JPH1065540A - １測定を短い時間での測定の複数回分とする電子秤 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子式デジタル重量計の取得電圧のＡ／Ｄ変
換に際して生じる誤差を極力少なくした正確で安価な２
重積分方式のＡ／Ｄ変換を得る。 【構成】 計測する基準時間間隔に対し、制御装置の命
令実行時間を同期させ、２重積分方式の基準積分時間の
終了と、入力積分時間の開始を一致させる、各回の入力
積分時間を十分小さい値とし、各回毎の基準積分時間の
カウント値を順次加算、記憶して設定回数のカウント値
の加算値を、１測定のカウント値として重量値に換算し
て表示する。二つ以上の異なる物理量から得られた複数
種類の出力電圧をＡ／Ｄ変換する場合には、加算回数ｍ
回の内の最初の数回のカウント値に限って加算しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】２重積分方式Ａ／Ｄ変換装置
の変換精度の確保に関し、特に、二つ以上の異なる物理
量から得られた複数種類の出力電圧をスイッチで切り替
えることにより同一の積分器に入力し２重積分方式でＡ
／Ｄ変換する装置の精度保持に有効に作用する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、荷重を電圧値に変換するに
は、荷重を、ブリッジ状に構成した歪みゲージを貼付し
たロードセルで受け、ロードセルの出力を差動増幅器に
接続し、増幅された電圧Ｖxを得、図１に示す如く２重
積分方式のＡ／Ｄ変換器によりＶxに比例したデジタル
値を得ている。

【０００３】すなわち、増幅された電圧Ｖx をＳＷによ
り他端が積分器の−端子に接続された抵抗Ｒ1に接続す
ると電流Ｉx＝Ｖx／Ｒ1が積分器に流れる。＋端子を基
準電圧（０Ｖとする）に接続した積分器の出力Ｖoは、
電流Ｉxにより、低下していく。Ｖo の出力をコンパレ
ータの＋端子に接続し、コンパレータの−端子を０Ｖに
接続すると、Ｖo がプラスの電圧から、０Ｖに達した瞬
間、コンパレータの出力はＨｉからＬｏに変化する。

【０００４】コンパレータがＬo になったのを制御装置
が検知して、基準時間発生器の出力、ｆCLのパルスの数
を０から計測し始める。 一定数Ｎのパルスを数えた
ら、制御装置はＳＷを−ＶRに切り換え、同時にｆCLの
パルス数を０から計測する。コンパレータがＬo に成っ
たときから、ＳＷを切り換えるまでの時間（以下、入力
積分期間）をＴx、基準時間発生器の出力、ｆCLの１パ
ルスの時間をｔCL とすると、入力積分期間Ｔxは Ｎ＊
ｔCLで表される。

【０００５】ＳＷが−ＶRに切り替わると、積分器に
は、電流ＩR＝−ＶR／Ｒ1が流れ、積分器出力電圧（Ｖ
o）は上がっていく。積分器出力電圧（Ｖo）がマイナス
から０Ｖに達すると、コンパレータ出力がＬｏからＨｉ
に変化する。それを制御装置が検知して、ｔCLの数の計
測を止める。この時に計測されたパルス数をｎとする。

【０００６】ＳＷを−ＶRに切り換えてから、Ｖoが０Ｖ
になる迄の時間（以下、基準積分期間）をＴRとする
と、基準積分期間ＴRは ｎ＊ｔCLで表される。このこ
とによりＴx時間中に積分器に流れる電荷量（Ｑx）Ｔx
＊Ｉxは、Ｔx＊Ｖx／Ｒ1 で表され、ＴR時間中に積分器
から流れる電荷量（ＱR）ＴR＊ＩRは、ＴR＊（-ＶR）
／Ｒ1で表される。一方、Ｖoは、Ｔx開始時点とＴR終了
時点が等しいから、Ｑx＋ＱR＝０ であり、（Ｎ＊ｔCL
＊Ｖx／Ｒ1）＋（ｎ＊ｔCL＊（-ＶR）／Ｒ1）＝０ 。
此の式を整理すると ｎ＊ｔCL＊ＶR／Ｒ1＝Ｎ＊ｔCL＊
Ｖx／Ｒ1 となり、此の式からｎ＝Ｎ＊Ｖx／ＶR が得
られる。ここで、ＮとＶRは予め設定された一定値であ
るので、ｎはＶxに比例した値となり、Ｖxに比例したデ
ジタル値ｎを得ている。

【０００７】しかし、ここには測定誤差が生じる。たと
えば入力積分時間を0.1秒、ｔCL を４μ秒とすると、Ｎ
＝25,000 となる。また、無負荷のときのｎを ｎ₀＝2,
000、秤量負荷の時のｎを ｎw＝12,000 と成るように
設定すると、変化量はｎw−ｎ₀＝10,000 カウントとな
り、これが荷重値に変換され、表示される。

【０００８】ここで、基準時間発生器の出力の立ち上が
りで、制御装置がカウントアップするとして、図１
（ｃ）のようにコンパレータがＨｉからＬｏになり、入
力積分が開始される時点で、入力積分時間（Ｔx）にｔC
L 未満の誤差（δ）が、発生する。よって、入力積分時
間の最大誤差はｔCL／Ｔx＝１／Ｎ＝１／25,000 とな
る。

【０００９】ｆCLが、十分に小さい時間間隔を持つｆx
を分周して得られる場合、コンパレータがＨｉからＬｏ
になる瞬間にこの分周器をリセットすれば、コンパレー
タの出力に同期した入力積分時間が得られ、この場合は
Ｔx＝Ｎ×ｔCL になり、前記誤差（δ）は無くなる
が、制御装置及びカウンタとして一般に使用される、カ
ウンタ内蔵マイコンの仲間には、このような分周器がな
いものや、分周器をリセットできないものがある。ま
た、同様にコンパレータがＬｏからＨｉになり、基準積
分期間（ＴR）が終了した時点で、ｔCL 未満の誤差
（Δ）が発生する。前記の例では、無負荷時と秤量負荷
時とのカウントの差が10,000カウントであるから、最大
１／10,000の誤差が生じることになる。

【００１０】入力積分時間終了時の積分器出力電圧（Ｖ
ow）すなわち、積分器出力の最低電圧は、 Ｖow＝Ｖx＊
Ｔx／（Ｒ1＊Ｃ） となり、Ｖxが最大（秤量負荷）で
も、積分器出力電圧が、その積分器の出力能力範囲内で
あることが必要であり、有限値である。Ｒ1 の値を大き
くすれば、充放電電流が減り、Ｃは小さくできるが、積
分器（OP1） のバイアス電流と呼ばれる誤差電流や、湿
度による基板のリーク電流が無視できなくなり、性能上
に影響を与える。

【００１１】一方、コンデンサには誘電吸収と呼ばれる
現象があり、理想のコンデンサとは異なり、積分器出力
は、充電していくにつれて理想のコンデンサとの差が大
きくなり、誤差となる。１回の計測時間を短くすれば、
充放電時間が減ってＣを小さくでき、また誘電吸収の生
ずる度合いが小さくなる。 しかし、制御装置による基
準時間間隔ｔは有限であるため、計測時間誤差の割合が
増えるため、やはり測定精度が悪化する。

【００１２】すなわち、前記の例で、Ｔxを1/10にする
ためにＮを1/10の 2,500 とすると、ｎ₀＝200、 ｎw＝
1,200 となり、入力積分時間の最大誤差が 1/2,500 、
基準積分時間のカウント値の誤差が 1/1,000 にもな
り、計測精度が得られない。また、表示装置を有するも
のに関しては、測定時間間隔が早すぎるため、表示のち
らつきが早すぎて極めて読みとり難くなってしまう事と
なる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】２重積分方式の積分コ
ンデンサＣは、一般に大きい値を有する。これは、積分
抵抗Ｒ1を介して流れる電流を長時間（0.1秒〜１秒程
度）充放電（積分動作）させた際、積分器出力電圧が演
算増幅器OP1 の性能補償範囲内に入っていなければなら
ないためである。Ｒ1 の値を大きくすれば、充放電電流
が減り、Ｃは小さくできるが、OP1 のバイアス電流と呼
ばれる誤差電流や、基板のリーク電流が無視できなくな
り、Ｒ1 を大きくすることは好ましくない。また、コン
デンサには誘電吸収と呼ばれる現象があり、理想のコン
デンサと違い、積分出力は、充電していくにつれて、誤
差が大きくなり、測定値に影響を与える。１回の計測時
間を短くすれば、充放電時間が減ってＣを小さくでき、
誘電吸収の生ずる度合いが小さくなり、Ｃの容量を小さ
くすることにより、コストを低減し、実装面積を小さく
する事も可能である。しかし、計測時間誤差の割合が増
えるため、測定精度が悪化する。また、表示装置を有す
るものに関しては、測定時間間隔が早すぎるため、表示
のちらつきが早すぎて読みとれなくなってしまう。ま
た、複数のセンサを有し、各々から得られた電圧を、Ｓ
Ｗで切り替え１つの２重積分方式のＡ／Ｄ変換器によっ
てデジタル値を得るものの場合、センサの切り換え時に
過渡的に電圧が乱れ、正確な値が得られない状況が生じ
る。本発明の課題は、以上のようなＡ／Ｄ変換に際して
生じる誤差を極力少なくした正確で安価な２重積分方式
のＡ／Ｄ変換を得ることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】計測する基準時間間隔に
対し、制御装置の最小制御時間間隔（命令実行時間）の
時間を同期させ、２重積分方式の基準積分時間の終了
と、入力積分時間の開始を一致させる。各回の入力積分
時間を十分小さい値とし、各回毎の基準積分時間のカウ
ント値を順次加算、記憶して設定回数のカウント値の加
算値を、１測定のカウント値として重量値に換算して表
示する。二つ以上の異なる物理量から得られた複数種類
の出力電圧をＡ／Ｄ変換する場合には、１測定分の設定
回数の内の最初の定めた回数のカウント値に限って加算
しない。

【００１５】

【作用】１回の測定を十分短い入力積分時間に分けて行
うため、積分コンデンサＣの誘電吸収による変換誤差や
積分抵抗Ｒ１を大きくすると生じる、積分器のバイアス
電流や、基板のリーク電流による誤差を少なくすること
が出来、計測する基準時間間隔に対し、制御装置の命令
実行時間を同期させ、２重積分方式の基準積分時間の終
了と、入力積分時間の開始を一致させることで、入力積
分時間の誤差をなくすことが出来、１回の測定を短い入
力積分時間に分けて行うとき生ずる計測誤差の割合の増
加を抑えることが出来る。

【００１６】

【実施の形態】Ａ／Ｄ変換の基準時間ｔCLと、制御装置
の基準時間ｔを同期させ、かつＳＷをＶx に切り換える
時点を、基準積分時間の終了時であり、入力積分期間の
開始時とし、２重積分方式Ａ／Ｄ変換の各回の入力積分
期間（Ｔx'）の基準時間発生器の出力ｆCLのパルス数
（Ｎ'）をＮ／ｍとして、入力積分時間（Ｔx'） を決定
し、各回の基準積分期間（ＴR'）のカウント数（ｎ
(ａ)）をａ＝０からａ＝ｍ−１までのｍ回分を加算して
１測定のカウント数とする。二つ以上の異なる物理量か
ら得られた複数種類の出力電圧をＡ／Ｄ変換する場合に
は、加算回数ｍ回の内の最初の数回のカウント値に限っ
て加算しない。

【００１７】以下、実施例図を用いて詳細に説明する。
各回の入力積分時間Ｔx'は、Ｔx'＝Ｎ'×ｔCL＝（Ｎ×
ｔCL）／ｍであり、Ｔxの１／ｍとなる。ａ回目の基準
積分期間のカウント値（計測カウント値）をｎ(ａ)とす
ると、入力積分時間が１／ｍなので、基準積分時間も１
／ｍとなり、ＴR'はＴR の１／ｍであり、ｎ(ａ)はｎ／
ｍ となる。

【００１８】処理は、図２（ａ）のように行われる。ａ
＝０ から ｍ−１ までのカウント値、ｎ(０)、ｎ
(１)、……ｎ(ｍ−１)を順次加算した結果（ｎ'）は、
ｎ(０)＋ｎ(１)＋……＋ｎ(ｍ−１) であり、小さい入
力積分時間Ｔx'でも、ｎ(ａ)＝ｎ／ｍであるから、ｍ回
の加算によって得られる値は入力積分時間がＴxの時と
ほぼ同じ値ｎが得られる。

【００１９】個々の計測カウント値は前述（段落０００
８）したように測定精度が低下するが、誤差は任意にば
らついている物であり、誤差は加算により平均化され
る。

【００２０】以上述べた方法によれば、大幅な精度低下
を起こすことなく、Ａ／Ｄ変換時間を１／ｍにする事が
でき、それによってＣを小さくしたり、誘電吸収の影響
を小さくすることができる。また、１測定当たりｍ回の
Ａ／Ｄ変換毎のカウントを得て、演算処理をするため、
表示装置を有する場合でも、従来と同じ表示間隔でカウ
ント値が表示されるため、早すぎて表示が読みとれない
状態も生じない。

【００２１】しかし、ＡＤ変換時の誤差が常に任意にば
らつくとは限らず、加算処理によっても、精度を要求さ
れる秤の場合には好ましくない誤差を生じることもあ
る。入力積分時間の誤差は前述（段落０００９）のよう
に、ｔCLを生成する分周器をリセットすることにより、
精度を確保できる場合があるが、基準積分時間の終了時
の誤差は解消できない。

【００２２】測定時の誤差は、ｔCLによるものだけでは
なく、制御装置との関連も誤差を生じる要因となる。マ
イコンなどの制御装置は、個々の処理／制御に一定時間
を要する。これは、制御装置が発振器で作られた基準時
間単位ｔに従って、ｔ毎に一つずつ、処理／制御を行っ
ているためである。ｔを「命令実行時間」と呼ぶ。従っ
て、積分器出力Ｖo が０Ｖになり、コンパレータがＨｉ
からＬｏに切り替わった瞬間に基準積分期間を終了し、
入力積分期間に移ることができない。

【００２３】制御装置は、ｔ未満の時間を認識できない
ので、Ｌｏに切り替わった瞬間から、それを検知するま
でｔ未満の誤差Δが生じる。このｔは、Ａ／Ｄ変換のた
めの基準時間ｔCLに対して、一般的には小さいが、誤差
として存在し、また制御装置の処理のさせ方（ソフトウ
ェア）によっては、ｔの数個分の誤差を生じ、無視する
ことはできなくなる。

【００２４】さらに、ｔCLを数えるカウンタを止める処
理、カウント値ｎを保存する処理を経て、ＳＷをＶx側
に接続する処理が終わるまでの時間を要し、この時点で
のＶoは、０Ｖより上にいってしまう。そこでコンパレ
ータが再びＬｏになるのを確認することによって、Ｖo
が０Ｖに戻ったのを確認するわけだが、この段階でまた
Ｌｏの検出のためｔ未満の誤差δを生じてしまう。この
面でも、計測時間を短くしすぎると、精度が低下してし
まう。

【００２５】しかし、二重積分の原理は、「測定開始時
点と終了時点の積分器出力の電圧が同じなら、その間に
充電／放電された電荷の合計は０である」ということで
あるので、必ずしもＶo＝０Ｖである必要はない。

【００２６】ここで、図２（ｂ）のように、コンパレー
タ出力のＨｉを検出し、ｔCLを数えるカウンタを止め、
カウント値ｎ(ａ)を保存し、ＳＷをＶx 側に接続し、カ
ウンタをリセット／スタート（入力積分期間をスター
ト）させ、他方、制御装置の基準時間ｔと、ｔCLを同期
させる。此の同期は、たとえば制御装置と計測装置のク
ロック発生器を同一のものを使用し、同一の分周比の分
周器からの出力を、それぞれｔ、ｔCLとして使用する事
で得られる。

【００２７】コンパレータ出力のＨｉを検出する部分の
誤差Δは、従来例と同一であるが、入力積分期間時、コ
ンパレータ出力のＬｏを検出する部分がないため、誤差
δが生じない。

【００２８】この方法では、制御装置の処理時間のため
に、入力積分時間開始時の、積分器出力が０Ｖから離れ
てしまうが、コンパレータ出力のＨｉを検出してからＳ
ＷをＶx 側に接続するまで制御装置が費やした時間ΔＴ
の間の積分出力の変化ΔＶは、この間にＣに流れ込んだ
電荷量を−ΔＱとすると、ΔＶ＝−ΔＱ／Ｃ＝−ΔＴ＊
ＩR／Ｃ＝−ΔＴ＊ＶR／（Ｒ1＊Ｃ）であり、ＶR、Ｒ
1、Ｃは一定値であるので、ΔＴが一定ならば、ΔＶも
一定になる。図２（ｂ）、図３、図４（ｂ）の（２−
６）〜（２−０）までの所要時間ΔＴを一定になるよう
に処理をするのは容易であり、ΔＶも一定にできる。つ
まり、ＳＷをＶx側に接続する時点の積分器出力電圧Ｖo
(a) は、常にほぼ一定値であり、１クロック分の誤差範
囲内にはいり、測定開始時点と終了時点の積分器出力の
電圧は同じであり、実際上の問題は生じない。

【００２９】一方、基準積分期間ＴR'は、ＳＷをＶx 側
に接続する時点までであるから、計測された値ｎ(a)'よ
りもΔＴ分だけ多いことになるが、ΔＴは一定値である
から真の値ｎ(a)は ｎ(a)＝ｎ(a)'＋ΔＴ／ｔCL で求められ、常に一定値が加算されることを考慮すれば
よいので、実際上の問題は生じない。

【００３０】同様にＳＷをＶx 側に接続した時点から、
入力積分期間の計測カウントの開始までの時間を一定値
ΔＴxになるように処理すれば、Ｔx' は常に一定にな
る。このときの入力積分期間の真のカウント数（Ｎ'）
はＮ"＋ΔＴx／ｔCL となる。ＳＷをＶx に切り換える
時点を、基準積分時間の終了であり、入力積分期間の開
始としているため、Ｔx'が前述（段落０００８）のδの
ような誤差を生じないため、二重積分をｍ回繰り返した
場合の合計Ｔxは ｍ＊Ｔx'＝ｍ＊Ｎ'／ｔCLとなり、ｍ
回繰り返しても、入力積分期間の総和に誤差が生じな
い。

【００３１】また、従来例では、基準積分期間ＴR の終
了が、得られたカウント値ｎと非同期で生じる「コンパ
レータがＨｉになる時点」であれば、計算上で取り除く
ことの出来ない不定のｔCL未満の差を生じるが、本方式
では「ＳＷをＶx 側に接続する時点を」基準積分期間Ｔ
R'の終了とし、かつ、ｔとｔCLが同期しているので、得
られたカウントｎ(a)とＴR'の終了が同期し、ＴR'＝ｎ
(a)＊ｔCLとなり、基準積分期間は、誤差なくｎ(a)に比
例する。

【００３２】このため、ｍ回の２重積分で全入力積分期
間に積分器に流れる電荷量Ｑx は、ｍ＊Ｎ'＊Ｖx／（Ｒ
1＊ｔCL）、全入力積分期間に積分器から流れる電荷量
ＱRは、ｍ＊（ｎ(0)＋ｎ(1)＋……＋ｎ(m-1)）＊（−Ｖ
R）／（Ｒ1＊ｔCL）である。一方、積分出力電圧Ｖo
は、開始時点の積分器出力電圧Ｖo(0) と、ｍ回繰り返
した後の積分器出力電圧Ｖo(m)は、Δの誤差範囲内で同
一であるため、Ｑｘ＋ＱR＝０であり、ｎ(0)＋ｎ(1)＋
……＋ｎ(m-1)＝ｍ＊Ｎ'＊Ｖx／Ｒ1となる。つまり、入
力積分時間を通常の１／ｍにして、ｍ回のＡ／Ｄ変換で
得られたカウント値の積算は誤差なく、通常の入力積分
時間で得られるカウント値と同一である。

【００３３】このように、Ａ／Ｄ変換の基準時間ｔCL
と、制御装置の基準時間ｔとを同期させ、かつＳＷをＶ
x に切り換える時点を、基準積分時間の終了時であり、
入力積分期間の開始時であるとした場合、ｍ回積算して
も、誤差は最大１カウントの範囲内である。ここで、Ｓ
ＷをＶx に接続した時点での処理が一定時間であればい
いので、同期してさえいれば、ｔはｔCLの整数倍でも良
い。

【００３４】本発明は、複数のセンサを持つものに、特
に有効である。たとえば荷重センサが４つある４点式は
かりや、インピーダンス測定センサを有する脂肪計付き
ヘルスメータは、１つのＡ／Ｄ変換器で、センサを切り
換えて使用する例が多い。この場合、センサの切替時に
電圧Ｖxが変化するため、過渡的にＶxが不安定な時間を
生じることが多い。切り換え時の過渡状態を含むデータ
は正確さを欠くため、破棄する必要があるが、従来例で
は、１測定分が長いので、測定時に無駄になる時間が多
くなる。このような測定器では、ほぼ同時に各センサの
値を得たい場合が多く、測定スピードが大きな問題にな
る。このため、回路上で過渡状態での測定を防ぐなどの
手段を講じていたが、コストアップにつながったり、そ
のための精度低下が生じたりする。

【００３５】本案は、１回のＡ／Ｄ変換時間が短いた
め、過渡状態が生じている部分の計測を破棄するだけ
で、必要最低限の時間での計測が可能となる。図５のよ
うに、過渡状態が生じると思われるＡ／Ｄ変換回数ｓ以
下であれば、計測したカウント値を加算しないようにす
ればよい。よって、回路での補正もなく、容易に迅速な
測定が可能となる。

【００３６】

【発明の効果】積分コンデンサＣの誘電吸収による変換
誤差や、積分器のバイアス電流や、基板のリーク電流に
よる誤差を少なくし、２重積分方式によるＡ／Ｄ変換の
変換誤差を少なくすることが出来、特に、複数のセンサ
を有し、各々から得られた電圧を切換器により１つの２
重積分方式のＡ／Ｄ変換器によってデジタル値を得るも
のの場合、センサの切り換え時に生じる過渡的な電圧の
乱れを容易に削除し、正確な値が得らる構成とすること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例説明図 （ａ）回路図 （ｂ）フロー図 （ｃ）出力波形図

【図２】実施例フロー図 （ａ）請求項２のフロー図主要部 （ｂ）請求項１のフロー図

【図３】請求項１の実施例出力波形図

【図４】請求項２の実施例 （ａ）出力波形図 （ｂ）（ａ）図の部分拡大図

【図５】請求項２の実施例フロー図

【図６】請求項３実施例説明図 （ａ）フロー図 （ｂ）出力波形図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷重を電圧に変換する機構と、２重積分
   方式のＡ／Ｄ変換器と、それを制御する制御装置を有
   し、Ａ／Ｄ変換器を制御することにより荷重に比例した
   カウント値を得る電子秤に於いて、計測する基準時間間
   隔（ｔCL）に対し、制御装置の最小制御時間間隔（命令
   実行時間・ｔ）の時間を同期させ、２重積分方式の基準
   積分時間の終了と、入力積分時間の開始とを一致させる
   ことを特徴とする電子秤。
2. 【請求項２】 荷重を電圧に変換する機構と、２重積分
   方式のＡ／Ｄ変換器と、それを制御する制御装置を有
   し、Ａ／Ｄ変換器を制御することにより荷重に比例した
   デジタル値を得る電子秤に於いて、２重積分方式による
   Ａ／Ｄ変換器の、各回の入力積分時間を十分小さい値と
   し、各回毎の基準積分期間のカウント値を順次加算し記
   憶する記憶装置を有し、設定回数分のカウント値の加算
   値を、１測定の計測値として重量値に変換することを特
   徴とする請求項１に記載の電子秤。
3. 【請求項３】 ２重積分方式によるＡ／Ｄ変換の、各回
   の入力積分時間を十分小さい値とし、各回毎の基準積分
   時間のカウント値を順次加算、記憶して設定回数分のカ
   ウント値の加算値を、１測定のカウント値として重量値
   に変換する電子秤に於いて、前記１測定分の設定回数の
   内の最初の定めた回数のカウント値に限って加算しない
   ことを特徴とする請求項２に記載の電子秤。