(57)【要約】      （修正有）【課題】適切で精確な基準量、基準電流又は基準電圧を送出するのに役立つ比較的費用効果的な基準器を有する力測定装置を提供する。【解決手段】力測定装置は測定器及び基準器１００Ｒを含み、後者は決定すべき測定対象の力が測定器により測定されることができるようにする基準量、基準電流又は基準電圧を送出するのに役立つ。基準器１００Ｒは基準質量が装着されたところの、かつ電磁力補償の原理に従って基準電流を生成し、基準電流を測定及び調整装置３Ｒ、４Ｒによって調整して基準レバー１０５Ｒにより保持された第１の基準コイル１Ｒ；１Ｒａにおいて基準電流が、基準磁石２Ｒの磁界と協働して磁力が基準レバーに加わるようにする磁界を生成することができるようにした力測定装置であり、基準レバーに同様に作用している基準質量の力が前記磁力により補償されるようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
力測定装置（１０００）であって、測定器（１００）と、さらに基準器（１００Ｒ）とを備え、該基準器は決定すべき測定対象の力（ＦＭＯ）が該測定器（１００）により測定及び／又はデジタル化されることができるようにする基準量、基準電流（ＩＲＥＦ）又は基準電圧（ＵＲＥＦ）を送出するのに役立つ力測定装置において、該基準器（１００Ｒ）は基準質量（ｍＲＥＦ）が装着されたところの、かつ電磁力補償の原理に従って基準電流（ＩＲＥＦ）を生成し、該基準電流を測定及び調整装置（３Ｒ、４Ｒ）によって制御して基準レバー（１０５Ｒ）により保持された第１の基準コイル（１Ｒ、１Ｒａ）において該基準電流（ＩＲＥＦ）が、基準磁石（２Ｒ；２−２Ｒ）の磁界と相互に作用して磁力が該基準レバー（１０５Ｒ）に加わるようにする磁界を生成することができるようしたところの力測定装置であり、該基準レバーに同様に作用している該基準質量（ｍＲＥＦ）の力（ＦＲＥＦ）が前記磁力により補償されることができるようにしたことを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力測定装置（１０００）において、該基準電流（ＩＲＥＦ）は基準抵抗器（５）の両端に基準電圧（ＵＲＥＦ）を生成するため前記基準抵抗器（５）を通じて導かれ、及び／又は該基準電流（ＩＲＥＦ）又は該基準電圧（ＵＲＥＦ）はデジタル基準量として変換され、使用されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の力測定装置（１０００）において、該基準レバー（１０５Ｒ）の実際の瞬間位置は対応するフィードバック量を送出するのに役立つ光学位置センサー器（３Ｒ）によって測定でき、該フィードバック量に基づいて該調整装置（４Ｒ）中を流れる基準電流（ＩＲＥＦ）は該基準レバー（１０５Ｒ）が常に目標位置に復帰するよう制御されることができることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載の力測定装置（１０００）において、その周波数が１０Ｈｚから５０Ｈｚの範囲内の所定の値を超える該フィードバック量の信号成分は、高域フィルタ（４３）を経由して調整器（４４）に送られることができ、該調整器によって増幅器（４６）は制御されて対応する補償電流（ＩＫ）を該基準レバーに接続された第２の基準コイル（１Ｒｂ）に送ることができ、該補償電流（ＩＫ）は該基準磁石（２Ｒ）の磁界と協働して該より高い周波数範囲の攪乱の効果が補正されることができるようにする磁界を生成することを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の力測定装置（１０００）において、該補償電流（ＩＫ）は該第２の基準コイル（１Ｒｂ）を経由して、その出力が該増幅器（４６）の入力に復帰される積分器（４７）の入力に向けられることができ、それにより該積分器（４７）の出力信号を常に出発位置に復帰させるフィードバックループが確立されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、
ストレンゲージの原理に従って動作する測定器（１００）において、該基準器（１００Ｒ）により生成された該基準電圧（ＵＲＥＦ）は測定ブリッジ回路に印加され、または、
磁力補償の原理に従って動作する測定器（１００）において、該基準器により生成された該基準電流（ＩＲＥＦ）は補償レバー（１０５）により保持された第１及び第２の補償コイル（１ａ、１ｂ）中を交互に流れるよう切り替えられて、その結果は関連の磁石システム（２）の磁界と協働して関連のレバー機構（１０１、１０２、１０３、１０４）に該補償レバー（１０５）を通じて力が作用するようにする磁界となるようにし、それにより該レバー機構（１０１、１０２、１０３、１０４）に同様に作用している該測定対象の力（ＦＭＯ）が該測定器（１００）により補償されることができ、または、
該要求される補償電流は該基準電圧（ＵＲＥＦ）から又は該基準電流（ＩＲＥＦ）から導出され、または、
該測定器（１００）はＡ／Ｄ変換器を備え、該変換器は、該測定対象（ｍＭＯ）の測定された信号（ｓＭＯ）がデジタル化されることができるようにする基準量として該基準電圧（ＵＲＥＦ）又は該基準電流（ＩＲＥＦ）を受取り、使用することができることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準レバー（１０５Ｒ）は支点要素（１１１Ｒ）によって該測定器（１００）の該レバー機構の固定部品（１０３）に接続され、及び／又は該基準レバー（１０５Ｒ）及び該測定器の該レバー機構（１０１、１０２、１０３、１０４）は一体式に形態づけられた力伝達機構（１５０）に少なくとも部分的に組込まれ、及び／又は該基準器（１００Ｒ）のみが一体式に形態づけられた力伝達装置によって実現されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、磁石システム（２−２Ｒ）が該測定器（１００）と該基準器（１００Ｒ）との共有使用のため設けられ、前記磁石システム（２−２Ｒ）の一方の側の磁界は該補償コイル（１）の磁界と、かつ該磁石システム（２−２Ｒ）の他方の側の磁界は該基準コイル（１Ｒ）の磁界と協働することを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準コイル（１Ｒ）と、適切な場合に該基準レバー（１０５Ｒ）の一部とが該基準質量（ｍＲＥＦ）を形成することを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準コイル（１Ｒ）の、及び該支点要素（１１１）の一方の側に位置する該基準レバー（１０５Ｒ）の部分の体積（Ｖ１）は、少なくとも１つの補償排除体（１０５０Ｒ）の、及び該支点要素（１１１）の他方の側の該基準レバー（１０５Ｒ）の部分の体積（Ｖ２）により、該支点からの重心の距離（ｓ１、ｓ２）を考慮に入れた時に、各々の側に発生する浮力が気圧の変化があっても互いにほぼ釣合いが取れるよう補償されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の力測定装置（１０００）において、少なくとも１つの補償排除体（１０５０Ｒ）は交換可能であり、及び／又は該支点要素（１１１）からの該排除体（１０５０Ｒ）の距離は調節可能であることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準器（１００Ｒ）はガス密囲い内に配列されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載の力測定装置（１０００）において、該ガス密囲いは排気されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該磁石システム（２、２Ｒ）の及び／又は該測定器（１００）のコイル（１；１ａ、１ｂ；１Ｒ；１Ｒａ、１Ｒｂ）の及び／又は該基準器（１００Ｒ）の温度は、測定値を補正するために測定され、使用されることができることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項１５】
基準質量（ＭＲＥＦ）に対応する基準電流（ＩＲＥＦ）を生成するため動作可能な基準器（１００Ｒ）において、測定及び調整装置（３Ｒ、４Ｒ）が設けられ、該装置によって該基準電流（ＩＲＥＦ）を調整して、基準レバー（１０５Ｒ）により保持された第１の基準コイル（１Ｒ；１Ｒａ）において、基準磁石（２Ｒ；２−２Ｒ）の磁界と相互に作用して力が該基準レバー（１０５Ｒ）に加わるようにする磁界が生成されることができるようにし、それにより該基準レバー（１０５Ｒ）に同様に作用している該基準質量（ｍＲＥＦ）の基準力（ＦＲＥＦ）が補償されることができるようにしたことを特徴とする、前記基準器。
【請求項１６】
請求項１５に記載の基準器（１００Ｒ）において、該基準器（１００Ｒ）は該基準器の特有のデータ及び／又は識別コードのための少なくとも１つの記憶装置を備えることを特徴とする、前記基準器。
【請求項１７】
請求項１５及び１６のいずれかに記載の基準器（１００Ｒ）において、該基準器（１００Ｒ）は電気的及び機械的インターフェースを備えることを特徴とする、前記基準器。
【請求項１８】
請求項１５乃至１７のいずれかに記載の基準器（１００Ｒ）において、該基準器（１００Ｒ）はマイクロ電気機械システムとして実行されることを特徴とする、前記基準器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力測定装置、特に天秤、並びに基準器に関する。
【背景技術】
【０００２】
力測定装置、例えば電磁力補償又はストレンゲージ技術に基づく天秤の測定精度（［１］”Ｂｕｉｌｄ  ｙｏｕｒ  Ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｎ  ａ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ！”、会社出版物、Ｍｅｔｔｌｅｒ−Ｔｏｌｅｄｏ社、２００１年１月、第１４〜１５頁参照）は、［２］”Ｗaｇｅｆｉｂｅｌ”（秤量入門書）、Ｍｅｔｔｌｅｒ−Ｔｏｌｅｄｏ社、２００１年４月、に記載された多くの要因により影響される。
【０００３】
すべての型式の天秤は、振動又は衝撃等の機械的影響により引起される攪乱を特に受けやすく、それ故それらには攪乱関連の信号部分を除去するのに役立つフィルタが装備される。力測定装置の測定トランスデューサにより生じた信号をデジタルフィルタによって処理する方法は、例えば［３］米国第２００４／００８８３４２号Ａ１及び［４］米国第６，２７１，４８４号Ｂ１に記載されている。
【０００４】
測定量が記録され、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器によってデジタル信号に変換される高水準の測定分解能を備えた力測定装置はさらに非常に精確な基準、基準電圧又は基準電流を要求する。そのすべてに基準電圧ＵＲＥＦが供給される様々なＡ／Ｄ変換器は［５］Ｕ．Ｔｉｅｔｚｅ及びＣｈ．Ｓｃｈｅｎｋ著、”Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ”（半導体回路設計）、第１１版、第２刷、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ社、ベルリン１９９９年、第１０４３〜１０６２頁、に紹介されている。例えば、［５］の第１０４７〜１０４８頁に記載された所謂平行法から容易に理解できるように、アナログ信号のＡ／Ｄ変換における達成可能な分解能は、基準電圧ＵＲＥＦの安定性に依存する。
【０００５】
ストレンゲージ技術に基づく天秤に使用される型式の測定ブリッジ回路は、［６］Ａｌｂｅｒｔ  Ｏ’Ｇｒａｄｙ著、Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ／Ｓｅｎｓｏｒ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、Ａｎａｌｏｇ  Ｄｉａｌｏｇｕｅ  ３４−５  （２０００）、に記載されている。参考文献［６］の第４頁の図８に示されているように、測定ブリッジの中央タップにて存在する信号はシグマ−デルタＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換でき、測定ブリッジ回路に印加される電圧は基準電圧としてシグマ−デルタ変換器に供給される（測定ブリッジの作動原理に関し、［５］、第１２４１及び１２４３頁も参照）。
【０００６】
従来方式で生成された基準電圧は通常、ストレンゲージ技術に基づく天秤で達成される水準の分解能には十分としても、著しく高水準の分解能を有することができる電磁力補償に基づく力測定装置は、より高い安定性及びより少ないノイズを有する基準電圧を要求する。例えば、一般に遷移域に金属不純物を有する半導体により引起される所謂ポップコーンノイズを抑制するためには特に複雑で高価な方策が要求される。
【０００７】
電磁力補償による電子天秤は例えば［７］ドイツ国特許第３３２４４０２号に記載されている。この天秤の電気的部品には、補償電流測定のための決定要因であるツェナーダイオードを備えた基準電圧源が含まれる。ツェナーダイオードの特性は温度依存的であり、それ故補正回路を使用して温度関連の影響要因を補償する。従って、高い測定分解能をもって使用される電磁力補償に基づく天秤において、基準又は基準器のノイズ特質ばかりでなく温度関連の挙動特質も殊更重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
それ故、本発明は、前述の問題を回避する改良された力測定装置並びに基準器を提案する目的を有する。意図するところは、特に、適切で精確な基準量、基準電流又は基準電圧を送出するのに役立つ比較的費用効果的な基準器を有する力測定装置を創出することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、請求項１及び請求項１１にそれぞれ明示された特色を備えた力測定装置並びに基準器により解決される。本発明のさらに展開された有利な実施の形態はさらなる請求項に記載されている。
【００１０】
力測定装置は測定器及び基準器を含み、該基準器は、測定対象に由来する決定すべき力を測定可能とし、及び／又は対応するアナログ信号をデジタル化できるようにする基準量、基準電流又は基準電圧を提供するのに役立つ。
【００１１】
本発明による基準器は、基準質量が装備された時に電磁力補償の原理に従って基準電流を生成する力測定装置である。基準電流の大きさは、測定及び調整装置により制御して、基準レバーにより保持された第１の基準コイルにおいて基準電流により生じさせられ、かつ基準磁石、好ましくは永久磁石の磁界と相互に作用する磁界が、基準レバーに作用する力を生成し、それにより同様に基準レバーに作用する基準質量の力が直接又はレバー減衰機構を通じて補償されることができるようにする。
【００１２】
基準器によって生成された基準量はほんのわずかなシステム固有の攪乱を包含し、それ故測定器械、特に非常に高い分解能の力測定装置に適用するのに特に良く適している。半導体技術に基づく基準源に発生するシステム固有の攪乱を回避するほかに、本発明は、力測定装置の場合に、測定対象及び基準質量に事実上平行位相で影響を及ぼす外乱が自動的に補正されるという追加の利点を有するが、それは力測定装置の測定信号ばかりでなく基準量も力測定装置に作用する攪乱に従って変化するからである。従って、基準量における及び測定信号における攪乱により引起されるそれぞれの変化は互いに比例した関係にある。
【００１３】
さらに、本発明による重力測定基準器は同等の仕様を満たす電子基準器に比べ好ましい費用で製造できる。
【００１４】
基準器によって生成された基準電流は、特定の場合に要求されるものによって基準電圧に又はデジタル量に変換することができる。
【００１５】
基準質量は好ましくは固定接続で基準レバーに取付け、基準質量の位置の変化の結果として発生することができるレバーモーメントのずれを回避するようにする。そのようなレバーモーメントのずれがないため、例えば平行四辺形リンク仕掛等のレバー機構は絶対要求条件ではない。基準測定器にはそれ故、基準質量及び基準コイルを担持する単一のレバー、すなわち基準レバーだけを装備することができる。好ましいのは、基準質量が永続設置された基準コイルの質量及び基準レバーそれ自体の質量である配列である。基準コイルの質量は基準レバーに下向きの引張力を及ぼし、一方補償電流によって基準コイルに生成された磁界は基準磁石と協働し、同時に上向きの押し力を及ぼして、レバーは釣合いが保たれる。
【００１６】
原理的に、基準器の基準レバーはそれ故一端にて回転支点により拘束し、一方基準コイルが取付けられるレバーの他端は基準磁石の上方に保持することができる。しかしながら、この配列は空気圧の変化が基準信号に影響を及ぼすという不利点を有する。それ故、本発明のさらに好ましい実施の形態において、基準レバーに取付けられた１つ又は複数の基準コイルの体積を含むレバー枢軸又は支点の両側の体積部分がそれぞれの空気の浮力に関し互いに補償し合う基準レバーが使用される。基準コイルの体積を補償するため、基準レバーはそれ故適切に形態づけられ、又は基準レバーの反対側に支点から適当な距離にて載置される補償空気排除体が装備される。支点の両側に作用する空気の浮力により引起される力はそれ故変化する気圧の下でさえ互いに少なくともほぼ釣合いが取れたものである。
【００１７】
力測定装置が測定器の機構設計のため浮力に関しすでに不釣合いを有しているなら、測定器におけるこの浮力の不釣合いは基準コイルの体積を補償することにより部分的に補償することができる。同じ造りの基準器が異なった力測定装置に使用されるのを許容するため、補償空気排除体は好ましくは異なった排除体と交換可能とし、及び／又は基準レバーの支点からの補償空気排除体の距離を調節可能とする。
【００１８】
基準器は周囲環境の影響要因から最善の保護を達成するため好ましくはガス密囲い内に密閉される。
【００１９】
基準器を封入すれば、空気の浮力と関連する問題は、ガス密囲いからガス、特に空気を排気することにより簡単に解決することができる。
【００２０】
基準器のさらに好ましい実施の形態において、好ましくは１０Ｈｚから５０Ｈｚの範囲にある下限より高い周波数範囲にある被調整量の信号部分は高域フィルタを経由して調整器に伝達され、該調整器は増幅器、例えばインピーダンス変換器を制御するのに役立ち、該増幅器は基準レバーに取付けられた第２の基準コイルに補償電流を送出し、補償電流は基準磁石の磁界と相互に作用して前述の下限より高い周波数の攪乱が補正されることができるようにする磁界を生成する。複合攪乱はそれ故、基準として役立つ第１の基準コイルにおける補償電流を損なうことなく、第２の基準コイルによって素早く補正されることができる。基準電流はそれ故高周波攪乱から大きく免れたままである。
【００２１】
基準器のさらに好ましい実施の形態において、補償電流は第２の基準コイルを経由して積分器の１つの入力に伝達され、該積分器の出力は増幅器の入力にフィードバックされ、それにより積分器の出力信号を常にその初期位置に復帰させるフィードバックループが形成される。その理由は、第２の基準コイルを流れるＤＣ成分があれば、それは積分され正しい位相と共に増幅器の入力に復帰され、その結果、増幅器の入力にて存在し得る一定のオフセットが補償されるからである。この方策は攪乱関連の電流のみが第２の基準コイル中を流れるのを確実にするのに役立つ。従って、第１の基準コイルを流れる電流は、単独でかつそれ自体によって基準質量の力を完全に補償する補償力を生じさせる。
【００２２】
基準器により生成された基準量は力測定装置において異なったやり方で使用することができる。例えば、基準器により生成された基準電圧をストレンゲージの原理に従って動作する測定器における測定ブリッジ回路に印加することができる。
【００２３】
磁力補償の原理に従って動作する測定器において、基準器により生成された基準電流は、補償レバーに取付けられた第１及び第２の補償コイルを交互に流れるよう切り替えられることができ、その結果は永久磁石システムの磁界と協働して関連のレバー機構に補償レバーを経由して力が作用するようにする磁界であり、それによりレバー機構に同時に作用する測定対象の力が補償される。
【００２４】
基準器により送出される基準電圧又は基準電流から、基準コイル中を流れる補償電流を導出することもさらに可能であり、それにより測定すべき荷重の力が補償される。
【００２５】
本発明に従って生成された基準電圧又は基準電流はさらに、例えば参考文献［５］、第１０４３〜１０６２頁に記載された配列又は種類の測定器に組込まれるＡ／Ｄ変換器のための基準として役立つ。（参考文献［６］、第４頁、図８も参照。）
測定器及び基準器のレバーシステムは、測定器及び基準器のそれぞれの固定部品が共に結合され使用される一体設計概念に従って好ましくは組立てられる。好ましくは、測定器及び基準器はレバーシステムが組込まれた一体式構成の力伝達装置によって実現される。力測定装置に関し最もコンパクトな設計を得るため、基準器の少なくとも１つの基準レバーは好ましくは測定器の平行四辺形の固定部品に一体化される。この設計概念により、かつ放電加工法を通じて形成した一体式に形態づけられた力測定装置を使用することにより、ほとんど追加の費用がかからない基準器を生産し、かつ最小の追加のスペースのみを要求するやり方で基準器を力測定装置に一体化することが可能である。
【００２６】
さらに好ましい設計の力測定装置は、測定器と基準器とに共通に使用される磁石システムを有する。これはまず第１に別個の磁石が不要となるのでコストを減少させる。さらなる利点として、装置はさらにコンパクトな設計を有することができる。温度の安定化に関し、１つの磁石でだけ実現すればよいので、さらなる利点がある。さらに、温度関連の変化が磁石システムの磁界に発生しても、そのような変化の測定システム及び基準システムに対するそれぞれの効果は互いに補償し合う。
【００２７】
磁石システムの及び／又は測定器及び／又は基準器のコイルの温度は好ましくは記録され、測定値の補正のため使用されるようにする。温度関連の影響により引起されることがあり得る基準量又は測定器の測定結果のずれはそれによって補償されることができる。
【００２８】
基準器を測定器と結合させることは厳格な要求条件ではない。基準器を単位構成体として形態づけることもできる。それが必要と思われれば、単位構成体の基準器は基準器に特有のデータの保存のため少なくとも１つの記憶装置を有することができる。例えば、最終試験で得られた補正データ又は識別コードをこの記憶装置に保存し、後に力測定装置の演算処理器により呼出すことができる。
【００２９】
基準器はさらに、例えばマイクロ電気機械システム（所謂ＭＥＭＳ）として小型化することができる。そのような小型化設計の基準器は電気的及び機械的インターフェースを有することができ、該インターフェースは好ましくは、異なった供給者により集積回路の形で販売されている半導体基準装置と同じ寸法及び同じピン割当てを有する。先述のように、そのような易損性のシステムも好ましくはガス密囲いに封入し、封入内の中空空間を好ましくは排気する。
【００３０】
先の説明の基準器は、力測定装置にだけでなく、精確な力関連の基準器が必要とされるすべての用途にも使用することができる。特に周囲環境の外部変動に曝される重力加速度測定装置、加速度計その他等の測定器械に関し、本発明の基準器は、そのような外部変動が基準量に同様に含まれるので、大きな利点を提示する。基準電流がアナログ又はデジタルフィルタによって平滑化されれば、本発明による基準器は他のすべての測定器械にも使用することができる。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明を以下図面を参照してより詳細に説明する。
【００３２】
図１は測定器１００を備えた電磁力補償の原理に従って動作する天秤１０００を図示し、該測定器には１つの補償コイル１、又はプッシュプルモードの動作において反対向きの磁界を時間オフセットをもって生成するのに役立つ２つの補償コイル１ａ、１ｂを装備することができる。
【００３３】
図１に概略的に表すこの天秤１０００の機械的部品は固定平行四辺形脚部１０３を含み、該脚部は天秤ハウジング１００１に堅く締結され、かつ荷重ＦＭＯを受けるのに役立つ片持アーム１０４１が形成された移動可能な平行四辺形脚部１０４に２つの案内部材１０１及び１０２によって接続される。２つの平行四辺形脚部１０３及び１０４は屈曲枢軸１１０により２つの案内部材１０１及び１０２に結合される。固定平行四辺形脚部１０３から延長する支持アーム１０３２に接続されるのは磁石システム２であり、該磁石システムは、極板２２が頂部に配置されかつカップ形の磁界案内体２３がループ状の磁束線を閉じる永久磁石２１を含む。コイル１、又は選択肢として２つのコイル１ａ、１ｂが電界案内体２３及び極板２２間の空隙２５中に上から下ろされる。コイル１又は代替的に２つのコイル１ａ、１ｂは補償レバー１０５に締結され、該補償レバーは連結要素１０４０を経由して荷重ＦＭＯの垂直成分を伝達する。補償レバー１０５は屈曲支点枢軸１１１によって、固定平行四辺形脚部１０３の支持アーム１０３２に締結された支柱１０３３から懸架される。参照符号３は光学位置センサー器を特定し、該センサー器は補償レバー１０５のノーマル位置からの偏位を検出するのに役立つ。
【００３４】
天秤の電気的部品は温度センサー９を備えた補正回路を含み、該補正回路は荷重依存性の補償電流に影響を行使して、磁石システムの磁界強度の温度依存性が大きく補償されるようにする。
【００３５】
１つの補償コイル１のみを備えたこの種類の天秤は例えば参考文献［７］に記載されている。そこに記載された天秤の電気的システムは、荷重ＦＭＯの垂直成分を補償する力を生成させる補償電流にとって決定的要素であるツェナーダイオードを備えた基準電圧源を含む。
【００３６】
さらに公知なのは、２つの補償コイル１ａ、１ｂ（図１ａ参照）が補償レバー１０５により保持された、電磁力補償の原理に従って動作する力測定装置であり、ここで基準電流ＩＲＥＦは２つのコイル中を交互に流れるよう切り替えられ、その結果磁石システム２の磁界と協働して力が補償レバー１０５を通じて連結要素１０４０に加わるようにする磁界が生成され、それにより荷重ＦＭＯの垂直成分が補償される。この形態の力測定装置又は天秤によれば、基準電流ＩＲＥＦは同様にツェナーダイオードによって生成することができる。
【００３７】
基準電圧又は基準電流をツェナーダイオード又は追加の半導体構成部品によって生成することと関連する欠点はすでに上述した。
【００３８】
本発明によれば、基準電流ＩＲＥＦ及び／又はそれから導出され得る基準電圧ＵＲＥＦは、簡単な形態の図２に図示する型式の基準器１００Ｒによって生成される。基準器１００Ｒは基準質量ｍＲＥＦを担持する力測定装置であり、該装置は電磁力補償の原理に従って基準電流ＩＲＥＦを生成する。基準電流ＩＲＥＦはセンサー器３Ｒ及び調整装置４Ｒによって調整されて、基準レバー１０５Ｒにより保持された第１の基準コイル１Ｒにおいて、基準磁石２Ｒの磁界と協働して補償力ＦＫが基準レバー１０５Ｒに加わるようにする磁界を生成させることができ、それにより同様に基準レバー１０５Ｒに作用している基準質量ｍＲＥＦの基準力ＦＲＥＦが補償される。基準質量ｍＲＥＦはレバー機構１０１、１０２、１０３、１０４によって保持され、固定レバー１０３は力測定装置、より具体的には天秤又は独立型の基準器１００Ｒのハウジング１００１により形成される。概略図に示すように、基準レバー１０５Ｒは無限に遠い距離に位置する仮想支点により回転可能に拘束されており、秤量皿上の基準質量の位置の変化は重要でない。さらに図示されているように、補償力ＦＫは基準力ＦＲＥＦの反対の軸方向に向けられ、完全に後者と均衡する。
【００３９】
一般に１〜２ナノメートルの範囲内の基準レバー１０５Ｒのノーマル位置からの偏位は、光学位置センサー器３Ｒによって検出される。光学位置センサー器３Ｒはシャッターベーン３８を有し、該シャッターベーンは基準レバー１０５Ｒに接続され、かつ光源３１と光センサーを備えたセンサー器３２との間に配置され、光源３１からの光はシャッターベーン３８の開口部を通過してセンサー器３２に至る。図２に表示するように２つの光センサーを有するセンサー器３２は調整装置４にフィードバック量を提供する。しかしながら、センサー器３２は２つの光センサーの代わりに２つの他のセンサー器、例えばフォトダイオードアレイ、ＰＳＤ（位置敏感型装置）、画像処理機能付きカメラその他を有することもできる。調整装置４は例えばＰＩＤ特質を備えた調整構成部品４１及び可変的に制御可能な抵抗装置４２を含み、それにより基準電流ＩＲＥＦは調整されて、基準レバー１０５Ｒが常にその、基準力ＦＲＥＦが補償力ＦＫにより完全に補償されるノーマル位置（目標位置とも呼ばれる）に保持されるようにすることができる。基準電流ＩＲＥＦの経路は、基準抵抗器５を通じて器械接地ＧＮＤに導かれ、該抵抗器上に基準電圧ＵＲＥＦはそれ自体を結果として現す。
【００４０】
図３は、共に上述のように電磁力補償の原理に従って動作する測定器１００ａと、これとほとんど同一に形態づけられた基準器１００Ｒとを図示する。測定器１００ａ及び基準器１００Ｒの電気的及び電子的部品は、例えば図９に示す実施の形態に類似する。両方の器１００及び１００Ｒは、それぞれ要素１０１、１０２、１０３、１０４及び要素１０１Ｒ、１０２Ｒ、１０３Ｒ、１０４Ｒからなる平行四辺形が装備され、該平行四辺形は荷重ｍＭＯ及びｍＲＥＦの垂直成分のみをそれぞれの連結要素１０４０又は１０４０Ｒに伝達する機能を有する。それぞれの支持アーム１０４１、１０４１Ｒ上の荷重ｍＭＯ又はｍＲＥＦの位置の変化は、それ故測定に何らの影響も有しない。この比較的複雑かつ高価な基準器１００Ｒの設計は、基準質量ｍＲＥＦを選択的に交換可能とする必要がある場合に使用される。
【００４１】
図４は、レバー機構の代わりに基準レバー１０５Ｒのみを有するより簡単な形態の基準器１００Ｒを備えた図３の力測定装置１０００を示し、該基準レバーは一端に同時に基準質量ｍＲＥＦとしても役立つ基準コイル１Ｒを担持し、かつ他端にて支点要素１１１Ｒにより拘束される。この実施の形態における基準質量ｍＲＥＦは交換可能であることが意図されていないので、基準質量ｍＲＥＦの形状及び配列は任意の選択に委ねられる。結果として、図４に示すように、基準コイル１Ｒそれ自体が基準質量ｍＲＥＦとして使用され、それによって並外れて簡単な形態の基準器１００Ｒが得られる。しかしながら、この実施の形態では、基準レバー１０５Ｒ及び基準コイル１Ｒにより排除される空気体積の結果、気圧に依存する浮力が発生することに注意する必要がある。気圧の変化は、基準レバー１０５Ｒに作用する下向きの力ＦＲＥＦの変化と、これと同時に基準磁石２Ｒの磁界と協働する磁界を生成させる基準電流ＩＲＥＦの変化とを引起す。図４の力測定装置１０００はそれ故空気圧が一定であれば最適の結果をもたらす。
【００４２】
しかしながら、より長い時間の間に気圧はある一定の海抜高度にて一般に４０ｈＰＡ、すなわち公称気圧の約４％の範囲内で変動する。図５に示す形態の基準器１００Ｒにおいて、基準レバー１０５Ｒにはそれ故補償空気排除体が装備され、該空気排除体は支点要素１１１Ｒの両側の基準レバー１０５Ｒの体積部分、従ってそれらに作用する浮力が次のとおり互いに相殺するよう設計される。
Ｖ１×ｓ１＝Ｖ２×ｓ２
Ｖ１は基準コイル１Ｒ及び支点要素１１１Ｒの一方の側の基準レバー１０５Ｒの全体積を表す。距離ｓ１は支点要素１１１Ｒからの体積Ｖ１の重心の距離である。Ｖ２は支点要素１１１Ｒの他方の側の基準レバー１０５Ｒの体積並びに補償空気排除体１０５０Ｒの体積を表す。距離ｓ２は支点要素１１１Ｒからの体積Ｖ２の対応する重心の距離である。距離ｓＦは、結果として生じる基準力ＦＲＥＦの、回転中心からの、すなわち支点要素１１１Ｒからの距離である。この場合の体積Ｖ１及びＶ２は、空気排除に関連する基準レバー１０５Ｒの外体積を表す。
【００４３】
平衡条件Ｖ１×ｓ１＝Ｖ２×ｓ２が満たされれば、気圧の効果は補償される、それというのは、支点の両側の浮力の計算において、空気密度ρＬ及び重力加速度ｇは等式（ρＬ×Ｖ１×ｇ×ｓ１＝ρＬ×Ｖ２×ｇ×ｓ２）
の両辺に加入されるからである。浮力はそれ故基準力ＦＲＥＦに何らの影響も有しない。
【００４４】
しかしながら、支点要素１１１Ｒの各々の側の基準レバー１０５Ｒの重さ成分は異なった密度ρ１及びρ２を有する。補償排除体１０５０Ｒの及びこれと関連する基準レバー１０５Ｒの部分の密度ρ２は、基準コイル１Ｒの側の距離ｓＦにて要求される基準力ＦＲＥＦを得るためできるだけ小さくする必要がある：
ＦＲＥＦ＝（ρ１−ρ２）×Ｖ１×ｓ１×ｇ／ｓＦ。
【００４５】
さらに、回転慣性モーメントは小さくすべきである。慣性モーメントは回転軸からの距離の２乗によるので、距離ｓ２はできるだけ短くすべきであり、しかし結果として、補償排除体１０５０Ｒは相応してより大きい体積Ｖ２を有する必要がある。
【００４６】
従って、測定器１００及び基準器１００Ｒの設計に関し満たさなければならない数多くの要求条件がある。これらの要求条件は、好ましくは固体金属から放電加工法によって加工され、両器１００及び１００Ｒの共有使用に役立つ一体式に形態づけられた力伝達装置を使用することにより特に有利に満足させることができる。測定器１００及び基準器１００Ｒのコンパクト設計を許容するこの種類の一体式形態の力伝達装置１５０を図６に図示する。一体式に形成された力伝達装置１５０は、すでに図２の概略図で示したように、平行四辺形の要素１０１、１０２、１０３、１０４を含む。固定平行四辺形脚部１０３は２つの案内部材１０１及び１０２によって移動可能な平行四辺形脚部１０４に接続され、該移動可能な脚部は測定する必要のある測定対象の力ＦＭＯを受取り、かつ一体式形態の力伝達装置１５０内に配列された補償レバー１０５の部分１０５Ａに連結要素２９を経由して接続される。関連する支点要素１１１Ｒを備えた基準レバー１０５Ｒの部品１０５Ｒ−Ａは固定平行四辺形脚部１０３内に形成される。
【００４７】
図７は、測定器１００及び基準器１００Ｒのための補償コイル１、基準コイル１Ｒ、磁石システム２及び２Ｒ、並びに光学センサー器３、３Ｒを備えた図６の一体式に形態づけられた力伝達装置１５０を図示する。補償レバー１０５及び基準レバー１０５Ｒの第１の部品１０５−Ａ及び１０５Ｒ−Ａ、すなわち一体式に形態づけられた力伝達装置１５０に組込まれた部品、はそれぞれの補償レバー１０５及び基準レバー１０５Ｒの第２の部品１０５−Ｂ及び１０５Ｒ−Ｂに接続され、該第２の部品は二つ一組で形態づけられ、かつ一体式に形態づけられた力伝達装置１５０の両側から第１の部品にねじ止めされている。第２の部品１０５−Ｂ及び１０５Ｒ−Ｂはそれらと関連する磁石システム２、２Ｒの上方に配置された補償コイル１及び基準コイル１Ｒを保持し、該磁石システムは一体式に形態づけられた力伝達装置１５０にボルト止めされた片持アーム２０及び２０Ｒによりそれぞれ支持される。レバー１０５、１０５Ｒの変位を記録するのに役立つ位置センサー器３、３Ｒも示されている。さらに図示されているのは、基準レバー１０５Ｒのそれぞれの部分に一体式形態の力伝達装置１５０の両側から接続された２つの排除補償体１０５０Ｒである。
【００４８】
一体式に形態づけられた力伝達装置１５０に関し数多くの他の設計可能性が存在する。磁石システム２、２Ｒを例えば互いに反対側に配列することができよう。しかしながら、本配列は、機械的攪乱の場合に、測定器１００及び基準器１００Ｒが同じように影響を受けるので、攪乱に対するそれらの応答が互いに相殺するという利点を有する。もちろん、数個のレバーを備えた減衰機構を有する一体式形態の力伝達装置１５０を使用することも可能である。（図面に示す秤量セルは２つのレバーを有する、しかし１つだけのレバー又は数個のレバーを使用することも同様に可能である。）
一体式に形態づけられた力伝達装置の使用により、数個の基準信号を力測定装置１０００のため又は他の測定器械のため生じさせ得る１つ又は複数の基準器１０３を実現することも特に簡単である。
【００４９】
図８は磁石システム２−２Ｒの使用を共有する測定器１００及び基準器１００Ｒを備えた力測定装置１０００を図示する。この概念は、例えば図６に示す一体式に形態づけられた力伝達装置１５０の場合に、さらになお簡単化されたよりコンパクトな装置の設計を許容する。磁石システム２−２Ｒは各々の側に補償コイル１及び基準コイル１Ｒをそれぞれ受け入れるよう設計されたリング形の空隙を有する。磁石システム２−２Ｒの支持体１０３３にはこの場合基準コイル１Ｒへのアクセスを許容するため開口部１２０が装備される。コストの減少のほかに、本発明のこの実施の形態は、温度補償が１つの磁石システム２−２Ｒに対してのみ必要という特別な利点を有する。さらに、磁束の変化が測定器１００及び基準器１００Ｒに等しく影響を及ぼすので、変化があった場合に測定器及び基準器に対する効果は互いに相殺する。
【００５０】
図９は例えば図２による基準器１００Ｒを図示し、
ａ）基準電流ＩＲＥＦが供給される第１の測定器１００ａを備え、
ｂ）基準電圧ＵＲＥＦがストレンゲージブリッジ回路に印加される第２の測定器１００ｂを備え、及び
ｃ）基準電圧ＵＲＥＦがＡ／Ｄ変換器に送出される第３の測定器１００ｃを備える。
【００５１】
第１の測定器１００ａはプッシュ／プル原理に従って動作し、かつパルス幅変調又はシグマ−デルタ（σ−δ）法に従って変調されたデジタル信号を送出する変調器４００を含む。これら２つの方法（ＰＷＭ及びσ−δ）は例えば［８］Ｒ．Ｅｓｓｌｉｎｇｅｒ、Ｇ．Ｇｒｕｈｌｅｒ、Ｒ．Ｗ．Ｓｔｅｗａｒｔ著、”Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｐｕｌｓｅ−Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｓｉｇｍａ−Ｄｅｌｔａ  Ｌｏｏｐｓ”、Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ学科、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ学部、Ｓｔｒａｔｈｃｌｙｄｅ大学、グラスゴー  Ｇ１  １ＸＷ、スコットランド、に記載されている。
【００５２】
ＰＷＭ法の下では、調整器４によって送出されたアナログフィードバック信号ｓＡは互いに相補的なパルス対に変換され、それらの幅は補償すべき荷重に従って、各対の組合せ幅が合計１となるように調整される。このように生成されたパルスはスイッチ４２ａ及び４２ｂを作動させるのに役立つ。第１のパルスの１の幅は天秤上に何ら荷重がないことを表示する。両パルスの幅が等しければ、天秤はその容量の半分まで荷重されており、第２のパルスの幅が１に等しければ、天秤上には全容量の荷重がある。荷重の大きさは従って１つのパルスの幅（すなわち、持続時間）中のクロックパルスをカウントすることにより決定することができる。
【００５３】
σーδ法の下では、調整器４により送出されたアナログフィードバック信号ｓＡは０及び１の値を備えたパルス系列に変換され、パルスの数は選択可能であり、その平均値がアナログフィードバック信号ｓＡの値を表す。０の値及び１の値を備えたパルスの数の比は従って荷重ＦＭＯの量を表示する。
【００５４】
図１０に図示する基準器１００Ｒの好ましい形態において、好ましくは１０Ｈｚ〜５０Ｈｚの範囲に設定された下限より高い周波数を備えたフィードバック量の信号成分は、高域フィルタ４３を経由して調整器４４に向けられ、該調整器の出力信号は、インピーダンス変換器として機能するよう配列された演算増幅器４６の非反転入力に抵抗器４５を経由して導かれる。相応の補償電流ＩＫが演算増幅器４６から補償レバー１０５Ｒに接続された第２の基準コイル１Ｒｂに送出され、そこで補償電流ＩＫは、基準磁石２Ｒの磁界と協働してより高い周波数範囲の攪乱を補正するようにする磁界を生成する。外乱の効果は、それ故第１の基準コイル１Ｒａにおける基準電流ＩＲＥＦを損なうことなく第２の基準コイル１Ｒｂによって迅速に補正されることができる。基準電流ＩＲＥＦ又は、ある場合に基準電流ＩＲＥＦから導出され得る基準電圧ＵＲＥＦは、それ故攪乱から大きく免れたままである。
【００５５】
第１の基準コイル１Ｒａにおける基準電流ＩＲＥＦのドリフト又はずれの可能性を回避するため、第２の基準コイル１Ｒｂを通じて導かれる補償電流ＩＫは、出力が抵抗器４８を経由して演算増幅器４６の非反転入力に復帰する積分器４７の反転入力に向けられ、それにより積分器４７の出力信号を常にその初期位置に復帰させるサーボループが設定される。積分器は演算増幅器４７として形態づけられ、その出力は抵抗器４７１及びコンデンサ４７２を経由してその反転入力に接続される。
【００５６】
結果として生じ第２の基準コイル１Ｒｂを流れるＤＣ成分は、それ故積分された形でかつ正しい位相と共に演算増幅器４７の非反転入力に復帰され、それによりその場所にて存在し得る一定のオフセットが補償される。この方策は第２の基準コイル１Ｒｂが力補償に役立つ電流でなく高周波の外乱と関連する電流のみを運ぶことを確実にする。
【００５７】
好ましくは天秤として使用される本発明による力測定装置１０００を好ましい実施の形態で説明し、図示した。しかしながら、本発明による基準器は任意の他の重力測定器械、又は他の測定器械とも関連して有利に使用することができる。
【００５８】
力測定装置１０００の基準器１００Ｒ及び測定器１００の電気機械的設計並びに電子回路設計を一部簡単化された形又は代表的な例を通じて提示した。しかしながら、本発明性ある解法は、特に任意の所望の形態のレバー機構、測定装置、磁石システム、コイルシステム及び調整システムを備えた任意の所望の形態の基準器１００Ｒ及び測定器１００と共に使用することができる。
【参考文献リスト】
【００５９】
［１］”Ｂｕｉｌｄ  ｙｏｕｒ  Ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｎ  ａ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ！”、会社出版物、Ｍｅｔｔｌｅｒ  Ｔｏｌｅｄｏ社、２００１年１月
［２］”Ｗaｇｅｆｉｂｅｌ”（秤量入門書）、Ｍｅｔｔｌｅｒ  Ｔｏｌｅｄｏ社、２００１年４月
［３］米国第２００４／００８８３４２号Ａ１
［４］米国第６，２７１，４８４号Ｂ１
［５］Ｕ．Ｔｉｅｔｚｅ、Ｃｈ．Ｓｃｈｅｎｋ著、”Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ”（半導体回路設計）、第１１版、第２刷、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ社、ベルリン、１９９９年
［６］Ａｌｂｅｒｔ  Ｏ’Ｇｒａｄｙ著、Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ／Ｓｅｎｓｏｒ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、Ａｎａｌｏｇ  Ｄｉａｌｏｇｕｅ  ３４−５  （２０００）
［７］ドイツ国特許第３３２４４０２号
［８］Ｒ．Ｅｓｓｌｉｎｇｅｒ、Ｇ．Ｇｒｕｈｌｅｒ、Ｒ．Ｗ．Ｓｔｅｗａｒｔ著、”Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｐｕｌｓｅ−Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｓｉｇｍａ−Ｄｅｌｔａ  Ｌｏｏｐｓ”、Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ学科、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ学部、Ｓｔｒａｔｈｃｌｙｄｅ大学、グラスゴー  Ｇ１  １ＸＷ、スコットランド
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、電磁力補償の原理に従って動作し、かつ１つの補償コイル１、又はプッシュプルモードの動作において反対向きの磁界を時間オフセットをもって生成させることができる２つの補償コイル１ａ及び１ｂを装備することができる力測定装置１０００を表す。
【図１ａ】図１ａは、スイッチ手段４２ａ、４２ｂを備えた２つの補償コイル１ａ、１ｂを図示し、該スイッチ手段は補償すべき荷重の大きさに従ってシグマ／デルタ変調又はパルス幅変調される互いに相補的な基準電流ＩＲＥＦの成分を基準コイル１ａ、１ｂに供給するのに役立つ。
【図２】電磁力補償の原理に従って動作し、かつ測定器１００、例えば図１ａの回路配列のため基準電流ＩＲＥＦを生成させる基準器１００Ｒを概略的に図示する。
【図３】本発明による力測定装置１０００の電気機械システムを図示し、該システムは、電磁力補償の原理に従って機能する測定器１００と、異なった基準質量ｍＲＥＦを選択的に装着することができるほとんど同一設計の基準器１００Ｒとを含む。
【図４】簡単設計の基準器１００Ｒを備えた図３の力測定装置１０００を示し、該基準器はレバー機構の代わりに基準レバー１０５Ｒのみを含み、該レバーは、基準質量ｍＲＥＦとしても同時に役立つ基準コイル１Ｒを一端にて担持し、かつ他端にて回転可能に支持され、従って気圧に依存する浮力を受けやすい。
【図５】基準レバー１０５Ｒを備えた好ましい形態による基準器１００Ｒを備えた図４の力測定装置１０００を示し、該基準レバーは、支点１１１Ｒの一方の側に基準質量ｍＲＥＦとして役立つ基準コイル１Ｒを、支点１１１Ｒの他方の側に補償空気排除体、例えば支点１１１Ｒの両側の基準レバー１０５Ｒ及びそれに接続された部品の体積を釣合わせるのに役立つ密閉補償容器を担持する。
【図６】測定器１００のための及び基準器１００Ｒのためのレバー機構を装備した一体式形態の力伝達装置１５０を図示する。
【図７】図６の一体式形態の力伝達装置１５０を示し、該装置には補償コイル１と、基準コイル１Ｒと、磁石システム２、２Ｒと、測定器１００及び基準器１００Ｒのための光学位置センサー器３、３Ｒとが装備され、基準器にはほかに２つの補償空気排除体１０５０Ｒが装備される。
【図８】測定器１００と基準器１００Ｒとが磁石システム２−２Ｒの使用を共有する力測定装置１０００を示す。
【図９】例えば図２〜８の１つによる基準器１００Ｒを示し、該基準器は一方ではプッシュプル原理に従って動作する第１の測定器１００ａで基準として使用される基準電流ＩＲＥＦを生成し、かつ他方では第２の測定器１００Ｂで測定ブリッジのための動作電圧として、また第３の測定器１００ｃでＡ／Ｄ変換器のための基準として使用される基準電圧ＵＲＥＦを生成する。
【図１０】図２〜８の１つによる基準器１００Ｒを示し、該基準器には第２の基準コイル１Ｒｂと、これと関連するサーボフィードバックシステムが追加され、これらを通じて第１の基準コイル１Ｒａ中を流れる基準電流ＩＲＥＦを損なうことなくより高い周波数範囲の攪乱を補償することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１Ｒ・・・・・・第１の基準コイル
１Ｒａ・・・・・第１の基準コイル
２Ｒ・・・・・・基準磁石
２−２Ｒ・・・・基準磁石
３Ｒ・・・・・・測定装置
４Ｒ・・・・・・調整装置
１００・・・・・測定器
１００Ｒ・・・・基準器
１０５Ｒ・・・・基準レバー
１０００・・・・力測定装置
ＩＲＥＦ・・・・・基準電流
ＵＲＥＦ・・・・・基準電圧
ＦＭＯ・・・・・・測定対象の力
ｍＲＥＦ・・・・・基準質量
ＦＲＥＦ・・・・・基準質量の基準力
【図１】
2014066719.tif 000003
【図１ａ】
2014066719.tif 000004
【図２】
2014066719.tif 000005
【図３】
2014066719.tif 000006
【図４】
2014066719.tif 000007
【図５】
2014066719.tif 000008
【図６】
2014066719.tif 000009
【図７】
2014066719.tif 000010
【図８】
2014066719.tif 000011
【図９】
2014066719.tif 000012
【図１０】
2014066719.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成25年12月4日(2013.12.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力測定装置（１０００）であって、測定器（１００）と、さらに基準器（１００Ｒ）とを備え、該基準器は決定すべき測定対象の力（ＦＭＯ）が該測定器（１００）により測定及び／又はデジタル化されることができるようにする基準量、基準電流（ＩＲＥＦ）又は基準電圧（ＵＲＥＦ）を送出するのに役立つ力測定装置において、該基準器（１００Ｒ）は基準質量（ｍＲＥＦ）が装着されたところの、かつ電磁力補償の原理に従って基準電流（ＩＲＥＦ）を生成し、該基準電流を測定及び調整装置（３Ｒ、４Ｒ）によって制御して基準レバー（１０５Ｒ）により保持された第１の基準コイル（１Ｒ、１Ｒａ）において該基準電流（ＩＲＥＦ）が、基準磁石（２Ｒ；２−２Ｒ）の磁界と相互に作用して磁力が該基準レバー（１０５Ｒ）に加わるようにする磁界を生成することができるようしたところの力測定装置であり、該基準レバーに同様に作用している該基準質量（ｍＲＥＦ）の力（ＦＲＥＦ）が前記磁力により補償されることができるようにし、
該基準電流（ＩＲＥＦ）は基準抵抗器（５）の両端に基準電圧（ＵＲＥＦ）を生成するため前記基準抵抗器（５）を通じて導かれ、及び／又は該基準電流（ＩＲＥＦ）又は該基準電圧（ＵＲＥＦ）はデジタル基準量として変換され、使用されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力測定装置（１０００）において、該基準レバー（１０５Ｒ）の実際の瞬間位置は対応するフィードバック量を送出するのに役立つ光学位置センサー器（３Ｒ）によって測定でき、該フィードバック量に基づいて該調整装置（４Ｒ）中を流れる基準電流（ＩＲＥＦ）は該基準レバー（１０５Ｒ）が常に目標位置に復帰するよう制御されることができることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の力測定装置（１０００）において、その周波数が１０Ｈｚから５０Ｈｚの範囲内の所定の値を超える該フィードバック量の信号成分は、高域フィルタ（４３）を経由して調整器（４４）に送られることができ、該調整器によって増幅器（４６）は制御されて対応する補償電流（ＩＫ）を該基準レバーに接続された第２の基準コイル（１Ｒｂ）に送ることができ、該補償電流（ＩＫ）は該基準磁石（２Ｒ）の磁界と協働して該より高い周波数範囲の攪乱の効果が補正されることができるようにする磁界を生成することを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の力測定装置（１０００）において、該補償電流（ＩＫ）は該第２の基準コイル（１Ｒｂ）を経由して、その出力が該増幅器（４６）の入力に復帰される積分器（４７）の入力に向けられることができ、それにより該積分器（４７）の出力信号を常に出発位置に復帰させるフィードバックループが確立されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、
ストレンゲージの原理に従って動作する測定器（１００）において、該基準器（１００Ｒ）により生成された該基準電圧（ＵＲＥＦ）は測定ブリッジ回路に印加され、または、
磁力補償の原理に従って動作する測定器（１００）において、該基準器により生成された該基準電流（ＩＲＥＦ）は補償レバー（１０５）により保持された第１及び第２の補償コイル（１ａ、１ｂ）中を交互に流れるよう切り替えられて、その結果は関連の磁石システム（２）の磁界と協働して関連のレバー機構（１０１、１０２、１０３、１０４）に該補償レバー（１０５）を通じて力が作用するようにする磁界となるようにし、それにより該レバー機構（１０１、１０２、１０３、１０４）に同様に作用している該測定対象の力（ＦＭＯ）が該測定器（１００）により補償されることができ、または、
該要求される補償電流は該基準電圧（ＵＲＥＦ）から又は該基準電流（ＩＲＥＦ）から導出され、または、
該測定器（１００）はＡ／Ｄ変換器を備え、該変換器は、該測定対象（ｍＭＯ）の測定された信号（ｓＭＯ）がデジタル化されることができるようにする基準量として該基準電圧（ＵＲＥＦ）又は該基準電流（ＩＲＥＦ）を受取り、使用することができることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準レバー（１０５Ｒ）は支点要素（１１１Ｒ）によって該測定器（１００）の該レバー機構の固定部品（１０３）に接続され、及び／又は該基準レバー（１０５Ｒ）及び該測定器の該レバー機構（１０１、１０２、１０３、１０４）は一体式に形態づけられた力伝達機構（１５０）に少なくとも部分的に組込まれ、及び／又は該基準器（１００Ｒ）のみが一体式に形態づけられた力伝達装置によって実現されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、磁石システム（２−２Ｒ）が該測定器（１００）と該基準器（１００Ｒ）との共有使用のため設けられ、前記磁石システム（２−２Ｒ）の一方の側の磁界は該補償コイル（１）の磁界と、かつ該磁石システム（２−２Ｒ）の他方の側の磁界は該基準コイル（１Ｒ）の磁界と協働することを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準コイル（１Ｒ）と、適切な場合に該基準レバー（１０５Ｒ）の一部とが該基準質量（ｍＲＥＦ）を形成することを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項９】
請求項１乃至７のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準コイル（１Ｒ）の、及び該支点要素（１１１）の一方の側に位置する該基準レバー（１０５Ｒ）の部分の体積（Ｖ１）は、少なくとも１つの補償排除体（１０５０Ｒ）の、及び該支点要素（１１１）の他方の側の該基準レバー（１０５Ｒ）の部分の体積（Ｖ２）により、該支点からの重心の距離（ｓ１、ｓ２）を考慮に入れた時に、各々の側に発生する浮力が気圧の変化があっても互いにほぼ釣合いが取れるよう補償されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の力測定装置（１０００）において、少なくとも１つの補償排除体（１０５０Ｒ）は交換可能であり、及び／又は該支点要素（１１１）からの該排除体（１０５０Ｒ）の距離は調節可能であることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準器（１００Ｒ）はガス密囲い内に配列されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の力測定装置（１０００）において、該ガス密囲いは排気されることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該磁石システム（２、２Ｒ）の及び／又は該測定器（１００）のコイル（１；１ａ、１ｂ；１Ｒ；１Ｒａ、１Ｒｂ）の及び／又は該基準器（１００Ｒ）の温度は、測定値を補正するために測定され、使用されることができることを特徴とする、前記力測定装置。
【請求項１４】
基準質量（ＭＲＥＦ）に対応する基準電流（ＩＲＥＦ）を生成するため動作可能な基準器（１００Ｒ）において、測定及び調整装置（３Ｒ、４Ｒ）が設けられ、該装置によって該基準電流（ＩＲＥＦ）を調整して、基準レバー（１０５Ｒ）により保持された第１の基準コイル（１Ｒ；１Ｒａ）において、基準磁石（２Ｒ；２−２Ｒ）の磁界と相互に作用して力が該基準レバー（１０５Ｒ）に加わるようにする磁界が生成されることができるようにし、それにより該基準レバー（１０５Ｒ）に同様に作用している該基準質量（ｍＲＥＦ）の基準力（ＦＲＥＦ）が補償されることができるようにしたことを特徴とする、前記基準器。
【請求項１５】
請求項１４に記載の基準器（１００Ｒ）において、該基準器（１００Ｒ）は該基準器の特有のデータ及び／又は識別コードのための少なくとも１つの記憶装置を備えることを特徴とする、前記基準器。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の基準器（１００Ｒ）において、該基準器（１００Ｒ）は電気的及び機械的インターフェースを備えることを特徴とする、前記基準器。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の基準器（１００Ｒ）において、該基準器（１００Ｒ）はマイクロ電気機械システムとして実行されることを特徴とする、前記基準器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
力測定装置１０００の基準器１００Ｒ及び測定器１００の電気機械的設計並びに電子回路設計を一部簡単化された形又は代表的な例を通じて提示した。しかしながら、本発明性ある解法は、特に任意の所望の形態のレバー機構、測定装置、磁石システム、コイルシステム及び調整システムを備えた任意の所望の形態の基準器１００Ｒ及び測定器１００と共に使用することができる。
以上説明したように、本発明は以下の形態を有する。
［形態１］
力測定装置（１０００）であって、測定器（１００）と、さらに基準器（１００Ｒ）とを備え、該基準器は決定すべき測定対象の力（ＦＭＯ）が該測定器（１００）により測定及び／又はデジタル化されることができるようにする基準量、基準電流（ＩＲＥＦ）又は基準電圧（ＵＲＥＦ）を送出するのに役立つ力測定装置において、該基準器（１００Ｒ）は基準質量（ｍＲＥＦ）が装着されたところの、かつ電磁力補償の原理に従って基準電流（ＩＲＥＦ）を生成し、該基準電流を測定及び調整装置（３Ｒ、４Ｒ）によって制御して基準レバー（１０５Ｒ）により保持された第１の基準コイル（１Ｒ、１Ｒａ）において該基準電流（ＩＲＥＦ）が、基準磁石（２Ｒ；２−２Ｒ）の磁界と相互に作用して磁力が該基準レバー（１０５Ｒ）に加わるようにする磁界を生成することができるようしたところの力測定装置であり、該基準レバーに同様に作用している該基準質量（ｍＲＥＦ）の力（ＦＲＥＦ）が前記磁力により補償されることができるようにしたことを特徴とする、前記力測定装置。
［形態２］
形態１に記載の力測定装置（１０００）において、該基準電流（ＩＲＥＦ）は基準抵抗器（５）の両端に基準電圧（ＵＲＥＦ）を生成するため前記基準抵抗器（５）を通じて導かれ、及び／又は該基準電流（ＩＲＥＦ）又は該基準電圧（ＵＲＥＦ）はデジタル基準量として変換され、使用されることを特徴とする、前記力測定装置。
［形態３］
形態１又は２に記載の力測定装置（１０００）において、該基準レバー（１０５Ｒ）の実際の瞬間位置は対応するフィードバック量を送出するのに役立つ光学位置センサー器（３Ｒ）によって測定でき、該フィードバック量に基づいて該調整装置（４Ｒ）中を流れる基準電流（ＩＲＥＦ）は該基準レバー（１０５Ｒ）が常に目標位置に復帰するよう制御されることができることを特徴とする、前記力測定装置。
［形態４］
形態１、２又は３に記載の力測定装置（１０００）において、その周波数が１０Ｈｚから５０Ｈｚの範囲内の所定の値を超える該フィードバック量の信号成分は、高域フィルタ（４３）を経由して調整器（４４）に送られることができ、該調整器によって増幅器（４６）は制御されて対応する補償電流（ＩＫ）を該基準レバーに接続された第２の基準コイル（１Ｒｂ）に送ることができ、該補償電流（ＩＫ）は該基準磁石（２Ｒ）の磁界と協働して該より高い周波数範囲の攪乱の効果が補正されることができるようにする磁界を生成することを特徴とする、前記力測定装置。
［形態５］
形態４に記載の力測定装置（１０００）において、該補償電流（ＩＫ）は該第２の基準コイル（１Ｒｂ）を経由して、その出力が該増幅器（４６）の入力に復帰される積分器（４７）の入力に向けられることができ、それにより該積分器（４７）の出力信号を常に出発位置に復帰させるフィードバックループが確立されることを特徴とする、前記力測定装置。
［形態６］
形態１乃至５のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、
ストレンゲージの原理に従って動作する測定器（１００）において、該基準器（１００Ｒ）により生成された該基準電圧（ＵＲＥＦ）は測定ブリッジ回路に印加され、または、
磁力補償の原理に従って動作する測定器（１００）において、該基準器により生成された該基準電流（ＩＲＥＦ）は補償レバー（１０５）により保持された第１及び第２の補償コイル（１ａ、１ｂ）中を交互に流れるよう切り替えられて、その結果は関連の磁石システム（２）の磁界と協働して関連のレバー機構（１０１、１０２、１０３、１０４）に該補償レバー（１０５）を通じて力が作用するようにする磁界となるようにし、それにより該レバー機構（１０１、１０２、１０３、１０４）に同様に作用している該測定対象の力（ＦＭＯ）が該測定器（１００）により補償されることができ、または、
該要求される補償電流は該基準電圧（ＵＲＥＦ）から又は該基準電流（ＩＲＥＦ）から導出され、または、
該測定器（１００）はＡ／Ｄ変換器を備え、該変換器は、該測定対象（ｍＭＯ）の測定された信号（ｓＭＯ）がデジタル化されることができるようにする基準量として該基準電圧（ＵＲＥＦ）又は該基準電流（ＩＲＥＦ）を受取り、使用することができることを特徴とする、前記力測定装置。
［形態７］
形態１乃至６のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準レバー（１０５Ｒ）は支点要素（１１１Ｒ）によって該測定器（１００）の該レバー機構の固定部品（１０３）に接続され、及び／又は該基準レバー（１０５Ｒ）及び該測定器の該レバー機構（１０１、１０２、１０３、１０４）は一体式に形態づけられた力伝達機構（１５０）に少なくとも部分的に組込まれ、及び／又は該基準器（１００Ｒ）のみが一体式に形態づけられた力伝達装置によって実現されることを特徴とする、前記力測定装置。
［形態８］
形態１乃至７のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、磁石システム（２−２Ｒ）が該測定器（１００）と該基準器（１００Ｒ）との共有使用のため設けられ、前記磁石システム（２−２Ｒ）の一方の側の磁界は該補償コイル（１）の磁界と、かつ該磁石システム（２−２Ｒ）の他方の側の磁界は該基準コイル（１Ｒ）の磁界と協働することを特徴とする、前記力測定装置。
［形態９］
形態１乃至８のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準コイル（１Ｒ）と、適切な場合に該基準レバー（１０５Ｒ）の一部とが該基準質量（ｍＲＥＦ）を形成することを特徴とする、前記力測定装置。
［形態１０］
形態１乃至８のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準コイル（１Ｒ）の、及び該支点要素（１１１）の一方の側に位置する該基準レバー（１０５Ｒ）の部分の体積（Ｖ１）は、少なくとも１つの補償排除体（１０５０Ｒ）の、及び該支点要素（１１１）の他方の側の該基準レバー（１０５Ｒ）の部分の体積（Ｖ２）により、該支点からの重心の距離（ｓ１、ｓ２）を考慮に入れた時に、各々の側に発生する浮力が気圧の変化があっても互いにほぼ釣合いが取れるよう補償されることを特徴とする、前記力測定装置。
［形態１１］
形態１０に記載の力測定装置（１０００）において、少なくとも１つの補償排除体（１０５０Ｒ）は交換可能であり、及び／又は該支点要素（１１１）からの該排除体（１０５０Ｒ）の距離は調節可能であることを特徴とする、前記力測定装置。
［形態１２］
形態１乃至１１のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該基準器（１００Ｒ）はガス密囲い内に配列されることを特徴とする、前記力測定装置。
［形態１３］
形態１０に記載の力測定装置（１０００）において、該ガス密囲いは排気されることを特徴とする、前記力測定装置。
［形態１４］
形態１乃至１３のいずれかに記載の力測定装置（１０００）において、該磁石システム（２、２Ｒ）の及び／又は該測定器（１００）のコイル（１；１ａ、１ｂ；１Ｒ；１Ｒａ、１Ｒｂ）の及び／又は該基準器（１００Ｒ）の温度は、測定値を補正するために測定され、使用されることができることを特徴とする、前記力測定装置。
［形態１５］
基準質量（ＭＲＥＦ）に対応する基準電流（ＩＲＥＦ）を生成するため動作可能な基準器（１００Ｒ）において、測定及び調整装置（３Ｒ、４Ｒ）が設けられ、該装置によって該基準電流（ＩＲＥＦ）を調整して、基準レバー（１０５Ｒ）により保持された第１の基準コイル（１Ｒ；１Ｒａ）において、基準磁石（２Ｒ；２−２Ｒ）の磁界と相互に作用して力が該基準レバー（１０５Ｒ）に加わるようにする磁界が生成されることができるようにし、それにより該基準レバー（１０５Ｒ）に同様に作用している該基準質量（ｍＲＥＦ）の基準力（ＦＲＥＦ）が補償されることができるようにしたことを特徴とする、前記基準器。
［形態１６］
形態１５に記載の基準器（１００Ｒ）において、該基準器（１００Ｒ）は該基準器の特有のデータ及び／又は識別コードのための少なくとも１つの記憶装置を備えることを特徴とする、前記基準器。
［形態１７］
形態１５及び１６のいずれかに記載の基準器（１００Ｒ）において、該基準器（１００Ｒ）は電気的及び機械的インターフェースを備えることを特徴とする、前記基準器。
［形態１８］
形態１５乃至１７のいずれかに記載の基準器（１００Ｒ）において、該基準器（１００Ｒ）はマイクロ電気機械システムとして実行されることを特徴とする、前記基準器。