JP2002214269A - 温度変化測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基準クロック発振器を恒温槽に入れなくて
も，また，クロック信号の周波数が安定になるまで待た
なくても，被測定温度を乱すことなく高い精度で温度変
化を測定し得る温度変化測定装置を提供する． 【解決手段】 発振周波数の温度係数が大きな第１の水
晶振動子とその発振回路と分周回路により第１の分周信
号を作成し，発振周波数の温度係数が小さな第２の水晶
振動子とその発振回路と分周回路により第２の分周信号
を作成し，第１と第２の水晶振動子を互いに接近して設
け，両者の分周周期の周期時間差信号をゲート信号とし
て基準クロック発振器の出力信号をカウントし，そのカ
ウント値から演算で被測定温度の変化を求める．

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，発振周波数の温度
係数が大きな第１の水晶振動子と，発振周波数の温度係
数が小さな第２の水晶振動子を互いに接近して設け，各
々の発振周波数を分周して得た分周信号の周期時間差を
求め，その周期時間差の間に基準クロック発振手段の出
力信号をカウントして，該カウント値から演算により温
度の変化を求める温度変化測定装置に関する．

【０００２】

【従来の技術】精密な温度変化測定装置として，発振周
波数の温度係数が大きな水晶振動子を水晶温度センサと
して用い，その水晶温度センサを接続した発振回路の発
振周波数を分周し，分周信号によってゲートタイムを作
成し，そのゲートタイムの間に発生する基準クロック発
振器のクロック信号をカウントして温度を測定する装置
が知られている．

【０００３】この種の温度変化測定装置は，一般に，図
１で示すように，水晶温度センサとしての水晶振動子
１，それを発振させる発振回路２，その発振周波数信号
を分周する分周器３，その分周信号に基づきゲートタイ
ムを作成するゲート回路５，基準クロックを発生する基
準クロック発振器４，ゲートタイム間に発生するクロッ
ク信号をカウントするカウンタ６，及びカウンタ６のカ
ウント値に基づき，演算により温度に換算するマイクロ
コンピュータ７等から構成されている．

【０００４】また，特公平１０−２７４２６４２号公報
には，図２で示すように，測定する温度に応じた周波数
信号を発生する温度測定用の水晶振動子と，基準となる
水晶振動子とを有する２つの発振回路を発振させ，それ
らの発振周波数を分周する分周周期を同期して発生さ
せ，周期時間差信号を作成し，その周期時間差信号を利
用する温度変化測定装置が記載されている．その温度変
化測定装置では，同期して発生させる相互の分周信号の
周期時間差信号をゲート時間とし，基準クロック発振器
の出力信号をカウントして，該カウント値から演算によ
り温度を求める．

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図１で示すような構成
の温度変化測定装置では，基準クロック発振器４のクロ
ック周波数の安定性が測定精度に大きく影響する．その
ため，電源を入れてからクロックの周波数が安定になる
まで測定を待つ必要があった．また，そのクロック信号
の周波数は周囲の温度変化の影響で変動しやすく，従来
は，クロック信号の周波数を安定化するため，基準クロ
ック発振器４を消費電力が多い恒温槽に入れていた．こ
のため，商用電源がない場所では高精度の温度変化の測
定ができなかった．

【０００６】また，図２で示すような構成の温度変化測
定装置では，短い時間を特定する分周周期の周期時間差
信号を得る場合に，水晶温度センサを有する発振回路
（温度測定用発振器１１）とその分周回路（分周器１
２），基準となる水晶振動子を有する発振回路（基準発
振器１８）とその分周回路（分周器１９）の少なくとも
１つを，同期信号でリセットする必要がある．このた
め，発振器や分周回路（図２の，１１，１２，１８，１
９）が同期信号でリセットされる毎に，１デジットのデ
ジタル誤差が生じその１デジットの時間間隔に対応した
ゲートタイムの誤差が生じる．測定に使用する水晶温度
センサや基準となる水晶振動子の発振周波数が低い場
合，リセットに伴うゲートタイムの誤差が大きくなる．
そのため，そのゲートタイム間にカウントする基準クロ
ックのカウント値に大きな誤差が生じ，測定した温度変
化の分解能が悪くなってしまう．

【０００７】高い分解能の温度変化の測定を行うために
は，水晶温度センサや基準となる水晶振動子の発振周波
数を高くすればよいが，これらの発振周波数を高くする
と温度変化の測定に関与する発振回路の発熱量が多くな
り，その回路で発生した熱が被測定温度を乱し，精度の
高い温度変化の測定ができない欠点があった．

【０００８】一方，図２で示すような構成の温度測定装
置では，温度測定用の発振器１１が設置されている周囲
の温度と，基準発振器１８が設置されている周囲の温度
との間に大きな差がある場合，基準発振器１８の温度の
変化に伴う発振周波数の乱れの影響で分周周期が乱さ
れ，その結果として周期時間差信号の幅が変動し，測定
した温度に誤差が生じる．

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は，上記の点に鑑
みてなされたもので，基準クロック発振器を，消費電力
が多く商用電源を必要とする恒温槽に入れなくても，ま
た，クロック信号の周波数が安定化するまで待たなくて
も，更に，被測定温度を乱すことなく，高精度で温度変
化を測定し得る温度変化測定装置を提供することを目的
とする．

【００１０】このために，本発明の温度変化測定装置
は，発振周波数の温度係数が大きな第１の水晶振動子
と，発振周波数の温度係数が小さな第２の水晶振動子
と，該第１の水晶振動子を有する第１の発振回路と，該
第２の水晶振動子を有する第２の発振回路と，該第１の
発振回路の周波数信号を分周する第１の分周回路と，該
第２の発振回路の周波数信号を分周する第２の分周回路
と，該第１と第２の分周回路から出力される分周信号の
周期時間差信号を作成する周期時間差信号発生手段と，
基準クロック発振手段と，該基準クロック発振手段より
出力される基準クロックをカウントするカウント手段
と，該周期時間差信号により特定された時間だけ，該基
準クロック発振手段より出力される基準クロックを該カ
ウント手段に送るゲート回路と，該クロック信号のカウ
ント値から演算により温度変化を求める演算手段と，を
備え，前記２つの水晶振動子を互いに接近して配置して
おき，該第１と第２の分周信号より作成した該周期時間
差信号で特定される時間の間に，該基準クロック発振手
段の出力信号をカウントして，該カウント値から演算に
より温度を求めるように構成される．

【００１１】望ましくは，発振周波数の温度係数が大き
な水晶温度センサとしての第１の水晶振動子と，発振周
波数の温度係数が小さな基準となる第２の水晶振動子の
少なくとも一方の水晶振動子が低い発振周波数を有し，
該水晶振動子を有する発振回路の発熱量が少ないように
構成される．

【００１２】具体的には，本発明の温度変化測定装置
は，図３の構成図に示すように，水晶温度センサ２０を
有する水晶温度センサ発振回路２１と，水晶温度センサ
発振回路２１から出力された周波数信号を分周する分周
回路２２と，水晶温度センサ２０と接近して設ける基準
となる水晶振動子２３を有する基準水晶発振回路２４
と，基準水晶発振回路２４から出力された基準周波数信
号を分周する分周回路２５と，前記２つの分周回路２
２，２５から出力される分周信号相互の周期時間差信号
を発生する周期時間差信号発生手段２６と，周期時間差
信号により特定された時間の間だけ，基準クロック発振
手段２７からのクロック信号をカウント手段であるカウ
ンタ２９に送るゲート回路２８と，カウンタ２９からカ
ウント値を取り込み，そのカウント値に基づいて被測定
温度を演算する演算手段３０と，を備えて構成される．

【００１３】

【発明の作用効果】上記構成の温度変化測定装置では，
測定しようとする温度に応じた周波数信号が，水晶温度
センサ２０を有する水晶温度センサ発振回路２１から出
力されて，分周回路２２に送られ，所定の分周比で分周
される．一方，水晶温度センサ２０と接近して配置され
た基準となる水晶振動子２３を有する基準水晶発振回路
２４から出力された基準周波数信号は分周回路２５に送
られ，所定の分周比で分周される．２つの分周回路２
２，２５から出力される分周信号は，図３の構成図に示
すように，周期時間差信号発生手段２６に送られ，そこ
で，２つの分周信号の周期時間差Ｔｓをもつ周期時間差
信号がつくられる．この周期時間差信号は，温度変化に
伴い発振周波数が大きく変わる水晶温度センサ２０と，
温度変化に伴い発振周波数があまり変化しない基準とな
る水晶振動子２３との，２つの水晶振動子の温度変化に
対応した周波数変化の情報を有しており，この周期時間
差信号を用いて被測定温度の変化を求める．なお，望ま
しくは，水晶温度センサ２０と基準となる水晶振動子２
３の発振周波数を分周した結果が，相互に近い周波数と
なったり，一方が他方の整数倍に近い周波数になるよう
に２つの分周回路２２，２５を構成し，幅の狭い周期時
間差信号を得る．

【００１４】この温度変化の情報を有する周期時間差信
号はゲート回路２８に送られ，ゲート回路２８は周期時
間差信号により特定された時間（周期時間差Ｔｓ：後に
Ｔａ，Ｔｂと記す）の間だけ，基準クロック発振手段２
７からのクロック信号をカウンタ２９に送り，カウンタ
２９はそのクロック信号をカウントする．そして，演算
手段３０がそのカウント値を取り込み，その値から演算
により被測定温度の変化を求める．

【００１５】本発明によれば，水晶温度センサ発振回路
２１からの周波数信号のみで，基準クロック発振手段２
７からのクロック信号のゲート信号を設定するのではな
く，互いに接近して設けた水晶温度センサを有する水晶
温度センサ発振回路２１からの周波数信号を分周した分
周信号と，基準となる水晶振動子を有する基準水晶発振
回路２４からの基準周波数信号を分周した分周信号との
周期時間差をとり，温度変化の情報を２つの水晶振動子
の分周信号の周期時間差信号として得て，その信号をゲ
ート信号として利用する．被測定温度の変化の情報を２
つの水晶振動子の発振周波数の変化より得ているし，特
定される時間間隔がわずかである周期時間差信号を利用
することにより，後述するように従来の方法とは異な
り，基準となる水晶振動子の発振周波数の不安定さや，
基準クロック発振手段２７からのクロック信号の不安定
さの影響をあまり受けずに，安定した高精度の温度変化
の測定を行うことができる．

【００１６】精度の高い温度変化の測定を行うには，温
度の測定に関与する発振回路の発熱量を少なくし，その
熱で被測定温度を乱さない構成が望ましい．水晶温度セ
ンサとしての水晶振動子や基準となる水晶振動子をＣＭ
ＯＳで発振させると消費電力を抑えることができるが，
発振周波数が高くなりＣＭＯＳのスイッチング回数が増
すと発振回路の発熱量が多くなってしまう．したがっ
て，温度の測定に関与する発振回路を構成する水晶振動
子の発振周波数はできる限り低いことが望ましい．

【００１７】次に，従来の温度変化測定装置（図１）
と，本発明の温度変化測定装置（図３）との測定温度の
分解能，及び，測定誤差（測定精度）の違いを説明す
る．

【００１８】図１の温度変化測定装置の水晶振動子１と
して，現在市販されている水晶温度センサ（例えば，セ
イコーエプソン社製ＨＴＳ−２０６）を使用したとす
る．この水晶温度センサは，セイコーエプソン社のカタ
ログデータ（ＱＵＡＲＴＺ ＣＲＹＳＴＡＬ製品カタロ
グ１９９６／１９９７）によれば，負の温度係数を持
ち，温度の増加に伴い１℃あたり約３０ｐｐｍ発振周波
数が減少する．このため，図１の装置では，３５℃のと
きに水晶温度センサの発振周波数を分周して得たゲート
回路５のゲート時間が１秒であった場合，温度が３８．
３３℃に変わると，温度の上昇に相当する割合で分周信
号の周期が長くなる．水晶温度センサの分周信号の周期
の変化は，１℃あたり， ３０ｐｐｍ ｘ（３８．３３−３５．０）≒１００ｐｐ
ｍ 長くなり，１秒であったゲート時間が約１００ｐｐｍ
（０．０００１秒）長い１．０００１秒となる．一方，
スイスＥＴＡ社の水晶温度センサＭＴ１は，カタログデ
ータ（スイスＥＴＡ社，日本代理店光進センテック株式
会社）によれば，正の温度係数を持ち，温度の上昇に伴
い１℃あたり約３５ｐｐｍの割合で発振周波数が増加す
る．したがって，この水晶温度センサを用いて温度変化
の測定を行う場合は，逆に，分周信号の周期は，温度の
上昇と共に，１℃あたり， ３５ｐｐｍ ｘ（３８．３３−３５．０）≒１１６．６
ｐｐｍ 短くなる．以下では，温度の上昇と共に分周周期が長く
なるＨＴＳ−２０６を例にして記載する．

【００１９】基準クロック発振器４の周波数を１ＭＨｚ
とすると，図１で示した温度変化測定装置の場合，被測
定温度が３５℃の時のゲート時間が１秒であるから，ゲ
ート時間内のカウント値は， １ＭＨｚｘ１秒＝１，０００，０００ カウントとなり，被測定温度が３８．３３℃になると発
振周波数が低くなり，周波数の変化に対応してゲート時
間が長くなり，先に述べたように１．０００１秒とな
る．そして，そのゲート時間内のカウント値は， １ＭＨｚｘ１．０００１秒＝１，０００，１００ カウントとなる．つまり，被測定温度が３．３３℃増加
すると，カウント値が１００多くなり，温度変化に換算
した場合，１カウントあたり０．０３３３℃の分解能で
温度変化が測定できる．デジタル信号を取り扱う測定で
はデジタル誤差が１カウント相当あるため，測定誤差は
約０．０３３℃である．

【００２０】一方，図３に示す本発明の温度変化測定装
置において，水晶温度センサ（ＨＴＳ−２０６）を使用
し，その水晶温度センサ２０を有する水晶温度センサ発
振回路２１と，その分周回路２２を，図１と同じ割合で
分周したとすると，３５℃の時の分周周期（ゲート時
間）Ｔｔは図１の場合と同様に１秒であり，３８．３３
℃になると，先の例と同様に分周信号の周期が長くなり
１．０００１秒になる．

【００２１】また，図３において水晶温度センサ２０と
接近して設ける基準となる水晶振動子２３（例えば，セ
イコーエプソン社製の音叉型水晶振動子Ｃ−２−ＴＹＰ
Ｅ）も３５℃から３８．３３℃に変化し，その水晶振動
子を有する基準水晶発振回路２４と，その分周回路２５
により得られる分周周期Ｔｑも変化する．３５℃のとき
にこの音叉型水晶振動子の発振周波数を分周した基準と
なる分周周期Ｔｑが１．０１秒であったとする．セイコ
ーエプソン社のカタログデータ（ＱＵＡＲＴＺＣＲＹＳ
ＴＡＬ製品カタログ１９９６／１９９７）によれば，３
５℃近傍ではこの水晶振動子の発振周波数は，１℃あた
り約０．５ｐｐｍ減少するため，温度が３８．３３℃に
変わるとこの水晶振動子の分周周期Ｔｑは， ０．５ｐｐｍ ｘ（３８．３３−３５．００）≒１．６
７ｐｐｍ の割合で長くなり，３５℃のとき１．０１秒であったゲ
ート時間が，３８．３３℃では１．６７ｐｐｍ（０．０
００００１６９秒）だけ長い１．０１０００１６９秒と
なる．

【００２２】ＴｔとＴｑの２つの分周周期が重なった直
後からのタイムチャートを図４で示す．上部に示した３
５℃の時には，分周周期の周期時間差Ｔａは， Ｔａ＝１．０１−１．００＝０．０１ 秒であるが，下部に示した３８．３３℃の時には，分周
周期の周期時間差Ｔｂは， Ｔｂ＝１．０１０００１６９−１．０００１＝０．００
９９０１６９ 秒と，３５℃の時より短くなる．

【００２３】基準クロック発振手段２７の周波数を図１
の基準クロック発振器４の場合と同じく１ＭＨｚとする
と，被測定温度が３５℃から３８．３３℃に変化する
と，ゲート時間の差が，Ｔａ（０．０１秒）から，Ｔｂ
（０．００９９０１６５秒）に変化し，３５℃のとき， １ＭＨｚｘ０．０１秒＝１０，０００ カウントであったカウント値が，３８．３３℃では， １ＭＨｚｘ０．００９９０１６９秒≒９，９０２ カウントとなる．つまり，被測定温度が３．３３℃増加
すると，カウント値が， １０，０００−９，９０２＝９８ カウント多くなり，温度変化に換算した場合，１カウン
トあたり０．０３３９℃の温度変化に相当する．この値
は，従来の方法による１カウント当たり０．０３３３℃
の温度変化と同等であるし，測定温度の分解能及びデジ
タル誤差も約０．０３４℃で従来の方法と同等である．
つまり，本発明の温度測定方法においても，従来の方法
と同じ分解能で温度変化の測定が行える．

【００２４】一方，図１の従来の温度変化測定装置にお
いて，１ＭＨｚであった基準クロック発振器４のクロッ
ク信号の周波数が不安定になり１０Ｈｚ増加したとす
る．この場合，ゲート回路５のゲート時間が１秒である
ため，カウンタ６のカウント値は， １０Ｈｚｘ１秒＝１０ カウントとなり，１０カウントだけ多くなる．この１０
カウントは基準クロック発振器４の乱れによる誤差で，
温度に換算すると０．３３３℃相当の測定誤差になる．

【００２５】また，図２の従来の温度変化測定装置にお
いて，１ＭＨｚであった基準発振器１８のクロック信号
の周波数が不安定になり１０Ｈｚ減少（１０ｐｐｍ相
当）したとする．この場合，分周器１９を介して得た分
周周期が１０ｐｐｍ相当長くなり，基準クロック発振器
１４の周波数出力がゲート回路１５を介してカウンタ１
６でカウントされる割合が増える．その割合は１０ｐｐ
ｍ相当で，基準クロック発振器１４の出力周波数が，図
１の場合と同様に１ＭＨｚであったとすると， １ＭＨｚｘ１０ｐｐｍ秒＝１０ カウントとなり，１０カウントだけ多くなる．この１０
カウントは基準発振器１８の乱れによる誤差で，温度に
換算すると０．３３３℃相当の測定誤差になる．

【００２６】これに対し，図３で示すような本発明の温
度変化測定装置では，図４で示したように，３５℃と３
８．３３℃の何れの場合も，周期時間差Ｔｓ（ゲート回
路２８のゲート時間）は約０．０１秒であり，図３で示
した基準クロック発振手段２７のクロック信号の周波数
の乱れが図１で示した基準クロック発振器４と同じく，
１ＭＨｚであった発振周波数が，１０Ｈｚ増加したとす
ると，基準クロック発振手段２７のクロック信号の乱れ
によるカウンタ２９のカウント値の増加は， １０Ｈｚｘ０．０１秒＝０．１ カウントとなり，デジタル誤差である１カウント以下と
なる．つまり，測定誤差はデジタル誤差と同じく０．０
３４℃相当で，基準クロック発振手段２７のクロック信
号の乱れによる影響は無視できる程度に小さい．周期時
間差Ｔｓを上記０．０１秒より短くなるよう構成すれ
ば，上述した場合より基準クロック発振手段２７の乱れ
の割合が大きくても，温度変化の測定誤差をデジタル誤
差より小さくできる．

【００２７】図５は，基準となる水晶振動子の発振周波
数を分周した分周周期Ｔｑ′が，図４で示した分周周期
Ｔｑの１／Ｎ倍である場合についての信号レベルの変化
の図である．図４と同様に，水晶温度センサの発振周波
数を分周した分周周期Ｔｔと，基準となる水晶振動子の
発振周波数を分周した分周周期Ｔｑ′の分周周期が重な
った時刻から，１回目の分周周期の周期時間差信号が生
じるまでの，３５℃（Ｔａ）及び３８．３３℃（Ｔｂ）
におけるＴｔ，Ｔｑ′の信号レベルの変化を示した．

【００２８】図５のタイムチャートで，３５℃の時の水
晶温度センサの分周信号がＬレベルからＨレベルに変わ
った後，基準となる水晶振動子の分周信号がＬレベルか
らＨレベルに変わるまでの時間は，図４のタイムチャー
トと同様に，Ｔａである．また，３８．３３℃の時の水
晶温度センサの分周信号がＬレベルからＨレベルに変わ
った後，基準となる水晶振動子の分周信号がＬレベルか
らＨレベルに変わるまでの時間は，図４のタイムチャー
トと同様に，Ｔｂである．つまり，図５において分周周
期Ｔｑ′がＴｑの１／Ｎ倍になっただけで，周期時間差
ＴａやＴｂは，図４におけると同様に取り扱うことがで
き，温度変化に換算した場合，１カウントあたり０．０
３３９℃の温度変化となる．また，基準クロック発振手
段２７の出力周波数が乱れた場合でも，温度測定の分解
能は同じであり，基準クロック発振手段２７の乱れによ
る測定誤差を，温度測定のデジタル誤差より小さくでき
る．

【００２９】このように，温度変化の情報を持つ幅の狭
いゲート信号を得ることができれば，恒温槽等を用いて
基準クロック発振手段２７の出力周波数を安定化しなく
ても，精度の高い温度変化の測定を行うことができる．
また，電源を入れた後，基準クロック発振手段２７の出
力周波数が安定になるまで待たなくても，精度の高い温
度変化の測定を行うことができる．消費電力が多い恒温
槽を必要としなければ，商用電源がない野外であって
も，電池を電源とする温度変化測定装置で，精度の高い
温度変化の測定ができる．

【００３０】さらに，本発明では，発振周波数の温度係
数が大きな第１の水晶振動子（水晶温度センサ）と，発
振周波数の温度係数が小さな第２の水晶振動子を互いに
接近して設け，被測定温度の変化に対応する各々の発振
周波数を分周して得た分周信号の周期時間差を求め，そ
の周期時間差（ゲート時間）の間に基準クロック発振手
段２７の出力信号をカウントして，該カウント値から演
算により温度を求める．このため，図３や図４で得た分
周周期の周期時間差（ゲート時間）は，被測定温度の変
化に対応する水晶温度センサと基準となる水晶振動子の
双方の温度変化の情報を有し，周期時間差は被測定温度
の変化に対応して変化する．

【００３１】したがって，予め，互いに接近して設けた
水晶温度センサと基準となる水晶振動子の発振回路を分
周して温度変化の情報を有する周期時間差を得て，その
周期時間差と，その時の温度変化との関係を求めておけ
ば，水晶温度センサと基準となる水晶振動子を発振させ
て分周信号を作成し，その分周信号の周期時間差を測定
し，予め求めた関係に基づき，その周期時間差から被測
定温度の変化を演算で求めることができる．

【００３２】図５で示したタイムチャートでは，Ｔｔの
分周周期１回の間に，Ｔｑ′の分周周期はＮ回発生する
が，基準となる水晶振動子の発振周波数の分周周期Ｔ
ｑ′をＮ倍した時間が，水晶温度センサの発振周波数を
分周した分周周期Ｔｔより若干長いため，分周周期Ｔｔ
の立ち上がりから分周周期Ｔｑ′のＮ回目の立ち上がり
までの周期時間差（ゲート時間）が，時間の経過と共に
大きくなる．その大きさが分周周期Ｔｑ′に相当する時
間差より大きくなると，分周周期Ｔｔの立ち上がりの直
後に分周周期Ｔｑ′のＮ−１回目の立ち上がりが発生す
る．言い換えると，分周周期Ｔｔの立ち上がりから，そ
の後に発生する分周周期Ｔｑ′の立ち上がりまでの分周
周期の周期時間差（ゲート時間）は，基準となる水晶振
動子の発振周波数を分周して得た分周周期Ｔｑ′より大
きくなることはない．つまり，分周周期Ｔｑ′の時間間
隔が狭くなるような構成にしておけば，幅の狭い周期時
間差信号（ゲート信号）を何時でも得ることができる．
なお，周期時間差信号の発生する時間の間隔から，周期
時間差信号がＮ回目の立ち上がりかＮ−１回目の立ち上
がりで発生したかを区別でき，その割合を考慮しつつ演
算して被測定温度の変化を求める．

【００３３】先に述べたように，分周周期の周期時間差
であるゲート時間が短いと，基準クロック発振手段２７
からのクロック信号が温度変化等で乱れても，温度測定
の誤差を小さくでき，基準クロック発振手段２７を恒温
槽に入れ，その発振周波数を安定化する必要がない．こ
のため，消費電力を少なくでき，商用電源がない場所で
も温度変化の測定が行える．また，従来の温度測定方法
のように，基準クロック発振手段２７の出力が安定にな
るまで待つ必要はなく，電源を入れた直後であっても温
度変化を測定することができる．

【００３４】図３，図４，及び図５では水晶温度センサ
２０の発振周波数を分周した分周周期Ｔｔが，基準とな
る水晶振動子２３の発振周波数を分周した分周周期Ｔ
ｑ，あるいは，Ｔｑ′のＮ倍より若干長い場合について
述べた．ここでは図示しないが，前者の分周周期Ｔｔ
が，後者の分周周期ＴｑやＴｑ′のＮ倍より若干短くな
るようにしてもよい．また，図５の例とは逆に，水晶温
度センサの発振周波数の分周周期をＴｔ′と短くし，Ｔ
ｔ′のＭ倍であるＴｔが基準となる水晶振動子の発振周
波数を分周した分周周期Ｔｑに近くなる構成にしてもよ
く，幅の狭い周期時間差信号を作成できれば，その周期
時間差信号を利用して温度変化の測定が行える．一方，
図３，図４，及び図５では分周信号の立ち上がりを利用
して周期時間差信号を作成したが，２つの分周周期の立
ち下がりを利用したり，一方の分周信号の立ち上がり
と，他方の分周信号の立ち下がりを利用して周期時間差
信号を作成してもよい．

【００３５】さらに，本発明による構成の温度変化測定
装置であれば，温度変化を測定する際に，特公平１０−
２７４２６４２号公報に記載されているように，水晶温
度センサや基準となる水晶振動子を有する発振回路，そ
れらの分周回路をリセットする必要がなく，後述するよ
うにリセットに伴うデジタル誤差が生じない．このた
め，発振周波数が低い，水晶温度センサや基準となる水
晶振動子を用いる構成の温度変化測定装置が製作でき，
温度測定に関与する発振回路の発熱を抑えることができ
る．つまり，本発明による温度変化測定装置であれば，
被測定温度に影響を与えないため，高精度の温度変化の
測定ができる．

【００３６】特公平１０−２７４２６４２号公報におい
て，例えば，水晶温度センサとして，ＨＴＳ−２０６を
用いるとする．カタログデータによればＨＴＳ−２０６
の発振周波数は，２５℃の時に４０ＫＨｚである．この
水晶温度センサを有する発振回路とその出力信号の分周
回路を同期信号によりリセットする場合，周期時間差信
号に，最大で， １／４０，０００＝２５（μ ｓｅｃ） 相当のデジタル誤差が生じる．図４や図５の基準クロッ
ク発振手段２７と同様に，図２において１ＭＨｚの周波
数出力をもつ基準クロック発振器１４からのクロック信
号を，この周期時間差信号の間にカウントすると， １ＭＨｚｘ２５μ ｓｅｃ＝２５（カウント） となり，周期時間差信号のデジタル誤差の間に最大で２
５カウント相当のカウント誤差が生じる．つまり，同期
信号で発振回路や分周回路がリセットされる毎に温度変
化に換算して，０．８３３℃相当のデジタル誤差が生じ
る．一方，本発明の図４や図５の例では，測定誤差は
０．０３４℃であり，前記した公報に記載された方法に
よる測定誤差の僅か４％である．

【００３７】前記した公報に記載された方法では，被測
定温度に与える影響を少なくするため，水晶温度センサ
や基準となる水晶振動子の発振周波数を低くすれば低く
するほど発熱量は少なくなるが，同期信号でリセットさ
れる際のデジタル誤差が増加してしまう．

【００３８】図４で示したタイムチャートで分かるが，
２つの分周周期ＴｔとＴｑとの周期時間差信号Ｔａの幅
は時間の経過と共に大きくなる．図５のタイムチャート
においてもＴｔとＴｑ′との周期時間差信号Ｔａの幅が
時間の経過と共に大きくなる．図６にその変化の概略を
模式的に示す．

【００３９】図６において，分周信号が重なった図の破
線で示した時刻から，ｍ回目の周期時間差信号をゲート
信号として得たカウント値をＭ，ｍ＋１回目の周期時間
差信号をゲート信号として得たカウント値をＭ＋Ｍ′と
すると，ｍ回目からｍ＋１回目の周期時間差信号の間に
得られたカウント値は， （Ｍ＋Ｍ′）−Ｍ＝Ｍ′ となる．このカウント値を用いて演算で被測定温度の変
化を求める．周期時間差信号の幅が変わっても，相前後
する周期時間差信号の間に得られたカウント値の相互の
差が分かれば，被測定温度の変化を演算により求めるこ
とができる．

【００４０】図６で示した周期時間差信号の幅は，時間
の経過と共に被測定温度の変化に対応して変わるが，そ
の幅は，図５のＴｑ′の幅を越えることはない．したが
って，Ｔｑの時間間隔に比べてＴｑ′の時間間隔が小さ
くなるように構成すれば，基準クロック発振手段の出力
周波数が乱れても，その乱れが，測定結果に影響を与え
ることはない．

【００４１】水晶温度センサ２０として負の温度係数を
持つセイコーエプソン社のＨＴＳ−２０６を例にて記載
し，周期時間差信号の幅が時間の経過と共に大きくなる
ことを述べた（図６参照）．仮に，正の温度係数を持つ
スイスＥＴＡ社のＭＴ１を利用した場合であっても，被
測定温度の上昇と共に周期時間差信号の幅が狭くなるだ
けで，その周期時間差信号を利用することで被測定温度
の変化を測定できる．また，温度係数が正である水晶温
度センサ２０（ＭＴ１）と接近して，基準となる水晶振
動子２３として温度係数が負である水晶温度センサ（Ｈ
ＴＳ−２０６）を設け，正と負の温度係数を持つペアの
水晶温度センサで温度変化測定装置を構成してもよい．
この場合には，被測定温度の変化に対して周期時間差信
号の幅が変わる割合が大きくなり，両者の温度係数の絶
対値を加算した割合で温度変化を検出できる温度変化測
定装置が製作できる．

【００４２】

【発明の実施例】以下，本発明の実施例を図面に基づい
て説明する．

【００４３】第１実施例 図７は第１実施例の温度変化測定装置の主要回路図であ
り，水晶温度センサ４０を有する水晶温度センサ発振回
路４１と分周回路４２，基準となる水晶振動子４３を有
する基準水晶発振回路４４と分周回路４５，２つの分周
回路から出力される分周信号の周期時間差を持つ周期時
間差信号を発生する周期時間差信号発生手段４６として
のＤタイプフリップフロップ，ゲート回路４８，基準ク
ロック発振手段４７，カウンタ４９，及び，演算手段５
０から構成される．

【００４４】図７の回路において，２５℃における発振
周波数が４０ＫＨｚである水晶温度センサ４０を水晶温
度センサ発振回路４１と分周回路４２を内蔵する集積回
路ＭＣ１４５２１に接続し分周信号を得る．また，水晶
温度センサ４０に接近して２５℃における発振周波数が
４ＭＨｚである基準となる水晶振動子４３を設け，基準
水晶発振回路４４と分周回路４５を内蔵する集積回路Ｍ
Ｃ１４５２１に接続し分周信号を得る．そして，２つの
分周信号を周期時間差信号発生手段４６としてのＤタイ
プフリップフロップ用集積回路ＨＣ７４に接続し，周期
時間差信号を得る．

【００４５】そして，水晶温度センサ４０を接続した上
方の集積回路ＭＣ１４５２１の１０番ピンから，内蔵の
発振回路で発振した４０ＫＨｚの周波数信号が，同じ集
積回路に内蔵された分周回路で２^１８分周され，６．５
５３６秒の時間間隔を持つ分周信号が発生する．

【００４６】一方，２５℃のときの発振周波数が４ＭＨ
ｚである基準となる水晶振動子４３を，下方のＭＣ１４
５２１に接続すれば，周波数が１００倍であるから，集
積回路に内蔵された発振回路と分周回路の作用により下
方の集積回路の１０番ピンから，上方の回路の場合の１
／１００の時間間隔である０．０６５５３６秒の分周信
号が発生する．

【００４７】このようにして得た２つの分周信号を，図
７で示す構成の周期時間差信号発生手段４６であるＤタ
イプフリップフロップ回路に送り，上方の６．５５３６
秒の分周周期の信号でＤタイプフリップフロップの出力
信号をＨレベルにし，その出力信号を，下方の０．０６
５５３６秒の分周周期の信号でＬレベルにする．このよ
うにしてＤタイプフリップフロップ回路により時間間隔
が短い周期時間差信号を作成し，その信号をゲート回路
４８に送り，周期時間差信号により特定された時間（周
期時間差Ｔｓ）だけ，基準クロック発振手段４７からの
クロック信号をカウンタ４９に送りカウントする．そし
て，そのカウント値を読み取り，演算手段５０により被
測定温度を求める．周期時間差信号の長さが実時間の１
％であるため，基準クロック発振手段４７のクロック信
号が乱れた場合でも，その乱れの影響を図１の例で示し
た従来の測定方法の場合の測定誤差の１％に抑えること
ができる．

【００４８】第１実施例ではＤタイプフリップフロップ
回路により周期時間差信号を作成し，基準クロック発振
手段４７から出力されるクロック信号をカウンタ４９で
カウントしたが，演算手段５０としてのマイクロコンピ
ュータで２つの分周信号の論理レベルを直接読み取っ
て，一方の立ち上がりから他方の立ち下がりまでの時間
をゲート信号とし，その間にカウンタ４９でカウントさ
れるクロック信号をカウントし，そのカウント値を読み
取ってもよい．また，このゲート信号間にマイクロコン
ピュータに内蔵されたカウンタでクロック信号をカウン
トしてもよい．一方，先に述べたように，２つの分周信
号の周期時間差信号の幅が狭ければ，基準となるクロッ
ク信号の乱れはほとんど測定結果に影響を与えない．し
たがって，周期時間差信号により特定される時間内にマ
イクロコンピュータ用の水晶振動子による発振回路の出
力信号をカウントしても，あるいは，マイクロコンピュ
ータのシステムクロックをソフトウエアでカウントして
も，測定結果の誤差を小さくできる．

【００４９】第２実施例 図８は第２実施例の温度変化測定装置の主要部の回路図
であり，水晶温度センサ６０を有し，水晶温度センサ発
振回路６１と分周回路６２を内蔵したＭＣ１４５２１，
基準となる水晶振動子６３と基準水晶発振回路６４と分
周回路６５を内蔵した基準水晶発振器７１（ＳＰＧ８６
５０Ｅ），及び，２つの分周回路から出力される分周信
号の論理を読み取って作動するＰＩＣから構成される．

【００５０】ＰＩＣは，米国のＭｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄの製品
で，８ビットのマイクロコントローラーで，水晶発振子
を発振させる回路，カウンタ，メモリーを内蔵してお
り，双方向の複数のＩ／Ｏポートを有し，スリープモー
ド，外部割り込みによるウエイクアップモード等の機能
を有している．

【００５１】図８で示した構成の回路では，図７の回路
と同様に，２５℃における発振周波数が４０ＫＨｚであ
る水晶温度センサ６０を水晶温度センサ発振回路６１と
分周回路６２を内蔵する集積回路ＭＣ１４５２１に接続
し分周信号を得る．また，原発振周波数が３２．７６８
ＫＨｚであるセイコーエプソン社の水晶発振器ＳＰＧ８
６５０Ｅを，水晶温度センサ６０に接近して設け，基準
となる水晶振動子６３としてＳＰＧ８６５０Ｅに内蔵さ
れた内蔵水晶振動子，同じく内蔵された基準水晶発振回
路６４，及び分周回路６５で分周信号を得る．そして，
２つの分周信号をＰＩＣに接続する．

【００５２】図８の構成の回路において，水晶温度セン
サ６０を有するＭＣ１４５２１の分周信号を割り込み信
号とし，スリープ状態のＰＩＣをウエイクアップさせ，
ＰＩＣのソフトウエアでシステムクロックをカウントし
つつ，水晶発振器ＳＰＧ８６５０Ｅの出力信号の信号レ
ベルの変化をソフトウエアで監視し，この信号のレベル
がＬからＨに変化すると同時にシステムクロックのカウ
ントを中止する．そして，システムクロックのカウント
値から演算で被測定温度の変化を求め，演算が終了した
ら演算結果を外部に送出し，ＰＩＣをスリープモードに
戻し，消費電力を抑えつつ，次の温度変化の測定に備え
る．

【００５３】水晶温度センサを有するＭＣ１４５２１の
分周信号がＬレベルからＨレベルになる毎に割り込みが
発生し，ＰＩＣでシステムクロックのカウント値を読み
取り演算により被測定温度を求める．分周周期の周期時
間差の幅が時間の経過と共に大きくなった場合でも，連
続する割り込み毎のカウント値の差を演算に用いれば，
連続する割り込み時間の間の被測定温度の変化を求める
ことができる．

【００５４】図９で，水晶温度センサの周波数信号をＭ
Ｃ１４５２１で分周した分周信号Ｔｔ（最上段）とＳＰ
Ｇ８６５０Ｅの分周信号Ｔｑの信号レベルの変化（上
段）と，周期時間差信号Ｔｓ（中段），及び，最上段の
信号の立ち上がりでスリープ状態のＰＩＣがウエイクア
ップし，システムクロック等をカウントしたり演算処理
をするタイミングＰｗ（下段）を示す．図５の説明で述
べたように，時間が経過すると共に２つの分周周期のタ
イミングがずれ，ＰＩＣがシステムクロック等をカウン
トしたり演算する時間が長くなるが，一定の時間が経過
し，周期時間差信号が長くなると，中段の信号レベルの
Ｎ回目の分周周期ではなく，Ｎ−１回目の分周周期で周
期時間差信号が作成され，ＰＩＣがシステムクロック等
をカウントする時間が短くなる．

【００５５】−方，図９の最下段のＰｗ′で示すよう
に，ＳＰＧ８６５０ＥのＮ−１回目の信号レベルの立ち
上がりでＰＩＣをウエイクアップさせ，最上段の水晶温
度センサの分周信号を監視しつつ，その分周信号の立ち
上がりから上段の基準となる水晶振動子の分周信号の立
ち上がりまでの周期時間差信号の間，システムクロック
等をカウントしてもよい（図中に斜線を入れた時間の
間）．このようにすれば，ウエイクアップ直後でＰＩＣ
用のクロック信号の発振周波数が不安定なときに，ＰＩ
Ｃでシステムクロック等をカウントする状態を避けるこ
とができ，精度よく温度変化の測定ができる．

【００５６】図６で説明した構成の回路の温度変化測定
装置や，図８の第２実施例の構成の温度変化測定装置で
は，分周周期毎に得られた隣り合うカウント値の差を演
算に用いて被測定温度を求めたが，５回目とか１０回目
のように決められた回数の間のカウント値の差を演算に
用いれば，５回ないし１０回の分周回数に比例した時間
間隔の間の被測定温度が求められる．このように離れた
時間のカウント値の差を演算に用いれば，時間間隔を長
くできるため，測定温度の分解能が高くなるし，測定精
度も向上する．

【００５７】更に，図８で示した構成の回路の場合，Ｐ
ＩＣは周期時間差信号がアクティブである短い時間だけ
能動的で電力を消費するが，電力を消費しないスリープ
状態である時間が長く，温度変化測定装置全体の消費電
力を少なくできる．図８の構成の回路の場合，分周周期
Ｔｔを６．５５３６秒間隔に，他の分周周期Ｔｑ′を
０．０６５５３６秒に設定し，基準クロック発振器の出
力周波数を４ＭＨｚにしたとすると，０．２５ｍＷ程度
（ＤＣ５Ｖ，５０μＡ）の消費電力で，約０．００１３
℃程度の分解能の温度変化の測定を約６．６秒間隔で行
える．詳述すると，図４や図５の例では測定間隔が１
秒，基準クロックの発振周波数が１ＭＨｚについて記述
したが，上記のような構成にすると，分周周期が６．５
５３６倍長くなり，基準クロックの周波数が４倍になる
ため，測定した温度の分解能が，４ｘ６．５５３６＝２
６．２１４４倍と，図４や図５の場合より約２６倍向上
し，０．０３３３℃の約２６倍に相当する約０．００１
３℃の分解能になる．

【００５８】更に，図８で示した構成の回路では，２つ
の水晶振動子（水晶温度センサ，ＰＩＣ用水晶振動
子），発振用のコンデンサー，及び，３つの１６ピンの
集積回路（ＭＣ１４５２１，基準水晶発振器：ＳＰＧ８
６５０Ｅ，ＰＩＣ）で回路全体を構成でき，安価な温度
変化測定装置が製作できる．分解能が高く，小型である
ことと，電池を電源として長時間作動するため，産業上
の利用価値が高い．

【００５９】第１実施例や第２実施例で示した回路の場
合，使用部品を一体化して１つのチップ状のＩＣにする
ことは容易で，親指程度の大きさの小型の温度変化測定
装置が製作できる．

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の温度変化測定装置のブロック図であ
る．

【図２】 従来の他の温度変化測定装置のブロック図で
ある．

【図３】 本発明の温度変化測定装置のブロック図であ
る．

【図４】 本発明の分周信号の周期時間差を示すタイミ
ングチャートである．

【図５】 本発明の分周信号の周期時間差を示す他のタ
イミングチャートである．

【図６】 本発明の分周信号の周期時間差の幅が時間の
経過と共に変化する様子を示すタイミングチャートであ
る．

【図７】 本発明の第１実施例の温度変化測定装置の主
要回路図である．

【図８】 第２実施例の温度変化測定装置の主要回路図
である．

【図９】 第２実施例に係わる温度変化測定装置の各部
におけるタイミングチャートを示す図である．

【符号の説明】

１…水晶振動子 ２…発振回路 ３…分周器 ４…基準クロック発振器 ５…ゲート回路 ６…カウンタ ７…マイクロコンピュータ １１…温度測定用発振器 １２…分周器 １３…周期時間差発生回路 １４…基準クロック発振器 １５…ゲート回路 １６…カウンタ １７…演算手段 １８…基準発振器 １９…分周器 ２０…水晶温度センサ ２１…水晶温度センサ発振回路 ２２…分周回路 ２３…基準となる水晶振動子 ２４…基準水晶発振回路 ２５…分周回路 ２６…周期時間差信号発生手段 ２７…基準クロック発振手段 ２８…ゲート回路 ２９…カウンタ ３０…演算手段 ４０…水晶温度センサ ４１…水晶温度センサ発振回路 ４２…分周回路 ４３…基準となる水晶振動子 ４４…基準水晶発振回路 ４５…分周回路 ４６…周期時間差信号発生手段 ４７…基準クロック発振手段 ４８…ゲート回路 ４９…カウンタ ５０…演算手段 ６０…水晶温度センサ ６１…水晶温度センサ発振回路 ６２…分周回路 ６３…基準となる水晶振動子 ６４…基準水晶発振回路 ６５…分周回路 ６６…周期時間差信号発生手段 ６７…基準クロック発振手段 ６８…ゲート回路 ６９…カウンタ ７０…演算手段 ７１…基準水晶発振器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発振周波数の温度係数が大きな第１の水
   晶振動子と，発振周波数の温度係数が小さな第２の水晶
   振動子と，該第１の水晶振動子を有する第１の発振回路
   と，該第２の水晶振動子を有する第２の発振回路と，該
   第１の発振回路の周波数信号を分周する第１の分周回路
   と，該第２の発振回路の周波数信号を分周する第２の分
   周回路と，該第１と第２の分周回路から出力される分周
   信号の周期時間差信号を作成する周期時間差信号発生手
   段と，基準クロック発振手段と，該基準クロック発振手
   段より出力される基準クロックをカウントするカウント
   手段と，該周期時間差信号により特定された時間だけ，
   該基準クロック発振手段より出力される基準クロック
   を，該カウント手段に送るゲート回路と，該クロック信
   号のカウント値から演算により温度変化を求める演算手
   段と，を備え，前記２つの水晶振動子を互いに接近して
   配置しておき，該第１と第２の分周信号より作成した該
   周期時間差信号で特定される時間だけ，該基準クロック
   発振手段の出力信号をカウントして，該カウント値から
   演算により温度変化を求めることを特徴とする温度変化
   測定装置．
2. 【請求項２】 請求項１に記載の２つの水晶振動子の少
   なくとも一方の水晶振動子が低い発振周波数を有し，該
   水晶振動子を有する発振回路の発熱量が少ないことを特
   徴とする温度変化測定装置．