JP2000125578A

JP2000125578A - 熱電システム

Info

Publication number: JP2000125578A
Application number: JP11186364A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Nagata; 洋一永田
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】熱電発電器の発電電圧に対するペルチェ効果
の影響を考慮して、負荷手段への給電を最適に制御し、
熱電発電器の発電エネルギを効率的に利用する。【解決手段】複数の熱電対を電気的に直列に設けた熱
電発電器１０に熱電発電器１０の発電電力を利用する負
荷手段２０と、熱電発電器１０の発電電圧Ｖ１を計測し
て、それに応じて負荷手段２０への電力の供給および供
給停止を制御する制御手段３０を接続して熱電システム
を構成し、制御手段３０に、熱電発電器１０から負荷手
段２０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る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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
気エネルギ）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。

【０００２】

【従来の技術】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エネル
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、図６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。

【０００３】この電子時計は、熱電発電器１０に負荷手
段２０を接続しており、熱電発電器１０の発電電力を負
荷手段２０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２３と計時手段２１と蓄電手段２２とに
よって構成されている。昇圧手段２３は熱電発電器１０
に接続されており、熱電発電器１０の発電電圧を２倍に
昇圧して出力する。

【０００４】その昇圧手段２３の出力側に、時計機能を
有する計時手段２１と２次電池である蓄電手段２２とが
並列に接続されており、昇圧手段２３の昇圧出力で蓄電
手段２２を充電し、その充電した電力を計時手段２１に
供給するようになっている。さらに、熱電発電器１０の
発電電圧を検出するアンプ回路を用いた発電検出器３５
と、その検出電圧に応じて昇圧手段２１の動作を制御す
る制御手段３６とを設けている。

【０００５】熱電発電器１０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
る場合に、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エネルギ
に変換する。

【０００６】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１０による発電電圧が昇圧手段
２３によって昇圧された後に蓄電手段２２に充電され、
その充電した電気エネルギによって計時手段２１の運針
動作等が行われる。

【０００７】このとき、発電検出器３５によって検知さ
れる熱電発電器１０の発電電圧が所定の値を超えている
と、制御手段３６は、熱電発電器１０の発電電力を利用
可能であると判断して、昇圧手段２３を動作させる信号
を出力する。それによって、昇圧手段２３が昇圧動作を
開始し、熱電発電器１０の発電電圧を昇圧して蓄電手段
２２を充電する。逆に、発電検出器３５によって検知さ
れる熱電発電器１０の発電電圧が所定の値を下回ると、
制御手段３６は昇圧手段２３の昇圧動作を停止させ、熱
電発電器１０から負荷手段２０への電力の供給を停止さ
せると共に、蓄電手段２２に充電した電気エネルギが熱
電発電器１０側へ放出してしまうのを防止する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】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
１０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１０が無負荷
の場合は、熱電発電器１０からは、それ自身の温−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。

【０００９】ところが、この熱電発電器１０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１０から
負荷に電流が流れるが、その電流によってゼーベック効
果と逆の反応であるペルチェ効果が発生し、熱電発電器
１０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１０から負荷に対し
て電流が流れると、冷接点側では発熱反応が発生し、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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明による熱電シス
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。

【００１４】また、制御手段は、負荷手段の動作を制御
する手段を有することもできる。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とよい。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】さらに、上記補正手段は、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。

【００１８】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
に補正を加わえ、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。

【００１９】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。

【００２０】

【発明の実施の形態】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。図１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。図２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、図３は昇圧手段の具体的な回路構成を
示す回路図である。図４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、図５はこの電子時
計の動作を説明するための図１から図３における電圧お
よび信号の波形図である。

【００２１】［システム構成の説明：図１］まずはじめ
に、図１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、図６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。

【００２２】図１に示す電子時計は、熱電発電器１０に
負荷手段２０を接続して、熱電発電器１０が発電した電
力を負荷手段２０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１０の発電電圧を計測して、
その発電電圧に応じて負荷手段２０への電力の供給およ
び供給停止を制御する制御手段３０を設けている。

【００２３】熱電発電器１０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
℃の温度差を与えると約１．５Ｖ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１０は、熱電発電
により得た起電力を発電電圧Ｖ１として出力する。

【００２４】負荷手段２０は、時計機能を有する計時手
段２１と、蓄電手段２２および昇圧手段２３から構成さ
れている。

【００２５】計時手段２１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
をステッピ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
テッピングモータおよびステッピ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。

【００２６】この計時手段２１は、上述した計時回路に
よって計測クロックＳ２と昇圧クロックＳ３とを発生
し、計測クロックＳ２と昇圧クロックＳ３とをともに制
御手段３０へ入力させる。

【００２７】計測クロックＳ２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Ｓ３の立ち上がりを受け、その直後に立ち
下がるようになっている。昇圧クロックＳ３は、周波数
が４ＫＨｚの矩形波である。なお、計測クロックＳ２と
昇圧クロックＳ３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。

【００２８】この実施の形態では、計測クロックＳ２が
ロウレベルとなる時間は、昇圧手段２３が昇圧を停止す
る時間にもなっているが、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。

【００２９】すなわち、昇圧手段２３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１０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４０が発電電圧Ｖ１を計測する間とそ
の直前において、比較回路４０が誤計測をしないように
昇圧手段２３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１０の内部インピーダ
ンスと昇圧手段２３の容量負荷による時定数で適宜決定
する。

【００３０】蓄電手段２２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１．８Ｖの一定値をとるものとす
る。

【００３１】昇圧手段２３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２３は、入力側には熱電
発電器１０が接続され、出力側には蓄電手段２２と計時
手段２１が並列に接続されている。この昇圧手段２３
は、制御手段３０から出力される昇圧制御信号Ｓ５とＳ
６を入力し、熱電発電器１０から入力される発電電圧Ｖ
１を昇圧して蓄電手段２２と計時手段２１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。

【００３２】熱電発電器１０の負極と昇圧手段２３の負
極と蓄電手段２２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
（−）」とする。

【００３３】制御手段３０は、熱電発電器１０の発電電
圧Ｖ１を計測し、その発電電圧Ｖ１の値に応じて昇圧制
御信号Ｓ５，Ｓ６によって昇圧手段２３の動作を制御
し、熱電発電器１０から負荷手段２０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３０の具体的な
構成および作用は、後に詳しく説明する。

【００３４】なお、上記の計時手段２１の計時回路と昇
圧手段２３のコンデンサ以外の部分および制御手段３０
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。

【００３５】［制御手段の説明：図２］次に、図２を用
いて図１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。

【００３６】制御手段３０は、図２に示すように、電圧
計測手段としてのオぺアンプによる比較回路（コンパレ
ータ）４０と、第１のフリップフロップ回路４１および
第２のフリップフロップ回路４２と、第１のインバータ
４５および第２のインバータ４６と、第１のアンドゲー
ト４８および第２のアンドゲート４９と、レギュレータ
回路５０とによって構成されている。

【００３７】比較回路４０は、その非反転入力端子
（＋）への入力電圧が反転入力端子（−）への入力電圧
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、ロウレベルの信号を出力する。

【００３８】そして、この比較回路４０の非反転入力端
子には熱電発電器１０の正極を接続して発電電圧Ｖ１を
入力し、反転入力端子にはレギュレータ回路５０の出力
端子を接続して、その出力電圧を比較電圧Ｖ２として入
力する。また、その出力端子を第１のフリップフロップ
４１のデータ入力端子に接続し、発電電圧Ｖ１を比較電
圧Ｖ２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ロウレベルの信号Ｓ１を
出力し、それを第１のフリップフロップ４１のデータ入
力端子に入力させる。

【００３９】第１のフリップフロップ回路４１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
４２は反転リセット入力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のフリップフロップ回
路４１の出力端子が第２のフリップフロップ回路４２の
データ入力端子に接続され、第１のフリップフロップ回
路４１と第２のフリップフロップ回路４２とが直列に接
続されている。

【００４０】また、第１のフリップフロップ回路４１と
第２のフリップフロップ回路４２のクロック入力端子に
は、それぞれ計時手段２１からの計測クロックＳ２が入
力される。そして、各フリップフロップ回路４１，４２
は、計測クロックＳ２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４２のリセット入力端子に
も、第１のフリップフロップ４１の出力端子を接続して
いる。

【００４１】第１のインバータ４５の入力端子は、第２
のフリップフロップ回路４２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４６
は、計時手段２１からの昇圧クロックＳ３を入力し、そ
れを反転して出力する。

【００４２】第１のアンドゲート４８には、計時手段２
１からの計測クロックＳ２と昇圧クロックＳ３、および
第１のフリップフロップ回路４１の出力信号が入力さ
れ、第１のアンドゲート４８は、これら３つの信号の論
理積を第１の昇圧信号Ｓ５として出力する。

【００４３】第２のアンドゲート４９には、計時手段２
１からの計測クロックＳ２と、第１のフリップフロップ
回路４１の出力信号、および第２のインバータ４６の出
力信号（昇圧クロックＳ３の反転信号）が入力され、第
２のアンドゲート４９は、これら３つの信号の論理積を
第２の昇圧信号Ｓ６として出力する。

【００４４】レギュレータ回路５０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Ｖ２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４５
からハイレベルの信号を入力すると、０．９Ｖの比較電
圧Ｖ２を出力し、ロウレベルの信号を入力すると０．８
１Ｖの比較電圧Ｖ２を出力する。

【００４５】なお、レギュレータ回路５０の比較電圧Ｖ
２は通常０．９Ｖに設定してある。この電圧値は、熱電
発電器１０の発電電圧Ｖ１が０．９Ｖより大きい値とな
るときは、端子電圧が１．８Ｖの蓄電手段２２に対し、
発電電圧Ｖ１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、０．８１Ｖ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Ｖ２の電圧値であって、これについて
は後に詳しく説明する。

【００４６】［昇圧手段の説明：図３］次に、図３を用
いて図１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。この図３に示す昇圧手段２３
は、第１の昇圧スイッチ９１、第２の昇圧スイッチ９
２、第３の昇圧スイッチ９３、および第４の昇圧スイッ
チ９４と、第１の昇圧コンデンサ１０１および第２の昇
圧コンデンサ１０２とから構成されている。

【００４７】第１の昇圧スイッチ９１は、Ｎチャンネル
型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、第２の昇
圧スイッチ９２と第３の昇圧スイッチ９３および第４の
昇圧スイッチ９４は、いずれもＰチャンネル型ＦＥＴで
ある。

【００４８】第１の昇圧スイッチ９１は、ドレイン端子
に第１の昇圧コンデンサ１０１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３０からの昇圧制御信号Ｓ５によってオン／オ
フ制御される。

【００４９】第３の昇圧スイッチ９３は、ソース端子に
第１の昇圧コンデンサ１０１の正極を接続し、ドレイン
端子に熱電発電器１０の正極を接続して発電電圧Ｖ１を
入力する。そして、第１の昇圧スイッチ９１と同様に、
ゲート端子に入力される制御手段３０からの昇圧制御信
号Ｓ５によってオン／オフ制御される。

【００５０】また第２の昇圧スイッチ９２は、ソース端
子に熱電発電器１０の正極を接続して、ドレイン端子に
第１の昇圧コンデンサ１０１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３０からの昇圧制
御信号Ｓ６によってオン／オフを制御される。

【００５１】第４の昇圧スイッチ９４は、ソース端子を
蓄電手段２２の正極に接続し、ドレイン端子に第１の昇
圧コンデンサ１０１の正極を接続している。そして、第
２の昇圧スイッチ９２と同様に、ゲート端子に入力され
る制御手段３０からの昇圧制御信号Ｓ６によってオン／
オフを制御される。

【００５２】第１の昇圧コンデンサ１０１および第２の
昇圧コンデンサ１０２は、前述の集積回路の外付け要素
であり、容量はともに０．２２μＦとしている。第２の
昇圧コンデンサ１０２は、熱電発電器１０の端子電圧安
定化の目的で、熱電発電器１０に並列に接続している。
そして、第４の昇圧スイッチ９４のソース端子からは昇
圧出力Ｖ３が出力されるが、これを蓄電手段２２に充電
させる。

【００５３】昇圧手段２３は、以上のように構成されて
いるので、制御手段３０からの昇圧制御信号Ｓ５，Ｓ６
によって、各昇圧スイッチ９１，９２，９３，９４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。

【００５４】まず、第１の昇圧スイッチ９１と第３の昇
圧スイッチ９３が共にオン状態にあると、このとき熱電
発電器１０と第１の昇圧コンデンサ１０１とが並列接続
となり、熱電発電器１０の発電電圧によって第１の昇圧
コンデンサ１０１が充電され第１の昇圧コンデンサ１０
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１０２は、常時熱電発電器１０と並
列に接続されており、その正極の電圧は熱電発電器１０
の発電電圧とほぼ同じになっている。

【００５５】その後、第１の昇圧スイッチ９１と第３の
昇圧スイッチ９３がオフ状態にされ同時に第２の昇圧ス
イッチ９２と第４の昇圧スイッチ９４がオン状態になる
と、熱電発電器１０と第２の昇圧コンデンサ１０２との
並列回路と、第１の昇圧コンデンサ１０１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１０の発電電圧に第１の昇圧コンデ
ンサ１０１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の昇圧スイッチ９４のドレイン端
子に昇圧出力として得られる。

【００５６】［電子時計の構造の説明：図４］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図４に
示す。この電子時計は、上面部に風防ガラス６０を嵌め
込んだ金属製のケース６１と、金属製の裏蓋６２とを断
熱材６３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１０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６６を回転駆動するムーブメント６５を配設し
ている。

【００５７】熱電発電器１０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６２の内面に密着させ、
冷接点側を空気で冷却されるケース６１の内面に密着さ
せている。ムーブメント６５には、図１に示した負荷手
段２０と制御手段３０が内蔵されており、負荷手段２０
における計時手段２１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ッピングモータにより、それ
ぞれ輪列を介して指針群６６の各指針が回動される。

【００５８】その計時回路と、昇圧手段２３の第１，第
２の昇圧コンデンサ１０１，１０２以外の回路、および
制御回路３０は、前述したように同一の集積回路（Ｉ
Ｃ）に形成されて、ムープメント６５内に設けられる。

【００５９】［熱電システムの動作の説明：図１から図
３，図５］次に、図１から図３および図５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。

【００６０】以下の説明では、蓄電手段２２に蓄えられ
ている電気エネルギは計時手段２１を駆動するのに充分
な量があるものとし、かつ蓄電手段２２の端子電圧は充
放電によらず常に１．８Ｖを維持しているものとする。
そして、蓄電手段２２がこの状態にあるときは、計時手
段２１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３０にも電源が
投入された状態になっている。

【００６１】このとき、制御回路３０の図２に示した第
１のフリップフロップ回路４１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４８と第２の
アンドゲート４９は、その第１のフリップフロップ回路
４１から出力されるロウレベルの信号を入力するため昇
圧制御信号Ｓ５，Ｓ６として常にロウレベルの信号を出
力する。したがって、図３に示した昇圧手段２３は、全
ての昇圧スイッチ９１〜９４がオフになって動作を停止
した状態となっている。

【００６２】また、制御手段３０の第２のフリップフロ
ップ回路４２は、第１のフリップフロップ回路４１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、レギュレータ回路５０に入力する
第１のインバータ４５の出力信号はハイレベルになるの
で、レギュレータ回路５０は比較電圧Ｖ２として０．９
Ｖの電圧を出力する。

【００６３】さて、この熱電システムである電子時計が
熱電発電器１０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Ｖ１が０．９Ｖを下回り、
０．８５Ｖ程度になったと仮定する。すると、制御手段
３０の図２に示した比較回路４０は、０．８５Ｖ程度に
なった発電電圧Ｖ１と０．９Ｖの比較電圧Ｖ２とを比較
して、Ｖ１＜Ｖ２と判定し出力信号（計測出力）Ｓ１を
ロウレベルにする（図５参照）。

【００６４】一方、第１のフリップフロップ回路４１に
入力される計測クロックＳ２は、図４に示すようにその
波形が２秒周期でハイレベルからロウレベルに立ち下が
り、８ミリ秒後に立ち上がる、すなわち、（２秒−８ミ
リ秒）間のハイレベルと８ミリ秒間のロウレベルを交互
に繰り返す。

【００６５】第１のフリップフロップ回路４１は、この
計測クロックＳ２の立上りの時に計測出力Ｓ１を取り込
む。そして、計測出力Ｓ１がロウレベルのときは、その
ロウレベルの計測出力Ｓ１を取り込むことによって、出
力をロウレベルに維持する。したがって、第１のアンド
ゲート４８および第２のアンドゲート４９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Ｓ５およびＳ６もロウレベルを
継続し、結果として昇圧手段２３は昇圧停止状態のまま
となる。

【００６６】やがて、熱電発電器１０の両端に約０．６
７℃ほどの温度差が発生し、発電電圧Ｖ１が０．９Ｖを
上回って１．０Ｖになると仮定する。すると、制御手段
３０の図２に示した比較回路４０は、１．０Ｖになった
発電電圧Ｖ１と０．９Ｖの比較電圧Ｖ２とを比較して、
Ｖ１＞Ｖ２と判断してその出力信号（計測出力）Ｓ１を
ハイレベルにする（図５参照）。

【００６７】計測出力Ｓ１がハイレベルとなることによ
って、計測クロックＳ２の波形が２秒周期でハイレベル
からロウ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４１はハイレ
ベルの計測出力Ｓ１を取り込んで、出力をハイレベルに
する。それによって、第２のフリップフロップ回路４２
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。

【００６８】また、第１のフリップフロップ回路４１の
出力がハイレベルとなると、第１のアンドゲート４８
は、昇圧クロックＳ３と計測クロックＳ２の論理積に相
当する波形を昇圧制御信号Ｓ５として出力する。同様に
第２のアンドゲート４９は、昇圧クロックＳ３の反転信
号と計測クロックＳ２の論理積に相当する波形を昇圧制
御信号Ｓ６として出力する。

【００６９】このとき、昇圧制御信号Ｓ５とＳ６は、図
４に示すように、それぞれ周波数が４ＫＨｚの昇圧クロ
ックＳ３と同じ周期でハイレベルとローレベルを交互に
繰り返し、かつ、昇圧制御信号Ｓ５がハイレベルのとき
には昇圧制御信号Ｓ６がローレベルとなり、昇圧制御信
号Ｓ５がローレベルのときには昇圧制御信号Ｓ６がハイ
レベルとなる。すなわち、昇圧制御信号Ｓ５とＳ６は互
いに位相が反転した信号になる。

【００７０】この昇圧制御信号Ｓ５とＳ６は、いずれも
昇圧手段２３が昇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２３の構成および動作
として説明した通り、昇圧手段２３にこの波形の昇圧制
御信号Ｓ５とＳ６が入力されると、計測クロックＳ２が
ハイレベルとなっている間、昇圧手段２３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。

【００７１】すなわち、熱電発電器１０が発電を開始し
た後に０．９Ｖより大きい発電電圧が発生すれば、昇圧
手段２３が昇圧動作を開始して蓄電手段２２に対して充
電することになる。これにより、熱電発電器１０から負
荷手段２０への給電が開始されることになる。

【００７２】その後、熱電発電器１０の両端に０．６７
℃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Ｓ２の波形は立ち下がる。すると、
計測クロックＳ２がロウレベルとなっている８ミリ秒の
間は第１のアンドゲート４８および第２のアンドゲート
４９の出力である昇圧制御信号Ｓ５およびＳ６もロウレ
ベルになるので、昇圧手段２３の昇圧動作が一時停止と
なる。

【００７３】そして、計測クロックＳ２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４１は、依
然ハイレベルとなっている計測クロックＳ１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４２は、計測クロックＳ２が立ち上がる直前まで
第１のフリップフロップ回路４１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。

【００７４】第２のフリップフロップ回路４２の出力信
号がハイレベルになると、第１のインバータ４５がそれ
を反転してローレベルの信号をレギュレータ回路５０に
入力させる。それによって、レギュレータ回路５０は、
比較電圧Ｖ２を０．９Ｖから０．８１Ｖ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４１の出
力はハイレベルとなっているので、計測クロックＳ２が
立ち上がると、その後再び昇圧制御信号Ｓ５とＳ６が図
４に示すように出力され、昇圧手段２３が昇圧動作を継
続する。

【００７５】さらに、熱電発電器１０に同様に０．６７
℃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Ｓ２の波形は、立ち上が
ってから２秒後に立ち下がり、昇圧手段２３は一時的に
停止する。

【００７６】このとき、熱電発電器１０は、これまでの
間約４秒間（計測クロックＳ２の約２周期間）連続して
負荷手段２０に給電し、昇圧手段２３を介して蓄電手段
２２への充電電流あるいは計時手段２１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１０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Ｖ１が図５
に破線で示すように徐々に低下している。

【００７７】そのため、計測クロックＳ２がロウレベル
となる間、熱電発電器１０は昇圧手段２３から切り離さ
れた無負荷状態になり、負荷手段２０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Ｖ１として、０．６７℃の温度差で生じる
熱起電力１．０Ｖよりも低い例えば０．９Ｖが現れる。

【００７８】発電開始直後に０．９Ｖの発電電圧が現れ
たときは、昇圧手段２３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３０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
ュレータ回路５０が出力する比較電圧Ｖ２を０．８１Ｖ
に変更している。

【００７９】すなわち、制御手段３０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４０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、レギュレー
タ回路５０が出力する比較電圧Ｖ２の値を下げ、比較回
路４０がペルチェ効果の影響による発電電圧Ｖ１の低下
分を補正して発電電圧Ｖ１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。

【００８０】そのため、今回の計測時における熱電発電
器１０の発電電圧Ｖ１が０．９Ｖであったとしても、図
２における比較回路４０は、その０．９Ｖの発電電圧Ｖ
１を０．８１Ｖの比較電圧と比較して計測するので、出
力信号（計測出力）Ｓ１はハイレベルを継続して出力す
る。したがって、計測クロックＳ２が立ち上がる際には
第１のフリップフロップ回路４１の出力信号は再びハイ
レベルになる。それによって、計測クロックＳ２がハイ
レベルである間は、昇圧制御信号Ｓ５およびＳ６は、図
５に示すように昇圧手段２３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。

【００８１】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２３が昇圧動作を継
続している場合には、ペルチェ効果の影響により発電電
圧Ｖ１が０．９Ｖに低下するが、それでも、実際の熱電
発電器１０には１．０Ｖ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３０が昇圧手段２３の昇
圧動作を停止させることなく、熱電発電器１０から負荷
手段２０への給電を継続するように制御する。

【００８２】次に、昇圧手段２３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１０の
両端に０．６℃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１０が無負荷で
あれば、発電電圧Ｖ１が０．９Ｖとなる温度差である。

【００８３】このとき、上記同様にして計測クロックＳ
２の波形が再び立ち下がると、昇圧手段２３は一時的に
昇圧動作を停止するが、今度は計測クロックＳ２の波形
がロウレベルとなっている間でも、熱電発電器１０には
ペルチェ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４０に入力される実際の発電電圧Ｖ１は、
上述した０．９Ｖよりも低い０．８１Ｖ程度の電圧にな
る。

【００８４】そのため、比較回路４０は、０．８１Ｖの
発電電圧Ｖ１と０．８１Ｖの比較電圧Ｖ２とを比較し
て、Ｖ１≦Ｖ２と判断して出力信号（計測出力）Ｓ１を
ロウレベルで出力するので、計測クロックＳ２が立ち上
がる際には第１のフリップフロップ回路４１の出力はハ
イレベルからロウレベルとなる。

【００８５】そして、第１のフリップフロップ回路４１
の出力がロウレベルになると、制御手段３０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Ｓ５およびＳ６は図５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４２も保持データがリセットされ、さらにレギュレ
ータ回路５０は比較電圧Ｖ２として再び０．９Ｖの電圧
を出力するようになる。

【００８６】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Ｓ５およびＳ６がロウレ
ベルに固定されることによって、昇圧手段２３は昇圧動
作を停止した状態を継続する。

【００８７】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１０の発電電力によって実質的に
負荷手段２０に給電できない状態のときには、制御手段
３０が昇圧手段２３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２２に充電された電
気エネルギが熱電発電器１０に逆流しないようにする。
このとき、蓄電手段２２に充電された電気エネルギによ
って計時手段２１に給電し、その動作を継続させる。

【００８８】上記の説明で明らかであるが、この実施形
態の熱電システムである電子時計は、熱電発電器１０の
発電電圧Ｖ１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１０の発電電圧を負荷手段２０に
給電し、昇圧手段２３によって昇圧して蓄電手段２２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Ｓ２の２周期である４秒）以上給電を継続し
ているときは、熱電発電器１０の発電電圧Ｖ１を補正し
て計測し、発電電圧Ｖ１が上記所定レベルを下回ってい
ても昇圧手段２３の昇圧動作を継続させる。そして、熱
電発電器１０の発電電圧Ｖ１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
２３の昇圧動作を停止させて、負荷手段２０への給電を
停止させるように動作する。

【００８９】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１０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１０の発電電
圧Ｖ１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Ｖ１が低下し、制御
手段３０の比較回路４０が計測出力Ｓ１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４１の出力が直ちにロウレベルになるた
め、制御手段３０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。

【００９０】なお、この実施の形態では、熱電発電器１
０の発電電圧Ｖ１を補正するにあたって、熱電発電器１
０から負荷手段２０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１０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。

【００９１】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４０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１０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１０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３０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補正を行な
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。

【００９２】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２３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２０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１０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。

【００９３】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Ｖ１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Ｖ１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。

【００９４】その他、発電電圧Ｖ１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
ためにアナログ・ディジタル変換（Ａ／Ｄ変換）回路を
利用してＡ／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、Ａ／
Ｄ変換回路が発電計測手段に相当するが、制御手段はＡ
／Ｄ変換出力に補正を加えて処理するだけでよく、Ａ／
Ｄ変換回路の動作自体は変更しなくてもよい。

【００９５】

【発明の効果】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。

【図面の簡単な説明】

【図１】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。

【図２】図１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。

【図３】図１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。

【図４】図１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。

【図５】図１から図３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。

【図６】従来の熱電システムの構成例を示すブロック回
路図である。

【符号の説明】

１０：熱電発電器２０：負荷手段２１：計時手段２２：蓄電手段２３：昇圧手段３０：制御手段４０：比較回路（発電電圧計測手段）４１：第１のフリップフロップ回路４２：第２のフリップフロップ回路４５：第１のインバータ４６：第２のインバータ４８：第１のアンドゲート４９：第２のアンドゲート９１：第１の昇圧スイッチ９２：第２の昇圧スイッチ９３：第３の昇圧スイッチ９４：第４の昇圧スイッチ１０１：第１の昇圧コンデンサ１０２：第２の昇圧コンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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ことを特徴とす
る熱電システム。
【請求項２】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ことを特徴とする請求項１記載の
熱電システム。
【請求項３】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請求項１又は２記載の熱電シス
テム。
【請求項４】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請求項１乃至３のい
ずれか１項記載の熱電システム。
【請求項５】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
に制御する請求項４記載の熱電システム。
【請求項６】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請求項４記載の熱電システ
ム。