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JPS6144242B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6144242B2
JPS6144242B2 JP54020847A JP2084779A JPS6144242B2 JP S6144242 B2 JPS6144242 B2 JP S6144242B2 JP 54020847 A JP54020847 A JP 54020847A JP 2084779 A JP2084779 A JP 2084779A JP S6144242 B2 JPS6144242 B2 JP S6144242B2
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JP
Japan
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strain
legs
electrical signal
inverting input
amount
Prior art date
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JP54020847A
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Hideo Sato
Hiroji Kawakami
Motohisa Nishihara
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Priority to DE3007142A priority patent/DE3007142C2/de
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Publication of JPS6144242B2 publication Critical patent/JPS6144242B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
    • G01L9/065—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices with temperature compensating means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体歪ゲージに関する。
現在質量、応力あるいは流体の圧力等を測定す
るために各種のゲージが使用されている。中でも
近年は感度の高い、半導体のピエゾ抵抗効果を応
用した半導体歪ゲージを使用する例が増してい
る。
半導体歪ゲージは歪量に対する抵抗の変化率す
なわちゲージ率が高い利点を有する反面、ゲージ
の抵抗値及びゲージ率の温度依存性が大きく不安
定であるという欠点を有していた。
いま、この温度依存性について述べる。半導体
歪ゲージの抵抗Ｒは一般に次式で与えられる。
Ｒ＝R0（１＋αＴ）｛１＋Ｓγ（１＋βＴ）｝
……(1) 但し、R0：所定温度における無歪状態のゲー
ジの抵抗値 Ｔ：歪ゲージの温度 α：抵抗の温度係数 Ｓ：歪量 γ：ゲージ率 β：ゲージ率の温度係数 ゲージ率は、半導体単結晶方位、ゲージ内の電
流と応力のなす角度等によつて、その極性と値が
異なる。
(1)式を展開すれば次式となる。
Ｒ＝R0（１＋αＴ）＋R0
（１＋αＴ）（１＋βＴ）Ｓγ ……(2) R0（１＋αＴ）＋R0
｛１＋（α＋β）Ｔ｝Ｓγ ……(3) (2)式の右辺第２項は歪によるゲージ抵抗の変化
分である。一方、αは半導体歪ゲージの結晶中不
純物濃度に応じて、シリコン単結晶の場合3000〜
600ppm／℃の値を持ち、βは不純物濃度にかか
わらず、シリコン単結晶の場合−2000ppm／℃
程度の値である。(3)式第２項より明らかなように
ゲージ抵抗の変化分は結晶の不純物濃度を適切に
選び、αとβを相殺させることができるため温度
依存性を小さくすることができる。従つて、半導
体歪ゲージを用いた歪量―電気信号変換ブリツジ
は、抵抗の変化分のみを信号として得るために、
定電流源で駆動されることが多い。高精度の歪量
―電気信号変換装置では温度依存性をさらに低減
するために、駆動電流を温度に応じて変化せしめ
て補償することがある。また、この歪量―電気信
号変換ブリツジにおける歪量零の出力は、該ブリ
ツジを構成するR0やαのばらつきによつて温度
が変化すると変化するいわゆる温度依存性を示
す。この温度依存性が零点温度依存性であり、こ
のような温度依存性の低減方法が零点温度補償で
ある。
この零点温度補償を考慮したものとして第１図
に示す如き歪量―電気信号変換装置が用いられて
いる。
図において、１〜４は半導体歪ゲージであり、
各々に与えられた歪量により１と３に対して２と
４が互いに逆に抵抗値が変化するものとする。
半導体歪ゲージ１，２は歪量―電気信号変換ブ
リツジの１つの脚を成し、半導体歪ゲージ３，４
は他の脚を成す。２つの脚を流れる電流は点１７
で加えられ、抵抗７を流れる。該抵抗７による電
圧降下は増幅器６により基準電圧回路５の電圧と
比較され、両者が一致するごとく点８の電圧を加
減するものである。したがつて、基準電圧回路
５、増幅器６、抵抗７によつて、該ブリツジの２
つの脚を流れる電流の和が所定値になるようにし
ていることになる。また、増幅器１０は２つの脚
の中点における電位差を増幅し点９に負帰還する
手段であり、これにより中点の電位が等しく保た
れる。
与えられた歪が例えば、ゲージ２，４の抵抗値
を増し、ゲージ１，３の抵抗値を減ずるごときも
のであるとすれば、ゲージ１とゲージ２を含む脚
の電流が減り、点８の電位を低下し、ゲージ２と
ゲージ３を含む脚の電流は増し、点９の電位を高
めることは明らかである。
点８と点９の電位差は差動増幅器１３により増
幅され、装置の出力信号Eoutを得ることができ
る。
なお、１４は所定歪量に対応する出力電圧を設
定する回路である。又、１５は、所定歪量変化に
対応する、出力変化を設定するための可変抵抗で
ある。
本装置において、基準歪量に対応する出力の温
度依存性（通常、基準歪量は零歪量に対応する点
に選ばれることが多い）の補償（零点補償）は前
記脚の中点とほぼ同電圧を発生する基準電位回路
１２の出力と２つの脚のいずれかの中点に可変抵
抗１１を介して接続することで行なう。これは、
半導体歪ゲージの温度変化を有効に活用したもの
である。補償の極性は、スイツチ１６で選択し、
可変抵抗１１の大きさでその量を決定する。
この可変抵抗１１（R11）の計算式は次のとおり
である。
R11＝Ｇ・Ｒ・ΔＶＢ／ΔＥｏｕｔ ……(4) ここで Ｇ：差動増幅回路１３の増幅率 Ｒ：半導体歪ゲージの抵抗値 ΔＶB：規定温度変化に対する脚の中点電圧
の変化分 ΔＶB：規定温度変化に対する脚の中点電圧
の変化分 ΔEout：規定温度変化に対する基準歪量に
対応する出力の変化分 (4)式よりR11は差動増幅器の増幅率に比例す
る。
以上の説明で明らかなように、第１図に示す従
来の装置の零点温度補償は特に温度補償用素子を
必要とせずに、半導体歪ゲージを有効に活用し
て、抵抗１個のみの定数決定で実現できる利点が
ある。
さらに、零点補償に関するものとして、例えば
特公昭52―127275号公報において示されているも
のがある。
しかし、(4)式で示したようにR11の決定に差動
増幅器１３の増幅率Ｇを必要とするにも拘らず、
該増幅率Ｇは可変抵抗１５により決定されるため
各々の歪量―電気信号変換装置で異なり一様に決
定できないという欠点を有していた。また、この
従来の装置は、半導体歪ゲージの抵抗値Ｒの影響
を受ける欠点を有していた。この抵抗値Ｒは、前
記(2)式で示され、該R0と該αの値は各々の歪量
―電気信号変換装置で異なる。
本発明の目的は、調整が簡易で、安価な零点温
度補償方法を提供することにある。
本発明の要旨は、補償用抵抗が増幅器の増幅率
の変化の影響を受けないような回路構成にした点
にある。
以下、本発明の実施例について説明する。
第２図には、本発明に係る半導体歪ゲージ用増
幅回路の一実施例が示されている。
図において、基準電圧回路５、増幅器６、抵抗
７は、第１図に示される従来の回路と同様半導体
歪ゲージ１，２，３，４を含む２つの脚からなる
ブリツジに所定値の電流を与えるためのものであ
る。このブリツジの脚の中点には、それぞれ増幅
器１８，２２の非反転入力端が接続されている。
この増幅器１８，２２は、それぞれ、抵抗１９，
２０を介し負帰還がかけられている。また、この
増幅器１８の反転入力端と増幅器２２の反転入力
端とが可変抵抗２１を介し接続されている。さら
に、増幅器１８の反転入力端と、増幅器２２の反
転入力端は、スイツチ１６によつていずれか一方
が可変抵抗１１を介し基準電位回路１２に接続さ
れている。基準電位回路１２は２つの抵抗からな
り、前記脚の中点とほぼ同電位を発生するもので
ある。この基準電位回路１２には、抵抗器２つか
らなる零点調整回路１４が接続されている。この
零点調整回路１４は、所定歪量に対応する出力値
を設定するためのものである。なお、可変抵抗２
１は所定歪量に対する出力変化を設定するための
ものである。
また、増幅器１８，２２の出力は、差動増幅器
２３に入力するよう構成されている。
いま、半導体歪ゲージに圧力が加わると、半導
体歪ゲージ１，２，３，４の抵抗値が変化し、ブ
リツジの２つの脚の中点電位に差を生じる。そこ
でこの中点電位差を増幅器１８，２２によつて増
幅し、この増幅した信号をさらに差動増幅器２３
で増幅し、装置の出力としてEoutを得る。
零点温度補償は、常温において、反転入力点２
４又は、２５とほぼ同電圧を発生する基準電位回
路１２の出力と、反転入力点２４又は２５のいず
れかに可変抵抗１１を介してスイツチ１６で接続
することで実現する。該スイツチ１６で補償の極
性を決め、該可変抵抗１１の大きさで補償量を決
める。
この補償量を決定する可変抵抗１１の大きさは
次式によつて求められる。
R11＝Ｒ１９／Ａ・ΔＶＢ′／ΔＥｏｕｔ ……(5) ここで Ａ：差動増幅器２３の増幅率 R19：抵抗１９又は２０の抵抗値 ΔＶB′：規定温度に対する点２４，２５の電
圧変化量（ΔＶBとほぼ等しい。） 各々の歪量―電気信号変換装置の所定歪量に対
する出力変化量の調整は可変抵抗２１で行なうが
可変抵抗２１の影響は(5)式に現われない。
したがつて、本実施例によれば、零点温度補償
にあたつて出力変化量の調整による影響を受けな
い。
第３図には、本発明に係る半導体歪ゲージ用増
幅回路の他の実施例が示されている。
本実施例の基本構成は、第２図の一実施例と同
じであるので説明を省略する。
本実施例における、零点温度補償は常温にいて
反転入力点２４又は２５とほぼ同電圧を発生する
基準電位回路１２の出力と該反転入力点２４と２
５を可変抵抗１１，１１０でそれぞれ接続するこ
とで実現する。補償の極性は該１１と１１０の差
の符号で決まり、補償量に対する該１１（R11）と
該１１０（R10）の値は次式で示される。
従つて、一定の補償量に対して、R11の値は
R110の値で変えることができ、自由度が大であ
る。
したがつて、本実施例によれば、零点温度補償
は感温素子を必要としないため安価であるだけで
なく、調整を要する素子がただ一個で良いため補
償量の調整が容易であり、さらに、補償量の決定
に所定歪量に対する出力変化量の調整の影響を受
けないため、補償量の決定が容易である点でかか
る装置を工業化するに際し効果が大である。
以上説明したように、本発明によれば、零点温
度補償の調整を簡単にすることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は歪量―電気信号変換装置の従来例を示
す回路図、第２図は本発明の一実施例を示す回路
図、第３図は本発明の他の実施例を示す回路図で
ある。 １，２，３，４…半導体歪ゲージ、５…基準電
圧回路、６，１８，２２…増幅器、７，１９，２
０…抵抗、１１，２１，１１０…可変抵抗、１２
…基準電位回路、１４…零点調整回路、２３…差
動増幅器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 両端が接続された２つの脚の中点と該脚の一
    端との間に少なくとも１個の半導体歪ゲージを含
    む歪量―電気信号変換ブリツジと、該２つの脚の
    電流和を所定の値にする手段と、反転入力端が互
    に抵抗を介し接続され前記ブリツジの２つの脚の
    中点と非反転入力端が接続されている２個の負帰
    還増幅器と、該増幅器の出力を差動増幅する差動
    増幅器とを備えた歪量―電気信号変換装置におい
    て、前記半導体歪ゲージが所定温度状態にあると
    き該脚の中点電位に等しい所定電位を発生する手
    段と前記負帰還増幅器の反転入力端のいずれか一
    方とを抵抗体を介して接続されていることを特徴
    とする歪量―電気信号変換装置の零点温度補償方
    法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の発明において、
    所定電位点と２つの反転入力端の間を値の異なる
    抵抗体で別々に接続してなる歪量―電気信号変換
    装置の零点温度補償方法。
JP2084779A 1979-02-26 1979-02-26 Method of zero point temperature compensation for strain-electric signal transducer Granted JPS55113904A (en)

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