JPH10111370A - 電力供給装置、発電装置、電子機器および電力供給装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子を備えた発電装置などから入力され
た交流電力を整流して供給する電力供給装置において、
整流用のダイオードの順方向電圧の損失を防止できる電
力供給装置を提供する。 【解決手段】 整流回路２で整流された後に降圧する回
路４０を設け、大容量コンデンサ５や、処理装置６に電
力を供給する電圧制御回路５０に出力する。整流回路２
では、高電圧で整流されるので、ダイオードの順方向電
圧を変えずに整流効率を向上することができ、損失の少
ない電力供給装置３０を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流発電装置の出
力を用いて計時装置などの処理装置を稼動できる電子機
器、発電装置および電力供給装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】腕時計装置のような小型で携帯に適した
電子機器において、発電装置を内蔵することによって電
池の交換をなくし、あるいは電池自体を無くすことがで
きる携帯型の電子機器が考案され、実用化されている。
図５に、その一例として発電装置１を内蔵した腕時計装
置１０の概略構成を示してある。この携帯型電子機器
（腕時計装置）１０においては、腕時計装置のケース内
で旋回運動を行う回転錘１３と、回転錘１３の回転運動
を電磁発電機に伝達する輪列機構８と、電磁発電機を構
成するロータ１４およびステータ１５を備えており、２
極磁化されたディスク状のロータ１４が回転するとステ
ータ１５の出力用コイル９に起電力が発生し、交流出力
が取り出せるようになっている。さらに、この携帯型電
子機器は、発電装置１から出力された交流を整流する整
流回路２と、発電装置１から得られた電力を蓄積する大
容量コンデンサ５などによって構成された電力供給装置
３０と、この電力供給装置３０からの電力によって動作
する計時機能７などを備えた処理装置６を備えている。

【０００３】このような携帯型の電子機器は、ロータ１
４およびステータ１５を備えた回転型の電磁式の発電装
置１から電力を大容量コンデンサ５に蓄えて、その電力
によって計時装置などの処理装置６を稼働することがで
きる。従って、電池がなくても処理装置６を継続して動
作させることができ、何時でも何処でも処理装置を使
え、さらに、電池の廃棄などに伴う問題も除くことがで
きる電子機器である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この電子機器の発電装
置１から供給される電力は交流電力であるので、大容量
コンデンサ５に充電し、また、ＩＣなどを備えた処理装
置６の作動電力とするためには整流して直流電力に変換
する必要がある。このため、電力供給装置３０は複数の
ダイオード３をブリッジに接続した整流回路２を備えて
いる。これらのダイオード３としてシリコンダイオード
が用いられていると、図６に示すように順方向の電流Ｉ
ｆに対して０．５〜０．６Ｖ程度の順方向電圧Ｖｆがあ
る。このため、発電装置１から供給された電力Ｗ０を整
流回路２によって整流して得られる整流後の電力Ｗ１
は、整流回路２を構成するダイオードの順方向電圧Ｖｆ
の損失を考慮すると次のようになる。

【０００５】 Ｗ１ ＝ ηｃ× Ｗ０ ・・・（１） ηｃ ＝ Ｖ１／（Ｖ１＋２×Ｖｆ） ・・・（２） ここでηｃは充電時の整流効率、Ｖ１は整流回路から得
られる整流後の電圧であり、図５に示した回路において
は大容量コンデンサ５の充電電圧に対応する。

【０００６】処理装置６の作動電圧は、ＩＣなどの低電
圧駆動化が進んでいるため、例えば、０．９〜１．０Ｖ
程度でスタートさせることが可能である。従って、大容
量コンデンサ５の電圧は１．５〜２Ｖ程度に選択されて
おり、これに対し０．５〜０．６Ｖ程度の順方向電圧Ｖ
ｆを考慮すると整流効率ηｃは、０．６程度の値となっ
てしまう。従って、整流効率ηｃを向上するためには順
方向電圧Ｖｆを低減することが望ましい。

【０００７】一方、回転錘１３が動かないとき、例えば
腕時計装置を腕からはずしているときなどに発電装置１
が発電を停止した場合は、大容量コンデンサから電力が
整流回路２を通って発電装置１の側に逆流して浪費され
る可能性がある。このため、整流回路２のダイオード３
としては電力の逆流を防止するために逆リーク電流Ｉｒ
の小さいものが望ましい。この逆リークによる漏れ損失
Ｌｒは以下のように表すことができる。

【０００８】 Ｌｒ ＝ Ｖ１×（Ｉｒ×２） ・・・（３） この漏れ損失Ｌｒは、発電装置１が発電を停止している
間に継続して発生する。従って、整流回路２を構成する
ダイオードとしては、逆リーク電流Ｉｒの小さなものが
望ましく、この点でシリコンダイオードが優れている。
このため、順方向電圧Ｖｆが高くともシリコンダイオー
ドが整流回路に多用されており、上記の程度の整流効率
で電力が大容量コンデンサあるいは処理装置に供給され
ている。

【０００９】図７に圧電素子に繰り返し変位を与えて発
電を行う振動型の発電装置１を備えた腕時計装置１０の
一例を示してある。この腕時計装置１０に用いられてい
る発電装置１は、地板１２に一端がネジ２７で固定され
たカンチレバー状の振動片２１を備えており、この振動
片２１の両側に圧電体部２２が設けられている。振動片
２１の先端には重り２５が取り付けられており、重り２
５が駆動系によって動かされることにより振動片２１が
加振され、振動片２１の先端が自由端となり、地板１２
にネジ２７で固定された側が支持端となって自由振動が
励起される。これにより、圧電体部２２に繰り返し変位
が与えられて発電が行われ、その交流出力が上記と同様
の電力供給装置３０に入力されるようになっている。従
って、この腕時計装置１０を腕などに装着して振動を与
えると、振動片２１から電力供給装置３０に交流電力が
入力される。そして、電力供給装置３０において整流さ
れた直流電力が大容量コンデンサ５や処理装置６に供給
される。

【００１０】圧電素子は静電容量が小さいため、高電圧
は容易に得られるが、発生する電流は非常に小さく、上
述したような携帯用の電子機器の処理装置で使用する数
Ｖレベルの電源の充電に用いるには効率が悪い。このた
め、例えば、図８に示すように、振動片２１の中心の支
持層（シム層）２６の両側に圧電体部２２ａおよび２２
ｂを設け、さらに、振動方向Ｙに各々３層の圧電体層が
積層された層構造にしている。これら３層の圧電体層２
０ａ、２０ｂおよび２０ｃは、矢印Ｘで示すように向か
い合った方向に分極しており、３層の圧電体層２０ａ、
２０ｂおよび２０ｃが電極２３によって並列に接続し易
い分極配置としてある。

【００１１】このように多層の圧電体層を積層して振動
片を構成することにより、起電圧が低く電流密度の高い
起電力を得ることが可能である。しかし、積層して振動
片を作成するために振動片２１のコストが高くなり、ま
た、振動片２１の側方に電極に覆われていない発電に寄
与しない領域Ｚが生じてしまう。また、この圧電素子を
用いた振動型の発電装置を処理装置などに供給する電力
供給装置においても上記と同様の整流回路が用いられて
いるので、ダイオードの順方向電圧Ｖｆに起因する損失
や、逆リークに起因する損失が発生する。

【００１２】発電装置を搭載した携帯型の電子機器にお
いて発電に用いられるエネルギーは、ユーザーの腕や体
の運動に伴って得られるエネルギーや、その他の自然な
エネルギーに限定される。従って、これらの不安定なエ
ネルギーを電気エネルギーに効率良く変換して大容量コ
ンデンサーなどの充電装置や処理装置に供給し、さら
に、いったん充電された電力の浪費をできるかぎり防止
することが重要である。そこで、本発明においては、整
流回路における順方向電圧に起因する損失を低減できる
と共に、逆リークによる漏れ損失も低減できる電力供給
回路を提供することを目的としている。さらに、この電
力供給回路を用いて効率良く電力を供給でき、また、充
電できる発電装置を提供することを目的としている。特
に、高電圧が得られる圧電素子を用いた発電装置に適し
た効率の良い電力供給回路および発電装置を提供するこ
とを目的としている。そして、このような高効率の発電
装置を処理装置と共に搭載することにより、電池の交換
なく、いつでも何処でも使用できる携帯に適した電子機
器を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明においては、整流
回路に用いられるダイオードの順方向電圧に比べて十分
に高い電圧で整流を行いダイオードの順方向電圧を下げ
ずに整流効率を向上できるようにしている。このため、
整流手段によって整流した後に降圧手段によって整流後
の電圧を降圧し、出力端に接続された充電装置や処理装
置などに供給できるようにしている。すなわち、本発明
の電力供給装置は、交流電力が入力される入力端と、電
力を消費する処理装置または充電装置の少なくともいず
れかに接続される出力端と、入力端から入力された交流
電力を整流する整流手段と、この整流手段によって整流
された整流後の電力を降圧して出力端に転送する降圧手
段とを有することを特徴としている。このような降圧手
段を設けることにより、入力端の電圧を高くすることが
できるので、上述した式（１）における整流回路の整流
後の電圧Ｖ１を高く設定できる。従って、順方向電圧Ｖ
ｆが同じであっても整流効率ηｃを高くすることがで
き、電力供給装置におけるロスを低減することが可能に
なる。また、逆リーク電流の小さなシリコンダイオード
を用いて整流効率ηｃを高くできるので、逆リーク電流
に伴う漏れ損失を小さくできる。

【００１４】降圧手段は、複数の降圧コンデンサと、こ
れら降圧コンデンサを整流手段の出力に対し直列に接続
する第１のスイッチ手段と、降圧コンデンサを出力端に
並列に接続する第２のスイッチ手段とを備えていること
を特徴とするコンデンサ降圧回路などを用いることがで
きる。さらに、降圧手段に、入力端の入力電圧が出力端
の出力電圧に対し高いときに整流後の電力を降圧して出
力端に供給する第１のモードと、入力電圧が出力電圧に
対し低いときに整流手段と出力端を分離する第２のモー
ドの２つのモードを設けることが可能であり、これによ
り出力電圧が高いときは出力端を入力端から分離できる
ので、出力端に接続された充電装置などからの逆流を降
圧手段を用いて阻止することが可能になる。

【００１５】さらに、入力電圧および出力電圧が低いと
きに整流後の電力を出力端に降圧せずに供給する第３の
モードを設けることにより、入力電圧が低くとも充電装
置が充電できる程度、あるいは処理装置が稼働できる程
度の高い電圧を出力端に供給することができる。第３の
モードは、降圧コンデンサを接続するスイッチ手段を用
いて実現することも可能であり、また、降圧コンデンサ
をバイパスする手段を設けてももちろん良い。

【００１６】このような降圧手段の制御は、次のような
ステップを備えた制御方法によって実現可能であり、マ
イコンなどを用いて電力供給回路の制御を行う場合は次
のステップを備えたソフトウェアを格納したＲＯＭなど
のコンピュータに読み取り可能な媒体によって提供する
ことができる。

【００１７】１．入力端の入力電圧が出力端の出力電圧
に対し高いときに降圧手段により整流後の電力を降圧し
て前記出力端に供給する第１のステップ。

【００１８】２．入力電圧が出力電圧に対し低いときに
整流手段と出力端を分離する第２のステップ。

【００１９】さらに、制御用の電力も十分に得られない
ような早い段階からのスタートを実現するためには、第
３のステップとして、入力電圧および出力電圧が低いと
きに整流後の電力を前記出力端に降圧せずに供給するス
テップを設けておくことが望ましい。

【００２０】また、整流後の電力を蓄電する入力補助蓄
電手段を設け、降圧手段が入力補助蓄電手段から放電さ
れた電力を降圧できるようにすることにより、降圧手段
が出力端に接続されている間に入力端に供給された電力
を入力補助蓄電手段で保持できる。これにより、降圧す
る間に整流手段に入力された電力を有効に利用すること
できる。

【００２１】また、出力端に充電装置に接続される第１
の出力端と、処理装置に接続される第２の出力端とを設
け、第１の出力端は第２の出力端に対し充電装置を並列
に接続可能とし、さらに、第１の出力端を通して充電装
置から放電された電力を昇圧または降圧の少なくともい
ずれかを行って第２の出力端に供給可能な出力電圧制御
手段を設けることにより、入力端に電力が供給されない
ときに充電装置に蓄積された電力を処理装置に対し有効
に供給することができる。例えば、充電装置が充電され
て高電圧になった場合は、出力電圧制御手段によって降
圧することにより充電装置の放電量を抑制できる。ま
た、充電装置が放電して低電圧になった場合でも、出力
電圧制御手段によって昇圧することにより処理装置が稼
働可能な電圧を確保することができる。

【００２２】このような本発明の電力供給装置の入力端
に、回転型や振動型などの交流電力を供給可能な発電手
段を接続し、さらに、整流後の電力を蓄積可能な充電手
段を出力端に接続することにより、整流効率が高く、ま
た、漏れ損失の少ない発電装置を提供することができ
る。特に、圧電素子を用いた発電手段は、圧電素子の静
電容量が小さいため高電圧が容易に得られるので、本発
明の発電装置に適している。さらに、起電圧を低下する
ために複数の圧電体層を積層する構造を採用しなくて良
いので、発電に寄与しない領域を振動片に設けなくて済
み、発電効率の高い発電装置を実現できる。また、整流
後の電圧を一時的に蓄える入力補助蓄電手段としては充
電手段よりも最大耐電圧の大きなものを採用することに
より静電破壊を防止することができる。

【００２３】従って、本発明の電力供給装置を採用する
ことにより、発電装置から処理装置に対し効率良く安定
した電力を供給でき、さらに、漏れ損失も少ないので長
時間電力を供給することができる。このため、何時でも
何処でも計時装置などの処理装置の機能を発揮させられ
る電子機器を提供できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明をさ
らに詳しく説明する。図１に本発明に係る発電装置を備
えた腕時計装置の概要を示してある。本例の腕時計装置
１０は、発電装置１と、この発電装置１から入力された
電力を整流して計時処理などの処理装置６に供給する電
力供給装置３０を備えている。処理装置６は、時計部７
を駆動したりアラーム処理を行うなどの計時処理の他に
ラジオ、ページャあるいパソコンなどの機能を備えてい
るものであってももちろん良い。また、本例の電力供給
装置３０には、充電装置として大容量コンデンサ５が処
理装置６とは異なる出力端に接続されている。これらの
電力供給装置３０、処理装置６および大容量コンデンサ
５などは、後述する発電装置１と平面的に重なる様に配
置されており、腕時計装置全体の小型化が図られてい
る。

【００２５】本例の腕時計装置１０に用いられている発
電装置１は、片持ち梁（カンチレバー）状に地板１２に
固定された振動片２１を備えている。振動片２１は中心
のシム部２６と、その両側に設けられた圧電体部２２ａ
および２２ｂとを備えており、さらに、振動片２１の先
端に重り２５が取り付けられている。従って、振動片２
１の重り２５に打撃が与えられると振動片２１の先端が
自由端となり、地板１２にネジ２７で固定された側が支
持端となって自由振動する。この自由振動によって圧電
体部２２ａおよび２２ｂに繰り返し変位が与えられ圧電
体部２２ａおよび２２ｂに起電力が発生し、電力供給装
置３０の入力端３１に交流電力が供給される。

【００２６】本例の腕時計装置１０においては、振動片
２１がケースの内部で回転運動を行う回転錘１３によっ
て駆動されるようになっている。回転錘１３は、腕時計
装置１０がユーザーの腕に装着されると、ユーザーの腕
や体の動きなどと連動して回転する。従って、この回転
錘１３の動きを輪列８によってカム駆動車１７に伝達
し、このカム駆動車１７によってカム１９を左右に動か
し、さらに、カム１９から振動片２１の重り２５の内部
に伸びた突出部１８を動かして振動片２１に打撃を与え
られるようにしている。このような機構により、本例の
腕時計装置１０は、ユーザーの腕や体などの動きを捉え
て振動片２１を振動させ発電を行うことが可能であり、
この電力を電力供給装置３０を介して処理装置６に転送
し、電池を用いずに何時でも何処でも処理装置６を稼働
することができる。

【００２７】図２に、本例の電力供給装置３０をさらに
詳しく示してある。本例の電力供給装置３０は、入力端
３１に入力された発電装置１からの交流電力を整流して
出力端３２および３３に出力できるようになっており、
そのために、ダイオード３でブリッジを構成した整流回
路２を備えている。この整流回路２には、入力補助コン
デンサ３４が並列に接続されており、この入力補助コン
デンサ３４に充電された電力が降圧回路４０を介して出
力端３２および３３に伝達されるようになっている。降
圧回路４０の出力側に接続された第１の出力端３２に
は、充電装置である大容量コンデンサ５が接続されてお
り、降圧回路４０の出力によって大容量コンデンサ５を
充電できるようになっている。さらに、第１の出力端３
２には、出力電圧制御回路５０を介して第２の出力端３
３が接続されており、大容量コンデンサ５の電力を電圧
調整して第２の出力端３３に接続された処理装置６に供
給できるようになっている。また、出力電圧制御回路５
０は降圧回路４０にも接続されているので、降圧回路４
０を通して整流回路２によって整流された電力を直に処
理装置６に供給することも可能である。さらに、本例の
電力供給装置３０は、降圧回路４０および出力電圧制御
回路５０を制御する制御回路３５を備えており、この制
御回路３５には整流回路２の整流後の電圧Ｖ１、大容量
コンデンサ５の充電電圧Ｖsc、および出力電圧制御回路
５０の出力側の電圧（出力電圧Ｖ２）が制御のために入
力されている。本例の制御回路３５においては、入力端
３１の電圧を整流後の電圧Ｖ１によって監視しており、
また、出力端３２の電圧を出力電圧制御回路５０の出力
側の電圧Ｖ２で監視している。なお、本例の腕時計装置
１０は、高電圧側Ｖddが接地されて基準電圧となってい
る。このため、以下においては、出力電圧として低電圧
側Ｖssを参照し、電圧値は簡単のため全て絶対値で示す
こととする。

【００２８】本例の出力電圧制御回路５０は、３つのコ
ンデンサ５１、５２および５３を用いて入力側の電圧、
すなわち、降圧回路４０の出力または大容量コンデンサ
５の出力電圧を多段階に昇圧および降圧できるようにな
っている。このため、出力電圧制御回路５０を用いて、
大容量コンデンサ５の電圧Ｖscや降圧回路４０から供給
される電圧が処理装置６の稼働できる電圧より低い場合
は昇圧して処理装置６に供給し、コンデンサ５が未充
電、あるいは放電末期の状態でも処理装置６を継続して
稼働することができる。また、大容量コンデンサ５の電
圧Ｖscが処理装置６の稼働のために必要とされる電圧よ
り高いときは降圧して処理装置６に供給し、大容量コン
デンサ５の放電量を少なくすることができる。

【００２９】本例の降圧回路４０は、整流回路２によっ
て整流された電力を１／２降圧し、大容量コンデンサ５
の接続された出力端３２、および出力電圧制御回路５０
を介して処理装置６の接続された出力端３３に供給でき
るようになっている。このため、２つの降圧用のコンデ
ンサ４１および４２を備えており、スイッチＳＷ１０お
よびＳＷ１１によってコンデンサ４１および４２が直列
に接続された状態で整流回路２に接続できるようになっ
ている。また、スイッチＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ
２２によってコンデンサ４１および４２が並列に接続さ
れた状態で出力端３２の側に接続されるようになってい
る。これらにスイッチのうち、スイッチＳＷ１０および
ＳＷ２０は、コンデンサ４１および４２を整流回路２の
側あるいは出力端３２の側にそれぞれオンオフできる位
置に設けられている。このため、スイッチＳＷ１０およ
びＳＷ２０をオンすることにより、降圧回路４０をバイ
パスして整流回路３の出力を出力端３２および出力電圧
制御回路５０に供給することができる。

【００３０】図３に、制御回路３５による降圧回路４０
の制御方法をフローチャートを用いて示してある。ま
た、図４に、制御回路３５から降圧回路４０の各スイッ
チＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ
２２を制御するための制御信号φ１０、φ１１、φ２０
およびφ２１をタイミングチャートを用いて示してあ
る。制御回路３５は、ステップ６１において入力電圧を
整流後の電圧Ｖ１で検出し、整流後の電圧Ｖ１が出力端
３２と並列に接続された電圧制御回路５０で昇圧できる
最も低い電圧（基準電圧）Ｖ０の２倍以上であるか否か
を判断する。電圧制御回路５０は、出力端３２および降
圧回路４０に接続された一次側が基準電圧Ｖ０以上であ
れば、その電力を処理装置６が稼働可能な電圧まで昇圧
して２次側である出力端３３に出力できるようになって
いる。整流後の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０の２倍以上であ
れば、次にステップ６２において、整流後の電圧Ｖ１が
大容量コンデンサ５の充電電圧Ｖscの２倍以上であるか
を確認する。整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖscの２倍よ
り高いときは、整流後の電圧Ｖ１を１／２降圧しても大
容量コンデンサ５から整流回路２の側に逆流することが
なく、また、整流後の電圧Ｖ１を１／２降圧しても処理
装置６を動作させるための基準電圧Ｖ０を確保できる。
従って、ステップ６６において、整流回路３の出力を降
圧回路４０によって１／２降圧して電圧制御回路５０に
転送する。このような、降圧回路４０によって整流され
た電力を降圧して出力端（電圧制御回路５０および大容
量コンデンサ５）に転送する処理をモード１の処理とす
る。

【００３１】一方、ステップ６２において、整流後の電
圧Ｖ１が充電電圧Ｖscの２倍よりも小さいときは、降圧
回路４０によって整流後の電力を降圧すると大容量コン
デンサ５から入力補助コンデンサ３４に逆流する可能性
がある。また、入力端３１における入力電圧を直に制御
に用いている場合は、入力端３１から発電装置１に電流
が逆流する可能性がある。従って、ステップ６７におい
て、降圧回路４０の降圧用コンデンサ４２および４１を
入力補助コンデンサ３４あるいは出力端３２の側から切
り離した状態で保持し、入力補助コンデンサ３４から出
力端３２を通して大容量コンデンサ５に電力を転送する
のを停止する。この処理をモード２の処理とする。モー
ド２においては、大容量コンデンサ５から放電された電
力が電圧制御回路５０に供給される。

【００３２】さらに、ステップ６１において、整流後の
電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０の２倍以下の場合は、整流後の
電圧Ｖ１を降圧すると処理装置６を稼働させるための電
圧を電圧制御回路５０に対し供給できない。しかしなが
ら、ステップ６３において、整流後の電圧Ｖ１が基準電
圧Ｖ０以上であれば、降圧しなければ基準電圧Ｖ０を確
保することが可能である。この場合も、整流後の電圧Ｖ
１が充電電圧Ｖsc以下であると大容量コンデンサ５から
入力補助コンデンサ３４に逆流する。従って、ステップ
６４において、整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖsc以下の
ときは、ステップ６７においてモード２を選択し、入力
補助コンデンサ３４を出力端３２から分離する。一方、
ステップ６４において整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖsc
と同じまたは以上であれば、ステップ６８において、降
圧回路４０において降圧せずに、入力補助コンデンサ３
４から出力端３２に電力を供給する。この処理をモード
３の処理とする。

【００３３】さらに、ステップ６３において、整流後の
電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０以下の場合は、発電装置１から
供給された電力では、電圧制御回路５０を通しても処理
装置６を作動することができない。しかしながら、ステ
ップ６５において、大容量コンデンサ５の充電電圧Ｖsc
が基準電圧Ｖ０以上であれば、大容量コンデンサ５の放
電によって処理装置６を継続して稼働させることができ
る。従って、ステップ６７に移行してモード２を選択
し、大容量コンデンサ５の電力が入力補助コンデンサ３
４に逆流しない状態で大容量コンデンサ５から電圧制御
回路５を介して出力端３３に接続された処理装置６に電
力を供給する。

【００３４】一方、ステップ６５において、大容量コン
デンサ５の充電電圧Ｖscが基準電圧Ｖ０以下の場合は、
大容量コンデンサ５の電力によっても処理装置６を継続
して動作させることができない。このような大容量コン
デンサ５に制御電力を供給できる程度の電力もないコー
ルドスタートの状態では、発電装置１が発電を再開して
電力が供給された際に、その電力を電圧制御回路５０を
介して処理装置６にすぐに供給できることが望ましい。
このため、ステップ６８においてモード３を選択し、整
流回路２の出力と電圧制御回路５０の１次側を直結して
いる。なお、本例の電力供給装置３０においては、整流
後の電圧Ｖ１によって上記の制御を行っているが、入力
端３１の入力電圧は整流後の電圧Ｖ１によって変動する
ので、入力端３１の入力電圧を直に検出して上記と同様
の制御を行うことももちろん可能である。

【００３５】図４に、上述した各モードにおいて、降圧
回路４０の各スイッチＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ２０、
ＳＷ２１およびＳＷ２２に供給される制御信号φ１０、
φ１１、φ２０およびφ２１の状態を示してある。ま
ず、時刻ｔ０で、大容量コンデンサ５に電圧がなく、整
流後の電圧Ｖ１も基準電圧Ｖ０に達していない場合は、
モード３が選択される。このモード３においては、スイ
ッチＳＷ１０およびスイッチＳＷ２０を制御する制御信
号φ１０およびφ２０が高レベルとなり、スイッチＳＷ
１０およびＳＷ２０がオンとなる。このため、整流回路
２が出力端３２および電圧制御回路５０が直に接続さ
れ、整流回路２で整流された電力が降圧されずに出力端
３２および電圧制御回路５０に供給される。一方、スイ
ッチＳＷ１１を制御する制御信号φ１１と、スイッチＳ
Ｗ２１およびＳＷ２２を制御する制御信号φ２１は低レ
ベルであるので、これらのスイッチＳＷ１１、ＳＷ２１
およびＳＷ２２はオフとなる。従って、降圧用のコンデ
ンサ４１および４２は切り離された状態であり、モード
３においてはこれらのコンデンサ４１および４２は充放
電されないようになっている。制御信号φ２１を高レベ
ルとしてスイッチＳＷ２１およびＳＷ２２をオンし、大
容量コンデンサ５にコンデンサ４１および４２を並列に
接続することも可能であり、これによって大容量コンデ
ンサ５として用いられる容量を増やすことができる。

【００３６】この状態で発電装置１が発電を開始する
と、その電力は整流回路２で整流され、さらに、整流回
路２の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０以上になると電圧制御回
路５０で昇圧され処理装置６が稼働を開始する。同時
に、大容量コンデンサ５が整流された電力により充電さ
れる。そして、時刻ｔ１に整流回路２の整流後の電圧Ｖ
１が基準電圧Ｖ０の２倍に達すると、モード１に移行し
降圧回路４０によって降圧された電力が供給される。モ
ード１においては、まず、時刻ｔ１に制御信号φ２０が
低レベルになってスイッチＳＷ２０がオフとなり降圧回
路４０が出力端３２から分離される。次に、時刻ｔ２に
制御信号φ１１が高レベルになってスイッチＳＷ１１が
オンになる。これにより、降圧用のコンデンサ４１およ
び４２が直列に接続された状態で整流回路２に接続され
る。所定の時間が経過し、降圧用のコンデンサ４１およ
び４２が充電されると、時刻ｔ３に制御信号φ１０およ
びφ１１が低レベルになりスイッチＳＷ１０およびＳＷ
１１がオフになる。これにより、降圧用コンデンサ４１
および４２が整流回路２の側から切り離される。次に、
時刻ｔ４に制御信号φ２０およびφ２１が高レベルにな
りスイッチＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２がオンに
なる。これにより、降圧用コンデンサ４１および４２が
並列な状態で出力端３２および電圧制御回路５０に接続
される。従って、整流回路２で整流された電圧Ｖ１の電
力が１／２に降圧されて出力端３２および電圧制御回路
５０に転送される。整流後の電圧Ｖ１は基準電圧Ｖ０の
２倍以上になっているので、降圧しても電圧制御回路５
０の１次側の基準電圧Ｖ０を確保することができる。従
って、処理装置６を稼働するのに十分な電圧を出力端３
３から処理装置６に供給することができる。

【００３７】所定の時間が経過して、降圧コンデンサ４
１および４２が放電して電力が処理装置６および出力端
３２を介して大容量コンデンサ５に供給されると、時刻
ｔ５に制御信号φ２０およびφ２１を低レベルにしてス
イッチＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２をオフし、降
圧コンデンサ４１および４２を出力端３２の側から分離
する。さらに、時刻ｔ６に制御信号φ１０およびφ１１
を高レベルにしてスイッチＳＷ１０およびＳＷ１１をオ
ンし、整流回路２によって整流された電力で降圧コンデ
ンサ４１および４２を充電する。このような工程を繰り
返すことにより、整流回路２の出力を降圧して出力端３
２および電圧制御装置５０に転送することができる。

【００３８】また、時刻ｔ１０に発電装置１が発電を停
止するとモード２が選択される。モード２においては、
時刻ｔ１１に制御信号φ１０およびφ１１が低レベルと
なり、制御信号φ２０およびφ２１が高レベルとなった
状態が保持される。これにより、降圧回路４０のスイッ
チＳＷ１０およびＳＷ１１がオフとなり、スイッチＳＷ
２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２がオンとなる。このモー
ド２においては、このようなスイッチング操作により、
降圧コンデンサ４１および４２が出力端３２の側に接続
され、整流回路２の側から切り離された状態で保持され
る。このため、降圧回路４０を介して大容量コンデンサ
５や電圧制御回路５０の側から整流回路２あるいは発電
装置１に向かって電力が逆流しないようにできる。従っ
て、大容量コンデンサ５が放電して処理装置６を稼働さ
せている間に大容量コンデンサ５の電力が浪費されるの
を防止できる。

【００３９】このような降圧回路４０を設けておくこと
により、本例の電力供給装置３０においては、処理装置
６の作動電圧や大容量コンデンサ５の耐圧に対し、整流
回路２の整流後の電圧Ｖ１を高くすることができる。従
って、整流回路２を構成するダイオード３の順方向電圧
Ｖｆの損失に対し、上記の式（２）で示したように整流
回路２の整流効率ηｃを向上することができ、順方向電
圧Ｖｆによる損失を低減することができる。整流回路２
の整流後の電圧Ｖ１を上げることにより、式（３）に示
した漏れ損失Ｌｒは増加するが、漏れ損失Ｌｒの対象と
なるのは入力補助コンデンサ３４に一次的に蓄積された
電力のみであり、漏れ損失Ｌｒの増加は少ない。また、
本例の電力供給装置３０においては、順方向電圧Ｖｆの
損失を低減できるので、逆リーク電流の小さなシリコン
ダイオードで整流回路２を構成することができ、漏れ損
失Ｌｒを最小限に止めることができる。

【００４０】さらに、整流回路２と並列に設けられた入
力補助コンデンサ３４には、降圧コンデンサ４１および
４２が整流回路２から切り離されている間に整流回路２
で整流された整流後の電力により充電されるようになっ
ている。このため、入力補助コンデンサ３４を設けるこ
とにより、降圧コンデンサ４１および４２が整流回路２
に接続されていない間の電力を一時的に保持することが
できる。従って、入力補助コンデンサ３４により、発電
装置１から供給された電力をさらに効率的に降圧して出
力側３２に転送することができる。また、入力補助コン
デンサ３４として最大耐電圧が大容量コンデンサ５より
も高いコンデンサを採用することにより、整流後の電圧
Ｖ１を高くしてもコンデンサの破壊を防止することがで
きる。このような高耐圧のコンデンサは比較的安価に入
手可能であるので、入力補助コンデンサ３４を採用する
ことによるコスト的なディメリットは発生しない。

【００４１】このように、本例に電力供給装置３０にお
いては、整流された電力を降圧して出力端に転送するこ
とにより、整流効率を大幅に向上することができ、電力
供給装置３０におけるロスを低減することができる。ま
た、発電装置１から供給される電力の電圧を高くできる
ので、同じ電力の供給を受けるために流れる電流Ｉを小
さくすることができる。従って、Ｉ² Ｒで表される電力
損失を低減できるという効果もあり、電磁式の発電機に
おいては発電機内のロスを低減することも可能になる。
一方、本例の発電装置１に用いられている圧電素子は静
電容量が小さいため高電圧を容易に得ることができ、ま
た、起電圧を低下するために複数の圧電体層を積層する
構造を採用する必要もなくなる。従って、発電に寄与し
ない領域があり、高価な積層型の振動片２１を採用なく
て済み、シム材２６の両面に圧電体層２２が形成された
安価で高電圧が得られる圧電素子を用いた発電装置１を
採用することにより整流効率を高めることができる。こ
のため、本例の電力供給装置３０に圧電素子を用いた発
電装置１を接続することにより、発電効率が高く給電ロ
スの少ない発電装置を提供することができる。

【００４２】また、本例の降圧回路４０は、整流後の電
圧Ｖ１が高いときに降圧を行うモード１に加え、モード
２およびモード３といった処理が可能になっている。モ
ード２においては、整流後の電圧Ｖ１が低く、大容量コ
ンデンサ５から得られる出力電圧が高いときは整流回路
と出力端３２を分離できるようになっている。このた
め、出力端３２に接続された大容量コンデンサ５から電
力が整流回路２に逆流し、漏れ損失として浪費されてし
まうような事態を防止することができる。

【００４３】さらに、モード３においては、整流後の電
圧Ｖ１が低く、大容量コンデンサ５から得られる出力電
圧が低いときに、整流回路２からの整流後の電力を降圧
せずに大容量コンデンサ５や、電圧制御回路５０を介し
て処理装置６に供給できるようにしている。従って、整
流後の電圧Ｖ１が低くても、整流された電力を有効に利
用できる。スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０を操作する
電力が確保できないような場合であっても、例えば、そ
れぞれのスイッチをｎチャンネルトランジスタで構成
し、そのゲート電圧を接地側のＶｄｄから供給されるよ
うにすることにより、両スイッチＳＷ１０およびＳＷ２
０をオンの状態に保持することができる。もちろん、降
圧回路４０をバイパスするようなスイッチを設けてモー
ド３の状態を実現することも可能である。

【００４４】これらのモード１、モード２およびモード
３は、マイクロコンピュータなどを用いた制御回路３５
によって制御することができ、モードの制御はＲＯＭな
どのコンピュータに読み取り可能な媒体にプログラムと
して収納しておくことが可能である。この制御回路３５
は、さらに、降圧回路４０から供給された電力や大容量
コンデンサ５が放電した電力を昇圧あるいは降圧して処
理装置６に供給する電圧制御回路３５の制御も行えるよ
うになっており、そのためのプログラムも同一のＲＯＭ
などの媒体に記憶しておくことができる。

【００４５】このように、本発明の電力供給装置は、圧
電素子を用いた振動型の発電装置や、図５に示したロー
タおよびステータを備えた回転型の電磁式の発電装置な
どから供給された交流電力を効率良く整流でき、損失も
少なく大容量コンデンサなどの充電装置や処理装置に供
給することができる。このため、処理装置と共に本発明
の電力供給装置あるいは発電装置を搭載することによ
り、ユーザの動きなどを捉えて発電を行い連続的に起電
力が得られない電子機器においても発電装置から供給さ
れた電力により処理装置を稼働させることができ、ま
た、大容量コンデンサなどの充電装置を充電することが
できる。従って、電池なしで様々な環境下において長時
間、継続して処理装置を稼働させることが可能な電子機
器を提供することができる。本発明の電子機器は、上記
で説明した腕時計装置に限定されることなく、その他の
携帯型、あるいは車両搭載型などの電子機器として利用
でき、何時でも何処でも処理装置の機能を発揮できる電
子機器を実現することができる。例えば、本発明は上記
の例で説明した時計機能を備えた電子機器に加え、ペー
ジャー、電話機、無線機、補聴器、万歩計、電卓、電子
手帳などの情報端末、ＩＣカード、ラジオ受信機などの
電力を消費して動作する様々な処理装置と共に搭載し電
子機器を構成することが可能である。

【００４６】なお、本発明が上述した装置１０の回路例
に限定されないことはもちろんである。例えば、降圧回
路は１／２降圧にかぎらず、３つのコンデンサを用いた
１／３あるいは２／３降圧が可能な回路を用いることも
可能である。また、昇降圧可能な電圧制御回路を介さず
に処理装置に電力を供給できるようにすることももちろ
ん可能である。さらに、整流回路も全波整流にかぎら
ず、半波整流などの他の整流方法であっても良いことは
もちろんである。また、各スイッチとしてバイポーラあ
るいあユニポーラのトランジスタスイッチを用いること
も可能であり、電力供給装置をＩＣ化して提供したり、
あるいは処理装置と共に同一の半導体基板に搭載するな
ど様々なバリエーションが可能である。

【００４７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の電力供
給装置は、整流した後に電圧を降圧する機能を備えた装
置であり、この結果、整流する際の電圧を高く設定する
ことができる。従って、整流回路に用いられるダイオー
ドの順方向電圧を下げなくとも、それに起因する整流効
率を向上することができ、逆リークが少なく漏れ損失の
小さなシリコンダイオードを用いて効率の良い電力供給
装置を提供することができる。このため、本発明の電力
供給装置を用いて腕時計装置などに内蔵される小型の発
電装置から充電装置を充電でき、また、処理装置を稼働
できる電力を供給することができる。従って、本発明の
発電装置を処理装置や充電装置と共に搭載することによ
り、様々な環境下で継続して処理装置を稼働できる携帯
型に適した電子機器を提供することができ、電池の有無
などに係わらず、何時でもどこでも処理装置の機能を十
分に発揮させられる電子機器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電力供給装置を備えた腕時計装置
の概略構成を示す図である。

【図２】図１に示す電力供給装置の構成を示すブロック
図である。

【図３】図２に示す電力供給装置の降圧回路の制御方法
を示すフローチャートである。

【図４】図２に示す電力供給装置の降圧回路を構成する
スイッチを操作する制御信号を示すタイミングチャート
である。

【図５】従来の発電装置を備えた腕時計装置の概略構成
を示す図であり、ロータおよびステータを備えた電磁式
の回転型の発電装置を備えたものを示す図である。

【図６】ダイオードの順方向電圧の特性を示すグラフで
ある。

【図７】従来の発電装置を備えた腕時計装置の概略構成
を示す図であり、圧電素子を備えた振動型の発電装置を
備えたものを示す図である。

【図８】図７に示す圧電素子を備えた振動片の断面を示
す図である。

【符号の説明】

１・・発電装置 ２・・整流回路 ３・・ダイオード ５・・大容量コンデンサ ６・・処理装置 ７・・計時機構 １０・・携帯用電子機器 １２・・地板 １３・・回転錘 ２０・・圧電体層 ２１・・振動片 ２２・・圧電体部 ２５・・先端の重り ２６・・支持層（シム材） ２７・・ネジ ３０・・電力供給装置 ３１・・入力端 ３２、３３・・出力端 ３４・・入力補助コンデンサ ３５・・制御回路 ４０・・降圧回路 ４１、４２・・降圧用コンデンサ ５０・・電圧制御回路 ＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ２０、ＳＷ２１、ＳＷ２２・
・降圧用コンデンサの接続切り替え用スイッチ

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電力が入力される入力端と、 電力を消費する処理装置または充電装置の少なくともい
   ずれかに接続される出力端と、 前記入力端から入力された前記交流電力を整流する整流
   手段と、 この整流手段によって整流された整流後の電力を降圧し
   て前記出力端に転送する降圧手段とを有することを特徴
   とする電力供給装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記降圧手段は、前
   記入力端の入力電圧が前記出力端の出力電圧に対し高い
   ときに前記整流後の電力を降圧して前記出力端に供給す
   る第１のモードと、 前記入力電圧が前記出力電圧に対し低いときに前記整流
   手段と前記出力端を分離する第２のモードとを備えてい
   ることを特徴とする電力供給装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記降圧手段は、さ
   らに、前記入力電圧および前記出力電圧が低いときに前
   記整流後の電力を前記出力端に降圧せずに供給する第３
   のモードを備えていることを特徴とする電力供給装置。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記降圧手段は、複
   数の降圧コンデンサと、これら降圧コンデンサを前記整
   流手段の出力に対し直列に接続する第１のスイッチ手段
   と、前記降圧コンデンサを前記出力端に並列に接続する
   第２のスイッチ手段とを備えていることを特徴とする電
   力供給装置。
5. 【請求項５】 請求項１において、前記整流後の電力を
   蓄電する入力補助蓄電手段を有し、前記降圧手段は、前
   記入力補助蓄電手段から放電された電力を降圧できるこ
   とを特徴とする電力供給装置。
6. 【請求項６】 請求項１において、前記出力端は、前記
   充電装置に接続される第１の出力端と、前記処理装置に
   接続される第２の出力端とを備え、前記第１の出力端は
   前記第２の出力端に対し前記充電装置を並列に接続可能
   であり、 さらに、前記第１の出力端を通して前記充電装置から放
   電された電力を昇圧または降圧の少なくともいずれかを
   行って前記第２の出力端に供給可能な出力電圧制御手段
   を有することを特徴とする電力供給装置。
7. 【請求項７】 請求項１に記載の電力供給装置と、 前記交流電力を供給可能な発電手段と、 前記整流後の電力を蓄積可能な充電手段とを有し、 前記発電手段が前記入力端に接続され、前記充電手段が
   前記出力端に接続されていることを特徴とする発電装
   置。
8. 【請求項８】 請求項５に記載の電力供給装置と、 前記交流電力を供給可能な発電手段と、 前記整流後の電力を蓄積可能な充電手段とを有し、 前記発電手段が前記入力端に接続され、前記充電手段が
   前記出力端に接続されており、前記入力補助蓄電手段の
   最大耐電圧が前記充電手段よりも大きいことを特徴とす
   る発電装置。
9. 【請求項９】 請求項７または８において、前記発電手
   段は圧電素子に繰り返し変位を加えて発電する圧電発電
   手段であることを特徴とする発電装置。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載の電力供給装置と、 前記交流電力を供給可能な発電手段と、 前記整流後の電力を蓄積可能な充電装置と、 直流電力によって動作する処理装置とを有し、 前記発電装置が前記入力端に接続され、前記充電装置お
    よび処理装置が前記出力端に接続されていることを特徴
    とする電子機器。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記発電装置は
    圧電素子に繰り返し変位を与えて発電する圧電発電装置
    であることを特徴とする電子機器。
12. 【請求項１２】 入力端に入力された交流電力を整流手
    段によって整流し、出力端に接続された処理装置または
    充電装置の少なくともいずれかに供給し、前記整流手段
    によって整流された整流後の電力を降圧して前記出力端
    に転送する降圧手段を有する電圧供給装置の制御方法で
    あって、以下のステップを有することを特徴とする電力
    供給装置の制御方法。 １．前記入力端の入力電圧が前記出力端の出力電圧に対
    し高いときに前記降圧手段により前記整流後の電力を降
    圧して前記出力端に供給する第１のステップ。 ２．前記入力電圧が前記出力電圧に対し低いときに前記
    整流手段と前記出力端を分離する第２のステップ。
13. 【請求項１３】 請求項１２において、さらに、次のス
    テップを有することを特徴とする電力供給装置の制御方
    法。 ３．前記入力電圧および前記出力電圧が低いときに前記
    整流後の電力を前記出力端に降圧せずに供給する第３の
    ステップ。