JP2006349686A - 電気信号を補正するための改良形ブリッジ装置 - Google Patents

電気信号を補正するための改良形ブリッジ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電気回路における不要な信号特性を補正するための改良されたブリッジ装置を提供する。
【解決手段】多線検知ブリッジ上に発生する入力電気信号に関連した不要な特性を補正できる多線検知ブリッジ装置220であって、これまで回路内の電気信号を補正するのに必要なワイヤの数を減少させる。この装置は、複数の電気伝導ワイヤを有するマルチワイヤハーネス222,224,230と、それぞれ励起側とリターン側を有する第１インピーダンス要素228と第２インピーダンス要素226を含み、励起側が入力電気信号に接続され、かつリターン側がリターン経路に接続される。測定時において、１つ以上の二次的誤差を補正し、オフセットドリフトを動作中に直接補正し、またスパンドリフトを動作中にリニア化することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般的に、電気回路を測定及び調整するための装置及びその方法に関し、特に、電気回路の電気信号を補正するための装置及び方法に関する。
ピエゾ抵抗は、一般的にホイーストンブリッジ回路に用いられる。一般的に、４つのピエゾ抵抗が連結され一定電圧または一定電流の励起のいずれかに用いられる。よく知られているように、ピエゾ抵抗は、圧力ひずみに応答して抵抗値を変える抵抗である。
図１は、ホイーストンブリッジ回路を示し、この回路において、ピエゾ抵抗は、検知パラメータ導入機構において使用される。４つの素子が配置されるホイーストンブリッジを示す図１は、第1ピエゾ抵抗１１０ａと第２ピエゾ抵抗１１０ｂとの結合点に接続された第１の一定励起電圧（Ｖｃ）の径路１０２を示す。第１検知電圧（Ｖ１）は、第１検知線１０６で測定される。第１検知線１０６は、第１ピエゾ抵抗１１０ａと第３ピエゾ抵抗１１０ｃとの結合点に接続されている。第２検知電圧（Ｖ２）は、第２検知線１０４において測定される。第２検知線１０４は、第２ピエゾ抵抗１１０ｂと第４ピエゾ抵抗１１０ｄの結合点に接続される。
リターン経路が、リターン経路線１０８を介して検知パラメータ導入機構に設けられる。このリターン経路線は、第３ピエゾ抵抗１１０ｃと第４ピエゾ抵抗との結合点に接続される。図１は、一定電圧の励起構造として、ここに記載されているが、電子業界の当業者であれば、図１に示された回路は、一定電流（Ｉｃ）の励起構造における使用に対しても容易に適合することができる。この形状において、一定の電圧励起経路１０２は、一定の電流(Ic)励起経路に置き換えられる。いくつかの実施形態では、ピエゾ抵抗１１０ａ,１１０ｂ,１１０ｃ,１１０ｄは、ほぼ同一の値である。
全体で４つの線路を有するホイーストンブリッジは、ノイズを排除するのに有効である。第１検知線路１０６と第２検知線路１０４に連結される共通モードのノイズは、公知のノイズ排除技術を用いて排除することができる。この実施形態において、全てのピエゾ抵抗１１０ａ,１１０ｂ,１１０ｃ,１１０ｄは、同一の抵抗値を有する（即ち、１１０ａ＝１１０ｂ＝１１０ｃ＝１１０ｄ＝Ｒ0）検知パラメータにおける変動が、抵抗の変化（±ΔＲ0）を生じさせ、ピエゾ抵抗１１０ａ,１１０ｂ,１１０ｃ,１１０ｄにおいて、第１検知線路１０６及び第２検知線路１０４の間に差動電圧を生じさせる。この差動電圧は、検知パラメータにおける変動に比例している。一定の励起電圧に対して、この差動電圧は、ＶcΔの値を有する。一定の励起電流に対して、この差動電圧は、ＩcΔＲ0の値を有する。
検知パラメータにおける変動がない場合の差動電圧は、一般的にオフセット電圧と呼ばれる。このオフセット電圧は、調整可能な（非ピエゾ）抵抗を有する選択された「並列用」ピエゾ抵抗によって取り除かれる。オフセット電圧がゼロになるまで１つ以上の抵抗を段階的に調整する。この技術は、初期オフセットの良好な補正を得ることができるが、応答信号に高次の誤差を導く欠点がある。差動電圧は、一定の励起電圧に対して、ＶccＸ（Δ＋高次の項）となり、一定の励起電流に対して、Ｉc（ΔＲ0＋高次の項）となる。さらに、この調整抵抗技術は、作動中に起こるオフセットドリフトを補正するのに用いることができないし、またスパンドリフトに対して補正するために用いることもできない。さらに、この技術は、ホイーストンブリッジの応答をリニア化することもできない。
それゆえ、電気回路における望ましくない信号特性を補正する装置及びその方法に対する要求がある。この技術は、このような装置を提供する。
本発明は、電気回路における不要な信号特性を補正するための改良されたブリッジ装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の実施形態では、多線検知ブリッジ回路(multi wire sensing bridge)が開示される。本発明の改良形の多線検知ブリッジ装置は、
複数の電気伝導ワイヤを有し、電気的に結合されたマルチワイヤハーネスと、
第１インピーダンス値、第１インピーダンス要素の励起側、および第１インピーダンス要素のリターン側を有し、前記励起側が前記検知ブリッジ上に発生する前記入力電気信号に接続され、かつ前記リターン側がリターン経路に接続されて作動する第１インピーダンス要素と、
第２インピーダンス値、第２インピーダンス要素の励起側、および第２インピーダンス要素のリターン側を有し、前記励起側が前記検知ブリッジ上に発生する前記入力電気信号に接続され、かつ前記リターン側がリターン経路に接続されて作動する第２インピーダンス要素と、を含んでいることを特徴とする。
本発明の他の構成によれば、前記マルチワイヤハーネスは、３線ワイヤハーネスからなる。また、第１インピーダンス及び第２インピーダンス要素は、ピエゾ抵抗からなる。さらに、第１インピーダンス及び第２インピーダンス要素は、インピーダンス値がほぼ等しいことを特徴とする。
また、他の構成によれば、第１インピーダンスの励起側及び第２インピーダンス要素の励起側は、共通のリターン経路のノードに割り当てられており、入力電気信号の測定において、二次的誤差を避けるようにしたことを特徴とする。
さらに、入力電気信号におけるオフセットドリフトに対して補正可能であり、また、スパンドリフトに対しても補正可能である。そして、多線検知ブリッジの応答をリニア化できるようにしたことを特徴としている。
以下では、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態は、以下の図面を参照してより良く理解することができ、同一の参照番号は、同様な構成要素を示すものである。
本発明の技術は、入力電気信号における望ましくない特性を補正するための改良された方法を及び回路を開示する。
図２Ａには、改良された多線検知ブリッジ回路が示されている。１つの実施形態では、改良された多線検知ブリッジ回路は、典型的な３線式ハーフブリッジ回路からなる。本発明の実施形態において、多線検知ブリッジは、入力電気信号を検知し、この入力電気信号に関連した望ましくない特性を補正するのに適している。
図２Ａに示す実施形態において、第１電気伝導線２０２は、第１インピーダンス要素２０８に接続されている。第２電気伝導線２０４は、第１インピーダンス要素２０８と第２インピーダンス要素２１０の結合点であるノード２０９で接続されている。リターン線路は、第３電気伝導線２０６を介して第２インピーダンス要素２１０に電気接続されている。いくつかの実施形態では、第１インピーダンス要素２０８と第２インピーダンス要素２１０は、ピエゾ抵抗からなる。
図２Ｂを参照すると、改良された多線検知ブリッジ回路が図示されている。第１電流Ｉc1は、第１線２２４を介して第１インピーダンス要素２２８に導かれ、そしてリターン線２３０へ導かれる。また、第２電流Ｉc2は、第２線２２２を介して第２インピーダンス要素２２６に導かれ、そしてリターン線２３０へ導かれる。第１線２２４は、改良された多線検知ブリッジ２２０が動作中であるときに、関連かつ対応する第１励起状態及び第１検知パラメータを有する。第２線２２２は、改良された多線検知ブリッジ２２０が動作中であるときに、関連かつ対応する第２励起状態及び第２検知パラメータを有する。
第１インピーダンス要素２２８と第２インピーダンス要素２２６は、リターン経路線２３０にノード２３５で接続される。第１線２２４及び第２線２２２は、励起ラインと検知パラメータラインの両方からなる。２つのインピーダンス要素２２８，２２６は、それぞれライン２２４，２２２を介して、分離された独立の電流源Ｉc1及びＩc2によって励起される。
図２Ａおよび図２Ｂに図示されたハーフブリッジ回路は、有利なことに、望ましくない電気信号特性を補正するために必要とされる励起／検知パラメータ線の数を減少させる。一般的に、例えば、ホイーストンブリッジにおいて、４つの線が必要とされる。しかし、このような３つの線だけが、図２Ａ及び図２Ｂの回路において必要とされる。
第１線２２４は、この線に関連した第１電圧（Ｖ１）を有する。同様に、第２線２２２は、この線に関連した第２電圧(Ｖ２)を有する。第１実施形態では、インピーダンス要素２２６，２２８は、ピエゾ抵抗からなり、差動電圧は、以下の式によって定められる。
（式１）： Ｖ2−Ｖ1＝（Ic2）*（Ｒ02）−（Ic1）*（Ｒ01）
Ｒ01は、第１インピーダンス要素２２８に関連した抵抗値からなり、Ｒ02は、第２インピーダンス要素２２６に関連した抵抗値からなる。
Ic1＝Ic2に対してＲ01がＲ0２に等しい場合、測定されたオフセット値はゼロである。
検知パラメータが第１インピーダンス要素２２８に対してその基準値ゼロである場合、
Ｒ01＝Ｒ01（0）であり、第２インピーダンス要素２２６に対して、Ｒ02＝Ｒ02（0）となり、両者は、正確に等しいものではなく、値γだけ異なる。
即ち、Ｒ02（0）＝Ｒ01（0）−γ＝Ｒ0（0）−γである。そして、Ic1＝Ic2＝Ｉcである場合、Ｖ2−Ｖ1は、Ｖ2（0）−Ｖ1（0）＝−Ｉc*γの値だけゼロからオフセットされるであろう。
この検知パラメータにおけるオフセットは、Ｉc2(0)を調整するだけで簡単に補正することができる。
即ち、Ic2(0)＝[Ｒ0(0)／（Ｒ0(0)−γ）]*Ic1(0)＝[V1(0)／V2(0)]*Ic(0) となる。
調整されたオフセットADJ[V2(0)−V1(0)]は、
ADJ[V2(0)−V1(0)]＝[[[Ic(0)]*[Ｒ0(0)]]／[Ｒ0(0)−γ]]*[Ｒ0(0)−γ]
−(Ic0(0))*(Ｒ0(0))＝０
入来電気信号の検知パラメータにおける変動が、
Ｒ02＝Ｒ02（0）(1＋δ)およびＲ01＝Ｒ01(0)*(1−δ)となり、その結果、
Ｖ2−Ｖ1＝[[[Ic(0)]*[Ｒ0(0)]]／[Ｒ0(0)−γ]]*[ Ｒ0(0)−γ]*[1＋δ]
−[Ic(0)]* Ｒ0(0)*(１−δ)＝２*Ic(0))*Ｒ0(0)*δ
である。
この式は、より高次の誤差項（例えば、第２次の誤差項）を含まない（Ｖ2−Ｖ1）とδとの間の単純なリニア関係を与える。その結果として、改良された多線検知ブリッジは、有利なことに検知パラメータの測定から高次の項を削除する。
δは、公知のまたは検出可能なリニア形または非リニア形のパターンに従って温度（Ｔ）により変動するならば、δ（Ｔ）＝（１＋Ｂ（Ｔ））*δとなり、このときブリッジは、ファクター（１＋Ｂ（Ｔ））-1でそれぞれ、Ic1またはIc2を修正することによってスパンドリフトに対して直接補正することができる。スパンドリフトは、２つの主ファクターによって生じ、温度及びセンサの劣化において変化する
上述の記載は、例示的な実行を示しており、入力電気信号に関連した望ましくない特性を補正するための装置の新規な構成上の特徴を説明している。
代わりの実施形態も示唆されているが、本発明の全ての代替装置を例示することは不可能である。それゆえ、本発明の開示範囲は、添付の特許請求の範囲を参照することによってのみ決定されるべきものであり、また、添付の請求項において示唆された構成を除いて、上述の記載で説明された特徴によって制限されるべきものではない。
上記記載により、種々の実施形態に適用される本発明の新規な構成の特徴をしてきたが、当業者であれば、上述した本発明の方法及びシステムの形式及び詳細において、本発明の技術的思想の範囲から逸脱しないで、種々の省略、代替、置換、及び変更が可能であることが理解できるであろう。
上述した要素及び代替物の実際的で新規な組合せ、及びこのような要素に等価なものの組合せは、本発明の技術的範囲の実施形態として考えられる。より多くの構成要素の組合わせは、ここで明確に列挙されたものと同様に、本発明の実施形態として考えられる。本発明の技術的思想の範囲は、上述した記載よりもむしろ添付の特許請求の範囲によってより適切に定められている。
種々の請求項に記載の構成の等価物の範囲内で多くの変形例は、対応する請求項に記載の範囲内にある。添付の各請求項は、このような請求項の逐語的な表現から異なる装置または方法を包含することを意図している。
最後に、各請求項に記載の構成は、できるだけ広く構成されるべきであり、さらに、従来の技術の範疇に含まれない構成に等価なものを包含できることを理解されるべきである。さらに、詳細な説明または請求項のいずれかに記載の「含んでいる」の用語は、「構成されている」と同様の意味に解するものであることを意図している。
一定の励起状態を有するピエゾ抵抗型ホイーストンブリッジの概略図である。 ２(A)は、本発明の技術によるマルチワイヤハーネス形ハーフブリッジ回路の概略図であり、２（B）は、本発明の技術に従うマルチワイヤハーネス形ハーフブリッジの概略図である。
符号の説明
１０２ 励起電圧経路
１０４ 第２検知線
１０６ 第１検知線
１０８ リターン経路線
１１０ａ,１１０ｂ,１１０ｃ,１１０ｄ ピエゾ抵抗
２０２ 第１電気伝導線
２０４ 第２電気伝導線
２０６ 第３電気伝導線
２０８,２２８ 第１インピーダンス要素
２１０,２２６ 第２インピーダンス要素

Claims (9)

  1. 多線検知ブリッジ上に発生する入力電気信号と関連した不要な特性を補正できる改良形の多線検知ブリッジ装置であって、
    (a)複数の電気伝導ワイヤを有し、電気的に結合されたマルチワイヤハーネスと、
    (b)第１インピーダンス値、第１インピーダンス要素の励起側、および第１インピーダ ンス要素のリターン側を有し、前記励起側が前記検知ブリッジ上に発生する前記入力 電気信号に接続され、かつ前記リターン側がリターン経路に接続されて作動する第１ インピーダンス要素と、
    (c)第２インピーダンス値、第２インピーダンス要素の励起側、および第２インピーダ ンス要素のリターン側を有し、前記励起側が前記検知ブリッジ上に発生する前記入力 電気信号に接続され、かつ前記リターン側がリターン経路に接続されて作動する第２ インピーダンス要素と、
    を含んでいることを特徴とするブリッジ装置。
  2. 前記マルチワイヤハーネスは、３線ワイヤハーネスからなることを特徴とする請求項１に記載のブリッジ装置。
  3. 前記第１インピーダンス及び第２インピーダンス要素は、ピエゾ抵抗からなることを特徴とする請求項２に記載のブリッジ装置。
  4. 前記第１インピーダンス及び第２インピーダンス要素は、インピーダンス値がほぼ等しいことを特徴とする請求項３に記載のブリッジ装置。
  5. 前記第１インピーダンスの励起側及び第２インピーダンス要素の励起側は、共通のリターン経路のノードに割り当てられていることを特徴とする請求項４に記載のブリッジ装置。
  6. 前記入力電気信号の測定において、二次的誤差を避けるようにしたことを特徴とする請求項５に記載のブリッジ装置。
  7. 前記入力信号におけるオフセットドリフトに対して補正可能であることを特徴とする請求項５に記載のブリッジ装置。
  8. 前記前記入力信号におけるスパンドリフトに対して補正可能であることを特徴とする請求項５に記載のブリッジ装置。
  9. 前記多線検知ブリッジの応答をリニア化できるようにしたことを特徴とする請求項５に記載のブリッジ装置。
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