JP6610048B2 - 半導体装置および電子時計 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置および電子時計に関する。

腕時計などの電子時計は、電源として一次電池や充電可能な二次電池を用い、電子回路が組み込まれた半導体装置を駆動している。電子時計として、省エネルギー化を実現するため、定電圧発生回路によって前記半導体装置の正常な動作が保証される一定電圧を発生し、この電圧の電力を、発振回路やＣＰＵを含む定電圧駆動回路に供給するために制御を確実に行われるものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−１５３６６９号公報

ところで、電源電圧が低下すると定電圧発生回路で発生される定電圧も低下し、発振回路やＣＰＵ等の最低駆動電圧を下回り、発振回路等の定電圧駆動回路の動作が不安定となったり、停止する。このため、電源電圧が低下した際に、定電圧発生回路を停止し、一次電池の交換や、二次電池の充電によって電源電圧が上昇した際に、定電圧発生回路を作動する定電圧制御回路を設けることが好ましい。

この定電圧制御回路は、電源電圧で駆動されるが、さらなる省エネルギー化を実現するために、定電圧発生回路で発生される定電圧で定電圧制御回路を駆動することが考えられる。
しかしながら、定電圧制御回路を前記定電圧発生回路の定電圧で駆動すると、電源電圧が低下して定電圧発生回路を停止した際に、定電圧発生回路自体が作動しないと定電圧制御回路も作動できないために、いわゆるデッドロック状態となって定電圧制御回路および定電圧発生回路が動かないという新たな課題が生じる。

本発明の目的は、定電圧制御回路を定電圧発生回路の定電圧で駆動でき、停止状態の定電圧発生回路を作動できる半導体装置およびこの半導体装置を有する電子時計を提供することにある。

本発明の半導体装置は、電源によって駆動する定電圧発生回路と、前記定電圧発生回路で発生された定電圧によって駆動されて、前記定電圧発生回路を制御する定電圧制御回路と、前記定電圧発生回路が停止されている場合に、外部から入力される初期化信号に対応して前記定電圧発生回路を作動する制御信号を出力する起動回路と、を備えることを特徴とする。

本発明では、定電圧発生回路を制御する定電圧制御回路を、定電圧発生回路で発生された定電圧によって駆動しているので、定電圧制御回路を電源電圧よりも低い電圧で駆動できて消費電力を低減できる。
また、半導体装置の外部から入力される初期化信号に対応して、定電圧発生回路を作動する制御信号を出力する起動回路を設けたので、定電圧発生回路が停止された際に、半導体装置の外部から初期化信号を入力することで、起動回路から制御信号を出力できて定電圧発生回路を作動できる。したがって、定電圧発生回路および定電圧制御回路がデッドロック状態となっても、定電圧制御回路とは別の起動回路から制御信号を出力して定電圧発生回路を確実に作動できる。
また、定電圧発生回路が作動すれば、定電圧制御回路も作動するため、起動回路は初期化信号の入力に対応して制御信号を出力する機能のみ有していればよい。このため、起動回路を電源電圧で駆動しても電力消費は小さいため、定電圧制御回路を定電圧で駆動することで半導体装置全体での省電力化を実現できる。

本発明の半導体装置において、前記定電圧発生回路で発生された定電圧によって駆動される発振回路を備え、前記定電圧発生回路は、第１電圧と、前記第１電圧よりも高い第２電圧とを切り換えて前記定電圧として発生可能に構成され、前記起動回路から制御信号が入力されると、前記第２電圧を発生し、所定時間経過後に前記第１電圧に切り換えることが好ましい。

本発明では、定電圧発生回路は、通常動作用の第１電圧と、第１電圧よりも高い起動開始用の第２電圧とを発生できる。そして、定電圧発生回路は、起動回路から制御信号が入力されると、最初に第２電圧を発生する。このため、発振回路に第１電圧よりも高い第２電圧を印加でき、発振回路を早期にかつ確実に作動できる。また、定電圧発生回路は、所定時間経過後に、発生する定電圧を第２電圧から第１電圧に切り換えるため、発振回路を通常動作状態にでき、消費電力も低減できる。

本発明の電子時計は、前記半導体装置を備えることを特徴とする。
本発明の電子時計は、前記半導体装置を備えるため、省電力化を実現できて持続時間を長くすることができる。

本発明の電子時計において、操作部材と、前記操作部材の操作に応じて、前記起動回路に前記初期化信号を出力する初期化信号出力部とを備えることが好ましい。
本発明では、りゅうずやボタンなどの操作部材をユーザーが操作することで、初期化信号出力部から初期化信号が出力される。この初期化信号は、前記半導体装置の起動回路に入力され、起動回路は制御信号を定電圧発生回路に出力する。
したがって、電源電圧の低下等によって、定電圧発生回路および定電圧制御回路が停止している場合に、りゅうずやボタンなどの操作部材をユーザーが操作することで、定電圧発生回路を作動し、これにより定電圧制御回路や発振回路などを作動できる。定電圧発生回路が停止している場合には、発振回路等も停止し、指針の駆動も停止する。この場合、ユーザーは、一次電池の交換や、二次電池を充電し、さらに指針を現時刻に合わせるために、操作部材を操作する。このため、ユーザーの現時刻合わせなどの操作が、前記初期化信号を出力させる操作となり、ユーザーが特別な操作を行う必要が無いため、操作性が低下することを防止できる。

本発明の電子時計を示す正面図である。 本発明の半導体装置の要部を示す回路図である。

以下、本発明の半導体装置１０を備える電子時計１について説明する。
電子時計１は、図１に示すように、ユーザーの手首に装着される腕時計であり、外装ケース２と、円板状の文字板３と、図示略のムーブメントと、ムーブメント内に設けられたモーターで駆動される秒針５、分針６、時針７と、操作部材であるりゅうず８とを備える。
電子時計１は、図２に示すように、電源である二次電池８０と、二次電池８０を充電する発電装置８１および充電制御回路８２とが設けられる。発電装置８１は、時計用に用いられる各種の発電装置が利用できる。例えば、回転錘等で運動エネルギーを発生させ、そのエネルギーでロータを回転させて発電する回転型の発電装置や、ソーラーパネルなどで光エネルギーを捉えて発電するソーラー型の発電装置などが利用できる。なお、電源としては、二次電池８０に限らず、ボタン型等の一次電池を用いることもできる。

ムーブメントは、図示略の回路基板を備え、回路基板には本発明の半導体装置（半導体素子、ＩＣ）１０が取り付けられている。
半導体装置１０は、図２に示すように、定電圧発生回路１１、制御ロジック回路２０、発振回路３０、発振停止検出回路４０、定電流発生回路５０、起動回路６０を備えている。定電圧発生回路１１、発振停止検出回路４０、定電流発生回路５０、起動回路６０は、二次電池８０の電源ライン（電圧ＶＤＤの電源ラインと、電圧ＶＳＳの電源ライン）に接続されて駆動される。

定電圧発生回路１１は、電圧ＶＤＤよりも低い定電圧を発生させ、制御ロジック回路２０、発振回路３０に供給する。本実施形態では、定電圧発生回路１１は、第１電圧VREG1と、第１電圧VREG1よりも高い第２電圧VREG2との二段階の定電圧を発生する。第１電圧VREG1および第２電圧VREG2の電圧値は、定電圧を印加する発振回路３０などに応じて適宜設定される。例えば、第１電圧VREG1は、０．９〜１．０Ｖ程度に設定され、第２電圧VREG2は１．２〜１．３Ｖ程度に設定される。

定電圧発生回路１１には、後述する制御ロジック回路２０から定電圧イネーブルコントロール信号が入力される制御端子１１１と、電圧コントロール信号が入力される制御端子１１２と、起動回路６０から制御信号が入力される制御端子１１３とを備える。
制御ロジック回路２０は、定電圧イネーブルコントロール信号および電圧コントロール信号を、それぞれＨｉｇｈレベル（以下、Ｈレベルという）およびＬｏｗレベル（以下Ｌレベルという）の二段階の電圧に切り換えて出力する。

定電圧発生回路１１は、例えば、制御端子１１１にＬレベルの信号が入力されると作動状態となり、Ｈレベルの信号が入力されると停止状態となる。
定電圧発生回路１１は、例えば、制御端子１１２にＨレベルの信号が入力されると定電圧として第１電圧VREG1を発生し、Ｌレベルの信号が入力されると定電圧として第２電圧VREG2を発生する。
なお、本実施形態では、１つの定電圧発生回路１１を設け、制御ロジック回路２０および発振回路３０に共通の定電圧を印加するが、各回路用に別々の定電圧発生回路を設けてもよい。

発振回路３０は、水晶振動子等を備えており、所定周波数のクロック信号（ＣＬＫ）を出力する。発振回路３０は、停止時に第２電圧VREG2が印加されることで、早期にかつ確実に作動し、作動を開始すれば第２電圧VREG2よりも低い第１電圧VREG1の印加で作動を継続できるものである。

制御ロジック回路２０は、ゲートアレイで構成され、発振回路３０から供給されるクロック信号で動作する。また、制御ロジック回路２０には、発振停止検出回路４０から出力される発振停止検出信号が入力される。
制御ロジック回路２０は、定電圧発生回路１１、発振停止検出回路４０、定電流発生回路５０に対して制御信号を出力する。すなわち、制御ロジック回路２０は、定電圧発生回路１１に対しては、前述した定電圧イネーブルコントロール信号と、電圧コントロール信号とを出力し、発振停止検出回路４０および定電流発生回路５０に対しては、各回路の作動を制御する制御信号を出力する。したがって、制御ロジック回路２０は、定電圧発生回路１１を制御する定電圧制御回路である。

また、制御ロジック回路２０は、後述するように発振停止検出回路４０からの発振停止検出信号によって、発振回路３０の停止状態が解除されたことが通知されると、電圧コントロール信号をＬレベル（第２電圧用）からＨレベル（第１電圧用）に変更する。このため、定電圧発生回路１１が発生する定電圧は、第１電圧VREG1に変更される。

発振停止検出回路４０は、定電圧発生回路１１から入力される制御信号で作動が制御される。発振停止検出回路４０の構成は、発振回路３０の発振停止を検出できる回路であればよく、例えば、スイッチとして機能するトランジスターと、コンデンサー（容量素子）とを組み合わせたものなどで構成できる。この発振停止検出回路４０は、発振回路３０が停止すると、発振停止検出信号を制御ロジック回路２０に出力する。
制御ロジック回路２０は、発振停止検出信号が入力されると、定電圧発生回路１１に定電圧イネーブルコントロール信号および電圧コントロール信号を出力し、定電圧発生回路１１を作動状態として、第２電圧VREG2を発生させ、発振回路３０の発振を開始させる。
発振停止検出回路４０には、発振停止検出回路４０内のコンデンサーの電荷を放電するためのｎチャネルトランジスタ等で構成されるスイッチ４１が接続されている。このスイッチ４１は、定電流発生回路５０が作動している場合にオン状態とされる。

定電流発生回路５０は、定電流源５１と、ｐチャネルトランジスタやｎチャネルトランジスタ等で構成されるスイッチ５２、５３とを備える。
スイッチ５２は、制御ロジック回路２０からの制御信号でオン・オフが制御され、定電圧発生回路１１が停止している場合には、スイッチ５２もオフ状態に制御され、これによりスイッチ５３もオフ状態となるため、定電流発生回路５０も停止する。
また、制御ロジック回路２０が定電圧発生回路１１を作動している場合には、スイッチ５２もオン状態に制御される。スイッチ５２がオン状態に制御されると、定電流源５１も作動され、スイッチ５３もオン状態に制御される。このため、定電流発生回路５０が作動される。

起動回路６０は、複数（例えば５個）のＤ型のフリップフロップ６１を備えている。各フリップフロップ６１は、電源電圧ＶＤＤ、ＶＳＳで駆動され、１番目のフリップフロップ６１の入力端子（Ｄ端子）に電源電圧ＶＤＤが入力されている。１番目のフリップフロップ６１の出力端子（Ｑ端子）は、２番目のフリップフロップ６１の入力端子に接続されている。以降、各フリップフロップ６１の出力端子が次のフリップフロップ６１の入力端子に接続され、最後のフリップフロップ６１の出力端子は定電圧発生回路１１の制御端子１１３に接続されている。したがって、最後のフリップフロップ６１の出力端子の出力が、制御端子１１３に入力される制御信号である。
各フリップフロップ６１のクロック入力端子には、発振回路３０から出力されるクロック信号が入力され、リセット端子（Ｒ端子）には、後述する初期化信号出力部９０から初期化信号が入力されるように構成されている。
フリップフロップ６１は、リセット端子に初期化信号が入力されると、出力端子からＬレベル信号を出力する。したがって、制御端子１１３に入力される制御信号もＬレベルの信号となる。
その後、クロック入力によって１番目のフリップフロップ６１から出力が順次Ｈレベルに変化する。このため、起動回路６０からＬレベルの制御信号が出力されてから、Ｈレベルの制御信号に切り替わるまでの所定時間は、フリップフロップ６１の数（段数）と、クロック信号の周期によって設定できる。

半導体装置１０の外部には、前記りゅうず８の操作を検出して初期化信号を出力する初期化信号出力部９０が設けられている。初期化信号出力部９０は、例えば、りゅうず８に連動するおしどり等の部品と、りゅうず８を引いた際に前記部品が接触するフレキシブル基板などの端子とを備え、前記部品および端子が接触した際、つまり、りゅうず８を引いた際に初期化信号を出力する回路で構成できる。
なお、初期化信号出力部９０は、りゅうず８を回した際に初期化信号を出力するように構成してもよい。さらに、操作部材としてボタンが設けられている場合には、初期化信号出力部９０は、ボタンが操作されたことを検出して初期化信号を出力するように構成してもよい。

［定電圧発生回路の制御処理］
次に、本実施形態における定電圧発生回路１１の制御処理に関して説明する。
電源電圧が低下すると、制御ロジック回路２０は、定電圧イネーブルコントロール信号を、定電圧発生回路１１の停止を指示する状態、例えばＨレベルに変更する。また、制御ロジック回路２０は、定電流発生回路５０に対してスイッチ５２をオフ状態にする制御信号を出力する。
定電圧発生回路１１は、制御端子１１１に入力される信号がＨレベルとなると、停止状態（ディセーブル；disable）となる。このため、発振回路３０および制御ロジック回路２０も停止状態となる。
また、スイッチ５２をオフ状態にする制御信号が入力されるため、定電流発生回路５０も停止され、スイッチ４１，５３は共にオフ状態とされる。
発振回路３０が停止されると、発振停止検出回路４０は、発振停止検出信号を制御ロジック回路２０に出力する。

発振回路３０および制御ロジック回路２０が停止されると、発振回路３０から出力されるクロック信号で作動する各種制御回路等も停止し、秒針５、分針６、時針７等を駆動するステップモーターの駆動回路等も停止する。このため、電子時計１において、指針の運針が停止する。
なお、制御ロジック回路２０は、電源電圧低下時に、定電圧発生回路１１を停止させる制御をしなくてもよい。この場合、電源電圧低下がユーザーにわかるように、例えば秒針５を２秒運針させ、ある時間後に運針を停止すればよい。

電子時計１のユーザーは、運針が停止するため、発電装置８１による充電を行い、さらに、りゅうず８を引き出して指針を現時刻に合わせる操作を行う。りゅうず８が引き出される等の操作が行われると、初期化信号出力部９０は初期化信号を出力する。
初期化信号は、起動回路６０のフリップフロップ６１のリセット端子に入力され、フリップフロップ６１はリセットされて出力端子からＬレベル信号を出力する。このため、制御端子１１３には、制御信号としてＬレベル信号が入力される。なお、制御ロジック回路２０が停止しているため、制御端子１１１、１１２には、信号が入力されていない。
この状態で、制御端子１１３にＬレベル信号が入力されると、定電圧発生回路１１は、定電圧発生回路１１を作動状態（イネーブル；enable）とし、さらに定電圧発生回路１１が第２電圧VREG2を発生する。
このため、停止状態の発振回路３０に第２電圧VREG2が印加され、発振回路３０は早期にかつ確実に作動を開始する。また、制御ロジック回路２０にも第２電圧VREG2が印加されるため、作動を開始した発振回路３０からクロック信号が入力されると、制御ロジック回路２０も作動を開始する。

作動を開始した制御ロジック回路２０は、定電流発生回路５０に対してスイッチ５２をオン状態にする制御信号を出力し、定電流発生回路５０は作動状態となり、スイッチ５３、４１もオン状態となる。また、制御ロジック回路２０は、発振停止検出回路４０に対して制御信号を出力し、発振停止検出回路４０を作動状態に設定する。

起動回路６０は、クロック信号が入力される毎に各フリップフロップ６１の出力が順次Ｈレベルに変化し、すべてのフリップフロップ６１の出力がＨレベルに変化すると、制御端子１１３に入力される制御信号もＨレベルとなる。
この場合、定電圧発生回路１１は、制御ロジック回路２０から制御端子１１１、１１２に入力される信号によって制御される。すなわち、発振回路３０が発振し、発振停止検出回路４０が発振状態を検出すると、制御ロジック回路２０は、制御端子１１１に入力する定電圧イネーブルコントロール信号は、定電圧発生回路１１を作動する状態（Ｌレベル）に制御する。また、制御端子１１２に入力する電圧コントロール信号は、定電圧発生回路１１で発生する定電圧を第１電圧VREG1に設定する状態（Ｈレベル）に制御する。このため、定電圧発生回路１１は、通常の作動状態とされる。すなわち、定電圧発生回路１１が停止されている状態から、りゅうず８が操作されると、起動回路６０から出力される制御信号によって、定電圧発生回路１１は強制的に作動されて第２電圧VREG2を発生する。そして、所定時間、具体的には起動回路６０からの制御信号がＨレベルに切り替わる状態になるまでの時間が経過すると、定電圧発生回路１１は制御ロジック回路２０で制御され、第１電圧VREG1を発生する通常状態で作動する。

なお、定電圧発生回路１１が正常に作動している状態で、りゅうず８が操作されて初期化信号出力部９０から初期化信号が出力された場合には、起動回路６０のフリップフロップ６１がリセットされて、Ｌレベルの制御信号が制御端子１１３に入力される。この場合、制御ロジック回路２０から制御端子１１１、制御端子１１２に制御信号が入力されているため、定電圧発生回路１１は制御ロジック回路２０からの制御信号を優先し、制御端子１１３に入力される制御信号を無視する。したがって、定電圧発生回路１１で発生する定電圧が第２電圧VREG2に切り替わることはない。
また、りゅうず８が操作されて、定電圧発生回路１１で発生する第２電圧VREG2に切り替わったとしても動作として問題ない。

［実施形態の作用効果］
半導体装置１０は、定電圧発生回路１１を制御する定電圧制御回路である制御ロジック回路２０を、定電圧発生回路１１で発生された定電圧（第１電圧VREG1）によって駆動する。このため、制御ロジック回路２０を電源電圧ＶＤＤよりも低い電圧で駆動できて消費電力を低減できる。特に、制御ロジック回路２０は、定電圧発生回路１１の制御用だけでなく、発振停止検出回路４０や定電流発生回路５０等の様々な回路の制御用として用いられるため、第１電圧VREG1で駆動することで、省電力化の効果を高めることができる。

定電圧発生回路１１が停止された際に、りゅうず８を操作して半導体装置１０の外部から初期化信号を入力することで、起動回路６０から制御信号を出力して定電圧発生回路１１を強制的に作動できる。したがって、定電圧発生回路１１および制御ロジック回路２０が共に停止してデッドロック状態となっても、制御ロジック回路２０とは別の起動回路６０から制御信号を出力でき、定電圧発生回路１１を確実に作動できる。
さらに、初期化信号出力部９０から初期化信号を出力するための操作は、指針を現時刻に合わせるための操作であるため、ユーザーは特別な操作を行う必要が無く、操作性が低下することを防止できる。

定電圧発生回路１１が作動すれば、制御ロジック回路２０も作動するため、起動回路６０は初期化信号の入力に対応して制御信号を出力する機能のみ有していればよい。このため、起動回路６０を複数のフリップフロップ６１のみで構成でき、電源電圧ＶＤＤで駆動しても低い電力消費量にできる。したがって、制御ロジック回路２０を第１電圧VREG1で駆動し、起動回路６０を電源電圧ＶＤＤで駆動すれば、制御ロジック回路２０を電源電圧ＶＤＤで駆動する場合に比べて、半導体装置１０の省電力化を実現できる。

定電圧発生回路１１は、通常動作用の第１電圧VREG1と、第１電圧VREG1よりも高い起動開始用の第２電圧VREG2とを発生でき、起動回路６０から制御信号が入力されると、最初に第２電圧VREG2を発生する。このため、発振回路３０に第２電圧VREG2を印加できるため、発振回路３０を早期にかつ確実に作動できる。また、定電圧発生回路１１は、発振回路３０が確実に作動できる所定時間経過後に、発生する定電圧を第２電圧VREG2から第１電圧VREG1に切り換えるため、発振回路３０の作動が開始した後は発振回路３０を第１電圧VREG1で作動でき、消費電力も低減できる。

［他の実施形態］
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、定電圧発生回路１１は、第１電圧VREG1、第２電圧VREG2を出力可能なものに限定されず、第１電圧VREG1のみを出力可能なものでもよいし、第３電圧も出力可能なものでもよい。すなわち、定電圧発生回路１１は、半導体装置１０において、必要な定電圧を発生できるものであればよい。

定電圧発生回路１１は、３つの制御端子１１１、１１２、１１３を備えるものに限定されず、制御端子１１１、制御端子１１２の２つの端子を備えるものでもよい。この場合、起動回路６０から出力される制御信号を、制御ロジック回路２０から出力される各信号とＡＮＤ回路などを用いて合成して制御端子１１１、１１２に入力するようにすればよい。すなわち、定電圧発生回路１１が停止状態の場合には、起動回路６０からの制御信号を優先し、定電圧発生回路１１が作動した後は、制御ロジック回路２０からの信号を優先するように設定すればよい。

制御ロジック回路２０は、ゲートアレイで構成されるものに限定されない。ただし、ゲートアレイで構成すれば、様々な種類の電子時計に容易に対応できる利点がある。
初期化信号出力部９０は、りゅうず８等の操作部材の操作に応じて初期化信号を出力するものに限定されず、例えば、一次電池の交換作業に応じて初期化信号を出力してもよい。
また、発電装置８１として、りゅうず８を回すことで発電する装置が組み込まれている場合には、初期化信号出力部９０は、りゅうず８による発電状態を検出すると初期化信号を出力するように構成してもよい。

また、本発明の電子時計１は、指針を有するアナログ時計に限らず、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、本発明の電子時計１は、腕時計に限らず、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し、時計以外の各種の電子機器にも適用できる。
さらに、本発明は、半導体装置（半導体素子、ＩＣ）１０をパッケージ化して外販し、各電子機器の製造メーカーにおいて、本発明の半導体装置１０を組み込んで使用してもよい。

１…電子時計、８…操作部材であるりゅうず、１０…半導体装置、１１…定電圧発生回路、２０…制御ロジック回路、３０…発振回路、４０…発振停止検出回路、５０…定電流発生回路、６０…起動回路、６１…フリップフロップ、８０…電源である二次電池、８１…発電装置、９０…初期化信号出力部。

Claims (4)

1. 電源電圧で駆動される定電圧発生回路と、
   前記定電圧発生回路の定電圧によって駆動されて、前記定電圧発生回路を制御する定電圧制御回路と、
   前記電源電圧で駆動されて、前記定電圧発生回路が停止されている場合に、初期化信号に対応して前記定電圧発生回路を作動する制御信号を出力する起動回路と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記定電圧発生回路の定電圧によって駆動される発振回路を備え、
   前記定電圧発生回路は、前記定電圧を、第１電圧と、前記第１電圧よりも高い第２電圧とに切り換え可能に構成され、前記起動回路から制御信号が入力されると、前記第２電圧とし、所定時間経過後に前記第１電圧とする
   ことを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体装置を備えることを特徴とする電子時計。
4. 請求項３に記載の電子時計において、
   前記起動回路に前記初期化信号を出力する初期化信号出力部を備える
   ことを特徴とする電子時計。

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