JP2013152229A - 電子時計 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の電池電圧検出システムを小規模の改良により、安定したモータ駆動制御と正確な残容量表示を実現する充電式アナログ電子時計を提供する。
【解決手段】モータ駆動のための、充電時の分極作用による電圧上昇を含む実電圧端子電圧測定と、残容量検出のための充電禁止状態での開放端子電圧測定の検出周期を、電池電圧の変化が急峻な区間では短くし、平坦な区間では長くする。これにより、急峻に変化する区間では安定したモータ駆動に適切に対応し、平坦な区間では消費電力を低減可能とする。
【選択図】図4

Description

本発明は、充電式アナログ電子時計に関する。
2次電池を用いた充電式アナログ電子時計においては、その特性上電圧変動が激しいことは知られている。従って、モータ駆動の安定化を図るために、電圧範囲で駆動パルスの仕様を変更することが行われている (詳細は、特許文献1参照) 。
前述の説明においては、モータ駆動パルスの決定は、電圧の変動に逐次追いつくために、電池電圧検出を短い間隔(通常1秒無いし2秒周期)で行わねばならない。
また、充電式アナログ電子時計では、電池の残容量を表示することが求められるようになってきている。残容量検出は、通常の1次電池同様、電池電圧を検出することで実施することが多い。
電池の残容量が、端子の開放電圧に相関することは良く知られている。
また、非特許文献1に示されるように、電池の放電時/充電時双方において、充放電電流に伴い、「分極」と呼ばれる、端子間電圧が開放電圧よりも、放電時は小さく、充電時は大きくなる現象が起こる。この現象は、電流密度が大きいほど、大きくなる。即ち、大電流が必要な重負荷の駆動時には、端子電圧は急速に低下し、逆に、大電流による急速充電時は、急速に上昇する。但し、これらの充放電を停止すると、本来の端子電圧を示すことも、非特許文献1に記載されている。
さらに、これらの分極作用が、電池の内部抵抗の正体であることも、非特許文献1に記載されている。即ち、この分極に起因する内部抵抗の存在により、充電時には本来の端子電圧より上昇し、放電時には本来の端子電圧よりも低下する。
上記分極作用による端子電圧の変動により、電池の残容量検出を、充電を実施しながら正確に行うことは非常に難しく、数々の方法が考案されてきた。
特許文献2には、充電時の内部抵抗による電圧上昇で間違って過充電防止電圧と判定し、過充電防止状態となってしまい、充電が不十分になることを防止するために、電池電圧測定時に充電を禁止することが記載されている。
特許文献3には、急速充電時の内部抵抗による電池電圧の見かけの上昇を含めた端子電圧では、正確な残容量検出が出来ないため、急速充電時に満充電に対応する電圧が検出された後は、細流充電と急速充電を繰り返し、内部抵抗による電圧上昇が殆ど無い細流充電時の電圧を検出することで、満充電状態とすることが記載されている。
特許文献4では、やはり内部抵抗によるみかけの抵抗により電池電圧がふらつくので、特許文献5にある放電時の重負荷によるふらつきを排除する方法と同様の方法を使用し、所定電圧を所定時間上回ったら、所定の残容量に対応する表示を行うことが記載されている。
WO95/27926号公報 特開昭61−236332号公報(第4図、2ページ) 特公昭53−16895号公報(第2図、1ページ2欄〜2ページ3欄) 特開平7−306275号公報(図4、請求項1) 特開昭60−161572号公報(第2図、第3図)
「電池ハンドブック」(株式会社電気書院、昭和50年4月15日第1版第1刷発行、1−17〜18、3−42、3−52)
充電式アナログ電子時計で、モータ駆動制御の安定と残容量(充電量)の表示を両立させる場合、以下の問題があった。モータ駆動制御のためには、その性質上、短い周期で実電圧値を計測する必要がある。
それは、モータ駆動が時計にとっては重負荷であるので、2次電池を電源として駆動する必要が有り、そのときの実際の端子電圧がモータ駆動電圧となるからである。また、充電式時計では、電池電圧の変動が激しいため、短い周期(通常は1秒ないし2秒)での計測を必要とする。
それに対し、残容量表示用の電池電圧検出(以下、BD)場合には、実電圧値をそのまま用いることはできない。何故ならば、2次電池の多くは分極作用が有り、計測した実電圧値で即残容量を決定すると間違った表示を行う可能性がある。そのために、所定電圧を所定時間連続して上回ったことを検出して初めて対応する残容量表示を行なったり、充電を一時停止し、停止からの所定時間経過後の電圧低下に基づき残容量を決定することが、特許文献4に開示されている。
従って、特許文献4に開示のように、充電禁止状態での電池電圧値の計測が必要となる。
但し、2次電池の容量と発電手段の発電量にもよるが、時計に組み込まれる発電源では大容量電流による発電は不可能であること、時計はその性質上非常に低消費電力となるように作成されているので、急速な残容量の変化は通常は無く、モータ駆動用の電池電圧周期よりは遥かに長い時間周期(分単位周期)の測定でも問題は無い。
ここで、モータ駆動制御と残容量表示に必要な電池電圧について、図5の如く纏める。
図5よりもわかるように、モータ駆動制御用の電池電圧検出と残容量表示用の電池電圧検出は、本来相容れないものであり、両者を並立させることは非常に困難であった。
そのため、モータ駆動制御用の電池電圧検出と残容量表示用の電池電圧検出の2つの電池電圧計測システムの搭載が必要となり、回路が大型化してしまう問題があった。
本発明は、上記問題を解決し、従来の電池電圧検出システムを用いて、小規模の改良により上記問題を解決し、安定したモータ駆動制御と正確な残容量表示を実現する充電式アナログ電子時計を提供する。
本発明では、
時刻表示手段等を駆動するためのモータと、
該モータを駆動するモータドライバー回路と、
該モータドライバー回路と前記モータの電源となる蓄電手段と、
該蓄電手段の電圧を検出する電圧検出回路と、
該電圧検出回路と前記モータドライバー回路を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記モータドライバー回路にて前記モータを駆動する際に必要な前記蓄電手段の電圧検出(以下モータBD)と、前記蓄電手段の残容量の推定に必要な前記蓄電手段の電圧検出(以下残容量BD)とを、
前記電圧検出回路にて実施する電子時計において、
前記制御部は、前記残容量BDにより推定される前記蓄電手段の残容量により、
前記モータBDの検出周期を変更する
ことを特徴とする。
前記蓄電手段は、その放電特性において、電圧の変動が殆ど無い期間と、急峻な降下を示す期間を有し、
前記制御部は、
前記急峻な降下を示す期間の前記モータBDの検出周期を、
前記電圧の変動が殆ど無い期間の前記モータBDの検出周期より短くなるように変更することを特徴とする。
残容量検出BDやモータBDの周期は、検出すべき電池の状態により可変しても良い。例えば、急速充電/放電の起こる残容量が空の状態では周期を短く、逆に殆ど変化しない中間領域では、検出周期を長くすることを特徴とする。
本発明によれば、モータ駆動制御用のBD検出回路と、残容量検出用のBD検出回路を単一のBD回路で行い、精度の高いモータ駆動制御と残容量表示が実現可能である。また、単一のBD回路で行うことにより、システムの簡略化、及び小型化、さらに、低消費電力化を可能とする。
本発明の第1実施例の形態を示す電子時計のシステムブロック図である。 本発明の第1実施例の形態を示すタイムチャート図である。 本発明の第2実施例の形態を示す電子時計のシステムブロック図である。 電子時計で使用される一般的な2次電池の放電特性図である。 モータ用BDと残容量BDの特徴をまとめた図表である。
以下、図面を参照して、本発明に係る電子時計について説明する。
〔第1実施例〕
第1実施例は、本発明の基本実施形態を示す実施例である。
図1は、本発明の第1実施例の電子時計の概略構成を示すブロック図である。
図1に示すように、本実施例の電子時計において、1は発振回路であり、不図示の水晶発振子を使用し、32768Hzの基準信号を出力する基準信号源である。
2は分周回路であり、発振回路1の出力する32768Hzの基準信号を入力して分周し、後述するP1,P2,P3の各信号や計時における基準信号である1Hz信号を作成する。3は、計時回路であり、分周回路2からの1Hz信号を入力して計時を実施し、計時結果を表示するための基準信号PKを出力する。
4は、波形作成回路であり、基準信号PKを入力し、時刻表示手段7を駆動するモータ6を駆動するための駆動信号(モータ駆動パルス)PMを出力する。5は駆動回路であり、波形整形回路4からの信号を受け、モータ6を駆動する。
8はモータ駆動電圧検出用信号作成回路であり、分周回路からの2秒毎の信号P1を入力し、2秒毎のモータ駆動用電圧検出(以下、モータBD)信号BD1を作成し、モータ駆動用電圧レベル判定回路11と後述の電圧検出回路15に出力する。
9は残容量電圧検出用信号作成回路であり、分周回路からの1時間毎の信号P2を入力し、1時間毎の信号BD2を作成し、後述のデータタイプフリップフロップ(以下、D−FF)22のクロック入力とカウンター19のリセット端子に出力する。BD2を元に、残容量電圧検出(以下、残容量BD)制御信号BD3が作成され、後述の電圧検出回路15に出力される。
12はソーラセル等からなる発電手段であり、14は発電手段12の発電電力を蓄電する蓄電手段である。13は充電制御回路であり、発電手段12−蓄電手段14間に挿入され、発電手段12からの発電電力の充電/遮断を実施するスイッチ手段である。その制御は、充電禁止信号KPにより実施されるが、詳細は後述する。
なお、本実施例においては、充電制御回路13は、発電手段12−蓄電手段14間に挿入されるスイッチ手段としているが、もちろんこれに限定されない。例えば、特許文献2に記載のように、過充電防止手段にその役割を持たせても良い。
15は、電圧検出回路であり、蓄電手段14の端子電圧である充電電圧BVを測定し、その結果を検出信号B1として出力する。
電圧検出回路15は、2秒毎のモータBD信号BD1と1時間毎の残容量BD信号BD3のアクティブ電位入力タイミングでのみ動作するため、電圧検出回路15での消費電力はごくわずかに抑えることが出来る。
D−FF22は、データ入力端がHレベルであるVddに接続され、クロック入力端ΦはBD2用信号作成回路9からのBD2を入力とし、BD2の立ち上がりに同期して動作し、出力端QからHレベルの充電禁止信号KPを、充電制御回路13とANDゲート20に出力する。
充電制御回路13は、充電禁止信号KPがHレベルの時に蓄電手段14への充電を遮断し、Lレベルの時に蓄電手段14への充電を実施する。
ANDゲート20は、充電禁止信号KPと分周回路2からのクロックP3を入力し、カウンター19に向けて出力する。ANDゲート20の出力は、充電禁止信号KPが蓄電手段14への充電を禁止している区間のみ、カウンター19にクロック出力する。
カウンター19は、充電禁止信号KPによる蓄電手段14への充電禁止時間を規定するカウンターであり、BD2によりリセット後、充電禁止時間に相当する所定時間をカウントし、カウントアップ時に残容量BD信号BD3をD−FF22のリセット端子と、後述の残容量表示レベル判別回路16に出力する。残容量BD信号BD3により、D−FF22はリセットされ、充電禁止信号KPがLレベルとなり、充電禁止が解除される。
残容量表示レベル判別回路16は、残容量BD信号BD3と電圧検出回路15からの検
出信号B1を入力し、記憶している蓄電手段14の残容量−開放端子電圧の相関関係から表示すべき残容量レベルを判定し、レベル判別信号H2を出力する。
17は残容量表示制御回路であり、残容量表示レベル判別回路16からのレベル判別信号H2を入力し、残容量表示装置18が残容量の表示内容を示す残容量表示データD2を出力する。
残容量表示装置18は、残容量表示データD2を受け、対応する残容量の表示を実行する。なお、残容量表示装置18の具体的内容(モータによる指針表示、LCD表示等)は、本発明の本質では無いので、その詳細は省略する。
11は、モータ駆動用電圧レベル判別回路11であり、電圧検出回路15から出力される検出信号B1とモータ用BD信号BD1を入力として、検出信号B1の電圧に応じた複数の電圧レベル判別信号H1を出力する。
モータ駆動波形選択回路10は電圧レベル判別信号H1を入力とし、電圧レベルに応じた選択信号D1を波形作成回路4に出力する。選択信号D1を受けた波形作成回路4は、その時点での蓄電手段14の端子電圧に最適なモータ駆動信号PMを駆動回路5に出力する。
次に、図2を用いて、第1実施例の動作を説明する。
図2は電子時計の動作モードを説明するタイムチャート図である。
発電手段12より、充電制御回路13を介して、蓄電手段14が充電され、充電電圧BVが充電される。ここでは、充電制御回路13は蓄電手段14への充電を許可している。
次に、t1のタイミングにて、モータ駆動用のBD検出を行う。
充電中の蓄電手段14である2次電池は、分極作用によって、端子間に実充電電圧以上の電圧が発生する。しかし、正常にモータを駆動するためには、分極電圧込みの実端子電圧検出が必要であるので、t1のタイミングにおいて、モータBD用回路8よりBD1信号が出力され、モータ駆動のための電圧検出回路15のBD検出を行う。
検出信号B1の出力結果に応じてモータ駆動用電圧レベル判別回路11より、電圧レベル判別信号H1が出力され、モータ駆動波形選択回路10に出力される。
モータ駆動波形選択回路10は、選択信号D1を波形作成回路4に出力し、波形作成回路4において、2次電池電圧に応じたモータ駆動パルス(信号)PMを出力し、駆動回路5を介して、モータ6、及び、時刻表示装置7を正常に動作させる。
モータ制御のBD1信号は2秒周期で行い、t4、t5、t8もt1と同様の動作を行う。
なお、実際のモータ駆動パルス(信号)PM自体は、本発明の本質ではないので、図2には記載していない。
続いて、t2のタイミングにおいて、残容量の測定を実行する。残容量の検出には、残容量と相関する開放端子電圧が必要であるが、V1は分極による見かけの電圧上昇込みの電圧であるため、そのままでは残容量の測定に使用できない。
そこで、t1から所定時間の値のt2タイミングにおいて、残容量測定のための専用B
D検出を実行する。
t2のタイミングにおいて、残容量BD信号作成回路9から出力されるBD2によって、D−FF22の出力信号である充電禁止信号KPがHレベルになり、蓄電手段14への充電を禁止する。
充電を禁止することにより、充電電圧BVは、分極込みの端子電圧から、残容量に相関した実充電電圧へと変化する。
実充電電圧に落ち着いたとみなせる、充電を禁止してから所定時間経過後(カウンター19のカウントアップ時点)のt3のタイミングにおいて、残容量電圧検出制御信号BD3が電圧検出回路15に出力され、実充電電圧とみなせる蓄電手段14の端子電圧が検出信号B1として出力される。
残容量表示レベル判別回路16により、入力された残容量BD信号BD3と検出信号B1とにより、実充電電圧を検出して残容量を検出し、レベル判別信号H2を出力する。
レベル判別信号H2に基づき、残容量表示制御回路17より残容量表示データD2が出力され、残容量表示装置18による残容量の表示を実行する。
残容量電圧検出制御信号BD3の信号によって、D−FF22にリセットをかけ、D−FF22の出力である充電禁止信号KPをLレベルにすることにより、充電を再開する。
残容量制御のBD2信号とBD3信号は1時間周期でおこない、t6、t7もt2、t3と同様の動作を行う。
上記の如く、モータ6の駆動制御には、蓄電手段14の分極作用による上昇分を含む実端子電圧が必要であり、蓄電手段14の残容量の検出には、分極作用による上昇分を含まない、非充電状態の開放電圧が必要であり、両者の測定が相容れないことを逆に利用し、単一の電圧検出回路15で、両方の電圧測定を可能にしている。
これにより、以下の利点を有する。
(1)従来技術では、モータ用と残容量用の2つの電圧検出回路とその制御回路が必要であったが、本発明により、単一の電圧検出回路15を共通使用できるので、回路を小型化できる。そのため、時計も小型化でき、また、回路のコストダウンも可能である。
また、残容量BDは、残容量の変化がそれほど大きくないことを利用し、1時間に1回の長い周期での電圧検出としている。
これにより、以下の利点を有する。
(2)モータBDの1/1800の頻度で実行されるので、消費電力への影響が殆ど無い。
(3)残容量BDに伴う充電禁止の頻度を非常に少なく出来るので、充電効率を殆ど落とすことなく、残容量検出を行うことが可能となる。
なお、t1〜t2のモータBD〜充電禁止開始までの時間、および、t2〜t3の充電禁止時間については、モータや電池の特性を元に適宜決定することが出来る。
〔第2実施例〕
続いて、第2実施例について、図面を用いて説明する。
第2実施例は、電池の容量に応じ、残容量BDの周期を変更する場合の実施例である。
図3は実施形態2の電子時計の概略構成を示すブロック図であり、図3は図1と同様の構成であるため、同一構成要素には同一番号を付して説明を省略する。図1と図3の差は、検出周期選択回路23の追加のみである。
検出周期選択回路23は、電圧検出回路15から出力される検出信号B1及び、分周回路2からの分周信号PFを入力として、サンプリング周期可変信号PTを出力する。サンプリング周期可変信号PTの出力が残容量BD信号作成回路9に入力され、信号BD2を出力する。
図4は、電子時計で使用される一般的な2次電池の放電特性を示した図である。
図4に示すように、t1区間に示すフル充電からは比較的急峻な降下をし、その後t2区間のごとく、殆ど一定の電圧を保つ期間があり、充電の無くなるt3区間のごとく比較的急峻な降下を起こす特性を持っている。そのため、残容量の表示を行うBDサンプリングを、蓄電手段14の電池電圧と無関係に常に同じ周期で行うことは、以下の理由で問題がある。
(a)比較的急峻な降下を示すT1,T3では、BDサンプリングを細かく実行しないと、正しい残容量検出とならない。特に、残容量の殆ど無いt3区間では、ユーザーへの時計停止の危険報知と充電催促のために、正確で的確なタイミングでの残容量表示が必須である。
(b)逆に、殆ど一定の電圧を保つT2期間では、電圧変化が殆ど無く、また、ユーザーへの時計停止の危険報知と充電催促も必要無い。そのため、T1,T3区間と同じ周期でのBDサンプリングは、消費電力の無駄が多く、充電効率も悪くなる。
そこで、上記(a)(b)の問題を解決するため、T1及びT3区間においては、モータ用BD検出(2秒)よりは長周期であるが、比較的早い周期にて検出を行い(例えば、5分周期)、T2の区間においては、長周期(例えば、1時間周期)で行うことにより、上記問題を解決する。
図3において、検出周期選択回路23は、電圧検出回路15から出力される検出信号B1を入力し、図4におけるどの状態にあるか、具体的には、T1,T2,T3のどの区間にあるかを判定する。その判定結果に基づき、検出周期選択回路23は、サンプリング周期可変信号PTを出力する。具体的には、T1,T3区間では5分周期の、T2区間では1時間周期の信号を出力する。残容量BD信号作成回路9は、サンプリング周期可変信号PTに基づき、T1,T3区間では5分周期の、T2区間では1時間周期のBD2信号を出力する。
このようにすることにより、以下の利点を有する。
(3)2次電池の特性に基づき、電池の状態を判定し、その結果に基づき、残容量BDの周期を可変しているので、消費電流の削減、充電効率向上と残容量検出精度向上をさらに効率良く実現することが出来る。
なお、上記実施例では、T1,T3区間で残容量BD検出周期を同じ周期(5分周期)としたが、T1,T3で別の周期としても良い。T1区間は満充電状態に近い状態であり、実用上それほど正確に残容量検出をしなくても良い状態である。それに対し、T3区間は非常に正確な残容量検出を求められる。従って、T1区間で30分周期とし、T3区間は5分周期とするようなことを実施しても良い。
また、本実施例では、残容量BDのみ周期を変更したが、モータ用BDの周期を変化さ
せても良い。上記の如くT2区間では、電池電圧の変動が殆ど無いため、T2区間ではモータ駆動用パルスの変更頻度は低くて良い。そのため、T2区間では、例えば、10秒周期でモータBDを実行するようにしても良い。
なお、上記説明における周期の数値は、もちろんその値に限定されるものでは無く、使用する2次電池、モータなどの特性に応じ、適宜変更可能である。
1 発振回路
2 分周回路
3 計時回路
4 波形作成回路
5 駆動回路
6 モータ
7 時刻表示装置
8 モータ駆動電圧検出用信号作成回路
9 残容量電圧検出用信号作成回路
10 モータ駆動波形選択回路
11 モータ駆動用電圧レベル判別回路
12 発電手段
13 充電制御回路
14 蓄電手段
15 電圧検出回路
16 電圧―残容量表示レベル判別回路
17 残容量表示制御回路
18 残容量表示装置
19 カウンター
20 制御用アンド
21 タイマ回路
22 データタイプフリップフロップ
23 検出周期選択回路

Claims (4)

  1. 時刻表示手段等を駆動するためのモータと、
    該モータを駆動するモータドライバー回路と、
    該モータドライバー回路と前記モータの電源となる蓄電手段と、
    該蓄電手段の電圧を検出する電圧検出回路と、
    該電圧検出回路と前記モータドライバー回路を制御する制御部と、を有し、
    前記制御部は、
    前記モータドライバー回路にて前記モータを駆動する際に必要な前記蓄電手段の電圧検出(以下モータBD)と、前記蓄電手段の残容量の推定に必要な前記蓄電手段の電圧検出(以下残容量BD)とを、
    前記電圧検出回路にて実施する電子時計において、
    前記制御部は、前記残容量BDにより推定される前記蓄電手段の残容量により、
    前記モータBDの検出周期を変更する
    ことを特徴とする電子時計。
  2. 前記蓄電手段は、その放電特性において、電圧の変動が殆ど無い期間と、急峻な降下を示す期間を有し、
    前記制御部は、
    前記急峻な降下を示す期間の前記モータBDの検出周期を、
    前記電圧の変動が殆ど無い期間の前記モータBDの検出周期より短くなるように変更することを特徴とする請求項1に記載の電子時計。
  3. 前記制御部は、前記残容量BDにより推定される前記蓄電手段の残容量により、
    前記急峻な降下を示す期間の前記残容量BDの検出周期を、
    前記電圧の変動が殆ど無い期間の前記残容量BDの検出周期より短くなるように変更することを特徴とする請求項2に記載の電子時計。
  4. 前記蓄電手段を充電するための発電手段と、
    該発電手段−前記蓄電手段間に挿入され、前記制御部によりオン/オフ制御される充電制御用スイッチ手段を有し、
    前記モータBDは、前記充電制御用スイッチ手段が接続された状態で検出が実行され、
    前記残容量BDは、前記充電制御用スイッチ手段が遮断された状態で検出が実行される
    ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の電子時計。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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