JP4578427B2 - 応力温度測定装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
応力を測定するときには、電流供給手段が第1電流を直列回路に供給するとともに電圧測定手段が電圧を測定し、温度を測定するときには、電流供給手段が第2電流を直列回路に供給するとともに電圧測定手段が電圧を測定する。第1電流は、ピエゾ抵抗素子の抵抗の温度に依存する変化率に第1電流を乗じた値と、補償用ダイオードのアノード・カソード間の電圧の温度に依存する変化率とが等しくなるように設定されている。第2電流は、ピエゾ抵抗素子の抵抗の温度に依存する変化率に第2電流を乗じた値と、補償用ダイオードのアノード・カソード間の電圧の温度に依存する変化率とが異なるように設定されている。
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、ピエゾ抵抗素子の抵抗の温度に依存する変化率に第1電流を乗じた値は、補償用ダイオードのアノード・カソード間の電圧の温度に依存する変化率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。
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1018cm-3〜約1020cm-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。
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。
(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。
本実施例の応力温度測定装置10の回路図を図1に示す。応力温度測定装置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。応力温度測定装置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。応力温度測定装置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。
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。本応力温度測定装置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、応力温度測定装置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、応力温度測定装置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。
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、応力温度測定装置10は、環境温度の測定を容易に行なうことができる。
図7、8は、本実施例の応力温度測定装置110の構成を模式的に示した回路図である。なお、第1実施例の応力温度測定装置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、応力温度測定装置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。
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9、10は、本実施例の応力温度測定装置210の構成を模式的に示した回路図である。本応力温度測定装置210は、第2実施例の応力温度測定装置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、応力温度測定装置210の応力測定時の回路構成を示している。図10は、応力温度測定装置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、応力温度測定装置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実施例の応力温度測定装置110と同様の構成である。
図11は、本実施例の応力温度測定装置310の構成を模式的に示した回路図である。本応力温度測定装置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実施例の応力温度測定装置10と同様の構成であるので、重複する説明は省略する。
本応力温度測定装置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。
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。
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。
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。
なお、本応力温度測定装置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、本応力温度測定装置310の温度測定に係る回路構成は、第1実施例の応力温度測定装置10と同様であるので、温度測定に係る説明は省略する。
図13に本実施例の応力温度測定装置410の構成を模式的に示した回路図を示す。本応力温度測定装置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実施例の応力温度測定装置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。本応力温度測定装置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。
本応力温度測定装置410は、第4実施例の応力温度測定装置310と同様に、電流調整回路40を備える。応力温度測定装置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。本応力温度測定装置410は応力測定時において、基準電圧が安定している。また、本応力温度測定装置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。本応力温度測定装置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。
図14に応力温度測定装置510の構成を模式的に示した回路図を示す。応力温度測定装置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。
本応力温度測定装置510は、電流調整回路40を備える。応力温度測定装置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。本応力温度測定装置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。本応力温度測定装置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。
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 (2)
- 応力の測定と温度の測定とを実行する応力温度測定装置であり、
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、
ピエゾ抵抗素子は、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おり、
応力を測定するときには、電流供給手段が第1電流を直列回路に供給するとともに電圧測定手段が電圧を測定し、温度を測定するときには、電流供給手段が第2電流を直列回路に供給するとともに電圧測定手段が電圧を測定し、
第1電流は、ピエゾ抵抗素子の抵抗の温度に依存する変化率に第1電流を乗じた値と、補償用ダイオードのアノード・カソード間の電圧の温度に依存する変化率とが等しくなるように設定されており、
第2電流は、ピエゾ抵抗素子の抵抗の温度に依存する変化率に第2電流を乗じた値と、補償用ダイオードのアノード・カソード間の電圧の温度に依存する変化率とが異なるように設定されていることを特徴とする応力温度測定装置。 - 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の応力温度測定装置。
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