JP5568997B2

JP5568997B2 - 電子天秤

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Publication number: JP5568997B2
Application number: JP2010006296A
Authority: JP
Inventors: 淳史飯塚
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: JP2011145177A

Description

本発明は、天秤ビームの他端部の変位を算出するための光学的位置センサを備える電子天秤に関し、特に零位法による電子天秤に関する。

一般的に、粉体等の被測定物を計量するために、電子天秤が使用されている。このとき、測定者は、電子天秤の上面に形成された計量皿に被測定物を載置したり、計量皿から被測定物を除去したりすることにより、液晶表示画面に表示された測定結果を確認しながら、目的重量の被測定物を得ている。
図１は、電子天秤の概略構成を示す図である。電子天秤１は、支点８により揺動可能に支持された天秤ビーム４と、天秤ビーム４の一端部に係合された計量皿９と、天秤ビーム４の他端部に固着された電磁力発生装置のフィードバックコイル７と、フィードバックコイル７の周囲となるように天秤ベース（図示せず）に固定された磁石６と、天秤ビーム４の他端部の位置を検出するように天秤ベース（図示せず）に固定された光学的位置センサ２０と、電子天秤１全体を制御する制御部５と、Ａ／Ｄ変換器１１と、液晶表示画面１０とを備える（例えば、特許文献１参照）。

このような電子天秤１において、計量皿９に被測定物１５が載置されると、天秤ビーム４の一端部が下方に移動することに伴い、支点８を中心として天秤ビーム４の他端部が上方に移動する。そして、光学的位置センサ２０は、詳細は後述するが、天秤ビーム４の他端部の変位を算出するための検出信号ＳをＡ／Ｄ変換器１１を介して制御部５に出力する。制御部５は、詳細は後述するが、検出信号Ｓに基づいて、天秤ビーム４の他端部の変位を算出して、天秤ビーム４の他端部の変位が０になるように、フィードバックコイル７に供給する電流の大きさを決定して制御するとともに、天秤ビーム４の他端部の変位が０となる平衡状態においてフィードバックコイル７に流れる電流の大きさから計量皿９に載置された被測定物１５の荷重を求める。

ここで、図２は、図１に示す光学的位置センサ２０の水平断面図であり、図３は、図１に示す光学的位置センサ２０の垂直断面図である。なお、図３（ａ）は、天秤ビーム４の他端部が初期位置にあるときの垂直断面図であり、図３（ｂ）は、天秤ビーム４の他端部が変位したときの垂直断面図である。
また、図５は、光軸方向から見たときの従来の受光部Ｒの側面図である。なお、図５（ａ）は、図３（ａ）に示すように天秤ビーム４の他端部が初期位置にあるときの側面図であり、図５（ｂ）は、図３（ｂ）に示すように天秤ビーム４の他端部が変位したときの側面図である。

光学的位置センサ２０は、１個の発光ダイオード（発光部）２と、２個の受光面３１、３２を有するフォトダイオード群（受光部）Ｒとを備える。
発光ダイオード２は、光束を水平方向（光軸）Ｌに出射する。
フォトダイオード群Ｒは、光束を受光する四角形（例えば、面積１ｍｍ^２）の受光面３１を有するフォトダイオードと、光束を受光する四角形（例えば、面積１ｍｍ^２）の受光面３２を有するフォトダイオードとを有する。また、受光面３１と受光面３２とは、上下方向に隣接し、かつ、光軸Ｌと垂直となるように配置されている。

そして、受光面３１を有するフォトダイオードは、受光面３１への受光量を示す検出信号Ｓ１（受光量情報）をＡ／Ｄ変換器１１ａ（例えば、１６ｂｉｔの分解能）に出力し、Ａ／Ｄ変換器１１ａからデジタル検出信号Ｓ１’を制御部５に出力する。また、受光面３２を有するフォトダイオードは、受光面３２への受光量を示す検出信号Ｓ２（受光量情報）を、Ａ／Ｄ変換器１１ｂ（例えば、１６ｂｉｔの分解能）に出力し、Ａ／Ｄ変換器１１ｂからデジタル検出信号Ｓ２’を制御部５に出力する。

天秤ビーム４の他端部には、水平方向に貫通する例えば四角錘台形状の貫通孔３ａを有するシャッタ３が取り付けられている。そして、天秤ビーム４の他端部に形成されたシャッタ３は、発光ダイオード２とフォトダイオード群Ｒとの間に、発光ダイオード２の光軸Ｌと垂直となる面で上下方向に移動可能となるように配置される。
これにより、発光ダイオード２から出射された光束のうち、シャッタ３の貫通孔３ａを通過した設定面積（例えば、面積１ｍｍ^２）の四角形の光束１３は、受光面３１、３２に入射し、一方、貫通孔３ａを通過しない光束は、受光面３１、３２に入射しないようになっている。また、シャッタ３の貫通孔３ａを通過した設定面積の光束は、受光面３１と受光面３２との全受光面のどこかには必ず入射するようになっており、受光面３１への受光量が増加すれば、その増加した分だけ受光面３２への受光量が減少し、一方、受光面３２への受光量が増加すれば、その増加した分だけ受光面３１への受光量が減少するという関係になっている。

このような光学的位置センサ２０を用いて、制御部５は、デジタル検出信号Ｓ１’とデジタル検出信号Ｓ２’とに基づいて、天秤ビーム４の他端部の変位を算出する。
例えば、図３（ａ）及び図５（ａ）に示すように、貫通孔３ａの中心が、受光面３１と受光面３２との境界線上に位置している状態（初期位置）では、受光面３１への受光量と受光面３２への受光量とは互いに等しくなり、つまりデジタル検出信号Ｓ１’とデジタル検出信号Ｓ２’とは互いに等しくなる。よって、制御部５は、デジタル検出信号Ｓ１’とデジタル検出信号Ｓ２’との差分Ｓ１’−Ｓ２’を算出し、その結果、差分Ｓ１’−Ｓ２’が「０」となれば、天秤ビーム４の他端部が初期位置にある、つまり天秤ビーム４の他端部の変位が０であると判定する。そして、フィードバックコイル７に流れる電流の大きさから計量皿９に載置された被測定物１５の荷重を求めている。

一方、図３（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、貫通孔３ａの中心が、受光面３１と受光面３２との境界線上に位置している状態から変位すると、貫通孔３ａを通過する光束１３の位置が変化するので、受光面３１への受光量と受光面３２への受光量とに差が生じ、つまりデジタル検出信号Ｓ１’とデジタル検出信号Ｓ２’とに差が生じる。よって、制御部５は、差分Ｓ１’−Ｓ２’を算出し、その結果、差分Ｓ１’−Ｓ２’は、変位の向きに応じた極性で、かつ、変位の量に応じた大きさとなるので、差分Ｓ１’−Ｓ２’から天秤ビーム４の他端部の変位を算出する。そして、天秤ビーム４の他端部の変位が０になるように、フィードバックコイル７に供給する電流の大きさを決定する。

特開平１０−１６０５５１号公報

特に、このような天秤ビーム４等を含むメカニズムを、一つの金属製の直方体形状のブロックによって一体的に形成したセンサ機構体（いわゆる、「単体ブロックタイプのセンサ機構体」）を備える電子天秤が知られている。センサ機構体は、ワイヤ放電加工で製造される。このようなセンサ機構体の材料として、ワイヤ放電加工性がいいので（加工時間が短いので）、ジュラルミンが用いられることが多い。
しかしながら、ジュラルミンは、従来弾性の材料で用いられていた例えば、ベリリウム銅と比べバネ性が悪いので、輸送での振動・衝撃等で弾性支点が変形し、電子天秤１の特性が変ってしまうというデメリットがある。
また、従来の弾性支点材料を用いる場合（単体ブロックタイプのセンサ機構体以外の方式）であっても、高感度化するために、弾性支点の厚みや幅を小さくすると、強度が不足するので、上述したように輸送での振動・衝撃等で弾性支点が変形するだけでなく、落下や振動等の衝撃により壊れてしまうというデメリットがある。
そこで、輸送での耐衝撃性を向上するために、弾性支点の厚みや幅を大きくする（幅を広くする）と、計量皿９に載置された被測定物１５の単位重量あたりに対する天秤ビーム４の他端部が変位する変位（感度）の量が低減してしまうという問題点がある。
一方、計量皿９に載置された被測定物１５の単位重量あたりに対する天秤ビーム４の他端部が変位する変位（感度）の量が向上するように、弾性支点の厚みや幅を小さくすると、強度が不足するので、上述したように輸送での振動・衝撃等で弾性支点が変形するだけでなく、落下や振動等の衝撃により壊れてしまうという問題点がある。
つまり、センサ機構体の材料として、特にジュラルミンを用いた場合には、弾性支点の厚みや幅を小さくすることができず、計量皿９に載置された被測定物１５の単位重量あたりに対する天秤ビーム４の他端部が変位する変位の量が小さくなることがあった。
そこで、本発明は、計量皿に載置された被測定物の単位重量あたりに対する天秤ビームの他端部が変位する変位の量が小さくても、天秤ビームの他端部の変位を正確に算出することができる電子天秤を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の電子天秤は、支点により揺動可能に支持され、かつ、一端部に被測定物が載置される計量皿が連結され、他端部に電磁力発生装置が連結される天秤ビームと、光束を出射する発光部と、光束を受光する受光面を有する受光部とを備える光学的位置センサと、前記発光部と受光部との間に、前記天秤ビームの他端部が発光部の光軸と垂直となる面で揺動可能に支持されるように配置されることにより、前記受光部の受光面で受光された受光量情報に基づいて、前記天秤ビームの他端部の変位を算出する制御部とを備える電子天秤であって、前記天秤ビームの他端部は、前記発光部と受光部との間に、前記発光部の光軸と垂直となる面で上下方向に移動可能となるように配置され、前記受光部は、上下方向に２行となるとともに左右方向に３列以上となるように分割された受光面を有し、前記制御部は、１行目の受光面で受光された受光量情報と、２行目の受光面で受光された受光量情報との差分に基づいて、前記天秤ビームの他端部の変位を算出するようにしている。

本発明の電子天秤によれば、受光部は、６個以上に分割された受光面を有する。そして、制御部は、２個の受光量情報ではなく、６個以上の受光量情報に基づいて、天秤ビームの他端部の変位を算出する。６個以上の受光量情報を比較することにより、例えば、３個以上の受光量情報の合計受光量情報と、残りの３個以上の受光量情報の合計受光量情報との差分を算出することができるので、その差分（算出結果）において、１個の受光量情報と１個の受光量情報との差分を算出した従来のときと比べて、Ｓ／Ｎ比が向上するので、天秤ビームの他端部の変位を正確に算出することができる。

以上のように、本発明の電子天秤によれば、計量皿に載置された被測定物の単位重量あたりに対する天秤ビームの他端部が変位する変位の量が低減しても、算出結果においてＳ／Ｎ比が向上しているので、天秤ビームの他端部の変位を正確に算出することができる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記発明において、前記天秤ビームの他端部には、前記発光部から出射された光束を設定面積で通過させる例えば貫通孔が形成されているようにしてもよい。
そして、上記発明において、前記天秤ビームの他端部は、前記発光部と受光部との間に、前記発光部の光軸と垂直となる面で上下方向に移動可能となるように配置され、前記受光部は、上下方向に２行となるとともに左右方向に３列以上となるように分割された受光面を有し、前記制御部は、１行目の受光面で受光された受光量情報と、２行目の受光面で受光された受光量情報との差分に基づいて、前記天秤ビームの他端部の変位を算出するようにしている。
本発明の電子天秤によれば、例えば、上下方向に２行となるとともに左右方向に３列となるように分割された受光面を有する場合、１行目の３個の受光量情報の合計受光量情報と、２行目の３個の受光量情報の合計受光量情報との差分を算出することができる。そして、その差分（算出結果）において、１個の受光量情報と１個の受光量情報との差分を算出した従来のときと比べて、同じ受光素子（受光面）を用いたときには、ノイズが１／√３に低減でき、Ｓ／Ｎ比が向上することで、天秤ビームの他端部の変位を正確に算出することができる。
さらに、上記発明において、前記制御部は、１行目の全ての受光面で受光された合計受光量情報と、２行目の全ての受光面で受光された合計受光量情報との差分に基づいて、前記天秤ビームの他端部の変位を算出するようにしてもよい。

電子天秤の概略構成を示す図である。図１に示す光学的位置センサの水平断面図である。図１に示す光学的位置センサの垂直断面図である。光軸方向から見たときの本実施形態に係る受光部の側面図である。光軸方向から見たときの従来の受光部の側面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

図１は、電子天秤の概略構成を示す図であり、図４は、光軸方向から見たときの本実施形態に係る受光部Ｒの側面図である。なお、図４（ａ）は、図３（ａ）に示すように天秤ビームの他端部が初期位置にあるときの側面図であり、図４（ｂ）は、図３（ｂ）に示すように天秤ビームの他端部が変位したときの側面図である。また、上述した電子天秤１と同様のものについては、同じ符号を付して、説明を省略することとする。
電子天秤１は、支点８により揺動可能に支持された天秤ビーム４と、天秤ビーム４の一端部に係合された計量皿９と、天秤ビーム４の他端部に固着された電磁力発生装置のフィードバックコイル７と、フィードバックコイル７の周囲となるように天秤ベース（図示せず）に固定された磁石６と、天秤ビーム４の他端部の位置を検出するように天秤ベース（図示せず）に固定された光学的位置センサ２０と、電子天秤１全体を制御する制御部５と、Ａ／Ｄ変換器１１と、液晶表示画面１０とを備える。
なお、本実施形態では、一例として、電子天秤１において、天秤ビーム４等を含むメカニズムを、一つの金属製の直方体形状のブロックによって一体的に形成したジュラルミン製のセンサ機構体を備えるものとする。

光学的位置センサ２０は、１個の発光ダイオード（発光部）２と、４個の受光面２１、２２、２３、２４を有するフォトダイオード群（受光部）Ｒとを備える。
フォトダイオード群Ｒは、光束を受光する四角形（例えば、面積１ｍｍ^２）の受光面２１を有するフォトダイオードと、光束を受光する四角形（例えば、面積１ｍｍ^２）の受光面２２を有するフォトダイオードと、光束を受光する四角形（例えば、面積１ｍｍ^２）の受光面２３を有するフォトダイオードと、光束を受光する四角形（例えば、面積１ｍｍ^２）の受光面２４を有するフォトダイオードとを有する。また、受光面２１と受光面２２と受光面２３と受光面２４とは、２行２列となるように隣接し、かつ、光軸Ｌと垂直となるように配置されている。
なお、シャッタ３の貫通孔３ａを通過した設定面積の光束は、受光面２１と受光面２２と受光面２３と受光面２４との全受光面のどこかには必ず入射するようになっている。

そして、受光面２１を有するフォトダイオードは、受光面２１への受光量を示す検出信号Ｓ１（受光量情報）をＡ／Ｄ変換器１１ａ（例えば、１６ｂｉｔの分解能）に出力し、Ａ／Ｄ変換器１１ａからデジタル検出信号Ｓ１’を制御部５に出力する。受光面２２を有するフォトダイオードは、受光面２２への受光量を示す検出信号Ｓ２（受光量情報）をＡ／Ｄ変換器１１ｂ（例えば、１６ｂｉｔの分解能）に出力し、Ａ／Ｄ変換器１１ｂからデジタル検出信号Ｓ２’を制御部５に出力する。受光面２３を有するフォトダイオードは、受光面２３への受光量を示す検出信号Ｓ３（受光量情報）をＡ／Ｄ変換器１１ｃ（例えば、１６ｂｉｔの分解能）に出力し、Ａ／Ｄ変換器１１ｃからデジタル検出信号Ｓ３’を制御部５に出力する。受光面２４を有するフォトダイオードは、受光面２４への受光量を示す検出信号Ｓ４（受光量情報）をＡ／Ｄ変換器１１ｄ（例えば、１６ｂｉｔの分解能）に出力し、Ａ／Ｄ変換器１１ｄからデジタル検出信号Ｓ４’を制御部５に出力する。

制御部５は、デジタル検出信号Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’、Ｓ４’に基づいて、天秤ビーム４の他端部の変位を算出する制御を行う。
例えば、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、貫通孔３ａの中心が、受光面２１と受光面２３とで構成される１行目の合計受光面と、受光面２２と受光面２４とで構成される２行目の合計受光面との境界線上に位置している状態（初期位置）では、１行目の合計受光面への合計受光量と、２行目の合計受光面への合計受光量とは互いに等しくなり、つまりデジタル検出信号Ｓ１’とデジタル検出信号Ｓ３’との合計検出信号Ｔと、デジタル検出信号Ｓ２’とデジタル検出信号Ｓ４’との合計検出信号Ｕとは互いに等しくなる。このとき、合計検出信号Ｔは、２つのデジタル検出信号Ｓ１’、Ｓ３’との合計であるので、Ｓ／Ｎ比が向上し、合計検出信号Ｕも、２つのデジタル検出信号Ｓ２’、Ｓ４’との合計であるので、Ｓ／Ｎ比が向上している。制御部５は、合計検出信号Ｔと合計検出信号Ｕとの差分Ｔ−Ｕを算出し、その結果、差分Ｔ−Ｕが「０」となれば、天秤ビーム４の他端部が初期位置にある、つまり天秤ビーム４の他端部の変位が０であると判定する。そして、フィードバックコイル７に流れる電流の大きさから計量皿９に載置された被測定物１５の荷重を求める。

また、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、貫通孔３ａの中心が、１行目の合計受光面と、２行目の合計受光面との境界線上に位置している状態から変位すると、貫通孔３ａを通過する光束１３の位置が変化するので、１行目の合計受光面への合計受光量と２行目の合計受光面への合計受光量とに差が生じ、つまり合計検出信号Ｔと合計検出信号Ｕとに差が生じる。よって、制御部５は、差分Ｔ−Ｕを算出し、その結果、差分Ｔ−Ｕは、変位の向きに応じた極性で、かつ、変位の量に応じた大きさとなるので、差分Ｔ−Ｕから天秤ビーム４の他端部の変位を算出する。そして、天秤ビーム４の他端部の変位が０になるように、フィードバックコイル７に供給する電流の大きさを決定する。このとき、差分Ｔ−Ｕも、Ｓ／Ｎ比が向上しているので、正確に天秤ビーム４の他端部の変位を算出することができ、その結果、天秤ビーム４の他端部の変位が０になるようにすることができる。

以上のように、本発明の電子天秤１によれば、計量皿９に載置された被測定物１５の単位重量あたりに対する天秤ビーム４の他端部が変位する変位の量が小さくても、差分Ｔ−ＵにおいてＳ／Ｎ比が向上しているので、天秤ビーム４の他端部の変位を正確に算出することができる。

（他の実施形態）
（１）上述した電子天秤１では、受光面２１と受光面２２と受光面２３と受光面２４とは、２行２列となるように隣接している構成を示したが、２行３列や２行４列等となるように隣接しているような構成としてもよい。このように２行３列としたときには、ノイズが１／√３に低減でき、２行４列としたときには、ノイズが１／√４に低減できることになる。
（２）上述した電子天秤１では、長方形の光束がシャッタ３の貫通孔３ａを通過する構成を示したが、円形や楕円形等の光束がシャッタの貫通孔を通過するような構成としてもよい。

本発明は、光学的位置センサを備える電子天秤に好適に利用できる。

１電子天秤
２発光ダイオード（発光部）
４天秤ビーム
５制御部
６磁石
７フィードバックコイル
８支点
９計量皿
１５被測定物
２０光学的位置センサ
２１、２２、２３、２４、３１、３２受光面
Ｒ受光部

Claims

支点により揺動可能に支持され、かつ、一端部に被測定物が載置される計量皿が連結され、他端部に電磁力発生装置が連結される天秤ビームと、
光束を出射する発光部と、光束を受光する受光面を有する受光部とを備える光学的位置センサと、
前記発光部と受光部との間に、前記天秤ビームの他端部が発光部の光軸と垂直となる面で揺動可能に支持されるように配置されることにより、前記受光部の受光面で受光された受光量情報に基づいて、前記天秤ビームの他端部の変位を算出する制御部とを備える電子天秤であって、前記天秤ビームの他端部は、前記発光部と受光部との間に、前記発光部の光軸と垂直となる面で上下方向に移動可能となるように配置され、
前記受光部は、上下方向に２行となるとともに左右方向に３列以上となるように分割された受光面を有し、
前記制御部は、１行目の受光面で受光された受光量情報と、２行目の受光面で受光された受光量情報との差分に基づいて、前記天秤ビームの他端部の変位を算出することを特徴とする電子天秤。
前記天秤ビームの他端部には、前記発光部から出射された光束を設定面積で通過させる貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子天秤。
前記制御部は、１行目の全ての受光面で受光された合計受光量情報と、２行目の全ての受光面で受光された合計受光量情報との差分に基づいて、前記天秤ビームの他端部の変位を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電子天秤。