JP2011012998A - 複数の音叉振動子を用いる計量装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音叉振動方式の複数の荷重検出センサを用いて、高精度の計量が可能な計量装置を提供する。
【解決手段】音叉振動子を内蔵する荷重検出センサの複数個を備えた計量装置であって、荷重検出センサの１つをマスタ６０、残りをスレーブ７０として設定し、スレーブ７０は、内蔵する音叉振動子の周期に基づいて算出した計量値を絶えず更新して、更新した計量値をマスタ６０に継続的に出力し、マスタ６０は、内蔵する音叉振動子の周期に基づいて算出した計量値と、スレーブ７０から受信した最新の計量値とを加算して、表示器に出力する。簡単な方法で、音叉振動子を内蔵する複数の荷重検出センサが求めた最新のデータ（計量値）同士を合算することができ、高精度の計量が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の音叉振動子を用いて構成する台秤などの計量装置に関し、高精度の計量を可能にするものである。

電子秤の主な方式には、歪みゲージを用いるロードセル方式、音叉を使用する音叉振動方式、電磁石及び電磁コイルを用いる電磁力平衡方式が存在する。
ロードセル方式は、荷重による歪みゲージの変形量から荷重を測定する。音叉振動方式は、音叉の振動数が音叉の両端に加わる荷重の大きさによって変化することを利用して荷重測定を行う。また、電磁力平衡方式は、荷重により平衡状態が崩れた機械的バランス機構を、電磁コイルに電流を流して平衡状態に戻し、そのときの電流の大きさから荷重の大きさを求める。
秤の精度は、ロードセル方式より音叉振動方式や電磁力平衡方式の方が高く、一方、秤の製造コストは、機構が複雑な電磁力平衡方式が最も高く、構造が簡単なロードセル方式が最も低コストである。
現在、秤量（測定範囲）が３００ｋｇに及ぶ台秤の多くは、ロードセル方式を採用している。
しかし、生産現場では、例えば、ドラム缶入りの薬液原料等を計量する場合のように、重量物の重さを高い精度で測定する必要性が増えており、台秤の高精度化が求められている。
この要請には、台秤に音叉振動方式を導入することで応えることができる。

ところで、音叉振動方式を採る電子秤は、下記特許文献１に記載されているように、図９に示す機構で信号処理が行われている。
この機構は、音叉振動子１１０と、音叉振動子１１０に取り付けられた圧電素子１１１、１１２と、圧電素子で取り出された音叉信号から計量値を生成する計量値生成回路１２０とを備えており、計量値生成回路１２０は、圧電素子１１２により音叉振動子１１０を振動させて圧電素子１１１から音叉信号を取り出す発振回路１２１と、入力するクロックＣで音叉信号の周期をカウントするサイクルカウンタ１２２と、サイクルカウンタ１２２から出力された値をデジタル処理するデジタル処理回路（ＤＳＰ）１２３とを有し、ＤＳＰ１２３は、サイクルカウンタ１２２のカウント数から音叉振動子１１０に作用する力とリニアな関係にある計量値を得る線形化手段１２４と、不要成分を除去するフィルタリング手段１２５とを備えている。

音叉振動子１１０に加えられる外力Ｆと音叉振動子１１０の固有振動数ｆとは、およそ次の関係を有している。
Ｆ＝Ｃ１・ｆ²−Ｃ２ （Ｃ１、Ｃ２；定数） （数１）
音叉振動子１１０に外力を加える前に、発振回路１２１から圧電素子１１２を励振して音叉振動子１１０を固有振動数で振動させる。音叉振動子１１０の振動は、圧電素子１１１により音叉信号に変換されて発振回路１２１に入力する。この状態で音叉振動子１１０に外力Ｆ１が加わると、音叉振動子１１０の固有振動数が変化し、変化した固有振動数ｆ１での振動が、圧電素子１１１で音叉信号に変換されて発振回路１２１に入力し、発振回路１２１からサイクルカウンタ１２２に送られる。
サイクルカウンタ１２２は、音叉信号の周期Ｔ１（＝１／ｆ１）をクロック入力Ｃを用いてカウントする。ＤＳＰ１２３の線形化手段１２４は、そのカウント数から、Ｆ１とリニアな関係にあるｆ１²を求めて出力し、不要成分がフィルタリング手段１２５で除去されて、計量値生成回路１２０から計量値Ｗとして出力される。

特開平９−１９６７４１号公報

しかし、重い被計量物を量る台秤の多くは、台秤内部に組み込まれた複数の荷重検出センサを使って計量し、各荷重検出センサによる計量値を合算して被計量物の重量を算出しているが、音叉振動方式の場合は、各荷重検出センサに加わる荷重が異なると、音叉信号の振動数及び周期が相違し、各荷重検出センサでの計量値の算出時期が違ってくる。そのため、高精度を保つために、各荷重検出センサの計量値を如何に合算するか、ということが課題になる。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、音叉振動方式の複数の荷重検出センサを用いて、高精度の計量が可能な計量装置を提供することを目的としている。

本発明は、音叉振動子を内蔵する荷重検出センサを複数個備えた計量装置であって、前記荷重検出センサの１つをマスタ荷重検出センサ、残りをスレーブ荷重検出センサとして設定し、前記スレーブ荷重検出センサは、内蔵する音叉振動子の周期に基づいて算出した計量値を絶えず更新して、更新した前記計量値を前記マスタ荷重検出センサに継続的に出力し、前記マスタ荷重検出センサは、内蔵する音叉振動子の周期に基づいて算出した計量値と、前記スレーブ荷重検出センサから受信した最新の計量値とを加算して表示器に出力することを特徴とする。
このように、スレーブ荷重検出センサから計量値の更新した値を継続的に出力させることで、マスタ荷重検出センサが自ら算出した最新の計量値と、スレーブ荷重検出センサから受信した最新の計量値とを加算することが可能になる。

また、本発明の計量装置では、前記音叉振動子を内蔵する荷重検出センサのそれぞれが、計量値の線形化処理及び温度補正処理等を行う。
そのため、各荷重検出センサを秤として組み立てた後の調整は、各荷重検出センサの感度を揃える感度補正を行うだけで足りる。

また、本発明の計量装置では、前記表示器が、前記マスタ荷重検出センサと前記スレーブ荷重検出センサとで構成される単位を、前記単位ごとに設定されたＩＤで識別し、前記マスタ荷重検出センサ及びスレーブ荷重検出センサが、前記単位内で定めたＩＤにより互いを識別するように構成することができる。

また、本発明の計量装置では、前記単位に含まれる荷重検出センサの各々を数珠繋ぎで接続することができる。
このように、複数の荷重検出センサを数珠繋ぎで接続する場合は、どんなに多くの荷重検出センサを接続するときでも、荷重検出センサから出るケーブルは二本で足りる。

本発明により、簡単な方法で、音叉振動子を内蔵する複数の荷重検出センサが求めた最新のデータ（計量値）同士を合算することができ、そのため、高精度の計量が可能になる。

本発明の実施形態に係る台秤の荷重検出センサ間の関係を示す図 本発明の実施形態に係る荷重検出センサの計量信号処理機構を示す図 各荷重検出センサのデータ出力時期とデータ出力値との関係を示す図 本発明の実施形態に係る台秤の分解斜視図 本発明の実施形態に係る荷重検出センサの分解斜視図 本発明の実施形態に係る台秤のセンサケースの分解斜視図 本発明の実施形態に係る４つの荷重検出センサを有する台秤の平面図 複数の計量ユニットのデータを一つの表示部で表示する本発明の実施形態に係るシステムを示す図 従来の音叉振動方式を採る電子秤の信号処理機構を示す図

図４、図５及び図６は、本発明の実施形態に係る台秤を示している。
この台秤は、図４に示すように、載荷台（不図示）を支える上側フレーム１０と、二本の並行する基礎フレーム２０、２０と、基礎フレーム２０、２０間に掛け渡された荷重検出ユニット３０とを備えており、荷重検出ユニット３０の上に上側フレーム１０が載せられる。
荷重検出ユニット３０は、図５に示すように、上側フレーム１０を支える上面支持部材３１と、荷重検出センサや回路基板が収納されるセンサケース３３とを有している。

図６は、センサケース３３の中身を分解斜視図で示している。
センサケース３３には、音叉振動子を含む力センサ４１と、アルミ合金で作られたブロック体４２とから成る荷重検出センサ４０が収容され、このブロック体４２の固定側が、ボルト４３でセンサケース３３の底部に固定され、ブロック体４２の可動側に、荷重を伝達するボルト３７が固定される。
また、荷重検出センサ４０を収容したセンサケース３３の開口は、蓋体３５により封鎖され、蓋体３５の孔３５１を通るボルト３７と孔３５１との隙間が、ダイヤフラム５１と、ダイヤフラム５１の内円の周縁を二枚の円板で挟持する挟持板５３と、ダイヤフラム５１の外縁を蓋体３５の裏面に固定する取付板５２とから成る封鎖機構で封鎖される。
挟持板５３は、ボルト３７が密に嵌合される孔５３１を有しており、この孔５３１を通ったボルト３７の先端がブロック体４２の可動側の螺子孔４２２に結合される。

そのため、この台秤では、上側フレーム１０に加わる荷重が、上側フレーム１０に接触する二つの荷重検出ユニット３０の上面支持部材３１に伝わり、上面支持部材３１から、上面支持部材３１を支えているボルト３７に伝わり、ボルト３７に加わる荷重によって荷重検出センサ４０のブロック体４２の可動側が変位し、その変位に応じた信号が力センサ４１の音叉振動子から出力される。この信号は、センサケース３３の基板収容室３３２に収容された基板の回路で計量値に変換されて出力され、二つの荷重検出ユニット３０から出力された計量値が加算されて、被計量物の荷重が表示器（不図示）に表示される。
なお、上側フレーム１０と上面支持部材３１との間には、上側フレーム１０から上面支持部材３１に作用する水平方向の分力を逃がすために、分力緩衝装置３２を介在させている。

この荷重検出ユニット３０は、図１（ａ）に示すように、いずれかがマスタ荷重検出センサ６０として、残りがスレーブ荷重検出センサ７０として設定される。
マスタ荷重検出センサ６０及びスレーブ荷重検出センサ７０は、同一の信号処理機構を備えており、図２に示すように、図９と同様の計量値生成回路１２０と、演算機能を備えるＣＰＵ８０と、ＣＰＵ８０の動作を規定するプログラムや補正用のパラメータ等が格納されたＲＯＭ８１と、ＣＰＵ８０が作業領域として使用するＲＡＭ８２と、他の荷重検出センサや表示部９０と双方向通信を行うためのインターフェース（Ｉ／Ｆ）８３とを有している。ＣＰＵ８０は、計量値生成回路１２０が生成した計量値に対し、必要に応じて、補正用パラメータを使って温度補正などを行う。
マスタ荷重検出センサ６０及びスレーブ荷重検出センサ７０のハードウエアは共通であり、荷重検出ユニットが、マスタ荷重検出センサ６０として振舞うか、スレーブ荷重検出センサ７０として振舞うかは、プログラムによって決められる。

図３には、スレーブ荷重検出センサ７０（スレーブＢ）から出力される計量値と、マスタ荷重検出センサ６０（マスタＡ）から表示器（不図示）に出力される合算計量値との関係を模式的に示している。
スレーブ荷重検出センサ７０は、計量値生成回路１２０が、音叉振動子１１０の周期に基づいて絶えず計量値を更新し、更新した計量値を継続的にマスタ荷重検出センサ６０（マスタＡ）に出力する。音叉振動子１１０の周波数ｆは、外力Ｆにより（数１）の関係で変化するから、音叉振動子１１０の周期Ｔ（＝１／ｆ）は、台秤の載荷台に被計量物が載ると短くなり、それに伴い、スレーブＢのデータ出力時期の間隔も狭まる。

マスタ荷重検出センサ６０でも、計量値生成回路１２０が音叉振動子１１０の周期に基づいて計量値を算出する。マスタ荷重検出センサ６０の音叉振動子の周期とスレーブ荷重検出センサ７０の音叉振動子の周期とは、マスタ荷重検出センサ６０及びスレーブ荷重検出センサ７０に加わる荷重の違いや音叉振動子のばらつきにより、一致しない。
マスタ荷重検出センサ６０は、計量値生成回路１２０が計量値を算出すると、その計算値と、スレーブ荷重検出センサ７０から最も新しく受信した計量値とを加算して表示器（不図示）に出力する。
このように、スレーブ荷重検出センサから計量値の更新した値を継続的に出力させることにより、マスタ荷重検出センサが合算計量値を出力する際に、スレーブ荷重検出センサの最新のデータと、マスタ荷重検出センサ自身が算出した最新のデータとを加算することが可能になり、精度の向上を図ることができる。

なお、各荷重検出センサは、それぞれが、線形化の処理や、温度に対する補正等の処理を行うように構成されているので、各荷重検出センサを用いて秤を組み立てた後は、各荷重検出センサ間のバランスを取るために、感度補正などの調整を行なうだけで足りる。
このように、個々の荷重検出センサに対して温度補正機能を持たせる処理は、荷重検出センサ単体の温度特性を測定して補正係数をＲＯＭに書き込むだけの処理であるため、広い恒温室を使わずに実施できる。

なお、ここでは、二つの荷重検出センサを備える台秤について説明したが、荷重検出センサの数は２以上であっても良い。図７には、４つの荷重検出センサ３０３、３０４、３０５、３０６を用いた台秤を示しており、図１（ｂ）には、この場合のマスタ荷重検出センサとスレーブ荷重検出センサとの関係を示している。マスタ荷重検出センサと３個のスレーブ荷重検出センサとは、数珠繋ぎで接続している。
また、図８に示すように、マスタ荷重検出センサＭとスレーブ荷重検出センサＳとで構成される単位（計量ユニット）Ｕ１、Ｕ２・・・の複数を一つの表示部９０に接続し、各計量ユニットの計量値を選択して表示部９０に表示させることも可能である。
このシステムでは、表示部９０が、計量ユニット毎に設定されたＩＤにより計量ユニットを識別し、計量ユニット内のマスタ荷重検出センサＭ及びスレーブ荷重検出センサＳが、ユニット内で設定したＩＤ（ユニット内ＩＤ）によりお互いを識別することが望ましい。
例えば、表示部との通信をＲＳ４８５規格で行う場合、規格上３２の単位としか接続できないが、このようにすると、実質的に「３２×４（計量ユニット内の荷重検出センサ数）」の荷重検出センサと接続できることになる。
マスタ荷重検出センサＭは、各スレーブ荷重検出センサから受信したデータを、そのデータに付されたユニット内ＩＤにより、どのスレーブ荷重検出センサＳのデータであるかを識別する。そして、マスタ荷重検出センサ自身が算出した最新のデータと、それぞれのスレーブ荷重検出センサＳから受信した最新のデータとを加算して合算計量値を求め、この合算計量値に、所属する計量ユニットのＩＤを付して表示部９０に送信する。これを受けて表示部９０は、その計量ユニットの計量値を表示する。
なお、マスタ荷重検出センサＭから、マスタ荷重検出センサ自身のデータ、または、個々のスレーブ荷重検出センサＳより受信したデータに計量ユニットのＩＤを付して表示部９０に送信することで、荷重検出センサの個々のデータを表示部９０に表示させることも可能である。

また、計量ユニットに含まれる複数の荷重検出センサを、図１（ｂ）や図８に示すように数珠繋ぎで接続する場合は、どんなに多くの荷重検出センサを接続するときでも、荷重検出センサから出るケーブルは二本で足りる。そのため、図５に示すように、荷重検出センサの端子５４の数を２つとすることができる。
なお、ここでは、台秤について説明したが、本発明は、コンベア計量装置など、複数の荷重検出センサの計量値を合算する計量装置に適用することができる。

本発明の計量装置は、高精度の計量が可能であり、工場の生産現場を始めとして、流通分野、医療分野、教育・研究分野、農業・漁業分野、家庭など、各分野で用いられる計量装置に広く用いることができる。

１０ 上側フレーム
２０ 基礎フレーム
３０ 荷重検出ユニット
３１ 上面支持部材
３２ 分力緩衝装置
３３ センサケース
３５ 蓋体
３７ ボルト
４１ 力センサ
４２ ブロック体
４３ ボルト
５１ ダイヤフラム
５２ 取付板
５３ 挟持板
５４ 端子
６０ マスタ荷重検出センサ
７０ スレーブ荷重検出センサ
８０ ＣＰＵ
８１ ＲＯＭ
８２ ＲＡＭ
８３ インターフェース（Ｉ／Ｆ）
９０ 表示部
１１０ 音叉振動子
１１１ 圧電素子
１１２ 圧電素子
１２０ 計量値生成回路
１２１ 発振回路
１２２ サイクルカウンタ
１２３ ＤＳＰ
１２４ 線形化手段
１２５ フィルタリング手段
４２２ 螺子孔

Claims (4)

1. 音叉振動子を内蔵する荷重検出センサを複数個備えた計量装置であって、
   前記荷重検出センサの１つをマスタ荷重検出センサ、残りをスレーブ荷重検出センサとして設定し、
   前記スレーブ荷重検出センサは、内蔵する音叉振動子の周期に基づいて算出した計量値を絶えず更新して、更新した前記計量値を前記マスタ荷重検出センサに継続的に出力し、
   前記マスタ荷重検出センサは、内蔵する音叉振動子の周期に基づいて算出した計量値と、前記スレーブ荷重検出センサから受信した最新の計量値とを加算して表示器に出力することを特徴とする計量装置。
2. 請求項１に記載の計量装置であって、前記音叉振動子を内蔵する荷重検出センサのそれぞれが、計量値の線形化処理及び温度補正処理等を行うことを特徴とする計量装置。
3. 請求項１に記載の計量装置であって、前記表示器は、前記マスタ荷重検出センサと前記スレーブ荷重検出センサとで構成される単位を、前記単位ごとに設定されたＩＤで識別し、前記マスタ荷重検出センサ及びスレーブ荷重検出センサは、前記単位内で定めたＩＤにより互いを識別することを特徴とする計量装置。
4. 請求項３に記載の計量装置であって、前記単位に含まれる荷重検出センサの各々が数珠繋ぎで接続されていることを特徴とする計量装置。