JP2014149256A - 電子制御式機械時計および電子制御式機械時計の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電子制御式機械時計は、機械的エネルギー源(ゼンマイ1)によって駆動されて電気的エネルギーを供給する発電機2と、電気的エネルギーが充電される電源回路6と、電源回路6から供給される電気的エネルギーで駆動されて発振信号fs1を発生させる発振信号発生源(水晶振動子71A)と、電源回路6から供給される電気的エネルギーで駆動されて発電機2の回転周期を制御する回転制御装置7とを備える。回転制御装置7は、発電機2の制動制御を行う制動制御装置74と、発振信号発生源による発振開始を検出していない場合、発電機2を非制動状態に維持し、発振開始を検出した場合、制動制御装置74による発電機2の制動制御を行わせる制動可否制御装置75とを備える。
【選択図】図1
Description
発電機の起動直後において電源回路の電源電圧が回転制御装置を正常に作動させるには不十分である低電圧領域の場合は、発振信号発生源でも発振を開始しない。このため、制動可否制御装置で発振の開始を検出するまでは、発電機を非制動状態(ブレーキオフ状態)に維持することで、ノイズなどの影響で発電機にブレーキを掛けてしまうことを防止でき、従来例において起こりうる、上述の一連の悪循環に陥ることを防止できる。従って、発電機の起動直後においても、発電機による発電を継続できて電源電圧を上昇させることができ、回転制御装置を確実に作動させることができる。
また、発振の開始を検出した場合は、回転制御装置を作動させることができ、制動制御装置による発電機の制動制御を行わせることができる。
本発明によれば、制動可否制御装置は、発振回路から出力される発振信号、または分周回路から出力される信号に基づいて、発振の開始を検出する。このため、発振回路または分周回路が安定的に作動して発振開始が検出されない限り、発電機を非制動状態とすることができ、発電機の起動直後においても、発電機による発電を継続できて電源電圧を上昇させることができ、回転制御装置を確実に作動させることができる。
本発明によれば、一端が第1の電圧の印加端に接続され、他端が上記接続点、すなわちインバーターの入力端子側に接続された抵抗を備え、この抵抗は、インバーターの入力端子側の電圧を第1の電圧に引っ張る、プルアップ抵抗またはプルダウン抵抗として機能する。例えば、第1の電圧がVDDであり第2の電圧がVSS(<VDD)である場合、プルアップ抵抗として機能し、第1の電圧がVSSであり第2の電圧がVDDである場合、プルダウン抵抗として機能する。従って、発電機の起動直後であって電源回路の電源電圧が低い場合、インバーターの入力端子側の電圧が不安定になることを防止できる。このため、発振回路が発振していないにも関わらずインバーターの出力電圧が発振開始を示すレベルに切り替わることを確実に防止でき、発振開始検出回路は、発振開始状態を確実に検出することができる。
本発明によれば、発振が開始して、クロック信号が発生しても、第2のスイッチがオフの間、すなわち少なくともクロック信号の半周期の間は、第2のコンデンサーに電荷が蓄積されない。従って、発振が開始しても、少なくともクロック信号の半周期の間は、インバーターの出力電圧が、発振開始を示すレベルに切り替わることを確実に防止でき、発振開始までの時間、すなわち発振非検出信号が出力されている時間を少なくともクロック信号の半周期確保することができる。
また、本発明によれば、発振開始検出回路では、第1のコンデンサーと第2のコンデンサーとの容量比によって、第2のコンデンサーへの電荷が貯まっていく時間を調整でき、発振非検出信号が出力し続ける時間をさらに調整できる。
この発振非検出信号は、初期化が必要な回路の初期化信号として用いることができる。従って、本発明によれば、前記回路を初期化するために必要な時間だけ初期化信号を出力でき、前記回路を確実に初期化することができる。
このような構成では、発電機の起動直後において電源回路の電源電圧が回転制御装置を正常に作動させるのには不十分であっても、発振開始検出回路によって発振開始の有無を確実に検出でき、発振開始を検出しない限り、制動制御信号出力回路によって確実に発電機を非制動状態とすることができる。従って、発電機の起動直後に、発電機による電気的エネルギーへの変換を確実に行うことができ、電源回路に回転制御装置を正常に作動可能な電気的エネルギーを確実に充電でき、回転制御装置を正常に起動させることができる。
図1は、本発明の一実施形態の電子制御式機械時計を示すブロック図を、図2は、電子制御式機械時計を示す回路図を示す。
電子制御式機械時計は、機械的エネルギー源としてのゼンマイ1と、ゼンマイ1のトルクを発電機2に伝達するエネルギー伝達装置としての増速輪列3と、増速輪列3に連結されて時刻表示を行う指針4とを備えている。
前記発電機2は、電源回路6から供給される電力によって駆動される回転制御装置7により制御されている。この回転制御装置7は、ICによって構成され、図1に示すように、発振回路71、分周回路72、回転検出回路73、制動制御装置74、および制動可否制御装置75を備えて構成されている。
回転検出回路73は、発電機2に接続された図示しない波形整形回路とモノマルチバイブレーターとで構成され、ローター2Aの回転検出信号FG1を出力する。
チョッピング信号出力回路741は、前記クロック信号fs2−1〜fs2−nのうち、通常運針時の発電機2のローター2A(図2参照)の基準回転速度の信号(たとえば、8Hzの信号fs2−n)を、制動制御を行うための基準信号fs2として選択し、この基準信号fs2と、回転検出信号FG1とを比較し、発電機2の調速を行うためのチョッピング信号を出力する。この際、チョッピング信号出力回路741は、分周回路72から入力されるクロック信号fs2−1〜fs2−nから選択した複数の信号を用いることなどで、チョッピング信号を生成する。
なお、電圧変換回路742から出力される信号は、電圧値が異なる以外は基本的にチョッピング信号と同様の特徴(パルス幅、周波数等)を有する信号なので、以下、電圧変換回路742から出力される信号をチョッピング信号CH(図1参照)と称する。
図3に示すように、発振開始検出回路751は、発振開始を検出していない場合、発振非検出信号として、Lレベルの検出信号DSを出力し、発振開始を検出した場合、発振検出信号として、Hレベルの検出信号DSを出力する。なお、発振が開始されてから発振開始検出回路751が発振開始を検出するまでの時間は、実際には数msec程度である。
図4は、発振開始検出回路751の回路構成を示す。発振開始検出回路751は、図4に示すように、第1のスイッチとしてのNchのトランジスター81と、第2のスイッチとしてのNchのトランジスター82と、第1のコンデンサー83と、第2のコンデンサー84と、抵抗85と、反転回路86と、波形整形用インバーター87とを備える。
トランジスター81は、第1のコンデンサー83と、本発明の第2の電圧であるVSSの印加端(第2の電圧VSSが印加される電源ライン)との間に接続されている。このトランジスター81は、ゲートに発振信号fs1が入力され、この発振信号fs1によってオン、オフされる。
第2のコンデンサー84は、第1のコンデンサー83に並列に、VDDの印加端に接続されている。
トランジスター82は、第1のコンデンサー83に並列、かつ、トランジスター81および第2のコンデンサー84に直列に接続されている。すなわち、一端がVDDの印加端に接続された第1のコンデンサー83および第2のコンデンサー84の他端間に、トランジスター82は接続されている。このトランジスター82は、ゲートに反転回路86が接続され、反転回路86によって発振信号fs1の位相が反転された反転信号xfs1が入力される。トランジスター82は、反転信号xfs1によってオン、オフされる。
抵抗85は、第2のコンデンサー84に並列に、一端がVDDの印加端に接続され、他端がトランジスター82と第2のコンデンサー84との接続点に接続されている。
Pchトランジスター871のソースはVDDの印加端に接続され、一方、Nchトランジスター872のソースはVSSの印加端に接続されている。また、Pchトランジスター871およびNchトランジスター872のゲートは、トランジスター82と第2のコンデンサー84との接続点(すなわち、抵抗85の他端側)に接続されている。
すなわち、制動制御信号出力回路752は、図3に示すように、発振開始の検出前では、発振開始検出回路751からLレベルの検出信号DSが入力され、電圧変換回路742から入力されるチョッピング信号CHによらず、オフ信号としてのHレベルの制動制御信号BKSを出力する。また、発振開始の検出以降では、発振開始検出回路751からHレベルの検出信号DSが入力され、電圧変換回路742から入力されるチョッピング信号CHの電圧レベルを反転させた制動制御信号BKSを出力する。
制動制御信号BKSは、後述する第1および第2のチョッピングトランジスター21,22のゲートへ入力される(図2参照)。
電源回路6は、図2に示すように、電源コンデンサー61、補助コンデンサー62、電源コンデンサー61に直列に接続されたスイッチ63を備えている。
電源コンデンサー61と補助コンデンサー62は、発電機2に対して並列に接続されている。また、補助コンデンサー62の容量は、電源コンデンサー61の容量に比べて小さく設定されている。すなわち、電源コンデンサー61は、1〜15μF程度、たとえば10μF程度の静電容量を有している。一方、補助コンデンサー62は、0.05〜0.5μF程度、たとえば0.1μF程度の静電容量を有している。
本実施形態では、図2にも示すように、発電機2を調速機として機能させるためにブレーキ回路を備えている。
ブレーキ回路は、発電機2で発電された交流信号(交流電流)が出力される第1の出力端子MG1に接続された第1のチョッピングトランジスター21と、前記交流信号が出力される第2の出力端子MG2に接続された第2のチョッピングトランジスター22とを有し、各チョッピングトランジスター21,22をオンすることにより、第1、第2の出力端子MG1,MG2を短絡させて閉ループ状態にし、発電機2にショートブレーキを掛けるようになっている。
これらの各チョッピングトランジスター21,22は、電源回路6の入力端子側(VDD側)に接続されている。
すなわち、制動制御信号BKSのレベルによって、各チョッピングトランジスター21,22のオン、オフが制御され、発電機2をチョッピング制御することができる。
整流回路5は、第1の整流用スイッチ23と、第2の整流用スイッチ24と、ダイオード25と、ダイオード26と、昇圧用コンデンサー27とを備えている。
第1の整流用スイッチ23は、第1のチョッピングトランジスター21と並列に接続され、かつ、第2の出力端子MG2にゲートが接続された第1の整流用トランジスターで構成されている。
同様に、第2の整流用スイッチ24は、第2のチョッピングトランジスター22と並列に接続され、かつ、第1の出力端子MG1にゲートが接続された第2の整流用トランジスターで構成されている。
これらの各整流用トランジスターも、Pchの電界効果型トランジスター(FET)で構成されている。
ダイオード25,26は、一方向に電流を流す一方向性素子であればよく、その種類は問わない。特に、電子制御式機械時計では、発電機2の起電圧が小さいため、ダイオード25,26としては降下電圧や逆リーク電流が小さいショットキーバリアダイオードやシリコンダイオードを用いることが好ましい。
たとえば、本実施形態の発電機2におけるチョッピング時の電流は、電圧1.5V発生時に約40μAである。このため、ICの設計において、従来のチョッピング用トランジスターのサイズは、たとえば、幅Wが500μm、チャネル長Lが1μmに設定されていた。
これに対し、本実施形態では、2つのチョッピングトランジスター21,22で構成しているので、各トランジスター21,22のサイズ(面積、能力)は、従来に比べて半分でよい。このため、ICの設計において、各チョッピングトランジスター21,22の幅Wは、たとえば250μm、チャネル長Lは1μmとされている。
次に、本実施形態における動作を説明する。
巻き上げられたゼンマイ1が解放されて、発電機2から電気的エネルギーの供給が開始されると、図3に示すように、電源回路6の電源コンデンサー61の電圧VCが上昇し、回転制御装置7への印加電圧も上昇する。
電源コンデンサー61の電圧VCが回転制御装置7を正常に作動可能な値になると、水晶振動子71Aによる発振が開始し、発振回路71が発振信号fs1として略一定のクロック信号の出力を開始する。なお、ゼンマイ1が解放されてから発振が開始されるまでの時間は、実際には数秒、たとえば1,2秒程度である。
なお、本実施形態の昇圧整流の動作や、調速動作は、従来と同様であるため説明を省略する。
このような本実施形態によれば、次のような効果がある。
(1)制動可否制御装置75は、発振信号fs1として一定のクロック信号の発生つまり発振開始を検出していない場合、発電機2を非制動状態に維持し、発振信号fs1として一定のクロック信号の発生つまり発振開始を検出した場合、制動制御装置74からのチョッピング信号CHに基づく発電機2の制動制御を行わせるように構成されている。
このような構成では、電源回路6から供給される電気的エネルギーによって作動される回転制御装置7が安定的に作動して発振開始が検出されない限り、発電機2を非制動状態とすることができる。これにより、発電機2の起動直後において電源回路6の電源電圧が回転制御装置7を正常に作動させるには不十分である場合は、発電機2にブレーキを掛けることを防止でき、電圧変換回路742等の回路の特性や、ノイズの影響などによって意図しないブレーキオン制御が継続して、回転制御装置7がいつまでも作動しないという悪循環に陥ることを防止できる。従って、発電機2の起動直後に、発電機2による発電を継続できて電源電圧を上昇させることができ、回転制御装置7を確実に起動させることができる。
また、電子制御式機械時計のICは、消費電力を低減するために、たとえば、0.3〜0.4V程度の低電圧での動作が求められる。このため、ノイズなどの影響を非常に受けやすい。従って、電源電圧が低い低電圧領域において、ノイズなどの影響を受けても、検出信号DSとしてLレベルの発振非検出信号の出力を維持できる発振開始検出回路751、および当該発振非検出信号の入力が維持される限りオフ信号の出力を維持できる制動制御信号出力回路752を備える制動可否制御装置75を用いることで、低電圧でのICの動作を保証でき、回転制御装置7を確実に起動できる。
すなわち、発振開始検出回路としては、VDDとVSSの印加端間に1つのトランジスターと1つのコンデンサーとを直列に接続し、この接続点に波形整形用インバーターの入力端子を接続し、前記コンデンサーの電圧を変化させて波形整形用インバーターの出力レベルを切り替えるものがある。このような構成では、トランジスターの能力や、コンデンサーの容量によっては、発振信号fs1がトランジスターをオンした最初の1クロック目で、波形整形用インバーターの出力が発振非検出信号から発振検出信号に切り替わる場合がある。この場合、発振非検出信号を出力している時間が短くなり、発振非検出信号の入力で初期化を行う回路を初期化できないおそれがある。
このような課題に対して、コンデンサーの容量を大きくしたり、トランジスターの能力を小さくすることが考えられる。しかしながら、コンデンサーの容量を大きくすると回路面積が増大してしまう。また、トランジスターの能力を小さくすると、低電圧時の動作が不安定となるおそれがある。
例えば、第1のコンデンサー83と第2のコンデンサー84との容量比を1:5とすると、トランジスター82がオンされた際に第2のコンデンサー84に貯まる電荷は、その容量の1/5ずつになる。このため、各コンデンサー83,84の容量比で第2のコンデンサー84に電荷が貯まっていく時間を調整でき、発振非検出信号が出力されている時間を調整できる。
従って、コンデンサーの容量を大きくしたり、トランジスターの能力を小さくすることなく、発振非検出信号の出力時間を調整でき、初期化が必要な回路も確実に初期化できる。
本発明は前記実施形態の構成に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
たとえば、前記実施形態では、発振開始検出回路751は、発振回路71から出力された発振信号fs1に基づいて発振開始を検出する構成としたが、分周回路72から出力された信号に基づいて検出するように構成してもよい。
図5は、本発明の一変形例に係る電子制御式機械時計の要部の回路構成を示す回路図である。本変形例の電子制御式機械時計の回転制御装置7Aにおいて、分周回路72は、クロック信号fs2−1〜fs2−nをチョッピング信号出力回路741に出力する他に、発振開始検出用の分周信号fs3を発振開始検出回路751に出力する。この分周信号fs3は、前記クロック信号fs2−1〜fs2−n(たとえば、2kHz〜8Hz)から選択すればよく、たとえば、1kHzのクロック信号を用いればよい。
回転制御装置7Aは、それ以外の点では、図2に示す前記実施形態の回転制御装置7と同様なので、詳細な説明は省略する。
具体例としては、前記実施形態および変形例のように、各チョッピングトランジスター21,22が、Hレベルでオフ状態となる場合、発振開始検出回路751を、発振非検出信号としてHレベルの検出信号DS、および発振検出信号としてLレベルの検出信号DSを出力するように構成し、制動制御信号出力回路752をOR回路で構成してもよい。
なお、この場合、発振開始検出回路751を、発振非検出信号としてLレベルの検出信号DS、および発振検出信号としてHレベルの検出信号DSを出力するように構成し、制動制御信号出力回路752をAND回路で構成すればよい。また、この場合、発振開始検出回路751を、発振非検出信号としてHレベルの検出信号DS、および発振検出を示す信号としてLレベルの検出信号DSを出力するように構成し、制動制御信号出力回路752をNOR回路で構成してもよい。
発振開始検出回路751Aは、図6に示すように、第1のスイッチとしてのPchのトランジスター91と、第2のスイッチとしてのPchのトランジスター92と、第1のコンデンサー93と、第2のコンデンサー94と、抵抗95と、反転回路86と、波形整形用インバーター87とを備える。
また、発振が停止すると、第2のコンデンサー94に蓄積された電荷が、抵抗95によって放電され、波形整形用インバーター87のゲート側の電圧が所定値以下になったタイミングで、検出信号DSがHレベルに反転する。
また、発振開始検出回路751Aにおいても、発振信号fs1の代わりに分周信号fs3を用いて、発振開始の検出を行うように構成してもよい。
また、発振開始検出回路751,751Aとして、第1の電圧がVSSおよびVDDのいずれか一方であり、第2の電圧が他方である例について説明したが、VSSの代わりにVREGを用いる構成としてもよい。
ただし、前記実施形態のように電圧変換回路742を備えることにより、上述のように、消費電力を抑制することができる利点がある。
Claims (5)
- 機械的エネルギー源と、
前記機械的エネルギー源によって駆動されて電気的エネルギーを供給する発電機と、
前記電気的エネルギーが充電される電源回路と、
前記電源回路から供給される電気的エネルギーで駆動されて発振信号を発生させる発振信号発生源と、
前記電源回路から供給される電気的エネルギーで駆動されて前記発電機の回転周期を制御する回転制御装置と、を備え、
前記回転制御装置は、
前記発電機の制動制御を行う制動制御装置と、
前記発振信号発生源による発振の開始を検出可能であり、前記発振の開始を検出していない場合、前記発電機を非制動状態に維持し、前記発振の開始を検出した場合、前記制動制御装置による前記発電機の制動制御を行わせる制動可否制御装置と、を備える
ことを特徴とする電子制御式機械時計。 - 請求項1に記載の電子制御式機械時計において、
前記回転制御装置は、前記発振信号発生源を用いて発振信号を出力する発振回路と、前記発振信号を分周する分周回路と、を備え、
前記制動可否制御装置は、前記発振回路または前記分周回路から出力された信号に基づいて発振の開始を検出する
ことを特徴とする電子制御式機械時計。 - 請求項2に記載の電子制御式機械時計において、
前記制動可否制御装置は、前記発振の開始を検出する発振開始検出回路を備え、
前記発振開始検出回路は、
第1の電圧の印加端に接続された第1のコンデンサーと、
前記第1のコンデンサーおよび第2の電圧の印加端の間に接続された第1のスイッチと、
前記第1のコンデンサーに並列に、前記第1の電圧の印加端に接続された第2のコンデンサーと、
前記第1のコンデンサーに並列、かつ、前記第1のスイッチおよび前記第2のコンデンサーに直列に接続された第2のスイッチと、
一端が前記第1の電圧の印加端に接続され、他端が前記第2のコンデンサーと前記第2のスイッチとの接続点に接続された抵抗と、
入力端子が前記接続点に接続され、入力電圧に基づいて、LレベルまたはHレベルの信号を出力するインバーターと、を備え、
前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチは、前記発振回路または前記分周回路からクロック信号が出力されると、前記クロック信号によって交互にオン、オフされる
ことを特徴とする電子制御式機械時計。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の電子制御式機械時計において、
前記電源回路の入力端子および発電機の第1の出力端子間に接続された第1のチョッピングトランジスターと、
前記電源回路の前記入力端子および発電機の第2の出力端子間に接続された第2のチョッピングトランジスターと、を備え、
前記制動制御装置は、
前記第1および第2のチョッピングトランジスターのオン、オフ制御を行うためのチョッピング信号を出力するチョッピング信号出力回路を備え、
前記制動可否制御装置は、
前記発振の開始を検出可能であり、前記発振の開始を検出していない場合、発振非検出信号を出力し、前記発振の開始を検出した場合、発振検出信号を出力する発振開始検出回路と、
前記発振非検出信号が入力されている場合、前記第1および第2のチョッピングトランジスターのオフ制御を行うオフ信号を出力し、前記発振検出信号が入力されている場合、前記チョッピング信号に応じて前記第1および第2のチョッピングトランジスターのオン、オフ制御を行う制動制御信号を出力する制動制御信号出力回路と、を備える
ことを特徴とする電子制御式機械時計。 - 機械的エネルギー源と、
前記機械的エネルギー源によって駆動されて電気的エネルギーを供給する発電機と、
前記電気的エネルギーが充電される電源回路と、
前記電源回路から供給される電気的エネルギーで駆動されて発振信号を発生させる発振信号発生源と、
前記電源回路から供給される電気的エネルギーで駆動されて前記発電機の回転周期を制御する回転制御装置と、を備える電子制御式機械時計の制御方法であって、
前記回転制御装置は、
前記発振信号発生源による発振の開始を検出するステップと、
前記発振の開始を検出していない場合、前記発電機を非制動状態に維持し、前記発振の開始を検出した場合、前記発電機の制動制御を行うステップと、を実行する
ことを特徴とする電子制御式機械時計の制御方法。
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