JP5205086B2 - 電子時計 - Google Patents

Description

本発明は、充電式アナログ電子時計に関する。

２次電池を用いた充電式アナログ電子時計においては、その特性上電圧変動が激しいことは知られている。従って、モータ駆動の安定化を図るために、電圧範囲で駆動パルスの仕様を変更することが行われている (詳細は、特許文献１参照) 。

前述の説明においては、モータ駆動パルスの決定は、電圧の変動に逐次追いつくために、電池電圧検出を短い間隔（通常１秒無いし２秒周期）で行わねばならない。

また、充電式アナログ電子時計では、電池の残容量を表示することが求められるようになってきている。残容量検出は、通常の１次電池同様、電池電圧を検出することで実施することが多い。

電池の残容量が、端子の開放電圧に相関することは良く知られている。
また、非特許文献１に示されるように、電池の放電時／充電時双方において、充放電電流に伴い、「分極」と呼ばれる、端子間電圧が開放電圧よりも、放電時は小さく、充電時は大きくなる現象が起こる。この現象は、電流密度が大きいほど、大きくなる。即ち、大電流が必要な重負荷の駆動時には、端子電圧は急速に低下し、逆に、大電流による急速充電時は、急速に上昇する。但し、これらの充放電を停止すると、本来の端子電圧を示すことも、非特許文献１に記載されている。

さらに、これらの分極作用が、電池の内部抵抗の正体であることも、非特許文献１に記載されている。即ち、この分極に起因する内部抵抗の存在により、充電時には本来の端子電圧より上昇し、放電時には本来の端子電圧よりも低下する。

上記分極作用による端子電圧の変動により、電池の残容量検出を、充電を実施しながら正確に行うことは非常に難しく、数々の方法が考案されてきた。
特許文献２には、充電時の内部抵抗による電圧上昇で間違って過充電防止電圧と判定し、過充電防止状態となってしまい、充電が不十分になることを防止するために、電池電圧測定時に充電を禁止することが記載されている。

特許文献３には、急速充電時の内部抵抗による電池電圧の見かけの上昇を含めた端子電圧では、正確な残容量検出が出来ないため、急速充電時に満充電に対応する電圧が検出された後は、細流充電と急速充電を繰り返し、内部抵抗による電圧上昇が殆ど無い細流充電時の電圧を検出することで、満充電状態とすることが記載されている。

特許文献４では、やはり内部抵抗によるみかけの抵抗により電池電圧がふらつくので、特許文献５にある放電時の重負荷によるふらつきを排除する方法と同様の方法を使用し、所定電圧を所定時間上回ったら、所定の残容量に対応する表示を行うことが記載されている。
ＷＯ９５／２７９２６号公報 特開昭６１−２３６３３２号公報（第４図、２ページ） 特公昭５３−１６８９５号公報（第２図、１ページ２欄〜２ページ３欄） 特開平７−３０６２７５号公報（図４、請求項１） 特開昭６０−１６１５７２号公報（第２図、第３図） 「電池ハンドブック」（株式会社電気書院、昭和５０年４月１５日第１版第１刷発行、１−１７〜１８、３−４２、３−５２）

充電式アナログ電子時計で、モータ駆動制御の安定と残容量（充電量）の表示を両立させる場合、以下の問題があった。モータ駆動制御のためには、その性質上、短い周期で実電圧値を計測する必要がある。
それは、モータ駆動が時計にとっては重負荷であるので、２次電池を電源として駆動する必要が有り、そのときの実際の端子電圧がモータ駆動電圧となるからである。また、充電式時計では、電池電圧の変動が激しいため、短い周期（通常は１秒ないし２秒）での計測を必要とする。

それに対し、残容量表示用の電池電圧検出（以下、ＢＤ）場合には、実電圧値をそのまま用いることはできない。何故ならば、２次電池の多くは分極作用が有り、計測した実電圧値で即残容量を決定すると間違った表示を行う可能性がある。そのために、所定電圧を所定時間連続して上回ったことを検出して初めて対応する残容量表示を行なったり、充電を一時停止し、停止からの所定時間経過後の電圧低下に基づき残容量を決定することが、特許文献４に開示されている。
従って、特許文献４に開示のように、充電禁止状態での電池電圧値の計測が必要となる。

但し、２次電池の容量と発電手段の発電量にもよるが、時計に組み込まれる発電源では大容量電流による発電は不可能であること、時計はその性質上非常に低消費電力となるように作成されているので、急速な残容量の変化は通常は無く、モータ駆動用の電池電圧周期よりは遥かに長い時間周期（分単位周期）の測定でも問題は無い。

ここで、モータ駆動制御と残容量表示に必要な電池電圧について、図５の如く纏める。
図５よりもわかるように、モータ駆動制御用の電池電圧検出と残容量表示用の電池電圧検出は、本来相容れないものであり、両者を並立させることは非常に困難であった。
そのため、モータ駆動制御用の電池電圧検出と残容量表示用の電池電圧検出の２つの電池電圧計測システムの搭載が必要となり、回路が大型化してしまう問題があった。

本発明は、上記問題を解決し、従来の電池電圧検出システムを用いて、小規模の改良により上記問題を解決し、安定したモータ駆動制御と正確な残容量表示を実現する充電式アナログ電子時計を提供する。

本発明では、モータ駆動制御と残容量表示に必要な電池電圧が相容れないものであることを逆に利用し、以下のような制御を行う。
モータ駆動制御用電池電圧(ＢＤ)検出は短周期(仮に２秒周期)で、残容量表示用電池電圧(ＢＤ)検出は長周期（仮に５分〜１時間）で実施することを特徴とする。

両者が重なるタイミングにおいて、まずモータ制御用ＢＤ検出を実施し、その後、所定時間充電を停止し（電池特性で変わるが、仮に１秒）、所定時間経過後の電圧を測定し、残容量を推定し充電を再開することを特徴とする。

残容量検出ＢＤの周期は、検出すべき電池の状態により可変しても良い。例えば、急速充電／放電の起こる残容量が空の状態では周期を短く、逆に殆ど変化しない中間領域では、検出周期を長くすることを特徴とする。

本発明によれば、モータ駆動制御用のＢＤ検出回路と、残容量検出用のＢＤ検出回路を単一のＢＤ回路で行い、精度の高いモータ駆動制御と残容量表示が実現可能である。また、単一のＢＤ回路で行うことにより、システムの簡略化、及び小型化、さらに、低消費電力化を可能とする。

以下、図面を参照して、本発明に係る電子時計について説明する。
〔第１実施例〕

第１実施例は、本発明の基本実施形態を示す実施例である。
図１は、本発明の第１実施例の電子時計の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施例の電子時計において、１は発振回路であり、不図示の水晶発振子を使用し、３２７６８Ｈｚの基準信号を出力する基準信号源である。

２は分周回路であり、発振回路１の出力する３２７６８Ｈｚの基準信号を入力して分周し、後述するＰ１，Ｐ２，Ｐ３の各信号や計時における基準信号である１Ｈｚ信号を作成する。３は、計時回路であり、分周回路２からの１Ｈｚ信号を入力して計時を実施し、計時結果を表示するための基準信号ＰＫを出力する。

４は、波形作成回路であり、基準信号ＰＫを入力し、時刻表示手段７を駆動するモータ６を駆動するための駆動信号（モータ駆動パルス）ＰＭを出力する。５は駆動回路であり、波形整形回路４からの信号を受け、モータ６を駆動する。

８はモータ駆動電圧検出用信号作成回路であり、分周回路からの２秒毎の信号Ｐ１を入力し、２秒毎のモータ駆動用電圧検出（以下、モータＢＤ）信号ＢＤ１を作成し、モータ駆動用電圧レベル判定回路１１と後述の電圧検出回路１５に出力する。
９は残容量電圧検出用信号作成回路であり、分周回路からの１時間毎の信号Ｐ２を入力し、１時間毎の信号ＢＤ２を作成し、後述のデータタイプフリップフロップ（以下、Ｄ−ＦＦ）２２のクロック入力とカウンター１９のリセット端子に出力する。ＢＤ２を元に、残容量電圧検出（以下、残容量ＢＤ）制御信号ＢＤ３が作成され、後述の電圧検出回路１５に出力される。

１２はソーラセル等からなる発電手段であり、１４は発電手段１２の発電電力を蓄電する蓄電手段である。１３は充電制御回路であり、発電手段１２−蓄電手段１４間に挿入され、発電手段１２からの発電電力の充電／遮断を実施するスイッチ手段である。その制御は、充電禁止信号ＫＰにより実施されるが、詳細は後述する。
なお、本実施例においては、充電制御回路１３は、発電手段１２−蓄電手段１４間に挿入されるスイッチ手段としているが、もちろんこれに限定されない。例えば、特許文献２に記載のように、過充電防止手段にその役割を持たせても良い。

１５は、電圧検出回路であり、蓄電手段１４の端子電圧である充電電圧ＢＶを測定し、その結果を検出信号Ｂ１として出力する。
電圧検出回路１５は、２秒毎のモータＢＤ信号ＢＤ１と１時間毎の残容量ＢＤ信号ＢＤ３のアクティブ電位入力タイミングでのみ動作するため、電圧検出回路１５での消費電力はごくわずかに抑えることが出来る。

Ｄ−ＦＦ２２は、データ入力端がＨレベルであるＶｄｄに接続され、クロック入力端ΦはＢＤ２用信号作成回路９からのＢＤ２を入力とし、ＢＤ２の立ち上がりに同期して動作
し、出力端ＱからＨレベルの充電禁止信号ＫＰを、充電制御回路１３とＡＮＤゲート２０に出力する。
充電制御回路１３は、充電禁止信号ＫＰがＨレベルの時に蓄電手段１４への充電を遮断し、Ｌレベルの時に蓄電手段１４への充電を実施する。

ＡＮＤゲート２０は、充電禁止信号ＫＰと分周回路２からのクロックＰ３を入力し、カウンター１９に向けて出力する。ＡＮＤゲート２０の出力は、充電禁止信号ＫＰが蓄電手段１４への充電を禁止している区間のみ、カウンター１９にクロック出力する。

カウンター１９は、充電禁止信号ＫＰによる蓄電手段１４への充電禁止時間を規定するカウンターであり、ＢＤ２によりリセット後、充電禁止時間に相当する所定時間をカウントし、カウントアップ時に残容量ＢＤ信号ＢＤ３をＤ−ＦＦ２２のリセット端子と、後述の残容量表示レベル判別回路１６に出力する。残容量ＢＤ信号ＢＤ３により、Ｄ−ＦＦ２２はリセットされ、充電禁止信号ＫＰがＬレベルとなり、充電禁止が解除される。

残容量表示レベル判別回路１６は、残容量ＢＤ信号ＢＤ３と電圧検出回路１５からの検出信号Ｂ１を入力し、記憶している蓄電手段１４の残容量−開放端子電圧の相関関係から表示すべき残容量レベルを判定し、レベル判別信号Ｈ２を出力する。
１７は残容量表示制御回路であり、残容量表示レベル判別回路１６からのレベル判別信号Ｈ２を入力し、残容量表示装置１８が残容量の表示内容を示す残容量表示データＤ２を出力する。
残容量表示装置１８は、残容量表示データＤ２を受け、対応する残容量の表示を実行する。なお、残容量表示装置１８の具体的内容（モータによる指針表示、ＬＣＤ表示等）は、本発明の本質では無いので、その詳細は省略する。

１１は、モータ駆動用電圧レベル判別回路１１であり、電圧検出回路１５から出力される検出信号Ｂ１とモータ用ＢＤ信号ＢＤ１を入力として、検出信号Ｂ１の電圧に応じた複数の電圧レベル判別信号Ｈ１を出力する。
モータ駆動波形選択回路１０は電圧レベル判別信号Ｈ１を入力とし、電圧レベルに応じた選択信号Ｄ１を波形作成回路４に出力する。選択信号Ｄ１を受けた波形作成回路４は、その時点での蓄電手段１４の端子電圧に最適なモータ駆動信号ＰＭを駆動回路５に出力する。

次に、図２を用いて、第１実施例の動作を説明する。
図２は電子時計の動作モードを説明するタイムチャート図である。
発電手段１２より、充電制御回路１３を介して、蓄電手段１４が充電され、充電電圧ＢＶが充電される。ここでは、充電制御回路１３は蓄電手段１４への充電を許可している。

次に、ｔ１のタイミングにて、モータ駆動用のＢＤ検出を行う。
充電中の蓄電手段１４である２次電池は、分極作用によって、端子間に実充電電圧以上の電圧が発生する。しかし、正常にモータを駆動するためには、分極電圧込みの実端子電圧検出が必要であるので、ｔ１のタイミングにおいて、モータＢＤ用回路８よりＢＤ１信号が出力され、モータ駆動のための電圧検出回路１５のＢＤ検出を行う。

検出信号Ｂ１の出力結果に応じてモータ駆動用電圧レベル判別回路１１より、電圧レベル判別信号Ｈ１が出力され、モータ駆動波形選択回路１０に出力される。
モータ駆動波形選択回路１０は、選択信号Ｄ１を波形作成回路４に出力し、波形作成回路４において、２次電池電圧に応じたモータ駆動パルス（信号）ＰＭを出力し、駆動回路５を介して、モータ６、及び、時刻表示装置７を正常に動作させる。
モータ制御のＢＤ1信号は２秒周期で行い、ｔ４、ｔ５、ｔ８もｔ１と同様の動作を行
う。
なお、実際のモータ駆動パルス（信号）ＰＭ自体は、本発明の本質ではないので、図２には記載していない。

続いて、ｔ２のタイミングにおいて、残容量の測定を実行する。残容量の検出には、残容量と相関する開放端子電圧が必要であるが、Ｖ１は分極による見かけの電圧上昇込みの電圧であるため、そのままでは残容量の測定に使用できない。
そこで、ｔ１から所定時間の値のｔ２タイミングにおいて、残容量測定のための専用ＢＤ検出を実行する。

ｔ２のタイミングにおいて、残容量ＢＤ信号作成回路９から出力されるＢＤ２によって、Ｄ−ＦＦ２２の出力信号である充電禁止信号ＫＰがＨレベルになり、蓄電手段１４への充電を禁止する。
充電を禁止することにより、充電電圧ＢＶは、分極込みの端子電圧から、残容量に相関した実充電電圧へと変化する。

実充電電圧に落ち着いたとみなせる、充電を禁止してから所定時間経過後（カウンター１９のカウントアップ時点）のｔ３のタイミングにおいて、残容量電圧検出制御信号ＢＤ３が電圧検出回路１５に出力され、実充電電圧とみなせる蓄電手段１４の端子電圧が検出信号Ｂ１として出力される。

残容量表示レベル判別回路１６により、入力された残容量ＢＤ信号ＢＤ３と検出信号Ｂ１とにより、実充電電圧を検出して残容量を検出し、レベル判別信号Ｈ２を出力する。
レベル判別信号Ｈ２に基づき、残容量表示制御回路１７より残容量表示データＤ２が出力され、残容量表示装置１８による残容量の表示を実行する。

残容量電圧検出制御信号ＢＤ３の信号によって、Ｄ−ＦＦ２２にリセットをかけ、Ｄ−ＦＦ２２の出力である充電禁止信号ＫＰをＬレベルにすることにより、充電を再開する。
残容量制御のＢＤ２信号とＢＤ３信号は１時間周期でおこない、ｔ６、ｔ７もｔ２、ｔ３と同様の動作を行う。

上記の如く、モータ６の駆動制御には、蓄電手段１４の分極作用による上昇分を含む実端子電圧が必要であり、蓄電手段１４の残容量の検出には、分極作用による上昇分を含まない、非充電状態の開放電圧が必要であり、両者の測定が相容れないことを逆に利用し、単一の電圧検出回路１５で、両方の電圧測定を可能にしている。
これにより、以下の利点を有する。
（１）従来技術では、モータ用と残容量用の２つの電圧検出回路とその制御回路が必要であったが、本発明により、単一の電圧検出回路１５を共通使用できるので、回路を小型化できる。そのため、時計も小型化でき、また、回路のコストダウンも可能である。

また、残容量ＢＤは、残容量の変化がそれほど大きくないことを利用し、１時間に１回の長い周期での電圧検出としている。
これにより、以下の利点を有する。
（２）モータＢＤの１／１８００の頻度で実行されるので、消費電力への影響が殆ど無い。
（３）残容量ＢＤに伴う充電禁止の頻度を非常に少なく出来るので、充電効率を殆ど落とすことなく、残容量検出を行うことが可能となる。

なお、ｔ１〜ｔ２のモータＢＤ〜充電禁止開始までの時間、および、ｔ２〜ｔ３の充電禁止時間については、モータや電池の特性を元に適宜決定することが出来る。

〔第２実施例〕
続いて、第２実施例について、図面を用いて説明する。
第２実施例は、電池の容量に応じ、残容量ＢＤの周期を変更する場合の実施例である。

図３は実施形態２の電子時計の概略構成を示すブロック図であり、図３は図１と同様の構成であるため、同一構成要素には同一番号を付して説明を省略する。図１と図３の差は、検出周期選択回路２３の追加のみである。
検出周期選択回路２３は、電圧検出回路１５から出力される検出信号Ｂ１及び、分周回路２からの分周信号ＰＦを入力として、サンプリング周期可変信号ＰＴを出力する。サンプリング周期可変信号ＰＴの出力が残容量ＢＤ信号作成回路９に入力され、信号ＢＤ２を出力する。

図４は、電子時計で使用される一般的な２次電池の放電特性を示した図である。
図４に示すように、ｔ１区間に示すフル充電からは比較的急峻な降下をし、その後ｔ２区間のごとく、殆ど一定の電圧を保つ期間があり、充電の無くなるｔ３区間のごとく比較的急峻な降下を起こす特性を持っている。そのため、残容量の表示を行うＢＤサンプリングを、蓄電手段１４の電池電圧と無関係に常に同じ周期で行うことは、以下の理由で問題がある。

（ａ）比較的急峻な降下を示すＴ１，Ｔ３では、ＢＤサンプリングを細かく実行しないと、正しい残容量検出とならない。特に、残容量の殆ど無いｔ３区間では、ユーザーへの時計停止の危険報知と充電催促のために、正確で的確なタイミングでの残容量表示が必須である。
（ｂ）逆に、殆ど一定の電圧を保つＴ２期間では、電圧変化が殆ど無く、また、ユーザーへの時計停止の危険報知と充電催促も必要無い。そのため、Ｔ１，Ｔ３区間と同じ周期でのＢＤサンプリングは、消費電力の無駄が多く、充電効率も悪くなる。

そこで、上記（ａ）（ｂ）の問題を解決するため、Ｔ１及びＴ３区間においては、モータ用ＢＤ検出（２秒）よりは長周期であるが、比較的早い周期にて検出を行い（例えば、５分周期）、Ｔ２の区間においては、長周期（例えば、１時間周期）で行うことにより、上記問題を解決する。

図３において、検出周期選択回路２３は、電圧検出回路１５から出力される検出信号Ｂ１を入力し、図４におけるどの状態にあるか、具体的には、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のどの区間にあるかを判定する。その判定結果に基づき、検出周期選択回路２３は、サンプリング周期可変信号ＰＴを出力する。具体的には、Ｔ１，Ｔ３区間では５分周期の、Ｔ２区間では１時間周期の信号を出力する。残容量ＢＤ信号作成回路９は、サンプリング周期可変信号ＰＴに基づき、Ｔ１，Ｔ３区間では５分周期の、Ｔ２区間では１時間周期のＢＤ２信号を出力する。

このようにすることにより、以下の利点を有する。
（３）２次電池の特性に基づき、電池の状態を判定し、その結果に基づき、残容量ＢＤの周期を可変しているので、消費電流の削減、充電効率向上と残容量検出精度向上をさらに効率良く実現することが出来る。

なお、上記実施例では、Ｔ１，Ｔ３区間で残容量ＢＤ検出周期を同じ周期（５分周期）としたが、Ｔ１，Ｔ３で別の周期としても良い。Ｔ１区間は満充電状態に近い状態であり、実用上それほど正確に残容量検出をしなくても良い状態である。それに対し、Ｔ３区間は非常に正確な残容量検出を求められる。従って、Ｔ１区間で３０分周期とし、Ｔ３区間
は５分周期とするようなことを実施しても良い。

また、本実施例では、残容量ＢＤのみ周期を変更したが、モータ用ＢＤの周期を変化させても良い。上記の如くＴ２区間では、電池電圧の変動が殆ど無いため、Ｔ２区間ではモータ駆動用パルスの変更頻度は低くて良い。そのため、Ｔ２区間では、例えば、１０秒周期でモータＢＤを実行するようにしても良い。

なお、上記説明における周期の数値は、もちろんその値に限定されるものでは無く、使用する２次電池、モータなどの特性に応じ、適宜変更可能である。

本発明の第１実施例の形態を示す電子時計のシステムブロック図である。 本発明の第１実施例の形態を示すタイムチャート図である。 本発明の第２実施例の形態を示す電子時計のシステムブロック図である。 電子時計で使用される一般的な２次電池の放電特性図である。 モータ用ＢＤと残容量ＢＤの特徴をまとめた図表である。

符号の説明

１ 発振回路
２ 分周回路
３ 計時回路
４ 波形作成回路
５ 駆動回路
６ モータ
７ 時刻表示装置
８ モータ駆動電圧検出用信号作成回路
９ 残容量電圧検出用信号作成回路
１０ モータ駆動波形選択回路
１１ モータ駆動用電圧レベル判別回路
１２ 発電手段
１３ 充電制御回路
１４ 蓄電手段
１５ 電圧検出回路
１６ 電圧―残容量表示レベル判別回路
１７ 残容量表示制御回路
１８ 残容量表示装置
１９ カウンター
２０ 制御用アンド
２１ タイマ回路
２２ データタイプフリップフロップ
２３ 検出周期選択回路

Claims (4)

1. 時刻表示手段等を駆動するためのモータと、
   該モータを駆動するモータドライバー回路と、
   該モータドライバー回路と前記モータの電源となる蓄電手段と、
   該蓄電手段の電圧を検出する電圧検出回路と、
   該電圧検出回路と前記モータドライバー回路を制御する制御部と、
   を有する電子時計において、
   前記蓄電手段を充電するための発電手段と、
   該発電手段−前記蓄電手段間に挿入され、前記制御部によりオン／オフ制御される充電制御用スイッチ手段を有し、
   前記制御部は、
   前記モータドライバー回路にて前記モータを駆動する際に必要な前記蓄電手段の電圧検出（以下モータＢＤ）と、前記蓄電手段の残容量の推定に必要な前記蓄電手段の電圧検出（以下残容量ＢＤ）とを、
   同一の前記電圧検出回路にて実施するために、
   始めに前記モータＢＤ検出のための第１の制御信号を、前記電圧検出回路に出力して前記モータＢＤ検出を実施し、
   前記モータＢＤ検出終了後、前記充電制御用スイッチ手段をオフする第２の制御信号を所定時間出力し、
   該所定時間経過後に、前記残容量ＢＤのための第３の制御信号を前記電圧検出回路に出力し、その後前記第２の制御信号を解除することを特徴とする電子時計。
2. 前記残容量ＢＤの検出周期は、前記モータＢＤの検出周期より長いことを特徴とする請求項１に記載の電子時計。
3. 前記制御部は、前記残容量ＢＤにより推定される前記蓄電手段の残容量により、前記残容量ＢＤの検出周期を変更することを特徴とする請求項２に記載の電子時計。
4. 前記制御部は、前記残容量ＢＤにより推定される前記蓄電手段の残容量により、前記モータＢＤの検出周期も変更することを特徴とする請求項３に記載の電子時計。

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