JP2012078279A - 干渉分光光度計 - Google Patents

Abstract

【課題】 移動鏡を移動させても、機械的な振動や音響的な振動の影響が生じない干渉分光光度計を提供する。
【解決手段】 光を出射する光源部１０と、固定鏡８５と、移動鏡６２と、移動鏡６２を支持し、入射光軸方向で前後に往復動させる摺動支持機構５０と、光源部１０からの光を受けて、固定鏡８５と移動鏡６２とに向けて二分割するとともに、固定鏡８５で反射して戻ってきた光と移動鏡６２で反射して戻ってきた光とを受けて、干渉光に合成するビームスプリッタ７４と、試料が配置され、試料を透過又は反射した干渉光を検出する光検出部２０とを備える干渉分光光度計１であって、マンガン系制振合金で作製された部材を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フーリエ変換赤外分光光度計（以下、「ＦＴＩＲ」と略す）等の干渉分光光度計に関する。

ＦＴＩＲに利用されるマイケルソン二光束干渉計では、赤外光源から発した赤外光をビームスプリッタで固定鏡と移動鏡との二方向に分割し、固定鏡で反射して戻ってきた光と移動鏡で反射して戻ってきた光とをビームスプリッタで合成して一つの光路へと送るという構成を有している。このとき、移動鏡を入射光軸方向で前後に移動させると、分割された二光束の光路長の差が変化するから、合成された光は移動鏡の位置に応じて光の強度が変化する干渉光（インターフェログラム）となる。

図６は、従来のＦＴＩＲの要部の構成を示す構成図である。
ＦＴＩＲ２０１は、主干渉計主要部２４０と、赤外光を出射する光源部１０と、試料Ｓが配置される光検出部２０とを備える（例えば、特許文献１参照）。
光源部１０は、赤外光を出射する赤外光源と、集光鏡と、コリメータ鏡とを備える。これにより、赤外光源から出射された赤外光は、集光鏡、コリメータ鏡を介して主干渉計主要部２４０のビームスプリッタ７４（図８参照）に照射されるようになっている。
光検出部２０は、放物面鏡と、楕円面鏡と、インターフェログラムを検出する光検出器と、試料Ｓが配置される試料配置部とを備える。これにより、放物面鏡にて集光された光は、試料Ｓに照射され、試料Ｓを透過（又は反射）した光は、楕円面鏡により光検出器へ集光されるようになっている。

主干渉計主要部２４０は、内部空間を有する筐体４２を備え、図６の上部に移動鏡ユニット２５０が配置され、図６の中部にビームスプリッタユニット２７０が配置され、図６の下部に固定鏡８５を備えた固定鏡ユニット２８０が配置されている。
図７は、移動鏡ユニット２５０の縦断面図である。
移動鏡ユニット（摺動支持機構）２５０は、アルミニウム合金製の天板５１と、アルミニウム合金製の底板５２と、アルミニウム合金製の２個のプレート５３、５４とを備える。プレート５３の上端部は、天板５１の上面の左側部と連結されるとともに、プレート５３の下端部は、底板５２の上面の左側部と連結されている。また、プレート５４の上端部は、天板５１の上面の右側部と連結されるとともに、プレート５４の上面の下端部は、底板５２の右側部と連結されている。
これにより、底板５２は、プレート５３、５４を介して、天板５１に対して左右方向に移動可能となるように吊るされている。

天板５１の下面の中央部には、鉄製のヨーク５５が固定されており、ヨーク５５には、マグネット５６ａとポールピース５６ｂとがボルト５７によって固定されている。
底板５２の上面の中央部には、アルミニウム合金製のイケール２５８を介してコイル５９が固定されており、コイル５９はマグネット５６ａとヨーク５５とポールピース５６ｂと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。

底板５２の上面の左側には、アルミニウム合金製のミラーホルダ２６１が固定され、円板状の移動鏡６２の中央部が、ミラーホルダ２６１の上端部に固定されている。これにより、コイル５９に電流を流すと、コイル５９はヨーク５５とポールピース５６ｂとの間に形成される磁界によって電磁力を受け、底板５２が左右方向に移動することで、移動鏡６２も左右方向Ｍに移動するようになっている。
そして、移動鏡ユニット２５０のアルミニウム合金製の天板５１は、ステンレス合金製のネジやステンレス合金製のワッシャ２６３を用いて筐体４２に取り付けられている。

図８は、ビームスプリッタユニット２７０の縦断面図である。
ビームスプリッタユニット（収納機構）２７０において、ビームスプリッタ７４は測定波長域に応じて交換可能なようにアルミニウム合金製のホルダ７１に収納されており、アルミニウム合金製のカギ状部材７２とりん青銅製の板バネ２７３とでホルダ７１に固定されている。
そして、ビームスプリッタユニット２７０のアルミニウム合金製のホルダ７１は、ステンレス合金製のネジやステンレス合金製のワッシャ２７５を用いて筐体４２に取り付けられている。

このような主干渉計主要部２４０によれば、光源部１０から出射された赤外光は、ビームスプリッタ７４に照射され、ビームスプリッタ７４で固定鏡８５と移動鏡６２との二方向に分割される。そして、固定鏡８５で反射して戻ってきた光と移動鏡６２で反射して戻ってきた光とはビームスプリッタ７４へ戻り、ビームスプリッタ７４で合成されて光検出部２０へ向かう光路に送られる。このとき、移動鏡６２は入射光軸方向Ｍで前後に往復動しているため、分割された二光束の光路長の差は周期的に変化し、ビームスプリッタ７４から光検出部２０へ向かう光は、時間的に振幅が変動するインターフェログラムとなる。そして、インターフェログラムは、試料Ｓに照射され、試料Ｓを透過した光は、光検出器へ集光される。

特開２００２−１４８１１６号公報

ところで、インターフェログラムを検出することで得られる光検出器の出力信号に、分割された二光束の光路差の変化情報以外の要因による変化情報が重畳すると、出力信号をフーリエ変換することで得られるスペクトルは正しいものとはならない。しかしながら、ＦＴＩＲ２０１においては、二光束の光路差を変化させるため、移動鏡ユニット２５０の移動鏡６２を往復動させる必要があるので、機械的な振動や音響的な振動が生じる。例えば、コイル５９に電流を流すと、コイル５９はヨーク５５とポールピース５６ｂの間に形成される磁界によって電磁力を受け、底板５２を左右方向に移動させるが、その一方、電磁力の反力がヨーク５５とポールピース５６ｂとに作用し、天板５１を振動させる。その結果、天板５１の振動は、筐体４２に伝わり、ビームスプリッタ７４や固定鏡ユニット２８０をも振動させることになる。すなわち、出力信号をフーリエ変換することで得られるスペクトルが乱れたり、偽のピークが生じたりすることがあった。

本件発明者らは、上記課題を解決するために、機械的な振動や音響的な振動が生じない材料について検討を行った。ビームスプリッタ７４や固定鏡８５等の光学素子の位置や姿勢を決める保持部分について、線膨張係数の異なる材料を組み合わせた場合、温度変化によって生じる熱応力により光学素子の位置や姿勢が変化する要因となる。よって、ＦＴＩＲ２０１では、アルミニウム合金（線膨張係数：約２３×１０^−６／ｄｅｇ）で作製された部材が使用されているため、一般的な制振材料である黒鉛鋳鉄（線膨張係数：約１０×１０^−６／ｄｅｇ）やマグネシウム合金（線膨張係数：約２７×１０^−６／ｄｅｇ）は、アルミニウム合金との線膨張係数の差が大きいので、アルミニウム合金と組み合わせて使用することができなかった。そこで、アルミニウム合金と線膨張係数の差が小さいマンガン系制振合金（線膨張係数：約２２×１０^−６／ｄｅｇ）を、アルミニウム合金と組み合わせて使用することで、熱応力により光学素子の位置や姿勢が変化することを防止するとともに、機械的な振動や音響的な振動を防止することができることを見出した。

すなわち、本発明の干渉分光光度計は、光を出射する光源部と、固定鏡と、移動鏡と、前記移動鏡を支持し、入射光軸方向で前後に往復動させる摺動支持機構と、前記光源部からの光を受けて、前記固定鏡と移動鏡とに向けて二分割するとともに、前記固定鏡で反射して戻ってきた光と移動鏡で反射して戻ってきた光とを受けて、干渉光に合成するビームスプリッタと、試料が配置され、当該試料を透過又は反射した干渉光を検出する光検出部とを備える干渉分光光度計であって、マンガン系制振合金で作製された部材が使用されているようにしている。

ここで、「マンガン系制振合金」とは、Ｍｎをベースとしたものをいい、例えば、基本組成として、Ｍｎをベースとし、原子％で、Ｃｕ：２０±５％、Ｎｉ：５±３％、Ｆｅ：２±１％を含有することが好ましい。

以上のように、本発明の干渉分光光度計によれば、広い周波数範囲に対して高い減衰能を有するマンガン系制振合金で作製された部材が使用されているので、移動鏡を移動させても、機械的な振動や音響的な振動がすみやかに減衰し、影響を受けることがない。また、アルミニウム合金と線膨張係数の差が小さいマンガン系制振合金で作製された部材が使用されているので、アルミニウム合金と組み合わせて使用しても、熱応力により鏡やビームスプリッタ等の光学素子の位置や姿勢が変化しない。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記発明において、前記摺動支持機構には、ミラーホルダを介して移動鏡が固定されており、前記ミラーホルダは、マンガン系制振合金で作製されているようにしてもよい。
本発明の干渉分光光度計によれば、高価なマンガン系制振合金で作製された部材が特定の部材であるミラーホルダのみになるので、安価に機械的な振動や音響的な振動が生じないようにすることができる。
また、上記発明において、前記摺動支持機構には、イケールを介してコイルが固定されており、前記イケールは、マンガン系制振合金で作製されているようにしてもよい。
本発明の干渉分光光度計によれば、高価なマンガン系制振合金で作製された部材が特定の部材であるイケールのみになるので、安価に機械的な振動や音響的な振動が生じないようにすることができる。

また、上記発明において、前記ビームスプリッタを交換可能なように収納するホルダを有する収納機構を備え、前記収納機構は、前記ビームスプリッタをホルダに固定するバネを有し、前記バネは、マンガン系制振合金で作製されるようにしてもよい。
本発明の干渉分光光度計によれば、高価なマンガン系制振合金で作製された部材が特定の部材であるバネのみになるので、安価に機械的な振動や音響的な振動が生じないようにすることができる。
そして、上記発明において、内部空間を有する筐体を備え、前記固定鏡、移動鏡、摺動支持機構、及び、ビームスプリッタからなる群から選択される少なくとも１つが、マンガン系制振合金で作製された部材を用いて筐体に取り付けられ、前記部材は、固定するためのネジに用いられるワッシャであるようにしてもよい。
本発明の干渉分光光度計によれば、高価なマンガン系制振合金で作製された部材が特定の部材であるワッシャのみになるので、安価に機械的な振動や音響的な振動が生じないようにすることができる。

さらに、上記発明において、前記部材は、前記固定鏡、移動鏡、摺動支持機構、及び、ビームスプリッタからなる群から選択される少なくとも１つと、前記ネジとの間に配置されるワッシャと、前記固定鏡、移動鏡、摺動支持機構、及び、ビームスプリッタからなる群から選択される少なくとも１つと、前記筐体との間に配置される薄板とであるようにしてもよい。
本発明の干渉分光光度計によれば、高価なマンガン系制振合金で作製された部材が特定の部材であるワッシャと薄板とになるので、機械的な振動や音響的な振動がより生じないようにすることができる。

本発明に係るＦＴＩＲの要部の構成を示す構成図である。 移動鏡ユニットの縦断面図である。 筐体に取り付けられている移動鏡ユニットの部分拡大図である。 ビームスプリッタユニットの縦断面図である。 固定鏡姿勢調整機構の要部の構成を示す構成図である。 従来のＦＴＩＲの要部の構成を示す構成図である。 移動鏡ユニットの縦断面図である。 ビームスプリッタユニットの縦断面図である。 移動鏡ユニットの他の一例の縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

図１は、本発明に係るＦＴＩＲの要部の構成を示す構成図である。なお、ＦＴＩＲ２０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
ＦＴＩＲ１は、主干渉計主要部４０と、赤外光を出射する光源部１０と、試料Ｓが配置される光検出部２０とを備える。
主干渉計主要部４０は、内部空間を有する筐体４２を備え、図１の上部に移動鏡ユニット５０が配置され、図１の中部にビームスプリッタユニット７０が配置され、図１の下部に固定鏡ユニット８０が配置されている。

図２は、移動鏡ユニット５０の縦断面図である。
移動鏡ユニット（摺動支持機構）５０は、アルミニウム合金製の天板５１と、アルミニウム合金製の底板５２と、アルミニウム合金製の２個のプレート５３、５４とを備える。プレート５３の上端部は、天板５１の上面の左側部と連結されるとともに、プレート５３の下端部は、底板５２の上面の左側部と連結されている。また、プレート５４の上端部は、天板５１の上面の右側部と連結されるとともに、プレート５４の下端部は、底板５２の上面の右側部と連結されている。

天板５１の下面の中央部には、鉄製のヨーク５５が固定されており、ヨーク５５には、マグネット５６ａとポールピース５６ｂとがボルト５７によって固定されている。
底板５２の上面の中央部には、マンガン系制振合金製のイケール５８を介してコイル５９が固定されており、コイル５９はマグネット５６ａとヨーク５５とポールピース５６ｂと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。すなわち、本発明に係るイケール５８は、アルミニウム合金製でなく、マンガン系制振合金製となっている。
底板５２の上面の左側には、マンガン系制振合金製のミラーホルダ６１が固定され、円板状の移動鏡６２の中央部が、ミラーホルダ６１の上端部に固定されている。すなわち、本発明に係るミラーホルダ６１は、アルミニウム合金製でなく、マンガン系制振合金製となっている。

そして、移動鏡ユニット５０のアルミニウム合金製の天板５１は、ステンレス合金製のネジ６５やマンガン系制振合金製のワッシャ６３やマンガン系制振合金製の薄板６４を用いて筐体４２に取り付けられている。すなわち、本発明に係るワッシャ６３は、ステンレス合金製でなく、マンガン系制振合金製となっている。図３は、筐体４２に取り付けられている移動鏡ユニット５０の部分拡大図である。ネジ６５と天板５１との間に、ワッシャ６３が配置されるとともに、筐体４２と天板５１との間に、薄板６４が配置されている。

図４は、ビームスプリッタユニット７０の縦断面図である。
ビームスプリッタユニット７０において、ビームスプリッタ７４は測定波長域に応じて交換可能なようにホルダ７１に収納されており、アルミニウム合金製のカギ状部材７２とマンガン系制振合金製の板バネ７３とでホルダ７１に固定されている。すなわち、本発明に係る板バネ７３は、りん青銅製でなく、マンガン系制振合金製となっている。
そして、ビームスプリッタユニット７０のアルミニウム合金製のホルダ７１は、ステンレス合金製のネジやマンガン系制振合金製のワッシャ７５やマンガン系制振合金製の薄板を用いて筐体４２に取り付けられている。すなわち、本発明に係るワッシャ７５は、ステンレス合金製でなく、マンガン系制振合金製となっている。

図５は、固定鏡姿勢調整機構（固定鏡ユニット）８０の要部の構成を示す構成図であり、図５（ａ）は、正面外観図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す軸線Ｃ２での切断略断面図である。
円板状の固定鏡８５は、ホルダ８１に固定され、ホルダ８１は、ゴム等の弾性体である首部８８１を有する支持棒８２の一端部に固定されている。支持棒８２の固着位置は、固定鏡８５の中心の軸線Ｃ３と一致しており、軸線Ｃ３に沿って支持棒８２はアルミニウム合金製の固定台８３に埋設され、支持棒８２の他端部は、ネジ８４で固定台８３に螺着されている。なお、固定鏡８５とホルダ８１とは、支持棒８２の首部８８１を支点として首振り運動自在となっている。

固定台８３の垂直方向の軸線Ｃ２上の所定個所には、内周の一部に雌ねじ部を螺刻した螺入孔９２が、軸線Ｃ３に略並行な軸線Ｃ４に沿って貫通して形成されている。螺入孔９２には、外周に雄ねじ部を螺刻した円柱体８６が進退自在に螺挿されている。円柱体８６の先端面には積層型の圧電素子８７が固着されており、圧電素子８７の先端はホルダ８１の裏面（固定鏡８５の取付面と逆の面）に接触している。圧電素子８７と円柱体８６との略中心を通る軸線Ｃ４上のホルダ８１の表面は、固定台８３にネジ９０で固定された板バネ８９により押圧されている。すなわち、ホルダ８１は圧電素子８７と板バネ８９とで挟み込まれた状態になっている。円柱体８６の他端面はギア８８の中心に固定されており、ギア８８はモータ９１により回転駆動される。

モータ９１を所定方向に回転駆動すると、ギア８８は所定方向に回転し、ギア８８と一体に円柱体８６と圧電素子８７とが回転する。このとき、円柱体８６と螺入孔９２とのネジ部の螺合により、円柱体８６は徐々に螺入孔９２の内部へ押し入ってゆき、圧電素子８７の先端はホルダ８１の裏面を押す。ホルダ８１は板バネ８９の付勢力に抗して、支持棒８２の首部８８１を支点として上向きに傾く。
一方、モータ９１を逆方向に回転駆動すると、ギア８８は逆方向に回転し、円柱体８６は螺入孔９２から徐々に出てゆき、圧電素子８７の先端はホルダ８１から離間する方向へと移動する。すると、ホルダ８１は板バネ８９により押され、支持棒８２の首部８８１を支点として下向きに傾く。このように、円柱体８６と圧電素子８７との進退に応じて、つまり、モータ９１の回転に応じて、固定鏡８５は垂直な軸線Ｃ２の方向に揺動する。

また、固定台８３の水平方向の軸線Ｃ１上の所定個所には、上述した構成と同様の構成を有し、固定鏡８５とホルダ８１とを軸線Ｃ１の方向に揺動させるための機構が設けられている。したがって、圧電素子９３の進退に応じて、つまり、モータ９４の回転に応じて、固定鏡８５は水平な軸線Ｃ１の方向に揺動する。すなわち、固定鏡８５は、２個のモータ９１、９４の回転に応じて互いに直交する二軸方向に揺動自在であって、ビームスプリッタ７４に対して如何なる方向の角度調整も可能となっている。
そして、固定鏡姿勢調整機構８０のアルミニウム合金製の固定台８３は、アルミニウム合金製のネジやマンガン系制振合金製のワッシャ９５（図１参照）やマンガン系制振合金製の薄板を用いて筐体４２に取り付けられている。すなわち、本発明に係るワッシャ９５は、アルミニウム合金製でなく、マンガン系制振合金製となっている。

以上のように、本発明のＦＴＩＲ１によれば、広い周波数範囲に対して高い減衰能を有するマンガン系制振合金で作製されたイケール５８と、ミラーホルダ６１と、板バネ７３と、ワッシャ６３、７５、９５と、薄板６４とが使用されているので、移動鏡６２を移動させても、機械的な振動や音響的な振動が生じない。また、アルミニウム合金と線膨張係数の差が小さいマンガン系制振合金で作製されたイケール５８と、ミラーホルダ６１と、板バネ７３と、ワッシャ６３、７５、９５と、薄板６４とが使用されているので、熱応力によりビームスプリッタ７４等の光学素子の位置や姿勢が変化しない。

（他の実施形態）
上述したＦＴＩＲ１では、マンガン系制振合金製のイケール５８と、ミラーホルダ６１と、板バネ７３と、ワッシャ６３、７５、９５と、薄板６４とを使用する構成を示したが、別の部材において、アルミニウム合金の代わりに、マンガン系制振合金製を使用する構成としてもよい。

また、移動鏡の摺動支持機構には、リニアガイドやエアベアリングを用いてもよい。
図９は、リニアガイド１７０を用いた移動鏡ユニット１５０の縦断面図である。
移動鏡ユニット（摺動支持機構）１５０は、底面に溝を有するアルミニウム合金製の底板１５２と、溝に対応するレール状のリニアガイド１７０とを備える。
鉄製のヨーク１５５には、マグネット及びポールピース１５６がボルト（図示せず）によって固定されている。
底板１５２の上面の右側には、マンガン系制振合金製のイケール１５８を介してコイル１５９が固定されており、コイル１５９はマグネット及びポールピース１５６とヨーク１５５と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。すなわち、本発明に係るイケール１５８は、マンガン系制振合金製となっている。
底板１５２の上面の左側には、マンガン系制振合金製のミラーホルダ１６１が固定され、円板状の移動鏡１６２の中央部が、ミラーホルダ１６１の上端部に固定されている。すなわち、本発明に係るミラーホルダ１６１は、アルミニウム合金製でなく、マンガン系制振合金製となっている。
そして、移動鏡ユニット１５０のアルミニウム合金製の底板１５２は、ステンレス合金製のネジやマンガン系制振合金製のワッシャやマンガン系制振合金製の薄板を用いて筐体４２に取り付けられている。

本発明は、フーリエ変換赤外分光光度計等の干渉分光光度計等に好適に利用できる。

１ ＦＴＩＲ（干渉分光光度計）
１０ 光源部
２０ 光検出部
５０ 移動鏡ユニット（摺動支持機構）
６２ 移動鏡
７４ ビームスプリッタ
８５ 固定鏡

Claims (6)

1. 光を出射する光源部と、
   固定鏡と、
   移動鏡と、
   前記移動鏡を支持し、入射光軸方向で前後に往復動させる摺動支持機構と、
   前記光源部からの光を受けて、前記固定鏡と移動鏡とに向けて二分割するとともに、前記固定鏡で反射して戻ってきた光と移動鏡で反射して戻ってきた光とを受けて、干渉光に合成するビームスプリッタと、
   試料が配置され、当該試料を透過又は反射した干渉光を検出する光検出部とを備える干渉分光光度計であって、
   マンガン系制振合金で作製された部材が使用されていることを特徴とする干渉分光光度計。
2. 前記摺動支持機構には、ミラーホルダを介して移動鏡が固定されており、
   前記ミラーホルダは、マンガン系制振合金で作製されていることを特徴とする請求項１に記載の干渉分光光度計。
3. 前記摺動支持機構には、イケールを介してコイルが固定されており、
   前記イケールは、マンガン系制振合金で作製されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の干渉分光光度計。
4. 前記ビームスプリッタを交換可能なように収納するホルダを有する収納機構を備え、
   前記収納機構は、前記ビームスプリッタをホルダに固定するバネを有し、
   前記バネは、マンガン系制振合金で作製されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の干渉分光光度計。
5. 内部空間を有する筐体を備え、
   前記固定鏡、移動鏡、摺動支持機構、及び、ビームスプリッタからなる群から選択される少なくとも１つが、マンガン系制振合金で作製された部材を用いて筐体に取り付けられており、
   前記部材は、固定するためのネジに用いられるワッシャであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の干渉分光光度計。
6. 前記部材は、前記固定鏡、移動鏡、摺動支持機構、及び、ビームスプリッタからなる群から選択される少なくとも１つと、前記ネジとの間に配置されるワッシャと、
   前記固定鏡、移動鏡、摺動支持機構、及び、ビームスプリッタからなる群から選択される少なくとも１つと、前記筐体との間に配置される薄板とであることを特徴とする請求項５に記載の干渉分光光度計。

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