JP2522323B2

JP2522323B2 - 電磁力発生装置

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Publication number: JP2522323B2
Application number: JP62240190A
Authority: JP
Inventors: 晟河本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1987-09-24
Filing date: 1987-09-24
Publication date: 1996-08-07
Anticipated expiration: 2011-08-07
Also published as: JPS6480899A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、電子天びんや力測定器等に用いるのに適し
た電磁力発生装置に関する。

＜従来の技術とその問題点＞従来の電磁力発生装置は、永久磁石と、電流を流すコ
イルとを組み合わせて構成されている。

ところで、電磁力平衡型の電子天びんでは、皿上荷重
に対抗する電磁力を発生し、平衡状態における電磁力を
発生するに要したコイル電流から、皿上荷重を測定す
る。このような電子天びんに、従来の電磁力発生装置を
用いると、永久磁石の温度係数に起因して高精度化が困
難であるという問題がある。

すなわち、永久磁石は希土類系で約400ppm/℃，アル
ニコ系でも約200ppm/℃の磁場温度係数を有し、従って
このような永久磁石を用いた電磁力発生装置は、上述の
オーダでその発生電磁力が温度に依存して変化すること
になる。読み取り限度が極めて小さい精密天びんでは、
測定値を完全に温度に対して補償するには0.1ppm/℃程
度が必要となるが、0.01℃〜0.005℃の精度で温度を測
定してその結果に基づいて測定値を補正しても、2ppm/
℃程度の温度計数しか得られないのが実状である。

また、電磁力発生装置のコイルに流す電流に起因して
発生する熱は、電子天びん内部で対流を生じさせ、ゼロ
ドリフト発生の原因ともなっている。

そこで、これらの諸問題点を解決すべく、電磁力発生
装置に超電導体を用いることが考えられる。この場合、
一般的には第11図に示す構造が考えられる。この構造
は、超電導体の完全反磁性体としての反発力を直接利用
したもので、電子天びんの電磁力発生装置に応用した例
を示している。すなわち、皿（図示せず）に係合して支
点104の回りを回動自在のレバー103の一端に超電導体10
1を固着し、その超電導体101に対向させてコイル102を
配設している。皿に荷重Ｐが作用するとレバー103が傾
くが、この傾きをフォトセンサ105等で検出し、荷重Ｐ
に抗してレバー103の傾きが０となるような力Ｆを発生
すべく、アンプ106,PID制御器107によってコイル102に
電流を供給する。平衡状態、つまりレバー103の傾きが
０となった状態でコイル102に流れる電流ｉから、荷重
−Ｆの大きさを知ることができる。なお、108は出力抵
抗である。

このような構成において、コイル102に電流ｉが流れ
ると、超電導体101の内部に電流が流れ、コイル102とは
逆向きの磁界を発生するため、超電導体101とコイル102
の間に反発力ｆが発生する。この力ｆは、コイル102に
流れる電流ｉによるコイル102が発生する磁界の強さ
と、電流ｉに基づく超電導体101に流れる電流による超
電導体101が発生する磁界の強さによって決定するか
ら、K₁をレバー比を含めた定数とすると、前述した力Ｆ
は、Ｆ＝K₁i² ……（１）となり、電子天びん等のように電流ｉと力Ｆとの関係に
直線性を要求される通常の測定用途には不向きとなって
しまう。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、供給する電流
ｉと発生する力Ｆとの間に極めて良好な直線関係を有
し、しかも、発生力Ｆの音読依存性が少なく、力発生時
における発熱量が少なく、更に大きな力を高精度に発生
することができ、もって電子天びん等に用いて従来の諸
問題点を一挙に解決し、大容量で高精度の電子天びん等
を得ることのできる、電磁力発生装置の提供を目的とし
ている。

＜問題点を解決するための手段＞上記の目的を達成するため、第１の発明は、実施例図
面である第１図に示すように、リング状の超電導体１
と、この超電導体１を挟んでその両端面側に配設された
第１および第２のコイル２および３と、この第１および
第２のコイル２および３に電流を供給する回路手段（例
えばパワーアンプ11,PID制御器12等）を備え、超電導体
１には永久電流を流すとともに、第１および第２のコイ
ル２および３には互いに逆向きの電流を供給し得るよう
構成したことによって、特徴づけられる。

第２の発明は、その実施例図面である第６図に示すよ
うに、互いに端面を対向させて配設された２個の超電導
体21および22と、その２個の超電導体21および22の間に
配設されたコイル23と、そのコイル23に電流を供給する
回路手段（例えばパワーアンプ11,PID制御器12等）を備
え、対向する２個の超電導体21および22には互いに逆向
きの永久電流を流すよう構成したことによって、特徴づ
けられる。

＜作用＞第１の発明において第１および第２のコイル２および
３に逆向きの電流を流すことにより、これらが作る磁界
は逆向きとなり、これらの間に介在するリング状の超電
導体１に例えば第２のコイル３と同方向の永久電流を流
しておれば、この超電導体１が作る磁界の向きは第２の
コイル３と同じ向きとなり、第５図（ａ）に示すよう
に、超電導体１には、第１のコイル２との間に反発力
f₁,第２のコイル３との間に吸引力f₂が作用し、f₁＋f₂
の力が発生することになる。

第２の発明において対向する２個のリング状の超電導
体21と22に、互いに逆向きの永久電流を流しておき、こ
れらの間のコイル23に例えば超電導体22と同じ向きの電
流を流すと、第10図に示すように、コイル23には、超電
導体21との間に反発力f₁,超電導体22との間に吸引力f₂
が作用し、f₁＋f₂の力が発生することになる。

第１および第２の発明において、反発力f₁と吸引力f₂
との和にレバー比を乗じて得られる力Ｆは、このレバー
比と、超電導体1,または21と22に流れる永久電流の大き
さ等を含む定数をK₂としたとき、コイル２と3,または23
に流れる電流ｉに対して、Ｆ＝K₂i ……（２）なる直線関係にある。

＜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図は第１の発明の実施例を示す構成図で、電子天
びんに適用した例を示している。

セラミックス等の超電導材料をリング状に焼成してな
る超電導体１を挟んで、その上下両端面側に第１および
第２のコイル２および３が、それぞれ超電導体１と同軸
上に配設され、かつ、装置の基体に固着されている。

超電導体１にはあらかじめ所定の大きさの永久電流が
流されている。この超電導体１は、支点４を中心に回動
自在のレバー５の一端に固着されており、このレバー５
の他端は皿（図示せず）に係合している。レバー５の傾
きが０の状態では、超電導体１は第１および第２のコイ
ル２および３と平行で、かつ、中央に位置するよう設定
されている。

第１および第２のコイル２および３には、レバー５の
傾きを検出値とするサーボ機構により決定される電流ｉ
が、互いに逆向きに供給される。すなわち、レバー５に
はポインタ5aが付されており、そのポインタ5aの位置を
フォトセンサ10で検出し、その出力がアンプ11,PID制御
器12に供給され、レバー５の傾きが０となるような電流
ｉが第１および第２のコイル２および３に互いに逆向き
に流される。この第１および第２のコイル２および３に
流れる電流ｉは、出力抵抗13によって電圧値に変換さ
れ、荷重測定値として出力される。

PID制御器12と第２のコイル３とを接続する導線上に
はスイッチS₁が挿入されており、このスイッチS₁の切換
えによって、破線で示すように第２のコイル３を定電流
源14に接続することができる。また、第２のコイル３と
第１のコイル２とを接続する導線上には、互いに連動す
るスイッチS₂およびS₃が挿入されており、このスイッチ
S₂,S₃を切換えて破線の状態にすることにより、第１お
よび第２のコイル２および３には互いに同じ向きに電流
を流すことができる。通常の使用時にはS₁〜S₃はそれぞ
れ第１図実線で示す位置に設定される。

以上の実施例において、皿に試料を載せることによっ
てレバー５に荷重Ｐが作用すると、レバー５が傾き、サ
ーボ機構の働きにより第１および第２のコイル２および
３に逆向きの電流が流れる。超電導体１に流す永久電流
の向きを第２のコイル３の電流の向きと同じ向きとして
おけば、第５図（ａ）に示すように、超電導体１と第２
のコイル３は同じ向きの磁界を発生し、第１のコイル２
はこれらと逆向きの磁界を発生するから、超電導体１は
第１のコイル２に反発され、第２のコイル３に吸引され
る。この反発力f₁および吸引力f₂はともに超電導体１を
下方に変位させる向きであるから、レバー５にはその和
f₁＋f₂の力が作用する。サーボ機構により、荷重Ｐに抗
してレバー５の傾きが０となる力Ｆをレバー５の先端部
に作用させたときの、第１および第２のコイル２および
３に流れる電流をｉとすると、力F,すなわち荷重Ｐは、
レバー５のレバー比と、超電導体１に流れている永久電
流の大きさ等を含む定数をK₂としたとき、前記した
（２）式で示される。すなわち、発生電磁力Ｆはコイル
電流ｉと直線関係にある。しかも、荷重Ｐと力Ｆとがつ
りあった状態では、超電導体１には、互いに等しい大き
さの反発力と吸引力が対称に作用しているので、上述の
直線関係は極めて良好となり、高精度の荷重測定を行え
る。

また、超電導体１の作る磁界の強さは流す永久電流の
大きさによって決まり、温度変化に対して極めて安定し
ているとともに、永久電流を大きくすることによって、
第1,第２のコイル2,3に流す電流を大きくすることな
く、大きな力を発生することができる。

次に、超電導体１への着磁、つまり永久電流のセット
方法について説明する。この着磁は、装置製造時もしく
は何らかの理由で超電導体１が常電導状態になってしま
ったときに行われる。

まず、スイッチS₂およびS₃を第１図破線の状態に切換
える。次に、超電導体１を加熱する等により常電導の状
態とした後、スイッチS₁を破線の状態に切換える。これ
により、第１および第２のコイル２および３は、第５図
（ｂ）に示すように、同じ向きの磁界を発生し、常電導
状態の超電導体１のリング内空間に磁束ができる。その
状態で冷却する等によって超電導体１を超電導状態に
し、スイッチS₁を実線の状態に戻す。これにより、第1,
第２のコイル2,3による磁束は無くなるが、超電導体１
には、電磁誘導により元の磁束の減少を妨げる方向に起
電力が発生し、結局、第1,第２のコイル2,3による磁束
と同一の磁束を発生するのに必要な電流が、永久電流と
して流れることになる。

なお、以上の実施例では、超電導体１を変位自在に支
承して発生した電磁力をこの超電導体１を介して外部に
取り出す場合を説明したが、第２図に示すように、超電
導体１を基体に固着し、第１および第２のコイル２およ
び３をレバー５に固着して一体的に変位するよう構成す
ることができる。また、第３図に示すように、超電導体
１と第１および第２のコイル２および３を、強磁性体も
しくは超電導体で形成されたシールド部材30内に収容し
て磁気シールドすれば、磁気洩れを少なくすることがで
きる。更に、第４図に示すように、強磁性体40を超電導
体１に固着してその周囲を囲み、磁気シールドとヨーク
を兼用させ、更にその外方に超電導体のシールド部材41
を設け、更には超電導体1,第１および第２のコイル２お
よび３の中心に強磁性体のポールピース42を配設すれ
ば、磁界の利用率が高く、かつ、シールドもより完全な
電磁力発生装置が得られる。

第６図は第２の発明の実施例を示す構成図で、同様に
電子天びんに適用した例を示している。なお、この図に
おいて、第１図と同一の部材については同一の番号を付
し、その説明を省略する。

セラミックス等の超電導材料をリング状に焼成してな
る２個の超電導体21および22は、互いに平行、かつ、同
軸上に、互いの端面を対向させた状態で装置の基体に固
着されている。この超電導体21と22の間に、コイル23が
これらと同軸上に配設されている。

コイル23は第１図と同様のレバー５に固着されてお
り、また、レバー５の傾きを検出値とするサーボ機構に
より決定される電流ｉが供給される。このサーボ機構も
第１図と同じであり、コイル23には、レバー５の傾きが
０となるような電流ｉが供給され、その電流ｉは出力抵
抗13によって電圧値に変換される。

２個の超電導体21と22には、あらかじめ互いに逆向き
の永久電流が流されている。

以上の構成において、皿を介してレバー５に荷重Ｐが
作用すると、レバー５が傾き、サーボ機構の働きによっ
てコイル23に電流が流れる。コイル23に流れる電流の向
きを、下側の超電導体22の永久電流の流れる向きと同じ
向きにしておけば、第10図に示すように、コイル23は、
超電導体22と同じ向き、超電導体21とは逆向きの磁界を
発生するから、コイル23は超電導対21には反発され、超
電導体22には吸引される。この反発力f₁と吸引力f₂は同
じ向きとなり、レバー５にはその和f₁＋f₂の力が作用す
る。レバー５の傾きが０となる力Ｆを荷重部Ｐの作用点
に作用させたときのコイル23に流れる電流をｉとする
と、力F,ひいては荷重Ｐは、レバー比、超電導体21およ
び22に流れている永久電流の大きさ等を含む定数をK₂と
すると、前記した（２）式で示される。すなわち、第１
図の場合と同様、発生電磁力Ｆとコイル電流ｉとは直線
関係にあり、また、荷重Ｐと力Ｆがつりあった状態で
は、超電導体21と22に流れる永久電流の大きさを等しく
しておくことにより、コイル23には互いに等しい大きさ
の反発力と吸引力が対称に作用するから、その直線関係
は極めて良好となる。

更に、超電導体21,22の作る磁界強さの対温度安定性
や、コイル23に流す電流が小さくても大きな力を発生し
得る点は、第１の発明と同等である。

この第２の発明においても、変位自在に配設して発生
電磁力を外部に取り出すための部材を入れ替え得ること
は勿論で、第７図に示すように、コイル23を基体に固着
し、超電導体21と22をレバー５に固着して一体的に変位
するよう構成することができる。

また、第８図に示すように、超電導体21と22,および
コイル23の全体を強磁性体80でシールドすると、この強
磁性体80はヨークを兼用することになり、磁気回路の抵
抗が減少して磁場温度が得やすくなると同時に、外部へ
の漏洩磁束が大幅に減り、天びんに使用する場合に非常
に有効となる。更にこの強磁性体80の外側を超電導体で
囲めば、超電導のマイスナー効果により、一層完全なも
のとなる。更にまた、第９図に示すように、強磁性体の
ポールピース90を超電導体21,22およびコイル23の中心
軸に沿って配設すれば、磁気抵抗が更に減少し、磁気の
有効利用が計れる。

また、第９図に併記するように、超電導体21および22
とそれぞれ同軸に、これらを着磁するためのコイル91お
よび92を設けると、一層便利である。すなわち、超電導
体21および22を着磁するときに、これらを加熱する等に
よって常電導の状態とし、コイル91および92に互いに逆
向きの電流を流す。次に超電導体21および22を再び超電
導状態に戻し、コイル91および92への給電を停止する。
これにより、超電導体21および22には電磁誘導により、
互いに逆向きの永久電流が流れる。

以上説明した第１および第２の発明において、超電導
体1,または、21および22には、セラミックスをはじめと
する焼成体で１巻のリング状に形成したもののほか、線
材を多数巻きにしたものを使用することができる。ただ
し、本発明の用途からして、強大な磁界を得ることが主
目的ではないため、必ずしも多数巻きにする必要はな
く、セラミックス超電導体等の成形の容易なものを用い
る方がコスト的に望ましい。

また、コイル２および3,または23をも超電導体にする
と、コイル電流を流すことによるジュール熱の発生が皆
無となり、熱対流の発生がなくなり、電子天びんに使用
してゼロドリフトの発生を著しく低減させることができ
る。

更に、コイル２および3,または23に流す電流は、第１
図または第６図に示すように直流に限定されることな
く、一定の大きさの電流を例えばチョッピングによって
パルス状にし、そのパルスデューティを変化させること
によって発生電磁力を制御する方式を採用し得ることは
勿論である。

＜発明の効果＞以上説明したように、本発明によれば、１個または互
いに対向するリング状の超電導体に永久電流を流すこと
によって生じる磁界と、１個の超電導体を挟んで互いに
対向する２個のコイル、または２個の超電導体の間に挿
入された１個のコイルに制御電流を流すことによって生
じる磁界とにより、反発力および吸引力を発生させるよ
う構成したから、コイルに流す電流と発生力との間に極
めて良好な直線関係を持たせることができると同時に、
磁界強さが従来の永久磁石のように温度に依存すること
がなく温度係数の極めて小さい電磁力発生装置を得るこ
とができる。また、コイルに流す電流を大きくすること
なく比較的大きな力の発生が可能となることから、コイ
ルの発熱による対流が発生しにくい。これは、コイルに
超電導体を用いることにより、より完全となる。以上の
ことから、精密電子天びんに用いて、前述した従来の諸
問題点を一挙に解決することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明の実施例の構成図、第２図乃至第４図はそれぞれその第１の発明の他の実施
例の要部構成図、第５図は第１図に示す実施例の作用説明図である。第６図は第２の発明の実施例の構成図、第７図乃至第９図はそれぞれその第２の発明の他の実施
例の要部構成図、第10図は第６図に示す実施例の作用説明図である。第11図は一般的に考えられる、超電導体を用いた電磁力
発生装置の構成例を示す図である。１……超電導体２……第１のコイル３……第２のコイル４……支点５……レバー 5a……ポインタ 10……フォトセンサ 11……アンプ 12……PID制御器 13……出力抵抗 14……定電流源 S₁,S₂,S₃……スイッチ 21,22……超電導体 23……コイル

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】リング状の超電導体と、この超電導体を挟
んでその両端面側に配設された第１および第２のコイル
と、この第１および第２のコイルに電流を供給する回路
手段を備え、上記超電導体には永久電流を流すととも
に、上記第１および第２のコイルには互いに逆向きの電
流を供給し得るよう構成してなる、電磁力発生装置。
【請求項２】上記第１および第２のコイルに互いに同じ
向きの電流を流すための切換回路を有し、この第１およ
び第２のコイルへの同じ向きへの給電により、上記超電
導体に流す永久電流をセットし得るよう構成したことを
特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の電磁力発生装
置。
【請求項３】上記第１および第２のコイルが装置基体に
固着され，上記超電導体がこの第1,第２のコイル間で変
位自在に配設されてなり、発生した電磁力を上記超電導
体を介して外部に取り出すよう構成したことを特徴とす
る、特許請求の範囲第１項または第２項記載の電磁力発
生装置。
【請求項４】上記超電導体が装置基体に固着され、その
超電導体を挟んで上記第１および第２のコイルが一体的
に変位し得るよう構成されており、発生した電磁力を上
記第１および第２のコイルを介して外部に取り出すよう
構成したことを特徴とする、特許請求の範囲第１項また
は第２項記載の電磁力発生装置。
【請求項５】上記第１および第２のコイルがそれぞれ超
電導材料で形成されていることを特徴とする、特許請求
の範囲第１項、第２項、第３項または第４項記載の電磁
力発生装置。
【請求項６】互いに端面を対向させて配設された２個の
リング状の超電導体と、その２個の超電導体の間に配設
されたコイルと、そのコイルに電流を供給する回路手段
を備え、上記２個の超電導体には互いに逆向きの電流を
流すよう構成された電磁力発生装置。
【請求項７】上記２個の超電導体が装置基体に固着さ
れ、上記コイルがこの２個の超電導体間で変位自在に配
設されてなり、発生した電磁力を上記コイルを介して外
部に取り出すよう構成したことを特徴とする、特許請求
の範囲第６項記載の電磁力発生装置。
【請求項８】上記コイルが装置基体に固着され、そのコ
イルを挟んで上記２個の超電導体が一体的に変位し得る
よう構成されてなり、発生した電磁力を上記２個の超電
導体を介して外部に取り出すよう構成したことを特徴と
する、特許請求の範囲第６項記載の電磁力発生装置。
【請求項９】上記２個の超電導体がその外方において強
磁性体のヨークで互いに接続されていることを特徴とす
る、特許請求の範囲第６項，第７項または第８項記載の
電磁力発生装置。
【請求項１０】上記２個の超電導体およびコイルの中心
に、強磁性体のポールピースが配設されていることを特
徴とする、特許請求の範囲第９項記載の電磁力発生装
置。