JP5281983B2 - クリープ誤差補償装置及びクリープ誤差補償方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロードセル等の重量検出手段で検出された重量信号のクリープ誤差を補償するためのクリープ誤差補償装置及びクリープ誤差補償方法に関する。

ロードセル等に負荷された荷重を電気信号である重量信号に変換して出力する重量検出手段においては、荷重を負荷すると時間経過とともに重量が増加又は減少していくクリープ誤差が生じることが知られている。このようなクリープ誤差を軽減するために重量検出手段を構成する材料や構造等を改良することも行われているが、十分ではない。

そこで、近年では、デジタル回路にクリープ誤差を含む重量信号（クリープ誤差曲線）を入力して、補償関数を利用してクリープ誤差を含む重量信号からクリープ誤差の成分を除去する方法が開発されている。例えば、特許文献１及び２には、二次関数を補償関数として使用し、クリープ誤差を補償する方法が開示されている。また、特許文献３には、一次遅れ系のステップ応答関数を補償関数として使用し、クリープ誤差を補償する方法が開示されている。さらに、特許文献４には、重量信号に応じて１つの伝達関数（補償関数に相当する）において補償関数を決定するパラメータであるクリープ係数を変更して、クリープ誤差を補償する方法が開示されている。また、特許文献５には、クリープ係数の異なる複数の補償関数を経過時間に従って切り換える方法が開示されている。

特開平１０−９００４７号公報 特開平１０−９００４８号公報 特開平１１−２５７３号公報 特開２００９−５３２１１号公報 特開２００９−６３４０３号公報

しかし、実際のクリープ誤差曲線は、一般的に、荷重負荷開始直後は一次遅れ系のステップ応答関数に近い曲線を示すものの、一定時間経過後は所定の傾きで線形に増加する（漸増する）傾向を示すことが多い。従って、特許文献１から４に開示されているような１つの補償関数を用いる方法ではクリープ誤差を精確に補償することができない。また、特許文献５に開示されているような複数の補償関数を経過時間に従って切り換える方法では、補償関数を切り換えるタイミングを正確に検出する必要があり、パラメータの演算が複雑となるため、重量検出手段を備えた計量器の制御装置によっては演算が困難な場合がある。さらに、クリープ誤差の補償は、リアルタイムに処理することが求められるため、複雑な演算を行うことにより時間が多くかかってしまうのは好ましくない。

本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、比較的簡単な演算で、クリープ誤差を高精度に補償することができるクリープ誤差補償装置及びクリープ誤差補償方法を提供することを目的とする。

本発明に係るクリープ誤差補償装置は、重量検出手段で検出された荷重に対応する重量信号のクリープ誤差を補償するクリープ誤差補償装置であって、前記重量検出手段で検出された荷重に対応する重量信号から所定時間範囲におけるクリープ誤差出力をクリープ誤差成分信号として生成するクリープ誤差成分信号生成手段と、前記クリープ誤差成分信号を線形関数と単位時間あたりの増加率の絶対値が時間経過に応じて減少していく飽和関数とによって近似し、前記線形関数と前記飽和関数とを前記所定時間範囲の全域で加算した補償関数を演算する補償関数演算手段と、被処理信号である前記重量信号から前記補償関数を差し引いた既補償信号を出力する既補償信号生成手段とを備えている。

上記構成によれば、２つの関数をクリープ誤差成分信号の時間範囲の全域で加算した関数を補償関数として用いるため、被処理信号により近似した関数を得ることができ、比較的簡単な演算で、クリープ誤差をより高精度に補償することができる。すなわち、線形関数と飽和関数とを加算することにより、重量検出手段に荷重が負荷された直後の重量の増加率が比較的大きい領域において飽和関数の特性が利用でき、その後の重量が漸増する領域において線形関数の特性が利用できるため、補償関数を被処理信号中のクリープ誤差信号に高精度に近似することができ、クリープ誤差をより高精度に補償することができる。また、演算量を比較的に少なくすることができるため、時間遅延を生じることなくリアルタイムに補償処理を行うことができる。

前記補償関数は、前記線形関数と前記飽和関数とを前記時間範囲の全域で重み付け加算したものであってもよい。この場合、線形関数と飽和関数とを重み付け加算して補償関数が演算されるため、クリープ誤差成分信号の特性に応じて重み付けを変更することにより、クリープ誤差をより高精度に補償することができる。すなわち、荷重負荷直後の増加率特性が大きく漸増特性が小さいクリープ誤差特性を有する被処理信号に対しては、線形関数の重みを小さくするとともに飽和関数の重みを大きくすることにより、高精度に近似することができる。また、荷重負荷直後の増加率特性が小さく漸増特性が大きいクリープ誤差特性を有する被処理信号に対しては、線形関数の重みを大きくするとともに飽和関数の重みを小さくすることにより、高精度に近似することができる。

前記飽和関数は、一次遅れ系のステップ応答関数であってもよい。

前記補償関数ｆ_ｉは、以下の式で表され得る。

ここで、ｉは前記クリープ誤差成分信号のサンプリング時間における単位要素であり、前記時間範囲における時刻ｔ（０≦ｔ≦Ｔ）とサンプリング間隔ｄとを用いてｉ＝ｔ／ｄ（０≦ｉ≦ｉ_ＭＡＸ＝Ｔ／ｄ）を満たす変数、ｋは重み係数（０≦ｋ≦１）、ｇ_ｉは前記線形関数、ｈ_ｉは前記飽和関数、ＭＣＥは前記所定時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）におけるクリープ誤差成分信号の最大発生量、及び、τは時定数をそれぞれ示す。

上記構成によれば、所定時間範囲におけるクリープ誤差成分信号に基づいて線形関数ｇ_ｉ及び飽和関数ｈ_ｉが算出されるため、被処理信号である重量信号に高精度に近似する補償関数を容易に演算することができる。

また、前記補償関数演算手段は、前記重み係数ｋ及び前記時定数τの少なくとも何れか一方を変数として用いて、以下の式で表される評価関数Ｅ（ｋ，τ）が最小となるように、前記補償関数ｆ_ｉにおける前記重み係数ｋ及び前記時定数τを決定してもよい。

ここで、Ｓ_ｉは前記クリープ誤差成分信号を示す。

この場合、上記のような評価関数を用いて重み係数ｋ及び時定数τが決定されるため、経験則等を適用することなく、容易に補償関数ｆ_ｉを演算することができる。従って、補償関数演算手段を簡単な演算処理装置で容易に実現することができる。

また、前記クリープ誤差成分信号生成手段は、前記所定時間範囲の終期を、前記重量信号ｗ_ｉが前記所定時間範囲の始期における値ｗ_０に対して以下の式を満足したときとして設定するように構成してもよい。

ここで、Ａは所定の目標クリープ誤差補償精度値を示し、Ｂは前記重量検出手段に固有の飽和クリープ量を示す。

これによれば、所定時間範囲の終期が所定時間範囲の始期における重量信号値ｗ_０に対する重量信号ｗ_ｉの増加量の比から設定される。すなわち、要求される目標クリープ誤差の補償精度内となるように、重量検出手段に固有の飽和クリープ量を用いて所定時間範囲を決定することにより、要求されるクリープ誤差の補償精度を満足しつつ所定時間範囲すなわちクリープ誤差の補償に必要なサンプリング時間を短くすることができる。なお、重量検出手段に固有の飽和クリープ量とは、定格重量の荷重を負荷した状態で十分な時間が経過した際のクリープ誤差出力値を意味する。

また、本発明に係るクリープ誤差補償方法は、重量検出手段で検出された荷重に対応する重量信号のクリープ誤差を補償するクリープ誤差補償方法であって、前記重量検出手段で検出された荷重に対応する重量信号から所定時間範囲におけるクリープ誤差出力を抽出し、クリープ誤差成分信号として生成するクリープ誤差成分信号生成ステップと、前記クリープ誤差成分信号を線形関数と単位時間あたりの増加率の絶対値が減少していく飽和関数とによって近似し、前記線形関数と前記飽和関数とを前記所定時間範囲の全域で加算した補償関数を演算する補償関数演算ステップと、被処理信号である前記重量信号から前記補償関数を差し引いた既補償信号を出力する既補償信号生成ステップとを含んでいる。

上記方法によれば、２つの関数をクリープ誤差成分信号の時間範囲の全域で加算した関数を補償関数として用いるため、被処理信号により近似した関数を得ることができ、比較的簡単な演算で、クリープ誤差をより高精度に補償することができる。すなわち、線形関数と飽和関数とを加算することにより、重量検出手段に荷重が負荷された直後の重量の増加率が比較的大きい領域において飽和関数の特性が利用でき、その後の重量が漸増する領域において線形関数の特性が利用できるため、補償関数を被処理信号に高精度に近似することができ、クリープ誤差をより高精度に補償することができる。また、演算量を比較的に少なくすることができるため、時間遅延を生じることなくリアルタイムに補償処理を行うことができる。

本発明は以上に説明したように構成され、比較的簡単な演算で、クリープ誤差を高精度に補償することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るクリープ誤差補償装置が適用された計量器の概略構成を示すブロック図である。 重量検出手段の出力信号例を模式的に示すグラフである。 本実施形態におけるクリープ誤差補償方法を示す制御フローチャートである。 重量信号出力を補償関数で補償する概念を示す図である。 クリープ誤差成分を２つの関数によって近似するための概念を示す図である。 本実施形態における補償関数を決定するための制御方法を示すフローチャートである。 クリープ誤差成分信号に対する補償関数及び一次遅れ系のステップ応答関数を比較して示す図である。 重量検出手段で検出された重量信号に対し、補償関数を用いてクリープ誤差を補償した際の重量波形を示す図である。 荷重の負荷が繰り返された重量信号に対し、補償関数を用いてクリープ誤差を補償した際の重量波形の一例を示す図である。 荷重の負荷及び除荷が繰り返された重量信号に対し、補償関数を用いてクリープ誤差を補償した際の重量波形の他の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

まず、本発明の一実施形態に係るクリープ誤差補償装置が適用された計量器の概略構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るクリープ誤差補償装置が適用された計量器の概略構成を示すブロック図である。

図１に示されるように、本実施形態の計量器は、負荷される荷重に応じた重量信号を出力する重量検出手段１と、重量検出手段１で出力された重量信号が入力されるクリープ誤差補償装置２と、クリープ誤差補償装置２でクリープ誤差が補償された重量値を表示する表示装置３とを備えている。重量検出手段１は、例えばロードセル及びＡＤ変換器等から構成され、ロードセル等に負荷された荷重を電気信号である重量信号に変換して出力する。ロードセルは、例えば歪みゲージ式のロードセルであり、金属製の起歪体と、当該起歪体に取り付けられた歪みゲージとを備えており、荷重が負荷されることによる起歪体の歪み量を歪みゲージで検出するように構成されている。

クリープ誤差補償装置２は、例えば、各種演算を行う制御部２１及び各種演算の結果を記憶する記憶部２２を有する制御基板を備えている。クリープ誤差補償装置２は、例えば、マイクロコンピュータを備えており、制御部２１には、例えばこのマイクロコンピュータのＣＰＵが用いられる。記憶部２２には、例えばこのマイクロコンピュータの内部メモリが用いられる。制御部２１と記憶部２２とは相互に接続されている。

また、記憶部２２には制御プログラムが格納されている。制御部２１は、記憶部２２に格納された制御プログラムを読み出して実行することにより、演算等の処理や制御を行う。具体的には、制御部２１は、重量検出手段１から重量信号を受け取り、この重量信号に対してクリープ誤差の補償処理を行い、補償処理後の重量信号を表示装置３に送って、表示装置３に重量値を表示させる。換言すると、制御部２１は、クリープ誤差成分信号生成手段２１ａ、補償関数演算手段２１ｂ、及び既補償信号生成手段２１ｃとして機能する。

なお、本実施形態においては１つの制御基板でクリープ誤差補償装置２を構成しているが、本発明は同様の制御を行い得る限りこれに限られない。即ち、例えば、各種制御に応じて複数の制御基板を設け、その複数の制御基板でクリープ誤差補償装置２を構成してもよい。また、このクリープ誤差補償装置２を、必ずしも計量器に備える必要はなく、例えば、パソコン等を外部のクリープ誤差補償装置２として接続することにより当該外部のクリープ誤差補償装置２で制御することとしてもよい。

ここで、本実施形態のクリープ誤差補償方法について説明する。まず、重量検出手段１で生じ得るクリープ誤差について説明する。図２は、重量検出手段の出力信号例を模式的に示すグラフである。図２においては、横軸が経過時間を示し、縦軸が重量信号出力を示している。

クリープ誤差は、所定の重量の被計量物を計量し続けていると時間経過に応じて重量信号出力が増加（ポジティブクリープ）又は減少（ネガティブクリープ）する現象である。図２（ａ）では比較的一次遅れ系のステップ応答関数に近い誤差増加又は減少特性を示し、図２（ｃ）では比較的線形関数に近い誤差増加又は減少特性を示し、図２（ｂ）では図２（ａ）及び図２（ｃ）の中間的な特性を示している。

以下に、ポジティブクリープ誤差を補償するための制御フローについて説明する。なお、ネガティブクリープ誤差を補償する場合も符号が変化するだけで基本的に同じである。図３は、本実施形態におけるクリープ誤差補償方法を示す制御フローチャートである。また、図４及び図５は、本実施形態におけるクリープ誤差補償方法を説明するためのグラフである。図４は、重量信号出力を補償関数で補償する概念を示す図であり、図５は、クリープ誤差成分を２つの関数によって近似するための概念を示す図である。

図４に示されるように、被処理信号である重量信号ｗ_ｉは、荷重が負荷された直後、適正重量値（クリープ誤差０の状態）を示し（ｔ＝０）、その後、時間経過とともにクリープ誤差が増加する。クリープ誤差の増加率は、時刻ｔ＝Ｔ付近で０に近づいている。このような重量信号の０≦ｔ≦Ｔの時間範囲において、重量信号から図４の破線で示す関数ｆ_ｉを差し引くことにより、重量信号は常に適正重量値となる既補償信号Ｒ_ｉとなる。このような既補償信号Ｒ_ｉを得るための方法を以下に説明する。

計量器の初期設定時等において、予め重量が知られている荷重を重量検出手段１に負荷することにより、当該重量検出手段１により検出された重量信号ｗ_ｉから補償関数ｆ_ｉが演算される。まず、制御部２１は、クリープ誤差成分信号生成手段２１ａとして機能し、重量検出手段１から入力された重量信号ｗ_ｉのうちの所定時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ＝１８００ｓｅｃ）における信号をクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉとして生成する（ステップＳ１）。これにより、重量信号ｗ_ｉからクリープ誤差出力のみが抽出される。すなわち、図５（ａ）に示されるような、時刻ｔ＝０のときの重量信号出力を０としたクリープ誤差の変化曲線が得られる。本実施形態においては、最大時刻Ｔを１８００ｓｅｃとしている。これは、一般的に重量信号のクリープ誤差の増加率が０に近づく（飽和する）時間が約３０分であることを基準にしている。すなわち、時刻Ｔは、重量検出手段１の持つクリープ誤差特性に基づいて対象となる重量信号のクリープ誤差の増加率が飽和する時間に設定することが好ましい。

次に、制御部２１は、補償関数演算手段２１ｂとして機能し、クリープ誤差成分信号Ｓ_ｉを線形関数ｇ_ｉと単位時間あたりの増加率の絶対値が減少していく飽和関数ｈ_ｉとによって近似する（ステップＳ２及びステップＳ３）。この近似は、種々の手法を適用することができる。以下では、クリープ誤差成分信号Ｓ_ｉを上記線形関数ｇ_ｉと上記飽和関数ｈ_ｉとによって近似する手法を例示する。

これは、発明者らが鋭意研究の末、図５（ａ）に示されるようなクリープ誤差曲線（クリープ誤差成分信号Ｓ_ｉ）が、荷重負荷直後に急峻に立ち上がり、その後、増加率が比較的短時間で小さくなる飽和関数ｈ_ｉ（図５（ｃ））と、時間範囲にわたって緩やかに増加する線形関数ｇ_ｉ（図５（ｂ））とを組み合わせたものによく近似されるという知見を得たものである。そして、発明者らは、この知見に基づいて、クリープ誤差成分信号Ｓ_ｉを線形関数ｇ_ｉと飽和関数ｈ_ｉとに近似的に分解することでクリープ誤差補償を容易に行うことができる本発明をなしたものである。制御部２１は、得られたクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉに対して最適な線形関数ｇ_ｉ及び飽和関数ｈ_ｉを演算する。詳しくは後述する。

続いて、補償関数演算手段２１ｂとして機能する制御部２１は、線形関数ｇ_ｉと飽和関数ｈ_ｉとを時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）の全域で加算した補償関数ｆ_ｉを演算する（ステップＳ４）。本実施形態における補償関数ｆ_ｉは、線形関数ｇ_ｉと飽和関数ｈ_ｉとを時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）の全域で重み付け加算したものである。この場合、線形関数ｇ_ｉと飽和関数ｈ_ｉとを重み付け加算して補償関数ｆ_ｉが演算されるため、クリープ誤差出力の特性に応じて重み付けを変更することにより、クリープ誤差をより高精度に補償することができる。すなわち、図２（ａ）に示すような荷重負荷直後の増加率特性が大きく漸増特性が小さいクリープ誤差出力特性を有する被処理信号ｗ_ｉに対しては、線形関数ｇ_ｉの重みを小さくするとともに飽和関数ｈ_ｉの重みを大きくすることにより、高精度に近似することができる。また、図２（ｃ）に示すような荷重負荷直後の増加率特性が小さく漸増特性が大きいクリープ誤差出力特性を有する被処理信号ｗ_ｉに対しては、線形関数ｇ_ｉの重みを大きくするとともに飽和関数ｈ_ｉの重みを小さくすることにより、高精度に近似することができる。

その後、制御部２１は、既補償信号生成手段２１ｃとして機能し、被処理信号である重量信号ｗ_ｉから補償関数ｆ_ｉを差し引いた既補償信号Ｒ_ｉを表示装置３へ出力する（ステップＳ５）。線形関数ｇ_ｉと飽和関数ｈ_ｉとを時間範囲の全域で加算した補償関数ｆ_ｉは、理想的には、クリープ誤差成分信号Ｓ_ｉと略同じ波形となるため、クリープ誤差成分信号Ｓ_ｉと同じ時間範囲において同じ波形を有する重量信号ｗ_ｉから補償関数ｆ_ｉを差し引くと誤差０となる。なお、得られた補償関数ｆ_ｉは、当該補償関数ｆ_ｉを演算するために重量検出手段１に負荷した重量値と異なる重量の荷重を負荷した場合でもクリープ誤差が高精度に補償される。すなわち、負荷される荷重に拘わらずクリープ誤差が高精度に補償される。

上述のように、２つの関数ｇ_ｉ，ｈ_ｉをクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉの時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）の全域で加算した関数を補償関数ｆ_ｉとして用いるため、被処理信号である重量信号ｗ_ｉにより近似した関数を得ることができ、比較的簡単な演算で、クリープ誤差をより高精度に補償することができる。すなわち、線形関数ｇ_ｉと飽和関数ｈ_ｉとを加算することにより、重量検出手段１に荷重が負荷された直後の重量の増加率が比較的大きい領域において飽和関数ｈ_ｉの特性が利用でき、その後の重量が漸増する領域において線形関数ｇ_ｉの特性が利用できるため、補償関数ｆ_ｉを被処理信号ｗ_ｉに高精度に近似することができ、クリープ誤差をより高精度に補償することができる。また、演算量を比較的に少なくすることができるため、時間遅延を生じることなくリアルタイムに補償処理を行うことができる。

以下、本実施形態における補償関数ｆ_ｉのより具体的な決定方法について説明する。図６は、本実施形態における補償関数を決定するための制御方法を示すフローチャートである。

図６に示すように、まず、制御部２１は、クリープ誤差成分信号生成手段２１ａとして機能し、重量検出手段１から入力された重量信号から所定時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ＝１８００ｓｅｃ）におけるクリープ誤差出力を抽出し、クリープ誤差成分信号Ｓ_ｉとして生成する。本実施形態においては、クリープ誤差成分信号Ｓ_ｉは、重量信号ｗ_ｉにおいてクリープ誤差成分が生じる直前（すなわち、重量信号ｗ_ｉが適正重量値ｗ_０であるとき）からサンプリング間隔ｄごとに重量信号をサンプリングしたサンプリング要素ｉ（０≦ｉ≦ｉ_ＭＡＸ）のデータ系列である。なお、サンプリング要素ｉは、ｉ＝ｔ／ｄを満たす。

具体的には、まず、初期設定としてサンプリング要素ｉ＝０とする（ステップＳ１１）。続いて、制御部２１は、ｉ＝０における重量信号出力ｗ_０をサンプリングした上で、ｉ＝０におけるクリープ誤差出力をＳ_０＝０に設定する（ステップＳ１２）。その後、制御部２１は、サンプリング要素ｉがｉ＝ｉ_ＭＡＸとなったか否かを判断する（ステップＳ１３）。サンプリング要素ｉがｉ＝ｉ_ＭＡＸでない場合（ステップＳ１３でＮｏ）、サンプリング要素ｉに１を加えた後（ステップＳ１４）、サンプリング要素ｉ＋１における重量信号出力をサンプリングし、ｉ＝０における重量信号出力ｗ_０を当該サンプリング値ｗ_ｉから減じて得られたクリープ誤差出力Ｓ_ｉ＝ｗ_ｉ−ｗ_０を演算する（ステップＳ１２）。これをサンプリング要素ｉがｉ＝ｉ_ＭＡＸとなるまで繰り返す（ステップＳ１２〜Ｓ１４）。すなわち、制御部２１は、時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）においてサンプリング間隔ｄごとに重量信号出力ｗ_ｉをサンプリングし、クリープ誤差出力Ｓ_ｉを演算する。このようにして演算されたデータ系列がクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉとして生成され、記憶部２２に記憶される。

サンプリング要素ｉがｉ＝ｉ_ＭＡＸとなった場合（ステップＳ１３でＹｅｓ）、制御部２１は、サンプリング要素ｉ＝ｉ_ＭＡＸにおける重量信号出力Ｓ_ｉＭＡＸをクリープ誤差成分信号の最大発生量ＭＣＥとして算出する（ステップＳ５）。図５（ａ）に示されるように、クリープ誤差は、一般的に、時間経過とともに増加するため、時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）における最初のサンプリング要素ｉ＝０におけるクリープ誤差出力Ｓ_０が当該時間範囲におけるクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉの最小値となり、時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）における最後のサンプリング要素ｉ＝ｉ_ＭＡＸにおけるクリープ誤差出力Ｓ_ｉＭＡＸが当該時間範囲におけるクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉの最大値となる。従って、時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）におけるクリープ誤差成分信号の最大発生量ＭＣＥは、ＭＣＥ＝Ｓ_ｉＭＡＸで求められる。

なお、クリープ誤差が時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）の途中の時間で最大発生量となる（その後、クリープ誤差が減少する）ことが想定される場合には、時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）におけるクリープ誤差成分信号の最大発生量ＭＣＥをそのときのクリープ誤差信号Ｓ_ｉの出力としてもよい。

また、時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）の終期ｔ＝Ｔを、重量信号ｗ_ｉが時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）の始期ｔ＝０における値ｗ_０に対して以下の式（１）を満足したときとして設定してもよい。

ここで、Ａは所定の目標クリープ誤差補償精度値を示し、Ｂは重量検出手段１に固有の飽和クリープ量を示す。

この場合、時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）の終期ｔ＝Ｔが時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）の始期ｔ＝０における重量信号値ｗ_０に対する重量信号ｗ_ｉの増加量（すなわち、クリープ誤差信号値Ｓ_ｉ）の比から設定される。言い換えれば、要求される目標クリープ誤差の補償精度内となるように、重量検出手段１に固有の飽和クリープ量Ｂを用いて時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）が決定される。例えば、定格重量３０００ｇの荷重を負荷した状態で十分な時間（例えば３０分）が経過した際の重量信号出力値が３０１０ｇとなる重量検出手段１において、目標クリープ誤差の補償精度をＡ＝１／３０００（１ｇ以下のクリープ誤差は許容する）に設定するとともに飽和クリープ量Ｂ＝１０ｇに設定する。その上で、３ｋｇの荷重を負荷した場合（ｗ_０＝３０００ｇ）、重量信号ｗ_ｉの値が３００９ｇ以上（すなわち、クリープ誤差信号値Ｓ_ｉ＝ｗ_ｉ−ｗ_０が９ｇ以上）となった場合に式（１）を満たすこととなる。従って、このときの時間ｔ_ｘに基づいて時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）の終期Ｔを設定することができる。すなわち、式（１）を満たすｗ_ｉが得られた時間ｔ_ｘ以降の時間を時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）の終期Ｔ（Ｔ≧ｔ_ｘ）に設定する。これにより、要求されるクリープ誤差の補償精度を満足しつつ時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）すなわちクリープ誤差の補償に必要なサンプリング時間を短くすることができる。また、クリープ誤差成分信号生成手段２１ａとして機能する制御部２１に、重量信号ｗ_ｉの値ごとに式（１）の左辺を演算し、目標クリープ誤差補償精度値Ａと比較させることにより、クリープ誤差補償装置２において、目標クリープ誤差補償精度値Ａに基づいて自動的に時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）を決定することができる。

本実施形態における線形関数ｇ_ｉは、上記で求められたＭＣＥを用いて以下の式で表される。

また、本実施形態における飽和関数ｈ_ｉは、一次遅れ系のステップ応答関数であって、上記で求められたＭＣＥを用いて以下の式で表される。

ここで、τは時定数（０≦τ≦Ｔ）を示す。

さらに、本実施形態における補償関数ｆ_ｉは、以下の式で表される。

ここで、ｋは重み係数（０≦ｋ≦１）を示す。

上記式（２）〜（４）の重み係数ｋ及び時定数τを最適に決定することにより、クリープ誤差成分信号Ｓ_ｉに高精度に近似する補償関数ｆ_ｉを得ることができる。具体的には、重み係数ｋを増加させることにより、荷重負荷直後の増加率特性が小さくなり且つ漸増特性が大きくなるため、図２（ｃ）に示すような被処理信号ｗ_ｉから抽出されるクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉに補償関数ｆ_ｉを近似させることができ、重み係数ｋを減少させることにより、荷重負荷直後の増加率特性が大きくなり且つ漸増特性が小さくなるため、図２（ａ）に示すような被処理信号ｗ_ｉから抽出されるクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉに補償関数ｆ_ｉを近似させることができる。また、時定数τを変更することにより重量検出手段１に荷重が負荷された直後の重量の増加率が比較的大きい領域における傾きを変化させることができる。このように、時間範囲におけるクリープ誤差成分信号の最大発生量ＭＣＥに基づいて線形関数ｇ_ｉ及び飽和関数ｈ_ｉが算出されるため、クリープ誤差成分信号Ｓ_ｉに高精度に近似する補償関数ｆ_ｉを容易に演算することができる。

本実施形態において、補償関数演算手段２１ｂとして機能する制御部２１は、次式で表される評価関数Ｅ（ｋ，τ）が最小となる重み係数ｋ及び時定数τを補償関数ｆ_ｉにおける重み係数ｋ及び時定数τとして決定する。次式で表される評価関数Ｅ（ｋ，τ）は、クリープ誤差成分信号Ｓ_ｉと補償関数ｆ_ｉとの二乗誤差の総和を示す関数である。

詳しく説明すると、まず、図６に示すように、重み係数ｋ及び時定数τの初期値として０を採用し、当該値を上記式（５）の評価関数Ｅ（ｋ，τ）に代入したＥ（０，０）を評価関数Ｅ（ｋ，τ）の最小値Ｅ_ＭＩＮに設定し、記憶部２２に記憶する（ステップＳ１６）。なお、本実施形態においては重み係数ｋは０から１までの間で所定の重み係数間隔ｋ_ｓｔｅｐ毎（例えばｋ_ｓｔｅｐ＝０．０１）だけ増加する値をとり得る係数であり、時定数τは０からＴ＝１８００ｓｅｃの間で所定の時定数間隔τ_ｓｔｅｐ（例えばτ_ｓｔｅｐ＝１ｓｅｃ）だけ増加する値をとり得る係数である。

制御部２１は、重み係数ｋが１以下であるか否かを判断し（ステップＳ１７）、重み係数ｋが１を超えない限り（ステップＳ１７でＹｅｓ）、重み係数ｋに所定の重み係数間隔ｋ_ｓｔｅｐが加えられる（ステップＳ１８）。続いて、制御部２１は、時定数τがＴ以下であるか否かを判断し（ステップＳ１８）、時定数τがＴを超えない限り（ステップＳ１８でＹｅｓ）、時定数τに所定の時定数間隔τ_ｓｔｅｐが加えられる（ステップＳ２０）。制御部２１は、このように更新された重み係数ｋ及び時定数τを評価関数Ｅ（ｋ，τ）に代入し、Ｅ（ｋ，τ）の値を演算する（ステップＳ２１）。

制御部２１は、代入されたＥ（ｋ，τ）の値と記憶部２２に記憶されているＥ_ＭＩＮと比較する（ステップＳ２２）。そして、代入されたＥ（ｋ，τ）の値が、記憶されているＥ_ＭＩＮより小さい場合（ステップＳ２２でＹｅｓ）には、当該Ｅ（ｋ，τ）の値を最小値Ｅ_ＭＩＮの値として更新し、記憶部２２に記憶する（ステップＳ２３）。さらに、このときの重み係数ｋの値及び時定数τの値を最小値ｋ_ＭＩＮ及びτ_ＭＩＮの値として記憶部２２に記憶する（ステップＳ２４）。これに対し、代入されたＥ（ｋ，τ）の値が、記憶されているＥ_ＭＩＮより大きい場合（ステップＳ２２でＮｏ）には、Ｅ_ＭＩＮ、ｋ_ＭＩＮ及びτ_ＭＩＮの値は更新しない。

この後、制御部２１は、時定数τの値を変化させながら、時定数τがＴ＝１８００ｓｅｃを超えるまでＥ（ｋ，τ）の値を演算し、より小さいＥ（ｋ，τ）の値が存在すればその時のＥ（ｋ，τ）、ｋ及びτの値をＥ_ＭＩＮ、ｋ_ＭＩＮ及びτ_ＭＩＮとして記憶させる（ステップＳ１９〜Ｓ２４）。そして、時定数τがＴ＝１８００ｓｅｃを超えた場合（ステップＳ１９でＮｏ）、時定数τを０に戻すとともに（ステップＳ２５）、前回の重み係数ｋに重み係数間隔ｋ_ｓｔｅｐを加えた新しい重み係数ｋを用いて、時定数τの値を変化させながら、Ｅ（ｋ，τ）の値を演算し、より小さいＥ（ｋ，τ）の値が存在すればその時のＥ（ｋ,τ）、ｋ及びτの値をＥ_ＭＩＮ、ｋ_ＭＩＮ、τ_ＭＩＮとして記憶させる（ステップＳ１９〜Ｓ２４）。これを重み係数ｋの値が１を超えるまで繰り返す。すなわち、重み係数ｋの値が１を超えた際（ステップＳ１７でＮｏ）、重み係数ｋ及び時定数τがとり得る値の全ての組合せについて、評価関数Ｅ（ｋ，τ）の値が演算され、その中でＥ（ｋ，τ）の値が最小となる重み関数ｋ及び時定数τの組合せがｋ_ＭＩＮ及びτ_ＭＩＮとして記憶部２２に記憶されることとなる。

このように、上記のような評価関数Ｅ（ｋ，τ）を用いて重み係数ｋ及び時定数τが決定されるため、経験則等を適用することなく、容易に補償関数ｆ_ｉを演算することができる。従って、補償関数演算手段２１ｂとして機能する制御部２１において複雑な演算を不要にして負荷を低減させることができるため、制御部２１として複雑な演算処理装置を新たに設けることなく、従前の計量器に備えられているような簡単な演算処理装置で容易に実現することができる。

なお、本実施形態においては、上記のように、重み係数ｋ及び時定数τを決定する方法について、評価関数Ｅ（ｋ，τ）として二乗誤差の総和を示す関数を用いた最小二乗誤差法を用いて総当りで計算することとしているが、最適な重み係数ｋ及び時定数τが得られる限りこれに限られない。例えば、遺伝的アルゴリズム等の種々の最適化アルゴリズムを適用することにより、重み係数ｋ及び時定数τを決定することとしてもよい。

また、本実施形態においては、上記のように、重み係数ｋ及び時定数τの双方を変数として用いて、評価関数Ｅ（ｋ，τ）が最小となるように、補償関数ｆ_ｉにおける重み係数ｋ及び時定数τを決定する方法について説明したが、評価関数Ｅ（ｋ,τ）の変数ｋ，τのうち何れか一方を所定の値として予め決定した上で、他方の変数だけを変化させる演算を行うこととしてもよい。すなわち、例えば、クリープ誤差の立ち上がり部分の特性は、飽和関数ｈ_ｉの立ち上がり特性によって決まるので、時定数τを例えばクリープ誤差発生後（ｔ＝０以降で）からクリープ誤差が最大発生量ＭＣＥの約６３％に到達するまでの時間として決定し、評価関数Ｅ（ｋ,τ）に代入した上で、重み係数ｋのみを当該重み係数ｋに関して図６と同様のアルゴリズムを用いて演算することにより決定することとしてもよい。また、例えば、クリープ誤差の立ち上がり後の漸増部分の特性から重み係数ｋを算出して決定し、評価関数Ｅ（ｋ，τ）に代入した上で、時定数τのみを当該時定数τに関して図６と同様のアルゴリズムを用いて演算することによって決定することとしてもよい。具体的には、クリープ誤差の漸増部分の所定の２点から漸増部分における傾きｘを算出するとともに、傾きｘを有する一次関数ｊ_ｉ＝ｘ・ｉにおけるｉ＝ｉ_ＭＡＸのときの値ｊ_ｉＭＡＸ＝ｘ・ｉ_ＭＡＸを算出し、ｉ＝ｉ_ＭＡＸのときのクリープ誤差出力（すなわちクリープ誤差成分信号の最大発生量ＭＣＥ）に対するｊ_ＭＡＸの比を重み係数ｋとして決定してもよい。すなわち、ｋ＝ｊ_ｉＭＡＸ／ＭＣＥとしてもよい。

さらに、本実施形態においては、評価関数Ｅ（ｋ，τ）を用いて重み係数ｋ及び時定数τの少なくとも何れか一方を演算して求めているが、評価関数Ｅ（ｋ，τ）を用いずに、重み係数ｋ及び時定数τをそれぞれ求めることとしてもよい。すなわち、例えば、重み係数ｋを、クリープ誤差の立ち上がり後の漸増部分の特性から決定し、時定数τを、クリープ誤差発生後からクリープ誤差が最大発生量ＭＣＥの所定割合に到達するまでの時間として決定することとしてもよい。

以上のように求められる補償関数ｆ_ｉは、重量検出手段１で検出される重量信号ｗ_ｉから抽出されたクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉとよく近似される。図７は、クリープ誤差成分信号に対する補償関数及び一次遅れ系のステップ応答関数を比較して示す図である。図７に示されるようなクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉ（クリープ誤差曲線）は、荷重負荷開始後は比較的急峻に増加し、一定時間経過後は所定の傾きで略線形に増加している。このようなクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉに一次遅れ系のステップ応答関数（図７において破線で示す）を重ねてみると、荷重負荷開始直後はよく近似できているものの、一定時間経過後はクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉと大きく乖離してしまう。一方、本実施形態の補償関数ｆ_ｉ（図７において実線で示す）は、全時間範囲にわたってクリープ誤差成分信号Ｓ_ｉによく近似されており、高精度なクリープ誤差の補償が期待できることが分かる。

図８は、重量検出手段で検出された重量信号に対し、補償関数を用いてクリープ誤差を補償した際の重量波形を示す図である。図８（ａ）はポジティブクリープに対して補償した際の重量波形を示し、図８（ｂ）はネガティブクリープに対して補償した際の重量波形を示す。図８（ａ）では５ｋｇの荷重が継続的に負荷されており、図８（ｂ）では７ｋｇの荷重が継続的に負荷されている。

図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、ポジティブクリープ及びネガティブクリープの何れのクリープ誤差が生じた場合であっても、補償処理後の波形は、荷重負荷開始直後の重量値で略一定に推移している。従って、図８からもクリープ誤差が高精度に補償されていることが分かる。

実際の計量器においては、図８のように単純に１つの荷重が負荷され続けるだけでなく、さまざまな荷重が負荷されたり、取り除かれたりすることが考えられる。図９は、荷重の負荷が繰り返された重量信号に対し、補償関数を用いてクリープ誤差を補償した際の重量波形の一例を示す図である。図９の例では、時刻０〜３０分の間、第１荷重として３ｋｇの荷重を負荷し（図９（ａ））、その後、時刻３０〜６０分の間、第２荷重として第１荷重から２ｋｇ追加した５ｋｇの荷重を負荷している（図９（ｂ））。

図９（ａ）に示すように、第１荷重（３ｋｇ）を負荷した状態で３０分経過した時点でクリープ誤差は約１ｇ発生しており、図９（ｂ）に示すように、その後第１荷重に換えて第２荷重（５ｋｇ）を負荷した直後でもクリープ誤差は約１ｇ発生している。すなわち、荷重を第１荷重から第２荷重に切り換えても、第１荷重を負荷することにより生じたクリープ誤差が引き継がれている。そして、このように引き継がれたクリープ誤差が存在していても、補償処理後の波形は、第１荷重及び第２荷重の何れについてもそれぞれの適正重量値で略一定に推移している。従って、本実施形態におけるクリープ誤差補償方法によれば、途中で荷重変化が生じてもクリープ誤差が高精度に補償されていることが分かる。

図１０は、荷重の負荷及び除荷が繰り返された重量信号に対し、補償関数を用いてクリープ誤差を補償した際の重量波形の他の例を示す図である。図１０の例では、時刻０〜１５．５分の間、第１荷重として５ｋｇの荷重を負荷し（図１０（ｂ））、その後、時刻１５．５〜３０．５分の間、第２荷重として７ｋｇの荷重を負荷している（図１０（ａ））。その後、時刻３０．５〜４５．５分の間、第３荷重として再び５ｋｇの荷重を負荷し（図１０（ｂ））、その後、４５．５分から６０分の間、第４荷重として再び７ｋｇの荷重を負荷している（図１０（ａ））。図１０についてはネガティブクリープ誤差が発生している。

図１０に示すように、第１荷重（５ｋｇ）から第２荷重（７ｋｇ）及び第３荷重（５ｋｇ）から第４荷重（７ｋｇ）へ荷重が増加した場合には、図９の例と同様に、クリープ誤差が引き継がれ、クリープ誤差の絶対値が継続的に増加しているが、補償処理後の波形は、第１荷重、第２荷重及び第４荷重の何れについてもそれぞれの適正重量値で略一定に推移している。また、第２荷重（７ｋｇ）から第３荷重（５ｋｇ）へ荷重が減少した場合には、クリープ誤差の絶対値が継続的に減少していく。このようなクリープ誤差が減少傾向を示す場合であっても、補償処理後の波形は、第３荷重についての適正重量値で略一定に推移している。このように、クリープ誤差が増加傾向及び減少傾向の何れを示す場合であっても、クリープ誤差が高精度に補償されていることが分かる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。例えば、本実施形態においては、飽和曲線ｈ_ｉとして一次遅れ系のステップ応答関数を用いたが、単位時間あたりの増加率の絶対値が減少していく関数である限りこれに限られず、例えば、対数関数又は指数関数（ただし、指数ａは０＜ａ＜１）等が適用可能である。

本発明のクリープ誤差補償装置及びクリープ誤差補償方法は、ロードセル等の重量検出手段で検出された重量信号のクリープ誤差を補償するために有用である。特に、複雑な制御を行い得る制御部を備えることが困難な安価な計量器において、ロードセル等の重量検出手段で検出された重量信号のクリープ誤差を補償するために有用である。

１ 重量検出手段
２ クリープ誤差補償装置
３ 表示装置
２１ 制御部
２１ａ クリープ誤差成分信号生成手段
２１ｂ 補償関数演算手段
２１ｃ 既補償信号生成手段
２２ 記憶部
ｆ_ｉ 補償関数
ｇ_ｉ 線形関数
ｈ_ｉ 飽和関数
Ｒ_ｉ 既補償信号
Ｓ_ｉ クリープ誤差成分信号
ｗ_ｉ 重量信号（被処理信号）
Ｅ（ｋ，τ） 評価関数
ｄ サンプリング間隔
ｉ サンプリング要素
ｋ 重み係数
τ 時定数
ＭＣＥ クリープ誤差成分信号の最大発生量

Claims (9)

1. 重量検出手段で検出された荷重に対応する重量信号のクリープ誤差を補償するクリープ誤差補償装置であって、
   前記重量検出手段で検出された荷重に対応する重量信号から所定時間範囲におけるクリープ誤差出力を抽出し、クリープ誤差成分信号として生成するクリープ誤差成分信号生成手段と、
   前記クリープ誤差成分信号を線形関数と単位時間あたりの増加率の絶対値が時間経過に応じて減少していく飽和関数とによって近似し、前記線形関数と前記飽和関数とを前記所定時間範囲の全域で加算した補償関数を演算する補償関数演算手段と、
   被処理信号である重量信号から前記補償関数を差し引いた既補償信号を出力する既補償信号生成手段とを備えた、クリープ誤差補償装置。
2. 前記補償関数は、前記線形関数と前記飽和関数とを前記時間範囲の全域で重み付け加算したものである、請求項１に記載のクリープ誤差補償装置。
3. 前記飽和関数は、一次遅れ系のステップ応答関数である、請求項１に記載のクリープ誤差補償装置。
4. 前記補償関数ｆ_ｉは、以下の式で表される、請求項２に記載のクリープ誤差補償装置。
   

   

   ここで、ｉは前記クリープ誤差成分信号のサンプリング要素であり、前記所定時間範囲における時刻ｔ（０≦ｔ≦Ｔ）とサンプリング間隔ｄとを用いてｉ＝ｔ／ｄ（０≦ｉ≦ｉ_ＭＡＸ＝Ｔ／ｄ）を満たす変数、ｋは重み係数（０≦ｋ≦１）、ｇ_ｉは前記線形関数、ｈ_ｉは前記飽和関数、ＭＣＥは前記所定時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）におけるクリープ誤差成分信号の最大発生量、及び、τは時定数をそれぞれ示す。
5. 前記補償関数演算手段は、前記重み係数ｋ及び前記時定数τの少なくとも何れか一方を変数として用いて、以下の式で表される評価関数Ｅ（ｋ，τ）が最小となるように、前記補償関数ｆ_ｉにおける前記重み係数ｋ及び前記時定数τを決定する、請求項４に記載のクリープ誤差補償装置。
   

   

   ここで、Ｓ_ｉは前記クリープ誤差成分信号を示す。
6. 前記クリープ誤差成分信号生成手段は、前記所定時間範囲の終期を、前記重量信号ｗ_ｉが前記所定時間範囲の始期における値ｗ_０に対して以下の式を満足したときとして設定する、請求項１に記載のクリープ誤差補償装置。
   

   

   ここで、Ａは所定の目標クリープ誤差補償精度値を示し、Ｂは前記重量検出手段に固有の飽和クリープ量を示す。
7. 重量検出手段で検出された荷重に対応する重量信号のクリープ誤差を補償するクリープ誤差補償方法であって、
   前記重量検出手段で検出された荷重に対応する重量信号から所定時間範囲におけるクリープ誤差出力を抽出し、クリープ誤差成分信号として生成するクリープ誤差成分信号生成ステップと、
   前記クリープ誤差成分信号を線形関数と単位時間あたりの増加率の絶対値が時間経過に応じて減少していく飽和関数とによって近似し、前記線形関数と前記飽和関数とを前記所定時間範囲の全域で加算した補償関数を演算する補償関数演算ステップと、
   被処理信号である重量信号から前記補償関数を差し引いた既補償信号を出力する既補償信号生成ステップとを含む、クリープ誤差補償方法。
8. 前記補償関数は、前記線形関数と前記飽和関数とを前記時間範囲の全域で重み付け加算したものである、請求項７に記載のクリープ誤差補償方法。
9. 前記補償関数ｆ_ｉは、以下の式で表される、請求項８に記載のクリープ誤差補償方法。
   

   

   ここで、ｉは前記クリープ誤差成分信号のサンプリング要素であり、前記時間範囲における時刻ｔ（０≦ｔ≦Ｔ）とサンプリング間隔ｄとを用いてｉ＝ｔ／ｄ（０≦ｉ≦ｉ_ＭＡＸ＝Ｔ／ｄ）を満たす変数、ｋは重み係数、ｇ_ｉは前記線形関数、ｈ_ｉは前記飽和関数、ＭＣＥは前記時間範囲（０≦ｔ≦Ｔ）におけるクリープ誤差成分信号の最大発生量、及び、τは時定数をそれぞれ示す。

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