JP2013190353A - 計量装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計測データに含まれる振動成分を大幅に減少させることができ、正確な計量値を迅速に得ることのできる計量装置及び方法を提供する。
【解決手段】本発明が適用されたウェイトチェッカー１０は、被計量物１２を計量して計量信号を出力する計量機構２２と、計量機構２２から出力された計量信号に基づいて計量値を演算する制御装置２４と、を備える。制御装置２４は、計量信号を二回微分するとともに補正係数を乗算して微分処理信号を生成する第１微分処理部４２、第２微分処理部４４、補正係数乗算処理部４６と、計量信号から微分処理信号を減算する減算処理部４８と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は計量装置及び方法に係り、特にウェイトチェッカーのように迅速で正確な計量を必要とする計量装置及び方法に関する。

製品の良否を判定する装置としてウェイトチェッカーが知られている。ウェイトチェッカーは、製品を搬送するコンベアと、そのコンベアに接続された計量機構を備えており、コンベアで製品を搬送しながら計量機構で計量を行うように構成される。このウェイトチェッカーで得られた計量値に基づいて、製品の良否判定が行われる。

ところで、ウェイトチェッカーでは計量データに振動が生じることが知られており、正確な計量が難しいという問題がある。特に近年では、製品を毎分数十ｍもの高速で搬送するため、計量値が安定する前に一瞬で搬送を終えてしまい、正確な計量ができない。

そこで特許文献１は、振動の主要因としてコンベアの回転体に着目し、その主要因に基づく誤差を取り除いている。具体的には、回転体の速度及び被計量物の重量に基づいて補正用信号を生成し、これを検出信号から引くことによって計量値を求めている。

特開2011-12993

しかしながら、特許文献１は、回転に基づく振動成分しか除去することができないという問題がある。実際、ウェイトチェッカーには回転以外の要因による振動が生じており、特許文献１の装置はこの振動を除去することができず、計量値が不正確になる。

このような問題に対して、周波数解析などの演算処理を行い、振動成分を除去する方法が考えられる。すなわち、計測データをある程度蓄積し、その蓄積した計測データを周波数解析することによって振動成分を求めた後、その振動成分を計測データから除算する方法が考えられる。このような方法によれば、振動成分が取り除かれた正確な計測値を求めることができる。

しかしながら、このような方法では、計測データを蓄積する時間や、計測データを周波数解析処理するための時間が必要になる。したがって、リアルタイム制御を行うことができず、ウェイトチェッカーのように迅速な計量が必要となる装置には適用できない。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたものであり、正確な計量値を迅速に得ることのできる計量装置及び方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、被計量物を計量して計量信号を出力する計量手段と、前記計量手段から出力された計量信号に基づいて計量値を演算する演算手段と、を備えた計量装置において、前記演算手段は、前記計量信号を二回微分するとともに補正係数を乗算し、微分処理信号を生成する微分処理信号生成部と、前記計量信号から前記微分処理信号を減算する減算処理部と、を備えたことを特徴とする計量装置を提供する。

本発明の発明者は、計量信号を二回微分して微分処理信号を生成し、その微分処理信号を計量信号から減算することによって、計量信号の振動成分（特に共振成分）が大幅に減少するという知見を得た。本発明はこのような知見に基づいて成されたものであり、上記の演算処理を行うようにしたので、振動成分が大幅に減少した正確な計量値を求めることができる。また、本発明は、微分処理や減算処理等の簡単な演算処理だけなので、非常に迅速な処理が可能であり、リアルタイム制御が可能である。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記補正係数は、前記計量手段が前記被計量物を計量していない無負荷状態での計量信号に基づいて得られることを特徴とする。本発明によれば、被計量物を計測していない無負荷状態で計量を行い、補正係数を得るようにしたので、計量装置ごとに異なる補正係数を簡単且つ正確に求めることができる。

請求項３に記載は請求項１または２の発明において、前記演算手段は、前記計量手段からの計量信号に対してフィルタ処理を行うフィルタ処理部を備え、該フィルタ処理部で所定の周波数を除去した計量信号に対して、前記微分処理を行うことを特徴とする。請求項３の発明によれば、フィルタ処理によって所定の周波数帯の振動成分を除去することができ、さらに、フィルタ処理で処理できなかった特定の周波数帯の振動成分を微分処理等によって大幅に減少させることができる。たとえば、高周波の振動成分をフィルタ処理によって除去し、低周波の振動成分を微分処理と減算処理で大幅に減少させることができる。これにより、従来は迅速に除去することが難しかった低周波の共振成分を大幅に減少させた正確な計測データを迅速に得ることができる。

請求項４に記載の発明は請求項１〜３のいずれか１において、前記計量装置はウェイトチェッカーであり、前記被計量物を搬送する搬送手段と、該搬送手段を計量する前記計量手段とを備えることを特徴とする。本発明は、特にウェイトチェッカーのように被計量物を搬送しながら計量する装置において有効である。

請求項５に記載の発明は前記目的を達成するために、被計量物を計量して計量信号を出力する計量ステップと、前記計量ステップで出力された計量信号に二回の微分処理を施すとともに補正計数を乗算して微分処理信号を生成する微分処理信号生成ステップと、前記計量信号から前記微分処理信号を減算する減算ステップと、を有することを特徴とする計量方法を提供する。

本発明によれば、計量信号を二回微分して微分処理信号を生成し、この微分処理信号を計量信号から減算するようにしたので、振動成分が大幅に減少した正確な計量値を迅速に求めることができる。

本発明が適用されたウェイトチェッカーを示す概略構成図 本実施の形態の制御装置を示すブロック図 本実施の形態の作用を説明する説明図 本実施の形態をモデルとして説明する説明図

添付図面に従って本発明に係る計量装置及び方法の好ましい実施形態について説明する。図１は本発明が適用されたウェイトチェッカー１０の構成を模式的に示している。同図に示すウェイトチェッカー１０は、上流側のコンベア１４から受け渡された被計量物１２を搬送して下流側のコンベア１６に受け渡すとともに、その搬送中に被計量物１２の計量を行う装置であり、主としてコンベア２０、計量機構２２、制御装置２４で構成される。

コンベア２０は、被計量物１２を上流側のコンベア１４から下流側のコンベア１６に搬送するものであればよく、たとえば一対のローラ２６、２６に無端状のベルト２８を巻き掛けて構成され、ローラ２６を不図示のモータで回転駆動することによってベルト２８が周回し、被計量物１２が搬送されるようになっている。なお、コンベア２０と上流側のコンベア１４との間にセンサ（不図示）を設け、このセンサで被計量物１２を検出した際に計量を開始するようにしてもよい。

コンベア２０の筐体（不図示）は、計量機構２２によって支持される。計量機構２２は、コンベア２０上の被計量物１２を計量して信号を出力する構成であればよく、たとえばコンベア２０の筐体が起歪体（不図示）に連結され、その起歪体の変形部位に歪みゲージ（不図示）が取り付けられる。これにより、コンベア２０（及び被計量物１２）の重量によって起歪体が変形し、その変形量に応じた計量信号が歪みゲージから出力される。

計量機構２２は制御装置２４に接続されており、制御装置２４に計量信号が波形として連続的に出力される。制御装置２４は、装置の各種設定や、計量データの各種演算処理を行う装置である。制御装置２４には、操作部３０が接続されており、操作部３０を操作することによって後述の補正係数の値を設定できるようになっている。また、制御装置２４には表示部３２が接続されており、計量値を波形として表示できるようになっている。

図２は制御装置２４の内部構成を示すブロック図である。同図に示すように、制御装置２４は、ＡＤ変換器３６、増幅部３８、フィルタ部４０、第１微分処理部４２、第２微分処理部４４、補正係数乗算処理部４６、減算処理部４８を備える。

制御装置２４に入力した計量信号は、まずＡＤ変換器３６によってデジタル信号に変換され、次いで増幅部（アンプ）３８によって増幅処理される。増幅処理された信号はフィルタ部（たとえばローパスフィルタ）４０によって所定周波数以上の高周波成分が除去される。これにより、計量信号は、所定周波数以下の周波数成分を含む信号となる。

この信号は、第１微分処理部４２によって１回目の微分処理が施され、さらに第２微分処理部４４によって２回目の微分処理が施される。微分処理が施された信号は、補正係数乗算処理部４６によって後述の補正係数が乗算される。すなわち、フィルタ部４０を通過した信号に対して、２回の微分処理と補正係数の乗算処理が施される。以下、２回の微分処理と乗算処理が施された信号を微分処理信号とする。なお、第１微分処理部４２、第２微分処理部４４、補正係数乗算処理部４６が前述の「微分処理信号生成部」に相当する。このようにして生成された微分処理信号は、減算処理部４８に出力される。

減算処理部４８には、補正係数乗算処理部４６からの微分処理信号と、フィルタ部４０からの計量信号が入力される。そして、減算処理部４８は、計量信号から微分処理信号を減算し、その信号を出力する。このようにして求めた信号が計量値に換算され、表示部３２（図１参照）に波形として表示される。

上記の如く構成されたウェイトチェッカー１０では、まず、被計量物１２のない無負荷状態で計量が行われ、その際の計量値の波形が表示部３２に表示される。作業者は、表示部３２に表示される計量値の波形を見ながら、操作部３０を操作し、波形ができるだけ零（直線）に近づくように（すなわち、波形の振幅が最小となるように）補正係数を設定する。これにより、補正係数が最適な値に設定される。

なお、上述した実施形態は、補正係数を手動で操作して決定するようにしたが、これに限定するものではなく、無負荷状態での計量データに基づいて、その波形の振幅が最も小さくなるような補正係数の値を演算処理で自動的に決定するようにしてもよい。

また、上述した実施形態は、フィルタ部４０としてローパスフィルタを用いたが、これに限定するものではなく、バンドパスフィルタなどの他のフィルタを用いてもよい。

次に上記の如く構成されたウェイトチェッカー１０の作用について図３に基づいて説明する。図３の各図は１００ｇの被計量物１２を計量した際に得られる信号の波形を示している。図３（ａ）はフィルタ部４０の前段で得られる信号であり、図３（ｂ）はフィルタ部４０の後段で得られる信号であり、図３（ａ）の区間ｘで得られる信号を示している。図３（ｃ）は、減算処理部４８の後段で得られる信号であり、図３（ｂ）と同じ時刻のものを示している。

図３（ａ）に示すように、フィルタ部４０の前段での計量信号は激しく変動しており、高周波成分を含んでいる。これに対して、図３（ｂ）に示すように、フィルタ部４０の後段では、フィルタ処理したことによって高周波成分が除去され、かなり振動が減少している。しかし、計量値が変動しないはずの部分（たとえば被計量物１２がコンベア２０に載置される前の部分αや、被計量物１２をコンベア２０で搬送している部分γ）を見ると、信号はなだらかに波を打っており、低周波の振動成分が残っていることが分かる。つまり、フィルタ処理するだけでは計量値が安定せず、正確な計量値を算出することができないことが分かる。このような低周波の振動成分は、フィルタ部２０の設定値を下げることによって除去することが可能である。しかし、その場合には、被計量物１２が載置された直後の部分βの立ち上がりがなだらかになってしまい、計量値が安定するまでに時間がかかってしまうという問題が発生する。低周波の振動成分を除去する別の方法として、周波数解析を施して振動成分の周波数を求め、その周波数の振動を除去する方法も考えられる。しかし、その場合には、演算処理に時間がかかり、リアルタイムでの制御ができなくなる。

そこで、本実施の形態では、計量信号に２回の微分処理を施すとともに補正係数を乗算して微分処理信号を生成し、その微分処理信号を計量信号から減算している。このような演算処理により、図３（ｃ）に示す信号が生成される。同図に示す信号は、低周波成分が大幅に減少しており、特に被計量物１２をコンベア２０で搬送している部分γでは、安定した計量値が得られている。また、同図に示す信号は、被計量物１２が載置された直後の立ち上がり部分βが十分に狭く、迅速に計測値が得られている。したがって、本実施の形態によれば、振動成分が大幅に減少した正確な計量値を迅速に得ることができる。

このように本実施の形態によれば、計量信号に２回の微分処理を施すとともに補正係数を乗算して微分処理信号を生成し、その微分処理信号を計量信号から減算するようにしたので、被搬送物１２を搬送している短時間で正確な計量を行うことができる。

次に上述した本実施の形態について理論的に説明する。

本発明の発明者は、計量データに生じる低周波の振動成分は、計量機構２２をバネとする共振が原因であるという知見に至った。すなわち、コンベア２０の筐体は計量機構２２によって上下に移動可能な状態に支持されているため、計量機構２２をバネとして振動可能な状態にあり、それが共振し、低周波の振動成分が発生するという知見に至った。さらに、このような振動成分は、２回の微分処理と減算処理によって大幅に減少させることができるという知見を得た。以下、これを図４に基づいて説明する。

図４（ａ）はウェイトチェッカー１０の構成を簡略的に示した図であり、図４（ｂ）はそれを振動モデルに置き換えた図である。

図４（ａ）において計量機構２２で支える部分全体の質量（すなわちコンベア２０と被測定物１２の合計の質量）をＭとし、重力加速度をＧとした場合、ｚ方向（上下方向）における重量計量値Ｆ（すなわち測定値）は、以下の式で表される。

Ｆ＝ＭＧ＋Ｍ（ｄ／ｄｔ）・（ｄ／ｄｔ）ｚ ・・・式(1)
この式において、右辺の第一項は重力によるものであり、第二項は振動によるものである。したがって、静止安定状態まで待ってから測定すれば加速度はゼロとなるので、Ｆ＝ＭＧとなる。よって、測定値Ｆから静止質量Ｍを直接測定することができる。ここで、質量Ｍは、コンベア２０側の質量Ｍ０と、被計量物の質量ｍとの合計であるので、下式が成り立つ。

Ｍ＝Ｍ０＋ｍ ・・・式(2)
また、上述した重量計量値Ｆは、コンベア２０側のものと、被計量物１２のものの合計なので、被計量物１２の重量計量値をｆとすると、下式が成り立つ。

Ｆ＝Ｍ０×Ｇ＋ｆ ・・・式(3)
一方、図４（ｂ）に示すように振動モデルに置き換えた場合、ロードセルは測定原理からバネに見立てることができる。変形による変位は微小であるが、次のバネ方程式を満たすことになる。

Ｆ＝ｋｚ ・・・式(4)
上述した式(1)〜式(4)を展開すると、下式が成り立つ。具体的には、式(2)と式(3)を式(1)と式(4)式に代入し、(4)を二回微分してｚの加速度式を式(1)に代入すると、下式になる。

ｆ＝ｍ×Ｇ＋（（Ｍ０＋ｍ）/ｋ）×（ｄ/ｄｔ）×（ｄ/ｄｔ）×ｆ） ・・・式(5)
ここで、通常はＭ０＞＞ｍであるので、Ｍ０＋ｍをＭ０と近似し、ｍについて展開すると、下式になる。

ｍ＝（１/Ｇ）×（ｆ−（Ｍ０/ｋ）×（ｄ/ｄｔ）×（ｄ/ｄｔ）×ｆ） ・・・式(6)
この式(6)は、被計量物１２の重量計量値ｆを二回微分するとともに補正係数を掛け、その値を被計量物１２の重量計量値ｆから減算すると、被計量物１２の質量が求まることを示している。したがって、上記の演算処理を行う本発明によれば、被計量物１２の計量値が迅速且つ正確に求まることが分かる。

なお、上述した実施形態は、ウェイトチェエカー１０の例で説明したが、本発明の適用はこれに限定するものではなく、他の計量装置に適用してもよい。

１０…ウェイトチェッカー、１２…被計量物、１４…上流側のコンベア、１６…下流側のコンベア、２０…コンベア２０…計量機構、２４…制御装置、２６…ローラ、２８…ベルト、３０…操作部、３２…表示部、３６…ＡＤ変換器、３８…増幅部、４０…フィルタ部、４２…第１微分処理部、４４…第２微分処理部、４６…補正係数乗算処理部、４８…減算処理部

Claims (5)

1. 被計量物を計量して計量信号を出力する計量手段と、前記計量手段から出力された計量信号に基づいて計量値を演算する演算手段と、を備えた計量装置において、
   前記演算手段は、
   前記計量信号を二回微分するとともに補正係数を乗算し、微分処理信号を生成する微分処理信号生成部と、
   前記計量信号から前記微分処理信号を減算する減算処理部と、
   を備えたことを特徴とする計量装置。
2. 前記補正係数は、前記計量手段が前記被計量物を計量していない無負荷状態での計量信号に基づいて得られることを特徴とする請求項１に記載の計量装置。
3. 前記演算手段は、前記計量手段からの計量信号に対してフィルタ処理を行うフィルタ処理部を備え、
   該フィルタ処理部で所定の周波数を除去した計量信号に対して、前記微分処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の計量装置。
4. 前記計量装置はウェイトチェッカーであり、前記被計量物を搬送する搬送手段と、該搬送手段を計量する前記計量手段とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の計量装置。
5. 被計量物を計量して計量信号を出力する計量ステップと、
   前記計量ステップで出力された計量信号に二回の微分処理を施すとともに補正計数を乗算して微分処理信号を生成する微分処理信号生成ステップと、
   前記計量信号から前記微分処理信号を減算する減算ステップと、
   を有することを特徴とする計量方法。

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