JP5564455B2 - 熱電発電装置及び携帯型電子機器 - Google Patents
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Description
本発明は、熱電発電装置及び携帯型電子機器に関する。
近年、携帯電話機、ノートパソコン、携帯型音楽プレーヤ等の携帯型電子機器が普及している。これらの携帯型電子機器は、通常、リチウムイオン電池やニッケル水素電池のような小型の二次電池により作動される。
したがって、これらの携帯型電子機器を使用するためには、二次電池を充電する作業が必要である。そして、その充電のためには、ＡＣ電源を整流し、所定の直流電圧にレギュレートする機能を有する充電器が必要であるため、電力を消費しかつ充電作業を行う場所にも制約がある。
ＡＣ電源が不要でも充電可能な二次電池として、携帯電話機の筐体外面側に形成された熱電変換素子と、当該熱電変換素子の携帯電話機の筐体外面とは反対側の面に一体的に形成され、当該熱電変換素子で発電して得られた電気エネルギーを蓄積する二次電池とを有する熱電充電器一体型二次電池が提案されている（特許文献１参照）。
この熱電充電器一体型二次電池を用いた携帯型機器によれば、充電器を用いた充電作業が不要になると共に、電源が不要であるため充電時における電力消費をなくすことができる。
また、特許文献２には、シリコン基板と、当該シリコン基板表面に形成された熱電変換素子と、当該シリコン基板裏面に形成されたＬＳＩとを有する半導体装置が記載されている。この半導体装置は、ＬＳＩが発生する熱を熱電変換素子によって電力に変換し、この電力をＬＳＩに含まれるキャパシタによって蓄積できるようになっている。
また、特許文献３には、熱電変換素子とそれに接続される回路素子とを基板を挟んで表裏に設ける技術が開示されている。
特許文献１に記載の熱電充電器一体型二次電池は、熱電変換素子と二次電池とを、熱を伝導する金属等の配線で接続する必要がある。このため、熱電変換素子の高温側の熱がこの配線を介して二次電池側に伝導する。そして、この伝導熱によって二次電池の温度が上昇するため、熱電発電素子の低温側と高温側との温度差が小さくなって発電効果が弱まったり、二次電池の寿命が短くなったりしてしまう懸念がある。特許文献１では、このような懸念についての考慮はなされていない。
特許文献２、３においても、回路素子に熱が伝導することによる上述した懸念についての考慮はなされていない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コンパクト、長寿命、及び高い発電効率を実現することのできる熱電発電装置とこれを備える携帯型電子機器を提供することを目的とする。
本発明の熱発電装置は、基板と、前記基板の一方の面に形成された熱電変換素子とを有する熱電発電装置であって、前記熱電変換素子は、前記一方の面側が低温側として使用されるものであり、前記基板の他方の面上に形成され前記熱電変換素子によって生成された電気エネルギーを蓄積する蓄電回路と、前記基板の他方の面に形成される配線であって、前記熱電変換素子と前記蓄電回路とを電気的に接続する第一の配線と、前記基板の他方の面の上方に配置され、平面視において前記第一の配線を覆って配置された放熱フィンとを備えるものである。
この構成によれば、基板の一方の面と他方の面に熱電変換素子と蓄電回路が形成されているため、熱電発電装置のコンパクト化が可能になる。また、基板の他方の面には、蓄電回路と熱電変換素子を接続する第一の配線が形成され、この第一の配線を覆って放熱フィンが配置されるため、基板の一方の面側から第一の配線を介して蓄電回路に伝わる熱を、放熱フィンによって効率的に拡散させることができる。この結果、蓄電回路の温度上昇が防げるため、発電効率の向上、蓄電回路の長寿命化が可能となる。
本発明の携帯型電子機器は、前記熱電発電装置を備える携帯型電子機器であって、電力の消費によって発熱する素子を備え、前記熱電発電装置に含まれる前記熱電変換素子の高温側が前記素子に向けて配置されたものである。
この構成により、充電器を用いずに充電することのできる携帯型電子機器のコンパクト化及び長寿命化、充電回数を低減できることによる電力供給のないへき地での長時間の使用を実現することができる。
本発明によれば、コンパクト、長寿命、及び高い発電効率を実現することのできる熱電発電装置とこれを備える携帯型電子機器を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態を説明するための熱電発電装置を表面側からみた平面模式図である。図２は、本発明の一実施形態を説明するための熱電発電装置を裏面側からみた平面模式図である。図３は、図２に示されるＡ−Ａ線の断面模式図である。図４は、図２に示される蓄電回路の詳細を示す図である。
図１〜３に示されるように、熱電発電装置１００は、ガラスエポキシ基板等の基板１と、基板１の一方の面である表面上に形成された熱電変換素子２と、基板１の他方の面である裏面上に形成された蓄電回路４と、熱電変換素子２と蓄電回路４とを電気的に接続するための金属等の導電性材料からなる配線３０，３１，３ａ，３ｂと、基板１の裏面上に形成された基板１を冷却するための金属膜５と、蓄電回路４、配線３ａ，３ｂ、及び金属膜５を覆うポリイミド等からなる絶縁性のオーバーコート層６と、オーバーコート層６上に形成された放熱フィン７とを備える。
図１及び図３に示されるように、熱電変換素子２は、基板１の表面上に離間して形成された複数の下部電極２１と、下部電極２１及び基板１表面上に形成される絶縁層２０に形成された開口に埋め込まれたｐ型半導体２３（例えば、ＢｉＳｂＴｅ、Ｎａ２Ｃｏ２Ｏ４、ＭｎＳｉ、ＣｏＳｂ３等）及びｎ型半導体２４（例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３Ｍｇ２Ｓｉ、ＺｎＡｌＯｉ等）と、絶縁層２０、ｐ型半導体２３、及びｎ型半導体２４上に離間して形成された複数の上部電極２２とを備える。なお、熱電変換材料としては、「熱電変換技術の現状と動向」（出光技報、４７巻、２号、２００４年）に記載されている公知のｐ型半導体材料及びｎ型半導体材料を用いることができる。
上部電極２２、ｐ型半導体２３、下部電極２１、及びｎ型半導体２４は、図１及び図３に示されるようにチェーン状に接続されている。上部電極２２と下部電極２１で挟まれるｐ型半導体２３と、上部電極２２と下部電極２１で挟まれるｎ型半導体２４とが交互に二次元状に並べられ、これらｐ型半導体２３とｎ型半導体２４とが電気的に直列に接続されている。
この直列接続の両端、即ち、図１における左上端の上部電極２２と、図１における右下端の下部電極２１とには、それぞれ配線３０，３１（図２，３参照）が接続されている。この２つの配線３０，３１は、基板１を表面から裏面まで貫通して形成された孔部（コンタクトホール）を通して基板１の裏面から露出している。
熱電変換素子２は、上部電極２２側を高温側とし、下部電極２１側（基板１の表面側）を低温側として使用されるものであり、上部電極２２と下部電極２１との温度差に応じた電気エネルギーを生成する。なお、熱電変換素子２は周知の構成を用いることができ、図１に示される構成には限定されない。
図２に示されるように、基板１の裏面の中央には、熱電変換素子２で生成された電気エネルギーを蓄積する蓄電回路４が形成されている。
図２における基板１の右上端には、図１において左上端にある上部電極２２に接続される配線であって、基板１を貫通するコンタクトホール内に埋め込まれた配線３０が露出している。
図２における基板１の左下端には、図１において右下端にある下部電極２１に接続される配線であって、基板１を貫通するコンタクトホール内に埋め込まれた配線３１が露出している。
また、基板１の裏面上には、配線３０と蓄電回路４とを接続する配線３ｂと、配線３１と蓄電回路４とを接続する配線３ａとが形成されている。
蓄電回路４と配線３ａ，３ｂの周囲には、これらと接触しないように金属膜５が形成されている。金属膜５は、熱電変換素子２の低温側となる下部電極２１と接触する基板１を冷却するために設けられている。金属膜５は、基板１を冷却できる金属材料によって形成された膜であり、例えば銅によって形成される。
金属膜５は、基板１の裏面に例えば銅を成膜した後、この銅膜を選択的にエッチングすることで形成される。
基板１の中央部にはエッチングによって銅膜が除去された領域があり、この領域から露出する基板１の裏面上に蓄電回路４が形成されている。
また、エッチングによって銅膜が除去された中央部の領域からＬ字状に配線３０，３１までそれぞれ伸びる領域も銅膜がエッチングによって除去されており、この領域に配線３ａ，３ｂが形成されている。配線３ａと配線３ｂは、金属によって形成することができるため、金属膜５と同一工程で形成することができる。
図４に示されるように、蓄電回路４は、熱電変換素子２で生成された電気エネルギーを蓄積するキャパシタ４２と、キャパシタ４２から熱電変換素子２に逆流電流が印加される（電流が逆流する）のを防止するためのダイオード等からなる整流素子４１とを備えて構成される。
キャパシタ４２は、配線３ａと接続される電極、配線３ｂと接続される電極、及びこれら２つの電極で挟まれる誘電体とから構成される。
整流素子４１は、配線３ａ又は配線３ｂとキャパシタ４２との間に接続されている。なお、整流素子４１は省略することも可能である。
図２及び図３に示されるように、放熱フィン７は、平面視において配線３ａ，３ｂと、配線３ａ，３ｂと金属膜５との境界部分とを覆う位置（配線３ａ，３ｂの形成される経路）に形成されている。
基板１表面側の熱は、基板１に形成されたコンタクトホール内の配線３０，３１とこれに接続される配線３ａ，３ｂを介して蓄電回路４に伝達される。また、配線３ａ，３ｂは、金属膜５との絶縁を図るために距離を空けて形成しなければならず、金属膜５による放熱効果を受けにくい。
このため、熱の伝達源となる配線３ａ，３ｂと、この配線３ａ，３ｂと金属膜５との隙間を覆うように放熱フィン７を配置することで、放熱フィン７からの放熱と、放熱フィン７を介する配線３ａ、３ｂと金属膜５との間での熱伝導により、配線３ａ，３ｂの熱を下げて、基板１表面側から蓄電回路４に伝達される熱を減らすことができる。
基板１の裏面に形成される蓄電回路４に伝達される熱を減らせることで、熱電変換素子２の高温側と低温側の温度差を拡大することができ、発電効率を向上させることができる。また、蓄電回路４の長寿命化も図ることができる。
なお、放熱フィン７は、平面視において少なくとも配線３ａ，３ｂと重なる領域に配置してあればよい。配線３ａ，３ｂと、配線３ａ，３ｂと金属膜５との境界部分とを覆う領域に放熱フィン７を配置した場合には、配線３ａ，３ｂと重なる領域にのみに放熱フィン７を配置した場合と比較して放熱効果を高めることができる。
また、図５に示されるように、基板１の裏面から見たときに、金属膜５全体を覆うように放熱フィンを配置してもよく、この配置にすることで、放熱効果を更に高めることができる。
図６は、図１〜３に示される熱電発電装置１００を搭載する携帯電話機やデジタルカメラ等の携帯型電子機器の概略構成を示す断面模式図である。
図６に示される携帯型電子機器は、筐体２０１内に、電子部品実装基板２００と、電池パック２０２と、図１〜３に示される熱電発電装置１００と、表示装置２０３とを備える。
電子部品実装基板２００は、筐体２０１の正面側に配置され、携帯型電子機器に必要な機能を実現するための各種回路が作りこまれた基板である。
表示装置２０３は、筐体２０１の正面側に配置され、各種情報を表示するためのものである。表示装置２０３は、液晶表示パネルや有機ＥＬパネル等によって構成されており、その動作中は、液晶表示パネル用のバックライトや有機ＥＬパネルの発熱により、その背面部の温度が上昇する。
電池パック２０２は、筐体２０１の背面側（電子部品実装基板２００及び表示装置２０３の背面）に配置され、電子部品実装基板２００及び表示装置２０３に電力を供給する。電池パック２０２は、熱電発電装置１００のキャパシタ４２に図示しない配線によって接続されており、キャパシタ４２の蓄積エネルギーによって充電される。
熱電発電装置１００は、熱電発電素子２の上部電極２２（高温側）が表示装置２０３に向くように、表示装置２０３の背面に配置されている。
以上のように構成された携帯型電子機器の充電動作について説明する。
表示装置２０３が稼動すると、液晶表示パネル用のバックライトや有機ＥＬパネルの発熱により、表示装置２０３の背面部が昇温され、この表示装置２０３の背面部の熱が筐体２０１から熱電変換素子２の上部電極２２へと伝わり、熱電変換素子２において電気エネルギーが生成される。
生成された電気エネルギーは、配線３０，３１及び配線３ａ，３ｂを介して蓄電回路４のキャパシタ４２に蓄積される。
キャパシタ４２に蓄積された電気エネルギーは、電池パック２０２に供給され、このエネルギーによって充電池が充電される。
このように、図６に示される携帯型電子機器によれば、携帯型電子機器に付属する充電器を用いなくとも、携帯型電子機器の表示装置２０３の稼動時の発熱により、充電作業を行うことができる。
携帯型電子機器の表示装置２０３の稼動時には、表示装置２０３の熱が、熱電変換素子２に接続された配線３ａ，３ｂを介して蓄電回路４へと伝わる可能性がある。しかし、図５に示される携帯型電子機器は、図１〜３に示される熱電発電装置１００を搭載しているため、表示装置２０３から伝わる熱を、放熱フィン７によって効率よく放熱（冷却）させることができる。
したがって、蓄電回路４が温まることによる熱電変換素子２の発電効率の低下、蓄電回路４が加熱されることによる蓄電回路４の劣化を防ぐことができる。
また、熱電発電装置１００は、放熱フィン７を、配線３ａ，３ｂと、配線３ａ，３ｂと金属膜５との境界部分とに重なるように設けるだけでよいため、放熱フィン７の熱電発電装置１００全体に占める面積は少なく、熱電発電装置１００のコンパクト化を図ることができる。
なお、熱電発電装置１００は、携帯電話機やデジタルカメラに限らず、腕時計、ゲーム機、携帯型音楽プレーヤ、ノートパソコン等、電気によって動作する携帯型電子機器であれば何にでも搭載可能である。
また、携帯型電子機器における熱源としては、表示装置、ＤＣ−ＤＣコンバータ、及び表示素子駆動用ＩＣ等の電力を消費し、発熱する部品や素子を用いることができる。特に、表示装置は、設置面積が大きく、発熱量が多いため、熱電発電用の熱源として好適である。
なお、携帯型電子機器がデジタルカメラである場合には、電力を消費して発熱する素子である撮像素子の裏側に、熱電発電装置１００の上部電極２２側を撮像素子側に向けて配置しておくことで、撮像素子から発せられる熱を電気エネルギーに変換して充電を行うことができ、撮像している間中、充電ができるようなデジタルカメラを実現することができる。
熱電発電装置１００は、基板１の表裏に熱電変換素子２と蓄電回路４が一体的に形成されたものであるため、コンパクトであり、携帯型電子機器に搭載するのに好適である。しかも、熱電発電装置１００は、コンパクトでありながら、蓄電回路４への熱伝導が放熱フィン７によって効果的に抑えられる構成であるため、携帯型電子機器の長寿命化、発電効率向上を実現することができる。
なお、熱電発電装置１００において、基板１と熱電変換素子２との間には絶縁膜があってもよい。また、金属膜５及び配線３ａ，３ｂと基板１裏面との間には絶縁膜があってもよい。これらの絶縁膜は、熱電発電装置１００の薄型化を阻害しない程度の厚みであればよい。また、これらの絶縁膜を設けた場合には、基板１としてシリコン等の半導体基板を用いることもできる。
以上説明したように、本明細書には以下の事項が開示されている。
開示された熱電発電装置は、基板と、前記基板の一方の面に形成された熱電変換素子とを有する熱電発電装置であって、前記熱電変換素子は、前記一方の面側が低温側として使用されるものであり、前記基板の他方の面上に形成され前記熱電変換素子によって生成された電気エネルギーを蓄積する蓄電回路と、前記基板の他方の面上に形成される配線であって、前記熱電変換素子と前記蓄電回路とを電気的に接続する第一の配線と、前記基板の他方の面の上方に配置され、平面視において前記第一の配線を覆って配置された放熱フィンとを備えるものである。
この構成によれば、基板の一方の面と他方の面に熱電変換素子と蓄電回路が形成されているため、熱電発電装置のコンパクト化が可能になる。また、基板の他方の面には、蓄電回路と熱電変換素子を接続する第一の配線が形成され、この第一の配線を覆って放熱フィンが配置されるため、基板の一方の面側から第一の配線を介して蓄電回路に伝わる熱を、放熱フィンによって効率的に拡散させることができる。この結果、蓄電回路の温度上昇が防げるため、発電効率の向上、蓄電回路の長寿命化が可能となる。
開示された熱電発電装置は、前記熱電変換素子に接続される配線であって前記基板を前記一方の面から前記他方の面まで貫通して前記基板の他方の面に露出する第二の配線を備え、前記第一の配線は、前記第二の配線に接続されるものであり、前記第二の配線の露出面は、平面視において前記基板の端部に配置されるものである。
この構成によれば、基板の一方の面からの熱が基板の他方の面に伝わる位置を基板の端部にすることができ、この基板の端部から蓄電回路までの距離を大きくすることが可能になる。この距離が大きくなることで、第一の配線の長さを長くすることができるため、第一の配線を伝わる熱が放熱フィンによって拡散される時間を長くすることができ、蓄電回路への熱の伝達をより抑えることができる。
開示された熱電発電装置は、前記基板の他方の面の前記蓄電回路及び前記第一の配線が配置される領域の周囲に形成される、前記基板を冷却するための金属膜を備え、前記放熱フィンは、平面視において前記第一の配線と前記金属膜との境界も覆っているものである。
この構成によれば、基板の他方の面には金属膜が形成されているため、基板の裏面側の温度をより低くすることができ、発電効率を向上させることができる。また、金属膜と第一の電極との境界部分も放熱フィンが覆うため、金属膜で冷却できない部分を放熱フィンによって冷却することができ、冷却効果を高めることができる。
開示された熱電発電装置は、前記蓄電回路は、前記電気エネルギーを蓄積するキャパシタと、前記キャパシタから前記熱電変換素子への電流の逆流を防止するための整流素子とを備えるものである。
この構成により、キャパシタから熱電変換素子への電流の逆流が防止されるため、熱電変換効率の低下を防ぐことができる。
開示された携帯型電子機器は、前記熱電発電装置を備える携帯型電子機器であって、電力の消費によって発熱する素子を備え、前記熱電発電装置に含まれる前記熱電変換素子の高温側が前記素子に向けて配置されたものである。
この構成により、充電器を用いずに充電することのできる携帯型電子機器のコンパクト化及び長寿命化を実現することができる。
１ 基板
２ 熱電変換素子
３ａ，３ｂ 配線
４ 蓄電回路
５ 金属膜
７ 放熱フィン
３０，３１ 配線
１００ 熱電発電装置
２ 熱電変換素子
３ａ，３ｂ 配線
４ 蓄電回路
５ 金属膜
７ 放熱フィン
３０，３１ 配線
１００ 熱電発電装置
Claims (4)
- 基板と、前記基板の一方の面に形成された熱電変換素子とを有する熱電発電装置であって、
前記熱電変換素子は、前記一方の面側が低温側として使用されるものであり、
前記基板の他方の面上に形成され前記熱電変換素子によって生成された電気エネルギーを蓄積する蓄電回路と、
前記基板の他方の面に形成される配線であって、前記熱電変換素子と前記蓄電回路とを電気的に接続する第一の配線と、
前記基板の他方の面の上方に配置され、平面視において前記第一の配線を覆って配置された放熱フィンとを備える熱電発電装置。 - 請求項１記載の熱電発電装置であって、
前記熱電変換素子に接続される配線であって前記基板を前記一方の面から前記他方の面まで貫通して前記基板の他方の面に露出する第二の配線を備え、
前記第一の配線は、前記第二の配線に接続されるものであり、
前記第二の配線の露出面は、平面視において前記基板の端部に配置される熱電発電装置。 - 請求項１又は２記載の熱電発電装置であって、
前記基板の他方の面の前記蓄電回路及び前記第一の配線が配置される領域の周囲に形成される、前記基板を冷却するための金属膜を備え、
前記放熱フィンは、平面視において前記第一の配線と前記金属膜との境界も覆っている熱電変換装置。 - 請求項１〜３のいずれか１項記載の熱電発電装置を備える携帯型電子機器であって、
電力の消費によって発熱する素子を備え、
前記熱電発電装置に含まれる前記熱電変換素子の高温側が前記素子に向けて配置された携帯型電子機器。
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