JP2007012019A

JP2007012019A - センサ装置

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Publication number: JP2007012019A
Application number: JP2005358733A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kaseda; 健忰田
Original assignee: Teac Corp
Current assignee: Teac Corp
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】汎用性の高い計測システムを簡易に構成でき得るセンサ装置を提供する。
【解決手段】センサ装置１０は、付加された荷重に応じた電圧信号を出力するロードセル（センサ本体）１２と、回路基板１４と、電源部１６と、を備えており、これらは単一の筐体１８に収容される。回路基板１４には、ひずみアンプ２４、Ａ／Ｄ変換回路２６、ＣＰＵ３０等が搭載されており、これらは、ロードセル１２から出力された電圧信号に対して所定の信号処理を施して計測結果データを取得する信号処理手段として機能する。また、回路基板１４には、ＵＳＢ通信により、前記計測結果データを含む各種情報を外部情報処理装置との間で遣り取りする通信手段として機能するＵＳＢインターフェース２８も搭載されている。ＵＳＢインターフェース２８を設けることにより、単一の外部情報処理装置に接続されるセンサ装置１０の数を簡易に増減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、計測の対象となる物理量を検出するセンサ本体と当該センサ本体に関連する各種機器をユニット化したセンサ装置に関する。

従来から、ロードセル等のセンサが広く知られている。センサは、計測対象となる物理量を示すアナログの検出信号、例えば、電圧信号等を出力する。センサから出力された電圧信号等のアナログ検出信号は、アンプで増幅された後、Ａ／Ｄコンバータでデジタル値に変換され、ＲＳ２３２Ｃ等の通信線を介して情報処理装置に出力されていた。ここで、従来においては、アンプやＡ／Ｄコンバータ等は、センサとは別個の独立した装置が用いられていた。そのため、ユーザは、物理量計測に際して、センサや、アンプ、Ａ／Ｄコンバータ等をそれぞれ接続する必要があり手間であった。さらに、それぞれ別個の独立した装置を用いる場合、アナログの信号線が長くなりがちで、ノイズの影響を受けやすいという問題もあった。

そこで、下記特許文献１，２には、アンプやＡ／Ｄコンバータをセンサの一種であるロードセルと同一の筐体内に収容し、ロードセルと一体化したロードセル装置が開示されている。これによれば、各々を接続する手間を省略でき、また、アナログの信号線を省略できるのでノイズの影響を低減できる。

特開昭５４−０３０８８１号公報特開平０８−０７５５７２号公報

ところで、センサは、同時に複数用いられることが多い。例えば、ロードセル装置を四点支持のホッパーに用いる場合、四つの支持部にそれぞれ一つずつ、計四つのロードセル装置を設けていた。そして、この四つのロードセル装置の計測結果を情報処理装置に出力し、加算した値をホッパー重量として得ていた。また、検出精度向上を目的として、複数のセンサで同一の物理量を検出し、得られた複数のセンサからの検出値を情報処理装置で平均化する場合も多い。このセンサと情報処理装置との接続は、従来、ＲＳ２３２Ｃの通信線を用いていた。しかし、ＲＳ２３２Ｃで接続する場合、情報処理装置に設けられた一つのＲＳ２３２Ｃポートには、一つのセンサしか接続できない。そのため、単一の情報処理装置に接続できるセンサの数は、当該情報処理装置が備えるＲＳ２３２Ｃポートの数に制限されていた。したがって、計測システムの構成変更に伴い、センサの数が増えた場合には、情報処理装置の数も増やす必要があり、システムの汎用性を低下させていた。特許文献１，２には、かかる情報処理装置との接続、特に、柔軟性の高い接続は考慮されていなかった。

そこで、本発明では、汎用性の高い計測システムが簡易に構成でき得るセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明のセンサ装置は、計測の対象となる物理量を検出するセンサ本体と、センサ本体から出力された検出信号に対して所定の信号処理を施して計測結果データを取得する信号処理手段と、ネットワーク通信、ＵＳＢ通信、および、電力線通信のいずれかを介して、前記計測結果データを含む各種情報を外部情報処理装置との間で遣り取りする通信手段と、少なくとも、センサ本体、信号処理手段、通信手段を収容する単一の筐体と、を備えることを特徴とする。

好適な態様で、センサ本体は、対象物の運動量を検出する運動量センサ、または、対象物の力学量を検出する力学量センサである。力学量センサとしては、付加された圧力を計測するロードセルなどが該当する。運動量センサとしては、対象物の加速度を計測する加速度センサなどが該当する。

他の好適な態様では、信号処理手段は、少なくとも、センサ本体から出力されたアナログの検出信号を増幅する増幅手段と、増幅されたアナログの検出信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、を備える。信号処理手段は、さらに、Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル変換された検出信号に基づき、センサ本体で検出された検出値を計測対象の物理量の単位に変換して計測結果データとして算出する物理量変換手段を備えることが望ましい。信号処理手段は、さらに、校正作業により得られた補正値に基づき、計測結果データを補正する補正手段を備えることも望ましい。

他の好適な態様として、さらに、センサ本体に基準の物理量が付与された場合に、本来、センサ本体から出力されるべき検出値を基準検出値として記憶する記憶手段と、実際にセンサ本体に基準の物理量が付与された場合に、センサ本体から実際に出力された実測検出値と、記憶手段に記憶された基準検出値と、の比較に基づき計測結果データの補正に用いられる補正値を算出する校正手段と、を備える。

他の好適な態様として、さらに、外部情報処理装置と共通の複数のコマンドと、各コマンドが示す処理内容と、を記憶するコマンド記憶手段と、外部情報処理装置との間で送受信されるコマンドの内容をコマンド記憶手段を参照して解釈するコマンド解釈手段と、を有し、外部情報処理装置との間での命令の遣り取りは、コマンドを介して行われる。

他の好適な態様として、前記筐体の外表面には、外部情報処理装置で認識される当該センサ装置の識別子が掲示される。また、さらに、前記通信手段とは別に当該センサ装置をモニタするための信号を出力する出力ポートを備えることも好適である。この場合、さらに、外部情報処理装置から特定の信号が送信された場合に、その旨を前記出力ポートを介してユーザに提示する提示手段を備えることが望ましい。また、さらに、前記通信手段とは別に当該センサ装置の測定をサポートするための信号を入力する入力ポートを備えることも好適である。この場合、さらに、ユーザによりＯＮ／ＯＦＦ操作される操作子を備え、前記通信手段は、前記入力ポートを介して入力される当該操作子のＯＮ／ＯＦＦ状況を外部情報処理装置に送信することが望ましい。

本発明をロードセル装置に適用することにより、付加された荷重に応じた電圧信号を出力するロードセルと、ロードセルから出力された電圧信号に対して所定の信号処理を施して計測結果データを取得する信号処理手段と、ネットワーク通信またはＵＳＢ通信により、前記計測結果データを含む各種情報を外部情報処理装置との間で遣り取りする通信手段と、信号処理手段およびロードセルに駆動電力を供給する電力供給手段と、ロードセル、信号処理手段、通信手段、および、電力供給手段を収容する単一の筐体と、を備えるロードセル装置を得ることができる。

本発明によれば、ネットワーク通信、ＵＳＢ通信、および、電力線通信のいずれかの通信インターフェースを備えている。これらの通信インターフェースによれば、外部情報処理装置に接続されるセンサ装置の数を適宜、簡易に増減できる。その結果、汎用性の高い計測システムが簡易に構成できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるセンサ装置１０の概略構成を示すブロック図である。このセンサ装置１０は、センサ本体として、ひずみゲージ２２等の性質を利用して荷重を計測するロードセルを、用いた装置である。本実施形態のセンサ装置１０は、その計測結果を外部の情報処理装置（例えば、パーソナルコンピュータなど）で利用する場合に特に好適な構成となっている。特に、複数のセンサ装置１０での計測結果を単一の情報処理装置で利用する場合に好適な構成となっている。

ロードセル１２は、センサ本体として機能するもので、起歪部２０とひずみゲージ２２とを備えており、荷重付加により起歪部２０が変形すれば、ひずみゲージ２２から電圧信号が出力される。起歪部２０は、柱状や梁状、あるいは、ダイアフラム状の弾性体で、荷重を受けて微小変形する。ひずみゲージ２２は、この起歪部２０に貼着されており、起歪部２０の変形量に応じた電圧を生じる。ひずみゲージ２２で生じた電圧は、ブリッジ回路（図示せず）により検出され、回路基板１４へと出力される。

回路基板１４は、ＣＰＵ３０やメモリ３２、Ａ／Ｄ変換回路２６、ひずみアンプ２４などが搭載された基板である。この回路基板１４は、ロードセル１２とともに筐体１８の内部に収容される。回路基板１４のひずみアンプ２４には、ブリッジ回路で検出された電圧が入力される。ひずみアンプ２４は、ロードセル１２から出力された電圧を増幅したうえで、Ａ／Ｄ変換回路２６に出力する。このとき、必要に応じて、ノイズ除去などの処理が施される。Ａ／Ｄ変換回路２６は、ひずみアンプ２４から出力されたアナログの電圧信号を、デジタル値に変換する。デジタル値に変換された電圧信号は、オリジナルデータとして、メモリ３２に記憶される。

メモリ３２には、このオリジナルデータのほか、各種設定値や、メモデータ、プログラム、コマンド情報等が記憶される。メモリ３２に記憶される設定値としては、オリジナルデータの補正処理に用いられる補正値などがある。この補正値は、定期的に行われるセンサ装置１０の校正作業時に取得され、修正される。

メモデータは、ユーザが必要とする各種情報であり、出荷時に記録される当該センサ装置１０の性能情報や、ユーザによって記録されるユーザ情報などを含む。性能情報としては、当該ロードセル１２の計測荷重の上限値や下限値、許容温度範囲などの情報が含まれる。これらの情報は、出荷時に記憶され、その後、変更されることは無い。一方、ユーザ情報は、適宜、ユーザが記録、変更、削除が可能な情報で、例えば、当該センサ装置１０の管理番号や、設置場所などが含まれる。ユーザは、後述するＵＳＢ通信を介して、これらの情報をメモリ３２に記憶させることができる。また、メモデータは、適宜、ＵＳＢ通信を介して、情報処理装置で読み出すことができる。したがって、ユーザは、センサ装置１０から離れた場所でも、各センサ装置１０の性能情報や、設置場所等を知ることができる。

また、メモリ３２に記憶されたオリジナルデータは、ＣＰＵ３０により、補正処理、物理量換算処理などの信号処理が施された後、計測結果データとして、ＵＳＢインターフェース２８を介して、外部情報処理装置に出力される。ＣＰＵ３０にて行われる信号処理の内容については、後に詳説する。

さらに、メモリには、コマンド情報も記憶される。コマンドは、外部情報処理装置と遣り取りされる命令文である。メモリには、複数のコマンドと、各コマンドが示す処理内容と、が関連付けられてコマンド情報として記憶されている。ＣＰＵは、このコマンド情報を参照して、外部情報処理装置との間で遣り取りされるコマンドを解釈する。

ＵＳＢインターフェース２８は、外部情報処理装置との間で、ＵＳＢ通信を可能とするためのインターフェースで、ＵＳＢポートや、ＵＳＢ通信に必要なプログラムなどを備える。ＵＳＢは、周知の通り、シリアルインターフェース規格の一つである。センサ装置１０で計測された計測結果データや、メモデータなどは、このＵＳＢインターフェース２８により、外部情報処理装置へと出力される。このＵＳＢインターフェース２８を設けることにより、センサ装置１０は外部情報処理装置にとって一種のＵＳＢ機器として機能する。そして、センサ装置１０を一種のＵＳＢ機器として機能させることにより、外部情報処理装置に接続でき得るロードセル装置の数を容易に増減できる。すなわち、通常、情報処理装置は、複数のＵＳＢポートを有しており、このポート数分だけＵＳＢ機器を接続できる。また、情報処理装置とＵＳＢ機器との間に、複数のＵＳＢケーブルを分岐、中継する集線装置であるＵＳＢ用ＨＵＢを設けることで、より多数のＵＳＢ機器を接続できる。換言すれば、適宜、ＵＳＢ用ＨＵＢを利用することにより、接続可能なＵＳＢ機器の数を適宜、増減できる。したがって、情報処理装置とロードセル装置との間にＵＳＢ用ＨＵＢ１００を介在させれば、単一の情報処理装置に接続されるセンサ装置１０の数を容易に増やすことができる。その結果、汎用性の高い荷重計測システムを簡易に構成できる。

ＣＰＵ３０は、記述のひずみアンプ２４や、Ａ／Ｄ変換回路２６、ＵＳＢインターフェース２８等を制御する制御部として機能する。また、ＣＰＵ３０は、ＵＳＢインターフェース２８を介して、情報処理装置から送られたコマンドを解釈し、当該コマンドに応じた処理を実行する。このコマンドについては、後に詳説する。さらに、ＣＰＵ３０は、必要に応じて、メモリ３２に記憶されているオリジナルデータに対して補正処理や物理量換算処理などの信号処理を施す。これについても、後に、詳説する。

電源部１６は、回路基板１４およびロードセル１２の駆動電力を供給するもので、乾電池やバッテリ等の携帯電源である。なお、かかる携帯電源を用いず、外部から電力供給を受ける形態としてもよい。また、ＵＳＢインターフェース２８にバスパワー機能を備えたものを用いれば、この電源部１６は不要となり、ＵＳＢインターフェースが電力供給手段として機能することになる。すなわち、近年のＵＳＢインターフェース２８の中には、ＵＳＢケーブルを介して電力供給可能なバスパワー機能を備えたものがある。このパスパワー機能搭載のＵＳＢインターフェース２８を用いれば、５Ｖ，５００ｍＡの電力供給が可能となるため、電源部１６は不要となる。

以上のロードセル１２、回路基板１４、および、電源部１６は、全て、単一の筐体１８の内部に固定され、収容される。そのため、ユーザは、ひずみアンプ２４やＡ／Ｄ変換回路２６等を意識することなく、センサ装置１０を簡易に取り扱うことができる。すなわち、従来では、ロードセルや、ひずみアンプ、Ａ／Ｄ変換装置等は、全て、別個の筐体に収容された別個の装置であった。そのため、ユーザは、ロードセルを用いて荷重計測する場合には、ロードセルの性能に応じたひずみアンプ、Ａ／Ｄ変換装置、電源装置等をそれぞれ、選択、用意し、これらを接続する必要があった。現在、市場には、多種類のひずみアンプ等が流通しており、これらの中からロードセルの性能に応じたものを選択するのは、煩雑であった。また、選択されたひずみアンプ等を接続する作業もユーザにとって手間であった。一方、本実施形態では、予め、ロードセル１２の性能に応じたひずみアンプ２４等が回路基板１４に組み込まれ、さらに、この回路基板１４がロードセル１２と共通の筐体１８の内部に収容されている。したがって、荷重計測の際に、ひずみアンプ等の選択や接続といった手間が不要となり、ユーザは簡易に荷重計測を行うことができる。また、アンプ等をロードセル１２と同一の筐体１８に収容することにより、アナログの信号線の距離を短くでき、ノイズの影響を低減できる。

次に、このセンサ装置１０のＣＰＵ３０が行うオリジナルデータに対する信号処理について説明する。ロードセル１２から出力された電圧信号は、ひずみアンプ２４で増幅された後、Ａ／Ｄ変換回路２６でデジタル値に変換され、オリジナルデータとしてメモリ３２に記憶される。ロードセル１２から出力される電圧値は、センサ装置１０に付加された荷重に比例するため、当該電圧値を増幅、Ａ／Ｄ変換したオリジナルデータがあれば、付加荷重の大きさが一応は分かるようになっている。しかし、荷重計測を目的とするユーザにとって、電圧値を示すオリジナルデータは、取り扱いづらいデータである。そこで、ＣＰＵ３０は、当該オリジナルデータを、ユーザが所望する物理量に換算する信号処理を実行する。具体的には、オリジナルデータで示される電圧値を、ユーザが所望する荷重値（Ｎ）に変換する。変換されたデータは、計測結果データとして、ＵＳＢインターフェース２８を介して外部情報処理装置に出力される。外部情報処理装置では、荷重値に変換済みのデータが表示されるため、ユーザは計測結果を容易に認識することができる。

ところで、この電圧／荷重変換は、予め設定された電圧出力特性（付加荷重に対する出力電圧値の比）に基づいて行われる。この電圧出力特性は、センサ装置１０の出荷時に所定の値に設定される。したがって、出荷直後のセンサ装置１０であれば、予め設定された初期電圧出力特性に基づいて電圧／荷重変換すれば、正確な付加荷重値が得られる。しかし、この電圧出力特性は、センサ装置１０の使用環境や、経年変化により、変化する。例えば、出荷時には、１Ｎで１ｍＶの電圧出力していたロードセル１２が、劣化等により１Ｎで０．９ｍＶの電圧出力となる場合がある。この場合に、初期設定された電圧出力特性に基づいて物理量換算を行った場合、正確な付加荷重量が得られない。

そこで、従来から、ユーザは、定期的に校正作業を行い、その時点での電圧出力特性を取得していた。具体的には、基準荷重をロードセル１２に付加し、その際、出力される電圧値に基づいて、その時点での電圧出力特性を算出していた。そして、校正作業の結果、得られた電圧出力特性に基づいて、出力電圧の値を補正していた。しかし、この出力電圧値の補正をユーザが行うのは煩雑であるばかりでなく、補正の計算ミスや計算忘れに起因する最終計測結果の不正確さも招いていた。

そこで、本実施形態のセンサ装置１０のＣＰＵ３０は、この計測結果の補正処理も行う。すなわち、予めメモリ３２に記憶されている補正値に基づき、オリジナルデータ、または、オリジナルデータを物理量変換した後の計測結果データの補正を行う。センサ装置１０で、一括して、補正処理を行うことにより、ユーザはより簡易に、より正確な計測値を得ることができる。なお、メモリ３２に記憶される補正値は、校正作業のたびに、更新される。また、本実施形態のセンサ装置１０では、このメモリ３２に記憶される補正値は、校正作業時においてＣＰＵ３０により自動的に算出される。

次に、センサ装置１０と外部情報処理装置とのＵＳＢ通信において用いられるコマンドについて説明する。コマンドは、所定の処理内容を示す命令文で、センサ装置１０および外部情報処理装置は、互いに共通のコマンドを記憶している。センサ装置１０のＣＰＵ３０は、外部情報処理装置からコマンドを受信すれば、当該コマンドを解釈し、その内容に応じた処理を実行する。両装置間で遣り取りされるコマンドの種類としては、データ送受信開始・終了コマンド、校正作業開始・終了コマンド、メモデータ記録・読出コマンド、各種エラー通知コマンドなどがある。データ送受信開始コマンドは、外部情報処理装置からセンサ装置１０へ送信されるコマンドであり、当該コマンドを受信したセンサ装置１０は計測された結果データを外部情報処理装置へと送信する。この計測結果データの送信は、外部情報処理装置からデータ送受信終了コマンドが送信されるまで継続して行われる。なお、このとき、送信される計測結果データは、物理量変換処理、および、補正処理がなされたデータである。したがって、ユーザは、外部情報処理装置に送信されたデータをそのまま使用することができる。

校正作業開始コマンドは、外部情報処理装置からセンサ装置１０に送信されるコマンドである。このコマンドは、センサ装置１０の校正作業を行う際に送信される。当該コマンドを受信したセンサ装置１０は、その駆動モードを通常計測モードから校正モードへと切り替える。通常計測モードは、通常の荷重計測を行うモードである。校正モードは、校正作業用のモードである。ユーザは、センサ装置１０の駆動モードが校正モードになれば、センサ装置１０に対して、所定の基準荷重（例えば１Ｎなど）を付加する。この基準荷重付加に対するロードセル１２からの出力電圧は、校正電圧値としてメモリ３２に一時記憶される。また、メモリ３２には、基準荷重を付加した際に、本来得られるべき出力電圧値、すなわち、基準電圧値が予め記憶されている。ＣＰＵ３０は、この校正電圧値と、基準電圧値と、の差異量を算出し、当該差異量を補正値として、メモリ３２に記憶する。以降の荷重計測においては、この補正値に基づき、出力電圧値の補正が行われる。ＣＰＵ３０は、補正値の算出が終了すれば、外部情報処理装置に対して、校正作業終了コマンドを送信するとともに、その駆動モードを通常計測モードへと切り替える。外部情報処理装置は、校正作業終了コマンドを受信すれば、校正作業の正常終了をユーザに提示する。なお、センサ装置１０のＣＰＵ３０は、校正電圧値と基準電圧値との差異量があまりに大きい場合には、校正作業に何らかの問題があったと判断し、外部情報処理装置に対して校正エラー通知コマンドを送信するとともに、校正モードを終了する。

メモデータ記録コマンドは、外部情報処理装置からセンサ装置１０に送信されるコマンドである。外部情報処理装置は、当該コマンドとともに、記録対象データであるメモデータも送信する。当該コマンドを受信したＣＰＵ３０は、一緒に送信されたメモデータをメモリ３２に記憶させる。このメモデータの内容は、ユーザが適宜、設定可能であり、例えば、センサ装置１０の設置場所や管理番号などがメモデータとして送信される。メモデータ読出コマンドも外部情報処理装置からセンサ装置１０に送信されるコマンドであり、当該コマンドを受信したセンサ装置１０は、メモリ３２に記憶されているメモデータを外部情報処理装置に送信する。ここで、送信されるメモデータとしては、メモデータ記録コマンドで記録されたユーザ設定のメモデータのほかに、出荷時にメモリ３２に記憶されたセンサ装置１０の性能情報なども送信される。外部情報処理装置は、送信されたメモデータをユーザに提示する。これにより、ユーザは、センサ装置１０から離れた場所でも、各センサ装置１０に記憶されたメモデータ、例えば、設置場所や、性能情報などを認識することができる。

各種エラー通知コマンドは、センサ装置１０から外部情報処理装置へと送信されるコマンドであり、エラー内容に応じて複数種類のエラー通知コマンドがある。エラー通知コマンドとしては、例えば、校正作業時の問題を通知する校正エラー通知コマンドや、計測された荷重が上限値を超えた場合に通知される超過荷重通知エラーなどがある。

このように、コマンドを用いることにより、接続される外部情報処理装置が変更されても、センサ装置１０は影響を受けない。すなわち、外部情報処理装置が変更（例えば、計測専用コンピュータからパーソナルコンピュータへの変更）されても、変更後の外部情報処理装置に、コマンドの送受信および解釈用のプログラムをインストールすれば、センサ装置１０をそのまま使用し続けることができる。その結果、センサ装置１０の汎用性をより向上できる。

次に、このセンサ装置１０を用いて、荷重計測を行う場合の例について図２を用いて説明する。図２は、四箇所の計測点における荷重を四つのセンサ装置１０で計測し、その計測結果を単一のパーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ１０２」という）で処理する計測システムの構成例である。

四箇所の計測点には、それぞれ、一つのセンサ装置１０が配置される。ユーザは、計測開始に先立って、各センサ装置１０のメモリ３２に、その設置場所や管理番号をメモデータとして記憶させることが望ましい。メモデータの記憶は、情報処理装置を介して行われる。すなわち、ユーザは、記憶させたいメモデータを情報処理装置に入力するとともに、当該メモデータの記憶を指示する。当該指示を受けた情報処理装置は、メモデータ記憶コマンドとともに、入力されたメモデータをセンサ装置１０に送信する。センサ装置１０は、送信されたメモデータをメモリ３２に記憶する。ここで、本実施形態のセンサ装置１０は、情報処理装置との接続にＵＳＢを用いている。ＵＳＢは、ＵＳＢケーブル４０を抜き差しすることで、容易に接続または接続解除が可能である。したがって、メモデータ、特に設置場所の記録などの際には、情報処理装置としてノートパソコン等の携帯型情報処理装置１０４を用いることができる。その結果、ユーザは、実際に、ロードセル１２近傍に行き、その設置場所を目視で確認した上で、センサ装置１０にメモデータを記憶させることができる。

メモデータの記憶が終了すれば、四つのセンサ装置１０は、単一のＰＣ１０２にＵＳＢ接続される。このとき、センサ装置１０とＰＣ１０２は、ＵＳＢ用ＨＵＢ１００を介して接続されてもよい。ＵＳＢ用ＨＵＢ１００を介在させることにより、単一のＰＣ１０２に多数のセンサ装置１０を接続できる。また、ＰＣ１０２が複数のＵＳＢポートを有するのであれば、複数のセンサ装置１０とＰＣ１０２とを直接接続させてもよい。いずれにしても、センサ装置１０に、ＵＳＢインターフェース２８を設けることにより、ＰＣ１０２との接続が容易となり、また、単一のＰＣ１０２に複数のセンサ装置１０を接続できる。

四つのセンサ装置１０が単一のＰＣ１０２に接続されれば、以降、ユーザはこのＰＣ１０２を操作して四つのセンサ装置１０の計測結果データの取得や処理を行う。すなわち、ユーザは、計測結果データを必要とする場合は、ＰＣ１０２を操作してデータ送信開始を指示する。ここで、ＰＣ１０２は、接続されている四つのセンサ装置１０それぞれに固有のドライブ名や装置名等を割り当てている。ユーザは、データ送信開始などを指示する際、このドライブ名等も選択する。ＰＣ１０２は、選択されたドライブ名等から、どのセンサ装置１０に対する指示であるかを判断し、そのセンサ装置１０に指示に応じたコマンドを送信する。

例えば、あるセンサ装置１０の計測結果データが必要な場合、ユーザは、当該センサ装置１０のドライブ名（や装置名等）とデータ送信開始指示をＰＣ１０２に入力する。当該入力を受けたＰＣ１０２は、ドライブ名から指示対象のセンサ装置１０を特定する。そして、特定されたセンサ装置１０に対してデータ送信開始のコマンドを送信する。当該コマンドを受けたセンサ装置１０は、ＰＣ１０２に計測結果データを送信する。ＰＣ１０２は、送信された計測結果データをディスプレイ等に表示する。

ここで、表示される計測結果データは、物理量換算や補正処理などが既に施されたデータである。従来のロードセル装置では、電圧値から荷重値への変換や、ロードセルの電圧出力特性の変化に起因する誤差の補正などは、ユーザ自身が行わなければならなかった。しかし、本実施形態のセンサ装置１０では、これらの処理は、センサ装置１０で行われる。したがって、ユーザは、各センサ装置１０から出力された計測結果データを見れば、即座に、正確な荷重値を知ることができる。これにより、ユーザはより簡易に正確な荷重計測が可能となる。

また、各センサ装置１０の性能や設置場所等が知りたい場合、ユーザは、センサ装置１０を示すドライブ名と、メモデータ読出指示と、をＰＣ１０２に入力すればよい。当該入力を受けたＰＣ１０２は、ドライブ名からセンサ装置１０を特定し、この特定されたセンサ装置１０に対してメモデータ読出コマンドを送信する。当該コマンドを受信したセンサ装置１０は、メモリ３２に記憶されているメモデータをＰＣ１０２に返信する。ＰＣ１０２は、返信されたメモデータをディスプレイ等に表示する。ここで、表示されるメモデータは、当該センサ装置１０の性能（計測上限値や分解能など）やユーザ自身が登録した設置場所などの情報である。このメモデータを見ることで、ユーザは、センサ装置１０から離れた場所にいても、各センサ装置１０の性能や設置場所等を把握することができる。

また、センサ装置１０に、何らかの問題が発生した場合には、センサ装置１０からＰＣ１０２に対してエラー通知コマンドが送信される。当該コマンドを受信したＰＣ１０２は、その送信元のセンサ装置１０を特定するとともに、当該コマンドが示すエラー内容を特定する。そして、当該センサ装置１０を示すドライブ名と、エラー内容をユーザに提示する。ユーザは提示されたエラー内容およびドライブ名から、どのセンサ装置１０にどのようなエラーが生じているかを判断できる。これにより、ユーザは、センサ装置１０から離れたところからでも、センサ装置１０の状態を知ることができる。

つまり、センサ装置１０にＵＳＢインターフェース２８を搭載し、ＰＣ１０２に接続可能とすることで、ユーザは離れた場所でもセンサ装置１０の操作や状態監視が可能となる。また、ＵＳＢの場合、単一のＰＣ１０２に複数のＵＳＢ機器を接続できる。そのため、ユーザは、単一のＰＣ１０２で複数のセンサ装置１０の操作や状態監視が可能となる。さらに、ＵＳＢの場合、接続されるＵＳＢ機器の数を簡易に増減できる。それにより、計測システム全体の構成を、簡易に変更できる。

次に、このセンサ装置１０の校正作業の流れについて簡単に説明する。記述したように、センサ装置１０に搭載されるロードセル１２から出力される電圧は、付加荷重に比例する。しかし、この付加荷重と出力電圧との比、出力電圧特性は、ロードセル１２の使用環境や経年変化により僅かに変化してくる。出力電圧特性が変化した状態では、正確な荷重計測はできないため、定期的に、ロードセル１２の出力電圧特性を計測し、その結果を以降の計測値算出に反映させる校正作業が必要となる。本実施形態のセンサ装置１０では、この校正作業をより簡易に行えるような構成となっている。

校正作業を行いたい場合、ユーザは、まず、校正対象のセンサ装置１０を情報処理装置にＵＳＢ接続する。このとき、接続される情報処理装置としてノートパソコン１０４などの携帯型情報処理装置を用い、ユーザはセンサ装置１０の近傍に位置することが望ましい。

続いて、ユーザは、情報処理装置を操作して、接続されたセンサ装置１０に対して校正作業の開始を指示する。当該指示を受けた情報処理装置は、センサ装置１０に校正作業開始コマンドを送信する。当該コマンドを受信したセンサ装置１０は、その駆動モードを校正モードに切り替える。

一方、情報処理装置を介して校正作業開始を指示したユーザは、センサ装置１０に基準の荷重を付加する。この基準荷重の付加は、例えば、基準重量の試験片をセンサ装置１０に載置することで行われる。センサ装置１０のロードセル１２は、基準荷重の付加に応じた電圧を出力する。出力された電圧は、増幅、Ａ／Ｄ変換された後、メモリ３２に一時記憶される。ＣＰＵ３０は、メモリ３２に一時記憶された電圧値の平均の値を校正電圧値として取得する。そして、メモリ３２に予め記憶されている基準電圧値と、校正電圧値と、を比較し、その差異量を算出する。算出された差異量は、補正値としてメモリに記憶される。補正値がメモリに記憶されれば、センサ装置１０は、校正作業終了コマンドを外部情報処理装置に送信するとともに、駆動モードを通常計測モードに変更する。そして、以降では、校正作業で得られた補正値（基準電圧値と校正電圧値との差異量）に基づき、オリジナルデータの補正を行う。

以上、本実施形態によれば、センサ装置１０内で物理量変換や補正処理がなされるため、より簡易に正確な計測値を得ることができる。また、ＵＳＢインターフェース２８を搭載し、情報処理装置とＵＳＢ接続が可能とすることで、計測システム全体の汎用性をより向上できる。また、校正作業専用の駆動モード、校正作業モードを設けることにより、従来煩雑であった校正作業がより簡易に行える。

なお、本実施形態では、センサ本体としてロードセルを用いたセンサ装置を説明したが、他の種類のセンサをセンサ本体として用いてもよい。例えば、図３に図示するように、ひずみゲージ式の圧力センサ（ロードセル１２）に代えて、半導体式の圧力センサ１２ａをセンサ本体として用いてもよい。この場合、圧力センサ１２ａとＡ／Ｄ変換回路２６との間には、ひずみアンプ２４ではなく直流アンプ２４ａを設ければよい（図１参照）。

また、図４に図示するように、本実施形態を加速度センサ１２ｂに応用してもよい。加速度センサ１２ｂとＡ／Ｄ変換回路２６との間に設けられるアンプ２４ｂは、加速度センサ１２ｂの種類に応じて適宜変更する。例えば、加速度センサ１２ｂがひずみゲージ式の場合にはひずみアンプを、加速度センサ１２ｂが圧電型の場合にはチャージアンプを用いる。さらに、図５に図示するように本実施形態をトルクセンサ１２ｃに応用してもよい。この場合も、トルクセンサ１２ｃの種類に応じたアンプ２４を、トルクセンサ１２ｃとＡ／Ｄ変換回路２６との間に設ければよい。

そして、いずれのセンサを用いた場合でも、上述の実施形態と同様に、これらセンサ本体を、当該センサ本体に応じて選定されたアンプやＡ／Ｄ変換回路等とともに同一の筐体１８に収容し、検出信号の信号処理を施したうえで、ＵＳＢインターフェースを介して情報の遣り取りを行うように構成すれば、汎用性の高い計測システムを構成できる。

また、本実施形態では、通信インターフェースとしてＵＳＢインターフェース２８を用いたが、ＬＡＮインターフェースを用いてもよい。この場合の計測システムの構成を図６に示す。図６において実線の接続線はＬＡＮケーブル４２を、破線の接続線は電源ケーブル４４を示している。ＬＡＮインターフェースを設けた場合、各センサ装置１０は、ＨＵＢ１１０やルータ１１２の中継により、ＬＡＮやインターネットなどのネットワーク網１１４を介して情報処理装置（ＰＣ１０２）に接続される。このようにセンサ装置１０とＰＣ１０２とをネットワーク接続することにより、計測システムの汎用性をより高めることができる。

すなわち、ＵＳＢ接続はそのケーブル長に限界があるため、センサ装置１０とＰＣ１０２との距離をあまり大きくすることはできなかった。一方、ネットワーク接続の場合には、接続間距離には制限は無く、センサ装置１０とＰＣ１０２とが長距離離れていてもよい。また、ＰＣ１０２に接続されるセンサ装置１０の数にも上限が無く、より多数のセンサを接続できる。

さらに、ネットワーク接続の場合、当該ネットワークに接続されていれば、いずれのＰＣ１０２からでも、センサ装置１０との通信が可能となる。そのため、二台以上のＰＣ１０２で同時に、複数のセンサ装置１０の計測結果を取り扱うこともできる。また、校正作業等は、センサ装置１０近傍に配置されたＰＣ（例えば、携帯型ＰＣなど）で行い、計測結果データのモニタはセンサ装置１０から離れた位置に配置されたＰＣで行うことも可能である。つまり、ＵＳＢインターフェースに代えてＬＡＮインターフェースを設けることにより、計測システムの汎用性をより向上できる。

なお、図６では、各センサ装置１０が外部から電力供給を受ける場合のシステム構成を示している。すなわち、各センサ装置１０は電源ケーブル４４を介してコンセント５０に接続されている。ただし、センサ装置１０の内部に乾電池等の携帯電源を設けることで、この電源ケーブル４４は省略することができる。また、ＬＡＮインターフェースとしてＰｏＥ（ＰｏｗｅｒｏｖｅｒＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標））の機能を備えたＬＡＮインターフェースを用いることで、センサ装置１０へ給電することも可能である。ＰｏＥのＬＡＮインターフェースを用いれば、電源ケーブル４４および携帯電源のいずれも不要となる。その結果、センサ装置１０のさらなる小型化、また、計測システムの更なる簡易化が可能となる。さらに、無線ＬＡＮ用のインターフェースを用いれば、センサ装置１０の設置場所を自由に変えることができ、より汎用性の高い計測システムを構成できる。

また、ＵＳＢ，ＬＡＮ通信インターフェースのほかに、電力線通信（ＰＬＣ）インターフェースを用いることも望ましい。ＰＬＣは、電源ケーブルに高調波信号を重畳し、電力線を伝送路として双方向の通信を行う通信形態である。このＰＬＣでは、既存のコンセント等がそのまま使用でき、電源ケーブルのプラグをコンセントに差し込むだけで通信環境に接続できるという利点をもつ。

図７は、通信インターフェースとしてＰＬＣを用いた場合の計測システムの構成を示す図である。この場合、各センサ装置１０は、ＬＡＮケーブル４２およびＨＵＢ１１０を介してＰＬＣモデム１２０に接続されている。このＰＬＣモデム１２０は、電源ケーブル４４およびコンセント５０を介して室内電源配線網１２２に接続されている。また、情報処理装置１０２も、ＬＡＮケーブル４２、ＨＵＢ１１０、ＰＬＣモデム１２０、電源ケーブル４４、コンセント５０等を介して、室内電源配線網１２２に接続されている。ＰＬＣにおいて、この室内電源配線網１２２は、ネットワーク網として機能する。したがって、ＰＬＣモデム１２０等を介してこの室内電源配線網１２２に接続されたセンサ装置１０および情報処理装置１０２は、双方向通信が可能となる。なお、コンセント５０から延びる電源ケーブル４４は、双方向通信のためにＰＬＣモデム１２０に入力する経路と、給電のために各センサ装置１０や情報処理装置１０２に直接入力する経路と、に分岐されている。

図８は、ＰＬＣモデム１２０をセンサ装置１０等に内蔵した場合の計測システムの構成を示す図である。この図示例では、センサ装置１０の内部にＰＬＣモデム１２０が内蔵されており、各センサ装置１０には単一の電源ケーブル４４が接続されている。そして、この電源ケーブル４４のラインは、センサ装置１０の内部で通信用の経路と、電力供給用の経路に分岐される。したがって、この場合、各センサ装置１０に接続された電源ケーブル４４をコンセント５０に差し込むだけで、給電と通信の両方が可能となる。また、情報処理装置１０２に接続するセンサ装置１０の数もコンセント５０への抜き差しで適宜増減することができる。その結果、極めて簡易に汎用性の高い計測システムを構成できる。

なお、以上で説明した各種通信インターフェースのポート、例えば、ＵＳＢポートやＬＡＮポートとして、防水機能を備えたポートを用いることが望ましい。かかるポートを用いることで、水分の多い場所での計測も可能となる。

ところで、複数のセンサ装置１０を用いる場合、情報処理装置１０２に出力表示される各検出値がどのセンサ装置１０から出力されたものかを特定したい場合がある。例えば、複数のセンサ装置１０から出力される検出値のうち所定位置に配置されたセンサ装置１０での検出値のみを利用したい場合がある。この場合、情報処理装置１０２において、所望のセンサが示す検出値を特定する必要がある。しかし、情報処理装置１０２では、各センサ装置１０の検出値が出力、表示されるだけであり、各検出値を検出したセンサ装置１０の配置位置等は認識できない。そのため、所定位置に配置されたセンサ装置１０からの検出値を特定することが困難である。そこで、センサ装置１０に、各種インターフェースのポートとは別に入力ポート（図示せず）を設け、その入力信号によりセンサ装置を特定するようにしてもよい。例えば、図９に図示するように、センサ装置１０の入力ポートに、手動操作される操作子として接点３６を設けるとともに、当該接点のＯＮ／ＯＦＦ状態を情報処理装置１０２に出力、表示するようにしてもよい。この場合、予め、複数のセンサ装置１０のうち、計測に利用したいセンサ装置１０の接点３６のみをＯＮにし、他のセンサ装置１０の接点３６はＯＦＦにしておく。このＯＮ／ＯＦＦ状態は、情報処理装置１０２に出力される。したがって、ユーザは、この情報処理装置１０２に出力された接点ＯＮ／ＯＦＦ状態をモニタリングすることで、所望のセンサ装置１０の検出値を簡易に特定することができる。なお、この入力ポートに入力される信号は、検出値特定のためにのみ利用するのではなく、測定開始、終了のタイミング検出等に利用してもよい。

また、情報処理装置１０２に表示される複数の検出値のうち所定の検出値を出力したセンサ装置１０を特定したい場合がある。例えば、情報処理装置１０２において、あるセンサ装置１０からエラーが出力されていることが確認された場合、当該エラーを出力しているセンサ装置１０を実際に特定し、当該センサ装置１０の状況を確認する必要がある。しかし、各センサ装置１０は、同一の外観を有するため、複数のセンサ装置１０から当該エラーを出力したセンサ装置１０のみを特定することは困難である。そこで、センサ装置１０に各種インターフェースのポートとは別に出力ポート（図示せず）を設け、当該出力ポートからの出力信号によりセンサ装置を特定するようにしてもよい。例えば、情報処理装置１０２からの特定の信号が送信された場合に、その旨をユーザに提示する提示手段をセンサ装置１０の出力ポートに設け、当該提示手段の状況に基づいてセンサ装置１０を特定するようにしてもよい。

具体的には、図１０に図示するように、情報処理装置１０２からの出力信号に応じて、点灯または消灯するランプ３８を提示手段として設け、当該ランプ３８の点灯状態でセンサ装置１０を特定するような例が挙げられる。この場合、情報処理装置１０２において、あるセンサ装置１０からのエラー出力が確認された場合、ユーザは当該センサ装置１０のランプ点灯を情報処理装置１０２に指示する。情報処理装置１０２は、指示されたセンサ装置１０に対してランプ点灯を指示する信号を出力する。センサ装置１０は、当該信号を受信すれば、ランプ３８を点灯させる。このランプ３８の点灯状態は、外部から容易に視認できるため、ユーザは、極めて簡易に所望のセンサ装置１０を特定できる。なお、ランプ３８に限らず、外部からユーザが認識可能な提示手段であれば、ブザー等でもよい。なお、この出力ポートから出力される信号は、センサ装置特定のためにだけ使用するのではなく、各センサ装置１０での検出状況を提示手段を介してユーザに提示するための信号として用いてもよい。例えば、測定過程において、各センサ装置１０に付与された物理量が、指定の物理量に達したことや指定の物理量範囲内にあることを提示手段を介してユーザに提示するための信号として用いてもよい。

また、センサ装置１０や検出値を特定するために、予め各センサ装置１０に付与された不変の識別子を情報処理装置１０２で検出するとともに、当該識別子を各センサ装置１０の筐体１８の外表面に印刷しておいてもよい。例えば、ＬＡＮ通信を行う場合、各センサ装置１０には、ＩＰアドレスが付与されており、このＩＰアドレスは、情報処理装置１０２において認識される識別子として機能する。この場合に、図１１に図示するように、各センサ装置１０の筐体１８の外表面にＩＰアドレス３９を印刷しておく。ユーザは、情報処理装置１０２で認識されたＩＰアドレスと、筐体１８の外表面に印刷されたＩＰアドレスと、を照合することで、各センサ装置１０と検出結果との対応関係を容易に認識することができる。その結果、エラー出力されたセンサ装置の特定や、所望のセンサ装置からの検出値の特定等が容易に行える。また、ＩＰアドレスと同様に、ＬＡＮインターフェースに付与されているＭＡＣアドレスを用いて各センサ装置１０を識別するようにしてもよい。

本発明の実施形態であるセンサ装置の概略構成を示すブロック図である。複数のセンサ装置を用いた荷重計測システムの構成例を示す図である。本実施形態を半導体方式の圧力センサに適用した場合のセンサ装置の概略構成を示す図である。本実施形態を加速度センサに適用した場合のセンサ装置の概略構成を示す図である。本実施形態をトルクセンサに適用した場合のセンサ装置の概略構成を示す図である。通信インターフェースとしてＬＡＮ通信インターフェースを用いた場合の計測システムの構成例を示す図である。通信インターフェースとしてＰＬＣ通信インターフェースを用いた場合の計測システムの構成例を示す図である。通信インターフェースとしてＰＬＣ通信インターフェースを用いた場合の計測システムの他の構成例を示す図である。センサ装置に入力機能を持たせた場合の計測システムの構成を示す図である。センサ装置に出力機能を持たせた場合の計測システムの構成を示す図である。センサ装置の外観の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０センサ装置、１２ロードセル、１４回路基板、１６電源部、１８筐体、２０起歪部、２２ひずみゲージ、２４ひずみアンプ、２６Ａ／Ｄ変換回路、２８ＵＳＢインターフェース、３２メモリ、４０ＵＳＢケーブル、４２ＬＡＮケーブル、４４電源ケーブル、５０コンセント、１００ＵＳＢ用ＨＵＢ、１０２ＰＣ、１０４携帯型情報処理装置、１１２ルータ、１１４ネットワーク網、１２２室内電源配線網。

Claims

計測の対象となる物理量を検出するセンサ本体と、
センサ本体から出力された検出信号に対して所定の信号処理を施して計測結果データを取得する信号処理手段と、
ネットワーク通信、ＵＳＢ通信、および、電力線通信のいずれかを介して、前記計測結果データを含む各種情報を外部情報処理装置との間で遣り取りする通信手段と、
少なくとも、センサ本体、信号処理手段、および、通信手段を収容する単一の筐体と、
を備えることを特徴とするセンサ装置。
請求項１に記載のセンサ装置であって、
センサ本体は、対象物の運動量を検出する運動量センサ、または、対象物の力学量を検出する力学量センサであることを特徴とするセンサ装置。
請求項２に記載のセンサ装置であって、
センサ本体は、付加された圧力を計測するロードセルであることを特徴とするセンサ装置。
請求項２に記載のセンサ装置であって、
センサ本体は、対象物の加速度を計測する加速度センサであることを特徴とするセンサ装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ装置であって、
信号処理手段は、少なくとも、
センサ本体から出力されたアナログの検出信号を増幅する増幅手段と、
増幅されたアナログの検出信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
を備えることを特徴とするセンサ装置。
請求項５に記載のセンサ装置であって、
信号処理手段は、さらに、Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル変換された検出信号に基づき、センサ本体で検出された検出値を計測対象の物理量の単位に変換して計測結果データとして算出する物理量変換手段を備えることを特徴とするセンサ装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ装置であって、
信号処理手段は、さらに、校正作業により得られた補正値に基づき、計測結果データを補正する補正手段を備えることを特徴とするセンサ装置。
請求項７に記載のセンサ装置であって、さらに、
センサ本体に基準の物理量が付与された場合に、本来、センサ本体から出力されるべき検出値を基準検出値として記憶する記憶手段と、
実際にセンサ本体に基準の物理量が付与された場合に、センサ本体から実際に出力された実測検出値と、記憶手段に記憶された基準検出値と、の比較に基づき計測結果データの補正に用いられる補正値を算出する校正手段と、
を備えることを特徴とするセンサ装置。
請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサ装置であって、さらに、
外部情報処理装置と共通の複数のコマンドと、各コマンドが示す処理内容と、を記憶するコマンド記憶手段と、
外部情報処理装置との間で送受信されるコマンドの内容をコマンド記憶手段を参照して解釈するコマンド解釈手段と、
を有し、外部情報処理装置との間での命令の遣り取りは、コマンドを介して行われることを特徴とするセンサ装置。
請求項１から９のいずれか１項に記載のセンサ装置であって、
前記筐体の外表面には、外部情報処理装置で認識される当該センサ装置の識別子が掲示されることを特徴とするセンサ装置。
請求項１から１０のいずれか１項に記載のセンサ装置であって、さらに、
前記通信手段とは別に当該センサ装置をモニタするための信号を出力する出力ポートを備えることを特徴とするセンサ装置。
請求項１１に記載のセンサ装置であって、さらに、
外部情報処理装置から特定の信号が送信された場合に、その旨を前記出力ポートを介してユーザに提示する提示手段を備えることを特徴とするセンサ装置。
請求項１から１２のいずれか１項に記載のセンサ装置であって、さらに、
前記通信手段とは別に当該センサ装置の測定をサポートするための信号を入力する入力ポートを備えることを特徴とするセンサ装置。
請求項１３に記載のセンサ装置であって、さらに、
ユーザによりＯＮ／ＯＦＦ操作される操作子を備え、
前記通信手段は、前記入力ポートを介して入力される当該操作子のＯＮ／ＯＦＦ状況を外部情報処理装置に送信することを特徴とするセンサ装置。