JPH0321838A - Temperature compensating circuit for force sensor - Google Patents

Temperature compensating circuit for force sensor

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JPH0321838A
JPH0321838A JP1156618A JP15661889A JPH0321838A JP H0321838 A JPH0321838 A JP H0321838A JP 1156618 A JP1156618 A JP 1156618A JP 15661889 A JP15661889 A JP 15661889A JP H0321838 A JPH0321838 A JP H0321838A
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JP
Japan
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temperature
temperature compensation
strain
voltage
zero point
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Application number
JP1156618A
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Japanese (ja)
Inventor
Junichi Takahashi
淳一 高橋
Hiroshi Yamazaki
博史 山崎
Hirotoshi Eguchi
裕俊 江口
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To enable accurately temperature compensation over a wide range by forming temperature detecting elements whose characteristics vary linearly and curvedly with temperature on the surface of the strain dead zone part of a single-crystal plate. CONSTITUTION:On the surface of the strain dead zone of an Si substrate 6 which is the single-crystal substrate, a P-N diode 22 as the temperature detecting element which varies in characteristics linearly with temperature and a diffusion resistance 23 as the temperature detecting element varying curvedly are formed and then connected to constant current sources 24 and 25 respectively. Then voltages for temperature compensation are obtained from those detecting elements 22 and 23 and put together to perform the temperature compensation. Consequently, a characteristic curve is compensated over a wide range to perform the accurate temperature compensation.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、例えば、ロボット用力覚センサ、マンマシン
インターフエイスとしての三次元入力装置、三次元荷重
測定装置等に利用される力覚センサの温度補償回路に関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to temperature compensation of force sensors used in, for example, force sensors for robots, three-dimensional input devices as man-machine interfaces, three-dimensional load measuring devices, etc. Regarding circuits.

従来の技術 まず、従来における力覚センサの全体構成の概略を第1
8図及び第19図に基づいて説明する。
Conventional technology First, we will outline the overall configuration of a conventional force sensor.
This will be explained based on FIG. 8 and FIG. 19.

起歪体lはその中心部が作用部2とされ、この作用部2
の周囲は支持部3とされている。前記作用部2は、肉厚
の薄いダイヤフラム4からなっており、このダイヤフラ
ム4の中心の下方に向けて力伝達体5が形成されている
。また、前記起歪体1の前記ダイヤフラム4上には単結
晶基板としてのSi基板6が接着固定されており、この
Si基板6の検出面7には各軸方向(X,Y,Z)の力
の成分力を検出する歪検出素子8が形成されている。
The center of the strain body l is the acting part 2, and this acting part 2
The surrounding area is a support portion 3. The acting portion 2 is composed of a thin diaphragm 4, and a force transmitting body 5 is formed downward from the center of the diaphragm 4. Further, a Si substrate 6 as a single crystal substrate is adhesively fixed on the diaphragm 4 of the strain-generating body 1, and a detection surface 7 of the Si substrate 6 has a diaphragm 4 in each axis direction (X, Y, Z). A strain detection element 8 is formed to detect force component force.

また,その歪検出素子8の形成された前記検出面7の周
囲の歪不感部9(ハッチング部分)には、温度検出素子
10が形成されている。
Further, a temperature detection element 10 is formed in a strain-insensitive area 9 (hatched area) around the detection surface 7 where the strain detection element 8 is formed.

このように構成された力覚センサにおいて、力伝達体5
に力が作用すると、ダイヤフラム4が変形し、この変形
により単結晶基板6も変形するためこの表面に各軸方向
ごとにブリッジ結線して形成された歪検出素子8に応力
が加わり、その結果、そのブリッジ回路の出力電圧によ
り力の成分力の検出を行っている。
In the force sensor configured in this way, the force transmitting body 5
When a force is applied to the diaphragm 4, the diaphragm 4 is deformed, and this deformation also deforms the single crystal substrate 6, so that stress is applied to the strain detection element 8 formed on this surface by bridge connections in each axial direction, and as a result, The component force of the force is detected by the output voltage of the bridge circuit.

このようにブリッジ結線された歪検出素子8は個々に温
度特性をもっており、これら歪検出素子8相互間の温度
特性がわずかでも異なってしまうとそれらの抵抗値の変
化によりその差分をブリッジ回路の出力電圧として誤っ
て検出してしまうことになる。そこで、このような温度
変化に対して歪検出素子8の温度特性を補償して常に安
定した出力電圧を得るために、前述したような温度検出
素子1oを設けているわけである。
Each of the strain detection elements 8 connected in this way has a temperature characteristic, and if the temperature characteristics between these strain detection elements 8 differ even slightly, the difference is outputted from the bridge circuit by a change in their resistance value. This will result in erroneous detection as voltage. Therefore, in order to compensate for the temperature characteristics of the strain detection element 8 against such temperature changes and obtain a stable output voltage at all times, the temperature detection element 1o as described above is provided.

そこで、今、そのような温度検出素子10を用いた温度
補償回路の例を、特開昭59−1 53 117号に基
づいて説明する。第20図において、Ra.Rbは温度
依存性の大きい温度検出素子であり、RaとR1とR2
との合成抵抗をRαとし、RbとR3とR4との合成抵
抗をRβとすると、R5、R6、Rα、Rβによりブリ
ッジ回路を構成している。このブリッジ回路の接続点P
.Qはオペアンプ11に接続されており、この出力側か
らは出力電圧■αを得ている。従って、抵抗R1〜R4
を適切な値に設定することによって、そのオペアンプ1
1の出力電圧■Ωに、歪検出素子8(第18図参照)を
ブリッジ結線することにより得られた出力電圧Vinに
おける温度特性の傾き及び温度特性の曲がりを打ち消す
ような温度特性を持たせ、これによりオペアンプ12の
出力電圧Voを得ることによって歪検出素子8の温度補
償を行っている。
Therefore, an example of a temperature compensation circuit using such a temperature detection element 10 will now be described based on Japanese Patent Laid-Open No. 59-153-117. In FIG. 20, Ra. Rb is a temperature detection element with large temperature dependence, and Ra, R1, and R2
Let the combined resistance of Rb, R3, and R4 be Rα, and R5, R6, Rα, and Rβ constitute a bridge circuit. Connection point P of this bridge circuit
.. Q is connected to the operational amplifier 11, and an output voltage ■α is obtained from this output side. Therefore, resistors R1 to R4
By setting the op amp 1 to an appropriate value,
The output voltage ■Ω of 1 has a temperature characteristic that cancels out the slope of the temperature characteristic and the curve of the temperature characteristic in the output voltage Vin obtained by bridge-connecting the strain detection element 8 (see FIG. 18), Thereby, temperature compensation of the strain detection element 8 is performed by obtaining the output voltage Vo of the operational amplifier 12.

発明が解決しようとする課題 上述したような第20図における従来例の場合、R1〜
R4を調整することにより、温度補償用電圧VQの温度
に対する直線成分の傾きと2次曲線の曲率な調整するこ
とによって、歪検出素子8により形成されるブリッジ回
路の零点温度補償に最適な特性を得るようにしている。
Problems to be Solved by the Invention In the case of the conventional example shown in FIG. 20 as described above, R1 to
By adjusting R4, the slope of the linear component and the curvature of the quadratic curve with respect to temperature of the temperature compensation voltage VQ can be adjusted to obtain the optimum characteristics for zero point temperature compensation of the bridge circuit formed by the strain detection element 8. I'm trying to get it.

しかし、この場合、温度補償の方法は、拡散抵抗Ra.
Rbの温度に対する抵抗値変化とこれらに固定抵抗R1
〜R4を単に接続しただけなので、狭い範囲でしかVQ
特性の調整を行うことができない。すなわち、R1〜R
4の調整のみで補償電圧VQを作ろうとしていたので、
第l7図に示すような広範囲な零点温度特性には対応す
ることができない。
However, in this case, the method of temperature compensation is based on the diffusion resistance Ra.
Changes in resistance value of Rb with respect to temperature and fixed resistance R1
~Since R4 is simply connected, VQ is only possible within a narrow range.
Characteristics cannot be adjusted. That is, R1 to R
Since I was trying to create the compensation voltage VQ only by adjusting step 4,
It is not possible to deal with a wide range of zero point temperature characteristics as shown in FIG.

また、第20図に示すような温度補償回路により構成し
た場合、力覚センサにより検出する力の成分力が多成分
であるためその成分力数だけの増幅回路、温度補償回路
が必要となる。例えば、3成分力の力検出を行おうとす
る場合、一成分力に対してRa,Rbの2つの拡散抵抗
が必要なため、合計3X2=6個の温度検出素子が必要
となる。
Furthermore, in the case of a temperature compensation circuit as shown in FIG. 20, since the component force of the force detected by the force sensor is multi-component, as many amplifier circuits and temperature compensation circuits as the number of component forces are required. For example, when trying to detect a three-component force, two diffused resistors Ra and Rb are required for one component force, so a total of 3×2=6 temperature detection elements are required.

このためSi基板6上に形成する拡散抵抗(歪検出素子
8)の数が増加してチップ自体の小型化を行うことがで
きないという問題が生じる。
Therefore, the number of diffused resistors (strain detection elements 8) formed on the Si substrate 6 increases, resulting in a problem that the chip itself cannot be miniaturized.

一方、歪検出素子8をブリッジ結線して出力電圧を得る
際に温度補償を行っている他の例として、特開昭55−
1564号公報に開示されているものがある。これは、
温度変化によるオフセット電圧の変動、出力感度の低下
等により血圧計の指示値が変化しないように温度補償を
行うものである。
On the other hand, as another example in which temperature compensation is performed when obtaining an output voltage by bridge-connecting the strain detection element 8,
There is one disclosed in Japanese Patent No. 1564. this is,
Temperature compensation is performed so that the indicated value of the blood pressure monitor does not change due to fluctuations in offset voltage due to temperature changes, decreases in output sensitivity, etc.

第2l図はその構成を示したものであり、ブリッジ接続
された拡散型半導体圧力変換器13に供給する電源を安
定させるためのトランジスタl4、オペアンブl5、定
電圧ダイオード16等からなる安定電流電源部17と、
高入力インピーダンス回路18とオフセット電圧補正回
路19とを組合せてなる安定増幅回路部20を示したも
のである。
FIG. 2l shows its configuration, and includes a stable current power supply section consisting of a transistor l4, an operational amplifier l5, a constant voltage diode 16, etc., for stabilizing the power supply to the bridge-connected diffusion type semiconductor pressure transducer 13. 17 and
This figure shows a stable amplifier circuit section 20 that is a combination of a high input impedance circuit 18 and an offset voltage correction circuit 19.

この場合、拡散型半導体圧力変換器13のブリッジ回路
内には零点補償用抵抗13aが接続されており、ボテン
ショメータ21によりその零点調整を行っているわけで
あるが、しかし、歪検出用のブリッジ接続された拡散型
半導体圧力変換器13の零点出力が出力スパンより大き
い場合、差動最終段における出力Voが零点出力により
電源電圧まで飽和してしまい、その結果、温度補償を正
確に行うことが困難となる。
In this case, a zero point compensation resistor 13a is connected in the bridge circuit of the diffusion type semiconductor pressure transducer 13, and its zero point is adjusted by the potentiometer 21. If the zero point output of the bridge-connected diffusion type semiconductor pressure transducer 13 is larger than the output span, the output Vo in the final differential stage will be saturated to the power supply voltage due to the zero point output, and as a result, temperature compensation must be performed accurately. becomes difficult.

課題を解決るための手段 そこで、このような問題点を解決するために、請求項l
記載の発明では、中心部と周辺部とのいずれか一方を支
持部とし他方を作用部とする起歪体を設け、この起歪体
の表面に機械的変形により電気抵抗を変化させる歪検出
素子の形成された単結晶基板が接着固定された力覚セン
サにおいて、前記単結晶基板の歪不感部の表面に、温度
に対して直線的に特性が変化する温度検出素子及び曲線
的に特性が変化する温度検出素子を形成した。
Means for Solving the Problem Therefore, in order to solve such problems, claim l
In the described invention, a strain-generating body is provided, with one of the center portion and the peripheral portion serving as a support portion and the other portion serving as an action portion, and a strain-sensing element that changes electrical resistance by mechanical deformation is provided on the surface of the strain-generating body. In a force sensor in which a single crystal substrate formed with is adhesively fixed, a temperature detection element whose characteristics change linearly with temperature and a temperature detection element whose characteristics change curvedly with respect to temperature are provided on the surface of the strain-insensitive part of the single crystal substrate. A temperature sensing element was formed.

請求項2記載の発明では、中心部と周辺部とのいずれか
一方を支持部とし他方を作用部とする起歪体を設け、こ
の起歪体の表面に機械的変形により電気抵抗を変化させ
る歪検出素子の形成された単結晶基板が接着固定された
力覚センサにおいて、前記単結晶基板の歪不感部の表面
に、温度に対して直線的に特性が変化する温度検出素子
及び曲線的に特性が変化する温度検出素子を形成し、こ
れら温度検出素子により検出された電圧をもとにセンサ
出力の温度補償を行うための電圧を発生する温度補償用
電圧発生回路を設け、この温度補償用電圧発生回路によ
り得られた出力電圧をもとにセンサ出力の零点温度補償
を行う零点温度補償回路を設けた。また、力覚センサに
より検出する力の成分力数に応じた数だけ零点温度補償
回路を設けた。
In the invention according to claim 2, a strain-generating body is provided in which one of the center portion and the peripheral portion is a supporting portion and the other is an acting portion, and the electrical resistance is changed by mechanical deformation on the surface of this strain-generating body. In a force sensor in which a single crystal substrate on which a strain detection element is formed is adhesively fixed, a temperature detection element whose characteristics change linearly with temperature and a curved line are provided on the surface of the strain insensitive part of the single crystal substrate. A temperature compensation voltage generation circuit is provided which forms temperature detection elements whose characteristics change and generates a voltage for temperature compensation of the sensor output based on the voltage detected by these temperature detection elements. A zero-point temperature compensation circuit was provided to compensate for the zero-point temperature of the sensor output based on the output voltage obtained by the voltage generation circuit. Further, zero point temperature compensation circuits were provided in a number corresponding to the number of component forces of the force detected by the force sensor.

作用 請求項l記載の発明では、温度に対して直線的及び曲線
的に特性が変化する温度検出素子をそれぞれ形成したの
で、これら2種類の温度検出素子により得られた温度補
償用電圧を合成して温度補償を行うことにより、広範囲
に渡って特性曲線の補償を行うことができる。
In the invention recited in claim 1, since temperature detection elements whose characteristics change linearly and curvedly with respect to temperature are respectively formed, the temperature compensation voltage obtained by these two types of temperature detection elements is combined. By performing temperature compensation over a wide range, the characteristic curve can be compensated over a wide range.

請求項2記載の発明では、温度補償用電圧発生,回路に
より温度補償用電圧を発生させ、この電圧を零点温度補
償回路に送り、この零点温度補償回路によりセンサ出力
の零点温度補償を行うので、使用温度範囲において零点
出力を含まない正確な力の成分力の出力を得ることがで
きる。また、検出する力の戊分力数に応じた数だけ零点
温度補償回路を設けたことにより、多成分力検出用の力
覚センサにおける、その温度補償のための温度検出素子
の個数を増加させることなく正確に検出することができ
る。
In the invention according to claim 2, the temperature compensation voltage is generated by the temperature compensation voltage generation circuit, this voltage is sent to the zero point temperature compensation circuit, and the zero point temperature compensation circuit performs zero point temperature compensation of the sensor output. Accurate force component force outputs that do not include zero point output can be obtained within the operating temperature range. In addition, by providing zero-point temperature compensation circuits in a number corresponding to the number of force components to be detected, the number of temperature detection elements for temperature compensation in a force sensor for multi-component force detection can be increased. It can be detected accurately without any interference.

実施例 本発明の一実施例を第l図ないし第l6図に基づいて説
明する。なお,力覚センサの全体構成については従来技
術(第18図参照)で説明したのでここでの説明は省略
し、同一部分については同一符号を用いる。
Embodiment An embodiment of the present invention will be explained based on FIGS. 1 to 16. The overall configuration of the force sensor has been explained in the prior art (see FIG. 18), so the explanation here will be omitted, and the same parts will be denoted by the same reference numerals.

第1図及び第2図に示すように、単結晶基板としてのS
i基板6の歪不感部9の表面には、温度に対して直線的
に特性が変化する温度検出素子としてのPNダイオード
22、及び、曲線的に特性が変化する温度検出素子とし
ての拡散抵抗23がそれぞれ形成されている。この場合
、PNダイオード22はP型拡散領域を陽極とし、Si
基板6を陰極とするものであり、それらPNダイオード
22、拡散抵抗23にはそれぞれ定電流源24,25が
接続されこれにより駆動される。また、第3図に示すよ
うに、それらPNダイオード22、拡散抵抗23には、
温度補償された出力電圧を発生する温度補償用電圧発生
回路26が接続されている。さらに、第4図に示すよう
に、その温度補償用電圧発生回路26は零点温度補償回
路27に接続されている。この回路27には、零点補償
回路28が設けられており、さらに、第1図の力覚セン
サにおける歪検出素子8をブリッジ結線(第16図参照
)することにより検出された力の一成分力(ここでは、
X軸方向)の出力電圧VXo+、Vxo一が送られる入
力端子29a,29bが設けられている。
As shown in Figures 1 and 2, S as a single crystal substrate
On the surface of the strain-insensitive portion 9 of the i-substrate 6, there is a PN diode 22 as a temperature detection element whose characteristics change linearly with temperature, and a diffused resistor 23 as a temperature detection element whose characteristics change in a curve. are formed respectively. In this case, the PN diode 22 has a P-type diffusion region as an anode and a Si
The substrate 6 is used as a cathode, and constant current sources 24 and 25 are connected to the PN diode 22 and the diffused resistor 23, respectively, and are driven by these. In addition, as shown in FIG. 3, the PN diode 22 and the diffused resistor 23 are
A temperature compensation voltage generation circuit 26 that generates a temperature compensated output voltage is connected. Further, as shown in FIG. 4, the temperature compensation voltage generation circuit 26 is connected to a zero point temperature compensation circuit 27. This circuit 27 is provided with a zero point compensation circuit 28, and further includes one component of the force detected by bridge-connecting the strain detection element 8 in the force sensor of FIG. 1 (see FIG. 16). (here,
Input terminals 29a and 29b to which output voltages VXo+ and Vxo- in the X-axis direction are sent are provided.

このような構成において、まず、第3図の温度補償用電
圧発生回路26に基づいて説明する。PNダイオード2
2は、その順方向降下電圧Vdが、第7図に示すように
、温度に対して−2.5mV/℃の傾きで直線的に変化
する特性を有している。
In such a configuration, first, a description will be given based on the temperature compensation voltage generation circuit 26 shown in FIG. PN diode 2
No. 2 has a characteristic that its forward voltage drop Vd changes linearly with temperature at a slope of -2.5 mV/° C., as shown in FIG.

また、拡散抵抗23はその電圧降下Vrが、第7図に示
すように、直線と2次曲線とを合成した曲線的に変化す
る特性を有している。そして、PNダイオード22によ
り検出された電圧Vdはアンブ30に入力され、VRI
を可変することにより基準温度(通常、25℃)におけ
る出力電圧(バイアス分)が除去され、その出力電圧V
dtの出力特性が第9図に25℃における出力電圧がO
Vとなるように調整する。さらに,その電圧Vdtをア
ンプ31により反転増幅して第10図に示すような特性
になるように調整する。一方、拡散抵抗23により検出
された電圧Vrはアンブ32に入力され、VR2、VR
3を調整することによりV .rの25℃における出力
電圧(バイアス分)の除去が行われると共に直線成分の
除去をVdtを用いて行い、そのアンブ32の出力電圧
Vrtの出力特性が第11図に示すような曲線状の特性
になるように調整する。さらに、その電圧Vrtをアン
プ33により反転増幅して第12図に示すような特性に
なるように調整する。
Further, the diffused resistor 23 has a characteristic that its voltage drop Vr changes in a curved manner that is a combination of a straight line and a quadratic curve, as shown in FIG. Then, the voltage Vd detected by the PN diode 22 is input to the amplifier 30, and the voltage Vd detected by the PN diode 22 is input to the amplifier 30, and
By varying V, the output voltage (bias component) at the reference temperature (usually 25°C) is removed, and the output voltage V
The output characteristics of dt are shown in Figure 9 when the output voltage at 25°C is O.
Adjust so that it becomes V. Furthermore, the voltage Vdt is inverted and amplified by an amplifier 31 and adjusted to have the characteristics shown in FIG. On the other hand, the voltage Vr detected by the diffused resistor 23 is input to the amplifier 32, and VR2, VR
By adjusting V.3. The output voltage (bias component) at 25°C of r is removed, and the linear component is also removed using Vdt, so that the output characteristic of the output voltage Vrt of the amplifier 32 becomes a curved characteristic as shown in FIG. Adjust so that Furthermore, the voltage Vrt is inverted and amplified by an amplifier 33 and adjusted to have the characteristics shown in FIG.

次に、第4図の零点温度補償回路27について説明する
。上述したようにして作成した±Vdt、±Vrtをこ
の回路27内の可変抵抗VR4、VR5の両側に設けら
れた入力端子にそれぞれ入カする。この時、Vdtは、
VR4を調整することにより、第13図のa = bの
間の温度特性の範囲で自由に設定することができる。ま
た、Vrtも同様にして、VR5を調整することにより
、第■4図のd〜eの間の温度特性の範囲で自由に設定
することができる。そして、VdtとVrtとをアンプ
34により合成することによって、出力電圧VTには、
温度に対して直線の傾きや、2次曲線の曲率を自由に設
定した温度依存性のある電圧を得ることができる。この
具体例として、例えば、第15図に示すように、第13
図の波形Cと第14図の波形fとを合成した曲線を持つ
特性を得ることができる。
Next, the zero point temperature compensation circuit 27 shown in FIG. 4 will be explained. ±Vdt and ±Vrt created as described above are input to input terminals provided on both sides of variable resistors VR4 and VR5 in this circuit 27, respectively. At this time, Vdt is
By adjusting VR4, it is possible to freely set the temperature characteristic within the range of a = b in Fig. 13. Similarly, by adjusting VR5, Vrt can be freely set within the temperature characteristic range between d and e in FIG. 4. Then, by combining Vdt and Vrt with the amplifier 34, the output voltage VT is
A temperature-dependent voltage can be obtained by freely setting the slope of a straight line or the curvature of a quadratic curve with respect to temperature. As a specific example of this, for example, as shown in FIG.
A characteristic having a curve obtained by combining waveform C in the figure and waveform f in FIG. 14 can be obtained.

その後、このようにして得られた電圧VTは、零点補償
回路28から得られた基準温度(ここでは、25℃)で
の零点出力補償電圧VOと共にアンプ35の負端子に送
られる。この零点出力補償電圧Voは、このアンプ35
に入力される他に、アンプ36の負端子にも入力される
。また、これらアンプ35.36の正端子には、第1図
に示すような力覚センサの歪検出素子8をブリッジ回路
に構成することにより得られた一成分力(例えば、X軸
方向)の出力電圧(Vxo,、Vxojが入力されてい
る。この場合、アンブ35とアンプ36との間の電圧V
xoは、下記に示すようになる。
Thereafter, the voltage VT thus obtained is sent to the negative terminal of the amplifier 35 together with the zero point output compensation voltage VO obtained from the zero point compensation circuit 28 at the reference temperature (here, 25° C.). This zero point output compensation voltage Vo is
In addition to being input to , it is also input to the negative terminal of amplifier 36 . In addition, the positive terminals of these amplifiers 35 and 36 are connected to one-component force (for example, in the Output voltages (Vxo, Vxoj are input. In this case, the voltage V between amplifier 35 and amplifier 36
xo is as shown below.

R1 +−(VO −VT)     ・・・(1)R. R, B=− R6 Vx(F,T)= Vxo+− Vxo−とおくと、 Vxo = Vx(F, T)A 十B (Vo −V
T) ・・−(1)に変形される。
R1 +-(VO -VT)...(1) R. R, B=- R6 Vx (F, T) = Vxo+- Vxo-, then Vxo = Vx (F, T) A 10B (Vo -V
T) ...-(1) is transformed.

ただし、T:温度(’C)、F:作用力(g)この時、 Vx (0.25):T=25℃におけるF=Ogの時
の出力電圧Vx (25℃の時の零点出力) =T℃におけるF=Oの時の 出力電圧Vx (T”Cの時の零点出力) Vx  (0,T) として、 A・Vx (0.  25) = −BVo  ・= 
(2)A−Vx(0,T)− A”Vx(0.25)=
 BVT  =(3)の条件を満たすならば、(1)式
のVxoは25℃においてO■でしかも零点出力の温度
依存性がなくなる。
However, T: temperature ('C), F: acting force (g), Vx (0.25): output voltage Vx when F=Og at T=25℃ (zero point output at 25℃) = Output voltage Vx when F=O at T℃ (zero point output when T''C) Vx (0, T), A・Vx (0.25) = −BVo ・=
(2) A-Vx(0,T)-A”Vx(0.25)=
If the condition BVT = (3) is satisfied, Vxo in equation (1) is O■ at 25° C., and the temperature dependence of the zero point output disappears.

そこで、今、(2)、(3)式を変形して、A Vo Vx (0.25)  ・= (4) B VT =     {Vx(0,T)− Vx(0.2
5))− (5)B の条件を満たすように、VOについてはVR6、VTに
ついてはVR4、VR5の値を調節するこどによって、
零点出力の温度依存性の影響をなくすことができる。そ
して、このようにして求められたVxoを次段のアンブ
37に入力することによって、その出力Vxにより力の
一成分力(X軸方向)を求めることができる。
Therefore, now, by transforming equations (2) and (3), A Vo Vx (0.25) ・= (4) B VT = {Vx (0, T) - Vx (0.2
5))-(5)B By adjusting the values of VR6 for VO and VR4 and VR5 for VT,
The influence of temperature dependence of zero point output can be eliminated. Then, by inputting the Vxo obtained in this way to the amplifier 37 at the next stage, one component force (in the X-axis direction) can be obtained from the output Vx.

ここで、これまで述べた零点温度補償を行いこれにより
温度補償された力の成分力を求める方法の具体例を従来
例と比較して述べる。今、例えば、A−10,B=1と
し、Fsを定格作用力とすると、 Vx(−Fs、25) 一Vx (Fs、25)=  
lomV(定格作用力に対するブリッジ出力のスパン)
Vx  (0.  25)=20mV 二二で、出力Vxにおいて必要なスパンを10■、Ao
をアンプ37の増幅度とすると、Vx=10 = l O X I O−’XAXAoより、Ao=1
00だけ必要となる。
Here, a specific example of the method of calculating the component force of the temperature-compensated force by performing the zero-point temperature compensation described above will be described in comparison with a conventional example. Now, for example, if A-10, B=1 and Fs is the rated force, then Vx (-Fs, 25) - Vx (Fs, 25) =
lomV (bridge output span for rated force)
Vx (0.25) = 20mV 22, the required span at the output Vx is 10■, Ao
Assuming that the amplification degree of the amplifier 37 is Vx=10=l O X I O−'XAXAo, Ao=1
Only 00 is required.

これにより、アンプ35.36を含む段で零点補正をし
ないとすると、この時のVxは20Vとなる。従来技術
(第21図参照)の回路でこの20■の分を補正するに
は、ボテンショメータ21により生じる電圧Vpを20
Vに調整する必要がある。しかし、通常の場合、演算増
幅器(オペアンプ35等)は±15V用の電源を使用し
ているので、そのような20Vの電圧を得ることはでき
ず、出力Vxは飽和したままの状態になる。
As a result, if zero point correction is not performed in the stage including the amplifiers 35 and 36, Vx at this time becomes 20V. In order to correct this 20 cm with the circuit of the prior art (see Fig. 21), the voltage Vp generated by the potentiometer 21 must be reduced by 20 cm.
It is necessary to adjust to V. However, since the operational amplifier (such as the operational amplifier 35) normally uses a ±15V power supply, such a voltage of 20V cannot be obtained, and the output Vx remains saturated.

一方、本発明による方法では、(4)式より、1 、(25℃の時の零点出力) = −0.2 (V)      ・・・(6)の値な
満足するようにすればよい。この−〇.2■ならば、通
常の演算増幅器の電源電圧により得ることができる。従
って、これにより出力Vxは飽和せず十分に零点補正を
行うことができる。なお,これまでは零点補正について
述べたが、零点温度特性の補償についても同様にして行
うことができる。
On the other hand, in the method according to the present invention, from equation (4), 1, (zero point output at 25° C.) = −0.2 (V) . . . (6) may be satisfied. This -〇. 2■, it can be obtained using the power supply voltage of a normal operational amplifier. Therefore, as a result, the output Vx is not saturated and the zero point correction can be performed sufficiently. Note that although the zero point correction has been described so far, compensation for the zero point temperature characteristics can be performed in the same way.

また、本実施例では、X軸方向の一成分力を検出する場
合について述べたが、この他に、検出する成分力の数が
増加した場合には、第4図における零点温度補償回路2
7をその増加した成分力の数だけ配設するようにすれば
よい。従って、これにより力の成分力を検出する数がい
くつになっても単結晶基板6(第1図参照)の歪不感部
9の表面に形成される温度検出素子22.23の数を増
加させる必要はなく、前述した実施例と同様に2個のま
までよいことになる。
Furthermore, in this embodiment, a case has been described in which one component force in the X-axis direction is detected, but in addition to this, when the number of component forces to be detected increases,
7 may be arranged in the number corresponding to the increased component force. Therefore, no matter how many force component forces are detected, the number of temperature detection elements 22 and 23 formed on the surface of the strain-insensitive portion 9 of the single crystal substrate 6 (see FIG. 1) is increased. It is not necessary, and the number may remain two as in the embodiment described above.

次に、上述した実施例における温度補償用電圧発生回路
26、及び、零点温度補償回路27の変形例について述
べる。まず、第5図の温度補償用電圧発生回路26の変
形例について述べる。この回路26は、前述した第3図
のようにVRI〜■R3によりVd及びVrのバイアス
成分や直線成.分を除去して±Vdt、±Vrtを作製
してはいない。そこで、これらのバイアス分は、第4図
の零点温度補償回路27のアンブ34においてVdt.
Vrtを合成した後、零点補償回路28の出力Voによ
り零点出力Vx (0.25)と共に除去される。しか
も、この場合、VTが適切な直線成分の傾斜をもつよう
にVR4、VR5を用いて調整を行うようにする。
Next, a modification of the temperature compensation voltage generation circuit 26 and the zero point temperature compensation circuit 27 in the above-described embodiment will be described. First, a modification of the temperature compensation voltage generating circuit 26 shown in FIG. 5 will be described. This circuit 26, as shown in FIG. ±Vdt and ±Vrt are not created by removing the components. Therefore, these bias components are converted to Vdt.
After combining Vrt, it is removed together with the zero point output Vx (0.25) by the output Vo of the zero point compensation circuit 28. Moreover, in this case, adjustment is performed using VR4 and VR5 so that VT has an appropriate slope of a linear component.

次に、第4図の零点温度補償回路27の変形例について
述べる。これは、V(it、Vrtを合或して出力Vx
oを求める回路の構成を変えたものである。この場合、
Vxoは、(1)式の関係を用いると、 R. + − (Vrt  −Vdt)   − (7)R, となる。
Next, a modification of the zero point temperature compensation circuit 27 shown in FIG. 4 will be described. This is the sum of V(it, Vrt and the output Vx
This is a modification of the circuit configuration for determining o. in this case,
Using the relationship of equation (1), Vxo is calculated as follows: + − (Vrt −Vdt) − (7)R,

この(7)式の第2項よりVrtとVdtを合成するこ
とができるため、これにより適切な温度補償を行うこと
ができる。なお、このような回路ではアンプ34.38
でVx (0.25)を補正することはできないが、後
段のアンプ37の部分において零点補償回路28のVo
を入力することによってそのVx (0.25)を補正
を行い、これにより零点補正のされた最適な温度補償を
行うことができる。
Since Vrt and Vdt can be combined from the second term of equation (7), appropriate temperature compensation can be performed. In addition, in such a circuit, the amplifier 34.38
Although it is not possible to correct Vx (0.25), the Vo of the zero point compensation circuit 28 is
By inputting the value, Vx (0.25) is corrected, thereby making it possible to perform optimal temperature compensation with zero point correction.

発明の効果 請求項1記載の発明は、温度に対して直線的及び曲線的
に特性が変化する温度検出素子をそれぞれ形成したので
、これら2種類の温度検出素子により得られた温度補償
用電圧を合成して温度補償を行うことにより、広範囲に
渡って特性曲線の補償を行うことができるものである。
Effects of the Invention The invention according to claim 1 forms temperature detection elements whose characteristics change linearly and curvedly with respect to temperature, so that the temperature compensation voltage obtained by these two types of temperature detection elements is By performing temperature compensation through synthesis, characteristic curves can be compensated over a wide range.

請求項2記載の発明は、温度補償用電圧発生回路により
温度補償用電圧を発生させ、この温度補償用電圧を零点
温度補償回路に送ることによって、その温度補償用電圧
と零点補償回路とにより零点温度補償を行ったので、零
点補償及び零点温度補償のなされた正確な力の成分力の
検出を行うことができるものである。
In the invention as claimed in claim 2, the temperature compensation voltage is generated by the temperature compensation voltage generating circuit, and the temperature compensation voltage is sent to the zero point temperature compensation circuit, so that the temperature compensation voltage and the zero point compensation circuit are used to generate the temperature compensation voltage. Since temperature compensation has been performed, it is possible to accurately detect force component forces that have undergone zero point compensation and zero point temperature compensation.

また、検出する力の成分力数に応じた数だけ零点温度補
償回路を設ければよいので、多或分力検出用の力覚セン
サにおける温度補償のための温度検出素子の個数を増加
させることなく正確に温度補償を行うことができるもの
である。
In addition, since it is sufficient to provide a number of zero point temperature compensation circuits corresponding to the number of component forces of the force to be detected, it is possible to increase the number of temperature detection elements for temperature compensation in a force sensor for detecting multiple force components. It is possible to perform temperature compensation accurately without any problems.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例を示す力覚センサの平面図、
第2図はその温度検出素子部分の配線状態を含めて示す
縦断側面図、第3図は温度補償用電圧発生回路を示す回
路図、第4図は零点温度補償回路を示す回路図、第5図
は第3図の変形例を示す回路図、第6図は第4図の変形
例を示す回路図、第7図はPNダイオードの温度特性曲
線を示す特性図、第8図は拡散抵抗の温度特性曲線を示
す特性図、第9図は第7図の電圧のバイアス電圧を除去
した後の様子を示す特性図、第10図は第9図の電圧を
反転増幅した場合の様子を示す特性図、第11図は第8
図の電圧のバイアス電圧を除去した後の様子を示す特性
図、第12図は第11図の電圧を反転増幅した場合の様
子を示す特性図、第13図は第9図の特性曲線において
調整用抵抗の抵抗値を変化させた場合における各種変形
例を示す特性図、第14図は第11図の特性曲線におい
て抵抗値を変化させた場合における各種変形例を示す特
性図、第l5図は第13図及び第14図における特性曲
線を合成して形成される波形の様子を示す特性図、第1
6図は第1図の単結晶SL基板表面に形成される歪検出
素子をブリッジ結線した場合の等価回路を示す回路図、
第l7図は零点温度特性を示す特性図、第18図は従来
における力覚センサの構成を示す平面図、第19図はそ
の側面図、第20図及び第21図は従来における零点温
度補償の機構を示す回路図である。 1・・・起歪体、2・・作用部、3・・・指示部、6・
・・単結晶基板、8・・・歪検出素子、9・・歪不感部
、22,23・・・温度検出素子、26・・・温度補償
用電圧発生回路、27・・・零点温度補償回路、28・
・・零点補償回路 出 願 人    株式会社 リ コ (ゴー 3 3 図 白 一 ト + 一ト一 ト 1 7E 3 買曽 』 q 図 JJO幽
FIG. 1 is a plan view of a force sensor showing an embodiment of the present invention;
Fig. 2 is a vertical side view showing the wiring state of the temperature detection element part, Fig. 3 is a circuit diagram showing the temperature compensation voltage generation circuit, Fig. 4 is a circuit diagram showing the zero point temperature compensation circuit, and Fig. 5 is a circuit diagram showing the temperature compensation voltage generation circuit. Figure 6 is a circuit diagram showing a modification of Figure 3, Figure 6 is a circuit diagram showing a modification of Figure 4, Figure 7 is a characteristic diagram showing the temperature characteristic curve of a PN diode, and Figure 8 is a diagram showing a temperature characteristic curve of a PN diode. A characteristic diagram showing the temperature characteristic curve, Fig. 9 is a characteristic diagram showing the state after removing the bias voltage of the voltage in Fig. 7, and Fig. 10 is a characteristic diagram showing the state when the voltage in Fig. 9 is inverted and amplified. Figure 11 is the 8th
Figure 12 is a characteristic diagram showing how the voltage shown in Figure 11 is inverted and amplified after the bias voltage is removed, Figure 13 is a characteristic diagram showing how the voltage in Figure 11 is inverted and amplified, and Figure 13 is adjusted using the characteristic curve in Figure 9. 14 is a characteristic diagram showing various modifications when the resistance value of the resistor is changed, FIG. 14 is a characteristic diagram showing various modifications when the resistance value is changed in the characteristic curve of FIG. 11, and FIG. Characteristic diagram showing the state of the waveform formed by combining the characteristic curves in FIGS. 13 and 14, 1st
Figure 6 is a circuit diagram showing an equivalent circuit when the strain detection elements formed on the surface of the single crystal SL substrate in Figure 1 are bridge-connected;
Fig. 17 is a characteristic diagram showing zero point temperature characteristics, Fig. 18 is a plan view showing the configuration of a conventional force sensor, Fig. 19 is a side view thereof, and Figs. 20 and 21 are diagrams showing the conventional zero point temperature compensation. FIG. 3 is a circuit diagram showing the mechanism. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Strain body, 2... Action part, 3... Instruction part, 6...
. . . Single crystal substrate, 8 . . . Strain detection element, 9 . , 28・
...Zero point compensation circuit applicant Rico Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方
を作用部とする起歪体を設け、この起歪体の表面に機械
的変形により電気抵抗を変化させる歪検出素子の形成さ
れた単結晶基板が接着固定された力覚センサにおいて、
前記単結晶基板の歪不感部の表面に、温度に対して直線
的に特性が変化する温度検出素子及び曲線的に特性が変
化する温度検出素子を形成したことを特徴とする力覚セ
ンサの温度補償回路。 2、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方
を作用部とする起歪体を設け、この起歪体の表面に機械
的変形により電気抵抗を変化させる歪検出素子の形成さ
れた単結晶基板が接着固定された力覚センサにおいて、
前記単結晶基板の歪不感部の表面に、温度に対して直線
的に特性が変化する温度検出素子及び曲線的に特性が変
化する温度検出素子を形成し、これら温度検出素子によ
り検出された電圧をもとにセンサ出力の温度補償を行う
ための電圧を発生する温度補償用電圧発生回路を設け、
この温度補償用電圧発生回路により得られた出力電圧を
もとにセンサ出力の零点温度補償を行う零点温度補償回
路を設けたことを特徴とする力覚センサの温度補償回路
。 3、力覚センサにより検出する力の成分力数に応じた数
だけ零点温度補償回路を設けたことを特徴とする請求項
2記載の力覚センサの温度補償回路。
[Scope of Claims] 1. A strain-generating body is provided, with one of the center portion and the peripheral portion serving as a support portion and the other portion serving as an action portion, and the electrical resistance is changed by mechanical deformation on the surface of this strain-generating body. In a force sensor in which a single crystal substrate on which a strain detection element is formed is fixed with adhesive,
A temperature sensor characterized in that a temperature detection element whose characteristics change linearly with respect to temperature and a temperature detection element whose characteristics change curvedly with respect to temperature are formed on the surface of the strain-insensitive part of the single crystal substrate. Compensation circuit. 2. A strain-generating body is provided with one of the center portion and the peripheral portion serving as a support portion and the other portion serving as an action portion, and a strain detection element is formed on the surface of this strain-generating body to change electrical resistance by mechanical deformation. In a force sensor in which a single crystal substrate is adhesively fixed,
A temperature detection element whose characteristics change linearly with temperature and a temperature detection element whose characteristics change curvedly with respect to temperature are formed on the surface of the strain-insensitive part of the single crystal substrate, and the voltage detected by these temperature detection elements is A temperature compensation voltage generation circuit is provided to generate a voltage for temperature compensation of the sensor output based on
A temperature compensation circuit for a force sensor, comprising a zero point temperature compensation circuit that performs zero point temperature compensation of the sensor output based on the output voltage obtained by the temperature compensation voltage generation circuit. 3. The temperature compensation circuit for a force sensor according to claim 2, further comprising a number of zero point temperature compensation circuits corresponding to the number of force components detected by the force sensor.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100656087B1 (en) * 2004-12-02 2006-12-08 주식회사 로템 Oil pressure and air pressure pump for coupling junctional device
JP2007333430A (en) * 2006-06-12 2007-12-27 Ricoh Co Ltd Temperature compensation circuit compensation method

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