JP2000515623A - ブリッジの主抵抗間の温度勾配を補正するホイーストンブリッジ及びひずみゲージを有する圧力センサにおけるその適用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 実質的に等しいオーム値Ｒと実質的に等しい抵抗の温度係数αを有する４つの主抵抗（Ｊ₁〜Ｊ₄）を備えたホイーストンブリッジ型の電気回路の出力電圧は各ブランチにおいて、補正素子（ｒ₁〜ｒ₄）を上記主抵抗に直列式に接続させて加えることにより、ブリッジのブランチ間に存在する温度差に依存しなくなる。各補正素子は、主抵抗に等しい温度を有すべく、物理的に、隣接したブリッジのブランチの一方に位置する主抵抗に近接して配置される。上記補正素予は、等しいオーム値ｒと等しい抵抗の温度係数βを有し、Ｒα＝ｒβでは、ブリッジの抵抗の変化に対するホイーストンブリッジの感度の損失を抑制すべく、ｒがＲより小さく、好ましくは、ｒ／Ｒ＜１／２である。

Description

【発明の詳細な説明】 ブリッジの主抵抗間の温度勾配を補正するホイーストンブリッジ及びひずみゲ ージを有する圧力センサにおけるその適用 本発明は、「ホイーストンブリッジ」型の電気回路に、より詳細には、ブリッ ジのブランチ間に存在する温度差が自動補正されるような電気回路に関する。 ホイーストンブリッジ型の電気回路は良く知られている。それらは、ブリッジ のブランチにおける抵抗間の不均衡の存在及び大きさをあらわす出力電圧の変化 をもたらすべく、多くの異なる場合に適用される。通常、この型の回路は、基準 値に関するメインパラメータの変動による、あるいは、回路の異なるブランチに おける各抵抗への異なる影響を与える現象による不均衡を検出し得るように設計 される。明らかであるが、回路の作用は、他のパラメータ、若しく例えば周辺温 度のような現象から影響を受けないことが望ましい。 原理では、図１に示すような標準的なホイーストンブリッジの場合、出力電圧 Ｕ_Sは、次式（１）に従って、ブリッジの抵抗Ｒ₁〜Ｒ₄に、また、供給電圧Ｕ_Aに 依存する。 素子Ｒ₁〜Ｒ₄の抵抗は、実際に、周辺温度の関数、また、抵抗の温度係数（Ｔ ＣＲ：temperature coefficient of resistance）αが無視出来ない場合には 、その関数として変化する。各素子Ｒ_iの温度と基準温度との間にずれθ_iがあれ ば、理論式（１）は、次式（２）に変形される。 数式（２）及び以下では、抵抗の温度係数αが、ホイーストンブリッジの４つの 素子について同一であるかのように取り扱われる。実際、この単純化をほぼ実現 するようにブリッジの素子を選択することは比較的簡単である。 αθ《１と仮定して、ホイーストンブリッジの４つの素子Ｒ_iが全て等しい温 度θにあり、供給電圧が一定である場合には、数式（２）が簡単化され、数式 （１）と同一になる。その結果、かかる場合には、周辺温度は、ホイーストンブ リッジの作用にほとんど影響しない。（しかしながら、例えば温度差がもたらさ れた機械的な支持体の変形により、ブリッジに対して残りの温度の影響が生じる 可能性はある）。 ホイーストンブリッジの素子Ｒ_iが等しい温度にない場合には、数式（２）は 、一定の項を保有し、その値は、素子Ｒ_iの局部温度に依存する。この影響は、 回路を用いてなされた測定の精度を低下させる。 ホイーストンブリッジの原理は、とりわけ、ひずみゲージを用いる圧力センサ の分野で利用されている。 かかる圧力センサの典型的な構成が、図２に模式的に示されており、図２（ａ ）が、センサにおけるひずみゲージの物理的な配置を示す一方、図２（ｂ）は、 それに対応する電気回路を示している。図２（ａ）のセンサでは、４つのひずみ ゲージＪ₁〜Ｊ₄が、変形可能な薄膜体（membrane）上に配設され、２つのゲージ Ｊ₁，Ｊ₂が薄膜体の中央領域にあり、他の２つのゲージＪ₃，Ｊ₄の周辺部近傍に ある。上記ひずみゲージは、それぞれ、任意の温度及び基準圧力において、等し い電気抵抗Ｒを有する。図２（ｂ）に示されるようなホイーストンブリッジ回路 を構成するために、上記ゲージＪ₁〜Ｊ₄、電力供給部及び出力端子の間には、電 気接続子（不図示）が取り付けられている。 かかる圧力センサでは、上記薄膜体が、図２（ａ）に示す矢印方向に加えられ る圧力の影響のもとで、外側に湾曲させられることにより変形する。収縮により 、薄膜体の中央部分において生じるひずみは、ゲージＪ₁及びＪ₂の抵抗において ＋ΔＲの増加を導き、他方、圧力のひずみが薄膜体の周辺に生じて、ゲージＪ₃ ，Ｊ₄の抵抗において−ΔＲの減少を招来する。もし全てのゲージが等しい温度 にあれば、これらの抵抗の変化が、次式（３）に従って、ホイーストンブリッジ 回路の出力電圧に作用する。 この簡単な関係が、抵抗の変化の算出を可能とし、その結果、上記センサの薄膜 体に加えられる圧力を計算することができる。 しかしながら、もし、センサのゲージＪ₁〜Ｊ₄の間に、温度勾配が存在すれば 、一層複雑な次式（４）が適用される。 各ゲージの温度に依存するこの複雑な関係のため、上記センサにより、精度の高 い圧力測定を行えないことは明らかである。 文書ＤＥ−Ｕ−８８１５０５６は、ホイーストンブリッジ型回路の主抵抗を構 成するひずみゲージを有する負荷センサ（load sensor）を説明するものである 。ホイーストンブリッジの各ブランチにおいて、補助抵抗は主抵抗に直列に接続 されている。全ての主抵抗及び補助抵抗は、等しい抵抗の温度係数及び等しい抵 抗オーム値を有している。 この公知の回路では、各補助抵抗が、ブリッジの他のブランチにおける主抵抗 の１つの近傍に配置され、ブリッジの主抵抗間における温度勾配の存在による影 響が、補助抵抗においてもたらされる影響により補正されるようになっている。 その結果、かかる温度勾配の存在が、ホイーストンブリッジの出力信号に影響す ることはないであろう。しかしながら、かかる文書ＤＥ−Ｕ−８８１５０５６の ホイーストンブリッジにおいて行われる補正方法は、上記センサの感度における 実質的な損失を招く。より詳しくは、ホイーストンブリッジにおいて生じる抵抗 の変化に対するセンサの感度は半減する。 前述した問題の観点から、本発明は、ブリッジで生じる抵抗の変化に対する回 路出力信号の感度の損失を抑制する一方で、ＴＣＲが無視し得るほど０には近似 せず、それらの間に存在する温度差に鈍感である抵抗から構成されるホイースト ンブリッジ型の電気回路の出力電圧を供給することを目的としてなされたもので ある。 本発明は、また、抵抗の変化が測定されるべきパラメータにおける変化に一致 し、そのＴＣＲが無視出来ない抵抗により構成されるホイーストンブリッジイー ストン型の電気回路を含むセンサを提供することを目的としてなされたものであ る。上記抵抗は、センサの感度を確保し得るようにそれらの間に存在する温度差 に対して鈍感になっている。 上記課題を解決するために、本発明は、それぞれ、実質的に等しい抵抗オーム 値Ｒ及び実質的に等しい抵抗の温度係数αを有し、ホイーストンブリッジの各ブ ランチに配置される４つの主抵抗素子を備えたホイーストンブリッジ型の電気回 路を提供する。ここでは、上記ホイーストンブリッジの各ブランチが、それらに 対応する主抵抗素子に直列式に接続された補正素子を備え、該補正素子は、それ ぞれ、実質的に等しい抵抗オーム値ｒ及び実質的に等しい抵抗の温度係数βを有 している。これらの値は、実質的に、公式 Ｒα＝ｒβ に従って、上記主抵抗素子のそれに関係づけられ、各主抵抗素子は、ホイースト ンブリッジにおける隣接したブランチの補正素子と熱環境を共有している。ここ 本発明の好適な実施態様では、主抵抗素子及び補正素子は、２つの異なる金属 で作られている。 本発明に従ったホイーストンブリッジ型の電気回路では、ブリッジのブランチ 間における温度差がもたらす出力電圧に対する影響が、ブリッジの隣接したブラ ンチの主抵抗に直列に接続されるものの、それぞれブリッジにおけるブランチの 主抵抗の熱環境に置かれた補正抵抗によって除去される。主抵抗素子よりも小さ い抵抗オーム値を有する補正素子を用いることにより、それら補正素子の導入に よるホイーストンブリッジの感度の損失は軽減される。 上記補正素子の抵抗オーム値ｒが、主抵抗素子の抵抗オーム値Ｒの半分になる ように選択された場合には、ホイーストンブリッジにおける感度の損失の実質的 な軽減が得られる。かかる場合には、ホイーストンブリッジの感度が、２５％の み軽減される。しかしながら、感度の損失を無視しても良いとみなすことができ る５％以下に保つべく、関係ｒ／Ｒ＜１／１０によるオーム値の抵抗を有する補 正素予を用いることが好ましい。 本発明に従い、関係Ｒα＝ｒβが回路において重視される必要があることを考 慮して、上記補正素子を作るために高い抵抗の温度係数βを有する材料が選択さ れるとともに、小さな抵抗オーム値ｒを有する補正素子が用いられる。これに関 しては、ニッケル（β＝４×１０^-3／℃）の補正素子が特に適切である。 本発明は、また、ブリッジの主抵抗を構成するひずみゲージを有し、補正素子 を含むホイーストンブリッジ型の電気回路を有する圧力センサを提供するもので ある。 このタイプの圧力センサは、上記ひずみゲージ間に存在する温度差による出力 電圧の変動に対して保護され、また、補正素子の抵抗オーム値がひずみゲージに 比べて低いため、上記センサは良好な感度を確保する。 本発明の他の特徴及び効果は、例として挙げられた以下の実施形態の記載及び 添付図面の参照からより明確に理解されるであろう。 図１は、ホイーストンブリッジ型の電気回路の典型的な構造を示すダイアグラ ムである。 図２は、ひずみゲージを有する圧力センサの構成を示しており、ここでは、図 ２（ａ）が、簡単な薄膜体におけるひずみゲージの物理的な配置を示す一方、図 ２（ｂ）が、これらのゲージを含む電気回路を示している。 図３は、本発明の好適な実施形態によるホイーストンブリッジ型の電気回路を あらわす回路図である。 図４は、本発明に従う圧力センサの一例における、薄膜体上の薄いフィルムの 被膜により作製されたひずみゲージ及び補正素子の物理的な配置を示す平面図で ある。 図５は、図４のセンサの出力信号が、熱的衝撃がある場合に変化する様子を示 すグラフである。 図６は、比較を目的として、図４のものに類似するが補正抵抗をもたないセン サを示す平面図である。 図７は、比較を目的として、図６のセンサの出力信号が、熱的衝撃がある場合 に変化する様子を示すグラフである。 本発明の原理は、圧力センサのひずみゲージから構成されるホイーストンブリ ッジ型の電気回路を背景に、図３を参照して記載される。 図３は、圧力センサの４つのありふれたひずみゲージＪ₁〜Ｊ₄及び４つの補正 抵抗ｒ₁〜ｒ₄で構成されるホイーストンブリッジ型の電気回路を示す回路図であ る。補正抵抗ｒ_iは、ひずみゲージＪ_iの１つに直列式に接続された状態で、ブリ ッジの各ブランチに含まれているが、物理的には、隣接した２つのブランチの一 方に位置する他のひずみゲージに近接して配置されている。その結果、各ひずみ ゲージは、その近傍にあるホイーストンブリッジのブランチに接続された補正抵 抗とその熱環境を共有する。ポイント＋Ａと−Ａとの間には、供給電圧が供給さ れ、また、ポイント＋Ｍと−Ｍとの間で、出力電圧が検出される。 圧力センサでは、ひずみゲージＪ_i及びそれらの各抵抗の温度係数α_iのオーム 値Ｒ_iが互いに近似しており、平均値Ｒにより基準温度における各ゲージの抵抗 を、また、平均値αにより抵抗の温度係数を指示することができる。平均の抵抗 オーム値ｒ及び平均の抵抗の温度係数βを有するように、補正抵抗ｒ_iが順次選 択される。 上記ひずみゲージのＴＣＲαが無視出来るほど低くなく、ひずみゲージの各温 度がθ_iだけ基準値から変化する場合、回路の出力電圧Ｕ_Sは、次式（５）により 与えられる。 （供給電圧Ｕ_A及び圧力は一定） 本発明によれば、補正抵抗のオーム値ｒは、次の関係式に基づいて選択される 。 Ｒα＝ｒβ （６） この場合には、ホイーストンブリッジを構成するゲージの温度の間に差が存在す るが、出力電圧は、もはやこれらの異なる温度に依存しない。ブリッジ回路の感 本発明によれば、補正抵抗ｒ_iのオーム値ｒは、ひずみゲージＪ_iに共有される オーム値Ｒに関係して出来るだけ小さくなるように適正に選択され（つまりｒ《 Ｒ）、また、補正抵抗のＴＣＲβは、ひずみゲージＪ_iのＴＣＲαよりも実質的 に大きくなるように選択される（つまりα《β）。 これらの条件において、数式（５）は、次式（７）に簡単化される。 数式（３）及び（７）を比較すると、加えられた圧力が変化する場合、補正素 子を含むホイーストンブリッジの出力信号は、これらの素子が省略されたホイー ストンブリッジのそれよりも小さいことが分かるであろう。これは、ｒ／２Ｒに 等しい測定感度の損失に相当する。もし、補正素子の抵抗オーム値ｒがＲ／２に 等しいように選択されれば、この感度の損失は２５％になる。これは、引き替え として温度勾配から免れることができる点からすると我慢できることかも知れな い。 多くとも約Ｒ／１０に等しい抵抗オーム値を有する補正抵抗を用いることが好 ましい（このことは、β＝１０αの補正抵抗についての抵抗の温度係数の値を必 要とする）。かかる場合には、補正抵抗の回路に存在することにより、圧力セン サの感度はほとんど影響されない（補正抵抗が設けられておらず、ブリッジの作 用が理想的である場合に関して、出力電圧はその値の５％を損失する）。この感 度の損失は、更に、例えばＲのせいぜい５％に等しい値を有するｒをつくって、 ひずみゲージのオーム値に関してより小さい補正抵抗のオーム値を選ぶことによ り軽減され得る。 本発明による圧力センサの薄膜体ｍ上のひずみゲージＪ₁〜Ｊ₄及び補正抵抗ｒ₁ 〜ｒ₄の形態の一例が、図４（平面図）に示されている。この形態は、上記薄膜 体上に薄いフィルムを置くことにより成されるものである。この例では、ひずみ ゲージがニッケル−クロムで作られ、それぞれ、１０００Ωの抵抗及び１×１０^-4 ／℃の抵抗の温度係数を有している。また、補正抵抗は白金で作られ、 それぞれ、１００Ωの抵抗及び１×１０^-3／℃の抵抗の温度係数を有している。 図４に示された態様において、白金で作られた補正抵抗は、都合良く、４×１ ０^-3／℃に等しい抵抗の温度係数を有するニッケルで作られた補正抵抗により置 換される。これにより、センサの感度の損失は１．２５％まで軽減される。 図５では、図４のセンサの出力信号が、後者が熱的衝撃を受ける場合について 示されている。図６は、比較を目的として、図４のそれに類似しているが補正抵 抗が省略されたセンサを示している。図７は、熱的衝撃を受ける場合における、 図６のセンサの出力信号を示すものである。図５及び７の比較から、センサの出 力信号が、主抵抗の間に存在する温度勾配に対して免れるのみならず、従来の圧 力センサに比べて、熱的衝撃に対する安定性を向上させられることが分かる。 本発明の原理は、ひずみゲージを有する圧力センサを背景に述べられたが、そ れらは、概して、４つの抵抗が実質的に等しいオーム値Ｒおよび実質的に等しい 抵抗の温度係数αを有する、いかなるホイーストンブリッジ型の電気回路にも当 てはまるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． それぞれ実質的に等しい抵抗オーム値Ｒ及び実質的に等しい抵抗の温度係 数αを有し、ホイーストンブリッジの各ブランチに１つずつ配置された４つの主 抵抗（Ｊ₁〜Ｊ₄）を備えたホイーストンブリッジ型の電気回路において、 上記ホイーストンブリッジの各ブランチが、それらに対応する主抵抗素子に直 列に接続された補正素子を備え、該補正素子（ｒ₁〜ｒ₄）は、それぞれ、実質的 に等しい抵抗オーム値ｒ及び実質的に等しい抵抗の温度係数βを有し、それらの 値は、実質的に、公式 Ｒα＝ｒβ に従って、上記主抵抗素子のそれに関係づけられ、上記各主抵抗素子が、ホイー ストンブリッジにおける隣接したブランチの補正素子と熱環境を共有しており、 ジ型の電気回路。 ２． 上記各補正素子が、物理的に主抵抗素子に近接して配置されることにより 、ホイーストンブリッジの隣接したブランチの主抵抗素子の熱環境を共有するこ とを特徴とする請求の範囲第１項によるホイーストンブリッジ型の電気回路。 ３． 上記補正素子の抵抗オーム値ｒが、主抵抗素子のＲと比較して非常に小さ く、また、補正素子の抵抗の温度係数βが、主抵抗素子のαよりも僅かに大きい ことを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項によるホイーストンブリッジ型の 電気回路。 ４． 上記補正素子の抵抗オーム値ｒが、主抵抗素子のオーム値のせいぜい１０ ％であることを特徴とする請求の範囲第３項によるホイーストンブリッジ型の電 気回路。 ５． 上記主抵抗素子を構成するひずみゲージ（Ｊ₁〜Ｊ₄）を有する圧力センサ の一部をなすことを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか一によるホ イーストンブリッジ型の電気回路。 ６． 上記主抵抗素子及び補正素子が、２つの異なる金属で作られていることを 特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれか一によるホイーストンブリッジ 型の電気回路。 ７． 上記補正素子がニッケルで作られていることを特徴とする請求の範囲第１ 項〜第６項のいずれか一によるホイーストンブリッジ型の電気回路。 ８． １つの薄膜体上に配置され、ホイーストンブリッジ形式に接続されるとと もに、実質的に等しい抵抗オーム値Ｒ及び実質的に等しい抵抗の温度係数αを有 する４つのひずみゲージ（Ｊ₁〜Ｊ₄）を備えた圧力センサにおいて、 ホイーストンブリッジの各ブランチが、対応するひずみゲージに直列式に接続 された補正素子を備え、該補正素子（ｒ₁〜ｒ₄）は、それぞれ、実質的に等しい 抵抗オーム値ｒ及び実質的に等しい抵抗の温度係数βを有し、それらの値は、実 質的に、公式 Ｒα＝ｒβ に従って、上記ひずみゲージのそれに関係づけられ、上記各ひずみゲージが、ホ イーストンブリッジにおける隣接したブランチの補正素子と熱環境を共有してお り、 ９． 各補正素子が、物理的に上記ひずみゲージに近接して配置されることによ り、ホイーストンブリッジの隣接したブランチのひずみゲージの熱環境８を共有 することを特徴とする請求の範囲第８項による圧力センサ。 １０． 上記補正素子の抵抗オーム値ｒが、ひずみゲージのＲと比較して非常に 小さく、また、補正素子の抵抗の温度係数βが、ひずみゲージのαよりも僅かに 大きいことを特徴とする請求の範囲第８項又は第９項による圧力センサ。 １１． 上記補正素子の抵抗オーム値ｒが、ひずみゲージのオーム値のせいぜい １０％であることを特徴とする請求の範囲第１０項による圧力センサ。 １２． 上記ひずみゲージ及び補正素子が、２つの異なる金属で作られているこ とを特徴とする請求の範囲第８項〜第１２項のいずれか一による圧力センサ。 １３． 上記補正素子がニッケルで作られていることを特徴とする請求の範囲第 ８項〜第１２項のいずれか一による圧力センサ。