(57)【要約】【課題】測定台が大気や摩擦の影響で減衰振動するとき、粘性摩擦を考慮し、微分法に依らない方法で高精度かつ高速に被計量物の質量を計測可能な質量計測装置を提供する。【解決手段】被計量物が載置されることで揺動する振動台と、該振動台の変位量を電気信号に変えて出力する物理量変換手段と、該物理量変換手段より出力された電気信号を積分することで前記被計量物の質量を推定する信号処理手段と、該信号処理手段で推定された被計量物の質量を出力する出力手段とを備える。従来の質量計測する技術は、被計量物に対応する変位量を出力し、微分方程式を用いるが、サンプルされた信号は滑らかでないため、擬似微分となり、そのため誤差が生じ精度よく測定できない。そこで、信号処理手段により積分処理して周波数を高速、高精度に推定し、この周波数推定結果から質量を測定する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計量物が載置されることで揺動する振動台と、
該振動台の変位量を電気信号に変えて出力する物理量変換手段と、
該物理量変換手段より出力された電気信号を積分することで前記被計量物の質量を推定する信号処理手段と、
該信号処理手段で推定された被計量物の質量を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする質量計測装置。
【請求項２】
前記信号処理手段は、前記物理量変換手段より入力された電気信号を基に、前記振動台の揺動についての運動方程式より導出された所定の方程式中に含まれる加算項の内の係数を含まない時間に依存する信号部分を微分によらず積分演算により算出する媒介信号生成器と、
該媒介信号生成器により算出された信号を基に所定の演算により前記係数を算出する係数算出部と、
該係数算出部で算出された係数を基に前記被計量物の質量を推定する質量推定器とを備えたことを特徴とする請求項１記載の質量計測装置。
【請求項３】
前記所定の演算を行う連立方程式求解器を備え、
該連立方程式求解器では、前記媒介信号生成器により算出された信号を含む連立方程式により前記係数が求められることを特徴とする請求項２記載の質量計測装置。
【請求項４】
前記変位量は、時間の経過とともに振動振幅が減衰していくことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の質量計測装置。
【請求項５】
前記変位量又は電気信号にはノイズが含まれ、前記媒介信号生成器の出力に該ノイズを除去するフィルタを備えたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の質量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量計測装置に係わり、特に測定台が大気や摩擦の影響で減衰振動するとき、粘性摩擦を考慮し、微分法に依らない方法で高精度かつ高速に被計量物の質量を計測可能な質量計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある物体の質量ｍを測定するための技術は初等物理で周知のとおり、この物体の質量を含む質点系の振動解析で達せられる。例えば１自由度振動系では、運動方程式が数１となるから、質点が単振動すれば質量に関して数２となる関係が知られている。
【０００３】
【数１】
2009115667.tif 000003
【０００４】
【数２】
2009115667.tif 000004
【０００５】
ここで、ｋはバネ定数、ωは振動系の周波数である。この微分方程式を用いて質量を求めた例として特許文献１の「質量測定装置」が挙げられる。しかし数１は変位の微分を必要とするが、サンプルされた信号は滑らかでないため、数学的には微分そのものが存在せず、工学的にはノイズへの耐性の観点からも微分器を実現できないので擬似微分（もしくは差分近似）となる。そのため測定誤差が生じ、精度よく測定することができない。
【０００６】
これに対して力もしくは圧力センサを用いた方法がある。例として、ロードセルを使用することにより実施され、このロードセルは物体により及ぼされた力を電気信号に変換する。しかし、ロードセルは一般に長い整定時間が必要とされる。
【０００７】
また、特許文献２の「質量測定および装置」では、整定時間の比較的短い時間内で質量測定を実施する技術が開示されている。しかし、この方法の場合、微分に基づく方法の改善にしか過ぎず、また本質的には周波数を周期に置き換えた技術に過ぎず前記と同様の問題がある。
【０００８】
質量計測のうち、動的質量計測に限ってみると、その本質は周波数推定である。この周波数推定の技術の例として特許文献３の「周波数推定装置および周波数推定方法」が挙げられる。しかし、非減衰振動波形（正弦波）に対する周波数推定法を適用しており、この方法を用いても推定結果にバイアスが生じるため、誤差が生じ精度よく推定できない。
【特許文献１】特開平１０−３０９５１号公報
【特許文献２】特開平８−４３１８５号公報
【特許文献３】特開２００３−２２７８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、測定台が大気や摩擦の影響で減衰振動するとき、粘性摩擦を考慮し、微分法に依らない方法で高精度かつ高速に被計量物の質量を計測可能な質量計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため本発明（請求項１）は、被計量物が載置されることで揺動する振動台と、該振動台の変位量を電気信号に変えて出力する物理量変換手段と、該物理量変換手段より出力された電気信号を積分することで前記被計量物の質量を推定する信号処理手段と、該信号処理手段で推定された被計量物の質量を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
従来の質量を計測する技術は、被計量物に対応する変位量を出力し、微分方程式を用いるが、サンプルされた信号は滑らかでないため、擬似微分となり、そのため誤差が生じ精度よく測定できない。
【００１２】
そこで、信号処理手段により積分処理して周波数を高速、高精度に推定し、この周波数推定結果から質量を測定する。なお、物理量変換手段は、変位量を電流値、抵抗値、静電容量、インダクタンス変化等に変換し、最終的には電圧量として出力する。このことにより高速、高精度に被計量物の質量を計測することが可能になる。
【００１３】
また、本発明（請求項２）の前記信号処理手段は、前記物理量変換手段より入力された電気信号を基に、前記振動台の揺動についての運動方程式より導出された所定の方程式中に含まれる加算項の内の係数を含まない時間に依存する信号部分を微分によらず積分演算により媒介信号として算出する媒介信号生成器と、該媒介信号生成器により算出された信号を基に所定の演算により前記係数を算出する係数算出部と、該係数算出部で算出された係数を基に前記被計量物の質量を推定する質量推定器とを備えて構成した。
【００１４】
このことにより、簡単な構成で被計量物の質量を高精度かつ高速に計測可能になる。
更に、本発明（請求項３）は、前記所定の演算を行う連立方程式求解器を備え、該連立方程式求解器では、前記媒介信号生成器により算出された信号を含む連立方程式により前記係数が求められることを特徴とする。連立方程式を導入することで簡単に係数を算出できる。
【００１５】
更に、本発明（請求項４）は、前記変位量は、時間の経過とともに振動振幅が減衰していくことを特徴とする。
【００１６】
被計量物の質量を受けて揺動する振動台が、大気や摩擦の影響で減衰振動するときこの減衰波形の周波数と減衰率を高精度に推定し、微分に係らない積分演算を用いた周波数推定法を適用する。このように、粘性摩擦抵抗力を考慮することで、より精度よく被計量物の質量を求めることができる。
【００１７】
更に、本発明（請求項５）は、前記変位量又は電気信号にノイズが含まれた場合、前記媒介信号生成器の出力に該ノイズを除去するフィルタを備えて構成した。
ノイズを考慮することで、より精度よく被計量物の質量を求めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように本発明によれば、減衰振動を物理量変換手段により電気信号に変換し、それを積分することで周波数を高速、高精度に推定し、その結果から質量を推定するので、高速、高精度に被計量物の質量を計測することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態の外観構成図を図１に、内部構成図を図２に示す。図１および図２において、質量計測装置１０の筐体１の上面には開口３が形成され、この開口３の内側に振動台５が配設されている。そして、この筐体１の一端には垂設板７が立設されており、その上端に画面９を有する表示器１１が取り付けられている。
【００２０】
振動台５の裏面と筐体１の底面との間には複数のバネ１３が配設されており、このバネ１３により振動台５が支持されている。また、この筐体１の底面にはレーザ変位センサ１５が取り付けられ、振動台５までの距離を計測し、電圧出力するようになっている。そして、このレーザ変位センサ１５の出力は信号処理装置１７に入力され、この信号処理装置１７で演算された結果が画面９に表示されるようになっている。
【００２１】
係る構成において、周波数推定法を用いた質量を計測する方法について説明する。本発明では、質量計測において、運動方程式を解くのに従来のように微分ではなく積分関係に基づく方法を採用する。また、空気やバネに存在する粘性摩擦を考慮する。
【００２２】
振動台５に載置された被測定物の質量はｍであるとする。測定を行っているとき、振動台５の上に置かれた被測定物は、振動台５と一体となって運動する。
【００２３】
図３は、この質量計測装置１０の振動台５の物理的なモデルを示す。図３において、筐体１の底面と振動台５の間にはバネｋと粘性摩擦ｃとが存在する。
【００２４】
振動台５の垂直方向の変位ｒ（ｔ）は、振幅をｒ0、減衰率をλ、周波数をωdとすると数３によって表せられる。なお、図４に質量計測装置１０のシステム構成図を示す。図４において、変位ｒ（ｔ）はイ点における物理量変換装置への入力信号である。
【００２５】
【数３】
2009115667.tif 000005
【００２６】
周波数推定法では数３の周波数ωdと減衰率λを求める。ｒ0は関係しないので以下ではｒ0＝１として説明する。この変位ｒ（ｔ）を図４の物理量変換装置１５にて電気信号ｘ（ｔ）に変換し、信号処理装置１７に入力する。物理量変換装置はレーザ変位センサ１５に相当する。しかしながら、物理量変換装置装置は、レーザ変位センサに限らず、変位量を電流値、抵抗値、静電容量、インダクタンス変化等に変換し、最終的には電圧量として出力できるものであればよい。
【００２７】
次に、信号処理部分について詳細に説明する。図５に、本発明に係る周波数推定法を用いた質量計測装置１０の信号処理部分のブロック図を示す。
【００２８】
信号処理装置１７に入力される電圧信号ｘ（ｔ）は、振動台５に関する運動方程式より数４になる。
【００２９】
【数４】
2009115667.tif 000006
【００３０】
数４に記述される方程式をラプラス変換して数５を得る。
【００３１】
【数５】
2009115667.tif 000007
【００３２】
ここに、
2009115667.tif 000008
は初期変位および初期速度であり、通常知ることができない。
【００３３】
数５はｔ領域に関する初期条件を含む方程式なので、ｓで２階微分することでこれを消去し数６を得る。
【００３４】
【数６】
2009115667.tif 000009
数６において、Ｘの右肩の記号はｓでの微分を表わす。
【００３５】
数６を逆ラプラス変換しても微分方程式なのでｓ-2を乗じて積分形式に変換し数７を得る。
【００３６】
【数７】
2009115667.tif 000010
【００３７】
ここで数８のように置いた。
【００３８】
【数８】
2009115667.tif 000011
【００３９】
数８を逆ラプラス変換すると数９を得る。図５中に示す媒介信号生成器２３は、この数９の関係を満たすように設計されており、図６にその詳細ブロック図を示す。即ち、媒介信号生成器２３に入力された時刻ｔおよび電気信号ｘを基に数９に従い媒介信号ｇ1（ｔ）、ｇ2（ｔ）、ｈ（ｔ）が出力されるようになっている。なお、時刻ｔは図７に示すように電圧１Ｖを積分することでアナログ値として得ている。
【００４０】
【数９】
2009115667.tif 000012
【００４１】
数９は方程式１つに２つの未知のパラメータがあるので、パラメータを決定できない。よって、数１０の関係を利用してパラメータを決定する。
【００４２】
【数１０】
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【００４３】
ここでは例として積分を用いたが、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタ等任意のフィルタであってもよい。図５中に示す擬似観測信号生成器２５は、この数１０の関係を満たすように設計されており、図８にその詳細ブロック図を示す。即ち、擬似観測信号生成器２５に入力された媒介信号ｇ1（ｔ）、ｇ2（ｔ）、ｈ（ｔ）は、そのまま信号として出力される一方で、フィルタ２７を通過することで
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として出力されるようになっている。
この結果、数１１の連立方程式を得る。
【００４４】
【数１１】
2009115667.tif 000015
【００４５】
数１１を解くと、数１２のようにα1，α2を決定することができる。図５中に示す連立方程式求解器３１は、この数１２の関係を満たすように設計されており、図９にその詳細ブロック図を示す。即ち、入力された信号ｇ1（ｔ）、ｇ2（ｔ）、ｈ（ｔ）および
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に基づき信号α1、α2を生成し出力するようになっている。
【００４６】
【数１２】
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【００４７】
減衰率λ、周波数ωdはそれぞれ数１３によって推定することができる。
【００４８】
【数１３】
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【００４９】
得られた減衰率λ、周波数ωdから数１４のように質量を決定することができる。図５中に示す質量推定器３３は、この数１３および数１４の関係を満たすように設計されており、図１０にその詳細ブロック図を示す。即ち、入力されたバネ定数ｋ、信号α1、α2および電圧２Ｖを基に質量ｍ、周波数ωd、減衰率λを生成し出力するようになっている。
【００５０】
【数１４】
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【００５１】
そして、ここで得られた質量の値を表示器１１に表示する。
【００５２】
次に、本実施形態についてその効果をシミュレーションにより確認した結果について説明する。振動台５には質量ｍ＝１０ｋｇが載置され、図１１に示すような減衰振動が生じたものとする。
【００５３】
このときのそれぞれのシミュレーション結果である信号α1、α2を図１２に、周波数ωd、減衰率λを図１３に、質量ｍを図１４に示す。図１１から分かるように、従来振動が静止するまで待つバネ秤等では、この図から２秒程度待つ必要がある。しかしながら、本実施形態では図１４からわかるように計測開始とほぼ同時にリアルタイムにかつ高精度に計測可能であることが分かる。
【００５４】
また、図１１に示す減衰振動に対し図１５に示す白色ガウスノイズe（ｔ）を重畳させ、図１６のように生成した波形に基づきシミュレーションを行った。但し、このとき、媒介信号生成器２３の出力側には信号をｔ2で除したのち低周波域を通過させるフィルタを挿入した。シミュレーションの結果は図１７に示すように、図１４に比べれば多少時間は要したものの、１秒以内の早期の内に演算結果がほぼ安定して出力できていることが分かる。
【００５５】
次に、本実施形態の比較として、従来の質量推定方法についてシミュレーションを行った結果について説明する。シミュレーションを行ったのは、従来の初等物理で知られている数２の関係を用いた質量推定方法である。その結果、減衰がない場合の質量推定結果は図１８のようになる。
【００５６】
図１８から分かるように、分母がゼロとなる時点では推定値が発散し、たとえ減衰がなくても、微分演算が擬似微分となるため推定結果は一点に定まらない。
また、この質量推定方法を用いて、図１１に示した減衰を考慮した振動波形から推定した質量を図１９に示す。図１９から分かるように、自然界に存在する減衰を考慮していない従来の質量推定方法では質量を正しく測定できない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の活用例としては、単なる質量計測装置以外に質量の測定を必要とするあらゆる分野での適用が可能である。例えば、トラックなどの過積載の検査を行う場合には、トラックがこの質量計測装置上を走るだけで、トラックの質量を高速かつ高精度に測定し、過積載車輌の特定を行うことが可能である。
【００５８】
また、工場のラインにおいては、質量を高速、高精度に求める要求は品質を高めコストを削減するというニーズから多々あるが、本装置を使用すると、例えばお菓子の原料の重さを高速、高精度に測定し、品質の揃ったお菓子を低コストで製造することが可能になる。また、袋詰めの際には、正確な量を測れるためコスト削減が可能になる。
【００５９】
更に、新生児や動物などの重さを測るには、通常は被測量物を静止させる必要がある。しかし、この装置を使用すれば、被測量物を静止させる必要はなく、高速、高精度に測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態の外観構成図
【図２】本発明の実施形態の内部構成図
【図３】振動台の物理的モデル
【図４】質量計測装置のシステム構成図
【図５】信号処理部分のブロック図
【図６】媒介信号生成器の詳細ブロック図
【図７】時刻発生器
【図８】擬似観測信号生成器の詳細ブロック図
【図９】連立方程式求解器の詳細ブロック図
【図１０】質量推定器の詳細ブロック図
【図１１】シミュレーション用減衰振動波形
【図１２】シミュレーション結果（信号α1、α2）
【図１３】シミュレーション結果（周波数ωd、減衰率λ）
【図１４】シミュレーション結果（質量ｍ）
【図１５】白色ガウスノイズ
【図１６】白色ガウスノイズの重畳された減衰振動波形
【図１７】ノイズを考慮したときのシミュレーション結果
【図１８】従来の質量推定方法についてのシミュレーション結果
【図１９】減衰を考慮したときの従来の質量推定方法についてのシミュレーション結果
【符号の説明】
【００６１】
１  筐体
３  開口
５  振動台
７  垂設板
９  画面
１０  質量計測装置
１１  表示器
１３  バネ
１５  レーザ変位センサ（物理量変換装置）
１７  信号処理装置
２３  媒介信号生成器
２５  擬似観測信号生成器
２７  フィルタ
３１  連立方程式求解器
３３  質量推定器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009115667.tif 000029
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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