特許 7082677 圧電アクチュエータを含むＮＭＲプローブヘッド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-05-31

(45)【発行日】2022-06-08

(54)【発明の名称】圧電アクチュエータを含むＮＭＲプローブヘッド

(51)【国際特許分類】

   G01N 24/00 20060101AFI20220601BHJP

   H02N 2/04 20060101ALI20220601BHJP

   H02N 2/06 20060101ALI20220601BHJP

【ＦＩ】

G01N24/00 610A

H02N2/04

H02N2/06

【請求項の数】 31

(21)【出願番号】P 2020545831

(86)(22)【出願日】2017-11-23

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-05-06

(86)【国際出願番号】 CH2017000097

(87)【国際公開番号】W WO2019100173

(87)【国際公開日】2019-05-31

【審査請求日】2020-11-06

(73)【特許権者】

【識別番号】520179383

【氏名又は名称】キューワンテック・アクチェンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100120112

【氏名又は名称】中西 基晴

(74)【代理人】

【識別番号】100101373

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 茂雄

(72)【発明者】

【氏名】サルビスベルグ，サムエル

(72)【発明者】

【氏名】オスターワルダー，マルコ

【審査官】村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】特表２００８－５２７３７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０１１７５６０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平１１－０９８８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０９６１９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－０８６８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０１９３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２５３１２４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平１１－２２３６６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５１０３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５１７０７８９（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２４／００－２４／１４

Ｇ０１Ｒ ３３／２８－３３／６４

Ｇ０１Ｎ ２２／００－２２／０４

Ｈ０２Ｎ ２／０４－２／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

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。

【請求項3】

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。

【請求項4】

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。

【請求項5】

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。

【請求項6】

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。

【請求項7】

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。

【請求項8】

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。

【請求項9】

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。

【請求項10】

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。

【請求項11】

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。

【請求項12】

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。

【請求項13】

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。

【請求項14】

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。

【請求項15】

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。

【請求項16】

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。

【請求項17】

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。

【請求項18】

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。

【請求項19】

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。

【請求項20】

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。

【請求項21】

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。

【請求項22】

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。

【請求項23】

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。

【請求項24】

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。

【請求項25】

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。

【請求項26】

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。

【請求項27】

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。

【請求項28】

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29】

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。

【請求項30】

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。

【請求項31】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＮＭＲプローブヘッドに関し、また、ＮＭＲプローブヘッドを動作させる方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＮＭＲプロービングでは、強力な静磁場内に試料が置かれる。少なくとも１つのコイルが、試料を受容するために試料チャンバの周りに配置される。コイルは、静磁場に対して直角な動磁場を生成するために使用され、動磁場は、試料における核スピンに静的な場の周りでの歳差運動をさせる。この歳差運動は、コイルによって記録され得る。

【0003】

同調・整合回路（ｔｕｎｉｎｇ ａｎｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）が、典型的にはコイルの近くに配置され、かつ、コイルの共振を同調させること、および、出力信号の反射を避けるためにインピーダンスを整合させることを目的とする。

【0004】

典型的には、同調・整合回路および／またはコイルは、使用されるべき周波数に対してその特性を同調および整合させるために、機械的に調整可能なコンデンサまたは電気スイッチなどの、機械的に同調可能ないくつかの要素を有する。

【0005】

コイルおよび同調・整合回路は、典型的には、基部上に取り付けられるチューブ内に配置される。基部は、チューブよりも大きい直径を有する。チューブは、強力な磁石の中央開口部に挿入されるが、基部は、その磁石の外側に配置される。

【0006】

同調・整合回路および／またはコイル内の同調可能要素を動作させるために、アクチュエータが必要とされる。典型的には、アクチュエータは、手動で操作可能な歯車および／または基部内に配置された電気モータとして実装される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明によって解決されるべき課題は、同調・整合回路内および／またはコイル内の同調可能要素の確実かつ単純な同調および整合を実現する、上記のタイプのＮＭＲプローブヘッドを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この課題は、請求項１に記載のＮＭＲプローブヘッドによって解決される。したがって、プローブヘッドは、以下の構成要素を備える：
－ 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。

【0009】

－ 基部よりも小さい直径を有するチューブ：チューブは、典型的には磁石に挿入される。
－ 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。

【0010】

－ チューブ内に配置されかつコイルに接続される同調・整合回路：この回路は、使用される周波数に信号を同調および整合させるために設けられる。
－ 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。

【0011】

－ 作動部材により同調可能要素に機械的に接続されたいくつかのアクチュエータ：アクチュエータは、同調可能要素を動作させるために使用され、作動部材は、アクチュエータの運動を同調可能要素に伝える。

【0012】

本発明によれば、アクチュエータのうちの少なくともいくつかは、圧電アクチュエータである。そのようなアクチュエータは、容易にかつ迅速に調整され得る。具体的には、そのようなアクチュエータは、高精度を有することができ、歯車または動力伝達装置を必要とせず、高磁場において動作することができ、かつ、高速であり得る。

【0013】

具体的には、アクチュエータのうちの複数が圧電アクチュエータであるか、さらには全てのアクチュエータが圧電アクチュエータである。
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。

【0014】

有利には、アクチュエータは、基部と同調・整合回路との間でチューブ内に、すなわち基部自体の外側に配置され、特に完全に配置される。これは、より短い作動部材を使用することを可能とし、それにより、それらの重量が減少され、かつ、より速くより正確な作動が可能になる。

【0015】

好ましい実施形態では、アクチュエータのうちの少なくとも１つ、有利にはアクチュエータの全てが、以下の構成要素を備える：
－ 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。

【0016】

－ マウント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：この文脈において、「弾性的に」とは、有利には、次の段落で説明される圧電素子によりマウントに対して少なくとも０．１μｍ、特には１μｍ、特には少なくとも１０μｍ、しかし有利にはわずかに２００μｍだけ駆動ロッドが弾性的に変位され得るように、理解される。

【0017】

－ 駆動ロッドに取り付けられた少なくとも１つの圧電素子：この素子は、例えば、駆動ロッドにおける非対称の周期性の例えば鋸歯型の後退－前進運動を生じさせるように動作され得る。

【0018】

－ 駆動ロッド上に配置されたスリップ結合器であって、作動部材のうちの少なくとも１つが接続されるスリップ結合器：この文脈において、スリップ結合器は、駆動ロッド上に摩擦で保持される結合器である。摩擦力は、有利には、駆動ロッドがその非対称の後退－前進軸方向運動の周期を行う際、各周期の第１の部分中（加速度が特定の閾値を上回るとき）には結合器が駆動ロッドに対して滑り、一方で各周期の第２の部分中（加速度が低いとき）には結合器が駆動ロッド上に摩擦で係止されるように、選択される。

【0019】

この設計は、駆動ロッドの設計と作動部材とを切り離すことを可能にし、また、それらをそれぞれの役割に最適化することを可能にする。具体的には、駆動ロッドは、作動部材よりも軽量であり、特には短くあり得、それにより、振動する部品の質量が減少される。

【0020】

具体的には、アクチュエータは、作動部材を圧電素子に対して変位させるように、適合されかつ構成され得る。したがって、圧電素子は、定位置に配置されることが可能であり、一方で、作動部材のみが移動され、これは、移動される構成要素の質量をさらに減少させ、かつ、より高速の調整を可能にする。

【0021】

有利には、ＮＭＲプローブヘッドは、アクチュエータ組立体を備え、このアクチュエータ組立体は、上記アクチュエータのうちのいくつかを備える。アクチュエータ組立体は、アクチュエータを共通して保持するフレームを有する。言い換えれば、アクチュエータは、共通のフレームに取り付けられる。これは、よりコンパクトな設計と、より容易な製造とを可能にする。

【0022】

具体的には、フレームは、複数の凹部または開口部を有する第１のフレーム体を備え得る。各駆動ロッドは、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。これは、より一層コンパクトな設計を可能にする。

【0023】

向上された安定性のために、フレームは、第１のフレーム体から距離を置いて配置された第２のフレーム体を含むことができ、アクチュエータの駆動ロッドは、２つのフレーム体の間に延在する。

【0024】

フレーム体（すなわち、第１のフレーム体、および／または、もしあれば第２のフレーム体）は、チューブ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ってよく、駆動ロッドを受容するための凹部または開口部は、フレーム体の周辺部に配置されてもよい。これは、アクチュエータ組立体での圧電アクチュエータの取付けを単純化する。

【0025】

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、および／または電気スイッチを含み得る。
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。

【0026】

有利には、方法は、所与のステップ数を遂行した後で１つのアクチュエータを動作させて作動部材を上記端位置から圧電アクチュエータの第２のステップ数にわたって第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。

【0027】

言い換えれば、いったん端位置が確立されると、作動ロッドは、圧電アクチュエータに適切な振動数を与えることにより、任意の所望の位置へ移動され得る。
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。

【0028】

－ 上記作動部材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、上記大きさおよび位相から決定するステップ。
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。

【0029】

この文脈において、「振幅および位相」とは、ＡＣ信号の振幅および位相を算出することを可能にする実数値の数字の任意の対を表わし、また、この用語は、例えば信号を複素数として表わすときの信号の実部および虚部により、それらの２つの値の明確な決定または暗黙の決定を含む。

【0030】

本明細書において説明される方法は、それぞれのステップを実行するように構成されかつ適合された制御ユニットによって実施され得る。
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。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】ＮＭＲプローブヘッドの図である。

【図2】チューブが取り除かれた、図１のプローブヘッドの図である。

【図3】図２の拡大された一部分の図である（図２のセクションＡ参照）。

【図4】チューブのチューブ軸に沿った、図２のプローブヘッドのアクチュエータ組立体の図である。

【図5】チューブ軸に対して直角な視野における、図１の駆動組立体の図である。

【図6】駆動組立体の３Ｄ図である。

【図7】図６の拡大された一部分の図である（図６のセクションＢ参照）。

【図8】加熱部材を封入するセンタリング部材の簡略化された断面図である。

【図9】ＮＭＲプローブヘッドのブロック回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

概要：
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。

【0033】

チューブ１２は、有利には円筒形であり、また、チューブ１２は、チューブ軸１８を有する。
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。

【0034】

典型的には、チューブ軸１８に対して直角なチューブ１２の直径は、おおよそ４０から１００ｍｍの間、特に４０ｍｍであり、一方で、チューブ軸１８に対して直角な少なくとも１つの方向における基部１０の対応する直径は、少なくとも２倍の大きさがある。

【0035】

チューブ１２は、中空であり、かつ、図２に示されるような様々な構成要素をその中に受容する。
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。

【0036】

コイル組立体２０は、例えば図９に示されるように、１つまたは複数のコイル３４を備え、また、コイル組立体２０は、試料内に磁気パルスを生成するように、また、試料の歳差スピンまたは磁化からの信号を検出するように、構成されかつ適合される。

【0037】

コイル組立体、同調・整合回路：
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。

【0038】

コイル組立体２０のコイル３４は、試料チャンバの外側に配置され、試料チャンバでは、ＮＭＲプローブヘッドに取り付けられた保持器内に試料が受容される。図２は、試料チャンバへの侵入開口部３５を示す。

【0039】

同調・整合回路２２は、コイル組立体２０のコイルに近接して、コイルに対して配置される。同調・整合回路２２は、コイルの共鳴を同調するために設けられ、かつ、コイルの共振を信号の出力に適合させる。その回路の正確な性質は、使用されるコイル、および、行われる測定の性質に依存する。その例は、例えば米国特許出願公開第２００８／０１１７５６０号に示されている。

【0040】

同調可能要素：
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。

【0041】

同調可能要素３６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。例えば、それらは、ＷＯ２００９／０９４０４０、米国特許出願公開第２００８／０１１７５６０号、および／または米国特許第４６９４２５５号で説明されている技術に基づき得る。

【0042】

図２および３の実施形態では、同調可能要素３６は、例えば、絶縁シリンダ内に配置された可動電極を有する調整可能なコンデンサであり、例えば米国特許出願公開第２００８／０１１７５６０号で開示されているようなシリンダの外側表面上に配置された１つまたは複数の静電極を含む。

【0043】

同調可能要素３６は、機械的に調整または動作され得る。この目的のために、同調可能要素３６のそれぞれは、機械的に変位可能な少なくとも１つの作動部材２８に接続される。

【0044】

作動：
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。

【0045】

作動部材２８は、チューブ１２のチューブ軸１８に平行に延在する。
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。

【0046】

ＲＦシーリング３０は、基本的に、アクチュエータ組立体２４のアクチュエータ３８と同調・整合回路２２との間に配置された金属体である。
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。

【0047】

アクチュエータ組立体２４の設計は、以下でより詳細に説明される。
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。

【0048】

取付部材３２は、チューブ１２に機械的に接触し、かつ、チューブ１２をチューブ軸１８上で中心に配置する。
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。

【0049】

アクチュエータ組立体およびアクチュエータ：
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。

【0050】

アクチュエータ組立体２４は、第１のフレーム体４２ａおよび第２のフレーム体４２ｂを有するフレームを備える。アクチュエータ３８は、フレーム４２ａ、４２ｂ内に共通して保持される。

【0051】

第１のフレーム体４２ａおよび第２のフレーム体４２ｂは、間隔をおいて、かつ、センタリング部材３３上で中心に配置される。第２のフレーム体４２ｂよりも整合・同調回路２２の近くに位置する第１のフレーム体４２ａは、作動部材２８が貫通して延在する開口部または凹部４４を備える（図３参照）。

【0052】

図７で最も良く分かるように、各アクチュエータ３８は、以下のものを備える：
－ 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）。

【0053】

－ マウント４６上に弾性的に取り付けられた駆動ロッド４８。
－ 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。

【0054】

示された実施形態では、マウント４６は、駆動ロッド４８を第１のフレーム体４２ａおよび第２のフレーム体４２ｂにそれぞれ取り付けるための第１の弾性保持器４６ａおよび第２の弾性保持器４６ｂを備える。

【0055】

例えば、弾性保持器４６ａ、４６ｂは、ポリマーまたは金属ばねなどの弾性材料から作られ得る。
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。

【0056】

第１および第２の弾性保持器４６ａ、４６ｂは、それらの間に延在する駆動ロッド４８のセクション４８ａにより、互いに距離を置いて配置される。スリップ結合器５２は、このセクション４８ａに取り付けられる。

【0057】

第１および第２のフレーム体４２ａ、４２ｂは、スリップ結合器５２の、したがって作動部材２８の移動を制限する、機械的止め具５６ａ、５６ｂを形成する。
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。

【0058】

有利には、異なる長さのスペーサ５７を有する少なくとも２つのアクチュエータ３８が存在する。これは、異なるサイズの同調可能要素に対して同じ基本アクチュエータ設計を使用することを可能にする。

【0059】

示された実施形態では、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が存在し、これは、駆動ロッド４８内でより強力な振動を得ることを可能にする。

【0060】

各圧電素子５０は、圧電材料の本体５８と、本体５８に貼り付けられた電極６０とを備える。電極６０への電圧の印加に応じて、本体５８は、その重心が駆動ロッド４８の軸に沿ってオフセットするように変形する。したがって、電圧の印加は、駆動ロッド４８の軸に沿って作用して駆動ロッド４８をその長手軸に沿って加速させる力を生成する。マウント４６における弾性の取付けは、それぞれの長手方向移動を、それらが十分に小さい限り、可能にする。

【0061】

例えば、非対称の衝撃係数を有する鋸歯状電圧または方形波電圧を電極６０に印加することにより、駆動ロッド４８は、その長手軸に沿って後退－前進運動を行うように励起され得、２つの運動は、異なる加速率を有する。例えば、後退運動は、前進運動よりも低い加速度を有し得る。駆動ロッド４８上のスリップ結合器５２のグリップを適切に寸法決めすることにより、スリップ結合器５２は、より速い加速度での運動中にはスリップするがより低い加速度での運動中には摩擦係止されたままであるように作られることが可能であり、これは、スリップ結合器５２を段階的に移動させることを可能にし、したがって、作動部材２８を単一の方向に沿って変位させることを可能にする。

【0062】

このタイプの要素は、例えばＷＯ２００５／０８３８７４で開示されている。
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。

【0063】

図６に示されるように、アクチュエータ組立体２４は、制御ユニット６４からの多重チャネル供給ケーブルをアクチュエータ組立体２４に接続しかつケーブルからの信号を個々の圧電素子５０に分配するためのプラグ－インターフェースを提供する、プリント回路基板などのインターフェースマウント６８を備え得る。

【0064】

図７で最も良く分かるように、弾性保持器４６ａ、４６ｂは、一方の側のスリップ結合器５２（および、駆動ロッド４８のセクション４８ａ）と他方の側の圧電素子５０との間に配置される。

【0065】

弾性保持器４６ａ、４６ｂは、第１および第２のフレーム体４２ａ、４２ｂ内の凹部または開口部７０内に配置される。
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。

【0066】

図６で最も良く分かるように、様々なアクチュエータの駆動ロッド４８は、有利には、チューブ軸１８の周りに延在する円上に配置され、これは、コンパクトな設計を可能にする。

【0067】

さらに、また、同じ理由のために、駆動ロッド４８は、有利には、チューブ軸１８に平行に配置される。
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。

【0068】

図示のように、センタリング部材３３は、加熱部材８４の周りに配置される管状導管を形成する。加熱部材８４は、温度被制御空気導管８９内に配置された加熱器８８を取り囲むチューブ８６を備える。温度被制御空気導管８９は、基部１０から試料チャンバ８８まで延在する。

【0069】

チューブ８６は、（図８に示されるように）中実であってよく、または、チューブ８６は、例えば、改善された断熱のための二重壁デュワー容器であってもよい。
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。

【0070】

加熱部材８４によって生成された熱がプローブヘッドの他の構成要素を温めるのを防ぐために、および／または、温度被制御空気が冷却された場合の凝結を防ぐために、センタリング部材３３は、加熱部材８４および温度被制御空気導管８９の周りに、絶縁空気導管９４を形成する。さらに、基部１０は、乾いた絶縁空気９８（図８）を絶縁空気導管９４内に供給するための絶縁空気入口９６を備える（図１および２参照）。絶縁空気９８は、空気または窒素などの任意の適切な気体であってよい。

【0071】

絶縁空気導管９４は、アクチュエータ３８および／またはプローブヘッドの他の構成要素を冷却するために、図５に示されるように、特にアクチュエータ３８の位置において例えばアクチュエータから径方向内向きに、側方開口部１００を備え得る。

【0072】

プローブヘッドは、試料チャンバ８８内を所望の温度に維持するために、試料チャンバ８８内に配置された温度センサと、加熱器８８を動作させる温度制御装置とをさらに備える。

【0073】

加えて、プローブヘッドは、具体的には－１００℃を下回る極低温までコイル３４および同調・整合回路２２を冷却し、それによりＮＭＲ感度を強化するように、適合されかつ構成され得る。

【0074】

この目的のために、プローブヘッドは、例えば、それらの構成要素を冷却するための冷却された液体または気体を熱交換器に供給する冷却導管と、それらを熱的に絶縁するための絶縁材と、を備え得る。場合により、向上された断熱のためにそれらの構成要素を避難させる手段の他に、温度センサおよび温度制御装置が設けられ得る。それぞれの要素は、図９の参照番号１０２の下に概略的に示されている。

【0075】

動作方法：
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。

【0076】

これは、スリップ結合器５２を、したがって作動部材２８を、位置検出器がない場合でも所望の位置に正確に位置決めするために利用され得る。
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。

【0077】

これは、たとえ位置検出器が利用可能でない場合でも、作動部材２８を定められた位置に運ぶことを可能にする。
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。

【0078】

所与のステップ数の遂行後、制御ユニット６４は、所望の位置に到達させるために、アクチュエータを動作させて、作動部材２８をアクチュエータ３８の第２のステップ数にわたって端位置から第１の方向とは反対の第２の方向に移動させることができる。この第２のステップ数は、必ずしも同調および整合が完全である正確な位置までアクチュエータを運ぶことができなくてもよい。むしろ、制御ユニット６４はその後で、同調・整合回路を以下で説明されるように微調整することができる。

【0079】

図９に示されるように、プローブヘッドは、以下の構成要素をさらに備え得る：
－ 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。

【0080】

－ 同調可能要素を調整してデバイスを同調および／または整合させるために作動部材のうちの少なくとも１つを変位させるための方向を上記大きさおよび位相から決定するための、特にファジー論理ユニット８０、８１である解析器。

【0081】

そのような整合および同調方法の詳細は、米国特許第５８４２１５４号で説明されている。この方法は、信号線７４上の信号の位相および大きさを同時に知ることにより同調可能要素の調整の方向を決定することが可能になるという理解に基づく。

【0082】

有利には、また米国特許第５８４２１５４号で説明されているように、解析器は、変位の方向を決定するために、ファジー化ユニット８０とルール評価・非ファジー化ユニット８１とを有する、ファジー論理ユニットを備える。

【0083】

注記：
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。

【0084】

あるいは、作動部材２８は、例えば、有利にはガラス繊維などの非金属材料で作られたボーデンケーブルまたはボーデンワイヤであり得る。
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。

【0085】

述べたように、同調可能要素３６は、コイルの一部分および／または同調・整合回路２２の一部分であり得る。具体的には、同調可能要素３６は、全て、同調・整合回路２２の一部分であり得る。

【0086】

いかなる場合においても、本明細書において示された設計は、多数の同調可能要素をチューブ１２内に組み入れること、および、それらを迅速かつ確実に調整することを可能にする。

【0087】

上記の実施形態では、全てのアクチュエータは、圧電アクチュエータである。しかし、アクチュエータのうちのいくつかは、電気式アクチュエータ（すなわち、電磁モータに基づくアクチュエータ）、空気圧式アクチュエータ、および液圧式アクチュエータの群のうちの少なくとも１つなどの、他のタイプのアクチュエータを含むこともできる。

【0088】

とはいえ、少なくとも複数のアクチュエータが圧電アクチュエータであることが、有利である。
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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】