JPH109933A - 電子天びん - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス幅変調方式の電子天びんにおける定電
流発生回路中の基準電圧素子および基準抵抗素子等に温
度係数の小さな高価な素子を用いずに、高精度の温度補
償を行うことのできる電子天びんを提供する。 【解決手段】 定電流発生回路１１中の基準電圧素子１
１ａと基準抵抗素子１１ｂの温度を、磁気回路５の温度
検出用の温度センサ１１ｅまたは別の温度センサで検出
し、計量値演算部１０でその温度検出結果を用いて計量
値の温度補償演算を行うことで、素子１１ａ，１１ｂの
温度係数をソフト的に補償することを可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子天びんに関し、
更に詳しくは、磁気回路中に置かれたフォースコイルに
パルス電流を流すとともに、そのパルス電流のデューテ
ィを変化させることによって、被測定荷重平衡用の電磁
力を発生する、いわゆるパルス幅変調方式の電子天びん
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電磁力平衡型の電子天びんにおいては、
一般に、磁気回路が作る静磁場中に設けたフォースコイ
ルに電流を流すことによって発生する電磁力を被測定荷
重に対抗させて天びん機構を平衡させ、その平衡状態を
得るに要した電流値から被測定荷重の大きさを求め、計
量値として表示する。このような平衡動作は、通常、天
びん機構の変位を検出してその変位が０となるようにフ
ォースコイルに流す電流を制御するサーボ機構によって
行われる。

【０００３】ここで、以上のような電子天びんでは、フ
ォースコイルに流す電流を電圧信号に変換してデジタル
化し、そのデジタルデータを用いて被測定荷重の大き
さ、つまり計量値を決定するのであるが、このような方
式では、電流信号を電圧信号に変換する測定抵抗、ある
いはフォースコイル自体に、被測定荷重の大きさに応じ
た電流が流れることになり、被測定荷重の大きさによっ
てこれらの発熱量が相違するなどの問題がある。

【０００４】そこで、従来、天びん機構の変位の検出出
力に基づくデューティを持つパルス電流を生成して、そ
のパルス電流をフォースコイルに流すとともに、ＰＩＤ
演算結果に基づいて被測定荷重の大きさを求める、いゆ
るパルス幅変調方式の電子天びんが実用化されている。
このパルス幅変調方式の電子天びんにおいては、フォー
スコイルに流すべき電流は、定電流発生回路からの出力
電流を電子スイッチ等によってチョッピングすることに
よって、一定波高値、一定周期のパルス電流で、かつ、
そのデューティが変位のＰＩＤ演算結果に応じて変化す
るパルス電流とされる。このパルス変調方式の電子天び
んによれば、上記したアナログサーボ方式の電子天びん
のような測定抵抗が不要となるとともに、ＰＩＤ演算を
デジタル演算によって行うことが容易となり、回路の集
積化や製品性能の均一化が容易となるなど、多くの利点
を有している。

【０００５】ここで、以上のようなパルス幅変調方式の
天びんにおいても、フォースコイルが置かれる静磁場の
大きさが変化すれば、フォースコイルに流すパルス電流
のデューティが同じであっても、発生電磁力の大きさが
異なることになり、正確な計量値を得ることができなく
なることは言うまでもないが、静磁場を生成するための
磁気回路中の永久磁石は、一般には４００ｐｐｍ／°Ｃ
程度の温度係数を持つため、これを補償する目的で、磁
気回路中の永久磁石に近接して温度センサを設け、その
温度センサの出力によって、磁気回路が作る静磁場の温
度依存性を補償することが行われる。このような温度補
償は、通常、温度センサを定電流発生回路の中に組み込
み、その発生電流値に永久磁石の温度係数と逆極性の温
度係数を持たせることで、ある程度ハード的に温度補償
をしたうえで、個々の電子天びんを恒温炉等に挿入し
て、温度変化による計量値の誤差を実測し、その実測結
果に基づく係数と温度センサの出力を用いて、計量値を
ソフト的に補償する方法が採用されることが多い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な温度補償は、あくまでも永久磁石の温度係数に起因す
る静磁場の大きさの変化を補償するためのものであっ
て、定電流発生回路中の回路要素の温度変化に起因する
電流の大きさの変化は補償されない。

【０００７】そこで従来のこの種の天びんにおいては、
一般に、定電流発生回路中の主たる要素、つまりツェナ
ーダイオード等の基準電圧素子と基準抵抗素子は、でき
るだけ温度係数の小さい素子を用いるとともに、これら
を天びんケース内において可能な限り温度変化の小さい
場所に置くことで、定電流発生回路の各要素の温度変化
に起因する出力電流の変化を極力抑える、という対策が
採られることが多い。

【０００８】しかしながら、温度係数の小さい基準電圧
素子や基準抵抗素子は高価で、天びんコストをアップさ
せる要因となる。なお、定電流発生回路中の基準電圧素
子については、永久磁石の近傍に配置して永久磁石の温
度とほぼ同等の温度にするとともに、その基準電圧素子
の温度変化に起因する電圧変化分を含めて、温度センサ
の出力に基づく温度補償を行う対策が採られることもあ
るが、基準抵抗素子についてはあくまでも温度係数の小
さい高安定の素子が用いられている。しかも温度係数が
０という素子は実質的には存在せず、高価な素子を用い
てもなお、その素子には１ｐｐｍ／°Ｃ程度の温度依存
性がある。

【０００９】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、定電流発生回路中の基準電圧素子並びに基準抵
抗素子等に温度係数の小さい高価な素子を用いることな
く、高精度の温度補償をすることのできるパルス変調方
式の電子天びん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】上記の目的を達成するた
め、本発明の電子天びんは、天びん機構の変位の検出信
号にＰＩＤ演算処理を施すＰＩＤ演算部と、そのＰＩＤ
演算部の出力に基づいて計量表示値を決定する計量値演
算部と、ＰＩＤ演算部の出力をパルスデューティ情報に
変換するとともに、そのパルスデューティ情報に基づい
て定電流発生回路からの出力電流をパルス化するパルス
幅変調部を備え、磁気回路中に置かれたフォースコイル
にそのパルス幅変調部からのパルス電流を流すことによ
って天びん機構をバランスさせる電子天びんにおいて、
定電流発生回路は、磁気回路の温度を検出してその温度
補償をするための温度センサを含むとともに、当該定電
流発生回路中の少なくとも基準電圧素子および基準抵抗
素子の温度が、上記温度センサもくしは別の温度センサ
によって検出され、計量値演算部は、その温度検出結果
を用いて計量値の温度補償演算を行うように構成されて
いることによって特徴づけられる。

【００１１】ここで、本発明においては、定電流発生回
路中の基準電圧素子および基準抵抗素子の温度を、磁気
回路の温度補償用の温度センサによって検出する場合
と、これとは別に設けた温度センサによって検出する場
合のいずれでもよいが、磁気回路の温度補償用の温度セ
ンサによって基準電圧素子および基準抵抗素子の温度を
検出する場合には、当然のことながら、その温度センサ
は磁気回路の温度を測定すべく磁気回路の近傍に置かれ
る関係上、基準電圧素子および基準抵抗素子は磁気回路
の近傍に置いてそれと実質的に熱的に結合する必要があ
る。一方、これら基準電圧素子および基準抵抗素子の温
度を別の温度センサで検出する場合には、これらの素子
の配設位置は特に限定されるものではない。

【００１２】本発明は、定電流発生回路中の基準電圧素
子および基準抵抗素子の温度を検出し、その温度検出結
果を用いて計量値をソフト的に温度補償することで、定
電流発生回路に用いられている素子に温度係数があって
も、従って安価な素子を用いても、それに伴う計量誤差
を解消するものである。

【００１３】ここで、本発明が対象とするパルス幅変調
方式の天びんにあっては、定電流発生回路の基準抵抗素
子に流れる電流は、アナログサーボ方式の天びんにおけ
る抵抗に流れる電流のように被測定荷重の大きさによっ
て大きく変化するものではなく、従って、その基準抵抗
素子を磁気回路の近傍に置いてこれと熱的に結合して
も、その抵抗素子の発熱が磁気回路中の永久磁石の温度
を大きく変化させてしまう不具合は生じない。従って、
本発明の好ましい実施の形態においては、定電流発生回
路中の基準電圧素子並びに基準抵抗素子は、磁気回路の
近傍に配置されてこれと熱的に結合され、磁気回路の温
度補償用の温度センサによってこれらの素子の温度が検
出される。このような実施の形態によれば、基準電圧素
子および基準抵抗素子としてある程度の大きさの温度係
数を持つものを用い、しかもその温度を検出するための
温度センサは磁気回路の温度補償用の温度センサを兼用
させるため、ハード的に新たな部材を用いることなく、
単に計量値決定演算において、従来から行われている磁
気回路の温度補償のための演算と併せて、基準電圧素子
および基準抵抗素子の温度補償のための演算を行うだけ
でよい。従ってこの場合、これらの素子として温度係数
の大きなものを用いることによるコストダウンの効果
が、そのまま天びんのコストダウンに寄与することにな
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の全体
構成図で、機械的構成を示す模式図と電気的構成を示す
ブロック図とを併記して示す図であり、図２はその定電
流発生回路１１の回路構成図（Ａ）と、その定電流発生
回路１１中の各素子の実装位置を示す要部縦断面図であ
る。

【００１５】被測定荷重Ｗを負荷するための皿１は、支
点２ａを中心として回動自在のビーム２の一端部に支承
されている。天びんビーム２の他端部には変位センサ３
が配設されており、この変位センサ３によって天びんビ
ーム２の変位（回動）が検出される。天びんビーム２に
は、支点２ａを挟んで皿１の支承位置とは反対側の位置
にフォースコイル４が固着されており、そのフォースコ
イル４は磁気回路５が作る静磁場中に配置されている。
従ってこのフォースコイル４に電流を流すことによって
電磁力が発生し、その電磁力は、後述するように被測定
荷重Ｗに抗して天びんビーム２の変位を０に戻すべく作
用する。

【００１６】変位センサ３による天びんビーム２の変位
検出信号は、増幅器６、Ａ−Ｄ変換器７を介して変位デ
ータとしてＰＩＤ演算部８に取り込まれ、比例（Ｐ）・
積分（Ｉ）・微分（Ｄ）演算処理が施される。そして、
そのＰＩＤ出力はパルス変調部９および計量値演算部１
０に供給される。

【００１７】パルス変調部９は、ＰＩＤ演算部８からの
ＰＩＤ出力の大きさに基づき、一定周期内におけるＨ，
Ｌの比率が変化するデューティ信号を形成するパルスデ
ューティ変換部９ａと、そのパルスデューティ変換部９
ａからのデューティ信号に従って開閉する電子スイッチ
９ｂによって構成されており、この電子スイッチ９ａに
よって、定電流発生回路１１からの出力電流がチョッピ
ングされ、パルス電流としてフォースコイル４に流され
る。つまり、フォースコイル４には、変位センサ３によ
る天びんビーム２の変位検出信号のＰＩＤ演算結果に応
じて一定周期内のデューティが変化する一定波高値のパ
ルス電流が流され、これによって発生する電磁力により
天びんビーム２の変位が常に０となるように制御され
る。

【００１８】そして、以上のＰＩＤ演算結果は、天びん
ビーム２をバランスさせるべくフォースコイル４に流し
ている電流と比例するものであり、従って計量値演算部
１０では、そのＰＩＤ演算結果を用いて皿１上の被測定
荷重Ｗの大きさ、つまり計量値を算出し、表示器１２に
表示する。

【００１９】なお、以上の構成のうち、ＰＩＤ演算部
８，パルスデューティ変換部９ａおよび計量値演算部１
０は、図１では機能別のブロック図で示しているが、実
際にはＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを主体とするマイクロコ
ンピュータとその周辺機器によって構成される。

【００２０】さて、この例において磁気回路５は、２つ
の永久磁石５ａ，５ｂと、これらの間に挟まれたポール
ピース５ｃ、並びにこれらを囲むように配置されたヨー
ク５ｄによって構成されているが、永久磁石５ａ，５ｂ
が作る磁場の温度依存性に起因して、この磁気回路５に
より生成される静磁場は約４００ｐｐｍ／°Ｃ程度の温
度係数を持つ。この静磁場の温度による変化は、定電流
発生回路１１内の基準電圧素子１１ａ並びに基準抵抗素
子１１ｂ、および抵抗１１ｃ，１１ｄの温度係数に起因
する定電流発生回路１１からの出力電流の温度による変
化とともに、定電流発生回路１１内に組み込まれ、か
つ、磁気回路５内に配置された温度センサ１１ｅによっ
て以下のようにハード的およびソフト的に補償される。

【００２１】定電流発生回路１１は、図２（Ａ）に示す
ように、基本的には、基準電圧素子１１ａと基準抵抗素
子１１ｂ並びに電流アンプ１１ｆによって構成されてい
るが、電流アンプ１１ｆの電圧入力端子には、基準電圧
素子１１ａと温度センサ１１ｅがそれぞれ分圧用の抵抗
１１ｃ，１１ｄを介して並列に接続されている。従って
電流アンプ１１ｆの入力電圧は、磁気回路５中に配置さ
れてこれと熱的に結合された温度センサ１１ｅの抵抗変
化分の影響を受ける。つまり、定電流発生回路１１の出
力電流は、磁気回路５の温度に応じて変化する。

【００２２】また、この例において定電流発生回路１１
中の基準電圧素子１１ａ，基準抵抗素子１１ｂ、および
抵抗１１ｃ，１１ｄはそれぞれ温度係数の小さい高価な
素子を用いておらず、ある程度の大きさの温度係数を持
っている。従ってこれらの素子の温度が変化すると、定
電流発生回路１１の出力電流が変化する。この例におい
ては、図２（Ｂ）に示すように、定電流発生回路１１中
の基準電圧素子１１ａ，基準抵抗素子１１ｂ、および抵
抗１１ｃ，１１ｄは、磁気回路５のヨーク５ｄに接する
ように配置されてこれと熱的に結合されている。従っ
て、これらの各素子１１ａ〜１１ｄの温度は、温度セン
サ１１ｅの温度と同等となり、結果的に温度センサ１１
ｅは磁気回路５の温度とともに基準電圧素子１１ａ、基
準抵抗素子１１ｂ、抵抗１１ｃ，１１ｄの温度を検出し
ていることになる。そして、この温度センサ１１ｅの出
力は、Ａ−Ｄ変換器１３を介して計量値演算部１０に取
り込まれ、磁気回路５および定電流発生回路１１中の各
素子の温度係数の補償演算に供される。なお、図２
（Ｂ）において２０は基板である。

【００２３】以上の本発明の実施の形態において、定電
流発生回路１１中の分圧用抵抗１１ｃ，１１ｄの大きさ
を適宜に選択することによって、磁気回路５の温度係数
並びに定電流発生回路１１中の各素子１１ａ〜１１ｄの
温度係数は、温度センサ１１ｅによってハード的にある
程度補償することができる。具体的には、これらの温度
係数≒４００ｐｐｍ／°Ｃを１０〜２０ｐｐｍ／°Ｃ程
度にまで抑えることができる。

【００２４】そして、ハード的に抑えられた温度係数
は、計量値演算部１０における温度センサ１１ｅの出力
を用いた温度補償演算により、最終的に１〜２ｐｐｍ程
度にまで抑えることができる。この温度補償演算は、従
来から行われている磁気回路５の温度補償演算と同様な
手法によって行うことができる。すなわち、図２（Ｂ）
のような配置を採り、かつ、前記のようにハード的に温
度係数がある程度補償された本発明の実施の形態を、例
えば恒温炉中に挿入した状態で既知質量を負荷して温度
を種々に変化させ、そのときの計量値の変化を記録する
ことにより、ハード的な補償後の残余の温度係数を測定
する。そして、その係数をメモリ（図示せず）に書き込
んでおき、その係数を用いて計量値を補正することによ
り、最終的に計量値の温度依存性を１〜２ｐｐｍ／°Ｃ
程度にまで補償することができる。

【００２５】以上の実施の形態によれば、定電流発生回
路１１中の各素子、特に基準電圧素子１１ａと基準抵抗
素子１１ｂとして温度係数の小さな高価な素子を用いる
ことなく、これらの素子を磁気回路５と熱的に結合する
ことによって、その温度を磁気回路５の温度検出用の温
度センサ１１ｅによって検出し、その検出結果によって
磁気回路５と併せて定電流発生回路１１中の各素子の温
度係数をも補償するから、ハード的には従来のパルス幅
変調方式の電子天びんに対して何ら追加を要することな
く、従って基準電圧素子１１ａと基準抵抗素子１１ｂに
安価な素子を用いることによるコストダウンの効果が、
そのまま電子天びんのコストダウンに寄与することにな
る。

【００２６】ここで、本発明は以上の実施の形態に限ら
れることなく、定電流発生回路１１中の各素子の温度
を、磁気回路５の温度検出用の温度センサ１１ｅとは別
の温度センサによって検出し、その検出結果によって計
量値の温度補償演算を行ってもよい。

【００２７】すなわち、温度センサ１１ｅは磁気回路５
と熱的に結合させ、かつ、図２（Ａ）のように定電流発
生回路５内に組み込むことによって、磁気回路５の温度
係数をハード的にある程度補償するとともに、その残余
の温度係数を、計量値演算部１０において、温度センサ
１１ｅの出力を用いた補償演算によってソフト的に補償
する。この点は従来の温度補償手法と同等である。そし
て、定電流発生回路１１中の基準電圧素子１１ａ，基準
抵抗素子１１ｂ等は、任意の位置に配置され、その温度
を別の温度センサで検出し、その検出出力を用いて、計
量値演算部１０においてこれらの素子の温度補償演算を
行う。この場合、磁気回路５の温度補償演算と、定電流
発生回路１１内の各素子の温度補償演算は個別に行う必
要があり、従ってその温度補償演算に供される係数は、
磁気回路５と定電流発生回路１１中の各素子について個
別に測定して記憶する。

【００２８】このような構成においても、先の例に比し
て温度センサを一つ追加する必要はあるものの、基準電
圧素子１１ａ，基準抵抗素子１１ｂとして温度係数の大
きな素子を用いることによるコストダウン効果は、温度
センサを一つ追加することによるコストアップ分を差し
引いても大きく、従って天びん全体としてのコストを低
下させることが可能となる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、パルス
幅変調方式の電子天びんにおける定電流発生回路中の少
なくとも基準電圧素子および基準抵抗素子の温度を検出
し、その検出出力によって計量値の温度補償演算を行う
から、これらの素子として従来のように温度係数の小さ
な高価な素子を用いることなく、高精度の温度補償を行
うことが可能となり、天びんのコストを大幅に低下させ
ることが可能となった。特に、上記した各素子を磁気回
路と熱的に結合する位置に配置して、磁気回路の温度を
検出するための温度センサによってこれらの各素子の温
度を検出するように構成した場合には、ハード的には何
ら追加を要することなく、基準電圧素子と基準抵抗素子
として温度係数の大きな安価な素子を用いることによる
コストダウン効果が、そのまま天びんのコストダウンに
寄与することになって好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の全体構成図で、機械的構
成を示す模式図と電気的構成を示すブロック図とを併記
して示す図

【図２】その定電流発生回路１１の回路構成図（Ａ）
と、その回路中の各素子の実装位置を示す要部断面図
（Ｂ）

【符号の説明】

１ 皿 ２ 天びんビーム ３ 変位センサ ４ フォースコイル ５ 磁気回路 ５ａ，５ｂ 永久磁石 ５ｃ ポールピース ５ｄ ヨーク ８ ＰＩＤ演算部 ９ パルス幅変調部 ９ａ パルスデューティ変換部 ９ｂ 電子スイッチ １０ 計量値演算部 １１ 定電流発生回路 １１ａ 基準電圧素子 １１ｂ 基準抵抗素子 １１ｃ，１１ｄ 分圧用の抵抗 １１ｅ 温度センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 天びん機構の変位の検出信号にＰＩＤ演
   算処理を施すＰＩＤ演算部と、そのＰＩＤ演算部の出力
   に基づいて計量表示値を決定する計量値演算部と、上記
   ＰＩＤ演算部の出力をパルスデューティ情報に変換する
   とともに、そのパルスデューティ情報に基づいて定電流
   発生回路からの出力電流をパルス化するパルス幅変調部
   を備え、磁気回路中に置かれたフォースコイルにそのパ
   ルス幅変調部からのパルス電流を流すことによって天び
   ん機構をバランスさせる電子天びんにおいて、上記定電
   流発生回路は、上記磁気回路の温度を検出してその温度
   補償をするための温度センサを含むとともに、当該定電
   流発生回路中の少なくとも基準電圧素子および基準抵抗
   素子の温度が、上記温度センサもくしは別の温度センサ
   によって検出され、上記計量値演算部は、その温度検出
   結果を用いて計量値の温度補償演算を行うように構成さ
   れていることを特徴とする電子天びん。