(57)【要約】【課題】温度差を用いて発電を行う熱電素子を採用した熱発電装置において、熱電素子の面積効率を高めて小さな面積で十分な出力の得られる熱発電装置を提供する。【解決手段】熱電素子ユニット１０から供給される熱起電力を昇圧部３０で昇圧して蓄電部２１に蓄積する。熱起電力を昇圧してから蓄積する、あるいは処理部９に供給することにより、熱電素子１０の起電圧を低く設定することができるので、熱電素子１０を構成する半導体ユニットの数量を低減できる。このため、半導体ユニット１つ当たりの面積を大きくできるので、熱電素子ユニット１０の面積効率を向上できる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度差によって熱起電力を生ずる熱電素子と、
前記熱起電力を昇圧して供給可能な昇圧手段とを有することを特徴とする熱発電装置。
【請求項２】
請求項１において、前記昇圧された熱起電力を蓄える蓄電手段を有し、この蓄電手段の電力を外部に供給できることを特徴とする熱発電装置。
【請求項３】
請求項１において、前記昇圧手段は、前記熱起電力を一時的に蓄えて放出する複数のコンデンサーと、前記コンデンサーの接続を制御して昇圧を行う制御手段とを備えていることを特徴とする熱発電装置。
【請求項４】
請求項１において、前記昇圧手段は、直流の前記熱起電力を交流に変換する手段と、前記交流の電圧を昇圧する手段と、昇圧された前記交流を整流する手段とを備えていることを特徴とする熱発電装置。
【請求項５】
請求項４において、前記交流の電圧を昇圧する手段は、圧電トランスであることを特徴とする熱発電装置。
【請求項６】
請求項２において、前記昇圧手段に前記熱電素子が直結されていることを特徴とする熱発電装置。
【請求項７】
請求項１において、前記熱電素子に前記熱起電力の電圧と逆の電圧が発生したときに短絡する短絡手段を有することを特徴とする熱発電装置。
【請求項８】
請求項７において、前記短絡手段は前記熱電素子と並列に接続されたショットキーバリア・ダイオードであることを特徴する熱発電装置。
【請求項９】
請求項２において、前記昇圧手段をバイパスして前記熱電素子と前記蓄電手段を直結し、前記熱電素子から前記蓄電手段の方向にのみ電流を流す一方向性手段を有することを特徴とする熱発電装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記一方向性手段がシリコン・ダイオードであることを特徴とする熱発電装置。
【請求項１１】
請求項２において、前記蓄電手段と直列に接続されたスタート用抵抗成分と、このスタート用抵抗成分をバイパスするバイパス手段とを有し、前記スタート用抵抗成分の電圧降下に対応する電圧を外部に供給可能であることを特徴とする熱発電装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の熱発電装置と、この熱発電装置から供給される電力によって処理を行う処理装置とを有することを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子腕時計などの電源として適用可能な熱電素子を用いた発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子腕時計などのエネルギー源を得るために熱電素子によってユーザーの体温と外気との温度差を用いて発電することが考えられている。このために、図７に示すように、腕時計装置１の計時および運針を行うモジュール２と、裏蓋３との間に熱電素子１０を設置し、熱電素子１０の温接点側１１を裏蓋３の側に、また、冷接点側１２をモジュールカバーなどの熱伝導体４を介してケース５に接続するようにしている。
図８（ａ）に示すように、熱電素子１０は、テルル化ビスマスなどの複数のｐ型およびｎ型半導体ユニット１３が所定の空間１４を開けて温接点１１および冷接点１２を構成する熱伝導体の支持板に挟まれて構成されており、これらの半導体ユニット１３が所定の起電圧を発生するように電極１５によって直列に接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような腕時計装置１においては、体温が裏蓋３からケース５に伝達されてしまうので、裏蓋３とケース５の間に断熱材６を設けておいても熱電素子１０で利用できる温度差は２°Ｃ程度である。一方、熱電素子の起電力は温度差にほぼ比例し、その値（ゼーベック係数）は最も優れたものでも１°当たり２００μＶ程度にすぎない。
このため、時計のモジュールを駆動するための１Ｖ〜１．５Ｖ程度の電圧を確保するには数千個の半導体ユニット１３を直列に接続することが必要となり、これらを図８（ｂ）に示したように空間１４を開けて配置する必要がある。
【０００４】
ここで、作動に必要な最低電圧が１Ｖであるモジュールを駆動するために、１．５Ｖの起電力を２°Ｃの温度差で確保できる熱電素子１０について検討する。例えば、計時装置１において熱電素子１のために確保できる面積は１００ｍｍ２　程度であり、上記のゼーベック係数を備えた半導体ユニット１３を採用するとしても、この面積に３７５０個の半導体ユニット１３を配置する必要がある。
１００ｍｍ２　に３７５０個もの半導体ユニット１３を並べると、半導体ユニット１３の一辺の長さは０．１５ｍｍ程度になる。さらに、これらの半導体ユニット１３をある程度の空間１４を開けて配置する必要があり、半導体ユニット１３をバルクから切断して組み立てることを考慮すると空間１４の長さは０．１ｍｍ程度が必要である。従って、熱電素子ユニット１０の内部で半導体ユニット１３と空間１４の占める割合はほぼ１：１となり、熱電素子ユニット１０の面積の半分程度しか実際に発電を行う半導体ユニット１３のために割くことができない。このため、面積当たりの発電効率は小さく、発電可能な電力も非常に低く、実際に腕時計などに搭載してエネルギー源として使用することは現実的には難しい。
【０００５】
温接点１１と冷接点１２の温度差を大きくすることにより、起電力が大きくなるので半導体ユニット１３の数を低減して面積効率を向上することができる。このためには、ケース５の表面に放熱領域を設けたり、ケース５と裏蓋３との間の断熱性能を向上するなどの手段が必要であり、装置が大型で高価になってしまう。さらに、放熱領域などを設けても温度差で１°程度の改善が見られる程度であり、それほど熱電素子ユニットの面積効率を向上できるものではない。
【０００６】
そこで、本発明においては、熱電素子ユニットの面積効率を飛躍的に向上し、小型で発電能力の大きな熱発電装置を提供することを目的としている。さらに、熱電素子を用いた発電を行う際に、発電装置内における損失をできるかぎり削減し、熱電素子の熱起電力を効率良く利用できる熱発電装置およびその制御方法を提供することを目的としている。また、本発明の発電能力の大きな熱発電装置を用いて、熱電素子を実用に供することが可能な電気機器を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、熱電素子内の半導体ユニットを所定の電圧を確保できるように直列に接続する代わりに、昇圧手段を設けることにより、熱電素子が発生する起電圧を低減することができるようにしている。熱電素子の起電圧を低減することにより、熱電素子を構成する半導体ユニットを直列に接続する数を削減でき、熱電素子を構成する半導体ユニットの数を大幅に小さくできる。従って、熱電素子の表面積のうち半導体ユニットの占める面積を増大でき、発電電力を増加できる。すなわち、本発明の熱発電装置は、温度差によって熱起電力を発生する熱電素子と、この熱起電力を昇圧して供給可能な昇圧手段とを有することを特徴としている。そして、昇圧した熱起電力を蓄電手段に蓄えることにより、安定して外部に電力を提供できると共に、熱電素子の起電力を低減できるようにしている。
【０００８】
昇圧手段としては、昇圧倍率を制御でき、さらに、昇圧時の損失の少ない、熱起電力を一時的に蓄えて放出する複数のコンデンサーと、これらのコンデンサーの接続を制御して昇圧を行う制御手段とを備えた昇圧手段を採用できる。また、直流の熱起電力を交流に変換する手段と、交流の電圧を昇圧する手段と、昇圧された交流を整流する手段とを備えた昇圧手段も採用可能であり、高い昇圧倍率を得ることができる。また、交流の電圧を昇圧する手段として、圧電トランスフォーマを用いることができる。
【０００９】
昇圧された後の電力を蓄える蓄電手段として、熱電素子から供給された熱起電力を主として蓄えるのに十分な容量を備えたコンデンサーや２次電池などを採用することにより、昇圧手段と熱電素子との間に蓄電機能を備えた回路素子を設けずに熱起電力の全てを蓄電手段に蓄えることができる。また、蓄電手段と熱電素子との接続は昇圧手段によって絶つことができるので、蓄電手段に蓄えられた電力が熱電素子に対し昇圧手段を介して逆に供給され、熱電素子が発熱するといった事態を防止できる。従って、昇圧手段と熱電素子の間に逆流阻止のための回路素子、例えばダイオードなどを設けなくて良く、これらを直結できるので、ダイオードなどによる順方向電圧損失やリーク損失を防止できる。
【００１０】
昇圧手段を設けた熱発電装置においては、熱起電力の有無を判定する工程と、熱起電力が発生していないときは昇圧手段の動作を停止する工程とを設けることにより、昇圧手段の無駄な動作による電力の浪費を防止できる。また、コンデンサーを用いて昇圧を行う場合、蓄電手段から電荷がコンデンサーによってくみ上げられ、熱電素子に流れるのを防止することができる。さらに、蓄電手段の電圧を判定する工程と、蓄電手段の電圧が規定値以上になったときは昇圧手段の動作を停止する工程とを設けることにより、蓄電手段の過充電を防止でき、ＩＣなどの処理部に印加される電圧も一定値以下に保持できる。
【００１１】
また、熱電素子に逆方向の温度差が発生し、通常の熱起電力と逆の電圧が発生する可能性がある。従って、逆の電圧が発生したときに電力の供給先であるＩＣなどの処理部に悪影響を及ぼさないように、熱電素子から発生した逆方向の電圧の電流を短絡する短絡手段を設けておくことが望ましい。この短絡手段としては、順方向電圧が低いショットキーバリア・ダイオードを熱電素子と並列に接続しておくことが望ましい。
【００１２】
さらに、熱電素子の温接点および冷接点の間の温度差が大きい場合は、大きな起電圧が発生する。このため、昇圧手段における損失を防止できるように昇圧手段をバイパスして熱電素子と蓄電手段を直結できるようにしておくことが望ましい。また、蓄電手段から熱電素子に対する逆流を防止する必要があるので、バイパスする手段は、熱電素子から蓄電手段の方向にのみ電流を流す一方向性手段であることが望ましい。このような一方向性手段は、逆方向のもれ電流の小さなシリコン・ダイオードを用いることができる。また、一方向性手段として、起電圧が蓄電手段の充電電圧より高いときにのみ接続状態となるスイッチを採用することも可能である。
【００１３】
さらに、蓄電手段と直列にスタート用抵抗成分を接続し、このスタート用抵抗成分をバイパスするバイパス手段を設けるが望ましい。蓄電手段に電圧のないスタート時はスタート用抵抗成分で電圧降下が発生するので、少なくともこの電圧降下分の電圧の電力を外部に接続されたＩＣなどの処理部に供給することができる。
従って、蓄電手段に電力が殆ど残っていない状態であっても、蓄電手段の電圧復帰を待たず、すぐにＩＣなどの処理部が動作を開始するのに必要な規定の電圧を供給できる。スタート用抵抗成分およびバイパス手段を備えている熱発電装置においては、蓄電手段自体の電圧や、スタート用抵抗成分も含めた電圧によって蓄電手段の電圧を判定し、蓄電手段の電圧が規定値以上になったときはバイパス手段を用いてスタート用抵抗成分をバイパスするように制御できる。
蓄電手段に電圧復帰特性がある場合には、処理部の電力消費により蓄電手段の電圧が低下し処理部が動作を停止し、その後に電圧復帰する。この電圧復帰によりバイパス手段で蓄電手段が処理部に直結されるので、蓄電手段に適当な電圧がある限り、蓄電された電力を使用して、処理部を再稼働させることができる。
【００１４】
このように、本発明の熱発電装置は、熱電素子の起電圧を昇圧手段を用いて適当な電圧に昇圧できるので、熱電素子の起電圧を低くすることが可能となり、面積効率を大幅に向上できる。従って、本発明の熱発電装置は小さな面積で十分な熱起電力を得ることができるので、この熱発電装置から供給される電力によって実際に処理を行う処理装置を備えた電気機器を提供できる。
このような電気機器は、電池なしで何時でも何処でも処理装置の機能を発揮させることができ、さらに、小型化できるので携帯に好適な電気機器である。また、電池なしで処理部を駆動できるので、電池の廃棄などの問題も解決できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明の一例として熱電素子ユニットを搭載した腕時計装置の構成をブロック図によって示してある。本例の腕時計装置１は、熱発電装置２０と、この熱発電装置２０から供給された電力によって動作する処理部９を備えており、先に図７に基づき説明したものと同様に計時表示部７などを駆動するモジュール（ＩＣモジュール）２と裏蓋３の間に熱電素子ユニット１０を設置可能なものである。
【００１６】
本例の熱発電装置２０は、温度差によって起電圧が発生し、それによる熱起電力を取り出すことができる熱電素子ユニット１０と、熱起電力を昇圧して大容量コンデンサーあるいは２次電池などの蓄電部２１に供給する昇圧部３０を備えている。
本例の熱発電装置２０は、熱電素子１０に所定の温度差、すなわち、温接点１１の側が冷接点１２の側より温度が高くなったときに矢印ｉの方向に熱起電力が発生するように構成されている。熱電素子１０に逆の温度差が印加されると逆方向の起電力が発生し、処理部９などに逆方向の起電力が印加される可能性がある。
そこで、本例においては、逆方向の起電力を短絡できるように熱電素子１０と並列にショットキーバリア・ダイオード２２を設置してある。
一方向性素子としてシリコン・ダイオードを採用してももちろん良いが、ショットキーバリア・ダイオードの方が順方向電圧が低いので、処理部９に逆方向の電圧が印加される危険性を低くできる。また、熱電素子１０にいずれの方向の温度差が印加された場合であっても、その熱起電力を利用できるように熱電素子ユニット１０と昇圧部３０との間に整流回路を設けることも可能であるが、後述するように整流回路を構成するダイオードによる順方向電圧の損失やもれ電流による損失が発生するので好ましくない。
特に、腕時計装置１などにおいては、温度差の方向が通常は安定しているので整流回路を省くことにより熱発電装置内における損失を低減できる。
【００１７】
本例の昇圧部３０は、４つの補助コンデンサー３１を備え、これらの接続を昇圧制御回路３２で切り替えて最大４倍昇圧が可能な回路である。補助コンデンサー３１を用いた昇圧部３０は、接続を切り替えるためのスイッチなどによる抵抗が２０Ω程度と低く、昇圧部３０における損失が非常に小さい。従って、熱電素子ユニット１０から供給される熱起電力を効率良く昇圧し蓄電部２１に充電することができる。この昇圧部３０の昇圧倍数や昇圧動作のオンオフは制御部４０によって制御される。
本例の制御部４０は、熱電素子ユニット１０の起電圧を監視し、熱電素子ユニット１０に起電圧が発生したときのみ昇圧部３０を動かすようにしており、昇圧部３０において蓄電部２１に蓄えられた電力が浪費されないようにしている。
また、昇圧後の電圧を監視することによって、適当な電圧が得られるように昇圧倍数を設定し、温度差が小さく熱電素子ユニット１０の起電圧が低くなったときでも熱電素子ユニット１０から供給される熱起電力を蓄電部２１に充電できるようにしている。
【００１８】
さらに、制御部４０は、蓄電部２１の充電電圧も監視しており、蓄電部２１の充電電圧が電圧Ｖｍ１に達すると昇圧を中止し、電圧Ｖｍ２に低下すると昇圧を再開するようになっている。熱電素子ユニット１０の起電圧は蓄電部２１の充電電圧より低いので昇圧を中止すると蓄電部２１の充電が中断され、過充電を防止することができる。また、処理部９に印加される電圧が異常に高くなるのを防止できるので処理部９の破損などのトラブルも未然に防止できる。
【００１９】
熱電素子ユニット１０は、ペルチェ素子と同様の構成であるので、電力が逆に供給されると電力を消費して温度差を発生する。本例の熱発電装置２０においては、蓄電部２１に大容量のものを採用し、熱起電力を昇圧部３０で昇圧した後に蓄積するようにしている。従って、蓄電部２１と熱電素子ユニット１０は昇圧部３０を介しており、直には接続されないので、蓄電部２１に充電された電力が昇圧部３０を通って熱電素子ユニット１０に逆流することがない。このため、熱電素子ユニット１０と昇圧部３０を直結することが可能であり、逆流防止ダイオードなどを設けた場合に発生する順方向電圧による損失を防止できる。
【００２０】
本例の熱発電装置２０は、さらに、昇圧部３０をバイパスして熱電素子１０と蓄電部２１を接続するシリコン・ダイオード２３を設けてある。
これはコールドスタート時のように、腕時計装置１の蓄電部２１に電荷が殆ど蓄積されていない場合、昇圧部３０は駆動するための電力が供給されないので、熱電素子に起電力が生じてもそれを蓄電部２１に伝達できず、起動できないといった問題を解決するためである。すなわち、腕時計装置１を腕に装着した直後などはケース５と裏蓋３との温度差が非常に大きくなるので、熱電素子１０には大きな起電圧が発生する。
この起電圧を前述のシリコン・ダイオード２３を通じて蓄電側に供給することで、昇圧部３０を駆動可能とする。なお、熱起電圧が蓄電側の電圧よりも高い間は、昇圧部３０を通じて充電するよりもシリコン・ダイオード２３を通じて直接充電する方が損失が少ないので、昇圧回路を駆動するのは熱電素子１０の起電圧が蓄電部２１の電圧以下に低下した後の方が望ましい。
【００２１】
一方、熱電素子ユニット１０の起電圧が低くなった場合は、上述したように蓄電部２１から熱電素子ユニット１０に電力が逆に流れるのを阻止する必要がある。従って、本例のシリコン・ダイオード２３のように熱電素子１０から蓄電部２１に向かって一方向に電力を供給する回路が必要である。
シリコン・ダイオード２３は、逆方向電圧が印加されたときの漏れ電流が小さいので、昇圧部３０をバイパスして蓄電部２１に向かって一方向に電力を供給する回路に適している。ダイオードに代わり、熱電素子ユニット１０と蓄電部２１の電圧差によってオンオフするスイッチング回路によって昇圧部３０をバイパスする回路を設けてももちろん良い。
【００２２】
さらに、本例の熱発電装置２０においては、蓄電部２１と直列にスタート用抵抗２５と、これをバイパスするバイパススイッチ２６を設けてある。コールドスタート時のように蓄電部２１に電荷が殆ど蓄積されていないときに熱電素子ユニット１０からの熱起電力を供給すると、蓄電部２１にある程度の電荷が蓄積されるまで蓄電部２１の両端には処理部９を稼働させられる程度の電圧（規定電圧Ｖｄ）が発生しない。
従って、容量の大きな蓄電部２１を採用すると、熱電素子ユニット１０が発電を開始してから処理部９が実際に機能を発揮できるまで非常に長い時間が必要になる。これに対し、本例のように蓄電部２１と直列にスタート用抵抗２５を設けると、充電時にスタート用抵抗２５で電圧降下が発生するので、この電圧降下により規定電圧Ｖｄを確保できる。従って、処理部９を即スタートすることができ、同時に蓄電部２１にも充電することができる。
また、蓄電部２１が充電され規定電圧Ｖｄが確保できるようになると、スタート用抵抗２５は損失成分になるのでバイパススイッチ２６によってスタート用抵抗２５をバイパスして電力を処理部９に提供できるようにしている。
【００２３】
本例の熱発電装置２０においては、バイパススイッチ２６の制御を蓄電部２１の電圧を監視しながら制御回路４０が行うようにしている。熱電素子１０からの電力の供給がない状態で蓄電部２１が放電して規定電圧Ｖｄ以下に電圧が降下すると処理部９は機能を停止し、同時に、バイパススイッチ２６がオープンする。しかし、その後、蓄電部２１の電圧が復帰して規定電圧Ｖｄに達すると、バイパススイッチ２６がオンし、スタート用抵抗２５をバイパスして処理部９に電力を供給できる状態として、処理部９がリセットされるといつでも処理部９が動作できる状態にしている。スタート用抵抗２５は、本例のように抵抗成分であっても良く、あるいはダイオードの順方向電圧を用いて規定電圧Ｖｄを確保しても良い。
【００２４】
このように、熱発電装置２０の電力は計時機能を備えた処理部９に供給され、熱電素子ユニット１０に温度差が発生すれば処理部９が動作するためのエネルギーを確保できるようにしている。熱発電装置２０の出力端子２８には、小容量の補助コンデンサー２９が接続されており、スタート直後などに短時間電圧が変動しても処理部９が継続して機能できるようにしている。
【００２５】
図２に示したタイミングチャートに基づき、本例の熱発電装置２０の制御動作を説明する。時刻ｔ１に腕時計装置１がユーザの腕に装着されると温度差によって熱電素子ユニット１０に起電圧が発生する。腕に装着された直後は温度差が大きいので、起電圧も大きく、この熱起電力がダイオード２３を介して昇圧部３０をバイパスして蓄電部２１およびそれに直列に接続されたスタート用抵抗２５に供給される。
時刻ｔ１にはバイパススイッチ２６がオープンしているので、スタート用抵抗２５における電圧降下によって電位差が発生し、補助コンデンサー２９が充電される。時刻ｔ２に、補助コンデンサー２９の電圧が処理部９の起動電圧Ｖｉ（例えば１．５Ｖ）に達すると処理部９が機能を開始する。腕時計装置１が腕に装着されて時間が経過すると、温度差が小さくなり熱電素子ユニット１０の起電圧も低下する。
時刻ｔ３に基準電圧Ｖｓ（例えば１．２Ｖ）に達すると昇圧部３０が昇圧を開始し、熱電素子ユニット１０から供給される熱起電力を昇圧してスタート用抵抗２５および蓄電部２１に供給する。
昇圧部３０は、所定の電圧が確保できるように熱電素子ユニット１０の起電力に対応して昇圧倍率を適宜変えながら昇圧を行う。蓄電部２１が充電され、時刻ｔ４に充電電圧が安定して電力を供給可能な規定電圧Ｖｄ（例えば１Ｖ）に達するとバイパススイッチ２６がオンし、スタート用抵抗２５をバイパスして処理部９に電力が供給される。
【００２６】
時刻ｔ５に腕時計装置１が腕から外されると、温度差が小さくなるので起電圧も減少し、時刻ｔ６に熱電素子ユニット１０が発電を停止する。これによって、昇圧部３０も昇圧を中止する。処理部９は、蓄電部２１が放電することによって供給される電力によって継続して機能を維持でき、時刻ｔ７に蓄電部２１の電圧が低下して規定電圧Ｖｄを切ると機能を停止する。同時に、バイパススイッチ２６がオープンし、即スタートできる状態となる。
【００２７】
本例の蓄電部２１は、いったん電圧が低下しても適当な時間が経過すると電圧が復帰するようになっており、時刻ｔ８に電圧が復帰して規定電圧Ｖｄに達すると、バイパススイッチ２６がオンする。これによって、処理部９には機能を開始できる電圧が印加される。従って、時刻ｔ９にリセットされ、例えば、計時装置２の時刻合わせが行われると、処理部９は処理を再開する。
【００２８】
時刻ｔ１０に再び腕時計装置１が装着されると、温度差によって熱電素子ユニット１０が発電を再開する。初期は、温度差が大きいため昇圧部３０をバイパスしてダイオード２３を介して蓄電部２１が充電される。
時刻ｔ１１に温度差が低下して起電圧が所定の電圧Ｖｓに達すると、熱電素子ユニット１０の起電圧が低くとも蓄電部２１に熱起電力を蓄積できるように昇圧部３０が昇圧を開始する。充電を継続し、時刻ｔ１２に上限電圧Ｖｍ１に達すると、昇圧部３０は昇圧を中止し、過充電を防止する。
時刻ｔ１３に処理部９に給電することによって蓄電部２１の電圧が下限電圧Ｖｍ２に達すると昇圧部３０は昇圧を再開し、熱電素子ユニット１０から供給された熱起電力を蓄電部２１に蓄える。
【００２９】
時刻ｔ１４に腕から腕時計装置１が外されると熱起電力が低下し、時刻ｔ１５に熱電素子１０が発電を停止する。これにより昇圧部３０は昇圧を停止し、以降は蓄電部２１の放電によって処理部９が処理を継続して行う。そして、時刻ｔ１６に規定電圧Ｖｄ以下になると処理部９は機能を停止し、バイパススイッチ２６がオープンして即スターとできる状態となる。
【００３０】
図３および図４に基づき、本例の熱発電装置２０において採用可能な熱電素子ユニット１０を従来の熱電素子ユニット９０と比較して説明する。本例の熱発電装置２０は、４倍に昇圧可能な昇圧部３０を備えている。
従って、熱電素子ユニット１０の起電圧が、従来の熱電素子ユニット９０のほぼ１／４であっても蓄電部２１に充電でき、処理部９を機能させることができる。例えば、図４に示すように、従来の熱電素子ユニット９０が１６個の半導体ユニット１３によって構成され、１６個を直列に接続することによって所定の電圧が確保できるものとする。
先に説明したように、これら１６個の半導体ユニット１３は空間１４によって仕切られており、半導体ユニット１３の幅ａと空間１４の幅ａがほぼ同じになる。
【００３１】
これに対し、本例の熱発電装置２０に採用できる熱電素子ユニット１０は、図３に示したように、昇圧することによって４つの半導体ユニット１３によって所定の電圧が確保できる。従って、熱電素子ユニットの面積が同じであれば、図３（ａ）に示すように、半導体ユニット１３の占める面積を２．２５倍にできる。熱電素子ユニットにおいては、発電時の出力電流は半導体ユニット１３の面積にほぼ比例するので、図３（ａ）に示したケースでは、１つの半導体ユニット１３の面積が９ａ２　になりから９倍の電流が得られる。一方、熱電素子ユニット１０の起電圧は従来の熱電素子ユニット９０の１／４になるので、本例の熱電素子ユニット１０では２．２５倍の熱起電力が得られる。
【００３２】
また、同じ熱起電力を得るケースを考えると、１つの半導体ユニット１３から４倍の電流が得られれば良いので、図３（ｂ）に示すように、面積が４ａ２　の半導体ユニット１３を４つ設ければ良い。従って、本例の熱電素子ユニット１０の面積を従来の熱電素子ユニット９０のほぼ半分（正確には、２５／４９）にすることができる。このように、熱電素子ユニット１０から供給された熱起電力を昇圧して蓄積することにより、熱電素子ユニット１０で発生させる起電圧を低減できる。従って、熱電素子ユニット１０に設ける半導体ユニット１３の数量を低減できるので、熱電素子ユニット１０の面積効率を大幅に向上することができる。さらに、半導体ユニット１３の数量を低減できるので、熱電素子ユニット１０の構成を簡略化でき、価格的にも有利になる。また、同じ出力を得るのであれば、熱電素子ユニットの面積も小さくなるので、スペースメリットおよび価格的なメリットがある。このため、本例の熱発電装置２０を採用することによって、小型で携帯に適した電気機器に、処理部９を動作させるために十分な発電量を備えた熱電素子ユニット１０を搭載できる。従って、実際に腕などに装着するだけで計時装置や、他の通信装置、情報処理装置などを機能させることができる熱発電装置および電気機器を提供することが可能になる。
【００３３】
このように、熱電素子１０の起電圧を昇圧することにより、熱電素子１０の面積効率を非常に向上できる。昇圧する手段は、本例のコンデンサーを用いた回路に限定されず、例えば、図５に示したように、インバータ回路３５によって熱電素子ユニット１０から供給された直流の熱起電力を交流化し、さらに、圧電トランス３６によって昇圧したのち整流回路３７で直流に戻す構成の昇圧部３０を採用することも可能である。圧電トランス３６を採用することにより、昇圧倍率を簡易な構成で高く設定することができる。
従って、熱電素子ユニット１０の起電圧を低く設定することができるので、上記と同様、あるいはそれ以上に面積効率の高い熱電素子ユニット１０を採用することができる。
【００３４】
また、図６に示すように、熱電素子ユニット１０から供給された熱起電力をインバータ回路３５によって交流化し、トランス３４を介して複数の整流ユニット３８ａ〜３８ｄによって直流化することも可能である。そして、整流ユニット３８ａ〜３８ｄの直流出力を切り替え回路３９によって切り替えることにより、昇圧倍率を簡単に設定することも可能である。本例の昇圧部３０は、トランス３４の巻線および整流ユニット３８ａ〜３８ｄの組み合わせを変更することにより、昇圧倍率を自由に設定できる。
【００３５】
上記にかぎらず昇圧部３０としては様々な構成を採用することが可能であり、昇圧倍率も４倍に限定されず、３倍以下であっても良いし、また、５倍以上に昇圧することも可能である。昇圧倍率を大きくすることにより、熱電素子ユニット１０の面積効率を大幅に向上することが可能であるが、昇圧部の構成が複雑になり、また、昇圧部における損失が上昇する傾向がある。
従って、適当な昇圧倍率を選択することにより、熱電素子ユニットの面積効率が高く小型で安価に提供でき、さらに、熱発電装置内における損失も小さく、処理部に供給する全体のエネルギー変換効率が高い熱発電装置を提供することができる。
【００３６】
このように、本例の熱発電装置２０を内蔵した電気機器は、例えば、腕に装着して温度差を設けたり、あるいは、太陽光を用いて温度差を設けるなどの方法により、内蔵した処理部９を稼働するためのエネルギーを自然界から得ることができる。従って、電池は不要であり、いつでも何処でも処理部９の機能を発揮できる電気機器を提供することができる。　また、電池が不要になるので、廃棄された電池の処理する必要もなくなる。
また、処理部９は、上記の計時装置に限定されるものではなく、ページャ、電話機、無線機、補聴器、万歩計、電卓、電子手帳などの情報処理装置、ＩＣカード、ラジオ受信機など電力によって機能を発揮する様々なものを採用できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の熱発電装置は、熱電素子から得られた熱起電力を昇圧して蓄積するようにしており、これにより、熱電素子の起電圧を低く設定することが可能になる。このため、熱電素子ユニットを構成する半導体ユニットの数を低減して、個々の半導体ユニットの面積を増大できる。
従って、熱電素子ユニットの面積効率を大幅に向上することが可能となり、小型で携帯に適した腕時計装置のような電気機器に収納可能で、十分な発電性能を備えた熱発電装置を提供できる。
さらに、面積効率が向上するので、熱電素子も小型化および高出力化でき、また、構成も簡略化できるので、安価で、実際に携帯型装置のエネルギー源として使用できる熱発電装置を提供することができる。
そして、本発明の熱発電装置をエネルギー源とした計時装置などの処理装置を搭載した電気機器を採用することにより、何時でも何処でも電池切れなどの心配なしに機能を発揮させられる電気機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱発電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す熱発電装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】図１に示す熱発電装置に採用可能な熱電素子ユニットの構成例を示す図である。
【図４】従来の熱電素子ユニットの構成例を比較のために示す図である。
【図５】図１に示す熱発電装置に採用可能な昇圧部の異なった例を示すブロック図である。
【図６】図１に示す熱発電装置に採用可能な昇圧部の異なった例を示すブロック図である。
【図７】熱電素子を内蔵した腕時計装置の構成例を示す断面図である。
【図８】熱電素子の構成例を示す図であり、図８（ａ）は断面の構成を示し、図８（ｂ）は平面の構成を示してある。
【符号の説明】
１・・腕時計装置、２・・ＩＣモジュール、３・・裏蓋、４・・熱伝導体、５・・ケース、６・・断熱材、７・・表示体、９・・処理部、１０・・熱電素子ユニット、１１・・温接点、１２・・冷接点、１３・・半導体ユニット、１４・・空間、２０・・熱発電装置、２１・・蓄電部、２２・・短絡用ダイオード、２３・・昇圧部のバイパス用ダイオード、２５・・スタート用抵抗、２６・・抵抗のバイパススイッチ、２９・・補助コンデンサー、３０・・昇圧部、３１・・昇圧用コンデンサー、３２・・昇圧制御回路、３４・・トランス、３５・・インバータ回路、３６・・圧電トランスフォーマ、３７・・整流回路、３８・・整流ユニット、３９・・切り替え回路、４０・・制御部
【図１】
2004047947.tif 000003
【図２】
2004047947.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004047947.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年6月12日(2003.6.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度差によって熱起電力を生ずる熱電素子と、前記熱起電力を昇圧して供給可能な昇圧手段と、前記昇圧された熱起電力を蓄える蓄電手段を有し、前記蓄電手段の電力を外部に供給できることを特徴とする熱発電装置。
【請求項２】
請求項１において、前記昇圧手段は、前記熱起電力を一時的に蓄えて放出する複数のコンデンサーと、前記コンデンサーの接続を制御して昇圧を行う制御手段とを備えていることを特徴とする熱発電装置。
【請求項３】
請求項１において、前記昇圧手段は、直流の前記熱起電力を交流に変換する手段と、前記交流の電圧を昇圧する手段と、昇圧された前記交流を整流する手段とを備えていることを特徴とする熱発電装置。
【請求項４】
請求項３において、前記交流の電圧を昇圧する手段は、圧電トランスであることを特徴とする熱発電装置。
【請求項５】
請求項１において、前記昇圧手段に前記熱電素子が直結されていることを特徴とする熱発電装置。
【請求項６】
請求項１において、前記熱電素子に前記熱起電力の電圧と逆の電圧が発生したときに短絡する短絡手段を有することを特徴とする熱発電装置。
【請求項７】
請求項６において、前記短絡手段は前記熱電素子と並列に接続されたショットキーバリア・ダイオードであることを特徴する熱発電装置。
【請求項８】
請求項１において、前記昇圧手段をバイパスして前記熱電素子と前記蓄電手段を直結し、前記熱電素子から前記蓄電手段の方向にのみ電流を流す一方向性手段を有することを特徴とする熱発電装置。
【請求項９】
請求項８において、前記一方向性手段がシリコン・ダイオードであることを特徴とする熱発電装置。
【請求項１０】
請求項１において、前記蓄電手段と直列に接続されたスタート用抵抗成分と、前記スタート用抵抗成分をバイパスするバイパス手段とを有し、前記スタート用抵抗成分の電圧降下に対応する電圧を外部に供給可能であることを特徴とする熱発電装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の熱発電装置と、前記熱発電装置から供給される電力によって処理を行う処理装置とを有することを特徴とする電気機器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子腕時計などの電源として適用可能な熱電素子を用いた発電装置およびそれを用いた電子機器に関するものである。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の熱発電装置は、温度差によって熱起電力を生ずる熱電素子と、前記熱起電力を昇圧して供給可能な昇圧手段と、前記昇圧された熱起電力を蓄える蓄電手段を有し、前記蓄電手段の電力を外部に供給できることを特徴とする。本発明においては、熱電素子内の半導体ユニットを所定の電圧を確保できるように直列に接続する代わりに、昇圧手段を設けることにより、熱電素子が発生する起電圧を低減することができるようにしている。熱電素子の起電圧を低減することにより、熱電素子を構成する半導体ユニットを直列に接続する数を削減でき、熱電素子を構成する半導体ユニットの数を大幅に小さくできる。従って、熱電素子の表面積のうち半導体ユニットの占める面積を増大でき、発電電力を増加できる。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
また、本発明の熱発電装置は、昇圧手段としては、昇圧倍率を制御でき、さらに、昇圧時の損失の少ない、熱起電力を一時的に蓄えて放出する複数のコンデンサーと、これらのコンデンサーの接続を制御して昇圧を行う制御手段とを備えた昇圧手段を採用できる。また、直流の熱起電力を交流に変換する手段と、交流の電圧を昇圧する手段と、昇圧された交流を整流する手段とを備えた昇圧手段も採用可能であり、高い昇圧倍率を得ることができる。また、交流の電圧を昇圧する手段として、圧電トランスフォーマを用いることができる。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
さらに、本発明の熱発電装置は、昇圧された後の電力を蓄える蓄電手段として、熱電素子から供給された熱起電力を主として蓄えるのに十分な容量を備えたコンデンサーや２次電池などを採用することにより、昇圧手段と熱電素子との間に蓄電機能を備えた回路素子を設けずに熱起電力の全てを蓄電手段に蓄えることができる。また、蓄電手段と熱電素子との接続は昇圧手段によって絶つことができるので、蓄電手段に蓄えられた電力が熱電素子に対し昇圧手段を介して逆に供給され、熱電素子が発熱するといった事態を防止できる。従って、昇圧手段と熱電素子の間に逆流阻止のための回路素子、例えばダイオードなどを設けなくて良く、これらを直結できるので、ダイオードなどによる順方向電圧損失やリーク損失を防止できる。