CN1023666C

CN1023666C - 模拟电子表

Info

Publication number: CN1023666C
Application number: CN88106775A
Authority: CN
Inventors: 吉野雅士; 早川求
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1987-09-21
Filing date: 1988-09-20
Publication date: 1994-02-02
Anticipated expiration: 2003-09-20
Also published as: EP0309164A3; DE3850831D1; HK102497A; DE3855081D1; KR930005425B1; US4882717A; EP0309164A2; EP0510730A3; EP0510730A2; DE3850831T2; EP0309164B1; DE3855081T2; KR890005591A; EP0510730B1; CN1032246A

Abstract

本发明的模拟电子表，在至少具有步进电机、驱动所述步进电机的开关元件和可充电的二次电池的模拟电子表中，使外部交流磁场在所述步进电机线圈中感应的交流电压，通过与所述开关元件相并连的PN结进行整流，在指针运行的同时，可给二次电池进行充电，不需外加电子电路和充电机构，从而可以提供小型化、价格低的模拟电子表。

Description

本发明涉及一种充电式模拟电子表的充电电路。

先有的模拟电子表的充电方式有在字码显示板的一处装配太阳能电池，利用太阳能电池的能量给二次电池充电的方法;还有像特开昭52-154665号、特开昭49-118467号和实新公告56-4240号等专利那样，在手表壳外部装有充电用的端子，通过与外部电源相接，给二次电池充电的方法。另外，还有像特开昭61-29783号专利那样，在时钟内装有电磁耦合线圈，从外部施加交流磁场，通过整流二极管等充电电路给二次电池充电的方法;以及像特公告60-15035号专利那样利用时钟驱动电机的线圈，充电时将时钟驱动电路与线圈断开，并与特开昭61-29783号专利一样，利用外部交流磁场给二次电池充电的方法。

但是，先有技术存在以下几个问题：

第一，太阳能电池方式和充电端子方式从设计上制约了手表的大小，对装饰美要求高的模拟电子表，难以采用。

第二，特开昭61-29783号的电磁耦合方式除有时钟驱动电机线圈、电磁耦合线圈外，还必需备有充电电路用的整流二极管等元件，所以，使设计空间增大，并且成本相应提高。

第三，特公告60-15035号的时钟驱动电机线圈兼用方式，为使平时指针走时时，线圈与时钟驱动电路连接而充电时，线圈与充电电路连接，必需具有一个转换开关机构，此外，还需有充电电路用的整流二极管，所以，必须考虑设计空间的制约、成本提高因素及开关机构的可靠性等问题，再者，充电时线圈与时钟驱动电路断开后，（指针）便停止，所以，充电之后还必须重新对时，很不方便。

本发明就是为了解决上述问题而提出来的，其目的在于提供一种不必特殊另外附加电子电路和充电机构，只在现有的模拟电子表的集成电路中附加少量逻辑电路构成充电式模拟电子表，可以实现小型化，低成本，并且可在指针运行的同时进行充电。

本发明的模拟电子表的特征是：在模拟电子表中至少具有步进电机、驱动上述步进电机的开关元件和可充电的二次电池，利用外部交流磁场，使上述步进电机的线圈中感生交流电压，通过与上述开关元件相并连的PN结进行整流，便可给上述二次电池进行充电。

另外，本发明的模拟电子表的特征是：在模拟电子表中至少具有可充电的二次电池、步进电机、将上述步进电机的线圈两端与上述二次电池的正极相连接的两个开关元件、将上述步进电机的线圈两端与上述二次电池的负极相连接的两个开关元件、与上述各开关元件相并连的PN结，并利用外部交流磁场，使上述步进电机的线圈中感应交流电压，通过上述PN结进行整流，便可给上述二次电池进行充电，在从上述步进电机驱动脉冲的前沿开始的10毫秒区间之外，上述各开关元件中至少有三个处于截止状态。最后，本发明的模拟电子表的特征是;在模拟电子表中至少具有步进电机、驱动上述步进电机的开关元件、与上述开关元件相并连的PN结、可充电的二次电池、上述二次电池的电压检测器和与上述电压检测器相连接的充电控制电路，利用外部交流磁场，使上述步进电机的线圈中感应交流电压，并通过上述PN结进行整流，便可给上述二次电池进行充电，当上述电压检测器检测到上述二次电池的充电电压达到予先设定的数值时，便通过上述充电控制电路，使上述步进电机的线圈在上述步进电机的驱动脉冲输出时间以外短路。

图1是本发明的一个实施例的电路图;

图2（a）、（b）是构成寄生二极管的Pch Mos型FET的剖面图;

图3是充电时的电流通路（全波整流）图;

图4是充电时的电流通路（半波整流）图;

图5是充电定时和电机驱动定时的时间图;

图6是产生“选择”信号的逻辑电路工作的时间图;

图7是电机线圈中通过反向感应电流图;

图8是转子的转动图;

图9限幅器工作时的电流通路图;

图10（a）、（b）是采样式电压检测电路的电路图;

图11是以旁路静电输入的二极管作为整流元件时的充电电路图。

下面，根据实施例详细说明本发明。图1是本发明的实施例的电路图，1是振荡电路，通常，是由时钟里的小型晶体振荡器产生原振为32768赫的标准信号，2是分频电路，用来将上述标准信号顺序进行分频，产生电路工作所需要频率的信号;3是电机驱动波形合成电路，用来产生电机驱动所需要的各种定时脉冲波形;4是转动检测电路，通常在输出电机驱动脉冲（以后称为P₁）时，用来检测电机是处在转动状态，不是处在停止状态，如果是停止状态，便将该信号反馈给电机驱动波形合成电路3，以便输出修正的电机脉冲（以后称为P₂）;5是磁场检测电路，当时钟受外部磁场影响时，为了提高电机带动指针的可靠性，便将P₁切断，而输出P₂。上述3、4、5电路是大家所熟知的特开昭54-75520号、特开昭54-77162号和特开昭55-87977号等专利所用的模拟电子表的低能耗驱动电路;6是电机驱动电路，由电机驱动器的PchMOS型FET（场效应晶体管）12、13和NchMOS型FET14、15构成（以后简称为FET）。在本发明中，FET12～15的寄生二极管16～19作为整流元件起着重要的作用。图2中示出了pchMOS型FET的剖面图，其结构是在源极与基片间形成PN结D1，在漏极与基片间形成PN结D2。当FET用于电机驱动器时，由于源极和基片是作为同电位使用的，所以，PN结D1不起作用，只有PN结D2具有二极管的功能，称D2为寄生二极管，漏极作为正极，基片与源极作为负极。另外，NchMOS型FET则与pchMOS型FET相反，寄生二极管的正极是基片与源极，负极是漏极。由于本发明以这种寄生二极管作为整流元件，所以，不需另外附加整流元件是本发明一大特征。图1中的7是步进电机的线圈（以后称为电机线圈），指针走时时，利用控制FET12～15的导通/截止来驱动电机;充电时，时钟外部充电器11产生的交流磁场与电机线圈7交链，通过电磁感应，在电机线圈7中感应出交流电压，经寄生二极管16～19组成的整流电路给二次电池8充电。利用二次电池8存储的能量驱动时钟。下面，详细说明充电时的电流通路。如图3所示，当电机线圈7中产生的交流电压，其右端为高电位时，电流沿箭头34（虚线）所示的路径流通;当电机线圈7的左端为高电位时，电流沿箭头35（点画线）所示的路径流通，总之，不论那端电位高，电流都是沿着给二次电池8充电的方向流通，故是全波整流。为了实现上述全波整流，必须控制FET12～15都处于截止状态，如果有一个FET处于导通状态，就成为半波整流。其电流通路如图4所示在图4中，由于只有FET13被控制为导通状态，所以，寄生二极管17的两端被短路，破坏了二极管电桥。于是，当电机线圈7的右端电位高时，电流沿箭头36（虚线）所示的路径流通，给二次电池8充电;当电机线圈7的左端为高电位时，电流沿箭头37（点画线）所示的路径流通即寄生二极管16-FET13-电机线圈7构成闭环，不能给二次电池8充电，成为半波整流，充电效率降低一半。另外，后面在介绍限幅器的控制时将要说明，当FET12和13都导通或FET14和15都导通时，完全不能给二次电池8充电。因此，为了构成充电效率最高的整流电路，必须使FET12～15都处于截止状态。

如果控制FET12～15一直处于截止状态，那就不可能驱动步进电机，在本实施例中，为了在驱动步进电机的同时能够充电，利用图5所示的时间图，控制步进电机驱动定时时间和充电定时时间。在本实施例中，把指针走时的周期定为1赫，所有的定时都与分频电路2输出的“1赫”信号同步。从上述“1赫”信号的后沿到117.2毫秒之间是步进电机驱动定时，该步进电机驱动定时时间的后沿至下一个“1赫”信号后沿之前的882.8毫秒为充电定时，以后，按照步进电机驱动定时一充电定时-……的顺序反复进行，可见实际充电的时间为1秒中的882.8毫秒，充电效率大约减小10%。按照这种方式控制，在指针走时时，就可以同时进行充电，这样，便可维持时钟的计时基本功能。下面，说明这时的电路工作情况。图1的充电控制电路9用来转换步进电机驱动定时和充电定时，充电控制电路9内的选择信号（产生“选择”信号的与门33和或门32的时间图如图6所示，分频电路2输出的“64赫”“32赫”、“16赫”和“8赫”等各种信号输给与门33，与门33输出的信号及分频电路2输出的“4赫”、“2赫”和“1赫”等信号输给或门32，或门32输出“选择”信号。）从1赫的后沿到117.2毫秒之间为零，这时，输给FET12的控制极信号GP₁选择与/或选择器25、26、23中的与门25导通，输出GP₀₁作为GP₁。另外，输给FET14的控制极信号GN₁的与门27也输出GN₀₁。同理，输出GP₀₂作为FET13的控制制极信号GP₂，输出信号GN₀₂作为FET15的控制极信号GN₂。GP₀₁、GN₀₁、GP₀₂和GN₀₂是电机驱动波形合成电路3的输出信号，用来形成SP₀、SP₁、P₁、SP₂和P₂一连串电机驱动脉冲。（SP₀和SP₁表示磁场检测脉冲，P₁表示第一电机脉冲，SP₂表示转动检测脉冲，P₂表示第二修正电机脉冲，详细情况，请参看特开昭60-260883号公报。）因此，在“选择”信号等于零的区间，进行步进电机驱动。下面说明“选择”信号等于1时，即充电定时的情况，这时，电压检测电路10（后面介绍限幅器的控制时将说明）的信号为1，如果“选择”信号等于1，则输出信号GP₁的与/或选择器25、26、23中的与门26导通，从而使GP₁＝“限幅”信号＝1。同理，使GP₂＝“限幅”信号＝1，另外，当输出信号GN₁的与门27在“选择”信号为1时输出为0，从而使GN₁＝0。同理，使GN₂＝0。于是，FET12～15与电机驱动波形合成电路3的输出信号无关，全部被控制为截止状态，可以充电。

其中，从输出P₂到充电定时之前的时间为Ti＝25.4毫秒，这是实现稳定的步进电机驱动所需要的时间，下面说明其理由：目前，步进电机的驱动方式，如特公昭57-40759号专利所提出的方案在电机脉冲输出之后，将电机驱动器pch端的两个FET或Nch端的两个FET控制为导通状态，在电机线圈中流过反向感应电流，对转子进行制动，从而得到稳定的步进电机驱动。图7表示电机线圈中流过的电流，如果电机线圈中没有反向感应电流流通，则电流为虚线所示的电流波形，实际上由于有反向感应电流，所以电流为实线所示的电流波形。当转子停止转动时，反向感应电流消失，所以，在图7中电流值为零的时刻。就是转子停止转动的时刻。但是，在充电定时期间，由于FET12～15全部处于截止状态，所以，一旦从电机驱动脉冲之后进入充电定时状态，便不能再期望反向感应电流产生制动作用，于是，就不能稳定地驱动步进电机。结果，当通常的两极步进电机必须转动180°的时候，不能停止在正规的磁稳定点上，会引起返折转动或二次转动等现象。图8示出了正常转动（180°）、返折转动和二次转动的情况。因此，在本实施例中，当输出电机脉冲后，先使pchFET12和13处于导通状态，待定子完全停止之后，再使FET12～15全部处于截止状态，进入充电定时。这样，既能稳定地驱动步进电机，同时又可以进行充电。此外，在本实用新型中，考虑了余量取Ti＝25.4毫秒，但是，对于通常手表中的步进电机，还会随转子的惯性和驱动脉冲的宽度而有所不同，如果取Ti＝20毫秒，则转子停转之后，立刻便可进入充电定时状态。

另外，在实施例中为了使Ti＝25.4毫秒，而把选择信号等于零的区间取为117.2毫秒，也就是说，从“1赫”信号的后沿开始输出一连串的电机驱动脉冲，从“1赫”信号的后沿经过91.8毫秒后，输出P₂。由于“选择”信号还与“1赫”信号同步地等于零，所以，有Ti＝117.2-91.8＝25.4（毫秒）。因此，通过改变图1中的与门33和或门32的逻辑，即可改变选择信号等于零的区间宽度，从而可以很方便地得到适合任意步进电机的最佳定时。在本实施例中，是根据输出P₂的时间来计算Ti的，这是因为充电时磁场是根据SP₀或SP₁进行检测而变成P₂脉冲驱动的缘故，但是，对于只有P₁脉冲驱动而不检测磁场的时钟，也可以根据输出P₁的时间进行计算。

另外，为了实现稳定的电机驱动，在本实施例中，将时钟外部充电器11产生的交流磁场的频率设定为1千赫。如果这个频率太低，则转子会被交流磁场感应而引起共振转动、指针走错和指针抖动等现象。本实施例的转子的直径为1.2毫米，实验证明，只要频率大于600赫，这一直径的转子就会与交流磁场同步，转子的贯性矩不会影响步进电机的驱动。

下面，说明充电时的限幅控制。目前所使用的二次电池，如果由于过充电而超过耐压数值，将会降低电池的性能或者损坏电池。因此，通常需要监测图1中二次电池8的充电电压值，使之不超过耐压数值，电压检测电路10就是为了检测二次电池的电压而设置的。其中，21是二次电池电压的降压电阻，用来将二次电池电压（VDD-VSS）限制在比较电路20的工作范围之内;22是基准电压发生电路，它的输出电压值是限幅设定值降压后的数值，其降压比与降压电阻21的降压比相同。这样，当二次电池电压值超过限幅设定值时，比较电路20便可准确地检测出来，这时，比较电路20输出的“限幅”信号为零，所以，必须将限幅设定值设定为不超过二次电池8的耐压数值。限幅器的工作信号即“限幅”信号为零时，如果“选择”信号等于1，即处于充电定时状态时，如前所述，电路的工作状态是CP₁＝CP₂＝“限幅”信号，GN₁＝GN₂＝0，即“限幅”信号＝0，则pchFET12和13导通，而NchFET14和15截止。图9示出了限幅器工作时的电流通路，在图9中，当电机线圈7的右端电位高时，电流沿箭头38（虚线）所示的路径流通;当电机线圈7的左端为高电位时，电流沿箭头39（点画线）所示的路径流通。这样，电流就会有限制地流过二次电池8，从而可以防止过充电。另外，在本实施例中，设定限幅器工作时，pchFET12和13导通，但是，如果反过来设定NchFET14和15导通，作用也是相同的。还有，在本实施例中，电压检测电路10通常监测的是二次电池8的电压，但是，当使用内阻大的二次电池时，则必须利用采样方式检测电压，当采样时必须先使限幅器工作。也就是说，充电时，二次电池电压的表观电压将会因充电电流在内阻上的压降而增高，从而使误检测的危险性也增大。因此，对于这种情况，必须采用图10所示的电压检测电路。下面说明该电路的工作情况。在2毫秒信号的有源期间，“采样”信号为零。每10秒钟出现一次有源期间。（下面把“采样”信号＝0的期间叫做采样时间。）在采样时间内，通过使晶体管40处于导通状态，接通比较电路20、降压电阻21和基准电压发生电路22的电源，从而可以检测二次电池电压（VDD-VSS）。另外，采样时利用与门42强制地使“限幅”信号等于零，起动上述限幅器使充电电流不流过二次电池，从而可防止电压误检测。自锁电路41在采样时锁定比较电路20的输出，直至下一个采样之前仍保持该状态。自锁电路41的时钟信号即“自锁”信号与“采样”信号同步，在1毫秒期间等于零，在“自锁”信号的前沿将比较电路20的输出信号输给自锁电路41。采用图10所示的电压检测电路，除了可以防止二次电池电压的误检测，还可以节省电能。也就是说，由于不采样时比较电路20、降压电阻21和基准电压发生电路22与电源不通，没有电流流通，所以不消耗电能。即使使用内阻不太大的二次电池，采用图10所示的电压检测电路也可以减少电能消耗。这里举出的采样周期和采样宽度只是一个例子，还可以根据不同系统的需要进行变换。

如上所述，按照本实施例，由于仅将电机驱动器FET形成闭环便可构成限幅电路，特别是由于不必另外附加限幅元件，所以，只在现有的模拟电子表所用的集成电路中附加少量逻辑电路，而不必外加电子电路和充电机构，便可制成充电式模拟电子表。因此，在设计方面可以提供与通常的薄型装饰手表没有任何区别的小型充电式电子表。此外，由于没有增加提高成本的因素，所以，可以提供价格低的充电式电子表。

以上介绍的是将电机驱动器FET的寄生二极管作为整流元件的实施例，但是，本发明的应用范围并不只限于这种情况，例如，也可以采用图11所示的那种结构。其中，43～46是开关元件。当这种结构不能形成寄生二极管、或者虽能形成寄生二极管但不能通过电流时，只要附加上47～50所示的二极管，便可获得与寄生二极管方式完全相同的作用。另外，二极管47～50的电路结构与通常的用来旁路静电输入的二极管完全相同，所以，也可以把这种用来旁路静电输入的二极管作为整流元件使用，这样，便可不必特别另外附加作为整流用的二极管，因此，也不会增大电子表所用的等成电路的面积。

如上所述，按照本发明，在至少具有电机驱动电路、步进电机和可充电的二次电池作为驱动电源的模拟电子表中，将MOS型FET用于上述电机驱动电路，利用外部交流磁场在上述步进电机的线圈中感应交流电压，通过上述MOS型FET的基片与漏极之间形成的寄生极管进行整流，便可给上述二次电池进行充电，充电线圈可兼用步进电机的线圈，整流电路可以利用寄生二极管。另外，如实施例所述，作为限幅电路，可以利用电机驱动器FET。因此，只在现有的模拟电子表所用的集成电路中附加少量逻辑电路，不需特别外加电子电路和充电机构，便可制成充电式模拟电子表，并且效果很好，这种小型充电式电子表在设计方面与通常的薄型装饰手表没有任何区别。此外，由于没有增加提高成本的因素，所以，可以提供价格低的充电式电子表。按照本实施例，在电机驱动指针运行的同时可以进行充电，这与充电时必须使提针停止运行的情况相比，不会影响电子表的正常走时，所以，不必再考虑充电后重新对时的问题。

另外，按照本发明，在至少具有中充电的二次电池、步进电机、将上述步进电机的线圈的两端与上述二次电池的正极相连接的两个开关元件、将上述步进电机的线圈的两端与上述二次电池的负极相连接的两个开关元件和与上述各开关元件相并连的PN结的模拟电子表中，在上述步进电机的驱动脉冲前沿之后的10毫秒区间以外，上述各开关元件中至少有三个处于截止状态，这样在电机驱动指针运行的同时可以进行充电，所以，充电线圈可兼用电机线圈。整流电路可用寄生二极管，并且不需要限幅元件，所以，只在现有的模拟电子表所用的集成电路中附加少量逻辑电路，便可制成不需外加电子电路和充电机构的充电式模拟电子表，从而可以提供在设计方面与通常的薄形装饰手表没有任何区别的小型充电式电子表，此外，由于没有增加提高成本的因素，所以，可以提供价格低的充电式电子表。

最后，按照本发明，在至少具有步进电机、驱动上述步进电机的开关元件、与上述开关元件相并连的PN结、可充电的二次电池、上述二次电池的电压检测器和与上述电压检测器相连接的充电控制电路的模拟电子表中，当二次电池电压值超过设定值时，只要将步进电机线圈的两端短路便可形成防止过充电电路。如本实施例所述，如果利用电机驱动器MOS型FET作为线圈短路器，则不需增加新的限幅元件，效果也很好，集成电路的面积与通常的电子表所用的集成电路没有什么区别，成本也不高。可见本发明为小型化价格低的充电式电子表作出了较大的贡献。

Claims

1、一种模拟电子表，包括：

步进电机，具有一线圈和多个开关元件，用以驱动所说步进电机；

二次电源，可通过外部交流磁场使所说步进电机的线圈感应产生交流电压而对该电源进行充电；

其特征在于，两个开关元件，从所说步进电机的线圈的一个端子分别连接到所说二次电源的正端和负端，另两个开关元件从所说步进电机的线圈的另一端子连接到所说二次电源的正端和负端，所形成的PN结电气地并联于所说每一开关元件，其阴极连接到所说二次电源的正端，而阳极连接到所说二次电源的负端。

2、按权利要求1所述的模拟电子表，其特征在于：用MOS型FET作为驱动步进电机的开关元件;作为PN结，利用的是MOS型FET的基片与漏极之间形成的寄生二极管。

3、按权利要求1所述的模拟电子表，其特征是：作为PN结，利用的是设置在步进电机的线圈输入端用来旁路静电输入的二极管。

4、按权利要求1所述的模拟电子表，其特征在于还包括一控制装置，用以控制提供一个这样的期间，在该期间内至少三个所说的开关元被转为截止状态。

5、按权利要求1所述的模拟电子表，其特征在于还包括一控制装置，用以在所说步进电机输出驱动脉冲的期间以外将所说步进电机线圈的短路。