JPWO2018134984A1 - 電子天秤 - Google Patents

Abstract

電子天秤（１）は、変位部（５）と、検出部（６）とを備えている。変位部（５）には、スリット（５１）が形成されており、検出部（６）には、発光ダイオード（６１）と、フォトダイオード（６２）とが含まれる。変位部（５）のスリット（５１）は、上下方向（揺動方向）の幅Ｄ１が０．４ｍｍ以下となるように形成されている。また、発光ダイオード（６１）からは、指向性の高い光が出射される。そして、その発光ダイオード（６１）からの光は、０．４ｍｍ以下の幅の狭いスリット（５１）を通過した後、フォトダイオード（６２）で受光される。そのため、変位部（５）の単位変位量に対するフォトダイオード（６２）の信号強度の変化を大きくして、測定精度を向上できる。その結果、構成上の不具合を生じることなく、測定精度を向上できる。

Description

本発明は、発光ダイオードからの光をフォトダイオードにおいて受光し、当該受光した光の受光量に基づいて、測定対象物の質量を算出する電子天秤に関するものである。

通常、電子天秤は、測定対象物が載置される秤量皿と、支点を挟んで秤量皿と反対側に配置され、測定対象物の重力によって変位する変位部と、変位部の変位量を検出する検出部とを備えている。電子天秤では、変位部の変位が０になるように外力を付与しており、この外力の値に応じて、測定対象物の質量を算出している（例えば、下記特許文献１参照）。

具体的には、電子天秤は、コイル及び磁気回路を有する電磁力発生装置と、制御部とを備えている。また、検出部は、発光ダイオードと、発光ダイオードからの光を受光するフォトダイオードとを備えている。電子天秤では、変位部の変位に応じて、フォトダイオードでの受光量が変化する。電磁力発生装置では、コイルに電流を流して電磁力を発生させて、その電磁力を変位部に付与する。制御部は、フォトダイオードでの受光量に基づいて、変位部の変位が０となるように、コイルに流す電流の値を変化させる。そして、電子天秤では、その電流値に基づいて、測定対象物の質量を算出する。

特許第５５６８９９７号公報

上記のような従来の電子天秤において、測定精度を向上させることが検討される。例えば、支点の構成や、変位部の配置を変更することで、単位重量の測定対象物を秤量皿に載置した場合における変位部の変位量を大きくすることが検討される。単位重量の測定対象物に対する変位部の変位量が大きくなれば、検出部によって変位部の変位を精度よく検出でき、その結果、測定精度を向上させることできる。しかし、このような変位部の変位量を大きくする構成にすると、衝撃に対する耐久性が低くなったり、装置が大型化するなどの不具合が生じる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、構成上の不具合を生じることなく、測定精度を向上できる電子天秤を提供することを目的とする。

本発明に係る電子天秤は、秤量皿と、変位部と、外力付与部と、検出部と、制御部と、演算部とを備える。前記秤量皿には、測定対象物が載置される。前記変位部は、支点に対して揺動可能に設けられ、前記秤量皿に載置された測定対象物の重力により一定方向に揺動するとともに、前記一定方向に延びるスリットが形成される。前記外力付与部は、測定対象物の重力により揺動する前記変位部に対して、当該変位部を逆方向に揺動させる力を付与する。前記検出部は、前記スリットを挟んで設けられた発光ダイオード及びフォトダイオードを有する。前記制御部は、前記発光ダイオードから前記スリットを介して前記フォトダイオードが受光する光の受光量に基づいて、前記外力付与部が前記変位部に付与する力を制御する。前記演算部は、前記外力付与部が前記変位部に付与する力に応じた値を測定対象物の質量として算出する。前記フォトダイオードは、前記一定方向に隙間を空けて並ぶ２つの受光面を有するとともに、前記隙間が、前記発光ダイオードに対して光軸方向に対向する領域に配置される。前記スリットの前記一定方向の幅は、０．４ｍｍ以下である。

このような構成によれば、発光ダイオードからは、指向性の高い光が出射される。そして、その発光ダイオードからの光は、０．４ｍｍ以下の幅の狭いスリットを通過した後、フォトダイオードで受光される。

そのため、測定対象物の重力によって変位部（スリット）が変位すると、フォトダイオードにおいて、単位受光量に対する２つの受光面での受光量の差の値が大きくなる。

また、制御部は、そのフォトダイオードでの受光量に基づいて、外力付与部が変位部に付与する力を制御し、演算部は、その外力付与部の力に応じた値を測定対象物の質量として算出する。
そのため、算出される質量に対するノイズの影響を軽減することができる。

すなわち、本発明によれば、発光ダイオードから指向性の高い光を照射し、その光を０．４ｍｍ以下の幅の狭いスリットを通過させることにより、フォトダイオードでの単位受光量に対する２つの受光面での受光量の差の値を大きくしてノイズの影響を軽減し、測定精度を向上できる。そのため、構成上の不具合を生じることなく、測定精度を向上できる。

本発明によれば、発光ダイオードからの指向性の高い光は、０．４ｍｍ以下の幅の狭いスリットを介して、フォトダイオードで受光される。そのため、フォトダイオードでの単位受光量に対する２つの受光面での受光量の差の値を大きくすることにより、測定精度を向上できる。その結果、構成上の不具合を生じることなく、測定精度を向上できる。

本発明の一実施形態に係る電子天秤を示した概略図である。 図１の電子天秤の変位部を拡大して示した側面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う側断面図である。 制御部及びその周辺の部材の具体的構成を示したブロック図である。 電子天秤における機械的な感度とシャッタのスリット幅との関係を示したグラフである。

１．電子天秤の全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る電子天秤１を示した概略図である。
電子天秤１は、梁２と、支点３と、秤量皿４と、変位部５と、検出部６と、外力付与部７とを備えている。
梁２は、長尺状に形成されており、水平方向に延びている。
支点３は、梁２の中央部分を支持している。梁２は、支点３を中心として揺動可能である。
秤量皿４は、梁２の一端部に設けられている。秤量皿４には、測定対象物であるサンプルＳが載置される。
変位部５は、梁２の他端部に設けられている。変位部５は、梁２と一体となって揺動する。
検出部６は、変位部５の揺動による変位を検出する。なお、検出部６及び変位部５の詳細の構成については後述する。

外力部付与部７は、梁２の他端部の近傍に設けられている。外力付与部７は、梁２を介して、変位部５に外力を付与する部材（機構）である。外力付与部７は、コイル８と、永久磁石９とを含んでいる。
コイル８は、梁２の他端部近傍に対して固定されている。そのため、コイル８は、梁２と一体となって変位する。また、コイル８には、適宜大きさを変更した電流が流される。

永久磁石９は、コイル８と間隔を隔てて配置されている。永久磁石９は、梁２（コイル８）とは別体として固定されている。永久磁石９は、静磁場を形成しており、その静磁場内にコイル８が配置される。

電子天秤１では、秤量皿４にサンプルＳが載置されると、サンプルＳの重力によって、梁２の一端部に対して下方に向かう力が加わる。梁２は、中央部（支点３の支持部分）を中心として、その一端部が下方に移動し、その他端部（変位部５）が上方に移動するように揺動する。検出部６は、梁２が揺動することによる変位部５の変位を検出する。

また、外力付与部７では、コイル８に電流が流されることにより、電磁力が発生する。電磁力の大きさは、コイル８に流される電流の値によって決定する。そして、コイル８に対して永久磁石９から離れる方向に力が付与され、梁２を介して、変位部５に対して下方（変位方向と逆方向）に向かう力が付与される。

このとき、変位部５の変位が０となるように、コイル８に流す電流に対してフィードバック制御が行われる。そして、後述するように、コイル８に流す電流の値から、サンプルＳの質量が算出され、算出された質量の値が表示される。

２．変位部及び検出部の詳細構成
図２は、電子天秤１の変位部５を拡大して示した側面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う側断面図である。なお、便宜上、図２では、検出部６を省いて示している。

電子天秤１は、上記したように、変位部５と、検出部６とを備えている。
変位部５は、側面視矩形状の板状の部材（シャッタ）である。変位部５は、上記したように、上下方向に揺動可能であって、その揺動方向は、厚み方向と直交している。変位部５には、スリット５１が形成されている。

スリット５１は、変位部５において上下方向中央部に配置されており、変位部５を厚み方向に貫通している。スリット５１は、上下方向及び水平方向に沿って延びている。
具体的には、スリット５１の上下方向（揺動方向）の幅Ｄ１、すなわち、スリット５１の上端縁（揺動方向一端縁）から、スリット５１の下端縁（揺動方向他端縁）までの幅Ｄ１は、０．４ｍｍ以下である。
図３に示すように、検出部６には、発光ダイオード６１と、フォトダイオード６２とが含まれる。

発光ダイオード６１は、変位部５と間隔を隔てて配置されている。具体的には、発光ダイオード６１は、変位部５のスリット５１に対して水平方向に間隔を隔てて配置されている。発光ダイオード６１から照射される光の光軸方向は、水平方向に沿っている。

フォトダイオード６２は、変位部５（スリット５１）を挟んで、発光ダイオード６１と反対側に配置されている。すなわち、フォトダイオード６２及び発光ダイオード６１は、変位部５（スリット５１）を挟んで設けられている。フォトダイオード６２は、板状に形成された２分割フォトダイオードであって、第１受光面６２１と、第２受光面６２２とを有している。

第１受光面６２１は、フォトダイオード６２において上方側に配置されており、変位部５に対向している。第１受光面６２１は、側面視矩形状に形成されている。第１受光面６２１には、発光素子が実装されている。

第２受光面６２２は、フォトダイオード６２において下方側に配置されており、変位部５に対向している。第２受光面６２２は、第１受光面６２１の下方に間隔を隔てて配置されている。第２受光面６２２は、側面視矩形状に形成されている。第２受光面６２２には、発光素子が実装されている。

上下方向における第１受光面６２１と第２受光面６２２との間の隙間６２３の幅Ｄ２（第１受光面６２１の下端縁から第２受光面６２２の上端縁までの幅Ｄ２）は、変位部５のスリット５１の幅Ｄ１よりも小さい。具体的には、第１受光面６２１と第２受光面６２２との間の隙間６２３の幅Ｄ２は、例えば、０．０３ｍｍである。第１受光面６２１と第２受光面６２２との間の隙間６２３は、発光ダイオード６１に対して光軸方向に対向する領域に配置されている。変位部５の変位が０の状態では、第１受光面６２１と第２受光面６２２との間の隙間６２３の中心、及び、変位部５のスリット５１の中心は、発光ダイオード６１からの光の光軸上に位置している。

発光ダイオード６１の光源Ｂからは、指向性の高い光が照射される。光源Ｂからの光は、発光ダイオード６１の外面を通過する過程で屈折して変位部５に向かう。そして、発光ダイオード６１からの光は、その一部が変位部５のスリット５１を通過してフォトダイオード６２に向かう。
このとき、光の屈折がなければ、光は、仮想点光源Ｃから出射されたのと同様に捉えることができる。
仮想点光源Ｃは、光の屈折がないと仮定したときの見かけ上の光源であって、虚光源である。仮想点光源Ｃは、光源Ｂよりも変位部５及びフォトダイオード６２から離れた点に位置している。

また、仮想点光源Ｃに対して、変位部５のスリット５１の上下方向両端縁がなす角度αは、仮想点光源Ｃに対して、第１受光面６２１と第２受光面６２２との間の隙間６２３の両端縁がなす角度α_０よりも大きい。角度αは、側面視において、仮想点光源Ｃと変位部５のスリット５１の上端縁とを結ぶ線分と、仮想点光源Ｃと変位部５のスリット５１の下端縁とを結ぶ線分とのなす角度である。角度α_０は、側面視において、仮想点光源Ｃと第１受光面６２１の下端縁とを結ぶ線分と、仮想点光源Ｃと第２受光面６２２の上端縁とを結ぶ線分とのなす角度である。

３．制御部及び周辺の部材の具体的構成
図４は、制御部２０及びその周辺の部材の具体的構成を示したブロック図である。
電子天秤１は、上記したコイル８、発光ダイオード６１及びフォトダイオード６２に加えて、表示器１０と、制御部２０とを備えている。
表示器１０は、例えば、液晶表示画面を含んでいる。表示器１０には、測定対象物の質量が表示される。

制御部２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成である。制御部２０は、フォトダイオード６２からの検出信号に基づいて、コイル８、表示器１０及び発光ダイオード６１の各動作を制御する。制御部２０は、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、電流制御部２０１、演算部２０２及び光量制御部２０３などとして機能する。

電流制御部２０１は、フォトダイオード６２からの検出信号に基づいて、コイル８に流れる電流の値を決定する。そして、コイル８には、電流制御部２０１で決定した値の電流が流される。また、上記した外力付与部７での電磁力の大きさは、コイル８に流される電流の値に基づいて決定する。すなわち、電流制御部２０１は、フォトダイオード６２での受光量に基づいて、外力付与部７における電磁力の大きさを決定する制御を行う。

演算部２０２は、電流制御部２０１が決定したコイル８に流す電流の値に基づいて、測定対象物の質量を算出し、当該算出した質量の値を表示器１０に表示させる処理を行う。

光量制御部２０３は、フォトダイオード６２からの検出信号に基づいて、フォトダイオード６２での全受光量が一定に保たれるように、発光ダイオード６１の発光量を決定する。そして、発光ダイオード６１では、光量制御部２０３で決定した発光量で光が出射される。

４．制御部による制御動作
図３に示すように、発光ダイオード６１の光源Ｂから光が照射されると、その光の一部は、変位部５のスリット５１を通過してフォトダイオード６２に向かう。
フォトダイオード６２では、第１受光面６２１及び第２受光面６２２において、変位部５のスリット５１を通過した光を受光する。

変位部５の変位が０の状態では、第１受光面６２１での受光量、及び、第２受光面６２２での受光量は同じである。そして、秤量皿４に載置された測定対象物（サンプルＳ）の重力によって、変位部５が上方に変位すれば、第１受光面６２１での受光量が増え、第２受光面６２２での受光量が減る。一方、変位部５が下方に変位すれば、第１受光面６２１での受光量が減り、第２受光面６２２での受光量が増える。
このような電子天秤１での測定中において、光量制御部２０３は、フォトダイオード６２での全受光量が一定に保たれるように、発光ダイオード６１の発光量を決定する。

また、電流制御部２０１（図４参照）は、フォトダイオード６２からの検出信号に基づいて、第１受光面６２１での受光量と、第２受光面６２２での受光量との差分を算出する。そして、電流制御部２０１は、当該算出した受光量の差分が０となるように、コイル８に流す電流の値を決定するフィードバック制御を行う。詳しくは、電流制御部２０１は、第１受光面６２１での受光量と、第２受光面６２２での受光量との差分（差分受光量）を、フォトダイオード６２での全受光量で除した値（フォトダイオード６２での単位受光量に対する差分受光量の値）が０となるように、コイル８に流す電流の値を決定するフィードバック制御を行う。そして、コイル８には、当該決定した値の電流が流される。

また、演算部２０２は、電流制御部２０１が決定した電流の値に基づいて、測定対象物（サンプルＳ）の質量を算出するとともに、当該算出した質量の値を表示器１０に表示させる。

５．電子天秤の測定精度
以下では、電子天秤１の構成と測定精度との関係を数式を用いて説明する。
図３に示す発光ダイオード６１からの光に関するエネルギーは、以下の式で表される。

ここで、上記式（１）〜（４）において、Ｉは、発光ダイオード６１のエネルギーを示している。具体的には、Ｉ_０は、発光ダイオード６１から垂直（角度０°）に出た光のエネルギーを示し、Ｉ（θ）は、発光ダイオード６１からの角度θでのエネルギーを示し、θ_０は、発光ダイオード６１の光量が１/ｅになる角度を示している。Ｉ（Ｚ）は、変位部５における仮想点光源Ｃからの角度θでの単位面積あたりの入射エネルギーを示している。Ｐ＋は、フォトダイオード６２の第１受光面６２１での入射エネルギーを示している。Ｐ−は、フォトダイオード６２の第２受光面６２２での入射エネルギーを示している。Ｐ±は、フォトダイオード６２の第１受光面６２１での入射エネルギー、又は、フォトダイオード６２の第２受光面６２２での入射エネルギーを示している。Ｐは、フォトダイオード６２の第１受光面６２１での入射エネルギーと、フォトダイオード６２の第２受光面６２２での入射エネルギーとの差分のエネルギーを示している。

式（４）は、第１受光面６２１での受光量と、第２受光面６２２での受光量との差分（差分受光量）を、フォトダイオード６２での全受光量で除した値（フォトダイオード６２での単位受光量に対する差分受光量の値）に対応している。
また、式（４）をαで微分すると、下記式（５）が得られる。

この式（５）に上記式（３）を用いると、下記式（６）が得られる。

この式（６）に上記式（１）を用いると、下記式（７）が得られる。

この式（７）に上記式（２）を用いると、下記式（８）が得られる。

この式（８）を変数変換すると、下記式（９）が得られる。

この式（９）をエラーファンクション（誤差関数）の式に変換すると、下記式（１０）が得られる。

この式（１０）は、変位部５の単位変位量に対するフォトダイオード６２の信号強度の変化を示したものであり、電子天秤１での機械的な感度を示している。

また、式（１０）から、図５に示すグラフが得られる。図５は、電子天秤１における機械的な感度と、変位部５のスリット５１の幅Ｄ１との関係を示したグラフである。図５では、縦軸が、電子天秤１での機械的な感度を示し、横軸が、変位部５のスリット５１の幅Ｄ１を示している。

図５から、変位部５のスリット５１の幅Ｄ１が小さくなるにつれて、電子天秤１での機械的な感度が大きくなることが確認できる。すなわち、変位部５のスリット５１の幅Ｄ１を小さくして、上記したように、第１受光面６２１での受光量と、第２受光面６２２での受光量との差分（差分受光量）を、フォトダイオード６２での全受光量で除した値（フォトダイオード６２での単位受光量に対する差分受光量の値）を大きくした結果、電子天秤１での機械的な感度が大きくなることが確認できる。特に、変位部５のスリット５１の幅Ｄ１が、０．４ｍｍ以下になると、電子天秤１での機械的な感度が急激に大きくなることが確認できる。
６．作用効果

本実施形態では、図３に示すように、変位部５のスリット５１は、上下方向（揺動方向）の幅Ｄ１が０．４ｍｍ以下となるように形成されている。また、発光ダイオード６１からは、指向性の高い光が出射される。そして、その発光ダイオード６１からの光は、０．４ｍｍ以下の幅の狭いスリット５１を通過した後、フォトダイオード６２で受光される。

そのため、秤量皿４上の測定対象物（サンプルＳ）の重力によって変位部５（スリット５１）が変位すると、フォトダイオード６２において、単位受光量に対する２つの受光面での受光量の差（第１受光面６２１での受光量と、第２受光面６２２での受光量との差分を、フォトダイオード６２での全受光量で除した値）が大きくなる。換言すれば、変位部５の単位変位量に対するフォトダイオード６２の信号強度の変化が大きくなる。

また、電流制御部２０１は、その値（フォトダイオード６２での単位受光量に対する２つの受光面での受光量の差の値）が０となるように、コイル８に流す電流の値を決定する。そして、コイル８には、当該決定した値の電流が流される。また、演算部２０２は、電流制御部２０１が決定した電流の値に基づいて、測定対象物の質量を算出する。
そのため、算出される質量に対するノイズの影響を軽減することができ、その結果、演算部２０２による測定対象物の質量の算出精度を向上できる。

すなわち、電子天秤１によれば、変位部５のスリット５１の幅Ｄ１を０．４ｍｍ以下にすることで、フォトダイオード６２での単位受光量に対する２つの受光面での受光量の差の値（変位部５の単位変位量に対するフォトダイオード６２の信号強度の変化）を大きくしてノイズの影響を軽減し、測定精度を向上できる。そのため、構成上の不具合を生じることなく、測定精度を向上できる。

１ 電子天秤
３ 支点
４ 秤量皿
５ 変位部
６ 検出部
７ 外力付与部
２０ 制御部
５１ スリット
６１ 発光ダイオード
６２ フォトダイオード
２０１ 電流制御部
２０２ 演算部
６２１ 第１受光面
６２２ 第２受光面
６２３ 隙間

Claims (1)

1. 測定対象物が載置される秤量皿と、
   支点に対して揺動可能に設けられ、前記秤量皿に載置された測定対象物の重力により一定方向に揺動するとともに、前記一定方向に延びるスリットが形成された変位部と、
   測定対象物の重力により揺動する前記変位部に対して、当該変位部を逆方向に揺動させる力を付与する外力付与部と、
   前記スリットを挟んで設けられた発光ダイオード及びフォトダイオードを有する検出部と、
   前記発光ダイオードから前記スリットを介して前記フォトダイオードが受光する光の受光量に基づいて、前記外力付与部が前記変位部に付与する力を制御する制御部と、
   前記外力付与部が前記変位部に付与する力に応じた値を測定対象物の質量として算出する演算部とを備え、
   前記フォトダイオードは、前記一定方向に隙間を空けて並ぶ２つの受光面を有するとともに、前記隙間が、前記発光ダイオードに対して光軸方向に対向する領域に配置されており、
   前記スリットの前記一定方向の幅が、０．４ｍｍ以下であることを特徴とする電子天秤。

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