專利名稱：利用光生伏打電池為蓄電池充電的裝置和包含這種充電裝置的鐘表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于為蓄電池充電的一種裝置，該裝置包括與該蓄電池耦合的一個光生伏打電池電源，和串聯(lián)連接在電源與蓄電池之間的一個倍壓器。
本發(fā)明還涉及包含這種充電裝置的電子鐘表，特別是手表或鬧鐘。
但是，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的這種充電裝置的應(yīng)用并不局限于鐘表領(lǐng)域，而是可以涉及任何包含蓄電池和用于為該蓄電池充電的光生伏打電池電源的電子裝置，例如，袖珍電子計算器或臺式電子計算器、無線電發(fā)射器或接收器、紅外信號遙控裝置、傳感器、以及存儲由太陽能電池產(chǎn)生的電能的任何裝置。
目前，人們希望低能耗電子裝置在盡可能低例如1.0至1.5伏特量級的電壓下工作，這個范圍表示目前某些電子器件正常工作的下限工作電壓。但是，目前優(yōu)選的用于為這些裝置供電的光生伏打電池，無論是光化學(xué)型的，還是半導(dǎo)體型的，通常只能提供較低的電壓，一般為0.3至0.5伏特的量級，因此需要將至少三個這樣的光電池串聯(lián)(例如參見英國專利文獻GB-A-2149942)。這些電池通常并列設(shè)置在這類裝置的可見表面上，以使它們得益于相同的光照條件。這種結(jié)構(gòu)可能具有缺點。一方面，在小型裝置中，制造幾個較小的電池盒比制造一個較大的電池盒成本高。另一方面，在美學(xué)外觀很重要的物體中，例如在鐘表領(lǐng)域中，并列設(shè)置的電池之間的分界線常常是不便設(shè)置的，并且如果可以使用單個電池，或者兩個疊置的準(zhǔn)透明電池，則可能看不到分界線，如在專利文獻WO-93/19405中所述。
在應(yīng)用于手表時，由相互串聯(lián)的多個并列設(shè)置的光生伏打電池構(gòu)成的電源還具有易受衣服陰影影響的缺點例如如果衣袖使其中一個電池處于陰影中，則由后者提供的電壓會明顯地下降，因此這些電池的總輸出電壓可能會下降到不足以為蓄電池充電的電壓值。
德國專利申請DE-A-2900622中描述了能夠借助于一個太陽能電池為蓄電池充電的一種裝置，其中太陽能電池的輸出電壓低于蓄電池兩極間的電壓，這是由于使用電壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)果，該電壓轉(zhuǎn)換器包括串聯(lián)連接在電源和蓄電池之間的一個電感器和一個二極管。電感器和二極管之間的接點通過由一個單穩(wěn)態(tài)器件控制的一個晶體管周期地接地。后者接收從一個光阻傳感器產(chǎn)生的輸入信號，該傳感器測量太陽能電池受到的照度。當(dāng)照度增大時，單穩(wěn)態(tài)器件的時間常數(shù)增大，使得太陽能電池的充電電阻下降，從而使之最佳化。
但是，當(dāng)對于光電池的照度相對較低時，上述裝置將消耗比它產(chǎn)生能量更多的能量，這最終將導(dǎo)致蓄電池放電。此外，由于太陽能電池的照度響應(yīng)特性和光敏電阻通常是不同的，所以難以使其工作達到最佳狀態(tài)。另一方面，將光敏電阻作為一個附加的外部器件設(shè)置存在許多缺陷，特別是在應(yīng)用于手表的情況下，因為必須為其保留空間，制造成本高，并且還可能使太陽能電池受到不同的光照度。
本發(fā)明的一個目的是通過提供一種高效率的、結(jié)構(gòu)簡單的、成本低廉的充電裝置以避免上述的缺陷，這種裝置可以應(yīng)用于鐘表，特別是手表中。
本發(fā)明的一個具體目的是設(shè)置充電裝置，使得在蓄電池處于低充電狀態(tài)和光生伏打電池僅僅受到微弱照度或者根本沒有受到光照時，它只消耗極其少量的能量。
本發(fā)明的另一個具體目的是在本發(fā)明裝置應(yīng)用于電子鐘表時，將該裝置與手表的能量消耗電路結(jié)合，以避免蓄電池過度放電。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供在序言部分所指出類型的一種充電裝置，其特征在于它包括用于根據(jù)電源輸出電壓和蓄電池充電狀態(tài)打開和關(guān)閉倍壓器的控制裝置。
因此，當(dāng)光生伏打電源足以使蓄電池被確實充電時，和僅僅當(dāng)需要充電時，能夠?qū)⒊潆娧b置的工作時間限制在合理的范圍，尤其是能夠避免過度充電，否則會減少蓄電池的壽命。
利用其提供的電壓只是蓄電池兩極之間標(biāo)稱電壓的幾分之一的單個光生伏打電池作為電源是可能的。如果需要的話，也可以使用由至少兩個光生伏打電池串聯(lián)構(gòu)成的電源，但是它們共同提供的電壓可以小于蓄電池兩極之間的電壓。
本發(fā)明的第二方面涉及一種電子鐘表，它包括一個蓄電池、和由該蓄電池供電的計時裝置和顯示裝置，其特征在于它包括如上文所定義的一個光生伏打電池和倍壓器充電裝置。
將根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的充電裝置與電子鐘表相結(jié)合是特別可取的，因為即使所說的光電池屬于具有相對較低輸出電壓的類型，也可以使用單個光生伏打電池。這樣就避免了上述的與美觀和制造成本有關(guān)的缺陷。這也便于使用透明和隱形的光電池，可取的是在可以看到顯示裝置的一側(cè)覆蓋顯示裝置的整個區(qū)域，并且給設(shè)計者在表盤外觀和鐘表整體設(shè)計方面留下充分的自由度。
本發(fā)明的第三方面涉及一種電子鐘表，它包括一個蓄電池、和由該蓄電池供電的計時裝置(horometric)和顯示裝置、以及一個充電裝置，該充電裝置包括與蓄電池相連的一個光生伏打電池電源，其特征在于該充電裝置包括串聯(lián)連接在電源和蓄電池之間的一個倍壓器，該倍壓器包括一個電感器，該電感器由一個線圈形成，以構(gòu)成鐘表的顯示裝置或其它裝置的一部分。特別是，如果顯示裝置包括一個馬達，所說線圈可以構(gòu)成所說馬達的一部分。
這種組合結(jié)構(gòu)是尤其可取的，因為這樣避免在倍壓器中使用附加的電感線圈。所說線圈是倍壓器中唯一相對笨重的部件，其它部件可以制作在集成電路中。省略一個線圈還使得鐘表的裝配工作簡化。
按照本發(fā)明的第二和第三方面，上述用于充電裝置的控制裝置可以與鐘表的常規(guī)電子裝置結(jié)合，以便當(dāng)蓄電池的充電不足時節(jié)省能量，特別是根據(jù)蓄電池放電的一種或多種限制狀態(tài)切斷向顯示裝置和/或計時裝置的供電，同時停止倍壓器的工作。
通過以下結(jié)合附圖和僅以舉例的形式對優(yōu)選實施例的描述可以了解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，在所說附圖中

圖1為安裝有蓄電池和根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的倍壓器充電裝置的手表的局部剖示意圖；圖2為手表電路的方塊示意圖；和圖3示意性表示倍壓器的一個優(yōu)選實施例。
圖1中示意性表示的手表1包括一個表殼2，其上安裝有一塊晶體3，例如借助于一個密封墊圈4。使用者以常規(guī)的方式透過晶體3可以看到顯示裝置，顯示裝置包括表盤5和在表盤上移動的表針6和7。光生伏打電池8設(shè)置在例如表針與晶體3之間，它由一個環(huán)形件9頂靠在表盤5上。在這個實例中，這是一個透明的光生伏打電池，其特性和結(jié)構(gòu)在專利文獻WO-93/19405中有介紹。這個電池完全覆蓋了顯示裝置，由于它是透明的，所以它對于讀取時間和表盤的外觀沒有影響。當(dāng)它接收到光時，它的輸出電壓根據(jù)光照狀態(tài)的不同在0.3至0.5伏特之間變化。應(yīng)當(dāng)指出，電池8還可以設(shè)置在表盤5上或構(gòu)成表盤本身。在這種情況下，可以使用一種不透明的電池，特別是硅電池。
在表盤5之下，表殼2中包含電子鐘表機芯10和一個蓄電池11。在這個實例中，該蓄電池是一個化學(xué)蓄電池，特別是鋰離子型電池，其工作電壓在1.0至1.5之間。但是應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明也可以使用其它類型的蓄電池和電化學(xué)電容器，特別是超導(dǎo)電容器。光生伏打電池8的電極借助于兩根導(dǎo)線12與位于表盤5下面的電路相連，圖1中只表示了其中一根導(dǎo)線。
參見圖2，表1的顯示裝置包括一個步進馬達13，其利用由蓄電池11提供的能量驅(qū)動表針6和7。馬達13由一個常規(guī)的時鐘集成電路20控制，所說集成電路20包括一個例如由一個石英諧振器控制的振蕩器21和一個電子單元22，該電子單元22包括一個分頻電路和存儲器，它們與馬達的驅(qū)動電路23相連。振蕩器21的輸出信號由單元22處理，其以適合的方式控制驅(qū)動電路23，利用表針6和7在表盤5上顯示時間。為了監(jiān)測蓄電池兩端的電壓VDD，集成電路20還包括一個監(jiān)測電路24，它將該電壓與一個或多個電壓限值進行比較，并輸出一個數(shù)字信號EOL，該信號可以取不同的值以指示蓄電池電壓高于或低于這些不同的限值。這種類型的電路有時被稱為壽命終結(jié)判斷電路，用于指示一個電池是否已經(jīng)達到其壽命終結(jié)點，在鐘表領(lǐng)域是眾所周知的。
蓄電池11的充電裝置中除了光生伏打電池8之外，還包括由一個倍壓器26構(gòu)成、并且由一個互補靜態(tài)單元組件27控制的直流-直流轉(zhuǎn)換器。倍壓器26接收從光生伏打電池8產(chǎn)生的輸出直流電流，輸入電壓為可變電壓USC當(dāng)倍壓器26打開時，它根據(jù)其設(shè)置將所說電壓放大2至4倍，以供給高于蓄電池11的現(xiàn)有電壓VDD的一個輸出電壓。
互補靜態(tài)單元組件包括一個靜態(tài)比較器28、一個邏輯單元29和一個開關(guān)單元30，這三個單元均由蓄電池電壓VDD供電。在這個實例中，靜態(tài)比較器28最好包括一個倒相器或跟隨器電路CMOS LV，其開關(guān)電壓設(shè)置為0.4伏特。這個值根據(jù)光電池8的電壓特性選擇。它是由倒相器的一對p溝道和n溝道的幾何尺寸限定的。比較器28接收輸出電壓USC作為輸入信號，并且根據(jù)這個電壓是否小于或大于開關(guān)電壓，向邏輯單元29發(fā)出一個二進制輸出信號VSD，當(dāng)USC＜O.4伏特時，這個信號的值為1，當(dāng)USC＞0.4伏特時，這個信號的值為0。應(yīng)當(dāng)指出，可以用具有等價作用的其它比較電路代替靜態(tài)比較器28。但是，靜態(tài)比較器具有可以不使用基準(zhǔn)電壓源的優(yōu)點。
邏輯單元29接收信號VSC和EOL，并且根據(jù)其狀態(tài)，按照下述的邏輯規(guī)則，向開關(guān)單元30發(fā)出二進制輸出信號CONV、OSC和DRIVE。這些信號控制單元30中的電子開關(guān)分別向倍壓器26、振蕩器21和單元22組件、以及馬達13的驅(qū)動電路23提供電壓VDD。
在圖2所示裝置的一個實施例中，監(jiān)測單元24將蓄電池11的電壓VDD與一個限值，例如1.0伏特，進行比較，即它的輸出信號EOL是一個二進制信號。因此，在邏輯單元29的輸入端產(chǎn)生的這兩個二進制信號VSC和EOL可以具有四種可能的組合方式，分別對應(yīng)于表I所示的四種情形A至D，該表表示了在各個情形下賦予信號CONV、OSC和DRIVE的值。數(shù)值1表示相應(yīng)的元件處于工作狀態(tài)，數(shù)值0表示處于非工作狀態(tài)。
應(yīng)當(dāng)指出，只有當(dāng)光電池8輸出的電壓大于或等于0.4伏特時，電壓轉(zhuǎn)換器或倍壓器26才進入工作狀態(tài)。利用這里所用類型的蓄電池，由于在完全充電的蓄電池兩端的電壓上升到接近2伏特，而這個電壓值是光電池電壓經(jīng)過倍增之后也無法達到的，所以不存在過度充電的危險。
當(dāng)蓄電池11的端電壓低于1.0伏特的限值時，時鐘電路21和22以及顯示裝置23和13都關(guān)閉以節(jié)省能量。這個限值是經(jīng)過選擇的，以保持在蓄電池充電量的10至20％之間，從而當(dāng)光電池8在經(jīng)過長時間處于黑暗環(huán)境之后重新開始工作時仍然能夠啟動充電裝置，根據(jù)蓄電池自放電電流的不同，這段時間最長可達1年。
在OSC列中的符號*表示一種變量的可能性，按照這種可能性，監(jiān)測電路24根據(jù)蓄電池11的放電曲線監(jiān)測兩個不同的電壓限值，例如，一個1.1伏特的第一限值和一個1.0伏特的第二限值。因此，信號EOL具有若干位。在這種情況下，在電壓處于1.1至1.0伏特的放電第一階段時，邏輯單元29使信號DRIVE具有0值，以關(guān)閉消耗最大電流的器件23和13，即，使顯示器停止工作。相反，計時電路21至22繼續(xù)工作，從而手表在蓄電池充電時計時。只有當(dāng)電壓VDD下降到1.0伏特以下時，信號OSC變?yōu)?，使計時電路停止工作。當(dāng)光電池8再次受到光照時，蓄電池中的剩余電量已不足以使充電裝置工作。
應(yīng)當(dāng)指出，監(jiān)測電路24還可以利用信號EOL指示蓄電池11的充電量已經(jīng)非常高。于是，邏輯單元29可以利用信號CONV關(guān)閉倍壓器26，以控制蓄電池的充電。
圖3表示直流倍壓器26的一個已知實施例，它包括在節(jié)點33和地電位之間與蓄電池并聯(lián)的一個電子開關(guān)32，在節(jié)點33與蓄電池之間串聯(lián)著一個肖特基二極管34，同時在節(jié)點33與從光生伏打電池8中接受電壓USC的輸入端36之間串聯(lián)著一個電感器35。開關(guān)32在一個控制電路37的控制下周期地打開和關(guān)閉，該控制電路37由從開關(guān)單元30產(chǎn)生的一個有效信號EN CNV觸發(fā)。開關(guān)32每次打開時，由于電感器35的緣故由高壓產(chǎn)生的感生電流為蓄電池11充電。開關(guān)32及其控制電路37可以由例如Maxim公司生產(chǎn)的MAX 631型電路構(gòu)成。
這種倍壓器的一個優(yōu)點在于使用步進馬達13的定子電感線圈作為電感器35，這種電感線圈通常用于驅(qū)動手表的顯示裝置。因為這種馬達僅僅為顯示工作很短的片刻，所以可以在這些時刻以外，即大部分時間里將其線圈與倍壓器26相連。因此，無需通過在手表中增加線圈來構(gòu)成本發(fā)明的裝置，這種線圈是相對笨重和占據(jù)空間的元件。該線圈之前和之后分別為電子開關(guān)裝置38和39，用于根據(jù)從驅(qū)動電路23產(chǎn)生的控制信號X使該線圈交替地與倍壓器26和馬達電路13相連。應(yīng)當(dāng)指出，由于使用了二極管34，所以并非在所有情況下裝置39都是必需的。
除了馬達13的定子線圈，充電裝置還可以使用鐘表中的其它裝置，特別是鬧鐘裝置、用于為例如電照明元件供電的變壓器中的任何其它現(xiàn)有線圈，或與壓電馬達并聯(lián)的線圈。
使用馬達線圈或其它裝置的線圈作為電壓轉(zhuǎn)換器的電感器35使得能夠獲得一個重量輕、體積緊湊和成本低廉的結(jié)構(gòu)，因此這種結(jié)構(gòu)極為適合于鐘表領(lǐng)域的應(yīng)用，因為轉(zhuǎn)換器的其它部分可以很容易地包括在一個包含靜態(tài)單元27的集成電路中，特別是上文所述的集成電路20。
應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明并不局限于應(yīng)用在光化學(xué)型光生伏打電池的情況，也可以延伸應(yīng)用于到任何其它類型，特別是單晶或多晶的非晶硅光電池。
權(quán)利要求
1．蓄電池充電裝置，它包括與所說蓄電池相連的一個光生伏打電池電源(8)和串聯(lián)連接在所說電源和所說蓄電池之間的一個倍壓器(26)，其特征在于它包括用于根據(jù)所說電源(8)的輸出電壓(USC)和所說蓄電池的充電狀態(tài)(EOL)打開和關(guān)閉倍壓器(26)的控制裝置(24、27)。
2．如權(quán)利要求1所述的充電裝置，其特征在于所說電源(8)包括一個光生伏打電池。
3．如權(quán)利要求1所述的充電裝置，其特征在于所說電源(8)包括至少兩個串聯(lián)連接的光生伏打電池。
4．如權(quán)利要求1所述的充電裝置，其特征在于所說控制裝置(24、27)包括一個比較器(28)，其用于接收表示所說電源(8)的輸出電壓(USC)的一個模擬信號，和產(chǎn)生一個二進制信號(VSC)，以指示所說輸出電壓是否大于或小于一個預(yù)定閾值。
5．如權(quán)利要求4所述的充電裝置，其特征在于所說比較器(28)是由所說蓄電池供電的一個靜態(tài)比較器。
6．如權(quán)利要求5所述的充電裝置，其特征在于所說靜態(tài)比較器(28)是一個倒相器或跟隨器CMOS電路，它包括至少一對互補的p型和n型晶體管，該靜態(tài)比較器具有一個開關(guān)電壓，該電壓根據(jù)所說晶體管的幾何尺寸確定。
7．如權(quán)利要求4所述的充電裝置，其特征在于所說控制裝置(24、27)包括一個電壓監(jiān)測電路(24)，其接收所說蓄電池的端電壓(VDD)作為輸入信號并且產(chǎn)生一個蓄電池電壓信號(EOL)，和一個邏輯電路(29)，其接收所說的二進制信號(VSC)和所說的蓄電池電壓信號(EOL)，并產(chǎn)生至少一個控制信號(CONV)以打開或關(guān)閉倍壓器。
8．電子鐘表(1)，它包括一個蓄電池(11)、由所說蓄電池供電的計時裝置(21、22)和顯示裝置(6、7、13、23)，其特征在于它包括如權(quán)利要求1至7中任何一項所述的一個充電裝置，該充電裝置包括一個光生伏打電池電源(8)、和一個倍壓器。
9．鐘表，它包括一個蓄電池(11)、計時裝置(21、22)和顯示裝置(6、7、13、23)、所說計時裝置和顯示裝置都由所說蓄電池供電，和一個充電裝置，該充電裝置包括一個光生伏打電池電源(8)，并與所說蓄電池(11)相連，其特征在于所說充電裝置包括串聯(lián)連接在所說電源與蓄電池之間的一個倍壓器(26)，所說倍壓器包括一個電感器(35)，該電感器由構(gòu)成顯示裝置或該鐘表的其它裝置的一部分的一個線圈構(gòu)成。
10．如權(quán)利要求9所述的鐘表，其特征在于所說顯示裝置包括一個馬達(13)，所說線圈構(gòu)成所說馬達的一部分。
11．如權(quán)利要求8或9所述的鐘表，其特征在于所說充電裝置包括控制裝置(24、27)，其用于根據(jù)所說光生伏打電池電源(8)的輸出電壓(USC)打開和關(guān)閉所說倍壓器。
12．如權(quán)利要求11所述的鐘表，其特征在于所說控制裝置(24、27)還用于當(dāng)蓄電池的充電量少于一個第一限值時中斷向顯示裝置(6、7、13、23)的供電。
13．如權(quán)利要求12所述的鐘表，其特征在于所說控制裝置(24、27)還用于當(dāng)所說蓄電池的充電量少于第一限值或一個第二限值時中斷向計時裝置(21、22)供電。
14．如權(quán)利要求8至13中任何一項所述的鐘表，其特征在于所說電源(8)包括一個或多個在顯示裝置前部延伸的、基本透明的光生伏打電池，從設(shè)置所說光電池的一側(cè)可以看到顯示裝置。
全文摘要
一種為電池(11)充電的裝置,它包括一個光生伏打電池電源(8),其輸出電壓(USC)低于電池的端電壓(VDD)。所說輸出電壓利用由一個靜態(tài)單元(27)控制的倍壓器(26)根據(jù)兩個獨立的電壓電平進行倍增。可取的是該電源包括一個光電池(8)。在包括所說的充電裝置的一個鐘表中,當(dāng)電池(11)的電壓太低時,所說靜態(tài)單元(27)還可以切斷向顯示裝置(13、23)和計時電路(21、22)的供電。倍壓器還可以使用顯示裝置的馬達線圈(13)或用于鐘表中的其它線圈。
文檔編號H02J7/35GK1216171SQ97193810
公開日1999年5月5日 申請日期1997年2月17日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月16日
發(fā)明者E·索雷爾, P·A·法里內(nèi) 申請人:阿蘇拉布股份有限公司