JPH10206565A - 光電源で給電される電気装置、特に時計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １個の光電池の生成するごく低い電圧で時計
の動作を開始できるようにする。 【解決手段】 この自律型小電力消費電気装置は、単一
の光電池と、蓄電池（７）と、電源（９）と蓄電池の間
に接続されて蓄電池を充電する昇圧器（１０、１１、Ｔ
Ｒ１、ＴＲ３）とを含む給電装置（８）を備えている。
昇圧器は、所定周波数のパルス信号で制御される。蓄電
池が完全に放電している時に装置を始動させることがで
きるようにするため、非常に低い電圧で、すなわち単一
の光電池の電圧で作動できる発振器がパルス信号を少な
くとも一時的に発生することができる。蓄電池（７）が
十分に充電されると直ちに、前記発振器を時計の刻時回
路（１）の発振器（２）に置き換えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電圧変換によっ
て作動する電源と、蓄電池と、電源と蓄電池の間に接続
された昇圧器とを含む給電装置を備えた自律型小電力消
費電気装置に関する。

【０００２】さらに正確に言えば、本発明は、特に腕時
計または目覚まし時計等の時計、電卓、小型ラジオ、赤
外線または無線リモコン、コードレス電話、ＧＰＳ受信
機等の小電力消費装置、及び光電源によって充電され続
ける蓄電池を含む自律型電源を備えたほぼすべての装置
の、光電池を使用した電源による電源装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】これらの小電力消費装置に給電するため
に現在使用されている光電源または電池は、半導体でも
光化学形式であっても、一般的に各素子で約０．３ない
し０．５Ｖの電圧を供給する。さらに、電子回路が必要
とする供給電圧は１Ｖ以下であることはあり得ないの
で、一般的にこれらの電池の幾つかを直列に接続して、
そのような回路の電源を確保する。

【０００４】美的理由、空間要件及び価格等の理由（時
計技術で特に重要な基準）から、１つの光電池で装置に
十分に給電できるようにする構造的解決策が現在求めら
れている。

【０００５】このため、１つの光電池によって供給でき
る低電圧と、上記形式の装置を作動させるために必要な
現在の集積回路の電圧必要量とが理論的に両立できない
ことがわかるであろう。

【０００６】この非両立性を解決するため、本出願の出
願人は、例えばチョッパ増幅器形式の昇圧器を介して１
つの光電池から蓄電池に充電する回路を設けることをす
でに提案している（１９９７年２月１７日の特許出願第
ＰＣＴ／ＣＨ９７／０００５２号を参照されたい）。

【０００７】蓄電池は現在市販されているいずれの形式
でもよく、例えば化学式蓄電池、好ましくはリチウムイ
オン蓄電池や、電気化学コンデンサ、特に「スーパーキ
ャパシター」または「スーパーキャップ」と呼ばれるも
のがある。

【０００８】上記書類に記載されている回路は、わずか
に０．３Ｖないし０．５Ｖの電圧を供給する１つの太陽
電池で作動することができる一方、使用する電気回路に
十分な電圧で蓄電池を充電し続けることができる。

【０００９】光電池、蓄電池及び昇圧器を備えたセット
で給電される装置に生じる特別な問題は、装置が長時間
にわたってまったくの暗闇に置かれているかもしれない
ことである。例えば時計がそうであるように装置が暗闇
で作動し続けると、蓄電池の電荷が再生されることなく
消費されるため、蓄電池の残留電荷が必要電圧を供給で
きないほど低くなり、ある時点で装置が作動を停止する
であろう。

【００１０】しかし、この蓄電池の残留電荷も自己放電
によって失われるため、暗闇の期間が続くと、蓄電池の
電圧がゼロに達するであろう。

【００１１】ユーザがその後に装置を暗闇から取り出し
た場合、電池は再びエネルギを、せいぜい０．５Ｖのそ
れ自身の電圧で供給する。装置の作動に重要な部材、特
に昇圧器を制御するために必要な部材は、そのような供
給電圧では作動できないので、装置は始動することがで
きず、捨てられないにしても、少なくとも蓄電池を外部
充電器で充電するために修理屋へ送らなければならな
い。

【００１２】この問題点を解決するため、上記特許出願
は、装置のエネルギ消費回路を遮断して、蓄電池が常に
その電荷の１０％ないし２０％の最低量を保持するよう
にすることを提案している。この方法では、装置を暗闇
から取り出すと、蓄電池内に保存されていたエネルギで
問題なく始動し、蓄電池には通常作動中に光電池で再充
電することができる。

【００１３】しかし、装置が非常に長い時間にわたって
暗闇に置かれているとすると、蓄電池の電荷の１０％な
いし２０％でも最終的に自己放電で失われてしまうであ
ろう。そのため、蓄電池の電圧がいずれにしても装置限
界作動値よりも低くなる瞬間が訪れるため、上記特許書
類に記載されている解決法で、装置の始動に関するあら
ゆる場合に対処できるわけではない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、機能
を果たすために必要な部品の最低作動電圧よりも低い電
圧を供給する光電源を使用するにもかかわらず、あらゆ
る状況において始動することができる上記形式の電気装
置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このため、本発明は、光
電圧変換によって作動する電源と、蓄電池と、電源と蓄
電池の間に接続されて前記蓄電池を充電する昇圧器とを
含む給電装置を備えた自律型小電力消費電気装置であ
る。この装置の電源が供給する電圧は、装置がその機能
を果たすために少なくともその一定の主要部品を作動さ
せるには不十分である。また、この装置の昇圧器は、そ
れに接続された第１パルス発生器から送られる所定周波
数のパルス信号によって制御されるようになっている。
本発明は、その第１パルス信号発生器が、光電源によっ
て供給される電圧以下の電圧で作動するように構成され
た発振器を備えていることを特徴とする。

【００１６】

【作用】これらの特徴の結果、光電源がその供給電圧を
発生することができる十分な強さの光がある環境に装置
が置かれると直ちに、昇圧器を制御するために必要な発
振器が作動するため、蓄電池が完全に放電している時で
も、本装置は始動することができる。

【００１７】本発明の他の特徴及び利点は、例として挙
げただけである、添付の図面を参照しながら行う以下の
説明から明らかになるであろう。

【００１８】

【発明の実施の形態】単一図面に示されている実施形態
によれば、本発明は時計ＰＨに適用されている。これは
本発明の適用例に過ぎず、本発明を利用できる小電力消
費電気装置は、蓄電池を充電する光電源によって自律作
動しなければならない他のいずれの装置であってもよ
い。

【００１９】時計ＰＨは、従来通りに、図面の一点鎖線
の矩形で全体を示した刻時回路１を備えている。従来通
りに、本回路は、好ましくは３２７６８Ｈｚの水晶発振
器２と、ここでは例えば１Ｈｚのパルス信号が得られる
まで発振器２の周波数を分割する２つの分周段階３ａ及
び３ｂで示された分周器３を含む。このパルス信号は、
１組の針６を駆動するためのステップモータ５の制御回
路へ送られる。

【００２０】時計ＰＨは、例えばリチウムイオン蓄電池
または大型コンデンサか、特に時計メーカが「スーパー
キャパシター」または「スーパーキャップ」と呼ぶ部品
によって形成された蓄電池７によって給電される。この
蓄電池７の端子間に生じる電圧がＶaccuで示されてい
る。

【００２１】蓄電池７は、全体を８で示した給電装置の
一部を形成している。この給電装置８は、例えば０．３
Ｖないし０．５Ｖ、好ましくは０．４Ｖの電圧Ｖcpを供
給する単一部品で形成された光電池９も備えている。半
導体または光化学形式のどのような形式の光電池でも使
用できる。

【００２２】インダクタ１０とショットキーダイオード
１１を直列に設けた昇圧器が、光電池９と蓄電池７の間
に取り付けられている。好適な方法では、ステップモー
タ５のコイルをインダクタ１０として使用することがで
きる。

【００２３】インダクタ１０とショットキーダイオード
１１の間のノード１２が、第１切り換えトランジスタＴ
Ｒ１のソース−ドレーン路に接続されており、これはそ
の接続ノードを、トランジスタＴＲ１のゲートに加えら
れる制御パルス信号によってある周波数で交互に蓄電池
７の電圧とアースレベルとに切り換える。この作動の結
果、インダクタ１０があるため、ノード１２は電池９で
供給される電圧Ｖcpよりもはるかに高い電圧になり、こ
れは蓄電池７を充電するのに十分である。

【００２４】トランジスタＴＲ１のゲートは、インバー
タ１３を介して抵抗Ｒ１と信号変換トランジスタＴＲ２
のソース−ドレーン路の間のノードに接続されており、
これらの直列の２部材は、蓄電池７の正端子とアースの
間に接続されている。トランジスタＴＲ２のゲートは、
刻時回路１の分周器段階３ａの出力部に接続されてお
り、この段階は本例の場合には８１９２Ｈｚの周波数の
信号を発生する。

【００２５】このため、蓄電池７が充電されて、十分な
電圧を供給して刻時回路１の主要部品、特に発振器２及
び分周器段階３ａに給電する時、切り換えトランジスタ
ＴＲ１は分周器段階３ａの出力信号の周波数で交互にオ
ン・オフを繰り返す。同時に時計ＰＨが光を受けると、
トランジスタＴＲ１のこの交互導通状態によって、光電
池が生じる電圧Ｖcpが増倍されるため、蓄電池７の電荷
が常時再生される。本発明によれば、充電装置８はさら
に、ソース−ドレーン路をトランジスタＴＲ１と並列に
取り付けた第２切り換えトランジスタＴＲ３を備えてい
る。このトランジスタＴＲ３のゲートは、インバータ１
４を介して抵抗Ｒ２と第２信号変換トランジスタＴＲ４
の間のノードに接続されており、これらの直列の２部材
は、電池９の正端子（Ｖcp）とアースの間に接続されて
いる。

【００２６】信号変換トランジスタＴＲ４のゲートは、
出力部１８において分周器段階３ａの出力部に現れる制
御信号の周波数に好ましくは近いか、同一である周波数
の信号を発生する補助発振器１５の出力部に接続されて
いる。発振器１５は、非常に低い供給電圧で、すなわち
光電池９が供給する電圧以下の値の電圧で作動すること
ができるように構成されている。そのような発振器は適
当に構成できるが、同時係属中のヨーロッパ特許出願第
９７１００２６１．３号に記載されている構造であるこ
とが好ましい。本説明では、発振器１５は３つのインバ
ータ１６ａ、１６ｂ及び１６ｃをリング状に取り付けて
形成し、低反転電界（field of low inversion）で作動
するＭＯＳトランジスタを備えて、基板内でＭＯＳトラ
ンジスタを形成させるウェルに適切にバイアスをかけて
いることがわかるであろう。

【００２７】上記アセンブリを調べれば、トランジスタ
ＴＲ１及びトランジスタＴＲ３は両方ともノード１２を
交互にアースレベルと電圧Ｖaccu及びダイオード１１の
電圧の合計からなる電圧にすることができるので、トラ
ンジスタＴＲ１またはトランジスタＴＲ３のいずれかの
導通状態を変化させることによって光電池９の供給電圧
の増加を達成できることがわかるであろう。

【００２８】本発明の特に重要な態様によれば、この場
合には時計ＰＨの刻時回路１である小電力消費装置の活
動を表す信号の関数として切り換えトランジスタＴＲ１
及びＴＲ３を選択的に活動させる手段が設けられてい
る。上記例では、活動信号は分周器段階３ａの出力部で
取り出されて、水晶発振器２の作動の確認が行われる。
しかし、活動信号は、刻時回路内の他の部分で、例えば
制御回路４の出力部で、または切り換えトランジスタＴ
Ｒ１及びＴＲ３を制御できるように適当に適合させた後
に取り出すこともできる。

【００２９】上記例では、発振器２及び分周器段階３ａ
は、それらの供給電圧がそれらを形成する部材を作動さ
せることができる大きさである時だけ活動する。一般的
に、この電圧は１Ｖ以上にすることができるが、この電
圧が本発明を制限するものと考えてはならない。

【００３０】活動信号を適合させるため、分周器段階３
ａの出力部が、設計者のディクソン(Dickson )の名前で
知られる回路で形成することができる第２昇圧器１７の
入力部に接続されている。第２昇圧器１７の出力部は、
抵抗Ｒ３を介して接地されると共に、第１選択トランジ
スタＴＲ５のゲートと、導通形式がトランジスタ５と反
対である第２選択トランジスタＴＲ６のゲートに接続さ
れている。上記例では、トランジスタＴＲ５がＮ型で、
トランジスタＴＲ６がＰ型である。これらのトランジス
タＴＲ５、ＴＲ６は発振器１５の代わりにパルス発生手
段２、３ａを昇圧器１０、１１に接続する置換制御手段
を構成している。

【００３１】トランジスタＴＲ５のドレーン−ソース路
は、アースと発振器１５の出力部及びトランジスタＴＲ
４のゲートに接続されたノード１８の間に接続されてい
る。トランジスタＴＲ６のドレーン−ソース路は、トラ
ンジスタＴＲ２のゲートと蓄電池７の正端子の間に接続
されている。

【００３２】このように構成された時計の作動を以下に
説明する。

【００３３】時計が長時間にわたって暗闇に置かれてい
たために蓄電池７が完全に放電して、電圧Ｖaccuがゼロ
に近いか、ゼロであると仮定する。また、これらの状況
において、ユーザが時計を再び使用したいと思って暗闇
から取り出すとする。刻時回路１に給電されていなかっ
たので、発振器２及び分周器段階３ａが作動できないた
め、それは活動信号を発生しない。昇圧器１７がその出
力部に電圧を生じないため、トランジスタＴＲ６が導通
してトランジスタＴＲ１の制御を阻止し、トランジスタ
ＴＲ５は非導通状態である。

【００３４】電池９が照らされるので、それは０．３〜
０．５Ｖの値の電圧のエネルギを供給する。この電圧で
発振器１５は作動することができ、トランジスタＴＲ５
が遮断されているためにそうすることが許される。従っ
て、トランジスタＴＲ４及びＴＲ３が発振器１５の周波
数で切り換えられる。

【００３５】さらに正確に言うと、トランジスタＴＲ３
が導通している時、インダクタ１０がエネルギを蓄積
し、トランジスタＴＲ３が遮断された時にそれが電圧ピ
ークで急激に送り出される。電圧ピークは蓄電池７を電
池９で供給される電圧よりも高い電圧で充電できる。イ
ンバータ１４を伴ったトランジスタＴＲ４は、発振器１
５の出力部とトランジスタＴＲ３の間のバッファとして
作用し、これは比較的大きいため、入力キャパシタンス
が相当に大きい。このため、蓄電池を充電することがで
きる。

【００３６】蓄電池７が十分に充電されて、発振器２及
び分周器段階３ａに適当な供給電圧を与えることができ
るようになると直ちに、活動信号がこの段階の出力部に
現れる。刻時回路が始動して、昇圧器１７が出力電圧を
供給する。

【００３７】これによって、トランジスタＴＲ５が導通
し、発振器１５を短絡させるため、これは作動を停止す
る。反対に、トランジスタＴＲ６は非導通状態になり、
トランジスタＴＲ２及びインバータ１３を介してトラン
ジスタＴＲ１の制御を行う。このため、トランジスタＴ
Ｒ１がトランジスタＴＲ３の代わりになり、刻時回路が
正常に作動している限り、蓄電池７を充電し続けること
ができる。このため、これらのトランジスタＴＲ５及び
ＴＲ６は置換制御手段として作動することがわかる。

【００３８】発振器２が活動信号を分周器段階３ａへ送
ると直ちに、昇圧器１７がトランジスタＴＲ５及びＴＲ
６の迅速な切り換えを行うことが望ましい。

【００３９】発振器２は、その給電端子間に十分な電圧
を検出すると直ちに作動を開始して、そのため活動信号
が現れることがわかるであろう。すなわち、２つの発振
器１５及び２の間の切り換えは、個々の時計の回路間に
存在する構造の違いに関係なく行われる。このため、発
振器２を作動させる最低電圧Ｖaccuの値は、各回路によ
ってそれぞれの部品の値に従って個別に決定することが
できる。

【００４０】図面に示されていない変更実施形態によれ
ば、発振器２及び分周器段階３ａを刻時回路１の制御だ
けに使用し、発振器１５が昇圧器の永久制御を行うよう
にすることも可能である。この変更実施形態では、トラ
ンジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、ＴＲ５及びＴＲ６
と、インバータ１３と、抵抗Ｒ１及びＲ２と、昇圧器１
７を省略することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 自律型小電力消費電気装置、さらに正確に言
うと腕時計または目覚まし時計等の時計の概略図の一例
を示している。

【符号の説明】

７ 蓄電池、 ８ 給電装置、 ９ 光電池、 １０
インダクタ、１１ ショットキーダイオード、 １５
補助発振器

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光電圧変換によって作動し、取り付けら
   れた装置がその機能を果たすためには少なくともその一
   定の主要部品を作動させるのに不十分な電圧を生成する
   電源（９）と、蓄電池（７）と、電源（９）と蓄電池
   （７）の間に接続されて前記蓄電池を充電する、第１パ
   ルス発生器から送られる所定周波数のパルス信号によっ
   て制御される昇圧器（１０、１１、ＴＲ１、ＴＲ３）と
   を含む給電装置（８）を備えた自律型小電力消費電気装
   置において、 前記第１パルス信号発生器は、前記光電源（９）によっ
   て供給される電圧（Ｖcp）以下の電圧で作動するように
   構成された発振器（１５）を備えていることを特徴とす
   る自律型小電力消費電気装置。
2. 【請求項２】 前記発振器（１５）はリング形発振器で
   あることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 前記昇圧器は、前記光電源（９）とダイ
   オード（１１）及び前記蓄電池（７）の直列接続部分と
   の間に接続されたインダクタ（１０）を含んでおり、ま
   た前記発振器（１５）の出力部（１８）は、前記ダイオ
   ード（１１）と前記インダクタ（１０）の間のノード
   （１２）を交互にこの蓄電池７の電圧（Ｖaccu）及びダ
   イオード（１１）の電圧の合計に等しい電圧レベルとア
   ースレベルにすることができる第１切り換え手段（ＴＲ
   ３、ＴＲ４）に接続されていることを特徴とする先行の
   請求項のいずれか１項記載の装置。
4. 【請求項４】 前記第１切り換え手段は、ソース−ドレ
   ーン路がアースと前記ノード（１２）の間に接続され、
   ゲートが発振器（１５）によって送られた信号の変換ト
   ランジスタ（ＴＲ４）を介して前記発振器（１５）の出
   力部に接続されている切り換えトランジスタ（ＴＲ３）
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 【請求項５】 前記切り換えトランジスタ（ＴＲ３）と
   前記変換トランジスタ（ＴＲ４）の間にインバータ（１
   ４）が接続されていることを特徴とする請求項４に記載
   の装置。
6. 【請求項６】 前記装置の前記主要部品の１つは第２パ
   ルス信号発生器手段（２、３ａ）で形成されており、さ
   らに、 前記直列接続部材（７、１１）と前記インダクタ（１
   ０）の間のノード（１２）を交互に前記電圧レベルとア
   ース電圧レベルにすることができる第２切り換え手段
   （ＴＲ１、ＴＲ２）と、 装置による前記機能の実行を表す活動信号発生手段と、 前記発生手段が前記活動信号を発生する時、前記発振器
   （１５）の代わりに前記第２パルス信号発生手段（２、
   ３ａ）を前記昇圧器（１０）に接続する置換制御手段
   （ＴＲ５、ＴＲ６）とを備えていることを特徴とする請
   求項３から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 【請求項７】 前記第２パルス信号発生手段（２、３
   ａ）が前記活動信号発生手段を形成することを特徴とす
   る請求項６記載の装置。
8. 【請求項８】 前記置換制御手段は、前記発振器（１
   ５）の出力部を短絡させることができる第１制御トラン
   ジスタ（ＴＲ５）と、前記活動信号が現れている時に前
   記第２切り換え手段を活動させることができる第２トラ
   ンジスタ（ＴＲ６）とを含むことを特徴とする請求項３
   または５記載の装置。
9. 【請求項９】 前記第２切り換え手段は、ソース−ドレ
   ーン路がアースと前記ノード（１２）の間に接続され、
   ゲートが活動信号を、この信号を変換する第２トランジ
   スタ（ＴＲ２）を介して受け取るように接続されている
   トランジスタ（ＴＲ１）を含むことを特徴とする請求項
   ８記載の装置。
10. 【請求項１０】 前記第２切り換え手段の前記切り換え
    トランジスタ（ＴＲ１）と前記第２変換トランジスタ
    （ＴＲ２）の間にインバータ（１３）が接続されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 【請求項１１】 前記第１及び第２制御トランジスタ
    （ＴＲ５、ＴＲ６）は、第２昇圧器（１７）を介して前
    記活動信号発生手段に接続されていることを特徴とする
    請求項８から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 【請求項１２】 刻時回路（１）を備えており、前記第
    ２パルス信号発生手段は、水晶発振器（２）によって、
    おそらくはさらに前記刻時回路の分周器（３）の一部
    （３ａ）によっても形成されていることを特徴とする請
    求項６から１１までのいずれか１項記載の装置。