JP7464190B2

JP7464190B2 - 分析装置

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Publication number: JP7464190B2
Application number: JP2023506761A
Authority: JP
Inventors: 貴久荒木; 航太永棹
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2024-04-09
Anticipated expiration: 2041-12-21
Also published as: WO2022196015A1; EP4311091A1; JPWO2022196015A1; US20240151510A1; CN116868491A

Description

本発明は、鏡の位置を移動させる駆動部を含む分析装置に関する。

ＦＴＩＲ（フーリエ変換型赤外分光光度計：Fourier Transform Infrared spectroscope）に利用されるマイケルソン二光束干渉計は、赤外光源から発した赤外光をビームスプリッタで固定鏡と移動鏡との２方向に分割し、固定鏡で反射して戻ってきた光と移動鏡で反射して戻ってきた光と再びビームスプリッタで合成する構成を有する。ＦＴＩＲでは、移動鏡を入射光軸方向（前後方向）で前後に移動させることで、分割された二光束の光路長の差を変化させて干渉光を発生させている（国際公開第２０１６／１６６８７２号：特許文献１）。

ＦＴＩＲでは、移動鏡の位置を移動させる駆動部としてボイスコイルモータ（以下、ＶＣＭともいう）を用いている。ＶＣＭは、磁場中にコイルを設けた移動部を配置し、当該コイルに電流を流すことで発生する電磁力により、移動部の推力を得る駆動部である。また、ＶＣＭは、その構造上、移動部の高速な制御が可能であり、一定速度で移動部を往復移動させるなどの駆動に優れている。

国際公開第２０１６／１６６８７２号

しかし、ＶＣＭは、コイルを設けた移動部を配置する磁場の磁束密度が均一でない場合、移動部の推力が移動部の位置によって異なる。特に、磁束密度が弱い位置では、移動部の推力が不足し、一定速度で移動部を往復移動させることができない問題があった。ＦＴＩＲでは、移動部に移動鏡を固定して往復移動させるが、ＶＣＭが一定速度で移動部を往復移動させることができない場合、測定データの再現性が低下する問題があった。さらに、ＦＴＩＲの分解能を高めるためには、より広い範囲で移動鏡を往復移動させる必要があり、ＶＣＭにおいてより広い範囲で磁束密度を均一にすることが望まれている。

ただ、ＶＣＭにおいてより広い範囲で磁束密度を均一にするには、ヨークの長さを長くすることが考えられるが、ヨークの長さを長くすることで磁束密度がストローク全体で低くなり、移動部の推力がストローク全体で低下する問題がある。また、ヨークの長さを長くすることで磁束密度が低くなることを補うために磁力の強い磁石を設けることも可能であるが、強い磁石を設けることで駆動部自体が大型化する問題があった。

本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、大型化することなくより広いストローク範囲で、一定速度で移動部を往復移動させることができる駆動部を備えた分析装置を提供することを一の目的とする。

この発明のある局面に従う分析装置は、位置を移動させることが可能な移動鏡と、移動鏡の位置を移動させる駆動部と、を備える分析装置である。駆動部は、一方の面に移動鏡を固定する筒部と、筒部の他方の面で接続され、筒部を往復移動させるボイスコイルモータと、を備える。ボイスコイルモータは、筒状のヨークと、ヨークの両端に設けられる磁石と、ヨークを内包する筒状で、磁石を設けたヨークを底面で固定する固定部と、複数の窓が設けられ、固定部の開口面を覆う蓋部と、ヨークと固定部との間に配置される筒状のコイルが固定された移動部と、移動部に一端が固定され、他端が窓を通って筒部の他方の面で接続される複数の支持部と、を含む。

上記の駆動部によれば、固定部の開口面に蓋部を設け、蓋部の窓を通って設けられる支持部で鏡を固定する筒部を支持するので、大型化することなくより広い範囲で移動部を往復移動させることができる。また、上記の分析装置では、より広い範囲で鏡を往復移動させることができるので、分解能の高い測定が可能となる。

実施の形態の分析装置の構成を示すブロック図である。実施の形態の駆動部の構成を示す断面図である。実施の形態の駆動部の構成を示す断面斜視図である。実施の形態の駆動部の構成を示す斜視図である。実施の形態の駆動部の推力を示すグラフである。比較例の駆動部の推力を示すグラフである。変形例の蓋部の構成を示す図である。変形例の駆動部の構成を示す断面斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［分析装置の構成］
図１は、実施の形態の分析装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態では、分析装置の一例としてＦＴＩＲを例に説明する。なお、実施の形態の分析装置は、ＦＴＩＲに限定されるものではなく、例えば、非線形ラマン分光法などの鏡の位置を移動させ光路長差をつける装置を備える分析装置であれば同様に適用することができる。

図１に示すＦＴＩＲは、干渉計室４００内に収容された、赤外光源４１０、集光鏡４３１ａ、コリメータ鏡４３１ｂ、ビームスプリッタ４４０、移動鏡４５０、固定鏡４６０から構成される主干渉計を有する。移動鏡４５０には、駆動部１００が接続されており、駆動部１００は、移動鏡４５０の位置を移動させる。主干渉計において、赤外光源４１０から射出された赤外光は集光鏡４３１ａ、コリメータ鏡４３１ｂを経由してビームスプリッタ４４０で２つに分割され、一方は固定鏡４６０、もう一方は移動鏡４５０で反射され、再び同一光路で合一されて赤外干渉光となる。

該赤外干渉光が放物面鏡４３２により集光され、試料室４７０へ入射し、試料Ｓへ照射されると、試料Ｓに特有の波長において吸収を受ける。吸収を受けた赤外干渉光は楕円面鏡４３３を経由して赤外光検出器４８０で検出され、フーリエ変換されることによりパワースペクトルが作成される。

［駆動部の構成］
ＦＴＩＲでは、移動鏡４５０の移動速度を一定に保つことで、スペクトルを高い再現性で取得することができる。また、ＦＴＩＲでは、移動鏡４５０を移動させる範囲をより広い範囲にすることで精度の高い測定が可能となる。本実施の形態では、移動鏡４５０を移動させる駆動部１００にＶＣＭを用いている。図２は、実施の形態の駆動部１００の構成を示す断面図である。また、図３は、実施の形態の駆動部１００の構成を示す断面斜視図である。

駆動部１００は、一方の面に移動鏡４５０を固定する筒部５２と、移動鏡４５０を固定する面とは反対の筒部５２の面（他方の面）で接続されるＶＣＭ１と、を備えている。ＶＣＭ１は、筒部５２を往復移動させることで移動鏡４５０の位置を移動させている。なお、筒部５２の先端（図２の左側）には、移動鏡４５０が固定されており、筒部５２および移動鏡４５０が直動機構により支持され往復移動する。直動機構は、例えばリニアガイドであり、筒部５２を支持するガイド５５ｂがレール５５ａ上を直動運動する。ただし、直動機構は、レール５５ａ上にガイド５５ｂが接触支持されるリニアガイドに限定されず、磁気浮上やエアベアリングのような非接触でレール上にガイドが支持される構成でもよい。

ＶＣＭ１は、アウターヨークに対応する筒状の固定部７３と、インナーヨークに対応し、固定部７３の底面に固定される筒状のヨーク７５とを有する。固定部７３およびヨーク７５は、鉄製（磁性材料製）で、固定部７３の中心軸とヨーク７５の中心軸とが一致するように固定部７３がヨーク７５を内包している。ヨーク７５の中心軸方向（図中の左右方向）の両端には、磁石７４ａ，７４ｂが設けられている。そのため、ヨーク７５は、磁石７４ｂを挟んで固定部７３の底面に固定されている。つまり、磁石７４ａとヨーク７５と磁石７４ｂとの順で固定部７３の底面に固定されている。一方、当該底面と対向する固定部７３の開口面には、蓋部７６が設けられている。

ＶＣＭ１では、ヨーク７５の両端に磁石を設け、２個の磁石を使用している。そのため、ヨーク７５の一方の端に磁石を設け、１個の磁石を使用するＶＣＭに比べて、ＶＣＭ１では、移動部の推力を大きくすることができる。つまり、ＶＣＭ１では、固定部７３内の磁束密度を高めることで、移動部の推力を大きくするとともに磁場の均一性を確保して移動部を移動させる範囲を広く（ストロークを長く）できる。なお、磁石７４ａと磁石７４ｂとは同じ磁石であるが、磁力が同じであれば形状が異なっていてもよい。

また、ＶＣＭ１では、固定部７３の開口面から漏れていた磁束を、空気より透磁率の高い材料で形成した蓋部７６で閉じ込めている。そのため、ＶＣＭ１では、固定部７３の開口面側の磁場の低下を抑えることができ、開口面側まで磁場の均一性を確保して移動部を移動させる範囲を広く（ストロークを長く）している。

ＶＣＭ１は、ヨーク７５と固定部７３との間に筒状のコイルを固定した移動部７２ａが設けられている。この移動部７２ａの一端には、筒部５２と接続するための支持部７２ｂが設けられている。支持部７２ｂは、蓋部７６に設けた窓７７を通って４本設けられている。移動部７２ａと４本の支持部７２ｂとは、コイルの導線を巻き付けるボビンとして一体的に形成してもよい。もちろん、コイルの導線を巻き付けた移動部７２ａに、４本の支持部７２ｂを後から接続して形成してもよい。

固定部７３の側面には、中心軸方向に伸びる長孔形状のスリット７３ａが形成されている。スリット７３ａは、中心軸に対して対称に形成されており、図２では中心軸を挟んで上下方向に形成されている。移動部７２ａは、外周面に導線を巻いた円環形状のコイルを有しており、当該コイルがスリット７３ａを貫通するように配置された電力供給端子（電力供給線）７２ｃを介して電源（図示略）と電気的に接続している。これにより、ＶＣＭ１は、移動部７２ａのコイルに電力供給端子７２ｃを介して電流を流すと、コイルは固定部７３とヨーク７５との間に形成される磁界によって電磁力（ローレンツ力）を受けて中心軸方向に移動することで、筒部５２に固定された移動鏡４５０を往復移動させる。

［蓋部の構成］
蓋部７６の構成について説明する。図４は、実施の形態の駆動部の構成を示す斜視図である。図４に示すように、蓋部７６は、４つのパーツ７６ａ～７６ｄで構成されている。この４つのパーツ７６ａ～７６ｄを組み合わせることで４つの窓７７が構成される。蓋部７６は、固定部７３の開口面を単純に覆うだけでは筒部５２や移動鏡４５０に移動部７２ａの推力を伝達することができない。そのため、ＶＣＭ１では、窓７７を通って筒部５２や移動鏡４５０に接続される４本の支持部７２ｂで、筒部５２や移動鏡４５０に移動部７２ａの推力を伝達している。

また、中心軸から１本の支持部７２ｂを伸ばして筒部５２や移動鏡４５０に移動部７２ａの推力を伝達することも可能であるが、１本の支持部７２ｂの先に移動鏡４５０を接続して、移動部７２ａを往復移動させた場合、移動鏡４５０の機械剛性が下がり、共振周波数が下がることで高速駆動時の発振現象などが起こり、一定速度での駆動が出来ない。ＦＴＩＲでは、高い再現性を得るためには移動鏡４５０を均一に往復移動させる必要があるため、複数の支持部７２ｂで筒部５２や移動鏡４５０に移動部７２ａの推力を伝達する必要がある。

図４では、４本の支持部７２ｂが中心軸に対して対称に設けられ、移動部７２ａから直線状に支持部７２ｂが伸びている。４本の支持部７２ｂで移動部７２ａと筒部５２とを接続することで、移動部７２ａ自体の固有振動数を高くすることができ、移動鏡４５０を均一に往復運動させることができる。また、４本の支持部７２ｂを通すために４つ窓７７を蓋部７６に設ける場合、図４に示すように４つのパーツ７６ａ～７６ｄに蓋部７６を分割し、４つのパーツ７６ａ～７６ｄを組み合わせて４つの窓７７を構成する。このように、４つのパーツ７６ａ～７６ｄを組み合わせて４つの窓７７を構成することで、ＶＣＭ１の組立性が高くなる。なお、４つのパーツ７６ａ～７６ｄの取り外し方向は、それぞれ径方向である。

［推力の均一性］
駆動部１００の推力の均一性について説明する。図５は、実施の形態の駆動部１００の推力を示すグラフである。図６は、比較例の駆動部の推力を示すグラフである。比較例の駆動部は、駆動部１００が有するＶＣＭ１の構成を採用しておらず、図２に示すＶＣＭ１から磁石７４ａおよび蓋部７６を除いた構成である。

図５では、横軸をコイル位置、縦軸を推力として、コイル（移動部７２ａ）の各位置での推力の変化を示している。なお、図５および図６で示しているコイル位置および推力の値は、比較可能な値として規格化したレベル値で示してある。駆動部１００では、図５から分かるように、コイル位置の０レベル～５６レベルまで推力の均一性が確保されており移動鏡４５０を移動させる使用範囲として確保することができる。

一方、図６では、同じように横軸をコイル位置、縦軸を推力として、コイル（移動部）の各位置での推力の変化を示している。比較例の駆動部では、図６から分かるように、コイル位置の０レベル～４０レベルまで推力の均一性が確保されており移動鏡を移動させる使用範囲として確保することができる。そのため、駆動部１００では、比較例の駆動部に比べて使用範囲が１６レベルも広くすることができ、使用範囲が約１．４倍に広がっている。また、駆動部１００では、比較例の駆動部に比べて使用範囲を広くしつつも、同等の推力を確保している。

なお、図５および図６では、所定の範囲で電流値を変化させてコイルに電流を流した場合の各位置での推力の変化を示すグラフを図示している。図５および図６から分かるように、コイルに流す電流値を所定の範囲変化させても、ほぼ同じコイル位置と推力との関係が得られる。

［変形例］
（１）図４で示したように蓋部７６は、４つのパーツ７６ａ～７６ｄで構成されると説明した。しかし、これに限定されず、蓋部は、窓の数と同じ数の複数のパーツで構成されてもよい。図７は、変形例の蓋部の構成を示す図である。図７で示したように蓋部７６０には、５つの窓７７が設けられるので、５つのパーツ７６０ａ～７６０ｅで構成される。

ただし、蓋部は、分割するパーツの数を増えるほど、組立性を確保するために各々のパーツの大きさ（面積）を小さくする必要がある。たとえば、蓋部を５つのパーツに分割した場合、蓋部を４つのパーツに分割した場合に比べて、蓋部の面積が５％程度低下する。蓋部の面積が低下すると、蓋部からの磁束の漏れが増え駆動部の推力が低下する。つまり、支持部および窓の数を増やすことと、駆動部の推力とはトレードオフの関係がある。

なお、蓋部を分割した複数のパーツは磁石と引き合うため、複数のパーツを組み合わせて蓋部を構成したり、蓋を複数のパーツに分けたりする作業は困難である。そのため、複数のパーツは、それぞれ蓋部の径方向に引き抜くことが可能な形状とすることが好ましい。

（２）図２に示す駆動部１００では、４本の支持部７２ｂで筒部５２および移動鏡４５０を支持する構成について説明した。しかし、これに限定されず、筒部５２および移動鏡４５０を支持する支持部７２ｂの本数は、２本以上あればよい。図８は、変形例の駆動部の構成を示す断面斜視図である。なお、図８に示す駆動部１００ａは、図２に示す駆動部１００の構成と同じ構成について同じ符号を付して詳細な説明を繰り返さない。

駆動部１００ａは、４本の支持部７２ｂで筒部５２および移動鏡４５０を支持するのではなく、２本の支持部７２ｂで筒部５２および移動鏡４５０を支持している。図８では、２本の支持部７２ｂが中心軸に対して対称に設けられ、移動部７２ａから直線状に支持部７２ｂが伸びている。２本の支持部７２ｂで移動部７２ａと筒部５２とを接続する場合、４本の支持部７２ｂで移動部７２ａと筒部５２とを接続する場合に比べて移動部７２ａ自体の固有振動数は低くなる。しかし、１本の支持部７２ｂで移動部７２ａと筒部５２とを接続する場合に比べて移動部７２ａ自体の固有振動数は高くなるので、駆動部１００ａは、移動鏡４５０を均一に往復運動させることができる。

なお、駆動部１００ａでは、２本の支持部７２ｂを設けていない方向の振動が大きくなる。そのため、当該振動を減らすためには、駆動部は、３本の支持部７２ｂで筒部５２および移動鏡４５０を支持することが好ましい。

また、２本の支持部７２ｂを通すために２つ窓７７を蓋部７６に設ける場合、図８に示すように２つのパーツに蓋部７６を分割し、２つのパーツを組み合わせて２つの窓７７を構成する。このように、２つのパーツを組み合わせて２つの窓７７を構成することで、駆動部１００ａの組立性が高くなる。

［態様］
上述した複数の例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

（第１項）一態様に係る分析装置は、位置を移動させることが可能な移動鏡（４５０）と、移動鏡（４５０）の位置を移動させる駆動部（１００，１００ａ）と、を備える分析装置であって、駆動部（１００，１００ａ）は、移動鏡（４５０）の位置を移動させる駆動部であって、一方の面に鏡を固定する筒部（５２）と、筒部の他方の面で接続され、筒部を往復移動させるボイスコイルモータ（７０）と、を備え、ボイスコイルモータは、筒状のヨーク（７５）と、ヨークの両端に設けられる磁石（７４ａ，７４ｂ）と、ヨークを内包する筒状で、磁石を設けたヨークを底面で固定する固定部（７３）と、複数の窓（７７）が設けられ、固定部の開口面を覆う蓋部（７６）と、ヨークと固定部との間に配置される筒状のコイルが固定された移動部（７２ａ）と、移動部に一端が固定され、他端が窓を通って筒部の他方の面で接続される複数の支持部（７２ｂ）と、を含む。

第１項に記載の駆動部によれば、固定部の開口面に蓋部を設け、蓋部の窓を通って設けられる支持部で鏡を固定する筒部を支持するので、大型化することなくより広い範囲で移動部を往復移動させることができる。また、第１項に記載の分析装置によれば、より広い範囲で鏡を往復移動させることができるので、波数分解能の高い測定が可能となる。

（第２項）第１項に記載の分析装置によれば、蓋部は、複数のパーツ（７６ａ～７６ｄ，７６０ａ～７６０ｅ）で構成され、複数のパーツを組み合わせることで窓が構成される。

第２項に記載の分析装置によれば、蓋部は、複数のパーツで構成されるので、ボイスコイルモータの組立性を高くすることができる。

（第３項）第２項に記載の分析装置によれば、窓の数と同じ数の複数のパーツで構成される。

第３項に記載の分析装置によれば、窓の数と同じ数の複数のパーツで構成することで、パーツの数を必要以上に増やすことを抑制して蓋部の面積の低下を抑えて駆動部の推力の低下を抑えることができる。

（第４項）第１項～第３項のうちいずれか１項に記載の分析装置によれば、複数の支持部は、少なくとも３本以上である。

第４項に記載の分析装置によれば、複数の支持部が少なくとも３本以上あるので、移動部の高い機械剛性を確保でき、を均一に往復移動させることができる。

（第５項）第１項～第４項のうちいずれか１項に記載の分析装置によれば、ヨークの一端に設けられる磁石と他端に設けられる磁石とは、同じ磁力を有する。

第５項に記載の分析装置によれば、同じ磁力を有する磁石を用いることで、固定部７３内の磁束密度の均一性が高くなる。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ＶＣＭ、５２筒部、７２ａ移動部、７２ｂ支持部、７２ｃ電力供給端子、７３固定部、７３ａスリット、７４ａ，７４ｂ磁石、７５ヨーク、７６，７６０蓋部、７７窓、１００，１００ａ駆動部、４１０赤外光源、４３１ａ集光鏡、４３１ｂコリメータ鏡、４３２物面鏡、４３３楕円面鏡、４４０ビームスプリッタ、４５０移動鏡、４６０固定鏡、４７０試料室、４８０赤外光検出器。

Claims

位置を移動させることが可能な移動鏡と、
前記移動鏡の位置を移動させる駆動部と、を備える分析装置であって、
前記駆動部は、
一方の面に前記移動鏡を固定する筒部と、
前記筒部の他方の面で接続され、前記筒部を往復移動させるボイスコイルモータと、を備え、
前記ボイスコイルモータは、
筒状のヨークと、
前記ヨークの両端に設けられる磁石と、
前記ヨークを内包する筒状で、前記磁石を設けた前記ヨークを底面で固定する固定部と、
複数の窓が設けられ、前記固定部の開口面を覆う蓋部と、
前記ヨークと前記固定部との間に配置される筒状のコイルが固定された移動部と、
前記移動部に一端が固定され、他端が前記窓を通って前記筒部の他方の面で接続される複数の支持部と、を含む、分析装置。
前記蓋部は、複数のパーツで構成され、前記複数のパーツを組み合わせることで前記窓が構成される、請求項１に記載の分析装置。
前記蓋部は、前記窓の数と同じ数の前記複数のパーツで構成される、請求項２に記載の分析装置。
前記複数の支持部は、少なくとも３本以上である、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の分析装置。
前記ヨークの一端に設けられる前記磁石と他端に設けられる前記磁石とは、同じ磁力を有する、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の分析装置。