JP2607542Y2 - 熱電発電腕時計 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】本考案は、熱電発電素子を内
部に保持しその発電エネルギーで駆動する熱電発電腕時
計に関し、とくに発電効率向上に有効な温度差を拡大さ
せるための構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電発電素子をエネルギー源として用い
た腕時計の構造について、図３の断面図を用いて説明す
る。腕時計の中には微小な熱電発電素子６０が、その空
きスペースを利用して装着されている。

【０００３】図３に示すように、熱電発電素子６０は時
計モジュール５０と裏蓋２０間のスペースに装着されて
おり、その温接点６１は裏蓋２０に接触し、冷接点６２
は金属製のモジュールカバー５３を介してケース１０と
熱的に接触している。

【０００４】裏蓋２０は使用者の腕に直接接触している
ため体温近辺まで暖められるが、ケース１０は外気によ
り常に冷やされているため両者の間には温度差が生じ
る。

【０００５】そこで、両者に接している熱電発電素子６
０の温接点６１および冷接点６２間にも温度差が生じ、
それに伴い熱電発電素子６０には起電力が生じ、時計の
必要とするエネルギーが供給されることになる。

【０００６】この熱電発電素子６０の発電量を左右する
要素として、熱電発電素子６０に含まれている熱電対の
材料特性および熱電対数が重要であるのは言うまでもな
い。

【０００７】しかしもう一つ、与えられた温度差は非常
に重要な要素である。これについて図４のグラフを用い
て説明する。熱電発電素子６０材料としてはＢｉＴｅ合
金を用いた。

【０００８】図４（ａ）のグラフは温度差が１℃の場
合、熱電発電素子の熱電対の対の数を１０００対、２０
００対、３０００対と変化させたときの電流電圧特性で
あり、図４（ｂ）は熱電対の対の数１０００の場合、温
度差を１℃、２℃、３℃と変化させたときの電流電圧特
性である。

【０００９】図４のグラフで明らかなように、熱電対数
を増大させると、熱電対数に比例して電圧も増大する。

【００１０】しかしながら、内部抵抗も比例して増える
ため電流値は変化することがない。つまり、出力として
は熱電対数に１次的に比例することとなる。

【００１１】さらにこの場合は１対の形状を変えてない
ため素子全体としては面積が増えてしまう。これに比べ
て、温度差を増大した場合、電圧および電流ともに比例
して増えていることがわかる。

【００１２】つまり、出力は温度差に２次的に比例する
ものであり、多少の温度差の違いでも非常に効果がある
ことがわかる。

【００１３】では実際の温度差はどの程度であるかとい
うと、気温２５℃の場合で裏蓋２０とケース１０の温度
差はせいぜい２℃ほどである。

【００１４】それは裏蓋からの熱伝導によりケースも温
められてしまい、外気による冷却が間に合わないからで
ある。

【００１５】この熱伝導を抑えるため、従来から図３に
見られるように、ケース１０と裏蓋２０の間には熱絶縁
体４０を挟み、両者が接触しないようにしてきた。

【００１６】しかしこれによって得られる温度差が約２
℃である。実際の腕と外気の温度差は少なくとも１０℃
はあり、それを充分活用しているとはいえない。

【００１７】そこでさらに温度差を広げるためには、裏
蓋２０からの熱伝導を抑えるだけでなく、ケース１０を
積極的に冷却することも重要な課題である。それにはケ
ース１０自体の放熱効率を高める必要がある。しかしな
がらケース１０側の積極的な改良は従来ほとんどなされ
ていない。

【００１８】一般的に高温になることを避けるために放
熱させる手段としては、表面に放熱用のフィンを付ける
ことがよく用いられる。これについてはたとえば特開昭
５３−６９６７７号公報にも記載され、機械的に加工し
たフィンの熱電発電腕時計への応用も考えられている。

【００１９】しかしながら機械加工によるフィンは、ミ
リメートルオーダーの板状構造となっているため、それ
をケースにとりつけることは技術的にも難しく、さらに
問題として、腕時計は機能性はもとよりその装飾性が価
値として重要なため、凹凸が大きいフィンを取り付ける
ことが非常に困難といわざるをえない。

【００２０】

【考案が解決しようとする課題】上記のように、熱電発
電腕時計においては素子に起電力を発生させるケースと
裏蓋との温度差が重要である。

【００２１】しかしながら従来の構成ではまだ充分体温
と外気温の差を効率よく利用するものであるとは考えら
れない。

【００２２】〔考案の目的〕 そこで本考案の目的は上記の問題を解決し、時計ケース
に改良を施すことにより積極的にケースの温度を低下さ
せ裏蓋との温度差を従来以上に高め、熱電発電素子の発
電効率を高めるとともに、外観上も装飾品としても充分
価値のある腕時計を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本考案の熱電発電腕時計においては、下記に記載の構
造を採用する。

【００２４】本考案の熱電発電腕時計は、金属製のケー
スと熱絶縁体と裏蓋とモジュールと熱電対を多数配置す
る熱電発電素子とを備え、熱電発電素子はその温接点が
裏蓋に接するように配置し、冷接点がケースに接するよ
うケースと裏蓋の間に設置され、熱絶縁体および裏蓋を
含まない金属製のケース表面にのみに放熱層を設けるこ
とを特徴としている。

【００２５】

【考案の実施の形態】本考案の最適な実施形態における
熱電発電腕時計を、図１を用いて説明する。図１は本考
案の熱電発電腕時計を示す断面図である。

【００２６】図１に示すように、本考案の腕時計も一般
のものと同様に外装は金属製のケース１０と裏蓋２０と
ガラス３０とから構成する。

【００２７】さらにケース１０と裏蓋２０間の熱伝導を
抑制するために両者の間にはプラスチック性の熱絶縁体
４０を装着する。

【００２８】内部には表示用の針５１と、文字盤５２
と、そして駆動部を備えたモジュール５０とが取り付け
られている。

【００２９】このモジュール５０には、モジュールカバ
ー５３が備えられており、モジュールカバー５３と裏蓋
２０に挟まれた形で、熱電発電素子６０を設置する。

【００３０】熱電発電素子６０はＢｉＴｅ合金による熱
電対（図示せず）が多数配されたものであり、温接点６
１部分が裏蓋２０と接し、冷接点６２部分がモジュール
カバー５３と接するようになっている。

【００３１】モジュールカバー５３は金属製でありケー
ス１０と熱的に接触しているため、ほぼケース１０と同
温度になり、裏蓋２０との間で温度差が保たれる。

【００３２】熱電発電素子６０はこの温度差を効率的に
利用するため、両者に密着させる必要があり、本考案に
おいてはモジュールカバー５３にバネ性を持たせ、裏蓋
２０をネジ２１で固着することで、熱電発電素子６０を
モジュールカバー５３と裏蓋２０に密着して挟み込むよ
うにしている。

【００３３】ところで、ケース１０は一般にステンレ
ス、チタン、あるいはアルミニウムなどからなるが、本
考案においてはそれぞれの材料の表面処理を行い新たに
放熱層７０を設け、外気への放熱効率を高めるようにす
る。以下にその具体的な構成を示す。

【００３４】第１の実施例における放熱層７０は、微小
な凹凸を無数に有する薄膜である。以下にこの放熱層７
０の形成方法を示す。

【００３５】アノード、熱フィラメント、および蒸発源
となるチタンを備えた真空槽中にケース１０をカソード
として設置する。

【００３６】そして真空槽内を真空に排気した後、アル
ゴンおよび窒素を導入し熱電子によるプラズマを発生
さ、電子ビーム法により蒸発させたチタンをプラズマガ
スと反応させて膜形成する。

【００３７】この方法はプラズマ中で金属の蒸着を行う
いわゆるイオンプレーティング法と同じである。

【００３８】最適ガス圧と最適カソード電圧とで膜形成
すると、導入した窒素および真空層の吸着ガスから生じ
る酸素と炭素がチタンと化合し、ＴｉＮＯＣ膜となり光
沢のある黒色の膜がケース１０表面に形成される。

【００３９】この薄膜は１μｍ以下の微小な凹凸を有し
ているため微視的に表面積が非常に増大しており、放熱
効率が大変良好である。またこの凹凸のためもあり、見
た目には黒色に非常に近い色となり時計外装として良好
である。

【００４０】このような真空技術を用いた方法のほか
に、吹き付けによる塗布方法でも微小な凹凸を無数に有
する薄膜は形成することができる。

【００４１】粒径が５〜１０μｍの金属あるいはカーボ
ンの微粒子を接着性の有機溶剤中で混練し、スプレー法
によりケース１０に吹き付ける。

【００４２】このようにして形成される薄膜は微粒子に
より微小な凹凸を有し、やはり表面積が非常に大きくな
り外気への放熱効率が向上する。

【００４３】その他、メッキ法などによっても微小な突
起を有する薄膜は作成可能である。

【００４４】第２の実施例における放熱層７０は、高熱
伝導物質からなる薄膜である。以下にこの放熱層７０形
成方法を示す。

【００４５】真空槽中にケース１０を設置し、真空槽内
を真空に排気した後、メタンおよび水素ガスを導入す
る。ケース１０をカソードとして高周波電圧を印加しプ
ラズマを発生させると、メタンは分解しダイヤモンド状
薄膜としてケース１０表面に付着する。

【００４６】これはいわゆるプラズマＣＶＤ法と呼ばれ
るものである。このとき、場合によってはケース１０と
ダイヤモンド状薄膜の密着性を向上させるためにシリコ
ン薄膜などの密着層をあらかじめ形成してもよい。

【００４７】ダイヤモンド状薄膜は、その構造がダイヤ
モンドに非常に類似しているため、熱伝導率が非常に高
い特性を有している。そのため、外気への放熱効率が向
上する。

【００４８】またさらに、プラズマエネルギーを増加さ
せる、あるいは高温にするなどによりダイヤモンド状薄
膜にはダイヤモンドの結晶が含まれる場合がある。

【００４９】このときはさらに熱伝導率が向上するとと
もに、結晶粒子により薄膜表面には微小な突起が現れ、
表面積増大の効果も付加され、放熱効率はさらに向上さ
せることができる。

【００５０】このダイヤモンド状薄膜は、本質的に可視
光の反射がほとんどなく非常に高級感のある黒色とな
り、時計外装としても価値のあるものが得られる。

【００５１】第３の実施例における放熱層７０は、微小
な凹凸を有するケース自体の表面変質層である。以下に
この放熱層７０の形成方法を示すが、これはケース１０
の表面自体を物理的または化学的な手法で処理し凹凸を
形成し放熱層７０を設ける方法である。

【００５２】大きさ１０μｍほどのセラミックスパウダ
ーを、圧縮空気の力によってケース１０に吹き付ける。
これはいわゆるホーニング法と呼ばれるものである。

【００５３】ホーニング法によりケース１０表面は機械
的に荒らされることで、やはり１０μｍオーダーの凹凸
が生じる。この凹凸は表面積を増加させるため、放熱効
率は非常に向上する。

【００５４】さらにまたケース１０自体に凹凸を設ける
方法はプラズマエッチングあるいは酸などのエッチング
液を用いた化学エッチングによっても実現可能である。

【００５５】あるいは、ケース１０を電解酸化処理を行
うことで、膜はポーラスになり凹凸を形成することがで
きる。

【００５６】これは、たとえばケース１０がアルミニウ
ムである場合、シュウ酸などの酸の中で電解酸化処理し
アルマイト皮膜を形成するなどが代表的である。

【００５７】さらに放熱層７０として、上記で述べた各
種の放熱層７０を組み合わせたものはさらに大きな効果
がある。その一つとしてホーニング法によって凹凸の形
成されたケース１０表面にダイヤモンド状薄膜を形成す
るものがある。

【００５８】このような手段により、ケース１０表面は
凹凸による表面積の増大と熱伝導率の向上という２つの
特性を合わせ持ち、放熱効率はさらに向上する。

【００５９】本実施例で述べたそれぞれの方法によって
形成する放熱層７０の効果について図２を用いて説明す
る。

【００６０】ステンレス製のケース１０のおもて面のみ
を表面処理し、放熱層７０を設け裏面の温度を測定す
る。測定のとき、裏面からは室温より高温のヒータによ
り加熱を行う。

【００６１】図２には表面処理を行ったケース１０の裏
面の温度変化を、表面処理を行わないケース１０の裏面
温度との差として示している。

【００６２】図２のグラフに示すように、表面処理を行
わないケース１０の温度は最終的に約３５℃になってい
る。また室温は約２５℃である。

【００６３】図２のグラフにおいて、曲線ａは放熱層７
０にダイヤモンド状薄膜を用いる場合を示し、曲線ｂは
放熱層７０がホーニングによる表面処理である場合を示
し、曲線ｃは放熱層７０がホーニング処理とダイヤモン
ド薄膜を組み合わせたものである場合を示し、曲線ｄは
放熱層７０が黒色イオンプレーティング膜である場合を
示し、曲線ｅは放熱層７０が微粒子膜である場合の温度
変化を表している。

【００６４】図２に見られるように、それぞれの表面処
理をしたケース１０とも未処理のケース１０に比べ温度
が低下していることがわかり、放熱効果が向上している
ことが確かめられる。

【００６５】その温度低下はマイナス０．７℃からマイ
ナス１．９℃であり、従来の熱電発電腕時計の裏蓋２０
とケース１０間の温度差が２℃ほどであることを考える
と、この放熱効果は非常に大きなものであり、発電出力
に換算すると従来の０．８から２．８倍の増大が可能で
あることを示すものである。

【００６６】本発明の実施例において、熱電発電素子６
０は、裏蓋２０とモジュールカバー５３の間に挟み込む
形で設置しているが、温接点６１が裏蓋２０と接触し、
そして冷接点６２がケース１０と熱的に接触していれば
他の位置にあっても問題はなく、たとえばケース１０に
直接接するようにモジュール５０およびモジュールカバ
ー５３の外周部に設置するなども考えられる。

【００６７】またこのとき熱電発電素子６０をケース１
０と裏蓋２０とに密着させるためには、熱絶縁体４０の
材料として弾力性のあるプラスチックを用い、その変形
を利用することもできる。

【００６８】さらに本発明の実施例においては、熱電発
電素子６０としてＢｉＴｅ合金を用いているが、たとえ
ばＢｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｉなどの単一材料あるいはＦｅ
Ｓｉ合金、ＣｒＳｉ合金など材料を用いることもでき
る。

【００６９】

【考案の効果】以上の説明から明らかなように、本考案
においては、熱電発電腕時計のケースを表面処理し、表
面に微小な凹凸を持つあるいは高熱伝導性物質からなる
放熱層を設けている。

【００７０】このことにより、従来よりケースの温度を
低下させ、裏蓋との温度差を大きく得ることができる。
これにより内蔵された熱電発電素子は従来よりかなり大
きな発電出力を得ることができる。つまり本考案の構造
を取り入れることで、従来より安定した駆動が行え、さ
らに動作寿命の長い熱電発電腕時計を提供することがで
きる。

【００７１】さらに、本考案における放熱層はすべて薄
膜からなっているかあるいはケース自体の表面変質層で
あるため、外観上も違和感がなく装飾品としての時計の
価値を失わないものである。そして本考案の構造は、今
後熱電発電素子をエネルギー源として用いるその他の電
子機器の高効率化にも応用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施形態における熱電発電腕時計を示
す断面図である。

【図２】本考案の実施形態における各種表面処理を施し
たケースの温度変化を表すグラフである。

【図３】従来の熱電発電腕時計を示す断面図である。

【図４】一般的な熱電発電素子の熱電対数あるいは与え
る温度差を変化させた場合の出力特性を表す図面であ
る。

【符号の説明】

１０：ケース ２０：裏蓋
４０：熱絶縁体 ５０：モジュール ５３：モジュールカ
バー ６０：熱電発電素子 ６１：温接点 ６２：冷接点 ７０：放熱層

Claims (5)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製のケースと、裏蓋と、該ケースと
   該裏蓋間の熱伝導を抑制する熱絶縁体と、モジュール
   と、熱電対を多数配置する熱電発電素子とを備え、前記 熱電発電素子はその温接点が前記裏蓋に接するよう
   に配置し、前記熱電発電素子はその 冷接点が前記ケースに接するよ
   う前記ケースと前記裏蓋の間に設置され、前記 ケース表面に外気への放熱効率を高めるための薄膜
   からなる放熱層を設けることを特徴とする熱電発電腕時
   計。
2. 【請求項２】 前記放熱層は、 高熱伝導性物質からなる薄膜である請求項１に記載の熱
   電発電腕時計。
3. 【請求項３】 前記放熱層は、 ダイヤモンド状薄膜である 請求項１に記載の熱電発電腕
   時計。
4. 【請求項４】 前記ダイヤモンド状薄膜からなる前記放
   熱層と前記ケースとのあいだに、密着層を設ける 請求項
   ３に記載の熱電発電腕時計。
5. 【請求項５】 前記密着層が、 シリコン薄膜である 請求項４に記載の熱電発電腕時計。