DE60036591T2

DE60036591T2 - Elektronische Uhr

Info

Publication number: DE60036591T2
Application number: DE60036591T
Authority: DE
Inventors: Fumiaki c/o Seiko Epson Corporation Suwa-shi Miyahara; Shinji Suwa-shi NAKAMIYA; Yoshitaka Suwa-shi IIJIMA
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: JP3596383B2; JP2002071848A; EP1098235A3; CN1135458C; HK1033983A1; US6522603B1; DE60036591D1; EP1098235B1; CN1305129A; EP1098235A2; JP2001133565A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für eine elektronische Uhr mit einem Generator zum Empfangen wenigstens einer Art von externer Energie und Umwandeln der externen Energie in elektrische Energie und einen Ladungsspeicher zum Speichern der elektrischen Energie, die durch den Generator erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine elektronische Uhr, die solch eine Ladeeinrichtung verwendet, und ein Verfahren zum Steuern der Ladeeinrichtung.
STAND DER TECHNIK
Eine kleinformatige elektronische Uhr, wie beispielsweise eine Armbanduhr, hat eine Zeitnahmeschaltung zum Messen der zeit und eine Uhrenantriebsschaltung, die eine Antriebsschaltung zum Antreiben eines Motors umfasst, welcher mit einem Zeigerbewegungsmechanismus gekoppelt ist, d. h. einem Mechanismus zum Bewegen der Zeiger der Uhr. Es wurden elektronische Uhren mit einem Generator darin realisiert, welche funktionieren können, ohne eine gebrauchte Batterie austauschen zu müssen.
In diesen elektronischen Uhren kann die elektrische Leistung, die durch den Generator erzeugt wird, einmal in eine sekundäre Leistungsquelle, wie beispielsweise einen Kondensator, geladen werden. Wenn keine elektrische Leistung erzeugt wird, erfolgt daher die Zeitanzeige durch die elektrische Leistung, welche von der sekundären Leistungsquelle entladen wird. Dies befähigt die Uhr, über einen langen Zeitraum ohne Batterie stabil zu funktionieren.
In Anbetracht des Aufwands und der Zeit zum Wechseln einer gebrauchten Batterie oder der Probleme, die mit der Entsor gung von gebrauchten Batterien verbunden sind, ist zu erwarten, dass in Zukunft mehr elektronische Uhren mit einem Generator versehen werden.
Generatoren, welche in einer Uhr, wie beispielsweise einer Armbanduhr, vorgesehen sind, umfassen eine Solarbatterie, welche einfallendes Licht in elektrische Energie umwandelt, ein Leistungserzeugungssystem, welches die kinetische Energie der Bewegung des Arms eines Benutzers in elektrische Energie umwandelt, usw.
Diese Generatoren sind insofern ziemlich wünschenswert, als sie Energie um den Benutzer verwenden können, indem sie sie in elektrische Energie umzuwandeln. Die erhältliche Energiedichte ist jedoch gering, und die Energie kann nicht kontinuierlich erhalten werden. Daher kann Leistung nicht kontinuierlich erzeugt werden. Während der Nichtleistungserzeugungsperioden (d. h. wenn der Generator in einem Ruhezustand ist) wird die elektronische Uhr durch die elektrische Leistung betrieben, welche in der sekundären Leistungsquelle gespeichert wurde.
Im Falle eines elektronischen Geräts mit einer eingebauten Solarbatterie zum Beispiel wird in den Nachtstunden keine elektrische Leistung erzeugt. In solch einem elektronischen Gerät mit einer eingebauten Solarbatterie entlädt ein Ladungsspeicher, um eine Verarbeitungseinrichtung zu betreiben. Daher ist es wünschenswert, die Speicherkapazität des Ladungsspeichers zu erhöhen, um Situationen, in welchen keine elektrische Leistung durch das Leistungserzeugungssystem erzeugt wird, Rechnung zu tragen. Eine Erhöhung der Speicherkapazität des Ladungsspeichers verlängert jedoch auch die Zeit, die zum Laden der Kondensatoreinrichtung erforderlich ist. Sobald die Kondensatoreinrichtung vollständig entladen ist, braucht die Kondensatoreinrichtung folglich lange, um auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen zu werden, die zum Betreiben der Verarbei tungseinrichtung ausreicht. Sobald zum Beispiel ein Gerät, das eine Solarbatterie einsetzt, zu funktionieren aufhört, dauert es demnach einige Zeit, das Gerät wieder in Betrieb zu setzen, selbst wenn das Gerät wieder in einer Umgebung angeordnet wird, in welcher Licht auf die Solarbatterie einfällt, und die Leistungserzeugung wieder aufgenommen wurde.
Zahlreiche Schaltungen wurden in der Technik entwickelt, um die Startzeit der Verarbeitungseinrichtung in solchen Situationen zu verkürzen.
Ein Beispiel für solche Schaltungen ist in 8 dargestellt, die ein Blockdiagramm ist, das ein tragbares elektronisches Gerät (eine elektronische Uhr) mit einer Solarbatterie veranschaulicht, wie in der vorläufigen japanischen Patentschrift Nr. 9-264971 mit dem Titel „Power Control Device, Power Generation Device and Electronic Equipment" beschrieben.
In 8 umfasst die elektronische Uhr eine Solarbatterie 501, eine Kondensatoreinrichtung 513 und einen Leistungssteuerabschnitt 520.
Die Solarbatterie 501 wandelt die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie um.
Die Kondensatoreinrichtung 513 speichert die elektrische Leistung von der Solarbatterie 501.
Der Leistungssteuerabschnitt 520 liefert die elektrische Leistung von der Solarbatterie 501 an die Kondensatoreinrichtung 513 mit großer Kapazität und eine Verarbeitungseinrichtung 509, wie beispielsweise einer Zeitnahmeeinrichtung.
Die Kondensatoreinrichtung 513 wird nun ausführlich beschrieben.
Die Kondensatoreinrichtung 513 umfasst einen Kondensator 502, Dioden 517, 521, 522 und 529, Schalter 518, 523 und 524, einen Grenzschalter 519 und eine Steuerschaltung 530.
Der Kondensator 502 ist ein Kondensator mit großer Kapazität, wie beispielsweise ein elektrischer Doppelschichtkondensator.
Der Schalter 523 ist an einer VDD-Spannung geerdet und überbrückt die Diode 521 (eine der beiden Dioden 521 und 522, welche in Reihe zueinander geschaltet sind). In der elektronischen Uhr, die in 8 veranschaulicht ist, ist die Hochspannungsseite, VDD, die Erdspannung (Referenzspannung).
Der Schalter 524 ist an der VDD-Spannung geerdet und überbrückt beide der Dioden 521 und 522.
Die Diode 529 ist zwischen der Solarbatterie 501 und einer der Klemmen des Kondensators 502 vorgesehen, welche auf der VSS-Spannungsseite (Niederspannung) ist. Die Diode 529 fungiert als eine Rückstromflussverhinderungsdiode. Konkret wirkt die Diode 529, um sicherzustellen, dass eine Spannung, welche vom Kondensator 502 entladen wird, während keine Leistung von der Solarbatterie 501 erzeugt wird, nicht an die Solarbatterie 501 angelegt wird.
De Diode 517 wirkt, um sicherzustellen, dass kein Strom in der Rückwärtsrichtung von einer Hilfskondensatoreinrichtung 516, die einen Kondensator 503 mit kleiner Kapazität umfasst, zur Solarbatterie 501 fließt.
Der Schalter 518 ist ein Schalter, der zum Steuern einer Entladung von der Kondensatoreinrichtung 513 in die Hilfskondensatoreinrichtung 516 vorgesehen ist.
Der Grenzschalter 519 schließt die Hochspannungsseite VDD und die Niederspannungsseite VSS miteinander kurz, wenn die Spannung, die von der Solarbatterie 501 geliefert wird, zu hoch ist. Auf diese Weise ist es möglich, zu verhindern, dass die Kondensatoreinrichtung 513 überladen wird, so dass keine hohe Spannung an die Verarbeitungseinrichtung 509 usw. angelegt wird.
Die Steuerschaltung 530 überwacht verschiedene Spannungen im Leistungssteuerabschnitt 520 und steuert die Schalter. Die Steuerschaltung 530 erfasst eine Spannung VSCP auf der Hochspannungsseite der Kondensatoreinrichtung 513, eine Spannung VSCN auf der Niederspannungsseite der Kondensatoreinrichtung 513 und die Spannung VSS, welche der Verarbeitungseinrichtung 509 usw. zugeführt wird.
Auf der Basis der Erfassungsergebnisse gibt die Steuerschaltung 530 Steuersignale zum Steuern des Schalters 523 beziehungsweise des Schalters 524 aus. Die Steuerschaltung 530 gibt auch ein Steuersignal zum Steuern des Schalters 518 (welcher zum Steuern der Entladung von der Kondensatoreinrichtung 513 in die Hilfskondensatoreinrichtung 516 vorgesehen ist) und ein Steuersignal zum Steuern des Grenzschalters 519 aus.
Bei der zuvor beschrieben Konfiguration ist eine Ladespannung VSC der Kondensatoreinrichtung 513 gleich der Differenz zwischen den Klemmenspannungen davon, d. h. zwischen der hochpotenzialseitigen Spannung VSCP und der niederpotenzialseitigen Spannung VSCN. Wenn jedoch Licht auf die Solarbatterie 501 geleuchtet wird, während im Wesentlichen keine elektrische Ladung in der Kondensatoreinrichtung 513 gespeichert ist und die Ladespannung VSC im Wesentlichen 0 V beträgt, werden die Schalter 523 und 524 auf AUS geschaltet.
Daher fällt die elektrische Leistung, die von der Solarbatterie 501 geliefert wird, durch eine Vorwärtsvorspannung der Dioden 521 und 522 ab. Danach wird die elektrische Leistung der Kondensatoreinrichtung 513 zugeführt. Demnach wird durch die Dioden 521 und 522 ein Spannungsabfall verursacht.
Auf diese Weise ist es möglich, die Spannung, die an die Verarbeitungseinrichtung 509 angelegt werden soll, um einen Betrag zu erhöhen, der dem Spannungsabfall entspricht.
Wenn die Ladespannung VSC des Kondensators 502 allmählich ansteigt und eine vorbestimmte Einstellspannung erreicht, werden der Schalter 523 und der Schalter 524 nacheinander auf EIN geschaltet. Demnach werden die Dioden 521 und 522 überbrückt, wodurch die Ladespannung VSC zum Kondensator 502 erhöht wird.
Im herkömmlichen Beispiel, das in 8 dargestellt ist, werden zwei Dioden 521 und 522 verwendet, um die Spannung, die an die Verarbeitungseinrichtung 509 angelegt werden soll, zu erhöhen. In alternativen Schaltungskonfigurationen können jedoch Widerstandselemente anstelle der Dioden 521 und 522 verwendet werden (siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 5,001,685 und Nr. 4,730,287 ).
In dem zuvor beschriebenen herkömmlichen Beispiel ist ein Spannungssenkungsmittel, wie beispielsweise eine Diode, ein Widerstand oder dergleichen, zwischen einem Kondensator, welcher als die sekundäre Leistungsquelle verwendet wird, und der Erdspannung VDD vorgesehen, um die Spannung zu erhöhen, die am Beginn der Leistungserzeugung an die Verarbeitungseinrichtung, wie beispielsweise eine Uhrenantriebsschaltung, angelegt wird. Außerdem ist eine Leitung vorgesehen und mit den Klemmen des Kondensators verbunden, um die Ladespannung des Kondensators (die Spannung zwischen VSCP und VSCN in 8) zu erfassen.
Bei solch einer Konfiguration ist es notwendig, eine der Klemmen der sekundären Leistungsquelle (Klemme A in 8) von der Erdspannung VDD zu isolieren. Außerdem ist es notwendig, eine Leistungszufuhrleitung zum Zuführen der Spannung an der Klemme A bereitzustellen, während die Leistungszufuhrleitung von der Erdspannung VDD zu einer Leiterplatte, die eine Steuerschaltung, eine Uhrenantriebsschaltung und dergleichen darauf aufnimmt, isoliert wird.
9 ist eine Teilschnittansicht, welche veranschaulicht wie eine Leiterplatte in einer elektronischen Uhr angeordnet wird.
In 9 ist eine sekundäre Leistungsquelle (der Kondensator 502) getrennt von der Leiterplatte 601 vorgesehen. Die Klemme A des Kondensators 502 ist durch ein Verbindungselement 602, z. B. eine Kontaktpunktfeder oder dergleichen, mit einem vorbestimmten Kontaktpunkt auf der Leiterplatte 601 verbunden.
Eine Schaltungshalteplatte 603 zum Niederhalten der Leiterplatte 601 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise Edelstahl mit einem Potenzial gleich der Erdspannung VDD.
Ein Schaltungsabstandshalter 604 besteht aus einem Isolierelement. Der Schaltungsabstandshalter 604 und die Schaltungshalteplatte 603 schließen die Leiterplatte 601 dazwischen ein.
Die Leiterplatte 601 ist durch ein Presspasselement 605, welches durch den Schaltungsabstandshalter 604 pressgepasst ist, und eine Schraube 606 befestigt.
Eine Schaltungsisolierplatte 607 ist zwischen der Leiterplatte 601 und der Schaltungshalteplatte 603 vorgesehen. Die Schaltungsisolierplatte 607 besteht aus einem Isolier material. Die Schaltungsisolierplatte 607 isoliert Leitungen auf der Leiterplatte 601 von der Erdspannung VDD.
Eine Basisplatte 608 ist am Schaltungsabstandshalter 604 durch das Presspasselement 605 befestigt.
Die Basisplatte 608 ist ferner durch ein Schaltungsgehäuse befestigt.
Bei der zuvor beschriebenen Konfiguration, bei der eine der Klemmen (Klemme A) der sekundären Leistungsquelle (des Kondensators 502) durch eine Kontaktpunktfeder (den Abschnitt, der durch eine gestrichelte Linie 602 angezeigt ist) oder dergleichen mit dem vorbestimmten Kontaktpunkt auf der Leiterplatte 601 verbunden ist, kann das Leistungsquellenpotenzial der sekundären Leistungsquelle instabil sein.
Dies ist der Fall, da der Kontaktwiderstand des elektrisch leitenden Elements infolge eines Stoßes variiert.
Außerdem ist es notwendig, einen ausreichenden Erdungsabstand auf der Leiterplatte 601 zu gewährleisten, um Signalleitungen und geerdete Punkte durch Bereitstellen eines Isoliermechanismus oder einer ausreichenden Kriechstrecke von der Leistungszufuhrleitung der sekundären Leistungsquelle zu isolieren. Dies verhinderte, dass die Größe der Leiterplatte 601 reduziert wurde. Daher war es nicht möglich, solch eine Spannungserhöhungskonfiguration, wie zuvor beschrieben, in einer kleinen analogen elektronischen Damenuhr einzusetzen.
Außerdem weist die erdspannungs (VDD)-seitige Klemme A der sekundären Leistungsquelle eine Spannung auf, welche sich von der Erdspannung VDD unterscheidet. Daher ist es nicht möglich, die Plusklemme der sekundären Leistungsquelle und das Verbindungselement 602 direkt mit den geerdeten Punkten zu verbinden. Außerdem ist es notwendig, das Isolierelement zum Bereitstellen einer Isolierung vom Kontaktpunkt vorzusehen.
Wie in 8 veranschaulicht, ist außerdem eine Schaltung zum Bewirken eines Spannungsabfalls durch Verwenden einer Diode vorgesehen. In solch einem Fall fließt kein Strom durch die Dioden 521 und 522, während die Schalter 523 und 524 auf AUS sind, und es wird keine elektrische Leistung erzeugt. Daher werden die Klemme und die Leitungen zum Erfassen der Spannung VSCP in einen hochohmigen Zustand versetzt, wodurch es wahrscheinlicher ist, dass sie durch Rauschen beeinflusst werden.
„A study of the new energy system for quartz watches (II) – the effective circuit fort he system", von Motomu Hayakawa, 2037 Actes des Congrès Europèen de Chronometrie (1988), 23/24 Sept., Nr. 1, Genf, CH, offenbart eine Uhr gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
In Anbetracht des Vorhergesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ladeeinrichtung für eine elektronische Uhr gemäß Anspruch 1 und eine Uhr, die solch eine Lageeinrichtung verwendet, sowie ein Verfahren zum Steuern der Ladeeinrichtung bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung ist auch bestrebt, die erdspannungsseitige Klemme der sekundären Leistungsquelle direkt zu erden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Ausführungsform einer elektronischen Uhr gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2A beziehungsweise 2B sind Diagramme, welche zwei beispielhafte Ersatzschaltungen einer sekundären Leistungsquelle SS veranschaulichen, die in 1 dargestellt ist;
3A veranschaulicht die Umschaltzeit in der Spannung, die an eine Uhrenantriebsschaltung 200 der Ausführungsform angelegt werden soll, die in 1 dargestellt ist;
3B veranschaulicht zum Vergleich die Umschaltzeit in der angelegten Spannung, wobei kein Widerstandselement R zum Laden vorhanden ist;
4 ist eine schematische Querschnittansicht, welche einen Teil der elektronischen Uhr veranschaulicht, die in 1 dargestellt ist;
5 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration veranschaulicht wie in 1 dargestellt, wobei ein bestimmter Generator (ein Solarstromgenerator 101) für einen Generator 100 eingesetzt wird;
6 ist ein Blockdiagramm, welches eine Variante der Ausführungsform veranschaulicht, die in 1 dargestellt ist;
7 ist ein Wellenformdiagramm, welches die Umschaltzeit im erzeugten Strom gemäß der Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, veranschaulicht;
8 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration einer herkömmlichen elektronischen Uhr veranschaulicht; und
9 ist eine schematische Querschnittansicht, welche einen Teil der elektronischen Uhr veranschaulicht, die in 8 dargestellt ist.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Ausführungsform einer elektronischen Uhr gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Die elektronische Uhr, die in 1 veranschaulicht ist, ist eine Armbanduhr, die durch einen Benutzer getragen wird, indem ein Band, das am Körper der Uhr befestigt ist, um das Handgelenkt des Benutzers gelegt wird.
Ein Generator 100 umfasst einen Generator, der solche erzeugende Effekte wie einen fotoelektrischen Effekt (insbesondere einen fotoelektrischen Effekt unter Verwendung von Sonnenlicht), einen magnetoelektrischen Effekt, einen thermoelektrischen Effekt oder einen piezoelektrischen Effekt verwendet. Eine sekundäre Leistungsquelle SS, welche die elektrische Leistung speichert, die durch den Generator 100 erzeugt wird, ist mit dem Generator 100 über eine Rückflussverhinderungsdiode D1 verbunden. Eine Klemme der sekundären Leistungsquelle SS ist direkt mit einer gemeinsamen Erdspannung VDD verbunden, welche auch mit der plusseitigen Ausgangsklemme des Generators 100, der plusseitigen Leistungsquellenklemme einer Uhrenantriebsschaltung 200 oder dergleichen verbunden ist. Die andere Klemme der sekundären Leistungsquelle SS ist mit einer anderen Klemme der Uhrenantriebsschaltung 200 verbunden, welche mit der niederpotenzialseitigen Leistungsquellenspannung VSS verbunden ist. In diesem Beispiel wird die Erdspannung VDD, welche auf der Hochpotenzialseite der sekundären Leistungsquelle mit der hochpotenzialseitigen Spannung ist, als die Erd(Referenz)-Spannung GDN verwendet, und die niederpotenzialseitige Spannung wird als VSS verwendet. In alternativen Konfigurationen kann die Spannung VSS als das Erdpotenzial GND verwendet werden.
Die Uhrenantriebsschaltung 200 nimmt die Zeit basierend auf dem Takt, der durch die Schwingung eines Quarzoszillators XTAL erzeugt wird, welcher eine Schwingungsfrequenz von zum Beispiel 32 kHz aufweist. Die Uhrenantriebsschaltung 200 treibt eine Zeitanzeigeschaltung 300, welche eine analoge Anzeigeschaltung mit einem Stundenzeiger, einem Minutenzeiger usw. oder eine Flüssigkristallanzeigeschaltung sein kann, an und steuert sie.
Die Uhrenantriebsschaltung 200 erfasst es auch, wenn die Spannung, die durch den Generator 100 erzeugt wird, eine vorbestimmte Spannung überschreitet. Wenn die erzeugte Spannung die vorbestimmte Spannung überschreitet, wird ein Signal auf einen L-Pegel gesetzt. Dies schaltet einen Schalter S1 auf EIN, welcher zu den jeweiligen Ausgangsklemmen des Generators 100 parallel geschaltet ist, um die Ausgangsklemmen des Generators 100 miteinander kurzuschließen, wodurch eine Grenzsteuerung implementiert wird, um zu verhindern, dass eine hohe Spannung an die sekundäre Leistungsquelle SS oder andere Schaltungen angelegt wird.
In diesem Beispiel kann der Schalter S1 ein P-Kanal-MOS (Metalloxidhalbleiter)-Transistor sein. Eine Leistungsquellenspannung zwischen dem Hochpotenzial der Spannung VDD und dem Niederpotenzial der Spannung VSS wird an die Uhrenantriebsschaltung 200 angelegt. Die sekundäre Leistungsquelle SS und ein Hilfskondensator CB sind jeweils zwischen den Leistungsquellenspannungsklemmen parallel geschaltet.
Die sekundäre Leistungsquelle SS kann zum Beispiel eine Lithiumsekundärbatterie sein. Die sekundäre Leistungsquelle SS kann äquivalent eine kapazitive Komponente C zum Speichern einer elektrischen Ladung und eine widerstandsbehaftete Komponente R umfassen, welche durch ein Bauelement der äquivalenten kapazitiven Komponente C gebildet wird.
Die Lithiumsekundärbatterie verwendet ein organisches (Lithium-)Lösemittel als ihre elektrolytische Lösung. Solch eine Lithiumsekundärbatterie weist ein Merkmal auf, dass die widerstandsbehaftete Komponente R im Vergleich zu anderen Sekundärbatterien, wie beispielsweise einer Ni-Cd-Sekundärbatterie, die eine wässrige (KOH + H2O)-Elektrolytlösung verwendet, einen größeren Wert annimmt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die widerstandsbehaftete Komponente R, welche der Konstruktion der sekundären Leistungsquelle SS von Natur aus anhaftet, zum Beispiel anstelle der in 8 veranschaulichten Dioden 521 und 522 verwendet.
In der vorliegenden Erfindung wird die Spannung, die an die Uhrenantriebsschaltung 200 angelegt werden soll, am Beginn der Leistungserzeugung (wenn die Ladespannung der sekundären Leistungsquelle SS niedrig ist) mittels eines Spannungsabfalls erhöht, welcher an der widerstandsbehafteten Komponente R durch den Ladestrom des Generators 100 auftritt.
Die sekundäre Leistungsquelle SS kann geeigneterweise eine Lithiumsekundärbatterie sein, wie bereits erwähnt, welche ein organisches Lösemittel als ihre elektrolytische Lösung verwendet.
Solche Lithiumsekundärbatterien, welche geeigneterweise als die sekundäre Leistungsquelle SS der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen Lithiumbatterien, wie in der japanischen Patentschrift Nr. 63-1708 mit dem Titel „Organic Electrolytic Solution Secondary Battery" oder der vorläufigen japanischen Patentschrift Nr. 10-64592 mit dem Titel „Lithium Secondary Battery" offenbart werden.
Die „Sekundärbatterie mit organischer Elektrolytlösung", wie in der japanischen Patentschrift Nr. 63-1708 offenbart, umfasst eine elektrolytische Lösung eines organischen Lösemittels mit einem darin aufgelösten Lithiumsalz, einen Minuspolaktivator, der Titanoxid verwendet, und einen Pluspolaktivator, der Manganoxid verwendet.
„Die Lithiumsekundärbatterie", wie in der vorläufigen japanischen Patentschrift Nr. 10-64592 offenbart, umfasst eine elektrolytische Lösung eines organischen Lösemittels mit einem darin aufgelösten Lithiumsalz, einen Minuspolaktivator, der ein Kohlenstoffmaterial verwendet, und einen Pluspolaktivator, der Lithiumtitanat verwendet.
Diese Lithiumsekundärbatterien weisen das Merkmal auf, dass die widerstandsbehaftete Komponente R erhöht werden kann, weshalb sie geeigneterweise als die sekundäre Leistungsquelle SS der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Als ein alternatives Beispiel für die sekundäre Leistungsquelle SS kann ein Elektrolytkondensator verwendet werden, wie beispielsweise ein Kondensator im Faradbereich, welcher eine elektrolytische Lösung verwendet.
Wie in 2A veranschaulicht, kann die sekundäre Leistungsquelle SS äquivalent eine kapazitive Komponente C und eine widerstandsbehaftete Komponenten R umfassen, welche zueinander in Reihe geschaltet sind.
Alternativerweise kann, wie in 2B veranschaulicht, die sekundäre Leistungsquelle SS äquivalent mehrere Paare (n Paare) von kapazitiven Komponenten C1 bis Cn und widerstandsbehaftete Komponenten R1 bis Rn umfassen, welche parallel zueinander geschaltet sind, wobei jedes Paar eine kapazitive Komponenten C und eine widerstandsbehaftete Komponenten R aufweist, welche in Reihe zueinander geschaltet sind.
Der Widerstandswert der widerstandsbehafteten Komponente R wird verwendet, um eine Uhr anzutreiben, welche zu laufen aufgehört hat.
Konkret wird der Widerstandswert der widerstandsbehafteten Komponente R verwendet, um eine Uhr in der Situation anzutreiben, in welcher der Generator 100 in einem Ruhezustand ist und außerdem die Ladespannung der sekundären Leistungsquelle SS auf einen Wert zurückgegangen ist, welcher zum Antreiben der Uhrenantriebsschaltung 200 ungenügend ist.
Genauer gesagt, wird der Widerstandswert der widerstandsbehafteten Komponente R auf solch einen Wert eingestellt, dass die Spannung, die an die Uhrenantriebsschaltung 200 angelegt werden soll, auf eine Spannung erhöht werden kann, welche ausreicht, um die Uhrenantriebsschaltung 200 bei Inbetriebnahme des Generators 100 (am Beginn der Leistungserzeugung) anzutreiben, wie in 3A veranschaulicht.
Die Spannung, die an die Uhrenantriebsschaltung 200 angelegt werden soll, ist gleich der Spannung zwischen VDD und VSS. Die Spannung, die ausreicht, um die Uhrenantriebsschaltung 200 anzutreiben, ist eine Spannung (die niedrigste Antriebsspannung), welche in 3A durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist.
3B veranschaulicht als Referenz die Umschaltzeit in der Spannung, die an die Uhrenantriebsschaltung 200 angelegt werden soll, unter ähnlichen Leistungserzeugungsbedingungen wie jenen von 3A, wobei aber keine widerstandsbehaftete Ladekomponente vorhanden ist.
Konkret veranschaulicht 3A die Umschaltzeit in der Spannung, die an die Uhrenantriebsschaltung 200 angelegt werden soll, in einer Konfiguration, in welcher die widerstandsbehaftete Komponente R aus der in 1 veranschaulichten Konfiguration entfernt ist.
Ein bestimmter Wert des Widerstands der widerstandsbehafteten Komponente R kann auf der Basis der jeweiligen Werte der Schwingungsbeginnspannung in der Uhrenantriebsschaltung 200, der Spannung, die in der sekundären Leistungsquelle SS übrig ist, wenn die Uhr zu laufen aufhört, und des Stroms, der durch den Generator 100 bei Inbetriebnahme der Uhr erzeugt wird, berechnet werden.
Genauer gesagt, kann der Widerstandswert der widerstandsbehafteten Komponente R basierend auf der folgenden Formel eingestellt werden: Widerstandswert R [Ω] = (Schwingungsbeginnspannung [V] – Restspannung, wenn Uhr anhält [V]/erzeugten Strom [A]
Zum Beispiel beträgt in der Annahme eines Falles, in welchem die Schwingungsbeginnspannung 0,7 V ist, die Restspannung, wenn die Uhr zu laufen aufhört, 0,1 V, und der erzeugte Strom beträgt 0,006 A.
In diesem Fall wird der Widerstandswert der widerstandsbehafteten Komponente R gemäß der zuvor dargestellten Formel als 100 Ω berechnet. Daher ist es durch Einstellen des Widerstandswerts der widerstandsbehafteten Komponente R auf 100 Ω möglich, den Betrieb einer Uhr schnell wieder aufzunehmen, nachdem die Uhr zu laufen aufgehört hat.
In der zuvor dargelegten Formel kann der Ausdruck, der die Restspannung darstellt, wenn die Uhr zu laufen aufhört, weggelassen werden, wenn sie zum Beispiel stets 0 V beträgt. Solange der Widerstandswert gleich oder größer als der Wert ist, der aus der zuvor dargestellten Formel erhalten wird, ist es möglich, zu gewährleisten, dass die Spannung, die an die Uhrenantriebsschaltung 200 angelegt werden soll, zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme gleich oder größer als die niedrigste Antriebsspannung ist. Wenn jedoch der Wert der widerstandsbehafteten Komponente R zunimmt, nimmt die Spannung, die an die kapazitive Komponente C angelegt wird, ab, wodurch der Ladevorgang behindert wird. Daher ist es wünschenswert, den Widerstandswert innerhalb eines bestimmten Bereichs von dem Wert einzustellen, der durch die zuvor dargestellte Formel erhalten wird.
Die zuvor dargestellte Formel zeigt auch an, dass der Wert der widerstandsbehafteten Komponente R durch Einsetzen eines Generators mit einer hohen Leistungserzeugungskapazität reduziert werden kann.
Die zuvor dargestellte Formel zeigt auch an, dass bei der Verwendung eines Generators mit einer niedrigen Leistungserzeugungskapazität eine ausreichende Spannung bei der Inbetriebnahme durch Erhöhen des Werts der widerstandsbehafteten Komponente R gewährleistet werden kann.
Wenn in dem zuvor beschriebenen Beispiel der Widerstandswert gleich oder größer als 100 Ω ist, ist es möglich, die Uhr unverzüglich in Betrieb zu nehmen, selbst wenn die Spannung der sekundären Leistungsquelle in der Nähe von 0 V ist. Eine widerstandsbehaftete Komponente mit solch einem Widerstandswert, etwa 100 Ω, kann entweder mit einer Lithiumsekundärbatterie, die Titanoxid und Magnesiumoxid verwendet, oder einer Lithiumsekundärbatterie, die ein Kohlestoffmaterial und Lithiumtitanat verwendet, implementiert werden, wie zuvor erwähnt.
In der in 1 veranschaulichten Konfiguration sind die sekundäre Leistungsquelle SS und der Hilfskondensator CB parallel zueinander geschaltet.
Alternativerweise kann eine Spannungserhöhungs/senkungsschaltung, welche zum Beispiel durch eine Ladepumpenschaltung gebildet wird, die mehrere Kondensatoren und Schaltern umfasst, zwischen die sekundäre Leistungsquelle SS und den Hilfskondensator CB geschaltet werden. In solch einem Fall kann die Ladespannung der sekundären Leistungsquelle SS oder die Spannung, die durch den Generator 100 erzeugt wird, erhöht oder gesenkt werden, um eine erhöhte oder gesenkte Spannung zu erhalten, welche dann an den Hilfskondensator CB und die Uhrenantriebsschaltung 200 angelegt wird. In solch einem Fall ist es notwendig, die Verbindung auf der Seite der Erdspannung VDD zu ändern, wenn die Spannungserhöhungs/senkungsschaltung so vorgesehen ist, dass sie die Spannung zwischen der VSS-seitigen Klemme der sekundären Leistungsquelle SS und der VSS-seitigen Klemme des Hilfskondensators CB erhöht/senkt.
Wie bereits erwähnt, wird gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 1 veranschaulicht ist, die widerstandsbehaftete Komponente, welche der Konstruktion der sekundären Leistungsquelle SS von Natur aus anhaftet, verwendet, um einen Spannungsabfall zu bewirken, der bei der Inbetriebnahme benötigt wird.
Demnach ist es möglich, die Verbindung und die Leistungszufuhrleitung zu eliminieren, welche im herkömmlichen Beispiel, das zuvor unter Bezugnahme auf 8 beschrieben wurde, zum Erfassen der Spannung VSCP an einer Klemme des Kondensators 502 verwendet werden.
Wie die sekundäre Leistungsquelle SS in der elektronischen Uhr, die in 1 veranschaulicht ist, zu verbinden ist, wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
In 4 sind dieselben Elemente wie jene, die in 9 dargestellt sind, mit denselben Bezugszeichen versehen und werden im Folgenden nicht weiter beschrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die hochspannungsseitige (plusseitige) Klemme der sekundären Leistungsquelle SS direkt am VDD-Spannungspunkt geerdet werden. Daher kann die hochspannungsseitige (plusseitige) Klemme B der sekundären Leistungsquelle SS direkt mit der Schaltungshalteplatte 603 elektrisch verbunden werden, indem die Klemme B entweder direkt mit der Schaltungshalteplatte 603 oder über ein Sicherungselement (den Abschnitt, der durch eine gestrichelte Linie 401 angezeigt ist), das eine Anschlussklemme, einer Schraube oder dergleichen verwendet und eine hohe Steifheit aufweist, verbunden wird.
Auf einer Leiterplatte 601a ist es nicht mehr notwendig, eine Leistungszufuhrleitung für die Klemmenspannung VSCP zu ziehen, welche in der herkömmlichen Konfiguration benötigt wird, die in 8 veranschaulicht ist. Daher ist es möglich, etwas Fläche auf der Platte einzusparen, die einer Fläche entspricht, welcher sonst zur Isolierung erforderlich wäre.
Außerdem ist es möglich, den Gegenkontaktpunkt für die Kontaktpunktfeder zu eliminieren, welcher zum Erfassen der Klemmenspannung VSCP erforderlich ist. Daher ist es möglich, die Größe der Leiterplatte 601a im Vergleich zu der des Standes der Technik zu reduzieren.
Als Nächstes werden ein spezifischeres Beispiel und eine Variante der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 1 veranschaulicht ist, unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben.
5 ist ein Blockdiagramm, welches ein spezifisches Beispiel des Generators 100 von 1 darstellt.
In 5 wird ein Solarstromgenerator (eine Solarbatterie) 101 anstelle des Generators 100 von 1 eingesetzt. Ein anderer DC-Generator, wie beispielsweise ein fotoelektrischer Stromgenerator, ein thermoelektrischer Stromgenerator oder dergleichen, kann mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, indem einfach der Generator 100 von 1 durch solch einen Generator ersetzt wird.
6 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration veranschaulicht, in welcher der Generator 100 von 1 durch einen AC-Stromgenerator 102, wie beispielsweise einen magnetoelektrischen Stromgenerator, einen piezoelektrischen Stromgenerator oder dergleichen, ersetzt ist. In diesem Fall wird eine Vollwellengleichrichterschaltung, die vier Dioden D2 bis D5 umfasst, zum Gleichrichten der Spannung, die durch den AC-Stromgenerator 102 erzeugt wird, in einen Gleichstrom verwendet. In solch einem Fall ist es nicht notwendig, die Rückflussverhinderungsdiode D1 von 1 einzusetzen.
Eine Diode D6 und eine Diode D7 sind ferner vorgesehen, deren Anoden beide mit der Senke des Grenzsteuerschalters S1 verbunden sind und deren Kathoden mit den jeweiligen Ausgangsklemmen des AC-Stromgenerators 102 verbunden sind, wodurch es möglich ist, die Ausgangsklemmen des AC-Stromgeneratos 102 mithilfe des Schalters S1 miteinander kurzzuschließen.
7 veranschaulicht die Umschaltzeit im erzeugten Strom nach der Vollwellengleichrichtung, in welcher ein magnetoelektrischer Stromgenerator als der AC-Stromgenerator 102 verwendet wird, der in 6 veranschaulicht ist.
Im Falle einer AC-Stromerzeugung variiert der erzeugte Strom periodisch, wie in 7 veranschaulicht. Daher ist es wünschenswert, dass die Zeitkonstante zum Laden der sekundären Leistungsquelle SS innerhalb eines derartigen Bereichs ist, dass es möglich ist, auf die Änderung im erzeugten Strom (den Zyklus nach einer Halbwellen- oder Vollwellengleichrichtung) zu reagieren. Wenn zum Beispiel das Nulldurchgangsintervall in der Wellenform eines erzeugten AC-Stroms nach der Vollwellengleichrichtung 1 ms ist, wie im veranschaulichten Beispiel, ist die Zeitkonstante RtC, die auf der äquivalenten kapazitiven Komponente C und der widerstandsbehafteten Komponente R der sekundären Leistungsquelle SS basiert, wünschenswerterweise kleiner als oder gleich 1 ms.
Wie bereits erwähnt, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Dioden und Widerstände zum Erhöhen der Spannung zu eliminieren.
Außerdem ist es möglich, die Leistungszufuhrleitung, welche zum Erfassen der Ladespannung der sekundären Leistungsquelle verwendet wird, und das Verbindungselement, welches zum Anschließen der Leistungszuguhrleitung verwendet wird, zu eliminieren.
Als Ergebnis ist es möglich, die folgenden Wirkungen zu erzielen:

(1) Die Leistungszufuhrleitung für die Klemmenspannung VSCP, welche in der herkömmlichen Schaltung benötigt wird, wird eliminiert, wodurch es möglich ist, die räumliche Effizienz von Schaltungsblöcken auf einer Leiterplatte zu verbessern;
(2) die Leistungszufuhrleitung für die Klemmenspannung VSCP wird eliminiert, wodurch es möglich ist, ein Isolierelement, wie beispielsweise einen Isolierfilm oder dergleichen, zu eliminieren, welches im Stand der Technik auf der Leiterplatte oder auf Verbindungspunkten mit der Leiterplatte zum Bereitstellen einer Isolierung von einem äußeren Packungselement benötigt wird;
(3) es ist nicht mehr notwendig, eine Isolierung zwischen der plusseitigen Klemme der sekundären Leistungsquelle und einem äußeren Packungselement bereitzustellen (VDD-Spannung);
(4) es gibt keinen Einfluss mehr von Änderungen im Potenzial oder Rauschen entlang der Leistungszufuhrleitung für die Klemmenspannung VSCP, wodurch es möglich ist, die Möglichkeit einer Störung der gesamten Schaltung infolge von Rauschen zu reduzieren.

Claims

Elektronische Uhr, umfassend: eine Uhrenantriebsschaltung (200) zum Durchführen eines Zeitnahmebetriebs; eine Anzeigeschaltung (300) zum Anzeigen von Zeitinformationen von der Uhrenantriebsschaltung (200); einen Generator (100) zum Erzeugen von elektrischer Energie unter Verwendung von wenigstens einer Art von externer Energie und zum Ausgeben eines Stroms als Reaktion auf die elektrische Energie; und eine Kondensatoreinrichtung (SS) zum Speichern der elektrischen Energie, die durch den Generator (100) erzeugt wird, und Zuführen der gespeicherten elektrischen Energie zur Antriebsschaltung (200), wobei die Uhrenantriebsschaltung (200) parallel zur Kondensatoreinrichtung (SS) gekoppelt ist und die Uhrenantriebsschaltung (200) und die Kondensatoreinrichtung (SS) über den Generator (100) miteinander gekoppelt sind; die Kondensatoreinrichtung (SS) eine äquivalente kapazitive Komponente (C) zum Speichern einer elektrischen Ladung und eine widerstandsbehaftete Komponente (R) umfasst, die durch einen Teil der äquivalenten kapazitiven Komponente (C) gebildet wird, die widerstandsbehaftete Komponente (R) einen Widerstand aufweist, der infolge eines Stroms, der vom Generator (100) ausgegeben wird, einen Spannungsabfall bewirkt, wenn der Strom gleich oder größer als ein vorbestimmter Strom der Uhr ist, der Spannungsabfall eine Spannung, die an die Uhrenantriebsschaltung (200) angelegt wird, gleich oder größer als eine Betriebsbeginnspannung macht, durch welche die Uhrenantriebsschaltung (200) zu laufen beginnt; dadurch gekennzeichnet, dass: der Kondensator eine elektrolytische Lösung umfasst und die widerstandsbehaftete Komponente (R) der Kondensatoreinrichtung (SS) ausschließlich einen Widerstand aufweist, der den Spannungsabfall bewirkt.
Elektronische Uhr nach Anspruch 1, wobei die widerstandsbehaftete Komponente (R) einen Widerstandswert aufweist, welcher gleich oder größer als ein Wert, der durch Teilen der Betriebsbeginnspannung der Uhrenantriebsschaltung (200) durch einen Strom, der durch den Generator (100) bei Inbetriebnahme der Uhr erzeugt wird, erhalten wird oder ein Wert ist, der durch Teilen einer Differenz zwischen einer Restladungsspannung der Kondensatoreinrichtung (SS) zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Uhrenantriebsschaltung (200) zu laufen aufhört, und der Betriebsbeginnspannung der Uhrenantriebsschaltung (200) durch den Strom, der durch den Generator (100) erzeugt wird, erhalten wird.
Elektronische Uhr nach Anspruch 1, wobei der Generator (100) einen Solarstromgenerator, einen fotoelektrischen Stromgenerator, einen magnetoelektrischen Stromgenerator, einen thermoelektrischen Stromgenerator oder einen piezoelektrischen Stromgenerator umfasst.
Elektronische Uhr nach Anspruch 1, wobei die Kondensatoreinrichtung (SS) äquivalent eine kapazitive Komponente und eine widerstandsbehaftete Komponente umfasst, die in Reihe zueinander geschaltet sind.
Elektronische Uhr nach Anspruch 1, wobei die Kondensatoreinrichtung (SS) äquivalent mehrere Paare von kapazitiven Komponenten und widerstandsbehafteten Komponenten umfasst, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei jedes Paar eine kapazitive Komponente und eine widerstandsbehaftete Komponente aufweist, die in Reihe zueinander geschaltet sind.
Elektronische Uhr nach Anspruch 1, wobei die Kondensatoreinrichtung (SS) eine Lithiumsekundärbatterie aufweist, die eine elektrolytische Lösung eines organischen Lösemittels mit einem darin aufgelösten Lithiumsalz, einen Minuspolaktivator, der Titanoxid verwendet, und einen Pluspolaktivator, der Manganoxid verwendet, umfasst.
Elektronische Uhr nach Anspruch 1, wobei die Kondensatoreinrichtung (SS) eine Lithiumsekundärbatterie aufweist, die eine elektrolytische Lösung eines organischen Lösemittels mit einem darin aufgelösten Lithiumsalz, einen Minuspolaktivator, der Kohlenstoffmaterial verwendet, und einen Pluspolaktivator, der Lithiumtitanat verwendet, umfasst.
Elektronische Uhr nach Anspruch 1, wobei die Kondensatoreinrichtung (SS) einen Elektrolytkondensator umfasst.
Elektronische Uhr nach Anspruch 1, wobei der Generator (100) einen AC-Generator umfasst und eine Ladezeitkonstante der Kondensatoreinrichtung (SS) kleiner als ein oder gleich einem Zyklus einer halbwellen- oder vollwellengleichgerichteten Wellenform eines Stroms ist, der durch den AC-Generator erzeugt wird.
Elektronische Uhr nach Anspruch 1, wobei eine Klemme der Kondensatoreinrichtung (SS) an ein Erdpotenzial gelegt ist, das dem Generator (100), der Uhrenantriebsantriebsschaltung (200) und der Kondensatoreinrichtung (SS) gemeinsam ist.
Elektronische Uhr nach Anspruch 1, wobei eine Klemme der Kondensatoreinrichtung (SS) an ein elektrisch leitendes Befestigungselement mit dem Erdpotenzial gelegt ist.