JP5878053B2 - 熱発電装置および時計 - Google Patents

Description

本発明は、周囲の温度差により発電する熱発電装置、熱発電装置により発電される電力を電源として利用する時計、および熱発電装置の制御方法に関するものである。

従来より、人体に装着される腕時計の内部に備えられ、周囲の温度差により発電する発電素子を有する熱発電装置において、人体から伝わる熱による温度と、腕時計の外部から伝わる温度との温度差により発電電圧を得る熱発電装置が知られている。かかる熱発電装置は、人体に接触する裏蓋と、腕時計の外部への放熱を助長する放熱リングとを備えており、かかる裏蓋と放熱リングとの間に発電素子が備えられている。発電素子は、裏蓋側から伝熱される面と、放熱リング側から伝熱される面とが感じる温度差により発電電力を得るように設計されている（例えば、特許文献１）。
ところで、かかる従来の熱発電装置においては、腕時計が熱源となる人体に装着された後にしばらくすると、熱発電装置が熱平衡状態となり、発電素子の裏蓋側から伝熱される面と、放熱リング側から伝熱される面とが感じる温度の差が小さくなり、所望の電力を得ることができなくなる恐れが生じていた。

特許第３０５４９３３号公報

本発明はかかる事情を考慮してなされたものであり、その目的は、熱源に装着した後の経過時間にかかわらず所望の電力を得ることができる熱発電装置、それを有する時計、および熱発電装置の制御方法を提供することにある。

本発明に係る熱発電装置は、放熱側位置と熱源側位置との温度差に応じて発電する発電素子と、前記発電素子による発電量を蓄電する蓄電部とを備える熱発電装置において、発電素子は、第１発電素子と第２発電素子とを有し、第１発電素子による出力と前記第２発電素子による出力とを選択的に蓄電部に蓄電する切換部を有することを特徴とする。

かかる構成により、熱発電装置が熱源に装着されてからの経過時間にかかわらず所望の電力を得ることができるようになる。すなわち、第１発電素子と第２発電素子との両方からの出力を蓄電することができるので、片方の発電素子の発電電力が低下してときにおいても、所望の電力を確保することができる。

また、本発明に係る熱発電装置は、放熱側位置は、第１発電素子に伝熱する第１放熱側位置と、第２発電素子に伝熱する第２放熱側位置とを有し、切換部は、第１放熱側位置と前記熱源側位置とが熱平衡状態にあるとき、第２発電素子からの出力を蓄電部に蓄電させ、 第２放熱側位置と熱源側位置とが熱平衡状態にあるとき、第１発電素子からの出力を蓄電部に蓄電させることを特徴とする。

かかる構成により、熱発電装置が熱源に装着されてから時間が経過しても所望の電力を継続して得ることができる。すなわち、第１発電素子と第２発電素子の一方の発電素子の発電電力が所望の値を維持できなくなる時期において、他方の発電素子からの発電電力を得ることができるようになる。したがって、各々の発電素子の発電電力を効率的に利用しつつ、電力を確保することができるようになる。

また、本発明に係る熱発電装置は、第１放熱側位置と第２放熱側位置との間には低伝導部が設けられ、低伝導部は、第１放熱側位置および第２放熱側位置より低い熱伝導率を有することを特徴とする。

かかる構成により、第１発電素子に熱を伝える第１放熱側位置と、第２発電素子に熱を伝える第２放熱側位置との間の熱伝導が低くなるので、第１放熱側位置と第２放熱側位置とにおける温度を異なる値とすることが容易となる。よって、一方の放熱側位置が熱源側位置と熱平衡状態に達することで発電電力が低下しても、他方の放熱側位置と熱源側位置との間の温度差を確保することができ、その他方からの発電電力を確保することができるようになる。

また、本発明に係る熱発電装置は、熱平衡状態にあるとき切換部を駆動する駆動部を有することを特徴とする。

かかる構成により、第１発電素子と第２発電素子のいずれか一方の発電素子の発電電力が所望の値を維持できなくなる場合に他方の発電素子からの発電に切り換える際、熱平衡状態の有無により駆動部を駆動することで切換部を駆動できるようになる。よって、切換えのタイミングをより適切なものとすることができるので、安定した電力を供給することができるようになる。

また、本発明に係る熱発電装置は、第１発電素子および第２発電素子により発電され、蓄電部に蓄積される電圧を検出する検出部を有し、検出部に基づく検出値が、熱平衡状態と判断する所定の閾値になったとき、駆動部が駆動されることを特徴とする。

かかる構成により、第１発電素子と第２発電素子のいずれか一方の発電素子の発電電力が所望の値を維持できなくなる時期を、検出部による検出値と所定の閾値との関係により判断できるようになる。よって、閾値の設定により、切換えのタイミングをより適切なものとすることができるので、より安定した電力を供給することができるようになる。

また、本発明に係る熱発電装置は、切換部は、回転軸回りに回転する回転部材を有し、 回転部材は、第１発電素子の発電時に第１角度に固定され、第２発電素子の発電時に第２角度に固定され、駆動部は、回転部材を、第１角度と第２角度との間で移動させることを特徴とする。

かかる構成により、回転部材の角度に応じて、第１発電素子と第２発電素子のいずれか一方からの発電電力に切換えることができる。回転部材の回転半径内で切換動作が行えるので小型化を実現するとともに、切換部の動作の受ける抵抗が、回転軸受の軸受抵抗のみとなるので、切換動作の応答性が向上する。よって、熱発電装置として、温度変化に対する追従性が向上し、継続的に安定した電力供給を実現することができるようになる。

また、本発明に係る熱発電装置は、駆動部は、回転部材を駆動する駆動レバーを有することを特徴とする。

かかる構成により、駆動レバーにより切換部を切換え、第１発電素子と第２発電素子のいずれか一方からの発電を選択できるようになる。

また、本発明に係る時計は、請求項１に記載の熱発電装置と、熱発電装置の蓄電部に蓄電された電力により回転される針部を有する文字板とを有する時計であることを特徴とする。

かかる構成により、安定した電力により駆動することができる時計を供給することができるようになる。

また、本発明に係る熱発電装置の制御方法は、熱源側位置と第１放熱側位置との温度差に応じて発電する第１発電素子と、熱源側位置と第１放熱側位置とは異なる位置に設けられる第２放熱側位置との温度差に応じて発電する第２発電素子と、第１発電素子および第２発電素子による発電量を蓄電する蓄電部とを備える熱発電装置の制御方法において、第１放熱側位置と熱源側位置とが熱平衡状態にあるとき、第２発電素子からの出力を蓄電部に蓄電させ、第２放熱側位置と熱源側位置とが熱平衡状態にあるとき、第１発電素子からの出力を蓄電部に蓄電させることを特徴とする。

かかる構成により、熱発電装置が発熱源に装着されてから時間が経過しても所望の電力を得ることができるようになる。すなわち、第１発電素子と第２発電素子との両方からの出力を蓄電することができるので、片方の発電素子の発電電力が低下したときにおいても、電力を確保することができる。

熱源に装着されてからの経過時間にかかわらず所望の電力を得ることができる熱発電装置、それを有する時計、および熱発電装置の制御方法を提供することができる。

本発明に係る実施例の熱発電装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明に係る実施例の熱発電装置の作動状態を示す図である。 図２における要部断面図である。 本発明に係る実施例の熱発電装置の図２および図３とは別の作動状態を示す図である。 図４における要部断面図である。 本発明に係る実施例の熱発電装置による発電状態を表す特性図である。 本発明に係る実施例の熱発電装置を搭載した時計を人体に装着した状態を表す図である。

本発明に係る実施例の構成を、図１から図７に基づいて説明する。
まず、図１および図７に基づき、本実施例の全体構成を説明する。図１は、本実施例の熱発電装置の全体構成を示すブロック図であり、図７は、本実施例の熱発電装置を搭載した時計を人体に装着した状態を表す図である。
図１および図７に示すように、時計３００は、ムーブメント２００、熱発電装置１、後述する文字板２０２に取付けられる針部２０４を有する。ムーブメント２００は針部２０４を運針する運針部１６を有する。熱発電装置１は、第１発電素子２と第２発電素子４による発電電力を、昇圧部１４を介して蓄電部６に蓄電するように構成される。蓄電部６に蓄えられた電力は、運針部１６を駆動するエネルギーとして利用される。運針部１６は、時計の針を回転させるための回転トルクを伝達する輪列などにより構成される。さらに運針部１６から伝達される回転トルクはムーブメント２００から出力され、時計の針部２０４の運針に利用される。つまり、熱発電装置１は時計の電源として利用される。

熱発電装置１は、第１発電素子２、第２発電素子４、昇圧部１４、蓄電部６のほかに、検出部１０、駆動部１２、切換部８を有する。第１発電素子２は、素子の両側が感じる温度差により所謂ゼーベック効果を利用して発電する発電素子である。後述する切換部８により発電可能な状態となると、素子周囲の温度差に応じた電圧を出力する。以下、かかる出力電圧を必要に応じて第１発電電圧と称する。第２発電素子４も、第１発電素子２と同様に、周囲の温度差に応じた電圧を出力する。以下、かかる出力電圧を必要に応じて第２発電電圧と称する。

昇圧部１４は、発振回路やチャージポンプ回路等により構成され、前述の第１発電電圧と第２発電電圧を昇圧し、後述する蓄電部６に供給する。蓄電部６は、前述の第１発電電圧と第２発電電圧が昇圧部１４で昇圧された電圧を蓄電する。蓄電部６は、単一のコンデンサやキャパシタ、それらを組み合わせた複合部品、二次電池や蓄電池などの、呼称は様々あるが、電力を蓄えられる部品により構成される。

検出部１０は、蓄電部６に供給される第１発電素子２および第２発電素子４からの電力の値を検出する。検出値としては、第１発電素子２および第２発電素子４で発電された電力が昇圧部１４で昇圧され、蓄電部６に入力される前の電圧値を測定した値となる。ただし、図１のブロック図の結線位置のような蓄電部６の前の検出でなくてもよく、昇圧部１４の入力前の電圧値を検出してもよい。第１発電素子２と第２発電素子４のそれぞれの発電量を検出するそれぞれの検出素子を設けて別個に検出し、それらを加算してもよい。また、蓄電部６の電圧を検出してもよい。

駆動部１２は、検出部１０で検出された蓄電部６に蓄電される電力に基づき、切換部８を駆動する。駆動部１２を駆動するタイミングは、予め設定する設定値と検出部１０で検出される検出値との比較結果を反映する。かかる比較により、第１発電素子２または第２発電素子４が熱平衡状態にあり発電電圧が低下していると判断されると、駆動部１２が切換部８を駆動し、第１発電素子２および第２発電素子４のうち発電電圧低下と判断された方とは異なる発電素子に発電させる。駆動部１２は、モータ等の駆動手段でもよく、操作者が操作する駆動手段であってもよい。操作者による場合は、検出部１０における比較結果を操作者が認知する認知手段を更に備える。

切換部８は、第１発電素子２と第２発電素子４とを、選択的に発電可能な状態にするよう構成されている。ここで、発電可能な状態というのは、発電素子の両側の接点がそれぞれ異なる熱浴に熱的に導通している状態である。本実施例では、発電素子の一方側が、後述する導熱部材２８に熱的に接続され、他方側が後述する裏側保持部材２６、２７に熱的に接続される状態を指す。また、発電可能ではない状態というのは、発電素子の両側の接点のうち、片方または両方が、大気若しくは閉じられた空間の空気に解放されており、発電素子の両接点を含む近傍領域が熱平衡状態となる状態を指す。なお、第１発電素子２と第２発電素子４のいずれかの接点が大気解放となっても、発電素子の近傍が熱平衡状態となるまでのごく短時間は電圧出力を継続するが、時計の運針に必要な電圧を出力することはできなくなる。

次に、図２から図５に基づき、本実施例の熱発電装置の構造と動作状態について説明する。図２（ａ）は、本実施例の切換部を構成する回転部材が第１角度にあるときの熱発電装置の断面図であり、図２（ｂ）は同じく回転部材が第１角度にあるときの回転部材と第１発電素子と第２発電素子との位置関係を示す平面図であり、図３（ａ）は、図２（ａ）のＤＤ’断面図であり、図３（ｂ）は、図２（ａ）のＣＣ’断面図である。また、図４（ａ）は、本実施例の切換部を構成する回転部材が第２角度にあるときの熱発電装置の断面図であり、図４（ｂ）は、同じく回転部材が第２角度にあるときの回転部材と第１発電素子と第２発電素子との位置関係を示す平面図であり、図５（ａ）は、図４（ａ）のＦＦ’断面図であり、図５（ｂ）は、図４（ａ）のＥＥ’断面図である。

まず、図２および図３に基づいて、回転部材２０が第１角度に配置されているときの状態について説明する。図２（ａ）に示すように、時計３００は、上ケース２０８、下ケース２１０、カバーガラス２０６、金属等の裏蓋２１２により外装を構成している。上ケース２０８は、アルミやステンレススチール等の金属の伝導性のよい材料で形成される第１上ケース２０８ｂと第２上ケース２０８ｃを有し、ポリテトラフルオロエチレンやポリアセタール等の合成樹脂などの熱伝導性の低い断熱的な材料で形成される断熱スペーサー２０８ａを有している。これら、第１上ケース２０８ｂ、第２上ケース２０８ｃ、および断熱スペーサー２０８ａが交互に円環状に配置され圧入等の方法により筒状に一体的に形成されている。下ケース２１０は合成樹脂などにより熱伝導率の低い断熱的な材料により筒状に形成され、上ケース２０８と下ケース２１０が接続されることで、時計の外装の側面を形成している。これら上下ケースは、一方がカバーガラス２０６に、他方が裏蓋２１２により閉塞されている。時計３００の外装の内部には、針部２０４を備える文字盤２０２と、熱発電装置１とムーブメント２００を構成するムーブメント部品２００ａが収容されている。ムーブメント部品２００ａは、輪列等の動力伝達機構等で構成される。なお、以下では、カバーガラス２０６が存在する側を表側、裏蓋２１２が存在する側を裏側と称する。なお、裏蓋２１２は図示しない人体に接触することで、熱発電装置１における熱源側に最も近い位置に配置される。

裏蓋２１２の表側に導熱部材２８を介して第１発電素子２と第２発電素子４とが設けられる。なお、図２（ａ）においては、後述する図２（ｂ）の第１発電素子２を通るＡＡ’断面図となっており、第２発電素子４は図示されていない。第２発電素子４の配置については図２（ｂ）の平面図から理解できる。つまり、第２発電素子４は、図２（ａ）の紙面裏側と紙面表側に設けられる。ここで、導熱部材２８は、例えば銅など伝熱性の高い材料により形成されている。第１発電素子２と第２発電素子４は、ペルチェ素子や熱電対から構成される。第１発電素子２と第２発電素子４の更に表側には、保持部材で表裏を保持された切換部８としての回転部材２０が設けられる。回転部材２０の裏側は第１裏側保持部材２６、表側は第１表側保持部材２４で保持されている。第１裏側保持部材２６は、さらに基板２２を保持している。基板２２は、第１発電素子２、第２発電素子４、昇圧部１４、蓄電部６、検出部１０の間の結線を有し、昇圧部１４、蓄電部６、検出部１０の一部が搭載される。第１表側保持部材２４は、さらに時計の外装である上ケース２０８及び下ケース２１０に対して固定されている。第１表側保持部材２４は、上ケース２０８及び下ケース２１０のどちらかのみに対して固定されていることもある。なお、裏蓋２１２と導熱部材２８との間には熱伝導性グリス３０が塗布されており、時計３００の振動等が生じても裏蓋２１２と導熱部材２８との間の導熱が確保されるようになっている。第１発電素子２と第１裏側保持部材２６、第２発電素子４と第１裏側保持部材２６、第１表側保持部材２４と上ケース２０８及び下ケース２１０、の間にも同様の目的で熱伝導性グリス３０が塗布されている。第１表側保持部材２４と第１裏側保持部材２６とは、例えばアルミニウム、銅、真鍮等の伝熱性の高い材料で構成されている。第１表側保持部材２４は、ムーブメント２００を構成するムーブメント部品２００ａを上ケース２０８等の外装に対して固定している。

図２（ｂ）に示すように、第１発電素子２と第２発電素子４とは２つずつ配置される。２つの第１発電素子２を結ぶ線分と、２つの第２発電素子４を結ぶ線分とは、直交するように配置される。回転部材２０は、金属など伝熱性の高い材料により楕円形板状や長板状に形成され、回転軸２０ａを軸として回転可能に設けられている。回転部材２０は、本図２（ｂ）の配置で示されるような第１角度において、第１発電素子２に表側から重なるように配置され、第１発電素子２の表側と第１表側保持部材２４との熱伝導を可能にする。また、熱発電装置１には駆動部１２としての駆動レバー３６が設けられる。駆動レバー３６は、回転部材２０の位置を第１角度と第２角度との間で移動させることができる。駆動レバー３６は、操作者が操作、若しくは、モータにより位置制御できる基部３６ａと回転部材２０に力を加えることで回転部材２０を回転させる作用部３６ｂとを有している。駆動レバー３６の基部３６ａは、時計の外装の一部たとえば、下ケース２１０に移動可能に支持されている。操作者、もしくは、モータが駆動レバー３６を下ケース２１０に対して移動させることで、駆動レバー３６の作用部３６ｂが回転部材２０を回転させ、回転部材２０の配置角度を変更することができる。また、回転部材２０は図示しない付勢ばねが回転軸に対して取付けられており、回転部材２０を第２角度から第１角度に回る方向である右回り（時計回り）に付勢している。駆動レバー３６の作用部３６ｂは、回転部材２０を第１角度から第２角度に回る方向である左回りに回転させることができる。これら駆動レバー３６と図示しない付勢ばねとの力関係により、回転部材２０が回転させられる。なお、図示しないが、回転部材２０の第１角度、第２角度に対応する位置に、例えば表側保持部材２４，２５に固定されたストッパを設けることができる。これにより、回転部材２０を第１角度と第２角度の外に移動させることがなくなり、より回転部材２０を第１角度と第２角度とに迅速に位置決めすることができる。

図３（ｂ）に示すように、第１裏側保持部材２６は、回転部材２０の回転軸２０ａを挟んで１対で形成される。これは、一対の第１発電素子２に対応して配置されるものである。なお、後述する第２発電素子４に対応して配置される一対の第２裏側保持部材２７も、回転部材２０の回転軸２０ａを挟んで１対で形成される。かかる第１裏側保持部材２６と第２裏側保持部材２７とは互いに離れて配置されている。

図３（ａ）に示すように、第１表側保持部材２４は、回転部材２０の回転軸２０ａを挟んで１対で形成される。これは、一対の第１裏側保持部材２６に対応して配置されるものである。なお、後述する一対の第２表側保持部材２５も、回転部材２０の回転軸２０ａを挟んで１対で形成される。また、第１表側保持部材２４は第１上ケース２０８ｂと熱伝導性グリスを介して接続されており、第２表側保持部材２５は第２上ケース２０８ｃと熱伝導性グリスを介して接続されている。なお導電性グリスは図中省略している。第１上ケース２０８ｂは、第１表側保持部材２４に対応するように一対で構成され、第２上ケース２０８ｃも第２表側保持部材２５に対応するように一対で構成される。また、第１上ケース２０８ｂと第２上ケース２０８ｃとの間には断熱スペーサー２０８ａが配置され、第１上ケース２０８ｂと第２上ケース２０８ｃとの間の熱伝導を遮断している。また、第１表側保持部材２４と第２表側保持部材２５とは互いに空隙４０を挟んで配置されている。空隙４０が、第１表側保持部材２４と第２表側保持部材２５との間の熱の伝熱を抑止する低伝導部となっている。断熱スペーサー２０８ａは、空隙４０の外周側に、空隙４０と対応する位置に配置されている。よって、第１表側保持部材２４と第２表側保持部材２５との間で上ケース２０８を介する熱交換が行われ難くなり、第１表側保持部材２４と第２表側保持部材２５とは熱的に独立した系を構成するようになる。このように、上ケース２０８は、第１上ケース２０８ｂ、第２上ケース２０８ｃにより第１表側保持部材２４と第２表側保持部材２５の放熱性を高めるとともに、断熱スペーサー２０８ａにより、第１表側保持部材２４と第２表側保持部材２５との間の断熱を確保している。なお、断熱スペーサー２０８ａを上述の低伝導部と称してもよい。なお、第１裏側保持部材２６、第１表側保持部材２４、および第１上ケース２０８ｂとが、第１発電素子２を人体等の熱源側位置とは反対側の大気側との熱伝導を可能にする第１放熱側位置となっている。

かかる状態においては、人体に接触する裏蓋２１２から、時計の外装となる上ケース２０８および下ケース２１０に向って熱が伝熱される。かかる伝熱の経路としては、図２（ａ）の熱伝導路Ｈで例示されるように、順次、裏蓋２１２、熱伝導性グリス３０、導熱部材２８、第１発電素子２、熱伝導性グリス３０、第１裏側保持部材２６、回転部材２０、第１表側保持部材２４、熱伝導性グリス３０、第１上ケース２０８ｂの順番で、人体の体温の熱を大気側に伝達する。

次に、図４および図５に基づいて、回転部材が第２角度に配置されているときの状態について説明する。図４（ａ）においては、後述する図４（ｂ）の第２発電素子４を通るＢＢ’断面図となっており、第１発電素子２は図示されていない。第１発電素子２の配置については図４（ｂ）の平面図から理解できる。つまり、第１発電素子２は、図４（ａ）の紙面裏側と紙面表側に設けられる。第１発電素子２と第２発電素子４の更に表側には、保持部材で表裏を保持された切換部８としての回転部材２０が設けられる。回転部材２０の裏側は第２裏側保持部材２７、表側は第２表側保持部材２５で保持されている。第２裏側保持部材２７は、さらに基板２２を保持している。第２表側保持部材２５は、さらに時計の外装である上ケース２０８及び下ケース２１０に対して固定されている。第２表側保持部材２５は、上ケース２０８及び下ケース２１０のどちらかのみに対して固定されていることもある。なお、第２発電素子４と第２裏側保持部材２７、第２表側保持部材２５と上ケース２０８及び下ケース２１０の間には熱伝導性グリス３０が塗布されており、時計３００の振動等が生じても導熱が確保されるようになっている。第２表側保持部材２５と第２裏側保持部材２７とは、例えばアルミニウム、銅、真鍮等の導電性の高い金属材料で構成されている。第２表側保持部材２５は、ムーブメント２００を構成するムーブメント部品２００ａを上ケース２０８等の外装に対して固定している。

図４（ｂ）に示すように、第１発電素子２と第２発電素子４とは２つずつ配置される。２つの第１発電素子２を結ぶ線分と、２つの第２発電素子４を結ぶ線分とは、直交するように配置される。回転部材２０は、金属など伝熱性の高い材料により楕円形板状や長板状に形成され、回転軸２０ａを軸として回転可能に設けられている。回転部材２０は、本図４（ｂ）の配置で示されるような第２角度において、第２発電素子４に表側から重なるように配置され、第２発電素子４の表側と第２表側保持部材２５との熱伝導を可能にする。また、熱発電装置１には駆動部１２としての駆動レバー３６が設けられる。駆動レバー３６は、回転部材２０の位置を第１角度と第２角度との間で移動させることができる。駆動レバー３６は、操作者が操作、若しくは、モータにより位置制御できる基部３６ａと回転部材２０に力を加えることで回転部材２０を回転させる作用部３６ｂとを有している。駆動レバー３６の部３６ａは、時計の外装の一部たとえば、下ケース２１０に移動可能に支持されている。操作者、もしくは、モータが駆動レバー３６を下ケース２１０に対して移動させることで、駆動レバー３６の作用部３６ｂが回転部材を回転させ、回転部材２０の配置角度を変更することができる。また、回転部材２０は図示しない付勢ばねが回転軸に対して取付けられており、回転部材２０を第２角度から第１角度に回る方向である右回り（時計回り）に付勢している。本図４（ｂ）で示される第２角度に回転部材２０を移動させるときは、かかる付勢ばねに抗して駆動レバーを時計３００内部に押し込む。なお、図示しないが、回転部材２０の第１角度、第２角度に対応する位置に、例えば表側保持部材２４，２５に固定されたストッパを設けることができる。これにより、回転部材２０を第１角度と第２角度の外に移動させることがなくなり、より回転部材２０を第１角度と第２角度とに迅速に位置決めすることができる。

図５（ｂ）に示すように、第２発電素子４に対応して配置される一対の第２裏側保持部材２７は、回転部材２０の回転軸２０ａを挟んで１対で形成される。第１裏側保持部材２６と第２裏側保持部材２７とは互いに離れて配置されている。

図５（ａ）に示すように、第２表側保持部材２５は、回転部材２０の回転軸２０ａを挟んで１対で形成される。これは、一対の第２裏側保持部材２７に対応して配置されるものである。第１表側保持部材２４と第２表側保持部材２５とは互いに空隙４０を挟んで配置されている。空隙４０が、第１表側保持部材２４と第２表側保持部材２５との間の熱の伝熱を抑止する低伝導部となっている。なお、第１上ケース２０８ｂ、第２上ケース２０８ｃ、断熱スペーサー２０８ａについての配置は図３（ａ）と同じである。なお、第２裏側保持部材２７、第２表側保持部材２５、および、第２上ケース２０８ｃが、第２発電素子４を人体等の熱源側位置とは反対側の大気側との熱伝導を可能にする第２放熱側位置となっている。

かかる状態においては、人体に接触する裏蓋２１２から、時計の外装となる上ケース２０８および下ケース２１０に向って熱が伝熱される。かかる伝熱の経路としては、図４（ａ）の熱伝導路Ｈで例示されるように、順次、裏蓋２１２、熱伝導性グリス３０、導熱部材２８、第２発電素子４、熱伝導性グリス３０、第２裏側保持部材２７、回転部材２０、第２表側保持部材２５、熱伝導性グリス３０、第２上ケース２０８ｃの順番で、人体の体温の熱を大気側に伝達する。

次に、図６に基づいて、本実施例の作用および効果について説明する。構造上の特徴を引用する場合は、図１〜図５の符号を用いて説明する。図６は、本実施例の第１発電素子と第２発電素子による発電状態を表す特性図である。図６（ａ）は、第１発電素子２と第２発電素子４を切換部８により切換えるタイミングを表しており、図６（ｂ）は、第１発電素子２が感じる温度差の時間経過を表しており、図６（ｃ）は、第２発電素子４が感じる温度差の時間経過を表しており、図６（ｄ）は、検出部１０で検出される第１発電素子２と第２発電素子４による発電量の時間経過を表している。

図６（ａ）から（ｄ）における横軸は、熱発電装置１が熱源である人体に装着された初期状態からの時間の経過を表しており、時刻ｔ０がその装着時である。図６（ａ）の縦軸におけるＬ１は、回転部材２０が第１角度に位置する状態を表しており、Ｌ２は、回転部材２０が第２角度に位置する状態を表している。つまり、初期状態で回転部材２０は、第１角度に位置しており、時刻ｔ１に第２角度に切り換わる。その後、時刻ｔ２において、第１角度に切り換わり、時刻ｔ３において第２角度に切り換わる。また、図６（ｂ）の縦軸は、第１裏側保持部材２６に接する第１発電素子２の表側と導電部材２８に接する第１発電素子２の裏側との温度差ΔＴ１の時間経過を表している。図６（ｃ）の縦軸は、第２裏側保持部材２７に接する第２発電素子４の表側と導電部材２８に接する裏側との温度差ΔＴ２の時間経過を表している。図６（ｄ）の縦軸は、検出部１０で検出される第１発電素子２と第２発電素子４とによる発電電圧Ｖｅを表している。

次に、熱発電装置１が熱源である人体に装着された初期状態（時刻ｔ０）から、第１発電素子２の近傍が熱平衡状態に至る時期（時刻ｔ１）までの状態について説明する。

先ず、時刻ｔ０においては、回転部材２０が第１角度にある図２および図３で説明したような状態となる。図６（ａ）ではＬ１で示される。回転部材２０は初期状態から第１角度に配置されていてもよく、初期状態に第１角度に設定されてもよい。図６（ｂ）を参照すると、裏蓋２１２および導熱部材２８からなる領域を経由して熱源から第１発電素子２の熱源側位置に熱が伝熱されて熱源側位置の温度が上昇する。一方、第１発電素子２の第１放熱側位置は、第１裏側保持部材２６、回転部材２０、第１表側保持部材２４、第１上ケース２０８ｂからなる領域を介して大気により冷却され、第１放熱側位置の温度の上昇が抑制される。これにより、第１発電素子２の熱源側位置の温度と第１放熱側位置の温度との間に生じる温度差ΔＴ１は極大値に向かい増大する。これにともない第１発電素子２の第１発電電圧も増大する。次に、第１発電素子２の近傍の熱的挙動が飽和し熱平衡状態に向かうにつれて、人体側と大気側との間の伝熱経路における局所的な温度勾配が小さくなり、第１発電素子２の熱源側位置の温度と第１放熱側位置の温度との間に生じる温度差ΔＴ１が低下しはじめる。これに伴い、第１発電電圧も低下傾向に変化する。

この期間において、第２裏側保持部材２７と第２表側保持部材２５との間には回転部材２０が存在しないので、第２裏側保持部材２７と第２表側保持部材２５との間はほぼ断熱されている。よって、第２発電素子４の近傍の温度が平衡に達し、熱源側と放熱側との温度差ΔＴ２はほぼゼロとなる。かかる状態は、図６（ｃ）に示される。これによって第２発電電圧も生じていない。また、第２表側保持部材２５は、第１表側保持部材２４と空隙４０により断熱されているので、熱源側に対して回転部材２０を介して接続されている第１表側保持部材２４より低い温度となっている。

また、この期間において、第１発電素子２と第２発電素子４の発電電圧Ｖｅは、図６（ｄ）に示すように、ほぼ第１発電電圧によるものとなっている。かかる発電電圧Ｖｅにより、蓄電部６には運針部１６が針部２０４を駆動できるだけの充分な電力が蓄えられている。

次に、第１発電素子２の近傍の温度差ΔＴ１が小さくなり、第１発電電圧が低下している時刻ｔ１から、第２発電素子４が発電を始め、その後、第２発電素子４の近傍が熱平衡状態に至る時刻ｔ２までの状態について説明する。

先ず、時刻ｔ１においては、回転部材２０が第２角度にある図４，５で説明したような状態となる。駆動部１２としての駆動レバー３６により、回転部材２０が第１角度から第２角度に変位させられる。この状態は、図６（ａ）ではＬ２で示される。時刻ｔ１において、検出部１０が予め設定しておいた閾値電圧Ｖｔｈと蓄電部６に供給される電圧とを比較し、第１発電素子２の両側の導熱部材２８と第１裏側保持部材２６との温度差ΔＴ１が十分な第１発電電圧を発生させることができなくなる熱平衡状態となったと判断する。すると、蓄電部６には、針部２０４を駆動するために運針部１６に供給する十分な電力が蓄えられなくなる。この状態を、時計３００の外装に取付けられる図示しないアラーム灯や時計３００の内部に組み込まれる振動機構によるバイブレーションにより操作者に認知させ、駆動部１４としての駆動レバー３６を操作者に駆動させる。もしくは、検出部１０から図示しないモータ等へ駆動信号を送信し、駆動レバー３６を駆動する。

図６（ｃ）を参照すると、裏蓋２１２および導熱部材２８からなる領域を経由して熱源から第２発電素子４の熱源側位置に熱が伝熱されて熱源側位置の温度が上昇する。一方、第２発電素子４の第２放熱側位置は、第２裏側保持部材２７、回転部材２０、第２表側保持部材２５、第２上ケース２０８ｃからなる領域を介して大気により冷却され、第２放熱側位置の温度の上昇が抑制される。これにより、第２発電素子４の熱源側位置の温度と第２放熱側位置の温度との間に生じる温度差ΔＴ２は極大値に向かい増大する。これにともない第２発電素子４の第２発電電圧も増大する。次に、第２発電素子４の近傍の熱的挙動が飽和し熱平衡状態に向かうにつれて、人体側と大気側との間の伝熱経路における局所的な温度勾配が小さくなり、第２発電素子４の熱源側位置の温度と第２放熱側位置の温度との間に生じる温度差ΔＴ２が低下しはじめる。これに伴い、第２発電電圧も低下傾向に変化する。

この期間において、第１裏側保持部材２６と第１表側保持部材２４との間には回転部材２０が存在しないので、第１裏側保持部材２６と第１表側保持部材２４との間はほぼ断熱されている。よって、第１発電素子２の近傍の温度が平衡に達し、熱源側と放熱側との温度差ΔＴ１はほぼゼロに近づく。かかる状態は、図６（ｂ）に示される。これによって第１発電電圧も生じていない。また、第１表側保持部材２４は、第２表側保持部材２５と空隙４０により断熱されているので、熱源側に対して回転部材２０を介して接続されている第２表側保持部材２５より低い温度となっている。

また、この期間において、第２発電素子４と第１発電素子２の発電電圧Ｖｅは、図６（ｄ）に示すように、ほぼ第２発電電圧となっている。かかる発電電圧Ｖｅにより、蓄電部６には運針部１６が針部２０４を駆動できるだけの充分な電力が蓄えられている。

ここで、第２発電素子４の発電電圧が降下し、十分な電圧を確保できなくなると、切換部８による切換により回転部材２０を第１角度に切換えることで、時刻ｔ０からｔ１の場合と同様に第１発電素子２からの第１発電電圧を熱発電装置１の発電電圧Ｖｅとすることができる。かかる状態は、図６中では時刻ｔ２からｔ３で示される。
なお、図６中では、ｔ０からｔ１、ｔ１からｔ２、ｔ２からｔ３をほぼ同じ時間間隔で示しているが、熱発電装置１がおかれる外部環境や、熱発電装置１の構造などにより、これらの時間間隔は様々となる。なお、図６（ｄ）の縦軸は、検出部１０により検出された第１発電素子２と第２発電素子４とによる発電電圧Ｖｅを表しているが、これは、昇圧部１４に入る前の電圧でもよく、昇圧後の電圧でもよい。また、蓄電部６における電圧でもよい。かかる検出部１０により検出される発電電圧Ｖｅが、閾値電圧Ｖｔｈ未満とならないよう駆動レバー３６を制御することで、運針部１６が針部２０４を駆動できるだけの充分な電力を蓄電部６に蓄えることができる。

このように時刻ｔ０からｔ３にかけての発電状態の説明からわかるように、第１発電素子２の第１発電電圧と、第２発電素子の第２発電電圧とが相互に補完し合って、熱発電装置１としての発電電圧Ｖｅを出力することができる。したがって、一方の発電素子の近傍が熱平衡状態に達することで発電電圧を確保するのが難しくなっても、他方の発電素子からの発電電力を得ることができる熱発電装置を提供することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、第１表側保持部材２４と第２表側保持部材２５との間の低伝導部を、上述の実施例では空隙４０としたが、これに限定されることなく、第１表側保持部材２４と第２表側保持部材２５より熱伝導度の低い部材でも構成することもできる。それらの部材を空隙４０に圧入したり、保持部材自体を変質したりすることで、かかる低伝導部を形成することもできる。

例えば、上述の実施例では、第１発電素子２と第２発電素子４をそれぞれ２つずつの一対の部材で構成したが、１つずつの部材で構成することができる。

例えば、上述の実施例では、発電素子を第１発電素子２と第２発電素子４との２種類で構成したが、これに限定されることなく、３種類以上の発電素子で構成することができる。仮に３種類の発電素子で構成する場合、互いに約６０度の間隔で均等に配置することができる。

例えば、上述の実施例では、第１発電素子２と第２発電素子４とを同じ素子として説明したが、温度差による発電可能な素子であれば、異なる種類の素子であってもよい。

例えば、上述の実施例では、切換部８を回転部材２０で構成したが、直線的に移動可能なスライド部材によっても構成することができる。

本発明の熱発電装置は、人体に装着する時計、接触式の感温計に適用できる。

１ 熱発電装置
２ 第１発電素子
４ 第２発電素子
６ 蓄電部
８ 切換部
１０ 検出部
１２ 駆動部
１４ 昇圧部
１６ 運針部
２０ 回転部材（切換部）
２０ａ 回転軸
２２ 基板
２４ 第１表側保持部材（第１放熱側位置）
２５ 第２表側保持部材（第２放熱側位置）
２６ 第１裏側保持部材（第１放熱側位置）
２７ 第２裏側保持部材（第２放熱側位置）
２８ 導熱部材（熱源側位置）
３０ 熱伝導性グリス
３６ 駆動レバー
４０ 空隙（低伝導部）
２００ ムーブメント
２００ａ ムーブメント部品
２０２ 文字盤
２０４ 針部
２０６ カバーガラス
２０８ 上ケース
２０８ａ 断熱スペーサー（低伝導部）
２０８ｂ 第１上ケース（第１放熱側位置）
２０８ｃ 第２上ケース（第２放熱側位置）
２１０ 下ケース
２１２ 裏蓋
３００ 時計

Claims (3)

1. 放熱側位置と熱源側位置との温度差に応じて発電する発電素子と、前記発電素子による発電量を蓄電する蓄電部とを備える熱発電装置において、
   前記発電素子は、第１発電素子と第２発電素子とを有し、
   前記第１発電素子による出力と前記第２発電素子による出力とを選択的に前記蓄電部に蓄電する切換部を有し、
   前記放熱側位置は、前記第１発電素子に伝熱する第１放熱側位置と、前記第２発電素子に伝熱する第２放熱側位置とを有し、
   前記切換部は、前記第１放熱側位置と前記熱源側位置とが熱平衡状態にあるとき、前記第２発電素子からの出力を前記蓄電部に蓄電させ、
   前記第２放熱側位置と前記熱源側位置とが熱平衡状態にあるとき、前記第１発電素子からの出力を前記蓄電部に蓄電させ、
   前記第１放熱側位置と前記第２放熱側位置との間には低伝導部が設けられ、
   前記低伝導部は、前記第１放熱側位置および前記第２放熱側位置より低い熱伝導率を有し、
   前記熱平衡状態にあるとき前記切換部を駆動する駆動部を有し、
   前記切換部は、回転軸回りに回転する回転部材を有し、
   前記回転部材は、前記第１発電素子の発電時に第１角度に固定され、前記第２発電素子の発電時に第２角度に固定され、
   前記駆動部は、前記回転部材を、前記第１角度と前記第２角度との間で移動させることを特徴とする熱発電装置。
2. 前記駆動部は、前記回転部材を駆動する駆動レバーを有することを特徴とする請求項１に記載の熱発電装置。
3. 前記請求項１または２に記載の熱発電装置と、前記熱発電装置の前記蓄電部に蓄電された電力により回転される針を有する文字板とを有することを特徴とする時計。

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