JPS64653B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子天びんに関し、さらに詳述する
と、磁界中に設けたフオースコイルに発生する力
と荷重が平衡した状態のフオースコイルの電流値
を測定して荷重の大きさを得る電磁力平衡式天び
んに関する。

この種の電子天びんに関して、本発明者は、フ
オースコイルに供給する電流を周期的に正負に切
り換え、正方向の電流と時間の積から負方向の電
流と時間の積を減じた量を求めて荷重の大きさを
得るよう構成したものを既に提案した。

また、正負に切り換えるのではなく、単に電流
を流したり切つたりする方式が知られている。

この両者の測定方式については共通の問題点が
ある。それは、測定する荷重に対する電流の正負
あるいはON、OFFの時間差を、いかにして正確
かつ短時間に測定するかということである。時間
の測定には高周波のクロツクパルスが使用される
が、分解能を向上させるため周波数を高くするこ
とは設計上の困難さとコストの上昇をまねく。

一例を挙げると次の如くである。

電流の切替あるいはON、OFFの周期を１ｍｓ
とする。この周期は天びん系の慣性などから決ま
り、あまり遅くすると振動を生じるため上記した
１ｍｓぐらいが適当である。クロツクパルスを
10MHzとすると、１ｍｓの間に計数できるパルス
数は10000パルスであり、従つて直接読み取つた
のでは1/10000の分解能しか得られない。クロツ
クパルスを100MHz、1000MHzと増やしていけば
理論的には分解能が向上することになるが、高価
な電子パーツが必要となり、しかも高周波回路と
なるため耐ノイズ性の劣化や、実装上の問題など
が生じ、実用的でなくなる。この対策としてカウ
ントしたパルスをある決めた回数だけ積算して表
示することにより、実質的にカウント数を増やし
て分解能を向上させることが提案されている。
（特開昭47−41772）。しかしこの方式では１周期
毎にカウントしたパルス数と実荷重との間にデジ
タル化の誤差（最大１カウント）を生じ、これが
積算される結果、大きな積算誤差となつて表われ
る欠点がある。実際上は、天びんには色々な外乱
が働らく結果、上記のデジタル化誤差は積算中一
定ではなく正負にバラつくので、積算時間を長く
とることによつて誤差が平均化され、実用上使用
可能なものとなるが、測定時間が長くかかる欠点
がある。しかし分解能がさらに必要な天びんで
は、上記デジタル化誤差を補正しなければならな
くなり、１カウント以内の誤差を積算中累積し、
１カウント分になれば、これをカウントにとり入
れて補正することにより積算誤差を１カウント以
内にする方式も提案されている（特開昭54−
48277）。しかしこの方式も積算することによつて
分解能を上げる方式であるため、測定時間が長く
かかる欠点は依然として残つている。

測定の理想は、早く、しかも正確にはかれるこ
とであるが、上記は一般的に言つて相反する事項
である。

本発明の主たる目的は、測定時間が早く、しか
も正確な測定値が得られる電子天びんを提供する
ことにあり、他の目的は、このような電子天びん
を簡単な構成により安価に提供することにある。

本発明は、要約すれば、測定すべき荷重値に近
い所定の力を発生させる第１の荷重評価部を設
け、その第１の荷重評価部による所定の力と測定
すべき荷重値の差を第２の荷重評価部により測定
し、この測定値と第１の荷重評価部による予め設
定された値との加算値により荷重値を求めるよう
構成したものである。

本発明は、第１の荷重評価部により制御される
電流と第２の荷重評価部により制御される電流
を、分巻構成された第１および第２のフオースコ
イルへ通電させる態様と、共通のフオースコイル
へ重畳して通電させる態様がある。

次に、本発明を実施例について説明する。

第１図において１は電磁補償形の天びん部で、
一般に知られている如く磁界中におかれたフオー
スコイルに電流を流し、そのときに発生する電磁
力と荷重をつり合わせ測定を行なう。つり合い状
態を鑑視するため位置センサが設けてあり、この
出力が０になるようにサーボ系が構成される。天
びん部１内のフオースコイルは第１のフオースコ
イル２と第２のフオースコイル３により分巻構成
されている。第１のフオースコイル２はいわば主
巻線であつて、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させ、その力の大きさ
は第１の荷重評価部により正確に電気信号に変換
される。第２のフオースコイル３はいわが副巻線
であつて、測定値の変動に応答した電磁力を発生
させ、その力の大きさは第２の荷重評価部により
迅速に電気信号に変換される。

図において、電流切替器８、電圧電流変換器９
Ａ、定電圧源９、プリセツタブル・アツプダウン
カウンタ１０、クロツク発振器１１、カウンタ１
２、ワンシヨツト・マルチバイブレータ１３、
ANDゲート２４が第１の荷重評価部を構成して
いる。一方、位置信号増幅器４、PID制御器５、
パワーアンプ６、抵抗Ｒ１、ADコンバータ７が
第２の荷重評価部を構成している。演算部１４は
プリセツトデータ決定部と加算部から構成されて
おり、プリセツトデータ決定部は後述するプログ
ラムに従いアツプダウンカウンタ１０の内容を決
定、補正し、加算部は第１及び第２の荷重評価部
の出力を加算して表示部１５に表示させる。

次に作用を説明する。最初は第２の評価部が働
らく。

このとき位置信号増幅器４、PID制御器５、パ
ワーアンプ６、第２のフオースコイル３により動
作が行なわれる。第２のフオースコイル３に流れ
る電流は抵抗Ｒ１によつて電圧に変換され、AD
変換器７に導入される。AD変換器の容量は、は
かりの要求性能、いいかえると、ひよう量と感量
の比、例えば10^-7に比較して大幅に少ないものが
選択される。たとえば12ビツト（1/4096）または
±３ 1/2桁（±1/2000）などである。

説明を理解しやすくするため、具体的な天びん
スペツクを当てはめて、以下説明する。

ひよう量200ｇ、最小分解能0.1mgの天びんを構
成する場合、上述の第２の評価部で計測できる範
囲は0.1mg×2000＝200mgにすぐない。従つてそれ
以上の荷重が加わるとAD変換器はオーバーフロ
ーする。オーバーフローすると第１の評価部が働
らくよう構成されており、演算部１４によつてあ
らかじめ決められたプログラムに従つてプリセツ
ト値がプリセツタブル・アツプダウンカウンタ１
０にロードされる。このカウンタはクロツク発振
器１１のクロツクパルスに従つてダウンカウント
を行ない、カウンタ内容が０になるとTC信号を
電流切替器８に発信し、第１のフオースコイル２
に流れている電流を正から負に切替える。同時に
ANDゲート２４が閉じるからアツプダウンカウ
ンタ１０へのクロツクパルスの入力が絶たれる。
これによりTC信号は次のステツプまで接続され
る。カウント１２はクロツクパルスを分周し、所
定の電流切替周期たとえば１ｍｓのパルスを作
る。このパルスのエツジによりワンシヨツト・マ
ルチバイブレータ１３はプリセツタブル・アツプ
ダウンカウンタに再度プリセツトデータをロード
し、（このデータは前回と同じかまたは新たなデ
ータかのいずれかになるがその詳細は後述する。）
その結果、再びダウンカウントが始まる。このと
きフオースコイルには再び正の電流が流れ始め
る。このくり返し動作が何回かくり返されると、
皿上に加えられた荷重に応じて第１のフオースコ
イルに流れる電流のデユーテイ比が定まつてく
る。この条件は、前述の第２の荷重評価部の測定
範囲に、第１の荷重評価部の発生する電磁力と加
えられた荷重の差が収まつたときである。

第４図に、平衡状態における第１のフオースコ
イルの電流と第２のフオースコイルの電流を図示
する。荷重の変動幅が第１の荷重評価値の１カウ
ント以内であれば、第１のフオースコイルの電流
は変化せず、第２のフオースコイルの電流のみが
点線で示すように変化する。

本発明において注目すべきことは、第１の荷重
評価部が荷重とつり合つたときにデジタル化の誤
差が最大１カウント生じる場合があるが、このと
きプリセツトデータ（デジタル値）とフオースコ
イル２で発生した電磁力（「デユーテイ比×電流
値」で定まる）は正確に対応しているので、上記
誤差は全部アンバランス荷重の形となつて残るこ
とである。即ちデジタル化の誤差は第２の荷重評
価部に引きつがれ、その測定範囲（200mg）まで
許容される。また発生力はデユーテイ比によつて
決定されるからクロツク周波数の変化があつても
影響がない。

なお、電流切替周期を１ｍｓとしたときのクロ
ツク周波数は次の如く決定される。

200ｇ／0.2ｇ＝1000パルスあれば分解能が確保
されるがフオースコイルに流れるパルスの立ち上
り、立ち下り部分では時間遅れによる誤差を含む
ため、これを考慮して1500パルスとすると、＝
1500パルス／0.001秒＝1.5MHz以上あれば良い。
これは一般のはん用ICを用いて十分に実現でき
る値である。現実には第２の評価部に対して余裕
をもたせるため3MHz程度を選ぶのが望ましい。
このときデジタル化エラーは100mg以下となる。

第９図に、第１図実施例の作用のフローチヤー
トを示す。

最初の判断ステツプ91にて第２の測定系が測定
範囲内か否かが判断され、YESであればステツ
プ92に進んで第２の測定系の測定値WLを演算部
に取り込む。そして、はじめに設定されたプリセ
ツト値WHと測定値WLを用いて、 Ｗ＝WH×K₁＋WL×K₂ を演算する。このようにして、測定値は、第１の
評価部の出力即ちプリセツトデータに評価係数
K₁を乗じたものと、第２の評価部の出力即ちAD
変換器の出力に評価係数K₂を乗じたものの和と
なる。

判断ステツプ91にて第２の測定系が測定範囲外
であると判断されると、次のステツプ94にて第１
の測定系のプリセツト値の補正が行なわれる。こ
のプリセツト値の補正方式には次の４つの方法が
ある。

その一つは、第１０図にフローチヤートで示す
ように、第１の測定系の１パルス毎にプリセツト
値を増加または減少させる方式である。すなわ
ち、第２の測定系が測定範囲の上限を越えている
ときは判断95から“YES”のブランチへ進んで
WHの内容を１増加したのち改めて上限値以下に
入つたかどうか判断され、第２の測定系が測定範
囲の下限値に満たないときは“NO”のブランチ
へ進んでWHの内容を１減少させたのち改めて下
限値以上に入つたかどうか判断され、この操作が
繰返される。この方式は、はかりとり測定が円滑
に行なわれる長所があるが、反面、バランス点に
達する迄に時間を要する欠点がある。

第２の方式は、第１１図のフローチヤートに示
すように、第１の測定系のあらかじめ定めたパル
ス数（Ｎ）にプリセツト値を増加または減少し、
測定系の測定範囲からの逸脱の極性が反転したら
１パルスずつ減少または増加させる方式である。
例えば、Ｎ＝５の場合、前述した第１の方式に比
べて５倍の速度で測定範囲内に補正されるから、
バランス点に達する速度が速くなる長所がある反
面、はかりとり測定でいささか不利になる。

第３の方式は、第１２図にフローチヤートで示
すように、逐次比較決定方式と呼ぶことができる
ものである。この方式におけるＮ（これは第２の
方式のＮと意味が異る）は、例えば12ビツト容量
の場合、はじめ2048から始まり、増加または減少
する値が1024、512、256、128、………と逐次半
減されていく。この方式はバランス点に達する時
間が最も速い長所がある。しかし反面、はかり取
りの最中に、第１の評価に切替わると、表示が一
時的に大きく変動する場合が生ずる欠点がある。

第４の方式は、第１図の点線で示すコンパレー
タ２４を追加し、第１３図にフローチヤートで示
すように、第２の測定範囲（Ａ−Ｄ変換器の入
力）がオーバー入力で、しかもコンパレータ出力
もオーバー状態のとき、Ｎパルスずつプリセツト
値を増加または減少させ、第２の測定範囲がオー
バー入力で、コンパレータ出力がオーバーでない
ときは１パルスずつ増加または減少させる方式で
ある。この場合コンパレータの設定レベルは第２
の測定範囲のオーバー入力のＮ倍以上に選定され
ており、コンパレータ出力がオーバーでなくなつ
たとき、必らず第２の測定範囲の入力は、まだオ
ーバー状態である。このためプリセツト値は増減
方向が反転することなく最終値に近づいていくか
ら、はかり取り測定のときも表示が大きく変動す
ることなくスムースにプリセツト値が決定される
利点を有し、しかも第２の方式と同程度の時間で
バランス点に達することができる。

第２図に本発明の他の実施例を示す。この実施
例は、第２のフオースコイル３に第１のフオース
コイル同様、正負両方向の電流を流すようにした
ことが特徴である。すなわち、第２の荷重評価部
は、位置信号増幅器４、PID制御器５、電圧パル
ス幅変換器１６、電圧電流変換回路９Ｂ、カウン
タ１８、ANDゲート２５から構成されている。

第５図にこの実施例の第１のフオースコイルと
第２のフオースコイルの電流の波形図を示す。荷
重が、第１の荷重評価部の１カウント以内の増加
をしたとき、点線で示すようにデユーテイ比が変
化する。

第３図に、本発明のさらに他の実施例を示す。
この実施例は、プリセツト値を粗ひよう量動作に
よつて決定することに特徴がある。切替スイツチ
S₁，S₂が粗ひよう量動作と精密ひよう量動作を切
換える。粗ひよう量動作が選択されている状態で
は、第１のフオースコイル２、電流切替器８、定
電圧源９、電圧電流変換器９Ａ、位置信号増幅器
４、PID制御部５、電圧パルス幅変換器１６、
ANDゲート２５、カウンタ１８が粗ひよう量測
定装置を構成し、そのときの測定値はラツチ１９
に記憶される。精密ひよう量動作が選択されてい
るときの回路構成は第２図の実施例と同様であ
る。

第１５図にこの実施例の演算部１４によるプロ
グラムのフローチヤートを示す。初期条件が設定
されたのち、まずステツプ96にて精密ひよう量動
作が実行され、判断ステツプ97にてその測定値が
測定範囲かどうかが判断される。もし“YES”
であればステツプ99に進み、第２の荷重評価部に
よる測定値WLだけから荷重が測定されすべての
測定が終る。しかし通常は、最初の判断ステツプ
97は“NO”であつて、つづいてプリセツト値の
決定が行なわれる。すなわち、ステツプ98にて粗
ひよう量動作が実行され、そのときの測定値WH
がラツチ１９に記憶され、再度ステツプ97に戻つ
て精密ひよう量動作における第２の荷重評価値が
測定範囲内にあるかどうか判断される。通常はこ
のとき測定範囲内に入つているから、“YES”の
ブランチへ進み第２の荷重評価部により測定値
WLが測定され、ステツプ100にてすでに決定さ
れたプリセツト値WHと測定値WLに基づき、荷
重 Ｗ＝WH×K₁＋WL×K₂ が演算される。精密ひよう量動作におけるフオー
スコイルの電流波形は第５図に示したものと同様
である。

次に、第６図に本発明のさらに他の実施例を示
す。この実施例は、フオースコイルを１つにした
もので、第１の評価部のフオースコイルに第２の
フオースコイルに流すべき電流を重畳して流すよ
うにし、フオースコイルを１つにしたものであ
る。このための変更として電圧電流変換器２０が
追加され、フオースコイルに第２の評価値による
直流電流が重畳されるようになつている。

第８図に、この実施例におけるフオースコイル
２Ａの電流波形を示す。図において点線は荷重が
第１の荷重評価値の１カウント以内で増大したと
きの電流変化を示している。

第７図に示す実施例は、第３図に示した実施例
と第６図に示した実施例を組み合わせたものであ
る。なお、図においてスイツチの“粗”は第１の
評価中、“精”は第２の評価中に接続される側を
示している。

上述した各実施例について共通に適用できるも
う１つの変形例を述べる。それはフオースコイル
に流す電流を正負の形からON、OFFの形に変更
することである。このための変更は今まで述べて
きた説明分の中のフオースコイルの電流記述を
「正」を「ON」に、「負」を「OFF」に読みかえ
るだけである。この様にしたときのマイナス面
は、フオースコイルで発生する熱量が荷重の大小
によつて変わるため、この影響をさけるための設
計上の配慮が必要になることだけである。プラス
面として、回路が簡単になり、コスト的に有利な
場合もある。要求する天びん性能との関係で選択
される。

最後に、第１の評価部の電磁力発生方式をデユ
ーテイ比の形ではなく、ある決められた波高と幅
をもつたパルス数に置き換えた実施例について説
明する。この方式では、プリセツトデータは第１
のフオースコイルに流す電流のデユーテイ比では
なく、単位時間内のパルス数すなわち周波数を決
定する。そしてそのプリセツトデータは端数を含
まない整数値、例えば1KHzから3KHzまでの１Hz
とびの値である。この様な電流パルスをフオース
コイルに供給すると、デユーテイ比を変えた場合
と全く同様にプリセツトデータを正確に対応した
電磁力を発するから、既に述べた各実施例の第１
の評価部をこれに置き換えることができる。この
部分の構成を第１４図に示す。

周波数シンセサイザ２１はプリセツトデータに
対応した正確な周波数を発生する回路でPLL（フ
エーズロツクドループ）などにより構成される。
ワンシヨツト・マルチバイブレータ２２は一定の
パルス幅のパルスを周波数に応じて出力する。２
３は電子スイツチで、パルスに応じてON、OFF
し、定電流定パルス幅のパルスをフオースコイル
に流す。９は定電圧源、９Ａは電圧電流変換器で
ある。

本発明のプリセツトデータは、これをマニユア
ルで設定するように構成することもできる。この
ような設定手段を設けると、はかり取りや重量＋
−チエツクに使用する天びんに使用するとき、測
定時間の短縮をはかることができる。

本発明によれば、測定精度が高い割に応答速度
が速い電子天びんが得られる。このことを、実際
の設計データを挙げて従来の積算形の電子天びん
と対比しつつ考察する。

クロツクパルスを3MHzとしたとき、周期１ｍ
ｓに対して常に正の電流が流れたときの電磁力が
150ｇとなる様に決めると、全て負のときは−150
ｇであり従つて差は300ｇ、300ｇ／3000パルス＝
0.1ｇ／パルス、即ち評価係数K₁＝0.1ｇ／パルス
である。第２重評価部は既に述べた如く１／2000
の分解能で200mgを測定するから評価係数K₂＝
0.0001ｇ／カウントである。この様に構成された
天びんの応答時間を積算形と比較するが、天びん
系の応答を３秒と仮定する。積算形ではクロツク
3MHzで1/200万の分解能を得るためには
2000000／３×10⁶≒0.7秒かかり10回の測定値を
平均化して表示するとすると７秒必要で、先の天
びん系の安定時間を含めて計10秒を必要とする。
本発明では、同条件で第２の荷重評価部の測定時
間が１ｍｓ、第１の荷重評価部の安定時間は第１
２図に示した決定方式が最も短くて20ｍ秒、第１
１図に示したものが110ｍ秒、第１０図に示した
ものが最も長くて約２秒である。しかし、注目す
べきことは、10回の平均値を求めるには、つづい
て第２の荷重評価部の１ｍｓ×９＝９ｍｓが追加
されるだけであるということである。精密な電子
天びんでは、振動、電気的ノイズ等の避けること
のできない外乱の影響を最小限度におさえるた
め、少なくとも10回以上の平均化を必要とし、こ
の平均するデータ数が多いほど望ましいことは明
らかである。10回の平均値を求める場合、第１１
図または第１２図に示した方式では約３秒、最も
遅い第１０図に示した方式でも約５秒しかから
ず、従来方式と比較して格段に短縮された。また
10秒間の測定時間が許容されるならば、第１０図
に示した方式でも実に約5000回の平均化が行なえ
ることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の回路ブロツク図、第２
図は本発明の他の実施例を示す回路ブロツク図、
第３図は本発明のさらに他の実施例を示す回路ブ
ロツク図である。第４図は第１図実施例の作用を
説明する波形図、第５図は第２図及び第３図実施
例の作用を説明する波形図である。第６図及び第
７図はいずれも本発明のさらに他の実施例を示す
回路ブロツク図、第８図は第６図及び第７図実施
例の作用を説明する波形図である。第９図は第１
図実施例の演算器の作用を説明するフローチヤー
ト、第１０図、第１１図、第１２図及び第１３図
はいずれも第１図実施例の演算器のプリセツト決
定方式を説明するフローチヤートである。第１４
図は本発明のさらに他の実施例を示す回路ブロツ
ク図である。第１５図は第３図に示す実施例の演
算器の作用を説明するフローチヤートである。 １……天びん部、２……第１のフオースコイ
ル、３……第２のフオースコイル、４……位置信
号増幅器、５……PID制御器、６……パワーアン
プ、７……Ａ−Ｄコンバータ、８……電流切替
器、９……定電圧源、９Ａ……電圧電流変換器、
１０……プリセツタブル・アツプダウンカウン
タ、１１……クロツク発振器、１２……カウン
タ、１３……ワンシヨツト・マルチバイブレー
タ、１４……演算器、１５……表示器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁界中に設けたフオースコイルに発生する力
   と荷重が平衡した状態のフオースコイルの電流値
   を測定して荷重の大きさを求める電磁力平衡式天
   びんにおいて、あらかじめ設定された第１のデジ
   タル値に対応した電気量のパルス電流を上記フオ
   ースコイルへ供給して所定の力を発生させる第１
   の荷重評価部と、荷重と上記所定の力の差に平衡
   する電流を上記フオースコイルへ供給しそのとき
   の電気量を第２のデジタル値に変換する第２の荷
   重評価部と、上記第１のデジタル値と上記第２の
   デジタル値を加算して測定値を求めるデジタル演
   算部を有する電子天びん。 ２ 上記フオースコイルが第１のフオースコイル
   と第２のフオースコイルに分巻構成され、その第
   １のフオースコイルに上記第１の荷重評価部に係
   る電流が供給され、第２のフオースコイルに上記
   第２の荷重評価部に係る電流が供給されるよう構
   成された特許請求の範囲第１項記載の電子天び
   ん。 ３ 上記第１の荷重評価部におけるパルス電流
   が、正負両方向に交互に切換えられることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載または第２項記
   載の電子天びん。 ４ 上記第１の荷重評価部におけるパルス電流
   が、オンオフ電流であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載または第２項記載の電子天び
   ん。 ５ 上記第１の荷重評価部の第１のデジタル値
   が、マニユアル操作による設定されるよう構成さ
   れた特許請求の範囲第１項記載または第２項記載
   の電子天びん。