JP3091898B2 - 中性子チョッパの駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷中性子散乱装置にお
いて中性子ビームをパルス化するために用いられる中性
子チョッパのスピンドルを回転駆動する中性子チョッパ
の駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷中性子散乱装置は、原子炉から出た中
性子ビームのうち、測定に用いる特定の波長の中性子ビ
ームを取り出し、方向を揃え、所定の間隔でかつ幅の狭
いパルスにして試料に当て、この試料で散乱された中性
子をディテクタで観測し、中性子が試料に当たってから
ディテクタで観測されるまでの時間を測定し、散乱後の
中性子の速度と散乱の角度から試料の物性を調べるため
の装置である。

【０００３】この冷中性子散乱装置では、中性子ビーム
をパルス化するために中性子チョッパが用いられる。こ
の中性子チョッパは、中性子が通過する窓となる横穴を
有するスピンドルを回転させることにより、中性子が通
過する窓が開いたり閉じたりするようになっている。こ
こで、幅の狭いパルスを作るだけなら高速で回転する中
性子チョッパが一つあれば良いが、パルスとパルスの間
隔が狭いと測定に支障をきたすので、パルスを間引きす
る意味で低速で回転するもう一つの中性子チョッパが必
要になる。すなわち、連続する中性子ビームを、まず低
速チョッパでおおまかにパルス化し、次に高速チョッパ
で幅の狭いパルスにする。なお、低速チョッパと高速チ
ョッパの各スピンドルは、同時に窓が開くように同期し
て回転させる必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のように回転数の
異なる２つのスピンドルを同期させて回転させる場合、
従来は、各スピンドルをＣＰＵ（中央処理装置）でコン
トロールされたステッピングモータで回転させるように
していた。

【０００５】ところが、この方法だと、スピンドルの回
転数を変えた場合には、同期が取れなくなり、同期を取
るための再調整が必要になるという問題点があった。ま
た、最初に同期を取るための調整や前述の再調整が難し
いという問題点があった。

【０００６】そこで本発明の第１の目的は、互いに異な
る回転数で回転する２つのスピンドルを有する中性子チ
ョッパにおいて、スピンドルの回転数を変えた場合でも
容易に２つのスピンドルの同期を取ることができるよう
にした中性子チョッパの駆動装置を提供することにあ
る。

【０００７】また、本発明の第２の目的は、上記第１の
目的に加え、２つのスピンドルの同期をとるための調整
が容易な中性子チョッパの駆動装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明の中
性子チョッパの駆動装置は、中性子が通過する窓を有し
高速で回転する高速側スピンドルを回転させるための高
速側モータと、この高速側モータの回転位置を検出する
高速側エンコーダと、中性子が通過する窓を有し低速で
回転する低速側スピンドルを回転させるための低速側モ
ータと、この低速側モータの回転位置を検出する低速側
エンコーダと、高速側モータを一定の回転数で回転させ
るための高速側モータ駆動回路と、高速側エンコーダの
出力パルスを、高速側モータと低速側モータの回転数比
に対応した分周比で分周する分周回路と、この分周回路
の出力パルスに基づいて低速側モータを駆動する低速側
モータ駆動回路とを備えたものである。

【０００９】請求項２記載の発明の中性子チョッパの駆
動装置は、請求項１記載の発明において、高速側エンコ
ーダの出力パルスと低速側エンコーダの出力パルスとに
基づいて、高速側モータ駆動回路と低速側モータ駆動回
路の少なくとも一方を制御して、中性子が高速側スピン
ドルの窓と低速側スピンドルの窓の双方を通過すること
ができるように高速側モータの回転位置と低速側モータ
の回転位置とを所定の回転位置において一致させる同期
手段を備えたものである。

【００１０】

【作用】請求項１記載の発明の中性子チョッパの駆動装
置では、高速側モータ駆動回路によって、高速側モータ
を一定の回転数で回転し、分周回路によって、高速側エ
ンコーダの出力パルスを、高速側モータと低速側モータ
の回転数比に対応した分周比で分周し、この分周回路の
出力パルスに基づいて、低速側モータ駆動回路によって
低速側モータを駆動する。

【００１１】請求項２記載の発明の中性子チョッパの駆
動装置では、同期手段によって、高速側エンコーダの出
力パルスと低速側エンコーダの出力パルスとに基づい
て、高速側モータ駆動回路と低速側モータ駆動回路の少
なくとも一方を制御することによって、高速側モータの
回転位置と低速側モータの回転位置とを所定の回転位置
において一致させて、２つのスピンドルの同期を取る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の中性子チョッパの駆動装置に
おける一実施例について図面を参照して詳細に説明す
る。まず、図４を用いて、中性子チョッパを用いる冷中
性子散乱装置について説明する。

【００１３】図４に示すように、冷中性子散乱装置は、
原子炉１１から出てきた中性子ビーム１２のうち、測定
に用いる特定の波長の中性子のみを取り出すモノクロメ
ータ１３と、中性子ビームを原子炉１１からモノクロメ
ータ１３へ導く中性子ガイド１４と、モノクロメータ１
３によって取り出された特定の波長の中性子の方向を揃
えるフィルタ１５と、このフィルタ１５を通過した中性
子をパルス化するための中性子チョッパである低速チョ
ッパ１６および高速チョッパ１７と、これらのチョッパ
１６、１７を通過してパルス化され、試料１８で散乱さ
れた中性子を観測するためのディテクタ１９とを備えて
いる。

【００１４】次に、この冷中性子散乱装置の動作につい
て説明する。原子炉１１から出てきた中性子ビーム１２
は、いろいろな波長の中性子が混ざっている。その中か
ら、モノクロメータ１３で、特定の波長の中性子のみを
取り出す。次に、この中性子を、フィルタ１５で方向を
揃え、中性子チョッパ１６、１７に入射させる。ここま
で連続して出てきた中性子は、低速チョッパ１６におい
ておおまかにパルス化され、さらに高速チョッパ１７に
よって幅の狭いパルスにされる。このパルス化された中
性子は、試料１８の原子核に衝突し、原子核にエネルギ
を与え、弾性散乱する。散乱した中性子は、ディテクタ
１９で観測される。冷中性子散乱装置は、このようにし
て試料１８に当たってから、ディテクタ１９で観測され
るまでの時間を測定し、散乱後の中性子の速度と散乱の
角度から試料の物性を調べるための装置である。

【００１５】ここで、図５を参照して中性子チョッパの
動作について詳しく説明する。図５（ａ）は低速チョッ
パ１６に入射する前の中性子量の時間変化を示し、図５
（ｂ）は低速チョッパ１６通過後の中性子量の時間変化
を示し、図５（ｃ）は高速チョッパ１７通過後の中性子
量の時間変化を示している。なお、低速チョッパ１６は
毎分８０００回転、高速チョッパ１７は毎分２４０００
回転しているものとする。

【００１６】図５（ａ）に示すように、低速チョッパ１
６に入射する前の中性子ビームは連続している。この中
性子ビームが低速チョッパ１６を通過すると、図５
（ｂ）に示すようにおおまかにパルス化される。さら
に、この中性子ビームが高速チョッパ１７を通過する
と、図５（ｃ）に示すように幅の狭いパルスになる。幅
の狭いパルスを作るだけなら高速チョッパ１７のみでも
良いが、パルスとパルスの間隔が狭いと測定に支障をき
たすので、パルスを間引きする意味で低速チョッパ１６
が必要になり、また、２つのチョッパ１６、１７は同期
して回転させる必要がある。

【００１７】各チョッパ１６、１７は、それぞれ、スピ
ンドルと、このスピンドルを回転させるモータと、この
モータの回転位置を検出するエンコーダとを備えてい
る。図６は各チョッパ１６、１７のスピンドルの断面を
示す断面図である。この図に示すように、低速チョッパ
１６の低速側スピンドル１６ａ、高速チョッパ１７の高
速側スピンドル１７ａは、それぞれ、中性子が通過する
窓となる断面が矩形の横穴１６ｂ、１７ｂを有してい
る。そして、スピンドル１６ａ、１７ａが回転すること
により、中性子が通過する窓が開いたり閉じたりするよ
うになっている。また、例えば、２つのチョッパ１６、
１７の窓が共に正面を向いたときに、チョッパ１７の横
穴１７ｂの中心に対してチョッパ１６の横穴１６ｂの中
心のずれが±１°となるように、チョッパ１６、１７は
同期して回転される。

【００１８】また、高速チョッパ１７は、幅の狭いパル
スを作るために、横穴１７ｂの中に、コリメータ２１と
呼ばれるスリットが内蔵されている。このコリメータ２
１は、中性子を通しやすい物質からなる層と中性子を通
しにくい物質からなる中性子遮断層を積層して構成され
ている。そして、中性子は、中性子を通しやすい物質か
らなる層を通り抜けていくようになっている。

【００１９】次に、図１を参照して、本実施例の中性子
チョッパの駆動装置の構成について説明する。図１に示
すように、中性子チョッパの駆動装置は、高速側スピン
ドル１７ａを回転させるための高速側モータ３１と、こ
の高速側モータ３１の回転位置を検出する高速側エンコ
ーダ３２と、低速側スピンドル１６ａを回転させるため
の低速側モータ３３と、この低速側モータ３３の回転位
置を検出する低速側エンコーダ３４と、高速側モータを
一定の回転数で回転させるための高速側モータ駆動回路
としてのインバータ３５と、高速側エンコーダ３２の出
力パルスを、高速側モータ３１と低速側モータ３３の回
転数比に対応した分周比で分周する分周回路を含むと共
に両エンコーダ３２、３４の出力パルスを用いて２つの
スピンドル１６ａ、１７ａの同期を取る同期手段として
の同調回路３６と、この同調回路３６の出力パルスに基
づいて低速側モータ３３を駆動する低速側モータ駆動回
路としてのドライバ３７とを備えている。

【００２０】中性子チョッパの駆動装置は、さらに、イ
ンバータ３５、同調回路３６およびドライバ３７を制御
するためのＣＰＵ（中央処理装置）４１と、このＣＰＵ
４１に対してバス４０を介して接続されたＲＯＭ（リー
ド・オンリ・メモリ）４２、ＲＡＭ（ランダム・アクセ
ス・メモリ）４３、コントロールパネル４４、入力装置
４５および出力装置４６とを備えている。なお、インバ
ータ３５、同調回路３６およびドライバ３７はバス４０
に接続されている。ＣＰＵ４１は、キーボード等の入力
装置４５からの入力データに応じて動作し、ＲＡＭ４３
をワーキングエリアとしてＲＯＭ４２に格納されたプロ
グラムを実行することによって、インバータ３５、同調
回路３６、ドライバ３７およびコントロールパネル４４
を制御する。また、コントロールパネル４４は各モータ
３１、３３の回転数等を設定するためのものである。

【００２１】なお、本実施例では、高速側モータ３１と
しては例えばインダクションモータ（誘導モータ）が用
いられ、低速側モータ３３としては例えばブラシレスモ
ータが用いられている。高速側エンコーダ３２は、１周
毎に所定の回転位置において１つのパルス（以下、高速
側Ｚパルスと言う。）を出力すると共に、１周につき等
間隔の３６００個のパルス（以下、高速側３６００パル
スと言う。）を出力する。また、低速側エンコーダ３４
は１周毎に所定の回転位置において１つのパルス（以
下、低速側Ｚパルスと言う。）を出力する。

【００２２】図２は、図１における同調回路３６の構成
を示すブロック図である。この図に示すように、同調回
路３６は、高速側３６００パルス５０を高速側モータ３
１と低速側モータ３３の回転数比に対応した分周比１／
２〜１／５で分周する分周回路５１と、ＣＰＵ４１の指
令に基づいて分周回路５１の出力パルスから１パルスを
削除するパルス削除回路５２と、このパルス削除回路５
２の出力パルスを分周比１／１０で分周してドライバ３
７に供給する分周回路５３とを備えている。ＣＰＵ４１
は、分周回路５１における分周比を決定する分周比選択
信号を分周回路５１に出力する。なお、分周回路５３
は、本実施例におけるドライバ３７の仕様が入力１パル
スを角度１度として動作するものであることに対応し、
高速側３６００パルス５０を分周回路５１で分周したパ
ルスをさらに１／１０に分周して１パルスが角度１度に
対応するようにするためのものである。

【００２３】同調回路３６は、さらに、低速側Ｚパルス
５４を入力する毎に出力が反転するフリップ・フロップ
（以下、ＦＦと記す。）５５と、このＦＦ５５の出力と
分周回路５１の出力との論理和をとるアンドゲート５６
と、このアンドゲート５６の出力パルスをカウントし、
所定数だけカウントすると１パルスを出力するカウンタ
５７と、このカウンタ５７の出力を分周回路５１の出力
パルスによってシフトするシフトレジスタ５８と、この
シフトレジスタ５８の最低位のビットの出力によってセ
ットされ最高位のビットの出力によってリセットされる
ＦＦ５９と、このＦＦ５９の出力と高速側Ｚパルス６０
との論理和をとるアンドゲート６１と、このアンドゲー
ト６１の出力に応じて同期検出信号となるパルスをＣＰ
Ｕ４１に出力するＦＦ６２とを備えている。ＣＰＵ４１
は、同期検出信号が入力されない場合は１パルス削除信
号をパルス削除回路５２に出力し、同期検出信号が入力
されると１パルス削除信号の出力を停止する。また、Ｃ
ＰＵ４１は、カウンタ５７に対して、合わせ込み位置に
対応したカウント値をセットするようになっている。こ
のカウント値は、高速側スピンドル１７ａと低速側スピ
ンドル１６ａが同期しているときに、低速側Ｚパルス５
４が出力されてから高速側Ｚパルス６０が出力されるま
での分周回路５１の出力パルスの数に対応する。

【００２４】次に、本実施例の中性子チョッパの駆動装
置の動作について説明する。図１において、インバータ
３５は、ＣＰＵ４１の指令に基づいて、高速側モータ３
１を一定の回転数で回転させる。一方、ドライバ３７
は、低速側モータ３３が一定の回転数に達するまではＣ
ＰＵ４１の指令に基づいて低速側モータ３３を駆動し、
一定の回転数に達した後は、同調回路３６の出力パルス
に基づいて低速側モータ３３を駆動する。

【００２５】同調回路３６では、高速側３６００パルス
５０が分周回路５１によって、高速側モータ３１と低速
側モータ３３の回転数比に対応した分周比で分周され、
パルス削除回路５２を経て、分周回路５３でさらに１／
１０に分周され、ドライバ３７に供給される。ドライバ
３７は、この分周回路５３の出力パルスに基づいて低速
側モータ３３を回転させる。従って、低速側スピンドル
１６ａは、高速側スピンドル１７ａの回転数に分周回路
５１の分周比を掛けた値の回転数で回転される。

【００２６】次に、図３を参照して、同調回路３６にお
いて、２つのスピンドル１６ａ、１７ａの同期を取る動
作について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、
ＦＦ５５は、低速側Ｚパルス５４を入力して、低速側モ
ータ３３の１周毎に出力を反転する。図３（ｂ）に示す
ように、アンドゲート５６からは、ＦＦ５５の出力が
“Ｈ”となる間、すなわち低速側モータ３３の１周期の
間、分周回路５１の出力パルスが出力される。カウンタ
５７は、このアンドゲート５６の出力パルスを、合わせ
込み位置に対応したカウント値だけカウントすると、図
３（ｃ）に示すように、１パルスを出力する。そして、
このカウンタ５７の出力パルスに応じて、図３（ｄ）に
示すように、シフトレジスタ５８およびＦＦ５９によっ
て、同期範囲を決めるパルスが出力される。同期範囲と
は、２つのチョッパ１６、１７の窓が共に正面を向いた
ときに、高速側チョッパ１７の横穴１７ｂの中心に対す
る低速側チョッパ１６の横穴１６ｂの中心のずれの許容
範囲を示し、例えば、この許容範囲が±１°であるとす
ると、ＦＦ５９の出力パルスは、同期の中心位置から前
後にそれぞれ分周回路５１の出力パルス１０個分ずつの
幅を持つパルスとなる。

【００２７】このＦＦ５９の出力パルスはアンドゲート
６１に入力される。このアンドゲート６１には、図３
（ｅ）に示すような高速側Ｚパルス６０も入力されてお
り、この高速側Ｚパルス６０が図３（ｄ）に示す同期範
囲を決めるパルスの範囲内において出力されると、アン
ドゲート６１の出力が“Ｈ”となり、ＦＦ６２より、図
３（ｆ）に示すような同期検出信号が出力される。

【００２８】ＣＰＵ４１は、同期検出信号が入力されな
い場合は１パルス削除信号をパルス削除回路５２に出力
し、同期検出信号が入力されると１パルス削除信号の出
力を停止する。パルス削除回路５２は１パルス削除信号
を入力すると、分周回路５１の出力パルスから１パルス
を削除して分周回路５３に送る。従って、ＣＰＵ４１に
同期検出信号が入力されるまで、低速側モータ３３の回
転位置が順次、遅れる方向にずれていくことになる。そ
して、ＣＰＵ４１に同期検出信号が入力されると１パル
ス削除が停止され、その後は、低速側スピンドル１６ａ
が高速側スピンドル１７ａに同期した状態で、高速側３
６００パルス５０を分周したパルスに基づいて低速側モ
ータ３３が回転される。

【００２９】このように本実施例によれば、同調回路３
６において、高速側エンコーダ３２の出力パルスと低速
側エンコーダ３４の出力パルスとに基づいて、ドライバ
３７を制御することによって、中性子が低速側スピンド
ル１６ａの窓と高速側スピンドル１７ａの窓の双方を通
過することができるように、高速側モータ３１の回転位
置と低速側モータ３３の回転位置とを所定の回転位置に
おいて一致させて２つのスピンドル１６ａ、１７ａの同
期をとることができるので、２つのスピンドル１６ａ、
１７ａの同期をとるための調整が容易になる。

【００３０】また、本実施例によれば、高速側エンコー
ダ３２の出力パルスを分周したパルスに基づいて低速側
モータ３３を駆動するようにしたので、一旦同期が取れ
た後は、スピンドル１６ａ、１７ａの回転数が変更され
ても、同期を取るための再調整を行う必要なく、所定の
回転数比でスピンドル１６ａ、１７ａを回転させること
ができる。

【００３１】また、例え同期が外れても、同調回路３６
の作用により、自動的に再び同期を取ることができる。
また、本実施例では、スピンドルを回転させるモータと
してステッピングモータを使用せず、ブラシレスモータ
やインダクションモータを使用しているので、スピンド
ルを高速に回転させることが可能となる。

【００３２】なお、本発明は上記実施例に限定されず、
例えば、図２において、ＣＰＵ４１に同期検出信号が入
力されない場合、同期を取るためには低速側モータ３３
の回転位置と高速側モータ３１の回転位置の少なくとも
一方をずらしていけば良く、例えば、低速用モータ３３
の回転位置をずらす代わりに、インバータ３５を制御し
て高速側モータ３１の回転位置をずらすようにしても良
い。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
によれば、高速側モータを一定の回転数で回転し、高速
側エンコーダの出力パルスを、高速側モータと低速側モ
ータの回転数比に対応した分周比で分周したパルスに基
づいて、低速側モータを駆動するようにしたので、スピ
ンドルの回転数を変えた場合でも容易に２つのスピンド
ルの同期を取ることができるという効果がある。

【００３４】また、請求項２記載の発明によれば、高速
側エンコーダの出力パルスと低速側エンコーダの出力パ
ルスとに基づいて、高速側モータ駆動回路と低速側モー
タ駆動回路の少なくとも一方を制御することによって、
高速側モータの回転位置と低速側モータの回転位置とを
所定の回転位置において一致させて、２つのスピンドル
の同期をとるようにしたので、上記効果に加え、２つの
スピンドルの同期をとるための調整が容易になるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の中性子チョッパの駆動装置
の構成を示すブロック図である。

【図２】図１における同調回路の構成を示すブロック図
である。

【図３】図２の同調回路の動作を説明するためのタイミ
ングチャートである。

【図４】本発明の一実施例が適用される冷中性子散乱装
置の構成を示す説明図である。

【図５】図４における中性子チョッパの動作を説明する
ための特性図である。

【図６】図４における中性子チョッパのスピンドルの断
面を示す断面図である。

【符号の説明】

１６ 低速チョッパ １６ａ 低速側スピンドル １７ 高速チョッパ １７ａ 高速側スピンドル ３１ 高速側モータ ３２ 高速側エンコーダ ３３ 低速側モータ ３４ 低速側エンコーダ ３５ インバータ ３６ 同調回路 ３７ ドライバ ４１ ＣＰＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21K 1/04 G21K 1/00 H05H 3/06 H05H 7/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中性子が通過する窓を有し高速で回転す
   る高速側スピンドルを回転させるための高速側モータ
   と、 この高速側モータの回転位置を検出する高速側エンコー
   ダと、 中性子が通過する窓を有し低速で回転する低速側スピン
   ドルを回転させるための低速側モータと、 この低速側モータの回転位置を検出する低速側エンコー
   ダと、 前記高速側モータを一定の回転数で回転させるための高
   速側モータ駆動回路と、 前記高速側エンコーダの出力パルスを、高速側モータと
   低速側モータの回転数比に対応した分周比で分周する分
   周回路と、 この分周回路の出力パルスに基づいて前記低速側モータ
   を駆動する低速側モータ駆動回路とを具備することを特
   徴とする中性子チョッパの駆動装置。
2. 【請求項２】 前記高速側エンコーダの出力パルスと前
   記低速側エンコーダの出力パルスとに基づいて、前記高
   速側モータ駆動回路と低速側モータ駆動回路の少なくと
   も一方を制御して、中性子が高速側スピンドルの窓と低
   速側スピンドルの窓の双方を通過することができるよう
   に高速側モータの回転位置と低速側モータの回転位置と
   を所定の回転位置において一致させる同期手段を具備す
   ることを特徴とする請求項１記載の中性子チョッパの駆
   動装置。