JP2010133785A

JP2010133785A - 荷重検出装置

Info

Publication number: JP2010133785A
Application number: JP2008308645A
Authority: JP
Inventors: Toru Takahashi; 孝橋　　徹; Toshimitsu Matsuzaki; 敏満松▲崎▼
Original assignee: Yamato Scale Co Ltd
Current assignee: Yamato Scale Co Ltd
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: JP5362338B2

Abstract

【課題】曲げモーメントに起因する誤差成分を正確に補償する。
【解決手段】本発明に係るロードセル１０は、概略円柱状の起歪体１２を備えている。この起歪体１２に荷重Ｗが印加されると、当該起歪体１２の起歪部１８に歪が発生する。この歪は、ストレインゲージ２４，２４，…および２６，２６，…によって検出される。そして、この検出結果に基づいて、荷重Ｗの推定値である荷重検出値が求められる。なお、起歪体１２が傾斜すると、当該起歪体１２に曲げモーメントが作用し、この曲げモーメントによって、荷重検出値に誤差成分が含まれるようになる。この曲げモーメントは、起歪体１２の傾斜角度θと傾斜方向（傾斜方向角α）と荷重Ｗとに強く相関する。そこで、起歪体１２の傾斜角度θと傾斜方向とが、傾斜センサ３２によって検出され、この検出結果と荷重Ｗの推定値である荷重検出値とに基づいて、誤差成分が補償される。
【選択図】図２

Description

本発明は、荷重検出装置に関し、特に、荷重が印加される柱型の起歪体と、この起歪体に取り付けられており荷重の印加によって当該起歪体に発生する歪に応じた荷重検出信号を生成する荷重検出手段と、を具備する、荷重検出装置に関する。

この種の荷重検出装置においては、起歪体が正規姿勢であること、つまり起歪体が荷重の印加方向に沿って延伸していること、が前提とされる。この正規姿勢から起歪体が傾斜すると、起歪体に取り付けられた荷重検出手段が生成する荷重検出信号に誤差が生じる。例えば、特許文献１には、起歪体が傾斜すると、当該起歪体には荷重の分力が印加されることになるので、測定荷重が本来の荷重よりも少なくなることが、開示されている。これを補償するために、特許文献１に開示された従来技術（以下、第１の従来技術と言う。）では、起歪体の正規姿勢からの傾斜角度を検出する傾斜角検出手段が設けられており、この傾斜角検出手段によって検出された傾斜角度に応じた値で測定荷重が除算される。これにより、実際の荷重値が求められ、言わば起歪体に荷重分力が印加されることによる誤差が補償される。

また、起歪体が傾斜すると、当該起歪体に曲げモーメントが作用する。すると、起歪体が湾曲して、当該起歪体に曲げモーメントの大きさと作用方向とに応じた曲げ歪が発生する。特許文献２には、この曲げ歪の大きさと方向とによって、荷重検出信号（重量測定信号）に誤差が生じることが、開示されている。この曲げ歪（曲げモーメント）の大きさと方向とに起因する誤差を補償するために、特許文献２に開示された従来技術（以下、第２の従来技術と言う。）では、当該曲げ歪の大きさと方向とを検出する曲げ歪検出手段が、荷重検出手段（重量測定手段）とは別に、起歪体に設けられている。そして、この曲げ歪検出手段が出力する曲げ歪測定信号に基づいて、曲げ歪の大きさと方向とに起因する誤差が求められ、この誤差が荷重検出信号から除去されることで、当該誤差が補償される。

なお、第１の従来技術で補償対象とされているところの起歪体に荷重分力が印加されることによる誤差に比べて、第２の従来技術で補償対象とされているところの曲げ歪に起因する誤差の方が、遙かに大きい。加えて、第１の従来技術では、曲げ歪に起因する誤差を積極的に補償することができず、まして、当該曲げ歪の方向が誤差に影響することに注目してもいない。従って、第１の従来技術に比べると、第２の従来技術の方が、より高精度に荷重を検出できることが期待される。

特開２００１−２５５２１６号公報特開２００７−３３１２７号公報

ところで、起歪体に発生する曲げ歪の態様（生じ方）は、起歪体の部分ごとに異なり、例えば起歪体の中央部分と端部に近い部分とで異なる。また、起歪体の長さ寸法や断面積（径）によっても、当該曲げ歪の態様は異なる。従って、特に、第２の従来技術において、この曲げ歪に起因する誤差を正確に補償するには、荷重検出手段が設けられている位置での曲げ歪を正確に検出する必要がある。しかしながら、第２の従来技術では、荷重検出手段が設けられている位置とは別の位置に曲げ歪検出手段が設けられているため、この曲げ歪検出手段によって検出された曲げ歪と、荷重検出手段が設けられている位置での実際の曲げ歪と、の間に、差異が生じることがある。そうなると、荷重検出手段が設けられている位置での曲げ歪に起因する誤差を、これとは相関の小さい曲げ歪に関する情報に基づいて補償することになるので、正確な誤差補償を実現することができず、荷重検出精度が低下する。なお、第１の従来技術では、上述の如く曲げ歪に起因する誤差を積極的に補償することができず、しかも曲げ歪の方向が誤差に影響することに注目すらしていないため、論外である。

そこで、本発明は、起歪体が傾斜することに起因する誤差を従来よりも正確に補償することができる荷重検出装置を提供することを、目的とする。

この目的を達成するために、本発明の荷重検出装置は、荷重が印加される柱型の起歪体と、この起歪体に取り付けられており荷重の印加によって当該起歪体に発生する歪に応じた荷重検出信号を生成する荷重検出手段と、を具備する。ここで、荷重測定信号は、起歪体が正規姿勢から傾斜することに起因する誤差を含む。この誤差の影響を排除するべく、本発明の荷重検出装置は、起歪体の正規姿勢からの傾斜方向を検出する傾斜方向検出手段と、当該傾斜方向における起歪体の正規姿勢からの傾斜量を検出する傾斜量検出手段と、これら傾斜方向と傾斜量と上述の荷重検出信号とに基づいて誤差を補償する誤差補償手段と、をさらに具備する。

即ち、本発明によれば、起歪体の正規姿勢からの傾斜方向と、この傾斜方向における起歪体の正規姿勢からの傾斜量と、荷重検出手段が生成する荷重測定信号と、をパラメータとして、起歪体が傾斜することに起因する誤差、特に曲げ歪に起因する誤差、が補償される。これは、曲げ歪が、起歪体の正規姿勢からの傾斜方向と、この傾斜方向における起歪体の正規姿勢からの傾斜量と、起歪体に印加される荷重と、に強く相関することを、根拠とする。この相関は、例えば、上述した第２の従来技術における曲げ歪検出手段によって検出された曲げ歪と実際の曲げ歪との相関よりも、強い。従って、本発明によれば、第２の従来技術よりも、曲げ歪に起因する誤差を正確に補償することができる。また、厳密に言えば、起歪体が正規姿勢から傾斜することによって、第１の従来技術におけるのと同様の誤差、つまり起歪体に荷重分力が印加されることによる誤差、も生じる。この荷重分力が印加されることによる誤差は、起歪体の傾斜量に依存するが、本発明によれば、この傾斜量がパラメータに含まれているので、結果的に、当該荷重分力が印加されることによる誤差も併せて補償される。

なお、本発明における正規姿勢とは、詳しくは、起歪体の中心軸が、荷重の印加方向に沿う所定の基準軸と一致する状態にあるときの当該起歪体の姿勢のことを言う。そして、傾斜方向は、基準軸と直交する第１の平面において予め定められた基準方向と当該傾斜方向とが成す角度によって特定されるものとし、傾斜量は、当該傾斜方向に沿いかつ基準軸を含む第２の平面において当該基準軸と起歪体の中心軸とが成す角度によって特定されるものとする。また、傾斜量は、第２の平面において起歪体の中心軸と第１の平面とが成す角度によって特定されるものとしてもよい。

さらに、本発明では、起歪体の傾斜方向および傾斜量に関する情報を出力する情報出力手段を、さらに備えてもよい。このようにすれば、本発明の荷重検出装置を取り扱う作業者は、当該情報出力手段から出力される情報を参照することで、起歪体の傾斜方向および傾斜量を直観的に認識することができる。言い換えれば、起歪体が正規姿勢であるかどうかを認識することができる。これは、起歪体を含む荷重検出装置の設置作業時等に、極めて有用である。

上述したように、本発明によれば、第１の従来技術におけるのと同様の起歪体に荷重分力が印加されることによる誤差を補償することができる。加えて、第２の従来技術よりも曲げ歪に起因する誤差を正確に補償することができる。つまり、本発明によれば、起歪体が傾斜することによる誤差を総合的に補償することができるので、従来よりもさらに正確な誤差補償を実現することができる。

本発明の一実施形態について、図１〜図１１を参照して、説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る荷重検出装置としてのロードセル１０は、概略円柱状の起歪体１２を備えたいわゆる円柱（コラム）型と呼ばれるものであり、通常、当該起歪体１２を直立させた状態、つまり起歪体１２の中心軸１００を垂直方向に延伸させた状態で、設置される。このとき、起歪体１２の下端面１４は、図示しない設置台の設置面に当接される。そして、起歪体１２の上端面１４に、その上方から真下に向かう荷重Ｗが印加される。なお、起歪体１２の下端面１４は、下方に向かって比較的に大きな曲率で突出した曲面形状とされている。また、起歪体１２の上端面１６も、下端面１４と同程度の曲率で上方に向かって突出した曲面形状とされている。

起歪体１２の中心軸１００に沿う方向における中程の部分１８は、当該起歪体１２の両端部分２０および２２よりも径の小さい起歪部である。この起歪部１８は、荷重Ｗが印加されたときに、当該荷重Ｗに応じた歪を生じ、詳しくは、垂直方向に圧縮されると共に、水平方向に伸張される。この垂直方向の圧縮歪と水平方向の伸張歪とのそれぞれを検出するために、起歪部１８の側面には、圧縮歪検出用の荷重検出手段、例えば互いに同一規格である４つの概略長方形状のストレインゲージ２４，２４，…と、伸張歪検出用の荷重検出手段、例えば当該圧縮歪検出用のストレインゲージ２４，２４，…と同一規格である４つのストレインゲージ２６，２６，…とが、取り付けられている。

このうち、圧縮歪検出用のストレインゲージ２４，２４，…は、それぞれの長手方向が中心軸１００の延伸方向に沿い、かつ、それぞれの上方側または下方側の端縁（短辺）同士が中心軸１００と直交する同一平面上に位置し、さらに、中心軸１００を中心とする円の円周方向に沿って等間隔（つまり９０度置き）に配置されるように、例えば接着剤によって貼り付けられている。一方、伸張歪検出用のストレインゲージ２６，２６，…は、圧縮歪検出用のストレインゲージ２４，２４，…の下方に設けられており、それぞれの長手方向が中心軸１００を中心とする円の円周方向に沿い、かつ、それぞれの上方側または下方側の側縁（長辺）同士が中心軸１００と直交する同一平面上に位置し、さらに、当該中心軸１００を中心とする円の円周方向に沿って等間隔に配置されるように、やはり接着剤によって貼り付けられている。

これらのストレインゲージ２４，２４，…および２６，２６，…は、後述するホイートストンブリッジ回路２００を構成しており、当該ホイートストンブリッジ回路２００は、直流の電源電圧Ｖｓの供給を受けて、起歪部１８の歪に応じた電圧値、言い換えれば荷重Ｗに応じた電圧値、のアナログ荷重検出信号Ｖｗを生成する。従って、この荷重検出信号Ｖｗから荷重Ｗを求めることができ、厳密には当該荷重Ｗの推定値である荷重検出値Ｗ’を求めることができる。

さらに、起歪体１２の起歪部１８と両端部分２０および２２との各境界には、それぞれ概略鍔状のフランジ２８および３０が設けられている。そして、下方のフランジ２８の近傍、例えばその上面に、環状の静電容量式の傾斜センサ３２が、起歪部１８の下方端部３４の側面を取り囲むように設けられている。なお、この傾斜センサ３２については、後で詳しく説明する。

さて、このように構成されたロードセル１０は、例えばトラックスケールに用いられる。図には示さないが、トラックスケールにおいては、一般に、被計量物としてのトラックが載置される概略方形板状の計量台が設けられており、この計量台の下方の４隅に当該ロードセル１０が１台ずつ、つまり合計４台、配置される。そして、これら４台のロードセル１０から得られる４つの荷重検出値Ｗ’に基づいて、トラックの重量が求められる。

ここで、例えば、それぞれのロードセル１０の起歪体１２が上述の如く直立した状態にある、とする。この直立状態にあるときは、起歪体１２の下端面１４の中心Ｃｂが、設置台の設置面と接触（点接触）する。そして、起歪体１２の上端面１６の中心Ｃｕに、計量台の下面（裏面）が接触する。従って、計量台を含む負荷の荷重Ｗは、起歪体１２の上端面１６の中心Ｃｕに印加され、起歪体１２の下端面１４の中心Ｃｂには、設置台の設置面からの当該荷重Ｗの反力が印加される。

ところが、トラックの重量が大きい等の何らかの原因によって計量台が撓むと、例えば図２に誇張して示すように、起歪体１２が傾斜する。詳しくは、起歪体１２の中心軸１００が垂直方向、つまり荷重Ｗの印加方向、に対して或る角度θを成すようになる。すると、起歪体１２の上端面１６と計量台の下面との接触点、つまり荷重Ｗの印加点が、当該上端面１６の中心Ｃｕから別の点Ｃｕ’に変位する。そして、起歪体１２の下端面１４と設置面との接触点、つまり荷重Ｗの反力の印加点もまた、当該下端面１４の中心Ｃｂから別の点Ｃｂ’に変位する。この結果、起歪体１２に対して、その延伸方向を横切る方向の外力が作用し、いわゆる曲げモーメントが作用する。そして、この曲げモーメントによって、起歪体１２に曲げ歪が発生し、この曲げ歪によって、上述した荷重検出信号Ｖｗに誤差が生じ、ひいては荷重検出値Ｗ’に誤差成分Ｅが含まれるようになる。

この誤差成分Ｅを補償するべく、本実施形態では、次のような工夫が成されている。

即ち、誤差成分Ｅの要因となる起歪体１２の曲げ歪は、当該起歪体１２の傾斜角θに強く相関する。厳密には、当該曲げ歪は、荷重Ｗの印加点Ｃｕ’と当該荷重Ｗの反力の印加点Ｃｂ’とを通る直線１１０が荷重Ｗの印加方向（垂直方向）に対して成す角度φに相関する。ただし、傾斜角θが比較的に小さいとき、詳しくは最大許容傾斜角θｍａｘ以下（θ≦θｍａｘ）であるときは、この曲げ歪に相関する角度φは、当該傾斜角θに比例する。ゆえに、曲げ歪は、傾斜角θに強く相関することになる。

また、曲げ歪は、起歪体１２の傾斜方向にも相関する。つまり、起歪体１２の傾斜角θが同じであっても、当該起歪体１２の傾斜方向が違えば、曲げ歪も違ってくる。例えば、起歪体１２の下端面１４の中心Ｃｂを、原点Ｏとし、この原点Ｏを通る垂直軸を、Ｚ軸とし、さらに、図３に示すように、原点Ｏにおいて互いに直交する２つの水平軸を、それぞれＸ軸およびＹ軸とする。そして、Ｘ軸およびＹ軸を含むＸ−Ｙ平面（水平面）において、起歪体１２の中心軸１００がＸ軸に対して成す角度、詳しくは当該中心軸１００の投影線１２０がＸ軸に対して成す角度αを、起歪体１２の傾斜方向を表す傾斜方向角とする。この定義において、曲げ歪は、傾斜方向角αによって変わり、つまり傾斜方向角αに相関する。

そして、当然ながら、曲げ歪は、荷重Ｗにも相関する。詳しくは、荷重Ｗが大きいほど、曲げ歪は大きく、荷重Ｗが小さいほど、曲げ歪は小さい。

このように、曲げ歪は、起歪体１２の傾斜角θと傾斜方向角αと当該起歪体１２に印加される荷重Ｗとに強く相関する。このことから、曲げ歪に起因する上述の誤差成分Ｅは、これら傾斜角θと傾斜方向角αと荷重Ｗとを変数とする次の式１で表される。

《式１》
Ｅ＝ｆ（θ，α，Ｗ）

ゆえに、この式１において変数である傾斜角θと傾斜方向角αと荷重Ｗとが判明すれば、誤差成分Ｅを求めることができ、ひいては当該誤差成分Ｅを補償することができる。ただし、荷重Ｗについては未知であるので、実際には、この荷重Ｗに代えて（誤差成分Ｅを含む）荷重検出値Ｗ’が適用された次の式２によって、誤差成分Ｅが表される。

《式２》
Ｅ≒ｆ（θ，α，Ｗ’）

この式２における傾斜角θと傾斜方向角αとを求めるために、上述した傾斜センサ３２が設けられている。

傾斜センサ３２は、図４に示すように、環状の胴体３６を有しており、この胴体３６の上面側に、４つの湾曲状の溝４０，５０，６０，７０が形成されている。これらの溝４０，５０，６０，７０は、互いに同じ大きさであり、胴体３６が成す円の円周方向に沿って等間隔（９０度置き）に形成されている。このうちの１つの溝４０に注目すると、当該溝４０の内面、詳しくは胴体３６の中心に近い側の湾曲状の内面に、湾曲状の電極４２が貼着されている。そして、この電極４２と対向するように、溝４０の反対側の内面に、別の湾曲状の電極４４が貼着されている。さらに、溝４０の中には、それぞれの電極４２および４４の一部が浸る程度に、所定の誘電率を有する液体４６が注入されている。なお、他の溝５０，６０，７０についても同様に、それぞれの内面に１対の円弧状の電極５２および５４，６２および６４，７２および７４が貼着されると共に、それぞれの中に液体５６，６６，７６が注入されている。

そして、起歪体１２が直立した状態、言わば正規姿勢の状態、にあるとき、傾斜センサ３２は、上述したＺ軸が胴体３６の中心を通り、かつ、Ｘ軸を含む垂直面が溝４０内の電極４２および４４の表面と直交するように、設けられる。このとき、Ｘ軸を含む垂直面は、溝４０と対向する別の溝６０内の電極６２および６４の表面とも直交する。また、Ｙ軸を含む垂直面は、溝５０内の電極５２および５４の表面と直交すると共に、当該溝５０と対向する別の溝７０内の電極７２および７４の表面とも直交する。

なお、図４においては省略しているが、傾斜センサ３２の胴体３６の上面には、当該上面を全体的に覆うように、蓋が設けられている。また、傾斜センサ３２は、起歪体１２の起歪部１８の下方端部３４への着脱を可能とするために、２つの半円状センサ８０，９０を、それぞれの端面８２および８４，９２および９４において結合させたものである。

このように構成された傾斜センサ３２によれば、起歪体１２の傾き方によって、それぞれの溝４０，５０，６０，７０内の電極４２および４４，５２および５４，６２および６４，７２および７４と液体４６，５６，６６，７６との接触状態（接触面積）が変わり、これに伴い、当該電極４２および４４，５２および５４，６２および６４，７２および７４それぞれの相互間の静電容量Ｃｘ１，Ｃｙ１，Ｃｘ２，Ｃｙ２が変わる。従って、これらの静電容量Ｃｘ１，Ｃｙ１，Ｃｘ２，Ｃｙ２から、起歪体１２の傾斜角θおよび傾斜方向角αを求めることができる。

例えば、Ｘ軸方向に沿って配置された２組の電極４２および４４，６２および６４それぞれの相互間の静電容量Ｃｘ１，Ｃｘ２に基づいて、Ｘ軸方向傾斜信号Ｓｘが生成される。このＸ軸方向傾斜信号Ｓｘは、傾斜角θが大きいほど電圧値が高く、かつ、傾斜方向角αが小さいほど電圧値が高い信号である。そして、Ｙ軸方向に沿って配置された別の２組の電極５２および５４間，７２および７４間それぞれの静電容量Ｃｙ１，Ｃｙ２に基づいて、Ｙ軸方向傾斜信号Ｓｙが生成される。このＹ軸方向傾斜信号Ｓｙは、傾斜角θが大きいほど電圧値が高く、かつ、上述したＸ−Ｙ平面に投影された起歪体１２の中心軸１００がＹ軸に対して成す角度が小さいほど電圧値が高い信号である。

このようなＸ軸方向傾斜信号ＳｘとＹ軸方向傾斜信号Ｓｙとから、傾斜角θは、次の式３のように表される。なお、この式３におけるＫ，ｋｘおよびｋｙは、いずれも係数である。

《式３》
θ＝Ｋ・｛（ｋｘ・Ｓｘ）^２＋（ｋｙ・Ｓｙ）^２｝^１／２

そして、傾斜方向角αは、式４のように表される。

《式４》
α＝ｔａｎ^−１｛（ｋｙ・Ｓｙ）／（ｋｘ・Ｓｘ）｝

これらを念頭に置いて、次の手順により事前の調整作業が行われる。

まず、起歪体１２の基準方向となるＸ軸方向が定められ、例えば当該基準方向に所定のマークが付される。そして、起歪体１２に対して或る傾斜角θｏと或る傾斜方向角αｏとが与えられ、このときに得られるＸ軸方向傾斜信号ＳｘとＹ軸方向傾斜信号Ｓｙとが式３および式４に代入される。そして、式３から求められる傾斜角θが実際の傾斜角θｏと等価（θ＝θｏ）になり、かつ、式４から求められる傾斜方向角αが実際の傾斜方向角αｏと等価（α＝αｏ）になるように、各係数Ｋ，ｋｘおよびｋｙが定められる。

続いて、起歪体１２を含むロードセル１０が、図示しない荷重試験装置に装着される。ここで、起歪体１２が正規姿勢とされ、つまり傾斜角θがθ＝０°とされる。この状態で、起歪体１２にサンプル荷重Ｗ１が印加される。なお、サンプル荷重Ｗ１としては、例えば定格荷重Ｗｍの１／２の値（Ｗ１＝Ｗｍ／２）が採用される。そして、このときに得られる荷重検出値Ｗ’がサンプル荷重Ｗ１と等価（Ｗ’＝Ｗ１）になるように、ゼロ調整（オフセット調整）やスパン調整等が行われる。この調整後の荷重検出値Ｗ’（＝Ｗ１）は、誤差成分Ｅを含まない基準の荷重検出値Ｗｓ１とされる。

さらに、起歪体１２が正規姿勢であるときに、当該起歪体１２に別のサンプル、言わば第２サンプル荷重Ｗ２（≠Ｗ１）が、印加される。この第２サンプル荷重Ｗ２としては、例えば定格荷重Ｗｍと等価な値（Ｗ２＝Ｗｍ）が採用される。この第２サンプル荷重Ｗ２が印加されたときに得られる荷重検出値Ｗ’は、基本的に当該第２サンプル荷重Ｗ２と等価（Ｗ’＝Ｗ２）になる。そして、この第２のサンプル荷重Ｗ２と等価な荷重検出値Ｗ’（＝Ｗ２）は、第２の基準荷重検出値Ｗｓ２とされる。

このようにして第１の基準荷重検出値Ｗｓ１と第２の基準荷重検出値Ｗｓ２とが取得された後、傾斜方向角αがα＝０°となる方向に向けて、傾斜角θが或る角度、例えばθ＝０．５°となるように、起歪体１２が傾けられる。この状態で、起歪体１２に第１サンプル荷重Ｗ１（＝Ｗｍ／２）が印加され、このときに得られる荷重検出値Ｗ’の第１基準荷重検出値Ｗｓ１（＝Ｗ１）に対する誤差Ｅ１１０（＝Ｗ’−Ｗｓ１）が求められる。

次いで、傾斜方向角αがα＝９０°となる方向に向けて、傾斜角θがθ＝０．５°となるように、起歪体１２が傾けられる。この状態で、起歪体１２に第１サンプル荷重Ｗ１が印加され、このときに得られる荷重検出値Ｗ’の第１基準荷重検出値Ｗｓ１に対する誤差Ｅ２１０が求められる。

さらに、傾斜方向角αがα＝１８０°とされ、傾斜角θがθ＝０．５°とされる。この状態で、起歪体１２に第１サンプル荷重Ｗ１が印加され、このときに得られる荷重検出値Ｗ’の第１基準荷重検出値Ｗｓ１に対する誤差Ｅ３１０が求められる。

そして、傾斜方向角αがα＝２７０°とされ、傾斜角θがθ＝０．５°とされる。この状態で、起歪体１２に第１サンプル荷重Ｗ１が印加され、このときに得られる荷重検出値Ｗ’の第１基準荷重検出値Ｗｓ１に対する誤差Ｅ４１０が求められる。

このように傾斜角θがθ＝０．５°とされ、傾斜方向角αがα＝０°，９０°，１８０°および２７０°というように順次変更され、起歪体１２に第１サンプル荷重Ｗ１が印加されたときの各誤差Ｅ１１０，Ｅ２１０，Ｅ３１０およびＥ４１０が求められた後、次に、傾斜角θがθ＝１．０°とされる。そして、同様に、傾斜方向角αがα＝０°，９０°，１８０°および２７０°と順次変更され、起歪体１２に第１サンプル荷重Ｗ１が印加されたときの各誤差Ｅ１２０，Ｅ２２０，Ｅ３２０およびＥ４２０が求められる。

さらに、傾斜角θがθ＝１．５°とされる。そして、同様に、傾斜方向角αがα＝０°，９０°，１８０°および２７０°と順次変更され、起歪体１２に第１サンプル荷重Ｗ１が印加されたときの各誤差Ｅ１３０，Ｅ２３０，Ｅ３３０およびＥ４３０が求められる。

そしてさらに、傾斜角θがθ＝２．０°とされる。このθ＝２．０°という傾斜角θは、上述した最大許容傾斜角θｍａｘである。つまり、本実施形態における起歪体１２は、その傾斜角θがθ＝２．０°という最大許容傾斜角θｍａｘに至るまで傾斜可能とされている。そして、この最大許容傾斜角θｍａｘにおいても、同様に、傾斜方向角αがα＝０°，９０°，１８０°および２７０°というように順次変更され、起歪体１２に第１サンプル荷重Ｗ１が印加されたときの各誤差Ｅ１４０，Ｅ２４０，Ｅ３４０およびＥ４４０が求められる。

このように、傾斜角θが０．５°という適当な間隔で段階的に変更され、併せて、傾斜方向角αが９０°という適当な間隔で段階的に変更され、この状態で、起歪体１２に第１サンプル荷重Ｗ１が印加されたときの各誤差Ｅ１１０〜Ｅ４４０が、求められる。そして、これらの誤差Ｅ１１０〜Ｅ４４０は、図５に示すようにテーブル（一覧）に纏められる。なお、このテーブルに纏められた各傾斜角θ（＝０．５°，１．０°，１．５°および２．０°）と、各傾斜方向角α（＝０°，９０°，１８０°および２７０°）と、各誤差Ｅ１１０〜Ｅ４４０と、の関係をグラフで表すと、例えば図６に示すようになる。

これと同じ要領で、傾斜角θがθ＝０．５°，１．０°，１．５°および２．０°というように順次変更され、併せて、傾斜方向角αがα＝０°，９０°，１８０°および２７０°というように順次変更され、この状態で、起歪体１２に第２サンプル荷重Ｗ２（＝Ｗｍ）が印加されたときに得られる荷重検出値Ｗ’の第２基準荷重検出値Ｗｓ２（＝Ｗ２）に対する各誤差Ｅ１１１〜Ｅ４４１（＝Ｗ’−Ｗｓ２）が求められる。そして、これらの誤差Ｅ１１１〜Ｅ４４１もまた、図７に示すようにテーブルに纏められる。

これらのテーブルの作成をもって、調整作業が終了する。そして、この調整作業の終了後、実際にロードセル１０が設置され、運用される。この運用時においては、次のようにして誤差補償が行われる。

即ち、今、上述したトラックが計量台に載置されることによって、ロードセル１０（起歪体１２）に或る荷重Ｗが印加された、とする。そして、このときの傾斜角θが式３から判明し、併せて、傾斜方向角αが式４から判明した、とする。

すると、まず、現在の傾斜角θと現在の傾斜方向角αとにある起歪体１２に第１サンプル荷重Ｗ１が印加される状況が、仮定される。そして、この仮定に従う誤差成分Ｅとしての仮想誤差ｅ１が求められる。

例えば、現在の傾斜角θが０．５°よりも大きくかつ１．０°よりも小さい（０．５°＜θ＜１．０）、とする。併せて、現在の傾斜方向角αが０°よりも大きくかつ９０°よりも小さい（０°＜α＜９０°）、とする。この場合、図５に示した第１サンプル荷重Ｗ１印加時のテーブルにおいて、現在の傾斜角θと現在の傾斜方向角αとに近い条件、つまり傾斜角θがθ＝０．５°またはθ＝１．０°であり、かつ傾斜方向角αがα＝０°またはα＝９０°である、という条件、に対応する４つの誤差Ｅ１１０，Ｅ２１０，Ｅ１２０およびＥ２２０が特定される。そして、図８に示すように、傾斜角θがθ＝０．５°であり、併せて、傾斜方向角αが０°よりも大きくかつ９０°よりも小さいときには、傾斜方向角αの変化に応じて誤差成分Ｅが比例する、という前提の下、現在の傾斜方向角αに対応する第１の仮想誤差ｅ１１が求められる。つまり、次の式５に基づいて、第１の仮想誤差ｅ１１が求められる。

《式５》
ｅ１１＝（α／９０°）・（Ｅ２１０−Ｅ１１０）＋Ｅ１１０

これと同様に、傾斜角θがθ＝１．０°であり、併せて、傾斜方向角αが０°よりも大きくかつ９０°よりも小さいときには、傾斜方向角αの変化に応じて誤差成分Ｅが比例する、という前提の下、次の式６に基づいて、現在の傾斜方向角αに対応する第２の仮想誤差ｅ１２が求められる。

《式６》
ｅ１２＝（α／９０°）・（Ｅ２２０−Ｅ１２０）＋Ｅ１２０

さらに、現在の傾斜方向角αにおいて、傾斜角θが０．５°よりも大きくかつ１．０°よりも小さいときには、傾斜角θの変化に応じて誤差成分Ｅが比例する、という前提の下、第１の仮想誤差ｅ１１と第２の仮想誤差ｅ１２とを含む次の式７に基づいて、現在の傾斜角θと現在の傾斜方向角αとにある起歪体１２に第１サンプル荷重Ｗ１が印加されたと仮定したときの仮想誤差ｅ１が求められる。

《式７》
（θ−０．５°）／（１．０°−０．５）＝（ｅ１−ｅ１１）／（ｅ１２−ｅ１１）
∴ｅ１＝［｛（θ−０．５°）・（ｅ１２−ｅ１１）｝／０．５］＋ｅ１１

そして、これと同じ要領で、現在の傾斜角θと現在の傾斜方向角αとにある起歪体１２に第２サンプル荷重Ｗ２が印加されたと仮定したときの仮想誤差ｅ２が求められる。つまり、図７に示した第２のサンプル荷重Ｗ２印加時のテーブルにおいて、現在の傾斜角θと現在の傾斜方向角αとに近い条件に対応する４つの誤差Ｅ１１１，Ｅ２１１，Ｅ１２１およびＥ２２１が特定される。そして、このうちの傾斜角θがθ＝０．５°であるときの誤差Ｅ１１１およびＥ２１１に基づいて、現在の傾斜方向角αに対応する第１の仮想誤差ｅ２１が求められる。併せて、傾斜角θがθ＝１．０°であるときの誤差Ｅ１２１およびＥ２２１に基づいて、現在の傾斜方向角αに対応する第２の仮想誤差ｅ２２が求められる。さらに、これら第１の仮想誤差ｅ２１と第２の仮想誤差ｅ２２とに基づいて、現在の傾斜角θと現在の傾斜方向角αと第２サンプル荷重Ｗ２とに対応する仮想誤差ｅ２が求められる。

このように、現在の傾斜角θと現在の傾斜方向角αと第１サンプル荷重Ｗ１とに対応する仮想誤差ｅ１と、現在の傾斜角θと現在の傾斜方向角αと第２サンプル荷重Ｗ２とに対応する仮想誤差ｅ２と、が求められた後、これらの仮想誤差ｅ１およびｅ２と各サンプル荷重Ｗ１およびＷ２との関係に基づいて、現在の傾斜角θと現在の傾斜方向角αと実際の荷重Ｗとに対応する誤差成分Ｅが求められる。具体的には、誤差成分Ｅがｐという符号で表されると共に、当該誤差成分ｐが荷重Ｗのみを変数とする次の式８のような２次関数で表される。

《式８》
ｐ＝ｆ（Ｗ）＝ａ・Ｗ・（Ｗ−ｂ）＝ａ・Ｗ^２−ａ・ｂ・Ｗ

この式８において、ａおよびｂは、いずれも係数である。そして、この式８によって表される誤差成分ｐと荷重Ｗとの関係は、例えば図９のようになる。従って、この式８における誤差成分ｐと荷重Ｗとに、上述の仮想誤差ｅ１と第１サンプル荷重Ｗ１とが代入された第１の式と、仮想誤差ｅ２と第２サンプル荷重Ｗ２とが代入された第２の式と、の連立方程式を解くことで、当該式８における各係数ａおよびｂ、特にａおよびａ・ｂを、求めることができる。例えば、係数ａは、次の式９のように求められ、係数ａ・ｂは、式１０のように求められる。

《式９》
ａ＝（Ｗ１・ｅ２−Ｗ２／ｅ１）／｛Ｗ１・Ｗ２・（Ｗ２−Ｗ１）

《式１０》
ａ・ｂ＝（Ｗ１^２・ｅ２−Ｗ２^２／ｅ１）／｛Ｗ１・Ｗ２・（Ｗ２−Ｗ１）

ゆえに、これらの係数ａおよびａ・ｂが式８に代入されると共に、実際の荷重Ｗが当該式８に代入されることで、実際の荷重Ｗに対応する誤差成分ｐが求められる。ただし、上述したように実際の荷重Ｗは未知であるので、これに代えて、（誤差成分Ｅを含む）荷重検出値Ｗ’が適用された次の式１１によって、誤差成分ｐが求められる。

《式１１》
ｐ≒ｆ（ｑ’）＝ａ・ｑ’^２−ａ・ｂ・ｑ’

そして、この式１１に基づいて求められた誤差成分ｐがＥという元の符号で表されると共に、この誤差成分Ｅが荷重検出値Ｗ’から差し引かれることによって、つまり次の式１２によって、当該誤差成分Ｅが補償された正確な荷重検出値Ｗ”が求められる。

《式１２》
Ｗ”＝Ｗ’−Ｅ

この誤差補償を実現するために、本実施形態のロードセル１２は、電気的には図１０に示すように構成されている。

即ち、圧縮歪検出用の４つのストレインゲージ２４，２４，…と、伸張歪検出用の４つのストレインゲージ２６，２６，…とによって、上述したホイートストンブリッジ回路２００が構成されている。具体的には、図１（ｂ）に示した構成と図４（ａ）に示した構成とから分かるように、圧縮歪検出用の４つのストレインゲージ２４，２４，…のうちの２つは、Ｘ軸を含む垂直面と直交し、他の２つは、Ｙ軸を含む垂直面と直交する。伸張歪検出用の４つのストレインゲージ２６，２６，…についても同様に、このうちの２つは、Ｘ軸を含む垂直面と直交し、他の２つは、Ｙ軸を含む垂直面と直交する。

そして、Ｘ軸方向に沿って配置された２つの圧縮歪検出用のストレインゲージ２４，２４が互いに直列接続されると共に、当該Ｘ軸方向に沿って配置された２つの伸張歪検出用のストレインゲージ２６，２６が互いに直列接続され、さらに、これら２つの直列回路が互いに直列接続される。これと同様に、Ｙ軸方向に沿って配置された２つの圧縮歪検出用のストレインゲージ２４，２４が互いに直列接続されると共に、当該Ｙ軸方向に沿って配置された２つの伸張歪検出用のストレインゲージ２６，２６が互いに直列接続され、さらに、これら２つの直列回路が互いに直列接続される。

そして、Ｘ軸方向に沿う２つの圧縮歪検出用のストレインゲージ２４，２４の直列回路とＹ軸方向に沿う２つの圧縮歪検出用のストレインゲージ２４，２４の直列回路とが対辺を成し、かつ、Ｘ軸方向に沿う２つの伸張歪検出用のストレインゲージ２６，２６の直列回路とＹ軸方向に沿う２つの伸張歪検出用のストレインゲージ２６，２６の直列回路とが互いに対向する対辺を成すように、これらの直列回路がブリッジ接続される。これにより、ホイートストンブリッジ回路２００が構成される。

そして、このホイートストンブリッジ回路２００に、上述した直流の電源電圧Ｖｓが供給される。詳しくは、Ｘ軸方向に沿う２つの圧縮歪検出用のストレインゲージ２４，２４の直列回路と当該Ｘ軸方向に沿う２つの伸張歪検出用のストレインゲージ２６，２６の直列回路との相互接続点と、Ｙ軸方向に沿う２つの圧縮歪検出用のストレインゲージ２４，２４の直列回路と当該Ｙ軸方向に沿う２つの伸張歪検出用のストレインゲージ２６，２６の直列回路との相互接続点と、の間に、当該電源電圧Ｖｓの供給を受けて、ホイートストンブリッジ回路２００は、荷重Ｗに応じた荷重検出信号Ｖｗを出力する。詳しくは、Ｘ軸方向に沿う２つの圧縮歪検出用のストレインゲージ２４，２４の直列回路とＹ軸方向に沿う２つの伸張歪検出用のストレインゲージ２６，２６の直列回路との相互接続点と、Ｘ軸方向に沿う２つの伸張歪検出用のストレインゲージ２６，２６の直列回路とＹ軸方向に沿う２つの圧縮歪検出用のストレインゲージ２４，２４の直列回路との相互接続点と、の間から、当該荷重検出信号Ｖｗが出力される。

この荷重検出信号Ｖｗは、荷重検出回路２０２に入力され、ここでアナログのフィルタリング処理や増幅処理を施される。そして、この処理後の荷重検出信号Ｖｗ’は、Ａ／Ｄ変換回路２０４によってディジタル信号に変換された後、演算回路２０６に入力される。なお、荷重検出回路２０２は、ホイートストンブリッジ回路２００への電源電圧Ｖｓの供給をも担う。

併せて、傾斜センサ３２の各電極４２および４４，５２および５４，６２および６４，７２および７４それぞれの相互間の静電容量Ｃｘ１，Ｃｙ１，Ｃｘ２，Ｃｙ２が、静電容量検出回路２０８によって検出される。この検出結果に基づいて、静電容量検出回路２０８は、上述したＸ軸方向傾斜信号ＳｘおよびＹ軸方向傾斜信号Ｓｙを生成する。これらのＸ軸方向傾斜信号ＳｘおよびＹ軸方向傾斜信号Ｓｙは、それぞれ別個のＡ／Ｄ変換回路２１０および２１２によってディジタル信号に変換された後、演算回路２０６に入力される。

演算回路２０６は、図示しないＣＰＵ（Central Processing
Unit）を有しており、Ａ／Ｄ変換回路２０４から入力されるディジタル化された荷重検出信号Ｖｘ’に基づいて、荷重検出値Ｗ’を求める。また、Ａ／Ｄ変換回路２１０および２１２からそれぞれ入力されるディジタル化されたＸ軸方向傾斜信号ＳｘおよびＹ軸方向傾斜信号Ｓｙに基づいて、傾斜角θおよび傾斜方向角αを求める。そして、これら荷重検出値Ｗ’，傾斜角θおよび傾斜方向角αに基づいて、誤差成分Ｅが補償された正確な荷重検出値Ｗ”を上述した要領で求める。

この演算回路２０６によって求められた正確な荷重検出値Ｗ”に関するデータは、外部端子２１４に接続された信号ライン３００を介して、図示しないデータプロセッサに送られる。データプロセッサは、このデータ（厳密には４台のロードセル１０から得られる４つの荷重検出値Ｗ”）に基づいて、トラックの重量を求める。そして、求めたトラックの重量を、図示しないディスプレイに表示する。

さらに、演算回路２０６は、傾斜角θおよび傾斜方向角αに関するデータをも、信号ライン３００を介して、データプロセッサに送る。データプロセッサは、このデータに基づいて、それぞれのロードセル１０（起歪体１２）の傾斜角θおよび傾斜方向角αをも、ディスプレイに表示する。従って、このロードセル１０を含むトラックスケールを取り扱う作業者は、これら傾斜角θおよび傾斜方向角αを参照することで、当該ロードセル１０の姿勢を確認することができ、言い換えればロードセル１０が正規姿勢であるか否かを確認することができる。これは、ロードセル１０の設置作業時等に、極めて有用である。

一方、データプロセッサからそれぞれのロードセル１０に対して、信号ライン３００とは別の電源ライン３０２を介して、当該ロードセル１０を構成する各回路要素を駆動するための直流の電源電圧Ｖｄが供給される。この電源電圧Ｖｄは、まず、電源回路２１６に供給される。電源回路２１６は、この電源電圧Ｖｄを基に、荷重検出回路２０２をはじめとする各回路を駆動するための複数種類の直流電圧Ｖｄ’，Ｖｄ”，…を生成する。そして、これらの直流電圧Ｖｄ’，Ｖｄ”，…が、各回路へ適宜に供給される。

なお、演算回路２１６は、図示しないメモリを有しており、このメモリには、当該演算回路２１６（ＣＰＵ）の動作を制御するためのプログラムが記憶されている。また、演算回路２１６は、上述した調整作業時に必要な処理（演算）をも実行する。そして、この調整作業時に得られた上述の図５および図７に示した各テーブルもまた、メモリに記憶される。

以上のように、本実施形態によれば、曲げ歪に起因する誤差成分Ｅが、起歪体１２の傾斜角θと傾斜方向角αと当該起歪体１２に印加される荷重Ｗとに強く相関することを根拠として、当該誤差成分Ｅが、これら傾斜角θと傾斜方向αと荷重Ｗとを変数とする上述した式１で表される関数（Ｅ＝ｆ（θ，α，Ｗ））として取り扱われ、実際には、荷重Ｗに代えて荷重検出値Ｗ’を変数とする上述の式２で表される関数（Ｅ＝ｆ（θ，α，Ｗ’））として取り扱われる。ここで、この式２における各変数θ，αおよびＷ’と誤差成分Ｅとの相関は、例えば、上述の第２の従来技術における曲げ歪検出手段によって検出された曲げ歪と実際の曲げ歪との相関よりも、強い。従って、本実施形態によれば、第２の従来技術に比べて、曲げ歪に起因する誤差成分Ｅをより正確に補償することができる。

また、厳密に言えば、誤差成分Ｅには、第１の従来技術におけるのと同様の誤差、つまり起歪体１２に荷重Ｗの分力が印加されることによる誤差、が含まれている。この荷重Ｗの分力が印加されることによる誤差は、起歪体の傾斜角θに依存するが、本実施形態では、この傾斜角θが上述の式２に変数として含まれており、つまり誤差成分Ｅを求めるためのパラメータとして含まれている。従って、結果的に、本実施形態によれば、当該荷重Ｗの分力が印加されることによる誤差も補償されることになる。

即ち、本実施形態によれば、起歪体１２が傾斜することに起因する誤差成分Ｅを、曲げ歪によるものおよび起歪体１２に荷重Ｗの分力が印加されることによるものを含め、総合的に補償することができる。ゆえに、従来よりもさらに正確な誤差補償を実現することができる。

なお、本実施形態においては、ロードセル１０の用途として、トラックスケールを例示したが、これに限定されないことは、言うまでもない。

また、起歪体１２が直立した状態にあることを正規姿勢としたが、これに限らない。要するに、正規姿勢とは、起歪体１２に対して曲げモーメントが作用しない状態のことを言う。ゆえに、起歪体１２が非直立状態にあるときに正規姿勢であることもあり、このようなケースにも、本発明を適用することができる。

さらに、起歪体１２として概略円柱状のものを採用したが、これに限らない。例えば、概略角柱状のもの等のように、当該円柱状以外の形状のものを、採用してもよい。

そして、傾斜角θを求めるための上述の式３において、係数Ｋを省略してもよい。即ち、式３における係数Ｋは、それ以外の要素（｛（ｋｘ・Ｓｘ）^２＋（ｋｙ・Ｓｙ）^２｝^１／２）を傾斜角θという角度に変換するための言わば変換係数であり、この係数Ｋ以外の要素によれば、傾斜角θに比例した傾斜量を求めることができる。従って、傾斜角θに代えて、この傾斜量（＝｛（ｋｘ・Ｓｘ）^２＋（ｋｙ・Ｓｙ）^２｝^１／２）を用いることで、誤差成分Ｅを求め、ひいては誤差補償を行ってもよい。

また、図８を参照しながら説明した各仮想誤差ｅ１１，ｅ１２およびｅ１を求める際に、傾斜方向角αまたは傾斜角θの変化に応じて誤差成分Ｅが比例することを前提としたが、要するに直線近似法を用いたが、これに限らない。例えば、最小自乗法やニュートン近似法等の他の公知の手法を用いて、当該各仮想誤差ｅ１１，ｅ１２およびｅ１を求めてもよい。ただし、この場合、事前の調整作業において、より多くの（傾斜角θ，傾斜方向角αおよびサンプル荷重についての）データを採取する必要がある。このことは、他の仮想誤差ｅ２１，ｅ２２およびｅ２を求める際も、同様である。

さらに、図９に示したように、誤差成分ｐ（＝Ｅ）を荷重Ｗの２次関数として定義したが、これに限らない。例えば、図１１に示すように、誤差成分ｐが荷重Ｗに比例するものとみなして、当該誤差成分ｐを荷重Ｗの１次関数として定義してもよい。この場合、事前の調整作業におけるサンプル荷重が１つのみ（例えば第１サンプル荷重Ｗ１および第２サンプル荷重Ｗ２のいずれか一方のみ）で足り、当該調整作業が簡素化される。

そして、本実施形態では、１つの傾斜センサ３２によって、傾斜角度検出手段と傾斜方向検出手段との両方を構成したが、これに限らない。即ち、傾斜角度検出手段としての傾斜センサと、傾斜方向検出手段としての傾斜センサとを、それぞれ別個に設けてもよい。また、この傾斜センサ３２として、図４に示した構成のものを採用したが、これ以外の構成のものを採用してもよい。また、静電容量式以外のものを採用してもよい。

本発明の一実施形態に係るロードセルの概略構成を示す図である。同実施形態におけるロードセルが傾斜した状態を示す図解図である。同実施形態におけるロードセルが傾斜した状態にあるときの傾斜角および傾斜方向角の定義を示す図解図である。同実施形態における傾斜センサの構成を示す図である。同実施形態における調整作業によって得られた傾斜角と傾斜方向角と誤差成分との関係が纏められたテーブルの内容を示す図解図である。図５のテーブルの内容をグラフで示す図解図である。図５とは異なる条件下で得られたテーブルの内容を示す図解図である。同実施形態における誤差補償の手順を示す図解図である。図８とは別の過程の手順を示す図解図である。同実施形態におけるロードセルの電気的な構成を示すブロック図である。図９の別例を示す図解図である。

符号の説明

１０ロードセル
１２起歪体
２４，２６ストレインゲージ
３２傾斜センサ
２０６演算回路

Claims

荷重が印加される柱型の起歪体と、
上記起歪体に取り付けられており上記荷重の印加によって該起歪体に発生する歪に応じた荷重検出信号を生成する荷重検出手段と、
を具備する荷重検出装置において、
上記荷重検出信号は上記起歪体が正規姿勢から傾斜することに起因する誤差を含み、
上記起歪体の上記正規姿勢からの傾斜方向を検出する傾斜方向検出手段と、
上記傾斜方向における上記起歪体の上記正規姿勢からの傾斜量を検出する傾斜量検出手段と、
上記傾斜方向と上記傾斜量と上記荷重検出信号とに基づいて上記誤差を補償する誤差補償手段と、
をさらに具備することを特徴とする、荷重検出装置。
上記正規姿勢は上記起歪体の中心軸が上記荷重の印加方向に沿う所定の基準軸と一致する状態にあるときの該起歪体の姿勢であり、
上記傾斜方向は上記基準軸と直交する第１の平面において予め定められた基準方向と該傾斜方向とが成す角度によって特定され、
上記傾斜量は上記傾斜方向に沿いかつ上記基準軸を含む第２の平面において該基準軸と上記起歪体の中心軸とが成す角度または上記第１の平面と該起歪体の中心軸とが成す角度によって特定される、
請求項１に記載の荷重検出装置。
上記傾斜方向および上記傾斜量の一方または両方に関する情報を出力する情報出力手段をさらに備える、
請求項１または２に記載の荷重検出装置。