JP7070657B2

JP7070657B2 - 駆動装置

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Publication number: JP7070657B2
Application number: JP2020504789A
Authority: JP
Inventors: 匡智古田; 慶小寺; 清渡辺
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2022-05-18
Anticipated expiration: 2038-12-04
Also published as: WO2019171687A1; US20210043350A1; JPWO2019171687A1; CN111801517A; US11915865B2

Description

本発明は、真空室内に設けられた可動部を駆動させるための駆動装置に関するものである。

質量分析装置の一例として、ＭＡＬＤＩ（マトリックス支援レーザ脱離イオン化法）を用いた質量分析装置が知られている。この種の質量分析装置では、試料がマトリックスとともに真空室内で気化され、試料とマトリックスとの間のプロトンの授受によって試料がイオン化される。そして、試料をイオン化することにより得られるイオンをイオントラップに捕捉して質量分析を行うことができるようになっている。

試料は、真空室内に設けられた試料ステージ上に載置される。この試料ステージは、真空室内で移動させる必要があるため、試料ステージに連結された可動部を駆動させるための駆動装置が設けられている（例えば、下記特許文献１参照）。

小型サイズの試料が載置された試料ステージは軽量であり、小さな駆動力で移動させることが可能である。そこで、真空室内の可動部に磁石（可動側磁石）を設けるとともに、真空室の外部に磁石（駆動側磁石）を設けて、駆動側磁石を移動させることにより、磁力を用いて可動部を移動させるような構成が採用される場合がある。

図６Ａ及び図６Ｂは、磁力を用いて可動部を移動させる駆動装置の従来例を示した概略図である。この駆動装置には、真空室１００を形成する壁面１０１を隔てて、真空室１００内に可動側磁石１０２が設けられるとともに、真空室１００の外部に駆動側磁石１０３が設けられている。可動側磁石１０２及び駆動側磁石１０３は、それぞれ永久磁石により構成されている。また、真空室１００内には、可動側磁石１０２が取り付けられた可動部１０４が設けられている。

この例では、可動側磁石１０２のＮ極側が可動部１０４に取り付けられ、可動側磁石１０２のＳ極側が壁面１０１を挟んで駆動側磁石１０３に対向している。駆動側磁石１０３は、そのＮ極側が壁面１０１を挟んで可動側磁石１０２に対向し、Ｓ極側が移動部材１０５に連結されている。これにより、可動側磁石１０２のＳ極が、駆動側磁石１０３のＮ極側に磁力によって引き付けられるため、駆動側磁石１０３を移動させれば、それに伴って可動側磁石１０２が取り付けられた可動部１０４を移動させることができる。

このような駆動装置を用いた場合、モータや駆動部品を真空室の外部に配置できるという利点がある。これにより、高価な真空用モータが不要となり、安価なモータを用いて可動部１０４を移動させることができる。また、ボールねじ、リニアガイドなどの他の部品も、真空用ではなく一般用の部品を用いることができる。その結果、真空内の部品や配線が減るため、有害なガスの発生を抑制できるという利点も生じる。

また、高価な真空導入器を採用する必要がなくなるという利点もある。駆動系を全て真空室内に設置する場合には、真空モータや位置センサなどに接続される配線用に真空導入器が必要となる。また、モータを真空室の外部に設置する場合には、モータ動力の真空導入器が必要となる。これらの真空導入器は、いずれも高価であるが、上記のような駆動装置を用いれば、そのような高価な真空導入器を採用する必要がなくなり、製造コストを低減することができる。

特許第５７６０６２６号公報

図６Ａのように駆動側磁石１０３を一方向（左方向）に移動させた場合には、可動側磁石１０２を同方向（左方向）に移動させることができる。しかしながら、可動側磁石１０２は磁力によって駆動側磁石１０３に追従するような構成であるため、駆動側磁石１０３の移動開始タイミングに対して、可動側磁石１０２の移動開始タイミングが若干遅れることとなる。その結果、駆動側磁石１０３を一方向（左方向）に移動させた直後には、図６Ａに示すように、可動側磁石１０２の位置と駆動側磁石１０３の位置との間にずれ（オフセットＡ）が生じてしまう。

一方、図６Ｂのように駆動側磁石１０３を他方向（右方向）に移動させた場合には、可動側磁石１０２を同方向（右方向）に移動させることができる。しかしながら、この場合にも、図６Ａの場合と同様に、駆動側磁石１０３の移動開始タイミングに対して、可動側磁石１０２の移動開始タイミングが若干遅れることとなる。その結果、駆動側磁石１０３を他方向（右方向）に移動させた直後には、図６Ｂに示すように、可動側磁石１０２の位置と駆動側磁石１０３の位置との間にずれ（オフセットＢ）が生じてしまう。

上記のようなオフセットＡ，Ｂが発生する理由としては、可動側磁石１０２及び駆動側磁石１０３の軸中心が互いに一致する付近では水平方向の駆動力が小さくなるということが挙げられる。すなわち、可動側磁石１０２及び駆動側磁石１０３の軸中心が大きくずれるまで、可動部１０４の移動に対する抵抗（摩擦抵抗など）を上回る駆動力が発生せず、その結果、可動側磁石１０２の移動の遅れに起因するオフセットＡ，Ｂが生じるものと考えられる。

特に、図６Ａのように駆動側磁石１０３を一方向（左方向）に移動させた直後に、図６Ｂのように駆動側磁石１０４を他方向（右方向）に移動させた場合は、オフセットＡ，Ｂの範囲内で駆動側磁石１０３が移動し、可動部１０４が全く動かない状態（いわゆるバックラッシ）が生じるおそれもある。このように、従来の駆動装置では、真空室内に設けられた可動部を磁力で駆動させる際に、可動部の位置ずれが生じやすいという問題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、真空室内に設けられた可動部を磁力で駆動させる際に、可動部の位置ずれが生じにくい駆動装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る駆動装置は、真空室内に設けられた可動部を駆動させるための駆動装置であって、可動側磁石と、駆動部とを備える。前記可動側磁石は、前記可動部に設けられている。前記駆動部は、前記真空室の外部に設けられ、前記可動側磁石に対して磁力を作用させることにより前記可動部を駆動させる。前記駆動部は、第１磁石と、第２磁石と、移動機構とを有する。前記第１磁石は、前記可動側磁石を引き付ける磁力を作用させる。前記第２磁石は、前記第１磁石に隣接して設けられ、前記可動側磁石に反発する磁力を作用させる。前記移動機構は、前記第１磁石及び前記第２磁石を一体的に移動させる。

このような構成によれば、第１磁石により可動側磁石を引き付ける磁力を作用させる一方で、第１磁石に隣接して設けられた第２磁石により可動側磁石に反発する磁力を作用させることができる。これにより、可動側磁石が駆動部側に引き付けられて安定する範囲が狭くなるため、可動側磁石が移動部材の移動に追従しやすくなる。その結果、移動部材の移動開始タイミングに対して、可動部の移動開始タイミングの遅れが小さくなる。したがって、真空室内に設けられた可動部を磁力で駆動させる際に、可動部の位置ずれが生じにくい。

（２）前記第２磁石は、前記第１磁石を中心として点対称に配置されていてもよい。

このような構成によれば、第１磁石を中心として点対称に配置された第２磁石の磁力により、可動側磁石が駆動部側に引き付けられて安定する範囲を、第１磁石を中心とする狭い範囲に絞ることができる。これにより、移動部材の移動に対して可動側磁石がさらに追従しやすくなるため、可動部の位置ずれがより生じにくい。

（３）前記第２磁石は、前記第１磁石を中心として円環状に配置されていてもよい。

このような構成によれば、第１磁石を中心として円環状に配置された第２磁石の磁力により、可動側磁石が駆動部側に引き付けられて安定する範囲を、第１磁石を中心とする狭い範囲に絞ることができる。これにより、移動部材の移動に対して可動側磁石がさらに追従しやすくなるため、可動部の位置ずれがより生じにくい。

（４）前記可動部は、第１方向に沿って移動可能であってもよい。この場合、前記移動機構は、前記第１方向に沿って前記第１磁石及び前記第２磁石を一体的に移動可能であってもよい。

このような構成によれば、第１方向に沿って第１磁石及び第２磁石を一体的に移動させることにより、第１方向に沿って直線的に可動部を移動させることができる。これにより、直線的に移動する可動部の位置ずれを効果的に抑制することができる。

（５）前記可動部は、第１方向及び当該第１方向に交差する第２方向に移動可能であってもよい。この場合、前記移動機構は、前記第１方向及び前記第２方向に沿って前記第１磁石及び前記第２磁石を一体的に移動可能であってもよい。

このような構成によれば、第１方向及び第２方向に沿って第１磁石及び第２磁石を一体的に移動させることにより、第１方向及び第２方向に沿った平面内で可動部を移動させることができる。これにより、平面内で移動する可動部の位置ずれを効果的に抑制することができる。

（６）前記可動部は、前記真空室内に設けられた試料ステージに連結されていてもよい。

このような構成によれば、可動部に連結された試料ステージを真空室内で駆動させる際に、試料ステージの位置ずれが生じにくい。したがって、試料ステージに載置される試料に対して精度よく分析を行うことができる。

本発明によれば、移動部材の移動開始タイミングに対して、可動部の移動開始タイミングの遅れが小さくなるため、真空室内に設けられた可動部を磁力で駆動させる際に、可動部の位置ずれが生じにくい。

本発明の一実施形態に係る駆動装置及び周辺の部材の構成例を示した斜視図である。図１に示した駆動装置の断面図である。駆動部の斜視図である。駆動部の変形例を示した平面図である。駆動部の変形例を示した平面図である。駆動部の変形例を示した平面図である。駆動部の別の変形例を示した平面図である。駆動部の別の変形例を示した平面図である。駆動部の別の変形例を示した平面図である。磁力を用いて可動部を移動させる駆動装置の従来例を示した概略図である。磁力を用いて可動部を移動させる駆動装置の従来例を示した概略図である。

１．駆動装置の構成
図１は、本発明の一実施形態に係る駆動装置及び周辺の部材の構成例を示した斜視図である。この駆動装置は、真空室１内に設けられた可動部２を駆動させるためのものであり、壁面３により真空室１が区画されている。壁面３は、例えば水平方向に延びる薄板状の部材により構成されている。図１では、壁面３を隔てて上側が真空室１となっており、壁面３の一部を省略して示している。

この駆動装置には、可動側磁石４及び駆動部５が備えられている。可動側磁石４は、可動部２に取り付けられており、可動部２とともに真空室１内で移動可能となっている。駆動部５は、真空室１の外部に設けられており、駆動側磁石６及び移動部材７などを備えている。駆動側磁石６は、第１磁石８及び第２磁石９により構成されている。

図２は、図１に示した駆動装置の断面図である。また、図３は、駆動部５の斜視図である。可動側磁石４及び駆動側磁石６（第１磁石８及び第２磁石９）は、それぞれＮ極及びＳ極を有する永久磁石により構成されている。

可動側磁石４は、例えば円柱状に形成され、そのＮ極側が可動部２の下面に取り付けられた状態で下方に延びている。可動側磁石４のＳ極は、壁面３に対して上方に近接しており、接触しない程度の小さい間隔を隔てて壁面３に対向している。これにより、可動側磁石４を水平面内で移動させたときには、可動側磁石４が、壁面３に対して一定の小さい間隔を保ったまま、壁面３と接触することなく移動できるようになっている。

駆動側磁石６は、壁面３を挟んで可動側磁石４とは反対側に設けられている。第１磁石８は、例えば円柱状に形成され、そのＳ極側が移動部材７の上面に取り付けられた状態で上方に延びている。第２磁石９は、例えば円筒状に形成され、そのＮ極側が移動部材７の上面に取り付けられた状態で上方に延びている。

第２磁石９は、第１磁石８の外周を取り囲むようにして、第１磁石８と同軸上に配置されている。これにより、第１磁石８の外周面と第２磁石９の内周面との間には、円筒状の一定の空間１０が形成されている。すなわち、第２磁石９は、第１磁石８に対し、空間１０を隔てて隣接するように設けられている。

第１磁石８及び第２磁石９の各上面は、同一面内（この例では水平面内）に位置している。これらの第１磁石８及び第２磁石９の各上面は、壁面３に対して下方に近接しており、それぞれ接触しない程度の小さい間隔を隔てて壁面３に対向している。これにより、駆動側磁石６を水平面内で移動させたときには、第１磁石８及び第２磁石９の各上面が、壁面３に対して一定の小さい間隔を保ったまま、壁面３と接触することなく移動できるようになっている。

２．磁力の作用
図２のように、Ｎ極である第１磁石８の上面が、可動側磁石４に対して壁面３を挟んで鉛直下方に対向した状態では、逆極性（Ｓ極）である可動側磁石４の下面に対して、可動側磁石４を第１磁石８側に引き付けるように磁力が作用する。この図２の状態では、Ｓ極である第２磁石９の上面が、可動側磁石４に対して壁面３を挟んで斜め下方に対向している。したがって、第２磁石９の上面と同極性（Ｓ極）である可動側磁石４の下面には、第２磁石９から反発する磁力が作用する。

図２に示すような状態では、第１磁石８のみが設けられた状態（第２磁石９が省略された状態）と比べて、可動側磁石４が駆動部５側に引き付けられて安定する範囲が狭くなる。すなわち、図２のように可動側磁石４と第１磁石８とが同軸上に位置している状態から、移動部材７が水平方向に移動しようとしたときには、可動側磁石４が第２磁石９から受ける反発力が強くなるため、可動側磁石４は第１磁石８と同軸上になる位置へと引き付けられる。このように、第１磁石８による可動側磁石４を引き付ける磁力だけでなく、第２磁石９による可動側磁石４に反発する磁力も加わるため、可動側磁石４は、第１磁石８と同軸上になる位置（図２に示す位置）の近傍の狭い範囲で安定することとなる。

移動部材７には、第１磁石８及び第２磁石９が取り付けられているため、移動部材７を移動させれば、第１磁石８及び第２磁石９を一体的に移動させることができる。移動部材７には、図示しない駆動軸やモータなどの駆動源が連結されており、移動部材７を含むこれらの部材が、第１磁石８及び第２磁石９を一体的に移動させるための移動機構を構成している。この移動機構により第１磁石８及び第２磁石９を水平面内で移動させれば、可動側磁石４に対して磁力を作用させ、可動側磁石４が連結された可動部２を水平面内で駆動させることができる。

上記のように、本実施形態では、第１磁石８のみが設けられた状態（第２磁石９が省略された状態）と比べて、可動側磁石４が駆動部５側に引き付けられて安定する範囲が狭くなる。そのため、移動部材７を水平面内で移動させたときに、可動側磁石４が移動部材７の移動に追従しやすくなる。その結果、移動部材７の移動開始タイミングに対して、可動部２の移動開始タイミングの遅れが小さくなる。したがって、真空室１内に設けられた可動部２を磁力で駆動させる際に、可動部２の位置ずれが生じにくい。

また、本実施形態では、第２磁石９が、第１磁石８を中心として点対称に配置されている。より具体的には、第２磁石９が、第１磁石８を中心として円環状に配置されている。そのため、可動側磁石４が第２磁石９から受ける反発力によって、可動側磁石４が第１磁石８と同軸上になる位置へと引き付けられやすい。したがって、可動側磁石４が駆動部５側に引き付けられて安定する範囲を、第１磁石８を中心とする狭い範囲に絞ることができる。これにより、移動部材７の移動に対して可動側磁石４がさらに追従しやすくなるため、可動部２の位置ずれがより生じにくい。

３．可動部の構成
図１に示すように、可動部２は、互いに直交するＸ方向及びＹ方向に移動可能となっている。すなわち、水平方向に沿った第１方向（Ｘ方向）と、水平面内において第１方向に直交する第２方向（Ｙ方向）との両方向に沿って、可動部２が移動可能となっている。ただし、第１方向及び第２方向は、互いに直交する方向に限らず、別の角度で交差する方向であってもよいし、いずれも水平方向に沿った方向に限られるものでもない。

本実施形態では、可動部２が、Ｘ方向に沿って延びる第１レール１１に対してスライド可能に保持されている。これにより、可動部２が、第１レール１１に沿ってＸ方向に移動可能となっている。また、第１レール１１は、Ｙ方向に沿って延びる第２レール１２に対してスライド可能に保持されている。これにより、第１レール１１に保持された可動部２が、第２レール１２に沿ってＹ方向に移動可能となっている。このように、可動部２は、Ｘ方向及びＹ方向の両方向に移動可能であるため、水平面内の任意の位置に移動させることができる。

移動部材７についても、可動部２と同様にＸ方向及びＹ方向の両方向に移動可能となっている。図１では駆動部５の移動機構を具体的に図示していないが、可動部２と同様にレールを用いた構成を採用することにより、移動部材７がＸ方向及びＹ方向に移動可能となっていてもよい。

この場合、移動機構は、互いに交差する第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に沿って、第１磁石８及び第２磁石９を一体的に移動させることができる。これにより、第１方向及び第２方向に沿った平面内（水平面内）で可動部２を移動させることができるため、平面内（水平面内）で移動する可動部２の位置ずれを効果的に抑制することができる。

本実施形態では、図２に二点鎖線で示すように、試料ステージ１３が可動部２に連結されている。試料ステージ１３は、真空室１内に設けられ、その上面に試料が載置されることにより、真空室１内で試料に対する分析を行うことができる。上述のような駆動装置により駆動される可動部２に試料ステージ１３を連結させれば、試料ステージ１３を真空室１内で駆動させる際に、試料ステージ１３の位置ずれが生じにくい。したがって、試料ステージ１３に載置される試料に対して精度よく分析を行うことができる。

このような試料ステージ１３を駆動させる駆動装置は、質量分析装置などの各種の分析装置に適用することができる。例えば、ＭＡＬＤＩを用いた質量分析装置では、試料をイオン化させるための真空室１内に試料ステージ１３を設けて、当該試料ステージ１３に連結された可動部２を、真空室１の外部に設けられた駆動部５により駆動させることができる。

ただし、可動部は、互いに交差する第１方向（Ｘ方向）及び第２方向（Ｙ方向）に沿って移動可能な構成に限らず、任意の一方向に沿ってのみ移動可能な構成であってもよい。この場合、移動機構（移動部材７）は、上記一方向に沿ってのみ移動可能であればよい。これにより、上記一方向に沿って直線的に可動部２を移動させることができるため、直線的に移動する可動部２の位置ずれを効果的に抑制することができる。

４．駆動部の変形例
図４Ａ～図４Ｃは、駆動部５の変形例を示した平面図である。図４Ａ～図４Ｃの例では、円柱状の第１磁石８を中心として、円柱状の第２磁石９が円環状に複数配置されている。より具体的には、第１磁石８を中心とする周方向に、複数の円柱状の第２磁石９が円環状に等間隔で配置されている。

図４Ａの例では、３つの円柱状の第２磁石９が、第１磁石８を中心とする周方向に、１２０°ごとに円環状に配置されている。図４Ｂの例では、４つの円柱状の第２磁石９が、第１磁石８を中心とする周方向に、９０°ごとに円環状に配置されている。図４Ｃの例では、６つの円柱状の第２磁石９が、第１磁石８を中心とする周方向に、６０°ごとに円環状に配置されている。

このように、第２磁石９の数は特に限定されるものではなく、第１磁石８を中心として、複数の円柱状の第２磁石９が円環状に配置されていればよい。図４Ｂの例では、第１磁石８を中心として、２対の円柱状の第２磁石９が点対称に配置されている。図４Ｃの例では、第１磁石８を中心として、３対の円柱状の第２磁石９が点対称に配置されている。ただし、第２磁石９を２つだけ設け、第１磁石８を中心として、２つ（１対）の円柱状の第２磁石９が点対称に配置された構成などであってもよい。また、円柱状の第２磁石９が第１磁石８に対して点対称又は円環状に配置された構成に限らず、例えば、１つの円柱状の第２磁石９が第１磁石８に隣接して設けられた構成などであってもよい。

図５Ａ～図５Ｃは、駆動部５の別の変形例を示した平面図である。図５Ａ～図５Ｃの例では、円柱状の第１磁石８を中心として、円弧状の第２磁石９が円環状に複数配置されている。より具体的には、第１磁石８を中心とする周方向に、複数の円弧状の第２磁石９が円環状に等間隔で配置されている。

図５Ａの例では、２つの円弧状の第２磁石９が、第１磁石８を中心とする周方向に、１８０°ごとに円環状に配置されている。図５Ｂの例では、３つの円弧状の第２磁石９が、第１磁石８を中心とする周方向に、１２０°ごとに円環状に配置されている。図５Ｃの例では、４つの円弧状の第２磁石９が、第１磁石８を中心とする周方向に、９０°ごとに円環状に配置されている。

このように、第２磁石９の数は特に限定されるものではなく、第１磁石８を中心として、複数の円弧状の第２磁石９が円環状に配置されていればよい。図５Ａの例では、第１磁石８を中心として、１対の円弧状の第２磁石９が点対称に配置されている。図５Ｃの例では、第１磁石８を中心として、２対の円弧状の第２磁石９が点対称に配置されている。ただし、円弧状の第２磁石９は、第１磁石８に対して点対称又は円環状に配置された構成に限らず、例えば、１つの円弧状の第２磁石９が第１磁石８に隣接して設けられた構成などであってもよい。

５．その他の変形例
可動側磁石１０２及び駆動側磁石１０３（第１磁石８及び第２磁石９）の形状は、上記のような円柱状や円弧状に限られるものではなく、任意の形状を採用することができる。

また、可動側磁石１０２及び駆動側磁石１０３（第１磁石８及び第２磁石９）の極性は、上記実施形態とは逆でもよい。すなわち、可動側磁石１０２のＮ極と、第１磁石８のＳ極とが、互いに対向するように配置されてもよい。この場合、第２磁石９は、Ｎ極側が可動側磁石１０２と近くなるように配置されてもよい。

１真空室
２可動部
３壁面
４可動側磁石
５駆動部
６駆動側磁石
７移動部材
８第１磁石
９第２磁石
１０空間
１１第１レール
１２第２レール
１３試料ステージ

Claims

真空室内に設けられた可動部を駆動させるための駆動装置であって、
前記可動部に設けられた可動側磁石と、
前記真空室の外部に設けられ、前記可動側磁石に対して磁力を作用させることにより前記可動部を駆動させる駆動部とを備え、
前記駆動部は、
前記可動側磁石を引き付ける磁力を作用させる第１磁石と、
前記第１磁石に隣接して設けられ、前記可動側磁石に反発する磁力を作用させる第２磁石と、
前記第１磁石及び前記第２磁石を一体的に移動させる移動機構とを有し、
前記第２磁石は、前記第１磁石を中心として円環状に配置されていることを特徴とする駆動装置。
前記第２磁石は、前記第１磁石を中心として点対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記可動部は、第１方向に沿って移動可能であり、
前記移動機構は、前記第１方向に沿って前記第１磁石及び前記第２磁石を一体的に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記可動部は、第１方向及び当該第１方向に交差する第２方向に移動可能であり、
前記移動機構は、前記第１方向及び前記第２方向に沿って前記第１磁石及び前記第２磁石を一体的に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記可動部は、前記真空室内に設けられた試料ステージに連結されていることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。