JP4729988B2

JP4729988B2 - 電子天びん

Info

Publication number: JP4729988B2
Application number: JP2005163058A
Authority: JP
Inventors: 邦夫島内; 伸幸吉桑; 淳史飯塚
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-06-02
Also published as: JP2006337207A

Description

本発明は、電子天びんに関し、特に被計量物の荷重と電磁力とを平衡させ、電磁力を発生するに要した電流を測定して皿上荷重の計量を行う高精度の電子天びんに関する。

従来、電子天びんにおいては、被計量物の荷重と電磁力をバランスさせ、その電磁力を発生させるために要した電流から計量値を算出する方式のものが一般的に用いられている。図６は従来の電磁力平衡方式の電子天びんの構成例を示したものである。被計量物を搭載する受け皿５１が薄肉部を有する２本の梁５２ａ、５２ｂと可動柱５３からなる荷重検出機構５に設けられている。被計量物の荷重、すなわち皿上荷重Ｗは可動柱５３に伝達されると共に、その皿上荷重Ｗは支点５４において支持された平衡ビーム５５を介して、永久磁石５６の磁界強度に比例する磁束密度とコイル５７に流れるコイル電流の積に比例して発生する電磁力と比較され、その偏差が変位センサ５８で検出され、バランス状態になるようＰＩＤ制御部５９によってコイル電流Ｉが制御される。そして、このコイル電流Ｉは基準抵抗体６０で電圧信号に変換された後、Ａ／Ｄ変換器６１及び演算処理部６２で演算処理され皿上荷重Ｗの計量値が表示部６３に表示される。

このような電子天びんにおいては、使用経過に伴い、あるいは温度変化などの環境変化に伴なってゼロ／スパンのドリフトが発生するので、通常内部分銅による校正を手動あるいは一定周期ごとに行う手段が用いられている。また、環境変化のうち周囲温度の影響は特に大きく、中でも前記永久磁石５６の温度変化による磁界強度変化の影響が大きいので、前記永久磁石５６の近くに温度センサ６４を配置し、温度補正回路６５を介して前記Ａ／Ｄ変換器６１の基準電圧源６６に温度係数を持たせて温度補正したり、あるいは前記温度センサ６４の出力信号を前記演算処理部６２のＣＰＵに取り込んで演算処理により温度の影響を補正するなどの手段が採られている。

しかしながら、高精度の電子天びんになると、上記の経年変化や温度の影響だけでなく湿度の影響も無視できなくなる。この湿度の影響は内部分銅の校正にも影響するので、湿度センサを内蔵して、校正時の湿度を測定して、その湿度値によって内部分銅の質量を補正する手段が開示されている。
特開２００３−２１４９３２号公報特開２０００−１２１４２２号公報特開２００１−１３００１号公報

従来の電子天びんは、上記のように構成されており、電子天びん内の湿度が高くなると、電磁力平衡機構部の可動部に使用する部品（たとえば、永久磁石の磁界中に吊設したコイル、該コイルの引き出し線の樹脂系材料、接着剤など）が吸湿したり、表面に水分が付着したりするなどによりその部分の質量が大きくなり、逆に湿度が低くなると、質量が小さくなり、そのため、環境パラメータの一つである湿度変化が原因でゼロ点がシフトするいわゆるゼロ点ドリフトが生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、湿度変化によるゼロ点ドリフトが小さい高精度の電子天びんを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の電子天びんは、電磁力を発生するフォースコイルを備えた電磁力平衡機構部と、測定対象の荷重を負荷するための測定皿と、湿度補正部材と、前記測定対象の荷重と、前記電磁力と、前記湿度補正部材の荷重とが伝達されるとともに、支点を有する平衡フレームと、前記湿度補正部材の位置を可変として、前記平衡フレームにおける前記湿度補正部材の荷重の作用点と前記支点との距離を調整する調整機構とを有し、前記湿度補正部材は、前記フォースコイルに使用される絶縁皮膜用樹脂と同等の吸着、吸湿性を有する材質である。

本発明の電子天びんは、温度変化が原因による天びんのゼロ点ドリフトと湿度変化が原因によるゼロ点ドリフトの両方が補正でき、温度及び湿度変化に対してゼロ点ドリフトの小さい天びんを実現することができる。

本発明が提供する電子天びんはつぎのような特徴を有している。第１の特徴は皿上荷重と電磁力を平衡させ前記皿上荷重の計量を行う電子天びんにおいて、湿度変化によるゼロ点ドリフトを補正するために前記皿上荷重作用部に配設された湿度変化による質量変化が既知の湿度補正部材と、皿上荷重と電磁力を平衡させる電磁力平衡機構部の温度を測定する温度センサと、予め複数の温度点で測定された荷重計量値と基準温度での荷重計量値を記憶する記憶手段と、測定された温度に対応して前記記憶値に基づいて荷重計量値を演算する補正演算手段とを備えている点である。
第２の特徴は湿度補正部材の取付け位置を電磁力平衡機構部に複数個所または連続移動可能に設けるとともに、ゼロ点ドリフトが最適に補正できる位置に前記湿度補正部材を取り付けるようにした点にある。

また第３の特徴はゼロ点ドリフトが最適に補正できる質量、表面積及び材質を有する湿度補正部材を電磁力平衡機構部取り付けるようにした点にある。
したがって最良の形態の基本的な構成は、請求項１、２、３の特徴を備えた構成を具備する電子天びんである。

以下実施例により本発明の電子天びんを詳細に説明する。図１は、本発明の電子天びんに用いる電磁力平衡機構部１の側面図（Ａ）と上面図（Ｂ）、図２は電磁力平衡機構部１に用いる荷重検出セル２の側面図、図３は電子天びんの動作を説明する動作原理図である。
本電子天びんは、図１、２に示すような単体ブロックからなる荷重検出セル２を使用して荷重を電流量に変換する電磁力平衡機構部１と、図３に示すフォースコイル１２の流すコイル電流Ｉを制御するサーボ増幅器３と、被計量物の荷重計量値の表示を行う計量表示部４等から構成されている。

前記荷重検出セル２は、強力アルミニウム合金等の単体ブロックにドリル加工やワイヤ放電加工を行い図２に示すような複数の孔や太線で示したスリットを設けるようにしたもので、これによってロバーバル機構２２やレバーブロック２３が形成されている。前記ロバーバル機構２２は、上下方向に移動可能な可動柱２４と他端側にあって固定して用いられる固定柱２５とを、一定間隔に可撓部ｅを設けた上下２本の梁２６ａ、２６ｂで連結した四辺形を構成している。

上記レバーブロック２３は連結部２７の上下に形成された力点バネ２７ａ、２７ｂと支点バネ２８に連結されており、前記可動柱２４の上部から皿上荷重Ｗを加えると、力点バネ２７ａ、２７ｂは下方に移動し、レバーブロック２３は支点バネ２８を中心に時計方向に回転する。

また前記電磁力平衡機構部１は、図１に示すように前記荷重検出セル２と該荷重検出セル２のレバーブロック２３の両側面に４個のカラー１０を介してネジとナットで固定された平衡フレーム１１と、該平衡フレーム１１の左端に螺着されたフォースコイル１２を巻着した枠体１３と、前側右端のネジ軸に進退可能にナットで固定された長手方向のバランスをとるおもり板１４と、後側右端のネジ軸を偏心にして回転し長手方向と直角する方向のバランスをとるおもり板１５ａ、１５ｂと、前記荷重検出セル２の上面右端に螺着された先端断面が放物線形状の支柱１６上に嵌合した測定皿１７と、該測定皿１７の裏側に止め具１７ａで固定された湿度補正部材６と、前記フォースコイル１２に所定の磁束密度の磁場を発生するための磁場発生装置１９から構成されている。そして、前記荷重検出セル２と前記磁場発生装置１９はベース板２０にネジ止め等により固定されている。

上記湿度補正部材６は、前記電磁力平衡機構部１の可動部位の中で最も湿度の影響を受けやすい部位の湿度変化による荷重変化を補正するために用い、本構成においてはフォースコイル１２に使用されている絶縁皮膜用樹脂と同等の吸着、吸湿性を有する材質のもの、例えばポリイミド系樹脂をワッシャ形状に加工したものを使用する。この湿度補正部材６の表面積と質量はゼロ点ドリフトの時間的変化にも適合するものを用いるのが好ましい。

上記構成の電子天びんにおいて、図３に示すように皿上荷重Ｗを負荷すると前記測定皿１７が下降し、平衡フレーム１１は支点バネ２８を中心にして時計方向に回転する。この平衡フレーム１１の右先端側の変位は変位センサ１８によって検出され、その出力電圧信号よって前記サーボ増幅器３からフォースコイル１２に流れるコイル電流Ｉが制御され、前記平衡フレーム１１は基準位置に戻され、皿上荷重Ｗと電磁力Ｆとがバランスする。前記コイル電流Ｉは、電流／電圧変換器４８によって電圧信号に変換され、温度センサ４９の出力電圧とともに計量表示部４のインタフェース４１でＡ／Ｄ変換され、メモリ４２に記憶されている温度補正付き計量値演算処理プログラムに基づいてＣＰＵ４３で演算処理が行われ、温度補正された荷重計量値が表示器４４に表示される。

本電子天びんは、一定の基準温度、基準湿度において、皿上荷重Ｗと電磁力Ｆが支点バネ２８に対して作用する回転モーメントは等しく、支点バネ２８からフォースコイル１２、湿度補正部材６までの距離をａ、ｂとすると、皿上荷重Ｗと電磁力Ｆとの間に次式（１）の関係が保たれる。
Ｆ＝（ｂ／ａ）Ｗ・・・・・（１）
この基準状態から湿度が一定値変化したとき、前記フォースコイル１２側の荷重が△Ｗ１、湿度補正部材６の荷重が△Ｗ２変化したとすると、次式（２）の関係が保たれる。
Ｆ＋△Ｗ１＝（ｂ／ａ）Ｗ＋（ｂ／ａ）△Ｗ２・・・・・（２）
これより、湿度補正部材６の荷重変化△Ｗ２とフォースコイル１２の荷重変化△Ｗ１の間に次式（３）の関係を持たせればゼロ点ドリフトがなくなる。
△Ｗ２＝（ａ／ｂ）△Ｗ１・・・・・・・（３）

前記荷重△Ｗ１は個々の電子天びんによってばらつきがあるため、湿度補正部材６を外した状態であらかじめ同一形式の複数台の電子天びんについて荷重△Ｗ１の測定を行い、平均値化した平均荷重を△Ｗ１として用いる。一方、湿度補正部材６は質量、表面積および材質の異なるものについてあらかじめ荷重△Ｗ２を測定しておき、上式（３）を満足する湿度補正部材６を用いる。

前記湿度補正部材６の形状およびその取付位置は、上記実施例に限定されるものではなく、例えば、図１に示すように、円形状の湿度補正部材６Ａを荷重検出セル２の可動柱２４のコラム部２４ａに固着してもよい。これらの湿度補正部材６、６Ａを各電子天びんに共用で用いることにより湿度補正が単純化され、製作手間が簡素化される。

図４、５は決められた形状の湿度補正部材を用いて、個々の電子天びんのゼロ点ドリフトに合わせて正確な湿度補正を行う場合の実施例を示したものである。図４は前記電磁力平衡機構部１のおもり板１４を螺着しているネジ軸を延長したネジ軸１４ａにネジ孔付の湿度補正部材６Ｂを螺合して支点バネ２８までの距離を可変できるようにしたものである。また図５は平衡フレーム１１の側面に複数のタップ孔１１ａを形成して湿度補正部材６Ｃをネジ止めして支点バネ２８までの距離を可変できるようにしたものである。前記湿度補正部材６Ｂと６Ｃは補正の方向が逆方向であり、どちらの方向の補正にも対応可能である。いずれも個々に電子天びんを恒温恒槽に設置しゼロ点を校正した後、一定の湿度変化を与えて生じるゼロドリフトを測定し、このゼロ点ドリフトを最小にする位置に前記湿度補正部材６Ｂ、６Ｃを固定する。また前記湿度補正部材６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃで質量、表面積、材質の異なるものを備えることにより、個々の電子天びんのゼロ点ドリフトや湿度変化に対するドリフトの時間遅れに合わせてさらにより正確な湿度補正を行うことができる。

上記実施例においては、電磁力平衡機構部１に単体ブロックより製作された荷重検出セル２を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これを個別部品で構成したり異なる材料を使用することも可能である。これにより湿度変化による荷重変化の起こる部位も変わるので、湿度補正部材の取り付け位置も皿上荷重側に限定されるものではない。また、湿度補正部材の取付位置を図示しない長孔にして連続調整可変にすることも可能である。

本発明は湿度の影響が無視できない高精度の電子天びんに用いられる。

本発明の電子天びんに用いる電磁力平衡機構部１の側面図（Ａ）と上面図（Ｂ）である。実施例に係わる荷重検出セル２の側面図である。電子天びんの動作を説明する動作原理図である。実施例に係わる湿度補正部材６Ｂの取付方法を示す図である。実施例に係わる湿度補正部材６Ｃの取付方法を示す図である。従来の電子天びんの構成例を示す図である。

符号の説明

１電磁力平衡機構部
２荷重検出セル
３サーボ増幅器
４計量表示部
５荷重検出機構
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ湿度補正部材
１０カラー
１１平衡フレーム
１１ａタップ孔
１２フォースコイル
１３枠体
１４おもり板
１４ａネジ軸
１５ａ、１５ｂおもり板
１６支柱
１７測定皿
１７ａ止め具
１８変位センサ
１９磁場発生装置
２０ベース板
２２ロバーバル機構
２３レバーブロック
２４可動柱
２４ａコラム部
２５固定柱
２６ａ、２６ｂ梁
２７連結部
２７ａ、２７ｂ力点バネ
２８支点バネ
４１インタフェース
４２メモリ
４３ＣＰＵ
４４表示器
４８電流／電圧変換器
４９温度センサ
５１受け皿
５２ａ、５２ｂ梁
５３可動柱
５４支点
５５平衡ビーム
５６永久磁石
５７コイル
５８変位センサ
５９ＰＩＤ制御部
６０基準抵抗体
６１Ａ／Ｄ変換器
６２演算処理部
６３表示部
６４温度センサ
６５温度補正回路
６６基準電圧源

Claims

電磁力を発生するフォースコイルを備えた電磁力平衡機構部と、測定対象の荷重を負荷するための測定皿と、湿度補正部材と、前記測定対象の荷重と、前記電磁力と、前記湿度補正部材の荷重とが伝達されるとともに、支点を有する平衡フレームと、前記湿度補正部材の位置を可変として、前記平衡フレームにおける前記湿度補正部材の荷重の作用点と前記支点との距離を調整する調整機構とを有し、前記湿度補正部材は、前記フォースコイルに使用される絶縁皮膜用樹脂と同等の吸着、吸湿性を有する材質であることを特徴とする電子天びん。