JPH06109254A - 重量センサーおよび距離センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来困難であった電子レンジまたはオーブン
の角皿上に載った食品の重さを測定する事を目的とす
る。 【構成】 加熱室１左右壁に棚１５を設け、棚に加った
荷重をバネ２０に伝達する手段、棚１５の移動量に対応
して動く位置に設けられた受音素子２１および近接して
固定された受音素子２１、二つの受音素子に対向して設
けられた発音素子２３、二つの受音素子の受信波の位相
差を検出する手段４２、４３および左右の位相差信号を
加算する手段４４を設けた構成とした。この構成によ
り、棚に設置された角皿上の食品の重量を簡単に、かつ
精度よく測定できた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は重量センサーの改良、特
に電子レンジまたはオーブンに用いられる重量センサー
の改良を目的とし、同時に位置センサーの改良をも目的
とする。

【０００２】

【従来の技術】電子レンジまたはオーブン、当然の事な
がら両者が複合されたオーブンレンジも含め、これらに
用いられている重量センサーは、圧力により静電容量が
変化する素子、または圧力により出力電圧が変化する素
子などが用いられているが、いずれにしろ構造が複雑で
あり、精度もあまり良くない。またターンテーブル式の
食品載置台には用いられているが、角皿式の食品載置台
には用いられていない。簡単な構成で精度の高い重量セ
ンサー（またははかり）としては家庭用の上皿バネバカ
リがあるが、この方式は被測定物を載せた事による変位
量を電気信号に変換する手段が複雑なため、電子レンジ
には採用されていない。

【０００３】また、ターンテーブルには駆動用回転軸が
必須でありこれがターンテーブル全体の荷重を支えるの
で、容易に重量センサーを設ける事が可能であるが一方
角皿はオーブンの加熱室壁に設けられた左右の棚に載置
する構成が一般的であるので角皿上の荷重を一点で受け
とめる部分がなく、簡単な構成では実現不可能であっ
た。

【０００４】従来例としてはレイセオン社のＵＳＰ４３
９０７６８がある。これは角皿の四隅に四本の非金属製
支柱を設け、小孔を貫通させ、加熱室外部に出し、四つ
の支柱に加わった荷重を機械的に一ヶ所に集つめる方式
である。複雑なため計測精度も不十分であり、あまり効
果的ではなかった。

【０００５】パン、お菓子などのオーブン調理はその焼
け具合を扉を開け、時々見ながら確認し、焼け上った時
に取り出す事が一般的であるが、被調理物の調理の進行
に伴う重量変化を精密に把握できれば焼き上りをとらえ
る事ができ、自動調理が可能である。しかしながら上述
の様に、オーブン角皿用の精密な重量センサーは現在ま
だ存在していない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、構成が簡単
で精度、信頼性ともに高いバネバカリを、オーブン角皿
に利用し得る手段を提供し、かつバネバカリの出力を電
気信号として取り出す手段を提供し、オーブンの自動調
理の実現を計らんとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明においてはオーブン加熱室の左右壁に左右一対の
棚と、バネと、棚に加わった荷重をバネに伝える手段
と、棚の動きに対応した動きをする部分に受音素子を取
付け、これと近接してもう一つの受音素子を固定して設
ける。この二つの受音素子に対向して下方に発音素子を
設ける。発音素子には一定の周波数の発振器を接続し、
二つの受音素子の出力は位相差検出装置に接続される。
左壁と右壁との二つの位相差検出装置の出力は加算器に
加えられる。

【０００８】

【作用】オーブン加熱室の左右壁に左右一対の棚と、バ
ネとを設け、棚に加った荷重をバネに伝える手段を有し
ているので左右の棚にまたがる大きさの角皿（普通天板
とも呼ばれる。）を載せると棚は下方に動き始めると同
時にバネに荷重が加わり、棚の重さとバネの強さとのバ
ランスの取れた位置で棚は止まる。角皿の上に食品を載
せると食品の重さにより棚はさらに移動する。棚の動き
に対応した動きをする部分に受音素子を取付け、さらに
この受音素子に近接して他の受音素子を固定して設け
る。これら２つの受音素子に対向して下方に発音素子を
設ける。発音素子には一定の周波数の発振器を接続し、
一定の周波数の音を発する。この発音素子に対向して前
記二つの受音素子を近接して設ける。この二つの受音素
子は前記発音素子から発せられた音を受信する。この
時、一方の受音素子は棚の動きに対応した部分に設けら
れ、他方は固定した位置に設けられているので前記発音
素子から発せられた音が二つの受音素子に到達する時間
は一般には異なり、この異なる程度は角皿に載せた食品
の重量に伴って変化する。この２つの受音素子の間の時
間差を位相差検出装置により電圧として取り出す。角皿
に食品を載せる場合、中央に置かれるとは限らないか
ら、左右の棚に加わる荷重は等しいとは限らない。しか
し左右の棚に加わる荷重を合計すると、それは食品と角
皿の重さに等しいことは明白である。従って左右の位相
差検出装置の出力電圧を加算器に入力すると、加算器の
出力は食品と角皿との合計荷重に対応した電圧となり、
食品と角皿との合計重量が計れるわけである。

【０００９】

【実施例】図１は本発明のオーブンまたは電子レンジの
正面方向から見た要部断面図であり、図２は本発明のオ
ーブンまたは電子レンジの加熱室右側面外側をみた斜視
図である。

【００１０】加熱室１１はステンレス薄板を溶接して作
り、略直方体の容器である。底面にはターンテーブル１
２およびその駆動用モーター１３が設けられる。左右の
側面壁には２つの角穴１４があけられ、この角穴１４を
棚１５の腕１６が加熱室１１の内部から外部へ貫通す
る。棚１５と腕１６は例えばＰＰＳ樹脂等の耐熱プラス
チックの一体成形で作られる。図３はその斜視図であ
る。棚１５はパイプを半分に割った様な形であり、２本
の腕１６には４個の一対の孔１６−Ａ、１６−Ｂ、１６
−Ｃ、１６−Ｄがあけられる。２本の腕１６にあけられ
た孔、例えば孔１６−Ａは右の腕にあけられた孔１６−
Ａと左の腕にあけられた孔１６−Ａとは同一直線上にあ
り一対をなす。１６−Ｂ、１６−Ｃ、１６−Ｄも同様で
ある。棚１５が加熱室内にあり、腕１６が加熱室壁の穴
１４を貫通し、腕１６にあけられた穴１６−Ａ、１６−
Ｂ、１６−Ｃおよび１６−Ｄが加熱室外部にある。棚１
５に最も近い位置にある穴１６−Ａにステンレス製の丸
棒１７が挿入され、腕１６をはさんで丸棒の両側はΩ字
状の金具１８で固定される。金具１８は加熱室壁に溶接
する。丸棒１７の外径は穴１６−Ａの内径より少しだけ
小さい値とする。従って腕１６および棚１５は丸棒１７
を中心に回転可能である。角穴１４の大きさを適当に定
めれば回転可能角度が決定される。つまり角穴１４によ
って定められる範囲内で棚１５および腕１６は丸棒１７
を中心軸として回動する。

【００１１】腕１６が突出した加熱室壁の下方にはステ
ンレス製のＬ型金具１９を溶接、固定する。腕１６とほ
ぼ同一の長さを有し、加熱室壁にほぼ垂直に突出す。腕
１６にあけられた穴１６−Ｂ、１６−Ｃ、１６−Ｄと対
応した位置に同じく穴１９−Ｂ、１９−Ｃ、１９−Ｄを
あける。腕１６にあけられた穴１６−Ｂと、Ｌ型金具１
９にあけられた穴１９−Ｂとの間にバネ（コイルバネ）
２０をかける。バネ２０の自由長（荷重をかけない時の
長さ）は２つの穴１６−Ｂと１９−Ｂの間の距離より短
かいものとする。つまりバネ２０は少し引張った状態で
腕１６とＬ型金具１９との間にかけられる。一方の側面
壁に腕１６が２本突出しているがバネ２０は両方の腕に
かける。一方の腕１６の先端には音波受信素子２１を固
定する。金属製バンド２２で周囲を巻き、腕の先端の２
つの穴１６−Ｃ、１６−Ｄにビスナット止めする。音波
受信素子２２としては周波数４０ＫＨｚの超音波領域に
ピークを有するもの、例えば（株）村田製作所製のＭＡ
４０Ｂ５Ｒを用いる。図４は金属製バンド２２の斜視図
であり、円筒の一部を形成する部分と、これに連なる直
線部とから成る。直線部には４つの穴があけられ、先端
に近い２つ、２２−Ｃと、円筒に近い２つ、２２−Ｄと
する。２２−Ｃは腕１６の穴１６−Ｃと、２２−Ｄは同
じく穴１６−Ｄと対応させてビスを貫通させ、ナットと
で受音素子２１を固定する。

【００１２】この下方のＬ型金具１９の先端の穴１９−
Ｃおよび１９−Ｄを用い、発音素子２３を金属製バンド
２２で同様に固定する。発音素子２３は前記の受音素子
２１と各々の音を発する面、音を受ける面を互に対向さ
せる。発音素子２１は（株）村田製作所製のＭＡ４０Ａ
Ｓ５を用いる。

【００１３】受音素子２１を取付けた腕１６のすぐ横に
もＬ型金具１９を取付け、この先端にも受音素子２１を
固定する。発音素子から２つの受音素子までの距離はほ
ぼ等しくする。棚に何も載せない状態で、腕がバネに引
張られ角穴１４の下端に接触している状態における腕の
先端に固定された受音素子２１から下方の発音素子２３
までの距離と、腕の横に固定されたＬ型金具１９の先端
に固定された受音素子２１から下方の発音素子２３まで
の距離とを等しくする。前述した様に、図２は加熱室右
側の側面を見た図であるが、加熱室の左側にもこれと同
じ構成を設ける。

【００１４】図１に示す様に、左右の加熱室壁に設けら
れた２つの棚の上には金属製の角皿３０が載る。この角
皿の重みで棚が少し下方に動き、それに対応して腕が上
方に動き、先端の受音素子２１も上方に動く。従って角
皿３０が載らない状態で発音素子２３から２つの受音素
子２１までの距離はほぼ等しかったものが、角皿を棚に
載せたため、腕先端の受音素子２１までの距離の方が大
きくなったわけである。角皿の上に食品が載せられれば
さらにその距離は大きくなる。

【００１５】図５は発音素子、受音素子２１を含む電子
回路の一部である。周波数４０ＫＨｚの発振器４１の出
力が前述の発音素子２３に加えられる。発音素子２３か
らほぼ等しい距離に置かれた２つの受音素子２１の出力
は各々のコンパレーター４２に加えられる。コンパレー
ターとしては例えばＮＥＣ製のＵＰＣ２７２を用いる。
２つのコンパレーターの出力はイクスクルーシブＯＲゲ
ート（排他的論理和素子）４３に加えられる。例えばＮ
ＥＣ製のＵＰＤ７４ＨＣ８６を用いる。この出力は抵抗
とコンデンサから成る積分回路を通した後、加算器４４
に加えられる。発振器４１から積分回路までは図２に対
応した右側面のものであり、左側面のものはこれと全く
同一であるのでハッチングを施した長方形の破線４５で
表現し、内部は省略する。つまり右側面のものと、左側
面のものとが加算器４４に加えられる。図５の下方には
この電子回路の各部の電圧波形を示す。υ₁ は受音素子
２１の出力、υ₂ はコンパレータ４２の出力、υ₃ は排
他的論理和素子４３の出力、υ₄ は積分回路を通った
後、加算器４４に加えられる電圧波形である。υ₁ とし
て２つの正弦波が描かれているが、実線で描いた正弦波
が腕１６の先端に固定された受音素子の出力波形、２点
鎖線で描かれた正弦波がＬ型金具１９の先端に固定され
た受音素子２１の波形とする。前述した様に２つの受音
素子２１は発音素子２３からほぼ等しい距離に設けては
いるが、完全に等しいわけではなく、わずかの差が実線
と二点鎖線との差の様な『位相差』として観測されるわ
けである。図５に描いた状況は、図１に示したごとく角
皿３０が左右２つの棚１５の上に載せられた状態とす
る。つまり腕１６の先端の受音素子２１は、Ｌ型金具１
９の受音素子２１より若干遅れた音波を受信しているわ
けである。角皿３０の上に食品が載せられると腕１６が
若干上方に回動するのでさらに遅れることになる。言い
換ると２点鎖線の正弦波はそのままであるのに対し、実
線の正弦波はさらに右側に寄る。位相差がさらに拡大す
るわけである。

【００１６】これらの受音波υ₁ がコンパレーター４２
に入力されると出力としてυ₂ の矩形波が得られる実線
で描いたものはυ₁ の正弦波の実線で描かれたものに対
応し、２点鎖線のυ₂ は同じく２点鎖線のυ₁ に対応す
る。υ₂ の波形は、υ₁ の波形の０点で立上りまたは立
下る波形であり、コンパレーター４２は、ゼロクロスデ
ィテクターとも表現できる。υ₂ 波形が排他的論理和素
子４３に加えられると出力としてυ₃ 波形が得られる。
υ₃ 波形は、２つのυ₂ 波形、実線の波形と、２点鎖線
の波形とが異なる論理（一方が１のとき他方が０である
場合）の時のみ出力する。従ってυ₃ 波形は２つのυ₁
波形の位相差に等しいパルス幅を有するわけである。υ
₃ 波形を積分回路に通すとυ₄ 波形となる。υ₄ の電圧
値はυ₃のパルス幅にほぼ比例した値となる。υ₁ とυ
₄ の関係は、２つのυ₁ 波形の位相差にほぼ比例した電
圧値がυ₄ となる。角皿３０に食品が載せられるとυ₁
波形のうちの実線で描いた波形のみが右へ移動するので
υ₄ はそれにほぼ比例して電圧値が上昇する。

【００１７】良く知られる様に、バネは加えられた荷重
に比例して伸びる性質があり、本発明においては丸棒１
７を支点とした『てこ』の作用で棚に加えられた荷重に
比例した力がバネ２０に加えられ、バネを適当な強さに
設計すればこの『てこ』による回動の角度が必要最少限
におさえられ、棚に加えられた荷重とバネの伸びとがほ
ぼ比例する。従って棚に加えられた荷重と、発音素子２
３から腕１６の先端に取付けられた受音素子２１までの
距離の増加量とがほぼ比例し、さらには前述υ ₄ の電圧
値とほぼ比例するわけである。

【００１８】角皿３０の上に食品が載せられた場合、一
般に左右の棚には等しくない荷重が加わる。但し左右の
棚に加わる荷重の和は、角皿と食品の重さに等しい。

【００１９】右側面の回路から得られたυ₄ 電圧と、左
側面の回路（図５にて４５番を附与したブラックボック
ス）から得られたυ₄ 電圧とが加算器４４によって加え
られるのでその出力電圧は結局、角皿と食品の重さにほ
ぼ比例した値となるのである。

【００２０】以上述べた様に、本発明の構成を用いれ
ば、角皿上の食品の重さが計れる。一つの発音素子２３
からほぼ等しい距離Ｌ₁ およびＬ₂ （Ｌ₁ ≒Ｌ₂ ）に互
に近接して置かれた２つの受音素子２１へ音が達するま
での時間の差は音速をυ₀とすればＬ₁ ／υ₀ −Ｌ₂ ／
υ₀ ＝（Ｌ₁ −Ｌ₂ ）／υ₀ である。音速を順に３３
１．４５ｍ／ｓとし、Ｌ₁ とＬ₂ との差を１ｍｍとする
とＬ₁ ／υ₀ −Ｌ₂ ／υ₀ ＝１ｍｍ／３３１．４５ｍ／
ｓ＝３．０×１０^-6ｓ ２ｍｍのときは６．０×１０^-6ｓ、３ｍｍで９×１０^-6
ｓ、４ｍｍで１２．０×１０^-6ｓとなる。前述した様
に、発音素子２３に４０ＫＨｚの超音波を用いたので半
サイクル分の時間は１２．５×１０^-6ｓであり、本発明
一実施例を用いれば約４ｍｍまでの距離の差を電圧とし
て取り出す事ができるわけである。

【００２１】周波数２３ＫＨｚの超音波素子を用いた場
合はその半サイクルの時間が２１．７×１０^-6ｓである
から７ｍｍまでの距離差を、４ＫＨｚの可聴波を用いれ
ば半サイクルは１２５×１０^-6ｓであるから４０ｍｍ程
の距離差が測定できる。

【００２２】従って本発明のごとく、一つの発音素子２
３と２つの受音素子２１を用いれば距離差計が実現でき
るわけである。この距離差計と、重量計として信頼性の
高いバネを組合せることで重量センサーとしても利用で
きる。

【００２３】音速は温度により多少変化し、０℃におい
て３３１．４５ｍ／ｓ、１０℃で３３７．４６ｍ／ｓ、
２０℃で３４３．３７ｍ／ｓ、３０℃で３４９．１７ｍ
／ｓである。前述した距離差１ｍｍの時の時間差は３０
℃になると２．８６×１０^-6ｓとなる。前述の０℃に比
較すると約５％短かくなる。従って正確な測定のために
はサーミスタ等により温度を測定し、その値に従って出
力電圧の補正を行う必要がある。補正法は種々あるが、
例えばオペアンプを用いた増幅度１の反転増幅器の抵抗
器の中の一つをサーミスタとし、そのサーミスタを発音
素子と受音素子との間の空間近くに置くといった方法で
も良い。詳細は本願の主旨でないので省略する。

【００２４】本実施例は角皿の重さを左右の棚で受け、
棚の動きを『てこ』でバネに伝え、バネの伸びを一つの
『超音波発信素子』と２つの『超音波受信素子』とで電
気信号に変え、位相差を『コンパレーターと排他的論理
和素子』とで検出し、左右の荷重に対応した信号を加算
器で加え合わせたものであるが、必ずしもこれらに限定
されることはない。棚に加わった荷重をバネに伝える手
段としては例えば図６に斜視図を示した棚５１を用い、
図７に示す加熱室壁附近の断面図の様な構成でも実現可
能である。棚５１はＰＰＳ樹脂一体成形で作られる３つ
の載置部５２と、これと反対側に突出した４つの支持部
５３とからなり、支持部には穴５４があけられる。穴５
４の４つのうち、上下に位置する２つずつの穴は中心軸
が一致している。４つの支持部５３のうちの一つだけは
他より長く、その部分に固定用の穴５５をあける。ここ
に支持具５６を取付け、支持具には受音素子２１を固定
する。図７において、加熱室壁１の左側が加熱室内部、
右側が外部である。加熱室壁にあけられた４つの角穴６
１を通り、前記支持部５３が加熱室外部へ突出し、ステ
ンレス製の長い丸棒６２は前記支持部の穴５４を貫通さ
せる。上下支持部の２つの穴とも貫通させ、下の支持部
５３の下側にはコイルバネ６３を設け、丸棒６２は固定
される。

【００２５】この構成により、左右の棚５１に角皿３０
が載せられると棚５１は下に動き、バネ６３の反発力と
つり合った位置で停止する。従って図６、図７の方法に
よっても棚の動きをバネに伝える事ができるわけであ
る。

【００２６】また発音素子および受音素子は必ずしも超
音波領域の周波数である必要はなく、音が聞こえる事を
問題にしなければ可聴周波数でも良い。

【００２７】但し可聴周波数を用いると周囲に迷惑をお
よぼす可能性があるので少しでもおさえるため、例えば
図２に２点鎖線で示した様な円筒形状中空の防音容器７
１を用いる。発泡ポリウレタン製のスポンジ状であり、
一つの発音素子と２つの受音素子とをすっぽりつつみ込
む。腕１６の動きを妨げない様にその部分は切欠く事は
言うまでもない。また発音および受音素子に接続される
電線等が貫通する。

【００２８】この防音容器７１はノイズ抑制の役目も持
つ。本発明は音速を介して距離の変化を測定するわけで
あるから音速を乱す原因、例えば風が吹くと雑音とな
り、また２つの受音素子の間に温度差があれば誤差とな
る。防音容器７１は風や気温差の発生をおさえる。

【００２９】従って必ずしも可聴周波数の場合だけでな
く、超音波を用いた場合に用いても効果大である。

【００３０】また位相差の検出にはコンパレーターと排
他的論理和でなくとも可能であり、例えばデジタルオシ
ロスコープを用いれば２つの波形の位相差測定がいとも
簡単にできる事は電子回路技術者には常識とも言える技
術内容である。従ってコストをいとわなければこの回路
を用いることができる。

【００３１】従って本願の必須要件としては加熱室の左
右側面に設けられた棚、この棚に加った荷重をバネに伝
える手段、バネの長さの変化量を測定する手段としての
１つの発音素子と２つの受音素子から成る距離センサ
ー、２つの受音素子の受けた音波の位相差を検出する手
段および左右の位相差を加え合わす手段とがあげられ
る。

【００３２】これらの組合せにより、従来困難であった
電子レンジまたはオーブンにおける角皿上の食品重量が
測定でき、自動調理が可能になる。

【００３３】また付随して重量センサー単独でも利用可
能である。通常のバネバカリ等に応用して重量情報を電
気信号として取り出せるわけである。

【００３４】さらに微少距離差の検出センサーとしても
利用可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば従来困
難であった電子レンジまたはオーブンの角皿上に置かれ
た食品重量測定が可能になり、自動調理の道がひらける
と同時に、その重量測定が、簡単な構成で精度並びに信
頼性の優れたバネを用いたものであるので従来の電子レ
ンジのターンテーブルで用いられた半導体等を用いた重
量センサーと比較しても精度、信頼性共により優れた重
量測定を実現できる。

【００３６】また電子レンジでなく、広く普及している
バネ式のはかりに用いればバネばかりの精度、信頼性を
確保したままで重量情報を電気信号に変換でき、各種オ
ートメーション等に広く利用する事が可能となる。

【００３７】さらにバネを用いなくても微少距離変化を
測定する距離（または位置）センサーとして用いる事が
でき、これも各種オートメーションに利用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子レンジ加熱室部分の要部断面図

【図２】図１の右側から見た加熱室右側面の斜視図

【図３】棚の斜視図

【図４】取付金具の斜視図

【図５】電子回路図および回路上各部の電圧波形図

【図６】棚の他の実施例の斜視図

【図７】図６の棚を用いた加熱室右側の断面図

【符号の説明】

１１ 加熱室 １５ 棚 ２０ バネ ２１ 受音素子 ２３ 発音素子 ４１ 発振器 ４２ コンパレーター ４３ 排他的論理和素子 ４４ 加算器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定されて設けられた発音素子と、これ
   に対向して設けられた２つの受音素子とを有し、一方の
   受音素子は固定して設け、他方の受音素子は可動状態で
   設けられた事を特徴とする距離センサー。
2. 【請求項２】 固定されて設けられた発音素子と、これ
   に対向して設けられた２つの受音素子とを有し、一方の
   受音素子は固定して設けられ、他方の受音素子はバネで
   変位を受ける可動片に設けられた事を特徴とする重量セ
   ンサー。
3. 【請求項３】 発音素子に一定周波数の交流を供給する
   発振器と、２つの受音素子の受信波相互の位相差を検出
   する位相差検出手段とを設けた事を特徴とする請求項１
   または請求項２記載のセンサー。
4. 【請求項４】 位相差検出装置として２つのコンパレー
   ターと、排他的論理和素子とから成る請求項３記載のセ
   ンサー。
5. 【請求項５】 加熱室の左側面および右側面の加熱室側
   に、一対の棚と、バネと、棚に加わった荷重をバネに伝
   える手段と、前記請求項３に記載の重量センサーとを設
   け、重量センサーの受音素子の一つを棚の動きに対応し
   た動きをする部分に取付けるとともに、左右の位相差信
   号を加算する手段とを設けた事を特徴とする加熱調理
   器。