JP2954406B2 - カテーテル先端圧力トランスジューサの温度補償装置および方法 - Google Patents

カテーテル先端圧力トランスジューサの温度補償装置および方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、温度を補正するセンサ
のための補償回路に関し、特にセンサの温度、固定およ
び他の特性に対する特に選択された抵抗を持つ補償回路
に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】カテ
ーテルの遠端部に取付けられた小型センサからなる血圧
トランスジューサまたはプローブは、一般に患者におけ
る血圧を測定するために使用される。この形式の血圧の
検出の利点は、非常に強化された信号忠実度および周波
数応答を含む。センサを作る多くの方法が開発されてき
た。１つの一般的な方法はピエゾ抵抗手法を使用し、こ
れにおいては１つ以上の抵抗が圧力に感応するシリコン
隔膜上に被着されている。これらの抵抗は、通常は、他
の形態も使用されるが、ホイートストーン・ブリッジ形
態で接続される。
【０００３】ピエゾ抵抗圧力センサを作る一般的な方法
は、典型的には圧力検出抵抗に極く近接した同じチップ
上に別の温度検出要素を配置することを含む。温度検出
デバイスは、ピエゾ抵抗ブリッジ・センサが上昇あるい
は低下する温度による出力の変化を呈する傾向がある故
に必要とされる。それらの機能は、センサの温度特性と
対抗するように働くか、あるいはチップ温度に比例する
信号をセンサの信号出力の温度特性を補正する外部回路
に与えることである。
【０００４】上記の温度特性に加えて、センサは通常、
デバイス間で変動する大きさの望ましくない固定オフセ
ット信号をゼロ圧力において生じ、またそれらの圧力感
度における変動を生じる。オフセットおよび感度におけ
るこれらの変動は、温度特性における変動と共に、「ト
リミング」として知られるプロセスにより各デバイスに
おいて個々に調整されなければならない。この名前は、
このような調整を行う最も一般的なプロセス、即ち特定
のセンサ要素の抵抗を変化させるためレーザを使用する
こと、あるいはセンサの信号出力における所望の変化を
生じるようにセンサ周囲のネットワークに接続された他
の受動あるいは能動回路要素を使用することから由来す
る。
【０００５】このトリミング法は、センサ組立体の一部
としてのディジタル・メモリー・デバイスのプログラミ
ングを含み得、このセンサ組立体はセンサと、動作に必
要な機械的および電気的な接続とを含んでいる。このデ
ィジタル・メモリー・デバイスにおける情報は、使用時
においてセンサから信号出力を受取るように設計された
ディジタル処理回路によって後で検索され、ディジタル
・メモリー・デバイスに記憶された情報に基いて信号出
力における望ましくない変動を数学的に取除く。
【０００６】カテーテル先端部の検出のための特定用途
は、センサの大きさと、隔膜に対するワイヤ接続数とが
この用途の全体的な寸法上の制約により最小限に維持さ
れることを要求する。圧力センサに極く近接する別の回
路要素に対してはほとんど余地がなく、またセンサに対
する電気的接続数は制限される。処理手法を異にするた
め、ディジタル・メモリー要素を圧力センサと同じシリ
コン・チップ上に集積することは困難である。
【０００７】医療用トランスジューサの製造において
は、感染の危険が低くかつ診療所および病院にとって使
用上便利である使い捨てデバイスの増加傾向が存在する
が、これはデバイスの滅菌の必要がないためである。使
い捨てデバイスを実現可能にするためには、製造上安価
でなければならない。使い捨てトランスジューサの場合
には、このことは、製品の使い捨て部分における回路要
素（センサおよびトリム回路）のコストが最小限に抑え
られねばならないことを意味し、トリム操作を実施する
処理時間を短くしなければならない。
【０００８】圧力トランスジューサの温度補償法につい
ては、米国特許第３，８４１，１５０号、同第３，９５
６，９２７号、同第３，８３６，７９６号、同第４，５
５６，８０７号、同第３，６４６，８１５号、同第３，
８４１，１５０号、同第４，９１６，３８２号および同
第４，３２０，６６４号において記載されている。チッ
プ上の個々の温度検出デバイスが補償を達成する。圧力
信号の補償のためディジタル計算回路あるいはマイクロ
プロセッサ計算回路の使用を含む方法については、米国
特許第４，２２６，１２５号、同第４，３９９，５１５
号、同第４，４４６，５２７号、同第４，５９８，３８
１号、同第４，７６５，１８８号および同第４，８５
８，６１５号に記載されている。これらの方法および回
路は、センサに固有の誤差条件が、容易にプログラムさ
れる不揮発性ディジタル・メモリーに記憶されるため、
トリムに要する時間を短縮する。誤差条件は各センサに
固有であるため、このことは、ディジタル・メモリー・
デバイスがプログラムされること、および各センサ組立
体の一部であることを必要とする。これは、コスト、お
よびトランスジューサ／メモリー組立体とその受信増幅
器回路との間に必要な電気的接続数を増加させる。また
これらの手法は全て、圧力センサに加えて独立的な温度
検出要素あるいは基準要素を必要とする。
【０００９】米国特許第４，７１５，００３号は、定電
流源によりブリッジを励起し、別の温度検出要素を用い
ずにブリッジ温度の直接的表示としてブリッジに対する
電力入力における電圧を使用する手法を記載している。
しかし、この手法はまた、ディジタル回路、および一義
的な補正定数によりプログラムされるディジタル・メモ
リー・デバイスの使用に依存し、上記の諸制約から免れ
ない。ピエゾ抵抗ブリッジ・センサを補償するための他
の手法は、ブリッジ・センサ抵抗の温度係数に関して無
視し得る温度係数を持つ受動的な抵抗ネットワークを使
用することである。結果として、ブリッジ・センサに接
するネットワークの配置は問題とならない。抵抗ネット
ワークは、ブリッジの信号出力に所要の結果を達成する
ように調整された特定の値で、種々の直列／分路の組合
わせにおいてブリッジと接続される。
【００１０】ネットワークは、ブリッジにおける抵抗と
組合わされる時、オフセットおよび温度補償の所与の量
に対する適当な抵抗値を決定するために容易に解決する
ことができない複雑な回路を構成する。温度補償に対す
る調整は信号出力における固定オフセットまたは利得に
影響を及ぼし、またその反対の影響を及ぼすことがネッ
トワークの特性である。その結果、これらのデバイスの
トリミングは反復プロセスであり、これにおいては、セ
ンサの応答は、所要の補正を達成するトリミングの間１
回以上検証されなければならない。
【００１１】米国特許第３，４４７，３６２号は、前の
２つの項において述べた如き手法を開示するが、これに
おいては、トリム・プロセス中誤差ソース間のやりとり
は最小限に抑えられ、補償に必要な抵抗値は代数式によ
り決定することができる。この手法は、４つのブリッジ
・ノードの１つにおける開かれた即ち開路された接続部
を必要とし、そのため抵抗が２つのブリッジ・アーム内
に挿入される。これは、センサ上に別のワイヤ接続を必
要とし、製造コストを増し、ワイヤを終端するに必要な
センサの表面積を増大させる。補償の達成に必要な独自
の抵抗の数および調整を最小限に抑えるが、別の温度検
出要素あるいは特別なセンサ接続を必要としない簡単な
アナログ温度補償法に対する、また迅速かつ反復せずに
実施可能な方法に対する要求が存在する。
【００１２】
【発明の概要】電力入力と、接地基準と、抵抗ブリッジ
の正の信号出力および負の信号出力とを含む信号出力を
持つ抵抗ブリッジに対する補償回路の望ましい実施例
は、この抵抗ブリッジの信号出力の両端における応答の
誤差に対する補正を行う。この補償回路は、基準オフセ
ット電圧を生じる固定回路基準電圧を受取るオフセット
基準ジェネレータを持つことが最も望ましい。
【００１３】電圧制御された電流源は、電力入力と接地
基準間に接続される。この電圧制御電流源は、固定され
た回路基準電圧に正比例するブリッジ励起出力電流を有
し得る。バッファ入力を持つバッファ増幅器は、電力入
力と接続し、このバッファ増幅器は、電力入力電圧と比
例するバッファ出力電圧を生じる電圧フォロワであるこ
とが望ましい。正および負の端子を持つ計装増幅器は、
それぞれ正および負の信号出力と接続してそれからの応
答に比例する初期出力を生じる。プログラム可能な利得
増幅器は、計装増幅器から初期出力を受取り、抵抗ブリ
ッジの圧力応答とは独立する補償された出力を生じる。
補償ネットワークの利得補正部分は、プログラム可能利
得増幅器の利得を調整して抵抗ブリッジの圧力応答にお
ける変動を補正する。
【００１４】補償ネットワークは、バッファ出力電圧お
よび接地基準を受取るオフセット補正部分を含むことが
望ましい。この補償ネットワークは、バッファの出力電
圧に応答して初期オフセット電流を生じ、また抵抗ブリ
ッジの温度変化と比例して変化して初期オフセット電流
の温度に依存する部分を生じる。
【００１５】オフセット補正増幅器は、初期オフセット
電流、バッファ出力電圧および固定回路基準電圧を受取
り、補正信号を生じて信号出力におけるオフセット誤差
を打消す。バッファ出力電圧および初期オフセット電流
は、抵抗ブリッジにおける温度変化と比例して変化し、
これにより補正信号の温度依存部分を生じる。計装増幅
器の基準入力は、補正信号を受取って初期出力を修正す
る。オフセット誤差は、バッファ出力電圧、固定回路基
準電圧および初期オフセット電流の相互作用によりオフ
セット補正増幅器内部で打消される固定部分と温度依存
部分とを持つことが望ましい。補償ネットワークのオフ
セット補正部は、この固定部を調整する１つの抵抗と、
温度依存部を調整する別の１つの抵抗とを持ち、固定部
に対する調整が温度依存部の調整に影響を及ぼすことが
ないようにする。オフセット補正増幅器は、１つの抵抗
がオフセット誤差の固定部の正または負の値を調整でき
るように特定の抵抗を有する。温度依存部に対する他の
１つの抵抗は、オフセット誤差の温度依存部の正または
負の勾配を調整する。
【００１６】抵抗ブリッジの温度依存および固定オフセ
ット誤差を補償する方法もまた、本発明の一部である。
本方法は、抵抗ブリッジを付勢し、第１の温度Ｔ１およ
びゼロ圧力における抵抗ブリッジのオフセットおよび抵
抗を測定し、単位変化の抵抗ブリッジの圧力応答を決定
するため第１の温度Ｔ１および圧力Ｐ１における抵抗ブ
リッジの応答を測定し、温度Ｔ２およびゼロ圧力におけ
る抵抗ブリッジのオフセットおよび抵抗を測定し、温度
による抵抗ブリッジの出力および抵抗における単位変化
を決定するステップを有する。次いで、先行ステップの
決定および測定を用いて３つの抵抗の値を計算し、これ
らの値を選択して、補償ネットワークに含め、抵抗ブリ
ッジの信号出力において加えられた圧力に対する抵抗ブ
リッジの応答におけるオフセット誤差および変化の固定
部および温度依存部に対する補正を行う。
【００１７】
【実施例】本発明は多くの異なる形態における実施例に
より履行されるが、本発明の開示は本発明の原理の例示
として見做されるべきものであり本発明を例示された実
施態様に限定する意図はないという理解に基いて、図面
および本文に本発明の望ましい実施態様が示される。本
発明の範囲は、頭書の特許請求の範囲およびその相等技
術により計られよう。
【００１８】シリコンに基くピエゾ抵抗圧力センサを補
償するための改善された技術は、独立的な温度検出要素
の必要を排除し、補償定数の体系化にディジタル・メモ
リー回路を必要としない。最小限の数の受動回路要素が
カテーテル圧力プローブの一部として要求される。４個
のホイートストーン・ブリッジ接続以上のセンサの接続
は不要であり、センサ信号に対するディジタル処理回路
は必要でない。本文に述べた方法を用いることにより、
他のアナログ手法に勝るトリミングのための製造時間の
著しい減少が達成できる。
【００１９】図１において、望ましい補償回路１０にお
いて使用される回路ブロックの形態が示される。１つの
ブロックは、ホイートストーン形態の抵抗ブリッジ１１
であり、信号出力１６により、隔膜、即ちブリッジが取
付けられる薄い可撓性の部材の両側の圧力の変化に対す
る抵抗ブリッジの応答が生じる。抵抗ブリッジ１１はま
た、電力入力１４と接地基準１５に跨がって加えられる
電圧の大きさにおける変化に応答する。信号出力１６に
おける抵抗ブリッジの応答は、補償されず、オフセッ
ト、感度および温度依存誤差を含む。補償ネットワーク
３１は、別の回路ブロックであり、その値即ち特性が抵
抗ブリッジにおける応答のオフセット、感度および温度
依存誤差に対して補償するように選定された回路構成要
素を有する。これら構成要素の特性値は、個々の抵抗ブ
リッジ１１毎に異なり、これらの構成要素は通常抵抗ブ
リッジをセンサとして持つ組立体の一部をなす。本文に
おいては、どのように１つの代数関係により値が決定さ
れた３つの個々の抵抗がこれから述べる回路を用いて抵
抗ブリッジの応答における誤差を補償できるかが示され
る。図１に示される他の回路は、本文に述べる如き諸機
能を持ち、これら回路の構成要素値が特定の抵抗ブリッ
ジ応答の如何に拘わらず同じであるように設計されてい
る。
【００２０】図１において、抵抗ブリッジ１１に対する
補償回路１０が示される。抵抗ブリッジ１１は、各々が
１対の抵抗を含む１対のアーム１２、１３を含んでい
る。図３において述べるように、各対の抵抗の一方が応
力変形と共に増加し、他方は応力変形と共に減少する。
抵抗ブリッジ１１は、電力入力１４と、接地基準１５
と、正の信号出力１７および負の信号出力１８を含む信
号出力１６とを有する。この信号出力の応答は、望まし
い用途においては、抵抗ブリッジ１１に与えられる圧力
と、電力入力１４に加えられる電気信号との関数であ
る。
【００２１】補償回路１０はまた、固定された回路基準
電圧２０を受取って接地基準１５の電位および固定回路
基準電圧２０間に基準オフセット電圧２１を生じるオフ
セット基準ジェネレータ１９を含む。基準オフセット電
圧２１が固定回路基準電圧２０と接地基準１５間の電位
差のちょうど半分になること、および該基準オフセット
電圧２１が使用においてバイポーラ電源を持つ回路の共
通即ち基準電位と等価であることが望ましい。固定回路
基準電圧２０と基準オフセット電圧２１間の他の関係が
可能である。固定回路基準電圧２０は、ツェナー即ちバ
ンドギャップ基準により生成することができ、またこの
ような基準はこの補償回路１０に適する。詳細な分析に
おいては、正確な基準値は必要でなく、線形調整器電源
回路から得られる電圧調整で充分であることが示され
る。
【００２２】電圧制御された電流源２２は、電力入力１
４と接地基準１５間に接続され、図１に示されるよう
に、抵抗ブリッジ１１に対して電力を供給する。電圧制
御電流源２２は、固定回路基準電圧２０に正比例するブ
リッジ励起出力電流２３を有する。バッファ入力２５を
持つバッファ増幅器２４が電力入力１４に接続されてい
る。このバッファ増幅器２４は、ブリッジ励起出力電流
２３を電力入力１４からそらせることのないようにし
て、即ちブリッジ励起出力電流２３をバッファ増幅器２
４に分流させないようにして、電力入力１４における電
圧に比例するバッファ出力電圧２６を生じる電圧フォロ
ワとして構成される。正の端子２８および負の端子２９
を持つ計装増幅器２７が、それぞれ正の信号出力１７と
負の信号出力１８に接続して、信号出力１６の応答に比
例する初期出力３０を生じる。
【００２３】補償ネットワーク３１は、バッファ出力電
圧２６および接地基準１５を受取るオフセット補正部３
２を含む。補償ネットワーク３１は、バッファ出力電圧
２６に応答して初期オフセット電流３３を生じ、これは
更に抵抗ブリッジ１１の温度変化と比例して変化し、こ
れにより初期オフセット電流３３の温度依存部分を生じ
る。
【００２４】オフセット補正増幅器３４は、初期オフセ
ット電流３３、バッファ出力電圧２６および固定回路基
準電圧２０を受取り、補正信号３５を生じて信号出力１
６の応答におけるオフセット誤差を打ち消す。バッファ
出力電圧２６および初期オフセット電流３３は共に、抵
抗ブリッジ１１における温度変化に比例して変化し、こ
れにより補正信号３５の温度依存部分を生じる。計装増
幅器２７の基準入力３６は、補正信号３５を受取って、
この補正信号３５に応答して初期出力３０を修正する。
計装増幅器２７における初期出力３０の修正は、抵抗ブ
リッジの応答における固定オフセット誤差および温度依
存オフセット誤差からのゼロ化を含む。
【００２５】抵抗ブリッジ１１のオフセット誤差は、オ
フセット補正増幅器３４内のバッファ出力電圧２６、固
定回路基準電圧２０および初期オフセット電流３３の相
互作用により打消される固定部分および温度依存部分を
有する。詳細に説明するように、補償ネットワーク３１
のオフセット補正部３２は、前記固定部を調整する１つ
の抵抗と、温度依存部を調整する別の１つの抵抗を持
ち、固定部に対する調整が温度依存部の調整に影響を及
ぼさないようにする。オフセット補正増幅器３４は、固
定部に対する１つの抵抗がオフセット誤差の固定部の正
または負の値を調整することを許すよう選定され構成さ
れた抵抗を含む。温度依存部に対する他の１つの抵抗
は、オフセット誤差の温度依存部分の正または負の勾配
を調整する。
【００２６】プログラム可能な利得増幅器３７は、計装
増幅器２７から初期出力３０を受取り、加えられる圧力
に対する抵抗ブリッジの応答とは独立する、補償された
出力３８を生じる。補償ネットワーク３１の利得補正部
３９は、プログラム可能利得増幅器３７の利得を調整し
て、加えられる圧力に対する抵抗ブリッジの応答におけ
る変動を補償するため使用される利得抵抗を有する。こ
のプログラム可能利得増幅器３７は、反転利得または非
反転利得のいずれかに対して構成された演算増幅器を持
ち、補償されない抵抗ブリッジ応答の感度の如何に拘わ
らず、補償出力３８における圧力応答が、固定された逓
減係数を有することを保証する。
【００２７】望ましい実施態様においては、計装増幅器
２７およびプログラム可能利得増幅器３７の初期出力３
０は、接地基準１５の代わりに基準オフセット電圧２１
に関して測定される。これは、負になる圧力信号を許容
するため負の電源電圧に対する必要を避けるためであ
る。他の基準方式も可能である。
【００２８】図１の右側においては、固定回路基準電圧
２０、基準オフセット電圧２１および補償出力３８が、
アナログ−ディジタル・コンバータ４０に向かう。この
アナログ−ディジタル・コンバータ４０は、更なる信号
の処理のために、固定回路基準電圧２０に対する補償出
力３８の比率についてアナログ−ディジタル変換を行う
可能性を示すために含まれている。これは、多くの手法
の１つにより達成でき、固定回路基準電圧２０における
変動を補償でき、これにより正確な固定された回路基準
電圧の必要を排除する。前記アナログ−ディジタル・コ
ンバータは不要であるが、その値は以降の詳細な分析に
おいて示される。
【００２９】補償回路１０の詳細な分析については、回
路構成要素が示される図２の概略図を参照することによ
り最もよく理解されよう。温度の補償は、３つの抵抗の
適正な選定によって達成することができる。この分析に
おいては、抵抗の精度および整合公差、および増幅器の
オフセット、バイアス電流および利得誤差は、適正な構
成要素の仕様によって管理し得るレベルに保持されるも
のと仮定される。これは、実験により検証される如く妥
当な仮定である。
【００３０】図１におけるブロックを含む図２の回路構
成要素について説明することにする。
【００３１】図２は、図１の補償回路１０の要素を示
す。抵抗ブリッジ１１が取付けられた補償回路１０の補
償出力３８における所要の信号は図１に示され、下記の
出力電圧を有する。
【００３２】(１) ＶCO ＝ ＡT・Ｐ＋ＶA 但し、ＶCOは、補償回路１０のｍＶ単位の補償された出
力３８ ＡTは、組合わせられた抵抗ブリッジ１１および補償回
路１０のｍｖ／ｍｍＨｇ単位の全利得係数 Ｐは、抵抗ブリッジ１１に加わるｍｍＨｇ単位の圧力差 ＶAは、（ユニポーラ信号が負の圧力をも表わすことを
許容する）ボルト単位の基準オフセット電圧２１ 補償回路１０は、補償されない利得および抵抗ブリッジ
応答のオフセットの如何に拘わらず、全有効利得係数Ａ
T、および補償出力３８における２１に示される基準オ
フセット電圧ＶAが各抵抗ブリッジ１１に対して同じで
あることを保証する。
【００３３】補償されない抵抗ブリッジの応答は、下記
の如くにモデル化される。
【００３４】 (２) ＶＯ2−ＶＯ1＝ＶB［（ＯＦＦV＋ＴＣＯV（ΔＴ）） ＋ＳVO（１＋ＴＣＳV（ΔＴ））・Ｐ］ 但し、ＶBは、抵抗ブリッジ１１の電力入力１４および
接地基準１５間のボルト単位の励起電圧 ＯＦＦVは、一定電圧により励起される時、圧力ゼロ、
およびμＶ／Ｖ単位の第１の基準温度Ｔ１における抵抗
ブリッジ１１の出力オフセット電圧 Ｔは、抵抗ブリッジ１１の℃単位の温度 ＳVは、一定電圧により励起される時、第１の基準温度
Ｔ１におけるμＶ／Ｖ／ｍｍＨｇ単位の圧力に対する抵
抗ブリッジ１１の感度 ＴＣＯVは、一定電圧により励起される時、抵抗ブリッ
ジ１１のμＶ／Ｖ／℃単位のオフセット温度係数（一次
の項） ＴＣＳV［（ｄＳV／ｄＴ）／ＳV］は、一定電圧により
励起される時、通常は感度の百分率として示されるＰＰ
Ｍ／℃または％／℃単位の抵抗ブリッジ１１の温度感度
係数（一次の項） Ｐは、式(１)におけるＰと同じ抵抗ブリッジ１１の両端
の圧力差 式(２)は、式(１)より多くの項を持つ。一方は温度に依
存し一方はそうでなくかつ圧力とは独立する２つのオフ
セット項があり、その両方とも個々の抵抗ブリッジ１１
に対して一義的である。また、一方は温度に依存し一方
はそうでない２つの圧力に依存する項があり、両者もま
た各抵抗ブリッジ１１に対して一義的である。補償回路
１０の目的は、個々の抵抗ブリッジ１１の実際のオフセ
ットの如何に拘わらず、補償出力３８が抵抗ブリッジ応
答から温度依存オフセット項を取除き、抵抗ブリッジ応
答の非温度依存オフセット項を各抵抗ブリッジ１１に対
して同じ値にセットし、圧力に対する抵抗ブリッジ１１
の感度の温度係数を取除き、固定された大きさＶBにお
ける励起を保持して、抵抗ブリッジ１１の実際のＳV Oに
基いて調整可能な回路利得Ａcを生じるように、信号出
力１６から受取る抵抗ブリッジ応答を操作することにあ
り、これにより、 (３) ＡT ＝ ＳVO・ＶB・ＡC 従って、ＡTは全ての値ＳVOに対して１つの固定された
値を維持する。
【００３５】ＴＣＯVおよびＴＣＳVは、線形項とされ
る。これは完全に真ではないが、カテーテル先端用途の
温度範囲（１５〜４０℃）に対するこの仮定の二次の効
果は最小限である。温度および圧力に依存する項の非線
形性は、この回路では完全には補償されず、残るいずれ
かの誤差項の主たる原因となり得る。
【００３６】図１および図２に示した補償回路１０は、
定電圧の代わりに定電流ブリッジ励起を用いており、こ
のことは式(２)即ち基本抵抗ブリッジ式が、定電流励起
ならびに定電圧に対して妥当であるように示されるべき
ことを意味する。これにより、定電圧に基くＯＦＦV、
ＴＣＯV、ＳVおよびＴＣＳV係数と関連する定電流に基
くパラメータが生成されることになる。
【００３７】電圧ＶＲＥＦは、固定回路基準電圧２０で
ある。補償回路１０は、正確な固定回路基準値の必要が
なくなり、通常に調整された電源電圧が回路の基準値と
して充分であるように、ＶＲＥＦにおける変動の効果を
排除する。図２に示されるように、オフセット基準ジェ
ネレータ１９は、増幅器Ｕ１、および抵抗Ｒ１、Ｒ２、
Ｒ３およびＲ４を含む。Ｕ１は、基準オフセット電圧Ｖ
Ａ ２１を生じる電圧フォロワである。抵抗Ｒ１、Ｒ２
およびＲ３は、 Ｒ３ ＝ Ｒ１＋Ｒ２ となるように選定され、 従って、ＶＡ ＝ＶＲＥＦ／２ ＶＡは、負の電源が必要でないように回路共通電位に代
わる基準電位として使用される。このように、また演算
増幅器の慎重な選定により、補償回路１０は、小さなバ
ッテリを用いて正確な動作を生じるために充分に低い電
力補償を以て構成することができる。抵抗Ｒ４は、増幅
器Ｕ１のバイアス電流を打消して補償回路１０の動作に
影響を及ぼさずに精度を向上させるように選定される。
【００３８】電圧制御電流源２２は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、
Ｒ３およびＲ５、増幅器Ｕ２およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ１
を含む。抵抗Ｒ１乃至Ｒ３は、回路バイアス電流を最小
限に抑えるようにオフセット基準ジェネレータ１９と共
用される。出力電流は、下記の如く定義される。
【００３９】
【００４０】ＩSは、ブリッジ励起出力電流２３であ
る。Ｒ３はＲ１にＲ２を加えたものに等しく、もしＲ１
がＲ２と等しければ、
【００４１】
【００４２】この関係は、全ての以降の計算のため下記
に簡約される。
【００４３】(４) ＩS ＝ ｇm・ＶREF 利得を決定する抵抗は、通常の用途において固定される
１つの相互コンダクタンス・パラメータｇmに総括され
る。
【００４４】図２のバッファ増幅器２４は、電圧フォロ
ワとして構成される増幅器Ｕ３からなっている。このバ
ッファ増幅器２４は、電力入力１４における電圧ＶBを
追跡して、補償ネットワーク３１およびオフセット補正
増幅器３４により受取られるバッファ出力電圧２６であ
るＶBBを生じる。ブリッジ励起出力電流ＩS ２３は、
典型的には低出力用途の１００マイクロアンペアから１
ミリアンペアの範囲にある。従って、Ｕ３は、電流源誤
差に対するその寄与が無視し得ることを保証するべく、
その入力バイアス電流が充分に低くなるよう選定されね
ばならない。
【００４５】式(２)は、一定励起電圧ＶBに関する抵抗
ブリッジ応答を有する。この応答は、下記のブリッジ励
起電圧および励起電流間の関係を用いて補償回路１０に
おいて用いられる如き定電流励起に変換することができ
る。
【００４６】 (５) ＶB ＝ ＩS・ＲＢ（１＋ＴＣＲＢ（ΔＴ）） 但し、ＲＢは、電力入力１４および接地基準１５の間に
おけるΩを単位とする抵抗。
【００４７】ＴＣＲＢ［（ｄＲＢ／ｄＴ）／ＲＢ］は、
ＲＢの百分率として与えられるブリッジ抵抗ＲＢの一次
項のＰＰＭ／℃または％／℃を単位とする温度係数 式(５)を式(２)に代入すると、 （６） ＶS＝[ＩS・ＲＢ(１＋ＴＣＲＢ(ΔＴ))]・[ＯＦＦV＋ＴＣＯV(ΔＴ) ＋ＳV(１＋ＴＣＳV(ΔＴ))・Ｐ] 但し、ＶSは、補償されない信号出力１６の両端のＶ単
位の電圧差、あるいは、換言すれば ＶS ＝ ＶＯ2−ＶＯ1 式（６）は、取扱いを更に容易にするため２つの部分に
分けられる。
【００４８】（７） ＶS ＝ ＶSO＋ＶSP 但し、 ＶSO＝ＩS・ＲＢ(１＋ＴＣＲＢ(ΔＴ))(ＯＦＦV＋ＴＣＯV(ΔＴ)) ＶSP＝ＩS・ＲＢ(１＋ＴＣＲＢ(ΔＴ))・ＳV・Ｐ(１＋ＴＣＳV(ΔＴ)) ＶSOおよびＶSPは、それぞれ、式（６）の非圧力依存
（オフセット）項および圧力依存項である。
【００４９】非圧力依存項は展開されて分析される。
【００５０】 ＶSO＝ＩS・ＲＢ(ＯＦＦV＋ＴＣＯV(ΔＴ)＋ＯＦＦV・ＴＣＲＢ(ΔＴ) ＋ＴＣＲＢ・ＴＣＯV(ΔＴ)2) ＴＣＲＢおよびＴＣＯV項は他の項に比して小さいた
め、また問題となるΔＴの範囲は小さいため、項ΔＴ2
は重要でないと見做され、無視することができる。
【００５１】 ＶSO＝ＩS・［ＲＢ・ＯＦＦV＋ＲＢ(ＴＣＯV＋ＯＦＦV・ＴＣＲＢ)(ΔＴ)］ または（８） ＶSO＝ＩS・［ＯＦＦI＋ＴＣＯI（ΔＴ）］ 但し、ＯＦＦI＝ＲＢ・ＯＦＦVは、定電流により励起さ
れる時、圧力ゼロおよび第１の基準温度Ｔ１におけるμ
Ｖ／ｍＡを単位とする抵抗ブリッジ１１の出力オフセッ
ト電圧 ＴＣＯI＝ＲＢ（ＴＣＯV＋ＯＦＦV・ＴＣＲＢ）は、定
電流により励起される時、μＶ／ｍＡ／℃を単位とする
抵抗ブリッジ１１のオフセット温度係数（一次の項） ＯＦＦVおよびＴＣＯVをＯＦＦIおよびＴＣＯIに変換す
ることは、抵抗ブリッジ１１の補償されてないパラメー
タが定電流励起下で測定されるならば、重要でない。こ
の場合、定電流に基くパラメータは直接測定することが
できる。この関係は、抵抗ブリッジ１１の応答が励起の
形式の如何に拘わらず同様な手段によりモデル化するこ
とができることを示す。補償手法は定電流励起を用いる
ため、補償ネットワーク３１における抵抗に対する値を
計算するための式は定電流パラメータに基く必要があ
る。補償されてない抵抗ブリッジ１１を特徴付けるよう
に一定電圧を使用し、図示の如くＯＦＦV、ＴＣＯV、Ｒ
ＢおよびＴＣＲＢを測定し、ＯＦＦIおよびＴＣＯIを得
るのがより便利であろう。このような変換における信頼
度は、近似誤差およびセンサの非線形性に依存する。
【００５２】式（６）の第２の半分に戻って、圧力依存
項を展開する。
【００５３】 ＶSP＝ＩS・ＲＢ・ＳV・Ｐ[１＋ＴＣＲＢ(ΔＴ)＋ＴＣＳV(ΔＴ) ＋ＴＣＲＢ・ＴＣＳV(ΔＴ)2] Ｄは下記の如くに定義される。
【００５４】（９） Ｄ ＝ ＴＣＲＢ＋ＴＣＳV あるいは ＴＣＲＢ ＝ Ｄ−ＴＣＳV 但し、 Ｋ1 ＝ ＩS・ＲＢ・ＳV・Ｐ これらの関係を代入して、 ＶSP＝Ｋ1・[１＋(Ｄ−ＴＣＳV)(ΔＴ)＋ＴＣＳV(ΔＴ) ＋(Ｄ−ＴＣＳV)(ＴＣＳV)(ΔＴ)2] ＶSP＝Ｋ1・[１＋Ｄ(ΔＴ)−ＴＣＳV(ΔＴ)＋ＴＣＳV(ΔＴ) ＋Ｄ・ＴＣＳV(ΔＴ)2−ＴＣＳ2 V(ΔＴ)2] これらの項の２つは、加算されるとゼロとなり、オフセ
ット項における如く、項(ΔＴ)2は消去でき、そのため
この式は短く下式になる。
【００５５】ＶＳＰ＝ Ｋ１・（１＋Ｄ（ΔＴ）） または ＶＳＰ＝ＩＳ・ＲＢ・ＳＶ・Ｐ（１＋Ｄ（ΔＴ）） 書き直せば （１０） ＶＳＰ＝ＩＳ・ＳＩ（１＋ＴＣＳＩ（ΔＴ））・Ｐ 但し、ＳＩ＝ＳＶ・ＲＢは、定電流により励起される
時、第１の基準温度Ｔ１におけるμＶ／ｍＡ／ｍｍＨｇ
を単位とする圧力に対する抵抗ブリッジ１１の感度ＴＣ
ＳＩ＝Ｄ＝ＴＣＲＢ＋ＴＣＳＶは、定電流により励起さ
れる時、ＰＰＭ／℃または％／℃を単位とする抵抗ブリ
ッジ１１の感度の温度係数（一次の項）このことは、も
しＴＣＲＢ＝−ＴＣＳＶであれば、定電流励起に対して
ＴＣＳＩ＝０となる点で重要である。通常の製造公差で
差Ｄが５００ＰＰＭ／℃より小さく容易に保持できるよ
うにピエゾ抵抗センサを設計することは可能である。こ
のことは、定電流で励起することにより、温度感度係数
が５００ＰＰＭ／℃より小さくなることを意味し、これ
は充分に他の手法により補償されたこの形式のピエゾ抵
抗センサに対する典型的な限度以内に十分収まる。抵抗
ブリッジ１１のＴＣＳはこれ以上の補償は必要でなく、
その補償は回路設計において固有のものであり、トリミ
ングは行われない。本例の関係は、抵抗ブリッジの圧力
感度ＳＩが、オフセットおよびＴＣオフセット・パラメ
ータに対して示されるものと同様な方法においてパラメ
ータＳＶおよびＲＢから導出することができることを示
す。
【００５６】電圧に基く励起パラメータから電流に基く
励起パラメータへの変換は、式（６）の圧力依存部分と
非圧力依存部分の組合わせによって完了する。式
（７）、（８）および（１０）を組合わせると、 ＶS＝ＩS・(ＯＦＦI・ＴＣＯI(ΔＴ))＋ＩS・ＳI(１＋ＴＣＳI(ΔＴ))・Ｐ (１１) ＶS＝ＩS［(ＯＦＦI＋ＴＣＯI(ΔＴ))＋ＳI(１＋ＴＣＳI(ΔＴ))・Ｐ］ このパラメータ変換式は都合のよいだけ繰返される。
【００５７】（１２） ＯＦＦI＝ＯＦＦV・ＲＢ （１３） ＴＣＯI＝ＲＢ（ＴＣＯV＋ＯＦＦV・ＴＣＲＢ） （１４） ＳI＝ＳV・ＲＢ （１５） ＴＣＳI＝ＴＣＳV＋ＴＣＲＢ ＴＣＳに対する充分な補償が得られたため、この項は以
降の分析において消去される。このため、式（１１）は
短くなり （１６） ＶS＝ＩS・［ＯＦＦI＋ＴＣＯI（ΔＴ）＋ＳI・Ｐ］ 残ることは、各抵抗ブリッジ１１の非圧力依存項におけ
る変化を排除し、最後に適正な逓減係数を提供する手段
を確立することである。
【００５８】定電流励起を用いることにより、抵抗ブリ
ッジの出力が別のセンサ・パラメータＲＢおよびＴＣＲ
Ｂに依存させられて、その特性における誤差および時間
的な反復性の可能性を生じるように思われるであろう。
これは考慮しなければならないが、定電流励起を用いる
ことがＴＣＳ誤差の打消しを上回る他の明瞭な利点をも
たらし、これを補償回路１０が使用する。
【００５９】マイクロ加工技術により非常に小さな抵抗
ブリッジ圧力センサを作る際には、潜在的用途が必要と
する寸法制限が、隔膜から離してチップ上に配置される
別の温度検出要素に使用できるスペースの厳しい制約と
なる。通常は、別の温度検出要素は、寸法制限の故に抵
抗ブリッジに対して極く近接状態にあるべきならば、隔
膜上になくてはならない。もし温度検出要素が抵抗ブリ
ッジに対して物理的に極く近接していなければ、これら
要素は、抵抗ブリッジの温度を正確に追跡せず、充分な
温度補償を行わないことになる。
【００６０】抵抗ブリッジの抵抗は明瞭かつ測定可能な
温度特性を持ち、これがオフセット温度係数誤差の根源
となる。従って、もし可能ならば、センサ上の別の温度
検出要素なしに温度の補償を可能にする補正機構として
ブリッジ全体の抵抗の温度特性を用いることが望まし
い。これは、もし下記の関係が考えられるならば、定電
流励起を用いることにより更に容易となる。即ち、 ＶB ＝ ＩS・ＲＢ（１＋ＴＣＲＢ（ΔＴ）） または ＶB ＝ ＶBO＋ＴＣＶB（ΔＴ） 但し、ＶBO＝ＩS・ＲＢは、第１の基準温度Ｔ１におけ
る電力入力１４のＶ単位の電圧 ＴＣＶB＝ＩS・ＲＢ・ＴＣＲＢは、電力入力１４におけ
るｍＶ／℃を単位とする電圧の温度係数 線形ＴＣＲＢを仮定することは、電力入力１４における
電圧ＶBが、各抵抗ブリッジ１１毎に異なるが、ＩSが固
定されるものとしてブリッジ抵抗ＲＢのみに依存する切
片項で温度に正比例することを意味する。抵抗ブリッジ
のオフセットもまた抵抗ブリッジ毎に固定され、ＴＣＯ
が線形となるものとするため、電力入力１４における電
圧ＶBは、適当な利得を持つセンサ増幅回路に適正に加
算されるならば、該電圧ＶBは、抵抗ブリッジのオフセ
ットおよびオフセット温度係数に対して補正するように
使用することができる。この補償手法は、演算増幅回路
により実現され、オフセット量およびＴＣＯ補正は２つ
の抵抗調整によって行われる。この回路を比較的簡単に
することは、電力入力１４における電圧を温度依存補正
信号として使用することを可能にする定電流励起を用い
ることにより容易となる。
【００６１】残る問題は、このような用途における信頼
し得る温度表示器として使用されるＲＢの適合性であ
る。抵抗ブリッジ１１の詳細図である図３において、Ｒ
Ｂは４つの抵抗ＲＢ１乃至ＲＢ４の直並列組合わせであ
り、更に正確には （１７） ＲＢ＝（ＲＢ１＋ＲＢ２）||（ＲＢ３＋ＲＢ４） ＲＢ１＝ＲＢ２＝ＲＢ３＝ＲＢ４＝ＲＢＸであるため、 ＲＢ＝２ＲＢＸ||２ＲＢＸ または ＲＢ＝ＲＢＸ この関係は、全ブリッジ抵抗ＲＢがブリッジ要素ＲＢ１
乃至ＲＢ４の公称値に等しいことを意味する。実際に
は、４つの抵抗間には僅かな差があり、これらは隔膜上
に極く近接することにより厳密に整合されるが、さもな
ければ、センサのオフセットは受入れ難く高くなろう。
個々の抵抗ＲＢ１乃至ＲＢ４のＴＣＲもまた厳密に整合
され、さもなければ、ブリッジのＴＣＯは受入れ難く高
くなろう。もし個々の抵抗ＲＢ１乃至ＲＢ４のＴＣＲが
全て略々等しく、ＴＣＲＸに等しければ、組合わせ全体
ではＴＣＲＢ＝ＴＣＲＸなる関係が妥当しよう。隔膜の
両側における温度がその小さな寸法の故に一定であるた
め、ＴＣＲＢは抵抗ブリッジ温度の良好な表示器であ
る。
【００６２】抵抗と温度の関係を最も容易に歪める要因
は隔膜の圧力である。図３は、圧力による各要素の抵抗
の変化の方向（増加または減少）を示す矢印がある。も
しＲＢ２およびＲＢ３がＲＢ１およびＲＢ４の減少量と
同じ量だけ増加するならば、和のＲＢ１＋ＲＢ２および
和のＲＢ３＋ＲＢ４は一定なままであり、式（１７）に
より、ＲＢは変化しないことになる。しかし、このよう
な特性における不一致が圧力によりＲＢをやや変化させ
ることになる。実際には、この変化は非常に小さい。こ
の効果は、二次の項ＴＣＲの効果と共に、ＴＣＯおよび
ＴＣＳに対する二次項の効果のように実際には顕著では
ない。
【００６３】次のステップは、オフセットおよびＴＣオ
フセットの補償と関連する関係を生じることである。分
析において述べた回路ブロックおよび構成要素を確認す
るため再び図１および図２を参照しよう。図２におい
て、オフセット補正増幅器３４は増幅器Ｕ７と抵抗Ｒ
９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１５およびＲ１６を含む。補償
ネットワーク３１のオフセット補正部３２は、抵抗ＲＴ
およびＲＯを有する。ＲＴは、これも固定オフセット項
に影響を及ぼすことが判るであろうが、主としてオフセ
ットの温度係数に対する調整を行う。ＲＯは、ＴＣオフ
セットに影響を及ぼすことなく固定オフセットに対する
調整を行う。図１に示されるオフセット電流は、Ｕ７の
負の入力端子と接続する。
【００６４】計装増幅器２７は、増幅器Ｕ４、Ｕ５およ
びＵ６、および抵抗Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ１２、Ｒ１３
およびＲ１４を含む。計装増幅器ブロックの正の端子２
８は、増幅器Ｕ５の正の端子であり、計装増幅器の負の
端子２９はＵ４の正の端子である。基準入力３６は、補
正信号ＶＣＳを受取るＵ６の正の端子である。初期出力
３０は、電圧ＶＩＯにより示される。Ｒ１５およびＲ１
６は説明を簡単にするためオフセット補正増幅器３４の
一部として示されるが、これらは計装増幅器２７の一部
でもよく、計算においてはこのような方法で取扱われ
る。
【００６５】計装増幅器２７に対する基本式は、
【００６６】
【００６７】計装増幅器の第２段の利得Ｇ2は、望まし
い実施態様においては１に等しく設定され、従って除く
ことができる。
【００６８】ＶS ＝ ＶＯ2−ＶＯ1 従って、
【００６９】
【００７０】この式を式（１６）と組合わせると、下式
を得る。即ち、
【００７１】
【００７２】（Ｕ３が利得１のバッファであるため）Ｖ
BB＝ＶBとし、式（４）および式（５）を上記のＶIOに
対する式に組込むと、下式を得る。即ち、
【００７３】
【００７４】この利得式を簡単にするには、トリム抵抗
ＲＴおよびＲＯに関して示すことができるようにＶC項
を展開しなければならない。式（１８）は下式となる。
【００７５】
【００７６】これらの項を再びグループ分けすることに
より、
【００７７】
【００７８】式（１９）は複雑に見えるが、最初の行は
圧力あるいは温度のいずれにも依存しない項を含む。こ
れら項は、固定オフセットにのみ寄与する。第２の行
は、全て温度に依存するも圧力には依存しない項を含
む。これらの項は、温度によるオフセット・シフトにの
み寄与する。第３の行は、これが隔膜圧力×定数を持
ち、固定されたオフセット項または温度依存項がないた
め、式(１)と似ている。
【００７９】式（１９）の１行目は、抵抗ブリッジ１１
のオフセットに比例する固定オフセット項を含むが、他
の項は回路パラメータの積である。他項のあるものは正
であり、あるものは負である。ブリッジのオフセットに
依存しない項がオフセットの正および負両方の値に対し
て出力信号に対する抵抗ブリッジのオフセットの効果を
打消すべく加算するように回路パラメータに対する値を
選定することは可能なはずである。
【００８０】温度依存項に対する式（１９）の２行目に
おいて、温度依存項の１つがオフセットの抵抗ブリッジ
温度係数に比例するが、他の項は抵抗の抵抗ブリッジ温
度係数、および種々の固定回路パラメータのみに比例す
る。式（１９）の１行目のように、他の項の１つは正で
あり、別の項の１つは負である。この場合において、意
図は、正および負のＴＣＲＢ項の相対的な重みが出力信
号に対するブリッジのＴＣオフセット項の効果を打消す
ように、回路パラメータに対する値を選定することであ
る。
【００８１】もしこれらの目標が同時に達成し得て、そ
の結果その１行目における全ての項は、１つの固定値と
なるように加えることができ、かつ２行目における全て
の項を加えてゼロとなり得るならば、図１および図２に
おいて３０で示される初期値ＶIOは圧力に依存し、抵抗
ブリッジのオフセット項には依存しないことになる。こ
れらの課題を果たす際、回路パラメータの数を最小限に
調整するよう維持することが望ましい。また、特に固定
オフセットのための補正調整が温度依存補正項に影響を
及ぼさないように、相互依存要因を最小限に抑えること
も望ましい。このことは、もしブリッジのオフセットの
日常的な微小同調が達成されるべきであれば必要とな
る。
【００８２】式（１９）において、温度依存項に影響を
及ぼすことなく固定オフセット項を変更するか、あるい
はその反対にするため調整が可能な多くの抵抗値があ
る。従って、温度依存項に対する調整を考察しよう。
【００８３】温度効果を打消すためには、温度依存項は
足してゼロになければならない。
【００８４】
【００８５】共通因数を除いて、
【００８６】
【００８７】この式は、下記の如くＲＴについて解くこ
とができる。即ち、
【００８８】
【００８９】式（２０）は、３つの温度依存項が抵抗Ｒ
Ｔの適正な選定により加えたときゼロになることを示
す。ブリッジ抵抗に対する値ＲＢ、抵抗の温度係数ＴＣ
ＲＢおよびオフセットの温度係数ＴＣＯIは、抵抗ブリ
ッジ１１における測定から得られねばならない。値Ｇ1
およびＲ９は、回路定数である。この式は、下式が成立
する限り、ＴＣＯIの正および負の値に対して正しい。
即ち、 ２・Ｇ1・ＴＣＯI＋ＲＢ・ＴＣＲＢ＞０ このような場合、ＲＴに対する計算値はゼロより大きく
なり、ＴＣＲＢが正である限り、有意な解を生じること
になる。ＴＣオフセットの補正は、回路の基準電圧ある
いは相互コンダクタンスｇmの値のいずれか一方に依存
することがない。更に重要なことには、ＲＴは抵抗Ｒ１
０、Ｒ１１またはＲＯのいずれにも依存しない。これら
の抵抗は、ＴＣオフセット補償に影響を及ぼすことなく
固定オフセット補償量を調整するため使用することがで
きる。
【００９０】３つの抵抗Ｒ１０、Ｒ１１またはＲＯのい
ずれか１つは、ＴＣオフセットに対する補正に影響を及
ぼすことなくオフセット・トリムのため選定することが
できる。ＲＴの値はオフセットの補正に影響を及ぼすた
め、ＲＴは式（２０）を用いて選定され、次いでその値
はオフセット・トリムの計算において使用される。
【００９１】補償回路１０の望ましい実施態様において
は、固定オフセットをゼロではなく図１および図２に２
１として示される基準オフセット電圧ＶAの値に調整す
ることが望ましい。他の電圧もあり得るが、前項におい
て説明したように、基準オフセット電圧２１は図１およ
び図２に２０として示した固定回路基準電圧ＶREFの値
の半分に設定された。従って、オフセット補正抵抗の値
を求める際、式（１９）の１行目における全ての項の和
はこの値に等しく設定される。この関係は、下記の式に
おいて示される。ＶREFは、これが各項に共通であるた
めこの式からは除かれている。このことは、当初の設計
目的であったオフセット補正がＶREFには依存しないこ
とを示唆する。
【００９２】
【００９３】ＲＯは、それについて解き、上記の関係を
満たすように抵抗値として選定される。ＲＯの項におけ
る解は下記の如く得られる。
【００９４】
【００９５】式（２１）および式（２２）を直前の式に
代入すると以下の如くになる。
【００９６】
【００９７】補償回路１０における構成要素に対する値
は、抵抗ブリッジのオフセット、オフセットの温度係
数、抵抗値および抵抗値の温度係数の広範囲に対して、
ＲＯおよびＲＴに対する値の現実的な範囲が選定できる
ように選定することができる。
【００９８】ＲＯおよびＲＴが上記の関係を満たすよう
に１組の固定された回路パラメータと見合うように選択
されたとすれば、式（１９）は下記のように短くなる。
即ち、 （２４） ＶIO ＝ Ｇ1・ｇm・ＶREF・ＳI・Ｐ＋ＶA Ｇ1、ｇmおよびＶREFは、下記の利得定数により表わす
ことができるミリアンペア単位の固定された回路定数で
ある。
【００９９】 （２５） ＡＣ１ ＝ Ｇ１・ｇｍ・ＶＲＥＦ 抵抗ブリッジ１１の補償されてない圧力感度ＳＩは、抵
抗ブリッジ１１の定電流励起の故に、単位圧力当たりの
励起ミリアンペア当たりのμＶ／の単位で定義される。
式（２４）および式（２５）を組合わせて、 （２６） ＶＩＯ ＝ ＡＣ１・ＳＩ・Ｐ＋ＶＡ 図１および図２において、プログラム可能利得増幅器３
７は、増幅器Ｕ８および抵抗Ｒ１７からなり、補償ネッ
トワーク３１の利得補正部３９である抵抗ＲＧと共に働
く。これは、トリムが可能な最終的な回路利得を生じて
式（１）の所望の出力を与える。
【０１００】ＶCO ＝ ＡT・Ｐ＋ＶA 増幅器Ｕ８は、Ｕ８の入力が接地基準１５の代わりに基
準オフセット電圧ＶAに照合されるため、ＶAを増幅する
ことはない。プログラム可能利得増幅器３７の利得はＡ
C2である。図１および図２に３８で示される、補償され
る出力ＶCOであるプログラム可能利得増幅器３７の出力
は、 （２７） ＶCO ＝ ＡC1・ＡC2・ＳI・Ｐ＋ＶA 式（１）に定義される如き全有効利得定数ＡTは、下式
に等しい。即ち、 （２８） ＡT ＝ ＡC1・ＡC2・ＳI または
【０１０１】
【０１０２】Ｕ８は、その利得が下式である簡単な非反
転増幅器である。即ち、 （３０） ＡC2 ＝ １＋（Ｒ１７／ＲＧ） 式（２９）および式（３０）の右辺を相互に等しく設定
すると、下式を得る。即ち、
【０１０３】
【０１０４】式（２５）を式（３１）に代入すれば、
【０１０５】
【０１０６】Ｒ１７、Ｇ1、ｇmおよびＶREFは回路定数
であるため、ＳIが既知ならば、ＲＧの値は所要の全利
得ＡTについて計算することができる。補償された出力
ＶCO即ち３８は、依然として図１および図２における２
０の固定回路基準電圧ＶREFに依存しかつこれに比例す
る。
【０１０７】ＲＧが有意となるためには、分母は正でな
ければならない。即ち、 ＡT ＞ Ｇ1・ｇm・ＶREF・ＳI 式（２５）および式（２８）を上記の関係式に代入する
ことにより、利得ＡC2が１より大きくなければならない
ということができ、これは無論Ｕ８に対する非反転増幅
器形態の特性である。反転増幅器は、この段では利得の
減少を可能にするため使用することができる。これは、
計装増幅器２７が、通常は以降の信号処理のため必要と
される抵抗ブリッジ１１の信号出力１６の全ての増幅を
提供することは望ましくないため、ほとんどの状況にお
いては問題とならない。またもし計装増幅器２７の第１
段がより多くの利得を提供するとしても、抵抗ブリッジ
のオフセット誤差はこの利得により増幅されることにな
り、抵抗ブリッジの応答の適正な補償を生じるために補
正信号３５がより広い範囲にわたり変化することを必要
とする。
【０１０８】実際には、計装増幅器２７とプログラム可
能利得増幅器３７間の回路利得の分割はトレードオフ関
係にある。計装増幅器には信号出力における共通モード
誤差を排除し、また演算増幅器により生じるオフセット
・ドリフトおよびノイズが取るに足らないように信号レ
ベルを増強するに充分な利得がなければならない。この
利得は、補正信号３５の所要範囲、および補償ネットワ
ーク３１のオフセット補正部３２における抵抗の範囲が
レーザでトリムされる抵抗ネットワークによる有効な構
成を許容するように制限されねばならない。
【０１０９】補償回路１０は、本文に示した仮定の制限
内にあり、またピエゾ抵抗形式のカテーテル先端圧力プ
ローブを補償するため３つの抵抗を選定することを可能
にする。この補償回路１０は、２０で示す固定回路基準
電圧ＶREFを必要とする。抵抗ブリッジ応答の固定項お
よび温度依存オフセット項の補正は、ＶREFに依存しな
い。しかし、最終利得即ち補償される出力の圧力に対す
る感度は、ＶREFに正比例する。
【０１１０】補償される出力３８の固定回路基準電圧２
１に対する依存性は、補償される出力が典型的に更に別
の信号処理および表示のため接続される回路により除去
することができる。多くの形式のアナログ−ディジタル
・コンバータ４０は、そのディジタル出力が固定回路基
準電圧に対する補償される出力の比率に比例するように
構成することができる。このようなコンバータ４０の望
ましい実施態様は、詳細には示さないが、その出力が補
償出力３８と基準オフセット電圧２１の差を固定回路基
準電圧２０により除した（あるいはこれに比例する）も
のに比例するようなものであろう。
【０１１１】このアナログ−ディジタル・コンバータ４
０の機能は、下記の関係によって示される。即ち、
【０１１２】
【０１１３】但し、Ｃは補償出力３８から基準オフセッ
ト電圧２１を差し引いたものの、全スケール出力（無次
元）に対する固定回路基準電圧２０に対する比率 ＰFSは、全スケールにおけるｍｍＨｇを単位とする圧力
単位数 これは、下式の如く書き直すことができる。即ち、
【０１１４】
【０１１５】この関係式を式（３２）に代入すると下記
の如くになる。
【０１１６】
【０１１７】従って、出力が図示の如く前記比にのみ依
存するアナログ−ディジタル・コンバータ４０が用いら
れるならば、図２に３９で示される利得補正部ＲＧの固
定回路基準電圧２０に対する依存性もまた取除くことが
できる。アナログ−ディジタル・コンバータ４０の変換
率Ｃ、および圧力の全スケール単位数は既知でなければ
ならない。
【０１１８】抵抗の選択式（２０）、（２１）、（２
２）、（２３）および式（３２）（あるいは、式（３
２）の代わりに用いられるならば、式（３３））におけ
る諸項は、２つのグループに分けることができる。第１
のグループは、直接抵抗ブリッジ１１の一部ではない補
償回路１０の各部と関連する抵抗、利得、相互コンダク
タンスおよび電圧の値を含む。これらの値は、典型的に
は、特定回路により決定される定数として与えられるこ
とになる。上記の各式により選定される補償値は、補償
回路１０の特定の実施例にのみ妥当する。第２のグルー
プは、測定され計算されねばならない抵抗ブリッジ１１
の圧力、温度応答および抵抗を含む。
【０１１９】抵抗ブリッジ１１における測定は、上記式
を解くため必要なブリッジの性能特性を与えるに必要な
最小限のものである。使用される抵抗ブリッジ１１の品
質および安定性を更に完全に決定する他の測定値を用い
ることもできる。これらの測定は、典型的には、補償ネ
ットワーク３１における抵抗値のトリミングを除いて、
他の全ての製造ステップを完了したセンサ組立体につい
てなされる。
【０１２０】上記の式は、抵抗ブリッジ１１を補償する
ＲＴ、ＲＯおよびＲＧに対する抵抗値を決定する。１つ
の方法が、本文に述べた形式の抵抗ブリッジ１１に対す
る適正値を計算するため必要な情報を提供する。図４の
フローチャートがこの方法を示している。
【０１２１】抵抗ブリッジ１１の温度依存および固定オ
フセット誤差を補償する方法は、電力入力１４および接
地基準１５の両端に接続され、かつよく調整された定電
流源により抵抗ブリッジ１１を付勢するステップを有す
る。次に、抵抗ブリッジ１１をゼロ圧力において第１の
温度Ｔ１に置き、系が均衡することを許容した後、抵抗
ブリッジ１１のオフセットおよび抵抗を測定するステッ
プが行われる。これに続いて、抵抗ブリッジ１１の応答
を測定するステップが、抵抗ブリッジ１１の隔膜の両側
に圧力Ｐ１を加えた後に生じて、圧力による抵抗ブリッ
ジ１１の出力における単位変化を決定する。
【０１２２】抵抗ブリッジ１１をゼロの圧力において第
２の温度Ｔ２に置き、系が均衡することを許した後、抵
抗ブリッジ１１のオフセットおよび抵抗の測定が次のス
テップとなる。本方法は、温度による抵抗ブリッジ１１
の出力および抵抗における単位変化を決定するステップ
を含む。次いで、前のステップの決定および測定を用い
て、単一抵抗、他の単一抵抗および利得抵抗に対する値
を計算する。それにより該計算された値を用いて、補償
ネットワークにおけるこの単一抵抗、他の抵抗および利
得抵抗を選定し、抵抗ブリッジの信号出力１６において
与えられる圧力に対する抵抗ブリッジ１１の応答におけ
るオフセット誤差および変動の固定および温度依存部分
に対する補正を行う。
【０１２３】望ましい方法は、下記のステップを有す
る。即ち、電力入力１４および接地基準１５の両側に接
続され、かつよく調整された定電流源からのブリッジ励
起電流により抵抗ブリッジ１１を付勢する。この電流の
大きさは、通常の使用におけるブリッジ励起出力電流２
３の大きさに近く、かつ独立的な測定により検証可能で
ある。
【０１２４】抵抗ブリッジ１１の温度を第１の温度Ｔ１
に置き、均衡させる。抵抗ブリッジ１１の隔膜の両側の
圧力をゼロ圧力に保持して、正確な電圧計がブリッジの
信号出力における応答を測定する。この応答は、ブリッ
ジ励起電流により分割されてブリッジ・オフセット項Ｏ
ＦＦIを生じる。次いで、ブリッジの電力入力１４およ
び接地基準１５の両端の電圧を測定する高精度電圧計が
構成される。ブリッジ励起電流により分割されたこの電
圧は、ブリッジ抵抗ＲＢを提供する。
【０１２５】抵抗ブリッジ１１を第１の温度Ｔ１に保
ち、抵抗ブリッジ１１の隔膜の両側に調整された圧力Ｐ
１を加える。高精度電圧計は、抵抗ブリッジ１１の信号
出力１６における応答を測定する。この応答は、最初に
ブリッジ励起電流により分割される。この値とＯＦＦI
の計算値間の差は、圧力Ｐ１の大きさにより分割されて
抵抗ブリッジ感度項ＳIを生じる。
【０１２６】抵抗ブリッジ１１の温度を第２の温度Ｔ２
に置き、均衡させる。この第２のステップはこの温度に
おいて繰返され、この温度におけるＯＦＦIおよびＲＢ
に対する諸項が計算される。２つの温度間の差により除
される２つの温度におけるＯＦＦI項間の差は、オフセ
ット項ＴＣＯIの温度係数を提供する。２つの温度間の
差により除される２つの温度におけるＲＢ項間の差は、
抵抗項ＴＣＲＢの温度係数を提供する。
【０１２７】圧力Ｐ１が再び抵抗ブリッジ１１に加えら
れる間、この抵抗ブリッジ１１を第２の温度Ｔ２に維持
する。次いで、第３のステップがこの温度において繰返
され、この温度におけるＳIが計算される。２つの温度
間の差により除される２つの温度におけるＳI項間の差
を用いて、感度の温度係数ＴＣＳIが定電流励起源の使
用により有効に最小限に抑えられたことを検証する。
【０１２８】補償ネットワーク抵抗ＲＴ、ＲＯおよびＲ
Ｇに対する適当な値を決定するため、抵抗の選定のため
計算された値を固定回路定数から得た値と組合わせる。
次に、これらの値は、適当な手段により選定され、図２
に示した回路図に従ってセンサ組立体に構成される。次
いで、抵抗ブリッジ１１および補償ネットワーク３１を
含むこのセンサ組立体は、補償された圧力検出装置とし
て使用される、図２に示された如き回路に接続されるよ
うに適当に構成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の望ましい実施態様の主要回路ブロック
の機能および相互接続を示すブロック図である。
【図２】本発明を理解するため必要な回路要素を示す補
償回路の概略図である。
【図３】ブリッジの抵抗要素の相互作用を示す抵抗ブリ
ッジの詳細図である。
【図４】抵抗ブリッジの補償に使用される方法の諸ステ
ップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 補償回路 １１ 抵抗ブリッジ １２ アーム １３ アーム １４ 電力入力 １５ 接地基準 １６ 信号出力 １７ 正の信号出力 １８ 負の信号出力 １９ オフセット基準ジェネレータ ２０ 固定回路基準電圧 ２１ 基準オフセット電圧 ２２ 電圧制御電流源 ２３ ブリッジ励起出力電流 ２４ バッファ増幅器 ２５ バッファ入力 ２６ バッファ出力電圧 ２７ 計装増幅器 ３０ 初期出力 ３１ 補償ネットワーク ３２ オフセット補正部 ３３ 初期オフセット電流 ３４ オフセット補正増幅器 ３５ 補正信号 ３６ 基準入力 ３７ プログラム可能利得増幅器 ３８ 補償出力 ３９ 利得補正部 ４０ アナログ／ディジタル・コンバータ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−187131（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−54661（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−215934（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−112938（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−89135（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−160343（ＪＰ，Ｕ)

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １対のアームであって、各アームは、一
    方が応力変形により増加し他方が応力変形により減少す
    る１対の抵抗を含む１対のアームを有する抵抗ブリッジ
    用の補償回路において、 ａ）前記抵抗ブリッジに加えられる圧力および電力入力
    に与えられる電気信号の関数として信号出力における正
    の勾配及び負の勾配の双方の温度誤差と固定オフセット
    誤差とを含む応答を生じる、前記抵抗ブリッジの電力入
    力、接地基準、正の信号出力および負の信号出力と、 ｂ）前記電力入力および前記接地基準の両端に接続され
    た電圧制御電流源であって、固定回路基準電圧に正比例
    するブリッジ励起出力電流を有する電圧制御電流源と、 ｃ）前記電力入力に接続されたバッファ入力を有するバ
    ッファ増幅器であって、前記電力入力の電圧に比例する
    バッファ出力電圧を生じる電圧フォロワとして構成され
    るバッファ増幅器と、 ｄ）正の端子および負の端子がそれぞれ前記正の信号出
    力および前記負の信号出力と接続されて該信号出力の応
    答に比例する初期出力を生じる計装増幅器と、 ｅ）前記バッファ増幅器の出力と前記接地基準の間に直
    列接続された単一の温度誤差補正用抵抗と単一の固定オ
    フセット誤差補正用抵抗とから成り当該単一の温度補正
    用抵抗と単一の固定オフセット誤差補正用抵抗との接続
    点において初期オフセット電流を発生する補正部と、前
    記初期オフセット電流を反転して増幅する反転増幅手段
    とを有し、前記の反転増幅された初期オフセット電流と
    前記バッファ出力電圧とに基づいて補正信号を発生する
    補正信号発生手段であって、前記温度誤差補正用抵抗の
    値は前記正の勾配及び負の勾配の双方の温度誤差を補償
    するよう調整され、前記固定オフセット誤差補正用抵抗
    の値は前記固定オフセット誤差を補償するよう調整され
    る、補正信号発生手段と、 ｆ）前記補正信号を受取り、該補正信号に応答して初期
    出力を修正するように接続された計装増幅器の基準入力
    とを備える抵抗ブリッジ用の補償回路。
  2. 【請求項２】 前記補正信号発生手段が前記の反転増幅
    された初期オフセット電流及び前記バッファ出力電圧に
    加えて前記固定回路基準電圧に基づいて前記補正信号の
    固定オフセット誤差補正部分を生成する請求項１記載の
    補償回路。
  3. 【請求項３】 プログラム可能な利得増幅器が、前記計
    装増幅器から初期出力を受取り、付与圧力に対する抵抗
    ブリッジ応答の変動とは独立的である補償された出力を
    提供する請求項１又は２記載の補償回路。
  4. 【請求項４】 加えられた圧力に対する抵抗ブリッジ応
    答の変動を補償するように前記プログラム可能利得増幅
    器の利得を調整するため用いられる利得抵抗を更に備え
    る請求項３記載の補償回路。
  5. 【請求項５】 前記固定回路基準電圧を受取り基準オフ
    セット電圧を生じるオフセット基準ジェネレータを更に
    備える請求項１記載の補償回路。
  6. 【請求項６】 抵抗ブリッジ用の補償回路において、 ａ）電気的励起信号を受け取る電力入力（１４）と、接
    地基準（１５）と、圧力感応抵抗と、印加された圧力と
    前記電気的励起信号との関数としてブリッジ応答を提供
    するブリッジ出力（１６）とを有するブリッジ（１１）
    であって、前記圧力感応抵抗は入力抵抗を有し、前記ブ
    リッジ応答は正の勾配及び負の勾配の双方の温度誤差と
    固定オフセット誤差とを含む、ブリッジ（１１）と、 ｂ）前記ブリッジの前記入力抵抗に比例するオフセット
    補正入力信号（２６）を提供する手段（２４）であっ
    て、前記オフセット補正入力信号は、前記ブリッジにお
    ける温度変化と共に変化する温度依存部分と、所与の基
    準温度における前記ブリッジの前記入力抵抗に依存する
    固定部分とを有する、オフセット補正入力信号提供手段
    （２４）と、 ｃ）前記ブリッジ出力に接続され前記ブリッジ応答に比
    例する初期出力を発生する増幅手段（２７）と、 ｄ）オフセット補正入力信号を提供する前記オフセット
    補正入力信号提供手段の出力と前記接地基準の間に直列
    接続された単一の温度誤差補正用抵抗と単一の固定オフ
    セット誤差補正用抵抗とから成り当該単一の温度誤差補
    正用抵抗と単一の固定オフセット誤差補正用抵抗との接
    続点において初期オフセット信号（３３）を発生する補
    償ネットワーク（３２）と、前記初期オフセット信号
    （３３）を反転して増幅する反転増幅手段とを有し、前
    記の反転増幅された初期オフセット信号と（３３）前記
    オフセット補正入力信号（２６）とに基づいて補正信号
    （３５）を発生する補正信号発生手段であって、前記温
    度誤差補正用抵抗の値は前記正の勾配及び負の勾配の双
    方の温度誤差を補償するよう調整され、前記固定オフセ
    ット誤差補正用抵抗の値は前記固定オフセット誤差を補
    償するよう調整される、補正信号発生手段と、 を備え、 ｅ）前記増幅手段（２７）は更に、前記補正信号（３
    ５）を受け取り、当該補正信号に応答して前記初期出力
    を修正することにより前記固定オフセット誤差と前記温
    度誤差とを打ち消す基準入力手段（３６）を有する抵抗
    ブリッジ用の補償回路。
  7. 【請求項７】 前記計装増幅器から初期出力を受取り、
    付与圧力に対する抵抗ブリッジ応答の変動とは独立的で
    ある補償された出力を提供するプログラム可能な利得増
    幅器と、 加えられた圧力に対する抵抗ブリッジ応答の変動を補償
    するように前記プログラム可能利得増幅器の利得を調整
    するため用いられる利得抵抗とを更に備える請求項６記
    載の補償回路。
  8. 【請求項８】 請求項６記載の補償回路において抵抗ブ
    リッジの正の勾配及び負の勾配の双方の温度誤差および
    固定オフセット誤差を補償する方法において、 ａ）電力入力および接地基準に跨がって接続され、かつ
    調整された定電流源により前記抵抗ブリッジを付勢する
    ステップと、 ｂ）前記抵抗ブリッジをゼロ圧力時に第１の温度Ｔ１に
    置いて系を均衡させた後、該抵抗ブリッジのオフセット
    および抵抗を測定するステップと、 ｃ）前記抵抗ブリッジの隔膜の両側に圧力Ｐ１を加えた
    後、前記第１の温度Ｔ１における前記抵抗ブリッジの応
    答を測定して、圧力による該抵抗ブリッジの出力におけ
    る単位変化を決定するステップと、 ｄ）前記抵抗ブリッジをゼロ圧力時に第２の温度Ｔ２に
    置いて系を均衡させた後、前記抵抗ブリッジのオフセッ
    トおよび抵抗を測定するステップと、 ｅ）温度による前記抵抗ブリッジの出力および抵抗にお
    ける単位変化を決定するステップと、 ｆ）ステップｂ）乃至ｅ）の決定および測定を用いて、
    前記単一の温度誤差補正用抵抗と前記単一の固定オフセ
    ット誤差補正用抵抗に対する値を計算するステップと、 ｇ）前記抵抗ブリッジのブリッジ出力において加えられ
    る圧力に対する抵抗ブリッジ応答における温度誤差およ
    び固定オフセット誤差に対する補正を行うため、前記ス
    テップｆ）からの計算された値を用いて前記単一の温度
    誤差補正用抵抗と前記単一の固定オフセット誤差補正用
    抵抗を選定しかつ含めるステップとを備えることを特徴
    とする方法。
  9. 【請求項９】 請求項７記載の補償回路において抵抗ブ
    リッジの正の勾配及び負の勾配の双方の温度誤差および
    固定オフセット誤差を補償する方法において、 ａ）電力入力および接地基準に跨がって接続され、かつ
    調整された定電流源により前記抵抗ブリッジを付勢する
    ステップと、 ｂ）前記抵抗ブリッジをゼロ圧力時に第１の温度Ｔ１に
    置いて系を均衡させた後、該抵抗ブリッジのオフセット
    および抵抗を測定するステップと、 ｃ）前記抵抗ブリッジの隔膜の両側に圧力Ｐ１を加えた
    後、前記第１の温度Ｔ１における前記抵抗ブリッジの応
    答を測定して、圧力による該抵抗ブリッジの出力におけ
    る単位変化を決定するステップと、 ｄ）前記抵抗ブリッジをゼロ圧力時に第２の温度Ｔ２に
    置いて系を均衡させた後、前記抵抗ブリッジのオフセッ
    トおよび抵抗を測定するステップと、 ｅ）温度による前記抵抗ブリッジの出力および抵抗にお
    ける単位変化を決定するステップと、 ｆ）ステップｂ）乃至ｅ）の決定および測定を用いて、
    前記単一の温度誤差補正用抵抗、前記単一の固定オフセ
    ット誤差補正用抵抗及び前記利得抵抗に対する値を計算
    するステップと、 ｇ）前記抵抗ブリッジのブリッジ出力において加えられ
    る圧力に対する抵抗ブリッジ応答における温度誤差、固
    定オフセット誤差及び変動に対する補正を行うため、前
    記ステップｆ）からの計算された値を用いて前記単一の
    温度誤差補正用抵抗、前記単一の固定オフセット誤差補
    正用抵抗及び前記利得抵抗を選定しかつ含めるステップ
    とを備えることを特徴とする方法。
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