JPH0125425B2

JPH0125425B2 -

Info

Publication number: JPH0125425B2
Application number: JP55043107A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nagase
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1980-04-02
Filing date: 1980-04-02
Publication date: 1989-05-17
Also published as: JPS56140203A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はブリツジ回路、特に物理量変化に応じ
て抵抗値が変化する抵抗素子を４辺に配設したフ
ルブリツジ回路における零点調整あるいは零点移
動温度補償等を行う調整回路を付加したブリツジ
回路の改良に関するものである。

一般に、圧力、長さその他の物理量変化に応じ
て抵抗値が変化する例えば半導体歪みゲージ等の
抵抗素子を４辺に配設したフルブリツジ回路が電
気的測定手段として広範囲に用いられており、各
種の測定条件下においても簡便で正確な電気的測
定信号が検出し得るという利点を有する。この種
のブリツジ回路においては、ブリツジの検出精度
を向上させる為にブリツジ出力の零点調整及び零
点移動温度補償が必要となる。すなわち、零点調
整は、物理量が加わらない状態でブリツジ出力を
零にする測定条件を得る為に、４辺の抵抗値のア
ンバランスに起因するブリツジ出力（オフセツト
電圧）を零に調整することであり、また零点移動
温度補償は抵抗素子が物理量とは無関係に温度変
化の影響による熱応力あるいは素子自体の抵抗温
度特性のバラツキ等によつて生じるブリツジ回路
の零点出力の温度による移動（零点移動温度特
性）を補償するものである。前記各補償作業はブ
リツジ回路において不可欠なものであり、特に各
抵抗素子として半導体歪みゲージ等のように抵抗
温度係数の大きい素子を用いる場合、あるいは物
理量変化を極めて高精度で且つ安定に検出する場
合に正確な零点移動温度補償を行うことが必要と
される。

第１図には零点調整及び零点移動温度補償回路
が付加された従来のブリツジ回路が示され、ブリ
ツジ回路１０の４辺には抵抗素子１２，１４，１
６及び１８がそれぞれ設けられ、前記補償を行う
為に、抵抗素子１２には直列抵抗r_Sが又抵抗素子
１８には並列抵抗r_Pが接続され、両抵抗r_S及びr_P
の抵抗値を調整することによつて４辺の抵抗値と
抵抗温度係数を同時にバランスさせて零点調整と
零点移動温度補償とが行われている。前記両抵抗
r_S及びr_Pは温度変化に対して実質的に抵抗変化を
生じないすなわち抵抗温度係数の小さい抵抗素子
からなる。

第１図において、零点調整はブリツジ回路１０
の４辺の抵抗値が２組の相対する２辺の抵抗値の
積が等しくなるように各挿入抵抗r_S，r_Pの抵抗値
を調整することにより行われるが、勿論、この零
点調整のみを行えば調整辺の抵抗温度係数は変化
することが明らかである。一方、零点移動温度補
償は抵抗温度係数の大きい辺に挿入した調整抵抗
にて当該辺の抵抗温度係数を小さくし、４辺の抵
抗温度係数のバランスが得られるが、勿論この場
合においても、調整された辺の抵抗値は変化し、
零点が移動することは明らかである。すなわち、
零点調整及び抵抗移動温度補償は互に相関性を有
しているので、実際の調整時においては、直列抵
抗r_Sと並列抵抗r_Pの各抵抗値とこれらを接続する
辺とを適宜選択することにより零点調整と零点移
動温度補償とを同時に行い、この時の各抵抗値の
選択は周知のように下記近似式にて設定される。

r_S＝2RΔV_T／V_io・Ｒ／ΔR−ΔV_p／V_io…(1)式 r_P＝Ｒ／２（ΔVo／Vin＋ΔV_T／Vin・Ｒ／ΔR）…(2)
式上式においてＲは各抵抗素子１２，１４，１
６，１８として拡散型半導体歪みゲージを用いた
時の同一の各素子抵抗値、ΔRは各抵抗素子１
２，１４，１６，１８の温度変化ΔTに対する抵
抗変化量、V_ioはブリツジ回路１０の入力端子間
電圧、ΔV_pは零点出力電圧、ΔV_Tは温度変化ΔT
に対する零点移動量である。

なお、上式は近似解である為、実際の調整は、
いずれか一方の抵抗r_S，r_Pを所定辺に接続した
後、他方の抵抗をブリツジ回路１０の零点出力が
実際に零となるように調整した状態で行われる。

前記調整用に挿入される直列抵抗r_S及び並列抵
抗r_Pを小型化し、又半田付け時の不良等を回避し
て良好な信頼性を得る為に、従来においても前記
各抵抗r_S，r_Pは薄膜抵抗あるいは厚膜抵抗で構成
し、回路を単一の基板上に集積化することが行わ
れており、各抵抗値の調整はトリミングにより行
われる。そして、前記薄膜抵抗又は厚膜抵抗の集
積化によるブリツジ回路では、前記トリミングは
一般にサンドブラスト又はレーザ光線等による抵
抗体の一部を削除することにより行われる。

しかしながら、このトリミング手法では、抵抗
値が常に増加する調整のみしかできない為に、零
点調整、零点移動温度補償が不可能となる場合が
生じる。すなわち、一旦オーバトリミングした場
合には、抵抗値を減少させることができないので
集積化されたブリツジ回路全体を不良品としなけ
ればならない欠点があり、調整作業が著しく困難
になるという問題があつた。

従来の他のトリミング手法として、集積基板と
は別個に設けられた固定抵抗あるいは可変抵抗を
用いて予め最適な直列抵抗あるいは並列抵抗値を
決定し、これらの決定後に集積基板上の薄膜抵抗
又は厚膜抵抗値を前記決定された値にトリミング
する手法が考えられている。しかしながら、この
従来手法においても、トリミングされる薄膜抵抗
又は厚膜抵抗の抵抗温度係数が、基準となる固定
抵抗あるいは可変抵抗の抵抗温度係数と一致して
いなければならず、又トリミング時の抵抗値を高
精度で測定しなければならないという複雑な作業
を必要とし、さらに、トリミング誤差を完全に除
去することが不可能である等の種々の欠点を有
し、正確な零点調整及び零点移動温度補償を行う
ことが困難であつた。

本発明は前記従来の課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は、薄膜抵抗又は厚膜抵抗のトリ
ミングによる抵抗値自体の増加調整のみを用い
て、ブリツジ回路全体としては抵抗値の実質的な
増加及び減少調整を可能とし、ブリツジ回路の実
際の零点出力及び零点移動温度特性を検出しなが
ら動的なトリミング調整を可能とするとともに、
ブリツジ回路のスパン調整を簡単に且つ高精度で
行い得る集積化に適したブリツジ回路を提供する
ことにある。

本発明は、４辺のそれぞれに物理量の変化に応
じて抵抗値が変化する抵抗素子が接続され、相対
する一対の電源端子間に電源を接続し、他の一対
の出力端子から出力電圧を取り出すブリツジ回路
において、前記ブリツジ回路の互いに隣接する２
辺の抵抗素子にそれぞれ接続され、その抵抗値が
増加する方向にトリミング調整可能な厚膜抵抗ま
たは薄膜抵抗からなる直列抵抗及び並列抵抗と、
前記ブリツジ回路の出力端子間に挿入配置され、
その抵抗値が増加する方向にトリミング調整可能
な薄膜抵抗または厚膜抵抗から形成された少なく
とも２個の直列接続された負荷抵抗と、この負荷
抵抗の接続点に設けられた出力電圧を出力するた
めの出力取出し端と、を有し、前記各直列抵抗及
び各並列抵抗をトリミング調整し、両辺の直列抵
抗の差分及び両辺の並列抵抗の差分に相当する抵
抗調整を合成抵抗値の増加または減少方向の両方
向に調整して、ブリツジ回路の零点調整及び零点
移動温度補償を行うとともに、前記両負荷抵抗の
抵抗値増加方向へのトリミング調整によつて物理
量変化に対する出力感度を所定値にスパン調整を
行えることを特徴とする。

本発明によれば、ブリツジ回路の調整回路を基
板上に集積化された薄膜抵抗又は厚膜抵抗から形
成することができ、小型で且つ高精度の検出特性
を有する種々の測定器に適応可能なブリツジ回路
を得ることが可能となる。

以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

第２図には本発明にかかるブリツジ回路の零点
調整及び零点移動温度補償用の調整回路を備えた
基本的回路が示され、第１図の従来回路と同一部
材には同一符号を付して説明を省略する。第２図
の各抵抗素子１２，１４，１６，１８は拡散型半
導体歪みゲージからなり、このブリツジ回路１０
は例えば圧力変換器として利用することができ、
第３，４図にはブリツジ回路１０を含む圧力変換
器の好適な実施例が示されている。

第３，４図においてシリコン単結晶の薄板から
なるシリコンダイアフラム２０がその周縁部にて
基台２２に真空中でガラス接着されており、その
中央部には薄肉状の起歪部２４が形成され、該起
歪部２４の表面中央部に拡散型半導体歪みゲージ
からなる抵抗素子１２，１６が、又周縁部に同じ
く拡散型半導体歪みゲージからなる抵抗素子１
４，１８がそれぞれ拡散手法にて形成されてい
る。そして、各素子１２，１４，１６，１８はシ
リコンダイアフラム２０上に形成された拡散リー
ド部又は蒸着アルミ配線によつて直列に接続さ
れ、その両端及び３個の接続点はシリコンダイア
フラム２０の周縁に設けられたアルミ電極リード
端子２６〜３４に接続され、第２図のブリツジ回
路１０が形成されている。従つて、前記シリコン
ダイアフラム２０に圧力が作用すると抵抗素子１
２，１６と抵抗素子１４，１８には引張側及び圧
縮側の反対方向の歪みが加わり、抵抗値がそれぞ
れ反対方向に変化し、圧力を正確に電気的に検出
することが可能となる。なお、第４図から明らか
なように、起歪部２４と基台２２との間には真空
の基準圧室３６が形成され、絶対圧型の圧力変換
器を構成しているが、鎖線で示されるように、基
準圧室３６を基台２２に設けられた背圧孔３８に
て外部と導通することによつて、ゲージ圧型又は
差圧型の圧力変換器を構成することができる。

以上のようにして、本発明にかかるブリツジ回
路１０は第３，４図の圧力変換器その他として用
いることができ、次に、第２図における本発明の
調整回路の構造を説明する。

第２図において、ブリツジ回路１０の相対する
電源端子４０，４２はそれぞれ電源４４の正極及
び負極に接続され、ブリツジ回路１０に直流電圧
が供給されている。そして、ブリツジ回路１０の
他方の相対する一対の出力端子４６，４８はそれ
ぞれ正出力端子５０及び負出力端子５２に接続さ
れている。

そして、互に隣接する２辺の一方の抵抗素子１
２には直列に第１の直列抵抗５４が、又他方の抵
抗素子１８には直列に第２の直列抵抗５６が接続
される。さらに、前記選択された互に隣接する２
辺の各抵抗素子１２，１８にはそれぞれ並列に第
１の並列抵抗５８及び第２の並列抵抗６０が接続
され、トリミング調整回路が形成されている。本
発明において、前記各抵抗５４，５６，５８，６
０はそれぞれ抵抗素子１２，１４，１６，１８の
抵抗温度係数に比して充分小さい抵抗温度係数を
有する薄膜抵抗又は厚膜抵抗で構成され、単一基
板上に集積化することができる。

本発明の零点調整及び零点移動温度補償用の調
整回路を備えた基本的回路は以上の構成からな
り、以下にその調整作用を説明する。

本実施例における零点調整及び零点移動温度補
償の調整は基本的に以下の調整手順に従つて行わ
れる。

(1) 各直列抵抗５４，５６及び各並列抵抗５８，
６０を接続しない状態で、ブリツジ回路１０の
零点出力値及び零点移動温度特性を求める。

(2) 前記零点出力値を零とし、且つ零点移動温度
特性を補償する為に必要な直並列抵抗値、すな
わち第１図における直列抵抗r_S及び並列抵抗r_P
の抵抗値及びこれら抵抗の接続辺を前述した(1)
式、(2)式により求める。

(3) 第２図における各直列抵抗５４，５６及び並
列抵抗５８，６０をブリツジ回路１０に各抵抗
値を前記(2)項にて求めた計算結果に対応するよ
うトリミング調整を行う。

(4) 前記(3)項の調整後再度零点出力値及び零点移
動温度特性を実測し、これらの実測値に応じ
て、再び必要なトリミング調整を繰り返す。

以上のようにして、本発明によれば、最適な零
点出力及び零点移動温度特性が得られるまでトリ
ミング調整を行うことによつて極めて高精度のブ
リツジ回路を得ることができる。すなわち、従来
においては、トリミング調整によつて抵抗値は常
に増加する調整となり、オーバトリミング時には
抵抗値減少による補正を行うことが不可能であ
り、ブリツジ回路不良が生じるが、本発明におい
ては、２個の直列抵抗５４，５６がそれぞれ隣接
する２辺に設けられ、又同様に２個の並列抵抗５
８，６０が隣接する２辺に設けられているので、
いずれか一方の直列抵抗あるいは並列抵抗のオー
バトリミング時に他方の直列抵抗又は並列抵抗を
トリミングすることによつて、実質的に合成抵抗
値を減少するトリミング調整が可能となることを
特徴とし、この結果、零点出力及び零点移動温度
特性を実測しながら動的に調整作用を行い得ると
いう利点を有するものである。

すなわち、第１の直列抵抗５４と第２の直列抵
抗５６とは互に隣接する２辺にそれぞれ接続され
ているので、仮に、前記両直列抵抗５４，５６が
同一の抵抗値を有するとするならば、ブリツジ回
路１０に与える影響は互に相殺される関係にあ
る。そして、両直列抵抗５４，５６の抵抗値が異
なる場合には、その差分だけが実質的な従来の直
列抵抗r_Sとしてブリツジ回路１０に作用すること
となり、両直列抵抗５４，５６はそれ自体抵抗値
の増加するトリミング調整しか行うことができな
いが、ブリツジ回路１０に対する合成トリミング
調整としては、直列抵抗r_Sを減少させるトリミン
グ調整も可能となる訳である。従つて、前記調整
手順(3)においては計算結果で与えられた直列抵抗
r_Sを両直列抵抗５４，５６の抵抗差分としてトリ
ミング調整すれば良く、例えば、初期の第１及び
第２の直列抵抗５４，５６が同一抵抗値例えば50
オームであり、手順(2)による計算結果が第１の直
列抵抗５４を接続する辺に対して、80オームの抵
抗値を必要とする場合、第１の直列抵抗５４をト
リミング調整してその抵抗値を130オームにすれ
ば両抵抗５４，５６の差分から所定の直列抵抗を
得ることが可能となる。そして、手順(4)の調整後
の実測において、前記トリミング調整がオーバト
リミングであつた場合には、そのオーバトリミン
グ値に対応したトリミング調整を第２の直列抵抗
５６に対して行えば、ブリツジ回路１０に対して
は直列抵抗r_Sの抵抗値減少調整を可能とすること
になり、調整抵抗自体に対しては常に抵抗値の増
加トリミング調整であつても、ブリツジ回路に対
しては増加及び減少の両トリミング調整を行うこ
とが可能となる。

同様に、第１の並列抵抗５８及び第２の並列抵
抗６０も互に隣接する辺に接続されており、仮に
両抵抗５８，６０の抵抗値が同一である場合に
は、ブリツジ回路１０に与える影響は互に相殺さ
れる関係にある。そして、両並列抵抗５８，６０
の抵抗値を変化すれば、その変化分に対応した並
列抵抗r_Pを設定することができ、各並列抵抗５
８，６０は常にその抵抗値を増加する方向へのト
リミング調整しか行うことはできないが、ブリツ
ジ回路１０に対する全体的な合成調整量として
は、いずれか一方のトリミング調整によつて、抵
抗値を増加あるいは減少させるトリミング調整と
することができる。この時の並列抵抗５８，６０
の抵抗値変化と並列抵抗r_Pの変化との関係は、初
期の両並列抵抗５８，６０の抵抗値をそれぞれ同
一値R_Pとし、前記(2)の計算結果が第２の並列抵
抗６０を接続する辺に対してr_Pなる並列抵抗値で
あるとすれば、第１の並列抵抗５８のみを
R_Pr_P／r_P−R_Pにトリミング調整すれば、並列抵抗r_Pを第２の並列抵抗６０を接続する辺に接続したと等
価となる。

以上のようにして並列抵抗r_Pの値は第１及び第
２の並列抵抗５８，６０のトリミング調整により
設定することができ、いずれかの抵抗５８，６０
を選択的にトリミングすれば、並列抵抗r_Pは各抵
抗５８，６０が常にその抵抗値を増加させるトリ
ミング調整であつても、抵抗値の増加及び減少を
任意に行うことが可能となる。従つて、前記手順
(3)，(4)のトリミング調整を繰り返し行い、オーバ
トリミングの補正を含む任意のトリミング調整が
行われ、並列抵抗r_Pを動的に調整することが可能
となる。

なお、前記両直列抵抗５４，５６及び両並列抵
抗５８，６０の初期抵抗値は予め以下の値に設定
することが好適である。すなわち、両直列抵抗５
４，５６は抵抗素子１２，１４，１６，１８の抵
抗値に比してできるだけ小さい値とし、抵抗素子
の抵抗変化による出力感度を大きくすることが好
ましく、又両直列抵抗５４，５６の抵抗値差分が
必要な抵抗値r_Sの調整範囲となるように設定する
ことがよい。又、両並列抵抗５８，６０は出力感
度を良好に保つ為に抵抗素子１２，１４，１６，
１８の抵抗値に比してできるだけ大きい値に設定
し、且つ所定の並列抵抗値r_Pよりも小さくなるよ
うに設定することが好ましい。

以上のように、零点調整及び零点移動温度補償
用の調整回路を備えた基本的回路によれば、調整
用の直列抵抗及び並列抵抗をそれぞれ互に隣接す
る２辺に接続し、各抵抗値の増加トリミング調整
により、全体的なブリツジ回路には抵抗値の増加
あるいは減少の調整作用を与えることが可能とな
り、この結果、繰り返し複数回のトリミング調整
を可能とし、オーバトリミング等による不良発生
のない且つ高精度の検出特性を示すブリツジ回路
を得ることが可能となる。そして、前記トリミン
グ調整される直列抵抗及び並列抵抗は薄膜抵抗又
は厚膜抵抗で単一基板に集積化することができ、
そのトリミング調整をサンドブラスト又はレーザ
光線を利用した従来の抵抗値増加型トリミング調
整で行うことが可能となり、トリミング調整時に
ブリツジ回路の出力電圧を実測しながら動的に前
記各調整を直接行うことが可能となり、調整が容
易で且つ小型集積化した信頼性の高いブリツジ回
路を得ることが可能となる。

第５図には本発明の好適な実施例が示され、第
２図の回路と同一部材には同一符号を付して説明
を省略する。

この発明においては、ブリツジ回路１０の出力
端子４６，４８間に薄膜抵抗又は厚膜抵抗から成
る２個の負荷抵抗６２，６４を接続し、両負荷抵
抗６２，６４の抵抗値をトリミング調整すること
によつて、ブリツジ回路１０のスパン調整をも行
うことを特徴とする。すなわち、この実施例にお
ける負出力端子５２は前記第１の負荷抵抗６２と
第２の負荷抵抗６４との共通接続点に接続されて
おり、この結果、ブリツジ回路１０の出力電圧を
任意にスパン調整することが可能となる。なお、
この実施例においては、ブリツジ回路１０の出力
電圧は必要な電圧値より十分大きく設定され、ス
パン調整された後においても充分に測定値の処理
が可能な電圧とすることが好ましい。

すなわち、正出力端子５０及び負出力端子５２
間には、ブリツジ回路１０の出力端子４６，４８
の電圧を両負荷抵抗６２，６４で分圧した電圧が
出力され、この時の電圧時のスパン調整は両負荷
抵抗６２，６４の抵抗値により変化し、第１の負
荷抵抗６２の抵抗値を大きくすれば分圧電圧も大
きくなり、逆に第２の負荷抵抗６４の抵抗値を大
きくすれば分圧出力電圧は小さくなる。従つて、
出力端子５０，５２から得られる圧力変化に対す
る出力電圧が所定値より小さい場合には負荷抵抗
６２の抵抗値を大きくするようにトリミング調整
すれば、前記出力電圧を所定値に調整することが
でき、この時トリミング調整によつて抵抗値を無
限大とすれば、出力電圧は出力端子４６，４８間
の電圧値と等しい値に調整することができる。以
上のようにして、両負荷抵抗６２，６４の抵抗値
をそれぞれ増加する方向へのトリミング調整のみ
によつて、スパン調整を大きくあるいは小さく調
整することができ、これらのトリミング調整は集
積化された薄膜抵抗又は厚膜抵抗のトリミングの
みにより行われるので、極めて簡単に且つ高精度
でスパン調整を行うことが可能となる。

なお、この実施例においても、零点調整及び零
点移動温度補償は第２図の回路と同様に行われ
る。

なお、前記各実施例において、電源４４は通常
の場合定電圧電源とするが、抵抗素子１２，１
４，１６，１８を拡散型半導体歪みゲージで形成
した時の感度温度特性を温度補償する為に電源４
４を定電流電源とすることも可能であり、いずれ
の場合においても、前述した零点調整、零点移動
温度補償及びスパン調整を正確に行うことが可能
である。

以上説明したように、本発明によれば、フルブ
リツジ回路の互に隣接する辺にそれぞれ直列抵抗
及び並列抵抗を接続することによつて、抵抗値が
増加するトリミング調整のみによつてブリツジ回
路全体として補償抵抗の増加及び減少調整を任意
に行うことが可能となり、また、負荷抵抗を設け
ることによつて、スパン調整を簡易に行うことが
でき、さらに薄膜抵抗又は厚膜抵抗により集積化
可能な且つ調整の簡便な小型高精度のブリツジ回
路を提供することができ、広範囲の電気的検出装
置に適用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の調整抵抗が付加されたブリツジ
回路を示す回路図、第２図は本発明にかかるブリ
ツジ回路の基本的な構成を示す回路図、第３図は
本発明に係るブリツジ回路を圧力変換器として構
成した実施例を示す斜視図、第４図は第３図の要
部断面図、第５図は本発明にかかるブリツジ回路
の好適な実施例を示す回路図である。１０…ブリツジ回路、１２，１４，１６，１８
…抵抗素子、４０，４２…電源端子、４４…電
源、４６，４８…出力端子、５４…第１の直列抵
抗、５６…第２の直列抵抗、５８…第１の並列抵
抗、６０…第２の並列抵抗、６２，６４…負荷抵
抗。

Claims

【特許請求の範囲】１４辺のそれぞれに物理量の変化に応じて抵抗
値が変化する抵抗素子が接続され、相対する一対
の電源端子間に電源を接続し、他の一対の出力端
子から出力電圧を取り出すブリツジ回路におい
て、前記ブリツジ回路の互いに隣接する２辺の抵抗
素子にそれぞれ接続され、その抵抗値が増加する
方向にトリミング調整可能な厚膜抵抗または薄膜
抵抗からなる直列抵抗及び並列抵抗と、前記ブリツジ回路の出力端子間に挿入配置さ
れ、その抵抗値が増加する方向にトリミング調整
可能な薄膜抵抗または厚膜抵抗から形成された少
なくとも２個の直列接続された負荷抵抗と、この負荷抵抗の接続点に設けられた出力電圧を
出力するための出力取出し端と、を有し、前記各直列抵抗及び各並列抵抗をトリミング調
整し、両辺の直列抵抗の差分及び両辺の並列抵抗
の差分に相当する抵抗調整を合成抵抗値の増加ま
たは減少方向の両方向に調整して、ブリツジ回路
の零点調整及び零点移動温度補償を行うととも
に、前記両負荷抵抗の抵抗値増加方向へのトリミ
ング調整によつて物理量変化に対する出力感度を
所定値にスパン調整を行えることを特徴とするブ
リツジ回路。