JP2010101628A - ロードセルおよび重量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特別なベローズを用いずに差圧検出手段によってロードセル本体内外の気圧差を検出し、この気圧差に基づいて荷重信号を補正するようにして、気圧差によって起歪部に力が加わり荷重信号が変動するのを的確に補正することができるようにする。
【解決手段】金属製弾性体よりなるロードセル本体２に形成された起歪部５の一部もしくは全部を大気に対して閉鎖された閉鎖空間である気密室３内に配し、気密室３の有する圧力と、大気の有する圧力との差圧を検出する差圧センサ１２を設け、差圧センサ１２にて検出される差圧に基づいて、起歪部５の歪みに応じて生成される荷重信号を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、起歪部の一部もしくは全部が閉鎖空間にあり、閉鎖空間の有する圧力と大気圧との間に差が生じることによって起歪部に力が加わり荷重信号が変動するのを補正するようにしたロードセルおよび重量測定装置に関するものである。

一般に、ロードセルは、荷重を受けることによって伸縮歪みを起こす起歪体の上に貼付したストレインゲージをブリッジ回路に接続し、荷重に比例した電圧信号変化を取り出すように構成されている。

この種のロードセルを、温度高低変化の激しい劣悪な環境に置かれる計量装置等に使用するために、耐湿性の向上を図ることが行われている。例えば特許文献１に開示されたロードセル５０では、図７に示されるように、ロードセル本体（弾性体）５１の上部に薄肉の起歪部５２を有して内部に閉鎖空間５３が形成され、外部との気体の流通が完全に遮断された構造にされている。このような遮断構造を取る理由は、水蒸気を含む外気が閉鎖空間５３内に侵入して、起歪部５２に貼付されたストレインゲージＧ_１〜Ｇ_４や配線端子上で水分化することよるストレインゲージの絶縁抵抗の低下や腐食等を防止するためである。なお、このロードセル５０においては、閉鎖空間５３を気密化するために、ロードセル本体５１の底部の開放孔が金属円板５４を溶接することにより閉止され、側壁部の開放孔が電源供給および荷重信号の取り出し配線接続用の気密端子５５を溶接することにより閉止されている。

また、ロードセル本体５１の側壁部に細孔（図示せず）を設け、この細孔から乾燥した窒素ガスを注入して閉鎖空間５３内の空気と置換させ、窒素ガス注入後にその細孔を溶接で埋めて、外気遮断性を保つ対策も取られている。この場合、ロードセル本体５１の内部に形成された閉鎖空間（気密室）５３内の気圧は１気圧前後の一定圧力Ｐ１に保たれる。

このようにして製作されたロードセルは、その設置時点で大気圧がＰ２であれば起歪部はＰ１−Ｐ２の圧力差に相当する力を受け、この圧力差（差圧）の大小に応じてあたかも初期荷重Ｗｉが増減された状態となる。そして、ロードセル使用中に大気圧は変化するので、圧力差の大きさは常に変動し、初期荷重Ｗｉもその圧力差の大きさに応じて常に変動することとなる。さらに、この圧力差は、大気圧が一定であっても気温が変化すると気密室内気体も温度変化し、気体体積が膨張あるいは収縮することによっても生じる。また、ロードセルが負荷を受け、起歪部が押し下げられて気密室の容積が小さくなることによっても圧力差が生じる。

いずれにしても圧力差が生じれば見かけの風袋荷重の変動として荷重信号に現れ、荷重信号に誤差を与えることになる。風袋荷重の変動による零点誤差は、使用の直前に零点調整し直せば解消するが、ロードセルを用いて、長期間継続的に被計量物が滞在し続ける状態で重量測定が行われるような場合には零点調整はできないので、この零点変化は重量測定誤差となってしまう。

次に、別の事例として、図８に示されるロードセルについて説明する。このロードセル６０は、ロードセル本体（弾性体）６１と、このロードセル本体６１の上面側中央部に突出形成される荷重受け部６２とを備え、負荷荷重ｆが上下に作用する方向に小さなばね定数を持つベローズ６３と、底蓋６４と、ロードセル本体６１とによって形成された気密室６５内に起歪部６６を有する構成とされている。なお、この例の場合にも、図７に示されるロードセルと同様、配線取り出し口、気密端子、窒素ガス注入孔等を有しているが図示省略されている。

この例では、荷重受け部６２から荷重ｆを受けると、起歪部６６は曲げ歪みを生ずる。このとき、気密室６５と外部の大気圧との気圧差によってベローズ６３に力が作用し、このベローズ６３から起歪部６６に力が伝達され、荷重信号に誤差が生じる。

上述のような気圧差の影響を除くようにしたロードセル構造に関しては、特許文献２にて提案されているものがある。この文献に開示された方法は、起歪部に荷重を伝達する荷重受け部の上下にベローズを設け、気密室内の気圧が大気圧より大きい場合に、上側のベローズは荷重受け部を押し上げる力として作用し、下側のベローズは荷重受け部を押し下げる力として作用するので、両方の力が相殺して荷重受け部は気圧差による力の作用を受けないようにされたものである。

特開２００５−１４０６４６号公報 特開平５−２０９７９６号公報

ところで、前記特許文献２に記載されたベローズは、図７に記載のような弾性体の上面に起歪部と荷重受け部とを有するロードセルに装着することができない。一方、図８に記載のロードセルの荷重受け部であれば、そのベローズを装着することは可能である。そこで、図８に記載のロードセルに対して、図９に示されるように、気密室の上下蓋ａ，ｂに十分な剛性を持たせ、荷重受け部ｃとの間にベローズｄ，ｅをそれぞれ装着したとする。

この場合、ロードセルの荷重受け部ｃに対して荷重の加わる方向は常に垂直方向であるとは限らず、起歪部の中心点Ｏを回転中心にして図中仮想線で示されるように傾斜する。ここで、ベローズｄ，ｅが対称位置になければ上下のベローズｄ，ｅは荷重受け部ｃの傾斜によって記号ｄ´，ｅ´で示されるように異なる形状に歪むことになり、気密室の内外で気圧差が生じたときに上下のベローズｄ，ｅから荷重受け部ｃに対し異なる力が作用することになる。この結果、上下のベローズｄ，ｅから荷重受け部ｃに作用する力が相殺せず、荷重変動誤差として現れるという問題点がある。

また、このようなベローズを用いる方式では、長期間に亘って通気性遮断を維持するには金属製ベローズを用いなければならず、装着コストも含めてコストアップが避けられないという問題点もある。

本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、特別なベローズを用いずに差圧検出手段によってロードセル本体内外の気圧差を検出し、この気圧差に基づいて荷重信号を補正するようにして、気圧差によって起歪部に力が加わり荷重信号が変動するのを的確に補正することのできるロードセルおよび重量測定装置を提供することを目的とするものである。

前記課題を達成するために、第１発明によるロードセルは、
ロードセル本体に形成された起歪部の一部もしくは全部が大気に対して閉鎖された閉鎖空間に配され、前記起歪部の歪みに応じて荷重信号が生成されるロードセルにおいて、
前記荷重信号の変動を補正するために、前記閉鎖空間の有する圧力と、大気の有する圧力との差圧を検出する差圧検出手段を設けることを特徴とするものである。

前記第１発明において、前記差圧検出手段により検出された差圧に基づいて、前記荷重信号の変動を補正する荷重信号補正手段を備えるのが好ましい（第２発明）。

前記第２発明において、前記荷重信号補正手段は、前記差圧検出手段により検出された差圧において、当該ロードセルの負荷荷重の大きさの変化を要因とする差圧変化を、他の要因による差圧変化と分離させて、前記荷重信号の変動を補正するものとすることができる（第３発明）。

また、前記荷重信号補正手段は、前記閉鎖空間の温度または大気の温度に基づいて、前記荷重信号の変動に係る補正量を調整するのが好ましい（第４発明）。

また、第５発明に係る重量測定装置は、第１発明に係るロードセルと、このロードセルに接続される制御装置とにより構成される重量測定装置であって、前記制御装置は、前記差圧検出手段により検出された差圧に基づいて、前記荷重信号の変動を補正する荷重信号補正手段を備えることを特徴とするものである。

ここで、前記荷重信号補正手段は、前記閉鎖空間の温度または大気の温度に基づいて、前記荷重信号の変動に係る補正量を調整するのが好ましい（第６発明）。

本発明によれば、閉鎖空間の圧力と大気圧との差圧に基づいて荷重信号の変動を補正するように構成されているので、特別なベローズを用いなくても、ロードセル本体内外の気圧差によって起歪部に力が加わり荷重信号が変動するのを的確に補正することができる。したがって、簡易で、かつ低コストの装置によって気圧差に基づく荷重信号の変動を補正することができる。

次に、本発明によるロードセルおよびそれを用いる重量測定装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

〔第１の実施形態〕
図１には、本発明の第１の実施形態に係るロードセルの縦断面図が示され、図２には、本実施形態のロードセルに装着される電気回路ユニットの回路構成図が示されている。

本実施形態のロードセル１は、大気に対して閉鎖した閉鎖空間である気密室３を有する全体として円盤形状の金属製弾性体よりなるロードセル本体（起歪体）２を備え、このロードセル本体２の上面側中央部に荷重導入部４が突出形成されて構成されている。荷重導入部４の外周側であって、ロードセル本体２の外表面と内表面との間には薄肉の円板状または円環状をなす起歪部５が設けられ、この起歪部５の応力の極大または極小となる部分にはストレインゲージＧ_１，Ｇ_２，Ｇ_３，Ｇ_４が貼付されている。

ストレインゲージＧ_１〜Ｇ_４はストレインゲージブリッジ回路を形成しており、その端子はリード線６によって気密室３内に配される回路基板７の端子に接続されている。また、回路基板７の端子は、ロードセル本体２の一側の開口を塞ぐ気密端子８の導通ピン９に接続され、この導通ピン９は配線ケーブル１０の心線に接続されている。また、ロードセル本体２と配線ケーブル１０とは接続金具１１によって固定されている。ここで、接続金具１１は、一端がロードセル本体２に穿設された開口部に挿入されてねじ固定され、他端に配線ケーブル１０が挿通固定されて構成されている。

前記ロードセル本体２の気密室３の側壁には差圧センサ（差圧検出手段）１２が配され、この差圧センサ１２の金属製外枠が側壁に溶接にて固着されている。また、ロードセル本体２の開口側である下端側には金属蓋１３が溶接にて固着されている。ここで、差圧センサ１２を構成するダイヤフラムは金属製であり、また気密端子８の導通ピン９が埋め込まれた気体封止板にはガラス材が使用され、気密室３は完全に通気が遮断されるように構成されている。

また、ロードセル本体２の側壁には気体注入孔２´が設けられ、この気体注入孔２´から窒素ガスが注入されて空気と置換され、気密室３内を約１気圧に保ったところで溶接にて注入部が封止される。窒素ガスは水蒸気を含まないので、ロードセル周辺の大気温度の上下によって内部が結露する現象は起きず、ストレインゲージや配線接続ハンダ部の絶縁抵抗の低下が防止される。

前記気密室３内には、ストレインゲージＧ_１，Ｇ_２，Ｇ_３，Ｇ_４から出力される荷重信号および差圧センサ１２の感圧ゲージから出力される差圧信号を増幅する増幅回路、それらの信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換回路、荷重信号を演算し差圧補正する演算回路、差圧補正したデジタル荷重信号を外部へ出力する出力回路を含む電気回路ユニット１４（図２参照）が内蔵されている。

図２において、ストレインゲージ（Ｓ．Ｇ）Ｇ_１〜Ｇ_４からの荷重信号は増幅器Ａ１にて増幅された後、Ａ／Ｄ変換器Ａ／Ｄ１にてデジタル化され、差圧センサ１２のダイヤフラム上に形成されたゲージ（Ｐ．Ｓ）１５からの差圧信号は増幅器Ａ２にて増幅された後、Ａ／Ｄ変換器Ａ／Ｄ３にてデジタル化される。また、気密室３内の気体温度信号を出力する温度センサ（Ｔ．Ｓ）１６（増幅器を内蔵する）からの温度信号はＡ／Ｄ変換器Ａ／Ｄ２にてデジタル化される。これら各信号は入出力回路Ｉ／Ｏを介して中央演算処理装置ＣＰＵに取り込まれる。また、この入出力回路Ｉ／Ｏは、メモリＭに記憶されたプログラムに基づき中央演算処理装置ＣＰＵからの命令によって制御される。

図２において、符号１７で示されるのは、電気回路ユニット１４やストレインゲージ（Ｓ．Ｇ）Ｇ_１〜Ｇ_４、ゲージ（Ｐ．Ｓ）１５、温度センサ（Ｔ．Ｓ）１６に電源を供給する電源ラインであり、符号１８にて示されるのは、デジタル荷重信号や各種信号（警報信号、設定信号、調整時に使用する温度信号、差圧信号）を入出力する双方向のデータバスラインである。なお、上記メモリＭは、演算処理プログラムが記憶されたＲＯＭ，電源供給中に演算データなどを記憶するＲＡＭ、電源が供給されなくてもデータを記憶することのできる不揮発性ＲＡＭなどから構成されている。

次に、気密室３の内外の気圧差に基づく荷重信号の補正方法の概要について説明する。

（１）重量測定値の精度の上で差圧センサの温度特性が無視できる場合
まず、差圧センサ１２を大気中（差圧＝０の状態）に置いて、差圧センサ１２の出力を測定する。このときの出力値がオフセット出力電圧Ｖｏｆｆであり、Ｖｏｆｆ＝Ｖ０とする。
次に、図１に示されるようにロードセル本体２に差圧センサ１２を取り付けるとともに、このロードセル１を気圧調整室内に入れて、予め調整モードにて気圧調整室の気圧を変化させる。
最初に、差圧センサ１２の出力がＶ０になるように気圧を調整する。このときの気圧調整室の気圧をＰ０とすると、このＰ０は気密室３内の気圧に等しい。

次に、気圧調整室の気圧をＰ０から、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・と変化させながら荷重信号出力と差圧センサ１２の出力信号とを測定する。荷重信号出力がＷ０から、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、・・・と変化し、差圧センサ１２の出力がオフセット出力値Ｖ０から、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、・・・と変化したものとする。これらのデータを測定し、表１に示されるように記録する。なお、オフセット出力値Ｖ０は予めロードセルの測定回路に記憶させる。

この表１のデータから差圧センサの信号出力ｖｘに対する荷重出力信号変化量ｗｘの関係式を、図３（ａ）から最小２乗法などの方法で決定し、次式を得る。
ｗｘ＝ｆ（ｖｘ） ・・・・・（１）

図３（ａ）では、Ｐ１、Ｐ２、・・・＞Ｐ０なる気圧Ｐ１、Ｐ２、・・・を与えたが、Ｐ１´、Ｐ２´、・・・＜Ｐ０なる気圧Ｐ１´、Ｐ２´、・・・を与えると、Ｖ１´、Ｖ２´・・・＜Ｖ０なる差圧信号が出力され、ｖ１´＝Ｖ１´―Ｖ０＜０、ｖ２´＝Ｖ２´―Ｖ０＜０、・・・なる差圧分のマイナス信号が出力され、この差圧による荷重変化も ｗ１´＝Ｗ１´―Ｗ０＜０、ｗ２´＝Ｗ２´―Ｗ０＜０、・・・となってマイナス値となる。これらのデータにより、ｖｘ＜０の領域においては、図３（ｂ）に示されるように、ｗｘ´＝ｆ´（ｖｘ）を決定することができる。

以上のようにして差圧信号出力ｖｘに対する荷重変化量ｗｘの関係式が求められた後、ロードセンサ１の稼働運転時には次のような処理が行われる。

まず、稼働運転に際してロードセル１に電源を入れると、初期処理プログラムによってロードセル１の荷重信号Ｗｘを初期荷重Ｗ０として読み取るとともに、差圧センサ１２の出力Ｖｘを読み取る。この出力ＶｘがＶｘｉであったとする。

初期荷重Ｗ０の値は、予めロードセルに負荷されている風袋荷重Ｗｉと、現時点の差圧による荷重変化分ｗｘｉとによって次式で表される。
Ｗ０＝Ｗｉ＋ｗｘｉ ・・・・・（２）
よって、風袋荷重Ｗｉは、次式により求められる。
Ｗｉ＝Ｗ０−ｗｘｉ ・・・・・（３）
ここで、ｗｘｉは、差圧センサ１２の出力ｖｘｉ＝Ｖｘｉ−Ｖ０と、上記（１）式にｖｘｉ、ｗｘｉを代入した式ｗｘｉ＝ｆ（ｖｘｉ）によって求められるので、風袋荷重Ｗｉを求めることができる。求められたＷｉを真の風袋による初期風袋荷重としてメモリに記憶させる。つまり、風袋荷重は真の風袋による初期風袋荷重Ｗｉと差圧による荷重変動成分ｗｘｉとで構成される。

稼働運転に入ると、初期風袋荷重Ｗｉと差圧による荷重変動成分ｗｘｉからなる初期荷重Ｗ０において、荷重変動成分ｗｘｉは稼働運転中の差圧変化によって逐次変動する。
稼働運転中の初期処理プログラムに続いて動作させる通常処理プログラムにおいて、定期的に荷重信号Ｗｘと差圧センサ１２の出力信号Ｖｘをサンプリングにて検出する。差圧センサ１２の出力信号がＶｘのときに、記憶されている差圧センサ１２のオフセット出力値Ｖ０によって、差圧出力信号ｖｘは次式にて得られる。
ｖｘ＝Ｖｘ−Ｖ０ ・・・・・（４）
そして、この差圧出力信号ｖｘに対する荷重出力信号変化量ｗｘを（１）式によって求める。なお、この時点でｗｘｉをｗｘと置き換える。

気密室内外の気体の差圧の影響を考慮しない従来のロードセルにおける重量測定値の計算によれば、ロードセルに負荷される被計量物の荷重Ｗｎは、荷重測定装置としてのスパン係数をＫ、零点調整時に記憶させる零点重量値をＷｚとすると、次式で表される。
Ｗｎ＝Ｋ・（Ｗｘ−Ｗｉ−Ｗｚ） ・・・・・（５）
これに対して、本実施形態のロードセル１においては、差圧による荷重変化分ｗｘが荷重信号Ｗｘに加わるので、次式で表わされることになって、荷重信号Ｗｘに含まれる差圧成分を補正することが可能となる。
Ｗｎ＝Ｋ・｛Ｗｘ−（Ｗｉ＋ｗｘ）−Ｗｚ｝ ・・・・・（６）

（２）差圧センサ１２の温度特性を考慮する必要がある場合
まず、差圧センサ１２を大気中（差圧＝０の状態）に置いて、周囲気温をθ０、θ１、θ２、θ３、・・・と変化させたときのオフセット出力電圧Ｖｏｆｆの温度変化特性を測定し、図４に示されるような温度特性関数ｆ０（θ）、すなわち次式を求める。
Ｖｏｆｆ＝ｆ０（θ） ・・・・・（７）

また、差圧センサ１２の出力信号にスパン温度ドリフトがあれば、同じ差圧であっても大気温度の違いによって出力信号が異なる。つまり、同じ荷重信号出力変化、差圧であっても温度の違いによって差圧センサ出力信号の大きさが異なる。
本ロードセルでは、差圧の大きさが荷重信号の変化の大きさに変わるので、差圧センサ１２のスパンが温度変化すれば、荷重信号の出力変化と差圧センサの出力信号の大きさとの関係が温度によって異なることになる。

そこで、本実施形態における差圧センサ付きロードセルを、気体調整室において、異なる温度条件を設定して調整する。例えば基準温度テスト条件として、θ０＝５℃、θ１＝２０℃、θ２＝３５℃を選択し、それぞれの気体温度にて図３と同様にしてデータを測定し、図５に示されるように、ｖｘ≧０の領域における曲線ｍ０、ｍ１、ｍ２に相当する関数ｆ０（ｖｘ，θ０）、ｆ１（ｖｘ，θ１）、ｆ２（ｖｘ，θ２）を決定する。同様に、ｖｘ＜０の領域における曲線ｍ０´、ｍ１´、ｍ２´に相当する関数ｆ０´（ｖｘ，θ０）、ｆ１´（ｖｘ，θ１）、ｆ２´（ｖｘ，θ２）を決定する。

いま、これらの関数が２次式で表されるとすれば、稼働運転中の任意の温度θｘの場合の関数ｆｘ（ｖｘ，θｘ）を決めるために、上記の３つの関数ｆ０（ｖｘ，θ０）、ｆ１（ｖｘ，θ１）、ｆ２（ｖｘ，θ２）を求めるために測定した差圧値（それぞれオフセット値を除いたもので、仮にｖ２とする）における荷重信号の変化量ｗ２０、ｗ２１、ｗ２２を上記テストの時点で記憶させておく。

そして、温度測定値θｘがθ２＜θｘ＜θ１であるときは、ｖ２における荷重変化量をθ１とθ２の間で決まる比率で按分して求めたｗ２ｘから、座標（ｖ２，ｗ２ｘ）によって関数ｆｘ（ｖｘ，θｘ）を求める。すなわち、ｗ２ｘを次式によって決める。
ｗ２ｘ＝ｗ２２＋｛（ｗ２１−ｗ２２）／（θ２−θ１）｝・（θ２−θｘ）
・・・・・（８）

ロードセンサ１の稼働運転時には次のような処理が行われる。
まず、稼働運転に際してロードセル１に電源を入れて、初期荷重Ｗ０を測定すると同時に、気密室３内に配された温度センサ１５の出力信号θｘｉおよび差圧センサ１２の出力信号Ｖｘ＝Ｖｘｉを測定する。

次に、温度θｘｉにおける差圧センサの出力オフセット値Ｖｏｆｆを（７）式からＶｏｆｆ＝ｆ０（θｘｉ）と求め、これを（４）式に代入して、差圧信号ｖｘｉを次式により得る。
ｖｘｉ＝Ｖｘｉ−Ｖｏｆｆ＝Ｖｘｉ−ｆ０（θｘｉ）・・・（９）

初期荷重信号Ｗ０に含まれる荷重変動成分ｗｘｉは、温度θｘｉにおける関数ｆｘｉ（ｖｘ，θｘｉ）を定めてから導くようにする。すなわち、上述のようにｖｘ＝ｖ２のときのｗ２０，ｗ２１，ｗ２２のいずれかを使って関数ｆｘｉ（ｖｘ，θｘｉ）を導出した後、次式によってｗｘｉを求める。
ｗｘｉ＝ｆｘｉ（ｖｘｉ，θｘｉ） ・・・・・（１０）

こうして、ｗｘｉが求められると、初期風袋荷重Ｗｉを次式により求めてＷｉを記憶する。
Ｗｉ＝Ｗ０−ｗｘｉ ・・・・・（１１）
そして、被計量物の荷重Ｗｎを次式
Ｗｎ＝Ｋ・｛Ｗｘ−（Ｗｉ＋ｗｘｉ）−Ｗｚ｝ ・・・・・（１２）
と表し、初期の差圧・温度の変動に対する荷重変動成分ｗｘｉを稼働運転中の差圧と温度によって算出されるｗｘに置き換えて追従させる。

以上のような考え方に基づき、より具体的には、以下のようにして荷重信号の補正が行われる。

（１）ロードセルの製作・調整時
ロードセル１の製作・調整時においては、まず差圧センサ１２を大気中の差圧０の状態に置いて、差圧センサ１２の出力信号を採取する。そして、差圧センサ１２を温度試験槽に入れ、温度試験槽の温度を変化させながら差圧センサ１２のオフセット電圧値を測定し、温度値とともに測定器に記憶させる。これにより、測定器において、差圧センサ１２とオフセット電圧の温度特性を表す関係式である（７）式が決定される。

差圧センサ１２が所定のロードセル１におけるロードセル本体２に取り付けられると、このロードセルに上記測定器が接続される。そして、データバスライン１８を通して（７）式の関数が送られ、電気回路ユニット１４内の演算回路のメモリＭに記憶される。なお、差圧センサ１２についての特性データをロードセルへ送り、ロードセルの演算回路にて（７）式を決定させても良い。

次に、ロードセル１を温度試験が可能な気体調整室に置き、ロードセル１の荷重信号と温度、差圧センサ１２の出力信号を測定器にてモニタする。次いで、気体調整室を前述したように所定の気圧に調整し、また気圧調整室の温度をロードセル１の気密室３内（実際には窒素ガスが充填されている）の温度が所定の温度になるように調整しながら、温度データ、差圧信号、荷重信号を重量測定装置に読み込んで、代表的な荷重−差圧、温度関数ｆ０（ｖｘ，θ０）、ｆ１（ｖｘ，θ１）、ｆ２（ｖｘ，θ２）を決定する。そして、決定した代表関数をメモリＭに記憶させる。なお、これら関数はロードセル気密室内の演算回路にて決定しても良い。

（２）ロードセル使用時
ロードセル１に電源を供給すると、この電源供給時のイニシャルプログラムにて荷重信号Ｗ０と温度信号θｘｉ、差圧信号Ｖｘｉを読み取る。そして、温度信号θｘｉと記憶している（７）式のｆ０（θ）によって差圧センサ１２のオフセット信号Ｖｏｆｆ＝ｆ０（θｘｉ）の値を算出する。また、記憶している（９）式より、温度補正した差圧信号ｖｘｉを算出する。

次に、ｖｘｉおよびθｘｉより、記憶している代表関数から（８）式で表すような計算手続きを経て関数ｆｘｉ（ｖｘ，θｘｉ）を定め、電源供給時の差圧による荷重変動成分ｗｘｉをｗｘｉ＝ｆｘｉ（ｖｘｉ，θｘｉ）として求める。

こうしてｗｘｉが求められると、初期風袋荷重Ｗｉを（１０）式により求めてＷｉを記憶し、被計量物の荷重Ｗｎを（１２）式のように定める。この後、稼働運転の継続に対して逐次周期的に温度、差圧を検出して各時点での荷重変動成分ｗｘを算出してｗｘｉを更新し、荷重信号を、
Ｗｎ＝Ｋ・｛Ｗｘ−（Ｗｉ＋ｗｘｉ）−Ｗｚ｝
として求める。

〔第２の実施形態〕
本実施形態は、負荷荷重の大きさに基づく差圧変化による荷重信号の変動を、気温変化による差圧変化や、大気圧変化による差圧変化に伴う荷重信号の変動と分離して補正するようにした例に関するものである。すなわち、外気圧や気温が一定であっても、負荷荷重の大きさによって零点がドリフトするのを補正するようにしたものである。

例えば図１に示されるロードセル１に負荷荷重が加わって起歪部５がわずかに下方に撓むと、それに応じて金属蓋１３も撓むが、負荷荷重の大きさに応じてわずかに気密室３の体積が異なることによりその気密室３の気圧変化が生じて、負荷荷重に対する反力を生じ、この反力が無視できない場合、以下に示すような補正を実行する。

補正対策として、ロードセルの調整時に下記の準備作業を行う。
まず、既知の重量値を持つテストサンプル（例えば分銅）ｗｓ１，ｗｓ２，ｗｓ３，ｗｓ４を用意する。
ロードセルの容量をＷｆとし、テストサンプルの重量値をそれぞれ、ｗｓ１＝（１／４）・Ｗｆ，ｗｓ２＝（１／２）・Ｗｆ，ｗｓ３＝（３／４）・Ｗｆ，ｗｓ４＝Ｗｆとする。なお、本テストを行うロードセルは予め、気密室が外部と導通している状態でスパン調整がなされているものとする。

第１の実施形態において、気圧Ｐ０を与えるテスト（表１参照）の際に、それぞれのサンプル負荷荷重を加えて差圧センサ出力と荷重信号出力を測定する。その結果、表２に示されるデータを得る。

表２の例えばテスト区分１において、テストサンプルｗｓ１をロードセルに負荷し、荷重出力信号Ｗｓ１と荷重センサ出力Ｖｓ１の測定値を得たとすると、荷重信号出力変化はＷｓ１−Ｗ０であるから、この値とテストサンプルの重量値ｗｓ１との差が気密室内の圧力増加による反力（零点変化量）とみなされる。この零点変化量は、次式で表される。
−Δｗｓ１ｚ＝（Ｗｓ１−Ｗ０）−ｗｓ１
また、負荷荷重による気密室内の圧力変化による差圧の変化量は、次式で表される。
Δｖｓ１＝Ｖｓ１−Ｖｓ０
以下、他のテストサンプルについても同様に測定して、サンプル負荷荷重毎の零点変化量と、差圧変化量とを導くことができる。

次に、負荷荷重ｗｓ１，ｗｓ２，ｗｓ３，ｗｓ４に応じた零点変化量と差圧変化量のデータから、最小自乗法などの手法を用いて、図６に示されるように、零点変化量と差圧変化量の負荷荷重Ｗｎに対する関数ｆｗ（Ｗｎ）とｆｚ（Ｗｎ）とを求める。

そして、ロードセルの使用時（通常の荷重測定作業を行う時）には、まず負荷荷重による差圧変化分を、外気圧変化や気密室内の膨張による気圧変化から除去するために、一旦、気圧変化を全く考慮しない、ロードセルに対する概略の負荷荷重測定値Ｗｎ′を求め（または、負荷荷重の影響を無視して、大気圧、気密室気圧変化を補償した負荷荷重測定値をＷｎ′として求め）、上記関数ｆｗ（Ｗｎ）、ｆｚ（Ｗｎ）にＷｎ′を代入して零点変化分−Δｗｓ１ｚ′と差圧変化分Δｖｓ１′を導く。
その上で、前述の（４）式において、差圧ｖｘを次式
ｖｘ＝（Ｖｘ−Δｖｓ１′）−Ｖ０
として、負荷荷重による差圧変化分の影響を除去する。

同様に、前述の（６）式において、被計量物の荷重Ｗｎを次式
Ｗｎ＝Ｋ・｛Ｗｘ−（Ｗｉ＋ｗｘ−Δｗｓ１ｚ′）−Ｗｚ｝
として、負荷荷重の大きさによる零点変化分の影響を除去する。

また、温度が変化した場合の（９）式や（１２）式についても同様の演算操作で対応させる。さらに、厳密な補償とするために気温を関数として考慮する場合には、複数種類の気体温度環境のもと、第１の実施形態において、「（２）差圧センサ１２の温度特性を考慮する必要がある場合」の欄（段落００４２参照）で述べた方法と同様の方法にて関数ｆｗ（Ｗｎ，θｘ）とｆｚ（Ｗｎ，θｘ）とを求めれば良い。

前記各実施形態では、図１に示されるようなロードセルに適用される例について述べたが、本発明は、図８に示されるような弾性体が柱型形状の、いわゆる圧縮型ロードセルであって、柱型弾性体の一部に設けられた起歪部を金属ケースにて密封することによって起歪部の周囲に気密室を形成したロードセルに対しても適用することができる。

また、前記各実施形態では、閉鎖空間である気密室内に窒素ガスを充填するものとしたが、この窒素ガスに代えて通常の空気を充填するようにしても良いし、あるいはシリコン樹脂などのゲル状物質を充填するようにしても良い。

また、前記各実施形態では、差圧センサを用いるものについて説明したが、センサ内部に基準圧力を持つ部屋を内蔵させてセンサ外部気圧を測定するようにした圧力センサを気密室の内外にそれぞれ取り付け、各圧力センサの出力信号の差を求めるようにしても良い。この場合、ロードセル外部に取り付ける圧力センサの設置位置は、ロードセル上であっても良いし、ロードセルから離れた制御装置内であっても良い。

また、各実施形態のロードセルにおいて、電気回路ユニット１４の機能を有する制御装置をロードセルの外部に置き、差圧センサの信号や温度センサの信号を荷重信号と共に制御装置へ送り、この制御装置の中に設けた演算回路にて荷重信号の圧力差補正を行うようにしても良い。

また、温度センサはロードセルの閉鎖空間内（気密室内）に設けるのが好ましいが、気密室の内外での温度差は小さいとみなし、気密室外に設けて大気温度を検出する方式とすることもできる。

なお、各実施形態における電気回路ユニット１４が、本発明における「荷重信号補正手段」に相当する。

本発明の第１の実施形態に係るロードセルの縦断面図 第１の実施形態のロードセルに装着される電気回路ユニットの回路構成図 差圧信号出力に対する荷重出力信号変化量の関係を示すグラフ 周囲温度に対するオフセット出力電圧の関係を示すグラフ 差圧信号出力に対する荷重出力信号変化量の関係を示すグラフ 第２の実施形態における負荷荷重に対する差圧変化量および零点変化量の関係を示すグラフ 従来のロードセルの一例を示す図 従来のロードセルの他の例を示す図 ベローズを装着した従来のロードセルの問題点を説明する図

符号の説明

１ ロードセル
２ ロードセル本体（起歪体）
２´ 気体注入孔
３ 内空部（気密室）
４ 荷重導入部
５ 起歪部
６ リード線
７ 回路基板
８ 気密端子
９ 導通ピン
１０ 配線ケーブル
１１ 接続金具
１２ 差圧センサ（差圧検出手段）
１３ 金属蓋
１４ 電気回路ユニット（荷重信号補正手段）
１５ 温度センサ（Ｐ．Ｓ）
１６ ゲージ（Ｔ．Ｓ）
１７ 電源ライン
１８ データバスライン
Ａ１，Ａ２ 増幅器
Ａ／Ｄ１〜Ａ／Ｄ３ アナログ・デジタル変換器
ＣＰＵ 中央演算処理装置
Ｉ／Ｏ 入出力回路
Ｇ_１〜Ｇ_４ ストレインゲージ
Ｍ メモリ

Claims (6)

1. ロードセル本体に形成された起歪部の一部もしくは全部が大気に対して閉鎖された閉鎖空間に配され、前記起歪部の歪みに応じて荷重信号が生成されるロードセルにおいて、
   前記荷重信号の変動を補正するために、前記閉鎖空間の有する圧力と、大気の有する圧力との差圧を検出する差圧検出手段を設けることを特徴とするロードセル。
2. 前記差圧検出手段により検出された差圧に基づいて、前記荷重信号の変動を補正する荷重信号補正手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
3. 前記荷重信号補正手段は、前記差圧検出手段により検出された差圧において、当該ロードセルの負荷荷重の大きさの変化を要因とする差圧変化を、他の要因による差圧変化と分離させて、前記荷重信号の変動を補正することを特徴とする請求項２に記載のロードセル。
4. 前記荷重信号補正手段は、前記閉鎖空間の温度または大気の温度に基づいて、前記荷重信号の変動に係る補正量を調整することを特徴とする請求項２に記載のロードセル。
5. 請求項１に記載のロードセルと、このロードセルに接続される制御装置とにより構成される重量測定装置であって、前記制御装置は、前記差圧検出手段により検出された差圧に基づいて、前記荷重信号の変動を補正する荷重信号補正手段を備えることを特徴とする重量測定装置。
6. 前記荷重信号補正手段は、前記閉鎖空間の温度または大気の温度に基づいて、前記荷重信号の変動に係る補正量を調整することを特徴とする請求項５に記載の重量測定装置。

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