專利名稱：電子天平的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁力平衡類型的電子天平，其用于通過設(shè)置一支點(diǎn)而使載荷和施加到平衡梁的電磁力平衡來測量載荷。更具體地，本發(fā)明涉及一種離支點(diǎn)距離短的電子天平或一種具有高精度的電子天平。
背景技術(shù)：
一般地，電磁力平衡類型的電子天平構(gòu)造成，使由電磁力發(fā)生器產(chǎn)生的電磁力施加到與測量盤接合的平衡梁，平衡梁與施加到測量盤的載荷保持平衡。平衡梁的位移由位置(位移)傳感器檢測，供給到電磁力發(fā)生器線圈的電流量由伺服機(jī)構(gòu)控制，以便得到自平衡梁零位基點(diǎn)位置的位移的檢測結(jié)果。由平衡所需的電流量來計(jì)算施加到測量盤的載荷的大小，即被測量的重量值(下文中，簡寫成測量值)。
這里，由根據(jù)擾動(dòng)的平衡梁的振動(dòng)引起的測量值的變化優(yōu)選地在與平衡梁的平衡點(diǎn)相對應(yīng)的值的兩側(cè)上是對稱的。因此，使平衡梁平衡的位置，即使位置傳感器檢測的位移結(jié)果為零的平衡梁的姿態(tài)一般設(shè)定成水平的。即，平衡梁可樞轉(zhuǎn)地以支點(diǎn)為中心受到支撐，施加在垂直(重力)方向上的待測量載荷的載荷作用點(diǎn)和相似地施加在垂直方向上的電磁力的作用點(diǎn)分別設(shè)置在遠(yuǎn)離支點(diǎn)固有距離的位置處。然而，平衡梁的姿態(tài)越偏離水平方向，以支點(diǎn)為中心的力作用在平衡梁上的轉(zhuǎn)矩越小。
當(dāng)將平衡梁設(shè)定成在水平姿態(tài)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，平衡梁以水平姿態(tài)為中心振動(dòng)。因此，在平衡梁振動(dòng)的狀態(tài)中，線圈中流動(dòng)的電流以與平衡點(diǎn)對應(yīng)的電流量為中心對稱地變化，其平均值等于與平衡點(diǎn)對應(yīng)的電流量。
因此，通過將平衡梁設(shè)定成在水平姿態(tài)達(dá)到平衡狀態(tài)，使得即使在擾動(dòng)較大的情況下也能顯示精確的測量值。從而，現(xiàn)有技術(shù)的電子天平具有使在水平狀態(tài)中檢測位移的結(jié)果為零的位置傳感器(參見JP-A-10-104045)。
雖然現(xiàn)有技術(shù)的電子天平如上所述地構(gòu)成，但存在一種情況，該情況中由于運(yùn)輸或電子天平的老化變化或外部振動(dòng)，電子天平的平衡梁在除重力方向之外的方向上移位。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，電子天平的靈敏度和線性度將從電子天平調(diào)節(jié)和與其相關(guān)的操作時(shí)的靈敏度和線性度發(fā)生改變，高精度變壞或由于外部振動(dòng)而不能實(shí)現(xiàn)高速和高穩(wěn)定性的測量。這特別是在離支點(diǎn)距離短的電子天平或高靈敏度的電子天平的情況中引起問題，由此帶來的影響是相當(dāng)大的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電子天平，該電子天平中，平衡梁的位置不會(huì)由于運(yùn)輸或其老化變化而在除重力方向之外的方向上移位。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的電子天平是一種電子天平，其通過設(shè)置一支點(diǎn)而將電磁力和被測量物體的載荷施加到一平衡梁，所述電磁力通過使電流流到置于永久磁體的磁場中的線圈而產(chǎn)生，并根據(jù)用于產(chǎn)生與所述載荷相平衡的電磁力的所述線圈中流過的電流來計(jì)算所述載荷，所述電子天平包括一位置控制機(jī)構(gòu)，該位置控制機(jī)構(gòu)用于保持所述平衡梁在縱向方向或與所述縱向方向相垂直的水平方向或該兩方向上的特定位置恒定。
本發(fā)明的電子天平如上所述地構(gòu)成，因此，可減少由于平衡梁移位或由外部振動(dòng)導(dǎo)致的平衡梁的振動(dòng)所引起的靈敏度的變化或線性度的變化。
在本發(fā)明的電子天平中，位置控制機(jī)構(gòu)可包括位移檢測器、電磁力發(fā)生器和控制部分，位移檢測器用于檢測平衡梁在縱向方向和水平方向上的位移，電磁力發(fā)生器用于產(chǎn)生在縱向方向和水平方向上控制平衡梁的電磁力，控制部分用于根據(jù)由位移檢測器得到的位移來控制電磁力發(fā)生器。
位移檢測器可包括可移動(dòng)元件和檢測器，可移動(dòng)元件固定到平衡梁并隨著平衡梁的移動(dòng)一起移動(dòng)，檢測器用于檢測可移動(dòng)元件的位置。
例如，可移動(dòng)元件是磁性元件，檢測器包括用于檢測磁場變化的磁性傳感器，所述磁場變化與所述磁性元件在所述縱向方向和水平方向的位置相應(yīng)。
此外，位移檢測器可包括光電類型的位置傳感器，每個(gè)位置傳感器檢測縱向方向或水平方向。
根據(jù)本發(fā)明的電子天平具有用于保持平衡梁在縱向方向或與其相垂直的水平方向上的位置恒定的位置控制機(jī)構(gòu)。因而，可防止因平衡梁在縱向方向或與其相垂直的水平方向上移位所引起的平衡梁的靈敏度的變化或線性度的變化。此外，可強(qiáng)制減小由外部振動(dòng)引起的電子天平的平衡梁的振動(dòng)，從而，可實(shí)現(xiàn)高速和高穩(wěn)定性的電子天平。


圖1A示出局部剖視的構(gòu)造圖，示出根據(jù)實(shí)施例的電子天平的構(gòu)造。
圖1B示出沿圖1A的電子天平的線A-A剖開的剖視圖。
圖2是框圖，示出根據(jù)實(shí)施例的平衡梁的控制部分3及其周圍的相關(guān)部分。
圖3是根據(jù)實(shí)施例的光電類型的位置傳感器30的操作的說明性視圖。
具體實(shí)施例方式
下面將通過實(shí)施例對本發(fā)明的電子天平進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1A示出局部剖視的構(gòu)造圖，示出根據(jù)本發(fā)明的電子天平的構(gòu)造。圖1B示出沿圖1A的電子天平的線A-A剖開的剖視圖。圖2是框圖，示出根據(jù)實(shí)施例的用于控制載荷平衡機(jī)構(gòu)2(圖1A)的控制部分3和用于顯示其測量值的顯示部分4。
如圖1和圖2所示，電子天平包括載荷傳送機(jī)構(gòu)1、載荷平衡機(jī)構(gòu)2、控制部分3和顯示部分4。載荷傳送機(jī)構(gòu)1將安放在測量盤11上的被測量物體12的盤上載荷(load-on-pan)W作為垂直載荷傳送到載荷平衡機(jī)構(gòu)2。載荷平衡機(jī)構(gòu)2使電磁力F(下面提及)與經(jīng)由載荷傳送機(jī)構(gòu)1傳送的盤上載荷W相平衡?？刂撇糠?控制載荷平衡機(jī)構(gòu)2。顯示部分4顯示被測量物體12的測量值，該測量值通過輸入用于產(chǎn)生電磁力F的線圈電流I并對該線圈電流I進(jìn)行操作處理而獲得。
如圖1A所示，載荷傳送機(jī)構(gòu)1形成羅維布(Roberval)機(jī)構(gòu)。更具體地，使兩個(gè)梁14、15上下平行，每個(gè)梁都以恒定間隔形成有薄壁的部分13，梁14、15各自的一個(gè)端側(cè)連接到可移動(dòng)柱16的上和下位置，梁14、15各自的另一個(gè)端側(cè)是固定的。從而，當(dāng)盤上載荷W施加到可移動(dòng)柱16上時(shí)，可移動(dòng)柱16在垂直方向移動(dòng)，盤上載荷W在垂直方向從上面?zhèn)魉拖聛怼?br> 此外，載荷平衡機(jī)構(gòu)2包括平衡梁23、電磁力發(fā)生器24、電磁力發(fā)生器25、電磁力發(fā)生器26和三軸方向位置檢測器27。平衡梁23具有用于由彈簧元件21a、21b支承平衡梁23的支點(diǎn)21，如圖1A、1B所示，并且其一個(gè)端側(cè)通過連接元件22連接到可移動(dòng)柱16。電磁力發(fā)生器24產(chǎn)生重力方向(Z軸方向)的電磁力F，以與經(jīng)由可移動(dòng)柱16施加到平衡梁23的盤上載荷W相平衡。電磁力發(fā)生器25產(chǎn)生用于控制平衡梁23在縱向方向(X軸方向)的位置的電磁力。電磁力發(fā)生器26產(chǎn)生用于控制與平衡梁23的縱向方向相垂直的水平方向(Y軸方向)的位置的電磁力。三軸方向位置檢測器27檢測平衡梁23在三個(gè)軸方向上的位移。
電磁力發(fā)生器24包括結(jié)合有永久磁體24a和磁軛24b的磁場產(chǎn)生裝置24c以及布置在磁場中的作用力線圈(force coil)24d。磁場產(chǎn)生裝置24c固定到電子天平的機(jī)殼(未示出)。作用力線圈24d懸掛在平衡梁23上。此外，電磁力發(fā)生器25、26小于電磁力發(fā)生器24并具有與電磁力發(fā)生器24相同的功能。作用力線圈25d、26d分別固定地連接到平衡梁23的前端側(cè)和側(cè)面?zhèn)?，磁場產(chǎn)生裝置25c、26c固定到機(jī)殼。
平衡梁23的位置總是由位置控制機(jī)構(gòu)控制，從而使其構(gòu)成相對于重力方向(z軸方向)的水平位置和相對于X、Y軸方向的初始調(diào)節(jié)位置，該位置控制機(jī)構(gòu)包括圖2的框圖中所示的三軸方向位置檢測器27、控制部分3和電磁力發(fā)生器24、25、26。三軸方向位置檢測器27包括可移動(dòng)元件28和檢測器29，可移動(dòng)元件28固定到平衡梁23且隨著平衡梁23的移動(dòng)一起移動(dòng)，檢測器29固定到機(jī)殼，以檢測可移動(dòng)元件28的位置。例如，對于可移動(dòng)元件28，使用磁性元件。對于檢測器29，使用三個(gè)能將磁場的變化檢測為位置信號(hào)的磁性傳感器29a、29b、29c，所述磁場變化與磁性元件28在X、Y、Z軸方向上的位置相應(yīng)。
如圖1、圖2所示，通過平衡盤上載荷W和電磁力F的轉(zhuǎn)矩而產(chǎn)生的平衡梁23在重力方向的位移由檢測器29的磁性傳感器29a來檢測。將磁性傳感器29a檢測到的信號(hào)與PID控制器(比例積分微分控制器)31中的設(shè)定值(未示出)進(jìn)行比較，將其偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換成PID操作所附加的線圈電流I。將線圈電流I供給到電磁力發(fā)生器24的作用力線圈24d和與其串聯(lián)連接的電阻32，并控制線圈電流I以使平衡梁23位于使盤上載荷W和電磁力F的轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)下的水平位置。
當(dāng)用符號(hào)L1、L2分別表示從平衡梁23的支點(diǎn)21到盤上載荷W和電磁力F的作用點(diǎn)的距離、用符號(hào)L表示作用力線圈24d的長度、用符號(hào)B表示磁力密度以及用符號(hào)K表示比例常數(shù)時(shí)，盤上載荷W與線圈電流I成比例，如下面示出的公式(1)所示。
W＝KBL(L2/L1)I(1)如圖2所示，顯示部分4包括電阻32、模數(shù)轉(zhuǎn)換器33、數(shù)字濾波器34和操作處理部分35。模數(shù)轉(zhuǎn)換器33將由電阻32中流過的線圈電流I產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。數(shù)字濾波器34使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值的變化平滑。操作處理部分35工作以處理平滑化后的數(shù)字值以轉(zhuǎn)換成測量值，并在液晶顯示屏或類似裝置上顯示出該測量值。由公式(1)得到的盤上載荷W被顯示。
此外，平衡梁23在X軸方向的位置由磁性傳感器29b進(jìn)行檢測，其檢測信號(hào)與PID控制器36中的設(shè)定值進(jìn)行比較，并借助PID操作轉(zhuǎn)換成與其偏差信號(hào)成比例的線圈電流I1。該線圈電流I1供給到電磁力發(fā)生器25的作用力線圈25d，并控制該線圈電流I1以使平衡梁23不在X軸方向移位。
此外，平衡梁23在Y軸方向的位置由磁性傳感器29c進(jìn)行檢測，其檢測信號(hào)與PID控制器37中的設(shè)定值進(jìn)行比較，并借助PID操作轉(zhuǎn)換成與其偏差信號(hào)成比例的線圈電流I2。線圈電流I2供給到電磁力發(fā)生器26的作用力線圈26d，并控制該線圈電流I2以使平衡梁23不在Y軸方向移位。
通過上述構(gòu)造和操作，平衡梁23在X軸、Y軸方向的位移保持恒定，因此，初始調(diào)節(jié)平衡梁23時(shí)的位置狀態(tài)得以保持，盤上載荷W和電磁力F的轉(zhuǎn)矩得以精確平衡。此外，在X、Y軸方向上的外部振動(dòng)強(qiáng)制返回到初始調(diào)節(jié)中的位置狀態(tài)，因此也抑制了平衡梁23的振動(dòng)，測量值的變化得以大大減少。
本發(fā)明的電子天平如上所述地構(gòu)成，其特征在于，通過在X軸、Y軸方向中的全部或任一個(gè)方向上將來自電磁力發(fā)生器25、26的電磁力加到平衡梁23，使相對于初始調(diào)節(jié)中的位移為零來消除老化變化或外部振動(dòng)的影響，從而精確地平衡盤上載荷W和施加在重力方向上的電磁力F。本發(fā)明不局限于該實(shí)施例中所示的構(gòu)造。例如，可以通過改變?nèi)S方向位置檢測器27，例如改成用于檢測一個(gè)方向的位移的光電類型的位置傳感器，來單獨(dú)檢測三個(gè)軸方向的位置。
例如，在光電類型的位置傳感器30中，當(dāng)狹縫30b在箭頭標(biāo)記方向上改變X時(shí)，光源30a入射在光接收元件30c、30d上的光線的通量從由虛線表示的光線30e移動(dòng)到由粗線表示的光線30f，并且光接收元件30c、30d的輸出電信號(hào)之間的差與狹縫30b的位移成比例。
本發(fā)明用于電磁力平衡類型的電子天平，其用于通過設(shè)置一支點(diǎn)而使施加在平衡梁上的載荷與電磁力相平衡來測量載荷，特別是用于離支點(diǎn)距離短的電子天平或高精度的電子天平。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講很明顯，在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可對所述的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例作各種修改和變化。因此，本發(fā)明覆蓋與所附權(quán)利要求及其等價(jià)方案的范圍一致的本發(fā)明的所有修改和變化。
本申請要求基于2004年12月2日提交的日本專利申請No.2004-350452的外國優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容在此并入作為參考。
權(quán)利要求
1.一種電子天平，其通過設(shè)置一支點(diǎn)而將電磁力和被測量物體的載荷施加到一平衡梁，所述電磁力通過使電流流到置于永久磁體的磁場中的線圈而產(chǎn)生，并根據(jù)用于產(chǎn)生與所述載荷相平衡的電磁力的所述線圈中流過的電流來計(jì)算所述載荷，所述電子天平包括一位置控制機(jī)構(gòu)，其用于保持所述平衡梁在縱向方向的特定位置或在與所述縱向方向相垂直的水平方向的特定位置中的至少一個(gè)恒定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子天平，其中，所述位置控制機(jī)構(gòu)包括一位移檢測器、電磁力發(fā)生器和一控制部分，所述位移檢測器用于檢測所述平衡梁在所述縱向方向和水平方向的位移，所述電磁力發(fā)生器用于產(chǎn)生在所述縱向方向和水平方向控制所述平衡梁的電磁力，所述控制部分用于根據(jù)由所述位移檢測器得到的位移來控制所述電磁力發(fā)生器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子天平，其中，所述位移檢測器包括一可移動(dòng)元件和一檢測器，所述可移動(dòng)元件固定到所述平衡梁并隨著所述平衡梁的移動(dòng)一起移動(dòng)，所述檢測器用于檢測所述可移動(dòng)元件的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子天平，其中，所述可移動(dòng)元件是一磁性元件，所述檢測器包括用于檢測磁場變化的磁性傳感器，所述磁場變化與所述磁性元件在所述縱向方向和水平方向的位置相應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子天平，其中，所述位移檢測器包括光電類型的位置傳感器，每個(gè)位置傳感器檢測所述縱向方向或所述水平方向。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電子天平。該電磁力平衡類型的電子天平包括電磁力發(fā)生器、PID控制器和三軸方向位置檢測器，電磁力發(fā)生器用于施加電磁力以控制平衡梁在縱向方向(X軸)和與其相垂直的水平方向(Y軸)上移動(dòng)，PID控制器用于通過PID控制對電磁力發(fā)生器進(jìn)行控制，三軸方向位置檢測器用于檢測平衡梁在X、Y軸方向和重力方向的三個(gè)方向上的位移。
文檔編號(hào)G01G7/00GK1782678SQ200510118128
公開日2006年6月7日 申請日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月2日
發(fā)明者佐藤毅, 田村公利, 島內(nèi)邦夫 申請人:株式會(huì)社島津制作所