JP2001289804A - 熱天秤装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 支軸の摩擦抵抗が極めて小さく、試料ホルダ
に伝わる試料の微小な重量変化に対して高感度に支軸が
反応して回動でき、しかも耐荷重性能の良好な熱天秤装
置を提供する。 【解決手段】 試料ホルダ３，４が連結される支軸２０
を磁力により浮上させて回動自在に指示する軸受構造を
備える。この軸受構造は、支軸２０に装着した第１磁石
体３０と、この第１磁石体３０の周囲に設けた第２磁石
体３１とを含み、これら各磁石体３０，３１を互いに同
じ磁極が対向するように配置して構成される。ここで、
第１磁石体３０は円柱状に形成するとともに、第２磁石
体３１は円筒状に形成し、これら各磁石体３０，３１を
同芯円状に配置することが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、熱重量測定（Ｔ
Ｇ）、示差熱分析（ＤＴＡ）、示差走査熱量測定（ＤＳ
Ｃ）等の熱分析に用いられる熱天秤装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物質の熱分析には、例えば、熱重量測定
（ＴＧ），示差熱分析（ＤＴＡ）がある。ここで、熱重
量測定（以下、「ＴＧ」という）では、物質を加熱、冷
却又は一定の温度に保持しながら、その物質の重量変化
を温度（又は時間）に対して測定する。また、示差熱分
析（以下、「ＤＴＡ」という）では、試料及び基準物質
を炉内に対称的に配置して加熱し、そのときの両者の温
度差を時間（又は温度）に対して測定する。

【０００３】これらＴＧ，ＤＴＡ等の熱分析に使用され
ている従来の熱天秤装置を図４に示す。同図に示す熱天
秤装置は、縦型差動式熱天秤装置と称するもので、サン
プル側ビーム１及びリファレンス側ビーム２と称する一
対の支持杆を有し、これらビームの先端にそれぞれ試料
ホルダ３，４が保持されている。リファレンス側ビーム
２に保持した試料ホルダ４には、その先端に配置した試
料容器６内に、熱的に安定した物質が基準物質として収
納され、一方、サンプル側ビーム１に保持した試料ホル
ダ３には、その先端に配置した試料容器５内に、測定対
象となる試料が収納される。

【０００４】各ビーム１，２は、副支点７，８及び連結
杆９，１０を介して駆動コイル１１に連結されるととも
に、回動支点となるトーションバンド１２によって回動
自在に支持されている。トーションバンド１２は細長い
金属線からなり、一定のテンションを付与することで直
線を保持している。また、各ビーム１，２は、基端を引
張りワイヤ１３によって結合されており、加熱炉１４内
の環境変化に対して、各副支点７，８を中心に連動して
回動するようになっている。

【０００５】さて、試料容器６，５に収納した基準物質
及び試料を、加熱炉１４内で同一の条件のもとに加熱し
ていくと、試料の重量が物性変化に応じて変化してい
く。一方、基準物質は熱的に安定しているため、物性変
化による重量の変化はほとんどない。そして、各ビーム
１，２に保持された試料ホルダ３，４は、加熱による試
料の重量変化に伴い、トーションバンド１２を中心とし
て一体的に回動する。なお、各試料ホルダ３，４は、加
熱炉１４内の環境に起因しても回動するが、この回動は
上述したとおり副支点７，８を中心とした回動に吸収さ
れる。

【０００６】試料の重量変化に伴う各試料ホルダ３，４
の回動量は、回動量検出手段１５によって検出される。
回動量検出手段１５は、互いに対向する光源１７及び光
センサ１８と、駆動コイル１１に固定され試料ホルダ
３，４と一体に回動する遮蔽板１９とで構成されてお
り、遮蔽板１９が光源１７から光センサ１８に照射され
る光線の一部を遮蔽し、回動位置に応じてその遮蔽量を
変化させる。遮蔽板１９の回動に伴う光線遮蔽量の変化
は、光センサ１８（具体的には、太陽電池）の出力変化
となって取り出される

【０００７】このようにして回動量検出手段１５から出
力される検出値に基づいて、ＴＧ測定制御回路１６が駆
動コイル１１へ駆動信号を出力し、各試料ホルダ３，４
をもとの位置に戻す。そして、このとき必要とされた駆
動コイル１１の電流値に基づいて、試料の重量変化を検
出することによりＴＧが実現する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の熱天秤
装置は、試料ホルダ３，４の回動支点を細長い金属線か
らなるトーションバンド１２によって構成していたが、
このトーションバンド１２は、充分な耐荷重を付与しよ
うとした場合、比較的太い径の金属線を用いる必要があ
る。しかしながら、太径のトーションバンド１２は、微
小な試料の重量変化に反応することができないため、試
料の重量変化が小さい場合は比較的細径の金属線を選択
しなければならなかった。したがって、従来は、測定条
件（特に、試料の重量）に応じて、対応するトーション
バンド１２を備えた熱天秤装置を選択して用いる必要が
あり、一台の装置で各種測定条件に対応できる汎用性に
欠けていた。

【０００９】また、トーションバンド１２は、長期間テ
ンションをかけた状態が続くと、クリープ現象による伸
びが生じて支点位置のずれや試料の重量変化に対する応
答性能が低下するため、定期的な交換が必要であった。
さらに、トーションバンド１２を用いた従来の熱天秤装
置は、外的な振動や衝撃の影響によりトーションバンド
に撓みが生じやすく、したがって測定環境にも細心の注
意を払う必要があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した事情に
鑑みてなされたもので、試料ホルダが連結される支軸
と、この支軸を磁力により浮上させて回動自在に支持す
る軸受構造とを含むことを特徴とする。このように磁力
により支軸を浮上させた状態に支持する本発明によれ
ば、支軸の摩擦抵抗が極めて小さいため、試料ホルダに
伝わる試料の微小な重量変化に対して、高感度に支軸が
反応して回動する。また、耐荷重性能も良好であり、重
量のある試料も位置ずれを生じさせることなく適正に支
持することができる。したがって、試料の重量に関わら
ず適正な熱分析が可能となり、汎用性が向上する。ま
た、磁力により支持された支軸は、外的な振動や衝撃を
受けても位置ずれを生じることが少なく、しかもトーシ
ョンバンドに比べ耐用年数も長い。

【００１１】軸受構造は、支軸に装着した第１磁石体
と、この第１磁石体の周囲に設けた第２磁石体とを含
み、これら各磁石体を互いに同じ磁極が対向するように
配置して構成することができる。ここで、第１磁石体は
円柱状に形成するとともに、第２磁石体は円筒状に形成
し、これら各磁石体を同芯円状に配置することが好まし
い。また、第２磁石体を断面円弧状の複数の磁石片で構
成し、これら磁石片を第１磁石体の周囲に同芯円状に配
置してもよい。

【００１２】さらに、本発明は、支軸を軸方向にのみ移
動自在とし、且つ、支軸の軸方向移動を制御する移動制
御手段を設けたことを特徴とする。移動制御手段は、支
軸の軸方向移動を検出する移動検出センサと、この移動
検出センサからの検出信号に基づき支軸の軸方向位置を
調整する位置調整手段とを含む構成とすることができ、
さらに位置調整手段は、例えば、支軸を磁力によって軸
方向へ駆動するソレノイドや電磁石等の電磁アクチュエ
ータで構成することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明を縦型差動式熱天
秤装置に適用した実施の形態について図面を参照して詳
細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る熱天秤装
置の全体構成を示す構成図である。なお、図４に示した
従来の縦型差動式熱天秤装置と同一部分には同一符号を
付し、その部分の詳細な説明は省略する。

【００１４】縦型差動式熱天秤装置は、既述したよう
に、サンプル側ビーム１及びリファレンス側ビーム２と
称する一対の支持杆を有している。これらビーム１，２
の先端には、それぞれ棒状の試料ホルダ３，４が縦位置
の姿勢を保って保持されている。各試料ホルダ３，４の
先端には、図示しないがそれぞれ試料容器が配置してあ
る。リファレンス側ビーム２に保持した各試料ホルダ４
の試料容器には、熱的に安定した物質が基準物質として
収納され、一方、サンプル側ビーム１に保持した試料ホ
ルダ３の試料容器には、測定対象となる試料が収納され
る。

【００１５】各ビーム１，２は連結杆９，１０を介して
支軸２０に連結してある。この実施形態では、副支点を
省略して支軸２０が各ビーム１，２と一体に回動する構
成を採用している。支軸２０は、各ビーム１，２間の中
心位置に位置決めされており、水平方向に延在してい
る。

【００１６】支軸２０には、図２に示すように、連結杆
９，１０の連結部位を挟む二箇所に円柱状の第１磁石体
３０が同軸上に設けてあり、さらに各第１磁石体３０の
周囲には、それぞれ円筒状の第２磁石体３１が同芯円状
に配設してある。このように、第１磁石体３０を円柱状
に形成するとともに、第２磁石体３１を円筒状に形成し
て同芯円状に配置することで、相互間に生じる磁力密度
を全周にわたり均一化することができる。

【００１７】第１，第２磁石体３０，３１は、共に永久
磁石で構成されており、同一の軸方向長さを有するとと
もに、対向する第１磁石体３０の周面と第２磁石体３１
の内面とが同じ磁極に磁化されている。したがって、各
磁石体３０，３１は相互に反発し合い、その反発し合う
磁力をもって第１磁石体３０が、第２磁石体３１の中空
部内で浮上する。すなわち、これら第１，第２磁石体３
０，３１で構成される軸受構造によって、支軸２０は浮
上した状態で回動自在に支持されている。なお、第２磁
石体３１は、図示しない装置本体に固定されている。

【００１８】このように磁力によって支軸２０を浮上し
た状態に支持する軸受構造を採用することで、支軸２０
の摩擦抵抗が低減され、試料ホルダ３に伝わる試料の微
小な重量変化に対して、高感度に支軸２０が反応して回
動する。また、磁力によって支持する軸受構造は、耐荷
重性能も良好である。しかも、第１磁石体３０は、外的
な振動や衝撃を受けても位置ずれを生じることが少な
く、仮に径方向に移動しても磁力の作用により瞬時にも
との位置に復帰することができる。

【００１９】さて、円筒状の第２磁石体３１は、軸方向
の両端面が開口している。したがって、第１磁石体３０
は軸方向に自由度を有しており、反発し合う磁力の軸方
向成分によって軸方向へ飛び出そうとする。そこで、本
実施形態の熱天秤装置には、支軸２０の軸方向移動を検
出する移動検出センサ３２と、同センサからの検出信号
に基づいて支軸２０の軸方向位置を調整するソレノイド
や電磁石等の電磁アクチュエータ３３（位置調整手段）
が設けてある。移動検出センサ３２としては、例えば、
磁気センサを用いることができる。

【００２０】電磁アクチュエータ３３は、支軸２０の一
端に固定した可動板３４（鉄芯）と、この可動板３４に
対向して設けた電磁コイル３５とを備えており、電磁コ
イル３５に流す電流の大きさに応じて周囲に生じる磁界
の強さが変化し、これにより可動板３４に作用する磁力
が調整される。移動検出センサ３２は、支軸２０が基準
位置から軸方向に移動したとき、その移動量に応じて出
力電圧（検出信号）を変化させる。この出力電圧の変化
に対応して電磁コイル３５に流す電流を変化させること
で、支軸２０をもとの基準位置へ戻すように制御してい
る。

【００２１】さらに、本実施形態の熱天秤装置には、外
部からの振動や撓み等に起因する支軸２０の上下方向の
移動を検出する上下位置検出センサ２１と、同センサ２
１からの検出信号に基づいて支軸２０の上下方向の位置
を調整する電磁アクチュエータ２２（上下位置調整手
段）が設けてあり、支軸２０の撓みや振れをこの上下位
置検出センサ２１で検出して、電磁アクチュエータ２２
により支軸２０の上下位置を微調整している。

【００２２】上述した構成の熱天秤装置は、各ビーム
３，４の先端部に保持された試料容器（図１には示さ
ず）に基準物質及び試料を各々収納し、加熱炉内で同一
の条件のもとに加熱していくと、試料の重量が物性変化
に応じて変化していく。一方、基準物質は熱的に安定し
ているため、物性変化による重量の変化はほとんどな
い。そして、各ビーム１，２に保持された試料ホルダ
は、加熱による試料の重量変化に伴い、支軸２０を中心
として一体的に回動する。このとき、支軸２０は、第
１，第２磁石体３０，３１で構成される軸受構造によっ
て、浮上した状態で回動自在に支持されているので、摩
擦抵抗が少なく極めて高感度に試料の重量変化に反応し
て回動する。

【００２３】試料の重量変化に伴う各ビーム１，２の回
動量は、回動量検出手段１５によって検出され、そのと
きの検出値に基づいて、ＴＧ測定制御回路（図１には示
さず）が駆動コイル１１へ駆動信号を出力し、支軸２０
をもとの回動位置に戻す。そして、このとき必要とされ
た駆動コイル１１の電流値に基づいて、試料の重量変化
を検出することによりＴＧが実現する。

【００２４】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではない。例えば、上述した実施形態では副支
点を省略した簡易構造の縦型差動式熱天秤装置を示した
が、必要に応じて副支点を設けるとともに、各ビーム
１，２の基端をワイヤにより連結させてもよい。副支点
による各ビーム１，２の支持構造は、図４に示した従来
の縦型差動式熱天秤装置と同様でよい。

【００２５】また、本発明は、縦型差動式熱天秤装置に
限らず、単一ビーム式の熱天秤装置や横型差動式熱天秤
装置など、各種の熱天秤装置にすることができることは
勿論である。第２磁石体は、図３に示すように断面円弧
状の永久磁石からなる複数の磁石片３６で構成すること
もできる。さらに、回動量検出手段を支軸２０を中心と
する対称位置にそれぞれ設ける場合は、左右の対称位置
に限らず、上下対称位置など任意の対称位置に設けるこ
とも可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁力により支軸を浮上させた状態に支持する軸受構造を
備えたので、支軸の摩擦抵抗が極めて小さく、試料ホル
ダに伝わる試料の微小な重量変化に対して高感度に支軸
が反応して回動できるとともに、耐荷重性能も大幅に向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る熱天秤装置の全体構成
を示す構成図である。

【図２】本発明の実施形態に係る熱天秤装置の軸受構造
を示す正面断面図である。

【図３】軸受構造の変形例を示す斜視図である。

【図４】従来の縦型差動式熱天秤装置を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１：サンプル側ビーム ２：リファレンス側ビーム ３、４：試料ホルダ ５，６：試料容器 １１：駆動コイル １２：トーションバンド １４：加熱炉 １５：回動量検出手段 ７，８：副支点 １６：ＴＧ測定制御回路 １７：光源 １８：光センサ １９：遮蔽板 ９，１０：連結杆 ２０：支軸 ２１：上下位置検出センサ ２２：電磁アクチュエータ ３０：第１磁石体 ３１：第２磁石体 ３２：移動検出センサ ３３：電磁アクチュエータ ３４：可動板 ３５：電磁コイル ３６：磁石片

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料ホルダが連結される支軸と、この支
   軸を磁力により浮上させて回動自在に支持する軸受構造
   とを含むことを特徴とする熱天秤装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の熱天秤装置において、 前記軸受構造は、支軸に装着した第１磁石体と、この第
   １磁石体の周囲に設けた第２磁石体とを含み、これら各
   磁石体を互いに同じ磁極が対向するように配置したこと
   を特徴とする熱天秤装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の熱天秤装置において、 前記第１磁石体を円柱状に形成するとともに、前記第２
   磁石体を円筒状に形成し、これら各磁石体を同芯円状に
   配置したことを特徴とする熱天秤装置。
4. 【請求項４】 請求項２記載の熱天秤装置において、 前記第１磁石体を円柱状に形成するとともに、前記第２
   磁石体を断面円弧状の複数の磁石片で構成し、これら磁
   石片を第１磁石体の周囲に同芯円状に配置したことを特
   徴とする熱天秤装置。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか一項に記載し
   た熱天秤装置において、 前記支軸を軸方向にのみ移動自在とし、且つ、支軸の軸
   方向移動を制御する移動制御手段を設けたことを特徴と
   する熱天秤装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の熱天秤装置において、 前記移動制御手段は、前記支軸の軸方向移動を検出する
   移動検出センサと、この移動検出センサからの検出信号
   に基づき支軸の軸方向位置を調整する位置調整手段とを
   含むことを特徴とする熱天秤装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の熱天秤装置において、 前記位置調整手段は、支軸を磁力によって軸方向へ駆動
   する電磁アクチュエータであることを特徴とする熱天秤
   装置。