いられている。すなわち、熱電モジュール１００において、電気回路上、電極Ｅ１、Ｅ２，Ｅ３，・・・Ｅ３３という順序でスタート部Ｓｔに近い。また、電気回路上、部分Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，・・・Ｐ８７という順序でスタート部Ｓｔに近い。部分Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３および部分Ｐ１４は、電気回路上最もスタート部Ｓｔに近い側のΠ型熱電素子の一部である。また、部分Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３および部分Ｐ２４は、電気回路上２番目にスタート部Ｓｔに近い側のΠ型熱電素子の一部である。
【0025】
第１おもて面電極パターン５０Ａは、例えば隣り合う隣接Π型構造素子の極性が異なる熱電素子同士が直列に接続する複数の隣接階段状電極（Ｅ３，Ｅ５，Ｅ７）と、離間Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子およびｐ型熱電素子が個々に接続する複数の単独電極（Ｅ１１，Ｅ１５，Ｅ１７，Ｅ２１，Ｅ２３，Ｅ２７，Ｅ２９）とを有する。
第１裏面電極パターン５０Ｂは、例えば隣り合う離間Π型構造素子の極性が異なる熱電素子同士が直列に接続する複数の離間階段状電極（Ｅ１６,Ｅ２２，Ｅ２８）と、を有する。
第２おもて面電極パターン６０Ａは、例えば隣接Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とが直列に接続する複数の横長電極（Ｅ２，Ｅ４，Ｅ６，Ｅ８）と、離間Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子およびｐ型熱電素子が個々に接続する複数の単独電極（Ｅ１２，Ｅ１４，Ｅ１８，Ｅ２０，Ｅ２４，Ｅ２６，Ｅ３０，Ｅ３２）とを有する。
第２裏面電極パターン６０Ｂは、離間Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とが直列に接続する複数の帯状電極（Ｅ１３，Ｅ１９，Ｅ２５，Ｅ３１）を有する。
第１裏面電極パターン５０Ｂは、例えば隣り合う離間Π型構造素子の極性が異なる熱電素子同士が直列に接続する複数の離間階段状電極（Ｅ１６,Ｅ２２，Ｅ２８）と、を有する。
第２おもて面電極パターン６０Ａは、例えば隣接Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とが直列に接続する複数の横長電極（Ｅ２，Ｅ４，Ｅ６，Ｅ８）と、離間Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子およびｐ型熱電素子が個々に接続する複数の単独電極（Ｅ１２，Ｅ１４，Ｅ１８，Ｅ２０，Ｅ２４，Ｅ２６，Ｅ３０，Ｅ３２）とを有する。
第２裏面電極パターン６０Ｂは、離間Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とが直列に接続する複数の帯状電極（Ｅ１３，Ｅ１９，Ｅ２５，Ｅ３１）を有する。
【0026】
熱電モジュール１００の第１おもて面電極パターン５０Ａは、例えば、さらに、内側ｎ型素子列２０ｂに含まれるただ一つのｎ型熱電素子と重なり、スタート部Ｓｔを含む縦長電極Ｅ１と、内側ｐ型素子列１０ｂに含まれるただ一つのｐ型熱電素子と重なる単独電極Ｅ９と、外側ｐ型素子列１０ａに含まれるただ一つのｐ型熱電素子と重なり、終端部Ｅｎを含む縦長電極Ｅ３３と、を有する。単独電極Ｅ１１，Ｅ１７，Ｅ２３，Ｅ２９は、それぞれ外側ｎ型素子列２０ａに含まれるただ一つのｎ型熱電素子と重なり、単独電極Ｅ１５，Ｅ２１，Ｅ２７は、それぞれ外側ｐ型素子列１０ａに含まれるただ一つのｐ型熱電素子と重なる。第１おもて面電極パターン５０Ａは、外側ｐ型素子列１０ａと重なる外側ｐ型列５１ａと、内側ｐ型素子列１０ｂと重なる内側ｐ型列５１ｂと、内側ｎ型素子列２０ｂと重なる内側ｎ型列５２ｂと、外側ｎ型素子列２０ａと重なる外側ｎ型列５２ａと、に区分される。
【0027】
隣接階段状電極Ｅ３，Ｅ５，Ｅ７は、例えば、それぞれ接続部５７を有する。接続部５７により、極性が異なる熱電素子同士を直列に接続される。すなわち、接続部５７は、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを直列に接続する。具体的には、隣接階段状電極Ｅ３，Ｅ５，Ｅ７のうち、部分Ｐ１４，Ｐ２４，Ｐ３４と重なる部分には、内側ｐ型素子列１０ｂが設けられ、部分Ｐ２１，Ｐ３１，Ｐ４１と重なる部分には、内側ｎ型素子列２０ｂが設けられ、それぞれのｐ型熱電素子とｎ型熱電素子は、接続部５７により第１おもて面電極パターン５０Ａ上で電気的に直列に接続されている。
【0028】
第１多層基板３０のうち、単独電極Ｅ９，Ｅ１１，Ｅ１５，Ｅ１７，Ｅ２１，Ｅ２３，Ｅ２７，Ｅ２９と重なる部分には、例えばスルーホールＨが設けられ、当該部分において、第１おもて面電極パターン５０Ａと第１裏面電極パターン５０ＢとがスルーホールＨの部分に設けられた導電材料により接続されている。
【0029】
第２おもて面電極パターン６０Ａは、例えば複数の横長電極（Ｅ２，Ｅ４，Ｅ６，Ｅ８）で構成された横長電極列５５と、複数の単独電極（Ｅ１２，Ｅ１４，Ｅ１８，Ｅ２０，Ｅ２４，Ｅ２６，Ｅ３０，Ｅ３２）とからなる。複数の単独電極は、外側ｐ型列５１ａと重なる外側ｐ型列５３ａと、外側ｎ型列５２ａと重なる外側ｎ型列５４ａと、に区分される。単独電極Ｅ１４、Ｅ２０，Ｅ２６，Ｅ３２のそれぞれは，外側ｐ型素子列１０ａのそれぞれのｐ型熱電素子と重なるように設けられている。横長電極Ｅ２，Ｅ４，Ｅ６，Ｅ８のそれぞれは、内側ｐ型素子列１０ｂのｐ型熱電素子および内側ｎ型素子列２０ｂのｎ型熱電素子のそれぞれのｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子と重なるように設けられている。単独電極Ｅ１２，Ｅ１８，Ｅ２４，Ｅ３０のそれぞれは、外側ｎ型素子列２０ａのそれぞれのｎ型熱電素子と重なるように設けられている。第２多層基板４０のうち、単独電極Ｅ１２，Ｅ１４，Ｅ１８，Ｅ２０，Ｅ２４，Ｅ２６，Ｅ３０，Ｅ３２と重なる部分には、例えばスルーホールＨが設けられ、当該部分において、第２おもて面電極パターン６０Ａと第２裏面電極パターン６０Ｂとが、スルーホールＨの部分に設けられた導電材料により接続されている。
【0030】
第１裏面電極パターン５０Ｂは、例えば接続電極Ｅ１０、複数の離間階段状電極Ｅ１６，Ｅ２２，Ｅ２８と、熱伝導部９１と、からなる。第１裏面電極パターン５０Ｂに設けられた接続電極Ｅ１０および離間階段状電極Ｅ１６，Ｅ２２，Ｅ２８のそれぞれは、第１おもて面電極パターン５０Ａにおける異なる電極同士を接続している。例えば、接続電極Ｅ１０は、第１おもて面電極パターン５０Ａの単独電極Ｅ９を単独電極Ｅ１１と接続しており、隣接Π型構造素子と離間Π型構造素子とを接続している。また、離間階段状電極Ｅ１６は、単独電極Ｅ１５を単独電極Ｅ１７と接続している。このようにして、第１裏面電極パターン５０Ｂに設けられた接続電極Ｅ１０および離間階段状電極Ｅ１６，Ｅ２２，Ｅ２８は、隣り合うΠ型構造素子の極性が異なる熱電素子同士が直列に接続している。
【0031】
第２裏面電極パターン６０Ｂは、例えば、複数の帯状電極Ｅ１３，Ｅ１９，Ｅ２５，Ｅ３１と、を有し、熱伝導部９２をさらに有することが好ましい。第２多層基板４０は、例えば、複数の帯状電極Ｅ１３，Ｅ１９，Ｅ２５，Ｅ３１のそれぞれが設けられる位置に２つずつスルーホールＨが形成されており、当該部分において、第２おもて面電極パターン６０Ａと第２裏面電極パターン６０Ｂとが、スルーホールＨの部分に設けられた導電材料により接続されている。
【0032】
縦長電極Ｅ１、横長電極Ｅ２および隣接階段状電極Ｅ３のうち部分Ｐ１４が位置し、内側ｐ型列５１ｂに位置する電極は、スタート部Ｓｔから１つ目の隣接Π型構造素子の一部である。スタート部Ｓｔから２つ目の隣接Π型構造素子には、隣接階段状電極Ｅ３のうち部分Ｐ２１が位置し、内側ｎ型列５２ｂに位置する電極、横長電極Ｅ４および、隣接階段状電極Ｅ５のうち部分Ｐ２４が位置し、内側ｐ型列５１ｂに位置する電極が含まれる。スタート部Ｓｔから１つ目の隣接Π型構造素子と同２つ目の隣接Π型構造素子とは、隣接階段状電極Ｅ３の接続部５７により電気的に接続されている。このように、ｙ方向において、同じ位置に設けられた、第１おもて面電極パターン５０Ａの内側ｎ型列５２ｂの電極と、内側ｐ型列５１ｂの電極と、第２おもて面電極パターン６０Ａの横長電極列５５の横長電極と、は、同一の隣接Π型構造素子の一部を形成し、＋ｙ方向における最端部の隣接Π型構造素子を除き、接続部５７により次の隣接Π型構造素子と接続している。
【0033】
図４は、隣接Π型構造素子の断面図である。隣接Π型構造素子は、Π型の熱電素子である。隣接Π型構造素子は、例えばｎ型素子２０ｂと、内側ｎ型列５２ｂの電極と、横長電極列５５の電極と、内側ｐ型列５１ｂの電極と、接続部５７と、を有する。接続部５７は、Π型構造素子同士を接続するための部材であり、説明の便宜上合わせて図示している。
【0034】
ｐ型素子列１０ｂのｐ型熱電素子およびｎ型素子列２０ｂのｎ型熱電素子は、それぞれｐ型およびｎ型の熱電材料であり、例えばＭｇ２ＳｉＳｎ熱電材料、テルル化合物、スクッテルダイト化合物、充填スクッテルダイト化合物、ホイスラー合金、ハーフホイスラー化合物、クラストレート化合物、シリサイド化合物、シリコンゲルマニウム等で選択されるいずれかで形成される。内側ｐ型列５１ｂの電極、内側ｎ型列５２ｂの電極および横長電極列５５の電極を含む第１おもて面電極パターン５０Ａ、第２おもて面電極パターン６０Ａ、第１裏面電極パターン５０Ｂおよび第２裏面電極パターン６０Ｂは、例えば、銅、ニッケル、銀、金およびアルミニウムから選択されるいずれかで形成されている。ｐ型熱電素子およびｎ型素子群と電極との接合は、例えば半田接合、ろう付け、ペーストを介した接合などにより接合されている。
【0035】
図５は、離間Π型構造素子の構造および接続の仕方を説明するための図である。図５は、図２，３に示される第１多層基板３０、第２多層基板４０をｐ型素子群１０およびｎ型素子群２０とともに用いたときに形成される、４つの離間Π型構造素子を示す。
【0036】
離間Π型構造素子において、外側ｐ型素子列１０ａのｐ型熱電素子は、第１おもて面電極パターン５０の外側ｐ型列５１ａおよび第２おもて面電極パターン６０の外側ｐ型列５３ａに挟まれ、第２多層基板４０の第２裏面電極パターン６０Ｂの帯状電極を介して、第１おもて面電極パターン５０の外側ｎ型列５２ａおよび第２おもて面電極パターン６０の外側ｎ型列５４ａに挟まれた外側ｎ型素子列２０ａのｎ型熱電素子と接続されている。離間Π型構造素子において、ｎ型熱電素子２０は、第２多層基板４０の第２おもて面電極パターン６０Ａと第１多層基板３０の第１おもて面電極パターン５０Ａとに挟まれている。隣接する離間Π型構造素子同士は、例えば第１多層基板３０の第１裏面電極パターン５０Ｂを介して接続されている。
【0037】
第１多層基板３０および第２多層基板４０は、例えばＳｉ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、セラミックス材料、ＳｉＮ、ＧａＮおよびＡｌＮ等の窒化物半導体、ガラスエポキシ樹脂で構成されている。第１多層基板３０および第２多層基板４０のうち、スルーホールＨが設けられた部分には、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｎ、ＮｉおよびＣからなる群から選択された金属、合金および導電性ペーストのいずれかが設けられており、おもて面電極パターンと裏面電極パターンとを接続している。電極パターンは、例えばＣｕ，Ｎｉ，Ａｇ，ＡｕおよびＡｌ等で構成される。第１多層基板３０および第２多層基板４０が半導体材料で構成されている場合、第１多層基板３０および第２多層基板４０の表面およびスルーホールＨの内周面にはＳｉＯ２等で構成された絶縁層が設けられており、電極パターンおよびスルーホールＨの部分に設けられた導電材料は、絶縁層を介して第１多層基板３０および第２多層基板４０の表面およびスルーホールＨに形成されている。第１多層基板３０および第２多層基板４０は、このようにして、おもて面電極パターンと裏面電極パターンのうち、スルーホールＨが設けられた箇所以外の部分では、おもて面電極パターンと裏面電極パターンとは絶縁されている。
【0038】
本実施形態に係る熱電モジュール１００は、両面に電極パターンが設けられた第１多層基板３０および第２多層基板４０を備えており、第１裏面電極パターン５０Ｂおよび第２裏面電極パターン６０Ｂより熱を伝搬することができるため、効率よく熱を伝えることが可能である。また、上記実施形態に係る熱電モジュール１００では、第１裏面電極パターン５０Ｂおよび第２裏面電極パターン６０Ｂは、熱電モジュールの電気回路に含まれない部分にも熱伝導部９１，９２が設けられており、熱伝導部９１，９２は、第１多層基板３０，第２多層基板４０よりも熱抵抗の小さい材料で構成されているため、より効率的に熱を伝えることが可能である。
【0039】
また、本実施形態に係る熱電モジュール１００において、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子は、隣接する２列に配置されているため、両面に電極パターンが形成された多層基板を適用できる。ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を隣接する３列以上に配置する場合、多層基板内の電気回路が３層以上に亘る複雑な構造になり、それらの短絡を抑制するために、少なくとも２層以上の絶縁層が必要となる。多層基板に必要な絶縁層の数はｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を隣接して配置する列の数とともに増加する。絶縁材料は、一般的に電極パターンとして設けられる導電材料と比べ、熱抵抗が大きいため、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を隣接する３列以上に並べる場合、熱電素子への熱伝導性が損なわれる。本実施形態の熱電モジュール１００であれば、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が隣接する２列に配置されているため、熱電素子への熱伝導性を損なうことなく、効率的に熱電変換を行うことができる。
【0040】
本実施形態に係る熱電モジュール１００は、上記の例に限定されず、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内で適宜変更が可能である。例えば、ｐ型熱電素子およびｎ型素子群が２列ずつ４行に設けられる例を上述したが、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の行数は、任意にすることができる。また、図示していない部分に放熱部として、電極パターンをさらに形成してもよく、電極パターンの形状を変更してもよい。
【0041】
＜変形例１＞
図６Ａおよび図６Ｂならびに図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ変形例１に係る熱電モジュールの第１多層基板３０Ａ、第２多層基板４０Ａの平面図である。図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ第１多層基板３０Ａのおもて面３０ａに設けられた第１おもて面電極パターン５０ＡＡおよび第１多層基板３０Ａの裏面３０ｂに設けられた第１裏面電極パターン５０ＡＢを示す。図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ第２多層基板４０Ａのおもて面４０ａに設けられた第２おもて面電極パターン６０ＡＡおよび第２多層基板４０Ａの裏面４０ｂに設けられた第２裏面電極パターン６０ＢＡを示す。図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａおよび図７Ｂにおいて、図２および図３と同様の符号を付した箇所は、同様の構成であり、説明を省略する。
図６Ａおよび図６Ｂならびに図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ変形例１に係る熱電モジュールの第１多層基板３０Ａ、第２多層基板４０Ａの平面図である。図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ第１多層基板３０Ａのおもて面３０ａに設けられた第１おもて面電極パターン５０ＡＡおよび第１多層基板３０Ａの裏面３０ｂに設けられた第１裏面電極パターン５０ＡＢを示す。図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ第２多層基板４０Ａのおもて面４０ａに設けられた第２おもて面電極パターン６０ＡＡおよび第２多層基板４０Ａの裏面４０ｂに設けられた第２裏面電極パターン６０ＢＡを示す。図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａおよび図７Ｂにおいて、図２および図３と同様の符号を付した箇所は、同様の構成であり、説明を省略する。
【0042】
第１おもて面電極パターン５０ＡＡは、１つ多く隣接階段状電極Ｅ１´を備える点、縦長電極Ｅ１を備えない点、外側ｎ型列５２ａと内側ｎ型列５２ｂとを連なる横長電極Ｅ０をさらに備える点およびスタート部Ｓｔが外側ｎ型列５１ａに設けられている点で第１おもて面電極パターン５０Ａと異なる。変形例１に係る第１裏面電極パターンは、先の熱電モジュール１００の第１裏面電極パターン５０Ｂと同様である。
【0043】
第２おもて面電極パターン６０ＡＡは、外側ｐ型列５３ａおよび外側ｎ型列５４ａのそれぞれに単独電極を１つ多く備える点、横長電極列５５に横長電極を１つ多く備える点および熱伝導部９３ａ、９３ｂ、９３ｃを備える点で第２おもて面電極パターン６０Ａと異なる。熱伝導部９３ａ、９３ｂ、９３ｃを区別しない場合、熱伝導部９３と呼称する場合がある。第２裏面電極パターン６０ＢＡは、帯状電極を１つ多く備える点および熱伝導部９４を備えている点で第２裏面電極パターン６０ＢＡと異なる。このように変形例１に係る熱電モジュールは、第１多層基板および第２多層基板をした際の大きさが略同等であり、第２多層基板に熱伝導部９３，９４を追加することができる。
【0044】
変形例１に係る熱電モジュールでは、横長電極Ｅ０の内側ｎ型列５２ｂと重なるようにｎ型熱電素子２０が積まれ、横長電極Ｅ０とｙ方向における同じ位置にその一部を有する隣接階段状電極Ｅ１の内側ｐ型列５１ｂと重なるようにｐ型熱電素子１０が積まれ、当該電極と熱電素子により隣接Π型構造素子が１つだけ多く設けられる。変形例１の熱電モジュールでは、例えば第１おもて面電極パターン５０ＡＡのスタート部Ｓｔと終端部Ｅｎとが外部の導線に接続される。
【0045】
変形例１に係る熱電モジュールであっても、熱電モジュール１００と同様の効果を得られる。また、変形例１に係る熱電モジュールでは、集積できるｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の数を増やすことができ、また熱伝導部９３，９４をさらに含むことで熱電モジュールとしての性能をより高められる。
【0046】
＜変形例２＞
図８は、変形例２に係る熱電モジュール１００Ｂを説明するための斜視図である。図８では、説明の便宜上第１多層基板３０とともにｐ型素子群１０およびｎ型素子群２０を挟む第２多層基板の図示を省略した。熱電モジュール１００Ｂにおいて、熱電モジュール１００と同様の構成は、同様の符号を付し、説明を省略する。
図８は、変形例２に係る熱電モジュール１００Ｂを説明するための斜視図である。図８では、説明の便宜上第１多層基板３０とともにｐ型素子群１０およびｎ型素子群２０を挟む第２多層基板の図示を省略した。熱電モジュール１００Ｂにおいて、熱電モジュール１００と同様の構成は、同様の符号を付し、説明を省略する。
【0047】
図９Ａおよび図９Ｂは、図８の熱電モジュール１００Ｂが備える第１多層基板３０Ｂの平面図であり、図９Ａは第１おもて面電極パターン５０ＢＡを示し、図９Ｂは第１裏面電極パターン５０ＢＢを示す。図１０Ａおよび図１０Ｂは、図８の熱電モジュール１００Ｂが備える第２多層基板４０Ｂの平面図であり、図１０Ａは第２おもて面電極パターン６０ＢＡを示し、図１０Ｂは第２裏面電極パターン６０ＢＢを示す。
【0048】
変形例２に係る熱電モジュール１００Ｂは、ｎ型素子群２０およびｐ型素子群１０をそれぞれ、複数備える。熱電モジュール１００Ｂにおいて、ｎ型素子群２０の数およびｐ型素子群１０の数は、同数であり、ｎ型熱電素子の数およびｐ型熱電素子の数も同数である。熱電モジュール１００Ｂは、スタート部Ｓｔから終端部Ｅｎまで電気的に直列に接続している。熱電モジュール１００Ｂにおいて、ｐ型素子群１０は、外側p型素子列１０aと内側ｐ型素子列１０ｂとの隣接する２列に設けられている。熱電モジュール１００Ｂにおいて、ｎ型素子群２０は、外側ｎ型素子列２０aと内側ｎ型素子列２０ｂとの隣接する２列に設けられている。
【0049】
熱電モジュール１００Ｂは、例えばｎ型素子群２０と、ｐ型素子群１０と、を複数備えており、ｎ型素子群２０とｐ型素子群１０とが第１方向に交互に並べて配置され、ｎ型素子群２０とｐ型素子群１０とのうち、第１方向における最も外側に位置する素子群は、他のｎ型素子群２０およびｐ型素子群１０と比べ、熱伝導素子の数が一つ少なく、第１方向における最も外側の素子群のうち、第１方向と交差する方向における端部の片方には、熱電素子が設けられておらず、外部のリードと接続するためのリード接続部（Ｓｔ，Ｅｎ）が設けられている。
【0050】
以下、本変形例において、第１方向に並列に設けられたｐ型素子群１０およびｎ型素子群２０と、これらの素子群と重なる電極パターンおよび基板を併せて、熱電素子ユニットと呼称する場合がある。熱電モジュール１００Ｂは、スタート部Ｓｔ側から第１方向に、熱電素子ユニットである第１ユニットＵ１，第２ユニットＵ２および第３ユニットＵ３が並ぶ。
【0051】
変形例２の熱電モジュール１００Ｂの第１ユニットＵ１，第２ユニットＵ２および第３ユニットＵ３のそれぞれにおいて、第１おもて面電極パターン５０ＢＡ、第１裏面電極パターン５０ＢＢ、第２おもて面電極パターン６０ＢＡおよび第２裏面電極パターン６０ＢＢは、電極の数は多いものの、電極パターンの形状および配置の仕方は、概ね変形例１と同様である。熱電モジュール１００Ｂでは、第１ユニットＵ１，第２ユニットＵ２および第３ユニットＵ３のそれぞれを接続する必要があり、これに伴い、ユニット間接続電極Ｅｌ２，Ｅｌ１，Ｅｌを備える点で、変形例１に係る熱電モジュールの電極パターンと異なる。
【0052】
第１ユニットＵ１と第２ユニットＵ２との接続は、ユニット間接続電極Ｅｌ２，Ｅｌ１，Ｅｌおよびその近傍の電極によりなされている。熱電モジュール１００Ｂにおいて、当該電極は、電気回路上、スタート部Ｓｔに近い側から順に、符号Ｐ´１，Ｐ´２，Ｐ´３，Ｐ´４，Ｐ´５，Ｐ´６，Ｐ´７およびＰ´８が示されている部分を通るように電流が流れる。第１おもて面電極パターン５０ＢＡのユニット間接続電極Ｅｌ２は、第１ユニットＵ１の離間Π型構造素子と、第２ユニットＵ２および第１ユニットＵ１に跨るユニット間Π型構造素子と、を繋ぐユニット間階段状電極である。ユニット間Π型構造素子は、第２ユニットＵ２の部分Ｐ´２とＰ´３とに挟まれたｎ型熱電素子と第１ユニットＵ１の部分Ｐ´４とＰ´５とに挟まれたｐ型熱電素子と、これらの熱電素子を繋ぐ矩形電極Ｅｌ１と、を有する。部分Ｐ´５は、スルーホールＨを介して部分Ｐ´６と電気的に繋がり、ユニット間接続電極Ｅｌにより部分Ｐ´７へと繋がり、第１おもて面電極パターン５０ＢＡの部分Ｐ´８へと繋がる。部分Ｐ´８は、第２ユニットのスタート部として扱うことができる。第１ユニットＵ１と第２ユニットＵ２とは、このようにして電気的に直列に接続されている。
【0053】
第２ユニットＵ２と第３ユニットＵ３との接続は、第１ユニットＵ１と第２ユニットＵ２との接続と同様であり、ユニット間接続電極Ｅｌ２´、Ｅｌ１´、Ｅｌ´およびその近傍の電極によりなされている。当該電極は、電気回路上、スタート部Ｓｔ側から順に通る部分に、符号Ｐ´´１，Ｐ´´２，Ｐ´´３，Ｐ´´４，Ｐ´´５，Ｐ´´６，Ｐ´´７およびＰ´´８が示されている。ユニット間接続電極Ｅｌ２´、Ｅｌ１´、Ｅｌ´は、それぞれユニット間接続電極Ｅｌ２、Ｅｌ１、Ｅｌと同様の構成を有する。第２ユニットＵ２と第３ユニットＵ３とは、このようにして電気的に直列に接続されている。
【0054】
変形例２に係る熱電モジュール１００Ｂであっても、熱電モジュール１００と同様の効果を得られる。また、熱電モジュール１００Ｂでは、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が２列ずつ交互に設けられているため、熱電モジュール１００と同様、多層基板に余計な絶縁層を設けずにより高集積化し、熱電モジュールの性能を高められる。
【0055】
＜熱電モジュールの製造方法＞
図１１～図１３は、本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を説明するための図である。図１１、図１２、図１３は、それぞれ詳細を後述する第１ダイシング工程、第１接合工程、第２接合工程の様子を示す。本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法は、上記実施形態に係る熱電モジュールを製造する方法である。以下、熱電モジュール１００を製造する場合を例に本実施形態の熱電モジュールの製造方法について説明する。
図１１～図１３は、本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を説明するための図である。図１１、図１２、図１３は、それぞれ詳細を後述する第１ダイシング工程、第１接合工程、第２接合工程の様子を示す。本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法は、上記実施形態に係る熱電モジュールを製造する方法である。以下、熱電モジュール１００を製造する場合を例に本実施形態の熱電モジュールの製造方法について説明する。
【0056】
本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法は、ｎ型熱電材料およびｐ型熱電材料Ｉ１０をｎ型素子群およびｐ型素子群に対応する大きさにダイシングし、ｎ型熱電材料ブロックＢ２０およびｐ型熱電材料ブロックＢ１０を形成する第１ダイシング工程と、ｎ型熱電材料ブロックＢ２０およびｐ型熱電材料ブロックＢ１０を、両面に電極パターンを有する第１多層基板３０の第１おもて面電極パターン５０Ａ上に配置し、第１おもて面電極パターン５０Ａと接合する第１接合工程と、ｎ型熱電材料ブロックと、ｐ型熱電材料ブロックと、を、ダイシングし、隣接する２列に配置された複数のｎ型熱電素子からなるｎ型素子群２０と、隣接する２列に配置された複数のｐ型熱電素子からなるｐ型素子群１０と、を形成する第２ダイシング工程と、両面に電極パターンを有する第２多層基板４０の第２おもて面電極パターン６０Ａを、第１おもて面電極パターン５０Ａとともに、ｎ型素子群２０およびｐ型素子群１０を挟むように配置し、ｎ型素子群２０およびｐ型素子群１０のそれぞれのｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とを第２おもて面電極パターン６０Ａと接合する、第２接合工程と、を備える。本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法は、例えば隣接するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される隣接Π型構造素子が順に直列に接続され、かつ、離間するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子で形成される離間Π型構造素子が順に直列に接続されるように形成する。
【0057】
（第１ダイシング工程）
第１ダイシング工程は、先ず、図１１に示されるようなｐ型熱電材料Ｉ１０を用意する。ｐ型熱電材料Ｉ１０は、例えばＭｇ２ＳｉＳｎ熱電材料、テルル化合物、スクッテルダイト化合物、充填スクッテルダイト化合物、ホイスラー合金、ハーフホイスラー化合物、クラストレート化合物、シリサイド化合物、シリコンゲルマニウム等で選択されるいずれかであり、例えばｐ型にドープされている。ｐ型熱電材料Ｉ１０としては、任意の形状のものを用いることができる。第１ダイシング工程は、ｐ型熱電材料Ｉ１０を公知の方法でダイシングし、ｐ型素子群に対応する形状のｐ型熱電材料ブロックＢ１０を形成する。また、ｐ型熱電材料Ｉ１０をダイシングしてｐ型熱電材料ブロックＢ１０を形成した方法と同様の方法で、ｎ型熱電材料をダイシングしてｎ型熱電材料ブロックを形成する。ｎ型熱電材料は、ｎ型にドープされている点でｐ型熱電材料と異なる。
第１ダイシング工程は、先ず、図１１に示されるようなｐ型熱電材料Ｉ１０を用意する。ｐ型熱電材料Ｉ１０は、例えばＭｇ２ＳｉＳｎ熱電材料、テルル化合物、スクッテルダイト化合物、充填スクッテルダイト化合物、ホイスラー合金、ハーフホイスラー化合物、クラストレート化合物、シリサイド化合物、シリコンゲルマニウム等で選択されるいずれかであり、例えばｐ型にドープされている。ｐ型熱電材料Ｉ１０としては、任意の形状のものを用いることができる。第１ダイシング工程は、ｐ型熱電材料Ｉ１０を公知の方法でダイシングし、ｐ型素子群に対応する形状のｐ型熱電材料ブロックＢ１０を形成する。また、ｐ型熱電材料Ｉ１０をダイシングしてｐ型熱電材料ブロックＢ１０を形成した方法と同様の方法で、ｎ型熱電材料をダイシングしてｎ型熱電材料ブロックを形成する。ｎ型熱電材料は、ｎ型にドープされている点でｐ型熱電材料と異なる。
【0058】
（基板準備工程）
基板準備工程は、第１多層基板３０および第２多層基板４０を準備する工程である。基板準備工程では、例えば、先ず、所望の位置にスルーホールＨが形成されたＳｉ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、セラミックス材料、ＳｉＮ、ＡｌＮおよびＧａＮ等の窒化物半導体、ガラスエポキシ樹脂等の基板を準備する。基板として半導体材料で構成された基板を用いる場合、例えば基板の表面およびスルーホールＨの内周面に絶縁層を形成する。絶縁層は、例えば大気中で加熱し、基板の表面を酸化させることにより形成することができる。
基板準備工程は、第１多層基板３０および第２多層基板４０を準備する工程である。基板準備工程では、例えば、先ず、所望の位置にスルーホールＨが形成されたＳｉ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、セラミックス材料、ＳｉＮ、ＡｌＮおよびＧａＮ等の窒化物半導体、ガラスエポキシ樹脂等の基板を準備する。基板として半導体材料で構成された基板を用いる場合、例えば基板の表面およびスルーホールＨの内周面に絶縁層を形成する。絶縁層は、例えば大気中で加熱し、基板の表面を酸化させることにより形成することができる。
【0059】
次いで、パターニングなどにより、第１おもて面電極パターン５０Ａおよび第２おもて面電極パターン６０Ａを形成する。次いで、スルーホールＨにＣｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｎ、ＮｉおよびＣからなる群から選択された金属、合金および導電性ペースト等の導電材料を形成する。次いで、例えばスルーホールＨが設けられた部分にそれぞれ第１おもて面電極パターン５０Ａ、第２おもて面電極パターン６０Ａと接続するように、第１裏面電極パターン５０Ｂおよび第２裏面電極パターン６０Ｂを形成する。電極パターンとしては、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ，ＡｕおよびＡｌ等の材料が用いられる。尚、基板準備工程における処理の順序は、任意である。
【0060】
（第１接合工程）
第１接合工程は、先ず図１２に示されるようなｐ型熱電材料ブロックＢ１０およびｎ型熱電材料ブロックＢ２０と、両面に電極パターンが設けられた第１多層基板３０を用意する。第１多層基板３０は、おもて面に第１おもて面電極パターン５０Ａが設けられており、裏面に第１裏面電極パターン５０Ｂが設けられている。第１おもて面電極パターンは、第１方向に並ぶ第１部分５１と第２部分５２とに区分される。第１接合工程において、ｐ型熱電材料ブロックは第１部分５１に設けられ、ｎ型熱電材料ブロックは第２部分に設けられる。
第１接合工程は、先ず図１２に示されるようなｐ型熱電材料ブロックＢ１０およびｎ型熱電材料ブロックＢ２０と、両面に電極パターンが設けられた第１多層基板３０を用意する。第１多層基板３０は、おもて面に第１おもて面電極パターン５０Ａが設けられており、裏面に第１裏面電極パターン５０Ｂが設けられている。第１おもて面電極パターンは、第１方向に並ぶ第１部分５１と第２部分５２とに区分される。第１接合工程において、ｐ型熱電材料ブロックは第１部分５１に設けられ、ｎ型熱電材料ブロックは第２部分に設けられる。
【0061】
第１おもて面電極パターン５０Ａは、例えば隣り合う隣接Π型構造素子の極性が異なる熱電素子同士が直列に接続する複数の隣接階段状電極と、離間Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子およびｐ型熱電素子が個々に接続する複数の単独電極と、スタート部および終端部を含む縦長電極と、を有する。
【0062】
第１接合工程において、ｐ型熱電材料ブロックＢ１０は、縦長電極、単独電極および隣接階段状電極のうち、第１部分５１に位置する電極のそれぞれと接合される。ｐ型熱電材料ブロックＢ１０と電極との接合は、例えば、半田接合、ろう付け接合、ペーストによる接合等、公知の手段を採用することができる。ｎ型熱電材料ブロックＢ２０は、ｐ型熱電材料ブロックＢ２０と同様の方法で、縦長電極、単独電極および隣接階段状電極のうち、第２部分５２に位置する電極のそれぞれと接合される。
【0063】
（第２ダイシング工程）
第２ダイシング工程では、図１３に示されるように、第１おもて面電極パターン５０Ａに接合された、ｎ型熱電材料ブロックＢ２０と、ｐ型熱電材料ブロックＢ１０と、を、ダイシングし、隣接する２列に配置された複数のｎ型熱電素子でからなるｎ型素子群２０と、隣接する２列に配置された複数のｐ型熱電素子からなるｐ型素子群２０と、を形成する。
第２ダイシング工程では、図１３に示されるように、第１おもて面電極パターン５０Ａに接合された、ｎ型熱電材料ブロックＢ２０と、ｐ型熱電材料ブロックＢ１０と、を、ダイシングし、隣接する２列に配置された複数のｎ型熱電素子でからなるｎ型素子群２０と、隣接する２列に配置された複数のｐ型熱電素子からなるｐ型素子群２０と、を形成する。
【0064】
ｐ型熱電材料ブロックＢ１０と、ｎ型熱電材料ブロックＢ２０と、は、公知の手段でダイシングされる。ｐ型熱電材料ブロックＢ１０およびｎ型熱電材料ブロックＢ２０のダイシングは、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子のそれぞれが、１つの電極のみと重なる大きさになるように、ダイシングされる。
【0065】
（第２接合工程）
第２接合工程では、両面に電極パターンを有する第２多層基板４０を用意し、そのおもて面電極パターン６０Ａを、第１おもて面電極パターン５０Ａと第２おもて面電極パターン６０Ａとの間に、ｎ型素子群２０およびｐ型素子群１０を挟むように配置し、ｎ型素子群２０およびｐ型素子群１０のそれぞれのｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とを第２おもて面電極パターン６０Ａと接合する。
第２接合工程では、両面に電極パターンを有する第２多層基板４０を用意し、そのおもて面電極パターン６０Ａを、第１おもて面電極パターン５０Ａと第２おもて面電極パターン６０Ａとの間に、ｎ型素子群２０およびｐ型素子群１０を挟むように配置し、ｎ型素子群２０およびｐ型素子群１０のそれぞれのｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とを第２おもて面電極パターン６０Ａと接合する。
【0066】
第２おもて面電極パターン６０Ａは、例えば隣接Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とが直列に接続する複数の横長電極と、離間Π型構造素子を構成するｎ型熱電素子およびｐ型熱電素子が個々に接続する複数の単独電極とを有する。
【0067】
第２接合工程において、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子のそれぞれが、１つの電極のみと接合するように行われる。第２接合工程における第２おもて面電極パターン６０Ａとｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子との接合は、第１おもて面電極パターンとｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子との接合と同様の手段を採用することができる。
【0068】
本実施形態では、このようにして図１の熱電モジュール１００のような、隣接するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とで形成される隣接Π型構造素子が順に直列に接続され、かつ、離間するｎ型熱電素子とｐ型熱電素子で形成される離間Π型構造素子が順に直列に接続されるように形成することができる。
【0069】
第１ダイシング工程の前に、ｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料の厚みがｐ型熱電素子の厚みおよびｎ型熱電素子の厚みと同じになるようにスライスするスライス工程をさらに有していてもよい。スタート部Ｓｔおよび終端部Ｅｎの電位の高低は、第１裏面電極パターン５０Ｂと第２裏面電極パターン６０Ｂとに与える熱の高低を逆にすることで逆になる。
【0070】
本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法では、ｐ型熱電材料ブロックおよびｎ型熱電材料ブロックを両面に電極パターンが設けられた多層基板に配置し、当該熱電材料ブロックを電極パターンと接合した後、熱電材料ブロックをダイシングし、熱電素子を形成する。そのため、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を配置する工程が簡便であり、且つダイシングされたｐ型熱電素子やｎ型熱電素子を１つずつ搬送するための搬送用ロボットへの投資が不要である。
【符号の説明】
【0071】
１０：ｐ型素子群、１０ａ：外側ｐ型素子列、１０ｂ：内側ｐ型素子列、
２０：ｎ型素子群、２０ａ：外側ｎ型素子列、２０ｂ：内側ｎ型素子列、
３０、３０Ａ：第１多層基板、３０ａ：（第１多層基板の）おもて面、３０ｂ：（第１多層基板の）裏面、３０ｃ：主部、４０、４０Ａ：第２多層基板、４０ａ：（第２多層基板の）おもて面、４０ｂ：（第２多層基板の）裏面、４０ｃ：主部、
５０Ａ、５０ＡＡ、５０ＢＡ：第１おもて面電極パターン、５０Ｂ、５０ＡＢ，５０ＢＢ：第１裏面電極パターン、５１：第１部分、５１ａ：外側ｐ型列、５１ｂ：内側ｎ型列、５２：第２部分、５２ａ：外側ｎ型列、５２ｂ：内側ｎ型列、５３ａ：外側ｐ型列、５４ａ：外側ｎ型列、５５：横長電極列、５７：接続部、６０Ａ、６０ＡＡ、６０ＢＡ：第２おもて面電極パターン、６０Ｂ、６０ＢＢ：第２裏面電極パターン、９１，９２：熱伝導部、１００、１００Ｂ：熱電モジュール、
Ｂ１０：ｐ型熱電材料ブロック、Ｂ２０：ｎ型熱電材料ブロック、Ｅ０：横長電極、Ｅ１、Ｅ３３：縦長電極、Ｅ１´、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７、：隣接階段状電極、Ｅ２、Ｅ４、Ｅ６、Ｅ８、：横長電極、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ１４、Ｅ１５、Ｅ１７、Ｅ１８、Ｅ２１、Ｅ２３、Ｅ２４、Ｅ２６、Ｅ２７、Ｅ２９、Ｅ３０、Ｅ３２：単独電極、Ｅ１０：接続電極、Ｅ１３、Ｅ１９、Ｅ２０、Ｅ２５、Ｅ３１：帯状電極、Ｅ１６、Ｅ２２、Ｅ２８：離間階段状電極、Ｅｌ、Ｅｌ´：ユニット間接続電極、Ｅｌ１、Ｅｌ１´：ユニット間接続電極（矩形電極）、Ｅｌ２、Ｅｌ２´：ユニット間接続電極、Ｅｎ：終端部（リード接続部）、Ｓｔ：スタート部（リード接続部）、Ｈ：スルーホール、Ｕ１：第１ユニット、Ｕ２：第２ユニット、Ｕ３：第３ユニット
２０：ｎ型素子群、２０ａ：外側ｎ型素子列、２０ｂ：内側ｎ型素子列、
３０、３０Ａ：第１多層基板、３０ａ：（第１多層基板の）おもて面、３０ｂ：（第１多層基板の）裏面、３０ｃ：主部、４０、４０Ａ：第２多層基板、４０ａ：（第２多層基板の）おもて面、４０ｂ：（第２多層基板の）裏面、４０ｃ：主部、
５０Ａ、５０ＡＡ、５０ＢＡ：第１おもて面電極パターン、５０Ｂ、５０ＡＢ，５０ＢＢ：第１裏面電極パターン、５１：第１部分、５１ａ：外側ｐ型列、５１ｂ：内側ｎ型列、５２：第２部分、５２ａ：外側ｎ型列、５２ｂ：内側ｎ型列、５３ａ：外側ｐ型列、５４ａ：外側ｎ型列、５５：横長電極列、５７：接続部、６０Ａ、６０ＡＡ、６０ＢＡ：第２おもて面電極パターン、６０Ｂ、６０ＢＢ：第２裏面電極パターン、９１，９２：熱伝導部、１００、１００Ｂ：熱電モジュール、
Ｂ１０：ｐ型熱電材料ブロック、Ｂ２０：ｎ型熱電材料ブロック、Ｅ０：横長電極、Ｅ１、Ｅ３３：縦長電極、Ｅ１´、Ｅ３、Ｅ５、Ｅ７、：隣接階段状電極、Ｅ２、Ｅ４、Ｅ６、Ｅ８、：横長電極、Ｅ９、Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ１４、Ｅ１５、Ｅ１７、Ｅ１８、Ｅ２１、Ｅ２３、Ｅ２４、Ｅ２６、Ｅ２７、Ｅ２９、Ｅ３０、Ｅ３２：単独電極、Ｅ１０：接続電極、Ｅ１３、Ｅ１９、Ｅ２０、Ｅ２５、Ｅ３１：帯状電極、Ｅ１６、Ｅ２２、Ｅ２８：離間階段状電極、Ｅｌ、Ｅｌ´：ユニット間接続電極、Ｅｌ１、Ｅｌ１´：ユニット間接続電極（矩形電極）、Ｅｌ２、Ｅｌ２´：ユニット間接続電極、Ｅｎ：終端部（リード接続部）、Ｓｔ：スタート部（リード接続部）、Ｈ：スルーホール、Ｕ１：第１ユニット、Ｕ２：第２ユニット、Ｕ３：第３ユニット
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13】