JP7685779B2 - Weighing device and method using a three-axis acceleration sensor - Google Patents
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Description
本発明は、三軸加速度センサを利用した計量装置および計量方法に関する。 The present invention relates to a weighing device and a weighing method that utilize a three-axis acceleration sensor.
計量装置である天びんは、計量皿に対して垂直な荷重の成分Wvを重量センサで測定し、天びんが設置された場所における重力加速度gを用いて、計量皿に載った物の質量mを、式(1)から求めている。A balance, which is a weighing device, measures the load component Wv perpendicular to the weighing pan using a weight sensor, and uses the gravitational acceleration g at the location where the balance is installed to calculate the mass m of the object placed on the weighing pan from equation (1).
図10(A)に示すように、重力加速度gが働く方向と計量皿に対して垂直な方向が一致する場合は、天びんが測定した質量、即ち計量値mは真の値と言える。一方、図10(B)に示すように、重力加速度gが働く方向と計量皿に対して垂直な方向が一致しない場合は、天びんが検出できない成分Whが発生し、天びんが測定した計量値mは真の値よりも軽くなる。 As shown in Figure 10(A), when the direction in which the gravitational acceleration g acts coincides with the direction perpendicular to the weighing pan, the mass measured by the balance, i.e., the weighing value m, can be said to be a true value. On the other hand, as shown in Figure 10(B), when the direction in which the gravitational acceleration g acts does not coincide with the direction perpendicular to the weighing pan, a component Wh that cannot be detected by the balance occurs, and the weighing value m measured by the balance is lighter than the true value.
上述の天びんの事情から、次の2つが生じた場合、計量値は誤差を含むと言える。
(i)天びんが傾斜して、計量皿に対して垂直な荷重成分Wvが減少した場合
(ii)天びんが設置された場所が変わり、重力加速度gが変化した場合
上記(i)に対し、一般的な天びんは、天びんの傾きを検出するための水平器(気泡玉)を備えている。例えば特許文献1では、水平器の気泡を光センサで検出して、天びんの水平をより正確に管理する技術が開示されている。
Based on the balance situation described above, if the following two conditions occur, the weight value can be said to contain an error.
(i) When the balance is tilted, the load component Wv perpendicular to the weighing pan decreases (ii) When the balance is placed in a different location, causing a change in the gravitational acceleration g In response to the above (i), a typical balance is equipped with a level (air bubble) to detect the inclination of the balance. For example, Patent Document 1 discloses a technology that detects the air bubble in the level with an optical sensor to more accurately manage the level of the balance.
上記(i)に対しては、特許文献1のような技術はあるものの、気泡の周りに複数の光センサを搭載する必要があり、構成が複雑となる。Regarding (i) above, there is technology such as that described in Patent Document 1, but this requires mounting multiple optical sensors around the bubble, making the configuration complicated.
上記(ii)に対しては、ユーザーに、天びんの設置場所を変えた場合は分銅を用いて感度調整をするようにお願いをしているが、対応はユーザー次第であり、実施されていない場合がある。Regarding (ii) above, we ask users to adjust the sensitivity using weights if they change the location of the balance, but this is up to the user, and there are cases where this is not done.
これらの問題に対して、発明者らは、天びんの三軸方向の加速度を検出することで、上記(i)および(ii)の問題を、天びん自身が検出し、天びん自身で解決できるのではないかと考えた。To address these issues, the inventors thought that by detecting the acceleration in the three axial directions of the balance, the balance itself would be able to detect and solve the above problems (i) and (ii).
本発明は、前記した従来の問題点および発明者らの前記した知見に基づいてなされたもので、三軸加速度センサを利用して、三軸方向の加速度変化を自動で検出し、変化による問題を自動で解決する計量装置および計量方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made based on the above-mentioned problems in the conventional technology and the inventors' findings, and aims to provide a weighing device and a weighing method that utilizes a three-axis acceleration sensor to automatically detect acceleration changes in three-axis directions and automatically solve problems caused by the changes.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の計量装置は、計量皿と、前記計量皿に接続された重量センサと、前記重量センサの水平と平行な面にxとy,前記重量センサの水平に対して垂直な方向にzを設定して,x,y,zの三軸の加速度変化を検出する三軸加速度センサと、前記重量センサが水平の時の前記三軸加速度センサの前記三軸の基準出力を記憶する記憶部と、演算処理部と、を備え、前記演算処理部は、前記三軸加速度センサの前記三軸の現在出力を前記基準出力と比較して,xおよび/またはyの出力が変化していた場合は傾きがあることを検出し,zの出力が変化していた場合は設置場所に変化があることを検出し、ユーザーに通知することを特徴とする。In order to solve the above problems, a weighing device according to one embodiment of the present invention comprises a weighing pan, a weight sensor connected to the weighing pan, a triaxial acceleration sensor that detects acceleration changes in the three axes of x, y, and z by setting x and y on a plane parallel to the horizontal of the weight sensor and z in a direction perpendicular to the horizontal of the weight sensor, a memory unit that stores reference outputs of the three axes of the triaxial acceleration sensor when the weight sensor is horizontal, and an arithmetic processing unit, wherein the arithmetic processing unit compares the current outputs of the three axes of the triaxial acceleration sensor with the reference outputs, and detects that there is a tilt if the output of x and/or y has changed, and detects that there is a change in the installation location if the output of z has changed, and notifies the user.
上記態様において、前記演算処理部は、前記三軸加速度センサのxおよび/またはyの出力が変化していた場合は、式(14)を使用して、前記重量センサが検出した計量値mを補正計量値m´に補正するのも好ましい。In the above aspect, it is also preferable that the calculation processing unit uses equation (14) to correct the weighing value m detected by the weight sensor to a corrected weighing value m' if the x and/or y output of the three-axis acceleration sensor has changed.
上記態様において、前記演算処理部は、前記三軸加速度センサのzの出力のみが変化していた場合は、前記重量センサが検出する計量値mの算出に使用する重力加速度の値を、前記三軸加速度センサの前記z軸の出力を用いて求められる現地の重力加速度の値glocalに変更して、補正計量値m´とするのも好ましい。In the above aspect, when only the z output of the triaxial acceleration sensor has changed, it is preferable that the calculation processing unit changes the value of gravitational acceleration used to calculate the weighing value m detected by the weight sensor to the local gravitational acceleration value glocal obtained using the z-axis output of the triaxial acceleration sensor, and sets this as the corrected weighing value m'.
上記態様において、前記演算処理部は、前記三軸加速度センサのzとxおよび/またはyの出力が変化していた場合は、前記式(14)に使用する重力加速度の値を、前記三軸加速度センサの前記三軸の出力を用いて求められる現地の重力加速度glocalに変更して、前記重量センサが検出した計量値mを補正計量値m´に補正するのも好ましい。In the above aspect, if the z, x and/or y outputs of the triaxial acceleration sensor have changed, it is preferable that the calculation processing unit changes the value of gravitational acceleration used in equation (14) to the local gravitational acceleration glocal calculated using the three-axis outputs of the triaxial acceleration sensor, and corrects the weighing value m detected by the weight sensor to a corrected weighing value m'.
上記態様において、前記演算処理部は、計量物の前記補正計量値m´が、前記計量物の基準質量に対する許容閾値の範囲を超える場合は、補正では誤差を取り切れないとしてユーザーに警告を出すのも好ましい。In the above aspect, it is also preferable that the calculation processing unit issues a warning to the user that the correction cannot completely remove the error if the corrected weighing value m' of the weighing object exceeds the allowable threshold range for the reference mass of the weighing object.
また、上記課題を解決するために、本発明のある態様の計量方法は、計量皿と、前記計量皿に接続された重量センサと,前記重量センサの水平と平行な面にxとy、前記重量センサの水平に対して垂直な方向にzを設定して、x,y,zの三軸方向の加速度変化を検出する三軸加速度センサと,を備えた計量装置を用いて、(A)前記三軸加速度センサの前記三軸の現在出力を取得するステップと、(B)前記現在出力を重量センサが水平の時の前記三軸の基準出力と比較するステップと、(C)前記(B)のステップでxおよび/またはyの出力が変化していた場合は、傾きがあることをユーザーに通知するステップと、(D)前記(B)のステップでzの出力が変化していた場合は、設置場所に変化があることをユーザーに通知するステップと、を有することを特徴とする。In addition, in order to solve the above problem, a weighing method according to one aspect of the present invention uses a weighing device equipped with a weighing pan, a weight sensor connected to the weighing pan, and a triaxial acceleration sensor that detects acceleration changes in the three axes of x, y, and z by setting x and y on a plane parallel to the horizontal of the weight sensor and z in a direction perpendicular to the horizontal of the weight sensor, and is characterized by having the following steps: (A) acquiring the current outputs of the three axes of the triaxial acceleration sensor; (B) comparing the current outputs with reference outputs of the three axes when the weight sensor is horizontal; (C) notifying the user that there is a tilt if the output of x and/or y has changed in step (B); and (D) notifying the user that there has been a change in the installation location if the output of z has changed in step (B).
上記態様において、(E)前記(B)のステップでxおよび/またはyの出力が変化していた場合は、式(14)を使用して、前記重量センサが検出した計量値mを補正計量値m´に補正するステップと、(F)前記(B)のステップでzの出力のみが変化していた場合は、前記重量センサが検出する計量値mの算出に使用する重力加速度の値を、前記三軸加速度センサの前記z軸の出力を用いて求められる現地の重力加速度の値glocalに変更して、補正計量値m´とするステップと、(G)前記(B)のステップでzとxおよび/またはyの出力が変化していた場合は前記式(14)に使用する重力加速度の値を、前記三軸加速度センサの前記三軸の出力を用いて求められる現地の重力加速度glocalに変更して、前記重量センサが検出した計量値mを補正計量値m´に補正するステップと、を有するのも好ましい。In the above aspect, it is also preferable to have the steps of: (E) if the output of x and/or y has changed in step (B), correcting the weighing value m detected by the weight sensor to a corrected weighing value m' using equation (14); (F) if only the output of z has changed in step (B), changing the value of gravitational acceleration used in calculating the weighing value m detected by the weight sensor to the local gravitational acceleration value glocal obtained using the output of the z axis of the triaxial acceleration sensor to obtain the corrected weighing value m'; and (G) if the outputs of z, x, and/or y have changed in step (B), changing the value of gravitational acceleration used in equation (14) to the local gravitational acceleration glocal obtained using the output of the three axes of the triaxial acceleration sensor to obtain the corrected weighing value m'.
上記態様において、(H)計量物を計量し、前記計量物の前記補正計量値m´が、前記計量物の基準質量に対する許容閾値の範囲を超える場合は、補正では誤差を取り切れないとしてユーザーに警告を出すステップを有するのも好ましい。In the above aspect, it is also preferable to have a step (H) of weighing the object to be weighed, and if the corrected weighing value m' of the object to be weighed exceeds the range of the allowable threshold for the reference mass of the object to be weighed, issuing a warning to the user that the error cannot be completely removed by the correction.
本発明によれば、三軸方向の加速度変化を自動で検出し、変化による問題を自動で解決する計量装置および計量方法を提供することができる。 The present invention provides a weighing device and a weighing method that automatically detects acceleration changes in three axes and automatically solves problems caused by the changes.
まず、本発明の好適な実施の形態を想到するに至るまでの、発明者の考察について、図面に基づき説明する。First, the inventor's considerations that led to the creation of a preferred embodiment of the present invention will be explained with reference to the drawings.
1.発明者による考察
1-1.天びんの問題点
図10を用いて前述したように、一般的に、天びんは、計量皿と該計量皿に接続された重量センサを備え、計量皿に対して垂直な荷重成分Wvを測定し、天びんが設置された場所における重力加速度gを用いて、式(1)から、計量物の質量m(計量値)を求めている。
1. Observations by the inventor 1-1. Problems with balances As described above with reference to FIG. 10, a balance generally includes a weighing pan and a weight sensor connected to the weighing pan, measures the load component Wv perpendicular to the weighing pan, and determines the mass m of the object to be weighed (measured value) from equation (1) using the gravitational acceleration g at the location where the balance is installed.
このため、次の2つが生じた場合、天びんの測定した計量値mは誤差を含む。
(i)天びんが傾斜して、計量皿に対して垂直な荷重成分Wvが減少した場合
(ii)天びんが設置された場所が変わり、重力加速度gが変化した場合
For this reason, if the following two conditions occur, the weight value m measured by the balance will contain an error.
(i) When the balance is tilted, the load component Wv perpendicular to the weighing pan decreases. (ii) When the balance is placed in a different location, the gravitational acceleration g changes.
1-2.問題解決のための考察
この問題に対し、発明者らは、天びんに、三軸加速度センサを搭載することによって、天びんの傾斜と重力加速度が検出できるから、第一に、上記(i)と(ii)の両方を、天びんが自動検出できると考えた。第二に、発明者らは、三軸加速度センサの値を利用することによって、天びんが、計量皿に対して垂直な荷重成分Wvの減少と重力加速度gの変化に由来する計量値の変化を識別した上で自動補正できるのではないかと考えた。
1-2. Considerations for solving the problem In response to this problem, the inventors considered that by equipping the balance with a triaxial acceleration sensor, the inclination of the balance and the acceleration of gravity can be detected, so that firstly, the balance can automatically detect both (i) and (ii) above. Secondly, the inventors considered that by using the values from the triaxial acceleration sensor, the balance can identify and automatically correct the changes in the weight value resulting from the decrease in the load component Wv perpendicular to the weighing pan and the change in the acceleration of gravity g.
図1は、ある仮想面vp上に三軸加速度センサを搭載した時の、傾斜角と重力加速度の各成分の関係を示す図である。この三軸加速度センサ(以下、加速度センサと称する)は仮想面vpの直交三軸方向の加速度を検出する。加速度センサのx,yは仮想面vpにあり、zは仮想面vpと垂直な方向にある。この三軸加速度センサに対する重力加速度gの各成分を“gx,gy,gz”と表記する。gx,gy成分は仮想面vpにあり、仮想面vpと垂直な方向にgz成分がある。傾斜角θは、重力加速度gの方向とgz成分の方向とのなす角となる。 Figure 1 shows the relationship between the tilt angle and each component of gravitational acceleration when a triaxial acceleration sensor is mounted on a certain imaginary plane vp. This triaxial acceleration sensor (hereafter referred to as the acceleration sensor) detects acceleration in three orthogonal axial directions of the imaginary plane vp. The x and y of the acceleration sensor are on the imaginary plane vp, and the z is in a direction perpendicular to the imaginary plane vp. The components of gravitational acceleration g with respect to this triaxial acceleration sensor are denoted as "gx, gy, gz". The gx and gy components are on the imaginary plane vp, and the gz component is in a direction perpendicular to the imaginary plane vp. The tilt angle θ is the angle between the direction of gravitational acceleration g and the direction of the gz component.
傾斜角θで加速度センサが出力する各成分をそれぞれ、“Xout(θ),Yout(θ),Zout(θ)”とする。加速度センサが検出する重力加速度gを、g={gx(θ),gy(θ),gz(θ)}としたとき、gx(θ),gy(θ),gz(θ)はそれぞれ、傾斜角θ=0の時の出力“Xout(0),Yout(0),Zout(0)”を利用して、式(2),(3),(4)で表せる。但し、Ax,Ay,Azは比例係数で、g=|g|である。 Let the components output by the acceleration sensor at tilt angle θ be "Xout(θ), Yout(θ), Zout(θ)". When the gravitational acceleration g detected by the acceleration sensor is g = {gx(θ), gy(θ), gz(θ)}, gx(θ), gy(θ), gz(θ) can be expressed by equations (2), (3), and (4) using the outputs "Xout(0), Yout(0), Zout(0)" when tilt angle θ = 0. However, Ax, Ay, and Az are proportionality coefficients, and g = |g|.
1-3. 天びんの傾斜に対する補正
天びんの傾斜、すなわち、計量皿に対して垂直な荷重成分Wvの減少に対する計量値の補正について考察する。天びんの傾斜は、加速度センサのx,yの出力を監視すれば、検知することができる。天びんの傾斜角θ=0のときの計量物の質量をm(0)、傾斜角がθのときの計量物の質量をm(θ)とする。天びんの計量皿上の荷重をW、計量皿に対して垂直な荷重成分をWvとする。ここで、前述の仮想面vpを、重量センサの水平と平行に設定すると、傾斜角θ=0のときは、W=m(0),重力加速度g=Wvとなるので、式(7)の関係がなりたつ。
1-3. Correction for inclination of the balance Let us consider the correction of the weighing value for the inclination of the balance, i.e. the decrease in the load component Wv perpendicular to the weighing pan. The inclination of the balance can be detected by monitoring the x, y output of the acceleration sensor. Let m(0) be the mass of the object when the inclination angle of the balance θ=0, and m(θ) be the mass of the object when the inclination angle is θ. Let W be the load on the weighing pan of the balance, and Wv be the load component perpendicular to the weighing pan. If the aforementioned imaginary plane vp is set parallel to the horizontal of the weight sensor, then when the inclination angle θ=0, W=m(0) and the gravitational acceleration g=Wv, and the relationship in formula (7) is established.
しかし、傾斜角θ≠0の場合、式(6)より、計量皿に対して垂直な重力加速度gz(θ)は式(8)であるので、計量皿に対して垂直な荷重成分Wvは式(9)となり、However, when the inclination angle θ ≠ 0, the gravitational acceleration gz(θ) perpendicular to the weighing plate is given by equation (8) from equation (6), so the load component Wv perpendicular to the weighing plate is given by equation (9),
天びんは、質量m(θ)を計量値として取得する。式(12)や式(13)から、天びんは、傾斜角θがある場合、傾斜角θ=0のときの計量値m(0)に対して、θを含む補正項が乗算されるため、質量を過小評価してしまうことが分かる。したがって、傾斜角θがある場合、正しい質量(計量値)を出すには、傾斜角θがある時の質量m(θ)を、θを含む補正項、cosθまたは√1-sin2θ、で割る必要がある。 The balance obtains mass m(θ) as the weighing value. From equations (12) and (13), we can see that when there is a tilt angle θ, the balance underestimates the mass because the weighing value m(0) when the tilt angle θ = 0 is multiplied by a correction term that includes θ. Therefore, when there is a tilt angle θ, to obtain the correct mass (weighing value), it is necessary to divide the mass m(θ) when there is a tilt angle θ by a correction term that includes θ, cosθ or √1-sin2θ.
補正項について、理論上は、式(12)と式(13)のどちらで計算しても値は等しくなる。しかし、現実にはθ≃0のきわめて微小な傾斜(0.1°以下)の検出を想定しているため、式(12)の余弦の成分を用いては微小な角度変化は分からない。このため、補正項としては、式(13)の正弦の成分を使用するのが好ましい。 Theoretically, the correction term will have the same value whether calculated using equation (12) or equation (13). However, in reality, we are assuming the detection of an extremely small tilt (0.1° or less) of θ×0, so the cosine component of equation (12) cannot detect small changes in angle. For this reason, it is preferable to use the sine component of equation (13) as the correction term.
したがって、天びんは、加速度センサが傾斜角θを検出した場合は、式(13)と式(5)に基づいて、天びんが測定した計量値m(質量m(θ))を、次に示す式(14)で補正して、補正計量値m´を算出する。Therefore, when the acceleration sensor detects the inclination angle θ, the balance corrects the weight value m (mass m(θ)) measured by the balance based on equations (13) and (5) using the following equation (14) to calculate the corrected weight value m'.
図2は、三軸加速度センサを使用した補正を検証した結果を示す図である。検証において、天びんは、秤量10kgで最小表示が0.01gのものを使用し、計量皿に載せる計量物は10000gとした。ここで、天びんの設置面(水平である)からの傾斜角を0°から0.5°に変化させ、この傾斜角をθとして、計量物の計量値mを式(14)で補正して、補正計量値m´を求めた。図2に示す通り、いずれの傾斜角においても、補正計量値m´は10000gが得られた。 Figure 2 shows the results of verifying the correction using a three-axis acceleration sensor. In the verification, a balance with a weighing capacity of 10 kg and a minimum display of 0.01 g was used, and the object to be weighed placed on the weighing pan was 10,000 g. Here, the inclination angle from the surface on which the balance is placed (which is horizontal) was changed from 0° to 0.5°, and this inclination angle was set to θ, and the weight value m of the object was corrected using equation (14) to obtain a corrected weight value m'. As shown in Figure 2, a corrected weight value m' of 10,000 g was obtained at each inclination angle.
1-4. 天びんの設置場所の変化に対する補正
工場からの出荷や施設の移動などにより天びんが設置された場所が変わることによる、重力加速度gの変化に対する計量値の補正について考察する。重力加速度gの変化は、重量センサの水平に対して垂直な方向の重力加速度gz(θ)を監視すれば、検知することができる。前述の通り、天びんでは、計量値mは、計量皿に対して垂直な荷重の成分Wvを使って、式(1)で求められる。したがって、式(1)に使用する“g”の値を、天びんの移動前の値から、天びんの移動後の値(以降、「現地の重力加速度“glocal”」と称する)に変更すれば、天びんが設置された場所の変化に由来する誤差は解消できる。
1-4. Correction for changes in the balance's installation location Let us consider the correction of the weight value for changes in gravitational acceleration g caused by changes in the installation location of the balance due to shipment from the factory or relocation of the facility. Changes in gravitational acceleration g can be detected by monitoring the gravitational acceleration gz(θ) in the direction perpendicular to the horizontal of the weight sensor. As mentioned above, in a balance, the weight value m is calculated by equation (1) using the component Wv of the load perpendicular to the weighing pan. Therefore, if the value of "g" used in equation (1) is changed from the value before the balance is moved to the value after the balance is moved (hereinafter referred to as "local gravitational acceleration "glocal"), the error caused by changes in the installation location of the balance can be eliminated.
ここで、現地の重力加速度glocalは、加速度センサの出力値を用いて求められる。式(6)から、glocalは式(15)である。Here, the local gravitational acceleration glocal is calculated using the output value of the acceleration sensor. From equation (6), glocal is given by equation (15).
天びんは、加速度センサが重力加速度gの変化を検出した場合は、式(1)で重量センサが検出する計量値mの算出に使用する重力加速度gの値を、式(15)で得られる加速度センサの出力を用いて求められる現地の重力加速度glocalの値に変更して、計量値を求める。ここで、この考察では、天びんの設置場所が変化した場合、つまり加速度センサのz成分のみが変化した場合を検討しているため、式(15)において、傾斜角θはゼロであり、glocal = gz(θ=0)である。言い換えると、天びんは、加速度センサが重力加速度gの変化を検出した場合は、重量センサで測定された計量皿に対して垂直な荷重成分Wvを現地の重力加速度glocal(但し、θ=0)で割った値を、補正計量値m´とする(式(16))。When the acceleration sensor detects a change in the gravitational acceleration g, the balance changes the value of the gravitational acceleration g used to calculate the weighing value m detected by the weight sensor in equation (1) to the value of the local gravitational acceleration g obtained using the output of the acceleration sensor obtained in equation (15) to obtain the weighing value. Here, since this discussion considers a case where the location of the balance has changed, that is, a case where only the z component of the acceleration sensor has changed, in equation (15), the inclination angle θ is zero, and g = gz (θ = 0). In other words, when the acceleration sensor detects a change in the gravitational acceleration g, the balance determines the corrected weighing value m' by dividing the load component Wv perpendicular to the weighing pan measured by the weight sensor by the local gravitational acceleration g (where θ = 0) (equation (16)).
なお、従来技術では、現地の重力加速度glocalは、(1)天びんの記憶部に代表地点の重力加速度の数値を記憶しておき(例えば茨城9.79952[m/s2],札幌9.80478[m/s2],大阪9.79703[m/s2]など)、天びんの設置場所(現地)に最も近い地点を選択するか、(2)天びんの設置場所(現地)で分銅を用いて調整することで、求められていた。これに対し、加速度センサを利用する上記の考察を使用すれば、加速度センサの出力値を用いた天びんの現地の重力加速度glocalを反映できるため、従来技術の手法よりも計量精度が向上し、かつ天びんの設置場所を変えたとき、その都度現地で行っていた分銅による調整が必要なくなるという利点がある。In the prior art, the local gravitational acceleration glocal was found by (1) storing the gravitational acceleration values of representative points in the balance's memory (e.g., Ibaraki 9.79952 [m/s2], Sapporo 9.80478 [m/s2], Osaka 9.79703 [m/s2], etc.) and selecting the point closest to the balance's installation location (local site), or (2) adjusting the value using weights at the balance's installation location (local site). In contrast, the above considerations using an acceleration sensor make it possible to reflect the local gravitational acceleration glocal of the balance using the acceleration sensor's output value, which has the advantage of improving the measurement accuracy compared to the prior art method and eliminating the need for on-site adjustment using weights each time the balance's installation location is changed.
1-5. 天びんの傾斜と設置場所の変化の両方が起きた場合の補正
計量皿に対して垂直な荷重成分Wvの減少と重力加速度gの変化の両方が起きた場合の計量値の補正について考察する。両方が起きた場合は、上記1-3と1-4の考察に基づき、傾きに関する式(14)に使用する“g”の値を、現地の重力加速度glocalに変更すれば、両方の誤差を解消できる。glocalは、式(15)であり、さらに式(17)への式変形が成り立つ。
1-5. Correction when both the inclination of the balance and the change in installation location occur Let us consider the correction of the weighing value when both a decrease in the load component Wv perpendicular to the weighing pan and a change in the gravitational acceleration g occur. If both occur, based on the considerations in 1-3 and 1-4 above, if the value of "g" used in equation (14) relating to the inclination is changed to the local gravitational acceleration glocal, both errors can be eliminated. glocal is given by equation (15), which can be further transformed into equation (17).
式(17)の正弦項は、加速度センサが検出するgx(θ),gy(θ)を含む式(5)から求められる。したがって、現地の重力加速度glocalは、式(17)から、加速度センサのx,y,zの出力値を代入することで求められる。言い換えると、天びんは、天びんの傾斜と重力加速度の変化の両方が起きた場合は、天びんが測定した計量値m(質量m(θ))を、現地の重力加速度glocal(θ≠0)を用いて、次に示す式(18)で補正して、補正計量値m´を算出する。 The sine term in equation (17) can be found from equation (5), which includes gx(θ) and gy(θ) detected by the acceleration sensor. Therefore, the local gravitational acceleration glocal can be found from equation (17) by substituting the x, y, and z output values of the acceleration sensor. In other words, when both the balance tilts and there is a change in the gravitational acceleration, the balance corrects the weight value m (mass m(θ)) measured by the balance using the local gravitational acceleration glocal (θ ≠ 0) according to the following equation (18) to calculate the corrected weight value m'.
1-6. 三軸加速度センサを利用した計量方法
以上の考察から、発明者らは、第一に、天びんに三軸加速度センサを搭載し、天びんが水平(傾斜角θ=0)の時の基準出力“Xout(0),Yout(0),Zout(0)”と、現在出力“Xout(1),Yout(1),Zout(1)”を比較することで、(i)天びんの傾斜と、(ii)設置場所に由来する変化を、区別した上で、天びん自身で検出することができると考えた。さらに、発明者らは、第二に、天びんが傾斜した場合の計量値は上記1-3の考察に基づいて補正でき、天びんの設置場所が変わった場合の計量値は上記1-4の考察に基づいて補正でき、両方が起きた場合の計量値は上記1-5の考察に基づいて補正できると確信した。
1-6. Weighing method using a triaxial acceleration sensor From the above considerations, the inventors first conceived that by equipping the balance with a triaxial acceleration sensor and comparing the reference output "Xout(0), Yout(0), Zout(0)" when the balance is horizontal (tilt angle θ=0) with the current output "Xout(1), Yout(1), Zout(1)", the balance itself would be able to distinguish between (i) the inclination of the balance and (ii) changes resulting from the installation location and detect them. Furthermore, the inventors secondly believed that the weighing value when the balance is inclined can be corrected based on the considerations in 1-3 above, the weighing value when the balance's installation location is changed can be corrected based on the considerations in 1-4 above, and the weighing value when both occur can be corrected based on the considerations in 1-5 above.
したがって、天びんに三軸加速度センサを搭載し、次の三つの加速度変化パターンを検出することで、天びんは、天びんの傾斜と設置場所の変化を自動で検出し、変化に由来する計量値の誤差を自動で補正することができる。
パターン(1)zのみが変化
パターン(2)xおよび/またはyが変化(すなわち、xとyが変化、xが変化、またはyが変化)
パターン(3)zとxおよび/またはyが変化(すなわち、x,y,z全てが変化、xとzが変化、またはyとzが変化)
Therefore, by equipping the balance with a three-axis acceleration sensor and detecting the following three acceleration change patterns, the balance can automatically detect changes in the inclination and installation location of the balance and automatically correct errors in the weighing values resulting from these changes.
Pattern (1) Only z changes. Pattern (2) x and/or y change (i.e., x and y change, x change, or y change).
Pattern (3) z and x and/or y are changed (i.e., x, y, and z are all changed, x and z are changed, or y and z are changed)
パターン(1)が生じた場合:天びんは、設置場所が変化したことを検出し、ユーザーに通知する。そして、式(16)で計量値の補正を行う。重力加速度gは現地の重力加速度glocalを使用する。
パターン(2)が生じた場合:天びんは、傾きが生じたことを検出し、ユーザーに通知する。そして、式(14)を使用して計量値の補正を行う。重力加速度gは、前回使用した値をそのまま使用する。
パターン(3)が生じた場合:天びんは、傾きと重力加速度の両方に変化が生じたことを検出し、ユーザーに通知する。そして、式(18)で計量値の補正を行う。重力加速度gは現地の重力加速度glocalを使用する。
When pattern (1) occurs: The balance detects that the installation location has changed and notifies the user. Then, the weighing value is corrected using equation (16). The local gravitational acceleration g is used as the gravitational acceleration glocal.
When pattern (2) occurs: The balance detects the tilt and notifies the user. Then, the weighing value is corrected using equation (14). The previously used value of the gravitational acceleration g is used as is.
When pattern (3) occurs, the balance detects that both the inclination and the gravitational acceleration have changed and notifies the user. Then, the weighing value is corrected using equation (18). The local gravitational acceleration g is used as the gravitational acceleration glocal.
以上の考察に基づいて、本発明の好適な実施の形態を、図面に基づき説明する。Based on the above considerations, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
2.第一の実施形態
2-1.計量装置(天びん)の構成
図3は本発明の第一の実施形態に係る計量装置の構成ブロック図、図4は同計量装置の概略斜視図である。計量装置は、電子秤である(以降、天びん1とする)。天びん1は、本体ケース10、計量皿11、重量センサ12、演算処理部13、記憶部14、操作部15、表示部16、そして三軸加速度センサ20を有する。
2. First embodiment 2-1. Configuration of the weighing device (balance) Fig. 3 is a configuration block diagram of a weighing device according to a first embodiment of the present invention, and Fig. 4 is a schematic perspective view of the weighing device. The weighing device is an electronic scale (hereinafter referred to as balance 1). Balance 1 has a main body case 10, a weighing pan 11, a weight sensor 12, an arithmetic processing unit 13, a memory unit 14, an operation unit 15, a display unit 16, and a three-axis acceleration sensor 20.
図4に示すように、本体ケース10の中には、計量皿11と重量センサ12を接続するロバーバル機構12´が収容されている。ロバーバル機構12´は、計量皿11が受けた荷重を重量センサ12に伝達するための構造であり、矩形の金属ブロックにより形成され、計量皿11からの荷重を受ける浮き部と,本体ケース10に固定される固定部と,浮き部と固定部を接続する上下の副桿と,浮き部に作用した荷重を重量センサ12に伝達する荷重伝達部を備える、公知のものである。計量皿11は、ロバーバル機構12´によって支持され、本体ケース10の上に配置される。計量皿11は水平面11´を有し、水平面11´に計量物が載置される。重量センサ12には、電磁平衡式、歪ゲージ式、または静電容量式等が用いられる。重量センサ12が検出した荷重はA/D変換されて演算処理部13に入力し、計量値に変換される。 As shown in FIG. 4, the main body case 10 contains a Roberval mechanism 12' that connects the weighing dish 11 and the weight sensor 12. The Roberval mechanism 12' is a structure for transmitting the load received by the weighing dish 11 to the weight sensor 12, and is a well-known structure formed of a rectangular metal block, which includes a floating part that receives the load from the weighing dish 11, a fixed part that is fixed to the main body case 10, upper and lower sub-rods that connect the floating part and the fixed part, and a load transmission part that transmits the load acting on the floating part to the weight sensor 12. The weighing dish 11 is supported by the Roberval mechanism 12' and placed on the main body case 10. The weighing dish 11 has a horizontal surface 11', and the object to be weighed is placed on the horizontal surface 11'. The weight sensor 12 may be an electromagnetic balance type, a strain gauge type, or a capacitance type. The load detected by the weight sensor 12 is A/D converted and input to the calculation processing unit 13, where it is converted into a weighing value.
前述したように、一般的に、天びんは、計量皿に対して垂直な荷重成分Wvを測定し、天びんが設置された場所における重力加速度gを用いて、式(1)から、計量物の計量値mを求めている。この原理を利用するために、前提として、重量センサ12は、天びん1の組み立て時に、水平が確保されている台の上で、本体ケース10に対して、例えば水平器などを用いながら、重量センサ12が水平を保つように取り付けられる(例えば、ロバーバル機構12´の備える平面が水平を保つように取り付けられる)。計量皿11は、ロバーバル機構12´から突出する皿ボス(図示略)によって、重量センサ12の水平に対して垂直の方向から下方支持され、計量皿11の水平面11´が重量センサの水平に一致するように取り付けられる。As mentioned above, a balance generally measures the load component Wv perpendicular to the weighing pan, and uses the gravitational acceleration g at the location where the balance is installed to obtain the weighing value m of the object from equation (1). In order to utilize this principle, the weight sensor 12 is attached to the main body case 10 on a platform that is level when the balance 1 is assembled, using a level or the like, so that the weight sensor 12 remains horizontal (for example, the Roberval mechanism 12' is attached so that the plane of the Roberval mechanism 12' remains horizontal). The weighing pan 11 is supported downward from a direction perpendicular to the horizontal of the weight sensor 12 by a pan boss (not shown) protruding from the Roberval mechanism 12', and is attached so that the horizontal plane 11' of the weighing pan 11 coincides with the horizontal of the weight sensor.
三軸加速度センサ20(以下、加速度センサ20と称する)は、バネと重りが一体化したセンサとセンサに加速度が加わったときの変位を捉える要素を備えたICモジュールである。加速度センサ20は、重量センサ12の水平と平行な仮想面vp上に配置され、加速度センサ20のxとyは仮想面vpに、zは仮想面vpと垂直な方向に配置される。これにより、加速度センサ20は、重量センサ12の水平と平行にxとy、重量センサ12の水平に対して垂直な方向にzが設定され、仮想面vpの直交三軸方向(x,y,z)の加速度を検出する。すなわち、加速度センサ20は、加速度センサ20の水平と重量センサ12の水平が一致するように取り付けられる。本形態では、重量センサ12が受ける荷重の傾斜による変化分を検知して補正することを目的としているため、加速度センサ20の水平と重量センサ12の水平が一致するように取り付けることで、両者の傾斜角の原点が一致し、誤差を減らすことができる。加速度センサ20を配置する仮想面vpは、重量センサ12と干渉しない位置であれば、本体ケース10内の任意の位置に設定されてよい。加速度センサ20を搭載する仮想面vpの好適な設定、すなわち加速度センサ20の取り付け位置については、後述する。なお、図4のx軸とy軸の設定は逆でもよい。The three-axis acceleration sensor 20 (hereinafter referred to as the acceleration sensor 20) is an IC module equipped with a sensor in which a spring and a weight are integrated, and an element that captures the displacement when acceleration is applied to the sensor. The acceleration sensor 20 is placed on an imaginary plane vp parallel to the horizontal of the weight sensor 12, with the x and y of the acceleration sensor 20 being placed on the imaginary plane vp, and the z being placed in a direction perpendicular to the imaginary plane vp. As a result, the acceleration sensor 20 is set with x and y parallel to the horizontal of the weight sensor 12, and z being perpendicular to the horizontal of the weight sensor 12, and detects acceleration in the orthogonal three-axis directions (x, y, z) of the imaginary plane vp. In other words, the acceleration sensor 20 is attached so that the horizontal of the acceleration sensor 20 and the horizontal of the weight sensor 12 coincide. In this embodiment, the purpose is to detect and correct the change due to the inclination of the load received by the weight sensor 12, so by attaching the acceleration sensor 20 so that the horizontal of the weight sensor 12 coincides with the horizontal of the weight sensor 12, the origins of the inclination angles of both coincide, and the error can be reduced. The virtual plane vp on which the acceleration sensor 20 is disposed may be set at any position within the main body case 10 as long as it does not interfere with the weight sensor 12. A suitable setting for the virtual plane vp on which the acceleration sensor 20 is mounted, i.e., the mounting position of the acceleration sensor 20, will be described later. Note that the settings of the x-axis and y-axis in FIG. 4 may be reversed.
加速度センサ20を天びん1に取り付けた後、天びん1を工場から出荷する前に、水平が確保されている台の上で、すなわち重量センサ12が水平な状態で、各成分の基準出力“Xout(0),Yout(0),Zout(0)”が測定され、後述する記憶部14に記憶される。After the acceleration sensor 20 is attached to the balance 1, and before the balance 1 is shipped from the factory, the reference outputs "Xout(0), Yout(0), Zout(0)" of each component are measured on a table that is kept horizontal, i.e., with the weight sensor 12 horizontal, and are stored in the memory unit 14 described later.
操作部15および表示部16は、天びん1の本体ケース10の前側面に設けられている。操作部15からは、後述する計量の操作が行える。表示部16には、後述する計量に伴う画面が表示される。The operation unit 15 and the display unit 16 are provided on the front side of the main body case 10 of the balance 1. The operation unit 15 allows the user to perform weighing operations, which will be described later. The display unit 16 displays a screen associated with weighing, which will be described later.
演算処理部13は、例えばCPU,ROM,RAM等を集積回路に実装したマイクロコントローラである。演算処理部13は、加速度センサ20を利用した加速度変化の検出のために、加速度変化検出部131と変化通知部132を有する。また、演算処理部13は、加速度変化に伴う補正を行うために、傾斜補正部133と重力補正部134を有する。機能部131,132,133,および134の機能は、例えば、CPUが記憶部14に記憶されているプログラムを読み出して実行することにより実現される。各機能部の機能の詳細は、後述する“2-2.計量方法”において説明する。The calculation processing unit 13 is, for example, a microcontroller in which a CPU, ROM, RAM, etc. are implemented in an integrated circuit. The calculation processing unit 13 has an acceleration change detection unit 131 and a change notification unit 132 to detect acceleration changes using the acceleration sensor 20. The calculation processing unit 13 also has an inclination correction unit 133 and a gravity correction unit 134 to perform corrections associated with acceleration changes. The functions of the functional units 131, 132, 133, and 134 are realized, for example, by the CPU reading and executing a program stored in the memory unit 14. Details of the functions of each functional unit will be explained in "2-2. Weighing method" below.
記憶部14は、RAM、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、またはメモリーカード等の記憶媒体である。記憶部14には、演算処理部13の演算のための各種プログラムが格納されている。さらに、記憶部14は、加速度センサ20を利用した変化の検出のために、加速度センサ20の基準出力“Xout(0),Yout(0),Zout(0)”を記憶している。The memory unit 14 is a semiconductor memory element such as a RAM or a flash memory, or a storage medium such as a memory card. The memory unit 14 stores various programs for the calculations of the calculation processing unit 13. Furthermore, the memory unit 14 stores the reference outputs "Xout(0), Yout(0), Zout(0)" of the acceleration sensor 20 for detecting changes using the acceleration sensor 20.
以上が、第一の実施形態に係る、加速度センサ20を利用した天びん1の構成である。次に、係る天びん1による計量方法を説明する。The above is the configuration of the balance 1 using the acceleration sensor 20 according to the first embodiment. Next, the weighing method using the balance 1 will be explained.
2-2.計量方法
図5は、第一の実施形態に係る計量装置を用いた計量方法のフロー図である。本フローは、天びん1の電源が入れられた時、または天びん1が一定時間未使用であった時など、天びん1が計量モードに移る前に、自動で開始される。
5 is a flow diagram of a weighing method using the weighing device according to the first embodiment. This flow starts automatically before the balance 1 switches to the weighing mode, for example, when the balance 1 is turned on or when the balance 1 has not been used for a certain period of time.
フローが開始されると、まず、ステップS101で、加速度変化検出部131が機能して、加速度センサ20の現在出力“Xout(1),Yout(1),Zout(1)”を取得する。When the flow starts, first, in step S101, the acceleration change detection unit 131 functions to obtain the current output "Xout(1), Yout(1), Zout(1)" of the acceleration sensor 20.
次に、ステップS102に移行して、加速度変化検出部131は、基準出力“Xout(0),Yout(0),Zout(0)”を読み出して、現在出力“Xout(1),Yout(1),Zout(1)”と比較する。Next, proceeding to step S102, the acceleration change detection unit 131 reads out the reference outputs "Xout(0), Yout(0), Zout(0)" and compares them with the current outputs "Xout(1), Yout(1), Zout(1)".
次にステップS103に移行して、加速度変化検出部131は、次のパターンのどの変化に当たるかを判断する。
パターン(1):zのみが変化
パターン(2):xおよび/またはyが変化
パターン(3):zとxおよび/またはyが変化
Next, the process proceeds to step S103, where acceleration change detection section 131 determines which of the following patterns the change corresponds to.
Pattern (1): Only z changes. Pattern (2): x and/or y changes. Pattern (3): z and x and/or y change.
パターン(1)~(3)のいずれの変化もなかった場合は、ステップS104に移行して、変化通知部132が機能して、加速度変化が無いことをユーザーに通知する。変化通知部132は、例えば表示部16に、加速度変化が無いこと、または具体的に言い換えて、天びんの傾斜や重力加速度に異常が無い旨のメッセージを表示する。変化通知部132による通知が終わると、天びん1は計量モードへ移行する。If there is no change in any of patterns (1) to (3), the process proceeds to step S104, where the change notification unit 132 functions to notify the user that there is no change in acceleration. The change notification unit 132 displays a message on the display unit 16, for example, to the effect that there is no change in acceleration, or, more specifically, that there is no abnormality in the inclination of the balance or the gravitational acceleration. When the notification by the change notification unit 132 has finished, the balance 1 transitions to weighing mode.
一方、ステップS103でパターン(1)が検出された場合は、フローはステップS105、ステップS106に移行する。ステップS106で、変化通知部132は、パターン(1)の変化が有ったことをユーザーに通知する。変化通知部132は、例えば表示部16に、z方向の加速度に変化があること、または具体的に言い換えて、設置場所の変化によって計量値に影響が有る旨のメッセージを表示する。On the other hand, if pattern (1) is detected in step S103, the flow proceeds to step S105 and step S106. In step S106, change notification unit 132 notifies the user that there has been a change in pattern (1). Change notification unit 132 displays, for example, on display unit 16, a message indicating that there has been a change in the acceleration in the z direction, or, more specifically, that a change in the installation location has affected the measurement value.
次に、フローはステップS107に移行して、重力補正部134が機能する。重力補正部134は、加速度センサ20の現在出力“Xout(1),Yout(1),Zout(1)を式(15)に適用して現地の重力加速度glocalを求めて、式(16)で、計量値を求めるように設定する。重力補正部134による補正の設定が完了すると、天びん1は計量モードへ移行する。この時、重力補正部134は、設置場所の変化(z方向の加速度に変化)に対応した補正が設定されたことをユーザーに通知するのも好ましい。そして、以降の計量では、天びん1は、式(16)で得られる補正計量値m´を真の値として、補正計量値m´を、表示部16に表示し、記憶部14または指定された記憶装置に記録する。Next, the flow proceeds to step S107, where the gravity correction unit 134 begins to function. The gravity correction unit 134 applies the current outputs "Xout(1), Yout(1), Zout(1)" of the acceleration sensor 20 to equation (15) to obtain the local gravitational acceleration glocal, and sets it to obtain the weighing value using equation (16). When the gravity correction unit 134 has completed setting the correction, the scale 1 transitions to weighing mode. At this time, it is also preferable for the gravity correction unit 134 to notify the user that a correction corresponding to a change in the installation location (change in acceleration in the z direction) has been set. Then, in subsequent weighings, the scale 1 takes the corrected weighing value m' obtained by equation (16) as the true value, displays the corrected weighing value m' on the display unit 16, and records it in the memory unit 14 or a designated memory device.
ステップS103でパターン(2)が検出された場合は、フローはステップS108、ステップS109に移行する。ステップS109で、変化通知部132は、パターン(2)の変化が有ったことをユーザーに通知する。変化通知部132は、例えば表示部16に、x,y方向の加速度に変化があること、または言い換えて、天びんの傾斜によって計量値に影響が有る旨のメッセージを表示する。If pattern (2) is detected in step S103, the flow proceeds to step S108 and step S109. In step S109, change notification unit 132 notifies the user that a change in pattern (2) has occurred. Change notification unit 132 displays, for example, on display unit 16, a message indicating that there has been a change in acceleration in the x and y directions, or in other words, that the tilt of the balance has affected the weighing value.
次に、フローは、ステップS110に移行して、傾斜補正部133が機能する。傾斜補正部133は、式(14)によって、計量値を補正するように設定する。傾斜補正部133による補正の設定が完了すると、天びん1は計量モードへ移行する。この時、傾斜補正部133は、天びんの傾き(x,y方向の加速度に変化)に対応した補正が設定されたことをユーザーに通知するのも好ましい。そして、以降の計量では、天びん1は、式(14)で補正した補正計量値m´を真の値として、補正計量値m´を、表示部16に表示し、記憶部14または指定された外部記憶装置に記録する。 Next, the flow proceeds to step S110, where the tilt correction unit 133 functions. The tilt correction unit 133 is set to correct the weighing value using equation (14). When the setting of the correction by the tilt correction unit 133 is complete, the scale 1 transitions to weighing mode. At this time, it is also preferable for the tilt correction unit 133 to notify the user that a correction corresponding to the inclination of the scale (change in acceleration in the x and y directions) has been set. Then, in subsequent weighings, the scale 1 takes the corrected weighing value m' corrected using equation (14) as the true value, displays the corrected weighing value m' on the display unit 16, and records it in the memory unit 14 or a specified external memory device.
ステップS103でパターン(3)が検出された場合は、フローはステップS111、ステップS112に移行する。ステップS112で、変化通知部132は、パターン(3)の変化が有ったことをユーザーに通知する。変化通知部132は、例えば表示部16に、x,y方向およびz方向の加速度に変化があること、または言い換えて、天びんの傾斜と設置場所の変化によって計量値に影響が有る旨のメッセージを表示する。If pattern (3) is detected in step S103, the flow proceeds to step S111 and step S112. In step S112, change notification unit 132 notifies the user that a change in pattern (3) has occurred. Change notification unit 132 displays, for example, on display unit 16, a message indicating that there have been changes in acceleration in the x, y, and z directions, or in other words, that the weighing value has been affected by changes in the inclination of the balance and the installation location.
次に、フローは、ステップS113に移行して、重力補正部134と傾斜補正部133の両方が機能する。先に、重力補正部134が機能して、加速度センサ20の現在出力“Xout(1),Yout(1),Zout(1)から式(17)で現地の重力加速度glocalを求める。次に、傾斜補正部133が機能して、式(14)に現地の重力加速度glocalを適用した、式(18)で、計量値を求めるように設定する。この設定が完了すると、天びん1は計量モードへ移行する。この時、傾斜補正部133および重力補正部134は、天びんの傾斜と設置場所の変化の両方(x,y,z方向の加速度に変化)に対応した補正が設定されたことをユーザーに通知するのも好ましい。そして、以降の計量では、天びん1は式(18)を用いて補正計量値m´を求め、表示部16に表示し、記憶部14または指定された外部記憶装置に記録する。Next, the flow moves to step S113, where both the gravity correction unit 134 and the tilt correction unit 133 function. First, the gravity correction unit 134 functions to calculate the local gravitational acceleration glocal from the current outputs "Xout(1), Yout(1), Zout(1)" of the acceleration sensor 20 using equation (17). Next, the tilt correction unit 133 functions to set the weighing value to be calculated using equation (18), which is the local gravitational acceleration glocal applied to equation (14). Once this setting is complete, the balance 1 transitions to the weighing mode. At this time, it is also preferable that the tilt correction unit 133 and the gravity correction unit 134 notify the user that corrections have been set to correspond to both the tilt of the balance and changes in the installation location (changes in acceleration in the x, y, and z directions). Then, in subsequent weighings, the balance 1 uses equation (18) to calculate the corrected weighing value m', displays it on the display unit 16, and records it in the memory unit 14 or a specified external memory device.
2-3.効果
以上、本形態の天びん1によれば、天びん1に三軸加速度センサ20を搭載したことにより、
(i)天びんが傾斜して、計量皿に対して垂直な荷重成分Wvが減少した場合
(ii)天びんが設置された場所が変わり、重力加速度gが変化した場合
の両方の問題を、天びん1で検出することができる。
2-3. Effects As described above, by mounting the three-axis acceleration sensor 20 on the balance 1 of this embodiment,
Balance 1 can detect both of the following problems: (i) when the balance is tilted and the load component Wv perpendicular to the weighing pan decreases; and (ii) when the location where the balance is installed changes and the gravitational acceleration g changes.
特に、三軸加速度センサ20で、x,y,zの出力の変化を同時に監視することで、上記(i)と(ii)のどちらの問題に由来するのかを識別することができ、それぞれの問題に対応して適切に計量値を補正することができる。In particular, by simultaneously monitoring changes in the x, y, and z outputs using the three-axis acceleration sensor 20, it is possible to identify whether the problem is due to problem (i) or problem (ii) above, and the measurement values can be appropriately corrected to address each problem.
また、上記(i)については、三軸加速度センサ20を取り付けるだけでよいので、構成が複雑にならない。上記(ii)については、設置場所の変化に由来する対応はユーザー任せになっていたのに対し、天びん自身が検知し、自動で補正することが可能になる。 In addition, for (i) above, it is only necessary to attach the triaxial acceleration sensor 20, so the configuration is not complicated. For (ii) above, whereas responses resulting from changes in the installation location were left to the user, it is now possible for the balance itself to detect and automatically correct the changes.
3.第二の実施形態
第二の実施形態では、第一の実施形態における計量方法を日常点検に組み合わせる。第一の実施形態で説明した要素については、同一の符号を用いて説明を割愛する。
3. Second embodiment In the second embodiment, the measurement method in the first embodiment is combined with daily inspection. The elements described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
3-1.計量装置(天びん)の構成
図6は本発明の第二の実施形態に係る計量装置の構成ブロック図である。天びん1は、本体ケース10、計量皿11、重量センサ12、演算処理部13、記憶部14、操作部15、表示部16、三軸加速度センサ20、さらに、内蔵分銅17、分銅加除ユニット18、水平器19を有する。
6 is a block diagram of the weighing device according to the second embodiment of the present invention. The balance 1 has a main body case 10, a weighing pan 11, a weight sensor 12, an arithmetic processing unit 13, a memory unit 14, an operation unit 15, a display unit 16, a three-axis acceleration sensor 20, a built-in weight 17, a weight adding/removing unit 18, and a level 19.
内蔵分銅17と分銅加除ユニット18は、自動校正(キャリブレーション)機能付きの天びんにおいて、公知のものである。内蔵分銅17は、天びん1を工場から出荷する前に、天びん1を水平が確保されている台に設置して、予め計量され、基準質量“mw0”が記憶される。分銅加除ユニット18は、演算処理部13によってモータとカムが制御され、分銅受け部17´に対して、内蔵分銅17を複数回載せ降ろしする。分銅受け部17´は前述のビームにリンクされており、内蔵分銅17の荷重は重量センサ12に伝達される。なお、分銅加除ユニット18には、ポンプ式が採用されてもよい。The built-in weight 17 and the weight adding/removing unit 18 are well known in balances with an automatic calibration function. Before the balance 1 is shipped from the factory, the built-in weight 17 is placed on a table that is level, and the reference mass "mw0" is stored. The motor and cam of the weight adding/removing unit 18 are controlled by the calculation processing unit 13, and the built-in weight 17 is placed on and removed from the weight receiving part 17' multiple times. The weight receiving part 17' is linked to the beam described above, and the load of the built-in weight 17 is transmitted to the weight sensor 12. A pump type may be used for the weight adding/removing unit 18.
水平器19は、基準線の中央に気泡が位置しているかをユーザーが目視で確認する、公知のものである。水平器19は、本体ケース10の前側面に設けられている。The level 19 is a well-known device that allows the user to visually check whether the air bubble is located in the center of the reference line. The level 19 is provided on the front side of the main body case 10.
演算処理部13は、日常点検アプリケーションを実行する、日常点検部135を有する。記憶部14には、日常点検アプリケーションを実行するためのプログラムと、内蔵分銅17の基準質量“mw0”と、基準質量“mw0”に対する許容閾値が記憶される。The calculation processing unit 13 has a daily inspection unit 135 that executes a daily inspection application. The memory unit 14 stores a program for executing the daily inspection application, the reference mass "mw0" of the built-in weight 17, and an allowable threshold value for the reference mass "mw0".
3-2.計量方法
図7は、第二の実施形態に係る計量装置を用いた計量方法のフロー図である。ここで、天びんの日常点検では、(1)水平状態の確認,(2)汚れ・異物の確認,(3)ゼロ点戻りの確認,(4)再現性の確認,(5)偏置誤差の確認,などが行われる。天びん1は、操作部15に「日常点検」ボタンを備え、日常点検アプリケーションによって、日常点検に係る項目(1)~(5)のチェックを誘導する画面が表示部16に表示される。日常点検アプリケーションについては公知であるため、詳細は割愛する。本形態の計量方法は、この日常点検の一部に第一の実施形態の計量方法を組み合わせる。
3-2. Weighing method Figure 7 is a flow diagram of a weighing method using the weighing device according to the second embodiment. Here, the daily inspection of the balance includes (1) checking the horizontal state, (2) checking for dirt and foreign matter, (3) checking for zero point return, (4) checking reproducibility, and (5) checking for eccentricity error. The balance 1 has a "daily inspection" button on the operation unit 15, and a screen that guides the user to check items (1) to (5) related to the daily inspection is displayed on the display unit 16 by a daily inspection application. Daily inspection applications are publicly known, so details are omitted. The weighing method of this embodiment combines the weighing method of the first embodiment with part of this daily inspection.
フローが開始されると、日常点検部135が機能して、項目(1):水平状態の確認のために、ステップS200で、水平器19の気泡が基準線内にあるか確認するよう、ユーザーを誘導する画面が表示される。ユーザーは、本体ケース10に接続されたアジャスタ(図示略)を調整して、気泡の位置を調整する。ただし、この作業は手動であるため、きわめて微小な傾斜(0.1°以下)が残る可能性がある。When the flow starts, the daily inspection unit 135 functions and displays a screen instructing the user to check whether the air bubble in the level 19 is within the reference line in step S200 (item (1): checking the horizontal state). The user adjusts the adjuster (not shown) connected to the main body case 10 to adjust the position of the air bubble. However, because this is a manual operation, there is a possibility that an extremely slight tilt (0.1° or less) may remain.
ステップS200の手動の水平調整が終わったあと、フローはステップS201に移行する。ステップS201では、ステップS101と同様、加速度変化検出部131が、加速度センサ20の現在出力“Xout(1),Yout(1),Zout(1)”を取得する。After the manual horizontal adjustment in step S200 is completed, the flow proceeds to step S201. In step S201, similar to step S101, the acceleration change detection unit 131 acquires the current output "Xout(1), Yout(1), Zout(1)" of the acceleration sensor 20.
以降のステップS202~S213は、第一の実施形態のS102~S113と同一である。ステップS207,S210,S213のそれぞれで、補正の設定が完了すると、フローはステップS214に移行する。The subsequent steps S202 to S213 are the same as steps S102 to S113 in the first embodiment. When the correction settings are completed in each of steps S207, S210, and S213, the flow proceeds to step S214.
ステップS214で、日常点検部135は、項目(4):再現性の確認として、内蔵分銅17を計量する。このとき、内蔵分銅17は、ステップS207,S210,S213のそれぞれの設定により、補正計量値m´で測定される。In step S214, the daily inspection unit 135 weighs the internal weight 17 as item (4): confirmation of reproducibility. At this time, the internal weight 17 is measured with the corrected weighing value m' according to the settings in steps S207, S210, and S213.
次に、フローはステップS215に移行して、日常点検部135は、内蔵分銅17の計量値m´を基準質量mw0と比較し、問題ないか判断する。日常点検部135は、計量値m´と基準質量mw0の誤差が許容閾値の範囲内であれば、問題なしとして(YES)、天びん1は項目(1)と項目(4)はクリアしたものとして、残りの項目を確認後、計量モードへ移行する。Next, the flow proceeds to step S215, where the daily inspection unit 135 compares the weight value m' of the internal weight 17 with the reference mass mw0 to determine whether there is a problem. If the error between the weight value m' and the reference mass mw0 is within the allowable threshold range, the daily inspection unit 135 determines that there is no problem (YES), and the balance 1 determines that items (1) and (4) have been cleared. After checking the remaining items, the daily inspection unit 135 proceeds to the weighing mode.
一方、ステップS215で計量値m´と基準質量mw0の誤差が許容閾値の範囲を超える場合は、日常点検部135は、問題ありとして(NO)、ステップS216に移行する。ステップS216で、日常点検部135は、天びん1の分解能に対してソフトウェア的補正では誤差を取り切れないと判断して、ユーザーに警告を出す。日常点検部135は、例えば表示部16に、外部分銅を用いて感度調整をやり直すよう、警告メッセージを表示する。On the other hand, if the error between the weight value m' and the reference mass mw0 exceeds the allowable threshold range in step S215, the daily inspection unit 135 determines that there is a problem (NO) and proceeds to step S216. In step S216, the daily inspection unit 135 determines that the error cannot be completely removed by software correction given the resolution of the balance 1, and issues a warning to the user. The daily inspection unit 135 displays a warning message on the display unit 16, for example, to advise the user to redo the sensitivity adjustment using an external weight.
3-3.効果
以上、本形態によれば、第一の実施形態における効果に加えて、天びんの日常点検に三軸加速度センサ20を使用した計量方法を組み合わせることで、人的な操作では取り切れない微小な傾斜に対して、有効に補正を行うことができる。
As described above, according to this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, by combining a weighing method using the triaxial acceleration sensor 20 with daily inspection of the balance, it is possible to effectively correct minute tilts that cannot be completely removed by human operation.
なお、本形態では、(4):再現性の確認のために、内蔵分銅17を計量物として用いたが、内蔵分銅17を持たない天びんであっても、基準質量が既知の外部分銅を用いて項目(4)を行えばよいだけであるので、本形態の実施は可能である。In this embodiment, (4) the internal weight 17 is used as the object to be measured in order to confirm reproducibility. However, this embodiment can be implemented even in a balance that does not have an internal weight 17, since it is sufficient to carry out item (4) using an external weight with a known reference mass.
4.加速度センサの取り付け位置
加速度センサ20は、加速度センサ20の水平と重量センサ12の水平が一致するように取り付けることが重要である。加速度センサ20を配置する仮想面vpは、重量センサ12(ロバーバル機構12´)と干渉しない位置であれば、本体ケース10内の任意の位置に設定されてよいが、例えば以下の構成で取り付けるのが好ましい。
4. Mounting Position of Acceleration Sensor It is important to mount the acceleration sensor 20 so that its horizontality coincides with that of the weight sensor 12. The imaginary plane vp on which the acceleration sensor 20 is disposed may be set at any position within the main body case 10 as long as it does not interfere with the weight sensor 12 (Roberval mechanism 12'), but it is preferable to mount the acceleration sensor 20 in the following configuration, for example.
図8は、第一および第二の実施形態において好適な加速度センサ20の取り付け形態を示す図であり、加速度センサ20が「下ケース」に取り付けられる例である。図8は天びん1の縦端面図である。 Figure 8 shows a preferred mounting form of the acceleration sensor 20 in the first and second embodiments, and is an example in which the acceleration sensor 20 is mounted to the "lower case." Figure 8 is a vertical end view of the balance 1.
本体ケース10は、上ケース10uと下ケース10dの分割構造となっており、上ケース10uと下ケース10dはシリコンゴムなどのシール材を介した状態で嵌合される。加速度センサ20は、センサ設置板21に載せられ、センサのぐらつきを抑えるため、好ましくは3本以上の取り付けボス22を介して、下ケース10dのケース内面に、例えばネジ固定される。センサ設置板21は面一の平面を備えるものであり、センサ設置板21が仮想面vpとなる。なお、センサ設置板21は、加速度センサ20のIC基板をそのまま利用してもよい。The main body case 10 is divided into an upper case 10u and a lower case 10d, which are fitted together with a sealant such as silicone rubber. The acceleration sensor 20 is placed on a sensor mounting plate 21, and is fixed to the inner surface of the lower case 10d, for example by screws, preferably via three or more mounting bosses 22, to prevent the sensor from wobbling. The sensor mounting plate 21 has a flush flat surface, and the sensor mounting plate 21 becomes the virtual surface vp. The IC board of the acceleration sensor 20 may be used as the sensor mounting plate 21.
加速度センサ20は、天びん1の組み立て時に、水平が確保されている台の上で、例えば水平器などを用いながら、センサ設置板21が水平を保つように確認されて、下ケース10dに固定される。When assembling the balance 1, the acceleration sensor 20 is fixed to the lower case 10d on a table that is kept level, using a spirit level or the like to ensure that the sensor mounting plate 21 remains level.
ここで、前述したように、重量センサ12(ロバーバル機構12´)は、支持部材10cを介して、例えば水平が確保されている台の上で水平器などを用いて、水平を保つように確認されて、本体ケース10に固定されている。このため、加速度センサ20も、本体ケース10に対して水平に取り付ければ、加速度センサ20の水平と重量センサ12の水平が一致するように取り付けることができる。As described above, the weight sensor 12 (Roberval mechanism 12') is fixed to the main body case 10 via the support member 10c, for example by using a level on a platform where the level is ensured, and the weight sensor 12 is fixed to the main body case 10. Therefore, if the acceleration sensor 20 is also attached horizontally to the main body case 10, the acceleration sensor 20 and the weight sensor 12 can be attached so that their horizontality coincides.
図9は、第一および第二の実施形態において好適な加速度センサ20の取り付け形態を示す図であり、加速度センサ20が「上ケース」に取り付けられる例である。加速度センサ20は、同様に、センサ設置板21に載せられ、3本以上の取り付けボス22を介して、上ケース10uのケース内面に、ネジ固定される。同様に、加速度センサ20は、天びん1の組み立て時に、水平が確保されている台の上で、例えば水平器などを用いながら、センサ設置板21が水平を保つように確認されて、本体ケース10に固定されるので、加速度センサ20の水平と重量センサ12の水平が一致するように取り付けられる。 Figure 9 is a diagram showing a preferred mounting form of the acceleration sensor 20 in the first and second embodiments, and is an example in which the acceleration sensor 20 is mounted to the "upper case". Similarly, the acceleration sensor 20 is placed on the sensor mounting plate 21 and screwed to the inner surface of the upper case 10u via three or more mounting bosses 22. Similarly, when assembling the balance 1, the acceleration sensor 20 is mounted on a table that is kept horizontal, for example using a spirit level, and then fixed to the main case 10, so that the horizontality of the acceleration sensor 20 and the horizontality of the weight sensor 12 match.
なお、図8,図9では、重量センサ12は、上ケース10uに固定されているが、これに限定されず、下ケース10dに固定される構成であってもよい。加速度センサ20の固定位置は、重量センサ12が固定される側のケースに一致させるのが好ましい。8 and 9, the weight sensor 12 is fixed to the upper case 10u, but this is not limited thereto, and the weight sensor 12 may be fixed to the lower case 10d. It is preferable that the fixing position of the acceleration sensor 20 coincides with the case on the side to which the weight sensor 12 is fixed.
以上、本発明の好ましい実施の形態について述べたが、上記の実施の形態は本発明の一例であり、これらを当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。 The above describes preferred embodiments of the present invention, but the above embodiments are merely examples of the present invention, and these can be combined based on the knowledge of those skilled in the art, and such forms are also included in the scope of the present invention.
1 天びん
11 計量皿
11´ 計量皿の水平面
12 重量センサ
13 演算処理部
14 記憶部
17 内蔵分銅
20 三軸加速度センサ
Reference Signs List 1: Balance 11: Weighing pan 11': Horizontal surface of weighing pan 12: Weight sensor 13: Calculation processing unit 14: Memory unit 17: Built-in weight 20: Three-axis acceleration sensor
Claims (8)
前記計量皿に接続された重量センサと、
前記重量センサの水平と平行な面にxとy、前記重量センサの水平に対して垂直な方向にzを設定して、x,y,zの三軸の加速度変化を検出する三軸加速度センサと、
前記重量センサが水平の時の前記三軸加速度センサの前記三軸の基準出力を記憶する記憶部と、
演算処理部と、を備え、
前記演算処理部は、前記三軸加速度センサの前記三軸の現在出力を前記基準出力と比較して、xおよび/またはyの出力が変化していた場合は傾きがあることを検出し、zの出力が変化していた場合は設置場所に変化があることを検出し、ユーザーに通知する
ことを特徴とする計量装置。 A weighing pan;
A weight sensor connected to the weighing pan;
a three-axis acceleration sensor that detects acceleration changes in three axes, x, y, and z, by setting x and y on a plane parallel to the horizontal of the weight sensor and z in a direction perpendicular to the horizontal of the weight sensor;
a storage unit that stores the three-axis reference outputs of the three-axis acceleration sensor when the weight sensor is horizontal;
A calculation processing unit,
The calculation processing unit compares the current outputs of the three axes of the three-axis acceleration sensor with the reference outputs, and detects that there is a tilt if the x and/or y output has changed, and detects that there is a change in the installation location if the z output has changed, and notifies the user.
ことを特徴とする請求項1に記載の計量装置。
但し、
g:重力加速度の値
θ:重力加速度の方向と三軸加速度センサが検出するz軸とのなす角
gx(θ):三軸加速度センサが検出するxの出力の値
gy(θ):三軸加速度センサが検出するyの出力の値 The weighing device according to claim 1, characterized in that, when the x and/or y output of the three-axis acceleration sensor has changed, the calculation processing unit corrects the weighing value m detected by the weight sensor to a corrected weighing value m' using equation (14).
however,
g: value of gravitational acceleration θ: angle between the direction of gravitational acceleration and the z-axis detected by the triaxial acceleration sensor gx(θ): value of x output detected by the triaxial acceleration sensor gy(θ): value of y output detected by the triaxial acceleration sensor
ことを特徴とする請求項1に記載の計量装置。 The weighing device according to claim 1, characterized in that, when only the z output of the three-axis acceleration sensor has changed, the calculation processing unit changes the value of gravitational acceleration used to calculate the weighing value m detected by the weight sensor to a local gravitational acceleration value glocal calculated using the z-axis output of the three-axis acceleration sensor, and sets this as a corrected weighing value m'.
ことを特徴とする請求項2に記載の計量装置。 The weighing device according to claim 2, characterized in that, when the z, x and/or y outputs of the three-axis acceleration sensor have changed, the calculation processing unit changes the value of gravitational acceleration used in equation (14) to a local gravitational acceleration g local calculated using the three-axis outputs of the three-axis acceleration sensor, and corrects the weighing value m detected by the weight sensor to a corrected weighing value m'.
ことを特徴とする請求項2~4のいずれかに記載の計量装置。 The weighing device according to any one of claims 2 to 4, characterized in that, if the corrected weighing value m' of the weighing object exceeds a tolerance threshold range for the reference mass of the weighing object, the calculation processing unit issues a warning to a user that the error cannot be completely removed by the correction.
(A)前記三軸加速度センサの前記三軸の現在出力を取得するステップと、
(B)前記現在出力を重量センサが水平の時の前記三軸の基準出力と比較するステップと、
(C)前記(B)のステップでxおよび/またはyの出力が変化していた場合は、傾きがあることをユーザーに通知するステップと、
(D)前記(B)のステップでzの出力が変化していた場合は、設置場所に変化があることをユーザーに通知するステップと、
を有することを特徴とする計量方法。 A weighing device including a weighing pan, a weight sensor connected to the weighing pan, and a three-axis acceleration sensor that detects acceleration changes in the three axial directions of x, y, and z, with x and y set on a plane parallel to the horizontal of the weight sensor and z set in a direction perpendicular to the horizontal of the weight sensor,
(A) obtaining current outputs of the three axes of the three-axis acceleration sensor;
(B) comparing the current outputs with reference outputs of the three axes when the weight sensor is horizontal;
(C) if the x and/or y output has changed in the step (B), notifying the user that there is a tilt;
(D) if the output of z has changed in the step (B), notifying the user that the installation location has changed;
A weighing method comprising the steps of:
(F)前記(B)のステップでzの出力のみが変化していた場合は、前記重量センサが検出する計量値mの算出に使用する重力加速度の値を、前記三軸加速度センサの前記z軸の出力を用いて求められる現地の重力加速度の値glocalに変更して、補正計量値m´とするステップと、
(G)前記(B)のステップでzとxおよび/またはyの出力が変化していた場合は前記式(14)に使用する重力加速度の値を、前記三軸加速度センサの前記三軸の出力を用いて求められる現地の重力加速度glocalに変更して、前記重量センサが検出した計量値mを補正計量値m´に補正するステップと、
を有することを特徴とする請求項6に記載の計量方法。
但し、
g:重力加速度の値
θ:重力加速度の方向と三軸加速度センサが検出するz軸とのなす角
gx(θ):三軸加速度センサが検出するxの出力の値
gy(θ):三軸加速度センサが検出するyの出力の値
(E) if the output of x and/or y has changed in the step (B), correcting the weight value m detected by the weight sensor to a corrected weight value m' using equation (14);
(F) if only the z output has changed in step (B), changing the value of gravitational acceleration used in calculating the weight value m detected by the weight sensor to a local gravitational acceleration value g determined using the z-axis output of the three-axis acceleration sensor, and setting the value as a corrected weight value m';
(G) if the outputs of z, x and/or y have changed in step (B), the value of the gravitational acceleration used in the equation (14) is changed to the local gravitational acceleration g determined using the outputs of the three axes of the three-axis acceleration sensor, and the weight value m detected by the weight sensor is corrected to a corrected weight value m';
7. The method according to claim 6, further comprising:
however,
g: value of gravitational acceleration
θ: Angle between the direction of gravitational acceleration and the z-axis detected by the three-axis acceleration sensor
gx(θ): x output value detected by the three-axis acceleration sensor
gy(θ): y output value detected by the three-axis acceleration sensor
を有することを特徴とする請求項7に記載の計量方法。 (H) weighing an object to be weighed, and if the corrected weight value m′ of the object to be weighed is outside a tolerance threshold range for the reference mass of the object to be weighed, issuing a warning to a user that the error cannot be completely removed by the correction;
The weighing method according to claim 7, further comprising:
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