JPS62242801A - 非直線性補償機能を備えた荷重変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）　　技術分野 本発明は、荷重変換器に関し、より詳細には。

起歪体の起歪部に添着された荷重変換用のひずみゲージ
で構成されたホイートストンブリッジの電源供給路に、
前記起歪部の近傍に添着された非直線性補償用の半導体
ゲージが回路挿入されてなる非直線性補償機能を備えた
荷重変換器に関するものである。

（ｂ）　　従来技術 従来の荷重変換器は、一般に４枚のひずみゲージにより
ホイートストンブリッジが構成され。

このホイートストンブリッジにブリッジ電源を印加し、
このホイートストンブリッジの出力端から印加荷重に対
応した出力信号を得るようになっている。

第５図は、そのような荷重変換器の回路構成を示す回路
図である。

同図において、Ｒ１＝Ｒａは、ひずみゲージであり、４
枚をもってホイートストンブリッジが構成されており、
ひずみゲージＲ１とＲ２およびひずみゲージＲ３とＲ４
の両接続点にはブリッジ電源ＢＶからブリッジ電圧ｅｉ
が印加されており、またひずみゲージＲ２とＲ８および
ひずみゲージＲ１とＲ４の両接続点からは出力電圧ｅｏ
が出力さ才するようになっている。

ところが、このようなひずみゲージより構成されたホイ
ートストンブリッジを有する荷重変換器は、第６図に示
すように荷重変換特性が非直線性と温度依存性を有して
いる。このような問題があることから、高精度の荷重変
換器を製作する場合、第７図に示すように荷重変換特性
の非直線性を補償するためにブリッジ電圧供給。

路に半導体ゲージＳＧを直列に回路挿入し、さらに温度
依存性を補償するために温度感度抵抗ＳＲを半導体ゲー
ジＳＧに直列に接続する方法が試みられている。この半
導体ゲージＳＧは、ひずみゲージが添着された起歪部の
近傍のひずみを生ずる位置に設けられるが、Ｕ度感度抵
抗ＳＲは、ひずみには不感なる位置に設けられる。

しかしながら、ホイートストンブリッジに非直線性補償
用の半導体ゲージＳＧの他に温度感度抵抗ＳＲを接続す
ると、そこで電圧降下が生じるので、荷重変換器の出力
はひずみゲージよりなるホイートストンブリッジだけの
場合に比較して小さくなってしまう。従って非直線性お
よび温度依存性を補償する場合において同じ荷重に対し
て充分な大きさの出力が得られるようにするためには、
同じ荷重に対してひずみゲージに生じるひずみが大きく
なるようにする必要がある。

しかしながら、起歪部に生じるひずみが大きくなる程起
歪部およびひずみゲージにかかる応力が大きくなるため
疲労寿命が短くなり、しかも静的強度に不安が生じると
いう問題が生じる。

（ｃ）　　目的 本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その
目的とするところは、ホイートストンブリッジを構成す
る荷重変換器の非直線性および温度依存性を半導体ゲー
ジのみで補償することにより出力を徒らに低下させるこ
となくしかもより安価に高精度な荷重変換特性が得られ
る荷重変換器を提供することにある。

（ｄ）　　構成 本発明は、上記の目的を達成させるため、起歪体の起歪
部に添着された荷重変換用のひずみゲージで構成された
ホイートストンブリッジのブリッジ電源供給路に、前記
起歪部の近傍に添着された非直線性補償用の半導体ゲー
ジが回路挿入されてなる荷重変換器であって、前記荷重
変換器の常温における非直線性を補償する抵抗値を有す
ると共に、該荷重変換器出力に与える温度影響が、該荷
重変換器の非直線性補償前の出力の温度影響と同等とな
るような温度による抵抗変化率とゲージ率変化率を有す
る半導体ゲージを、前記ブリッジ電源供給路に直列に回
路挿入した構成としたものである。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ詳細に説
明する。

第１図は、本発明に係る荷重変換器の一実施例の回路構
成を示す回路図、第２図（Ａ）。

（Ｂ）は、半導体ゲージの抵抗温度特性図およびゲージ
率温度特性図である。

第１図において、Ｒ１，ＲｓおよびＲ２゜Ｒ４は、荷重
変換器の起歪部に接着、蒸着その他の手段により添着さ
れた荷重変換用のひずみゲージである。ＳＧは、荷重変
換器の荷重変換特性の非直線性を補償する半導体ゲージ
であり、ひずみゲージＲ１〜Ｒ４で構成されるホイート
ストンブリッジの入力端とブリッジ電源ＢＶとの間、即
ちブリッジ電源供給路に直列に回路挿入されている１図
においては、ブリッジ電圧ｅｉの供給路の正側と負側の
双方に回路挿入されているが、一方何のみに設けてもよ
い、ここに用いられる非直線性補償用の半導体ゲージＳ
Ｇは、第２図（Ａ）の破線で示す抵抗温度特性と、同図
（Ｂ）の破線で示すゲージ率温度特性を有するものが、
これまで得られていたが゛このような特性を有するもの
は、温度上昇によって抵抗値が大きくなり、またゲージ
率が小さくなると荷重変換器出力の温度影響（温度によ
る出力の変化）を負にする方向（温度上昇により出力が
低下する方向）に働く。

一般に荷重変換器出力の温度影響は、正（温度上昇によ
り出力が増大する）であるので、現状の半導体ゲージの
温度による抵抗値およびゲージ率の特性変化により、荷
重変換器出力の温度影響を少なくする方向に働くが、荷
重変換器出力の温度影響を完全に無くすことはできない
。

そこで、本発明においては、半導体ゲージの中に添加す
る不純物（例えばボロン、リン等）の量を調整して、第
２図（Ａ）および（Ｂ）にそれぞれ実線にて示すように
、温度による抵抗の変化率をより大きくしたり、温度に
よるゲージ率の変化率をより小さくしたりすることによ
って初期の目的を達成しようとするものである。

そこで、実際に必要とする特性を算出する手順について
、以下説明する。

（１）　先ず、ひずみゲージＲ１〜Ｒ４でなる荷重変換
器の低温での出力、常温での出力、高温での出力を測定
により求める。

常温においては、非直線性（以下ｒＮＬＪという）も測
定する。

（２）　次に、常温のときのＮＬ値からそのＮＬを０％
Ｒ，Ｏ（Ｒａｔｅｄ　０ｕｔｐｕｔ）にするのに必要な
半導体ゲージの種［（Ｐ型であるかＮ型であるかについ
ての種類）および抵抗値を次式により算出する。

Ｒｅ　＝−ｘ−Ｒ／　（ｘ＋（ｘ＋２５）Ｋａ　・ｔ　
ｎ　］但し。

ｘ：ＮＬ補正前のＮＬ［％Ｒ，Ｏ］　。

ＫＢ：半導体ゲージのゲージ率。

εＢ：半導体ゲージにかかる定格のひずみ、Ｒニブリッ
ジを構成するひずみゲージの抵抗値。

である。

ここで、実際の例を採って計算してみることとする。

荷重変換器の常温でのＮＬが０．２％Ｒ９○であったと
すると、ＮＬを０％Ｒ，Ｏにするにはり一例として第１
図に示す本発明の荷重変換器において、ひずみゲージＲ
１，Ｒｓには、−２１３０μＥ　（μｇ＝１０Ｊひずみ
）のびずみがかかり、Ｒ２、Ｒ４には６４０μＥのひず
みがかかり、半導体ゲージＳＧには、６４０μεのひず
みがかかり、ひずみゲージの抵抗値Ｒは、３５０Ωであ
り半導体ゲージとしてＮ型のものを用い、ゲージ率を−
９５として、上記式により計算すると、半導体ゲージの
抵抗Ｒｓは、５３Ωとなる。

（３）　上記（２）において求めた抵抗Ｒｎの抵抗値の
半導体ゲージＳＧを回路に挿入してＮＬを補正した場合
、半導体ゲージＳＧの温度による抵抗値の変化、ゲージ
率の変化を任意に変えたときの荷重変換器の出力の温度
影響を計算により求める。但し、ここで計算するのは。

半導体ゲージＳＧの特性変化による荷重変換器出力の温
度影響の変化量である。

第３図（Ａ）は、温度によるゲージ率の変化に伴う出力
の温度影響の変化を示し、同図（Ｂ）は、温度による抵
抗値の変化に伴う出力の温度影響の変化を示す。

（４）　ところで、実際ＮＬ補償前の荷重変換器の出力
の温度影響はＸ％／℃であり、従って。

半導体ゲージＳＧの特性変化に伴う出力の温度影響の変
化をＸと等しくシ、逆特性（負号−）にすればＮＬ補償
後の出力の温度影響が零となる。

ここで、Ｘを、通常のひずみゲージをもって組まれたホ
イートストンブリッジを有する荷重変換器で一般に考え
られる０、０３〜０．０５％／℃とじた場合の出力の温
度影響が零となるような半導体ゲージＳＧの抵抗値の変
化率とゲージ率の変化率との関係を求めると、第４図に
示す関係になる。

尚、出力の温度影響は、下記の式で表わされる。

出力の温度影響〔％／℃〕 ＝　（（ｔ’での出力）−（常温ｔでの出力）〕／（（
常温ｔの出力）ｘ　（ｔ’−ｔ））上述した第４図に示
す値に半導体ゲージＳＧの特性を選べば、ＮＬ補償後の
荷重変換器の出力は、温度によらず一定となる。

尚、本発明は、上述した実施例に限定されるものではな
く１本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施
が可能である。

例えば、半導体ゲージＳＧに並列にその半導体ゲージＳ
Ｇの抵抗値を調整する調整抵抗を付設してもよい。

（ｅ）　　効果 以上詳述したように本発明によれば、温度感度抵抗を用
いることなく半導体ひずみゲージのみで、起歪部に添着
されたひずみゲージで構成されたホイートストンブリッ
ジを有する荷重変換器の非直線性および出力の温度依存
性を良好に補償することができ、従って、従来のものに
比較して安価であり且つ出力感度を向上させ得ると共に
極めて、精度の高い荷重検出を行ない得る荷重変換器を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明に係る荷重変換器の一実施例を示す回
路図、第２図（Ａ）および（Ｂ）は、半導体ゲージの抵
抗温度特性図およびゲージ率温度特性図、第３図（Ａ）
は、温度によるゲージ率の変化と出力の温度影響の変化
との関係を示す特性図、第３図（Ｂ）は、温度による抵
抗値の変化と出力の温度影響の変化との関係を示す特性
図、第４図は、非直線性補償後の荷重変換器の出力の温
度影響が零となるような半導体ゲージの抵抗値の変化率
とゲージ率の変化率との関係を示す特性図、第５図は、
荷重変換器に添着されたひずみゲージで構成されるホイ
ートストンブリッジの基本的回路図、第６図は、第５図
のように回路構成された荷重変換器の荷重変換特性図、
第７図は、半導体ゲージの他に温度感度抵抗を回路挿入
した場合の参考例を示す回路図である。 Ｒ１−Ｒ４・−・・・・ひずみゲージ、ＳＧ・・・・・
・半導体ゲージ、 ＢＶ・・・・・・ブリッジ電源。 第　　１　　　図 ＢＶ 第　　２　　図 第３図 （Ａ） 出力の温度影響の変化 第３図 ＣＢ） 第　　４　　　図 第５図 Ｖ ｆａＧ図 第７図 Ｖ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）起歪体の起歪部に添着された荷重変換用のひずみ
   ゲージで構成されたホイートストンブリッジのブリッジ
   電源供給路に、前記起歪部の近傍に添着された非直線性
   補償用の半導体ゲージが回路挿入されてなる荷重変換器
   であって、前記荷重変換器の常温における非直線性を補
   償する抵抗値を有すると共に、該荷重変換器出力に与え
   る温度影響が、該荷重変換器の非直線性補償前の出力の
   温度影響と同等となるような温度による抵抗変化率とゲ
   ージ率変化率を有する半導体ゲージを、前記ブリッジ電
   源供給路に直列に回路挿入した構成としたことを特徴と
   する非直線性補償機能を備えた荷重変換器。