JPH079377B2

JPH079377B2 - 重量計量装置

Info

Publication number: JPH079377B2
Application number: JP30731686A
Authority: JP
Inventors: 謙吾福田
Original assignee: Yamato Scale Co Ltd
Current assignee: Yamato Scale Co Ltd
Priority date: 1986-12-22
Filing date: 1986-12-22
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPS63158424A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、載置部に被計量物を載置し、直流的な定常
状態（静止状態）になる以前の安定した振動状態下にお
いて、被計量物の正確な重量を検出できる重量計量装置
（本明細書において、単に計量装置ともいう）に関す
る。

（従来技術）一般に、秤等の計量装置には、第７図に示すように、バ
ネ等の弾性体１を有する検出部が用いられ、この弾性体
１は、下端が機台２等の固定側に支持され、上端に受皿
３を介してその上に被計量物４を載置するよう構成され
ている。ところで、このように構成された計量装置にお
いて、受皿に被計量物を載置し、その被計量物の重量を
測定する場合、自由振動させると、第９図の実線に示す
ように、載置の際にその衝撃のピークが生じるとともに
振動が重畳し、載置が完了してはじめて振動の中心変位
は一定（安定した振動状態）に達するが、なお振動は持
続する。このような振動状態を呈する検出値を増幅し、
A/D変換しても、得られた値は振動的な成分を有して安
定しないため、正確な重量を得ることができなかった。

このため、従来、上記構成の計量装置に、被計量物を載
置する受皿と機台側との間に減衰用のダンパーを付設
し、また低周波の有害振動を除去するため信号回路ある
いは増幅回路に直列にフィルターを設けるのが一般的で
あった。

このように、計量装置にダンパーあるいはフィルターを
設け又信号回路あるいは増幅回路に直列にフィルターを
設けると、第９図の一点鎖線に示すような時間的応答を
有する検出値が得られ、所定時間範囲経過後には上記検
出値は直流的な定常状態になり、正確な重量を得ること
ができる。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上述のように計量装置にダンパーとフィ
ルターを設けても、一般に、検出値が直流的な定常状態
に達するまでには比較的長い応答遅れを有し、例えば、
高精度且つ高感度の計量装置を得ようとして、それに応
じた強いダンパーと、低周波の有害振動に対して有効な
フィルターを設けても、被計量物の載置完了後一般に0.
6〜１秒程度の時間が必要であった。しかも、かかる場
合には容量の大きなダンパーを必要とするため、コスト
が上昇し、且つその分だけ装置が大型になるという欠点
を有していた。

本発明は、上述のような現況に鑑みおこなわれたもの
で、被計量物を受皿に載置しこの被計量物が受皿に対し
相対的に静止した後（載置完了後）、振動が安定した状
態下（第９図T₁以降の状態下）においてその振動のデー
タを用いて、極短い時間で被計量物の重量を検出できる
重量計量装置を提供することを目的とする。

（問題を解決するための手段）本発明である重量計量装置は、検出値が振動状態下にお
いて、被計量物の重量を検出するよう構成された重量計
量装置であって、上記重量計量装置が、少なくとも、光電変換可能な光を
照射する光源と、一端が機台側に固定され被計量物の重
量に合わせて変形する弾性体と、この弾性体の自由端側
に取着され被計量物を載置する載置部を備えた支持枠
と、光軸に平行な光を弾性体の変化に合わせて屈曲させ
る変位拡大レンズ系と、上記光源から発せられた光が変
位拡大レンズ系を経て照射される前方位置において走査
方向に位置づけられて配置され個々の受光素子の表面を
上記光源から照射される光が走査する毎にその露光時間
に比例した量の電荷が積算的に蓄積される複数の素子
（多素子）からなる電荷蓄積型光電変換器と、この電荷
蓄積型光電変換器に接続され該電荷蓄積型光電変換器の
各素子の電荷の蓄積値をA/D変換する変換部と、この変
換部に接続され該変換部からの出力値にもとづき電荷蓄
積型光電変換器の各素子の内から所定計測時間範囲にお
ける蓄積された電荷の最小値を有する素子を判定し、こ
の最小値を有する素子の配置位置から被計量物の真値を
演算し出力する極値判定器を備えた演算ユニットを具備
し、上記光源あるいは上記変位拡大レンズ系のいずれか一方
が機台側に固定され、他の一方が上記支持枠に配設され
ていることを特徴とする。

（作用）しかして、このように構成された重量計量装置に被計量
物が載置されると、以下のように作用する。即ち、重量
計量装置に被計量物が載置されると、弾性体の自由端側
に支持枠を介して取着されている上記光源あるいは変位
拡大レンズ系のいずれかが相対的に変位（振動）し、所
定時間後には安定した振動状態を呈する。一方、光源か
ら照射された光は、このような安定した振動状態下にお
いて、相対的に変位する変位拡大レンズ系で屈曲され、
その前方に配置された電荷蓄積型光電変換器の素子上を
変位が拡大された状態で照射する。そして、光が照射さ
れる各素子では電荷として蓄積され、所定時間範囲にお
けるこの電荷の蓄積量は、A/D変換部で変換されて、各
素子の電荷の蓄積量に関するデータとして演算ユニット
で処理される。即ち、演算ユニットの極値判定器で、こ
れらのデータの中から最も小さい電荷の量を有する素子
が判定される。これは、安定した振動状態下において所
定時間範囲計測すると、上記各素子を照射する光の速度
は、被計量物の真値となる変位点（受光素子）では、弾
性体の弾性エネルギーと速度との関係より最も速い速度
で通過するためである。そして、このように、最も小さ
い電荷の量を有する素子を判定すれば、この素子の位置
から、被計量物の真値は用いた弾性体の弾性係数等にも
とづき簡単に得ることができる。

（実施例）以下、本発明の重量計量装置に用いられている基本的な
考え方である重量検出方法を説明し、続いて本発明にか
かる重量計量装置について説明する。

第７図に示す如く、重量の方向を正とするｘ座標を与
え、計量開始時刻からの時間をｔとすると、モデル化さ
れた弾性体１を有する計量装置において、受皿３上に被
計量物４が載置され、弾性体１に荷重が加わった場合の
振動の変位Ｘ（ｔ）は、下記の（１）式で表される。

Ｘ（ｔ）＝Acos ωｔ＋Bsin ωｔ＋Ｐ …（１）尚、（１）式において、で、A,Bは積分定数、Ｋはロードセル１の等価バネ定
数、Ｍは受皿３の等価質量、ｍは被計量物４の等価質
量、ｇは重力加速度を表す。

ところで、上記Ｐは定常状態になった際に得られる値で
ある直流成分、「Acos ωｔ＋Bsin ωｔ」は調和振動成
分、ωは振動系の固有振動数である。

いま、第９図の実線に示す振動状態の内で、第８図
（ａ）に示す如き所定時間範囲〔T1,T2〕、所定変位範
囲〔X1,X2〕について計測すると、上記（１）式で表さ
れる振動Ｘ（ｔ）は、ある変位点x₁（x₁∈〔X1,X2〕）
を複数回通過する。いま仮に、上記振動が、変位点ｘを
〔T1,T2〕内にｎ回通過し、上記変位点x₁をｉ回目に通
過する時刻をｔ（x₁,i）,i＝1,…,n（x₁）とすると、下
記の（２）式の如く表される。

xi＝Ｘ（ｔ（xi,1））＝Ｘ（ｔ（xi,2））＝・・・＝Ｘ（ｔ（xi,i））＝・・・
＝Ｘ（ｔ（xi,n（xi））） …（２）また、変位点x₁における振動の速度は、下記の（３）式
の如く表される。

従って、（ここでは装置系に依存する単調関数である。）上記（４）式の如く表されるViをｘの関数とし、第８図
（ｂ）に示すように各変位点についてViを積算すると、
下記の（５）式が得られる。

上記（１）式においてＸ（ｔ）＝Ｐとなるとき、弾性エ
ネルギーと変位速度との関係より、変位速度Viの積算値
（V₁〜Vn₍x₎）が極値（第８図（ｂ）において最大値;F
（ｘ）_MAX）をもつことから、極値を求める下記の
（６）式を満足するｘの値（＝xp）が直流成分となる
（第８図（ｂ）参照）。

この直流成分xpから、被計量物の重量が求まる。

尚、上記極値は、上述のように変位速度の積算値を表す
関数Ｆ（ｘ）をｘで微分することにより求めてもよい
し、あるいは各変位点の積算値を単純に比較することに
より求めてもよい。

本発明にかかる重量計量装置は、上記重量検出方法を利
用しており、以下この計量装置について説明する。

第１図は本実施例にかかる計量装置の全体の構成を示す
構成図、第２図は本装置の増幅機構と積算記憶機構を示
す構成図である。

第１図に示すように、本実施例にかかる光学式の計量装
置は、イメージセンサー（多素子配置の電荷蓄積型光電
変換器）22が感知できる波長成分を持った光源（本実施
例の場合、半導体レーザー発振器）15、この光源15と一
体的に構成され該光源15からの光をイメージセンサー22
の受光ビット22aの受光面積（受光幅l₀）に比べて十分
細い平行光束にするコリメーター16、レンズの光軸に平
行な光束をレンズの焦点を通過するよう屈曲させ弾性体
11の変位量を拡大する変位拡大レンズ系（本実施例にお
いては、結像光学系である凸レンズが用いられている）
17を有し、この変位拡大レンズ系17は受皿13を支持する
支持枠18に装着されている。そして、上記支持枠18は弾
性体11の自由端側に取着され、この弾性体11の固定端側
は機台側から突出する支持台12に取着され、弾性体11の
自由端側が受皿13上の被計量物14の重量により変位する
よう構成されている。上記光源15から発射された光が通
過するコリメーター16と変位拡大レンズ系17を結ぶ線Ｌ
上の前方の部位には、イメージセンサー22の面に平行光
束を照射するよう平行光束の光路を補正する光路補正用
のシリンダレンズ21が配設され、その前方部位には平行
光束を感知しその積算光量を記憶するセンサー（受光素
子22a）としてフォトダイオードアレイを有するイメー
ジセンサー22が空間を介して設けられている。第２図に
示すように、上記変位拡大レンズ系17の主点O₁からイメ
ージセンサー22の受光面22bまでの距離Ｇ・ｆは、変位
拡大レンズ系17の主点O₁から像空間焦点F₁までの距離
（像空間焦点距離）ｆのＧ倍に設定されている。これ
は、ロードセル式計量装置におけるアンプと同様、変位
を増幅するための構成である。また、上記イメージセン
サー22は受光素子22aをｍ個走査方向（振動方向）に並
べた受光素子列によって形成され、この受光素子列を構
成する各受光素子22aは端（本実施例においては上端）
より順に番号（受光ビット番号という）が付されること
により位置づけられ、第３図に示すように、計測する変
位（X1≦Ｘ≦X2）と上記受光ビット番号ｊ（ｊ＝0,1,2,
…,m−１）が対応するように構成されている。このた
め、この構成において、受光ビット番号は、直ちに変位
を量子化したものとなっている。従って、十分な分解能
を得るためには受光素子22aの振動方向の幅1₀は十分小
さい寸法でなければならない。

さらに、上記イメージセンサー22は、第１図に図示する
ように、A/D変換器23を介して、演算ユニット25の極値
判定器24に接続されている。本実施例においては、演算
ユニット25はワンチップのマイクロコンピュータで構成
され、極値判定器24は第４図のフローチャートに示すよ
うにこのマイクロコンピータ内に実現されている。

しかして、本計量装置は、以下のように安定した振動状
態下にある被計量物を計量する。即ち、光源15から照射
される光は、コリメータ16で充分に細い平行光束に変換
され、変位拡大レンズ系17を通過することによってその
焦点F₁を通り、シリンダレンズ21で前方のイメージセン
サー22の受光面に着光するよう光路が補正され、イメー
ジセンサー22の受光面を照射する。この状態において、
受皿13に被計量物14が載置され、弾性体11が振動状態下
にある場合、上記変位拡大レンズ系17が上下に変位（振
動）し、通過する光をイメージセンサー22の受光面で上
下に振らせる。ここで、安定した振動状態にある弾性体
11の自由端側（換言すれば変位拡大レンズ系17）の変位
X_S（ｔ）は、第２図に示すように、変位拡大レンズ系17
を通過することにより、イメージセンサー22の受光面22
bにおいて増幅され、平行光束の着光点で変位Ｘ（ｔ）
となって伝達される。従って、本装置においては、上記
（１）式のＰはが用いられる。ここで、Ｇはゲインである。

そして、上述のように増幅された変位が伝達されるイメ
ージセンサー22の各受光面22bは、その着光点が弾性体1
1の振動により常に移動するので、その移動速度に反比
例（換言すれば各受光素子に平行光束の着光点が留まっ
ている時間に比例）した量だけ受光する。

即ち、これらを数式で表すと、いま、平行光束の着光点が受光素子22a（受光ビット番
号ｊ）をＳ回目に通過するとき、受光素子の振動方向の
幅l₀を通過する微小時間〔ｔ（j,s）,t（j,s）＋Δｔ〕
内においては、とみなせるから、Ｓ回目に通過するとき、この受光素子
の受光量Is（ｊ）は、下記の（８）式の如く表される。

但し、（８）式において、Ｅは比例定数である。従っ
て、計測する所定時間範囲〔T1,T2〕内に、平行光束の着光
点が任意の受光素子22a（受光ビット番号ｊ）をｎ
（ｊ）回通過するときの該受光素子22aの全受光量Ｉ
（ｊ）は、下記の（９）式の如く表される。

上記（８）式は上述の（４）式に、（９）式は上述の
（５）式にそれぞれ対応する。

従って、イメージセンサー22を構成する各受光ビット22
aは、所定時間範囲〔T1,T2〕内に上記（９）式に表され
るような量の平行光束を受光し電荷にかえて蓄積する。

このイメージセンサー内の各受光素子に電荷のかたちで
記憶された受光量（照射量）Ｉ（ｊ）（ｊ＝0,1,2,…,m
−１）は、A/D変換器23でデジタル量I_D（ｊ）に変換さ
れ、演算ユニット25内に形成されている極値判定器24に
伝達される。

この極値判定器24では、イメージセンサー22の各受光素
子22aの受光量（電荷量）の内から最低値の受光量を示
す受光素子を判定し、この受光素子の受光ビット番号jp
に対応する変位点Xpが直流成分となる。そして、この直
流成分の値Xpから、被計量物の重量値を検出することができる。なぜなら、弾性エネルギーと
速度との関係より、直流成分の位置する受光ビットを通
過する速度が最も速くなるためである。

尚、本計量装置においては、上述の各式の演算は、極値
判定・出力を除き、光学的に処理される。即ち、光学式
の計量装置においては、第３図の如く振動方向に配列さ
れた受光素子列の各受光素子がそのまま各変位点にな
り、且つ各受光素子が速度に反比例する受光量を受光し
その合計量を電荷のかたちで記憶（蓄積）する。そし
て、極値の判定のみが、第４図のフローチャートに示す
ように、マイクロコンピュータで構成される演算ユニッ
ト25内の極値判定器24によってなされる。

従って極めて簡単な構成となり、容量の小さな演算ユニ
ットでもって、高速処理（計量）することが可能とな
る。例えば、計量装置の振動周波数が20〜40サイクルと
すれば、0.25秒〜0.5秒間に10回の振動が生じ、この間
に20回程度ものデータの採取が可能となるため、短時間
で正確な計量ができる。

また、光学式の場合、簡単な構成で上述の重量検出方法
を実施することができるため、高い信頼性が期待し得
る。

尚、本光学式の計量装置の場合には、受光量が最低の箇
所が、真値となる関係から、計量のための所定時間範囲
〔T1,T2〕及び所定変位範囲〔X1,X2〕を、計量装置およ
び被計量物あるいは計量の状態率を勘案して適切に設定
する必要がある。

例えば、第９図の如き振動状態を示す計量においては、
第８図（ａ）に示すような範囲を所定時間範囲及び所定
変位範囲とする必要がある。

また、上記実施例においては、変位拡大レンズ系とし
て、凸レンズを使用した変位拡大レンズ系を用いている
が、第５図に示すように、凹面鏡17′を使用して変位拡
大レンズ系を構成してもよいし、また、第６図に示すよ
うに、プリズム17a″と凸レンズ17b″を併用して構成し
てもよい。あるいは、これらに代えて他の周知のものを
用いて構成してもよい。

（発明の効果）本発明にかかる重量計量装置によれば、従来正確な計量
が不可能であった、安定した振動状態下においても、正
確な計量が可能になる。しかも、短時間（従来の２〜３
倍の速さ）で計量することができる。従って、従来のよ
うに、弾性体が定常状態になるまで、待つ必要がないた
め、コンベヤ等で移送されるライン上の大量の物を正確
且つ迅速に計測できる。即ち、移送工程において移送し
ている物を計量しなければならない場合、従来この計量
工程でかなりの時間を要し、移送速度がこの計量処理時
間に拘束されていたが本発明にかかる重量計量装置を用
いれば、移送速度を大幅に向上させることができる。

しかも、変位の信号から得られる情報を積算して被計量
物の質量を検出しているので、平均値が０の外乱に対し
て計量誤差が発生しにくい。また、特に本発明にかかる
光学式のものは簡単な構成よりなるため、実施化が容易
であり、重量検出処理に要する時間が飛躍的に短くて済
み且つ高い信頼性が期待できる。また、演算ユニットの
容量が小型でよいため、安価に実施できる。

また、本発明にかかる重量計量装置によれば、実施に際
し、従来の重量計量装置の如き、減衰用のダンパーが不
要になるため、大幅に生産原価を低減することができ、
且つ粘性抵抗要素がなくなるので、急激に被計量物を積
載した時に生じる衝撃が計量誤差として残ることがな
く、装置の小型化も可能となる等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例にかかる光学の計量装置の全体の構成
を示す側面から見た構成図、第２図は同増幅機構と積算
記憶機構を示す構成図、第３図は第２図のイメージセン
サーの受光ビット部分の拡大図、第４図は演算ユニット
内の処理プロセスを示すフローチャート、第５図は変位
拡大レンズ系が異なる他の実施例を示す要部平面図、第
６図は変位拡大レンズ系が異なる他の実施例を示す要部
側面図、第７図は計量装置の検出部の概略構成をモデル
化した構成図、第８図（ａ），（ｂ）は第７図の構成を
有する計量装置における変位と時間及び変位と変位速度
の関係を表した線図、第９図はばらものを落下させたと
きの種々の振動の状態を示す線図である。 11……弾性体、15……光源、16……コリメータ、17,1
7′,17a″,17b″……変位拡大レンズ系、18……支持
枠、22……イメージセンサー（多素子電荷蓄積型光電変
換器）、23……A/D変換部、24……極値判定器、25……
演算ユニット。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出値が振動状態下において、被計量物の
重量を検出するよう構成された重量計量装置であって、上記重量計量装置が、少なくとも、光電変換可能な光を
照射する光源と、一端が機台側に固定され被計量物の重
量に合わせて変形する弾性体と、この弾性体の自由端側
に取着され被計量物を載置する載置部を備えた支持枠
と、光軸に平行な光を弾性体の変化に合わせて屈曲させ
る変位拡大レンズ系と、上記光源から発せられた光が変
位拡大レンズ系を経て照射される前方位置において走査
方向に位置づけられて配置され個々の受光素子の表面を
上記光源から照射される光が走査する毎にその露光時間
に比例した量の電荷が積算的に蓄積される複数の素子か
らなる電荷蓄積型光電変換器と、この電荷蓄積型光電変
換器に接続され該電荷蓄積型光電変換器の各素子の電荷
の蓄積値をA/D変換する変換部と、この変換部に接続さ
れ該変換部からの出力値にもとづき電荷蓄積型光電変換
器の各素子の内から所定計測時間範囲における蓄積され
た電荷の最小値を有する素子を判定し、この最小値を有
する素子の配置位置から被計量物の真値を演算し出力す
る極値判定器を備えた演算ユニットを具備し、上記光源あるいは上記変位拡大レンズ系のいずれか一方
が機台側に固定され、他の一方が上記支持枠に配設され
ていることを特徴とする。