JP3679581B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器に係り、さらに詳しくは、給電手段から供給される電力を整流回路を介して蓄電手段に蓄電され、給電手段および蓄電手段の少なくとも一方から電力が供給される負荷回路を備えた電子機器であって、例えば、熱電変換素子等から電力が供給される携帯電子機器などに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子機器では、電子機器の駆動回路の動作が継続的に行えるようにするため、給電装置から供給される電力の電圧が駆動回路の最低駆動電圧を下回らないように、給電装置の電力供給能力が設定されていた。
【０００３】
しかし、小型の携帯電子機器に用いられている、太陽電池、コイル発電機、あるいは熱電変換器のような給電装置には、発電量が微弱であったり、時間により電圧が変動するものがあり、そのまま駆動回路（負荷回路）に接続しても最低駆動電圧を得ることができなかった。例えば、上記熱電変換器は、Ｐ型とＮ型の半導体を用いてＰＮ接合を行い、温度差により起電力を生じさせて発電を行うものであるため、温度差が時間とともに変化すると、それに応じて起電力（電圧）も変化し、また、周囲の温度の影響も受け易かった。
【０００４】
このため、例えば、図６に示されるように、従来の電子機器６０では、給電装置６２から供給される電力を昇圧回路６４で昇圧し、その昇圧電力を逆流防止の整流回路６６を介して蓄電器６８に充電し続けることにより、蓄電器６８に蓄電された蓄電電力が一定量以上となり、負荷回路７０を駆動するのに必要な最低駆動電圧を越える電力が供給可能となって、初めて負荷回路７０を駆動することができた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の電子機器にあっては、給電装置６２からの供給電力が変化して昇圧回路６４における昇圧電力が途絶えても、負荷回路７０を長時間にわたって動作させる必要があるため、蓄電器６８を大容量化する傾向にあった。このような場合には、負荷回路の動作電圧まで蓄電器６８に蓄電電力が溜まるまでの時間がこれまで以上に長くなっていた。
【０００６】
つまり、負荷回路６８には、給電装置６２からの供給電力が供給されていても、なかなか駆動をスタートすることができないという不都合があった。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の有する不都合に鑑みてなされたもので、容量の大きな充電器を備えていても負荷回路の駆動開始が短時間で行うことができる電子機器を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明による電子機器は、電力を供給する給電手段と、給電手段からの供給電力を蓄電する蓄電手段と、給電手段と蓄電手段との間に設けられ、蓄電手段から給電手段に電流が逆流するのを防止する第１の整流手段と、第１の整流手段と蓄電手段との間に設けられ、給電手段および蓄電手段の少なくとも一方から電力が供給される負荷回路とを備えた電子機器であって、整流手段と蓄電手段との間に設けられ、負荷回路に供給される電力の電圧が所定電圧値以下の場合は、第１の整流手段と蓄電手段との間を遮断し、負荷回路に供給される電力の電圧が所定電圧値を越えた場合は、給電手段から供給される電力を通して蓄電手段に充電するように制御する充電制御手段と、充電制御手段と蓄電手段との間から負荷回路の入力端子に至る間に設けられ、負荷回路側の電流が逆流するのを防止する第２の整流手段と、第２の整流手段と負荷回路との間と、第１の整流手段と充電制御手段との間とを接続する途中に設けられ、負荷回路に供給される電力の電圧を平滑にする平滑回路とを備えたものである。
【０００９】
これによれば、給電手段から供給される電力を充電制御手段を介して蓄電手段に蓄電させるルートと、充電制御手段の手前で直接負荷回路に電力を供給されるルートとに分岐されていて、負荷回路に供給される電圧（充電制御手段の入力側の電圧で判断することができる）が所定電圧値（例えば、負荷回路の動作電圧値）以下であれば、蓄電手段へのルートを遮断し、負荷回路側にのみ電力を供給して、所定電圧値（負荷回路の動作電圧値）以上になるようにする。その際、平滑回路によって、供給電力が変動していても平滑化することができるとともに、一定量の電力がここに蓄電されて負荷回路に供給されるため、所定電圧値（動作電圧値）以上の電力を安定して供給することができる。
【００１０】
また、負荷回路に供給される電圧が所定電圧値（負荷回路の動作電圧値）を越える場合は、充電制御回路を通って蓄電手段に電力が供給され、蓄電手段に対する充電動作も並行して行うことができる。さらに、給電手段からの電力供給が途絶えた場合は、蓄電手段に蓄電された蓄電電力が第２の整流手段を通って負荷回路に供給されるため、駆動を継続して行うことができる。
【００１１】
さらに、給電手段と第１の整流手段との間に給電手段から供給される電圧を昇圧する昇圧回路を備えることとした。
【００１２】
これによれば、給電手段の出力電力が微弱であっても、昇圧回路で昇圧された電力を利用することができるため、負荷回路の駆動や蓄電手段への充電を効率良く行うことができる。
【００１３】
さらに、充電制御回路は、しきい値電圧の絶対が所定電圧値に設定された一導電型のＭＯＳトランジスタにより構成され、該ＭＯＳトランジスタのソースおよびドレインが充電制御回路の入力端子と出力端子にそれぞれ接続されているものである。
【００１４】
これによれば、充電制御回路は、しきい値電圧の絶対値が所定電圧値に設定された一導電型のＭＯＳトランジスタにより構成されているため、充電制御回路の入力端子側の電位が上昇し、ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧の絶対値（所定電圧値）とゲートの電位で決まる電位を越える場合に、当該ＭＯＳトランジスタがオンして充電制御回路の出力端子側に電力を送ることができる。
【００１５】
また、充電制御回路の入力端子側の電位が下がって、しきい値電圧の絶対値（所定電圧値）とゲートの電位で決まる電位以下になると、ＭＯＳトランジスタがオフするため、再び充電制御回路の入力端子側の電位を上昇させることができる。このように、充電制御回路を構成するＭＯＳトランジスタは、入力端子側の電位を所定電圧値以上に保ちつつ、出力端子を介して蓄電手段に電力を送って充電することができる。
【００１６】
さらに、充電制御回路は、所定の基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、基準電圧と当該充電制御回路の入力電圧とを比較する比較回路と、当該充電制御回路の入力端子と出力端子にそれぞれソースおよびドレインが接続され、比較回路で比較した結果の出力をゲートに印加してスイッチングを行う一導電型のＭＯＳトランジスタとを備えているものである。
【００１７】
これによれば、充電制御回路は、基準電圧発生回路と比較回路とＭＯＳトランジスタとで構成されているため、基準電圧発生回路で発生させる基準電圧を変えることにより、任意の所定電圧でＭＯＳトランジスタをスイッチングさせることができ、充電制御回路の入力端子側の電位を所定電圧値以上に保ちつつ、出力端子を介して充電手段に電力を送って充電することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る電子機器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態の電子機器は、携帯電子機器である腕時計のムーブメント等の電子機器駆動回路を駆動するための電力を、熱電変換素子を用いた給電装置から供給して駆動するようにしたものである。
【００１９】
図１には、本実施の形態に係る電子機器１０の概略構成を示すブロック図が示されている。図１において、電子機器１０は、給電手段としての給電装置１２、昇圧回路１４、第１の整流手段としてのショットキーダイオード１６、充電制御回路１８、蓄電手段としての二次電池２０、第２の整流手段としてのショットキーダイオード２２、平滑手段としての平滑コンデンサ２４および負荷回路２６などにより構成されている。
【００２０】
給電装置１２は、ここでは熱電変換素子を用いている。熱電変換素子は、例えば、Ｐ型熱電材料エレメントとＮ型熱電材料エレメントとが２枚の基板に挟まれ、基板上でＰ型熱電材料エレメントとＮ型熱電材料エレメントが金属等の導電性物質を介してＰＮ接合されていて、複数個直列に、Ｐ、Ｎ、Ｐ、Ｎ、というように接続されている。
【００２１】
この熱電変換素子は、ＰＮ接合部とＰＮ接合部の間に温度差を与えると、温度差に応じた電位差（起電力）を生じるとともに、ＰＮ接合を増やすことにより高い発生電圧を得ることができる。そこで、上記２枚の基板間に温度差が与えられた場合の起電圧の時間変化は、熱電変換素子の基板間に温度差が与えられた直後は、急激に電圧が上昇するが、あるピークを過ぎると電圧が下がっていって、ある値で飽和する。
【００２２】
これは、基板間に温度差が与えられた直後は、与えられた温度差が熱電変換素子にかかるため、大きな電圧を発生させることができるが、時間が経過するにつれて２つの基板間の温度差がＰ、Ｎ型熱電材料エレメントを通して熱伝導により温度差が小さくなって、発生する電圧が小さくなるからである。
【００２３】
そのため、熱変換素子の出力電圧が飽和した状態でも常に必要な電圧値よりも大きな電圧が得られるように、熱電材料エレメントを直列に接続する必要があり、さらに、熱変換素子は周囲の温度に影響され易いため、より多くの熱電材料エレメントを直列に接続する必要があった。給電装置１２から出力される電力は、つぎの昇圧回路１４に供給される。なお、給電装置１２は、上記した熱伝変換素子に限られるものではなく、ソーラーパネル（太陽電池板）やコイル発電器などであっても良い。
【００２４】
昇圧回路１４は、給電装置１２から供給される電力の電圧を昇圧するものである。
【００２５】
充電制御回路１８は、ショットキーダイオード１６と二次電池２０との間に配置されていて、昇圧回路１４からの出力電圧が所定電圧値としての障壁電圧値Ｖａ（ここでは、負荷回路の動作電圧値）以下であれば、二次電池２０に電力を送らないように遮断して、負荷回路２６に供給される電力の電位が障壁電圧値Ｖａ以上となるようにし、障壁電圧値Ｖａを越えた場合は、昇圧回路１４の昇圧電力を二次電池２０に送って充電することにより、効率の良い充電を行うことができる。
【００２６】
二次電池２０は、昇圧回路１４で昇圧された電力がショットキーダイオード１６、充電制御回路１８を介して入力されると、充電されて蓄電される。この二次電池２０に蓄電された電力は、給電装置１２からの電力供給が途絶えたり、電力供給量が足りなくなると、ショットキーダイオード２２を介して負荷回路（腕時計のムーブメント）２６に供給することにより、負荷回路を駆動させることができる。
【００２７】
ショットキーダイオード１６、２２は、昇圧回路１４と充電制御回路１８との間と、二次電池２０（充電制御回路１８）と負荷回路２６との間にそれぞれ設けられており、供給電力が逆流して、電力ロスが生じるのを防止するものである。
【００２８】
平滑コンデンサ２４は、負荷回路２６に供給される電源電圧を平滑するのに必要な容量を越えたコンデンサで構成されている。しかし、上記した二次電池２０の容量と比べると容量的には遙かに小さいものである。
【００２９】
負荷回路２６は、ここでは腕時計のムーブメントである。
【００３０】
つぎに、本実施の形態の特徴的な構成である充電制御回路１８について詳細に説明する。この充電制御回路１８は、昇圧回路１４の出力電圧が負荷回路２６の動作電圧（障壁電圧値ともいう）Ｖａ以下の場合であれば二次電池２０に電力を送らないように遮断し、充電制御回路１８の入力端子（図２、図３の３０）の電圧、つまり、昇圧回路１４の出力電圧が障壁電圧値Ｖａ以上の電位に保たれるようにする。また、昇圧回路１４の出力電圧が障壁電圧値Ｖａを越えた場合は、昇圧回路１４の出力電圧を二次電池２０に送って充電が行われる。
【００３１】
充電制御回路１８の構成としては、種々のものが考えられるが、本実施の形態では、図２および図３にその具体例が示されている。
【００３２】
図２に示される充電制御回路１８では、ＰＭＯＳトランジスタ３４を使い、トランジスタの特性を利用することによって、障壁電圧値Ｖａにおけるスイッチング動作を実現している。
【００３３】
図２に示されるように、充電制御回路１８は、ＰＭＯＳトランジスタ３４のソース（Ｓ）を入力端子３０と接続し、ドレイン（Ｄ）を出力端子３２と接続し、ゲート（Ｇ）をグラウンド（以下、ＧＮＤ）電位とする。そして、そのＰＭＯＳトランジスタ３４を製造する際は、当該トランジスタのしきい値電圧の絶対値が障壁電圧値Ｖａとなるようにチャネルドープにより設定する。
【００３４】
ＰＭＯＳトランジスタの場合は、ソースよりもゲート電圧がしきい値分高くなるとチャネルが形成されソースとドレインが通電する。つまり、ソースの電圧がゲートよりもしきい値分低くなるとオンする。そして、通常は、このしきい値は、マイナスなのでソースの電圧がしきい値の極性を反転させた値分高くなれば、オンし、それ以下ならオフする。例えば、しきい値がマイナス０．７Ｖであると、ゲート電圧は、ＧＮＤ電位なので０．７Ｖ以上のソース電圧でオンすることになる。
【００３５】
このような特性を利用して、ＰＭＯＳトランジスタ３４のしきい値を負荷回路２６の動作電圧以上の値の極性を反転させた値とすることにより、負荷回路２６の動作電圧以上のＶａになるまでは、二次電池２０に充電電力を供給せず、さらに、負荷回路２６の動作電圧以上のＶａを保ちつつ、二次電池２０に充電電流を供給することができる。
【００３６】
また、上記の他、ゲート電圧にＧＮＤ以外の固定電圧を与えることによっても、このＶａを調節することができる。例えば、しきい値の極性を反転した値をＶｔとし、固定電圧をＶｌとすると、Ｖａは次式のようになる。
【００３７】
Ｖａ＝Ｖｔ＋Ｖｌ
【００３８】
つぎに、図３に示される充電制御回路１８について説明する。
【００３９】
図３に示されるように、充電制御回路１８は、基準電圧発生回路４２、比較回路としてのコンパレータ回路４０およびＰＭＯＳトランジスタ４４などで構成されており、ＰＭＯＳトランジスタ４４のソース（Ｓ）を充電制御回路１８の入力端子３０と接続し、ドレイン（Ｄ）が出力端子３２と接続されている。
【００４０】
昇圧回路１４から入力端子３０を介して供給される電圧が基準電圧発生回路４２が発生する基準電圧未満のときは、コンパレータ回路４０は、「Ｈ（ハイ）」の信号をＰＭＯＳトランジスタ４４のゲートに与えるので、ＰＭＯＳトランジスタ４４はオフとなる。また、昇圧回路１４から入力端子３０を介して供給される電圧が基準電圧以上のときは、コンパレータ回路４０は、「Ｌ（ロー）」の信号がＰＭＯＳトランジスタ４４のゲートに与えられるので、ＰＭＯＳトランジスタ４４はオンする。
【００４１】
つまり、昇圧電力の電圧が基準電圧発生回路４２の電圧以上になるまでは、昇圧電力を充電せず、さらに基準電圧発生回路４２の基準電圧以上に保った状態で、昇圧電力を二次電池２０に充電することができる。
【００４２】
なお、上記図２および図３の充電制御回路１８は、何れもＰＭＯＳトランジスタを用いた例で説明したが、逆の導電型であるＮＭＯＳトランジスタを用いて、上記と同様に構成するものであっても勿論良い。
【００４３】
図４には、図１の負荷回路２６に入力される電圧と時間との関係を、本発明の場合（図４のＡ）と、従来例の場合（図４のＢ）とで比較した線図である。図４中のＶａは、基準電圧あるいはＰＭＯＳトランジスタのしきい値の極性を反転した値であり、Ｖｂは、負荷回路２６の動作電圧であり、ＴA は、本発明における負荷回路の動作開始時間であり、ＴB は、従来の負荷回路の動作開始時間を示している。
【００４４】
この図４からもわかるように、本発明の場合は、充電制御回路１８により、最初から二次電池２０側に充電を行うのではなく、負荷回路２６に電力を供給しつつ、充電も行うため、直ちに負荷回路２６を駆動をさせることが可能となる。特に、最近のように二次電池２０の容量が増大化している場合は、その差が顕著に表れる。
【００４５】
特に、平滑コンデンサ２４は、二次電池２０と容量を比較すると遙かに少ないため、負荷回路２６の動作電圧以上となるように、早く充電することができるため、負荷回路２６を早く動作させることができる。
【００４６】
また、上記実施の形態の課題は、携帯電子機器において、小型化され、電力供給能力が小さくなった給電装置１２を使い、昇圧回路１４で昇圧することから生ずるものであったが、従来の負荷回路の起動のもたつきを確実に解消するすることができる。
【００４７】
さらに、本実施の形態では、給電装置１２に腕の体温と外気の温度差を利用して発電する熱電変換素子を用い、負荷回路２６を時計システムとして、熱電変換素子の少ない起電力で動作する腕時計に適用したことにより、例えば、腕に装着してから時計が動き始めるまでの時間を短縮することができるという利点がある。
【００４８】
また、平滑手段にコンデンサを用いているため、短時間に必要な電力を素早く充電することが可能となり、腕から時計を外して時間を合わせる間も時計を動作させ、その後、腕につけて正常に時計を動作させることがことができる。
【００４９】
なお、上記実施の形態では、微弱な給電装置を用いた場合を例にあげたため、昇圧回路１４を給電装置１２の後に配置したが、本発明ではこの昇圧回路は必ずしも必須な要件ではなく、図５に示すように、昇圧回路の無い電子機器５０を構成しても勿論良い。この場合も上記と同様に好適な効果が得られる。図５に示される各部の構成は、図１と同一もしくは相当なものであるため、同一符号を付して、構成説明を省略する。
【００５０】
【発明の効果】
以上、説明したとおり、本発明の電子機器によれば、負荷回路の駆動開始を短時間で行うことができる。
【００５１】
さらに、給電手段の出力電力が微弱であっても、昇圧回路で昇圧された電力を利用することができるため、負荷回路の駆動や蓄電手段への充電を効率良く行うことができる。
【００５２】
また、負荷回路の駆動開始を短時間で行うことができるとともに、効率良く充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る電子機器の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した充電制御回路の回路構成例を示す図である。
【図３】図１に示した充電制御回路の他の回路構成例を示す図である。
【図４】本発明と従来例において負荷回路に入力される電圧と時間との関係を比較した線図である。
【図５】昇圧回路の無い電子機器の概略構成図である。
【図６】従来における電子機器の概略構成図である。
【符号の説明】
１０ 電子機器
１２ 給電装置
１４ 昇圧回路
１６ ショットキーダイオード
１８ 充電制御回路
２０ 二次電池
２２ ショットキーダイオード
２４ 平滑コンデンサ
２６ 負荷回路

Claims (1)

1. 電力を供給する給電手段と、前記給電手段に電流が逆流しないように設けた第１の整流手段と、前記第１の整流手段に接続された充電制御手段と、前記充電制御手段を介して前記給電手段の電力を蓄電する蓄電手段と、前記蓄電手段に電流が逆流しないように設けた第２の整流手段と、前記第１の整流手段と前記第２の整流手段に接続され前記給電手段および前記蓄電手段の少なくとも一方から電力が供給される負荷回路とを備えた電子機器において、
   前記充電制御手段は、ソースが前記負荷回路に接続され、ドレインが前記蓄電手段に接続され、かつ前記ソースの電圧が前記負荷回路の動作電圧以上になるようにゲートに所定の電圧に固定されたＭＯＳトランジスタで構成され、
   前記所定の電圧と前記ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧の絶対値の合計が前記負荷回路の動作電圧以上であり、
   前記蓄電手段に蓄電された電力の電圧が前記負荷回路の動作電圧未満の場合でも、前記給電手段が供給する電力の電圧が前記負荷回路の動作電圧以上の電圧であれば、前記負荷回路を駆動しながら前記蓄電手段に充電することが可能な電子機器。

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