JP7082677B2 - 圧電アクチュエータを含むnmrプローブヘッド - Google Patents
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Description
- 基部:プローブヘッドのこの部品は、典型的には磁石の外側に配置される。
- チューブ内に配置されて試料チャンバを取り囲むコイル:これは、試料を操作するための高周波磁場を生成するコイルであり、また、歳差スピン(precessing spin)の信号を捕捉するコイルである。NMRプローブのタイプに応じて、上記コイルのうちの1つまたは複数が存在し得る。コイルは、単純なコイル、鳥かご状コイル、および当業者に知られた他のタイプのNMRコイル幾何形状を含み得る。
- 同調・整合回路および/またはコイル内に配置されたいくつかの同調可能要素:これらは、使用される信号にコイルおよび回路を同調および/または整合させるために使用される。同調可能要素は、例えば、調整可能なコンデンサ、調整可能なインダクタンス、および/または電気スイッチを含み得る。
作動部材のうちの少なくとも1つは、アクチュエータとその同調可能要素との間に延在する作動ロッドであり得る。有利には、全ての作動部材が、そのような作動ロッドである。
- チューブに対して固定して配置されたマウント:言い換えれば、マウントは、アクチュエータが作動されたときにチューブに対して移動しない。
本発明はまた、そのようなプローブヘッドを動作させるための方法に関する。この方法は、アクチュエータのうちの少なくとも1つを動作させて、そのアクチュエータに接続された作動部材を第1の方向に沿って所与のステップ数にわたって変位させるステップを含む。この所与のステップ数は、作動部材が機械的止め具によって停止されることを確実とするのに十分な大きさである。それぞれの位置は、「端位置」と呼ばれる。これは、位置センサに頼る必要なしに作動ロッドを定められた位置(端位置)まで運ぶことを可能にする。
なおも別の有利な実施形態では、方法は、以下のステップを含む:
- 同調・整合回路に供給されているAC信号の大きさおよび位相を測定するステップ。
これは、振幅および位相の組み合わせられた測定により作動部材に必要とされる移動の方向を決定することが可能になり、したがって調整可能な要素をより迅速に調整することが可能になる、という理解に基づく。
本発明の以下の詳細な説明への検討がなされれば、本発明はより良く理解されるであろうし、上記で説明された目的以外の目的も明らかになるであろう。この説明は添付図面を参照する。
図1のNMRプローブヘッドは、基部10およびチューブ12を備える。基部10は、基本的に当業者に知られているように、電子回路を受容するためのハウジング14と、プローブヘッドに種々の信号を供給するのに適しておりまたプローブヘッドからの信号を受信するための電気インターフェース16a、16b、16cと、を備える。
デバイスを動作させるために、チューブ12はNMRデバイスの静磁石内に挿入されるが、基部10はその外側に残る。したがって、チューブ12は、チューブ軸18に対して直角な方向において、基部10よりも小さい直径を有する。
具体的には、チューブ12によって取り囲まれた空間内には、以下の構成要素のうちの少なくとも一部が存在する:
- コイル組立体20、
- 同調・整合回路22、
- アクチュエータ組立体24、
- 作動部材28の組立体26、
- RFシーリング30、
- 取付部材32、および、
- センタリング部材33。
コイル組立体20は、図9に概略的に示された鳥かご状コイルなどの、1つまたは複数のコイル34を備える。しかし、コイル組立体20は、当業者に知られているような他のタイプのコイルを収容することもできる。
いくつかの同調可能要素36a~e(参照番号36により共通して示される)が、同調・整合回路22内および/またはコイル34内に配置される。それらは、使用される信号に対してコイル34および回路22を同調および/または整合するために使用される。
図2および3の実施形態では、作動部材は、作動ロッドとして実装される。
作動部材28は、作動組立体26を一緒に形成する。
アクチュエータ組立体24は、作動部材28を介して同調要素36に接続された複数のアクチュエータ38を備える。
信号漏れを最小限に抑えるために、また、アクチュエータを反射電力から保護するために、作動部材28は、非金属材料で作られ、かつ、RFシーリング30内の開口部40を貫通して延在する。
取付:
センタリング部材33は、基部10に接続され、かつ、チューブ12に沿って軸方向に延在する。コイル組立体20(したがって、コイル34)、同調・整合回路22、アクチュエータ組立体24、RFシーリング30、および取付部材32は全て、センタリング部材33上で中心に配置される。
有利には、また、チューブ12内への嵌合のために、アクチュエータ組立体24などのチューブ12内の全ての構成要素は、チューブ軸18に対して直角な全方向において、100mm未満の直径、特に40mm未満の直径を有する。
アクチュエータ組立体24は、述べられたように、いくつかのアクチュエータ38を備える。その設計は、図4~7から最も良く理解される。
- チューブ12に固定して接続されたマウント46(「固定してとは、アクチュエータの動作中にチューブ12がマウントに対して移動しないという意味である)。
- 駆動ロッド48に取り付けられた少なくとも1つの圧電素子50。
- 駆動ロッド上に配置されたスリップ結合器52。スリップ結合器52は、作動部材28のうちの1つに接続される。
有利には、弾性保持器46a、46bは、50から60の間のショアA硬度を有する接着剤によって形成されてもよく、または、弾性保持器46a、46bは、例えばエラストマ体であってもよい。
止め具56a、56bは、スリップ結合器52と直接に相互作用してもよく、または、示されるように、スリップ結合器52に取り付けられたスペーサ57と相互作用してもよい。
図9に示されるように、制御ユニット64および電気ドライバ66が、圧電素子50に印加されるべき電圧を生成するために使用され得る。
有利には、アクチュエータのより容易な取付けのために、第1のフレーム体42aおよび/または第2のフレーム体42bの外側縁部72(すなわち、チューブ軸2と反対の側を向いた縁部)から内方に延在する凹部70が設けられる。この場合、第1のフレーム体42aおよび/または第2のフレーム体42bは、チューブ軸18に対して横方向に延在するプレートであり、具体的には、また図示のように、チューブ軸18に対して直角に延在するプレートである。
温度制御:
プローブヘッドは、試料チャンバ内の温度を制御するための温度制御装置を備える。これは、図8に示されている。
チューブ86は、基部10の側において、温度被制御空気入口90に接続され(図1および2参照)、この空気入口90を通じて、温度被制御空気92(図8)が、温度被制御空気導管89内に供給される。この温度被制御空気は、加熱器88により、定められた温度まで加熱され、この温度は、例えば、-150℃から+150℃の間の範囲内であり得る。試料チャンバ88内で低温が望ましい場合、温度被制御空気は、プローブヘッドに供給される前に望ましい温度を下回る温度まで冷却され、次いで、加熱部材84は、その空気の温度を微調整するために使用され得る。
上述のように、非対称の前進-後退運動を行うように駆動ロッド48を励起させてスリップ結合器52を駆動ロッド48に沿って変位させるために、適切な信号が使用され得る。スリップ結合器52の運動は、止め具56a、56bによって制限される。
そうするために、制御ユニット64は、アクチュエータ38のうちの少なくとも1つを動作させて、そのアクチュエータ38に接続された作動部材28を第1の方向に沿って所与のステップ数にわたって変位させることができる。所与のステップ数は、作動部材28が端位置において機械的止め具56a、56bのうちの一方によって停止されることを確実にするのに十分なものである。
例えば、作動部材28の最大変位量がMであり、単一のステップにおいて得られる変位量がdであるのならば、所与のステップ数nは、少なくともM/dである。
- 同調・整合回路22にAC信号を供給するための信号線74。
- 信号線74上の信号の大きさおよび位相を検出するための、回路網解析器などの検出器76。
上記の実施形態では、作動部材28は、作動ロッドであり、すなわち、アクチュエータ38を同調可能要素36に接続する剛体ロッドである。
上記の実施形態では、2つの圧電素子50が、各駆動ロッド48に接続される。必要とされる機械的振動の強さによっては、駆動ロッド48ごとに単一の圧電素子50で十分な場合がある。
本発明の目下好ましい実施形態が示されかつ説明されたが、本発明は、そのような実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載の範囲において他の方法で様々に具現化されかつ実践され得ることが、はっきりと理解されるべきである。
Claims (31)
- NMRプローブヘッドであって、
基部(10)と、
前記基部(10)よりも小さい直径を有するチューブ(12)と、
前記チューブ(12)内に配置されかつ試料チャンバ(88)を取り囲むコイル(34)と、
前記チューブ(12)内に配置されかつ前記コイル(34)に接続された同調・整合回路(22)と、
前記同調・整合回路(22)および/または前記コイル(34)内に配置されたいくつかの同調可能要素(36)と、
作動部材(28)により前記同調可能要素(36)に機械的に接続されたいくつかのアクチュエータ(38)と、
を備え、
前記アクチュエータ(38)のうちの少なくともいくつかが、圧電アクチュエータ(38)であり、前記アクチュエータ(38)が、前記基部(10)と前記同調・整合回路(22)との間で前記チューブ(22)内に配置される、NMRプローブヘッド。 - 前記作動部材(28)のうちの少なくとも1つが、そのアクチュエータ(38)とその同調可能要素(36)との間に延在する作動ロッドである、請求項1に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記作動部材(28)が、前記チューブ(12)のチューブ軸に平行に延在する、請求項1または2に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記アクチュエータ(38)のうちの少なくとも1つが、
前記チューブ(12)に対して固定して配置されたマウント(46)と、
前記マウント(46)上に弾性的に取り付けられた少なくとも1つの駆動ロッド(48)と、
前記駆動ロッド(48)に取り付けられた少なくとも1つの圧電素子(50)と、
前記駆動ロッド(48)上に配置されたスリップ結合器(52)と、
を備え、
前記作動部材(28)のうちの少なくとも1つが、前記スリップ結合器(52)に接続される、請求項1から3までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。 - 前記駆動ロッド(48)が、前記作動部材(28)よりも軽量であり、特に前記作動部材(28)よりも短い、請求項4に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記マウント(46)が、互いに距離を置いて配置された第1の弾性保持器(46a)および第2の弾性保持器(46b)を備え、前記スリップ結合器(52)が、前記第1の保持器(46a)と前記第2の保持器(46b)との間に延在する前記駆動ロッド(48)のセクション(48a)に取り付けられる、請求項4または5に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記弾性保持器(46a、46b)のうちの一方が、前記スリップ結合器(52)と前記少なくとも1つの圧電素子(50)との間に配置される、請求項6に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記アクチュエータ(38)が、前記駆動ロッド(48)の両端に取り付けられた第1および第2の圧電素子(50)を備える、請求項4から7までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- アクチュエータ組立体(24)を有し、前記アクチュエータ組立体(24)が、前記アクチュエータ(38)のうちのいくつかを備え、前記アクチュエータ組立体(24)が、前記アクチュエータ(38)を共通して保持するフレーム(42a、42b)を備える、請求項4から8までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記フレーム(42a、42b)が、複数の凹部または開口部(70)を有する少なくとも1つのフレーム体(42a)を備え、前記駆動ロッド(48)のそれぞれが、前記凹部または開口部のうちの少なくとも1つの中に保持される、請求項9に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記アクチュエータ組立体(24)が、前記凹部または開口部(70)のそれぞれに対して、1つの駆動ロッド(48)を前記凹部または開口部(70)内に弾性的に保持するように適合されかつ構成された弾性保持器(46a、46b)を備える、請求項10に記載のNMRプローブヘッド。
- フレーム体(42a、42b)が、前記チューブ(12)の軸に対して横方向に、特に直角に延在するプレートであり、前記凹部または開口部(70)が、フレーム体(42a、42b)の外側縁部(72)から内方に延在する凹部である、請求項10または11に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記フレーム(42a、42b)が、互いに距離を置いて配置された第1および第2のフレーム体(42b)を備え、前記アクチュエータ(38)の前記駆動ロッド(48)が、前記2つのフレーム体(42a、42b)の間に延在する、請求項10から12までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記作動部材(28)が、前記フレーム体(42a)を貫通して延在する、請求項10から13までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記アクチュエータ組立体(24)が、前記チューブ(12)のチューブ軸(18)に対して直角な任意の方向において、100mmよりも小さい直径、特に40mmよりも小さい直径を有する、請求項9から14までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記アクチュエータ組立体(24)の前記駆動ロッド(48)が、円上に配置される、請求項9から15までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記チューブ(12)に沿って軸方向に延在するセンタリング部材(33)を備え、前記コイル(34)、前記同調・整合回路(22)、および前記アクチュエータ組立体(24)が、前記センタリング部材(33)によって中心に配置される、請求項9から16までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記駆動ロッド(48)が、前記チューブ(12)のチューブ軸(18)に平行に延在する、請求項4から17までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記アクチュエータ(38)が、前記作動部材(28)を前記圧電素子(50)に対して変位させるように構成されかつ適合される、請求項4から18までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記コイル(34)および前記同調・整合回路(22)を具体的には-100℃を下回る温度まで冷却するように適合されかつ構成された、請求項1から19までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 温度被制御空気導管(89)内に配置された加熱器(88)を含む加熱部材(84)をさらに備え、前記温度被制御空気導管(89)が、前記基部(10)から前記試料チャンバ(88)まで延在する、請求項1から20までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記加熱部材(84)および前記温度被制御空気導管(89)の周りに配置された絶縁空気導管(94)をさらに備え、特に、前記絶縁空気導管(94)が、前記アクチュエータ(38)および/または前記プローブヘッドの他の構成要素を冷却するための側方開口部(100)を備える、請求項21に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記絶縁空気導管(94)が、前記センタリング部材(33)によって形成される、請求項17を引用する請求項21を更に引用する請求項22に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記同調可能要素(36)が、調整可能なコンデンサ、調整可能なインダクタ、および電気スイッチの群のうちの少なくとも1つを含む、請求項1から23までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記アクチュエータ(38)と前記調整可能要素(36)との間に配置されたRFシーリング(30)を備え、前記作動部材(28)が、非金属材料で作られ、かつ、前記RFシーリング(30)内の開口部(40)を貫通して延在する、請求項1から24までのいずれか一項に記載のNMRプローブヘッド。
- 前記作動部材(28)の運動を制限するように配置された機械的止め具(56a、56b)と、
前記アクチュエータ(38)に電気的に接続された制御ユニット(64)と、
をさらに備え、
前記制御ユニット(64)が、前記アクチュエータ(38)のうちの少なくとも1つを動作させて、そのアクチュエータ(38)に接続された作動部材(28)を第1の方向に沿って所与のステップ数にわたって変位させるように、適合されかつ構成され、前記所与のステップ数が、前記作動部材(28)が端位置において前記機械的止め具(56a、56b)のうちの第1のものによって停止されることを確実にするのに十分なものである、請求項1から25までのいずれか一項に記載のNMRプローブ。 - 前記制御ユニット(64)が、前記少なくとも1つのアクチュエータ(38)を動作させて、前記作動部材(28)を前記所与のステップ数の後に前記端位置から前記第1の方向とは反対の第2の方向に前記アクチュエータ(38)の所与の振動数にわたって移動させるように、適合されかつ構成される、
請求項26に記載のNMRプローブ。 - 前記同調・整合回路(22)にAC信号を供給するための信号線(74)、ならびに前記信号線
(74)上の前記信号の大きさおよび位相を検出するための検出器(76)と、
前記作動部材(28)のうちの少なくとも1つを変位させるための方向を前記大きさおよび位相から決定するための解析器(80、81)と、
をさらに備え、
特に、前記解析器(80、81)が、ファジー論理ユニットを備える、請求項1から27までのいずれか一項に記載のNMRプローブ。 - 請求項1から28までのいずれか一項に記載のNMRプローブを動作させる方法であって、
前記アクチュエータ(38)のうちの少なくとも1つを動作させて、そのアクチュエータ(38)に接続された前記作動部材(28)を第1の方向に沿って所与のステップ数にわたって変位させるステップ
を含み、
前記所与のステップ数が、前記作動部材(28)が端位置において機械的止め具(56a、56b)によって停止されることを確実にするのに十分なものである、方法。 - 前記少なくとも1つのアクチュエータ(38)を動作させて、前記作動部材(28)を前記所与のステップ数の後に前記端位置から前記アクチュエータ(38)の所与の振動数にわたって前記第1の方向とは反対の第2の方向に移動させて所望の位置に到達させるステップをさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 前記同調・整合回路(22)に供給されているAC信号の大きさおよび位相を測定するステップと、
前記作動部材(28)のうちの少なくとも1つを変位させるための方向を、特にファジー論理を使用して、前記大きさおよび位相から決定するステップと、
を含む、請求項29または30に記載の方法。
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