JPH0357923A - 電子天びん - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く産業上の利用分野〉 本発明は電子天びんに関し、更に詳しくは電６Ｒ力平衡
式の天びんに関する。

く従来の技術〉 電磁力平衡式の天びんでは、磁界中に設けたフォースコ
イルに電流を流すことによって発生する電磁力を被測定
荷重と平衡させ、その平衡状態を得るに要する電流値か
ら被測定荷重の大きさを求める。

この種の天びんに関して、本発明者は、迅速でかつ正確
な測定値を得ることを目的として、あらかじめ設定され
たデジタル値のｌカウントづつステップ状の変化をしつ
つ測定すべき荷重値に近い力を発生させる第１の荷重評
価部と、その第１の荷重評価部による力と測定すべき荷
重値との差に平衡する力を発生ざせる第２の荷重評価部
を設け、この第１と第２の荷重評価部で発生させている
力の合計、つまり、第１と第２の荷重評価部により分担
測定された荷重の合計により、測定すべき荷重値の大き
さを求めるようにしたものを提案している（特公昭６４
−６５３号）。

〈発明が解決しようとする課題〉 上述の提案に基づく方式では、未知質量の測定等のよう
に、被測定荷重が変動していなければ簡単な構戒のもと
に短時間で正確な測定値が得られるものの、試料の重量
変化の測定等のように、被測定荷重が変化する場合、測
定表示値が一時的に大きく変動するという欠点があった
。また、この変動の後、第２の荷重評価部が再び安定す
るまでの時間が必要であり、応答性の点においても問題
があった。

すなわち、この種の測定方式では、第２の荷重評価部が
受け持つ測定範囲（発生力範囲）をオーバーした時点で
、第１の荷重評価部の発生する力ｔｌステップ（ｌカウ
ン１−）分変化させることになるが、その瞬間に第２の
荷重評価部で受け持つ力を大きく変化させる必要がある
。

ここで、第２の荷重評価部がフォースコイルに供給する
電流の大きさは、天びんの機構内のレハー等の変位を検
出してそれがＯとなるようにサーボ機構によって制御さ
れるが、このサーボ系の応答によって第２の荷重評価部
が発生する力の変化速度が支配され、ある程度以上に速
く変化させることはできない。その結果上記した問題が
生じるわけである。

具体的に説明すると、第ｉの荷重評価部は例えば１ｇス
テップでｌ〜２　０　０ｇの力を発生させ、第２の荷重
評価部はＯ．ｌｍｇの分解能で１ｇまでの力を発生し、
この両者の合計が測定値を表すものとすると、荷重の変
化があれば、１ｇごとに第１の荷重評価部による発生力
が急変し、このとき第２の荷重評価部のサーボ機構内の
ＰＩＤ制御部の出力は、積分動作のために急激には電圧
を放出できず、これによって第１と第２の荷重評価部の
合威力は一時的に過大もしくは過小となり、表示が変動
してしまうわけである。

つまり、第５図（ａ）に示すような荷重の変化があった
場合、例えば同図（ｂ）に示すように時刻１，で第１の
荷重評価部が発生する力Ｆ１が１ステップ分増加し、時
刻Ｌ２で同じ＜Ｆｌが１ステップ分減少したとする。第
２の荷重評価部が発生する力Ｆ２は、Ｌ１で瞬時にＦ１
の増加分だけ減少し、Ｌ２では瞬時に増加する必要があ
るが、実際には第５図（Ｃ）に示すように応答遅れが生
じ、表示値に対応する第１と第２の荷重評価部の発生力
の和Ｆ，十Ｆ．は、同図（ｄ）に示すようにｔ，および
Ｌ２で一時的に大きく変動し、かつ、真の荷重値を表示
するまでの間に所定の時間が必要である。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は特公昭６４−６５３号の技術を更に改良して上
記した問題点を解消すべくなされたもので、その構戒を
実施例に対応する第１図を参照しつつ説明すると、本発
明では、第２の荷重評価部Ｂを、ＰＩＤ制御器６と、そ
のＰＩＤ制御器６の出力の大きさに対応するカウント値
を得る手段（例えばパルス幅変調器７、発振器９１、カ
ウンタ９２）と、そのカウント値に対応してフォースコ
イル３に供給する第２のパルス電流のデューティを決定
するデータ処理部９３で構戒し、また、そのデータ処理
部９３は、荷重変化によりこの第２の荷重評価部Ｂの評
価範囲を越えた場合には、第１の荷重評価部Ａからフォ
ースコイル２に供給する第１のパルス電流のデューティ
を１ステップ変化させると同時に、第２のパルス電流の
デューティを第１のパルス電流のデューティの変化の向
きと逆向きに所定量強制的に変化させるよう構威してい
る。

く作用〉 第２の荷重評価部Ｂのサーボ機構は、ＰＩＤ制御器６の
出力を直接第２のパルス電流のデューティに変換してフ
ォースコイル３にフィードバックせず、一旦データ処理
部９３に採り込み、第１のパルス電流のステップ状の変
化時にこれに対抗した制的な変化を加える。

すなわち、第２の荷重評価部Ｂの評価範囲を越えたとき
には、第１のパルス電流のｌステップ分の変化と同時に
これと逆向きに第２のパルス電流に強制的に所定量の変
化が与えられ、これによって、第１のパルス電流による
発生電磁力の急激な変化が相殺され、全体としての電磁
力の変化は最小となる。

〈実施例〉 第１図は本発明実施例の構戒を示すブロック図である。

天びん機構部１は公知の電磁力平衡弐の荷重検出メカニ
ズムで、第１と第２のフォースコイル２と３が磁界中に
置かれ、これらで発生する電磁力を皿１ａ上の荷重と釣
り合わせるための機構である。この釣り合いは、天びん
機構部１内のレバー等の変位を検出する位置センサ４か
らの信号に基づくサーボ系（後述の第２の荷重評価部Ｂ
に対応）を構戒することによって得られる。

第１のフォースコイル２は、いわば主コイルであって、
通常は測定値が大幅に変動しない限り一定の電磁力を発
生する。

第２のフォースコイル３は、いわば副コイルであって、
第１のフォースコイル２で発生した電磁力で釣り合わせ
きれない分の荷重に釣り合うだけの電磁力を発生する。

第１と第２のフォースコイル２と３に流れる電流はいず
れもパルス電流であって、そのパルスデューティを変化
させることによって発生電磁力に変化が与えられる。第
１のフォースコイル２には第１の荷重評価部Ａから、ま
た、第２のフォースコイル３には第２の荷重評価部Ｂか
らそれぞれ電流が供給される。

第１の荷重評価部Ａは、定電流発生器１３、スイッチＳ
’ｓ第１のパルスデューティ変換部１１、および第１の
荷重評価値作或部９４によって構威されており、第１の
荷重評価値作成部９４がらのデータに基づいた第Ｉのバ
ルスデューティ変換部１１の動作により、定電流発生器
１３がらの直流電流ｉ　ｌをスイッチＳＩでチョンピン
グした第１のパルス電流を第１のフォースコイル２に供
給ｔる。

この第１のパルス電流の実効値ぱあらかしめ第１のパル
スデューティ変換部９４に設定された大きさのステップ
ごとに変化し、その変化のタイミングは、後述するよう
に第２の荷重評価部Ｂおよび第２のフォースコイル３に
よる測定値がその測定範囲を越えた瞬間である。

第２の荷重評価部Ｂは、位置センサ４、位置信号増幅器
５、ＰＩＤ制御器６、パルス幅変調器７、発振器９１、
カウンタ９２、データ処理部９３、第２のパルスデュー
ティ変換部１２、スイッチｓ２および定電流発生器１３
によって構威され、第１のフォースコイル２の発生力と
荷重との差に応じた電磁力を第２のフォースコイル３に
発生させて天びん機横１を平衡させる。

すなわち、位置センサ４および位置信号増幅器５による
天びん機横１内のレバー等の変位の検出値を、ＰＩＤ制
御器６を介してパルス幅変調器７に導入している。パル
ス幅変調器７は、のこぎり波発生器７１とコンパレータ
７２によって措戊され・ＰＩＤ制御器６の出力の大きさ
に応じた時間幅の方形波信号Ｇを出力することができる
。そして、この方形波信号ＧはＡＮＤゲート８に入力さ
れる。すなわち、コンパレータ７２は、ＰＩＤ制御器６
の出力とのこぎり波を比較して、のこぎり波の立ち上が
りからＰＩＤ出力をのこぎり波が越えるまでの時間がＨ
となる方形波信号Ｇを出力する。ＡＮＤゲート８はこの
方形波信号Ｇをゲート信号として発振器９１からのクロ
ックパルスを通過させ、カウンタ９２に導く。カウンタ
９２は上述ののこぎり波の１周期ごとに計数値をリセン
トしつつ、人力パルスを計数してその結果を順次出力す
る。従って、このカウンタ９２の出力は、ＰＩＤ制御器
６の出力の大きさに比例したものとなる。

カウンタ９２による計数結果はデータ処理部９３に採り
込まれる。そして、このデータ処理部９は、この計数値
に後述する処理を施すことにより第２のパルスデューテ
ィ変換部１２に供給すべきデータを得る。第２のパルス
デューティ変換部１２は、データ処理部９３から供給さ
れるデータに基づいてスイッチＳ２を駆動し、定電流発
生器１３からの直流電流１２をチョフビングして第２の
パルス電流を作り、第２のフォースコイル３に供給する
わけである。

このデータ処理部９３は、また、第２の荷重評価部Ｂの
測定範囲を越えたときに第１のパルス電流の実効値を１
ステップ変化させるべく、第１の荷重評価値作戒部９４
に対する指令を発生する。

第１の荷重評価値作威部９４およびデータ処理部９３か
らのデータは、重み付け加算部９５によってそれぞれ所
定の重みを付けて合計され、その合計値が荷重測定値と
して表示器１０に表示される。

なお、定電流発生器１３からの電流１１と１２は、天び
ん機構１内に設けられた温度センサ１４の出力によって
温度補償されている。

また、上述の発振器９１、カウンタ９２、データ処理部
９３、第１の荷重評価値作成部９４および重み付け加算
部９５は、実際にはマイクロコンピュータ９によって構
成される。

第２図はデータ処理部９３によるデータ処理の仕方を示
すフローチャートで、以下、この図を参照しつつ作用を
述べる。

このフローチャートにおいてフラグｆ，，ｆ，は、第２
の荷重評価部Ｂがその測定範囲を越えていない定常状態
ではＯＦＦとなっており、測定範囲を十側に越えたとき
にはフラグｆ，が、また、一側に越えたときにはフラグ
ｒ２がそれぞれＯＮとなる。

また、第２の荷重評価部Ｂにおいては、カウンタ９２か
らのカウント値ＣがＣＬ−ＣＨの範囲を測定範囲とし、
その全範囲、つまりＣ｝Ｉ−ＣＬをＱとして、このＱは
第１の荷重評価値の１ステップ分と等しい電磁力を発生
するものとする。

さて、カウント値Ｃを採り込んだ後（ＳＴＩ）、フラグ
ｆ．およびｆ２がともにＯＦＦの状態においては、この
カウント値Ｃに基づいて第２の荷重評価部Ｂの測定範囲
を越えているかどうかを判定し（ＳＴ２，ＳＴ３，ＳＴ
４，ＳＴ５）、越えていない場合にはＣの値をそのまま
第２のパルス電流のデューティを決定するデータＰおよ
び計量値を算出するための第２の荷重評価値Ｄとして（
ＳＴ６）、第２のバルスデューティ変換部１２および重
み付け加算部９５にそれぞれ供給する（ＳＴ７）。

第２の荷重評価部Ｂの測定範囲を十側に越えたトキニは
フラグｆｌを立て（ＳＴ４，ＳＴ８）、第１の荷重評価
値を１ステップアップする（ＳＴ９ａ）と同時に、第２
のパルスデューティを決定するデータＰを、カウント値
Ｃの値に拘らず、Ｐ　−’　Ｃｔ，＋　０　．　　Ｉ　
Ｑ　　　　　　・・・・（１）として第２のパルスデュ
ーティ変換部１２に供給するとともに、第２の荷重評価
値Ｄとして、Ｄ−Ｃ　Ｌ　　　　　　　　　　　・・・
・（２）を重み付け加算部９５に供給する（ＳＴ９ｂ，
ＳＴ７）． また、一例ならフラグｒ２を立て（ＳＴ５，ＳＴＩＯ）
、第１の荷重評価値を１ステップダウンする（ＳＴ１１
ａ）と同時に、データＰを、Ｐ＝Ｃ．＋−０．ＩＱ　　
　　　　・・・・（３）とし、また、Ｄを、 Ｄ＝Ｃ．　　　　　　　　　　　・・・・（４）として
それぞれ第２のパルスデューティ変換部１２および重み
付け加算部９５に供給する（ＳＴＩｌｂ，ＳＴ７）． すなわち、この実施例においては、第１の荷重評価値が
■ステップアップもしくはダウンすると同時に、第２の
バルスデューティは、そのｌステップに相当する電磁力
の９０％の電磁力を発生する量だけ強制的に逆向きに変
化させられるわけである。

そして、このような第１の荷重評価値のステップ状の変
化があった後は、十側であったときはＳＴ２からＳＴ１
２へと進み、最新のカウント値Ｃとその直前のカウント
値Ｃ０との差ｌｃ−ｃｏｌをあらかしめ設定された規定
値αと比較し、差｝ＣＣ０１が規定値α内に収まるまで
はデータＰは、Ｐ　＝　ＣＬ＋　（　Ｃ　　ＣＬ）　Ｘ
　Ｏ　．　　ｌ　　・・・・（５）データＤは、 Ｄ＝ＣＬ　　　　　　　　　　　　・・・・（６）とさ
れ、第２のパルスデューティ変換部１２と重み付け加算
部９５に供給される（ＳＴ１３，ＳＴ７）． また、一側であったときにはＳＴ３からＳＴＩ５へと進
み、同様にして最新のカウント値Ｃとその直前のカウン
ト値Ｃ０との差１ｃｃｏｌを規定値αと比較し、差ＩＣ
−Ｃ０１が規定値α内に収まるまでは、 Ｐ””ＣＨ　（ＣＨ　Ｃ）ｘｏ，１　　・・・・（７）
Ｄ＝ＣＨ　　　　　　　　　　　　・・・・（８）とし
て第２のパルスデューティ変換部１２と重み付け加算部
９５に供給される（ＳＴ１６，ＳＴ７）そして、ＳＴ１
２もしくはＳＴ１５で差ＩＣ一ｃａｌがα内に収まって
いれば、フラグｆ１もしくはｆ２を倒し（ＳＴ１４もし
くはＳＴｌ７）．ＳＴ６へと進んで定常の状態に戻る。

第３図は、前記した第５図（ａ）および（ｂ）に示した
ように時刻ｔ１で第１の荷重評価値Ｆ，が１ステップ分
増加し、１ｔでは１ステップ分減少した場合を例にとっ
て示す、本発明実施例の作用説明図である。

第２の荷重評価部Ｂが発生する電磁力Ｆ２は、第３図（
ａ）に示すように、Ｌ１まではＰＩＤ制御器６に対応す
るカウント値Ｃそのものに基づいて第２のパルス電流の
デューティを決定することによって定まり、実質的にサ
ーボ制御の状態にあって、同図に実線で示すＰＩＤ制御
器６の出力通り、被測定荷重と第１の荷重評価部Ａの発
生力との差に等しいものとなるが、ｔ１においてはＰＩ
Ｄ制御器６の出力に関係なく、同図に白点で示すように
第１の荷重評価値がｌステップ増加すると同時にその９
０％に相当する逆向きの電磁力が発生するように変化が
与えられる。そして、ＰＩＤ制御器６の出力の変化があ
る一定の範囲α内に収まるまでは、ＰＩＤＩｌ［Ｉ器６
の出力に漸近するように変化する。

ＰＩＤ制御器６の出力の変化が収まるＬ，／以降は、再
び本来のサーボ制御の状態となり、時刻Ｌ２では同様に
第１の荷重評価値のｌステップの減少と同時にその９０
％に相当する逆向きの電磁力が発生するように強制的な
変化が与えられ、ＰＩＤ制御器６の出力の変化が収まる
１２／までそれに漸近するように変化していく。なお、
この間、計量表示値を算出するためのデータＤは、過渡
状態であるＬｌ−ｔ１およびＬ２〜Ｌ２を除いてＦ２と
等しくなり、Ｌ＋’＝ＬｔおよびＬ２〜ｔ２では図に黒
点で示す通りとなる。

これにより、第１と第２の荷重評価部Ａ（！：Ｂが発生
する電磁力Ｆ１とＦｚの合計値は第３図（ｂ）に示すよ
うに、従来のように大きく変動することがない。

なお、データＰとＤについては、前記した各弐にそれぞ
れ共通の係数を乗じてもよいことは拒まない。

また、表示値を算出するためのデータＤについては、必
ずしも以上の実施例のようにｉ１４Ｓ状態において一定
値を保持する必要はなく、他の適当な方法によって決定
することができ、例えばデータＰと同じ値を取るよう構
或してもよい。

更に、第１の荷重評価値の１ステップの変化時において
第２の荷重評価部Ｂが強制的に変化させる電磁力の大き
さは、上述の実施例のように第１の荷重評価値の変化量
の９０％に限定されないことは勿論で、任意の率とする
ことができる。ただし、１００％にするとＰＩＤ制御器
６の出力が定常状態に復帰することが困難となり、好ま
しくない。

ところで、上述の実施例では、最新のカウント値Ｃとそ
の直前のカウント値Ｃ０との差１ｃ−Ｃ．がα内に収ま
るまでの過渡状態が継続する時間Ｌ１〜１＋およびｔ２
〜Ｌ２は、ＰＩＤ制御器６の応答性に委ねられることに
なるが、本発明者がすでに提案している特願平１−８２
２９５号の技術と本発明を併用することにより、この過
渡状態の間隔を短くすることができる。

すなわち、第４図に示すように、ＰＩＤ調節器６内の積
分回路６ａの入力端に、第１のスイッチ２１を介して吐
出形定電流回路２２を、また、第２のスイッチ２３を介
して吸込形定電流回路２４を接続する。そして、第１お
よび第２のスイッチ２１および２３は、それぞれデータ
処理部９３からの指令信号によって○Ｎ−ＯＦＦされる
ように構成し、第１のスイッチ２１は第１の荷重評価値
がｌステップ増加する瞬間に、また、第２のスイッチ２
３は同しく第１の荷重評価値がｌステップ減少する瞬間
に、それぞれ一定時間だけ閉しるようにする。

この第１または第２のスイッチ２１または２３の閉成に
よって、積分回路６ａには規定の電気量が注入または排
出されることになるが、その電気量は、第１のフォース
コイル２に流れる電流の１ステップ分の変化による力Ｆ
＋の増加もしくは減少分だけ、第２のフォースコイル３
が発生する力Ｆ２が減少もしくは増加するような電流が
この第２のフォースコイル３に流れるように設定する。

これにより、ＰＩＤ制御器６の出力は、第１の荷重評価
値のステップ状の変化に際して、速やかに所期の安定状
態に戻り、前記した差ｌｃｃｏがα内に収まるまでの過
渡状態が継続する時間Ｌ，〜１＋およびｔ２〜ｔ２は極
めて短くなる。

なお、フォースコイルは必ずしも２個必要ではなく、１
個のフォースコイルに第１と第２のパルス電流を重畳し
て流してもよい。

また、フォースコイルの数に拘らず、ＯＮ−ＯＦＦ電流
の代えて、正負に交番する電流を流してもよく、この場
合、フォースコイルでの発熱量を一定にできるという効
果が期待できる。

く発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、第２の荷重評価
部Ｂの評価範囲を越えたときに、第１のパルス電流の１
ステップ分の変化と同時にこれと逆向きに第２のパルス
電流に強制的に所定量の変化を与えるので、重量変化測
定や規定量のはかり取り作業において、従来のようにＰ
ＩＤ制ＪＢ　器の応答に起因した電磁力の“あばれ゜゛
がなくなると同時に、応答生が向上し、スムーズな測定
が可能となる。

また、外乱によりＰＩＤ出力が変動した場合でも、デー
タ処理部で平均化してから第２の電流のパルスデューテ
ィを決定するので、ハランス状態の安定化にも効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の構或を示すブロック図、第２図
はそのデータ処理部９３によるデータ処理の仕方を示す
フローチャート、第３図は本発明実施例の作用説明図、
第４図は本発明の他の実施例の要部構成図、第５図は従
来の第１，第２の荷重評価部を有する電子天びんの作用
説明図である。 １・・・・天びん機構部 ２・・・・第ｔのフォースコイル ３・・・・第２のフォースコイル ４・・・・位置センサ ６．．．．Ｐ　Ｉ　Ｄ制御器 ７・・・・パルス幅変調器 ８．．．．ＡＮＤゲート ９・・・・マイクロコンピュータ ９１・・・・発振器 ９２・・・・カウンタ ９３・・・・データ処理部 ９４・・・２第■の荷重評価値作成部 ９５・・・・重み付け加算部 １０・・・・表示器 １１・・・・第１のパルスデューテイ変換部１２・・・
・第２のバルスデューテイ変換部１３・・・・定電流発
生器 Ａ・・・・第１の荷重評価部 Ｂ．．．・第２の荷重評価部 Ｓ１・・・・スイッチ Ｓ１・・・スイッチ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁界中に設けたフォースコイルに発生する力を荷重と平
   衡させ、その状態でフォースコイルに流れる電流値から
   荷重の大きさを求める天びんにおいて、あらかじめ設定
   されたデジタル値に対応した電気量の第１のパルス電流
   を上記フォースコイルに供給して所定の力を発生させる
   第１の荷重評価部と、サーボ機構により上記第１の荷重
   評価部による力で残った不平衡荷重を平衡させるべく上
   記フォースコイルに第２のパルス電流を供給する第２の
   荷重評価部を備え、上記第１と第２のパルス電流の双方
   の電気量の合計から荷重を決定するよう構成するととも
   に、上記第２の荷重評価部は、ＰＩＤ制御器と、そのＰ
   ＩＤ制御器の出力の大きさに対応するカウント値を得る
   手段と、そのカウント値に対応して上記第２のパルス電
   流のデューティを決定するデータ処理部を含み、かつ、
   そのデータ処理部は、荷重変化により上記第２の荷重評
   価部の評価範囲を越えた場合には、上記第１のパルス電
   流のデューティを１ステップ変化させると同時に、上記
   第２のパルス電流のデューティを第１のパルス電流のデ
   ューティの変化の向きと逆向きに所定量強制的に変化さ
   せるよう構成したことを特徴とする、電子天びん。