JPH06221982A - 熱重量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構造で設置面積を大きくすることな
く、高感度で高精度の測定を行うことのできる熱重量測
定装置を提供する。 【構成】 同一の加熱炉１０内に置かれた被測定試料と
参照試料の各試料負荷部２１，３１を、一端に支点２
２，３２を持つ各レバー２０，３０の他端に装着し、各
レバーの中間部分に力点２３，３３を設けて天びん機構
のビーム４１に連結する。天びん機構には、ビームの下
方にシャッタ機構を含むビーム位置検知用光学系４２を
設け、また、ビーム４１を平衡位置に戻すための力発生
手段４３を設けた構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定試料を加熱しつ
つ、温度による試料重量の変化を測定する熱重量測定装
置に関し、更に詳しくは、被測定試料と参照試料とを同
一の加熱炉内により加熱し、両試料間の重量差を測定す
る方式の熱重量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱重量測定装置においては、一般に、加
熱炉内に試料を設置するための負荷点を配置するととも
に、その負荷点を天びん機構等に連結した構造を採り、
被測定試料を負荷点に載せた状態で加熱し、温度上昇に
伴う試料の重量変化を測定するようになっている。

【０００３】ところで、加熱炉内では温度上昇に伴って
空気密度が減少するため、試料が受ける浮力の変化を避
けることはできない。そこで、従来、参照試料を負荷す
るための負荷点を同一の加熱炉内に設け、そこに被測定
試料と同じ形態をした参照試料を載せてその重量を測定
し、その測定結果を被測定試料の重量測定結果から差し
引くことにより、温度上昇に伴う浮力の変化をキャンセ
ルする対策が採られている。

【０００４】例えば実開平１−５１８５３号では、中央
部分に支点を有する互いに平行な２本のレバーの一端部
にそれぞれ被測定試料と参照試料の負荷点を設け、これ
らの負荷点を同一の加熱炉内に配置するとともに、各レ
バーの他端を天びん機構のビームの両端に連結した構造
としている。そして、天びん機構にはビームの平衡状態
からの傾斜を検出するための光学系をその側方に設ける
とともに、その検出結果に基づいてビームを平衡状態に
戻すための力発生手段を設け、ビームを平衡状態に保つ
ために要する力の大きさから、両試料間の重量差を測定
するようになっている。また、この提案では、装置をコ
ンパクト化するため、天びん機構のビームの傾斜を検出
するための光学系に反射鏡等を採用してその光学距離を
稼ぐ等の対策が採られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上の提案によると、
コンパクトな光学系によりビームの傾斜を高精度に測定
することはできるものの、このビームに作用する両試料
の重量差に基づくトルクは小さく、感度は鈍いものとな
る。そして、この提案の構成において、感度を向上させ
るべく、ビームの両端に作用する力を大きくするために
は各レバーを長くする必要が生じ、レバーの長手方向の
寸法が大となって装置が大型となり、広い設置面積が必
要となるという問題がある。また、ビームの傾斜を測定
するための光学系に反射鏡等を用いているため、その構
成が複雑となるという問題もある。

【０００６】本発明の目的は、簡単な構造で、しかも設
置面積を要することなく、高感度の熱重量測定を行うこ
とのできる装置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
めの構成を、実施例図面である図１を参照しつつ説明す
ると、本発明の熱重量測定装置は、被測定試料Ｓおよび
参照試料Ｒの２種の試料をそれぞれ負荷するため各試料
負荷部２１，３１が同一の加熱炉１０内に設けられた熱
重量測定装置において、上記各試料負荷部２１，３１
が、それぞれ一端部に支点２２，３２を有する各レバー
２０，３０の他端部に設けられているとともに、その各
レバー２０，３０の試料負荷部２１，３１と支点２２，
３２との間に設けられた力点２３，３３が天びん機構４
０のビーム４１の両端に連結され、この天びん機構４０
は、ビーム４１の平衡位置からの傾斜を検知するための
発光・受光素子４２ａ，４２ｂおよびその光路を遮るシ
ャッタ４２ｃからなるビーム位置検知手段４２をその下
方に備え、かつ、その検知結果に基づいてビーム４１を
平衡位置に戻す力を発生する力発生手段４３を有し、そ
の発生力から上記両試料Ｓ，Ｒの重量差を測定するよう
構成されていることによって特徴づけられる。

【０００８】

【作用】レバー２０および３０は、それぞれ支点と試料
負荷部（作用点）の間に力点を有しているため、各レバ
ー２０，３０を長くすることなく、力点の位置を適宜に
選択することによって、それぞれの試料負荷部２１，３
１に作用する荷重が拡大されてビーム４１に伝達され
る。すなわち、レバー２０および３０を長くすることな
く、被測定試料Ｓと参照試料Ｒの重量差に基づいてビー
ム４１を傾斜させるためのトルクを大きくすることが可
能となり、高感度の重量差測定を行うことができる。

【０００９】また、ビーム４１の傾斜を検出するための
光学系を、天びん機構４０の下方に設けることにより、
特に反射鏡等を含む複雑な光学系を用いることなく、か
つ、設置面積を大きくすることなく、ビーム４１の傾斜
を拡大して検知することが可能となる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明実施例の機構を示す斜視図と電
気回路を示すブロック図とを併記した構成図である。

【００１１】１個の加熱炉１０内に、被測定試料Ｓおよ
び参照試料Ｒをそれぞれ個別に載せるための皿状の試料
負荷部２１および３１が互いに隣接して設けられてお
り、各試料ＳおよびＲはそれぞれ試料容器Ｃ_S ないしは
Ｃ_R に収容された状態で各試料負荷部２１ないし３１に
載せられる。この各試料負荷部２１，３１は、それぞれ
個別のレバー２０，３０に連結される。

【００１２】すなわち、レバー２０および３０は互いに
同じ長さを持ち、かつ、それぞれの一端部に支点２２お
よび３２を有し、各試料負荷部２１，３１は、それぞれ
鉛直の支持棒２１ａ，３１ａを介してそれぞれのレバー
２０，３０の他端部に支持されている。なお、各支点２
２，３２は、摩擦抵抗が極めて少なく、また、レバー２
０，３０がその軸心を中心として回動しないように、実
際には例えば図２に示すように２本のワイヤないしはト
ーションバンド等で構成する。

【００１３】各レバー２０，３０の試料負荷部２１，３
１と支点２２，３２との間には、互いに同一のレバー比
の位置に力点２３，３３が設けられ、その各力点２３，
３３は鉛直方向に延びる細いワイヤ２３ａ，３３ａを介
して天びん機構４０のビーム４１の両端に接続されてい
る。また、レバー２０と３０は互いに平行ではなく、支
点側に向かうほど両者間の距離が長くなっており、力点
２３と３３間の距離は試料負荷部２１と３１間の距離よ
りも長い。

【００１４】天びん機構４０は、ビーム４１、そのビー
ム４１の傾斜を測定するためのビーム位置検知用光学系
４２、およびビーム４１を平衡位置に戻すための力を発
生する電磁力発生装置４３によって構成されている。ビ
ーム４１は、例えばトーションバンド等の摩擦抵抗の小
さい支点４１ａによってその中央部が回動自在に支承さ
れている。

【００１５】ビーム位置検知用光学系４２は、ビーム４
１の鉛直下方に配置された発光素子４２ａと、その発光
素子４２ａに対向配置されたフォトセンサ４２ｂ、およ
びこれらの間に介在するシャッタ機構４２ｃによって構
成されている。シャッタ機構４２ｃはビーム４１の下面
部に固着されて鉛直下方に延びるアーム４２１ｃおよび
その先端部に固着されたシャッタ本体４２２ｃによって
構成されており、ビーム４１の平衡位置（水平状態）か
らの回動の向きおよび量に応じて、発光素子４２ａから
の出力光のフォトセンサ４２ｂへの入射位置並びに量を
変化させるようになっている。これにより、フォトセン
サ４２ｂの出力信号はビーム４１の傾斜の向き並びに大
きさを表す信号、つまりビーム位置検知信号となる。

【００１６】電磁力発生装置４３は、永久磁石を主体と
する静磁場回路中に可動コイルを配置した公知の電磁力
発生機構４３ａと、ビーム位置検知用光学系４２からの
ビーム位置検知信号を取り込んで可動コイルに流す電流
を決定するフィードバック制御回路４３ｂとを含んでい
る。電磁力発生機構４３ａは可動コイルに流れる電流の
大きさに応じた電磁力を発生し、その電磁力によりビー
ム４１を支点４１ａの回りに回動させることができるよ
うになっており、この可動コイルに流れる電流はビーム
位置検知信号に応じて定まり、これにより、ビーム４１
は常に水平の平衡位置に位置するように制御される。そ
して、この電磁力発生装置４３の可動コイルに流れる電
流値は計測回路５０によって測定される。

【００１７】なお、前記した加熱炉１０による加熱温度
は、温調用の熱伝対１１の出力を導入する温度制御回路
１２によって制御され、例えばあらかじめ設定された速
度のもとに昇温するようなっている。また、各試料負荷
部２１，３１には、被測定試料Ｓ，参照試料Ｒのそれぞ
れの実際の温度を測定するための温度センサが配置され
ており、その出力は試料温度として計測回路５０に取り
込まれ、試料温度−重量変化曲線を形成するためのデー
タとなるが、この発明には直接的には関係がないのでそ
の図示および詳細な説明は省略する。

【００１８】次に、以上の本発明実施例の使用方法並び
に作用を述べる。まず、加熱炉１０を加熱する前に、被
測定試料Ｓおよび参照試料Ｒをそれぞれの容器Ｃ_S およ
びＣ_R に収容した状態で互いに同一の重量とし、それぞ
れの試料負荷部２１および３１に載せる。この状態では
天びん機構４０のビーム４１の両端には等しい荷重が作
用し、ビーム４１は傾斜しない。なお、参照試料Ｒとし
ては、温度変化による重量変化の生じない公知の材質が
選ばれる。

【００１９】この状態で加熱炉１０を所定の速度で昇温
させていく。これに伴って被測定試料Ｓおよび参照試料
Ｒの温度も上昇していく。このとき、被測定試料Ｓおよ
び参照試料Ｒのそれぞれに働く浮力は、加熱炉１０内の
雰囲気温度の変化にも係わらず、それぞれの加熱炉１０
内での容積が等しければ互いに等しく、従って各試料に
重量変化が生じるまでは、ビーム４１は平衡状態に保た
れる。

【００２０】やがて被測定試料Ｓが減量すると、ビーム
４１はレバー２０の力点２３に連結されている側の端部
側が上昇する向きに傾こうとする。これによりシャッタ
機構４２ｃが動作してフォトセンサ４２ｂに入射する光
量ないしは位置が変化し、フィードバック制御回路４３
ｂは、ビーム４１が平衡状態を維持するように電磁力発
生機構４３ａの可動コイルに流れる電流を制御する。こ
の可動コイルに流れる電流は計測回路５０によって測定
される。この電流値と電磁力発生機構４３ａが発生する
力との関係をあらかじめ求めておけば、レバー２０，３
０による試料重量の拡大率並びにビーム４１ａの長さか
ら、上記の電流値から直ちに被測定試料Ｓの重量減少量
を知ることができる。

【００２１】以上の本発明実施例において特に注目すべ
き点は、レバー２０および３０がそれぞれ試料負荷部２
１，３１〜力点２３，３３〜支点２２，３２の順に配置
されている点と、レバー２０と３０を互いに平行に配置
せず、支点側に向かうほど両者間の距離を長くしてビー
ム４１への荷重伝達点間距離（ビームスパン）を両試料
負荷部間距離よりも長くしている点、および、天びん機
構４０のビーム４１の傾斜（回動）を検出するためのビ
ーム位置検知用光学系４２がビーム４１の下方に設けら
れている点である。

【００２２】すなわち、レバー２０，３０の支点と試料
負荷部（作用点）との間に設けられた力点をビーム４１
に連結することにより、レバー２０，３０を長くするこ
となく、力点の位置を適宜に選定することにより、試料
負荷部に作用する試料重量が拡大されてビーム４１に伝
達され、また、この伝達された力は、両試料負荷部間距
離よりも長いビーム４１の両端に伝達されてビーム４１
にトルクを与えることになり、装置を大型化することな
く測定感度を向上させることができる。

【００２３】また、ビーム位置検知用光学系４２による
位置測定精度を向上させるためにはシャッタ機構４２ｃ
のアーム４２１ｃを長くする必要があるが、これをビー
ム４１の下方に設けていることで、設置面積を大きくす
ることなく位置検出精度を向上させることが可能とな
る。

【００２４】なお、以上の実施例では、被測定試料負荷
部２１と参照試料負荷部３１を支持棒２１ａないしは３
１ａを介して直線状のレバー２０と３０に支持した構造
としており、レバー２０，３０が傾斜したときには各試
料負荷部２１，３１が前後方向に大きく振れることにな
るが、これを解消するためには、図３に要部を例示する
ように、レバー２０および３０を屈曲させ、支点２２，
３２と試料負荷部２１，３１との鉛直方向になす距離を
短くするとよい。

【００２５】また、各試料負荷部２１および３１は必ず
しも支持棒２１ａないし３１ａを介してレバー２０，３
０に装着する必要はなく、図４に例示するように試料負
荷部２１，３１を直接レバー２０，３０の先端に装着し
てもよい。ただし、この場合には加熱炉を横型のものと
する必要がある。

【００２６】更に、レバー２０と３０との角度を、図５
に例示するようにより大きくすることにより、ビームス
パンをより大きくすることが可能となり、更に高感度化
を図ることができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
同一の加熱炉内に置かれる被測定試料および参照試料の
負荷部を、それぞれレバーを介して天びん機構のビーム
に伝達するとともに、各レバーはその両端に試料負荷部
と支点を持ち、これらの間に設けられた力点を介して天
びんビームに接続した構造としているから、レバーを長
くすることなく力点の位置を考慮するだけで、各試料重
量が拡大されて天びんのビームに伝達されることにな
り、装置を大型化することなく、浮力の影響を受けない
高感度の熱重量測定を行うことが可能となった。

【００２８】また、天びん機構のビームの位置を検出す
るためのシャッタ機構を含む光学系をビームの下方に設
けた構造としているから、光学系に複雑な構造を採用す
ることなく、かつ、設置面積を大きくすることなくシャ
ッタ長さを大きくすることによって高精度のビーム位置
検出が可能となり、上記のことと併せて、高精度、高感
度でしかも設置面積の小さい熱重量測定装置を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の構成図

【図２】その各レバー２０，３０の支点２２，３２の詳
細を示す斜視図

【図３】本発明の他の実施例の要部構造を示す斜視図

【図４】本発明の更に他の実施例の要部構造を示す斜視
図

【図５】本発明の更にまた他の実施例の要部構造を示す
斜視図

【符号の説明】

１０ 加熱炉 ２０，３０ レバー ２１，３１ 試料負荷部 ２２，３２ 支点 ２３，３３ 力点 ４０ 天びん機構 ４１ ビーム ４２ ビーム位置検知用光学系 ４２ａ 発光素子 ４２ｂ フォトセンサ ４２ｃ シャッタ機構 ４３ 電磁力発生装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定試料および参照試料の２種の試料
   をそれぞれ負荷するための各試料負荷部が同一の加熱炉
   内に設けられた熱重量測定装置において、上記各試料負
   荷部が、それぞれ一端部に支点を有する各レバーの他端
   部に設けられているとともに、その各レバーの試料負荷
   部と支点との間に設けられた力点が天びん機構のビーム
   の両端に連結され、この天びん機構は、上記ビームの平
   衡位置からの傾きを検知するための発光・受光素子およ
   びその光路を遮るシャッタ機構からなるビーム位置検知
   手段をその下方に備え、かつ、その検知結果に基づいて
   上記ビームを平衡位置に戻す力を発生する力発生手段を
   有し、その発生力から上記両試料の重量差を測定するよ
   う構成されていることを特徴とする熱重量測定装置。