JPH01250024A - 電磁天びん用磁気回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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−
パル機構（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、１．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＝　ｉ”ｒ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℃当り一２
００ｐｐｍ（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０．２５　ｐ　ｐ　ｍにも及ぶものが作ら
れており、希±ｉｆ石を用いた場合を例に採るこのよう
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、−ｉ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（すると同
時に、磁界を強（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。

く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、その永久磁石１の一方の磁極側に配設されたポール
ピース２と、永久磁石１の他方の磁極側に底部が配設さ
れ側部がポールピース２の近傍に至って当該側部内周面
とポールピース２の外周面間に磁場空間４を形成するヨ
ーク３と、伝熱部６および断熱部７とからなり、ポール
ピース２とヨーク３とを伝熱部６で接続するとともに、
永久磁石１とポールピース２間に断熱部７を介在させた
ことによって、特徴づけられる。

く作用〉 磁場空間４に置かれるフォースコイルからの熱はポール
ピース２に伝わり、このポールピース２の熱は伝熱部６
を経てヨーク３に伝導する。永久磁石１には断熱部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（ａｌ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６には温度勾配（ｊ２−＊ｊ、）が生ずる
が、永久磁石１の温度はヨーク３の温度ｔ、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との間に断熱部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部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６と断熱部
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６との間にも、空隙からなる断熱部７１
を設けた点である。

第１図に示す例では、伝熱部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部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
ｌ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１．とし、フォースコイルからポー
ルピース２に伝わる熱ｉＱ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°−
ｔｌ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ｔ　２１〜ｔ３′　に比
して低くなり、つまり、１２＜１．。

１３＜１．°　となるとともに、断熱部７の存在により
永久磁石１の温度はほぼ全体的に１．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、断熱部７または７１を空隙で
形成した例を示したが、多孔性材料やセラミックス等の
適宜の断熱材料を使用することができる。第３図は第２
図の空隙からなる断熱部７゜７１をそれぞれ断熱材料か
らなる断熱部７ａ、７１ａに置き換えた例である。

また、第４図は、断熱材料からなる断熱部７ａ。

７１ａに加えて、更に永久磁石１とヨーク３との間にも
断熱材料を配設してヨーク３に接着し、ここにも断熱部
７２ａを介在させた例である。

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、天ぴん
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、しばしば廃棄を予備
なくされるという問題もある。

このような問題を併わせで解決したのが、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６を相
互に吸引保持する。この場合においても、空隙による断
熱部７．７１を、第８図に示すように多孔性材料等の断
熱材料による断熱部７　ａ　＋７１ａに置換することが
できる。

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
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６を相
互に吸引保持することができる。また、空隙による断熱
部７．７１は、第１０図に示すように断熱材料による断
熱部７ａ。

７１ａに置換でき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、従来のように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で接続するとともに、
永久磁石とポールピース間に断熱部を介在させた構造、 を基本とし、 ■伝熱部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部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）、 ■断熱部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）、■断熱部が多孔質
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部を介在させたから、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）では極めて僅かなり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火である。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０．０２５　ｃａｌ／ｃｍ、ｓ、　
”ｃと小さく、ポールピース、ヨーク等の材料であるＦ
ｅのＯ，１８ｃａｌ／ｃｍ、ｓ、　’Ｃ、伝熱部に使用
されるＣｕもしくはＡＩの０．９４もしくは０．５３　
ｃａｌ／ｃｍ、ｓ、　”ｃ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、Ｔａ）は本発明実施例、ｆｂ）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 ７．７１．７ａ、７１ａ、７２ａ・・断熱部１２・・・
・フォースコイル 特許出願人　　　株式会社島津製作所 代　理　人　　　弁理士　　西１）新 築１図　　　　　　　　　第２図 第８図　　　　　　　　　第４図 第７図　　　　　　　　第８図 第９図　　　　　　　　第１Ｏ図 第１１図 （Ｑ）　　　　　　　　　（ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、その永久磁石の一方の磁極側に配設されたポー
   ルピースと、上記永久磁石の他方の磁極側に底部が配設
   され側部が上記ポールピース近傍に至って当該側部内周
   面とポールピース外周面間に上記磁場空間を形成するヨ
   ークと、伝熱部および断熱部とからなり、上記ポールピ
   ースとヨークとを伝熱部で接続するとともに、上記永久
   磁石とポールピース間に断熱部を介在させたことを特徴
   とする、電磁天びん用磁気回路。