JPS6124887Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、例えば力、ひずみ、変位、圧力など
の機械量をひずみゲージで検出し、電気信号に変
換する変換増幅器に関するものである。

第１図は従来公知のこの種の変換増幅器の接続
図である。図において、R₁〜R₄はブリツジ接続
されたひずみ抵抗で、対辺の抵抗R₁，R₃は例え
ば圧力が加わつたとき圧縮ひずみが加わつてその
抵抗が減少するように、また、抵抗R₂，R₄は圧
力が加わつたとき引張ひずみが加わつてその抵抗
が増大するようになつている。これらひずみ抵抗
R₁〜R₄で構成されたブリツジ回路Ｂの電源端に
は定電圧電源Ｅが接続され、検電端は差動増幅器
OPの入力端に接続されている。r₁は差動増幅器
の帰還抵抗、r₂は入力抵抗である。

この回路において、r₁＝r₂とすると、差動増幅
器OPの出力電圧Voは各ひずみ抵抗R₁〜R₄の被測
定圧力に対応する抵抗変化ΔＲに対して(1)式の通
りとなる。

Vo＝２ｒ／Ｒ・ΔＲ／Ｒ・Ｅ (1) したがつて抵抗変化ΔＲに比例した出力電圧
Voを出力できる。

このように構成した回路においては、被測定機
械量の各ひずみ抵抗の抵抗変化ΔＲとが直線的な
関係にあるときは都合が良いが、これが非線形な
関係の場合には、別にリニアライザ等の手段を設
けなければならない。

ここにおいて、本考案は被測定機械量と各ひず
み抵抗の抵抗変化ΔＲが非線形な関係にある場
合、この非線形性を補償することのできる変換増
幅器を実現しようとするものである。

第２図及び第３図は本考案が適用される圧力変
換器の一例を示す構成図で、第２図はその斜視
図、第３図は側面図である。１はＵ形状の平板片
持ち折返し構造のばね板で、その一端がネジ１１
によつて固定された第１の板２１と、この第１の
板２１の他端に結合され、一端に機械量が与えら
れる第２の板２２で構成されている。第１の板２
１と第２の板２２の大きさ（長さと幅）はともに
等しい。ここで第１の板２１を固定するための穴
３１と、例えばベローズ２が結合する結合穴３２
とはほぼ一直線状に並ぶように設けてあり、ま
た、起歪部１３，１４を形成するための溝も、第
１の板２１と第２の板２２において、一直線に並
ぶように形成されている。そして各ひずみ抵抗
R₁〜R₄は、いずれも起歪部を形成する溝と反対
側の表面に配置されている。ここで、各ひずみ抵
抗R₁〜R₄は、溝とは反対側の鏡面研摩された起
歪部に蒸着技術により薄い絶縁層及び薄膜抵抗体
を形成して構成したもので、各抵抗体は基板に分
子的結合により強く固着されていること、同一面
上に温度係数など特性のそろつた素子が得られ易
いこと等の特長をもつている。

いま、ベローズ２に被測定圧力Ｐを加えると、
ベローズ２は伸張し、ばね板１は第３図に示すよ
うに変形する。この結果、ひずみ抵抗R₂，R₄に
は圧縮ひずみが、ひずみ抵抗R₁，R₃には引張ひ
ずみがそれぞれ加えられる。

このように構成した圧力変換器において、各ひ
ずみ抵抗R₁〜R₄を第１図に示すようにブリツジ
接続し、被測定圧に対する出力信号の誤差（各ひ
ずみ抵抗の抵抗変化の誤差）を調べてみると、ば
ね板１の材質、厚さ、形状等によつて変るも、最
大のものは第４図の破線に示す通り被測定圧力
0.5Kg／cm²付近で−0.4％を越える誤差があり、下
に凸の非線形となつている。

第５図は本考案の一実施例を示す接続図であ
る。本考案においては、４個のひずみ抵抗R₁〜
R₄で構成されるブリツジ回路Ｂにおいて、ひず
み抵抗R₂と直列にゼロ点調整用の抵抗ｒ_pを挿入
接続するとともに、ひずみ抵抗R₃と直列に抵抗r₁
を、その一端がゼロ点調整用抵抗ｒ_pの他端に接
続されるように挿入接続し、ひずみ抵抗R₃と抵
抗r₁との共通接続点と、差動増幅器OPの出力端
間に抵抗r₂を接続したものである。また、ゼロ調
整用抵抗ｒ_pと抵抗r₁の共通接続点と共通ライン
（アースライン）間に抵抗ｒ_cを挿入接続してい
る。なおブリツジ回路Ｂの電源端に電源＋Ｅが接
続されている。

このように接続した回路において、差動増幅器
の出力電圧Voは(1)式で示すことができる。

Vo＝（ｒ_１＋ｒ_２＋ｒ_ｃ）｛Ｒ_４（Ｒ_２＋Ｒ_ｐ）−Ｒ_１Ｒ_３｝＋ｒ_１（Ｒ_４ｒ_ｃ−Ｒ_１ｒ_２）／｛Ｒ_４（Ｒ_２＋ｒ
_ｐ＋ｒ_１）−Ｒ_１Ｒ_３｝ｒ_ｃ＋Ｒ_４（Ｒ_２＋ｒ_ｐ＋Ｒ_１）ｒ_１・Ｅ(1) (1)式において、R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝Ｒとし、ば
ね板１に最大圧力時のひずみが与えられたとき
（フルスパンのとき）のひずみ抵抗の変化分を±
ΔＲとすれば、その平衡条件Roは(2)式で表わさ
れ、また出力電圧Voは(3)式で表わされる。

Ro＝ｒ_１（ｒ_２−ｒ_ｃ）／ｒ_１＋ｒ_２＋ｒ_ｃ (2) Vo＝２（ｒ_１＋ｒ_２＋ｒ_ｃ）／ｒ_１・１／１＋Ａ・ΔＲ
／Ｒ （１−２ｒ_ｃ＋ｒ_１／ｒ_１・１／１＋Ａ・ΔＲ／Ｒ
） (3) ただし、 Ａ＝２ｒ_２ｒ_ｃ／２Ｒ（ｒ_１＋ｒ_２＋ｒ_ｃ）＋ｒ_１ｒ_２ (3)式において、ΔＲは被測定圧力に対応して変
化するが、被測定圧力と出力電圧Voとの関係が
非線形である場合、２ｒ_ｃ＋ｒ_１／ｒ_１・１／１＋Ａの
値を抵抗値 ｒ_cを変えることにより被測定圧力と出力電圧と
の関係を直線化することができる。

好ましい実験結果の一例によれば、第５図にお
いて、r₁＝160Ω，r₂＝5.1KΩ、差動増幅器とし
てμPC154Aをを用いた場合、ｒ_cを750Ωとする
ことによつて第４図の破線に示す特性は、同図実
線に示すように−0.04％以下に改善することがで
きた。

なお、ここではブリツジ回路Ｂに＋Ｅの電源を
接続したものであるが、第４図破線に示す誤差特
性が、上に凸の非線形の場合には、−Ｅの電源を
接続することとなる。また、上記の説明ではひず
み抵抗R₁〜R₄は平板状片持ち折返し構造のばね
板上に形成したものであるが、これ以外に例えば
シリコン単結晶の一部を薄く加工してダイヤフラ
ムとし、この上に不純物拡散により抵抗を形成し
てひずみゲージとしたものでもよい。また、ブリ
ツジ回路Ｂにおいて、ゼロ点調整用抵抗ｒ_pはな
くてもよい。

以上説明したように、本考案によれば、被測定
圧力と抵抗変化の非線形性を抵抗ｒ_cの値を調整
することによつて容易に補償することができるも
ので、特別なリニアライザを必要とせず、全体構
成の簡単な変換増幅器が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来公知の変換増幅器の接続図、第２
図および第３図は本考案が適用される圧力変換器
の一例を示す構成図、第４図は被測定圧とひずみ
抵抗の抵抗変化の誤差を示す線図、第５図は本考
案の一実施例を示す接続図である。 R₁〜R₄……ひずみ抵抗、r₁，r₂，ｒ_c……抵
抗、OP……差動増幅器、ｒ_p……ゼロ点調整用抵
抗。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 圧縮ひずみが与えられ互に対辺に接続された
   ひずみ抵抗R₁，R₃と引張ひずみが与えられ互
   に対辺に接続されたひずみ抵抗R₂，R₄とで構
   成されるブリツジ回路、このブリツジ回路の不
   平衡出力を増幅する増幅器、前記圧縮ひずみが
   与えられる一方のひずみ抵抗R₃又は引張ひず
   みが与えられる一方のひずみ抵抗R₂と直列に
   なるように挿入接続された抵抗r₁、この抵抗r₁
   と前記ひずみ抵抗R₃又はR₂との共通接続点と
   前記増幅器の出力端間に接続された抵抗r₂、前
   記抵抗r₁の一端と共通ライン間に接続した抵抗
   ｒ_cをを具備し、前記抵抗ｒ_cの値を調整するこ
   とによつて非線形特性を補償するようにした変
   換増幅器。 (2) 一端が抵抗ｒ_cと抵抗r₁の共通接続点に接続
   されるとともに、ひずみ抵抗R₂又はR₃と直列
   になるようにゼロ点調整用抵抗ｒ_pを挿入接続
   した実用新案登録請求の範囲第１項記載の変換
   増幅器。