JP2004163126A - 分光光度計 - Google Patents

Abstract

【課題】ハーモニックドライブを用いた減速機構の周期性誤差を補正し、分光器により取り出される波長精度を高める。
【解決手段】補正式記憶部６２には回転角の補正式として、
θ’＝θ＋Ａ・ｓｉｎ（Ｃ１・θ＋θａ）＋Ｂ・ｓｉｎ（Ｃ２・θ＋θｂ）＋θｃ
を記憶しておく。Ｃ１、Ｃ２は減速機構２２の構造により決まる係数であって始めに理論的に決めておくことができる。一方、Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃは各装置毎に求める必要があるため、複数の輝線スペクトルの測定結果に基づき、係数決定部６５が最小二乗法などのフィッティングを行って算出する。実際の試料の測定に際して目的波長が設定されると、回転角補正部６４は上記補正式を適用し、その目的波長に対応する回転角度θを補正して角度θ’を算出する。そして、その角度θ’だけ回折格子２１が回動するようにモータ２３を制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は分光光度計に関し、更に詳しくは、分光光度計において特定波長を有する単色光を取り出すための分光器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外可視光分光光度計や原子吸光分光光度計等の分光光度計では、所定波長の単色光を得るために分光器（モノクロメータ）が用いられる。分光器の一般的な構成としては、回折格子（波長分散素子）と、入射光に対して該波長分散素子の角度を変えるための回転駆動機構とを含み、その回転駆動機構により回折格子を適宜回転させることによって、位置が固定された出口スリットを通し所望波長の単色光を取り出す。従って、この単色光の波長精度は回折格子の角度精度に大きく依存しており、波長精度を高めるには、回折格子を微小ピッチで精度良く回転駆動できる回転駆動機構が必要となる。
【０００３】
従来一般に、こうした回転駆動機構としてサインバー機構を利用したものが知られている。また、減速ギアの一種であるハーモニックドライブ（登録商標）機構を用いたものも提案されている。ハーモニックドライブ機構は大きな減速比が得られる優れた減速装置であるが、その構造の特徴上、周期性の誤差が発生することが避けられない。こうした周期性誤差は、そのまま分光光度計の波長の精度の低下を招く。そのため、本出願人は、そうした誤差を補正する方法を特許文献１で従来より提案している。この文献に記載の補正方法では、ハーモニックドライブ機構による誤差形状を予め測定し、その形状を近似する式を作成しておく。そして、実際に多数の輝線スペクトルの波長を測定し、近似式に含まれるパラメータの組み合わせを変えて最も波長ずれが小さくなるようなパラメータを決定している。こうした補正によってハーモニックドライブ機構の周期性誤差はかなり解消される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１−２２１６２７号公報（第３頁右上欄第１０行〜同頁右下欄第２行）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
こうした補正を行う場合、輝線スペクトルの数つまり参照可能な波長の数が多いほど近似式の精度は向上するが、実際には、輝線スペクトルの数はかなり限られており、そのために近似式の精度を上げるのは難しい。また、特許文献１に記載のように、始めに精密なエンコーダ等を用いてハーモニックドライブ機構の周期性誤差を綿密に測定しその結果に基づいて近似式を作成する場合、製造工程上での調整等の作業が非常に煩雑で手間が掛かり、コストが増加する可能性がある。
【０００６】
本発明はこうした課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、分光器の回転減速機構にハーモニックドライブを用いた分光光度計において、製造、組立及び調整のコストの増加を抑えつつ、ハーモニックドライブの周期性誤差を充分に補正し、高い波長精度での分析を行うことができる分光光度計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、モータと、該モータの回転を減速するためのハーモニックドライブ機構による減速手段と、該減速手段で減速された回転によって駆動される波長分散素子と、を含む分光器を具備する分光光度計において、
ａ）前記減速手段の周期性誤差波形を、該減速手段の入力軸側１回転分に相当する周期の１／ｎ（ｎは減速手段の構造に依存する自然数）の周期性を有する関数の線形結合で表現した近似的な補正式を記憶する補正式記憶手段と、
ｂ）輝線スペクトルの測定結果に基づいて前記補正式に含まれる１つ以上の係数を算出し、これを記憶しておく係数取得手段と、
ｃ）実際の測定に際し目的波長が設定されたとき、前記係数を用いた補正式を適用して該目的波長に対応する回転角度を補正し、該補正された回転角度を得るようにモータを制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態、及び効果】
ハーモニックドライブ機構は一般に、サーキュラスプレインと呼ばれる内歯車状の部品の歯に、フレクスプレインと呼ばれる楕円形に弾性変形した歯車の長軸の２箇所付近のみが噛合する、という構造を有する。そのため、ハーモニックドライブ機構の周期性誤差は１つの周期の中に高さの異なる山（正のピーク）が２つ存在するような波形となり、その周期に関連するパラメータは減速比等の構造に依存した値になると看做せる。この場合、ハーモニックドライブ機構の周期性誤差波形はその入力軸１回転分に相当する周期を有する関数と看做すことができ、これは該周期の１／２の周期性を有する関数の線形結合で表現することが可能である。具体的には、例えば補正式は、ハーモニックドライブ機構の構造に依存する周期性誤差の１周期の波形を１つ以上の周期関数、例えば正弦関数又は余弦関数の線形結合で表現したものとすることができる。
【０００９】
すなわち、ハーモニックドライブ機構の出力である回転角度θに対し、例えば次のような補正式を設定することができる。
θ’＝θ＋Ａ・ｓｉｎ（Ｃ１・θ＋θａ）＋Ｂ・ｓｉｎ（Ｃ２・θ＋θｂ）＋θｃ
ここで、Ｃ１、Ｃ２はハーモニックドライブ機構の構造により理論的に決まる係数であり、Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃはいずれも輝線スペクトルの測定結果に基づいて、つまり実験的に決まる係数である。
【００１０】
本発明に係る分光光度計では、上記のような補正式を表現するデータを補正式記憶手段に予め記憶させておき、例えば当該装置の製造工程上の調整作業、或いは、修理・保守作業などの際に所定の輝線スペクトルを測定し、係数取得手段はその測定結果に基づき、補正式に含まれる１つ以上の係数を算出して記憶する。このとき、離散的に得られる複数の輝線スペクトルの測定点を周期性誤差の１周期内に折り畳んで集中させ、その１周期のみについて波形形状を最適に近似できるような係数を見出すことにより、輝線スペクトルの数が比較的少なくても良好な近似が可能となる。実際の試料の測定に際しては、分光器から取り出すべき目的波長が設定されると、制御手段は、上記係数を入れて完成した補正式を適用して、その目的波長に対応する回転角度θを補正して角度θ’を算出する。そして、その角度θ’だけ波長分散素子（代表的には回折格子）が回動するようにモータを制御する。
【００１１】
このようにして本発明に係る分光光度計によれば、ハーモニックドライブ機構に特有の周期性誤差を軽減することができるので波長精度が向上し、分光測定の正確性が増す。また、補正式を作成する際にハーモニックドライブ機構の実際の周期性誤差の形状を綿密に測定する必要がなく、しかも、補正式に含まれる係数を算出する際に、一連の輝線スペクトルの測定を終了したあとの演算処理を自動的に行うことができる。従って、係数を含む補正式を決定するのにあまり手間が掛からず、比較的短時間で終了することができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の一実施例である分光光度計について、図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例の分光光度計の要部の構成図である。
【００１３】
図１において、光源１から発せられた光は幅広い又は多数の波長を含む光であり、分光器２においてそのうちの１つの波長が選択されて単色光として取り出される。分光器２は、所定角度範囲で回転する回折格子２１と、回転駆動源であるモータ（例えばパルスモータ）２３と、そのモータ軸の回転を所定の減速比で減速させて回折格子２１を回転駆動する、ハーモニックドライブによる減速機構２２とを含む。分光器２で取り出された単色光は試料３に照射され、試料３で反射した又は試料３を透過した光が光検出器４に導入されて、その光強度に応じた検出信号が出力される。この検出信号は処理・制御部６に入力され、ここで所定の演算処理が行われることによって吸光度や反射率等が計算される。
【００１４】
処理・制御部６は上記のような信号の演算処理機能の他に分光器制御部６１を含み、分光器制御部６１は与えられた目標波長に基づいて後述のような所定の処理を行い、その結果によりモータ駆動部５を介してモータ２３を制御する。こうした処理を行うために、分光器制御部６１は補正式記憶部６２、波長／回転角変換部６３、回転角補正部６４などを機能として含む。また、補正式記憶部６２に記憶される補正式中の複数の係数を算出するための係数決定部６５が備えられている。
【００１５】
上記構成の分光光度計において、波長分散素子である回折格子２１の回転駆動機構の伝達誤差を補正し、ひいてはこの誤差に起因する波長誤差を解消する原理について説明する。
【００１６】
分光器２で取り出したい単色光の波長値をモータ２３の出力側の回転角θに変換するための理論式は、次のようになる。
θ＝ｓｉｎ^−１〔ｍλ／（２ｄ・ｃｏｓＫ）〕 …（１）
ここで、ｍは使用する回折光の次数、ｄは回折格子の格子溝間隔（ｎｍ）、Ｋは分光器偏角（回折格子の入射光と出射光との成す角）の１／２（ｒａｄ）を表す。分光器制御部６１は、基本的な動作として、回折格子２１で設定すべき目標波長λに関する指令を受けると、上記（１）式に基づいてモータ２３の回転角θを求め、更にその回転角θをモータ制御のためのパルス数に換算して該数のパルスをモータ２３へと送出する。（１）式の逆関係は、
λ＝（２ｄ・ｃｏｓＫ／ｍ）・ｓｉｎθ …（２）
である。ｄやＫが製造・組立工程時の誤差等によってばらついた場合、取り出される単色光の波長は（２ｄ・ｃｏｓＫ／ｍ）の変化に伴って一次的に変化する。モータ２３の回転角のオフセット量も考慮し、分光器制御部６１は与えられた目標波長λに対して、次の（３）式による一次変換を施す。
λ’＝ａ・λ＋ｂ …（３）
以降、λに代えてこのλ’を用い（１）式によるλ→θ換算を行えば、上記のようなｄ、Ｋの誤差に起因する波長の不正確さを除去することができる。なお、（３）式における補正係数ａ、ｂは、波長が既知である輝線スペクトルの測定結果から直線回帰に基づいて決定することができる。
【００１７】
しかしながら、この段階では、未だ減速機構２２におけるハーモニックドライブ特有の周期性誤差に伴う不正確さは残存する。そこで、本実施例の分光光度計では、ハーモニックドライブの周期性誤差を補正するための補正式を別途用いる。補正式のモデルは次のようにして求める。図２はハーモニックドライブギアの周期性誤差の実際の測定結果の一例である。図２において、横軸はギア出力軸の実際の回転角度、縦軸は実際の回転角度と理想的な（つまり誤差が全く存在しない場合）回転角度との差を表す。これは減速比が１／１００のギアの測定例であり、入力軸１回転つまり出力軸１／１００回転（＝３．６ｄｅｇ）で１つの周期を成す周期関数とみることができ、１つの周期の中に高さの異なる２つの山が存在している。これは、既述のようなハーモニックドライブギアの原理から考えて、充分に説明がつく現象である。
【００１８】
図２から、この周期性誤差はギアが如何なる回転状態であっても存在するとみることができる。従って、ハーモニックドライブの入力軸１回転分に相当する周期の１／２の周期性を有する関数の線形結合によって、周期性誤差を表現することができる。ここでは、この周期性関数として正弦関数を用いることとする。すなわち、（１）式により得られた回転角θに対し、上記周期性誤差を補正するための補正式として次の（４）式をたてることができる。
θ’＝θ＋Ａ・ｓｉｎ（Ｃ１・θ＋θａ）＋Ｂ・ｓｉｎ（Ｃ２θ＋θｂ）＋θｃ …（４）
ここでＣ１、Ｃ２は減速機構２２の減速比から決まる係数、Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃは減速機構毎（つまり分光器毎又は分光光度計毎）に相違する装置固有の係数である。（４）式の右辺第２項、第３項及び第４項がギアの周期性誤差成分を表している。Ｃ１及びＣ２は周期に関係するパラメータであって、例えば減速比が１／１００であるハーモニックドライブギアの場合には、Ｃ１及びＣ２の値はそれぞれ２００及び１００となる。
【００１９】
（４）式においてＣ１及びＣ２はギアの種類が決まりさえすれば個体差には依存しない係数であるから、（４）式で係数Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃの具体的数値を除いた部分が補正式として記憶部６２に格納される。一方、（４）式中の係数Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃは、各分光光度計毎に求める必要がある。そこで、（３）式中の補正係数ａ、ｂを決定するために測定した輝線スペクトルの結果を基に、上記補正式の係数群を求めることとする。具体的には輝線スペクトルの測定結果を元に非線形最小二乗法等のフィッティング手法を用いて上記係数を決定するわけであるが、一般に測定可能な輝線スペクトルは離散的で数に限りがあり、周期性誤差曲線の数周期〜十数周期の期間中に輝線スペクトル測定点が数点のみ散在している、という場合が少なくない。そこで、本実施例では、輝線スペクトルの測定点を誤差曲線１周期の中に折り畳んで集中させ、その１周期に関してのみフィッティング処理を施すことにより、安定した回帰結果を得られるようにしている。
【００２０】
折り畳み処理は例えば次のようにして行う。すなわち、減速比１／ｎのギアを用いた場合、出力軸３６０／ｎ（ｄｅｇ）毎に同位相の周期誤差曲線となる。従って、横軸に各輝線スペクトル測定位置が測定された格子回転角度、縦軸に輝線スペクトルの真の値から換算した格子回転角度からのずれをプロットしたグラフに対し、横軸方向を３６０／ｎ（ｄｅｇ）で除した余りの位置に移動すれば、輝線スペクトルのプロット点は全て誤差曲線１周期の中に収まる。その具体例を図３に示す。この例は、６周期分の誤差曲線中に散在していた１０点の輝線測定点を１周期内に折り畳んだものである。このようにして１周期内に集中させた複数の測定点を用いて該１周期分の誤差波形形状を求めれば、より確度の高い波形、つまりは精度の高い上記係数を得ることができる。こうして得られた誤差曲線のフィッティング結果の一例を、図４に示す。図４では、横軸が回転角、縦軸が回転角の理想値からのずれを表す。図４で判るように、２種類の山／谷で１周期をなす曲線がフィッティングされている。以上のようにして得られた係数を（４）式に反映させることで、補正式が完成する。
【００２１】
次に、図１に示した構成の分光光度計において、上記説明した周期性誤差の補正処理について説明する。まず、補正式記憶部６２には上記（４）式中のＣ１、Ｃ２のみが決定された補正モデル式が格納されている。例えば、本装置の調整工程や保守・修理後の調整作業において、担当者が所定の指令を与えると、処理・制御部６は自動的に調整を実行する。すなわち、複数の輝線スペクトルを含む光源１を点灯させ、各輝線に対する測定を試験的に実行する。係数決定部６５は、その測定結果を利用して上述したように補正式の係数Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃを求める。これら係数は補正式記憶部６２に追加して記憶される。なお、上記補正モデル式は後で書き換えられることはないから、これを構成するデータは書換え不可能なメモリに格納されていてもよいが、係数Ａ、Ｂ、θａ、θｂ、θｃは書き換えられる可能性があるから書換え可能なメモリを利用する必要がある。
【００２２】
この分光光度計で実際の測定を行う際には、処理・制御部６により目標波長が設定されると、波長／回転角変換部６３は、その目標波長に対し（３）式に基づく補正を行った後に（１）式に基づいて回転角θへの変換を実行する。その後に、回転角補正部６４は補正式記憶部６２に格納されている補正式を読み出し、（４）式に基づいて回転角θを補正してθ’を得る。分光器制御部６１には回転角とモータ２３に与えるパルス数との対応関係を示す換算テーブルが予め用意されており、このテーブルを参照して回転角θ’からパルス数を算出する。そして、算出されたパルス数分のパルス信号をモータ駆動部５を介してモータ２３へと送出する。これによりモータ２３は回転し、減速機構２２により減速されて回折格子２１は回動する。このようにして、回折格子２１は目標波長を有する単色光が取り出されるような角度に正確に設定される。
【００２３】
上記のような減速機構２２の周期性誤差について、その機構部品の経時変化（摩耗など）による影響は無視できる程度であると考えられる。従って、ハーモニックドライブギアの交換等を行わない限り上記周期性誤差の再現性は高く、一旦作成した補正式を継続して利用することができる。すなわち、例えば、この分光光度計を製造工場で組み立て調整する工程において、複数の輝線スペクトルに対する測定を試験的に実行してその測定結果を利用して補正式の係数を求めて記憶させておけば、これを購入したユーザ自身は特にそうした調整を行う必要はない。また、ギアの交換などの修理を行ったときには再び係数を求め直す必要があるが、通常、メーカの保守担当者等に修理を依頼するため、やはりユーザ自身が調整を行わなくてもよい。
【００２４】
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分光光度計の要部の構成図。
【図２】ハーモニックドライブギアの周期性誤差の実際の測定例を示す図。
【図３】折り畳み処理の一例を示す図。
【図４】輝線測定点に基づくフィッティング誤差曲線の結果の一例を示す図。
【符号の説明】
１…光源
２…分光器
２１…回折格子
２２…減速機構
２３…モータ
４…光検出器
５…モータ駆動部
６…処理・制御部
６１…分光器制御部
６２…補正式記憶部
６３…波長／回転角変換部
６４…回転角補正部
６５…係数決定部

Claims (2)

1. モータと、該モータの回転を減速するためのハーモニックドライブ機構による減速手段と、該減速手段で減速された回転によって駆動される波長分散素子と、を含む分光器を具備する分光光度計において、
   ａ）前記減速手段の周期性誤差波形を、該減速手段の入力軸側１回転分に相当する周期の１／ｎ（ｎは減速手段の構造に依存する自然数）の周期性を有する関数の線形結合で表現した近似的な補正式を記憶する補正式記憶手段と、
   ｂ）輝線スペクトルの測定結果に基づいて前記補正式に含まれる１つ以上の係数を算出し、これを記憶しておく係数取得手段と、
   ｃ）実際の測定に際し目的波長が設定されたとき、前記係数を用いた補正式を適用して該目的波長に対応する回転角度を補正し、該補正された回転角度を得るように前記モータを制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする分光光度計。
2. 前記補正式は、前記減速手段の構造に依存する周期性誤差の１周期の波形を、１つ以上の周期関数の線形結合で表現したものであることを特徴とする請求項１に記載の分光光度計。

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