JP2000310563A - モノクロメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リニアモータにより分散素子を回転駆動する
ように構成されたモノクロメータにおいて、分散素子の
回転位置の認識精度を向上させる。 【解決手段】 回折格子１６を固定したアーム１５の先
端に備えられた翼体１８に、透過率が長さ方向の位置に
応じて正弦波状に変化するコードホイール１８１を設け
る。このコードホイール１８１と透過型光センサを有す
るセンサユニット１９とを組み合わせて成るエンコーダ
２０は、アーム１５の回転に応じて位相差を有する２列
の正弦波信号を出力する。この正弦波信号のパルス数及
び位相情報に基づいて、アーム１５の回転位置が高い精
度で認識される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分光光度計や色彩
計等の分析機器に用いられるモノクロメータに関する。

【０００２】

【従来の技術】分析機器に用いられるモノクロメータと
して、入射光を波長方向に分散させる回折格子等の分散
素子と、格子面上で入射光に直交する軸を中心として分
散素子を回動させる格子回動機構と、分散素子から出る
分散光から単色光を取り出すスリットと、スリットによ
り取り出された単色光を検出してその強度に応じた信号
を出力する光検出器とを備えるものが広く利用されてい
る。このようなモノクロメータを用いて構成された分光
光度計では、波長走査分析とタイムコース分析という２
種類の方法で分析を行うことが可能である。波長走査分
析では、分散素子を所定の角度範囲に渡って回動させつ
つ光検出器の出力信号を採取し、所定の波長範囲（波長
走査範囲）における光のスペクトル情報を得る。上記の
ような波長走査は必要に応じて複数回繰り返される場合
もある。一方、タイムコース分析では、目的波長に対応
する回転位置に分散素子をセットした状態で光検出器の
出力信号を採取し、目的波長における光の強度の時間変
化に関する情報を得る。

【０００３】格子駆動機構としては、例えば、サインバ
ー機構により直線運動を回転運動へ変換するように構成
されたもの、ステッピングモータ及び減速ギアを含む機
構を開ループ制御するように構成されたもの、あるい
は、ＤＣサーボモータを閉ループ制御するように構成さ
れたもの等が実用に供されている。分散素子の回動範囲
については、例えば分散素子として回折格子を用いる場
合、これを２０〜３０度程度とするのが一般的である。

【０００４】上記３つの格子駆動機構のうち、サインバ
ー機構又はステッピングモータを備える機構では、波長
走査に時間がかかる（例えば１回の波長走査に数十秒か
かることもある）という問題がある。更に、これらの機
構では、分散素子の回転位置を認識していないので、例
えば、駆動機構の経時劣化等によって制御指示量とそれ
に対して実際に得られる回転角度との関係が変わってし
まうと、波長ずれ（実際に取り出された単色光の波長
の、目的波長からのずれ）が発生するという問題もあ
る。一方、ＤＣサーボモータ機構では、高速な波長走査
が可能であり、しかも分散素子の回転位置を認識してい
るため上記波長ずれが生じる恐れはない。しかし、一般
に入手し得るＤＣサーボモータ（又は同種のモータ）
は、連続的に回転させる（３６０度回転を続けさせる）
ことを想定して設計されている。このようなモータを用
いて小さい角度範囲（２０〜３０度）で分散素子を部分
回転させた場合、その範囲内で分散素子の回転速度を安
定させることは困難である。更に、小さい角度範囲内で
正転及び反転を交互に繰り返す場合、回転速度の再現性
は低いものとなる。

【０００５】上記課題を解決するため、本願出願人は、
特願平１０−１２４１６７号において、リニアモータと
位置検出手段（エンコーダ）を用いた格子駆動機構を備
えるモノクロメータを提案した。この格子駆動機構の採
用により、モノクロメータを用いた波長走査分析の効率
及び精度は飛躍的に高められた。しかも、この格子駆動
機構は、従来の各種機構に比べて安価に構成できるとい
う点でも有利である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記出願の
発明は、主として波長走査分析の効率及び精度の向上を
目的として成されたものであり、タイムコース分析につ
いては特に考慮されていなかった。このような事情に鑑
みて成された本発明は、リニアモータにより分散素子を
回動させるように構成されたモノクロメータにおいて、
更に分析の効率及び精度を向上させるべく改良すること
を目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明は、所定軸を中心として所定の角度範
囲内で回動可能な分散素子と、前記軸を中心として前記
分散素子を回動させるためのリニアモータとを備えるモ
ノクロメータにおいて、前記軸を中心とする前記分散素
子の回転位置に応じて強度の変化する波状信号であっ
て、その波形パターンが平坦部を含まないような波状信
号を出力するエンコーダと、前記エンコーダの出力信号
に基づいて前記分散素子の回転位置を認識し、その回転
位置に応じて前記リニアモータの動作を制御する制御手
段と、を備えることを特徴とするモノクロメータを提供
する。

【０００８】上記において、「波形パターンが平坦部を
含まないような波状信号」とは、分散素子の回転位置を
横軸にとり、信号強度（振幅等）を縦軸にとって波形図
を描いたとき、横軸上のいかなる区間に対して信号強度
が一定になることがないような波形パターンを有する信
号のことをいう。

【０００９】なお、前記軸を中心として回動可能な支持
部材に分散素子を固定し、該支持部材の回転位置を制御
手段が認識するように構成した場合、支持部材の回転位
置を認識することは分散素子の回転位置を認識すること
と技術的に等価とみなされる。従って、このような支持
部材を有するモノクロメータも、上記本発明に係るモノ
クロメータに含まれるものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態である
モノクロメータを示す平面図、図２は図１のII−II線に
おける同モノクロメータの垂直断面図である。このモノ
クロメータ１０は、凹部１１１を有する台座１１、凹部
１１１に収容されたベアリング１２及びリニアモータ１
３、及びベアリング１２により支持されたアーム１５を
備えている。ベアリング１２は、一対の突片１２３によ
り上部で台座１１に固定された筒状の本体１２１と、本
体１２１内に備えられた一対のボールベアリング１２２
とを有する予圧ベアリングであり、これにより軸体１４
が回動自在に保持されている。軸体１４はアーム１５の
略円形状の基部に固定された円柱状の部材である。この
ように軸体１４を介してベアリング１２により水平に支
持されたアーム１５は、軸体１４を中心として水平面内
で回動自在である。台座１１の上面には、アーム１５の
側縁に接触するような高さを有する一対のストッパ１１
２が立設されており、これによりアーム１５が回動可能
な角度範囲が規定されている。

【００１１】アーム１５の裏面にはリニアモータ１３の
可動部１３１が固定されている。可動部１３１は垂直断
面が略Ｌ字状の部品で、その水平部分はリニアモータ１
３の固定部１３２に設けられたスロット１３３に非接触
状態で挿入されている。固定部１３２は、その上部に設
けられた一対の鍔部１３４において台座１１に固定され
ている。リニアモータ１３に電圧を印加すると、可動部
１３１を水平方向に動かすように作用する電磁力が作用
する。この力は、可動部１３１を介してアーム１５に伝
達され、アーム１５を軸体１４を中心として回転駆動す
るトルクとして作用する。電圧の極性を逆にすると、ア
ーム１５の回転方向も逆になる。なお、スロット１３３
の長さ（図１で上下方向の長さ）は、可動部１３１がス
ロット１３３の端部内壁に衝突してアーム１５の回動を
妨げることがないように十分に長くしてある。

【００１２】アーム１５の基部の上面には、回折格子１
６の固定された格子支持台１７が載置されている。回折
格子１６は、格子面の中心が軸体１４の中心軸上に存在
し、前記中心における格子面の法線がアーム１５の長さ
方向と一致するように配置されている。従って、アーム
１５が上述のように回動すると、それとともに回折格子
１６の向きが水平面内で変わる。回折格子１６の向きが
変化できる角度範囲の大きさは、アーム１５が回動可能
な角度範囲の大きさに等しい。

【００１３】アーム１５の先端部には、その外縁（軸体
１４から遠い側の縁）が略円弧状に成形された翼体１８
がアーム１５とＴ字を成すように固定されている。な
お、翼体１８は、アーム１５と一体として成形してもよ
い。翼体１８には、軸体１４の中心軸上又はその近傍に
中心を有する略円弧状のコードホイール１８１が設けら
れている。この翼体１８の外縁は、台座１１上に載置さ
れたセンサユニット１９のスリット１９１に挿入されて
いる。

【００１４】翼体１８に設けられたコードホイール１８
１とセンサユニット１９は、アーム１５の回転位置に応
じて強度の変化する２列の波状信号を出力する２相エン
コーダとして機能する。以下、コードホイール１８１と
センサユニット１９を合わせてエンコーダ２０とよぶ。
一般に、２相エンコーダとしては、位相差を有する２列
の方形パルス信号を出力するものが最も多く用いられ
る。このような２相エンコーダは、例えば反射又は透過
を周期的に繰り返すパターンを有するコードホイールと
反射型又は透過型光センサとを利用して構成される。し
かし、本実施形態のエンコーダ２０は、アーム１５の回
転位置を認識する精度（分解能）を高くするため、波形
パターンが非方形である波状信号（平坦部を含まない波
形パターンを有する波状信号）を出力するように構成さ
れている。

【００１５】エンコーダ２０の具体的構成について図１
〜図３を参照しながら説明する。図３（Ａ）はコードホ
イール１８１の一部分を拡大した平面図である。なお、
簡単のため、該部分を円弧状ではなく直線状に描いてい
る。この例では、コードホイール１８１は、光の透過率
がその長さ方向の位置に応じて連続的且つ周期的に変化
する窓（以下、透光窓１８１とよぶ）として構成されて
いる。透光窓１８１の透過率は、図３（Ｂ）に示したよ
うに、長さ方向の位置に応じて正弦波状に変化するよう
に決定されている。一方、センサユニット１９には、透
光窓１８１を透過するような光を発生する発光素子と、
該発光素子を出て透光窓１８１を透過した光を受けて該
光の強度に応じた信号を出力する受光素子とを備える透
過型光センサ（図示せず）がスリット１９１内に備えら
れている。

【００１６】図４（Ａ）はエンコーダ２０の出力信号を
示すグラフであり、図４（Ｂ）は前記グラフの一部を拡
大した図である。図に示したように、エンコーダ２０
は、アーム１５の回転位置に応じて強度の変化する、９
０度の位相差を有する２列の正弦波信号Ａ及びＢを出力
する。この正弦波信号Ａ及びＢから、アーム１５の回転
位置及び回転方向に関する情報を得ることができる。例
えば、所定の基準位置からアーム１５を所定方向に回転
させるときにエンコーダ２０が出力する正弦波信号のパ
ルス数（極大値又は極小値の数）に基づいて、アーム１
５の回転位置を図４（Ａ）の符号Ｒで示した分解能で認
識することができる。また、アーム１５の回転中、正弦
波信号Ａ及びＢのいずれの信号の立上りが先に検出され
るかに基づいて、アーム１５の回転方向を認識すること
ができる。なお、前記パルス数に加えて正弦波の位相情
報（例えば、各パルスの極大点からの位相差）をも利用
すれば、より高い分解能でアーム１５の回転位置を認識
することができる。

【００１７】アーム１５の回転位置を認識するための基
準位置を定める方法としては様々なものが考えられる。
一例としては、回折格子１６の格子面が入射光に正対す
るように（すなわち、格子面の中心の法線方向が光の入
射方向と一致するように）したときに該回折格子１６か
ら出る光（レーリー光）の出射方向を基準位置とする方
法が挙げられる。なお、本実施形態のモノクロメータ１
０は、アーム１５が基準位置にあるときにアーム検出信
号を出力するアーム検出器２１を備えており、その出力
信号に基づいてアーム１５が基準位置にあるか否かを判
定するようにしている。

【００１８】なお、ある時点におけるアーム１５の回転
位置の認識精度をより高くするには、２列の正弦波信号
Ａ及びＢのうち、その時点における変化率がより大きい
信号を利用することが好ましい。例えば、アーム１５が
図４（Ｂ）にて点Ｐで示した回転位置に到達する時点を
検知することを考える。アーム１５が点Ｐ付近を通過す
るとき、正弦波信号Ａは極大点付近にあってその変化率
は小さいのに対し、正弦波信号Ｂの変化率は大きい。従
って、この場合は、正弦波信号Ｂに基づいて、より高い
精度でアーム１５の回転位置を認識できる。

【００１９】図５はモノクロメータ１０の制御系を示す
ブロック図である。アーム１５の回転に応じてエンコー
ダ２０が出力する２列の正弦波信号Ａ及びＢは、アンプ
（ＡＭＰ）３１１及び３１２により所定電圧の信号に変
換された後、更にＡ／Ｄ変換器３２１及び３２２により
デジタルデータに変換され、バス３３を通じて中央制御
装置（ＣＰＵ）３４へ送られる。また、アーム検出器２
１の出力信号も同様にアンプ３１３、Ａ／Ｄ変換器３２
３及びバス３３を経てＣＰＵ３４へ送られる。ＣＰＵ３
４は、各Ａ／Ｄ変換器から送られてくるデジタルデータ
を処理することにより、アーム１５の回転方向及び回転
位置を上述したように認識し、その認識結果に基づく所
定のデータ処理を実行し、リニアモータ１３の動作を制
御する制御量（電圧、極性）を示すデジタルデータを生
成する。このデータは、Ｄ／Ａ変換器３５によりアナロ
グ信号に変換され、更にアンプ３６により所定電圧の信
号に変換された上で、リニアモータ１３へ送られる。

【００２０】ＣＰＵ３４がリニアモータ１３の動作を制
御する方法は、モノクロメータ１０を応用する分析機器
の種類や、分析の種類に応じて様々である。ここでは、
モノクロメータ１０を分光光度計に応用する場合を考え
る。先に説明したように、分光光度計を用いた分析は波
長走査分析とタイムコース分析に大別される。使用者
は、いずれの方法で分析を行うかに関する指示を、入力
装置３９を通じてＣＰＵ３４へ送る。ＣＰＵ３４は指示
された分析の種類に応じて以下のような処理及び制御を
行う。なお、以下のような処理及び制御に必要とされる
プログラム及び各種データ（例えば、アーム１５の回転
位置とモノクロメータ１０により抽出される単色光の波
長との関係を示すデータ）はＲＯＭ４０又はＲＡＭ４１
に予め記録されているものとする。

【００２１】波長走査分析を行う場合、使用者は、入力
装置３９を通じて、走査すべき波長範囲を示すデータ
（最短波長、最長波長）をＣＰＵ３４へ送る。ＣＰＵ３
４は、アーム検出器２１及びエンコーダ２０の出力信号
に基づいてアーム１５の回転位置をモニタしつつ、その
回転位置が最短波長に対応する位置から最長波長に対応
する位置へ（又はその逆に）変化するように、且つ、そ
の回転速度が一定に維持されるように、リニアモータ１
３の制御量を示すデータをフィードバック制御の手法で
逐次設定する。なお、波長走査を複数回繰り返す場合、
ＣＰＵ３４は、アーム１５が最長波長（又は最短波長）
に到達したことを検知すると同時にリニアモータ１３へ
供給する電圧の極性を反転させる。

【００２２】タイムコース分析を行う場合、使用者は、
入力装置３９を通じて、測定すべき波長を示すデータを
ＣＰＵ３４へ送る。ＣＰＵ３４は、アーム検出器２１及
びエンコーダ２０の出力信号に基づいてアーム１５の回
転位置を求めつつ、アーム１５が前記波長に対応する回
転位置に向かって回転するような電磁力が発生するよう
に、リニアモータ１３の制御量を示すデータを設定す
る。アーム１５が目的の回転位置に到達したことが検知
された後、ＣＰＵ３４は、エンコーダ２０の出力信号強
度をモニタしつつ、その強度が一定に維持されるように
リニアモータ１３の制御量を示すデータを逐次修正す
る。このデータを受けてリニアモータ１３が発生する電
磁力により、アーム１５は目的の回転位置で保持され
る。なお、上述のようなリニアモータ１３のフィードバ
ック制御を、例えばＰＩＤ制御の手法で行うようにすれ
ば、高い精度でアーム１５の回転位置を維持することが
できるようになり、好ましい。

【００２３】なお、特にアーム１５の回転位置や回転速
度の制御に高い精度が必要とされない場合、エンコーダ
２０が出力する正弦波信号Ａ及びＢから得られる情報の
うちパルス数の情報だけを用いてアーム１５の回転位置
を認識するようにしてもよい。このことを考慮し、図５
の制御系には、エンコーダ２０の出力信号からパルス数
情報のみを抽出するための回路が備えられている。この
回路は、アンプ３１１及び３１２の出力信号が所定レベ
ルに達したときにそれぞれ信号を出力する比較器３７１
及び３７２を備えている。比較器３７１及び３７２の出
力端子はバス３３に接続された入力ポート３８の入力端
子に接続されている。従って、ＣＰＵ３４は入力ポート
３８からの信号に基づいて、正弦波信号Ａ及びＢのパル
スの到来を検出することができる。このように、パルス
数情報のみに基づいてアーム１５の回転位置を認識する
場合は、パルス数情報と位相情報の両方に基づく場合に
比べて、データ処理はより簡単なものとなる。なお、Ｃ
ＰＵ３４がＡ／Ｄ変換器３２１及び３２２からの信号及
び入力ポート３８からの信号のいずれに基づいてデータ
処理を実行するかついては、使用者が予め入力装置３９
を通じてＣＰＵ３４に指示を出しておくようにしてもよ
く、また、タイムコース分析においては前者の信号に、
また波長走査分析においては後者の信号に基づいてデー
タ処理を実行するように予め決めておいてもよい。

【００２４】以上、本発明の一実施形態であるモノクロ
メータについて詳細に説明したが、本発明の実施形態は
上記のものに限られないことは言うまでもない。例え
ば、上記形態では、エンコーダの出力信号の波形パター
ンを正弦波状としたが、波形パターンは平坦部を含まな
いものであればよく、例えば、三角波でもよい。また、
上記形態では透過率が正弦波状に変化する透光窓と透過
型光センサを用いてエンコーダを構成したが、反射率が
周期的且つ連続的に変化する反射板と反射型光センサと
の組合せによっても同様のエンコーダを構成できる。ま
た、光学式エンコーダではなく、例えば磁気式エンコー
ダや光干渉式エンコーダなどを用いても、本発明は実施
可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るモノクロメ
ータは、リニアモータで分散素子を回転駆動する構成を
採用したことにより、高速でも安定して分散素子を回動
させることができる。また、上述したようなエンコーダ
の採用により、分散素子を固定した支持部材の回転位置
を認識する精度が従来よりも飛躍的に向上している。こ
のような本発明に係るモノクロメータを、例えば分光光
度計に応用すれば、波長走査分析及びタイムコース分析
のいずれであっても、従来より効率よく、しかも高い精
度で分析を行うことができるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態であるモノクロメータを
示す平面図。

【図２】 図１のII−II線における上記モノクロメータ
の垂直断面図。

【図３】 （Ａ）はコードホイールの一部分を拡大した
平面図、（Ｂ）はコードホイールの長さ方向の位置と透
過率との関係を示すグラフ。

【図４】 （Ａ）はエンコーダの出力信号を示すグラ
フ、（Ｂ）は前記グラフの一部を拡大した図。

【図５】 上記モノクロメータの制御系を示すブロック
図。

【符号の説明】

１０…モノクロメータ １３…リニアモータ １３１…可動部 １３２…固定部 １３３…スロット １４…軸体 １５…アーム １６…回折格子 １７…格子支持台 １８…翼体 １８１…コードホイール（透光窓） １９…センサユニット ２０…エンコーダ ２１…アーム検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定軸を中心として所定の角度範囲内で
   回動可能な分散素子と、前記軸を中心として前記分散素
   子を回動させるためのリニアモータとを備えるモノクロ
   メータにおいて、 前記軸を中心とする前記分散素子の回転位置に応じて強
   度の変化する波状信号であって、その波形パターンが平
   坦部を含まないような波状信号を出力するエンコーダ
   と、 前記エンコーダの出力信号に基づいて前記分散素子の回
   転位置を認識し、その回転位置に応じて前記リニアモー
   タの動作を制御する制御手段と、を備えることを特徴と
   するモノクロメータ。