JP7310832B2 - ウェアラブルデバイス - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換素子を搭載したウェアラブルデバイスに関する。

持続可能な社会に向けた熱マネジメント技術の一つとして、熱電変換への期待が高まっている。熱は、体温や太陽熱、工業排熱など様々な場面で回収できる一般的なエネルギー源である。そのため、エネルギー利用の高効率化や、携帯端末やセンサ等への給電、熱流センシングによる熱の流れの可視化といった様々な用途において、熱電変換への期待がさらに高まることが予想される。

特許文献１には、固体中の電子と電荷のスピン流を利用するスピントロニクス技術を用いた熱型センサについて開示されている。特許文献１の熱型センサは、被検知対象の入射や付着によって発熱する検知膜と、検知膜で発熱した熱によって温度勾配が生ずる方向にスピン流を生成する磁性体膜と、磁性体膜で生成されたスピン流を電流へと変換する電極とを備える。

特許文献２には、熱源と放熱先との温度差に基づき発電する熱発電部材と、熱源と放熱先との間の伝熱経路中に設けられ、伝熱経路の熱抵抗を変更する可変抵抗部と、可変抵抗部を移動させる可変抵抗部移動機構とを備える熱発電携帯機器について開示されている。特許文献２の熱発電携帯機器によれば、生体への装着状態において発電効率の低下が抑制されるため、所望の発電量を確保することが可能になる。

特許文献３には、熱電素子を備えた熱発電腕時計について開示されている。特許文献３の熱発電腕時計は、金属製のケース、裏蓋、熱絶縁体、文字板、ムーブメント、熱電素子、上伝熱板、および下伝熱板を備える。熱電素子は、ｐ型熱電半導体の柱とｎ型熱電半導体の柱とが交互に配置され、隣り合う柱の端面が配線電極によって電気的に接続された構造を有する。

国際公開第２０１１／１１８３７４号 特開２０１３－１１０８６７号公報 特開２００２－１３９５８３号公報

特許文献１の熱型センサによれば、スピン流を利用して発電をすることができる。しかしながら、特許文献１の熱型センサでは、十分な発電量を得ることは難しいという問題点があった。

特許文献２の熱発電携帯機器は、熱発電部材を大型化できないため、十分な熱電変換効率を得ることができないという課題があった。

特許文献３の熱発電腕時計においては、熱電素子の温度差が拡大するため、熱電変換効率が向上する。しかしながら、特許文献３の熱発電腕時計の熱電素子は、ｐ型熱電半導体の柱とｎ型熱電半導体の柱とがカスケード接合されており、ｐ型熱電半導体の柱とｎ型熱電半導体の柱との間に隙間が生じる。そのため、熱電素子全体に占める熱電半導体の割合に制限が生じ、大きさの割には熱電変換効率が小さいという問題点があった。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、十分な発電量を得ることができ、熱電変換効率の高い熱電変換素子が搭載されたウェアラブルデバイスを提供することにある。

本発明の一態様のウェアラブルデバイスは、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子と、熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物と、対象物の周辺部に延在して配置されるバンドとを備える。

本発明の一態様のウェアラブルデバイスは、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する複数のバルク型熱電変換体と、隣接し合うバルク型熱電変換体同士を連結するとともに、電気的に接続する複数の連結部材と、複数のバルク型熱電変換体によって構成される熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物とを備え、複数のバルク型熱電変換体を連結部材によって連結した構造によって形成されるバンドが、対象物の周辺部に延在して配置される。

本発明の一態様のウェアラブルデバイスは、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子と、熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物を搭載する搭載部と、搭載部の周辺部に延在して配置されるバンドとを備える。

本発明によれば、十分な発電量を得ることができ、熱電変換効率の高い熱電変換素子が搭載されたウェアラブルデバイスを提供することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す側面図である。 本発明の第１の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す下面図である。 本発明の第１の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す上面図である。 本発明の第１の実施形態に係るウェアラブルデバイスに含まれる薄膜型の熱電変換素子の構成の一例について説明するための概念図である。 本発明の第１の実施形態に係るウェアラブルデバイスに含まれる薄膜型の熱電変換素子における熱電変換について説明するための概念図である。 本発明の第２の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す側面図である。 本発明の第２の実施形態に係るウェアラブルデバイスに含まれるバルク型熱電変換体の構成の一例について説明するための概念図である。 本発明の第２の実施形態に係るウェアラブルデバイスに含まれる薄膜型の熱電変換素子における熱電変換について説明するための概念図である。 本発明の第３の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す側面図である。 本発明の第３の実施形態に係るウェアラブルデバイスのバンドを閉じた状態の一例を示す側面図である。 本発明の第３の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の別の一例を示す側面図である。 本発明の第３の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の別の一例を示す下面図である。 本発明の第４の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す側面図である。 本発明の第４の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の別の一例を示す側面図である。 本発明の第５の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す上面図である。 本発明の第５の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す側面図である。 本発明の第６の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す下面図である。 本発明の第６の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の別の一例を示す下面図である。 本発明の第６の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の別の一例を示す下面図である。 本発明の第６の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の別の一例を示す側面図である。 本発明の第７の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す側面図である。 本発明の第７の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す上面図である。 本発明の第８の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す上面図である。 本発明の第８の実施形態に係るウェアラブルデバイスの構成の一例を示す断面図である。 本発明の第８の実施形態に係るウェアラブルデバイスに搭載される対象物の構成の一例を示す下面図である。 本発明の第８の実施形態に係るウェアラブルデバイスに対象物を搭載した状態の一例を示す上面図である。 本発明の第８の実施形態に係るウェアラブルデバイスに対象物を搭載した状態の一例を示す断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るウェアラブルデバイスについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態のウェアラブルデバイスは、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子を有する。本実施形態のウェアラブルデバイスに搭載される熱電変換素子は、薄膜型の熱電変換体（以下、薄膜型熱電変換体とも呼ぶ）を含む。本実施形態のウェアラブルデバイスは、人体から発せられる熱を熱電変換素子が受熱できる位置に装着される。以下において、本実施形態のウェアラブルデバイスは、手首に装着されることを想定するが、人体から発せられる熱を熱電変換素子が受熱できる位置であれば手首以外の箇所に装着されてもよい。また、以下において、本実施形態のウェアラブルデバイスを人体に装着させた際に、人体に近い側を下側、外側を上側とみなす。また、本実施形態においては、人体に近い側が高温、外側が低温になる構成を想定するが、人体に近い側が低温、外側が高温になるように構成してもよい。

（構成）
図１～図３は、本実施形態のウェアラブルデバイス１の構成の一例について説明するための概念図である。図１は、ウェアラブルデバイス１の側面図である。図２は、ウェアラブルデバイス１の下面図である。図３は、ウェアラブルデバイス１の上面図である。

ウェアラブルデバイス１は、熱電変換素子１１、対象物１５、およびバンド１７を備える。以下においては、ウェアラブルデバイス１が人体に装着されると、対象物１５よりも熱電変換素子１１の方が人体に近い側に位置するものとする。

熱電変換素子１１は、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する薄膜型熱電変換体を含む。スピン流とは、電子のスピン角運動量の流れである。熱電変換素子１１は、スピンゼーベック効果と逆スピンホール効果とを併用することにより、スピンを介して温度勾配を電気に変換する。

スピンゼーベック効果とは、磁性体に温度勾配が印加された際に、温度勾配と平行方向にスピン流が誘起される現象である。スピンゼーベック効果によれば、熱がスピン流に変換される熱スピン流変換が生じる。例えば、強磁性体であるニッケル・鉄（ＮｉＦｅ）膜や、イットリウム鉄ガーネット（Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂）などの磁性絶縁体と金属膜との界面においてスピンゼーベック効果が発現する。逆スピンホール効果とは、スピン流が流れた際に起電力が発生する現象である。逆スピンホール効果は、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）などのように、スピン軌道相互作用が大きな物質において顕著に発現する。スピンゼーベック効果によって温度勾配で誘起されたスピン流は、逆スピンホール効果によって電界（電流、電圧）に変換できる。

熱電変換素子１１は、対象物１５の下面に配置される。熱電変換素子１１は、図示しない端子を介して対象物１５に給電可能に接続される。熱電変換素子１１は、ウェアラブルデバイス１が人体に装着された状態で、人体側と外側との温度勾配に応じて発電する。熱電変換素子１１は、図示しない端子を経由して、温度勾配によって生じた電力を対象物１５に給電する。

対象物１５は、熱電変換素子１１の上面に配置される。対象物１５は、図示しない端子を介して熱電変換素子１１から受電可能に接続される。対象物１５は、熱電変換素子１１から給電される電力を受電する。例えば、対象物１５は、時計などのように消費電力の小さい装置である。例えば、対象物１５は、識別情報を埋め込んだＲＦ（Radio Frequency）タグや体温計などの装置であってもよい。なお、対象物１５は、熱電変換素子１１から給電される電力で動くことができれば、どのような装置であってもよい。

バンド１７は帯状体であり、ウェアラブルデバイス１を人体に装着するための部品である。バンド１７は、対象物１５の周辺部に延在して配置される。図１の例では、バンド１７は、対象物１５の周辺部に延在して配置される二つのパーツによって構成される。バンド１７は、バンド１７を人体の一部に巻きつけた際に、対象物１５に比べて熱電変換素子１１が人体に近い側に配置されるように構成される。なお、図１～図３においては、バンド１７を人体に装着するための留具や穴などは省略する。

ウェアラブルデバイス１は、バンド１７を手首などに巻きつけることによって人体に装着できる。ウェアラブルデバイス１が人体に装着されると、熱電変換素子１１の人体側と、人体とは反対側（外側とも呼ぶ）との間に温度勾配が発生し、その温度勾配によって発生したスピン流によって起電力が発生する。その起電力によって発生する電流を対象物１５に給電すれば、対象物１５を駆動させることができる。なお、ウェアラブルデバイス１は、手首ではなく、頭や首、肩、腕、指、足、胸、腰などに装着するように構成してもよく、その装着位置は限定されない。

〔薄膜型熱電変換体〕
次に、熱電変換素子１１に含まれる薄膜型熱電変換体について図面を参照しながら説明する。図４は、熱電変換素子１１の構成の一例について説明するための概念図である。図５は、熱電変換素子１１に含まれる薄膜型熱電変換体における熱電変換について説明するための概念図である。なお、図４および図５に示す熱電変換素子１１の構成は概念的なものであり、起電体層１１１および磁性体層１１２の大きさや位置関係、配置状態などを正確に表すものではない。以下においては、熱電変換素子１１が薄膜型熱電変換体で構成されるものとして説明する。

図４のように、熱電変換素子１１は、起電体層１１１と磁性体層１１２とを積層させた構造を有する。磁性体層１１２は、図中のマイナスｘ方向に磁化方向Ｍを有する。図５のように、熱電変換素子１１に温度勾配ｄＴを印加すると、磁性体層１１２に熱スピン流Ｊｓが発生する。熱スピン流Ｊｓは、磁性体層１１２と起電体層１１１との界面近傍におけるスピン注入と呼ばれる過程を経て、起電体層１１１に純スピン流Ｊｐを発生させる。スピン注入とは、磁性体層１１２と起電体層１１１との界面近傍において、磁化方向を中心軸として歳差運動する磁性体層１１２中のスピンが、起電体層１１１中のスピンを持たない伝導電子ｅと相互作用してスピン角運動量を授受する現象である。

スピン注入により、起電体層１１１のスピン注入界面付近にスピンを持った伝導電子ｅが移動すると純スピン流Ｊｐが生成する。純スピン流Ｊｐは、アップスピンとダウンスピンを持った伝導電子ｅが互いに逆方向に同量流れる。その結果、電荷移動は起こらないものの、スピンの符号が互いに異なるためにスピン角運動量が流れる。以下においては、このスピン注入現象が起こりうる状態を磁気的に結合しているとも呼ぶ。スピン注入現象は、磁性体層１１２と起電体層１１１とが接触する場合に限らず、接触していない場合であっても、スピン角運動量が伝達しうる程度に接近している場合に生じる。すなわち、磁性体層１１２と起電体層１１１との間に空隙が存在する場合であっても、スピン注入現象が起こり得る場合は磁気的に結合する。

起電体層１１１がスピン軌道相互作用の大きな材料により構成されている場合、スピン注入が起こると、逆スピンホール効果によって起電体層１１１の内部で伝導電子ｅが移動する。伝導電子ｅは、スピン流方向（ｚ方向）と磁化方向（ｘ方向）とに直交する方向（ｙ方向）へ移動する。その結果、起電体層１１１の材料の性質に従って、プラスｙ方向およびマイナスｙ方向のいずれかの方向に電流Ｉが流れる。熱電変換素子１１で発生する起電力は、磁性体層１１２で発生するスピン流の大きさに、磁性体層１１２と起電体層１１１との界面におけるスピン流の注入効率と、起電体層１１１における逆スピンホール効果による熱電変換効率とを乗算した大きさになる。

以上が、熱電変換素子１１に含まれる薄膜型熱電変換体についての説明である。本実施形態においては、逆スピンゼーベック効果を用いる例を挙げたが、異常ネルンスト効果を用いて熱電変換するように構成してもよい。

以上のように、本実施形態のウェアラブルデバイスは、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子と、熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物と、対象物の周辺部に延在して配置されるバンドとを備える。本実施形態において、熱電変換素子は、対象物の一方の面に配置される。熱電変換素子は、起電体と、起電体に接して配置される磁性体とによって構成される薄膜型熱電変換体を含む。薄膜型熱電変換体は、磁性体と起電体とを積層させた構造を有し、人体の表面温度と外気の温度とに起因する温度勾配に応じて発電する。

本実施形態のウェアラブルデバイスは、エネルギーの散逸が少ないスピン流を利用したスピン熱電変換によって熱発電する熱電変換素子を搭載する。スピン流は、エネルギーの散逸が少ないため、高効率な熱電変換を実現できる。

また、本実施形態のウェアラブルデバイスに搭載される熱電変換素子は、半導体型の熱電変換素子のようにｐ型熱電半導体の柱とｎ型熱電半導体の柱との間に生じる空隙がないため、体積当たりの熱電変換効率の上限が高い。

すなわち、本実施形態によれば、熱電変換効率の高い熱電変換素子を搭載したウェアラブルデバイスを実現できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るウェアラブルデバイスについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態のウェアラブルデバイスは、バルク型の熱電変換体（以下、バルク型熱電変換体とも呼ぶ）を含む熱電変換素子を搭載する点において第１の実施形態のウェアラブルデバイスとは異なる。

（構成）
図６は、本実施形態のウェアラブルデバイス２の構成の一例について説明するための側面図である。なお、ウェアラブルデバイス２の上面図および下面図は省略する。

ウェアラブルデバイス２は、熱電変換素子２１、対象物２５、およびバンド２７を備える。ウェアラブルデバイス２は、熱電変換素子２１の構成が第１の実施形態のウェアラブルデバイス１とは異なる。以下においては、主に、ウェアラブルデバイス１と相違する点について説明する。

熱電変換素子２１は、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換するバルク型熱電変換体を含む。具体的には、熱電変換素子２１は、スピンゼーベック効果を発現する磁性体材料を含む磁性体微粒子と、磁性体微粒子を被覆する起電体とによって構成される複数の熱電変換単位構造を含む。複数の熱電変換単位構造は、起電体を介して互いに接触する集合体を形成する。

熱電変換素子２１は、対象物２５の下面に配置される。熱電変換素子２１は、図示しない端子を介して対象物２５に給電可能に接続される。熱電変換素子２１は、ウェアラブルデバイス２が人体に装着された状態で、人体側と外側との温度勾配に応じて発電する。熱電変換素子２１は、図示しない端子を経由して、温度勾配によって生じた電力を対象物２５に給電する。対象物２５およびバンド２７については、ウェアラブルデバイス１と同様であるために説明は省略する。

ウェアラブルデバイス２は、バンド２７を手首などに巻きつけることによって人体に装着できる。ウェアラブルデバイス２が人体に装着されると、熱電変換素子２１の人体側と、人体とは反対側との間に温度勾配が発生し、その温度勾配によって発生したスピン流によって起電力が発生する。その起電力によって発生する電流を対象物２５に給電すれば、対象物１５を駆動させることができる。

〔バルク型熱電変換体〕
次に、熱電変換素子２１に含まれるバルク型熱電変換体について図面を参照しながら説明する。図７は、熱電変換素子２１の斜視図と、その熱電変換素子２１の一部の断面の拡大図とを併せて図示した概念図である。図８は、熱電変換単位構造２００を構成する磁性体微粒子２１０および起電体２２０に発生するスピン流や磁化、電流について説明するための概念図である。なお、図７および図８に示す熱電変換素子２１の構成は概念的なものであり、熱電変換単位構造２００の大きさや位置関係、配置状態などを正確に表すものではない。

図７のように、熱電変換素子２１に含まれるバルク型熱電変換体は、複数の熱電変換単位構造２００の集合体によって構成される。熱電変換単位構造２００は、微粒子状の磁性体からなる磁性体微粒子２１０が起電体２２０によって被覆された構造を有する。熱電変換によって発生する電力は、素子の体積に比例する性質がある。そのため、大きな電力を得るためには、複数の熱電変換単位構造２００を集合体として構成する。

磁性体微粒子２１０は、起電体２２０によって被覆される。磁性体微粒子２１０は、球体や楕円体、錐体、錐台、柱体、多面体などの形状を有する磁性体である。なお、磁性体微粒子２１０は、上述の形状に限らず、破片状であったり、液相または気相中から固化、析出、凝集させた物質が有する不定形の形状であったりしてもよい。また、磁性体微粒子２１０を構成する磁性体材料は、スピン流が散逸しにくい構造を備えた構成を含んでいてもよい。磁性体微粒子２１０は、結晶性が高い方が好適であり、単結晶であることが最適である。

磁性体微粒子２１０の粒径が大きすぎると、熱マグノンが散逸してしまい、一部の微粒子の温度差しか活用できなくなる。そのため、磁性体微粒子２１０の粒径は、磁性体微粒子２１０を構成する磁性体材料中の熱マグノンの拡散長相当の大きさであることが好ましい。また、磁性体微粒子２１０の最大径は、磁性体材料中の熱マグノンの拡散長よりも小さい方がよい。例えば、磁性体微粒子２１０としてイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ：Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂）などのガーネット系の磁性絶縁体結晶を用いることが想定される。磁性体微粒子２１０としてガーネット系の磁性絶縁体結晶が用いられる場合、その磁性体微粒子２１０の熱マグノン拡散長は、約５０ｎｍ（ナノメートル）から１０μｍ（マイクロメートル）程度であると推測される。また、結晶の成長方法によっては、ガーネット系の磁性絶縁体結晶の熱マグノン拡散長は、１００μｍに達すると推定される。これらの点を考慮すると、ガーネット系の磁性絶縁体結晶を用いる場合、磁性体微粒子２１０の粒径は、平均で１～１０μｍ、最大でも１００μｍ程度とするのがよい。

起電体２２０は、磁性体微粒子２１０を被覆する。起電体２２０は、金属や半導体、酸化物伝導体、有機伝導体などの材料を含む。起電体２２０は、スピン軌道相互作用が大きい金属材料を含有することが好ましい。例えば、起電体２２０は、スピンホール伝導率の電気伝導率に対する比で定義されるスピンホール角が０．００１以上である金属材料を含有する構成とすることが好ましい。具体的には、起電体２２０は、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、およびタンタル（Ｔａ）のいずれか一つ以上を含む構成とすることが好ましい。

起電体２２０の厚さは、起電体２２０を構成する金属材料中のスピン流の拡散長に基づいて設定されることが好ましい。起電体２２０の厚さが拡散長よりも小さい場合、スピン流を電流に十分変換できなくなる。それに対し、起電体２２０の厚さが拡散長よりも大きくなると、発生する電流の量が飽和する一方で、起電体の内部抵抗が増大する。すなわち、起電体２２０の厚さが拡散長より大きすぎても小さすぎても取り出せる電力量が減ってしまうため、起電体２２０の厚さは、起電体２２０を構成する金属材料中のスピン流の拡散長程度の厚さとすることが好ましい。例えば、起電体２２０の厚さは、数ｎｍ～数１００ｎｍ程度が好ましい。

図８は、ｘ方向（紙面に対して垂直方向）に磁化方向Ｍを有する磁性体微粒子２１０を含む熱電変換単位構造２００に対して、ｚ方向（紙面の上下方向）の一様な温度勾配ｄＴが印加される例である。

このとき、熱電変換単位構造２００の上部の起電体２２０においては、スピン流Ｊｓの向き（プラスｚ方向）と磁化方向Ｍの向き（マイナスｘ方向）との外積方向Ｊｓ×Ｍ（マイナスｙ方向）に上部電流Ｉｔが流れる。

また、熱電変換単位構造２００の下部の起電体２２０においては、スピン流Ｊｓの向き（プラスｚ方向）および磁化方向Ｍ（マイナスｘ方向）の向きは変わらないため、上部電流Ｉｔと同じ向き（マイナスｙ方向）に下部電流Ｉｂが流れる。なお、起電体２２０を構成する材料によっては、プラスｙ方向に上部電流Ｉｔおよび下部電流Ｉｂが流れる場合があるが、以下においては、上部電流Ｉｔおよび下部電流Ｉｂのいずれもマイナスｙ方向に流れるものとして説明する。

図８のように、熱電変換単位構造２００の全体にマイナスｚ方向に向かう一様な温度勾配ｄＴがある場合、熱電変換単位構造２００の起電体２２０の内部でマイナスｙ方向に向けて起電力が発生する。

ここで、熱電変換単位構造２００をｘｙ平面に平行な面で切断した際に最大となる円周を赤道と呼ぶ。図８において、熱電変換単位構造２００の赤道は、Ｅ－Ｅ線で表される。熱電変換単位構造２００の赤道上においては、スピン流Ｊｓが磁性体微粒子２１０と起電体２２０との界面に平行となるためにスピン注入が起こらない。そのため、熱電変換単位構造２００の赤道上においては、スピンゼーベック効果および逆スピンホール効果による起電力はゼロとなる。したがって、熱電変換単位構造２００が単体で存在している場合、上半球および下半球の領域で発生したマイナスｙ方向に向かう起電力は、赤道上の径路（短絡パスとも呼ぶ）を介して短絡した状態となるため、全体の起電力が減少するように働く。しかしながら、短絡パスの幅は限りなく狭く、ゼロに収束するので、インピーダンスは無限大となる。そのため、起電力が減少してしまう効果は限定的であり、実際にはマイナスｙ方向に向かう起電力がゼロになることはない。

熱電変換素子２１は、複数の熱電変換単位構造２００の集合体によって構成されるバルク型熱電変換体である。隣接し合う熱電変換単位構造２００は互いに接触し合う。ここで、ｚ軸方向に積み重なって隣接し合う二つの熱電変換単位構造２００がともにマイナスｘ方向に磁化している状態で、マイナスｚ方向に温度勾配が印加される場合を想定する。この場合、熱流とスピン流はともに、二つの熱電変換単位構造２００の接触界面を突き抜けて、一方の熱電変換単位構造２００から他方の熱電変換単位構造２００に向けて流れる。二つの熱電変換単位構造２００の接触界面においては、一方の熱電変換単位構造２００から流れ込むスピン流と、他方の熱電変換単位構造２００に流れ出すスピン流との両方によって、マイナスｙ方向の起電力が発生する。理想的な状況では、二つの熱電変換単位構造２００の接触界面における単位面積当たりの出力電力は、接触界面以外の部分の２倍になる。また、熱電変換単位構造２００同士が接触し合う領域が一部に限られる場合、熱流は固体同士が接触している領域に集中して流れる。そのため、二つの熱電変換単位構造２００の接触界面においては、単位面積当たりの出力電力が増加する分と、熱流が集中する分との相乗効果によって、単位面積当たりの出力電力が上昇する。

一方、接触界面以外の領域から大気へ放出される熱の流れは、固体を伝導して流れる熱と比較すると非常に小さい。そのため、接触界面以外で発生する熱起電力は非常に小さくなる。その結果、二つの熱電変換単位構造２００の接触界面で発生した熱起電力を短絡してしまう場合が起こり得る。

また、熱電変換素子２１は、複数の熱電変換単位構造２００の起電体２２０の表面が互いに電気的に接続されたネットワークを構成する。ここで、熱電変換素子２１に含まれる複数の磁性体微粒子２１０のそれぞれを構成する磁性体材料が、マイナスｘ方向の向きに磁化しているものとする。このとき、熱流とスピン流とがともにプラスｚ方向の向きに流れていると、ネットワーク状に接続された起電体２２０においては、マイナスｙ方向の起電力が発生する。

複数の熱電変換単位構造２００同士がランダムに密接して存在する場合、熱電変換単位構造２００の赤道上の短絡パスにおいても、隣接する熱電変換単位構造２００で発生する起電力が重なりあう。そのため、起電体２２０の表面において起電力がゼロになる領域は無視できる程度にまで減少する。

また、熱電変換素子２１において、熱電変換単位構造２００同士が電気的により密接に接続できるように、熱電変換単位構造２００と導電性バインダとを組み合わせてもよい。導電性バインダとしては、金属や伝導性ポリマー製の箔、ナノワイア、マイクロワイア、ナノ粒子、マイクロ粒子などの導電性のある材料を用いることができる。例えば、導電性バインダとしては、ナノメートルあるいはマイクロメートルのオーダーの形状を有する材料を用いることができる。導電性バインダを用いる場合、起電体２２０の中に異物が挟まることによって、スピン流の緩和長が実効的に短くなるため、熱スピン流が起電体中で電流に十分変換されずに隣接する磁性体に透過してしまうことを防止することができる。すなわち、導電性バインダを用いれば、スピン流－電流変換の効率を向上させることが可能になる。

以上が、熱電変換素子２１に含まれるバルク型熱電変換体についての説明である。なお、熱電変換素子２１には、異常ネルンスト効果を発現する材料で構成されたブロック状のバルク型熱電変換体を用いてもよい。バルク型熱電変換体は、薄膜型熱電変換体と比べて厚みがあるため、より大きな温度勾配を得ることができる。そのため、バルク型熱電変換体を用いれば、薄膜型熱電変換体と比べて出力を増大できる。

以上のように、本実施形態のウェアラブルデバイスは、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子と、熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物と、対象物の周辺部に延在して配置されるバンドとを備える。本実施形態において、熱電変換素子は、対象物の一方の面に配置される。熱電変換素子は、磁性体微粒子と、磁性体微粒子の表面を被覆する起電体とによって構成される熱電変換単位構造の集合体がバルク状に形成されたバルク型熱電変換体を含む。バルク型熱電変換体は、人体の表面温度と外気の温度とに起因する温度勾配に応じて発電する。バルク型熱電変換体は、薄膜型熱電変換体と比べて厚くすることができるので、厚み方向の温度勾配が大きくなる。そのため、本実施形態によれば、第１の実施形態と比べて、熱電変換素子の発電量を向上できる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るウェアラブルデバイスについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態のウェアラブルデバイスは、薄膜型熱電変換体を含む熱電変換素子をバンドに配置する点において第１の実施形態のウェアラブルデバイスとは異なる。

（構成）
図９は、本実施形態のウェアラブルデバイス３の構成の一例について説明するための側面図である。ウェアラブルデバイス３は、熱電変換素子３１、対象物３５、およびバンド３７を備える。ウェアラブルデバイス３は、熱電変換素子３１を配置する位置が第１の実施形態のウェアラブルデバイス１とは異なる。以下においては、主に、ウェアラブルデバイス１と相違する点について説明する。

熱電変換素子３１は、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する薄膜型熱電変換体によって構成される。熱電変換素子３１は薄膜型熱電変換体によって構成されるために柔軟性がある。熱電変換素子３１は、バンド３７が曲げられると、バンド３７の変形に伴って変形する。

熱電変換素子３１は、バンド３７の下面に配置される。熱電変換素子３１は、図示しない端子を介して対象物３５に給電可能に接続される。熱電変換素子３１は、ウェアラブルデバイス３が人体に装着された状態で、人体側と外側との温度勾配に応じて発電する。熱電変換素子３１は、図示しない端子を経由して、温度勾配によって生じた電力を対象物３５に給電する。

バンド３７は、ウェアラブルデバイス３を人体に装着するための帯状体である。バンド３７は、対象物３５の周辺部に延在して配置される。図９の例では、バンド３７は、対象物３５の周辺部に延在して配置される二つのパーツによって構成される。バンド３７の下面には熱電変換素子３１が配置される。バンド３７は、バンド３７を人体の一部に巻きつけた際に、熱電変換素子３１が人体に近い側に配置されるように構成される。なお、図９においては、バンド３７を人体に装着するための留具や穴などは省略する。バンド３７の素材については、特に限定を加えないが、人体側から外側に向けた温度勾配を大きくするために、熱伝導性が高いものの方が好ましい。

ウェアラブルデバイス３は、バンド３７を手首などに巻きつけることによって人体に装着できる。ウェアラブルデバイス３が人体に装着されると、熱電変換素子３１の人体側と、人体とは反対側との間に温度勾配が発生し、その温度勾配によって発生したスピン流によって起電力が発生する。その起電力によって発生する電流を対象物３５に給電すれば、対象物３５を駆動させることができる。

図１０は、本実施形態のウェアラブルデバイス３のバリエーション（ウェアラブルデバイス３－２）である。ウェアラブルデバイス３－２には、一端が対象物３５に接続され、他端に留具３６が配置される一対のバンド３７を設ける。留具３６は、一対のバンド３７のうち少なくとも一方の他端に設けられる。図１０は、留具３６を閉じた状態である。留具３６を開けば、ウェアラブルデバイス３－２は、図９のウェアラブルデバイス３と同様の形体になる。一対のバンド３７のうち人体に接する側の面に熱電変換素子３１が配置される。一対のバンド３７に配置された熱電変換素子３１は、図示しない端子を介して対象物３５に給電可能に接続される。

留具３６は、一対のバンド３７に配置された熱電変換素子３１を電気的に接続する。図１０のウェアラブルデバイス３－２においては、留具３６を開いた状態では熱電変換素子３１から対象物３５に給電するための回路が開く構造とする。図１０のウェアラブルデバイス３－２においては、留具３６を閉じると、バンド３７を構成する二つのパーツに配置された熱電変換素子３１が留具３６を介して電気的に接続され、対象物３５が稼働するために十分な電力や電圧がされる構造とする。留具３６は、導電性があれば、その素材には特に限定を加えない。例えば、留具３６は、全体的に導電性があってもよいし、一部に導電性があるように構成してもよい。

ウェアラブルデバイス３－２（図１０）のような構成にすれば、留具３６が閉じられている間だけ、熱電変換素子３１から対象物３５に十分な電力や電圧が供給される。そのため、ウェアラブルデバイス３－２は、人体に装着されていない状態では動作せず、予期せぬ温度勾配の印加によって誤動作するようなことがなくなる。また、ウェアラブルデバイス３－２は、ウェアラブルデバイス３－２が人体に装着されたことを検知する用途にも適用できる。なお、図１０には留具３６を一つしか図示していないが、一対のバンド３７の他端のそれぞれに留具３６を配置し、それらの留具３６を互いに接続する形態であってもよい。

図１１は、本実施形態のウェアラブルデバイス３の別のバリエーション（ウェアラブルデバイス３－３）である。ウェアラブルデバイス３－３は、薄膜型熱電変換体を含む熱電変換素子３１をバンド３７の下面に配置し、バルク型の熱電変換素子３２を対象物３５の下面に配置した構成を有する。熱電変換素子３１と熱電変換素子３２とは、対象物３５の近傍において電気的に接続される。薄膜型の熱電変換素子３１とバルク型の熱電変換素子３２を接続する際には、電流の流れる方向を考慮して接続すればよい。ウェアラブルデバイス３－３は、第２の実施形態のウェアラブルデバイス２と本実施形態のウェアラブルデバイス３とを組み合わせた構成である。ウェアラブルデバイス３－３は、バンド３７の下面に配置される薄膜型の熱電変換素子３１に加えて、対象物３５の下面に配置されるバルク型の熱電変換素子３２を有するため、ウェアラブルデバイス３と比べて熱電変換素子の出力をを大きくすることができる。

図１２は、本実施形態のウェアラブルデバイス３の別のバリエーション（ウェアラブルデバイス３－４）である。ウェアラブルデバイス３－４は、二つのパーツによって構成されるバンド３７の下面に熱電変換素子３１を配置した構成を有する。バンド３７が二つの部分によって構成されるため、ウェアラブルデバイス３－４は一対の熱電変換素子３１を有する。一対の熱電変換素子３１のそれぞれの一端は、図示しない端子によって対象物３５に電気的に接続される。一対の熱電変換素子３１のそれぞれの他端は、折り返し電極３４および導電部材３３を介して、対をなす熱電変換素子３１の他端に電気的に接続される。折り返し電極３４は、導電性のある材料であればその素材に限定を加えない。なお、折り返し電極３４は、熱電変換素子３１とは逆符号のスピン熱電材料を含んでいてもよい。折り返し電極３４が熱電変換素子３１と逆符号のスピン熱電材料を含んでいれば、ウェアラブルデバイス３－４は、さらに大きな電力を発生させることができる。また、発電効率や装着性を向上させるためには、熱電変換素子３１と折り返し電極３４が人体側で面一となるように構成する方が好ましい。また、ウェアラブルデバイス３（図９）、ウェアラブルデバイス３－２（図１０）、ウェアラブルデバイス３－３（図１１）、およびウェアラブルデバイス３－４（図１２）を任意に組み合わせてもよい。

以上のように、本実施形態のウェアラブルデバイスは、薄膜型熱電変換体によって構成される熱電変換素子をバンドの下面に配置した構成を有する。熱電変換素子は、バンドのそれぞれの一方の面に配置される。本実施形態のウェアラブルデバイスでは、第１の実施形態よりも熱電変換素子の面積を大きく設定できる。すなわち、本実施形態によれば、熱電変換素子の発電量を向上できるので、第１の実施形態よりも消費電力の大きな対象物を搭載することができる。

例えば、熱電変換素子は、バンドの一方の面に配置される薄膜型熱電変換体と、対象物の一方の面に配置され、バンドに配置された薄膜型熱電変換体と電気的に接続されるバルク型熱電変換体とによって構成される。例えば、熱電変換素子は、バンドの一方の面に配置される薄膜型熱電変換体と、バンドに配置された薄膜型熱電変換体の両端部を電気的に接続する導電部材とによって構成される。例えば、導電部材は、バンドに配置された薄膜型熱電変換体と同じ方向に温度勾配が印加された際に、薄膜型熱電変換体とは反対の向きに電流が流れる熱電変換材料を含む。例えば、本実施形態のウェアラブルデバイスには、一端が対象物に接続され、他端に留具が配置される一対のバンドが設けられ、留具は、一対のバンドに配置された薄膜型熱電変換体を電気的に接続する。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るウェアラブルデバイスについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態のウェアラブルデバイスは、バルク型熱電変換体を含む熱電変換素子をバンドに配置する点において第２の実施形態のウェアラブルデバイスとは異なる。

（構成）
図１３は、本実施形態のウェアラブルデバイス４の構成の一例について説明するための側面図である。

ウェアラブルデバイス４は、熱電変換体４１、導電部材４２、対象物４５、およびバンド４７を備える。ウェアラブルデバイス４は、熱電変換体４１を配置する位置が第２の実施形態のウェアラブルデバイス２とは異なる。以下においては、主に、ウェアラブルデバイス２と相違する点について説明する。

熱電変換体４１は、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換するバルク型熱電変換体である。熱電変換体４１は、バルク型であるために柔軟性がない。そのため、複数の熱電変換体４１のブロックを導電部材４２によって電気的に接続した構成にする。導電部材４２は、バンド４７が曲げられると、バンド４７の変形に伴って変形する素材で構成する。

複数の熱電変換体４１は、バンド４７の下面に配置される。複数の熱電変換体４１は、折り曲げ自在な導電部材４２によって直列に接続される。対象物４５の最も近くに配置される熱電変換体４１は、図示しない端子を介して対象物４５に給電可能に接続される。熱電変換体４１は、ウェアラブルデバイス４が人体に装着された状態で、人体と外部との温度勾配に応じて発電する。熱電変換体４１は、図示しない端子を経由して、温度勾配によって生じた電力を対象物４５に給電する。なお、図１３においては、熱電変換体４１と導電部材４２が人体側で凹凸を形成するように図示しているが、発電効率や装着性を向上させるためには人体側で面一となるように構成する方が好ましい。

バンド４７は、ウェアラブルデバイス４を人体に装着するための帯状体である。バンド４７は、対象物４５の周辺部に延在して配置される。図１３の例では、バンド４７は、対象物４５の周辺部に延在して配置される二つのパーツによって構成される。バンド４７の下面には、導電部材４２によって連結された複数の熱電変換体４１のブロックが配置される。バンド４７は、バンド４７を人体の一部に巻きつけた際に、熱電変換体４１が人体に近い側に配置されるように構成される。なお、図１３においては、バンド４７を人体に装着するための留具や穴などは省略する。バンド４７の素材については、特に限定を加えないが、人体側から外側に向けた温度勾配を大きくするために、熱伝導性が高いものの方が好ましい。

ウェアラブルデバイス４は、バンド４７を手首などに巻きつけることによって人体に装着できる。ウェアラブルデバイス４が人体に装着されると、熱電変換体４１の人体側と、人体とは反対側との間に温度勾配が発生し、その温度勾配によって発生したスピン流によって起電力が発生する。その起電力によって発生する電流を対象物４５に給電すれば、対象物４５を駆動させることができる。

図１４は、本実施形態のウェアラブルデバイス４のバリエーション（ウェアラブルデバイス４－２）である。ウェアラブルデバイス４－２は、バンド４７の下面に複数のバルク型の熱電変換体４１と、複数の薄膜型の熱電変換体４３とを配置した構成を有する。複数のバルク型の熱電変換体４１は、薄膜型の熱電変換体４３を介して電気的に接続される。熱電変換体４３は、スピン流を用いるスピン熱電変換によって熱発電する薄膜型熱電変換体を含む。熱電変換体４３は、薄膜型であるために柔軟性がある。そのため、熱電変換体４３は、バンド４７が曲げられると、バンド４７の変形に伴って変形する。なお、図１４においては、バルク型の熱電変換体４１と薄膜型の熱電変換体４３が人体側で凹凸を形成するように図示しているが、発電効率や装着性を向上させるためには人体側で面一となるように構成した方が好ましい。

以上のように、本実施形態のウェアラブルデバイスは、バンドの下面にバルク型熱電変換体を配置した構成を有する。バルク型熱電変換体は、薄膜型熱電変換体と比べて厚くできるために厚み方向の温度勾配が大きくなる。そのため、本実施形態によれば、第１の実施形態と比べて発電量が大きくなる。

例えば、熱電変換素子は、バンドの一方の面に配置される複数のバルク型熱電変換体と、バンドに配置された複数のバルク型熱電変換体を電気的に接続する導電部材とによって構成される。例えば、熱電変換素子は、バンドの一方の面に配置される複数のバルク型熱電変換体と、バンドに配置された複数のバルク型熱電変換体と電気的に接続される薄膜型熱電変換体とによって構成される。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係るウェアラブルデバイスについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態のウェアラブルデバイスは、バルク型熱電変換体でバンドを構成する点において第１の実施形態のウェアラブルデバイスとは異なる。

（構成）
図１５および図１６は、本実施形態のウェアラブルデバイス５の構成の一例について説明するための概念図である。図１５は、ウェアラブルデバイス５の上面図である。図１６は、ウェアラブルデバイス５の側面図である。

ウェアラブルデバイス５は、熱電変換体５１、連結部材５２、および対象物５５を備える。複数の熱電変換体５１と複数の連結部材５２とは、互いに連結されてバンド５７を形成する。ウェアラブルデバイス５は、複数の熱電変換体５１を連結部材５２で連結することによってバンド５７を構成する点で第４の実施形態のウェアラブルデバイス４とは異なる。以下においては、主に、ウェアラブルデバイス４と相違する点について説明する。

熱電変換体５１は、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換するバルク型熱電変換体である。熱電変換体５１は、バルク型であるために柔軟性がない。そのため、複数の熱電変換体５１のブロックを連結部材５２によって電気的に接続した構成にする。

複数の熱電変換体５１は、連結部材５２によって連結されてバンド５７を構成する。複数の熱電変換体５１は、連結部材５２によって接続される。対象物５５の最も近くに配置される熱電変換体５１は、図示しない端子を介して対象物５５に給電可能に接続される。熱電変換体５１は、ウェアラブルデバイス５が人体に装着された状態で、人体と外部との温度勾配に応じて発電する。熱電変換体５１は、図示しない端子を経由して、温度勾配によって生じた電力を対象物５５に給電する。

連結部材５２は、隣接して配置される熱電変換体５１同士を連結する部材である。また、連結部材５２は、導電性を有し、隣接して配置される熱電変換体５１同士を電気的に接続する。例えば、連結部材５２は、連結対象の二つの熱電変換体５１を電気的に接続しながら、それらの熱電変換体５１を回転可能に接続する。二つの熱電変換体５１と連結部材５２とを電気的に接続する接点の露出を防止する場合は、接点の部分を絶縁性樹脂などで被覆すればよい。

複数の熱電変換体５１と複数の連結部材５２とによって構成されるバンド５７は、ウェアラブルデバイス５を人体に装着するための帯状体である。図１５の例では、バンド５７は、対象物５５の周辺部に延在して配置される二つのパーツによって構成される。なお、図１５および図１６においては、バンド５７を人体に装着するための留具や穴などは省略する。

ウェアラブルデバイス５は、バンド５７を手首などに巻きつけることによって人体に装着できる。ウェアラブルデバイス５が人体に装着されると、熱電変換体５１の人体側と、人体とは反対側との間に温度勾配が発生し、その温度勾配によって発生したスピン流によって起電力が発生する。その起電力によって発生する電流を対象物５５に給電すれば、対象物５５を駆動させることができる。

以上のように、本実施形態のウェアラブルデバイスは、複数のバルク型熱電変換体と、隣接し合うバルク型熱電変換体同士を連結するとともに、電気的に接続する複数の連結部材と、熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物とを備える。複数のバルク型熱電変換体を連結部材によって連結した構造によって形成されるバンドは、対象物の周辺部に延在して配置される。本実施形態のウェアラブルデバイスでは、バンドにバルク型熱電変換体を仕込むことによって、人体とは反対側の面が外気に直接晒されるため、人体とは反対側の面において空気が入れ替わりやすい状況であれば、人体側と、人体とは反対側との間の温度勾配が大きくなる。そのため、本実施形態によれば、ウェアラブルデバイスを装着したユーザが歩行している状況のように、ウェアラブルデバイスの周囲の空気が入れ替わりやすい状況であれば、第１の実施形態と比べて、熱電変換効率や発電量を増大することができる。
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係るウェアラブルデバイスについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態のウェアラブルデバイスは、同じ温度勾配によって異なる方向に電流が流れる２種類の熱電変換体を交互に接続して構成した熱電変換素子を搭載する点において第１の実施形態のウェアラブルデバイスとは異なる。

図１７は、本実施形態のウェアラブルデバイス６の構成の一例について説明するための側面図である。ウェアラブルデバイス６は、第１熱電変換体６１、第２熱電変換体６２、導電部材６３、対象物６５、およびバンド６７を備える。ウェアラブルデバイス６は、第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とを導電部材６３で連結した熱電変換素子を搭載する。以下においては、主に、ウェアラブルデバイス１と相違する点について説明する。

第１熱電変換体６１は、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子を含む。第１熱電変換体６１は、第２熱電変換体６２と同じ温度勾配を印加された際に、第２熱電変換体６２とは反対方向に電流が流れる材料で構成される。例えば、第１熱電変換体６１をＮ型にする場合は第２熱電変換体６２をＰ型にし、第１熱電変換体６１をＰ型にする場合は第２熱電変換体６２をＮ型にする。Ｐ型とＮ型では、磁化方向が同じで温度勾配方向も同じ場合には、反対方向の電流が流れる。第１熱電変換体６１は、薄膜型熱電変換体であってもよいし、バルク型熱電変換体であってもよい。

第２熱電変換体６２は、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子を含む。第２熱電変換体６２は、第１熱電変換体６１と同じ温度勾配を印加された際に、第１熱電変換体６１とは反対方向に電流が流れる材料で構成される。例えば、第２熱電変換体６２をＰ型にする場合は第１熱電変換体６１をＮ型にし、第２熱電変換体６２をＮ型にする場合は第１熱電変換体６１をＰ型にする。第２熱電変換体６２は、薄膜型熱電変換体であってもよいし、バルク型熱電変換体であってもよい。

第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とは、長手方向が略平行になるように配置される。隣接し合う第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とは、熱電変換ユニットを構成し、導電部材６３によって電気的に直列接続される。熱電変換素子の末端に位置する第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とは、図示しない端子を介して対象物６５と電気的に接続される。

第１熱電変換体６１、第２熱電変換体６２、および導電部材６３によって構成される熱電変換素子は、対象物６５の下面に配置される。熱電変換素子の末端に位置する第１熱電変換体６１および第２熱電変換体６２は、図示しない端子を介して対象物６５に給電可能に接続される。熱電変換素子は、ウェアラブルデバイス６が人体に装着された状態で、人体と外部との温度勾配に応じて発電する。熱電変換素子は、温度勾配によって生じた電力を図示しない端子を経由して対象物６５に給電する。ウェアラブルデバイス６は、複数の熱電変換ユニットを直列に接続した構成を有するため、熱電変換ユニットの数に応じて電圧を高く設定できる。なお、図１７には、熱電変換素子の末端に第１熱電変換体６１および第２熱電変換体６２を配置する例を図示しているが、一対の第１熱電変換体６１あるいは一対の第２熱電変換体６２を熱電変換素子の両末端に配置してもよい。

図１８は、本実施形態のウェアラブルデバイス６の別のバリエーション（ウェアラブルデバイス６－２）である。ウェアラブルデバイス６－２は、第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とを導電部材６３で連結した熱電変換素子をバンド６７の下面に配置した構成を有する。第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２は、長手方向がバンド６７の長手方向と略垂直になるように配置される。熱電変換素子の末端に位置する第１熱電変換体６１および第２熱電変換体６２は、図示しない端子を介して対象物６５に電気的に接続される。図１８のように、第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２の長手方向をバンド６７の長手方向と略垂直にする場合、導電部材３３を柔軟な素材で構成すればバンド６７を屈曲させることができる。ウェアラブルデバイス６－２は、第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とによって構成される熱電変換素子の表面積を大きくできるので、図１７のウェアラブルデバイス６よりも高電圧かつ高出力に設定できる。

図１９は、本実施形態のウェアラブルデバイス６の別のバリエーション（ウェアラブルデバイス６－３）である。ウェアラブルデバイス６－３は、第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とを導電部材６３で連結した熱電変換素子を対象物６５およびバンド６７の下面に配置した構成を有する。第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とは、長手方向がバンド６７の長手方向と略平行になるように配置される。熱電変換素子の末端に位置する第１熱電変換体６１および第２熱電変換体６２は、図示しない端子を介して対象物６５に電気的に接続される。図１９のように、第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２の長手方向をバンド６７の長手方向と略平行にする場合、第１熱電変換体６１および第２熱電変換体６２を薄膜型熱電変換体で構成すればバンド６７を屈曲させることができる。ウェアラブルデバイス６－３は、第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とによって構成される熱電変換素子の表面積を対象物６５の下面の分だけ大きくできるので、図１８のウェアラブルデバイス６－２よりも高出力に設定できる。

図２０は、本実施形態のウェアラブルデバイス６の別のバリエーション（ウェアラブルデバイス６－４）である。ウェアラブルデバイス６－４は、第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とを導電部材６３で連結した熱電変換素子を、対象物６５およびバンド６７の下面および上面に配置した構成を有する。上面側の第２熱電変換体６２と下面側の第１熱電変換体６１は、一端が対象物６５に接続されたバンド６７の他端に設置される導電部材６３によって電気的に接続される。第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２は、長手方向がバンド６７の長手方向と略平行になるように配置される。第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２は、図１９のようにバンド６７の長手方向に沿って並べて配置されてもよいし、バンド６７の表面全体に貼り付けられてもよい。熱電変換素子の末端に位置する第１熱電変換体６１および第２熱電変換体６２は、図示しない端子を介して対象物６５に電気的に接続される。図２０のように、第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２の長手方向をバンド６７の長手方向と略平行にする場合、第１熱電変換体６１および第２熱電変換体６２を薄膜型熱電変換体で構成すればバンド６７を屈曲させることができる。ウェアラブルデバイス６－４は、第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とによって構成される熱電変換素子の表面積をバンド６７の上面の分だけ大きくできる。そのため、図２０のウェアラブルデバイス６－４は、第１熱電変換体６１と第２熱電変換体６２とをバンド６７の各面に配置することで温度勾配に影響がなければ、図１９のウェアラブルデバイス６－３よりも熱電変換素子の出力を大きくすることができる。

以上のように、本実施形態のウェアラブルデバイスの熱電変換素子は、複数の第１熱電変換体と、複数の第２熱電変換体とによって構成される。複数の第２熱電変換体は、第１熱電変換体と導電部材によって電気的に接続され、第１熱電変換体と同じ温度勾配を印加された際に反対の向きに電流が流れる。第１熱電変換体と第２熱電変換体とは、長手方向が略平行になるように配置される。

すなわち、本実施形態のウェアラブルデバイスには、同じ熱勾配を印加した際に反対方向に電流が流れる２種類の熱電変換体を交互に接続した構成の熱電変換素子が搭載される。そのため、本実施形態によれば、複数の熱電変換ユニットを直列接続した構成にできるので、第１の実施形態よりも高電圧を得ることができる。

（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態に係るウェアラブルデバイスについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態のウェアラブルデバイスは、帯状の薄膜型熱電変換体をバンドに巻きつける点において第１の実施形態のウェアラブルデバイスとは異なる。

（構成）
図２１～図２２は、本実施形態のウェアラブルデバイス７の構成の一例について説明するための概念図である。図２１は、ウェアラブルデバイス７の構成の一例を示す側面図である。図２２は、ウェアラブルデバイス７の構成の一例を示す上面図である。

ウェアラブルデバイス７は、熱電変換体７１、対象物７５、およびバンド７７を備える。ウェアラブルデバイス７は、帯状の薄膜型の熱電変換体７１をバンド７７の周りに巻きつける点で第１の実施形態のウェアラブルデバイス１とは異なる。以下においては、主に、ウェアラブルデバイス１と相違する点について説明する。なお、図２１においては、バンド７７の右端が露出するように図示しているが、実際にはバンド７７の右端まで熱電変換体７１を巻きつけておくことが好ましい。

熱電変換体７１は、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する薄膜型熱電変換体によって構成される。熱電変換体７１は、薄膜型であるために柔軟性がある。熱電変換体７１は、バンド７７が曲げられると、バンド７７の変形に伴って変形する。

熱電変換体７１は、バンド７７の周りに巻きつけられる。熱電変換体７１は、図示しない端子を介して対象物７５に給電可能に接続される。熱電変換体７１は、ウェアラブルデバイス７が人体に装着された状態で、人体と外部との温度勾配に応じて発電する。熱電変換体７１は、図示しない端子を経由して、温度勾配によって生じた電力を対象物７５に給電する。なお、バンド７７の周りに熱電変換体７１を巻きつける構成とする場合、バンド７７の人体側の面では熱電変換体７１の表側から裏側に向かう温度勾配になるのに対し、バンド７７の外側の面では熱電変換体７１の裏側から表側に向かう温度勾配になる。そのため、バンド７７の人体側と外側とでは、温度勾配で発生するスピン流の向きが反対になり、端子から取り出せる電流が相殺される。しかしながら、ウェアラブルデバイス７を人体に装着すると、バンド７７の外側の熱電変換体７１に印加される温度勾配と比べて、バンド７７の人体側の熱電変換体７１に印加される温度勾配の方が大きいため、熱電変換体７１の端子間には電流が流れる。

バンド７７は、ウェアラブルデバイス７を人体に装着するための帯状体である。バンド７７は、対象物７５の周辺部に延在して配置される。図２１～図２２の例では、バンド７７は、対象物７５の周辺部に延在して配置される二つのパーツによって構成される。バンド７７の周囲には熱電変換体７１が巻きつけられる。なお、図２１においては、バンド７７を人体に装着するための留具や穴などは省略する。なお、熱電変換体７１は、バンド７７を構成する二つのパーツのうちいずれか一方に巻きつけるように構成してもよい。

ウェアラブルデバイス７は、バンド７７を手首などに巻きつけることによって人体に装着できる。ウェアラブルデバイス７が人体に装着されると、熱電変換体７１の人体側と、人体とは反対側との間に温度勾配が発生し、その温度勾配によって発生したスピン流によって起電力が発生する。その起電力によって発生する電流を対象物７５に給電すれば、対象物７５を駆動させることができる。

以上のように、本実施形態のウェアラブルデバイスは、帯状に形成された薄膜型の熱電変換素子をバンドの周囲に巻きつけた構成を有する。本実施形態によれば、第１の実施形態と比べて、帯状の薄膜型熱電変換体の両端部の距離が長くなるため、より高い電圧を得ることができる。

（第８の実施形態）
次に、本発明の第８の実施形態に係るウェアラブルデバイスについて図面を参照しながら説明する。本実施形態のウェアラブルデバイスは、対象物が着脱できる点で第１の実施形態のウェアラブルデバイスとは異なる。

図２３～図２７は、本実施形態のウェアラブルデバイス８の構成の一例について説明するための概念図である。図２３は、ウェアラブルデバイス８の上面図である。図２４は、図２３のＡ－Ａ線でウェアラブルデバイス８を切断した際の断面図である。図２５は、ウェアラブルデバイス８に搭載される対象物８００の下面図である。図２６は、対象物８００をウェアラブルデバイス８に搭載した状態を示す上面図である。図２７は、図２６のＢ－Ｂ線でウェアラブルデバイス８を切断した際の断面図である。

ウェアラブルデバイス８は、熱電変換素子８１、搭載部８２、第１給電端子８３、第２給電端子８４、およびバンド８７を備える。また、対象物８００は、第１受電端子８０１および第２受電端子８０２を有する。以下においては、ウェアラブルデバイス８が人体に装着されると、搭載部８２よりも熱電変換素子８１が人体側に位置するものとする。なお、熱電変換素子８１は、第１給電端子８３または第２給電端子８４に電気的に接続される構成であれば、第１～第７の実施形態のいずれの形態であってもよい。

熱電変換素子８１は、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子を含む。熱電変換素子８１は、搭載部８２の下面に配置される。熱電変換素子８１は、ウェアラブルデバイス８の搭載部８２に対象物８００が搭載されると、第１給電端子８３および第２給電端子８４を介して対象物８００に給電可能に接続される。熱電変換素子８１はウェアラブルデバイス８が人体に装着された状態で、人体と外部との温度勾配に応じて発電する。熱電変換素子８１は、第１給電端子８３および第２給電端子８４を介して、温度勾配によって生じた電力を対象物８００に給電する。

搭載部８２は、対象物８００が搭載される部分を有する。図２３のように、搭載部８２の凹部には第１給電端子８３および第２給電端子８４が露出する。また、図２４のように、対象物８００の下面には第１受電端子８０１および第２受電端子８０２が露出する。図２６のように、搭載部８２の凹部に対象物８００を嵌め込むことによって、対象物８００を搭載部８２に搭載できる。図２７のように、第１給電端子８３と第１受電端子８０１、第２給電端子８４と第２受電端子８０２とが接触するように対象物８００を搭載部８２に嵌めこむことによって、対象物８００と熱電変換素子８１とが電気的に接続される。

対象物８００は、熱電変換素子８１によって発生する電力で駆動させることができれば、どのような電子機器であってもよい。例えば、対象物８００は、時計、活動量計、通信端末などのような電子機器である。

以上が本実施形態のウェアラブルデバイス８の構成についての説明である。なお、図２３～図２７に示すウェアラブルデバイス８の構成は一例であって、本実施形態のウェアラブルデバイス８の構成をそのままの形態に限定するものではない。

以上のように、本実施形態のウェアラブルデバイスは、温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子と、熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物を搭載する搭載部と、搭載部の周辺部に延在して配置されるバンドとを備える。熱電変換素子は、温度勾配によって発生するスピン流を用いて熱電変換する。本実施形態によれば、搭載された対象物に給電することができるだけではなく、搭載される対象物を交換することができるために汎用性が高い。

以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子と、
前記熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物と、
前記対象物の周辺部に延在して配置されるバンドとを備えるウェアラブルデバイス。
（付記２）
前記熱電変換素子は、
起電体と、前記起電体に接して配置される磁性体とを積層させた薄膜型熱電変換体である付記１に記載のウェアラブルデバイス。
（付記３）
前記熱電変換素子は、
磁性体微粒子と、前記磁性体微粒子の表面を被覆する起電体とによって構成される熱電変換単位構造の集合体によって構成されるバルク型熱電変換体である付記１に記載のウェアラブルデバイス。
（付記４）
前記熱電変換素子は、
前記対象物の一方の面に配置される付記１乃至３のいずれか一項に記載のウェアラブルデバイス。
（付記５）
前記熱電変換素子は、
前記バンドの一方の面に配置された薄膜型熱電変換体を含む付記１乃至４のいずれか一項に記載のウェアラブルデバイス。
（付記６）
一端が前記対象物に接続され、他端に留具が配置される一対の前記バンドを設け、
前記留具は、
前記一対の前記バンドに配置された前記薄膜型熱電変換体を電気的に接続する付記５に記載のウェアラブルデバイス。
（付記７）
前記熱電変換素子は、
前記バンドの一方の面に配置された薄膜型熱電変換体と、
前記対象物の一方の面に配置され、前記バンドに配置された前記薄膜型熱電変換体と電気的に接続されるバルク型熱電変換体とによって構成される付記１に記載のウェアラブルデバイス。
（付記８）
前記熱電変換素子は、
前記バンドの一方の面に配置される薄膜型熱電変換体と、
前記バンドに配置された前記薄膜型熱電変換体の両端部を電気的に接続する導電部材とによって構成される付記１に記載のウェアラブルデバイス。
（付記９）
前記導電部材は、
前記バンドに配置された前記薄膜型熱電変換体と同じ方向に温度勾配が印加された際に、前記薄膜型熱電変換体とは反対の向きに電流が流れる熱電変換材料を含む付記８に記載のウェアラブルデバイス。
（付記１０）
前記熱電変換素子は、
前記バンドの一方の面に配置される複数のバルク型熱電変換体と、
前記バンドに配置された複数の前記バルク型熱電変換体を電気的に接続する導電部材とによって構成される付記１に記載のウェアラブルデバイス。
（付記１１）
前記熱電変換素子は、
前記バンドの一方の面に配置される複数のバルク型熱電変換体と、
前記バンドに配置された複数の前記バルク型熱電変換体と電気的に接続される薄膜型熱電変換体とによって構成される付記１に記載のウェアラブルデバイス。
（付記１２）
前記熱電変換素子は、
複数の第１熱電変換体と、
前記第１熱電変換体と導電部材によって電気的に接続され、前記第１熱電変換体と同じ温度勾配を印加された際に反対の向きに電流が流れる複数の第２熱電変換体とによって構成され、
前記第１熱電変換体と前記第２熱電変換体とは、それぞれの長手方向が略平行になるように配置される付記１乃至３のいずれか一項に記載のウェアラブルデバイス。
（付記１３）
前記熱電変換素子は、
帯状に形成され、前記バンドの周囲に巻きつけられる薄膜型熱電変換体によって構成される付記１に記載のウェアラブルデバイス。
（付記１４）
温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する複数のバルク型熱電変換体と、
隣接し合う前記バルク型熱電変換体同士を連結するとともに、電気的に接続する複数の連結部材と、
複数の前記バルク型熱電変換体によって構成される熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物とを備え、
複数の前記バルク型熱電変換体を前記連結部材によって連結した構造によって形成されるバンドは、前記対象物の周辺部に延在して配置されるウェアラブルデバイス。
（付記１５）
温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子と、
前記熱電変換素子からの給電を受ける対象物を搭載する搭載部と、
前記搭載部の周辺部に延在して配置されるバンドとを備えるウェアラブルデバイス。

この出願は、２０１９年１月１１日に出願された日本出願特願２０１９－００３５１５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１、２、３、４、５、６、７、８ ウェアラブルデバイス
１１、２１、３１ 熱電変換素子
１５、２５、３５、４５、５５、６５、７５ 対象物
１７、２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７ バンド
３４ 折り返し電極
３３、４２、６３ 導電部材
４１、４３ 熱電変換体
５１ 熱電変換体
５２ 連結部材
３６ 留具
６１ 第１熱電変換体
６２ 第２熱電変換体
８２ 搭載部
８３ 第１給電端子
８４ 第２給電端子
１１１ 起電体層
１１２ 磁性体層
２００ 熱電変換単位構造
２１０ 磁性体微粒子
２２０ 起電体
８００ 対象物
８０１ 第１受電端子
８０２ 第２受電端子

Claims (9)

1. 温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物と、
   前記対象物の周辺部に延在して配置されるバンドとを備え、
   前記熱電変換素子は、
   前記バンドの一方の面に配置された薄膜型熱電変換体と、
   前記対象物の一方の面に配置され、前記バンドに配置された前記薄膜型熱電変換体と電気的に接続されるバルク型熱電変換体とによって構成されるウェアラブルデバイス。
2. 前記熱電変換素子は、
   前記対象物の一方の面に配置される請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
3. 前記熱電変換素子は、
   前記バンドの一方の面に配置された前記薄膜型熱電変換体を含む請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
4. 一端が前記対象物に接続され、他端に留具が配置される一対の前記バンドを設け、
   前記留具は、
   前記一対の前記バンドに配置された前記薄膜型熱電変換体を電気的に接続する請求項３に記載のウェアラブルデバイス。
5. 前記熱電変換素子は、
   前記バンドの一方の面に配置される複数のバルク型熱電変換体と、
   前記バンドに配置された複数の前記バルク型熱電変換体を電気的に接続する導電部材とによって構成される請求項１に記載のウェアラブルデバイス。
6. 温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物と、
   前記対象物の周辺部に延在して配置されるバンドとを備え、
   前記熱電変換素子は、
   複数の第１熱電変換体と、
   前記第１熱電変換体と導電部材によって電気的に接続され、前記第１熱電変換体と同じ温度勾配を印加された際に反対の向きに電流が流れる複数の第２熱電変換体とによって構成され、
   前記第１熱電変換体と前記第２熱電変換体とは、それぞれの長手方向が略平行になるように配置されるウェアラブルデバイス。
7. 温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物と、
   前記対象物の周辺部に延在して配置されるバンドとを備え、
   前記熱電変換素子は、
   帯状に形成され、前記バンドの周囲に巻きつけられる薄膜型熱電変換体によって構成されるウェアラブルデバイス。
8. 温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する複数のバルク型熱電変換体と、
   隣接し合う前記バルク型熱電変換体同士を連結するとともに、電気的に接続する複数の連結部材と、
   複数の前記バルク型熱電変換体によって構成される熱電変換素子で発生した電力を受電する対象物とを備え、
   複数の前記バルク型熱電変換体を前記連結部材によって連結した構造によって形成されるバンドは、前記対象物の周辺部に延在して配置され、
   前記バンドを構成する複数の前記バルク型熱電変換体と電気的に接続された熱電変換体が、前記対象物の一方の面に配置されるウェアラブルデバイス。
9. 温度勾配で発生するスピン流を電流に変換する熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子からの給電を受ける対象物が搭載される凹部を有する搭載部と、
   前記搭載部の周辺部に延在して配置されるバンドとを備え、
   前記熱電変換素子は、
   前記バンドの一方の面に配置された薄膜型熱電変換体と、
   前記対象物の一方の面に配置され、前記バンドに配置された前記薄膜型熱電変換体と電気的に接続されるバルク型熱電変換体とによって構成され、
   前記搭載部の凹部には、前記対象物に給電するための給電端子が露出するウェアラブルデバイス。

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