JP2003272556A - 四重極電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】理想に近い双曲線断面電極あるいは理論曲線断
面電極を大型にすることなく、低コストで簡単に実現可
能にし、また熱膨張による電界変動を抑制する。 【解決手段】所定断面形状の４本の棒６,７,８,９が周
方向に等間隔に配置され、４枚の弾性を有する導電性の
薄板１０,１１,１２,１３が、それぞれそれらの中央部
が対応する棒６,７,８,９に当接して所定形状に曲げら
れている。更に、４つの絶縁性の支持部材１４,１５,１
６,１７がそれぞれ隣接する薄板１０,１１,１２,１３の
対向する端縁部に介在されてこれらの端縁部を支持して
いる。そして、４枚の薄板１０,１１,１２,１３により
電極面が形成されている。これにより、直角双曲線断面
あるいは理論曲線断面に可能な限り近似した曲線断面を
持つ電極が簡単にかつ高精度に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば四重極質量
分析計や四重極レンズ等に用いられ、試料分子のイオン
を質量数毎に分離するため四重極電極の技術分野に属す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば四重極質量分析計や四重極
レンズ等においては、試料分子のイオンを質量数毎に分
離するために四重極電極が用いられている。図３はこの
ような四重極電極を用いた従来の四重極質量分析計の一
例を模式的に示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は四重
極電極の横断面図である。図中、１は四重極質量分析
計、２はイオン源、３は四重極電極、４はイオン検出部
である。

【０００３】図３（ａ）に示す従来例の四重極電極３
は、中心部に所定の空間を形成して配置された４本の独
立した金属製電極３ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄからなる。図３
（ｂ）に示すようにこの所定の空間を形成する各電極３
ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄの対向面（電極面）はその横断面形
状が直角双曲線に形成されており、四重極質量分析計１
の場合、各電極３ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄの電極面がこのよ
うに直角双曲線であることが理想とされている。

【０００４】一般には、これらの電極３ａ,３ｂ,３ｃ,
３ｄがセラミックス等の絶縁材で支持されてそれらの直
角双曲線の横断面形状が保持されている。この場合、熱
膨張による変動を軽減するため、電極３ａ,３ｂ,３ｃ,
３ｄには、例えばモリブデン等の低熱膨張材料を使用す
ることが多い。

【０００５】このような四重極質量分析計１において
は、対角線に配置された２つの電極３ａ,３ｃに同一の
電圧がかけられ、また、他の２つの電極３ｂ,３ｄに電
極３ａ,３ｃと極性の異なる同一電圧がかけられる。こ
の状態で、イオン源２により試料分子がイオン化され、
発生したイオンが４本の電極３ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄ間の
空間を通過する。このとき、各電極３ａ,３ｂ,３ｃ,３
ｄの電圧の極性を高速に切り替えることにより、電極３
ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄ間の空間を通過するイオンが質量数
毎に分離されてイオン検出部４に到達し、このイオン検
出部４で検出される。

【０００６】ところで、前述のように四重極質量分析計
１の場合には、直角双曲線断面を持つ電極が理想である
が、この直角双曲線断面形状の加工および各電極の組立
は容易ではなく、その結果コスト高となってしまう。ま
た、電極の加工および組立に高精度を実現するために、
電極には前述のように主に金属が用いられるが、金属を
用いた場合には熱膨張による電界変動が問題となる。よ
って、この熱膨張の問題を可能な限り軽減するために
は、前述のようなモリブデン等の低熱膨張金属材料を使
用しなければならない。しかし、この低熱膨張金属材料
は一般に難加工材料である。そこで、従来他の電極３
ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄとして、石英ガラス等の低熱膨張の
絶縁材を用い、その絶縁材の電極面に導電処理を施した
ものもあるが、加工に手間がかかり、同様にコスト高と
なる問題がある。

【０００７】このようなことから、円形断面を持つ電極
を組み合わせることにより、前述の直角双曲線断面形状
を持つ電極による電界の近似電界を実現可能にした四重
極電極３が開発されている。

【０００８】図４はこの円形断面を持つ電極からなる四
重極電極を用いた従来の四重極質量分析計の一例を模式
的に示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は四重極電極の
横断面図である。なお、前述の例と同じ構成要素には同
じ符号を付すことで、その詳細な説明は省略する。

【０００９】図４（ａ）に示すように、この従来例の四
重極質量分析計１には、４本の独立した円形断面の金属
製電極３ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄが用いられている。この場
合、各電極３ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄの径は、それぞれ、図
４（ｂ）に示すように一般にこれらの電極３ａ,３ｂ,３
ｃ,３ｄに内接する仮想の内接円５の径と同等程度の径
に設定される。この円形断面の電極３ａ,３ｂ,３ｃ,３
ｄからなる四重極電極３によれば、機械加工および組立
が容易となる。なお、前述の四重極電極３は四重極質量
分析計１以外に、例えば四重極レンズ等にも用いられて
いる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この円形断
面の電極３ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄからなる四重極電極３で
は、円形断面の電極３ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄにより発生す
る電界が中心から離れるほど双曲線断面の電極３ａ,３
ｂ,３ｃ,３ｄによる電界と大きく相違する。このため、
効果的な双曲電場が実現されるのは中心付近に限られ、
通常は内接円５の径の１／２程度の空間を使用するよう
に設計されている。

【００１１】しかしながら、このように円形断面電極に
よる近似的な双曲電場が限定されると、一般的に双曲線
断面電極と同等の性能を得ようとすると、対向する電極
面間の距離を２倍程度に広げなければならなず、結果的
に装置の大型化、電源電力の増加等が余儀なくされてし
まう。

【００１２】また、円形断面電極の場合にも、電極の加
工および組立に高精度を実現するためには、前述の双曲
線断面電極の場合と同様に、金属製電極を用いた場合の
熱膨張による電界変動が起き、難加工材料である低熱膨
張金属材料を使用しなければならないという問題もあ
る。

【００１３】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、できるだけ理想に近い双曲
線断面電極あるいは理論曲線断面電極を大型にすること
なく、低コストで簡単に実現可能であり、しかも、熱膨
張による電界変動を抑制することのできる四重極電極を
提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、請求項１の発明は、周方向に等間隔に配置された
所定断面形状の４本の棒と、それぞれ中央部が対応する
前記棒に当接して所定形状に曲げられた４枚の弾性を有
する導電性の薄板と、それぞれ隣接する薄板の対向する
端縁部に介在されてこれらの端縁部を支持する４つの絶
縁性の支持部材とからなり、前記４枚の薄板により電極
面が形成されていることを特徴としている。

【００１５】また、請求項２の発明は、前記４本の棒
が、いずれも、ゼロ熱膨張ガラス、石英ガラス、低熱膨
張セラミックス等の線膨張係数の低い材料から形成され
ていることを特徴としている。更に、請求項３の発明
は、前記薄板と前記支持部材とが、いずれも、引っ張り
方向に係合可能とされていることを特徴としている。

【００１６】

【作用】このように構成された本発明の四重極電極によ
れば、４本の絶縁性の棒と、４枚の弾性を有する導電性
の薄板と、４つの支持部材とから、直角双曲線断面ある
いは理論曲線断面に可能な限り近似した曲線断面を持つ
電極を簡単にかつ高精度に形成することができる。これ
により、より高性能の四重極電極が簡単に実現可能とな
る。

【００１７】また、四重極電極の構成部品である棒、薄
板、および支持部材がいずれも簡単な形状であることか
ら、加工が容易であり、低コスト化が可能となる。更
に、四重極電極の電極面が薄板で構成されるので、四重
極電極の構成部品が汚れた場合、薄板のみを交換するだ
けで、簡単に四重極電極の性能が復帰されるようになる
とともに、全ての部品を交換する必要がなくなり、より
一層コストが低減される。

【００１８】特に、請求項２の発明においては、棒の材
料に、熱膨張が無視可能なほど小さい材料が用いられ
る。これにより、熱膨張による電極間距離の変動が抑制
され、四重極電極の熱的安定性が向上する。

【００１９】また、請求項３の発明においては、薄板と
支持部材とが互いに引っ張り方向に係合されることによ
り、薄板の脱落が防止されるとともに薄板の偏りが防止
され、更には、必要に応じて支持部材を介して薄板に所
定の張力を付与可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について説明する。図１は本発明にかかる四重極
電極の実施の形態の一例を示す、図３（ｂ）および図４
（ｂ）と同様の断面図である。なお、前述の従来例と同
じ構成要素には同じ符号を付すことで、その詳細な説明
は省略する。

【００２１】図１に示すように、この例の四重極電極３
は、４本の円柱状または円筒状の棒６,７,８,９（図示
例では、円筒状の棒）が仮想の内接円５に接しかつ周方
向に等間隔に（つまり、９０度毎に）配置されている。
これらの棒６,７,８,９は、四重極電極３として必要な
真円度、真直度、配置の際の相互間平行度、ねじれ、中
心線の真交度が確保されている。また、各棒６,７,８,
９およびこれらの棒６,７,８,９を配置支持するための
支持材（不図示）は、それぞれ、必要な加工性および剛
性を考慮した上で、線膨張係数が低い材料が用いられ
る。これらの材料としては、一例として、ゼロ熱膨張ガ
ラス、石英ガラス、低熱膨張セラミックス等がある。

【００２２】更に、４枚の弾性を有する薄板１０,１１,
１２,１３がそれぞれ対応する棒６,７,８,９に当接され
て電極面を構成している。各薄板１０,１１,１２,１３
は電極面として導電性が必要であるため、金属板または
金属以外の導電処理された板材から形成されている。そ
して、これらの薄板１０,１１,１２,１３は、それぞれ
それらの中心部分が対応する棒６,７,８,９に当接され
かつ各棒６,７,８,９の外周の一部を倣うように曲げら
れて、図示のような直角双曲線断面形状、あるいは例え
ば楕円曲線や放物線等の理論曲線断面形状に近似されて
いる。

【００２３】更に、互いに隣接する薄板１０,１１,１
２,１３の互いに対向する両端縁部１０ａ,１１ａ,１２
ａ,１３ａ;１０ｂ,１１ｂ,１２ｂ,１３ｂ間には、絶縁
材からなる円形断面棒からなる４つの絶縁性の支持部材
１４,１５,１６,１７が介在されている。これらの支持
部材１４,１５,１６,１７は薄板１０,１１,１２,１３の
戻ろうとする弾発力を受け止めて、薄板１０,１１,１
２,１３を図示の近似直角双曲線断面形状に保形してい
る。なお、支持部材１４,１５,１６,１７は円形断面に
限定されることなく、材料強度や配置構造等を考慮して
任意の最適な形状に形成することができる。

【００２４】ところで、この例の四重極電極３では、薄
板１０,１１,１２,１３の曲率をどれだけ直角双曲線あ
るいは理論曲線に近づけられるかが最も重要なポイント
となる。そこで、まず棒６,７,８,９には、直角双曲線
あるいは理論曲線の頂点のＲ値（曲率）に最も近い径を
採用し、次に薄板１０,１１,１２,１３の中心部分をそ
れぞれ棒６,７,８,９に密着させ、かつ薄板１０,１１,
１２,１３の棒６,７,８,９から離れた点から支持部材１
４,１５,１６,１７との接点までの間の曲率が直角双曲
線あるいは理論曲線に可能な限り近似させることが好ま
しい。

【００２５】したがって、これらの薄板１０,１１,１
２,１３の材料を選定する場合には、磁性を持たない材
質の中から、ヤング率、耐力、その他の必要な特性を十
分考慮し、板厚との組合せにより最適な材料を選定す
る。その際、平面度の高い材料を使用することも重要と
なる。更に、高周波電圧を加える場合は、電位変動によ
る振動の可能性も考慮し、板材の剛性を十分に確保して
材料を選定する。

【００２６】更に、棒６,７,８,９およびそれらの支持
材（不図示）の各熱膨張がない（無視可能なほど小さ
い）と仮定した場合には、薄板１０,１１,１２,１３が
熱膨張しても面方向には伸びるものの、棒６,７,８,９
に接している部分の位置変化はなく、また、厚み方向の
熱膨張量は無視できるほど小さいため、温度変化の影響
を受けない理想的な四重極電極３が実現可能となる。

【００２７】したがって、薄板１０,１１,１２,１３が
面方向に熱膨張し、端面（断面）位置が変化した場合、
他の薄板１０,１１,１２,１３に妨げられないように隣
接する薄板１０,１１,１２,１３の互いに対向する端縁
部に所定の間隙を設けることが必要となる。

【００２８】このように、この例の四重極電極３によれ
ば、４本の棒６,７,８,９と、４枚の薄板１０,１１,１
２,１３と、４つの支持部材１４,１５,１６,１７とか
ら、直角双曲線断面あるいは理論曲線断面に可能な限り
近似した曲線断面を持つ電極を簡単にかつ高精度に形成
することができる。これにより、より高性能の四重極電
極３を簡単に実現することができる。

【００２９】また、棒６,７,８,９およびそれらの支持
材（不図示）の材料に、熱膨張が無視可能なほど小さい
材料を用いることで、熱膨張による電極間距離の変動を
抑制でき、四重極電極３の熱的安定性が向上できる。

【００３０】更に、四重極電極３の構成部品である棒
６,７,８,９、薄板１０,１１,１２,１３、および支持部
材１４,１５,１６,１７は、いずれも簡単な形状である
ことから、加工が容易であり、低コスト化を図ることが
できる。

【００３１】更に、四重極電極３の電極面が薄板１０,
１１,１２,１３で構成されるので、四重極電極３の構成
部品が汚れた場合、薄板１０,１１,１２,１３のみを交
換するだけで、簡単に四重極電極３の性能を復帰するこ
とができるとともに、全ての部品を交換する必要がない
ので、より一層コストを低減できる。

【００３２】図２は、前述の図１に示す例の変形例を示
し、（ａ）は図１と同様の断面図、（ｂ）は（ａ）にお
ける部分拡大図である。図２（ａ）および（ｂ）に示す
ように、この変形例では、図１に示す例において、薄板
１０,１１,１２,１３の両端縁部１０ａ,１１ａ,１２ａ,
１３ａ;１０ｂ,１１ｂ,１２ｂ,１３ｂがそれぞれＬ字状
に曲げられているとともに、支持部材１４,１５,１６,
１７に凹溝１４ａ,１５ａ,１６ａ,１７ａ;１４ｂ,１５
ｂ,１６ｂ,１７ｂがそれぞれ形成されている。

【００３３】そして、曲げられた端縁部１０ａ,１１ａ,
１２ａ,１３ａ;１０ｂ,１１ｂ,１２ｂ,１３ｂがそれぞ
れ対応する凹溝１４ａ,１５ａ,１６ａ,１７ａ;１４ｂ,
１５ｂ,１６ｂ,１７ｂに嵌入して支持部材１４,１５,１
６,１７に互いに引っ張り方向に係合されている。これ
により、薄板１０,１１,１２,１３の脱落を防止できる
とともに薄板１０,１１,１２,１３の偏りを防止でき、
更には、必要に応じて支持部材１４,１５,１６,１７を
介して薄板１０,１１,１２,１３に所定の張力を付与す
ることができる。この変形例の他の構成および他の作用
効果は前述の図１に示す例と同じである。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の四重極電極によれば、４本の絶縁性の棒と、４枚の弾
性を有する導電性の薄板と、４つの支持部材とから、直
角双曲線断面あるいは理論曲線断面に可能な限り近似し
た曲線断面を持つ電極を簡単にかつ高精度に形成するこ
とができる。これにより、より高性能の四重極電極を簡
単に実現することができる。

【００３５】また、四重極電極の構成部品である棒、薄
板、および支持部材がいずれも簡単な形状であることか
ら、加工を容易にでき、低コスト化を図ることができ
る。更に、四重極電極の電極面が薄板で構成されるの
で、四重極電極の構成部品が汚れた場合、薄板のみを交
換するだけで、簡単に四重極電極の性能を復帰できるよ
うになるとともに、全ての部品を交換する必要がなくな
り、より一層コストを低減できる。

【００３６】特に、請求項２の発明によれば、棒の材料
に、熱膨張係数の小さい材料を用いているので、熱膨張
による電極間距離の変動を抑制でき、四重極電極の熱的
安定性を向上できる。

【００３７】また、請求項３の発明によれば、薄板と支
持部材とを互いに引っ張り方向に係合させているので、
薄板の脱落を防止できるとともに薄板の偏りを防止で
き、更には、必要に応じて支持部材を介して薄板に所定
の張力を付与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる四重極電極の実施の形態の一
例を示す断面図である。

【図２】 図１に示す例の変形例を示し、（ａ）は図１
と同様の断面図、（ｂ）は（ａ）における部分拡大図で
ある。

【図３】 四重極電極を用いた従来の四重極質量分析計
の一例を模式的に示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は
四重極電極の横断面図である。

【図４】 四重極電極を用いた従来の四重極質量分析計
の他の一例を模式的に示し、（ａ）はその斜視図、
（ｂ）は四重極電極の横断面図である。

【符号の説明】

１…四重極質量分析計、３…四重極電極、６,７,８,９
…棒、１０,１１,１２,１３…薄板、１４,１５,１６,１
７…支持部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周方向に等間隔に配置された所定断面形
   状の４本の棒と、それぞれ中央部が対応する前記棒に当
   接して所定形状に曲げられた４枚の弾性を有する導電性
   の薄板と、それぞれ隣接する薄板の対向する端縁部に介
   在されてこれらの端縁部を支持する４つの絶縁性の支持
   部材とからなり、 前記４枚の薄板により電極面が形成されていることを特
   徴とする四重極電極。
2. 【請求項２】 前記４本の棒は、いずれも、ゼロ熱膨張
   ガラス、石英ガラス、低熱膨張セラミックス等の線膨張
   係数の低い材料から形成されていることを特徴とする請
   求項１記載の四重極電極。
3. 【請求項３】 前記薄板と前記支持部材とは、いずれ
   も、引っ張り方向に係合可能とされていることを特徴と
   する請求項１または２記載の四重極電極。