JPH07110258A - 重量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 感量を大きくすることなく最大荷重を大きく
することができ、しかも、一台のはかりで、感量と最大
荷重を幅広い範囲で自由に選択できる重量計を提供する
ことを目的としている。 【構成】 本発明の重量計は、被測定物３６の重量に比
例して伸びるひっぱりばね３２と、ひっぱりばね３２の
伸び量に合わせて移動し、振動数がわずかに異なる２波
長の単色光の内の一方の単色光を反射するキャッツアイ
３８と、キャッツアイ３８により反射された前記単色光
ともう一方の単色光とを干渉させる偏光板４０と、偏光
板４０の干渉光の強度を電気信号に変換する光電変換器
４２と、前記電気信号の位相変化を検出する位相比較器
と、前記位相変化からキャッツアイ３８の移動量を求め
ることにより、被測定物３６の重量を算出する信号処理
装置とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、感量と最大荷重が自由
に選択できる精度のよい重量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、試料の質量を精密に測るに
は、水平に支えた竿の一端にかけた皿に被測定物を載
せ、そのことによって傾いた竿を再び水平に戻すために
要する力から質量を知るのが一般的である。普通の機械
式天秤では、竿の他端にかけた皿に分銅を載せて竿を水
平に釣り合わせて、分銅の質量から被測定物の質量を求
めるようにしていた。

【０００３】上記の操作を簡便化したものが電気天秤
で、電磁石に電流を通じて電磁力によって竿の支点のま
わりにトルクを生じさせて竿を水平にし、そのときの電
流値から被測定物の質量を求めるものである。

【０００４】従来から広く用いられている電気天秤の構
成を図３を用いて説明する。

【０００５】試料皿８０は、被測定物を載せるためのも
のである。竿８２は、その一端部に試料皿８０を支えて
おり、支点８４を中心に動作する。また、竿８２におい
て試料皿８０の反対側には永久磁石８６が取り付けら
れ、竿８２の動作にともない上下に移動する。但し、支
点８４は、試料皿８０に被測定物を載せていない状態
で、竿８２が水平になるように調整されている。センサ
ー８８は竿８２が水平かどうかを判定するものである。
フィードバックコイル９０は、磁界を発生させるもので
あり、永久磁石８６との相互作用によって竿８２を水平
に保つものである。制御装置９２は、センサー８８から
信号を入力し、竿８２を水平に保つ様にフィードバック
コイル９０に流す電流量を制御するものである。電流計
９４はフィードバックコイル９０に流れた電流量を計測
するものであり、この電流量から非測定物の重量を求め
ることができる。

【０００６】次に、従来の電気天秤の作用を説明する。
先ず、試料皿８０に被測定物を載せると、被測定物の重
みによって天秤のバランスが崩れ、竿８２が水平状態で
はなくなる。制御装置９２は、センサー８８から竿８２
が水平状態ではないことを感知し、竿８２を水平に保つ
様にフィードバックコイル９０に流す電流量を制御す
る。この時フィードバックコイル９０に流れた電流量を
電流計９４により計測し、この電流量から非測定物の重
量を求める。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、普通に
市販されている電気天秤は、感量と最大荷重はほぼ比例
関係にある。即ち、被測定物の質量を精密に求めるには
感量の小さい天秤を用いればよいが、それに伴い計り得
る最大荷重の限界も小さくなってしまう。

【０００８】さらに、前記の感量と最大荷重の関係よ
り、被測定物の質量に応じて何台もの電気天秤が必要で
あった。

【０００９】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、感量を大きくすることなく電気
天秤より最大荷重の大きい装置を提供すること、さら
に、一台のはかりで、感量と最大荷重を幅広い範囲で自
由に選択できる装置を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の重量計は、被測定物の重量に応じて変形する
弾性物体と、前記弾性物体の変形量に応じて移動し、振
動数がわずかに異なる２波長の単色光の内の一方の単色
光を反射する反射手段と、前記反射手段により反射され
た前記単色光ともう一方の単色光とを干渉させる干渉手
段と、前記干渉手段の出力光である干渉光の強度を電気
信号に変換する光電変換手段と、前記電気信号の位相変
化を検出する位相検出手段と 前記位相変化から前記反
射手段の移動量を求めることにより、前記弾性物体の変
形量を求めて、前記被測定物の重量を算出する信号処理
手段とを備えている。

【００１１】

【作用】上記の構成を有する本発明の重量計において
は、弾性物体は被測定物の重量に応じて変形する。反射
手段は、前記弾性物体の変形量に合わせて移動すると共
に、振動数がわずかに異なる２波長の単色光の内の一方
の単色光を反射する。干渉手段は、前記反射手段により
反射された前記単色光ともう一方の単色光とを干渉させ
る。光電変換手段は、前記干渉手段の出力光である干渉
光の強度を電気信号に変換する。位相検出手段は、前記
光電変換手段により電気信号に変換された前記干渉光の
位相変化を検出する。信号処理手段は、前記位相変化か
ら前記反射手段の移動量を求めることにより、前記弾性
物体の変形量を求めて、前記被測定物の重量を算出す
る。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明を具体化した一実施例を図面
を参照して説明する。

【００１３】本発明の重量計のひっぱりばね及び光学系
は、図１に示すように構成されている。

【００１４】レーザ光源２は、振動数がν１の直線偏光
レーザ光を発生するものである。

【００１５】アイソレータ４は、レーザ光源２への戻り
光を遮断するものであり、出力レーザ光５０がｘ軸方向
に進行し、ｘ−ｙ平面で偏光するように設置されてい
る。無偏光ビームスプリッタ６は、レーザ光５０を２方
向に分割するものである。音響光学変調器８は、分割さ
れた一方のレーザ光５２の振動数を＋８０ＭＨｚシフト
させるものである。

【００１６】音響光学変調器１０は、音響光学変調器８
の出力光の振動数を−７９．９ＭＨｚシフトさせるもの
である。従って、音響光学変調器１０の出力したレーザ
光５４の振動数ν２は、レーザ光源２の振動数ν１と比
較して＋１００ＫＨｚシフトしている。

【００１７】レーザ光５４は、反射鏡１２によりｘ軸方
向に光路を変える。

【００１８】ガラス１８は、レーザ光５４をレーザ光５
６とレーザ光５８とに分割する。

【００１９】ガラス１４は、レーザ光６０をレーザ光６
２とレーザ光６４とに分割する。

【００２０】レーザ光６２は、反射鏡１６によりｘ軸方
向に光路を変える。

【００２１】無偏光ビームスプリッタ２０は、レーザ光
６２とレーザ光５６とを同一光路上に統合し干渉させ
る。

【００２２】光電変換手段を構成する光電変換器２２
は、無偏光ビームスプリッタ２０の出射光の強度を電気
信号に変換するものである。以下、この電気信号をＢ信
号と呼ぶ。

【００２３】レーザ光５８は、反射鏡２６によりｙ軸方
向に光路を変える。

【００２４】レーザ光６４は、反射鏡２４によりｙ軸方
向に光路を変える。

【００２５】偏光ビームスプリッタ２８の反射面は、レ
ーザ光５８とレーザ光６４の偏光面（ｘ−ｙ平面）に対
して平行に設定されている。そのため、レーザ光５８は
ｚ軸＋方向に光路を変え、また、レーザ光６４は、ｚ軸
−方向に光路を変える。

【００２６】１／４波長板３０の光学軸は、ｚ−ｘ平面
で直線偏光するレーザ光５８に対して４５゜の方位角を
なすように設定されており、レーザ光６６は円偏光に変
換される。

【００２７】弾性物体を構成するひっぱりばね３２は、
上部が固定されている。

【００２８】試料台３４は、被測定物３６を載せる台
で、ひっぱりばね３２に釣るされている。

【００２９】反射手段を構成するキャッツアイ３８は、
ｚ軸＋方向に進行するレーザ光６６をｚ軸−方向に反射
する。

【００３０】１／４波長板３０は、レーザ光６６を入射
すると、ｚ−ｘ平面で直線偏光するレーザ光５８に対し
てｙ−ｚ平面で直線偏光するレーザ光６８を出射する。

【００３１】干渉手段を構成する偏光板４０は、その偏
光軸がｘ軸及びｙ軸に対して４５゜になるように設置さ
れ、レーザ光６４とレーザ光６８の同一偏光成分を干渉
させる。

【００３２】光電変換手段を構成する光電変換器４２
は、偏光板４０の出射光の強度を電気信号に変換するも
のである。以降この電気信号をＤ信号と呼ぶ。

【００３３】次に、図２を用いて電気系の構成を説明す
る。

【００３４】Ｄ信号増幅器７２は、前記Ｄ信号の交流成
分（ビート信号）を増幅するものである。同様に、Ｂ信
号増幅器７４は、前記Ｂ信号のビート信号を増幅するも
のである。ここで、光電変換器２２で検出される前記Ｂ
信号は、光路長が固定されているため、このビート信号
の位相は定数となり、前記Ｄ信号の位相に対する比較基
準とする。

【００３５】位相検出手段を構成する位相比較器７６
は、前記Ｄ信号のビート信号と前記Ｂ信号のビート信号
の位相差を（図示しないカウンタ手段により、２π以上
の位相差も含めて）検出するものである。

【００３６】信号処理手段を構成する信号処理装置７８
は、ひっぱりばね３２のばね定数を用いて被測定物３６
の重量を算出するものである。

【００３７】本実施例は、以上に説明した如く構成され
る。

【００３８】以下に、前記構成に基づく作用を説明す
る。

【００３９】ひっぱりばね３２のばね定数をｋ、被測定
物３６の重量をＷとする。被測定物３６を試料台３４の
上部に載せると、ひっぱりばね３２はフックの法則（Ｗ
＝ｋ・△Ｚ）に従って△Ｚだけ伸びる。前記ひっぱりば
ね３２の伸び量△Ｚと、位相比較器７６の検出するＢ信
号に対するＤ信号の位相差△φの間には、特開平０１−
２８２４１１号公報で詳述してあるように次の関係があ
る。

【００４０】△φ＝４π・△Ｚ／λ （λ：波長） すなわち、被測定物３６の重量Ｗと位相差△φの間に
は、 Ｗ＝ｋ・λ・△φ／４π が成り立つ。例えば、レーザ光源２の波長λ＝０．６３
３μｍ、ひっぱりばね３２のばね定数ｋ＝１ｇｆ／ｍ
ｍ、ひっぱりばね３２の弾性変形する限界重量Ｗｅ＝５
０ｇｆ、位相比較器７６の分解能を０．１゜とすれば、
重量計の感量は０．０８８μｇｆ、最大荷重５０ｇｆと
なり、従来にはない小さい感量と広い測定範囲を持つ重
量計を提供するものである。

【００４１】又、適宜ばね定数の異なるひっぱりばね３
２に取り替えることによって、さらに感量と最大荷重を
幅広くすることができるのである。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の重量計は、被測定物の重量に応じて変形する弾性
物体と、前記弾性物体の変形量に応じて移動し、振動数
がわずかに異なる２波長の単色光の内の一方の単色光を
反射する反射手段と、前記反射手段により反射された前
記単色光ともう一方の単色光とを干渉させる干渉手段
と、前記干渉手段の出力光である干渉光の強度を電気信
号に変換する光電変換手段と、前記電気信号の信号の位
相変化を検出する位相検出手段と、前記位相変化から前
記反射手段の移動量を求めることにより、前記弾性物体
の変形量を求めて、前記被測定物の重量を算出する信号
処理手段とを備えたことにより、感量を大きくすること
なく、従来の電気天秤より最大荷重の大きい重量計を提
供することができる。さらに、一台のはかりで、感量と
最大荷重を幅広い範囲で自由に選択できる等の優れた効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】重量計のひっぱりばね及び光学系の構成図であ
る。

【図２】重量計の電気系のブロック図である。

【図３】従来例の天秤の構成図である。

【符号の説明】

３２ ひっぱりばね ３８ キャッツアイ ４０ 偏光板 ４２ 光電変換器 ７６ 位相比較器 ７８ 信号処理装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の重量に応じて変形する弾性物
   体と、 前記弾性物体の変形量に応じて移動し、振動数がわずか
   に異なる２波長の単色光の内の一方の単色光を反射する
   反射手段と、 前記反射手段により反射された前記単色光ともう一方の
   単色光とを干渉させる干渉手段と、 前記干渉手段の出力光である干渉光の強度を電気信号に
   変換する光電変換手段と、 前記電気信号の位相変化を検出する位相検出手段と、 前記位相変化から前記反射手段の移動量を求めることに
   より、前記弾性物体の変形量を求めて、前記被測定物の
   重量を算出する信号処理手段と、を備えたことを特徴と
   する重量計。