JPH034090B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、振動式の荷重変換器を用い高精度で
安定度の高い測定値が得られる振動式荷重測定装
置に関するものである。

振動弦や音叉振動子などを用いた荷重変換器
は、構造が簡単な上に測定値が振動数というデジ
タル量で得られるため、Ａ／Ｄ変換器を必要とし
ないという長所を持つている。しかしながら、こ
の種の変換器は測定荷重とは別に外部から加わる
妨害的な振動や衝撃力が対して極めて敏感なた
め、デジタル表示された測定値がちたつき易く、
不安定になり実用化が阻害される傾向がある。

第１図は荷重変換器の一部を構成する従来の荷
重変換用音叉振動子１の一例を示したものであ
り、中心軸に対称かつ平行した２枚の振動片１
ａ，１ｂで構成された振動子１の両端を、コ字形
結合部２ａ，２ｂで接続し、その一方の結合部２
ｂの両側面に第１、第２の圧電素子３ａ，３ｂを
取り付け、外部に設けた発振増幅器４に接続する
ことにより、第１の圧電素子３ａをピツクアツプ
用、第２の圧電素子３ｂを励振用として使用する
ことができる。

このような構成において、発振増幅器４の利得
や周波数特性を適切に選択することにより、振動
片１ａ，１ｂは破線で示すように対称モードの基
本振動数で発振する。この状態において、振動子
１の取付部５ａ，５ｂを介して軸方向に測定すべ
く荷重Ｆが加えられると、その発振振動数が変化
することから、この振動数を周波数カウンタ６で
読取つて荷重Ｆを知ることができる。しかしなが
ら、測定荷重Ｆ以外の振動的或いは衝撃的な加速
度を伴う外力として、軸方向にｆ１，ｆ２或いは
軸に直角方向にｆ３，ｆ４などの力が加わると、
振動数が突然大幅に変化するほか、正常な振動状
態を維持できず測定荷重Ｆと振動数との間の忠実
な対応性が一時的に失なわれるというような現象
が生ずる。

このような異常状態の下においては、周波数カ
ウンタ６の入力部にフイルタを挿入するとか、積
分方式により積分時間を大きくして積分期間内の
平均値を指示するなどの在来の手法だけでは正常
な荷重測定を行うことは極めて困難となり、計数
された荷重に対しては荷重測定値としての信頼性
が全く失なわれ、妨害振動に基づく荷重指示値の
変動が大幅なため読取り不可能になることもあ
る。

本発明の目的は、このような振動式荷重変換器
の特異性に鑑み、外部振動や衝撃力の影響を受け
ることなく正確な荷重を測定し得る振動式荷重測
定装置を提供することにあり、その要旨は、加え
られた荷重に応じて固有振動数が変化する振動式
荷重変換器を用いた荷重測定装置において、前記
変換器の電気出力の過大振幅の異常状態を検出す
る手段と、振動が前記異常状態の場合に該期間内
の変換器からの振動数出力を破棄して正常状態に
おける振動数出力のみを測定値として採用する手
段とを有することを特徴とするものである。

本発明を第２図以下に図示の実施例に基づいて
詳細に説明する。

第２図は第１の実施例の回路構成を示すブロツ
ク図である。ここで１１は荷重検出器であり、例
えば第１図に示したような音叉振動子１を用いる
ことができ、発振増幅器４は第１図に示すものと
同一である。発振増幅器４の出力は整流器１２及
び周波数カウンタ６に入力され、整流器１２の出
力は比較器１３において基準設定器１４の出力
EOと比較される。比較器１３の出力はラツチ回
路１５に送られ、ラツチ回路１５の出力は周波数
カウンタ６の出力と共に、マイクロプロセツサな
どを用いたデータ処理回路１６に送出され、更に
表示器１７に出力される。

測定すべき荷重Ｆが荷重検出器１１に加えられ
そのまま維持されると、無負荷のときに例えば
2KHzで振動していた振動子１の振動数が2.2KHz
に変化し、その状態を継続することになる。従つ
て、発振増幅器４の出力を基に周波数カウンタ６
でその振動数の変化を計数することにより、加え
られた荷重Ｆの大きさを知ることができる。

しかしながら、前述のように例えばｆ１〜ｆ４
で示された種々の方向及び伝達経路による妨害的
外部振動や衝撃が振動子１に加わると、その振動
数と共に振幅も突然大幅に変化し、特に波高のピ
ーク値が異常に急増する。この異常電圧は整流器
１２により整流された後に、荷重検出器１１の使
用環境や使用目的などに応じて基準設定器１４に
より適当なレベルに設定された基準電圧EOと、
比較器１３において比較判別される。整流器１２
の出力が基準電圧EOよりも大きい異常期間は、
ラツチ回路１５を作動させることによりデータ処
理回路１６に判別結果を伝達し、発振増幅器４の
出力を計数している周波数カウンタ６の計数値を
破棄し、正常状態における周波数カウンタ６の計
数値のみを採用して表示器１７に伝達し荷重測定
値として表示する。

第３図は外部振動などの影響を受けて、振動子
１の振動状況が異常になつた時に振動出力を破棄
し、正常な状態における振動出力のみを測定値と
して採用する本実施例について、各部の信動波形
を簡略化した説明図である。発振増幅器４から得
られる振動出力波形は例えば第３図ａに示すよう
になり、区間Ａ，Ｂ及びＣでは外部振動の影響に
より振動周波数が波形を著しく乱れている。これ
を整流器１２で整流した後の出力は、ｂに示すよ
うに基準設定器１４で設定された基準電圧EOを
上廻るに至る。すると、ｃに示すようにラツチ回
路１５の出力がOFFからONに変つてラツチ信号
が出力され、異常期間Ａ，Ｂ及びＣ中はその振動
出力計数値を測定値から破貴するようにデータ処
理回路１６が指令する。

異常状態時の信号を測定値から破棄除去する具
体的な方法は種々考えられるが、第３図において
例えば予め定められた或る一定の積分時間TO毎
の振動数を計数して表示する方法によると、第３
図ａで先る最初の区間では振動出力信号が全く
正常であるから、定められたTOの間の振動数を
計数してそのまま測定値として表示する。第２の
区間では、正常な最初の信号区間Ｔ２１におい
て振動数を再び零から計数し、Ｔ２１がTOに達
しないうちに異常区間Ａに移行したため、計数を
一時停止し又は計数値を破棄して測定値に加えな
いようにし、異常区間Ａの終了と共に計数を再開
して、再開後の計数時間Ｔ２２と最初の計数時間
Ｔ２１との和がTOになつた時に第２の計数を終
了して表示する。第３の計数は第２の計数終了と
共に区間において開始されるが、透中にＢとＣ
の２つの異常区間があるため区間中の有効な計
数時間はT31＋T32＋T33＝TOとなる。

第４図は第２の実施例の回路構成を示すブロツ
ク図であり、発振増幅器４の後段に位相比較器２
０、ループフイルタ２１、電圧制御発振器２２か
ら成るPLL回路２３が挿入されている。発振増
幅器４の出力は位相比較器２０に入力され、その
出力は整流器１２に送出されると共に、ループフ
イルタ２１を介して電圧制御発振器２２の入力と
なる。電圧制御発振器２２の出力は周波数カウン
タ６に送出され、同時に一部は再び位相比較器２
０に負帰還されている。

このようなPLL回路２３の構成や機能につい
てはよく知られているので詳細な説明は省略する
が、要は入力交流信号の位相に追随する位相同期
回路である。一般に入力信号と同一周波数でＳ／
Ｎ比を改善した交流信号が出力として得られると
か、定常的な入力信号には追随するが入力信号周
波数変化が激しい時や大きな雑音が加わつたよう
な場合には、入出力間に生じた位相差・波形差・
周波数差などに応じて発生する差信号電圧を利用
するなどの用途に使用され、実用に際しては
PLL回路２３としてIC化された単一の素子を利
用することができる。

このようにPLL回路２３を接続した状態にお
いて、荷重Ｆが一定であるか或いは時間的に変化
はするがその変化率が緩やかな場合には、この
PLL回路２３は十分に振動子１の振動数及びそ
の変化に追随応答するので、発振増幅器４の出力
つまり位相比較器２０の入力と電圧制御発振器２
２の出力とは位相・周波数共に等しくなる。そし
て、位相比較器２０の入力と電圧制御発振器２２
の出力とを比較した結果は、位相比較器２０の出
力として現われ、その差信号電圧は零となる。こ
のような定常状態時の実際の位相差は90゜である
が、以下に簡単のため90゜を基準値零として説明
する。

振動子１に妨害的な外部振動や衝撃が加わる
と、その振動数が突然大幅に変化するためPLL
回路２３はその著変に追随できず、位相比較器２
０の差信号出力電圧は一時的に異常値に著増す
る。この異常電圧は整流器１２により整流された
後に、基準設定器１４の基準電圧EOと比較器１
３において比較判別される。以下は先の第１の実
施例と同様に整流器１２の出力が基準電圧EOよ
りも大きい異常期間は、ラツチ回路１５を作動さ
せデータ処理回路１６に判別結果を伝達し、電圧
制御発振器２２の出力を計数している周波数カウ
ンタ６の計数値を破棄し、正常状態における周波
数カウンタ６の計数値のみを採用して表示器１７
に伝達する。

第５図は各部の信号波形の説明図であり、発振
増幅器４から得られる振動出力波形は、例えば第
５図ａに示すようになり、区間Ａ，Ｂ及びＣでは
外部振動の影響により振動周波数や波形が著しく
乱れている。このような振動波形の異常状態下で
は既に説明したPLL回路２３の動作により、ｂ
に示すように位相比較器２０の出力が増大する。
これを整流器１２で整流した後の出力は、ｃに示
すように基準設定器１４で設定された基準電圧
EOを上廻るに至る。すると、ｄに示すようにラ
ツチ回路１５の出力がOFFからONに変つてラツ
チ信号が出力され、異常期間Ａ，Ｂ及びＣ中はそ
の振動出力計数値を測定値から破棄することにな
る。

度重なる実験研究によれば、振動子１に加わる
外部振動や衝撃力の影響は極めて大きく、その対
策として振動子１の取付部５ａ，５ｂなどの機械
的妨振構造を種々工夫し、前述のようにフイルタ
の挿入や積分時間延長など回路的な補償努力を払
つても実効が上らなかつたにも拘らず、第１、第
２の実施例の回路構成を採用することによる効果
は極めて著しく、特に第２の実施例の測定精度は
0.001％に達する高精度の荷重測定装置の実用化
が可能になつた。

以上説明したように本発明に係る振動式荷重測
定装置は、簡単な構成ながら振動子の異常特作時
の信号を破棄して、正常動作時の信号のみを測定
値として採用するために、実質上外部振動や衝撃
力の影響を受けることなく、振動式荷重変換器を
用いて迅速かつ高精度の荷重装定を行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は荷重変換用音叉振動子の構成図、第２
図以下は本発明に係る振動式荷重測定装置の実施
例を示すものであり、第２図は第１の実施例のブ
ロツク回路構成図、第３図はその各部波形と動作
説明図、第４図は第２の実施例のブロツク回路構
成図、第５図はその各部波形と動作説明図であ
る。 符号１は振動子、３ａ，３ｂは圧電素子、４は
発振増幅器、６は周波数カウンタ、１１は荷重検
出器、１２は整流器、１３は比較器、１４は基準
設定器、１５はラツチ回路、１６はデータ処理回
路、１７は表示器、２０は位相比較器、２１はル
ープフイルタ、２２は電圧制御発振器、２３は
PLL回路である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加えられた荷重に応じて固有振動数が変化す
   る振動式荷重変換器を用いた荷重測定装置におい
   て、前記変換器の電気出力の過大振幅の異常状態
   を検出する手段と、振動が前記異常状態の場合に
   該期間内の変換器からの振動数出力を破棄して正
   常状態における振動数出力のみを測定値として採
   用する手段とを有することを特徴とする振動式荷
   重測定装置。 ２ 前記異常状態を検出する手段を、前記変換器
   の出力と該出力による電圧制御発振器の出力間の
   位相差信号を利用するようにした特許請求範囲第
   １項に記載の振動式荷重測定装置。 ３ 前記正常状態における計数期間が所定時間に
   達するするごとに測定荷重を表示するようにした
   特許請求範囲第１項に記載の振動式荷重測定装
   置。