(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長の単色光を取り出すためのモノクロメータにおいて、
a)軸を中心に回転自在に設けられたアームと、
b)前記アームの軸上に取り付けられた回折格子と、
c)前記アームの軸から離れた位置に、前記アームの一部として形成される可動部を有し、前記アームを所定角度範囲内で回動するリニアモータと、
d)前記アームの回転軌跡上での位置を検出する位置検出手段と、
e)前記位置検出手段による検出信号に基づいて前記リニアモータを駆動する制御手段と、
を備えることを特徴とするモノクロメータ。
【請求項２】
前記位置検出手段が、前記リニアモータよりも軸から離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のモノクロメータ。
【請求項３】
前記位置検出手段が、前記アームの軸とは反対側の端部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のモノクロメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光光度計等に用いられるモノクロメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
モノクロメータは、分光光度計等において所定波長の単色光を得るために用いられる。一般的に、モノクロメータは、回折格子と、入射光に対して該回折格子の角度を変えるための駆動機構等から構成されており、該駆動機構により回折格子を回転させることにより波長走査が行えるようになっている。この波長走査範囲は分光光度計の種類や測定目的等に応じてほぼ任意に決めることができるが（例えば、可視紫外光分光分析では１９０〜１１００ｎｍ、近赤外分光分析では７００〜１５００ｎｍや１０００〜２５００ｎｍ）、いずれの場合でも回折格子の回動範囲は２０〜３０°程度に設定されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、回折格子の回転駆動機構としては、サインバー機構による直線運動から回転運動への変換によるもの、ステッピングモータと減速ギア機構とを組み合わせた開ループ制御によるもの、或いは、ＤＣサーボモータを用いた閉ループ制御によるもの、などが実用に供されている。
【０００４】
しかしながら、前の２つの方法では波長走査に時間を要し、１回の走査に数十秒かかることもある。また、回折格子の角度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が変わってしまうと、波長ずれ（所望波長と実際に取り出される単色光の波長との差異）が発生するという問題もある。
【０００５】
一方、ＤＣサーボモータを用いた方法では、高速な波長走査が可能であって、回折格子の角度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が、一般に入手し得るこの種のモータは連続回転における使用を前提としているため、１回転期間（３６０°）のうちのごく一部の回転角度（２０〜３０°）の範囲での回動（特に往復方向の回動）に適したものではない。そのため、該回転角度範囲内での走査速度の安定性に乏しく、例えば一定の時間間隔で波長サンプリングを行う場合、その波長間隔の正確性や再現性に乏しいという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、高速の波長走査が行えるとともに、走査速度の安定性が高いモノクロメータを提供することにある。
【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、所定波長の単色光を取り出すためのモノクロメータにおいて、a)軸を中心に回転自在に設けられたアームと、b)前記アームの軸上に取り付けられた回折格子と、c)前記アームの軸から離れた位置に、前記アームの一部として形成される可動部を有し、前記アームを所定角度範囲内で回動するリニアモータと、d)前記アームの回転軌跡上での位置を検出する位置検出手段と、e)前記位置検出手段による検出信号に基づいて前記リニアモータを駆動する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
前記リニアモータとしては、例えば、円弧上での往復運動を行う変形ボイスコイル型リニアモータを用いることができる。また、位置検出手段としては、例えば、ロータリエンコーダを用いることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係るモノクロメータでは、波長走査に際し、制御手段は位置検出手段により支持部材の角度位置を認識し、例えば、所定の角度回転する間の時間が或る所定値になるようにリニアモータへの駆動電圧又は駆動電流を制御する。リニアモータは所定の移動範囲において、駆動電圧又は駆動電流に対して極めて追従性が高く、しかも速度の均一性が高い。したがって、上述の制御により、支持部材及びその軸上又はその近傍に固定された回折格子は、回転角速度を一定に保って安定的に且つ速い速度で回転し、或る方向から該回折格子に入射する光に対して波長が連続的に変化する単色光が得られる。
【００１０】
更に、本発明に係るモノクロメータを利用した分光光度計では、上記回折格子から取り出した単色光を試料に透過又は反射させた光、或いは、試料に透過又は反射させた光を上記回折格子に入射して該回折格子から取り出した単色光を検出する光検出手段において検出信号を採取するタイミングを、上記位置検出手段の検出信号に基づいて決定する構成とすることがより好ましい。これによれば、回折格子が入射光に対して所定角度になったときに検出信号を採取することができるので、波長ずれの少ない信号を得ることができる。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係るモノクロメータでは、リニアモータを回折格子の回転駆動源とするとともに、絶対位置を検出する位置検出手段により得た実際の回折格子の位置情報をフィードバックして該リニアモータを制御しているので、高速に且つ安定的に回折格子が回転する。これにより、波長走査に要する時間を極めて短縮することができるとともに、例えば一定時間間隔で波長サンプリングを行う場合でも、正確な波長ステップで分光測定を行うことができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明に係るモノクロメータの一実施例を図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施例のモノクロメータの機構部の外観図であって（ａ）は上面平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ’線断面図、図２は本実施例のモノクロメータの全体構成図、図３はロータリエンコーダの出力信号を示す波形図である。
【００１３】
まず、図１により、このモノクロメータの機構部の構成を説明する。上面平面形状が略Ｔ字形のアーム１は、台座２に略垂直に立設された回転軸３に回転自在に取り付けられており、回転軸３の周囲に設けられた予圧ベアリング４で支持されることにより、スムーズにしかも安定に水平状態を維持したまま回転するようになっている。回転軸３から近い側のアーム１端部上面には回折格子支持台５が固定されており、該支持台５には回折格子６が着脱自在に取り付けられている。このとき、回折格子６はちょうど回転軸３上に位置しているので、アーム１が回転したとき回折格子６は入射光に対する方向を変える。
【００１４】
一方、回転軸３から遠い側のアーム１端部の両腕部１ａは、台座２側に固定された部材によって上下方向から所定の隙間をもって挟まれており、この両者でロータリエンコーダ７を構成している（以下、アーム１側を「エンコーダ回転部７１」、台座２側を「エンコーダ固定部７２」と称する）。また、その近傍には、ロータリエンコーダ７の回転原点を決めるための原点位置検出器８が台座２側に設けられている。ロータリエンコーダ７は光学式又は磁気式のいずれを用いてもよく、例えば光学式の場合には、エンコーダ回転部７１は、アーム１の両腕部１ａの外周縁端に所定角度間隔でスリットが形成されたものであって、一方エンコーダ固定部７２は、該回転部７１を挟んでそれぞれ上下に配設された発光ダイオードとホトトランジスタとを含んで構成することができる。
【００１５】
すなわち、このロータリエンコーダ７は、アーム１が回動可能な角度範囲において、原点位置検出器８の取付位置により決まる原点位置からの回転角度を検出する絶対位置捕捉型のロータリエンコーダである。また、当該モノクロメータに必要な波長分解能に対応する回折格子６の法線方向の角度差θよりも大きな角度分解能を有しており、これは例えば上記光学式においては、隣接スリットの間隔を上記角度差θより小さくすることにより具現化できる。
【００１６】
該ロータリエンコーダ７は、アーム１が回転するとき、図３に示すような位相の相違する２種類のパルス信号列Ａ、Ｂを出力する。図１において例えばアーム１を上方向に回転すると、図３に示す信号列Ａ、Ｂが左方向から右方向に進むように信号が出力される。したがって、このときには信号列Ａの立上りの直後に信号列Ｂの立上りが出現する。逆に、アーム１を下方向に回転すると、図３に示す信号列Ａ、Ｂが右方向から左方向に進むように信号が出力される。したがって、このときには信号列Ｂの立上りの直後に信号列Ａの立上りが出現する。すなわち、両信号列Ａ、Ｂの位相を調べることにより、回転方向の識別も可能である。
【００１７】
回転軸３と両腕部１ａとの間のアーム１下面には、Ｌ字形状に突出して変形ボイスコイル型リニアモータ９の可動部９１が固着されており、該可動部９１は台座２側に固定された固定部９２内側に挿入されている。該可動部９１は磁力により固定部９２内側で浮上して、後記波長走査に必要なだけ回折格子６の法線方向を変えることができるような角度範囲でもって回転往復運動を行い得るように設計されている。このようなリニアモータ９は、駆動電圧（又は駆動電流）に対する動作の応答性が極めてよく、しかもその移動が円滑に行われる。
【００１８】
次に、図２により、本実施例のモノクロメータの波長走査時の制御動作を説明する。上記ロータリエンコーダ７からの２系統の信号列と原点位置検出器８からの信号とは、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたマイクロコンピュータ（以下「マイコン」と略す）１０に入力される。マイコン１０は所定のアルゴリズムに従って後述の処理を実行し、モータ用制御データを出力する。この制御データはＤ／Ａ変換器１１でアナログ信号に変換され、ドライブ用のパワーアンプ１２により増幅された後にリニアモータ９に与えられる。これにより、リニアモータ９はアーム１を回転させる。それに応じてロータリエンコーダ７より出力信号が得られるから、これを受けてマイコン１０はモータ用制御データを修正する。このような閉ループ制御により、リニアモータ９は駆動される。
【００１９】
また、マイコン１０はロータリエンコーダ７からの出力信号に基づいて、所定の回転角度に達したとき又は所定の回転角度毎に波長サンプリング指示信号を出力する。該信号は、当該モノクロメータを利用した分光光度計において、回折格子６により取り出した単色光を試料に照射し、その反射光や透過光を測定光として検出する光検出器２０の信号の取り込みのタイミングを決めるために用いられる。なお、光検出器２０及びデータ処理部２１はモノクロメータに含まれるものではないが、理解を容易にするために図２中に記載している。
【００２０】
例えば、上記構成において波長走査を行う場合、具体的に次のような処理を行う。波長走査範囲の最短波長λ1及び最長波長λ2が設定されると、まず、マイコン１０は原点位置検出器８から検出信号が得られる位置にアーム１がくるようにリニアモータ９を制御する。なお、分析の開始時には常にアーム１がこの原点位置にくるようにしておいてもよい。次に、アーム１が原点位置に在るときに回折格子６から取り出される単色光の波長は、回折格子６の種類（ブレーズ角等）や原点位置検出器８の取付位置等に応じて予めわかっているから、該原点位置からアーム１を移動させたときにロータリエンコーダ７から出力される信号列Ａ又はＢのパルス数を計数しつつ、アーム１を上記最短波長λ1又は最長波長λ2に対応する角度位置まで移動させて待機する。
【００２１】
波長走査の開始後、マイコン１０はロータリエンコーダ７から入力されるパルス信号（信号列）の周期と予め設定されている基準周期とを比較し、両者の差を誤差信号として取得する。そして、この誤差信号がゼロになるように、又は誤差信号が或る一定値になるようにモータ用制御データを修正する。その結果、リニアモータ９に印加される駆動電圧が変化し、アーム１の回転角速度はほぼ一定に維持される。具体的には、例えば、速度が遅い場合にはロータリエンコーダ７から入力されるパルス信号の周期が長くなるから、誤差信号が大きくなる。そこで、駆動電圧を上昇させるように制御データが修正され、アーム１の角速度は上昇する。
【００２２】
また、マイコン１０は入力されたパルス数によりその時点での回転角度を認識することができ、この回転角度により原点位置に対応する波長からの離間量が認識できる。そこで、設定された波長ステップに対応するパルス数を計数する毎に、マイコン１０は波長サンプリング指示信号をデータ処理部２１に送出する。すると、データ処理部２１は、その時点で光検出器２０にて得られている受光信号を該時点での波長に対応するデータとして取り込み、メモリに格納する。
【００２３】
このようにしてアーム１つまり回折格子６を回転させながら各波長に対応するデータを順次取得してゆき、始めに最短波長λ1に対応する回転位置に待機していた場合には最長波長λ2に対応する回転位置に達したとき、始めに最長波長λ2に対応する回転位置に待機していた場合には最短波長λ1に対応する回転位置に達したときに、リニアモータ９の駆動を停止する。また、往復方向（短波長→長波長と長波長→短波長の両方）に波長走査を行う場合には、更にリニアモータ９に与える駆動電圧の極性を反転させて、逆方向に波長サンプリングを行う。
【００２４】
また、上記実施例において、ロータリエンコーダ７からのパルス信号（信号列）の周期と基準周期とを比較する代わりに、２系統の信号列Ａ、Ｂの位相差を時間として算出し、これを基準位相差時間と比較する構成としてもよい。
なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正を行なえることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例によるモノクロメータの機構部の外観図であって（ａ）は上面平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ’線断面図。
【図２】  本実施例のモノクロメータの全体構成図。
【図３】  ロータリエンコーダの出力信号を示す波形図。
【符号の説明】
１…アーム                    ２…台座
３…回転軸                    ４…予圧ベアリング
５…回折格子支持台            ６…回折格子
７…ロータリエンコーダ
７１…エンコーダ回転部        ７２…エンコーダ固定部
８…原点位置検出器
９…リニアモータ
９１…可動部                  ９２…固定部
１０…マイコン                １１…Ｄ／Ａ変換器
１２…パワーアンプ
【図１】
0003783400.tif 000002
【図２】
0003783400.tif 000003
【図３】
0003783400.tif 000004