JP4330541B2 - 体温利用発電装置およびそれを用いた人工内耳システム - Google Patents

Description

本発明は、人体の体温を利用して熱電変換モジュールを発電させる体温利用発電装置およびそれを用いた人工内耳システムに関する。

従来から、ペルチェ効果やゼーベック効果を利用して熱電気変換を行う熱電変換モジュールが加熱・冷却装置や発電装置等に用いられている。この熱電変換モジュールは、一対の絶縁基板における相対向する内側の面の所定箇所に複数の電極を形成し、この相対向する電極にそれぞれ熱電素子の上下の端面をハンダ付けすることにより、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を固定して構成されている。このような熱電変換モジュールを用いた装置として、例えば、熱発電腕時計がある（例えば、特許文献１参照）。

この熱発電腕時計では、裏ぶたの内面に金属製の板ばねを介して熱電変換モジュールが取り付けられ、熱電変換モジュールにおける板ばねに接触する面と反対側の面に、昇圧回路に接続された放熱リングが設けられている。このため、使用者が裏ぶたの表面に皮膚面を当てた状態で熱発電腕時計を腕に取り付けると、使用者の体温が裏ぶたおよび板ばねを介して熱電変換モジュールに伝わり、熱電変換モジュールが発電する。そして、この熱電変換モジュールが発電する電力によって熱発電腕時計は作動する。
特開平１０−１１１３６８号公報

しかしながら、前述した熱発電腕時計では、使用者の皮膚面と熱電変換モジュールとの間に、厚い裏ぶたや板ばねが設置されるため熱回収の効率が悪くなるという問題がある。また、放熱リングが熱発電腕時計の筐体内に設置されているため、外気との間での熱交換効率が悪くなり、熱電変換モジュールの熱電素子の両端部間に温度差が生じ難くなる。この結果、熱電変換モジュールの発電量を大きくすることができないという問題が生じる。さらに、この熱発電腕時計では、裏ぶたが皮膚面に沿って変形することができないため、裏ぶたを皮膚面に充分に接触させることができない場合が生じ、これによっても熱電変換モジュールの発電量を大きくすることができないという問題がある。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、収熱効率を向上させることにより、発電量を増大させることのできる体温利用発電装置およびそれを用いた人工内耳システムを提供することである。

前述した目的を達成するため、本発明に係る体温利用発電装置の構成上の特徴は、対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する内側の面の所定箇所に電極を形成し、対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を接合して構成した熱電変換モジュールの一方の絶縁基板を人体の体温を利用して加熱し、熱電素子における一方の絶縁基板側の端部と他方の絶縁基板側の端部との間に生じる温度差に応じて熱電変換モジュールに電力を発生させる体温利用発電装置であって、一方の絶縁基板に、人体の皮膚面に沿って変形可能な熱伝導性材料からなる収熱層を設けたことにある。

このように構成した本発明に係る体温利用発電装置では、熱電変換モジュールにおける吸熱側の絶縁基板である一方の絶縁基板に、人体の皮膚面に沿って変形可能な収熱層を設けているため、皮膚面と収熱層との接触面積が大きくなり、皮膚面から熱電変換モジュールの一方の絶縁基板に吸収される熱量が多くなる。これによって、熱電変換モジュールの発電量が増大する。

本発明に係る体温利用発電装置の他の構成上の特徴は、熱電変換モジュールの他方の絶縁基板側に、金属からなる放熱用部材を設けたことにある。この場合の他方の絶縁基板は、放熱側の絶縁基板であり、これによると、吸熱側の一方の絶縁基板と放熱側の他方の絶縁基板との間の温度差が大きくなるため、熱電変換モジュールはより大きな電力を発生するようになる。また、この場合、放熱用部材を、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成し、さらに放熱用部材にワイヤ状の放熱部を含ませることもできる。これによると、さらに、他方の絶縁基板の放熱を増加させることができ、熱電変換モジュールが発生する電力が大きくなる。

また、本発明に係る体温利用発電装置のさらに他の構成上の特徴は、収熱層を、厚みが５ｍｍ以下の樹脂層、厚みが５ｍｍ以下のゴム層、厚みが５００μｍ以下の金属層またはこれらのいずれかを積層したもので構成したことにある。これによると、種々の材料で収熱層を構成することができ、また、使用する材料に応じた適正の厚みの収熱層を形成することができる。この場合の樹脂層としては、プラスチック、ニトリル樹脂、エチレン樹脂等がある。また、収熱層として金属層を用いる場合には、前述したように厚みを制限することにより、使用者の皮膚を傷めたり、使用者が不快に感じたりすることを防止できる。

本発明に係る体温利用発電装置のさらに他の構成上の特徴は、収熱層で、熱電変換モジュールの一方の絶縁基板を構成したことにある。これによると、吸熱側の絶縁基板を別途設ける必要がなくなるため、材料を節減できるとともに体温利用発電装置の構造を簡略化することができる。また、この場合、収熱層としては、比較的厚みの厚いもので構成して、皮膚面に接触する面が皮膚面に沿って変形しても、熱電素子側の面は平面状に保たれるようにすることが好ましい。

本発明に係る体温利用発電装置のさらに他の構成上の特徴は、熱電変換モジュールが発電した電力を蓄電するための蓄電装置を備えたことにある。これによると、熱電変換モジュールが発生した電力を無駄にすることなく効果的に利用することができる。

本発明に係る人工内耳システムの構成上の特徴は、周囲の音を集音するマイクと、マイクが集音した音を音声処理により信号に変えるスピーチプロセッサと、スピーチプロセッサの音声処理により発生した信号を送信する送信部と、頭部内に設けられ送信部が送信する信号を受信する受信部と、受信部が受信した信号に基づいて聴神経を刺激して脳に音感覚を発生させる電極とで構成される人工内耳システムにおけるスピーチプロセッサに、前述した体温利用発電装置を電源部として含ませたことにある。

これによると、人体の体温を利用して発電する体温利用発電装置を、人体に設けられた人工内耳システムの電源部として利用できるため、人工内耳システムがコンパクトになるとともに、スピーチプロセッサの使い勝手がよくなる。また、これによると、電源部を含む軽量のスピーチプロセッサを備えた人工内耳システムを得ることができる。

また、本発明に係る人工内耳システムの他の構成上の特徴は、体温利用発電装置の収熱層を人体の所定部分に密着させた状態でスピーチプロセッサを人体に取り付けるための取付用部材を備えたことにある。この場合の取付用部材としては、ベルトやフック等を用いることができる。ベルトを用いる場合には、ベルトを介して腕や胴体にスピーチプロセッサを取り付けることができる。また、フックを用いる場合には、人体に取り付けられたベルトや衣服等を介して、フックでスピーチプロセッサを人体に取り付けることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１および図２は、本発明に係る人工内耳システム１０を示しており、この人工内耳システム１０は、人体１１（図１１参照）の体外で使用される体外部１０ａと、人体１１の頭部１１ａ内に埋め込まれた体内部１０ｂとで構成されている。体外部１０ａは、本発明に係る体温利用発電装置を含むスピーチプロセッサ２０と、スピーチプロセッサ２０にケーブル１２によって接続された耳掛けマイク１３と、耳掛けマイク１３にケーブル１２ａによって接続された送信コイル１４とで構成されている。

また、体内部１０ｂは、受信コイル１５ａと受信器１５ｂとを備えた受信装置１５と、受信装置１５にケーブル１６によって接続された複数のチャンネルからなる電極１７とで構成されている。受信装置１５は手術によって頭部１１ａ内における耳１１ｂの近傍部分に取り付けられている。電極１７は、蝸牛１８内に挿入されており、蝸牛１８を介して聴神経１８ａに電気的刺激を与えるように構成されている。そして、蝸牛１８は聴神経１８ａを介して脳１９に接続されている。

また、耳掛けマイク１３は、略半円状の耳掛け部１３ａを備えており、耳掛け部１３ａを頭部１１ａの耳１１ｂに引っ掛けることによって頭部１１ａに取り付けることができる。さらに、送信コイル１４と受信装置１５とには、それぞれ磁石（図示せず）が設けられており、耳掛けマイク１３を頭部１１ａの耳１１ｂに取り付けたときに、送信コイル１４は、受信装置１５に引き付けられて、頭部１１ａの表面皮膚層を挟んで受信装置１５に対応する位置に固定される。

この人工内耳システム１０では、耳掛けマイク１３が周囲の音を拾い、耳掛けマイク１３が拾った音をスピーチプロセッサ２０が音声処理してコード化する。そして、スピーチプロセッサ２０がコード化した音声情報を、送信コイル１４が無線信号として送信する。送信コイル１４が無線信号を送信すると、頭部１１ａ内に埋め込まれた受信装置１５の受信コイル１５ａは、アンテナとして送信コイル１４が送信する無線信号を受信し、その無線信号を受信器１５ｂに送る。そして、受信器１５ｂは、受信した無線信号を、電極１７における受信信号に対応するチャンネルに送る。これによって、電極１７の所定のチャンネルから聴神経１８ａに電流が流されて、聴神経１８ａから脳１９に電気による刺激が伝わり、脳１９に音の感覚が発生する。

スピーチプロセッサ２０は、図２に示したように、プロセッサ部２１、選択回路２２、１次電池２３ａ、２次電池２３ｂ、充電制御回路２４、昇圧回路２５および熱電変換モジュール２６を備えている。また、スピーチプロセッサ２０は、図３に示したように、断熱材で構成された箱状の筐体２７内に前述した熱電変換モジュール２６等を収容して構成されている。この場合、熱電変換モジュール２６の一方の面（吸熱側の面）が筐体２７から僅かに突出するようにして熱電変換モジュール２６は筐体２７に取り付けられており、熱電変換モジュール２６のその一方の面に軟質のポリエチレン層からなる収熱層２８が取り付けられている。

また、熱電変換モジュール２６の他方の面（放熱側の面）には、アルミニウムからなる箱状の放熱用部材２９の一方の面が固定され、放熱用部材２９の他方の面は筐体２７から露出している。そして、放熱用部材２９における露出した面には、複数の突起からなる放熱フィン部２９ａが形成されている。また、図示していないが、放熱用部材２９内には、プロセッサ部２１、選択回路２２、１次電池２３ａ、２次電池２３ｂ、充電制御回路２４および昇圧回路２５が収容されている。

また、スピーチプロセッサ２０には、図４に示したように、固定ベルト２０ａが設けられており、この固定ベルト２０ａを腕１１ｃに巻き付けることにより、スピーチプロセッサ２０は腕１１ｃに固定される。この場合、スピーチプロセッサ２０は、収熱層２８を皮膚面に接触させた状態で腕１１ｃに固定される。また、収熱層２８は腕１１ｃの皮膚面に沿って変形し、スピーチプロセッサ２０を腕１１ｃに取り付けたときには、収熱層２８の表面の略全面が腕１１ｃの皮膚面に接触する。

熱電変換モジュール２６は、図５および図６に示したように、下基板３１ａと上基板３１ｂとからなる一対の絶縁基板を備えており、下基板３１ａの上面における所定部分に下部電極３２ａが取り付けられ、上基板３１ｂの下面における所定部分に上部電極３２ｂが取り付けられている。なお、図５では、電極３２ａ，３２ｂを省略している。そして、チップからなる熱電素子３３が、それぞれ下端面を下部電極３２ａにハンダ付けにより固定され、上端面を上部電極３２ｂにハンダ付けにより固定されて下基板３１ａと上基板３１ｂとを一体的に連結している。

下部電極３２ａと上部電極３２ｂとは、それぞれ熱電素子３３の略１個分に等しい距離をずらして取り付けられている。上基板３１ｂの各上部電極３２ｂには、それぞれ２個の熱電素子３３の上端面が接合されており、下基板３１ａの下部電極３２ａには、１個の熱電素子３３の下端面だけが接合されるものと、２個の熱電素子３３の下端面が接合されるものとがある。そして、１個の熱電素子３３の下端面だけが接合される下部電極３２ａは下基板３１ａの一方側（図５の右側部分）の２箇所の角部に設けられ、その下部電極３２ａの一方の端部側には、リード線３４ａ，３４ｂがそれぞれ取り付けられて充電可能な電池や外部の装置等に接続可能になっている。

下基板３１ａおよび上基板３１ｂはそれぞれアルミナからなる板で構成され、熱電素子３３は、直方体に形成されたＰ型の素子とＮ型の素子とからなっている。また、この熱電素子３３は、下基板３１ａと上基板３１ｂとの間で下部電極３２ａおよび上部電極３２ｂを介して電気的に接続されている。なお、Ｐ型の熱電素子３３は、ビスマス−アンチモン−テルル系の合金からなっており、Ｎ型の熱電素子３３は、ビスマス−アンチモン−テルル−セレン系の合金からなっている。そして、このＰ型の熱電素子３３とＮ型の熱電素子３３とは、交互に配置されている。

また、熱電変換モジュール２６の大きさは、左右方向および前後方向の幅がそれぞれ６５ｍｍに設定され、高さが３．０ｍｍに設定されている。そして、熱電変換モジュール２６を構成する材料の材料物性Ｚは、３．０×１０^-3Ｋ^-1であった。また、収熱層２８の厚みは、５ｍｍに設定されている。このように構成された熱電変換モジュール２６は、上基板３１ｂを吸熱側として収熱層２８に向けた状態でスピーチプロセッサ２０内に設置されており、収熱層２８を介して腕１１ｃから体温による熱を吸収することによりその熱で上基板３１ｂ側が加熱される。そして、熱電変換モジュール２６は、加熱される上基板３１ｂと加熱されない下基板３１ａとの間に生じる温度差に応じて電力を発生する。

また、下基板３１ａには、放熱フィン部２９ａを備えた放熱用部材２９が取り付けられており、この放熱用部材２９および放熱フィン部２９ａから放熱されることによって、熱電変換モジュール２６の下基板３１ａ側が冷却されて、下基板３１ａ側と上基板３１ｂ側との温度差がさらに大きくなる。この結果、熱電変換モジュール２６が発生する電力がさらに大きくなる。また、熱電変換モジュール２６から延びるリード線３４ａ，３４ｂの端部はそれぞれ放熱用部材２９の壁部を貫通して、放熱用部材２９内に設置された昇圧回路２５に接続されている。この昇圧回路２５は、リード線３４ａ，３４ｂを介して熱電変換モジュール２６から供給される電力を昇圧し、充電制御回路２４を介して２次電池２３ｂに送る。

２次電池２３ｂは充電可能なリチウム電池で構成されており、充電制御回路２４は、昇圧回路２５から送られてくる昇圧された電力を所定の電圧に制御しながら２次電池２３ｂに送る。２次電池２３ｂは充電制御回路２４から送られた電力を蓄電する。また、１次電池２３ａは使い捨て用のアルカリ乾電池で構成されている。選択回路２２は、スイッチで構成され、切り換え操作によって、プロセッサ部２１に供給する電力を１次電池２３ａからの電力または２次電池２３ｂからの電力に切り替える。

プロセッサ部２１は、スピーチプロセッサ２０の制御部として、耳掛けマイク１３が集音した音を音声処理する。また、図示していないが、スピーチプロセッサ２０には、前述した各装置の外、ボタン式電源スイッチなどのスピーチプロセッサ２０を操作するため各種の操作子や、１次電池２３ａおよび２次電池２３ｂの残存電力量を発光により表示するための表示部等を備えている。なお、この場合、本発明に係る体温利用発電装置は、熱電変換モジュール２６、収熱層２８、放熱用部材２９および放熱フィン部２９ａによって構成される。

このように構成された人工内耳システム１０を使用する際には、腕１１ｃの皮膚面に収熱層２８を密着させた状態で、固定ベルト２０ａを締めることによってスピーチプロセッサ２０を腕１１ｃに固定する。これによって、腕１１ｃの体温による熱が、収熱層２８に伝わり、さらに、収熱層２８が吸収した熱の大部分が、熱電変換モジュール２６の上基板３１ｂに伝わっていく。この結果、熱電素子３３における上基板３１ｂ側の端部が加熱される。

また、熱電変換モジュール２６の下基板３１ａは、体温の熱を直接吸収することがない上、放熱用部材２９と放熱フィン部２９ａによる放熱によって冷却されるため、熱電素子３３における下基板３１ａ側の端部と上基板３１ｂ側の端部との間には温度差が生じ、この温度差に応じて熱電変換モジュール２６は発電する。これによって、２次電池２３ｂは充電される。この状態で、耳掛けマイク１３を耳１１ｂに取り付け、送信コイル１４を頭部１１ａにおける受信装置１５の近傍に位置させる。そして、選択回路２２を２次電池２３ｂ側に設定して電源スイッチをオンにする。

これによって、スピーチプロセッサ２０が作動して、耳掛けマイク１３が拾った周囲の音や声を信号として体内部１０ｂ側に送信し、脳１９に音感を生じさせる。また、所定時間の使用後に、２次電池２３ｂの蓄電量が減少してスピーチプロセッサ２０が作動できない状態になったときには、選択回路２２を１次電池２３ａ側に設定する。これによって、スピーチプロセッサ２０は、１次電池２３ａの電力によって作動を継続する。また、その間、２次電池２３ｂは、熱電変換モジュール２６が発電する電力によって充電される。

このように、本実施形態に係る人工内耳システム１０では、スピーチプロセッサ２０に設けた発電用の熱電変換モジュール２６の上基板３１ｂに、腕１１ｃの皮膚面に沿って変形可能な収熱層２８を設けている。このため、収熱層２８が皮膚面に密着するようになり、腕１１ｃの皮膚面から熱電変換モジュール２６の上基板３１ｂに吸収される熱量が多くなる。これによって、熱電変換モジュールの２６の発電量が増大し、スピーチプロセッサ２０が安定した状態で作動することができる。

また、本実施形態に係る人工内耳システム１０では、熱電変換モジュール２６の下基板３１ａに、アルミニウムからなる放熱用部材２９と放熱フィン部２９ａとを設けている。このため、下基板３１ａと上基板３１ｂとの間の温度差がさらに大きくなり、熱電変換モジュール２６はより大きな電力を発生するようになる。さらに、スピーチプロセッサ２０内に設けられた２次電池２３ｂは、熱電変換モジュール２６が発電した電力を蓄電することができるため、熱電変換モジュール２６が発生した電力を無駄にすることなく効果的に利用することができる。

また、スピーチプロセッサ２０の電源部として、熱電変換モジュール２６を備えた体温利用発電装置を用いているため、スピーチプロセッサ２０を軽量化できる。さらに、電池の取替え作業が予備の電源として使用する１次電池２３ａの取替え作業だけですむため、取り換え作業の頻度が大幅に少なくなり、スピーチプロセッサ２０の使い勝手がよくなる。また、スピーチプロセッサ２０に、固定ベルト２０ａが取り付けられているため、スピーチプロセッサ２０の腕１１ｃへの取り付けを容易かつ適正な状態で行うことができる。

図７は、本発明の他の実施形態に係る人工内耳システムが備えるスピーチプロセッサ４０を示している。このスピーチプロセッサ４０では、スピーチプロセッサ２０が備える箱状の放熱用部材２９や放熱フィン部２９ａは設けられてなく、その代わりに、アルミニウムからなる板状の放熱用部材４９と、放熱ワイヤ４９ａとが設けられている。また、筐体４７の一方の面は開口して、その部分に、厚みが５ｍｍに設定された軟質ゴムからなる収熱層４８が突出した状態で取り付けられている。

そして、筐体４７における下面（図７の状態での正面であり、図７は腕１１ｃに取り付けられたスピーチプロセッサ２０を下方から見た状態を示している。）には、放熱ワイヤ４９ａを外部に延ばすための穴部（図示せず）が形成されており、この穴部から複数の放熱ワイヤ４９ａが外部に向って延びている。筐体４７のそれ以外の面は閉塞されている。このスピーチプロセッサ４０のそれ以外の部分の構成については、前述したスピーチプロセッサ２０と同一である。また、このスピーチプロセッサ４０を備えた人工内耳システムにおけるスピーチプロセッサ４０以外の部分の構成については、前述した人工内耳システム１０と同一である。したがって、同一部分に同一符号を記して説明は省略する。

すなわち、このスピーチプロセッサ４０では、収熱層４８が軟質ゴムで構成されているため、スピーチプロセッサ２０と同様、熱電変換モジュール２６の上基板３１ｂが腕１１ｃから熱を効率よく吸収することができる。また、下基板３１ａの熱は、板状の放熱用部材４９と、放熱ワイヤ４９ａとによって、外部に放出されるため、熱電素子３３の両端部間の温度差が大きくなり、熱電変換モジュール２６はより大きな電力を発生できる。また、このスピーチプロセッサ４０を備えた人工内耳システムのそれ以外の作用効果については、前述した人工内耳システム１０と同様である。

図８は、本発明のさらに他の実施形態に係る人工内耳システムが備えるスピーチプロセッサ５０を示している。このスピーチプロセッサ５０では、スピーチプロセッサ２０が備える箱状の放熱用部材２９と放熱フィン部２９ａや、スピーチプロセッサ４０が備える板状の放熱用部材４９と放熱ワイヤ４９ａ等の放熱部材は設けられていない。また、筐体５７は開口のない箱状に形成され、その内部における一方の面に前述した熱電変換モジュール２６の上基板３１ｂが固定されている。

そして、筐体５７における熱電変換モジュール２６が固定された壁面部５８が、厚みが５００μｍ以下（最大肉厚の部分で５００μｍ程度）に設定されたアルミニウムからなる収熱層で構成されている。この壁面部５８の表面は、腕１１ｃの皮膚面に沿うように曲面に形成されている。すなわち、壁面部５８の中央側部分は両側部分よりも薄肉に形成されて、壁面部５８の表面全体が腕１１ｃに密着できるように構成されている。このスピーチプロセッサ５０を備えた人工内耳システムのそれ以外の部分の構成については、前述したスピーチプロセッサ２０等を備えた人工内耳システム１０等と同一である。

このスピーチプロセッサ５０の体温利用発電装置は、熱電変換モジュール２６と壁面部５８とで構成され、これによると、前述したスピーチプロセッサ２０，４０の体温利用発電装置と比較して発電量は少なくなるが、スピーチプロセッサ５０をコンパクトに構成することができるとともに、軽量化することができる。このため腕１１ｃに取り付け易くなり、使い勝手がよくなる。このスピーチプロセッサ５０を備えた人工内耳システムのそれ以外の作用効果については、前述した人工内耳システム１０等と同様である。

図９は、本発明のさらに他の実施形態に係る人工内耳システムが備えるスピーチプロセッサ６０を示している。このスピーチプロセッサ６０では、熱電変換モジュール６６の上基板が筐体６７の一方の側面部６８で構成されている。すなわち、この熱電変換モジュール６６には、熱電変換モジュール２６の上基板３１ｂに対応する上基板は設けられてなく、筐体６７の側面部６８に上部電極（図示せず）が設けられている。そして、この上部電極に熱電素子６３の一方の端部を固定するとともに、熱電素子６３の他方の端部を下部電極（図示せず）を介して下基板６１ａに固定することにより、熱電変換モジュール６６が構成されている。

また、筐体６７はマグネシウム合金で構成されており、側面部６８の厚みは５００μｍ以下（最大肉厚の部分で５００μｍ程度）に設定されている。この側面部６８は、熱電変換モジュール６６の上基板を構成するとともに、収熱層を構成する。この側面部６８の表面も、腕１１ｃの皮膚面に沿うように曲面に形成されており、中央側部分が両側部分よりも薄肉に形成されている。このスピーチプロセッサ６０を備えた人工内耳システムのそれ以外の部分の構成については、前述したスピーチプロセッサ５０を備えた人工内耳システムと同一である。

このスピーチプロセッサ６０の体温利用発電装置によると、上基板を別途設ける必要がなくなるため、材料を節減できるとともに体温利用発電装置の構造を簡略化することができる。このスピーチプロセッサ６０を備えた人工内耳システムのそれ以外の作用効果については、前述した人工内耳システム１０等と同様である。

図１０は、本発明のさらに他の実施形態に係る人工内耳システムが備えるスピーチプロセッサ７０を示している。このスピーチプロセッサ７０では、収熱層７８が、厚みが２．５ｍｍに設定された軟質のプラスチック層７８ａと、厚みが２５０μｍに設定されたアルミニウム層７８ｂとで構成されている。アルミニウム層７８ｂは、プラスチック層７８ａで覆われた状態になっておりプラスチック層７８ａが表面部を構成している。このスピーチプロセッサ７０を備えた人工内耳システムのそれ以外の部分の構成については、前述したスピーチプロセッサ２０を備えた人工内耳システム１０と同一である。

このように、このスピーチプロセッサ７０では、皮膚に接触する面に軟質のプラスチックを配置し、奥側に熱吸収率のよい金属層を設けているため、腕１１ｃの皮膚を傷めたり、使用者が不快に感じさせたりすることなく効率よく熱の吸収をすることができる。また、このように、異なる材料からなるプラスチック層７８ａとアルミニウム層７８ｂとを組み合わせて収熱層７８を構成することができるため、設計に自由度が増すようになる。このスピーチプロセッサ７０を備えた人工内耳システムのそれ以外の作用効果については、前述した人工内耳システム１０等と同様である。

また、図１１は、スピーチプロセッサ８０を人体１１の背中１１ｄに取り付けた状態を示している。このスピーチプロセッサ８０は、胸に巻かれる胴ベルト８０ａと、肩に掛けられる一対の肩ベルト８０ｂとからなる固定ベルトを備えている。また、スピーチプロセッサ８０の本体部分は、前述したスピーチプロセッサ２０の本体部分と同一に構成されている。これによると、スピーチプロセッサ８０が、使用者の動作の邪魔にならないため、スピーチプロセッサ８０を取り付けても違和感を感じることなく使用者は自由に動くことができる。

また、前述した熱電変換モジュール２６に種類の異なる収熱層をそれぞれ取り付けて複数の体温利用発電装置を構成し、各体温利用発電装置の収熱層を加熱したときに発生する熱電素子３３の端部間の温度差および発電量の比較テストを行った。その結果を下記の表１〜表５に示した。この比較テストは、各体温利用発電装置の収熱層を人体１１の皮膚面に当ててからの経過時間に対する熱電素子３３の両端部間に生じる温度差ΔＴ(Ｋ)および発電量ｍＷを比較することによって行った。また、表１〜表４に結果を示したテストは、収熱層を構成する材料を代えた場合の値を求めることによって行い、表５に結果を示したテストは、樹脂からなる収熱層を用い、その収熱層の厚みを代えていった場合の値を求めることによって行った。

表１は、収熱層として、厚みが５ｍｍのポリエチレン樹脂からなる層を用いた場合の結果を示している。これによると、収熱層を皮膚面に接触させてから、１０秒後に、温度差ΔＴ(Ｋ)が１．５Ｋで、発電量が４．５ｍＷになり、３０秒後に、温度差ΔＴ(Ｋ)が１．２Ｋで、発電量が２．８８ｍＷになった。そして、１分経過してから５分が経過するまでの間は、温度差ΔＴ(Ｋ)が１Ｋで、発電量が２ｍＷの状態を維持した。

表２は、収熱層として、厚みが５ｍｍのニトリルゴムからなる層を用いた場合の結果を示している。これによると、収熱層にポリエチレン樹脂を用いた場合と同一の結果が得られた。

表３は、収熱層として、厚みが５００μｍのアルミニウムからなる層を用いた場合の結果を示している。これによると、収熱層を皮膚面に接触させてから、１０秒後に、温度差ΔＴ(Ｋ)が２．２Ｋで、発電量が９．６８ｍＷになり、３０秒後に、温度差ΔＴ(Ｋ)が１．８Ｋで、発電量が６．４８ｍＷになった。そして、１分後に、温度差ΔＴ(Ｋ)が１．２Ｋで、発電量が２．８８ｍＷになり、２分経過してから５分が経過するまでの間は、温度差ΔＴ(Ｋ)が１Ｋで、発電量が２ｍＷの状態を維持した。

表４は、収熱層として、厚みが５００μｍのマグネシウム合金からなる層を用いた場合の結果を示している。これによると、収熱層を皮膚面に接触させてから、１０秒後に、温度差ΔＴ(Ｋ)が１．９Ｋで、発電量が７．２２ｍＷになり、３０秒後に、温度差ΔＴ(Ｋ)が１．８Ｋで、発電量が６．４８ｍＷになった。そして、１分後に、温度差ΔＴ(Ｋ)が１．４Ｋで、発電量が３．９２ｍＷになり、２分経過してから５分が経過するまでの間は、温度差ΔＴ(Ｋ)が１Ｋで、発電量が２ｍＷの状態を維持した。

表５は、収熱層として、シリコン樹脂を用い、その厚みを１ｍｍ〜７ｍｍの間で変化させて複数の体温利用発電装置を構成し、各体温利用発電装置の収熱層を皮膚面に接触させてから５分後に生じる温度差ΔＴ(Ｋ)の測定結果を示している。これによると、厚みが１ｍｍの場合は１．２Ｋ、厚みが２ｍｍの場合は１Ｋ、厚みが５ｍｍの場合は１Ｋ、厚みが６ｍｍの場合は０．８Ｋ、厚みが７ｍｍの場合は０．７Ｋであった。

なお、前述したテストで用いた各体温利用発電装置は、熱電変換モジュール２６と収熱層だけで構成し放熱用部材等は設けなかった。表１〜表４に示した結果から分かるように、収熱層をどの材料で構成しても、２分経過後はすべて温度差ΔＴ(Ｋ)が１Ｋで、発電量が２ｍＷの同じ値を示した。この結果から、テストにおける経過時間を５分以上に延長しても、この測定値は同一の状態が継続するものと考えられる。

また、２分以内の経過時間では、樹脂層やゴム層からなる収熱層を用いた場合よりも金属層からなる収熱層を用いた場合の方が発生する発電量が大きくなった。さらに、アルミニウムからなる収熱層を用いた場合とマグネシウム合金からなる収熱層を用いた場合を比較すると、１０秒後では、アルミニウムからなる収熱層を用いた場合に発生する発電量の方が大きく、３０秒後では、双方の発電量は同じになり、１分後では、マグネシウム合金からなる収熱層を用いた場合に発生する発電量の方が大きくなった。

また、表５から分かるように、５分経過後の発電量は、収熱層の厚みが小さいほど大きくなり収熱層の厚みが大きいほど小さくなった。また、このテストにおける経過時間を５分以上に延長しても、この測定値は同一の状態が継続するものと考えられ、このテスト結果から、収熱層を樹脂材料で構成した場合には、温度差ΔＴ(Ｋ)が１Ｋである５ｍｍ以下の厚みにすることが好ましい。また、収熱層を金属材料で構成した場合にも同様の傾向になると考えられ、この場合は、厚みを５００μｍ以下にすることが好ましい。

また、前後左右の長さがともに４０ｍｍの熱電変換モジュールの上基板に、銅またはアルミニウムからなる収熱層を取り付けて構成した体温利用発電装置を用いて、これを手首に取り付けたときに、使用者が不快感を感じるか否かのテストを行った。この場合の体温利用発電装置は、すべて、５分後の温度差ΔＴ(Ｋ)が１Ｋになるようにした。この結果、銅からなる収熱層を取り付けて構成した体温利用発電装置の場合、収熱層の厚みが５００μｍ以上になると、１０人のうちの２人が不快感を感じた。

また、アルミニウムからなる収熱層を取り付けて構成した体温利用発電装置の場合、収熱層の厚みが５００μｍ以上になると、１０人のうちの１人が不快感を感じた。この結果から、使用者が不快感を感じることなく体温利用発電装置を身に付けることができるといった観点から見ても、収熱層を金属層で構成した場合には、その厚みを５００μｍ以下にすることが好ましいことがわかる。

また、本発明に係る体温利用発電装置および人工内耳システムは、前述した実施形態に限定するものでなく、適宜変更して実施することができる。例えば、前述した実施形態では、収熱層を構成する樹脂層として、ポリエチレン樹脂およびシリコン樹脂を用いているが、収熱層を構成する樹脂層としては、これに限定するものでなく、二トリル樹脂、ポリスチレン樹脂、フッ素樹脂、ポリプロピレン樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ＡＢＳ樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂等を用いることができる。

また、収熱層を構成する金属層としても、アルミニウム、マグネシウム合金に限らず、アルミニウム合金、マグネシウム、銅やその他の金属を用いることができる。さらに、収熱層を構成するゴム層としても、二トリルゴム以外のゴムを用いることができる。また、異なる材料を組み合わせて収熱層を構成する場合も、プラスチック層７８ａと、アルミニウム層７８ｂとの組み合わせに限らず、種々の材料を組み合わせることができる。この場合の組み合わせは２種類の材料に限らず２種類以上のものを組み合わせることもできる。このように構成することにより、使用する材料や収熱層の厚み等を自由に設定することができる。

また、前述した各実施形態では、体温利用発電装置を、人工内耳システム１０等に用いているが、この体温利用発電装置は、人工内耳システムに限らず、他の装置の電源部として用いることができる。ただし、熱源を体温としているため、身に付けて使用する装置に用いることが好ましい。さらに、体温利用発電装置や人工内耳システム１０等を構成する他の部分についても本発明の技術的範囲内で適宜変更することができる。

本発明の一実施形態に係る人工内耳システムの使用状態を示した構成図である。 図１の人工内耳システムの要部を示した概略構成図である。 スピーチプロセッサを腕に取り付けた状態を示した説明図である。 スピーチプロセッサを固定ベルトを用いて腕に取り付けた状態を示した説明図である。 熱電変換モジュールを示した斜視図である。 熱電変換モジュールの一部を切り欠いて示した正面図である。 他の実施形態で用いるスピーチプロセッサを腕に取り付けた状態を示した説明図である。 さらに他の実施形態で用いるスピーチプロセッサを腕に取り付けた状態を示した説明図である。 さらに他の実施形態で用いるスピーチプロセッサを腕に取り付けた状態を示した説明図である。 さらに他の実施形態で用いるスピーチプロセッサを腕に取り付けた状態を示した説明図である。 スピーチプロセッサを固定ベルトを用いて背中に取り付けた状態を示した説明図である。

符号の説明

１０…人工内耳システム、１１…人体、１１ａ…頭部、１１ｃ…腕、１１ｄ…背中、１３…耳掛けマイク、１４…送信コイル、１５…受信装置、１７…電極、１８ａ…聴神経、１９…脳、２０，４０，５０，６０，７０，８０…スピーチプロセッサ、２０ａ…固定ベルト、２３ｂ…２次電池、２６，６６…熱電変換モジュール、２８，４８，７８…収熱層、２９，４９…放熱用部材、２９ａ…放熱フィン部、３１ａ，６１ａ…下基板、３１ｂ…上基板、３２ａ…下部電極、３２ｂ…上部電極、３３，６３…熱電素子、４９ａ…放熱ワイヤ、５８…壁面部、６８…側面部、７８ａ…プラスチック層、７８ｂ…アルミニウム層、８０ａ…胴ベルト、８０ｂ…肩ベルト。

Claims (8)

1. 対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する内側の面の所定箇所に電極を形成し、前記対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を接合して構成した熱電変換モジュールの一方の絶縁基板を人体の体温を利用して加熱し、前記熱電素子における前記一方の絶縁基板側の端部と他方の絶縁基板側の端部との間に生じる温度差に応じて前記熱電変換モジュールに電力を発生させる体温利用発電装置であって、
   前記一方の絶縁基板に、前記人体の皮膚面に沿って変形可能な熱伝導性材料からなる収熱層を設けたことを特徴とする体温利用発電装置。
2. 前記熱電変換モジュールの他方の絶縁基板側に、金属からなる放熱用部材を設けた請求項１に記載の体温利用発電装置。
3. 前記放熱用部材が、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成され、さらに前記放熱用部材にワイヤ状の放熱部が含まれる請求項２に記載の体温利用発電装置。
4. 前記収熱層を、厚みが５ｍｍ以下の樹脂層、厚みが５ｍｍ以下のゴム層、厚みが５００μｍ以下の金属層またはこれらのいずれかを積層したもので構成した請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の体温利用発電装置。
5. 前記収熱層で、前記熱電変換モジュールの一方の絶縁基板を構成した請求項１ないし４のうちのいずれか一つに記載の体温利用発電装置。
6. 前記熱電変換モジュールが発電した電力を蓄電するための蓄電装置を備えた請求項１ないし５のうちのいずれか一つに記載の体温利用発電装置。
7. 周囲の音を集音するマイクと、前記マイクが集音した音を音声処理により信号に変えるスピーチプロセッサと、前記スピーチプロセッサの音声処理により発生した信号を送信する送信部と、頭部内に設けられ前記送信部が送信する信号を受信する受信部と、前記受信部が受信した信号に基づいて聴神経を刺激して脳に音感覚を発生させる電極とで構成される人工内耳システムにおける前記スピーチプロセッサに、請求項１ないし６に記載の体温利用発電装置を電源部として含ませた人工内耳システム。
8. 前記体温利用発電装置の収熱層を人体の所定部分に密着させた状態で前記スピーチプロセッサを前記人体に取り付けるための取付用部材を備えた請求項７に記載の人工内耳システム。
   

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