JP3289463B2 - 電磁式の天びんまたは力測定器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は質量測定または力測定を
行うための測定器に関し、更に詳しくは、電磁力平衡式
の天びんまたは力測定器に関する。

【０００２】

【従来の技術】電磁力を被測定荷重（質量）または力に
対して釣り合わせることによってその荷重または力を測
定する、いわゆる電磁式の天びんまたは力測定器におい
ては、永久磁石を主体とする磁気回路が作る静磁界中に
フォースコイルを配置し、そのフォースコイルに電流を
流すことによって、被測定荷重または力と釣り合わせる
ための電磁力を発生している。そして、この電磁力と被
測定荷重または力が釣り合っている状態でフォースコイ
ルに流れる電流の大きさから、その荷重または力の大き
さを求めるようになっている。

【０００３】ところで、永久磁石はその温度によって、
発生する磁界の強さが約−２００ｐｐｍ／°Ｃ〜−４０
０ｐｐｍ／°Ｃ程度の割合で変化する。この磁界の強さ
の変化により、フォースコイルに流れる電流値と発生電
磁力との関係が変化するため、被測定荷重ないしは力と
釣り合わせるために要する電流は、逆に＋２００ｐｐｍ
／°Ｃ〜４００ｐｐｍ／°Ｃの割合で変化し、その分測
定誤差が生じる。

【０００４】従来の電磁式の天びんまたは力測定器にお
いては、一般に、永久磁石の温度を温度センサで検出
し、その出力を用いてハード的またはソフト的に、ある
いはその両方によって永久磁石の温度変化に起因する測
定誤差を補償している。すなわち、ハード的な補償方法
としては、例えばその温度センサの出力に基づき、フォ
ースコイルに流れる電流の計測値をデジタル化するため
のＡ−Ｄ変換器の基準電圧を＋２００ｐｐｍ／°Ｃ〜＋
４００ｐｐｍ／°Ｃで変化させる等の方法が、また、ソ
フト的な補償方法としては、デジタル化されたフォース
コイル電流の計測データをマイクロコンピュータで処理
するに際に、温度センサの出力に応じた補償演算を行う
等の方法が採用されている。

【０００５】ここで、従来のこの種の測定器において
は、永久磁石の温度を検出するための温度センサは、そ
の出力が永久磁石の温度を代表するように、通常は永久
磁石の中央部に位置するよう、永久磁石の中央部分をく
り抜いて配置されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の補
償方法によると、いずれも環境温度に対する補償を主体
として考慮されたものであって、気温の変化等による静
的な、あるいはゆるやかな永久磁石の温度変化に対する
補償は比較的簡単に行うことができて問題はないもの
の、永久磁石の比較的急激な温度変化による過渡的な磁
界変化は十分に補償できないという問題があった。

【０００７】すなわち、例えば電磁式の天びんにあって
は、試料を測定皿上に載せたまま放置し、また、その状
態で発生している電磁力がその天びんのひょう量に近い
状態であるような場合、フォースコイルの発熱により永
久磁石が急激に加熱される。このような場合、永久磁石
の温度変化による磁界変化が急であるが故に、従来の補
償方法では温度センサの出力がこれに追随せずに十分な
補償はできず、このような状態における表示値の経時的
変化を図８に例示するように、結果的に天びんの表示値
がクリープ現象的に徐々に大きくなっていくことにな
る。

【０００８】この対策として、従来、永久磁石の熱容量
を大きくしてその温度変化をゆるやかにするとともに、
永久磁石を大きくし、その発生磁界を大きくしてフォー
スコイルの所要電流を小さくしてコイルの発熱を小さく
したり、温度センサの取り付け位置を工夫する等の方法
が採用されているが、コストが高くなるばかりでなく、
これでもなお十分な対策にはなっていなかった。

【０００９】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、安価な構成のもとに、気温変化等による永久磁
石のゆるやかな温度変化のほか、フォースコイルの発熱
により永久磁石が急激に加熱されて過渡的に磁界が変化
しても、これに十分に追随して補償を行うことのできる
電磁式の天びんまたは力測定器の提供を目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の電磁式の天びんまたは力測定器は、実施例
図面である図１に示すように、永久磁石１ａを主体とす
る磁気回路１によって形成された静磁界中にフォースコ
イル２が配置され、そのフォースコイル２に電流を流す
ことによって発生する電磁力を、被測定荷重または力と
釣り合わせ、その釣り合い状態でフォースコイル２に流
れる電流に基づいて被測定荷重または力の大きさを求め
る測定器において、磁気回路１中でフォースコイル２に
対向する位置に温度センサ８が配設されているととも
に、この温度センサ８とフォースコイル２との間に、フ
ォースコイル２の発熱による熱に対する当該温度センサ
８の熱応答性を、同じくフォースコイル２の発熱による
熱に対する永久磁石１ａの熱応答性と略一致させるため
の熱応答調整要素９が配設されていることによって特徴
づけられる。

【００１１】

【作用】本発明は、永久磁石１ａの温度を検出するため
の温度センサ８の出力を、永久磁石１ａの急激な温度変
化、つまりフォースコイル２に流れる電流ｉによるコイ
ルの発熱に起因する永久磁石１ａの温度変化、にも正確
に追随させることによって、永久磁石１ａの過渡的な温
度変化に起因する磁界の変化をも補償しようとするもの
である。

【００１２】すなわち、永久磁石１ａに急激な温度変化
をもたらす熱源であるフォースコイル２に対向する位置
に温度センサ８を設けると、そのままでは永久磁石１ａ
よりもフォースコイル２からの熱に対する熱応答性が高
くなる。そこで、このような位置に置かれた温度センサ
８とフォースコイル２との間に、熱応答性を適宜に低下
させるための熱応答調整要素９を介在させている。フォ
ースコイル２からの熱に対する温度センサ８の熱応答性
が、同じ熱に対する永久磁石１ａの熱応答性と略一致す
るよう、実験的に熱応答調整要素９による温度センサ８
の熱応答性の低下の程度をあらかじめ選定しておくと、
温度センサ８の出力は永久磁石１ａの急激な温度変化に
も正確に追随し、所期の目的を達成することができる。

【００１３】なお、気温の変化等による永久磁石１ａの
ゆるやかな温度変化に対しては、磁気回路１内、従って
永久磁石１ａの近傍に温度センサ８を配置しているた
め、従来のものと同様に十分に補償可能である。

【００１４】

【実施例】図１は本発明実施例の要部構造の正面中央縦
断面図と回路構成のブロック図とを併記して示す構成図
で、図２はそのポールピース１ｃのみを抽出して示す平
面図である。 永久磁石１ａ、ヨーク１ｂおよびポール
ピース１ｃによって構成された磁気回路１は、円筒状の
空隙に静磁界を形成し、この静磁界中に円筒状に巻かれ
たフォースコイル２が配置されている。

【００１５】すなわち、永久磁石１ａは例えば図中上方
にＮ極、下方にＳ極が位置するようにカップ状のヨーク
１ｂ内の底面上にその下面が固着されているとともに、
その上面には円柱状のポールピース１ｃが固着されてお
り、このポールピース１ｃの外周面とこれに対向するヨ
ーク１ｂの内周面とで囲まれた円筒状の空隙に静磁界が
形成される。

【００１６】この静磁界中に置かれるフォースコイル２
は、巻き枠２ａを介してビーム３に固着されており、こ
のビーム３は支点（図示せず）を挟んでその一端部に、
天びんにあっては測定皿が、力測定器にあっては被測定
力の負荷部が設けられるとともに、他端部には変位セン
サ４が配設されてその変位が検出されるようになってい
る。

【００１７】変位センサ４の出力はサーボアンプ５に導
かれ、このサーボアンプ５からビーム３の変位量に応じ
た大きさの電流がフォースコイル２に流される。この構
成により、測定皿ないしは被測定力の負荷部に荷重ない
しは力が加わると、それに応じた電流ｉがフォースコイ
ル２に流れることになり、永久磁石１ａを主体とする磁
気回路１が作る上記した円筒状の静磁界中の磁界をＨ、
フォースコイル２の半径および巻き数をそれぞれｒおよ
びｎとしたとき、フォースコイル２を介してビーム３に
は、Ｆ＝２πｒｎｉＨの電磁力が作用し、ビーム３のレ
バー比によって何倍かに拡大されて、被測定荷重ないし
は力に抗してビーム３の変位が零になるよう自動平衡す
る。

【００１８】この平衡状態においてフォースコイル２に
流れる電流ｉは、磁気回路１により形成される磁界Ｈが
一定である限りにおいて被測定荷重ないしは力に比例す
ることになり、その電流値ｉは出力抵抗Ｒで電圧信号に
変換され、Ａ−Ｄ変換器６でデジタル化された後にマイ
クロコンピュータ７に採り込まれる。マイクロコンピュ
ータ７では、その電流値ｉのデジタル変換データを用い
た演算によって被測定荷重ないしは力を算出し、表示器
７ａに表示する。

【００１９】永久磁石１ａの温度変化による磁界Ｈの変
化を補償するための温度センサ８は、磁気回路１内でフ
ォースコイル２に対向する位置、すなわち、この例で
は、ポールピース１ｃの外周面に形成された切り欠き部
Ｕの内部、に配置されている。そして、この温度センサ
８のフォースコイル２側に向く面には、後述する熱応答
調整部材９が装着されている。

【００２０】温度センサ８の出力は温度補償回路１０に
供給される。この温度補償回路１０は、Ａ−Ｄ変換器６
の基準電圧源（図示せず）からの電圧信号Ｖ_rを、温度
センサ８の出力に応じて変化させた後に、Ａ−Ｄ変換器
６の基準電圧入力端子に供給する。すなわち、温度補償
回路１０は、永久磁石１ａの磁界の温度特性が例えば−
３００ｐｐｍ／℃であるとすると、温度センサ８による
温度検出値が１℃上昇するごとに、Ａ−Ｄ変換器６の基
準電圧を＋３００ｐｐｍ／℃ずつ増大させ、これによ
り、永久磁石１ａの温度が相違することによる磁界Ｈの
大きさの相違に起因する、フォースコイル２の電流ｉと
発生電磁力Ｆとの関係の変化を、電流値ｉのデジタル化
の際に補償し得るようになっている。

【００２１】さて、熱応答調整部材９は、フォースコイ
ル２に電流ｉが流れることによって発生する熱に対する
温度センサ８の熱応答性を低下させて、その熱応答性
が、同じ熱に対する永久磁石１１の熱応答性と等しくな
るように調整するための部材である。

【００２２】すなわち、電流ｉが流れることによって発
熱するフォースコイル２に対向して配置された温度セン
サ８は、熱応答調整部材９が存在しない状態では、フォ
ースコイル２で発生した熱に対する熱応答性が高く、そ
のフォースコイル２の発熱による永久磁石１ａの温度上
昇よりも早く温度センサ８の出力が変化してしまう。熱
応答調整部材９は、このフォースコイル２で発生した熱
に対する温度センサ８の熱応答性が、永久磁石１ａの熱
応答性と一致するように、温度センサ８の熱応答性を低
下させるように機能する。

【００２３】この熱応答調整部材９は、その材質として
は黄銅やプラスチック等、特に磁気回路１が作る磁界に
大きな影響を与えないものであれば任意の材質とするこ
とができ、その材質の持つ熱容量、熱伝導度等に応じ
て、天びんの品種（全体構造並びに各部材の形状・寸法
等）ごとに、あらかじめ実験的にその大きさ等が決定さ
れる。

【００２４】図３はその熱応答調整部材９の選定手法の
説明図である。この図は、測定皿ないしは力負荷部に当
該測定器のフルスケールに近い大きな荷重ないしは力を
負荷した状態での、表示値の経時的変化を横軸を時間軸
で表すグラフで、破線が図１に示した構成から熱応答調
整部材９を除いた状態を、実線が最適な熱応答調整部材
９を装着した状態を、また、一点鎖線がそれよりも大き
な熱応答調整部材９を装着した状態を示している。

【００２５】この図３に示すように、フォースコイル２
に対向した位置に温度センサ８のみを取り付けた場合、
あるいは熱応答調整部材９が小さすぎた場合には、温度
センサ８の応答が永久磁石１ａよりも早く、フォースコ
イル２の発熱によるスパン変化の過補償によって表示値
が経時的に小さくなる。一方、熱応答調整部材９が大き
すぎると、温度センサ８の応答が永久磁石１ａよりも遅
くなり、この場合にはスパン変化に対する補償不足によ
って表示値は経時的に大きくなる。最適な大きさの熱応
答調整部材９を装着した場合には、フォースコイル２の
発熱にも関わらずスパン変化が生じず、これは、温度セ
ンサ８の応答が永久磁石１ａの温度変化と合致している
ことを示すものであり、熱応答調整部材９は、このよう
な実線で示したグラフが得られるよう、その材質の持つ
熱容量と熱伝導度に関連して大きさが選定される。

【００２６】以上のような最適な熱応答調整部材９が装
着されている状態では、フォースコイル２の発熱による
永久磁石１ａの急激な温度変化があっても、温度センサ
８の出力はこれに合致して変化することになり、温度補
償回路１０には常に永久磁石１ａの温度を正しく表す温
度信号が供給される結果、マイクロコンピュータ７に採
り込まれる電流ｉのデータは、永久磁石１ａの温度変化
による磁界Ｈの大きさの変化が補償された値となり、計
量値には永久磁石１ａの温度変化による影響が現れな
い。

【００２７】なお、磁気回路１の構造並びにそれに関連
した温度センサ８の配設位置としては、以上の実施例に
限られず、以下に示すように多種のバリエーションが考
えられる。

【００２８】まず、図４（Ａ）および（Ｂ）にそれぞれ
示すように、磁気回路として、ポールピース４１ｃの上
下両端面のそれぞれに永久磁石４１ａおよび４１ａ′を
Ｎ，Ｓ極を互いに逆転させて配置し、その全体をヨーク
４１ｂ内に収容するとともに、フォースコイル４２を巻
き枠４２ａを介してポールピース４１ｃとヨーク４１ｂ
との間の筒状空隙に配置した構造を採用することができ
る。この場合、温度センサ８は先の例と同様にポールピ
ース４２ｃの外周に形成した切り欠き部Ｕ内に配置し、
これとフォースコイル４２との間に熱応答調整部材９を
介在させればよい。なお、図４（Ａ）と（Ｂ）の相違
は、フォースコイル４２の軸方向長さにあり、ポールピ
ース４１ｃの軸方向長さよりもフォースコイル４２の軸
方向長さの方が長い場合と短い場合のいずれでもよい。

【００２９】図５に示す例は、ポールピースを持たない
磁気回路の例で、（Ａ）は正面中央縦断面図で、（Ｂ）
および（Ｃ）はその平面図および右側面図を示してい
る。この例では、断面略Ｕ字形のヨーク５１ｂ内に一側
面に上下に２枚の平板状の永久磁石５１ａ，５１ａ′を
固着し、その永久磁石５１ａ，５１ａ′とこれらと対向
するヨーク５１ｂの他側面との間に形成される空隙に形
成される静磁場内に、フラットコイル形のフォースコイ
ル５２を配置している。このような磁気回路を採用する
場合、温度センサ８は一方の永久磁石５１ａに形成した
切り欠き部Ｕ内に配置してフォースコイル５２と対向さ
せ、また、その温度センサ８とフォースコイル５２との
間に熱応答調整部材９を介在させればよい。

【００３０】なお、以上の各実施例において、ポールピ
ースまたは永久磁石に温度センサ８を装着するため、こ
れらに切り欠き部Ｕを形成したが、図６に要部の正面縦
断面図を例示するように、切り欠き部Ｕに代えてピット
状の凹所Ｐとしてもよく、また、図５に示した例では、
永久磁石５１ａに切り欠き部Ｕを形成する代わりに、図
７に要部平面図を示すようにその永久磁石５１ａを二つ
割りにしてその中間部に温度センサ８を取り付けてもよ
い。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
永久磁石を主体とする磁気回路中でフォースコイルに対
向する位置に温度センサを配設し、かつ、この温度セン
サとフォースコイルとの間には、フォースコイルの発熱
による熱に対する温度センサの熱応答性を、同じ熱に対
する永久磁石の熱応答性と略一致させるための熱応答調
整要素を介在させているから、気温の変化等による永久
磁石のゆるやかな温度変化のみならず、フォースコイル
の発熱による永久磁石の急激な温度変化にも正確に追随
する温度検出信号を得ることが可能となり、従来のよう
に永久磁石の中心部分に温度センサを配置する場合に比
して、より小さな永久磁石や温度係数の大きな永久磁石
を用いて、表示値にクリープ現象の発生しない電磁式の
天びんまたは力測定器を得ることができ、この種の測定
器の小型化並びにコストダウンを達成することができ
る。

【００３２】また、同様な理由により、従来のものと同
一寸法並びに同じ温度係数の永久磁石を用いた場合に
は、より高精度の電磁式の天びんまたは力測定器を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の要部構造の正面中央縦断面図と
回路構成のブロック図とを併記して示す構成図

【図２】そのポールピース１ｃのみを抽出して示す平面
図

【図３】同じくその熱応答調整部材９の選定手法を説明
するためのグラフ

【図４】本発明の他の実施例の要部構造の説明図

【図５】本発明の更に他の実施例の要部構造の説明図
で、（Ａ）は正面中央縦断面図、（Ｂ）および（Ｃ）は
その平面図および右側面図

【図６】本発明のまた更に他の実施例の要部の正面縦断
面図

【図７】図５に示した例の変形例を示す要部の平面図

【図８】従来の電磁式の天びんで、試料を測定皿上に載
せたまま放置した状態における表示値の経時的変化の例
を示すグラフ

【符号の説明】

１ 磁気回路 １ａ 永久磁石 １ｂ ヨーク １ｃ ポールピース ２ フォースコイル ２ａ 巻き枠 ３ ビーム ４ 変位センサ ５ サーボアンプ ６ Ａ−Ｄ変換器 ７ マイクロコンピュータ ８ 温度センサ ９ 熱応答調整部材 １０ 温度補償回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01G 7/02 G01G 23/48

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 永久磁石を主体とする磁気回路によって
   形成された静磁界中にフォースコイルが配置され、その
   フォースコイルに電流を流すことによって発生する電磁
   力を、被測定荷重または力と釣り合わせ、その釣り合い
   状態で上記フォースコイルに流れる電流に基づいて被測
   定荷重または力の大きさを求める測定器において、上記
   磁気回路中で上記フォースコイルに対向する位置に温度
   センサが配設されているとともに、この温度センサと上
   記フォースコイルとの間に、フォースコイルの発熱によ
   る熱に対する当該温度センサの熱応答性を、同熱に対す
   る上記永久磁石の熱応答性と略一致させるための熱応答
   調整要素が配設されていることを特徴とする、電磁式の
   天びんまたは力測定器。