JP2021012844A - 電源回路及び質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】質量分析装置の電源回路のシールドボックスを小型化すると、その壁面が近づくことで浮遊容量が大きくなり、損失が大きくなることで出力の低下を招く。【解決手段】LC共振回路を使った電源回路のコンデンサを配置する基板２に、コイル１を埋設して固定する開口部４を設け、コイル１及び基板２をシールドボックス３の中心軸上に配置して浮遊容量を最小化させ、損失を最小化することで、LC共振回路の出力を最大化する。【選択図】図２

Description

本発明は、質量分析装置に使用される電源回路に係り、電源の小型化と電源出力を向上する技術に関する。

質量分析装置は，試料分子をイオン化し，生成したイオンを電場または磁場により質量電荷比に分離し，その量を検出器にて計測する機器である。そして検出された質量スペクトルから化合物を分析する方法である。

この質量分析装置は，試料導入部，イオン源部，質量分離部，検出器で構成され，液体クロマトグラフ(LC)やガスクロマトグラフ(GC)等から試料導入部に測定試料を導入し，測定試料をイオン源部にてイオン化する。質量分離部はイオンを選択するマスフィルタとして機能し，検出器にてイオン量に応じた検出信号を出力する。質量分離部には複数の型式があり、その一つが四重極型で、四重極型質量分離部を有する質量分析計が四重極型質量分析装置である。

四重極型質量分析装置の質量分離部は4本の平行なロッド状電極から成り、相対する電極の極性を同じにして直流電圧Uと高周波交流電圧Vを重ね合わせた電圧、±(U+Vcosωt)を印加し四重極電場を形成している。ここで、ω=2πfである。四重極ロッドの軸方向にイオンを入射するとイオンは振動しながら進むが、特定の直流電圧Uと高周波交流電圧Vを印加することでマシュー（Mathieu）方程式に則り、特定のイオンのみ検出器に到達することが出来る。

四重極型質量分析装置は高質量範囲での検出能力と測定範囲全域での分解能を成立させる必要があり、安定した四重極電場を作るためには高電圧と高周波数を出力できる電源が必要である。

質量分析装置用の電源をLC共振回路で構成した場合、コイルのインダクタンスとコンデンサの容量により共振周波数が変化する。容量成分は四重極電極を含む浮遊容量迄を合算して決まるが、浮遊容量はコイルおよびコンデンサそれぞれが持っており、その全ての浮遊容量は数十pF程度である。このLC共振回路は金属製のシールドボックス内に配置し、電磁シールドを施して共振の安定化を図っている。

近年の市場要求より装置小型化が求められており、シールドボックスも小型化する必要に迫られているが、シールドボックスの小型化によりLC共振回路がシールドボックス壁面と近づき、浮遊容量が増大することで損失が増大するためにLC共振回路出力が低下することになる。

関連する技術文献としては、多重極電極を駆動する多重電極駆動回路と、該多重電極駆動回路の出力を受けて多重極電極とのマッチングをとるマッチング回路と、該マッチング回路の出力が印加される多重極電極とにより構成され、測定質量数に応じて多重電極駆動回路の駆動周波数とマッチング回路のマッチング周波数を変える質量フィルタ駆動システムを開示する特許文献１があり、マッチング回路としてLC共振回路の一例を開示している。

特開2002-175774号公報

質量分析装置において，高周波・高電圧を発生させるLC共振回路を安定させるために金属製のシールドボックス内に格納するが、コイルのリッツ線及び基板上にレイアウトしたパターン配線とコンデンサはそれぞれボックス壁面に対して浮遊容量を持つ。浮遊容量は損失となり、出力を低下させる。装置小型化のためには金属製のシールドボックスを小型化する必要があるが、シールドボックス壁面が近づくことで浮遊容量が大きくなり、損失が大きくなることで出力の低下を招く。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、損失を大きくすること無く、装置の小型化を図ることが可能な電源回路及びそれを用いた質量分析装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、金属製箱と、その内部に配置され、LC共振回路を構成するコイルとを備えた電源回路であって、コイルを金属製箱の中心軸上に配置する構成の電源回路を提供する。

本発明により、電源回路の小型化を図りつつ、出力電圧を向上させることが可能となる。

従来のLC共振回路の基板とコイルの配置と浮遊容量の関係を示す模式図である。 実施例１に係る基板とコイルの配置の一例を示す図である。 実施例１に係る、基板とコイルが有する浮遊容量の模式図である。 実施例１に係る、全周を囲まないコンデンサ配置板を使用した場合の配置図である。 実施例１に係る、シールドボックス内に立体的にコンデンサを配置した場合の配置の一例を示す図である。 実施例２に係る、線間の寄生容量を用いた自己共振コイルの模式図である。 実施例３に係る、基板開口部にコイルを固定する固定部材の模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に従い順次説明する。それに先立ち、従来の質量分析装置用のLC共振回路を備えた電源回路の一構成例を示し、本発明の課題を説明する。

図１に示すように、従来のLC共振回路は一般的にインダクタンスとして空芯のコイル１を用い、シールボックス内に設置した基板２の上に、図示を省略したコンデンサを配置している。インダクタンスには、空芯コイルの代え、小型化および特性向上のためにフェライトコア等磁性体を芯材として使用しても構わない。LC共振回路を内包するシールドボックス３は金属製であるため、コイル１およびコンデンサはシールドボックス３の壁面に対して浮遊容量Cnを持つ。平行平板電極の場合、コンデンサの静電容量は式1で求まる。ただし、Ｓは平板電極の面積、dは板間の距離である。

上述の浮遊容量Cnや、L、Cおよび接続する線やその接触部が持つ抵抗成分は損失となり、LC共振回路の出力は大きく影響を受ける。式1より、浮遊容量はdに反比例することから、シールドボックス３の壁面との距離に偏りがある場合、浮遊容量Cnが局部的に増大し、損失が増加することになる。結果、LC共振出力が低減するため、それぞれが持つ浮遊容量を均一化する必要が課題となる。以下、この課題を解決することを可能とする本発明の各種の実施態様について詳述する。

実施例１は、金属製箱と、その内部に配置され、LC共振回路を構成するコイルとを備えた電源回路であって、コイルを金属製箱の中心軸上に配置する構成の電源回路の実施例である。より好適には、LC共振回路を構成するコンデンサを配置する基板を備え、当該基板に開口部を設け、この基板の開口部にコイルを埋設するように固定することで、コイルおよびコンデンサおよび基板の箱壁面に対して有する浮遊容量を均一化し、損失を最小化することを可能とし、LC共振回路の出力を最大化することが可能な電源回路の実施例である。

図１を用いて説明したように、浮遊容量は式１のdに反比例することから、シールドボックス壁面との距離に偏りがある場合、浮遊容量が局部的に増大し、損失が増加することになる。その結果、LC共振出力が低減するため、それぞれが持つ浮遊容量を均一化する必要があるが、均一化するためには、コイルをシールドボックスの中心軸上に配置することが効果的であり、更にコンデンサおよびパターン配線を設けた基板もシールドボックスの中心軸上に配置するのが最も効率が良くなる。

この時、コイルおよび基板は略同じ軸上に配置されるが、より厳密に同じ軸上に配置するため、本実施例においては、図２に示すように基板２に開口部４を設け、コイル１を開口部４に埋設するように配置する。これにより、図３に示すように、コイル１と基板２と金属製箱３を同じ軸上に配置することができるため、コイル１およびコンデンサを配置した基板２がシールドボックス３の上面と左側面との間に持つ浮遊容量をCn、底面および右側面との間に持つ浮遊容量をCn’とした場合、Cn＝Cn’となり、シールドブックス３内のLC共振回路全周に対して対称に浮遊容量を持ち、浮遊容量の均一化が可能となる。シールドボックス断面は長方形でも対称となり各浮遊容量を同じくすることが可能であるが、正方形とすることで全周に対して浮遊容量は均一化して浮遊容量最小化し、電圧出力を最大化することが可能となる。金属製箱が正方形の場合、その中心軸は、正方形の四隅の対角線の交点位置となる。また、断面形状は円筒形でも同様の効果を得ることができ、その場合の中心軸は当該円筒の中心となる。

更に、LC共振回路を構成する基板２は、図２に示したようにコイル１の全周を囲んでも良いが、図４に示すようにコイル１に固定させたコンデンサ配置板５の構成としても構わない。これにより、コイル端部に基板を集約することで全周を囲んだ場合に比べて部品が有する浮遊容量を低下させ、コイルが発生させる磁界を遮蔽する距離を最短化することができる。この場合、コイルが発生する磁界を妨げないよう、コンデンサ配置板５は、コンデンサを配置する最小限の基板サイズとし、コイル１から可能な限り離して配置すると良い。ただし、コイル１とシールドボックス３の壁面との間に発生する浮遊容量が大きくならないよう配置する必要がある。コンデンサ配置板５を配置する部位は、図４に示すようにコイル両端としても良いし、コイル側面に配置しても構わない。また、コイル片端のみとしても良い。コンデンサ配置板５は空芯コイル芯材のパイプを加工して一体化した構造としても構わない。

LC共振回路を構成するコンデンサは基板上に配置することで振動に対して安定性を確保出来、装置信頼性に寄与するが、図５に示すように壁面との距離をCn=Cn’と出来るようシールドボックス内に立体的にコンデンサ６を配置し、基板を省略しても構わない。これにより、固定用の基板を用いずに全方位に対して浮遊容量を均一化して浮遊容量を最小化し、共振回路出力を最大化することができる。この時、コンデンサ６を配置する位置は、コイル１の両端としても良いし、コイル側面としても構わない。またコイル片端のみとしても良い。

本実施例によれば、コイルおよびコンデンサ、更には基板の箱壁面に対して有する浮遊容量を均一化し、損失を最小化することで、LC共振回路出力を最大化することが可能な電源回路、及びそれを利用した質量分析装置を提供できる。

実施例２は、コイルのリッツ線の線間の浮遊容量をLC共振回路のコンデンサとして利用する構成の電源回路の実施例である。空芯コイルはパイプに、絶縁体で被覆された導体を撚り合わせたリッツ線を巻くことで作成することが出来るが、図６に示すように、パイプに巻かれたリッツ線の線間にも浮遊容量８が発生する。整列巻で空芯コイルを作成した場合、この浮遊容量はリッツ線の線幅とパイプ径に依存して変化し、一巻あたり1pF以下の値となる。そして、コイルのインダクタンス値と浮遊容量を算出することで自己共振させることが可能である。

すなわち、基板上もしくは立体的に配置したコンデンサを用いることなくLC共振回路を作ることが可能となる。ここで、線間容量を安定化させるためには予めコイル径とリッツ線の太さを決めておき、同一間隔で巻くことで製作することが可能となる。この時、コイルを巻くパイプに一定間隔の溝を掘ることにより、同一間隔で安定して自己共振するコイルを作成することが可能となる。

以下、実施例２の自己共振コイルの作成の一具体例を示す。仮に一巻あたりの浮遊容量を0.05pFとした場合、200回巻のコイルでコイルが有する浮遊容量は10pFとなる。空芯コイルのインダクタンスは以下の式２で求まる。

ここでK：長岡係数、μ：透磁率、S：磁路の断面積、n：コイル巻数、l（エル）：磁路の長さである。パイプ径を40mm、リッツ線幅を0.5mm、コイル溝間隔を1mmとした場合、空芯コイルのインダクタンスは134μHとなる。

次に共振周波数の算出式は式３となる。

上述した浮遊容量及びコイルのインダクタンスを用いると、共振周波数は4.3MHzで共振することが分かる。

なお、整列巻ではなくハニカム巻でも同様に自己共振可能な空芯コイルを作成することは可能であるが、ハニカム巻は整列巻に比べて浮遊容量が少ない特徴を有するために、自己共振コイルを作成する場合は共振周波数が高くなりやすく、低周波帯コイルを作成するためには巻数を増やしてインダクタンスを大きくしつつ、浮遊容量を大きくする必要がある。

空芯コイルは円形のパイプ等の芯材にリッツ線を巻くことで特性を安定させて容易に作成することが出来るが、形状を保持しやすい単線を用いて変形を防止することで芯材を用いず中空として構わない。また、芯材を用いた場合でも形状は円形である必要はない。

本実施例によれば、基板上もしくは立体的に配置したコンデンサを用いることなく、LC共振回路のコンデンサを実現した電源回路を作ることができる。

実施例３は、基板の開口部にコイルを埋設させて固定する固定部材を備えた電源回路の実施例である。

図７に、上述した基板の開口部に埋設するコイルを固定する固定部材９を有する構成の電源回路の要部の一例を示す。基板２とコイル１を連結させることで耐振動性が高まり、電源回路更には質量分析装置の更なる信頼性向上が期待できる。この固定部材９や基板２であるプリント基板には空気と誘電率及び透磁率が近い材料、例えば、テフロン（登録商標）、木材、ゴム、石英ガラス、等を用いることで浮遊容量の変化及び磁束の変化を最小限とすることが可能となり、損失低減かつ磁束への影響を減らすことが可能となる。図示を省略したが、固定部材９はコイル１のパイプにネジ止めして固定することができる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１ コイル
２ 基板
３ シールドボックス
４ 開口部
５ コンデンサ配置板
６ コンデンサ
７ リッツ線
８ 線間容量
９ 固定部材

Claims (10)

1. 金属製箱と、その内部に配置され、LC共振回路を構成するコイルと、を備えた電源回路であって、
   前記コイルを前記金属製箱の中心軸上に設置する、
   ことを特徴とする電源回路。
2. 請求項１に記載の電源回路であって、
   前記LC共振回路を構成するコンデンサを固定する基板を備え、
   前記コイルと前記基板と前記金属製箱を同じ軸上に配置する、
   ことを特徴とする電源回路。
3. 請求項１に記載の電源回路であって、
   前記LC共振回路を構成するコンデンサを前記金属製箱の内部に立体的に配置する、
   ことを特徴とする電源回路。
4. 請求項１に記載の電源回路であって、
   前記コイルは、樹脂円筒材と、当該樹脂円筒材の表面に整列巻きしたリッツ線を有する空芯コイルである、
   ことを特徴とする電源回路。
5. 請求項２に記載の電源回路であって、
   前記基板は、前記コイルを埋設する開口部を備える、
   ことを特徴とする電源回路。
6. 請求項２に記載の電源回路であって、
   前記金属製箱の断面形状を正方形とし、全方位に対して浮遊容量を均一化する、
   ことを特徴とする電源回路。
7. 請求項２に記載の電源回路であって、
   前記金属製箱の断面形状を円筒形とし、全方位に対して浮遊容量を均一化する、
   ことを特徴とする電源回路。
8. 請求項２に記載の電源回路であって、
   前記基板を、前記コイルの端部に設置する、
   ことを特徴とする電源回路。
9. 請求項４に記載の電源回路であって、
   前記樹脂円筒材の表面に一定間隔の溝を掘り、前記リッツ線を配置する、
   ことを特徴とする電源回路。
10. 請求項１乃至９項のいずれか１項記載の電源回路を備えた、
    ことを特徴とする質量分析装置。

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