JP5839975B2

JP5839975B2 - 計量装置

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Publication number: JP5839975B2
Application number: JP2011273601A
Authority: JP
Inventors: 直人出雲; 雄二深見
Original assignee: A&D Co Ltd
Current assignee: A&D Co Ltd
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: US20140332290A1; JP2013124922A; WO2013088835A1; DE112012005227T5; GB201412512D0; US9335202B2; GB2512540B; GB2512540A

Description

本発明は、質量を計測する計量装置に係り、特に、質量×重力加速度を荷重として受け、その際の装置内部構造の変位を電気的に検出して質量を計測する計量装置に関する。

この種の計量装置として、例えば電磁平衡式の電子天秤がある。電磁平衡式計量装置では、計量皿に計量物が載置されると、その荷重は荷重伝達機構であるビームに伝達され、ビームは支点を中心に回動し、この力で電磁部と接続している側も変位する。この変位は変位検出センサからの出力電圧で検知され、係る変位を打ち消し当該ビームを平衡させるように電磁部コイルに電流が流れ、この電気量を計測することにより質量を計測する（特許文献１）。

計量装置に利用される質量センサには、前述の電磁平衡式の他に、ひずみゲージの変位を利用するロードセル式、センサと計量物の静電容量から変位を測定する静電容量式などがあるが、いずれの質量センサも、質量×重力加速度を荷重として受け、その際の装置内部構造変位に相当する電気信号から質量を計測する点で同様である。

係る計量装置は近年、生産設備など計量を自動で行う生産ラインに導入されており、特に自動機と呼ばれる生産ラインでは、モータ，エアシリンダ等のアクチュエータを利用した生産治具を利用して、計量装置に計量物が自動的に載せられて機械的に計測が行われている。

特開２００２−３４０６６５（段落［００１２］、図１等）

しかし、前述の生産ラインに従来の計量装置が用いられた場合、人の手による操作と異なり、自動機では計量物と計量皿の接触が判断できず、その結果、計量物をやさしく計量皿に置くことが出来ない。通常、計量装置の計量皿には、過荷重への対策として、板ばねやコイルスプリングからなる衝撃吸収機構（通称ショックアブソーバ）が設けられているが、係るショックアブソーバは、ゆっくり加わる準静荷重に対しては機能するが、計量皿に加わる加速度が問題となる場合、即ちエネルギーが吸収される前に破損が生じるような衝撃荷重には機能しないことが知られている。

このため、自動機の採用によって質量センサに衝撃的な荷重が加わる場合があり、破損が生じるということが多々生じていた。これに対しユーザには、生産ラインでの使われ方が衝撃的なものかどうか判断するすべはなく、規定ひょう量内の質量を計測しているにも関わらず、質量センサに破損が生じるのは何故なのかと計量装置そのものへの不信感を募らせてしまうという問題が生じていた。

本発明は、従来技術の問題点に基づいて為されたもので、その目的は、第１に、質量センサからの電気的な出力から計量装置に加わる衝撃荷重を数値化する方法を提供し、第２に、その衝撃度をユーザに公開することで、質量センサの破損を未然に防止する計量装置を提供するものである。

前記目的を達成するために、本発明の計量装置では、計量物を載置する計量部と、その質量×重力加速度を荷重として受け、その際の装置内部構造変位に相当する電気信号から質量を計測する質量センサと、を備え、前記変位の量を数値化して記録し、該変位量データから数値計算して加速度を求め、該加速度を、載置時に前記質量センサが受けた衝撃度として記録する衝撃荷重数値化手段を備え、手載せ静荷重の前記衝撃度と比較して計量装置の使われ方が衝撃的かどうかを判断することを特徴とする。

上記計量装置は、前記計量部に計量物を載置すると、前記変位部である荷重伝達機構が、支点を介して変位し、該荷重伝達機構と接続されている電磁部によって平衡状態を保つよう変位し、該変位量が変位検出センサの電圧出力によって検出される、電磁平衡式質量センサを備える電子天秤であって、前記変位検出センサの出力電圧を数値化し、該電圧データをこれに対応する変位量データとして記録し、該変位量データから数値計算して加速度を求め、該加速度を、載置時に前記変位検出センサが受けた衝撃度として記録する衝撃荷重数値化手段を備え、手載せ静荷重の前記衝撃度と比較して計量装置の使われ方が衝撃的かどうかを判断することを特徴とする。

上記計量装置において、前記衝撃荷重数値化手段で得られた前記加速度から、これに対応する衝撃値を算出し、計量装置の使われ方が衝撃的かどうかをユーザに知らせる衝撃度伝達手段を備えることを特徴とする。
上記計量装置において、前記衝撃度が数値化されることを特徴とする。

本発明によれば、計量装置に利用される質量センサは、その多くが、質量×重力加速度を荷重として受け、その際の装置内部構造変位に相当する電気信号を出す機能を持っている。よって、係る電気信号から、変位部の変位の量を変位量データとして数値化して記録し、得られた変位値を単位時間当たりの変位量の変化として検出することで、質量センサの荷重に対する「速度」を求めることができる。さらに、得られた速度を単位時間当たりの速度変化として検出することで、質量センサの荷重に対する「加速度」を求めることができる。

本発明によれば、電磁平衡式の質量センサでは、変位は電圧として検出される。この出力電圧と、荷重が加わったときの荷重伝達機構の変位量には比例関係があることから、係る電圧を数値化して変位量データとして記録し、得られた変位値を検出することで、質量センサの荷重に対する「速度」を求めることができる。さらに、得られた速度を検出することで、質量センサの荷重に対する「加速度」を求めることができる。

以上のとおり、変位量から数値計算して得られた加速度は、計量装置に加わる衝撃度，即ち質量センサが受けた加速度を表している。よって、計量部に加わる衝撃度が大きいほど、大きな加速度として検出されることとなるため、従来不透明であった、計量装置の使われ方が衝撃的かどうかを定量化（数値化）することができる。

本発明によれば、衝撃荷重数値化手段で定量化された加速度を、人手による操作の場合に得られる加速度を既知の基準値とすること等で、衝撃度（衝撃の度合い）をも定量化することができる。そして、これを衝撃値として公開することで、計量装置の使われ方が過酷なものかどうかが容易に認知できるようになる。これにより、質量センサの破損を未然に防止することができるとともに、ユーザの抱いていた不信感も解消することができる。

本願発明の実施対象の一例を示す、電磁平衡式計量装置の機構部の断面図である。上記機構部の簡略構成図である。衝撃荷重数値化の動作フローチャートである。計量物を手載せした場合の電圧値変化を示す図である。計量物を自動機で載せた場合の電圧値変化を示す図である。計量物を手載せした場合及び自動機で載せた場合の電圧値を、変位値に変換した図である。計量物を手載せした場合及び自動機で載せた場合の変位値を、速度値に変換した図である。計量物を手載せした場合及び自動機で載せた場合の速度値を、加速度値に変換した図である。

次に、本願発明の好適な実施の形態を、計量装置として、電磁平衡式質量センサを備える電子天秤に適用した例に基づいて説明する。図１は本願発明の実施対象の一例を示す、電磁平衡式計量装置の機構部の断面図、図２は上記機構部の簡略構成図である。

符号１は上部副桿、符号２はこの上部副桿と平行に配置された下部副桿であって、両副桿１、２の一端は機構全体を支持するフレーム３に対してスプリング４、５を介して各々接続している。一方これらの上下の副桿１、２の他端には前記と同様の構成のスプリング７、８を介して浮き枠６が上下動可能に接続している。これらフレーム３、上下の副桿１、２及び浮き枠６によりロバーバル機構が構成されている。浮き枠６には計量皿１６（計量部）が載せられており、ここに計量物が載置される。

一方、フレーム３内には電磁部２０が収納されている。この電磁部２０はヨーク９、ヨーク９内に配置した電磁石１０と、この電磁石１０の上部に位置するポールピース１１と、このポールピース１１の周囲に位置するコイル１２とからなる。コイル１２はボビン１３に巻き付けられており、係るボビン１３はビーム１４（変位部である荷重伝達機構）に固定してあり、ビーム１４と共に昇降するよう構成されている。ビーム１４はフレーム３に対してサポートベアリング１５により接続しており、かつこのサポートベアリング１５を支点として回動するよう構成されている。なお、ビーム１４の回動は、光学センサ１８付近のビームの上下位置に設けられているストッパー１９により、規定値以上変位しないように構成されている。

上記の構成において、計量皿１６に計量物が載置されると、その荷重は浮き枠６に伝えられ、ロバーバル機構に案内されながら通称吊りバンド（テンションベアリング）１７を介してビーム１４に伝達され、ビーム１４に対してサポートベアリング１５を支点に回動するように力が加わり、ビーム１４が皿上荷重に対応して変位する。この力はビーム１４に接続しているボビン１３を介してコイル１２に伝達され、このコイル１２を変位させようとする。係る変位は、赤外線ＬＥＤとフォトダイオードからなる光学センサ（変位検出センサ）１８からの出力電圧から検出され、この変位を解消する方向（荷重が加わる前の元の平衡状態となる方向）に電磁力が発生するようにコイル１２に電流が供給される。この電磁部２０に流した電流を計測することにより、計量物の質量が計測される。計測された計量値は、天秤の表示部２４（図示せず）に表示される。

以上の従来構成に加え、光学センサ１８には、後述の衝撃荷重数値化手段のための、センサ出力電圧をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ２１、Ａ／Ｄコンバータ２１に接続されたメモリ２２、これら符号２１，２２に接続されたＣＰＵ２３が設けられている。そして、本願の電磁平衡式電子天秤は、ＣＰＵ２３に、衝撃荷重数値化手段と、衝撃度伝達手段とを備えている。後述のフローチャートとともに具体的に説明する。

本願の電磁平衡式電子天秤の衝撃荷重検出モードの作動を、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。

衝撃荷重検出モードに入ると、まず、ステップ１において、一定周期Ｔ（サンプリング周期、一例としてＴ＝２ｍｓｅｃ）で、ビーム１４の変位に関する光学センサ１８からの出力電圧をＡ／Ｄ変換し、ビーム１４の変位量データＰ（ｎ）として、メモリ２２に記憶する。出力電圧とビーム変位には、設計により製品毎に比例関係がある（例えば、ある製品では出力電圧６４０ｍＶであれば変位０．２２ｍｍ相当。）

次に、ステップ２で、メモリ２２に記憶された変位量データＰ（ｎ）から、ＣＰＵ２３にてビーム１４の速度データＶ（ｎ）を算出し、メモリ２２に記憶する。速度データＶ（ｎ）の算出は、一例として、微分を差分で近似した以下の式（１）から行う。
Ｖ（ｎ）＝{Ｐ（ｎ）−Ｐ（ｎ−１）}／Ｔ（１）
但し、Ｐ（ｎ）は今回の変位データ，Ｐ（ｎ−１）は前回の変位データ，Ｔはサンプリング周期である。

次に、ステップ３で、メモリ２２に記憶された速度データＶ（ｎ）から、ＣＰＵ２３にてビーム１４の加速度データＧ（ｎ）を算出し、メモリ２２に記憶する。加速度データＧ（ｎ）の算出は、一例として、微分を差分で近似した以下の式（２）から行う。
Ｇ（ｎ）＝{Ｖ（ｎ）−Ｖ（ｎ−１）}／Ｔ（２）
但し、Ｖ（ｎ）は今回の速度データ，Ｖ（ｎ−１）は前回の速度データ，Ｔはサンプリング周期である。

次に、ステップ４で、メモリ２２に記憶された、ビーム１４の、変位量データＰ（ｎ）、速度データＶ（ｎ）、加速度データＧ（ｎ）から、質量センサに加わる衝撃値となるパラメータＳ（ｎ）をＣＰＵ２３にて算出し、メモリ２２に記憶する。衝撃値Ｓ（ｎ）の算出は、一例として以下の（ｉ）〜（ｉｖ）から行う。
（ｉ）規定以上のビーム変位は、ビーム１４がストッパー１９に当たって衝撃を受けている可能性がある。従って、変位量データＰ（ｎ）を衝撃値Ｓ（ｎ）のパラメータとして採用する（式（３））。
Ｓ１（ｎ）＝｜ａ×Ｐ（ｎ）｜（３）
但し、ａは調整係数である。
（ｉｉ）Ｆ＝ｍａ（Ｆ：力，ｍ：質量，ａ：加速度）で表されるように、ビーム１４の質量は一定であるため、加速度が衝撃力に関連したものとなることが分かる。よって、加速度データＧ（ｎ）を衝撃値Ｓ（ｎ）のパラメータとして採用する（式（４））。
Ｓ２（ｎ）＝｜ｂ×Ｇ（ｎ）｜（４）
但し、ｂは調整係数である。
（ｉｉｉ）次に、Ｓ１（ｎ）とＳ２（ｎ）から衝撃値Ｓ（ｎ）を算出する。衝撃値Ｓ（ｎ）の算出は、一例として以下の式（５）から行う。
Ｓ（ｎ）＝Ｓ１（ｎ）＋Ｓ２（ｎ）（５）
（ｉｖ）なお、Ｓ１（ｎ）とＳ２（ｎ）から衝撃値Ｓ（ｎ）を算出する場合、必要に応じて時間的な要因を含めるのも好ましい。

次に、ステップ５で、算出された衝撃値Ｓ（ｎ）に対応した結果を、電子天秤の表示部２４に表示する。こののち、ステップ１に戻り、衝撃値Ｓ（ｎ）の表示を繰り返す。衝撃値Ｓ（ｎ）の開示方法には、例として以下の方法が考えられる。
（Ｉ）定量化された衝撃値Ｓ（ｎ）を、人手による操作の場合に得られた加速度データＧ（ｎ）から得た衝撃値Ｓ（ｎ）を既知の基準値とし、これを超える場合について、レベルメータで衝撃の度合いを表示する。バー表示が多いほど衝撃度大、バー表示が少ないほど衝撃度小である。
（ＩＩ）衝撃値Ｓ（ｎ）が、設計時の負荷試験により規定した限界値を超えたら、一定時間警告を表示又は警告音を発する。

以上において、ステップ１〜ステップ３が衝撃荷重数値化手段、ステップ４〜ステップ５が衝撃度伝達手段となる。

図４〜図８は、ひょう量６１００ｇの電磁平衡式電子天秤を用い、３ｋｇの分銅（計量物）を、手載せした場合と、自動機のスピードコントローラを低速設定し自動搭載した場合の、前述の衝撃荷重検出モードで得られるデータをグラフ化したものである。

まず、図４は計量物を手載せした場合の電圧値変化を示す図、図５は計量物を自動機で載せた場合の電圧値変化を示す図である。横軸は時間［ｓｅｃ］、縦軸は光学センサ１８からの出力電圧[ｍＶ]を示す。従来は、係る光学センサ１８からの出力電圧は、あくまでビーム１４の変位を検知するためだけに用いられていたため、このようにモニターされることはなかった。しかし本願では、係る出力電圧を積極的にスケーリングし、衝撃荷重を数値化するための材料として有効活用している。

次に、図６は、計量物を手載せした場合及び自動機で載せた場合の電圧値を、変位値に変換した図であり、即ち図４及び図５の電圧値をそれぞれ変位値に換算したものである。横軸は時間［ｍｓｅｃ］、縦軸はビーム１４の変位値（距離）[ｍｍ]を示す。

次に、図７は計量物を手載せした場合及び自動機で載せた場合の変位値を、速度値に変換した図であり、即ち図６の変位値をそれぞれ速度値に換算したものである。横軸は時間［ｍｓｅｃ］、縦軸はビーム１４の速度値[ｍ／ｓ]を示す。

次に、図８は計量物を手載せした場合及び自動機で載せた場合の速度値を、加速度値に変換した図であり、即ち図７の速度値をそれぞれ加速度値に換算したものである。横軸は時間［ｍｓｅｃ］、縦軸はビーム１４の加速度値[ｍ／ｓ^２]を示す。

最終的に得られた加速度値を比較すると、手載せした場合は約０．３ｍ／ｓ^２で略一定であるのに対し、自動搭載した場合は、最大１．７ｍ／ｓ^２に至っていることが分かる。この自動搭載最大時に検出される荷重は、手載せ静荷重に換算すると、３ｋｇｆ×（１．７÷０．３）＝１７ｋｇｆ相当となり、質量センサへの瞬間的ストレスは規定ひょう量を超え、天秤にとって過酷な状況であることが分かる。

本実施例によれば、電磁平衡式の質量センサでは、変位は光学センサ１８からの出力電圧として検出される。この出力電圧と、荷重が加わったときのビーム１４の変位量には比例関係があることから、係る電圧を数値化して変位量データＰ（ｎ）として記録し、これを二階微分（数値計算）することで、質量センサの荷重に対する加速度データＶ（ｎ）を求めることができる。この加速度は、質量センサが受けた加速度を表しており、即ち計量装置の質量センサが受ける衝撃度に相当する。よって、衝撃荷重数値化手段により、加速度Ｖ（ｎ）の値を具体的に数値化したことで、従来不透明であった、計量装置の使われ方が衝撃的かどうかが定量化できる。さらに、併せて衝撃度伝達手段を備えたことで、定量化された加速度Ｖ（ｎ）から、衝撃値Ｓ（ｎ）をも定量化することができる。そして、これをユーザに公開することで、規定ひょう量内の質量を計測している場合であっても、自動機の採用が天秤にとって衝撃的な使われ方となっていることが容易に認知できるので、自動機の設定を変更してもらう等により、質量センサの破損を未然に防止することができるとともに、ユーザの抱いていた不信感も解消することができる。

なお、上記実施例では、電磁平衡式の質量センサを搭載した計量装置を例に説明したが、ロードセル式、静電容量式の質量センサを搭載する計量装置であっても、同様に衝撃荷重を数値化することができる。いずれの質量センサも、計量物を計量皿（計量部）に載置すると、質量×重力加速度を荷重として受ける点で同様である。そして、ロードセル式では、起歪体（変位部）の変位に伴うひずみゲージの抵抗値変化に伴う出力電圧を荷重に換算していることから、変位量は係る出力電圧（電気信号）から求められる。静電容量式では、センサと計量物の静電容量から変位を計測し、この変位量を電圧換算後荷重に換算しているので、変位量は電気信号から直接的に得られる。即ち、いずれであっても変位量データＰ（ｎ）が得られるので、係る変位量データＰ（ｎ）から、上述のステップ２と同様に速度データＶ（ｎ）を算出し、ステップ３と同様に加速度データＧ（ｎ）を算出し、ステップ４と同様に衝撃値Ｓ（ｎ）を算出し、ステップ５と同様にこれを開示することができる。従って、本願発明の衝撃荷重検出方法及びその告知方法は、電磁平衡式に限定されず、質量×重力加速度を荷重として受け、その際の装置内部構造変位に相当する電気信号から質量を計測する機構を備えるタイプの質量センサを搭載する計量装置であれば、いずれにも適用することができる。

１４ビーム（変位部である荷重伝達機構）
１５サポートベアリング（支点）
１６計量皿（計量部）
１８光学センサ（変位検出センサ）
２０電磁部
２２メモリ
２３ＣＰＵ

Claims

計量物を載置する計量部と、その質量×重力加速度を荷重として受け、その際の装置内部構造変位に相当する電気信号から質量を計測する質量センサと、を備え、
前記変位の量を数値化して記録し、該変位量データから数値計算して加速度を求め、該加速度を、載置時に前記質量センサが受けた衝撃度として記録する衝撃荷重数値化手段を備え、手載せ静荷重の前記衝撃度と比較して計量装置の使われ方が衝撃的かどうかを判断することを特徴とする計量装置。
前記計量装置は、
前記計量部に計量物を載置すると、前記変位部である荷重伝達機構が、支点を介して変位し、該荷重伝達機構と接続されている電磁部によって平衡状態を保つよう変位し、該変位量が変位検出センサの電圧出力によって検出される、電磁平衡式質量センサを備える電子天秤であって、
前記変位検出センサの出力電圧を数値化し、該電圧データをこれに対応する変位量データとして記録し、該変位量データから数値計算して加速度を求め、該加速度を、載置時に前記変位検出センサが受けた衝撃度として記録する衝撃荷重数値化手段を備え、手載せ静荷重の前記衝撃度と比較して計量装置の使われ方が衝撃的かどうかを判断することを特徴とする請求項１に記載の計量装置。
前記衝撃荷重数値化手段で得られた前記加速度から、これに対応する衝撃値を算出し、計量装置の使われ方が衝撃的かどうかをユーザに知らせる衝撃度伝達手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の計量装置。
前記衝撃度が数値化されることを特徴とする請求項１又は２に記載の計量装置。