JP7685779B2 - 三軸加速度センサを利用した計量装置および計量方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

特開２０１６－０３８３７７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

三軸加速度センサの各成分の関係を示す図である。 三軸加速度センサを使用した補正の結果を示す図である。 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である。 同計量装置の概略斜視図である。 同計量装置を用いた計量方法のフロー図である。 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。 同計量装置を用いた計量方法のフロー図である。 実施の形態らにおいて好適な加速度センサの取り付け形態を示す図である。 実施の形態らにおいて好適な加速度センサの取り付け形態を示す図である。 天びんの計量値に関する考察を表す図である。

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。

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。

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

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。

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。

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。

加速度センサの傾斜角θと重力加速度ｇの関係は、図１を参照すると、

となる。

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。

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、

ここから、式（１０）～式（１３）の式変形が成り立つ。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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））。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

３－１．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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (8)

1. 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
   ことを特徴とする計量装置。
2. 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
   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
3. 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
   ことを特徴とする請求項１に記載の計量装置。
4. 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
   ことを特徴とする請求項２に記載の計量装置。
5. 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
   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。
6. 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計量方法。
7. （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
   
8. （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と、
   を有することを特徴とする請求項７に記載の計量方法。