JP7108651B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電発電装置に関する。

特開２０１４－８５６９号公報（特許文献１）には、熱せられた潤滑油の温度と周囲の温度との温度差を電力に変換する熱発電素子が開示されている。熱発電素子の入熱面には、熱伝導部材を介して、固定部が接続されている。固定部は、潤滑油に接触して、潤滑油の熱を熱発電素子に伝導する。熱発電素子の放熱面には、放熱部材が接続されている。断熱材料製のカバーが、固定部および放熱部材に固定されて、熱発電素子を覆っている。

特開２０１４－８５６９号公報

特許文献１には、カバーがボルトによって固定部および放熱部材に固定されることが記載されている。固定部および放熱部材は、熱伝導性が高い金属材料によって形成されており、カバーは断熱材料によって形成されている。固定部および放熱部材と、カバーとの熱膨張係数が異なることにより、たとえば装置の全体が振動することなどによってカバーの固定に緩みが生じ、強度的に不十分となる場合があった。

本発明の目的は、高温側と低温側との熱伝導材を強固に固定でき、十分な強度を有する、熱電発電装置を提供することである。

本発明の熱電発電装置は、高温側熱伝導体と、低温側熱伝導体と、熱電発電モジュールと、断熱部材と、一体化部材とを備えている。低温側熱伝導体は、高温側熱伝導体から離隔して配置されている。熱電発電モジュールは、高温側熱伝導体に熱的に接触する高温側電極と、低温側熱伝導体に熱的に接触する低温側電極とを有している。断熱部材は、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体との間に配置されている。断熱部材は、熱電発電モジュールを内部に収容する。一体化部材は、断熱部材とは別部材である。高温側熱伝導体と低温側熱伝導体とは、一体化部材によって、断熱部材を挟んで一体化されている。

上記の熱電発電装置において、一体化部材は、電気絶縁性を有してもよい。一体化部材は、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体とを一体に締結するボルトを含んでもよい。

上記の熱電発電装置において、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体とのいずれか一方または両方がボルト形状を有してもよい。

上記の熱電発電装置は、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体との間に配置された基板をさらに備えてもよい。

上記の熱電発電装置は、基板の一部または全部を封止する封止樹脂をさらに備えてもよい。
上記の熱電発電装置は、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体との間に配置され、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体とのいずれか一方と熱電発電モジュールとに接触する、熱伝導部材をさらに備えてもよい。

本発明の熱電発電装置は、高温側と低温側との熱伝導材を強固に固定することができ、十分な強度を有している。

本発明の光学センサによると、発光素子から受光素子までの光路を妨げることなく、光路を形成する部材を確実に支持することができる。

第一実施形態に基づく光学センサの正面図である。 図１に示す固定部材の斜視図である。 図２中の矢印ＩＩＩ方向から見た固定部材の外形図である。 図２中の矢印ＩＶ方向から見た固定部材の外形図である。 図３，４中のＶ－Ｖ線に沿う固定部材の断面図である。 保持部材の斜視図である。 図６中の矢印ＶＩＩ方向から見た保持部材の外形図である。 図６中の矢印ＶＩＩＩ方向から見た保持部材の外形図である。 図７中のＩＸ－ＩＸ線に沿う保持部材の断面図である。 保持部材を固定部材に組み付けた状態を示す斜視図である。 保持部材を固定部材に組み付けた状態を異なる角度から見た斜視図である。 受光素子モジュールの概略構成を示す模式図である。 発光素子モジュールの概略構成を示す模式図である。 受光素子モジュールおよび発光素子モジュールを保持部材に組み付けた状態を示す部分断面図である。 断熱部材の斜視図である。 蓋部材の平面図である。 熱電発電ユニットの概略構成を示す斜視図である。 熱電発電モジュールの概略構成を示す斜視図である。 第一実施形態に基づく光学センサが機械に設置された状態の断面図である。 第二実施形態に基づく光学センサの正面図である。 図２０に示す固定部材の斜視図である。 図２１中の矢印ＸＸＩＩ方向から見た固定部材の外形図である。 図２１中の矢印ＸＸＩＩＩ方向から見た固定部材の外形図である。 図２２，２３中のＸＸＩＶ－ＸＸＩＶ線に沿う固定部材の断面図である。 受光／発光素子モジュールの概略構成を示す斜視図である。 第二実施形態に基づく光学センサが機械に設置された状態の断面図である。 第三実施形態に基づく光学センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る光学センサについて、図に基づいて説明する。以下の説明では、同一部品には、同一の符号を付している。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

（第一実施形態）
図１は、第一実施形態に基づく光学センサ１の正面図である。光学センサ１は、機械に取り付けられて、機械の潤滑油中の不純物を検出するための装置である。光学センサ１が取り付けられる機械は、たとえば、鉱山機械に代表される作業車両に搭載される機械であってもよい。光学センサ１は、たとえばギヤボックス、トランスアクスルまたは油圧系統などに取り付けられてもよい。

図１に示すように、光学センサ１は、光学センサ１を機械に固定するための固定部材１０を備えている。固定部材１０は、ボルト形状を有しており、頭部１１と、ネジ部２１とを有している。頭部１１は、正六角柱状の外形を有している。ネジ部２１の外周面には、ネジ山が形成されている。ネジ部２１は、先端面２２を有している。ネジ部２１には、先端面２２の一部が窪んだ溝が形成されている。この溝は、潤滑油が浸入するための油浸入用空間２３を構成している。

光学センサ１はまた、固定部材１０の頭部１１から離隔して配置された蓋部材６０と、固定部材１０と蓋部材６０との間に配置された断熱部材７０と、固定部材１０と蓋部材６０とを一体に連結する複数のボルト８０とを備えている。

固定部材１０と蓋部材６０とは、金属などの熱伝導性が高い材料によって形成されている。固定部材１０と蓋部材６０とは、たとえば鋼材またはアルミニウム合金によって形成されていてもよい。断熱部材７０は、固定部材１０と蓋部材６０との間の熱伝達を抑制するために、樹脂などの熱伝導性が低い材料によって形成されている。断熱部材７０は、固定部材１０および蓋部材６０の形成材料よりも、熱伝導率の低い材料によって形成されている。

図２は、図１に示す固定部材１０の斜視図である。図３は、図２中の矢印ＩＩＩ方向から見た固定部材１０の外形図である。図４は、図２中の矢印ＩＶ方向から見た固定部材１０の外形図である。図５は、図３，４中のＶ－Ｖ線に沿う固定部材１０の断面図である。

図２～５に示すように、固定部材１０の頭部１１およびネジ部２１は中空に形成されている。頭部１１の内部には、中空の収容空間１２が形成されている。ネジ部２１の内部には、中空の収容空間２４が形成されている。収容空間１２の底面に、当該底面が円環状に窪んだ円環溝１８と、当該底面が略矩形状に窪んだ凹部１４とが形成されている。頭部１１にはまた、有底のネジ穴１３が複数形成されている。ネジ穴１３は、頭部１１を平面視した正六角形の各頂点付近に形成されている。ネジ穴１３は、図１に示すボルト８０と同数形成されている。各々のネジ穴１３にボルト８０が締結されることにより、固定部材１０と蓋部材６０とは一体化されている。

収容空間１２と収容空間２４とを隔てる壁部に、当該壁部を厚み方向に貫通する３つの貫通孔が形成されている。これら貫通孔は、収容空間１２と収容空間２４とを連通している。貫通孔は、後述する配線が貫通する配線貫通孔１５，１６と、後述する保持部材を固定するための固定用孔１７とを含んでいる。

固定用孔１７は、図３，４に示す固定部材１０の中心位置に形成されている。配線貫通孔１５，１６は、固定部材１０の中心から等距離離れた位置に形成されている。配線貫通孔１５，１６と固定用孔１７とは、図３，４に示すように、一直線上に並んで形成されている。なお配線貫通孔１５，１６と固定用孔１７との上述した配置は一実施例であり、素子の厚みおよび／または偏心により、これらの位置は変更される。

ネジ部２１には、中空空間である拡径空間２５が形成されている。拡径空間２５は、ネジ部２１の先端面２２に開口している。収容空間２４は、拡径空間２５を介して、ネジ部２１の先端面２２に開口している。拡径空間２５は、収容空間２４に連通している。図４，５に示すように、拡径空間２５は、収容空間２４の内径よりも大きい内径を有している。ネジ部２１に形成された油浸入用空間２３を構成する溝は、図４に示すように、収容空間２４および拡径空間２５によって２つに分けられている。

固定部材１０の収容空間２４には、光を発する発光素子と、光を受ける受光素子と、発光素子および受光素子を搭載する基板と、発光素子、受光素子および基板を保持する保持部材３０とが収容される。図６は、保持部材３０の斜視図である。図７は、図６中の矢印ＶＩＩ方向から見た保持部材３０の外形図である。図８は、図６中の矢印ＶＩＩＩ方向から見た保持部材３０の外形図である。図９は、図７中のＩＸ－ＩＸ線に沿う保持部材３０の断面図である。

図６～９に示すように、保持部材３０は、先端面３１と、基端面３２とを有している。先端面３１と基端面３２とは、各々平面形状を有している。先端面３１と基端面３２とは、平行に設けられている。先端面３１は、矩形状に形成されている。先端面３１の中央部分には、有底の穴部３４が形成されている。穴部３４には、インサートナットが挿入される。基端面３２は円盤形状でもよく、この場合固定部材１０に形成された収容空間２４は円柱状となる。

先端面３１の差し渡し長さは、基端面３２の差し渡し長さよりも小さい。保持部材３０は、先端面３１と比較して、基端面３２において径が増大している。保持部材３０は、基端面３２において拡径部３５を有している。拡径部３５の外周の形状は、固定部材１０の拡径空間２５の内周の形状とほぼ同じである。一方、先端面３１の外周の形状は、固定部材１０の収容空間２４の内周の形状よりも、小さくなっている。

保持部材３０には、基端面３２の一部が窪んだ溝が形成されている。基端面３２は、矩形形状が当該溝によって２つに分断された形状を有している。上記溝は、基端面３２の外縁形状をなす矩形の短辺方向に延びている。基端面３２に形成された溝は、潤滑油が浸入するための油浸入用空間３３を構成している。保持部材３０の油浸入用空間３３の幅（図９中の上下方向における油浸入用空間３３の差し渡し寸法）は、固定部材１０の油浸入用空間２３の幅（図５中の上下方向における油浸入用空間２３の差し渡し寸法）と、等しくなっている。

基端面３２の近傍における保持部材３０は、油浸入用空間３３によって、受光素子支持部３６と、発光素子支持部３７とに二分割されている。受光素子支持部３６には、受光素子支持部３６を貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔は、受光素子を収容する受光素子収容孔３８を構成している。発光素子支持部３７には、発光素子支持部３７を貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔は、発光素子を収容する発光素子収容孔３９を構成している。

保持部材３０は、樹脂成型品であってもよい。または保持部材３０は、アルミニウム合金などの金属材料製であってもよい。

図１０は、保持部材３０を固定部材１０に組み付けた状態を示す斜視図である。図１１は、保持部材３０を固定部材１０に組み付けた状態を異なる角度から見た斜視図である。保持部材３０は、先端面３１よりも基端面３２の方が外径寸法が大きい形状を有している。保持部材３０を、先端面３１側から、固定部材１０の先端面２２側から拡径空間２５を経由して収容空間２４内に挿し入れることにより、拡径部３５が拡径空間２５内に収容され、保持部材３０の他の部分が収容空間２４内に収容された、図１０，１１に示す配置が実現される。

拡径部３５の外周の形状は拡径空間２５の内周の形状とほぼ同じであるため、図１０，１１に示すように、拡径部３５は拡径空間２５にほぼ係合している。保持部材３０を固定部材１０に組み付けた状態で、固定部材１０の先端面２２と保持部材３０の基端面３２とは、略同一平面上にある。固定部材１０に形成された油浸入用空間２３と、保持部材３０に形成された油浸入用空間３３とは、同じ幅を有している。保持部材３０を固定部材１０に組み付けた状態で、油浸入用空間２３の内壁面と油浸入用空間３３の内壁面とは、略同一平面上にある。

保持部材３０の先端面３１付近の外周形状は、収容空間２４の内周形状よりも小さくなっている。そのため、図１０，１１に示すように、保持部材３０を収容空間２４内に収容した状態で、収容空間２４の一部が依然として中空空間として存在している。保持部材３０によって収容空間２４が仕切られて２つの中空空間が形成され、一方の中空空間は配線貫通孔１５と連通し、他方の中空空間は配線貫通孔１６と連通している。一方の中空空間は、配線貫通孔１５を介して収容空間１２と連通している。他方の中空空間は、配線貫通孔１６を介して収容空間１２と連通している。

保持部材３０に形成された穴部３４は、固定部材１０の固定用孔１７と連通している。穴部３４は、固定用孔１７を介して収容空間１２と連通している。

図１２は、受光素子モジュール４０の概略構成を示す模式図である。受光素子モジュール４０は、基板４１を有している。基板４１の主表面に、受光素子４２が搭載されている。受光素子４２は、発光素子５２によって発せられる光を受ける電子部品であり、たとえばフォトダイオードである。基板４１には、配線４３が接続されている。受光素子４２が受光した光量は、配線４３を介して、外部へ出力される。

図１３は、発光素子モジュール５０の概略格子を示す模式図である。発光素子モジュール５０は、基板５１を有している。基板５１の主表面に、発光素子５２が搭載されている。発光素子５２は、たとえば単色の光を発する電子部品である。発光素子５２は、たとえば赤色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。基板５１には、配線５３，５４が接続されている。配線５３，５４を介して、発光素子５２に電源が供給され、また発光素子５２に発光の有無および発光量を指示する信号が入力される。

発光素子５２は、白色の光を発する白色ＬＥＤであってもよく、この場合受光素子４２は、受けた光の色を検出するＲＧＢセンサであってもよい。

図１４は、受光素子モジュール４０および発光素子モジュール５０を保持部材３０に組み付けた状態を示す部分断面図である。

図９および図１４を参照して、保持部材３０の受光素子支持部３６に形成された受光素子収容孔３８に、受光素子４２が収容されている。保持部材３０の発光素子支持部３７に形成された発光素子収容孔３９に、発光素子５２が収容されている。受光素子４２と発光素子５２とは、油浸入用空間３３を挟んで互いに向き合っている。受光素子４２および発光素子５２は、油浸入用空間３３に露出している。受光素子４２および発光素子５２は、油密性（または気密性）を有しており、そのため油浸入用空間３３内の潤滑油が受光素子４２および発光素子５２内に浸入することが防止されている。

受光素子４２を搭載する基板４１と、発光素子５２を搭載する基板５１とは、保持部材３０の外表面に沿って、先端面３１に向かって延びている。配線４３および配線５３，５４は、先端面３１を超えてさらに延びている。保持部材３０が固定部材１０に組み付けられた状態では、配線４３は、配線貫通孔１６を貫通して、収容空間１２にまで延びている。保持部材３０が固定部材１０に組み付けられた状態では、配線５３，５４は、配線貫通孔１５を貫通して、収容空間１２にまで延びている。

図１５は、断熱部材７０の斜視図である。断熱部材７０は、中空円筒状の形状を有している。断熱部材７０は、中空角柱状の形状としてもよい。断熱部材７０は、一端部７１と、他端部７２とを有している。断熱部材７０の内部に、中空の収容空間７３が形成されている。

図１６は、蓋部材６０の平面図である。なお図１６には、図１中の上から下方向に見た、ボルト８０（図１）が取り付けられていない状態の蓋部材６０が、図示されている。平面視した蓋部材６０は、正六角形状の外形を有している。蓋部材６０は、略平板状の形状を有しており、第一表面６１と、図１６には図示しない第一表面６１とは反対側の第二表面６２とを有している。蓋部材６０には、六角形の各々の頂点において第一表面６１が窪んだ複数の窪み６３が形成されている。蓋部材６０にはまた、窪み６３の位置において蓋部材６０を厚み方向に貫通する、窪み６３と同数の貫通孔６４が形成されている。

図１７は、熱電発電ユニット１００の概略構成を示す斜視図である。熱電発電ユニット１００は、蓋部材６０の第二表面６２側に取り付けられている。第二表面６２には、第二表面６２が円環状に窪んだ円環溝６５が形成されている。円環溝６５の内周側に、島状部６６が形成されている。熱電発電ユニット１００は、島状部６６に固定されている。

熱電発電ユニット１００は、熱電発電モジュール１０１と、柱部材１２０と、基板１３１，１３２とを主に有している。柱部材１２０は、四角柱状の形状を有している。柱部材１２０の基端は蓋部材６０に固定されている。熱電発電モジュール１０１は、柱部材１２０の先端に取り付けられている。柱部材１２０は、蓋部材６０と一体に成形されていてもよい。または柱部材１２０は、熱伝導性の接着剤を用いて蓋部材６０に固定されてもよい。柱部材１２０は、蓋部材６０と熱的に一体化されている。柱部材１２０は、金属材料などの熱伝導性が高い材料によって形成されている。柱部材１２０は、たとえばアルミニウム合金などの放熱性の高い材料によって形成されていてもよい。熱電発電モジュール１０１は、図１７とは逆の柱部材１２０の先端に取り付けられてもよく、柱部材１２０を二分した間に取り付けられてもよい。

基板１３１，１３２は、取付部材１４０を介して、柱部材１２０の側面に取り付けられている。基板１３１，１３２は、蓋部材６０に取り付けられてもよい。取付部材１４０は、たとえば粘着性を有するシート状の部材であり、柱部材１２０の側面と基板１３１，１３２とに貼着されていてもよい。基板１３１には、電子部品１３３が搭載されている。基板１３２には、電子部品１３４が搭載されている。基板１３１，１３２に搭載されている電子部品は、電源回路を構成するものであってもよい。基板１３１，１３２に搭載されている電子部品は、受光素子４２の検出結果を無線で送信するワイヤレス通信回路を構成するものであってもよい。

熱電発電モジュール１０１と、基板１３１とは、配線１１１，１１２によって電気的に接続されている。基板１３１と基板１３２とは、互いに電気的に接続されている。

図１８は、熱電発電モジュール１０１の概略構成を示す斜視図である。熱電発電モジュール１０１は、放熱側の基板１０２と冷却側の基板１０３との間に、ｐ型熱電変換素子１０８とｎ型熱電変換素子１０９とを交互に電気的に直列接続するように接合して構成されている。

放熱側の基板１０２および冷却側の基板１０３は、たとえばＡｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＳｉＣ（炭化珪素）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）および外周面に絶縁層を形成した金属などで形成されている。

放熱側の基板１０２の素子搭載面（上面）上には、複数の放熱側の電極１０４がめっきなどにより形成されている。それぞれ独立した放熱側の電極１０４の各々上にＢｉＴｅ系材料からなるｐ型熱電変換素子１０８とｎ型熱電変換素子１０９とが一対ずつ搭載されている。これにより、放熱側の電極１０４にｐ型熱電変換素子１０８とｎ型熱電変換素子１０９とが電気的に接続されている。

同様に冷却側の基板１０３の素子搭載面（下面）上にも複数の冷却側の電極１０５がめっきなどにより形成されている。それぞれ独立した冷却側の電極１０５の各々上にＢｉＴｅ系材料からなるｐ型熱電変換素子１０８とｎ型熱電変換素子１０９とが一対ずつ搭載されている。これにより、冷却側の電極１０５にｐ型熱電変換素子１０８とｎ型熱電変換素子１０９とが電気的に接続されている。

放熱側の電極１０４は冷却側の電極１０５に比べて相対的に位置がずらされている。その結果、放熱側の電極１０４と冷却側の電極１０５との間に接合された複数のｐ型熱電変換素子１０８とｎ型熱電変換素子１０９とは、それぞれ交互に電気的に直列接続されている。

なお、放熱側の基板１０２の素子搭載面の裏面（下面）上には、放熱対象物との接合を図るためのメタライズ層１０６が形成されている。冷却側の基板１０３の素子搭載面の裏面（上面）上にも、冷却対象物との接合を図るためのメタライズ層１０７が形成されている。

放熱側の基板１０２の上面上には、熱電発電モジュール１０１に電力を供給するために、配線１１１，１１２が取り付けられている。具体的には、１つのｐ型熱電変換素子１０８のみが搭載された放熱側の電極１０４上に、半田１１０によって配線１１１が取り付けられている。１つのｎ型熱電変換素子１０９のみが搭載された放熱側の電極１０４上に、半田１１０によって配線１１２が取り付けられている。これにより、配線１１１，１１２は、放熱側の電極１０４に電気的に接続されている。

熱電発電モジュール１０１は、放熱側の基板１０２と冷却側の基板１０３との温度差を電力に変換する。熱電発電モジュール１０１は、生成された電力を、発光素子５２、受光素子４２および基板１３１，１３２に搭載された電子回路に供給する。

図１９は、第一実施形態に基づく光学センサ１が機械に設置された状態の断面図である。光学センサ１が設置される機械は、筐体２００を有している。光学センサ１は、固定部材１０のネジ部２１が筐体２００に締結されることにより、筐体２００に固定されている。図示しない工具を用いて六角柱状の頭部１１を掴み、頭部１１を筐体２００に設けられたねじ孔に対して回転することにより、ネジ部２１が筐体２００に締結される。筐体２００の内部空間には、潤滑油２０１が存在している。潤滑油２０１の外部への漏れ出しを防止するために、筐体２００の外表面と頭部１１との間に、図示しないシール材が設けられている。

図１０，１１に示す、保持部材３０を固定部材１０に組み付けた状態で中空空間として存在している収容空間２４内に、基板４１，５１が収容されている。収容空間２４内には、封止樹脂２９が充填されている。受光素子モジュール４０と発光素子モジュール５０とが組み付けられた保持部材３０を収容空間２４に収容した後に、配線貫通孔１５，１６から液体状の樹脂材料を収容空間２４に充填し、樹脂材料を固化することにより、封止樹脂２９が設けられている。

封止樹脂２９は、基板４１，５１の周囲全体を覆っている。収容空間２４内に収容された基板４１，５１と、配線４３，５３，５４の一部とは、封止樹脂２９によって封止されている。これにより、潤滑油２０１が基板４１，５１にまで到達することが防止されている。上述した通り、受光素子４２と発光素子５２とは油密性を有している。そのため、受光素子モジュール４０および発光素子モジュール５０を構成する各電子部品が潤滑油２０１による悪影響を受けることが、抑制されている。

保持部材３０に形成された穴部３４には、図示しないインサートナットが埋め込まれている。固定部材１０の固定用孔１７はボルト孔であり、図示しないボルトを回転させ穴部３４内に埋め込まれたインサートナットにねじ込むことにより、保持部材３０と固定部材１０との組立強度が向上している。

固定部材１０の、頭部１１の内部に形成された収容空間１２（図２，５）には、断熱部材７０の一部と、図１９には図示しない熱電発電モジュール１０１と、柱部材１２０の一部と、基板１３１の一部と、図１９には図示しない基板１３２の一部とが収容されている。固定部材１０と蓋部材６０とは、図１９中の上下方向において離隔して配置されており、収容空間１２の底面と第二表面６２（図１７）とが互いに向き合っている。収容空間１２の底面と第二表面６２とは略平行に並んで配置されている。

断熱部材７０と熱電発電ユニット１００とは、固定部材１０と蓋部材６０との間に配置されている。柱部材１２０と、基板１３１，１３２は、固定部材１０と蓋部材６０との間に配置されている。断熱部材７０は、固定部材１０と蓋部材６０とを熱的に分離している。

断熱部材７０の一端部７１（図１５）は、蓋部材６０の第二表面６２に形成された円環溝６５（図１７）内に収容されている。断熱部材７０の他端部７２（図１５）は、収容空間１２の底面に形成された円環溝１８（図２，５）内に収容されている。断熱部材７０は、蓋部材６０と固定部材１０との間に挟まれて配置されているが、断熱部材７０は蓋部材６０に固定されておらず、断熱部材７０は固定部材１０に固定されてもいない。断熱部材７０の一端部７１は、蓋部材６０に対し、非固定状態で当接している。断熱部材７０の他端部７２は、固定部材１０に対し、非固定状態で当接している。

断熱部材７０の一端部７１と蓋部材６０との間、および断熱部材７０の他端部７２と固定部材１０との間には、図示しないＯリングが配置されている。断熱部材７０の一端部７１は、Ｏリングを介して、蓋部材６０に当接している。断熱部材７０の他端部７２は、Ｏリングを介して、固定部材１０に当接している。このＯリングは、断熱部材７０の内部に形成された中空の収容空間７３をシールするために、設けられている。熱電発電ユニット１００は、収容空間７３内に収容されている。

熱電発電モジュール１０１の、放熱側の基板１０２（図１８）は、収容空間１２の底面に形成された凹部１４（図２，５）内に配置されている。放熱側の基板１０２は、カーボンシートなどの熱伝導性がよく厚さ方向に変形する部材を介して、収容空間１２の底面に接触している。放熱側の基板１０２は、固定部材１０に接触している。放熱側の電極１０４は、放熱側の基板１０２を介して、固定部材１０に熱的に接触している。熱電発電モジュール１０１の、冷却側の基板１０３（図１８）は、柱部材１２０に接触している。冷却側の基板１０３は、柱部材１２０を介して、蓋部材６０に熱的に接触している。冷却側の電極１０５は、柱部材１２０および冷却側の基板１０３を介して、蓋部材６０に熱的に接触している。柱部材１２０は、蓋部材６０と熱電発電モジュール１０１の冷却側の基板１０３とに接触している。

固定部材１０は、潤滑油２０１からの熱伝達により、加熱されている。蓋部材６０は、大気中に露出している。熱電発電ユニット１００において、固定部材１０は、高温側熱伝導体を構成している。蓋部材６０は、低温側熱伝導体を構成している。放熱側の電極１０４は、高温側熱伝導体に熱的に接触する高温側電極を構成している。冷却側の電極１０５は、低温側熱伝導体に熱的に接触する低温側電極を構成している。柱部材１２０は、低温側熱伝導体と熱電発電モジュール１０１とに接触する熱伝導部材を構成している。熱電発電モジュール１０１は、柱部材１２０に対して高温側に設けられている。

ボルト８０は、蓋部材６０に形成された貫通孔６４（図１６）を貫通して、固定部材１０の頭部１１に形成されたネジ穴１３（図３，５）に締結されている。ボルト８０は、断熱部材７０とは異なる別部材である。固定部材１０と蓋部材６０とは、ボルト８０によって、断熱部材７０を挟んで一体に締結されている。

ボルト８０の頭部は、蓋部材６０に接触している。ボルト８０のネジ部は、固定部材１０の頭部１１に接触している。ボルト８０は、蓋部材６０と固定部材１０との両方に接触している。ボルト８０は、断熱部材７０とは係合することなく、固定部材１０と蓋部材６０とに直接係合して、固定部材１０と蓋部材６０とを一体に締結している。熱電発電ユニット１００において、ボルト８０は、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体とを一体化する一体化部材を構成している。

ボルト８０の延びる方向（図１９中の上下方向）は、熱電発電ユニット１００の柱部材１２０の延在方向と等しい。熱電発電モジュール１０１の放熱側の電極１０４と冷却側の電極１０５とは、図１９中の上下方向に間隔を空けて並んで配置されており、ボルト８０の延びる方向は、放熱側の電極１０４と冷却側の電極１０５とが並ぶ方向と一致している。

ボルト８０は、略平板状の外形を有する蓋部材６０の厚み方向に沿って延びており、互いに平行に配置された収容空間１２の底面および第二表面６２に対して直交する方向に延びている。断熱部材７０は円筒状の形状を有しており、ボルト８０は、断熱部材７０の軸方向に沿って延びている。

ボルト８０は、アルミニウム合金などの金属材料により形成されていてもよい。代替的には、ボルト８０は、樹脂材料、たとえばエンジニアリングプラスチックなどの、電気絶縁性を有する材料により形成されていてもよい。

発光素子５２と受光素子４２とは、油浸入用空間３３を挟んで互いに向き合っている。保持部材３０の、受光素子支持部３６と発光素子支持部３７との間に形成された油浸入用空間３３は、発光素子５２から受光素子４２までの光路上に配置されている。油浸入用空間２３，３３内には、潤滑油２０１が浸入している。発光素子５２と受光素子４２とは、潤滑油２０１に曝されている。

発光素子５２から受光素子４２までの光路は、潤滑油２０１が浸入するための空間である油浸入用空間３３を通過している。図１９中に示す白抜き矢印は、発光素子５２によって発せられ、油浸入用空間３３を通過して受光素子４２によって受けられる、光の進む経路を示している。

発光素子５２は、熱電発電モジュール１０１から電力の供給を受けて、単色の光を発する。発光素子５２によって発せられた光は、油浸入用空間３３内の潤滑油２０１を通過して、受光素子４２に到達する。受光素子４２は、受光素子４２に到達した光を受ける。受光素子４２は、受光量を電気信号として出力する。基板１３１，１３２に形成された電子回路、または外部の装置において、受光素子４２が受けた光量に基づいて、潤滑油２０１中の磨耗粉などの異物の量が算出される。この異物の量のデータに基づいて、潤滑油２０１の劣化を監視して、作業車両または機械装置の異常を検知することができる。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態の光学センサ１は、図１９に示すように、光を発する発光素子５２と、発光素子５２によって発せられる光を受ける受光素子４２とを備えている。発光素子５２から受光素子４２までの光路が、油が浸入するための空間である油浸入用空間３３を通過している。光学センサ１はまた、発光素子５２を搭載する基板５１と、受光素子４２を搭載する基板４１と、基板４１，５１を収容する収容空間２４が形成された固定部材１０と、収容空間２４に充填され基板４１，５１を封止する封止樹脂２９とを備えている。固定部材１０は、基板４１，５１を内部に収容する収容部材を構成している。

基板４１，５１が収容される収容空間２４に封止樹脂２９が充填されて基板４１，５１が封止されているために、発光素子５２を搭載する基板５１と受光素子４２を搭載する基板４１とを確実に支持することができる。

また図１９に示すように、発光素子５２と受光素子４２とは、油浸入用空間３３を挟んで互いに向き合っている。このようにすれば、発光素子５２から受光素子４２までの光路に他の部材が干渉することを抑制することができる。

また発光素子５２と受光素子４２とは、油密性を有している。このようにすれば、図１９に示すように、発光素子５２と受光素子４２とを油浸入用空間３３に露出させて配置することができ、発光素子５２と受光素子４２とを潤滑油２０１に曝して配置することが可能になる。したがって、発光素子５２から受光素子４２までの光路に他の部材が干渉することを、より確実に抑制することができる。

また光学センサ１は、図１７，１８に示すように、発光素子５２および受光素子４２に電力を供給する熱電発電モジュール１０１をさらに備えている。油の温度と、光学センサ１の周囲の大気温度との温度差を、熱電発電モジュール１０１により電力に変換することにより、外部からの電力の供給を必要とせずに、発光素子５２および受光素子４２に電力を供給することができる。

（第二実施形態）
図２０は、第二実施形態に基づく光学センサ１の正面図である。第二実施形態の光学センサ１では、第一実施形態とは異なり、固定部材１０のネジ部２１に油浸入用空間は形成されていない。第二実施形態の光学センサ１は、図２０に示すように、反射部材９０を備えている。反射部材９０は、ネジ部２１の先端面２２から離隔して配置されており、先端面２２と略平行に配置されている。反射部材９０は、ボルト９１により、ネジ部２１に固定されている。

先端面２２と反射部材９０との間に、中空円筒状の複数のスペーサ９２が配置されている。各々のボルト９１は、対応するスペーサ９２を貫通して、ネジ部２１に締結されている。スペーサ９２は、ネジ部２１の先端面２２と反射部材９０との距離を規定する機能を有している。

図２１は、図２０に示す固定部材１０の斜視図である。図２２は、図２１中の矢印ＸＸＩＩ方向から見た固定部材１０の外形図である。図２３は、図２１中の矢印ＸＸＩＩＩ方向から見た固定部材１０の外形図である。図２４は、図２２，２３中のＸＸＩＶ－ＸＸＩＶ線に沿う固定部材１０の断面図である。

第一実施形態の固定部材１０と同様に、第二実施形態の固定部材１０のネジ部２１の内部には、中空の収容空間２４が形成されている。図５と図２４とを参照して、第二実施形態の収容空間２４は、ネジ部２１の先端面２２の近傍の一部分にのみ形成されており、第一実施形態の収容空間２４と比較して容積が大幅に減少している。

固定部材１０には、収容空間１２と収容空間２４とを連通する２つの配線貫通孔１５，１６が形成されている。配線貫通孔１５，１６は、収容空間１２の底面に開口し、かつ、収容空間２４の底面に開口している。第一実施形態に示した、収容空間１２と収容空間２４とを連通する固定用孔は、第二実施形態の固定部材１０には形成されていない。収容空間２４がネジ部２１の先端面２２近傍にのみ形成されているため、第二実施形態の配線貫通孔１５，１６の長さは、図５に示す第一実施形態の配線貫通孔１５，１６よりも長くなっている。

図２３に示すように、ネジ部２１の先端面２２には、複数のネジ穴２６が形成されている。ネジ穴２６は、収容空間２４の周囲に形成されている。図２３に示す収容空間２４は略矩形状の形状を有している。ネジ穴２６は、矩形の対向する二辺に沿って形成されている。矩形の第一の辺に沿って２つのネジ穴２６が形成されており、第一の辺に対向する第二の辺に沿って２つのネジ穴２６が形成されている。

図２５は、受光／発光素子モジュール４５の概略構成を示す斜視図である。一枚の基板４１の主表面に、受光素子４２と発光素子５２との両方が搭載されて、受光／発光素子モジュール４５を構成している。

図２６は、第二実施形態に基づく光学センサ１が機械に設置された状態の断面図である。固定部材１０の収容空間２４内に、受光／発光素子モジュール４５が収容されている。収容空間２４内には、封止樹脂２９が充填されている。受光／発光素子モジュール４５を収容空間２４内に収容した後に、液体状の樹脂材料を収容空間２４に充填し、樹脂材料を固化することにより、封止樹脂２９が設けられている。

発光素子５２と受光素子４２とは、同一の基板４１上に、隣り合って配置されている。固定部材１０の先端面２２と反射部材９０との間に、油浸入用空間９３が形成されている。発光素子５２と反射部材９０とは、油浸入用空間９３を挟んで、互いに向き合っている。受光素子４２と反射部材９０とは、油浸入用空間９３を挟んで、互いに向き合っている。反射部材９０は、発光素子５２によって発せられる光を反射する。受光素子４２は、反射部材９０によって反射された光を受ける。図２６中に示す白抜き矢印は、発光素子５２によって発せられ、油浸入用空間９３を通過して反射部材９０によって反射され、油浸入用空間９３を通過して受光素子４２によって受けられる、光の進む経路を示している。

油浸入用空間９３は、発光素子５２から受光素子４２までの光路上に配置されている。油浸入用空間９３には、潤滑油２０１が浸入している。発光素子５２から反射部材９０を経由して受光素子４２までの光路は、潤滑油２０１が浸入するための空間である油浸入用空間９３を通過している。

発光素子５２は、熱電発電モジュール１０１から電力の供給を受けて、単色の光を発する。発光素子５２によって発せられた光は、油浸入用空間９３内の潤滑油２０１を通過して、受光素子４２に到達する。受光素子４２は、受光素子４２に到達した光を受ける。受光素子４２は、受光量を電気信号として出力する。基板１３１，１３２に形成された電子回路、または外部の装置において、受光素子４２が受けた光量に基づいて、潤滑油２０１中の磨耗粉などの異物の量が算出される。この異物の量のデータに基づいて、潤滑油２０１の劣化を監視して、作業車両または機械装置の異常を検知することができる。

以上説明した第二実施形態の光学センサ１は、図２０，２６に示すように、発光素子５２によって発せられる光を反射する反射部材９０をさらに備えている。受光素子４２は、反射部材９０によって反射された光を受ける。発光素子５２から発せられる光を反射部材９０によって反射することにより、受光素子４２は、油浸入用空間９３を通過し反射部材９０により反射された光を確実に受けることができる。

また図２６に示すように、発光素子５２と反射部材９０とは、油浸入用空間９３を挟んで互いに向き合っている。受光素子４２と反射部材９０とは、油浸入用空間９３を挟んで互いに向き合っている。このようにすれば、発光素子５２によって発せられる光を反射部材９０で確実に反射することができ、かつ、反射部材９０によって反射された光を受光素子４２で確実に受けることができる。

（第三実施形態）
図２７は、第三実施形態に基づく光学センサ１の断面図である。これまでに説明した第一および第二実施形態の光学センサ１では、断熱部材７０の内部の収容空間７３が中空空間であるが、図２７に示すように、収容空間７３内に樹脂が充填されていてもよい。第三実施形態では、基板１３１の一部は、封止樹脂１２９によって封止されている。

図２７に示す実施形態では、収容空間７３の一部のみに樹脂が充填されているが、収容空間７３の内部の全部に樹脂が充填されて、基板１３１の全部が封止された構成としてもよい。

基板１３１の一部または全部を封止する封止樹脂１２９を備えることにより、基板１３１の固定強度が向上されている。これにより、光学センサ１が設置されている機械が振動したり急に動作した場合にも、基板１３１を確実に保持し続けることができる。

なおこれまでに説明した実施形態では、固定部材１０と蓋部材６０とを複数のボルト８０を用いて一体化していたが、この構成に限られるものではない。一体化部材は、断熱部材とは別部材として設けられ、固定部材１０と蓋部材６０とを一体化することが可能な部材であれば、任意の構成を有してもよい。たとえば、固定部材１０の頭部１１と蓋部材６０との両方にかしめられるかしめ部材を用いて、固定部材１０と蓋部材６０とを一体化してもよい。

以上の説明は、以下に記載する特徴を含む。

特開２０１４－８５６９号公報には、熱せられた潤滑油の温度と周囲の温度との温度差を電力に変換する熱発電素子が開示されている。熱発電素子の入熱面には、熱伝導部材を介して、固定部が接続されている。固定部は、潤滑油に接触して、潤滑油の熱を熱発電素子に伝導する。熱発電素子の放熱面には、放熱部材が接続されている。断熱材料製のカバーが、固定部および放熱部材に固定されて、熱発電素子を覆っている。

特開２０１４－８５６９号公報には、カバーがボルトによって固定部および放熱部材に固定されることが記載されている。固定部および放熱部材は、熱伝導性が高い金属材料によって形成されており、カバーは断熱材料によって形成されている。固定部および放熱部材と、カバーとの熱膨張係数が異なることにより、たとえば装置の全体が振動することなどによってカバーの固定に緩みが生じ、強度的に不十分となる場合があった。

以下に記載する特徴の目的は、高温側と低温側との熱伝導材を強固に固定でき、十分な強度を有する、熱電発電装置を提供することである。

（特徴１）
高温側熱伝導体と、
前記高温側熱伝導体から離隔して配置された低温側熱伝導体と、
前記高温側熱伝導体に熱的に接触する高温側電極と、前記低温側熱伝導体に熱的に接触する低温側電極とを有する、熱電発電モジュールと、
前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体との間に配置され、前記熱電発電モジュールを内部に収容する、断熱部材と、
前記断熱部材とは別部材の一体化部材とを備え、前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体とは前記一体化部材によって前記断熱部材を挟んで一体化されている、熱電発電装置。

高温側熱伝導体と低温側熱伝導体との間に断熱部材を配置することにより、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体との間に確実に温度差が生じるので、熱電発電装置はこの温度差を電力に変換することができる。断熱部材とは別部材の一体化部材によって高温側熱伝導体と低温側熱伝導体とが一体化されているので、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体とを強固に固定することができ、熱電発電装置の強度を向上することができる。

（特徴２）
前記一体化部材は、電気絶縁性を有する、特徴１に記載の熱電発電装置。

熱電発電装置がワイヤレス通信回路を構成する場合、一体化部材を電気絶縁性に形成することで、電波が一体化部材に干渉してワイヤレス通信の品質が低下することを抑制することができる。

（特徴３）
前記一体化部材は、前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体とを一体に締結するボルトを含む、特徴１または２に記載の熱電発電装置。

このようにすれば、ボルトを用いて高温側熱伝導体と低温側熱伝導体とが一体化されているので、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体とを強固に固定することができ、熱電発電装置の強度を向上することができる。

（特徴４）
前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体とのいずれか一方または両方がボルト形状を有する、特徴１～３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。

このようにすれば、ボルト形状を有する熱伝導体を、機械の筐体など、他の構成に締結して固定することができる。当該他の構成から高温側熱伝導体が熱を受ける、または当該他の構成へ低温側熱伝導体が熱を放出することにより、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体との間に確実に温度差を生じさせることができる。

（特徴５）
前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体との間に配置された基板をさらに備える、特徴１～４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。

電源回路またはワイヤレス通信回路などを構成する基板を高温側熱伝導体と低温側熱伝導体との間に配置し、熱電発電モジュールと共に断熱部材の内部に収容することにより、熱電発電装置を小型化することができる。

（特徴６）
前記基板の一部または全部を封止する封止樹脂をさらに備える、特徴５に記載の熱電発電装置。

基板の一部または全部を封止樹脂で封止することにより、基板の固定強度が向上されているので、熱電発電装置の信頼性を向上することができる。

（特徴７）
前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体との間に配置され、前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体とのいずれか一方と前記熱電発電モジュールとに接触する、熱伝導部材をさらに備える、特徴１～６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。

高温側熱伝導体と低温側熱伝導体とは、熱電発電モジュールに直接接触してもよいが、熱伝導部材を介して熱電発電モジュールに接触してもよい。このようにすれば、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体との配置の自由度を向上することができる。高温側熱伝導体と低温側熱伝導体との間に基板を配置する場合には、熱伝導部材の寸法を調整することによって、高温側熱伝導体と低温側熱伝導体との間に基板を収容可能な空間を確実に形成することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 光学センサ、１０ 固定部材、１１ 頭部、１２，２４，７３ 収容空間、１３，２６ ネジ穴、１４ 凹部、１５，１６ 配線貫通孔、１７ 固定用孔、１８，６５ 円環溝、２１ ネジ部、２２，３１ 先端面、２３，３３，９３ 油浸入用空間、２５ 拡径空間、２９，１２９ 封止樹脂、３０ 保持部材、３２ 基端面、３４ 穴部、３５ 拡径部、３６ 受光素子支持部、３７ 発光素子支持部、３８ 受光素子収容孔、３９ 発光素子収容孔、４０ 受光素子モジュール、４１，５１，１０２，１０３，１３１，１３２ 基板、４２ 受光素子、４３，５３，５４，１１１，１１２ 配線、４５ 受光／発光素子モジュール、５０ 発光素子モジュール、５２ 発光素子、６０ 蓋部材、６１ 第一表面、６２ 第二表面、６４ 貫通孔、６６ 島状部、７０ 断熱部材、７１ 一端部、７２ 他端部、８０，９１ ボルト、９０ 反射部材、９２ スペーサ、１００ 熱電発電ユニット、１０１ 熱電発電モジュール、１０４，１０５ 電極、１０８ ｐ型熱電変換素子、１０９ ｎ型熱電変換素子、１２０ 柱部材、１３３，１３４ 電子部品、１４０ 取付部材、２００ 筐体、２０１ 潤滑油。

Claims (7)

1. 凹部が形成された高温側熱伝導体と、
   前記高温側熱伝導体から離隔して配置された低温側熱伝導体と、
   前記高温側熱伝導体に熱的に接触する高温側電極と、前記低温側熱伝導体に熱的に接触する低温側電極とを有する、熱電発電モジュールと、
   前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体との間に配置され、内部に中空空間が形成された中空円筒状の形状を有し、前記熱電発電モジュールの全体が前記中空空間の底面に形成された前記凹部内に収容される、断熱部材と、
   前記断熱部材とは別部材の一体化部材とを備え、前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体とは前記一体化部材によって前記断熱部材を挟んで一体化されており、前記一体化部材は前記断熱部材の径方向外側に前記断熱部材から離れて配置されている、熱電発電装置。
2. 前記一体化部材は、電気絶縁性を有する、請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記一体化部材は、前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体とを一体に締結するボルトを含む、請求項１または２に記載の熱電発電装置。
4. 前記高温側熱伝導体がボルト形状を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
5. 前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体との間に配置された基板をさらに備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
6. 前記基板の一部または全部を封止する封止樹脂をさらに備える、請求項５に記載の熱電発電装置。
7. 前記高温側熱伝導体と前記低温側熱伝導体との間に配置され、前記低温側熱伝導体と前記熱電発電モジュールとに接触する、熱伝導部材をさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。

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