JP3620168B2

JP3620168B2 - 電子天びん

Info

Publication number: JP3620168B2
Application number: JP25885496A
Authority: JP
Inventors: 公利田村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2016-09-30
Also published as: JPH10104045A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁力平衡型の電子天びんに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁力平衡型の電子天びんにおいては、一般に、皿に係合するビームに電磁力発生装置による電磁力を作用させるように構成するとともに、ビームの変位を変位センサで検出し、その変位検出結果が０となるように電磁力発生装置のコイルに供給する電流量をサーボ機構によって制御することにより、皿に作用する荷重に抗してビームを平衡させると同時に、その平衡させるに要した電流量から皿に作用する荷重の大きさ、つまり計量値を算出するように構成されている。
【０００３】
ここで、ビームの平衡位置、つまり変位センサによる変位検出結果が０となるビームの姿勢は、外乱振動に伴うビームの振れに起因する計量値の変動が、ビームの平衡点に相当する値の両側で対称となることが好ましいことから、一般には水平に設定される。
【０００４】
すなわち、ビームは支点を中心として回動自在に支承され、その支点からそれぞれに固有の距離だけ離れた位置に、鉛直方向に作用する被測定荷重の負荷点と、同じく鉛直方向に作用する電磁力の作用点が設けられるのであるが、ビームの姿勢が水平から逸脱すればするほど、これらの力によって支点を中心としてビームに作用するトルクが小さくなる。
【０００５】
ビームが水平な姿勢で平衡状態となるように設定されていると、ビームは水平な姿勢を中心として振れるため、ビームが振れている状態でコイルに流れる電流量は平衡点に相当する電流量を中心に対称に変動し、その平均値は平衡点に相当する電流量に一致する。
【０００６】
一方、ビームが水平でない姿勢で平衡状態となれば、ビームは水平でない姿勢を中心として振れるため、その振れの範囲内でビームが水平に近づくほど、被測定荷重並びに電磁力によりビームに作用するトルクは大きくなるが故に、ビームが振れている状態でコイルに流れる電流量は、平衡点に相当する電流量を中心として対称とはならない。従って、このような状態で電流量を平均化しても、その平均値は平衡点に相当する電流量を正しく表さず、その平均値を基に換算した計量値には僅かではあるが誤差が含まれることになる。
【０００７】
以上のことから、ビームが水平な姿勢で平衡状態となるように設定することにより、外乱振動の大きな環境下においても正確な計量値を表示することができ、従って外乱振動に強い電子天びんが得られ、また、応答性を向上させるべくサーボ機構のフィードバック量を大きくとることにより、過渡的なビームの振動が比較的長い時間にわたって発生しても、その間の計量値は正確なものとなるため、高精度でしかも応答性の良好な電子天びんが得られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のようにビームが水平な姿勢で平衡状態となるようにするためには、変位センサの設計上の配設位置を、ビームが水平になっている状態においてその変位検出結果が０となるような位置とすればよい。
【０００９】
しかし、変位センサの天びん機構への組み込み時において、ビームが水平な状態で変位検出結果が０となるような位置に厳密に変位センサを取り付けることは容易ではなく、全ての製品についてそのような保証をすることは実質的に極めて困難である。
【００１０】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ビームの姿勢が水平でない状態で、そのビームの変位検出結果が０となるような位置に変位センサを取り付けても、そのセンサの取り付け位置に自動的に適応して、ビームが水平な姿勢で平衡状態となり、もって変位センサの取り付け位置を厳密に規定することなく、外乱振動に強く、かつ、高応答の電子天びんを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための構成を、実施の形態を表す図１を参照しつつ説明すると、本発明の電子天びんは、皿１に係合するビーム２の変位を検出する変位センサ３と、その変位センサ３の出力に基づき、皿１に作用する荷重に抗してビーム２を平衡させるべく電磁力発生装置４のコイル４１に供給する電流量を制御するサーボ機構１０を備え、その電流量に基づいて計量値を求める電子天びんにおいて、サーボ機構１０を、設定された目標値ｓに対して変位センサ３による変位検出値ｄが一致するようにコイル４１に供給する電流量を制御するように構成するとともに、複数の仮目標値を記憶する仮目標値記憶手段７３と、指令の発生によりその各仮目標値をサーボ機構１０の目標値として順次仮設定しつつ、その各仮設定状態においてコイル４１に流れる電流量に基づいて、最適な値を算出し真の目標値とする目標値算出手段７４と、その算出された真の目標値を記憶して、以後、その記憶内容をサーボ機構１０に設定目標値ｓとして供給する目標値記憶手段７５を備えていることによって特徴づけられる。
【００１２】
本発明は、ビーム２の変位検出結果が０となる位置で単純にビーム２の平衡状態とはせず、設定された目標値ｓとビーム２の変位検出結果ｄが一致した状態で平衡状態となるように、サーボ機構１０を目標値が設定できる構成とするとともに、変位センサ３の取り付け位置のずれ分を、その目標値の値を適宜に設定することによってキャンセルするとともに、その目標値の設定を自動的に行うことにより、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１３】
すなわち、例えばキー操作によって指令を与えることにより、仮目標値記憶手段７３に記憶されている複数の仮目標値が、順次、サーボ機構１０の目標値に仮設定される。この各仮設定状態においては、サーボ機構１０の作用によってビーム２は互いに異なる姿勢で平衡状態となるように制御される。この各仮設定状態では、ビーム２の平衡状態における姿勢の相違により、皿１に対して作用している荷重が一定であっても、コイル４１に流れる電流量（平衡電流量）は後述するように異なる値を示し、その電流量に基づいて、各仮目標値のなかから、平衡状態におけるビーム２の姿勢を水平とすることのできる、もしくは水平に最も近くすることのできるもの、つまり真の目標値を自動的に算出することができる。このように算出された真の目標値を記憶して、以後、サーボ機構１０の目標値ｓとして供給すれば、変位センサ３の取り付け位置に関わらず、ビーム２は水平もしくは水平に極めて近い状態で平衡する。
【００１４】
次に、皿１に作用する荷重が一定の状態において、ビーム２の平衡状態における姿勢の相違による平衡電流量の変化について述べる。
皿１に作用する荷重が一定の状態においては、その荷重に抗してビーム２を平衡させるに要する電流量と、ビーム２の平衡状態における姿勢との関係は、荷重の負荷点と電磁力の作用点の位置関係によっても相違するが、前記したトルクの変化に起因して、例えば図２にＡで示す通り、同じ型式の電子天びんでは略一定となり、この例では、ビーム２の平衡状態における姿勢が水平である場合において、ビーム２を平衡させるに要する力が最大となり、従ってこの場合における平衡電流量が最大となる。ここで、ビーム２の姿勢は、天びん機構のビーム２の支持系がビーム２に与えるバネ力にも影響を及ぼし、そのバネ力の変化に起因しても、ビーム２を平衡させるに要する力ないしは電流量は変化する。このバネ力の変化に伴う平衡電流量とビーム２の姿勢との関係についても、同じ型式の電子天びんでは略一定であり、例えば図２にＢで示す通りとなる。これらのことから、皿１に一定の荷重を負荷した状態において、平衡状態におけるビームの姿勢を種々に変化させたとき、その計量値は図２におけるＡとＢの影響を重畳したＣで示すように変化する。
【００１５】
従って、一定荷重の負荷状態、例えば無負荷状態において、あらかじめ図２Ｃに例示される関係、つまり平衡状態におけるビーム２の姿勢と、ビーム２を平衡させたときの計量値の総合的な関係を求めておけば、その荷重の負荷状態においてサーボ機構１０に対する目標値を種々に変化させて仮設定しつつ、その各仮設定状態における計量値を読み込むことによって、ビーム２を水平な姿勢で平衡させることのできる目標値を自動的に算出することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を示す模式図と電気的構成を示すブロック図とを併記して示す図である。
【００１７】
被測定荷重を負荷するための皿１は、支点２ａを中心として回動自在のビーム２の一端部に支承されている。ビーム２の他端部には変位センサ３が配設されており、この変位センサ３によってビーム２の回動変位が検出される。また、ビーム２には、支点２ａを挟んで皿１と反対側にフォースコイル４１が固着されており、そのフォースコイル４１は磁気回路４２が作る静磁場中に配置されており、これらによって電磁力発生装置４を構成している。すなわち、フォースコイル４１に電流を流すことによって電磁力が発生し、その電磁力は被測定荷重に抗してビーム２を平衡させるべく作用する。
【００１８】
変位センサ３によるビーム２の変位検出信号は、アンプ５、Ａ−Ｄ変換器６を経てデジタル変位検出データｄとして、数ｍｓｅｃ程度の微小時間ごとに刻々とデジタル演算装置７に取り込まれる。
【００１９】
デジタル演算装置７は、後述する目標値データｓから変位検出データｄを減算する比較部７１と、その比較部７１からの出力を偏差データεとして取り込み、その偏差データεに対してデジタル演算によって比例（Ｐ）・積分（Ｉ）・微分（Ｄ）の各演算処理を施すＰＩＤ演算部７２と、あらかじめ設定された複数の仮目標値を記憶する仮目標値記憶部７３と、指令が供給されることにより、後述する手法によって上記の各仮目標値のなかから最適のものを算出する目標値算出部７４と、その算出された目標値を記憶し、以後、その値を比較部７１に対して目標値データｓとして供給する目標値記憶部７５と、刻々のＰＩＤ出力を公知の手法によって平均化して、質量値に換算する計量値算出部７６によって構成されている。
【００２０】
そして、ＰＩＤ演算部７２からのＰＩＤ出力は、Ｄ−Ａ変換器８によってアナログ化された後、パワーアンプ９により電流量に変換され、電磁力発生装置４のフォースコイル４１に流され、そのフォースコイル４１に流れる電流によって生じる電磁力が、皿１に作用する荷重に抗してビーム２を平衡させる。すなわち、変位センサ３からデジタル演算装置７を経てフォースコイル４１に到るループによってデジタルサーボ機構１０が構成され、そのデジタルサーボ機構１０は、比較部７１に供給される目標値データｓに対して変位センサ３によるビーム２の変位検出データｄが一致するように、フォースコイル４１に流れる電流量を制御して、ビーム２が平衡状態を維持するように動作する。
【００２１】
ここで、図１においては、デジタル演算装置７を各機能ごとにブロック図で示しているが、実際にはマイクロコンピュータとその周辺機器、並びにこれらの各機能を実行するためのプログラムによって構成される。ここで、仮目標値記憶部７３についてはＲＯＭにより、また、目標値記憶部７５については不揮発性ＲＡＭ等によって構成される。
【００２２】
さて、目標値算出部７４は指令が供給されることによって動作を開始するが、その指令は、例えば当該電子天びんに対して感度較正指令を与えたときに、感度較正動作の直前に、従って無負荷状態において自動的に発生するように構成される。
【００２３】
この指令が供給されたとき、目標値算出部７４では、まず、仮目標値記憶部７３内の複数の仮目標値を順次比較部７１に対して目標値データｓとして仮に設定していく。その各仮設定状態において、デジタルサーボ機構１０はそれぞれの仮目標値と変位検出データｄとが一致するようにフォースコイル４１に流れる電流量を制御して、ビーム２を平衡させるように動作する。従ってこの各仮設定時においては、ビーム２の平衡状態における姿勢が、仮設定された目標値データｓの大きさに応じて種々に変化することになる。この各仮設定時においてビーム２を平衡させるべくフォースコイル４１に流れる電流量、従ってＰＩＤ演算部７２からのＰＩＤ出力の大きさは、ビーム２の平衡状態における姿勢の変化に起因する荷重負荷点等の支点２ａからの水平距離の変化に伴って変化することになるが、目標値算出部７４では、この各仮設定時におけるＰＩＤ出力を取り込んで、各仮目標値のなかから、ビーム２を水平または水平に最も近い姿勢で平衡させることのできる真の目標値を算出する。
【００２４】
すなわち、目標値算出部７４に、無負荷状態においての、ビーム２の平衡状態における姿勢と、ビーム２をその平衡状態に維持するために必要な電流量との関係、つまり前記した図２にＣで示されるような関係をあらかじめ記憶させておけは、各仮目標値を目標値として仮設定したときのビーム２の平衡状態におけるＰＩＤ出力から、ビーム２が水平または水平に最も近い状態で平衡させ得る目標値、つまり真の目標値を算出することができる。
【００２５】
以上のようにして算出された真の目標値は目標値記憶部７４に格納され、以後、その目標値記憶部７４に格納された値が目標値データｓとして比較部７１に供給される。
【００２６】
従ってこの状態では、変位センサ３の取り付け位置が設計上の位置からずれていても、デジタルサーボ機構１０は常にビーム２が水平ないしはそれに極めて近い姿勢で平衡状態となるようにフォースコイル４１に供給すべき電流量を制御する。この状態では、外乱振動があってもビーム２は水平の平衡状態を中心に上下に振れ、ＰＩＤ出力はビーム２の水平な平衡状態に相当する値を中心に大小均等に変動するから、そのＰＩＤ出力を平均化して換算された計量値は、外乱振動の影響を受けにくい正確なものとなる。また、このようなビーム２を水平な姿勢で平衡させ得る目標値データｓの設定状態においては、サーボ機構１０のフィードバック量を大きくとって応答性を向上させることに伴い、特に過渡状態においてビーム２の振れがある程度大きくなっても、その振れに伴うＰＩＤ出力の変動は上記と同様にビーム２の平衡状態に相当する値を中心に大小均等に変動するから、計量値には殆ど誤差が含まれない。
【００２７】
ここで、本発明は、アナログサーボ機構により動作する電子天びんにも適用可能であるが、以上の実施の形態のようにデジタルサーボ機構を備えた電子天びんに本発明を適用することにより、殆どハード上の構成要素を追加することなく、ソフト上の改良によって極めて容易に本発明を実用化できるという利点がある。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、天びんビームを平衡させるためのサーボ機構として、設定された目標値とビームの変位検出結果とが一致する構成のものを採用し、そのサーボ機構に供給すべき目標値として複数の値を仮設定するとともに、その各仮設定時における平衡電流量の大きさに基づいて、ビームを水平な姿勢で平衡させることのできる値を自動的に算出して記憶し、以後、その選択・記憶された値をサーボ機構に対して目標値として供給するから、変位センサの取り付け位置が多少ずれていても、目標値によってそのずれ分がキャンセルされてビームは常に水平な姿勢で平衡する。従って本発明によれば、変位センサの取り付け位置を厳密に規定することなく、外乱振動に強く、かつ、応答性を向上させても正確な計量値を表示することのできる電子天びんが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を示す模式図と電気的構成を示すブロック図とを併記して示す図
【図２】天びんビームの平衡状態における姿勢と、一定荷重の負荷下での平衡電流との関係例を示すグラフ
【符号の説明】
１皿
２ビーム
３変位センサ
４電磁力発生装置
４１フォースコイル
７デジタル演算装置
７１比較部
７２ＰＩＤ演算部
７３仮目標値記憶部
７４目標値算出部
７５目標値記憶部
７６計量値算出部

Claims

皿に係合するビームの変位を検出する変位センサと、その変位センサの出力に基づき、上記皿に作用する荷重に抗して上記ビームを平衡させるべく電磁力発生装置のコイルに供給する電流量を制御するサーボ機構を備え、その電流量に基づいて皿に作用する被測定荷重の大きさを求める電子天びんにおいて、上記サーボ機構は、設定された目標値に対して変位センサによる変位検出値が一致するように上記コイルに供給する電流量を制御するように構成されているとともに、複数の仮目標値を記憶する仮目標値記憶手段と、指令の発生によりその各仮目標値をサーボ機構の目標値として順次仮設定しつつ、その各仮設定状態における上記電流量に基づいて、最適な値を算出し真の目標値とする目標値算出手段と、その算出された真の目標値を記憶して、以後、その記憶内容をサーボ機構に設定目標値として供給する目標値記憶手段を備えていることを特徴とする電子天びん。