JP2013181979A - 光電子位置検知器を用いる磁力補償の原理に基づく計量セル - Google Patents

Abstract

【課題】電磁力補償の原理に基づく天秤用の位置検出器を提供する。
【解決手段】計量セル１は計量荷重４の重量力を受け取る働きをする荷重受け器３、空隙６を伴う永久磁石系５、空隙６に移動可能に懸吊され、計量モードで動作するときに補償電流７の流れを伝導するコイル８、ならびに、荷重受け器３とコイル８との間の力伝達機械的連結部９を有する。光源１２、受光器１３、および、移動可能な力伝達連結部に堅固に連結されるシャッタ羽根１０を含む光電子位置検知器がさらに存在し、光源１２および受光器１３の中心点が、光軸を規定し、光源１２および受光器１３が、空間間隔を隔てて向かい合って配置され、シャッタ羽根１０が、光源１２と受光器１３との間の光軸上のシャッタ距離で移動可能に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁力補償の原理に基づき、光電子位置検知器を含む、天秤または計量セルに関する。

電磁力補償の原理は、商用、工業用で、および実験用で使用される、多様な計量計での広範囲にわたる用途を有する。この原理には、それを用いると、ずば抜けた測定精度の計量計が実現され得るという特別の利点がある。電磁力補償の原理に基づく化学天秤は、例えば、１００グラムの計量荷重を０．０１ミリグラムの測定分解能で、すなわち、１０００万分の１の精密度で決定する能力を有する。

本発明が属する一般的な部類の天秤または計量セルは、定置の基部、基部に移動可能に制約され、計量荷重を受ける働きをする荷重受け器、好ましくは基部に装着され、空隙を有する永久磁石系、空隙に移動可能に懸吊され、補償電流の流れを伝導するコイル、および、荷重受け器をコイルに連結する力伝達機構を有する。光電子位置検知器は、その検知器信号が、荷重が荷重受け器に載せられるときに天秤の相互連結される移動可能な部分が、零位置から振れる行程距離に対応し、典型的には、大多数の場合で間に空間間隔を伴って基部上に装着される光源および受光器、ならびに、空間間隔を通り抜け、移動可能な部分の振れに関与するシャッタ羽根を含む。位置検知器の信号は制御器に送出され、制御器は、コイルと永久磁石との間の電磁力の結果として、シャッタ羽根、および、シャッタ羽根に連結される天秤の移動可能な部分が、零位置に復帰させられるような方法で、応答して、補償電流を調整する。換言すれば、調整には、電磁補償力が計量荷重を平衡させるという効果がある。電磁気学の法則によって、コイル電流の大きさおよび結果として生じる力が相互に比例することを考慮すると、荷重受け器上に置かれる計量荷重の重量は、コイル電流の測定によって決定され得る。

上記の概説された分野の範囲内で、本発明が重点的に取り扱われるのは、光電子位置検知器、特に、位置検知器の幾何形状、すなわち、光源、受光器、およびシャッタ羽根を包含する位置検知器構成内部の要素の、相対的寸法および空間的関係に関してである。受光器は、大多数の場合で、少なくとも１つの光感応領域または要素を伴うフォトダイオードを含む。フォトダイオードは、光にさらされるときに電流を生成する半導体素子であり、その電流は、ある決まった範囲内で、入射光の量に比例する。

シャッタ羽根は、スリット形状の通過開口部を有することが多いが、光の通過用の他の形状の開口部、例えば、円型の穴または細長の穴もまた可能である。受光器は、差動回路構成で動作している、フォトダイオードの２つの別々の光感応領域として構成され得る。シャッタ羽根がその零位置から振らされるとき、これによって、受光器上の照射像の偏移が発生することになり、その結果、光感応領域の一方が、より多くの光を受けることになり、他方の光感応領域は、より少ない光を受ける。したがって、シャッタ羽根の振らされた位置で、２つの光感応領域により生成されるそれぞれの電流が、相互に異なることになり、２つの光感応領域の差動回路構成により測定される電流差が、受光器の電気出力信号、すなわち位置検知器信号を表す。振れと電気位置検知器信号との間の関数関係は、位置検知器の特性とも呼ばれる。

電磁補償天秤の位置検知器により満たされなければならない主要な要件は、零位置、すなわち、負値から正値への検知器信号の零交差が起こるシャッタ羽根の特定の位置が、最高の程度の精度および再現性によって保たれる必要があるということである。したがって、零点感度、すなわち、その零交差での特性の傾きは、実際的に可能な限り急峻であるべきであり、そのことによって、ナノメートルの程度の振れが、明確に測定可能な検知器信号を生成する。

さらに、シャッタ羽根の行程範囲にわたって作図される検知器信号のグラフ、すなわち、位置検知器の特性は、同じ製造操業内の計量セルで２つ続けて、さらには任意の個々の計量セルに対して、後者が、例えば温度の上下、衝撃または振動にさらされるときに、かなりの程度で再現可能であるべきである。

最後に、別の望ましい特色として、位置検知器の特性は、良好な近似によって、線形の形にしたがうべきである。特に、検知器信号は、シャッタ羽根の振れに比例すべきである。検知器信号の、線形性に対する、より具体的には比例性に対する要件は、中でも、好ましくはいわゆるＰＩＤ制御器として設計される、電磁力補償の制御回路に関する要因であり、このことは、補償力、したがって、制御回路の出力として生成されるコイル電流が、振れの大きさに比例する成分Ｐ、振れの時間積分に比例する成分Ｉ、および、振れの時間導関数に比例する成分Ｄの加重和を表すということを意味する。コイル電流の３つの成分Ｐ、Ｉ、Ｄに対するそれぞれの比例性を確実にするために、検知器信号は、明らかに、振れに可能な限り比例するべきである。

光学投射系としての位置検知器を観測する方法が、例えばＣＨ４６３１３７で見出され、その文献においては電磁補償天秤が示され、天秤梁が、一方の端部で懸吊された計量皿を、および他方の端部でシャッタ羽根を支持し、シャッタ羽根は、スリット形状の通過開口部を伴い、光源と受光器との間の空間間隔に延在する。シャッタ羽根の前後の光路に配置される各々の１つのレンズとして、上述の参考文献の図１に基本的な型式で表される光学系は、受光器上に投射される光源の光学像を改善する、または向上させる働きをする。しかしながら、位置検知器の光路での光学レンズのこの種の構成は、シャッタ羽根から光源までの、および受光器までの、適切に寸法設定された、すなわち全体的により長い距離、特に、小型の一体式の設計の計量セルでは満たすことが不可能になる要件を必要とする。加えて、製造費用が増大することになる。

米国特許第５，３３８，９０２号に提示される解決法は、機械的手段によって、電磁補償天秤の位置検知器の感度を増大することを目指すものである。この場合、光源および受光器は、従来の構成となる、天秤の基台基部上の固定の位置に装着されるのではなく、天秤の移動可能な荷重受け器に堅固に連結される長い片持梁の腕上に配置され、そのことによって、光源および受光器は、荷重受け器とともに上下に移動する。天秤の定置の基台基部上に枢動可能に支えられる２つの腕のてこ棒が、一方の側部で天秤の荷重受け器に結合され、他方の端部でシャッタ羽根を支持し、そのことによって、シャッタ羽根は、荷重受け器が下方向に移動するときに上方向に移動し、その逆も同様である。このように、シャッタ羽根は、反対方向に移動する光源および受光器と一致して上下に移動し、その結果、光源および受光器に対して、シャッタ羽根は、より大きく相対的に移動する。その結果、光源および受光器の従来の定置の構成と比較して、荷重受け器の同じ量の振れによって、より強い位置検知器信号が生成される。この概念をもってしても、やはりある種の実際的な懸念が存在し、その懸念とは、片持梁の腕は、計量セルの一部を通って伸びなければならないことになるが、計量セルは、多くの場合、荷重受け器を補償コイルに連結する上述の力伝達機構によりすでに占有されているというようなことである。

米国特許第３，８０５，９０７号による光電子位置検知器では、光源は発光ダイオードからなり、受光器は、差動回路構成での２つのフォトトランジスタにより形成される。フォトトランジスタは、支持体円板の面上に相互に直径方向に対称的に配置され、支持体円板は、天秤の定置の基台枠上に回転可能に装着される。支持体円板を回転させることにより、感度特性、すなわち、シャッタ羽根の振れの量に関する検知器信号の関数依存性が調節され得る。光学投射系の幾何形状に関して、具体的に述べられているのは、受光器の２つの光感応表面部分間の距離が、スリット開孔部の幅に対応するということ、光源の発光表面が、シャッタ羽根に可能な限り近くにあるということ、受光器の光感応表面領域が、円型の形状の類であるということ、および、光源の発光表面が、スリット開孔部よりいくぶん広い、詳細には、スリット開孔部の幅の１．５倍であるということである。ここで、受光器の円型の光感応表面部分を用いるそのような構成の、上述の特性または感度グラフは、シャッタ羽根の振れ範囲全体にわたって決して線形ではなく、その傾き角度は、例えば、振れの量の増大とともに、次第により急峻に、または次第により浅くなり得るという異論が唱えられるはずである。

既知の現況技術には、電磁力補償を用い、位置検知器を有する計量セルがあり、シャッタ羽根が、光源と受光器との間のほぼ中ほどのシャッタ平面に配置される。計量セルの製造操業の範囲内で起こる、シャッタ平面の位置のわずかな変動が、検知器単位装置の感度の無作為の変動を招くことになる。したがって、ある決まった製品を用いて、計量セルの製造工程で各々の単位装置を個々に調節することが必要になる場合があり、このことによって、製作費用が増える。

ＣＨ４６３１３７ 米国特許第５，３３８，９０２号 米国特許第３，８０５，９０７号

したがって、本発明の目的は、電磁力補償の原理に基づく、天秤用の位置検知器を提供することであり、その位置検知器では、零位置の精度および再現性、ならびに、感度特性の再現性および線形性に関する上述の主な要件が、現況技術を用いるより高い程度まで満たされる。目標は、この課業を、製作要件に最適に適合される概念を用いて解決することである。

この目的は、独立請求項１に記載の、電磁力補償の原理に基づき、光電子位置検知器を有する、天秤または計量セルにより満たされる。
本発明のさらなる実施形態および詳細は、従属請求項において説明される。

電磁力補償の原理による計量セルは、定置の基部、誘導型可動性（ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｂｉｌｉｔｙ）によって基部に制約され、計量荷重の重量力を受け取る働きをする荷重受け器、空隙を伴う永久磁石系、空隙に移動可能に懸吊され、計量モードで動作するときに補償電流の流れを伝導するコイル、荷重受け器とコイルとの間の力伝達機械的連結部を備える。計量セルは、光電子位置検知器および制御器をさらに備え、制御器は、コイルが、および荷重受け器がコイルへのその連結によって、それらの零位置に、コイルと永久磁石との間の電磁力により復帰させられるような方法で、位置検知器の信号に応答して、補償電流を調整する。位置検知器は、空間間隔を隔てて向かい合って配置され、それらの中心点が位置検知器の光軸を規定する、光源および受光器、ならびに、移動可能な力伝達連結部に堅固に連結され、本質的には、光軸に直交して延在するシャッタ平面での光遮断器のように、空間間隔で移動するシャッタ羽根を含む。

受光器は、荷重を荷重受け器上に置くことにより発生される、零位置からのシャッタ羽根の振れに対応する、位置検知器信号を生成する働きをする。構成の一部である制御器は、シャッタ羽根、および、シャッタ羽根に連結される計量セルの移動可能な部分が、コイルと永久磁石系との間で作用する電磁力により零位置に復帰させられるような方法で、位置検知器信号に応答して、補償電流を調整する働きをする。

シャッタ羽根を包含し、光軸と直交して交差する平面は、以降、シャッタ平面と呼ばれることになる。
本発明によれば、シャッタ距離は、空間間隔の小区分にあり、前記小区分は、受光器に隣接し、空間間隔の数分の１の小ささであり、このことは、小区分が空間間隔の３分の１を超えずに延在することを意味する。換言すれば、シャッタ平面との光軸の交差の点は、空間間隔の選択された小区分にあり、前記小区分は、受光器の近辺に位置し、空間間隔より長さが実質的に短く、後者のわずかに小部分を占める。この小部分は、空間間隔全体の、最大で３分の１であり、好ましくは４分の１である。

シャッタ羽根が、光源に対してより、受光器に対して数倍近くに位置する、本発明による構成は、主に、シャッタ羽根を、ほぼ中間に、すなわち、光源および受光器から等距離に配置する、従来の実践方法と異なる。特に、この構成は、さらに、シャッタ羽根が光源に可能な限り近く配置される、米国特許第３，８０５，９０７号の引用された従来技術とは逆のものである。

好みによって、永久磁石系は、基部上に堅固に装着される。同様に、光電子位置検知器は、好ましくは、基部上の固定の位置に固着される。
位置検知器信号は、シャッタ羽根の振れの関数であり、したがって、位置検知器信号は、位置検知器の信号関数または特性と呼ばれる場合もあり、振れに関するその導関数は、以降、位置検知器の感度と呼ばれることになる。

好ましい構成では、振れに関する位置検知器信号の導関数に対応し、規格化定数に合わせて基準化される、位置検知器の規格化された感度が、本質的に、規格化された感度の最大値をとることにより、小区分が、空間間隔の残りの部分から区別される。特に、規格化定数に合わせてこのように基準化される位置検知器信号関数は、本質的に、少なくとも振れの限定された範囲内で線形であり、前記限定された範囲は、シャッタ距離の減少とともに増大する。

その範囲内でシャッタ羽根が受光器から隔置され得る、空間間隔の上述の小区分は、振れの上述の限定された範囲にわたる規格化された感度が、シャッタ距離の変更により有意に影響を受けないという有利な特質により、空間間隔の残りの部分から区別される。

光源と受光器との間の空間間隔の範囲内に、信号関数が、零点での急峻な傾き角度、良好な線形性、および、光軸に沿ったシャッタ平面の偏移に関する不変性を有する上述の条件が本質的に充足される小区分が存在するということ、ならびに、この小区分が受光器の近辺にあるということの発見は、行われた実験の驚くべき主な結果となり、このことは、図式の助力によって、より詳細に以下で説明されることになる。

零位置を通過する時点でのシャッタ羽根の移動が、光軸のｙ方向に、および同時にｘ方向に垂直に延びるｚ方向を規定し、ｘ方向は、ｙおよびｚの両方の方向に垂直に延びる。シャッタ平面は、光軸に直交して延在し、したがって、ｘ／ｚ平面と一致する。厳密に言えば、シャッタ羽根の移動は、シャッタ羽根が零位置を通過する正確な時点でのみｚ方向に動くが、その他では、円型の振れの経路に起因して、ｚ方向から離れて曲線を描く。

有利な実施形態では、シャッタ羽根の振れ範囲は、止め具により限界が定められる。有利には、シャッタ羽根は、通過開口部、具体的には、ｚ方向での所与の幅を伴うスリット開孔部を備える。しかしながら、通過開口部は、円型または細長の穴の形状もまた有し得る。

本発明のさらなる展開では、光源が、支持体ブロックに埋め込まれる発光ダイオードを備える。受光器は、好ましくは、ｚ方向での所与の高さの少なくとも１つの感光性表面領域を備える。

計量モードで動作するとき、スリット開孔部を通って光源から放射する光が、受光器の感光性表面領域上に照射像を投射する。スリット開孔部の幅もしくは通過開口部の直径、空間間隔、受光器からのシャッタ羽根の距離、光源の発光表面領域の直径、受光器の感光性領域の高さ、ならびに、受光器の最大限の振れ振幅の間の寸法的な関係は、最大限の振幅の振れによってでも、照射像が、感光性受光器領域の高さの範囲内に収まることになるように設計される。

本発明のさらなる態様によれば、受光器は、２つの別々の感光性表面領域を伴う差動フォトダイオードを備え、感光性表面領域は、差動回路構成で動作し、等しい矩形の形状およびサイズであり、かつ、ｘ方向に延在し、ｚ方向では比較的狭い分離ストリップの両側部上に、ある距離で相互に離れてある。２つの感光性表面領域および分離ストリップで構成される矩形表面は、特に、ｚ方向でのその全体の高さを特徴とする。

スリット開孔部を経由して、光源から受ける光の分布に応答して、第１の感光性表面領域が第１の電流を生成し、第２の感光性表面領域が第２の電流を生成し、２つの電流間の差が、シャッタ羽根の振れに対応する検知器信号を表す。

光源の電源は、有利には、第１および第２の感光性領域上に向けられる光の全体量に対応する電流の和が一定に維持されるような方法で、帰還制御器により調整される。
一定に維持されている電流の和が、今度は、位置検知器信号Ｓを規格化された位置検知器信号に、および、感度を規格化された感度に変換するために、上述の規格化定数として働くように使用され得る。

上述の実験から引き出される別の重要な結論は、通過開口部、具体的には（通過開口部がスリット形状であるならば）シャッタ羽根のスリット開孔部の幅に関する。一方では、可能な限り多くの光が、信頼できる検知器信号を得るために、光源からスリット開孔部を通って受光器上に向けられるべきであるが、他方では、受光器に近いシャッタ平面の本発明の構成を用いると、上述の条件は、スリット開孔部のある決まった最大幅が超過されない場合に最適に満たされるということが見出されている。この最大幅は、シャッタ羽根の最大限の振幅の振れででも、入射光により満たされる表面領域（最大限に照射される中心領域から非照射の周囲領域までの遷移帯域を含む）が、受光器の感光性表面領域の範囲内に完全にあるべきであるということを考慮することにより決定され得る。

加えて、調査の詳細な結果から、特定の結論に至り、これらの結論は、位置検知器構成を最適化するために使用され得るとともに、図面の助力によって、以下の詳細な説明で解説される。

本発明による計量セルの詳細が、以降、図面および図式において説明かつ例示される。例示される要素が、図面で２つ続けて同一である限り、それらの要素は、同じ参照記号により識別される。図面を要約する。

電磁力補償を用いる天秤の例を概略表示で示す。 光源、受光器およびシャッタ羽根を伴う光電子位置検知器を示す。 計算機モデルに基づき、本発明の概念を視覚化する働きをする３次元グラフを示す。 本発明によるスリット開孔部の幅の寸法設定を例示する働きをする、位置検知器の光学的光線幾何形状の図式を表す。

電磁力補償および光電子位置検知器を用いる、天秤または計量セル１が、図１に概略的に例示される。空間の方向設定に関する参照として、デカルト座標系ｘ、ｙ、ｚが付加され、その座標系のｘ軸およびｚ軸は、図１の図面平面内にあり、一方でｙ軸は、図面平面の裏側の半空間に向けられる。例示される要素は、定置の基部２、誘導型可動性のために基部２に制約され、計量荷重４の重量力を受ける働きをする荷重受け器３、基部２上に強固に装着される（断面図での）空隙６を伴う杯形状の永久磁石系５、空隙６に移動可能に懸吊され、補償電流７の流れを伝導するコイル８、ならびに、荷重受け器３とコイル８との間の、ここでは天秤梁９の形態で示される、力伝達機械的連結部９を含む。光電子位置検知器（ｙ方向での視点で図１に記号表示で示され、ｘ方向での視点で図２に詳細に描画される）は、位置検知器信号Ｓを生成し、位置検知器信号Ｓは、荷重受け器３上に荷重４を置く結果として起こる、コイル８のその零位置からの振れｚに対応する。この零位置は、相互に一直線である矢印１０および１２、１３を示すことにより、図１で記号的に示され、基部２に連結される矢印１２、１３は、光源１２および受光器１３を記号で表したものであり、光源１２および受光器１３は、空間間隔を隔てて向かい合って、基部２上に配置される（図２を参照）。天秤梁９に連結される矢印１０は、スリット形状の通過開口部１１を伴うシャッタ羽根１０を表し、シャッタ羽根１０は、二重矢印２０により示されるように、空間間隔で上下に移動し（図２を参照）、そのことによって、光源１２から受光器１３に流れる光の流動を加減することにより、位置検知器信号Ｓを生じさせる。位置検知器の信号Ｓは、帰還制御器１５に送達され、帰還制御器１５は、コイル８と永久磁石５との間で作用する電磁力が、シャッタ羽根１０を、天秤梁９、コイル８および荷重受け器３とともに、電磁補償力が計量荷重４を平衡させる零位置に戻すような方法で、信号Ｓに応答して、補償電流７を調整する。電磁気学の法則によって、補償力はコイル電流７に比例し、その結果、荷重受け器３上に置かれる計量荷重４の重量は、コイル電流７を測定することにより決定され得る。

図２の目的は、特に、文字の記号を用いて幾何学的寸法を識別することである。光源１２および受光器１３は、空間間隔ｄを隔てて向かい合って配置される。シャッタ平面１６は、その中で、シャッタ羽根１０が、ｚ方向に振れ範囲−ａ≦ｚ≦ａの範囲内で上下に移動可能であるが、シャッタ平面１６は、空間間隔の小区分ｕの範囲内で、受光器１３から距離ｄ_Ｂにあり、小区分ｕは、受光器１３と境界を接する。スリット形状の通過開口部１１は、上記で規定されたｘ方向に延在し、スリット幅ｂを有する。

本発明の典型的な実施形態での光源１２は、発光ダイオード１７からなり、発光ダイオード１７は、支持体ブロック１８に埋め込まれ、陥凹部１９の中心に位置する。
受光器１３は、同様に典型的な実施形態では、差動フォトダイオードからなり、差動フォトダイオードは、差動回路構成で動作する、等しい矩形の形状およびサイズの、２つの別々の感光性表面領域２１および２２を有し、感光性表面領域２１および２２は、ｘ方向に延在する比較的狭い分離ストリップ２３の両側部上に、距離ｔで相互に離れてある。２つの感光性表面領域２１、２２は、ｚ方向での全体的な高さｈ、およびｘ方向での全体幅を有する。

すでに述べられたように、位置測定に関する受光器１３の機能は、シャッタ羽根１０の振れ、すなわち、零位置から距離ｚへの変位が、２つの感光性要素が異なる大きさの電流Ｉ_１およびＩ_２を生成することになるという結果を有し、電流差Ｓ＝（Ｉ_１−Ｉ_２）が、受光器の電気出力信号、すなわち位置信号Ｓを表すということに基づいている。位置検知器信号関数Ｓ（ｚ）、すなわち、振れｚと位置検知器信号Ｓとの間の関数関係は、位置検知器の特性と呼ばれるグラフとして表され得る。感光性表面領域２１、２２の回路構成および幾何形状が対称的であるならば、負の振れ−ｚで生成される信号Ｓ（−ｚ）は、正の振れｚで生成される信号Ｓ（ｚ）とは、大きさが等しく反対であることになる。したがって、特性Ｓ（ｚ）は、奇関数、すなわちＳ（−ｚ）＝−Ｓ（ｚ）であり、そのグラフィック表示は、原点に関して点対称である。グラフの傾き、すなわち、位置検知器信号関数の導関数ｄＳ／ｄｚは、以降、位置検知器の感度Ｅとも呼ばれることになる。

場合毎に変動し得る光源の照度と独立して、位置検知器信号関数Ｓ（ｚ）を評価するために、規格化された無次元の位置検知器信号Ｓ^＊＝（Ｉ_１−Ｉ_２）／（Ｉ_１＋Ｉ_２）を考えることが好都合である。この規格化された位置検知器信号Ｓ^＊の導関数ｄＳ^＊／ｄｚは、以降、単位［ｍｍ^−１］で測定される、位置検知器の規格化された感度Ｅ^＊と呼ばれる。

以下で説明される、本発明による位置検知器の好ましい実施形態では、光源の光強度は、和（Ｉ_１＋Ｉ_２）が一定のままであるような方法で、電子的に調整される。規格化定数Ｎ＝Ｉ_１＋Ｉ_２を用いると、規格化された位置検知器信号関数は、
Ｓ^＊＝（Ｉ_１−Ｉ_２）／Ｎ＝Ｓ／Ｎ
のように表現され得る。規格化された感度
ｄＳ^＊／ｄｚ＝（１／Ｎ）×ｄＳ／ｄｚ、
ただし、
Ｅ＝ｄＳ／ｄｚ
は、したがって、
Ｅ^＊＝Ｅ／Ｎ
のように表現され得る。

図３は、振れｚの、および、光源からのシャッタ平面の距離ｙの関数として、規格化された感度Ｅ^＊を３次元グラフで示す。この表示は、本発明による位置検知器の実際的な実施形態の典型である寸法を用いる、位置検知器の理論モデルに基づき、それらの寸法は、すなわち、光源からのシャッタ平面の距離ｄ＝８ｍｍ、シャッタ羽根の振れ範囲ａ＝±０．２ｍｍ、差動フォトダイオードの感光性表面領域の約１．４ｍｍの組み合わされた全体的な高さｈ、差動フォトダイオードの２つの感光性表面領域２１と２２との間の分離ストリップ２３の約０．１ｍｍの幅ｔ、ならびに、スリット開孔部の約０．７ｍｍの幅ｂである。このグラフが示すのは、光源からのシャッタ平面の距離ｙの増大とともに、規格化された感度Ｅ^＊は、ｙ＝４ｍｍから６ｍｍまでの範囲で急峻に上昇するが、ｙ＞６ｍｍでの、受光器の近辺の三角形の平坦部領域では、約５ｍｍ^−１のほぼ一定の値をとる、または、少なくとも、はるかに小さな傾きで増大するということである。

少なくとも今説明されたのと同じ程度の大きさの範囲内で寸法が調整された、図２による位置検知器に対して、図３のグラフから、こうして、シャッタ平面の位置ｙに関する結論に至り、その結論とは、光源から受光器までの空間間隔ｄの範囲内に、小区分ｕが存在し、小区分ｕでは、１．）規格化された感度が、その最大値に達する、２．）規格化された感度が、三角形の範囲内にある振れ範囲ｚにわたってほとんど一定のままであり、信号関数Ｓ（ｚ）がｚのこの範囲内で線形であることを示す、および、３．）三角形の範囲内の規格化された感度が、光軸に沿ったシャッタ平面の位置ｙが変更される場合でも不変のままであるということである。

上記で述べられたように、本発明による位置検知器の好ましい実施形態での光源の光強度は、受光器の２つの感光性表面領域により生成される電流の和（Ｉ_１＋Ｉ_２）が一定のままであるような方法で、電子的に調整される。比例係数Ｎ＝Ｉ_１＋Ｉ_２を除けば、図３のグラフ、および、グラフから引き出される前述の結論は、したがって、非規格化の感度Ｅに同様に適用可能である。

図３の例示された典型的な例では、三角形の平坦部領域の頂点Ｐから受光器の表面までの小区分ｕは、光源から受光器までの空間間隔ｄのほぼ４分の１に達する。しかし、シャッタ平面を受光器のさらに近くに配置することが賢明であり、そのことによって、シャッタ平面の位置がｙ方向に偏移されるならば、感度は、ｚ＝０の近傍でだけでなく、振れｚのより大きな範囲にわたってでもまた、一定のままであることになる。他方で、シャッタ羽根は、製造公差が問題なしに受け入れられ得るのに十分に、すなわち、シャッタ羽根と受光器との間の、何らかの直接の接触、またはダストブリッジの形成も絶対的に防止されるのに十分に、受光器から遠く離れて隔置されるべきである。上記で与えられた寸法を用いる位置検知器では、良好な結果が、シャッタ羽根と受光器との間の約０．８から１．２ｍｍの開けた距離を用いて達成された。

図４は、スリット開孔部の幅ｂの選択での関連性のある要因を例示する。図式では、光源１２からシャッタ羽根１０のスリット１１を通る受光器１３までの光線の幾何形状を例示する。ここでわかるように、周辺光線Ｒ１およびＲ２が、中心の最大限の照射領域Ｖの境界を定め、最大限の照射領域Ｖは、上方および下方の側部に、２つの部分的な照射領域Ｔが配置される。後者は、それらの外側の境界が、感光性表面領域２１、２２との周辺光線Ｒ３およびＲ４の交差の点により定められ、感光性表面領域の照射は、最大限の照射領域Ｖから外側の境界に向かって連続的に減少する。上側および下側の部分的な照射領域Ｔの外側の、感光性表面領域２１、２２の近辺の領域は、完全にシャッタ羽根の影の中にある。

シャッタ羽根の振れによって、最大限の照射領域Ｖおよび部分的な照射領域Ｔを伴う照射像２４全体が、対応する量だけ上または下に偏移する。図３のグラフに対する数学的モデルは、ある想定に基づき、その想定とは、感光性表面領域２１、２２上に投射される照射像２４が、完全に、振れ範囲−ａ≦ｚ≦＋ａの範囲内の任意の振れｚに対して、全体的な感光性領域２１、２２の範囲内のままであるというものである。検知器構成の他の寸法および距離間隔、ならびに最大振れａのすべてが指定されるならば、その結果、光線幾何形状の分析に基づいて、スリット開孔部の最大幅を、例えば、最大振れ＋ａで、その最大振れに対応して偏移される照射像２４’が、感光性の全体的な領域の高さｈのほんの少し内側に、依然として収まるような方法で決定することが可能である。しかし、この決定によって得られるより狭い幅のスリット開孔部は、常に望ましいとは限らない、その理由は、より狭い幅のスリット開孔部が、受光器１３上に向けられる光の量を低減するだけになるからである。上述の寸法の位置検知器では、この考慮の結果、実際的なスリット開孔部幅ｂは、０．６から１ｍｍとなる。

本発明は、特定の実施形態の例を提示することにより説明されたが、本発明の教示に基づいて、例えば、光源および受光器用の、例示された市販で入手可能な製品を、異なる型に関して交換することにより、または、例として与えられた寸法を変更することにより、数多くのさらなる変形例が生成され得ることが明白であると考えられる。例えば、いわゆる光学的位置検知器（製品部類：感光性検出器、感光性装置、ＰＳＤ）の形態での、光感応表面領域を伴う単一の感光性要素からなる受光器を使用することもまた想像できる。

１ 天秤、計量セル
２ 基部
３ 荷重受け器
４ 荷重、計量荷重
５ 永久磁石系
６ 空隙
７ 補償電流、コイル電流
８ コイル
９ 天秤梁、力伝達機械的連結部
１０ シャッタ羽根
１１ スリット開孔部、通過開口部
１２ 光源
１３ 受光器
１５ 帰還制御器、制御器
１６ シャッタ平面
１７ 発光ダイオード
１８ 支持体ブロック
１９ 陥凹部
２０ 二重矢印
２１ １３の感光性表面領域、第１の感光性表面領域
２２ １３の感光性表面領域、第２の感光性表面領域
２３ ２１と２２との間の分離ストリップ
２４、２４’ 照射像
ｘ 軸方向
ｙ 軸方向、光軸、光源からのシャッタ平面の距離、シャッタ平面の位置
ｚ 軸方向、振れ、振れ範囲
Ｖ、Ｖ’ 最大限の照射領域
Ｔ、Ｔ’ 部分的な照射領域
ｕ 小区分
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 周辺光線
ｄ 空間間隔
ｄ_Ｂ １３からのシャッタ平面の距離、シャッタ距離
Ｄ 光源直径
ｂ １１の幅、スリット幅、幅、スリット開孔部幅
ｔ ２３の幅、距離
ｈ ２１、２２および２３の全体的な組み合わされた高さ
Ｉ_１ 入射光により２１で生成される電流、第１の電流
Ｉ_２ 入射光により２２で生成される電流、第２の電流
Ｓ 位置検知器の信号関数、位置検知器信号、電流差
Ｓ（ｚ） 位置検知器の信号関数
Ｓ^＊ 位置検知器の規格化された信号関数、規格化された位置検知器信号
Ｓ^＊（ｚ） 位置検知器の規格化された信号関数、規格化された検知器信号関数
Ｅ、ｄＳ／ｄｚ 位置検知器の感度
Ｅ^＊、ｄＳ^＊／ｄｚ 位置検知器の規格化された感度
Ｎ 規格化定数
ａ 最大限の振れ振幅、振れ範囲、最大振れ
Ｐ 頂点

Claims (15)

1. 電磁力補償の原理に基づく計量セル（１）であって、定置の基部（２）、誘導型可動性によって前記基部（２）に制約され、計量荷重（４）の重量力を受け取る働きをする荷重受け器（３）、空隙（６）を伴う永久磁石系（５）、前記空隙（６）に移動可能に懸吊され、計量モードで動作するときに補償電流（７）の流れを伝導するコイル（８）、ならびに、前記荷重受け器（３）と前記コイル（８）との間の力伝達機械的連結部（９）を備え、
   光源（１２）、受光器（１３）、および、前記移動可能な力伝達連結部に堅固に連結されるシャッタ羽根（１０）を含む光電子位置検知器をさらに備え、前記光源（１２）および前記受光器（１３）の中心点が、光軸（ｙ）を規定し、前記光源（１２）および前記受光器（１３）が、空間間隔（ｄ）を隔てて向かい合って配置され、前記シャッタ羽根（１０）が、前記光源（１２）と前記受光器（１３）との間の前記光軸上のシャッタ距離（ｄ_Ｂ）で移動可能に配置され、前記受光器（１３）が、前記荷重（４）を前記荷重受け器（３）上に置くことにより発生される、零位置からの前記シャッタ羽根（１０）の振れ（ｚ）に対応する、位置検知器信号（Ｓ）を生成する働きをし、前記シャッタ羽根（１０）、および、前記シャッタ羽根（１０）に連結される前記計量セルの前記移動可能な部分が、前記コイル（８）と前記永久磁石系（５）との間の電磁力により前記零位置に戻されるような方法で、前記位置検知器信号（Ｓ）に応答して、前記補償電流（７）を調整するように機能する制御器（１５）が存在する、計量セル（１）において、
   前記シャッタ距離（ｄ_Ｂ）が、前記空間間隔（ｄ）の小区分（ｕ）にあり、前記小区分（ｕ）が、前記受光器（１３）に隣接し、前記空間間隔（ｄ）の３分の１を超えずに延在することを特徴とする、計量セル（１）。
2. 前記振れ（ｚ）に関する前記位置検知器信号（Ｓ）の導関数に対応し、規格化定数（Ｎ）に合わせて基準化される、前記位置検知器の規格化された感度（Ｅ^＊）が、本質的に、前記規格化された感度（Ｅ^＊）の最大値をとることにより、前記小区分（ｕ）が、前記空間間隔（ｄ）の残りの部分から区別されることを特徴とする、請求項１に記載の計量セル（１）。
3. 前記小区分（ｕ）の範囲内で、前記規格化定数（Ｎ）に合わせて基準化される前記位置検知器信号（Ｓ）に対応する、規格化された検知器信号関数（Ｓ^＊（ｚ））が、本質的に、少なくとも振れ（ｚ）の限定された範囲内で線形であり、前記限定された範囲が、シャッタ距離（ｄ_Ｂ）の減少とともに増大することを特徴とする、請求項２に記載の計量セル（１）。
4. 前記小区分（ｕ）の範囲内で、および前記振れ（ｚ）の前記限定された範囲内で、前記規格化された感度（Ｅ^＊）が、前記シャッタ距離（ｄ_Ｂ）の変更があるときに、本質的に不変のままであることを特徴とする、請求項３に記載の計量セル（１）。
5. 前記シャッタ羽根（１０）の前記振れ（ｚ）が、止め具により、最大限の振れ振幅（ａ）の前記振れ範囲（−ａ≦ｚ≦＋ａ）に限定されることを特徴とする、請求項３または４に記載の計量セル。
6. 前記光源（１２）が、支持体ブロック（１８）に組み込まれる発光ダイオード（１７）を備えることを特徴とする、請求項１から５の一項に記載の計量セル。
7. 前記受光器（１３）が、前記ｚ方向での指定された高さ（ｈ）の少なくとも１つの感光性表面領域（２１、２２）を備えることを特徴とする、請求項１から６の一項に記載の計量セル。
8. 前記シャッタ羽根（１０）が、通過開口部、特に、前記ｚ方向でのスリット幅（ｂ）を伴うスリット開孔部（１１）を備えることを特徴とする、請求項１から７の一項に記載の計量セル。
9. 前記シャッタ羽根（１０）が、通過開口部、特に、前記ｚ方向での幅（ｂ）を伴う、円形または細長の開孔穴を備えることを特徴とする、請求項１から７の一項に記載の計量セル。
10. 前記スリット開孔部（１１）を通って、または、前記円形もしくは細長の開孔穴を通って放射される光が、前記受光器（１３）の前記感光性表面領域（２１、２２）上に照射像（２４）を投射し、前記空間間隔（ｄ）、前記シャッタ距離（ｄ_Ｂ）、光源直径（Ｄ）、前記高さ（ｈ）および／または前記最大限の振れ振幅（ａ）の大きさを考慮した後で、前記スリット開孔部の前記幅（ｂ）が、振れにより発生される、偏移された照射像（２４’）が、前記最大限の振れ振幅（ａ）でも、前記感光性表面領域（２１、２２）の前記高さ（ｈ）の範囲内に、依然として収まることになるように寸法設定されることを特徴とする、請求項８または９に記載の計量セル。
11. 前記受光器（１３）が、差動回路構成で動作する、２つの別々の感光性表面領域（２１、２２）を伴う差動フォトダイオードを備え、前記表面領域（２１、２２）が、等しい矩形の形状およびサイズであり、かつ、ｘ方向に延在し前記ｚ方向では比較的狭い分離ストリップ（２３）の両側部上に、ある距離（ｔ）で相互に離れてあることを特徴とする、請求項１から１０の一項に記載の計量セル。
12. 前記スリット開孔部（１１）、または、前記円形もしくは溝穴付きの開孔穴を経由して、前記光源（１２）から受ける前記光の分布に応じて、前記第１の感光性表面領域（２１）が第１の電流（Ｉ_１）を生成し、前記第２の感光性表面領域（２２）が第２の電流（Ｉ_２）を生成し、前記２つの電流間の差（Ｉ_１−Ｉ_２）が、前記シャッタ羽根（１０）の前記振れ（ｚ）に対応する前記検知器信号（Ｓ）を表すことを特徴とする、請求項８から１１の一項に記載の計量セル。
13. 前記光源（１２）の電源が、前記光源（１２）から前記スリット開孔部（１１）を通って、前記第１の感光性領域（２１）および前記第２の感光性領域（２２）上に向けられる光の全体量に対応する前記電流の和（Ｉ_１＋Ｉ_２）が一定に維持されるような方法で、帰還制御器により調整されることを特徴とする、請求項１２に記載の計量セル。
14. 一定に維持されている前記電流の前記和（Ｉ_１＋Ｉ_２）が、前記位置検知器信号（Ｓ）を前記規格化された位置検知器信号（Ｓ^＊）に、および、感度（Ｅ）を前記規格化された感度（Ｅ^＊）に変換するために、前記規格化定数（Ｎ）として働くように使用されることを特徴とする、請求項１３に記載の計量セル。
15. 前記永久磁石系（５）が、前記基部（２）上に堅固に装着されること、および／または、前記光電子位置検知器が、前記基部（２）上に堅固に装着されることを特徴とする、請求項１から１４の一項に記載の計量セル。

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