JP3482464B2 - 質量測定装置 - Google Patents
質量測定装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、種々の物体の質量
を精密に測定する質量測定装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】かかる精密な質量測定装置として、例え
ば水晶振動子や弾性表面波素子を利用した振動式の電子
天秤がある。この電子天秤は、水晶振動子や弾性表面波
素子が振動する際の周波数と、これら素子に加わる荷重
との関係を用いて質量を測定するものであり、比較的低
消費電力で動作し、測定精度も高いと言う利点を有して
いる。 【０００３】しかしながら、こうした電子天秤には、周
囲の温度変化によって水晶振動子や弾性表面波素子の特
性が変化してしまうことにより誤差が発生する、船上や
車中などのような、揺動等により常時外乱にさらされて
いる環境下では測定が非常に困難であり、また測定対象
からの荷重に基づいて測定を行うため、無重力状態で測
定できないという問題がある。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の問題点を解決し、簡単な構成で、温度変化等の周囲の
環境の変化や外乱に測定精度が影響されず、また無重力
状態でも測定ができる質量測定装置を提案するものであ
る。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明による質量測定装
置は、測定対象物を一定の駆動力で往復運動させる駆動
部と、前記測定対象物の速度を検出する速度検出部と、
前記速度検出部で測定した前記測定対象物の速度の方向
に応じて正負いずれかの信号を出力する、ヒステリシス
特性を有するリレー要素部と、前記リレー要素部から出
力された信号を前記駆動部にフィードバックさせ、この
信号によって前記駆動部が前記測定対象物を往復運動さ
せる周期を規定するフィードバック回路を有する制御部
とを具え、前記駆動部における駆動力、前記測定対象物
の速度および前記駆動部が前記測定対象物を往復運動さ
せる周期より、前記測定対象物の質量を求めることを特
徴とするものである。 【０００６】ヒステリシス特性を有するリレー要素を含
むフィードバック系は、その定常状態において自励振動
（リミットサイクル）を生じる場合がある。中でも速度
制御に、このようなフィードバック系を用いた場合、制
御対象となる可動物体の質量によって、自励振動の周期
が変化すると言う特徴がある。本発明による質量測定装
置は、この現象を利用して測定を行うものである。 【０００７】本発明による質量測定装置においては、測
定対象となる物体を往復運動させる駆動部、測定対象の
速度を検出する速度検出部、入力された信号（検出した
速度の方向）に対応して正または負の信号を出力する、
ヒステリシス特性を有するリレー要素により、フィード
バック系を形成している。本発明による質量測定装置
は、このフィードバック系における自励振動の周期、す
なわち、駆動部が測定対象を往復運動させる周期が測定
対象の質量によって変化することを利用して、測定対象
となる物体の質量の測定を行う。 【０００８】それゆえ、温度変化や外部からの振動と言
った周囲の環境の変化に影響されることなく、高い精度
で質量の測定を行うことができ、また、測定対象物から
の荷重に基づいて測定を行うものではないため、無重力
下でも測定を行うことが可能である。 【０００９】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態について説明する。 【００１０】図1は、本発明による質量測定装置の構成
を概略示すブロック図である。本装置10は、測定対象物
11を往復動させるアクチュエータ12、測定対象物11が往
復動する速度を検出する速度センサ13、速度センサ13で
検出した測定対象物11の速度方向（正または負）に対応
して正または負のいずれかの信号を出力するようなヒス
テリシス特性を有するリレー要素14および、リレー要素
14から出力される信号に基づいてアクチュエータ12を駆
動するコントローラ（アンプ）15を具え、これらによっ
てフィードバック系が形成されている。 【００１１】次に、本装置10による質量測定の原理につ
いて説明する。 【００１２】図2に示すように、本装置10において、ア
クチュエータ12が駆動力＋Ｆ０で測定対象物11を駆動
し、その速度が＋ｖ０に達すると、駆動力を−Ｆ０に切
り換える。その後測定対象物11の速度が減少して−ｖ０
に達すると、今度は駆動力を＋Ｆ０に切り換える。な
お、以後の記載では、測定対象物11の速度ｖ０を、アク
チュエータ12の駆動力の方向を切り換える際の速度とし
て「切り換え速度」と呼ぶ。 【００１３】ここで、測定対象物11に＋Ｆ０の力が作用
しているときの測定対象物11の運動方程式は、測定対象
物11の質量をｍとして、 【数１】 であるから、このときの周期Ｔ１は、 【数２】 より求められる。 【００１４】次に、測定対象物11に−Ｆ０の力が作用し
ているときの測定対象物11の運動方程式より、このとき
の周期Ｔ２は 【数３】 より求められる。 【００１５】上の２式より、測定対象物11の往復動の周
期Ｔは 【数４】 となる。 【００１６】これより、測定対象物11の質量ｍは、周期
Ｔを測定することにより、式 【数５】から求めることができる。なお、駆動力Ｆ０および切り
換え速度ｖ０の値は、予め設定した値、または測定した
値のいずれかを用いれば良い。 【００１７】さて、本装置10において、リレー要素14は
速度センサ13で検出した測定対象物11の速度ｖに応じて
＋Ａ０または−Ａ０の信号を出力する。測定対象物11の
速度ｖが切り換え速度ｖ０に達した時、リレー要素14は
−Ａ０の信号を出力し、一方測定対象物11の速度が切り
換え速度−ｖ０に達した時、リレー要素14は＋Ａ０の信
号を出力するように設定する。 【００１８】アクチュエータ12は、コントローラ15を通
してリレー要素14から＋Ａ０の信号を受けた時には、測
定対象物11を＋Ｆ０の駆動力で駆動し、一方の−Ａ０信
号を受けた時には−Ｆ０の駆動力で駆動する。 【００１９】このとき、前述の周期Ｔは、本装置10にお
いて形成されているフィードバック系の自励振動の周期
に他ならず、この周期は上の式から、測定対象物11の質
量に比例していることが理解されよう。それゆえ、前述
のように測定対象物11の質量を測定することが可能とな
る。また、上述した原理からも明らかなように、測定対
象物からの荷重に基づいて質量を求めるものではない、
換言すれば重力を利用しないで測定を行うものであるこ
とから、無重力下においても質量測定が可能である。 【００２０】次に、本装置10に外乱が加わった場合を考
える。外乱の例として、装置10全体が水平方向に加速度
ａで移動していると仮定する。このとき、測定対象物に
は−ｍａの慣性力が作用することとなるので、先の周期
Ｔ１，Ｔ２は、それぞれ次式で求められる。 【数６】 【００２１】上の２式からＴ１，Ｔ２それぞれの逆数の
和を求めると次式のようになる。 【数７】 【００２２】したがって、測定対象物11の質量ｍは、次
式により求められることとなる。 【数８】 【００２３】上の式から明らかなように、本装置は、加
速度ａの影響、換言すれば外乱の影響を受けること無
く、測定対象物の質量を測定することが可能であること
が理解される。したがって、本装置は車輌内や船舶上と
言った揺動環境下においても質量測定が可能であること
が示される。 【００２４】図3〜図5は、それぞれ本装置による測定実
験の結果を示すグラフである。まず、図3は、アクチュ
エータ12（図1参照）の駆動力を一定として、測定対象
物11（図1参照）の異なる切り換え速度に対する、アク
チュエータ12の往復動周期と、測定対象物11の測定質量
との関係を示すものである。図より、周期と質量との良
好な相関（直線性）が得られていることが理解される
が、特に、測定対象物11の切り換え速度、すなわちリレ
ー要素14のヒステリシス特性の幅を大きくし、アクチュ
エータ12の往復動周期を長くすることで、より良好な相
関が得られることがわかる。 【００２５】図4は、測定対象物11の切り換え速度を一
定とした場合の、アクチュエータ12の異なる駆動力に対
する、アクチュエータ12の往復動周期と、測定対象物11
の測定質量との関係を示すものである。この図からも、
周期と質量との良好な相関が得られていることが理解さ
れるが、特に、アクチュエータ12の駆動力を小さくする
と共に往復動周期を長くすることで、より良好な相関が
得られることがわかる。 【００２６】図5は、本装置における測定対象物11の測
定質量と、実際の質量との関係を示すものである。図よ
り、本装置により良好な質量測定結果が得られることが
理解されよう。 【００２７】以上説明したように、本発明による質量測
定装置は、構成が単純であり、また周囲の環境の変化や
外乱に影響されることなく質量測定を行うことが可能で
ある。それゆえ、船上や車輌内と言った測定系に外乱が
入りやすい場所での測定が可能であり、また従来の電子
天秤のように測定対象物の重量、すなわち荷重に基づい
て測定を行うものではないため、無重力状態での測定も
可能である。
を精密に測定する質量測定装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】かかる精密な質量測定装置として、例え
ば水晶振動子や弾性表面波素子を利用した振動式の電子
天秤がある。この電子天秤は、水晶振動子や弾性表面波
素子が振動する際の周波数と、これら素子に加わる荷重
との関係を用いて質量を測定するものであり、比較的低
消費電力で動作し、測定精度も高いと言う利点を有して
いる。 【０００３】しかしながら、こうした電子天秤には、周
囲の温度変化によって水晶振動子や弾性表面波素子の特
性が変化してしまうことにより誤差が発生する、船上や
車中などのような、揺動等により常時外乱にさらされて
いる環境下では測定が非常に困難であり、また測定対象
からの荷重に基づいて測定を行うため、無重力状態で測
定できないという問題がある。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の問題点を解決し、簡単な構成で、温度変化等の周囲の
環境の変化や外乱に測定精度が影響されず、また無重力
状態でも測定ができる質量測定装置を提案するものであ
る。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明による質量測定装
置は、測定対象物を一定の駆動力で往復運動させる駆動
部と、前記測定対象物の速度を検出する速度検出部と、
前記速度検出部で測定した前記測定対象物の速度の方向
に応じて正負いずれかの信号を出力する、ヒステリシス
特性を有するリレー要素部と、前記リレー要素部から出
力された信号を前記駆動部にフィードバックさせ、この
信号によって前記駆動部が前記測定対象物を往復運動さ
せる周期を規定するフィードバック回路を有する制御部
とを具え、前記駆動部における駆動力、前記測定対象物
の速度および前記駆動部が前記測定対象物を往復運動さ
せる周期より、前記測定対象物の質量を求めることを特
徴とするものである。 【０００６】ヒステリシス特性を有するリレー要素を含
むフィードバック系は、その定常状態において自励振動
（リミットサイクル）を生じる場合がある。中でも速度
制御に、このようなフィードバック系を用いた場合、制
御対象となる可動物体の質量によって、自励振動の周期
が変化すると言う特徴がある。本発明による質量測定装
置は、この現象を利用して測定を行うものである。 【０００７】本発明による質量測定装置においては、測
定対象となる物体を往復運動させる駆動部、測定対象の
速度を検出する速度検出部、入力された信号（検出した
速度の方向）に対応して正または負の信号を出力する、
ヒステリシス特性を有するリレー要素により、フィード
バック系を形成している。本発明による質量測定装置
は、このフィードバック系における自励振動の周期、す
なわち、駆動部が測定対象を往復運動させる周期が測定
対象の質量によって変化することを利用して、測定対象
となる物体の質量の測定を行う。 【０００８】それゆえ、温度変化や外部からの振動と言
った周囲の環境の変化に影響されることなく、高い精度
で質量の測定を行うことができ、また、測定対象物から
の荷重に基づいて測定を行うものではないため、無重力
下でも測定を行うことが可能である。 【０００９】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態について説明する。 【００１０】図1は、本発明による質量測定装置の構成
を概略示すブロック図である。本装置10は、測定対象物
11を往復動させるアクチュエータ12、測定対象物11が往
復動する速度を検出する速度センサ13、速度センサ13で
検出した測定対象物11の速度方向（正または負）に対応
して正または負のいずれかの信号を出力するようなヒス
テリシス特性を有するリレー要素14および、リレー要素
14から出力される信号に基づいてアクチュエータ12を駆
動するコントローラ（アンプ）15を具え、これらによっ
てフィードバック系が形成されている。 【００１１】次に、本装置10による質量測定の原理につ
いて説明する。 【００１２】図2に示すように、本装置10において、ア
クチュエータ12が駆動力＋Ｆ０で測定対象物11を駆動
し、その速度が＋ｖ０に達すると、駆動力を−Ｆ０に切
り換える。その後測定対象物11の速度が減少して−ｖ０
に達すると、今度は駆動力を＋Ｆ０に切り換える。な
お、以後の記載では、測定対象物11の速度ｖ０を、アク
チュエータ12の駆動力の方向を切り換える際の速度とし
て「切り換え速度」と呼ぶ。 【００１３】ここで、測定対象物11に＋Ｆ０の力が作用
しているときの測定対象物11の運動方程式は、測定対象
物11の質量をｍとして、 【数１】 であるから、このときの周期Ｔ１は、 【数２】 より求められる。 【００１４】次に、測定対象物11に−Ｆ０の力が作用し
ているときの測定対象物11の運動方程式より、このとき
の周期Ｔ２は 【数３】 より求められる。 【００１５】上の２式より、測定対象物11の往復動の周
期Ｔは 【数４】 となる。 【００１６】これより、測定対象物11の質量ｍは、周期
Ｔを測定することにより、式 【数５】から求めることができる。なお、駆動力Ｆ０および切り
換え速度ｖ０の値は、予め設定した値、または測定した
値のいずれかを用いれば良い。 【００１７】さて、本装置10において、リレー要素14は
速度センサ13で検出した測定対象物11の速度ｖに応じて
＋Ａ０または−Ａ０の信号を出力する。測定対象物11の
速度ｖが切り換え速度ｖ０に達した時、リレー要素14は
−Ａ０の信号を出力し、一方測定対象物11の速度が切り
換え速度−ｖ０に達した時、リレー要素14は＋Ａ０の信
号を出力するように設定する。 【００１８】アクチュエータ12は、コントローラ15を通
してリレー要素14から＋Ａ０の信号を受けた時には、測
定対象物11を＋Ｆ０の駆動力で駆動し、一方の−Ａ０信
号を受けた時には−Ｆ０の駆動力で駆動する。 【００１９】このとき、前述の周期Ｔは、本装置10にお
いて形成されているフィードバック系の自励振動の周期
に他ならず、この周期は上の式から、測定対象物11の質
量に比例していることが理解されよう。それゆえ、前述
のように測定対象物11の質量を測定することが可能とな
る。また、上述した原理からも明らかなように、測定対
象物からの荷重に基づいて質量を求めるものではない、
換言すれば重力を利用しないで測定を行うものであるこ
とから、無重力下においても質量測定が可能である。 【００２０】次に、本装置10に外乱が加わった場合を考
える。外乱の例として、装置10全体が水平方向に加速度
ａで移動していると仮定する。このとき、測定対象物に
は−ｍａの慣性力が作用することとなるので、先の周期
Ｔ１，Ｔ２は、それぞれ次式で求められる。 【数６】 【００２１】上の２式からＴ１，Ｔ２それぞれの逆数の
和を求めると次式のようになる。 【数７】 【００２２】したがって、測定対象物11の質量ｍは、次
式により求められることとなる。 【数８】 【００２３】上の式から明らかなように、本装置は、加
速度ａの影響、換言すれば外乱の影響を受けること無
く、測定対象物の質量を測定することが可能であること
が理解される。したがって、本装置は車輌内や船舶上と
言った揺動環境下においても質量測定が可能であること
が示される。 【００２４】図3〜図5は、それぞれ本装置による測定実
験の結果を示すグラフである。まず、図3は、アクチュ
エータ12（図1参照）の駆動力を一定として、測定対象
物11（図1参照）の異なる切り換え速度に対する、アク
チュエータ12の往復動周期と、測定対象物11の測定質量
との関係を示すものである。図より、周期と質量との良
好な相関（直線性）が得られていることが理解される
が、特に、測定対象物11の切り換え速度、すなわちリレ
ー要素14のヒステリシス特性の幅を大きくし、アクチュ
エータ12の往復動周期を長くすることで、より良好な相
関が得られることがわかる。 【００２５】図4は、測定対象物11の切り換え速度を一
定とした場合の、アクチュエータ12の異なる駆動力に対
する、アクチュエータ12の往復動周期と、測定対象物11
の測定質量との関係を示すものである。この図からも、
周期と質量との良好な相関が得られていることが理解さ
れるが、特に、アクチュエータ12の駆動力を小さくする
と共に往復動周期を長くすることで、より良好な相関が
得られることがわかる。 【００２６】図5は、本装置における測定対象物11の測
定質量と、実際の質量との関係を示すものである。図よ
り、本装置により良好な質量測定結果が得られることが
理解されよう。 【００２７】以上説明したように、本発明による質量測
定装置は、構成が単純であり、また周囲の環境の変化や
外乱に影響されることなく質量測定を行うことが可能で
ある。それゆえ、船上や車輌内と言った測定系に外乱が
入りやすい場所での測定が可能であり、また従来の電子
天秤のように測定対象物の重量、すなわち荷重に基づい
て測定を行うものではないため、無重力状態での測定も
可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による質量測定装置の構成を概略示す
ブロック図である。 【図２】 本装置における、測定対象物の速度変化およ
び測定対象物の駆動力の変化をそれぞれ示すグラフであ
る。 【図３】 本装置における、測定対象物の異なる切り換
え速度に対する、測定対象物の質量と往復動周期との関
係を示すグラフである。 【図４】 本装置における、測定対象物の異なる駆動力
に対する、測定対象物の質量と往復動周期との関係を示
すグラフである。 【図５】 本装置における、測定対象物の測定質量と実
際の質量との関係を示すグラフである。 【符号の説明】 10 質量測定装置 11 測定対象物 12 アクチュエータ 13 速度センサ 14 リレー要素 15 コントローラ（アンプ）
ブロック図である。 【図２】 本装置における、測定対象物の速度変化およ
び測定対象物の駆動力の変化をそれぞれ示すグラフであ
る。 【図３】 本装置における、測定対象物の異なる切り換
え速度に対する、測定対象物の質量と往復動周期との関
係を示すグラフである。 【図４】 本装置における、測定対象物の異なる駆動力
に対する、測定対象物の質量と往復動周期との関係を示
すグラフである。 【図５】 本装置における、測定対象物の測定質量と実
際の質量との関係を示すグラフである。 【符号の説明】 10 質量測定装置 11 測定対象物 12 アクチュエータ 13 速度センサ 14 リレー要素 15 コントローラ（アンプ）
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 測定対象物を一定の駆動力で往復運動さ
せる駆動部と、 前記測定対象物の速度を検出する速度検出部と、 前記速度検出部で測定した前記測定対象物の速度の方向
に応じて正負いずれかの信号を出力する、ヒステリシス
特性を有するリレー要素部と、 前記リレー要素部から出力された信号を前記駆動部にフ
ィードバックさせ、この信号によって前記駆動部が前記
測定対象物を往復運動させる周期を規定するフィードバ
ック回路を有する制御部とを具え、 前記駆動部における駆動力、前記測定対象物の速度およ
び前記駆動部が前記測定対象物を往復運動させる周期よ
り、前記測定対象物の質量を求めることを特徴とする質
量測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001015251A JP3482464B2 (ja) | 2001-01-24 | 2001-01-24 | 質量測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001015251A JP3482464B2 (ja) | 2001-01-24 | 2001-01-24 | 質量測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002214025A JP2002214025A (ja) | 2002-07-31 |
| JP3482464B2 true JP3482464B2 (ja) | 2003-12-22 |
Family
ID=18881835
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001015251A Expired - Lifetime JP3482464B2 (ja) | 2001-01-24 | 2001-01-24 | 質量測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3482464B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100587822B1 (ko) | 2004-07-15 | 2006-06-12 | 한국항공우주연구원 | 무중력 환경에서의 관성력과 표준 질량을 이용한 질량측정 시스템 및 방법 |
-
2001
- 2001-01-24 JP JP2001015251A patent/JP3482464B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002214025A (ja) | 2002-07-31 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3482464 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |