JP2000193898A - 光学チョッパ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学チョッパのローコスト化、長寿命
化、高性能化を達成する光学チョッパを提供する。 【解決手段】 光路Ｌに対して直交する方向に設けた回
転軸１０と、この回転軸１０に取り付けられた磁化され
た板体１１と、この板体１１を少なくとも光路Ｌを開放
する回転角α₁ および板体１１が光路Ｌを遮断する回転
角α₂ に誘引する磁力を供給可能とする電磁石１２とを
設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学チョッパに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より光を使った分析計では、検出し
た信号に含まれるノイズを除去して出力信号の安定性を
良くするために、光学チョッパなどにより光ビームを断
続して検出信号を交流信号とすることにより交流信号を
検出するようにして測定を行っていた。そして、検出し
た交流信号を光学チョッパの動きに同期させて整流する
ことにより、ノイズによる影響の少ない直流の出力信号
を得ていた。

【０００３】図８（Ａ），（Ｂ）は従来より用いられる
光学チョッパ２０の構成を示す側面図である。これらの
図において、２１は光源、Ｌはこの光源２１から放出さ
れる光、２２はこの光Ｌを検出する検出器、２３はこの
検出器２２によって検出された信号を増幅すると共に同
期整流するアンプである。

【０００４】光学チョッパ２０の構成は基本的には、各
種のモータ２４と、このモータ２４の回転軸２５に取り
付けられた扇形の遮光板２６とからなり、この遮光板２
６を回転させることにより光の断続を行っていた。な
お、図８（Ａ）は回転軸２５の中心が歪まないように、
ルビーよりなる軸受け２７を設けた例を示し、図８
（Ｂ）は回転軸２５にベアリングによる軸受け２８を設
けた例を示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、回転軸
２５の軸ブレを防ぐために、ルビーからなる軸受けやベ
アリングなどの高価な部材を用いることは、製造コスト
の引き上げを招くものであり、好ましくなかった。ま
た、上記構成の光学チョッパ２０では、光の断続変化を
瞬時に行うことは不可能であり、安定でノイズの少ない
信号を得るためには、光の断続変化が、ほゞ安定した正
弦波を描くようにする必要があった。それゆえに、従来
の光学チョッパにおいては遮光板２６の回転速度を安定
させて、チョッパによる遮光および透光の切換え速度を
安定させることが肝要であった。

【０００６】そのために上述した軸受け２７，２８を設
けたり、モータ２４のドライブ回路に回転速度を安定化
させるインバータを設けて同期回転させたり、遮光板２
６のバランスを良くして回転によるブレを少なくするな
どの種々の対策を行ってきたが、何れも高価であった。
また、これらの構成には機械的精度が多分に要求される
ので、寿命の点でも問題があった。加えて、バランスの
よい安定した回転をする遮光板２６を構成するためには
ある程度の重量を要し、それだけ、遮光板２６の駆動に
比較的大きなエネルギーが必要で、消費エネルギーも高
くならざるを得なかった。

【０００７】さらに、上記構成の光学チョッパ２０で
は、遮光板２６が実際にどの程度の速度で回転している
のかを確認し、同期整流のための遮光タイミングを取る
ために、遮光板２６の位置を検出するフォトセンサ２９
を別途設ける必要があった。

【０００８】本発明は上述の点を考慮に入れてなされた
ものであり、その目的とするところは、光学チョッパの
ローコスト化、長寿命化、高性能化を達成する光学チョ
ッパを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光学チョッパは、光路に対して直交する方
向に設けた回転軸と、この回転軸に取り付けられた磁化
された板体と、この板体を少なくとも光路を開放する回
転角および板体が光路を遮断する回転角に誘引する磁力
を供給可能とする電磁石とを設けたことを特徴としてい
る。

【００１０】すなわち、電磁石に加える電力に応じて、
板体が光路を開放する回転角と、光路を遮断する回転角
とに切換えるように、板状体の状態を制御することがで
きる。しかも、板体や回転軸に機械的な精度が要求され
ることもないので、これらをコスト安に形成することが
できる。なお、回転板はバランスを取りやすく、その製
作が容易である。また、板体を可及的に軽量にすること
ができるので、光路の開放状態と遮光状態の切換制御を
高速に行うことができる。そして、光の断続を高速に切
り換えるので光学ノイズが少なくなり、同期整流の精度
を向上させてより効果的にノイズを除去することができ
る。

【００１１】また、板体の応答速度が早いのと電磁石を
パルス駆動できることから、前記断続周波数を自由に選
択することが可能となる。加えて、回転軸に少々の軸ブ
レがあったとしても、これが測定値に影響を与えること
がない。

【００１２】前記板体をほゞＬ字状に折曲し、折曲部に
回転軸を取付けると共に、折曲によって生じた２面のう
ちの１面に光透過窓を形成し、この板体を９０°回動す
ることにより光路を断続可能とした場合には、電磁石に
よる誘引力が板体に効果的に作用して切換え動作をさら
に高速に行うことができる。

【００１３】光路に対して直交する方向に設けた回転軸
と、この回転軸に取り付けられた磁化された板体と、こ
の板体の一面に取り付けられた光路を遮断する遮光板
と、光路に遮光板を位置させる回転角および光路に遮光
板を位置させない回転角に板体を誘引可能とする電磁石
とを設けた場合にも、電磁石に加える電力に応じて遮光
板によって光路の断続を切換制御することができる。そ
して、これらをコスト安に形成することができ、光路の
開放と遮断の切換制御を高速に行うことができる。すな
わち、同期整流の精度を向上させて効果的にノイズを除
去できる。

【００１４】前記電磁石が磁化特性を有するステータス
ピンと、電磁コイルとからなる場合には、光路の開放と
遮断の切換制御を行うときに、最初に前記電磁石に電力
を供給するだけで、ステータスピンが磁化されて、以
後、電磁石に電力を供給しなくてもステータスピンに残
った磁力によって板体の位置を切り換えられた状態に保
持することができる。すなわち、可及的に消費エネルギ
ーを削減でき、発熱も少なくすることができる。さら
に、板体の停止位置が保持されるので、光学チョッパの
取り付け方向に制限がなくなる。

【００１５】前記板体と電磁石との距離が最小になる角
度の少し手前で規制するように前記板体の回動角度の範
囲を制限する２つのストッパを有する場合には、電磁石
による反発力が加わったときにおける板体の回動方向を
明確に定めることができる。したがって、板体の切換速
度を向上してさらに応答速度を向上することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１〜３は本発明の光学チョッパ
の第１実施例を示している。図１，３において、１は例
えばダブルセルタイプの赤外線ガス分析計２の光源３と
赤外線検出器４との間の光路Ｌ中に設けられた光学チョ
ッパであり、５，６は光路Ｌ中に設けられて、それぞれ
サンプルガスＳ，リファレンスガスＲを流すセルであ
る。なお、本発明の光学チョッパ１は赤外線ガス分析計
に設けるものに限定するものではない。また、光学チョ
ッパ１をセル５，６と検出器４との間に設けるものに限
定するものでもなく、種々の分析計の光路Ｌに配置され
うるものである。

【００１７】７は前記検出器４から出力されるサンプル
ガスＳ，リファレンスガスＲのセル５，６を通った赤外
光の検出信号を増幅すると共に、光学チョッパ１による
赤外光の断続に同期して同期整流するアンプ、８はパル
ス信号の入力を受けて各光学チョッパ１を駆動する電力
Ｐ₁ ，Ｐ₂ を供給すると共に、アンプ７に同期信号Ｓｂ
を出力する制御回路である。

【００１８】前記光学チョッパ１は光路Ｌに対して直交
する方向に設けられた回転軸１０と、この回転軸１０に
取り付けられた磁化された板体１１と、この板体１１が
光路Ｌを遮断するように光路Ｌに対してほぼ直角に位置
させる回転角α₂ および光路Ｌを開放するように光路Ｌ
に対してほぼ平行に位置させる回転角α₁ に回動させる
磁力を発生させる電磁石１２と、前記板体１１の回転角
を前述の回転角α₁ ，α₂ の間に限定する２つのストッ
パ１３とからなる。

【００１９】電磁石１２は例えばほゞＵ字状に屈曲され
た磁化特性のあるステータスピン１２ａと、このステー
タスピン１２ａに巻かれたコイル１２ｂとからなり、こ
のステータスピン１２ａの一端側１２Ａを回転軸１０に
平行するように光路Ｌの下流側に配置し、かつ、他端側
１２Ｂを光路Ｌの外側に配置する。

【００２０】図２は、光学チョッパ１の動作を説明する
図であり、図２（Ａ）は板体１１が光路Ｌを開放するよ
うに光路Ｌにほぼ平行する回転角α₁ にある状態を示し
ている。たとえば、板体１１の一端側１１ＡがＮ極であ
り、他端側１１ＢがＳ極であるとすると、ステータスピ
ン１２ａの一端側１２ＡがＳ極に磁化されているときに
図２（Ａ）に示した位置を保持することができる。な
お、板体１１の他端側１１Ｂにはストッパ１３があるの
で、板体１１の一端側１１Ａとステータスピン１２ａ
（電磁石１２）との距離が最小になる角度（光路Ｌを基
準とする０°）の位置の少し手前で規制される。

【００２１】次に、図２（Ｂ）に示すように、コイル１
２ｂに対して制御回路８（図１参照）から矢印ｉに示す
方向に電流を流すとステータスピン１２ａの一端側１２
ＡがＮ極に、他端側１２ＢがＳ極になると共に、このス
テータスピン１２ａが磁化される。このとき、前記板体
１１の一端側１１Ａはストッパ１３によってステータス
ピン１２ａの一端側１２Ａより少し離れた位置に規制さ
れているのでステータスピン１２ａの一端側１２ＡのＮ
極に反発して速やかに反時計周りに回動する。また、ス
テータスピン１２ａの他端側１２ＢのＳ極に引きつけら
れることによりさらに加速する。

【００２２】図２（Ｃ）に示す状態は、板体１１の他端
側１１Ｂがもう一方のストッパ１３に当たるまで回動し
た状態を示している。このとき、板体１１は光路Ｌを遮
断するように光路Ｌに対してほゞ直角になる回転角α₂
の位置で、板体１１の一端側１１Ａとステータスピン１
２ａ（電磁石１２）との距離が最小になる少し手前の位
置で保持される。また、ステータスピン１２ａは磁化特
性を有しており、その一端側１２ＡがＮ極、他端側１２
ＢがＳ極になるように磁化されるので、コイル１２ｂに
電流ｉを流さなくても、ステータスピン１２ａに残った
磁力によって前記板体１１の回転角α₂ を保持すること
ができる。

【００２３】すなわち、ステータスピン１２ａが磁化特
性を有することにより、板体１１が回動する瞬間の電力
を供給するだけで、板体１１の回転角を変更してその位
置を保持することができるので、その消費エネルギーが
極めて少なくなる。特に、板体１１の移動は電磁石１２
による反発力と吸引力の両方で誘引するものであり、板
体１１の構造を極めて簡素で軽量にすることができ、応
答速度が極めて早く、数百μｓで状態を切り換えること
ができる。したがって、図１の制御回路８に供給される
パルスＰの幅が長くても、各光学チョッパ１に供給する
電力Ｐ₁ ，Ｐ₂の幅を数百μｓ程度にすることができ、
可及的に消費電力を削減できる。

【００２４】加えて、応答速度が極めて早いので、板体
１１による光路Ｌの開放状態／閉鎖状態の切換えをデジ
タル的に行うことができ、事実上パルスＰによる駆動を
することが可能となる。また、瞬時に切り換えられる板
体１１は従来のように滑らかな正弦波を描くような動作
をするものではないので、その回転軸１０に少々の軸ブ
レが生じても測定に悪影響を及ぼすものではないと共
に、板体１１はバランスが取りやすい。すなわち、回転
体を構成する回転軸１０と板体１１を可及的に簡素化す
ることができる。

【００２５】図２（Ｄ），（Ｅ）は光路Ｌの閉鎖状態か
ら開放状態に切り換えるときの各部の動作を示す図であ
り、図２（Ｂ），（Ｃ）に説明したものと逆の動作をす
る。すなわち、板体１１をその回転角α₂ の状態から回
転角α₁ の状態に切り換えるときも、極めて高速に、低
消費電力に動作可能である。

【００２６】また、光学チョッパ１の応答速度が早くな
ったことから、光学チョッパ１を駆動するパルス信号Ｐ
の周波数を任意に変更可能となり、各光学チョッパ１は
パルス信号Ｐの出力とほぼ同時（ズレが生じても数百μ
ｓ）に切換え動作完了と見なすことができる。したがっ
て、本発明によれば、図８に示した従来例のように、チ
ョッパ２６の状態を確認するフォトセンサ２９のような
別途部材を形成する必要がなくなり、それだけ、製造コ
ストを引き下げることができる。

【００２７】加えて、光学チョッパ１の構成が簡素で、
パルス信号Ｐに容易に同期できることから光学チョッパ
１の位置関係を自由に設定できる。すなわち、本発明の
光学チョッパ１を用いることによりセル５，６の配置を
平行させる必要がなくなり、セル５，６を対向位置に設
けるなど、従来型の光学チョッパ２０では考えられなか
ったような分析計の設計を可能とすることができる。

【００２８】さらに、光学チョッパ１の動作が瞬時に行
われるので、チョッパの動作中の光学ノイズが極めて少
なくなり、同期整流の精度を向上させてより効果的にノ
イズを除去することができる。つまり、従来のように、
光量が正弦波的に変化するものではないので、安定した
正弦波を得るための複雑な制御回路を設ける必要もなく
なる。また、回転体を構成する部分はバランスがよく、
その取り付け方向を限定する必要が全く無くなる。

【００２９】図４，５は本発明の光学チョッパ１の別の
例を示す斜視図である。なお、以下の各例において、図
１〜３に示した符号と同じ符号を付した部材は、同一ま
たは同等の部材であるので、その詳細な説明を省略す
る。

【００３０】本例の光学チョッパ１を構成する回転体は
磁性体からなる板体１４と、回転軸１０とからなる。板
体１４はその中央位置でほゞ９０°（Ｌ字状）に折り曲
げて二つの面１４ａ，１４ｂを有し、例えばその一端側
１４ＡがＮ極、他端側１４ＢがＳ極である。また、板体
１４の折曲部分１４ｃに前記回転軸１０を取り付けて、
２枚の板体１４によって断面ほゞ十字状を形成する。そ
して、折曲によって生じた面１４ｂに光透過窓１４ｄを
形成している。

【００３１】したがって、図４，５に示すように、ステ
ータスピン１２ａを回転軸１０を中心として９０°の位
相をもって配置することにより、前記回転体を９０°の
位相で回動させることができる。すなわち、図示した状
態が光の遮断状態で、これから９０°回動させた状態が
光の開放状態である。

【００３２】何れの状態においても板体１４の両端１４
Ａ，１４Ｂはステータスピン１２ａの両端１２Ａ，１２
Ｂによって引きつけられて、その位置を保持することが
できるので、より強力にその位置を保持することができ
る。また、電磁石１２の極性を逆にしてステータスピン
１２ａが板体１４を反発するときも、反発力が板体１４
の両端１４Ａ，１４Ｂの両端に働くので、板体１４は速
やかに回動し、その状態をより迅速に切り換えることが
できる。

【００３３】加えて、本例の光学チョッパ１は、図１〜
３の光学チョッパ１に比較して、板体１４を大きく形成
しており、その回転軸１０およびステータスピン１２ａ
の一端側１２Ａを２つのセル５，６の間に位置させてい
る。これにより、回転軸１０やステータスピン１２ａに
よって遮られる光の影響が分析結果に全く生じないよう
にすることができる。

【００３４】図６は、前記光学チョッパ１の別の変形例
を示している。本例の光学チョッパ１において、その回
転体を回転軸１０に取り付けられた磁化された板体１５
と、この板体１５に対して回転軸１０を中心に９０°の
位相で取り付けられた光路Ｌを遮断する遮光板１６とを
有している。また、前記遮光板１５の回転軸１０に対す
る対向位置に前記遮光板１５とバランスを取るための重
り１７を形成し、この重り１７には光透過窓１７ａを形
成している。

【００３５】また、本例の光学チョッパ１は、そのステ
ータピン１２ａを光路Ｌの外側で、回転軸１０に対して
平行に、かつ、その両端１２Ａ，１２Ｂが回転軸１０を
中心に１８０°位相の位置に配置するようにしている。
つまり、ステータピン１２ａは加工が自由なので、周囲
の条件により回転板１５，１６とステータピン１２ａの
位置関係を自由に選択可能である。

【００３６】上述のようにステータスピン１２ａを回転
軸１０を中心に１８０°位相の位置に配置した場合に
は、板体１５の両端をステータスピン１２ａの両端１２
Ａ，１２Ｂによって引きつけて、その停止位置を保持さ
せることができる。また、電磁石１２の極性を反転させ
たときも、ステータスピン１２ａの両端１２Ａ，１２Ｂ
で板体１５の両端を反発して回転板１５，１６を回動さ
せることができる。すなわち、状態を保持させるときに
はより安定し、状態を反転させるときには応答速度を向
上することができる。

【００３７】また、図６は光路Ｌを遮断している状態を
示している。そして、電磁石１２の磁極を反転させるこ
とにより、回転板１５，１６を回動させ、図示下側の重
り１７を上側に位置させて、光透過窓１７ａを光路Ｌ中
に位置させることができる。つまり、光の透過状態に切
換えることができる。

【００３８】図７は本発明のさらに別の変形例を示して
いる。すなわち、本例の光学チョッパ１は回転軸１０に
回動自在に磁化された板体１８を回動自在に取り付ける
と共に、回転軸１０に分けられた板体１８の一面に光透
過窓１８ａを設けている。またステータスピン１２ａは
光路Ｌの外側で、回転軸１０を中心に光路Ｌに対して直
角に配置されている。

【００３９】すなわち、本例のように構成することによ
り、板体１８を遮光板として用いて光学チョッパ１の構
成を可及的に簡素化することができる。また、ステータ
スピン１２ａや回転軸１０を光路Ｌの外側に位置させて
いるので、検出器４によって検出する赤外光にステータ
スピン１２ａや回転軸１０の影が含まれることがなくな
り、それだけ分析精度を向上できる。

【００４０】なお、図６，７に示した例ではサンプルガ
スＳ，リファレンスガスＲのセル５，６を横方向に並べ
ている。つまり、両セル５，６を通る光路Ｌを機械的に
同時に断続することができるようにしている。しかしな
がら、本考案はこれに限られるものではなく、図４に示
すように、セル５，６を縦方向に並べることにより、両
セル５，６を通る光路Ｌを交互に断続するようにするこ
とも可能である。

【００４１】さらに、上述した各例の板体１４，１８，
遮光板１６の動きはサンプルガスＳ側およびリファレン
スガスＲ側で機械的に同期させることができ、光学チョ
ッパ１に供給する電力Ｐ₀ も一種類だけ生成すればよ
い。なお、上記構成の光学チョッパ１を各光路Ｌに対し
て各々設けるようにして、各部の配置の自由度を向上さ
せてもよいことは言うまでもない。

【００４２】そして、上述した各実施例の板体１１，１
４，１８、遮光板１６によって形成される回転体の何れ
においても、その基本形状が円形であるが、本発明はこ
れに限定されるものではない。すなわち、この回転体の
形状を四角形や楕円形にすることも可能である。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の光学チョッ
パによれば、電磁石に加える電力に応じて、板体が光路
の開放状態と遮断状態を切換え制御できる。また、板体
や回転軸に機械的な精度が要求されるないので、コスト
安になるだけでなく、可及的に軽量化することができる
ので、光路の開放状態と遮光状態の切換制御を高速に行
うことができる。そして、光の断続を高速に切り換える
ので光学ノイズが少なく、同期整流の精度を向上させて
効果的にノイズを除去できる。また、板体の応答速度が
早いことから、前記断続周波数を自由に選択でき、回転
軸に少々の軸ブレがあったとしても、これが測定値に影
響を与えることがない。

【００４４】前記電磁石が磁化特性を有するステータス
ピンと、電磁コイルとからなる場合には、可及的に消費
エネルギーを削減でき、発熱も少なくできる。前記板体
と電磁石との距離が最小になる角度の少し手前で規制す
るように前記板体の回動角度の範囲を制限する２つのス
トッパを有する場合には、板体の切換速度を向上してさ
らに応答速度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学チョッパを用いた分析計の一例を
示す全体図である。

【図２】前記光学チョッパの動作を説明する図である。

【図３】前記光学チョッパを示す斜視図である。

【図４】前記光学チョッパの別の例を示す斜視図であ
る。

【図５】図４の光学チョッパの縦断面図である。

【図６】前記光学チョッパの変形例を示す図である。

【図７】前記光学チョッパの別の変形例を示す図であ
る。

【図８】従来の光学チョッパの光学チョッパの例を示す
図である。

【符号の説明】

１…光学チョッパ、１０…回転軸、１１，１４，１５，
１８…板体、１２…電磁石、１３…ストッパ、１４ｃ…
折曲部、１４ｄ…光透過窓、１６…遮光板、Ｌ…光路、
α₁ …光路を開放する回転角、α₂ …光路を遮断する回
転角。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光路に対して直交する方向に設けた回転
   軸と、この回転軸に取り付けられた磁化された板体と、
   この板体を少なくとも光路を開放する回転角および板体
   が光路を遮断する回転角に誘引する磁力を供給可能とす
   る電磁石とを設けたことを特徴とする光学チョッパ。
2. 【請求項２】 前記板体をほゞＬ字状に折曲し、折曲部
   に回転軸を取付けると共に、折曲によって生じた２面の
   うちの１面に光透過窓を形成し、この板体を９０°回動
   することにより光路を断続可能とする請求項１に記載の
   光学チョッパ。
3. 【請求項３】 光路に対して直交する方向に設けた回転
   軸と、この回転軸に取り付けられた磁化された板体と、
   この板体の一面に取り付けられた光路を遮断する遮光板
   と、光路に遮光板を位置させる回転角および光路に遮光
   板を位置させない回転角に板体を誘引可能とする電磁石
   とを設けたことを特徴とする光学チョッパ。
4. 【請求項４】 前記電磁石が磁化特性を有するステータ
   スピンと、電磁コイルとからなる請求項１〜３の何れか
   に記載の光学チョッパ。
5. 【請求項５】 前記板体と電磁石との距離が最小になる
   角度の少し手前で規制するように前記板体の回動角度の
   範囲を制限する２つのストッパを有する請求項１〜４の
   何れかに記載の光学チョッパ。