(57)【要約】【課題】装置の大型化を抑え、製造が容易で、効率よく熱電変換が行えて、電池による稼働時間を延ばすことが可能な携帯型電子機器を提供する。【解決手段】薄膜状の吸熱部３３および放熱部３４を略同一平面上に形成した熱電変換装置３を備え、この熱電変換装置３を半導体部品６０の上部表面に配置し、熱電変換装置３で変換した電力を電池への充電用または携帯型電子装置の動作用として供給するようにした。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体部品を含むプリント基板を有し、内蔵した電池で稼動する携帯型電子機器であって、薄膜状の吸熱部および放熱部を略同一平面上に配置した熱電変換装置を備え、前記熱電変換装置を前記半導体部品の上部表面に近接配置し、前記熱電変換装置で変換した電力を前記電池への充電用または携帯型電子機器の所定機能の動作用電源として供給するようにしたことを特徴とする携帯型電子機器。
【請求項２】
前記熱電変換装置の吸熱部を前記半導体部品の発熱部に近接配置し、前記熱電変換装置の放熱部を前記半導体部品の端縁部の外側に配置したことを特徴とする請求項１記載の携帯型電子機器。
【請求項３】
前記熱電変換装置を前記半導体部品上に配置し、スペーサーを介して前記プリント基板に固定したことを特徴とする請求項１または２記載の携帯型電子機器。
【請求項４】
前記熱電変換装置を前記半導体部品上に接着剤で固着したことを特徴とする請求項１または２記載の携帯型電子機器。
【請求項５】
前記熱電変換装置を前記半導体部品上に両面粘着テープで固着したことを特徴とする請求項１または２記載の携帯型電子機器。
【請求項６】
前記半導体部品は、半導体集積回路であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の携帯型電子機器。
【請求項７】
表示装置を有し、内蔵した電池で稼動する携帯型電子機器であって、薄膜状の吸熱部および放熱部を略同一平面上に形成した熱電変換装置を備え、前記熱電変換装置を前記表示装置の裏面に配置し、前記熱電変換装置で変換した電力を前記電池への充電用または携帯型電子機器の所定機能の動作用電源として供給するようにしたことを特徴とする携帯型電子機器。
【請求項８】
前記熱電変換装置の吸熱部を前記表示装置の発熱部に、前記熱電変換装置の放熱部を前記表示装置の端縁部の外側になるように配置したことを特徴とする請求項７記載の携帯型電子機器。
【請求項９】
内蔵した電池で稼動する携帯型電子機器であって、薄膜状の吸熱部および放熱部を略同一平面上に形成した熱電変換装置を備え、前記熱電変換装置を前記電池の面に配置し、前記熱電変換装置で変換した電力を前記電池への充電用または携帯型電子機器の所定機能の動作用電源として供給するようにしたことを特徴とする携帯型電子機器。
【請求項１０】
前記熱電変換装置の吸熱部を前記電池の発熱部に、前記熱電変換装置の放熱部を前記電池の端縁部の外側になるように配置したことを特徴とする請求項９記載の携帯型電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯型電子機器に関し、詳しくは電池で稼動する携帯電話機やモバイルＰＣ等の携帯型電子機器における稼働時間の延長技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機やモバイルＰＣ、携帯ゲーム機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）等の携帯型電子機器には、一般に小型かつ高性能であることが要求される。高性能化に関しては、半導体素子の高集積化、クロック信号の高周波数化等が進んだのと引き換えに、半導体素子の発熱密度が高くなり、結果として半導体素子の発熱量が増大し、動作が不安定になるばかりか、熱による電子部品の劣化と言う不具合も生じてくる。
また、液晶画面の高精細化、大型化、バックライトの高輝度化にともない、発熱量の増加のみならず消費電力の増加という問題も生じている。
また、小型化に対する要求から、内蔵する電池の大きさや形状が制約され、余り大容量の電池を搭載できず、電源の長寿命化（連続稼動時間の増大）という要求もある。しかも、現状の携帯型電子機器では通常の機能（例えば携帯電話なら待ち受け受信や通話、メール等の送受信、モバイルＰＣなら情報処理）のみならず動画や音楽鑑賞といった利用形態の多様化により、携帯型電子機器の電源容量はその利用用途に対して十分満足する寿命ではないことが問題となっている。
これらの問題を解消するために、素子の温度上昇に対しては、放熱フィン、冷却ファン等を用いた冷却構造により半導体素子の温度上昇を抑えていた。また、電源の寿命の問題に対しては、第二の電源を搭載して、稼働時間を長くするなどの方法が取られていた。
しかしながら、これらの方法では、例えば、放熱フィン、冷却ファンの採用は機器の容積と重量とを増加させることになり、また、第二の電源の搭載についても同様に容積と重量とを増加させ、本来の携帯性という利点を低下させる結果になっている。
電源の長寿命化については、電池そのものの改良もなされ、小型化、大容量化、高出力電圧化がなされる一方、携帯中に充電器以外からの充電が可能なように構成した携帯型電子機器もある。例えば特許文献１に記載の太陽電池搭載型電話機では、携帯電話機の筐体に太陽電池を取り付け、明るい周囲環境では太陽電池で発電した電力で電源電池を充電して、携帯電話機の連続通話時間や待ち受け時間を延長できるようにしている。しかしながら、暗いところでは発電できないという欠点がある。
【０００３】
また、光による発電ではなく、携帯端末機器の最外部に熱電変換装置を設置し、この装置を加温し、この熱を電気に変換して、二次電池を充電する方法も提案されている（例えば特許文献２参照）。この方法によると、携帯端末機器使用時は体温で加温し、携帯時は例えば、ポケットに収納して携帯した場合、外気と体温との温度差により充電が可能となり、また、緊急時はライターの火などの外部熱源を用いて充電することもできる。
また、外装体内部にペルチェ素子などの熱起電力変換素子を備え、装置内部で発生する熱による起電力を二次電池へ充電し、更に無線送受信手段の動作用として供給する携帯電話装置もある（例えば特許文献３参照）。この従来技術によれば、携帯電話装置内部で発生する熱によって発電した電力により、暗いところでも二次電池への充電ができる。そのため、待ち受け受信時の電源として利用でき、長時間動作が可能になる、しかも装置内部の冷却もできる。
更に、装置内部に二次電池、半導体チップ、半導体チップを搭載するパッケージとパッケージを搭載するプリント基板と熱電変換装置とを備え、この熱を電気に変換して二次電池を充電することで、半導体パッケージの熱を熱電変換装置で冷却する一方、電子装置の使用時間を長くすることができるようにした電子装置も提案されている（例えば特許文献４参照）。
なお、半導体チップで発生する熱を熱電変換装置により電気エネルギーに変換し、これにより小型ファンを駆動して半導体チップ等を冷却する方法も提案されている（例えば特許文献５参照）。この方法によると、半導体チップの発熱による熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、小型ファンの電力として利用しているため、小型ファンを駆動しても本来の電池が消耗しない。
【特許文献１】実開平４−１１００４０号公報
【特許文献２】特開２００２−２９１１６６公報
【特許文献３】特開平９−１８６７５３号公報
【特許文献４】特許第３２１９０５５号
【特許文献５】特開平９−９２７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献２の従来技術では、使用時の体温、例えば手などの温度と、内部との温度差が小さい場合は充電が十分できず、また、ライターのような熱源を常時携帯しなければならないという問題がある。
また、熱電変換装置を筐体内部に備える特許文献３、４および５の従来技術では、熱電変換に重要な吸熱部と放熱部との温度差を充分に得られない点と、装置を小さくできないという問題がある。特に特許文献４では、熱電変換装置の表面と裏面がそれぞれ吸熱部と放熱部になっており、熱電変換装置は、半導体チップを搭載するパッケージとパッケージを搭載するプリント基板との間に配置され、しかも、半導体チップはリードでプリント基板の配線に接続されているため、半導体チップの熱がリードを通してプリント基板に伝達し、その結果、半導体パッケージとプリント基板との間で十分な温度差を得られず、また、同一プリント基板上に搭載されている他の素子からの熱でもプリント基板が加温されるという問題がある。さらに、熱電半導体を素子プレートで挟み込み熱電変換装置を構成しているため、熱電変換装置の体積が大きく、電子装置の小型化、軽量化には問題がある。
さらに熱電変換装置を半導体チップを搭載するパッケージとパッケージを搭載するプリント基板との間に挿入するため、半導体パッケージ等を熱電変換装置の厚みの分だけプリント基板から浮かしてマウントして半田付けしなければならず、熱電変換装置を挿入固定するのにも手間がかかる。
即ち、特許文献４の従来技術では、熱電変換装置を部品とプリント基板の間に配置するようにしているので、熱電変換装置を薄くすると、吸熱側の部品と放熱側のプリント基板との間で充分な温度差が得られないばかりか熱電変換装置の挿入が困難になり、熱電変換装置を厚くすると、この不具合は緩和されるものの電子装置の小型化が損なわれるという問題がある。
本発明は、上述した実情を考慮してなされたものであり、装置の大型化を抑え、製造が容易で、効率よく熱電変換が行えて、電池による稼働時間を延ばすことが可能な携帯型電子機器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】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、半導体部品を含むプリント基板を有し、内蔵した電池で稼動する携帯型電子機器であって、薄膜状の吸熱部および放熱部を略同一平面上に形成した熱電変換装置を備え、前記熱電変換装置を前記半導体部品の上部表面に配置し、前記熱電変換装置で変換した電力を前記電池への充電用または携帯型電子機器の所定機能の動作用電源として供給するようにしたことを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の携帯型電子機器において、前記熱電変換装置の吸熱部を前記半導体部品の発熱部に、前記熱電変換装置の放熱部を前記半導体部品の端縁部の外側になるように配置したことを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の携帯型電子機器において、前記熱電変換装置を前記半導体部品上に配置し、スペーサーを介して前記プリント基板に固定したことを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２記載の携帯型電子機器において、前記熱電変換装置を前記半導体部品上に接着剤で固着したことを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１または２記載の携帯型電子機器において、前記熱電変換装置を前記半導体部品上に両面粘着テープで固着したことを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の携帯型電子機器において、前記半導体部品は、半導体集積回路であることを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、表示装置を有し、内蔵した電池で稼動する携帯型電子機器であって、薄膜状の吸熱部および放熱部を略同一平面上に形成した熱電変換装置を備え、前記熱電変換装置を前記表示装置の裏面に配置し、前記熱電変換装置で変換した電力を前記電池への充電用または携帯型電子機器の所定機能の動作用電源として供給するようにしたことを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、請求項７記載の携帯型電子機器において、前記熱電変換装置の吸熱部を前記表示装置の発熱部に、前記熱電変換装置の放熱部を前記表示装置の端縁部の外側になるように配置したことを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、内蔵した電池で稼動する携帯型電子機器であって、薄膜状の吸熱部および放熱部を略同一平面上に形成した熱電変換装置を備え、前記熱電変換装置を前記電池の面に配置し、前記熱電変換装置で変換した電力を前記電池への充電用または携帯型電子機器の所定機能の動作用電源として供給するようにしたことを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９記載の携帯型電子機器において、前記熱電変換装置の吸熱部を前記電池の発熱部に、前記熱電変換装置の放熱部を前記電池の端縁部の外側になるように配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、機器のサイズの増加を極力抑え、動作時に機器の内部で発生する熱を効率よく電気に変換して利用でき、得られた電気で機器を動作させたり、内蔵電池に充電することができるので、携帯型電子機器の電池による稼働時間を延ばすことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態の説明では、携帯型電子機器として携帯電話機を例に説明するが、ＰＤＡやモバイルＰＣ、携帯ゲーム機等の携帯型電子機器にも同様に適用できる。
図１は、本発明の実施形態にかかる携帯型電子機器の外観斜視図である。図に示すように、本体の上部には、撮影用のカメラ１３、音声通信を行うための受話部１４（スピーカ）、電波の送受信のためのアンテナ１６、接続したウエブサイトからの情報や送受信するメール文書や、カメラ１３で撮影した画像等を表示する液晶表示部５などが取り付けられている。
また、本体下部には、電源オン（ＯＮ）・オフ（ＯＦＦ）釦や文字・数字・記号等の入力、メニュー選択などの操作を行うための複数の釦等からなる操作部１７、音声通信を行う送話部１５（マイクロフォン）などを備えている。
なお、筺体内部には、半導体素子などで構成した各種処理回路を保持するプリント基板７、プリント基板７に形成された各種回路の半導体素子などから発生する熱を電気に変換する熱電変換装置３、電源となる充電可能な電池（図示せず）等が収納されている。
図２は、図１に示した携帯型電子機器の内部の概略斜視図である。
図に示すように、プリント基板７上には、音声処理、画像処理、各種制御などを行う半導体素子６０などからなる回路と、液晶表示部５を駆動する駆動回路６や図示しないアンテナ１６からの電波を処理する無線回路などが形成されている。各回路はこの例のように、１枚のプリント基板７上に形成する必要はなく、複数のプリント基板を用いて構成してもよい。
【実施例１】
【０００８】
図３は、本発明の携帯型電子機器における熱電変換装置３の配置を説明する図である。
熱電変換装置３の詳細については後述するが、熱電変換装置３に使用されている熱電変換素子は温度差に応じて発電するようになっており、温度を高く保つ側を吸熱部、反対に温度を低く保つ側を放熱部と呼ぶことにする。
各種回路を構成する半導体素子６０は、動作時に発熱するので、薄膜状の熱電変換装置３は、半導体素子６０上の発熱する部分に熱電変換装置３の吸熱部を、また発熱部分から離れた部分が放熱部となるように設置されている。このような配置により、熱電変換装置３の吸熱側と放熱側の温度差を大きくでき、半導体素子６０の動作時に発生する熱を効率よく電気に変換できる。また、薄膜状の熱電変換装置３を半導体素子６０の上部に接触させるため、プリント基板の製造方法は従来と同じ方法でよく、更に熱電変換装置３が薄膜状であるため、電子機器の大型化が避けられる。
熱電変換装置３で発電した電力は、図示しない電池に接続して充電（蓄電）することができるので、太陽電池と異なり暗い場所でも電池に充分な充電が容易に行われ、小型で携帯性にも優れている。また、熱電変換装置３の起電力は、図示しない待ち受け受信等の通信手段の電源として利用してもよい。
図４は、熱電変換装置３を半導体素子６０上に配置した状態を示す図である。熱電変換装置３は、薄膜状に作られており、プリント基板７上の集積回路などの半導体素子６０の上部パッケージに密着するようにスペーサー８とネジ９でプリント基板７に固定される。そして、熱電変換装置３は、半導体素子６０の上部パッケージ中央付近の発熱量の多い部分が吸熱部３３、端部あるいは外周にはみ出した部分が放熱部３４になるように配置される。スペーサー８を金属などの良熱伝導材にすることにより、プリント基板７へ熱を良く伝えることができ、吸熱部３３と放熱部３４との温度差を大きくすることができる。また、図５のようにスペーサ８の外周面に所定のピッチにて溝８ａを設けることにより表面積を大きくでき、放熱部３４周辺の放熱が促進される。
また、図６の変形例に示すように、熱電変換装置３を熱伝導性接着剤１８を用いて半導体素子６０の面に直接接着してもよく、熱伝導性接着剤１８の替りに熱伝導性両面粘着テープで貼り付けてもよい。このようにすることで製造にかかるコストの上昇も抑えられる。
【０００９】
次に、本発明にかかる携帯型電子機器に使用する熱電変換装置について説明する。
図７および図８は熱電変換装置３の構成を説明する図である。図７において、熱電変換装置３は、絶縁性のプレート状のアルミナセラミックスやアルミニウムを陽極酸化した基板３７に薄膜状のＰ型半導体３１とＮ型半導体３２とを正負極を交互に複数個接続して熱電半導体素子を形成し、図示しないアルミナセラミックスなどの板によって各薄膜状の熱電半導体素子を挟み込んである。
Ｐ型半導体３１とＮ型半導体３２の材料としては、例えば、Ｂｉ-Ｔｅ系の合金を薄膜状に加工したものを用いる。具体的には、外形寸法において、厚みが０．３ｍｍ、幅２ｍｍ、長さ１０ｍｍ程度と、厚み（素子の高さ）がもっとも小さくなる関係としたが、微細加工を用いて、より高密度に形成すれば、より小型で高性能な熱電変換装置となる。
Ｐ型半導体３１とＮ型半導体３２とは金属配線３５により電気的に接続して、この部分を吸熱部３３とし、Ｐ型半導体３１とＮ型半導体３２の他方を放熱部３４として一組の熱電変換素子３０が構成される。この熱電変換素子３０を複数組直列接続し、その両端にアルミニウムや銅などで配線して電力取り出し電極３６を設ける。そして、同図のように電池４０への充電に用いても、あるいは通信手段等の電源として利用しても良い。
図７では、熱源となる半導体素子６０は、正方形に近い形状のＰＧＡ（Pin Grid Array）タイプの集積回路なので、熱電変換素子３０の放熱部３４が半導体素子６０の各端部の外側になるように配置する。
一方、図８に示す変形例においては、熱源となる半導体素子６０は、細長い長方形のＤＩＰ（Dual Inline Package）タイプの集積回路なので、放熱部３４が長手方向の対向する端部の外側になるように配置する。
本実施例では、半導体素子６０の上に設置した熱電変換素子３０のすべての出力を直列に接続し、その両端を電池４０に接続するようにしている。電池としては、リチウムイオン二次電池、金属リチウム二次電池、アルカリ蓄電池、鉛酸系電池、リチウムポリマー電池等の二次電池やキャパシタ等の蓄電電池を用いてもよい。これらの電池および充電（蓄電）回路を携帯型電子機器に装着することにより、廃熱を利用して起こした電力を蓄電することが可能となり、この蓄電した電気は携帯型電子機器の表示やその他の駆動電力として利用できるので、電池による稼働時間を延長することができる。
なお、Ｐ型半導体３１とＮ型半導体３２の材料を、Ｂｉ-Ｔｅ系の合金の例で示したが、これらの材料に限定するものではなく、環境温度により、例えば温度領域の高いＦｅ−Ｓｉ系の合金や金属酸化物系の合金を薄膜状に加工した熱電半導体でもよい。
また、金属配線３５の材料は、金、銀、クロム、アルミニウム、ニッケル、銅などの導電性材料で熱伝導率の高いものであれば良く、またこれら単金属以外にシリコンを含む化合物やニッケル、クロムなどを含む合金であっても良い。
【実施例２】
【００１０】
次に、熱電変換装置３を本発明にかかる携帯型電子機器の液晶表示部５に使用した例を説明する。
図９は、液晶表示部５に熱電変換装置３を使用した例を示す図である。
一般の液晶表示装置にはバックライトが付属しており、このバックライトの光が液晶とカラーフィルターを通して使用者の目に入るようになっている。このとき、液晶素子が光のスイッチとなり、カラーフィルター（赤、緑、青）に対応した液晶素子をｏｎ／ｏｆｆすることによりカラー表示を行っている。バックライトは発熱量が少なくなっているが、長時間使用するとバックライトだけでなく反射板や液晶素子にも熱が蓄積される。勿論、液晶装置をドライブする駆動回路の集積回路等からも発熱するが、その場合は図７、図８で説明した方法で熱電変換すればよい。
図９において、複数の薄膜状の熱電変換素子３０を備えた熱電変換装置３の吸熱部３３は、液晶表示部５の裏面に、また、放熱部３４は液晶表示部５から離れた位置になるように設置する。こうすることにより、液晶表示部５の熱を熱電変換して発電し、図示しない筺体部に熱を移動させることができる。
また、このようにして得られた電力は、液晶表示部５の動作用として利用したり、充電可能な電池４０の充電用として利用することができる。これにより、より長時間の待ち受け受信とともに長時間の通話やデータ処理等が可能になる。
【実施例３】
【００１１】
次に、熱電変換装置３を本発明にかかる携帯型電子機器の電池４０に使用した例を説明する。
図１０は、電池４０に熱電変換装置３を使用した例を示す図である。同図において、熱電変換装置３は、携帯電話機等の携帯型電子機器の内蔵電源である電池４０の表面に配置される。電池４０が電力を供給する時に発生する熱で熱電変換装置３が発電し、発電した電力は電力取り出し電極３６を介して充電回路４３に送られる。充電回路４３は、電流制御回路４４、電圧制御回路４５、充電制御回路４６を備え、熱電変換装置３で得られた電力で電池４０を充電する。
なお、同図では電池４０は２つ記載されているが、実際は１つで、熱電変換装置３の下にある。つまり、薄膜状の熱電変換装置３の吸熱部３３は、電池４０の表面に、そして放熱部３４は電池４０から外れた位置に設置し、電池４０の熱を熱電変換して、図示しない筺体の外に移動させる。
このような構成により、電池４０が放電時に発生する熱を効率よく電気に変換して電池４０に充電することができる。また、熱電変換装置３の起電力は、携帯型電子機器の駆動電源としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態にかかる携帯型電子機器の外観斜視図である。
【図２】図１に示した携帯型電子機器の内部の概略斜視図である。
【図３】本発明の携帯型電子機器における熱電変換装置の配置を説明する図である。
【図４】熱電変換装置を半導体素子上に配置した状態を示す図である。
【図５】スペーサーの他の実施例を示す図である。
【図６】熱電変換装置を半導体素子上に配置した状態を示す図である。
【図７】熱電変換装置の構成を説明する図である。
【図８】熱電変換装置の構成を説明する図である。
【図９】熱電変換装置を液晶表示部に配置した例を示す図である。
【図１０】熱電変換装置を電池表面に配置した例を示す図である。
【符号の説明】
【００１３】
３…熱電変換装置、５…液晶表示部、６…駆動回路、７…プリント基板、８…スペーサー、９…ネジ、１３…カメラ、１４…受話部、１５…送話部、１６…アンテナ、１７…操作部、１８…熱伝導性接着剤、３０…熱電変換素子、３１…Ｐ型半導体、３２…Ｎ型半導体、３３…吸熱部、３４…放熱部、３５…金属配線、３６…電力取り出し電極、３７…基板、４０…電池、４３…充電回路、４４…電流制御回路、４５…電圧制御回路、４６…充電制御回路、６０…半導体素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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