JP3677893B2 - 腕時計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子に繰り返し変位を与えて発電を行う振動型の発電装置を備えた腕時計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
腕時計装置のような小型で携帯に適した電子機器において、発電装置を内蔵することによって電池の交換をなくし、あるいは電池自体を無くすことができる携帯型の電子機器が考案され、実用化されている。図５に、その一例として発電装置１を内蔵した腕時計装置１０の概略構成を示してある。この携帯型電子機器（腕時計装置）１０においては、腕時計装置のケース内で旋回運動を行う回転錘１３と、回転錘１３の回転運動を電磁発電機に伝達する輪列機構８と、電磁発電機を構成するロータ１４およびステータ１５を備えており、２極磁化されたディスク状のロータ１４が回転するとステータ１５の出力用コイル９に起電力が発生し、交流出力が取り出せるようになっている。さらに、この携帯型電子機器は、発電装置１から出力された交流を整流する整流回路２と、発電装置１から得られた電力を蓄積する大容量コンデンサ５などによって構成された電力供給装置３０と、この電力供給装置３０からの電力によって動作する計時機能７などを備えた処理装置６を備えている。
【０００３】
このような携帯型の電子機器は、ロータ１４およびステータ１５を備えた回転型の電磁式の発電装置１から電力を大容量コンデンサ５に蓄えて、その電力によって計時装置などの処理装置６を稼働することができる。従って、電池がなくても処理装置６を継続して動作させることができ、何時でも何処でも処理装置を使え、さらに、電池の廃棄などに伴う問題も除くことができる電子機器である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この電子機器の発電装置１から供給される電力は交流電力であるので、大容量コンデンサ５に充電し、また、ＩＣなどを備えた処理装置６の作動電力とするためには整流して直流電力に変換する必要がある。このため、電力供給装置３０は複数のダイオード３をブリッジに接続した整流回路２を備えている。これらのダイオード３としてシリコンダイオードが用いられていると、図６に示すように順方向の電流Ｉｆに対して０．５〜０．６Ｖ程度の順方向電圧Ｖｆがある。このため、発電装置１から供給された電力Ｗ０を整流回路２によって整流して得られる整流後の電力Ｗ１は、整流回路２を構成するダイオードの順方向電圧Ｖｆの損失を考慮すると次のようになる。
【０００５】
Ｗ１ ＝ ηｃ× Ｗ０ ・・・（１）
ηｃ ＝ Ｖ１／（Ｖ１＋２×Ｖｆ） ・・・（２）
ここでηｃは充電時の整流効率、Ｖ１は整流回路から得られる整流後の電圧であり、図５に示した回路においては大容量コンデンサ５の充電電圧に対応する。
【０００６】
処理装置６の作動電圧は、ＩＣなどの低電圧駆動化が進んでいるため、例えば、０．９〜１．０Ｖ程度でスタートさせることが可能である。従って、大容量コンデンサ５の電圧は１．５〜２Ｖ程度に選択されており、これに対し０．５〜０．６Ｖ程度の順方向電圧Ｖｆを考慮すると整流効率ηｃは、０．６程度の値となってしまう。従って、整流効率ηｃを向上するためには順方向電圧Ｖｆを低減することが望ましい。
【０００７】
一方、回転錘１３が動かないとき、例えば腕時計装置を腕からはずしているときなどに発電装置１が発電を停止した場合は、大容量コンデンサから電力が整流回路２を通って発電装置１の側に逆流して浪費される可能性がある。このため、整流回路２のダイオード３としては電力の逆流を防止するために逆リーク電流Ｉｒの小さいものが望ましい。この逆リークによる漏れ損失Ｌｒは以下のように表すことができる。
【０００８】
Ｌｒ ＝ Ｖ１×（Ｉｒ×２） ・・・（３）
この漏れ損失Ｌｒは、発電装置１が発電を停止している間に継続して発生する。従って、整流回路２を構成するダイオードとしては、逆リーク電流Ｉｒの小さなものが望ましく、この点でシリコンダイオードが優れている。このため、順方向電圧Ｖｆが高くともシリコンダイオードが整流回路に多用されており、上記の程度の整流効率で電力が大容量コンデンサあるいは処理装置に供給されている。
【０００９】
図７に圧電素子に繰り返し変位を与えて発電を行う振動型の発電装置１を備えた腕時計装置１０の一例を示してある。この腕時計装置１０に用いられている発電装置１は、地板１２に一端がネジ２７で固定されたカンチレバー状の振動片２１を備えており、この振動片２１の両側に圧電体部２２が設けられている。振動片２１の先端には重り２５が取り付けられており、重り２５が駆動系によって動かされることにより振動片２１が加振され、振動片２１の先端が自由端となり、地板１２にネジ２７で固定された側が支持端となって自由振動が励起される。これにより、圧電体部２２に繰り返し変位が与えられて発電が行われ、その交流出力が上記と同様の電力供給装置３０に入力されるようになっている。従って、この腕時計装置１０を腕などに装着して振動を与えると、振動片２１から電力供給装置３０に交流電力が入力される。そして、電力供給装置３０において整流された直流電力が大容量コンデンサ５や処理装置６に供給される。
【００１０】
圧電素子は静電容量が小さいため、高電圧は容易に得られるが、発生する電流は非常に小さく、上述したような携帯用の電子機器の処理装置で使用する数Ｖレベルの電源の充電に用いるには効率が悪い。このため、例えば、図８に示すように、振動片２１の中心の支持層（シム層）２６の両側に圧電体部２２ａおよび２２ｂを設け、さらに、振動方向Ｙに各々３層の圧電体層が積層された層構造にしている。これら３層の圧電体層２０ａ、２０ｂおよび２０ｃは、矢印Ｘで示すように向かい合った方向に分極しており、３層の圧電体層２０ａ、２０ｂおよび２０ｃが電極２３によって並列に接続し易い分極配置としてある。
【００１１】
このように多層の圧電体層を積層して振動片を構成することにより、起電圧が低く電流密度の高い起電力を得ることが可能である。しかし、積層して振動片を作成するために振動片２１のコストが高くなり、また、振動片２１の側方に電極に覆われていない発電に寄与しない領域Ｚが生じてしまう。また、この圧電素子を用いた振動型の発電装置を処理装置などに供給する電力供給装置においても上記と同様の整流回路が用いられているので、ダイオードの順方向電圧Ｖｆに起因する損失や、逆リークに起因する損失が発生する。
【００１２】
発電装置を搭載した携帯型の電子機器において発電に用いられるエネルギーは、ユーザーの腕や体の運動に伴って得られるエネルギーや、その他の自然なエネルギーに限定される。従って、これらの不安定なエネルギーを電気エネルギーに効率良く変換して大容量コンデンサーなどの充電装置や処理装置に供給し、さらに、いったん充電された電力の浪費をできるかぎり防止することが重要である。そこで、本発明においては、整流回路における順方向電圧に起因する損失を低減できると共に、逆リークによる漏れ損失も低減できる電力供給回路を提供することを目的としている。さらに、この電力供給回路を用いて効率良く電力を供給でき、また、充電できる発電装置を提供することを目的としている。特に、高電圧が得られる圧電素子を用いた発電装置に適した効率の良い電力供給回路および発電装置を提供することを目的としている。そして、このような高効率の発電装置を処理装置と共に搭載することにより、電池の交換なく、いつでも何処でも使用できる携帯に適した電子機器を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、整流回路に用いられるダイオードの順方向電圧に比べて十分に高い電圧で整流を行いダイオードの順方向電圧を下げずに整流効率を向上できるようにしている。このため、整流手段によって整流した後に降圧手段によって整流後の電圧を降圧し、出力端に接続された充電装置や処理装置などに供給できるようにしている。すなわち、本発明の腕時計は、圧電素子に繰り返し変位を与えて発電を行う振動型の発電装置と、前記発電装置による交流電力が入力される入力端と、電力を消費する時計部に接続される出力端と、前記入力端から入力された前記交流電力を整流する整流手段と、前記整流手段によって整流された整流後の電力を蓄電する入力補助蓄電手段と、前記入力補助蓄電手段に蓄積された電力を降圧する降圧手段と、前記降圧手段の出力電圧を蓄電する充電手段とを有する腕時計であって、前記降圧手段は、前記入力端の入力電圧が、基準電圧の２倍よりも高く、かつ、前記出力端の出力電圧の２倍よりも高いときには前記整流後の電力を降圧する、あるいは、前記入力電圧が、前記基準電圧よりも高く、かつ、前記出力端の出力電圧よりも低いときには前記整流手段と前記出力端を分離する、あるいは、前記入力電圧および前記出力端の出力電圧が前記時計部の稼動可能電圧に対し低いときには前記整流後の電力を前記出力端に降圧せずに供給する、ことを特徴とする。
このような降圧手段を設けることにより、入力端の電圧を高くすることができるので、上述した式（１）における整流回路の整流後の電圧Ｖ１を高く設定できる。従って、順方向電圧Ｖｆが同じであっても整流効率ηｃを高くすることができ、電力供給装置におけるロスを低減することが可能になる。また、逆リーク電流の小さなシリコンダイオードを用いて整流効率ηｃを高くできるので、逆リーク電流に伴う漏れ損失を小さくできる。
そして、入力電圧および出力電圧が低いときに整流後の電力を出力端に降圧せずに供給する第３のモードを設けることにより、入力電圧が低くとも充電装置が充電できる程度、あるいは処理装置が稼働できる程度の高い電圧を出力端に供給することができる。第３のモードは、降圧コンデンサを接続するスイッチ手段を用いて実現することも可能であり、また、降圧コンデンサをバイパスする手段を設けてももちろん良い。
【００１４】
降圧手段は、複数の降圧コンデンサと、これら降圧コンデンサを整流手段の出力に対し直列に接続する第１のスイッチ手段と、降圧コンデンサを出力端に並列に接続する第２のスイッチ手段とを備えていることを特徴とするコンデンサ降圧回路などを用いることができる。さらに、降圧手段に、入力端の入力電圧が出力端の出力電圧に対し高いときに整流後の電力を降圧して出力端に供給する第１のモードと、入力電圧が出力電圧に対し低いときに整流手段と出力端を分離する第２のモードの２つのモードを設けることが可能であり、これにより出力電圧が高いときは出力端を入力端から分離できるので、出力端に接続された充電装置などからの逆流を降圧手段を用いて阻止することが可能になる。
【００２１】
また、出力端に充電装置に接続される第１の出力端と、処理装置に接続される第２の出力端とを設け、第１の出力端は第２の出力端に対し充電装置を並列に接続可能とし、さらに、第１の出力端を通して充電装置から放電された電力を昇圧または降圧の少なくともいずれかを行って第２の出力端に供給可能な出力電圧制御手段を設けることにより、入力端に電力が供給されないときに充電装置に蓄積された電力を処理装置に対し有効に供給することができる。例えば、充電装置が充電されて高電圧になった場合は、出力電圧制御手段によって降圧することにより充電装置の放電量を抑制できる。また、充電装置が放電して低電圧になった場合でも、出力電圧制御手段によって昇圧することにより処理装置が稼働可能な電圧を確保することができる。
【００２２】
そして、整流後の電圧を一時的に蓄える入力補助蓄電手段としては充電手段よりも最大耐電圧の大きなものを採用することにより静電破壊を防止することができる。
【００２３】
以上により、本発明の腕時計を採用することにより、発電装置から処理装置に対し効率良く安定した電力を供給でき、さらに、漏れ損失も少ないので長時間電力を供給することができる。このため、何時でも何処でも使用できる腕時計を提供できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。図１に本発明に係る発電装置を備えた腕時計装置の概要を示してある。本例の腕時計装置１０は、発電装置１と、この発電装置１から入力された電力を整流して計時処理などの処理装置６に供給する電力供給装置３０を備えている。処理装置６は、時計部７を駆動したりアラーム処理を行うなどの計時処理の他にラジオ、ページャあるいはパソコンなどの機能を備えているものであってももちろん良い。また、本例の電力供給装置３０には、充電装置として大容量コンデンサ５が処理装置６とは異なる出力端に接続されている。これらの電力供給装置３０、処理装置６および大容量コンデンサ５などは、後述する発電装置１と平面的に重なる様に配置されており、腕時計装置全体の小型化が図られている。
【００２５】
本例の腕時計装置１０に用いられている発電装置１は、片持ち梁（カンチレバー）状に地板１２に固定された振動片２１を備えている。振動片２１は中心のシム部２６と、その両側に設けられた圧電体部２２ａおよび２２ｂとを備えており、さらに、振動片２１の先端に重り２５が取り付けられている。従って、振動片２１の重り２５に打撃が与えられると振動片２１の先端が自由端となり、地板１２にネジ２７で固定された側が支持端となって自由振動する。この自由振動によって圧電体部２２ａおよび２２ｂに繰り返し変位が与えられ圧電体部２２ａおよび２２ｂに起電力が発生し、電力供給装置３０の入力端３１に交流電力が供給される。
【００２６】
本例の腕時計装置１０においては、振動片２１がケースの内部で回転運動を行う回転錘１３によって駆動されるようになっている。回転錘１３は、腕時計装置１０がユーザーの腕に装着されると、ユーザーの腕や体の動きなどと連動して回転する。従って、この回転錘１３の動きを輪列８によってカム駆動車１７に伝達し、このカム駆動車１７によってカム１９を左右に動かし、さらに、カム１９から振動片２１の重り２５の内部に伸びた突出部１８を動かして振動片２１に打撃を与えられるようにしている。このような機構により、本例の腕時計装置１０は、ユーザーの腕や体などの動きを捉えて振動片２１を振動させ発電を行うことが可能であり、この電力を電力供給装置３０を介して処理装置６に転送し、電池を用いずに何時でも何処でも処理装置６を稼働することができる。
【００２７】
図２に、本例の電力供給装置３０をさらに詳しく示してある。本例の電力供給装置３０は、入力端３１に入力された発電装置１からの交流電力を整流して出力端３２および３３に出力できるようになっており、そのために、ダイオード３でブリッジを構成した整流回路２を備えている。この整流回路２には、入力補助コンデンサ３４が並列に接続されており、この入力補助コンデンサ３４に充電された電力が降圧回路４０を介して出力端３２および３３に伝達されるようになっている。降圧回路４０の出力側に接続された第１の出力端３２には、充電装置である大容量コンデンサ５が接続されており、降圧回路４０の出力によって大容量コンデンサ５を充電できるようになっている。さらに、第１の出力端３２には、出力電圧制御回路５０を介して第２の出力端３３が接続されており、大容量コンデンサ５の電力を電圧調整して第２の出力端３３に接続された処理装置６に供給できるようになっている。また、出力電圧制御回路５０は降圧回路４０にも接続されているので、降圧回路４０を通して整流回路２によって整流された電力を直に処理装置６に供給することも可能である。さらに、本例の電力供給装置３０は、降圧回路４０および出力電圧制御回路５０を制御する制御回路３５を備えており、この制御回路３５には整流回路２の整流後の電圧Ｖ１、大容量コンデンサ５の充電電圧Ｖsc、および出力電圧制御回路５０の出力側の電圧（出力電圧Ｖ２）が制御のために入力されている。本例の制御回路３５においては、入力端３１の電圧を整流後の電圧Ｖ１によって監視しており、また、出力端３２の電圧を出力電圧制御回路５０の出力側の電圧Ｖ２で監視している。なお、本例の腕時計装置１０は、高電圧側Ｖddが接地されて基準電圧となっている。このため、以下においては、出力電圧として低電圧側Ｖssを参照し、電圧値は簡単のため全て絶対値で示すこととする。
【００２８】
本例の出力電圧制御回路５０は、３つのコンデンサ５１、５２および５３を用いて入力側の電圧、すなわち、降圧回路４０の出力または大容量コンデンサ５の出力電圧を多段階に昇圧および降圧できるようになっている。このため、出力電圧制御回路５０を用いて、大容量コンデンサ５の電圧Ｖscや降圧回路４０から供給される電圧が処理装置６の稼働できる電圧より低い場合は昇圧して処理装置６に供給し、コンデンサ５が未充電、あるいは放電末期の状態でも処理装置６を継続して稼働することができる。また、大容量コンデンサ５の電圧Ｖscが処理装置６の稼働のために必要とされる電圧より高いときは降圧して処理装置６に供給し、大容量コンデンサ５の放電量を少なくすることができる。
【００２９】
本例の降圧回路４０は、整流回路２によって整流された電力を１／２降圧し、大容量コンデンサ５の接続された出力端３２、および出力電圧制御回路５０を介して処理装置６の接続された出力端３３に供給できるようになっている。このため、２つの降圧用のコンデンサ４１および４２を備えており、スイッチＳＷ１０およびＳＷ１１によってコンデンサ４１および４２が直列に接続された状態で整流回路２に接続できるようになっている。また、スイッチＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２によってコンデンサ４１および４２が並列に接続された状態で出力端３２の側に接続されるようになっている。これらにスイッチのうち、スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０は、コンデンサ４１および４２を整流回路２の側あるいは出力端３２の側にそれぞれオンオフできる位置に設けられている。このため、スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０をオンすることにより、降圧回路４０をバイパスして整流回路３の出力を出力端３２および出力電圧制御回路５０に供給することができる。
【００３０】
図３に、制御回路３５による降圧回路４０の制御方法をフローチャートを用いて示してある。また、図４に、制御回路３５から降圧回路４０の各スイッチＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２を制御するための制御信号φ１０、φ１１、φ２０およびφ２１をタイミングチャートを用いて示してある。制御回路３５は、ステップ６１において入力電圧を整流後の電圧Ｖ１で検出し、整流後の電圧Ｖ１が出力端３２と並列に接続された電圧制御回路５０で昇圧できる最も低い電圧（基準電圧）Ｖ０の２倍以上であるか否かを判断する。電圧制御回路５０は、出力端３２および降圧回路４０に接続された一次側が基準電圧Ｖ０以上であれば、その電力を処理装置６が稼働可能な電圧まで昇圧して２次側である出力端３３に出力できるようになっている。整流後の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０の２倍以上であれば、次にステップ６２において、整流後の電圧Ｖ１が大容量コンデンサ５の充電電圧Ｖscの２倍以上であるかを確認する。整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖscの２倍より高いときは、整流後の電圧Ｖ１を１／２降圧しても大容量コンデンサ５から整流回路２の側に逆流することがなく、また、整流後の電圧Ｖ１を１／２降圧しても処理装置６を動作させるための基準電圧Ｖ０を確保できる。従って、ステップ６６において、整流回路３の出力を降圧回路４０によって１／２降圧して電圧制御回路５０に転送する。このような、降圧回路４０によって整流された電力を降圧して出力端（電圧制御回路５０および大容量コンデンサ５）に転送する処理をモード１の処理とする。
【００３１】
一方、ステップ６２において、整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖscの２倍よりも小さいときは、降圧回路４０によって整流後の電力を降圧すると大容量コンデンサ５から入力補助コンデンサ３４に逆流する可能性がある。また、入力端３１における入力電圧を直に制御に用いている場合は、入力端３１から発電装置１に電流が逆流する可能性がある。従って、ステップ６７において、降圧回路４０の降圧用コンデンサ４２および４１を入力補助コンデンサ３４あるいは出力端３２の側から切り離した状態で保持し、入力補助コンデンサ３４から出力端３２を通して大容量コンデンサ５に電力を転送するのを停止する。この処理をモード２の処理とする。モード２においては、大容量コンデンサ５から放電された電力が電圧制御回路５０に供給される。
【００３２】
さらに、ステップ６１において、整流後の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０の２倍以下の場合は、整流後の電圧Ｖ１を降圧すると処理装置６を稼働させるための電圧を電圧制御回路５０に対し供給できない。しかしながら、ステップ６３において、整流後の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０以上であれば、降圧しなければ基準電圧Ｖ０を確保することが可能である。この場合も、整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖsc以下であると大容量コンデンサ５から入力補助コンデンサ３４に逆流する。従って、ステップ６４において、整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖsc以下のときは、ステップ６７においてモード２を選択し、入力補助コンデンサ３４を出力端３２から分離する。一方、ステップ６４において整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖscと同じまたは以上であれば、ステップ６８において、降圧回路４０において降圧せずに、入力補助コンデンサ３４から出力端３２に電力を供給する。この処理をモード３の処理とする。
【００３３】
さらに、ステップ６３において、整流後の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０以下の場合は、発電装置１から供給された電力では、電圧制御回路５０を通しても処理装置６を作動することができない。しかしながら、ステップ６５において、大容量コンデンサ５の充電電圧Ｖscが基準電圧Ｖ０以上であれば、大容量コンデンサ５の放電によって処理装置６を継続して稼働させることができる。従って、ステップ６７に移行してモード２を選択し、大容量コンデンサ５の電力が入力補助コンデンサ３４に逆流しない状態で大容量コンデンサ５から電圧制御回路５を介して出力端３３に接続された処理装置６に電力を供給する。
【００３４】
一方、ステップ６５において、大容量コンデンサ５の充電電圧Ｖscが基準電圧Ｖ０以下の場合は、大容量コンデンサ５の電力によっても処理装置６を継続して動作させることができない。このような大容量コンデンサ５に制御電力を供給できる程度の電力もないコールドスタートの状態では、発電装置１が発電を再開して電力が供給された際に、その電力を電圧制御回路５０を介して処理装置６にすぐに供給できることが望ましい。このため、ステップ６８においてモード３を選択し、整流回路２の出力と電圧制御回路５０の１次側を直結している。なお、本例の電力供給装置３０においては、整流後の電圧Ｖ１によって上記の制御を行っているが、入力端３１の入力電圧は整流後の電圧Ｖ１によって変動するので、入力端３１の入力電圧を直に検出して上記と同様の制御を行うことももちろん可能である。
【００３５】
図４に、上述した各モードにおいて、降圧回路４０の各スイッチＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２に供給される制御信号φ１０、φ１１、φ２０およびφ２１の状態を示してある。まず、時刻ｔ０で、大容量コンデンサ５に電圧がなく、整流後の電圧Ｖ１も基準電圧Ｖ０に達していない場合は、モード３が選択される。このモード３においては、スイッチＳＷ１０およびスイッチＳＷ２０を制御する制御信号φ１０およびφ２０が高レベルとなり、スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０がオンとなる。このため、整流回路２が出力端３２および電圧制御回路５０が直に接続され、整流回路２で整流された電力が降圧されずに出力端３２および電圧制御回路５０に供給される。一方、スイッチＳＷ１１を制御する制御信号φ１１と、スイッチＳＷ２１およびＳＷ２２を制御する制御信号φ２１は低レベルであるので、これらのスイッチＳＷ１１、ＳＷ２１およびＳＷ２２はオフとなる。従って、降圧用のコンデンサ４１および４２は切り離された状態であり、モード３においてはこれらのコンデンサ４１および４２は充放電されないようになっている。制御信号φ２１を高レベルとしてスイッチＳＷ２１およびＳＷ２２をオンし、大容量コンデンサ５にコンデンサ４１および４２を並列に接続することも可能であり、これによって大容量コンデンサ５として用いられる容量を増やすことができる。
【００３６】
この状態で発電装置１が発電を開始すると、その電力は整流回路２で整流され、さらに、整流回路２の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０以上になると電圧制御回路５０で昇圧され処理装置６が稼働を開始する。同時に、大容量コンデンサ５が整流された電力により充電される。そして、時刻ｔ１に整流回路２の整流後の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０の２倍に達すると、モード１に移行し降圧回路４０によって降圧された電力が供給される。モード１においては、まず、時刻ｔ１に制御信号φ２０が低レベルになってスイッチＳＷ２０がオフとなり降圧回路４０が出力端３２から分離される。次に、時刻ｔ２に制御信号φ１１が高レベルになってスイッチＳＷ１１がオンになる。これにより、降圧用のコンデンサ４１および４２が直列に接続された状態で整流回路２に接続される。所定の時間が経過し、降圧用のコンデンサ４１および４２が充電されると、時刻ｔ３に制御信号φ１０およびφ１１が低レベルになりスイッチＳＷ１０およびＳＷ１１がオフになる。これにより、降圧用コンデンサ４１および４２が整流回路２の側から切り離される。次に、時刻ｔ４に制御信号φ２０およびφ２１が高レベルになりスイッチＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２がオンになる。これにより、降圧用コンデンサ４１および４２が並列な状態で出力端３２および電圧制御回路５０に接続される。従って、整流回路２で整流された電圧Ｖ１の電力が１／２に降圧されて出力端３２および電圧制御回路５０に転送される。整流後の電圧Ｖ１は基準電圧Ｖ０の２倍以上になっているので、降圧しても電圧制御回路５０の１次側の基準電圧Ｖ０を確保することができる。従って、処理装置６を稼働するのに十分な電圧を出力端３３から処理装置６に供給することができる。
【００３７】
所定の時間が経過して、降圧コンデンサ４１および４２が放電して電力が処理装置６および出力端３２を介して大容量コンデンサ５に供給されると、時刻ｔ５に制御信号φ２０およびφ２１を低レベルにしてスイッチＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２をオフし、降圧コンデンサ４１および４２を出力端３２の側から分離する。さらに、時刻ｔ６に制御信号φ１０およびφ１１を高レベルにしてスイッチＳＷ１０およびＳＷ１１をオンし、整流回路２によって整流された電力で降圧コンデンサ４１および４２を充電する。このような工程を繰り返すことにより、整流回路２の出力を降圧して出力端３２および電圧制御装置５０に転送することができる。
【００３８】
また、時刻ｔ１０に発電装置１が発電を停止するとモード２が選択される。モード２においては、時刻ｔ１１に制御信号φ１０およびφ１１が低レベルとなり、制御信号φ２０およびφ２１が高レベルとなった状態が保持される。これにより、降圧回路４０のスイッチＳＷ１０およびＳＷ１１がオフとなり、スイッチＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２がオンとなる。このモード２においては、このようなスイッチング操作により、降圧コンデンサ４１および４２が出力端３２の側に接続され、整流回路２の側から切り離された状態で保持される。このため、降圧回路４０を介して大容量コンデンサ５や電圧制御回路５０の側から整流回路２あるいは発電装置１に向かって電力が逆流しないようにできる。従って、大容量コンデンサ５が放電して処理装置６を稼働させている間に大容量コンデンサ５の電力が浪費されるのを防止できる。
【００３９】
このような降圧回路４０を設けておくことにより、本例の電力供給装置３０においては、処理装置６の作動電圧や大容量コンデンサ５の耐圧に対し、整流回路２の整流後の電圧Ｖ１を高くすることができる。従って、整流回路２を構成するダイオード３の順方向電圧Ｖｆの損失に対し、上記の式（２）で示したように整流回路２の整流効率ηｃを向上することができ、順方向電圧Ｖｆによる損失を低減することができる。整流回路２の整流後の電圧Ｖ１を上げることにより、式（３）に示した漏れ損失Ｌｒは増加するが、漏れ損失Ｌｒの対象となるのは入力補助コンデンサ３４に一次的に蓄積された電力のみであり、漏れ損失Ｌｒの増加は少ない。また、本例の電力供給装置３０においては、順方向電圧Ｖｆの損失を低減できるので、逆リーク電流の小さなシリコンダイオードで整流回路２を構成することができ、漏れ損失Ｌｒを最小限に止めることができる。
【００４０】
さらに、整流回路２と並列に設けられた入力補助コンデンサ３４には、降圧コンデンサ４１および４２が整流回路２から切り離されている間に整流回路２で整流された整流後の電力により充電されるようになっている。このため、入力補助コンデンサ３４を設けることにより、降圧コンデンサ４１および４２が整流回路２に接続されていない間の電力を一時的に保持することができる。従って、入力補助コンデンサ３４により、発電装置１から供給された電力をさらに効率的に降圧して出力側３２に転送することができる。また、入力補助コンデンサ３４として最大耐電圧が大容量コンデンサ５よりも高いコンデンサを採用することにより、整流後の電圧Ｖ１を高くしてもコンデンサの破壊を防止することができる。このような高耐圧のコンデンサは比較的安価に入手可能であるので、入力補助コンデンサ３４を採用することによるコスト的なディメリットは発生しない。
【００４１】
このように、本例に電力供給装置３０においては、整流された電力を降圧して出力端に転送することにより、整流効率を大幅に向上することができ、電力供給装置３０におけるロスを低減することができる。また、発電装置１から供給される電力の電圧を高くできるので、同じ電力の供給を受けるために流れる電流Ｉを小さくすることができる。従って、Ｉ2 Ｒで表される電力損失を低減できるという効果もあり、電磁式の発電機においては発電機内のロスを低減することも可能になる。一方、本例の発電装置１に用いられている圧電素子は静電容量が小さいため高電圧を容易に得ることができ、また、起電圧を低下するために複数の圧電体層を積層する構造を採用する必要もなくなる。従って、発電に寄与しない領域があり、高価な積層型の振動片２１を採用なくて済み、シム材２６の両面に圧電体層２２が形成された安価で高電圧が得られる圧電素子を用いた発電装置１を採用することにより整流効率を高めることができる。このため、本例の電力供給装置３０に圧電素子を用いた発電装置１を接続することにより、発電効率が高く給電ロスの少ない発電装置を提供することができる。
【００４２】
また、本例の降圧回路４０は、整流後の電圧Ｖ１が高いときに降圧を行うモード１に加え、モード２およびモード３といった処理が可能になっている。モード２においては、整流後の電圧Ｖ１が低く、大容量コンデンサ５から得られる出力電圧が高いときは整流回路と出力端３２を分離できるようになっている。このため、出力端３２に接続された大容量コンデンサ５から電力が整流回路２に逆流し、漏れ損失として浪費されてしまうような事態を防止することができる。
【００４３】
さらに、モード３においては、整流後の電圧Ｖ１が低く、大容量コンデンサ５から得られる出力電圧が低いときに、整流回路２からの整流後の電力を降圧せずに大容量コンデンサ５や、電圧制御回路５０を介して処理装置６に供給できるようにしている。従って、整流後の電圧Ｖ１が低くても、整流された電力を有効に利用できる。スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０を操作する電力が確保できないような場合であっても、例えば、それぞれのスイッチをｎチャンネルトランジスタで構成し、そのゲート電圧を接地側のＶｄｄから供給されるようにすることにより、両スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０をオンの状態に保持することができる。もちろん、降圧回路４０をバイパスするようなスイッチを設けてモード３の状態を実現することも可能である。
【００４４】
これらのモード１、モード２およびモード３は、マイクロコンピュータなどを用いた制御回路３５によって制御することができ、モードの制御はＲＯＭなどのコンピュータに読み取り可能な媒体にプログラムとして収納しておくことが可能である。この制御回路３５は、さらに、降圧回路４０から供給された電力や大容量コンデンサ５が放電した電力を昇圧あるいは降圧して処理装置６に供給する電圧制御回路３５の制御も行えるようになっており、そのためのプログラムも同一のＲＯＭなどの媒体に記憶しておくことができる。
【００４５】
このように、本発明の電力供給装置は、圧電素子を用いた振動型の発電装置や、図５に示したロータおよびステータを備えた回転型の電磁式の発電装置などから供給された交流電力を効率良く整流でき、損失も少なく大容量コンデンサなどの充電装置や処理装置に供給することができる。このため、処理装置と共に本発明の電力供給装置あるいは発電装置を搭載することにより、ユーザの動きなどを捉えて発電を行い連続的に起電力が得られない電子機器においても発電装置から供給された電力により処理装置を稼働させることができ、また、大容量コンデンサなどの充電装置を充電することができる。従って、電池なしで様々な環境下において長時間、継続して処理装置を稼働させることが可能な電子機器を提供することができる。本発明の電子機器は、上記で説明した腕時計装置に限定されることなく、その他の携帯型、あるいは車両搭載型などの電子機器として利用でき、何時でも何処でも処理装置の機能を発揮できる電子機器を実現することができる。例えば、本発明は上記の例で説明した時計機能を備えた電子機器に加え、ページャー、電話機、無線機、補聴器、万歩計、電卓、電子手帳などの情報端末、ＩＣカード、ラジオ受信機などの電力を消費して動作する様々な処理装置と共に搭載し電子機器を構成することが可能である。
【００４６】
なお、本発明が上述した装置１０の回路例に限定されないことはもちろんである。例えば、降圧回路は１／２降圧にかぎらず、３つのコンデンサを用いた１／３あるいは２／３降圧が可能な回路を用いることも可能である。また、昇降圧可能な電圧制御回路を介さずに処理装置に電力を供給できるようにすることももちろん可能である。さらに、整流回路も全波整流にかぎらず、半波整流などの他の整流方法であっても良いことはもちろんである。また、各スイッチとしてバイポーラあるいあユニポーラのトランジスタスイッチを用いることも可能であり、電力供給装置をＩＣ化して提供したり、あるいは処理装置と共に同一の半導体基板に搭載するなど様々なバリエーションが可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の腕時計は、整流した後に電圧を降圧する機能を備えており、この結果、整流する際の電圧を高く設定することができる。従って、整流回路に用いられるダイオードの順方向電圧を下げなくとも、それに起因する整流効率を向上することができ、逆リークが少なく漏れ損失の小さなシリコンダイオードを用いて効率の良い腕時計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電力供給装置を備えた腕時計装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す電力供給装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示す電力供給装置の降圧回路の制御方法を示すフローチャートである。
【図４】図２に示す電力供給装置の降圧回路を構成するスイッチを操作する制御信号を示すタイミングチャートである。
【図５】従来の発電装置を備えた腕時計装置の概略構成を示す図であり、ロータおよびステータを備えた電磁式の回転型の発電装置を備えたものを示す図である。
【図６】ダイオードの順方向電圧の特性を示すグラフである。
【図７】従来の発電装置を備えた腕時計装置の概略構成を示す図であり、圧電素子を備えた振動型の発電装置を備えたものを示す図である。
【図８】図７に示す圧電素子を備えた振動片の断面を示す図である。
【符号の説明】
１・・発電装置
２・・整流回路
３・・ダイオード
５・・大容量コンデンサ
６・・処理装置
７・・計時機構
１０・・携帯用電子機器
１２・・地板
１３・・回転錘
２０・・圧電体層
２１・・振動片
２２・・圧電体部
２５・・先端の重り
２６・・支持層（シム材）
２７・・ネジ
３０・・電力供給装置
３１・・入力端
３２、３３・・出力端
３４・・入力補助コンデンサ
３５・・制御回路
４０・・降圧回路
４１、４２・・降圧用コンデンサ
５０・・電圧制御回路
ＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ２０、ＳＷ２１、ＳＷ２２・・降圧用コンデンサの接続切り替え用スイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子に繰り返し変位を与えて発電を行う振動型の発電装置を備えた腕時計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
腕時計装置のような小型で携帯に適した電子機器において、発電装置を内蔵することによって電池の交換をなくし、あるいは電池自体を無くすことができる携帯型の電子機器が考案され、実用化されている。図５に、その一例として発電装置１を内蔵した腕時計装置１０の概略構成を示してある。この携帯型電子機器（腕時計装置）１０においては、腕時計装置のケース内で旋回運動を行う回転錘１３と、回転錘１３の回転運動を電磁発電機に伝達する輪列機構８と、電磁発電機を構成するロータ１４およびステータ１５を備えており、２極磁化されたディスク状のロータ１４が回転するとステータ１５の出力用コイル９に起電力が発生し、交流出力が取り出せるようになっている。さらに、この携帯型電子機器は、発電装置１から出力された交流を整流する整流回路２と、発電装置１から得られた電力を蓄積する大容量コンデンサ５などによって構成された電力供給装置３０と、この電力供給装置３０からの電力によって動作する計時機能７などを備えた処理装置６を備えている。
【０００３】
このような携帯型の電子機器は、ロータ１４およびステータ１５を備えた回転型の電磁式の発電装置１から電力を大容量コンデンサ５に蓄えて、その電力によって計時装置などの処理装置６を稼働することができる。従って、電池がなくても処理装置６を継続して動作させることができ、何時でも何処でも処理装置を使え、さらに、電池の廃棄などに伴う問題も除くことができる電子機器である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この電子機器の発電装置１から供給される電力は交流電力であるので、大容量コンデンサ５に充電し、また、ＩＣなどを備えた処理装置６の作動電力とするためには整流して直流電力に変換する必要がある。このため、電力供給装置３０は複数のダイオード３をブリッジに接続した整流回路２を備えている。これらのダイオード３としてシリコンダイオードが用いられていると、図６に示すように順方向の電流Ｉｆに対して０．５〜０．６Ｖ程度の順方向電圧Ｖｆがある。このため、発電装置１から供給された電力Ｗ０を整流回路２によって整流して得られる整流後の電力Ｗ１は、整流回路２を構成するダイオードの順方向電圧Ｖｆの損失を考慮すると次のようになる。
【０００５】
Ｗ１ ＝ ηｃ× Ｗ０ ・・・（１）
ηｃ ＝ Ｖ１／（Ｖ１＋２×Ｖｆ） ・・・（２）
ここでηｃは充電時の整流効率、Ｖ１は整流回路から得られる整流後の電圧であり、図５に示した回路においては大容量コンデンサ５の充電電圧に対応する。
【０００６】
処理装置６の作動電圧は、ＩＣなどの低電圧駆動化が進んでいるため、例えば、０．９〜１．０Ｖ程度でスタートさせることが可能である。従って、大容量コンデンサ５の電圧は１．５〜２Ｖ程度に選択されており、これに対し０．５〜０．６Ｖ程度の順方向電圧Ｖｆを考慮すると整流効率ηｃは、０．６程度の値となってしまう。従って、整流効率ηｃを向上するためには順方向電圧Ｖｆを低減することが望ましい。
【０００７】
一方、回転錘１３が動かないとき、例えば腕時計装置を腕からはずしているときなどに発電装置１が発電を停止した場合は、大容量コンデンサから電力が整流回路２を通って発電装置１の側に逆流して浪費される可能性がある。このため、整流回路２のダイオード３としては電力の逆流を防止するために逆リーク電流Ｉｒの小さいものが望ましい。この逆リークによる漏れ損失Ｌｒは以下のように表すことができる。
【０００８】
Ｌｒ ＝ Ｖ１×（Ｉｒ×２） ・・・（３）
この漏れ損失Ｌｒは、発電装置１が発電を停止している間に継続して発生する。従って、整流回路２を構成するダイオードとしては、逆リーク電流Ｉｒの小さなものが望ましく、この点でシリコンダイオードが優れている。このため、順方向電圧Ｖｆが高くともシリコンダイオードが整流回路に多用されており、上記の程度の整流効率で電力が大容量コンデンサあるいは処理装置に供給されている。
【０００９】
図７に圧電素子に繰り返し変位を与えて発電を行う振動型の発電装置１を備えた腕時計装置１０の一例を示してある。この腕時計装置１０に用いられている発電装置１は、地板１２に一端がネジ２７で固定されたカンチレバー状の振動片２１を備えており、この振動片２１の両側に圧電体部２２が設けられている。振動片２１の先端には重り２５が取り付けられており、重り２５が駆動系によって動かされることにより振動片２１が加振され、振動片２１の先端が自由端となり、地板１２にネジ２７で固定された側が支持端となって自由振動が励起される。これにより、圧電体部２２に繰り返し変位が与えられて発電が行われ、その交流出力が上記と同様の電力供給装置３０に入力されるようになっている。従って、この腕時計装置１０を腕などに装着して振動を与えると、振動片２１から電力供給装置３０に交流電力が入力される。そして、電力供給装置３０において整流された直流電力が大容量コンデンサ５や処理装置６に供給される。
【００１０】
圧電素子は静電容量が小さいため、高電圧は容易に得られるが、発生する電流は非常に小さく、上述したような携帯用の電子機器の処理装置で使用する数Ｖレベルの電源の充電に用いるには効率が悪い。このため、例えば、図８に示すように、振動片２１の中心の支持層（シム層）２６の両側に圧電体部２２ａおよび２２ｂを設け、さらに、振動方向Ｙに各々３層の圧電体層が積層された層構造にしている。これら３層の圧電体層２０ａ、２０ｂおよび２０ｃは、矢印Ｘで示すように向かい合った方向に分極しており、３層の圧電体層２０ａ、２０ｂおよび２０ｃが電極２３によって並列に接続し易い分極配置としてある。
【００１１】
このように多層の圧電体層を積層して振動片を構成することにより、起電圧が低く電流密度の高い起電力を得ることが可能である。しかし、積層して振動片を作成するために振動片２１のコストが高くなり、また、振動片２１の側方に電極に覆われていない発電に寄与しない領域Ｚが生じてしまう。また、この圧電素子を用いた振動型の発電装置を処理装置などに供給する電力供給装置においても上記と同様の整流回路が用いられているので、ダイオードの順方向電圧Ｖｆに起因する損失や、逆リークに起因する損失が発生する。
【００１２】
発電装置を搭載した携帯型の電子機器において発電に用いられるエネルギーは、ユーザーの腕や体の運動に伴って得られるエネルギーや、その他の自然なエネルギーに限定される。従って、これらの不安定なエネルギーを電気エネルギーに効率良く変換して大容量コンデンサーなどの充電装置や処理装置に供給し、さらに、いったん充電された電力の浪費をできるかぎり防止することが重要である。そこで、本発明においては、整流回路における順方向電圧に起因する損失を低減できると共に、逆リークによる漏れ損失も低減できる電力供給回路を提供することを目的としている。さらに、この電力供給回路を用いて効率良く電力を供給でき、また、充電できる発電装置を提供することを目的としている。特に、高電圧が得られる圧電素子を用いた発電装置に適した効率の良い電力供給回路および発電装置を提供することを目的としている。そして、このような高効率の発電装置を処理装置と共に搭載することにより、電池の交換なく、いつでも何処でも使用できる携帯に適した電子機器を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、整流回路に用いられるダイオードの順方向電圧に比べて十分に高い電圧で整流を行いダイオードの順方向電圧を下げずに整流効率を向上できるようにしている。このため、整流手段によって整流した後に降圧手段によって整流後の電圧を降圧し、出力端に接続された充電装置や処理装置などに供給できるようにしている。すなわち、本発明の腕時計は、圧電素子に繰り返し変位を与えて発電を行う振動型の発電装置と、前記発電装置による交流電力が入力される入力端と、電力を消費する時計部に接続される出力端と、前記入力端から入力された前記交流電力を整流する整流手段と、前記整流手段によって整流された整流後の電力を蓄電する入力補助蓄電手段と、前記入力補助蓄電手段に蓄積された電力を降圧する降圧手段と、前記降圧手段の出力電圧を蓄電する充電手段とを有する腕時計であって、前記降圧手段は、前記入力端の入力電圧が、基準電圧の２倍よりも高く、かつ、前記出力端の出力電圧の２倍よりも高いときには前記整流後の電力を降圧する、あるいは、前記入力電圧が、前記基準電圧よりも高く、かつ、前記出力端の出力電圧よりも低いときには前記整流手段と前記出力端を分離する、あるいは、前記入力電圧および前記出力端の出力電圧が前記時計部の稼動可能電圧に対し低いときには前記整流後の電力を前記出力端に降圧せずに供給する、ことを特徴とする。
このような降圧手段を設けることにより、入力端の電圧を高くすることができるので、上述した式（１）における整流回路の整流後の電圧Ｖ１を高く設定できる。従って、順方向電圧Ｖｆが同じであっても整流効率ηｃを高くすることができ、電力供給装置におけるロスを低減することが可能になる。また、逆リーク電流の小さなシリコンダイオードを用いて整流効率ηｃを高くできるので、逆リーク電流に伴う漏れ損失を小さくできる。
そして、入力電圧および出力電圧が低いときに整流後の電力を出力端に降圧せずに供給する第３のモードを設けることにより、入力電圧が低くとも充電装置が充電できる程度、あるいは処理装置が稼働できる程度の高い電圧を出力端に供給することができる。第３のモードは、降圧コンデンサを接続するスイッチ手段を用いて実現することも可能であり、また、降圧コンデンサをバイパスする手段を設けてももちろん良い。
【００１４】
降圧手段は、複数の降圧コンデンサと、これら降圧コンデンサを整流手段の出力に対し直列に接続する第１のスイッチ手段と、降圧コンデンサを出力端に並列に接続する第２のスイッチ手段とを備えていることを特徴とするコンデンサ降圧回路などを用いることができる。さらに、降圧手段に、入力端の入力電圧が出力端の出力電圧に対し高いときに整流後の電力を降圧して出力端に供給する第１のモードと、入力電圧が出力電圧に対し低いときに整流手段と出力端を分離する第２のモードの２つのモードを設けることが可能であり、これにより出力電圧が高いときは出力端を入力端から分離できるので、出力端に接続された充電装置などからの逆流を降圧手段を用いて阻止することが可能になる。
【００２１】
また、出力端に充電装置に接続される第１の出力端と、処理装置に接続される第２の出力端とを設け、第１の出力端は第２の出力端に対し充電装置を並列に接続可能とし、さらに、第１の出力端を通して充電装置から放電された電力を昇圧または降圧の少なくともいずれかを行って第２の出力端に供給可能な出力電圧制御手段を設けることにより、入力端に電力が供給されないときに充電装置に蓄積された電力を処理装置に対し有効に供給することができる。例えば、充電装置が充電されて高電圧になった場合は、出力電圧制御手段によって降圧することにより充電装置の放電量を抑制できる。また、充電装置が放電して低電圧になった場合でも、出力電圧制御手段によって昇圧することにより処理装置が稼働可能な電圧を確保することができる。
【００２２】
そして、整流後の電圧を一時的に蓄える入力補助蓄電手段としては充電手段よりも最大耐電圧の大きなものを採用することにより静電破壊を防止することができる。
【００２３】
以上により、本発明の腕時計を採用することにより、発電装置から処理装置に対し効率良く安定した電力を供給でき、さらに、漏れ損失も少ないので長時間電力を供給することができる。このため、何時でも何処でも使用できる腕時計を提供できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。図１に本発明に係る発電装置を備えた腕時計装置の概要を示してある。本例の腕時計装置１０は、発電装置１と、この発電装置１から入力された電力を整流して計時処理などの処理装置６に供給する電力供給装置３０を備えている。処理装置６は、時計部７を駆動したりアラーム処理を行うなどの計時処理の他にラジオ、ページャあるいはパソコンなどの機能を備えているものであってももちろん良い。また、本例の電力供給装置３０には、充電装置として大容量コンデンサ５が処理装置６とは異なる出力端に接続されている。これらの電力供給装置３０、処理装置６および大容量コンデンサ５などは、後述する発電装置１と平面的に重なる様に配置されており、腕時計装置全体の小型化が図られている。
【００２５】
本例の腕時計装置１０に用いられている発電装置１は、片持ち梁（カンチレバー）状に地板１２に固定された振動片２１を備えている。振動片２１は中心のシム部２６と、その両側に設けられた圧電体部２２ａおよび２２ｂとを備えており、さらに、振動片２１の先端に重り２５が取り付けられている。従って、振動片２１の重り２５に打撃が与えられると振動片２１の先端が自由端となり、地板１２にネジ２７で固定された側が支持端となって自由振動する。この自由振動によって圧電体部２２ａおよび２２ｂに繰り返し変位が与えられ圧電体部２２ａおよび２２ｂに起電力が発生し、電力供給装置３０の入力端３１に交流電力が供給される。
【００２６】
本例の腕時計装置１０においては、振動片２１がケースの内部で回転運動を行う回転錘１３によって駆動されるようになっている。回転錘１３は、腕時計装置１０がユーザーの腕に装着されると、ユーザーの腕や体の動きなどと連動して回転する。従って、この回転錘１３の動きを輪列８によってカム駆動車１７に伝達し、このカム駆動車１７によってカム１９を左右に動かし、さらに、カム１９から振動片２１の重り２５の内部に伸びた突出部１８を動かして振動片２１に打撃を与えられるようにしている。このような機構により、本例の腕時計装置１０は、ユーザーの腕や体などの動きを捉えて振動片２１を振動させ発電を行うことが可能であり、この電力を電力供給装置３０を介して処理装置６に転送し、電池を用いずに何時でも何処でも処理装置６を稼働することができる。
【００２７】
図２に、本例の電力供給装置３０をさらに詳しく示してある。本例の電力供給装置３０は、入力端３１に入力された発電装置１からの交流電力を整流して出力端３２および３３に出力できるようになっており、そのために、ダイオード３でブリッジを構成した整流回路２を備えている。この整流回路２には、入力補助コンデンサ３４が並列に接続されており、この入力補助コンデンサ３４に充電された電力が降圧回路４０を介して出力端３２および３３に伝達されるようになっている。降圧回路４０の出力側に接続された第１の出力端３２には、充電装置である大容量コンデンサ５が接続されており、降圧回路４０の出力によって大容量コンデンサ５を充電できるようになっている。さらに、第１の出力端３２には、出力電圧制御回路５０を介して第２の出力端３３が接続されており、大容量コンデンサ５の電力を電圧調整して第２の出力端３３に接続された処理装置６に供給できるようになっている。また、出力電圧制御回路５０は降圧回路４０にも接続されているので、降圧回路４０を通して整流回路２によって整流された電力を直に処理装置６に供給することも可能である。さらに、本例の電力供給装置３０は、降圧回路４０および出力電圧制御回路５０を制御する制御回路３５を備えており、この制御回路３５には整流回路２の整流後の電圧Ｖ１、大容量コンデンサ５の充電電圧Ｖsc、および出力電圧制御回路５０の出力側の電圧（出力電圧Ｖ２）が制御のために入力されている。本例の制御回路３５においては、入力端３１の電圧を整流後の電圧Ｖ１によって監視しており、また、出力端３２の電圧を出力電圧制御回路５０の出力側の電圧Ｖ２で監視している。なお、本例の腕時計装置１０は、高電圧側Ｖddが接地されて基準電圧となっている。このため、以下においては、出力電圧として低電圧側Ｖssを参照し、電圧値は簡単のため全て絶対値で示すこととする。
【００２８】
本例の出力電圧制御回路５０は、３つのコンデンサ５１、５２および５３を用いて入力側の電圧、すなわち、降圧回路４０の出力または大容量コンデンサ５の出力電圧を多段階に昇圧および降圧できるようになっている。このため、出力電圧制御回路５０を用いて、大容量コンデンサ５の電圧Ｖscや降圧回路４０から供給される電圧が処理装置６の稼働できる電圧より低い場合は昇圧して処理装置６に供給し、コンデンサ５が未充電、あるいは放電末期の状態でも処理装置６を継続して稼働することができる。また、大容量コンデンサ５の電圧Ｖscが処理装置６の稼働のために必要とされる電圧より高いときは降圧して処理装置６に供給し、大容量コンデンサ５の放電量を少なくすることができる。
【００２９】
本例の降圧回路４０は、整流回路２によって整流された電力を１／２降圧し、大容量コンデンサ５の接続された出力端３２、および出力電圧制御回路５０を介して処理装置６の接続された出力端３３に供給できるようになっている。このため、２つの降圧用のコンデンサ４１および４２を備えており、スイッチＳＷ１０およびＳＷ１１によってコンデンサ４１および４２が直列に接続された状態で整流回路２に接続できるようになっている。また、スイッチＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２によってコンデンサ４１および４２が並列に接続された状態で出力端３２の側に接続されるようになっている。これらにスイッチのうち、スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０は、コンデンサ４１および４２を整流回路２の側あるいは出力端３２の側にそれぞれオンオフできる位置に設けられている。このため、スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０をオンすることにより、降圧回路４０をバイパスして整流回路３の出力を出力端３２および出力電圧制御回路５０に供給することができる。
【００３０】
図３に、制御回路３５による降圧回路４０の制御方法をフローチャートを用いて示してある。また、図４に、制御回路３５から降圧回路４０の各スイッチＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２を制御するための制御信号φ１０、φ１１、φ２０およびφ２１をタイミングチャートを用いて示してある。制御回路３５は、ステップ６１において入力電圧を整流後の電圧Ｖ１で検出し、整流後の電圧Ｖ１が出力端３２と並列に接続された電圧制御回路５０で昇圧できる最も低い電圧（基準電圧）Ｖ０の２倍以上であるか否かを判断する。電圧制御回路５０は、出力端３２および降圧回路４０に接続された一次側が基準電圧Ｖ０以上であれば、その電力を処理装置６が稼働可能な電圧まで昇圧して２次側である出力端３３に出力できるようになっている。整流後の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０の２倍以上であれば、次にステップ６２において、整流後の電圧Ｖ１が大容量コンデンサ５の充電電圧Ｖscの２倍以上であるかを確認する。整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖscの２倍より高いときは、整流後の電圧Ｖ１を１／２降圧しても大容量コンデンサ５から整流回路２の側に逆流することがなく、また、整流後の電圧Ｖ１を１／２降圧しても処理装置６を動作させるための基準電圧Ｖ０を確保できる。従って、ステップ６６において、整流回路３の出力を降圧回路４０によって１／２降圧して電圧制御回路５０に転送する。このような、降圧回路４０によって整流された電力を降圧して出力端（電圧制御回路５０および大容量コンデンサ５）に転送する処理をモード１の処理とする。
【００３１】
一方、ステップ６２において、整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖscの２倍よりも小さいときは、降圧回路４０によって整流後の電力を降圧すると大容量コンデンサ５から入力補助コンデンサ３４に逆流する可能性がある。また、入力端３１における入力電圧を直に制御に用いている場合は、入力端３１から発電装置１に電流が逆流する可能性がある。従って、ステップ６７において、降圧回路４０の降圧用コンデンサ４２および４１を入力補助コンデンサ３４あるいは出力端３２の側から切り離した状態で保持し、入力補助コンデンサ３４から出力端３２を通して大容量コンデンサ５に電力を転送するのを停止する。この処理をモード２の処理とする。モード２においては、大容量コンデンサ５から放電された電力が電圧制御回路５０に供給される。
【００３２】
さらに、ステップ６１において、整流後の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０の２倍以下の場合は、整流後の電圧Ｖ１を降圧すると処理装置６を稼働させるための電圧を電圧制御回路５０に対し供給できない。しかしながら、ステップ６３において、整流後の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０以上であれば、降圧しなければ基準電圧Ｖ０を確保することが可能である。この場合も、整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖsc以下であると大容量コンデンサ５から入力補助コンデンサ３４に逆流する。従って、ステップ６４において、整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖsc以下のときは、ステップ６７においてモード２を選択し、入力補助コンデンサ３４を出力端３２から分離する。一方、ステップ６４において整流後の電圧Ｖ１が充電電圧Ｖscと同じまたは以上であれば、ステップ６８において、降圧回路４０において降圧せずに、入力補助コンデンサ３４から出力端３２に電力を供給する。この処理をモード３の処理とする。
【００３３】
さらに、ステップ６３において、整流後の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０以下の場合は、発電装置１から供給された電力では、電圧制御回路５０を通しても処理装置６を作動することができない。しかしながら、ステップ６５において、大容量コンデンサ５の充電電圧Ｖscが基準電圧Ｖ０以上であれば、大容量コンデンサ５の放電によって処理装置６を継続して稼働させることができる。従って、ステップ６７に移行してモード２を選択し、大容量コンデンサ５の電力が入力補助コンデンサ３４に逆流しない状態で大容量コンデンサ５から電圧制御回路５を介して出力端３３に接続された処理装置６に電力を供給する。
【００３４】
一方、ステップ６５において、大容量コンデンサ５の充電電圧Ｖscが基準電圧Ｖ０以下の場合は、大容量コンデンサ５の電力によっても処理装置６を継続して動作させることができない。このような大容量コンデンサ５に制御電力を供給できる程度の電力もないコールドスタートの状態では、発電装置１が発電を再開して電力が供給された際に、その電力を電圧制御回路５０を介して処理装置６にすぐに供給できることが望ましい。このため、ステップ６８においてモード３を選択し、整流回路２の出力と電圧制御回路５０の１次側を直結している。なお、本例の電力供給装置３０においては、整流後の電圧Ｖ１によって上記の制御を行っているが、入力端３１の入力電圧は整流後の電圧Ｖ１によって変動するので、入力端３１の入力電圧を直に検出して上記と同様の制御を行うことももちろん可能である。
【００３５】
図４に、上述した各モードにおいて、降圧回路４０の各スイッチＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２に供給される制御信号φ１０、φ１１、φ２０およびφ２１の状態を示してある。まず、時刻ｔ０で、大容量コンデンサ５に電圧がなく、整流後の電圧Ｖ１も基準電圧Ｖ０に達していない場合は、モード３が選択される。このモード３においては、スイッチＳＷ１０およびスイッチＳＷ２０を制御する制御信号φ１０およびφ２０が高レベルとなり、スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０がオンとなる。このため、整流回路２が出力端３２および電圧制御回路５０が直に接続され、整流回路２で整流された電力が降圧されずに出力端３２および電圧制御回路５０に供給される。一方、スイッチＳＷ１１を制御する制御信号φ１１と、スイッチＳＷ２１およびＳＷ２２を制御する制御信号φ２１は低レベルであるので、これらのスイッチＳＷ１１、ＳＷ２１およびＳＷ２２はオフとなる。従って、降圧用のコンデンサ４１および４２は切り離された状態であり、モード３においてはこれらのコンデンサ４１および４２は充放電されないようになっている。制御信号φ２１を高レベルとしてスイッチＳＷ２１およびＳＷ２２をオンし、大容量コンデンサ５にコンデンサ４１および４２を並列に接続することも可能であり、これによって大容量コンデンサ５として用いられる容量を増やすことができる。
【００３６】
この状態で発電装置１が発電を開始すると、その電力は整流回路２で整流され、さらに、整流回路２の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０以上になると電圧制御回路５０で昇圧され処理装置６が稼働を開始する。同時に、大容量コンデンサ５が整流された電力により充電される。そして、時刻ｔ１に整流回路２の整流後の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖ０の２倍に達すると、モード１に移行し降圧回路４０によって降圧された電力が供給される。モード１においては、まず、時刻ｔ１に制御信号φ２０が低レベルになってスイッチＳＷ２０がオフとなり降圧回路４０が出力端３２から分離される。次に、時刻ｔ２に制御信号φ１１が高レベルになってスイッチＳＷ１１がオンになる。これにより、降圧用のコンデンサ４１および４２が直列に接続された状態で整流回路２に接続される。所定の時間が経過し、降圧用のコンデンサ４１および４２が充電されると、時刻ｔ３に制御信号φ１０およびφ１１が低レベルになりスイッチＳＷ１０およびＳＷ１１がオフになる。これにより、降圧用コンデンサ４１および４２が整流回路２の側から切り離される。次に、時刻ｔ４に制御信号φ２０およびφ２１が高レベルになりスイッチＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２がオンになる。これにより、降圧用コンデンサ４１および４２が並列な状態で出力端３２および電圧制御回路５０に接続される。従って、整流回路２で整流された電圧Ｖ１の電力が１／２に降圧されて出力端３２および電圧制御回路５０に転送される。整流後の電圧Ｖ１は基準電圧Ｖ０の２倍以上になっているので、降圧しても電圧制御回路５０の１次側の基準電圧Ｖ０を確保することができる。従って、処理装置６を稼働するのに十分な電圧を出力端３３から処理装置６に供給することができる。
【００３７】
所定の時間が経過して、降圧コンデンサ４１および４２が放電して電力が処理装置６および出力端３２を介して大容量コンデンサ５に供給されると、時刻ｔ５に制御信号φ２０およびφ２１を低レベルにしてスイッチＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２をオフし、降圧コンデンサ４１および４２を出力端３２の側から分離する。さらに、時刻ｔ６に制御信号φ１０およびφ１１を高レベルにしてスイッチＳＷ１０およびＳＷ１１をオンし、整流回路２によって整流された電力で降圧コンデンサ４１および４２を充電する。このような工程を繰り返すことにより、整流回路２の出力を降圧して出力端３２および電圧制御装置５０に転送することができる。
【００３８】
また、時刻ｔ１０に発電装置１が発電を停止するとモード２が選択される。モード２においては、時刻ｔ１１に制御信号φ１０およびφ１１が低レベルとなり、制御信号φ２０およびφ２１が高レベルとなった状態が保持される。これにより、降圧回路４０のスイッチＳＷ１０およびＳＷ１１がオフとなり、スイッチＳＷ２０、ＳＷ２１およびＳＷ２２がオンとなる。このモード２においては、このようなスイッチング操作により、降圧コンデンサ４１および４２が出力端３２の側に接続され、整流回路２の側から切り離された状態で保持される。このため、降圧回路４０を介して大容量コンデンサ５や電圧制御回路５０の側から整流回路２あるいは発電装置１に向かって電力が逆流しないようにできる。従って、大容量コンデンサ５が放電して処理装置６を稼働させている間に大容量コンデンサ５の電力が浪費されるのを防止できる。
【００３９】
このような降圧回路４０を設けておくことにより、本例の電力供給装置３０においては、処理装置６の作動電圧や大容量コンデンサ５の耐圧に対し、整流回路２の整流後の電圧Ｖ１を高くすることができる。従って、整流回路２を構成するダイオード３の順方向電圧Ｖｆの損失に対し、上記の式（２）で示したように整流回路２の整流効率ηｃを向上することができ、順方向電圧Ｖｆによる損失を低減することができる。整流回路２の整流後の電圧Ｖ１を上げることにより、式（３）に示した漏れ損失Ｌｒは増加するが、漏れ損失Ｌｒの対象となるのは入力補助コンデンサ３４に一次的に蓄積された電力のみであり、漏れ損失Ｌｒの増加は少ない。また、本例の電力供給装置３０においては、順方向電圧Ｖｆの損失を低減できるので、逆リーク電流の小さなシリコンダイオードで整流回路２を構成することができ、漏れ損失Ｌｒを最小限に止めることができる。
【００４０】
さらに、整流回路２と並列に設けられた入力補助コンデンサ３４には、降圧コンデンサ４１および４２が整流回路２から切り離されている間に整流回路２で整流された整流後の電力により充電されるようになっている。このため、入力補助コンデンサ３４を設けることにより、降圧コンデンサ４１および４２が整流回路２に接続されていない間の電力を一時的に保持することができる。従って、入力補助コンデンサ３４により、発電装置１から供給された電力をさらに効率的に降圧して出力側３２に転送することができる。また、入力補助コンデンサ３４として最大耐電圧が大容量コンデンサ５よりも高いコンデンサを採用することにより、整流後の電圧Ｖ１を高くしてもコンデンサの破壊を防止することができる。このような高耐圧のコンデンサは比較的安価に入手可能であるので、入力補助コンデンサ３４を採用することによるコスト的なディメリットは発生しない。
【００４１】
このように、本例に電力供給装置３０においては、整流された電力を降圧して出力端に転送することにより、整流効率を大幅に向上することができ、電力供給装置３０におけるロスを低減することができる。また、発電装置１から供給される電力の電圧を高くできるので、同じ電力の供給を受けるために流れる電流Ｉを小さくすることができる。従って、Ｉ2 Ｒで表される電力損失を低減できるという効果もあり、電磁式の発電機においては発電機内のロスを低減することも可能になる。一方、本例の発電装置１に用いられている圧電素子は静電容量が小さいため高電圧を容易に得ることができ、また、起電圧を低下するために複数の圧電体層を積層する構造を採用する必要もなくなる。従って、発電に寄与しない領域があり、高価な積層型の振動片２１を採用なくて済み、シム材２６の両面に圧電体層２２が形成された安価で高電圧が得られる圧電素子を用いた発電装置１を採用することにより整流効率を高めることができる。このため、本例の電力供給装置３０に圧電素子を用いた発電装置１を接続することにより、発電効率が高く給電ロスの少ない発電装置を提供することができる。
【００４２】
また、本例の降圧回路４０は、整流後の電圧Ｖ１が高いときに降圧を行うモード１に加え、モード２およびモード３といった処理が可能になっている。モード２においては、整流後の電圧Ｖ１が低く、大容量コンデンサ５から得られる出力電圧が高いときは整流回路と出力端３２を分離できるようになっている。このため、出力端３２に接続された大容量コンデンサ５から電力が整流回路２に逆流し、漏れ損失として浪費されてしまうような事態を防止することができる。
【００４３】
さらに、モード３においては、整流後の電圧Ｖ１が低く、大容量コンデンサ５から得られる出力電圧が低いときに、整流回路２からの整流後の電力を降圧せずに大容量コンデンサ５や、電圧制御回路５０を介して処理装置６に供給できるようにしている。従って、整流後の電圧Ｖ１が低くても、整流された電力を有効に利用できる。スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０を操作する電力が確保できないような場合であっても、例えば、それぞれのスイッチをｎチャンネルトランジスタで構成し、そのゲート電圧を接地側のＶｄｄから供給されるようにすることにより、両スイッチＳＷ１０およびＳＷ２０をオンの状態に保持することができる。もちろん、降圧回路４０をバイパスするようなスイッチを設けてモード３の状態を実現することも可能である。
【００４４】
これらのモード１、モード２およびモード３は、マイクロコンピュータなどを用いた制御回路３５によって制御することができ、モードの制御はＲＯＭなどのコンピュータに読み取り可能な媒体にプログラムとして収納しておくことが可能である。この制御回路３５は、さらに、降圧回路４０から供給された電力や大容量コンデンサ５が放電した電力を昇圧あるいは降圧して処理装置６に供給する電圧制御回路３５の制御も行えるようになっており、そのためのプログラムも同一のＲＯＭなどの媒体に記憶しておくことができる。
【００４５】
このように、本発明の電力供給装置は、圧電素子を用いた振動型の発電装置や、図５に示したロータおよびステータを備えた回転型の電磁式の発電装置などから供給された交流電力を効率良く整流でき、損失も少なく大容量コンデンサなどの充電装置や処理装置に供給することができる。このため、処理装置と共に本発明の電力供給装置あるいは発電装置を搭載することにより、ユーザの動きなどを捉えて発電を行い連続的に起電力が得られない電子機器においても発電装置から供給された電力により処理装置を稼働させることができ、また、大容量コンデンサなどの充電装置を充電することができる。従って、電池なしで様々な環境下において長時間、継続して処理装置を稼働させることが可能な電子機器を提供することができる。本発明の電子機器は、上記で説明した腕時計装置に限定されることなく、その他の携帯型、あるいは車両搭載型などの電子機器として利用でき、何時でも何処でも処理装置の機能を発揮できる電子機器を実現することができる。例えば、本発明は上記の例で説明した時計機能を備えた電子機器に加え、ページャー、電話機、無線機、補聴器、万歩計、電卓、電子手帳などの情報端末、ＩＣカード、ラジオ受信機などの電力を消費して動作する様々な処理装置と共に搭載し電子機器を構成することが可能である。
【００４６】
なお、本発明が上述した装置１０の回路例に限定されないことはもちろんである。例えば、降圧回路は１／２降圧にかぎらず、３つのコンデンサを用いた１／３あるいは２／３降圧が可能な回路を用いることも可能である。また、昇降圧可能な電圧制御回路を介さずに処理装置に電力を供給できるようにすることももちろん可能である。さらに、整流回路も全波整流にかぎらず、半波整流などの他の整流方法であっても良いことはもちろんである。また、各スイッチとしてバイポーラあるいあユニポーラのトランジスタスイッチを用いることも可能であり、電力供給装置をＩＣ化して提供したり、あるいは処理装置と共に同一の半導体基板に搭載するなど様々なバリエーションが可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の腕時計は、整流した後に電圧を降圧する機能を備えており、この結果、整流する際の電圧を高く設定することができる。従って、整流回路に用いられるダイオードの順方向電圧を下げなくとも、それに起因する整流効率を向上することができ、逆リークが少なく漏れ損失の小さなシリコンダイオードを用いて効率の良い腕時計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電力供給装置を備えた腕時計装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す電力供給装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示す電力供給装置の降圧回路の制御方法を示すフローチャートである。
【図４】図２に示す電力供給装置の降圧回路を構成するスイッチを操作する制御信号を示すタイミングチャートである。
【図５】従来の発電装置を備えた腕時計装置の概略構成を示す図であり、ロータおよびステータを備えた電磁式の回転型の発電装置を備えたものを示す図である。
【図６】ダイオードの順方向電圧の特性を示すグラフである。
【図７】従来の発電装置を備えた腕時計装置の概略構成を示す図であり、圧電素子を備えた振動型の発電装置を備えたものを示す図である。
【図８】図７に示す圧電素子を備えた振動片の断面を示す図である。
【符号の説明】
１・・発電装置
２・・整流回路
３・・ダイオード
５・・大容量コンデンサ
６・・処理装置
７・・計時機構
１０・・携帯用電子機器
１２・・地板
１３・・回転錘
２０・・圧電体層
２１・・振動片
２２・・圧電体部
２５・・先端の重り
２６・・支持層（シム材）
２７・・ネジ
３０・・電力供給装置
３１・・入力端
３２、３３・・出力端
３４・・入力補助コンデンサ
３５・・制御回路
４０・・降圧回路
４１、４２・・降圧用コンデンサ
５０・・電圧制御回路
ＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ２０、ＳＷ２１、ＳＷ２２・・降圧用コンデンサの接続切り替え用スイッチ
Claims (4)
- 圧電素子に繰り返し変位を与えて発電を行う振動型の発電装置と、
前記発電装置による交流電力が入力される入力端と、
電力を消費する時計部に接続される出力端と、
前記入力端から入力された前記交流電力を整流する整流手段と、
前記整流手段によって整流された整流後の電力を蓄電する入力補助蓄電手段と、
前記入力補助蓄電手段に蓄積された電力を降圧する降圧手段と、
前記降圧手段の出力電圧を蓄電する充電手段とを有する腕時計であって、
前記降圧手段は、
前記入力端の入力電圧が、基準電圧の２倍よりも高く、かつ、前記出力端の出力電圧の２倍よりも高いときには前記整流後の電力を降圧する、
あるいは、前記入力電圧が、前記基準電圧よりも高く、かつ、前記出力端の出力電圧よりも低いときには前記整流手段と前記出力端を分離する、
あるいは、前記入力電圧および前記出力端の出力電圧が前記時計部の稼動可能電圧に対し低いときには前記整流後の電力を前記出力端に降圧せずに供給する、
ことを特徴とする腕時計。 - 請求項１において、前記降圧手段は、複数の降圧コンデンサと、これら降圧コンデンサを前記整流手段の出力に対し直列に接続する第１のスイッチ手段と、前記降圧コンデンサを前記出力端に並列に接続する第２のスイッチ手段とを備えていることを特徴とする腕時計。
- 請求項１において、前記出力端は、前記充電装置に接続される第１の出力端と、前記処理装置に接続される第２の出力端とを備え、前記第１の出力端は前記第２の出力端に対し前記充電装置を並列に接続可能であり、
さらに、前記第１の出力端を通して前記充電装置から放電された電力を昇圧または降圧の少なくともいずれかを行って前記第２の出力端に供給可能な出力電圧制御手段を有することを特徴とする腕時計。 - 請求項１から３のいずれかにおいて、
前記入力補助蓄電手段の最大耐電圧は、前記充電手段の最大耐電圧よりも大きいことを特徴とする腕時計。
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