特開2022-74916発電素子、制御システム、発電装置、電子機器及び発電方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022074916
(43)【公開日】2022-05-18
(54)【発明の名称】発電素子、制御システム、発電装置、電子機器及び発電方法
(51)【国際特許分類】
H01L 37/00 20060101AFI20220511BHJP
H02N 11/00 20060101ALI20220511BHJP
【ＦＩ】
H01L37/00
H02N11/00 A
【審査請求】有
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020185347
(22)【出願日】2020-11-05
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2021-09-29
(71)【出願人】
【識別番号】516230102
【氏名又は名称】株式会社ＧＣＥインスティチュート
(74)【代理人】
【識別番号】100120868
【弁理士】
【氏名又は名称】安彦 元
(72)【発明者】
【氏名】後藤 博史
(57)【要約】
【課題】発電効率を向上させることができる発電素子、制御システム、発電装置、電子機器及び発電方法を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの素子１０と、熱源６０、及び前記素子１０に接して設けられ、前記素子１０と電気的に離間した熱伝導部２０と、を備え、前記素子１０は、それぞれ仕事関数の異なる一対の電極１２ａ、１２ｂと、前記一対の電極１２ａ、１２ｂの間に設けられ、前記熱伝導部２０と離間する中間部１４と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】少なくとも１つの素子１０と、熱源６０、及び前記素子１０に接して設けられ、前記素子１０と電気的に離間した熱伝導部２０と、を備え、前記素子１０は、それぞれ仕事関数の異なる一対の電極１２ａ、１２ｂと、前記一対の電極１２ａ、１２ｂの間に設けられ、前記熱伝導部２０と離間する中間部１４と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子であって、
少なくとも１つの素子と、
前記熱源、及び前記素子に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、
を備え、
前記素子は、
それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、
を含むこと
を特徴とする発電素子。
少なくとも１つの素子と、
前記熱源、及び前記素子に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、
を備え、
前記素子は、
それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、
を含むこと
を特徴とする発電素子。
【請求項2】
複数の前記素子を積層した積層体を備え、
前記熱伝導部は、前記積層体の側面に接して設けられること
を特徴とする請求項１記載の発電素子。
前記熱伝導部は、前記積層体の側面に接して設けられること
を特徴とする請求項１記載の発電素子。
【請求項3】
前記素子は、前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板を含み、
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記一対の基板の熱伝導率よりも高いこと
を特徴とする請求項１又は２記載の発電素子。
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記一対の基板の熱伝導率よりも高いこと
を特徴とする請求項１又は２記載の発電素子。
【請求項4】
前記素子は、
前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板と、
前記一対の基板又は前記一対の電極の間に接して設けられた支持部と、
を含み、
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記支持部の熱伝導率よりも高いこと
を特徴とする請求項１記載の発電素子。
前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板と、
前記一対の基板又は前記一対の電極の間に接して設けられた支持部と、
を含み、
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記支持部の熱伝導率よりも高いこと
を特徴とする請求項１記載の発電素子。
【請求項5】
前記熱伝導部は、前記支持部に接して設けられること
を特徴とする請求項４記載の発電素子。
を特徴とする請求項４記載の発電素子。
【請求項6】
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記一対の電極の少なくとも何れかの熱伝導率よりも高いこと
を特徴とする請求項１～５のうち何れか１項記載の発電素子。
を特徴とする請求項１～５のうち何れか１項記載の発電素子。
【請求項7】
前記熱伝導部は、積層された一対の前記素子の間に挟まれた熱伝導層を含むこと
を特徴とする請求項２記載の発電素子。
を特徴とする請求項２記載の発電素子。
【請求項8】
前記熱源に接し、前記熱伝導部及び前記素子を覆う断熱部を備えること
を特徴とする請求項１～７のうち何れか１項記載の発電素子。
を特徴とする請求項１～７のうち何れか１項記載の発電素子。
【請求項9】
請求項１～８のうち何れか１項記載の発電素子と、
前記発電素子の発電量を計測する計測部と、
前記計測部の計測結果に基づき、前記熱源から放出される熱量を制御する制御部と、を備えること
を特徴とする制御システム。
前記発電素子の発電量を計測する計測部と、
前記計測部の計測結果に基づき、前記熱源から放出される熱量を制御する制御部と、を備えること
を特徴とする制御システム。
【請求項10】
請求項１～８のうち何れか１項記載の発電素子と、
前記一対の電極と電気的に接続された一対の配線と、
を備えることを特徴とする発電装置。
前記一対の電極と電気的に接続された一対の配線と、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項11】
請求項１～８のうち何れか１項記載の発電素子と、
前記発電素子を電源に用いて駆動させることが可能な電子部品と、
を備えることを特徴とする電子機器。
前記発電素子を電源に用いて駆動させることが可能な電子部品と、
を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項12】
請求項１～８のうち何れか１項記載の発電素子が、前記熱源から発生した熱を利用して発電すること
を特徴とする発電方法。
を特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子、制御システム、発電装置、電子機器及び発電方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、熱エネルギーを利用して電気エネルギーを生成する発電素子の開発が盛んに行われている。特に、電極の有する仕事関数の差分を利用した電気エネルギーの生成に関し、例えば特許文献１、２に開示された熱電素子等が提案されている。このような熱電素子は、電極に与える温度差を利用して電気エネルギーを生成する構成に比べて、様々な用途への利用が期待されている。
【0003】
特許文献１には、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子であって、第１主面を有する第１基板、及び第１主面上に設けられた第１電極部を有する第１筐体部と、第１主面と第１方向に対向する第２主面を有する第２基板、及び第２主面上に設けられ、第１電極部と離間し、第１電極部とは異なる仕事関数を有する第２電極部を有する第２筐体部と、第１電極部と、第２電極部との間に設けられ、第１電極部の仕事関数と、第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備え、第１主面は、第１電極部と接し、第２筐体部と離間する第１離間面と、第１離間面と連続して設けられ、第１電極部と離間し、第２筐体部と接する第１接合面と、を有し、第２主面は、第２電極部と接し、第１筐体部と離間する第２離間面と、第２離間面と連続して設けられ、第２電極部と離間し、第１筐体部と接する第２接合面と、を有し、第１方向から見て、中間部は、第１接合面及び第２接合面によって囲まれ、第１接合面は、第２接合面と接する第１基板接合面と、第２電極部と接する第１電極接合面と、を有し、第２接合面は、第１基板接合面と接する第２基板接合面と、第１電極部と接する第２電極接合面と、を有する発電素子が開示されている。
【0004】
また、特許文献２には、ゼーベック発電素子の熱伝導を抑制するため、素子の電気及び熱の伝導路を線状にする、又は素子の電気及び熱の伝導路にくびれを設けることで、熱伝導路を狭くすること、及び素子の周りを断熱材で覆うことを第一の特徴とし、発電総量を増加するため、ゼーベック発電素子を複数積層し、多層化による直列配置したゼーベック発電素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第６５９８３３９号公報
【特許文献2】特開２０１８－１８２２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、熱電子の放出量を決める因子として、電極の温度がある。この温度をより高く維持するには、電極が設けられる発電素子全体の温度を高くすることが求められる。しかしながら、発電素子は電極を含む複数の部材により構成されており、熱源からの熱が各部材に順次伝達される際、熱源に近い部材と遠い部材とでは、同じ温度になるまでに時間差が生じてしまう。即ち、発電素子全体が均一な温度になるまで長時間を要する。このため、発電素子全体の温度が均一になるまでの間、発電効率が低下する点が、懸念として挙げられる。この点、特許文献１、２の開示技術においても、上述した懸念点があげられる。このため、発電効率の向上が求められていた。
【0007】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、発電効率を向上させることができる発電素子、制御システム、発電装置、電子機器及び発電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
第１発明に係る発電素子は、熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子であって、少なくとも１つの素子と、前記熱源、及び前記素子に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、を備え、前記素子は、それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、を含むことを特徴とする。
【0009】
第２発明に係る発電素子は、第１発明において、複数の前記素子を積層した積層体を備え、前記熱伝導部は、前記積層体の側面に接して設けられることを特徴とする。
【0010】
第３発明に係る発電素子は、第１発明又は第２発明において、前記素子は、前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板を含み、前記熱伝導部の熱伝導率は、前記一対の基板の熱伝導率よりも高いことを特徴とする。
【0011】
第４発明に係る発電素子は、第１発明において、前記素子は、前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板と、前記一対の基板又は前記一対の電極の間に接して設けられた支持部と、を含み、前記熱伝導部の熱伝導率は、前記支持部の熱伝導率よりも高いことを特徴とする。
【0012】
第５発明に係る発電素子は、第４発明において、前記熱伝導部は、前記支持部に接して設けられることを特徴とする。
【0013】
第６発明に係る発電素子は、第１発明～第５発明の何れかにおいて、前記熱伝導部の熱伝導率は、前記一対の電極の少なくとも何れかの熱伝導率よりも高いことを特徴とする。
【0014】
第７発明に係る発電素子は、第２発明において、前記熱伝導部は、積層された一対の前記素子の間に挟まれた熱伝導層を含むことを特徴とする。
【0015】
第８発明に係る発電素子は、第１発明～第７発明の何れかにおいて、前記熱源に接し、前記熱伝導部及び前記素子を覆う断熱部を備えることを特徴とする。
【0016】
第９発明に係る制御システムは、第１発明～第８発明の何れかの発電素子と、前記発電素子の発電量を計測する計測部と、前記計測部の計測結果に基づき、前記熱源から放出される熱量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【0017】
第１０発明に係る発電装置は、第１発明～第８発明の何れかの発電素子と、前記一対の電極と電気的に接続された一対の配線と、を備えることを特徴とする。
【0018】
第１１発明に係る電子機器は、第１発明～第８発明の何れかの発電素子と、前記発電素子を電源に用いて駆動させることが可能な電子部品と、を備えることを特徴とする。
【0019】
第１２発明に係る発電方法は、第１発明～第８発明の何れかの発電素子が、前記熱源から発生した熱を利用して発電することを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
第１発明～第８発明によれば、熱伝導部は、熱源及び素子に接して設けられる。このため、熱源からの熱が、熱伝導部を介して発電素子の各部材に順次伝達され易くなり、熱源に近い部材と遠い部材とが同じ温度になるまでの時間を、短くすることができる。これにより、発電効率を向上させることができる。
【0021】
特に第２発明によれば、熱伝導部は、積層体の側面に接して設けられる。このため、熱源からの熱を、熱伝導部を介して積層体全体に伝達させ易くすることができる。これにより、熱源からの距離が異なる複数の素子を用いた場合であっても、各素子の温度差を抑制でき、発電効率の更なる向上を図ることが可能となる。
【0022】
特に第３発明によれば、熱伝導部の熱伝導率は、一対の基板の熱伝導率よりも高い。このため、一対の基板から熱伝導部側に熱が放出され難くなる。これにより、発電効率を更に向上させることができる。
【0023】
特に第４発明によれば、熱伝導部の熱伝導率は、支持部の熱伝導率よりも高い。このため、支持部から熱伝導部側に熱が放出され難くなる。これにより、発電効率を更に向上させることができる。
【0024】
特に第５発明によれば、熱伝導部は、支持部に接して設けられる。このため、熱源からの熱は、支持部を介して電極に伝達され易くなる。これにより、発電効率を更に向上させることができる。
【0025】
特に第６発明によれば、熱伝導部の熱伝導率は、一対の電極の少なくとも何れかの熱伝導率よりも高い。このため、電極から熱伝導部側に熱が放出され難くなる。これにより、発電効率を更に向上させることができる。
【0026】
特に第７発明によれば、熱伝導部は、積層された一対の素子の間に挟まれた熱伝導層を含む。このため、熱源からの熱は、熱伝導部及び熱伝導層を介して、一対の素子の間に伝達され易くなる。これにより、発電素子の発電効率を更に向上させることができる。
【0027】
特に第８発明によれば、断熱部は、熱源に接し、熱伝導部及び素子を覆う。このため、熱源からの熱が、素子内に伝達されたあと、素子内から外部に放出され難くなる。これにより、発電効率を更に向上させることができる。
【0028】
第９発明によれば、制御システムは、第１発明から第８発明の発電素子を備え、発電素子の発電量を計測する計測部と、計測部の計測結果に基づき、熱源から放出される熱量を制御する制御部とを備える。このため、発電素子の発電量に応じて熱源から放出される熱量を制御することができる。これにより、熱源の状態に適した制御を容易に実現することが可能となる。
【0029】
第１０発明によれば、発電効率を改善した発電装置を実現することが可能となる。
【0030】
第１１発明によれば、発電効率を改善した電子機器を実現することが可能となる。
【0031】
第１２発明によれば、発電効率を改善した発電素子を用いた発電方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【発明を実施するための形態】
【0033】
以下、本発明の実施形態としての発電素子、制御システム、発電装置、電子機器及び発電方法それぞれの一例について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、発電素子の高さ方向を第１方向Ｚとし、第１方向Ｚと交差、例えば直交する１つの平面方向を第２方向Ｘとし、第１方向Ｚ及び第２方向Ｘのそれぞれと交差、例えば直交する別の平面方向を第３方向Ｙとする。また、各図における構成は、説明のため模式的に記載されており、例えば各構成の大きさや、構成毎における大きさの対比等については、図とは異なってもよい。
【0034】
（第１実施形態）
図１（ａ）は、第１実施形態における発電素子１、発電装置１００の一例を示す模式図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の模式平面図である。図１（ａ）に示すように、発電装置１００は、発電素子１と、第１配線１０１と、第２配線１０２とを備える。発電素子１は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。このような発電素子１を備えた発電装置１００は、例えば、熱源６０に搭載又は設置され、熱源６０の熱エネルギーを元として、発電素子１が発生させた電気エネルギーを、第１配線１０１及び第２配線１０２を介して負荷Ｒへ出力する。負荷Ｒは、例えば充電可能な電池を含む電気的な機器を示している。負荷Ｒの一端は第１配線１０１と電気的に接続され、他端は第２配線１０２と電気的に接続される。負荷Ｒは、発電装置１００を主電源又は補助電源に用いて駆動される。
図１（ａ）は、第１実施形態における発電素子１、発電装置１００の一例を示す模式図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の模式平面図である。図１（ａ）に示すように、発電装置１００は、発電素子１と、第１配線１０１と、第２配線１０２とを備える。発電素子１は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。このような発電素子１を備えた発電装置１００は、例えば、熱源６０に搭載又は設置され、熱源６０の熱エネルギーを元として、発電素子１が発生させた電気エネルギーを、第１配線１０１及び第２配線１０２を介して負荷Ｒへ出力する。負荷Ｒは、例えば充電可能な電池を含む電気的な機器を示している。負荷Ｒの一端は第１配線１０１と電気的に接続され、他端は第２配線１０２と電気的に接続される。負荷Ｒは、発電装置１００を主電源又は補助電源に用いて駆動される。
【0035】
熱源６０としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子デバイス又は電子部品、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子、自動車等のエンジン、工場の生産設備、人体、太陽光、及び環境温度等を利用することができる。例えば、電子デバイス、電子部品、発光素子、エンジン、及び生産設備等は人工熱源である。人体、太陽光、及び環境温度等は自然熱源である。発電素子１を備えた発電装置１００は、例えばＩｏＴ（Internet of Things）デバイス及びウェアラブル機器等のモバイル機器や自立型センサ端末の内部に設けることができ、電池の代替又は補助として用いることができる。さらに、発電装置１００は、太陽光発電等のような、より大型の発電装置への応用も可能である。
【0036】
＜発電素子１＞
発電素子１は、熱源６０から発生する熱を利用して発電する。発電素子１は、発電装置１００内に設けるだけでなく、発電素子１自体を、上記工場における排熱パイプの側面や、モバイル機器の内部等に設けることもできる。この場合、発電素子１自体が、上記モバイル機器又は上記自立型センサ端末等の、電池の代替部品又は補助部品となる。発電素子１は、電気自動車のバッテリや電装系装置に用いられてもよい。
発電素子１は、熱源６０から発生する熱を利用して発電する。発電素子１は、発電装置１００内に設けるだけでなく、発電素子１自体を、上記工場における排熱パイプの側面や、モバイル機器の内部等に設けることもできる。この場合、発電素子１自体が、上記モバイル機器又は上記自立型センサ端末等の、電池の代替部品又は補助部品となる。発電素子１は、電気自動車のバッテリや電装系装置に用いられてもよい。
【0037】
発電素子１は、少なくとも１つの素子１０と、熱伝導部２０とを備える。素子１０は、一対の電極部１２と、中間部１４とを含む。なお、素子１０は、一対の基板１１及び支持部１３を含んでもよい。
【0038】
＜基板１１＞
基板１１は、第１基板１１ａと、第２基板１１ｂとを有する。一対の第１基板１１ａと、第２基板１１ｂは、一対の電極部１２を挟んで設けられる。第１基板１１ａは、第１方向Ｚと交わる第１主面１１ａｆ及び第１積層面１１ａｓを有する。第１主面１１ａｆは、第１基板１１ａにおいて、第２基板１１ｂ側に位置する。第２基板１１ｂは、第１方向Ｚと交わる第２主面１１ｂｆ及び第２積層面１１ｂｓを有する。第２主面１１ｂｆは、第２基板１１ｂにおいて、第１基板１１ａ側に位置する。なお、以下の説明では、第１方向Ｚにおいて第２基板１１ｂが第１基板１１ａよりも下方側にある、即ち、第１基板１１ａは第２基板１１ｂよりも熱源６０から離間して配置されていることとする。
基板１１は、第１基板１１ａと、第２基板１１ｂとを有する。一対の第１基板１１ａと、第２基板１１ｂは、一対の電極部１２を挟んで設けられる。第１基板１１ａは、第１方向Ｚと交わる第１主面１１ａｆ及び第１積層面１１ａｓを有する。第１主面１１ａｆは、第１基板１１ａにおいて、第２基板１１ｂ側に位置する。第２基板１１ｂは、第１方向Ｚと交わる第２主面１１ｂｆ及び第２積層面１１ｂｓを有する。第２主面１１ｂｆは、第２基板１１ｂにおいて、第１基板１１ａ側に位置する。なお、以下の説明では、第１方向Ｚにおいて第２基板１１ｂが第１基板１１ａよりも下方側にある、即ち、第１基板１１ａは第２基板１１ｂよりも熱源６０から離間して配置されていることとする。
【0039】
基板１１の材料としては、絶縁性を有する板状の材料を選ぶことができる。絶縁性の材料の例としては、シリコン、石英、パイレックス（登録商標）等のガラス、及び絶縁性樹脂等を挙げることができる。なお、基板１１には、ステンレス（ＳＵＳ）、タングステン、アルミニウム等の導電性を有する金属材料、Ｓｉ、ＧａＮ等の導電性を有する半導体の他、カーボン系材料や導電性高分子材料を用いてもよい。基板１１の形状は、正方形、長方形、その他、円盤状であってもよい。また、基板１１は、絶縁性の材料、半導体材料、金属材料が混合された構成であってもよい。なお、基板１１が導電性を有する場合、基板１１は、熱伝導部２０と電気的に離間させることで、素子１０から熱源６０への導通を防ぐことができる。
【0040】
なお、基板１１は半導体であり、第１主面１１ａｆ及び第２主面１１ｂｆの少なくとも何れかに設けられた縮退部と、非縮退部とを有してもよい。このため、第１電極部１２ａ等と配線等の他の構成との接触抵抗を低減させることができる。これにより、発電素子１全体の抵抗の増加を抑制することが可能となる。
【0041】
＜第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂ＞
電極部１２は、仕事関数の異なる一対の第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂを有する。第１電極部１２ａは、第１主面１１ａｆ上に接して設けられる。第１電極部１２ａは、第２基板１１ｂと離間する。第２電極部１２ｂは、第２主面１１ｂｆ上に接して設けられる。第２電極部１２ｂは、第１基板１１ａ及び第１電極部１２ａと離間して対向する。第２電極部１２ｂは、第１電極部１２ａとは異なる仕事関数を有する。
電極部１２は、仕事関数の異なる一対の第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂを有する。第１電極部１２ａは、第１主面１１ａｆ上に接して設けられる。第１電極部１２ａは、第２基板１１ｂと離間する。第２電極部１２ｂは、第２主面１１ｂｆ上に接して設けられる。第２電極部１２ｂは、第１基板１１ａ及び第１電極部１２ａと離間して対向する。第２電極部１２ｂは、第１電極部１２ａとは異なる仕事関数を有する。
【0042】
第１電極部１２ａは、例えば第１基板１１ａに挿通された図示しない配線を介して第２配線１０２と電気的に接続される。第２電極部１２ｂは、例えば図示しない第２基板１１ｂに挿通された配線を介して第１配線１０１と電気的に接続される。また、図示しない配線の配置箇所等は、任意である。
【0043】
発電素子１では、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂから熱電子が放出される。発電素子１は、仕事関数差を有する第１電極部１２ａあるいは第２電極部１２ｂからの熱電子放出を利用しており、絶対温度が高いほど電子の量が増加する。
【0044】
第１電極部１２ａの材料、及び第２電極部１２ｂの材料は、例えば、以下に示す金属から選ぶことができる。
白金（Ｐｔ）
タングステン（Ｗ）
アルミニウム（Ａｌ）
チタン（Ｔｉ）
ニオブ（Ｎｂ）
モリブデン（Ｍｏ）
タンタル（Ｔａ）
レニウム（Ｒｅ）
発電素子１では、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に仕事関数差が生じればよい。したがって、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂの材料には、上記以外の金属を選ぶことが可能である。第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂの材料として、金属のほか、合金、金属間化合物、及び金属化合物を選ぶことも可能である。金属化合物は、金属元素と非金属元素とが化合したものである。このような金属化合物の例としては、例えば六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）を挙げることができる。
白金（Ｐｔ）
タングステン（Ｗ）
アルミニウム（Ａｌ）
チタン（Ｔｉ）
ニオブ（Ｎｂ）
モリブデン（Ｍｏ）
タンタル（Ｔａ）
レニウム（Ｒｅ）
発電素子１では、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に仕事関数差が生じればよい。したがって、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂの材料には、上記以外の金属を選ぶことが可能である。第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂの材料として、金属のほか、合金、金属間化合物、及び金属化合物を選ぶことも可能である。金属化合物は、金属元素と非金属元素とが化合したものである。このような金属化合物の例としては、例えば六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）を挙げることができる。
【0045】
＜支持部１３＞
支持部１３は、一対の基板である第１基板１１ａ及び第２基板１１ｂ、又は一対の電極である第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂの間に接して設けられる。支持部１３は、例えば第１主面１１ａｆ及び第２主面１１ｂｆと連接する。支持部１３は、例えば第２方向Ｘにおいて第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂと接しているが、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂと離間してもよい。
支持部１３は、一対の基板である第１基板１１ａ及び第２基板１１ｂ、又は一対の電極である第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂの間に接して設けられる。支持部１３は、例えば第１主面１１ａｆ及び第２主面１１ｂｆと連接する。支持部１３は、例えば第２方向Ｘにおいて第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂと接しているが、第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂと離間してもよい。
【0046】
なお、支持部１３は、基板１１の一部が酸化したものであってもよい。具体的には、シリコンより構成された基板１１を酸化させて形成されたシリコン酸化膜の一部を支持部１３としてもよい。この場合、新たに支持部１３を形成する場合に比べて、支持部１３の高さを高精度に制御することができ、電極間ギャップＧの大きさを高精度に設定することができる。これにより、発電効率の安定化を図ることが可能となる。
【0047】
支持部１３の材料としては、絶縁性を有する材料を選ぶことができる。絶縁性の材料の例としては、シリコン、シリコン酸化膜、石英等のガラス、及び絶縁性樹脂等を挙げることができる。上記のほか、支持部１３は、例えば、フレキシブルなフィルム状でもよく、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＣ（polycarbonate）、及びポリイミド等を用いることができる。
【0048】
＜中間部１４＞
図２は、中間部１４の一例を示す模式断面図である。図１（ａ）に示すように、中間部１４は、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に設けられ、熱伝導部２０と離間する。中間部１４は、第１電極部１２ａの仕事関数と第２電極部１２ｂの仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子１４１を含む。
図２は、中間部１４の一例を示す模式断面図である。図１（ａ）に示すように、中間部１４は、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に設けられ、熱伝導部２０と離間する。中間部１４は、第１電極部１２ａの仕事関数と第２電極部１２ｂの仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子１４１を含む。
【0049】
第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間には、第１方向Ｚに沿って電極間ギャップＧが設定される。発電素子１では、電極間ギャップＧは、支持部１３の第１方向Ｚに沿った厚さによって設定される。電極間ギャップＧの幅の一例は、例えば、１０μｍ以下の有限値である。電極間ギャップＧの幅は狭いほど、発電素子１の発電効率が向上する。また、電極間ギャップＧの幅は狭いほど、発電素子１の第１方向Ｚに沿った厚さを薄くできる。このため、例えば、電極間ギャップＧの幅は狭い方がよい。電極間ギャップＧの幅は、例えば、１０ｎｍ以上１μｍ以下であることがより好ましい。なお、電極間ギャップＧの幅と、支持部１３の、第１方向Ｚに沿った厚さとは、ほぼ等価である。
【0050】
中間部１４は、例えば、複数のナノ粒子１４１と、溶媒１４２と、を含む。複数のナノ粒子１４１は、溶媒１４２内に分散されている。中間部１４は、例えば、ナノ粒子１４１が分散された溶媒１４２を、ギャップ部１４０内に充填することで得られる。ナノ粒子１４１の粒子径は、電極間ギャップＧよりも小さい。ナノ粒子１４１の粒子径は、例えば、電極間ギャップＧの１／５以下の有限値とされる。ナノ粒子１４１の粒子径を、電極間ギャップＧの１／５以下とすると、ギャップ部１４０内に、ナノ粒子１４１を含む中間部１４を形成しやすくなる。これにより、発電素子１の生産に際し、作業性が向上する。
【0051】
ナノ粒子１４１は、例えば導電物を含む。ナノ粒子１４１の仕事関数の値は、例えば、第１電極部１２ａの仕事関数の値と、第２電極部１２ｂの仕事関数の値との間にあるが、第１電極部１２ａの仕事関数の値と第２電極部１２ｂの仕事関数の値との間に無くてもよい。例えば、ナノ粒子１４１の仕事関数の値は、３．０ｅＶ以上５．５ｅＶ以下の範囲とされる。これにより、中間部１４内にナノ粒子１４１がない場合に比較して、電気エネルギーの発生量を、さらに増加させることが可能となる。
【0052】
ナノ粒子１４１の材料の例としては、金あるいは金の合金の少なくとも１つを選ぶことができる。なお、ナノ粒子１４１の材料には、金及び銀以外の導電性材料を選ぶことも可能である。
【0053】
ナノ粒子１４１の粒子径は、例えば、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また、ナノ粒子１４１は、例えば、平均粒径（例えばＤ５０）３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径を有してもよい。平均粒径は、例えば粒度分布計測器を用いることで、測定することができる。粒度分布計測器としては、例えば、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布計測器（例えばMicrotracBEL製Nanotrac WaveII-EX150等）を用いればよい。
【0054】
ナノ粒子１４１は、その表面に、例えば絶縁膜１４１ａを有する。絶縁膜１４１ａの材料の例としては、絶縁性金属化合物及び絶縁性有機化合物の少なくとも１つを選ぶことができる。絶縁性金属化合物の例としては、例えば、シリコン酸化物及びアルミナ等を挙げることができる。絶縁性有機化合物の例としては、アルカンチオール（例えばドデカンチオール）等を挙げることができる。絶縁膜１４１ａの厚さは、例えば２０ｎｍ以下の有限値である。このような絶縁膜１４１ａをナノ粒子１４１の表面に設けておくと、電子ｅは、例えば、第１電極部１２ａとナノ粒子１４１との間、並びにナノ粒子１４１と第２電極部１２ｂとの間を、トンネル効果やホッピング伝導を利用して移動できる。このため、例えば、発電素子１の発電効率の向上が期待できる。
【0055】
溶媒１４２には、例えば、沸点が６０℃以上の液体を用いることができる。このため、室温（例えば１５℃～３５℃）以上の環境下において、発電素子１を用いた場合であっても、溶媒１４２の気化を抑制することができる。これにより、溶媒１４２の気化に伴う発電素子１の劣化を抑制することができる。液体の例としては、有機溶媒及び水の少なくとも１つを選ぶことができる。有機溶媒の例としては、メタノール、エタノール、トルエン、キシレン、テトラデカン、及びアルカンチオール等を挙げることができる。なお、溶媒１４２は、電気的抵抗値が高く、絶縁性である液体がよい。
【0056】
なお、中間部１４は、溶媒１４２を含まず、ナノ粒子１４１のみを含むようにしてもよい。中間部１４が、ナノ粒子１４１のみを含むことで、例えば、発電素子１を、高温環境下で用いる場合であっても、溶媒１４２の気化を考慮する必要が無い。これにより、高温環境下における発電素子１の劣化を抑制することが可能となる。また、中間部１４は、例えば溶媒１４２の代わりに、ナノ粒子１４１を支持する絶縁体を含んでもよい。
【0057】
＜熱伝導部２０＞
熱伝導部２０は、図１（ａ）に示すように、熱源６０及び素子１０に接して設けられ、素子１０と電気的に離間する。熱伝導部２０は、例えば熱源６０上に配置され、第１方向Ｚ及び第２方向Ｘに延在する板状の部材である。
熱伝導部２０は、図１（ａ）に示すように、熱源６０及び素子１０に接して設けられ、素子１０と電気的に離間する。熱伝導部２０は、例えば熱源６０上に配置され、第１方向Ｚ及び第２方向Ｘに延在する板状の部材である。
【0058】
熱伝導部２０の高さ（第１方向Ｚにおける高さ）は、例えば第２基板１１ｂの高さ以下であってもよい。即ち、少なくとも第２基板１１ｂの第１方向Ｚに延びる面の少なくとも一部が熱伝導部２０に接していればよい。この場合、熱源６０からの熱は熱伝導部２０を介して第２基板１１ｂに伝達される。即ち、第２基板１１ｂには、熱源６０と接する面に加え、熱伝導部２０と接する面から熱が伝達される。このため、熱伝導部２０を設けない場合に比べ、素子１０に伝達される熱量を増加させることができる。これにより、発電素子１の発電効率を向上させることができる。
【0059】
熱伝導部２０の高さは、例えば第２基板の高さよりも高く、第１基板１１ａの高さ以下であってもよい。即ち、少なくとも第１基板１１ａの第１方向Ｚに延びる面の少なくとも一部が熱伝導部２０に接していればよい。この場合、熱伝導部２０は、第１基板１１ａ及び第２基板１１ｂに接しており、熱源６０からの熱は熱伝導部２０を介して第１基板１１ａ及び第２基板１１ｂに伝達される。このため、熱伝導部２０が第２基板１１ｂのみに接している場合と比較して熱伝導部２０と素子１０の接触面積が大きくなる。また、熱源６０と離間した部材に対し、熱源６０から発生した熱を伝達し易くすることができる。これにより、発電素子１の発電効率をさらに向上させることができる。
【0060】
熱伝導部２０は、第１方向Ｚにおいて第１基板１１ａを超えて設けられてもよい。即ち、熱伝導部２０は、第１方向Ｚ全体に亘って接してもよい。このため、熱源６０からの熱は、熱伝導部２０を介して第２基板１１ｂ、第１基板１１ａへと順次伝達される。これにより、発電素子１の発電効率をさらに向上させることができる。
【0061】
なお、素子１０の片側のみが熱伝導部２０に接してもよく、図１（ａ）に示すように、素子１０の両側が熱伝導部２０に接してもよい。熱伝導部２０が複数設けられる場合には、各熱伝導部２０の高さは異なっていてもよい。更に、熱伝導部２０は、素子１０の周囲全体に接してもよく、第１積層面１１ａｓを覆うように素子１０上に接して配置されてもよい。素子１０熱伝導部２０との接触面積が増加すればするほど熱源６０からの熱が素子１０に伝わり易くなるため、発電素子１の発電効率をさらに向上させることができる。
【0062】
また、図１（ｂ）に示すように、素子１０（基板１１）の一部が第３方向Ｙに沿って熱伝導部２０と接してもよく、素子１０（基板１１）の全体が第３方向Ｙに沿って熱伝導部２０と接してもよい。発電素子１の発電効率を向上させるためには、熱伝導部２０と素子１０の接触面積が大きいことが望ましく、従って熱伝導部２０の長さが素子１０の幅以上であることが望ましい。
【0063】
熱伝導部２０は、例えば支持部１３に接して設けられてもよい。具体的には、図１（ａ）に示すように、熱伝導部２０は、支持部１３の外側の面全体に接するように配置されている。熱伝導部２０が支持部１３に接することにより、熱源６０からの熱が効率よく支持部１３にも伝わるため、発電素子１の発電効率を向上させることができる。
【0064】
熱伝導部２０の熱伝導率は、基板１１の熱伝導率よりも高くてもよい。例えば、基板１１の材料がステンレス（ＳＵＳ）である場合には、熱伝導部２０には基板１１よりも熱伝導率の高い銅を使用する等、熱伝導部２０には基板１１よりも相対的にも熱伝導率の高い材料を用いればよい。これにより、このため、熱源６０から発電素子１に伝わる熱が外部に放出し難くなり、発電素子１の発電効率の向上を図ることができる。
【0065】
なお、熱源６０から発電素子１に伝わる熱が外部に放出し難くなるためには、熱伝導部２０の熱伝導率は、支持部１３の熱伝導率よりも高くてもよい。また、熱伝導部２０の熱伝導率は、一対の第１電極部１２ａ、第２電極部１２ｂの少なくとも何れかの熱伝導率よりも高くてもよい。
【0066】
熱伝導部２０は、導電性を有し、例えば金属材料により構成されている。なお、熱伝導部２０は、金属材料に限定されることなく、導電率が高い材料であれば如何なる材料により構成されてもよい。導電率が高い材料とは、具体的にはＡＳＴＭ Ｅ１５３０に準拠して測定された熱伝導率が、１０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上の値であることが望ましい。導電率が高い材料としては、例えば、金、銀、銅、アルミ等の金属材料であればよく、銅又はアルミより構成されていることが好ましい。
【0067】
図３（ａ）に、第１実施形態における発電素子１の第１変形例を示す。図３（ａ）に示すように、基板１１が第１方向Ｚ延在するように素子１０が熱源６０に配置された場合、基板１１は第２方向Ｘにおいて両側から一対の熱伝導部２０に挟まれた状態で接してもよい。即ち、図１（ａ）に示す状態から素子１０を９０度回転させて基板１１が熱源６０に対して立設した状態で、第１基板１１ａ及び第２基板１１ｂに熱伝導部２０が接してもよい。この場合、熱伝導部２０は、第１積層面１１ａｓ及び第２積層面１１ｂｓの少なくとも一部に接するように配置される。なお、熱伝導部２０は、第１積層面１１ａｓ及び第２積層面１１ｂｓの全体に接するように設けられてもよく、更には素子１０全体に接するように設けられてもよい。この場合、熱伝導部２０が第１積層面１１ａｓ及び第２積層面１１ｂｓの少なくとも一部に接している場合と比較して、より発電素子１の発電効率の向上を図ることができる。なお、基板１１が立設した状態の素子１０は、熱源６０上に複数配置されてもよい。
【0068】
図３（ｂ）に、第１実施形態における発電素子１の第２変形例を示す。図３（ｂ）に示すように、発電素子１は、複数の素子１０を積層した積層体３０を備え、熱伝導部２０は積層体３０の側面に接して設けられてもよい。熱源６０には、積層体３０と、その両側に熱伝導部２０が設けられている。熱源６０から発生した熱は、熱伝導部２０を介して各素子１０に順次伝達される。これにより、素子１０が複数積層された場合、熱源６０から離間して配置された素子１０に対しても熱源６０から発生する熱を効率良く伝えることができる。なお、熱伝導部２０は積層体３０全体に接して設けられてもよい。
【0069】
積層された１０間には、熱伝導層２１が設けられてもよい。図３（ｂ）には、積層体３０のうち、最上部に位置する素子１０とその下側に位置する素子１０との間に熱伝導層２１が設けられる例を示す。熱伝導層２１は、第２方向Ｘにおいて熱伝導部２０と接した状態で設けられている。これは、熱源６０からの熱が熱伝導部２０を介して確実に熱伝導層２１に伝達されるようにするためである。なお、熱伝導層２１は、各素子１０間に設けられてもよい。
【0070】
＜発電素子１の動作＞
熱エネルギーが発電素子１に与えられると、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に電流が発生し、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に発生する電流量は、熱エネルギーに依存する他、第１電極部１２ａの仕事関数と、第２電極部１２ｂの仕事関数との差、素子１０の温度に依存する。
熱エネルギーが発電素子１に与えられると、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に電流が発生し、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの間に発生する電流量は、熱エネルギーに依存する他、第１電極部１２ａの仕事関数と、第２電極部１２ｂの仕事関数との差、素子１０の温度に依存する。
【0071】
発生する電流量は、例えば、第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂとの仕事関数差を大きくすること、電極間ギャップを小さくすること、素子１０の絶対温度を上昇させること等により増加させることができる。
【0072】
本実施形態によれば、熱伝導部２０は、熱源６０及び素子１０に接して設けられる。このため、熱源６０からの熱が、熱伝導部２０を介して発電素子１を構成する複数の部材に順次伝達され易くなり、熱源６０に近い部材と遠い部材とが同じ温度になるまでの時間を短くすることができる。これにより、発電素子１の発電効率を向上させることができる。
【0073】
また、本実施形態によれば、熱伝導部２０は、積層体３０の側面に接して設けられる。このため、熱源６０からの熱を、熱伝導部２０を介して積層体３０全体に伝達させ易くすることができる。これにより、熱源６０からの距離が異なる複数の素子１０を用いた場合であっても、各素子１０の温度差を抑制でき、発電効率の更なる向上を図ることが可能となる。
【0074】
また、本実施形態によれば、熱伝導部２０の熱伝導率は、一対の基板の熱伝導率よりも高い。このため、一対の基板から熱伝導部２０側に熱が放出され難くなる。これにより、発電素子１の発電効率を更に向上させることができる。
【0075】
また、本実施形態によれば、熱伝導部２０の熱伝導率は、支持部の熱伝導率よりも高い。このため、支持部から熱伝導部２０側に熱が放出され難くなる。これにより、発電素子１の発電効率を更に向上させることができる。
【0076】
また、本実施形態によれば、熱伝導部２０は、支持部に接して設けられる。このため、熱源６０からの熱は、支持部を介して電極部１２に伝達され易くなる。これにより、発電素子１の発電効率を更に向上させることができる。
【0077】
また、本実施形態によれば、熱伝導部２０の熱伝導率は、一対の電極部１２（第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂ）の少なくとも何れかの熱伝導率よりも高い。このため、一対の電極から熱伝導部２０側に熱が放出され難くなる。これにより、発電素子１の発電効率を更に向上させることができる。
【0078】
また、本実施形態によれば、熱伝導部２０は、積層された一対の素子１０の間に挟まれた熱伝導層を含む。このため、熱源６０からの熱は、熱伝導部２０及び熱伝導層を介して、一対の素子１０の間に伝達され易くなる。これにより、発電素子１の発電効率を更に向上させることができる。
【0079】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態における発電素子１について説明する。上述した第１実施形態との違いは、素子１０に断熱部４０が設けられる点であり、その他の点は共通している。従って、以下の説明では、第１実施形態と異なっている点を主に説明し、共通する部分については同一符号を付して説明を省略する。
次に、第２実施形態における発電素子１について説明する。上述した第１実施形態との違いは、素子１０に断熱部４０が設けられる点であり、その他の点は共通している。従って、以下の説明では、第１実施形態と異なっている点を主に説明し、共通する部分については同一符号を付して説明を省略する。
【0080】
図４は、第２実施形態における発電素子１の一例を示す模式図である。図４（ａ）に示すように、素子１０の全体は、断熱部４０に覆われている。即ち、断熱部４０は、熱源６０に接し、熱伝導部２０及び素子１０を覆う。断熱部４０の形状は、素子１０を覆うことができるのであれば、如何なる形状であってもよい。なお、素子１０は、一部が断熱部４０に覆われていない範囲があってもよい。素子１０を覆う断熱部４０の面積が大きければ大きいほど、熱源６０から素子１０に伝達された熱が外部に放出され難いため、断熱効果が向上し、発電素子の発電効率が向上する。
【0081】
また、図４（ｂ）に示すように、断熱部４０は、積層体３０及びその側面に接して設けられる熱伝導部２０を覆ってもよい。即ち、断熱部４０は、熱源６０に接し、熱伝導部２０及び複数の素子１０を積層した積層体３０を覆ってもよい。なお、素子１０間には熱伝導層２１が配置されていてもよい。
【0082】
断熱部４０は、断熱性（絶縁性）を有し、例えば樹脂により構成されている。なお、断熱部４０は、これらに限定されることなく、熱伝導率が低い材料であれば如何なる材料により構成されてもよい。熱伝導率が低い材料とは、具体的にはＡＳＴＭ Ｅ１５３０に準拠して測定された熱伝導率が、１０Ｗ／（ｍ・ｋ）以下の値であることが望ましい。熱伝導率が低い材料としては、例えば、セラミック、タイル、陶器等であればよく、ポリウレタン、ポリイミド、スチレン、塩化ビニル等の樹脂材料、ガラス、空気により構成されていることが好ましい。更に、断熱部４０は、異なる素材により構成された複数層の部材により構成されてもよい。
【0083】
本実施形態によれば、断熱部４０は、熱源６０に接し、熱伝導部２０及び素子１０を覆う。このため、熱源６０からの熱は、熱伝導部２０及び熱伝導層２１を介して、一対の素子１０の間に伝達され易くなる。これにより、発電素子１の発電効率を更に向上させることができる。
【0084】
（第３実施形態）
図５は、図５（ａ）は、第３実施形態における制御システムの一例を示すブロック図である。第３実施形態における制御システム７０の一例を示すブロック図である。図５（ａ）に示すように、制御システム７０は、発電素子１と、計測部７１と、制御部７２とを備え、制御システム７０は熱源６０に接続されている。
図５は、図５（ａ）は、第３実施形態における制御システムの一例を示すブロック図である。第３実施形態における制御システム７０の一例を示すブロック図である。図５（ａ）に示すように、制御システム７０は、発電素子１と、計測部７１と、制御部７２とを備え、制御システム７０は熱源６０に接続されている。
【0085】
計測部７１は、発電素子１の発電量を計測し、制御部７２に計測結果である発電量の情報を出力する。計測部７１は、例えば発電素子１の発電量が一定となるように、定期的に発電素子１の発電量を計測し、制御部７２に発電量の情報を出力する。
【0086】
制御部７２は、計測部７１から受けた計測結果に基づいて、電力量制御を行う。発電素子１で発電される電力量は、熱源６０からの熱量に応じて増減するため、例えば、発電素子１による発電量が不足する場合には、発電量が増加するように熱源６０の熱量を増加させ、発電素子１による発電量が過剰な場合には、発電量が減少するように熱源６０の熱量を減少させるように制御する。
【0087】
図５（ｂ）は、第３実施形態における制御システムの第１変形例を示すブロック図である。図５（ｂ）に示すように、機器６１は熱源６０を有する。制御部７２は、機器６１を制御することにより、熱源６０の熱量を減少させるように制御してもよい。この場合の機器６１は、例えばパソコン等のデバイスであり、熱源６０は、例えば機器６１が有するＣＰＵである。
【0088】
本実施形態によれば、制御システム７０は、発電素子１を備え、発電素子１の発電量を計測する計測部７１と、計測部７１の計測結果に基づき、熱源６０から放出される熱量を制御する制御部７２とを備える。このため、発電素子１の発電量に応じて熱源６０から放出される熱量を制御することができる。これにより、熱源６０及び熱源６０を含む機器等を適切に保護することができるとともに、熱源６０から放出される熱量の制御を容易に実現することができる。
【0089】
（第４実施形態：電子機器５００）
＜電子機器５００＞
上述した発電素子１及び発電装置１００は、例えば電子機器に搭載することが可能である。以下、電子機器の実施形態のいくつかを説明する。
＜電子機器５００＞
上述した発電素子１及び発電装置１００は、例えば電子機器に搭載することが可能である。以下、電子機器の実施形態のいくつかを説明する。
【0090】
図６（ａ）～図６（ｄ）は、発電素子１を備えた電子機器５００の例を示す模式ブロック図である。図６（ｅ）～図６（ｈ）は、発電素子１を含む発電装置１００を備えた電子機器５００の例を示す模式ブロック図である。
【0091】
図６（ａ）に示すように、電子機器５００（エレクトリックプロダクト）は、電子部品５０１（エレクトロニックコンポーネント）と、主電源５０２と、補助電源５０３と、を備えている。電子機器５００及び電子部品５０１のそれぞれは、電気的な機器(エレクトリカルデバイス)である。
【0092】
電子部品５０１は、主電源５０２を電源に用いて駆動される。電子部品５０１の例としては、例えば、ＣＰＵ、モーター、センサ端末、及び照明等を挙げることができる。電子部品５０１が、例えばＣＰＵである場合、電子機器５００には、内蔵されたマスター（ＣＰＵ）によって制御可能な電子機器が含まれる。電子部品５０１が、例えば、モーター、センサ端末、及び照明等の少なくとも１つを含む場合、電子機器５００には、外部にあるマスター、あるいは人によって制御可能な電子機器が含まれる。なお、電子部品５０１の一部が熱源６０として機能してもよい。
【0093】
主電源５０２は、例えば電池である。電池には、充電可能な電池も含まれる。主電源５０２のプラス端子（＋）は、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）と電気的に接続される。主電源５０２のマイナス端子（－）は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と電気的に接続される。なお、電子部品５０１には、発電素子１が発電する電力により充電される二次電池が含まれていてもよい。
【0094】
補助電源５０３は、発電素子１である。発電素子１は、上述した発電素子１の少なくとも１つを含む。発電素子１のアノード（例えば第１電極部１２ａ）は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）、又は主電源５０２のマイナス端子（－）、又はＧＮＤ端子（ＧＮＤ）とマイナス端子（－）とを接続する配線と、電気的に接続される。発電素子１のカソード（例えば第２電極部１２ｂ）は、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）、又は主電源５０２のプラス端子（＋）、又はＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）とプラス端子（＋）とを接続する配線と、電気的に接続される。電子機器５００において、補助電源５０３は、例えば主電源５０２と併用され、主電源５０２をアシストするための電源や、主電源５０２の容量が切れた場合、主電源５０２をバックアップするための電源として使うことができる。主電源５０２が充電可能な電池である場合には、補助電源５０３は、さらに、電池を充電するための電源としても使うことができる。
【0095】
図６（ｂ）に示すように、主電源５０２は、発電素子１とされてもよい。発電素子１のアノードは、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と電気的に接続される。発電素子１のカソードは、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）と電気的に接続される。図６（ｂ）に示す電子機器５００は、主電源５０２として使用される発電素子１と、発電素子１を用いて駆動されることが可能な電子部品５０１と、を備えている。発電素子１は、独立した電源（例えばオフグリッド電源）である。このため、電子機器５００は、例えば自立型（スタンドアローン型）にできる。しかも、発電素子１は、環境発電型（エナジーハーベスト型）である。図６（ｂ）に示す電子機器５００は、電池の交換が不要である。
【0096】
図６（ｃ）に示すように、電子部品５０１が発電素子１を備えていてもよい。発電素子１のアノードは、例えば、回路基板（図示は省略する）のＧＮＤ配線と電気的に接続される。発電素子１のカソードは、例えば、回路基板（図示は省略する）のＶｃｃ配線と電気的に接続される。この場合、発電素子１は、電子部品５０１の、例えば補助電源５０３として使うことができる。
【0097】
図６（ｄ）に示すように、電子部品５０１が発電素子１を備えている場合、発電素子１は、電子部品５０１の、例えば主電源５０２として使うことができる。
【0098】
【0099】
図６（ｄ）に示した実施形態は、電子部品５０１が主電源５０２として使用される発電素子１を備えている。同様に、図６（ｈ）に示した実施形態は、電子部品５０１が主電源として使用される発電装置１００を備えている。これらの実施形態では、電子部品５０１が、独立した電源を持つ。このため、電子部品５０１を、例えば自立型とすることができる。自立型の電子部品５０１は、例えば、複数の電子部品を含み、かつ、少なくとも１つの電子部品が別の電子部品と離れているような電子機器に有効に用いることができる。そのような電子機器５００の例は、センサである。センサは、センサ端末（スレーブ）と、センサ端末から離れたコントローラ（マスター）と、を備えている。センサ端末及びコントローラのそれぞれは、電子部品５０１である。センサ端末が、発電素子１又は発電装置１００を備えていれば、自立型のセンサ端末となり、有線での電力供給の必要がない。発電素子１又は発電装置１００は環境発電型であるので、電池の交換も不要である。センサ端末は、電子機器５００の１つと見なすこともできる。電子機器５００と見なされるセンサ端末には、センサのセンサ端末に加えて、例えば、ＩｏＴワイヤレスタグ等が、さらに含まれる。
【0100】
図６（ａ）～図６（ｈ）のそれぞれに示した実施形態において共通することは、電子機器５００は、熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子１と、発電素子１を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品５０１と、を含むことである。
【0101】
電子機器５００は、独立した電源を備えた自律型（オートノマス型）であってもよい。自律型の電子機器の例は、例えばロボット等を挙げることができる。さらに、発電素子１又は発電装置１００を備えた電子部品５０１は、独立した電源を備えた自律型であってもよい。自律型の電子部品の例は、例えば可動センサ端末等を挙げることができる。
【0102】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0103】
１ ：発電素子
１０ ：素子
１１ ：基板
１１ａ ：第１基板
１１ａｆ ：第１主面
１１ａｓ ：第１積層面
１１ｂ ：第２基板
１１ｂｆ ：第２主面
１１ｂｓ ：第２積層面
１２ ：電極部
１２ａ ：第１電極部
１２ｂ ：第２電極部
１３ ：支持部
１４ ：中間部
２０ ：熱伝導部
３０ ：積層体
４０ ：断熱部
６０ ：熱源
１４０ ：ギャップ部
１４１ ：ナノ粒子
１４２ ：溶媒
１００ ：発電装置
１０１ ：第１配線
１０２ ：第２配線
５００ ：電子機器
Ｇ ：ギャップ
Ｒ ：負荷
Ｚ ：第１方向
Ｘ ：第２方向
Ｙ ：第３方向
１０ ：素子
１１ ：基板
１１ａ ：第１基板
１１ａｆ ：第１主面
１１ａｓ ：第１積層面
１１ｂ ：第２基板
１１ｂｆ ：第２主面
１１ｂｓ ：第２積層面
１２ ：電極部
１２ａ ：第１電極部
１２ｂ ：第２電極部
１３ ：支持部
１４ ：中間部
２０ ：熱伝導部
３０ ：積層体
４０ ：断熱部
６０ ：熱源
１４０ ：ギャップ部
１４１ ：ナノ粒子
１４２ ：溶媒
１００ ：発電装置
１０１ ：第１配線
１０２ ：第２配線
５００ ：電子機器
Ｇ ：ギャップ
Ｒ ：負荷
Ｚ ：第１方向
Ｘ ：第２方向
Ｙ ：第３方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【手続補正書】
【提出日】2021-06-18
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子であって、
少なくとも１つの素子と、
前記熱源、及び前記素子に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、
を備え、
前記素子は、
それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、
前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板と、
前記一対の基板又は前記一対の電極の間に接して設けられた支持部と、
を含み、
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記支持部の熱伝導率よりも高く、
前記熱伝導部は、前記支持部に接して設けられること
を特徴とする発電素子。
少なくとも１つの素子と、
前記熱源、及び前記素子に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、
を備え、
前記素子は、
それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、
前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板と、
前記一対の基板又は前記一対の電極の間に接して設けられた支持部と、
を含み、
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記支持部の熱伝導率よりも高く、
前記熱伝導部は、前記支持部に接して設けられること
を特徴とする発電素子。
【請求項2】
熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子であって、
複数の素子を積層した積層体と、
前記熱源、及び前記積層体の側面に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、
を備え、
前記素子は、
それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、
を含み、
前記熱伝導部は、積層された一対の前記素子の間に挟まれた熱伝導層を含むこと
を特徴とする発電素子。
複数の素子を積層した積層体と、
前記熱源、及び前記積層体の側面に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、
を備え、
前記素子は、
それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、
を含み、
前記熱伝導部は、積層された一対の前記素子の間に挟まれた熱伝導層を含むこと
を特徴とする発電素子。
【請求項3】
熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子であって、
少なくとも１つの素子と、
前記熱源、及び前記素子に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、
前記熱源に接し、前記熱伝導部及び前記素子を覆う断熱部と、
を備え、
前記素子は、
それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、
を含むこと
を特徴とする発電素子。
少なくとも１つの素子と、
前記熱源、及び前記素子に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、
前記熱源に接し、前記熱伝導部及び前記素子を覆う断熱部と、
を備え、
前記素子は、
それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、
前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、
を含むこと
を特徴とする発電素子。
【請求項4】
複数の前記素子を積層した積層体を備え、
前記熱伝導部は、前記積層体の側面に接して設けられること
を特徴とする請求項１又は３記載の発電素子。
前記熱伝導部は、前記積層体の側面に接して設けられること
を特徴とする請求項１又は３記載の発電素子。
【請求項5】
前記素子は、前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板を含み、
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記一対の基板の熱伝導率よりも高いこと
を特徴とする請求項１～４の何れか１項記載の発電素子。
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記一対の基板の熱伝導率よりも高いこと
を特徴とする請求項１～４の何れか１項記載の発電素子。
【請求項6】
前記素子は、
前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板と、
前記一対の基板又は前記一対の電極の間に接して設けられた支持部と、
を含み、
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記支持部の熱伝導率よりも高いこと
を特徴とする請求項３記載の発電素子。
前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板と、
前記一対の基板又は前記一対の電極の間に接して設けられた支持部と、
を含み、
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記支持部の熱伝導率よりも高いこと
を特徴とする請求項３記載の発電素子。
【請求項7】
前記熱伝導部の熱伝導率は、前記一対の電極の少なくとも何れかの熱伝導率よりも高いこと
を特徴とする請求項１～６のうち何れか１項記載の発電素子。
を特徴とする請求項１～６のうち何れか１項記載の発電素子。
【請求項8】
前記熱源に接し、前記熱伝導部及び前記素子を覆う断熱部を備えること
を特徴とする請求項１又は２記載の発電素子。
を特徴とする請求項１又は２記載の発電素子。
【請求項9】
請求項１～８のうち何れか１項記載の発電素子と、
前記発電素子の発電量を計測する計測部と、
前記計測部の計測結果に基づき、前記熱源から放出される熱量を制御する制御部と、を備えること
を特徴とする制御システム。
前記発電素子の発電量を計測する計測部と、
前記計測部の計測結果に基づき、前記熱源から放出される熱量を制御する制御部と、を備えること
を特徴とする制御システム。
【請求項10】
請求項１～８のうち何れか１項記載の発電素子と、
前記一対の電極と電気的に接続された一対の配線と、
を備えることを特徴とする発電装置。
前記一対の電極と電気的に接続された一対の配線と、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項11】
請求項１～８のうち何れか１項記載の発電素子と、
前記発電素子を電源に用いて駆動させることが可能な電子部品と、
を備えることを特徴とする電子機器。
前記発電素子を電源に用いて駆動させることが可能な電子部品と、
を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項12】
請求項１～８のうち何れか１項記載の発電素子が、前記熱源から発生した熱を利用して発電すること
を特徴とする発電方法。
を特徴とする発電方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0008】
第１発明に係る発電素子は、熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子であって、少なくとも１つの素子と、前記熱源、及び前記素子に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、を備え、前記素子は、それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板と、前記一対の基板又は前記一対の電極の間に接して設けられた支持部と、を含み、前記熱伝導部の熱伝導率は、前記支持部の熱伝導率よりも高く、前記熱伝導部は、前記支持部に接して設けられることを特徴とする。
第２発明に係る発電素子は、熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子であって、複数の素子を積層した積層体と、前記熱源、及び前記積層体の側面に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、を備え、前記素子は、それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、を含み、前記熱伝導部は、積層された一対の前記素子の間に挟まれた熱伝導層を含むことを特徴とする。
第３発明に係る発電素子は、熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子であって、少なくとも１つの素子と、前記熱源、及び前記素子に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、前記熱源に接し、前記熱伝導部及び前記素子を覆う断熱部と、を備え、前記素子は、それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、を含むことを特徴とする。
第２発明に係る発電素子は、熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子であって、複数の素子を積層した積層体と、前記熱源、及び前記積層体の側面に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、を備え、前記素子は、それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、を含み、前記熱伝導部は、積層された一対の前記素子の間に挟まれた熱伝導層を含むことを特徴とする。
第３発明に係る発電素子は、熱源から発生する熱を利用して発電する発電素子であって、少なくとも１つの素子と、前記熱源、及び前記素子に接して設けられ、前記素子と電気的に離間した熱伝導部と、前記熱源に接し、前記熱伝導部及び前記素子を覆う断熱部と、を備え、前記素子は、それぞれ仕事関数の異なる一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられ、前記熱伝導部と離間する中間部と、を含むことを特徴とする。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0009】
第４発明に係る発電素子は、第１発明又は第３発明において、複数の前記素子を積層した積層体を備え、前記熱伝導部は、前記積層体の側面に接して設けられることを特徴とする。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0010】
第５発明に係る発電素子は、第１発明～第４発明の何れかにおいて、前記素子は、前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板を含み、前記熱伝導部の熱伝導率は、前記一対の基板の熱伝導率よりも高いことを特徴とする。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0011】
第６発明に係る発電素子は、第３発明において、前記素子は、前記一対の電極を挟んで設けられた一対の基板と、前記一対の基板又は前記一対の電極の間に接して設けられた支持部と、を含み、前記熱伝導部の熱伝導率は、前記支持部の熱伝導率よりも高いことを特徴とする。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正7】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0013】
第７発明に係る発電素子は、第１発明～第６発明の何れかにおいて、前記熱伝導部の熱伝導率は、前記一対の電極の少なくとも何れかの熱伝導率よりも高いことを特徴とする。
【手続補正8】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正9】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0015】
第８発明に係る発電素子は、第１発明又は第２発明において、前記熱源に接し、前記熱伝導部及び前記素子を覆う断熱部を備えることを特徴とする。
【手続補正10】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0021】
特に第２発明及び第４発明によれば、熱伝導部は、積層体の側面に接して設けられる。このため、熱源からの熱を、熱伝導部を介して積層体全体に伝達させ易くすることができる。これにより、熱源からの距離が異なる複数の素子を用いた場合であっても、各素子の温度差を抑制でき、発電効率の更なる向上を図ることが可能となる。
【手続補正11】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0022】
特に第５発明によれば、熱伝導部の熱伝導率は、一対の基板の熱伝導率よりも高い。このため、一対の基板から熱伝導部側に熱が放出され難くなる。これにより、発電効率を更に向上させることができる。
【手続補正12】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0023】
特に第１発明及び第６発明によれば、熱伝導部の熱伝導率は、支持部の熱伝導率よりも高い。このため、支持部から熱伝導部側に熱が放出され難くなる。これにより、発電効率を更に向上させることができる。
【手続補正13】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0024】
特に第１発明によれば、熱伝導部は、支持部に接して設けられる。このため、熱源からの熱は、支持部を介して電極に伝達され易くなる。これにより、発電効率を更に向上させることができる。
【手続補正14】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0025】
特に第７発明によれば、熱伝導部の熱伝導率は、一対の電極の少なくとも何れかの熱伝導率よりも高い。このため、電極から熱伝導部側に熱が放出され難くなる。これにより、発電効率を更に向上させることができる。
【手続補正15】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0026】
特に第２発明によれば、熱伝導部は、積層された一対の素子の間に挟まれた熱伝導層を含む。このため、熱源からの熱は、熱伝導部及び熱伝導層を介して、一対の素子の間に伝達され易くなる。これにより、発電素子の発電効率を更に向上させることができる。
【手続補正16】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0027】
特に第３発明及び第８発明によれば、断熱部は、熱源に接し、熱伝導部及び素子を覆う。このため、熱源からの熱が、素子内に伝達されたあと、素子内から外部に放出され難くなる。これにより、発電効率を更に向上させることができる。