JP5211534B2 - 発電機能付き電子時計 - Google Patents

Description

本発明は、発電機能付き電子時計に関する。

発電機能を備えた時計は、電池交換が不要な利点を備えるため、広く利用されるようになった。
このような発電機能付き電子時計においては、過充電防止回路を設けたものが一般的である（特許文献１参照）。
この過充電防止回路は、二次電池の最大定格容量を無駄なく使用するために、比較的高い電圧になった場合に動作するように設定されている。例えば、図９に示すような放電特性を有する二次電池（リチウムイオン電池）においては、例えば２．２Ｖになると、過充電防止回路が動作し、二次電池の過充電が防止されるように設定されている。

また、例えば、比較的大きな電流が流れる急速発電時には、図１０に示すように、二次電池の内部抵抗によって電圧が上昇する。例えば、図１０は、内部抵抗が１００Ωの二次電池の例であるが、急速発電時などに３ｍＡの電流が流れた場合、見かけ上昇電圧は０．３Ｖ位になる。この電圧上昇が生じる点を考慮しても、過充電防止回路の動作電圧は高電圧(例えば２．２Ｖ付近)にすることが望ましい。
なお、二次電池の内部抵抗は電池容量が小さくなると高くなるため、二次電池の種類によっては、見かけ上昇電圧がより高くなる場合もある。例えば、図１１は内部抵抗が２００Ωの二次電池の例であり、見かけ上昇電圧は０．６Ｖ位にもなる。
さらに、二次電池の内部抵抗は、温度変化や使用年数によっても変化し、特に、使用年数が長くなると、大きく上昇する場合もあり、過充電防止回路が必要となる。例えば、図１２は、図１１の二次電池を８年使用した場合の例であり、見かけ上昇電圧も非常に大きくなっている。

また、ステッピングモータおよび指針を有するアナログ表示式の発電機能付き電子時計においては、発電装置の影響で電源電圧が大きく変動するとモータ駆動の安定化などに影響があるため、モータ駆動安定化のためには電源電圧の変動を小さくして、電圧作動領域を狭くすることが求められている（特許文献２参照)。
さらに、高い電圧域・過充電防止電圧付近でのモータ駆動は、品質確保のための複雑な技術が必要であるため（特許文献３参照）、モータ駆動電圧を低く抑えることが求められている。

特開平９−１７１０８６号公報 特開平１１−１５０９８８号公報 特開平7−３０６２７４号公報

以上のように、過充電防止回路を設ければ二次電池への過充電は防止できるが、二次電池が過充電防止回路の動作電圧（例えば２．２Ｖ）付近の高い電圧になっていると、モータ駆動を安定化させるためには複雑な技術が必要となるという問題がある。
また、二次電池の電圧は、過充電防止回路の動作電圧（例えば２．２Ｖ）近辺まで上昇する場合があるため、電源電圧の変動幅が大きくなってモータ駆動の安定化が図れないという問題もある。
さらに、液晶ディスプレイ等を用いて時刻を表示するデジタル式の時計においても、液晶ディスプレイ等の負荷の安定動作のために、電源電圧の変動幅はできるだけ小さくすることが望ましい。

また、回転錘やりゅうずによって発電機のロータを回転して発電するような場合、利用者の発電操作によって急速発電を行うことができるが、この急速発電時に前記見かけ上昇電圧によって過充電防止回路が作動すると、利用者が発電操作を続けていても二次電池への充電が行われず、十分な充電を行うことができないという問題もあった。

さらに、二次電池への充電電流を検出して発電状態をリアルタイムに表示する機能を有する時計においては、発電装置において発電中にもかかわらず、前記見かけ上昇電圧により過充電防止回路が作動すると、二次電池への充電電流が無くなるために発電していないと判断され、発電状態表示機能が停止する。このため、利用者は、発電装置や発電状態表示機構が故障していると誤解するおそれがあった。

本発明の第１の目的は、モータやディスプレイなどの負荷の駆動を容易に安定化できる発電機能付き電子時計を提供することにある。
本発明の第２の目的は、過充電防止回路を備える場合に、見かけ上昇電圧によって過充電防止回路が作動してしまうことを防ぎ、十分な充電を行うことができ、かつ、発電状態表示機能が設けられている場合には正常に作動できる発電機能付き電子時計を提供することにある。

本発明の発電機能付き電子時計は、発電手段と、前記発電手段で発電された電気エネルギを蓄積する蓄電手段と、前記蓄電手段に蓄積された前記電気エネルギで駆動される計時制御手段と、前記計時制御手段によって制御されて時刻表示を行う時刻表示手段と、前記蓄電手段の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で検出された蓄電手段の電圧が、予め設定された第１設定値に達した場合には、蓄電手段に蓄積された電荷を放電する放電手段と、前記電圧検出手段で検出された蓄電手段の電圧が、前記第１設定値よりも高く設定された第２設定値に達した場合に、前記発電手段で発電された電気エネルギが前記蓄電手段に充電されることを防止する過充電防止手段と、前記蓄電手段に充電される充電電流を検出して前記発電手段の発電状態を検出する発電状態検出手段と、前記発電状態検出手段の検出結果に基づいて発電状態を表示する発電状態表示手段と、を備え、前記時刻表示手段は、モータ駆動回路と、このモータ駆動回路から出力されるモータ駆動パルスによって駆動されるモータとを備え、前記放電手段は、前記蓄電手段に並列に接続された電荷放電回路と、電池電圧制御手段とを備え、前記電池電圧制御手段は、前記電圧検出手段で検出された蓄電手段の電圧が第１設定値に達した場合には、前記モータ駆動回路を制御して、前記モータ駆動パルスのエネルギを通常駆動時に比べて増加させて出力することで蓄電手段に蓄積された電荷を放電し、前記電圧検出手段で検出された蓄電手段の電圧が、前記第１設定値よりも高く設定されかつ前記第２設定値よりも低く設定された第３設定値に達した場合には、前記電荷放電回路を作動させて蓄電手段に蓄積された電荷を電荷放電回路に流して放電することを特徴とする。

本発明では、蓄電手段の電圧が予め設定された第１設定値に達した場合には、放電手段によって蓄電手段の電荷を放電しているので、蓄電手段の電圧が上昇することを抑えることができる。このため、蓄電手段の電圧が第１設定値以上に上昇することを防止でき、その分、電圧変動幅を小さくできる。従って、蓄電手段の電圧でモータやディスプレイを駆動する場合は、それらの駆動も安定化できる。
また、発電状態検出手段は、蓄電手段に充電される充電電流を検出することで発電状態を検出することができる。そして、発電状態表示手段は、その検出した発電状態、例えば充電電流値の大きさを、表示針等を用いて表示する。このため、利用者は現在の発電状態を容易に確認できる。さらに、本発明では、放電手段が設けられているため、過充電防止手段が作動されて発電状態を正常に表示できなくなることを防止でき、発電状態表示機能を正常に動作させることができる。

また、一時的に発電電流が増大して放電手段による放電能力を超えた場合、蓄電手段の電圧が第１設定値に達して放電手段が作動されても、蓄電手段の電圧がさらに上昇し、過充電状態になってしまう可能性がある。
これに対し、本発明では、過充電防止手段が設けられているため、蓄電手段の電圧が上昇した場合に蓄電手段への充電を防止でき、蓄電手段の過充電を防止できる。

なお、前記蓄電手段は二次電池であり、前記第１設定値は、二次電池の最大定格容量に対して９０〜９５％の容量となる電圧値に設定されていることが好ましい。例えば、図９に示すような特性を有する二次電池の場合であれば、第１設定値は、１．５Ｖ程度に設定すればよい。
また、前記第２設定値は、第１設定値に比べて、前記見かけ上昇電圧以上高い電圧値に設定することが好ましい。例えば、図９に示すような特性を有する二次電池の場合であれば、第１設定値が１．５Ｖ、見かけ上昇電圧が０．６Ｖの場合、第２設定値は１．５Ｖ＋０．６Ｖ＝２．１Ｖ以上（例えば２．２Ｖ）に設定すればよい。
さらに、第３設定値は、前記第１設定値よりも高く、かつ、前記第２設定値よりも低く設定すればよい。例えば、第１設定値が１．５Ｖ、第２設定値が２．２Ｖの場合、第３設定値は１．７Ｖ程度に設定すればよい。

リチウムイオン二次電池などは、図９に示すように、最大定格容量の９０〜９５％程度までは、電圧変動が小さくほぼフラットな特性であるが、９５％程度を超えると電圧が急激に上昇する。
従って、前記第１設定値を、二次電池の最大定格容量に対して９５％よりも大きくすると、第１設定値は、例えば、１．７〜２．０Ｖ程度になり、その分、電圧変動も大きくなり、モータなどの安定した駆動が難しくなる。
これに対し、第１設定値を、最大定格容量の９０〜９５％程度の電圧、例えば１．５Ｖにすれば、電圧変動が小さくなり、モータなどを安定して駆動できる。

また、第２設定値を、第１設定値に比べて、前記見かけ上昇電圧以上高い電圧値に設定すれば、急速発電時で充電電流が増加した場合や、温度変化・長期間使用などで二次電池の内部抵抗が増加して、０．６Ｖ程度の見かけ上昇電圧が生じた場合でも、過充電防止手段が作動されることを防止できる。
このため、利用者の発電操作によって、急速発電を行っている場合に、過充電防止手段が作動されてしまうこともなく、二次電池を十分に充電することができる。
また、二次電池への充電電流値を検出して発電状態を表示する機能を備えている場合も、過充電防止手段が作動してしまって発電状態の表示が停止することはなく、発電状態表示機能を正常に動作させることができる。

このような本発明では、第１設定値が第３設定値よりも低いため、発電によって蓄電手段の電圧が上昇した場合、まず、モータ駆動パルスのエネルギを増加させて放電が行われる。従って、放電された電荷を有効に利用しながら蓄電手段の電圧上昇を抑えることができる。
さらに、発電能力がモータ駆動パルスによる電荷放電能力よりも大きくなって蓄電手段の電圧が第３設定値まで上昇した場合、電荷放電回路が作動されて電荷放電が行われるため、より効率的に蓄電手段の電荷を放電できる。
なお、第３設定値になって電荷放電回路が作動されている場合、前記モータ駆動パルスによる電荷放電処理も同時に行ってもよい。これらを両方とも行えば、電荷放電回路のみで放電する場合に比べて電荷放電能力をより一層向上できる。

また、本発明では、放電手段である電池電圧制御手段は、モータ駆動回路を制御し、モータ駆動パルスを利用して蓄電手段の電荷を放電（消費）することができ、蓄電手段の電荷をモータ駆動に有効に利用できる。
特に、モータ駆動回路は、前記特許文献２にも記載されているように、モータを駆動できる最小限の駆動パルスを供給することで省電力化を図り、かつ、モータの回転を検出して負荷変動などで前記駆動パルスでは回転しなかった場合には、駆動パルスに比べて実効電力が大きな補助パルスを供給してモータを確実に駆動する駆動制御方式を採用することがある。この場合、前記電池電圧制御手段は、蓄電手段の電荷を放電する場合には、駆動パルスを補助パルス程度の実効電力に増加させて供給すればよい。そのため、モータで駆動される輪列や指針などの負荷変動が生じても、モータを確実に駆動することができるとともに、蓄電手段の電圧上昇を押さえることができる。

ここで、電荷放電回路は、トランジスタなどで構成されたスイッチと、放電用の抵抗を備えて構成すればよい。
このような本発明では、電池電圧制御手段によって電荷放電回路を作動させると、前記スイッチがオンされることなどで蓄電手段に蓄積された電荷が電荷放電回路に流れる。電荷放電回路に流れた電荷は、放電用の抵抗を流れることで放電（消費）される。
従って、トランジスタおよび抵抗などの簡単な構成で電荷放電回路を設計できるため、回路構成が複雑になることもなく、放電手段を容易に設定できる。
また、専用の電荷放電回路を設けたので、放電用の抵抗の抵抗値などを設定することで放電能力を容易に調整できる。このため、モータ駆動パルスを利用した放電に比べて、放電能力も容易に高くできる。

本発明において、前記放電手段は、前記電圧検出手段で検出された蓄電手段の電圧が第１電圧値以上になった場合には、前記蓄電手段の電圧が高くなるに従って放電量を大きくすることが好ましい。

例えば、放電手段が作動される電圧を、第１設定値から多段階に設定し、各設定値になった場合の放電手段による放電量を、電圧値が高くなるに従って大きくすればよい。
このように構成すれば、蓄電手段の電圧が大きくなるに従って電荷放電量も増大するため、急速発電時における充電効果を高めることができ、かつ、蓄電手段の電圧上昇を効率的に防止することができる。

本発明の発電機能付き電子時計によれば、モータやディスプレイなどの負荷の駆動を容易に安定化できる。また、過充電防止回路を備える場合には、見かけ上昇電圧によって過充電防止回路が作動してしまうことを防ぎ、十分な充電を行うことができ、かつ、発電状態表示機能が設けられている場合には正常に作動できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
［電子時計の全体構成］
電子時計１は、図１に示すように、回転錘２、りゅうず３、発電手段４、整流手段５、電流検出手段６、蓄電手段である二次電池７、積分手段８、発電表示制御手段９、発電表示用モータ駆動手段１０、発電表示用モータ１１、発振手段１２、分周手段１３、時刻表示制御手段１４、時刻表示用モータ駆動手段１５、時刻表示用モータ１６を備えている。
電子時計１は、さらに、二次電池７の電池電圧を検出する電池電圧検出手段７１と、二次電池７への充電を制御する充電制御手段であるリミッタ７２と、二次電池７に充電された電荷を放電する電荷放電手段７３と、二次電池７の電圧を制御する電池電圧制御手段７４とを備えている。

ここで、図２のハードウェア構成図にも示すように、電流検出手段（電流検出回路）６、分周手段（分周回路）１３、各モータ駆動手段（モータ制御回路）１０，１５、電池電圧検出手段（電池電圧検出回路）７１、リミッタ７２、電荷放電手段７３は、バス１００を介してＣＰＵ（central processing unit）１０１、ＲＯＭ（read only memory）１０２、ＲＡＭ（random access memory）１０３に対してデータを入出力可能に接続されている。
また、積分手段８、発電表示制御手段９、時刻表示制御手段１４、電池電圧制御手段７４は、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３を用い、所定のソフトウェアを実行させることによって実現されている。

電子時計１は、図３に示すように、時針２１、分針２２、秒針２３からなる時刻表示用指針２０を備えており、この時刻表示用指針２０は前記時刻表示用モータ１６によって駆動される。
また、電子時計１の文字板２４の９時位置には、時刻表示用指針２０とは別に設けられる発電表示用指針である表示針（副表示針）３１および発電表示用目盛板３２が設けられている。表示針３１は、前記発電表示用モータ１１によって駆動される。
なお、文字板２４の３時位置には窓２４１が形成され、文字板２４の裏面に配置された日車によって日付が表示可能とされている。この日車は、図示略の日車用モータで回転駆動される。

このように構成される電子時計１においては、前記発振手段１２、分周手段１３、時刻表示制御手段１４を備えて計時制御手段が構成され、時刻表示用モータ駆動手段１５、時刻表示用モータ１６、時刻表示用指針２０を備えて時刻表示手段が構成されている。
また、電流検出手段６、積分手段８を備えて発電状態検出手段が構成され、発電表示制御手段９、発電表示用モータ駆動手段１０、発電表示用モータ１１、表示針３１、発電表示用目盛板３２を備えて発電状態表示手段が構成されている。なお、表示針３１で発電状態表示手段の指針が構成され、発電表示用モータ駆動手段１０、発電表示用モータ１１でアクチュエータが構成されている。
さらに、検出した発電電流が閾値以上であるかを判定する発電レベル判定部と、表示針３１の駆動を制御する駆動制御部は、発電表示制御手段９の一機能として組み込まれおり、発電レベル判定部および駆動制御部は、発電表示制御手段９によって構成されている。

［発電手段］
発電手段４は、図４にも示すように、時計１のケース内部に配置された回転錘２を用いた自動巻き発電と、りゅうず３を用いた手巻き発電とを行えるように構成されている。
すなわち、発電手段４は、発電装置４０と、発電装置４０に回転錘２からの機械的エネルギを伝達する自動巻き発電用伝達手段４６と、発電装置４０にりゅうず３からの機械的エネルギを伝達する手巻き発電用伝達手段４７とを備えている。

発電装置４０は、ロータ４１が回転可能に配置されたステータ４２と、コイル４３が巻回されたコイルブロック４４とを備えた一般的な交流発電機である。

自動巻き発電用伝達手段４６は、回転錘２と一体で回転する回転錘車４６１と、回転錘車４６１の回転が伝達される一対の切換車４６２，４６３とを備えている。そして、一方の切換車４６３はロータ４１のかなに噛み合い、回転錘２が回転すると、その回転力は回転錘車４６１、切換車４６２，４６３を介してロータ４１に伝達され、発電装置４０において発電が行われる。
なお、一対の切換車４６２，４６３は、図示しないラチェット車を備えた構成であり、回転錘車４６１がいずれの方向に回転した場合でも、ロータ４１を一方向に回転させることが可能に構成されている。

手巻き発電用伝達手段４７は、巻真４７１、きち車４７２、丸穴車４７３、揺動車４７４、第一手巻伝え車４７５、第二手巻伝え車４７６、第三手巻伝え車４７７、前記切換車４６３を備えている。
そして、巻真４７１の先端にはりゅうず３が取り付けられているため、使用者がりゅうず３を回すと、巻真４７１が回転する。巻真４７１の回転は、きち車４７２、丸穴車４７３を介して揺動車４７４に伝達され、揺動車４７４の回転が第一手巻伝え車４７５に伝達され、第一手巻伝え車４７５の回転は、第二手巻伝え車４７６および第三手巻伝え車４７７を介して切換車４６３に伝達される。

この際、揺動車４７４は、巻真４７１の一方向への回転時にのみ第一手巻伝え車４７５のかな４７５Ａと噛み合うようになっている。具体的には、揺動車４７４が取り付けられた受け４７８にはスリット４７８Ａが設けられており、このスリット４７８Ａ内に揺動車４７４の支持軸４７４Ａが摺動自在に嵌め込まれている。従って、図４の場合でいえば、巻真操作により丸穴車４７３が時計方向に回転した場合には、揺動車４７４が反時計方向に回転しながら第一手巻伝え車４７５の中心側に移動し、かな４７５Ａと噛み合う。一方、第一手巻伝え車４７５が切換車４６３側からの駆動により反時計方向に回転すると、揺動車４７４が時計方向に回転しながらかな４７５Ａから離間し、第一手巻伝え車４７５との噛み合いが外れる。このような構成により、回転錘２の回転が巻真４７１に伝達されないようになっている。

［整流手段］
整流手段５は、発電装置４０から出力される交流電流を整流するものであり、全波整流回路、半波整流回路などの公知の整流回路が利用できる。
本実施形態では、図５の回路図にも示すように、整流ダイオード５１によって整流手段５が構成されている。

［電流検出手段］
電流検出手段６は、整流手段５で整流された電流の大きさを検出可能に構成されたものである。
具体的には、電流検出手段６は、図６に示すように、整流手段５および二次電池７間に配置された抵抗６１と、この抵抗６１を流れる電流を測定して発電電流のピーク値を検出するピーク検出回路６２と、ピーク検出回路６２で検出された値を閾値と比較する比較回路６３とを備えている。

電流検出手段６は、ＣＰＵ１０１からの信号により、所定のサンプリングレート（サンプリング周期）で駆動され、二次電池７に充電される充電電流のサンプリングを行う。
ピーク検出回路６２では、図７に示すように、整流手段５から出力された発電電流をサンプリングし、各サンプリングにおけるピーク値を検出する。比較回路６３では、ピーク検出回路６２で検出されたピーク値を、所定の閾値、例えば図７においては、閾値Ｉ１〜Ｉ４と比較し、その検出結果信号を積分手段８および発電表示制御手段９に出力可能に構成されている。
なお、本実施形態の比較回路６３は、積分手段８の積算値などに基づいて、ＣＰＵ１０１からの信号によって前記閾値の大きさ、つまり検出レベルを切り替えることができるように構成されている。

［蓄電手段］
蓄電手段は、発電電流を充電可能な二次電池７で構成されている。二次電池７は、図９に示すような放電特性を有するリチウムイオン電池で構成されている。
そして、発電装置４０の出力は、整流手段５で整流され、電流検出手段６を介して二次電池７に充電されている。なお、蓄電手段としては、二次電池７に限らず、キャパシタを利用してもよい。

［積分手段］
積分手段８は、電流検出手段６から出力される検出結果信号に基づいて平均電流値を算出し、その平均電流値を積算する。
すなわち、積分手段８は、予め各サンプリングにおける発電電流のピーク値の値と、そのピーク値の場合の平均電流値との関係を実験などで調べておき、その関係テーブルをＲＯＭ１０２に保存している。そして、電流検出手段６から出力される検出結果信号（ピーク値）に対応する平均電流値を前記テーブルから求め、その平均電流値を積算している。

本実施形態の積分手段８は、発電量カウンタ、発電量表示状態カウンタ、持続時間カウンタを備えている。各カウンタは、ＲＡＭ１０３の一部に構成されている。
発電量カウンタは、図７に示すように、１回の発電時毎に前記平均電流値を積算し、１回の発電の積算値（発電量）を記憶するカウンタである。本実施形態では、後述するように、発電量表示状態への移行条件の１つに、この発電量カウンタで積算している１回の発電毎の発電量がＱ１以上になったか否かの条件があるため、このカウンタを設けている。

発電量表示状態カウンタは、後述する発電量表示状態になってからの平均電流値を積算し、その発電量を記憶するものである。この発電量表示状態カウンタは、図７に示すように、発電量がＱ２を超えるとリセットされるように構成されている。

持続時間カウンタは、電子時計１の作動継続時間をカウントしており、前記発電電流の積算値（発電量）が、予め設定された１日分の発電量に達する毎に、通常時に表示する持続時間を１日分、ステップアップしている。また、電子時計１の消費電流が１日分になると、持続時間カウンタの積算値を減算し、持続時間が１日分短くなる毎に持続時間の表示を１日分、ステップダウンしている。
なお、前記１日分の発電量や消費電流は、電子時計１の消費電流を測定して毎日の消費量を算出し、その測定した消費量に基づいて１日分の発電量を設定してもよいが、この場合、消費電流を測定する回路などを組み込まなければならず、腕時計のような小型の電子時計１においては実現が難しい。
このため、本実施形態では、電子時計１の標準的な１日の消費電流を予め工場において測定、算出しておき、その消費量に対応する１日の発電量を予め設定してＲＯＭ１０２等に記憶している。そして、積算した発電量が前記ＲＯＭ１０２に記憶された１日分の発電量になれば持続時間カウンタを１日分加算している。一方、電子時計１が通常運針で１日経過する毎に、１日分の消費電流が消費されたものとみなして、持続時間カウンタを１日分減算している。
なお、電子時計１を使用している場合に、後述する二次電池７の電荷を放電する処理が行われた場合には、その放電量を考慮して持続時間を補正すればよい。

［発電表示制御手段］
発電表示制御手段９は、電流検出手段６および積分手段８の出力に基づいて発電表示用モータ駆動手段１０を制御している。すなわち、通常時は、積分手段８の持続時間カウンタを参照し、カウンタ値つまり持続時間を表示針３１で指示するように発電表示用モータ駆動手段１０を制御する。
本実施形態では、発電表示用目盛板３２の１目盛りが、持続時間の１日分に相当するように設定されている。そして、前述のように発電が行われて持続時間カウンタが１ステップアップすると、発電表示用モータ駆動手段１０は、表示針３１を反時計回り方向に１目盛り分移動する。一方、電力が消費されて持続時間カウンタが１ステップダウンすると、発電表示用モータ駆動手段１０は、表示針３１を時計回り方向に１目盛り分移動する。
一方、手巻き発電により連続的な発電状態になると、発電表示制御手段９は、表示針３１を通常の持続時間表示から発電量表示に切り替える。その動作の詳細については後述する。

［発電表示用モータ駆動手段］
発電表示用モータ駆動手段１０は、発電表示制御手段９から出力される駆動制御信号に基づいて、発電表示用モータ１１のモータコイル１１１に駆動パルスを出力して発電表示用モータ１１の駆動を制御している。

［発電表示用モータおよび表示針３１の駆動輪列］
発電表示用モータ１１は、図４に示すように、モータコイル１１１が巻かれたコイルブロック１１２と、ロータ１１４が回転自在に配置されたステータ１１３とを備えている。
前記ロータ１１４のロータかなには、中間車３４が噛み合い、この中間車３４のかなには表示車３３が噛み合っている。そして、この表示車３３に前記表示針３１が取り付けられている。

なお、表示車３３は、その外周の一部のみに歯が形成されており、前記モータ１１によって一定角度範囲内のみで回動可能に設けられ、表示車３３に取り付けられた表示針３１も一体角度範囲で回動可能に設けられている。
このため、発電表示用目盛板３２は平面扇形に形成されており、前記表示針３１の先端の移動軌跡に沿って円弧状に目盛３２１が形成されている。

目盛３２１は、針位置０を示す第０目盛３２１Ａから針位置１０を示す第１０目盛３２１Ｂまで１０分割されている。すなわち、目盛３２１の目盛線は針位置０から針位置１０まで１１本設けられ、１１の状態を表示可能にされている。
そして、表示針３１が持続時間を指示する持続計として用いられている場合、１目盛りあたり１日相当の持続時間を示し、最大１０日分の持続を表示可能に構成されている。
すなわち、持続時間カウンタのカウンタ値が０日になると、表示針３１は第０目盛３２１Ａを指し、１日になると、表示針３１は第１目盛を指す。以下、１日増える毎に、表示針３１は第２〜１０目盛を指示する。また、持続時間が１０日よりも大きくなっても、目盛が１０日分しかないため、表示針３１は第１０目盛３２１Ｂを指す。
なお、本実施形態では、第１０目盛３２１Ｂを発電状態表示時に表示針３１が向かう第１目標位置に設定している。一方、第２目標位置は非発電時表示位置に設定している。後述するように、非発電時表示位置は、発電量表示状態になってからの発電量の積算値で変化するため、第２目標位置を指示する表示針３１により、発電量の概算値を確認できるようにしている。

［計時制御手段および時刻表示手段］
一方、通常の時刻を表示するための計時制御手段および時刻表示手段は、従来からある一般的なアナログ式クオーツ時計の構成であるため、詳細な説明は省略する。
すなわち、発振手段１２は、図５にも示すように、水晶振動子１２１および発振回路１２２などで構成され、所定周波数の信号を出力する。分周手段１３は、発振手段１２からの信号を分周し、例えば１Ｈｚの基準信号を出力する。
時刻表示制御手段１４は、分周手段１３の基準信号に基づいて時刻表示用モータ駆動手段１５に駆動信号を出力する。通常、発振手段１２から１Ｈｚの基準信号が入力される毎に、駆動信号を出力する。時刻表示用モータ駆動手段１５は、前記駆動信号に基づいて時刻表示用モータ１６のモータコイルに入力し、時刻表示用モータ１６は時刻表示用指針２０をステップ運針する。

なお、時刻表示用モータ駆動手段１５は、発電表示制御手段９からの制御信号により、持続時間が０になった際には、時刻表示用指針２０の運針を停止するスリープモードに移行するように構成されている。
また、本実施形態では、図５に示すように、前記発振手段１２、分周手段１３、時刻表示制御手段１４などから時計用回路７５が構成される。この時計用回路７５は定電圧回路７６を備えている。このため、二次電池７の電圧変動がある程度の範囲内であれば、発振回路１２２等を駆動する電圧を一定電圧に維持できるように構成されている。

［二次電池の電圧制御］
次に、二次電池７の電圧を制御するための構成について説明する。
二次電池７の電圧は電池電圧検出手段７１で検出される。電池電圧検出手段７１は、二次電池７の電圧を所定のサンプリングタイミングでほぼリアルタイムに検出する一般的な電圧検出手段で構成されている。

リミッタ７２は、図５に示すように、リミッタ用トランジスタ７２１と、リミッタ用ダイオード７２２とを備えている。リミッタ用トランジスタ７２１は、電池電圧制御手段（電池電圧制御回路）７４からの制御信号によってオン・オフが制御されるスイッチとして機能する。そして、リミッタ用トランジスタ７２１がオンされると、発電装置４０のコイル４３の両端が短絡され、発電電流はリミッタ７２を流れるため、二次電池７への充電が防止される。従って、このリミッタ７２によって過充電防止手段が構成されている。

電荷放電手段７３は、放電用トランジスタ７３１と、放電用抵抗７３２とを備えている。放電用トランジスタ７３１は、電池電圧制御手段７４からの制御信号によってオン・オフが制御されるスイッチとして機能する。そして、放電用トランジスタ７３１がオンされると、二次電池７に充電されている電荷が、電荷放電手段７３を流れ、放電用抵抗７３２で放電される。

電池電圧制御手段７４は、電池電圧検出手段７１で検出された電圧値に基づいて、前記リミッタ７２、電荷放電手段７３および各モータ駆動手段１０，１５を制御し、二次電池７の電圧をコントロールする。

次に、このような構成の電子時計１における動作に関し、図８のフローチャートも参照して説明する。
なお、図８のフローチャートによる制御は、図７に示すサンプリングタイミング毎に繰り返し実施される。

（電池電圧制御処理）
電子時計１の動作が開始すると、ＣＰＵ１０１は、電池電圧検出手段７１を駆動して二次電池７の電圧を検出する（ステップＳ１）。
そして、電池電圧制御手段７４は、検出電圧が第１設定値（本実施形態では１．５Ｖ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで、検出電圧が第１設定値（１．５Ｖ）未満であれば、放電を行って二次電池７の電圧を低下させる必要がないため、電池電圧制御手段７４は、電池電圧制御処理を終了する。

一方、ステップＳ２で第１設定値（１．５Ｖ）以上と判定された場合、電池電圧制御手段７４は、検出電圧が第３設定値（本実施形態では１．７Ｖ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。
ここで、検出電圧が第３設定値（１．７Ｖ）未満、つまり検出電圧が１．５Ｖ以上でかつ１．７Ｖ未満であれば、電池電圧制御手段７４は、モータ駆動手段１０，１５を制御し、モータ駆動パルスのエネルギを増加させる（ステップＳ４）。この際、モータ駆動手段１０，１５の両方のモータ駆動パルスのエネルギを増加させてもよいし、いずれか一方のモータ駆動パルスのエネルギのみを増加させてもよい。

また、ステップＳ３において第３設定値（１．７Ｖ）以上の場合には、電池電圧制御手段７４は、検出電圧が第２設定値（本実施形態では２．２Ｖ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。
ここで、検出電圧が第２設定値（２．２Ｖ）未満、つまり検出電圧が１．７Ｖ以上でかつ２．２Ｖ未満であれば、電池電圧制御手段７４は、電荷放電手段７３を作動させる（ステップＳ６）。具体的には、電池電圧制御手段７４からの制御信号によって、放電用トランジスタ７３１をオンし、放電用抵抗７３２に二次電池７からの電流を流して二次電池７の電荷を放電させる。

一方、ステップＳ５で第２設定値（２．２Ｖ）以上と判定された場合、電池電圧制御手段７４は、リミッタ７２を作動させる（ステップＳ７）。具体的には、電池電圧制御手段７４からの制御信号によって、リミッタ用トランジスタ７２１をオンし、コイル４３の両端を短絡させる。これにより、コイル４３で発電された電流は二次電池７側に流れず、二次電池７における過充電が防止される。

電池電圧制御手段７４は、各ステップＳ４，Ｓ６，Ｓ７のいずれかの処理が行われた後、再度、電池電圧制御処理（ステップＳ１〜Ｓ７）を繰り返す。このため、ステップＳ２で検出電圧が１．５Ｖ未満になるまで、電池電圧制御処理が繰り返され、二次電池７の電圧が１．５Ｖ以上に上昇しないように制御される。

（発電表示制御）
次に、表示針３１を用いた発電状態の表示処理に関して説明する。
まず、電子時計１において、回転錘２を回転させたり、りゅうず３を回して発電手段４を発電状態にすると、その発電電流は、リミッタ７２が作動していない限り、整流手段５を介して二次電池７に充電され、その充電電流が電流検出手段６で検出される。
電流検出手段６は、各サンプリング毎の電流ピーク値に対応する検出結果信号、具体的には、閾値レベルＩ１〜Ｉ４との比較結果を示す信号を出力する。

積分手段８は、電流検出手段６の検出結果信号を積算する。次に、発電表示制御手段９は、現在の表示針３１の表示状態が持続時間表示モードであるか、発電状態表示モードであるかを確認する。
発電表示制御手段９は、発電状態表示モードではないと判定した場合には、発電状態表示モードへの移行条件を満たしているかを確認する。

具体的には、発電表示制御手段９は、充電電流がＩ３以上であり、かつ、前回の１巻きの発電量（電流検出結果がＩ１以上になってからＩ１以下になるまでの発電量）がＱ１以上であり、かつ、前回の発電の終了から（電流検出結果がＩ１以下になってから）所定時間ｔ１以内である場合に、発電状態表示モードに移行する。
この移行条件は、回転錘２による自動巻き発電を使用者が無意識で行っている場合のように、発電が不定期に行われている場合や、発電量が低い場合には、発電状態表示モードには移行しないように設定されている。
従って、使用者がりゅうず３を一定以上の速さで回転させると、２回転目（図７において、発電量表示状態がＬからＨに変化しているタイミング）で表示が変化することになる。すなわち、使用者がりゅうず３を回す場合には、連続して回転させることができないため、間欠的に回転され、１回転毎に、発電電流は山形に変化する。この発電電流を所定のサンプリングタイミングで検出すると、図７の１段目に表示された整流回路出力のようになる。

発電量表示状態に移行すると、発電表示制御手段９は、第２目標位置である非発電時表示位置を初期値「０」（第０目盛３２１Ａ）に設定し、発電状態表示処理を行う。
発電状態表示モードでは、発電表示制御手段９は、発電状態表示モードになってからの発電の積算値を積分手段８で算出し、その積算値が予め設定された閾値Ｑ２よりも大きくなったか否かを判定する。
発電表示制御手段９は、非発電時表示位置が最大値（本実施形態では第１０目盛３２１Ｂ）になっているかを確認し、最大値になっていなければ、非発電時表示位置に「１」を加算し、積分手段８で積算されている発電状態表示モードになってからの積算値をリセットする。
従って、発電状態表示モードでは、この状態になってからの発電量（電荷）がＱ２を超える毎に、非発電時表示位置（針目盛位置）が最大針位置１０（第１０目盛）まで、１目盛分ずつアップすることになる。

発電状態表示モードでは、発電表示制御手段９は、充電電流が閾値Ｉ２以上であれば、表示針３１を、第０目盛３２１Ａから第１０目盛３２１Ｂの方向つまり第１目標位置に向かって移動する正転運針を行う。一方、Ｉ２未満であれば、第２目標位置に向かう逆方向の逆転運針を行う。
この発電状態表示モードは、充電電流がＩ１よりも小さい状態が所定時間ｔ２以上継続するまで続行される。また、充電電流がＩ１よりも小さい状態が所定時間ｔ２以上継続した場合は、発電表示制御手段９は発電状態表示モードを終了し、持続時間表示モードに戻す。

以上で説明したように、本実施形態では、りゅうず３を回すことによる手巻き発電により連続的な発電状態になると、表示針３１の指示は、持続時間の表示から発電量の表示に切り替わる。発電状態表示モードにおいては、発電表示制御手段９は、発電状態つまり電流検出手段６からの検出結果信号による充電電流の大きさに応じて表示針３１を移動させるため、使用者は表示針３１の動きで発電状態を把握できる。

また、発電開始直後は、非発電時表示位置＝０であるため、表示針３１は、発電状態に応じて第０目盛３２１Ａから第１０目盛３２１Ｂ間で振れる。一方、非発電時表示位置は、発電量表示状態になってからの発電量の積算値に応じてアップ（目盛１０側に移動）する。そのため、発電量表示時に表示針３１が下がる位置が段々とかさ上げされていくような動きになり、使用者は今回の手巻きによって充電された量を視覚的に確認することができる。例えば、発電量の積算値が、Ｑ２×４以上でかつ、Ｑ２×５未満であれば、非発電時表示位置は第４目盛になるため、表示針３１は、第４目盛および第１０目盛間で振れる。この後、更に発電量が積算されていけば、非発電時表示位置が１目盛ずつアップし、最終的には第１０目盛になり、表示針３１は振れなくなって第１０目盛で固定される。この状態になると、所定の持続時間分、例えば１日分の充電が行われることになる。

ここで、表示針３１を駆動する速度は、正転運針および逆転運針で同一にしてもよいが、本実施形態の発電表示制御手段９および発電表示用モータ駆動手段１０は、表示針３１を正転運針する場合には、１２８Ｈｚの駆動パルスで発電表示用モータ１１を駆動し、逆転運針する場合には、６４Ｈｚの駆動パルスで発電表示用モータ１１を駆動している。すなわち、表示針３１の移動速度は、正転運針時のほうが逆転運針時の２倍となるように設定されている。

使用者が手巻き発電を停止すると、具体的には、充電電流がＩ１以下の状態が所定時間ｔ２以上継続した場合には、持続時間表示に戻る。この際、手巻き発電で1日分の発電量が確保されていれば、持続時間表示も＋１日分とされる。

そして、このような発電操作が行われている間、前記図８の電池電圧制御処理も同時に行われるため、発電操作によって二次電池７の電池電圧が第１設定値以上に上昇すると、モータ駆動パルスや電荷放電手段７３による適宜な放電処理が行われ、二次電池７の電圧上昇が抑制される。このような放電処理が行われている間も、リミッタ７２が作動していなければ二次電池７への充電が継続するため、十分な充電が行え、かつ、表示針３１による発電状態の表示処理も正常に行われる。
一方、例えば、使用者がりゅうず３を非常に速く回転させた場合のように、発電電流が非常に高くなり、モータ駆動パルスや電荷放電手段７３による放電を行っても二次電池７の電圧が第２設定値（２．２Ｖ）まで上昇した場合には、リミッタ７２が作動し、過充電が防止される。

このような本実施形態によれば、次のような効果がある。
（１）電池電圧検出手段７１で二次電池７の電圧を検出し、その電圧値が第１設定値（１．５Ｖ）以上になると、電池電圧制御手段７４によって放電処理が行われるため、二次電池７の電圧が上昇することを抑えることができる。このため、二次電池７で駆動されるモータ駆動手段１０，１５つまり各前記モータ１１，１６の駆動電圧の変動幅を小さくでき、各モータ１１，１６を安定して駆動することができる。

（２）電池電圧制御手段７４は、二次電池７の電圧が第１設定値（１．５Ｖ）になると、モータ駆動手段１０，１５を制御し、モータ駆動パルスのエネルギを通常駆動時に比べて増加させることで、二次電池７の電荷を放電しているので、特別な放電回路を設けることなく放電することができ、かつ、二次電池７の電荷をモータ駆動に有効に利用しながら放電することができる。

（３）電池電圧制御手段７４は、二次電池７の電圧が第２設定値（１．７Ｖ）になると、電荷放電手段７３を作動して二次電池７の電荷を放電しているので、放電用抵抗７３２の抵抗値を設定することで放電能力を容易に設定できる。このため、モータ駆動パルスを利用した放電に比べて、放電能力を容易に高くできる。
さらに、電荷放電手段７３は、放電用トランジスタ７３１および放電用抵抗７３２で構成されているので、簡単な回路構成で実現できる。

（４）電池電圧制御手段７４は、二次電池７の電圧が第３設定値（２．２Ｖ）になると、リミッタ７２を作動して二次電池７への充電を防止しているので、急速発電などが行われて放電能力以上の発電が行われた場合でも、二次電池７の過充電を確実に防止できる。

（５）第１設定値を、二次電池７の最大定格容量に対して９０〜９５％の容量となる電圧値に設定しているので、電圧変動が小さいほぼフラットな容量範囲の全域を使用することができ、二次電池７は、安定した電圧を長時間供給することができる。

（６）さらに、第２設定値（２．２Ｖ）は、第１設定値（１．５Ｖ）に比べて、見かけ上昇電圧（０．６Ｖ）以上高い電圧値に設定しているので、急速発電時で充電電流が増加した場合や、温度変化・長期間使用などで二次電池７の内部抵抗が増加して、０．６Ｖ程度の見かけ上昇電圧が生じた場合でも、リミッタ７２が作動されることを防止できる。
このため、利用者の発電操作によって、急速発電を行っている場合に、リミッタ７２が作動されてしまうこともなく、二次電池７を十分に充電することができる。
また、発電表示制御手段９による発電状態表示モードでは、リミッタ７２が作動すると充電電流を検出できなくなるため、発電状態の表示が停止するが、本実施形態では、前述の通り、リミッタ７２の作動を防止できるため、発電状態表示機能を正常に動作させることができる。

（７）電子時計１は、電流検出手段６で検出された発電状態（発電電流）に応じて移動する表示針３１、および、この表示針３１の駆動を制御する発電表示制御手段９、発電表示用モータ駆動手段１０、発電表示用モータ１１を備えた発電状態表示手段を備えているので、使用者は、発電手段４における発電状態をリアルタイムに確認することができる。このため、手巻き発電操作時に、発電量が十分であるかを確認でき、使用者は発電状態を確認しながら操作することで、手巻き発電操作を確実に行うことができる。

（８）時刻表示用指針２０とは別の表示針３１で発電状態を表示しているので、時刻表示と発電状態の表示とを同時に行うことができる。このため、時刻表示用指針２０を発電表示にも兼用する場合に比べて、利便性を向上できる。
さらに、発電状態を表示針３１で表示できるので、タコメータのように、発電状態をリアルタイムにかつ視覚的に表示でき、使用者は発電状態を感覚的にかつ容易に把握できる。

（９）発電表示制御手段９は、発電状態表示になってからの発電量を積算してＱ２に達する度に、非発電時表示位置を１目盛分ごと加算するようにしたので、使用者は、瞬間的な発電状態と、発電状態表示の開始時からの発電量（充電量）を同一の表示針３１でほぼ同時に把握することができ、利便性を向上できる。

（10）発電表示制御手段９は、通常時は持続時間を表示し、発電時に発電状態の表示に切り替えているので、互いに関連性の強い情報を同一の表示針３１で表示でき、時計１の使用者も情報を容易に把握できる。その上、表示針３１を兼用できるので、指針やモータを増やす必要が無く、電子時計１の構成を簡易化できる。
さらに、通常時には持続時間が表示されているので、使用者は、時計１が発電せずにどれくらい作動し続けるのかを把握でき、時計が停止する前に発電操作を行うことで、時計１が停止してしまうことも防止できる。

なお、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。
例えば、電流検出手段６としては、抵抗６１に並列に接続されたコンデンサを備え、充電電流の平均値を検出するものを利用してもよい。この場合、充電電流はコンデンサで積分されて平均化されるため、簡単な処理で、実際に単位時間に二次電池７に充電される充電量を検出することができる。

前記実施形態では、放電手段として、モータ駆動パルスを利用した方法と、電荷放電手段７３を利用した方法の２種類の放電手段を設けていたが、いずれか一方の放電手段のみを用いてもよい。
また、電池電圧制御手段７４は、第１設定値では電荷放電手段７３を作動させ、第３設定値ではモータ駆動パルスのエネルギを増加させるように制御してもよい。
要するに、放電手段は、前記実施形態の構成に限らず、二次電池７の電荷を放電して電圧を低下させることができるものであればよい。
例えば、液晶ディスプレイで時刻を表示するデジタル時計では、モータが組み込まれていないため、モータ駆動パルスによる放電を行うことができない。このため、例えば、放電用のディスプレイ表示を行うことで二次電池７の電荷を消費して電圧を低下させる放電手段を用いてもよい。

発電装置４０としては、前記実施形態のような手巻き発電装置や自動巻き発電装置の他に、外部交流磁界による発電装置、ソーラー発電装置、温度差発電装置等の各種の発電装置が利用できる。また、電子時計１には、前記各種の発電装置を１種類組み込んでもよいし、前記実施形態のように、複数種類の発電装置を組み合わせてもよい。
また、本発明の電子時計１は、時刻表示用指針２０を有するものに限らず、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、電子泳動ディスプレイ等の各種の表示パネルを有する時計でもよい。
さらに、本発明は、腕時計に限らず、発電機能を備えていれば、懐中時計、置時計、掛け時計などの他の時計にも適用できる。
要するに、本発明は、発電機能を有し、かつ、蓄電手段の電荷を放電可能な放電手段を備える電子時計に広く利用できる。

本実施形態における発電機能付き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電子時計の回路ブロック図。 前記実施形態における電子時計の文字板部分を示す図。 前記実施形態における発電手段および発電状態表示手段の構成を示す図。 前記実施形態における放電手段の構成を示す回路図。 前記実施形態における電流検出手段の構成を示す回路図。 前記実施形態における発電状態、積算値およびモータ駆動パルスを示すタイミングチャート。 前記実施形態における電池電圧制御処理を示すフローチャート。 二次電池の特性を示すグラフ。 二次電池の特性を示すグラフ。 二次電池の特性を示すグラフ。 二次電池の特性を示すグラフ。

符号の説明

１…発電機能付き電子時計、２…回転錘、３…りゅうず、４…発電手段、５…整流手段、６…電流検出手段、７…二次電池、８…積分手段、９…発電表示制御手段、１０…発電表示用モータ駆動手段、１１…発電表示用モータ、１４…時刻表示制御手段、１５…時刻表示用モータ駆動手段、１６…時刻表示用モータ、２０…時刻表示用指針、３１…表示針、３２…発電表示用目盛板、４０…発電装置、７１…電池電圧検出手段、７２…過充電防止手段であるリミッタ、７３…電荷放電手段、７４…電池電圧制御手段、７５…時計用回路、７６…定電圧回路。

Claims (2)

1. 発電手段と、
   前記発電手段で発電された電気エネルギを蓄積する蓄電手段と、
   前記蓄電手段に蓄積された前記電気エネルギで駆動される計時制御手段と、
   前記計時制御手段によって制御されて時刻表示を行う時刻表示手段と、
   前記蓄電手段の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段で検出された蓄電手段の電圧が、予め設定された第１設定値に達した場合には、蓄電手段に蓄積された電荷を放電する放電手段と、
   前記電圧検出手段で検出された蓄電手段の電圧が、前記第１設定値よりも高く設定された第２設定値に達した場合に、前記発電手段で発電された電気エネルギが前記蓄電手段に充電されることを防止する過充電防止手段と、
   前記蓄電手段に充電される充電電流を検出して前記発電手段の発電状態を検出する発電状態検出手段と、
   前記発電状態検出手段の検出結果に基づいて発電状態を表示する発電状態表示手段と、を備え、
   前記時刻表示手段は、モータ駆動回路と、このモータ駆動回路から出力されるモータ駆動パルスによって駆動されるモータとを備え、
   前記放電手段は、前記蓄電手段に並列に接続された電荷放電回路と、電池電圧制御手段とを備え、
   前記電池電圧制御手段は、
   前記電圧検出手段で検出された蓄電手段の電圧が第１設定値に達した場合には、前記モータ駆動回路を制御して、前記モータ駆動パルスのエネルギを通常駆動時に比べて増加させて出力することで蓄電手段に蓄積された電荷を放電し、
   前記電圧検出手段で検出された蓄電手段の電圧が、前記第１設定値よりも高く設定されかつ前記第２設定値よりも低く設定された第３設定値に達した場合には、前記電荷放電回路を作動させて蓄電手段に蓄積された電荷を電荷放電回路に流して放電する
   ことを特徴とする発電機能付き電子時計。
2. 請求項１に記載の発電機能付き電子時計において、
   前記放電手段は、前記電圧検出手段で検出された蓄電手段の電圧が第１電圧値以上になった場合には、前記蓄電手段の電圧が高くなるに従って放電量を大きくすることを特徴とする発電機能付き電子時計。

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