WO2018020847A1

WO2018020847A1 - ボイスコイルモータ、並びに、それを備える移動鏡ユニット及び干渉分光光度計

Info

Publication number: WO2018020847A1
Application number: PCT/JP2017/021051
Authority: WO
Inventors: 丸野　浩昌; 森谷　直司; 豊之橋本; 村松　尚; 秀昭勝
Original assignee: 株式会社島津製作所
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-02-01
Also published as: CN109643944A; JP6702419B2; JPWO2018020847A1; US20190186993A1; EP3490124A1; EP3490124A4

Abstract

高速駆動時にも移動鏡と固定鏡との角度ずれを１秒以下に抑えることができるボイスコイルモータ及び干渉分光光度計を提供する。　筒状部７３ａを有するヨーク７３と、筒状部７３ａ内に設置されたマグネット７４とが固定された固定部７１と、ヨーク７３の筒状部７３ａとマグネット７４との間に配置される筒形状のコイル７２ｂが固定された移動部７２と、コイル７２ｂと電源とを接続する電力供給線７２ｃとを備え、ヨーク７３の筒状部７３ａには、電力供給線７２ｃを通すためのスリット７３ｃ、７３ｄが形成されており、コイル７２ｂが給電されてマグネット７４により形成される電磁力を受けることにより、移動部７２が固定部７１に対して往復移動するようになっており、スリット７３ｃ、７３ｄが、ヨーク７３の筒状部７３ａの中心軸で対称に形成される。

Description

ボイスコイルモータ、並びに、それを備える移動鏡ユニット及び干渉分光光度計

　本発明は、ボイスコイルモータ（以下、「ＶＣＭ」と略す）に関し、また、フーリエ変換赤外分光光度計（以下、「ＦＴＩＲ」と略す）等の干渉分光光度計に関する。

　ＦＴＩＲに利用されるマイケルソン二光束干渉計では、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をビームスプリッタで合成して１つの光路へ送るという構成を有している。このとき、移動鏡を入射光軸方向（前後方向）で前後に移動させると、分割された二光束の光路長の差が変化するから、合成された光は移動鏡の位置に応じて光の強度が変化する干渉光（インターフェログラム）となる。

　図６は、従来のＦＴＩＲの要部の構成を示す図であり、図７は、図６に示す移動鏡ユニットの水平断面図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
　ＦＴＩＲ１０１は、主干渉計主要部１４０と、赤外光を出射する光源部１０と、インターフェログラムを検出する光検出部２０と、コンピュータ（制御部）１３０とを備える。

　光源部１０は、赤外光を出射する赤外光源と、集光鏡と、コリメータ鏡とを備える。これにより、赤外光源から出射された赤外光は、集光鏡、コリメータ鏡を介して主干渉計主要部１４０のビームスプリッタ４２に照射されるようになっている。
　光検出部２０は、楕円面鏡と、インターフェログラムを検出する光検出器とを備える。これにより、試料Ｓに照射された光は、試料Ｓを透過（又は反射）して、楕円面鏡により光検出器へ集光されるようになっている。

　主干渉計主要部１４０は、筐体４１と、ビームスプリッタ４２と、移動鏡５３を備えた移動鏡ユニット１５０と、固定鏡６１とアライメント機構６２とを備えた固定鏡ユニット６０とを備える。
　移動鏡ユニット１５０は、前後方向（Ｘ方向）に中心軸を有する円筒形状の中空パイプ５１と、中空パイプ５１内で前後方向に往復移動が可能となるように配置された円柱形状のピストン５２と、ピストン５２の前部に固定された移動鏡５３と、ＶＣＭ１７０とを備える（例えば特許文献１参照）。

　ＶＣＭ１７０は、固定部１７１と移動部１７２とを備える。
　固定部１７１は、前後方向に中心軸を有する円筒形状の筒状部１７３ａと円板形状の後側壁７３ｂとを有する鉄製（磁性材料製）のヨーク１７３と、前後方向に中心軸を有する円柱形状の２個のマグネット７４（７４ａ、７４ｂ）と、前後方向に中心軸を有する円柱形状のポールピース７５とを備える。第一マグネット７４ａとポールピース７５と第二マグネット７４ｂとは、この順でヨーク１７３の後側壁７３ｂの前面中心部に固定されることで、ヨーク１７３の筒状部１７３ａ内に設置されている。そして、筒状部１７３ａの前部は、筐体４１（中空パイプ５１）の後部に取り付けられている。また、ヨーク１７３の筒状部１７３ａの右側壁には、前後方向に伸びた長孔形状のスリット１７３ｃが形成されている。

　移動部１７２は、前後方向に中心軸を有する円筒形状のボビン７２ａと、ボビン７２ａ後部の外周面に巻かれた円環形状のコイル７２ｂとを備える。そして、ボビン７２ａ前部はピストン５２後部に取り付けられている。また、コイル７２ｂは、ヨーク１７３の筒状部１７３ａとポールピース７５との間に配置されて、スリット１７３ｃ内を上下方向（Ｙ方向）に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）と電気的に接続されている。

　したがって、コイル７２ｂに電力供給端子７２ｃを介して電流を流すと、コイル７２ｂがヨーク１７３とポールピース７５との間に形成される磁界により電磁力（ローレンツ力）を受けて前後方向に移動することによって、ピストン５２に固定された移動鏡５３も前後方向に移動するようになっている。

　このようなＦＴＩＲ１０１では、スループットを充分に確保してＳ／Ｎが高い試料Ｓの測定を行うためには、移動鏡５３と固定鏡６１との角度ずれを１秒以下に抑える必要がある。そのため、コンピュータ１３０は、移動鏡５３の角度ずれに対してアライメント機構６２を用いて固定鏡６１の角度をリアルタイムで制御している。

特表平６－５０５８０４号公報

　ところで、ＦＴＩＲ等の干渉分光光度計においては、測定モード（試料Ｓの測定の種類）により移動鏡５３の短ストローク高速駆動や長ストローク低速駆動が要求されてきている。
　しかしながら、上述したようなＦＴＩＲ１０１では、短ストローク高速駆動時には折り返し時に大きな加速度がかかるため、コンピュータ１３０による固定鏡６１の角度制御が追従しないという課題があった（図５（ｂ）参照）。

　本発明者らは、上記課題を解決するために、高速駆動時にも移動鏡５３と固定鏡６１との角度ずれを１秒以下に抑える方法について検討を行った。ここで、図４は、ヨーク１７３の筒状部１７３ａの右側壁（スリット１７３ｃあり）と、筒状部１７３ａの左側壁（スリット１７３ｃなし）とでの磁束密度の違いをシミュレーションした結果を示す表であって、「スリットあり」側では磁束が弱くなっていることがわかる。磁束密度は推力（ローレンツ力）に比例するので、磁束密度の差と同様の推力差が生じていることになる。

　そして、ボビン７２ａに巻かれたコイル７２ｂに電流が流れることにより、ボビン７２ａに固定されたピストン５２は、前方向（－Ｘ方向）の力や後方向（Ｘ方向）の力を受けてスライドする。このとき、スリット１７３ｃのある側は推力の発生が弱いため、ピストン５２が中空パイプ５１に保持された状態でも、移動鏡５３の面はあおられる方向に向くことがわかった。具体的には、コイル７２ｂが前方向に動くときにはＺ方向を回転軸として右への回転を伴うようなモーメントが、後方向に動くときには左への回転を伴うようなモーメントが可動部（ピストン５２等）に加わっている。

　そこで、ヨークの筒状部の軸対称側にもスリットを設けることにより、推力差を解消することを見出した。ここで、図５（ｂ）は、ヨークの筒状部の片側のみにスリットを設けた場合での角度ずれの評価結果（３．４秒ｐｐ）であり、図５（ａ）は、ヨークの筒状部の両側にスリットを設けた場合での角度ずれの評価結果（０．６秒ｐｐ）である。片側のみにスリットを設けた場合に対し、両側にスリットを設けた場合は角度ずれを約１／５（０．６秒ｐｐ）に低減することができた。

　すなわち、本発明のボイスコイルモータは、筒状部を有するヨークと、当該筒状部内に設置されたマグネットとが固定された固定部と、前記ヨークの筒状部と前記マグネットとの間に配置される筒形状のコイルが固定された移動部と、前記コイルと電源とを接続する電力供給線とを備え、前記ヨークの筒状部には、前記電力供給線を通すためのスリットが形成されており、前記コイルが給電されて前記マグネットにより形成される電磁力を受けることにより、前記移動部が前記固定部に対して往復移動するボイスコイルモータであって、前記スリットが、前記ヨークの筒状部の中心軸で対称となるように形成されているようにしている。

　以上のように、本発明のボイスコイルモータによれば、スリットをヨークの中心軸の対称側にも設けることにより、推力の差が解消され、移動部での回転運動を起こすモーメントの発生をなくすことができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
　また、上記発明において、前記ヨークの筒状部には、前記中心軸と平行となるように形成された長孔形状の第一スリットと、当該第一スリットと同形状の第二スリットとが形成されているようにしてもよい。

　また、本発明の移動鏡ユニットは、上述したようなボイスコイルモータと、筒形状の中空パイプと、前記中空パイプ内で往復移動が可能となるように配置されたピストンとを備え、前記ピストンに移動鏡及び前記移動部が固定されているようにしてもよい。
　本発明の移動鏡ユニットによれば、ボイスコイルモータにおける推力差が解消され、移動鏡での回転運動を起こすモーメントの発生をなくすことができる。

　そして、本発明の干渉分光光度計は、上述したような移動鏡ユニットと、光を出射する光源部と、固定鏡と、前記光源部からの光を受けて、前記固定鏡と前記移動鏡とに向けて２分割するとともに、前記固定鏡で反射して戻ってきた光と前記移動鏡で反射して戻ってきた光とを受けて、干渉光に合成するビームスプリッタと、試料が配置され、当該試料を透過又は反射した干渉光を検出する光検出部と、前記コイルに前記電力供給線を介して給電することにより、前記移動部の移動速度又は移動距離を制御する制御部とを備えるようにしてもよい。
　本発明の干渉分光光度計によれば、ボイスコイルモータにおける推力差が解消され、回転運動を起こすモーメントの発生がなくなることにより、高速駆動時の移動鏡と固定鏡との角度ずれを小さくすることができる。

本発明に係るＦＴＩＲを示す要部構成図。図１に示す移動鏡ユニットの水平断面図。図２に示すＶＣＭの断面図。スリットの有無による磁束密度の違いのシミュレーション結果を示す表。角度ずれの評価結果を示す表。従来のＦＴＩＲを示す要部構成図。図６に示す移動鏡ユニットの水平断面図。

　以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

　本発明に係る干渉分光光度計の構成例として、ＦＴＩＲを例にして図１にその要部の構成を示す。そして、図２は、図１に示す移動鏡ユニット５０の水平断面図である。また、図３は、図２に示すＶＣＭ７０の断面図であって、図３（ａ）は縦断面図であり、図３（ｂ）は水平断面図である。なお、上述したＦＴＩＲ１０１と同様のものについては、同じ符号を付すことにより説明を省略する。
　ＦＴＩＲ１は、主干渉計主要部４０と、赤外光を出射する光源部１０と、インターフェログラムを検出する光検出部２０と、コンピュータ（制御部）３０とを備える。

　主干渉計主要部４０は、筐体４１と、ビームスプリッタ４２と、移動鏡５３を備えた移動鏡ユニット５０と、固定鏡６１とアライメント機構６２とを備えた固定鏡ユニット６０とを備える。
　移動鏡ユニット５０は、前後方向（Ｘ方向）に中心軸を有する円筒形状の中空パイプ５１と、中空パイプ５１内で前後方向に往復移動が可能となるように配置された円柱形状のピストン５２と、ピストン５２の前部に固定された移動鏡５３と、ＶＣＭ７０とを備える。

　ＶＣＭ７０は、固定部７１と移動部７２とを備える。
　固定部７１は、前後方向に中心軸を有する円筒形状の筒状部７３ａと円板形状の後側壁７３ｂとを有する鉄製（磁性材料製）のヨーク７３と、前後方向に中心軸を有する円柱形状の２個のマグネット７４（７４ａ、７４ｂ）と、前後方向に中心軸を有する円柱形状のポールピース７５とを備える。第一マグネット７４ａとポールピース７５と第二マグネット７４ｂとは、この順でヨーク７３の後側壁７３ｂの前面中心部に固定されることで、ヨーク７３の筒状部７３ａ内に設置されている。そして、筒状部７３ａの前部は、筐体４１（中空パイプ５１）の後部に取り付けられている。

　ヨーク７３の筒状部７３ａの右側壁には、前後方向に伸びた長孔形状の第一スリット７３ｃが形成されるとともに、ヨーク７３の筒状部７３ａの左側壁には、前後方向に伸びた長孔形状の第二スリット７３ｄが形成されている。すなわち、第一スリット７３ｃと第二スリット７３ｄとは、ヨーク７３の筒状部７３ａの中心軸（Ｘ方向）で点対称となる位置に形成されている。

　移動部７２は、前後方向に中心軸を有する円筒形状のボビン７２ａと、ボビン７２ａ後部の外周面に巻かれた円環形状のコイル７２ｂとを備える。そして、ボビン７２ａ前部はピストン５２後部に取り付けられている。また、コイル７２ｂは、ヨーク７３の筒状部７３ａとポールピース７５との間に配置されて、第一スリット７３ｃ内を上下方向（Ｙ方向）に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）と電気的に接続されている。さらに、移動部７２には、第二スリット７３ｄ内をＹ方向に貫通するように配置され、電力供給端子７２ｃと同形状のダミー電力供給端子７２ｄが形成されている。すなわち、電力供給端子７２ｃとダミー電力供給端子７２ｄとは、ヨーク７３の筒状部７３ａの中心軸（Ｘ方向）で点対称となる位置に形成されている。

　これにより、コイル７２ｂに電力供給端子７２ｃを介して電流を流すと、コイル７２ｂはヨーク７３とポールピース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）を受けて前後方向に移動することで、ピストン５２に固定された移動鏡５３も前後方向に移動するようになっている。このとき、ヨーク７３の筒状部７３ａの左右側壁のどちらにも、図４に示す「スリットあり」側の磁束密度が発生している。

　コンピュータ３０は、ＣＰＵ３１や入力装置３２を備える。また、ＣＰＵ３１が処理する機能をブロック化して説明すると、光検出部２０からインターフェログラムを取得する光強度情報取得部３１ａと、試料Ｓの吸光度スペクトル等を算出する試料測定部３１ｂと、入力装置３２で入力された入力情報に基づいて移動鏡ユニット５０における移動鏡速度や移動距離を制御する移動鏡制御部３１ｃと、固定鏡ユニット６０におけるアライメント機構６２を制御する固定鏡制御部３１ｄとを有する。

　以上のように、本発明のＦＴＩＲ１によれば、第一スリット７３ｃと第二スリット７３ｄとがヨーク７３の中心軸で対称となる位置に設けられているので、推力差が解消されて回転運動を起こすモーメントの発生がなくなり、高速駆動時の移動鏡５３と固定鏡６１との角度ずれを１秒以下に抑えることができる（図５（ａ）参照）。

＜他の実施形態＞
（１）上述したＦＴＩＲ１では、ダミー電力供給端子７２ｄを設けた構成を示したが、コイルが電力供給端子を介して電源と電気的に接続されるとともにダミー電力供給端子を介して電源と電気的に接続されるような構成としてもよい。

（２）上述したＦＴＩＲ１では、ダミー電力供給端子７２ｄを設けた構成を示したが、ダミー電力供給端子を設けない構成としてもよい。

　本発明は、フーリエ変換赤外分光光度計等の干渉分光光度計に好適に利用することができる。

１　ＦＴＩＲ（干渉分光光度計）
７０　ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）
７１　固定部
７２　移動部
７２ｂ　コイル
７２ｃ　電力供給端子（電力供給線）
７３　ヨーク
７３ａ　筒状部
７３ｃ、７３ｄ　スリット
７４　マグネット

Claims

　筒状部を有するヨークと、当該筒状部内に設置されたマグネットとが固定された固定部と、
　前記ヨークの筒状部と前記マグネットとの間に配置される筒形状のコイルが固定された移動部と、
　前記コイルと電源とを接続する電力供給線とを備え、
　前記ヨークの筒状部には、前記電力供給線を通すためのスリットが形成されており、
　前記コイルが給電されて前記マグネットにより形成される電磁力を受けることにより、前記移動部が前記固定部に対して往復移動するボイスコイルモータであって、
　前記スリットが、前記ヨークの筒状部の中心軸で対称となるように形成されていることを特徴とするボイスコイルモータ。
　前記ヨークの筒状部には、前記中心軸と平行となるように形成された長孔形状の第一スリットと、当該第一スリットと同形状の第二スリットとが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のボイスコイルモータ。
　請求項１又は請求項２に記載のボイスコイルモータと、
　筒形状の中空パイプと、
　前記中空パイプ内で往復移動が可能となるように配置されたピストンとを備え、
　前記ピストンに移動鏡及び前記移動部が固定されていることを特徴とする移動鏡ユニット。
　請求項３に記載の移動鏡ユニットと、
　光を出射する光源部と、
　固定鏡と、
　前記光源部からの光を受けて、前記固定鏡と前記移動鏡とに向けて２分割するとともに、前記固定鏡で反射して戻ってきた光と前記移動鏡で反射して戻ってきた光とを受けて、干渉光に合成するビームスプリッタと、
　試料が配置され、当該試料を透過又は反射した干渉光を検出する光検出部と、
　前記コイルに前記電力供給線を介して給電することにより、前記移動部の移動速度又は移動距離を制御する制御部とを備えることを特徴とする干渉分光光度計。