WO2001050586A1 - Systeme thermoelectrique - Google Patents

Description

明 細 書 熱 電 シ ス テ ム

技 術 分 野

この発明は、 外部の温度差を利用して発電する熱電発電器によって発生した電力 (電気工ネルギ） を負荷に供給して、 該負荷を作動させる熱電システムに関するも のであり、 特に熱電発電器に固有のペルチェ効果の影響を補正して、 熱電発電器か ら負荷への電力の供給を適切に制御する機能を備えた熱電システムに関するもので ある。 背 景 技 術

外部の温度差による熱エネルギから熱電対を用いて発電し、 その発電により得ら れる電気工ネルギを利用して電子時計などの電子機器を駆動する熱電システムがあ る。

このような熱電システムを小型の携帯電子機器に応用した従来の一例として、 第 6図に示すような熱電発電器の発電電力で駆動される電子時計がある。

この電子時計は、 熱電発電器 1 0に負荷手段 2 0を接続しており、 熱電発電器 1 0の発電電力を負荷手段 2 0で利用可能な構成になっている。

負荷手段 2 0は、 昇圧手段 2 3と計時手段 2 1 と蓄電手段 2 2とによって構成さ れている。 昇圧手段 2 3は熱電発電器 1 0に接続されており、 熱電発電器 1 0の発 鼋鼋圧を 2倍に昇圧して出力する。

その昇圧手段 2 3の出力側に、 時計機能を有する計時手段 2 1 と 2次電池である 蓄電手段 2 2とが並列に接続されており、 昇圧手段 2 3の昇圧出力で蓄電手段 2 2 を充電し、 その充電した電力を計時手段 2 1に供給するようになつている。

さらに、 熱電発電器 1 0の発電電圧を検出するアンプ回路を用いた発電検出器 3 5と、 その検出電圧に応じて昇圧手段 2 1の動作を制御する制御手段 3 6とを設け ている。

熱電発電器 1 0は、 熱電対を複数直列に接続して構成されており、 この例の電子 時計が腕時計である場合、 その腕時計の裏蓋に温接点側を接触させるとともに、 そ の裏蓋から断熱されたケースに冷接点側を接触させるように配置される。 そして、 その腕時計の携帯時に、 人の腕に密着する裏蓋と外気にさらされるケースとの間に 生ずる温度差による熱エネルギを電気工ネルギに変換する。

このような従来の熱電システムを応用した電子時計は、 熱電発電器 1 0による発 電電圧が昇圧手段 2 3によって昇圧された後に蓄電手段 2 2に充電され、 その充電 した電気工ネルギによって計時手段 2 1の運針動作等が行われる。

このとき、 発電検出器 3 5によって検知される熱電発電器 1 0の発電電圧が所定 の値を超えていると、 制御手段 3 6は、 熱電発電器 1 0の発電電力を利用可能であ ると判断して、 昇圧手段 2 3を動作させる信号を出力する。 それによつて、 昇圧手 段 2 3が昇圧動作を開始し、 熱電発電器 1 0の発電電圧を昇圧して蓄電手段 2 2を 充電する。 逆に、 発電検出器 3 5によって検知される熱電発電器 1 0の発電電圧が 所定の値を下回ると、 制御手段 3 6は昇圧手段 2 3の昇圧動作を停止させ、 熱電発 電器 1 0から負荷手段 2 0への電力の供給を停止させると共に、 蓄電手段 2 2に充 電した電気工ネルギが熱電発電器 1 0側へ放出してしまうのを防止する。

このような従来の熱電システムにおいて、 発電器として用いられる熱電発電器 1 0は、 温接点側に高い温度を与え、 冷接点側に低い温度を与えると、 ゼーベック効 果によって発電し、 発電電圧を出力する （なお、 ゼーベック効果による発電電圧は 熱起電力と呼ばれる） 。 特に、 熱電発電器 1 0が無負荷の場合は、 熱電発電器 1 0 からは、 それ自身の温一冷接点間に生じている温度差に比例した発電電圧が得られ る。

ところが、 この熱電発電器 1 0から電力を取り出すために負荷を接続すると、 熱 電発電器 1 0から負荷に電流が流れるが、 その電流によってゼ一ベック効果と逆の 反応であるペルチュ効果が発生し、 熱電発電器 1 0に与えられている温度差を逆に 小さくするような現象が起きる。 すなわち、 熱電発電器 1 0から負荷に対して電流 が流れると、 冷接点側では発熟反応が発生し、 温接点側では吸熱反応が発生する。 このペルチェ効果によって、 熱電発電器に生じる温度差が減少するため、 熱起電力 である発電電圧も減少してしまう。

しかし、 従来の熱電システムは、 このペルチェ効果による熱起電力の一時的な減 少については考慮されておらず、 その熱起電力の一時的な減少は、 単に外部環境の 温度変化によってもたらされるものとして扱われていた。

このため、 上記のように熱電システムが熱電発電器の発電電圧の大きさによって 昇圧手段の動作と停止を切換えるように構成されていると、 発電電圧の値が検出し きい値の近傍である場合には、 昇圧手段が動作と停止を繰り返してしまうという問 題があった。

すなわち、 熱電発電器の発電電力の値に応じて接続されている負荷への電力の供 給と停止を切換えるように構成されていると、 負荷を動作させながら熱起電力を正 確に測定することができなくなるため、 結果的に熱電発電器の発電電力を効率良く 利用できない場合があった。

この発明は、 熱電システムにおける上記の問題を解決して、 熱電発電器から負荷 手段への電力の供給によってペルチェ効果が発生しても、 熱電発電器の発電電圧に 対するペルチェ効果の影響を補正しつつ、 熱電発電器の発電エネルギを効率的に利 用できるようにすることを目的とする。 発 明 の 開 示

この発明による熟電システムは、 上記の目的を達成するため、 複数の熱電対を電 気的に直列に設けた熱電発電器と、 その熱電発電器の発電電力を利用する負荷手段 と、 熱電発電器の発電電圧を計測して、 その発電電圧に応じて前記負荷手段への電 力の供給および供給停止を制御する制御手段とからなり、 その制御手段に、 熱電発 電器から負荷手段へ所定時間以上連続して電力を供給したときには、 発電電圧を補 正して計測する補正手段を設けたものである。

また、 制御手段は、 負荷手段の動作を制御する手段を有する熱電システムとする のがよい。

さらに、 上記補正手段が、 熱電発電器から負荷手段へ所定時間以上連続して電力 を供給したときに流れる電流により生ずるペルチェ効果によって前記熱電発電器の 発電電圧が低下する分を、 該発電電圧を補正して計測する手段であるのがよい。 また、 上記制御手段は、 上記熱電発電器の発電電圧を一定周期で間欠的に計測し、 その計測中は前記熱電発電器から前記負荷手段への電力の供給路を遮断あるいは高 抵抗状態にする手段を有するものにするとよい。

その場合、 制御手段は、 上記一定周期での発電電圧の計測結果が設定値を超えて いれば熱電発電器から負荷手段へ電力を供給させ、 設定値以下であれば該負荷手段 への電力の供給を停止させるように制御するものとすることができる。

さらに、 上記捕正手段は、 上記計測結果が予め設定した回数だけ連続して上記設 定値を超えたときを、 前記熱電発電器から上記負荷手段へ所定時間以上連続して電 力を供給したものとみなし、 次回以降の計測時に上記発電電圧を補正して計測する 熱電システムとすることができる。

このように構成した熱電システムは、 熱電発電器が負荷手段へ連続的に電力を供 給するときに発生するペルチェ効果による発電電圧の低下に対して、 その影響が無 視できない状況のときには計測される熱起電力に補正を加え、 本来の発電電圧に相 当する電圧を想定して負荷への電力の供給および停止を制御することが可能になる。 したがって、 ペルチェ効果が発生しても熱電発電器の発電電力を効率良く利用でき、 ペルチェ効果に影響されることなく、 熱電発電器が発電可能な電力を最大限利用す ることが可能な熱電システムを実現することが可能になる。 図面の簡単な説明

第 1図は、 この発明による熱電システムの一実施形態である電子時計のシステム 構成を示すプロック回路図である。

第 2図は、 第 1図における制御手段の具体的な回路構成を示す回路図である。 第 3図は、 第 1図における昇圧手段の具体的な回路構成を示す回路図である。 第 4図は、 第 1図の電子時計が腕時計である場合の内部構造の概略を示す断面図 である。

第 5図は、 第 1図から第 3図に示した電子時計の動作を説明するための各部の電 圧および信号の波形図である。

第 6図は、 従来の熱電システムの構成例を示すプロック回路図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 この発明による熱電システムの実施の形態について図面を用いて具体的に 説明する。

第 1図は、 この発明による熱電システムの一実施形態である電子時計のシステム 構成を示すブロック回路図である。 第 2図はその電子時計の制御手段の具体的な回 路構成を示す回路図、 第 3図は昇圧手段の具体的な回路構成を示す回路図である。 第 4図はその電子時計が腕時計である場合の内部構造の概略を示す断面図、 第 5図 はこの電子時計の動作を説明するための第 1図から第 3図における電圧おょぴ信号 の波形図である。

[システム構成の説明 ··第 1図]

まずはじめに、 第 1図を用いてこの発明による熱電システムの一実施形態である 電子時計のシステム構成について説明する。 この実施形態の熱電システムは、 第 6 図によって前述した従来例と同様に、 熱電発電器の発電電力を電力源としている電 子時計である。 なお、 この電子時計内部の構成については後述する。

第 1図に示す電子時計は、 熱電発電器 1 0に負荷手段 2 0を接続して、 熱電発電 器 1 0が発電した電力を負荷手段 2 0に供給して利用するように構成されている。 さらに、 熱電発電器 1 0の発電電圧を計測して、 その発電電圧に応じて負荷手段 2 0への電力の供給および供給停止を制御する制御手段 3 0を設けている。

熱電発電器 1 0は、 図示はしていないが、 多数の熱電対を電気的に直列に接続し たものであり、 1での温度差を与えると約 1 . 5 Vの熱起電力が得られるものを想 定している。 この熱電発電器 1 0は、 熱電発電により得た起電力を発電電圧 V 1 と して出力する。

負荷手段 2 0は、 時計機能を有する計時手段 2 1と、 蓄電手段 2 2および昇圧手 段 2 3から構成されている。

計時手段 2 1は、 図示はしないが、 一般的な電子時計と同様に、 水晶の発振周波 数を少なくとも周期が 2秒となる周波数まで分周し、 さらにその分周信号をステツ ビングモータの駆動に必要な波形に変形する計時回路と、 この計時回路の波形によ り回転駆動されるステツビングモータおょぴステツビングモータの回転を輪列で減 速して伝達し、 時刻表示用の指針を回転駆動する時刻表示系とから構成されている。 この計時手段 2 1は、 上述した計時回路によって計測クロック S 2と昇圧クロッ ク S 3とを発生し、 計測クロック S 2と昇圧クロック S 3とをともに制御手段 3 0 へ入力させる。

計測クロック S 2は、 ロウレベルとなる時間が 8ミ リ秒で周期が 2秒となる波形 の信号であって、 昇圧クロック S 3の立ち上がりを受け、 その直後に立ち下がるよ うになつている。 昇圧クロック S 3は、 周波数が 4 K H zの矩形波である。 なお、 計測クロック S 2と昇圧クロック S 3の波形の生成は、 簡単な波形合成で可能であ るため、 その生成回路についての詳しい説明は省略する。

この実施の形態では、 計測クロック S 2がロウレベルとなる時間は、 昇圧手段 2 3が昇圧を停止する時間にもなつているが、 この昇圧停止時間が設定されているの は次の理由による。 すなわち、 昇圧手段 2 3の昇圧動作により流れる電流の影響によって、 熱電発電 器 1 0の端子に現れる電圧が実際の発電可能な電圧よりも低下するため、 後述する 比較回路 4 0が発電電圧 V 1を計測する間とその直前において、 比較回路 4 0が誤 計測をしないように昇圧手段 2 3を停止させる目的で設定したものである。 この昇 圧停止時間は、 熱電発電器 1 0の内部インピーダンスと昇圧手段 2 3の容量負荷に よる時定数で適宜決定する。

蓄電手段 2 2は、 リチウムイオンによる 2次電池であるが、 説明を簡単にするた め、 充放電の量よらず、 端子電圧が常時 1 . 8 Vの一定値をとるものとする。 昇圧手段 2 3は、 簡単のため 2組のコンデンサの接続状態を切り替えて入力電圧 を 2倍に昇圧する昇圧回路とする。 この昇圧手段 2 3は、 入力側には熱電発電器 1 0が接続され、 出力側には蓄電手段 2 2と計時手段 2 1が並列に接続されている。 この昇圧手段 2 3は、 制御手段 3 0から出力される昇圧制御信号 S 5と S 6を入力 し、 熱電発電器 1 0から入力される発電電圧 V 1を昇圧して蓄電手段 2 2と計時手 段 2 1に出力する。 なお、 その回路および作用の詳細な説明は後述する。

熱電発電器 1 0の負極と昇圧手段 2 3の負極と蓄電手段 2 2の負極は、 すべて接 地している。 なお、 この実施形態においては、 この電子時計を携帯した場合に通常 得られる電圧方向を順方向とし、 そのとき温まる側を温接点と称し、 冷える側を冷 接点と称す。 さらに、 そのとき高い電位が現れる方の端子を 「正極 （+ ) 」 とし、 低い電位が現れる方の端子を 「負極 （一） 」 とする。

制御手段 3 0は、 熱電発電器 1 0の発電電圧 V 1を計測し、 その発電電圧 V Iの 値に応じて昇圧制御信号 S 5， S 6によって昇圧手段 2 3の動作を制御し、 熱電発 電器 1 0から負荷手段 2 0への電力の供給および供給停止を制御する。 この制御手 段 3 0の具体的な構成および作用は、 後に詳しく説明する。

なお、 上記の計時手段 2 1の計時回路と昇圧手段 2 3のコンデンサ以外の部分、 および制御手段 3 0などの回路群は、 一般的な電子時計と同様に、 すべて同一の集 積回路上に構成することができる。

[制御手段の説明 ：第 2図]

次に、 第 2図を用いて第 1図に示した電子時計における制御手段の構成とその作 用について詳細に説明する。

制御手段 3 0は、 第 2図に示すように、 電圧計測手段としてのオペアンプによる 比較回路 （コンパレータ） 4 0と、 第 1のフリップフロップ回路 4 1およぴ第 2の フリ ップフ口ップ回路 4 2と、 第 1のィンバ一タ 4 5および第 2のィンバ一タ 4 6 と、 第 1のアンドゲート 4 8および第 2のアンドゲート 4 9と、 レギユレ一タ回路 5 0とによって構成されている。

比較回路 4 0は、 その非反転入力端子 （+ ) への入力電圧が反転入力端子 （一） への入力電圧を超えるとハイレベルの信号を出力し、 非反転入力端子への入力電圧 が反転入力端子への入力電圧と等しいかこれを下回る場合には、 口ゥレベルの信号 を出力する。

そして、 この比較回路 4 0の非反転入力端子には熱電発電器 1 0の正極を接続し て発電電圧 V 1を入力し、 反転入力端子にはレギュレータ回路 5 0の出力端子を接 続して、 その出力電圧を比較電圧 V 2として入力する。 また、 その出力端子を第 1 のフリップフ口ップ回路 4 1のデータ入力端子に接続し、 発電電圧 V 1を比較電圧 V 2と比較して、 上述のようにその比較結果 （計測結果） に応じたハイ レベルまた は口ゥレベルの信号 S 1を出力し、 それを第 1のフリ ップフ口ップ回路 4 1のデー タ入力端子に入力させる。

第 1のフリ ップフロップ回路 4 1は、 電源投入時に出力がリセッ トされるデータ タイプのフリ ップフロップ回路であり、 また第 2のフリ ップフロップ回路 4 2は反 転リセッ ト入力端子付きのデータタイプのフリップフロップ回路である。 そして、 第 1のフリ ップフ口ップ回路 4 1の出力端子が第 2のフリ ップフ口ップ回路 4 2の データ入力端子に接続され、 第 1のフリ ップフ口ップ回路 4 1 と第 2のフリップフ 口ップ回路 4 2とが直列に接続されている。

また、 第 1のフリ ップフロップ回路 4 1 と第 2のフリップフロップ回路 4 2のク 口ック入力端子には、 それぞれ計時手段 2 1からの計測クロック S 2が入力される。 そして、 各フリ ップフロップ回路 4 1， 4 2は、 計測クロック S 2の波形の立ち上 がりを受けてデータ入力端子の信号の保持および出力を行なう。 さらに、 第 2のフ リップフロップ回路 4 2の反転リセッ ト入力端子にも、 第 1のフリップフロップ 4 1の出力端子を接続している。

第 1のィンバータ 4 5の入力端子は、 第 2のフリ ップフ口ップ回路 4 2の出力信 号を入力して、 それを反転して出力する。 また、 第 2のインバータ 4 6は、 計時手 段 2 1からの昇圧クロック S 3を入力し、 それを反転して出力する。

第 1のアンドゲート 4 8には、 計時手段 2 1からの計測クロック S 2と昇圧ク口 ック S 3、 および第 1のフリップフロップ回路 4 1の出力信号が入力され、 第 1の アンドゲ一ト 4 8は、 これら 3つの信号の論理積を第 1の昇圧信号 S 5として出力 する。

第 2のアンドゲ一ト 4 9には、 計時手段 2 1からの計測クロック S 2と、 第 1の フリップフロップ回路 4 1の出力信号、 および第 2のインバータ 4 6の出力信号 (昇圧クロック S 3の反転信号） が入力され、 第 2のアンドゲート 4 9は、 これら 3つの信号の論理積を第 2の昇圧信号 S 6として出力する。

レギユレータ回路 5 0は、 比較電圧発生回路であって、 2つの電圧レベルのうち の 1つを選択して、 出力端子から比較電圧 V 2を出力するように構成されている。 すなわち、 入力端子に第 1のインバータ 4 5からハイ レベルの信号を入力すると、 0 . 9 Vの比較電圧 V 2を出力し、 ロウレベルの信号を入力すると 0 . 8 I Vの比 較電圧 V 2を出力する。

なお、 レギユレータ回路 5 0の比較電圧 V 2は、 通常 0 . 9 Vに設定してある。 この電圧値は、 熱電発電器 1 0の発電電圧 V 1が 0 . 9 Vより大きい値となるとき は、 端子電圧が 1 . 8 Vの蓄電手段 2 2に対し、 発電電圧 V 1を 2倍に昇圧して出 力すれば所望の充電電流が得られることを考慮して設定したものである。 また、 0 . 8 I Vは、 ペルチェ効果の影響を補正する時に出力する比較電圧 V 2の電圧値であ つて、 これについては後に詳しく説明する。

[昇圧手段の説明 ：第 3図]

次に、 第 3図を用いて第 1図に示した電子時計における昇圧手段の構成とその作 用について説明する。

この第 3図に示す畀圧手段 2 3は、 第 1の昇圧スィッチ 9 1、 第 2の昇圧スイツ チ 9 2、 第 3の昇圧スィッチ 9 3、 および第 4の昇圧スィッチ 9 4と、 第 1の昇圧 コンデンサ 1 0 1および第 2の昇圧コンデンサ 1 0 2とから構成されている。

第 1の昇圧スィッチ 9 1は、 Nチャンネル型の電界効果トランジスタ （F E T ) であり、 第 2の昇圧スィツチ 9 2と第 3の昇圧スィツチ 9 3および第 4の昇圧スィ ツチ 9 4は、 いずれも Pチャンネル型 F E Tである。

第 1の昇圧スィツチ 9 1は、 ドレイン端子に第 1の昇圧コンデンサ 1 0 1の負極 を接続し、 ソース端子を接地している。 そして、 ゲート端子に入力される制御手段 3 0からの昇圧制御信号 S 5によってオンノオフ制御される。

第 3の昇圧スィッチ 9 3は、 ソース端子に第 1の昇圧コンデンサ 1 0 1の正極を 接続し、 ドレイン端子に熱電発電器 1 0の正極を接続して発電電圧 V 1を入力する。 そして、 第 1の昇圧スィツチ 9 1 と同様に、 ゲ一ト端子に入力される制御手段 3 0 からの昇圧制御信号 S 5によってオン/オフ制御される。

また、 第 2の昇圧スィッチ 9 2は、 ソース端子に熱電発電器 1 0の正極を接続し、 ドレイン端子に第 1の昇圧コンデンサ 1 0 1の負極を接続している。 そして、 ゲー ト端子に入力される制御手段 3 0からの昇圧制御信号 S 6によってオン Zオフを制 御される。

第 4の昇圧スィッチ 9 4は、 ソース端子を蓄電手段 2 2の正極に接続し、 ドレイ ン端子に第 1の昇圧コンデンサ 1 0 1の正極を接続している。 そして、 第 2の昇圧 スィッチ 9 2 と同様に、 ゲ一ト端子に入力される制御手段 3 0からの昇圧制御信号 S 6によってオン オフを制御される。

第 1の昇圧コンデンサ 1 0 1および第 2の昇圧コンデンサ 1 0 2は、 前述の集積 回路の外付け要素であり、 容量はともに 0 . 2 2 z Fとしている。 第 2の昇圧コン デンサ 1 0 2は、 熱電発電器 1 0の端子電圧安定化の目的で、 熱電発電器 1 0に並 列に接続している。

そして、 第 4の昇圧スィツチ 9 4のソース端子からは昇圧出力 V 3が出力される 力 これを蓄電手段 2 2に充電させる。

昇圧手段 2 3は、 以上のように構成されているので、 制御手段 3 0からの昇圧制 御信号 S 5， S 6によって、 各昇圧スィッチ 9 1， 9 2， 9 3， 9 4のオン オフ 状態を切換えることにより、 次のように動作する。

まず、 第 1の昇圧スィツチ 9 1 と第 3の昇圧スィツチ 9 3が共にオン状態にある と、 このとき熱電発電器 1 0と第 1の昇圧コンデンサ 1 0 1 とが並列接続となり、 熱電発電器 1 0の発電電圧によって第 1の昇圧コンデンサ 1 0 1が充電され、 第 1 の昇圧コンデンサ 1 0 1の正極の電圧は発電電圧とほぼ同じになる。

なお、 第 2の昇圧コンデンサ 1 0 2は、 常時熱電発電器 1 0と並列に接続されて おり、 その正極の電圧は熱電発電器 1 0の発電電圧とほぼ同じになっている。 その後、 第 1の昇圧スィツチ 9 1 と第 3の昇圧スィツチ 9 3がオフ状態にされ、 同時に第 2の昇圧スィツチ 9 2と第 4の昇圧スィツチ 9 4がオン状態になると、 熱 電発電器 1 0と第 2の昇圧コンデンサ 1 0 2との並列回路と、 第 1の昇圧コンデン サ 1 0 1とが直列に接続された状態になるため、 負荷が接続されない無負荷状態で は、 熱電発電器 1 0の発電電圧に第 1の昇圧コンデンサ 1 0 1の端子電圧を加えた 電圧、 すなわち発電電圧の 2倍の電圧が、 第 4の昇圧スィッチ 9 4のドレイン端子 に昇圧出力として得られる。 [電子時計の構造の説明 ：第 4図]

上述した電子時計が腕時計である場合の内部構造の一例を第 4図に示す。 この電 子時計は、 上面部に風防ガラス 6 0を嵌め込んだ金属製のケース 6 1 と、 金属製の 裏蓋 6 2とを断熱材 6 3を介して嵌合させて一体化し、 内部に密閉空間を形成して いる。 その密閉空間の周辺部に、 環状に形成された多数の熱電対からなる熱電発電 器 1 0を配置し、 その内側に時針， 分針， および秒針からなる時刻表示用の指針群 6 6を回転駆動するム一ブメント 6 5を配設している。

熱電発電器 1 0は、 温接点側を腕に装着されたとき体温で加熱される裏蓋 6 2の 内面に密着させ、 冷接点側を空気で冷却されるケース 6 1の内面に密着させている。 ムーブメント 6 5には、 第 1図に示した負荷手段 2 0と制御手段 3 0が内蔵され ており、 負荷手段 2 0における計時手段 2 1の計時回路からの駆動波形の信号によ り回転駆動されるステツビングモータにより、 それぞれ輪列を介して指針群 6 6の 各指針が回動される。

その計時回路と、 昇圧手段 2 3の第 1 , 第 2の昇圧コンデンサ 1 0 1， 1 0 2以 外の回路、 および制御回路 3 0は、 前述したように同一の集積回路 （ I C ) に形成 されて、 ムーブメント 6 5内に設けられる。

[熱電システムの動作の説明 ：第 1図から第 3図， 第 5図]

次に、 第 1図から第 3図および第 5図を用いて、 上述した電子時計すなわちこの 発明による熱電システムの一実施形態の動作について説明する。

以下の説明では、 蓄電手段 2 2に蓄えられている電気工ネルギは計時手段 2 1を 駆動するのに充分な量があるものとし、 かつ蓄電手段 2 2の端子電圧は充放電によ らず常に 1 . 8 Vを維持しているものとする。 そして、 蓄電手段 2 2がこの状態に あるときは、 計時手段 2 1は動作可能であり、 通常の計時動作および運針動作を行 うものとする。 そして、 制御手段 3 0にも電源が投入された状態になっている。 このとき、 制御回路 3 0の第 2図に示した第 1のフリ ップフロップ回路 4 1は、 電源投入により保持データがリセッ トされた状態、 つまりロウレベルの信号を出力 する。 すると、 第 1のアンドゲート 4 8と第 2のアンドゲート 4 9は、 その第 1の フリップフ口ップ回路 4 1から出力される口ウレベルの信号を入力するため、 畀圧 制御信号 S 5 , S 6として常にロウレベルの信号を出力する。

したがって、 第 3図に示した昇圧手段 2 3は、 全ての畀圧スィッチ 9 1〜9 4が オフになって動作を停止した状態となっている。

また、 制御手段 3 0の第 2のフリップフロップ回路 4 2は、 第 1のフリ ップフロ ップ回路 4 1 のロウレベルの出力信号を入力するため、 保持データおよび出力信号 がリセッ トされる。 したがって、 その出力信号はロウレベルになり、 レギユレータ 回路 5 0に入力する第 1のィンバ一タ 4 5の出力信号はハイレベルになるので、 レ ギユレ一タ回路 5 0は比較電圧 V 2として 0 . 9 Vの電圧を出力する。

さて、 この熱電システムである電子時計が熱電発電器 1 0の両端に温度差があま り発生しないような環境下に置かれ、 発電電圧 V 1が 0 · 9 Vを下回り、 0 . 8 5 V程度になったと仮定する。

すると、 制御手段 3 0の第 2図に示した比較回路 4 0は、 0 . 8 5 V程度になつ た発電電圧 V I と 0 . 9 Vの比較電圧 V 2とを比較して、 V 1 < V 2と判定し出力 信号 （計測出力） S 1をロウレベルにする （第 5図参照） 。

一方、 第 1のフリップフロップ回路 4 1に入力される計測クロック S 2は、 第 4 図に示すように、 その波形が 2秒周期でハイレベルから口ゥレベルに立ち下がり、 8ミリ秒後に立ち上がる、 すなわち、 （2秒一 8 ミ リ秒） 間のハイレベルと 8ミ リ 秒間の口ゥレベルを交互に操り返す。

第 1のフリ ップフ口ップ回路 4 1は、 この計測クロック S 2の立上りの時に計測 出力 S 1を取り込む。 そして、 計測出力 S 1がロウレベルのときは、 その口ウレべ ルの計測出力 S 1を取り込むことによって、 出力をロウレベルに維持する。 したが つて、 第 1のアンドゲート 4 8および第 2のアンドゲート 4 9には、 いずれも初期 化時と同様そのロウレベルの信号が入力され続ける。 そのため、 昇圧信号 S 5およ び S 6もロウレベルを継続し、 結果として昇圧手段 2 3は昇圧停止状態のままとな る。

やがて、 熱電発電器 1 0の両端に約 0 . 6 7 °Cほどの温度差が癸生し、 発電電圧 V Iが 0 . 9 Vを上回って 1 . 0 Vになると仮定する。 すると、 制御手段 3 0の第 2図に示した比較回路 4 0は、 1 . 0 Vになった発電電圧 V 1 と 0 . 9 Vの比較電 圧 V 2とを比較して、 V 1 > V 2と判断してその出力信号 （計測出力） S 1をハイ レベルにする （第 5図参照） 。

計測出力 S 1がハイレベルとなることによって、 計測クロック S 2の波形が 2秒 周期でハイレベルから口ゥレベルに立ち下がって、 その 8ミ リ秒後に立ち上がる際 に、 第 1のフリップフロップ回路 4 1はハイレベルの計測出力 S 1を取り込んで、 出力をハイレベルにする。 それによつて、 第 2のフリ ップフロップ回路 4 2はリセ ット状態が解除されてデータの取り込み待ちの状態となる。

また、 第 1のフリップフロッブ回路 4 1の出力がハイレベルとなると、 第 1のァ ンドゲート 4 8は、 昇圧クロック S 3と計測クロック S 2の論理積に相当する波形 を昇圧制御信号 S 5として出力する。 同様に第 2のアンドゲート 4 9は、 畀圧クロ ック S 3の反転信号と計測クロック S 2の論理積に相当する波形を昇圧制御信号 S 6として出力する。

このとき、 昇圧制御信号 S 5と S 6は、 第 5図に示すように、 それぞれ周波数が 4 K H zの昇圧クロック S 3と同じ周期でハイレベルと口一レベルを交互に繰り返 し、 かつ、 昇圧制御信号 S 5がハイ レベルのときには昇圧制御信号 S 6がローレべ ルとなり、 昇圧制御信号 S 5がローレベルのときには昇圧制御信号 S 6がハイレべ ルとなる。 すなわち、 昇圧制御信号 S 5と S 6は互いに位相が反転した信号になる。 この昇圧制御信号 S 5と S 6は、 いずれも畀圧手段 2 3が畀圧動作を行うよう設 定した波形の信号である。 そして、 前述の昇圧手段 2 3の構成および動作として説 明した通り、 昇圧手段 2 3にこの波形の昇圧制御信号 S 5と S 6が入力されると、 計測クロック S 2がハイレベルとなっている間、 昇圧手段 2 3が発電電圧 V 1の 2 倍の電圧を出力できるような昇圧動作を行う。

すなわち、 熱電発電器 1 0が発電を開始した後に 0 . 9 Vより大きい発電電圧が 発生すれば、 昇圧手段 2 3が昇圧動作を開始して蓄電手段 2 2に対して充電するこ とになる。 これにより、 熱電発鼋器 1 0から負荷手段 2 0への給電が開始されるこ とになる。

その後、 熱電発電器 1 0の両端に 0 . 6 7 °Cの温度差が発生可能な環境が継続し ていると、 その間に再び計測クロック S 2の波形は立ち下がる。 すると、 計測クロ ック S 2がロウレベルとなっている 8ミリ秒の間は第 1のアンドゲ一ト 4 8および 第 2のアンドゲート 4 9の出力である畀圧制御信号 S 5および S 6もロウレベルに なるので、 昇圧手段 2 3の昇圧動作が一時停止となる。

そして、 計測クロック S 2が 8ミ リ秒後に立ち上がる際、 第 1のフリ ップフロッ プ回路 4 1は、 依然ハイレベルとなっている計測クロック S 1を取り込んでハイレ ベルの信号を出力する。 第 2のフリ ップフロップ回路 4 2は、 計測クロック S 2が 立ち上がる直前まで第 1のフリップフロップ回路 4 1が保持していたハイレベルの 出力信号を取り込んでリセッ トされ、 出力信号をロウレベルにしているが、 この時 その出力信号をハイレベルに変更して出力する。

第 2のフリ ップフロップ回路 4 2の出力信号がハイレベルになると、 第 1のイン バ一タ 4 5がそれを反転して口一レベルの信号をレギュレータ回路 5 0に入力させ る。 それによつて、 レギユレータ回路 5 0は、 比較電圧 V 2を 0 . 9 Vから 0 . 8 1 Vに変更して出力する。

このとき、 第 1のフリップフロップ回路 4 1の出力はハイレベルとなっているの で、 計測クロック S 2が立ち上がると、 その後再び昇圧制御信号 S 5と S 6が第 5 図に示すように出力され、 昇圧手段 2 3が昇圧動作を継続する。 さらに、 熱電発電器 1 0に同様に 0 . 6 7 °Cの温度差が発生可能な環境が継続し ているとすると、 上記と同様に再び計測クロック S 2の波形は、 立ち上がつてから 2秒後に立ち下がり、 昇圧手段 2 3は一時的に停止する。

このとき、 熱電発電器 1 0は、 これまでの間約 4秒間 （計測クロック S 2の約 2 周期間） 連続して負荷手段 2 0に給電し、 昇圧手段 2 3を介して蓄電手段 2 2への 充電電流あるいは計時手段 2 1に電流を流し続けていることになる。 このため、 熱 電発電器 1 0は、 その電流によるペルチェ効果の影響を受けてその両端に生じてい る温度差が実質的に減少し、 発電電圧 V 1が第 5図に破線で示すように徐々に低下 している。

そのため、 計測クロック S 2がロウレベルとなる間、 熱電発電器 1 0は昇圧手段 2 3から切り離された無負荷状態になり、 負荷手段 2 0への電流は流れなくなるに もかかわらず、 温度差は急には回復しないため、 発電電圧 V I として、 0 . 6 7 °C の温度差で生じる熱起電力 1 . 0 Vよりも低い例えば 0 . 9 Vが現れる。

発電開始直後に 0 . 9 Vの発電電圧が現れたときは、 昇圧手段 2 3の昇圧動作を 停止する状態を継続することになるが、 このときには、 制御手段 3 0が上述したよ うにペルチェ効果の影響による電圧の低下分を見込んで、 予め前回の発電電圧計測 の時において、 レギユレ一タ回路 5 0が出力する比較電圧 V 2を 0 . 8 I Vに変更 している。

すなわち、 制御手段 3 0は、 熱電発電器 1 0が所定時間以上連続して電力の供給 を行なったとき、 この例では比較回路 4 0による発電電圧の計測結果が 2回連続し て比較電圧を超えたとき、 ペルチェ効果による影響が無視できなくなっているとみ なして、 レギユレ一タ回路 5 0が出力する比較電圧 V 2の値を下げ、 比較回路 4 0 がペルチェ効果の影響による発電電圧 V 1の低下分を補正して発電電圧 V 1を計測 するようにしている。 この機能がこの発明における 「補正手段」 に相当する。 そのため、 今回の計測時における熱電発電器 1 0の発電電圧 V 1が 0 . 9 Vであ つたとしても、 第 2図における比較回路 4 0は、 その 0 . 9 Vの発電電圧 V Iを 0 . 8 1 Vの比較電圧と比較して計測するので、 出力信号 （計測出力） S 1はハイレべ ルを継続して出力する。 したがって、 計測クロック S 2が立ち上がる際には第 1の フリッブフ口ップ回路 4 1の出力信号は再びハイレベルになる。

それによつて、 計測クロック S 2がハイ レベルである間は、 昇圧制御信号 S 5お よび S 6は、 第 5図に示すように昇圧手段 2 3を昇圧動作させる波形の信号として 継続して出力される。

このように、 この実施形態では、 一定時間 （約 4秒間） 以上連続して昇圧手段 2 3が昇圧動作を継続している場合には、 ペルチヱ効果の影響により発電電圧 V 1が 0 . 9 Vに低下するが、 それでも、 実際の熱電発電器 1 0には 1 . 0 Vに相当する 電圧を発電する能力があるものとみなし、 制御手段 3 0が昇圧手段 2 3の昇圧動作 を停止させることなく、 熱電発電器 1 0から負荷手段 2 0への給電を継続するよう に制御する。

次に、 昇圧手段 2 3がこのように昇圧動作を継続している間に環境が変化して、 熱電発電器 1 0の両端に 0 . 6 °Cの温度差しか生じない環境になってしまったとす る。 この温度差は、 熱電発電器 1 0が無負荷であれば、 発電電圧 V Iが 0 . 9 Vと なる温度差である。

このとき、 上記同様にして計測クロック S 2の波形が再ぴ立ち下がると、 昇圧手 段 2 3は一時的に昇圧動作を停止するが、 今度は計測クロック S 2の波形が口ウレ ベルとなっている間でも、 熱電発電器 1 0にはペルチヱ効果による影響が残ってい るため、 制御手段 3 0の比較回路 4 0に入力される実際の発電電圧 V 1は、 上述し た 0 . 9 Vよりも低い 0 . 8 I V程度の電圧になる。

そのため、 比較回路 4 0は、 0 . 8 1 Vの発電電圧 V 1 と 0 . 8 I Vの比較電圧 V 2とを比較して、 V 1≤ V 2と判断して出力信号 （計測出力） S 1をロウレベル で出力するので、 計測クロック S 2が立ち上がる際には第 1のフリ ップフ口ップ回 路 4 1の出力はハイレベルから口ゥレべノレとなる。

そして、 第 1のフリ ップフロップ回路 4 1の出力がロウレベルになると、 制御手 段 3 0は電源投入時と同様に初期化された状態となる。 すなわち、 昇圧制御信号 S 5および S 6は第 5図の右端部分に示すようにロウレベルに固定される。 また、 第 2のフリップフロップ回路 4 2も保持データがリセッ トされ、 さらにレギユレ一タ 回路 5 0は比較電圧 V 2として再び 0 . 9 Vの電圧を出力するようになる。

このとき、 電源投入時と同様に制御手段 3 0から出力される昇圧制御信号 S 5お よび S 6がロウレベルに固定されることによって、 昇圧手段 2 3は昇圧動作を停止 した状態を継続する。

したがって、 この電子時計が置かれた環境によって、 熱電発電器 1 0の発電電力 によって実質的に負荷手段 2 0に給電できない状態のときには、 制御手段 3 0が昇 圧手段 2 3の動作を停止させて、 熱電発電器 1 0からの給電を停止させ、 蓄電手段 2 2に充電された電気工ネルギが熱電発電器 1 0に逆流しないようにする。 このと き、 蓄電手段 2 2に充電された電気工ネルギによって計時手段 2 1に給電し、 その 動作を継続させる。

上記の説明で明らかであるが、 この実施形態の熱鼋システムである電子時計は、 熱電発電器 1 0の発電電圧 V 1が昇圧して利用できる所定レベルの電圧値になると、 熱電発電器 1 0の発電電圧を負荷手段 2 0に給電し、 昇圧手段 2 3によって昇圧し て蓄電手段 2 2に充電する。 その後、 連続して一定時間 （上記の例では計測クロッ ク S 2の 2周期である 4秒） 以上給電を維続しているときは、 熱電発電器 1 0の発 鼋電圧 V 1を補正して計測し、 発電電圧 V 1が上記所定レベルを下回っていても昇 圧手段 2 3の昇圧動作を継続させる。 そして、 熱電発電器 1 0の発電電圧 V 1が上 記所定レベルよりも低い値に設定した別のレベルを下回った場合に、 昇圧手段 2 3 の昇圧動作を停止させて、 負荷手段 2 0への給電を停止させるように動作する。 また、 これまでの動作説明でとくに触れなかったが、 熱電発電器 1 0の発電電力 を連続して取り出さないような場合、 すなわち、 熱電発電器 1 0の発電電圧 V 1が 昇圧充電可能なレベルであることを計測した直後に、 環境の変化によって発電電圧 V 1が低下し、 制御手段 3 0の比較回路 4 0が計測出力 S 1をロウレベルにするよ うな場合には、 次回の計測により第 1のフリ ップフロップ回路 4 1の出力が直ちに ロウレベルになるため、 制御手段 3 0は電源投入時と同様の初期状態となり、 補正 動作は行わない。

なお、 この実施の形態では、 熱電発電器 1 0の発電電圧 V 1を補正するにあたつ て、 熱電発電器 1 0から負荷手段 2 0に 4秒間以上連続して給電したことを条件と したが、 この補正をするための条件となる時間は、 電子時計内の熱電発電器 1 0が 設置される温接点部や冷接点部の熱伝導構造や熱容量、 さらには外部との熱伝達構 造などに応じて適宜変更して設定するとよい。

さらに、 この実施の形態では、 発電電圧の計測時の補正は、 単に比較回路 4 0に おける比較電圧 （しきい値） を変化させることによって行っているが、 ペルチェ効 果は、 熱電発電器 1 0から流れる電流量によって、 その効果の大きさが変化する場 合がある。 そのような場合、 熱電発電器 1 0から流れる電流値を計測する手段を別 に設けるとともに、 その計測した電流値に応じて制御手段 3 0が補正する電圧を予 め設定しておくことによって、 ペルチェ効果の大きさを考慮した捕正を行なえるさ らに柔軟な熱電システムを実現することができる。

また、 この実施の形態においては、 負荷手段として、 昇圧手段 2 3を用いた 2次 電池 （蓄電手段 2 2 ) の充電回路が主な負荷となる負荷手段 2 0を例に挙げて説明 したが、 負荷手段はこれに限定されることはなく、 熱電発電器 1 0の発電電力を利 用して動作する負荷であればどのような電子機器であっても応用可能である。 例えば、 上述した実施の形態では利用しなかったが、 昇圧倍率を変化させること が可能な昇圧手段を用いた負荷手段とする場合が考えられる。 この場合、 発電電圧 V 1の変化に応じて適切な昇圧倍率を選択させるため正しい発電電圧 V 1の計測が 必要となるが、 この発明はそのような場合にも問題なく適用可能である。

その他、 癸電電圧 V 1の電圧値を液晶表示するときなどのように様々な応用例が 考えられる。 この場合でも、 熱電発電器の発電電圧を二値化した値を得るためにァ ナログ .ディジタル変換 （AZD変換） 回路を利用して AZ D変換した出力信号に、 この発明による補正を加えるようにすればよい。 ただしこの場合は、 AZD変換回 路が発電計測手段に相当するが、 制御手段は AZ D変換出力に補正を加えて処理す るだけでよく、 AZ D変換回路の動作自体は変更しなくてもよい。 産業上の利用可能性

以上説明してきたように、 この発明による熱電システムによれば、 熱電発電器が 負荷電流を流し続けることより発生するペルチェ効果による発電電圧の低下を補正 して計測することにより、 熱電発電器の発電電圧に応じて負荷手段への電力の供給 および供給停止を最適に制御でき、 負荷手段は、 熱電発電器の発電電力を最も有効 に利用することが可能になる。

Claims

請 求 の 範 囲 1 . 複数の熱電対を電気的に直列に設けた熱電発電器と、

該熱電発電器の発電電力を利用する負荷手段と、

前記熱電発電器の発電電圧を計測して、 その発電電圧に応じて前記負荷手段への 電力の供給および供給停止を制御する制御手段とからなり、

該制御手段に、 前記熱電発電器から前記負荷手段へ所定時間以上連続して電力を 供給したときには、 前記発電電圧を補正して計測する補正手段を設けた熱電システ ム。

2 . 請求の範囲第 1項に記載の熱電システムにおいて、 前記制御手段は、 前記負荷 手段の動作を制御する手段を有する熱電システム。

3 . 請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の熱電システムにおいて、 前記補正手段は、 前記熱電発電器から前記負荷手段へ所定時間以上連続して電力を供給したときに流 れる電流により生ずるペルチェ効果によって前記熱電発電器の発電電圧が低下する 分を、 該発電電圧を補正して計測する手段である熱電システム。

4 . 請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の熱電システムにおいて、 前記制御手段は、 前記熱電発電器の発電電圧を一定周期で間欠的に計測し、 その計測中は前記熱電発 電器から前記負荷手段への電力の供給路を遮断あるいは高抵抗状態にする手段を有 する熱電システム。

5 . 請求の範囲第 3項に記載の熱電システムにおいて、 前記制御手段は、 前記熱電 発電器の発電電圧を一定周期で間欠的に計測し、 その計測中は前記熱電発電器から 前記負荷手段への電力の供給路を遮断あるいは高抵抗状態にする手段を有する熱電 システム。

6 . 請求の範囲第 4項に記載の熱電システムにおいて、 前記制御手段は、 前記一定 周期での前記発電電圧の計測結果が設定値を超えていれば前記熱電発電器から前記 負荷手段へ電力を供給させ、 前記設定値以下であれば該負荷手段への電力の供給を 停止させるように制御する熱電システム。

7 . 請求の範囲第 5項に記載の熱電システムにおいて、 前記制御手段は、 前記一定 周期での前記発電電圧の計測結果が設定値を超えていれば前記熱電発電器から前記 負荷手段へ電力を供給させ、 前記設定値以下であれば該負荷手段への電力の供給を 停止させるように制御する熱電システム。

8 . 請求の範囲第 4項に記載の熱電システムにおいて、 前記補正手段は、 前記計測 結果が予め設定した回数だけ連続して前記設定値を超えたときを、 前記熱電発電器 から前記負荷手段へ所定時間以上連続して電力を供給したものとみなし、 次回以降 の計測時に前記発電電圧を補正して計測する熱電システム。

9 . 請求の範囲第 5項に記載の熱電システムにおいて、 前記補正手段は、 前記計測 結果が予め設定した回数だけ連続して前記設定値を超えたときを、 前記熱電発電器 から前記負荷手段へ所定時間以上連続して電力を供給したものとみなし、 次回以降 の計測時に前記発電電圧を補正して計測する熱電システム。