JP5765176B2 - 熱発電デバイス - Google Patents

Description

本発明は熱発電デバイスに関する。

一般的に、センシングネットワークは、多数の低コストのセンサノードを用いて構築される。ここで言うコストには、センサノード単体としての価格が含まれるが、長期的な観点からは、それらを保守・維持（メンテナンス）するために必要なコストも含まれる。例えばセンサノードが電池で動作するような場合には定期的な電池交換が必要であり、電池のコスト及び交換作業に係る費用をセンサノードのコストとして考慮する必要がある。また、ワイヤなどの配線を必要とする場合には配線の設置費用やメンテナンスコストをセンサノードのコストとして考慮する必要がある。

そこで、多数のセンサノードを使用することを想定しているアプリケーションの実現には、電池等の電源以外の電源で動くセンサノードを使用することが望ましい。その場合の電源として、周囲の環境からエネルギを回収して、電子機器が使えるような電気を作り出すエネルギハーベスティング技術が注目されている。このエネルギ源として、例えば太陽光や室内光を電気エネルギに変換する発電素子の他、振動や熱を電気エネルギに変換する発電素子が提案されている。

このような発電素子の一例として、体温と外気温との温度差で発電する熱電素子があり、このような熱電素子を腕に熱的に接触させて電力を得る熱発電デバイスが提案されている。このような熱発電デバイスでは、熱電素子の下面は体温（皮膚の温度（例えば、３６℃））となり、上面は金属フィン等によって外気温（例えば１０〜２５℃）近くになる。この温度差によって熱電素子が発電する。実際、発電素子により体温と外気温との温度差で発電した電力を使って動作する腕時計が提案され、商品化されている。

腕時計に用いられる発電デバイスに用いることのできる熱電素子の代表的なものは、ＢｉＴｅなどの半導体材料を利用したものである。この半導体材料は上下にある２つの平板間に温度差を与えると、熱から直接発電できる熱発電デバイスとして動作することが知られている。これは、材料中に温度差を与えるとそれに比例した電圧が発生するゼーベック効果によるものであり、熱電素子はこのゼーベック効果を利用して熱から電気に直接変換している。

体温と外気温との温度差から得られる電力は微小なものであるため、複数の発電ユニットをバンドで連結して腕の周りに装着し、複数の発電ユニットの発電電力を足し合わせることで必要な電力を得ることが考えられる。

特開平８−３２１２５号公報 特開２００３−１０１０８４号公報

上述のように熱発電デバイスを人体に応用する場合について検討する。この場合、腕時計状のバンドは必ずしも常に強く締め付けられて腕（皮膚）に密着するものではなく、普通はある程度たるみが設けられて腕に装着される。このようなたるみがないと、バンドとの間で皮膚呼吸が阻まれるおそれがあり、また発汗しても蒸発しないために不快感の原因となるおそれがある。

そのため複数の発電ユニットを含む腕時計状の熱発電デバイスでは、腕の動きによって発電ユニットがランダムに腕（皮膚）から離れる場合が頻発することが予想される。一つの発電ユニットは、温度差に比例して発生するゼーベック効果による電圧源と熱電素子の内部抵抗との直列回路と等価である。そのため、一つの発電ユニットが皮膚から離れると当該発電ユニットの熱電素子の起電力がなくなり、当該熱電素子の内部抵抗のみが負荷として残る。これが熱発電デバイスの発電出力の低下につながる。一つの腕時計状の熱発電デバイスで得られる電力は微小なものであり、内部抵抗が増大することによるこのような発電出力の低下は熱発電デバイスの出力に大きく影響する。

したがって、熱源から離間して温度差が小さくなった発電ユニットの熱電素子に起因した熱発電デバイスの出力低下を防ぐことが望ましい。

一実施形態によれば、各々が熱電素子を有し、熱源に接触することで発電する複数の熱発電ユニットと、該熱発電ユニットを接続して形成される発電回路と、前記熱発電ユニットの一つが前記熱源から離れたら、当該一つの熱発電ユニットの熱電素子を前記発電回路から切り離すスイッチ機構とを有する熱発電デバイスが提供される。

上述の手段によれば、熱源との接触状態に応じて、例えば、熱源から離間して温度差が小さくなった熱発電ユニットの熱電素子を発電回路から切り離すことができ、発電量が低下した熱発電素子の内部抵抗を発電回路から切り離すことができる。

一実施形態による腕時計型熱発電デバイスが手首に装着された状態の斜視図である。 腕時計型熱発電デバイスが手首に装着された状態の側面図である。 熱発電ユニットの側面図である。 腕時計型熱発電デバイスが緩く手首に装着された状態の側面図である。 熱発電ユニットの全てが発電している際の腕時計型熱発電デバイスの電気回路の等価回路図である。 熱発電ユニットの一つの熱電素子の起電力がゼロとなったときの腕時計型熱発電デバイスの電気回路の等価回路図である。 熱発電ユニットを直列に接続した場合の発電回路の等価回路図である。 熱発電ユニットを並列に接続した場合の発電回路の等価回路図である。 フィン部材が取り除かれた状態の熱発電ユニットの平面図である。 ベース部材が皮膚に接触している状態における、図９のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 ベース部材が皮膚から離間した状態における、図９のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 接続端子板の平面図である。 フィン部材が取り除かれた状態の熱発電ユニットの平面図である。 ベース部材が皮膚に接触している状態における、図１３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 ベース部材が皮膚から離間した状態における、図１３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 短絡用部材の平面図である。 回路の切替えに用いることのできる他のスイッチ機構を説明するための図である。 ２段階スイッチ機構の動作を説明するための図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は一実施形態による腕時計型熱発電デバイスが手首に装着された状態の斜視図である。図２は腕時計型熱発電デバイスが手首に装着された状態の側面図である。

一実施形態による腕時計型熱発電デバイス１０は、複数の熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３がバンド１４で連結されて形成された腕時計状のデバイスである。熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３の各々は、体温と外気温との温度差を利用して発電する装置である。本実施形態では、熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３の他に信号発信デバイス１６がバンド１４に取り付けられている。腕時計型熱発電デバイス１０は、腕時計と同様にバンド１４を手首に巻き付けて、留め金１８で固定することで手首に装着することができる。

信号発信デバイス１６は、熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３が発電することにより得られた電力により動作する負荷の一例である。具体的には、信号発信デバイス１６は、熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３が発生した電力を受けて、例えば体温などの計測データを電波によって送信する装置である。送信すべき計測データを得るためのセンサ（図示せず）は、信号発信デバイス１６に組み込まれていてもよく、あるいは、バンド１４に取り付けられていてもよい。

３つの熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３は、同じ構造を有している。以下、熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３の各々を熱発電ユニット１２と称することもある。本実施形態では３つの熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３を用いているが、熱発電ユニット１２の数は３つに限られず、２つ以上（複数個）とすることができる。

図３は熱発電ユニット１２の側面図である。熱発電ユニット１２は、熱電素子２０と、ベース部材２２と、フィン部材２４とを含む。ベース部材２２は、例えば金属材料のように伝熱性のよい材料により形成され、熱電素子２０の下面（高温側）に取り付けられる。フィン部材２４は、例えば金属材料のように伝熱性のよい材料により形成され、熱電素子２０の上面（低温側）に取り付けられる。各熱発電ユニット１２のベース部材２２はバンド１４により接続され、ループが形成される。

熱電素子２０は、皮膚に接触したベース部材２２の温度（すなわち、皮膚の温度）と、フィン部材２４の温度（すなわち、外気温）との温度差により、ゼーベック効果を利用して電気エネルギを発生する素子である。したがって、ベース部材２２の温度を手首の皮膚の温度に等しくするために、腕時計型熱発電デバイス１０を手首に装着した際に、ベース部材２２が皮膚に密着した状態とすることが好ましい。

そのためには、腕時計型熱発電デバイス１０を手首に装着する際に、バンド１４をきつく手首に巻き付ける必要がある。しかし、通常、バンド１４をそのようにきつく巻き付けることはなく、緩めに余裕をもって巻き付けることとなる。バンド１４を手首に緩めに巻き付けた場合、図４に示すように熱発電ユニット１２が手首の皮膚から離れてしまう状態となり得る。図４に示す例では、点線で囲まれた部分において、熱発電ユニット１２−３のベース部材２２が手首の皮膚から離れてしまっている。このような状態となると、熱発電ユニット１２−３のベース部材２２は皮膚の温度とはならず、外気温に近い温度となってしまう。したがって、熱電素子２０に温度差がなくなってしまい、熱電素子２０が発電できなくなってしまう。

なお、本実施形態では熱電素子２０に温度差を与えるための熱源（高温側）として人体の一部（腕又は手首）を用いているが、熱源は人体に限られず、外気温（低温側）より高いものであれば熱源として利用できる。

図４に示す例では、熱発電ユニット１２−３のベース部材２２が腕又は手首の皮膚から離れているが、腕や手首の動きによって、他の熱電ユニット１２−１，１２−２が皮膚から離れることもあり得る。

ここで、熱発電ユニット１２は小型であり、且つ外気温と体温の温度差も小さいため、各熱発電ユニット１２の熱電素子２０による発電量は極微量であり、発生する電圧及び電流は小さい。このため、本実施形態では、３つの熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３を直列に接続して、電圧を高くしている。あるいは、３つの熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３を並列に接続することで、電流を増大している。

図５は３つの熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３の全てが発電している際の腕時計型熱発電デバイス１０の電気回路の等価回路図である。熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３は、信号発信デバイス１６に直列に接続されており、熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３で発生した電圧の和が信号発信デバイス１６に印加される。この電圧により信号発信デバイス１６が作動し、電波により計測データを発信することができる。

各熱発電ユニット１２は、等価回路で表すと、起電力ｖ（ｖ１，ｖ２，ｖ３）と内部抵抗ｒが直列に接続された回路となる。起電力ｖ１，ｖ２，ｖ３は、それぞれ、熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３の熱電素子２０が皮膚と外気温の温度差ΔＴに比例して発生する起電力である。

ここで、例えば図４に示すように、熱発電ユニット１２−３のベース部材２２が皮膚から離れてしまった場合、熱発電ユニット１２−３の熱電素子２０の起電力は無くなり、起電力ｖ３＝０となる。図６は熱発電ユニット１２−３の熱電素子２０の起電力がゼロとなったときの腕時計型熱発電デバイス１０の電気回路の等価回路図である。この際、熱発電ユニット１２−３の起電力ｖ３はゼロとなるが、内部抵抗ｒはそのまま負荷として残るので、腕時計型熱発電デバイス１０全体としての発電出力は低下してしまう。

そこで、本実施形態では、皮膚から離れてしまって起電力が無くなった熱発電ユニット１２を発電回路から切り離すことで、当該熱発電ユニット１２の内部抵抗ｒを切り離し、出力電力の低下を抑制する。例えば、図４に示すように熱発電ユニット１２−３がベルト１４の弛みにより皮膚から浮き上がって離れたときに、熱発電ユニット１２−３を発電回路から切り離す。熱発電ユニット１２−３の内部抵抗ｒに影響されずに、残りの熱発電ユニット１２−１，１２−２の発電出力をそのまま利用することができるようになる。

ここで、発電回路で得られる電圧を高くしたい場合は、熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３を直列に接続することで３つの熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３の各々が出力する電圧の和が発電回路が出力する電圧となる。図７は熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３を直列に接続した場合の発電回路の等価回路図である。図７において、熱発電ユニット１２−３が皮膚から離れたために発電回路から切り離された状態が示されている。すなわち、熱発電ユニット１２−３は発電回路から切り離され、熱発電ユニット１２−３の両端を短絡する短絡回路が形成される。これにより、発電回路は熱発電ユニット１２−１，１２−２が直列に接続された回路として動作することができる。

一方、発電回路で得られる電流を大きくしたい場合は、熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３を並列に接続することで３つの熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３の各々が出力する電流の和が発電回路が出力する電流となる。図８は熱発電ユニット１２−１，１２−２，１２−３を並列に接続した場合の発電回路の等価回路図である。図８において、熱発電ユニット１２−３が皮膚から離れたために発電回路から切り離された状態が示されている。すなわち、熱発電ユニット１２−３が接続されている配線を遮断（開放）することで、熱発電ユニット１２−３は発電回路から切り離される。これにより、発電回路は熱発電ユニット１２−１，１２−２が並列接続された回路として動作することができる。

次に、熱発電ユニット１２を回路から切り離すための構成について説明する。

まず、熱発電ユニット１２が並列に接続された発電回路において、一つの熱発電ユニット１２を切り離すための構成について説明する。すなわち、図８に示す等価回路における熱発電ユニット１２−３を切り離すためのスイッチ機構について説明する。

図９はフィン部材２４が取り除かれた状態の熱発電ユニット１２の平面図である。図１０及び図１１は図９のＡ−Ａ線に沿った断面図である。熱発電ユニット１２のベース部材２２の上に配線が形成される。ベース部材２２は例えばアルミニウムで形成されており、表面に陽極酸化皮膜が形成されている。陽極酸化皮膜は絶縁性を有する被膜であり、その上に配線を施すことができる。ベース部材２２の材料としては、アルミニウムの他に銅、あるいはこれらの金属の合金、さらにはアルミナなどの熱伝導性のよいセラミックスなどを用いることができる。ベース部材２２の表面には、絶縁性を保つために例えば酸化膜や窒化膜などの絶縁膜を設けることが好ましい。

ベース部材２２上に、電源配線５０Ａ及び電源配線５０Ｂが平行に設けられ、それらの間の領域に熱電素子２０が配置され固定される。熱電素子２０が搭載された位置の近傍に凹部２２ａが形成される。

ベース部材２２に形成された凹部２２ａ内には、形状記憶合金で形成された形状記憶バネ５２に支えられた接続端子板５４が配置される。形状記憶バネ５２は、人間の皮膚の温度（例えば、３５℃）度で変形（湾曲）するように設定されており、後述のように接続端子板５４を上下に移動するために設けられている。

図１２は接続端子板５４の平面図である。絶縁材で形成された接続端子板５４には、２つの接点５４ａ、５４ｂが形成されている。接続端子板５４の中央の下面に形状記憶バネ５２の先端が固定される（図１０，１１参照）。形状記憶バネ５２は、皮膚の温度に応じて可逆的に変形する変形部材の一例である。

電源配線５０Ａ及び電源配線５０Ｂが形成されたベース部材２２上には、さらに、引き出し配線５６Ａ，５６Ｂ及び端子配線５８Ａ，５８Ｂが形成されている。

引き出し配線５６Ａは電源配線５０Ａから延在し、その先端５６Ａａは凹部２２ａの縁の近傍に位置している。また、端子配線５８Ａの一端５８Ａａは、熱電素子２０のマイナス（−）端子の近傍に位置し、他端５８Ａｂは凹部２２ａの開口に張り出している。引き出し線５６Ａの先端５６Ａａが端子配線５８Ａの他端５８Ａｂに電気的に接続されると、熱電素子２０のマイナス（−）端子が電源配線５０Ａに電気的に接続されることとなる。このように引き出し線５６Ａの先端５６Ａａと端子配線５８Ａの他端５８Ａｂとを電気的に切り離し可能に接続するために、上述の形状記憶バネ５２に支えられた接続端子板５４が凹部２２ａ内に配置されている。

ここで、凹部２２ａの近傍に配置された引き出し配線５６Ａの端部５６Ａａは、フレキシブル基板６０Ａにより、凹部２２ａ内の接続端子板５４に設けられた接点５４ａに電気的に接続されている。接続端子板５４は凹部２２ａ内で上下に移動できる状態とする必要があり、柔軟性を有するフレキシブル基板６０Ａで接続することで、移動可能な状態にしている。凹部２２ａ内の接続端子板５４は、凹部２２ａの開口に張り出した端子配線５８Ａの端部５８Ａｂの直下に接点５４ａがくるような位置に配置される。

一方、引き出し配線５６Ｂは電源配線５０Ｂから延在し、その先端５６Ｂａは凹部２２ａの縁の近傍に位置している。端子配線５８Ｂの一端５８Ｂａは、熱電素子２０のプラス（＋）端子の近傍に位置し、他端５８Ｂｂは凹部２２ａの開口に張り出している。引き出し線５６Ｂの先端５６Ｂａが端子配線５８Ｂの他端５８Ｂｂに電気的に接続されると、熱電素子２０のプラス（+）端子が電源配線５０Ｂに電気的に接続されることとなる。このように引き出し線５６Ｂの先端５６Ｂａと端子配線５８Ｂの他端５８Ｂｂとを電気的に切り離し可能に接続するために、上述の形状記憶バネ５２に支えられた接続端子板５４が凹部２２ａ内に配置されている。

ここで、凹部２２ａの近傍に配置された引き出し配線５６Ｂの端部５６Ｂａは、フレキシブル基板６０Ｂにより、凹部２２ａ内の接続端子板５４に設けられた接点５４ｂに電気的に接続されている。接続端子板５４は凹部２２ａ内で上下に移動できる状態とする必要があり、柔軟性を有するフレキシブル基板６０Ｂで接続することで、移動可能な状態にしている。凹部２２ａ内の接続端子板５４は、凹部２２ａの開口に張り出した端子配線５８Ｂの端部５８Ｂｂの直下に接点５４ｂがくるような位置に配置される。

図１０は熱発電ユニット１２のベース部材２２が皮膚に接触している状態での、凹部２２ａ内の接続端子板５４を示している。ベース部材２２が皮膚に接触している状態では、ベース部材２２が体温（皮膚の温度）に近い温度となっており、形状記憶バネ５２も体温に近い温度となる。したがって、形状記憶バネ５２は変形（湾曲）し、形状記憶バネ５２の先端に固定された接続端子板５４は形状記憶バネ５２により持ち上げられ上方に移動する。これにより、接続端子板５４の接点５４ａ，５４ｂは、それぞれ端子配線５８Ａ，５８Ｂの端部５８Ａｂ，５８Ｂｂに接触し、電気的に接続される。

図１０に示す状態となると、熱電素子２０のマイナス（−）端子は、端子配線５８Ａ、フレキシブル基板６０Ａ、及び引き出し配線５６Ａを介して電源配線５０Ａに電気的に接続される。また、熱電素子２０のプラス（＋）端子は、端子配線５８Ｂ、フレキシブル基板６０Ｂ、及び引き出し配線５６Ｂを介して電源配線５０Ｂに電気的に接続される。したがって、熱電素子２０が発電した電力は電源配線５０Ａ，５０Ｂから発電回路に出力される。
図１１は熱発電ユニット１２のベース部材２２が皮膚から離れた状態での、凹部２２ａ内の接続端子板５４を示している。ベース部材２２が皮膚から離れた状態では、ベース部材２２は体温（皮膚の温度）に近い温度より低くなり、形状記憶バネ５２も体温に近い温度より低くなる。したがって、形状記憶バネ５２の形状は初期の形状に戻り、形状記憶バネ５２の先端に固定された接続端子板５４は形状記憶バネ５２により下方に移動する。これにより、接続端子板５４の接点５４ａ，５４ｂは、それぞれ端子配線５８Ａ，５８Ｂの端部５８Ａｂ，５８Ｂｂから離間し、電気的接続が解除される。

図１１に示す状態となると、熱電素子２０のマイナス（−）端子と電源配線５０Ａとの間の電気的接続が解除される。また、熱電素子２０のプラス（＋）端子と電源配線５０Ｂとの間の電気的接続も解除される。したがって、熱電素子２０は電源配線５０Ａ，５０Ｂを含む発電回路から切り離された状態となる。

上述の例では、熱電素子２０のマイナス（−）側端子と電源配線５０Ａとの間、及びプラス（＋）側端子と電源配線５０Ｂとの間の両方を開放することで、熱電素子２０を切り離しているが、必ずしも両方を開放する必要はなく、どちらか一方を開放すれば熱電素子２０を切り離すことができる。すなわち、例えば接続端子板５４に接点５４ａのみを設けておき、配線電源配線５０Ａから端子配線５８Ａまでの配線経路を接点５４ａのところで開放可能とする。そして、引き出し配線５６Ｂと端子配線５８Ｂを連続した一本の配線として形成して、熱電素子２０のプラス（＋）側端子は常にこの配線により電源配線５０Ｂに接続されているようにする。

以上説明した構成は、複数の熱発電ユニット１２が並列に接続されている発電回路において一つの熱発電ユニット１２の熱電素子２０を発電回路から切り離すためのスイッチ機構である（図８参照）。ここで、複数の熱発電ユニット１２が直列に接続されている発電回路においては、一つの熱発電ユニット１２の熱電素子２０を切り離したら、電源配線５０Ａと電源配線５０Ｂとの間を短絡しないと発電回路が遮断された状態になってしまう（図７参照）。そこで、複数の熱発電ユニット１２が直列に接続されている発電回路においては、接続端子板５４が下方に移動した際に、接点５４ａ及び接点５４ｂが接続端子板５４の下側に設けられた短絡用部材に接触して短絡するようにし、電源配線５０Ａと電源配線５０Ｂとの間を短絡させる。この場合、短絡用部材を凹部２２ａの底面に配置したとすると、凹部２２ａの底面に溝を形成して、この溝に形状記憶バネ５２を収容すればよい。

以上のように、図９乃至図１１に示す構成によれば、熱電素子２０を発電回路から切り離す際に、センサやマイコンを用いることなく、形状記憶バネ５２を用いて回路の切り替えを実現している。このため、熱発電ユニット１２での発電で得られる電力を回路の切替え動作に用いる必要はなく、熱電素子２０による微小な発電量を有効に本来の目的に使用することができる。

なお、上述の例では体温に応じて可逆的に変形する形状記憶合金で形成した形状記憶バネ５２を変形部材として用いているが、変形部材（形状記憶バネ５２）は形状記憶合金に限られず、例えば、規定の温度（体温に近い温度）で変形するバイメタルを用いて形状記憶バネ５２を形成してもよい。

次に、熱発電ユニット１２を回路から切り離すための他の構成について説明する。

まず、熱発電ユニット１２が直列に接続された発電回路において、一つの熱発電ユニット１２を切り離すための構成について説明する。すなわち、図７に示す等価回路における熱発電ユニット１２−３を切り離すためのスイッチ機構について説明する。

図１３はフィン部材２４が取り除かれた状態の熱発電ユニット１２の平面図である。図１４及び図１５は図１３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１３において、図９に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

ベース部材２２に形成された凹部２２ａ内には、突起状ボタン７０の上端に支持された接続端子板５４が配置される。突起状ボタン７０は後述のようにベース部材２２を貫通してベース部材２２の底面２２ｂから突出するようにバネ７２により付勢されている。突起状ボタン７０の先端（下端）を押圧して移動することで、突起状ボタン７０の上端に支持された接続端子板５４が上下に移動する構成となっている（図１４，１５参照）。なお、突起状ボタン７０は、その一部がベース部材２２から突出可能に配置される突出部材の一例であり、ボタン形状に限定されるものではない。また、バネ７２としてコイルバネを用いているが、バネ７２は突出部材を付勢する弾性部材の一例であり、例えばゴム材、板バネ材、プラスチック材等の様々な部材をバネ７２として用いることができる。

図１３に示す構成では、電源配線５０Ｂは電源配線５０Ｂ−１と電源配線５０Ｂ−２とを含んでいる。電源配線５０Ｂ−１の端部５０Ｂ−１ａと電源配線５０Ｂ−２の端部５０Ｂ−２ａとの間には、凹部２２ａが形成されている。そして、凹部２２ａの近傍に配置された電源配線５０Ｂ−１の端部５０Ｂ−１ａは、フレキシブル基板６０Ａにより、凹部２２ａ内の接続端子板５４に設けられた接点５４ａに電気的に接続されている。上述のように接続端子板５４は凹部２２ａ内で上下に移動できる状態とする必要があり、柔軟性を有するフレキシブル基板６０Ａで接続することで、移動可能な状態にしている。凹部２２ａ内の接続端子板５４は、凹部２２ａの開口に張り出した端子配線５８Ａの端部５８Ａｂの直下に接点５４ａがくるような位置に配置される。一方、凹部２２ａの近傍に配置された電源配線５０Ｂ−２の端部５０Ｂ−２ａは、フレキシブル基板６０Ｂにより、凹部２２ａ内の接続端子板５４に設けられた接点５４ｂに電気的に接続されている。接続端子板５４は凹部２２ａ内で上下に移動できる状態とする必要があり、柔軟性を有するフレキシブル基板６０Ｂで接続することで、移動可能な状態にしている。凹部２２ａ内の接続端子板５４は、凹部２２ａの開口に張り出した端子配線５８Ｂの端部５８Ｂｂの直下に接点５４ｂがくるような位置に配置される。

図１４は熱発電ユニット１２のベース部材２２が皮膚に接触している状態での、凹部２２ａ内の接続端子板５４を示している。ベース部材２２が皮膚に接触している状態では、ベース部材２２の底面２２ｂから突出する突起状ボタン７０は皮膚により押圧され、バネ７２のバネ力に抗して凹部２２ａ内に押し上げられている。したがって、突起状ボタン７０の上端に固定された接続端子板５４は突起状ボタン７０により持ち上げられ上方に移動する。これにより、接続端子板５４の接点５４ａ，５４ｂは、それぞれ端子配線５８Ａ，５８Ｂの端部５８Ａｂ，５８Ｂｂに接触し、電気的に接続される。

図１４に示す状態となると、熱電素子２０のマイナス（−）端子は、端子配線５８Ａ、及びフレキシブル基板６０Ａを介して電源配線５０Ｂ−１に電気的に接続される。また、熱電素子２０のプラス（＋）端子は、端子配線５８Ｂ、及びフレキシブル基板６０Ｂを介して電源配線５０Ｂ−２に電気的に接続される。したがって、熱電素子２０が発電した電力は電源配線５０Ｂ−１及び５０−Ｂ２から発電回路に出力される。
なお、凹部２２ａの底面には、例えば銅のような導電材により形成された短絡用部材８０が配置されている。図１６は短絡用部材８０の平面図である。短絡用部材８０は接続端子板５４に対向する位置に配置されており、接続端子板５４の接点５４ａ，５４ｂに対向する位置に接点８０ａ，８０ｂが設けられている。接点８０ａと接点８０ｂの間には、突起状ボタン７０が貫通して延在するための貫通孔８０ｃが形成されている。

図１５は熱発電ユニット１２のベース部材２２が皮膚から離れた状態での、凹部２２ａ内の接続端子板５４を示している。ベース部材２２が皮膚から離れた状態では、突起状ボタン７０がバネ２１のバネ力により押し下げられ、ベース部材２２の底面２２ｂから突出した状態となる。これにより、突起状ボタン７０の上端に固定された接続端子板５４は下方に移動し、接続端子板５４の接点５４ａ，５４ｂは、それぞれ端子配線５８Ａ，５８Ｂの端部５８Ａｂ，５８Ｂｂからから離間し、電気的接続が解除される。

ここで、接続端子板５４が下方に移動すると、こんどは、接続端子板５４は短絡用部材８０に接近し、接続端子板５４の接点５４ａ，５４ｂは短絡用部材８０の接点８０ａ，８０ｂに接触する。短絡用部材８０は導電材で形成されており、接続端子板５４の接点５４ａ，５４ｂは短絡用部材８０により短絡される。これにより、電源配線５０Ｂ−１と電源配線５０Ｂ−２は導通状態となり、熱電素子２０を迂回した電源配線が形成される。

すなわち、図１５に示す状態となると、熱電素子２０のマイナス（−）端子と電源配線５０Ｂ−１との間の電気的接続が解除される。また、熱電素子２０のプラス（＋）端子と電源配線５０Ｂ−２との間の電気的接続も解除される。そして、接続端子板５４の接点５４ａ，５４ｂが短絡用部材８０により短絡されことにより、電源配線５０Ｂ−１と電源配線５０Ｂ−２は導通状態となる。したがって、熱電素子２０は電源配線５０Ａ，５０Ｂ−１，５０Ｂ−２を含む発電回路から切り離された状態となる。

以上説明した構成は、複数の熱発電ユニット１２が直列に接続されている発電回路において一つの熱発電ユニット１２の熱電素子２０を発電回路から切り離すための構成である（図７参照）。ここで、複数の熱発電ユニット１２が並列に接続されている発電回路においては、一つの熱発電ユニット１２の熱電素子２０を切り離したら、電源配線５０Ｂ−１と電源配線５０Ｂ−２との間を短絡する必要は無い（図８参照）。そこで、複数の熱発電ユニット１２が並列に接続されている発電回路においては、接続端子板５４の下方に短絡用部材８０を配置する必要はなくなる。

また、複数の熱発電ユニット１２が並列に接続されている発電回路においては、熱電素子２０のマイナス（−）側端子と電源配線５０Ｂ−１との間、及びプラス（＋）側端子と電源配線５０Ｂ−２との間の両方を開放する必要はなく、どちらか一方を開放すれば熱電素子２０を切り離すことができる。すなわち、例えば接続端子板５４に接点５４ａのみを設けておき、電源配線５０Ｂ−１から端子配線５８Ａまでの配線経路を接点５４ａのところで開放可能とする。そして、端子配線５８Ｂは削除し、電源配線５０Ｂ−２の端部５０Ｂ−２ａと熱電素子２０のプラス（＋）側端子とを電気的に接続すればよい。

以上のように、図１３乃至図１５に示す構成によれば、熱電素子２０を発電回路から切り離す際に、センサやマイコンを用いることなく、突起状ボタン７０とバネ７２による機械的動作を用いて回路の切り替えを実現している。このため、熱発電ユニット１２での発電で得られる電力を回路の切替え動作に用いる必要はなく、熱電素子２０による微小な発電量を有効に本来の目的に使用することができる。

次に、回路の切替えに用いることのできる他のスイッチ機構について、図１７を参照しながら説明する。熱発電デバイスでは、上述のように電力を用いないで回路の切替えを達成することが好ましい。そこで、図１７に示すスイッチ機構は、体温を利用して２つの端子の接続、開放を行なう。

スイッチ機構は、ベース部材２２の凹部２２ａに設けられたバネ端子９０Ａとバネ端子９０Ｂとそれらの間に配置された蓄熱材料溜まり容器９２とを含む。バネ端子９０Ａとバネ端子９０Ｂとは、弾力製を有する金属バネ材等により形成され、互いに対向して配置される。バネ端子９０Ａとバネ端子９０Ｂとの間に配置された蓄熱材料溜まり容器９２には、体温（例えば、３６℃）で固体から液体に変化する蓄熱材料が充填されている。

蓄熱材料溜まり容器９２は、バネ端子９０Ａとバネ端子９０Ｂとの間に位置する膨張部９２ａとその下に位置する貯蔵部９２ｂとを含む、膨張部９２ａは例えばビニール等の薄いフィルムにより形成されており、変形可能である（容積を変化させることができる）。膨張部９２ａはオリフィス部９２ｃを介して貯蔵部９２ｂに接続されている。貯蔵部９２ｂは柔軟性を有しない固い材料で形成されており、その容積は膨張部９２ａのようには変化しない。

膨張部９２ａ、オリフィス部９２ｃ、及び貯蔵部９２ｂは一つの繋がった容積を形成する容器であり、その中に蓄熱材料が充填されている。上述のように、蓄熱材料は、体温（例えば、３６℃）より低くなると固体となり、体温（例えば、３６℃）より高くなると液体に変化する。すなわち、蓄熱材料は、温度に応じて液相と固相との間で相変化し、相変化の際に体積が変化する。具体的には、蓄熱材料は、固相のときのほうが液相のときより密度が低くなり体積が大きくなるという特性を有しているものがある。このような特性を有する材料は、「有機系潜熱蓄熱材」としていくつかの蓄熱材メーカーから入手することができる。

ベース部材２２が皮膚から離れているときには、図１７（ａ）に示すように、蓄熱材料は固体となっていて密度は低い状態、すなわち体積が大きくなって膨張した状態となる。このとき、蓄熱材料溜まり容器９２のうち、膨張できるのはビニール等の柔軟な材料で形成された膨張部９２ａのみである。したがって、蓄熱材料が膨張する分は、全て膨張部９２ａに集中し、膨張部９２ａは大きく膨張する。したがって、図１７（ａ）に示すように、対向して配置されているバネ端子９０Ａとバネ端子９０Ｂは膨張部９２により押されて開いた状態（接触していない状態）となる。

ベース部材２２が皮膚に接触した状態となると、図１７（ｂ）に示すように、蓄熱材料が体温と同等の温度（例えば、３６℃）となり、蓄熱材料は液体に変化する。このとき、蓄熱材料の体積は小さくなるため、膨張部９２ａ内の蓄熱材料の大部分がオリフィス部９２ｃを通って貯蔵部９２ｂに移動する。このため、バネ端子９０Ａ，９０Ｂを押し広げていた膨張部９２ａが縮小し、図１７（ｂ）に示すように、バネ端子９０Ａとバネ端子９０Ｂは接触する。すなわち、ベース部材２２が皮膚に接触した状態で、バネ端子９０Ａとバネ端子９０Ｂは電気的に導通状態となる。このように、一部が変形可能な容器に充填された蓄熱部材は、バネ端子９０Ａ，９０Ｂを変形駆動するための駆動源として用いられている。

以上のような構成で、例えば、バネ端子９０Ａを電源配線に接続し、バネ端子９０Ｂを熱電素子２０のマイナス（−）側端子、又はプラス（＋）側端子に接続しておけば、ベース部材２２が皮膚から離れた状態となったら、電源配線と熱電素子２０の端子との間の導通が遮断され、熱電素子２０を発電回路から切り離すことができる。ベース部材２２が皮膚に接触すると、再び図１７（ｂ）に示すようにバネ端子９０Ａとバネ端子９０Ｂが接触し、電源配線と熱電素子２０とが電気的に接続された状態となる。

次に、腕時計型熱発電デバイス１０を実際に腕に装着した場合の各熱発電ユニット１２の発電について検討する。腕時計型熱発電デバイス１０を手首に装着して、体側に沿って腕を降ろしているときは、複数の熱発電ユニット１２のうち、体側と腕との間に位置する熱発電ユニット１２のフィン部材２４が腕と体側の間にあって体温により暖められる場合がある。あるいは、熱発電ユニット１２のフィン部材２４が洋服の袖で覆われてしまい、フィン部材２４の温度が上昇するといた状態となる場合もあり得る。このような場合には、熱発電ユニット１２のベース部材２２が皮膚に接触しているのにも関わらず、ベース部材２２とフィン部材２４との間の温度差が小さくなって、熱電素子２０の発電量が大きく減少してしまうおそれがある。このような場合でも、熱電素子２０の内部抵抗はそのまま残るので、熱電素子２０を発電回路から切り離すことが望ましい。

そこで、以下に説明する２段階スイッチ機構により、フィン部材２４（低温側）の温度が高くなってベース部材２２（高温側）との温度差が小さくなるような状況では熱電素子２０を発電回路から切り離すことができる。

図１８は２段階スイッチ機構の動作を説明するための図である。先ず、２段階スイッチ機構の構成について説明する。２段階スイッチ機構は、ベース部材２２の凹部２０ａ内に設けられたバイメタル金属端子１００と金属端子１０２と金属端子１０２の下方に延在する突起状ボタン１０４とを含む。バイメタル金属端子１００と金属端子１０２とは、間に所定の空隙を形成して重なった状態で支持部１０６により支持されている。

支持部１０６において、バイメタル金属端子１００とフィン部材２４との間の部分１０６ａは良熱伝導性絶縁体で形成される。これは、バイメタル金属端子１００の温度をフィン部材２４の温度にほぼ等しくするためである。一方、支持部１０６において、バイメタル金属端子１００と金属端子１０２との間の部分１０６ｂは断熱性絶縁体により形成される。同様に、ベース部材２２の凹部２０ａの底面と金属端子１０２との間の部分１０６ｃも断熱性絶縁体により形成される。これは、ベース部材２２の熱がバイメタル金属端子１００に伝わらないようにするためである。

金属端子の先端側の下方に突起状ボタン１０４が配置されている。突起状ボタン１０４はベース部材２２を貫通して、ベース部材２２の底面２２ｂから突出するようにバネ１０８で付勢されている。

ここで、金属端子１０２は電源配線に接続され、バイメタル金属端子１００は熱電素子２２のマイナス（−）側端子又はプラス（＋）側端子に接続されているものとして、２段スイッチ機構の動作について説明する。

ベース部材２２が皮膚に接触していない状態では、図１８（ａ）に示すように、バイメタル金属端子１００と金属端子１０２は離間しており、熱電素子２０は電源配線に接続されていない。

ここで、ベース部材２２が皮膚に接触した状態となると、図１８（ｂ）に示すように、突起状ボタン１０４が皮膚により押されてベース部材２２内に押し込まれる。すると、突起状ボタン１０４の上端で金属端子１０２が押圧され、金属端子１０２は上に向かって弾性的に変形する。変形した金属端子１０２はその上に配置されているバイメタル金属端子１００に接触する。これにより、金属端子１０２とバイメタル金属端子１００とが電気的に導通し、その結果、熱電素子２０が電源配線に電気的に接続される。したがって、熱電素子２０で発電した電力が電源配線に出力される。

ここで、例えばフィン部材２４が袖により覆われてしまったというような何らかの理由により、フィン部材２４（低温側）の温度が所定の閾値Ｔｈ以上になったと想定する。ここで、バイメタル金属端子１００の変形温度が閾値Ｔｈに設定されているものとする。閾値Ｔｈは体温（例えば、３６℃）よりは低いが外気温（例えば、１０〜２５℃）より高い温度である。この場合、フィン部材２４の温度が閾値Ｔｈ以上となるため、熱電素子２０に与えられる温度差が小さくなり、熱電素子２０で発電する電力は減少してしまう。したがって、当該熱電素子２０の内部抵抗による損失を無くすために当該熱電素子２０を発電回路から切り離すことが望ましい。

そこで、図１８（ｃ）に示すように、フィン部材２４の温度が閾値Ｔｈを超えるので、バイメタル金属端子１００の温度も閾値以上となり、バイメタル金属端子１００が変形して上に反って変形した状態となる。これにより、バイメタル金属端子１００は金属端子１０２から離れて電気的導通は遮断される。その結果、熱電素子２０と電源配線との間の電気的接続は遮断され、熱電素子２０は発電回路から切り離される。これにより、発電量が減少し、あるいは発電しなくなった熱電素子２０の内部抵抗を発電回路から切り離すことができ、発電効率の減少を抑制することができる。

なお、フィン部材２４の周囲の温度が低下して閾値Ｔｈより低くなると、バイメタル金属端子１００は元の形状に戻り、金属端子１０２と接触して導通した状態になるため、熱電素子２０は発電回路に接続された状態にもどる。

また、ベース部材２２が皮膚から離間すると、突起状ボタン１０４がバネ１０８のバネ力により下方に移動に、金属電極１０２の弾性変形も元に戻る。これにより、金属電極１０２とバイメタル金属端子１００との電気的導通も遮断され、図１８（ａ）に示す状態に戻る。

以上のように、本明細書は以下の事項を開示する。
（付記１）
各々が熱電素子を有し、熱源に接触することで発電する複数の熱発電ユニットと、
該熱発電ユニットを接続して形成される発電回路と、
前記熱発電ユニットの一つと前記熱源との接触状態に応じて、当該一つの熱発電ユニットの熱電素子を前記発電回路から切り離すスイッチ機構と
を有する熱発電デバイス。
（付記２）
付記１記載の熱発電デバイスであって、
前記スイッチ機構は、前記熱電素子への接続を遮断した回路を形成する開閉機構と前記熱電素子を短絡した回路を形成する短絡機構とのうち少なくとも一方を含む熱発電デバイス。
（付記３）
付記１又は２記載の熱発電デバイスであって、
前記スイッチ機構は、前記熱源の温度に応じて可逆的に変形する変形部材を含む熱発電デバイス。
（付記４）
付記３記載の熱発電デバイスであって、
前記変形部材は、形状記憶合金により形成される熱発電デバイス。
（付記５）
付記３記載の熱発電デバイスであって、
前記変形部材は、バイメタルにより形成される熱発電デバイス。
（付記６）
付記１又は２記載の熱発電デバイスであって、
前記スイッチ機構は、
前記熱源に接触して移動可能な突出部材と、
前記突出部材を付勢する弾性部材と
を含む熱発電デバイス。
（付記７）
付記１又は２記載の熱発電デバイスであって、
前記スイッチ機構は、前記熱源の温度に応じて融解する蓄熱材料を駆動源として含む熱発電デバイス。
（付記８）
付記７記載の熱発電デバイスであって、
前記蓄熱材料は、少なくとも一部が変形可能な容器に充填されており、前記蓄熱材料の相変化による体積変化に応じて該容器の一部が変形する熱発電デバイス。
（付記９）
付記１記載の熱発電デバイスであって、
前記スイッチ機構は、前記熱発電ユニットの一つと前記熱源との接触状態と、当該一つの熱発電ユニットの熱電素子に与えられる低温側の温度とに基づいて、当該一つの熱発電ユニットの熱電素子を前記発電回路から切り離す熱発電デバイス。
（付記１０）
付記９記載の熱発電デバイスであって、
前記スイッチ機構は、
前記熱源に接触して移動可能な突出部材と、
前記突出部材を付勢する弾性部材と、
前記熱電素子に与えられる低温側の温度に応じて可逆的に変形する変形部材と
を含む熱発電デバイス。

１０ 腕時計型熱発電デバイス
１２，１２−１，１２−２，１２−３ 熱発電ユニット
１４ バンド
１６ 信号発信デバイス
１８ 留め金
２０ 熱電素子
２２ ベース部材
２４ フィン部材
５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｂ−１，５０Ｂ−２ 電源配線
５２ 形状記憶バネ
５４ 接続端子板
５４ａ，５４ｂ 接点
５６Ａ，５６Ｂ 引き出し配線
５８Ａ，５８Ｂ 端子配線
６０Ａ，６０Ｂ フレキシブル基板
７０ 突起状ボタン
７２ バネ
８０ 短絡用部材
８０ａ，８０ｂ 接点
８０ｃ 貫通孔
９０Ａ，９０Ｂ バネ端子
９２ 蓄熱材料溜まり容器
９２ａ 膨張部
９２ｂ 貯蔵部
９２ｃ オリフィス部
１００ バイメタル金属端子
１０２ 金属端子
１０４ 突起状ボタン
１０６ 支持部

Claims (6)

1. 各々が熱電素子を有し、熱源に接触することで発電する複数の熱発電ユニットと、
   該熱発電ユニットを接続して形成される発電回路と、
   前記熱発電ユニットの一つが前記熱源から離れたら、当該一つの熱発電ユニットの熱電素子を前記発電回路から切り離すスイッチ機構と
   を有する熱発電デバイス。
2. 請求項１記載の熱発電デバイスであって、
   前記スイッチ機構は、前記熱電素子への接続を遮断した回路を形成する開閉機構と前記熱電素子を短絡した回路を形成する短絡機構とのうち少なくとも一方を含む熱発電デバイス。
3. 請求項１又は２記載の熱発電デバイスであって、
   前記スイッチ機構は、前記熱源の温度に応じて可逆的に変形する変形部材を含む熱発電デバイス。
4. 請求項１又は２記載の熱発電デバイスであって、
   前記スイッチ機構は、
   前記熱源に接触して移動可能な突出部材と、
   前記突出部材を付勢する弾性部材と
   を含む熱発電デバイス。
5. 請求項１又は２記載の熱発電デバイスであって、
   前記スイッチ機構は、前記熱源の温度に応じて融解する蓄熱材料を駆動源として含む熱発電デバイス。
6. 請求項１記載の熱発電デバイスであって、
   前記スイッチ機構は、前記熱発電ユニットの一つが前記熱源から離れ、且つ、当該一つの熱発電ユニットの熱電素子に与えられる低温側の温度が閾値以上となったら、当該一つの熱発電ユニットの熱電素子を前記発電回路から切り離す熱発電デバイス。

Images