(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の物理量を電気信号に変換するセンサと、このセンサからの電気信号を増幅し、出力信号を出力する増幅部とを備えた計測装置の出力補正回路であって、
電圧源から前記計測装置に入力される所定の電圧と前記出力信号との電位差が直列接続される２つの抵抗によって分圧され、
これら２つの抵抗の接続点の電圧を前記センサに印加することを特徴とする計測装置の出力補正回路。
【請求項２】
請求項１に記載の計測装置の出力補正回路において、
前記出力信号が直列接続される２つの抵抗によって分圧され、
これら２つの抵抗の接続点に前記センサのアース側が接続されることを特徴とする計測装置の出力補正回路。
【請求項３】
被測定物の物理量を電気信号に変換するセンサと、このセンサからの電気信号を増幅し、出力信号を出力する増幅部とを備えた計測装置の出力補正回路であって、
電圧源から前記計測装置に入力される所定の電圧および前記出力信号の電位差が直列接続される第１の抵抗と第２の抵抗とによって分圧され、これら第１および第２の抵抗の接続点の電圧を前記センサに印加する第１の回路と、
前記出力信号が直列接続される第３の抵抗および第４の抵抗によって分圧され、これら第３および第４の抵抗の接続点に前記センサのアース側が接続される第２の回路とを有し、
前記第１の回路と前記第２の回路とは、切り替え可能となっていることを特徴とする計測装置の出力補正回路。
【請求項４】
請求項３に記載の計測装置の出力補正回路において、
前記センサは、前記被測定物の圧力変化に応じて変形するダイアフラムと、このダイアフラム上に形成され、当該ダイアフラムの変形を電気信号に変換する歪みゲージとを備えた圧力センサであることを特徴とする計測装置の出力補正回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の物理量を電気信号に変換するセンサと、このセンサからの電気信号を増幅し、出力信号を出力する増幅部とを備えた計測装置の出力補正回路に関し、例えば、流体の圧力変化を電気的に検出して出力信号を出力する圧力計測装置等に利用することができる。
【０００２】
【背景技術】
従来より、圧力、温度等の被測定物の物理量を電気信号に変換するセンサが多用され、このようなセンサを組み込んだ計測装置を利用して、被測定物の物理量を電気信号に変換することにより、装置の制御機構が構築されることが多い。
例えば、圧力を利用した油圧制御装置において、圧力を制御する出力信号を出力する圧力計測装置３０は、図６に示すように、抵抗歪みゲージ式の圧力センサ３１と、この圧力センサ３１の電気信号を増幅して出力信号を出力する増幅部３２とを備えている。
【０００３】
圧力センサ３１は、被測定物となる流体の圧力変化に応じて変形するダイアフラム上に半導体素子からなる歪みゲージ３１１を４つ形成し、これらの歪みゲージ３１１を互いに金属配線で連絡したブリッジ３１２を有している。
そして、歪みゲージ３１１同士の接続部分には、ブリッジ３１２上で互いに対向するように電圧印加用の印加端子３１３Ａおよびアース側端子３１３Ｂが形成されているとともに、他の対向部分には、一対の出力端子３１４が形成され、出力端子３１４は、１チップ上に増幅回路が形成されたＡＳＩＣ（Application  Specifc  Integrated  Cicuit）からなる増幅部３２に接続されている。
この圧力センサ３１による圧力の計測に際しては、電圧源３３から所定の電圧Ｖが圧力センサ３１に供給され、一対の電圧印加端子３１３には、印加電圧Ｖgが印加される。
【０００４】
流体の圧力が変化すると、ダイアフラムが変形し、これに伴い歪みゲージ３１１が変形する。そして、歪みゲージ３１１が変形すると、その抵抗値が変化し、ブリッジ３１２のバランスが変化して前記出力端子３１４から電気信号が出力される。
この電気信号は、増幅部３２によって増幅され、出力信号Ｖo（電圧値）として外部に出力され、この出力信号Ｖoに基づいて油圧制御装置の制御が達成される。
尚、増幅部３２の電圧供給源は上記圧力センサ３１の電圧源３３と共通であり、電圧源３３の出力電圧Ｖが大きくなると、これに伴い、増幅部３２から出力される出力信号Ｖoも大きくなる。
【０００５】
このような圧力計測装置３０を用いて油圧制御装置の制御を行う場合、油圧制御装置に多数の圧力計測装置３０を取り付けなければならないので、圧力計測装置３０を小型化、軽量化することが重要であり、増幅部３２をワンチップ化することにより、小型化、軽量化を達成している。
また、圧力計測装置３０を油圧制御装置で利用する場合、低価格、高耐久性の圧力計測装置でなければならない他、圧力計測が圧力の大きさによらず精度よく行うことができるのが望ましい、
特に、高精度化を図るには、圧力センサ３１のダイアフラムに作用する実際の圧力と圧力計測装置３０から出力される出力信号Ｖoとの関係が広い範囲で比例関係、すなわち直線関係が維持されていることが望まれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、抵抗歪みゲージ式の圧力センサ３１から出力される電気信号は、必ずしも被測定物の圧力に比例しているわけではなく、歪みゲージ３１１の特性から通常高圧になるに従って、ダイアフラムに作用する圧力と電気信号との直線関係が失われる傾向にあり、これに伴い、増幅部３２によって増幅された出力信号Ｖoとの関係も直線性を失うこととなる。
このため、増幅部３２の内部でセンサからの電気信号を圧力に応じて増幅度を変えて出力信号Ｖoとすれば、圧力と出力信号Ｖoとの直線性は担保できるのだが、上述した１チップ化された増幅部３２の内部で直線化補正処理をしようとすると、増幅部３２のチップが大型化してしまうという問題がある。
【０００７】
また、圧力計測装置３０の内部に補正用端子等を別途設けなければならないので、圧力計測装置３０が大型化してしまう、製造コストが著しく高騰してしまうという問題がある。
尚、このような問題は、上述した圧力センサの場合のみならず、温度、流量センサ等において、被測定物の物理量を電気信号に変換するために抵抗歪みゲージを用いたような場合にも同様の問題として把握されることがある。
【０００８】
本発明の目的は、被測定物の物理量を電気信号に変換するセンサの電気信号を増幅して出力信号を出力する計測装置の出力補正回路において、簡易な構造で安価に高精度化を図ることのできる計測装置の出力補正回路を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る計測装置の出力補正回路は、被測定物の物理量を電気信号に変換するセンサと、このセンサからの電気信号を増幅し、出力信号を出力する増幅部とを備えた計測装置の出力補正回路であって、電圧源から前記計測装置に入力される所定の電圧と前記出力信号との電位差が直列接続される２つの抵抗によって分圧され、これら２つの抵抗の接続点の電圧を前記センサに印加することを特徴とする。
ここで、被測定物の物理量とは、自然科学的諸量をセンサ等の変換機構により電気信号に変換しうるすべてのものをいい、上述した被測定物となる流体の圧力のみならず、流体の流量や被測定物の温度、重量等をも含むものである。
【００１０】
このような本発明では、電圧源からの所定の電圧と出力信号との電位差が直列接続される２つの抵抗によって分圧され、これら２つの抵抗の接続点の電圧をセンサに印加しているので、センサに作用する物理量の上昇とともに、電圧源からの電圧と出力信号との電位差が減少し、この結果センサに対する印加電圧が大きくなる。
従って、当該センサから出力され、増幅部に入力される電気信号は、センサに作用する物理量の上昇とともに大きくなり、物理量と出力信号との関係は、圧力の上昇とともに上側（負方向）に補正され、広い測定範囲に亘って両者の直線関係が維持され、計測装置の高精度化が図られる。
そして、計測装置の内部に２つの抵抗を設けるという簡易な構造でこのような高精度の計測装置を形成すること可能なので、計測装置の大型化を招くこともなく、製造コストが大幅に上昇することもない。
【００１１】
以上において、前記出力信号が直列接続される２つの抵抗によって分圧され、これら２つの抵抗の接続点に前記センサのアース側が接続されるのが好ましい。
【００１２】
このような本発明では、出力信号は直列接続される２つの抵抗によって分圧され、これら２つの抵抗の接続点にセンサのアース側が接続されているので、センサに作用する物理量の上昇とともにセンサのアース側電位が上昇して、この結果センサに対する印加電圧が小さくなる。
従って、当該センサから出力され、増幅部に入力される電気信号は、センサに作用する物理量の上昇とともに小さくなり、物理量と出力信号との関係は、物理量の上昇とともに下側（正方向）に補正され、やはり広い測定範囲に亘って両者の直線関係が維持される。
【００１３】
さらに、本発明に係る計測装置の出力補正回路は、被測定物の物理量を電気信号に変換するセンサと、このセンサからの電気信号を増幅し、出力信号を出力する増幅部とを備えた計測装置の出力補正回路であって、電圧源から前記計測装置に入力される所定の電圧および前記出力信号の電位差が直列接続される第１の抵抗と第２の抵抗とによって分圧され、これら第１および第２の抵抗の接続点の電圧を前記センサに印加する第１の回路と、前記出力信号が直列接続される第３の抵抗および第４の抵抗によって分圧され、これら第３および第４の抵抗の接続点に前記センサのアース側が接続される第２の回路とを有し、前記第１の回路と前記第２の回路とは、切り替え可能となっていることを特徴とする。
このような本発明では、切り替えにより、物理量と出力信号との関係を正方向に直線化補正したり負方向に直線化補正をすることが可能となるので、センサの特性に応じていずれかの補正を行うかを適宜選択することが可能となり、計測装置の出力補正回路を幅広い用途に供することが可能となる。
【００１４】
以上において、前記被測定物の圧力変化に応じて変形するダイアフラムと、このダイアフラム上に形成され、当該ダイアフラムの変形を電気信号に変換する歪みゲージとを備えた圧力センサの場合に本発明に係る計測装置の出力補正回路を採用するのが好ましい。
すなわち、ダイアフラムの面外方向の変形をこのダイアフラム上に形成された歪みゲージによって電気信号に変換する場合に、上述した直線化補正を行う必要性が高く、本発明の有用性は高い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
尚、以下の説明では、既に説明した部材または部分と同一または類似の部材または部分については、その説明を省略または簡略にする。
図１には、本発明の実施形態に係る圧力計測装置が示され、この圧力計測装置１０は、圧力センサ３１と、増幅部３２と、圧力と出力信号との関係を直線化補正するために設けられた出力補正回路１５と、出力信号Ｖoを出力する増幅部３２の出力端子に設けられ、出力インピーダンスを変換するためのオペアンプ１６とを備えている。
出力補正回路１５は、圧力と出力信号との関係を負方向に直線化補正するための第１の回路１７と、圧力と信号との関係を正方向に直線化補正するための第２の回路１８とから構成されている。
【００１６】
第１の回路１７は、抵抗値Ｒ１の第１の抵抗１７１と、この第１の抵抗１７１に直列に接続される抵抗値Ｒ２の第２の抵抗１７２と、第１の抵抗１７１を短絡するスイッチ１７３と、第２の抵抗１７２を接続、開放するスイッチ１７４とを備え、第１の抵抗１７１および第２の抵抗１７２の接続点１７５は、圧力センサ３１のブリッジ３１２の印加端子３１３Ａと接続されている。
そして、スイッチ１７３が開放状態でスイッチ１７４が接続状態の場合、電圧源による所定の電圧Ｖと出力信号Ｖoとの電位差が上述した第１の抵抗１７１および第２の抵抗１７２によって分圧される。
【００１７】
第２の回路１８も第１の回路１７と略同様の構成を有し、抵抗値Ｒ３の第３の抵抗１８１、抵抗値Ｒ４の第４の抵抗１８２、第４の抵抗１８２を短絡するスイッチ１８３、第３の抵抗１８１を接続、開放するスイッチ１８４から構成されるが、第３の抵抗１８１および第４の抵抗１８２の接続点１８５は、圧力センサ３１のブリッジ３１２のアース側端子３１３Ｂと接続されている。
そして、スイッチ１８３が開放状態でスイッチ１８４が接続状態の場合、出力信号Ｖoが上述した第３の抵抗１８１および第４の抵抗１８２によって分圧される。
【００１８】
このような構造の圧力計測装置１０における圧力と出力信号Ｖoとの関係における直線化補正は、以下のような機構によって行われる。
（１）負方向に直線化補正を行う場合
負方向に直線化補正を行う場合、スイッチ１７３は開放状態、スイッチ１７４は接続状態、スイッチ１８３は接続状態、スイッチ１８４は開放状態とされ、第１の回路１７によって直線化補正が行われ、第２の回路１８は機能していない。
【００１９】
図２において、電圧源３３からの一定電圧をＶと、出力信号をＶoと、ＶとＶoとの電位差をＶsiとすると、電位差Ｖsiによって第１の回路１７には、増幅部３２に向かって吸い込み電流Ｉsiが流れ、第１の抵抗１７１による電圧降下ΔＶsiは、
ΔＶsi＝Ｉsi・Ｒ１
となる。
従って、接続点１７５から圧力センサ３１の印加端子３１３Ａに印加される印加電圧Ｖgは、
Ｖg＝Ｖ−ΔＶsi＝Ｖ−Ｉsi・Ｒ１
と表される。
【００２０】
ここで、出力信号Ｖoが増加すると、Ｖo＋Ｖsi＝Ｖ（一定）であるから、Ｖsiが減少し、これに伴いＩsiも減少してΔＶsiも減少する。
従って、Ｖgは、出力Ｖoを増加に伴って、Ｖoの変化に対応して増加することになる。
すなわち、圧力センサ３１に作用する実際の圧力Ｐと出力信号Ｖoとの関係は、図３のグラフＡのように直線性の高いグラフＢとなり、第１の回路１７による補正がされていない場合の圧力Ｐと出力信号Ｖoとの関係を表す直線性が正のグラフの場合と比較すると、上側、すなわち負方向に直線化補正されていることが判る。
ここで、出力信号Ｖoの補正の大きさは、抵抗１７２の抵抗値Ｒ２と、抵抗１７１の抵抗値Ｒ１との分圧比で決定され、抵抗値Ｒ１を大きくして抵抗１７１による電圧降下を大きくするに従って、負方向への直線化補正が大きくなる。
すなわち、Ｒ１／Ｒ２の比を大きくすると補正量も大きくなる。
【００２１】
（２）正方向に直線化補正を行う場合
正方向に直線化補正を行う場合、上述した負方向の場合とは逆に、スイッチ１８３は開放状態、スイッチ１８４は接続状態、スイッチ１７３は接続状態、スイッチ１７４は開放状態とされ、第２の回路１８によって直線化補正が行われ、第１の回路１７は機能していない
図４において、歪みゲージ３１１への印加電圧Ｖgは、出力信号Ｖoによって第２の回路１８には、増幅部３２から吐き出し電流Ｉsoが流れ、第４の抵抗１８２には、電圧が生じるので、接続点１８５の電位、すなわち圧力センサ３１のアース側端子３１３Ｂの電位ΔＶsoは、
ΔＶso＝Ｉso・Ｒ４
となる。
【００２２】
従って、圧力センサ３１に印加されるＶgは、電圧源３３の電圧ＶとΔＶsoとの差で表され、
Ｖg＝Ｖ−ΔＶso＝Ｖ−Ｉso・Ｒ１
となる。
ここで、出力信号Ｖoが増加すると、電圧源３３の電圧Ｖが一定値であるので、吐き出し電流Ｉsoが増加し、アース側電位ΔＶsoが増加して、Ｖgは減少することとなる。
【００２３】
すなわち、圧力Ｐと出力信号Ｖoとの関係は、図５のグラフＣのように直線性の高いグラフとなり、第２の回路１８による補正がなされていない場合の圧力Ｐと出力信号Ｖoとの関係を表す直線性が負のグラフＤの場合と比較すると、下側、すなわち負方向に直線化補正されていることが判る。
尚、出力信号Ｖoの補正の大きさは、抵抗１８１の抵抗値Ｒ３と抵抗１８２の抵抗値Ｒ４との分圧比で決定され、抵抗１８２で電圧降下を大きくするに従って正方向への直線化補正が大きくなる。
すなわち、Ｒ３／Ｒ４の比を大きくすると補正量も大きくなる。
【００２４】
以上のような実施形態によれば、次のような効果がある。
すなわち、上述したように、圧力計測装置１０が第１の回路１７を備えているので、圧力Ｐと出力信号Ｖoとの関係を、図３におけるグラフＢからグラフＡのように正方向に直線化補正することができ、圧力計測装置１０の高精度化を図ることができる。
また、圧力計測装置１０が第２の回路１８を備えているので、圧力Ｐと出力信号Ｖoとの関係を、図５におけるグラフＤからグラフＣのように正方向に直線化補正することができ、圧力計測装置１０の高精度化を図ることができる。
【００２５】
さらに、このような高精度の圧力計測装置１０を内部に抵抗１７１、１７２、１８１、１８２を設けるだけで形成することができるので、圧力計測装置の大型化を招くこともなく、製造コストが大幅に上昇することもない。
そして、スイッチ１７３、１７４、１８３、１８４の組み合わせによる切り替えをするだけで、圧力Ｐと出力信号Ｖoとの関係を正方向に直線化補正したり、負方向に直線化補正することができるので、圧力センサ３１の特性に応じていずれかの補正を行うかを適宜選択することができ、出力補正回路１５を幅広い用途に供することができる。
【００２６】
【実施例】
上述した圧力計測装置１０を用いて、具体的な直線化補正がどの程度可能かを評価したところ、以下のような結果となった。
▲１▼  負方向の直線化補正
図１における電圧源３３からの電圧Ｖを５（ＶＤＣ）としたところ、直線化補正のない場合、すなわち、第１の回路１７、第２の回路１８が機能しないように、図１のスイッチ１７３を接続、スイッチ１７４を開放、スイッチ１８３を接続、スイッチ１８４を開放して、圧力センサ３１のダイアフラムに作用された基準圧力Ｐと出力信号Ｖoとの関係は、表１のようになった。
尚、表１中、基準出力とは、圧力Ｐと出力信号Ｖoとが直線的な関係にある場合の出力信号Ｖoの大きさを意味し、加圧とは、圧力センサ３１に加圧方向に基準圧力Ｐを作用させた場合の出力信号Ｖoの実測値であり、減圧とは、減圧方向に作用させた場合の実測値である。
【００２７】
【表１】
0004201859.tif 000002
【００２８】
一方、第１の回路１７を機能させて同様に圧力センサ３１に基準圧力Ｐを作用させた場合の基準圧力Ｐと出力信号Ｖoとの関係は、表２のようになった。
尚、抵抗１７１の抵抗値Ｒ１は５００Ωであり、抵抗１７２の抵抗値Ｒ２は１０ｋΩとしている。
【００２９】
【表２】
0004201859.tif 000003
【００３０】
補正なしの場合の直線性が＋１．００％F.S.（フルスパン）であったのに対して、直線化補正を行った場合の直線性は、−０．０５％F.S.であり、第１の回路によって高精度化が著しく図られていることが確認することができた。
▲２▼  正方向の直線化補正
上述と同様に補正なしの場合と、図１の第２の回路１８を機能させて直線化補正を行った場合の実測値の比較を表３に示す。
尚、基準圧力Ｐは、０、２００、４００（kgf／cｍ2）とし、抵抗１８１の抵抗値Ｒ３は１００Ω、抵抗１８２の抵抗値Ｒ４は１０ｋΩとした。
【００３１】
【表３】
0004201859.tif 000004
【００３２】
この結果、補正なしの場合の直線性が−０．２５％F.S.であったのに対して、負方向の補正を行った場合の直線性は、−０．０５％F.S.となり、第２の回路１８によって著しく高精度化が図られていることが確認できた。
【００３３】
尚、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、次に示すような変形をも含むものである。
すなわち、前述の実施形態では、センサは流体の圧力を測定する圧力センサ３１であったが、これに限らず、ダイアフラムを利用した加速度センサ等であっても本発明を利用することができる。
また、前述の実施形態では、電圧源３３が圧力センサ３１の印加電圧源と増幅部３２の電源を共通する圧力計測装置１０に出力補正回路１５を組み込んでいたが、これに限らず、増幅部の電源が別に供給されるような計測装置であっても、本発明を利用することができる。
【００３４】
さらに、前述の実施形態では、出力補正回路１５は、第１の回路１７と、第２の回路１８とを備えていたが、これに限らず、センサの特性に応じて、負方向の直線化補正が可能な第１の回路１７のみから構成される出力補正回路や、正方向の直線化補正が可能な第２の回路１８のみから構成される出力補正回路を採用してもよい。
そして、前述の実施形態では、第１の抵抗１７１、第３の抵抗１８１は、抵抗値Ｒ１、Ｒ３が固定された抵抗であったが、これに限らず、第１の抵抗１７１、第３の抵抗１８１に可変抵抗を用いてもよい。
第１の抵抗１７１、第３の抵抗１８１に可変抵抗を用いれば、きめ細やかな直線化補正を行うことができ、計測装置の一層の高度化を図ることができる。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等であってもよい。
【００３５】
【発明の効果】
前述のように、本発明の計測装置の出力補正回路によれば、被測定物の物理量と出力信号との関係を直線化補正することができるので、簡易な構造で安価に計測装置の高精度化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る計測装置を表す回路図である。
【図２】前述の実施形態の第１の作用を説明するため省略した回路図である。
【図３】前述の実施形態における圧力と出力信号との関係を表すグラフである。
【図４】前述の実施形態の第１の作用を説明するため省略した回路図である
【図５】前述の実施形態における圧力と出力信号との関係を表すグラフである。
【図６】従来の計測装置を表す回路図である。
【符号の説明】
１０  計測装置
１５  出力補正回路
１７  第１の回路
１８  第２の回路
３１  センサ（圧力センサ）
３２  増幅部
３３  電圧源
１７１  第１の抵抗
１７２  第２の抵抗
１８１  第３の抵抗
１８２  第４の抵抗
１７５、１８５  接続点
３１１  歪みゲージ
Ｐ  物理量（圧力）
Ｖo   出力信号
Ｖ  所定の電圧
Ｖsi  所定の電圧と出力信号との電位差
【図１】
0004201859.tif 000005
【図２】
0004201859.tif 000006
【図３】
0004201859.tif 000007
【図４】
0004201859.tif 000008
【図５】
0004201859.tif 000009
【図６】
0004201859.tif 000010