JP3054933B2

JP3054933B2 - 熱発電腕時計の構造

Info

Publication number: JP3054933B2
Application number: JP8264632A
Authority: JP
Inventors: 和博中屋敷
Original assignee: セイコーインスツルメンツ株式会社
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 2000-06-19
Anticipated expiration: 2016-10-04
Also published as: JPH10111368A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多数の熱電対からなる
熱発電素子を装着した腕時計の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の温度差による熱発電を利用した時
計は、熱電対の電極が直列的に接続された熱発電素子を
バンドに装着し、人体と空気との間に生じる温度差を利
用して電力を発生させ時計を起動させる構造をとってい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】熱発電素子から生じる
電圧を有効な電源とするためには、熱発電素子内により
大きな温度差を発生させる必要がある。また上記の構造
の場合、人間の手首のサイズのバラツキ及び腕時計を構
成する部品の中で、最もストレスの集中する場所（バン
ド部）に熱発電素子を装着することになり、熱発電素子
の破損につながる危険性が高く、素子間の電極が直列的
な接続のため１個熱発電素子が破損すると時計が起動し
なくなる危険性があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
問題の一つの解決法として、熱発電素子を腕時計本体内
部に設置し、さらなる破損防止策として熱発電素子保護
材（弾性部材）なるものを設置している。また腕からの
熱（体温）を裏ぶたを媒体として、効率良く熱発電素子
内部に取込み、熱伝導率の高い材質の放熱リングを利用
し、効率良く放熱しやすい構造（直接、人体との接触の
無い文字板、ガラス縁、飾り縁などを放熱側に使用）と
し、発熱側の体温と放熱側の環境温との間に生じる温度
差を大きくして熱発電素子からより大きな電圧を得るこ
とを目的としている。

【０００５】本発明のの構造は、腕からの熱（体温）を
効率良く熱発電素子内部に取込み、効率良く放熱しやす
い構造とし、発熱側の体温と放熱側の環境温との間に生
じる温度差を大きくして熱発電素子からより大きな電圧
を得ることができる。更に、熱発電素子を腕時計本体内
部に設置することにより外部からの応力に対して有効
（時計ケースがプロテクターの役割）であるのはもちろ
んのこと、熱発電素子保護材（弾性部材）なるものを設
置することにより、時計外装部品の組立て公差のバラツ
キによる熱発電素子の破損を防止する。

【０００６】また、熱発電素子と接する部材にアルマイ
ト処理を施し、絶縁を取ることにより、熱発電素子間の
ショートを防止する。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の発明の実施の形
態を実施例とその図面に基づいて詳細に説明する。図１
は本発明に関する基本的構造の組立断面図を示し、図２
はその組立平面図を示す。その他の図は実施例毎に説明
することとする。

【０００８】（実施例１）図１は本発明の基本構造であ
り、１は胴（ＢＳ材）、２はガラス（サファイア）、３
は文字板（ＢＳ材）、４は針、５は中枠（ポリアセター
ル）、６はムーブメント、７はスペーサ（メタクリル樹
脂）、８は裏ぶたパッキン（熱可塑性エラストマー）、
９は裏ぶた（ＳＵＳ３０４）、１０は断熱リング（熱伝
導性の低い樹脂としてポリカーボネート）、１１は放熱
リング（熱伝導性の高い金属材料として高純度アルミ、
銅その他）、１２は熱発電素子（熱電対を多数個組合わ
せてなる）、１３は熱発電素子保護材（熱伝導性か高く
かつ弾性を有する金属材料の板ばね：ＢｅＣｕＲ、ＰＢ
−ＢＨ、ＳＵＳ１７−７ＰＨ材その他）である。

【０００９】ガラス２は、胴１に接着されている。針４
と文字板３とムーブメント６はユニット化されている。
放熱リング１１は、胴１の内形部にスクリュー式固定法
で組み込まれ、そしてユニットの一部を挟み込んでい
る。針４、文字板３、ムーブメント６よりなるユニット
は、中枠５により横方向の位置決めされている。中枠５
は熱伝導率の高い放熱リング１１に締め代ろを持った状
態で固定されている。断熱リング１０は胴１の内径部に
装着されており、裏ぶたパッキン８を介して裏ぶた９を
係合・固定する。熱伝導率の低い断熱リング１０は、人
体の熱が裏ぶた９から胴１に伝達するのを防止するもの
である。熱発電素子１２は放熱リング１１に図示しない
銀ペーストにより接着されている。裏ぶた９にはスペー
サ７が接着されて、ユニットを縦方向に支持している。
板ばね１３は、裏ぶた９と熱発電素子１２との間に挿入
されおり、熱発電素子１２との機械的支持および熱的接
続を行う。

【００１０】人体（腕）の熱は、裏ぶた９及び板ばね１
３を介して、熱発電素子１２の温接点側に伝達される。
なお、胴１は、熱伝導率の低い断熱リング１０を介して
裏ぶた９を取りつけているため、熱は裏ふた９から胴１
へ直接伝達しにくくなっている。

【００１１】次にこの構成での熱伝導状態を、各構成部
品の熱伝導率λ［W/mK］との関係から説明する。まず、
腕からの熱は、裏ぶた９（ＳＵＳ３０４：λ１６）を介
して熱伝導率の比較的高い熱発電素子保護材（板ばね）
１３（ＢｅＣｕＲ：λ３００）に伝導され、そして熱発
電素子１２下面の温接点側（体温側）に伝わる。このと
き、裏ぶた９と板ばね１３以外で接している、スペーサ
７、裏ぶたパッキン８、断熱リング１０は有機化合物
（λ０．１〜０．２）であり、殆どの熱は熱発電素子保
護材（板ばね）１３に伝導され易く熱発電素子１２の下
面に集約される。そのとき断熱リング１０は、裏ぶた９
から胴１に体温が移動し、時計全体の温度が飽和するの
を防ぎ、環境温と体温との境界となる熱遮断の役目を果
すことから、断熱リング厚み（裏ぶた９から胴１までの
熱伝達距離をできるだけ大きくとる。）はこの構造のポ
イントとなる。

【００１２】次に熱発電素子１２上面の冷接点側（外環
境側）は、比較的熱伝導率の高い放熱リング１１（高純
度アルミ：λ２２０）に銀ペースト（λ：４２０）で熱
発電素子１２上面に接着されている。外気温（冷熱）
は、ガラス２（Ａｌ₂０₃：λ５０）、胴１（ＢＳ：λ
１２１）、文字板３（ＢＳ：λ１２１）に伝導したり、
直接胴１、文字板３が取込み、放熱リング１１に伝達
し、熱発電素子１２上面に伝導される。また、放熱リン
グ１１の材質としてＣｕ（λ３００）を使用する場合も
ある。

【００１３】この時、ガラス２の材質をＡｌ₂Ｏ₃材と
したのはＳｉＯ₂ に比べ約５０倍の熱伝導率λを有する
ためであり、ガラス２と胴１の固定方法を接着としたの
は熱伝達距離を短くし胴１に効率良く冷熱が伝導され易
くするためである（従来のガラス固定法としてプラスチ
ックを挟み込む方式もある。）。実際は、ガラス２及び
胴１から冷熱が、熱発電素子１２の冷接点側に伝達され
ることを説明したが、物理的には冷熱は存在しないの
で、熱発電素子１２の冷接点側の熱がガラス２及び胴１
に逃げることを言う。

【００１４】また、比較的熱伝導率の高い放熱リング１
１をスクリュー式固定法にて、文字板３（ＢＳ：λ１２
１）を挟み込む形で胴１に固定することにより、放熱リ
ング１１と文字板３とは接触面積を大きく取ることがで
き、より多くの環境温（冷熱）を放熱リング１１に伝導
することができる。

【００１５】（実施例２）図３は、図１の熱発電素子保
護材（板ばね）１３を冷接点側（熱発電素子１２の上
面）に設置し、熱発電素子１２を裏ぶた９に直接設置し
たものである。よって図１の熱発電素子保護材（板ば
ね）１３を介した構造より熱の損失が少なくて済み、温
接点側（熱発電素子１２下面：裏ぶた側）により多くの
体温を伝導することができる。また熱発電素子保護材
（板ばね）１３を冷接点側に設置することにより、放熱
リング１１から熱発電素子上面までの伝導距離が長くな
る熱の伝達の点で不利であるが、熱発電素子保護材（板
ばね）１３が時計外装部品の組立て公差のバラツキによ
る熱発電素子の破損防止の役目をはたす。

【００１６】（実施例３）図４、５は熱発電素子１２の
温接点側は図１と同じ構造とし、胴１が異なるものであ
る。つまり、図１の胴１に相当するものが、胴１とガラ
ス縁１４（時計外装構造で二段プラ直構造と称している
図４）、又は飾り縁１５（図５）で構成されているもの
である。外気の冷熱は、ガラス縁１４（時計外装構造で
二段プラ直構造と称している図４）、又は飾り縁１５
（図５）及び放熱リング１１を介して、熱発電素子１２
の冷接点側に伝わる。放熱リング１１に銀ペーストで接
着された熱発電素子１２上面に環境温（冷熱）を集約す
る構造としている。図４、５の特徴として胴１とガラス
縁１４、飾り縁１５は、縁パッキン１７の挟み込みによ
り固定されているため、断熱リング１０から胴１（ＢＳ
材：λ１２１）に伝導した微量の腕の熱の殆どが縁パッ
キン１７（ポリエチレン：λ０．１〜０．２）でさらに
遮断され、腕時計全体の温度が体温により飽和状態にな
るのを防ぐことができる。よってガラス縁１４、飾り縁
１５を伝導させ環境温（冷熱）の損失を最小限に抑え、
熱発電素子１２に環境温を取込むことができる。また一
般の腕時計のデザインは殆ど、ガラス縁１４、飾り縁１
５、もしくは疑似縁がついたデザインをしており装飾性
を損わない有効な構造である。

【００１７】（実施例４）図６は図４の放熱リング１１
を使用せず、直にガラス縁１４の筒状内面に熱発電素子
１２の冷接点側を接触させて複数個周配列した構造であ
る。周配列のため板ばね１３の形状は変えている。つま
り、板ばね１３の一端を裏ぶた９の内面に接触させ、板
ばね１３の他端を熱発電素子１２の温接点側に、熱発電
素子１２をガラス縁１４の筒状内面を押圧するように接
触している。この構造だと熱発電素子上面に環境温を集
約するまでの熱の損失（放熱リング１１の環境温の放
熱）が少なくてすむ。

【００１８】（実施例５）図１３は胴１に、図１４はガ
ラス縁１４に意識的に複数の溝２０を形成させ環境温と
の接触面積を大きくした。これにより胴１、及びガラス
縁１４から放熱リング１１を経由し熱発電素子上面に伝
導する冷熱・環境温が増加する。

【００１９】（実施例６）図１１、１２は更に別の実施
例であり、腕の熱（体温）を効率良く裏ぶた９に集約す
るため、腕時計のバンド１９および裏ぶた９の腕に接触
する面に熱集約シート２２（高純度Ａｌ材：λ２２０）
を設置する。熱集約シート２２は腕周りの体温を伝導さ
せ裏ぶた９に熱を供給している。裏ぶた９（腕上面の
み）のみの接触に比べ人体との接触面積が広いためより
多くの体温を短時間で裏ぶた９に集約できる。

【００２０】（実施例７）図１０は上記の熱発電素子保
護材１３（板ばね）の代替案である。裏ぶた９に溝をも
うけ、熱発電素子保護材（板ばね）１３の替りに裏ぶた
９の溝と熱発電素子１２の間に熱発電素子保護材（Ａ
ｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕその他の箔）１３を挟み込み、時
計外装部品の組立て公差のバラツキによる熱発電素子の
破損防止の役目をはたす。更に、これらは高い熱伝導率
（Ａｕ：λ３００、Ａｇ：λ４２０、Ａｌ：λ２２０、
Ｃｕ：λ３９０）を有するため、裏ぶた９からの体温を
効率良く熱発電素子１２に伝導することができる。

【００２１】（実施例８）図７、８、９は上記の放熱リ
ング１１のスクリュー式固定方法の代替案である。図７
は胴１と放熱リング１１を接着にて固定しており、図８
は放熱リング固定パッキン１８を挟み込んで固定してお
り、図９は放熱リング１１に凸形状を胴１に凹形状をも
うけ、食いつきにより固定している。

【００２２】（実施例９）図１５は上記実施例において
使用した放熱リング１１（Ａｌ製）に陽極酸化処理を施
し、さらに陽極酸化処理を施したＡｌ製シート２１を熱
発電素子保護材（板ばね）１３及び裏ぶた９の間に介在
させることにより絶縁をとり、熱発電素子間のショート
を防止する構造となっている。

【００２３】

【発明の効果】上記の構造の腕時計を装着することによ
り、夏は体温約３６℃に対して外気温約３０℃、冬場は
体温約３６℃に対して外気温約１５℃の場合、一年通し
て熱発電素子の下面（体温側）、上面（環境温）には、
約６℃〜１１℃の温度差が生じる。つまり、熱発電素子
の下面（体温側）から上面（環境温）との間に温度差が
生じ、微量の電圧が生じる（ゼーベック効果）。その微
量の電圧を、時計本体の主電源又は補助電源として利用
し時計を起動させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関する基本的組立断面図である。

【図２】図１裏ぶたを開けた状態での組立平面図であ
る。

【図３】図１の熱発電素子保護材（板ばね）を放熱側
（熱発電素子上面）に設置した組立断面図である。

【図４】図１の胴上面に、ガラス縁を設置した組立断面
図である。（時計外装構造で二段プラ直構造と称してい
る）

【図５】図１の胴上面に、飾り縁を設置した組立断面図
である。

【図６】図４の放熱リングを排除した構造で、ガラス縁
に直接、熱発電素子を複数個配列した組立断面図であ
る。

【図７】胴と放熱リングが接着にて固定している組立断
面図である。

【図８】胴と放熱リングをパッキンを挟み込ませ固定し
ている組立断面図である。

【図９】胴に凹形状を放熱リングに凸形状をもうけ、食
いつきにより固定している組立断面図である。

【図１０】図１の板ばねの替りにＡｕ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａ
ｌ又はＣｕの箔を使用した組立断面図である。

【図１１】腕時計のバンドに熱伝導板を設置した組立断
面図である。

【図１２】図１１の裏平面図である。

【図１３】図１の胴に複数の溝を形成させた組立断面図
である。

【図１４】図４のガラス縁に複数の溝を形成させた組立
断面図である。

【図１５】放熱リング（Ａｌ製）に陽極酸化処理を施
し、さらに陽極酸化処理を施したＡｌ製シートを板ばね
及び裏ぶたの間に介在させた組立断面図である。

【符号の説明】

１胴２ガラス３文字板４針（時針，分針，秒針）５中枠６ムーブメント（昇圧回路，充電池含む）７スペーサ８裏ぶたパッキン９裏ぶた１０断熱リング１１放熱リング１２熱発電素子（複数の熱電対からなる）１３熱発電素子保護材１４ガラス縁１５飾り縁１６ガラスパッキン１７縁パッキン１８放熱リング固定パッキン１９バンド２０溝２１陽極酸化処理を施したＡｌ製シート２２熱集約シート

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G04C 10/00 G04G 1/00 310 H01L 35/30 H01L 35/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】胴と、熱伝導性の低い樹脂材料よりなる
断熱リングを介して前記胴に取り付けられた裏ぶたと、
前記裏ぶた側と反対側に前記胴に取り付けられたガラス
と、前記胴の内径部に固定的に取り付けられた熱伝導性
の高い金属材料よりなる放熱リングと、前記放熱リング
と前記裏ぶたとの間に、熱伝導性が高くかつ弾性を有す
る板ばね状の金属材料よりなる熱発電素子保護材を介し
て挿入された熱電対を多数組合わせてなる熱発電素子
と、前記胴及び前記放熱リングの内径部に配置された
針、文字板及びモジュールよりなるユニットとからなる
熱発電腕時計であって、そのバンドと前記裏ぶた表面
に、熱伝導性の高い金属シートである熱集約素材を設置
した構造である熱発電腕時計。