JP2009139352A - フーリエ変換型赤外分光光度計 - Google Patents

Abstract

【課題】それぞれのＦＴＩＲにおいてゲイン値が最適になるように調整できるようにする。
【解決手段】干渉計制御ＣＰＵ１００は、移動鏡の現在位置と現在速度の測定値を用い、移動鏡のつりあい位置からの距離、移動鏡の現在速度、及び移動鏡の現在速度と目標速度との差のそれぞれにゲインをかけて得られる値に基づいて、移動鏡の移動速度が目標速度になるように移動鏡を駆動するために与える電流をフィードバック制御する。それらのゲインのうちの少なくとも一部のゲインが可変パラメータとして設定されており、パラメータ調整部１０６は調整時に移動鏡の移動速度が目標速度になるようにするために可変パラメータが最適値となるように調整する。
【選択図】図２

Description

本発明はフーリエ変換型赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）において、クアドラチュア・コントロールを用いて移動鏡の制御を行う移動鏡制御方式に関するものである。ＦＴＩＲは、物質の定性分析や定量分析に用いられ、高分子材料、半導体を初め、有機物質及び無機物質を問わず幅広い物質に対して利用することができる。

ＦＴＩＲでは試料の測定を行う主干渉計の他に、主干渉計に対してデータ収集の起動や移動鏡の摺動速度の安定化のためにコントロール干渉計を備えている。コントロール干渉計では、移動鏡の位置を検出するためにクアドラチュア・コントロールと称される手法が採用されている。クアドラチュア・コントロールでは、ビームスプリッタと固定鏡の間に入／８板などの移相板を備え、ビームスプリッタで会合した干渉信号を偏光ビームスプリッタによってＰ波とＳ波に分離する。分離されたそれぞれの偏光成分をそれぞれの検出器で検出し、両検出器の検出信号の位相関係と波数とから移動鏡の位置を検出する（特許文献１参照）。

移動鏡は吊り下げ構造の摺動支持機構に保持され、摺動支持機構の駆動用コイルに電流が流されることによって前後方向に往復運動させられる。

移動鏡は往復運動をするが、検出器が周波数特性を持つため、データ収集をする際に移
動鏡が一定速度で動作することが重要となる。一定速度で動作させるために、現在速度を取得して目標速度との誤差を修正するフィードバック制御を行う。

移動鏡は吊り下げ構造になっているため、移動鏡が初期的なつりあい位置から離れると重力によってつりあい位置に戻ろうとする力を受ける。また、移動鏡が動作する際には摩擦が発生する。そのため、コイルに流す電流値Ｉは現在の移動鏡位置と目標速度を用いて以下のような形式で与えられる。

Ｉ＝Ｇ_g×ｌ_m＋Ｇ_f×ｖ_c＋Ｇ_a×ｖ_c×（ｖ_c−ｖ_o） （式１）

ここで、
Ｇ_g：重力ゲイン、
ｌ_m：移動鏡のつりあい位置からの距離、
Ｇ_f：摩擦ゲイン、
ｖ_c：移動鏡の現在速度、
Ｇ_a：速度ゲイン、
ｖ_o：移動鏡目標速度。

（式１）に基づいて電流値Ｉを計算するためには、あらかじめゲインＧ_g，Ｇ_f，Ｇ_aを与えておく必要がある。Ｇ_gとＧ_fは移動鏡速度に関係なく決まる値であり、Ｇ_aは移動鏡の速度によって変わる値である。これらのゲイン値は移動鏡が安定駆動するように決めるものであり、現在速度と目標速度との差（速度誤差）が小さくなるように決定する。

従来は、試作機等の少数の装置を利用して求めたゲイン値（デフォルト値）を他の装置にも適用している。具体的に示すと、次のようになる。
１．ある装置（試作機など）についてゲインを適当に設定して速度誤差を測定する。
２．速度誤差の値（最大値や平均値）があるしきい値以下であれば設定した値を仮のゲインとする。（しきい値は経験的に設定する）
３．しきい値を超える場合はゲインを変化させる。
４．２−３を繰り返して仮のゲインを決める。
５．数台の装置に対して１−４を実施して仮のゲインを数個求め、統計的処理などによってその装置のデフォルトのゲインを決める。
６．新たに装置が生産されるとゲインとしてデフォルトゲインを与える。
７．新たに生産された装置の速度誤差を測定する。
８．速度誤差がしきい値以下であれば速度誤差に対する検査は合格とする。
９．しきい値を超える場合には個々にゲインを調整する。
ここで、速度誤差の測定やゲインの変更は作業者が手動で実施する。
特許第２８５８６３０号公報

組立て誤差や電気系部品の個体差によって、最適なゲイン値はそれぞれの装置によって異なるため、ゲイン値が適切でない装置では最大の性能がでない。したがって、装置の性能を最大に引き出すためにはゲイン値を装置毎に決めるのが好ましいが、その調整は手動で行うため工数を要するため、上に示したように、従来はデフォルト値に設定したゲイン値を使用しても速度誤差がしきい値以下であれば装置毎の調整は行わない。
しかし、デフォルト値は最適値ではなく許容値である。

本発明はそれぞれのＦＴＩＲにおいてゲイン値が最適になるように個別に調整できるようにすることを目的とするものである。

本発明は、試料の測定を行う主干渉計のビームスプリッタと固定鏡又は移動鏡との間に位相板を配置し、前記ビームスプリッタで合波された干渉信号から２つの偏光成分を分離して検出し、互いに位相がずれている両検出信号の位相関係と波数とから移動鏡の移動方向と位置とを検出するクアドラチュア・コントロール方式のコントロール干渉計を備えた移動鏡制御装置を備えたＦＴＩＲであり、移動鏡はその初期的なつりあい位置が重力方向になるように吊り下げられた方式のものである。

移動鏡の制御は干渉計制御を担当するＣＰＵ（中央処理装置）で行われる。干渉計制御を担当するＣＰＵは、移動鏡の現在位置と現在速度の測定値を用い、移動鏡のつりあい位置からの距離、移動鏡の現在速度、及び移動鏡の現在速度と目標速度との差のそれぞれにゲインをかけて得られる値に基づいて、移動鏡の移動速度が目標速度になるように移動鏡を駆動するために与える電流を、フィードバック制御を用いて決定する。その際、そのＣＰＵで実行するプログラムで使用するゲイン値の少なくとも一部を調整できる機能を設ける。そのために、速度誤差が小さくなる条件を探索するプログラムを作成して、干渉計を制御するＣＰＵ上や外部に接続されたＰＣ（パーソナルコンピュータ）上など、移動鏡の制御に関与する制御部で動作させることで自動的にゲイン値の最適条件を設定可能とする。

すなわち、少なくとも一部のゲインが可変パラメータとして設定されており、調整時に移動鏡の移動速度が目標速度になるようにするために可変パラメータが最適値となるように調整するパラメータ調整部を備えている。

移動鏡を駆動するために与える電流を決定する全てのゲインが可変パラメータとして設定されていてもよく、その場合はパラメータ調整部は調整時にそれらの全てのパラメータが最適値となるように調整するものとなる。

本発明によれば、移動鏡制御のための重要なパラメータであるゲイン値をＦＴＩＲごとに自動的に決定できるので、装置の個体差による性能への悪影響を減少させ、調整の工数を削減可能である。

知識を有した技術者がゲイン値を経験的又は実験的に決める必要がないため、生産時のみでなく装置据付時やその他任意のタイミングで調整を実施できるので、装置の性能を引き出すことが容易になる。

図１に本発明が適用されるＦＴＩＲの一例を示す。ビームスプリッタ及びコンペンセータ（単にビームスプリッタという）２は、固定鏡４及び移動鏡６により干渉計が構成されており、ビームスプリッタ２は固定鏡４の法線方向及び移動鏡６の法線方向に対して３０・の傾きをもって配置されている。固定鏡４は固定鏡支持ブロック８に搭載され、移動鏡６は摺動機構１４に支持され、摺動機構１４はリニアモータ１６によって移動鏡６をビームスプリッタ２に近づく方向と遠ざかる方向の往復方向に移動させる。リニアモータ１６にはパワーアンプ１８から電流が流され、リニアモータ１６に流す電流は摺動コントローラ２０にからパワーアンプ１８を介して制御される。

ビームスプリッタ２、固定鏡４及び移動鏡６とともに主干渉計を構成して赤外分光測定系とするために、赤外光源２２が設けられ、光源２２からの赤外線は集光鏡２４、アパーチャ２６、コリメータミラー２８を経てビームスプリッタ２に入射され、この干渉計で変調される。変調光はミラー３０、集光鏡３２から試料室３４を通過した後、楕円面鏡３６を経て赤外検出器３８で受光されて電気信号に変換される。検出器３８の検出信号を増幅するためにプリアンプ４０が設けられ、プリアンプ４０で増幅された検出信号はフィルタ４２及びオートゲインアンプ４４を経てサンプルホールドアンプ４６でサンプリングされ、Ａ／Ｄ変換器４８でデジタル信号に変換されてＣＰＵバスライン８４へ送出される。

ビームスプリッタ２、固定鏡４及び移動鏡６とともにコントロール干渉計を構成するために、光源としてＨｅ−Ｎｅレーザ５０が設けられている。レーザ５０からのレーザビームはハーフミラー５４によりビームスプリッタ２に入射させられる。ビームスプリッタ２で反射され、固定鏡４で反射されて再びビームスプリッタ２に戻るレーザビームを直線偏光から円偏光に変えるために、ビームスプリッタ２と固定鏡４の間に・／８板５６が設けられている。・／８板５６は、その偏光軸が入射レーザビームの偏波面から４５度傾くように設置されている。

この干渉計で変調され、ハーフミラー５８で反射された干渉光をＰ波とＳ波の各偏光成分に分割するために偏光ビームスプリッタ６０が設けられている。偏光ビームスプリッタ６０を透過した一方の偏光成分を受光する検出器としてフォトダイオード６２が設けられ、偏光ビームスプリッタ６０で反射された他方の偏光成分を受光する検出器としてフォトダイオード６４が設けられている。フォトダイオード６２はプリアンプ６６に接続され、フォトダイオード６４はプリアンプ６８に接続されている。プリアンプ６６，６８で増幅されたそれぞれの偏光成分の検出信号は波形整形器７８，８０によってパルス列の信号ａ，ｂに変えられる。波形成形された２個のパルス信号ａ，ｂはアップ／ダウン・カウンタ８２に入力される。アップ／ダウン・カウンタ８２は両入力信号の位相関係からアップ／ダウンのモードを定めるとともに、入力信号のパルス数を計数し、ＣＰＵバスライン８４へ送出する。

フォトダイオード６２の検出信号が波形整形されて生成されたパルス信号ａはまた、摺動コントローラ２０とサンプルホールドアンプ４６、Ａ／Ｄ変換器４８へも送られる。ＣＰＵバスライン８４には制御部８６、プログラム格納メモリ８８、データ格納メモリ９０、外部記憶装置９２、ＬＣＤ（液晶ディスプレー）９４、プロッタ９６及びオートゲインアンプ４４、Ａ／Ｄ変換器４８、アップ／ダウン・カウンタ８２が接続されている。

制御部８６には、図２に示すように、干渉計制御ＣＰＵ１００、データ処理ＣＰＵ１０２及び移動鏡６の駆動用電流値の計算に用いるゲインを記憶するＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去可能なＰＲＯＭ）８８ａが含まれる。制御部８６には外部のＰＣ（パーソナルコンピュータ）１０４が接続されている。

このＦＴＩＲの動作を示す。
（ａ）コントロール干渉計の動作：
偏光ビームスプリッタ６０で分割された互いに位相の異なるレーザ干渉光はそれぞれフォトダイオード６２，６４で受光され、それぞれのフォトダイオード６２，６４の検出信号は波形整形され、パルス信号となってアップ／ダウン・カウンタ８２の２個の入力信号ａ，ｂとして取り込まれる。アップ／ダウン・カウンタ８２ではアップ／ダウンのモードを両入力信号の位相関係から求める。すなわち、移動鏡６がビームスプリッタ２に近づく方向であれば、一方の信号ａは他方の信号ｂに対して位相が９０度進み、逆に移動鏡６がビームスプリッタ２から離れる方向であれば信号ａはｂに対して位相が９０度遅れるからである。また、アップ／ダウン・カウンタ８２で計数される入力信号のパルス数は、移動鏡６の位置に依存した信号となる。アップ／ダウン・カウンタ８２の出力信号はバスライン８４を介して制御部８６の干渉計制御ＣＰＵ１００に取り込まれ、移動鏡の摺動の異常を検出し、また赤外分光測定のインターフェログラムの積分を行う際の信号として用いられる。

摺動コントローラ２０は、フォトダイオード６２の検出信号の周波数が一定になるように、パワーアンプ１８を介してリニアモータ１６に印加する電圧を制御する。フォトダイオード６２の検出出力が整形されたもの（ａ信号）はまた、サンプルホールドアンプ４６のサンプリング信号としても、Ａ／Ｄ変換器４８の変換スタート信号としても用いられる。

（ｂ）赤外データ収集の動作：
赤外光源２２から射出されて干渉計で変調され、試料室３４を経て赤外検出器３８で電気信号に変換された信号は、プリアンプ４０からフィルタ４２、オートゲインアンプ４４を経てサンプルホールドアンプ４６でサンプリングされ、Ａ／Ｄ変換器４８でデジタル信号に変換されてバスライン８４に取り込まれる。移動鏡６の移動に伴なってインターフェログラムが生成する。コントロール干渉計の干渉信号である信号ａを用いてＡ／Ｄ変換器４８のＡ／Ｄ変換が起動される。クアドラチュア・コントロールにより移動鏡６の現在位置がリアルタイムで検出されており、この現在位置信号はアップ／ダウン・カウンタ８２により生成され、一連のインターフェログラムのデータ収集開始点、終了点を知るために逐次、制御部８６の干渉計制御ＣＰＵ１００により認識され、移動鏡６の往復方向でデータ収集が行われる。

移動鏡６の初期位置が重力つり合い位置となっている移動鏡摺動機構１４の一例を図３に示す。（Ａ）は垂直断面図、（Ｂ）は（Ａ）の左側面図である。ボディー１３０にベース１３１がプレート１３２，１３３を介して移動可能に吊るされている。ボディー１３０とプレート１３２，１３３の間、及びベース１３１とプレート１３２，１３３の間はフィルム１４１，１４２によって固定され、自由に回転することができる。ベース１３１にはミラーホルダー１３４を介して移動鏡６が固定されている。ボディー１３０にはプレート１３５が固定され、ボディー１３０内にはマグネット１３６とポールピース１３７がボルト１３８によってプレート１３５に固定されている。ベース１３１にはまた、イケール１４０を介してコイル１３９が固定されており、コイル１３９はマグネット１３６とポールピース１３７により形成される磁界中を移動するように位置決めされている。この摺動支持機構ではコイル１３９に電流を流すと、コイル１３９はマグネット１３６とポールピース１３７の磁界によってローレンツ力を受け、ベース１３１を介して移動鏡６を図３（Ａ）で左右方向に移動させる。

ゲイン調整は生産された装置の全てに対して個別に実施する。このゲイン調整は干渉計制御ＣＰＵやデータ処理ＣＰＵや外部ＰＣによって自動的に実行される。調整範囲については開発時におおよその範囲を求めておく。

最適ゲインのデータを収集しておき、調整範囲を見直す。調整範囲が小さくなることは調整時間の短縮につながる。最適ゲインのデータを収集しておくと、あるスロットの生産時に最適ゲインが過去の値からずれていることなどがわかる。この情報は生産に何らかの変化が生じたのではないかという、品質管理上重要な情報となる可能性がある。

本発明では作業者が手動で調整することが不要であるため、従来の方法でデフォルトゲインから変更が必要な場合と比べると作業者の工数が削減できる。従来の方法でデフォルトゲインからの変更が不要な場合には工数の面では変わりはないが、従来の方法では最適値ではなく許容値を設定していることになるのに対し、本発明ではＦＴＩＲごとに個別に最適値を求めるので高性能が得られる。

調整時に移動鏡の移動制御用の電流値を決定するゲインを調整する一実施例の動作を図４のフローチャートを参照して説明する。

移動鏡の移動を駆動するコイルに流す電流値Ｉは、現在の移動鏡位置と目標速度を用いて（式１）の形式で与えられる。
Ｉ＝Ｇ_g×ｌ_m＋Ｇ_f×ｖ_c＋Ｇ_a×ｖ_c×（ｖ_c−ｖ_o） （式１）

図４の動作における「探索条件設定」とは探索範囲の設定や評価関数の設定であり、これらは経験的に決定すればよい。そして、ゲイン値を設定して速度誤差データを収集し、評価関数の計算を行うことを繰り返す。速度誤差データの収集は干渉計制御ＣＰＵ１００で行う。評価関数の計算はパラメータ調整部１０６で行うが、パラメータ調整部１０６をどこに設けるかによって次の３つの形態がある。

（１）パラメータ調整部１０６を干渉計制御ＣＰＵ１００に設けて、干渉計制御ＣＰＵ１００で評価関数の計算を行う。

（２）パラメータ調整部１０６をデータ処理ＣＰＵ１０２に設けて、干渉計制御ＣＰＵ１００からデータ処理ＣＰＵ１０２に速度誤差データを送り、データ処理ＣＰＵ１０２で評価関数の計算を行う。図２はこの例を示している。

（３）パラメータ調整部１０６を外部接続されたＰＣ１０４に設けて、干渉計制御ＣＰＵ１００からデータ処理ＣＰＵ１０２を経由してＰＣ１０４に速度誤差データを送り、ＰＣ１０４で評価関数の計算を行う。

速度誤差はデータ収集点毎に求められる値であり、各データ点での速度誤差をｖerriとする。また、データ収集点数をＮとし、ｖerr₁〜ｖerr_Nの最大値をｖerr_mzx，最小値をｖerr_minとする。

次に、移動鏡の移動速度が目標速度になるようにするための評価関数の一例を示す。

ここで、α、βは重み係数であり、ｖerri、ｖerr_mzx及びｖerr_minはゲイン(Ｇ_g，Ｇ_f，Ｇ_a）の関数である。

ゲインとしてはＧ_g，Ｇ_f及びＧ_aの３つがある。これら３つのゲインをすべて可変パラメータとして全てを調整するようにしてもよく、簡略化する場合はそのうちの変動の大きいゲインを１つ又は２つ選んで残りのゲインは固定しておくようにしてもよい。

評価関数が最小になるゲイン値が求められると、それらの値はデータ処理ＣＰＵ１０２に接続されているＥＥＰＲＯＭのような記憶装置８８ａに記憶しておき、測定の際には記憶されたゲイン値をデータ処理ＣＰＵ１０２から干渉計制御ＣＰＵ１００に送って用いる。

本発明が適用されるＦＴＩＲの一例の構成を示すブロック図である。 同ＦＴＩＲにおける制御部の構成を示すブロック図である。 移動鏡の初期位置が重力つり合い位置となっている移動鏡摺動機構の一例を示す図で、（Ａ）は垂直断面図、（Ｂ）は（Ａ）の左側面図である。 一実施例の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

６ 移動鏡
１４移動鏡の摺動機構
８６ 制御部
１００ 干渉計制御ＣＰＵ
１０４ ＰＣ
１０６ パラメータ調整部

Claims (2)

1. 試料の測定を行う主干渉計のビームスプリッタと固定鏡又は移動鏡との間に位相板を配置し、前記ビームスプリッタで合波された干渉信号から２つの偏光成分を分離して検出し、互いに位相がずれている両検出信号の位相関係と波数とから移動鏡の移動方向と位置とを検出するクアドラチュア・コントロール方式のコントロール干渉計を備えた移動鏡制御装置を備えたフーリエ変換型赤外分光光度計において、
   前記移動鏡はその初期的なつりあい位置が重力方向になるように吊り下げられた方式のものであり、
   前記移動鏡を駆動するための制御部は、移動鏡の現在位置と現在速度の測定値を用い、移動鏡のつりあい位置からの距離、移動鏡の現在速度、及び移動鏡の現在速度と目標速度との差のそれぞれにゲインをかけて得られる値に基づいて、移動鏡の移動速度が目標速度になるように移動鏡を駆動するために与える電流をフィードバック制御するものであり、かつ、
   前記ゲインのうちの少なくとも一部のゲインが可変パラメータとして設定されており、調整時に移動鏡の移動速度が目標速度になるようにするために前記可変パラメータが最適値となるように調整するパラメータ調整部を備えていることを特徴とするフーリエ変換型赤外分光光度計。
2. 移動鏡を駆動するために与える電流を決定する全てのゲインが可変パラメータとして設定されており、前記パラメータ調整部は調整時にそれらの全てのパラメータが最適値となるように調整するものである請求項１に記載のフーリエ変換型赤外分光光度計。

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