JPS59231421A - ドリフト補償手段を備えた電子自動平衡秤 - 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】 この発明は、計量可動体、典型的には、計量でこの変位
に応じて変化するコイル電流を平衡コイルに通じて計量
可動体に対して、復元力を付与し、これにより、計量可
動体が平衡位置に復帰するために必要なコイル電流に基
づいて、計量可動体への作用力、即ち、荷重を計量する
電子自動平衡柱に係わり、特に、計量可動体の変位を検
出して、これに応じて変化するコイル電流を平衡コイル
に帰還するフィードバック制御手段中にドリフト補償手
段を付設して、周囲温度の変動に由来する零ドリフトを
補償するようにした改良に関するものである。

一般に、この種の電子自動平衡柱では、周囲温度の変化
による天秤機構の膨張・収縮等に起因して、天秤の平衡
をくずすような等測的外力が計量可動体に作用すると、
装置自体は、これを荷重と区別することができないこと
から、この等測的外力に関しても、これに対抗して、計
量可動体の平衡を維持するためのコイル電流が平衡コイ
ルに供給されることとなる。

したがって、荷重Ｗと平衡コイルへのコイル電流ＩＬの
関係を示す第１図において、実線の直線Ａがｙ切片、Ｉ
ｄを持つこととなり、Ｗ＝Ｏ１即ち、無荷重状態でのコ
イル電流Ｉｄが零に至らず、これが平衡コイルに流れた
まま、平衡状態に至るので、装置は無荷重状態であるに
も係わらず、コイル電流Ｉｄに対応する荷重を表示する
こととなり、これが、零ドリフトと呼ばれる計量誤差を
形成する主要因となるものである。

かかる計量誤差を除去するためには、バイメタル等の膨
張・収縮作用を利用して、例えば、計量可動体が計量て
こである典型的な場合には、該てこの長手方向に摺動可
能に配設された補償用錘の、該てこ上の位置を変化させ
、これにより、該計量てこに補償用外力を作用させて、
前述のような、該てこに作用する不所望の等測的外力を
相殺することが従前から行われていた。

しかしながら、上記従来技術では、生産時あるいは保守
点検時に、種々の周囲温度における等測的外力を打ち消
すための補償用外力を調節するに際しては、バイメタル
や補償用錘を装置全体と一体的に恒温槽内に収納する必
要があったので、恒温槽外からの、該バイメタルや補償
用錘等に対する遠隔調節操作を行４つなければならず、
調節操作が非常に煩雑になるという欠点があった。

この発明の目的は、上記従来技術における、計量可動体
の膨張・収縮等に起因して、これに作用する不所望の等
測的外力を補廣用錘による補償用外力にて相殺すること
に由来する零ドリフト調節操作の煩雑性の問題点に鑑み
、補償用錘による補償用外力に代えて、弾性支点のたわ
みによる戻し力を補償用外力として、計量可動体に作用
させるとともに、不所望の等測的外力と丁度釣り合うよ
うな補償用外力を得る程度の偏差、つまり、上記釣り合
いに必要な補償用外力を生じさせる程度のたわみ量を弾
性支点に付与するための、温度依存性の偏差を伴った平
衡位置に計量可動体を落ち着かせて、フィードバック制
御を平衡させるようにしたドリフト補償手段をフィード
バック制御手段中に設ける構成とすることにより、上記
欠点を除去し、生産時あるいは保守点検時の補償量の調
節操作、とりわけ、恒温格外からの遠隔操作を容易に行
うことができる優れた電子自動平衡柱を提供せんとする
ものである。

上記目的に沿うこの発明の構成は、第２図に示されるよ
うに、基台２に対して弾性支点３を介して支持された計
量可動体Ｍの荷重Ｗに応答する変位を変位検出手段６で
もって検出して、その変位量に応じたコイル電流ＩＬを
平衡コイル５に帰還させるフィードバック制御手段８中
に、ドリフト補償手段１３を介装し、該補償手段１３中
では、第４図に示されるように、補償電流生成回路Ａか
らの、周囲温度に応じて変化する補償電流ＩＴと、定電
流回路Ｂからの、負極性の定電流−Ｉｏと、変位検出手
段６からの変位電流Ｉｓとを電流合成回路Ｃにて加算し
、これにより、Ｉ　＝Ｉｓ　＋　ｈ−ＩＯ＝Ｉｓ　＋　
ＩＯ＠　Ｋ　ｍ　Ｔただし、Ｋ・・・・・・温度係数と
しての定数 Ｔ・・・・・・周囲温度 なる関係を保って変化する合成電流■を生成し、かかる
合成電流■の積分値に基づくコイル電流ＩＬを平衡コイ
ル５に供給し、もって、フィードバック制御が平衡状態
に至って、被積分量としての合成電流■が零に漸近する
際に、 Ｉｓ　＝−４ｏＫＴ で表わされる変位電流Ｉｓが変位検出手段６から出力さ
れるような偏差を伴った平衡位置、つまり、周囲温度に
対して依存性のあるたわみ量を弾性支点３に付与するよ
うな平衡位置に計量可動体Ｍを落ち着かせることにより
、該弾性支点からの戻し力でもって、計量可動体Ｍに作
用する不所望の等測的外力を相殺し、か（して、無荷重
平衡時のコイル電１ｊｌＬを周囲温度に係わりなく常に
、零に保つようにしたことを要旨とするものである。

続いて、この発明の一実施例の構成と動作を説明すれば
、以下の通りである。

第２図に示されるように、十字形の計量でこ１が基台２
に対し弾性支点３により天秤を形成するように設置され
、該計量でこ１の一端には、付けられて、該棒４に対し
て計量皿に載せた被測定物の重ＭＷが作用する。一方、
計量でこ１上、垂直可動棒４から弾性支点３を越えて反
対の側には、柱状磁極５ａに緩挿された平衡コイル５が
固設され、該コイル５に通ずるコイル電流ＩＬにより、
上記被測定物の重ｆｆ１Ｗに対抗する復元力Ｆを発生さ
せて計量てこ１を平衡させるために要するコイル電流Ｉ
Ｌの値に基づいて重量Ｗを測定するものである。

更に、平衡コイル５により計量てこ１を平衡させるため
のオ、゛４成としては、計量てこ１の、垂直ｉＪ動棒４
に連結された端部とは反対側の端部に設けられた変位検
出部６と、それに後続するドリフト補償部１３と、更に
、それに後続するコ帰迎させるフィードバック制御部８
が付設されている。

そして、変位検出部６は、計量でこ１に取り付けられた
可動部材９のスリット１０の一方に発光索子１１を設け
、その相対する他方に対向配置された上下二つの受光素
子１２ａ、１２ｂを含んで成り、第４図に示されるよう
に、該受光素子１２ａ。

１２ｂには、公知のカレントミラー回路１４が接続され
る。

更に、第４図で詳しく示されるように、ドリフト補償部
１３は、そのエミッタが抵抗器１ａを通じて正電源十Ｅ
に接続され、そのコレクタが接続点Ｐに接続され、その
ベースが抵抗器２ａを通じて接地されたトランジスタ３
ａと、そのエミッタが正電源＋Ｅに接続され、そのコレ
クタがトランジスタ３ａのベースに接続され、そのベー
スがトランジスタ３ａのエミッタに接続されたトランジ
スタ４ａとから成る補償電流生成回路Ａと、Ｍｆｌｊが
負電源−Ｅに接続され、他端が接続点Ｐに接続された抵
抗器１ｂから成る定電流回路Ｂと、接続点Ｐから成る電
流合成回路Ｃと、その出力端子と反転入力端子とが帰還
抵抗器１ｄで結ばれた演算増幅器２ｄから成る電流電圧
変換回路りを含む。

更に、第４図中、後続のコイル駆動部７は、入力抵抗器
７ａと帰還コンデンサ１ｂとにより積分回路を形成する
演算増幅器７ｃから成り、その出力端子は平衡コイル５
に延びる。

上記構成において、いま、周囲温度の変化による天秤機
構の膨張・収縮等に起因して計量てこ１の平衡位置をく
ずすような等測的外力が作用すると、該てこ１が該外力
に応じた偏差を伴った別の平衡位置に移動するので、可
動部材９のスリット１０も、該外力が作用していない状
態に対応する位置、即ち、二つの受光素子１２ａ、１２
ｂに対して発光素子１１からの光が等量に照射する状態
のための位置からはずれた位置に移動し、該受光素子１
２ａ　、　１２ｂには、互に異ったｉの光が照射する。

すると、該受光素子１２ａ、１２ｂは、互に異った抵抗
値となり、カレントミラー回路１４には、正電源十Ｅか
ら該受光素子１２ａ、１２ｂの各々を通じて異る値の電
流１１、■２が流入し、後続の接読点Ｐには、両電流Ｉ
１．　Ｉ２の差分（ＩＩ−１２）としての変位電流Ｉｓ
が供給される。

そして、一般的に、かかる変位電流Ｉｓは、計量でこ１
の等測的外力が作用していないときの平衡位置からの偏
差を表わすものである。

一方、このとき、補償電流生成回路Ａでは、正電源十Ｅ
から抵抗器１ａ、トランジスタ３ａを通じて接続点Ｐに
流入する補償電流ＩＴにより、抵抗器１ａの両端に生ず
る電圧降下が、丁度、遮断状態から動作状態に移行しよ
うとするトランジスタ４ａのベース・エミッタ間電圧Ｖ
ＢＨに等シくなるように両トランジスタ３ａ、４ａが協
動する。

しかるところ、一般に、トランジスタのベース・エミッ
タ間電圧ＶＢＥに関しては、温度依存性が知られている
ので、袖［【電流ＩＴも温度依存性を持つこととなり、
その温度係数をＫとすれば、 ＩＴ　＝　ｌｏ　（１＋　ＫＴ　）　　・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・　（１）ただし、
１．・・・・・・定数 Ｔ・・・・・・周囲温度 に流入する。

更に、接続点Ｐには、該接続点から負電源−Ｅに向って
略々一定電流を通過させる定電流回路Ｂが接続されてい
るので、該回路Ｂ中の抵抗器１ｂの値を適切に選定する
ことにより、上記一定電流の値を（１）式中の定数ＩＯ
に一致させると、接続点Ｐ、即ち、電流合成回路Ｃから
流出する合成電流■は、 Ｉ　＝Ｉｓ＋Ｉｒ　−Ｉｏ　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）で
表わされ、更に、（２）式に（１）式を代入すると、Ｉ
　＝　Ｉｓ十Ｉｏ　（１＋ＫＴ）　−Ｉｏ−Ｉｓ＋Ｉｏ
ＫＴ　−（３１なる関係式が成立する。

かくして、得られた合成電流■は変位電流Ｉｓに対して
、周囲温度に比例して変化する補償分ＩｏＫＴが加算さ
れたものであるところ、フィードバック制御の平衡時に
は、必ず、被積分量としての合成電流■、換言すれば、
コイル駆動部７中の、積分回路を描成する演算増幅器７
Ｃの反転入力端子に供給される入力電圧が零に漸近する
ことから、 Ｉ　＝　Ｉｓ　＋　ＩｏＫＴ　＝　０　・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　（４）；
、　Ｉｓ　＝　−ＩｇＫＴ　　　・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・　（５）なる関係
式が成立し、その結果、該演算増幅器７ｃから平衡コイ
ル５に対して供給されるコイル電流ＩＬに関しては、そ
れが零であるか否かは格別、必ず、一定値に維持される
ものである。

そして、上記（５）式の関係を、無荷重状態での温度依
存性のコイル電流■Ｌ、即ち、零ドリフト電流Ｉｄと、
計量でこ１に作用する等測的外力の相殺のための戻し力
を該てこに対して付与するに要する弾性支点３のたわみ
Ｌｘとの関係を示す第３図をも参照しつつ更に詳述すれ
ば、以下の通りである。

第３図に示されるように、例えば、周囲温度３０℃では
、零ドリフト電流Ｉｄと、その相殺に要する弾性支点３
のたわみｊｔｘは直線Ｐの関係にあって、弾性支点３か
らの戻し力を作用させない場合、即ち、ｘ＝０では、第
３図ａに示されるように、零ドリフト電流■ｄ１が誤差
要因となるものであるところ、いま、仮りに、弾性支点
３にＸｌだけのたわみ量を付与すれば、計量でこ１に作
用する等測的外力がたわみ量Ｘｉの弾性支点３からの戻
し力によって完全に相殺されるので、第３図すに示され
るように、零ドリフト電流■ｄ１が零となる。そして、
かかるたわみ量Ｘ１を弾性支点３に付与するために必要
な計量でこ１の平衡位置に対応する変位型１Ｉｓｌは、
前掲（５）式にて、Ｔ＝３０　℃、と置いて定まる変位
電流により規制される。

一方、例えば、周囲温度が４０℃に上昇したとすると、
零ドリフト電流Ｉｄと、たわみ量Ｘは直線Ｑの関係に移
行し、弾性支点３からの戻し力を作用させない場合、第
３図Ｃに示されるように、零ドリフト電流Ｉｄ２を生ず
るものであるところ、今度は、たわみ量ｘ２の弾性支点
３からの戻し力によって、計量てこに作用する等測的外
力を相殺すれば、第３図ｄに示されるように、零ドリフ
ト電流Ｉｄ２が零となるが、このたわみ量ｘ２を弾性支
点３に付与するための、計量でこ１の平衡位置に対応す
る変位電流ＩＳ２は、上述同様に、前掲（５）式にてＴ
＝４０℃と置いて定まる変位電流により規制される。

以下同様にして、各周囲温度における各零ドリフト電流
Ｉｄ、　、　　ｂ１２・・・・・・が由来する、計量で
こ１への等測的外力を各周囲温度にて、相殺するための
、弾性支点３からの、各周囲温度における戻し力Ｘ１、
ｘ２・・・・・・を生起させるために必要なだけの偏差
を伴った別々の平衡位置に計量でこ１を落ち着かせるよ
うに、変位電流Ｉｓがドリフト補償部１３にて規制され
る。

即ぢ、前掲（５）式によれば、変位電流Ｉｓ、換言すれ
ば、各周囲温度における計量でこ１の各平衡位置は、ド
リフト補償部１３にて、任意に設定可能な比例定数−Ｉ
ｏｌ（をもって周囲温度Ｔに比例して制御されるので、
多くの場合にそうであるように、計量でこ１に作用する
等測的外力が周囲温度に比例して変化し、かつ、弾性支
点３からの戻し力が計量てこ１の、各周囲温度ごとの平
衡位置の偏差（移動量）に比例して増減する限り、零ド
リフト電流Ｉｄを種々の周囲温度に対して常に零に保つ
ように、上記比例定数−ＩｏＫを選定することは実現可
能である。

そして、電子自動平衡秤では、平衡コイル５へのコイル
電流ＩＬを計測することにより、計量てこ１等の計量可
動体Ｍに作用する荷重を計量するものであるので、上述
のような零ドリフトの補償により、無荷重平衡状態での
コイル電流ＬＬが零になると、その時点での、計量可動
体Ｍの平衡位置に係わりなく、荷重零を表示することと
なる。

続いて、荷重の計量に関する動作を説明すれば、以下の
通りである。

即ち、荷重により計量てこ１が変位すると、合成電流■
が一時的に零以外の値となり、これが後続の電流電圧変
換回路り中の演算増幅器２ｄの反転入力端子に形成され
る仮想接地に向って流入し、該増幅器２ｄの出力端子に
は、該仮想接地に流入した合成重（ｆ＋’Ｅ　Ｉに対応
する出力電圧が現オ）れる。そして、該出力電圧は、更
に後続のコイル駆動部Ｔ中の積分回路を形成する演算増
幅器Ｔｃにて積分されて、コイル電流ＩＬとして平衡コ
イル５に供給される。

すると、このコイル電流ＩＬが柱状磁極５ａからの磁束
と交叉して生ずる力により、平衡コイル５が第２図にて
下方に沈み込み、その際、該平衡コイルからの復元力Ｆ
が計量てこ１に作用して、これを平衡位置に向けて徐々
に移動させるので、それに伴って、変位電流Ｉｓが減少
し、最終的には、前述のように、合成電流■が零に至り
、その結果、合成電流■の積分値に基づ（、コイル電流
ＩＬが計量てこ１に作用している荷重に応じた一定値に
保持されて、該計量てこは、平衡位置に落ち着くもので
ある。

この際、すでに、−、ドリフト補償部１３により、無荷
重平衡状態でのコイル電流ＩＬが、周囲温度に係わりな
く、零となるように制御されているので、コイル電流Ｉ
Ｌは、第１図中、原点から延びる点線の直線Ｂに示され
るように、荷重Ｗに正確に比例して増減することとなる
。

かくして、かかるコイル電流ＩＬの計測により、零ドリ
フトの影響を受けることなく、正確な荷重の計量が可能
となるものである。

付言するならば、コイル駆動部Ｔにおける積分動作は、
種々友化する目標値としての荷重Ｗに対して、これに釣
り合わせて計量でこ１を平衡位置に復帰させるための制
御量としてのコイル電流を、平衡コイル５に帰還するよ
うな追値制御系に関しては、平衡状態にて、演算増幅器
７ｃへの入力信号、即ち、誤差信号が必ず零に漸近する
ものであるが、その際、該増幅器７Ｃカラのコイル電流
ＩＬ、即ち、制御量は種々の荷重Ｗに対応する種々の値
に維持されなければならないことから、必須的なもので
ある。

なお、上記実施例では、計量可動体Ｍとして計量でこ１
を採用することにより、計量皿を含む計量てこ１自体の
自重の相殺を図っているが、これは電子自動平衡秤に不
可欠の要素ではなく、装置のコンパクト化を図る際には
、第５図に示されるように、計量可動体Ｍとして、基台
２から延びる弾性支点３によってその上下端が支持され
た計鼠桿１ａを採用し、これに、平衡コイル５を固漬し
、該コイルを、基台２から延びる支持板２ａ上に固定さ
れた柱状磁ＫＭｓａに対して緩挿して、該計量桿の下端
部に、第２図のそれと同様の変位検出手段６を設ける構
成としてもよい。

以上のように、この発明によれば、周囲温度の変化に応
じて、計量可動体に作用する不所望の等測的外力に由来
する零ドリフトの補償に際して、該等価的外力を相殺す
べ（、計量可動体に作用させる補償用外力として、弾性
支点のたわみに基づ（戻し力を利用するようにし、その
戻し力を該等価的外力に釣り合わせるべく、該弾性支点
のたわみ量、即ち、無荷重状態での計量させるように構
成したことにより、フィードバック制御における被積分
量としての合成電流の温度制御という電気的信号処理に
より、零ドリフトを完全に相殺することができるので、
不所望の等測的外力と、周囲温度に応じて移動する補償
用錘等からの温度依存性の補償用外力との力学的合成処
理による従来技術とは異り、調整作業に際して、計量可
動体に装着された補償用錘やこれを駆動するバイメタル
等に対して機械的な操作を全く行う必要がな（、−ドリ
フト補償手段を電気的に遠隔操作するのみで足り、■ロ
シて、生産時あるいは保ザ点倹時の補＠量の副長が容易
かつ効率的に行えるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は零ドリフト補償前の入出力特性曲線Ａと、零ド
リフト補償前の入出力特性曲線Ｂとを対比して示すグラ
フであり、横軸は荷重Ｗを表わし、縦軸は平衡コイル５
へのコイル電流■Ｌを表わす。 第２図〜第５図はこの発明の実施例に関するものであり
、第２図はその構成を示すブロック図、第３図は弾性支
点３のたわみｆｆ（ｘと零ドリフト電流Ｉｄとの関係を
示すグラフ、第４図は要部の回路図、第５図は計量可動
体Ｍの他の実施態様を示す側面部分断面図である。 ＋Ｗ・・・・・・計量可動体　　１・・・・・・計量て
こ１ａ・・・・・・計量桿　　　　２・・・・・・基台
３・・・・・・弾性支点　　　４・・・・・・垂直可動
棒５・・・・・・平衝コイル　　６・・・・・・変位検
出部特許出願人　アルチック株式会社 第１因

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基台２に対して弾性支点３を介して支持され、被測定物
   の重ｉＷに応答して変位し、平衡コイル５からの復元力
   Ｆに応答して、平衡位置に復帰する計量可動体Ｍを有し
   、更に、計量可動体Ｍの変位を検出して、その変位量に
   応じた変位電流Ｉｓを出力する変位検出手段６と、該変
   位電流Ｉｓの積分値に基づいて、コイル電流ＩＬを生成
   し、該電流ＩＬを平衡コイル５に対して供給するコイル
   駆動手段Ｔとを含むフィードバック制御手段８を設けて
   成る電子自動平衡柱において、上記フィードバック制御
   手段８中には、周囲温度に応じて変化する補償電流ＩＴ
   を出力する補償電流生成回路Ａと、定電流Ｉｏを出力す
   る定電流回路Ｂと、変位検出手段６からの変位電流Ｉｓ
   を含む合成電流■をコイル駆動手段Ｔに供給する電流合
   成回路Ｃとを有するドリフト補償手段１３を付設し、上
   記電流合成回路Ｃから出力される合成電流Ｉが、 Ｉ　＝　ＩＳ十ＩＴ　−Ｉｏ＝　Ｉｓ十ＩｏＫＴただし
   、Ｋ・・・・・・温度係数としての定数 Ｔ・・・・・・周囲温度 で表わされることを特徴とする電子自動平衡柱。