JP2001289805A - 熱天秤装置の回動量検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料ホルダの回動支点を中心とする回動量を
高い分解能をもって検出できるようにする。 【解決手段】 試料ホルダとともに回動支点を中心とし
て光遮蔽手段３３を回動自在とする。光遮蔽板３３には
複数の発光側スリットを平行に配列して形成する。ま
た、光源３０及び光センサ３２を対向して設け、これら
光源３０及び光センサ３２の間で光遮蔽板３３を回動さ
せる。光センサ３２の受光面には、スリット板３２を設
ける。スリット板３２には、複数の受光側スリットが平
行に配列して形成してある。光源３０から発射された光
線は、発光側スリット及び受光側スリットを透して、光
センサ３１の受光面に入射する。試料ホルダが回動する
と、光遮蔽板３３が一体となって回動し、光源３０から
の光線を一部遮蔽する。このときの光線遮蔽量は、各受
光側スリットに対する光線遮蔽量の総和となるので、試
料ホルダのわずかな回動量に対して光センサ３２の受光
面への入射光量が大きく変動する。

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おいて、試料
の重量変化に伴う試料ホルダの回動支点を中心とした回
動量を検出するための回動量検出装置に関する。

【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５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
のトーションバンド１２を中心とした回動量は、回動量
検出装置１５によって検出され、その検出値に基づいて
ＴＧ測定制御回路１６から駆動コイル１１に駆動信号を
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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の熱天秤
装置では、試料の重量変化に伴う各試料ホルダ３，４の
回動量を検出するための回動量検出装置１５が、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とともに回動する遮蔽板１
９とで構成されていた。遮蔽板１９は、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ており、回
動位置に応じてその遮蔽量を変化させる。

【０００８】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が、一般に、熱天秤装置における
試料の重量変化に伴う各試料ホルダ３，４の回動量はご
く微小なものであるため、光線の遮蔽位置が回動支点
（トーションバンド１２）に近いと回動に伴う光線遮蔽
量の変化も小さく、したがって光センサ１８からの出力
の変化も微小なものとなり、充分な分解能を得ることが
できない。

【０００９】そこで、従来は遮蔽板１９を長尺に形成し
て光線の遮蔽位置を回動支点から離間させることで、微
小な回動に対して光線遮蔽量の変化を増幅させていた
が、装置の寸法的制約から遮蔽板１９を長尺にできる範
囲にも限度があり、分解能の更なる向上が望まれてい
た。また、遮蔽板１９を長尺にした場合、遮蔽板１９の
温度変化による膨張や収縮が光線遮蔽量の変化に含まれ
てしまい、試料ホルダ３，４の回動量を高精度に検出で
きなくなるおそれがあった。

【００１０】また、外的な振動や衝撃の影響、あるいは
疲労などによりトーションバンド１２に撓みが生じた場
合、その撓みに伴い遮蔽板１９が変位するため、光セン
サ１８の出力が変動し、試料の重量変化として誤検出し
てしまうおそれもあった。

【００１１】

【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、熱天秤装置において試料の重量
変化に伴う試料ホルダの回動支点を中心とした回動量を
検出するための回動量検出装置であって、光源及びこの
光源と対向して配置された光センサと、該光センサの受
光面又はその前面に配置したスリット手段と、光源と第
１光透過手段の中間位置に配置され試料ホルダとともに
回動する光遮蔽手段とを含み、スリット手段が、複数の
平行に配列した受光側スリットを有し、且つ光遮蔽手段
が、複数の平行に配列した発光側スリットを有すること
を特徴とする。

【００１２】このような構成とすれば、複数の受光側ス
リットと発光側スリットの相互作用によって、光遮蔽手
段のわずかな回動に対して光線の遮蔽量を大きく変化さ
せることができ、高い分解能をもって試料の重量変化に
伴う試料ホルダの回動支点を中心とした回動量を検出す
ることができる。したがって、光遮蔽手段による光線の
遮蔽位置を回動支点から大きく離間させる必要がなく、
外的な影響を受けにくい高精度な検出が可能となる。

【００１３】ここで、受光側スリットは、発光側スリッ
トよりも幅狭に形成することが好ましい。また、光遮蔽
手段を回動支点を挟んで少なくとも一対備えるととも
に、これら各光遮蔽手段に対応して、光源、光センサ、
及びスリット手段を備えた構成とすれば、各光センサに
おける受光量の変化割合によって、試料ホルダの両方向
の回動に対してその回動量を検出することが可能とな
る。

【００１４】さらに、光遮蔽手段を回動支点を中心とす
る水平対称位置に一対備えるとともに、各光遮蔽手段に
対応して設けた光センサからの出力の相対差をもって、
試料の重量変化に伴う試料ホルダの回動支点を中心とし
た回動量を検出すように構成すれば、回動支点に撓みな
どの変位が生じた場合にも、その撓みによる各光遮蔽手
段の変位はそれぞれ均等であるため、光センサからの出
力の相対差は変化せず、したがって、回動支点の変位に
よる影響を受けることなく、試料ホルダの回動量を高精
度に検出することが可能となる。

【００１５】

【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は縦型差動式熱天秤装置に本発明の
回動量検出装置を適用した実施形態を示す構成図であ
る。なお、適用対象とした縦型差動式熱天秤装置の全体
構造は、図５に基づき既述したとおりである。

【００１６】本実施形態に係る回動量検出装置は、光源
３０、光センサ３１、スリット板３２（スリット手
段）、及び光遮蔽板３３（光遮蔽手段）を有しており、
回動支点としてのトーションバンド１２を中心とする左
右対称位置にそれぞれ設けてある。本実施形態では、光
源３０に赤外ランプを用いるとともに光センサ３１に太
陽電池を用いており、図２に示すように、これら光源３
０と光センサ３１の受光面３１ａとを対向して配置し、
光源３０から出射された光線（赤外光）を光センサ３１
で受光する。

【００１７】スリット板３２には、水平方向に延びる狭
小幅の受光側スリット３４が、上下方向に複数本並べて
形成してある。このスリット板３２は、光センサ３１の
受光面３１ａに貼り付けてあり、光センサ３１には受光
側スリット３４を透過してきた光線のみが入射するよう
になっている。なお、スリット板３２は、光源３０と光
センサ３１の中間位置に光センサ３１から離間して配置
することもできる。また、光センサ３１の受光面３１ａ
にコーティング等により直接受光側スリット３４を形成
してもよい。

【００１８】光遮蔽板３３は、支持アーム３６を介して
駆動コイル１１に固定してあり、回動支点としてのトー
ションバンド１２を中心に試料ホルダ３，４とともに回
動する。既述したとおり、この光遮蔽板３３は回動支点
となるトーションバンド１２を中心とする左右対称位置
にそれぞれ設けてある。そして、これら各光遮蔽板３３
に対応して、それぞれ光源３０、光センサ３１、及びス
リット板３２が配設されている（図１参照）。光遮蔽板
３３は、図２に示すように、光源３０と光センサ３１の
中間位置でかつスリット板３２よりも光源３０側に配置
される。この光遮蔽板３３にも、水平方向に延びる狭小
幅の発光側スリット３５が、上下方向に複数本並べて形
成してある。これら発光側スリット３５の形成間隔は、
受光側スリット３４の形成間隔に合わせてある。

【００１９】図３はスリット板に形成した受光側スリッ
トと光遮蔽板に形成した発光側スリットの相対位置関係
を示す正面図である。受光側スリット３４の幅ｄは、発
光側スリット３５の幅ｅよりも狭く形成してある。そし
て、各スリット３４，３５は、光源３０側から見て互い
に端縁（図では上端縁）が一致する位置を基準位置とし
て、測定開始前に調整しておくことが好ましい。このよ
うな基準位置では、光源３０側から見て受光側スリット
３４の全体が開口しており、したがって、光源３０から
の光線は、発光側スリット３５を通過し、さらに受光側
スリット３４の全体を透して光センサ３１の受光面３１
ａに入射する。

【００２０】いま、試料ホルダ３，４とともに光遮蔽板
３３が、トーションバンド１２を中心として図３の時計
方向（矢印ａ方向）に回動すると、受光側スリット３４
を透過する光線の一部が、光遮蔽板３３によって遮蔽さ
れて光センサ３１へ入射する光線の光量が減少する。こ
の減光量は、一本の受光側スリット３４についてはわず
かであっても、複数本の受光側スリット３４について同
様に光線の透過光量が減少するため、それらの減光量を
加算すると大きなものとなる。したがって、光遮蔽板３
３がわずかに回動しただけでも、複数本の受光側スリッ
ト３４に対する透過光量の減少が加算される結果、光セ
ンサ３１の受光面３１ａへの入射光量が大きく減少し、
これに伴い光センサ３１から出力される検出信号（電
圧）が大きく変化する。

【００２１】以上のことから、本実施形態では、複数の
受光側スリット３４と発光側スリット３５の相互作用に
よって、光遮蔽板３３のわずかな回動に対して光線の遮
蔽量を大きく変化させることができ、高い分解能をもっ
て試料の重量変化に伴う試料ホルダ３，４のトーション
バンド１２を中心とした回動量を検出することができ
る。

【００２２】さらに、トーションバンド１２からの距離
を長くして光遮蔽板３３の回動範囲を増幅させる必要も
ないため、支持アーム３６を短くすることができ、ゆえ
に支持アーム３６の温度変化による膨張・収縮や撓みが
ほとんどなく、これらに起因した検出精度の低下を防止
することができる。

【００２３】なお、受光側スリット３４は、光遮蔽板３
３が最も回動したときにも、発光側スリット３５を透し
て任意の面積が開口していることが好ましい。すなわ
ち、光遮蔽板３３の回動途中に、光源３０側から見て受
光側スリット３４の全体が遮蔽されると、光センサ３１
の受光面３１ａに入射する光量がゼロとなり、それ以
降、更に光遮蔽板３３が回動しても光センサ３１からの
出力は変化せず、試料ホルダ３，４の回動量が検出不能
となるからである。受光側スリット３４の幅ｄと発光側
スリット３５の幅ｅは、このような点を考慮して設定す
ることが好ましい。

【００２４】また、図３に示す基準位置から試料ホルダ
３，４が反時計方向（矢印ｂ方向）に回動した場合に
は、光源３０側から見て受光側スリット３４の下端縁と
発光側スリット３５の下端縁との間に距離があるため、
受光側スリット３４の開口面積が変わらず、したがって
受光側スリット３４を透して光センサ３１の受光面３１
ａに入射する光線の量が変化しない。しかし、回動支点
となるトーションバンド１２を中心として左右対称位置
に設けたスリット板３２の受光側スリット３４は、光遮
蔽板３３の反時計方向（矢印ｂ方向）の回動に対応して
遮蔽されていくので、試料ホルダ３，４の回動量を光セ
ンサ３１の出力から検出することができる。このように
本実施形態では、試料ホルダ３，４がいずれの方向に回
動してもその回動量を検出することができる。

【００２５】しかも、回動支点となるトーションバンド
１２を中心として左右対称に設けた光センサ３１からの
出力の相対差をもって、試料ホルダ３，４の回動量を検
出するようにすれば、トーションバンド１２に撓みが生
じてもその撓みによる各光遮蔽板３３の変位はそれぞれ
均等であるため、基準位置における光センサ３１からの
出力の相対差は変化しない。したがって、トーションバ
ンド１２の撓みによる影響を受けることなく、試料ホル
ダ３，４の回動量を高精度に検出することが可能であ
る。

【００２６】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、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。

【００２７】また、図４に示すように、副支点を省略
し、且つトーションバンド代えて軸受２０に支持された
棒状の支軸２１を回動支点として試料ホルダ３，４が回
動する構成の縦型差動式熱天秤装置に対して本発明の回
動量検出装置を適用する場合には、支軸２１に支持アー
ム３６を介して光遮蔽板３３を装着すればよい。この場
合にも、光遮蔽板３３は回動支点となる支軸２１を中心
とする左右対称位置にそれぞれ設け、これら各光遮蔽板
３３に対応して、それぞれ光源３０、光センサ３１、及
びスリット板３２を配設することが好ましい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数の受光側スリットと発光側スリットの相互作用によ
って、光遮蔽手段のわずかな回動に対して光線の遮蔽量
を大きく変化させることができ、高い分解能をもって試
料ホルダの回動支点を中心とする回動量を検出すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】縦型差動式熱天秤装置に本発明の回動量検出装
置を適用した実施形態を示す構成図である。

【図２】本発明の実施形態に係る回動量検出装置を示す
斜視図である。

【図３】スリット板に形成した受光側スリットと光遮蔽
板に形成した発光側スリットの相対位置関係を示す正面
図である。

【図４】本発明の応用例を示す構成図である。

【図５】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 ７，８：副支点 １１：駆動コイル １２：トーションバンド（回動支点） １４：加熱炉 １５：回動量検出装置 １６：ＴＧ測定制御回路 １７：光源 １８：光センサ １９：遮蔽板 ３０：光源 ３１：光センサ ３１ａ：受光面 ３２：スリット板 ３３：光遮蔽板 ３４：受光側スリット ３５：発光側スリット ３６：支持アーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA39 AA43 BB16 DD03 DD11 EE02 FF02 GG02 GG12 HH02 HH06 HH15 JJ03 JJ05 JJ18 LL28 QQ25 2G040 AA02 CA16 CA23 ZA02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱天秤装置において試料の重量変化に伴
   う試料ホルダの回動支点を中心とした回動量を検出する
   ための回動量検出装置であって、 光源及びこの光源と対向して配置された光センサと、該
   光センサの受光面又はその前面に配置したスリット手段
   と、前記光源と第１光透過手段の中間位置に配置され前
   記試料ホルダとともに回動する光遮蔽手段とを含み、 前記スリット手段は、複数の平行に配列した受光側スリ
   ットを有し、 前記光遮蔽手段は、複数の平行に配列した発光側スリッ
   トを有することを特徴とする回動量検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した熱天秤装置の回動量
   検出装置において、 前記受光側スリットは、前記発光側スリットよりも幅狭
   に形成してあることを特徴とする回動量検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載した熱天秤装置の
   回動量検出装置において、 前記光遮蔽手段を回動支点を挟んで少なくとも一対備え
   るとともに、 これら各光遮蔽手段に対応して、前記光源、光センサ、
   及びスリット手段を備えたことを特徴とする回動量検出
   装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載した熱天秤装置の回動量
   検出装置において、 前記光遮蔽手段を回動支点を中心とする水平対称位置に
   一対備えるとともに、 各光遮蔽手段に対応して設けた光センサからの出力の相
   対差をもって、試料の重量変化に伴う試料ホルダの回動
   支点を中心とした回動量を検出することをことを特徴と
   する回動量検出装置。