JP4652491B2 - 光電源で給電される電気装置、特に時計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電圧変換によって作動する電源と、蓄電池と、電源と蓄電池の間に接続された昇圧器とを含む給電装置を備えた自律型小電力消費電気装置に関する。
【０００２】
さらに正確に言えば、本発明は、特に腕時計または目覚まし時計等の時計、電卓、小型ラジオ、赤外線または無線リモコン、コードレス電話、ＧＰＳ受信機等の小電力消費装置、及び光電源によって充電され続ける蓄電池を含む自律型電源を備えたほぼすべての装置の、光電池を使用した電源による電源装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
これらの小電力消費装置に給電するために現在使用されている光電源または電池は、半導体でも光化学形式であっても、一般的に各素子で約０．３ないし０．５Ｖの電圧を供給する。さらに、電子回路が必要とする供給電圧は１Ｖ以下であることはあり得ないので、一般的にこれらの電池の幾つかを直列に接続して、そのような回路の電源を確保する。
【０００４】
美的理由、空間要件及び価格等の理由（時計技術で特に重要な基準）から、１つの光電池で装置に十分に給電できるようにする構造的解決策が現在求められている。
【０００５】
このため、１つの光電池によって供給できる低電圧と、上記形式の装置を作動させるために必要な現在の集積回路の電圧必要量とが理論的に両立できないことがわかるであろう。
【０００６】
この非両立性を解決するため、本出願の出願人は、例えばチョッパ増幅器形式の昇圧器を介して１つの光電池から蓄電池に充電する回路を設けることをすでに提案している（１９９７年２月１７日の特許出願第ＰＣＴ／ＣＨ９７／０００５２号を参照されたい）。
【０００７】
蓄電池は現在市販されているいずれの形式でもよく、例えば化学式蓄電池、好ましくはリチウムイオン蓄電池や、電気化学コンデンサ、特に「スーパーキャパシター」または「スーパーキャップ」と呼ばれるものがある。
【０００８】
上記書類に記載されている回路は、わずかに０．３Ｖないし０．５Ｖの電圧を供給する１つの太陽電池で作動することができる一方、使用する電気回路に十分な電圧で蓄電池を充電し続けることができる。
【０００９】
光電池、蓄電池及び昇圧器を備えたセットで給電される装置に生じる特別な問題は、装置が長時間にわたってまったくの暗闇に置かれているかもしれないことである。例えば時計がそうであるように装置が暗闇で作動し続けると、蓄電池の電荷が再生されることなく消費されるため、蓄電池の残留電荷が必要電圧を供給できないほど低くなり、ある時点で装置が作動を停止するであろう。
【００１０】
しかし、この蓄電池の残留電荷も自己放電によって失われるため、暗闇の期間が続くと、蓄電池の電圧がゼロに達するであろう。
【００１１】
ユーザがその後に装置を暗闇から取り出した場合、電池は再びエネルギを、せいぜい０．５Ｖのそれ自身の電圧で供給する。装置の作動に重要な部材、特に昇圧器を制御するために必要な部材は、そのような供給電圧では作動できないので、装置は始動することができず、捨てられないにしても、少なくとも蓄電池を外部充電器で充電するために修理屋へ送らなければならない。
【００１２】
この問題点を解決するため、上記特許出願は、装置のエネルギ消費回路を遮断して、蓄電池が常にその電荷の１０％ないし２０％の最低量を保持するようにすることを提案している。この方法では、装置を暗闇から取り出すと、蓄電池内に保存されていたエネルギで問題なく始動し、蓄電池には通常作動中に光電池で再充電することができる。
【００１３】
しかし、装置が非常に長い時間にわたって暗闇に置かれているとすると、蓄電池の電荷の１０％ないし２０％でも最終的に自己放電で失われてしまうであろう。そのため、蓄電池の電圧がいずれにしても装置限界作動値よりも低くなる瞬間が訪れるため、上記特許書類に記載されている解決法で、装置の始動に関するあらゆる場合に対処できるわけではない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、機能を果たすために必要な部品の最低作動電圧よりも低い電圧を供給する光電源を使用するにもかかわらず、あらゆる状況において始動することができる上記形式の電気装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、光電圧変換によって作動する電源と、蓄電池と、電源と蓄電池の間に接続されて前記蓄電池を充電する昇圧器とを含む給電装置を備えた自律型小電力消費電気装置である。この装置の電源が供給する電圧は、装置がその機能を果たすために少なくともその一定の主要部品を作動させるには不十分である。また、この装置の昇圧器は、それに接続された第１パルス発生器から送られる所定周波数のパルス信号によって制御されるようになっている。本発明は、その第１パルス信号発生器が、光電源によって供給される電圧以下の電圧で作動するように構成された発振器を備えていることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
これらの特徴の結果、光電源がその供給電圧を発生することができる十分な強さの光がある環境に装置が置かれると直ちに、昇圧器を制御するために必要な発振器が作動するため、蓄電池が完全に放電している時でも、本装置は始動することができる。
【００１７】
本発明の他の特徴及び利点は、例として挙げただけである、添付の図面を参照しながら行う以下の説明から明らかになるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
単一図面に示されている実施形態によれば、本発明は時計ＰＨに適用されている。これは本発明の適用例に過ぎず、本発明を利用できる小電力消費電気装置は、蓄電池を充電する光電源によって自律作動しなければならない他のいずれの装置であってもよい。
【００１９】
時計ＰＨは、従来通りに、図面の一点鎖線の矩形で全体を示した刻時回路１を備えている。従来通りに、本回路は、好ましくは３２７６８Ｈｚの水晶発振器２と、ここでは例えば１Ｈｚのパルス信号が得られるまで発振器２の周波数を分割する２つの分周段階３ａ及び３ｂで示された分周器３を含む。このパルス信号は、１組の針６を駆動するためのステップモータ５の制御回路へ送られる。
【００２０】
時計ＰＨは、例えばリチウムイオン蓄電池または大型コンデンサか、特に時計メーカが「スーパーキャパシター」または「スーパーキャップ」と呼ぶ部品によって形成された蓄電池７によって給電される。この蓄電池７の端子間に生じる電圧がＶaccuで示されている。
【００２１】
蓄電池７は、全体を８で示した給電装置の一部を形成している。この給電装置８は、例えば０．３Ｖないし０．５Ｖ、好ましくは０．４Ｖの電圧Ｖcpを供給する単一部品で形成された光電池９も備えている。半導体または光化学形式のどのような形式の光電池でも使用できる。
【００２２】
インダクタ１０とショットキーダイオード１１を直列に設けた昇圧器が、光電池９と蓄電池７の間に取り付けられている。好適な方法では、ステップモータ５のコイルをインダクタ１０として使用することができる。
【００２３】
インダクタ１０とショットキーダイオード１１の間のノード１２が、第１切り換えトランジスタＴＲ１のソース−ドレーン路に接続されており、これはその接続ノードを、トランジスタＴＲ１のゲートに加えられる制御パルス信号によってある周波数で交互に蓄電池７の電圧とアースレベルとに切り換える。この作動の結果、インダクタ１０があるため、ノード１２は電池９で供給される電圧Ｖcpよりもはるかに高い電圧になり、これは蓄電池７を充電するのに十分である。
【００２４】
トランジスタＴＲ１のゲートは、インバータ１３を介して抵抗Ｒ１と信号変換トランジスタＴＲ２のソース−ドレーン路の間のノードに接続されており、これらの直列の２部材は、蓄電池７の正端子とアースの間に接続されている。トランジスタＴＲ２のゲートは、刻時回路１の分周器段階３ａの出力部に接続されており、この段階は本例の場合には８１９２Ｈｚの周波数の信号を発生する。
【００２５】
このため、蓄電池７が充電されて、十分な電圧を供給して刻時回路１の主要部品、特に発振器２及び分周器段階３ａに給電する時、切り換えトランジスタＴＲ１は分周器段階３ａの出力信号の周波数で交互にオン・オフを繰り返す。同時に時計ＰＨが光を受けると、トランジスタＴＲ１のこの交互導通状態によって、光電池が生じる電圧Ｖcpが増倍されるため、蓄電池７の電荷が常時再生される。
本発明によれば、充電装置８はさらに、ソース−ドレーン路をトランジスタＴＲ１と並列に取り付けた第２切り換えトランジスタＴＲ３を備えている。このトランジスタＴＲ３のゲートは、インバータ１４を介して抵抗Ｒ２と第２信号変換トランジスタＴＲ４の間のノードに接続されており、これらの直列の２部材は、電池９の正端子（Ｖcp）とアースの間に接続されている。
【００２６】
信号変換トランジスタＴＲ４のゲートは、出力部１８において分周器段階３ａの出力部に現れる制御信号の周波数に好ましくは近いか、同一である周波数の信号を発生する補助発振器１５の出力部に接続されている。発振器１５は、非常に低い供給電圧で、すなわち光電池９が供給する電圧以下の値の電圧で作動することができるように構成されている。そのような発振器は適当に構成できるが、同時係属中のヨーロッパ特許出願第９７１００２６１．３号に記載されている構造であることが好ましい。本説明では、発振器１５は３つのインバータ１６ａ、１６ｂ及び１６ｃをリング状に取り付けて形成し、低反転電界（field of low inversion）で作動するＭＯＳトランジスタを備えて、基板内でＭＯＳトランジスタを形成させるウェルに適切にバイアスをかけていることがわかるであろう。
【００２７】
上記アセンブリを調べれば、トランジスタＴＲ１及びトランジスタＴＲ３は両方ともノード１２を交互にアースレベルと電圧Ｖaccu及びダイオード１１の電圧の合計からなる電圧にすることができるので、トランジスタＴＲ１またはトランジスタＴＲ３のいずれかの導通状態を変化させることによって光電池９の供給電圧の増加を達成できることがわかるであろう。
【００２８】
本発明の特に重要な態様によれば、この場合には時計ＰＨの刻時回路１である小電力消費装置の活動を表す信号の関数として切り換えトランジスタＴＲ１及びＴＲ３を選択的に活動させる手段が設けられている。上記例では、活動信号は分周器段階３ａの出力部で取り出されて、水晶発振器２の作動の確認が行われる。しかし、活動信号は、刻時回路内の他の部分で、例えば制御回路４の出力部で、または切り換えトランジスタＴＲ１及びＴＲ３を制御できるように適当に適合させた後に取り出すこともできる。
【００２９】
上記例では、発振器２及び分周器段階３ａは、それらの供給電圧がそれらを形成する部材を作動させることができる大きさである時だけ活動する。一般的に、この電圧は１Ｖ以上にすることができるが、この電圧が本発明を制限するものと考えてはならない。
【００３０】
活動信号を適合させるため、分周器段階３ａの出力部が、設計者のディクソン(Dickson )の名前で知られる回路で形成することができる第２昇圧器１７の入力部に接続されている。
第２昇圧器１７の出力部は、抵抗Ｒ３を介して接地されると共に、第１選択トランジスタＴＲ５のゲートと、導通形式がトランジスタ５と反対である第２選択トランジスタＴＲ６のゲートに接続されている。上記例では、トランジスタＴＲ５がＮ型で、トランジスタＴＲ６がＰ型である。これらのトランジスタＴＲ５、ＴＲ６は発振器１５の代わりにパルス発生手段２、３ａを昇圧器１０、１１に接続する置換制御手段を構成している。
【００３１】
トランジスタＴＲ５のドレーン−ソース路は、アースと発振器１５の出力部及びトランジスタＴＲ４のゲートに接続されたノード１８の間に接続されている。
トランジスタＴＲ６のドレーン−ソース路は、トランジスタＴＲ２のゲートと蓄電池７の正端子の間に接続されている。
【００３２】
このように構成された時計の作動を以下に説明する。
【００３３】
時計が長時間にわたって暗闇に置かれていたために蓄電池７が完全に放電して、電圧Ｖaccuがゼロに近いか、ゼロであると仮定する。また、これらの状況において、ユーザが時計を再び使用したいと思って暗闇から取り出すとする。刻時回路１に給電されていなかったので、発振器２及び分周器段階３ａが作動できないため、それは活動信号を発生しない。昇圧器１７がその出力部に電圧を生じないため、トランジスタＴＲ６が導通してトランジスタＴＲ１の制御を阻止し、トランジスタＴＲ５は非導通状態である。
【００３４】
電池９が照らされるので、それは０．３〜０．５Ｖの値の電圧のエネルギを供給する。この電圧で発振器１５は作動することができ、トランジスタＴＲ５が遮断されているためにそうすることが許される。従って、トランジスタＴＲ４及びＴＲ３が発振器１５の周波数で切り換えられる。
【００３５】
さらに正確に言うと、トランジスタＴＲ３が導通している時、インダクタ１０がエネルギを蓄積し、トランジスタＴＲ３が遮断された時にそれが電圧ピークで急激に送り出される。電圧ピークは蓄電池７を電池９で供給される電圧よりも高い電圧で充電できる。インバータ１４を伴ったトランジスタＴＲ４は、発振器１５の出力部とトランジスタＴＲ３の間のバッファとして作用し、これは比較的大きいため、入力キャパシタンスが相当に大きい。このため、蓄電池を充電することができる。
【００３６】
蓄電池７が十分に充電されて、発振器２及び分周器段階３ａに適当な供給電圧を与えることができるようになると直ちに、活動信号がこの段階の出力部に現れる。刻時回路が始動して、昇圧器１７が出力電圧を供給する。
【００３７】
これによって、トランジスタＴＲ５が導通し、発振器１５を短絡させるため、これは作動を停止する。反対に、トランジスタＴＲ６は非導通状態になり、トランジスタＴＲ２及びインバータ１３を介してトランジスタＴＲ１の制御を行う。このため、トランジスタＴＲ１がトランジスタＴＲ３の代わりになり、刻時回路が正常に作動している限り、蓄電池７を充電し続けることができる。このため、これらのトランジスタＴＲ５及びＴＲ６は置換制御手段として作動することがわかる。
【００３８】
発振器２が活動信号を分周器段階３ａへ送ると直ちに、昇圧器１７がトランジスタＴＲ５及びＴＲ６の迅速な切り換えを行うことが望ましい。
【００３９】
発振器２は、その給電端子間に十分な電圧を検出すると直ちに作動を開始して、そのため活動信号が現れることがわかるであろう。すなわち、２つの発振器１５及び２の間の切り換えは、個々の時計の回路間に存在する構造の違いに関係なく行われる。このため、発振器２を作動させる最低電圧Ｖaccuの値は、各回路によってそれぞれの部品の値に従って個別に決定することができる。
【００４０】
図面に示されていない変更実施形態によれば、発振器２及び分周器段階３ａを刻時回路１の制御だけに使用し、発振器１５が昇圧器の永久制御を行うようにすることも可能である。この変更実施形態では、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、ＴＲ５及びＴＲ６と、インバータ１３と、抵抗Ｒ１及びＲ２と、昇圧器１７を省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 自律型小電力消費電気装置、さらに正確に言うと腕時計または目覚まし時計等の時計の概略図の一例を示している。
【符号の説明】
７ 蓄電池、 ８ 給電装置、 ９ 光電池、 １０ インダクタ、
１１ ショットキーダイオード、 １５ 補助発振器

Claims (2)

1. 光電圧変換によって作動し、取り付けられた装置がその機能を果たすためには少なくともその一定の主要部品を作動させるのに不十分な電圧を生成する光電源（９）と、蓄電池（７）と、この光電源（９）と蓄電池（７）の間に接続されて前記蓄電池を充電する、第１パルス発生器から送られる所定周波数のパルス信号によって制御される昇圧器（１０、１１、ＴＲ１、ＴＲ３）とを含む給電装置（８）を備えた自律型小電力消費電気装置において、
   前記第１パルス信号発生器は、前記光電源（９）によって供給される電圧（Ｖｃｐ）以下の電圧で作動するように構成された発振器（１５）を備えているとともに、
   前記昇圧器は、前記光電源（９）とダイオード（１１）及び前記蓄電池（７）の直列接続との間に接続されたインダクタ（１０）を含んでおり、またリング形発振器である前記発振器（１５）の出力部（１８）は、前記ダイオード（１１）と前記インダクタ（１０）の間のノード（１２）を交互にこの蓄電池７の電圧（Ｖａｃｃｕ）及びダイオード（１１）の電圧の合計に等しい電圧レベルとアースレベルにすることができる第１切り換え手段に接続されており、さらに、
   この第１切り換え手段は、ソース−ドレーン路がアースと前記ノード（１２）の間に接続され、前記発振器（１５）によって送られた信号の第１変換トランジスタ（ＴＲ４）を介して前記発振器（１５）の出力部にゲートが接続されている第１切り換えトランジスタ（ＴＲ３）を含み、前記第１切り換えトランジスタ（ＴＲ３）と前記第１変換トランジスタ（ＴＲ４）の間にインバータ（１４）が接続された構成を有しており、さらに、この自律型小電力消費電気装置は、
   第２パルス信号発生器手段（２、３ａ）と、
   前記直列接続（７、１１）と前記インダクタ（１０）の間のノード（１２）を交互に前記電圧レベルとアースレベルにすることができ、かつそのソース−ドレーン路が前記第１切り換えトランジスタ（ＴＲ３）のそれと並列である第２切り換えトランジスタ（ＴＲ１）と、
   前記取り付けられた装置による前記機能の実行を表す活動信号発生手段（２、３、１７）と、
   この活動信号発生手段が活動信号を発生する時、前記発振器（１５）の代わりに前記第２パルス信号発生器手段（２、３ａ）を前記昇圧器に接続する置換制御手段（ＴＲ５、ＴＲ６）とを備え、
   前記第２パルス信号発生器手段（２、３ａ）が前記活動信号発生手段を形成するよう構成され、さらに、
   前記置換制御手段は、前記発振器（１５）の出力部を短絡させることができる第１制御トランジスタ（ＴＲ５）と、前記活動信号が現れている時に第２切り換え手段を活動させることができる第２制御トランジスタ（ＴＲ６）とを含み、前記第２切り換え手段は、ソース−ドレーン路がアースと前記ノード（１２）の間に接続され、前記活動信号を、この信号を変換する第２変換トランジスタ（ＴＲ２）を介してゲートが受け取るように接続されている前記第２切り換えトランジスタ（ＴＲ１）を含み、前記第２切り換えトランジスタ（ＴＲ１）と前記第２変換トランジスタ（ＴＲ２）の間にインバータ（１３）が接続されており、前記第１及び第２制御トランジスタ（ＴＲ５、ＴＲ６）は、第２昇圧器（１７）を介して前記活動信号発生手段に接続されていることを特徴とする自律型小電力消費電気装置。
2. 刻時回路（１）を備えており、前記第２パルス信号発生手段は、水晶発振器（２）に接続された前記刻時回路の分周器（３）の分周段（３ａ）によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の自律型小電力消費電気装置。

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