JP2004077293A

JP2004077293A - 重量測定装置

Info

Publication number: JP2004077293A
Application number: JP2002238264A
Authority: JP
Inventors: Harutaro Shimizu; 清水　春太郎
Original assignee: Techno Link Co Ltd
Current assignee: Techno Link Co Ltd
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2004-03-11
Also published as: EP1391705A1; US20040031310A1

Abstract

【課題】重量の測定値を全測定範囲にわたり歪み量に完全に比例したものとする。
【解決手段】歪み量に対する重量の関係が、全測定範囲にわたり直線になるように補正するリニア校正手段３を設ける。これにより、ストレンゲージ１で検出される歪み量の変化に対する重量の測定値が、全測定範囲にわたり直線的に変化したものとなる。そのため、ストレンジゲージ１の入出力特性や、増幅器２の入出力特性が直線に保たれていなくても、最終的に得られる重量の測定値は全測定範囲にわたり直線性を維持したものとなる。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の重量により生じた歪み量をストレンゲージで電気信号に変換し、この電気信号を次段の増幅器により増幅して被測定物の重量を測定する重量測定装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
現在、物品の重量を電気的なデータとして算出するロードセル秤のような重量測定装置が実用化されている。この重量測定装置は、例えばブリッジ接続されたストレンゲージをロードセルの起歪部に貼着し、このロードセルの固定端を本体ベースに連結すると共に、可動端を受皿に連結したもので、受皿に載置した被測定物の重量によってロードセルに生じた歪み量を、ストレンゲージで電気的に計測して計量を実行するようになっている。
【０００３】
上記重量測定装置において、歪み量を電気信号に変換するストレンゲージは、感圧部であるシリコンやゲルマニウムからなる半導体異方向性単結晶体の上側にあって、拡散抵抗層として形成されており、所定の感度を得る点と、圧力を加えたときの出力抵抗変化の直線性を良くするために、半導体異方向性単結晶体の受圧面の一部には薄肉凹部が形成されている。しかし、この種の異方向性単結晶体の薄肉凹部には、バルーン効果と呼ぶ出力非線形性の現象を生じるのが常であり、正確な重量を測定できないという難点があった。
【０００４】
こうした問題に対処するための技術が、例えば特公昭５９−４０３０８号公報などに開示されている。これは図４および図５に示すように、５１はシリコンやゲルマニウムからなる半導体異方向性単結晶体で、この単結晶５１上には拡散抵抗層となる半導体ストレンゲージ５２，５２’がＩＣ製造技術の手法により拡散形成されている。一方、単結晶５１の一方面部には、この単結晶５１とほぼ対称的で同材質の保持板５３が設けられ、これらの単結晶５１と保持板５３にそれぞれエッチングによる薄肉凹部５１ａ，５３ａを形成している。なお、５５は電気信号を外部に取り出すためのリード線である。そしてこの場合は、ダイヤフラムとしての単結晶１１が完全な対称形となってバルーン現象がなくなるため、ストレンゲージ５２，５２’の抵抗をブリッジ接続して得た圧力と電圧との特性を、その零点近傍で完全に直線にすることができる。
【０００５】
しかし、上記の技術的手法を用いたとしても、ストレンゲージ５２，５２’から得た出力電圧特性は、零点近傍を離れるに従ってその直線性が失われ、全測定範囲にわたって直線性を得ることは困難である。ましてや、微小な重量の変化を捉えるために、ストレンゲージ５２，５２’で得た電気信号を増幅するための増幅器を、重量測定装置に組み合わせた場合には、増幅器の入出力特性も完全な直線性を保っていないので、増幅器の出力信号を基に最終的に得た重量の計測値が、一層信頼性に欠けるものとなる。すなわち、ストレンゲージの入出力特性と、増幅器の入出力特性がいずれもリニアでなければ、重量の正確な測定を行なうことができなかった。
【０００６】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、計測結果として得られる重量の測定値を、全測定範囲にわたり歪み量に完全に比例したものとすることができる重量測定装置を提供することをその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明における請求項１の重量測定装置は、歪み量をストレンゲージで電気信号に変換し、この電気信号を増幅器により増幅して被測定物の重量を測定する重量測定装置において、前記歪み量に対する重量の関係が全測定範囲にわたり直線になるように補正するリニア校正手段を備えて構成される。
【０００８】
この場合、重量測定装置内にリニア校正手段を設けることによって、ストレンゲージで検出される歪み量の変化に対する重量の測定値が、全測定範囲にわたり直線的に変化したものとなる。そのため、ストレンジゲージの入出力特性や、増幅器の入出力特性が直線に保たれていなくても、最終的に得られる重量の測定値は全測定範囲にわたり直線性を維持したものとなり、重量の正確な測定を行なうことが可能になる。
【０００９】
本発明における請求項２の重量測定装置は、前記リニア校正手段が前記増幅器の後段に設けられ、この増幅器から出力される増幅信号を歪み量に対し直線に補正するように構成されている。
【００１０】
この場合は、増幅器からの増幅出力をリニア校正手段で補正することになるが、増幅器からの増幅出力はストレンゲージからの微小な電気信号よりも大きな変動量を有するため、とりわけ歪み量の大きい領域で補正を簡単に行なうことができる。したがって、重量の測定精度を更に向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施形態】
以下、本発明の好ましい実施形態における重量測定装置について、添付図面を参照しながら説明する。図１は装置の概略構成を示すもので、１は歪み量を電気信号に変換するストレンゲージで、これは出力する電気信号の直線性を高めるためにブリッジ接続されている。ストレンゲージ１を含む感圧素子の構成は、例えば従来例で示したものなどを採用できる。２は、ストレンゲージ１からの電気信号を増幅するための増幅器で、これは入力電圧を所定の増幅率αで出力電圧に増幅する機能を有する。３は本発明の特徴部分となるリニア校正手段で、これは増幅器２の後段に設けられていて、予め組み込まれた変換関数ｆ（ｘ）をもとに、増幅器２から出力される増幅信号を歪み量に対し直線に補正する機能を備えている。
【００１２】
上記ストレンゲージ１，増幅器２およびリニア校正手段３の各入出力特性を図２に示す。同図において、最上段の（ａ）は、ストレンゲージ１の歪み量と変換された電気信号の電圧との関係を示しており、中段にある（ｂ）は、増幅器２の入力電圧（ストレンゲージの電気信号電圧に等しい）と増幅された出力電圧との関係を示しており、さらに下段にある（ｃ）は、リニア校正手段３に入力される増幅器２の出力電圧と、そこで校正された出力電圧（校正出力電圧）との関係を示すものである。
【００１３】
本実施例において注目すべき点は、ストレンゲージ１や増幅器２の各入出力特性は、あえて直線性を追及しなくても良いことにある。図２の（ａ），（ｂ）に示すように、本実施例で採用するストレンゲージ１および増幅器２は、いずれも入力に対して出力が非直線的に変化しており、しかも互いの入出力特性は何ら関連性がない。すなわち、ここでのストレンゲージ１と増幅器２は、任意のものを組み合わせて使用できる。一方、リニア校正手段３の入出力特性は、上記ストレンゲージ１と増幅器２の各入出力特性を考慮して、最終的に歪み量に対する校正出力電圧すなわち重量の測定値が、全測定範囲にわたってリニアに変化するように設定される。例えば、図２の（ａ），（ｂ）に示す入出力特性のストレンゲージ１と増幅器２が組み込まれている場合、リニア校正手段３の入出力特性は図（ｃ）に示すような非直線的なものとなるが、最終的にリニア校正手段３から出力される校正出力電圧は、図３に示すように、全測定範囲にわたって歪み量に比例して変化した直線的なものとなる。以下の表１は、図２および図３に示す例に対応したもので、歪み量，入力電圧，出力電圧および校正出力電圧を数字で示している。
【００１４】
【表１】

【００１５】
上記リニア校正手段３において、入力される増幅器２の出力電圧と、重量の測定値となる校正出力電圧との関係は、予め組み込まれる変換関数ｆ（ｘ）によって一義的に定まる。この変換関数ｆ（ｘ）を、ストレンゲージ１や増幅器２の入出力特性に合わせて適宜変更できる手段をリニア校正手段３に備えてもよい。例えば、ストレンゲージ１や増幅器２に自身の入出力特性の関数を予め記憶させておき、必要に応じてこの記憶した情報をリニア校正手段３に転送することにより、リニア校正手段３内の処理手段（例えばマイクロコンピュータ）により最適な変換関数ｆ（ｘ）を算出して、この変換関数（ｆ）に基づき増幅器２からの出力電圧を校正してもよい。あるいは、この変換関数ｆ（ｘ）の算出を、リニア校正手段３とは別個のパーソナルコンピュータのような外部処理手段により行なってもよい。
【００１５】
また、本実施例ではリニア校正手段３を増幅器２の後段に設けているが、ストレンゲージ１と増幅器２との間にリニア校正手段３を組み込んでもよい。但しこの場合は、上記表１などからも明らかなように、ストレンゲージ１で変換された電気信号の電圧レベルが小さいので、微小な歪み量の違いが電圧の変化として明確に現れず、正確な変換関数ｆ（ｘ）を算出できない虞れがある。したがって、リニア校正手段３は増幅器２の後段に設けるのが好ましい。
【００１６】
以上のように本実施例によれば、歪み量をストレンゲージ１で電気信号に変換し、この電気信号を増幅器２により増幅して被測定物の重量を測定する重量測定装置において、歪み量に対する重量の関係が全測定範囲にわたり直線になるように補正するリニア校正手段３を備えている。
【００１７】
この場合、重量測定装置内にリニア校正手段３を設けることによって、ストレンゲージ１で検出される歪み量の変化に対する重量の測定値が、全測定範囲にわたり直線的に変化したものとなる。そのため、ストレンジゲージ１の入出力特性や、増幅器２の入出力特性が直線に保たれていなくても、最終的に得られる重量の測定値は全測定範囲にわたり直線性を維持したものとなり、重量の正確な測定を行なうことが可能になる。
【００１８】
また本実施例では、リニア校正手段３が増幅器２の後段に設けられており、しかもこの増幅器２から出力される増幅信号を歪み量に対し直線に補正するように構成している。
【００１９】
この場合は、増幅器２からの増幅出力をリニア校正手段３で補正することになるが、増幅器２からの増幅出力はストレンゲージ１からの微小な電気信号よりも大きな変動量を有するため、とりわけ歪み量の大きい領域で補正を簡単に行なうことができる。したがって、重量の測定精度を更に向上させることができる。
【００２０】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。例えば、リニア校正手段３は増幅器２からのアナログ増幅出力を、そのままアナログ処理してもよいし、デジタル信号に変換してからデジタル処理してもよい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の請求項１の重量測定装置によれば、計測結果として得られる重量の測定値を、全測定範囲にわたり歪み量に完全に比例したものとすることができる。
【００２２】
本発明の請求項２の重量測定装置によれば、重量の測定精度を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における重量測定装置の概略構成図である。
【図２】同上、ストレンゲージ，増幅器およびリニア校正手段の各入出力特性をあらわしたグラフである。
【図３】同上、歪み量と校正出力電圧との関係を示すグラフである。
【図４】従来例を示すストレンゲージを含む感圧素子の断面図である。
【図５】従来例を示すストレンゲージを含む感圧素子の斜視図である。
【符号の説明】
１　ストレンゲージ
２　増幅器
３　リニア校正手段

Claims

歪み量をストレンゲージで電気信号に変換し、この電気信号を増幅器により増幅して被測定物の重量を測定する重量測定装置において、前記歪み量に対する重量の関係が全測定範囲にわたり直線になるように補正するリニア校正手段を備えたことを特徴とする重量測定装置。
前記リニア校正手段は前記増幅器の後段に設けられ、この増幅器から出力される増幅信号を歪み量に対し直線に補正するものであることを特徴とする請求項１記載の重量測定装置。