JP5055367B2

JP5055367B2 - ブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路

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Publication number: JP5055367B2
Application number: JP2009525347A
Authority: JP
Inventors: 隆幸源川; 清佐藤; 勝也菊入; 昌彦石曽根; 一聡五十嵐; 英治梅津
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-07-22
Also published as: JPWO2009016994A1; WO2009016994A1

Description

本発明は、センサ出力等を測定するブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路に関する。

従来、圧力センサ、荷重センサ、加速度センサ等のセンサ出力を環境、回路内の温度変化による変動を極力排除するために、ブリッジ回路が使用されている。従来のグランド接続を有し、定電流駆動するブリッジ回路１１１を、図７に示した。定電流電源１１３から供給された定電流Ｉｓは、ブリッジ回路１１１を構成する、直列接続された２組の直列抵抗素子Ｒ１、Ｒ４と直列抵抗素子Ｒ２、Ｒ３に流れる。直列抵抗素子Ｒ１、Ｒ４の間の中点電圧Ｖout１、直列抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の間の中点電圧Ｖout２がセンサ出力として取り出され、オペアンプ１１５の非反転入力端子、反転入力端子に入力され、差動増幅されて出力電圧Ｖｏとして出力される。これらの直列抵抗素子Ｒ１、Ｒ４、直列抵抗素子Ｒ２、Ｒ３は、例えば磁気抵抗素子やピエゾ素子などの感応抵抗素子で形成されている。図８（Ａ）、（Ｂ）に、センサ出力、出力電圧と圧力との関係をグラフとして示した。同図において、横軸は圧力（kPa）、縦軸は、（Ａ）がセンサ出力（Ｖout１-Ｖout２）、（Ｂ）が出力電圧（Ｖｏ）のグラフである。

このブリッジ回路１１１では、抵抗素子Ｒ１乃至Ｒ４は、０（kPa）時のセンサ出力（
Ｖout１-Ｖout２）が０となるようにオフセット調整されている。このセンサ出力（Ｖout１-Ｖout２）を入力したときの出力電圧Ｖｏは、オペアンプ１１５の出力レンジの最低値となり、センサ出力（Ｖout１-Ｖout２）が増大すると、出力電圧Ｖｏは比例して増大す
る。この出力電圧Ｖｏを測定することにより、抵抗素子Ｒ１乃至Ｒ４に負荷された圧力を測定していた。

また、ブリッジ回路１１１は温度変化の影響を受けて誤差を生じる。このような温度特性を補償するために、抵抗素子Ｒ１乃至Ｒ４よりも温度係数の小さいオフセット補正用抵抗素子を接続する構成が知られている（特許文献１）。
特開２０００-３１０５０４号公報

しかし、従来のブリッジ回路構成では、オペアンプ１１５の増幅レンジの半分しか利用できないので、本来備えたオペアンプ１１５の分解能の半分しか利用できていなかった。しかも従来のオフセット補正用抵抗素子を接続する構成は、オフセット補正用抵抗素子の温度特性を考慮していないので、ブリッジ回路出力の温度特性が変化してしまい、温度特性も悪化してしまう問題があった。

そこで本発明は、差増増幅回路の全分解能を利用可能として分解能を高めるとともに、温度特性を高めることができる、ブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路を提供することを目的とする。

前記目的を達成する本発明は、電源入力端子と接地端子との間に、感応抵抗素子が直列接続された直列抵抗素子が二組並列に接続され、各直列抵抗素子の中点の電圧が中点電圧として取り出され、該中点電圧差が差動増幅器により増幅されるブリッジ回路の出力電圧オフセット調整回路であって、前記中点電圧差の中央値が前記差動増幅器の出力レンジの中央値となるようにオフセットする温度特性調整用抵抗素子を、前記各直列抵抗素子の前記各中点を挟んだ対角位置に、各直列抵抗素子と直列となるように配置したこと、及び前記各温度特性調整抵抗素子の温度係数ＴＣＲを、前記直列抵抗素子の温度係数よりも小さく、かつ０乃至２００（ｐｐｍ／℃）に設定したことを特徴とする。

前記各温度特性調整用抵抗素子の抵抗値は同一に設定される。前記温度特性調整用抵抗素子は、金属で形成された薄膜抵抗素子とすることができる。

前記温度特性調整用抵抗素子は、ＮｉＦｅＣｒを用いたメタル薄膜抵抗素子で形成することが実際的である。より好ましくは、前記ＮｉＦｅＣｒの組成比を、（Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）₆₀Ｃｒ₄₀とする。

別の実施形態では前記温度特性調整用抵抗素子を、Ｎｉが４８at％、Ｃｕが５２at％の組成比のＮｉＣｕで形成されたメタル薄膜抵抗素子とする。
さらに別の実施形態では前記温度特性調整用抵抗素子を、Ｔａで形成されたメタル薄膜抵抗素子とする。

本発明のブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路にあっては、感応性抵抗素子として圧力に感応する素子を使用することができる。
前記電源としては、定電流電源を使用することが好ましい。

以上の通り本発明によれば、中点電圧差の中央値が差動増幅器の出力レンジの中央値となるようにオフセットする温度特性調整用抵抗素子を、各直列抵抗素子の各中点を挟んだ対角位置に各直列抵抗素子と直列となるように配置したので、差動増幅器の全増幅レンジを使用して測定が可能になり、分解能を高めることが可能になった。さらにこの温度特性調整用抵抗素子の温度特性を他の抵抗素子の温度特性よりも低く設定したので、温度特性の変化が小さく、温度変化による影響が小さくなった。

本発明の出力電圧オフセット調整回路を適用したブリッジ回路の一実施形を示す回路図である。同実施形態のブリッジ回路によりオフセットされたセンサ出力、増幅後出力と圧力との関係をグラフで示す図であって、（Ａ）はセンサ出力と圧力、（Ｂ）は増幅後の出力電圧と圧力との関係を示す図である。（Ａ）乃至（Ｄ）は、同実施形態のブリッジ回路を使用して、圧力（kPa）と出力電圧（Ｖout１-Ｖout２）との関係を異なる温度係数ＴＣＲ毎にシミュレーションした結果をグラフで示した図である。（Ａ）乃至（Ｄ）は、同実施形態のブリッジ回路を使用して、温度特性調整用抵抗素子と感度温度特性の関係を異なる温度係数ＴＣＲ毎にシミュレーションした結果をグラフで示した図である。（Ａ）乃至（Ｃ）は、同実施形態のブリッジ回路を使用して温度特性調整用抵抗素子の値と温度特性変化の関係を異なる圧力毎にシミュレーションした結果をグラフで示した図である。同実施形態のブリッジ回路を使用して、温度特性調整用抵抗素子の温度係数ＴＣＲとオフセット温度特性の変化レンジとの関係をシミュレーションした結果をグラフで示した図である。従来のブリッジ回路の回路図である。同従来のブリッジ回路によるセンサ出力、増幅後出力と圧力との関係をグラフで示す図であって、（Ａ）はセンサ出力と圧力、（Ｂ）は増幅後出力と圧力との関係を示す図である。

符号の説明

１１ブリッジ回路
１３定電流電源
１５オペアンプ（差動増幅器）
Ｒ１Ｒ４直列抵抗素子
Ｒ２Ｒ３直列抵抗素子
ｄＲ４ｄＲ２温度特性調整用抵抗素子
Ｖout１Ｖout２中点電圧

以下本発明について、図に示した実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明を適用したブリッジ回路の実施形態を示す図である。このブリッジ回路１１は、直列に接続された直列抵抗素子Ｒ１、Ｒ４と直列抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の２組が、グランドに接続されるノード（接地端子）と定電流電源１３からの入力ノード（電源入力端子）との間に並列接続され、定電流電源１３から供給された定電流Ｉｓが入力され、直列抵抗素子Ｒ１、Ｒ４と直列抵抗素子Ｒ２、Ｒ３に流れる。そうして直列抵抗素子Ｒ１、Ｒ４の間に生じる中点電圧Ｖout１及び直列抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の間に生じる中点電圧Ｖout２が、センサ出力として取り出される。この実施形態の抵抗素子Ｒ１乃至Ｒ４は、磁気に感応する磁気抵抗素子、又は圧力に感応するピエゾ素子などの、感応抵抗素子である。

センサ出力として取り出された中点電圧Ｖout１、中点電圧Ｖout２は、オペアンプ１５の非反転入力端子、反転入力端子に入力され、差動増幅されて、出力電圧Ｖｏとして出力される。つまり、中点電圧Ｖout１、Ｖout２の差（Ｖout１-Ｖout２）がセンサ出力（電圧）として出力され、オペアンプ１５により差動増幅され、出力電圧Ｖｏとして出力される。

さらにこのブリッジ回路１１では、中点電圧Ｖout１、Ｖout２を挟んだ対角位置に、つまり抵抗素子Ｒ４と中点電圧Ｖout１の間、及び中点電圧Ｖout２と抵抗素子Ｒ２との間に、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２が直列に配置されている。温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の抵抗値は、センサ出力（Ｖout１-Ｖout２）の出力レンジの中央値が、オペアンプ１５の出力レンジの中央値となるように設定されている。

このブリッジ回路１１において、圧力（kPa）とセンサ出力（Ｖout１-Ｖout２）との関係、及び圧力（kPa）と出力電圧Ｖｏとの関係をシミュレートした結果を、図２（Ａ）、（Ｂ）に示した。このシミュレーションでは、定電流電源１３からの入力電流Ｉsは0.15mA、センサ出力（Ｖout１-Ｖout２）の出力レンジは圧力換算で０乃至100（kPa）、オペアンプ１５の出力電圧Ｖｏのレンジは０乃至5.0（V）であって、圧力レンジの中央値である圧力50（kPa）のときに、出力電圧Ｖｏが出力レンジの中央値である2.5（V)となるように、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の抵抗値を設定してある。図２（Ａ）において、縦軸はセンサ出力（Ｖout１-Ｖout２）、横軸は圧力（kPa）、図２（Ｂ）において、縦軸は出力電圧（Ｖ）、横軸は圧力（kPa）である。

このような条件に基づき温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の抵抗値を設定することにより、オペアンプ１５の出力レンジ全域を使用することが可能になり、出力電圧Ｖｏのレンジが２倍になり、分解能も２倍になる。

さらに本発明の実施形態では、温度特性を補償するために、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の温度係数ＴＣＲは、他の抵抗素子Ｒ１乃至Ｒ４よりも小さく設定し、温度特性を悪化させることなくオフセット電圧をシフトさせることを可能にした。

次に、このブリッジ回路１１において、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の最適な温度係数ＴＣＲを求めたシミュレーション結果を添付の図に示したグラフを参照して説明する。

抵抗素子Ｒ１乃至Ｒ４はピエゾ素子により形成してある。
温度５℃、圧力100（kPa）のとき、抵抗素子Ｒ１、Ｒ３は4.993（Ω）抵抗素子Ｒ２、Ｒ４は4.743（Ω）、温度係数ＴＣＲは、約1500（ppm/℃）である。
温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２は、ｄＲ２＝ｄＲ４＝160（Ω）温度係数ＴＣＲは、1500〜-800（ppm/℃）の範囲で設定できる。以上の通り数値設定されたブリッジ回路１１において、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の温度係数ＴＣＲを500、200、100、0（ppm/℃）に設定した場合のシミュレーション結果を図３乃至図６にグラフ化して示した。
なお、上記シミュレーションのように抵抗素子Ｒ１、Ｒ３と抵抗素子Ｒ２、Ｒ４との間に抵抗の差があるときは、抵抗の小さい方である抵抗素子Ｒ２と中点との間及び抵抗素子Ｒ４と中点の間に、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ２、ｄＲ４を入れる方が好ましい。オフセット方向が逆にならないようにするためである。

この実施形態において、感度温度測定の変化率、オフセット温度特性の変化率、オフセット温度特性の変化レンジを、以下の通り定義する。
感度温度特性の変化率：圧力をある範囲、この実施形態では26から110（kPa）に変化させたときに得られる出力電圧のレンジが感度となるが、この感度は温度毎に変化する。そこでこの実施形態では、10℃環境での感度を基準として、-20、-10、10、25、40℃環境における感度差を求め、これらを10℃における感度で除算し、パーセント表示したものを感度温度特性の変化率としてある。
オフセット温度特性の変化率：ある圧力で得られる出力電圧がオフセット電圧であるが、温度が変化するとオフセット電圧も変化する。この実施形態では、10℃環境でのオフセット電圧を基準として、各温度におけるオフセット電圧との差を求め、基準のオフセット電圧で除算してパーセント表示したものがオフセット温度特性の変化率である。この実施形態では、圧力が、26、68、110（kPa）の場合について、環境温度を-20、-10、10、25、40℃と変化させてシミュレーションしている。
オフセット温度特性の変化レンジ：ある圧力でのオフセット温度特性の変化率について、最大値と最小値の差を算出したものがオフセット温度特性の変化レンジである。

図３（Ａ）乃至（Ｄ）は、圧力（kPa）と出力電圧（Ｖout１-Ｖout２）との関係を異なる温度係数ＴＣＲ毎にシミュレーションした結果をグラフで示した図である。温度係数ＴＣＲは、（Ａ）が500（ppm/℃）、（Ｂ）が200（ppm/℃）、（Ｃ）が100（ppm/℃）、（Ｄ）が0（ppm/℃）である。図３において、黒塗り三角形、菱形、正方形はそれぞれ温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２を有しない場合の、温度-20℃、25℃、40℃の場合のシミュレーション結果、白抜き三角形、菱形、正方形はそれぞれ本発明のブリッジ回路１１における、温度-20℃、25℃、40℃の場合のシミュレーション結果である。このグラフによれば、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の温度係数ＴＣＲが大きいほど温度によるオフセット電圧のバラツキが大きくなる傾向があることが分かる。

図４（Ａ）乃至（Ｄ）は、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２と感度温度特性の関係を異なる温度係数ＴＣＲ毎にシミュレーションした結果をグラフで示した図である。温度係数ＴＣＲは、（Ａ）が500（ppm/℃）、（Ｂ）が200（ppm/℃）、（Ｃ）が100（ppm/℃）、（Ｄ）が0（ppm/℃）である。図４において、縦軸は感度温度特性の変化率（パーセント）、横軸は温度（℃）であって、菱形は温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２を有しないブリッジ回路、正方形は本実施形態のブリッジ回路１１であるが、グラフは重なっている。このグラフによれば、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の有無にかかわらず、特性が一定であること、つまり、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の温度係数ＴＣＲは感度温度特性には影響を与えないことが分かる。

図５（Ａ）乃至（Ｃ）は、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の値と温度特性変化の関係を異なる圧力毎にシミュレーションした結果をグラフで示した図であって、（Ａ）は圧力26（kPa）の場合、（Ｂ）は68（kPa）の場合、（Ｃ）は110（kPa）の場合である。図５の各グラフにおいて、縦軸はオフセット温度特性の変化率（パーセント）、横軸は温度（℃）であって、温度係数ＴＣＲは、菱形が1500（ppm/℃）、正方形が800（ppm/℃）
、三角形が500（ppm/℃）、Ｘ印が200（ppm/℃）、＊印が０（ppm/℃）、黒丸が-200（ppm/℃）、＋印が-500（ppm/℃）、*印が-800（ppm/℃）である。

このシミュレーション結果から、温度補償特性ＴＣＲは、０（ppm/℃）のときに温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２が無い場合と同じ特性となること、及び各圧力毎に、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の最適温度係数ＴＣＲがあることが分かる。

図６には、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の温度係数ＴＣＲとオフセット温度特性の変化レンジとの関係をシミュレーションした結果をグラフで示した図である。図６において、縦軸はオフセット温度特性の変化レンジ（パーセント）、横軸は温度係数ＴＣＲ（ppm/℃）であって、菱形は圧力26（kPa）の場合、正方形は圧力68（kPa）の場合、三角形は圧力110（kPa）の場合のシミュレーション結果である。

このシミュレーション結果から、このブリッジ回路１１における温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の温度係数ＴＣＲは、０乃至200（ppm/℃）が最適であることが分かる
。したがって、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２の温度係数ＴＣＲの値は、ブリッジ回路１１の仕様に応じて変動するが、前記シミュレーションによって設定することができる。

温度係数ＴＣＲの絶対値が小さい材料としては、例えばＮｉＦｅＣｒ（ニッケル-鉄-クロム）を用いることができる。前記温度係数ＴＣＲ、０乃至200（ppm/℃）を満足する材料、及び使用可能な材料の実施例を表１に示した。

実施例１乃至５の材料の中では、実施例１の材料、（Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）₆₀Ｃｒ₄₀が最も好ましい。ここで、組成比式（Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）₆₀Ｃｒ₄₀は、ＮｉとＦｅの原子量比が０．８：０．２のＮｉＦｅが６０at％と、Ｃｒが４０at％の組成比からなるＮｉＦｅＣｒであることを示している。実施例３の材料、Ｎｉ₄₈Ｃｕ₅₂は、Ｎｉが４８at％、Ｃｕが５２at％の組成比からなるＮｉＣｕであることを示している。
なお本発明の温度特性調整用抵抗素子の材料は、表１に示した実施例１乃至５に限定されない。

図示実施形態の場合、温度特性調整用抵抗素子ｄＲ４、ｄＲ２は、２組の直列抵抗素子Ｒ１、Ｒ４と直列抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の中点を挟んだ対角位置であれば、いずれの対角位置に配置してもよい。
本発明の実施形態では圧力に感応する感応抵抗素子を使用したが、本発明は、加速度、磁場、磁気等他の物理量に感応する感応抵抗素子、例えば磁気抵抗効果素子を使用することもできる。
同実施形態は定電流電源を使用したブリッジ回路であるが、本発明は、定電圧電源を使用したブリッジ回路にも適用できる。

本発明のブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路は、圧力センサ、荷重センサ、加速度センサ等のセンサ出力電圧を利用するセンサ類の回路に使用できる。

Claims

電源入力端子と接地端子との間に、感応抵抗素子が直列接続された直列抵抗素子が二組並列に接続され、各直列抵抗素子の中点の電圧が中点電圧として取り出され、該中点電圧差が差動増幅器により増幅されるブリッジ回路の出力電圧オフセット調整回路であって、
前記中点電圧差の中央値が前記差動増幅器の出力レンジの中央値となるようにオフセットする温度特性調整抵抗素子を、前記各直列抵抗素子の前記各中点を挟んだ対角位置に、各直列抵抗素子と直列となるように配置したこと、及び、
前記各温度特性調整抵抗素子の温度係数ＴＣＲを、前記直列抵抗素子の温度係数よりも小さく、かつ０乃至２００（ｐｐｍ／℃）に設定したこと、を特徴とするブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路。
特許請求の範囲１記載のブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路において、前記各温度特性調整用抵抗素子の抵抗値は同一に設定されているブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路。
特許請求の範囲１又は２記載のブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路において、前記温度特性調整用抵抗素子は、金属で形成された薄膜抵抗素子であるブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路。
特許請求の範囲１乃至３のいずれかに記載のブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路において、前記温度特性調整用抵抗素子は、ＮｉＦｅＣｒを用いたメタル薄膜抵抗素子であるブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路。
特許請求の範囲４記載のブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路において、前記ＮｉＦｅＣｒは、（Ｎｉ_0.8Ｆｅ_0.2）₆₀Ｃｒ₄₀の組成比からなるブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路。
特許請求の範囲１乃至３のいずれかに記載のブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路において、前記温度特性調整用抵抗素子は、Ｎｉが４８at％、Ｃｕが５２at％の組成比のＮｉＣｕで形成されたメタル薄膜抵抗素子であるブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路。
特許請求の範囲１又は２記載のブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路において、前記温度特性調整用抵抗素子は、Ｔａで形成されたメタル薄膜抵抗素子であるブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路。
特許請求の範囲１乃至７のいずれかに記載のブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路において、前記感応抵抗素子は、圧力に感応する素子であるブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路。
特許請求の範囲１乃至８のいずれかに記載のブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路において、前記電源は、定電流電源であるブリッジ回路出力電圧のオフセット調整回路。