JP2010271191A - 精密電圧を供給して供試体を計測する動的特性計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の供試体に精密電圧を供給して計測する動的特性計測装置を提供する。
【解決手段】一定電圧（Ｅ）を供給する精密電源（１０）と、歪ゲージとブリッジ回路とを含む供試体（１）の出力電圧（Ｖ）を測定する測定器（２０）とを具備し、前記供試体（１）に対して、前記精密電源による一定電圧（Ｅ）を前記ブリッジ回路の電源電圧端子（Ｘ１、Ｘ２）に供給し、歪ゲージに与える外力を連続的に変化させながらブリッジ回路の出力電圧を動的に計測する動的特性計測装置において、前記精密電源（１０）の出力端子（−、＋）と前記供試体（１）の電源電圧端子（Ｘ１、Ｘ２）とを接続する配線を、途中で分岐させることにより、１つの前記精密電源（１０）が、複数の前記供試体（１）の電源電圧端子（Ｘ１、Ｘ２）に対して、一定電圧（Ｅ）を供給することが出来るようにしたことを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、複数の供試体に精密電圧を供給して計測する動的特性計測装置に関する。

ブリッジ回路に組み込まれた歪みゲージを利用したセンサは、荷重、圧力、トルク、又は、加速度などの力学的物理量を電気的に測定する場合に広く用いられている。
このような変換器の一例としては、特許文献１のような、半導体基板の一面側に形成された圧力検出用のダイヤフラムと、このダイヤフラム上に配置されピエゾ抵抗効果により抵抗値が変化する複数のゲージ抵抗とを備える半導体圧力センサが知られている。

その他、特許文献２のように、金属基板と、基板上に形成された圧力出力特性が互いに異なる二対の歪みゲージと、これら歪みゲージを結んで、圧力出力特性が同一の各歪みゲージをそれぞれ対向辺に配したブリッジ回路を構成する配線部とを具備する面圧センサが知られている。これら、特許文献１、２のセンサに限らず、ブリッジ回路に組み込まれた歪みゲージを利用したセンサは数多く知られている。
このようなセンサを、出荷前などに供試体（計測対象を試験に供する場合の呼称）として１個の製品を、１台の精密電源と１台の精密電圧測定器で計測する。多数の供試体を計測しようとする場合、多数の精密電源と多数の精密電圧測定器が必要となり、莫大な設備費がかかり問題となっていた。

また、特許文献３に見られるように、ひずみゲージをブリッジ回路に組み込むためのリード線の抵抗値の影響を排除してひずみ測定を行う処理を簡単な構成で自動的に効率よく行うことができる１ゲージ３線法によるひずみ測定システムにおいて、スイッチ回路を備えて回路構成を簡略にしたものが知られている。しかしながら、スイッチ回路を使用すれば、切り替え時に大きく電圧が変動する可能性があって、精密電源と精密電圧測定器で、供試体に正確な電圧を供給して計測する場合には不適当であった。

特開２００２−３９８８８号公報 特開平８−１５９８９３号公報 特開平１１−１８３１１２号公報

本発明は、上記問題に鑑み、複数の供試体に精密電圧を供給して計測する動的特性計測装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、一定電圧（Ｅ）を供給する精密電源（１０）と、歪ゲージとブリッジ回路とを含む供試体（１）の出力電圧（Ｖ）を測定する測定器（２０）とを具備し、前記供試体（１）に対して、前記精密電源による一定電圧（Ｅ）を前記ブリッジ回路の電源電圧端子（Ｘ１、Ｘ２）に供給し、歪ゲージに与える外力を連続的に変化させながらブリッジ回路の出力電圧を動的に計測する動的特性計測装置において、前記精密電源（１０）の出力端子（−、＋）と前記供試体（１）の電源電圧端子（Ｘ１、Ｘ２）とを接続する配線を、途中で分岐させることにより、１つの前記精密電源（１０）が、複数の前記供試体（１）の電源電圧端子（Ｘ１、Ｘ２）に対して、一定電圧（Ｅ）を供給することが出来るようにした動的特性計測装置である。

これにより、供試体の動的特性を計測する場合、単一の精密電源で、多数個の供試体を効率よく計測することが出来る。また、設備コスト低減を狙いとした、多数個の製品を一度に検査することにより、高速化（マシンタイムの短縮）が実現し、大幅に検査設備のコストダウンが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記精密電源（１０）の検出端子（−Ｓ、＋Ｓ）を、複数の前記供試体（１）の１つの前記供試体（１）の電源電圧端子（Ｘ１、Ｘ２）に、さらに接続したことを特徴とする。
これにより、負荷抵抗変動によって生じる電圧変動を、検出して、電源側が、電圧補正する事により、正確な電源を供給できる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記供試体（１）が吸気圧センサであって、複数の該吸気圧センサを圧力チェンバー（３０）内に配置して、前記圧力チェンバー（３０）内の圧力を連続的に変化させながら、前記吸気圧センサのブリッジ回路の出力電圧を動的に計測することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、前記供試体（１）の前記ブリッジ回路が、４ゲージ法の歪ゲージにより構成されていることを特徴とする。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

供試体とブリッジ電圧の関係を示す説明図であり、（ａ）は歪ゲージに無圧力時の状態を示し、（ｂ）は圧力印加時の状態を示す。 本発明の基礎となった第１の比較技術の計測方法を説明する説明図である。 第１の比較技術の供試体と精密電源との接続方法を示す図である。 第１の比較技術の静的特性を計測する場合の圧力制御器の設定圧力の変動を示す図である。 第２の比較技術の動的特性計測方式を説明する説明図である。 本発明の一実施形態において、精密電源を電気的に接続する説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。本発明の各実施形態が、本発明の基礎となった比較技術に対しても同一構成の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

ブリッジ回路に組み込まれた歪みゲージを利用したセンサは、荷重、圧力、トルク、又は、加速度などの力学的物理量（外力）を電気的に測定する場合に広く用いられており、一例として、吸気圧センサなどの圧力センサ（半導体圧力センサ等）のブリッジ回路について簡単に述べる。
図１は、供試体とブリッジ電圧の関係を示す説明図であり、（ａ）は歪ゲージに無圧力時の状態を示し、（ｂ）は圧力印加時の状態を示す。ブリッジ回路に歪みゲージを挿入する仕方には、１ゲージ法、２ゲージ法、４ゲージ法等あるが、ここでは、例示として４ゲージ法で説明する。歪ゲージＧ１〜Ｇ４の歪による抵抗値変化は極めて微小であり、これを、ホイートストーンブリッジ回路（ブリッジ回路）を利用して電圧変化として取出すものである。歪ゲージの組み方（各ゲージ法）で出力電圧を倍増して取出すことができる。

図１において、Ｒは、歪ゲージＧ１〜Ｇ４のブリッジ抵抗、ΔＲは、圧力印加時のブリッジ抵抗変化分（歪ゲージＧ１、Ｇ３と、歪ゲージＧ２、Ｇ４とは、反対符号の歪を受けるように取り付けてある）、Ｅは、端子Ｘ１−Ｘ２間のブリッジ電源電圧（所定の一定電圧）、Ｖは、計測すべき端子Ｙ１−Ｙ２間の出力電圧である。
この場合に、出力電圧Ｖは、次の式で表される。

Ｖ＝（ΔＲ／Ｒ）＊Ｅ

この式に示すように、ブリッジ電源電圧Ｅの誤差が、計測すべき出力電圧Ｖの誤差となることがわかる。これは、４ゲージ法に限らず、他のゲージ法においても同様である。したがって、供試体としてのセンサの精度を検査するためには、ブリッジ電源電圧Ｅに、精密電源で正確な電圧を供給する必要がある。

ここで、精密電源１０とは、特に方式を限定したものではなく、周知のローコスト電源に比較して、精度が１桁〜２桁精度が高いという意味での精密電源である。想定している精度は、６桁半程度の分解能を有する電源が好ましく、例えば、１０Ｖレンジで、１０μＶ程度の精度で電圧を供給できる電源を指している。一例として、出力電圧をネガティブフィードバックして、電圧設定値に正確に制御する方式の定電圧電源が、精密電源の対象として挙げられる。ドロッパーレギュレーション方式のアナログ定電圧電源、シリーズレギュレーション方式のアナログ定電圧電源、ＰＷＭ方式のデジタル定電圧電源等が好ましい。

図２は、本発明の基礎となった第１の比較技術の計測方法を説明する説明図である。図３は、比較技術の供試体と精密電源との接続方法を示す図である。図４は、第１の比較技術の静的特性を計測する場合の圧力制御器の設定圧力の変動を示す図である。
供試体１は、例えば吸気圧センサであり、圧力チェンバー３０内に計測のため多数個配置されている。圧力チェンバー３０内は、導管３１を通じて圧力制御器３２（図示せず）により所定の設定圧力にすることができる。

図３に示すように、精密な電圧を供給する場合、４端子法（図３の出力端子−、＋、検出端子−Ｓ、＋Ｓの４端子）による方式が有効である。２端子接続法の場合だと、電源との接続経路と測定器の接続経路を共有する。この共通接続経路に、電源の電流が流れると、電圧降下が発生して、測定誤差になる。これを避けるために、４端子法が考案されている。４端子法では、負荷抵抗変動によって生じる電圧変動を、図３の検出端子−Ｓ、＋Ｓ端子で検出して、電源側が、電圧補正することにより、正確な電源が供給できるのである。図２に示す第１の比較技術では、４端子を構成するように、供試体１個につき、精密電源１個用い、それぞれ１個の製品を、１台の精密電源と１台の精密電圧測定器で計測していた。このため、製品の生産量がｎ倍となると、ｎ台の精密電源１０（１１、１２、・・・）とｎ台の精密電圧測定器２０（２１、２２、・・・）が必要となり莫大な設備費が必要となってしまうことになった。

圧力チェンバー３０内をいくつかの所定設定圧力（図４の検査Ｉ〜ＩＩＩ）に保って、供試体１を検査する静的特性計測の場合、圧力制御器の設定圧力での圧力変動が、図４に示されている。所定の設定圧力に安定するまでに相当時間がかかっている。ｎ個の製品に対し、リレー等で構成される切り替え器を使って、１台の精密電源と１台の精密電圧測定器で多数個の静的特性を計測することも考えられるが、切り替え後の安定時間を必要とするため、効率よく計測することが出来なかった。

これに対して、第２の比較技術として、動的特性計測方式が考えられている。図５は、第２の比較技術の動的特性計測方式を説明する説明図である。圧力チェンバー３０内を高圧から低圧に向けて変動させ、いくつかの所定設定圧力を通過するときの出力電圧Ｖを計測（図５の検査Ｉ〜ＩＩＩ）して、供試体１を検査する。
この方式によれば、高速計測が出来るばかりでなく、高精度の圧力制御器が不要となる。しかしながら、以下の述べる理由により、単一の供試体１にしかこの方式を適用することが出来ない。

供試体１の動的特性を計測する場合、精密電源及び精密電源測定器を電気的に接続する必要がある。この際、単一の精密電源及び精密電源測定器で、多数個の供試体１を計測する場合、リレー等で構成される切り替え器を挿入しようとしても、切り替え時に発生する外乱が誤差となり正確な計測ができない。特に、精密電源は、精密さを実現する為に、外乱による電圧変動を修正する時間が長くなっている。

すなわち、切り替え時には、供試体からみた抵抗が、接続機器（電源、測定器）特有の抵抗値から、非接続状態（数１０〜数１００ＭΩ）へ変化する。この変化により、供試体に信号外乱が加わることになる。電源の場合、機器特有の出力抵抗は数Ωと小さいが、測定器の場合、入力抵抗は数百ＭΩと大きいので、電源の場合、大きな抵抗値変化が発生するが、測定器の場合は、抵抗値変化が少ない事になる。つまり、電源のほうが、大きな影響を受ける事になる。更に、要求される安定度は、電源の精密さが増せば増すほど、長い安定時間が必要になって、ますます切り替え器を挿入することは動的計測には不向きとなってしまう。

本発明の一実施形態では、このような問題を解決するために次のような構成が採用されている。
図６は、本発明の一実施形態において、精密電源を電気的に接続する説明図である。供試体１（１−１、１−２）が２個の場合について説明する。供試体１としては、吸気圧センサなどの半導体圧力センサである。この供試体１のブリッジ回路に電源電圧Ｅを供給するために、精密電源１１に結線して、供試体１の動的特性を計測する。
まず、同一抵抗を持つ電線を２組、線Ａ−Ｃ、線Ａ−Ｅ、及び、線Ｂ−Ｄ、線Ｂ−Ｆの計４本用意する。４本の電線は、供試体１−１、１−２への配線が可能な範囲で最短に製作しておく。線Ａ−Ｃ間抵抗＝線Ａ−Ｅ間抵抗、線Ｂ−Ｄ間抵抗＝線Ｂ−Ｆ間抵抗となるようにする。各線の抵抗値の差はあったとしても、せいぜい約１ｍΩ程度に収まるようにすると良い。

この４本の電線を使用して、共通電位点Ａ（−）、Ｂ（＋）を形成する。共通電位点Ａ、Ｂで各線はロウ付けや接続金具で接合される。線Ａ−Ｃ、線Ａ−Ｅは、供試体１−１、１−２のマイナス端子Ｃ、Ｅ（Ｘ２）に結線する。線Ｂ−Ｄ、線Ｂ−Ｆは、供試体１−１、１−２のプラス端子Ｄ、Ｆ（Ｘ１）に結線する。次に、共通電位点Ａ、Ｂと、精密電源１１の電圧出力端子−、＋とをそれぞれ結線する。最後に、精密電源の検出端子Ｇ（−Ｓ）を供試体１−１のマイナス端子Ｃと接続し、精密電源の検出端子Ｈ（＋Ｓ）を供試体１−１のプラス端子Ｄと接続し、４端子を構成する。精密電源１１は、検出端子Ｇ（−Ｓ）、Ｈ（＋Ｓ）端子で供給電圧を検出するので、電源側が電圧補正することにより、正確な電源が供給することができる。供試体１−１、１−２の計測すべき出力電圧を計測する測定器２１、２２は、それぞれ個別に接続されている。

分岐する電線の抵抗は、要求される精度に対応する抵抗値（低抵抗）である必要がある。（高い抵抗であると、温度、周辺環境の影響を受けやすくなる。）周辺部からの影響を受けにくく配線するためには、例えば、低抵抗ケーブルやシールドケーブルを用いると良い。図６の一実施形態においては、供試体が２個（分岐線が２組）で説明したが、供試体１は２個以上の複数ｎ（分岐線もｎ組）であってよい。この場合には、低抵抗の金具等で接続する等の配慮が必要となる。端子台で分岐してもよいが、端子台数多くなり、一定の配線抵抗にするのが困難になる。ｎ個の供試体（１−１、１−２、・・・、１−ｎ）の計測すべき出力電圧を計測する測定器２０（２１、２２、・・・）は、それぞれ個別に接続されている。測定器２０は、精密電源に比べ応答性がよいので、場合により切り替え器を設けることも可能である。本実施形態では、動的特性を計測する場合において説明してきたが、静的特性計測の場合でも本実施形態の結線のやり方が適用できる。
また、単一の精密電源と多数個の供試体１の系が複数組存在するようにして計測しても良い。

以上のように結線して、供試体１（１−１、１−２、・・・、１−ｎ）の動的特性を計測する場合、単一の精密電源で、多数個の供試体１（１−１、１−２、・・・、１−ｎ）を効率よく計測することが出来る。

圧力センサを例示して供試体１の動的特性を計測する場合について、説明してきたが、本発明の別の実施態様として、ブリッジ回路に組み込まれた歪みゲージを利用したセンサなら、荷重、圧力、トルク、又は、加速度などの力学的物理量を電気的に測定する場合が挙げられる。精密電源１０は直流で説明したが、交流の場合でも本発明が適用できる。

１（１−１、１−２、・・・、１−５） 供試体
１０（１１、１２、・・・、１５） 精密電源
２０（２１、２２、・・・、２５） 測定器
３０ 圧力チェンバー
３１ 導管

Claims (4)

1. 一定電圧（Ｅ）を供給する精密電源（１０）と、歪ゲージとブリッジ回路とを含む供試体（１）の出力電圧（Ｖ）を測定する測定器（２０）とを具備し、前記供試体（１）に対して、前記精密電源による一定電圧（Ｅ）を前記ブリッジ回路の電源電圧端子（Ｘ１、Ｘ２）に供給し、歪ゲージに与える外力を連続的に変化させながらブリッジ回路の出力電圧を動的に計測する動的特性計測装置において、
   前記精密電源（１０）の出力端子（−、＋）と前記供試体（１）の電源電圧端子（Ｘ１、Ｘ２）とを接続する配線を、途中で分岐させることにより、１つの前記精密電源（１０）が、複数の前記供試体（１）の電源電圧端子（Ｘ１、Ｘ２）に対して、一定電圧（Ｅ）を供給することが出来るようにした動的特性計測装置。
2. 前記精密電源（１０）の検出端子（−Ｓ、＋Ｓ）を、複数の前記供試体（１）の１つの前記供試体（１）の電源電圧端子（Ｘ１、Ｘ２）に、さらに接続したことを特徴とする請求項１に記載の動的特性計測装置。
3. 前記供試体（１）が吸気圧センサであって、複数の該吸気圧センサを圧力チェンバー（３０）内に配置して、前記圧力チェンバー（３０）内の圧力を連続的に変化させながら、前記吸気圧センサのブリッジ回路の出力電圧を動的に計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の動的特性計測装置。
4. 前記供試体（１）の前記ブリッジ回路が、４ゲージ法の歪ゲージにより構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の動的特性計測装置。

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