JP6260649B2 - 電子時計 - Google Patents

Description

本発明は、電子時計に関し、特に、太陽電池と、当該太陽電池で生じた電力により充電される二次電池とを有する電子時計に関する。

従来、太陽電池及び二次電池を有し、当該太陽電池で発電した電力により二次電池を充電して駆動する電子時計が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような太陽電池としては、複数のセル（発電部）を有するものが採用されることが一般的である。

ところで、二次電池を充電可能な構成を有する電子時計の場合、二次電池に供給される電圧が所定電圧より高いと当該二次電池の劣化が進行してしまい、寿命が短くなるという問題がある。このような問題に対し、二次電池の過充電を防止する機能を有する電子時計が知られている（例えば、特許文献２参照）。

この特許文献２に記載の電子時計は、当該電子時計が装着された使用者の腕の動きに応じて回転する回転錘と、当該回転錘の回転が伝達される回転錘車等の歯車と、当該歯車に伝達された回転力により発電する発電装置とを有するものである。この電子時計は、これらの他に、電池電圧検出手段及び電池電圧制御手段を有する。これらのうち、電池電圧制御手段は、電池電圧検出手段によって検出された二次電池の電圧が設定値以上であれば、リミッタを作動させて、発電装置により発電された電流を二次電池に供給しないようにする。これにより、二次電池の過充電が防止される。
このように、二次電池を充電可能な構成を有する電子時計では、使用環境に応じて当該二次電池に供給される充電電流の電圧値、すなわち、発電装置による発電電流の電圧値が不明であるため、二次電池の過充電を防止する過充電防止機能を組み込むことが一般的である。

特開２００４−２７９２５２号公報 特開２００８−２５６４５３号公報

ところで、前述の過充電防止機能は、制御ＩＣ（Integrated Circuit）により実現されることが多い。このようなＩＣの寸法（面積）は、当該ＩＣの製造コストに大きく寄与する。特にアナログ式電子時計においては、当該ＩＣの製造コストは、ムーブメントの製造コストの中でも割合が比較的高い。このため、過充電防止機能を設けることで制御ＩＣが大型化すると、当該制御ＩＣの製造コストが増大し、ひいては、電子時計の製造コストが増大するという問題がある。
また、制御ＩＣが大型化すると、当該制御ＩＣが実装される回路基板も大型化する。このため、回路基板の製造コストが増大するだけでなく、ムーブメントにおける当該回路基板の配置自由度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、製造コストを低減できる電子時計を提供することである。

前記した目的を達成するために、本発明の電子時計は、入射光により発電する太陽電池と、前記太陽電池により生じた電力により充電される二次電池と、前記太陽電池により生じた電力及び前記二次電池から出力される電力の少なくともいずれかにより駆動され、時刻を表示する表示装置とを有し、前記太陽電池は、それぞれ同じ起電圧のセルを複数有し、各セルは直列に接続され、かつ、１つのセルに短絡による不具合が発生しても、正常に発電可能な他のセルで生じた発電電流を供給可能に構成され、前記表示装置は、時刻を表示する表示手段と、前記表示手段の駆動を制御する制御手段とを有し、前記各セルの起電圧の総和である前記太陽電池の起電圧は、前記二次電池が過充電状態となる電圧である劣化開始電圧より低く、前記太陽電池が有する前記セルの総数から１減算した数の前記セルのそれぞれの起電圧の和は、前記表示装置の駆動下限電圧以上であり、前記制御手段が前記表示手段を駆動する駆動電圧は、前記駆動下限電圧より低く、前記制御手段の動作電圧は、前記駆動下限電圧より低く、前記駆動下限電圧は、前記表示装置が正常に時刻を表示可能な電圧を示すことを特徴とする。

なお、起電圧とは、セル又は太陽電池が出力する発電電流の電圧値を示す。また、劣化開始電圧は、二次電池が過充電状態となり、当該二次電池が劣化する際の電圧を示す。また、駆動下限電圧は、表示装置が正常に時刻を表示可能な電圧を示す。例えば、通常状態（電池電圧が十分にある状態）では、１秒ごとに秒針を動かす１秒運針を実施し、電池電圧が所定値より低くなった状態では、２秒ごとに秒針を動かす２秒運針を実施する機能を有するアナログ式電子時計において、１秒運針と２秒運針とを切り替える際の電圧値である前記所定値が、駆動下限電圧の電圧値となる。

本発明によれば、太陽電池の起電圧は、二次電池の劣化開始電圧より低い。これによれば、高照度環境下（入射光量が多い環境下）に太陽電池が置かれても、劣化開始電圧より高い電圧が二次電池に印加されることがない。これにより、二次電池に過充電が生じることが防止される。このため、制御手段が、電子時計の駆動を制御する制御ＩＣを有する場合には、当該制御ＩＣに前述の過充電防止機能を設ける必要がない。従って、制御ＩＣを小型化でき、当該制御ＩＣの製造コスト、ひいては、電子時計の製造コストを低減できる。
また、制御ＩＣを小型化できることから、当該制御ＩＣが実装される回路基板も小型化できる。従って、当該回路基板の製造コストを削減でき、この点においても、電子時計の製造コストを更に低減できる。この他、回路基板を小型化できることから、電子時計における当該回路基板の配置自由度を向上できる。

なお、太陽電池における高照度下での初期性能劣化の改善や耐環境性能の特性向上が進み、近年の太陽電池の品質は安定してきている。このことから、上記のようにして設定されたセル数が、従来の電子時計で利用されてきた太陽電池のセル数より少なくなった場合でも、当該設定されたセル数のセルを有する太陽電池による発電電力を用いて、表示装置を安定して駆動させることができる。従って、電子時計を安定して動作させることができる。

また、太陽電池が有するセルの総数から１減算した数のセルの起電圧は、表示装置の駆動下限電圧以上である。そして、当該表示装置を構成する表示手段の駆動電圧、及び、制御手段の動作電圧は、それぞれ当該駆動下限電圧より低い。これによれば、太陽電池において１つのセルに短絡による不具合が生じても、表示装置を駆動させるのに十分な電圧を当該表示装置に確実に供給できる。従って、表示装置、ひいては、電子時計を安定して動作させることができる。

本発明では、前記太陽電池は、前記セルを３つ有し、前記二次電池の定格電圧は、１．５Ｖであり、前記劣化開始電圧は、２．４Ｖであり、前記駆動下限電圧は、１．２Ｖ以下であり、１つの前記セルの起電圧は、０．６Ｖ以上０．８Ｖ未満であることが好ましい。
本発明によれば、前述の電子時計の効果をより好適に奏することができる。また、３つのセルを有する太陽電池の表面積（各セルにおいて光が入射される面の合計面積）と、４つのセルを有する太陽電池の表面積とが同じである場合には、当該４つのセルを有する太陽電池に比べて、３つのセルを有する太陽電池では、発電量を大きくすることができる。従って、二次電池の充電を速やかに行うことができる。

本発明の一実施形態に係る電子時計の構成を示すブロック図。 前記実施形態における太陽電池の発電特性を示す図。 前記実施形態における３つのセルを有する太陽電池と４つのセルを有する太陽電池の発電特性をそれぞれ示す図。 前記実施形態における二次電池の好ましい使用電圧範囲及び表示装置の駆動可能範囲と、複数のセルの起電力との関係を示す図。

［電子時計の概略構成］
以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る電子時計１の構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る電子時計１は、アナログ式電子時計として構成され、内部に設けられた太陽電池で発電した電力により、同じく内部に設けられた二次電池を充電するとともに、当該電力又は二次電池から供給される電力により駆動して、時刻の計時及び時刻の表示を行うものである。
このような電子時計１は、図１に示すように、表示装置２、二次電池３及び太陽電池４を有する。

［表示装置の構成］
表示装置２は、太陽電池４による発電電流、又は、二次電池からの供給電流により駆動して、時刻を表示する。この表示装置２は、時刻を表示する表示手段２１と、当該表示手段２１の動作を制御する制御手段２２とを有する。
表示手段２１は、詳しい図示を省略するが、指針と、当該指針を回転させるステップモーター及び複数の歯車を有するムーブメントとを有する。このステップモーターの好ましい動作電圧範囲は、０Ｖより大きく０．８Ｖ以下であり、このため、表示手段２１の駆動電圧は、表示装置２の後述する駆動下限電圧である１．２Ｖより低い値となっている。なお、本実施形態では、表示手段２１の駆動電圧を当該駆動下限電圧（１．２Ｖ）より低くするために、上記ステップモーターの動作電圧範囲を０Ｖより大きく０．８Ｖ以下としている。しかしながら、当該ステップモーターの動作電圧範囲は、適宜設定されうるものであり、例えば２．４Ｖ以上の電圧を印加しても、ステップモーターは駆動可能である。
このような電子時計１はアナログ式電子時計として構成されるため、表示手段２１は、指針及びムーブメントを有する構成である。しかしながら、電子時計１がデジタル式電子時計として構成される場合には、表示手段２１は、液晶パネル等の表示デバイスにより構成される。

制御手段２２は、内部時刻を計時し、当該内部時刻に応じて表示手段２１の動作を制御する。具体的に、制御手段２２は、前述のステップモーターの動作を制御して、表示手段２１に内部時刻を表示させる。このような制御手段２２は、当該制御処理を実行する制御ＩＣ等が実装された回路基板として構成されている。この制御手段２２（制御ＩＣ）の好ましい動作電圧範囲は、０．６Ｖ以上３Ｖ未満であり、通常駆動状態の動作電圧は、略１．１Ｖである。このため、通常駆動状態での動作電圧は、本実施形態では、表示装置２の後述する駆動下限電圧である１．２Ｖより低い値となっている。なお、駆動下限電圧（１．２Ｖ）以上の電圧が印加された場合でも、制御手段２２を構成する制御ＩＣの動作は可能である。
一方、電子時計１がデジタル式電子時計として構成される場合には、制御手段２２は、前述の表示デバイスの駆動を制御して、当該表示デバイスに内部時刻を表示させる。

このような表示装置２は、二次電池３から供給される電圧（二次電池３の電池電圧）に応じて駆動方式を変更する。具体的に、二次電池３から供給される電圧が所定値以上であれば、前述の指針のうち、秒針を１秒ごとに回動させる１秒運針を行う。この１秒運針を行う状態が、電子時計１においては正常状態である。一方、当該電圧が所定値未満であれば、秒針を２秒ごとに回動させる２秒運針を行い、消費電力を抑制する。このような所定値は、本発明の駆動下限電圧であり、０Ｖより大きく１．２Ｖ以下の範囲で設定される。なお、本実施形態では、駆動下限電圧は１．２Ｖに設定されている。
なお、電子時計１がデジタル式電子時計として構成される場合には、駆動下限電圧は、表示装置２が正常に時刻を表示可能な電圧値となる。また、表示手段２１の駆動電圧は、前述の表示デバイスの駆動電圧となり、制御手段２２の動作駆動電圧は、内部時刻を計時して、かつ、当該表示デバイスの駆動制御を実施可能な電圧となる。

［二次電池の構成］
二次電池３は、例えば、チタニウム−リチウムイオン二次電池により構成され、表示装置２を動作させる電力を当該表示装置２に出力する。なお、本実施形態では、当該二次電池３は１．５Ｖ系の二次電池である。
この二次電池３は、太陽電池４から供給される電流により充電されるが、入力される電流（充電電流）の電圧が所定電圧値以上である場合には、過充電が生じて劣化が進む。この所定電圧値は、本発明の劣化開始電圧に相当し、本実施形態で採用される二次電池３の劣化開始電圧は２．４Ｖである。具体的に、当該二次電池３の好ましい使用電圧範囲は０．５Ｖ以上２．４Ｖ未満とされている。このため、２．４Ｖ以上の電圧が印加されると、二次電池３に劣化が生じる。
なお、二次電池３の耐圧としては、２．６Ｖ以上２．８Ｖ以下の値であることが多いが、耐圧に近い状態で二次電池３が使用されると、容量抜け等の品質低下が生じうる。このため、本実施形態では、二次電池３の劣化開始電圧は２．４Ｖとしている。

［太陽電池の構成］
太陽電池４は、入射される光により発電し、生じた発電電流を制御手段２２に出力する。この発電電流は二次電池３に供給され、当該二次電池３が充電される。この太陽電池４は、それぞれ同じ発電能力を有する発電部であるセル４１を３つ有する。すなわち、当該各セル４１の起電圧は、それぞれ同じであり、本実施形態では、０．６Ｖ以上０．８Ｖ未満である。

図２は、低照度環境下及び高照度環境下での太陽電池４のＶ−Ｉ特性を示す図である。なお、図２における横軸は、二次電池３の電池電圧を示し、縦軸は、太陽電池４の発電電流を示している。
この太陽電池４では、図２に示すように、二次電池３の電池電圧が低い場合には、高照度環境下（単位面積当たりの入射光量が多い環境下）での発電電流の値と、低照度環境下（単位面積当たりの入射光量が少ない環境下）での発電電流の値とは異なる。すなわち、高照度環境下での発電量は、低照度環境下での発電量より大きい。
しかしながら、二次電池３の電池電圧が高くなるに従って、高照度環境下での発電電流の値と、低照度環境下での発電電流の値との差は小さくなる。このように、太陽電池４は、二次電池３の電池電圧に応じて発電量は変化する。しかしながら、太陽電池４の起電圧は、高照度環境下でも低照度環境下でも略同じである。
なお、二次電池３の電池電圧が最大に近くなると（満充電に近くなると）、太陽電池４による発電量は低下し、当該電池電圧が最大となると、二次電池３に供給される電力はほぼ０となる。

図３は、３つのセルを有する太陽電池、及び、４つのセルを有する太陽電池のそれぞれの発電特性を示す図である。なお、図３では、低照度環境下での発電特性を示しているが、高照度環境下でも同様の傾向があり、横軸及び縦軸は、図２と同様である。
３つのセルを有する太陽電池全体の表面積（各セルにおいて光が入射される面の合計面積）と、４つのセルを有する太陽電池全体の表面積とが同じである場合、図３に示すように、当該３つのセルを有する太陽電池の起電圧は、４つのセルを有する太陽電池の起電圧より低くなる。

しかしながら、当該３つのセルを有する太陽電池における各セルの表面積は、４つのセルを有する太陽電池における各セルの表面積より大きくなる。このため、３つのセルを有する太陽電池の発電電流（すなわち、発電量）が、４つのセルを有する太陽電池の発電電流より高くなる範囲（二次電池３の電池電圧の範囲）がある。この範囲は、二次電池３の電池電圧が略１．８Ｖ以下である。
このように、二次電池３の電池電圧が１．８Ｖ以下である状態では、４つのセルを有する太陽電池の発電量より、３つのセルを有する太陽電池の発電量の方が大きい。このことから、当該状態においては、３つのセルを有する太陽電池を採用することにより、二次電池３を速やかに充電できる。そして、本実施形態に係る電子時計１では、３つのセル４１を有する太陽電池４が採用されている。

［太陽電池のセル数の決定］
以下、太陽電池４に設けられるセル４１の数の決定方法について説明する。
本実施形態に係る電子時計１では、二次電池３に過充電が生じることを防止する過充電防止機能を、制御手段２２を構成する制御ＩＣに設けずに、当該過充電の発生を防止している。これは、以下の条件により決定された数のセル４１を有する太陽電池４を採用していることによるものである。
なお、前述のように、太陽電池４に設けられる各セル４１の起電圧は、それぞれ同じである。

第１条件は、太陽電池４が有する全てのセル４１による起電圧が、二次電池３の劣化開始電圧（本実施形態では、２．４Ｖ）より低いことである。これは、電子時計１の使用環境に応じた太陽電池４の発電状態にも依るが、当該全てのセル４１による起電圧が劣化開始電圧以上であると、二次電池３の過充電が頻繁に生じてしまうため、当該過充電の発生を防止するためである。

第２条件は、太陽電池４のセル４１の総数から１減算した数のセル４１による起電圧が、表示装置２の駆動下限電圧（本実施形態では、１．２Ｖ）以上であることである。これは、１つのセル４１に短絡による不具合が発生して、当該１つのセル４１による発電ができない状態となった場合でも、正常に発電可能な他のセル４１で生じた発電電流により、表示装置２を正常に駆動可能とするためである。なお、ここでいう表示装置２の正常な駆動とは、前述の１秒運針を行う駆動状態を示している。

第３条件は、表示手段２１（詳しくは、当該表示手段２１を構成するステップモーター）の駆動電圧が、表示装置２の駆動下限電圧より低いことである。また、第４条件は、制御手段２２の駆動電圧（通常駆動状態での動作電圧）が、表示装置２の駆動下限電圧より低いことである。これは、表示装置２による時刻表示を適切に行うための電圧を確保するためである。

図４は、二次電池３の好ましい使用電圧範囲及び表示装置２の駆動可能範囲と、複数のセル４１の起電力との関係を示す図である。
本実施形態では、前述のように、二次電池３の定格電圧は１．５Ｖである。また、図４に示すように、二次電池３の劣化開始電圧は２．４Ｖであり、表示装置２の駆動下限電圧は１．２Ｖである。更に、１つのセル４１の起電圧は０．６Ｖ以上０．８Ｖ未満である。

これらのうち、二次電池３の劣化開始電圧は２．４Ｖであり、１つのセル４１の起電圧が０．６Ｖ以上０．８Ｖ未満であること、及び、前述の第１条件から、太陽電池４に必要なセル４１の数は３以下となる。
また、表示装置２の駆動下限電圧は１．２Ｖであり、１つのセル４１の起電圧が０．６Ｖ以上０．８Ｖ未満であることから、セル４１は２以上必要である。そして、当該セル４１の数と前述の第２条件とから、太陽電池４に必要なセル４１の数は３以上となる。
このため、太陽電池４に必要なセル数の範囲は、図４における斜線部分となり、当該セル数は３となる。なお、第２条件が満たされることにより、前述の第３条件及び第４条件から、表示装置２（表示手段２１及び制御手段２２）は正常に駆動及び動作する。
従って、太陽電池４に同じ起電圧のセル４１を３つ設けることにより、制御手段２２に二次電池３の過充電を防止する機能を設けることなく当該過充電の発生を防止できるだけでなく、表示装置２を正常に駆動させることができる。

［実施形態の効果］
以上説明した本実施形態に係る電子時計１によれば、以下の効果がある。
太陽電池４の起電圧は、二次電池３の劣化開始電圧より低い。これによれば、太陽電池４が置かれる環境が低照度環境でも高照度環境下でも、二次電池３には、劣化開始電圧より高い電圧が印加されることがない。このため、二次電池３に過充電が生じることを防止できる。従って、制御手段２２を構成する制御ＩＣに過充電防止機能を設ける必要がないので、当該制御ＩＣ、ひいては、電子時計１の製造コストを低減できる。

また、制御ＩＣに過充電防止機能を設ける必要がないことから、当該制御ＩＣを小型化できる。これにより、制御ＩＣが実装される回路基板も小型化できる。従って、当該回路基板、ひいては、電子時計１の製造コストを更に低減できる。この他、前述のムーブメントに取り付けられる回路基板の配置自由度（電子時計１における回路基板の配置自由度）を向上できる。

更に、太陽電池４が有するセル４１の総数から１減算した数のセル４１（すなわち、２つのセル４１）の起電圧は、表示装置２の駆動下限電圧以上である。また、当該表示装置２を構成する表示手段２１の駆動電圧、及び、制御手段２２の動作電圧は、それぞれ当該駆動下限電圧より低い。これによれば、太陽電池４が有する３つのセル４１のうち、１つのセル４１に短絡による不具合が生じても、正常に発電可能な他のセル４１によって生じる発電電流により、当該表示装置２を確実に駆動できる。従って、電子時計１を安定して動作させることができる。

３つのセル４１を有する太陽電池４の表面積と、４つのセルを有する太陽電池の表面積とが同じである場合には、当該４つのセルを有する太陽電池に比べて、本実施形態における３つのセル４１を有する太陽電池４では、前述の図３に示したように、発電量を大きくすることができる。従って、二次電池３の充電を速やかに行うことができる。

［実施形態の変形］
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。
前記実施形態では、二次電池３の劣化開始電圧、表示装置２の駆動下限電圧、表示手段２１の駆動下限電圧及び制御手段２２の駆動電圧に基づいて、３つのセル４１を有する太陽電池４が採用されたが、本発明はこれに限らない。すなわち、当該電圧値に基づいて決定されたセル４１の数を有する太陽電池が採用されればよい。

前記実施形態では、１．５Ｖ系の二次電池を採用し、当該二次電池の劣化開始電圧は、２．４Ｖとし、表示装置２の駆動下限電圧は、１．２Ｖとし、１つのセル４１により生じる電力の起電圧は、０．６Ｖ以上０．８Ｖ未満であるとした。しかしながら、本発明は、これら数値に限定されず、各電圧値は、電子時計に採用される各構成の特性等に応じて設定可能である。例えば、劣化開始電圧は、２．４Ｖに限らず、二次電池の特性から導かれる他の値であってもよい。また、駆動下限電圧も１．２Ｖに限らず、表示装置の構成等から導かれる他の値であってもよい。例えば、駆動下限電圧は、０Ｖより高く１．２Ｖ以下の範囲の値でもよく、当該範囲外の値であってもよい。更に、太陽電池のセルの起電圧も、０．６Ｖ以上０．８Ｖ未満の範囲に限定されず、当該範囲外であってもよい。すなわち、これら各パラメーターの値に基づいて決定された数のセルを有する太陽電池が、電子時計に採用されていればよい。

前記実施形態では、１．５Ｖ系の二次電池を採用したが、本発明はこれに限らず、他の定格電圧を有する二次電池を採用することも可能である。例えば、３Ｖ系の二次電池を採用した場合、表示装置２の駆動下限電圧が１．８Ｖ以下であり、当該二次電池の劣化開始電圧が３．３Ｖであれば、起電圧が０．６Ｖ以上０．８Ｖ以下のセルを４つ有する太陽電池を利用できる。このような３Ｖ系の二次電池としては、リチウムコバルト酸化物を用いたリチウムイオンニ次電池を例示できる。
前記実施形態では、アナログ式電子時計として構成された電子時計１を例示したが、本発明はこれに限らない。すなわち、デジタル式電子時計に、本発明を適用してもよい。

１…電子時計、２…表示装置、３…二次電池、４…太陽電池、２１…表示手段、２２…制御手段、４１…セル。

Claims (3)

1. 同じ起電圧の複数のセルを直列に接続した太陽電池と、
   前記太陽電池により充電される二次電池と、
   前記二次電池により駆動される表示装置と、を有し、
   前記太陽電池は、１つのセルに短絡による不具合が発生しても、正常に発電可能な他のセルで生じた発電電流を供給可能に構成され、
   前記各セルの起電圧の和は、前記二次電池が過充電状態となる劣化開始電圧より低く、前記表示装置を正常に駆動可能な駆動下限電圧以上であり、
   前記太陽電池が有する前記セルの総数から１減算した数の前記セルのそれぞれの起電圧の和は、前記駆動下限電圧以上である
   ことを特徴とする電子時計。
2. 請求項１に記載の電子時計において、
   前記太陽電池は、前記セルを３つ有し、
   前記二次電池の定格電圧は、１．５Ｖであり、
   前記劣化開始電圧は、２．４Ｖであり、
   前記駆動下限電圧は、１．２Ｖ以下であり、
   １つの前記セルの起電圧は、０．６Ｖ以上０．８Ｖ未満である
   ことを特徴とする電子時計。
3. 請求項１または請求項２に記載の電子時計において、
   前記表示装置は、指針を備えるアナログ式表示装置であることを特徴とする電子時計。

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