(57)【要約】      （修正有）【課題】温度差に基づいて電力信号を生成することができる熱電薄膜を用いた熱電発電装置を提供する。【解決手段】熱電発電装置は、主として、温度差に基づいて電圧値を生成する薄膜素子である熱電薄膜素子２０１を含む。熱電薄膜素子２０１によって電気信号が出力され、電力貯蔵素子２０３によって当該電気信号がエネルギーに変換されて貯蔵され、出力回路２０５によって電力が出力される。熱電発電装置は、外界の温度に感応する接触界面を有してもよく、接触界面において温度差が生成されると、熱電薄膜素子２０１が出力電圧を生成する。熱電発電装置には、電力の出力を制御又は遮断するためのスイッチが設けられる。【選択図】図２
0003196069.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
温度差に基づいて電気信号を生成する薄膜素子であり、電気信号を出力する電気的接続インターフェースを有する熱電薄膜素子と、
前記熱電薄膜素子の前記電気的接続インターフェースに電気的に接続されており、前記電気信号を受信すると共にエネルギーに変換して貯蔵するための電力貯蔵素子と、
前記電力貯蔵素子に電気的に接続されており、電力を出力するための出力回路と、
を含むことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記熱電薄膜素子には、外界の温度に感応する接触界面が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記接触界面は、手指を置くことができ、置かれた前記手指の温度に感応する導熱装置であることを特徴とする請求項2に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記電力貯蔵素子及び前記出力回路に電気的に接続されており、電力の出力を制御又は遮断するためのスイッチ素子を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
スイッチが設けられたハウジングを含む熱電発電装置であって、
前記ハウジングの内部に、
外界の温度に感応する接触界面を有しており、前記外界の温度によって生じた温度差に基づいて電気信号を生成する薄膜素子である熱電薄膜素子と、
エネルギーを貯蔵するための電力貯蔵素子と、
前記熱電薄膜素子及び前記電力貯蔵素子に電気的に接続されており、前記熱電薄膜素子が生成した電気信号を前記電力貯蔵素子に充電されるエネルギーに変換するための電力変換回路と、
前記電力貯蔵素子に電気的に接続されると共に、前記ハウジングにおける前記スイッチに接続されており、前記電力貯蔵素子による電力の出力を制御するためのスイッチであるスイッチ素子と、
前記スイッチ素子に電気的に接続されており、前記電力貯蔵素子が出力した電力を用いて負荷素子を駆動するための駆動回路と、
を含むことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項６】
前記負荷素子は、発光素子であることを特徴とする請求項5に記載の熱電発電装置。
【請求項７】
前記発光素子は、表示用のレーザ光モジュールであることを特徴とする請求項6に記載の熱電発電装置。
【請求項８】
前記発光素子は、照明用の白熱電球又は発光ダイオードモジュールであることを特徴とする請求項6に記載の熱電発電装置。
【請求項９】
前記電力変換回路は、前記電力貯蔵素子を充電する充電回路及び保護回路を更に含むことを特徴とする請求項5に記載の熱電発電装置。
【請求項１０】
前記スイッチは、前記ハウジングに設けられたディップスイッチ又はボタンスイッチであることを特徴とする請求項5に記載の熱電発電装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、熱電発電装置（Thermoelectric Power Generator）に関し、特に温度差に基づいて電力信号を生成することができる熱電薄膜を用いた熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電効果（thermoelectric effect）は、温度差によって電圧が生成されるエネルギー変換効果である。具体的に言えば、この効果を応用した熱電装置は、装置両端の温度差によって電圧信号を生成する。逆に、電圧がこの熱電装置に印加されると、温度差が生じる。熱電効果は、電圧の変化を用いて温度を制御するのに応用したり、或いは、電気エネルギーの生成や、温度の測定に応用することができる。
【０００３】
一般的な応用において、熱電効果を用いた熱電装置は、２種類の異なる金属からなるループを有する。異なる金属導体は異なる自由電子密度を有することから、２種類の異なる金属導体が相互に接触すると、電子密度の差がなくなるように接触面における電子が拡散する。電子の拡散速度が接触領域の温度に正比例することから、２種類の金属の連結箇所に温度差が生じると、ループにおいて温度差による起電力が生成される。更に、２つの金属導体間の温度差を維持しさえすれば、電子を持続的に拡散、流動させることができ、これによって電圧を生成することができる。
【０００４】
上述した熱電効果を利用した製品として熱電薄膜（thermoelectric thin film）がある。図１の熱電薄膜装置に示すように、薄膜装置には、２種類の異なる金属又は例えばP型半導体及びN型半導体である異なる形態の半導体材料が含まれる。即ち、図１に示す熱電薄膜装置は、絶縁基板10と、その両側に形成された第１の導体101及び第２の導体102とを含む。第１の導体101及び第２の導体102は、例えば２種類の金属であり、又は２つの形態（P-type及びN-type）の半導体である。第１の導体101の一端及び第２の導体102の一端は接続されており、接続部103が構成される。
【０００５】
この接続部103は高温下に置くことができ、装置の他端（即ち２つの導体（101、102）が接続されていない一端）は低温下に置くことができる。両端を比較すると、高温下の導体材料は熱活性化（thermal activation）されると共に電子密度及び正孔密度が高い。従って、電子及び正孔が低温箇所に向かって拡散することで装置内部に電位差（electric potential difference）が生じ、これによって電圧信号が形成される。このような熱電薄膜は、エネルギー変換の効果を奏することができる。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
本考案は、温度差に基づいて電力信号を生成することができる熱電薄膜を用いた熱電発電装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本考案に係る熱電発電装置は、主として、温度差に基づいて電圧値を生成する薄膜素子であり、電気信号を出力する電気的接続インターフェースを有する熱電薄膜素子と、電気的接続インターフェースを介して熱電薄膜素子に接続されており、電気信号を受信すると共にエネルギーに変換して貯蔵するための電力貯蔵素子と、電力貯蔵素子によって貯蔵されたエネルギーを出力することができる出力回路と、を含む。
【０００８】
１つの実施例において、熱電発電装置における熱電薄膜素子には、外界の温度に感応する接触界面が設けられている。これにより、熱電薄膜素子は、外界の温度を感知することで生成された温度差によって電圧を生成することができる。熱電発電装置には、電力の出力を制御するためのスイッチが設けられてもよい。出力端には、出力された電力によって、例えば発光素子である負荷素子を駆動することができる駆動回路が設けられてもよい。
【考案の効果】
【０００９】
本考案に係る熱電発電装置は、温度差に基づいて電圧信号を生成することができる熱電薄膜素子を電力源として用いる装置である。本考案に係る熱電発電装置は、使用者が手指を押し付けることで、温度差に基づいてエネルギーを生成することができる。本考案に係る熱電発電装置では、電力を直接出力したり、或いは事前にコンデンサや充電電池といった電力貯蔵素子に貯蔵すると共に、電力の出力を制御するためのスイッチが設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来技術における熱電薄膜装置の構造を示した図である。
【図２】本考案に係る熱電発電装置の基本回路の実施例を示したブロック図である。
【図３】本考案に係る熱電発電装置の回路の実施例を示した図である。
【図４】本考案に係る熱電発電装置の実施例を示した図である。
【図５】本考案に係る熱電発電装置の実施例を示した図である。
【考案を実施するための形態】
【００１１】
１つの実施形態において、本考案に係る熱電発電装置は、例えばゼーベック効果（Seebeck effect）、ペルティエ効果（Peltier effect）及びトムソン効果（Thomson effect）といった熱電効果（thermoelectric effect）における熱エネルギーと電気エネルギーとの間のエネルギー変換の技術を適用するものである。異なる２つの性質の導体（例えば金属）又は半導体（例えばP型半導体、N型半導体の組み合わせ）の端点が接続されて閉鎖ループが形成されている場合、２つの接点間に温度差があると、熱電効果によってエネルギー変換が生じ、それによって２つの接点間において電圧を測定することできる。単位温度差によって生じた電圧差は、熱電係数と呼ばれ、例えばゼーベック係数（Seebeckcoefficient）のように呼ばれる。
【００１２】
一般的には、温度差の大きさ、導体特性（例えば熱電係数）、導体に他の物質による影響があるか否か、回路設計等の要因は、いずれも熱電効果によって生成される電圧値及び熱電係数の大きさに影響を及ぼす原因となる。従って、温度差が大きいほど、熱電効果によって電圧値（電位差）も大きくなる。
【００１３】
図２は、上述した熱電効果を用いた装置である本考案に係る熱電発電装置の基本回路の実施例を示したブロック図である。
【００１４】
図２に示すように、本考案に係る熱電発電装置は、主な回路素子として、温度差に基づいて電圧値を生成する薄膜素子である熱電薄膜素子201を有する。その構造には、外界の温度と内部の温度との差異に感応することができる材料が含まれる。熱電薄膜素子201は、温度差に基づいて電気信号を生成することができると共に、電気信号を出力する電気的接続インターフェースを有する。この電気的接続インターフェースは、例えば電圧信号を出力する回路又は電気的接続回路であり、電力貯蔵素子203に電気的に接続される。
【００１５】
電力貯蔵素子203は、例えば充電電池であり、熱電薄膜素子201の電気的接続インターフェースに電気的に接続される（図面では接続線で示す）。電力貯蔵素子203は、電気信号を受信すると共に、当該電気信号をエネルギーに変換して貯蔵するのに用いられる。
【００１６】
電力貯蔵素子203は、電荷を貯蔵する充電電池であってもよく、電力を消費し尽くした後も、依然として充電再利用することができる。常套的な充電電池には、超コンデンサ、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池及びリチウムイオン電池等があるが、本考案は特定の充電電池に限定しない。
【００１７】
電力貯蔵素子203にエネルギーが貯蔵されている場合、電気的に接続された出力回路205を介して電力を出力することができる。実施例において、電力を出力することで、発光素子又はこの電力によって駆動可能な負荷を駆動することができる。例えば、発光ダイオードモジュールを照明に用いるために駆動したり、レーザ光モジュールを表示に用いるために駆動することができる。本考案は、それ以外にも、例えば小電力を要する車両又はドアの鍵、特定の装置を起動する制御器といった装置にも用いられる。
【００１８】
図３は、本考案に係る熱電発電装置の回路の実施例を示した図である。
【００１９】
図３に示すように、本実施例において、熱電発電装置は、ハウジング3を有し、ハウジング３には内部のスイッチ素子304と接続されるスイッチが設けられてもよい。これにより、使用者は、この熱電発電装置を操作する際、ハウジング3上のスイッチを介して電力の出力を制御することができる。
【００２０】
熱電発電装置は、主要素子として熱電薄膜素子301を有する。熱電薄膜素子301は、温度差に基づいて電気信号を生成することができる薄膜素子であり、外部に対して接触界面30が設けられている。例えば、ハウジング3上に窓を設けるか、或いはハウジング3自体を熱伝導材料からなるものとすることにより、熱電薄膜素子301が接触界面30を介して外界の温度に感応することができるようにしている。熱電薄膜素子301は、接触界面30を介して外界の温度に感応すると共に、装置自体の内部の温度との温度差に感応して、この温度差に基づいて電気信号を生成することができる。
【００２１】
また、熱電発電装置には、エネルギーを貯蔵するための電力貯蔵素子303が設けられている。実際の適用において、電力貯蔵素子303は、充電電池、若しくは超コンデンサ、又はその他の充電回路であってもよい。熱電発電装置には、電力変換回路302が設けられている。電力変換回路302は、熱電薄膜素子301及び電力貯蔵素子303に電気的に接続されており、熱電薄膜素子301によって生成された電気信号を電力貯蔵素子303に充電するエネルギーに変換するのに用いられる。
【００２２】
電力変換回路302の主な機能は熱電薄膜素子301によって生成された電気信号を電力貯蔵素子303に貯蔵されるエネルギーに変換することにある。電力貯蔵素子303の制御回路としての電力変換回路302は、同時に、昇圧充電回路、電力貯蔵素子303を保護する保護回路、電圧調整回路、直流電圧変換回路等を有してもよい。１つの実施形態において、電力変換回路302は、充電プロセスに従って電気信号を電力貯蔵素子303に採用される電圧又は電流に変換することができ、電池電圧値に応じて充電電流を修正することができる。例えば、電池電圧が漸次上昇した場合は充電電流を減らすことができる。
【００２３】
熱電発電装置には、スイッチ素子304が設けられている。スイッチ素子304は、電力貯蔵素子303に電気的に接続されると共に、熱電発電装置のハウジング3上のスイッチに接続されており、電力貯蔵素子303による電力の出力を制御するスイッチとして用いられる。このスイッチの種類としては、例えばハウジング3上に設けられたディップスイッチ（DIP switch）、ボタンスイッチ又はノブ型のスイッチが挙げられるが、本考案におけるスイッチの種類は、それらに限定されない。
【００２４】
また、熱電発電装置には、駆動回路305が設けられている。駆動回路305は、特定の負荷素子306を駆動する回路であり、昇圧（又は電圧の調整）を行って負荷素子306を駆動するのに適した電圧信号を含む。駆動回路305は、スイッチ素子304に電気的に接続されており、スイッチ素子304が電力の出力の制御又は遮断に用いられるのに対し、電力貯蔵素子303によって出力された電力を使用して負荷素子306を駆動するのに用いられる。
【００２５】
実施例において、負荷素子306は、例えば発光素子といった、熱電発電装置による電力の出力を用いて駆動することができる素子である。発光素子は、表示用のレーザ光モジュール、又は照明用の白熱電球、又は照明用の発光ダイオードモジュールであってもよい。
【００２６】
図４は、本考案に係る熱電発電装置を用いた実施例を示した図である。熱電発電装置のハウジング4内には、上述した熱電薄膜素子401の接触界面を有している。これにより、使用者の手指が熱電薄膜素子401上の窓に押し付けられると、体温と装置自体の室温下での温度との差異に感応して電気信号が生成され、所要の変換が行われた後、電力貯蔵素子403内に貯蔵されるエネルギーとなる。本実施例において、外界の温度に感応する接触界面は、手指を置くことができ、置かれた手指の温度に感応する導熱装置である。
【００２７】
スイッチ素子405によって、使用者は、電力の出力を開始又は遮断することができ、これにより、駆動回路407が出力した電力を制御することができる。本実施例において、駆動回路407は、発光素子409を駆動する回路である。
【００２８】
図５は、本考案に係る熱電発電装置を用いた実施例を示した図である。図５に示すように、熱電発電装置5には、接触窓501が設けられている。これにより、使用者が手指を押し付けることで、熱を熱電薄膜素子に導入することができ、熱電発電技術により、電気エネルギーが先ず熱電発電装置5内の電力貯蔵素子に貯蔵される。熱電発電装置5にはスイッチ503が設けられており、これにより、電力の出力が制御され、発光素子505のオン又はオフが制御される。発光素子505は、例えば白熱電球、発光ダイオードモジュール又はレーザ光モジュールであるが、本考案に係る熱電発電装置5による電力供給の用途はこれらに限定されない。
【００２９】
本考案に係る熱電発電装置の回路の実施例において、熱電発電装置は、環境温度の変化に基づいて回路を介して供給電力の電流信号に変換する。実施例において、この信号を直接出力するか、若しくは電力を先ず電力貯蔵素子に貯蔵してもよく、又は、電力貯蔵素子を供給電力以外の余剰電力を貯蔵するのに用いてもよい。即ち、熱電発電装置における電力貯蔵素子に発電のために供給できる十分な電力がない場合、使用者は、手指を用いることで、又は環境温度の変化を利用することで、本考案に係る熱電発電装置を用いて即座に電力を生成することができる。
【００３０】
このように、本考案に係る熱電発電装置は、温度差に基づいて電圧信号を生成することのできる熱電薄膜素子を電力源として用いる装置である。実施例において、本考案に係る熱電発電装置は、使用者の手指が押し付けられることで、温度差に基づいてエネルギーを生成することができ、直接電力を出力したり、又は予めコンデンサ、充電電池等の電力貯蔵素子に貯蔵することができると共に、電力の出力を制御するスイッチが設けられているため、電力を供給する用途に適用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
10  絶縁基板
101  第１の導体
102  第２の導体
103  接続部
201、301、401  熱電薄膜素子
203、303、403  電力貯蔵素子
205  出力回路
3、4  ハウジング
30  接触界面
302  電力変換回路
304、405  スイッチ素子
305、407  駆動回路
306  負荷素子
409、505  発光素子
5  熱電発電装置
501  接触窓
503  スイッチ
【図１】
0003196069.tif 000003
【図２】
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【図３】
0003196069.tif 000005
【図４】
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【図５】
0003196069.tif 000007