JP2006058035A - ロードセルセンサの検知出力処理方法及びこの方法を用いる電子秤 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズの影響を排除し，安定した測定結果を表示可能とする高精度の電子秤を提供することにある。アクティブフィルタやＤＳＰを用いることなくソフトウェア処理により安価に実現可能である電子秤を提供する。
【解決手段】少なくとも一個のロードセルセンサと， 前記ロードセルセンサによる荷重量の検知出力を増幅する増幅部と，前記増幅部により増幅された信号を所定周期でサンプリングし，前記サンプリングされた所定数のサンプリング値から，一定数の上位値と下位値のサンプリング値を除き，残りのサンプリング値の平均値を求め，出力する演算部と，
前記演算部の出力を荷重測定値として表示する表示部を有する。
【選択図】図７

Description

本発明は，ロードセルセンサの検知出力処理方法及び，この方法を用いる電子秤に関する。

高精度電子秤のセンサとして，歪ゲージを使用したロードセルセンサが広く使用されている。かかる電子秤においては，荷重をロードセルセンサで検出し，センサの微弱電圧を増幅し，得られるアナログ信号出力を，デジタル信号に変換し，演算部で信号処理し，結果をデジタル表示している。

しかし，センサ自体に起因するセンサノイズ，電源ノイズ，センサ部や演算・表示部のアンプや部品ノイズ，空調による対流の影響あるいは，歩行者などの床面振動要因等の影響により演算後の表示値がふらつく(変動する)という問題を生じる。

特に，体重測定用スケールや，患者がベットに横たわったままで当該患者の体重変化を測定するためのベッドスケール等の最大測定重量が１５０ｋｇ〜３００ｋｇの秤にあっては，測定表示値の変動幅が，２０ｇ〜１５０ｇもあり，１０ｇ単位の分解能を出すことが困難であった。

上記のようなノイズ等の影響により体重の測定が正確にできないという問題に対処する発明が，先に提案されている(特許文献１)。かかる特許文献１に記載の発明においては，交流電源の１周期の間測定を継続し，この測定値の平均値から体重を演算するようにしている。

しかし，この発明では，専ら電源ノイズによる影響を低減することを意図し，商用電源に重畳されてくる他の機器の漏洩ノイズ，あるいはセンサノイズ等には効果が期待できないものであり，依然として測定表示値の変動幅が大きいという課題を有している。

また，別の方法として，オペアンプ等を使用したアクティブローパスフィルタを用いることが考えられる。しかし，この場合は，装置のコストアップだけでなく，経時変化による周波数特性の変動が生じることも想定される。この経時変化による周波数特性の変動は，１０〜２００Ｈｚ程度であり，時定数の大きなローパスフィルタでは，体重測定の際の加重過渡時などに，荷重変化の追従速度が遅くなり，実用上好ましくないという問題があった。

さらに，別の方法として，デジタル信号処理を行うプログラムされたＤＳＰ(Digital Signal Processor)によりデジタルフィルタを実現することが考えられる。経済性を考慮して８ビットのマイコンをＣＰＵに用いた場合，ＤＳＰ自体が１６ビットや３２ビットのため，ＤＳＰ自体のコストとソフトウェア費用を考えると，システムのコストアップは避けられない。しかも，ＤＳＰを用いた具体的処理として，窓関数法の一つである方形波窓を使用した場合，振幅方向である設定値を超える時，フィルタとしての機能は果たすことが可能であるが，測定値自体の再現性に対して，大きな誤差要因ができるので，実用上受け入れ難いという問題がある。
特開２００１−２２８０１１号公報

したがって，上記に鑑みて本発明の目的は，前述したノイズの影響を排除し，安定した測定結果を表示可能とする高精度の電子秤を提供することにある。アクティブフィルタやＤＳＰを用いることなくソフトウェア処理により安価に実現可能である電子秤を提供することにある。

上記の本発明の目的を達成する電子秤の第１の態様は，少なくとも一個のロードセルセンサと，前記ロードセルセンサによる荷重量の検知出力を増幅する増幅部と，前記増幅部により増幅された信号を所定周期でサンプリングし，前記サンプリングされた所定数のサンプリング値から，一定数の上位値と下位値のサンプリング値を除き，残りのサンプリング値の平均値を求め，出力する演算部と，前記演算部の出力を荷重測定値として表示する表示部を有することを特徴とする。

上記の本発明の目的を達成する電子秤の第２の態様は，第１の態様において，前記演算部は，前記所定周期のサンプリングのタイミングを順次シフトして得られる前記所定数のサンプリング値についての前記平均値を，移動平均値として求めることを特徴とする。
上記の本発明の目的を達成する電子秤の第３の態様は，第２の態様において，前記移動平均値毎に，前記表示部の表示を所定時間ホールドすることを特徴とする。

上記の本発明の目的を達成するベッド用の電子秤の第１の態様は，ベッドの脚数に対応する，それぞれ対応するベッドの脚部が載せられる複数のセンサ部と，前記複数のセンサ部のそれぞれの荷重量の検知出力の総和の所定周期のサンプリング値を求め，前記サンプリング値の所定数から，一定数の上位値と下位値のサンプリング値を除き，残りのサンプリング値の平均値を求め，出力する演算部と，前記演算部の出力を荷重測定値として表示する表示部を有することを特徴とする。

また，上記の本発明の目的を達成するベッド用の電子秤の第２の態様は，その第１の態様において，前記演算部は，前記所定周期のサンプリングのタイミングを順次シフトして得られる前記所定数のサンプリング値についての前記平均値を，移動平均値として求めることを特徴とする。

さらに，上記の本発明の目的を達成するベッド用の電子秤の第３の態様は，その第１の態様において，前記センサ部は，周縁部の一部が開放された測定皿と、ベースブロック上に固定された３個のロードセルセンサを有し、前記ロードセルセンサの各々は、前記開放された一部を除く、前記測定皿の周縁部で、前記の周縁部の荷重を受ける様に配置されるよう構成されていることを特徴とする。

上記の本発明の目的を達成する電子秤の検知出力処理方法は，それぞれ少なくとも一個のロードセルセンサを有する複数のセンサ部を有する電子秤の検知出力処理方法であって，前記複数のセンサ部のそれぞれの検出値を加算し，所定周期のサンプル値を求め，前記サンプル値における一定数の上位値と下位値のサンプリング値を特定抽出し，前記所定周期のサンプル値から，前記特定抽出される上位値と下位値のサンプリング値を除き，残りのサンプリング値の平均値を算出し，前記算出されたサンプリング値の平均値を一定期間表示することを特徴とする。

また，上記の本発明の目的を達成する電子秤の検知出力処理方法の第２の態様は，その第１の態様において，前記平均値の算出は，前記所定周期のサンプリングのタイミングを順次シフトし，得られる前記所定数のサンプリング値について移動平均値として求めることを特徴とする。

本発明の特徴は，以下に図面に従い説明する発明を実施するための最良の形態から更に明らかになる。

本発明により，ノイズの影響を排除し，安定した測定結果を表示可能とする高精度の電子秤が提供される。さらに，アクティブフィルタやＤＳＰを用いることなくソフトウェア処理により安価に実現可能である電子秤が提供可能である。

以下に図面に従い，本発明の実施の形態例を説明する。尚，図面に示される実施の形態例は，本発明の理解のためのものであり，本発明の技術的範囲がこれに限定されるものではない。

図１は，本発明に従う電子秤に適用されるロードセルセンサの一構成例を示す図である。図１において，図１Ａは平面図、図１Ｂは正面図である。図１Ｂから理解できるように、ベースブロック２に固定ネジ４３により片側４２が固定され、他側は自由端となる。

図において、ベット床等の荷重物と自由端は金属球Ｍを介して点接触している。図の矢印方向に上方からベット床等により荷重を与えられると、自由端が下方に押され、下面に張られた歪みセンサ(ストレンゲージ)４０が、荷重に比例した応力歪みを受け、これが検出電圧の変化としてリード４１に出力される。

図２は，先に本発明者らが提案した(特願２００４−１１７５７２号)，図１のロードセルセンサを用いた電子秤の構成例斜視図である。図３は、その上面(図３Ａ)と断面(図３Ｂ)を示す図である。コ字状に形成されたベースブロックブロック２を有し、これに３つのロードセルセンサ１１Ａ〜１１Ｃが配置される。

ロードセルセンサ１１Ａ〜１１Ｃとして、図１に示した構造のロードセルセンサを使用する場合、固定端部４２をベースブロック２に固定する。この際、先端領域の応力受け部に乗せられる金属球Ｍ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）の位置が、図３Ａに示される３点位置(Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３)となるように固定端部４２が位置決めされている。

さらに，測定皿１０がロードセルセンサ１１Ａ〜１１Ｃ上に被せられる構造であり、測定皿１０は，底部１０Ａと，壁部１０Ｂと周縁部１０Ｃを有している。周縁部１０Ｃは，一部に開放部を有し、他の周縁部１０Ｃが金属球Ｍを介してロードセルセンサ１１Ａ〜１１Ｃに乗せられる構造である。したがって、ロードセルセンサ１１Ａ〜１１Ｃは、金属球Ｍと測定皿１０との点接触により、荷重を点で受ける状態になる。

かかる構成により、図２に矢印で示される様にベット等の重量物の脚部２１をスライドして測定皿１０上に置くことが容易である。

図４は，図２に示す電子秤をベットの脚数分用い，ベットの重量(患者重量を含む)を測定する適用例を示している。すなわち，電子秤１００をベットの脚数に対応して４個用意し、それぞれの測定皿１０上にベットの脚部のキャスタ２１を転がして測定皿１０上に位置づけて測定が行われるものである。

図５は、図４の適用例に対応させた，本発明者が先の出願(特願２００４−１１７５７２号)において提案している電子秤の実施例を示す図である。伸縮自在の連結棒３０の両端に同一構成の，図２に示した電子秤をセンサ部として取り付ける。図５に示す実施例では、二本の連結棒に取り付けられた４個のセンサ部１００Ａ〜１００Ｄを有している。

４個のセンサ部１００Ａ〜１００Ｄのそれぞれの検出出力は、一つのセンサ部１００Ａを経由して演算表示部１１０に接続ケーブル１０１Ａ，１０１Ｂを通して入力される。

図６は、図５に示す電子秤の回路ブロックの実施例構成を示す図である。センサ部１００Ａ〜１００Ｄのそれぞれには、３つロードセルセンサ（１１Ａ〜１１Ｃ）１０２を有し、それぞれの検出信号が対応するアンプ１０３により増幅されてアナログ／デジタル変換器１０４に入力される。アナログ／デジタル変換器１０４において，対応のセンサ部の検知出力が所定周期でサンプリングされる。

４つのセンサ部１００Ａ〜１００Ｄの内の一つのセンサ部１００Ａには、バッファ回路１０５と、セレクタ１０６を更に有している。

バッファ回路１０５は、センサ部１００Ａ〜１００Ｄのそれぞれのアナログ／デジタル変換器１０４から出力される３つのロードセルセンサ（１１Ａ〜１１Ｃ）１０２のそれぞれのサンプリングされた検知出力、従って、都合１２個のデジタル検出信号を入力し、バッファリングする。

セレクタ１０６は、バッファ回路１０４にバッファリングされたデジタル検出信号を時分割に切替えて、演算表示部１１０に送る。演算表示部１１０において、ＣＰＵ１１１は、ソフト書込み回路１１２によってＥＥＰＲＯＭ１１３に書き込まれている演算処理プログラムを読み出し、実行制御する。

演算プログラムにより実行される基本的動作は、バッファ回路１０４から送られた１２個のロードセルセンサセル１０２から出力された検出出力の総和を求め、センサ部に付与された荷重の重み値を算出するものである。算出された荷重の重み値は、ＳＲＡＭ１１４に格納され、またディスプレイ１１５に表示される。

図６において、更に、電圧レギュレータ１０７Ａ，１０７Ｂは、ＡＣアダプタ１０８から供給されるＡＣ電圧を、対応する機能部に供給される必要な直流電圧に変換する。また、ＣＰＵ１１１は、荷重スケール１００Ａにおいて温度補償回路１０９で検知される温度情報に基づき必要により算出される荷重の重み値を補正する。

ここで，上記演算プログラムによりバッファ回路１０５から送られた１２個のロードセルセンサセル１０２から出力された検出出力の総和を求め、電子秤に付与された荷重の総重量値が得られる。しかし，先に説明したように，センサノイズ，電源ノイズ，センサ部や演算・表示部のアンプや部品ノイズ，空調による対流の影響あるいは，歩行者などの床面振動要因等の影響により，実際，ロードセルセンサセル１０２の検知出力は，微弱であり，電子秤の置かれる環境によりノイズレベルの方が大きい場合もある。

特に，図５に示すような電子秤では，４個のセンサ部１００Ａ〜１００Ｄの各々に３個のロードセンサを有しているので，システム全体として1２個のロードセルセンサを有している。そして，これら１２個のロードセルセンサの検出出力の総和をＣＰＵ１１１において処理する構成である。かかる場合，ノイズも重畳されることになりより大きな問題となる。よって，本発明の目的は，検出出信号をソフトウェア処理によってかかる不都合を解消するものである。

図７は，かかる目的に対応する本発明に従う，電子秤における信号処理方法の手順を示すフロー図である。かかるフローの処理は，図６のＥＥＰＲＯＭ１１３に格納されたプログラムに従いＣＰＵ１１１により実行制御される。

図７において，スイッチＳＷの投入により測定を開始すると，４つのセンサ部１００Ａ〜１００Ｄに備えられる１２個のロードセルセンサ１〜１２の検知出力をＡ／Ｄコンバータ１０４でＡ／Ｄ変換し，バッファ１０５経由でＣＰＵ１１１のＳＲＡＭ１１４に格納する（処理工程Ｐ１）。

次いで，ＣＰＵ１１１により，１２個のロードセルセンサ１〜１２の検知出力の総和を算出する（処理工程Ｐ２）。

この総和の算出までの処理は，所定の周期，実施例として１秒間に２０のサンプリング数となるような周期で行われる。この様子が図７と関連してサンプリングデータを説明する図８に示される。図8は，横軸に時間，縦軸にサンプリングデータの大きさを表している。サンプリング１〜サンプリングｎの期間は，それぞれ１秒間に２０個のサンプリングデータの収集グループを示している。

図７に戻り，１２個のロードセルセンサ１〜１２の検知出力の総和を算出し，これを１つのサンプリング結果としてＳＲＡＭ１１４に格納する（処理工程Ｐ３）。

この際，ＳＲＡＭ１１４に格納されたサンプリング結果が，初めての測定値であるか否かを判断する（処理工程Ｐ４）。初めての測定値である場合（処理工程Ｐ４，Ｙ）は，図８において，サンプリング１の収集グループの最初のサンプリングデータが対応する。それ以降は，初めての測定値とはならない（処理工程Ｐ４，Ｎ）。

上記のようにして，サンプリングデータの１つの収集グループについて，順次２０個のサンプリングデータが揃うまで上記処理を継続する（処理工程Ｐ５，Ｎ）。また，処理工程Ｐ４において，初めての測定値でないと判断される場合は，サンプリングデータの収集グループ毎に１つのサンプリングタイミングをシフトして（処理工程Ｐ６），２０個のサンプリングデータを収集する。

２０のサンプリングデータが揃うと（処理工程Ｐ５，Ｙ），それぞれ所定数の上位値及び下位値，実施例として２つづつの上位値及び下位値を，特異値として特定して抽出する（処理工程Ｐ７）。図８において，例えば，サンプリング１の収集グループでは，上位値Ｕ１，Ｕ２，下位値Ｌ１，Ｌ２が抽出される。このような，特異値として抽出される上位値，下位値はインパルス性の重畳ノイズである可能性が高い。

次いで，２０のサンプリングデータから，抽出された４つの特異値を除去し（処理工程Ｐ８），残り１６のサンプリングデータについて平均値を算出する（処理工程Ｐ９）。平均値を取ることにより，より安定した測定値を得ることができる。

図９は，２０のサンプリングデータから特異値を除去した残り１６のサンプリングデータの平均値の推移を示す図である。横軸にサンプリングの収集グループ１〜ｎを，縦軸に平均値の大きさを示している。それぞれの平均値の変位は，小さいものであることが理解できる。

このように求めた平均値をディスプレイ１１５に送り，表示する（処理工程Ｐ１１）。このディスプレイ１１５における表示は，１つのサンプリングの収集グループについて，１秒間経過するまで表示を行う（処理工程Ｐ１２）。１秒間経過した場合（処理工程Ｐ１１，Ｙ）は，次のサンプリングの収集グループの算出された平均値を表示値とするように更新して（処理工程Ｐ１０），表示を行う。

上記したように，本発明は，サンプリングデータの上位，下位の特異値を除去し，実効値成分のみについて１サンプリングデータの移動平均値を求めている。さらに表示値を所定期間維持し，突発的な，表示値の異常変動を防止することができ，高精度測定における最小桁のふらつきが除去可能な電子秤が提供可能である。そして，上記構成により，本発明において，最大測定重量３２０ｋｇに対し，分解能１０ｇの測定表示が安定して可能になった。

したがって，人工透析などを目的としたベッドに横たわった患者の体重変化，あるいは，ダイエット等の経過観察を１０gの高精度で測定し，経過をモニタすることが可能であり，良質の医療，及び健康産業等における貢献が可能である。

尚，上記本発明の実施例において，複数のロードセルセンサを用いる電子秤を説明したが，本発明の適用はこれに限定されるものではない。本発明の原理に従い，一つのロードセルセンサを用いる電子秤にも適用可能であることはいうまでもない。

本発明に従う電子秤に適用されるロードセルセンサの一構成例を示す図である。 先に本発明者らが提案した(特願２００４−１１７５７２号)，図１のロードセルセンサを用いた電子秤の構成例斜視図である。 図２に示す電子秤の上面(図３Ａ)と断面(図３Ｂ)を示す図である。 図２に示す電子秤をベッドの脚数分用い，ベッドの重量(患者重量を含む)を測定する適用例を示す図である。 図４の適用例に対応させた，本発明者が先の出願において提案している電子秤の実施例を示す図である。 図５に示す電子秤の回路ブロックの実施例構成を示す図である。 本発明に従う，電子秤における信号処理方法の手順を示すフロー図である。 図７と関連してサンプリングデータを説明する図である。 ２０のサンプリングデータから特異値を除去した残り１６のサンプリングデータの平均値の推移を示す図である。

符号の説明

１００ 電子秤
２ ベースブロック
１０ 測定皿
１００Ａ〜１００Ｄ センサ部
１０２ ロードセルセンサ
１０３ ＡＭＰ
１０４ Ａ／Ｄコンバータ
１０５ バッファメモリ
１０６ セレクタ
１１１ ＣＰＵ
１１３ ＥＥＰＲＯＭ
１１４ ＳＲＡＭ
１１５ ディスプレイ

Claims (8)

1. 少なくとも一個のロードセルセンサと，
   前記ロードセルセンサによる荷重量の検知出力を増幅する増幅部と，
   前記増幅部により増幅された信号を所定周期でサンプリングし，前記サンプリングされた所定数のサンプリング値から，一定数の上位値と下位値のサンプリング値を除き，残りのサンプリング値の平均値を求め，出力する演算部と，
   前記演算部の出力を荷重測定値として表示する表示部を
   有することを特徴とする電子秤。
2. 請求項１において，
   前記演算部は，前記所定周期のサンプリングのタイミングを順次シフトして得られる前記所定数のサンプリング値についての前記平均値を，移動平均値として求めることを特徴とする電子秤。
3. 請求項２において，
   前記移動平均値毎に，前記表示部の表示を所定時間ホールドすることを特徴とする電子秤。
4. ベッドの脚数に対応する，それぞれ対応するベッドの脚部が載せられる複数のセンサ部と，
   前記複数のセンサ部のそれぞれの荷重量の検知出力の総和の所定周期のサンプリング値を求め，前記サンプリング値の所定数から，一定数の上位値と下位値のサンプリング値を除き，残りのサンプリング値の平均値を求め，出力する演算部と，
   前記演算部の出力を荷重測定値として表示する表示部を
   有することを特徴とするベッド用の電子秤。
5. 請求項４において，
   前記演算部は，前記所定周期のサンプリングのタイミングを順次シフトして得られる前記所定数のサンプリング値についての前記平均値を，移動平均値として求めることを特徴とするベッド用の電子秤。
6. 請求項４において，
   前記センサ部は，周縁部の一部が開放された測定皿と、
   ベースブロック上に固定された３個のロードセルセンサを有し、
   前記ロードセルセンサの各々は、前記開放された一部を除く、前記測定皿の周縁部で、前記の周縁部の荷重を受ける様に配置されるよう構成されている
   ことを特徴とするベッド用の電子秤。
7. それぞれ少なくとも一個のロードセルセンサを有する複数のセンサ部を有する電子秤の検知出力処理方法であって，
   前記複数のセンサ部のそれぞれの検出値を加算し，所定周期のサンプル値を求め，
   前記サンプル値における一定数の上位値と下位値のサンプリング値を特定抽出し，
   前記所定周期のサンプル値から，前記特定抽出される上位値と下位値のサンプリング値を除き，残りのサンプリング値の平均値を算出し，
   前記算出されたサンプリング値の平均値を一定期間表示する
   ことを特徴とする電子秤の検知出力処理方法。
8. 請求項７において，
   前記平均値の算出は，前記所定周期のサンプリングのタイミングを順次シフトし，得られる前記所定数のサンプリング値について移動平均値として求めることを特徴とする電子秤の検知出力処理方法。

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