JPH04329320A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】　　本発明は電磁力平衡式の天び
んに関する。

【０００２】

【従来の技術】　　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
荷重を求める、いわゆる電磁力平衡式の天びんにおいて
は、通常は、荷重受部の変位を検出してその変位が零と
なるようにフォースコイルに流れる電流を制御するため
に、アナログサーボ機構が使用されている。

【０００３】アナログサーボ機構を用いると、その回路
の集積化にはある程度の限界があるとともに、回路の調
整箇所が多く、天びんとしての製品の性能を均一化する
ことも困難である。また、外乱に対する表示値の安定性
等においても限界があった。このような点に鑑み、本発
明者はすでに、フォースコイルにパルス電流を流すよう
にするとともに、荷重受部の変位をデジタル信号として
採り込み、デジタルＰＩＤ演算を行った後、その演算結
果からフォースコイルに流すべきパルス電流のデューテ
ィを決定するようにした電子天びんを提案している（特
願平１−１９９７４８号等）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】　　ところで、上記の
提案においては、電流値の異なるフォースコイル電流を
複数種類作り、それぞれにパルスデューティデータを供
給することによって、電流値（波高値）およびデューテ
ィの相違する複数種類のパルス電流をフォースコイルに
供給するように構成して、重み付け加算することにより
、分解能を向上させている。

【０００５】この方式では、各パルス電流発生手段の分
解能（ビット数）に限界があっても、全体としての分解
能はこれらを合計したものとなり、パルス電流発生手段
の数とパルスデューティデータの分割数を増やしていく
ことによって、分解能の向上に限界がなくなるという利
点がある。しかし、この方式は、それほど精度を必要と
しない用途ではコストの点で不利となる。

【０００６】本発明の目的は、パルス電流をフォースコ
イルに流し、デジタル演算によって電磁力平衡機構を制
御する天びんにおいて、コストを上昇させることなく、
分解能を向上させることのできる天びんを提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】　　上記の目的を達成す
るため、本発明の電子天びんは、入力データに基づくデ
ューティのパルス電流を発生してフォースコイルに供給
するパルス電流発生手段と、荷重による荷重受部の変位
をデジタル信号の形で採り込み、デジタル演算によって
ＰＩＤもしくはＰＤ処理を行った後に所定ビット数のパ
ルスデューティデータとしてパルス電流発生手段に供給
するデータ処理手段と、そのデータ処理手段からのパル
スデューティデータと上記変位のデジタル信号とを用い
た重み付け加算により計量表示値を決定する質量演算手
段を有し、フォースコイルには当該天びんの表示桁数よ
りも少ない容量のビット数で決定されるデューティのパ
ルス電流を流すとともに、そのために生じた荷重受部の
変位量のデジタルデータが、質量演算部による質量値の
演算に供されるよう構成したことによって特徴付けられ
る。

【０００８】

【作用】　　表示桁よりも少ないビット数に基づくパル
ス電流では、その分解能が、電子天びんとして必要とす
る分解能に達しないことになるが、このパルス電流のデ
ューティの分解能不足に伴い、荷重受部に生じる不平衡
変位量は、もともとデジタル化して採り込んでいる。本
発明はこのことを利用して、ビット数の少ないパルスデ
ューティデータに、それが故に生じている不平衡変位量
データを重み付け加算した値を質量データとすることに
より、実際のビット数に相当する分解能よりも高い分解
能の電子天びんを得ている。

【０００９】

【実施例】　　図１は本発明実施例の構成を示すブロッ
ク図である。天びん機構部１は公知の電磁力平衡式の荷
重検出メカニズムで、磁気回路（図示せず）で作られた
磁界中にフォースコイル１３が置かれ、このフォースコ
イル１３に電流を流すことによって発生する電磁力を、
皿１１に係合する荷重受部１２に作用させ、皿１１上の
荷重Ｗと釣り合わせるための機構である。ここで、この
皿１１を含む可動部は、ロバーバル機構（図示せず、パ
ラレルガイドとも呼ばれる）により垂直方向にのみ運動
方向を規制することが望ましい。

【００１０】この釣り合いは、天びん機構部１内の荷重
受部１２の変位を検出する変位センサ１４の出力のデジ
タル変換データを後述するマイクロコンピュータ５でで
ひた処理し、フォースコイル１３に流す電流のパルスデ
ューティを変化させることによって得られる。変位セン
サ１４による荷重受部１２の変位検出信号は、プリアン
プ３で増幅された後、Ａ−Ｄ変換器４でデジタル化され
、マイクロコンピュータ５に採り込まれる。この図にお
いては、説明の便宜上、マイクロコンピュータ５をその
機能ごとに分けてブロック図で示している。

【００１１】Ａ−Ｄ変換器４としての実用回路は、図２
に示すように、一定周期ののこぎり波を出力するのこぎ
り波発生器４１と、こののこぎり波発生器４１と変位セ
ンサ１４の出力を入力するコンパレータ４２、このコン
パレータ４２の出力とクロックパルスを入力するＡＮＤ
ゲート４３、およびこのＡＮＤゲート４３を経たクロッ
クパルスを計数するカウンタ４４によって構成すること
ができ、コンパレータ４２の出力が入力信号の大きさに
相関するパルス幅信号を形成して、このパルス幅信号を
ゲート信号としてクロックパルスを計数することにより
、のこぎり波の１周期ごとに変位検出信号のデジタル変
換データを得ることができる。

【００１２】デジタル化された変位データは、ＰＩＤ演
算部５１に採り込まれ、ここでデジタル演算によるＰＩ
Ｄ処理、つまり比例、積分および微分処理を受ける。そ
して、このＰＩＤ出力はデータ処理部５２を介してパル
スデューティ変換部５３に導かれ、パルスデューティ信
号が形成されてパルス電流発生部２に送出される。また
、データ処理部５２からの出力データは、質量演算部５
４にも供給されており、質量演算部５４では、後述する
ようにこのデータ処理部５２からのデータとＡ−Ｄ変換
器４からの変位データを用いた演算により、皿１１上の
試料の質量を求めて表示器６に計量値として表示するよ
うに構成されている。

【００１３】パルス電流発生部２は、定電流発生回路２
１と、パルスデューティ変換部５３からのデューティ信
号に基づき開閉する電子スイッチ２２によって構成され
ており、定電流発生回路２１からの出力電流に基づく一
定の波高値で、かつ、パルスデューティ変換部５３から
のデータに応じたデューティのパルス電流を発生してフ
ォースコイル１３に供給する。

【００１４】すなわち、パルスデューティ変換部５３は
、データ処理部５２からのデジタルデータに応じて一定
周期でＨ，Ｌの比率が変化するデューティ信号を出力す
る。このパルスデューティ変換部５３からのデューティ
信号は電子スイッチ２２をＯＮ・ＯＦＦし、この電子ス
イッチ２２は定電流発生回路２１からの直流電流をチョ
ッピングする。これによってフォースコイル１３には、
データ処理部５２の出力データに応じてデューティが変
化するパルス電流が流れることになる。

【００１５】なお、定電流発生回路２１が発生する電流
は、天びん機構１内に挿入された温度センサ１５による
磁気回路の永久磁石（図示せず）の温度検出値により、
磁場変化と等しい割合で変化するよう温度補償されてい
る。さて、本発明実施例において最も特徴とするところ
は、例えば必要分解能を１００万分の１としたとき、パ
ルスデューティ変換部５３が作るデューティ信号は２０
ビットを必要とするが、本発明実施例では１６ビットで
ある点である。つまり、図２に示したＡ−Ｄ変換器４中
のクロックパルスを３０ＭＨｚとして、のこぎり波の周
期が２ｍＳとすれば、カウンタ４４のカウント値は６万
カウント≒１６ビットが限界となる。

【００１６】そして本発明実施例では、この分解能不足
により荷重検出機構部１の不釣り合い量、すなわち変位
センサ１４の出力のデジタル変換データを、パルスデュ
ーティデータとともに計量値の算出に使用することによ
り、実際の分解能よりも高い分解能の測定を可能として
いる。ここで、通常のＰＩＤ処理では、偏差を０にしよ
うとして働く結果、最小ビットの幅で上がり下がりを繰
り返してハンチングを生じてしまうので、ある限度内の
変位出力になったら、パルスデューティの値をホールド
するように構成する。これにより、残り変位が生じた状
態でパルスデューティが変わらなくなるから、そのとき
のパルスデューティ値と変位のＡ−Ｄ変換値を重み付け
加算し、質量値に換算して表示器６に表示する。

【００１７】以下にその例を述べる。図３は電子スイッ
チ２２のＯＮ・ＯＦＦの例を示すタイムチャート（もし
くはパルスデューティ変換部５３からのパルスデューテ
ィ信号の波形）で、図４は荷重受部１２の変位量と変位
センサ１４出力による変位検出値のＡ−Ｄ変換出力との
関係を示すグラフである。

【００１８】図３に示すようにパルスデューティ信号は
、例えば５０００Ｈから５００１Ｈの間で最小ビットに
相当するパルス幅ｔだけ変化する。この時間ｔが実際の
分解能である。このパルス幅の差により荷重受部１２が
１μｍだけ変位するとする。一方、変位センサ１４の出
力を入力するＡ−Ｄ変換器４の出力と荷重受部１２の変
位との関係を図４に示す通りに設定しておくと、Ａ−Ｄ
変換器４の出力１００カウントがパルスデューティ信号
の１ビットに相当することになる。質量演算部５４にお
いては、この関係を用いた両データの重み付け加算を行
った後、その結果を質量値に換算する。これにより、実
際の分解能が６万分の１であっても、６０万分の１ない
しは６００万分の１の分解能での計量が可能となる。

【００１９】なお、天びん機構部１の機械的感度（バネ
定数に相当する）は荷重値によって変化するが、あらか
じめ各荷重毎に変位と荷重との関係を測定し、係数に換
算して記憶しておくことにより対処することができる。 本発明は、以上の実施例のようにアナログ出力型の変位
センサ１４に代えて、図５に示すような例えばＣＣＤラ
インセンサ等のデジタル出力型の変位センサ１４０を使
用することができる。この場合、Ａ−Ｄ変換器４を不要
とすることができる。

【００２０】また、以上の実施例では、変位のデジタル
データをＰＩＤ処理した例を示したが、これをＰＤ処理
とすることもできる。ここで、ＰＤ処理としてＩ（積分
）制御をなくした場合、残り偏差が生じる。この場合、
Ａ−Ｄ変換データの丸め処理を行って、ハンチング防止
を行った後のＡ−Ｄ変換データは、比例ゲインにより生
じる残り偏差と、１ビット以下のアンバランスによる偏
差の両方を含むことになる。従って、この場合、Ａ−Ｄ
変換データから比例ゲインによる残り偏差分を差し引い
た値の残り分について、上記した実施例と同じようにパ
ルスデューティ値との重み付け加算を行うようにする。 この荷重による残り偏差の変化は、あらかじめ各荷重に
対応して測定して記憶しておくことにより対処可能であ
る。

【００２１】ここで、ＰＩＤ，ＰＤ方式のいずれにおい
ても、パルスデューティ値をホールドした状態では、電
気的ダンパー（微分すなわちＤ制御）が効かなくなるが
、磁界中に挿入されたフォースコイルのボビンに働く渦
電流により、マグネットダンパーが構成されるので、こ
の強さが機械的な可動部振動系に対して適切になるよう
設計することで不具合は生じない。

【００２２】なお、本発明におけるパルス電流の流し方
は、上記した実施例のように直流電流をＯＮ・ＯＦＦす
る場合のほか、正逆に流す方法、あるいはこれらをフィ
ルター処理して直流化して流す方法のいずれにも適用で
きる。

【００２３】

【発明の効果】　　以上説明したように、本発明によれ
ば、フォースコイルにパルス電流を流すようにするとと
もに、このパルス電流のデューティを、荷重受部の変位
検出値のデジタル値を用いたデジタルＰＩＤもしくはＰ
Ｄ演算結果に基づいて決定する方式の天びんにおいて、
フォースコイルに流すべきパルス電流のデューティのビ
ット数（分解能）を表示桁よりも少容量とするとともに
、このビット数（分解能）の不足に起因して生じる不平
衡変位量のデジタルデータを、パルスデューティデータ
に重み付け加算することにより、実際のビット数よりも
高い分解能での計量を可能としているので、一つのコイ
ルに一種のパルス電流を単純に流した場合に、例えばク
ロックパルスを３０ＭＨｚとした場合には分解能は数万
分の１が限界であるのに対し、本発明では数１００万分
の１に向上させることが可能である。しかも、本発明で
は特願平１−１９９７４８号に比して、複数のフォース
コイル電流を作る必要がなく、コストの点で有利である
。

【００２４】また本発明においては、パルスデューティ
に重み付け加算すべき変位データについてはフィードバ
ックが掛かっていないので、この部分の応答性は機械系
のバネ定数により決まってくる。従来、このバネは零位
法を用いた測定の場合にはできるだけ弱いことが要求さ
れていたが、本発明では逆に強い方が応答性が良くなる
ことになり、設計上の選択幅が増加するという利点もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明実施例の構成図

【図２】　　そのＡ−Ｄ変換器４の具体的回路構成例を
示すブロック図

【図３】　　本発明実施例のパルスデューティ信号の例
を示すタイムチャート

【図４】　　本発明実施例の荷重受部の変位量とＡ−Ｄ
変換器４の出力の関係を示すグラフ

【図５】　　本発明の他の実施例の変位センサの説明図

【符号の説明】

１・・・・天びん機構部 １１・・・・皿 １２・・・・荷重受部 １３・・・・フォースコイル １４・・・・変位センサ １５・・・・温度センサ ２・・・・パルス電流発生部 ２１・・・・定電流発生回路 ２２・・・・電子スイッチ ３・・・・プリアンプ ４・・・・Ａ−Ｄ変換器 ４１・・・・のこぎり波発生器 ４２・・・・コンパレータ ４３・・・・ＡＮＤゲート ４４・・・・カウンタ ５・・・・マイクロコンピュータ ５１・・・・ＰＩＤ処理部 ５２・・・・データ処理部 ５３・・・・パルスデューティ変換部 ５４・・・・質量演算部 ６・・・・表示器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   、入力データに基づくデューティのパルス電流を発生し
   て上記フォースコイルに供給するパルス電流発生手段と
   、荷重による荷重受部の変位をデジタル信号の形で採り
   込み、デジタル演算によってＰＩＤもしくはＰＤ処理を
   行った後に所定ビット数のパルスデューティデータとし
   て上記パルス電流発生手段に供給するデータ処理手段と
   、そのデータ処理手段からのパルスデューティデータと
   上記変位のデジタル信号とを用いた重み付け加算により
   計量表示値を決定する質量演算手段を有し、上記フォー
   スコイルには当該天びんの表示桁数よりも少ない容量の
   ビット数で決定されるデューティのパルス電流を流すと
   ともに、そのために生じた上記荷重受部の変位量のデジ
   タルデータが、上記質量演算手段による質量値の演算に
   供されるよう構成されていることを特徴とする電子天び
   ん。