JPH079379B2

JPH079379B2 - 重量検出方法

Info

Publication number: JPH079379B2
Application number: JP29539186A
Authority: JP
Inventors: 謙吾福田
Original assignee: Yamato Scale Co Ltd
Current assignee: Yamato Scale Co Ltd
Priority date: 1986-12-11
Filing date: 1986-12-11
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPS63148127A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、重量の計量装置（本明細書において、単に
計量装置という）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する方法に関する。

（従来技術）一般に、秤等の計量装置には、第１図に示すように、バ
ネ、ロードセル等の弾性体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等の固定側に指示さ
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15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15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、正確な重畳を得ること
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。

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15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する方
法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）本発明である重量検出方法は、計量装置の弾性体上の載
置部に被計量物が載置されて、検出器の検出値が安定し
た振動状態を呈する場合において、この振動を、被計量
物の真値に起因する直線成分と載置時の衝撃動に起因す
る調和振動成分との合成からなる振動とみなし、検出器
で得られる振動変位の同じ変位点における変位速度の絶
対値を各変位点毎に積算して得られた値の内、最も大き
な値を有する変位点を直流成分の値として、被計量物の
重量を求めることを特徴とする。

（作用）しかして、このように安定した振動状態下においては、
振動変位の同じ変位点における変位温度の絶対値を各変
位点毎に積算すると、直流成分の変位点においては、弾
性体の弾性エネルギーと速度の関係から最も速い速度で
通過するため、積算値が最大となる。従って、振動変位
の同じ変位点における変位速度の絶対値を各変位点毎に
積算して得られた値の内、最も大きな値となる変位点が
直流成分となる。このように、計量装置の検出器の検出
値が振動状態にある場合においても、被計量物の重量を
正確に得ることができる。また、被計量物の重量を得る
ためのデータは、極短時間の内に多くのデータが得られ
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。

（実施例）以下、本発明の重量検出方法をより詳細に説明し、続い
てこの重量検出方法をロードセル式および光学式の計量
装置に実施した場合の例を説明する。

第１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
れたロードセル等の弾性体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に衝撃
荷重が加わった場合の振動の変位Ｘ（ｔ）⊂ｘ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はこの振動が減衰して直流的な定常状
態になった際に得られる直流成分、「Acos ωｔ＋Bsin
ωｔ」は調和振動成分、ωは装置によって定まる振動系
の固有振動数である。

いま、第15図の実線に示す振動状態の内で、第２図
（ａ）に示す如き所定時間範囲〔T1,T2〕（T1,T2∈
ｔ）、所定変位範囲〔X1,X2〕（X1,X2∈ｘ）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x₁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xi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２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、また減衰振動の場合
には通過する回数が最も多くなることより、変位速度Vi
の積算値（V₁〜Vn₍x₎）が極値（第２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２図（ｂ）参照）。

この直流成分xpから、被計量物の重量が求まる。

本発明にかかる重量検出方法は、上述のように、振動状
態下においても、被計量物の正確な重量を検出すること
ができる。

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。

次ぎに、本重量の検出方法を実際のロードセル式の計量
装置に実施した場合の実施例を、第３図を参照しながら
説明する。

第３図は本実施例にかかるロードセル式の計量装置の検
出部の概略構成を示す構成図、第４図は同計量装置全体
の概略の構成を示すブロック図である。

本実施例にかかる計量装置の検出部10は、第３図に示す
ように、機台12から突出したロードセル支持台15にロー
ドセル11の固定端側が取着され、このロードセル11の自
由端側には支持枠16が取着されることにより構成されて
いる。また、この支持枠の上端には受皿13が取着され、
ロードセル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。

そして、上記検出部10は、第４図に示すように、電気的
にアンプ21に接続され、このアンプ21はA/D（アナログ
デジタル）変換器22を介して、演算ユニット30に接続さ
れている。この演算ユニット30は、差分器31、積算記憶
器32、極値判定器33を有し、本実施例では、本演算ユニ
ット30はこれらの各機能を備え第６図のフローチャート
に示す如き一連の処理を行うワッチップのマイクロコン
ピュータで構成されている。

本計量装置においては、検出部で検出された検出値を増
幅するために、検出部た演算処理する演算ユニット30と
の間にアンプ21が介装されているが、このため、本装置
においては上述した（１）式におけるＰはとなる。尚、Ｇはアンプ21のゲインである。

しかして、ロードセル11により検出部10で検出された振
動状態を呈する検出値（変位）X_S（ｔ）（ここでX_SはA/
D変換器の検出部側での検出値を示す）は、アンプ21で
増幅されて検出値Ｘ（ｔ）になり、A/D変換器22でデジ
タル信号に変換され、演算ユニット30に伝達される。即
ち、連続的に変化するアナログ値である検出値Ｘ（ｔ）
は、量子化された時系列になるので、演算ユニットにお
いてはＸ（ｔ）は整数値、ｔは正の整数値となってい
る。いま、このようにデジタル化された検出値をX
_D（ｔ）とする。

上記（３）、（４）式の微分処理は、差分器31における
検出値X_D（ｔ）の差分処理（X_D（ｔ）−Ｘ（ｔ−１））
で代用されている。また、かかる速度は、絶対値になる
よう処理され、負の速度もその絶対値が用いられる。

そして、このように差分器31で得られた刻々の変位速度
（絶対値）は、所定時間範囲〔T1,T2〕、所定変位範囲
〔X1,X2〕内のものが、各変位点毎に積算記憶器32の予
め定められたアドレス（ADD（X1）〜ADD（X2））に積算
記憶される（第５図参照）。所定時間範囲内（T1からT2
まで）に得られた。積算記憶器32内のデータが極値判定
器33によって、そのアドレスに記憶されている値（積算
値）の内、極値（本装置においては最大値）を示す変位
点Xpが判定される。この積算記憶器32は上述の（５）式
を実行し、極値判定器33は上述の（６）式を実行するこ
ととなる。

そして、上記判定により得られた極値を示す変位点Xpが
直流成分で、この直流成分Xpから被計量物の重量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、直流成分の変位点を通過する速度が
最も速くなるためである。

本計測装置は、上述のように、比較的簡単な構成でもっ
て、振動状態下においても、被計量物の正確な重量を短
時間で且つ簡単に検出することができる。

また、上記実施例ではロードセルにより振動を検出して
いるが、これに変えて第７図に示すように、弾性体１′
の速度を検出する速度計11′を弾性体１′に付設し、第
８図に図示するように、上記速度計（第８図においては
検出部10′の中に含まれている）から得られた検出値
（各変位点の位置と速度）を、アンプ21A′,21B′、及
びA/D変換器22A′,22B′で増幅・サンプリング処理し
て、演算ユニット30′で所定の処理、即ち各変位点での
変位速度の絶対値を算出し、この値を積算・記憶処理
し、極値を判定するよう構成してもよい。

次ぎに、光学式の計量装置に本発明にかかる重量検出方
法を用いた場合の一例について説明する。第９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10
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９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）62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）55、この光源と一体
的に構成され該光源55からの光をイメージセンサー62の
受光ビット62a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56、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59
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、決像光学系である凸レンズが用いられている）57
を有し、この変位拡大レンズ系57は受皿53を支持する支
持枠58に装着されている。そして、上記支持枠58は弾性
体59の自由端側に取着され、この弾性体59の固定端側は
機台側から突出する支持台60に取着され、弾性体59の自
由端側が受皿53上の被計量物65の重量により変位するよ
う構成されている。上記光源55から発射された光が通過
するコリメーター56と変位拡大レンズ系57を結ぶ線Ｌ上
の前方の部位には、イメージセンサー62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61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
62a）としてフォトダイオードアレイを持つイメージセ
ンサー62が空間を介して設けられている。第10図に示す
ように、上記変位拡大レンズ系57の主点O₁からイメージ
センサー62の受光面62bまでの距離Ｇ・ｆは、変位拡大
レンズ系57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、上述
の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62は受光素子62aをｍ個振動方向（たて方向）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62aは端（本実施例においては上端）よ
り順に信号（受光ビット番号という）が付され、第11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62a
の振動方向の幅l₀は充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62は、第９図に図示する
ように、A/D変換器63を介して、演算ユニット65の極値
判定器64に接続されている。本実施例においては、演算
ユニット65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64は第12図のフローチャートに示すよ
うにこのマイクロコンピュ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
態下の被計量物を計量する。

即ち、光源55から照射される光は、コリメータ56で充分
に細い平行光束に変換され、変位拡大レンズ系57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61
で前方のイメージセンサー62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62の受光面を照射す
る。この状態において、受皿53に被計量物65が載置さ
れ、弾性体59が振動状態下にある場合、上記変位拡大レ
ンズ系57が上下に変位（振動）し、通過する光をイメー
ジセンサー62の受光面て上下に振らせる。ここで、安定
した振動状態にある弾性体59（換言すれば変位拡大レン
ズ系57）の変位X_S（ｔ）は、第10図に示すように、変位
拡大レンズ系57を通過することにより、イメージセンサ
ー62の受光面62b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62の各受光面62bは、その着光点が弾性体5
9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62a（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
（j,s）〕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、Ｌ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62a（受光ビット番号ｊ）をｎ
（ｊ）回通過するときの該受光素子62a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（５）式に、（９）式は上述の
（６）式にそれぞれ対応する。

従って、イメージセンサー62を構成する各受光ビット62
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する。

このイメージセンサー内の各受光素子に記憶された受光
量（照射量）Ｉ（ｊ）（ｊ＝0,1,2,…,m−１）は、A/D
変換器63でデジタル量I_D（ｊ）に変換され、演算ユニッ
ト65内に形成されている極値判定器64に伝達される。

この極値判定器64では、イメージセンサー62の各受光素
子62aの受光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、本実施例にかかる計算装置においては、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、本実施例の如く光学式の計量装置において
は、ロードセル式の計量装置の如く積算記憶装置の所定
アドレスに各変位点での速度の値を入力していたが、こ
のような処理は不要で、第11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
その合計量を記憶（蓄積）する。そして、極値の判定の
みが、第12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65内の極値判定
器64によってなされる。

従って、極めて簡単な構成となり、容量の小さい演算ユ
ニットでもって、高速処理（計量）することが可能とな
る。

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等を勘案して適切に設定
する必要がある。

例えば、第15図の如き振動状態を示す計量においては、
第２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、上記光学式の実施例の変位拡大レンズ系の部分
を、第13図に示すように、凹面鏡57′使用して変位拡大
レンズを構成してもよく、あるいは第14図に示すように
プリズム57a″と凸レンズ57b″を併用して構成してもよ
い。

（発明の効果）本発明にかかる重量検出方法によれば、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検出方法を
利用すれば、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
物の質量を検出するので、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、比較的簡単な構成よりな
るため、実施化が容易であり、重量検出処理に要する時
間が短くて済み且つ高い信頼性が期待できる。

また、本発明にかかる重量検出方法によれば、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い
等の効果が得られる。

上述のように、本発明にかかる重量検出方法は、従来の
計量の概念にない新たな領域を開拓するもの画期的な発
明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は計量装置の概略構成をモデル化した構成図、第
２図（ａ），（ｂ）は第１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３図は本実施例にかかるロードセル式の計量装置
の検出部の概略構成を示す構成図、第４図は同計量装置
全体の概略構成を示すブロック図、第５図は各変位点と
積算記憶装置のアドレスとの関係を示す図、第６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
７図は他の実施例を示す検出部部分の構成図、第８図は
第７図に示す実施例における全体の構成を示すブロック
図、第９図は本実施例にかかる光学の計量装置の全体の
構成を示す構成図、第10図は同増幅機構と積算記憶機構
を示す構成図、第11図は第10図のイメージセンサーの受
光ビット部分の拡大図、第12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13図は変位拡大レン
ズ系の異なる他の実施例を示す平面図、第14図は変位拡
大レンズ系の異なる他の実施例を示す側面図、第15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。 1,11,59……弾性体、10……検出部、30,65……演算ユニ
ット、31……差分器（変位速度算出器）、32……積算記
憶器、33,64……極値判定器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計量装置の弾性体上の載置部に被計量物が
載置されて、検出器の検出値が安定した振動状態を呈す
る場合において、この振動を、被計量物の真値に起因す
る直線成分と載置時の衝撃動に起因する調和振動成分と
の合成からなる振動とみなし、検出器で得られる振動変
位の同じ変位点における変位速度の絶対値を各変位点毎
に積算して得られた値の内、最も大きな値を有する変位
点を直流成分の値として、被計量物の重量を求めること
を特徴とする重量検出方法。