磁気によって生じた梁要素の変形に基づく角度位置の検出
静磁場に対する器具の角度位置を検出するためのセンサは、柔軟性の梁要素、電磁装置、及び測定装置を備えている。梁要素は、その一端部分で器具に連結されているとよく、梁要素が非屈曲状態にあるときにセンサ軸に沿って延びた状態になっている。電磁装置は、梁要素に連結されており、かつセンサ軸と整列したセンサ磁場を生成するように構成されている。測定装置は、梁要素に連通しており、かつ梁要素の屈曲の大きさに関する梁要素の特性を測定するように構成されている。センサは、器具を操作する前に器具を所望の角度に設定し、該器具が操作中に所望の角度からズレていないかどうかを判断するために、利用されるとよい。器具の例として、磁気共鳴実験法に利用されるようなプローブ回転モジュールが挙げられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本特許出願は、２００９年 ７月２４日に出願された米国特許出願第１２／５０９，３２０号の利得を主張するものである。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は、典型的には、器具の位置の検出に関する。さらに詳細には、本発明は、磁場の方位のような基準方向に対する器具の角度位置の検出に関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの場合、種々の器具の操作において、器具は基準データ（例えば、軸、表面、面、点等）に対する特定位置に設置又は保持されることが望ましいとされている。器具の操作の成功又は最適化は、器具を正確な位置に設置し、及び／又は該位置を操作中に維持する能力に依存している。器具の特性によっては、当該器具が、必要とされる位置に正確に設置されているにも関わらず、温度変動、振動、外部衝撃、構成部品の取外し、及び再設置のような影響によって、当該設置位置からズレることがある。
【０００４】
位置に依存する器具の一例は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析法に利用される試料ホルダ（又はロータ）、並びにそれに関連するプローブ回転モジュール及びプローブＲＦ回路である。当業者には明らかなように、典型的なＮＭＲ分析計は、通常、高周波（ＲＦ）を送信／受信する電子機器、ＮＭＲ試料プローブ、及び試料プローブを配置した強力な静磁場（Ｂ０磁場）の源、例えば、超電導磁石を備えている。ＮＭＲ試料プローブは、プローブ回転モジュールと、（液体試料又は固体試料を含む）試料ホルダと、ＲＦ電子機器及び試料の間の電磁結合部として機能する１つ又は複数のＲＦコイルとを備えている。ＲＦ電子機器は、試料にＲＦエネルギー（Ｂ１磁場）を放射し、ＲＦ入力に応じて試料から放出されたＲＦ信号を受信するように操作されるものである。応答信号は、試料に関する情報を抽出するのに利用されることになる。固体試料及びある種の不均質液体試料に対するスペクトルデータの分解能を大幅に改良するために、試料ホルダは、プローブ回転モジュール内に支持され、回転されてもよく、この場合、試料ホルダは、ロータとして機能し、プローブ回転モジュールは、試料ホルダを高速（例えば、１０６ＲＰＭ）で回転するように構成された対応するステータとして機能する。マジック角回転（ＭＡＳ）技法では、試料ホルダ又はロータは、分解能をさらに高めるために、外部から印加された静止Ｂ０磁場の方向に対して正確に５４．７°の「マジック角（magic angle）」で回転するように位置決めされている。
【０００５】
ＮＭＲ器具類は、一般的に、高レベルの精度及び安定性を必要としており、このことは、特に、試料ホルダが実験の全体にわたってマジック角に設置され、かつ保持されねばならない回転技法の場合に当てはまる。試料ホルダをマジック角に設定するために、プローブ回転モジュールは、ユーザが該プローブ回転モジュールを適切な位置に移動又は枢動することができる調節機構に接続されているとよい。プローブ回転モジュールの角度位置を正確かつ容易に設定し、その設定された位置が正しいことを検証するための適切な技術は、現在、存在していない。その結果、ＮＭＲ分析計のユーザは、多くの場合、試料ホルダが所望の角度で操作されていないことを知ることもなく、従って、得られたデータが角度ズレした操作によって損なわれていることを知ることもなく、実験を継続していることになる。さらに、プローブ回転モジュール（及び試料ホルダ）が正しい角度に設定されていたとしても、実験中に生じる種々の影響によって、試料ホルダは、この角度からズレることがある。具体的には、試料の温度が変化すると、本来的に温度に敏感な（すなわち、熱膨張係数を有する）器具類の構成部品又は構造体の寸法が変化することがある。これらの構成部品がどこに配置されているか又は該構成部品がいかに機能するかにもよるが、この寸法の変化は、プローブの角度位置に影響を及ぼすおそれがある。従って、このような構成部品又は構造体が熱伝達を受けると、プローブ回転モジュールに角度ズレが生じる可能性がある。この問題に対処する満足のいく解決策は、現在、存在していない。実験中にプローブ回転モジュールの適切な位置決めを検証するために、ユーザは、実験を中断し、実験用試料を含むプローブ回転モジュールを取り外し、角度を確認するように意図されている基準試料を含む試料ホルダを設置し、基準試料を含むプローブ回転モジュールを操作し、プローブ回転モジュールの位置に対して必要な調節を行い、角度検出用試料ホルダを取り外し、実験用試料ホルダを再設置し、次いで、実験を再開する必要がある。種々の所定温度での試料照射を必要とする実験の場合、これらのステップは、実験の全体にわたって数回行われる必要がある。さらに、プローブの物理的な切換えは、本質的に、プローブの角度の適切な設置に悪影響を与える可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、一般的には器具、特に、ＮＭＲ試料ホルダの回転に付随して設けられた器具の位置の検出を改良する必要性が知られている。
【課題が解決するための手段】
【０００７】
上述の問題の全て若しくは一部、及び／又は当業者によって見出されてきている他の問題に対処するために、本開示は、以下に述べる実施形態において例を挙げて説明するように、比例バルブに関する装置、デバイス、システム、及び／又は方法を提供するものである。
【０００８】
一実施形態によれば、静磁場に対する器具の角度位置を検出するためのセンサが提供されている。センサは、柔軟性の梁要素、電磁装置、及び測定装置を備えている。梁要素は、近位端部分、遠位端部分、及び近位端部分から遠位端部分に延在する長手部分を備えている。近位端部分は、器具に連結されるように構成されており、梁要素が非屈曲状態にあるときに長手部分はセンサ軸に沿って延びた状態になっている。電磁装置は、梁要素に連結されており、センサ軸に整列した（aligned）センサ磁場を生成するように構成されている。測定装置は、梁要素と連通しており、梁要素の屈曲の大きさに関連する梁要素の特性を測定するように構成されている。
【０００９】
他の実施形態によれば、プローブ回転器具は、プローブ回転モジュールと、静磁場に対するプローブ回転モジュールの角度位置を検出するためのセンサとを備えている。センサは、柔軟性の梁要素、電磁装置、及び測定装置を備えている。梁要素は、近位端部分と、遠位端部分と、近位端部分から遠位端部分に延在する長手部分とを備えている。近位端部分は、プローブ回転モジュールに連結されるように構成されており、梁要素が非屈曲状態にあるときに長手部分がセンサ軸に沿って延びた状態になっている。電磁装置は、梁要素に連結されており、センサ軸と整列したセンサ磁場を生成するように構成されている。測定装置は、梁要素と連通しており、梁要素の屈曲の大きさに関連する梁要素の特性を測定するように構成されている。
【００１０】
他の実施形態によれば、器具を配置した（浸した、immersed）静磁場に対する器具の角度位置を検出するための方法が提供されている。該方法は、センサのセンサ軸に整列したセンサ磁場を生成するステップであって、該センサが器具に取り付けられた柔軟性の梁要素を備えている、ステップを含んでいる。梁要素が非屈曲状態から屈曲した大きさが、測定されるようになっている。最初に生じたセンサ磁場が静磁場に整列している場合、梁要素は、センサ軸に沿って延びている非屈曲状態にある。一方で、最初に生じたセンサ磁場が静磁場に整列していない場合、センサ磁場は強制的に静磁場に整列し、その結果、梁要素が屈曲することになる。測定値は、器具の角度位置に関連付けられているとよい。
【００１１】
本発明は、以下の図面を参照することによって、さらによく理解されることだろう。図面の構成部品は、必ずしも縮尺通りではなく、むしろ、本発明の原理を説明する上で誇張されている。図面では、種々の図を通して、同様の参照番号は、対応する部品を示すものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本示唆によって設けられたセンサ用操作環境の実施形態としての器具アセンブリの立面図である。
【図２】図１に示されている器具アセンブリに用いられる試料ホルダの実施形態の斜視図である。
【図３】本示唆の一実施形態によるセンサの実施形態の斜視図である。
【図４】図３に示されているセンサの操作の実施形態を示す図である。
【図５】本示唆の他の実施形態によるセンサの実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書に開示されている主題は、一般的に、例えば、ＮＭＲ試料のような材料を回転させるのに利用される位置センサに関するシステム、装置、デバイス、器具、プロセス、及び方法に関する。以下、図１−図５を参照して、本発明に関する実施形態の実施形態について、さらに詳細に説明する。これらの実施形態は、ＮＭＲ分光法に関連してもたらされているが、本発明の広義の態様は、器具の位置を測定するためにセンサの使用を伴う他の技術に適用されてもよいことを理解されたい。
【００１４】
図１は、本示唆によって設けられたセンサ１１０用操作環境の実施形態としての器具アセンブリ１００の立面図である。一般的に、センサ１１０は、基準軸（又は、基準面、基準点等）１１８に対する位置が使用又は操作の前、最中、及び／又は後に測定、保持、及び／又は調節される必要がある任意の対象物又は器具１１４に取り付けられるとよい。基準軸１１８は、器具アセンブリ１０、他の器具、又は他の構造体に関連付けられているとよい。図示されている実施形態では、基準軸１１８は、器具１１４及びセンサ１１０が配置されることになる印加された静磁場（Ｂｏ磁場）の方向並びに大きさを表すベクトルである。器具１１４の位置は、例えば、器具１１４に関連付けられている軸１２２によって表されているとよい。従って、検出されることになる位置は、器具軸１２２と基準軸１１８との間の角度αとして表されることになる。操作時に、センサ１１０は、センサ磁場１２６と呼ばれる磁場μを生成するように作動されるとよい。以下にさらに詳細に説明するように、静止Ｂｏ磁場１１８に対する器具１１４の位置は、Ｂｏ磁場１１８とセンサ磁場１２６との間の相互作用に影響を与える。この相互作用に対するセンサ１１０の応答を利用して、器具１１４の位置を定量化することができる。
【００１５】
図１に示されている特定の実施形態では、器具アセンブリ１００は、ＮＭＲ分析計であり、その一部のみが図示されている。器具１１４は、固体ＮＭＲ分析法、特に、マジック角回転（ＭＡＳ）を伴う種類のＮＭＲ実験法に利用される形式のプローブ回転モジュールである。一般的に、ＮＭＲ分析法及び利用される関連する器具類並びに実施される実験法は、当業者に知られているものである。従って、ＮＭＲに関するこの実施形態では、開示される本発明の主題に関するもの以外は、詳細に記載しないことにする。
【００１６】
プローブ回転モジュール１１４は、ＮＭＲ試料ホルダ２０２が挿入される孔１３０を備えている。一例を挙げれば、試料ホルダ２０２は、図２に示されている形式のものであるとよい。図示されている試料ホルダ２０２は、一般的に、ＮＭＲプローブのＲＦコイルによって照射されることになるＮＭＲ試料を含む本体２０６と、タービン構造２１０とを備えている。プローブ回転モジュール１１４は、１つ以上のガス噴流をタービン構造２１０に加え、これによって、試料ホルダ２０２が、適切な構造的軸受又は気体軸受によって支持されながら、孔１３０内において特定の角速度で回転するように構成されているとよい。孔１３０、従って、試料ホルダ２０２は、器具軸１２２に沿って延びている。固体ＮＭＲの場合、Ｂｏ磁場１１８に対する試料ホルダ２０２の最適な角度位置は、「マジック角」として知られている５４．７°である。従って、いくつかの実施形態では、センサ１１０は、器具軸１２２とＢｏ磁場１１８との間の角度αが所望の値である５４．７°であるかどうかを判断するために利用されるとよい。
【００１７】
プローブ回転モジュール１１４は、手動又は自動化によってプローブ回転モジュール１１４の角度を調節するように構成された角度調節機構１４０をさらに備えているとよい。この実施形態では、プローブ回転モジュール１１４は、軸１４４（すなわち、心棒のような構造部材）を中心として枢動可能である。角度調節機構１４０は、リンク機構１４８を備えている。リンク機構１４８は、器具アセンブリ１００の構造部分１５２を貫通し、プローブ回転モジュール１１４の端に配置された連結具１５６に取り付けられている。リンク機構１４８が、例えば、ネジ付き部材１５６を対応する方向に回転させることによって、上下に作動されると、プローブ回転モジュール１１４が、一方向又は他の方向に枢動し、角度αを増減することになる。
【００１８】
図３は、本示唆の一実施形態によるセンサ３１０の実施形態の斜視図である。センサ３１０は、概して、柔軟性の又は変形可能な梁要素（又は、ロッド、バー、板、シート等）３１４と、上述のセンサ磁場１２６（図１）を生成するために梁要素３１４に連結された手段又は装置３２０と、梁要素３１４の屈曲の大きさ又は程度に関する梁要素３１４の特性を測定するために梁要素３１４に操作可能に連通している手段又は装置３２２とを備えている。
【００１９】
梁要素３１４は、一般的に、近位端部分３２８、遠位端部分３３０、及び近位端部分３２８から遠位端部分３３０に延在する長手部分３３４を備えている。遠位端部分３３０は、任意の適切な手段によって、プローブ回転モジュール又は他の器具１１４（図１）に固定して取り付けられるとよい。従って、梁要素３１４が屈曲すると、該梁要素３１４は、片持ち梁として、プローブ回転モジュール１１４に係留することになる。梁要素３１４とプローブ回転モジュール１１４との連結関係は、センサ３１０が点検、取換え等のために取り外し可能であるように構成されているとよい。梁要素３１４が図３に示されている非屈曲状態にあるとき、梁要素３１４の全長３３４はセンサ軸３３８に沿って延びた状態になっている。この実施形態では、長手部分３３４は梁要素３１４の支配的な寸法をなしているので、梁要素３１４がセンサ軸３３８に沿って配向されたとき、センサ軸３３８が、梁要素３１４の長軸に略対応する。梁要素３１４が、センサ磁場１２６と印加されているＢｏ磁場１１８との相互作用によって与えられる力に比例して、屈曲可能又は変形可能であるように、梁要素３１４を構成する材料並びに梁要素３１４の長手部分３３４及び厚みは選択されているとよい。さらに、梁要素３１４は、屈曲状態と非屈曲状態との間を繰り返し移行することができるように、十分な柔軟性を有しているべきである。
【００２０】
センサ磁場生成装置３２０は、該センサ磁場生成装置３２０が正確な方位で梁要素３１４に取り付けられたとき、センサ軸３３８に沿ってセンサ磁場１２６を生成するのに適するどのような装置であってもよい。例えば、センサ磁場生成装置３２０は、ソレノイド又は電流ループのような電磁装置であるとよい。図３に具体的に示されている実施形態では、センサ磁場生成装置３２０は、スプール３４６の周囲に螺旋巻き、すなわち、コイル巻きされた所定長さの導電体（例えば、ワイヤ）３４２を備えている。スプール３４６は、任意の適切な手段によって、例えば、梁要素３１４をスプール３４６の溝又は孔内に固定させることによって、梁要素３１４の遠位端部分３３０に連結されているとよい。導電体３４２のリード線３５２，３５６は、任意の適切なＡＣ又はＤＣ電源（図示せず）と信号連通するように配置されているとよい。センサ磁場生成装置３２０が作動されると、導電体３４２の巻装部分内に流れる電流によって、図１に示されている方向においてセンサ軸３３８に沿ってセンサ磁場１２６が生成されることになる。
【００２１】
測定装置３２２は、梁要素３１４の屈曲の大きさ又は程度に関する梁要素３１４の特性を測定するのに適するどのような装置であってもよい。この実施形態では、測定装置３２２は、梁要素３１４の平面に取り付けられた歪ゲージである。歪ゲージは、基板３６６上に形成された抵抗回路網３６２と、抵抗回路網３６２を任意の適切な測定信号調節回路（例えば、増幅ブリッジ回路、図示せず）に相互接続するための電気リード線３７２，３７６と、を備えているとよい。典型的な歪ゲージの操作及び設計は、当業者に知られているので、ここでは詳細に説明しないことにする。一般的に、梁要素３１４の屈曲又は湾曲によって、梁要素３１４内に歪みが生じる。この歪みの大きさは、梁要素３１４が湾曲した程度に比例する。歪みεの値の簡易表示は、以下の通り、すなわち、ε＝ｓｉｎ（θ）ｔ／Ｌであり、θは、梁要素３１４が湾曲した角度であり、ｔは、梁要素３１４の厚みであり、Ｌは、梁要素の長手部分３３４である。抵抗回路網３６２の抵抗は、歪みの大きさに比例して変化する。従って、リード線３７２，３７６の測定信号を利用して、歪みの大きさを梁要素屈曲の大きさに関連付けることができる。この実施形態では、１つの歪ゲージが用いられているが、２つ以上の歪ゲージが梁要素３１４に取り付けられ、それらのそれぞれの機能が適切に組み合わされてもよいことに留意されたい。
【００２２】
図１を再び参照すると、プローブ回転モジュール１１４（又は任意の他の器具）がその操作中に特定の位置、例えば、マジック角に保持されることが望ましい実施形態において、センサ１１０は、特に有用である。センサ１１０は、プローブ回転モジュール１１４がＢ０磁場１１８（又は他の基準軸）に対して所望の角度αに位置決めされたとき、センサ１１０によって生じた検出磁場１２６がＢ０磁場１１８に整列するように、すなわち、検出磁場１２６とＢ０磁場１１８との間の角度がゼロになるように、プローブ回転モジュール１１４に対して配向されるとよい。例えば、センサ１１０の梁要素は、梁要素及び生じているセンサ磁場１２６がＢ０磁場１１８と平行になるように、プローブ回転モジュール１１４に取り付けられるとよい。図１に示されている実施形態では、器具軸１２２とＢ０磁場１１８との間の所望の角度αが５４．７°のマジック角であると共に、プローブ回転モジュール１１４の外面が器具軸１１４と平行である場合には、センサ１１０の梁要素は、梁要素と外面との間の角度が３５．３°であるように、プローブ回転モジュール１１４に取り付けられるとよい。操作の一実施形態として、プローブ回転モジュール１１４が５４．７°の所望の角度で適切に位置決めされており、次いで、センサ１１０がセンサ磁場１２６を生成するように作動されたと仮定する。この場合、生成されたセンサ磁場１２６は、Ｂ０磁場１１８に整列しており、その結果、どのような力もセンサ１１０の梁要素に生じない。センサ１１０からの電気応答は、プローブ回転モジュール１１４が所望の角度位置にあり、その結果、どのような調節も必要ではないことを示すことになる。
【００２３】
図４は、器具が角度ズレして配置されており、その結果、調節が必要になる場合の図３に示されている形式のセンサ３１０の操作を示している。具体的には、図４の左部分は、励起されていないセンサ３１０を示しており、図４の右部分は、励起され、その結果、梁要素屈曲をもたらしている同じセンサ３１０を示している。センサ３１０が係留されている器具は、簡単にするために、図４には示されていない。図４の左部分を参照すると、器具の位置は、Ｂ０磁場３１８に対する所望の角度にはない。センサ３１０がまだ励起されていないので、センサ３１０の梁要素３１４は、非屈曲状態にあり、完全にセンサ軸３３８に沿って延びている。センサ３１０が器具に連結されているので、センサ軸３３８とＢ０磁場３１８との間に角度が付いており、これは、器具がＢ０磁場３１８と所望の角度で整列していないことを示している。センサ３１０の設計及び操作原理に基づき、センサ軸３３８とＢ０磁場３１８との間の角度を器具が所望の角度からズレた角度に正確に比例又は対応させることができる
【００２４】
図４の右部分を参照すると、センサ３１０が励起されており、センサ軸３３８に沿って配向されたセンサ磁場３２６を生成している。センサ磁場３２６及びＢ０磁場３３８は最初、互いに整列していないので、磁気モーメントが存在し、力が梁要素３１４に与えられることになる。図４の右部分から分かるように、力が梁要素３１４を曲げ、歪みを与えることによって、センサ磁場３２６がＢ０磁場３１８に整列することになる。梁要素３１４に取り付けられた歪ゲージ３２２は、梁要素３１４のこの歪みの大きさを測定する。歪みの大きさは、センサ軸３３８（及び最初に加えられたときのセンサ磁場３２６）とＢ０磁場３１８との間の角度差に依存している。器具の位置は、歪ゲージ３２２が、ゼロを示すまで、すなわち、梁要素３１４が非屈曲状態に戻ったことを示すまで、さらに詳細には、磁気モーメントが所望の角度でＢ０磁場に整列していることを示すまで調節されるとよい。梁要素３１４を偏向させてＢ０磁場３１８に整列させるのに必要なモーメントＭｏの１つの表示は、以下の通り、すなわち、Ｍｏ＝ｓｉｎ（θ）２ＥＩ／Ｌであり、θは、梁要素が屈曲又は偏向した角度であり、Ｅは、梁要素３１４の弾性係数であり、Ｉは、梁要素３１４の慣性モーメントであり、Ｌは、梁要素３１４の長さである。
【００２５】
図５は、本示唆の他の実施形態によるセンサ５１０の実施形態の斜視図である。センサ５１０は、概して、柔軟性の又は変形可能な梁要素５１４と、センサ軸５３８に沿って上述のセンサ磁場を生成するために梁要素５１４に連結された手段又は装置５２０と、梁要素５１４の屈曲の大きさ又は程度に関する梁要素５１４の特性を測定するために梁要素５１４に操作可能に連通している手段又は装置５２２とを備えている。この実施形態では、梁要素５１４は、圧電材料から構成されている。一般的に、圧電材料は、加えられた機械的な応力に応じて電気ポテンシャルを生成することができるどのような材料であってもよい。非制限的な例として、種々の結晶及びセラミック（例えば、水晶、チタン酸ジルコン酸鉛、又はＰＺＴ等）、並びにある種のポリマー（例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ））が挙げられる。センサ磁場生成装置５２０は、上述したような電磁装置であればよい。従って、例えば、センサ磁場生成装置５２０は、センサ軸５３８を中心としてスプール５４６に巻装された導体５４２を備えているとよく、リード線５５２，５５６が適切な電源に接続されるように巻装部分から延在しているとよい。測定装置５２２は、梁要素５１４の厚さ方向の両側において梁要素５１４に適切に接続された２つの電気リード線５７２，５７６を備えており、これによって、梁要素５１４の屈曲に応じてリード線５７２，５７６に加えられた電圧が、梁要素５１４が屈曲した大きさ又は程度に関連付けられることになる。梁要素５１４の屈曲が電荷の非対称をもたらし、これによって、圧電効果を介して梁要素５１４を横切る電圧が生じるので、この実施形態では、梁要素５１４自体が測定装置５２２の一部を構成していると考えられる。図示されている実施形態では、梁要素５１４は、互いに隣接する２つの梁要素ユニット５８２，５８６を備えており、これらの各々が、それぞれのリード線５７２，５７６に接続されている。センサ磁場生成装置５２０によって生じたセンサ磁場がＢ０磁場に整列していないとき、梁要素ユニット５８２，５８６に加えられた力は、梁要素ユニット５８２又は５８６の１つを圧縮状態とし、他の梁要素ユニット５８６又は５８２を引張状態とし、これによって、正味の電荷が圧電材料に生じ、これらの電荷による出力電圧がリード線５７２，５７６にもたらされることになる。図５に示されているセンサ５１０は、これ以外は、図３及び図４に示されているセンサ３１０と同様に操作されるようになっている。
【００２６】
以下、図１を参照して、センサ１１０（具体的には、センサ３１０又は５１０）の操作の実施形態をＮＭＲ実験法と関連させて説明する。最初に、例えば、上述した角度調節機構１４０を利用することによって、プローブ回転モジュール１１４の角度を所望のマジック角である５４．７°に設定する。この最初の設定中、センサ１１０を利用して、マジック角が得られていることを検証するとよい。次いで、実験用試料を含む試料ホルダ２０２（図２）をプローブ回転モジュール１１４内に装填し、ＮＭＲ分析計を操作し、実験を開始することになる。実験中に一回以上、実験を中断させ、センサ１１０を操作し、試料ホルダ２０２がまだマジック角に位置していることを検証するとよい、すなわち、プローブ回転モジュール１１４がマジック角からズレているかどうかを確定するとよい。この角度ズレは、種々の理由、例えば、試料温度の変化（これは、可変温度（ＶＴ）ＮＭＲ実験法の場合には、意図的になされる）によって生じることがある。試料ホルダ２０２がもはやマジック角に位置していないと判断された場合には、マジック角が復旧するまで、プローブ回転モジュール１１４の位置を調節する。次いで、実験を再開することになる。
【００２７】
上述のプロセスにおいて、センサ１１０及び角度調節機構１４０を操作するそれぞれのステップは、互いに無関係に人手によって行われてもよい。すなわち、ＮＭＲ分析計のユーザは、実験の中断、センサ１１０及び角度調節機構１４０の操作、及び実験の再開に関与するようになっていてもよい。しかし、他の実施形態では、これらのステップは、完全に又は部分的に自動化されていてもよい。例えば、ＮＭＲ分析計の制御回路（図示せず）は、所定のＮＭＲ実験法用に設計されたプログラムに従って、これらのステップを実行してもよい。センサ１１０及び角度調節機構１４０のそれぞれの機能は、連係されているとよい。例えば、角度調節機構１４０は、所定の時刻に、プローブ回転モジュール１１４の角度位置に関してセンサ１１０によってもたらされるフィードバックに基づいて制御されるとよい。角度調節機構１４０は、センサ１１０から出力された測定信号がゼロになるまで（すなわち、センサ１１０の梁要素１１０がもはや屈曲していない状態になるまで）プローブ回転モジュール１１４の調節を行うモータ及び釣合錘（図示せず）を備えているとよい。
【００２８】
センサ１１０を用いていない場合、ユーザは、試料を室温に戻し、実験用試料を角度検出用試料と取り換え、試料を冷却し、角度を点検し、実験用試料を再設置し、次いで、実験を再開する必要があるだろう。実験用試料と角度検出用試料とを切り換えるには、ＮＭＲプローブをＢ０磁場から外に物理的に移動させる必要がある。ＮＭＲプローブは、Ｂ０磁場内の元の位置に再び配置されないことがあり、これによって、角度設定を劣化させることになる。さらに、センサ１１０を用いないこの角度調節プロセスは、試験される全ての実験温度に対して行う必要があるだろう。これは、プローブ回転モジュール１１４の種々の構成部品が、それらの熱膨張係数に起因して、種々の温度において、角度位置に異なって影響を及ぼすからである。
【００２９】
従って、センサ１１０が、試料の取換えを必要とすることなく、又はＮＭＲ実験法を過度に妨げることなく、プローブ回転モジュール１１４の測定及び調節を可能にすることが、明らかであろう。センサ１１０は、プローブ回転モジュール１１４のすでに存在している操作パラメータ又は操作状態、すなわち、静止Ｂ０磁場を直接利用することによって、測定値をもたらすようになっている。センサ１１０は、試料回転に適しているＮＭＲプローブを用いるどのような形式の技法に実施されてもよい。例として、制限されるものではないが、マジック角回転（ＭＡＳ）法、二重配向回転（ＤＯＲ）法、スイッチ角回転（ＳＡＳ）法、可変（ＶＴ）用途、低温用途等、及びそれらの変形形態に関する技法が挙げられる。しかし、センサ１１０の用途は、ＮＭＲ実験法に利用されるプローブ回転モジュール１１４に制限されないことも分かるだろう。代わって、基準データに対する位置が重要となる種々の器具が、センサ１１０を用いることによって、利得を得ることになるだろう。さらに、２つの磁場の相互作用に基づいて操作する上述のセンサ１１０の特定の実施形態は、通常の状態では、静磁場の使用に関連しない、すなわち、静磁場の使用を必要としない器具に適用されてもよい。例えば、上述したようにセンサ磁場を生成するように構成されたセンサ１１０が、器具に適切に取り付けられたとする。この場合、該器具の角度位置を測定することが望ましいときに、センサ磁場を生成するために、センサ１１０が励起されるのみならず、静磁場がセンサ１１０及び該器具に対する適切な方位に沿って生成されることになる。
【００３０】
一般的に、本明細書では、「連通する（communicate）という用語（例えば、第１の構成部品が第２の構成部品に「連通する」又は「連通している」）という用語は、２つ以上の構成部品又は要素間の構造的、機能的、機械的、電気的、光学的、磁気的、イオン的、又は流体的な関係を示している。従って、１つの構成部品が第２の構成部品に連通しているという事実は、付加的な構成部品が第１及び第２の構成部品間に存在している可能性、並びに／又は付加的な構成部品が第１及び第２の構成部品と操作可能に関連若しくは係合している可能性を排除するものではない。
【００３１】
本発明の種々の態様又は詳細は、本発明の範囲から逸脱することなく変更されてもよいことをさらに理解されたい。さらに、上述の説明は、単なる例示にすぎず、制限することを目的とするものではない。すなわち、本発明は、特許請求の範囲によって定義されるものである。
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本特許出願は、２００９年 ７月２４日に出願された米国特許出願第１２／５０９，３２０号の利得を主張するものである。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は、典型的には、器具の位置の検出に関する。さらに詳細には、本発明は、磁場の方位のような基準方向に対する器具の角度位置の検出に関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの場合、種々の器具の操作において、器具は基準データ（例えば、軸、表面、面、点等）に対する特定位置に設置又は保持されることが望ましいとされている。器具の操作の成功又は最適化は、器具を正確な位置に設置し、及び／又は該位置を操作中に維持する能力に依存している。器具の特性によっては、当該器具が、必要とされる位置に正確に設置されているにも関わらず、温度変動、振動、外部衝撃、構成部品の取外し、及び再設置のような影響によって、当該設置位置からズレることがある。
【０００４】
位置に依存する器具の一例は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析法に利用される試料ホルダ（又はロータ）、並びにそれに関連するプローブ回転モジュール及びプローブＲＦ回路である。当業者には明らかなように、典型的なＮＭＲ分析計は、通常、高周波（ＲＦ）を送信／受信する電子機器、ＮＭＲ試料プローブ、及び試料プローブを配置した強力な静磁場（Ｂ０磁場）の源、例えば、超電導磁石を備えている。ＮＭＲ試料プローブは、プローブ回転モジュールと、（液体試料又は固体試料を含む）試料ホルダと、ＲＦ電子機器及び試料の間の電磁結合部として機能する１つ又は複数のＲＦコイルとを備えている。ＲＦ電子機器は、試料にＲＦエネルギー（Ｂ１磁場）を放射し、ＲＦ入力に応じて試料から放出されたＲＦ信号を受信するように操作されるものである。応答信号は、試料に関する情報を抽出するのに利用されることになる。固体試料及びある種の不均質液体試料に対するスペクトルデータの分解能を大幅に改良するために、試料ホルダは、プローブ回転モジュール内に支持され、回転されてもよく、この場合、試料ホルダは、ロータとして機能し、プローブ回転モジュールは、試料ホルダを高速（例えば、１０６ＲＰＭ）で回転するように構成された対応するステータとして機能する。マジック角回転（ＭＡＳ）技法では、試料ホルダ又はロータは、分解能をさらに高めるために、外部から印加された静止Ｂ０磁場の方向に対して正確に５４．７°の「マジック角（magic angle）」で回転するように位置決めされている。
【０００５】
ＮＭＲ器具類は、一般的に、高レベルの精度及び安定性を必要としており、このことは、特に、試料ホルダが実験の全体にわたってマジック角に設置され、かつ保持されねばならない回転技法の場合に当てはまる。試料ホルダをマジック角に設定するために、プローブ回転モジュールは、ユーザが該プローブ回転モジュールを適切な位置に移動又は枢動することができる調節機構に接続されているとよい。プローブ回転モジュールの角度位置を正確かつ容易に設定し、その設定された位置が正しいことを検証するための適切な技術は、現在、存在していない。その結果、ＮＭＲ分析計のユーザは、多くの場合、試料ホルダが所望の角度で操作されていないことを知ることもなく、従って、得られたデータが角度ズレした操作によって損なわれていることを知ることもなく、実験を継続していることになる。さらに、プローブ回転モジュール（及び試料ホルダ）が正しい角度に設定されていたとしても、実験中に生じる種々の影響によって、試料ホルダは、この角度からズレることがある。具体的には、試料の温度が変化すると、本来的に温度に敏感な（すなわち、熱膨張係数を有する）器具類の構成部品又は構造体の寸法が変化することがある。これらの構成部品がどこに配置されているか又は該構成部品がいかに機能するかにもよるが、この寸法の変化は、プローブの角度位置に影響を及ぼすおそれがある。従って、このような構成部品又は構造体が熱伝達を受けると、プローブ回転モジュールに角度ズレが生じる可能性がある。この問題に対処する満足のいく解決策は、現在、存在していない。実験中にプローブ回転モジュールの適切な位置決めを検証するために、ユーザは、実験を中断し、実験用試料を含むプローブ回転モジュールを取り外し、角度を確認するように意図されている基準試料を含む試料ホルダを設置し、基準試料を含むプローブ回転モジュールを操作し、プローブ回転モジュールの位置に対して必要な調節を行い、角度検出用試料ホルダを取り外し、実験用試料ホルダを再設置し、次いで、実験を再開する必要がある。種々の所定温度での試料照射を必要とする実験の場合、これらのステップは、実験の全体にわたって数回行われる必要がある。さらに、プローブの物理的な切換えは、本質的に、プローブの角度の適切な設置に悪影響を与える可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、一般的には器具、特に、ＮＭＲ試料ホルダの回転に付随して設けられた器具の位置の検出を改良する必要性が知られている。
【課題が解決するための手段】
【０００７】
上述の問題の全て若しくは一部、及び／又は当業者によって見出されてきている他の問題に対処するために、本開示は、以下に述べる実施形態において例を挙げて説明するように、比例バルブに関する装置、デバイス、システム、及び／又は方法を提供するものである。
【０００８】
一実施形態によれば、静磁場に対する器具の角度位置を検出するためのセンサが提供されている。センサは、柔軟性の梁要素、電磁装置、及び測定装置を備えている。梁要素は、近位端部分、遠位端部分、及び近位端部分から遠位端部分に延在する長手部分を備えている。近位端部分は、器具に連結されるように構成されており、梁要素が非屈曲状態にあるときに長手部分はセンサ軸に沿って延びた状態になっている。電磁装置は、梁要素に連結されており、センサ軸に整列した（aligned）センサ磁場を生成するように構成されている。測定装置は、梁要素と連通しており、梁要素の屈曲の大きさに関連する梁要素の特性を測定するように構成されている。
【０００９】
他の実施形態によれば、プローブ回転器具は、プローブ回転モジュールと、静磁場に対するプローブ回転モジュールの角度位置を検出するためのセンサとを備えている。センサは、柔軟性の梁要素、電磁装置、及び測定装置を備えている。梁要素は、近位端部分と、遠位端部分と、近位端部分から遠位端部分に延在する長手部分とを備えている。近位端部分は、プローブ回転モジュールに連結されるように構成されており、梁要素が非屈曲状態にあるときに長手部分がセンサ軸に沿って延びた状態になっている。電磁装置は、梁要素に連結されており、センサ軸と整列したセンサ磁場を生成するように構成されている。測定装置は、梁要素と連通しており、梁要素の屈曲の大きさに関連する梁要素の特性を測定するように構成されている。
【００１０】
他の実施形態によれば、器具を配置した（浸した、immersed）静磁場に対する器具の角度位置を検出するための方法が提供されている。該方法は、センサのセンサ軸に整列したセンサ磁場を生成するステップであって、該センサが器具に取り付けられた柔軟性の梁要素を備えている、ステップを含んでいる。梁要素が非屈曲状態から屈曲した大きさが、測定されるようになっている。最初に生じたセンサ磁場が静磁場に整列している場合、梁要素は、センサ軸に沿って延びている非屈曲状態にある。一方で、最初に生じたセンサ磁場が静磁場に整列していない場合、センサ磁場は強制的に静磁場に整列し、その結果、梁要素が屈曲することになる。測定値は、器具の角度位置に関連付けられているとよい。
【００１１】
本発明は、以下の図面を参照することによって、さらによく理解されることだろう。図面の構成部品は、必ずしも縮尺通りではなく、むしろ、本発明の原理を説明する上で誇張されている。図面では、種々の図を通して、同様の参照番号は、対応する部品を示すものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本示唆によって設けられたセンサ用操作環境の実施形態としての器具アセンブリの立面図である。
【図２】図１に示されている器具アセンブリに用いられる試料ホルダの実施形態の斜視図である。
【図３】本示唆の一実施形態によるセンサの実施形態の斜視図である。
【図４】図３に示されているセンサの操作の実施形態を示す図である。
【図５】本示唆の他の実施形態によるセンサの実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書に開示されている主題は、一般的に、例えば、ＮＭＲ試料のような材料を回転させるのに利用される位置センサに関するシステム、装置、デバイス、器具、プロセス、及び方法に関する。以下、図１−図５を参照して、本発明に関する実施形態の実施形態について、さらに詳細に説明する。これらの実施形態は、ＮＭＲ分光法に関連してもたらされているが、本発明の広義の態様は、器具の位置を測定するためにセンサの使用を伴う他の技術に適用されてもよいことを理解されたい。
【００１４】
図１は、本示唆によって設けられたセンサ１１０用操作環境の実施形態としての器具アセンブリ１００の立面図である。一般的に、センサ１１０は、基準軸（又は、基準面、基準点等）１１８に対する位置が使用又は操作の前、最中、及び／又は後に測定、保持、及び／又は調節される必要がある任意の対象物又は器具１１４に取り付けられるとよい。基準軸１１８は、器具アセンブリ１０、他の器具、又は他の構造体に関連付けられているとよい。図示されている実施形態では、基準軸１１８は、器具１１４及びセンサ１１０が配置されることになる印加された静磁場（Ｂｏ磁場）の方向並びに大きさを表すベクトルである。器具１１４の位置は、例えば、器具１１４に関連付けられている軸１２２によって表されているとよい。従って、検出されることになる位置は、器具軸１２２と基準軸１１８との間の角度αとして表されることになる。操作時に、センサ１１０は、センサ磁場１２６と呼ばれる磁場μを生成するように作動されるとよい。以下にさらに詳細に説明するように、静止Ｂｏ磁場１１８に対する器具１１４の位置は、Ｂｏ磁場１１８とセンサ磁場１２６との間の相互作用に影響を与える。この相互作用に対するセンサ１１０の応答を利用して、器具１１４の位置を定量化することができる。
【００１５】
図１に示されている特定の実施形態では、器具アセンブリ１００は、ＮＭＲ分析計であり、その一部のみが図示されている。器具１１４は、固体ＮＭＲ分析法、特に、マジック角回転（ＭＡＳ）を伴う種類のＮＭＲ実験法に利用される形式のプローブ回転モジュールである。一般的に、ＮＭＲ分析法及び利用される関連する器具類並びに実施される実験法は、当業者に知られているものである。従って、ＮＭＲに関するこの実施形態では、開示される本発明の主題に関するもの以外は、詳細に記載しないことにする。
【００１６】
プローブ回転モジュール１１４は、ＮＭＲ試料ホルダ２０２が挿入される孔１３０を備えている。一例を挙げれば、試料ホルダ２０２は、図２に示されている形式のものであるとよい。図示されている試料ホルダ２０２は、一般的に、ＮＭＲプローブのＲＦコイルによって照射されることになるＮＭＲ試料を含む本体２０６と、タービン構造２１０とを備えている。プローブ回転モジュール１１４は、１つ以上のガス噴流をタービン構造２１０に加え、これによって、試料ホルダ２０２が、適切な構造的軸受又は気体軸受によって支持されながら、孔１３０内において特定の角速度で回転するように構成されているとよい。孔１３０、従って、試料ホルダ２０２は、器具軸１２２に沿って延びている。固体ＮＭＲの場合、Ｂｏ磁場１１８に対する試料ホルダ２０２の最適な角度位置は、「マジック角」として知られている５４．７°である。従って、いくつかの実施形態では、センサ１１０は、器具軸１２２とＢｏ磁場１１８との間の角度αが所望の値である５４．７°であるかどうかを判断するために利用されるとよい。
【００１７】
プローブ回転モジュール１１４は、手動又は自動化によってプローブ回転モジュール１１４の角度を調節するように構成された角度調節機構１４０をさらに備えているとよい。この実施形態では、プローブ回転モジュール１１４は、軸１４４（すなわち、心棒のような構造部材）を中心として枢動可能である。角度調節機構１４０は、リンク機構１４８を備えている。リンク機構１４８は、器具アセンブリ１００の構造部分１５２を貫通し、プローブ回転モジュール１１４の端に配置された連結具１５６に取り付けられている。リンク機構１４８が、例えば、ネジ付き部材１５６を対応する方向に回転させることによって、上下に作動されると、プローブ回転モジュール１１４が、一方向又は他の方向に枢動し、角度αを増減することになる。
【００１８】
図３は、本示唆の一実施形態によるセンサ３１０の実施形態の斜視図である。センサ３１０は、概して、柔軟性の又は変形可能な梁要素（又は、ロッド、バー、板、シート等）３１４と、上述のセンサ磁場１２６（図１）を生成するために梁要素３１４に連結された手段又は装置３２０と、梁要素３１４の屈曲の大きさ又は程度に関する梁要素３１４の特性を測定するために梁要素３１４に操作可能に連通している手段又は装置３２２とを備えている。
【００１９】
梁要素３１４は、一般的に、近位端部分３２８、遠位端部分３３０、及び近位端部分３２８から遠位端部分３３０に延在する長手部分３３４を備えている。遠位端部分３３０は、任意の適切な手段によって、プローブ回転モジュール又は他の器具１１４（図１）に固定して取り付けられるとよい。従って、梁要素３１４が屈曲すると、該梁要素３１４は、片持ち梁として、プローブ回転モジュール１１４に係留することになる。梁要素３１４とプローブ回転モジュール１１４との連結関係は、センサ３１０が点検、取換え等のために取り外し可能であるように構成されているとよい。梁要素３１４が図３に示されている非屈曲状態にあるとき、梁要素３１４の全長３３４はセンサ軸３３８に沿って延びた状態になっている。この実施形態では、長手部分３３４は梁要素３１４の支配的な寸法をなしているので、梁要素３１４がセンサ軸３３８に沿って配向されたとき、センサ軸３３８が、梁要素３１４の長軸に略対応する。梁要素３１４が、センサ磁場１２６と印加されているＢｏ磁場１１８との相互作用によって与えられる力に比例して、屈曲可能又は変形可能であるように、梁要素３１４を構成する材料並びに梁要素３１４の長手部分３３４及び厚みは選択されているとよい。さらに、梁要素３１４は、屈曲状態と非屈曲状態との間を繰り返し移行することができるように、十分な柔軟性を有しているべきである。
【００２０】
センサ磁場生成装置３２０は、該センサ磁場生成装置３２０が正確な方位で梁要素３１４に取り付けられたとき、センサ軸３３８に沿ってセンサ磁場１２６を生成するのに適するどのような装置であってもよい。例えば、センサ磁場生成装置３２０は、ソレノイド又は電流ループのような電磁装置であるとよい。図３に具体的に示されている実施形態では、センサ磁場生成装置３２０は、スプール３４６の周囲に螺旋巻き、すなわち、コイル巻きされた所定長さの導電体（例えば、ワイヤ）３４２を備えている。スプール３４６は、任意の適切な手段によって、例えば、梁要素３１４をスプール３４６の溝又は孔内に固定させることによって、梁要素３１４の遠位端部分３３０に連結されているとよい。導電体３４２のリード線３５２，３５６は、任意の適切なＡＣ又はＤＣ電源（図示せず）と信号連通するように配置されているとよい。センサ磁場生成装置３２０が作動されると、導電体３４２の巻装部分内に流れる電流によって、図１に示されている方向においてセンサ軸３３８に沿ってセンサ磁場１２６が生成されることになる。
【００２１】
測定装置３２２は、梁要素３１４の屈曲の大きさ又は程度に関する梁要素３１４の特性を測定するのに適するどのような装置であってもよい。この実施形態では、測定装置３２２は、梁要素３１４の平面に取り付けられた歪ゲージである。歪ゲージは、基板３６６上に形成された抵抗回路網３６２と、抵抗回路網３６２を任意の適切な測定信号調節回路（例えば、増幅ブリッジ回路、図示せず）に相互接続するための電気リード線３７２，３７６と、を備えているとよい。典型的な歪ゲージの操作及び設計は、当業者に知られているので、ここでは詳細に説明しないことにする。一般的に、梁要素３１４の屈曲又は湾曲によって、梁要素３１４内に歪みが生じる。この歪みの大きさは、梁要素３１４が湾曲した程度に比例する。歪みεの値の簡易表示は、以下の通り、すなわち、ε＝ｓｉｎ（θ）ｔ／Ｌであり、θは、梁要素３１４が湾曲した角度であり、ｔは、梁要素３１４の厚みであり、Ｌは、梁要素の長手部分３３４である。抵抗回路網３６２の抵抗は、歪みの大きさに比例して変化する。従って、リード線３７２，３７６の測定信号を利用して、歪みの大きさを梁要素屈曲の大きさに関連付けることができる。この実施形態では、１つの歪ゲージが用いられているが、２つ以上の歪ゲージが梁要素３１４に取り付けられ、それらのそれぞれの機能が適切に組み合わされてもよいことに留意されたい。
【００２２】
図１を再び参照すると、プローブ回転モジュール１１４（又は任意の他の器具）がその操作中に特定の位置、例えば、マジック角に保持されることが望ましい実施形態において、センサ１１０は、特に有用である。センサ１１０は、プローブ回転モジュール１１４がＢ０磁場１１８（又は他の基準軸）に対して所望の角度αに位置決めされたとき、センサ１１０によって生じた検出磁場１２６がＢ０磁場１１８に整列するように、すなわち、検出磁場１２６とＢ０磁場１１８との間の角度がゼロになるように、プローブ回転モジュール１１４に対して配向されるとよい。例えば、センサ１１０の梁要素は、梁要素及び生じているセンサ磁場１２６がＢ０磁場１１８と平行になるように、プローブ回転モジュール１１４に取り付けられるとよい。図１に示されている実施形態では、器具軸１２２とＢ０磁場１１８との間の所望の角度αが５４．７°のマジック角であると共に、プローブ回転モジュール１１４の外面が器具軸１１４と平行である場合には、センサ１１０の梁要素は、梁要素と外面との間の角度が３５．３°であるように、プローブ回転モジュール１１４に取り付けられるとよい。操作の一実施形態として、プローブ回転モジュール１１４が５４．７°の所望の角度で適切に位置決めされており、次いで、センサ１１０がセンサ磁場１２６を生成するように作動されたと仮定する。この場合、生成されたセンサ磁場１２６は、Ｂ０磁場１１８に整列しており、その結果、どのような力もセンサ１１０の梁要素に生じない。センサ１１０からの電気応答は、プローブ回転モジュール１１４が所望の角度位置にあり、その結果、どのような調節も必要ではないことを示すことになる。
【００２３】
図４は、器具が角度ズレして配置されており、その結果、調節が必要になる場合の図３に示されている形式のセンサ３１０の操作を示している。具体的には、図４の左部分は、励起されていないセンサ３１０を示しており、図４の右部分は、励起され、その結果、梁要素屈曲をもたらしている同じセンサ３１０を示している。センサ３１０が係留されている器具は、簡単にするために、図４には示されていない。図４の左部分を参照すると、器具の位置は、Ｂ０磁場３１８に対する所望の角度にはない。センサ３１０がまだ励起されていないので、センサ３１０の梁要素３１４は、非屈曲状態にあり、完全にセンサ軸３３８に沿って延びている。センサ３１０が器具に連結されているので、センサ軸３３８とＢ０磁場３１８との間に角度が付いており、これは、器具がＢ０磁場３１８と所望の角度で整列していないことを示している。センサ３１０の設計及び操作原理に基づき、センサ軸３３８とＢ０磁場３１８との間の角度を器具が所望の角度からズレた角度に正確に比例又は対応させることができる
【００２４】
図４の右部分を参照すると、センサ３１０が励起されており、センサ軸３３８に沿って配向されたセンサ磁場３２６を生成している。センサ磁場３２６及びＢ０磁場３３８は最初、互いに整列していないので、磁気モーメントが存在し、力が梁要素３１４に与えられることになる。図４の右部分から分かるように、力が梁要素３１４を曲げ、歪みを与えることによって、センサ磁場３２６がＢ０磁場３１８に整列することになる。梁要素３１４に取り付けられた歪ゲージ３２２は、梁要素３１４のこの歪みの大きさを測定する。歪みの大きさは、センサ軸３３８（及び最初に加えられたときのセンサ磁場３２６）とＢ０磁場３１８との間の角度差に依存している。器具の位置は、歪ゲージ３２２が、ゼロを示すまで、すなわち、梁要素３１４が非屈曲状態に戻ったことを示すまで、さらに詳細には、磁気モーメントが所望の角度でＢ０磁場に整列していることを示すまで調節されるとよい。梁要素３１４を偏向させてＢ０磁場３１８に整列させるのに必要なモーメントＭｏの１つの表示は、以下の通り、すなわち、Ｍｏ＝ｓｉｎ（θ）２ＥＩ／Ｌであり、θは、梁要素が屈曲又は偏向した角度であり、Ｅは、梁要素３１４の弾性係数であり、Ｉは、梁要素３１４の慣性モーメントであり、Ｌは、梁要素３１４の長さである。
【００２５】
図５は、本示唆の他の実施形態によるセンサ５１０の実施形態の斜視図である。センサ５１０は、概して、柔軟性の又は変形可能な梁要素５１４と、センサ軸５３８に沿って上述のセンサ磁場を生成するために梁要素５１４に連結された手段又は装置５２０と、梁要素５１４の屈曲の大きさ又は程度に関する梁要素５１４の特性を測定するために梁要素５１４に操作可能に連通している手段又は装置５２２とを備えている。この実施形態では、梁要素５１４は、圧電材料から構成されている。一般的に、圧電材料は、加えられた機械的な応力に応じて電気ポテンシャルを生成することができるどのような材料であってもよい。非制限的な例として、種々の結晶及びセラミック（例えば、水晶、チタン酸ジルコン酸鉛、又はＰＺＴ等）、並びにある種のポリマー（例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ））が挙げられる。センサ磁場生成装置５２０は、上述したような電磁装置であればよい。従って、例えば、センサ磁場生成装置５２０は、センサ軸５３８を中心としてスプール５４６に巻装された導体５４２を備えているとよく、リード線５５２，５５６が適切な電源に接続されるように巻装部分から延在しているとよい。測定装置５２２は、梁要素５１４の厚さ方向の両側において梁要素５１４に適切に接続された２つの電気リード線５７２，５７６を備えており、これによって、梁要素５１４の屈曲に応じてリード線５７２，５７６に加えられた電圧が、梁要素５１４が屈曲した大きさ又は程度に関連付けられることになる。梁要素５１４の屈曲が電荷の非対称をもたらし、これによって、圧電効果を介して梁要素５１４を横切る電圧が生じるので、この実施形態では、梁要素５１４自体が測定装置５２２の一部を構成していると考えられる。図示されている実施形態では、梁要素５１４は、互いに隣接する２つの梁要素ユニット５８２，５８６を備えており、これらの各々が、それぞれのリード線５７２，５７６に接続されている。センサ磁場生成装置５２０によって生じたセンサ磁場がＢ０磁場に整列していないとき、梁要素ユニット５８２，５８６に加えられた力は、梁要素ユニット５８２又は５８６の１つを圧縮状態とし、他の梁要素ユニット５８６又は５８２を引張状態とし、これによって、正味の電荷が圧電材料に生じ、これらの電荷による出力電圧がリード線５７２，５７６にもたらされることになる。図５に示されているセンサ５１０は、これ以外は、図３及び図４に示されているセンサ３１０と同様に操作されるようになっている。
【００２６】
以下、図１を参照して、センサ１１０（具体的には、センサ３１０又は５１０）の操作の実施形態をＮＭＲ実験法と関連させて説明する。最初に、例えば、上述した角度調節機構１４０を利用することによって、プローブ回転モジュール１１４の角度を所望のマジック角である５４．７°に設定する。この最初の設定中、センサ１１０を利用して、マジック角が得られていることを検証するとよい。次いで、実験用試料を含む試料ホルダ２０２（図２）をプローブ回転モジュール１１４内に装填し、ＮＭＲ分析計を操作し、実験を開始することになる。実験中に一回以上、実験を中断させ、センサ１１０を操作し、試料ホルダ２０２がまだマジック角に位置していることを検証するとよい、すなわち、プローブ回転モジュール１１４がマジック角からズレているかどうかを確定するとよい。この角度ズレは、種々の理由、例えば、試料温度の変化（これは、可変温度（ＶＴ）ＮＭＲ実験法の場合には、意図的になされる）によって生じることがある。試料ホルダ２０２がもはやマジック角に位置していないと判断された場合には、マジック角が復旧するまで、プローブ回転モジュール１１４の位置を調節する。次いで、実験を再開することになる。
【００２７】
上述のプロセスにおいて、センサ１１０及び角度調節機構１４０を操作するそれぞれのステップは、互いに無関係に人手によって行われてもよい。すなわち、ＮＭＲ分析計のユーザは、実験の中断、センサ１１０及び角度調節機構１４０の操作、及び実験の再開に関与するようになっていてもよい。しかし、他の実施形態では、これらのステップは、完全に又は部分的に自動化されていてもよい。例えば、ＮＭＲ分析計の制御回路（図示せず）は、所定のＮＭＲ実験法用に設計されたプログラムに従って、これらのステップを実行してもよい。センサ１１０及び角度調節機構１４０のそれぞれの機能は、連係されているとよい。例えば、角度調節機構１４０は、所定の時刻に、プローブ回転モジュール１１４の角度位置に関してセンサ１１０によってもたらされるフィードバックに基づいて制御されるとよい。角度調節機構１４０は、センサ１１０から出力された測定信号がゼロになるまで（すなわち、センサ１１０の梁要素１１０がもはや屈曲していない状態になるまで）プローブ回転モジュール１１４の調節を行うモータ及び釣合錘（図示せず）を備えているとよい。
【００２８】
センサ１１０を用いていない場合、ユーザは、試料を室温に戻し、実験用試料を角度検出用試料と取り換え、試料を冷却し、角度を点検し、実験用試料を再設置し、次いで、実験を再開する必要があるだろう。実験用試料と角度検出用試料とを切り換えるには、ＮＭＲプローブをＢ０磁場から外に物理的に移動させる必要がある。ＮＭＲプローブは、Ｂ０磁場内の元の位置に再び配置されないことがあり、これによって、角度設定を劣化させることになる。さらに、センサ１１０を用いないこの角度調節プロセスは、試験される全ての実験温度に対して行う必要があるだろう。これは、プローブ回転モジュール１１４の種々の構成部品が、それらの熱膨張係数に起因して、種々の温度において、角度位置に異なって影響を及ぼすからである。
【００２９】
従って、センサ１１０が、試料の取換えを必要とすることなく、又はＮＭＲ実験法を過度に妨げることなく、プローブ回転モジュール１１４の測定及び調節を可能にすることが、明らかであろう。センサ１１０は、プローブ回転モジュール１１４のすでに存在している操作パラメータ又は操作状態、すなわち、静止Ｂ０磁場を直接利用することによって、測定値をもたらすようになっている。センサ１１０は、試料回転に適しているＮＭＲプローブを用いるどのような形式の技法に実施されてもよい。例として、制限されるものではないが、マジック角回転（ＭＡＳ）法、二重配向回転（ＤＯＲ）法、スイッチ角回転（ＳＡＳ）法、可変（ＶＴ）用途、低温用途等、及びそれらの変形形態に関する技法が挙げられる。しかし、センサ１１０の用途は、ＮＭＲ実験法に利用されるプローブ回転モジュール１１４に制限されないことも分かるだろう。代わって、基準データに対する位置が重要となる種々の器具が、センサ１１０を用いることによって、利得を得ることになるだろう。さらに、２つの磁場の相互作用に基づいて操作する上述のセンサ１１０の特定の実施形態は、通常の状態では、静磁場の使用に関連しない、すなわち、静磁場の使用を必要としない器具に適用されてもよい。例えば、上述したようにセンサ磁場を生成するように構成されたセンサ１１０が、器具に適切に取り付けられたとする。この場合、該器具の角度位置を測定することが望ましいときに、センサ磁場を生成するために、センサ１１０が励起されるのみならず、静磁場がセンサ１１０及び該器具に対する適切な方位に沿って生成されることになる。
【００３０】
一般的に、本明細書では、「連通する（communicate）という用語（例えば、第１の構成部品が第２の構成部品に「連通する」又は「連通している」）という用語は、２つ以上の構成部品又は要素間の構造的、機能的、機械的、電気的、光学的、磁気的、イオン的、又は流体的な関係を示している。従って、１つの構成部品が第２の構成部品に連通しているという事実は、付加的な構成部品が第１及び第２の構成部品間に存在している可能性、並びに／又は付加的な構成部品が第１及び第２の構成部品と操作可能に関連若しくは係合している可能性を排除するものではない。
【００３１】
本発明の種々の態様又は詳細は、本発明の範囲から逸脱することなく変更されてもよいことをさらに理解されたい。さらに、上述の説明は、単なる例示にすぎず、制限することを目的とするものではない。すなわち、本発明は、特許請求の範囲によって定義されるものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静磁場に対する器具の角度位置を検出するためのセンサにおいて、
近位端部分、遠位端部分、及び前記近位端部分から前記遠位端部分に延在する長手部分を備えている柔軟性の梁要素であって、前記近位端部分が前記器具に連結されるように構成されており、柔軟性の梁要素が非屈曲状態にあるときに前記長手部分がセンサ軸に沿って延びた状態になっている、柔軟性の梁要素と、
前記梁要素に連結されており、かつ前記センサ軸と整列したセンサ磁場を生成するように構成された電磁装置と、
前記梁要素に連通しており、かつ前記梁要素の屈曲の大きさに関連した前記梁要素の特性を測定するように構成された測定装置と
を備えているセンサ。
【請求項２】
前記電磁装置は、前記センサ軸の周りに巻装された導電体から構成されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記測定装置は、前記梁要素に取り付けられた歪ゲージから構成されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記梁要素は、圧電材料から構成されており、
前記測定装置は、前記梁要素の厚さ方向の両側にそれぞれ接続された２つの電気リード線から構成されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
プローブ回転モジュールと、
静磁場に対する前記プローブ回転モジュールの角度位置を検出するためのセンサと
を備え、
前記センサが、前記プローブ回転モジュールに連結された近位端部分、遠位端部分、及び前記近位端部分から前記遠位端部分に延在する長手部分を備えている柔軟性の梁要素であって、前記梁要素が非屈曲状態にあるときに前記長手部分がセンサ軸に沿って延びた状態になっている、柔軟性の梁要素と、前記梁要素に連結されており、かつ前記センサ軸と整列したセンサ磁場を生成するように構成された電磁装置と、前記梁要素に連通しており、かつ前記梁要素の屈曲の大きさに関する前記梁要素の特性を測定するように構成された測定装置とを備えている、プローブ回転器具。
【請求項６】
前記電磁装置が、前記センサ軸の周りに巻装された導電体から構成されている、請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項７】
前記測定装置が、前記梁要素に取り付けられた歪ゲージから構成されている、請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項８】
前記梁要素が、圧電材料から構成されており、
前記測定装置が、前記梁要素の厚さ方向の両側にそれぞれ接続された２つの電気リード線から構成されている、請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項９】
前記プローブ回転モジュールの前記角度位置を調節するための機構をさらに備えている請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項１０】
前記測定装置から受信した測定信号を処理するための回路をさらに備えている請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項１１】
前記プローブ回転モジュール及び前記センサを前記静磁場内に配置するための装置をさらに備えている請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項１２】
器具を配置した静磁場に対する前記器具の角度位置を検出するための方法において、
センサのセンサ軸と整列したセンサ磁場を生成するステップであって、前記センサが前記器具に取り付けられた柔軟性の梁要素を備えている、ステップと、
前記梁要素が非屈曲状態から屈曲した程度を測定するステップであって、最初に生じた前記センサ磁場が前記静磁場に整列している場合、前記梁要素が、前記梁要素が前記センサ軸に沿って延びている非屈曲状態になっており、一方で、最初に生じた前記センサ磁場が前記静磁場と整列していない場合、前記センサ磁場が強制的に前記静磁場に整列されて、その結果、前記梁要素が屈曲することになる、ステップと、
前記測定値を前記器具の前記角度位置に関連付けるステップと
を含む方法。
【請求項１３】
前記センサ磁場を生成するステップは、前記梁要素に取り付けられた電磁装置を励起することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記梁要素が屈曲した程度を測定するステップは、前記梁要素の屈曲に応じて前記梁要素に生じた歪みを測定することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記梁要素が屈曲した程度を測定するステップは、前記梁要素に取り付けられた歪ゲージから信号を受信することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記梁要素が屈曲した程度を測定するステップは、前記梁要素の屈曲に応じて前記梁要素に生じた応力を測定することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記梁要素は、圧電材料から構成されており、
前記梁要素が屈曲した程度を測定するステップは、前記梁要素に接続された１対の電気リード線から信号を受信することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記梁要素が非屈曲状態にあることが測定にて示されるまで、前記器具の前記角度位置を調節することをさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
プローブ回転モジュールとなっている前記器具内に装填された試料プローブを回転させるように、前記プローブ回転モジュールを操作し、かつ前記静磁場を生成させることによって、磁気共鳴実験を開始することをさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
試料プローブを回転させるように前記プローブ回転モジュールを操作する前に、前記プローブ回転モジュールの前記角度位置を前記静磁場に対する所望の角度に設定し、前記梁要素が非屈曲状態にあることが測定にて示された場合、前記プローブ回転モジュールの前記角度位置を調節することをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項１】
静磁場に対する器具の角度位置を検出するためのセンサにおいて、
近位端部分、遠位端部分、及び前記近位端部分から前記遠位端部分に延在する長手部分を備えている柔軟性の梁要素であって、前記近位端部分が前記器具に連結されるように構成されており、柔軟性の梁要素が非屈曲状態にあるときに前記長手部分がセンサ軸に沿って延びた状態になっている、柔軟性の梁要素と、
前記梁要素に連結されており、かつ前記センサ軸と整列したセンサ磁場を生成するように構成された電磁装置と、
前記梁要素に連通しており、かつ前記梁要素の屈曲の大きさに関連した前記梁要素の特性を測定するように構成された測定装置と
を備えているセンサ。
【請求項２】
前記電磁装置は、前記センサ軸の周りに巻装された導電体から構成されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記測定装置は、前記梁要素に取り付けられた歪ゲージから構成されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記梁要素は、圧電材料から構成されており、
前記測定装置は、前記梁要素の厚さ方向の両側にそれぞれ接続された２つの電気リード線から構成されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
プローブ回転モジュールと、
静磁場に対する前記プローブ回転モジュールの角度位置を検出するためのセンサと
を備え、
前記センサが、前記プローブ回転モジュールに連結された近位端部分、遠位端部分、及び前記近位端部分から前記遠位端部分に延在する長手部分を備えている柔軟性の梁要素であって、前記梁要素が非屈曲状態にあるときに前記長手部分がセンサ軸に沿って延びた状態になっている、柔軟性の梁要素と、前記梁要素に連結されており、かつ前記センサ軸と整列したセンサ磁場を生成するように構成された電磁装置と、前記梁要素に連通しており、かつ前記梁要素の屈曲の大きさに関する前記梁要素の特性を測定するように構成された測定装置とを備えている、プローブ回転器具。
【請求項６】
前記電磁装置が、前記センサ軸の周りに巻装された導電体から構成されている、請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項７】
前記測定装置が、前記梁要素に取り付けられた歪ゲージから構成されている、請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項８】
前記梁要素が、圧電材料から構成されており、
前記測定装置が、前記梁要素の厚さ方向の両側にそれぞれ接続された２つの電気リード線から構成されている、請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項９】
前記プローブ回転モジュールの前記角度位置を調節するための機構をさらに備えている請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項１０】
前記測定装置から受信した測定信号を処理するための回路をさらに備えている請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項１１】
前記プローブ回転モジュール及び前記センサを前記静磁場内に配置するための装置をさらに備えている請求項５に記載のプローブ回転器具。
【請求項１２】
器具を配置した静磁場に対する前記器具の角度位置を検出するための方法において、
センサのセンサ軸と整列したセンサ磁場を生成するステップであって、前記センサが前記器具に取り付けられた柔軟性の梁要素を備えている、ステップと、
前記梁要素が非屈曲状態から屈曲した程度を測定するステップであって、最初に生じた前記センサ磁場が前記静磁場に整列している場合、前記梁要素が、前記梁要素が前記センサ軸に沿って延びている非屈曲状態になっており、一方で、最初に生じた前記センサ磁場が前記静磁場と整列していない場合、前記センサ磁場が強制的に前記静磁場に整列されて、その結果、前記梁要素が屈曲することになる、ステップと、
前記測定値を前記器具の前記角度位置に関連付けるステップと
を含む方法。
【請求項１３】
前記センサ磁場を生成するステップは、前記梁要素に取り付けられた電磁装置を励起することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記梁要素が屈曲した程度を測定するステップは、前記梁要素の屈曲に応じて前記梁要素に生じた歪みを測定することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記梁要素が屈曲した程度を測定するステップは、前記梁要素に取り付けられた歪ゲージから信号を受信することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記梁要素が屈曲した程度を測定するステップは、前記梁要素の屈曲に応じて前記梁要素に生じた応力を測定することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記梁要素は、圧電材料から構成されており、
前記梁要素が屈曲した程度を測定するステップは、前記梁要素に接続された１対の電気リード線から信号を受信することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記梁要素が非屈曲状態にあることが測定にて示されるまで、前記器具の前記角度位置を調節することをさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
プローブ回転モジュールとなっている前記器具内に装填された試料プローブを回転させるように、前記プローブ回転モジュールを操作し、かつ前記静磁場を生成させることによって、磁気共鳴実験を開始することをさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
試料プローブを回転させるように前記プローブ回転モジュールを操作する前に、前記プローブ回転モジュールの前記角度位置を前記静磁場に対する所望の角度に設定し、前記梁要素が非屈曲状態にあることが測定にて示された場合、前記プローブ回転モジュールの前記角度位置を調節することをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１３−５００４７７（Ｐ２０１３−５００４７７Ａ）
【公表日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２１８５４（Ｐ２０１２−５２１８５４）
【出願日】平成２２年７月２３日（２０１０．７．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４３１３９
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１１７４５
【国際公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２３日（２０１０．７．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４３１３９
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１１７４５
【国際公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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