(57)【要約】【課題】  チャンネル切り替え時に起因する誤差を低減し、精度の高い荷重の測定を行うようにすること。【解決手段】  第１〜第４のロードセル２１〜２４において出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する際に、順次高速で第１〜第４のロードセル２１〜２４を切り替えるとともに、一つの第１〜第４のロードセル２１〜２４のうち一つからの出力を変換するときには、複数サンプリングに時分割して最初の所定数を利用しないようにする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重に応じたアナログの電気信号を出力する複数の荷重変換器と、
これらの複数の荷重変換器の出力を順次高速で切り替えて取得する信号選択手段と、
該信号選択手段において取得されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、
該ＡＤ変換器にて変換されたデジタル信号を積算し、積算結果を元に荷重を算出する荷重算出手段とを有する
ことを特徴とするデジタル秤。
【請求項２】
前記信号選択手段は、
前記複数の荷重変換器の検出出力を高速で切り替えて取得する処理を複数サイクル行い、
前記荷重算出手段は、前記複数サイクルにわたる検出出力を積算する
ことを特徴とする請求項１に記載のデジタル秤。
【請求項３】
前記信号選択手段は、一つの前記荷重変換器につき、複数サンプリング数の検出出力を１サイクルにおける検出出力として連続して取得し、
前記荷重算出手段は、前記複数サンプリング数の検出出力のうち、最初の所定サンプリング数の検出出力を積算しない
ことを特徴とする請求項２に記載のデジタル秤。
【請求項４】
前記ＡＤ変換器は、ＰＷＭ方式のＡＤ変換器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のデジタル秤。
【請求項５】
荷重に応じたアナログの電気信号を出力する複数の荷重変換器の出力を順次高速で切り替えて取得する信号選択工程と、
該取得されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換工程と、
該変換されたデジタル信号を積算し、積算結果を元に荷重を算出する荷重算出工程とを有する
ことを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば多点式秤における各センサ出力を順次繰り返し高速で読み込むようにしたデジタル秤及び計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、デジタル秤で用いられているＡＤ（アナログデジタル）変換器には、たとえば図５に示すようなＰＷＭ（帰還形パルス幅変調）方式によるものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
すなわち、ＡＤ変換器は、入力端子ＴＭ１から被測定アナログ電圧である入力電圧Ｅｘが入力されると、演算増幅器１により、その入力電圧Ｅｘと、分周器５からの変調信号電圧±Ｅｃと、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を介しての基準電圧±Ｅｓとを含めた積分動作が行われる。ここで、演算増幅器１とコンデンサＣ１とにより積分器が構成されている。
【０００４】
ここで、入力電圧Ｅｘが取り込まれない状態では、比較器２及びインバータ３のＰＷＭ出力が１周期に対して丁度デューティ比５０で、系は平衡状態にある（入力０の状態）。この状態で入力電圧Ｅｘが取り込まれると、系は１周期当たりの積分器に流入する電流の平均値が０になるように動作する。
【０００５】
よって、基準電圧±Ｅｓのそれぞれを印加するスイッチＳＷ１，ＳＷ２の開閉時間の割合が当然に変化することになる。すなわち、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の開閉を制御するパルス幅であるパルス幅変調出力が入力電圧Ｅｘによって変調を受けたことになる。
【０００６】
ここで、スイッチＳＷ１を制御するパルスについて着目すると、そのパルスが１になっている期間は、入力電圧Ｅｘの大きさに対応したものとなっているので、この期間だけゲート４を開いてクロックパルスを通過させてやれば、そのクロックの数は入力電圧Ｅｘの大きさに対応したものとなる。したがって、図５に示す回路は、ＡＤ変換器として利用することができる。
【０００７】
このようなＰＷＭ制御方式によるＡＤ変換器は、その精度が基準電圧±Ｅｓと抵抗器Ｒｘ，Ｒ１，Ｒ２とにのみ依存し、他の積分器の定数には依存せず、また比較器２の感度や不感帯も精度に影響を及ぼさないなどの利点を有するものとなっている。なお、図５中、符号４はアンドゲートであり、符号６はクロックパルス発生器である。
【特許文献１】特開昭５７−４９８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、このようなＡＤ変換器では、計測初期において基準電圧±Ｅｓが過渡状態にあり不安定となる課題がある。そこで、特許文献１に開示の技術にあっては、計測期間を時分割して、不安定と想定される最初の数サンプリングを使用しないようにしている。
【０００９】
しかし、上述のＡＤ変換器にあっては、測定対象は単一チャンネルからの入力を想定しており、複数のチャンネルのデータを基に一つの荷重を計測する態様に関してはなんら開示はない。
【００１０】
このようなことから、簡易的に比較的高速で、複数チャンネルでの測定を元に荷重を高精度で測定することができる装置の開発が求められていた。
【００１１】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記課題を解決することができるデジタル秤及び計測方法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】
【００１２】
本発明のデジタル秤は、荷重に応じたアナログの電気信号を出力する複数の荷重変換器と、これらの複数の荷重変換器の出力を順次高速で切り替えて取得する信号選択手段と、該信号選択手段において取得されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器にて変換されたデジタル信号を積算し、積算結果を元に荷重を算出する荷重算出手段とを有することを特徴とする。
また、前記信号選択手段は、前記複数の荷重変換器の検出出力を高速で切り替えて取得する処理を複数サイクル行い、前記荷重算出手段は、前記複数サイクルにわたる検出出力を積算するようにすることができる。
また、前記信号選択手段は、一つの前記荷重変換器につき、複数サンプリング数の検出出力を１サイクルにおける検出出力として連続して取得し、前記荷重算出手段は、前記複数サンプリング数の検出出力のうち、最初の所定サンプリング数の検出出力を積算しないようにすることができる。
また、前記ＡＤ変換器は、ＰＷＭ方式のＡＤ変換器であるようにすることができる。
本発明の計測方法は、荷重に応じたアナログの電気信号を出力する複数の荷重変換器の出力を順次高速で切り替えて取得する信号選択工程と、該取得されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換工程と、該変換されたデジタル信号を積算し、積算結果を元に荷重を算出する荷重算出工程とを有することを特徴とする。
本発明のデジタル秤及び計測方法では、信号選択手段により、複数の荷重変換器の出力が順次高速で切り替えて取得され、ＡＤ変換器により、信号選択手段において取得されたアナログ信号がデジタル信号に変換され、荷重算出手段により、該ＡＤ変換器にて変換されたデジタル信号が積算され、その積算結果を元に荷重が算出される。
すなわち、複数の荷重変換器において出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する際に、順次高速で複数の荷重変換器を切り替えるとともに、一つの荷重変換器からの出力を変換するときには、複数サンプリングに時分割して最初の所定数を利用しないため、チャンネル切り替え時に起因する誤差が低減されることになる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のデジタル秤及び計測方法によれば、複数の荷重変換器において出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する際に、順次高速で複数の荷重変換器を切り替えるとともに、一つの荷重変換器からの出力を変換するときには、複数サンプリングに時分割して最初の所定数を利用しないようにしたので、チャンネル切り替え時に起因する誤差を低減でき、精度の高い荷重の測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明のデジタル秤の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、デジタル秤の一態様として体重計について説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る体重計１０の外観を示す図である。また、図２は、体重計１０の機能ブロック図である。これらの図に示すように、体重計１０は、計測センサ２０と、計測制御部３０と、表示部４０とを備える。
【００１６】
計測センサ２０は、第１のロードセル２１と、第２のロードセル２２と、第３のロードセル２３と、第４のロードセル２４とを備える。第１〜第４のロードセル２１〜２４は、荷重をアナログ形式の電気信号（以下、単に「アナログ信号」ともいう）に変換して出力する荷重変換器であり、図１に示すように正方形の４つの頂点になるように配置されている。
【００１７】
具体的には、第１のロードセル２１は正方形の左上に配置され、第２のロードセル２２は右上に配置され、第３のロードセル２３は右下に配置され、第４のロードセル２４は左下に配置されている。この構成により、計測センサ２０の第１〜第４のロードセル２１〜２４は、それぞれ第１〜第４チャンネルのアナログ信号を出力する。
【００１８】
また、計測制御部３０は、セレクタ５０と、ＡＤ変換器３１と、演算処理部３２と、セレクタ制御部３４とを備える。
【００１９】
セレクタ５０は、計測センサ２０の第１のロードセル２１から第４のロードセル２４が出力するアナログ信号のうち一つの信号を時分割して順次選択してＡＤ変換器３１へ出力する。
【００２０】
ＡＤ変換器３１は、セレクタ５０が選択した第１のロードセル２１から第４のロードセル２４のいずれかが出力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。このＡＤ変換器３１は、ＰＷＭ方式のＡＤ変換器であり、ここでは、たとえば５１２０サンプル／秒の解像度でアナログ信号をデジタル信号に変換する。なお、ＡＤ変換器３１自体の構成は、公知の技術で実現でき、たとえば図５の従来技術で示したＡＤ変換器が例示される。
【００２１】
なお、ＡＤ変換器３１は、図３に示すように、変換後の信号として、２０サンプリングのデジタル信号を一つのまとまりとして扱い、１チャンネル当たり、２０サンプリング分のデジタル信号に変換すると、次のチャンネルのアナログ信号のデジタル信号への変換へ移る。
【００２２】
具体的には、セレクタ５０が計測開始前の電圧Ｖｏ又は電圧Ｖ４の第４のロードセル２４を選択している状態から、電圧Ｖ１の第１のロードセル２１の選択へ切り替わると、第１のロードセル２１は、第１のロードセル２１のアナログ信号を２０サンプリングだけ変換して、次に第２のロードセル２２のアナログ信号（電圧Ｖ２）の２０サンプリングの変換へ移り、さらに、第３のロードセル２３のアナログ信号の２０サンプリングの変換に移り、最後に第４のロードセル２４のアナログ信号の２０サンプリングの変換に移る。
【００２３】
このように、第１のロードセル２１から第４のロードセル２４までそれぞれ１回ずつ順次行う一連の処理を１サイクルとする。そして、ＡＤ変換器３１は、１６サイクルの変換処理を行う。
【００２４】
演算処理部３２は、ＡＤ変換器３１で変換されたデジタル信号を積分して、その積分値に対応する荷重を、計測対象の荷重として表示部４０へ通知する。積分値と荷重の対応関係は、所定の式として演算処理部３２が記憶してもよいし、所定のテーブルにその対応関係を記述して記憶してもよい。
【００２５】
ここでは、図３に示すように、ＡＤ変換器３１は、アナログ信号を１チャンネル当たり、２０サンプリングのデジタル信号に変換するが、演算処理部３２は、その２０サンプリングのデジタル信号のうち最初の４サンプリングは無効として使用せず、たとえば５番目〜２０番目のサンプリングのデジタル信号を有効なデータとして積分する。
【００２６】
これは、各チャンネル（２１〜２４）の出力配分が変化し過渡状態が変化することから、過渡状態の受ける可能性が高いサンプリングと想定されるデジタル信号を除外するためである。ここでは、後述するように、２番目のサンプリングまで過渡状態の影響を受けることが実験で確認できているので、さらにマージンを考慮して５番目以降のサンプリングを積算対象としている。
【００２７】
また、演算処理部３２は、ＡＤ変換器３１における１６サイクルの処理について、全ての変換後のデジタル信号、つまり、４チャンネル×１６サンプリング×１６サイクル＝１０２４個のデジタル信号を積算する。上述のように、ＡＤ変換器３１の解像度が、５１２０サンプリング／秒であり上述の１０２４サンプリングの変換には、理論上０．２秒しか処理時間がかからない。また、演算処理部３２における積分処理も、積分値に対応する荷重計算も非常に負荷の軽い処理である。第１のロードセル２１から第４のロードセル２４への切り替えは、非常に高速となる。
【００２８】
そして、演算処理部３２は、積算した値を重量換算して表示部４０に通知する。表示部４０は、たとえば液晶パネルなどであり、演算処理部３２からその通知を受けて計測対象の荷重を表示する。
【００２９】
キャリブレーション部３３は、第１のロードセル２１から第４のロードセル２４の校正を行う。校正手順として、ユーザは、第１のロードセル２１から第４のロードセル２４が作る正方形の中央部分に所定の質量の荷重をおいて、第１のロードセル２１から第４のロードセル２４が出力する信号の値が同じになるように調整する。
【００３０】
セレクタ制御部３４は、セレクタ５０に時分割による選択動作を行わせる。具体的には、上述のように、ＡＤ変換器３１はチャンネル当たりは２０サンプリングのデジタル変換処理を行う。したがって、セレクタ制御部３４は、ＡＤ変換器３１があるチャンネルについて２０サンプリングのデジタル変換処理を終了すると、次のチャンネルに接続を変更する。
【００３１】
なお、演算処理部３２やセレクタ制御部３４は、たとえば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ；中央演算装置）等のＬＳＩ（大規模集積回路）やメモリ、及びそのメモリに記憶されてそれぞれの機能を実行するプログラムにより実現される。
【００３２】
以上の構成の体重計１０について、図４により、検出精度に関するための実験結果を説明する。ここでは、偏置誤差と標準偏差についての実験を行っている。
【００３３】
まず、偏置誤差（右側の軸）については、第１〜第４のロードセル２１〜２４で形成される正方形の１辺を３０ｃｍとして、正方形の中心より３０ｍｍ前方に偏置して１００ｋｇ重の荷重をかけたときの誤差を示している。
【００３４】
第１〜第４のロードセル２１〜２４の加算対象となるデジタル信号のサンプリング回数を変えて計測している。図４で、加算回数２０とあるのは、２０サンプリングを全て加算して荷重を算出していることを示している。加算回数１６とあるのは、１番目から４番目までのサンプリングを除外し、５番目以降の１６サンプリングを加算していることである。
【００３５】
加算回数が「２０」の場合、誤差が９５．４ｇ（０．０９５％）であり、「１９」の場合、誤差は２２．４ｇ（０．０２２％）である。加算対象が３番目のサンプリング以降である加算回数「１８」の場合、誤差は、前述の２例と比べ大きく減り、４ｇ（０．００４％）である。加算回数が「１７」「１６」の場合も、誤差は１０ｇ（０．０１％）未満である。
【００３６】
この結果から、２０サンプリングのうち、最初の２サンプリングを除外して加算すれば、検出精度が大きく向上するのが確認できた。したがって、上述した体重計１０では、マージンをとって４番目までのサンプリングを積算対象から除外しており、過渡状態の影響を排除できるため、この体重計１０は、非常に高精度な荷重（体重）検出を行うことができる。
【００３７】
標準偏差（左側の軸）については、演算処理部３２が１チャンネルの１サイクルにおいて加算するサンプリング数と標準偏差の関係を示している。ここでは、３分間１２０ｋｇ重の一定荷重における各入力チャンネルのサンプリング数の標準偏差の平均を示している。加算回数、つまり加算するサンプリング数が、１０サンプリング以上になれば、標準偏差が０．０１７％未満となり、サンプルのばらつきを抑えることができる。したがって、上述した体重計１０は１６サンプリングを加算しているので、サンプリングのばらつきを排除できるため、この観点でも、この体重計１０は、非常に高精度な荷重（体重）検出を行うことができる。
【００３８】
このように、本実施形態では、信号選択手段としてのセレクタ５０により、複数の荷重変換器としての第１〜第４のロードセル２１〜２４の出力が順次高速で切り替えて取得され、ＡＤ変換器３１により、セレクタ５０において取得されたアナログ信号がデジタル信号に変換され、荷重算出手段としての演算処理部３２により、該ＡＤ変換器３１にて変換されたデジタル信号が積算され、その積算結果を元に荷重が算出されるようにした。
【００３９】
すなわち、第１〜第４のロードセル２１〜２４において出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する際に、順次高速で第１〜第４のロードセル２１〜２４を切り替えるとともに、一つの第１〜第４のロードセル２１〜２４のうち一つからの出力を変換するときには、複数サンプリングに時分割して最初の所定数を利用しないため、チャンネル切り替え時に起因する誤差を低減でき、精度の高い荷重の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のデジタル秤の一実施形態に係る、体重計の平面図である。
【図２】図１の体重計の機能ブロック図である。
【図３】図１の体重計のＡＤ変換器における信号変換処理について説明する図である。
【図４】図１の体重計のＡＤ変換器の計測における標準偏差及び偏置誤差に関する実験結果を示した図である。
【図５】従来技術に係る、ＡＤ変換器の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  体重計
２０  計測センサ
２１  第１のロードセル（荷重変換器）
２２  第２のロードセル（荷重変換器）
２３  第３のロードセル（荷重変換器）
２４  第４のロードセル（荷重変換器）
３０  計測制御部
３１  ＡＤ変換器
３２  演算処理部（荷重算出手段）
３３  キャリブレーション部
３４  セレクタ制御部
４０  表示部
５０  セレクタ（信号選択手段）
【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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