四重極電極ユニット、電極構造物及びその製造方法
【課題】 四重極型質量分析装置に用いられる電極子の微小化と高精度化を可能にする。
【解決手段】 直方体状をした電極ブロック２２の表面の端部に、断面が円弧形状または双曲形状をした電極子２３を一体に突設して電極ブロック２２を構成する。４つの電極ブロック２２を上下左右に配置して、電極ブロック２２の各電極子２３を微小な間隔をおいて配置し、４本の電極子２３によって四重極電極を構成し、電極子２３に囲まれた空間にイオン通過域２４を形成する。
【解決手段】 直方体状をした電極ブロック２２の表面の端部に、断面が円弧形状または双曲形状をした電極子２３を一体に突設して電極ブロック２２を構成する。４つの電極ブロック２２を上下左右に配置して、電極ブロック２２の各電極子２３を微小な間隔をおいて配置し、４本の電極子２３によって四重極電極を構成し、電極子２３に囲まれた空間にイオン通過域２４を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、四重極型質量分析装置に用いる四重極電極ユニットと、当該電極ユニットを構成する電極構造物とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（従来の技術）
質量分析装置は、高精度かつ定量的に物質分析可能なことから、大気中の汚染ガス（ＶＯＣ、ダイオキシン、ＳＯｘ、ＮＯｘなど）の分析をはじめ、水中あるいは土壌中の有害成分（窒素化合物、ダイオキシンなど）の分析など広範に使用されている。また、質量分析装置には、通常、大気中ガス分析の場合にはガスクロマトグラフ（ガスクロ）が併用され、水中や土壌中の成分分析の場合には液体クロマトグラフ（液クロ）が併用される。しかしながら、これらの分析装置は、装置サイズが大きくて重いので容易に持ち運ぶことができず、通常は研究室などに設置されていた。そのため、フィールドでサンプリングした試料を分析装置設置場所に持ち帰る過程で、サンプリング試料が変質するなど、分析の信頼性が低下する懸念があった。
【０００３】
このような事情から、分析装置自体をフィールドへ持ち運び可能な“可搬型”にする技術開発が世界中で進められている。現在、ガスクロと液クロについては、半導体プロセス技術を使用してウェハサイズの小型デバイスが開発され、市場で販売されるに至っている。近年では、さらに分析装置を小型化してチップサイズとし、これらチップをネットワークで接続して、広域における汚染物質の分布状況や汚染物質の発生源の特定を実現する汚染物質モニタリングシステム構想が提案されている。このような構想を実現するためには、分析装置の高精度化と小型化を両立させることが必要である。
【０００４】
図１は従来の四重極型質量分析装置の主要部の構成を示す概略斜視図である。四重極型質量分析装置１１は、装置に入射するガス分子をイオン化するイオン化部１２、イオン化ガスをその質量により選択的に分離する四重極電極１３、四重極電極１３を通過したイオン化ガスを検出するイオン検出部１４、そして、四重極電極１３に高周波電圧を印加するための電源１５から構成される。
【０００５】
質量分析を行う四重極電極１３は、相対する平行な４本のロッド状をした電極子１６から構成されており、図１に示すように結線し、その各々に直流電圧と交流電圧の重畳したものを印加する。すなわち、直流電圧をＵ、交流電圧をＶ（ｔ）＝Ｖmax・cos（２πｆｔ）とすると、図１の例では左右で対向する一対の電極子１６にはＵ＋Ｖmax・cos（２πｆｔ）の電圧が印加され、上下で対向する一対の電極子１６には−Ｕ−Ｖmax・cos（２πｆｔ）の電圧が印加される。ただし、Ｖmaxは交流電圧の最大値、ｆは交流電圧の周波数、ｔは時間である。このような電極配置と印加電圧により、四重極電極１３内の電界は双曲電界となる。
【０００６】
四重極電極１３を構成する電極子１６は、断面が双曲形状となるように作製するのが理想的であるが、ほとんどは製作上の困難から円形で近似されることも多い。断面が円形の電極子１６で双曲電界を近似する最適な設計は、Ｒ＝１.１４８ｒoである。図２に示すとおり、Ｒは電極子１６の半径（電極径）、ｒoは四重極電極１３の中心軸から電極子１６までの最小半径である。
【０００７】
四重極電極１３による質量分析の原理は以下の通りである。但し、各電極子１６の軸方向に平行な方向にｚ軸をとり、電極子１６の軸方向に垂直な断面で一対の対向する電極子１６を結ぶ方向にｘ軸をとり、他方の対向する電極子１６を結ぶ方向にｙ軸をとる。イオン源であるイオン化部１２によりイオン化されたガスは、四重極電極１３に入射する。入射イオンは、四重極電極１３と平行にｚ軸方向へ進む間に、四重極電極１３内に形成された電界によってｘ軸方向およびｙ軸方向に力を受ける。４本の電極子１６に直流電圧Ｕと交流電圧Ｖ（ｔ）＝Ｖmax・cos（２πｆｔ）を重畳した電圧を印加していると、両電圧Ｕ、Ｖ（ｔ）によって四重極電極１３を通過できるイオンの質量数Ｍとイオンの価数Ｚの比Ｍ／Ｚが決まる。ある種類のイオンの選択条件に電界が調整されている場合には、そのイオンが四重極電極１３の中心軸から外れると中心軸へ引き戻す力が働く。このような作用により、入射イオンは螺旋軌道を描きながら、四重極電極１３を通過する。一方、それ以外の種類のイオンは、四重極電極１３の中心軸からずれると、ｚ軸方向と直交する方向での振幅を増大させて最終的には電極子１６に捕らえられる。
【０００８】
四重極電極１３によるイオン質量数測定の分解能ΔＭは、次の（１）式で評価できる。ただし、Ｋｚはｚ方向のイオンの運動エネルギー、ｆは電極子１６に印加される交流電圧の周波数、Ｌは電極子１６の長さを表す。
【数１】
【０００９】
一方、電極子１６に印加する交流電圧Ｖ（ｔ）の最大値Ｖmaxは、次の（２）式で評価できる。ただし、Ｍmaxは検出するイオンの最大の質量数を表す。
【数２】
【００１０】
これらの式から、電極子１６のサイズ（電極径Ｒと電極長さＬ）を小さくすることにより、印加電圧を小さくすることができることが分かる。その一方、電極子１６のサイズが小さくなると、質量分析装置１１の分解能は低下する。従来の電極子１６のサイズは、図２に示すように、電極径Ｒ＝２.５ｍｍ（従って、ｒo＝２.１７７ｍｍ)、電極長さＬ＝１０ｃｍで、例えば、最大質量数Ｍmax＝１００ａｍｕとすると、最大印加電圧Ｖmaxは約１.１ｋＶとなる。ただし、交流周波数ｆを４ＭＨｚとしている。また、分解能ΔＭは約０.０５ａｍｕである。
【００１１】
例えば、特許文献１（特開平１１−５０３５５７号公報）に記載された質量分析装置では、金属材料で被覆したガラスファイバーを極細サイズの電極として使用し、この電極４本を半導体プロセスで形成した溝を使用して高精度な位置決めを行い、直径０.５ｍｍの四重極電極を作製している。この場合、最大印加電圧は２０Ｖ以下にすることが可能である。ところが、電極径と同じ比率だけ電極長さを短くした場合には分解能が５ａｍｕ以下となり、分析精度が悪化する。分解能を１ａｍｕ以内とするためには電極長さを２０ｍｍ以上にする必要がある。このように、分解能を一定レベル以上に確保するためには一定以上の電極長さが必要であり、このことが、現行レベル以上の電極微小化を困難にしている。
【００１２】
また、特許文献２（特開平８−１４８０８７号公報）には、断面が双曲形状の電極を作製して分解能を向上させるための製造技術が開示されている。これは、断面が双曲線に沿って窪んだ溝を有する鋳型を用い、電鋳技術により高寸法精度を有する電極を製造するものである。
【００１３】
しかしながら、上記特許文献１に記載された質量分析装置では、ガラスファイバーを活用して電極を形成しており、ガラスファイバー自体は市販品を使用したものである。一般に、ガラスファイバーは溶融したガラスを引き伸ばすことにより、径を小さくすることは可能である。しかし、その断面形状を制御するのは困難であり、電極を微細化した場合には電極の形状精度を得ることができない。特に、均一な断面形状で長い電極を形成することは困難である。
【００１４】
また、上記特許文献２では、電極の断面形状を高精度に双曲形状に制御する技術を開示しているが、作製した電極はネジ止めにより組み立てる手法をとっており、電極を微小化することについては考慮されていない。
【００１５】
また、上記２つの手法に共通する難点としては、たとえ微小な電極を作製できたとしても、電極径が微小になるに従い、電極のハンドリングが難しくなり、細心の注意を払ったとしても電極の破損や変形を防止するのは困難である。
【００１６】
さらに、他の問題として、上記手法では、量産性やコストについての検討がなされていないことがある。汚染物質モニタリングシステムとして利用するためには、安価に大量のチップを供給する必要がある。特許文献１に開示されている手法は、研究用途には使用可能であるが、電極を一本ずつ、シリコン基板に高精度に位置決めして固定する必要があり、量産には向かない。また、特許文献２において提案されている電鋳技術は、電気的析出を原理としたものであり、電極を一個製造するのにも多大な時間を要する。例えば、１００μｍの厚みの電極を作製する場合でも半日程度の時間を要する。
【００１７】
【特許文献１】特開平１１−５０３５５７号公報
【特許文献２】特開平８−１４８０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電極子の微小化と高精度化が可能な質量分析装置用の四重極電極ユニットとその電極構造物を提供することにある。また、本発明の別な目的は、量産化と低コスト化が可能な質量分析装置用の電極構造物の製造方法を提供することにある。
【００１９】
本発明にかかる四重極電極ユニットは、四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成するための四重極電極ユニットであって、支持部に電極子を一体に形成した複数の電極構造物を組み合わせることにより、４つの該電極子を四重極配置させたものである。
【００２０】
本発明に係る四重極電極ユニットにあっては、電極構造物の支持部に電極子を一体に形成しているので、四重極電極を構成する電極子が微細になったり、その長さが長くなったりしても、電極子が変形したり、電極子が破損したりしにくい。よって、電極子を微小化した場合でも、電極子を組み合わせて四重極電極ユニットに構成する場合や、四重極電極ユニットを質量分析装置に組み込む際のハンドリングが容易になり、四重極電極ユニットの微小化が可能になると共に四重極電極ユニットの精度や信頼性を向上させることができる。
【００２１】
本発明にかかる四重極電極ユニットのある実施態様における前記電極構造物は、前記支持部の表面に１つの前記電極子が形成されたものであり、４つの前記電極構造物を組み合わせることにより４つの前記電極子が互いにほぼ平行となるように四重極配置されている。かかる実施態様によれば、１つの電極構造物に１つの電極子を設けているので、電極構造物の設計や製造が容易になる。
【００２２】
本発明にかかる四重極電極ユニットの別な実施態様における前記電極構造物は、前記支持部の表面に２つの前記電極子が形成されたものであり、２つの前記電極構造物を組み合わせることにより４つの前記電極子が互いにほぼ平行となるように四重極配置されている。かかる実施態様によれば、１つの電極構造物に２つの電極子を設けているので、四重極電極ユニットの部品点数が少なくて済み、コストを安価にできる。
【００２３】
本発明にかかる四重極電極ユニットのさらに別な実施態様は、前記電極子間の間隔を所定距離に保つためのスペーサを、前記電極構造物間に介在させたものである。かかる実施態様によれば、自動的に電極構造物どうしの位置決めを行なえるので、電極構造物どうしの位置決め工程を簡略にすることができる。
【００２４】
本発明にかかる四重極電極ユニットのさらに別な実施態様は、前記電極子の断面積と前記電極子間に形成されたイオン通過域の断面積とが一定比率を保つようにしながらイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に電極子の断面積を小さくすることにより、前記イオン通過域の中心に形成される電界の強度がイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に強くなるように前記電極子が構成されていることを特徴とする。かかる実施態様によれば、幅の広いイオン入射側のイオン通過域開口に多数のイオンを取り込み、イオン出射側のイオン通過域開口においてイオンを空間的に集中させることが可能となる。
【００２５】
本発明にかかる電極子構造物は、本発明にかかる四重極電極ユニットに用いられる電極構造物であって、前記支持部に前記電極子が一体に形成されたものである。
【００２６】
本発明に係る電極子構造物にあっては、支持部に電極子を一体に形成しているので、四重極電極を構成する電極子が微細になったり、その長さが長くなったりしても、電極子が変形したり、電極子が破損したりしにくい。よって、電極子を微小化した場合でも、電極子構造物を組み合わせて四重極電極ユニットに構成する場合や、電極子構造物を質量分析装置に組み込む際のハンドリングが容易になり、電極子構造物の微小化が可能になると共に電極子構造物の精度や信頼性を向上させることができる。
【００２７】
本発明にかかる電極子構造物のある実施態様は、前記支持部にロッド状をした前記電極子が一体に成形されている。この支持部は、導電性材料により形成されていることが望ましい。かかる実施態様によれば、電極子を支持部と一体に形成することができるので、電極構造物の製作が容易になる。
【００２８】
本発明にかかる電極子構造物の別な実施態様は、前記支持部にロッド状をした突起が一体に成形され、該突起の表面に膜状をした前記電極子が形成されている。この支持部及び突起は絶縁性材料により形成されていることが望ましい。かかる実施態様によれば、支持部と電極子を別材料で形成することができる。従って、例えば支持部を合成樹脂等によって所定形状に成形することで量産化が可能になる。
【００２９】
本発明にかかる電極子構造物のさらに別な実施態様における前記電極子は、その長さ方向に垂直な断面において、表面が円弧状又は双曲線状となっている。かかる実施態様によれば、電極子の断面においてその表面が円弧状又は双曲線状となっているので、四重極配置された４つの電極子間に良好な四重極場を生成させることができる。
【００３０】
本発明にかかる電極子構造物のさらに別な実施態様は、前記電極子の断面積が、その長さ方向にわたって一様であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、電極子の形状が単純になり、製作が容易になる。
【００３１】
本発明にかかる電極子構造物のさらに別な実施態様は、前記電極子の断面積が、一方端部から他方端部に向けて次第に小さくなっている。かかる実施態様によれば、４つの電極子が四重極配置となるように複数オン電極子構造物を配置したとき、幅の広いイオン入射側のイオン通過域開口に多数のイオンを取り込み、イオン出射側のイオン通過域開口においてイオンを空間的に集中させることが可能となる。
【００３２】
本発明にかかる電極子構造物の第１の製造方法は、四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした溝を有する成形型を作製する工程と、電鋳法を用いて前記成形型により前記支持部を形成すると共に前記溝により前記電極子を支持部と一体に形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００３３】
上記第１の製造方法によれば、支持部に電極子が一体に形成された電極構造物を製作することができるので、電極子が微細になったり、その長さが長くなったりしても、電極子が変形したり、電極子が破損したりしにくく、電極子のハンドリングが容易になる。しかも、電鋳法により支持部と電極子が作製されるので、断面が円弧形状又は双曲形状をした電極子を高精度で作製することが可能となり、電極子の微細化（例えば、ナノスケールの電極子の製作）が可能になる。
【００３４】
本発明にかかる電極子構造物の第１の製造方法のある実施態様は、前記成形型をフォトリソグラフィー技術により作製することを特徴としている。かかる実施態様では、電極構造物を成形するための成形型がフォトリソグラフィー技術により作製されているので、電極子の形状（円弧形状や双曲形状）をナノメートル精度で形成することが可能となる。
【００３５】
本発明にかかる電極子構造物の第２の製造方法は、四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、前記電極子と同じ形状の凸部を有する母型を作製する工程と、前記母型を用いて電鋳法により、長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした溝を有する成形型を作製する工程と、前記成形型により絶縁性材料からなる前記支持部を形成すると共に前記溝により前記支持部に突起を設ける工程と、前記突起の表面を導電化処理して前記電極子を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００３６】
上記第２の製造方法によれば、支持部に電極子が一体に形成された電極構造物を製作することができるので、電極子が微細になったり、その長さが長くなったりしても、電極子が変形したり、電極子が破損したりしにくく、電極子のハンドリングが容易になる。また、電鋳法では必要な厚みを得るのに時間が掛かるので、電極構造物を電鋳法により作製すると、電極構造物の製造効率が低下する恐れがある。第２の製造方法によれば、母型を元にして電鋳法で一度成形型を作製すれば、その後は当該成形型を用いた複製技術により支持部を形成すると共に導電化処理によって突起の表面にだけ電極子を形成するだけでよいので、電極構造物の製造効率を向上させることができる。また、導電化処理によれば電鋳法よりも電極子作製に要する電力も遙かに小さくて済み、低コストで電極子を製造できる。
【００３７】
本発明にかかる電極構造物の第３の製造方法は、四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、前記電極子と同じ形状の凸部が２つ近接して形成された母型を作製する工程と、前記母型を用いて電鋳法により、長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした２つの溝を有する成形型を作製する工程と、前記成形型により絶縁性材料からなる前記支持部を形成すると共に前記溝により前記支持部に２つの近接した突起を設ける工程と、前記突起間を絶縁状態に保ったままで前記各突起の表面を導電化処理して前記電極子を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００３８】
上記第３の製造方法によれば、支持部に電極子が一体に形成された電極構造物を製作することができるので、電極子が微細になったり、その長さが長くなったりしても、電極子が変形したり、電極子が破損したりしにくく、電極子のハンドリングが容易になる。また、電鋳法では必要な厚みを得るのに時間が掛かるので、電極構造物を電鋳法により作製すると、電極構造物の製造効率が低下する恐れがある。第２の製造方法によれば、母型を元にして電鋳法で一度成形型を作製すれば、その後は当該成形型を用いた複製技術により支持部を形成すると共に導電化処理によって突起の表面に電極子を形成するだけでよいので、電極構造物の製造効率を向上させることができる。また、導電化処理によれば電鋳法によりも電極子作製に要する電力も遙かに小さくて済み、低コストで電極子を製造できる。さらに、２つの電極子を一度に作製することができるので、必要数の電極子を得るための製造コストも安価になる。
【００３９】
なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものでなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜設計変更することが可能である。
【実施例１】
【００４１】
図３は本発明の実施例１による四重極電極ユニット２１の構造を示す斜視図である。図４は四重極電極ユニット２１を構成する電極ブロック２２（電極構造物）を示す斜視図である。ただし、図３及び図４は、本発明の実施例を模式的に表わした図であって、支持部と電極子との寸法比率を正確に表わしたものではない。図５以降の図についても同様である。
【００４２】
図３に示すように、実施例１による四重極電極ユニット２１は、４つの微小な電極ブロック２２によって構成されており、各電極ブロック２２の表面の端に設けられたロッド状の電極子２３を互いに近接させて平行に配置することにより四重極電極が構成されている。これら４つの電極子２３は上下左右に等しい間隔をあけて四重極配置されており、それらの間にはイオン通過域２４が形成されている。また、斜めに対向する一対の電極ブロック２２どうしは同電位となるように電気的に接続されており、斜めに対向する一対の電極ブロック２２と斜めに対向する別な一対の電極ブロック２２の間には電源２６が接続され、電源２６により直流電圧Ｕと交流電圧Ｖ（ｔ）＝Ｖmax・cos（２πｆｔ）とが重畳して印加される。ただし、Ｖmax及びｆは交流電圧の振幅及び周波数、ｔは時間である。
【００４３】
図４に示すように、電極ブロック２２は、直方体状をした支持部２５の端にその全長にわたってロッド状の電極子２３を一体に突設したものである。電極ブロック２２は微小なサイズに形成されており、例えば、支持部２５及び電極子２３の長さはＬ＝４００μｍ、支持部２５の高さは５００μｍ、電極子２３の突出高さはｄ＝１μｍとなっている。電極子２３及び支持部２５（すなわち、電極ブロック２２全体）は、導電性材料例えばＣｕやＮｉ等の金属によって一体に成形されている。また、電極子２３は、その長さ方向に沿って均一な断面形状を有しており、長さ方向に垂直な断面の外形は円弧状又は双曲線状となっている。
【００４４】
図３に示すように、４個の電極ブロック２２は、各電極子２３を所定の間隔をあけて近接させ、それらの間にイオン通過域２４が形成されるように配置されている。これらの電極ブロック２２は、各支持部２５を互いに絶縁性の接着剤により接着することにより組立てられる。あるいは、支持部２５をフレーム等に固定することによって組立ててもよい。その場合でも、支持部２５の電極子２３が設けられている面と反対側の面や両側面は平坦となっているので、各電極ブロック２２は精度良く位置決めされ、容易に組立てられる。
【００４５】
このような四重極電極ユニット２１は、イオン化部やイオン検出部を備えることによって四重極型質量分析装置（図１参照）として用いられる。質量分析装置にあっては、各電極ブロック２２に図３に示すように電源２６を接続し、電源２６から四重極電極ユニット２１に直流と交流の重畳電圧Ｕ＋Ｖ（ｔ）＝Ｕ＋Ｖmax・cos（２πｆｔ）を印加すると、電極子２３間のイオン通過域２４に四重極電場（振動場）が発生する。そして、イオン化部で発生したイオンをイオン通過域２４に送り込むと、図５に示すように、特定のイオンαだけが四重極電極ユニット２１のイオン通過域２４内を通過し、他のイオンβ、γなどは電極ブロック２２間から外部へ排出される。すなわち、従来例においても説明したように、電源２６の直流電圧Ｕと交流電圧Ｖ（ｔ）によって決まるイオンの質量数Ｍとイオンの価数Ｚの比Ｍ／Ｚの値に一致するイオンαは、螺旋軌道を描きながらイオン通過域２４内を進行して四重極電極ユニット２１を通り抜ける。これに対し、それ以外のイオンβ、γ等は、四重極電極ユニット２１の中心軸から外れると、四重極電極ユニット２１内に形成された電界によって横方向の力を受け、電極ブロック２２間の隙間から飛び出る。従って、イオン検出部で検出した通過イオンのイオン価から当該イオンの質量を計測することができる。あるいは、所定のイオンだけを選別して通過させることができる。
【００４６】
この四重極型質量分析装置は、ガス精製装置としても用いられる。図６は、上記四重極電極ユニット２１を用いたガス精製装置を示す概略図である。図６において、符号２７は真空チャンバ、２８はイオン化部、２９はイオン化電極、３０は排ガスチャンバ、３１は精製ガス蓄積室、３２はガス回収管であって、排ガスチャンバ３０内に四重極電極ユニット２１が設置されている。真空チャンバ２７とイオン化部２８とは互いに連通しており、イオン化部２８と精製ガス蓄積室３１は四重極電極ユニット２１を介してつながっており、排ガスチャンバ３０と真空チャンバ２７はガス回収管３２によって連通させられている。真空チャンバ２７内には、複数種類の混合ガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３が保持されており、四重極電極ユニット２１はイオン化されたガスＧ１だけが通過できるように調整されている。
【００４７】
しかして、真空チャンバ２７内のガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３はイオン化部２８においてイオン化電極２９で加熱されて電子（ｅ−）を放出してイオン化される。イオン化されたガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３が四重極電極ユニット２１内を流れると、ガスＧ１だけが四重極電極ユニット２１を通過できるので、精製ガス蓄積室３１内には特定のガスＧ１だけが分離して蓄積される。一方、他のガスＧ２、Ｇ３は、電極ブロック２２間の隙間から飛び出すことで四重極電極ユニット２１から排ガスチャンバ３０内に排出され、ガス回収管３２を通って再び真空チャンバ２７内へ回収される。よって、精製ガス蓄積室３１には、真空チャンバ２７内のガスのうち特定種類のガスだけが分離精製して蓄積される。
【００４８】
質量分析装置等に用いられている四重極電極では、電極子のサイズを小さくすることにより、印加電圧を小さくすることができるが、電極子のサイズが小さくなると、質量分析装置の分解能が低下する。従って、低電圧で使用できるようにして質量分析装置を可搬型にし、しかも高精度化するためには、電極子の半径を小さくし、且つ、電極子の長さを長くする必要がある。この場合、従来例の電極子１６のようにロッド状の電極子１６であると、電極子１６を細く長くして電極子１６のアスペクト比が大きくなると、電極子１６が変形したり破損したりし易くなり、ハンドリングが困難になる。また、４本の電極子１６を互いに平行に位置決めして四重極電極を組み立てることも困難になる。
【００４９】
これに対し、本発明の場合には、断面が円弧形状又は双曲形状をした電極子２３をブロック状の支持部２５と一体に形成し、電極ブロック２２のうち分析空間（イオン通過域２４）への電界形成に関与しない領域をブロック形状としているので、電極子２３は支持部２５によって補強されており、電極子２３が微小化されて細く長くなっても電極ブロック２２の強度が低下することがない。また、支持部２５を掴むことにより分析面（電極子２３）に直接触れることなく電極ブロック２２を取り扱うことができ、電極子２３のハンドリングが容易になる。また、電極子２３は支持部２５によって組み立てることができるので、位置精度よく四重極電極ユニット２１を組み立てることが可能になる。よって、本発明によれば、電極子２３が微小で、強度があって取り扱いが容易な電極ブロック２２を製作することができ、ひいては可搬型や携帯型の高精度な四重極型質量分析装置などを実現することが可能になる。一般に、電鋳技術による転写精度は５０ｎｍ〜１００ｎｍとされているので、電鋳技術を用いて電極子２３を成形する場合には、精密な円弧状又は双曲形状を有するナノメートルサイズの四重極電極を形成することが可能になる。
【００５０】
次に、四重極電極ユニット２１の製造方法の一例を図７（ａ）〜（ｄ）により説明する。まず、図７（ａ）に示すように、シリコン基板やガラス基板等の基板４１の表面に、ディップコート法やスピンコート法により、感光性樹脂材料を均一な厚みに塗布して樹脂層４２を形成する。ついで、フォトリソグラフィー技術を用いて樹脂層４２に露光及び現像処理を行ってパターニングし、樹脂層４２に断面が円弧形状又は双曲形状となるように溝４３を形成する。この結果、図７（ｂ）に示すように、複数本の溝４３を備えた樹脂層４２が基板４１の上に形成され、基板４１と樹脂層４２からなる成形型４４が作製される。このようにしてフォトリソグラフィ技術を用いて成形型４４に溝４３を形成することにより、最終的に製造される電極子２３において四重極の分析面の歪みを最小にすることができる。
【００５１】
次に、樹脂層４２の表面に蒸着、スパッタ、化学めっきや溶融めっき等により導電処理を施した後、電鋳技術により樹脂層４２の上に金属材料を堆積させて成膜する。この電鋳膜の下面には、溝４３によって複数本の電極子２３が形成される。この際、電極子２３が変形しないよう電鋳膜の厚みを十分厚くしておけば、電鋳膜（支持部２５）の強度が向上するので、最終的に得られる電極分析面の変形が小さくなり、高精度な分析が可能となる。電鋳膜が所定の厚みに成長したら、通電を止めて電鋳工程を終了する。この電鋳品を成形型４４から剥離させると、電鋳品からなる図７（ｃ）のような金属ブロック４５が得られる。金属ブロック４５には、複数本の電極子２３が形成されているので、金属ブロック４５を各電極子２３毎にダイシングし、所定形状の電極ブロック２２を複数個得る。こうして得られた各電極ブロック２２の上面の端には、図７（ｄ）に示すように、溝４３によって電極子２３が成形されている。
【００５２】
こうして得られた同じ形状の４個の電極ブロック２２は、図３に示したように所定の位置に配置させて固定する。その際には、例えば光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡を観察しながら、マイクロマニピュレータ等を使用して位置決めして固定する。
【００５３】
上記のような製造方法では、電鋳法とフォトリソグラフィ技術を併用して電極ブロック２２を作製しているので、高精度な円弧形状又は双曲形状の電極子２３を作製することが可能となる。特に、電鋳技術による転写精度は一般に５０ｎｍ〜１００ｎｍとされているから、ー技術により、双曲形状をナノメートル精度で形成することが可能となり、フォトリソグラフィ技術でもナノレベルでの加工が可能であるから、上記方法によれば、ナノメートルサイズの電極子２３を有する四重極電極を安価に量産することが可能になる。
【００５４】
４個の電極ブロック２２により四重極電極ユニット２１を組立てるには、上記のようにマイクロマニピュレータ等を使用して精密に組立てればよいが、その場合でも電極ブロック２２どうしの位置調整はかなり難しい。位置調整を簡単にするためには、例えば電極ブロック２２間にスペーサを介在させればよい。図８はこの一例を示す分解斜視図であって、上下の電極ブロック２２間と左右の電極ブロック２２間にそれぞれ所定厚みの絶縁フィルム４６をスペーサとして挟み込むようにしたものである。この実施例では、支持部２５の上面又は下面の端に電極子２３が突出しているので、上下の電極ブロック２２間に挟まれる絶縁フィルム４６は電極子２３の突出長ｄの２倍よりも若干厚みの大きなものが用いられる。また、左右の電極ブロック２２間に挟み込まれる絶縁フィルム４６は上下の電極ブロック２２間に挟み込まれる絶縁フィルム４６よりも薄くなっている。
【００５５】
また、図９は上下の電極ブロック２２間と左右の電極ブロック２２間にそれぞれ所定サイズの絶縁性の微小球４７（例えば、ガラスビーズやセラミックビーズなど）をスペーサとして挟み込むようにしたものである。この場合にも、上下の電極ブロック２２間に挟まれる微小球４７の直径は電極子２３の突出長ｄの２倍よりも若干大きくなっている。また、左右の電極ブロック２２間に挟み込まれる微小球４７の直径は、上下の電極ブロック２２間に挟み込まれる微小球４７の直径よりも小さくなっている。
【００５６】
また、電極ブロック２２の位置決め精度をより一層向上させるためには、図１０に示すように、電極ブロック２２に絶縁材料によって絶縁膜４８を成膜処理してスペーサを形成するのが好ましい。
【００５７】
このようにして電極ブロック２２間にスペーサを挟み込むようにすれば、光学顕微鏡等で観察することなく、自動的に位置決めが可能となる。すなわち、スペーサを間に挟み込んだ電極ブロック２２を万力等で締め付けて位置決めし、その状態で接着剤により固定することにより四重極電極ユニット２１を完成させることができ、電極ブロック２２どうしの位置決めを容易にすることができる。
【実施例２】
【００５８】
図１１は本発明の実施例２による四重極電極ユニット５１を示す斜視図である。この実施例でも、電極子２３を形成された４個の微小な電極ブロック２２が実施例１の場合と同様に配置されている。電極ブロック２２は実施例１とは構造が異なっている。
【００５９】
この電極ブロック２２にあっては、合成樹脂やセラミック等の絶縁材料によって成形された支持部５２の端にその全長にわたってロッド状の突起５３を一体成形して突設させている。突起５３は、その長さ方向に沿って均一な断面形状を有しており、長さ方向に垂直な断面の外形は円弧状又は双曲線状となっている。そして、支持部５２の表面のうち、少なくとも突起５３の表面全体に金属膜等の導電体膜５４を成膜し、突起５３の表面に形成された導電体膜５４と突起５３によって電極子２３を形成している。また、電源２６は各電極ブロック２２の導電体膜５４に接続されている。
【００６０】
このような実施例によれば、支持部５２及び突起５３を合成樹脂やセラミック等の絶縁材料で成形することができるので、電鋳法を用いて金属製の電極ブロック２２を成形する場合に比べて簡単かつ高精度に電極ブロック２２を製作することができる。また、電極ブロック２２の製造に要する時間を短縮することができるので、電極ブロック２２の量産を可能にすることができる。
【００６１】
図１２（ａ）〜（ｃ）及び図１３（ａ）〜（ｃ）は本実施例の四重極電極ユニット５１を製造する方法を説明する斜視図である。まず、ガラス基板やシリコン基板等の基板５５を準備し、図１２（ａ）に示すように、その上にディップコーティング法やスピンコート法により感光性樹脂材料を塗布し、樹脂層５６を形成する。ついで、フォトリソグラフィー技術を使用して樹脂層５６に露光工程と現像工程を施すことにより、図１２（ｂ）に示すように樹脂層５６の表面に断面が円弧形状または双曲形状をした所望のサイズの凸条５７を複数本成形し、基板５５及び樹脂層５６からなる母型５８を作製する。
【００６２】
次に、樹脂層５６の表面に蒸着、化学メッキや溶融めっき等の導電処理を施した後、電鋳技術を使用して樹脂層５６の上に金属材料を堆積させて成膜する。この電鋳膜の下面には、凸条５７によって複数本の溝６０が形成される。電鋳膜が所定の厚みに成長したら、通電を止めて電鋳工程を終了する。この電鋳品を母型５８から剥離させると、電鋳品からなる図１２（ｃ）のような成形型５９が得られる。成形型５９の表面には、複数本の溝６０が形成されている。
【００６３】
こうして成形型５９が得られたら、絶縁性材料を用いて図１３（ａ）に示すような絶縁体ブロック６１を成形する。その際、絶縁体ブロック６１の表面には、溝６０の反転パターンとして突起５３が転写される。転写方式には、定盤と成形型５９との隙間に絶縁性材料を充填することによりパターン形成するPhoto polymerization法、射出成形法、Micromolding in capillaries法、成形型５９上に付着した物質を定盤上に移動させることによりパターン形成するMicrotransfer molding法、Microcontact printing法、加工対象の表面を直接変形することによりパターン形成するLithographycally induced self-construction法、Laser-assisted direct imprint法、絶縁体ブロック用の基板上のレジストにパターンを転写後、エッチングプロセスにより基板にパターン形成するナノインプリントリソグラフィ法、Step and flash imprint lithography法など、熱転写や光転写などを利用した手法が知られており、製造する突起形状や使用材料によって熱膨張係数や精度などに応じて適宜使い分ければよい。
【００６４】
また、絶縁体ブロック６１に使用される絶縁性材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線等のエネルギー線硬化樹脂等の各種の樹脂を使用することができる。その例としては、セルロースアセテートブチレート、トリアセチルセルロース等のセルロース樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル樹脂、ポリスチレン、ポリウレタン、塩化ビニル、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド、ポリオレフィン、シリコーン（シリコーンポリウレア等の変性シリコーンを含む）、ポリ塩化ビニリデンなどのビニル系樹脂、ポリイミド類、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン系樹脂、ポリアリレート系樹脂、フッ素系樹脂などの各種プラスチックを挙げることができるが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、ある程度ガラス転移点が高く、平滑な表面をもつものであれば使用できる。
【００６５】
次に、図１３（ｂ）に示すように、絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の支持部５２に分割する。ついで、図１３（ｃ）に示すように、支持部５２及び突起５３の表面に導電体膜５４を成膜し、表面を導電体膜５４で覆われた突起５３により電極子２３を形成し、電極ブロック２２を得る。導電体膜５４は、支持部５２との密着性を向上させるため、例えば下層にクロム３０ｎｍ、上層にＡｕ１００ｎｍを蒸着して形成する。なお、導電体膜５４は支持部５２の突起５３以外の面にも施してもよい。また、ここでは絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の支持部５２に分割した後、支持部５２に導電体膜５４を形成したが、これとは順序を変えて、絶縁体ブロック６１の表面に導電体膜５４を形成した後に、絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の電極ブロック２２に分割するようにしてもよい。
【００６６】
電鋳法により所望厚みを得るのには時間が掛かるので、実施例１のように電極ブロック２２を直接電鋳法により作製する方法では、電極ブロック２２を作製するのに時間が掛かる。実施例２による製造方法では、母型に基づいて一旦電鋳法で成形型を作製した後、この電鋳品である成形型を用いて樹脂成形等で電極ブロック２５及び突起５３を複製し、突起５３の表面に電極子２３を形成しているので、電鋳品は予め１回作製しておくだけで済み、電極ブロック２２の生産効率を向上させることができる。さらに、電鋳法が電気化学的に型に金属を析出させ一定の厚さにまで成長させるのに対し、上記方法では、支持部２５の表面を電圧印加可能な程度に導電化処理するだけでよく、電極子２３を製造するのに要する電力は遙かに少なくて済み、製造コストを抑制することができる。
【００６７】
図１４（ａ）（ｂ）は、実施例２に用いられている電極ブロック２２の変形例を示す斜視図及び平面図である。この変形例では、支持部５２の端から少し引っ込んだ位置に電極子２３を設け、電極子２３と支持部５２の側端面との間に絶縁領域６２を形成している。従って、この変形例では電極ブロック２２の絶縁領域６２側の側端面どうしを当接させることにより、電極子２３間に所定の間隔をあけることができ、電極ブロック２２どうしの位置決めを容易にできる。
【実施例３】
【００６８】
図１５（ａ）（ｂ）は、実施例３による電極ブロック２２の斜視図及び平面図である。図１６は２つの電極ブロックを左右に並べたものどうしをさらに上下に対向させた状態を示す図であって、図１６（ａ）はイオン入射側における端面形状を示す図、図１６（ｂ）はイオン出射側における端面形状を示す図である。実施例３の電極ブロック２２は、実施例２の変形例による電極ブロック２２と同様な構造を有している。異なるのは、実施例３では、電極子２３の断面積がイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に小さくなっている点である。例えば、イオン入射側における電極子２３の端面は、図１６（ａ）に示すように、半径Ｒ１の半円状となっている。また、イオン出射側における電極子２３の端面は、図１６（ｂ）に示すように、半径Ｒ２（＜Ｒ１）の半円状となっており、矩形状をした台６３の上に形成されている。
【００６９】
また、図１６（ａ）（ｂ）のように４つの電極ブロック２２を横に並べ、かつ、対向させたとき、４つの電極子２３で囲まれたイオン通過域２４の面積もイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に小さくなっている。ここでは、電極子２３の断面積とイオン通過域２４の断面積とが、任意の断面において一定の比率を保っていることが望ましい条件となる。すなわち、図１６（ａ）（ｂ）のように４つの電極ブロック２２を組み立てたとき、４つの電極子２３に内接する円形の空間をイオン通過域２４と定義し、イオン入射側の端面におけるイオン通過域２４の半径をｒ１、イオン出射側の端面におけるイオン通過域２４の半径をｒ２とすると、上記条件は次のようになる。
ｒ１／Ｒ１＝ｒ２／Ｒ２
【００７０】
上記の関係はイオン入射側の端面とイオン出射側の端面との中間においても成り立っている。すなわち、イオン入射側とイオン出射側との中間においても、電極子２３の断面は、半円状となっている。ただし、イオン通過域の大きさを調整するために、半円状の電極子２３は矩形状をした台６３の上に配置されている。そして、半円形状をした電極子２３の半径をＲとし、その断面におけるイオン通過域２４の半径がｒであるとすれば、断面の位置にかかわらず、
ｒ／Ｒ＝一定
となっている。
【００７１】
実施例３によれば、電極子２３によってイオン通過域２４内の中心に形成される分析電界の強度がイオン入射側からイオン出射側に向かって強くなるので、イオン入射側では幅の広いイオン通過域２４を介して多数のイオンを取り込み、イオン出射口においてイオンを空間的に集中させることが可能となる。
【実施例４】
【００７２】
図１７は本発明の実施例４による四重極電極ユニット７１を示す斜視図である。図１８は四重極電極ユニット７１を構成する電極ブロック７２（電極構造物）を示す斜視図である。四重極電極ユニット７１は、２本の電極子２３を形成された２個の微小な電極ブロック７２によって構成されている。
【００７３】
電極ブロック７２は、図１８に示すように、合成樹脂やセラミック等の絶縁材料によって成形された支持部７３の表面に、２本のロッド状をした突起７４を小さな間隔をあけて突設されている。各突起７４は、その長さ方向に沿って均一な断面形状を有しており、長さ方向に垂直な断面の外形は円弧状又は双曲線状となっている。そして、支持部７３の表面のうち、少なくとも各突起７４の表面全体に金属膜等の導電体膜５４を成膜し、突起７４の表面に形成された導電体膜５４及び突起７４によって電極子２３を形成している。また、導電体膜５４は２つの領域に分かれており、突起７４間には導電体膜５４のない絶縁領域７５が設けられている。
【００７４】
２個の電極ブロック７２は、図１７に示すように、電極子２３どうしを微小間隙をあけて対向させるようにして上下に配置されており、４本の電極子２３間にはイオン通過域２４が形成されている。電源２６は、各電極ブロック７２のそれぞれの導電体膜５４に接続されている。
【００７５】
このような実施例によれば、支持部７３及び突起５３を合成樹脂やセラミック等の絶縁材料で成形することができるので、電鋳法を用いて金属製の電極ブロックを成形する場合に比べて簡単かつ高精度に電極ブロック７２を製作することができる。また、部品点数が少なくなるので、四重極電極ユニット７１のコストも安価にできる。さらに、電極ブロック７２の製造に要する時間を短縮することができるので、電極ブロック７２の量産を可能にすることができる。
【００７６】
図１９（ａ）〜（ｃ）及び図２０（ａ）〜（ｃ）は本実施例の四重極電極ユニット７１を製造する方法を説明する斜視図である。この四重極電極ユニット７１は、実施例２の四重極電極ユニット５１とほぼ同様にして製造される。まず、ガラス基板やシリコン基板等の基板５５を準備し、図１９（ａ）に示すように、その上にディップコーティング法やスピンコート法により感光性樹脂材料を塗布し、樹脂層５６を形成する。ついで、フォトリソグラフィー技術を使用して樹脂層５６に露光工程と現像工程を施すことにより、図１９（ｂ）に示すように樹脂層５６の表面に断面が円弧形状または双曲形状をした所望のサイズの凸条５７を複数本成形し、基板５５及び樹脂層５６からなる母型５８を作製する。ここで、凸条５７は２本一組となっていて対となった凸条５７は近接して配置されている。
【００７７】
次に、樹脂層５６の表面に蒸着、めっき等の導電処理を施した後、電鋳技術を使用して樹脂層５６の上に金属材料を堆積させて成膜する。この電鋳膜の下面には、凸条５７によって複数本の溝６０が形成される。電鋳膜が所定の厚みに成長したら、通電を止めて電鋳工程を終了する。この電鋳品を母型５８から剥離させると、電鋳品からなる図１９（ｃ）のような成形型５９が得られる。成形型５９の表面には、２本一組となった複数本の溝６０が形成されている。
【００７８】
こうして成形型５９が得られたら、合成樹脂等の絶縁性材料を用いて図２０（ａ）に示すような絶縁体ブロック６１を成形する。その際、絶縁体ブロック６１の表面には、溝６０の反転パターンとして突起７４が転写される。ついで、図２０（ｂ）に示すように、絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の支持部７３に分割する。ついで、図２０（ｃ）に示すように、支持部７３の突起７４の表面に導電体膜５４を成膜し、表面を導電体膜５４によって覆われた突起７４によって電極子２３を形成し、電極ブロック７２を得る。このとき、２本の近接した電極子２３間は絶縁化して絶縁領域７５とする。そのためには、支持部７３の上面の突起７４間の領域をフォトレジストで覆っておき、その上から支持部７３の上面に導電体膜５４を形成し、ついでリフトオフ法によりフォトレジストと共に導電膜５４を除去すればよい。なお、ここでは絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の支持部７３に分割した後、支持部７３に導電体膜５４を形成したが、これとは順序を変えて、絶縁体ブロック６１の表面に導電体膜５４を形成した後に、絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の電極ブロック７２に分割するようにしてもよい。
【００７９】
こうして２本の電極子２３を有する電極ブロック７２を図１７に示すように上下に対向させることにより、四重極電極ユニット７１が作製される。
【００８０】
このような製造方法では、母型に基づいて一旦電鋳法で成形型を作製した後、この電鋳品である成形型を用いて樹脂成形等で電極ブロック２５及び突起５３を複製し、突起５３の表面に電極子２３を形成しているので、電鋳品は予め１回作製しておくだけで済み、電極ブロック２２の生産効率を向上させることができる。さらに、電鋳法が電気化学的に型に金属を析出させ一定の厚さにまで成長させるのに対し、上記方法では、支持部２５の表面を電圧印加可能な程度に導電化処理するだけでよく、電極子２３を製造するのに要する電力は遙かに少なくて済み、製造コストを抑制することができる。さらに、１つの電極ブロック２２に２本の電極子２３を形成しているので、部品点数を減らすことができ、コスト抑制に効果がある。しかも、２本の電極子２３は予め所定距離に保たれているので、四重極電極ユニット７１の組立作業も容易になる。
【００８１】
図２１（ａ）（ｂ）は、実施例４に用いられている電極ブロック７２の変形例を示す斜視図及び正面である。この変形例では、突起７４の表面にのみ電極子２３を設けている。
【実施例５】
【００８２】
図２２（ａ）（ｂ）は、実施例５による電極ブロック７２の斜視図及び平面図である。実施例５の電極ブロック７２は、実施例４の変形例による電極ブロック７２と同様な構造を有している。異なるのは、実施例５では、電極子２３の断面積がイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に小さくなっており、電極子２３で囲まれたイオン通過域２４の面積もイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に小さくなっている点である。
【００８３】
ここでも、実施例３の場合と同様、電極子２３の断面積とイオン通過域２４の断面積とが、任意の断面において一定の比率を保っていることが望ましい条件となる。よって、図２３（ａ）（ｂ）のように２つの電極ブロック７２を対向させたとき、イオン入射側における電極子２３の半円状をした端面の半径をＲ１、イオン出射側における電極子２３の半円状をした端面の半径をＲ２（＜Ｒ１）、イオン入射側の端面におけるイオン通過域２４の半径をｒ１、イオン出射側の端面におけるイオン通過域２４の半径をｒ２とすると、この条件は次のようになる。
ｒ１／Ｒ１＝ｒ２／Ｒ２
【００８４】
上記の関係はイオン入射側の端面とイオン出射側の端面との中間においても成り立っている。すなわち、イオン入射側とイオン出射側との中間においても、電極子２３の断面は、半円状となっている。ただし、イオン通過域の大きさを調整するために、半円状の電極子２３は矩形状をした台の上に配置されている。そして、半円形状をした電極子２３の半径をＲとし、その断面におけるイオン通過域２４の半径がｒであるとすれば、断面の位置にかかわらず、
ｒ／Ｒ＝一定
となっている。
【００８５】
実施例５によれば、電極子２３によってイオン通過域２４内の中心に形成される分析電界の強度がイオン入射側からイオン出射側に向かって強くなるので、イオン入射側では幅の広いイオン通過域２４を介して多数のイオンを取り込み、イオン出射口においてイオンを空間的に集中させることが可能となる。
【実施例６】
【００８６】
図２４は本発明の実施例６によるアレイ化した四重極電極ユニット（以下、四重極電極アレイという。）８１を示す正面図である。この四重極電極アレイ８１は、２つの電極ブロック８２を上下に対向させて複数のイオン通過域２４を形成したものである。各電極ブロック８２は、絶縁材料からなる支持部８３の表面に断面が円弧形状又は双曲形状をした突起８４を複数個（４個以上）一体に成形し、この表面に導電体膜を形成することによって電極子２３を形成したものである。そして、上下に電極ブロック８２を対向させた四重極電極アレイ８１においては、上下に対向する４個の電極子２３によってそれぞれ四重極電極が形成され、その間にそれぞれイオン通過域２４が形成されている。よって、このような四重極電極アレイ８１を用いれば、多量のイオンまたは複数種類のイオンを一度に選別することが可能になる。
【００８７】
図２５は上記四重極電極アレイ８１に対する電圧印加方法を説明する概略図である。この例では、隣接する電極子２３どうしを導電体膜５４によってつないで導通させている。そして、図２５に示すような配線経路で各四重極電極に電圧を印加している。このような電圧印加方法によれば、電源２６は１つで済むことになる。
【００８８】
図２６は上記四重極電極アレイ８１に対する別な電圧印加方法を説明する概略図である。この例では、四重極電極を構成する各電極子２３のみを図２６のような配線経路でつなぎ、それぞれに電源２６を接続している。このような電圧印加方法によれば、各四重極電極毎に電圧印加条件を異ならせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】図１は、従来の四重極型質量分析装置の主要部の構成を示す概略斜視図である。
【図２】図２（ａ）（ｂ）は、同上の四重極型質量分析装置に用いられている四重極電極ユニットのサイズを示す正面図及び側面図である。
【図３】図３は、本発明の実施例１による四重極電極ユニットの構造を示す斜視図である。
【図４】図４は、同上の四重極電極ユニットを構成する電極ブロックを示す斜視図である。
【図５】図５は、四重極電極ユニットの作用説明図である。
【図６】図６は、本発明にかかる四重極電極ユニットを用いたガス精製装置を示す概略図である。
【図７】図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施例１の四重極電極ユニットの製造方法の一例を示す斜視図である。
【図８】図８は、実施例１の変形例を示す分解斜視図である。
【図９】図９は、実施例１の別な変形例を示す分解斜視図である。
【図１０】図１０は、実施例１のさらに別な変形例を示す分解斜視図である。
【図１１】図１１は本発明の実施例２による四重極電極ユニットを示す斜視図である。
【図１２】図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施例２の四重極電極ユニットを製造する方法を示す斜視図である。
【図１３】図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図１２（ａ）〜（ｃ）の後に続く工程を示す斜視図である。
【図１４】図１４（ａ）（ｂ）は、実施例２に用いられている電極ブロックの変形例を示す斜視図及び平面図である。
【図１５】図１５（ａ）（ｂ）は、実施例３による電極ブロックの斜視図及び平面図である。
【図１６】図１６（ａ）は、対向させた４つの上記電極ブロックのイオン入射側における端面形状を示す図、図１６（ｂ）は、対向させた４つの上記電極ブロックのイオン出射側における端面形状を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施例４による四重極電極ユニットを示す斜視図である。
【図１８】図１８は、実施例４の四重極電極ユニットを構成する電極ブロックを示す斜視図である。
【図１９】図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施例４の四重極電極ユニットを製造する方法を説明する斜視図である。
【図２０】図２０（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図１９（ａ）〜（ｃ）の後に続く工程を示す斜視図である。
【図２１】図２１（ａ）（ｂ）は、実施例４に用いられている電極ブロックの変形例を示す斜視図及び平面図である。
【図２２】図２２（ａ）（ｂ）は、実施例５による電極ブロックの斜視図及び平面図である。
【図２３】図２３（ａ）は、対向させた２つの上記電極ブロックのイオン入射側における端面形状を示す図、図２３（ｂ）は、対向させた２つの上記電極ブロックのイオン出射側における端面形状を示す図である。
【図２４】図２４は、本発明の実施例６による四重極電極アレイを示す正面図である。
【図２５】図２５は、上記四重極電極アレイに対する電圧印加方法を説明する概略図である。
【図２６】図２６は、上記四重極電極アレイに対する別な電圧印加方法を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００９０】
２１ 四重極電極ユニット
２２ 電極ブロック
２３ 電極子
２４ イオン通過域
２５ 支持部
２６ 電源
２７ 真空チャンバ
２８ イオン化部
２９ イオン化電極
３０ 排ガスチャンバ
３１ 精製ガス蓄積室
３２ ガス回収管
４１ 基板
４２ 樹脂層
４３ 溝
４４ 成形型
４５ 金属ブロック
５１ 四重極電極ユニット
５２ 支持部
５３ 突起
５４ 導電体膜
５５ 基板
５６ 樹脂層
５７ 凸条
５８ 母型
５９ 成形型
６０ 溝
６１ 絶縁体ブロック
６２ 絶縁領域
７１ 四重極電極ユニット
７２ 電極ブロック
７３ 支持部
７４ 突起
７５ 絶縁領域
８１ 四重極電極アレイ
８２ 電極ブロック
８３ 支持部
８４ 突起
９１ 四重極電極ユニット
９２ 電極フィルム
９３ 支持部
９４ 導電材料
９５ 貫通孔
９６ 窪み
９７ 仕切り
【技術分野】
【０００１】
本発明は、四重極型質量分析装置に用いる四重極電極ユニットと、当該電極ユニットを構成する電極構造物とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（従来の技術）
質量分析装置は、高精度かつ定量的に物質分析可能なことから、大気中の汚染ガス（ＶＯＣ、ダイオキシン、ＳＯｘ、ＮＯｘなど）の分析をはじめ、水中あるいは土壌中の有害成分（窒素化合物、ダイオキシンなど）の分析など広範に使用されている。また、質量分析装置には、通常、大気中ガス分析の場合にはガスクロマトグラフ（ガスクロ）が併用され、水中や土壌中の成分分析の場合には液体クロマトグラフ（液クロ）が併用される。しかしながら、これらの分析装置は、装置サイズが大きくて重いので容易に持ち運ぶことができず、通常は研究室などに設置されていた。そのため、フィールドでサンプリングした試料を分析装置設置場所に持ち帰る過程で、サンプリング試料が変質するなど、分析の信頼性が低下する懸念があった。
【０００３】
このような事情から、分析装置自体をフィールドへ持ち運び可能な“可搬型”にする技術開発が世界中で進められている。現在、ガスクロと液クロについては、半導体プロセス技術を使用してウェハサイズの小型デバイスが開発され、市場で販売されるに至っている。近年では、さらに分析装置を小型化してチップサイズとし、これらチップをネットワークで接続して、広域における汚染物質の分布状況や汚染物質の発生源の特定を実現する汚染物質モニタリングシステム構想が提案されている。このような構想を実現するためには、分析装置の高精度化と小型化を両立させることが必要である。
【０００４】
図１は従来の四重極型質量分析装置の主要部の構成を示す概略斜視図である。四重極型質量分析装置１１は、装置に入射するガス分子をイオン化するイオン化部１２、イオン化ガスをその質量により選択的に分離する四重極電極１３、四重極電極１３を通過したイオン化ガスを検出するイオン検出部１４、そして、四重極電極１３に高周波電圧を印加するための電源１５から構成される。
【０００５】
質量分析を行う四重極電極１３は、相対する平行な４本のロッド状をした電極子１６から構成されており、図１に示すように結線し、その各々に直流電圧と交流電圧の重畳したものを印加する。すなわち、直流電圧をＵ、交流電圧をＶ（ｔ）＝Ｖmax・cos（２πｆｔ）とすると、図１の例では左右で対向する一対の電極子１６にはＵ＋Ｖmax・cos（２πｆｔ）の電圧が印加され、上下で対向する一対の電極子１６には−Ｕ−Ｖmax・cos（２πｆｔ）の電圧が印加される。ただし、Ｖmaxは交流電圧の最大値、ｆは交流電圧の周波数、ｔは時間である。このような電極配置と印加電圧により、四重極電極１３内の電界は双曲電界となる。
【０００６】
四重極電極１３を構成する電極子１６は、断面が双曲形状となるように作製するのが理想的であるが、ほとんどは製作上の困難から円形で近似されることも多い。断面が円形の電極子１６で双曲電界を近似する最適な設計は、Ｒ＝１.１４８ｒoである。図２に示すとおり、Ｒは電極子１６の半径（電極径）、ｒoは四重極電極１３の中心軸から電極子１６までの最小半径である。
【０００７】
四重極電極１３による質量分析の原理は以下の通りである。但し、各電極子１６の軸方向に平行な方向にｚ軸をとり、電極子１６の軸方向に垂直な断面で一対の対向する電極子１６を結ぶ方向にｘ軸をとり、他方の対向する電極子１６を結ぶ方向にｙ軸をとる。イオン源であるイオン化部１２によりイオン化されたガスは、四重極電極１３に入射する。入射イオンは、四重極電極１３と平行にｚ軸方向へ進む間に、四重極電極１３内に形成された電界によってｘ軸方向およびｙ軸方向に力を受ける。４本の電極子１６に直流電圧Ｕと交流電圧Ｖ（ｔ）＝Ｖmax・cos（２πｆｔ）を重畳した電圧を印加していると、両電圧Ｕ、Ｖ（ｔ）によって四重極電極１３を通過できるイオンの質量数Ｍとイオンの価数Ｚの比Ｍ／Ｚが決まる。ある種類のイオンの選択条件に電界が調整されている場合には、そのイオンが四重極電極１３の中心軸から外れると中心軸へ引き戻す力が働く。このような作用により、入射イオンは螺旋軌道を描きながら、四重極電極１３を通過する。一方、それ以外の種類のイオンは、四重極電極１３の中心軸からずれると、ｚ軸方向と直交する方向での振幅を増大させて最終的には電極子１６に捕らえられる。
【０００８】
四重極電極１３によるイオン質量数測定の分解能ΔＭは、次の（１）式で評価できる。ただし、Ｋｚはｚ方向のイオンの運動エネルギー、ｆは電極子１６に印加される交流電圧の周波数、Ｌは電極子１６の長さを表す。
【数１】
【０００９】
一方、電極子１６に印加する交流電圧Ｖ（ｔ）の最大値Ｖmaxは、次の（２）式で評価できる。ただし、Ｍmaxは検出するイオンの最大の質量数を表す。
【数２】
【００１０】
これらの式から、電極子１６のサイズ（電極径Ｒと電極長さＬ）を小さくすることにより、印加電圧を小さくすることができることが分かる。その一方、電極子１６のサイズが小さくなると、質量分析装置１１の分解能は低下する。従来の電極子１６のサイズは、図２に示すように、電極径Ｒ＝２.５ｍｍ（従って、ｒo＝２.１７７ｍｍ)、電極長さＬ＝１０ｃｍで、例えば、最大質量数Ｍmax＝１００ａｍｕとすると、最大印加電圧Ｖmaxは約１.１ｋＶとなる。ただし、交流周波数ｆを４ＭＨｚとしている。また、分解能ΔＭは約０.０５ａｍｕである。
【００１１】
例えば、特許文献１（特開平１１−５０３５５７号公報）に記載された質量分析装置では、金属材料で被覆したガラスファイバーを極細サイズの電極として使用し、この電極４本を半導体プロセスで形成した溝を使用して高精度な位置決めを行い、直径０.５ｍｍの四重極電極を作製している。この場合、最大印加電圧は２０Ｖ以下にすることが可能である。ところが、電極径と同じ比率だけ電極長さを短くした場合には分解能が５ａｍｕ以下となり、分析精度が悪化する。分解能を１ａｍｕ以内とするためには電極長さを２０ｍｍ以上にする必要がある。このように、分解能を一定レベル以上に確保するためには一定以上の電極長さが必要であり、このことが、現行レベル以上の電極微小化を困難にしている。
【００１２】
また、特許文献２（特開平８−１４８０８７号公報）には、断面が双曲形状の電極を作製して分解能を向上させるための製造技術が開示されている。これは、断面が双曲線に沿って窪んだ溝を有する鋳型を用い、電鋳技術により高寸法精度を有する電極を製造するものである。
【００１３】
しかしながら、上記特許文献１に記載された質量分析装置では、ガラスファイバーを活用して電極を形成しており、ガラスファイバー自体は市販品を使用したものである。一般に、ガラスファイバーは溶融したガラスを引き伸ばすことにより、径を小さくすることは可能である。しかし、その断面形状を制御するのは困難であり、電極を微細化した場合には電極の形状精度を得ることができない。特に、均一な断面形状で長い電極を形成することは困難である。
【００１４】
また、上記特許文献２では、電極の断面形状を高精度に双曲形状に制御する技術を開示しているが、作製した電極はネジ止めにより組み立てる手法をとっており、電極を微小化することについては考慮されていない。
【００１５】
また、上記２つの手法に共通する難点としては、たとえ微小な電極を作製できたとしても、電極径が微小になるに従い、電極のハンドリングが難しくなり、細心の注意を払ったとしても電極の破損や変形を防止するのは困難である。
【００１６】
さらに、他の問題として、上記手法では、量産性やコストについての検討がなされていないことがある。汚染物質モニタリングシステムとして利用するためには、安価に大量のチップを供給する必要がある。特許文献１に開示されている手法は、研究用途には使用可能であるが、電極を一本ずつ、シリコン基板に高精度に位置決めして固定する必要があり、量産には向かない。また、特許文献２において提案されている電鋳技術は、電気的析出を原理としたものであり、電極を一個製造するのにも多大な時間を要する。例えば、１００μｍの厚みの電極を作製する場合でも半日程度の時間を要する。
【００１７】
【特許文献１】特開平１１−５０３５５７号公報
【特許文献２】特開平８−１４８０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電極子の微小化と高精度化が可能な質量分析装置用の四重極電極ユニットとその電極構造物を提供することにある。また、本発明の別な目的は、量産化と低コスト化が可能な質量分析装置用の電極構造物の製造方法を提供することにある。
【００１９】
本発明にかかる四重極電極ユニットは、四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成するための四重極電極ユニットであって、支持部に電極子を一体に形成した複数の電極構造物を組み合わせることにより、４つの該電極子を四重極配置させたものである。
【００２０】
本発明に係る四重極電極ユニットにあっては、電極構造物の支持部に電極子を一体に形成しているので、四重極電極を構成する電極子が微細になったり、その長さが長くなったりしても、電極子が変形したり、電極子が破損したりしにくい。よって、電極子を微小化した場合でも、電極子を組み合わせて四重極電極ユニットに構成する場合や、四重極電極ユニットを質量分析装置に組み込む際のハンドリングが容易になり、四重極電極ユニットの微小化が可能になると共に四重極電極ユニットの精度や信頼性を向上させることができる。
【００２１】
本発明にかかる四重極電極ユニットのある実施態様における前記電極構造物は、前記支持部の表面に１つの前記電極子が形成されたものであり、４つの前記電極構造物を組み合わせることにより４つの前記電極子が互いにほぼ平行となるように四重極配置されている。かかる実施態様によれば、１つの電極構造物に１つの電極子を設けているので、電極構造物の設計や製造が容易になる。
【００２２】
本発明にかかる四重極電極ユニットの別な実施態様における前記電極構造物は、前記支持部の表面に２つの前記電極子が形成されたものであり、２つの前記電極構造物を組み合わせることにより４つの前記電極子が互いにほぼ平行となるように四重極配置されている。かかる実施態様によれば、１つの電極構造物に２つの電極子を設けているので、四重極電極ユニットの部品点数が少なくて済み、コストを安価にできる。
【００２３】
本発明にかかる四重極電極ユニットのさらに別な実施態様は、前記電極子間の間隔を所定距離に保つためのスペーサを、前記電極構造物間に介在させたものである。かかる実施態様によれば、自動的に電極構造物どうしの位置決めを行なえるので、電極構造物どうしの位置決め工程を簡略にすることができる。
【００２４】
本発明にかかる四重極電極ユニットのさらに別な実施態様は、前記電極子の断面積と前記電極子間に形成されたイオン通過域の断面積とが一定比率を保つようにしながらイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に電極子の断面積を小さくすることにより、前記イオン通過域の中心に形成される電界の強度がイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に強くなるように前記電極子が構成されていることを特徴とする。かかる実施態様によれば、幅の広いイオン入射側のイオン通過域開口に多数のイオンを取り込み、イオン出射側のイオン通過域開口においてイオンを空間的に集中させることが可能となる。
【００２５】
本発明にかかる電極子構造物は、本発明にかかる四重極電極ユニットに用いられる電極構造物であって、前記支持部に前記電極子が一体に形成されたものである。
【００２６】
本発明に係る電極子構造物にあっては、支持部に電極子を一体に形成しているので、四重極電極を構成する電極子が微細になったり、その長さが長くなったりしても、電極子が変形したり、電極子が破損したりしにくい。よって、電極子を微小化した場合でも、電極子構造物を組み合わせて四重極電極ユニットに構成する場合や、電極子構造物を質量分析装置に組み込む際のハンドリングが容易になり、電極子構造物の微小化が可能になると共に電極子構造物の精度や信頼性を向上させることができる。
【００２７】
本発明にかかる電極子構造物のある実施態様は、前記支持部にロッド状をした前記電極子が一体に成形されている。この支持部は、導電性材料により形成されていることが望ましい。かかる実施態様によれば、電極子を支持部と一体に形成することができるので、電極構造物の製作が容易になる。
【００２８】
本発明にかかる電極子構造物の別な実施態様は、前記支持部にロッド状をした突起が一体に成形され、該突起の表面に膜状をした前記電極子が形成されている。この支持部及び突起は絶縁性材料により形成されていることが望ましい。かかる実施態様によれば、支持部と電極子を別材料で形成することができる。従って、例えば支持部を合成樹脂等によって所定形状に成形することで量産化が可能になる。
【００２９】
本発明にかかる電極子構造物のさらに別な実施態様における前記電極子は、その長さ方向に垂直な断面において、表面が円弧状又は双曲線状となっている。かかる実施態様によれば、電極子の断面においてその表面が円弧状又は双曲線状となっているので、四重極配置された４つの電極子間に良好な四重極場を生成させることができる。
【００３０】
本発明にかかる電極子構造物のさらに別な実施態様は、前記電極子の断面積が、その長さ方向にわたって一様であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、電極子の形状が単純になり、製作が容易になる。
【００３１】
本発明にかかる電極子構造物のさらに別な実施態様は、前記電極子の断面積が、一方端部から他方端部に向けて次第に小さくなっている。かかる実施態様によれば、４つの電極子が四重極配置となるように複数オン電極子構造物を配置したとき、幅の広いイオン入射側のイオン通過域開口に多数のイオンを取り込み、イオン出射側のイオン通過域開口においてイオンを空間的に集中させることが可能となる。
【００３２】
本発明にかかる電極子構造物の第１の製造方法は、四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした溝を有する成形型を作製する工程と、電鋳法を用いて前記成形型により前記支持部を形成すると共に前記溝により前記電極子を支持部と一体に形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００３３】
上記第１の製造方法によれば、支持部に電極子が一体に形成された電極構造物を製作することができるので、電極子が微細になったり、その長さが長くなったりしても、電極子が変形したり、電極子が破損したりしにくく、電極子のハンドリングが容易になる。しかも、電鋳法により支持部と電極子が作製されるので、断面が円弧形状又は双曲形状をした電極子を高精度で作製することが可能となり、電極子の微細化（例えば、ナノスケールの電極子の製作）が可能になる。
【００３４】
本発明にかかる電極子構造物の第１の製造方法のある実施態様は、前記成形型をフォトリソグラフィー技術により作製することを特徴としている。かかる実施態様では、電極構造物を成形するための成形型がフォトリソグラフィー技術により作製されているので、電極子の形状（円弧形状や双曲形状）をナノメートル精度で形成することが可能となる。
【００３５】
本発明にかかる電極子構造物の第２の製造方法は、四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、前記電極子と同じ形状の凸部を有する母型を作製する工程と、前記母型を用いて電鋳法により、長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした溝を有する成形型を作製する工程と、前記成形型により絶縁性材料からなる前記支持部を形成すると共に前記溝により前記支持部に突起を設ける工程と、前記突起の表面を導電化処理して前記電極子を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００３６】
上記第２の製造方法によれば、支持部に電極子が一体に形成された電極構造物を製作することができるので、電極子が微細になったり、その長さが長くなったりしても、電極子が変形したり、電極子が破損したりしにくく、電極子のハンドリングが容易になる。また、電鋳法では必要な厚みを得るのに時間が掛かるので、電極構造物を電鋳法により作製すると、電極構造物の製造効率が低下する恐れがある。第２の製造方法によれば、母型を元にして電鋳法で一度成形型を作製すれば、その後は当該成形型を用いた複製技術により支持部を形成すると共に導電化処理によって突起の表面にだけ電極子を形成するだけでよいので、電極構造物の製造効率を向上させることができる。また、導電化処理によれば電鋳法よりも電極子作製に要する電力も遙かに小さくて済み、低コストで電極子を製造できる。
【００３７】
本発明にかかる電極構造物の第３の製造方法は、四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、前記電極子と同じ形状の凸部が２つ近接して形成された母型を作製する工程と、前記母型を用いて電鋳法により、長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした２つの溝を有する成形型を作製する工程と、前記成形型により絶縁性材料からなる前記支持部を形成すると共に前記溝により前記支持部に２つの近接した突起を設ける工程と、前記突起間を絶縁状態に保ったままで前記各突起の表面を導電化処理して前記電極子を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００３８】
上記第３の製造方法によれば、支持部に電極子が一体に形成された電極構造物を製作することができるので、電極子が微細になったり、その長さが長くなったりしても、電極子が変形したり、電極子が破損したりしにくく、電極子のハンドリングが容易になる。また、電鋳法では必要な厚みを得るのに時間が掛かるので、電極構造物を電鋳法により作製すると、電極構造物の製造効率が低下する恐れがある。第２の製造方法によれば、母型を元にして電鋳法で一度成形型を作製すれば、その後は当該成形型を用いた複製技術により支持部を形成すると共に導電化処理によって突起の表面に電極子を形成するだけでよいので、電極構造物の製造効率を向上させることができる。また、導電化処理によれば電鋳法によりも電極子作製に要する電力も遙かに小さくて済み、低コストで電極子を製造できる。さらに、２つの電極子を一度に作製することができるので、必要数の電極子を得るための製造コストも安価になる。
【００３９】
なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものでなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜設計変更することが可能である。
【実施例１】
【００４１】
図３は本発明の実施例１による四重極電極ユニット２１の構造を示す斜視図である。図４は四重極電極ユニット２１を構成する電極ブロック２２（電極構造物）を示す斜視図である。ただし、図３及び図４は、本発明の実施例を模式的に表わした図であって、支持部と電極子との寸法比率を正確に表わしたものではない。図５以降の図についても同様である。
【００４２】
図３に示すように、実施例１による四重極電極ユニット２１は、４つの微小な電極ブロック２２によって構成されており、各電極ブロック２２の表面の端に設けられたロッド状の電極子２３を互いに近接させて平行に配置することにより四重極電極が構成されている。これら４つの電極子２３は上下左右に等しい間隔をあけて四重極配置されており、それらの間にはイオン通過域２４が形成されている。また、斜めに対向する一対の電極ブロック２２どうしは同電位となるように電気的に接続されており、斜めに対向する一対の電極ブロック２２と斜めに対向する別な一対の電極ブロック２２の間には電源２６が接続され、電源２６により直流電圧Ｕと交流電圧Ｖ（ｔ）＝Ｖmax・cos（２πｆｔ）とが重畳して印加される。ただし、Ｖmax及びｆは交流電圧の振幅及び周波数、ｔは時間である。
【００４３】
図４に示すように、電極ブロック２２は、直方体状をした支持部２５の端にその全長にわたってロッド状の電極子２３を一体に突設したものである。電極ブロック２２は微小なサイズに形成されており、例えば、支持部２５及び電極子２３の長さはＬ＝４００μｍ、支持部２５の高さは５００μｍ、電極子２３の突出高さはｄ＝１μｍとなっている。電極子２３及び支持部２５（すなわち、電極ブロック２２全体）は、導電性材料例えばＣｕやＮｉ等の金属によって一体に成形されている。また、電極子２３は、その長さ方向に沿って均一な断面形状を有しており、長さ方向に垂直な断面の外形は円弧状又は双曲線状となっている。
【００４４】
図３に示すように、４個の電極ブロック２２は、各電極子２３を所定の間隔をあけて近接させ、それらの間にイオン通過域２４が形成されるように配置されている。これらの電極ブロック２２は、各支持部２５を互いに絶縁性の接着剤により接着することにより組立てられる。あるいは、支持部２５をフレーム等に固定することによって組立ててもよい。その場合でも、支持部２５の電極子２３が設けられている面と反対側の面や両側面は平坦となっているので、各電極ブロック２２は精度良く位置決めされ、容易に組立てられる。
【００４５】
このような四重極電極ユニット２１は、イオン化部やイオン検出部を備えることによって四重極型質量分析装置（図１参照）として用いられる。質量分析装置にあっては、各電極ブロック２２に図３に示すように電源２６を接続し、電源２６から四重極電極ユニット２１に直流と交流の重畳電圧Ｕ＋Ｖ（ｔ）＝Ｕ＋Ｖmax・cos（２πｆｔ）を印加すると、電極子２３間のイオン通過域２４に四重極電場（振動場）が発生する。そして、イオン化部で発生したイオンをイオン通過域２４に送り込むと、図５に示すように、特定のイオンαだけが四重極電極ユニット２１のイオン通過域２４内を通過し、他のイオンβ、γなどは電極ブロック２２間から外部へ排出される。すなわち、従来例においても説明したように、電源２６の直流電圧Ｕと交流電圧Ｖ（ｔ）によって決まるイオンの質量数Ｍとイオンの価数Ｚの比Ｍ／Ｚの値に一致するイオンαは、螺旋軌道を描きながらイオン通過域２４内を進行して四重極電極ユニット２１を通り抜ける。これに対し、それ以外のイオンβ、γ等は、四重極電極ユニット２１の中心軸から外れると、四重極電極ユニット２１内に形成された電界によって横方向の力を受け、電極ブロック２２間の隙間から飛び出る。従って、イオン検出部で検出した通過イオンのイオン価から当該イオンの質量を計測することができる。あるいは、所定のイオンだけを選別して通過させることができる。
【００４６】
この四重極型質量分析装置は、ガス精製装置としても用いられる。図６は、上記四重極電極ユニット２１を用いたガス精製装置を示す概略図である。図６において、符号２７は真空チャンバ、２８はイオン化部、２９はイオン化電極、３０は排ガスチャンバ、３１は精製ガス蓄積室、３２はガス回収管であって、排ガスチャンバ３０内に四重極電極ユニット２１が設置されている。真空チャンバ２７とイオン化部２８とは互いに連通しており、イオン化部２８と精製ガス蓄積室３１は四重極電極ユニット２１を介してつながっており、排ガスチャンバ３０と真空チャンバ２７はガス回収管３２によって連通させられている。真空チャンバ２７内には、複数種類の混合ガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３が保持されており、四重極電極ユニット２１はイオン化されたガスＧ１だけが通過できるように調整されている。
【００４７】
しかして、真空チャンバ２７内のガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３はイオン化部２８においてイオン化電極２９で加熱されて電子（ｅ−）を放出してイオン化される。イオン化されたガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３が四重極電極ユニット２１内を流れると、ガスＧ１だけが四重極電極ユニット２１を通過できるので、精製ガス蓄積室３１内には特定のガスＧ１だけが分離して蓄積される。一方、他のガスＧ２、Ｇ３は、電極ブロック２２間の隙間から飛び出すことで四重極電極ユニット２１から排ガスチャンバ３０内に排出され、ガス回収管３２を通って再び真空チャンバ２７内へ回収される。よって、精製ガス蓄積室３１には、真空チャンバ２７内のガスのうち特定種類のガスだけが分離精製して蓄積される。
【００４８】
質量分析装置等に用いられている四重極電極では、電極子のサイズを小さくすることにより、印加電圧を小さくすることができるが、電極子のサイズが小さくなると、質量分析装置の分解能が低下する。従って、低電圧で使用できるようにして質量分析装置を可搬型にし、しかも高精度化するためには、電極子の半径を小さくし、且つ、電極子の長さを長くする必要がある。この場合、従来例の電極子１６のようにロッド状の電極子１６であると、電極子１６を細く長くして電極子１６のアスペクト比が大きくなると、電極子１６が変形したり破損したりし易くなり、ハンドリングが困難になる。また、４本の電極子１６を互いに平行に位置決めして四重極電極を組み立てることも困難になる。
【００４９】
これに対し、本発明の場合には、断面が円弧形状又は双曲形状をした電極子２３をブロック状の支持部２５と一体に形成し、電極ブロック２２のうち分析空間（イオン通過域２４）への電界形成に関与しない領域をブロック形状としているので、電極子２３は支持部２５によって補強されており、電極子２３が微小化されて細く長くなっても電極ブロック２２の強度が低下することがない。また、支持部２５を掴むことにより分析面（電極子２３）に直接触れることなく電極ブロック２２を取り扱うことができ、電極子２３のハンドリングが容易になる。また、電極子２３は支持部２５によって組み立てることができるので、位置精度よく四重極電極ユニット２１を組み立てることが可能になる。よって、本発明によれば、電極子２３が微小で、強度があって取り扱いが容易な電極ブロック２２を製作することができ、ひいては可搬型や携帯型の高精度な四重極型質量分析装置などを実現することが可能になる。一般に、電鋳技術による転写精度は５０ｎｍ〜１００ｎｍとされているので、電鋳技術を用いて電極子２３を成形する場合には、精密な円弧状又は双曲形状を有するナノメートルサイズの四重極電極を形成することが可能になる。
【００５０】
次に、四重極電極ユニット２１の製造方法の一例を図７（ａ）〜（ｄ）により説明する。まず、図７（ａ）に示すように、シリコン基板やガラス基板等の基板４１の表面に、ディップコート法やスピンコート法により、感光性樹脂材料を均一な厚みに塗布して樹脂層４２を形成する。ついで、フォトリソグラフィー技術を用いて樹脂層４２に露光及び現像処理を行ってパターニングし、樹脂層４２に断面が円弧形状又は双曲形状となるように溝４３を形成する。この結果、図７（ｂ）に示すように、複数本の溝４３を備えた樹脂層４２が基板４１の上に形成され、基板４１と樹脂層４２からなる成形型４４が作製される。このようにしてフォトリソグラフィ技術を用いて成形型４４に溝４３を形成することにより、最終的に製造される電極子２３において四重極の分析面の歪みを最小にすることができる。
【００５１】
次に、樹脂層４２の表面に蒸着、スパッタ、化学めっきや溶融めっき等により導電処理を施した後、電鋳技術により樹脂層４２の上に金属材料を堆積させて成膜する。この電鋳膜の下面には、溝４３によって複数本の電極子２３が形成される。この際、電極子２３が変形しないよう電鋳膜の厚みを十分厚くしておけば、電鋳膜（支持部２５）の強度が向上するので、最終的に得られる電極分析面の変形が小さくなり、高精度な分析が可能となる。電鋳膜が所定の厚みに成長したら、通電を止めて電鋳工程を終了する。この電鋳品を成形型４４から剥離させると、電鋳品からなる図７（ｃ）のような金属ブロック４５が得られる。金属ブロック４５には、複数本の電極子２３が形成されているので、金属ブロック４５を各電極子２３毎にダイシングし、所定形状の電極ブロック２２を複数個得る。こうして得られた各電極ブロック２２の上面の端には、図７（ｄ）に示すように、溝４３によって電極子２３が成形されている。
【００５２】
こうして得られた同じ形状の４個の電極ブロック２２は、図３に示したように所定の位置に配置させて固定する。その際には、例えば光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡を観察しながら、マイクロマニピュレータ等を使用して位置決めして固定する。
【００５３】
上記のような製造方法では、電鋳法とフォトリソグラフィ技術を併用して電極ブロック２２を作製しているので、高精度な円弧形状又は双曲形状の電極子２３を作製することが可能となる。特に、電鋳技術による転写精度は一般に５０ｎｍ〜１００ｎｍとされているから、ー技術により、双曲形状をナノメートル精度で形成することが可能となり、フォトリソグラフィ技術でもナノレベルでの加工が可能であるから、上記方法によれば、ナノメートルサイズの電極子２３を有する四重極電極を安価に量産することが可能になる。
【００５４】
４個の電極ブロック２２により四重極電極ユニット２１を組立てるには、上記のようにマイクロマニピュレータ等を使用して精密に組立てればよいが、その場合でも電極ブロック２２どうしの位置調整はかなり難しい。位置調整を簡単にするためには、例えば電極ブロック２２間にスペーサを介在させればよい。図８はこの一例を示す分解斜視図であって、上下の電極ブロック２２間と左右の電極ブロック２２間にそれぞれ所定厚みの絶縁フィルム４６をスペーサとして挟み込むようにしたものである。この実施例では、支持部２５の上面又は下面の端に電極子２３が突出しているので、上下の電極ブロック２２間に挟まれる絶縁フィルム４６は電極子２３の突出長ｄの２倍よりも若干厚みの大きなものが用いられる。また、左右の電極ブロック２２間に挟み込まれる絶縁フィルム４６は上下の電極ブロック２２間に挟み込まれる絶縁フィルム４６よりも薄くなっている。
【００５５】
また、図９は上下の電極ブロック２２間と左右の電極ブロック２２間にそれぞれ所定サイズの絶縁性の微小球４７（例えば、ガラスビーズやセラミックビーズなど）をスペーサとして挟み込むようにしたものである。この場合にも、上下の電極ブロック２２間に挟まれる微小球４７の直径は電極子２３の突出長ｄの２倍よりも若干大きくなっている。また、左右の電極ブロック２２間に挟み込まれる微小球４７の直径は、上下の電極ブロック２２間に挟み込まれる微小球４７の直径よりも小さくなっている。
【００５６】
また、電極ブロック２２の位置決め精度をより一層向上させるためには、図１０に示すように、電極ブロック２２に絶縁材料によって絶縁膜４８を成膜処理してスペーサを形成するのが好ましい。
【００５７】
このようにして電極ブロック２２間にスペーサを挟み込むようにすれば、光学顕微鏡等で観察することなく、自動的に位置決めが可能となる。すなわち、スペーサを間に挟み込んだ電極ブロック２２を万力等で締め付けて位置決めし、その状態で接着剤により固定することにより四重極電極ユニット２１を完成させることができ、電極ブロック２２どうしの位置決めを容易にすることができる。
【実施例２】
【００５８】
図１１は本発明の実施例２による四重極電極ユニット５１を示す斜視図である。この実施例でも、電極子２３を形成された４個の微小な電極ブロック２２が実施例１の場合と同様に配置されている。電極ブロック２２は実施例１とは構造が異なっている。
【００５９】
この電極ブロック２２にあっては、合成樹脂やセラミック等の絶縁材料によって成形された支持部５２の端にその全長にわたってロッド状の突起５３を一体成形して突設させている。突起５３は、その長さ方向に沿って均一な断面形状を有しており、長さ方向に垂直な断面の外形は円弧状又は双曲線状となっている。そして、支持部５２の表面のうち、少なくとも突起５３の表面全体に金属膜等の導電体膜５４を成膜し、突起５３の表面に形成された導電体膜５４と突起５３によって電極子２３を形成している。また、電源２６は各電極ブロック２２の導電体膜５４に接続されている。
【００６０】
このような実施例によれば、支持部５２及び突起５３を合成樹脂やセラミック等の絶縁材料で成形することができるので、電鋳法を用いて金属製の電極ブロック２２を成形する場合に比べて簡単かつ高精度に電極ブロック２２を製作することができる。また、電極ブロック２２の製造に要する時間を短縮することができるので、電極ブロック２２の量産を可能にすることができる。
【００６１】
図１２（ａ）〜（ｃ）及び図１３（ａ）〜（ｃ）は本実施例の四重極電極ユニット５１を製造する方法を説明する斜視図である。まず、ガラス基板やシリコン基板等の基板５５を準備し、図１２（ａ）に示すように、その上にディップコーティング法やスピンコート法により感光性樹脂材料を塗布し、樹脂層５６を形成する。ついで、フォトリソグラフィー技術を使用して樹脂層５６に露光工程と現像工程を施すことにより、図１２（ｂ）に示すように樹脂層５６の表面に断面が円弧形状または双曲形状をした所望のサイズの凸条５７を複数本成形し、基板５５及び樹脂層５６からなる母型５８を作製する。
【００６２】
次に、樹脂層５６の表面に蒸着、化学メッキや溶融めっき等の導電処理を施した後、電鋳技術を使用して樹脂層５６の上に金属材料を堆積させて成膜する。この電鋳膜の下面には、凸条５７によって複数本の溝６０が形成される。電鋳膜が所定の厚みに成長したら、通電を止めて電鋳工程を終了する。この電鋳品を母型５８から剥離させると、電鋳品からなる図１２（ｃ）のような成形型５９が得られる。成形型５９の表面には、複数本の溝６０が形成されている。
【００６３】
こうして成形型５９が得られたら、絶縁性材料を用いて図１３（ａ）に示すような絶縁体ブロック６１を成形する。その際、絶縁体ブロック６１の表面には、溝６０の反転パターンとして突起５３が転写される。転写方式には、定盤と成形型５９との隙間に絶縁性材料を充填することによりパターン形成するPhoto polymerization法、射出成形法、Micromolding in capillaries法、成形型５９上に付着した物質を定盤上に移動させることによりパターン形成するMicrotransfer molding法、Microcontact printing法、加工対象の表面を直接変形することによりパターン形成するLithographycally induced self-construction法、Laser-assisted direct imprint法、絶縁体ブロック用の基板上のレジストにパターンを転写後、エッチングプロセスにより基板にパターン形成するナノインプリントリソグラフィ法、Step and flash imprint lithography法など、熱転写や光転写などを利用した手法が知られており、製造する突起形状や使用材料によって熱膨張係数や精度などに応じて適宜使い分ければよい。
【００６４】
また、絶縁体ブロック６１に使用される絶縁性材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、紫外線等のエネルギー線硬化樹脂等の各種の樹脂を使用することができる。その例としては、セルロースアセテートブチレート、トリアセチルセルロース等のセルロース樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル樹脂、ポリスチレン、ポリウレタン、塩化ビニル、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド、ポリオレフィン、シリコーン（シリコーンポリウレア等の変性シリコーンを含む）、ポリ塩化ビニリデンなどのビニル系樹脂、ポリイミド類、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン系樹脂、ポリアリレート系樹脂、フッ素系樹脂などの各種プラスチックを挙げることができるが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、ある程度ガラス転移点が高く、平滑な表面をもつものであれば使用できる。
【００６５】
次に、図１３（ｂ）に示すように、絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の支持部５２に分割する。ついで、図１３（ｃ）に示すように、支持部５２及び突起５３の表面に導電体膜５４を成膜し、表面を導電体膜５４で覆われた突起５３により電極子２３を形成し、電極ブロック２２を得る。導電体膜５４は、支持部５２との密着性を向上させるため、例えば下層にクロム３０ｎｍ、上層にＡｕ１００ｎｍを蒸着して形成する。なお、導電体膜５４は支持部５２の突起５３以外の面にも施してもよい。また、ここでは絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の支持部５２に分割した後、支持部５２に導電体膜５４を形成したが、これとは順序を変えて、絶縁体ブロック６１の表面に導電体膜５４を形成した後に、絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の電極ブロック２２に分割するようにしてもよい。
【００６６】
電鋳法により所望厚みを得るのには時間が掛かるので、実施例１のように電極ブロック２２を直接電鋳法により作製する方法では、電極ブロック２２を作製するのに時間が掛かる。実施例２による製造方法では、母型に基づいて一旦電鋳法で成形型を作製した後、この電鋳品である成形型を用いて樹脂成形等で電極ブロック２５及び突起５３を複製し、突起５３の表面に電極子２３を形成しているので、電鋳品は予め１回作製しておくだけで済み、電極ブロック２２の生産効率を向上させることができる。さらに、電鋳法が電気化学的に型に金属を析出させ一定の厚さにまで成長させるのに対し、上記方法では、支持部２５の表面を電圧印加可能な程度に導電化処理するだけでよく、電極子２３を製造するのに要する電力は遙かに少なくて済み、製造コストを抑制することができる。
【００６７】
図１４（ａ）（ｂ）は、実施例２に用いられている電極ブロック２２の変形例を示す斜視図及び平面図である。この変形例では、支持部５２の端から少し引っ込んだ位置に電極子２３を設け、電極子２３と支持部５２の側端面との間に絶縁領域６２を形成している。従って、この変形例では電極ブロック２２の絶縁領域６２側の側端面どうしを当接させることにより、電極子２３間に所定の間隔をあけることができ、電極ブロック２２どうしの位置決めを容易にできる。
【実施例３】
【００６８】
図１５（ａ）（ｂ）は、実施例３による電極ブロック２２の斜視図及び平面図である。図１６は２つの電極ブロックを左右に並べたものどうしをさらに上下に対向させた状態を示す図であって、図１６（ａ）はイオン入射側における端面形状を示す図、図１６（ｂ）はイオン出射側における端面形状を示す図である。実施例３の電極ブロック２２は、実施例２の変形例による電極ブロック２２と同様な構造を有している。異なるのは、実施例３では、電極子２３の断面積がイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に小さくなっている点である。例えば、イオン入射側における電極子２３の端面は、図１６（ａ）に示すように、半径Ｒ１の半円状となっている。また、イオン出射側における電極子２３の端面は、図１６（ｂ）に示すように、半径Ｒ２（＜Ｒ１）の半円状となっており、矩形状をした台６３の上に形成されている。
【００６９】
また、図１６（ａ）（ｂ）のように４つの電極ブロック２２を横に並べ、かつ、対向させたとき、４つの電極子２３で囲まれたイオン通過域２４の面積もイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に小さくなっている。ここでは、電極子２３の断面積とイオン通過域２４の断面積とが、任意の断面において一定の比率を保っていることが望ましい条件となる。すなわち、図１６（ａ）（ｂ）のように４つの電極ブロック２２を組み立てたとき、４つの電極子２３に内接する円形の空間をイオン通過域２４と定義し、イオン入射側の端面におけるイオン通過域２４の半径をｒ１、イオン出射側の端面におけるイオン通過域２４の半径をｒ２とすると、上記条件は次のようになる。
ｒ１／Ｒ１＝ｒ２／Ｒ２
【００７０】
上記の関係はイオン入射側の端面とイオン出射側の端面との中間においても成り立っている。すなわち、イオン入射側とイオン出射側との中間においても、電極子２３の断面は、半円状となっている。ただし、イオン通過域の大きさを調整するために、半円状の電極子２３は矩形状をした台６３の上に配置されている。そして、半円形状をした電極子２３の半径をＲとし、その断面におけるイオン通過域２４の半径がｒであるとすれば、断面の位置にかかわらず、
ｒ／Ｒ＝一定
となっている。
【００７１】
実施例３によれば、電極子２３によってイオン通過域２４内の中心に形成される分析電界の強度がイオン入射側からイオン出射側に向かって強くなるので、イオン入射側では幅の広いイオン通過域２４を介して多数のイオンを取り込み、イオン出射口においてイオンを空間的に集中させることが可能となる。
【実施例４】
【００７２】
図１７は本発明の実施例４による四重極電極ユニット７１を示す斜視図である。図１８は四重極電極ユニット７１を構成する電極ブロック７２（電極構造物）を示す斜視図である。四重極電極ユニット７１は、２本の電極子２３を形成された２個の微小な電極ブロック７２によって構成されている。
【００７３】
電極ブロック７２は、図１８に示すように、合成樹脂やセラミック等の絶縁材料によって成形された支持部７３の表面に、２本のロッド状をした突起７４を小さな間隔をあけて突設されている。各突起７４は、その長さ方向に沿って均一な断面形状を有しており、長さ方向に垂直な断面の外形は円弧状又は双曲線状となっている。そして、支持部７３の表面のうち、少なくとも各突起７４の表面全体に金属膜等の導電体膜５４を成膜し、突起７４の表面に形成された導電体膜５４及び突起７４によって電極子２３を形成している。また、導電体膜５４は２つの領域に分かれており、突起７４間には導電体膜５４のない絶縁領域７５が設けられている。
【００７４】
２個の電極ブロック７２は、図１７に示すように、電極子２３どうしを微小間隙をあけて対向させるようにして上下に配置されており、４本の電極子２３間にはイオン通過域２４が形成されている。電源２６は、各電極ブロック７２のそれぞれの導電体膜５４に接続されている。
【００７５】
このような実施例によれば、支持部７３及び突起５３を合成樹脂やセラミック等の絶縁材料で成形することができるので、電鋳法を用いて金属製の電極ブロックを成形する場合に比べて簡単かつ高精度に電極ブロック７２を製作することができる。また、部品点数が少なくなるので、四重極電極ユニット７１のコストも安価にできる。さらに、電極ブロック７２の製造に要する時間を短縮することができるので、電極ブロック７２の量産を可能にすることができる。
【００７６】
図１９（ａ）〜（ｃ）及び図２０（ａ）〜（ｃ）は本実施例の四重極電極ユニット７１を製造する方法を説明する斜視図である。この四重極電極ユニット７１は、実施例２の四重極電極ユニット５１とほぼ同様にして製造される。まず、ガラス基板やシリコン基板等の基板５５を準備し、図１９（ａ）に示すように、その上にディップコーティング法やスピンコート法により感光性樹脂材料を塗布し、樹脂層５６を形成する。ついで、フォトリソグラフィー技術を使用して樹脂層５６に露光工程と現像工程を施すことにより、図１９（ｂ）に示すように樹脂層５６の表面に断面が円弧形状または双曲形状をした所望のサイズの凸条５７を複数本成形し、基板５５及び樹脂層５６からなる母型５８を作製する。ここで、凸条５７は２本一組となっていて対となった凸条５７は近接して配置されている。
【００７７】
次に、樹脂層５６の表面に蒸着、めっき等の導電処理を施した後、電鋳技術を使用して樹脂層５６の上に金属材料を堆積させて成膜する。この電鋳膜の下面には、凸条５７によって複数本の溝６０が形成される。電鋳膜が所定の厚みに成長したら、通電を止めて電鋳工程を終了する。この電鋳品を母型５８から剥離させると、電鋳品からなる図１９（ｃ）のような成形型５９が得られる。成形型５９の表面には、２本一組となった複数本の溝６０が形成されている。
【００７８】
こうして成形型５９が得られたら、合成樹脂等の絶縁性材料を用いて図２０（ａ）に示すような絶縁体ブロック６１を成形する。その際、絶縁体ブロック６１の表面には、溝６０の反転パターンとして突起７４が転写される。ついで、図２０（ｂ）に示すように、絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の支持部７３に分割する。ついで、図２０（ｃ）に示すように、支持部７３の突起７４の表面に導電体膜５４を成膜し、表面を導電体膜５４によって覆われた突起７４によって電極子２３を形成し、電極ブロック７２を得る。このとき、２本の近接した電極子２３間は絶縁化して絶縁領域７５とする。そのためには、支持部７３の上面の突起７４間の領域をフォトレジストで覆っておき、その上から支持部７３の上面に導電体膜５４を形成し、ついでリフトオフ法によりフォトレジストと共に導電膜５４を除去すればよい。なお、ここでは絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の支持部７３に分割した後、支持部７３に導電体膜５４を形成したが、これとは順序を変えて、絶縁体ブロック６１の表面に導電体膜５４を形成した後に、絶縁体ブロック６１をダイシングして個々の電極ブロック７２に分割するようにしてもよい。
【００７９】
こうして２本の電極子２３を有する電極ブロック７２を図１７に示すように上下に対向させることにより、四重極電極ユニット７１が作製される。
【００８０】
このような製造方法では、母型に基づいて一旦電鋳法で成形型を作製した後、この電鋳品である成形型を用いて樹脂成形等で電極ブロック２５及び突起５３を複製し、突起５３の表面に電極子２３を形成しているので、電鋳品は予め１回作製しておくだけで済み、電極ブロック２２の生産効率を向上させることができる。さらに、電鋳法が電気化学的に型に金属を析出させ一定の厚さにまで成長させるのに対し、上記方法では、支持部２５の表面を電圧印加可能な程度に導電化処理するだけでよく、電極子２３を製造するのに要する電力は遙かに少なくて済み、製造コストを抑制することができる。さらに、１つの電極ブロック２２に２本の電極子２３を形成しているので、部品点数を減らすことができ、コスト抑制に効果がある。しかも、２本の電極子２３は予め所定距離に保たれているので、四重極電極ユニット７１の組立作業も容易になる。
【００８１】
図２１（ａ）（ｂ）は、実施例４に用いられている電極ブロック７２の変形例を示す斜視図及び正面である。この変形例では、突起７４の表面にのみ電極子２３を設けている。
【実施例５】
【００８２】
図２２（ａ）（ｂ）は、実施例５による電極ブロック７２の斜視図及び平面図である。実施例５の電極ブロック７２は、実施例４の変形例による電極ブロック７２と同様な構造を有している。異なるのは、実施例５では、電極子２３の断面積がイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に小さくなっており、電極子２３で囲まれたイオン通過域２４の面積もイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に小さくなっている点である。
【００８３】
ここでも、実施例３の場合と同様、電極子２３の断面積とイオン通過域２４の断面積とが、任意の断面において一定の比率を保っていることが望ましい条件となる。よって、図２３（ａ）（ｂ）のように２つの電極ブロック７２を対向させたとき、イオン入射側における電極子２３の半円状をした端面の半径をＲ１、イオン出射側における電極子２３の半円状をした端面の半径をＲ２（＜Ｒ１）、イオン入射側の端面におけるイオン通過域２４の半径をｒ１、イオン出射側の端面におけるイオン通過域２４の半径をｒ２とすると、この条件は次のようになる。
ｒ１／Ｒ１＝ｒ２／Ｒ２
【００８４】
上記の関係はイオン入射側の端面とイオン出射側の端面との中間においても成り立っている。すなわち、イオン入射側とイオン出射側との中間においても、電極子２３の断面は、半円状となっている。ただし、イオン通過域の大きさを調整するために、半円状の電極子２３は矩形状をした台の上に配置されている。そして、半円形状をした電極子２３の半径をＲとし、その断面におけるイオン通過域２４の半径がｒであるとすれば、断面の位置にかかわらず、
ｒ／Ｒ＝一定
となっている。
【００８５】
実施例５によれば、電極子２３によってイオン通過域２４内の中心に形成される分析電界の強度がイオン入射側からイオン出射側に向かって強くなるので、イオン入射側では幅の広いイオン通過域２４を介して多数のイオンを取り込み、イオン出射口においてイオンを空間的に集中させることが可能となる。
【実施例６】
【００８６】
図２４は本発明の実施例６によるアレイ化した四重極電極ユニット（以下、四重極電極アレイという。）８１を示す正面図である。この四重極電極アレイ８１は、２つの電極ブロック８２を上下に対向させて複数のイオン通過域２４を形成したものである。各電極ブロック８２は、絶縁材料からなる支持部８３の表面に断面が円弧形状又は双曲形状をした突起８４を複数個（４個以上）一体に成形し、この表面に導電体膜を形成することによって電極子２３を形成したものである。そして、上下に電極ブロック８２を対向させた四重極電極アレイ８１においては、上下に対向する４個の電極子２３によってそれぞれ四重極電極が形成され、その間にそれぞれイオン通過域２４が形成されている。よって、このような四重極電極アレイ８１を用いれば、多量のイオンまたは複数種類のイオンを一度に選別することが可能になる。
【００８７】
図２５は上記四重極電極アレイ８１に対する電圧印加方法を説明する概略図である。この例では、隣接する電極子２３どうしを導電体膜５４によってつないで導通させている。そして、図２５に示すような配線経路で各四重極電極に電圧を印加している。このような電圧印加方法によれば、電源２６は１つで済むことになる。
【００８８】
図２６は上記四重極電極アレイ８１に対する別な電圧印加方法を説明する概略図である。この例では、四重極電極を構成する各電極子２３のみを図２６のような配線経路でつなぎ、それぞれに電源２６を接続している。このような電圧印加方法によれば、各四重極電極毎に電圧印加条件を異ならせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】図１は、従来の四重極型質量分析装置の主要部の構成を示す概略斜視図である。
【図２】図２（ａ）（ｂ）は、同上の四重極型質量分析装置に用いられている四重極電極ユニットのサイズを示す正面図及び側面図である。
【図３】図３は、本発明の実施例１による四重極電極ユニットの構造を示す斜視図である。
【図４】図４は、同上の四重極電極ユニットを構成する電極ブロックを示す斜視図である。
【図５】図５は、四重極電極ユニットの作用説明図である。
【図６】図６は、本発明にかかる四重極電極ユニットを用いたガス精製装置を示す概略図である。
【図７】図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施例１の四重極電極ユニットの製造方法の一例を示す斜視図である。
【図８】図８は、実施例１の変形例を示す分解斜視図である。
【図９】図９は、実施例１の別な変形例を示す分解斜視図である。
【図１０】図１０は、実施例１のさらに別な変形例を示す分解斜視図である。
【図１１】図１１は本発明の実施例２による四重極電極ユニットを示す斜視図である。
【図１２】図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施例２の四重極電極ユニットを製造する方法を示す斜視図である。
【図１３】図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図１２（ａ）〜（ｃ）の後に続く工程を示す斜視図である。
【図１４】図１４（ａ）（ｂ）は、実施例２に用いられている電極ブロックの変形例を示す斜視図及び平面図である。
【図１５】図１５（ａ）（ｂ）は、実施例３による電極ブロックの斜視図及び平面図である。
【図１６】図１６（ａ）は、対向させた４つの上記電極ブロックのイオン入射側における端面形状を示す図、図１６（ｂ）は、対向させた４つの上記電極ブロックのイオン出射側における端面形状を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施例４による四重極電極ユニットを示す斜視図である。
【図１８】図１８は、実施例４の四重極電極ユニットを構成する電極ブロックを示す斜視図である。
【図１９】図１９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施例４の四重極電極ユニットを製造する方法を説明する斜視図である。
【図２０】図２０（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図１９（ａ）〜（ｃ）の後に続く工程を示す斜視図である。
【図２１】図２１（ａ）（ｂ）は、実施例４に用いられている電極ブロックの変形例を示す斜視図及び平面図である。
【図２２】図２２（ａ）（ｂ）は、実施例５による電極ブロックの斜視図及び平面図である。
【図２３】図２３（ａ）は、対向させた２つの上記電極ブロックのイオン入射側における端面形状を示す図、図２３（ｂ）は、対向させた２つの上記電極ブロックのイオン出射側における端面形状を示す図である。
【図２４】図２４は、本発明の実施例６による四重極電極アレイを示す正面図である。
【図２５】図２５は、上記四重極電極アレイに対する電圧印加方法を説明する概略図である。
【図２６】図２６は、上記四重極電極アレイに対する別な電圧印加方法を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００９０】
２１ 四重極電極ユニット
２２ 電極ブロック
２３ 電極子
２４ イオン通過域
２５ 支持部
２６ 電源
２７ 真空チャンバ
２８ イオン化部
２９ イオン化電極
３０ 排ガスチャンバ
３１ 精製ガス蓄積室
３２ ガス回収管
４１ 基板
４２ 樹脂層
４３ 溝
４４ 成形型
４５ 金属ブロック
５１ 四重極電極ユニット
５２ 支持部
５３ 突起
５４ 導電体膜
５５ 基板
５６ 樹脂層
５７ 凸条
５８ 母型
５９ 成形型
６０ 溝
６１ 絶縁体ブロック
６２ 絶縁領域
７１ 四重極電極ユニット
７２ 電極ブロック
７３ 支持部
７４ 突起
７５ 絶縁領域
８１ 四重極電極アレイ
８２ 電極ブロック
８３ 支持部
８４ 突起
９１ 四重極電極ユニット
９２ 電極フィルム
９３ 支持部
９４ 導電材料
９５ 貫通孔
９６ 窪み
９７ 仕切り
【特許請求の範囲】
【請求項１】
四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成するための四重極電極ユニットであって、
支持部に電極子を一体に形成した複数の電極構造物を組み合わせることにより、４つの該電極子を四重極配置させたことを特徴とする四重極電極ユニット。
【請求項２】
前記電極構造物は、前記支持部の表面に１つの前記電極子が形成されたものであり、４つの前記電極構造物を組み合わせることにより４つの前記電極子が互いにほぼ平行となるように四重極配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の四重極電極ユニット。
【請求項３】
前記電極構造物は、前記支持部の表面に２つの前記電極子が形成されたものであり、２つの前記電極構造物を組み合わせることにより４つの前記電極子が互いにほぼ平行となるように四重極配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の四重極電極ユニット。
【請求項４】
前記電極子間の間隔を所定距離に保つためのスペーサを、前記電極構造物間に介在させたことを特徴とする、請求項１に記載の四重極電極ユニット。
【請求項５】
前記電極子の断面積と前記電極子間に形成されたイオン通過域の断面積とが一定比率を保つようにしながらイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に電極子の断面積を小さくすることにより、前記イオン通過域の中心に形成される電界の強度がイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に強くなるように前記電極子が構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の四重極電極ユニット。
【請求項６】
請求項１に記載した四重極電極ユニットに用いられる電極構造物であって、
前記支持部に前記電極子が一体に形成されていることを特徴とする電極子構造物。
【請求項７】
前記支持部にロッド状をした前記電極子が一体に成形されていることを特徴とする、請求項６に記載の電極子構造物。
【請求項８】
前記支持部は導電性材料により形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の電極子構造物。
【請求項９】
前記支持部にロッド状をした突起が一体に成形され、該突起の表面に膜状をした前記電極子が形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の電極子構造物。
【請求項１０】
前記支持部及び前記突起は絶縁性材料により形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の電極子構造物。
【請求項１１】
前記電極子は、その長さ方向に垂直な断面において、表面が円弧状又は双曲線状となっていることを特徴とする、請求項６に記載の電極子構造物。
【請求項１２】
前記電極子の断面積が、その長さ方向にわたって一様であることを特徴とする、請求項６に記載の電極子構造物。
【請求項１３】
前記電極子の断面積が、一方端部から他方端部に向けて次第に小さくなっていることを特徴とする、請求項６に記載の電極子構造物。
【請求項１４】
四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、
長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした溝を有する成形型を作製する工程と、
電鋳法を用いて前記成形型により前記支持部を形成すると共に前記溝により前記電極子を支持部と一体に形成する工程と、
を備えた電極構造物の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の電極構造物の製造方法において、前記成形型をフォトリソグラフィー技術により作製することを特徴とする電極構造物の製造方法。
【請求項１６】
四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、
前記電極子と同じ形状の凸部を有する母型を作製する工程と、
前記母型を用いて電鋳法により、長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした溝を有する成形型を作製する工程と、
前記成形型により絶縁性材料からなる前記支持部を形成すると共に前記溝により前記支持部に突起を設ける工程と、
前記突起の表面を導電化処理して前記電極子を形成する工程と、
を備えた電極構造物の製造方法。
【請求項１７】
四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、
前記電極子と同じ形状の凸部が２つ近接して形成された母型を作製する工程と、
前記母型を用いて電鋳法により、長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした２つの溝を有する成形型を作製する工程と、
前記成形型により絶縁性材料からなる前記支持部を形成すると共に前記溝により前記支持部に２つの近接した突起を設ける工程と、
前記突起間を絶縁状態に保ったままで前記各突起の表面を導電化処理して前記電極子を形成する工程と、
を備えた電極構造物の製造方法。
【請求項１】
四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成するための四重極電極ユニットであって、
支持部に電極子を一体に形成した複数の電極構造物を組み合わせることにより、４つの該電極子を四重極配置させたことを特徴とする四重極電極ユニット。
【請求項２】
前記電極構造物は、前記支持部の表面に１つの前記電極子が形成されたものであり、４つの前記電極構造物を組み合わせることにより４つの前記電極子が互いにほぼ平行となるように四重極配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の四重極電極ユニット。
【請求項３】
前記電極構造物は、前記支持部の表面に２つの前記電極子が形成されたものであり、２つの前記電極構造物を組み合わせることにより４つの前記電極子が互いにほぼ平行となるように四重極配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の四重極電極ユニット。
【請求項４】
前記電極子間の間隔を所定距離に保つためのスペーサを、前記電極構造物間に介在させたことを特徴とする、請求項１に記載の四重極電極ユニット。
【請求項５】
前記電極子の断面積と前記電極子間に形成されたイオン通過域の断面積とが一定比率を保つようにしながらイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に電極子の断面積を小さくすることにより、前記イオン通過域の中心に形成される電界の強度がイオン入射側からイオン出射側に向けて次第に強くなるように前記電極子が構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の四重極電極ユニット。
【請求項６】
請求項１に記載した四重極電極ユニットに用いられる電極構造物であって、
前記支持部に前記電極子が一体に形成されていることを特徴とする電極子構造物。
【請求項７】
前記支持部にロッド状をした前記電極子が一体に成形されていることを特徴とする、請求項６に記載の電極子構造物。
【請求項８】
前記支持部は導電性材料により形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の電極子構造物。
【請求項９】
前記支持部にロッド状をした突起が一体に成形され、該突起の表面に膜状をした前記電極子が形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の電極子構造物。
【請求項１０】
前記支持部及び前記突起は絶縁性材料により形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の電極子構造物。
【請求項１１】
前記電極子は、その長さ方向に垂直な断面において、表面が円弧状又は双曲線状となっていることを特徴とする、請求項６に記載の電極子構造物。
【請求項１２】
前記電極子の断面積が、その長さ方向にわたって一様であることを特徴とする、請求項６に記載の電極子構造物。
【請求項１３】
前記電極子の断面積が、一方端部から他方端部に向けて次第に小さくなっていることを特徴とする、請求項６に記載の電極子構造物。
【請求項１４】
四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、
長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした溝を有する成形型を作製する工程と、
電鋳法を用いて前記成形型により前記支持部を形成すると共に前記溝により前記電極子を支持部と一体に形成する工程と、
を備えた電極構造物の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の電極構造物の製造方法において、前記成形型をフォトリソグラフィー技術により作製することを特徴とする電極構造物の製造方法。
【請求項１６】
四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、
前記電極子と同じ形状の凸部を有する母型を作製する工程と、
前記母型を用いて電鋳法により、長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした溝を有する成形型を作製する工程と、
前記成形型により絶縁性材料からなる前記支持部を形成すると共に前記溝により前記支持部に突起を設ける工程と、
前記突起の表面を導電化処理して前記電極子を形成する工程と、
を備えた電極構造物の製造方法。
【請求項１７】
四重極型質量分析装置において電界ポテンシャルを生成する電極子が支持部に一体に形成された電極構造物を製造するための方法であって、
前記電極子と同じ形状の凸部が２つ近接して形成された母型を作製する工程と、
前記母型を用いて電鋳法により、長さ方向に垂直な断面が円弧形状又は双曲形状をした２つの溝を有する成形型を作製する工程と、
前記成形型により絶縁性材料からなる前記支持部を形成すると共に前記溝により前記支持部に２つの近接した突起を設ける工程と、
前記突起間を絶縁状態に保ったままで前記各突起の表面を導電化処理して前記電極子を形成する工程と、
を備えた電極構造物の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２００６−３３２００３（Ｐ２００６−３３２００３Ａ）
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５７７０３（Ｐ２００５−１５７７０３）
【出願日】平成１７年５月３０日（２００５．５．３０）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月３０日（２００５．５．３０）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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