JP2007263667A - 応力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 応力が正確に測定できる応力測定装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の装置１０は、電流供給手段１４と、その電流供給手段１４に接続されており、単ゲージ抵抗を形成するピエゾ抵抗素子３０とそのピエゾ抵抗素子３０に直列に接続されている補償用ダイオード２２を有する直列回路と、その直列回路の両端間の電圧を測定する電圧測定手段１６を備えている。
単ゲージ抵抗は、作用する応力によって抵抗値が変化するピエゾ抵抗効果を有するとともに、その抵抗値が温度上昇に依存して上昇する正の温度特性を有している。補償用ダイオードは、前記電流供給手段に対して順方向に設けられており、そのアノード・カソード間電圧が温度上昇に依存して低下する負の温度特性を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ピエゾ抵抗素子を用いる応力測定装置に関する。

ピエゾ抵抗効果を有するピエゾ抵抗素子の抵抗値は、加えられる応力の変化に応じて変化する。この現象を利用して、ピエゾ抵抗素子に印加される応力を電圧値する応力測定装置が開発されている。この種の応力測定装置には、大気圧や各種機関の油圧などを測定するものが知られている。
例えば、特許文献１には、ピエゾ抵抗素子でブリッジ回路を構成した応力測定装置が開示されている。特許文献１の応力測定装置では、ブリッジ回路に電力を供給する手段として、定電圧電源を用いている。

特開平８−１８１３３１号公報

ピエゾ抵抗素子をゲージ抵抗に用いる場合、環境温度に対して正の温度係数を有していることが知られている。即ち、ゲージ抵抗の抵抗値は、環境温度によって増大する。応力測定装置にピエゾ抵抗素子を用いる場合、環境温度に依存する抵抗値の増大により、基準電圧が上昇する。ピエゾ抵抗素子の電圧を測定して応力を測定するには、環境温度による基準電圧の上昇を補償する必要がある。
特許文献１のように、ピエゾ抵抗素子でブリッジ回路を構成する場合、ブリッジ回路を構成する抵抗同士で抵抗値の変化を相殺しあうため、環境温度による出力電圧の変動が生じにくい。しかし、ブリッジ回路を有するピエゾ抵抗素子の場合、少なくとも４つの端子と４本の配線が必要となり、小型化が困難である。応力測定装置は、ブリッジ方式のピエゾ抵抗素子を用いると、装置の端子構成や回路構成が複雑化する。
２端子で構成できる単ゲージ方式のピエゾ抵抗素子を用いる場合、２つの端子と単軸配線を形成すればよく、単純な回路を実現することができる。２端子で構成できる単ゲージ方式の場合、装置の小型化が容易に実現できる。その一方で、単ゲージ方式の場合、ゲージ抵抗が単一であるため、温度による抵抗値の変化がピエゾ抵抗素子内で相殺されない。単ゲージ方式のピエゾ抵抗素子を広範な温度範囲で用いられる応力測定装置に用いるには、環境温度による出力電圧の変動を補償しなければならない。

本発明は、ピエゾ抵抗素子を単ゲージ抵抗に用いる装置において、環境温度による影響を補償することを可能とする装置を提供することを目的とする。

本発明は、応力を測定する装置に関する。本発明の装置は、電流供給手段と、その電流供給手段に接続されており、単ゲージ抵抗を形成するピエゾ抵抗素子とそのピエゾ抵抗素子に直列に接続されている補償用ダイオードを有する直列回路と、その直列回路の両端間の電圧を測定する電圧測定手段を備えている。
単ゲージ抵抗は、作用する応力によって抵抗値が変化するピエゾ抵抗効果を有するとともに、その抵抗値が温度上昇に依存して上昇する正の温度特性を有している。補償用ダイオードは、前記電流供給手段に対して順方向に設けられており、そのアノード・カソード間電圧が温度上昇に依存して低下する負の温度特性を有している。

単ゲージ抵抗は、抵抗値が温度上昇に依存して上昇する正の温度特性を有している。定電流を供給する場合、ピエゾ抵抗素子の電圧は、温度上昇に対して上昇する。ダイオードの電圧は、そのアノード・カソード間電圧が温度上昇によって低下する負の温度特性を有している。図１５は、ダイオードのアノード・カソード間電圧と電流の関係を示すグラフである。図１５のグラフにおいて、Ｌ６は環境温度が高いときの変化を示し、Ｌ７は温度が低いときの変化を示す。図１５のグラフに示すように、ダイオードに同じ電流値Ｉｔの電流を通電する場合、環境温度が高いほどアノード・カソード間電圧が低い。本装置によると単ゲージ抵抗の抵抗値から換算される電圧のうち、環境温度に依存する分をダイオードの電圧変化で補償することができるので、基準電圧の温度による変化を補償することができる。

本発明の応力測定装置において、電流供給手段が直列回路に供給する電流は、ピエゾ抵抗素子の常温における抵抗とピエゾ抵抗素子の抵抗温度係数とその電流を乗じて計算される値と、補償用ダイオードの温度に依存するアノード・カソード間の電圧変化率が等しくなるように設定されていると好ましい。
電供給手段がピエゾ抵抗素子に供給する電流値が上記条件に設定されていれば、ピエゾ抵抗素子の温度に依存する出力電圧の変化を、補償用ダイオードの電圧変化で相殺することができる。電圧測定手段が測定する電圧は、温度変化による電圧変化分が補償されている。電圧測定手段が、応力負荷が加わらないときに出力する基準電圧は、環境温度の変化に対して安定する。

本発明の応力測定装置では、電流供給手段は、応力を測定するときに第１電流を直列回路に供給し、温度を測定するときに第２電流を直列回路に供給することが可能である。第１電流は、ピエゾ抵抗素子の常温における抵抗とピエゾ抵抗素子の抵抗温度係数とその電流を乗じて計算される値と、補償用ダイオードの温度に依存するアノード・カソード間の電圧変化分が等しくなるように設定されている。第２電流は、その第１電流とは異なる大きさである。

上記の装置では、電流供給手段が、第１電流と第２電流をピエゾ抵抗素子と補償用ダイオードの直列回路に供給する。第１電流の電流値は、単ゲージ抵抗の抵抗特性と補償用ダイオードの電圧特性によって決定される特定の電流値である。この特定の電流値よりも入力電流の電流値を上昇若しくは低下させると、単ゲージ抵抗の温度特性は、ダイオードの温度特性によって補償されなくなる。第２電流は、第１電流と異なる電流値である。第２電流をその直列回路に供給するとき、ピエゾ抵抗素子の常温における抵抗とピエゾ抵抗素子の抵抗温度係数とその電流を乗じて計算される値は、補償用ダイオードの温度に依存するアノード・カソード間電圧ピエゾ抵抗素子のから出力される電圧によって補償されなくなる。第２電流を供給したときに測定される電圧は、環境温度に依存して変動する。第２電流を供給したときの測定電圧の変化から、環境温度を測定することができる。
本装置によれば、基準電圧を安定させることによって応力を正確に測定することができるほか、環境温度の測定も可能である。

本発明の応力測定装置は、前記した直列回路の両端間に並列に接続されているとともに、電流供給手段に対して逆方向に設けられている温度測定用ダイオードをさらに備えていると好ましい。本装置において、電流供給手段は、応力を測定するときに第３電流を直列回路に供給し、温度を測定するときに第４電流を温度測定用ダイオードに供給することが可能である。温度測定用ダイオードに供給される第４電流は、その第３電流と通電方向が異なる。
さらに、第３電流は、ピエゾ抵抗素子の温度に依存する抵抗変化分にその電流を乗じて計算される電圧変化分と、補償用ダイオードの温度に依存するアノード・カソード間の電圧変化分が等しくなるように設定されていると好ましい。

上記の装置では、補償用ダイオードと温度測定用ダイオードは、逆方向となっている。電流供給手段から補償用ダイオードに通電可能な向きの第３電流が供給されるときは、ピエゾ抵抗素子にも定電流が通電する。第３電流をピエゾ抵抗素子に供給することで、応力測定ができる。一方、温度測定用ダイオードに通電可能な向きの第４電流が入力されるときは、電圧測定手段を用いて温度測定用ダイオードの電圧が測定される。電圧測定手段が測定する温度測定用ダイオードの電圧は、環境温度に依存して変化する。温度測定用ダイオードにのみ通電することで、環境温度の測定が実現できる。本装置の構成によれば、電流供給手段から供給される電流の正負の極性を反転させるだけで、応力測定と温度測定を切り替えることができる。

本発明の応力測定装置の前記電流供給手段は、第３電流を供給する第１定電流電源と、第４電流を供給する第２定電流電源と、第１定電流電源と第２定電流電源を切り替えるスイッチを備えていると好ましい。そのスイッチは、応力を測定するときに第１定電流電源を選択し、温度を測定するときに第２定電流電源を選択する。
上記の構成によれば、ピエゾ抵抗素子と補償用ダイオードに通電する第３電流と、温度測定用ダイオードに通電する第４電流の切り替えを実現することができる。

本発明の応力測定装置では、温度上昇に依存して電流値を低下する負の電流調整回路と、温度上昇に依存して電流値を増大する正の電流調整回路の並列回路を有する電流調整回路をさらに備えられており、ピエゾ抵抗素子と電流調整回路が、電流供給手段に対して並列に接続されていると好ましい。

ピエゾ抵抗素子に備えられている単ゲージ抵抗の抵抗値は、前記したように環境温度で変動する。単ゲージ抵抗の抵抗値から算出される電圧値のうち、環境温度に依存した変化分を基準電圧から差し引くことで、応力に依存した電圧値のみを出力することができる。
しかし、応力変化を測定するとき、応力変化に係る抵抗値の変化率も、環境温度の影響で変動する。例えば、ピエゾ抵抗素子を構成する半導体基板の不純物濃度が約１０^１８ｃｍ^-３〜約１０^２０ｃｍ^-３の範囲の場合、単ゲージ抵抗の応力変化に係る抵抗値の変化率は、温度が上昇すると低くなる負の特性を示す。不純物濃度が上記範囲以外であれば、単ゲージ抵抗の応力変化に係る抵抗値の変化率は、温度が上昇すると高くなる正の特性を示す。応力変化に係る抵抗値の変化率が一定の値に保たなければ、応力変化の測定誤差が生じ易くなる。正確な応力を測定するには、基準電圧から環境温度に依存した電圧分を補償するだけでは足りない。正確な応力を測定するには、応力変化電圧から環境温度に依存した電圧分を補償する必要がある。

上記の装置において、電流調整回路は、ピエゾ抵抗素子に対して並列に接続されている。電流調整回路の電流値の増減によって、ピエゾ抵抗素子の単ゲージ抵抗に通電する電流値の増減を調整することができる。電流調整回路の電流値は、正の電流調整回路の電流値と負の電流調整回路の電流値に基づいて調整される。正の電流調整回路の電流値と負の電流調整回路の電流値は、温度上昇に依存して変化する。したがって、電流調整回路の電流値も、温度上昇に依存して変化する。温度が上昇したときに、正の電流調整回路の電流値の増大分が、負の電流調整回路の電流値の低下分を上回るときは、電流調整回路には、温度上昇に依存して増大する電流値が通電する。このとき、ピエゾ抵抗素子に通電する電流値は、温度上昇に依存して低下する。温度が上昇したときに、正の電流調整回路の電流値の増大分が、負の電流調整回路の電流値の低下分を下回るときは、電流調整回路には、温度上昇に依存して低下する電流値が通電する。このとき、ピエゾ抵抗素子に通電する電流値は、温度上昇に依存して増大する。正の電流調整回路と負の電流調整回路の特性を調整することによって、ピエゾ抵抗素子に通電する電流値を温度上昇に依存して調整することができる。
応力変化を測定するとき、ピエゾ抵抗素子の応力に係る抵抗の変化率が、温度上昇に依存して正負のいずれに変化したとしても、それに対応してピエゾ抵抗素子に通電する電流値の増減を調整することによって相殺することができる。
上記の装置によれば、環境温度の変化によらず、応力を正確に測定することができる。

上記の応力測定装置において、第３電流と第４電流を供給する電流供給手段を備える場合、第３電流を電流調整回路に通電し、第４電流を電流調整回路に通電しない遮断手段をさらに備えていると好ましい。
第４電流が電流調整回路に入力すると、補償用ダイオードを用いて温度を測定することが困難になる。遮断手段が設けられていると、第４電流が電流調整回路に入力するのを禁止する。上記の構成によれば、温度測定用ダイオードの出力電圧から温度を測定することができる。なお、遮蔽手段は、通電状態と非通電状態を切り替えることができれよく、その構成は特に限定されない。遮蔽手段としては、電流調整回路に直列に接続されたスイッチが挙げられる。
また、本発明の装置は、前記遮蔽手段としてダイオードを備えると特に好ましい。
直列回路を流れる電流の向きと温度測定用ダイオードを流れる電流の向きは、相反している。補償用ダイオードと同一方向のダイオードを電流調整回路に備えると、ピエゾ抵抗素子には、応力測定時のみ、電流調整回路で調製された電流が通電する。

以下に示す実施例の特徴を最初に列記する。
（特徴１）センサは、燃料ポンプの油圧を測定する。
（特徴２）ピエゾ抵抗素子は、半導体基板に設けられた単ゲージ抵抗を用いている。
（特徴３）センサ回路に供給される電流の電流値は、温度測定時よりも圧力測定時のほうが大きい。
（特徴４）電流供給手段の電源には、定電流電源を用いている。
（特徴５）電流調節手段は、可変抵抗である。
（特徴６）センサ回路がピエゾ抵抗素子と補償用ダイオードの直列回路と温度測定用ダイオードの並列回路を有している場合、電流調整回路の一方の端子はピエゾ抵抗素子と補償用ダイオードの接続点に接続され、電流調整回路の他方の端子はピエゾ抵抗素子の補償用ダイオードと反対側の端子に接続されている。
本特徴を有すると電流調整回路の通電状態と非通電状態の切り替えが、補償用ダイオードによって行われる。電流調整回路は、応力測定時に通電状態になり、温度測定時に非通電状態になる。
（特徴７）補償用ダイオードの個数は、ピエゾ抵抗素子の抵抗特性に応じて調整される。センサでは、複数の補償用ダイオードを直列及び／又は並列に接続されて、補償用ダイオード群を形成している。補償用ダイオードは、ピエゾ抵抗素子の抵抗特性に合うように、抵抗体を備える。
（特徴８）電流調整回路において、温度上昇に依存して電流値を低下する正の電流調整回路は、固定抵抗とｐｎｐトランジスタから構成されており、温度上昇に依存して電流値を上昇する負の電流調整回路は、２つのダイオードと固定抵抗から構成されている。正の電流調整回路では、固定抵抗とｐｎｐトランジスタのエミッタ端子が接続されている。負の電流調整回路は２つのダイオードと固定抵抗が直列に接続されている。固定抵抗とダイオードの接続点に、ｐｎｐトランジスタのベース端子が接続されている。

＜第１実施例＞
本実施例の応力測定装置１０の回路図を図１に示す。応力測定装置１０は、車両等の燃料ポンプの油圧と温度を測定するために用いられる。応力測定装置１０が設置される環境温度は、極寒の低温から常温の範囲（例えば−４０℃から４０℃の範囲）であり、燃料ポンプの作動時には高温（例えば１５０℃）にまで達することがある。応力測定装置１０には、このような広範な範囲の環境温度の変化においても、正確に温度と油圧を測定することが求められている。

応力測定装置１０は、定電流電源１４と、ピエゾ抵抗素子３０と、そのピエゾ抵抗素子３０に直列に接続されている補償用ダイオード２２と、電圧測定手段１６を備える。ピエゾ抵抗素子３０は、単ゲージ抵抗を形成している。ピエゾ抵抗素子３０には、ｎ型の不純物を含むシリコンチップの表面部に、ｐ型の不純物を導入して形成されたピエゾ抵抗素子３０が用いられている。そのピエゾ抵抗素子３０には、受圧ブロックが接している。油圧は、受圧ブロックを介してピエゾ抵抗素子３０に印加される。ピエゾ抵抗素子３０は、印加された油圧に依存して抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗素子３０と補償用ダイオード２２は直列回路を構成している。電圧測定手段２２は、前記直列回路の電圧を測定する。ピエゾ抵抗素子３０の補償用ダイオード２２と対向する端子は、接地されている。
ピエゾ抵抗素子３０は温度上昇に依存して抵抗が上昇する。このため、定電流が供給される場合、ピエゾ抵抗素子３０から出力される基準電圧は温度変化に依存して変動する。なお、ここで「基準電圧」とは、ピエゾ抵抗素子３０に応力（油圧）が印加されていないときに電圧測定手段１６が測定する電圧をいう。本応力測定装置１０は、この変化を相殺するために補償用ダイオード２２を利用する。ダイオードのアノード・カソード間電圧が、温度上昇に依存して低下する。補償用ダイオード２２の電圧降下現象を利用すれば、環境温度の上昇に依存した基準電圧の上昇を相殺することができる。

図２は、定電流電源１４がピエゾ抵抗素子３０と補償用ダイオード２２の直列回路に供給する電流と、油圧が印加されてないときの出力電圧の関係を示すグラフである。
図２のグラフにおいて、Ｌ１は高温（例えば１００℃）における変化を示しており、Ｌ２は常温（例えば２５℃）における変化を示しており、Ｌ３は低温（例えば−２０℃）における変化を示している。ピエゾ抵抗素子３０に供給される電流がＩｓのとき、応力測定装置１０は、環境温度によらず電圧Ｖｓｔを出力する。電流Ｉｓは、ピエゾ抵抗素子３０の常温における抵抗とピエゾ抵抗素子３０の抵抗温度係数とその電流を乗じて計算される値と、補償用ダイオード２２の温度に依存するアノード・カソード間の電圧変化率が等しくなる。供給電流の電流値をＩｓに設定すると、応力測定装置１０の油圧が印加されていないときの基準電圧が安定化する。油圧の増大を正確に測定することができる。

供給電流の電流値をＩｓ以外に設定すると、基準電圧は温度によって変動する。入力電流の電流値をＩｓよりも低く設定すると、環境温度が高いほど基準電圧が低くなる。入力電流の電流値をＩｓよりも高く設定すると、環境温度が高いほど基準電圧が高くなる。例えば、図２のグラフに示すように、定電流電源１４が供給する電流をＩｓ／２に設定すれば、環境温度が低温、常温、高温と上がるに連れて、出力電圧がＶ３、Ｖ２、Ｖ１と低くなる。この現象を示すグラフを図３に示す。
図３は、環境温度に対する基準電圧（油圧が印加されていないときの電圧）の変化を示すグラフである。Ｌ４は、入力電流がＩｓのときの変化を示す。Ｌ５は、入力電流がＩｓ／２のときの変化を示す。Ｌ４が示すように、入力電流がＩｓのとき、基準電圧は一定の電圧値Ｖｓｔで維持されている。一方、入力電流がＩｓ／２のときは、Ｌ５に示すように、温度上昇に伴い基準電圧が直線的に降下している。この現象を利用することで、応力測定装置１０は、環境温度の測定を容易に行なうことができる。

なお、補償用ダイオード２２は、単独で備えられていても良く、複数個の補償用ダイオード２２が集合したダイオード群であってもよい。ダイオード群が利用される場合、補償用ダイオード２２は、直列に接続されていても、並列に接続されていてもよい。また、補償用ダイオード２２の他に、抵抗体が追加されていてもよい。例えば、図４に示すように、補償用ダイオード２２と抵抗体２４が直列に接続されてもよい。図５に示すように、補償用ダイオード２２と抵抗体２４が並列に接続されていてもよい。また、図６に示すように、図４と図５の回路を組み合わせてもよい。複数の補償用ダイオード２２を用いたり、複数の抵抗体２４、２６を用いたりすることで、ピエゾ抵抗素子３０の環境温度に依存する変化を補償するように調整することができる。

＜第２実施例＞
図７、８は、本実施例の応力測定装置１１０の構成を模式的に示した回路図である。なお、第１実施例の応力測定装置１０と重複する説明は省略する。図７は、応力測定時の回路構成を示している。図８は、温度測定時の回路構成を示している。
図７、８に示すように、応力測定装置１１０は、センサ回路１２０と、電流供給手段１１５と、電圧測定手段１６を備えている。
センサ回路１２０は、応力測定回路１２６と、温度測定用ダイオード１２４を備えている。応力測定回路１２６は、補償用ダイオード１２２とピエゾ抵抗素子１３０の直列回路を有している。応力測定回路１２６と温度測定用ダイオード１２４は、電流供給手段１１５に対して並列回路を形成している。補償用ダイオード１２２と温度測定用ダイオード１２４は、電流を流せる向きが反対である。本構成によれば、補償用ダイオード１２２（応力測定回路１２６）に電流が流れているときは、温度測定用ダイオード１２４には電流が流れない。また、温度測定用ダイオード１２４に電流が流れているときは、補償用ダイオード１２２には電流が流れない。

電力入力手段１１５は、２つの定電流電源１１２、１１４とスイッチ１１８から構成されている。第２定電流電源１１２と第１定電流電源１１４は、センサ回路１２０に供給する電流の向きが相反している。第１定電流電源１１４は、補償用ダイオード１２２に電流を供給することができる。センサ回路１２０に電流を供給する電源として第１定電流電源１１４を用いると、応力測定回路１２６に電流が流れる。第２定電流電源１１２は、温度測定用ダイオード１２４に電流を供給することができる。
第２定電流電源１１２と第１定電流電源１１４は並列回路を構成しており、第２定電流電源１１２と第１定電流電源１１４とセンサ回路１２０の接続点には、スイッチ１１８が備えられている。センサ回路１２０への入力電流の向きは、スイッチ１１８の端子１１９が第２定電流電源１１２側の接点に接触するか、第１定電流電源１１４側の接点に接触するかで切り替えられる。

図７に示すように、スイッチ１１８の端子１１９が第１定電流電源１１４側の接点と接触すると、センサ回路１２０には第１定電流電源１１４から電流が入力される。図７の矢印は、電流が通電する向きを示している。前記したように、第１定電流電源１１４から入力される電流は、応力測定回路１２６側に通電する。応力測定回路１２６は、補償用ダイオード１２２とピエゾ抵抗素子１３０を備えている。第１定電流電源１１４から出力する電流Ｉｓは、ピエゾ抵抗素子１３０の温度特性と補償用ダイオード１２２の温度特性から設定される。第１定電流電源１１４から供給される電流Ｉｓの電流値は、ピエゾ抵抗素子の常温における抵抗とピエゾ抵抗素子の抵抗温度係数とその電流を乗じて計算される値と、補償用ダイオードの温度に依存するアノード・カソード間の電圧変化率が等しくなるように設定されている。端子１１９が第１定電流電源１１４側に接続することで、応力測定に関する基準電圧が安定化する。第１定電流電源１１４に接続された状態において、応力測定装置１１０は、油圧を正確に測定することができる。

図８に示すように、スイッチ１１８の端子１１９が第２定電流電源１１２側の接点と接触すると、センサ回路１２０には第２定電流電源１１２から電流が入力される。図８の矢印は、電流が通電する向きを示している。前記したように、第２定電流電源１１２がセンサ回路１２０に入力する電流は、温度測定用ダイオード１２４側に通電する。温度測定用ダイオード１２４は、ダイオードの特性から環境温度が上昇すると電圧が降下する。第２定電流電源１１２がセンサ回路１２０に入力する電流は、温度測定用ダイオード１２４のみに通電する。温度測定時に電圧測定手段１６が出力する電圧は、温度測定用ダイオード１２４に関する電圧である。本応力測定装置１１０は、温度測定用ダイオード１２４の電圧から、環境温度の測定を容易に行なうことができる。なお、第２定電流電源１１２がセンサ回路１２０に入力する定電流の電流値は、温度測定用ダイオード１２４を通電できる電流値であればよく、特に限定されない。

＜第３実施例＞
図９、１０は、本実施例の応力測定装置２１０の構成を模式的に示した回路図である。本応力測定装置２１０は、第２実施例の応力測定装置１１０と電流供給手段２１５の構成が異なる他は同様の構成であるので、センサ回路１２０等の重複する説明は省略する。図９は、応力測定装置２１０の応力測定時の回路構成を示している。図１０は、応力測定装置２１０の温度測定時の回路構成を示している。
図９、１０に示すように、応力測定装置２１０は、センサ回路１２０と、電流供給手段２１５と、電圧測定手段１６を備える。
センサ回路１２０は、第２実施例の応力測定装置１１０と同様の構成である。

電力入力手段２１５は、定電流電源２１４とスイッチ２１８から構成されている。スイッチ２１８は、２つの端子２１７、２１９と端子２１７、２１９と接触する２つの接点２２０、２２２を備える。端子２１７は定電流電源２１４の出力側に備えられており、端子２１９はその反対側に備えられている。接点２２０は、補償用ダイオード１２２のアノード側であり温度測定用ダイオード１２４のカソード側に接続する接点である。接点２２２は、補償用ダイオード１２２のカソード側であり温度測定用ダイオード１２４のアノード側に接続する接点である。

図９に示すように、端子２１７が接点２２０に接触し、端子２１９が接点２２２に接触していると、定電流電源２１４からセンサ回路１２０入力される電流は、応力測定回路１２６側に通電する。図９の矢印は、この時の電流の流れを示している。応力測定回路１２６は、補償用ダイオード１２２とピエゾ抵抗素子１３０の直列回路である。端子２１７が接点２２０に接触し、端子２１９が接点２２２に接触していると、応力測定に関する基準電圧が安定化する。応力測定装置２１０は、油圧を正確に測定することができる。なお、定電流電源２１４がセンサ回路１２０に入力する電流の電流値は、他の実施例と同様の方法で設定できる。

図１０に示すように、端子２１７が接点２２２に接続され、端子２１９が接点２２０に接続されていると、定電流電源２１４がセンサ回路１２０入力する電流は、温度測定用ダイオード１２４側に通電する。図１０の矢印は、この時の電流の流れを示している。温度測定用ダイオード１２４は、環境温度が上昇すると出力電圧が降下する。端子２１７が接点２２２に接触し、端子２１９が接点２２０に接触していると、定電流電源２１４がセンサ回路１２０に入力する電流は、温度測定用ダイオード１２４のみに通電する。温度測定時に電圧測定手段１６が出力する電圧は、温度測定用ダイオード１２４の電圧である。本応力測定装置１１０は、温度測定用ダイオード１２４の電圧から、環境温度の測定を容易に行なうことができる。本応力測定装置２１０はスイッチ２１８の端子２１７、２１９と接点２２０、２２２の接触を切り替えるだけで環境温度の測定を容易に行なうことができる。また、スイッチの構成のみを工夫するだけでよく、複数の定電流電源を要さないという利点も有する。

＜第４実施例＞
図１１は、本実施例の応力測定装置３１０の構成を模式的に示した回路図である。本応力測定装置３１０は、電流調整回路４０と電流調整回路４０への通電を制御するスイッチ３２が備えられていることを除けば、第１実施例の応力測定装置１０と同様の構成であるので、重複する説明は省略する。
本応力測定装置３１０は、環境温度による基準電圧の上昇が補償用ダイオード２２によって補償されている。

電流調整回路４０は、温度上昇に依存して電流値を増大する正の電流調整回路５０と、温度上昇に依存して電流値を低下する負の電流調整回路６０の並列回路を有している。補償用ダイオード２２とピエゾ抵抗素子３０の直列回路と電流調整回路４０は、並列回路を構成している。その並列回路は、定電流電源１４と直列に接続されている。電圧測定手段１６は、定電流電源１４と補償用ダイオード２２の接続点に接続されている。
電圧測定手段１６は、油圧の増大によるピエゾ抵抗素子３０の抵抗変化から導き出される電圧変化を出力する。この時、電圧変化は、電流調整回路４０で補正されてから出力される。油圧の増大を測定するとき、ピエゾ抵抗素子３０の応力変化に係る抵抗値の変化率も、環境温度の影響で変動する。応力変化に係る抵抗値の変化率が一定の値に保たなければ、基準電圧からの電圧変化分が環境温度の影響で変動する。油圧の増大を測定するときに、電流調整回路４０は、環境温度の変動に応じてピエゾ抵抗素子３０に入力する電流の値を調整する。入力電流の電流値が異なれば、ピエゾ抵抗素子３０が出力する電圧値も変動する。応力測定時において、ピエゾ抵抗素子３０に入力する電流が温度に応じて調整されれば、その電流値とピエゾ抵抗素子３０の電圧変化から換算される出力電圧も調整される。

電流調整回路４０の構成としては、例えば、図１２に示す回路が挙げられる。
正の電流調整回路５０は、抵抗値がＲｅである第１固定抵抗５２とｐｎｐトランジスタ５４が直列に接続されている。負の電流調整回路６０は、２つのダイオード６２、６４と、抵抗値がＲｂｂの第２固定抵抗６６が直列に接続されている。正の電流調整回路５０のｐｎｐトランジスタ５４のベース端子は、負の電流調整回路６０のダイオード６４と第２固定抵抗６６の接続点に接続されている。正の電流調整回路５０のｐｎｐトランジスタ５４のコレクタ端子は、負の電流調整回路６０の第２固定抵抗６６の、ダイオード６４と反対側の端子に接続されている。電流調整回路４０には、所定の電圧Ｖｒが印加される。

図１２に示す電流調整回路４０を備えた場合には、補正電流Ｉｃが流れる。補正電流Ｉｃは、ピエゾ抵抗素子３０側に通電する電流Ｉｓの電流値を補正する。補正電流Ｉｃは、正の電流調整回路５０に通電する電流Ｉｃａと負の電流調整回路６０に通電する電流Ｉｃｂの和算値である。
まず、負の電流調整回路６０に通電する電流Ｉｃｂを導出する。
負の電流調整回路６０のダイオード６２、６４では、前記したように温度上昇によって電圧Ｖｄが降下する。電圧Ｖｄと温度変化ΔＴの関係について数式１に示す。数式１において、Ｌｄはダイオードの順方向電圧の温度係数である。一般的にＬｄは、−０．００２Ｖ／℃である。数式１において、Ｔは任意の温度を示し、Ｔｏは基準温度を示す。またＶｄ（Ｔ）は任意の温度Ｔにおけるダイオードの電圧値を示す。

負の電流調整回路６０にも、Ｖｒの電圧が印加される。第２固定抵抗６６には、この電圧Ｖｒからダイオード６２、３２の電圧降下分を差し引いた分の電圧が印加される。したがって、負の電流調整回路６０に通電する電流Ｉｃｂは、数式２に示すように導出できる。

次に、正の電流調整回路５０を通電する電流Ｉｃａを導出する。
正の電流調整回路５０は、Ｖｒの電圧が印加される。正の電流調整回路５０のｐｎｐトランジスタ５４のエミッタ・ベース間には、寄生のｐｎダイオードが形成されている。ｐｎｐトランジスタ５４のエミッタ・ベース間では、ダイオード６２、６４と同様に、温度上昇によって電圧Ｖｄが降下する（数式１参照）。前記したようにｐｎｐトランジスタ５４のベース端子が負の電流調整回路６０に接続されている。正の電流調整回路５０の第１固定抵抗５２には負の電流調整回路５０側の逆方向の電圧が加わる。第１固定抵抗５２には、数式３で示す電圧が印加される。したがって、正の電流調整回路５０へ流入する電流Ｉｃａは、電圧Ｖｃａと第１固定抵抗５２の抵抗Ｒｅから数式４のように導出できる。

電流調整回路４０に通電する電流Ｉｃは、電流Ｉｃａと電流Ｉｃｂの和算値である。センサ回路１５と電流調整回路４０は並列回路であるので、センサ回路１５のピエゾ抵抗素子３０に通電する電流Ｉｓは、数式５によって導出される。

正の電流調整回路５０の電流Ｉｃａと負の電流調整回路６０の電流Ｉｃｂは、第１固定抵抗５２の抵抗値Ｒｅ及び／又は第２固定抵抗６６の抵抗値Ｒｂｂを調節することで変化することができる。そして、補正電流Ｉｃにより、ピエゾ抵抗素子３０へ入力する電流Ｉｓを調整することができる。油圧に増大にともなう電圧変化を正確に補正することができる。本応力測定装置３１０は、正確に油圧を測定することができる。

本応力測定装置３１０は、例えば、図１２で示すような電流調整回路４０を備えているので、応力測定時にピエゾ抵抗素子３０に入力する電流Ｉｓの電流値が温度により変動する。応力測定時の基準電圧Ｖｓｔに変動が生じないように、定電流電源１４の電流Ｉｉｎを設定する必要がある。温度Ｔにおいて、ピエゾ抵抗素子３０に入力する電流Ｉｓ（Ｔ）は、数式６に示すように、定電流電源１４の電流Ｉｉｎから電流調整回路４０の電流Ｉｃ（Ｔ）で減算した電流である。

応力測定時の基準電圧Ｖｓｔを一定にするには、数式７に示すピエゾ抵抗素子３０の電圧と、数式８に示すダイオード（補償用ダイオード２２）の電圧が、温度のよらず打ち消しあう条件に設定すればよい。数式７に示すＬｓは、ピエゾ抵抗素子３０に生じる電圧の温度係数を示す。基準電圧Ｖｓｔは、ピエゾ抵抗素子３０の電圧と補償用ダイオード２２の電圧の和算値であるので、数式９に示される。従って、基準電圧Ｖｓｔを一定にするには、数１０に示すように、ゲージ抵抗２０に生じる電圧の温度係数Ｌｓと補償用ダイオード２２の温度係数Ｌｄの和が０になるように調整すればよい。この時、補償用ダイオード２２の個数で、ゲージ抵抗２０に生じる電圧の温度係数Ｌｓとの調整を行ってもよい。Ｎ個の補償用ダイオード２２を直列に接続すると、補償用ダイオード２２群の温度係数Ｌｄｇは、数式１１となる。

その一方において、ピエゾ抵抗素子３０の電圧Ｖｓ（Ｔ）は、抵抗Ｒｓ（Ｔ）と電流Ｉｓ（Ｔ）の積算値である。また、数式１２に示すように、ピエゾ抵抗素子３０は、抵抗Ｒｓ（Ｔ）がＫｓ（％／℃）の係数で温度に依存して変動する。ピエゾ抵抗素子３０に通電する電流Ｉｓは、数式１３に示すようにＫｉｓ（％／℃）の係数で温度に依存して変動する。ピエゾ抵抗素子３０が出力する電圧Ｖｓは、数式１４から導出することもできる。

ＫｓとＫｉｓの絶対値は１よりも小さいため、Ｋｓ＋Ｋｉｓ＞＞Ｋｓ・Ｋｉｓとなる。数式１４において、Ｋｓ・Ｋｉｓは、無視することができる。Ｖｓ（Ｔ）は、数式１５のように近似することができる。

数式７、数式１０、数式１５から、以下の条件式（数式１６）が導出される。

上記数式１６において、ピエゾ抵抗素子３０の抵抗値の温度係数Ｋｓが０．１５％／℃であり、ピエゾ抵抗素子３０に通電する電流の温度係数Ｋｉｓが−０．１％／℃であり、補償用ダイオードの電圧の温度係数Ｌｄが−０．００２Ｖ／℃である場合、基準温度Ｔｏにおけるピエゾ抵抗素子３０の電圧Ｖｓ（Ｔｏ）は数式１６のように導出される。

上記数式１７の条件の場合、Ｔｏにおけるピエゾ抵抗素子３０の出力が４Ｖになるように定電流電源１４の電流Ｉｉｎを調節すればよい。このような方法で定電流電源１４の出力電流Ｉｉｎを決定することで、応力測定時の基準電圧Ｖｓｔを一定に保つことができる。

本応力測定装置３１０で温度を測定するときは、スイッチ３２をＯＦＦ状態にする。スイッチ３２をＯＦＦ状態にすると、図１３中の破線矢印で示すように電流が流れ、電流調整回路４０への通電は中止される。そして温度測定にかかる都合のよい電流（例えばＩｉｎ／２）が印加される。
なお、本応力測定装置３１０は、電流調整回路４０への通電を中止して環境温度を測定する。従って、本応力測定装置３１０の温度測定に係る回路構成は、第１実施例の応力測定装置１０と同様であるので、温度測定に係る説明は省略する。

＜第５実施例＞
図１３に本実施例の応力測定装置４１０の構成を模式的に示した回路図を示す。本応力測定装置４１０は、電流調整回路４０と電流調整回路４０への通電を制御するダイオード３６が備えられていることを除けば、第２実施例の応力測定装置１１０と同様の構成であるので、重複する説明は省略する。ダイオード３６は、遮断手段の一つの実施例である。
応力測定時において、スイッチ１１８の端子１１９は、第１定電流電源１１４側に接続されている。電流供給手段１１５がセンサ回路１２０に入力する電流は、第１定電流電源１１４から出力された電流である。図１３に示す実線矢印は、応力測定時における電流の向きを示す。本応力測定装置４１０は、環境温度による基準電圧の上昇が補償用ダイオード１２２によって補正されている。
本応力測定装置４１０は、第４実施例の応力測定装置３１０と同様に、電流調整回路４０を備える。応力測定装置４１０は、油圧の変化を示す出力電圧の変化の割合において、環境温度に依存した変化分が電流調整回路４０によって補正されている。本応力測定装置４１０は応力測定時において、基準電圧が安定している。また、本応力測定装置４１０は、油圧の変化に対する出力電圧の変化率が安定している。本応力測定装置４１０は環境温度によらず、正確に油圧の変化を測定することができる。

本応力測定装置４１０で温度を測定するとき、スイッチ１１８の端子１１９は、第２定電流電源１１２側に接続する。電流供給手段１１５のセンサ回路１２０に入力する電流は、図１３の破線矢印の方向に通電する。電流調整回路４０は、ダイオード３６が直列に接続されている。ダイオード３６は、第２定電流電源１１２からセンサ回路１２０に入力する電流を流すことができない。電流供給手段１１５からセンサ回路１２０に入力する電流調整回路４０への通電は中止される。温度測定時には、温度測定用ダイオード１２４にのみ電流が通電する。環境温度は、温度測定用ダイオード１２４の出力電圧から容易に測定することができる。

＜第６実施例＞
図１４に応力測定装置５１０の構成を模式的に示した回路図を示す。応力測定装置５１０は、電流調整回路４０がセンサ回路１２０の補償用ダイオード１２２とピエゾ抵抗素子１３０の接続点に接続されていることと、ダイオード３６を備えていないことが異なる他は、第５実施例と同様であるので、重複する説明は省略する。

応力測定時において、スイッチ１１８の端子１１９は、第１定電流電源１１４側に接続されている。電流供給手段１１５からセンサ回路１２０に入力される電流は、第１定電流電源１１４から出力された電流である。図１４に示す実線矢印は、応力測定時における電流の流れを示す。本応力測定装置５１０は、環境温度による基準電圧の上昇が補償用ダイオード１２２によって補正されている。
本応力測定装置５１０は、電流調整回路４０を備える。応力測定装置５１０は、油圧の変化を示す出力電圧の変化の割合において、環境温度に依存した変化分が電流調整回路４０によって補正されている。本応力測定装置５１０は応力測定時において、基準電圧と出力電圧の応力上昇に対する変化率が安定化している。本応力測定装置５１０は環境温度によらず、正確に油圧の変化を測定することができる。

本応力測定装置５１０で温度を測定するとき、スイッチ１１８の端子１１９は、第２定電流電源１１２側に接続する。電流供給手段１１５のセンサ回路１２０に入力する電流は、図１４の破線矢印の方向に通電する。電流調整回路５０は、補償用ダイオード１２２とピエゾ抵抗素子１３０の接続点に接続されている。補償用ダイオード１２２は、第１定電流電源１１４から出力される電流のみを通電する。従って、センサ回路１２０に電流を入力する電源を第２定電流電源１１２に切り替えると、電流調整回路５０には電流が流れなくなる。温度測定時には、温度測定用ダイオード１２４にのみ電流が通電する。環境温度は、温度測定用ダイオード１２４の出力電圧から容易に測定することができる。

以上、本発明の好適な実施態様を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した態様を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例の応力測定装置を模式的に示した回路図である。 低温、常温、高温時の出力電圧と入力電流の関係を示すグラフである。 応力測定時と温度測定時の、温度に対する電圧の変化を示すグラフである。 補償用ダイオードと抵抗体を組み合わせた温度補償用の回路の一例である。 補償用ダイオードと抵抗体を組み合わせた温度補償用の回路の一例である。 補償用ダイオードと抵抗体を組み合わせた温度補償用の回路の一例である。 第２実施例の応力測定装置を模式的に示した応力測定時の回路図である。 第２実施例の応力測定装置を模式的に示した温度測定時の回路図である。 第３実施例の応力測定装置を模式的に示した応力測定時の回路図である。 第３実施例の応力測定装置を模式的に示した温度測定時の回路図である。 第４実施例の応力測定装置を模式的に示した回路図である。 電流調整回路の一例を示した回路図である。 第５実施例の応力測定装置を模式的に示した回路図である。 第６実施例の応力測定装置を模式的に示した回路図である。 ダイオードの温度に対する電圧の変化を示すグラフである。

符号の説明

１０、２１０、３１０、４１０、５１０：応力測定装置
３０、１３０：ピエゾ抵抗素子
１４：定電流電源
１６：電圧測定手段
２２、１２２：補償用ダイオード
２４、２６：抵抗体
３２、１１８、２１８：スイッチ
４０：電流調節回路
５０：正の電流調整回路
５２、５６：固定抵抗
５４：ｐｎｐトランジスタ
６２、６４：ダイオード
１１２：第２定電流電源
１１４：第１定電流電源
１１５、２１５：電流供給手段
１１９、２１７、２１９：スイッチの端子
１２０：センサ回路
１２４：温度測定用ダイオード
２２０、２２２：接点

Claims (9)

1. 応力を測定する装置であり、
   電流供給手段と、
   その電流供給手段に接続されており、単ゲージ抵抗を形成しているピエゾ抵抗素子とそのピエゾ抵抗素子に直列に接続されている補償用ダイオードを有する直列回路と、
   その直列回路の両端間の電圧を測定する電圧測定手段を備えており、
   単ゲージ抵抗は、作用する応力によって抵抗値が変化するピエゾ抵抗効果を有するとともに、その抵抗値が温度上昇に依存して上昇する正の温度特性を有しており、
   補償用ダイオードは、前記電流供給手段に対して順方向に設けられており、そのアノード・カソード間電圧が温度上昇に依存して低下する負の温度特性を有していることを特徴とする応力測定装置。
2. 電流供給手段が直列回路に供給する電流は、ピエゾ抵抗素子の常温における抵抗とピエゾ抵抗素子の抵抗温度係数とその電流を乗じて計算される値と、補償用ダイオードの温度に依存するアノード・カソード間の電圧変化率が等しくなるように設定されていることを特徴とする請求項１の応力測定装置。
3. 電流供給手段は、応力を測定するときに第１電流を直列回路に供給し、温度を測定するときに第２電流を直列回路に供給することが可能であり、
   第１電流は、ピエゾ抵抗素子の常温における抵抗とピエゾ抵抗素子の抵抗温度係数とその電流を乗じて計算される値と、補償用ダイオードの温度に依存するアノード・カソード間の電圧変化率が等しくなるように設定されており、
   第２電流は、その第１電流とは異なる大きさであることを特徴とする請求項１の応力測定装置。
4. 前記直列回路の両端間に並列に接続されているとともに、電流供給手段に対して逆方向に設けられている温度測定用ダイオードをさらに備えており、
   電流供給手段は、応力を測定するときに第３電流を直列回路に供給し、温度を測定するときに第４電流を温度測定用ダイオードに供給することが可能であることを特徴とする請求項１の応力測定装置。
5. 第３電流は、ピエゾ抵抗素子の常温における抵抗とピエゾ抵抗素子の抵抗温度係数その電流を乗じて計算される値と、補償用ダイオードの温度に依存するアノード・カソード間の電圧変化分が等しくなるように設定されており、
   第４電流は、第３電流と通電方向が異なることを特徴とする請求項１の応力測定装置。
6. 前記電流供給手段は、第３電流を供給する第１定電流電源と、第４電流を供給する第２定電流電源と、第１定電流電源と第２定電流電源を切り替えるスイッチを備えており、
   そのスイッチは、応力を測定するときに第１定電流電源を選択し、温度を測定するときに第２定電流電源を選択することを特徴とする請求項５の応力測定装置。
7. 温度上昇に依存して電流値を低下する負の電流調整回路と、温度上昇に依存して電流値を増大する正の電流調整回路の並列回路を有する電流調整回路をさらに備えており、
   ピエゾ抵抗素子と電流調整回路は、電流供給手段に対して並列に接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの応力測定装置。
8. 第３電流を電流調整回路に通電し、第４電流を電流調整回路に通電しない遮断手段をさらに備えていることを特徴とする請求項７の応力測定装置。
9. 前記遮断手段が、ダイオードであることを特徴とする請求項８の応力測定装置。

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