JP4963764B2

JP4963764B2 - 電子時計

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Publication number: JP4963764B2
Application number: JP2001274372A
Authority: JP
Inventors: 洋一永田
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: JP2003084085A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶振動子などの固有周波数を利用した発振回路を用いた電子時計に関するものであり、特に電子時計などに用いられる水晶発振回路の発振起動性向上のための回路構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在は、光や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し、この電気エネルギを電子機器の駆動に利用する発電手段を内蔵した電子時計がある。
【０００３】
このような発電手段を内蔵した電子時計には、太陽電池を利用する太陽電池式時計や、回転錘の機械的エネルギを電気的エネルギに変換して利用する機械発電式時計や、熱電対を複数直列化しその熱電対の両端の温度差により発電する温度差発電式時計がある。
これらの発電手段内蔵時計は、外部からのエネルギ供給がなく、また蓄電手段の蓄電エネルギが放電しきってしまうとこの電子時計は停止してしまうが、少なくとも外部からのエネルギ供給が再開した後には電子時計は再び動作を開始可能となっている。
【０００４】
ここで従来の例として、上記のうちの太陽電池式の電子時計の場合の電源周辺回路について、図６を用いて説明する（本例は特公平４−５０５５０を参照している）。
【０００５】
この従来の電子時計では、太陽電池である発電手段９６が充電用スイッチ群を介して蓄電手段９７と計時手段６０に接続している。
【０００６】
発電手段９６は太陽電池であり、第１のダイオード７ａと計時手段６０とで電流経路を形成している。
なお計時手段６０は、電気エネルギで時刻表示を行う時計ブロック６１と、容量が１０μＦのコンデンサ６２を並列に接続することで構成している。
【０００７】
また発電手段９６は第２のダイオード７ｂと第２のスイッチ回路８ｂと蓄電手段９７とでもう一つの電流経路を形成している。第２のスイッチ回路８ｂは蓄電手段９７の充電用であるが説明は省略する。
【０００８】
そして、第１のスイッチ回路８ａは、トランスミッションゲート回路であり、計時手段６０と蓄電手段９７とを並列接続できるように、計時手段６０の負極と蓄電手段９７の負極との間に接続している。第１のスイッチ回路８ａをオフとすれば、少なくとも発電手段９６から発生した電流が蓄電手段９７を流れないような状態に制御されるようになっている。
【０００９】
この従来の電子時計は、蓄電手段９７がほぼ空まで放電した状態で、かつ発電手段９６も発電していないときは、計時手段６０は動作を停止している。このとき第１のスイッチ回路８ａおよび第２のスイッチ回路８ｂをオフするようになっており、その後に発電手段９６が発電を開始すると、その発電エネルギは計時手段６０のみに送られ、この結果として計時手段６０の再起動が可能となっている。
【００１０】
このような従来の一般的な電子時計に用いられる発振回路は、蓄電手段を満充電にする理由から、発電手段として太陽電池などのほぼ定電圧を出力する発電器を用いる場合、太陽電池セルを直列に複数段接続した太陽電池セルを用いている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが複数段セルは受光面に分割スリットが入るため、見栄えが悪いというだけでなく、小面積のセルや異形のセルなどにしたときに分割スリットによって有効受光面積が小さくなるという問題があった。
【００１２】
そこで単純に太陽電池セルを１段にすることも考えられる。ところが従来の電子時計に用いられる発振回路は（主に水晶発振回路）、発振起動するのに低くとも０．６〜０．８Ｖ程度が必要であるが、第１のダイオード７ａでは小さいものでも０．１Ｖよりは大きな電圧降下がある一方で、太陽電池の１段分の開放電圧は多くとも０．７Ｖ程度しかなく、単に一段セルの太陽電池を発電手段として利用しようとすると、発振回路そのものに印加される電圧は発振回路の発振起動電圧を下回ってしまい、この結果として発振回路を起動できないという問題があった。
【００１３】
［発明の目的］
そこで本発明は上記の欠点を改善し、１段セル構成の太陽電池でも確実に動作し、かつ高効率で充電動作可能な電子時計を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子時計は、外部からのエネルギを電気エネルギに変換する発電手段と、該発電手段のエネルギを蓄電する蓄電手段と、該蓄電手段または前記発電手段のエネルギにより計時動作する計時手段と、前記発電手段と前記蓄電手段と前記計時手段との間のエネルギの伝達または遮断を行う手段とを有する電子時計であって、
前記計時手段が計時動作を停止した後に再起動させる際に、前記発電手段と前記計時手段とを直接接続することのできる起動補助回路を有し、前記起動補助回路は、オン状態のときには低抵抗となり、オフ状態のときにはダイオード的に動作するＭＯＳＦＥＴで構成したスイッチ回路であり、前記計時手段の計時動作が停止しているときオン状態となり、前記発電手段と前記計時手段とを低抵抗で並列接続させることによって、前記発電手段の発電電圧が低電圧であっても前記計時手段を動作可能とすることを特徴とする。
【００１５】
本発明の電子時計では、蓄電手段の残量が僅かとなって、計時手段が動作を行っていないときは、計時手段に直接発電手段を接続し、発電電圧をそのまま計時手段に印加できるようになっている。しかもこのときに蓄電手段の蓄電残量を発電手段など他の回路要素に放電してしまうこともない。
【００１６】
さらに本発明では、計時手段中の発振回路のそのものの起動電圧を低くすることで起動特性にマージンを与え、そのうえ昇圧回路を用いて高電圧を得られるようになっているため、定格電圧の高いステッピングモータなどを用いた時刻表示体を速やかに動作させることが可能となっている。
【００１７】
［作用］
このため従来は難しかった、１段セル構成の太陽電池を用いた電子時計であっても、比較的照度の低い環境下であっても起動動作が可能な電子時計を実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の発振回路を実施するための最適な形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の電子時計の全体回路の構成を示す回路図である。
図２は本発明の電子時計における放電スイッチ部および第２の充電スイッチ部の構成を示す回路図である。
図３は本発明の電子時計における時計ブロックの構成を示す回路図である。
図４は本発明の電子時計の波形生成手段の回路例を示す回路図である。
さらに図５は本発明の実施の形態の回路要部の電圧を示す波形図である。
【００１９】
［本発明の全体構成説明：図１］
まず図１を用いて本実施の形態の電子時計の全体構成を説明する。
本発明の実施の形態の電子時計は、起動補助回路９１と、昇圧手段９２と、第１の充電スイッチ部９３と、第２の充電スイッチ部９４と、放電スイッチ部９５と、発電手段９６と、蓄電手段９７と発電検出手段９８とで構成する。
【００２０】
時計ブロック６１は電子時計としての計時動作および充放電動作のための制御信号を生成する部分である。
時計ブロック６１からは発振停止信号Ｓ９１と昇圧クロックＳ９２と第１の充電スイッチ信号Ｓ９３と第２の充電スイッチ信号Ｓ９４とが出力しており、発電検出信号Ｓ９８が入力している。なお時計ブロック６１の内部構成や、時計ブロック６１から出力されている各信号の詳細については後述する。
【００２１】
また時計ブロック６１には、間欠的な負荷の動作に対して端子間電圧を安定化させる目的で、コンデンサ６２を並列接続している。すなわちコンデンサ６２は正極が接地し負極端子名はＶｓｓ１とした。なおこのコンデンサ６２は１０μＦの容量のものを用いている。時計ブロック６１とコンデンサ６２とは計時手段６０とした。
【００２２】
リチウムイオン２次電池である蓄電手段９７は、後述する発電手段９６から出力される電力を蓄え、発電手段９６が非発電である間も時計ブロック６１を動作させるためのものである。蓄電手段９７は正極を接地しており、また負極端子名はＶｓｓ２とした。
【００２３】
起動補助回路９１は、時計ブロック６１が一旦動作を停止した後に再起動させる際に、後述の発電手段９６の電力を時計ブロック６１へ送るためのものである。
【００２４】
起動補助回路９１は、ＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴ）で構成したスイッチ回路であり、起動補助回路９１のソース端子はＶｓｓ１端子に接続しており、かつドレイン端子が発電手段９６の負極に接続している。また、起動補助回路９１のゲート端子には、発振停止信号Ｓ９１が接続している。
起動補助回路９１は、前述の発振回路５０や波形生成手段５１が動作停止している期間はオン状態となって、発電手段９６と計時手段６０とを低抵抗で並列接続するようになっている。
【００２５】
また放電スイッチ部９５は発電手段９６が非発電である間でも蓄電手段９７に蓄えられた電力を時計ブロック６１へ送るためのものである。放電スイッチ部９５については後述する。放電スイッチ部９５には発振停止信号Ｓ９１が接続している。
【００２６】
発電手段９６は、ソーラセルを１段だけ有する太陽電池モジュールである。発電手段９６の正極は接地し、負極が昇圧手段９２の昇圧入力端子に接続している。発電手段９６は光が照射すると約０．５〜０．７Ｖの開放電圧が発生するものである。
【００２７】
昇圧手段９２はコンデンサの直並列状態を切りかえることで昇圧動作を行う一般的な昇圧回路である。昇圧手段９２についての詳しい構成説明は省略するが、昇圧手段９２はＭＯＳＦＥＴによるスイッチ回路で構成し、かつこのＭＯＳＦＥＴには後述の波形生成手段５１の一部の論理回路に用いた低いしきい値のものを用いて、波形生成手段５１が出力する小さな振幅（０．５Ｖ以上）であっても充分に切り換え制御が可能となるようにしたものを用いる。
昇圧手段９２の昇圧出力端子名はＶｕｐとした。
【００２８】
昇圧手段９２の入力側には発電手段９６の出力が接続しており、発電手段９６の出力電圧を昇圧するようになっている。また昇圧手段９２には昇圧動作を制御するために昇圧クロックＳ９２が接続しており、昇圧手段９２はこの昇圧クロックＳ９２により内部のコンデンサを切り換えて４倍昇圧動作を行う。
【００２９】
また、第１の充電スイッチ部９３と第２の充電スイッチ部９４とは昇圧手段９２の動作に同期して昇圧出力を時計ブロック６１および蓄電手段９７へそれぞれ送るためのスイッチである。
第１の充電スイッチ部９３は単体のＮチャネルＭＯＳＦＥＴであり、ソース端子はＶｓｓ１に接続し、ドレイン端子が昇圧手段９２の昇圧出力端子Ｖｕｐに接続し、ゲート端子は第１の充電スイッチ信号Ｓ９３に接続している。
【００３０】
第２の充電スイッチ部９４の詳細な構成については後述するが、基本部分の構成は第１の充電スイッチ部９３と同様のＦＥＴからなる第２の充電スイッチ９４ａである（図１には図示せず）。第２の充電スイッチ９４ａのソース端子は蓄電手段９７の負極Ｖｓｓ２へ接続し、ドレイン端子は昇圧手段９２の昇圧出力端子Ｖｕｐへ接続している。また第２の充電スイッチ部９４には、制御信号として第２の充電スイッチ信号Ｓ９４および発振停止信号Ｓ９１が接続している。
【００３１】
一方、発電検出手段９８は発電手段９６の発電状態を検知するためのアンプ回路などからなる回路ブロックである。発電検出手段９６の詳細な構成については省略するが、発電手段９６が所定の発電量が出力されているときにはハイレベルを出力しそれ以外ではロウレベルを出力するよう動作する。なお発電検出手段９８の検知出力は発電検出信号Ｓ９８として時計ブロック６１に接続している。
【００３２】
［放電スイッチ部および第２の充電スイッチ部の構成説明：図２］
さらに図２を用いて本発明の実施の形態における第２の充電スイッチ部９４および放電スイッチ部９５の構成について説明する。
放電スイッチ部９５は、第１の放電スイッチ９５ａと、第２の放電スイッチ９５ｂと、第１のプルダウンスイッチ９５ｃと、第２のプルダウンスイッチ９５ｄと、放電用レベルシフタ９５ｅと、残量検出手段９５ｆとで構成している。
また第２の充電スイッチ部９４は、第２の充電スイッチ９４ａと、第３のプルダウンスイッチ９５ｂと、充電用レベルシフタ９４ｃとで構成している。
【００３３】
第１の放電スイッチ９５ａと第２の放電スイッチ９５ｂと第１のプルダウンスイッチ９５ｃと第２のプルダウンスイッチ９５ｄとはＮチャネルＭＯＳＦＥＴであり、特に第１の放電スイッチ９５ａおよび第２の放電スイッチ９５ｂには、充分チャネル幅が大きく、オン抵抗が低いものを用いることとする。
【００３４】
第１の放電スイッチ９５ａおよび第２の放電スイッチ９５ｂはドレイン端子同士が共に接続し、第１の放電スイッチ９５ａのソース端子がＶｓｓ１に接続し、第２の放電スイッチ９５ｂのソース端子がＶｓｓ２に接続している。
【００３５】
一方、放電用レベルシフタ９５ｅは、接地電位−Ｖｓｓ１の論理信号レベルを接地電位−Ｖｓｓ２の論理信号レベルへ変換するレベルシフタである。放電用レベルシフタ９５ｅには残量検出信号Ｓ９５が入力し、レベル変換した出力を第２の放電スイッチ９５ｂのゲート端子に接続している。
なお放電用レベルシフタ９５ｅは接地側の電流経路を切断することにより非通電状態にできるものである。
【００３６】
この放電用レベルシフタ９５ｅの構成については簡単な説明にとどめるが、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴであるトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴであるＱ４、Ｑ５とが接地−Ｖｓｓ２間に図示のように接続されている。すなわち、トランジスタＱ１のゲート端子に発振停止信号Ｓ９１が入力し、トランジスタＱ２のゲート端子に残量検出信号Ｓ９５が接続し、トランジスタＱ３のゲート端子に残量検出信号Ｓ９５の否定信号が接続し、さらにトランジスタＱ２とＱ４との接続点がトランジスタＱ５のゲート端子に接続するとともに出力端子になっており、トランジスタＱ３とＱ５の接続点がトランジスタＱ４のゲート端子に接続している。
なおトランジスタＱ１のゲート端子が負論理のイネーブル端子／Ｅとなっている。
【００３７】
第１のプルダウンスイッチ９５ｃおよび第２のプルダウンスイッチ９５ｄは、発振停止信号Ｓ９１が接地電位、すなわちハイレベルである間は第１の放電スイッチ９５ａおよび第２の放電スイッチ９５ｂが共にオフするように動作するプルダウン用のＦＥＴである。
第１のプルダウンスイッチ９５ｃはドレイン端子が第１の放電スイッチ９５ａのゲート端子に、ソース端子がＶｓｓ１にそれぞれ接続している。
また第２のプルダウンスイッチ９５ｄはドレイン端子が第２の放電スイッチ９５ｂゲート端子に、ソース端子がＶｓｓ２にそれぞれ接続している。
第１のプルダウンスイッチ９５ｃおよび第２のプルダウンスイッチ９５ｄのゲート端子は共に発振停止信号Ｓ９１に接続している。
【００３８】
したがって放電用レベルシフタ９５ｅは、負論理のイネーブル端子／Ｅ、すなわち発振停止信号Ｓ９１が接地電位の時には接地側からの電源供給が絶たれて非通電状態となり、さらに第１のプルダウンスイッチ９５ｃおよび第２のプルダウンスイッチ９５ｄにより第１の放電スイッチ９５ａおよび第２の放電スイッチ９５ｂのゲート電位はそれぞれのソース電位と同じとなる。このときは第１の放電スイッチ９５ａと第２の放電スイッチ９５ｂとに構造上形成されるダイオードは互いに反対向きとなるのでＶｓｓ１とＶｓｓ２との間は完全に非導通状態となる。
【００３９】
一方、残量検出手段９５ｆは、一般的に用いられる電圧検出回路であり、残量検出手段９５ｆは接地−Ｖｓｓ１間の電圧で動作するものである。残量検出手段９５ｆは、蓄電手段９７の端子電圧が１．０Ｖ以上であればハイレベルを出力し、それ以外ではロウレベルを出力する。出力信号は残量検出信号Ｓ９５としており、同様にして残量検出信号Ｓ９５の否定信号も同様にして出力できるような構成のものを用いている。
残量検出手段９５ｆについては詳細な構成説明を省略するが、残量検出手段９５ｆは放電用レベルシフタ９５ｅと同様に負論理のイネーブル端子／Ｅを備えており、このイネーブル端子／Ｅに発振停止信号Ｓ９１を接続することで、発振停止時に非通電状態にできるものを用いる。
なお、本実施の形態では、残量検出手段９５ｆを放電スイッチ部９５のなかに設けたが、放電スイッチ部９５の外部に設けることも可能である。
【００４０】
一方、第２の充電スイッチ部９４については、第２の充電スイッチ信号Ｓ９４を充電用レベルシフタ９４ｃに接続することで、第２の充電スイッチ信号Ｓ９４を接地−Ｖｓｓ２の電圧レベルに変換可能なようにしている。充電用レベルシフタ９４ｃは前述の放電用レベルシフタ９５ｅと同じものである。
また充電用レベルシフタ９４ｃの出力には第２の充電スイッチ９４ａのゲート端子が接続している。
さらに第２の充電スイッチ９４ａのゲート端子には第３のプルダウンスイッチ９４ｂが接続しており、発振停止信号Ｓ９１が接地電位のときは第２の充電スイッチ９４ａのゲート端子をＶｓｓ２の電位にプルダウンするようになっている。
【００４１】
［時計ブロックの構成説明：図３］
つぎに図３を用いて本発明の電子時計における時計ブロックの構成について説明する。
【００４２】
本発明の時計ブロック６１は、発振回路５０と、波形生成手段５１と、定電圧手段５２と、第１のインバータ５３と、時刻表示体５４とで構成している。
【００４３】
発振回路５０は、共振部１０と、増幅部２０と、減衰部３０と、補助増幅部４０とで構成している。
【００４４】
共振部１０は水晶振動子１１と第１の発振容量１２と第２の発振容量１３とで構成している。
増幅部２０は第１のトランジスタ素子２１と第２のトランジスタ素子２２とバイアス抵抗２３とで構成している。第１のトランジスタ素子２１と第２のトランジスタ素子２２とはしきい値電圧が０．５Ｖのものを用いる。減衰部３０は抵抗素子で構成している。減衰部３０は抵抗値が１ＭΩのものを用いる。
補助増幅部４０は第３のトランジスタ素子４２と第４のトランジスタ素子４３と第１のスイッチ４１と第２のスイッチ４４とで構成している。
【００４５】
水晶振動子１１は一般的な電子時計に用いられる水晶振動子である。また第１の発振容量１２および第２の発振容量１３は集積回路に内蔵したコンデンサである。第１の発振容量１２は７ｐＦであり第２の発振容量１３は３ｐＦであるものとする。
各発振容量の正極は接地し、負極を振動子１１の両端にそれぞれ接続している。なお第１の発振容量１２の負極は共振部１０の出力端子であるが、発振入力Ｓ１としている。もう一方の第２の発振容量１３の負極は共振部１０の入力端子である。
なお振動子１１と第１の発振容量１２および第２の発振容量１３とは共振回路を構成しており、この共振周波数は３２７６８Ｈｚとなるようにしてある。
【００４６】
第１のトランジスタ素子２１はＰチャネルのＭＯＳＦＥＴであり、第２のトランジスタ素子２２はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。
バイアス抵抗２３は数１０ＭΩ以上の高抵抗素子である。
第１のトランジスタ素子２１と第２のトランジスタ素子２２とバイアス抵抗２３とで簡素なＣＭＯＳアンプを構成している。
【００４７】
第１のトランジスタ素子２１および第２のトランジスタ素子２２のゲート端子同士は共通とし、この端子を増幅部２０の入力端子としている。
また第１のトランジスタ素子２１および第２のトランジスタ素子２２のドレイン端子同士をそれぞれを共通とし、この端子を増幅部２０の出力端子としている。
さらに第１のトランジスタ素子２１のソース端子は接地し、第２のトランジスタ素子２２のソース端子は後述の定電圧手段５２の定電圧出力Ｖｒｅｇに接続する。
さらに増幅部２０の入力端子と出力端子との間にはバイアス抵抗２３を挿入する。
【００４８】
第３のトランジスタ素子４２はＰチャネルのＭＯＳＦＥＴであり、第４のトランジスタ素子４３はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。
第１のスイッチ４１はＰチャネルのＭＯＳＦＥＴであり、第２のスイッチ４４はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。
なお第３のトランジスタ素子４２および第４のトランジスタ素子４３とが補助増幅回路を構成し、第１のスイッチ４１および第２のスイッチ４４とがスイッチ回路を構成している。
【００４９】
第１のスイッチ４１のソース端子は接地し、第２のスイッチ４４のソース端子も後述の定電圧手段５２の定電圧出力Ｖｒｅｇに接続する。
【００５０】
また第３のトランジスタ素子４２のソース端子は第１のスイッチ４１のドレイン端子に接続し、第４のトランジスタ素子４３のソース端子は第２のスイッチ４４のドレイン端子に接続する。
また第３、第４のトランジスタ素子のゲート端子同士は共通とし、この端子を補助増幅部４０の入力端子とする。
また第３、第４のトランジスタ素子のドレイン端子同士は共通とし、この端子を補助増幅部４０の出力端子とする。
【００５１】
そして特に本実施の形態では第３のトランジスタ素子４２および第４のトランジスタ素子４３は共に増幅部２０を構成するトランジスタ素子よりもしきい値電圧の低いものを用いる。ここでは両トランジスタ素子のしきい値電圧はいずれも０．３５Ｖに設定したものを用いることとする。
【００５２】
また第１のスイッチ４１および第２のスイッチ４４にも同様にしきい値電圧の低いもの（０．３５Ｖ）を用いる。
【００５３】
そして発振入力Ｓ１が増幅部２０および補助増幅部４０に入力している。
増幅部２０の出力である発振出力Ｓ２には減衰部３０の一端が接続し減衰部３０の他端が共振部１０の入力に接続している。一方、補助増幅部４０の出力は共振部１０の入力端子（第２の発振容量１３の負極）へ入力している。共振部１０の出力は発振入力Ｓ１となっており帰還回路が形成されている。
【００５４】
補助増幅部４０の第２のスイッチ４４のゲート端子には波形生成手段５１のパワーオンリセット信号Ｓ５０が接続している。また補助増幅部４０の第１のスイッチ４１のゲート端子にはパワーオンリセット信号Ｓ５０を第１のインバータ５３に入力することで得られるパワーオンリセット信号Ｓ５０の否定信号が接続している。
なお第１のインバータ５３は一般的なＣＭＯＳインバータであり、接地−Ｖｒｅｇ間の電圧で動作する。
【００５５】
さらに発振出力Ｓ２は波形生成手段５１に入力している。
波形生成手段５１は発振回路の出力である発振出力Ｓ２を多段のフリップフロップ回路で分周し、この分周信号を合成することでステップモータを駆動するパルス波形を生成する論理回路である。また波形生成手段５１は電源が投入されたときから０．５秒（５００ミリ秒）の間ハイレベルとなるパワーオンリセット信号Ｓ５０も出力する。
【００５６】
同様に波形生成手段５１からは昇圧動作のための昇圧クロックＳ９２と第１の充電スイッチ信号Ｓ９３と第２の充電スイッチ信号Ｓ９４とを出力している。さらに波形生成手段５１には後述する発電検出信号Ｓ９８が入力している。波形生成手段５１の構成説明については後述する。
【００５７】
時刻表示体５４は図示しないステッピングモータや減速輪列や文字板や指針などからなる、電子時計の時刻表示部分である。時刻表示体５４は波形生成手段５１が生成したパルス波形を元にステッピングモータを駆動し、減速輪列を介して指針を回転させて時刻を表示する。時刻表示体５４については一般的な構成であるため詳細な構成説明は省略する。
【００５８】
定電圧手段５２は一定電圧を出力する一般的な定電圧回路（電圧レギュレータ）である。ここでは定電圧出力の端子はＶｒｅｇとしている。なお定電圧手段５２は時計ブロック６１の電源電圧である接地−Ｖｓｓ１間の電圧で駆動され、接地−Ｖｒｅｇ間の電圧が０．８Ｖとなるように動作する。Ｖｓｓ１は時計ブロック６１の負極の端子である。
【００５９】
なお定電圧手段５２は一般的な定電圧回路と同様に、接地−Ｖｓｓ１間の電圧が０．８Ｖよりも低い間はＶｒｅｇ端子にはＶｓｓ１と等しい電位が現れることとする。またこれ以降は特に断らない限り電源電圧Ｖｓｓ１とは接地−Ｖｓｓ１間の電圧を指すものとする。蓄電電圧Ｖｓｓ２についても同様に接地−Ｖｓｓ２間の電圧を指すものとする。
以上のようにして本発明の発振回路を適用した電子時計の時計ブロック６１を構成する。
【００６０】
［波形生成手段の構成説明：図４］
つぎに図４を用いて本実施の形態の波形生成手段５１の構成について説明する。
波形生成手段５１は、発振停止検出回路５５と、整形インバータ７１ａと、第１のフリップフロップ７１ｂと、第２のフリップフロップ７１ｃと、パルス合成回路７１ｄと、モータドライバ７１ｅと、第１のアンドゲート７２と、第１のオアゲート７３と、第２のオアゲート７５と、第２のアンドゲート７７と、第３のアンドゲート７８と、第１のレベルシフタ７４と、第２のレベルシフタ７６と、第２のインバータ７９と、第３のレベルシフタ８０とで構成する。
【００６１】
パルス合成回路７１ｄとモータドライバ７１ｅを除いた波形生成手段５１中の論理回路は、補助増幅部４０に用いたものと同様にＰチャネル、Ｎチャネル共に低いしきい値電圧を有するＭＯＳＦＥＴで構成した低しきい値ＣＭＯＳ回路で構成する。
【００６２】
すなわち、発振停止検出回路５５と、整形インバータ７１ａと、第１のフリップフロップ７１ｂと、第２のフリップフロップ７１ｃと、第１のアンドゲート７２と、第２のアンドゲート７７と、第３のアンドゲート７８と、第１のオアゲート７３と、第２のオアゲート７５と、第１のレベルシフタ７４と、第２のレベルシフタ７６と、第２のインバータ７９とは低しきい値ＣＭＯＳ回路で構成する。
【００６３】
パルス合成回路７１ｄは一般的な電子時計で用いられる分周回路と複数の論理ゲートで構成された、発振回路の出力を元に前述のステッピングモータを回転駆動させるためのモータ駆動パルス波形を合成する一般的な論理回路である。
またモータドライバ７１ｅはパルス合成回路７１ｄのモータ駆動パルス波形をレベル変換し、ステッピングモータを駆動する大電流を供給可能なドライバ回路である。特に図示はしないが、モータドライバ７１ｅの出力端子には前述のステッピングモータの駆動コイルが接続している。パルス合成回路７１ｄおよびモータドライバ７１ｅについては一般的な電子時計と同様の回路構成であるので詳細な説明は省略する。
【００６４】
なおモータドライバ７１ｅを除く波形生成手段５１の構成要素が動作するための電源は、第１のレベルシフタ７４と第２のレベルシフタ７６と第２のアンドゲート７７と第３のアンドゲート７８を除いて前述の定電圧手段５２の出力から得られるよう接続している。
第１のレベルシフタ７４と第２のレベルシフタ７６と第２のアンドゲート７７および第３のアンドゲート７８は、接地−Ｖｓｓ１間の電圧で動作するようになっている。
【００６５】
発振停止検出回路５５は一般的に用いられる、入力信号の有無により発振動作の停止を検知する回路である。発振停止検出回路５５には第２のフリップフロップ７１ｃの出力信号が入力している。発振停止検出回路５５の出力は発振停止信号Ｓ９１としている。
【００６６】
パルス合成回路７１ｄはパワーオンリセット信号Ｓ５０と強制昇圧信号Ｓ７０と充電クロックＳ７５とを出力している。
充電クロックＳ７５は１Ｈｚの方形波である。
またパワーオンリセット信号Ｓ５０は、時計ブロック６１に電源を投入してから０．５秒間ハイレベルとなるパワーオンリセットパルスである。
同様に強制昇圧信号Ｓ７０はパワーオンリセットＳ５０と同様のパワーオンリセットパルスであるが、時計ブロック６１に電源を投入してから１．５秒（１５００ミリ秒）間ハイレベルとなるように設定してある。
これらの充電クロックＳ７５やパワーオンリセット信号Ｓ５０は一般的であるので生成回路の構成については省略する。
【００６７】
整形インバータ７１ａは、発振回路の出力信号Ｓ２を方形波へ波形整形するためのインバータである。整形インバータ７１ａの出力は、第１のフリップフロップ７１ｂに入力している。また第１のフリップフロップ７１ｂの出力は、第２のフリップフロップ７１ｃに入力している。なお第１〜第２のフリップフロップ７１ｂ〜７１ｃはトグルタイプのフリップフロップである。第２のフリップフロップ７１ｃは出力信号をパルス合成回路７１ｄへ接続している。
【００６８】
第１のオアゲート７３はパルス合成回路７１ｄの出力する強制昇圧信号Ｓ７０と発電検出信号Ｓ９８との論理和を出力する。
第１のアンドゲート７２は第１のオアゲート７３の出力信号と第２のフリップフロップ７１ｃの出力信号と発振停止信号Ｓ９１の否定信号との論理積を第１のレベルシフタ７４へ出力する。
なお発振停止信号Ｓ９１の否定信号は発振停止信号Ｓ９１を第２のインバータ７９に入力することで生成している。
【００６９】
また第１のレベルシフタ７４および第２のレベルシフタ７６は接地−Ｖｒｅｇ間の論理信号レベルを接地−Ｖｓｓ１間の論理信号レベルへ変換する一般的なレベルシフタ回路である。第１のレベルシフタ７４の否定出力は昇圧クロックＳ９２としている。
【００７０】
一方、第２のオアゲート７５は強制昇圧信号Ｓ７０と充電クロックＳ７５との論理和を第２のレベルシフタ７６へ出力する。
【００７１】
第２のアンドゲート７７は第２のレベルシフタ７６の出力と第１のレベルシフタ７４の出力との論理積を出力する。なお第２のアンドゲート７７の出力は第１の充電スイッチ信号Ｓ９３としている。
第３のアンドゲート７８は第２のレベルシフタ７６の否定出力と第１のレベルシフタ７４の出力との論理積を出力する。なお第２のアンドゲート７８の出力は第２の充電スイッチ信号Ｓ９４としている。
以上のようにして、波形生成手段５１を構成する。
【００７２】
［動作説明：図１〜図５］
つぎに図１から図５を用いて本発明の実施の形態の全体動作について説明する。
ただし図５の波形図においては、発振出力Ｓ２と昇圧クロックＳ９２以外は単に論理値だけを波形図上に示している。
【００７３】
ここでは蓄電手段９７の残量が空で発電手段９６も発電をしておらず、時計ブロック６１の動作が停止した状態から発電手段９６が発電を開始する場合について説明する。
【００７４】
まず全体が停止した状態について説明する。
発振停止検出回路５５は、発電手段９６が発電を開始する以前から接地電位、すなわちハイレベルを出力している。
このときは放電スイッチ部９５においては、第１の放電スイッチ９５ａおよび第２の放電スイッチ９５ｂは前述の通りに双方向に非導通状態となっており、かつ残量検出手段９５ｆや放電用レベルシフタ９５ｅも非通電状態となっている。
さらにこのときは、第２の充電スイッチ部９４においても、第２の充電スイッチ９４ａは少なくとも蓄電手段から外部へは電流がリークしないようになっており、かつ充電用レベルシフタ９４ｃも非通電状態となっている。
したがって、発電手段９６が非発電状態でかつコンデンサ６２が放電しきった状態では、蓄電手段９７に残ったエネルギは、少なくとも蓄電手段９７に接続された回路要素へ放電しないようになっている。この動作は起動補助回路９１が導通あるいは非導通のいずれの状態でも保証される。
【００７５】
つぎに発電手段９６が発電を開始し、本実施の形態の電子時計が再起動するときの動作について説明する。
本実施の形態の発電手段９６に発電手段９６に光が照射すれば、その照射した光があまり強くない場合では、発電手段９６の開放電圧はおよそ０．５Ｖ程度となる。
【００７６】
コンデンサ６２が放電しきった状態、すなわち電源電圧Ｖｓｓ１が０Ｖに近い間は起動補助回路９１はダイオード的に電流を流すが、コンデンサ６２に電荷が蓄えられてＶｓｓ１が０Ｖから大きくなるにしたがって起動補助回路９１はスイッチ的に動作し始める。この結果コンデンサ６２は１秒ほどで端子電圧がほぼ０．５Ｖとなるまで充電される。
このときは時計ブロック６１に印加される電源電圧Ｖｓｓ１は０．５Ｖであるが、このように電源電圧Ｖｓｓ１が低い場合は定電圧手段５２は電源電圧と等しい０．５Ｖを出力する。
【００７７】
またこのときにはパワーオンリセット信号Ｓ５０および強制昇圧信号Ｓ７０はハイレベルとなっている。パワーオンリセット信号Ｓ５０がハイレベルの間は補助増幅部４０の第１のスイッチ４１および第２のスイッチ４４は導通状態となり、第３のトランジスタ素子４２および第４のトランジスタ素子４３で構成された補助増幅回路４０は動作可能状態となる。
【００７８】
本実施の形態の発振回路においては、発振回路５０に０．５Ｖ程度が印加されれば発振回路５０は発振動作を開始する。これは補助増幅部４０は０．５Ｖであっても発振に必要な増幅率があるためである。すなわち補助増幅部４０と共振部１０で構成された帰還回路で共振部１０のもつ共振周波数にほぼ等しい成分の信号だけの振幅が成長し、やがて発振出力Ｓ２から正弦波が歪んだ方形波に近い出力信号が得られる。
この補助増幅部４０は、パワーオンリセット信号Ｓ５０に従い、発振が停止している状態および発振を開始してから所定の期間、すなわち少なくとも０．５秒の間は強制的に通電され、増幅動作を行うようになっている。
この期間には、少なくとも使用条件下で発振が開始し、かつ発振が安定するのに必要な条件を設定している。
【００７９】
発振回路５０が発振を開始すれば、整形インバータ７１ａ、第１のフリップフロップ７１ｂ、第２のフリップフロップ７２ｃも所定の動作を行う。さらに発振停止検出回路５５には第２のフリップフロップ７１ｃの出力信号が入力するので、発振停止信号Ｓ９１は接地電位（ハイレベル）からロウレベルへと変化する。すると起動補助回路９１はオフ状態となる。このため起動補助回路９１はＦＥＴの構造上ダイオード的に動作するようになる。
【００８０】
さらに発振停止信号Ｓ９１がロウレベルとなれば昇圧クロックＳ９２が出力されるので昇圧手段９２は昇圧動作を行う。
すなわち第１のレベルシフタ７４および第２のレベルシフタ７６を介して、はじめは振幅が０．５Ｖの昇圧クロックＳ９２が出力され、これにより昇圧手段９２は昇圧動作を行う。このときは第１の充電スイッチ部９３は動作状態となるので昇圧出力は時計ブロック６１側にのみ送られる（このときは起動補助回路９１はオフ状態になっており、昇圧手段９２の昇圧出力が再び発電手段９６へ戻らない）。
この昇圧手段９２は、強制昇圧信号Ｓ７０に従い、発振停止信号Ｓ９１がロウレベルになってから所定の期間、すなわち１．５秒間は強制的に昇圧動作を行うようになっている。
この期間には、昇圧出力によって計時手段６０の端子電圧が充分に上昇するのに（例えば前述のステッピングモータを駆動可能な電圧まで）必要な条件を設定している。
【００８１】
また昇圧手段９２が昇圧動作を行った後、電源電圧Ｖｓｓ１が０．８Ｖよりも高くなれば、定電圧手段５２は所定の定電圧である０．８Ｖの一定値を出力する。したがって電源電圧Ｖｓｓ１が０．８Ｖよりも高い状態では発振回路５０自体に印加される電圧は電源電圧Ｖｓｓ１の変動によらず一定値となる。
【００８２】
なおこのときは補助増幅部４０の増幅率は極めて高いものとなっているが、発振回路５０の動作電圧は定電圧手段により最大でも０．８Ｖに固定されているので、高周波側の増幅率は制限され、この結果として水晶振動子１１がオーバートーン（高次モード）発振するのを抑制できる。
【００８３】
そして発振開始から０．５秒後にはパワーオンリセット信号Ｓ５０がロウレベルとなる。このとき補助増幅部４０の第１のスイッチ４１および第２のスイッチ４４はオフ状態となる。よって補助増幅部４０は非通電状態となり、かつ補助増幅部４０の出力端子は発振出力Ｓ２端子に対して高インピーダンスとなる。この結果、第３のトランジスタ素子４２および第４のトランジスタ素子４３の増幅動作は停止する。このときは発振回路５０は増幅部２０のみで発振動作を行うこととなり、発振出力Ｓ２は正弦波に近い信号へと切り換わる。
【００８４】
パワーオンリセット信号Ｓ５０がロウレベルとなってパワーオンリセット状態が解除されたときには、前述した通り電源電圧Ｖｓｓ１は発電電圧よりも高い電圧に昇圧されている。すなわち電源電圧Ｖｓｓ１は１．０Ｖ以上の電圧まで上昇しているため、標準しきい値電圧を有するＣＭＯＳ回路で構成した波形生成手段５１は通常の動作が可能となっている。
【００８５】
その後、発振回路５０が発振開始してから１．５秒後には強制昇圧信号Ｓ７０はロウレベルに切り換わる。このときには電源電圧Ｖｓｓ１はさらに高い１．５Ｖ以上の電圧に昇圧されている。この電圧は前述のステッピングモータの駆動にも充分な電圧であり、図示はしていないがこのときの電源電圧Ｖｓｓ１は１．５Ｖまで上昇しているので時刻表示体５４の時刻表示動作が開始される。
なお強制昇圧信号Ｓ７０がロウレベルになれば昇圧手段９２は強制昇圧動作はしなくなるが、このときは発電手段９６が発電中であるので昇圧手段９２の昇圧動作自体は継続する。
【００８６】
これ以降は、発電手段９６が発電状態である間は発電検出手段９８がこれを検知し、この結果発電検出信号Ｓ９８はハイレベルとなるので第２のフリップフロップ７１ｃの出力信号と同等の信号が第１のレベルシフタ７４を介して昇圧クロックＳ９２に出力される。
また第１の充電スイッチ部９３および第２の充電スイッチ部９４は周期的に動作するため昇圧手段９２の昇圧出力は時計ブロック６１と蓄電手段９７とに交互に出力される。
【００８７】
したがって昇圧手段９２は蓄電手段９７と時計ブロック６１とへ昇圧出力を行うので、発振回路５０が発振を開始してから数秒後には時刻表示を行いいつつさらに蓄電手段９７への充電も行われるようになる。
【００８８】
上記充電動作により蓄電手段９７の端子電圧が上昇し、蓄電電圧Ｖｓｓ２が１．０Ｖを越えれば、放電スイッチ部９５の残量検出手段９５ｆがこれを検知し、Ｖｓｓ１とＶｓｓ２との間を導通状態とする。この後は計時手段６０は蓄電手段９７に並列に接続されるが、上記と同様の充放電動作を行うことで計時手段６０は所定の計時動作を継続する。
【００８９】
その後（特に図４では示していないが）、発電手段９６が非発電状態となれば発電検出信号Ｓ９８はロウレベルとなるので昇圧クロックＳ９２はハイレベルのままとなり、昇圧動作は停止する。同様に第１の充電スイッチ部９３および第２の充電スイッチ部９４はオフ状態となる。
この間は時計ブロック６１へは放電スイッチ部９５を介して蓄電手段９７に蓄えられた電力が送られるため、発電手段９６が非発電であっても時計ブロック６１の計時動作は同様に継続される。
【００９０】
さらに非発電状態が継続すれば、蓄電手段９７に蓄えられたエネルギは時計ブロック６１の計時動作で消費され、やがて蓄電電圧Ｖｓｓ２が１．０Ｖを下回るようになる。これを残量検出手段９５ｆが検知すれば再び放電スイッチ部は非導通となり、蓄電手段９７から時計ブロック６１へのエネルギ供給が絶たれ、まもなく時計ブロック６１の動作は停止する。このときは発振検出信号Ｓ９１は接地電位（ハイレベル）となり、前述のとおり蓄電手段９７は他の回路要素から切り離されるので、その後は蓄電電圧Ｖｓｓ２は１．０Ｖ付近を維持する。
【００９１】
なお本実施の形態で用いた補助増幅部４０の第１のスイッチ４１には補助増幅部４０の第３のトランジスタ素子４２と同じしきい値電圧のＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用い、同様に第２のスイッチ４４には第４のトランジスタ素子４３と同じしきい値電圧のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いることとしたが、第１のスイッチ４１と第２のスイッチ４４のしきい値電圧には増幅部２０の第１のトランジスタ素子４２と第２のトランジスタ素子４３と同じしきい値電圧のものを用いてもよい。
【００９２】
またこれと類似するが、第３のトランジスタ素子４２に第１のトランジスタ素子２１と同じしきい値のＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用い、第４のトランジスタ素子４３にも第２のトランジスタ素子２２と同じしきい値のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用い、その代わりに第３のトランジスタ素子４２と第４のトランジスタ素子４３のチャネル幅をさらに大きくすることで補助増幅部４０の増幅率を高くすることも可能である。
【００９３】
たとえば本実施の形態で用いた第３のトランジスタ素子４２および第４のトランジスタ素子４３のチャネル幅の３倍以上に設定することが可能であるが、この場合でも第３および第４のトランジスタ素子のチャネル長を大きくしたことで発生する寄生容量分を考慮して各共振容量を調整すればよく、発振回路の起動電圧は上記までの実施の形態よりも悪くなるが、しきい値電圧を複数化する製造プロセスを用いずに起動性をある程度は改善することができる。
【００９４】
また本実施の形態では補助増幅部４０の構成は、補助増幅回路に対してスイッチ回路が接地側および定電圧出力Ｖｒｅｇ側となるように配置した。これはスイッチ回路を構成する第１のスイッチ４１および第２のスイッチ４４に基板バイアス効果が働いてスイッチング効率が悪くなることがないようにしたためであるが、この影響が無視できるようであればこの配置を変えてもよい。たとえば第３のトランジスタ素子４２を接地側とし、第４のトランジスタ素子４４を定電圧出力Ｖｒｅｇ側とし、第１のスイッチ４１および第２のスイッチ４４が補助増幅部４０の出力側となるように配置してもよい。いずれの場合もパワーオンリセット信号Ｓ５０をロウレベルにすれば補助増幅部４０の電源が切れ非通電状態となりかつ補助増幅部４０の出力を高インピーダンス状態にできる。
【００９５】
その他、本実施の形態における電源手段９０に用いた回路要素もこれらに限定するものではない。たとえば昇圧手段９２としてはコンデンサの接続状態を切りかえる形式のものを仮定したが、その他コイルに生じる誘起電圧を利用したものであってもよい。また発電手段９６としては１段構成の太陽電池としたが、温度差で発電する熱電発電素子であってもよい。
【００９６】
また説明の簡素化のため、蓄電手段の過充電防止機能などは省略したが、実用上必要な機能を設けてもよいことは明らかである。
【００９７】
【発明の効果】
上記までの説明で明らかなように、本発明の発振回路を用いれば、従来は難しかった水晶発振回路自体を、太陽電池１段分相当である０．５Ｖという低い発電電圧を、計時手段が動作しているときのみ直接印加することで発振起動動作させることが可能となる。
【００９８】
また通常発振時の消費電力は従来と変わらず、かつ定電圧手段を用いることでオーバートーン発振も抑制できるため、安定した発振特性を維持したまま起動特性の改善をはかることができる。
【００９９】
特に本発明の発振回路には一般的な電子時計の発振回路に用いる水晶振動子を用いており、ＣＲ発振回路やリング発振回路といった比較的低電圧で動作する他の発振回路と比較して発振起動に必要な電流は格段に小さいため発振起動がし易く、出力抵抗値の高い熱電発電器なども発電手段として選べるというメリットも有している。当然ながらＣＲ発振回路やリング発振回路といった発振回路を別途用意する必要もない。
【０１００】
さらに本発明の電子時計では、上記の発振回路によって昇圧手段を駆動するようにしたため、発振回路自体の起動電圧よりも定格電圧の高いステッピングモータなどの負荷を即時に動作させることができるようになっており、発生電圧が低い発電器を用いて電子時計以外の様々な電子機器も駆動させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の電子時計の全体回路構成を示した回路図である。
【図２】本発明の実施の形態の電子時計の放電スイッチ部および第２の充電スイッチ部の回路構成を示した回路図である。
【図３】本発明の実施の形態の電子時計の時計ブロックの回路構成を示した回路図である。
【図４】本発明の実施の形態の電子時計の波形生成手段の構成を示した回路図である。
【図５】本発明の実施の形態の電子時計の要部電圧波形を示した波形図である。
【図６】従来の電子時計の回路構成を示した回路図である。
【符号の説明】
１０共振部
２０増幅部
３０減衰部
４０補助増幅部
５０発振回路
９０電源手段
９１起動補助回路
９２昇圧手段
９３第１の充電スイッチ部
９４第２の充電スイッチ部
９５放電スイッチ部
９６発電手段
９７蓄電手段
９８発電検出手段

Claims

外部からのエネルギを電気エネルギに変換する発電手段と、
該発電手段のエネルギを蓄電する蓄電手段と、
該蓄電手段または前記発電手段のエネルギにより計時動作する計時手段と、
前記発電手段と前記蓄電手段と前記計時手段との間のエネルギの伝達または遮断を行う手段とを有する電子時計であって、
前記計時手段が計時動作を停止した後に再起動させる際に、前記発電手段と前記計時手段とを直接接続することのできる起動補助回路を有し、
前記起動補助回路は、オン状態のときには低抵抗となり、オフ状態のときにはダイオード的に動作するＭＯＳＦＥＴで構成したスイッチ回路であり、前記計時手段の計時動作が停止しているときオン状態となり、前記発電手段と前記計時手段とを低抵抗で並列接続させることによって、前記発電手段の発電電圧が低電圧であっても前記計時手段を動作可能とすることを特徴とする電子時計。
前記計時手段は、
基準信号を発生する発振回路と、
前記計時手段の計時動作の停止を検出する発振停止検出回路とを備え、
前記計時手段の停止時には前記起動補助回路が発電手段と計時手段とを並列に接続することを特徴とする請求項１に記載の電子時計。
前記発電手段の出力を昇圧して前記計時手段または前記蓄電手段へ出力する昇圧手段を備え、
該昇圧手段は、前記発振停止検出回路が発振開始を検出してから所定の期間は強制的に前記計時手段へ昇圧出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子時計。
前記蓄電手段の蓄電電圧を検知する残量検出手段を備え、
前記蓄電手段の蓄電電圧が所定値を下回った場合には、前記蓄電手段と前記計時手段との接続を双方向に非導通とする機能を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電子時計。
前記計時手段は、
共振回路からなる共振部と、
該共振部の出力信号を増幅する増幅部と、
該増幅部の出力信号を減衰させる減衰部と、
該増幅部と並列に接続し前記共振部の出力信号を増幅する補助増幅部とからなる発振回路を有し、
前記補助増幅部を前記増幅部よりも低いしきい値電圧の電界効果トランジスタ素子で構成し、
前記発振回路は、前記発電電圧が低電圧であっても発振起動できることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の電子時計。
前記補助増幅部は、
信号増幅動作する補助増幅回路と、
該補助増幅回路を通電または非通電にするスイッチ回路とで構成し、
前記計時手段は発振停止状態から所定の期間だけ補助増幅部を通電状態とする機能を有することを特徴とする請求項５に記載の電子時計。