JP2005201850A - 電子天びん - Google Patents

Abstract

【課題】 高分解能であって高安定性を有する電子天びんを提供する。
【解決手段】 コイル１４を磁界中に配置し、変位検出器１６により検出されたビーム１２の変位量に基づいて比例（Ｐ）、微分（Ｄ）、積分（Ｉ）制御信号をそれぞれ決定してこれらを合成した合成ＰＩＤ制御信号に基づいてコイル電流を流すことにより電磁力を発生させ、電磁力と荷重とを平衡させて用いる電子天びんであって、少なくとも微分（Ｄ）制御信号はアナログ演算処理部１７により決定し、少なくとも積分（Ｉ）制御信号はビーム変位量をデジタル変換後にデジタル演算処理部１８により決定し、デジタル演算処理部１８により決定された制御信号成分をアナログ変換した後にアナログ演算処理部１７により決定された制御信号成分と合成して合成ＰＩＤ制御信号を決定し、合成ＰＩＤ制御信号に基づくコイル電流を流してデジタル演算処理部１８により決定した制御信号成分に基づいて重量値を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁力平衡式の電子天びんに関し、さらに詳細には電子天びんのビームの制御と重量値の測定に関する。

電磁力平衡式の電子天びんでは、被測定荷重に応じて変位するビームの可動部分にコイルを取り付け、このコイルを永久磁石が作る磁界中に配置し、コイルに電流を流すことによって発生する電磁力を被測定荷重と平衡させ、被測定荷重と電磁力とが平衡するときのコイル電流あるいはコイル電流を決定する制御信号から被測定荷重の大きさを決定する。

コイル電流は、ビームの可動部分の変位を検出する変位検出器によって検出されたビーム変位量に応じて決定され、ビーム可動部の変位が平衡点（ゼロポイント）を維持するようにフィードバック制御される。
コイル電流のフィードバック制御は、通常、ＰＩＤ（比例、積分、微分）制御がなされる。電子天びんにおけるＰＩＤ制御では、制御量を次式で決定し、コイル電流量として出力する。

すなわち、ビーム変位量Ｘに比例する成分と、ビーム変位量Ｘの積分成分と、ビーム変位量Ｘの微分成分とを合成（加算）し、合成ＰＩＤ制御信号をコイル電流量Ｙとして出力する。

従来の電子天びんのＰＩＤ制御では、変位検出器によってアナログ量として検出されたビーム変位量からアナログ演算処理によりＰ、Ｉ、Ｄ制御信号をアナログ量として決定してコイル電流とするアナログ方式が採用されていた。しかしながら、デジタル制御技術の進歩に伴い、アナログ量として検出されたビーム変位量をＡ／Ｄ変換（デジタル変換）し、デジタル演算処理によりＰ、Ｉ、Ｄ制御信号をデジタル量として決定し、デジタル量のＰ、Ｉ、Ｄ制御信号をＤ／Ａ変換（アナログ変換）してコイル電流とするデジタル方式のＰＩＤ制御を採用した電子天びんも普及するようになってきている（例えば特許文献１参照）。

デジタル方式は、ユーザ環境に応じて（１）式の比例定数（Ｐ）、積分定数（Ｉ）、微分定数（Ｄ）の設定変更を行う場合に（例えば微小振動が多いユーザ環境の場合に微小振動の影響を抑えるように定数を変更する）設定変更がユーザ側で容易に行うことができるメリットがある。すなわち、アナログ方式における定数の設定変更は、アナログ演算処理回路に含まれる半固定抵抗等を調整することによって定数を設定変更しなければならず、半固定抵抗等による難しい調整作業をユーザ自身に強いることになる。これに対し、デジタル方式の場合は、デジタル演算処理回路に設定値入力を行うための入力装置（キースイッチ等）が必要となるが、入力装置により適当な定数値を数値入力するだけでよく、ユーザが容易に定数の設定変更を行うことができる。

しかしながら、アナログＰＩＤ制御方式とデジタルＰＩＤ制御方式とはこれ以外にもそれぞれ長所、短所を有している。
アナログ方式のＰＩＤ制御では、Ａ／Ｄ変換、演算処理、Ｄ／Ａ変換のための処理時間が不要であり、ビームの変位に対する時間遅れの少ない制御を行うことができる長所を有している。

その一方でアナログ方式は重量値をデジタル値で表示する際に（フィードバック制御がアナログ方式のものであっても重量値はデジタル表示を行うのが一般的である）、アナログ量をデジタル化する必要があり、このときにフィードバックコイル電流に相当する重量値（アナログ量）と測定結果として表示器に表示される重量値（デジタル値）との間にＡ／Ｄ変換に伴う誤差（量子化誤差）を生じてしまう。すなわち、フィードバック制御に必要なコイル電流はＡ／Ｄ変換前のアナログ量から決定されるが、表示器に表示する重量値はＡ／Ｄ変換した後のデジタル量から決定されるので、両者の間に量子誤差が生じる。

一方、デジタル方式のＰＩＤ制御では、コイル電流値と表示する重量値とを、ともにＡ／Ｄ変換後の同じデジタル量を基に決定しており（コイル電流（アナログ量）は表示する重量値と同じデジタル値を基に、これをＤ／Ａ変換したものをアナログ量として用いているのでコイル電流に相当する重量値と表示される重量値との間に量子誤差は生じない）、デジタル化による誤差がない点で優れているが、ビームの変位に対してアナログ方式よりも遅れた制御となり、制御の安定度が悪くなる。

このように、アナログ制御方式とデジタル制御方式とはフィードバック制御の安定性および測定精度の点で相反する特徴を有しており、またデジタル制御方式では入力装置を付設することによりＰＩＤの定数の設定変更が容易に行えるという特徴を有しているので、最近の電子天びんでは使用目的に応じてアナログ制御方式またはデジタル制御方式のいずれかを採用するようにしている。
特開平１０−１９６４２号公報

電子天びんに求められる性能としては、測定誤差（量子誤差を含む）が小さく正確な測定ができることだけではなく、測定時の応答性に優れ安定した測定ができることも同時に満たすことが望まれている。
上述した２つの方式を比較すると、アナログ制御方式では変位に対する応答性がよく安定性の面で優れているが、高分解能、高精度の測定の点で劣り、逆にデジタル制御方式では高分解能、高精度の測定が行える面で優れているが、安定性の面で劣っており、これら高分解能、高精度の特徴と、高安定性の特徴とを兼ね備えた電子天びんを構成することは従来のアナログ制御方式、デジタル制御方式では困難であった。
そこで、本発明は、電子天びんにおけるＰＩＤ制御をさらに工夫し、高分解能、高精度であるとともに、高安定性を備えた電子天びんを実現することを目的とする。

また、荷重の大小によりビーム変位量が変化するが、ビーム変位量が大きいか、小さいかに関わらず、状況に応じて迅速にビーム変動を減衰させて平衡点（ゼロ）に達するようにするとともに、安定になるまでの過渡状態においてもできるだけ正確な重量値を追従性よく高速表示することができる電子天びんを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の電子天びんは、荷重に応じて変位するビームにコイルを固定するとともにコイルを磁界中に配置し、ビームの変位を検出する変位検出器により検出されたビーム変位量に基づいて比例（Ｐ）、微分（Ｄ）、積分（Ｉ）制御信号をそれぞれ決定してこれらを合成した合成ＰＩＤ制御信号に基づいてコイル電流を流すことにより電磁力を発生させ、電磁力と荷重とを平衡させて用いる電子天びんであって、少なくとも微分（Ｄ）制御信号はアナログ演算処理部により決定し、少なくとも積分（Ｉ）制御信号はビーム変位量をデジタル変換後にデジタル演算処理部により決定し、デジタル演算処理部により決定された制御信号成分をアナログ変換した後にアナログ演算処理部により決定された制御信号成分と合成して合成ＰＩＤ制御信号を決定して合成ＰＩＤ信号に基づくコイル電流を流すようにし、デジタル演算処理部により決定した制御信号成分に基づいて重量値を求めるようにしている。

この発明の電子天びんによれば、変位検出器によって検出されたビーム変位量に基づいて比例（Ｐ）、微分（Ｄ）、積分（Ｉ）制御信号がそれぞれ決定され、比例（Ｐ）、微分（Ｄ）、積分（Ｉ）制御信号を合成した合成ＰＩＤ制御信号に基づいてコイル電流が流される。このとき、少なくとも微分（Ｄ）制御信号はアナログ演算処理部により決定するようにして、微分（Ｄ）制御信号成分のコイル電流についてはアナログフィードバック制御を行う。微分（Ｄ）制御信号成分は、ビームの急激な変動に応答して出力される制御信号であり、ビームが変動している過渡状態で迅速な応答をするために用いられるが、ビームが平衡に達して安定した状態（すなわち正確な重量測定ができる状態）のときは微分（Ｄ）制御信号成分はゼロとなり、コイル電流には寄与しなくなるので重量値を求める上では微分（Ｄ）制御信号成分は重量値に影響を及ぼさない。
そこで、微分（Ｄ）制御信号は重量値計算に組み込まないようにして、デジタル化は行わないようにする。

したがって、微分（Ｄ）制御信号成分についてはアナログフィードバック制御を行うことにより、過渡時の迅速な応答性を確保することができ、しかも微分（Ｄ）制御信号は重量測定のためのデジタル化を行わないので、デジタル化による量子誤差が測定精度に影響を及ぼすこともない。

また、少なくとも積分（Ｉ）制御信号は、ビーム変位量をデジタル変換し、デジタル化したビーム変位量を用いてデジタル演算処理部により決定するようにしてデジタルフィードバック制御を行う。積分（Ｉ）制御信号成分は、ビームが平衡点に達して安定した状態（ゼロポイント状態）のときにビームを平衡状態に維持する制御のために出力される制御信号（平衡状態のとき比例（Ｐ）制御信号成分、微分（Ｄ）制御信号成分はゼロとなる）であり、重量値計算に影響を及ぼす制御信号である。

したがって、積分（Ｉ）制御信号成分についてはＡ／Ｄ変換後のデジタル信号に基づいてフィードバック制御を行うとともにこのデジタル信号から求めた重量値を表示することにより、コイル電流に相当する重量値と表示される重量値との間のデジタル化による量子誤差を抑え、精度の高い重量値を得ることができる。

そして、デジタル演算処理部により決定された（少なくとも積分（Ｉ）制御信号成分を含む）デジタル制御信号成分をアナログ変換し、アナログ変換後にアナログ演算処理部による（微分（Ｄ）制御信号成分を含む）アナログ制御信号成分と合成して合成ＰＩＤ制御信号を決定し、合成ＰＩＤ制御信号に基づいてコイル電流を流すフィードバック制御を行う。

ここで、比例（Ｐ）制御信号についてもビーム変位量をデジタル変換後にデジタル演算処理部により決定し、ビーム変位量が閾値より大きいときはデジタル演算処理部により決定される比例（Ｐ）制御信号と積分（Ｉ）制御信号との合計値から重量値を求め、ビーム変位量が閾値より小さいときはデジタル演算処理部により決定される積分（Ｉ）制御信号から重量値を求めるようにしてもよい。
これによれば、ビーム変位量が閾値より大きいときに、積分（Ｉ）制御信号よりも速く応答する比例（Ｐ）制御信号が積分（Ｉ）制御信号に加算されるので、ビームが大きく変動している過渡状態でも、比例（Ｐ）制御信号が加算された信号に基づいて重量表示が行われるので、単に積分（Ｉ）制御信号だけから重量表示を行う場合よりも追従性のよい重量表示を行うことができる。

以下、本発明を実施するための実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施例は、一例にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施することが可能である。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態である電子天びんの概略構造と制御系とを説明する構成ブロック図である。支点１１を中心として回動自在に支持されるビーム１２の一端側に被測定物荷重Ｗを負荷するための皿１３が設けられている。また、ビーム１２には支点１１を挟んで皿１３と反対側のビーム位置にコイル１４が固着してある。コイル１４は、永久磁石１５が作る磁界中に配置してあり、コイル１４に電流を流すことにより永久磁石の磁界との相互作用で電磁力が発生するようにしてある。

皿１３を取り付けた側とは反対側のビーム１２の端部近傍には、ビームの変位を検出する位置検出アンプ１６が取り付けてある。この位置検出アンプ１６は、平衡点（ゼロポイント）からのビーム変位量を検出し、アナログ信号（変位量アナログ信号という）を出力するようにしてある。

位置検出アンプ１６から出力される変位量アナログ信号は、アナログ演算処理部１７とデジタル演算処理部１８とに送られる。
アナログ演算処理部１７には、位置検出アンプ１６からの変位量アナログ信号の微分演算を行い、微分（Ｄ）制御信号成分を微分アナログ信号（Ｄアナログ信号という）として出力する微分演算部１９が設けられている。この微分演算部１９自体は周知の微分回路で構成されており、微分定数（Ｄ）の設定は図示しない微分回路中の半固定抵抗により調整できるようにしてある。

デジタル演算処理部１８には、位置検出アンプ１６からの変位量アナログ信号をビーム変位量に相当するデジタル信号（変位量デジタル信号という）に変換するＡ／Ｄ変換器２０と、この変位量デジタル信号に対して比例演算を行い、比例（Ｐ）制御信号成分を比例デジタル信号（Ｐデジタル信号という）として出力する比例演算部２１と、同じく変位量デジタル信号に対して積分演算を行い、積分（Ｉ）制御信号成分を積分デジタル信号（Ｉデジタル信号という）として出力する積分演算部２２と、比例演算部２１から出力されるＰデジタル信号と積分演算部２２から出力されるＩデジタル信号とを合成加算したデジタル信号（合成ＰＩデジタル信号という）として出力するＰＩ合成演算部２３と、ＰＩ合成演算部２３から出力される合成ＰＩデジタル信号をアナログ変換してアナログ信号（合成ＰＩアナログ信号という）にするＤ／Ａ変換器２４とが設けられている。
なお、Ａ／Ｄ変換器２０とＤ／Ａ変換器２４との間にある各演算部（比例演算部２１、積分演算部２２、ＰＩ合成演算部２３）は具体的にはマイクロコンピュータにより構成される。

また、ＰＩ合成演算部２３の出力である合成ＰＩデジタル信号と積分演算部２２の出力であるＩデジタル信号とのいずれかを選択的に取り出すためのスイッチ２５が設けられている。
スイッチ２５で選択された出力信号は荷重データとして出力され、出力された荷重データに基づいて重量値（荷重データを換算した値）が図示しない表示器に表示されるようにしてある。スイッチ２５は位置検出アンプ１６で検出したビーム変位量（正確にはＡＤ変換後の変位量デジタル信号）と予め設定した閾値との大小比較により切り替わるようにしてある。
なお、スイッチ２５は具体的にはマイクロコンピュータを用いたソフトウェアによるデータ選択スイッチにより構成される。

そしてデジタル演算処理部１８における比例演算部２１の比例定数（Ｐ）や積分演算部２２の積分定数（Ｉ）の設定は、周知のデジタル入力技術を用いており、具体的には図示しないキーボタンスイッチによる数値入力操作により設定できるようにしてある。

Ｄ／Ａ変換器２４からの合成ＰＩアナログ信号と微分演算部１９からのＤアナログ信号とはパワーアンプ２６に送られ、ここで比例（Ｐ）制御信号成分、積分（Ｉ）制御信号成分、微分（Ｄ）制御信号成分が加算されて合成ＰＩＤ制御信号となり、さらに合成ＰＩＤ制御信号に対応するフィードバックコイル電流に変換され、コイル１４に供給されるようにしてある。

次に、本実施形態の電子天びんのフィードバック制御動作について説明する。
皿１３に荷重を測定する被測定物を載せることにより、ビーム１２のバランスが崩れ、支点１１を可動中心としてビーム１２が変位する。このときのビーム変位量が変位検出アンプ１６により検出され、変位検出アンプ１６からビーム変位量に相当する変位量アナログ信号が出力される。

位置検出アンプ１６からの変位量アナログ信号は、アナログ演算処理部１７の微分演算部１９に送られるとともに、デジタル演算処理部１８のＡ／Ｄ変換器２０にも送られる。
そしてアナログ演算処理部１７の微分演算部１９では、変位量アナログ信号からアナログ量で微分制御信号（Ｄアナログ信号）が出力され、出力された微分制御信号（Ｄアナログ信号）がパワーアンプ２６に送られる。

一方、デジタル演算処理部１８ではＡ／Ｄ変換器２０により変位量アナログ信号がデジタル変換されて変位量デジタル信号になり、変位量デジタル信号は比例演算部２１と積分演算部２２とにそれぞれ送られ、比例演算部２１からは比例（Ｐ）制御信号成分がＰデジタル信号として出力され、積分演算部２２からは積分（Ｉ）制御信号成分がＩデジタル信号として出力される。

出力されたＰデジタル信号とＩデジタル信号とは、ＰＩ合成演算部２３に送られて加算され、合成ＰＩデジタル信号として出力される。
さらに、ＰＩ合成演算部２３から出力される合成ＰＩデジタル信号はＤ／Ａ変換器２４に送られてアナログ変換され、合成ＰＩアナログ信号としてパワーアンプ２６に送られる。
パワーアンプ２６ではアナログ演算処理部１７からのＤアナログ信号と、デジタル演算処理部１８からの合成ＰＩアナログ信号とが加算され、比例、積分、微分制御信号が合成された合成ＰＩＤ制御信号となる。そしてパワーアンプ２６から合成ＰＩＤ制御信号に対応するフィードバックコイル電流が出力される。
この合成ＰＩＤ制御信号では、Ｄアナログ信号についてはアナログフィードバックにより迅速な応答がなされ、合成ＰＩアナログ信号についてはＡ／Ｄ変換、デジタル演算処理、Ｄ／Ａ変換を経たデジタルフィードバックによる応答がなされることになる。

そしてパワーアンプ２６から出力されるフィードバックコイル電流はコイル１４に供給され、永久磁石１５の磁界との相互作用による電磁力と皿に加わる被測定荷重Ｗとが平衡するようにようフィードバック制御がかかるようになる。

次に、本実施形態の電子天びんの重量測定動作について説明する。
上述したように、ＰＩ合成演算部２３の出力である合成ＰＩデジタル信号と積分演算部２２の出力であるＩデジタル信号とのいずれかがスイッチ２５により選択され、重量値は選択された合成ＰＩデジタル信号またはＩデジタル信号から求められる。重量値が表示されるまでの動作フローチャートを図２に示す。

皿１３に荷重が加わり、ビーム１２が上方に変位すると、位置検出アンプ１６がビーム変位量を検出し、予め設定した閾値（ｄ_ＴＨ）とビーム変位量とが比較される（ｓ１０１）。
そして変位量が閾値（ｄ_ＴＨ）より大きいとき、スイッチ２５はＰＩ合成演算部２３から出力される合成ＰＩデジタル信号を選択し（ｓ１０２）、変位量が閾値（ｄ_ＴＨ）より小さいとき、スイッチ２５は積分演算部２２から出力されるＩデジタル信号を選択する（ｓ１０３）。

続いて、選択された合成ＰＩデジタル信号またはＩデジタル信号の移動平均をとって平滑化処理することにより、信号のばらつきを抑制する（ｓ１０４）。
平滑化処理されたデジタル信号データから、別途校正分銅を用いた校正作業により係数が定められた換算式により、重量値換算を行う（ｓ１０５）。
換算した重量値をデジタル表示器に表示する（ｓ１０６）。

このときの表示重量値およびコイルフィードバック電流は、ともにデジタル信号（合成ＰＩデジタル信号またはＩデジタル信号のいずれかのデジタル信号）を元にして決定していることからフィードバック電流と重量表示との間でデジタル化にともなう量子誤差は生じない。

（実施形態２）
図３は、本発明の他の一実施形態である電子天びんの概略構造と制御系とを説明する構成ブロック図である。ここで図１と同じものは同符号を付すことにより説明を省略する。
この実施形態では、アナログ演算処理部１７ａに微分演算部１９ａと比例演算部２１ａが設けられ、デジタル演算処理部１８ａに積分演算部２２ａが設けられている。

アナログ演算処理部１７ａでは、位置検出アンプ１４からの変位量アナログ信号の微分演算および比例演算が行なわれ、微分制御信号成分をＤアナログ信号として出力され、比例制御成分をＰアナログ信号として出力され、パワーアンプ２６ａに送られる。

デジタル演算処理部１８ａでは、Ａ／Ｄ変換器２０で変位量アナログ信号がデジタル変換されて変位量デジタル信号として積分演算部２２ａに送られ、積分演算部２２ａから積分制御信号成分がＩデジタル信号として出力される。
Ｉデジタル信号は、重量値計算に用いられるとともにＤ／Ａ変換器２４に送られ、アナログ変換され、Ｉアナログ信号として出力される。

Ｉアナログ信号は、パワーアンプ２６ａに送られ、アナログ演算処理部１８ａからのＤアナログ信号およびＰアナログ信号に加算され、パワーアンプ２６ａには比例、積分、微分制御信号が合成された合成ＰＩＤアナログ信号が入力され、パワーアンプ２６ａからは合成ＰＩＤアナログ信号に対応するフィードバックコイル電流が出力される。

合成ＰＩＤアナログ信号のうちで、Ｄアナログ信号およびＰアナログ信号についてはアナログフィードバックにより迅速な応答がなされ、Ｉアナログ信号についてはＡ／Ｄ変換、デジタル演算処理、Ｄ／Ａ変換を経たデジタルフィードバックによる応答がなされることになる。

上述した２つの実施形態のうち、実施形態１の場合は比例（Ｐ）定数と積分（Ｉ）定数とが直接数値を入力するだけで設定できるのに対し、実施形態２は積分（Ｉ）定数だけが数値入力で設定できるだけであり、実施形態１は設定しやすさ、設定自由度の点で優れているのに対し、実施形態２は設定しやすさ、設定自由度の点でやや劣るが、微分（Ｄ）制御成分だけでなく比例（Ｐ）制御成分もアナログフィードバックがなされるので応答性がさらに改善されることになる。

本発明は、高分解能であるとともに安定性に優れた電子天びんを製造する場合に適用できる。

本発明の一実施形態である電子天びんの概略構造および制御系を説明する構成ブロック図。 図１の電子天びんにおける重量測定の際のフローチャート図。 本発明の他の一実施形態である電子天びんの概略構造および制御系を説明する構成ブロック図。

符号の説明

１２：ビーム（可動部）
１３：皿
１４：コイル
１５：永久磁石
１６：位置検出アンプ
１７、１７ａ：アナログ演算処理部
１８、１８ａ：デジタル演算処理部
１９、１９ａ：微分（Ｄ）演算部
２０：Ａ／Ｄ変換器
２１、２１ａ：比例（Ｐ）演算部
２２、２２ａ：積分（Ｉ）演算部
２３：ＰＩ合成演算部
２４：Ｄ／Ａ変換器
２５：スイッチ
２６、２６ａ：パワーアンプ

Claims (2)

1. 荷重に応じて変位するビームにコイルを固定するとともにコイルを磁界中に配置し、ビームの変位を検出する変位検出器により検出されたビーム変位量に基づいて比例（Ｐ）、微分（Ｄ）、積分（Ｉ）制御信号をそれぞれ決定してこれらを合成した合成ＰＩＤ制御信号に基づいてコイル電流を流すことにより電磁力を発生させ、電磁力と荷重とを平衡させて用いる電子天びんであって、
   少なくとも微分（Ｄ）制御信号はアナログ演算処理部により決定し、
   少なくとも積分（Ｉ）制御信号はビーム変位量をデジタル変換後にデジタル演算処理部により決定し、
   デジタル演算処理部により決定された制御信号成分をアナログ変換した後にアナログ演算処理部により決定された制御信号成分と合成して合成ＰＩＤ制御信号を決定して合成ＰＩＤ信号に基づくコイル電流を流すようにし、デジタル演算処理部により決定した制御信号成分に基づいて重量値を求めることを特徴とする電子天びん。
2. 比例（Ｐ）制御信号についてもビーム変位量をデジタル変換後にデジタル演算処理部により決定し、ビーム変位量が閾値より大きいときはデジタル演算処理部により決定される比例（Ｐ）制御信号と積分（Ｉ）制御信号との合計値から重量値を求め、ビーム変位量が閾値より小さいときはデジタル演算処理部により決定される積分（Ｉ）制御信号から重量値を求めることを特徴とする請求項１に記載の電子天びん。
   
   

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