JP6096058B2 - 電磁平衡式秤量装置の電磁力発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁平衡式秤量装置に使用される、磁石とフォースコイルとの組合せから成る電磁力発生装置に関し、少ない電流が流れるフォースコイルに大きな力が作用するように構成したものである。

電磁平衡式秤量装置は、棹（ビーム）を介して伝達される被計量物の荷重に釣り合う電磁力を電磁力発生装置で発生させ、そのときにフォースコイルに流れる電流量から被計量物の荷重を算出する。
従来の電磁平衡式秤量装置に用いられている電磁力発生装置は、下記特許文献１に従来例として開示されているように、図１５の構成を有している。
この電磁力発生装置は、スピーカー型と呼ばれており、永久磁石５１、ポールピース５２及びヨーク５３から成る磁気回路と、ヨーク５３の内周上部に形成された磁極部５３ａとポールピース５２との間に生ずる磁場内に配置されたフォースコイル５４とを有し、フォースコイル５４が巻回された巻枠５５にビーム５０が連結される。

磁石は一定の温度係数を有しており、そのため、フォースコイルに流れる電流に起因するジュール熱の影響で磁石から発生する磁束量が変化し、荷重の測定値に誤差が生じることになる。
このジュール熱の影響は、磁石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るので、結果的に低減できる。

この点を考慮した電磁力発生装置が、下記特許文献２に記載されている。この装置は、図１６に示すように、磁気回路が、積み重ねられた下部磁石６１とポールピース６３と上部磁石６２と、それらを囲む下部ヨ−ク６４と中間ヨーク６５と上部ヨーク６６とで構成されている。下部磁石６１と上部磁石６２とは、同じ極が対向するように配置されている。
また、フォースコイル６７は、ポールピース６３と中間ヨーク６５との間の環状の空間部に配置され、フォースコイル６７に連結する連結部材６７が、中間ヨーク６５に形成された開口６９から導出されてビーム５０に連結している。
この装置では、上部磁石６２及び下部磁石６１から発生した磁束が、ポールピース６３と中間ヨーク６５との間を流れるため、フォースコイル６７に鎖交する磁束密度が高くなり、フォースコイル６７に作用する電磁力が増加する。

特開２０１２−０１３４６５号公報 実公平６−１８２４８号公報

電磁平衡式秤量装置は、製造ラインに組み込まれて、ラインに流れる製品の計量などに利用されるが、多数の計量装置を製造ライン上の狭い場所に並べるには、電磁力発生装置の小型化が必要になる。
しかし、電磁力発生装置を小型化した場合、フォースコイルに作用する磁気回路の磁束密度の低下が避けられない。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、小型化した場合でも、フォースコイルの電流量を上げずに、フォースコイルに作用する電磁力を更に高めることが可能な電磁力発生装置を提供することを目的としている。

本発明は、電磁平衡式秤量装置に用いる、磁気回路とフォースコイルとを備える電磁力発生装置であって、磁気回路は、第１の磁石と、第１の磁石と磁極の向きが対向する第２の磁石と、第２の磁石と磁極の向きが対向する第３の磁石と、第１の磁石と第２の磁石との間に配置された第１のポールピースと、第２の磁石と第３の磁石との間に配置された第２のポールピースと、第１の磁石、第１のポールピース、第２の磁石、第２のポールピース及び第３の磁石から成る配列を取り囲むヨークと、ヨークの第１のポールピースに対向する内面に配置された第１の対向ヨーク部と、ヨークの第２のポールピースに対向する内面に配置された第２の対向ヨーク部と、を備え、フォースコイルは、第１のポールピースと第１の対向ヨーク部との間の空間に配置された第１のコイルと、第２のポールピースと第２の対向ヨーク部との間の空間に配置された第２のコイルと、を備え、第１のコイル及び第２のコイルは、同一方向の電磁力が作用するように、同一の巻枠に逆向きに巻回されている、ことを特徴とする。
この装置では、フォースコイルの第１のコイルが配置される第１のポールピースと第１の対向ヨーク部との間の磁束の向きが、フォースコイルの第２のコイルが配置される第２のポールピースと第２の対向ヨーク部との間の磁束の向きと逆になる。そのため、第１のコイルと第２のコイルの巻回方向を逆向きにすることで、第１のコイルに作用する電磁力と、第２のコイルに作用する電磁力とが同一方向となり、フォースコイルには、それらが加算された強い力が働く。

また、本発明の電磁力発生装置では、第１の磁石、第１のポールピース、第２の磁石、第２のポールピース及び第３の磁石から成る配列が円柱を構成し、この円柱の円周面に凹凸が存在しないことが望ましい。
この円柱の円周面から第１及び第２のポールピースの周縁が延出していると、第１及び第２のコイルに鎖交する磁束の量が減少し、コイル位置での磁束密度分布の均一性が低下することが測定結果から見いだされた。

また、本発明の電磁力発生装置では、第１のポールピースと第２のポールピースとの間隔を規定する第２の磁石の厚さが、第１の磁石及び第３の磁石の厚さよりも厚いことが望ましい。
第２の磁石の厚さを、第１の磁石及び第３の磁石より厚くすることで、ヨークの上側ヨーク部及び下側ヨーク部からの漏洩磁束を低減できる。

また、本発明の電磁力発生装置では、第１の磁石及び第２の磁石を、希土類元素を含む磁性材料の圧縮成形体を焼結した偏平な希土類磁石で構成する。
こうすることで、電磁力発生装置の高さを抑え、小型化することができる。

本発明の電磁力発生装置は、小型化しても、フォースコイルに強い力が作用するため、フォースコイルの電流量を上げる必要がない。
そのため、本発明の電磁力発生装置を用いることで、小型で精度の高い電磁平衡式秤量装置の製造が可能になる。

本発明の実施形態に係る電磁力発生装置の外形を示す図 図１の装置の断面図 図１の装置のヨーク本体を示す図 図１の装置のヨークカバーを示す図 図１の装置のボビンを示す図 図１の装置の連結部品を示す図 図１の装置の磁石、ポールピース、ヨーク、フォースコイルの関係を示す図 図７の装置の磁束分布を示す図 図７の装置における磁束密度の均一性を示す図 ポールピースが突出する場合の磁束分布を示す図 ポールピースが突出しない場合の磁束分布を示す図 漏洩磁束の解析に用いた装置を示す図 ヨーク上部の漏洩磁束を示す図 ヨーク側面の漏洩磁束を示す図 従来のスピーカー型電磁力発生装置を示す図 従来の磁石を二つ用いた電磁力発生装置を示す図

図１は、本発明の実施形態に係る電磁力発生装置１０の外形を示し、その断面を図２（ａ）（断面斜視図）（ｂ）（断面正面図）に示している。
この電磁力発生装置は、磁石及びフォースコイルの収納空間を形成するヨーク本体１１と、この収納空間の上部開口を塞ぐようにヨーク本体１１に固定されるヨークカバー１２とを備えている。

この収納空間には、第１の磁石２１と、第１のポールピース３１と、第２の磁石２２と、第２のポールピース３２と、第３の磁石２３とが積層された円柱が収容される。第１の磁石２１、第２の磁石２２及び第３の磁石２３は、第１の磁石２１の磁極の向きと第２の磁石２２の磁極の向きとが対向し、また、第２の磁石２２の磁極の向きと第３の磁石２３の磁極の向きとが対向するように配列される。
この円柱は、円柱下端の第３の磁石２３が収納空間の底面に接触し、円柱上端の第１の磁石２１が収納空間を塞ぐヨークカバー１２に接触し、円柱の円周面が収納空間の内壁から距離を置くように収納空間内に配置される。

ヨーク本体１１は、図３（ａ）（斜視図）（ｂ）（断面図）に示すように、収容した円柱の第１のポールピース３１に対向する収納空間の内面位置に円環状の第１の対向ヨーク部１３を備え、円柱の第２のポールピース３２に対向する収納空間の内面位置に円環状の第２の対向ヨーク部１４を備えている。
また、ヨーク本体１１及びヨークカバー１２（図４）は、後述する連結部品４３を導出するための切欠部１５、１６を有している。

このように、この電磁力発生装置の磁気回路は、第１の磁石２１、第１のポールピース３１、第２の磁石２２、第２のポールピース３２、及び第３の磁石２３が積層された円柱と、この円柱を囲むヨーク本体１１及びヨークカバー１２とで構成される。
なお、磁気回路を構成する第１の磁石２１、第２の磁石２２及び第３の磁石２３は、希土類元素を含む磁性材料を金型に入れて圧縮成形した後、焼結して製造された偏平な希土類磁石から成る。また、ポールピース３１、３２及びヨーク部材１１、１２は、軟鉄などの強磁性材料から成る。

また、ヨーク本体１１の収納空間と、収容された円柱との隙間には、フォースコイルが配置される。フォースコイルは、図５に示すボビン４０に巻回された二つのコイルから成り、図２に示すように、その一方（第１のコイル）４１は、第１のポールピース３１と第１の対向ヨーク部１３との間の空間に配置され、他方（第２のコイル）４２は、第２のポールピース３２と第２の対向ヨーク部１４との間の空間に配置される。
第１のコイル４１と第２のコイル４２とは、電気的に接続しているが、ボビン４０には、巻回方向が逆向きになるように巻回されている。

また、ボビン４０の先端には、図６に示す連結部品４３が結合され、この連結部品４３がヨーク本体１１の切欠部１５、及びヨークカバー１２の切欠部１６を通じて磁気回路から導出され、連結部品４３の先端がビームに結合される。
そのため、フォースコイルを構成する第１のコイル４１及び第２のコイル４２は、第１、第２のポールピース３１、３２と第１、第２の対向ヨーク部１３、１４との間でビームと共に移動する。
なお、第１のコイル４１に電流を供給するリード線、及び、第１のコイル４１と第２のコイル４２との間を接続するリード線は、図示を省略している。

図７は、この電磁力発生装置の磁気回路を構成する第１の磁石２１、第１のポールピース３１、第２の磁石２２、第２のポールピース３２、第３の磁石２３、ヨーク１１、第１の対向ヨーク部１３及び第２の対向ヨーク部１４と、この電磁力発生装置のフォースコイルを構成する第１のコイル４１及び第２のコイル４２との位置関係を縦半分の断面図で示している。

この電磁力発生装置の動作を、図７を用いて説明する。
第１の磁石２１のＮ極と第２の磁石２２のＮ極とが対向している場合、第１の磁石２１及び第２の磁石２２のＮ極より発生した磁束は、第１のポールピース３１から第１の対向ヨーク部１３を経てヨーク１１に流れる。このとき、第２の磁石２２のＳ極と第３の磁石２３のＳ極とが対向しているから、第２の磁石２２及び第３の磁石２３のＮ極より発生してヨーク１１に流れた磁束は、第２の対向ヨーク部１４から第２のポールピース３２を経て第２の磁石２２及び第３の磁石２３のＳ極に戻る。

そのため、第１のポールピース３１と第１の対向ヨーク部１３との間に配置された第１のコイル４１に鎖交する磁束の向きは、第２のポールピース３２と第２の対向ヨーク部１４との間に配置された第２のコイル４２に鎖交する磁束の向きと逆になる。
一方、逆向きに巻回された第１のコイル４１及び第２のコイル４２には逆向きの電流が流れるから、フレミングの左手の法則により、第１のコイル４１及び第２のコイル４２には同一方向の力が作用する。

そのため、この電磁力発生装置のフォースコイルには、第１のコイル４１に作用する力と第２のコイル４２に作用する力とが加算された強い力が働く。
この電磁力発生装置は、従来のスピーカー型装置（図１５）に比べて、外形の高さ寸法が１．５倍程度増えているものの、フォースコイルに作用する電磁力が３．８倍程度増強されている。

電磁平衡式秤量装置に用いる電磁力発生装置では、フォースコイルに作用する力が強いだけでなく、コイルに対する磁束密度分布の均一性・対称性や、隣接装置の誤差原因になる漏洩磁束の低減が求められる。
図８は、この電磁力発生装置の磁束分布についての解析結果を示している。また、図９（ａ）のグラフは、コイル４１の中心位置からの（正規化した）距離（縦軸）と（正規化した）磁束密度（横軸）との関係を示している。図９（ｂ）では、コイル４１の中心位置の磁束密度を基準値とし、図９（ａ）の磁束密度を、基準値からの差分で表している。
この関係は、コイル４２においても同様である。
電磁平衡式秤量装置のビームの変位は、フォースコイルへの通電により順次補償されるため、ビームの変位量は極く僅かであり、ビームと共に移動するフォースコイルの移動範囲は、図９の磁束密度の均一な領域に含まれている。

また、注目すべき点として、ポールピース３１、３２の周縁が、第１の磁石２１、第２の磁石２２及び第３の磁石２３の周縁よりも延出している場合（即ち、第１の磁石２１、第１のポールピース３１、第２の磁石２２、第２のポールピース３２及び第３の磁石２３が積層された円柱の円周面から第１のポールピース３１及び第２のポールピース３２の周縁が突出している場合）、コイル４１、４２に鎖交する磁束の量が減少し、コイル位置での磁束密度分布の均一性が低下することが見出された。

図１０は、第１の磁石２１、第２の磁石２２及び第３の磁石２３の周縁よりもポールピース３１、３２の周縁が突出しているときの磁束密度分布を示し、図１１は、ポールピース３１、３２の周縁が突出していないときの磁束密度分布を示している。丸で囲んだ第１のポールピース３１と第２のポールピース３２との間の領域の磁束密度分布が、図１０では増加している。
従って、図１１においてコイル位置を通過する磁力線の一部が、図１０では、コイル位置から外れており、その結果、コイル４１、４２に鎖交する磁束量が減少し、コイル位置での磁束密度分布の均一性が低下している。

また、漏洩磁束は、第２の磁石２２の厚さを、第１の磁石２１及び第３の磁石２３の厚さよりも厚くすることで低減できる。
図１２は、漏洩磁束を測定するために用いた３種類の電磁力発生装置を示している。図１２（ａ）の装置は、第１の磁石２１、第２の磁石２２及び第３の磁石２３を共に同じ厚さａに設定している。図１２（ｂ）の装置は、第２の磁石２２の厚さを２×ａに設定し、第１の磁石２１及び第３の磁石２３の厚さをａに設定している。図１２（ｃ）の装置は、第２の磁石２２の厚さを３×ａに設定し、第１の磁石２１及び第３の磁石２３の厚さをａに設定している。
この３種類の電磁力発生装置を用いてヨーク１１の上部及び側面からの漏洩磁束分布を解析した。

図１３は、各電磁力発生装置のヨーク１１の上部からの漏洩磁束分布を示している。３種類の電磁力発生装置の中で第２の磁石２２の厚さが最も厚い図１２（ｃ）の装置（厚さ３×ａ）の漏洩磁束分布が最も低く、第２の磁石２２の厚さがａの装置（図１２（ａ））の漏洩磁束分布が最も高い。
この関係は、電磁力発生装置のヨーク１１の下部からの漏洩磁束分布についても同様である。

また、図１４は、ヨーク１１の側面からの漏洩磁束分布を示している。第２の磁石２２の厚さが３×ａの装置（図１２（ｃ））の漏洩磁束分布は、平均して低いが、第２の磁石２２の厚さがａの装置（図１２（ａ））の漏洩磁束分布は、上端及び下端において極めて高い値を示している。
この結果から、漏洩磁束の低減を図る上で、第２の磁石２２の厚さを第１の磁石２１及び第３の磁石２３の厚さよりも厚くする方が望ましいと言える。

なお、ここで示した構成は、一例であって、本発明は、それだけに限定されるものではない。

本発明の電磁力発生装置は、製造ラインや物流施設、研究現場などで使用される各種の電磁平衡式秤量装置に広く利用することができる。

１１ ヨーク本体
１２ ヨークカバー
１３ 第１の対向ヨーク部
１４ 第２の対向ヨーク部
１５ 切欠部
１６ 切欠部
２１ 第１の磁石
２２ 第２の磁石
２３ 第３の磁石
３１ 第１のポールピース
３２ 第２のポールピース
４０ ボビン
４１ 第１のコイル
４２ 第２のコイル
４３ 連結部品
５０ ビーム
５１ 永久磁石
５２ ポールピース
５３ ヨーク
５４ フォースコイル
５５ 巻枠
６１ 下部磁石
６２ 上部磁石
６３ ポールピース
６４ 下部ヨ−ク
６５ 中間ヨーク
６６ 上部ヨーク
６７ フォースコイル
６８ 連結部材
６９ 開口

Claims (4)

1. 電磁平衡式秤量装置に用いる、磁気回路とフォースコイルとを備える電磁力発生装置であって、
   前記磁気回路は、
   第１の磁石と、
   前記第１の磁石と磁極の向きが対向する第２の磁石と、
   前記第２の磁石と磁極の向きが対向する第３の磁石と、
   前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に配置された第１のポールピースと、
   前記第２の磁石と前記第３の磁石との間に配置された第２のポールピースと、
   前記第１の磁石、第１のポールピース、第２の磁石、第２のポールピース及び第３の磁石から成る配列を取り囲むヨークと、
   前記ヨークの前記第１のポールピースに対向する内面に配置された第１の対向ヨーク部と、
   前記ヨークの前記第２のポールピースに対向する内面に配置された第２の対向ヨーク部と、
   を備え、
   前記フォースコイルは、
   前記第１のポールピースと前記第１の対向ヨーク部との間の空間に配置された第１のコイルと、
   前記第２のポールピースと前記第２の対向ヨーク部との間の空間に配置された第２のコイルと、
   を備え、
   前記第１のコイル及び第２のコイルは、同一方向の電磁力が作用するように、同一の巻枠に逆向きに巻回されている、
   ことを特徴とする電磁力発生装置。
2. 請求項１に記載の電磁力発生装置であって、前記第１の磁石、第１のポールピース、第２の磁石、第２のポールピース及び第３の磁石から成る配列が、円柱を構成しており、該円柱の円周面に凹凸が存在しないことを特徴とする電磁力発生装置。
3. 請求項１または２に記載の電磁力発生装置であって、前記第１のポールピースと前記第２のポールピースとの間隔を規定する前記第２の磁石の厚さが、前記第１の磁石及び第３の磁石の厚さよりも厚いことを特徴とする電磁力発生装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電磁力発生装置であって、前記第１の磁石及び第２の磁石が、希土類元素を含む磁性材料の圧縮成形体を焼結した偏平な希土類磁石から成ることを特徴とする電磁力発生装置。