熱発電型携帯機器
【課題】消費電力を低減でき、さらには電気的ノイズも少ない計時用水晶発振回路、さらに時計用水晶発振回路の温度補償法を行う熱発電型携帯機器を提供する事を目的とする。
【解決手段】水晶振動子１０９を有する水晶発振回路１０８と、熱源と温度差とに基づき発電する熱発電素子１０２と、熱発電素子から出力される発電電圧から制御電圧を生成し、制御電圧の値に基づいて水晶発振回路１０８の負荷容量値を電圧制御し、水晶発振回路１０８の発振周波数の温度特性を制御する制御部とを有する。
【解決手段】水晶振動子１０９を有する水晶発振回路１０８と、熱源と温度差とに基づき発電する熱発電素子１０２と、熱発電素子から出力される発電電圧から制御電圧を生成し、制御電圧の値に基づいて水晶発振回路１０８の負荷容量値を電圧制御し、水晶発振回路１０８の発振周波数の温度特性を制御する制御部とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、腕時計等に搭載される計時用水晶発振器の温度補償を行う熱発電型携帯機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力源として熱発電素子を用い、熱発電素子を裏蓋と本体内部の放熱リングとの間に設置し、人体の腕から体温が裏蓋を介して伝達される発熱側の温度と放熱側の温度との温度差によって発電電圧を得る熱発電腕時計が知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、腕時計等の計時機能を有する機器には、音叉型水晶振動子を用いた水晶発振回路が搭載されている。計時精度は、この水晶発振回路から出力される計時信号の温度特性に大きく左右されるので、近年において、計時用水晶発振器の温度補償技術が注目されている。
【０００３】
図１１は従来の計時用水晶発振器の温度補償を説明するブロック図である。図１１において、水晶振動子１１０１、反転増幅器１１０２、ゲート容量１１０３及びドレイン容量１１０４にてコルピッツ型の水晶発振回路１１０５が構成されている。この水晶振動子１１０１は周波数３２．７６８ＫＨｚの音叉型水晶振動子である。この水晶発振回路１１０５から出力された信号は周波数分周回路１１０６で分周され、周期一秒のパルス信号に変換される。ここで、水晶振動子１１０１の固有周波数は周囲の温度に対して変化する性質を持っており、水晶発振回路１１０５と通常の周波数分周回路の組み合わせのみでは、パルス信号の周期は正確に一秒とはならず、水晶振動子１１０１の固有周波数の周波数温度特性を反映して、温度に依存してしまい、高精度な計時ができないという問題がある。この問題を解決するために、温度センサ１１０８で計測された温度情報と、メモリ１１０９に前もって記録されている情報をもとにして、周波数分周回路１１０６は、分周比を温度変化に対して可変できる機能を有している。すなわち、周波数分周回路１１０６の分周比を温度に対して、デジタル的に変化させて、パルス信号１１０７の周期の温度安定性を向上させている。
【０００４】
図１２は図１１で説明した従来の温度補償を用いたパルス信号の温度特性を説明する特性図である。横軸は温度、縦軸は変化率である。特性曲線１２０１は、図１１の発振回路１１０５から出力される発振周波数の温度変化曲線であり、上に凸に放物線状をしている。この放物線状の温度特性が、音叉型水晶振動子の物性値で決定される固有の温度特性であって、後述する直列共振周波数Ｆrの温度変化曲線である。こ特性曲線１２０１の頂点温度Ｔｐは、通常２０℃に設定されている。しかしこの頂点温度Ｔｐは水晶振動子のカット角を変更する事によって自由に変化させる事が可能である。それに対して、特性曲線１２０２は図１１で説明したパルス信号１１０７の周期の温度補償後の温度変化曲線であって、特性曲線１２０１の温度特性と比較して、その温度変化は抑制されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０５４９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術に係る計時用水晶発振器の温度補償、特に腕時計においては、温度センサ１１０８、メモリ１１０９及び分周回路１１０６を駆動するために、過大電力を必要とするために、バッテリ寿命が短くなってしまうという問題があった。さらに分周比変更時に発生する電気的ノイズも問題となっている。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、消費電力を低減でき、さらには電気的ノイズも少ない計時用水晶発振回路、さらに時計用水晶発振回路の温度補償法を行う熱発電型携帯機器を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の熱発電型携帯機器の第１の特徴は、水晶振動子を有する水晶発振回路と、熱源と温度差とに基づき発電する熱発電素子と、前記熱発電素子から出力される発電電圧から制御電圧を生成し、前記制御電圧の値に基づいて前記水晶発振回路の負荷容量値を電圧制御し、前記水晶発振回路の発振周波数の温度特性を制御する制御部とを有する事を要旨とする。
かかる特徴によれば、前記温度センサおよび前記メモリを駆動させる事なく、前記水晶発振回路の発振周波数の温度特性を制御することが可能となり、消費電力の低減ができる。
【０００９】
また本発明の燃料電池の第２の特徴は、第１の特徴の熱発電型携帯機器において、前記水晶振動子は、音叉型水晶振動子であり、前記音叉型水晶振動子の前記発振周波数の前記温度特性における頂点温度は、前記熱源の温度と略同一であり、前記制御電圧の温度依存性が、前記頂点温度を対称点とした上に凸のＶ字型であるＶ字型特性に設定されている事を要旨とする。
かかる特徴によれば、音叉型水晶振動子の有する頂点温度を対称点とした温度特性に起因する周波数変動を小さくすることができる。
【００１０】
また本発明の燃料電池の第３の特徴は、第２の特徴の熱発電型携帯機器において、前記Ｖ字型特性に対して、正係数をもつ二次曲線成分を含ませた事を要旨とする。
かかる特徴によれば、音叉型水晶振動子の有する頂点温度を対称点とした温度特性の二次曲線成分をも制御可能となり、周波数変動をきわめて小さくすることができる。
【００１１】
また本発明の燃料電池の第４の特徴は、第２または３のいずれかの特徴の熱発電型携帯機器において、前記制御部は、前記熱発電素子より出力された発電電圧を昇圧及び蓄電する機能を有すると共に、前記昇圧または前記蓄電された前記発電電圧を用いて、前記水晶発振回路を駆動させる事を要旨とする。
かかる特徴によれば、水晶発振回路の駆動に必要な電力をも、熱発電素子より出力された電圧で駆動できるので、さらに消費電力を低減できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の如く、熱源側温度と放熱側温度との温度差に基づき発電する熱発電素子と、該発電部材から出力される発電電圧から、放物線状の周波数温度特性を持つ水晶振動子搭載の水晶発振回路の負荷容量値を電圧制御するための制御電圧を生成し、該制御電圧によって、この水晶発振回路の発振周波数の温度特性を改善する方法（温度補償法）を採用すれば、図１２にて説明した従来の温度補償法に比較して、温度補償に必要な電力が熱発電素子から供給されるので、大幅な消費電力の削減が実現できるという極めて大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る熱発電型計時機能付生体携帯機器の温度補償方法の第一の実施例を説明するブロック図。
【図２】本発明に係る熱発電型計時機能付生体携帯機器の温度補償方法の第二の実施例を説明するブロック図。
【図３】水晶振動子１１０１の等価回路図。
【図４】水晶発振回路の発振周波数Ｆ0の負荷容量依存性を示す特性曲線図。
【図５】可変容量ダイオードのＶ字型印加電圧特性を示す特性図。
【図６】本発明に係る可変容量ダイオードに印加される印加電圧ＶRの温度変化と該可変容量ダイオードで構成された負荷容量ＣLの温度変化を説明する第一の特性図。
【図７】本発明に係る発振周波数の温度特性を説明する第一の特性図。
【図８】本発明に係る可変容量ダイオードに印加される印加電圧ＶRの温度変化と可変容量ダイオードで構成された負荷容量ＣLの温度変化を説明する第二の特性図。
【図９】本発明に係る発振周波数の温度特性を説明する第二の特性図。
【図１０】本発明に係る熱発電素子を用いたＶ字型印加電圧発生機構を説明するためのブロック図。
【図１１】従来の計時用水晶発振器の温度補償を説明するブロック図。
【図１２】従来の温度補償を用いたパルス信号の温度特性を説明する特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
図１、図１１〜１２に基づいて、本発明の実施の形態１における熱発電型携帯機器の実施例を説明する。
【００１５】
まず、水晶発振回路における負荷容量と発振周波数の関係を以下で説明する。図１１記載の水晶発振回路１１０５における負荷容量ＣLは、ゲート容量１１０３とドレイン容量１１０４でほぼ決定される。ゲート容量１１０３及びドレイン容量１１０４の値をそれぞれ、図１１記載のように、Ｃｇ、Ｃｄとすれば、水晶発振回路１１０５の負荷容量は両容量の直列合成容量として定義できる。すなわち水晶発振回路１１０５の負荷容量ＣLは
【００１６】
【数１】
【００１７】
と書ける。
図３は、図１１記載の水晶振動子１１０１の等価回路図であって、水晶振動子１１０１は、等価インダクタンス３０１、等価容量３０２、等価抵抗３０３及び並列容量３０４で等価構成されている。ここで、等価インダクタンス３０１、等価容量３０２、等価抵抗３０３及び並列容量３０４をそれぞれ、図３記載の如くＬm、Ｃm、Ｒm及びＣ0とすると、水晶振動子１１０１の直列共振周波数Ｆrは、
【００１８】
【数２】
【００１９】
となる。この直列共振周波数Ｆr、［数１］で与えられた負荷容量ＣL及び図３記載の等価素子を用いて、水晶発振回路１１０５にて励振される発振周波数Ｆ0は、
【００２０】
【数３】
【００２１】
となる。
図４は、図１１と図１２を基にして、水晶発振回路１１０５の発振周波数Ｆ0の負荷容量依存性を示す特性曲線図であって、横軸が負荷容量ＣL、縦軸が発振周波数Ｆ0の変化率ΔＦ0／Ｆrである。この発振周波数Ｆ0の変化率ΔＦ0／Ｆrは、［数３］を基にして
【００２２】
【数４】
【００２３】
と定義されおり、これを図示したのが図４記載の特性曲線４０１である。
【００２４】
水晶発振回路１１０５の発振周波数Ｆ0の周波数温度特性は、［数３］から、水晶振動子１１０１の直列共振周波数Ｆrの温度特性、等価容量Ｃm、並列容量Ｃ0及び負荷容量ＣLの温度特性で決定される事が判明する。実際には、等価容量Ｃm、並列容量Ｃ0の温度特性は極めて影響が小さく、発振周波数Ｆ0の周波数温度特性は、前述の直列共振周波数Ｆrの温度特性と負荷容量ＣLの温度特性で決定される。それゆえ、直列共振周波数Ｆrの温度変化に対する周波数変動を負荷容量ＣLの温度変化量で補償し、発振周波数Ｆ0の周波数温度特性を改善する事が可能である。
【００２５】
図５は、可変容量ダイオードの印加電圧特性を示す特性図であって、横軸は印加電圧ＶR、縦軸は容量値Ｃvである。また、特性曲線５０１が、容量値の印加電圧を示す特性曲線である。この特性曲線５０１が示すように可変容量ダイオードの容量値Ｃvは印加電圧ＶRの増加に従って減少する特性を示す。それゆえ、負荷容量がゲート側およびドレイン側の容量素子のすべて、または一部を可変容量ダイオードとする構成の水晶発振回路において、温度変化を電圧変化に変換し、その電圧変化を負荷容量変化に変換することで発振周波数の温度特性の改善、すなわち温度補償が実現できる。
【００２６】
以下で、音叉型水晶振動子を用いた水晶発振回路の温度補償を中心に説明する。図６は本発明に係る可変容量ダイオードに印加される印加電圧ＶRの温度変化と該可変容量ダイオードで構成された負荷容量ＣLの温度変化を説明する第一の特性図である。本図の横軸は温度であり、縦第一軸は印加電圧ＶR、縦第二軸は負荷容量値ＣLである。Ｖ字型印加電圧特性曲線６０１が印加電圧ＶRの温度変化を示す特性曲線であり、基準温度ＴSを対称中心とした上に凸のＶ字型の特性曲線となっている。この特性曲線６０１に連動して、可変容量ダイオードで構成された負荷容量の温度依存性を示す特性曲線が図６記載の負荷容量特性曲線６０２であって、基準温度ＴSを対称中心とした上に凸のＶ字型の特性曲線となっている。この負荷容量特性曲線６０２は［数３］を介在して、発振周波数Ｆ0の周波数温度特性を補償するように設定されている。この設定は、Ｖ字型印加電圧特性曲線６０１に対応させるべく使用する可変容量ダイオード及び組み合わせる容量素子の定格を選定する事で容易にできる事は言うまでなく、単なる設計的事項にすぎない。
【００２７】
図７は、本発明に係る水晶発振回路の負荷容量に対して図６記載の負荷容量特性曲線６０２を採用した場合の発振周波数の温度特性を説明する第一の特性図であって、縦軸は周波数変化率、横軸は温度である。負荷容量ＣLの温度依存性がない場合の発振周波数の温度特性は本図記載の補償前温特曲線７０１であって、音叉型水晶振動子の直列共振周波数Ｆrの温度変化曲線にほぼ等しい温度変化曲線である。この補償前温特曲線７０１の頂点温度を、カット角を調整し図６記載の基準温度ＴSと同じ温度に設定すると共に負荷容量に対して図６記載の負荷容量特性曲線６０２を採用した場合の発振周波数の温度特性が、本図記載の補償後温特曲線７０２である。この補償後温特曲線７０２をみればわかるとおり、負荷容量ＣLに温度特性を持たせる事によって、温度に対して安定な周波数温度特性が得られる事が判明する。
【００２８】
図８は本発明に係る可変容量ダイオードに印加される印加電圧ＶRの温度変化と該可変容量ダイオードで構成された負荷容量ＣLの温度変化を説明する第二の特性図である。本図の横軸は温度であり、縦第一軸は印加電圧ＶR、縦第二軸は負荷容量値ＣLである。Ｖ字型印加電圧特性曲線８０１が印加電圧ＶRの温度変化を示す特性曲線であり、図６記載のＶ字型印加電圧特性曲線６０１と同様に基準温度ＴSを対称中心とした上に凸のＶ字型の特性曲線となっている。ただし、このＶ字型印加電圧特性曲線８０１は、図６記載のＶ字型印加電圧特性曲線６０１に比較して、下に凸の二次曲線成分を含んでいる点が相違している。このＶ字型印加電圧特性曲線８０１に連動して、可変容量ダイオードで構成された負荷容量の温度依存性を示す特性曲線が図８記載の負荷容量特性曲線８０２であって、基準温度ＴSを対称中心とした上に凸のＶ字型の特性曲線となっている。この負荷容量特性曲線８０２は、図６記載の負荷容量特性曲線６０２と比較して上に凸の二次曲線成分は小さくなっている。この負荷容量特性曲線８０２と図６記載の負荷容量特性曲線６０２の二次曲線成分に違いは、Ｖ字型印加電圧特性曲線８０１が下に凸の二次曲線成分をもっている事に起因している。この負荷容量特性曲線８０２は［数３］を介在して、発振周波数Ｆ0の周波数温度特性を補償するように設定されている。この設定は、Ｖ字型印加電圧特性曲線８０１に対応させるべく使用する可変容量ダイオード及び組み合わせる容量素子の定格を選定する事で容易にできる事は言うまでなく、単なる設計的事項にすぎない。
【００２９】
図９は、本発明に係る水晶発振回路の負荷容量に対して図８記載の負荷容量特性曲線８０２を採用した場合の発振周波数の温度特性を説明する第二の特性図であって、縦軸は周波数変化率、横軸は温度である。負荷容量ＣLの温度依存性がない場合の発振周波数の温度特性は、本図記載の補償前温特曲線９０１であって、音叉型水晶振動子の直列共振周波数Ｆrの温度変化曲線にほぼ等しい温度変化曲線である。この補償前温特曲線９０１の頂点温度を、カット角を調整して図８記載の基準温度ＴSと同じ温度に設定すると共に負荷容量に対して図８記載の負荷容量特性曲線８０２を採用した場合の発振周波数の温度特性が、本図記載の補償後温特曲線９０２である。この補償後温特曲線９０２をみればわかるとおり、負荷容量特性曲線８０１を採用することで、図７記載の補償後温特曲線７０２に比較して二次曲線成分も小さくなっており、さらに温度に対して安定な周波数温度特性が得られる事が判明する。この理由は、Ｖ字型印加電圧特性曲線８０１が下に凸の二次曲線成分をもっている事に起因している。
【００３０】
以上が、本発明に係る負荷容量変化を用いた温度補償の説明である。次に本発明に係る負荷容量を制御するためのＶ字型印加電圧の発生機構について説明する。図１０は本発明に係る熱発電素子を用いたＶ字型印加電圧発生機構を説明するブロック図である。本発明に係る熱発電素子１００１は一面を温度Ｔ0で一定の発熱部１００２に接触し、他の面は外界への放熱部１００３に連結されている。この発熱部１００２と放熱部１００３の温度差ΔＴに比例して、熱発電素子１００１から発電電圧ΔＶが出力される。
ここで、温度差ΔＴを
【００３１】
【数５】
【００３２】
とすると、発電電圧ΔＶは比例定数をｋとして
【００３３】
【数６】
【００３４】
となるので、放熱部１００３の温度が発熱部１００２の温度Ｔ0より低い場合は負電圧、温度Ｔ0より高い場合は正電圧となる。それゆえ、この発電電圧ΔＶをモニタする事で温度Ｔ0を基準温度とする温度差を感知する温度差センサとしての機能もある。
【００３５】
この発電電圧ΔＶは、スィッチング回路１００４及び昇圧回路１００５と蓄電回路１００６に入力される。この蓄電回路１００６から供給される電力で昇圧／制御回路１００７とスィッチング回路１００４を駆動させている。この昇圧／制御回路１００７は発電電圧ΔＶをモニタし、放熱部１００３の温度Ｔが、発熱部１００２の温度Ｔ0以下になり、負電圧となるとスィッチング回路１００４を起動させ発電電圧の符号を反転させる。この一連の電圧制御は昇圧／制御回路１００７に内蔵されているＶ字型電圧制御回路１００８で行われ、このＶ字型電圧制御回路１００８とスィッチング回路１００４にて、温度Ｔ0を対称中心としたＶ字型電圧信号が生成される。このＶ字型電圧信号は昇圧／制御回路１００７に内蔵されている増幅回路１００９で所望の電圧に増幅されて図６並びに図８記載のＶ字型印加電圧として出力され、水晶発振回路の負荷容量構成部１０１０に入力される。この一連の動作は、すべて熱発電素子１００１より供給される電圧で行われるので、なんら他の電力供給源は必要としない。
【００３６】
以上の説明から、図６及び図８記載のＶ字型印加電圧特性曲線の対称中心の基準温度ＴS、及び音叉型水晶振動子の直列共振周波数の周波数温度特性における頂点温度を、発熱部１００２の温度Ｔ0と等しく設定し、さらに所望のＶ字型印加電圧特性曲線になるべく増幅回路１００９の増幅率を設定すれば、水晶発振回路の発振周波数の温度補償が実現できる事になる。なお本発明に係る温度補償方法は、音叉型水晶振動子に限定されるものでなく、その放物線状の周波数温度特性を持つ水晶振動子ならば、すべてにおいて適応できる温度補償方法である。また、図１０記載の温度一定の発熱部１００２は、体温が一定な生体表面等を想定しているが、かならずしも生体にこだわるものでなく、あくまでも温度が一定な場所及び環境ならば有効である事をここに明記する。
【００３７】
以下、本発明の実施形態に係る熱発電型携帯機器の温度補償方法について説明する。図１は本発明に係る熱発電型携帯機器の温度補償方法の第一の実施例を説明するブロック図である。本図は図１０で説明したＶ字型電圧発生部１０１と水晶発振回路１０８より構成されており、Ｖ字型電圧発生部１０１は、図１０の説明と同じく、熱発電素子１０２、スィッチング回路１０３、昇圧回路１０４、蓄電回路１０５、Ｖ字型電圧制御回路１０６及び増幅回路１０７で構成されている。このＶ字型電圧発生部１０１におけるＶ字型電圧発生及び制御に関しては、図１０の説明で述べたのでここでは省略する。水晶発振回路１０８は、水晶振動子１０９、ゲート容量１１０、ドレイン容量１１１、反転増幅器１１２及びバッファ１１３で構成されている。水晶振動子１０９は音叉型水晶振動子に代表される放物線状の周波数温度特性を持つ水晶振動子であり、その放物線の頂点温度は前述したように図１０記載の発熱部１００２の温度と略同一温度に設定されている。特に腕時計等に代表される生体装着型の計時装置においては、この頂点温度はほぼ生体の体温と等しく設定される。この水晶発振回路１０８の負荷容量を構成している部分が図記載の負荷容量構成部１１４である。本図における負荷容量構成部１１４は、単純にゲート容量１１０とドレイン容量１１１をそれぞれ、一個の可変容量ダイオードに置き換えた構成をとっている。この時、ゲート容量１１０の容量値をＣvg、ドレイン容量の容量値をＣvdとすれば、この負荷容量構成部１１４で決定される本発明に係る電圧可変型負荷容量ＣvLは、
【００３８】
【数７】
【００３９】
となる。
図１記載のＶ字型電圧発生部１０１で生成されたＶ字型電圧は、水晶発振回路１０８の負荷容量構成部１１４のゲート容量１１０とドレイン容量１１１の双方に印加される。その結果、水晶発振回路１０８にて励振される発振周波数は温度補償され、温度変化に対して安定な周波数温度特性を持つ。この温度補償された発振周波数が、本図記載の分周回路１１５に入力され、この分周回路１１５にて周期一秒のパルス信号に変換される。
【００４０】
図６記載の直線的なＶ字型印加電圧特性曲線６０１を生成する場合、本図記載のＶ字型電圧発生部１０１の増幅回路１０７は線形増幅回路となる。それに対して、図８記載の下に凸の二次曲線成分を含んだＶ字型印加電圧特性曲線８０１を生成する場合、本図記載のＶ字型電圧発生部１０１の増幅回路１０７は非線形増幅回路となる。
【００４１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における熱発電型計時機能付生体携帯機器の実施例を説明する。 図２は本発明に係る熱発電型携帯機器の温度補償方法の第２の実施例を説明するブロック図である。本図は実施の形態１の図１と同様にＶ字型電圧発生部２０１と水晶発振回路２０８より構成されており、Ｖ字型電圧発生部２０１は、図１の説明と同じく、熱発電素子２０２、スィッチング回路２０３、昇圧回路２０４、蓄電回路２０５、Ｖ字型電圧制御回路２０６及び増幅回路２０７で構成されている。このＶ字型電圧発生部２０１におけるＶ字型電圧発生及び制御に関しては、図１０の説明で述べたのでここでは省略する。水晶発振回路２０８は、水晶振動子２０９、ゲート容量２１０、ドレイン容量２１１、反転増幅器２１２及びバッファ２１３で構成されている。水晶振動子２０９は音叉が型水晶振動子に代表される放物線状の周波数温度特性を持つ水晶振動子であり、その放物線の頂点温度は前述したように図１０記載の発熱部１００２の温度と略同一温度に設定されている。特に腕時計等に代表される生体装着型の計時装置においては、この頂点温度はほぼ生体の体温と等しく設定される。この水晶発振回路２０８の負荷容量を構成している部分が図記載の負荷容量構成部２１４である。図２における負荷容量構成部２１４は、単純にゲート容量２１０とドレイン容量２１１をそれぞれ、一個の可変容量ダイオードに置き換えた構成をとっている。この時、ゲート容量１１０の容量値をＣvg、ドレイン容量の容量値をＣvdとすれば、この負荷容量構成部１１４で決定される本発明に係る電圧可変型負荷容量ＣvLは、図１と同じく［数７］で与えられる。
【００４２】
このＶ字型電圧発生部２０１で生成されたＶ字型電圧は、水晶発振回路２０８の負荷容量構成部２１４のゲート容量２１０とドレイン容量２１１の双方に印加される。その結果、水晶発振回路２０８にて励振される発振周波数は温度補償され、温度変化に対して安定な周波数温度特性を持つ。この温度補償された発振周波数が、本図記載の分周回路２１５に入力され、この分周回路２１５で周期一秒のパルス信号に変換され、他の構成素子２１６を駆動させる。
【００４３】
図６記載の直線的なＶ字型印加電圧特性曲線６０１を生成する場合、本図記載のＶ字型電圧発生部２０１の増幅回路２０７は線形増幅回路となる。それに対して、図８記載の下に凸の二次曲線成分を含んだＶ字型印加電圧特性曲線８０１を生成する場合、本図記載のＶ字型電圧発生部２０１の増幅回路２０７は非線形増幅回路となる。
【００４４】
この図２で説明する熱発電型携帯機器の温度補償方法の第二の実施例は、Ｖ字型電圧発生部２０１の蓄電回路２０５で蓄積された電力は、Ｖ字型電圧発生回路２０１を駆動させるだけでなく、水晶発振回路２０８及び分周回路２１５さらには他の構成素子２１６をも駆動させるという特徴を持っている。
【００４５】
以上、本発明に係る熱発電型携帯機器の温度補償方法における負荷容量構成部の可変容量ダイオードの電気的配線及びＶ字型印加電圧の印加方法は、必ずしも、図１及び図２記載の構成に限定されることはなく、製品の仕様などで便宜設計変更できることゆうまでもない。さらに、Ｖ字型電圧発生部の熱発電素子は、必ずしも、図１及び図２記載の如く、一個の熱発電素子の配置構成に限定されることはなく、二個の熱発電素子を互いに極性を変えて配置する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０１ Ｖ字型電圧発生部
１０２ 熱発電素子
１０３ スィッチング回路
１０４ 昇圧回路
１０５ 蓄電回路
１０６ Ｖ字型電圧制御回路
１０７ 増幅回路
１０８ 水晶発振回路
１０９ 水晶振動子
１１１ ゲート容量
１１２ ドレイン容量
１１３ バッファ
１１４ 負荷容量構成部
１１５ 分周回路
【技術分野】
【０００１】
この発明は、腕時計等に搭載される計時用水晶発振器の温度補償を行う熱発電型携帯機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力源として熱発電素子を用い、熱発電素子を裏蓋と本体内部の放熱リングとの間に設置し、人体の腕から体温が裏蓋を介して伝達される発熱側の温度と放熱側の温度との温度差によって発電電圧を得る熱発電腕時計が知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、腕時計等の計時機能を有する機器には、音叉型水晶振動子を用いた水晶発振回路が搭載されている。計時精度は、この水晶発振回路から出力される計時信号の温度特性に大きく左右されるので、近年において、計時用水晶発振器の温度補償技術が注目されている。
【０００３】
図１１は従来の計時用水晶発振器の温度補償を説明するブロック図である。図１１において、水晶振動子１１０１、反転増幅器１１０２、ゲート容量１１０３及びドレイン容量１１０４にてコルピッツ型の水晶発振回路１１０５が構成されている。この水晶振動子１１０１は周波数３２．７６８ＫＨｚの音叉型水晶振動子である。この水晶発振回路１１０５から出力された信号は周波数分周回路１１０６で分周され、周期一秒のパルス信号に変換される。ここで、水晶振動子１１０１の固有周波数は周囲の温度に対して変化する性質を持っており、水晶発振回路１１０５と通常の周波数分周回路の組み合わせのみでは、パルス信号の周期は正確に一秒とはならず、水晶振動子１１０１の固有周波数の周波数温度特性を反映して、温度に依存してしまい、高精度な計時ができないという問題がある。この問題を解決するために、温度センサ１１０８で計測された温度情報と、メモリ１１０９に前もって記録されている情報をもとにして、周波数分周回路１１０６は、分周比を温度変化に対して可変できる機能を有している。すなわち、周波数分周回路１１０６の分周比を温度に対して、デジタル的に変化させて、パルス信号１１０７の周期の温度安定性を向上させている。
【０００４】
図１２は図１１で説明した従来の温度補償を用いたパルス信号の温度特性を説明する特性図である。横軸は温度、縦軸は変化率である。特性曲線１２０１は、図１１の発振回路１１０５から出力される発振周波数の温度変化曲線であり、上に凸に放物線状をしている。この放物線状の温度特性が、音叉型水晶振動子の物性値で決定される固有の温度特性であって、後述する直列共振周波数Ｆrの温度変化曲線である。こ特性曲線１２０１の頂点温度Ｔｐは、通常２０℃に設定されている。しかしこの頂点温度Ｔｐは水晶振動子のカット角を変更する事によって自由に変化させる事が可能である。それに対して、特性曲線１２０２は図１１で説明したパルス信号１１０７の周期の温度補償後の温度変化曲線であって、特性曲線１２０１の温度特性と比較して、その温度変化は抑制されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０５４９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術に係る計時用水晶発振器の温度補償、特に腕時計においては、温度センサ１１０８、メモリ１１０９及び分周回路１１０６を駆動するために、過大電力を必要とするために、バッテリ寿命が短くなってしまうという問題があった。さらに分周比変更時に発生する電気的ノイズも問題となっている。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、消費電力を低減でき、さらには電気的ノイズも少ない計時用水晶発振回路、さらに時計用水晶発振回路の温度補償法を行う熱発電型携帯機器を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の熱発電型携帯機器の第１の特徴は、水晶振動子を有する水晶発振回路と、熱源と温度差とに基づき発電する熱発電素子と、前記熱発電素子から出力される発電電圧から制御電圧を生成し、前記制御電圧の値に基づいて前記水晶発振回路の負荷容量値を電圧制御し、前記水晶発振回路の発振周波数の温度特性を制御する制御部とを有する事を要旨とする。
かかる特徴によれば、前記温度センサおよび前記メモリを駆動させる事なく、前記水晶発振回路の発振周波数の温度特性を制御することが可能となり、消費電力の低減ができる。
【０００９】
また本発明の燃料電池の第２の特徴は、第１の特徴の熱発電型携帯機器において、前記水晶振動子は、音叉型水晶振動子であり、前記音叉型水晶振動子の前記発振周波数の前記温度特性における頂点温度は、前記熱源の温度と略同一であり、前記制御電圧の温度依存性が、前記頂点温度を対称点とした上に凸のＶ字型であるＶ字型特性に設定されている事を要旨とする。
かかる特徴によれば、音叉型水晶振動子の有する頂点温度を対称点とした温度特性に起因する周波数変動を小さくすることができる。
【００１０】
また本発明の燃料電池の第３の特徴は、第２の特徴の熱発電型携帯機器において、前記Ｖ字型特性に対して、正係数をもつ二次曲線成分を含ませた事を要旨とする。
かかる特徴によれば、音叉型水晶振動子の有する頂点温度を対称点とした温度特性の二次曲線成分をも制御可能となり、周波数変動をきわめて小さくすることができる。
【００１１】
また本発明の燃料電池の第４の特徴は、第２または３のいずれかの特徴の熱発電型携帯機器において、前記制御部は、前記熱発電素子より出力された発電電圧を昇圧及び蓄電する機能を有すると共に、前記昇圧または前記蓄電された前記発電電圧を用いて、前記水晶発振回路を駆動させる事を要旨とする。
かかる特徴によれば、水晶発振回路の駆動に必要な電力をも、熱発電素子より出力された電圧で駆動できるので、さらに消費電力を低減できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の如く、熱源側温度と放熱側温度との温度差に基づき発電する熱発電素子と、該発電部材から出力される発電電圧から、放物線状の周波数温度特性を持つ水晶振動子搭載の水晶発振回路の負荷容量値を電圧制御するための制御電圧を生成し、該制御電圧によって、この水晶発振回路の発振周波数の温度特性を改善する方法（温度補償法）を採用すれば、図１２にて説明した従来の温度補償法に比較して、温度補償に必要な電力が熱発電素子から供給されるので、大幅な消費電力の削減が実現できるという極めて大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る熱発電型計時機能付生体携帯機器の温度補償方法の第一の実施例を説明するブロック図。
【図２】本発明に係る熱発電型計時機能付生体携帯機器の温度補償方法の第二の実施例を説明するブロック図。
【図３】水晶振動子１１０１の等価回路図。
【図４】水晶発振回路の発振周波数Ｆ0の負荷容量依存性を示す特性曲線図。
【図５】可変容量ダイオードのＶ字型印加電圧特性を示す特性図。
【図６】本発明に係る可変容量ダイオードに印加される印加電圧ＶRの温度変化と該可変容量ダイオードで構成された負荷容量ＣLの温度変化を説明する第一の特性図。
【図７】本発明に係る発振周波数の温度特性を説明する第一の特性図。
【図８】本発明に係る可変容量ダイオードに印加される印加電圧ＶRの温度変化と可変容量ダイオードで構成された負荷容量ＣLの温度変化を説明する第二の特性図。
【図９】本発明に係る発振周波数の温度特性を説明する第二の特性図。
【図１０】本発明に係る熱発電素子を用いたＶ字型印加電圧発生機構を説明するためのブロック図。
【図１１】従来の計時用水晶発振器の温度補償を説明するブロック図。
【図１２】従来の温度補償を用いたパルス信号の温度特性を説明する特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
図１、図１１〜１２に基づいて、本発明の実施の形態１における熱発電型携帯機器の実施例を説明する。
【００１５】
まず、水晶発振回路における負荷容量と発振周波数の関係を以下で説明する。図１１記載の水晶発振回路１１０５における負荷容量ＣLは、ゲート容量１１０３とドレイン容量１１０４でほぼ決定される。ゲート容量１１０３及びドレイン容量１１０４の値をそれぞれ、図１１記載のように、Ｃｇ、Ｃｄとすれば、水晶発振回路１１０５の負荷容量は両容量の直列合成容量として定義できる。すなわち水晶発振回路１１０５の負荷容量ＣLは
【００１６】
【数１】
【００１７】
と書ける。
図３は、図１１記載の水晶振動子１１０１の等価回路図であって、水晶振動子１１０１は、等価インダクタンス３０１、等価容量３０２、等価抵抗３０３及び並列容量３０４で等価構成されている。ここで、等価インダクタンス３０１、等価容量３０２、等価抵抗３０３及び並列容量３０４をそれぞれ、図３記載の如くＬm、Ｃm、Ｒm及びＣ0とすると、水晶振動子１１０１の直列共振周波数Ｆrは、
【００１８】
【数２】
【００１９】
となる。この直列共振周波数Ｆr、［数１］で与えられた負荷容量ＣL及び図３記載の等価素子を用いて、水晶発振回路１１０５にて励振される発振周波数Ｆ0は、
【００２０】
【数３】
【００２１】
となる。
図４は、図１１と図１２を基にして、水晶発振回路１１０５の発振周波数Ｆ0の負荷容量依存性を示す特性曲線図であって、横軸が負荷容量ＣL、縦軸が発振周波数Ｆ0の変化率ΔＦ0／Ｆrである。この発振周波数Ｆ0の変化率ΔＦ0／Ｆrは、［数３］を基にして
【００２２】
【数４】
【００２３】
と定義されおり、これを図示したのが図４記載の特性曲線４０１である。
【００２４】
水晶発振回路１１０５の発振周波数Ｆ0の周波数温度特性は、［数３］から、水晶振動子１１０１の直列共振周波数Ｆrの温度特性、等価容量Ｃm、並列容量Ｃ0及び負荷容量ＣLの温度特性で決定される事が判明する。実際には、等価容量Ｃm、並列容量Ｃ0の温度特性は極めて影響が小さく、発振周波数Ｆ0の周波数温度特性は、前述の直列共振周波数Ｆrの温度特性と負荷容量ＣLの温度特性で決定される。それゆえ、直列共振周波数Ｆrの温度変化に対する周波数変動を負荷容量ＣLの温度変化量で補償し、発振周波数Ｆ0の周波数温度特性を改善する事が可能である。
【００２５】
図５は、可変容量ダイオードの印加電圧特性を示す特性図であって、横軸は印加電圧ＶR、縦軸は容量値Ｃvである。また、特性曲線５０１が、容量値の印加電圧を示す特性曲線である。この特性曲線５０１が示すように可変容量ダイオードの容量値Ｃvは印加電圧ＶRの増加に従って減少する特性を示す。それゆえ、負荷容量がゲート側およびドレイン側の容量素子のすべて、または一部を可変容量ダイオードとする構成の水晶発振回路において、温度変化を電圧変化に変換し、その電圧変化を負荷容量変化に変換することで発振周波数の温度特性の改善、すなわち温度補償が実現できる。
【００２６】
以下で、音叉型水晶振動子を用いた水晶発振回路の温度補償を中心に説明する。図６は本発明に係る可変容量ダイオードに印加される印加電圧ＶRの温度変化と該可変容量ダイオードで構成された負荷容量ＣLの温度変化を説明する第一の特性図である。本図の横軸は温度であり、縦第一軸は印加電圧ＶR、縦第二軸は負荷容量値ＣLである。Ｖ字型印加電圧特性曲線６０１が印加電圧ＶRの温度変化を示す特性曲線であり、基準温度ＴSを対称中心とした上に凸のＶ字型の特性曲線となっている。この特性曲線６０１に連動して、可変容量ダイオードで構成された負荷容量の温度依存性を示す特性曲線が図６記載の負荷容量特性曲線６０２であって、基準温度ＴSを対称中心とした上に凸のＶ字型の特性曲線となっている。この負荷容量特性曲線６０２は［数３］を介在して、発振周波数Ｆ0の周波数温度特性を補償するように設定されている。この設定は、Ｖ字型印加電圧特性曲線６０１に対応させるべく使用する可変容量ダイオード及び組み合わせる容量素子の定格を選定する事で容易にできる事は言うまでなく、単なる設計的事項にすぎない。
【００２７】
図７は、本発明に係る水晶発振回路の負荷容量に対して図６記載の負荷容量特性曲線６０２を採用した場合の発振周波数の温度特性を説明する第一の特性図であって、縦軸は周波数変化率、横軸は温度である。負荷容量ＣLの温度依存性がない場合の発振周波数の温度特性は本図記載の補償前温特曲線７０１であって、音叉型水晶振動子の直列共振周波数Ｆrの温度変化曲線にほぼ等しい温度変化曲線である。この補償前温特曲線７０１の頂点温度を、カット角を調整し図６記載の基準温度ＴSと同じ温度に設定すると共に負荷容量に対して図６記載の負荷容量特性曲線６０２を採用した場合の発振周波数の温度特性が、本図記載の補償後温特曲線７０２である。この補償後温特曲線７０２をみればわかるとおり、負荷容量ＣLに温度特性を持たせる事によって、温度に対して安定な周波数温度特性が得られる事が判明する。
【００２８】
図８は本発明に係る可変容量ダイオードに印加される印加電圧ＶRの温度変化と該可変容量ダイオードで構成された負荷容量ＣLの温度変化を説明する第二の特性図である。本図の横軸は温度であり、縦第一軸は印加電圧ＶR、縦第二軸は負荷容量値ＣLである。Ｖ字型印加電圧特性曲線８０１が印加電圧ＶRの温度変化を示す特性曲線であり、図６記載のＶ字型印加電圧特性曲線６０１と同様に基準温度ＴSを対称中心とした上に凸のＶ字型の特性曲線となっている。ただし、このＶ字型印加電圧特性曲線８０１は、図６記載のＶ字型印加電圧特性曲線６０１に比較して、下に凸の二次曲線成分を含んでいる点が相違している。このＶ字型印加電圧特性曲線８０１に連動して、可変容量ダイオードで構成された負荷容量の温度依存性を示す特性曲線が図８記載の負荷容量特性曲線８０２であって、基準温度ＴSを対称中心とした上に凸のＶ字型の特性曲線となっている。この負荷容量特性曲線８０２は、図６記載の負荷容量特性曲線６０２と比較して上に凸の二次曲線成分は小さくなっている。この負荷容量特性曲線８０２と図６記載の負荷容量特性曲線６０２の二次曲線成分に違いは、Ｖ字型印加電圧特性曲線８０１が下に凸の二次曲線成分をもっている事に起因している。この負荷容量特性曲線８０２は［数３］を介在して、発振周波数Ｆ0の周波数温度特性を補償するように設定されている。この設定は、Ｖ字型印加電圧特性曲線８０１に対応させるべく使用する可変容量ダイオード及び組み合わせる容量素子の定格を選定する事で容易にできる事は言うまでなく、単なる設計的事項にすぎない。
【００２９】
図９は、本発明に係る水晶発振回路の負荷容量に対して図８記載の負荷容量特性曲線８０２を採用した場合の発振周波数の温度特性を説明する第二の特性図であって、縦軸は周波数変化率、横軸は温度である。負荷容量ＣLの温度依存性がない場合の発振周波数の温度特性は、本図記載の補償前温特曲線９０１であって、音叉型水晶振動子の直列共振周波数Ｆrの温度変化曲線にほぼ等しい温度変化曲線である。この補償前温特曲線９０１の頂点温度を、カット角を調整して図８記載の基準温度ＴSと同じ温度に設定すると共に負荷容量に対して図８記載の負荷容量特性曲線８０２を採用した場合の発振周波数の温度特性が、本図記載の補償後温特曲線９０２である。この補償後温特曲線９０２をみればわかるとおり、負荷容量特性曲線８０１を採用することで、図７記載の補償後温特曲線７０２に比較して二次曲線成分も小さくなっており、さらに温度に対して安定な周波数温度特性が得られる事が判明する。この理由は、Ｖ字型印加電圧特性曲線８０１が下に凸の二次曲線成分をもっている事に起因している。
【００３０】
以上が、本発明に係る負荷容量変化を用いた温度補償の説明である。次に本発明に係る負荷容量を制御するためのＶ字型印加電圧の発生機構について説明する。図１０は本発明に係る熱発電素子を用いたＶ字型印加電圧発生機構を説明するブロック図である。本発明に係る熱発電素子１００１は一面を温度Ｔ0で一定の発熱部１００２に接触し、他の面は外界への放熱部１００３に連結されている。この発熱部１００２と放熱部１００３の温度差ΔＴに比例して、熱発電素子１００１から発電電圧ΔＶが出力される。
ここで、温度差ΔＴを
【００３１】
【数５】
【００３２】
とすると、発電電圧ΔＶは比例定数をｋとして
【００３３】
【数６】
【００３４】
となるので、放熱部１００３の温度が発熱部１００２の温度Ｔ0より低い場合は負電圧、温度Ｔ0より高い場合は正電圧となる。それゆえ、この発電電圧ΔＶをモニタする事で温度Ｔ0を基準温度とする温度差を感知する温度差センサとしての機能もある。
【００３５】
この発電電圧ΔＶは、スィッチング回路１００４及び昇圧回路１００５と蓄電回路１００６に入力される。この蓄電回路１００６から供給される電力で昇圧／制御回路１００７とスィッチング回路１００４を駆動させている。この昇圧／制御回路１００７は発電電圧ΔＶをモニタし、放熱部１００３の温度Ｔが、発熱部１００２の温度Ｔ0以下になり、負電圧となるとスィッチング回路１００４を起動させ発電電圧の符号を反転させる。この一連の電圧制御は昇圧／制御回路１００７に内蔵されているＶ字型電圧制御回路１００８で行われ、このＶ字型電圧制御回路１００８とスィッチング回路１００４にて、温度Ｔ0を対称中心としたＶ字型電圧信号が生成される。このＶ字型電圧信号は昇圧／制御回路１００７に内蔵されている増幅回路１００９で所望の電圧に増幅されて図６並びに図８記載のＶ字型印加電圧として出力され、水晶発振回路の負荷容量構成部１０１０に入力される。この一連の動作は、すべて熱発電素子１００１より供給される電圧で行われるので、なんら他の電力供給源は必要としない。
【００３６】
以上の説明から、図６及び図８記載のＶ字型印加電圧特性曲線の対称中心の基準温度ＴS、及び音叉型水晶振動子の直列共振周波数の周波数温度特性における頂点温度を、発熱部１００２の温度Ｔ0と等しく設定し、さらに所望のＶ字型印加電圧特性曲線になるべく増幅回路１００９の増幅率を設定すれば、水晶発振回路の発振周波数の温度補償が実現できる事になる。なお本発明に係る温度補償方法は、音叉型水晶振動子に限定されるものでなく、その放物線状の周波数温度特性を持つ水晶振動子ならば、すべてにおいて適応できる温度補償方法である。また、図１０記載の温度一定の発熱部１００２は、体温が一定な生体表面等を想定しているが、かならずしも生体にこだわるものでなく、あくまでも温度が一定な場所及び環境ならば有効である事をここに明記する。
【００３７】
以下、本発明の実施形態に係る熱発電型携帯機器の温度補償方法について説明する。図１は本発明に係る熱発電型携帯機器の温度補償方法の第一の実施例を説明するブロック図である。本図は図１０で説明したＶ字型電圧発生部１０１と水晶発振回路１０８より構成されており、Ｖ字型電圧発生部１０１は、図１０の説明と同じく、熱発電素子１０２、スィッチング回路１０３、昇圧回路１０４、蓄電回路１０５、Ｖ字型電圧制御回路１０６及び増幅回路１０７で構成されている。このＶ字型電圧発生部１０１におけるＶ字型電圧発生及び制御に関しては、図１０の説明で述べたのでここでは省略する。水晶発振回路１０８は、水晶振動子１０９、ゲート容量１１０、ドレイン容量１１１、反転増幅器１１２及びバッファ１１３で構成されている。水晶振動子１０９は音叉型水晶振動子に代表される放物線状の周波数温度特性を持つ水晶振動子であり、その放物線の頂点温度は前述したように図１０記載の発熱部１００２の温度と略同一温度に設定されている。特に腕時計等に代表される生体装着型の計時装置においては、この頂点温度はほぼ生体の体温と等しく設定される。この水晶発振回路１０８の負荷容量を構成している部分が図記載の負荷容量構成部１１４である。本図における負荷容量構成部１１４は、単純にゲート容量１１０とドレイン容量１１１をそれぞれ、一個の可変容量ダイオードに置き換えた構成をとっている。この時、ゲート容量１１０の容量値をＣvg、ドレイン容量の容量値をＣvdとすれば、この負荷容量構成部１１４で決定される本発明に係る電圧可変型負荷容量ＣvLは、
【００３８】
【数７】
【００３９】
となる。
図１記載のＶ字型電圧発生部１０１で生成されたＶ字型電圧は、水晶発振回路１０８の負荷容量構成部１１４のゲート容量１１０とドレイン容量１１１の双方に印加される。その結果、水晶発振回路１０８にて励振される発振周波数は温度補償され、温度変化に対して安定な周波数温度特性を持つ。この温度補償された発振周波数が、本図記載の分周回路１１５に入力され、この分周回路１１５にて周期一秒のパルス信号に変換される。
【００４０】
図６記載の直線的なＶ字型印加電圧特性曲線６０１を生成する場合、本図記載のＶ字型電圧発生部１０１の増幅回路１０７は線形増幅回路となる。それに対して、図８記載の下に凸の二次曲線成分を含んだＶ字型印加電圧特性曲線８０１を生成する場合、本図記載のＶ字型電圧発生部１０１の増幅回路１０７は非線形増幅回路となる。
【００４１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における熱発電型計時機能付生体携帯機器の実施例を説明する。 図２は本発明に係る熱発電型携帯機器の温度補償方法の第２の実施例を説明するブロック図である。本図は実施の形態１の図１と同様にＶ字型電圧発生部２０１と水晶発振回路２０８より構成されており、Ｖ字型電圧発生部２０１は、図１の説明と同じく、熱発電素子２０２、スィッチング回路２０３、昇圧回路２０４、蓄電回路２０５、Ｖ字型電圧制御回路２０６及び増幅回路２０７で構成されている。このＶ字型電圧発生部２０１におけるＶ字型電圧発生及び制御に関しては、図１０の説明で述べたのでここでは省略する。水晶発振回路２０８は、水晶振動子２０９、ゲート容量２１０、ドレイン容量２１１、反転増幅器２１２及びバッファ２１３で構成されている。水晶振動子２０９は音叉が型水晶振動子に代表される放物線状の周波数温度特性を持つ水晶振動子であり、その放物線の頂点温度は前述したように図１０記載の発熱部１００２の温度と略同一温度に設定されている。特に腕時計等に代表される生体装着型の計時装置においては、この頂点温度はほぼ生体の体温と等しく設定される。この水晶発振回路２０８の負荷容量を構成している部分が図記載の負荷容量構成部２１４である。図２における負荷容量構成部２１４は、単純にゲート容量２１０とドレイン容量２１１をそれぞれ、一個の可変容量ダイオードに置き換えた構成をとっている。この時、ゲート容量１１０の容量値をＣvg、ドレイン容量の容量値をＣvdとすれば、この負荷容量構成部１１４で決定される本発明に係る電圧可変型負荷容量ＣvLは、図１と同じく［数７］で与えられる。
【００４２】
このＶ字型電圧発生部２０１で生成されたＶ字型電圧は、水晶発振回路２０８の負荷容量構成部２１４のゲート容量２１０とドレイン容量２１１の双方に印加される。その結果、水晶発振回路２０８にて励振される発振周波数は温度補償され、温度変化に対して安定な周波数温度特性を持つ。この温度補償された発振周波数が、本図記載の分周回路２１５に入力され、この分周回路２１５で周期一秒のパルス信号に変換され、他の構成素子２１６を駆動させる。
【００４３】
図６記載の直線的なＶ字型印加電圧特性曲線６０１を生成する場合、本図記載のＶ字型電圧発生部２０１の増幅回路２０７は線形増幅回路となる。それに対して、図８記載の下に凸の二次曲線成分を含んだＶ字型印加電圧特性曲線８０１を生成する場合、本図記載のＶ字型電圧発生部２０１の増幅回路２０７は非線形増幅回路となる。
【００４４】
この図２で説明する熱発電型携帯機器の温度補償方法の第二の実施例は、Ｖ字型電圧発生部２０１の蓄電回路２０５で蓄積された電力は、Ｖ字型電圧発生回路２０１を駆動させるだけでなく、水晶発振回路２０８及び分周回路２１５さらには他の構成素子２１６をも駆動させるという特徴を持っている。
【００４５】
以上、本発明に係る熱発電型携帯機器の温度補償方法における負荷容量構成部の可変容量ダイオードの電気的配線及びＶ字型印加電圧の印加方法は、必ずしも、図１及び図２記載の構成に限定されることはなく、製品の仕様などで便宜設計変更できることゆうまでもない。さらに、Ｖ字型電圧発生部の熱発電素子は、必ずしも、図１及び図２記載の如く、一個の熱発電素子の配置構成に限定されることはなく、二個の熱発電素子を互いに極性を変えて配置する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０１ Ｖ字型電圧発生部
１０２ 熱発電素子
１０３ スィッチング回路
１０４ 昇圧回路
１０５ 蓄電回路
１０６ Ｖ字型電圧制御回路
１０７ 増幅回路
１０８ 水晶発振回路
１０９ 水晶振動子
１１１ ゲート容量
１１２ ドレイン容量
１１３ バッファ
１１４ 負荷容量構成部
１１５ 分周回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を有する水晶発振回路と、
熱源と温度差とに基づき発電する熱発電素子と、
前記熱発電素子から出力される発電電圧から制御電圧を生成し、前記制御電圧の値に基づいて前記水晶発振回路の負荷容量値を電圧制御し、前記水晶発振回路の発振周波数の温度特性を制御する制御部とを有する事を特徴とする熱発電型携帯機器。
【請求項２】
前記水晶振動子は、音叉型水晶振動子であり、
前記音叉型水晶振動子の前記発振周波数の前記温度特性における頂点温度は、前記熱源の温度と略同一であり、
前記制御電圧の温度依存性が、前記頂点温度を対称点とした上に凸のＶ字型であるＶ字型特性に設定されている事を特徴とした請求項１に記載の熱発電型携帯機器。
【請求項３】
前記Ｖ字型特性に対して、正係数をもつ二次曲線成分を含ませた事を特徴とする請求項２に記載の熱発電型携帯機器。
【請求項４】
前記制御部は、前記熱発電素子より出力された発電電圧を昇圧及び蓄電する機能を有すると共に、前記昇圧または前記蓄電された前記発電電圧を用いて、前記水晶発振回路を駆動させる事を特徴とした請求項２または請求項３に記載の熱発電型携帯機器。
【請求項１】
水晶振動子を有する水晶発振回路と、
熱源と温度差とに基づき発電する熱発電素子と、
前記熱発電素子から出力される発電電圧から制御電圧を生成し、前記制御電圧の値に基づいて前記水晶発振回路の負荷容量値を電圧制御し、前記水晶発振回路の発振周波数の温度特性を制御する制御部とを有する事を特徴とする熱発電型携帯機器。
【請求項２】
前記水晶振動子は、音叉型水晶振動子であり、
前記音叉型水晶振動子の前記発振周波数の前記温度特性における頂点温度は、前記熱源の温度と略同一であり、
前記制御電圧の温度依存性が、前記頂点温度を対称点とした上に凸のＶ字型であるＶ字型特性に設定されている事を特徴とした請求項１に記載の熱発電型携帯機器。
【請求項３】
前記Ｖ字型特性に対して、正係数をもつ二次曲線成分を含ませた事を特徴とする請求項２に記載の熱発電型携帯機器。
【請求項４】
前記制御部は、前記熱発電素子より出力された発電電圧を昇圧及び蓄電する機能を有すると共に、前記昇圧または前記蓄電された前記発電電圧を用いて、前記水晶発振回路を駆動させる事を特徴とした請求項２または請求項３に記載の熱発電型携帯機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−１０６０８１（Ｐ２０１３−１０６０８１Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４６６７０（Ｐ２０１１−２４６６７０）
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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