JP3724348B2 - 電子機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器に係り、特に低電圧での作動を可能にする電子機器に関する。
【背景技術】
従来より、腕時計や携帯電話、ＰＤＡ等の携帯型電子機器においては、動作電源として必要な電源電圧は一般に１〜３Ｖないしはそれ以上であった。すなわち、従来、携帯型電子機器の電源としてはボタン型電池が多く利用されており、このボタン型電池の電圧は、酸化銀電池の場合で１．５５Ｖ、リチウム電池の場合は３．０Ｖ（いずれも初期電圧）であった。
【０００２】
また、ボタン型二次電池を用いる場合もあったが、マンガンとチタンを電極材料として使用しているもの（ＭＴ）で安定時の電圧が約１．４Ｖ、その他のボタン型二次電池も一次電池に準じて３Ｖ以下で使用するように製造されている。
【０００３】
このため、各携帯型電子機器のＩＣ（集積回路）の動作電圧は、これらのボタン型電池の電圧を前提として設計されており、ＣＭＯＳプロセスを用いた場合でもＩＣの最低動作電圧は１Ｖ程度であった。
【０００４】
ところで、近年、クリーンエネルギーである太陽電池（ソーラセル）を用いて二次電池を充電する電子機器も広く利用されている。ここで、太陽電池の１つのセルの起電圧は、一般に開放電圧で約０．６〜０．７Ｖ（at10,000ルクス）であり、各携帯型電子機器の最低動作電圧（１Ｖ）に達しないため、ソーラーセル（パネル）を３〜５段に直列接続して発電電圧を上げていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の電子機器は、携帯型の低電圧タイプであっても、１Ｖ以上の動作電圧を前提に設計されていた。
【０００６】
しかしながら、近年の省エネルギ化の要請に伴い、電子機器の消費電力を抑えるため、集積回路の動作電圧は低く、また、動作電流は高くするという、電力供給の低電圧・大電流化が望まれていた。
【０００７】
本発明の目的は、低電圧、大電流化に適した回路構成の電子機器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子機器は、太陽電池と、この太陽電池によって充電される電気二重層キャパシタと、この電気二重層キャパシタからの電気エネルギによって作動される集積回路とを備える電子機器であって、前記太陽電池は直列方向には１段のみに制限され、前記集積回路は、ＤＴ−ＭＯＳ型の集積回路であり、前記電気二重層キャパシタは、水系電解液を用いたものであると共に、耐電圧が１．２Ｖ以下であることを特徴とする。
【０００９】
このような本発明では、太陽電池が１段のみであるため、限られたスペースであってもソーラーセルの面積を大きくでき、発電電流量を大きくすることができる。また、１段のソーラーセルの起電圧は０．６〜０．７Ｖ程度であるため、従来の複数段のセルによって１〜３Ｖの起電圧を出力していた太陽電池に比べて低電圧にすることができる。
【００１０】
さらに、蓄電装置として用いた水系電解液の電気二重層キャパシタは、各種の二次電池や、有機系電解液を用いた電気二重層キャパシタに比べて内部抵抗が小さいため、ソーラーセルからの大電流を用いて急速な充放電が可能であり、充電時間を一層短縮することができる。従って、低電圧、大電流化に適した回路構成の電子機器とすることができる。
【００１１】
その上、水系電解液を用いた電気二重層キャパシタは、電解液の耐電圧が単一セルの場合には１．２Ｖと低いが、１段の太陽電池の起電圧は０．６〜０．７Ｖ程度であり、電気二重層キャパシタの耐電圧を越えることがない。このため、充電用の特別な回路も不要にできる。さらに、キャパシタや二次電池は、一般に充電電圧が高いと漏液特性が悪くなるが、本発明では、充電電圧が０．６〜０．７Ｖ程度つまり約１Ｖ以下の低電圧であるため、電気二重層キャパシタの漏液特性を格段に向上できる。
【００１２】
また、二次電池の代わりに、充放電に化学変化を伴わず、材料劣化がない電気二重層キャパシタを利用しているので、充放電の繰り返し寿命を長くでき、メンテナンス作業も殆ど不要にできて、非常に容易にできる。
【００１３】
さらに、水系電解液を用いているため、有機電解液を用いた電気二重層キャパシタに比べて安全性を高くでき、かつ製造が容易なためにコストを低減できる。
【００２４】
さらに、ＤＴ−ＭＯＳ（Dynamic Threshold Metal Oxide Semiconductor）型は、しきい値が動的に動くため、高速動作に最適なＩＣである。但し、動作電圧が寄生ダイオードの順方向電圧Ｖｆ（約０．７Ｖ）以上になるとリーク電流が増大してしまうため、動作電圧をＶｆ以下に押さえる必要がある。
【００２５】
従って、ＤＴ−ＭＯＳ型の集積回路は低電圧で駆動する回路構成の電子機器においては、非常に有効な集積回路であり、これにより電子機器の高速動作が可能となる。
【００２６】
なお、この際、電源として１段の太陽電池を用いれば、起電圧が０．６〜０．７Ｖ（通常は最大起電圧は０．６７Ｖ）であり、ＤＴ−ＭＯＳ型を用いた場合でもその印加電圧を０．７Ｖ以下に確実に抑えることができ、その際に、特別な回路も不要であるため、安価にかつ効率的な回路を構成することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電子機器の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１は、本発明の電子機器の実施形態であるクオーツアナログ時計１を示す回路図である。
【００２９】
クオーツアナログ時計１は、１段のソーラーセル（太陽電池）１０と、ＳＯＩプロセスを用いたＩＣ２０と、電源（蓄電装置）となる水系の電気二重層キャパシタ３０と、ＩＣ２０で駆動されるステップモータ４０と、ステップモータ４０で駆動される指針４５と、電気二重層キャパシタ３０からソーラーセル（太陽電池）１０への逆流を防止する逆流防止ダイオード１５とを備えている。
【００３０】
ソーラーセル１０は、１段のみで設けられている。このソーラーセル１０としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン系の太陽電池を利用してもよいし、化合物半導体太陽電池を利用してもよい。特に、屋内で利用する場合には、アモルファスシリコン太陽電池や化合物半導体太陽電池が好ましく、屋外で利用する場合には、単結晶シリコン太陽電池や多結晶シリコン太陽電池が好ましい。
【００３１】
本実施形態では、図２に示すような電圧−電流特性を有するアモルファスシリコン太陽電池をソーラーセル１０として用いている。すなわち、太陽光が１万ルクスのときの開放電圧は約０．６７Ｖであり、ショート時の電流は約１ｍＡである。なお、一般的なアナログ時計では、負荷が３００〜４００ｎＡであり、安定動作時におけるソーラセルの動作点を求めると十分充電された状態では定常的にほぼ開放電圧に等しい点が動作点になるといえる。
【００３２】
ＩＣ２０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator＝絶縁層上シリコン薄膜）プロセスを用いて製造されたＩＣであり、より具体的には、図３（Ａ）に示す回路および図３（Ｂ）に示す構造のＤＴ−ＭＯＳ（Dynamic Threshold Metal Oxide Semiconductor）型のＩＣ２１を用いている。
【００３３】
ここで、図３（Ａ）の回路は、Ｐ型のＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ（トランジスタ）２１Ａと、Ｎ型のＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ（トランジスタ）２１Ｂとを直列に接続し、共通接続したゲートと拡散層をそれぞれ入力端子、出力端子とした回路（インバータ）である。
【００３４】
ＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１は、図３（Ｂ）に示すＮチャンネル（Ｎ型）のＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ（トランジスタ）２１Ｂを例に説明すると、シリコン基板２２上に、ＳｉＯ2からなる絶縁層２３を設け、さらにＰ型半導体からなるボディ（基板）２４、Ｎ型半導体からなるソース２５、ドレイン２６を絶縁層２３上に配置し、ボディ２４上にＳｉＯ2からなるゲート絶縁層２７を介してゲート電極２８を配置して構成されたものである。この際、一般的には、ボディ２４とゲート電極２８とは同電位にされている。
【００３５】
なお、ＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１は、図３（Ａ）に示すように、ボディ２４とゲート電極２８とを接続して同電位に制御しているため、スレショルド電圧（Ｖth)の制御が可能であり、トランジスタのＯＦＦ時にはＶthを高く、ＯＮ時にはＶthを低くすることができ、ＯＦＦ時のリークを最小にできる。
【００３６】
但し、その構造上、電源電圧ＶＤＤが約０．７Ｖ（Ｖｆ：寄生ダイオード２１Ｃの順方向電圧）よりも大きくなると、トランジスタの入力と出力とが寄生ダイオード２１Ｃを介してショートするため、電源電圧が０．７Ｖを越えないようにして使用しなければならない制約がある。
【００３７】
このＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１のようなＳＯＩプロセスで製造されたＩＣ２０により、図１に示す発振回路５１、分周回路５２、モータ駆動回路５３、電源制御回路５４等の各回路が構成されている。
【００３８】
発振回路５１は時間標準源である水晶振動子５１Ａを駆動して発振信号（３２７６８Ｈｚ）を出力する。この発振信号は、フリップフロップ等からなる分周回路５２によってある一定周期まで分周される。分周回路５２からは、所定周期の基準信号が出力され、この信号はモータ駆動回路５３に入力される。モータ駆動回路５３は、基準信号に応じてステップモータ４０を駆動し、指針４５を作動させる。
【００３９】
電源制御回路５４は、例えば、電気二重層キャパシタ３０から各回路５１〜５３への電力供給を、電気二重層キャパシタ３０の電圧値等に応じてコントロールするなど電源関係の制御を行っている。
【００４０】
電気二重層キャパシタ３０は、水系の電解液、より具体的には、溶媒として水、溶質として硫酸、水酸化カリウムなどが用いられた水系の電気二重層キャパシタ３０である。
【００４１】
このような本実施形態では、ソーラーセル１０で発電した電流は、電気二重層キャパシタ３０に供給されて蓄積される。この際、ソーラーセル１０は１段のみであり、複数段が直列接続されたものではないため、その電圧値は最大で０．６７（開放電圧）Ｖである。従って、電気二重層キャパシタ３０も０．６７Ｖ以上に電圧が上がることはない。
【００４２】
そして、電気二重層キャパシタ３０の電圧値が、ＩＣ２０の駆動電圧（０．４〜０．５Ｖ）を越えると、ＩＣ２０が駆動され、水晶振動子５１Ａやステップモータ４０が駆動される。このＩＣ２０への印加電圧も、電気二重層キャパシタ３０の最大充電電圧である０．６７Ｖを越えることはない。
【００４３】
このような本実施形態によれば次のような効果がある。
【００４４】
（１）１段のソーラーセル１０を用いたので、従来の複数のセルを直列接続した場合に比べ、発電電圧は低下するが、発電電流を大きくしたり、必要な発電電流を確保するためのソーラーセル１０の面積を小さくできる。すなわち、ソーラーセルの電流量は、１セル当たりの面積に比例するため、限定されたスペースに直列接続された複数段のセルを配置すると、各セルの面積が小さくなり、電流量が小さくなる。これに対し、１段のセルをそのスペースに配置すれば、セルの面積を大きくできるため、発電電流量を大きくすることができる。このため、電気二重層キャパシタ３０の充電電圧や、ＩＣ２０への印加電圧の低下を防ぐことができ、動作安定性を高めることができる。
【００４５】
また、複数段のソーラーセルを直列接続する場合と同じ発電電流を確保する場合には、ソーラーセル１０を配置するのに必要な面積を小さくできるため、ソーラーセル１０を組み込んだ電子機器をより小型化できる。
【００４６】
（２）ＩＣ２０として、ＳＯＩプロセスで製造されたＩＣを用いているので、ＩＣの寄生容量（接合容量）を小さくでき、素子間電流リークを小さくできて消費電力を低減することができる。さらに、スイッチング特性を良好にでき、高速動作を実現できる。
【００４７】
また、基板バイアス効果が小さいため、駆動電圧を低くできる。例えば、最低駆動電圧は、０．４〜０．５Ｖ程度に低減でき、低電圧動作が可能となる。このため、１段のソーラーセル１０による発電電圧（０．６７Ｖ）であっても十分に動作可能となる。
【００４８】
さらに、絶縁層によって素子が完全に分離された構造となるため、放射線などによるソフトエラーを防止でき、ラッチアップや基板干渉ノイズも抑制できる。
【００４９】
（３）前記実施形態では、ＳＯＩプロセスで製造されたＩＣ２０として、ＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１を用いたので、スレショルド電圧（Ｖth)を制御でき、ＯＮ時（ゲート電圧印加時）にバックゲート効果で動作電圧Ｖthを最も低くできる。また、トランジスタのＯＦＦ時にはＶthを高くでき、ＯＦＦ時のリークを最小にできる。従って、ＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１を用いれば高速動作に最適な構成にできる。また、ボディ２４への電荷蓄積も防止できる。
【００５０】
（４）蓄電装置として電気二重層キャパシタ３０を用いているので、従来の２次電池を用いた場合に比べて充放電の繰り返し寿命が長く、長期間利用できる。また、２次電池のように、充放電に化学変化を伴わないため、材料の劣化がなく、この点でも長期間利用できる。また、充電用の特別な回路を不要にでき、かつ内部抵抗が小さいために充放電電流の制限がないというメリットがある。さらに、有害な物質を含まないため、二次電池は勿論のこと、有機系の電気二重層キャパシタに比べても安全性が高く、低環境負荷のデバイスにできる。
【００５１】
さらに、有機系の電気二重層キャパシタに比べて、静電容量の密度が高く、内部抵抗が小さいため、エネルギーロスを抑えることができる。その上、有機電解液を用いる場合には、水などの不純物の混入を防止するのが難しいため、製造が困難であるが、水系電解液を利用した場合には製造が容易であり、その分コストも低減できる。
【００５２】
（５）さらに、１段のソーラーセル１０と水系電気二重層キャパシタ３０とを組み合わせて電源としているので、低電圧の電源ではあるが、ソーラーセル１０の充電電流が大きく、水系電気二重層キャパシタ３０の内部抵抗が小さいために、充電時間を非常に短くでき、ＩＣ２０を即座に駆動することができる。その上、水系電気二重層キャパシタ３０には耐電圧が１．２Ｖと低いデメリットがあるが、１段のソーラーセル１０では発電電圧が最大でも開放電圧の０．６７Ｖであり、耐電圧を越えることがないため、特別な充電回路（リミッタ）等も不要にでき、シンプルで効率的な電源とすることができる。
【００５３】
（６）また、水系電気二重層キャパシタ３０で駆動されるＩＣ２０として、ＳＯＩプロセスで製造された低電圧（０．４〜０．５Ｖ）で駆動可能なＩＣ２０を組み合わせているので、水系電気二重層キャパシタ３０の充電電圧をその耐電圧（１．２Ｖ）に比べて非常に低い値（０．６７Ｖ程度）に抑えても、十分にＩＣ２０を駆動できる。このため、キャパシタ３０の充電電圧を低電圧に容易に維持しておくことができ、かつその電圧を昇圧などする必要もなく、シンプルな回路構成にすることができる。
【００５４】
（７）さらに、１段のソーラーセル１０と、水系電気二重層キャパシタ３０と、ＳＯＩプロセスのＩＣ２０とを組み合わせることで、低電圧（０．７Ｖ程度）で駆動する電子回路を非常に効率的に構成することができ、特に小型で携帯可能な腕時計などの電子機器に非常に適したパッケージにすることができる。
【００５５】
（８）また、水系電気二重層キャパシタ３０は、１Ｖ以下の低電圧で使用されるため、漏液特性を向上でき、この点でも長寿命化を実現することができる。
【００５６】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００５７】
例えば、図４に示すように、本発明の電子機器としては、メインの蓄電装置としての水系電気二重層キャパシタ３０の他に、サブの蓄電装置として補助コンデンサ７０を設け、この補助コンデンサ７０への充電電流や接続回路のＯＮ、ＯＦＦ等を電源制御回路５４で制御するように構成したものでもよい。このような補助コンデンサ７０を有する電子機器とすれば、例えば、電子機器が停止した際に、補助コンデンサ７０を電源制御回路５４でＩＣ２０側から切り離して充電電圧を維持し、電子機器が再度作動される際に、補助コンデンサ７０から電力を供給してソーラーセル１０の発電電圧が高まる前にＩＣ２０を即座にスタートさせたり、電源の昇圧供給機能を実現することができる。
【００５８】
また、ＩＣ２０としては、前記実施形態のＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１に限らず、図５に示すような他のＳＯＩプロセスのＩＣを用いてもよい。例えば、図５（Ａ）に示すようなボディ２４がゲート電極２８と同電位とはされておらず、浮いているフローティングボディ（Floating−Body）タイプのＩＣ８１を用いてもよい。このＩＣ８１は、構造が簡単なために製造（プロセス）を簡単にでき、寄生容量も最小にできる。さらに、既存ライブラリの使用も可能である。但し、ボディ２４に電荷が蓄積されてしまうデメリットもある。
【００５９】
また、ＩＣとしては、図５（Ｂ）に示すボディ２４とソース２５とが同電位のソースタイ（Source−Tie ）タイプのＩＣ８２を用いてもよい。このＩＣ８２は、ボディ２４のコントロールはしない。また、構造は従来のＭＯＳトランジスタと同様だが、素子を絶縁層で分離しているので、従来のＭＯＳトランジスタよりもスレショルド電圧を下げることができる。
【００６０】
さらに、ＩＣとしては、図５（Ｃ）に示すボディ２４に任意のバイアスを加えたボディ固定タイプのＩＣ８３を用いてもよい。このＩＣ８３は、すべてのボディ２４を同時にコントロールする必要がある。また、既存ライブラリも使用可能である。
【００６１】
また、本発明の電子機器においては、１段のソーラーセル１０と水系電気二重層キャパシタ３０とを組み合わせた電源を用いる際に、その負荷となるＩＣ２０としては、ＳＯＩ構造のものに限らず、通常のシリコン基板上にＮ型半導体やＰ型半導体を構成する構造のものを用いてもよい。但し、ＳＯＩ構造のほうがより低電圧で駆動できる点で有利である。
【００６２】
さらに、ＳＯＩ構造のＩＣ２０と水系電気二重層キャパシタ３０とを組み合わせた回路における発電機構としては、太陽電池に限らず、浮遊電波を電気エネルギに変換する浮遊電波発電装置や、温度差を電気エネルギに変換する熱発電素子、さらには回転錘等の機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電装置、圧電素子等の各種発電装置が利用できる。
【００６３】
さらに、１段のソーラーセル１０やＳＯＩ構造のＩＣ２０と組み合わされる蓄電装置としては、水系電気二重層キャパシタ３０に限らず、有機系電解液を用いた電気二重層キャパシタでもよい。さらに、蓄電装置としては、各種構造、材質のキャパシタや二次電池を用いてもよく、特に、１Ｖ程度の充電電圧を有する各種のキャパシタや二次電池を利用できる。要するに、１段のソーラーセル１０やＳＯＩ構造のＩＣ２０と組み合わされる蓄電装置としては、１Ｖ程度の充電電圧を有するものであればよく、その具体的な構成は限定されない。そして、このような、１Ｖ程度の充電電圧を有する蓄電装置を用いれば、蓄電装置の漏液特性を格段に向上できる。
【００６４】
また、本発明の電子機器としては、ステップモータ４０および指針４５等を有するアナログ時計に限らず、デジタル時計等でもよい。さらに、腕時計以外の置き時計、クロック等の各種時計に組み込んでもよい。また、本発明は、時計以外の携帯電話機、ページャ、電卓、携帯用パーソナルコンピュータ、携帯ラジオ、歩数計、ひげ剃り、携帯型血圧計、電子手帳、ＰＤＡ（小型情報端末、「Personal Digital Assistant」）、玩具、ＩＣカード、自動車や家屋用のキー等の各種の電子機器に適用できる。特に、本発明では、低電圧、大電流によって省エネルギ化が図れ、携帯用に小型化された各種電子機器に最適である。このような携帯用等の各種電子機器では、従来、電源として乾電池や充電器が用いられていたが、本発明の電子機器を用いれば、電池が無くても電子機器内の電子回路や機構系等の処理装置を動作させることができ、電池交換を不要にでき、環境にも配慮できる。その上、太陽電池を用いれば、充電器のような充電作業を不要にでき、災害時やアウトドア、外出時等でも電子機器を作動させることができる。
【００６５】
さらに、本発明は、携帯用でない電子機器にも当然適用することができ、屋外等の商用電源からの電力を確保できない場所に設置される時計等の各種電子機器に適用できる。
【００６６】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の電子機器によれば、低電圧、大電流化に適した回路構成の電子機器にでき、省エネルギ化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における電子機器の構成を示す回路図である。
【図２】本実施形態の太陽電池の特性を示すグラフである。
【図３】図３（Ａ）は本実施形態の絶縁層上シリコン薄膜（ＳＯＩ）構造のトランジスタを用いた電子回路を示す回路図であり、図３（Ｂ）は絶縁層上シリコン薄膜構造の集積回路の構成を示す図である。
【図４】本発明の変形例の電子機器の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の絶縁層上シリコン薄膜（ＳＯＩ）構造の集積回路の変形例を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 電子機器であるクオーツアナログ時計
１０ 太陽電池（ソーラーセル）
１５ 逆流防止ダイオード
２０，８１，８２，８３ ＩＣ（ＳＯＩ−ＩＣ）
２１ ＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１
２１Ｃ 寄生ダイオード
２２ シリコン基板
２３ 絶縁層
２４ ボディ
２５ ソース
２６ ドレイン
２７ ゲート絶縁層
２８ ゲート電極
３０ 水系電気二重層キャパシタ
４０ ステップモータ
４５ 指針
５１ 発振回路
５１Ａ 水晶振動子
５２ 分周回路
５３ モータ駆動回路
５４ 電源制御回路
７０ 補助コンデンサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器に係り、特に低電圧での作動を可能にする電子機器に関する。
【背景技術】
従来より、腕時計や携帯電話、ＰＤＡ等の携帯型電子機器においては、動作電源として必要な電源電圧は一般に１〜３Ｖないしはそれ以上であった。すなわち、従来、携帯型電子機器の電源としてはボタン型電池が多く利用されており、このボタン型電池の電圧は、酸化銀電池の場合で１．５５Ｖ、リチウム電池の場合は３．０Ｖ（いずれも初期電圧）であった。
【０００２】
また、ボタン型二次電池を用いる場合もあったが、マンガンとチタンを電極材料として使用しているもの（ＭＴ）で安定時の電圧が約１．４Ｖ、その他のボタン型二次電池も一次電池に準じて３Ｖ以下で使用するように製造されている。
【０００３】
このため、各携帯型電子機器のＩＣ（集積回路）の動作電圧は、これらのボタン型電池の電圧を前提として設計されており、ＣＭＯＳプロセスを用いた場合でもＩＣの最低動作電圧は１Ｖ程度であった。
【０００４】
ところで、近年、クリーンエネルギーである太陽電池（ソーラセル）を用いて二次電池を充電する電子機器も広く利用されている。ここで、太陽電池の１つのセルの起電圧は、一般に開放電圧で約０．６〜０．７Ｖ（at10,000ルクス）であり、各携帯型電子機器の最低動作電圧（１Ｖ）に達しないため、ソーラーセル（パネル）を３〜５段に直列接続して発電電圧を上げていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の電子機器は、携帯型の低電圧タイプであっても、１Ｖ以上の動作電圧を前提に設計されていた。
【０００６】
しかしながら、近年の省エネルギ化の要請に伴い、電子機器の消費電力を抑えるため、集積回路の動作電圧は低く、また、動作電流は高くするという、電力供給の低電圧・大電流化が望まれていた。
【０００７】
本発明の目的は、低電圧、大電流化に適した回路構成の電子機器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子機器は、太陽電池と、この太陽電池によって充電される電気二重層キャパシタと、この電気二重層キャパシタからの電気エネルギによって作動される集積回路とを備える電子機器であって、前記太陽電池は直列方向には１段のみに制限され、前記集積回路は、ＤＴ−ＭＯＳ型の集積回路であり、前記電気二重層キャパシタは、水系電解液を用いたものであると共に、耐電圧が１．２Ｖ以下であることを特徴とする。
【０００９】
このような本発明では、太陽電池が１段のみであるため、限られたスペースであってもソーラーセルの面積を大きくでき、発電電流量を大きくすることができる。また、１段のソーラーセルの起電圧は０．６〜０．７Ｖ程度であるため、従来の複数段のセルによって１〜３Ｖの起電圧を出力していた太陽電池に比べて低電圧にすることができる。
【００１０】
さらに、蓄電装置として用いた水系電解液の電気二重層キャパシタは、各種の二次電池や、有機系電解液を用いた電気二重層キャパシタに比べて内部抵抗が小さいため、ソーラーセルからの大電流を用いて急速な充放電が可能であり、充電時間を一層短縮することができる。従って、低電圧、大電流化に適した回路構成の電子機器とすることができる。
【００１１】
その上、水系電解液を用いた電気二重層キャパシタは、電解液の耐電圧が単一セルの場合には１．２Ｖと低いが、１段の太陽電池の起電圧は０．６〜０．７Ｖ程度であり、電気二重層キャパシタの耐電圧を越えることがない。このため、充電用の特別な回路も不要にできる。さらに、キャパシタや二次電池は、一般に充電電圧が高いと漏液特性が悪くなるが、本発明では、充電電圧が０．６〜０．７Ｖ程度つまり約１Ｖ以下の低電圧であるため、電気二重層キャパシタの漏液特性を格段に向上できる。
【００１２】
また、二次電池の代わりに、充放電に化学変化を伴わず、材料劣化がない電気二重層キャパシタを利用しているので、充放電の繰り返し寿命を長くでき、メンテナンス作業も殆ど不要にできて、非常に容易にできる。
【００１３】
さらに、水系電解液を用いているため、有機電解液を用いた電気二重層キャパシタに比べて安全性を高くでき、かつ製造が容易なためにコストを低減できる。
【００２４】
さらに、ＤＴ−ＭＯＳ（Dynamic Threshold Metal Oxide Semiconductor）型は、しきい値が動的に動くため、高速動作に最適なＩＣである。但し、動作電圧が寄生ダイオードの順方向電圧Ｖｆ（約０．７Ｖ）以上になるとリーク電流が増大してしまうため、動作電圧をＶｆ以下に押さえる必要がある。
【００２５】
従って、ＤＴ−ＭＯＳ型の集積回路は低電圧で駆動する回路構成の電子機器においては、非常に有効な集積回路であり、これにより電子機器の高速動作が可能となる。
【００２６】
なお、この際、電源として１段の太陽電池を用いれば、起電圧が０．６〜０．７Ｖ（通常は最大起電圧は０．６７Ｖ）であり、ＤＴ−ＭＯＳ型を用いた場合でもその印加電圧を０．７Ｖ以下に確実に抑えることができ、その際に、特別な回路も不要であるため、安価にかつ効率的な回路を構成することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電子機器の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１は、本発明の電子機器の実施形態であるクオーツアナログ時計１を示す回路図である。
【００２９】
クオーツアナログ時計１は、１段のソーラーセル（太陽電池）１０と、ＳＯＩプロセスを用いたＩＣ２０と、電源（蓄電装置）となる水系の電気二重層キャパシタ３０と、ＩＣ２０で駆動されるステップモータ４０と、ステップモータ４０で駆動される指針４５と、電気二重層キャパシタ３０からソーラーセル（太陽電池）１０への逆流を防止する逆流防止ダイオード１５とを備えている。
【００３０】
ソーラーセル１０は、１段のみで設けられている。このソーラーセル１０としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン系の太陽電池を利用してもよいし、化合物半導体太陽電池を利用してもよい。特に、屋内で利用する場合には、アモルファスシリコン太陽電池や化合物半導体太陽電池が好ましく、屋外で利用する場合には、単結晶シリコン太陽電池や多結晶シリコン太陽電池が好ましい。
【００３１】
本実施形態では、図２に示すような電圧−電流特性を有するアモルファスシリコン太陽電池をソーラーセル１０として用いている。すなわち、太陽光が１万ルクスのときの開放電圧は約０．６７Ｖであり、ショート時の電流は約１ｍＡである。なお、一般的なアナログ時計では、負荷が３００〜４００ｎＡであり、安定動作時におけるソーラセルの動作点を求めると十分充電された状態では定常的にほぼ開放電圧に等しい点が動作点になるといえる。
【００３２】
ＩＣ２０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator＝絶縁層上シリコン薄膜）プロセスを用いて製造されたＩＣであり、より具体的には、図３（Ａ）に示す回路および図３（Ｂ）に示す構造のＤＴ−ＭＯＳ（Dynamic Threshold Metal Oxide Semiconductor）型のＩＣ２１を用いている。
【００３３】
ここで、図３（Ａ）の回路は、Ｐ型のＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ（トランジスタ）２１Ａと、Ｎ型のＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ（トランジスタ）２１Ｂとを直列に接続し、共通接続したゲートと拡散層をそれぞれ入力端子、出力端子とした回路（インバータ）である。
【００３４】
ＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１は、図３（Ｂ）に示すＮチャンネル（Ｎ型）のＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ（トランジスタ）２１Ｂを例に説明すると、シリコン基板２２上に、ＳｉＯ2からなる絶縁層２３を設け、さらにＰ型半導体からなるボディ（基板）２４、Ｎ型半導体からなるソース２５、ドレイン２６を絶縁層２３上に配置し、ボディ２４上にＳｉＯ2からなるゲート絶縁層２７を介してゲート電極２８を配置して構成されたものである。この際、一般的には、ボディ２４とゲート電極２８とは同電位にされている。
【００３５】
なお、ＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１は、図３（Ａ）に示すように、ボディ２４とゲート電極２８とを接続して同電位に制御しているため、スレショルド電圧（Ｖth)の制御が可能であり、トランジスタのＯＦＦ時にはＶthを高く、ＯＮ時にはＶthを低くすることができ、ＯＦＦ時のリークを最小にできる。
【００３６】
但し、その構造上、電源電圧ＶＤＤが約０．７Ｖ（Ｖｆ：寄生ダイオード２１Ｃの順方向電圧）よりも大きくなると、トランジスタの入力と出力とが寄生ダイオード２１Ｃを介してショートするため、電源電圧が０．７Ｖを越えないようにして使用しなければならない制約がある。
【００３７】
このＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１のようなＳＯＩプロセスで製造されたＩＣ２０により、図１に示す発振回路５１、分周回路５２、モータ駆動回路５３、電源制御回路５４等の各回路が構成されている。
【００３８】
発振回路５１は時間標準源である水晶振動子５１Ａを駆動して発振信号（３２７６８Ｈｚ）を出力する。この発振信号は、フリップフロップ等からなる分周回路５２によってある一定周期まで分周される。分周回路５２からは、所定周期の基準信号が出力され、この信号はモータ駆動回路５３に入力される。モータ駆動回路５３は、基準信号に応じてステップモータ４０を駆動し、指針４５を作動させる。
【００３９】
電源制御回路５４は、例えば、電気二重層キャパシタ３０から各回路５１〜５３への電力供給を、電気二重層キャパシタ３０の電圧値等に応じてコントロールするなど電源関係の制御を行っている。
【００４０】
電気二重層キャパシタ３０は、水系の電解液、より具体的には、溶媒として水、溶質として硫酸、水酸化カリウムなどが用いられた水系の電気二重層キャパシタ３０である。
【００４１】
このような本実施形態では、ソーラーセル１０で発電した電流は、電気二重層キャパシタ３０に供給されて蓄積される。この際、ソーラーセル１０は１段のみであり、複数段が直列接続されたものではないため、その電圧値は最大で０．６７（開放電圧）Ｖである。従って、電気二重層キャパシタ３０も０．６７Ｖ以上に電圧が上がることはない。
【００４２】
そして、電気二重層キャパシタ３０の電圧値が、ＩＣ２０の駆動電圧（０．４〜０．５Ｖ）を越えると、ＩＣ２０が駆動され、水晶振動子５１Ａやステップモータ４０が駆動される。このＩＣ２０への印加電圧も、電気二重層キャパシタ３０の最大充電電圧である０．６７Ｖを越えることはない。
【００４３】
このような本実施形態によれば次のような効果がある。
【００４４】
（１）１段のソーラーセル１０を用いたので、従来の複数のセルを直列接続した場合に比べ、発電電圧は低下するが、発電電流を大きくしたり、必要な発電電流を確保するためのソーラーセル１０の面積を小さくできる。すなわち、ソーラーセルの電流量は、１セル当たりの面積に比例するため、限定されたスペースに直列接続された複数段のセルを配置すると、各セルの面積が小さくなり、電流量が小さくなる。これに対し、１段のセルをそのスペースに配置すれば、セルの面積を大きくできるため、発電電流量を大きくすることができる。このため、電気二重層キャパシタ３０の充電電圧や、ＩＣ２０への印加電圧の低下を防ぐことができ、動作安定性を高めることができる。
【００４５】
また、複数段のソーラーセルを直列接続する場合と同じ発電電流を確保する場合には、ソーラーセル１０を配置するのに必要な面積を小さくできるため、ソーラーセル１０を組み込んだ電子機器をより小型化できる。
【００４６】
（２）ＩＣ２０として、ＳＯＩプロセスで製造されたＩＣを用いているので、ＩＣの寄生容量（接合容量）を小さくでき、素子間電流リークを小さくできて消費電力を低減することができる。さらに、スイッチング特性を良好にでき、高速動作を実現できる。
【００４７】
また、基板バイアス効果が小さいため、駆動電圧を低くできる。例えば、最低駆動電圧は、０．４〜０．５Ｖ程度に低減でき、低電圧動作が可能となる。このため、１段のソーラーセル１０による発電電圧（０．６７Ｖ）であっても十分に動作可能となる。
【００４８】
さらに、絶縁層によって素子が完全に分離された構造となるため、放射線などによるソフトエラーを防止でき、ラッチアップや基板干渉ノイズも抑制できる。
【００４９】
（３）前記実施形態では、ＳＯＩプロセスで製造されたＩＣ２０として、ＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１を用いたので、スレショルド電圧（Ｖth)を制御でき、ＯＮ時（ゲート電圧印加時）にバックゲート効果で動作電圧Ｖthを最も低くできる。また、トランジスタのＯＦＦ時にはＶthを高くでき、ＯＦＦ時のリークを最小にできる。従って、ＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１を用いれば高速動作に最適な構成にできる。また、ボディ２４への電荷蓄積も防止できる。
【００５０】
（４）蓄電装置として電気二重層キャパシタ３０を用いているので、従来の２次電池を用いた場合に比べて充放電の繰り返し寿命が長く、長期間利用できる。また、２次電池のように、充放電に化学変化を伴わないため、材料の劣化がなく、この点でも長期間利用できる。また、充電用の特別な回路を不要にでき、かつ内部抵抗が小さいために充放電電流の制限がないというメリットがある。さらに、有害な物質を含まないため、二次電池は勿論のこと、有機系の電気二重層キャパシタに比べても安全性が高く、低環境負荷のデバイスにできる。
【００５１】
さらに、有機系の電気二重層キャパシタに比べて、静電容量の密度が高く、内部抵抗が小さいため、エネルギーロスを抑えることができる。その上、有機電解液を用いる場合には、水などの不純物の混入を防止するのが難しいため、製造が困難であるが、水系電解液を利用した場合には製造が容易であり、その分コストも低減できる。
【００５２】
（５）さらに、１段のソーラーセル１０と水系電気二重層キャパシタ３０とを組み合わせて電源としているので、低電圧の電源ではあるが、ソーラーセル１０の充電電流が大きく、水系電気二重層キャパシタ３０の内部抵抗が小さいために、充電時間を非常に短くでき、ＩＣ２０を即座に駆動することができる。その上、水系電気二重層キャパシタ３０には耐電圧が１．２Ｖと低いデメリットがあるが、１段のソーラーセル１０では発電電圧が最大でも開放電圧の０．６７Ｖであり、耐電圧を越えることがないため、特別な充電回路（リミッタ）等も不要にでき、シンプルで効率的な電源とすることができる。
【００５３】
（６）また、水系電気二重層キャパシタ３０で駆動されるＩＣ２０として、ＳＯＩプロセスで製造された低電圧（０．４〜０．５Ｖ）で駆動可能なＩＣ２０を組み合わせているので、水系電気二重層キャパシタ３０の充電電圧をその耐電圧（１．２Ｖ）に比べて非常に低い値（０．６７Ｖ程度）に抑えても、十分にＩＣ２０を駆動できる。このため、キャパシタ３０の充電電圧を低電圧に容易に維持しておくことができ、かつその電圧を昇圧などする必要もなく、シンプルな回路構成にすることができる。
【００５４】
（７）さらに、１段のソーラーセル１０と、水系電気二重層キャパシタ３０と、ＳＯＩプロセスのＩＣ２０とを組み合わせることで、低電圧（０．７Ｖ程度）で駆動する電子回路を非常に効率的に構成することができ、特に小型で携帯可能な腕時計などの電子機器に非常に適したパッケージにすることができる。
【００５５】
（８）また、水系電気二重層キャパシタ３０は、１Ｖ以下の低電圧で使用されるため、漏液特性を向上でき、この点でも長寿命化を実現することができる。
【００５６】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００５７】
例えば、図４に示すように、本発明の電子機器としては、メインの蓄電装置としての水系電気二重層キャパシタ３０の他に、サブの蓄電装置として補助コンデンサ７０を設け、この補助コンデンサ７０への充電電流や接続回路のＯＮ、ＯＦＦ等を電源制御回路５４で制御するように構成したものでもよい。このような補助コンデンサ７０を有する電子機器とすれば、例えば、電子機器が停止した際に、補助コンデンサ７０を電源制御回路５４でＩＣ２０側から切り離して充電電圧を維持し、電子機器が再度作動される際に、補助コンデンサ７０から電力を供給してソーラーセル１０の発電電圧が高まる前にＩＣ２０を即座にスタートさせたり、電源の昇圧供給機能を実現することができる。
【００５８】
また、ＩＣ２０としては、前記実施形態のＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１に限らず、図５に示すような他のＳＯＩプロセスのＩＣを用いてもよい。例えば、図５（Ａ）に示すようなボディ２４がゲート電極２８と同電位とはされておらず、浮いているフローティングボディ（Floating−Body）タイプのＩＣ８１を用いてもよい。このＩＣ８１は、構造が簡単なために製造（プロセス）を簡単にでき、寄生容量も最小にできる。さらに、既存ライブラリの使用も可能である。但し、ボディ２４に電荷が蓄積されてしまうデメリットもある。
【００５９】
また、ＩＣとしては、図５（Ｂ）に示すボディ２４とソース２５とが同電位のソースタイ（Source−Tie ）タイプのＩＣ８２を用いてもよい。このＩＣ８２は、ボディ２４のコントロールはしない。また、構造は従来のＭＯＳトランジスタと同様だが、素子を絶縁層で分離しているので、従来のＭＯＳトランジスタよりもスレショルド電圧を下げることができる。
【００６０】
さらに、ＩＣとしては、図５（Ｃ）に示すボディ２４に任意のバイアスを加えたボディ固定タイプのＩＣ８３を用いてもよい。このＩＣ８３は、すべてのボディ２４を同時にコントロールする必要がある。また、既存ライブラリも使用可能である。
【００６１】
また、本発明の電子機器においては、１段のソーラーセル１０と水系電気二重層キャパシタ３０とを組み合わせた電源を用いる際に、その負荷となるＩＣ２０としては、ＳＯＩ構造のものに限らず、通常のシリコン基板上にＮ型半導体やＰ型半導体を構成する構造のものを用いてもよい。但し、ＳＯＩ構造のほうがより低電圧で駆動できる点で有利である。
【００６２】
さらに、ＳＯＩ構造のＩＣ２０と水系電気二重層キャパシタ３０とを組み合わせた回路における発電機構としては、太陽電池に限らず、浮遊電波を電気エネルギに変換する浮遊電波発電装置や、温度差を電気エネルギに変換する熱発電素子、さらには回転錘等の機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電装置、圧電素子等の各種発電装置が利用できる。
【００６３】
さらに、１段のソーラーセル１０やＳＯＩ構造のＩＣ２０と組み合わされる蓄電装置としては、水系電気二重層キャパシタ３０に限らず、有機系電解液を用いた電気二重層キャパシタでもよい。さらに、蓄電装置としては、各種構造、材質のキャパシタや二次電池を用いてもよく、特に、１Ｖ程度の充電電圧を有する各種のキャパシタや二次電池を利用できる。要するに、１段のソーラーセル１０やＳＯＩ構造のＩＣ２０と組み合わされる蓄電装置としては、１Ｖ程度の充電電圧を有するものであればよく、その具体的な構成は限定されない。そして、このような、１Ｖ程度の充電電圧を有する蓄電装置を用いれば、蓄電装置の漏液特性を格段に向上できる。
【００６４】
また、本発明の電子機器としては、ステップモータ４０および指針４５等を有するアナログ時計に限らず、デジタル時計等でもよい。さらに、腕時計以外の置き時計、クロック等の各種時計に組み込んでもよい。また、本発明は、時計以外の携帯電話機、ページャ、電卓、携帯用パーソナルコンピュータ、携帯ラジオ、歩数計、ひげ剃り、携帯型血圧計、電子手帳、ＰＤＡ（小型情報端末、「Personal Digital Assistant」）、玩具、ＩＣカード、自動車や家屋用のキー等の各種の電子機器に適用できる。特に、本発明では、低電圧、大電流によって省エネルギ化が図れ、携帯用に小型化された各種電子機器に最適である。このような携帯用等の各種電子機器では、従来、電源として乾電池や充電器が用いられていたが、本発明の電子機器を用いれば、電池が無くても電子機器内の電子回路や機構系等の処理装置を動作させることができ、電池交換を不要にでき、環境にも配慮できる。その上、太陽電池を用いれば、充電器のような充電作業を不要にでき、災害時やアウトドア、外出時等でも電子機器を作動させることができる。
【００６５】
さらに、本発明は、携帯用でない電子機器にも当然適用することができ、屋外等の商用電源からの電力を確保できない場所に設置される時計等の各種電子機器に適用できる。
【００６６】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の電子機器によれば、低電圧、大電流化に適した回路構成の電子機器にでき、省エネルギ化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における電子機器の構成を示す回路図である。
【図２】本実施形態の太陽電池の特性を示すグラフである。
【図３】図３（Ａ）は本実施形態の絶縁層上シリコン薄膜（ＳＯＩ）構造のトランジスタを用いた電子回路を示す回路図であり、図３（Ｂ）は絶縁層上シリコン薄膜構造の集積回路の構成を示す図である。
【図４】本発明の変形例の電子機器の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の絶縁層上シリコン薄膜（ＳＯＩ）構造の集積回路の変形例を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 電子機器であるクオーツアナログ時計
１０ 太陽電池（ソーラーセル）
１５ 逆流防止ダイオード
２０，８１，８２，８３ ＩＣ（ＳＯＩ−ＩＣ）
２１ ＤＴ−ＭＯＳ型ＩＣ２１
２１Ｃ 寄生ダイオード
２２ シリコン基板
２３ 絶縁層
２４ ボディ
２５ ソース
２６ ドレイン
２７ ゲート絶縁層
２８ ゲート電極
３０ 水系電気二重層キャパシタ
４０ ステップモータ
４５ 指針
５１ 発振回路
５１Ａ 水晶振動子
５２ 分周回路
５３ モータ駆動回路
５４ 電源制御回路
７０ 補助コンデンサ
Claims (1)
- 太陽電池と、この太陽電池によって充電される電気二重層キャパシタと、この電気二重層キャパシタからの電気エネルギによって作動される集積回路とを備える電子機器であって、
前記太陽電池は直列方向には１段のみに制限され、
前記集積回路は、ＤＴ−ＭＯＳ型の集積回路であり、
前記電気二重層キャパシタは、水系電解液を用いたものであると共に、耐電圧が１．２Ｖ以下であることを特徴とする電子機器。
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