JP3077358B2 - 電子天びん - Google Patents

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電子天び
んに関し、更に詳しくは、磁界中のフォースコイルにパ
ルス電流を流し、このパルス電流のデューティを変化さ
せることにより荷重に対抗する電磁力を発生するととも
に、このパルス電流のパルス幅を計測することによって
荷重の大きさを決定する方式の電子天びんに関する。

【０００２】

【従来の技術】磁界中に置かれたフォースコイルに一定
の波高値と一定の周期を持つパルス電流を流し、このパ
ルス電流のデューティを、皿に係合する荷重受部、具体
的には天びんビームの変位検出信号を用いたサーボ機構
に基づいて変化させることにより、荷重受部を所定の位
置にバランスさせる方式の電子天びんでは、フォースコ
イルに流れるパルス電流のデューティ、つまりパルス幅
から皿上の荷重を決定している。

【０００３】このような方式の電子天びんでは、フォー
スコイルに流れるパルス電流のパルス幅の期間に通過す
るクロックパルスをカウントすることにより、パルス幅
に対応するデジタルデータを得て、このデータをマイク
ロコンピュータで演算することによって計量値を決定し
ている。

【０００４】ところで、この方式によれば、パルス電流
の周期とクロックパルスの周波数によって天びんの分解
能が制約される。すなわち、パルス電流の立ち上がりと
立ち下がりをクロックパルスに同期させ、そのパルス幅
をクロックパルスの整数倍とする必要があり、クロック
パルスは汎用のＩＣを用いる場合にはせいぜい３０ＭＨ
ｚであって、パルス電流の周期は天びんメカニズムの固
有振動数に基づく制約がある。

【０００５】そこで従来、この方式における分解能を向
上させるため、ある周期内でパルス電流のパルス幅を変
化させ、その周期内における各パルス幅内のクロックパ
ルスカウント値の小計ないしは平均値によって計量値を
決定する方式のものがある。すなわち、例えば１０個の
パルス電流を発生する間に、あるデューティを持つパル
スを９個、それよりも１段階（最小段階）大きいデュー
ティを持つパルスを１個流せば、フォースコイルに流れ
る電流に基づいて発生する電磁力、および計量値を決定
するためのデータは、その間において同じパルス電流ば
かり１０個流す場合に比して１／１０だけ大きくなり、
天びんの分解能は見かけ上１／１０に向上する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来の分解能の向上対策によると、天びんの荷重
受部、具体的には天びんビームは、バランス点近傍で常
に微妙に振動していることになる。

【０００７】本発明の目的は、フォースコイルにパルス
電流を流してそのデューティを変化させることにより荷
重とバランスする電磁力を発生する方式において、天び
んビームう振動させることなく分解能を向上させること
のできる電子天びんを提供することにある。

【０００８】

【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、第１の基準電圧を発生する
第１の基準電圧源と、その第１の基準電圧に対して絶対
値が一定の比を持ち、かつ、極性が逆の第２の基準電圧
を発生する第２の基準電圧源と、フォースコイルに流れ
るパルス電流のパルス幅内でクロックパルスをカウント
している時間と当該パルス電流の実際のパルス幅との差
に応じた時間だけ、所定数のパルスにわたって上記第１
の基準電圧を積分し、かつ、その積分終了後に上記第２
の基準電圧を積分する積分回路と、この積分回路の第２
の基準電圧の積分開始時点から当該積分回路の出力が零
になるまでの時間を計測する計時手段を有し、この計時
手段の出力とクロックパルスのカウント値に基づいてフ
ォースコイルに流れるパルス電流のパルス幅の測定値を
求めるよう構成されていることによって特徴付けられ
る。

【０００９】

【作用】本発明は、フォースコイルに流すパルス電流の
パルス幅をクロックパルスの整数倍とせず、天びんがバ
ランス状態となるような任意のパルス幅を持つパルス電
流を発生する。これにより、パルス電流のデューティに
関しては前記した制約が解かれ、刻々の発生電磁力の分
解能が向上して天びんビームの振動を抑制することがで
きるが、電流のパルス幅はクロックパルスの整数倍とは
なっていないために、クロックパルスのカウント値と実
際のパルス電流のパルス幅とにずれが生じることになる
が、このずれは次のように補正される。

【００１０】すなわち、第１の基準電圧を上記したずれ
に応じた時間だけ、所定数のパルス電流について積分す
る積分回路には、この所定数のパルス電流が流れている
間のずれの合計に相当する電圧が蓄積される。この状態
で、第１の基準電圧に対して絶対値が所定の比を持ち、
かつ、極性が逆の第２の基準電圧を積分回路が積分する
と、蓄積されている電圧が経時的に放電されてやがて零
となるが、この放電に要する時間を計測すれば、積分回
路に蓄積された電圧、従って所定数のパルス電流につい
てのずれの合計を表すデータが得られる。このデータ
と、所定数のパルス電流についてのクロックパルスによ
るカウント値を総合することにより、実際のパルス幅に
応じたデータを得ることができる。

【００１１】

【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。一端に皿１か装着されたビーム２の他端に近接
して変位センサ３が配設されており、この変位センサ３
によって皿１に作用する荷重に基づくビーム２の変位が
検出される。

【００１２】この変位センサ３の出力はＰＩＤ制御部４
に導入され、電磁力発生部５に対する制御電圧が得られ
る。この制御電圧はパルス幅変換部６に供給される。パ
ルス幅変換部６は、例えば図２に例示するように、のこ
ぎり波発生回路６１とコンパレータ６２によって構成さ
れており、コンパレータ６２はのこぎり波発生回路６１
の出力電圧ａとＰＩＤ制御部４からの制御電圧ｂの双方
を入力し、図３に例示するように、一定周期で一定の波
形を持つのこぎり波ａと制御電圧ｂとから、一定周期
で、かつ、制御電圧ｂの大きさに応じたデューティを持
つパルス信号ｃを出力する。ここで、のこぎり波発生回
路６１には後述する発振器１１からのクロックパルスｄ
が入力されており、例えば図３に示す波形ａの急落点
ａ′がクロックパルスｄの立ち上がりと同期するように
構成されている。従って、このパルス幅変換部６からの
出力パルス信号ｃは、そのパルスの立ち上がりのみがク
ロックパルスｄの立ち上がりと一致することになる。

【００１３】このパルス幅変換部６の出力ｃは、電流ス
イッチ７のＯＮ・ＯＦＦ制御に供され、電磁力発生部５
に流れるパルス電流のデューティを制御し、ビーム１の
変位が零となるような電磁力を発生させる。

【００１４】すなわち、電磁力発生部５は、静磁界を発
生する磁気回路（図示せず）と、この静磁界中に置か
れ、かつ、ビーム２に支承されたフォースコイル５１等
によって構成されており、フォースコイル５１に流れる
電流の大きさに応じた電磁力を発生してビーム２に作用
させる。電流スイッチ７は定電流源８とフォースコイル
５１の間に介在して、パルス幅変換部６からのパルス信
号ｃに同期して定電流源８からの直流電流をチョッピン
グすることによって、ＰＩＤ制御部４からの制御電圧ｂ
に応じたデューティを持つパルス電流としてフォースコ
イル５１に供給する。このようなパルス電流を用いたサ
ーボ機構により、ビーム２の変位が零となるように制御
される。

【００１５】パルス幅変換部６からのパルス信号ｃは、
同時に、カウンタ９とＡ−Ｄ制御部１０にも送られてい
る。カウンタ９は発振器１１からのクロックパルスｄを
も入力しており、パルス信号ｃをゲート信号としてクロ
ックパルスｄをカウントし、その結果はマイクロコンピ
ュータ１２に採り込まれる。

【００１６】一方、Ａ−Ｄ制御部１０には、このパルス
信号ｃのほかに、発振器１１からのクロックパルスｄ
と、コンパレータ１３からの出力が供給されており、こ
のＡ−Ｄ制御部１０は、これらの信号を用いて、後述す
るように積分回路１４に入力電圧信号を供給するための
第１および第２のスイッチ１５および１６に開閉信号を
供給するとともに、クロックパルスｄをカウントするた
めのカウンタを内蔵している。そして、このカウント値
はマイクロコンピュータ１２に送られ、その値と前記し
たカウンタ９のカウント値とから計量値決定のためのパ
ルス幅データが得られる。

【００１７】第１のスイッチ１５は第１の基準電圧源１
７の出力を積分回路１４に供給するためのスイッチであ
り、第２のスイッチ１６は第２の基準電圧源１８の出力
を積分回路１４に供給するためのスイッチである。そし
て、第１の基準電圧源１７は所定の絶対値を持つマイナ
スの電圧信号である第１の基準電圧を出力し、第２の基
準電圧源１８は、第１の基準電圧の１／１００の絶対値
を持つプラスの電圧信号である第２の基準電圧を出力す
る。

【００１８】コンパレータ１３は積分回路１４の出力電
圧ｅを入力して、この電圧ｅのゼロクロス点を検知する
ためのものである。図４は本発明実施例の各部の信号波
形の例を模式的に示すタイムチャートであり、この図を
参照しつつ、以下、Ａ−Ｄ制御部１０をはじめとする各
部の作用を述べる。

【００１９】前述したように、パルス信号ｃの立ち上が
りはクロックパルスｄの立ち上がりと同期しているが、
このパルス信号ｃの立ち下がりは同期していない。つま
り、パルス信号ｃのパルス幅はクロックパルスｄの周期
の整数倍ではなく、従って、カウンタ９においてこのパ
ルス幅間で通過するクロックパルスｄの最終のパルスの
終了点と、実際のパルス信号ｃの立ち下がり点との間に
はずれが生じる。

【００２０】Ａ−Ｄ制御部１０は、パルス信号ｃがｎ回
発生する間において、このずれの期間中と続く１つのク
ロックパルスｄが発生する期間においてのみ第１のスイ
ッチ１５を閉じて第１の基準電圧を積分回路１４に入力
させる。すなわち、パルス信号ｃの立ち下がり点で第１
のスイッチ１５を閉じ、その時点から２つ目のクロック
パルスｄの立ち上がりでこの第１のスイッチ１５を開
く。

【００２１】これにより、積分回路１４には、ｎ回のパ
ルス信号ｃにおける各ずれ時間の合計と、クロックパル
スｄのｎ周期分の時間の和に相当する電圧が蓄積され
る。そして、ｎ回目のパルス信号ｃに関する積分を終了
すると同時に、第２のスイッチ１６を閉じて積分回路１
４に第２の基準電圧を入力させる。これにより、積分回
路１４は第１の基準電圧の積分値を初期値として順次そ
の出力が低下していくことになるが、この出力が零にな
った時点をコンパレータ１３からの出力に基づいて検知
し、その時点で第２のスイッチ１６を開く。そして、こ
の第２のスイッチ１６が閉じられている期間が、クロッ
クパルスｄのカウントによって計測される。そして、こ
のカウント値はマイクロコンピュータ１２に採り込ま
れ、カウンタ９によるカウント値とを併せて、このｎ回
のパルス信号ｃの合計ないしは平均パルス幅が算出さ
れ、計量値を決定するデータとして用いられる。

【００２２】今、あるパルス信号ｃ_i における上記した
ずれの時間をＴ_kiとし、クロックパルスｄの周期をＴ_C
とすると、このパルス信号ｃ_i に関連して第１のスイッ
チ１５が閉じている期間は、Ｔ_C −Ｔ_ki＋Ｔ_C ＝２Ｔ_C
＋Ｔ_kiであるから、そのパルス信号ｃ_i に関連する積分
回路１４の出力電圧の変化量Ｖ_i は、積分回路１４の積
分定数をαとすると、

【００２３】

【数１】 で表される。この動作をｎ回のパルス信号ｃについて繰
り返すと、積分回路１４の出力電圧は、

【００２４】

【数２】 だけ変化することになる。その後、積分回路１４の出力
が零になるまで第２のスイッチ１６を閉じ、その閉じて
いる時間をクロックパルスｄのカウントによって計測す
ると、第２の基準電圧の絶対値は第１の基準電圧の絶対
値の１／１００であるから、その計数結果Ａは

【００２５】

【数３】 で表され、単純にパルス信号ｃのパルス幅をクロックパ
ルスｄで計測する場合に比して１００倍の分解能のもと
に、パルス信号ｃのｎ回分のずれ量の平均値が得られる
ことになる。

【００２６】ここで、第２のスイッチ１６を閉じて積分
回路１４の電圧を放電している間においては、前記した
ずれの補正が行われないことになるが、電子天びんでは
１秒間に３個程度の荷重データがあれば十分に計量値を
算出することができ、このことから、クロックパルスｄ
を３０ＭＨｚ、パルス信号ｃの周期を２ｍｓとして、ｎ
を１００としたとき、第２の基準電圧の絶対値を第１の
基準電圧の１／１００としても、１秒間に３個ないし４
個の補正されたデータが得られ、問題は生じない。

【００２７】なお、以上の実施例において、第１のスイ
ッチ１５が開くタイミングを、パルス信号ｃの立ち下が
り時点から２つ目のクロックパルスｄの立ち上がり点と
し、クロックパルスｄの１周期分の時間を余分に計測し
たが、これは、前記したずれ量Ｔ_K がクロックパルスｄ
の周期Ｔ_C に対して小さい場合でも、超高速のスイッチ
を用いることなく十分なスイッチング動作を得るためで
ある。もちろん、この第１のスイッチ１５が開くタイミ
ングはこれに限られず、パルス信号ｃの立ち下がり点か
ら１個目、あるいは任意個数のクロックパルスｄの立ち
上がり点としてもよい。

【００２８】また、以上の実施例では第２のスイッチ１
６を閉じることにより積分回路１４の出力が零になるま
での時間を、発振器１１からのクロックパルスｄの計数
により求めたが、本発明はこれに限定されず、他のクロ
ックパルスを計数したり、あるいは他の計時手段を採用
することができるが、カウンタ９のカウントに供される
クロックパルスｄを併用することが、コスト的にも有利
であることは言うまでもない。

【００２９】更に、第１の基準電圧と第２の基準電圧の
絶対値の比は任意であるが、比を大きくすることにより
分解能の向上をはかることができることになるが、前記
したデータの単位時間当たりの必要個数との関連におい
て、発振器１１の周波数やパルス信号ｃの周期等に基づ
いて適宜の比を採用すべきである。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
荷重とバランスする電磁力を発生すべくフォースコイル
に流すパルス電流のデューティを変化させる方式の天び
んにおいて、パルス電流のパルス幅をクロックパルスの
カウントによって計測するとともに、このクロックパル
スの周期とパルス電流の幅のずれに対応する時間だけ、
所定数のパルス電流について第１の基準電圧を積分し、
その後、この積分回路に第１の基準電圧と逆極性で絶対
値がある一定の比を持つ第２の基準電圧を供給して積分
出力が零になるまでの間の時間を計測し、この計測結果
と上記クロックパルスのカウント値とから、フォースコ
イルに流れる電流のデューティに関するデータを得て、
計量値を決定するように構成しているから、従来のよう
にパルス電流のパルス幅をクロックパルスの整数倍に規
定することによる分解能の制限が解除されるとともに、
このような制限のあるパルス電流を所定周期内で強制的
に変化させることにより見かけ上の分解能を向上させる
方式のように、天びんビームが振動する不具合も生じな
い。

【００３１】また、パルス電流を１００回分等、複数個
のパルス電流のずれ分をまとめてデジタル値として採り
込むこことでその平均値を得ることができるから、実質
的にはフォースコイルに流れるパルス周期毎にＡ−Ｄ変
換するのと同じ効果が、安価な構成のもとに得られると
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を示すブロック図

【図２】そのパルス幅変換部６の回路構成例を示すブロ
ック図

【図３】パルス幅変換回路６の出力波形の例を示すタイ
ムチャート

【図４】本発明実施例の作用説明図

【符号の説明】 １ 皿 ２ ビーム ３ 変位センサ ４ ＰＩＤ制御部 ５ 電磁力発生部 ５１ フォースコイル ６ パルス幅変換部 ６１ のこぎり波発生回路 ６２ コンパレータ ７ 電流スイッチ ８ 定電流源 ９ カウンタ １０ ＡＤ制御部 １１ 発振器 １２ マイクロコンピュータ １３ コンパレータ １４ 積分回路 １７ 第１の基準電圧源 １８ 第２の基準電圧源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01G 7/04 G01L 1/08 G01G 23/37

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁界中に置かれたフォースコイルにパル
   ス電流を流し、このパルス電流のデューティを変化させ
   ることによって皿上荷重と平衡する電磁力を発生すると
   ともに、このパルス電流のパルス幅を、当該パルス幅の
   間に発生するクロックパルスをカウントすることにより
   測定して計量値を決定する天びんにおいて、第１の基準
   電圧を発生する第１の基準電圧源と、その第１の基準電
   圧と絶対値が一定の比を持ち、かつ、極性が逆の第２の
   基準電圧を発生する第２の基準電圧源と、上記パルス幅
   内でクロックパルスをカウントしている時間と当該パル
   ス電流の実際のパルス幅との差に応じた時間だけ、所定
   数のパルスにわたって上記第１の基準電圧を積分し、か
   つ、その積分終了後に上記第２の基準電圧を積分する積
   分回路と、この積分回路の上記第２の基準電圧の積分開
   始時点から当該積分回路の出力が零になるまでの時間を
   計測する計時手段を有し、この計時手段の出力と上記ク
   ロックパルスのカウント値に基づいて上記フォースコイ
   ルに流れるパルス電流のパルス幅の測定値を求めるよう
   構成されていることを特徴とする電子天びん。