JP5227583B2

JP5227583B2 - 蓄電装置及び電子機器

Info

Publication number: JP5227583B2
Application number: JP2007332584A
Authority: JP
Inventors: 薫土屋
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2027-12-25
Also published as: JP2008182878A

Description

本発明は、無線で充電する蓄電装置に関する。

ネットワーク社会になって、屋内又は屋外を問わず携帯電話の電波やワイヤレス通信の電波などが飛びかうようになってきており、電磁波を用いて充電するシステムが開発されている。電磁波を用いて充電を行う構成としては、従来、アンテナ、整流回路及びコンデンサー等を有する構成が考えられている。このような電磁波を用いて充電を行う構成を搭載した無線チップが提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、電力生成用のアンテナをＲＦＩＤチップと接続し、アンテナ部において発生した起電力を整流回路において直流に整流し、大容量コンデンサに充電する構成が記載されている。

また、熱電変換素子を用いて充電する無線チップの構成が提案されている（例えば、特許文献２）。図８は特許文献２の無線チップの構成を示すブロック図である。図８に示す無線チップは、発電装置１２０１（熱電変換素子）、アンテナ１２０２、無線インターフェース１２０３、演算装置１２０４、メモリ１２０５を有し、発電装置１２０１は生体エネルギーを電気エネルギーに変換し演算装置１２０４へ供給する。
特開２００６−４０１５号公報特開２００６−３３３３２８号公報

しかしながら、一般的にアンテナを利用して電磁波を受信して充電を行う場合、狭い範囲の周波数の電磁波でしか充電できない。また、アンテナを用いて充電する場合、微小電波を用いて充電することが困難である。また、特許文献２に示すような熱電変換素子を用いて充電する場合、生体エネルギーを利用するため充電環境が限られてしまう。

また、電磁波を用いて充電を行う充電池部分や熱電変換素子は無線チップと一体に構成されている。よって、無線チップに搭載された充電池部分が劣化した際の充電池部分のみの交換作業は困難である。また、無線チップ以外の電子機器を動作させるための電力を供給する際に、電磁波を効率的に用いて無線で充電する方法は提案されていない状況である。

本発明は、広帯域の周波数の電磁波を利用して充電することが可能な蓄電装置を提供することを課題とする。また、様々な電子機器に適用することができる、広帯域の周波数の電磁波を利用して充電可能な蓄電装置を提供することを課題とする。

本発明の蓄電装置は、電波吸収体と、電波吸収体と熱的に接続される熱電変換素子と、熱電変換素子と電気的に接続される充電回路と、充電回路と電気的に接続される蓄電部と、を有する。なお、充電回路は、電圧及び電流制御回路と充電制御回路とを有してもよい。

なお、熱電変換素子は、ｐ型熱電半導体と、ｎ型熱電半導体と、ｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とを高温熱源側で接続する第１の電極と、ｐ型熱電半導体の低温熱源側に接続される第２の電極と、ｎ型熱電半導体の低温熱源側に接続される第３の電極と、を有するものを用いることができる。

本発明の蓄電装置は、第１の基板上に第１の電極を形成し、第１の電極上にｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体を形成し、ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体上に第２の電極を形成し、第２の電極上に絶縁膜を形成し、絶縁膜上に電波吸収体を形成し、第１の電極又は第２の電極と、第２の基板上に形成された充電回路の第１の端子とを電気的に接続し、充電回路の第２の端子と蓄電部の接続端子とを電気的に接続することにより作製することができる。また、充電回路は、ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体等が形成される基板上に形成してもよい。

なお、電波吸収体は、導電性電波吸収材料、誘電性電波吸収材料、又は磁性電波吸収材料を用いて形成することができる。また、蓄電部にはバッテリー又はコンデンサーを用いることができる。ここで、バッテリーとして、リチウム電池、リチウムポリマー電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニカド電池、有機ラジカル電池、鉛蓄電池、空気二次電池、ニッケル亜鉛電池、又は銀亜鉛電池を用いることができる。

本発明の蓄電装置は、広帯域の周波数の電磁波を利用して充電可能である。また、広帯域の電磁波を吸収することができる電磁波吸収体を用いることによって、さらに広帯域な電磁波をもちいて充電することが可能である。また、本発明の蓄電装置は様々な電子機器の充電池として用いることができる。

本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されない。本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解されるからである。したがって、本発明は以下に示す実施の形態および実施例の記載内容のみに限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて本発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。

（実施の形態１）
本実施の形態では、電磁波を電波吸収体で吸収して熱に変換し、低温熱源との温度差を利用して熱電変換素子で起電力を発生させ、充電回路を用いて蓄電部に充電する無線充電装置について説明する。

本実施の形態の蓄電装置の構成を図１を用いて説明する。蓄電装置１０１は、電波吸収体１０２、熱電変換素子１０３、充電回路１０４、蓄電部１０５を有している。なお、充電回路１０４は、電圧及び電流制御回路１０６、および充電制御回路１０７を有している。また、ここでは図示しないが、蓄電装置１０１は蓄電部１０５に充電された電力を外部に供給する電源供給用端子を備えている。

本実施の形態において、蓄電部１０５は、外部からの電磁波を電波吸収体１０２で受信し、熱電変換素子１０３で発生した起電力によって充電される。本実施の形態の蓄電装置１０１は、電波吸収体１０２及び熱電変換素子１０３を用いているため、直流電圧が得られ、整流しなくても蓄電部１０５を充電することが可能である。また、熱電変換素子１０３を単体で用いた場合に十分な起電力が得られない場合は、複数の熱電変換素子１０３を直列に並べることにより昇圧することができる。また、昇圧するために昇圧回路を用いてもよい。

図１において、熱電変換素子１０３の高温端子が電波吸収体１０２と熱的に接続され、熱電変換素子１０３は充電回路１０４と電気的に接続され、充電回路１０４は蓄電部１０５と電気的に接続される。具体的には、熱電変換素子１０３の低温側端子もしくは高温側端子が電圧及び電流制御回路１０６の第１の端子に電気的に接続され、電圧及び電流制御回路１０６の第２の端子が電圧及び電流制御回路１０６に含まれるスイッチを介して蓄電部１０５の第１の端子に電気的に接続されている。また、蓄電部１０５の第２の端子が充電制御回路１０７の第１の端子と電気的に接続され、充電制御回路１０７の第２の端子が電圧及び電流制御回路１０６の第３の端子と電気的に接続されている。ここで、最も単純な構成として、電圧及び電流制御回路１０６に含まれるスイッチをダイオードにし充電制御回路１０７を省略することもできる。なお、ここで熱的に接続されるとは、接続される物体間の熱的な接触抵抗が低い状態にある場合をいう。

なお、本明細書において蓄電部とは、電気エネルギーを蓄え、必要に応じて起電力として取り出す構成要素をいう。本発明では特に、充電することで繰り返し電気エネルギーを蓄えて必要に応じて起電力として取り出すことのできるものを指していう。蓄電部１０５として例えば、バッテリーやコンデンサーを用いることができる。なおバッテリーとしては、充電可能であれば特に限定されず、ニッケル水素電池、ニカド電池、有機ラジカル電池、鉛蓄電池、空気二次電池、ニッケル亜鉛電池、銀亜鉛電池などの充電放電可能な電池などを用いることができる。携帯用途に用いる場合は、薄膜なシート状や径の小さい筒状に形成された電池を用いることが好ましく、例えばリチウム電池、好ましくはゲル状電解質を用いるリチウムポリマー電池や、リチウムイオン電池等を用いることで、小型化が可能である。

本実施の形態の蓄電部１０５に用いることのできるコンデンサーとしては、電極の対向面積が大きいものであることが望ましい。活性炭、フラーレン、カーボンナノチューブなど比表面積の大きい電極用材料を用いた電気二重層コンデンサーを用いることが好適である。コンデンサーは電池に較べ構成が単純であり薄膜化や積層化も容易である。電気二重層コンデンサーは蓄電機能を有し、充放電の回数が増えても劣化が小さいため好適である。

図１の蓄電装置１０１において、電波吸収体１０２によって電磁波が吸収され、電波吸収体１０２において熱が発生する。熱電変換素子１０３の高温熱源側は電波吸収体１０２と接しており、電波吸収体１０２の熱と熱電変換素子１０３の低温熱源との温度差を利用して熱電変換素子１０３で起電力を発生させる。電圧及び電流制御回路１０６は熱電変換素子１０３において発生した起電力をもとに蓄電部１０５に充電するのに適した電流及び電圧を発生させ、蓄電部１０５に充電を行う。充電制御回路１０７は蓄電部１０５の充電状況をモニタしてそれに応じてスイッチ回路のＯＮ／ＯＦＦを制御する。なお、電圧及び電流制御回路１０６は、スイッチ回路を有している。なお、スイッチ回路をダイオードにすることにより、充電制御回路１０７を省略する構成としてもよい。また、電圧及び電流制御回路１０６に限らず、電圧制御回路や定電流源回路であってもよい。

ここで、熱電変換素子１０３の低温熱源としては、大気や冷却水等を使用することができる。

なお、電波吸収体１０２は、導電性電波吸収材料、誘電性電波吸収材料、又は磁性電波吸収材料を用いて形成することができる。

導電性電波吸収材料としては、導電性金属体や抵抗体、抵抗皮膜などを用いることができる。導電性電波吸収材料は電磁波の入射によって生じる電流をジュール熱へと変換する。また、誘電性電波吸収材料として、カーボン材をゴムやウレタンなどに混入して構成されたカーボンゴム、カーボン含有発泡ウレタン、カーボン含有発砲ポリスチロールなどを用いることができる。誘電性電波吸収材料を用いて形成された電波吸収材は多層構造にすることにより、表面近くの電波減衰を少なくし、内部に伝播するに従って減衰を大きくすることができ、広帯域特性を得ることができる。また、磁性電波吸収材料として、フェライトやカーボニル鉄材などを用いることができる。磁性電波吸収材では、複素比透磁率の虚数部が電波吸収に重要な役割を果たす。磁性電波吸収材を用いることにより、ＶＨＦ帯以上の周波数帯の電磁波を受信する場合は単体の電波吸収体構成とすることができ、電波吸収体を薄くすることができる。よって、蓄電装置を小型化することが可能である。

電波吸収体の形状として、平板形電波吸収体、四分の一波長型電波吸収体、多層型電波吸収体、Ｊａｕｍａｎａｂｓｏｒｂｅｒ、山形電波吸収体、ピラミッド形電波吸収体等の形状のものを用いることができる。受信する電磁波の周波数帯によってそれぞれ使い分けることが好ましい。例えば、狭帯域の電磁波のみを受信する場合は平板形電波吸収体、四分の一波長型電波吸収体等の単層のものを用いればよい。また、多層型や、山形、ピラミッド形の電波吸収体は、広帯域の電磁波を受信する場合に用いることができる。電波吸収体の吸収帯域が広ければ、広い周波数の電波を用いて充電が可能であるため、多層型や、山形、ピラミッド形等、吸収帯域が広い電波吸収体を使用するのが好ましい。

なお、本発明で用いる電波吸収体は、電磁波を吸収して熱に変換する形式のものであれば、どのような材料、形状のものでもよい。例えば、抵抗、インダクタ、キャパシタなどの回路素子やアンテナ等を使用してもよい。

また、熱電変換素子１０３として、例えば図２に示す構成のものを用いることができる。

図２に示す熱電変換素子は、ｐ型熱電半導体２０１と、ｎ型熱電半導体２０２と、ｐ型熱電半導体２０１とｎ型熱電半導体２０２とを接続する電極２０３と、ｐ型熱電半導体２０１の低温熱源側に接続される電極２０４と、ｎ型熱電半導体２０２の低温熱源側に接続される電極２０５とを有している。なお、ｐ型熱電半導体２０１と、ｎ型熱電半導体２０２とは電極２０３を介して接合されており、電気的には直列に配置され、熱的には並列に配置される構造を有している。

本実施の形態において、熱電変換素子の熱電変換材料として、ｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とを組み合わせて用いているがこれに限定されるものではなく、ｐ型熱電半導体のみやｎ型熱電半導体のみを用いることもできる。ここで、熱電変換とは２種類の金属や半導体に温度差を与えた際に熱起電力が発生するというゼーベック効果を応用したものである。温度差当たりの熱起電力を示すゼーベック係数αは２種類の金属又は半導体の組み合わせに固有のもので、温度差をΔＴ、熱起電力をΔＶとするとΔＶ＝α×ΔＴで表されるため、ゼーベック係数が高ければ高いほど起電力が大きい。よって、熱電変換材料としては、性能指数Ｚ（＝α^２／ρκ、α：ゼーベック係数、ρ：比抵抗、κ：熱伝導）が大きいものであれば特に限定されない。

ｎ型・ｐ型半導体の組み合わせることにより、単一半導体と金属の組み合わせを用いるよりも熱の変換効率を高めることができる。

また、性能指数Ｚが高い熱電変換材料としては、Ｐｂ−Ｔｅ系材料や、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｔｅ系化合物、Ａｇ−Ｓｂ−Ｔｅ系化合物、Ｓｉ−Ｇｅ系化合物などが知られている。性能指数Ｚは材料ごとに固有の温度で最大値を示す。これらの材料は、性能指数Ｚが室温付近で大きい低温用材料（Ｂｉ_２Ｔｅ_３など）、４００〜８００Ｋで大きい中温用材料（ＴＡＧＳ，ＰｂＴｅなど）、８００Ｋ以上で大きい高温用材料（ＳｉＧｅ，Ｎａ_ＸＣｏＯ_２）に分類される。熱源が電波吸収体の場合には、熱源の温度は室温付近であることから、性能指数Ｚが室温近辺で大きい材料を使用することが好ましい。

熱電変換材料に適した高い性能指数Ｚを得るためには、大きなゼーベック係数、小さな比抵抗、および小さな熱伝導率が求められる。これら３つの熱電特性はいずれもキャリア濃度の関数であり、キャリア濃度が高くなるとゼーベック係数および比抵抗は小さくなり、熱伝導率は大きくなる。半導体理論によれば、使用温度域によって最適なキャリア濃度が存在する。次のいずれかを考えることにより最適キャリア濃度に対して性能指数Ｚを高めることができる。まず、キャリア移動度を高くして比抵抗を小さくすることにより、性能指数Ｚを高めることができる。あるいは、熱伝導率はキャリア成分（κ_Ｃ）と格子成分（κ_ｐｈ）の和κ＝κ_Ｃ＋κ_ｐｈとして表され、κ_Ｃ∝ρ^−１であることから、熱伝導率の格子成分を小さくすることにより、性能指数Ｚを高めることができる。あるいは、有効質量の大きな材料系でゼーベック係数を大きくすることにより、性能指数Ｚを高めることができる。効率の高い熱電素子を作製するためには、性能指数Ｚが高い材料を使用するとともに、比抵抗が低く、熱伝導率の格子成分が小さくなるように、結晶性や結晶方位にも注意する必要がある。

熱電変換素子のゼーベック係数は一般的に２００μＶＫ^−１程度以下のものが用いられており、一つの熱電変換素子で発生させられる起電力では用途によっては足りないこともある。この場合は、熱電変換素子を直列で並べることにより昇圧することが可能である。

また、図２のような熱電変換素子の熱電発電出力Ｐはゼーベック係数α、内部抵抗Ｒ、外部負荷Ｒ_ＬとＲの比をｍ＝Ｒ_Ｌ／Ｒとすると次の式（１）で表すことができる。

ここで、Ｔ_ｈは高温接合部温度、Ｔ_ｃは低温接合部温度である。式（１）において、ｍ＝１とすると熱電発電出力Ｐは次の式（２）で表すことができる。

なお、抵抗率をρ、素子の断面積をＳ、素子の高さをｈとすると、式（１）、（２）において内部抵抗ＲはＲ＝ρＳ／ｈとあらわすことができる。これらの式から、素子の断面積Ｓを小さくすれば、出力密度が向上することが分かる。なお、ここで出力密度とは、熱電発電出力Ｐを断面積Ｓで割ったものを指す。また、高さｈと断面積Ｓを共に小さくしていけば、出力密度が向上するため、微小な形状の素子でも発電が可能である。また、内部抵抗Ｒと外部負荷Ｒ_Ｌの比が１の時に出力Ｐは最大となることが分かる。また、熱電素子の高さｈと断面積Ｓが共に０に近づくと出力密度が無限大となってしまう。しかし実際の素子では、電極と熱電素子の界面における熱的な接触抵抗のために、熱電素子の高さｈがある程度以上小さくなると出力密度は低下する。

なお、本実施の形態において、電極と熱電素子の接合には、はんだ接合法、熱プラズマ溶射法、物理蒸着法、ＣＶＤ法、溶接法、電気メッキ法、加圧接触法、拡散接合法、直接接合法等を用いることができる。電極と熱電素子の間の電気的、熱的な接触抵抗が低い接合方法を用いるとよい。

上記のような電波吸収体を熱電変換素子の高温熱源部に設置し、電磁波を電波吸収体で熱に変換し、熱電素子で電力に変換することにより、電磁波を用いた発電が可能となる。発電された電力を蓄電回路で蓄電池やキャパシタに充電することにより、無線で充電可能な蓄電装置を形成することが可能である。電波吸収体の熱電変換素子との接触面に導電性がある場合は、熱電変換素子の高温熱源側の配線（電極）上に熱伝導性が高く電気的に絶縁な物質を配置し、その上に電波吸収体を設けるとよい。熱伝導性が高く電気的に絶縁な物質としては、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）やＡｌＮなどの無機膜や、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮなどの高熱伝導性物質を充填した高分子材料などを用いることができる。

電波吸収体として多層電波吸収体、山形電波吸収体などの広帯域なものを用いれば、広い周波数範囲の電磁波を用いて蓄電することが可能である。吸収したい周波数が決まっている場合には、用途に応じて狭いものを用いてもよい。

また、本実施の形態で示す無線で充電可能な蓄電装置を、携帯機器の電源や補助電源として用いる場合には、薄く軽量な電波吸収体を用いることが好ましい。

なお、ここで電波吸収体と熱電素子との接触面積を増加させるような形状としてもよい。接触面積を増加させることにより、電波吸収体と熱電素子間の熱的な接触抵抗が下がり、電波吸収体で変換した熱を熱電素子へ効率よく伝えることができる。

なお、電波吸収体の熱電素子との接触面が導電性を有する場合、図３に示すように電波吸収体１０２と、熱電変換素子１０３の高温側電極３０２との間に、電気抵抗が高く、かつ熱導電性の高い物質からなる膜３０１を挟む必要がある。電気抵抗が高く、かつ熱伝導性が高い物質としては、ＤＬＣやＡｌＮなどの無機膜や、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮなどの高熱伝導性物質を充填した高分子材料などを用いることができる。また、熱電変換素子１０３の低温側電極３０３にフィンを取り付けてもよい。熱電変換素子１０３の低温側電極３０３にフィンを取り付けることにより放熱性をよくすることができる。なお、低温側電極の表面を凸凹形状とする、あるいは低温側電極表面を放熱性のよい物質と接触させることにより放熱性を高めることができる。

また、充電回路は電波吸収体や熱電変換素子、蓄電部と、別々の基板上に作製して組み合わせてもよいし、同一基板上に形成してもよい。同一基板上に形成することにより、省スペース化が可能であり、蓄電装置を小型化することができる。

本実施の形態で示す蓄電装置は、広帯域の周波数の電磁波を利用して充電可能である。また、電波吸収体を用いることにより、微小電波でも充電することが可能である。従って、電磁波が供給される様々な環境で充電することが可能となり、利用者が充電環境に注意を払う煩わしさを低減することができる。

本実施の形態で示す蓄電装置は、無線で充電が可能な充電池として使用することができる。例えば、携帯機器の電源や予備電源、据え置き型システムの予備の電源として使用することができる。

また、建物の壁面や窓ガラス、屋根などに設置することにより、電磁波を吸収して発電する電波発電装置として使用することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態において、基板としてガラス基板を、熱電材料としてＳｉＧｅやＳｉ等の薄膜形成可能な物質を使用した無線充電素子の作製方法について図面を用いて説明する。本実施の形態では、熱電変換素子と電波吸収体を同一の基板上に作製し、その他の回路部分は別の基板に作製して別途接続する外付け型の蓄電装置について説明する。

まず、熱電変換素子と電波吸収体を作製する工程を説明する。

ガラス基板４０１上にＣＶＤ法やスパッタ法を用いて下地膜４０２を形成する（図４（Ａ））。下地膜４０２として、例えばＳｉＯＮを用いることができる。なお、下地膜の代わりとして、もしくは下地膜上に、スパッタ法やＣＶＤ法により、ＡｌＮやＤＬＣ等の熱伝導性が高く絶縁性の物質を成膜してもよい。ＡｌＮやＤＬＣ等を用いることにより、低温側電極からの放熱性を高めることができる。また、熱伝導性の高い膜を形成したガラス基板の代わりに、アルミナや窒化アルミ、ベリリア、炭化ケイ素等の熱伝導率が高い基板を用いることがきる。

次に、下地膜４０２上に低温側電極４０３を形成する（図４（Ａ））。低温側電極材料としてはＴａ、Ｗ等の金属単層膜や窒化タンタルとＷの金属の積層膜などを使用することができる。低温側電極材料は、導電性のある材料であればどのようなものでもよいが、低温側電極形成工程以降にかかる熱によって、変形や変質を起こさないよう耐熱性のある材料であることが好ましい。また、低温側電極と熱電材料間の熱的な接触抵抗が小さくなるような材料、表面状態であることが好ましい。

次に、低温側電極４０３上に熱電材料からなる膜４０４を成膜する（図４（Ｂ））。熱電材料としては性能指数が高ければどのような材料を使用してもかまわないが、半導体プロセスとの互換性が高く成膜しやすい熱電材料として、ＳｉＧｅやＳｉ等が使用可能である。ＳｉＧｅ膜やＳｉ膜は、ＣＶＤ法やスパッタ法等を用いて形成することができる。熱電材料の膜厚は数ｎｍ〜数ｍｍ程度とするとよい。熱電変換素子と低温側電極との接触熱抵抗が大きい場合、膜厚が薄くなると熱電発電の効率が悪くなってしまうため、熱電素子の膜厚は数μｍ〜数百μｍとするのが好ましい。次に、熱やレーザを用いてＳｉＧｅやＳｉの結晶化処理を行う。なお、成膜方法や、成膜条件、結晶化の条件は、性能指数Ｚが大きくなるように設定するとよい。

次に、熱電材料からなる膜４０４をエッチングして複数の半導体膜４１１〜４１３を形成する（図４（Ｃ））。次に、半導体膜４１２上にマスクを形成して、半導体膜４１１、４１３にＰ、Ａｓ、Ｓｂ等から選ばれる少なくとも一種の５Ｂ族元素、又は炭素（Ｃ）をドープすることによりｎ型熱電半導体４０６を形成する（図４（Ｄ））。半導体膜４１２上のマスクを除去して、半導体膜４１１、４１３上にマスクを形成して、半導体膜４１２にＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選ばれる少なくとも一種の３Ｂ族元素をドープすることによりｐ型熱電半導体４０５を形成する（図４（Ｄ））。

次に、ｐ型熱電半導体４０５、ｎ型熱電半導体４０６を覆う第１の層間絶縁膜４０７を形成する（図４（Ｅ））。ここで、第１の層間絶縁膜４０７の材料としては、電気的に絶縁で、熱伝導性が悪い材料がよく、ＳｉＯ_２等の絶縁性の無機膜や絶縁性の高分子材料を使用することができる。

次に、第１の層間絶縁膜４０７をエッチングすることにより、ｐ型熱電半導体４０５、ｎ型熱電半導体４０６表面を露出させる（図５（Ａ））。次に、ｐ型熱電半導体４０５、ｎ型熱電半導体４０６上に高温側電極４０８を形成する（図５（Ｂ））。高温側電極４０８としては、低温側電極４０３と同様に形成することができる。

次に、高温側電極４０８上に第２の層間絶縁膜４０９を形成する（図５（Ｃ））。第２の層間絶縁膜４０９としては、電気的に絶縁な膜を用いるとよい。より好ましくは、熱伝導性がよく、電気的に絶縁な膜を用いるとよい。熱伝導性がよく電気的に絶縁な膜としてＡｌＮやＤＬＣを用いることができる。また、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮなどの高熱伝導性物質を充填した高分子材料などを用いてもよい。

次に、第２の層間絶縁膜４０９上に電波吸収体４１０を形成する（図５（Ｄ））。電波吸収体４１０としては、目的とする周波数帯の電磁波を効率よく吸収できるものを使用するとよい。本実施の形態では、焼結フェライトタイルの上に、カーボン等の含有導電材料の濃度を適切に調整したゴムやウレタンなどの誘電損失型吸収体を積層した３０ＭＨｚからマイクロ波、ミリ波帯まで吸収することが可能な電波吸収体を用いる。焼結フェライトタイルは、酸化鉄を主原料とし、ニッケルや亜鉛等の添加物を加えてタイル状に成型して焼き固めたものである。焼結フェライトタイルは単独でも、６ｍｍ〜８ｍｍの厚みで周波数４０〜４００ＭＨｚ前後で２０ｄＢ以上の電波吸収特性を持っており、薄型であるにもかかわらず周波数特性が広い材料である。

電波吸収体４１０と熱電素子の固着方法としては、例えば第２の層間絶縁膜４０９として高熱伝導性物質を充填した熱硬化性エポキシ樹脂を用い、電波吸収体４１０を積層したあと熱硬化型エポキシ樹脂を硬化させることにより固着することができる。なお、電波吸収体４１０と熱電素子の固着方法としては、電波吸収体４１０と熱電素子の熱的な接触抵抗が低い方法を用いることが好ましい。また、電波吸収体４１０と熱電素子の固着方法としては、第２の層間絶縁膜４０９として熱硬化型エポキシ樹脂を使用する方法以外に、第２の層間絶縁膜４０９と電波吸収体４１０との直接接合や、はんだ接合、圧着法、加圧接合法等を用いることができる。また、ＣＶＤ法やスパッタ法、真空蒸着法等の手法で成膜した抵抗、キャパシタ、インダクタ等の回路素子等を電波吸収体４１０として用いることができる。

以上の工程により、３０ＭＨｚからマイクロ波、ミリ波帯までの電磁波を吸収して熱に変換し、電波吸収体と大気との温度差を利用して発生した熱を電力に変換することができる素子を作製することができる。

以上の工程により形成された熱電変換素子の低温側電極又は高温側電極と、別基板に形成された充電回路の接続端子とを電気的に接続させ、充電回路等の回路の接続端子と蓄電部の接続端子とを電気的に接続させる。それにより、３０ＭＨｚからマイクロ波、ミリ波帯までの電磁波を吸収して熱に変換し、電波吸収体と大気との温度差を利用して発生した熱を電力に変換して蓄電部に充電することができる蓄電装置を作製することができる。

なお、熱電変換素子と電波吸収体の構成は本実施の形態のものに限られるものではない。例えば、図６に示すようなものを用いることができる。ここで、図６（Ａ）は熱電変換素子と電波吸収体とが形成された基板の上面の模式図を示し、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡとＢとを結ぶ破線における断面の模式図を示している。図６（Ａ）に示すように、基板６０１上に低温側電極６０２、高温側電極６０３、低温側電極６０２又は高温側電極６０３と接続するｎ型熱電半導体６０４、低温側電極６０２又は高温側電極６０３と接続するｐ型熱電半導体６０５、高温側電極６０３と接続する電波吸収体６０６が形成されている。なお、図６に示す熱電変換素子と電波吸収体の構成は、図６（Ｂ）に示すように、基板６０１上に低温側電極６０２、高温側電極６０３が形成され、基板６０１上に低温側電極６０２、高温側電極６０３と接するようにｐ型熱電半導体６０５が形成され、高温側電極６０３上に電波吸収体６０６が形成されている。

熱電半導体と電極との間の熱的な接触抵抗が高い場合は、熱電素子の低温側電極と高温側電極間の距離を減らすと出力が減少してしまうため、基板上にＳｉＧｅやＳｉ等を成膜して作製することが難しい。図６に示すような構成とすることにより熱電素子の低温側電極と高温側電極間の距離を簡単に長くすることが可能である。

（実施の形態３）
また、本発明の蓄電装置は、あらゆる分野の電子機器の充電池として搭載することが可能である。例えば、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、オーディオコンポ等）、コンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍等）、記録媒体を備えた画像再生装置（具体的にはＤＶＤ（ｄｉｇｉｔａｌｖｅｒｓａｔｉｌｅｄｉｓｃ）等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置）などに搭載することができる。それら電子機器の具体例を図７に示す。

また、図７（Ａ）は、携帯電話を示しており、携帯端末の１つの代表例である。この携帯電話は筐体２１２１、表示部２１２２、操作キー２１２３、音声出力部２１２４などを含む。また、携帯電話は、取り出し可能な充電池２１２５を備えている。また、携帯電話の電話番号等のデータ、映像、音楽データ等を内部に備えられたメモリに記憶させ再生することができる。本発明の蓄電装置は充電池２１２５に適用することができる。

図７（Ｂ）、（Ｃ）は、デジタルカメラを示している。図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）の裏側を示す図である。このデジタルカメラは、筐体２１１１、表示部２１１２、レンズ２１１３、操作キー２１１４、シャッターボタン２１１５、メモリ２１１６などを有する。また、取り出し可能な充電池２１１７を備えている。本発明の蓄電装置は充電池２１１７に適用することができる。

また、図７（Ｄ）は、デジタルプレーヤーを示しており、オーディオ装置の１つの代表例である。図７（Ｄ）に示すデジタルプレーヤーは、本体２１３０、表示部２１３１、メモリ部２１３２、操作部２１３３、イヤホン２１３４、充電池２１３５等を含んでいる。なお、イヤホン２１３４の代わりにヘッドホンや無線式イヤホンを用いることができる。メモリ部２１３２は、不揮発性の半導体記憶装置を用いることができる。例えば、記録容量が２０ギガバイト以上２００ギガバイト（ＧＢ）以下のＮＡＮＤ型不揮発性メモリを用い、操作部２１３３を操作することにより、映像や音声（音楽）を記録、再生することができる。なお、表示部２１３１は黒色の背景に白色の文字を表示することで消費電力を抑えられる。これは携帯型のオーディオ装置において特に有効である。なお、メモリ部２１３２に設けられた不揮発性の半導体記憶装置は、取り出し可能な構成としてもよい。本発明の蓄電装置は充電池２１３５に適用することができる。

また、図７（Ｅ）は、電子ブック（電子ペーパーともいう）を示している。この電子ブックは、本体２１４１、表示部２１４２、操作キー２１４３、メモリ部２１４４、充電池２１４５を含んでいる。またモデムが本体２１４１に内蔵されていてもよいし、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。メモリ部２１４４は、不揮発性の半導体記憶装置を用いることができる。例えば、記録容量が２０ギガバイト以上２００ギガバイト（ＧＢ）以下のＮＡＮＤ型不揮発性メモリを用い、操作キー２１４３を操作することにより、映像や音声（音楽）を記録、再生することができる。なお、メモリ部２１４４に設けられた不揮発性の半導体記憶装置は、取り出し可能な構成としてもよい。また、本発明の蓄電装置は充電池２１４５に適用することができる。

以上の様に、本発明の蓄電装置は充電池としてあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。本発明の蓄電装置を充電池として用いると、無線で充電が可能であるため各家庭に配設されているコンセントにＡＣアダプターを接続する必要がなく、簡単に充電を行うことができる。また、電磁波が供給される環境であれば常に充電を行うことが可能であり、利用者が電源の充電残量に注意を払う煩わしさを解消することができる。また、取り外し可能な形態とすることで、予備電池として携帯することが可能である。

なお、本発明の蓄電装置は電子機器の充電池に限らず、建物の壁面や窓ガラス、屋根などに設置することにより、電磁波を吸収して発電する電波発電装置として使用することができる。

本発明の蓄電装置の構成を説明する図。本発明の熱電変換素子の構成を説明する図。本発明の熱電変換素子の構成を説明する図。本発明の蓄電装置の作製工程を説明する図。本発明の蓄電装置の作製工程を説明する図。本発明の蓄電装置の構成を説明する図。本発明の蓄電装置を適用することができる電子機器の図。従来の蓄電装置の構成を説明する図。

符号の説明

１０１蓄電装置
１０２電波吸収体
１０３熱電変換素子
１０４充電回路
１０５蓄電部
１０６電圧及び電流制御回路
１０７充電制御回路

Claims

電波吸収体と、熱電変換素子と、充電回路と、蓄電部と、を有し、
前記熱電変換素子は、第１の端子と、第２の端子と、を有し、
前記第１の端子は、前記電波吸収体と熱的に接続され、
前記第２の端子は、前記充電回路と電気的に接続され、
前記充電回路は、前記蓄電部と電気的に接続され、
前記電波吸収体は、多層型、山形、又はピラミッド形であることを特徴とする蓄電装置。
電波吸収体と、熱電変換素子と、充電回路と、蓄電部と、を有し、
前記熱電変換素子は、第１の端子と、第２の端子と、を有し、
前記第１の端子は、ダイヤモンドライクカーボン又はＡｌＮを有する膜を介して、前記電波吸収体と熱的に接続され、
前記第２の端子は、前記充電回路と電気的に接続され、
前記充電回路は、前記蓄電部と電気的に接続されることを特徴とする蓄電装置。
電波吸収体と、熱電変換素子と、充電回路と、蓄電部と、を有し、
前記熱電変換素子は、第１の端子と、第２の端子と、を有し、
前記第１の端子は、ＳｉＯ _２、Ａｌ _２Ｏ _３又はＡｌＮを有する高分子材料を介して、前記電波吸収体と熱的に接続され、
前記第２の端子は、前記充電回路と電気的に接続され、
前記充電回路は、前記蓄電部と電気的に接続されることを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記充電回路は、電圧及び電流制御回路と、充電制御回路と、を有し、
前記第２の端子は、前記電圧及び電流制御回路と電気的と接続され、
前記電圧及び電流制御回路は、前記蓄電部及び前記充電制御回路と電気的に接続され、
前記蓄電部は、前記充電制御回路と電気的に接続されることを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記電波吸収体は、導電性電波吸収材料、誘電性電波吸収材料、又は磁性電波吸収材料であることを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
前記蓄電部は、リチウム電池、リチウムポリマー電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニカド電池、有機ラジカル電池、鉛蓄電池、空気二次電池、ニッケル亜鉛電池、若しくは銀亜鉛電池のいずれかのバッテリー、又はコンデンサーであることを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の蓄電装置を有することを特徴とする電子機器。