JPS6318691B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、主として電池を電源として動作する
小型電子装置に使用するための、集積回路チツプ
上に構成された温度検出装置に関するものであ
る。

従来より、電子腕時計に於ては、その時間精度
を高めるために、時間基準信号源として水晶発振
回路を用いることが行なわれており、従来の機械
式時計に比べれば、その時間精度は著しく高いも
のとなつている。

しかし、前記水晶振動子を基準信号源とする電
子腕時計にもいろいろな問題があり、例えば衝撃
によつて水晶振動子が折れたり、表示セルが割れ
たりすることに対する耐衝撃性の向上、小型電池
を使用しながら各エレメントの消費電流を削減す
ることによる長寿命化の達成、腕時計のデザイン
性を考慮したムーブメントの小型、薄型化等の問
題に関しては、すでに各時計メーカーに於て設計
的及び生産技術的に改善の努力が払われている。

一方、上記問題以外に前記電子腕時計が携帯さ
れることによる環境温度の変化に起因する問題と
して、温度変化によつて水晶発振回路の周波数が
変化することに伴う時間誤差の発生、小型電池の
内部抵抗が低温領域で増加することによるモータ
ー駆動力の低下、マトリツクス駆動液晶セルの温
度変化による表示状態の劣化等の問題があり、こ
れらの問題に対しては、例えば水晶発振回路の場
合は温度補償用コンデンサーを発振回路内に接続
する方法や、又電池の内部抵抗増加に対しては、
前記電池に比較的大容量のコンデンサーを並列接
続する方法等の個別対策が行われている。

しかしこうした環境温度の変化に起因する問題
の多くは、時計用集積回路に温度情報が与えられ
ることにより、同時に解決できるものである。

例えば、水晶発振回路に関しては共振用コンデ
ンサーを温度情報を基にして切り換え制御する
か、又は時計用分周回路として可変分周回路を用
い温度情報を基に制御して時間基準信号の温度補
償を行なうのであり、又、モーター駆動力の低下
に関しては、モーター駆動パルスの巾を温度情報
を基にして制御すれば結果として電池内部抵抗の
増加に伴うモーター駆動力低下の温度補償をした
ことになるのであり、この方式によれば温度に従
つて駆動パルス巾を変化させることが出来るた
め、従来の常温時に於ける駆動パルス巾を条件の
悪い低温時を考慮して余裕のある広い巾のパルス
でモーター駆動する方式に比べて、消費電流が少
なくなるという効果も期待できる。

さらに、マトリツクス駆動液晶セルに関して
は、駆動パルス周波数を温度情報にて制御して温
度補償することが出来る。

これら各要素に対する上記温度補償は、時計用
集積回路自身に適切な温度検出機能をもたせるこ
とができれば、わずかな論理ゲートの追加によ
り、いずれも容易に実現できるものである。

ここで、電子腕時計に於ける適切な温度検出装
置の条件を、２次曲線的温度特性を有する水晶発
振回路の温度補償を行なおうとした場合について
説明すると、まず、その温度情報は、デジタル論
理回路に対して直接読取り可能な形で、周囲温度
を数値として伝える信号でなければならないの
で、温度情報が持つている数量的な値を温度情報
値と呼ぶことにすると、温度情報値はデジタル量
でなければならない。

また、この温度情報値とそれが示す温度との間
には、一対一の対応関係があつて、さらに、同じ
温度変化に対しては同じ情報値変化を示すことが
望ましい。言い換えると、温度情報値は温度に比
例して直接的に変化することをが望ましいのであ
る。

温度情報値すなわち温度検出装置の出力値が温
度の変化に対して直線的に変化する、いわゆる直
線値であれば、この直線値を用いて水晶発振回路
の２次曲線を補償する場合、付属回路としては、
温度情報の直線値を２次曲線値に変換するための
２乗回路を設けるだけでよく、この２乗回路は簡
単な論理回路によつて構成可能なことは周知の通
りである。

これに対して、温度検出装置の出力値が、温度
の変化に対して直線的に変化しない、いわゆる非
直線値であれば、この非直線値を用いて、水晶発
振回路の２次曲線を補償する場合の付属回路は、
まず、温度検出装置からの非直線出力値を直線値
に変換するための第１変換回路を設け、この第１
変換回路によつて直線変換したのち２乗回路に印
加するという２重変換方式を採用するか、又は、
温度検出装置の出力値を時計の使用温度範囲（−
10℃〜60℃）にわたつて、細かくサンプリングす
るとともに、各サンプリングごとにメモリーを用
意して、各メモリーに２次曲線を発生させるため
の変換データを直接記憶させていく直接記憶方式
を採用する必要があるが、いずれの方式も、前記
した温度情報が直線値の場合に比べて、付属回路
が大型でかつ複雑となる。

しかも上記２重変換方式が採用できるのは、温
度情報が、２次曲線等の比較的単純で、直線変換
が容易な特性を有する場合に限られ、温度情報が
複雑な形状を有するものについては、直接記憶方
式の採用が不可欠となる。

しかしこの直接記憶方式の場合、個々の集積回
路チツプに各々プログラマブルな不揮発性メモリ
ーを備えることは、個々の温度補償を精度よく行
なうためには良いのであるが、製造技術的に難か
しいのと、温度のサンプリング点数が非常に多い
ために各集積回路チツプごとに個別のプログラム
を行なうことは量産的に見て不可能に近く、した
がつてメモリーとしては集積回路のパターン設計
段階で温度情報の標準値に基いてデータを盛り込
むマスクROMを使用することになる。

このマスクROMを用いる方法は、温度情報の
回路毎のバラツキを吸収することも難かしいが、
被補償要素のバラツキ、この場合水晶発振回路の
バラツキに対してはほとんど対応することはでき
ないという精度上の重大な欠点を有する。

これに対して、直線的な特性を持つた温度検出
装置の場合は、その温度情報を簡単な２乗回路に
通すことにより２次曲線を作ることができ、また
定数加算、減算、分周などの簡単な演算操作を
個々の電子時計ごとに行うことにより温度検出装
置のバラツキを被補償要素のバラツキとを同時に
吸収し、同一の温度補償精度を得ることが出来
る。

しかもこのバラツキ吸収に必要なデータを得る
ための温度のサンプリング点数は、原則として直
線上の２点でよいため調整に要する工数が少なく
量産上の効果が大きい。

このような訳で、温度情報の温度に対する直線
性は重要な要件となつている。

電子腕時計のために適切な温度検出装置の条件
としては、消費電力が少なく集積化が容易である
ことの他、電源電圧変動に対し安定で温度に対し
て直線的に変化するデジタル量として温度情報が
得られることが求められており、本発明の目的
は、前述した諸条件を満たす温度検出回路を提供
することである。

以下、図面により本発明の実施例を説明する。
第１図は、本発明の温度検出装置を備えた電子腕
時計の回路構成を示すブロツク図である。

図中１は温度検出装置であり、温度に従つて周
波数が変化する感温発振部２と、公知の水晶発振
回路により構成される基準発振部３と、前記感温
発部２の発振信号Ｔ及び前記基準発振部３の発振
信号φを入力信号として、デジタル量の形で温度
情報を発生する比較部４と、前記感温発振部２と
比較部４に対して作動指命及びタイミング信号を
送る制御部８とにより構成されている。

前記比較部４は、前記感温発振部２の発振信号
Ｔの周期を整数倍するための分周期５と、この整
数倍された信号がハイレベルにある期間にAND
ゲート６ａを通過してくる信号φの個数を計数す
る計数器６と、計数した結果に定数を加算する加
算器７とにより構成されている。

さらに１０は、前記基準発振部３の発振回路φ
を入力する時計分周回路、９は、前記比較部４の
温度情報信号Ｐ及び前記時計分周回路１０からの
信号を入力して温度に関する２次関数を作る２乗
演算回路、１１は、時計分周回路１０の信号及び
前記温度情報信号Ｐを入力して、時刻表示装置12
を駆動する表示駆動回路である。

次に上記構成に於ける電子時計の動作を説明す
る。時計分周回路１０は、温度検出装置１の基準
信号源として兼用されている基準発振部３の信号
φを入力して公知の分周回路にて分周し、表示駆
動回路１１のための計時信号を合成するとともに
２乗演算回路９及び制御部８に必要な信号を分周
回路の各段から出力する。

表示駆動回路１１は、時計分周回路１０からの
時計信号に従つてマトリツクス液晶表示装置より
なる時刻表示装置１２を駆動するとともに、温度
検出装置１の温度情報信号Ｐに基づいて液晶表示
装置のマトリツクス駆動波形を制御することによ
り液晶表示装置の温度による表示の劣化を補償し
ている。

２乗演算回路９は、温度情報信号Ｐに基づいて
時計分周回路１０の信号を合成し、水晶発振回路
の温度補償をするための温度に関する２次間数を
作り出して基準発振部３の温度補償をする。

そして温度検出装置１は、制御部８によつて、
作動開始時間とシーケンシヤルな動きの管理がな
されており、温度に従つて変化する感温発振部２
の信号Ｔと基準発振部３の信号φとを比較部４に
よつて比較計測することにより温度情報に変換し
ている。この計測の際に、感温発振部２のバラツ
キを吸収するために、分周器５により信号Ｔに対
して係数を掛け、そののち基準信号φとともに
ANDゲート６ａに送られ、前記基準信号φの個
数を計数器６により計数し、さらにこの計数結果
に対して定数を加算器７によつて加算している。

前記係数をＡ、定数Ｂ、信号Ｔの半周期をＴ、
基準信号φの周波数をφとすると、ｎ＝Ｔ・φな
るｎに対して Ｐ＝Ａ・ｎ＋Ｂ という式で表わされる調整を行なつて、温度情報
Ｐを得ている訳である。

Ａによつて傾きを調整し、Ｂによつて原点移動
を行なうことにより要求に合つた温度特性を持つ
温度検出装置となるのである。

第２図は、温度検出装置１の感温発振部２をさ
らに詳細に示すブロツク図であり、前述した温度
検出装置の持つべき諸条件を満たすために特別に
工夫されたもので、本発明を特徴付ける構成部分
である。図中１３は、電源電圧変動に対しては安
定でありかつ温度変化に対応して異なる出力電圧
を発生する温度検出回路、１４は、電源電圧変動
に関係なく動作して、前記温度検出回路１３の出
力電圧をこれに対応した電流に変換する電圧電流
変換回路、１５は、前記電圧電流変換回路１４に
よつて電流制御されて動作する、例えばリング発
振器のように電流によつて周波数が大きく変化す
るような発振回路、１６は、前記発振回路１５の
発振波形を他のデジタル回路、本実施例の場合に
は、分周器５の動作電圧レベルに合わせるための
波形整形回路である。

動作を説明すると、測温すべき時間になると制
御部８からの発振開始信号により動作を開始する
訳であるが、この発振開始信号は図中V_SWライン
に電源が供給され、ローレベルになることで伝達
される。こうして温度検出回路１３に電圧が印加
されると、V_SW側から見て安定な電圧V_REFが出力
信され、次にこのV_REFは電圧電流変換回路１４に
よつて電流に変換され、さらに前記電圧電流変換
回路１３に直列接続された発振回路１５が前記電
流により発振を開始する。

その発振波形は図より明らかなようにV_DD側に
片寄つたものとなるため、V_REFで制御された波形
整形回路１６によりレベルアツプしたのち感温発
振部２の出力信号として出力される。

第３図は、第２図をさらに詳細に示した回路図
である。温度検出装置１３は、拡散抵抗と電界効
果トランジスタとで成る電圧抑圧回路６段による
構成となつており、ゲートとドレインを接続した
電界効果トランジスタをツエナーダイオードに似
た２端子素子として用いて定電圧を得る方法が基
本となつている。

ただし、第１段１３ａだけは、Ｐチヤンネル電
界効果トランジスタP₁と拡散抵抗R₁との分圧回
路構成となつているために電源電圧変動の影響を
受け易いので、ゲートとドレインの間に拡散抵抗
R₁′を挿入してドレイン・ソース間電圧の定電圧
性を高めている。

第２段以後１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３c′，
１３b′はいづれもソースフオロワ接続の電界効果
トランジスタP₂，N₃，P₄に対して、ゲートとド
レインを接続した電界効果トランジスタN₂，P₃，
N₄，N⁴′を直列接続して定電圧を得るように構成
された電圧抑圧回路である。

第５段１３c′、第６段１３b′はそれぞれ第３段
１３ｃ、第２段１３ｂと同じものである。

また、各段のソースフオロア回路によつて電流
が絞られることにより、これに直列接続された２
端子素子としての電界効果トランジスタに発生す
るそれぞれの段の出力電圧は、段を重ねる毎に定
電圧性が良くなつていくが、次第に減衰して閾値
電圧に近づいていく。

この閾値電圧は負の温度係数をもち、温度の上
昇とともに低くなつていくことは言うまでもない
が、高温に於ても前記出力電圧をある程度高く保
ち、かつ定電圧性をも良好に保つために第４段１
３ｄのソースフオロワ回路に対しては２個の電界
効果トランジスタN₄，N₄′を直列接続して昇圧を
行なつて、段５段以後に流れる電流を増やしてい
る。この第４段１３ｄは別の目的として温度特性
の増巾作用も持つており、具体的には、電界効果
トランジスタ２個分の閾値電圧が第４段の出力信
号として出力されるのであるから、その温度特性
の勾配も約２倍となり、この結果、第４段１３ｄ
は温度の上昇とともに段５段１３c′の電流を絞つ
ていく傾向が強調され、第５段１３c′、第６段１
３b′を経て出力される電圧V_REFは、温度の上昇と
ともに閾値電圧に近づいていく傾向をもつのであ
る。

このようにして得られたV_REFの温度特性は、電
源電圧変動の影響をほとんど受けずに温度変化の
みに応答して変化し、その温度に対する勾配は第
６段１３b′に用いられている電界効果トランジス
タ１個分の閾値電圧の温度特性に依存したもので
ありながら、第４段１３ｄに効果によつて閾値電
圧の温度特性よりも若干急勾配となつているので
ある。

なお、拡散抵抗R₂，R₃，R₄は正の温度係数を
もつているため、温度の上昇とともに電流を絞る
傾向にあり、前記第４段１３ｄと同様、温度の上
昇とともに出力電圧を閾値電圧に近づけていく効
果があるが、実験によれば、貢献度はあまり高く
はない。

電圧電流変換回路１４は、温度検出回路１３の
出力電圧V_REFを電流に変換するために備けられて
いるが、単に電流を流すのではなく、V_REFの温度
による変化を電流の変化に変換しなければならな
い。ここでＮチヤンネル電界効果トランジスタＮ
７の閾値電圧の持つている温度特性が問題とな
り、もしV_REFの温度特性と同じであれば、ゲート
電圧V_REF閾値との差が温度によつて変化しなくな
つてしまう。

しかし、本発明に於ては、温度検出装置全体を
同一集積回路チツプ上に構成するので、前記温度
検出回路１３に用いられる電界効果トランジスタ
の特性と前記電圧電流変換回路１４に用いられる
電界効果トランジスタの特性を同じに作り込むこ
とは容易に行えるため、前述したV_REFの温度特性
が閾値よりも急勾配になるように温度検出回路１
３を構成したことの意味が生かされ、第４図に示
すＮチヤンネル電界効果トランジスタＮ７の閾値
電圧V_THとV_REFの関係が図のような状態に保たれ
るのである。

この第４図からわかるようにV_THとV_REFとの差
V_REF−V_THが温度によつて直線的に変化し、電解
効果トランジスタN₇のドレイン電流はこれによ
つて温度特性が決まり、さらにソースフオロワ低
抗R₇によつて若干の調節が可能となつている。

発振回路１５は、Ｐチヤンネル電界効果トラン
ジスタとサブストレート及びソースが共に電圧電
流変換回路１４のドレインに接続されたＮチヤン
ネル電界効果トランジスタとにより構成された３
組のインバータ８ａ，８ｂ，８ｃがそれぞれ内蔵
した拡散抵抗R₈とコンデンサーC₈による遅延回
路を介して、リング状に連らなつたリング発振器
である。本実施例では３連のリング発振器を採用
しているが、３連でなくても、３以上の奇数であ
れば良いのは勿論であり、又リング発振器に固執
する必要はなく、特性として大きな電流依存性を
有する発振回路であればよい。

又、本実施例は、第４図からもわかるように温
度の上昇と共に電流を絞つていくように構成され
ており、発振回路１５の発振周期は温度が上昇す
るに連れて長くなり、発振振巾は小さくなつてい
くため、波形整形回路１６も温度変化に対応でき
るものである必要があり、第３図１６のように
V_REFをゲート電圧とするＮチヤンネル電解効果ト
ランジスタＮ９をプルダウン抵抗のように用い
て、前記発振回路１５の出力信号をゲート入力と
するＰチヤンネル電界効果トランジスタP₉によ
り増巾し、電解効果トランジスタP₁₀，N₁₀によ
るインバータを介して出力するようになつてい
る。以上のように本発明の感温発振部２は、発振
回路の電流特性を利用したものであり、この電流
に対して適切な温度特性を与えるために電解効果
トランジスタと拡散抵抗とで構成された温度検出
回路１３及び電圧電流変換回路１４を用いたこと
により特徴付けられるものである。

このように、本発明の感温発振部２は、特別な
感温素子を用いることなく、従来技術の組み合せ
によつて実現されたものであるが、その性能は少
なくとも−20℃から＋80℃までの温度領域に於て
温度にほぼ比例した発振周期が得られ、消費電流
も5μA以下に抑えることができ、しかも温度検出
装置１の制御部８によつて間欠動作されるため消
費電流は実用上無視できる範囲にまで減らすこと
ができる。

例えば、電子腕時計に於いて様々な目的に温度
情報を利用するとしても30秒に１回測温すれば実
用上十分と考えられ、１回の測温につき感温発振
部２が動作する時間は0.1秒もあれば良いので、
平均の消費電流は17mA以下に抑えることができ
るのである。また、その感度は、常温時の発振周
期を基準にすると、１℃当たりの周期変化率は、
4.000〜8.000P，・Ｐ，ｍという大きな値となるた
めかなりの分解能を要求される場合にも良好な温
度検出動作が期待できるものである。

以上説明した如く、本発明の温度検出装置は、
電源電圧変動の影響を受けずに温度に比例して変
化する発振周期を内部に持ち、これを基準信号に
よりデジタル量に変換して出力することが出来る
全面集積化可能な温度検出装置であるから、電池
を電源とするあらゆる小型電子装置に用いた場合
極めて高精度な温度制御が可能となり小型電子装
置の商品力を著しく高める効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の温度検出装置を備えた電子時
計のブロツク図、第２図は本発明の感温発振部の
基本構成を示すブロツク図、第３図は、第２図の
感温発振部の実施例を示す回路図、第４図は、電
界効果トランジスタの閾値電圧と本発明の温度検
出回路の出力電圧の温度特性を示す特性図であ
る。 １……温度検出装置、２……感温発振部、３…
…基準発振部、４……比較部、８……制御部、９
……２乗演算回路、１０……時計分周回路、１１
……表示駆動回路、１２……表示装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 温度に従つて周波数が変化する感温発振部、
   基準信号を発生する基準発振部、該基準信号によ
   り前記感温発振部の出力信号を測定し、温度情報
   を発生する比較部とにより構成される温度検出装
   置に於て、前記感温発振部が、温度を検出して異
   なる電圧を発生する温度検出回路と、この温度検
   出回路の出力電圧により制御される電圧電流変換
   回路と、前記電圧電流変換回路に直列接続された
   電流により周波数が変化する発振回路とを備え、
   前記発振回路は電界効果トランジスタによつて構
   成されるインバータを奇数段リング状に接続した
   リング発振器であり、前記電圧電流変換回路は前
   記リング発振器を構成する奇数段のインバータの
   各ソース電極に直列接続された電界効果トランジ
   スタであり、前記温度検出回路は複数段の定電圧
   回路から成り、初段の定電圧回路は電界効果トラ
   ンジスタと抵抗とによる分圧回路を構成し、２段
   目以降の定電圧回路は一方のチヤネルの電界効果
   トランジスタのソース電極と一方の電源端子間に
   抵抗を、又ドレイン電極と他方の電源端子間には
   ドレイン電極とゲート電極を短絡した異なるチヤ
   ネルの電界効果トランジスタを、それぞれ直列接
   続し、前記一方のチヤネルの電界効果トランジス
   タのゲート電極及びドレイン電極をそれぞれ入力
   端子及び出力端子として多段接続して成ることを
   特徴とする温度検出装置。