JP4376360B2 - 発電システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、外部のエネルギを利用して発電する発電手段を内蔵する発電システムに関し、特に、環境により発電手段の発電電圧の極性が反転するような場合でも、その発電した電気エネルギを効率良く利用して負荷手段（電子機器等）を駆動することができる発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光エネルギや熱エネルギ、あるいは機械的エネルギなどの外部エネルギを電気エネルギに変換する発電手段を内蔵し、それによって発電した電気エネルギを電子機器の駆動に利用することができる発電システムがある。
【０００３】
このような発電システムとしては、その発電手段が太陽電池である太陽電池システム、回転錘の機械的エネルギを電気エネルギに変換して利用する手段である機械発電システム、あるいは複数直列に接続した熱電対を用いてその両端の温度差による熱エネルギで発電する手段である温度差発電システムなどがある。
【０００４】
上記のうち、特に従来の発電システムの一例として、図７に示すように、小型の電子携帯機器の代表である電子時計に応用した温度差発電（熱電）システムがある。
【０００５】
この熱電システムである電子時計は、発電手段１０がスイッチ手段３０を介して蓄電手段２２と計時手段２１とからなる負荷手段２０に接続され、発電手段１０の発電電力を負荷手段２０において利用可能に構成されている。すなわち、この例においては、発電手段１０の発電電圧により発生する電流をスイッチ手段３０によって整流し、この整流された電流を蓄電手段２２および計時手段２１に出力し、蓄電手段２２への充電と計時手段２１の駆動を行なうようになっている。
【０００６】
発電手段１０は、図示しない熱電対を複数直列に接続して構成されている。この熱電システムのように電子時計を駆動する場合の発電手段１０は、温接点側をその時計の裏蓋に接触させるとともに、冷接点側を裏蓋から熱絶縁されたケースに接触させるように配置されている。そして、この配置によって、携帯時において外気によって冷やされるケースと体温によって温められる裏蓋との間に発生する温度差による熱エネルギを電気エネルギに変換して発電し、その発電した電力によって計時手段を含む負荷手段を駆動する。
【０００７】
負荷手段２０は、時計機能を有する計時手段２１と、２次電池である蓄電手段２２を並列に接続して構成されている。計時手段２１は、正極端子を接地し、負極端子を負荷手段２０の負極としてスイッチ手段３０に接続している。
【０００８】
スイッチ手段３０は、第１から第４のダイオード３６〜３９からなり、いわゆる全波整流器を構成するようにこれらのダイオードをブリッジ状に接続している。すなわち、発電手段１０の一端が第１のダイオード３６のアノードと第４のダイオード３９のカソードに接続し、発電手段１０の他端が第２のダイオード３７のアノードと第３のダイオード３８のカソードに接続している。
【０００９】
また、第３のダイオード３８のアノードと第４のダイオード３９のアノードが負荷手段２０の負極に接続され、第１のダイオード３６のカソードと第２のダイオード３７のカソードが接地されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような熱電システムにおける熱電対（熱電素子）からなる発電手段は、発電電圧の極性が外部から与えられる温度差の方向により変化する性質がある。このため、熱電システムにおける発電手段には、環境の変化により発電電圧の正負の極性が逆転する現象が生じる。
【００１１】
例えば、前述した電子時計が腕に装着して使用する腕時計の場合、通常は外気に触れるケース側よりも腕に密着する裏蓋側の方が温度が高いが、真夏の直射日光下や高温作業時あるいは酷暑地などで使用するときには、裏蓋側よりもケース側の方が温度が高くなることがある。それによって、発電手段１０による発電電圧の極性が反転することになる。
【００１２】
図７におけるスイッチ手段３０は、このように発電手段１０による発電電圧の極性が反転しても、その発電電力を有効に利用できるようにするために設けられている。
しかし、時計内部に生じるわずかな温度差によって、電子時計の動作に必要な１．０Ｖ程度の発電電圧を発電手段１０から得るためには、発電手段１０には熱電対を２０００個以上直列に接続して設けなければならない。このような発電手段を時計のような限られたスペースの中で実現しようとすると、熱電対の内部抵抗が最低でも数１０ＫΩという大きさになってしまう。そのため、スイッチ手段３０の図７に示したようなブリッジ整流回路をショットキバリアダイオードなどで構成しても、それほど電流を流すことができず、負荷手段２０側に取り出せる電力は、本来得られる電力の４０％程度にしかならないので、発電電力の利用効率が非常が悪いという問題があった。
【００１３】
この発明は、上記のような問題を改善し、発電電圧の極性が反転する性質を有する発電手段を使用する発電システムにおいても、常にその発電電力を効率良く利用することができるようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明による発電システムは、上記目的を達成するため、外部からのエネルギを電気エネルギに変換して発電電圧を出力する発電手段と、複数のスイッチング素子からなり、その発電手段の発電電圧を出力する一対の発電端子へそれぞれ接続可能な一対の出力端子を有するスイッチ手段と、該スイッチ手段の出力電圧を計測するスイッチ出力計測手段、または上記発電手段の発電電圧を計測する発電電圧計測手段と上記スイッチ出力計測手段との両方の計測手段と、上記スイッチ手段の一対の出力端子に接続され該スイッチ手段の出力電圧が印加されてその電力により動作する負荷手段と、上記スイッチ出力計測手段の計測結果または前記発電電圧計測手段と前記スイッチ出力計測手段との両方の計測結果に応じて、上記スイッチ手段の複数のスイッチング素子を制御して、上記発電手段の一対の発電端子と上記スイッチ手段の一対の出力端子との接続関係を逆転させることを含む制御をする制御手段とを備えたものである。
【００１６】
上記発電システムにおいて、上記スイッチ出力計測手段または前記発電電圧計測手段と前記スイッチ出力計測手段との両方の計測手が、その計測動作を所定の周期で間欠的に行なうようにするとよい。
【００１７】
また、上記制御手段が、上記スイッチ出力計測手段または前記発電電圧計測手段と前記スイッチ出力計測手段との両方の計測手段の計測動作時に、上記発電手段と上記負荷手段とを切り離すかあるいは上記負荷手段が低負荷状態となるように、上記スイッチ手段を制御する手段を有するとよい。
【００１８】
上記負荷手段が、上記発電手段による電力供給を不要とするときは、上記発電手段の一対の発電端子間を短絡するように上記スイッチ手段を制御する手段を有するようにしてもよい。
【００１９】
さらに、上記制御手段が動作停止状態にあるときおよび該動作停止状態から上記発電手段が発電を開始するときには、上記発電手段の発電電圧を上記負荷手段を介さずに上記制御手段に印加する初期化手段を有するとよい。
【００２０】
また、上記スイッチ手段の一対の出力端子間に、上記負荷手段への給電方向と逆方向の電圧成分を短絡する短絡手段を備えることもできる。
【００２１】
上記制御手段が、上記スイッチ手段の出力電圧が所定の値を下回っているときに、該スイッチ手段が上記発電手段の発電電圧の極性を反転して上記負荷手段に印加するように、上記発電手段の一対の発電端子と上記スイッチ手段の一対の出力端子との接続関係を制御する手段、または前記発電手段と前記負荷手段とを切り離すように制御する手段を有するようにするとよい。
【００２２】
さらに、上記制御手段が、上記スイッチ出力計測手段または前記発電電圧計測手段と前記スイッチ出力計測手段との両方の計測手段の計測動作時には、上記発電手段の一対の発電端子の一方の電位を上記スイッチ出力計測手段または前記発電電圧計測手段の接地電位と等しくし、他方の発電端子の電圧を前記発電電圧計測手段と上記スイッチ出力計測手段との一方もしくは両方の計測手段が計測するように、上記スイッチ手段を制御する手段を有するようにするとよい。
【００２３】
またさらに、上記制御手段が、上記スイッチ出力計測手段の計測結果により、該スイッチ出力計測手段の計測動作の周期を変えるように制御する手段を有するとよい。
【００２４】
また、上記制御手段が、上記発電電圧計測手段によって計測された発電手段の発電電圧が所定の値以上のときと、該所定の値を下回るときとで、上記発電手段の一対の発電端子とスイッチ手段の一対の出力端子との接続関係を逆転するように、上記スイッチ手段を制御する手段を有するようにしてもよい。
【００２７】
以上のような構成により、例えば熱電発電装置のように、外部エネルギの状況によって発電電圧の極性が順方向あるいは逆方向へ変化するような発電手段を備えた発電システムであっても、発電電圧の変化を計測して、その計測結果に応じて、発電手段の一対の発電端子とスイッチ手段の一対の出力端子との接続関係を制御することによって、発電電圧の極性に係わりなく、スイッチ手段の出力端子には常にを負荷手段の要求に適した極性の電圧が出力されるよにする。したがって、発電手段による発電電力を常に効率良く、負荷手段によって利用することが可能になる。
【００２８】
このため、この発明によれば、従来は効率良く利用することができなかった逆極性の発電電圧をも利用できることになり、両方向の発電電圧を高効率で利用できる発電システムを実現することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の発電システムを実施するための最適な形態である電子時計について図面を用いて説明する。
［第１の実施形態：図１から図３］
図１は、この発明による発電システムの第１の実施形態である電子時計の構成を示すブロック回路図である。図２はその制御手段の具体的な回路例を示す回路図、図３はその電子時計の要部の電圧および信号の波形を示すタイミング図である。
【００３０】
まず、図１を用いてこの電子時計のシステム構成について説明する。この図１に示す電子時計は、図７に示した従来例と同じように、発電手段が発電する電圧による電力で駆動される電子時計である。
【００３１】
この電子時計は、発電手段１０にスイッチ手段３を介して負荷手段２を接続するとともに、そのスイッチ手段３および負荷手段２を制御する制御手段５を接続している。さらに、発電手段１０の一方の発電端子ｇ１に発電電圧計測手段８とダイオード１１のカソードを接続し、そのダイオード１１のアノードを制御手段５の負極端子に接続し、スイッチ手段３の一方の出力端子ｅ１にスイッチ出力計測手段４を接続している。
【００３２】
発電手段１０は、図示はしないが、外部に存在する熱エネルギを電気エネルギに変換する発電素子として多数の熱電対を直列に接続して構成された熱電発電装置であり、その温接点側と冷接点側の間に温度差が与えられることにより発電を行う。例えば、温接点側と冷接点側との間の温度差が１℃のときに、一対の発電端子ｇ１，ｇ２間に約０．８Ｖの発電電圧が発生するものを想定している。
【００３３】
そして、発電手段１０は電子時計である腕時計の内部に、温接点側が裏蓋に接触し、冷接点側が裏蓋から断熱されたケースの内面に接触するように配置されている。その電子時計が使用者の腕に装着されて携帯されるときに、腕に密着する裏蓋側と外気に触れるケース側との温度差によって、発電手段１０の両接点間に温度差が発生し、その温度差の熱エネルギによって発電する構造になっている。
【００３４】
このような電子時計では、通常は腕に密着する裏蓋側は体温で温められる裏蓋側の方が外気で冷されるケース側よりも温度が高く、発電手段１０はその温度差の方向に応じた極性の発電電圧を発生する。
しかし、先に説明したように、電子時計を取り巻く環境によっては温接点側と冷接点側の温度が入れ替わって、温接点側が冷されて冷接点側が温められることがある。そのように温度差の方向が逆転すると、発電手段１０を構成する熱電対の特性上、当然ながら逆方向の極性の発電電圧が発生する。
【００３５】
そこで、便宜上、電子時計が通常使用される状態で、発電手段が発生する電圧の方向を順方向として、そのときに温まる側を温接点、冷える側を冷接点と称する。さらに、そのときに高い電位が現れる端子を正極端子とし、低い電位が現れる端子を負極端子とする。そして、図１に示す発電手段１０は、発電端子ｇ１が負極端子、発電端子ｇ２が正極端子であり、通常は正極端子ｇ２がアースライン６に接続され、負荷手段２および制御手段５には負電圧を印加するようになっている。
【００３６】
スイッチ手段３は、発電手段１０の一対の発電端子ｇ１，ｇ２に常時接続される一対の入力端子ｉ１，ｉ２と、発電端子ｇ１，ｇ２にそれぞれ選択的に接続可能な一対の出力端子ｅ１，ｅ２を有し、その出力端子ｅ１，ｅ２の出力電圧を負荷手段２に印加し、その電力で負荷手段２が動作する。
【００３７】
さらに、このスイッチ手段３の入力端子ｉ１，ｉ２と出力端子ｅ１，ｅ２の間に、スイッチング素子であるＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなる４個のスイッチ３１〜３４が接続されている。
すなわち、入力端子ｉ２と出力端子ｅ２の間に第１のスイッチ３１が、入力端子ｉ１と出力端子ｅ２の間に第２のスイッチ３２が、入力端子ｉ１と出力端子ｅ１との間に第３のスイッチ３３が、入力端子ｉ２と出力端子ｅ１の間に第４のスイッチ３４がそれぞれ接続されている。このスイッチ手段３の動作については後述する。
【００３８】
負荷手段２は、時計機能を有する計時手段２１と、リチウムイオン等の２次電池からなる蓄電手段２２および昇圧手段２３と、それぞれスイッチング素子であるＦＥＴからなる放電スイッチ２４、第１の分配スイッチ２５および第２の分配スイッチ２６とから構成されている。
【００３９】
計時手段２１は、図示はしないが、一般的な電子時計と同様に、水晶発振器の発振周波数を少なくとも周期が２秒となる周波数まで分周し、さらにその分周信号を後述のステッピングモータの駆動に必要な波形の駆動信号に変形する計時回路と、この計時回路からの駆動信号により回転駆動されるステッピングモータ、およびそのステッピングモータの回転を輪列で減速伝達し、時刻表示用の指針を回転駆動する時刻表示系とから構成されている。
【００４０】
上記の時刻表示系はアナログ表示方式の電子時計の場合であるが、デジタル表示方式の電子時計の場合には、計時回路にステッピングモータの駆動に必要な波形の駆動信号を形成する回路に代えて、上記分周信号をデコードして時刻の数値表示信号を形成する回路を設け、時刻表示系は、その数値表示信号によって時刻をデジタル表示する液晶表示器とその駆動回路によって構成される。
この計時手段２１は、計測クロックＳ１、昇圧クロックＳ２、および分配クロックＳ３を発生しており、発生する各クロック信号をともに後述する制御手段５へ入力させる。
【００４１】
計測クロックＳ１はロウレベルとなる時間が８ミリ秒（m sec)で周期が２秒（sec)の波形である。昇圧クロックＳ２は、周波数が４ＫＨｚの矩形波であり、分配クロックＳ３は周波数が８Ｈｚの矩形波である。なお、これらの計測クロックＳ１、昇圧クロックＳ２および分配クロックＳ３の波形生成は、水晶発振器の発振信号を分周した信号の簡単な波形合成で可能であるため、その生成回路についての詳しい説明は省略する。
【００４２】
昇圧手段２３は、２個のコンデンサの接続状態を並列と直列に切り替えて、入力電圧を２倍に昇圧する昇圧回路とする。２個のコンデンサを並列に接続して入力電圧で充電し、その後直列に接続して２個のコンデンサの充電電圧を加算した電圧を出力する。この昇圧手段２３は、後述の制御手段５によって昇圧クロックＳ２が加工された昇圧信号Ｓ２０で、上記２個のコンデンサの接続状態を切り替えるスイッチング素子のオン／オフが制御されて昇圧動作を行うように構成されている。なお、昇圧手段２３の構成についての詳しい説明は省略する。
【００４３】
そして、昇圧手段２３の負の入力端子はスイッチ手段３の出力端子ｅ１に接続しており、昇圧手段２３の負の出力端子には第２の分配スイッチ２６を介して蓄電手段２２の負極端子が接続され、第１の分配スイッチ２５を介して計時手段２１の負極端子が接続されている。なお、この昇圧手段２３、蓄電手段２２、および計時手段２１の各正極端子は、いずれもアースライン６に接続して接地されている。
【００４４】
放電スイッチ２４、第１の分配スイッチ２５および第２の分配スイッチ２６は、いずれもＮチャンネルＦＥＴからなり、計時手段２１、蓄電手段２２および昇圧手段２３のそれぞれの間の充放電を行うために接続したものである。すなわち、放電スイッチ２４は、計時手段２１の負極端子と蓄電手段２２の負極端子との間に接続され、第１の分配スイッチ２５は、計時手段２１の負極端子と昇圧手段２３の負の出力端子との間に接続され、第２の分配スイッチ２６は、蓄電手段２２の負極端子と昇圧手段２３の負の出力端子との間に接続されている。
【００４５】
放電スイッチ２４は、発電手段１０が発電を行っていないときにオンにされ、蓄電手段２２に蓄えられた電力により計時手段２１を駆動可能にする。また、第１の分配スイッチ２５と第２の分配スイッチ２６は、発電手段１０が発電を行っているときに昇圧手段２３の昇圧動作に同期してそのいずれかがオンにされることにより、昇圧手段２３の昇圧出力を計時手段２１あるいは蓄電手段２２のいずれかに印加する。
【００４６】
そして、放電スイッチ２４と第１の分配スイッチ２５および第２の分配スイッチ２６のオン／オフ制御は、制御手段５によってそれぞれ放電信号Ｓ２４、第１の分配信号Ｓ２５、および第２の分配信号Ｓ２６を、各スイッチ２４，２５，２６のゲート端子に印加することによって行なわれる。
【００４７】
制御手段５は、計時手段２１と並列に接続され、計時手段２１が動作していれば動作可能になっている。この制御手段５は、計時手段２１からの計測クロックＳ１、昇圧クロックＳ２および分配クロックＳ３を入力するとともに、スイッチ出力計測手段４と発電電圧計測手段８から、それぞれスイッチ出力計測信号Ｓ４および発電電圧計測信号Ｓ５を入力している。
【００４８】
そして、この制御手段５は出力として、第１のスイッチ信号Ｓ３１、第２のスイッチ信号Ｓ３２、第３のスイッチ信号Ｓ３３、および第４のスイッチ信号Ｓ３４をスイッチ手段３に出力し、さらに放電信号Ｓ２４、第１の分配信号Ｓ２５、および第２の分配信号Ｓ２６を負荷手段２に出力している。なお、この制御手段５の構成および作用についての詳しい説明は後述する。
【００４９】
スイッチ出力計測手段４は、電源の正極端子と負極端子が制御手段５の正極端子（接地）と負極端子に接続している（図１における符号Ａは互いに接続されることを示している）。そして、入力電圧の電位が−０．６Ｖ以上でなければ、ハイレベルの信号を出力し、−０．６以上（正電位も含む）であればロウレベルの信号を出力する比較アンプ回路である。
このスイッチ出力計測手段４は、スイッチ手段３の出力端子ｅ１の電圧を入力し、出力信号であるスイッチ出力計測信号Ｓ４を制御手段５に入力させる。
【００５０】
発電電圧計測手段８も、電源の正極端子と負極端子が制御手段５の正極端子（接地）と負極端子に接続している。そして、入力電圧の電位が−０．２Ｖ以上でなければハイレベルの信号を出力し、−０．２Ｖ以上（正電位も含む）であればロウレベルの信号を出力する比較アンプ回路である。
この発電電圧計測手段８は、発電手段１０の発電端子ｇ１の電圧を入力し、出力信号である発電電圧計測信号Ｓ５を制御手段５に入力させる。
【００５１】
制御手段５は、これらの発電電圧計測手段８の計測結果である発電電圧計測信号Ｓ５と、スイッチ出力計測手段４の計測結果であるスイッチ出力計測信号Ｓ４とに応じて、第１から第４のスイッチ信号Ｓ３１からＳ３４を、スイッチ手段３の各第１から第４のスイッチ３１から３４の各ゲートに選択的に出力し、そのオン／オフ状態を制御する。
【００５２】
それによって、発電手段１０の発電端子ｇ１，ｇ２とスイッチ手段３の出力端子ｅ１，ｅ２との間の接続関係を制御する。
スイッチ手段３の第１，第２のスイッチ３１，３２はＰチャンネルＦＥＴであり、第３，第４のスイッチ３３，３４はＮチャンネルＦＥＴである。
【００５３】
なお、上述したスイッチ手段３、負荷手段２の計時手段２１の計時回路や昇圧手段のコンデンサ以外の部分、制御手段５、ダイオード１１、スイッチ出力計測手段４、および発電電圧計測手段８の各回路群は一般的な電子時計と同様に、すべて同一の集積回路に設けることができる。
【００５４】
次に、図２を用いて、前述した制御手段５の具体的な回路例およびその動作について詳細に説明する。
【００５５】
図２に示す制御手段５は、第１のフリップフロップ回路５１および第２のフリップフロップ回路５２と、第１のインバータ５３および第２のインバータ５６と、第１のアンドゲート５４および第２のアンドゲート５５と、発振停止検出回路５７と、第１のノアゲート５８および第２のノアゲート５９と、マルチバイブレータ６０と、充放電制御回路７０と、過充電検出回路９０とによって構成されている。
【００５６】
第１のフリップフロップ回路５１は、入力クロックの立ち上がり時にデータ入力の値を保持して出力するデータタイプのフリップフロップ回路である。そして、この第１のフリップフロップ５１は、入力クロックとして計測クロックＳ１が入力され、データ入力として発電電圧計測手段８の出力信号である発電電圧計測信号Ｓ５が入力される。そして、出力信号Ｓ７を出力する。
【００５７】
第２のフリップフロップ回路５２は、入力クロックの立ち上がり時にデータ入力の値を保持して出力する、セット端子付きのデータタイプのフリップフロップである。そして、この第２のフリップフロップ回路５２には、データ入力としてスイッチ出力計測手段４の出力であるスイッチ出力計測信号Ｓ４が入力され、入力クロックとしてマルチバイブレータ６０の出力信号Ｓ１Ｔが入力される。またセット端子はアクティブロウであり、計時手段２１からの計測クロックＳ１が入力される。そして、出力信号Ｓ６を出力する。
【００５８】
第１のインバータ５３は、第１のフリップフロップ回路５１の出力信号Ｓ７を入力して、その反転信号を出力する。
第１のアンドゲート５４は、３入力のアンドゲートであって、第１のインバータ５３の出力信号（フリップフロップ回路５１の出力信号Ｓ７の反転信号）と、計測クロックＳ１および第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６を入力し、それらの論理積とって第４のスイッチ信号Ｓ３４として出力する。
【００５９】
同様に、第２のアンドゲート５５も３入力のアンドゲートであって、第１のフリップフロップ回路５１の出力信号Ｓ７と、計測クロックＳ１および第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６を入力し、それらの論理積をとって第３のスイッチ信号Ｓ３３として出力する。
第２のインバータ５６は、計測クロックＳ１を入力して、その反転信号を出力する。
【００６０】
発振停止検出回路５７は、入力信号として昇圧クロックＳ２を入力して、昇圧クロックＳ２の周波数に応じて動作する。すなわち、この発振停止検出回路５７は、入力信号が振動していない状態ではハイレベルの信号を出力し、ひとたび入力信号が一定の周波数以上で振動を始めればロウレベルの信号を出力する。なおこの発振停止検出回路の構成は一般的であるため、詳細な説明は省略する。
【００６１】
第１のノアゲート５８は、２入力のノアゲートであって、第４のスイッチ信号Ｓ３４と後述する過充電検出信号Ｓ８を入力し、それらの論理和の反転信号を第２のスイッチ信号Ｓ３２として出力する。
【００６２】
また、第２のノアゲート５９は、４入力のノアゲートであって、発振停止検出回路５７の出力信号、過充電検出信号Ｓ８、第３のスイッチ信号Ｓ３３、および計測クロックＳ１の反転信号を入力し、それらの論理和の反転信号を第１のスイッチ信号Ｓ３１として出力する。
【００６３】
特に、この第２のノアゲート５９と発振停止検出回路５７は、他の論理回路部分と異なり、制御手段５に電源を投入した直後から所定の信号を出力することができるものを使用する。
【００６４】
マルチバイブレータ６０は、入力波形がロウレベルに立ち下がったときから一定時間経過すれば、入力波形の状態によらずハイレベルを出力するタイマ回路であり、ここではロウレベルを維持する時間は１６ミリ秒(m sec）に設定してあるものとする。このマルチバイブレータ６０は、計測クロックＳ１を入力し、出力信号Ｓ１Ｔを出力する。
【００６５】
なお、この実施形態で使用するフリップフロップ回路は単純化のため、すべて電源投入時に保持データがセットされるように構成されているものとする。
過充電検出手段９０は、−２．０Ｖより低い電圧が入力されるとハイレベルを出力する比較アンプ回路であり、入力端子が蓄電手段２２の負極に接続され、過充電検出信号Ｓ８を出力する。
【００６６】
なお、この発振停止検出回路５７と第２のノアゲート５９とともに、図１に示したダイオード１１と第１のスイッチ３１とが初期化手段に相当しており、この実施の形態の初期起動動作を実現する構成要素となっている。
【００６７】
充放電制御回路７０は、第３のアンドゲート７４と、第３のインバータ７５と、第４のインバータ７６と、第５のインバータ７７および第４のアンドゲート７８と、第５のアンドゲート７９とから構成されている。
【００６８】
第３のアンドゲート７４は３入力のアンドゲートであって、第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６と、昇圧クロックＳ２およびマルチバイブレータ６０の出力信号Ｓ１Ｔの論理積をとって、昇圧信号Ｓ２０として出力する。
【００６９】
第３のインバータ７５は、第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６を入力して反転し、放電信号Ｓ２４として出力する。第４のインバータ７６は、昇圧クロックＳ２を入力し、その反転信号を出力する。第５のインバータ７７は、分配クロックＳ３を入力し、その反転信号を出力する。
【００７０】
第４のアンドゲート７８は４入力のアンドゲートであって、昇圧クロックＳ２の反転信号と、第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６と、マルチバイブレータ６０の出力信号Ｓ１Ｔと、分配クロックＳ３とを入力し、それらの論理積をとって、第１の分配信号Ｓ２５として出力する。
【００７１】
第５のアンドゲート７９も４入力のアンドゲートであって、昇圧クロックＳ２の反転信号と、第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６と、マルチバイブレータ６０の出力信号Ｓ１Ｔと、第５のインバータ７７の出力である分配クロックＳ３の反転信号とを入力し、それらの論理積をとって、第２の分配信号Ｓ２６として出力する。
この充放電制御回路７０は、後述するこの発明の第２の実施形態においても同様に使用する。
【００７２】
次に、上述した電子時計による発電システムとしての動作について、図３も参照しながら説明する。
図３は、発電手段１０の発電電圧Ｖ１０を初めとして、この電子時計における要部の電圧および信号の波形を示すタイミング図である。発電電圧Ｖ１０は、発電手段１０の発電端子ｇ１，ｇ２の間に発生する電位差の電圧波形を示し、説明を分かりやすくするため、負荷電流による電圧降下がない状態での開放電圧を示している。
【００７３】
以下の説明では、蓄電手段２２に蓄電された電力がほとんどないため、その端子電圧が０．６Ｖ程度となっており、負荷手段２を構成する計時手段２１と制御手段は、動作停止状態にあるものとする。
そして、この電子時計は、この動作停止状態から発電手段１０が順方向に１．０Ｖ以上発電すると始動することができるように構成されている。そこで、まずその始動動作から説明する。
【００７４】
上記停止状態から発電手段１０が順方向（発電端子ｇ１側が負極性）の発電を開始すると、制御回路５には負荷手段２を介さずにダイオード１１を通して、その発電電圧が印加される。
【００７５】
このとき、図２に示した制御手段５の発振停止検出回路５７は、入力信号が振動していないためにハイレベルの信号を出力する。したがって、第２のノアゲート５９は強制的にロウレベルの信号を出力する。これによって、第１のスイッチ信号Ｓ３１がロウレベルとなり、図１におけるスイッチ手段３の第１のスイッチ３１は、計時手段２１の停止時であってもアナログ的にオン状態になりやすいようになっている。
【００７６】
したがって、発電手段１０が順方向に発電を始めて約１．０Ｖの発電電圧が発生すると、ダイオード１１がオン状態となり、かつ第１のスイッチ３１もすぐにオン状態になる。そうするとその結果、発電手段１０の発電電圧が制御手段５および計時手段２１に印加されることによって、電力が投入され所定の動作を開始することになる。
【００７７】
計時手段２１は動作開始に伴って、計測クロックＳ１、昇圧クロックＳ２および分配クロックＳ３の出力を開始しつつ、電子時計としての計時動作を開始する。また、昇圧クロックＳ２を入力する発振停止検出回路５７も、発振開始によりロウレベルの信号を出力するようになる。なお、ひとたび制御手段５が動作を開始すれば、発振停止検出回路５７は、その後の制御手段５の動作に影響を及ぼさない。
【００７８】
一方、図２における第１のフリップフロップ回路５１の出力信号Ｓ７および第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６は、制御手段５が始動した直後はハイレベルに初期化される。
【００７９】
よって、計測クロックＳ１がハイレベルとなっている間は、図１におけるスイッチ手段３の第１のスイッチ３１および第３のスイッチ３３がオン状態となり、第２のスイッチ３２と第４のスイッチ３４はオフ状態となる。したがって、スイッチ手段３は、発電手段１０の発電端子ｇ１，ｇ２を、それぞれスイッチ手段３の出力端子ｅ１，ｅ２に順方向に接続し、入力される発電電圧をそのまま出力することとなる。
【００８０】
また、計測クロックＳ１が立ち下がるまではマルチバイブレータ６０の出力信号Ｓ１Ｔもハイレベルであるので、図２において、この出力信号Ｓ１Ｔと第２のフリップフロップ回路５２のハイレベルの出力信号Ｓ６とを入力する第３のアンドゲート７４は、昇圧クロックＳ２を昇圧信号Ｓ２０としてそのまま昇圧手段２３へ出力する。それにより昇圧手段２３が昇圧動作を行う。
【００８１】
このとき、スイッチ手段３は、発電手段１０の発電電圧をそのまま出力しているので、昇圧手段２３は発電手段１０が順方向に発電している発電電圧を少ない損失で昇圧することが可能である。
【００８２】
さらに、分配クロックＳ３がハイレベルとなっている間は、第１の分配信号Ｓ２５は昇圧クロックＳ２の反転信号を出力し、反対に分配クロックＳ３がロウレベルとなっている間は、分配クロックＳ３の反転信号を入力する第２の分配信号Ｓ２６が、昇圧クロックＳ２の反転信号を出力する。
【００８３】
これにより、図１における負荷手段２の第１の分配スイッチ２５と第２の分配スイッチ２６が交互にオンとオフになり、昇圧手段２３からの昇圧出力が計時手段２１側と蓄電手段２２側とに交互に印加され、充電と計時動作が並行して行われる。
【００８４】
一方、図２における第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６がハイレベルの間は、第３のインバータ７５により反転された放電信号Ｓ２４はロウレベルになる。したがって、図１の負荷手段２における放電スイッチ２４はオフ状態で、蓄電手段２２と計時手段２１とが切り離された状態になる。
なお、上記動作とは直接の関係はないが、蓄電手段２２は蓄電電圧が０．６Ｖ程度であるため、過充電検出手段９０は過充電検出信号Ｓ８をロウレベルになっている。
【００８５】
ここで、この電子時計の制御手段５が、発電電圧計測手段８やスイッチ出力計測手段４の計測結果を処理する場合の動作について説明する。この動作は計時手段２１からの計測クロックＳ１がロウレベルになると行われる。
【００８６】
計測クロックＳ１が立ち下がると、図２に示した制御手段５の第２のフリップフロップ回路５２は保持データがセットされ、その出力信号Ｓ６がハイレベルになるが、マルチバイブレータ６０からは、一定時間ロウレベルの出力信号Ｓ１Ｔが出力される。このため、その一定時間は昇圧信号Ｓ２０がロウレベルになり、昇圧手段２３の昇圧動作は停止する。
【００８７】
それによって、発電手段１０が負荷手段２から切り離された開放状態と同様な状態となり、発電手段１０の発電端子ｇ１，ｇ２間には、無負荷状態の正しい発電電圧が得られる。
また、放電信号Ｓ２４もロウレベルを継続する。同様に、第１の分配信号Ｓ２５と第２の分配信号Ｓ２６もロウレベルとなり、負荷手段２に含まれる３個のスイッチ２４，２５，２６はすべてオフ状態となる。
【００８８】
さらに、スイッチ手段３の第２のスイッチ３２と第３のスイッチ３３と第４のスイッチ３４はオフ状態となる。ただし、第１のスイッチ３１だけはオン状態を継続するため、発電手段１０の発電端子ｇ１，ｇ２のうち正極側の発電端子ｇ２がアースライン６に接続され、その発電端子ｇ２の電位が発電電圧計測手段８の接地電位と等しくなる。これにより、以下に説明する発電電圧計測手段８による計測動作が正しく行われ、発電手段１０の負極側の発電端子ｇ１の電圧が計測される。
【００８９】
さて、発電手段１０が順方向に１．０Ｖ以上の電圧を発生している状態では、その負極側の発電端子ｇ１の接地電位に対する電圧である発電電圧計測手段８の入力電圧は、−１．０Ｖより低い電圧になっている。このため、発電電圧計測手段８は、入力電圧を内部のしきい値である−０．２Ｖと比較し、入力電圧の方が低いため、発電電圧計測信号Ｓ５としてハイレベルの信号を出力する。
【００９０】
その後、計測クロックＳ１がハイレベルに立ち上がるが、この立上りのエッジで、第１のフリップフロップ回路５１はハイレベルの発電電圧計測信号Ｓ５を取り込むので、その出力信号Ｓ７は再びハイレベルとなる。
【００９１】
このときも、発電手段１０は順方向に１．０Ｖ以上の電圧を発生しており、さらに、計測クロックＳ１がハイレベルになると、図１におけるスイッチ手段３の第１のスイッチ３１および第３のスイッチ３３がオン状態となり、第２のスイッチ３２と第４のスイッチ３４はオフ状態になる。
【００９２】
そのため、発電手段１０の正極側の発電端子ｇ２がアースライン６に接続されたままで、スイッチ出力計測手段４の接地電位と等しくなるとともに、負極側の発電端子ｇ１がスイッチ手段３の出力端子ｅ１に接続され、スイッチ出力計測手段４には発電手段１０の発電電圧が順方向に正しく入力される。よって、スイッチ出力計測手段４の接地電位に対する入力電圧は−１．０Ｖより低い電圧となるため、スイッチ出力計測手段４は入力電圧と内部のしきい値である−０．６Ｖとを比較し、入力電圧の方が低いためスイッチ出力計測信号Ｓ４としてハイレベルの信号を出力する。
【００９３】
計測クロックＳ１が立ち上がった後８ミリ秒(m sec）が経過すると、図２におけるマルチバイブレータ６０の出力信号Ｓ１Ｔが立ち上がる。その立上りエッジで、第２のフリップフロップ回路５２がハイレベルのスイッチ出力計測信号Ｓ４を取り込み、その出力信号Ｓ６を再びハイレベルにする。
【００９４】
このように、第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６と第１のフリップフロップ回路５１の出力信号Ｓ７がともにハイレベルであれば、制御手段５はスイッチ信号Ｓ３１からＳ３４によって、スイッチ手段３の第１のスイッチ３１および第３のスイッチ３３をオン状態にし、第２のスイッチ３２と第４のスイッチ３４をオフ状態にし続ける。したがって、スイッチ手段３は発電手段１０の発電電圧をそのまま出力する状態を継続する。
【００９５】
さらに、マルチバイブレータ６０の出力信号Ｓ１Ｔがハイレベルとなると、昇圧信号Ｓ２０と、第１の分配信号Ｓ２５および第２の分配信号Ｓ２６がアクティブになり、昇圧手段２３が動作を開始し、スイッチ手段３の出力端子ｅ１，ｅ２から印加される発電電圧を昇圧して、蓄電手段２２への充電および計時手段２１への電力供給を行う。
【００９６】
次に、発電手段１０の発電電圧Ｖ１０が１．０Ｖ程度から低下して、順方向で０．４Ｖ付近となった場合について説明する。
【００９７】
前述の状態から引き続いて、計測クロックＳ１が再び立ち下がると、第１のフリップフロップ回路５１および第２のフリップフロップ回路５２が信号の取り込み準備をする。すなわち、制御手段５からの各信号により昇圧手段２３が昇圧動作を停止し、負荷手段２中の３個のスイッチ２４，２５，２６がすべてオフ状態になる。また、スイッチ手段３では第１のスイッチ３１だけがオン状態を継続するようになる。
【００９８】
そして、発電電圧計測手段８には、接地電位に対する発電手段１０の負極側の発電端子ｇ１の電圧−０．４Ｖが入力される。したがって、その入力電圧は内部のしきい値である−０．２Ｖより低いため、発電電圧計測手段８はこのときも発電電圧計測信号Ｓ５としてハイレベルの信号を出力する。
【００９９】
そして、その８ミリ秒(m sec）後に計測クロックＳ１が立ち上がると、第１のフリップフロップ回路５１がそのタイミングでハイレベルの発電電圧計測信号Ｓ５を取り込むので、その出力信号Ｓ７はハイレベルに維持される。それによって、第１のスイッチ信号Ｓ３１はローレベル、第３のスイッチ信号Ｓ３３はハイレベルになるため、スイッチ手段３における第１のスイッチ３１と第３のスイッチ３３が再びオン状態になり、発電手段１０の発電電圧を負荷手段２に対してそのまま（順方向に）印加する。
【０１００】
このとき、スイッチ出力計測手段４には発電手段１０の発電電圧が順方向に正しく印加されるが、その印加電圧は−０．４Ｖである。したがって、内部のしきい値である−０．６Ｖより高いため、スイッチ出力計測手段４はローレベルのスイッチ出力計測信号Ｓ４を出力する。
【０１０１】
さらにその８ミリ秒後に、マルチバイブレータ６０の出力信号Ｓ１Ｔが立ち上がると、このローレベルのスイッチ出力計測信号Ｓ４を第２のフリップフロップ５２が取り込むため、その出力信号Ｓ６がロウレベルに変化する。
【０１０２】
第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６がロウレベルとなると、第１のスイッチ信号Ｓ３１と第２のスイッチ信号Ｓ３２はハイレベルになり、第３のスイッチ信号Ｓ３３と第４のスイッチ信号Ｓ３４はロウレベルになる。したがって、スイッチ手段３内の４個のスイッチ３１〜３４はすべてオフ状態になる。
【０１０３】
さらに、昇圧信号Ｓ２０と第１の分配信号Ｓ２５と第２の分配信号Ｓ２６もロウレベルになるから、昇圧手段２３は昇圧動作を停止した状態になる。これにより、負荷手段２内の第１の分配スイッチ２５および第２の分配スイッチ２６はいずれもオフ状態となる。ただし、放電信号Ｓ２４は第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６を反転した信号であるからハイレベルになるので、放電スイッチ２４はオン状態になる。こうして、蓄電手段２２に蓄えた電力によって、計時手段２１と制御手段５を継続して動作させることが可能になる。
【０１０４】
次に、この電子時計の環境が変化して、発電手段１０の発電電圧が順方向の０．４Ｖ程度から逆方向の０．４Ｖ付近になった場合について説明する。
【０１０５】
この状態において、計測クロックＳ１が再び立ち下がると、第１のフリップフロップ回路５１および第２のフリップフロップ回路５２が信号の取り込み準備をする。すなわち、制御手段からの各信号によって昇圧手段２３が昇圧動作を停止し、負荷手段２に設けられた３個のスイッチ２４，２５，２６はすべてオフ状態となる。
【０１０６】
また、スイッチ手段３においては、第１のスイッチ３１だけがオン状態を継続するので、発電手段１０の負極側の発電端子ｇ１の接地電位に対する電圧である＋０．４Ｖが発電電圧計測手段８に入力される。この入力電圧は発電電圧計測手段８の内部のしきい値である−０．２Ｖより高いため、発電電圧計測手段８は発電電圧計測信号Ｓ５としてローレベルの信号を出力する。なお。発電電圧計測手段８は、入力電圧が接地電位より高いときは接地電位として検知する。
【０１０７】
その８ミリ秒後に計測クロックＳ１が立ち上がるが、そのタイミングで第１のフリップフロップ回路５１がローレベルの発電電圧計測信号Ｓ５を取り込み、その出力信号Ｓ７をロウレベルにする。これにより、第１のスイッチ信号Ｓ３１と第４のスイッチ信号Ｓ３４がハイレベル、第２のスイッチ信号Ｓ３２と第３のスイッチ信号Ｓ３３がローレベルになり、スイッチ手段３において、第２のスイッチ３２と第４のスイッチ３４がオン状態となり、第１のスイッチ３１と第３のスイッチ３３はオフ状態になる。
【０１０８】
したがって、制御手段５によって、発電手段１０の一対の発電端子ｇ１，ｇ２とスイッチ手段３の一対の出力端子ｅ１，ｅ２との接続関係が逆転するように、すなわち発電端子ｇ１と出力端子ｅ２が、発電端子ｇ２と出力端子ｅ１がそれぞれ接続されるようにスイッチ手段３が制御される。これによって、スイッチ手段３は発電手段１０の発電電圧をその極性を反転して出力し、負荷手段２へそれまでと同じ正常な極性の電圧を印加することになる。
【０１０９】
このとき、スイッチ出力計測手段４には発電手段１０の発電電圧がその正常な極性で印加される。しかし、その接地電位に対する電圧は−０．４Ｖであるので、スイッチ出力計測手段４は、その内部のしきい値である−０．６Ｖより高いため、スイッチ出力計測手段４はローレベルのスイッチ出力計測信号Ｓ４を出力する。
【０１１０】
さらにその８ミリ秒後に、マルチバイブレータ６０の出力信号Ｓ１Ｔが立ち上がると、このロウレベルのスイッチ出力計測信号Ｓ４を第２のフリップフロップ回路５２が取り込み、その出力信号Ｓ６はロウレベルを維持する。
【０１１１】
第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６がロウレベルであると、第１のスイッチ信号Ｓ３１と第２のスイッチ信号Ｓ３２はハイレベルとなる。また、第３のスイッチ信号Ｓ３３と第４のスイッチ信号Ｓ３４はロウレベルとなり、スイッチ手段３内の４個のスイッチ３１〜３４は再びすべてオフ状態になる。
【０１１２】
さらに、昇圧信号Ｓ２０と第１の分配信号Ｓ２５と第２の分配信号Ｓ２６もロウレベルになるため、昇圧手段２３は昇圧動作を停止した状態になり、第１の分配スイッチ２５および第２の分配スイッチ２６はオフ状態になる。ただし、放電信号Ｓ２４は第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６を反転した信号を入力するためハイレベルになり、放電スイッチ２４はオン状態になる。したがって、蓄電手段２２に蓄えた電力で計時手段２１および制御手段５を継続して動作することができる状態になる。
【０１１３】
次に、この電子時計を取り巻く環境がさらに変化して、発電手段１０の発電電圧が上記の状態から逆方向の１．０Ｖ付近になった場合について説明する。
【０１１４】
このとき、計測クロックＳ１が再び立ち下がり、第１のフリップフロップ回路５１と第２のフリップフロップ回路５２が信号を取り込む準備をする。すなわち制御手段５からの各信号により、昇圧手段２３が昇圧動作を停止し、負荷手段２中の３個のスイッチ２４，２５，２６がすべてオフ状態になる。
【０１１５】
また、スイッチ手段３においては、第１のスイッチ３１だけがオン状態を継続するので、発電電圧計測手段８には発電手段１０の負極側の発電端子ｇ１から接地電位に対して＋１．０Ｖの電圧が入力される。したがって、発電電圧計測手段８は、その入力電圧が内部のしきい値である−０．２Ｖより高いので、ロウレベルの発電電圧計測信号Ｓ５を出力する。
【０１１６】
その８ミリ秒後に計測クロックＳ１が立ち上がると、そのタイミングで第１のフリップフロップ回路５１がロウレベルの発電電圧計測信号Ｓ５を取り込み、その出力信号Ｓ７をロウレベルにする。これにより、スイッチ手段３においては、第２のスイッチ３２と第４のスイッチ３４がオン状態となり、第１のスイッチ３１および第３のスイッチ３３はオフ状態となる。これにより、スイッチ手段３は発電手段１０の発電電圧を極性を反転させて出力し、正常な極性の電圧を負荷手段２に印加する。
【０１１７】
よって、スイッチ出力計測手段４には、発電手段１０の発電電圧が極性を反転されて入力されるが、その接地電位に対する電圧は−１．０Ｖになっているのでその入力電圧が内部のしきい値−０．６Ｖより低いため、ハイレベルのスイッチ出力計測信号Ｓ４を出力する。
【０１１８】
さらにその８ミリ秒後に、マルチバイブレータ６０の出力信号Ｓ１Ｔが立ち上がると、このハイレベルのスイッチ出力計測信号Ｓ４を第２のフリップフロップ回路５２が取り込み、その出力信号Ｓ６をハイレベルに維持する。
【０１１９】
第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６がハイレベルであると、第１のスイッチ信号Ｓ３１と第４のスイッチ信号Ｓ３４はハイレベルとなり、また第２のスイッチ信号Ｓ３２と第３のスイッチ信号Ｓ３３はロウレベルとなる。その結果、スイッチ手段３では、第２のスイッチ３２と第４のスイッチ３４だけがオン状態になり、スイッチ手段３は前述の逆接続状態を継続する。
【０１２０】
また、昇圧信号Ｓ２０と第１の分配信号Ｓ２５と第２の分配信号Ｓ２６がアクティブとなり、昇圧手段２３は昇圧動作を行って、その昇圧した電圧を蓄電手段２２に充電するか又は計時手段２１および制御手段５に印加する。ただし、第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６を反転した放電信号Ｓ２４は、ロウレベルになるので、放電スイッチ２４はオフ状態になり、蓄電手段２２に蓄電された電力は放出されなくなる。
【０１２１】
次に、蓄電手段２２への充電が進んで蓄電手段２２が過充電状態になった場合について説明する。
【０１２２】
上述のようにして、発電手段１０の発電電圧を昇圧して蓄電手段２２を充電していくと、やがて蓄電手段２２の端子間電圧が上昇して、２．０Ｖを越えた状態になる。この状態では、蓄電手段２２の接地電位に対する負極端子の電圧は−２．０Ｖより低くなっているので、図２に示すように蓄電手段２２の負極端子に接続している過充電検出手段９０は、この電圧を入力してロウレベルであった過充電検出信号Ｓ８をハイレベルにする。
【０１２３】
そして、過充電検出信号Ｓ８がハイレベルとなると、これを入力する第１のノアゲート５８と第２のノアゲート５９は、他の入力信号に関係なくロウレベルの信号を出力する。すなわち、第１のスイッチ信号Ｓ３１と第２のスイッチ信号Ｓ３２がロウレベルになるため、スイッチ手段３における第１のスイッチ３１と第２のスイッチ３２が共にオン状態になる。したがって、この第１のスイッチ３１と第２のスイッチ３２により、発電手段１０の一対の発電端子ｇ１，ｇ２間が短絡される。
【０１２４】
その後に、第２のフリップフロップ５２がスイッチ出力計測信号Ｓ４を取り込む際には、スイッチ出力計測手段４の入力電圧がほぼ０Ｖになっているので、スイッチ出力計測信号Ｓ４はロウレベルとなり、当然ながら第２のフリップフロップ回路５２がこれを取り込めば、その出力信号Ｓ６はロウレベルになる。
【０１２５】
このため、昇圧信号Ｓ２０は、ロウレベルとなって昇圧手段２３の昇圧動作も停止する。したがって、蓄電手段２２への充電も停止するため、蓄電手段２２の過充電を防止することができる。
【０１２６】
さて、これまでの動作説明より明らかであるが、この電子時計では、発電手段１０からひとたび充分な発電電圧が得られれば、全体の動作が停止した状態からでも正しく負荷手段２を始動させることができる。
また、発電電圧が順方向であるときは、スイッチ手段３を順方向の接続状態にし、発電電圧が逆方向であるとき、又は順方向に微小であるときは、発電手段１０の発電電極ｇ１，ｇ２とスイッチ手段３の出力端子ｅ１，ｅ２の接続関係を切り換えるように制御手段５が各スイッチ３１〜３４を制御する。
【０１２７】
そして、発電手段１０の発電電圧を、スイッチ手段３によって常に所定の極性にして、その電圧が負荷手段２で利用可能なレベルにあるときだけ昇圧手段２３を動作させ、発電電力を負荷手段２の駆動に利用できるようにしている。
【０１２８】
［第２の実施の形態：図４から図６］
次に、この発明による発電システムの第２の実施形態について図４乃至図６によって説明する。
図４は、この発明による発電システムの第２の実施形態である電子時計の構成を示すブロック回路図である。図５はその制御手段の具体的な回路構成を示す回路図、図６はその電子時計の動作を説明するための要部の電圧および信号の波形を示すタイミング図である。
【０１２９】
まず、図４を用いてこの実施形態の電子時計のシステム構成について説明する。
この電子時計は、前述した第１の実施形態の電子時計とほとんど同じ構成を有しているが、スイッチ手段１３および制御手段１５の構成が第１の実施形態のスイッチ手段３および制御手段５と異なっており、第１の実施形態における発電電圧計測手段８を省略している。
【０１３０】
なお、負荷手段２の計時手段２１も、その出力信号として第１の実施形態と同様な計測クロックＳ１（周期が若干異なる），昇圧クロッＳ２，および分配クロックＳ３に加えて、計測禁止クロックＳ９を出力する点で第１の実施形態の計時手段２１と若干相違するが、負荷手段と計時手段には説明の便宜上第１図と同じ符号を付している。
以下での説明ではこれらの相違点を中心に説明し、第１の実施形態と同じ部分についてはその説明を省略ないし簡略化する。
【０１３１】
図４に示すスイッチ手段１３は、図１に示したスイッチ手段３と同様に、一対の出力端子ｅ１，ｅ２と発電手段１０の一対の発電端子ｇ１，ｇ２にそれぞれ接続された一対の入力端子ｉ１，ｉ２との間に、それぞれスイッチング素子であるＦＥＴからなる第１から第４のスイッチ３１〜３４を接続しているが、さらに、その出力端子ｅ１，ｅ２間にショットキバリアダイオードによる短絡手段３５が出力端子ｅ１からｅ２の方向に順方向になるように接続されている。
【０１３２】
この短絡手段３５は、スイッチ手段１３の出力端子ｅ１，ｅ２間に、負荷手段２への供給方向と逆方向の電圧（この例では接地電位に対してプラスの電圧）が出力されたとき、その電圧成分を短絡するために設けたものである。
【０１３３】
計時手段２１は、第１の実施の形態の計時手段２１と若干異なり、計測禁止クロックＳ９を発生するように構成されている。計測禁止クロックＳ９は、２秒周期で１６ミリ秒(m sec）間ロウレベルとなる波形の信号であって、計測クロックＳ１の立ち下がるタイミングの８ミリ秒前に立ち下がるような波形の信号である。
そして、この計測禁止クロックＳ９は、計測クロックＳ１，昇圧クロッＳ２，および分配クロックＳ３と同様に制御手段１５に入力される。なお、この計測禁止クロックＳ９の波形を生成する回路についての説明は省略する。
【０１３４】
また、この実施形態では、スイッチ出力計測手段４の計測処理のタイミングが第１の実施形態での計測処理タイミングと若干異なるため、計測クロックＳ１を１６Ｈｚ（周期６２．５ミリ秒）でロウレベルになる時間が８ミリ秒となるようにしている。なお、この計測処理についても後に詳述する。
【０１３５】
また、この第２の実施形態では、第１の実施形態では設けた発電電圧計測手段８を設けていないため、この実施形態における制御手段１５は、発電電圧計測信号Ｓ５が入力されない構成になっている。
【０１３６】
次に、その制御手段１５の構成を図５によって説明する。
この制御手段１５は、アンドゲート６１および６６と、オアゲート６２および６９と、フリップフロップ回路６３および６７と、ディレイバッファ６４と、インバータ６５および６８と、充放電制御回路７０とから構成されている。
【０１３７】
アンドゲート６１は２入力のアンドゲートであって、オアゲート６２の出力とオアゲート６９の出力とが入力され、出力端子から計測信号Ｓ１０を出力する。
オアゲート６２は２入力のオアゲートであって、計時手段２１から出力される計測クロックＳ１と計測禁止クロックＳ９とを入力し、その出力をアンドゲート６１の一方の入力にする。オアゲート６９も２入力のオアゲートであって、計測クロックＳ１と、フリップフロップ回路６３の出力信号Ｓ４Ｌとを入力し、その出力をアンドゲート６１の他方の入力にする。
【０１３８】
フリップフロップ回路６３は、入力クロックの立ち上がり時にデータ入力の値を保持して出力するデータタイプのフリップフロップ回路であり、入力クロックとしては、計測信号Ｓ１０が入力され、データ入力としてスイッチ出力計測信号Ｓ４が入力される。
【０１３９】
なお、この第２の実施形態で使用するフリップフロップ回路についても、説明の単純化のために、すべて電源投入時に保持データがセットされるような構成であるものとする。
ディレイバッファ６４は、フリップフロップ回路６３とインバータ６５の応答時間の和程度の伝達遅れを有しており、計測信号Ｓ１０を遅らせた（たとえば約５０マイクロ秒ほど）信号を、遅延信号Ｓ１０Ｄとして出力する。この遅延信号Ｓ１０Ｄはアンドゲート６６の一方の入力端子と充放電制御回路７０に入力される。
【０１４０】
インバータ６５は、フリップフロップ回路６３の出力信号を反転し、それをアンドゲート６６の一方の入力端子に入力させる。アンドゲート６６は、インバータ６５の出力信号と遅延信号Ｓ１０Ｄとを入力してその論理積を出力する。
【０１４１】
フリップフロップ回路６７は、入力クロックの立ち上がり毎に保持しているデータの値を反転して出力するトグルタイプのフリップフロップ回路であり、アンドゲート６６の出力信号を入力クロックとして入力している。そして、このフリップフロップ回路６７は、出力信号を第３のスイッチ信号Ｓ３３および第２のスイッチ信号Ｓ３２として出力する。
【０１４２】
このフリップフロップ回路６７はトグルタイプであるため、スイッチ手段１３のスイッチ動作は、フリップフロップ回路６７が出力をハイレベルに保持するときは、入出力端子間を順方向に接続するように制御され、逆にフリップフロップ回路６７が出力をロウレベルに保持するときは、入出力端子間を逆方向に接続するように制御される。
【０１４３】
インバータ６８は、フリップフロップ回路６７から出力される第２のスイッチ信号Ｓ３２および第３のスイッチ信号Ｓ３３を反転して、第１のスイッチ信号Ｓ３１および第４のスイッチ信号Ｓ３４として出力する。
【０１４４】
充放電制御回路７０は、第１の実施の形態における図２に示した充放電制御回路７０と同じ構成であり、昇圧クロックＳ２および分配クロックＳ３を入力して昇圧信号Ｓ２０、放電信号Ｓ２４、第１の分配信号Ｓ２５および第２の分配信号Ｓ２６を負荷手段２へ出力する。
【０１４５】
なお、この第２の実施形態においては、第１の実施の形態で充放電制御回路７０へ入力していた第２のフリップフロップ回路５２の出力信号Ｓ６の代わりにフリップフロップ回路６３の出力信号Ｓ４Ｌを入力し、マルチバイブレータ６０の出力信号Ｓ１Ｔの代わりに遅延信号Ｓ１０Ｄを入力している。
【０１４６】
次に、図４から図６を用いてこの第２の実施形態の発電システムとしての動作について説明する。
図６に示す発電電圧Ｖ１０は、発電手段１０の発電端子ｇ１，ｇ２間の電位差を電圧波形として示したもので、説明を分かりやすくするため、この発電電圧Ｖ１０は、負荷電流による電圧降下のない状態での開放電圧を示している。
【０１４７】
この発電システムである電子時計においては、説明の簡単のため、蓄電手段２２には計時手段２１および制御手段１５が動作するのに充分な電力が蓄えられており、かつ充電可能な容量も充分大きいことを前提としている。このため、第１の実施の形態で示したような過充電防止の機能や、発電システムの動作停止時から起動動作を実現するための機能を有しておらず、蓄電手段２２の端子電圧は、１．２Ｖの一定値であることを想定している。
【０１４８】
まず、発電手段１０が順方向に１．０Ｖ以上の電圧で発電している場合の動作について説明する。
この場合、この電子時計における計時手段２１および制御手段１５には必要な電力が供給されているので、計測クロックＳ１、分配クロックＳ２、昇圧クロックＳ３および計測禁止クロックＳ９は、所定の波形となって計時手段２１より出力されている。
【０１４９】
そして、説明の都合上、図５に示したフリップフロップ回路６３の出力信号Ｓ４Ｌはハイレベルであり、かつ、フリップフロップ回路６７も出力信号をハイレベルに保持しているものとする。このフリップフロップ回路６７が出力信号をハイレベルにしていれば、第２，第３のスイッチ信号Ｓ３２，Ｓ３３がハイレベルで、Ｓ３１，Ｓ３４がローレベルになるため、スイッチ手段１３は入出力端子間を順方向に接続する状態になっている。
【０１５０】
このとき、スイッチ出力計測手段４は、発電手段１０の順方向の発電電圧を入力するため、ハイレベルのスイッチ出力計測信号Ｓ４を出力している。
また、フリップフロップ回路６３の出力信号Ｓ４Ｌがハイレベルであれば、オアゲート６９が常にハイレベルの信号を出力する。
【０１５１】
さらに、オアゲート６２が計測クロックＳ１と計測禁止クロックＳ９との論理和の信号を出力するので、アンドゲート６１はその論理和の信号をそのまま計測信号Ｓ１０として出力する。このときの計測信号Ｓ１０は、計測クロックＳ１の本来の６２．５ミリ秒の周期を、計測禁止クロックＳ９の周期である２秒周期に変更した波形の信号となる。
【０１５２】
これによって、スイッチ出力計測手段４による計測動作の周期が変更され、フリップフロップ回路６３はスイッチ出力計測信号Ｓ４を２秒周期で取り込むことになる。ここでは発電手段１０が１．０Ｖ以上の電圧で発電しているので、フリップフロップ回路６３はハイレベルとなっているスイッチ出力計測信号Ｓ４をとりこみ、ハイレベルの出力信号Ｓ４Ｌを継続して出力する。
【０１５３】
このとき、アンドゲート６６は、フリップフロップ回路６３のハイレベルの出力信号Ｓ４Ｌの反転信号を入力しているので、出力信号はロウレベルのままとなる。したがって、その後のフリップフロップ回路６７の信号には変化がないため、スイッチ手段１３は入出力端子間を順方向に接続する状態を維持する。
【０１５４】
なお、この間は充放電制御回路７０において、ハイレベルで入力されるフリップフロップ回路６３の出力信号Ｓ４Ｌを反転して放電信号Ｓ２４がロウレベルにするので、図４に示す放電スイッチ２４はオフ状態になる。一方、昇圧信号Ｓ２０はアクティブとなり、昇圧手段２３の昇圧動作は継続される。
【０１５５】
次に、この電子時計の環境が変化して、発電手段１０の発電電圧が順方向に０．４Ｖ程度になった場合について説明する。
【０１５６】
これまでの動作では、スイッチ手段１３は入出力端子間を順方向に接続する状態になっているが、この状態で発電手段１０の発電電圧が順方向に０．４Ｖ程度になると、スイッチ出力計測手段４には接地電位に対して−０．４Ｖの電圧が入力される。このため、これを閾値（threshold)である−０．６Ｖと比較し、入力電圧がそれ以上の電圧であるので、ロウレベルのスイッチ出力計測信号Ｓ４が出力される。
【０１５７】
また、これまでは、図５におけるフリップフロップ回路６３の出力信号Ｓ４Ｌはハイレベルであったので、計測信号Ｓ１０は２秒おきにアクティブになったが、このときフリップフロップ回路６３がロウレベルのスイッチ出力計測信号Ｓ４を取り込むと、その出力信号Ｓ４Ｌがロウレベルに変化する。
【０１５８】
すると、インバータ６５の出力信号がハイレベルに変化し、このハイレベルになったインバータ６５の出力信号と、計測信号Ｓ１０よりも立ち上がりが遅れて現れる遅延信号Ｓ１０Ｄとを入力するアンドゲート６６は、遅延信号Ｓ１０Ｄの立上りを受けて出力信号をロウレベルからハイレベルに変化させる。
【０１５９】
これによって、フリップフロップ回路６７はこのアンドゲート６６の出力信号の立ち上がりで、ハイレベルであった出力信号をロウレベルに反転する。これにより、第１から第４のスイッチ信号Ｓ３１〜Ｓ３４のレベルがすべて反転するため、図４におけるスイッチ手段１３は第２，第４のスイッチ３２，３４がオンになり、第１，第３のスイッチＳ３１，Ｓ３２はオフになって、入出力端子間を逆方向に接続する状態になる。したがって、発電手段１０の発電電圧の極性がスイッチ手段１３によって反転されて出力される。
【０１６０】
なお、放電信号Ｓ２４はフリップフロップ回路６３の出力信号Ｓ４Ｌを受けてハイレベルになり、放電スイッチ２４はオン状態となる。したがって、計時手段２１は放電スイッチ２４を介して、蓄電手段２２から電力の供給を受けて安定して駆動されることになる。一方、昇圧信号Ｓ２０はロウレベルとなるから、昇圧手段２３の昇圧動作は停止する。
【０１６１】
次に、発電手段１０の発電電圧が絶対値で０．６Ｖ未満になった場合について説明する。
このような環境の場合、スイッチ手段１３がどのような順方向または逆方向のいずれの接続状態になっていても、スイッチ出力計測手段４に接地電位に対して−０．６Ｖを下回る電位が入力されることはない。したがって、発電電圧が絶対値で０．６Ｖ未満である間は、スイッチ出力計測信号Ｓ４はロウレベルのまま出力される。
【０１６２】
また、これまでフリップフロップ回路６３の出力信号Ｓ４Ｌはロウレベルとなっているが、この間はオアゲート６９およびアンドゲート６１は計測クロックＳ１をそのまま出力するので、計測信号Ｓ１０は６２．５ミリ秒周期で高速にアクティブとなる。そして、この周期でフリップフロップ回路６３がスイッチ出力計測信号Ｓ４を取り込むが、スイッチ出力計測信号Ｓ４がロウレベルである間は、フリップフロップ６３は出力信号Ｓ４Ｌをロウレベルに維持する。
【０１６３】
このとき、アンドゲート６６は計測信号Ｓ１０を遅らせた遅延信号Ｓ１０Ｄをそのまま出力するので、フリップフロップ回路６７は６２．５ミリ秒周期で出力信号のトグル動作を繰り返す。それによって、スイッチ手段１３は、その入出力端子間を順方向に接続する状態と逆方向に接続する状態とを交互に繰り返すことになる。
【０１６４】
このように、発電手段１０の発電電圧が順方向あるいは逆方向のいずれの方向にも不十分な電圧であるときには、スイッチ手段１３は６２．５ミリ秒周期で接続状態を切り換え、出力電圧の極性を反転させるので、スイッチ出力計測手段４により発電手段１０が発電を開始する極性をすばやく判別できる。なお、この間は放電スイッチ２４はオン状態を継続し、昇圧信号Ｓ２０はロウレベルになり、昇圧手段２３の昇圧動作は停止したままになる。
【０１６５】
ここで、スイッチ手段１３は、入出力端子間の接続方向を順方向と逆方向に切り換えているが、この実施形態では、そのスイッチ手段１３の出力端子ｅ１，ｅ２間に短絡手段３５を備えており、出力端子ｅ１，ｅ２間に負荷への給電方向と逆方向の電圧成分が生じたときには短絡手段３５が出力端子ｅ１，ｅ２間を短絡する。したがって、発電手段１０の発電電圧がどのような値であっても、負荷手段２側に接地電位を越える逆方向電圧が印加されることはなく、負荷手段２を含む集積回路を破損などから保護することができる。
【０１６６】
次に、発電手段１０の発電電圧が１．０Ｖで逆方向に発電した場合について説明する。
上記の過程では、スイッチ手段１３は入出力端子間を順方向または逆方向に接続する状態になるが、スイッチ手段１３が逆方向の接続状態であるときに発電手段１０が逆方向に１．０Ｖの電圧を出力していると、スイッチ手段１３によってその電圧の極性が逆転されて出力され、接地電位に対して−１．０Ｖの電圧がスイッチ出力計測手段４に入力するので、スイッチ出力計測信号Ｓ４はロウレベルからハイレベルに変化する。そして、図５におけるフリップフロップ回路６３がこのハイレベルのスイッチ出力計測信号Ｓ４を取り込んで、その出力信号Ｓ４Ｌをハイレベルにする。
【０１６７】
フリップフロップ回路６３の出力信号Ｓ４Ｌがハイレベルになると、アンドゲート６６の出力信号はロウレベルになり、フリップフロップ６７のトグル動作は停止する。この結果、スイッチ手段１３は入出力端子間を逆方向に接続する状態を継続するので、逆方向に発電した発電電圧の極性を順方向に反転して、負荷手段２へ出力する。したがって、この逆方向の発電電圧による電力も負荷手段２で有効に利用することができ、昇圧手段２３によって昇圧して蓄電手段２２に充電したり、計時手段２１および制御手段１５の動作に使用することができる。
【０１６８】
これまでの動作説明より明らかであるが、この実施形態においては、発電手段１０による発電電圧が順方向で充分な電圧であるときは、スイッチ手段１３を順方向の接続状態にし、反対に発電電圧が逆方向で充分な電圧であるときは、スイッチ手段１３を逆方向の接続状態にして、発電電圧をその極性を反転させて出力する。そして、このときも昇圧手段２３を動作させることによって、その電力を負荷手段の駆動に利用するようにしている。
【０１６９】
さらに、発電手段１０の発電電圧が順方向あるいは逆方向のいずれにも微小であるときは、スイッチ手段１３の接続状態を順方向と逆方向に交互に切り換えて発電手段１０が充分に発電を開始する極性を判定し続けるようにしており、第１の実施形態で設けた発電電圧計測手段８を省略している。
【０１７０】
以上説明した第１，第２の実施形態は、この発明による発電システムを電子時計に適用した例について説明したが、この発明による発電システムはこれに限るものではなく、各種携帯機器や小型電子機器などの電源システムとしても同様に適用できることは勿論である。
【０１７１】
また、この発電システムに使用する発電手段は、熱電発電装置の場合に発電電圧の極性の反転が生じやすいので、主にそれを想定して説明したが、それ以外の発電手段であっても、使用環境等によって発電極性が変わる発電装置を使用する場合には、すべて有効である。
【０１７２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明の発電システムによれば、発電電圧の極性が順方向あるいは逆方向へ変化するような発電手段を備えた発電システムであっても、その発電電圧の極性変化に応じて、スイッチ手段の接続状態を切り換えることによって、出力電圧の極性を負荷手段で必要とする所定の状態に極めて低損失で変換することができる。
【０１７３】
したがって、従来の全波整流器を用いた発電システムでは効率良く利用することができなかった、熱電発電装置のような発電手段による両方向の発電電圧成分を高効率で利用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による発電システムの第１の実施形態である電子時計の構成を示すブロック回路図である。
【図２】図１における制御手段の具体的な回路構成を示す回路図である。
【図３】図１における電子時計の動作を説明するための各部の電圧および信号の波形を示すタイミング図である。
【図４】この発明による発電システムの第２の実施形態である電子時計の構成を示すブロック回路図である。
【図５】図４における制御手段の具体的な回路構成を示す回路図である。
【図６】図４における電子時計の動作を説明するための各部の電圧および信号の波形を示すタイミング図である。
【図７】従来の発電システムの一例である電子時計の構成を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
２：負荷手段 ３，１３：スイッチ手段
４：スイッチ出力計測手段 ５，１５：制御手段
６：アースライン ８：発電電圧計測手段
１０：発電手段 １１：ダイオード
２１：計時手段 ２２：蓄電手段
２３：昇圧手段 ２４：放電スイッチ
２５：第１の分配スイッチ ２６：第２の分配スイッチ
３１：第１のスイッチ ３２：第２のスイッチ
３３：第３のスイッチ ３４：第４のスイッチ
５７：発振停止検出回路 ７０：充放電制御回路

Claims (10)

1. 外部からのエネルギを電気エネルギに変換して発電電圧を出力する発電手段と、
   複数のスイッチング素子からなり、前記発電手段の発電電圧を出力する一対の発電端子へそれぞれ接続可能な一対の出力端子を有するスイッチ手段と、
   該スイッチ手段の出力電圧を計測するスイッチ出力計測手段、または前記発電手段の発電電圧を計測する発電電圧計測手段と前記スイッチ出力計測手段との両方の計測手段と、
   前記スイッチ手段の前記一対の出力端子に接続され、該スイッチ手段の出力電圧が印加されてその電力により動作する負荷手段と、
   前記スイッチ出力計測手段の計測結果または前記発電電圧計測手段と前記スイッチ出力計測手段との両方の計測結果に応じて、前記スイッチ手段の複数のスイッチング素子を制御して、前記発電手段の前記一対の発電端子と前記スイッチ手段の前記一対の出力端子との接続関係を逆転させることを含む制御をする制御手段と
   を備えたことを特徴とする発電システム。
2. 前記スイッチ出力計測手段または前記発電電圧計測手段と前記スイッチ出力計測手段との両方の計測手段が、その計測動作を所定の周期で間欠的に行なうことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記制御手段が、前記スイッチ出力計測手段または前記発電電圧計測手段と前記スイッチ出力計測手段との両方の計測手段の計測動作時に、前記発電手段と前記負荷手段とを切り離すかあるいは前記負荷手段が低負荷状態となるように、前記スイッチ手段を制御する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
4. 前記制御手段が、前記負荷手段が前記発電手段による電力供給を不要とするときは、前記発電手段の前記一対の発電端子間を短絡するように前記スイッチ手段を制御する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
5. 前記制御手段が動作停止状態にあるときおよび該動作停止状態から前記発電手段が発電を開始するときには、前記発電手段の発電電圧を前記負荷手段を介さずに前記制御手段に印加する初期化手段を有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
6. 前記スイッチ手段の前記一対の出力端子間に、前記負荷手段への給電方向と逆方向の電圧成分を短絡する短絡手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
7. 前記制御手段が、前記スイッチ出力計測手段によって計測された前記スイッチ手段の出力電圧が所定の値を下回っているときに、該スイッチ手段が前記発電手段の発電電圧の極性を反転して前記負荷手段に印加するように、前記発電手段の前記一対の発電端子と前記スイッチ手段の前記一対の出力端子との接続関係を制御するか、または前記発電手段と前記負荷手段とを切り離すように前記スイッチ手段を制御する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
8. 前記制御手段が、前記スイッチ出力計測手段または前記発電電圧計測手段と前記スイッチ出力計測手段との両方の計測手段の計測動作時には、前記発電手段の前記一対の発電端子の一方の電位を前記スイッチ出力計測手段または前記発電電圧計測手段の接地電位と等しくし、他方の発電端子の電圧を前記発電電圧計測手段と前記スイッチ出力計測手段との一方もしくは両方の計測手段が計測するように、前記スイッチ手段を制御する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
9. 前記制御手段が、前記スイッチ出力計測手段の計測結果により、該スイッチ出力計測手段の前記計測動作の周期を変えるように制御する手段を有することを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
10. 前記制御手段が、前記発電電圧計測手段によって計測された前記発電手段の発電電圧が所定の値以上のときと、該所定の値を下回るときとで、前記発電手段の前記一対の発電端子と前記スイッチ手段の前記一対の出力端子との接続関係を逆転するように、前記スイッチ手段を制御する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。

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