JP3940680B2 - 秤量装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁力を用いた秤量装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電磁力を用いた秤量装置としては、電磁力平衡型の電子天秤が広く用いられている。図１２に従来の電子天秤の基本構成を示す。一般に、従来の電子天秤は、例えば特許第３２８９４６３号公報に示されているように、電磁力を被測定物の重量に対して釣り合わせることによって、その重量を測定する方式をとっている。
【０００３】
従来の電磁力平衡型の電子天秤では、支点１０１を中心として回転自在に設置されたレバー１０２の一端部に、被測定物を積載するための秤量台１０３が設けられており、また、支点１０１を挟んでレバー１０２の反対側には、積載した被測定物の重量と釣り合わせるための荷重を発生させる磁気回路１０６、及びフォースコイル１０５が配置されている。上記磁気回路１０６は永久磁石１０７によって形成されており、この磁気回路１０６によって形成された静磁界中に前記フォースコイル１０５が配置され、このフォースコイル１０５に電流を流すことによって電磁力を発生させ、レバー１０２の一端に積載された被測定物の重量と電磁力とを釣り合わせるようにしている。ここで、フォースコイル１０５に流す電流は、レバー１０２の端部に設置された変位センサ１０８で検出されたレバー１０２の傾きを零に補正するように、適当な演算を施して制御されるものである。
【０００４】
従来の電子天秤は、以上のような構成において、被測定物の重量とフォースコイル１０５の電磁力とを釣り合わせ、その平衡状態においてフォースコイル１０５に流している電流の大きさから、被測定物の重量を求めるのである。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２７１２１６１号公報
【０００６】
【特許文献２】
特許第２７９３２４０号公報
【０００７】
【特許文献３】
特許第２９６７８２２号公報
【０００８】
【特許文献４】
特許第３１５２７７５号公報
【０００９】
【特許文献５】
特許第３２８９４６３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成をとる従来の秤量装置の場合、レバーが支点を中心として回転自在に接合されているため、その動作時には、支点部において抵抗を伴うことになる。このとき支点部において何らかの抵抗が発生すれば、レバーの反対側に伝達される力に影響が発生することになり、それが測定誤差を生む要因となる。そこで支点における抵抗を減少させるためには、接触部を微細かつ精密にする必要があるが、被測定物による荷重が支点によって支持されなければならないために強度的に限界があり、設計上の制約となっていた。
【００１１】
また、上記従来の秤量装置では、被測定物が秤量台に積載され、秤量を行っているときには、被測定物の重量に対抗する力を発生させるために、常にコイルに電流を流し、電磁力を発生させなければならない。そのため、従来の秤量装置では、被測定物を秤量台上に積載した状態で放置し測定し続けると、常にこの被測定物と釣り合うための電磁力を発生させなければならないため、励磁電流によってコイルが発熱し、永久磁石が急激に過熱される。永久磁石は、温度によって磁束の大きさが変化してしまうため、このような状態では、測定結果が経時的に変化することになり、連続測定の際に問題となっていた。
【００１２】
本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、支持部における接触部をなくし、抵抗を除去することにより、高精度で、かつ測定範囲が広い秤量を可能にするとともに、長時間の連続測定でも発熱が少なく、温度による測定誤差の少ない秤量装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の秤量装置は、少なくとも一部が磁性体で形成されたガイド、前記ガイドとギャップを介して対向するように設置された電磁石及び発生する磁束の構成する磁気回路が前記ギャップを含むように配置された永久磁石で構成される磁石ユニットと、前記ガイドと磁石ユニットの間に発生する吸引力によって浮上させられる浮上体と、前記磁気回路中の物理量を検出する物理量検出手段と、前記電磁石に流れる励磁電流を検出する励磁電流検出手段と、前記励磁電流の検出値を所定のゲインを持たせて積分する励磁電流積分補償器を備え、前記物理量検出手段によって検出された物理量に基づいて前記浮上体を前記ガイドに対して安定に浮上させるとともに前記浮上体に作用する外力の有無にかかわらず前記電磁石に流れる励磁電流の定常値を零に収束させるように前記電磁石に流す励磁電流を制御する制御手段と、前記励磁電流積分補償器の出力値に基づいて前記浮上体に載貨される被測定物の重量を演算する秤量演算手段とを備えたものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の秤量装置において、前記秤量演算手段は、前記励磁電流積分補償器の出力値を一定間隔で検出し、その各時間における検出値の差である差分出力値の変化率を計算し、当該差分出力値の変化率が一定となった時点において被測定物の重量を演算することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１の秤量装置において、前記制御手段は、前記電磁石を入力信号に基づいて励磁する励磁手段と、当該入力信号を所定のゲインを持たせて積分する積分補償器と、前記積分補償器の出力値を前記入力信号にフィードバックする手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１〜３の秤量装置において、前記物理量の検出手段が、前記ギャップの大きさを検出する手段であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項４の秤量装置において、前記ギャップの大きさを検出する手段が渦流式センサであることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１〜３の秤量装置において、前記物理量の検出手段が前記コイルに流れる励磁電流の大きさを検出する手段であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項１〜３の秤量装置において、前記物理量の検出手段が前記浮上体の加速度を検出する手段であることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項１〜３の秤量装置において、前記物理量の検出手段が前記ギャップ中の磁束を検出する手段であることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項８の秤量装置において、前記磁束を検出する手段として、ホール素子を用いることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１０の発明は、請求項４又は５の秤量装置において、前記秤量演算手段に入力される前記検出手段の物理量が前記ギャップの検出値であることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１１の発明は、請求項６の秤量装置において、前記秤量演算手段に入力される前記検出手段の物理量が前記励磁電流の検出値であることを特徴とするものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００２６】
（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態の秤量装置の斜視図を、また図２はその機構部の断面図を示すものである。台枠１は、上面に開口部を有する略箱状の形状をしており、その上面内部に磁石ユニット２が設置してある。この台枠１の内部には、浮上体３が内包されている。浮上体３の各端部には、台枠１に設置された磁石ユニット２と対向する位置に、強磁性体で形成されたガイド４が設置されている。浮上体３の上面には、被測定物を積載するための秤量台５が設けられており、この秤量台５上に被測定物を乗せることにより、浮上体３及び被測定物の和である浮上部全体の重量が増大する構成となっている。
【００２７】
図３に示すように、台枠１に設置された磁石ユニット２は、２つの電磁石６ａ、６ｂと、これら電磁石６ａ、６ｂの各端部側面間に介挿された永久磁石７とで構成されており、全体としてＵ字状に形成されている。各電磁石６ａ、６ｂは、強磁性体で形成された継鉄８と、この継鉄８に巻装されたコイル９とで構成されている。各コイル９は、電磁石６ａ、６ｂによって形成される磁束が互いに加算されるような向きで直列に接続されている。また磁石ユニット２と対向する位置にガイド４が配置されている。磁石ユニット２とガイド４との間には、ギャップ１０が形成されている。したがって、磁石ユニット２とガイド４との間には、電磁石６ａ、６ｂと永久磁石７とに起因する磁束とギャップ１０の大きさとに応じて所定の吸引力が発生することになり、その吸引力によって浮上体３を浮上させることができる。
【００２８】
本実施の形態の秤量装置は、図４に示すような構成の各磁石ユニットの吸引力を制御するための浮上制御装置１１と秤量演算装置３０を有している。
【００２９】
浮上制御装置１１は、磁石ユニット２によって形成される磁気回路中の物理量を検出するセンサ部１２と、このセンサ部１２からの信号に基いて各コイル９に供給すべき電力を演算する浮上演算回路１３と、この浮上演算回路１３からの信号に基づいて各コイル９に電力を供給するパワーアンプ１４とで構成されている。本実施の形態において、センサ部１２は、ギャップ１０の大きさを検出するギャップセンサ１５と、各コイル９の電流値を検出する電流検出器１６とで構成されている。
【００３０】
浮上制御装置１１における浮上演算回路１３は、ギャップセンサ１５で得られたギャップ長信号ｚからギャップ長設計値ｚ０を減算して得られるギャップ長偏差信号Δｚを演算する減算器１７と、電流検出器１６で得られた励磁電流検出信号ｉから電流設計値ｉ０を減算して得られる電流偏差信号Δｉを演算する減算器１８と、ギャップ長偏差信号Δｚ、及び電流偏差信号Δｉの出力を導入して、浮上体３を安定に磁気浮上させる電磁石制御電圧ｅを演算する制御電圧演算回路１９とで構成されている。そして、制御電圧ｅの演算結果がパワーアンプ１４に与えられ、コイル９に電圧ｅに起因する励磁電流が供給される。
【００３１】
ここで、制御電圧演算回路１９は、Δｚを導入しΔｚの時間微分値Δｚ′を演算して出力する微分器２０と、Δｚを導入してフィードバックゲインＦ１をΔｚに乗じるゲイン補償器２１と、Δｚ′を導入し、フィードバックゲインＦ２をΔｚ′に乗じるゲイン補償器２２と、Δｉを導入し、フィードバックゲインＦ３をΔｉに乗じるゲイン補償器２３と、電流偏差目標値発生器２４と、Δｉを電流偏差目標値発生器２４の目標値より減じる減算器２５と、この減算器２５の出力値を積分しフィードバックゲインを積分結果に乗じる積分補償器２６と、ゲイン補償器２１、２２、２３の出力を入力し、これらの総和を演算する加算器２７と、加算器２７の出力値を積分補償器２６の出力値から減じる減算器２８とで構成されている。
【００３２】
以上によって、いわゆるゼロパワー制御による磁気浮上系が構成されることになる。この制御電圧演算回路１９による制御原理は、例えば特許第２９６７８２２号「浮上式搬送装置」に示されている方式であり、これによって浮上体３の安定した磁気浮上制御が可能である。
【００３３】
この場合、浮上体３が安定して浮上し、定常状態にあるときには、積分補償器２６の作用によりコイル９に流れる電流は零となり、浮上に必要となる吸引力は全て永久磁石７による磁気力でまかなわれる。これは、浮上体３及び、浮上体３に積載される被測定物からなる浮上部全体の重量が変化した場合でも同様であり、浮上部の被測定物の重量変化に起因する荷重変化が発生した場合、ギャップ１０のギャップ長２９を所定の大きさにするために過渡的にコイル９に電流は流れるが、再度安定状態になった際には、上記制御手法を用いることによりコイル９に流れる電流は零となり、そのときの浮上部の総重量と永久磁石７の磁気力によって発生する吸引力とが釣り合うギャップ長２９が形成される。
【００３４】
以上のようにしてゼロパワー制御がなされ、浮上体３が安定に浮上しており、励磁電流が零となっているとき、漏れ磁束等の影響を無視すれば、ギャップ長ｚと吸引力ｆとの関係は次式で表すことができる。
【００３５】
【数１】
ただし、μ０は真空中の透磁率、Ｓは磁気回路の断面積、ｚはギャップ長２９の検出値、Ｈｍはギャップ１０に生じる磁界の強さ、ｌｍは永久磁石７の長さ、μｓはギャップ部分以外の非透磁率である。この式における吸引力ｆとギャップ長ｚとの関係を表す概略図を図５に示す。
【００３６】
以上のような関係から、磁気浮上系においてゼロパワー制御がなされている場合には、磁石ユニット２とガイド４との間のギャップ１０の大きさ、すなわちギャップ長２９は浮上部の総重量をパラメータとする関数となる。このとき浮上部の重量が小さい場合には、それに釣り合うための吸引力は小さくなるため、ギャップ長２９が広がる。一方、浮上部の重量が大きい場合には、それに釣り合うための吸引力が大きくなるため、ギャップ長２９が狭くなる。
【００３７】
本実施の形態では、この関係を用いて、秤量演算装置３０において被測定物の重量を演算する。ここで、秤量演算装置３０は、ギャップセンサ１５の出力値に対してフィルタリング等の前処理を行う信号処理器５１と、その出力を導入して、上記関係式を用い、ギャップ長２９と磁石ユニット２に用いられている永久磁石７の磁気力により発生する吸引力、すなわち浮上体３と被測定物の重量との和を演算する浮上部重量演算器５２と、その浮上部重量演算器５２の出力から、浮上体３の重量を減ずる減算器５３とから構成されている。
【００３８】
これにより、秤量演算装置３０において、ギャップセンサ１５の出力値から被測定物の重量を演算し、その結果を出力装置５４に表示させることができる。なお、実際の浮上部重量演算器５２で用いる関係式においては、上式の各変数に対して、実験等で得られた補正を加え、浮上部の重量を演算しても何ら差し支えない。
【００３９】
また、上述の関係式より、吸引力ｆは、ギャップ長ｚの２乗に反比例することがわかる。したがって、被測定物の重量が比較的小さく、ギャップ長ｚが大きい場合には、被測定物の重量変化に対するギャップ長ｚの変化率が大きくなり、測定の精度が高くなる。一方、被測定物の重量が比較的大きく、ギャップ長ｚが小さい場合には、吸引力ｆの変化率が比較的大きくなるため、秤量台の磁気浮上剛性が高まることになり、その結果、比較的大きな荷重まで測定することが可能となる。したがって磁気浮上系では、このような非線形特性を有することによって、線形特性の秤量手段を有する従来の秤量装置に比べて、比較的広い測定レンジを得ることができる。
【００４０】
さらに、本実施の形態の秤量装置においては、測定を行っているときでも、コイル９に流れる電流は、被測定物の重量にかかわらず、定常状態で零に収束し、被測定物を浮上させる吸引力は永久磁石７の磁気力のみで釣り合わせることになる。したがって、長時間測定を行った場合でもコイル９に電流がほとんど流れることはなく、コイル９による発熱を大きく低減させることができる。これにより、コイル９の発熱に起因する温度変化によって、永久磁石７の特性が変化することを防ぐことができ、従来の秤量装置において問題となっていた、長時間連続測定時のコイル発熱による測定誤差の発生を抑制することができる。
【００４１】
なお、この構成において浮上制御する際に用いるギャップ長２９を検出する手段は、磁石ユニット２とガイド４との間のギャップの大きさを直接、もしくは間接的に検出できるものであればいかなる方式でもよく、渦流式センサ、光学式センサ、音波式センサ等のギャップセンサを用いることで実現できる。
【００４２】
また、本実施の形態では浮上部の重量を測定する秤量演算装置３０にギャップ長２９の値ｚを導入することとしているが、その検出手段としては、前記ギャップ長２９の検出手段と同様のセンサを用いることができ、かつ、浮上制御に用いるギャップセンサ１５と同一のものを利用してもよい。
【００４３】
（第２の実施の形態）次に、本発明の第２の実施の形態の秤量装置について説明する。第１の実施の形態では、ギャップ長２９、及び励磁電流の検出結果に直接フィードバックゲインを乗ずる制御手法としてきたが、浮上演算回路１３に状態観測器を用いることによって浮上系の状態を推定し、その結果を用いて制御回路を構成することもできる。第２の実施の形態は、この原理を採用したことを特徴とする。
【００４４】
図６は、浮上演算回路１３内の制御電圧演算回路１９の部分に、状態観測器４０を導入したときの構成図である。この図６に示すように、状態観測器４０を含む制御電圧演算回路１９は、ギャップ長偏差Δｚ、励磁電流偏差Δｉを導人し、ギャップ長偏差Δｚ、Δｚの時間微分値Δｚ′、励磁電流偏差Δｉ、及び外力ｕを演算して出力する状態観測器４０と、Δｚを導入しフィードバックゲインＦ１をΔｚに乗じるゲイン補償器２１と、Δｚ′を導入してフィードバックゲインＦ２を乗じるゲイン補償器２２と、Δｉを導入してフィードバックゲインＦ３を乗じるゲイン補償器２３と、ｕを導入してフィードバックゲインＦ４を乗じるゲイン補償器４１と、ゲイン補償器２１〜２３及びゲイン補償器４１の出力を入力し、これらの総和を演算する加算器４２と、加算器４２の出力値を目標値から減じる減算器２８とで構成されている。
【００４５】
上記のような状態観測器４０を用いた浮上制御に関しては、例えば特許第３１５２７７５号に示された制御手法を採用する。
【００４６】
この第２の実施の形態の秤量装置では、上記回路構成の状態観測器を導入することによって、浮上系の状態を推定しながら制御を施し、より安定した浮上系を構築することが可能になる。なお、上記のような状態観測器４０を用いた浮上制御を行っている場合には、被測定物の重量を演算する秤量演算装置３０に導入する値として、上述のギャップ長２９を用いるほかに、コイル９に流れる励磁電流の検出値を用いることもできる。
【００４７】
本実施の形態では磁気浮上系においてはゼロパワー制御を採用しているため、定常状態では励磁電流が零となるが、被測定物の重量の変化、もしくは荷重が印加された際の過渡状態においては、励磁電流がその荷重変化に応じて流れることになる。その際、ギャップ長２９と励磁電流を前記状態観測器４０に導入することによって、その出力値として浮上体３に加わる外乱荷重ｕ”を得ることができる。
【００４８】
このような構成においては、このｕ”は被測定物の重量を示すことになるため、このような状態観測器４０を用いることによって、ギャップ長２９、及び励磁電流の検出器を導入して被測定物の重量を演算する秤量演算装置３０を得ることができる。また、この状態観測器４０を用いることにより、浮上系が過渡状態にあるときでも外乱推定を行うことができるため、被測定物を積載したとき、もしくは被測定物の重量が変化した場合などにおいて、浮上系の安定を待つことなく秤量演算を行い、短時間で測定結果を推定することができる。
【００４９】
さらに、上記のように状態観測器４０を用い、その出力値の１つである荷重推定を秤量の手段として用いる場合には、別途秤量演算装置３０を分離して設置する必要はなく、図示のように状態観測器４０と秤量演算装置３０を同一の制御ブロックとし、浮上制御装置１１の内部に秤量演算装置３０を含めるような構成としても構わない。
【００５０】
（第３の実施の形態）次に、本発明の第３の実施の形態の秤量装置について説明する。第３の実施の形態では、秤量演算装置３０に導入する値として、ギャップ長２９の値ｚを直接用いるのではなく、積分補償器２６の出力値を用いることもできる。以下に、第３の実施の形態として、積分補償器２６の出力値を秤量演算手段に用いる場合について、図７を参照しながら説明する。
【００５１】
浮上演算回路１３において、励磁電流の値ｉとギャップ長２９の値ｚを導入し、適当な演算を施すことによって浮上体３を磁気浮上させているが、この際、励磁電流の検出値は、浮上制御とともに、励磁電流目標値との差分Δｉに積分補償器２６を乗じて電圧指令値ｅを演算するために、電流目標値が零のときには定常状態において励磁電流が零となり、浮上演算回路１３全体でゼロパワー制御が構成される。このとき、積分補償器２６の出力値は、ゼロパワーで磁気浮上しているときの、基準ギャップ長ｚ０からの偏差を打ち消すのに相当する値が出力されていることになる。したがって、この積分補償器２６の出力値は、ギャップ長２９を検出することと等価となり、前述と同様の秤量演算手段で、被測定物の重量を測定することができる。この場合には、積分補償器２６の出力を秤量演算装置３０に導入し、浮上部重量演算器５２によって積分補償器２６の出力値から浮上部全体の重量を演算し、減算器５３で浮上体３の重量を減じたものを出力装置５４で表示する構成となる。
【００５２】
なお、積分補償器２６の出力値は検出信号を積分した値となるため、必然的に検出信号の高調波成分がフィルタリングされることになり、検出信号中のノイズや高調波成分が取り除かれたものとなる。したがって、この積分補償器２６の出力値を秤量演算に用いると信号ノイズが小さく、秤量演算が容易となるだけではなく、被測定物の重量の推定も迅速に行うことができる。
【００５３】
以下に、被測定物が秤量台５に積載されたときの応答の例を用いて、重量推定の原理を説明する。被測定物が秤量台５に積載された際に、励磁電流の値が図８（ａ）のような波形を示したとすると、積分補償器２６の出力値は図８（ｂ）のような波形となり、ほぼ１次系のステップ応答とみなすことができる。この際、積分補償器２６の出力値としては、励磁電流の検出値に含まれる高調波成分やノイズ成分を取り除いたものが得られるため、その応答は比較的滑らかなものとなる。
【００５４】
ここで、積分補償器２６の出力値を１次系とみなし、一定時間間隔τで検出した出力値の差分をΔｖとすれば、その応答特性から、各時間での差分出力値Δｖｎの変化率、すなわちΔｖｎ＋１／Δｖｎは一定の値を示す。さらに、応答の最終値ｖ∞の値は、ある点における出力値ｖｎと、そのときの検出時間間隔τ、そしてシステム全体の応答時定数Ｔを用いて、
【数２】
の関係から求めることができる。なお、応答の時定数Ｔは、装置の構造、及び浮上演算回路１３の各設定値より既知の値であるため、応答を１次系と見なせる波形が得られた時点、すなわち差分出力値の変化率が一定となった時点において、系の安定を待つことなく、過渡応答中に被測定物の重量を予測することができる。
【００５５】
以上のようにして、過渡応答中に重量を予測する場合には、図７に示したように、その出力値を浮上部重量演算器５２の出力値を直接出力装置５４に引き渡すか、浮上部重量推定演算器５５の出力を表示するかを選択するために、出力切換器５６を設け、自動もしくは手動で出力値を切り替える構成としてもよい。
【００５６】
（第４、５の実施の形態）これまで説明した実施の形態それぞれにおいては、磁気回路中の物理量検出手段として、励磁電流検出、及びギャップ長２９を検出する手段を用いたが、ギャップセンサ１５、電流検出器１６の代わりに、浮上体３の加速度を検出する加速度センサ、もしくは磁束の大きさを検出するホール素子を用いてもよい。
【００５７】
図９は、本発明の第４の実施の形態として、ギャップセンサ１５の代わりに加速度センサ３１、及び２つの積分器３２を用いた場合の構成を示している。このように、加速度センサ３１の検出値を２回積分したものをギャップ長２９の値ｚとして演算する構成をとることもできる。この場合には、特にセンサの設定位置を浮上体３の加速度が検出できる範囲で任意に決定できるという利点がある。
【００５８】
また図１０は、本発明の第５の実施の形態として、電流検出器１６の代わりに磁束の大きさを検出するホール素子で成る磁束検出器３３を用いた例を示している。この場合には、磁束の大きさを検出することにより、磁気回路中に発生する吸引力の大きさを得ることができ、それによりフィードバック制御を施すことができる。ただし、この場合には励磁電流の値を直接的に導入することができないため、励磁電流を積分補償器２６に導入してゼロパワー制御をかけることができない。このように電流信号を直接導入しない場合には、図示のようにパワーアンプ１４に導入する指令値ｅに対して、同様の積分補償器３４を導入してフィードバックすることにより、パワーアンプ１４からの出力を零に収束させることで、特許第２７９３２４０号「浮上式搬送装置」にも示されているようなゼロパワー制御を実現することができる。
【００５９】
（第６の実施の形態）以上述べてきた各実施の形態においては磁石ユニット２を台枠１に取りつけ、ガイド４を浮上体３に設置した場合について説明してきたが、磁石ユニット２、及びガイド４の設置箇所は限定されるものではなく、その配置を逆にし、図１１に示すように、台枠１にガイド４を設置し、磁石ユニット２を浮上体３に設置しても何ら差し支えない。このように構成したのが本発明の第６の実施の形態である。
【００６０】
この第６の実施の形態の秤量装置でも、これまで説明してきた各実施の形態と同様に浮上制御装置１１、秤量演算装置３０を構成することによって、被測定物の重量測定が可能となる。
【００６１】
以上、本発明を適用した秤量装置の具体的な構成について、第１〜第６の実施の形態として詳細に説明したが、本発明に係る秤量装置は、以上の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、被測定物を積載する秤量台は浮上体に設置され磁気浮上されているため、台枠等と接触部を持つことなく被測定物の重量を測定することが可能となる。したがって、従来の秤量装置における支点部等に起因する抵抗等の影響がなくなるため、測定誤差を発生することなく、高精度な秤量が行える。
加えて、本発明によれば、積分補償器の出力値を秤量演算に用いるので、信号ノイズが小さく、秤量演算が容易となるだけではなく、被測定物の重量の推定も迅速に行うことができる。
【００６３】
また、本発明によれば、浮上体が非線形を有するばね定数で支持されており、被測定物の重量が大きくなると浮上体を支持する浮上剛性が上がるため、従来の線形ばね定数で支持される構成と比べて、測定範囲を広くとることが可能である。
【００６４】
また、本発明によれば、定常状態において、被測定物を含む浮上部を浮上させる磁気吸引力を永久磁石の吸引力のみで発生させ、さらに電磁石に流れる励磁電流の定常値を、浮上体に積載された被測定物の重量の大きさにかかわらず零にすることができるため、上記電磁石のコイルには、浮上部に対して被測定物の重量が変化した際に過渡的な電流が流れるのみとなり、コイルで消費される電力を従来に比べて減少させることができ、これにより、コイルに流れる電流を軽減させることが可能になり、コイル部における発熱を軽減し、長時間秤量を行った場合でも温度変化が少なく、安定した測定精度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の秤量装置の斜視図。
【図２】上記第１の実施の形態の秤量装置の断面図。
【図３】上記第１の実施の形態の秤量装置における磁石ユニットの斜視図。
【図４】上記第１の実施の形態の秤量装置における浮上制御装置及び秤量演算装置のブロック図。
【図５】上記第１の実施の形態の秤量装置における磁石ユニットのギャップ長と吸引力の関係を示す図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の秤量装置における浮上制御装置及び秤量演算装置のブロック図。
【図７】本発明の第３の実施の形態の秤量装置における浮上制御装置及び秤量演算装置のブロック図。
【図８】上記第３の実施の形態の秤量装置において出力波形から重量推定する手法を示す図。
【図９】本発明の第４の実施の形態の秤量装置における浮上制御装置及び秤量演算装置のブロック図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態の秤量装置における浮上制御装置及び秤量演算装置のブロック図。
【図１１】本発明の第６の実施の形態の秤量装置の断面図。
【図１２】従来の秤量装置の基本構成を示す断面図。
【符号の説明】
１…台枠
２…磁石ユニット
３…浮上体
４…ガイド
５…秤量台
６ａ…電磁石
６ｂ…電磁石
７…永久磁石
８…継鉄
９…コイル
１０…ギャップ
１１…制御装置
１２…センサ部
１３…浮上演算回路
１４…パワーアンプ
１５…ギャップセンサ
１６…電流検出器
１７…減算器
１８…減算器
１９…制御電圧演算回路
２０…微分器
２１…ゲイン補償器
２２…ゲイン補償器
２３…ゲイン補償器
２４…電流偏差目標値発生器
２５…減算器
２６…積分補償器
２７…加算器
２８…減算器
２９…ギャップ長
３０…秤量演算装置
３１…加速度センサ
３２…積分器
３３…磁束検出器
４０…状態観測器
４１…ゲイン補償器
４２…加算器
５１…信号処理器
５２…浮上部重量演算器
５３…減算器
５４…出力装置
５５…浮上部重量推定器
５６…出力切換器
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁力を用いた秤量装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電磁力を用いた秤量装置としては、電磁力平衡型の電子天秤が広く用いられている。図１２に従来の電子天秤の基本構成を示す。一般に、従来の電子天秤は、例えば特許第３２８９４６３号公報に示されているように、電磁力を被測定物の重量に対して釣り合わせることによって、その重量を測定する方式をとっている。
【０００３】
従来の電磁力平衡型の電子天秤では、支点１０１を中心として回転自在に設置されたレバー１０２の一端部に、被測定物を積載するための秤量台１０３が設けられており、また、支点１０１を挟んでレバー１０２の反対側には、積載した被測定物の重量と釣り合わせるための荷重を発生させる磁気回路１０６、及びフォースコイル１０５が配置されている。上記磁気回路１０６は永久磁石１０７によって形成されており、この磁気回路１０６によって形成された静磁界中に前記フォースコイル１０５が配置され、このフォースコイル１０５に電流を流すことによって電磁力を発生させ、レバー１０２の一端に積載された被測定物の重量と電磁力とを釣り合わせるようにしている。ここで、フォースコイル１０５に流す電流は、レバー１０２の端部に設置された変位センサ１０８で検出されたレバー１０２の傾きを零に補正するように、適当な演算を施して制御されるものである。
【０００４】
従来の電子天秤は、以上のような構成において、被測定物の重量とフォースコイル１０５の電磁力とを釣り合わせ、その平衡状態においてフォースコイル１０５に流している電流の大きさから、被測定物の重量を求めるのである。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２７１２１６１号公報
【０００６】
【特許文献２】
特許第２７９３２４０号公報
【０００７】
【特許文献３】
特許第２９６７８２２号公報
【０００８】
【特許文献４】
特許第３１５２７７５号公報
【０００９】
【特許文献５】
特許第３２８９４６３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成をとる従来の秤量装置の場合、レバーが支点を中心として回転自在に接合されているため、その動作時には、支点部において抵抗を伴うことになる。このとき支点部において何らかの抵抗が発生すれば、レバーの反対側に伝達される力に影響が発生することになり、それが測定誤差を生む要因となる。そこで支点における抵抗を減少させるためには、接触部を微細かつ精密にする必要があるが、被測定物による荷重が支点によって支持されなければならないために強度的に限界があり、設計上の制約となっていた。
【００１１】
また、上記従来の秤量装置では、被測定物が秤量台に積載され、秤量を行っているときには、被測定物の重量に対抗する力を発生させるために、常にコイルに電流を流し、電磁力を発生させなければならない。そのため、従来の秤量装置では、被測定物を秤量台上に積載した状態で放置し測定し続けると、常にこの被測定物と釣り合うための電磁力を発生させなければならないため、励磁電流によってコイルが発熱し、永久磁石が急激に過熱される。永久磁石は、温度によって磁束の大きさが変化してしまうため、このような状態では、測定結果が経時的に変化することになり、連続測定の際に問題となっていた。
【００１２】
本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、支持部における接触部をなくし、抵抗を除去することにより、高精度で、かつ測定範囲が広い秤量を可能にするとともに、長時間の連続測定でも発熱が少なく、温度による測定誤差の少ない秤量装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の秤量装置は、少なくとも一部が磁性体で形成されたガイド、前記ガイドとギャップを介して対向するように設置された電磁石及び発生する磁束の構成する磁気回路が前記ギャップを含むように配置された永久磁石で構成される磁石ユニットと、前記ガイドと磁石ユニットの間に発生する吸引力によって浮上させられる浮上体と、前記磁気回路中の物理量を検出する物理量検出手段と、前記電磁石に流れる励磁電流を検出する励磁電流検出手段と、前記励磁電流の検出値を所定のゲインを持たせて積分する励磁電流積分補償器を備え、前記物理量検出手段によって検出された物理量に基づいて前記浮上体を前記ガイドに対して安定に浮上させるとともに前記浮上体に作用する外力の有無にかかわらず前記電磁石に流れる励磁電流の定常値を零に収束させるように前記電磁石に流す励磁電流を制御する制御手段と、前記励磁電流積分補償器の出力値に基づいて前記浮上体に載貨される被測定物の重量を演算する秤量演算手段とを備えたものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の秤量装置において、前記秤量演算手段は、前記励磁電流積分補償器の出力値を一定間隔で検出し、その各時間における検出値の差である差分出力値の変化率を計算し、当該差分出力値の変化率が一定となった時点において被測定物の重量を演算することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１の秤量装置において、前記制御手段は、前記電磁石を入力信号に基づいて励磁する励磁手段と、当該入力信号を所定のゲインを持たせて積分する積分補償器と、前記積分補償器の出力値を前記入力信号にフィードバックする手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１〜３の秤量装置において、前記物理量の検出手段が、前記ギャップの大きさを検出する手段であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項４の秤量装置において、前記ギャップの大きさを検出する手段が渦流式センサであることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１〜３の秤量装置において、前記物理量の検出手段が前記コイルに流れる励磁電流の大きさを検出する手段であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項１〜３の秤量装置において、前記物理量の検出手段が前記浮上体の加速度を検出する手段であることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項１〜３の秤量装置において、前記物理量の検出手段が前記ギャップ中の磁束を検出する手段であることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項８の秤量装置において、前記磁束を検出する手段として、ホール素子を用いることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１０の発明は、請求項４又は５の秤量装置において、前記秤量演算手段に入力される前記検出手段の物理量が前記ギャップの検出値であることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１１の発明は、請求項６の秤量装置において、前記秤量演算手段に入力される前記検出手段の物理量が前記励磁電流の検出値であることを特徴とするものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００２６】
（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態の秤量装置の斜視図を、また図２はその機構部の断面図を示すものである。台枠１は、上面に開口部を有する略箱状の形状をしており、その上面内部に磁石ユニット２が設置してある。この台枠１の内部には、浮上体３が内包されている。浮上体３の各端部には、台枠１に設置された磁石ユニット２と対向する位置に、強磁性体で形成されたガイド４が設置されている。浮上体３の上面には、被測定物を積載するための秤量台５が設けられており、この秤量台５上に被測定物を乗せることにより、浮上体３及び被測定物の和である浮上部全体の重量が増大する構成となっている。
【００２７】
図３に示すように、台枠１に設置された磁石ユニット２は、２つの電磁石６ａ、６ｂと、これら電磁石６ａ、６ｂの各端部側面間に介挿された永久磁石７とで構成されており、全体としてＵ字状に形成されている。各電磁石６ａ、６ｂは、強磁性体で形成された継鉄８と、この継鉄８に巻装されたコイル９とで構成されている。各コイル９は、電磁石６ａ、６ｂによって形成される磁束が互いに加算されるような向きで直列に接続されている。また磁石ユニット２と対向する位置にガイド４が配置されている。磁石ユニット２とガイド４との間には、ギャップ１０が形成されている。したがって、磁石ユニット２とガイド４との間には、電磁石６ａ、６ｂと永久磁石７とに起因する磁束とギャップ１０の大きさとに応じて所定の吸引力が発生することになり、その吸引力によって浮上体３を浮上させることができる。
【００２８】
本実施の形態の秤量装置は、図４に示すような構成の各磁石ユニットの吸引力を制御するための浮上制御装置１１と秤量演算装置３０を有している。
【００２９】
浮上制御装置１１は、磁石ユニット２によって形成される磁気回路中の物理量を検出するセンサ部１２と、このセンサ部１２からの信号に基いて各コイル９に供給すべき電力を演算する浮上演算回路１３と、この浮上演算回路１３からの信号に基づいて各コイル９に電力を供給するパワーアンプ１４とで構成されている。本実施の形態において、センサ部１２は、ギャップ１０の大きさを検出するギャップセンサ１５と、各コイル９の電流値を検出する電流検出器１６とで構成されている。
【００３０】
浮上制御装置１１における浮上演算回路１３は、ギャップセンサ１５で得られたギャップ長信号ｚからギャップ長設計値ｚ０を減算して得られるギャップ長偏差信号Δｚを演算する減算器１７と、電流検出器１６で得られた励磁電流検出信号ｉから電流設計値ｉ０を減算して得られる電流偏差信号Δｉを演算する減算器１８と、ギャップ長偏差信号Δｚ、及び電流偏差信号Δｉの出力を導入して、浮上体３を安定に磁気浮上させる電磁石制御電圧ｅを演算する制御電圧演算回路１９とで構成されている。そして、制御電圧ｅの演算結果がパワーアンプ１４に与えられ、コイル９に電圧ｅに起因する励磁電流が供給される。
【００３１】
ここで、制御電圧演算回路１９は、Δｚを導入しΔｚの時間微分値Δｚ′を演算して出力する微分器２０と、Δｚを導入してフィードバックゲインＦ１をΔｚに乗じるゲイン補償器２１と、Δｚ′を導入し、フィードバックゲインＦ２をΔｚ′に乗じるゲイン補償器２２と、Δｉを導入し、フィードバックゲインＦ３をΔｉに乗じるゲイン補償器２３と、電流偏差目標値発生器２４と、Δｉを電流偏差目標値発生器２４の目標値より減じる減算器２５と、この減算器２５の出力値を積分しフィードバックゲインを積分結果に乗じる積分補償器２６と、ゲイン補償器２１、２２、２３の出力を入力し、これらの総和を演算する加算器２７と、加算器２７の出力値を積分補償器２６の出力値から減じる減算器２８とで構成されている。
【００３２】
以上によって、いわゆるゼロパワー制御による磁気浮上系が構成されることになる。この制御電圧演算回路１９による制御原理は、例えば特許第２９６７８２２号「浮上式搬送装置」に示されている方式であり、これによって浮上体３の安定した磁気浮上制御が可能である。
【００３３】
この場合、浮上体３が安定して浮上し、定常状態にあるときには、積分補償器２６の作用によりコイル９に流れる電流は零となり、浮上に必要となる吸引力は全て永久磁石７による磁気力でまかなわれる。これは、浮上体３及び、浮上体３に積載される被測定物からなる浮上部全体の重量が変化した場合でも同様であり、浮上部の被測定物の重量変化に起因する荷重変化が発生した場合、ギャップ１０のギャップ長２９を所定の大きさにするために過渡的にコイル９に電流は流れるが、再度安定状態になった際には、上記制御手法を用いることによりコイル９に流れる電流は零となり、そのときの浮上部の総重量と永久磁石７の磁気力によって発生する吸引力とが釣り合うギャップ長２９が形成される。
【００３４】
以上のようにしてゼロパワー制御がなされ、浮上体３が安定に浮上しており、励磁電流が零となっているとき、漏れ磁束等の影響を無視すれば、ギャップ長ｚと吸引力ｆとの関係は次式で表すことができる。
【００３５】
【数１】
【００３６】
以上のような関係から、磁気浮上系においてゼロパワー制御がなされている場合には、磁石ユニット２とガイド４との間のギャップ１０の大きさ、すなわちギャップ長２９は浮上部の総重量をパラメータとする関数となる。このとき浮上部の重量が小さい場合には、それに釣り合うための吸引力は小さくなるため、ギャップ長２９が広がる。一方、浮上部の重量が大きい場合には、それに釣り合うための吸引力が大きくなるため、ギャップ長２９が狭くなる。
【００３７】
本実施の形態では、この関係を用いて、秤量演算装置３０において被測定物の重量を演算する。ここで、秤量演算装置３０は、ギャップセンサ１５の出力値に対してフィルタリング等の前処理を行う信号処理器５１と、その出力を導入して、上記関係式を用い、ギャップ長２９と磁石ユニット２に用いられている永久磁石７の磁気力により発生する吸引力、すなわち浮上体３と被測定物の重量との和を演算する浮上部重量演算器５２と、その浮上部重量演算器５２の出力から、浮上体３の重量を減ずる減算器５３とから構成されている。
【００３８】
これにより、秤量演算装置３０において、ギャップセンサ１５の出力値から被測定物の重量を演算し、その結果を出力装置５４に表示させることができる。なお、実際の浮上部重量演算器５２で用いる関係式においては、上式の各変数に対して、実験等で得られた補正を加え、浮上部の重量を演算しても何ら差し支えない。
【００３９】
また、上述の関係式より、吸引力ｆは、ギャップ長ｚの２乗に反比例することがわかる。したがって、被測定物の重量が比較的小さく、ギャップ長ｚが大きい場合には、被測定物の重量変化に対するギャップ長ｚの変化率が大きくなり、測定の精度が高くなる。一方、被測定物の重量が比較的大きく、ギャップ長ｚが小さい場合には、吸引力ｆの変化率が比較的大きくなるため、秤量台の磁気浮上剛性が高まることになり、その結果、比較的大きな荷重まで測定することが可能となる。したがって磁気浮上系では、このような非線形特性を有することによって、線形特性の秤量手段を有する従来の秤量装置に比べて、比較的広い測定レンジを得ることができる。
【００４０】
さらに、本実施の形態の秤量装置においては、測定を行っているときでも、コイル９に流れる電流は、被測定物の重量にかかわらず、定常状態で零に収束し、被測定物を浮上させる吸引力は永久磁石７の磁気力のみで釣り合わせることになる。したがって、長時間測定を行った場合でもコイル９に電流がほとんど流れることはなく、コイル９による発熱を大きく低減させることができる。これにより、コイル９の発熱に起因する温度変化によって、永久磁石７の特性が変化することを防ぐことができ、従来の秤量装置において問題となっていた、長時間連続測定時のコイル発熱による測定誤差の発生を抑制することができる。
【００４１】
なお、この構成において浮上制御する際に用いるギャップ長２９を検出する手段は、磁石ユニット２とガイド４との間のギャップの大きさを直接、もしくは間接的に検出できるものであればいかなる方式でもよく、渦流式センサ、光学式センサ、音波式センサ等のギャップセンサを用いることで実現できる。
【００４２】
また、本実施の形態では浮上部の重量を測定する秤量演算装置３０にギャップ長２９の値ｚを導入することとしているが、その検出手段としては、前記ギャップ長２９の検出手段と同様のセンサを用いることができ、かつ、浮上制御に用いるギャップセンサ１５と同一のものを利用してもよい。
【００４３】
（第２の実施の形態）次に、本発明の第２の実施の形態の秤量装置について説明する。第１の実施の形態では、ギャップ長２９、及び励磁電流の検出結果に直接フィードバックゲインを乗ずる制御手法としてきたが、浮上演算回路１３に状態観測器を用いることによって浮上系の状態を推定し、その結果を用いて制御回路を構成することもできる。第２の実施の形態は、この原理を採用したことを特徴とする。
【００４４】
図６は、浮上演算回路１３内の制御電圧演算回路１９の部分に、状態観測器４０を導入したときの構成図である。この図６に示すように、状態観測器４０を含む制御電圧演算回路１９は、ギャップ長偏差Δｚ、励磁電流偏差Δｉを導人し、ギャップ長偏差Δｚ、Δｚの時間微分値Δｚ′、励磁電流偏差Δｉ、及び外力ｕを演算して出力する状態観測器４０と、Δｚを導入しフィードバックゲインＦ１をΔｚに乗じるゲイン補償器２１と、Δｚ′を導入してフィードバックゲインＦ２を乗じるゲイン補償器２２と、Δｉを導入してフィードバックゲインＦ３を乗じるゲイン補償器２３と、ｕを導入してフィードバックゲインＦ４を乗じるゲイン補償器４１と、ゲイン補償器２１〜２３及びゲイン補償器４１の出力を入力し、これらの総和を演算する加算器４２と、加算器４２の出力値を目標値から減じる減算器２８とで構成されている。
【００４５】
上記のような状態観測器４０を用いた浮上制御に関しては、例えば特許第３１５２７７５号に示された制御手法を採用する。
【００４６】
この第２の実施の形態の秤量装置では、上記回路構成の状態観測器を導入することによって、浮上系の状態を推定しながら制御を施し、より安定した浮上系を構築することが可能になる。なお、上記のような状態観測器４０を用いた浮上制御を行っている場合には、被測定物の重量を演算する秤量演算装置３０に導入する値として、上述のギャップ長２９を用いるほかに、コイル９に流れる励磁電流の検出値を用いることもできる。
【００４７】
本実施の形態では磁気浮上系においてはゼロパワー制御を採用しているため、定常状態では励磁電流が零となるが、被測定物の重量の変化、もしくは荷重が印加された際の過渡状態においては、励磁電流がその荷重変化に応じて流れることになる。その際、ギャップ長２９と励磁電流を前記状態観測器４０に導入することによって、その出力値として浮上体３に加わる外乱荷重ｕ”を得ることができる。
【００４８】
このような構成においては、このｕ”は被測定物の重量を示すことになるため、このような状態観測器４０を用いることによって、ギャップ長２９、及び励磁電流の検出器を導入して被測定物の重量を演算する秤量演算装置３０を得ることができる。また、この状態観測器４０を用いることにより、浮上系が過渡状態にあるときでも外乱推定を行うことができるため、被測定物を積載したとき、もしくは被測定物の重量が変化した場合などにおいて、浮上系の安定を待つことなく秤量演算を行い、短時間で測定結果を推定することができる。
【００４９】
さらに、上記のように状態観測器４０を用い、その出力値の１つである荷重推定を秤量の手段として用いる場合には、別途秤量演算装置３０を分離して設置する必要はなく、図示のように状態観測器４０と秤量演算装置３０を同一の制御ブロックとし、浮上制御装置１１の内部に秤量演算装置３０を含めるような構成としても構わない。
【００５０】
（第３の実施の形態）次に、本発明の第３の実施の形態の秤量装置について説明する。第３の実施の形態では、秤量演算装置３０に導入する値として、ギャップ長２９の値ｚを直接用いるのではなく、積分補償器２６の出力値を用いることもできる。以下に、第３の実施の形態として、積分補償器２６の出力値を秤量演算手段に用いる場合について、図７を参照しながら説明する。
【００５１】
浮上演算回路１３において、励磁電流の値ｉとギャップ長２９の値ｚを導入し、適当な演算を施すことによって浮上体３を磁気浮上させているが、この際、励磁電流の検出値は、浮上制御とともに、励磁電流目標値との差分Δｉに積分補償器２６を乗じて電圧指令値ｅを演算するために、電流目標値が零のときには定常状態において励磁電流が零となり、浮上演算回路１３全体でゼロパワー制御が構成される。このとき、積分補償器２６の出力値は、ゼロパワーで磁気浮上しているときの、基準ギャップ長ｚ０からの偏差を打ち消すのに相当する値が出力されていることになる。したがって、この積分補償器２６の出力値は、ギャップ長２９を検出することと等価となり、前述と同様の秤量演算手段で、被測定物の重量を測定することができる。この場合には、積分補償器２６の出力を秤量演算装置３０に導入し、浮上部重量演算器５２によって積分補償器２６の出力値から浮上部全体の重量を演算し、減算器５３で浮上体３の重量を減じたものを出力装置５４で表示する構成となる。
【００５２】
なお、積分補償器２６の出力値は検出信号を積分した値となるため、必然的に検出信号の高調波成分がフィルタリングされることになり、検出信号中のノイズや高調波成分が取り除かれたものとなる。したがって、この積分補償器２６の出力値を秤量演算に用いると信号ノイズが小さく、秤量演算が容易となるだけではなく、被測定物の重量の推定も迅速に行うことができる。
【００５３】
以下に、被測定物が秤量台５に積載されたときの応答の例を用いて、重量推定の原理を説明する。被測定物が秤量台５に積載された際に、励磁電流の値が図８（ａ）のような波形を示したとすると、積分補償器２６の出力値は図８（ｂ）のような波形となり、ほぼ１次系のステップ応答とみなすことができる。この際、積分補償器２６の出力値としては、励磁電流の検出値に含まれる高調波成分やノイズ成分を取り除いたものが得られるため、その応答は比較的滑らかなものとなる。
【００５４】
ここで、積分補償器２６の出力値を１次系とみなし、一定時間間隔τで検出した出力値の差分をΔｖとすれば、その応答特性から、各時間での差分出力値Δｖｎの変化率、すなわちΔｖｎ＋１／Δｖｎは一定の値を示す。さらに、応答の最終値ｖ∞の値は、ある点における出力値ｖｎと、そのときの検出時間間隔τ、そしてシステム全体の応答時定数Ｔを用いて、
【数２】
【００５５】
以上のようにして、過渡応答中に重量を予測する場合には、図７に示したように、その出力値を浮上部重量演算器５２の出力値を直接出力装置５４に引き渡すか、浮上部重量推定演算器５５の出力を表示するかを選択するために、出力切換器５６を設け、自動もしくは手動で出力値を切り替える構成としてもよい。
【００５６】
（第４、５の実施の形態）これまで説明した実施の形態それぞれにおいては、磁気回路中の物理量検出手段として、励磁電流検出、及びギャップ長２９を検出する手段を用いたが、ギャップセンサ１５、電流検出器１６の代わりに、浮上体３の加速度を検出する加速度センサ、もしくは磁束の大きさを検出するホール素子を用いてもよい。
【００５７】
図９は、本発明の第４の実施の形態として、ギャップセンサ１５の代わりに加速度センサ３１、及び２つの積分器３２を用いた場合の構成を示している。このように、加速度センサ３１の検出値を２回積分したものをギャップ長２９の値ｚとして演算する構成をとることもできる。この場合には、特にセンサの設定位置を浮上体３の加速度が検出できる範囲で任意に決定できるという利点がある。
【００５８】
また図１０は、本発明の第５の実施の形態として、電流検出器１６の代わりに磁束の大きさを検出するホール素子で成る磁束検出器３３を用いた例を示している。この場合には、磁束の大きさを検出することにより、磁気回路中に発生する吸引力の大きさを得ることができ、それによりフィードバック制御を施すことができる。ただし、この場合には励磁電流の値を直接的に導入することができないため、励磁電流を積分補償器２６に導入してゼロパワー制御をかけることができない。このように電流信号を直接導入しない場合には、図示のようにパワーアンプ１４に導入する指令値ｅに対して、同様の積分補償器３４を導入してフィードバックすることにより、パワーアンプ１４からの出力を零に収束させることで、特許第２７９３２４０号「浮上式搬送装置」にも示されているようなゼロパワー制御を実現することができる。
【００５９】
（第６の実施の形態）以上述べてきた各実施の形態においては磁石ユニット２を台枠１に取りつけ、ガイド４を浮上体３に設置した場合について説明してきたが、磁石ユニット２、及びガイド４の設置箇所は限定されるものではなく、その配置を逆にし、図１１に示すように、台枠１にガイド４を設置し、磁石ユニット２を浮上体３に設置しても何ら差し支えない。このように構成したのが本発明の第６の実施の形態である。
【００６０】
この第６の実施の形態の秤量装置でも、これまで説明してきた各実施の形態と同様に浮上制御装置１１、秤量演算装置３０を構成することによって、被測定物の重量測定が可能となる。
【００６１】
以上、本発明を適用した秤量装置の具体的な構成について、第１〜第６の実施の形態として詳細に説明したが、本発明に係る秤量装置は、以上の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、被測定物を積載する秤量台は浮上体に設置され磁気浮上されているため、台枠等と接触部を持つことなく被測定物の重量を測定することが可能となる。したがって、従来の秤量装置における支点部等に起因する抵抗等の影響がなくなるため、測定誤差を発生することなく、高精度な秤量が行える。
加えて、本発明によれば、積分補償器の出力値を秤量演算に用いるので、信号ノイズが小さく、秤量演算が容易となるだけではなく、被測定物の重量の推定も迅速に行うことができる。
【００６３】
また、本発明によれば、浮上体が非線形を有するばね定数で支持されており、被測定物の重量が大きくなると浮上体を支持する浮上剛性が上がるため、従来の線形ばね定数で支持される構成と比べて、測定範囲を広くとることが可能である。
【００６４】
また、本発明によれば、定常状態において、被測定物を含む浮上部を浮上させる磁気吸引力を永久磁石の吸引力のみで発生させ、さらに電磁石に流れる励磁電流の定常値を、浮上体に積載された被測定物の重量の大きさにかかわらず零にすることができるため、上記電磁石のコイルには、浮上部に対して被測定物の重量が変化した際に過渡的な電流が流れるのみとなり、コイルで消費される電力を従来に比べて減少させることができ、これにより、コイルに流れる電流を軽減させることが可能になり、コイル部における発熱を軽減し、長時間秤量を行った場合でも温度変化が少なく、安定した測定精度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の秤量装置の斜視図。
【図２】上記第１の実施の形態の秤量装置の断面図。
【図３】上記第１の実施の形態の秤量装置における磁石ユニットの斜視図。
【図４】上記第１の実施の形態の秤量装置における浮上制御装置及び秤量演算装置のブロック図。
【図５】上記第１の実施の形態の秤量装置における磁石ユニットのギャップ長と吸引力の関係を示す図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の秤量装置における浮上制御装置及び秤量演算装置のブロック図。
【図７】本発明の第３の実施の形態の秤量装置における浮上制御装置及び秤量演算装置のブロック図。
【図８】上記第３の実施の形態の秤量装置において出力波形から重量推定する手法を示す図。
【図９】本発明の第４の実施の形態の秤量装置における浮上制御装置及び秤量演算装置のブロック図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態の秤量装置における浮上制御装置及び秤量演算装置のブロック図。
【図１１】本発明の第６の実施の形態の秤量装置の断面図。
【図１２】従来の秤量装置の基本構成を示す断面図。
【符号の説明】
１…台枠
２…磁石ユニット
３…浮上体
４…ガイド
５…秤量台
６ａ…電磁石
６ｂ…電磁石
７…永久磁石
８…継鉄
９…コイル
１０…ギャップ
１１…制御装置
１２…センサ部
１３…浮上演算回路
１４…パワーアンプ
１５…ギャップセンサ
１６…電流検出器
１７…減算器
１８…減算器
１９…制御電圧演算回路
２０…微分器
２１…ゲイン補償器
２２…ゲイン補償器
２３…ゲイン補償器
２４…電流偏差目標値発生器
２５…減算器
２６…積分補償器
２７…加算器
２８…減算器
２９…ギャップ長
３０…秤量演算装置
３１…加速度センサ
３２…積分器
３３…磁束検出器
４０…状態観測器
４１…ゲイン補償器
４２…加算器
５１…信号処理器
５２…浮上部重量演算器
５３…減算器
５４…出力装置
５５…浮上部重量推定器
５６…出力切換器
Claims (11)
- 少なくとも一部が磁性体で形成されたガイド、前記ガイドとギャップを介して対向するように設置された電磁石及び発生する磁束の構成する磁気回路が前記ギャップを含むように配置された永久磁石で構成される磁石ユニットと、
前記ガイドと磁石ユニットの間に発生する吸引力によって浮上させられる浮上体と、
前記磁気回路中の物理量を検出する物理量検出手段と、
前記電磁石に流れる励磁電流を検出する励磁電流検出手段と、
前記励磁電流の検出値を所定のゲインを持たせて積分する励磁電流積分補償器を備え、前記物理量検出手段によって検出された物理量に基づいて前記浮上体を前記ガイドに対して安定に浮上させるとともに前記浮上体に作用する外力の有無にかかわらず前記電磁石に流れる励磁電流の定常値を零に収束させるように前記電磁石に流す励磁電流を制御する制御手段と、
前記励磁電流積分補償器の出力値に基づいて前記浮上体に載貨される被測定物の重量を演算する秤量演算手段とを備えたことを特徴とする秤量装置。 - 前記秤量演算手段は、前記励磁電流積分補償器の出力値を一定間隔で検出し、その各時間における検出値の差である差分出力値の変化率を計算し、当該差分出力値の変化率が一定となった時点において被測定物の重量を演算することを特徴とする請求項１に記載の秤量装置。
- 前記制御手段は、前記電磁石を入力信号に基づいて励磁する励磁手段と、当該入力信号を所定のゲインを持たせて積分する積分補償器と、前記積分補償器の出力値を前記入力信号にフィードバックする手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の秤量装置。
- 前記物理量の検出手段が、前記ギャップの大きさを検出する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の秤量装置。
- 前記ギャップの大きさを検出する手段が渦流式センサであることを特徴とする請求項４記載の秤量装置。
- 前記物理量の検出手段が前記電磁石のコイルに流れる励磁電流の大きさを検出する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の秤量装置。
- 前記物理量の検出手段が前記浮上体の加速度を検出する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の秤量装置。
- 前記物理量の検出手段が前記ギャップ中の磁束を検出する手段であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の秤量装置。
- 前記磁束を検出する手段として、ホール素子を用いたことを特徴とする請求項８記載の秤量装置。
- 前記秤量演算手段に入力される前記検出手段の物理量が前記ギャップの検出値であることを特徴とする請求項４又は５記載の秤量装置。
- 前記秤量演算手段に入力される前記検出手段の物理量が前記励磁電流の検出値であることを特徴とする請求項６記載の秤量装置。
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