KR100388940B1

KR100388940B1 - 편심 및 경사에 의한 오차의 보상이 가능한 전자저울

Info

Publication number: KR100388940B1
Application number: KR10-2001-0004124A
Authority: KR
Inventors: 이건복
Original assignee: 주식회사 피앤엠; 이건복
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2003-06-25
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: KR20020063454A

Abstract

편심 및 경사에 의한 오차의 보상이 가능한 전자저울이 개시된다. 전자저울은, 피계량물체가 놓여지는 상부플레이트를 지지하는 수직분력로드셀, 및 상부플레이트의 측방을 지지하는 수평분력로드셀을 가지고 있다. 각 로드셀은 스트레인게이지를 가지고 있으며, 스트레인게이지는 수직 및 수평방향상으로 가압됨에 따라 그 저항치가 가변된다. 각 스트레인게이지는 브리지회로를 구성하며, 하중출력부는 브리지회로 내의 소정 위치에서 출력된 전압에 기초하여 피계량물체의 하중을 산출한다. 하중출력부는 수직분력로드셀들을 이용하여 편심에 의한 오차를 보상한 하중을 출력할 수 있고, 또한 수평 및 수직분력로드셀들을 모두 이용하여 경사에 의한 오차를 보상한 하중을 출력할 수 있다.

Description

편심 및 경사에 의한 오차의 보상이 가능한 전자저울{Electric sacle capable of compensating error caused by an eccentricity of a load to be gauged and a tilt thereof}

본 발명은 로드셀을 이용한 전자저울에 관한 것으로서, 피계량물체의 편심을 보상함과 동시에 피계량물체가 놓여지는 플레이트가 경사진 경우에 이로 인해 발생하는 측정상의 오차가 보상된 정확한 하중을 측정할 수 있는 전자저울에 관한 것이다.

전자저울은 피계량물체가 중력방향으로 가하는 힘을 전기적 신호로 변환하여 피계량물체의 하중을 측정하는 장치로서, 일반적으로 외력에 비례하여 그 외형이 변화하는 로드셀을 이용하여 하중을 측정한다. 도 1은 이러한 로드셀을 이용한 종래의 전자저울을 도시하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 전자저울은, 다수의 지지부재(29)에 의해 지지되어 바닥면(20)에 놓여지는 베이스플레이트(23), 베이스플레이트(23)에 고정된 로드셀(25), 로드셀(25)의 상부에 놓여진 상부플레이트(21), 및 베이스플레이트(23)의 상면에 설치된 다수의 스토퍼(27, 28)로 구성되어 있다. 로드셀(25)의 상단부는 상부플레이트(21)의 중앙 부위를 지지하고 있다. 로드셀(25)에는 그에 가해지는 힘에 따라 외형이 변화되어 그 저항치가 가변되는 스트레인게이지(strain gauge, 도시되지 않음)가 설치되어 있다.

상부플레이트(21)에 하중 측정대상이 되는 피계량물체(도시되지 않음)가 놓여지면 로드셀(25)은 그 외형이 변화되며, 이에 따라 로드셀(25)에 설치된 스트레인게이지의 외형도 변화된다. 스트레인게이지는 도선(도시되지 않음)에 의해 콘트롤 박스(도시되지 않음)와 연결되어 있으며, 스트레인게이지에는 콘트롤박스로부터 전류가 공급된다. 콘트롤박스는 스트레인게이지의 저항치가 가변됨에 따라 발생되는 전압 또는 전류의 변화를 측정하며, 이 변화된 전압 또는 전류의 양에 기초하여 피계량물체의 하중을 산출한다.

그런데, 상기와 같은 종래의 전자저울은 피계량물체가 상부플레이트(25)의 중앙부위인 정위치에 놓이지 않고 중앙부위로부터 측방으로 편심된 위치에 놓이는 경우에는 피계량물체의 하중을 정확하게 측정하지 못한다는 문제점을 가지고 있다. 즉, 상부플레이트(21)의 정위치로부터 편심된 편심위치상에 피계량물체가 놓일 경우에는, 편심거리(e)와 피계량물체의 하중의 적으로 계산되는 모멘트에 의해 로드셀(25)에 가해지는 힘의 크기가 정위치에 놓인 경우와는 달라지게 된다. 따라서, 피계량물체의 하중 측정시 편심거리(e)에 대략 비례하는 오차가 발생하게 된다. 그러나, 종래의 전자저울은 이와 같이 피계량물체가 편심되게 놓인 경우에 발생하는 오차를 정확하게 보상할 수 있는 수단을 구비하지 않고 있으므로, 사용자는 피계량물체가 정위치에 놓일 수 있도록 상시 주의를 기울여야 하는 불편함을 겪게 된다.

또한, 종래의 전자저울에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이 전자저울 자체가 경사진면에 위치한 경우에도 피계량물체의 하중을 정확하게 측정할 수 없다는 문제점이 있다. 즉, 전자저울이 놓인 바닥면(20)이 수평면(20a)에 대해 소정의 각도(θ)로 경사진 경우에는, 중력방향으로 가해지는 실제 하중(W)은 상부플레이트(21)의 판면방향에 수평으로 가해지는 수평분력(W_h)과 상부플레이트(21)의 판면방향에 수직으로 가해지는 수직분력(W_θ)으로 분해되며, 로드셀(25)에는 수직분력(W_θ)만이 가해지게 된다. 따라서, 로드셀(25)에 의해 측정된 피하중물체의 하중의 측정치는 경사각(θ)에 대응되는 크기의 오차를 갖게 되어, 피계량물체의 하중이 실제하중(W)보다 작은 하중(Wθ)으로 계측되게 된다.

특히, 미숙아 보호용 인큐베이터에 사용되는 전자저울은, 미숙아에게 수유를 용이하게 하기 위해 인위적으로 경사지게 배치하는 경우가 있으므로, 경사에 의한 오차가 보상된 정확한 하중 측정의 필요성이 매우 크게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 피계량물체가 상부플레이트의 정위치에 놓이지 아니하고 편심된 위치에 놓여진 경우에도, 편심에 따른 하중측정상의 오차 없이 정확한 하중을 산출할 수 있고, 또한 경사진 면에 위치되어 상부플레이트 자체가 경사진 경우에도 경사각에 의한 오차가 보상되어 피계량물체의 하중을 정확하게 산출할 수 있는 전자저울을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 로드셀을 이용한 전자저울의 개략적 측단면도,

도 2는 도 1의 전자저울이 경사진 장소에 위치된 상태를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 전자저울의 상면도,

도 4는 도 3의 측면도,

도 5는 도 3의 부분확대 사시도,

도 6은 도 5의 수직분력로드셀 부분의 확대 측단면도,

도 7은 도 5의 수평분력로드셀 부분의 확대 측단면도,

도 8(a)는 도 3에서 수직분력로드셀만을 개략적으로 도시한 도면,

도 8(b)는 도 8(a)의 수직분력로드셀에 설치된 수직분력센서들을 이용하여 구현한 수직분력브리지회로를 도시한 회로도,

도 9는 피계량물체의 하중을 출력하는 하중출력부의 블록도,

도 10은 전자저울이 경사면에 놓여진 상태를 도시한 도면,

도 11(a)는 도 3에서 X축 방향의 수평분력로드셀만을 개략적으로 도시한 도면,

도 11(b)는 도 11(a)의 수평분력로드셀에 설치된 수평분력센서들을 이용하여 구현한 수평분력브리지회로를 도시한 회로도,

도 12(a)는 도 3에서 Y축 방향의 수평분력로드셀만을 개략적으로 도시한 도면,

도 12(b)는 도 12(a)의 수평분력로드셀에 설치된 수평분력센서들을 이용하여 구현한 수평분력브리지회로를 도시한 회로도,

도 13은 브리지회로의 다른 구성예를 보여주는 위한 브리지회로의 변형예, 그리고

도 14는 수직분력과 수평분력을 모두 이용하여 하중과 경사각을 산출하는 연산부를 도시한 블록도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

30 : 베이스플레이트 40 : 상부플레이트

60 : 브리지회로부 70, 170 : 하중출력부

80, 180 : 표시부 X1, X2, Y1, Y2, Y3, Y4 : 수평분력로드셀

Z1, Z2, Z3, Z4 : 수직분력로드셀

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자저울은, 베이스플레이트; 상기 베이스플레이트의 상부에 배치되며, 피계량물체가 놓여지는 상부플레이트; 상기 베이스플레이트와 상기 상부플레이트 사이에 배치되어 상기 피계량물체가 놓여진 상기 상부플레이트에 의해 중력방향의 하중이 가해지며, 상기 하중에 의해 발생되는 외형의 변화에 의해 그 저항치가 가변되는 적어도 하나의 수직분력센서를 구비한 복수의 수직분력로드셀; 각각의 상기 수직분력센서를 포함하여 구성된 수직분력브리지회로; 상기 브리지회로 내의 소정 위치에서 출력된 수직분력전압에 기초하여 상기 피계량물체의 하중을 산출하는 하중출력부; 상기 상부플레이트의 측방에 배치되어 수평방향에 대해 기울어진 상기 상부플레이트에 의해 상기 상부플레이트의 판면방향으로 수평분력이 가해지며, 상기 수평분력에 의해 발생되는 외형의 변화에 의해 그 저항치가 가변되는 적어도 하나의 수평분력센서를 구비한 복수의 수평분력로드셀; 및 상기 수평분력센서들 중 적어도 일부를 포함하여 구성된 적어도 하나의 수평분력브리지회로를 포함하며, 상기 하중출력부는, 상기 수평분력브리지회로 내의 소정 위치에서 출력된 수평분력전압 및 상기 수직분력브리지회로 내의 소정 위치에서 출력된 수직분력전압에 기초하여 상기 피계량물체의 하중을 산출하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 상부플레이트는 거의 직사각형의 형상을 가지며, 상기 수직분력로드셀은 상기 상부플레이트의 각 모서리 부위에 각각 설치되는 것이 바람직하다.

상기 수직분력로드셀은, 상기 베이스플레이트에 고정되는 고정부; 상기 상부플레이트를 지지하는 지지부; 및 상기 고정부 및 상기 지지부와 일체로 형성되어 상기 고정부와 상기 지지부를 연결하며, 상기 하중에 의해 그 외형이 변형되는 아암부를 포함한다. 상기 수직분력센서는 상기 아암부에 장착된다. 또한, 각각의 상기 수직분력로드셀은, 상기 아암부의 상면 및 저면에 각각 설치되어 상기 하중에 의해 각각 인장 및 압축되는 한 쌍의 상기 수직분력센서를 구비한다.

상기 수직분력브리지회로에서는, 상기 하중에 의해 압축되는 상기 수직분력센서들이 상호 대향되도록 배치되고, 상기 하중에 의해 인장되는 상기 수직분력센서들이 상호 대향되도록 배치되며; 상기 수직분력전압은 압축되는 상기 수직분력센서와 인장되는 상기 수직분력센서간의 연결노드에서 출력된다.

상기 하중출력부는, 상기 수직분력전압을 증폭하는 증폭기; 상기 증폭기의 출력 중 저주파 신호만을 추출하여 노이즈를 제거하는 저역통과필터; 및 상기 저역통과필터의 출력을 디지털 신호로 변환시켜 상기 하중을 디지털값으로 출력하는 A/D컨버터를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 상부플레이트상의 편심된 위치에 피계량물체가 놓이는 경우에도, 편심에 의한 오차가 보상된 정확한 하중이 출력될 수 있게 된다.

상기 수평분력로드셀은, 상기 베이스플레이트에 고정되는 고정부; 및 상기 고정부와 일체로 형성되어 상기 상부플레이트를 상기 판면방향으로 지지하는 지지부를 포함하여 구성되며, 상기 수평분력센서는 상기 지지부에 장착된다.

바람직하게는, 각각의 상기 수평분력로드셀은, 상기 지지부가 상기 상부플레이트와 접촉되는 면 및 그의 배면에 각각 설치되어 상기 수평분력에 의해 각각 인장 및 압축되는 한 쌍의 상기 수평분력센서를 구비한다.

또한, 상기 수평분력브리지회로에서는, 상기 수평분력에 의해 압축되는 상기 수평분력센서들이 상호 이웃하도록 배치되고, 상기 수평분력에 의해 인장되는 상기수평분력센서들이 상호 이웃되도록 배치되며; 상기 수평분력전압은 압축되는 상기 수평분력센서와 인장되는 상기 수평분력센서간의 연결노드에서 출력된다.

상기 하중출력부는 수직분력과 수평분력의 합력으로서 하중을 산출한다. 따라서, 전자저울이 경사된 위치에 놓인 경우라도, 경사에 의한 하중측정상의 오차가 보상된 정확한 하중이 측정될 수 있게 된다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 전자저울은, 상기 수평분력전압 및 상기 수직분력전압에 기초하여 상기 상부플레이트의 경사각을 산출하는 경사각산출부를 더 포함한다. 상기 경사각산출부는 수직분력에 대한 각 수평분력의 비의 역탄젠트값으로서 상기 경사각을 산출한다. 이에 따르면, 사용자는 전자저울의 경사각을 알 수 있게 되며, 전자저울을 경사측정기의 용도로도 전용할 수 있게 된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 전자저울의 상면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 전자저울의 측면도이다. 본 발명에 따른 전자저울은, 바닥면에 놓여지는 베이스플레이트(30), 베이스플레이트(30)의 상부에 놓여지는 상부플레이트(40), 베이스플레이트(30)상에 고정되어 상부플레이트(40)를 상방으로 지지하는 다수의 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4), 및 베이스플레이트(30)상에 고정되어 상부플레이트(40)를 측방에서 지지하는 다수의 수평분력로드셀(X1, X2, Y1, Y2, Y3, Y4)을 가지고 있다.

베이스플레이트(30)와 상부플레이트(40)는 대략 직사각형 형상으로 형성되어 있으며, 베이스플레이트(30)는 상부플레이트(40)에 비해 다소 넓은 크기를 가진다.이하의 설명에서는, 상부플레이트(40)의 판면방향에 평행한 방향 중 상부플레이트(40)의 장변방향을 X축 방향으로, 상부플레이트의 단변방향을 Y축 방향으로 설정한다. 또한, 상부플레이트(40)의 판면방향에 수직한 방향을 Z축 방향으로 설정한다.

상부플레이트(40)와 베이스플레이트(30)의 사이에는 후술되는 바와 같이 각 로드셀(X1, X2, Y1, Y2, Y3, Y4, Z1, Z2, Z3, Z4)에 다수의 도선(71)으로 연결된 브리지회로부(60)가 설치되어 있다. 브리지회로부(60)는 상부플레이트(40)의 하부의 중앙부위에 설치되어 있으며, 이에 따라 다수의 도선(71)의 길이가 대략 같은 길이로 구성될 수 있어 온도 변화에 따른 도선(71)의 저항치 오차가 줄어들게 된다.

또한, 상부플레이트(40)와 베이스플레이트(30)의 사이에는 후술되는 바와 같이 브리지회로부(60)의 출력에 기초하여 상부플레이트(40)상에 놓여진 피계량물체의 하중을 산출하는 하중출력부(70)가 설치되어 있고, 하중출력부(70)의 측면에는 하중출력부(70)가 산출한 중량값을 디스플레이하기 위한 표시부(80)가 설치되어 있다. 바람직하게는, 표시부(80)가 위치된 부위에 대응되는 상부플레이트(40)의 일 부분을 절개하여, 표시부(80)가 상면으로 노출되도록 할 수도 있다. 이에 따르면, 사용자가 표시부(80)를 통해 하중을 더욱 용이하게 알아볼 수 있게 된다.

도 5는 도 3의 부분확대 사시도로서 베이스플레이트(40)의 좌측 하단 모서리 부위와 그 위에 설치된 로드셀들(X2, Y3, Z3)을 도시한 도면이고, 도 6 및 도 7은 각각 도 5에 도시된 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4) 중 하나(Z3)와 수평분력로드셀(X1, X2, Y1, Y2, Y3, Y4) 중 하나(X2)를 확대하여 도시한 측단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 베이스플레이트(30) 상에는 복수의 스토퍼부재(35)가 설치되어 있다. 스토퍼부재(35)는 그 상단부가 상부플레이트(40)와 다소 이격되는 정도의 높이를 가진다. 이때 이격거리는 수직분력센서(Z1, Z2, Z3, Z4)의 변형 한도에 대응되는 거리로 설정된다. 따라서, 상부플레이트(40)에 놓여지는 피계량물체의 하중이 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4)의 변형 한도를 초과할 경우, 이 스토퍼부재(35)가 상부플레이트(40)를 상방으로 지지함으로써 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4)의 파손을 방지하게 된다.

도 6을 참조하면, 수직분력로드셀(Z3)은, 베이스플레이트(30)에 볼트(49)와 너트(49a)에 의해 고정되는 고정부(47), 상부플레이트(40)를 하방에서 지지하는 지지부(41), 고정부(47) 및 지지부(41)와 일체로 형성되어 고정부(47)와 지지부(41)를 연결하는 아암부(45), 및 아암부(45)와 일체로 연장형성되며 상부플레이트(40)의 상면의 일 부위에 위치되는 스토퍼부(46)로 구성되어 있다.

아암부(45)는 상부플레이트(40)에 피계량물체가 올려져 지지부(41)가 하방으로 가압될 때, 가압되는 하중에 비례하여 그 외형이 변형된다. 스토퍼부(46)는 상부플레이트(40)를 상방에서 커버하여, 상부플레이트(40)의 상향 이탈을 방지하는 기능을 한다.

지지부(41)의 상면에는 소정 크기의 홈(42)이 형성되어 있고, 홈(42) 내에는 볼베이링(43)이 수용되어 있다. 상부플레이트(40)는 이 볼베이링(43)에 접촉된 상태로 지지부(41)에 의해 지지되며, 이에 따라 상부플레이트(40)는 그 판면방향을따라 X축 및 Y축 방향으로 소정 범위 내에서 요동가능하게 지지된다.

수직분력로드셀(Z3)의 아암부(45)에는 한 쌍의 수직분력센서(S_Z31, S_Z32)가 장착되어 있다. 각 수직분력센서(S_Z31, S_Z32)는 그 외형이 변화함에 따라 그 저항치가 변화하는 가변저항의 기능을 하는 스트레인게이지(strain gauge)로 구성되어 있다. 하나의 수직분력센서(S_Z31)는 아암부(45)의 상면에 장착되며, 다른 하나의 수직분력센서(S_Z32)는 아암부(45)의 저면에 장착된다. 따라서, 피계량물체의 하중에 의해 상부플레이트(40)가 중력방향으로 가압될 때, 이 하중에 의해 발생되는 아암부(45)의 변형에 의해 상면의 수직분력센서(S_Z31)는 인장되고 하면의 수직분력센서(S_Z32)는 압축된다. 따라서, 상면의 수직분력센서(S_Z31)의 저항값은 증가하고 하면의 수직분력센서(S_Z32)의 저항값은 감소한다.

도 7을 참조하면, 수평분력로드셀(X2)은, 베이스플레이트(30)에 볼트(59)와 너트(59a)에 의해 고정되는 고정부(57), 및 고정부(57)와 일체로 형성되어 상부플레이트(40)를 그의 판면방향으로 지지하는 지지부(55)로 구성되어 있다. 지지부(55)는 상부플레이트(40)가 경사지게 배치되거나 전자저울 자체가 경사면에 놓여져 상부플레이트(40)가 그 판면방향으로 이동하려는 힘을 발생시킬 때 이를 측방에서 지지하며, 이때 판면방향의 힘에 비례하여 그 외형이 변형된다.

수평분력로드셀(X2)의 지지부(55)에는 한 쌍의 수평분력센서(S_X21, S_X22)가 장착되어 있다. 각 수평분력센서(S_X21, S_X22)도 그 외형이 변화함에 따라 그 저항치가 변화하는 가변저항의 기능을 하는 스트레인게이지(strain gauge)로 구성되어 있다. 하나의 수평분력센서(S_X22)는 상부플레이트(40)와 접촉되는 면에 설치되며, 다른 하나의 수평분력센서(S_X21)는 그의 배면에 장착된다. 따라서, 상부플레이트(40)가 그 판면방향으로 수평분력로드셀(X2)의 지지부(55)를 가압하면, 이에 의해 발생되는 지지부(55)의 변형에 의해 접촉면의 수평분력센서(S_X22)는 인장되고 그 배면의 수평분력센서(S_X21)는 압축된다. 따라서, 접촉면의 수평분력센서(S_X22)의 저항값은 증가하고 배면의 수평분력센서(S_Z32)의 저항값은 감소한다.

도 8(a)는 도 3에서 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4)만을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8(b)는 도 8(a)의 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4)에 설치된 수직분력센서들(S_Z11, S_Z12, S_Z21, S_Z22, S_Z31, S_Z32, S_Z41, S_Z42)을 이용하여 구현한 수직분력브리지회로를 도시한 회로도이다. (여기에서, 센서들의 첫번째 첨자 Z는 수직분력센서임을, 두번째 첨자는 각 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4)의 번호를, 그리고 세번째 첨자 중 1은 아암부(45)의 상면에 설치된 센서임을 나타내고 2는 아암부(45)의 하면에 설치된 센서임을 나타낸다. 이하 같다.)

도 8(a)에 도시된 바와 같이, 4개의 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4)은 거의 직사각형 형상을 가지는 상부플레이트(40)의 각 모서리 부위에 각각 설치되어 있다. 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 수직분력브리지회로는 각 수직분력센서들(S_Z11,S_Z12, S_Z21, S_Z22, S_Z31, S_Z32, S_Z41, S_Z42)이 쌍을 이루어 구성된 네 쌍의 저항으로 구성되어 있다. 이때, 피계량물체의 하중에 의해 압축되는 수직분력센서들(S_Z12, S_Z22, S_Z32, S_Z42)이 두 개씩 쌍을 이루어 각 쌍이 상호 대향되도록 배치되고, 또한, 하중에 의해 인장되는 수직분력센서들(S_Z11, S_Z21, S_Z31, S_Z41)이 두 개씩 쌍을 이루어 각 쌍이 상호 대향되도록 배치된다.

수직분력브리지회로의 대향된 두 노드에는 각각 구동전압(+V, -V)이 가해지며, 상호 대향된 다른 두 노드, 즉, 압축되는 수직분력센서와 인장되는 수직분력센서간의 연결노드에서는 수직분력전압(+SIG_Z, -SIG_Z)이 출력된다. 따라서, 피계량물체의 하중이 상부플레이트(40)에 가해지면, 하중에 의해 각 수직분력센서(S_Z11, S_Z12, S_Z21, S_Z22, S_Z31, S_Z32, S_Z41, S_Z42)들이 압축 또는 인장되고, 압축되는 센서들과 인장되는 센서들이 도 8(b)에 도시된 바와 같이 상호 대향되어 배치되므로 두 출력전압(-SIG_Z, +SIG_Z)의 차는 통상의 상태에 비해 커지게 된다. 따라서, 피계량물체의 하중에 대응되는 수직분력전압(-SIG_Z, +SIG_Z)이 출력되므로, 이를 토대로 하여 피계량물체의 하중을 산출할 수 있게 된다.

한편, 피계량물체가 상부플레이트(40)의 중앙부위인 정위치에 놓이지 아니하고 편심되게 놓여진 경우에는 그 편심정도에 따라 각 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4)의 아암부(45)의 변형 정도가 다르게 된다. 이에 따라 각 수직분력센서들(S_Z11,S_Z12, S_Z21, S_Z22, S_Z31, S_Z32, S_Z41, S_Z42)의 압축 및 인장의 정도가 달라져 그 저항값도 각각 달라지게 되며, 따라서, 출력되는 수직분력전압(-SIG_Z, +SIG_Z)의 값도 달라진다. 이 때 출력되는 수직분력전압(-SIG_Z, +SIG_Z)을 기초로 피계량물체의 하중이 산출되며, 이에 따라 편심에 의한 오차가 보상된 하중이 출력되게 된다.

편심에 의해 발생하는 오차가 보상된 하중의 산출은 실험적인 데이터를 통해 정해질 수 있다. 이러한 실험 데이터는, 상부플레이트(40)의 크기, 각 수직분력센서(S_Z11, S_Z12, S_Z21, S_Z22, S_Z31, S_Z32, S_Z41, S_Z42)의 저항값 변화율, 각 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4)의 위치 등을 고려하여 정해질 수 있다. 이와 같이 구해진 데이터에 기초하여 수직분력전압(-SIG_Z, +SIG_Z)을 산출하게 되면, 피계량물체의 하중의 값은 물론, 피계량물체가 편심된 위치에 놓여진 경우에 발생하는 편심오차까지 보상된 실제 하중이 정확하게 계측될 수 있게 된다.

도 3 및 도 8에 도시된 실시예에서는 4개의 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4)을 사용하는 예를 도시하고 있으나, 2개 이상의 수직분력로드셀만으로도 본 발명의 소기의 목적을 달성할 수 있다. 다만, 2개의 수직분력로드셀을 시용할 경우에는 상부플레이트(40)의 판면상의 방향 중 일방향상으로의 편심만을 보상한 하중을 출력할 수 있을 것이다. 또한, 3개의 수직분력로드셀을 사용할 경우에는 상부플레이트(40)의 판면상의 모든 방향에 대한 편심의 보상이 가능할 것이나, 다만 편심을 보상하기 위해 실험적으로 얻어지는 데이터의 구성이 달라질 것이다. 또한, 2개또는 3개의 수직분력로드셀을 채용하거나 5개 이상의 수직분력로드셀을 채용할 경우에는 수직분력브리지회로의 구성도 도 8(b)에 도시된 바와는 상이하게 될 것이다.

도 9는 도 8(b)에 도시된 수직분력브리지회로를 이용하여 하중을 산출하는 하중출력부(70)의 구성을 도시한 블록도이다.

브리지회로부(60) 내에는 도 8(b)에 도시된 수직분력브리지회로가 설치되어 있고, 따라서 브리지회로부(60)는 수직분력전압(-SIG_Z, +SIG_Z)을 출력한다. 하중출력부(70)는 수직분력전압(-SIG_Z, +SIG_Z)을 증폭하는 증폭기(71), 증폭기(71)의 출력 중 저주파 신호만을 추출하여 노이즈를 제거하는 저역통과필터(Low Pass Filter)(73), 및 저역통과필터(73)의 출력을 디지털 신호로 변환시켜 측정된 하중(W)을 디지털값으로 출력하는 A/D컨버터(75)로 구성되어 있다. A/D컨버터(75)가 출력하는 하중(W)의 값은 표시부(80)로 송출되며, 표시부(80)는 이를 외부에 표시한다. 따라서 사용자는 표시부(80)를 통해 피계량물체의 하중을 알 수 있게 된다.

도 10은 전자저울이 수평면(35a)에 대해 θ의 각도로 경사진 경사면에 놓여 상부플레이트가 경사진 상태를 도시한 도면이다. 도 10에서는 먼저 본 발명에 따른 경사 보상의 원리를 설명하기 위해 경사가 X축 방향으로만 발생한 예를 설명한다. 전자저울 자체의 경사 또는 상부플레이트(40)의 경사에 의해 발생하는 하중 측정상의 오차는 수직분력로드셀들(Z1, Z2, Z3, Z4)만으로는 보상될 수 없고, 수평분력로드셀(X1, X2, Y1, Y2, Y3, Y4)들을 함께 이용하여 보상할 수 있다.

도 10에서, 실제하중(W)은 상부플레이트(40)의 판면방향에 따른 수평분력성분(W_X)과 상부플레이트(40)의 판면방향에 수직방향에 따른 수직분력성분(W_Z)으로 분해될 수 있다. 이때, 실제하중(W)는 다음과 같이 계산된다.

식(1)

또한, 경사각(θ)는 다음과 같은 식으로 계산된다.

식(2)

이와 같은 원리를 X축은 물론 Y축에도 확대하여 적용하면, 즉, 경사가 X축방향은 물론 Y축 방향으로도 함께 발생한 경우를 고려하면, 실제하중(W)는 다음과 같이 계산되고,

식(3)

경사각은 다음과 같은 식으로 계산된다.

식(4)

식(5)

(여기서, θ_X, θ_Y는 각각 수평면에 대해 상부플레이트(40)의 판면이 이루는 경사각으로서, 각각 수평면상에서 상호 직각을 이루도록 설정된 두 방향에 대한 경사각,

W_Z는 하중(W)이 상부플레이트(40)에 판면방향에 대해 수직방향으로 가하는 수직분력, 그리고

W_X와 W_Y는 각각 하중(W)이 상부플레이트(40)의 판면방향으로 가하는 수평분력으로서, 각각 X축 방향 및 Y축 방향으로 가해지는 수평분력이다.)

여기서, 수평분력성분(W_X)는 아래에서 설명하는 바와 같이 상기한 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4)을 이용한 수직분력 산출 방법과 유사한 방식으로, X축 수평분력로드셀(X1, X2)를 이용하여 구할 수 있고, 마찬가지로 수평분력성분(W_Y)도 Y축 수평분력로드셀(Y1, Y2, Y3, Y4)를 이용하여 구할 수 있다.

도 11(a)는 도 3에서 X축 방향의 수평분력로드셀만(X1, X2)을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 11(b)는 도 11(a)의 수평분력로드셀(X1, X2)에 설치된 수평분력센서들(S_X11, S_X12, S_X21, S_X22)을 이용하여 구현한 수평분력브리지회로를 도시한 회로도이다.

도 11(a)에 도시된 바와 같이, 2개의 X축 수직분력로드셀(X1, X2)은 거의 직사각형 형상을 가지는 상부플레이트(40)의 측변들 중 단측변에 각각 설치되어 있다. 도 11(b)에 도시된 바와 같이, X축 수평분력브리지회로는 각 X축 수평분력센서들(S_X11, S_X12, S_X21, S_X22)로 구성된 네 개의 저항으로 구성되어 있다. 이때, 상부프레이트(40)가 경사각(θ)에 기인하여 그 판면방향으로 X축 수평분력로드셀(X1, X2)을 가압할 때 압축되는 수평분력센서들(S_X11, S_X21)이 상호 이웃하도록 배치되고,인장되는 수평분력센서들(S_X12, S_X22)이 상호 이웃하도록 배치된다.

압축되는 두 수평분력센서들(S_X11, S_X21)간의 연결노드와 인장되는 두 수평분력센서들(S_X12, S_X22)간의 연결노드에는 각각 구동전압(+V, -V)이 가해지며, 나머지 두 노드, 즉 압축되는 수평분력센서들(S_X11, S_X21)과 인장되는 수평분력센서들(S_X12, S_X22) 사이의 연결노드들에서는 X축 수평분력전압(+SIG_X, -SIG_X)이 출력된다. 따라서, 상부플레이트(40)의 판면이 예컨데 도 10 및 도 11(a)에 도시된 바와 같이 좌측으로 하향하도록 기울어진 경우에는 S_X21, S_X22의 값만 변하게 되므로 +SIG_X의 값만 변하게 된다. 그러므로, -SIG_X의 값과 +SIG_X의 값 중 어느 값이 변하는가를 측정하고 또한 그 변화량을 측정함으로써 경사방향과 수평분력성분(W_X)을 구할 수 있다. 이때 수평분력성분(W_X)의 산출은 수직분력을 구할 때와 마찬가지로 실험적으로 구할 수도 있고, 일정한 수식으로 구할 수도 있을 것이다.

도 12(a)는 도 3에서 Y축 방향의 수평분력로드셀만(Y1, Y2, Y3, Y4)을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 12(b)는 도 12(a)의 수평분력로드셀(Y1, Y2, Y3, Y4)에 설치된 수평분력센서들(S_Y11, S_Y12, S_Y21, S_Y22, S_Y31, S_Y32, S_Y41, S_Y42)을 이용하여 구현한 수평분력브리지회로를 도시한 회로도이다. 경사방향에 따른 각 수평분력센서들(S_Y11, S_Y12, S_Y21, S_Y22, S_Y31, S_Y32, S_Y41, S_Y42)의 동작과 이에 따른 Y축 수평분력브리지회로의 동작은 전술한 X축 수평분력브리지회로에서와 유사하므로 자세한 설명은생략된다. 다만, 도 12(a) 및 도 12(b)에서는 4개의 수평분력로드셀(Y1, Y2, Y#, Y4)을 이용하는 점이 도 11(a) 및 도 11(b)의 경우와 상이하다. 상기와 같은 구성에 의해, 도 12(b)에 도시된 수평분력 브리지회로에서 Y축 방향의 수평분력(W_Y)를 산출할 수 있게 된다.

상기한 X축 수평분력로드셀(X1, X2)과 Y축 수평분력로드셀(Y1, Y, Y3, Y4)은 각각 2개 및 4개로 구성되었으나, 수직분력로드셀(Z1, Z2, Z3, Z4)과 마찬가지로 그 수는 가변될 수 있다. 또한, 각 로드셀은 양면에 각각 하나씩 두 개의 분력센서를 구비하고 있으나, 하나씩의 분력센서를 구비하는 것도 가능하다. 이와 같은 경우에는 브리지회로의 구성이 달라질 것이다.

도 13은 브리지회로의 다른 구성예를 보여주는 위한 브리지회로의 변형예이다. 예컨데, X축 수평분력로드셀(X1, X2)이 각각 하나씩의 수평분력센서(S_O1, S_O2)만을 구비하고 있는 경우에는 도 13에 도시된 바와 같이 하프브리지회로(Half Bridge Circuit)를 이용하여 수평분력을 산출한다. 즉, 브리지를 구성하는 네 개의 저항 중에서 두 개의 저항(S_f1, S_f2)은 그 저항값이 고정된 고정저항으로 구성하고, 나머지 2개의 저항은 수평분력센서(S_O1, S_O2)를 이용한 가변저항으로 구성한다. 이러한 구성에 의해서도 출력전압(-SIG_O, +SIG_O)은 수평분력센서(S_O1, S_O2)의 저항값 변화에 따라 변화하므로, 수평분력을 계산할 수 있게 된다.

도 14는 수직분력과 수평분력을 모두 이용하여 하중과 경사를 산출하는 연산부를 도시한 블록도이다.

하중출력부(170)는 각각 상부플레이트(40)의 판면방향에 수직한 성분의 분력(W_Z)을 출력하는 Z축하중성분 출력부(170a), 상부플레이트(40)의 판면방향에 수평한 성분의 분력 중 X축 성분의 분력(W_X)을 출력하는 X축하중성분 출력부(170b), 및 상부플레이트(40)의 판면방향에 수평한 성분의 분력 중 Y축 성분의 분력(W_Y)을 출력하는 Y축하중성분 출력부(170c)로 구성되어 있다. 각 하중성분 출력부(170a, 170b, 170c)의 구성은 도 9에 도시된 하중출력부(70)와 동일한 구성을 갖는다. 하중출력부(170)에서 출력되는 각 분력(W_X, W_Y, W_Z)은 연산부(175)에 입력되다.

연산부(175)는 전술한 식(4) 및 식(5)에 나타낸 바와 같은 연산을 수행하여 피계량물체의 실제 하중(W)과 X축 방향의 경사각(θ_X), 및 Y축 방향의 경사각(θ_Y)을 산출한다. 연산부(175)의 출력은 표시부(180)에 입력된다.

표시부(180)는 피계량물체의 하중(W)을 표시하는 하중표시부(180a) 및 전자저울의 경사각(θ_X, θ_Y)을 표시하는 경사표시부(180b)로 구성되어 있다. 하중표시부(180a)를 통해 사용자는 경사 및 편심이 보상된 실제 하중(W)을 정확하게 알 수 있으며, 또한, 경사표시부(180b)를 통해 전자저울의 경사각도를 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복수의 수직분력로드셀과 이들에 장착된 스트레인게이지들로 구성된 브리지회로를 이용하여 편심에 의한 하중측정상의 오차가 보상된 하중을 산출할 수 있다. 또한, 수직분력로드셀과 함께 수평분력로드셀을 사용할 경우, 편심의 보상은 물론 전자저울 자체가 경사진 경우에도 이 경사에 기인하는 하중 측정상의 오차가 보상된 정확한 하중을 측정할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 전자저울의 경사각의 측정이 가능하므로, 전자저울을 경사측정기로 전용할 수도 있다는 장점이 있다.

Claims

베이스플레이트;

상기 베이스플레이트의 상부에 배치되며, 피계량물체가 놓여지는 상부플레이트;

상기 베이스플레이트와 상기 상부플레이트 사이에 배치되어 상기 피계량물체가 놓여진 상기 상부플레이트에 의해 중력방향의 하중이 가해지며, 상기 하중에 의해 발생되는 외형의 변화에 의해 그 저항치가 가변되는 적어도 하나의 수직분력센서를 구비한 복수의 수직분력로드셀;

각각의 상기 수직분력센서를 포함하여 구성된 수직분력브리지회로;

상기 브리지회로 내의 소정 위치에서 출력된 수직분력전압에 기초하여 상기 피계량물체의 하중을 산출하는 하중출력부;

상기 상부플레이트의 측방에 배치되어 수평방향에 대해 기울어진 상기 상부플레이트에 의해 상기 상부플레이트의 판면방향으로 수평분력이 가해지며, 상기 수평분력에 의해 발생되는 외형의 변화에 의해 그 저항치가 가변되는 적어도 하나의 수평분력센서를 구비한 복수의 수평분력로드셀; 및

상기 수평분력센서들 중 적어도 일부를 포함하여 구성된 적어도 하나의 수평분력브리지회로;를 포함하며,

상기 하중출력부는, 상기 수평분력브리지회로 내의 소정 위치에서 출력된 수평분력전압 및 상기 수직분력브리지회로 내의 소정 위치에서 출력된 수직분력전압에 기초하여 상기 피계량물체의 하중을 산출하는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 1항에 있어서,

적어도 3개 이상의 상기 수직분력로드셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 2항에 있어서,

상기 상부플레이트는 거의 직사각형의 형상을 가지며,

상기 수직분력로드셀은 상기 상부플레이트의 각 모서리 부위에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 1항에 있어서,

상기 수직분력로드셀은,

상기 베이스플레이트에 고정되는 고정부;

상기 상부플레이트를 지지하는 지지부; 및

상기 고정부 및 상기 지지부와 일체로 형성되어 상기 고정부와 상기 지지부를 연결하며, 상기 하중에 의해 그 외형이 변형되는 아암부를 포함하며,

상기 수직분력센서는 상기 아암부에 장착되는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 4항에 있어서,

상기 수직분력로드셀은,

상기 아암부와 일체로 연장형성되며, 상기 상부플레이트의 상면의 일 부위에 위치되어 상기 상부플레이트의 상향 이탈을 방지하는 스토퍼부를 더 포함하는 것을특징으로 하는 전자저울.
제 4항에 있어서,

각각의 상기 수직분력로드셀은, 상기 아암부의 상면 및 저면에 각각 설치되어 상기 하중에 의해 각각 인장 및 압축되는 한 쌍의 상기 수직분력센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 6항에 있어서,

상기 수직분력브리지회로에서는,

상기 하중에 의해 압축되는 상기 수직분력센서들이 상호 대향되도록 배치되고, 상기 하중에 의해 인장되는 상기 수직분력센서들이 상호 대향되도록 배치되며;

상기 수직분력전압은,

압축되는 상기 수직분력센서와 인장되는 상기 수직분력센서간의 연결노드에서 출력되는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 1항에 있어서,

상기 하중출력부는,

상기 수직분력전압을 증폭하는 증폭기;

상기 증폭기의 출력 중 저주파 신호만을 추출하여 노이즈를 제거하는 저역통과필터; 및

상기 저역통과필터의 출력을 디지털 신호로 변환시켜 상기 하중을 디지털값으로 출력하는 A/D컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 1항에 있어서,

상기 하중출력부가 출력한 상기 피계량물체의 하중을 외부에 표시하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 1항에 있어서,

상호 상이한 방향의 수평분력을 측정하는 적어도 2개 이상의 상기 수평분력로드셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 10항에 있어서,

상기 상부플레이트는 거의 직사각형의 형상을 가지며,

상기 수평분력로드셀은 상기 상부플레이트의 각 측변 부위에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 1항에 있어서,

상기 수평분력로드셀은,

상기 베이스플레이트에 고정되는 고정부; 및

상기 고정부와 일체로 형성되어 상기 상부플레이트를 상기 판면방향으로 지지하는 지지부를 포함하며,

상기 수평분력센서는 상기 지지부에 장착되는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 12항에 있어서,

각각의 상기 수평분력로드셀은, 상기 지지부가 상기 상부플레이트와 접촉되는 면 및 그의 배면에 각각 설치되어 상기 수평분력에 의해 각각 인장 및 압축되는 한 쌍의 상기 수평분력센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 13항에 있어서,

상기 수평분력브리지회로에서는,

상기 수평분력에 의해 압축되는 상기 수평분력센서들이 상호 이웃하도록 배치되고, 상기 수평분력에 의해 인장되는 상기 수평분력센서들이 상호 이웃되도록 배치되며;

상기 수평분력전압은,

압축되는 상기 수평분력센서와 인장되는 상기 수평분력센서간의 연결노드에서 출력되는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 1항에 있어서,

상기 하중출력부는 다음과 같은 식에 의해 상기 하중을 산출하는 것을 특징으로 하는 전자저울:

(여기서, W = 상기 하중,

W_Z는 상기 하중이 상기 상부플레이트에 상기 판면방향에 대해 수직방향으로 가하는 수직분력, 그리고

W_X와 W_Y는 각각 상기 하중이 상기 상부플레이트의 상기 판면방향으로 가하는 상기 수평분력으로서, 상호 직각을 이루도록 설정된 두 방향으로 각가 가해지는 상기 수평분력이다.)
제 1항에 있어서,

상기 하중출력부가 출력한 상기 피계량물체의 하중을 외부에 표시하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 1항에 있어서,

상기 수평분력전압 및 상기 수직분력전압에 기초하여 상기 상부플레이트의 경사각을 산출하는 경사각산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자저울.
제 17항에 있어서,

상기 경사각산출부는 다음과 같은 식에 의해 상기 경사각을 산출하는 것을 특징으로 하는 전자저울:

(여기서, θ_X, θ_Y는 각각 수평면에 대해 상기 상부플레이트의 판면이 이루는 경사각으로서, 각각 상기 수평면상에서 상호 직각을 이루도록 설정된 두 방향에 대한 경사각,

W_Z는 상기 하중이 상기 상부플레이트에 상기 판면방향에 대해 수직방향으로 가하는 수직분력, 그리고

W_X와 W_Y는 각각 상기 하중이 상기 상부플레이트의 상기 판면방향으로 가하는 상기 수평분력으로서, 상호 직각을 이루도록 설정된 두 방향으로 각각 가해지는 상기 수평분력이다.)
제 17항에 있어서,

상기 경사각산출부가 산출한 상기 경사각을 외부에 표시하는 경사각표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자저울.
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