JP4619751B2 - 磁極対向式電磁力発生装置及び同装置の組み立て方法 - Google Patents

Description

本発明は電磁力を発生させる装置の構造及び同装置の組み立て方法に係り、特に電磁平衡式秤量装置の電磁部に用いるのに好適な電磁力発生装置の構造および同組み立て方法に関する。

電子天秤と通称される電磁平衡式の秤量装置は、荷重伝達手段を介して伝達された秤量物の荷重と平衡する電磁力を発生させることにより秤量物の荷重を計測する構成となっている。より具体的には、電磁平衡式秤量装置の荷重計測部は永久磁石（以下「マグネット」とする）により形成された磁場内に、秤量物の荷重に対応して変位する可動コイル（以下「フォースコイル」とする）が配置された構成となっている。

これにより、電磁平衡式秤量装置は、電磁力発生装置におけるマグネットの静的磁場の磁束と直交するようこのフォースコイルに電流を流すことにより発生するローレンツ力によってフォースコイルの変位をゼロとするフィードバック回路が構成され、この平衡を保つのに使用された電気量を秤量物の荷重として演算処理するよう構成された装置である。

マグネットは一定の温度係数を有しており、このためフォースコイルに流す電流により生じるジュール発熱の影響によってマグネットから発生する磁束量が変化し、秤量物の測定値に誤差が生じることになる。この問題の解決法の一つとしてマグネット近傍の温度を測定し、マグネット温度の変化量を補正値として測定値を補正する方法が採用されている。しかし、この方法は温度変化に対する追随性が必ずしも良好でなく、短時間の温度変化に対しては正確な補正が困難である。

他方、マグネットの磁束量を予め大きく設定しておけばその分フォースコイルに流す電流を少なくすることができ、結果的にジュール発熱を低減することが可能となる。
図５はこの点を考慮した電磁力発生装置を示し、２個のマグネットを用いて磁束量を高めるようにした従来構成を示している。

図５において、この装置は下部ヨ−ク５０、中間ヨーク５１、上部ヨーク５２が積み重ね配置され、これら各ヨークにより形成された内部には下段から順に、下部マグネット５３、ポールピース５４が配置され、かつポールピース５４には下部マグネット５３の極と同じ極が対向するよう上部マグネット５５が配置された、磁極対向式の磁気回路が構成されている。

フォースコイル５６はホールピース５４と中間ヨーク５１との間の環状の空間部に配置され、図示の構成では中間ヨーク５１に形成された開口５１ａを挿通する連結部材５７及びこの連結部材５７に接続する他の連結部材５８を介してビーム５９に接続し、このビーム５９を介して秤量物の荷重による変位がフォースコイル５６に伝達されるよう構成されている。
磁極対向式の磁力発生装置の例として下記先行技術が存在する。
実公平０６−０１８２４８号 特開平１０−１４２０３２号

上記構成の磁極対向式の電磁力発生装置であれば高い磁束密度が確保でき、理論的には上述のような技術上の利点が得られるはずであり、上記特許文献の如く幾つかの提案がなされている。しかし実際には、以下に示す理由により実機を構成するのが困難であったり、或いは組み立ての困難性から装置として高い組み立て精度を得ることができず、結果的に性能が予測を下回る等のため、本願出願時点において価格、性能、装置の大きさ等の点から実用的な磁極対向式電磁力発生装置は提供されていないのが実情である。

即ち、装置の組み立ての流れの中においてマグネットとして構成する素材を磁化させる時期の問題、磁化させたマグネットの磁極を対向させて配置した際の磁気による反発力の制御の問題等を具体的に解決しなければ磁極対向式の電磁力発生装置を実用的な装置として構成することはできない。

先ず、マグネットとしては高い磁力を容易に実現できる希土類磁石が用いられる。希土類磁石はサマリウム、コバルト、ネオジウム等の希土類元素を含む磁性材料を金型により圧縮成形しかつ焼成された素材を磁化（着磁）することにより製造される。この希土類磁石は上記利点を有する反面、硬度は高いが、非常に脆く隅が欠けたり或いは割れてしまう等の強度上の問題があり、しかも種類によっては酸化しやすいという問題もある。

このため、予め磁化したマグネットの磁極を対向させるようにして磁気対向式の電磁力発生装置を組み立てようとすると、両マグネットの反発力によりマグネット同志が所謂逃げてしまい、それぞれのマグネットを所定の位置に配置することが困難となり、組み立て時にマグネットの位置がずれたり、或いは一方のマグネットがヨーク外部に飛び出してしまう等、組み立てに大きな困難が生じる。

前記特許文献２は発明者等が先に提案している構成であるが、この構成においてはヨークの中心に配置されたボルトに対して下部から順に下部マグネット、ポールピース、上部マグネットを挿通して最終的にナットでこれら３個の部材を固定するよう構成してある。つまりこの構成とすることによりボルトによって各部材の位置決めを行ってそれぞれを固定するようになっている。

このように構成することによって、磁極が対向するマグネットを正確に位置決めして固定することが可能となるが、組み立て時に、下部マグネット、ポールピース、上部マグネットを一気に配置する必要があるため、特に上部マグネットをボルトに挿通する時に、磁力の反発により上部マグネットがボルトから外れたり、或いは外れるの防止するために大きな力を加えることにより上部マグネットが破損する事態が少なからず発生した。このためこの構造は性能上は満足すべきものであるものの、具体的に製品化することは困難であった。

以上の観点から、磁力発生装置を組み立てる時点ではマグネットとなるべき素材は着磁前の状態としておき、装置の組み立てが完了した後にこれら素材を着磁させる方法も考えられる。しかしこの方法においては、隣接するマグネット素材に対してそれぞれ対向する方向に磁力が発生するよう着磁させるため、強力な逆向きの外部磁場を隣接するマグネット素材に対して印加する必要がある。特に比較的大きな希土類磁石の場合、その保磁力が大きく、小さなスペースに非常に強力な着磁電流を流す必要が生じ、スペース上大きな着磁電流を流すことが困難なため、結局この方法は実施がきわめて困難である。

上述のように磁極対向式の電磁力発生装置おいては、予め磁化したマグネットを用いて装置を組み立てる構成では、磁力の反発力に起因して組み立てそのものに大きな問題が生る。また反対に装置組み立て後にマグネット素材を着磁する構成は着磁自体に技術的な問題が生じる。

本発明は上記の課題を解決するために構成されたものである。
即ち本発明は磁極対向式の電磁力発生装置の構造と、当該磁極対向式の電磁力発生装置の組み立て方法に関するものである。

先ず磁極対向式の電磁力発生装置の構造は、ヨーク内に、ポールピースを挟んで上下にマグネットが配置されかつ上下のマグネットはポールピースを挟んで対向する磁極が同じとなるよう構成した磁極対向式の電磁力発生装置であって、ヨークは下部ヨークとこの下部ヨークに固定される上部ヨークとから成り、下部ヨークには当該下部ヨークに密着する下部マグネットとこの下部マグネットに密着して下部ポールピースがねじ等の固定手段により固定されると共に当該下部ヨークには上部ヨークが下部ヨークに向かって下降することを案内する案内部材が設けられ、上部ヨークには当該上部ヨークに密着する上部マグネットとこの上部マグネットに密着して上部ポールピースがねじ等の固定手段により固定され、案内部材をを介して上部ヨークが下部ヨークに下降しかつ上下のヨークが固定されることによりヨーク内に配置された上下のポールピースは一体化され、かつ一体化したポールピースの上下に磁極を対向するようにして上下のマグネットが配置されるよう構成したことを特徴とする磁極対向式電磁力発生装置である。

また磁極対向式の電磁力発生装置の組み立て方法は、ヨークは下部ヨークとこの下部ヨークに固定される上部ヨークとから成り、下部ヨークには当該下部ヨークに密着して下部マグネット素材を配置し、この下部マグネット素材に密着して下部ポールピースを配置し、これら下部マグネット素材と下部ポールピースはねじ等の固定手段により下部ヨークに固定し、続いて下部マグネット素材を着磁し、他方上部ヨークには当該上部ヨークに密着して上部マグネット素材を配置し、この上部マグネット素材に密着して上部ポールピースを配置し、これら上部マグネット素材と上部ポールピースはねじ等の固定手段により上部ヨークに固定し、続いて上部マグネット素材を着磁した前記下部マグネットと磁極が対向するよう着磁し、この状態の上部ヨークを下部ヨークに立設したガイドピンに沿って下降させ、上部ヨークと下部ヨークを固定することにより装置を構成することを特徴とする磁極対向式電磁力発生装置の組み立て方法であることを特徴とする。

従来から、理論的には高性能化、小型化が期待されながら実際の組み立てにおいて、少なからず困難性があり、実機としては提供されていなかった磁極対向式の電磁力発生装置を、容易かつ正確に組み立てることが可能となったため、実機として磁極対向式の電磁力発生装置の本来の高性能をはじめて発揮する事が可能となり、高性能かつ小型の装置を提供することが可能となる。

下部ヨークに対して下部マグネット、下部ポールピースを固定し下部ヨークユニットを構成する。一方上部ヨークに対して上部マグネット、上部ポールピースを固定し上部ヨークユニットを構成する。上下のヨークユニットが構成された時点で各マグネットはそれぞれ磁極が対向するように着磁されている。上部ヨークユニットは下部ヨークユニットに突設されたガイドピンを挿通孔に挿通することにより位置決めされ、この状態でガイドピンに沿って上部ヨークユニットを下降させ、最終的に両ユニットをボルト止めする。

以下、本発明の実施例を図面を参考に説明する。
図１は本発明に係る磁極対向式の電磁力発生装置の平面を、図２はその断面を、図３は装置の組み立て状態を、図４は組み立て完了後の状態を示す。

本実施例の構成をその組み立て順序に沿って説明すれば次のとおりである。
主として図２及び図３において、符号１は下部ヨークであり、この下部ヨーク１は図４に示す如く円筒形に形成されており、その内部は上部が開放されたマグネット収納空間１ａとなっている（図３参照）。またマグネット収納空間１ａの底面中央にはねじ穴１ｂが形成されている。

２は下部マグネット、３は下部ポールピースであって何れも前記ねじ穴１ｂに螺合するねじ４により下部ヨーク１に固定されている。これら下部マグネット２及び下部ポールピース３は何れも平面円形に形成され、これにより前記マグネット収納空間１ａはリング状の空間となり、リング状に形成されたフォースコイル（図示せず）がこのリング状空間に配置されるようになっている。符号５Ａ、５Ｂは下部ヨーク１の上部端縁に立設したガイドピンである。

なお、上記構成において下部マグネット２は下部ヨーク１の組み立て前に既に着磁させておいてもよいが、上下のヨーク部分の組み立てが完了した後に着磁させる方がより作業性を高めることができるので、以下組み立て後に着磁させる場合を例に説明する。

一方符号６は上部ヨークであって、前記下部ヨーク１に対して固定されかつ下部ヨーク１に対する蓋としての機能を果たす部材である。上部ヨーク６の中央にもねじ穴６ａが形成され、このねじ穴６ａに螺合するねじ７により当該上部ヨーク６に対して上部マグネット８及び上部ポールピース９が固定されている。なお、これら上部マグネット８及び上部ポールピース９は前記下部マグネット２及び下部ポールピース３と同一の平面形状を有している。

このようにして上下のヨーク１及び６に対して、それぞれマグネット（着磁前のマグネット素材）及びポールピースが固定されたならば、上下のマグネット（素材）２及び８を着磁させる。この場合上下のヨーク部分は一体化されていないため、着磁機の使用において空間的な制約はなく各素材を容易に着磁させることができる。

着磁機を用いて上下のマグネット２、８を着磁させるわけであるが、この場合マグネット２、８の対向位置する面、即ち下部ポールピース３と接触するマグネット２の上面部と上部ポールピース９と接触するマグネット８の下面部とが例えばＮ極となるよう同極に着磁する。

下部マグネット２及び上部マグネット８の着磁が完了したならば、フォースコイル（図示せず）を下部ヨーク１のフォースコイル配置空間に配置した状態で、図３の如く上部ヨーク６を下部ヨーク１の上部に配置し、かつ上部ヨーク６のピン挿通孔１０Ａ、１０Ｂに下部ヨーク１側のガイドピン５Ａ、５Ｂを挿通し、このガイドピン５Ａ、５Ｂに沿って上部ヨーク６を下降させる。

この場合、上部ヨーク６の下降に伴って、同極が対向位置する上下のマグネット８及び２の反発力が強くなるが、上部ヨーク６を下方に押圧することにより、２本のガイドピン５Ａ、５Ｂにより所謂逃げを生じることなく正確な位置を保持したまま上部ヨーク６は下降し、最終的に図２に示すように上下のヨーク６、１は密着され、この状態でねじ１１Ａ、１１Ｂにより両者は固定される。なお、図２において、ねじ１１Ａがねじ穴６ａに螺合しているように描かれているが、図１からも明らかなように図２の視点によりたまたまねじ１１Ａがねじ穴６ａに重なった位置となっているが、ねじ穴６ａに螺合するのはあくまでもねじ７である。また図２の符号１ｃは装置組み立て後のフォースコイル配置空間であるが、上下のヨーク６、１を固定する前にこの空間１ｃが形成される位置にフォースコイルが配置され、この状態で上下のヨーク６、１を固定して装置を完成させる。

以上のようにして上下のヨーク部分を一体化することにより、図２の如く上下のポールピース９、３は密着して一つのポールピースとして機能することになり、この一体化したポールピースの上下に磁極が対向位置するマグネット８および２が配置され、磁極対向式の電磁力発生装置が構成される。

なお、磁力発生装置の組み込み対象が決まっている場合には、マグネット２を着磁した後、下部ヨーク１を秤量装置（電子天秤）の磁力発生装置取付部に先ず固定し、図示しないフォースコイル及びフォースコイルが固定された天秤のビーム（さお）を下部ヨーク１内に配置し、しかる後に上記手順で上部ヨーク部分をこの下部ヨーク１に固定するようにしてもよい。符号１４はこのビームが位置するガイド溝である。

また図１及び図４の符号１２Ａ、１２Ｂは天秤の質量センサ部に組み立て済の電磁力発生装置を固定するためのねじ穴である。また、図２の符号１３は温度センサであり、この温度センサを配置することにより本発明の磁極対向式の構成に加え、温度補正をして秤量装置としての精度をより向上させることができる。

本発明の構成とすることにより、磁極対向式の電磁力発生装置を容易に着磁可能とし、またマグネットの反発力に抗して正確且つ容易に組み立てることが可能となるため、小型の電磁力発生装置から発生する磁力の極めて大きな大型の電磁力発生装置まで全て構成可能であり、この電磁力発生装置により小型の電子天秤から秤量の大きな大型の電子天秤まで構成可能となり、特にフォースコイルで発生するジュール熱がクリープ現象として顕著に現れるマイクロ天秤等の高分解能機種の性能改善が可能となる。

本発明に係る磁極対向式電磁力発生装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ線による断面図である。 図１のＢ−Ｂ線による断面図であって、装置の組み立て状態を示す図である。 本発明に係る磁極対向式電磁力発生装置の斜視図である。 従来の磁極対向式電磁力発生装置の断面図である。

符号の説明

１ 下部ヨーク
１ａ （下部ヨークの）マグネット収納空間
１ｂ （下部ヨークの）ねじ穴
１ｃ フォースコイル収納空間
２ 下部マグネット
３ 下部ポールピース
４ ねじ
５Ａ、５Ｂ ガイドピン
６ 上部ヨーク
６ａ （上部ヨークの）ねじ穴
７ ねじ
８ 上部マグネット
９ 上部ポールピース
１０Ａ、１０Ｂ ガイドピン挿通孔
１１Ａ、１１Ｂ 上下ヨーク固定用ねじ
１２Ａ、１２Ｂ 電磁力発生装置固定用ねじ穴
１３ 温度センサ
１４ 電磁力伝達部材（ビーム／さお）のガイド溝

Claims (5)

1. ヨーク内に、ポールピースを挟んで上下にマグネットが配置されかつ上下のマグネットはポールピースを挟んで対向する磁極が同じとなるよう構成しかつこれらマグネット及びポールピースの周囲にフォースコイルが配置されフォースコイルに通電することにより電磁力を発生するよう構成された磁極対向式の電磁力発生装置において、ヨークは下部ヨーク（１）とこの下部ヨーク（１）に固定される上部ヨーク（６）とからなり、下部ヨーク（１）には下部マグネット（２）とこの下部マグネット（２）に密着して下部ポールピース（３）が固定手段により固定されると共に当該下部ヨーク（１）には上部ヨーク（６）が下部ヨーク（１）に向かって下降するのを案内する案内部材が設けられ、上部ヨーク（６）には当該上部ヨーク（６）に密着する上部マグネット（８）とこの上部マグネット（８）に密着して上部ポールピース（９）が固定手段により固定され、案内部材を介して上部ヨーク（６）が下部ヨーク（１）に下降しかつ上下のヨーク（６）、（１）が固定されることによりヨーク内に配置された上下のポールピース（９）、（３）は一体化され、かつ一体化したポールピースの上下に磁極を対向するようにして上下のマグネット（８）、（２）が配置され、下部ヨーク（１）とこれら一体化された上下のポールピースと上下のヨークとの間に形成されたフォースコイル収納空間（１ｃ）内にフォースコイルが収納されるよう構成したことを特徴とする磁極対向式電磁力発生装置。
2. 上部ヨーク（６）の下降を案内する案内部材は、下部ヨーク（１）に立設したガイドピンと、上部ヨーク（６）に設けたガイドピン挿通孔であることを特徴とする請求項１記載の磁極対向式電磁力発生装置。
3. 下部ヨーク（１）の底面中央にはねじ穴（１ｂ）が形成され、このねじ穴（１ｂ）に螺合するねじ（４）により下部マグネット（２）、下部ポールピース（３）が下部ヨーク（１）に固定され、同様に上部ヨーク（６）の中央にもねじ穴（６ａ）が形成され、このねじ穴（６ａ）に螺合するねじ（７）により上部マグネット（８）、上部ポールピース（９）が上部ヨーク（６）に固定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の磁極対向式電磁力発生装置。
4. ヨーク内に、ポールピースを挟んで上下にマグネットが配置されかつ上下のマグネットはポールピースを挟んで対向する磁極が同じとなるよう構成しかつこれらマグネット及びポールピースの周囲にフォースコイルが配置されフォースコイルに通電することにより電磁力を発生するよう構成された磁極対向式の電磁力発生装置を組み立てる方法において、ヨークは下部ヨーク（１）とこの下部ヨーク（１）に固定される上部ヨーク（６）とから成り、下部ヨーク（１）には当該下部ヨーク（１）に密着して下部マグネット素材を配置し、この下部マグネット素材に密着して下部ポールピース（３）を配置し、これら下部マグネット素材と下部ポールピース（３）は固定手段により固定され、続いて下部マグネット素材を着磁して下部マグネット（２）とし、他方上部ヨーク（６）には当該上部ヨーク（６）に密着して上部マグネット素材を配置し、この上部マグネット素材に密着して上部ポールピース（９）を配置し、これら上部マグネット素材と上部ポールピース（９）は固定手段により固定され、続いて上部マグネット素材を前記下部マグネット（２）と磁極が対向するよう着磁して上部マグネット（８）とし、フォースコイル収納空間（１ｃ）となるべき位置にフォースコイルを配置し、この状態で上部ヨーク（６）を下部ヨーク（１）に立設したガイドピンに沿って下降させ、上部ヨーク（６）と下部ヨーク（１）を固定することにより装置を構成することを特徴とする磁極対向式電磁力発生装置の組み立て方法。
5. 上部ヨーク（６）又は下部ヨーク（１）に固定されるマグネットのうち、少なくとも一方は、上下いずれかのヨークに固定される前に着磁されていることを特徴とする請求項４記載の磁極対向式電磁力発生装置の組み立て方法。

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