JPH0829558A

JPH0829558A - 電子時計

Info

Publication number: JPH0829558A
Application number: JP6168412A
Authority: JP
Inventors: Tatsunori Inoue; 竜紀井上; Keisuke Tsubata; 佳介津端
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1994-07-20
Filing date: 1994-07-20
Publication date: 1996-02-02

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】小型で薄型の熱電素子を用いた電子時計を実
現する。【構成】酸化膜を付けたアルミニウムで構成した第一
の絶縁体１０１を吸熱側、酸化膜を付けたアルミニウム
で構成した第二の絶縁体１０２を放熱側とすると、吸熱
側の温度を、放熱側と比較して高温となるような温度差
を与えた場合、絶縁体１０１から絶縁体１０２の方向に
熱が伝達される。その際に、ｎ型半導体１０３の中では
電子が放熱側の絶縁体１０２の方向に移動する。ｐ型半
導体１０４の中では正孔が放熱側の絶縁体１０２の方向
に移動する。ｎ型半導体１０３とｐ型半導体１０４は接
続部１０５を介して電気的に直列に接続されているた
め、熱の伝達が電流に変換され、出力端部１０６間に起
電力を得ることができる。また、蓄電手段１０８に、起
電力が蓄えられる。時刻表示手段１０９は、蓄電手段１
０９からの起電力により作動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱電素子を用いた電子時
計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電素子を備えた電子時計として、例え
ば、特開昭５５−２０４８３号公報に記載のものがあ
る。この公報に記載の熱電素子は、冷極と熱極とを備
え、この冷極と熱極との温度を違えるようにし、熱電素
子に起電力を発生させるゼーベック効果を利用してい
る。この公報に記載の実施例を図１０に示す。

【０００３】図１０に示すように、腕時計ケースに接触
する裏蓋８０３の内側に、熱電素子８０２を設け、この
熱電素子の裏蓋側に熱極を設けている。これに対して、
冷極は文字板の下面でムーブメント８０３側に設けてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１０に示し
た熱電素子を有する電子時計を示した特開昭５５−２０
４８３号公報は、熱電素子とムーブメントとの構成だけ
であり、詳細な熱電素子の構成による電子時計の構成は
示されていない。熱電素子の発電能力は、ｎ型半導体お
よびｐ型半導体の数に比例し、ｎ型半導体およびｐ型半
導体の厚さは厚い方ほど発生する起電力が大きく、ま
た、発電効率においても高くなる。

【０００５】しかし、この熱電素子を電子時計に用いる
場合には、熱電素子の体積をできるだけ小さくすること
が必要であると共に、発電能力の向上が要求される。本
発明の目的は、上記課題を解決して、小型かつ電子時計
が止まることのない発電能力の熱電素子を備える電子時
計を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、電子時計において、複数のｎ型半導体と複
数のｐ型半導体を交互に電気的に直列となるように接続
する複数の接続部と、起電力を取り出すための出力端子
部と、接続部を一つおきに固定する、酸化膜を付けたア
ルミニウムで構成した第一の絶縁体と、第一の絶縁体に
固定されていない接続部を固定する、酸化膜を付けたア
ルミニウムで構成した第二の絶縁体とを有し、複数のｎ
型半導体と複数のｐ型半導体を１５００個以上直列に接
続して熱電素子を構成し、熱電素子から発生した起電力
を蓄える蓄電手段と、時刻表示手段を有する構成とし
た。

【０００７】

【作用】図１は本発明の熱電素子の構造と発電原理およ
び電子時計の動作原理図である。酸化膜を付けたアルミ
ニウムで構成した第一の絶縁体１０１を吸熱側、酸化膜
を付けたアルミニウムで構成した第二の絶縁体１０２を
放熱側とすると、吸熱側の温度を、放熱側と比較して高
温となるような温度差を与えた場合、絶縁体１０１から
絶縁体１０２の方向に熱が伝達される。その際に、ｎ型
半導体１０３の中では電子が放熱側の絶縁体１０２の方
向に移動する。ｐ型半導体１０４の中では正孔が放熱側
の絶縁体１０２の方向に移動する。ｎ型半導体１０３と
ｐ型半導体１０４は接続部１０５を介して電気的に直列
に接続されているため、熱の伝達が電流に変換され、出
力端部１０６間に起電力を得ることができる。また、蓄
電手段１０８に、起電力が蓄えられる。時刻表示手段１
０９は、蓄電手段１０９からの起電力により作動する。

【０００８】図９は本発明の複合素子を使用した熱電素
子の構造と発電原理および電子時計の動作原理図であ
る。第一の絶縁体７０１を吸熱側、第二の絶縁体７０２
を放熱側とすると、吸熱側の温度を、放熱側と比較して
高温となるような温度差を与えた場合、絶縁体７０１か
ら絶縁体７０２の方向に熱が伝達される。その際に、ｎ
型半導体複合素子７０３の中では電子が放熱側の絶縁体
７０２の方向に移動する。ｐ型半導体複合素子７０４の
中では正孔が放熱側の絶縁体７０２の方向に移動する。
ｎ型半導体複合素子７０３とｐ型半導体複合素子７０４
は接続部７０５を介して電気的に直列に接続されている
ため、熱の伝達が電流に変換され、出力端部７０６間に
起電力を得ることができる。また、蓄電手段７０８に、
起電力が蓄えられる。時刻表示手段７０９は、蓄電手段
７０８からの起電力により作動する。

【０００９】図２は本発明の電子時計の動作原理を示す
システムブロック図である。熱電素子２０１に温度差が
与えられ、起電力が発生し、蓄電手段２０２に起電力が
蓄えられる。蓄電手段２０２の電圧が時刻表示手段２０
３を駆動できる電圧値に達すると、時刻表示手段２０３
が駆動する。

【００１０】

【実施例】

（１）第一実施例図１は本発明の熱電素子の構造と発電原理および熱電素
子を設けた電子時計の動作原理を示す図である。絶縁体
１０１、絶縁体１０２は酸化膜を付けたアルミニウムを
用いている。絶縁体１０１を吸熱側、第二の絶縁体１０
２を放熱側とすると、吸熱側が高温、放熱側が低温とな
るような温度差を与えた場合、第一の絶縁体１０１から
第二の絶縁体１０２の方向に熱が伝達される。その際
に、ｎ型半導体１０３およびｐ型半導体１０４をビスマ
ス−テルル系あるいはナマリ−テルル系材料を使用した
場合、ｎ型半導体１０３では電子が放熱側の第二の絶縁
体１０２の方向に移動すると共に、ｐ型半導体１０４で
は正孔が放熱側の第二の絶縁体１０２の方向に移動す
る。ｎ型半導体１０３とｐ型半導体１０４は電極１０５
を介して電気的に直列に接続されているため熱の伝達が
電流に変換され、両端の電極１０６の間に起電力が生じ
る。電極１０６の間に発生した起電力は、蓄電手段１０
８に蓄えられ、蓄電手段１０８の電圧が時刻表示手段１
０９を駆動できる電圧値に達すると、時刻表示手段１０
９が駆動し始めることができる。

【００１１】図２は本発明の熱電素子をエネルギー源と
して用いた電子時計の動作原理を示すシステムブロック
図である。熱電素子２０１に温度差が与えられ、起電力
が発生すると、蓄電手段２０２に蓄えられる。蓄電手段
２０２の電圧が時刻表示手段２０３を駆動するのに十分
な大きさに達すると、時刻表示手段２０３が動作し始め
る。

【００１２】図３〜図５に本発明の第一実施例における
熱電素子の製造工程の説明図を示す。図３〜図５に示す
製造方法によると、熱電素子の小型化、薄型化が可能で
単位面積当りの素子数を多くできる。電子時計に熱電素
子を搭載する場合、小スペースに多くの素子を設けるこ
とが必要とされる。以下にその製造方法の一例を示す。

【００１３】あらかじめ熱電素子として必要な厚さとな
るべき以上の厚さを有する板状あるいは棒状の熱電半導
体３０１をｐ型およびｎ型について、各々、所望の大き
さを有する柱状に切断する。この際、熱電半導体材料３
０１は切断中、切断後を通じて固定された状態としてお
き、バラバラにならないようにする。このため、熱電半
導体材料３０１を完全に切断しないか、あるいは、熱電
半導体材料３０１をワックス、接着剤、はんだ等により
ガラス板等の別の基体３０２に接合しておく（工程３０
０１・工程３００２）。

【００１４】次に、ｐ型半導体材料３０３とｎ型半導体
材料３０４の柱の先端がお互いの隙間に入るように交互
に向かい合わせて配置する（工程３００３）。この向か
い合わせたｐ型半導体３０３と、ｎ型半導体３０４の柱
の隙間の一部、または、全部を樹脂、ガラス、セラミッ
クス等の絶縁性の物質３０５で充填し、硬化させるかな
どすることにより、固定・一体化する（工程３００
４）。

【００１５】この一体化したものを柱に垂直方向に切断
あるいは研磨することによってｐ型半導体、およびｎ型
半導体の端面を出す（工程３００５・工程３００６）。
図５に示す工程３００７は、この熱電素子ウェハーの断
面と表面を表した図である。

【００１６】この製造方法によれば、数ｍｍ以下の大き
さのチップに切断された熱電半導体材料を基板に配列せ
ずに、まとめて配列・固定した状態で加工ができる。す
なわち、従来、作製に困難であった微小サイズの熱電素
子の作製が可能となり、腕時計等のような小スペースに
おいても、多くの熱電半導体素子を配置することがで
き、高い起電力を発生することが可能となる。

【００１７】図６は各絶縁体に酸化膜を付けたアルミニ
ウムを用いた場合における熱電素子の厚さと出力電圧の
変化をシミュレーションした図である。このとき熱電素
子に与えた温度差は、室温での腕時計を使用した実験結
果より、吸熱側と放熱側との温度差を２℃と設定した。
また、素子の断面積は０．０１ｍｍ²とし、熱電素子数
をｎ型半導体およびｐ型半導体の合計が１５００〜４０
００個の場合を示した。また、腕時計等に熱電素子を搭
載する場合には、ムーブメント厚さ、外装厚さを考慮し
た場合、外観上の制約があることから、熱電素子の厚さ
は０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることが望ましい。こ
こでは、厚さ４ｍｍまでの熱電素子からの出力電圧の変
化を示した。

【００１８】図６より、一般のＩＣの動作電圧の実力値
は０．７Ｖであることを考慮した場合、熱電素子の厚さ
が３ｍｍである場合では、熱電素子数を１５００個以上
設けることにより、起電力０．７Ｖを発生することが可
能となり、腕時計のＩＣが駆動可能となる。

【００１９】また、一般のＩＣの動作電圧の規格値が
１．２Ｖであることを考慮した場合、素子の厚さの増加
に対する出力電圧の増加率が１０％以下では、素子の厚
みによる出力電圧の増加があまり期待できないことや、
また、熱電素子の薄型化を考慮した場合、素子の厚さは
０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることが望ましい。ここ
で、素子の厚さは０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下の場合に、
一般のＩＣの動作電圧の規格値である１．２Ｖの起電力
を発生させるためには、熱電素子数をｎ型半導体数およ
びｐ型半導体数の合計が３５００個以上接続する必要が
あることがわかる。

【００２０】図７は、絶縁体に酸化膜を貼ったアルミニ
ウムを用いた時の出力電流値の変化をシミュレーション
によって計算した一例である。シミュレーション条件
は、絶縁体の吸熱側の温度を放熱側の温度と比較して２
℃、ｎ型素子とｐ型素子を合わせて３５００個とした時
の出力電流の変化をシミュレーションによって理論計算
によって求めたものである。

【００２１】図７より、素子の厚さが０．２ｍｍの場
合、出力電流は０．６ｍＡとなり、二次電池等に充電す
るのに十分な電流を発生することが可能となることがわ
かる。図８（ａ）、（ｂ）は本発明の熱電素子をエネル
ギー源として用いた電子腕時計の外観および構造を示す
断面図を示したものである。絶縁板６０１は一般に気温
よりも高温である腕に触れるために吸熱側、絶縁板６０
２は大気中にあるために放熱側となる。絶縁板６０１が
腕より人体の熱を吸収し、絶縁板６０２との間に温度差
が生じると、熱は絶縁板６０１から素子６０３を通り絶
縁板６０２に伝えられ大気に放熱される。このときゼー
ベック効果により起電力が生じ蓄電手段６０４、例えば
リチウム２次電池あるいはバナジウム−リチウム２次電
池に蓄電され、この蓄えられた電気によりムーブメント
６０５が駆動する。

【００２２】また、ｎ型半導体およびｐ型半導体の断面
積が０．０１ｍｍ²、素子の厚さを１ｍｍ、素子数をｎ
型ｐ型合わせて４０００個、ｎ型半導体とｐ型半導体の
間隔を０．２ｍｍ、放熱側および吸熱側の電極と絶縁板
を合わせた厚さがそれぞれ１ｍｍであるとすると、熱電
素子の大きさは全体で約１４ｍｍ×１４ｍｍ×３ｍｍで
あることから、腕時計内において、ムーブメントおよび
二次電池と共に、熱電素子も同時に搭載することがで
き、かつ、２℃の温度差が熱電素子に与えられた場合、
約１．４Ｖの起電力を得ることができる。

【００２３】（２）第二実施例図９は本発明の第二実施例の熱電素子の構造と発電原理
および熱電素子を設けた電子時計の動作原理を示す図で
ある。絶縁体７０１、絶縁体７０２は酸化膜を付けたア
ルミニウムを用いている。絶縁体７０１を吸熱側、第二
の絶縁体７０２を放熱側とすると、吸熱側が高温、放熱
側が低温となるような温度差を与えた場合、第一の絶縁
体７０１から第二の絶縁体７０２の方向に熱が伝達され
る。その際に、ｎ型半導体複合素子７０３およびｐ型半
導体複合素子７０４をビスマス−テルル系あるいはナマ
リ−テルル系材料を使用した場合、ｎ型半導体複合素子
７０３では電子が放熱側の第二の絶縁体７０２の方向に
移動すると共に、ｐ型半導体複合素子７０４では正孔が
放熱側の第二の絶縁体７０２の方向に移動する。ｎ型半
導体複合素子７０３とｐ型半導体複合素子７０４は電極
７０５を介して電気的に直列に接続されているため熱の
伝達が電流に変換され、両端の電極７０６の間に起電力
が生じる。

【００２４】このような、半導体複合素子を用いて熱電
素子７０８を構成することにより、製造コストの低減、
歩留まりの向上、信頼性の向上が可能となる。また、第
一実施例と同様に、電極７０６の間に発生した起電力
は、蓄電手段７０８に蓄えられ、蓄電手段７０８の電圧
が時刻表示手段７０９を駆動できる電圧値に達すると、
時刻表示手段７０９が駆動し始めることができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、絶縁体に酸化膜をつけ
たアルミニウムを用いた熱電素子のｎ型、ｐ型半導体の
厚さを０．１ｍｍ〜３ｍｍ、さらに望ましくは０．２ｍ
ｍ〜１ｍｍとすることにより、必要とする起電力を得る
ための熱電素子としては発電効率が良くかつ小型化され
たものを得ることができ、この熱電素子を電子時計に用
いることにより、小型かつ薄型の熱電素子をエネルギー
源として駆動する電子時計を実現することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子時計の動作原理図である。

【図２】本発明の電子時計のシステムブロック図であ
る。

【図３】本発明の第一実施例における熱電素子の製造工
程の説明図（その１）である。

【図４】本発明の第一実施例における熱電素子の製造工
程の説明図（その２）である。

【図５】本発明の第一実施例における熱電素子の製造工
程の説明図（その３）である。

【図６】本発明の第一実施例における熱電素子のシュミ
レーション結果（出力電圧値）を示す図である。

【図７】本発明の第一実施例における熱電素子のシュミ
レーション結果（出力電流値）を示す図である。

【図８】本発明の第一実施例における電子腕時計の外観
および構造を示す断面図である。

【図９】本発明の第二実施例における電子時計の動作原
理図である。

【図１０】従来の腕時計を示す断面図である。

【符号の説明】

１０１、１０２絶縁体１０３ｎ型半導体１０４ｐ型半導体１０５接続部１０６出力端子部１０７熱電素子１０８蓄電手段１０９時刻表示手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のｎ型半導体（１０３）と複数のｐ
型半導体（１０４）を交互に電気的に直列となるように
接続する複数の接続部（１０５）と、起電力を取り出すための出力端子部（１０６）と、接続部（１０５）を一つおきに固定する、酸化膜を付け
たアルミニウムで構成した第一の絶縁体（１０１）と、第一の絶縁体（１０１）に固定されていない接続部（１
０５）を固定する、酸化膜を付けたアルミニウムで構成
した第二の絶縁体（１０２）とを有し、複数のｎ型半導体（１０３）と複数のｐ型半導体（１０
４）を１５００個以上直列に接続して熱電素子（１０
７）を構成し、熱電素子（１０７）から発生した起電力を蓄える蓄電手
段（１０８）と、蓄電手段（１０８）に蓄えられた起電
力により動作する時刻表示手段（１０９）を有すること
を特徴とする電子時計。
【請求項２】複数のｎ型半導体（７０３１）から構成
されるｎ型半導体複合素子（７０３）と、複数のｐ型半
導体（７０４１）から構成されるｐ型半導体複合素子
（７０４）を交互に電気的に直列になるように接続する
複数の接続部（７０５）と、起電力を取り出すための出力端子部（７０６）を有し、接続部（７０５）を一つおきに固定する、酸化膜を付け
たアルミニウムで構成した第一の絶縁体（７０１）と、第一の絶縁体（７０１）に固定されていない接続部（７
０１）を固定する、酸化膜を付けたアルミニウムで構成
した第二の絶縁体（７０５）とを有し、複数のｎ型半導体複合素子（７０３）と複数のｐ型半導
体複合素子（７０４）を１５００個以上直列に接続して
熱電素子（７０７）を構成し、熱電素子（７０７）から発生した起電力を蓄える蓄電手
段（７０８）と、蓄電手段（７０８）に蓄えられた起電
力により動作する時刻表示手段（７０９）を有すること
を特徴とする電子時計。
【請求項３】請求項１記載の第一の絶縁体（１０１）
と第二の絶縁体（１０２）との間に固定される複数のｎ
型半導体（１０３）および複数のｐ型半導体（１０４）
の厚さは０．１ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とする電
子時計。
【請求項４】請求項２記載の第一の絶縁体と第二の絶
縁体との間に固定される複数のｎ型半導体複合素子（７
０３）および複数のｐ型半導体複合素子（７０４）の厚
さが０．１ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とする電子時
計。
【請求項５】請求項１記載の熱電素子（１０７）は、
複数のｎ型半導体（１０３）および複数のｐ型半導体
（１０４）の厚さが０．２ｍｍ〜１ｍｍであることを特
徴とする電子時計。
【請求項６】請求項２記載の熱電素子（７０７）は、
複数のｎ型半導体複合素子（７０３）および複数のｐ型
半導体複合素子（７０４）のそれぞれの厚さが０．２ｍ
ｍ〜１ｍｍであることを特徴とする電子時計。
【請求項７】請求項１、３または５のいずれか１項記
載の電子時計において、熱電素子（１０７）の個数は、
３５００個以上であることを特徴とする電子時計。
【請求項８】請求項２、４または６のいずれか１項記
載の電子時計において、熱電素子（７０７）の個数は、
３５００個以上であることを特徴とする電子時計。