JP4483464B2

JP4483464B2 - 電子天びん

Info

Publication number: JP4483464B2
Application number: JP2004222982A
Authority: JP
Inventors: 淳史飯塚
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2006038796A

Description

本発明は電子天びんに関し、特に電磁力平衡方式の電子天びんに関する。

従来、電子天びんには、電磁力平衡方式による荷重／電流変換機構が広く利用されている。図４は、電磁力平衡方式による電子天びんの概略構成図を示したもので、受け皿４１に載置される被計量物の荷重を平衡ビーム４２の一端に作用させると共に、支点４２ａをはさんだ反対側に復元力として電磁力を作用させるようにしたはかり機構部４と、永久磁石５１ａを用いた磁場発生器５１とその磁界中に吊設されたフォースコイル５２からなる電磁力発生機構部５と、前記平衡ビーム４２の位置の変位を電気信号に変換するための光源６１、シャッタ６２及び光電変換素子６３からなる変位検出器６と、前記フォースコイル５２に流すコイル電流５２ａを制御して平衡ビーム４２の平衡をとるサーボ増幅器７１と前記コイル電流５２ａを電圧信号７２ａに変換する電流／電圧変換器７２からなる制御機構部７と、前記電圧信号７２ａをサンプリングしてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器８１、このＡ／Ｄ変換器８１からの数値データをディジタルフィルタで平滑処理して被計量物の荷重を重量値データに変換し、これを表示器８２に表示するマイクロコンピュータ８３からなる信号処理・表示部８から構成されている。

図５は、前記電磁力発生機構部５の動作原理図を示すもので、磁場発生器５１によって発生する磁界の磁束密度をＢ、フォースコイル５２の全長をＬ、フォースコイル５２に流すコイル電流をＩ、電磁力をＦとすると、（１）式で表わされる矢印方向の電磁力Fが発生する。
Ｆ＝ＢＩＬ・・・（１）
そしてまた、被計量物の荷重をＷ、被計量物の荷重作用点と支点４２ａ間の距離をａ、支点４２ａと電磁力作用点間の距離をｂとすると、電磁力Ｆの回転モーメントｂＦと荷重Ｗの回転モーメントａＷは、前記サーボ増幅器７１によりバランスするように制御されるので、コイル電流Ｉは、（２）式に示すように荷重Ｗに比例する。
Ｉ＝ａＷ／（ｂＢＬ）・・・（２）
特公平０７−１５４０５号公報

従来の電子天びんは、上記のように構成されているが、被計量物を段階的に定格最小値から増加させながら計量した場合と、定格最大値から段階的に減少させながら計量した場合とを比較すると、同一被計量物であるにも関わらず、図６に示したようなヒステリシス誤差が発生する。例えば、０〜２００ｇ定格の電子天びんにおいて、１００ｇ（定格値の５０％に相当）の分銅１を計量する場合、最初分銅１を載せてその重量Ｍ１を計量した状態で、さらに分銅２を載せた後これを取り除き、分銅１だけを残して重量Ｍ２を計量すると、重量Ｍ１に対し重量Ｍ２にΔＨ₅₀（−０．１ｍｇ）のヒステリシス誤差が発生する。このヒステリシス誤差は、重量定格値の大きい電子天びんほど大きくなり、またΔＨ_５で示したように定格値の５％など最小、最大に近づくほど小さくなる傾向がある。

この原因として、コイル電流Ｉによって発生する磁化力が磁場発生器５１に用いられている永久磁石５１ａの磁化に影響を与えるためであると考えられる。図７はコイル電流Ｉにより発生する磁束密度Ｂの変化を示したもので、コイル電流Ｉが最小値（０％）から増加する場合の磁束密度Ｂ（図のＡ曲線）より、コイル電流Ｉが最大値（１００％）から減少する場合の磁束密度Ｂ（図のＢ曲線）の方が大きくなる。このような磁束密度に現れるヒステリシス特性の幅を縮小するには、コイル電流Ｉを小さくすることが好ましいが、それには永久磁石を大きくしたり保持力の大きな永久磁石を用いる必要がある。実際には、磁束密度の安定性や形状に制限があるために磁束密度をあまり高くすることができないという問題がある。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、コイル電流の増減によって生じる磁束密度のヒステリシス特性に起因するヒステリシス誤差を低減した電子天びんを提供することを目的とするものである。

重量を計量するようにした電子天びんにおいて、前記平衡ビームの平衡状態からの位置の変位を検出する手段と、この位置の変位にＰＩＤ演算を行い、この演算値を前記フォースコイルを制御するＰＩＤ制御電流に変換する手段と、前記演算値を重量値に換算して表示する手段と、前記被計量物の荷重が変化したときに、定格範囲内のいかなる荷重が負荷されたとしても前記フォースコイルにより生ずる磁束密度が常に減少または常に増加する方向に変化して収斂するようなコイル電流を一定期間前記フォースコイルに流すとともに、その他の期間は、前記ＰＩＤ制御電流を流す手段とを備え、前記電磁力と被計量物のバランスをとるようにした。本発明の電子天びんは、上記のように構成されており、コイル電流の変化方向によって生じるヒステリシス誤差を軽減することができる。

本発明の電子天びんは、計量時にコイル電流を一旦最大値（または最小値）にしてからコイル電流の制御を始めるので、初期のコイル電流の変化方向が同一となり、コイル電流の変化方向によって決まる同一磁束密度曲線に沿って磁束変化が収斂するのでヒステリシス誤差を小さくすることができ、計量誤差を低減することができる。

本発明による電子天びんの実施例を図面を参照しながら説明する。図１は実施例による電子天びんの概略構成図である。本電子天びんは、被計量物Ｍの荷重Ｗとフォースコイル１１に発生する電磁力Ｆを平衡ビーム１２に作用させて平衡をとる平衡機構部１と、平衡ビーム１２の平衡位置からの位置の変位を検出する変位検出器２と、前記荷重Ｗに電磁力Ｆがバランスするようにフォースコイル１１に流すコイル電流Ｉを制御するとともに、コイル電流Ｉを演算処理して荷重Ｗを重量に換算し、この重量値を表示する制御演算部３から構成されている。

前記平衡機構部１は、前記平衡ビーム１２の中ほどから受け皿１３寄りに設けられた支点１２ａと同一垂直線上にあってその下方に設けられた支点１２ｂを中心に回転するレバー１４、１５と、このレバー１４、１５を連結して平行四辺形を形成する垂直レバー１６から構成されている。受け皿１３は前記垂直レバー１６の上部に連結され、フォースコイル１１は平衡ビーム１２の支点１２ａをはさんで受け皿１３と反対側にあって、永久磁石と円形状の磁路部材からなる磁場発生器１７の磁界中に配設されるように吊設されている。

また、前記変位検出器２は、発光ダイオード２１と、前記平衡ビーム１２の端部に固定され、前記発光ダイオード２１からの光線の透過面積を前記平衡ビーム１２の位置の変位に応じて変化させるシャッタ２２と、このシャッタ２２の透過光線を受光してシャッタ２２の位置の変位に対応した電圧信号に変換するフォトダイオード２３から構成されている。

そして、前記制御演算部３は、フォトダイオード２３の出力電圧を数値データ化するＡ／Ｄ変換器３１と、この数値データにＰＩＤ演算処理を行ない、この演算値をＤ／Ａ変換器３３に出力するとともに、前記演算値を重量値に換算して表示器３４に表示し、前記演算値の変化率と比較値Ｅ１を比較し、この変化率がＥ１を越えたときにコイル電流Ｉを一定期間最大値にし、その他の期間は前記演算値をＤ／Ａ変換器３３に出力するようにしたマイクロコンピュータ３２と、このマイクロコンピュータ３２の出力をＤ／Ａ変換してアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器３３から構成されている。

上記構成の電子天びんによる被計量物Ｍの計量手順を、前記マイクロコンピュータ３２の演算制御プログラムの概要を示す図２のフローチャートを参照しながら説明する。図１の前記平衡機構部１によって検出された平衡ビーム１２の位置の変位は、Ａ／Ｄ変換器３１によって、数値データに変換されてマイクロコンピュータ３２に入力される。マイクロコンピュータ３２は、この数値データに比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分（Ｄ）の演算処理を行ないＰＩＤ付き数値データに変換し（Ｓ１）、得られたＰＩＤ付き数値データをメモリに記憶されている換算式を用いて重量値に換算し（Ｓ２）、この重量値を表示器３４に出力する（Ｓ３）。そして、ＰＩＤ付き数値データをメモリに記憶されている変化率Ｅ１と比較し（Ｓ４）、変化率がＥ１を越えていれば、コイル電流Ｉの最大値に相当する数値データをＤ／Ａ変換器３３に出力する（Ｓ５）。最大値数値データを一定期間（Ｔ１）出力した後、ＰＩＤ付き数値データをＤ／Ａ変換器３３に出力する（Ｓ６）。

上記のように、被計量物Ｍの荷重Ｗが変化する毎にＴ１期間だけコイル電流Ｉが一旦最大値に変化することによって、磁場発生器１７における磁束密度Ｂは、図７に見られるようにＴ１期間中に最大磁束密度Ｂｍａｘに到達し、Ｔ１期間が過ぎると曲線Ａ上に矢印方向に減少し、コイル電流Ｉ上の変化に伴いＰ点の磁束密度Ｂｐに収斂する。なお、以上の説明では、Ｔ１期間中の出力電流を最大値としたが、最小値としてもよく、この場合にはＴ１期間中に前記磁場発生器１７の磁束密度Ｂは、Ｂｍｉｎに到達し、Ｔ１期間が過ぎると、曲線Ｂ上の矢印方向に増加し、コイル電流Ｉの変化に伴いＱ点の磁束密度Ｂｑに収斂する。すなわち、従来の電子天びんでは、被計量物Ｍを増やしながら計量する場合と減らしながら計量する場合において、計量安定時の磁束密度がＢｐとＢｑなどのように異なるので、ヒステリシス誤差が発生するのに対し、本発明の電子天びんは磁束密度の異なる２曲線のいずれか一方の近傍において平衡を取るのでヒステリシス誤差が減少する。

図３は、本実施例による定格０〜２００ｇ、荷重に対する電磁力作用点のレバー比が２０である電子天びんで被計量物Ｍの荷重Ｗを計量したときの電磁力Ｆの変化を示したもので、コイル電流Ｉもまた電磁力Ｆと同様の変化を行なう。すなわち、コイル電流Ｉは、一旦最大値に到達した後、ＰＩＤ制御によって荷重Ｗにバランスする。

本発明は、計量時初期のコイル電流Ｉの方向を規定しておいて、コイル電流Ｉが最小値から増加する場合に発生する磁束密度の特性曲線か、最大値から減少する場合に発生する磁束密度の特性曲線のいずれかを選んで電磁力を発生させることにより、ヒステリシス誤差を減少させるようにしたものであるが、その構成は実施例に限定されるものではなく、例えばＤ／Ａ変換器３３の代わりに、パルス幅変調回路を行い、これをローパスフィルタで平滑してコイル電流Ｉとして用いたり、Ｄ／Ａ変換器３３の後に電圧／電流変換器を設けて、定電流特性を持たせることにより制御性を向上させることもできる。また、実施例では計量開始を荷重の変化率の大きさで判断し、初期コイル電流を一定期間流しているが、計量開始ボタンを設けて、計量時これを押して初期コイル電流を流すようにしてもよい。

本発明は、電磁力平衡方式の電子天びんに用いられる。

本発明の実施例による電子天びんの概略構成図である。本発明の実施例による電子天びんの動作手順を示すフローチャートである。荷重変化に伴う電磁力の応答を示す電磁力応答図である。従来の電子天びんの概略構成図である。電磁力発生機構部の動作説明図である。電磁力平衡方式の電子天びんの計量値に生じるヒステリシス特性図である。コイル電流と磁束密度の関係を示す図である。

符号の説明

１平衡機構部
１１フォースコイル
１２平衡ビーム
１２ａ、１２ｂ、４２ａ支点
１３、４１受け皿
１４、１５レバー
１６垂直レバー
１７、５１磁場発生器
２、６変位検出器
２１発光ダイオード
２２、６２シャッタ
２３フォトダイオード
３制御演算部
３１、８１Ａ／Ｄ変換器
３２、８３マイクロコンピュータ
３３Ｄ／Ａ変換器
３４、８２表示器
４はかり機構部
４２平衡ビーム
５電磁力発生機構部
５１ａ永久磁石
５２フォースコイル
５２ａコイル電流
６１光源
６３光電変換素子
７制御機構部
７１サーボ増幅器
７２電流／電圧変換器
７２ａ電圧信号
８信号処理・表示部

Claims

フォースコイルに流すコイル電流に比例して発生する電磁力と被計量物の荷重とを平衡ビームに作用させた状態で、コイル電流を制御して前記電磁力と荷重とのバランスをとり、この電流値を演算処理して被計量物の重量を計量するようにした電子天びんにおいて、
前記平衡ビームの平衡状態からの位置の変位を検出する手段と、
この位置の変位にＰＩＤ演算を行い、この演算値を前記フォースコイルを制御するＰＩＤ制御電流に変換する手段と、
前記演算値を重量値に換算して表示する手段と
前記被計量物の荷重が変化したときに、定格範囲内のいかなる荷重が負荷されたとしても前記フォースコイルにより生ずる磁束密度が常に減少または常に増加する方向に変化して収斂するようなコイル電流を一定期間前記フォースコイルに流すとともに、その他の期間は、前記ＰＩＤ制御電流を流す手段と
を備え、前記電磁力と被計量物のバランスをとるようにしたことを特徴とする電子天びん。