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はかり技術の種類

電磁力平衡方式 ロードセル式 音叉振動式荷重センサ
電子微量天びん 弦振動式 静電容量方式
磁わい方式 ジャイロ方式  

 

電磁力平衡方式
 電磁力平衡方式(電磁力補償方式、電磁式)は、電子天びんの荷重センサーとして精度面と安定性の両面で定評を得ており、精密級の電子天びん(あるいは電子はかり)の多くはこの方式を用いている。電子天びんの呼称を与えられているものに、ひずみゲージ式ロードセルを使ったものが広く出回るようになったので、一般使用者には区別がつけがたい状況にある。計測器としての安定性を含めた精度等級としては電磁力平衡式のロードセル式に対する上位性に変化はない。
 電磁力平衡方式は、機械式的なバランス機構に、位置検出器と電磁石を用いて荷重をつりあわせる機構のはかりである。荷重をつりあわせるときに要するフォースコイルに流れた電流の大きさから荷重の値(質量)を求める。
 電磁力平衡方式は零位法で荷重や質量を求めており、ロードセル方式は変位法になる。電磁式は天びん式であり、ロードセル式はばね式はかりと同じといえば分かりやすい。天びん式は既知の量とつり合わせて測定し、ばね式は既知の量と比例関係にあるばねの伸びの量によって測定する。言い換えれば、変位法の一例であるばね式はかり(ロードセルはかりは変位法)は、ばねの伸び率など測定量をこれと一定の関係にある他の量に置きかえて、指針などで直接的な変位として読み取る方式である。零位法は、未知量を既知の量とつりあわせるものであり、旧来から平衡式として馴染みが深いものは機械式の天秤、台はかり、振り子式はかりなどである。
 平衡式のはかりは操作にわずらわしさがつきまとっていたものだが、電磁力平衡方式の天びんは自動的に荷重とつりあわせ、質量を表示するので操作のわずらわしさを解消している。電子天びんが普及した原因の一つは測定のわずらわしさを解消したことによる。電子天びんといえば初期は電磁力平衡式がすべてであった。
 天びんはかりなど計測機器の技術改良にともなう発展の多くは電子技術の進歩によるところが多いのであるが、機械加工の技術の発展が電磁力平衡式の天びんの性能向上に大きく寄与している。
 機械加工技術の発展が電磁力平衡式にもたらした影響は以下のとおりである(同技術はロードセル式その他の原理の電子天びん、電子はかりに類似の影響をもたらしている)。つり合わせ機構とロバーバル機構を構成しなくてはならない電磁力平衡方式の電子天びんは、構造が複雑である。そのため、数十万分の一という高精度を実現するためには、バネ部品など個々の部品の吟味はもちろんのこと、細部にわたる微妙な組立調整作業が必要であった。また、部品毎の膨張係数の違いによる温度特性誤差等構造的問題点があった。これらの弱点を克服するものとして開発されたのが、「モノブロック」「モノリスィック」「ユニブロック」などと名付けられた、ワンブロック構造のひょう量セルである。
 メカニカルな稼働部分を高度切削加工技術によりワンブロックにしてしまうことが考案されたため、部品点数が大幅に削減された。ワンブロック構造は大変なすぐれもので、縦方向の衝撃に加えて横方向の衝撃に対する耐久力を飛躍的に向上させている。それは同時に性能の安定化をもたらし、結果として電子天びんの性能・品質を大きく向上させた。
 電磁力平衡式の電子天びんの測定分解能が向上した結果、質量測定は測定器自身の能力から離れ、使用する環境条件から受ける誤差要件が問題となる領域に突入している。天びん自体の誤差要因として、電磁力平衡方式の場合はつりあわせのために磁石とフォースコイルとが組み合わされているので、これが原因となる天びん自体の温度変化あるいは器内各部の温度分布などが測定に介在するものの、これを自動的に取り除く技術がほぼ確立されている。
設置環境による誤差要因は温度、湿度、対流、静電気、振動、空気密度と関連しての浮力、磁気、電磁波、重力の加速度など項目が多い。またビルの高層階に設置した場合にはビルの風による揺れが誤差要因になった事例も報告されている。
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ロードセル式
   ひずみゲージ式ロードセル(ストレーンゲージ式ロードセル、一般にはロードセルと呼んでいる)は、質量あるいは力計測に多用されている荷重センサーである。起歪体そのものがはかり機構を有していることから構造が簡潔であり、応用性も高い。荷重に応じてゆがむ起歪体に貼り付けられたひずみゲージの抵抗値の変化を荷重との関数としてとりだして、質量や力を求める。
 大荷重、中荷重、小荷重、荷重の性質などによってゆがむ性質を利用したもので、起歪体には歪みゲージが組み付けられている。小さな荷重でも大きなゆがみを起こす形状のものを用いると精密な測定が可能になる。
 振動の激しい場所等の設置環境に対応した構造のものもある。機械加工技術の発達は、起歪体の構造の自由さをもたらし、ひずみゲージ式ロードセル荷重センサーの用途を広げている。ひずみゲージの構造、電気的性質の発達および貼り付け方法の技術進歩も著しい。
 起歪体とそれに貼り付けられたひずみゲージによって発生する荷重信号は、マイクロコンピュータ等によって直線性が確保される。電気回路内の温度変化、起歪体やひずみゲージの温度変化に伴う信号変動を補正する技術等の発達により、はかりや力計として普通に用いる場合には不満のない性能を確保するようになった。
 ひょう量対最小表示では、1万分の1程度を実現するようになった。1000分の1程度であれば安定的に実現する。ひょう量値の大きなものでは100トン以上のトラック用はかりに使われる。また電子天びんなどの呼称を与えられる精密計量用のはかりにもこの方式が用いられている。
 ロードセルとは、本来は荷重を受けて何らかの信号を出すユニットを指す用語である。したがってサーボシステムとしてまとまった電磁力平衡式も金属音叉振動式も、弦振動式も、静電容量式も、圧電式も、磁歪式もジャイロ式も、また油圧式の荷重計も、本来の呼び名としてはロードセルということになるのだが、日本ではロードセルといえばひずみゲージ式ロードセル(ストレーンゲージ式ロードセル)ということになっている。
 ひずみゲージ式ロードセルの基本原理は次のとおり。
 ひずみゲージを接着した鋼材などの起歪体に荷重がかかると起歪体に変形が生じ、貼り付けられたひずみゲージは変形により抵抗値が変化する。これを電気信号として取り出して荷重の大きさを求める。抵抗の変化はそのままでは荷重に完全に比例するわけではないので、電気回路を工夫して荷重に比例するようにする。比例の度合いが精度であり、半導体技術の発達、優れたCPUの開発が比例の度合いを大きく高めている。電気信号からでる表示は指針の振れとしても取り出せるが、一般にはデジタル表示される。デジタル表示する場合にはA/D変換器を用いる。
 これらのことからロードセルは、@精度の高さをそれほど要求しない安価で小形のはかり、A大形の天びん(はかり)の質量センサーとして活用されている。また、性能の向上で天びんにも多く使われ、安価で使いやすい天びんはほとんどロードセル式センサーを使用している。技術革新により高精度のものが登場しているが、構造と原理からその精度には限界がある。
 最近のロードセルは回路等の工夫で温度ドリフトを小さくしたり、防さび、防水、耐薬品など耐環境性を強化した製品などが登場している。ひずみゲージ式ロードセルと電磁力平衡式を組み合わせたハイブリットタイプの電子天びんを開発したメーカーもある。これはコストを意識し、低価格で精密な質量計測を実現した。副次的に応答性の速さがもたらされているのも特徴の一つである。
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音叉振動式荷重センサ
   金属音叉が両端に加えられた荷重の大きさに比例して振動数が変化することを利用した荷重センサーは日本で開発され、実用に供されてから20年以上の月日を経て大きな実績と信頼を残すに至っている。
 金属音叉振動方式はかりおよび天びんは、金属捧や弦の固有振動が、加えられた張力や圧縮力によって変化する現象を利用して荷重を求める方式。
 金属製の音叉とこれに荷重を伝達するリンク機構だけで構成され、荷重は直接にデジタル量である振動数として取り出されるため、A/D変換器が不要である。
 金属音叉式電子はかりは、1983年に開発された。分解能は電磁式はかりに近く、ロードセルを凌駕しており、経年変化が少ないなど抜群の安定性を備えている。安定性の現れとしてメーカーでは5年間の保証をつけている。年々改良されて高精度の製品が開発されており、最近では精度でも電磁力平衡方式にせまるものが開発されている。
【音叉振動式の特性】(1)再現性=金属の歪みを利用しない方式で再現性に優れる。(2)直線性=もともと得られる信号は非直線だが、安定しているため直線化の計算をマイクロコンピュータが行い、ノンリニアを極小化できる。(3)温度特性=メカニズムの大半が単一の恒弾性材料の使用により構成されているため温度特性に優れる。(4)発熱が少ない=センサや回路の消費電力が少なく、発熱は微少であるため外部機構に与える影響が少ない。また電源投入時のウォーミングアップも必要ない。(5)長期安定性=誤差要因が少ないため、特に長期安定性に優れる。
 日本の文部省(現文部科学省)がハワイに設置した世界最大級の反射型天体望遠鏡の一枚ガラスの形状を保持するためにシステム内のセンサに金属音叉式荷重センサが使用されたのは、精密さ、安定性の2つの特性による。形状保持システムの中には400個近い金属音叉荷重センサが設置されている。100万分の1、相対測定精度で30万分の1を超えている。
 金属音叉振動式は、ロードセルのような歪計ではなく力計であり、測定範囲内で実際に発生する振動子の応力や歪みが小さいため、ヒステリシスが少なく再現性に優れている。電子天びん、電子はかり使用上の隘路(あいろ)の一つであった、爆発性雰囲気下で使用を可能にする本質安全防爆構造の電子はかりとして、日本で初めて労働省の認定を受けている。
 その後他の方式のものも同じ認定を受けているが、金属音叉式の駆動電流の微少さは際だっている。金属音叉振動方式の高精度でしかも測定レンジの広さを利用して、書状から小包までを1台のはかりでカバーできる郵便料金はかりもつくられている。
 このほか質量比較用の専用機(マスコンパレータ)が開発されている。
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電子微量天びん
   電子天びんに用いられている方式としていわゆる電子微量天びんがある。トートバンドによって支えられた可動コイル形電流計の指針を両方にのばした形でさおがつくられ、両端に計量皿が載せられた構造である。
 皿に試料をのせると一方に傾き、コイルに試料の重量に対応した電流が流れ、さおはバランスされる。この時の電流値から試料の質量を求める。試料と反対側の皿に分銅をのせ、たとえば0.1gまでは機械的に質量を求め、それ以下の微量範囲は電気的に測定する仕組みになっている。電気的な測定範囲は1mg〜1gくらいの各種レンジが切り換えによって得られ、最高0.1マイクログラム程度まで測定できる。このクラスの超精密天びんは、だれでもが手軽に質量測定に用いることは不可能である。0.1マイクログラム程度の質量測定は、測定環境をシビアに整えなくてはならず、作業者自体も空気の浮力の補正をはじめ、質量測定についての専門的な知識や技術を要求される。この方式を選択して使用する分野は極めて限られている。
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弦振動式
   原理の基本は、金属音叉振動方式の解説で記述されていることと同じである。
 電気振動弦(バイブレーションワイヤ)を荷重センサとした工業用のはかりも開発され、精度3千分の1を実現しているが、大きな需要を確保するまでには至っていない。
 大きな需要を獲得したのが弦振動式センサを使用したはかりで、低価格でデジタル表示を実現した上皿台はかりと吊りはかりなどとして成功している。
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静電容量方式
   駆動電流が小さいことから乾電池電源で3千時間以上もの連続使用を可能にしている。
 荷重の変化をコンデンサーの極板のすき間の変化に変えて電子信号を取り出す方式。デジタル式の体重計、料理用はかり、台はかり等として製品化され、急速に普及している。一般的な製品の精度は500分の1程度だが、もっと精度の高いものもある。
 この静電容量式ロードセルもA/D変換器が不要である。駆動電流が小さいことを利用して、太陽電池を使用したはかりもこの方式によって実現されている。
磁わい方式
   磁わい方式は、透磁率の高い弾性体に荷重を加えると、ストレスで透磁性が変化する原理を利用したもの。弾性体に穴をあけ2つのコイルを入れ、2次側のコイルの誘導電圧が荷重に比例するよう構成されており、非常に大きな荷重を測定するような特殊領域で使用されている。
ジャイロ方式
   ジャイロ方式は、ジャイロのさいさ運動を利用して、はかりの荷重センサとしたもの。メカ的色彩が強い。リンク機構を介して、トラックスケールや大型はかりなど大荷重向きに製品化された。10万分の1以上の高精度を実現しているものの、実際の使用はいまのところ特殊領域に限られている。
 この他さまざまな物理現象を利用したものがあるが電子はかり用の主な荷重センサは以上、説明したとおりである。
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