JP2518001B2

JP2518001B2 - 電磁天びん用磁気回路

Info

Publication number: JP2518001B2
Application number: JP63047743A
Authority: JP
Inventors: 晟河本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1987-12-25
Filing date: 1988-02-29
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JPH01250024A

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、磁場空間中にフォースコイルを置き、その
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
力を皿上荷重と平衡させ、その平衡に要する電流から皿
上荷重を求める、いわゆる電磁天びんの、上述の磁場空
間を形成するための磁気回路に関する。

〈従来の技術〉従来のこの種の磁気回路の構造を第11図に縦断面図で
示し、第12図には電磁天びん内での使用状態を示す。

従来の磁気回路は、永久磁石１の一方の磁極側端面に
ポールピース２が接着剤によって接合され、他方の磁極
側端面にはカップ状のヨーク３の底部内面が同じく接着
剤で接合された構造であり、ポールピース２の外周面と
ヨーク３の内周面の間に静的な磁場空間４が形成され
る。

このような磁気回路は、第12図に示すように、そのヨ
ーク３が天びんベースに固着され、その作る磁場空間４
内に、可動巻枠11に巻回されたフォースコイル12が配置
される。可動巻枠11はレバー13に固着されており、その
レバー13は弾性支点14,15およびロバーバル機構（図示
せず）等を介して皿に係合される。

レバー13の傾きは変位センサ16によって検出され、ア
ンプ17、P.I.D.制御部18を経てレバー13の傾きが０とな
るような電流がフォースコイル12に流される。すなわ
ち、被測定荷重と平衡する電磁力を発生し、このときの
電流が測定抵抗Ｒによって電圧信号に変換され、Ａ−Ｄ
変換器19でデジタル化される。

ところで、フォースコイル12に電流ｉが流れると、こ
のコイルの抵抗をｒとしたとき、Ｐ＝i²rなるジュール
熱が発生する。このため、大きな荷重が加わるほど高い
熱が発生し、フォースコイル12の温度が上昇する。この
熱はポールピース２を熱し、永久磁石１にも伝導するこ
とになる。ここで、永久磁石１は１℃当り−200ppm（ア
ルニコ系磁石）〜−400ppm（希土類磁石）〜−1900ppm
（フェライト系磁石）の磁気の温度変化がある。精密天
びんではひょう量に対する最少表示量が0.25ppmにも及
ぶものが作られており、希土類磁石を用いた場合を例に
採ると、0.25÷4001/600 ℃の温度変化で１カウント
だけ表示が狂うことになる。

このような温度変化による磁場の強さの変化に起因す
る計量表示値の狂いを補償するために、従来、永久磁石
１の略中央部に温度センサ５を配設し、その検出信号に
基づいて、基準電圧源20からの、Ａ−Ｄ変換器19に供給
すべき基準電圧を変化させる等の対策が採られている。

〈発明が解決しようとする課題〉上述のような温度センサ５を用いた対策では、緩慢な
温度変化に対しては補償できても、皿上に大きな荷重を
加えた直後のフォースコイル12の発熱のように、急速な
温度変化があると温度センサ５と永久磁石１の平均温度
が不一致となり、所定の精度での補償が困難となる。す
なわち、永久磁石１の平均温度が磁場の強さに影響を及
ぼすものであり、また、一般に永久磁石材は熱伝導率が
小さく、従って、急激に加熱されると永久磁石１に大き
な温度勾配が付き、温度センサ５が平均温度を正しく検
出できずに、計量表示値のクリープ現象を生じてしまう
わけである。

このような現象を緩和するためには、従来、永久磁石
１、ポールピース２およびヨーク３ともに大型化して全
体の熱容量を大きくすることで温度勾配を小さくすると
同時に、磁界を強くして同じ電磁力を発生するのに要す
るコイル電流を少なくし、また、磁場空間４を広くして
フォースコイル12の線径を太くすることで抵抗を小さく
し、発熱量を減らす等の対策を採る必要があった。

この従来の対策によれば、天びんのひょう量に応じた
電磁力を発生するための磁気回路を設定するに当り、単
にひょう量荷重とバランスすれば良いだけの容量の磁気
回路に比して、大幅に大容量の磁気回路を用いなければ
精密天びんが得られないという問題があった。特に最近
多用され始めた希土類磁石を用いる場合にこの傾向が強
い。このことは天びんのコストアップの原因となるとと
もに、天びんの小形化のための障害ともなっている。

なお、本発明者は既に、永久磁石の外周面を熱伝導度
の大きな材料で覆うことによって、永久磁石の温度勾配
を小さくし、もって高精度の温度補償を行うことのでき
る天びんを提案しているが（特開昭59-230118号）、上
述した問題点は完全には解消されていない。

本発明はこの点に鑑みてなされたもので、クリープ特
性に優れ、小形化しても従来と同等の性能が得られる
か、もしくは、従来と同等の大きさのものを用いること
によってクリープの発生が従来に比して著しく少なくな
る、電磁天びん用の磁気回路を提供することを目的とし
ている。

〈課題を解決するための手段〉上記の目的を達成するための構成を、実施例に対応す
る第１図を参照しつつ説明すると、本発明は、永久磁石
１と、永久磁石１とその一方の磁極側に配置されるポー
ルピース２との間に断熱空間７が設けられ、かつ、その
ポールピース２は非磁性体からなる伝熱部材６によって
永久磁石１の他方の磁極側のヨーク３に接続されている
ことによって特徴づけられる。

〈作用〉ポールピースル２は、永久磁石１に対しては直接接触
せずにこれらの間に断熱空間７が介在しているととも
に、ヨーク３に対しては非磁性体からなる伝熱部材６に
よって接続されている。フォースコイルは、ポールピー
ス２の外周面とヨーク３の内周面との間に形成される磁
場空間４内に置かれ、このフォースコイルに電流を流す
ことによって発生する熱はポールピース２を加熱する
が、そのポールピース２の熱は伝熱部材６によってヨー
ク３に伝導し、永久磁石１には断熱空間７の存在によっ
てポールピース２からの熱が直接には殆んど伝わらな
い。すなわち、第13図（ａ）にこの磁気回路の縦方向
（永久磁石１の磁化方向）の温度分布を示すように、伝
熱部材６には温度勾配（t₂→t₁）が生ずるが、永久磁石
１の温度はヨーク３の温度t₁とほぼ同一で一様となる。

〈実施例〉本発明の実施例を、以下、図面に基づいて説明する。

第１図は本発明実施例の構造を示す中央縦断面図であ
る。

磁気回路としての基本構成要素は、第11図に示した従
来の回路と同様、永久磁石１、ポールピース２、カップ
状のヨーク３、およびポールピース２の外周面とヨーク
３の側部外周面との間に形成される磁場空間４であり、
また、電磁天びん内での使用状態も従来と同等で、同様
な位置に温度補償用の温度センサ５が配設される。

さて、従来例と相違するところは、ポールピース２と
ヨーク３とに接触する伝熱部材６を設けた点と、永久磁
石１とポールピース２との間に断熱空間７を設けた点で
ある。

すなわち、銅、アルミニウム等の非磁性体で、かつ、
熱伝導率の高い材料からなるリング状の伝熱部６が、永
久磁石１の外周部に配設されており、その上端面はポー
ルピース２の底面に、下端面はヨーク３の底部上面にそ
れぞれ接着されている。また、永久磁石１とポールピー
ス２は直接接触しておらず、これらの間には空隙が介在
して断熱空間７を形成している。

このような構造によると、磁場空間４に置かれるフォ
ースコイルへの通電によるジュール熱は、ポールピース
２を熱するが、このポールピース２の熱は永久磁石１を
介在することなく、伝熱部材６を通ってヨーク３へと伝
わる。すなわち、熱抵抗が極端に相違する伝熱部材６と
断熱空間７の存在により、ポールピース２の熱はその殆
んどが熱抵抗の小さい伝熱部６を介してヨーク３へと伝
わって天びんベース等へと逃げ、永久磁石１を熱するこ
とがない。

第２図は本発明の他の実施例の構造を示す中央縦断面
図である。この例が第１図に示す例と相違する点は、永
久磁石１と伝熱部材６との間にも、空隙からなる断熱空
間71を設けた点である。

第１図に示す例では、伝熱部材６と永久磁石１が接触
しており、前述したように永久磁石１は通常その熱伝導
率が小さく、この接触による熱の伝導は小さいものの、
この第２図の例のように断熱空間71を設けることによ
り、断熱効果はより完全なものとなる。

第13図は、以上のような本発明実施例と第11図に示し
た従来例との、磁気回路各部の温度分布の相違を示すグ
ラフで、縦軸が上下方向（永久磁石１の磁化方向）の位
置、横軸が温度を示し、（ａ）は本発明実施例、（ｂ）
は従来例を示している。

この各グラフにおいて、ヨーク３の温度を天びんベース
等と等しくそれぞれt₁とし、フォースコイルからポール
ピース２に伝わる熱量Ｑも等しいとする。従来例では熱
抵抗の大きい永久磁石１を介してポールピース２の熱が
ヨーク３に伝達されるため、永久磁石１にはt₂′→t₁な
る大きな温度勾配が生ずる。これに対し本発明実施例に
よると、熱抵抗の小さい伝熱部材６を介してポールピー
ス２の熱がヨーク３に効率的に伝達されるため、伝熱部
材６の温度勾配はより小さくなり、従ってポールピース
２の温度t₂〜t₃も従来のt₂′〜t₃′に比して低くなり、
つまり、t₂＜t₂′，t₃＜t₃′となるとともに、断熱空間
７の存在により永久磁石１の温度はほぼ全体的にt₁とな
って温度勾配は殆んど生じない。

なお、以上の実施例では、断熱空間７または71を空隙
そのものとした例をしめしたが、多孔性材料やセラミッ
クス等の適宜の断熱材料によって断熱空間を満たしても
よい。第３図は第２図の断熱空間7,71のそれぞれを、上
記した多孔性材料等の断熱材料7a,71aで満たした例を示
している。

また、第４図は、断熱材料7a,71aに加えて、更に永久
磁石１とヨーク３との間にも断熱材料72aを介在させ、
これをヨーク３に接着した例である。

この例では、永久磁石１の全面が断熱されてより効果
的ではあるが、磁気抵抗がその分だけ増加することにな
り、磁場空間４における磁界強さが減少する。

第５図および第６は、それぞれ第２図および第４図に
おける伝熱部材６の上縁を、ポールピース２の外周面に
まで伸ばした伝熱部材61に代えた例を示している。これ
らの例によると、フォースコイルからの熱はポールピー
ス２を経由せずに伝熱部材61を介して直接ヨーク３へと
伝わることになり、温度分布は理想的なものとなる。

ただし、磁場空間４がその分狭くなるか、あるいは磁
場空間４を同等にすれば磁界が弱くなるという欠点もあ
る。結局、第１図〜第３図の例、あるいは第４図、もし
くは第５図、第６図の例のいずれを採用するかは、天び
んとしての性能やひょう量等を勘案して決定することが
望ましい。

さて、以上の各実施例では、永久磁石１とポールピー
ス２もしくはヨーク３、および伝熱部材６とポールピー
ス２もしくはヨーク３等を、それぞれ接着剤で接合する
ことによって磁気回路を組み立てた例を示したが、接着
剤によって各部材を接合することは、従来と同様、その
硬化時間が必要となって、すぐに次の行程へと進めず、
作業能率が悪いという問題があり、また、鉄粉等の異物
が入り込むとその排出が困難であって、しばしば廃棄を
予儀なくされるという問題もある。

このような問題を併わせて解決したのが、第７図乃至
第10図に示す例であり、接着剤を使用せずに各部材を組
み立てている。すなわち、伝熱部材６の上下両端と、ポ
ールピース２およびヨーク３とをそれぞれ嵌合すること
によって組み付け、永久磁石１の吸引力を利用して互い
に保持している。

第７図及び第８図に示す例は、永久磁石１として希土
類磁石を使用した場合に適した構造を示している。希土
類磁石は、保磁力は大きいが残留磁束密度はそれほど大
きくないので、磁石のエネルギを有効に使うためには大
径で偏平な形状が良い。そこで、このような形状の永久
磁石１を用いる場合、第７図に示すように、ポールピー
ス２およびヨーク３と伝熱部材６との嵌合は、ポールピ
ース２およびヨーク３の中心側を突出させ、この突出部
に伝熱部材６の内周面を嵌合することが有効である。そ
して内部に収容した永久磁石１の磁力によって、永久磁
石1,ポールピース2,ヨーク３および伝熱部材６を相互に
吸引保持する。この場合においても、断熱空間7,71内
を、第８図に示すように前記した断熱材料7a,71aで満た
してもよい。

第９図および第10図に示す例は、永久磁石１としてア
ルニコ系の磁石等を使用した場合に適した構造を示して
いる。アルニコ系等の磁石では、保磁力は小さいが残留
磁束密度は大きく、磁石のエネルギを有効に使うには、
直径は比較的小さく肉厚の、柱状の形状にする必要があ
る。このような形状の永久磁石１を用いる場合、第９図
に示すように、ポールピース２およびヨーク３と伝熱部
材６との嵌合は、ポールピース２およびヨーク３の中心
側を窪ませ、この窪みに伝熱部材６の外周面を嵌挿する
ことが有効であり、同様に永久磁石１の磁力によって、
永久磁石1,ポールピース2,ヨーク３および伝熱部材６を
相互に吸引保持することができる。また、断熱空間7,71
は、第10図に示すように断熱材料7a,71aで満たし得るこ
とも同様である。

以上の第７図乃至第10図に示した例では、接着剤を使
用しないから、従来のような硬化時間を設けることな
く、直ちに次の工程へと進むことができ、作業能率を向
上させることができる。また、内部に異物が入り込んだ
場合、分解して容易に排除することができ、再使用する
ことが可能となる。

なお、以上の第１図乃至第10図に示す構造の磁気回路
は、電磁天びん用のほか、スピーカや他の用途にも使用
することができ、また、他の形状の磁石に対しても本発
明の適用は可能である。

本発明の磁気回路は上述したように種々の態様のもの
を含むが、これを要約すると、ポールピースとヨークを伝熱部材で接続するととも
に、永久磁石とポールピース間に断熱空間を介在させた
構造、を基本とし、伝熱部材がポールピースの外周面にまで伸びている
ことを特徴とする態様（第５図，第６図）、永久磁石と伝熱部との間にも断熱空間が介在してい
ることを特徴とする態様（第２図，第３図，第４図，第
５図，第６図，第７図，第８図，第９図，第10図）、断熱空間が空隙であることを特徴とする態様（第１
図，第２図，第５図，第７図，第９図）、断熱空間が多孔質等の断熱材料であることを特徴と
する態様（第３図，第４図，第６図，第８図，第10
図）、伝熱部材とポールピースおよびヨークとが、互いに
嵌合により組み付けられ、内部の永久磁石の磁力によっ
て、永久磁石、ポールピース、ヨークよおび伝熱部材が
相互に吸引保持し合っていることを特徴とする態様（第
７図，第８図，第９図，第10図）、等がありこれら各態
様の適宜の組み合わせも可能である。

〈発明の効果〉以上説明したように、本発明によれば、ポールピース
とヨークとを伝熱部材で接続するとともに、永久磁石と
ポールピースとの間に断熱空間を介在させたから、フォ
ースコイルに電流を流すことによって生ずるジュール熱
は、伝熱部材を介してヨークへと逃げることになり、永
久磁石を熱してこれに温度勾配を生じさせることがな
い。その結果、電磁天びんに組み込んで皿上に荷重を載
せたとき、第14図に経過時間と出力（フォースコイルに
流れる電流の大きさ）との関係を示すように、従来例
（破線）では永久磁石の温度が上昇してその作る磁界が
弱くなってバランスの為の電流が経時的に大きくなる、
いわゆるクリープ現象を生じていたのに対し、本発明を
適用した例では（実線）では極めて僅かなクリープ現象
しか示さない。

以上のことから、本発明によれば、フォースコイルの
発熱による影響が少なく、従ってクリープ特性の優れた
電磁天びんを得ることができる。あるいは、従来と同等
の性能の電磁天びんを得るのに、従来よりも小形の磁気
回路を用いることができ、コストダウンおよび天びんの
小形化に寄与することろ大である。特に、希土類磁石を
永久磁石として用いる場合には、本発明に基づく効果は
極めて大きい。すなわち、希土類磁石は他の永久磁石に
比してその熱伝導率が0.025cal/cm.S.℃と小さく、ポー
ルピース、ヨーク等の材料であるFeの0.18cal/cm.S.
℃，伝熱部材に使用されるCuもしくはAlの0.94もしくは
0.53cal/cm.S.℃に比して大きく相違し、Cuを伝熱部に
使用すると約40倍も相違することになり、他の磁石材料
に比して本発明による効果は極めて大きくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の構造を示す中央縦断面図、第２乃至第10図はそれぞれ本発明の他の実施例の構造を
示す中央縦断図である。第11図は従来の磁気回路の構造を示す中央縦断面図、第12図はその電磁天びん内での使用状態の説明図であ
る。第13図は磁気回路の各部の温度分布の比較を示すグラフ
で、（ａ）は本発明実施例、（ｂ）は従来例を示してい
る。第14図は本発明実施例および従来例を電磁天びんに組み
込んだ場合の出力の経時的変化の相違を示すグラフであ
る。１……永久磁石２……ポールピース３……ヨーク４……磁場空間５……温度センサ 6,61……伝熱部材 7,71……断熱空間 7a,71a,72a……断熱材料 12……フォースコイル

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】磁場空間中に置かれたフォースコイルに電
流を流すことによって生じる電磁力を皿上荷重と平衡さ
せ、その平衡に要する電流から皿上荷重を求める天びん
において、上記磁場空間を形成するための磁気回路であ
って、永久磁石とその一方の磁極側に配置されるポール
ピースとの間に断熱空間が設けられ、かつ、そのポール
ピースは非磁性体からなる伝熱部材によって永久磁石の
他方の磁極側のヨークに接続されていることを特徴とす
る電磁天びん用磁気回路。