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Dokumentenidentifikation DE69834995T2 21.12.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000908799
Titel Elektronische Uhr mit Stromerzeugungselement
Anmelder Seiko Instruments Inc., Chiba, JP
Erfinder Yuzuki, Toshiyuki, Mihama-ku, Chiba-shi, Chiba, JP
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69834995
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 01.10.1998
EP-Aktenzeichen 983080318
EP-Offenlegungsdatum 14.04.1999
EP date of grant 21.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.12.2006
IPC-Hauptklasse G04C 10/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G04G 19/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Uhr mit einem Stromerzeugungselement und insbesondere eine elektronische Uhr, welche angetrieben werden kann, selbst wenn die elektromotorische Kraft des Stromerzeugungselements gering ist. Konkret betrifft die vorliegende Erfindung eine elektronische Uhr, in welcher eine Verbesserung einer elektronischen Uhr bereitgestellt wird, um einen Stromverbrauch des peripheren Schaltkreises des Stromerzeugungselements zu verringern.

Bis jetzt war bekannt, dass ein Stromerzeugungselement, das aus einem thermoelektrischen Element oder einer Solarbatterie besteht, als ein Stromerzeugungselement einer elektronischen Uhr eingesetzt wurde. 2 stellt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen elektronischen Uhr mit einem Stromerzeugungselement dar. Dies ist ein Beispiel, in welchem das thermoelektrische Element als das Stromerzeugungselement eingesetzt wird. Eine Ladeschaltung 204 lädt eine elektromotorische Kraft (Spannung), die durch ein thermoelektrisches Element 201 erhalten wird. Ein elektronisches Uhrwerk 202 besteht aus einem Schwingkreis 202a, einer Teilungsschaltung 202b und Zeitanzeigemitteln 202c als strukturellen Hauptelementen und wird durch die Spannung angetrieben, die in der Ladeschaltung 204 geladen wird. Eine Aufwärtstransformationsschaltung 203 empfängt die Spannungsausgabe von der Ladeschaltung 204 und gibt eine Spannung aus, die durch einen Takt aufwärts transformiert ist, der durch den Schwingreis 202a geschwungen wird, an eine Schaltung aus, wie beispielsweise die Zeitanzeigemittel 202c, welche eine höhere Antriebsspannung benötigen als jene, die durch den Schwingkreis oder die Teilungsschaltung benötigt wird.

Die zuvor beschriebene elektronische Uhr mit dem Stromerzeugungselement benötigt als die elektromotorische Kraft des Stromerzeugungselements eine Spannung, die notwendig ist, um die Schaltungen der elektronischen Uhr betriebsfähig zu machen. Diese notwendige Spannung beträgt normalerweise etwa 0,6 bis 1 V. Um außerdem den Betrieb der elektronischen Uhr aufrechtzuerhalten, selbst wenn die elektronische Uhr sich in einer Umgebung befindet, in welcher das Stromerzeugungselement keinen Strom erzeugen kann, wird die elektromotorische Kraft des Stromerzeugungselements in der Ladeschaltung geladen.

Da jedoch die zuvor beschriebene herkömmliche elektronische Uhr mit dem Stromerzeugungselement etwa 0,6 bis 1 V oder mehr als die elektromotorische Kraft des Stromerzeugungselements benötigt, muss eine große Anzahl von Stromerzeugungselementen in Reihe geschaltet werden, um die elektromotorische Kraft zu erhalten. Dies führt zu einer Vergrößerung ihrer Fläche und ihres Volumens, was zu einem Problem führt, wenn die große Anzahl von Stromerzeugungselementen auf einem kleinformatigen elektronischen Gerät (zum Beispiel einer elektronischen Uhr) angebracht wird.

Ein Beispiel für solch eine herkömmliche elektronische Uhr ist in GB 2 017 359 zu finden.

Außerdem kann die Uhr nicht angetrieben werden, bis eine Ausgangsspannung der Ladeschaltung, wie beispielsweise eines Kondensator oder einer Sekundärbatterie, bis zu einer Spannung aufgeladen wird, bei welcher die Uhr angetrieben werden kann. Das Stromerzeugungselement wandelt eine externe Energie, wie beispielsweise Licht oder Wärme, in elektrische Energie um. Wenn jedoch ein geringer Unterschied in der Leuchtdichte, Temperatur oder dergleichen erhalten wird, braucht es Zeit, die Ladeschaltung zu laden. Aus diesem Grund dauert es, wenn zugelassen wird, dass die Ladeschaltung aus einem Zustand, in dem keine Kapazitanz (Spannung) in der Ladeschaltung ist, geladen wird, lange, bis die Uhr zu funktionieren beginnt (im Folgenden als „Schwingungsbeginnzeit" genannt).

Das nicht vorveröffentlichte Dokument EP 0 853 265 offenbart eine elektronische Uhr mit einer fotovoltaischen Zelle als einem Stromerzeugungselement.

Um die zuvor dargelegten Probleme zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektronische Uhr mit einem Stromerzeugungselement bereitgestellt, umfassend: Signalerzeugungsmittel mit einem Schwingkreis und Teilungsmitteln; ein elektronisches Uhrwerk mit Zeitanzeigemitteln zum Anzeigen einer Zeit auf der Basis eines Ausgangssignals der Signalerzeugungsmittel; ein Stromerzeugungselement zum Erzeugen von Strom; einen Niederspannungsschwingkreis, welcher als Folge einer Ausgangsspannung des Stromerzeugungselements schwingt; eine Spannungserfassungsschaltung, welche so konfiguriert ist, dass sie eine Ausgangsspannung einer Ladeschaltung zum Erfassen eines vorbestimmten Spannungswerts empfängt, um ein Erfassungssignal an den Niederspannungsschwingkreis auszugeben; eine Wählschaltung, welche so konfiguriert ist, dass sie das Erfassungssignal von der Spannungserfassungsschaltung zum Auswählen irgendeines des Ausgangssignals des Niederspannungsschwingkreises und des Ausgangssignals der Signalerzeugungsmittel empfängt, um ein Ausgangssignal auszugeben; eine Aufwärtstransformationsschaltung, welche so konfiguriert ist, dass sie die Ausgangsspannung des Stromerzeugungselements und das Ausgangssignal der Wählschaltung zum Aufwärtstransformieren der Ausgangsspannung des Stromerzeugungselements auf eine vorbestimmte Spannung empfängt, um eine aufwärts transformierte Ausgabe auszugeben; eine Ladeschaltung zum Laden der aufwärts transformierten Ausgabe der Aufwärtstransformationsschaltung, um eine geladene Aufwärtstransformationsausgabe an das elektronische Uhrwerk zu liefern; und wobei das Stromerzeugungselement ein Thermoelement aufweist, welches wenigstens einen n-Halbleiter und einen p-Halbleiter aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind.

Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen berücksichtigt.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die ausführliche Beschreibung Bezug genommen, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zu lesen ist, wobei:

1 in Blockdiagramm ist, welches eine elektronische Uhr mit einem Stromerzeugungselement darstellt;

2 ein Blockdiagramm ist, welches eine herkömmliche elektronische Uhr mit einem Thermoelement darstellt;

3 ein erläuterndes Strukturdiagramm ist, welches die Struktur eines Thermoelements und eines Stromerzeugungsprinzips darstellt;

4 ein Blockdiagramm ist, welches eine elektronische Uhr darstellt, die ein Stromerzeugungselement in der Form eines Thermoelements aufweist und eine analoge elektronische Uhr als ein elektronisches Uhrwerk einsetzt;

5 ein Schaltbild ist, welches ein Beispiel für einen Niederspannungsschwingkreis darstellt;

6 ein Blockdiagramm ist, welches eine elektronische Uhr mit einem Stromerzeugungselement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

7 ein Blockdiagramm ist, welche eine elektronische Uhr darstellt, die ein Stromerzeugungselement wie ein Thermoelement gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist und eine analoge elektronische Uhr als ein elektronisches Uhrwerk einsetzt;

8 ein Schaltbild ist, welches ein Beispiel eines Niederspannungsschwingkreises darstellt, der in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und

9 ein Schaltbild ist, welches ein Beispiel einer Wählschaltung darstellt, die in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

1 ist ein Blockdiagramm, welches solch eine elektronische Uhr darstellt, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist.

Die elektronische Uhr besteht aus einem Stromerzeugungselement 101, welches durch Licht, Wärme usw. Strom erzeugt; einem elektronischen Uhrwerk 103, das einen Niederspannungsschwingkreis 102, der durch eine Niederspannungsausgabe des Stromerzeugungselements 101 schwingt, Signalerzeugungsmittel 103a mit einem Schwingkreis 103aa und einem Teilungsmittel 103ab und ein Zeitanzeigemittel 103, das eine Zeit auf der Basis eines Ausgangssignals der Signalerzeugungsmittel 103a anzeigt, umfasst; einer Aufwärtstransformationsschaltung 104, welche die Ausgangsspannung des Stromerzeugungselements 101 und ein Ausgangssignal des Niederspannungsschwingkreises 102 zum Aufwärtstransformieren der Ausgangsspannung des Stromerzeugungselements 101 bis zu einer vorbestimmten Spannung empfängt, um eine Aufwärtstransformationsspannung an eine Ladeschaltung auszugeben; und der Ladeschaltung 105, wie beispielsweise einem Kondensator oder einer Sekundärbatterie, welche eine elektromotorische Kraft darin lädt, um eine Ausgangsspannung an das elektronische Uhrwerk 103 auszugeben.

Als das Stromerzeugungselement 101 wird ein Thermoelement verwendet, das eine Mehrzahl von n-Halbeitern und p-Halbleitern umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind, wobei jeden zweiten Knoten der n-Halbleiter und der p-Halbleiter wärmebindungsseitige Isolatoren angebracht sind und jeden anderen zweiten Knoten der n-Halbleiter und der p-Halbleiter wärmestrahlungsseitige Isolatoren angebracht sind, wie in 3 dargestellt. Das Stromerzeugungselement 101 kann aus einem Thermoelement bestehen, das wenigstens ein Paar von n-Halbleiter und p-Halbleiter umfasst, die in Reihe geschaltet sind.

Im Folgenden wird nun eine elektronische Uhr mit einem Stromerzeugungselement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 6 ist ein Blockdiagramm, welches solch eine elektronische Uhr darstellt.

Die elektronische Uhr besteht aus einem Stromerzeugungselement 101, das durch Wärme oder dergleichen einen Strom erzeugt; einem elektronischen Uhrwerk 103, das einen Niederspannungsschwingkreis 102, der durch eine Niederspannungsausgabe des Stromerzeugungselements 101 schwingt, Signalerzeugungsmittel 103a mit einem Schwingkreis 103aa und einem Teilungsmittel 103ab und ein Zeitanzeigemittel 103b, das eine Zeit auf der Basis eines Ausgangssignals der Signalerzeugungsmittel 103a anzeigt, umfasst; einer Aufwärtstransformationsschaltung 104, welche die Ausgangsspannung des Stromerzeugungselements 101 und ein Ausgangssignal einer Wählschaltung 107 zum Aufwärtstransformieren der Ausgangsspannung des Stromerzeugungselements 101 bis zu einer vorbestimmten Spannung empfängt, um eine Aufwärtstransformationsspannung an eine Ladeschaltung 105 auszugeben; einer Ladeschaltung 105, wie beispielsweise einem Kondensator oder einer Sekundärbatterie, welche eine elektromotorische Kraft darin lädt, um eine Ausgangsspannung an das elektrische Uhrwerk 103 und eine Spannungserfassungsschaltung 106 auszugeben; einer Spannungserfassungsschaltung 106, welche eine Ausgangsspannung der Ladeschaltung 105 zum Erfassen eines Spannungswerts empfängt, um ein Erfassungssignal an den Niederspannungsschwingkreis 102 und die Wählschaltung 107 auszugeben; und einer Wählschaltung 107, die eines des Ausgangssignals des Niederspannungsschwingkreises 102 und des Ausgangssignals der Signalerzeugungsmittel 103a gemäß dem Ausgangssignal der Spannungserfassungsschaltung 106 auswählt, um ein Ausgangssignal an die Aufwärtstransformationsschaltung 104 auszugeben.

Als das Stromerzeugungselement wird ein Thermoelement verwendet, das eine Mehrzahl von n-Halbeitern und p-Halbleitern umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind, wobei jeden zweiten Knoten der n-Halbleiter und der p-Halbleiter wärmebindungsseitige Isolatoren angebracht sind und jeden anderen zweiten Knoten der n-Halbleiter und der p-Halbleiter wärmestrahlungsseitige Isolatoren angebracht sind, wie in 3 dargestellt. Das Stromerzeugungselement 101 kann aus einem Thermoelement bestehen, das wenigstens ein Paar eines n-Halbleiters und eines p-Halbleiters umfasst, die in Reihe geschaltet sind.

Es erfolgt nun eine ausführlichere Beschreibung davon, wenn ein Stromerzeugungselement aus einem Thermoelement gebildet ist und ein elektronisches Uhrwerk aus einem analogen Werk in einer elektronischen Uhr gemäß einem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung gebildet ist.

Die Struktur von 4 wird nun beschrieben. Ein Thermoelement 401 gibt eine Ausgangsspannung an einen Niederspannungsschwingkreis 402 und eine Aufwärtstransformationsschaltung 404 aus. Der Niederspannungsschwingkreis 402 empfängt eine Ausgangsspannung des Thermoelements 401 und gibt ein Ausgangssignal an die Aufwärtstransformationsschaltung 404 aus. Eine Teilungsschaltung 403b empfängt ein Ausgangssignal eines Schwingkreises 403a und gibt ein Ausgangssignal an eine Impulssynthetisierschaltung 403c aus. Eine Treiberschaltung 403d empfängt ein Ausgangssignal der Impulssynthetisierschaltung 403c und gibt ein Ausgangssignal an einen Schrittmotor 403e aus. Ein analoges Werk 403 besteht aus dem Schwingkreis 403a, der Teilungsschaltung 403b, der Impulssynthetisierschaltung 403c, der Treiberschaltung 403d und dem Schrittmotor 403e. Die Aufwärtstransformationsschaltung 404 empfängt die Ausgangsspannung des Thermoelements 401 und das Ausgangssignal des Niederspannungsschwingkreises 402 und gibt eine Aufwärtstransformationsausgabe an die Ladeschaltung 405 aus. Die Ladeschaltung 405 empfängt die Aufwärtstransformationsausgabe der Aufwärtstransformationsschaltung 404 und gibt eine Ausgangsspannung an das analoge Werk 403 aus.

Nun wird das Stromerzeugungsprinzip des Thermoelements 401 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. In der Annahme, dass erste Isolatoren 301 an einer Wärmebindungsseite sind und zweite Isolatoren 302 an einer Wärmestrahlungsseite sind, wird in dem Fall, in dem ein Unterschied in der Temperatur besteht, derart dass die wärmebindungsseitige Temperatur höher als die wärmestrahlungsseitige Temperatur gemacht ist, Wärme von den ersten Isolatoren 301 zu den zweiten Isolatoren 302 übertragen. In dieser Situation bewegen Elektronen sich zu den wärmestrahlungsseitigen Isolatoren 302 in den jeweiligen n-Halbleitern 303. In den jeweiligen p-Halbleitern 304 bewegen Löcher sich zu den wärmestrahlungsseitigen Isolatoren 302. Da die n-Halbleiter 303 und die p-Halbleiter 304 durch Knoten 305 elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind, wird die Übertragung von Wärme in einen elektrischen Strom umgewandelt, um dadurch eine elektromotorische Kraft von Endausgangsanschlussabschnitten 306 bereitstellen zu können. Wenn zum Beispiel etwa 1.000 Halbleiter, die aus Bismut-tellurium hergestellt sind, miteinander in Reihe geschaltet sind, ist ein Temperaturunterschied zwischen der Wärmebindungsseite und der Wärmestrahlungsseite von einem Grad genug, um eine elektromotorische Kraft von etwa 0,2 V zu entwickeln.

Der Niederspannungsschwingkreis 402 besteht aus einer Ringoszillatorschaltung, in welcher eine ungerade Anzahl von Wechselrichtern, die aus CMOS-Transistoren gebildet sind, in Reihe geschaltet ist, und ein Ausgangssignal eines Ausgangsstufenwechselrichters dient als Eingangssignal eines Anfangsstufenwechselrichters, und eine elektromotorische Kraft, die durch das Thermoelement 401 erhalten wird, wird als eine Stromversorgung eingesetzt.

5 stellt ein Beispiel für eine Ringoszillatorschaltung dar, in welcher drei Wechselrichter in Reihe geschaltet sind und welche als der Niederspannungsschwingkreis 402 verwendet werden kann. Ein Ausgang eines ersten Wechselrichters 501 ist mit einem Eingang eines zweiten Wechselrichters 502 verbunden. Ein Ausgang des zweiten Wechselrichters 502 ist mit einem Eingang eines dritten Wechselrichters 503 verbunden. Ein Ausgang des dritten Wechselrichters 503 ist mit einem Eingang des ersten Wechselrichters 501 verbunden, und ein Knoten zwischen dem Ausgang des dritten Wechselrichters 503 und dem Eingang des ersten Wechselrichters 501 bildet einen Ausgang des Niederspannungsschwingkreises 402. Ein Stromversorgungsanschluss jedes des ersten, des zweiten und des dritten Wechselrichters ist mit dem Ausgang des Thermoelements 401 verbunden. Diese Wechselrichter wirken mit der elektromotorischen Kraft (Spannung), die durch das Thermoelement geliefert wird, als eine Stromversorgung. Die anderen Stromversorgungsanschlüsse der jeweiligen Wechselrichter sind geerdet.

Der erste Wechselrichter 501, der zweite Wechselrichter 502 und der dritte Wechselrichter 503 bestehen aus jeweiligen CMOS-Transistoren. Eine Schwellenspannung (Vth) der Wechselrichter beträgt etwa 0,2 V, und in dieser Situation beginnt der Niederspannungsschwingkreis 402 mit dem Schwingvorgang, wenn eine Versorgungsspannung etwa 0,3 V beträgt. Die Schwingungsfrequenz der Ringoszillatorschaltung kann durch die Anzahl (ungerade Anzahl) von Wechselrichtern, die in Reihe geschaltet sind, oder durch das Schalten von Kondensatoren zwischen die Knoten der jeweiligen Wechselrichter und Erde eingestellt werden. Der Niederspannungsschwingkreis 402 kann als ein Schwingkreis strukturiert sein, welcher mit einer Niederspannung (elektromotorischen Kraft, die durch das Stromerzeugungselement entwickelt wird) schwingt, die durch eine andere als die Ringoszillatorschaltung bereitgestellt wird.

Der Schwingkreis 403a erzeugt ein Bezugssignal (Takt) für den Takt durch Quarzschwingung (im Falle von Taktschwingung im Allgemeinen 32 kHz), unter Verwendung einer Kippschwingung oder dergleichen, die zum Beispiel durch einen Widerstand R und einen Kondensator C bereitgestellt wird. Die Teilungsschaltung 403b teilt das Ausgangssignal des Schwingkreises 403a. Falls ein Signal von 1 Hz (eine Periode von 1 Sekunde) durch einen 32-kHz-Quarzoszillator erzeugt wird, werden 15T-Flipflops miteinander verbunden, um den Schaltkreis zu bilden. Die Impulssynthetisierschaltung 403c synthetisiert einen Antriebsimpuls, einen Korrekturimpuls oder dergleichen von der Ausgabe der Teilungsschaltung 403b, um solch einen Impuls selektiv auszugeben. Die Treiberschaltung 403d empfängt das Ausgangssignal der Impulssynthetisierschaltung 403c, um den Schrittmotor 403e anzutreiben, der aus einem Stator, einem Rotor und einer Spule besteht. Das analoge Werk 403 weist den Schwingkreis 403a, die Teilungsschaltung 403b, die Impulssynthetisierschaltung 403c, die Treiberschaltung 403d und den Schrittmotor 403e als ein Minimum an strukturellen Elementen auf.

Die Aufwärtstransformationsschaltung 404 ist vom Schaltkondensatorsystem und empfängt den Ausgangstakt des Niederspannungsschwingkreises 402 mit der elektromotorischen Kraft (Spannung), welche durch das Thermoelement 401 entwickelt wurde, als eine andere Eingangsspannung. Die Aufwärtstransformationsschaltung 404 ist vorzugsweise eine Aufwärtstransformationsschaltung, welche aufgrund der Beziehung zwischen der elektromotorischen Kraft, die durch das Thermoelement 401 erhalten wird, und der Antriebsspannung des analogen Werks 403 dreimal oder öfter aufwärts transformiert. Die Ladeschaltung ist aus einem Lade/Entladekondensator, einem elektrischen Zweischichtkondensator, einer Sekundärbatterie oder dergleichen gebildet. Die Schwellenspannung (Vth) des n-MOS-Transistors und des p-MOS-Transistors, welche verwendet werden können, um die Aufwärtstransformationsschaltung 404 zu bilden, wird bei einem Wert eingestellt, welcher den Amplitudenbereich des Ausgangssignals des Niederspannungsschwingkreises 402 erfüllen kann; das heißt, einem Schwellenspannungs- oder Vth-Wert, welcher „H"- und „L"-Ausgangssignale des Niederspannungsschwingkreises 402 unterscheiden kann.

Die elektronische Uhr, die in 4 dargestellt ist, ist ein Beispiel, in welchem ein analoges Werk als das elektronische Uhrwerk angewendet wird. Alternativerweise kann ein digitales Werk, das strukturelle Elemente bestehend aus einem Rechenoperationszeitzähler, Anzeigemitteln, wie beispielsweise einer LCD oder einer LED, einer Anzeigetreiberschaltung und einer Anzeigekonstantspannungsschaltung als den Zeitanzeigemitteln besteht, umfasst, oder ein Kombinationswerk, in welchem ein analoges Werk und ein digitales Werk kombiniert sind, bereitgestellt werden.

Es erfolgt nun eine ausführliche Beschreibung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher ein Stromerzeugungselement aus einem Thermoelement gebildet ist, und das elektronische Uhrwerk aus einem analogen Werk in einer elektronischen Uhr gemäß der zuvor erwähnten zweiten Ausführungsform gebildet ist. 7 ist ein Blockdiagramm, welches die erste Ausführungsform darstellt.

Die Struktur von 7 wird nun beschrieben. Ein Thermoelement 701 gibt eine Ausgangsspannung an einen Niederspannungsschwingkreis 702 und eine Aufwärtstransformationsschaltung 704 aus. Der Niederspannungsschwingkreis 702 empfängt eine Ausgangsspannung vom Thermoelement 701 und ein Ausgangssignal von einer Spannungserfassungsschaltung 706. Er gibt ein Ausgangssignal an eine Wählschaltung 707 aus. Eine Teilungsschaltung 703b empfängt ein Ausgangssignal von einem Schwingkreis 703a und gibt ein Ausgangssignial an eine Impulssynthetisierschaltung 703c aus. Eine Treiberschaltung 703d empfängt ein Ausgangssignal der Impulssynthetisierschaltung 703c und gibt ein Ausgangssignal an einen Schrittmotor 703e aus. Ein analoges Werk 703 besteht aus dem Schwingkreis 703a, der Teilungsschaltung 703b, der Impulssynthetisierschaltung 703c, der Treiberschaltung 703d und dem Schrittmotor 703e. Die Aufwärtstransformationsschaltung 704 empfängt die Ausgangsspannung des Thermoelements 701 und das Ausgangssignal der Wählschaltung 707, um eine Aufwärtstransformationsspannung an die Ladeschaltung 705 auszugeben. Die Ladeschaltung 705 empfängt eine Aufwärtstransformationsspannung der Aufwärtstransformationsschaltung 704, um eine Ausgangsspannung an die Spannungserfassungsschaltung 706 und das analoge Werk 703 auszugeben. Die Spannungserfassungsschaltung 706 empfängt die Ausgangsspannung der Ladeschaltung 705, um ein Ausgangssignal an den Niederspannungsschwingkreis 702 und die Wählschaltung 707 auszugeben. Die Wählschaltung 707 empfängt das Ausgangssignal des Niederspannungsschwingkreises 702, das Ausgangssignal des Schwingkreises 703a und das Ausgangssignal der Spannungserfassungsschaltung 706, um ein Ausgangssignal an die Aufwärtstransformationsschaltung 704 auszugeben.

Der Niederspannungsschwingkreis 702 besteht aus einer Ringoszillatorschaltung, in welcher eine ungerade Anzahl von Wechselrichtern, die aus CMOS-Transistoren gebildet sind, in Reihe geschaltet ist, und ein Ausgangssignal eines Ausgangsstufenwechselrichters dient als Eingangssignal eines Anfangsstufenwechselrichters, und eine elektromotorische Kraft, die durch das Thermoelement 701 erhalten wird, wird als eine Stromversorgung eingesetzt. Außerdem kann die Stromversorgung gemäß dem Ausgangssignal der Spannungserfassungsschaltung 706 ein/ausgeschaltet werden.

8 stellt ein Beispiel dar, in welchem eine Ringoszillatorschaltung, in welcher drei Wechselrichter in Reihe geschaltet sind, als der Niederspannungsschwingkreis 702 verwendet wird. Ein Ausgang eines ersten Wechselrichters 801 ist mit einem Eingang eines zweiten Wechselrichters 802 verbunden. Außerdem ist ein Ausgang des zweiten Wechselrichters 802 mit einem Eingang eines dritten Wechselrichters 803 verbunden. Ein Ausgang des dritten Wechselrichters 803 ist mit einem Eingang des ersten Wechselrichters 801 verbunden, und ein Knoten zwischen dem Ausgang des dritten Wechselrichters 803 und dem Eingang des ersten Wechselrichters 801 bildet einen Ausgang des Niederspannungsschwingkreises 702. Ein Eingangsanschluss einer UND-Schaltung 804 mit zwei Eingängen empfängt die Ausgangsspannung (elektromotorische Kraft) des Thermoelements 701. Der andere Eingangsanschluss der UND-Schaltung 804 mit zwei Eingängen empfängt das Ausgangssignal der Spannungserfassungsschaltung 706 durch den Wechselrichter 805. Der Ausgang der UND-Schaltung 804 mit zwei Eingängen ist mit einem Stromversorgungsanschluss des ersten, des zweiten und des dritten Wechselrichters verbunden.

In dem auf diese Weise strukturierten Niederspannungsschwingkreis 702 wird, wenn das Ausgangssignal der Spannungserfassungsschaltung 706 „L" ist, die Ausgabe des Thermoelements 701 eine Ausgabe der UND-Schaltung 804 mit zwei Eingängen, derart dass an den ersten, den zweiten und den dritten Wechselrichter Strom angelegt wird, um eine Schwingung zu erzeugen. Wenn das Ausgangssignal der Spannungserfassungsschaltung 706 „H" ist, wird die Ausgabe der UND-Schaltung 804 mit zwei Eingängen „L", derart dass der erste, der zweite und der dritte Wechselrichter auf „AUS" geschaltet werden. In diesem Beispiel ist die Stromversorgung der UND-Schaltung 804 mit zwei Eingängen eine elektromotorische Kraft, die durch das Thermoelement 7ß01 erhalten wird. Außerdem sind die anderen Stromversorgungsanschlüsse der jeweiligen Wechselrichter geerdet.

Der erste Wechselrichter 801, der zweite Wechselrichter 802 und der dritte Wechselrichter 803 bestehen aus jeweiligen CMOS-Transistoren. Die Schwellenspannung (Vth) der Wechselrichter beträgt etwa 0,2 V, und in dieser Situation beginnt der Niederspannungsschwingkreis 702 mit einem Schwingvorgang, wenn eine Versorgungsspannung etwa 0,3 V beträgt. Die Schwingungsfrequenz der Ringoszillatorschaltung kann durch die Anzahl (ungerade Anzahl) von Wechselrichtern, die in Reihe geschaltet sind, oder durch das Schalten von Kondensatoren zwischen die Knoten der jeweiligen Wechselrichter und Erde eingestellt werden. Der Niederspannungsschwingkreis 702 kann durch einen Schwingkreis strukturiert sein, der mit einer anderen Niederspannung (elektromotorischen Kraft, die durch das Stromerzeugungselement entwickelt wird) als die Ringoszillatorschaltung schwingt.

Der Schwingkreis 703a erzeugt ein Bezugssignal des Takts durch Quarzschwingung (im Falle von Taktschwingung im Allgemeinen 32 kHz), Kippschwingung oder dergleichen infolge eines Widerstands R und eines Kondensators C. Die Teilungsschaltung 703b teilt das Ausgangssignal des Schwingkreises 703a. Falls ein Signal von 1 Hz (Periode von 1 Sekunde) durch einen 32-kHz-Frequenz-Quarz erzeugt wird, werden 15T-Flipflops miteinander verbunden. Die Impulssynthetisierschaltung 703c synthetisiert einen Antriebsimpuls, einen Korrekturimpuls oder dergleichen durch die Ausgabe der Teilungsschaltung 703b, um den Impuls selektiv auszugeben. Die Treiberschaltung 703d empfängt das Ausgangssignal der Impulssynthetisierschaltung 703c, um den Schrittmotor 703e anzutreiben, der aus einem Stator, einem Rotor und einer Spule besteht. Das analoge Werk 703 weist den Schwingkreis 703a, die Teilungsschaltung 703b, die Impulssynthetisierschaltung 703c, die Treiberschaltung 703d und den Schrittmotor 703e auf.

Die Aufwärtstransformationsschaltung 704 ist vom Schaltkondensatorsystem, das irgendeinen der Takte vom Niederspannungsschwingkreis 702 und dem Schwingkreis 703a, der durch die Wählschaltung 707 ausgewählt wird, mit der elektromotorischen Kraft (Spannung), die durch das Thermoelement 701 entwickelt wurde, als eine Eingangsspannung empfängt und sie aufwärts transformiert. Außerdem eignet sich die Aufwärtstransformationsschaltung 404 für eine Aufwärtstransformationsschaltung, die aufgrund der Beziehung zwischen der elektromotorischen Kraft, welche durch das Thermoelement 701 erhalten wird, und der kleinsten Antriebsspannung des analogen Werks 703 dreimal oder öfter aufwärts transformiert. Die Ladeschaltung 705 ist aus einem ladbaren/entladbaren Kondensator, einem elektrischen Zweischichtkondensator, einer Sekundärbatterie oder dergleichen gebildet.

Die Spannungserfassungsschaltung 706 weist wenigstens eine Bezugsspannungserzeugungsschaltung und eine Vergleichsschaltung auf und vergleicht die elektromotorische Kraft, die in der Ladeschaltung 706 geladen ist, mit einer Bezugsspannung. Die Vergleichsschaltung gibt „L" aus, wenn die elektromotorische Kraft, die in der Ladeschaltung 705 geladen ist, niedriger als die Bezugsspannung ist, und sie gibt „H" aus, wenn die elektromotorische Kraft, die in der Ladeschaltung 705 geladen ist, gleich oder höher als die Bezugsspannung ist. Die Wählschaltung 707 gibt das Ausgangssignal des Niederspannungsschwingkreises 702 an die Aufwärtstransformationsschaltung 704 aus, wenn die Ausgabe der Spannungserfassungsschaltung 706 „L" ist, und sie gibt das Ausgangssignal des Schwingkreises 703a aus, wenn die Ausgabe der Spannungserfassungsschaltung 706 „H" ist.

9 stellt ein Beispiel für eine Wählschaltung 707 dar. Die Wählschaltung 707 besteht aus zwei UND-Schaltungen (902, 903), einer ODER-Schaltung (904) und einem Wechselrichter (901). Das Ausgangssignal der Spannungserfassungsschaltung 706 ist mit einem Eingangsanschluss der UND-Schaltung 902 mit zwei Eingängen durch den Wechselrichter 901 verbunden. Außerdem ist das Ausgangssignal der Spannungserfassungsschaltung 706 mit einem Eingangsanschluss der UND-Schaltung 903 mit zwei Eingängen verbunden. Das Ausgangssignal des Niederspannungsschwingkreises 702 ist mit dem anderen Eingangsanschluss der UND-Schaltung 902 mit zwei Eingängen verbunden, und das Ausgangssignal des Schwingkreises 703a ist mit dem anderen Eingangsanschluss der UND-Schaltung 903 mit zwei Eingängen verbunden. Die ODER-Schaltung 904 mit zwei Eingängen empfängt das Ausgangssignal der UND-Schaltung 902 mit zwei Eingängen und das Ausgangssignal der UND-Schaltung 903 mit zwei Eingängen, um diese Signale an die Aufwärtstransformationsschaltung 704 auszugeben. In diesem Beispiel ist die Schwellenspannung (Vth) des n-MOS-Transistors und des p-MOS-Transistors, welche die Aufwärtstransformationsschaltung 704 und die Wählschaltung 707 bilden, bei einem Wert eingestellt, der sowohl den Amplitudenbereich des Ausgangssignals des Niederspannungsschwingkreises 702 als auch den Amplitudenbereich des Ausgangssignals des Schwingkreises 703a erfüllen kann, das heißt, einem Schwellenspannungs- oder Vth-Wert, der „H" und „L", welche Ausgangssignale des Niederspannungsschwingkreises 702 sind, und „H" und „L", welche Ausgangssignale des Schwingkreises 703a sind, ohne irgendwelche Erfassungsfehler an die Aufwärtstransformationsschaltung 704 ausgeben kann.

Die elektronische Uhr, die in 7 dargestellt ist, ist eine Ausführungsform in dem Fall, in dem das analoge Werk als das elektronische Uhrwerk angewendet wird. Alternativerweise kann die vorliegende Erfindung ebenso mit einem digitalen Werk, das einen Rechenoperationszeitzähler, Anzeigemittel, wie beispielsweise eine LCD oder eine LED, eine Anzeigetreiberschaltung und eine Anzeigekonstantspannungsschaltung als die Zeitanzeigemittel umfasst, oder mit einem Kombinationsuhrwerk, wobei das analoge Uhrwerk und das digitale Uhrwerk kombiniert sind, realisiert werden.

Außerdem dient in der Ausführungsform, die in 7 dargestellt ist, das Eingangssignal der Wählschaltung 707 von den Seiten des analogen Werks 703 als das Ausgangssignal des Schwingkreises 703a. Alternativerweise kann die vorliegende Erfindung selbst in dem Fall, in dem das Ausgangssignal der Teilungsschaltung 703b oder der Impulssynthetisierschaltung 703c, welche das Ausgangssignal der Teilungsschaltung 703b synthetisiert, als das Eingangssignal der Wählschaltung 707 dient, gleichermaßen realisiert werden.

Die elektronische Uhr gemäß der vorliegenden Erfindung ist derart ausgelegt, dass der Niederspannungsschwingkreis bereitgestellt wird, der schwingen kann, selbst wenn eine Versorgungsspannung niedrig ist, und das Laden erfolgt durch ein Schwingungssignal des Schwingkreises. Selbst wenn die elektromotorische Kraft, die durch das Stromerzeugungselement erhalten wird, eine Niederspannung ist, braucht aus diesem Grund, da die elektronische Uhr betrieben werden kann, keine große Anzahl von Stromerzeugungselementen in Reihe geschaltet werden, wodurch die Verkleinerung der elektronischen Uhr ermöglicht wird.

Außerdem kann unter Bedingungen, unter welchen die elektromotorische Kraft, die durch das Stromerzeugungselement erhalten wird, klein ist, wenn die elektronische Uhr verwendet wird, zum Beispiel unter hochsommerlichen Bedingungen, wenn ein Temperaturunterschied zwischen einer Außenlufttemperatur und einer Körpertemperatur des Menschen schwer zu erhalten ist, wenn ein Thermoelement angewendet wird, die Schwingungsbeginnzeit (eine Zeit, bis die Uhr zu laufen beginnt) selbst in einem Zustand verkürzt werden, in dem keine Ladekapazität der Ladeschaltung vorhanden ist, und die elektronische Uhr kann bald verwendet werden, wenn der Benutzer sie zu verwenden wünscht.

Ferner stellt die elektronische Uhr gemäß der vorliegenden Erfindung eine Spannungserfassungsschaltung und eine Wählschaltung zusätzlich zu der zuvor dargelegten Struktur bereit. In dieser Struktur wird ein Spannungswert, der höher als der Spannungswert ist, mit dem die Schwingung der Signalerzeugungsmittel aufrechterhalten werden kann, auf die Bezugsspannung der Spannungserfassungsschaltung eingestellt und, wenn eine elektromotorische Kraft geladen wird, die stärker als die Bezugsspannung ist, kann der Betrieb des Niederspannungsschwingkreises abgestellt werden. Folglich kann der Stromverbrauch, einschließlich des Verluststroms, verringert werden, und die elektromotorische Kraft, die durch das Stromerzeugungselement erhalten wird, kann in der Ladeschaltung geladen werden.


Anspruch[de]
Elektronische Uhr mit einem Stromerzeugungselement (101, 701), umfassend:

Signalerzeugungsmittel (103a) mit einem Schwingkreis (103a, 703a) und Teilungsmitteln (103ab, 703b);

ein elektronisches Uhrwerk (103, 703) mit Zeitanzeigemitteln (103b, 703c, 703d, 703e) zum Anzeigen einer Zeit auf der Basis eines Ausgangssignals der Signalerzeugungsmittel (103a, 703a, 703b);

ein Stromerzeugungselement (101, 701) zum Erzeugen von Strom;

einen Niederspannungsschwingkreis (102, 702), welcher als Folge einer Ausgangsspannung des Stromerzeugungselements (101, 701) schwingt;

eine Spannungserfassungsschaltung (106, 706), welche so konfiguriert ist, dass sie eine Ausgangsspannung einer Ladeschaltung (105, 705) zum Erfassen eines vorbestimmten Spannungswerts empfängt, um ein Erfassungssignal an den Niederspannungsschwingkreis (102, 702) auszugeben;

eine Wählschaltung (107, 707), welche so konfiguriert ist, dass sie das Erfassungssignal von der Spannungserfassungsschaltung (106, 706) zum Auswählen irgendeines des Ausgangssignals des Niederspannungsschwingkreises (102, 702) und des Ausgangssignals der Signalerzeugungsmittel (103a, 703a, 703b) empfängt, um ein Ausgangssignal auszugeben;

eine Aufwärtstransformationsschaltung (104, 704), welche so konfiguriert ist, dass sie die Ausgangsspannung des Stromerzeugungselements (101, 701) und das Ausgangssignal der Wählschaltung (107, 707) zum Aufwärtstransformieren der Ausgangsspannung des Stromerzeugungselements (101, 701) auf eine vorbestimmte Spannung empfängt, um eine aufwärts transformierte Ausgabe auszugeben;

eine Ladeschaltung (105, 705) zum Laden der aufwärts transformierten Ausgabe der Aufwärtstransformationsschaltung (104, 704), um eine geladene Aufwärtstransformationsausgabe an das elektronische Uhrwerk (103, 703) zu liefern; und

wobei das Stromerzeugungselement (101, 701) ein Thermoelement aufweist, welches wenigstens einen n-Halbleiter (303) und einen p-Halbleiter (304) aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind.
Elektronische Uhr mit einem Stromerzeugungselement nach Anspruch 1, wobei der Niederspannungsschwingkreis (102, 402, 702) eine Schaltung umfasst, welche bei wenigstens einer Spannung schwingt, die niedriger als die der Signalerzeugungsmittel (103a, 403a, 403b, 703a, 703b) ist. Elektronische Uhr mit einem Stromerzeugungselement nach Anspruch 1, wobei der Niederspannungsschwingkreis (102, 702) einen Schwingkreis umfasst, welcher bei wenigstens einer Spannung schwingt, die niedriger als die der Signalerzeugungsmittel (103a, 703a, 703b) ist;

die Spannungserfassungsschaltung (106, 706) eine Schaltung umfasst, welche erfasst, wenn die Ausgangsspannung der Ladeschaltung (105, 705) eine Spannung, bei welcher das Signalerzeugungsmittel (103a, 703a, 703b) betrieben werden kann, oder höher wird, um ein Erfassungssignal auszugeben; und

die Wählschaltung (107, 707) eine Schaltung umfasst, welche das Ausgangssignal des Niederspannungsschwingkreises (102, 702) in einem Zustand ausgibt, in welchem das Erfassungssignal nicht in die Wählschaltung (107, 707) eingegeben wird, und welche das Ausgangssignal des Signalerzeugungsmittels (103a, 703a, 703b) in einem Zustand ausgibt, in welchem das Erfassungssignal in die Wählschaltung (107, 707) eingegeben wird.
Elektronische Uhr mit einem Stromerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Stromerzeugungselement (101, 401, 701) ein Thermoelement umfasst, welches eine Mehrzahl von n-Halbleitern (303) und p-Halbleitern umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind, wobei jeden zweiten Knoten (305) der n-Halbleiter (303) und der p-Halbleiter (304) wärmebindungsseitige Isolatoren (301) angebracht sind und jeden anderen zweiten Knoten (305) der n-Halbleiter (303) und der p-Halbleiter (304) wärmestrahlungsseitige Isolatoren (302) angebracht sind.






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