JP5947193B2 - 干渉計、分光分析装置及び干渉計の制御プログラム - Google Patents

Description

この発明は、例えばＦＴＩＲ（フーリエ変換型赤外分光法）等に用いられる干渉計、この干渉計を制御するための制御プログラム、又はこの干渉計を用いた分光分析装置に関するものである。

例えば、ＦＴＩＲ等の分光分析装置に用いられるマイケルソン干渉計において、２つに分岐した光路の一方に配置される反射ミラーは、直線運動及び反転運動を繰り返して往復移動するように構成されている。この往復移動する反射ミラーは、安定的な干渉波形を得るために、直線運動時において精密に等速移動することが求められる。

この反射ミラーの移動を制御するものとして、例えば特許文献１に記載された制御装置が考えられている。この制御装置は、反射ミラーの位置を検出する差動トランス（位置センサ）が検出した位置情報を用いて、反射ミラーの移動をフィードバック制御するものである。

特開昭６１−２３４３１８号公報

しかし、位置情報のみで反射ミラーの往復移動を制御すると、実際にどのような速度で反射ミラーが移動しているかが分からないので、直線運動時に、反射ミラーを精密に等速で制御することが難しいという問題がある。
一方、特許文献１にも記載されているように、位置情報を時間微分すれば速度情報が得られるので、速度情報で反射ミラーの往復移動を制御することも可能ではあるが、反転時をも速度情報のみで反射ミラーの移動を制御すると、反転運動時に反射ミラーが低速で移動するので、位置センサの分解能に起因する量子化ノイズの影響により、反射ミラーの反転位置を正確に制御することが難しい。反射ミラーの反転位置がずれると、反射ミラーの直線運動時の移動距離が短くなったり長くなったりするので、干渉計の装置性能が悪化するという問題が生じる。
また、この量子化ノイズの影響を減らす方法として、センサの分解能を向上することが挙げられるが、コスト等の制約からセンサの分解能の向上にも限界がある。

本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、直線運動と反転運動を繰り返して往復移動する反射ミラーの制御において、位置情報及び速度情報のそれぞれの弱点をなくして、高精度な制御を行う干渉計、干渉計の制御プログラム及び当該干渉計を用いた分光分析装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる干渉計は、反射ミラーと、前記反射ミラーを直線運動及び反転運動させて往復させる移動機構と、前記移動機構を制御する制御装置とを備える干渉計であって、前記制御装置が、前記反射ミラーの検出速度と予め設定した一定の目標速度との速度偏差に演算処理を施し、その演算処理で生成した速度制御信号を入力して前記移動機構を制御する第１フィードバック制御部と、前記反射ミラーの検出位置と予め設定した時間変化する目標位置との位置偏差に演算処理を施し、その演算処理で生成した位置制御信号を入力して前記移動機構を制御する第２フィードバック制御部とを有し、前記反射ミラーの直線運動を判断した場合、第１フィードバック制御部によって、前記移動機構が制御される第１フィードバックループを形成し、前記反射ミラーの反転運動を判断した場合、第２フィードバック制御部によって、前記移動機構が制御される第２フィードバックループを形成することを特徴とする。

このようなものであれば、直線運動時に、速度情報に基づいて移動機構を等速に制御するので、位置情報に基づく制御よりも精密に移動機構を等速移動させることができ、安定的な干渉波形を得ることができる。
特に、ＦＴＩＲに用いられる干渉計では、直線運動時に設定される一定のサンプリング時間において、反射ミラーの移動速度を等速にすることが求められるが、本発明の干渉計では、直線運動時に速度情報を用いて精密に等速移動させて、一定のサンプリング時間において反射ミラーの移動速度を精度よく等速にすることができるため、結果として一定距離毎に干渉波を得ることができ、ＦＴＩＲの測定精度を向上させることができる。また、高分解能のセンサを用いずに高精度に移動機構を制御することができるので、コストを抑えることができる。

上記本発明にかかる制御装置が、前記反射ミラーの検出位置と予め設定した目標位置との位置偏差に演算処理を施し、その演算処理で生成した位置制御信号を入力して前記移動機構を制御する第２フィードバック制御部を有し、前記反射ミラーの反転運動を判断した場合、第２フィードバック制御部によって、前記移動機構が制御される第２フィードバックループを形成することが好ましい。
これにより、反転運動時は、位置情報に基づいて移動機構を制御するので、速度情報に基づく制御よりも量子化ノイズの影響を低減させて、常に所定の同位置で移動機構を反転させて干渉計の装置性能を向上させることができる。
特に、ＦＴＩＲに用いられる干渉計では、干渉波を得る必要のない反転運動時において、より正確な位置制御ができるので、所定の定位置で反転させることができ、干渉波の誤差を抑えてＦＴＩＲの測定精度をより向上させることができる。

上記本発明にかかる制御装置が、前記目標位置信号に演算処理を施して目標位置制御信号を生成するフィードフォワード制御部をさらに有し、前記反射ミラーの直線運動時において、前記第１フィードバック制御部が生成した前記速度制御信号と前記フィードフォワード制御部が生成した前記目標位置制御信号とを加算した信号を前記移動機構に入力することが好ましい。これにより、直線運動時において、速度制御及び位置制御の２自由度制御系により移動機構を制御するとともに移動機構に生じる外乱の影響を抑えることができるので、反転運動時に移動機構の反転位置が所定の位置からずれることを防ぎ、干渉計の装置性能の悪化を防止することができる。

第１フィードバックループと第２フィードバックループとを切り替える場合、上記本発明にかかる制御装置が、前記移動機構の制御を第１フィードバックループ又は第２フィードバックループのいずれか一方から他方に切り替えるスイッチ部と、前記スイッチ部を前記反射ミラーの検出位置又は検出速度のいずれか一方を用いて制御するスイッチ制御部とをさらに有し、前記スイッチ制御部が前記スイッチ部を制御して、前記反射ミラーを直線運動から反転運動に切り替えるときに、第１フィードバックループから第２フィードバックループに切り替え、前記反射ミラーを反転運動から直線運動に切り替えるときに、第２フィードバックループから第１フィードバックループに切り替えることが好ましい。

また、第１フィードバックループと第２フィードバックループとを切り替える場合、本発明にかかる制御装置は、前記第１フィードバックループが形成されているときに、前記第２フィードバック制御部が、前記位置制御信号を生成する前記演算処理を行い、前記第２フィードバックループが形成されているときに、前記第１フィードバック制御部が、前記速度制御信号を生成する前記演算処理を行うことが好ましい。これにより、第１フィードバックループ又は第２フィードバックループのいずれが形成されている場合でも、第１フィードバック制御部及び第２フィードバック制御部が常に演算処理を行うので、直線運動又は反転運動のいずれか一方から他方に切り替えるときに、移動機構の制御をスムーズに切り替えることができる。

本発明の干渉計によれば、直線運動時は速度情報に基づいて移動機構を制御し、精密に移動機構を等速移動させることができ、また、反転運動時は速度情報ではなく位置情報に基づいて移動機構を制御し、量子化ノイズの影響を低減させて精度よく移動機構の反転位置を制御することができる。そのため、位置情報及び速度情報のそれぞれの弱点をなくして、高精度に移動機構を制御することができる。また、高分解能のセンサを用いずに高精度に移動機構を制御することができるので、コストを抑えることもできる。

本発明の一実施形態にかかる分光分析装置の概略図。 同実施形態の制御装置の一実施形態を示すブロック図。 同実施形態の反射ミラーの目標位置及び検出位置を示すグラフ。 同実施形態の反射ミラーの移動を示す模式図。

本発明の分光分析装置１の一実施形態について、以下、図面を参照しながら説明する。

本実施形態における分光分析装置１は、例えばＦＴＩＲ等のフーリエ変換分光法を用いたものであって、具体的には排ガスの分析等に用いられるものである。

そして、この分光分析装置１は、図１に示すように、マイケルソン干渉計２と、マイケルソン干渉計２から射出された干渉光の光路上に配置され、該干渉光が試料に照射される試料セル３と、試料セル３内の試料を透過した光を検知する光検出器４と、光検出器４が検出した光強度信号を取得してフーリエ変換を行い、試料を透過した光をスペクトル毎に分光して試料中に含まれる成分を分析する演算装置１２とを備える。

マイケルソン干渉計２は、試料照射用の赤外光の光源５と、光源５からの光を２つの光路に分岐するビームスプリッター６と、２つに分かれた一方の光路上に配置される固定ミラー７と、２つに別れた他方の光路上に配置され、移動鏡である反射ミラー８と、この反射ミラー８を一定速度で直線運動させるとともに反転運動して往復移動させる移動機構９と、この移動機構９を制御する制御装置１０とを備える。また、光源５に隣接して略同じ場所に、反射ミラー８の位置を検出するための位置センサに用いられるＨｅ−Ｎｅレーザ光源１１が設けられている。

光源５は、例えば可干渉光であって一方向に向かって光を射出するものであり、例えばレーザ光源である。

ビームスプリッター６は、例えば直角プリズムを２つ貼り合わせて接合面に金属薄膜コーティングを施したプリズム型のものであり、光源５から射出された光を透過及び反射する。そのため、光源５から射出されてビームスプリッター６を経た光は、透過された光が向かう光路と反射された光が向かう光路の２つに分岐される。

固定ミラー７は、ビームスプリッター６で分岐された光路の一方に配置され、本実施形態ではビームスプリッター６で透過された光の光路上に配置される。

反射ミラー８は、ビームスプリッター６で分岐された光路の他方に配置され、本実施形態では、ビームスプリッター６で反射された光の光路上に配置される。

移動機構９は、ボイスコイルモータにより駆動するものであって、直動ガイド９１と、コイル（図示しない）と、永久磁石（図示しない）とを備え、コイルに固定されるとともに、反射ミラー８が起立した状態で配置される台車９２とを備える。

上記構成により、移動機構９は後述する制御装置１０から制御信号（例えば電流値）が送信されて、該電流値に相当する電流がコイルに流れると、この電流と永久磁石による磁場とによって発生する力により、コイルに固定された台車９２が直動ガイド９１に沿って移動する。

位置センサを構成するＨｅ−Ｎｅレーザ光源１１を用いた反射ミラー８の位置検出は、ビームスプリッター６を経て分岐された光が、固定ミラー７と反射ミラー８により折り返されて戻ったときの干渉波形をみることにより行う。

制御装置１０は、移動機構９を制御して反射ミラー８を直線運動させるとともに所定の位置で反転運動させて、これを繰り返すことで移動機構９を往復移動させるものであって、構造的には、ＣＰＵ、内部メモリ、Ｉ／Ｏバッファ回路、ＡＤコンバータ等を有した所謂コンピュータ回路である。そして、内部メモリの所定領域に格納した制御プログラムに従って動作することでＣＰＵ及び周辺機器が協働動作して、図２に示すように、第１フィードバック制御部１０１、第２フィードバック制御部１０２、フィードフォワード制御部１０３等としての機能を発揮する。

以下、各部について説明する。

第１フィードバック制御部１０１は、フィードフォワード制御部１０３とともに２自由度制御系を形成するものである。

この第１フィードバック制御部１０１は、予め入力された目標位置データが示す目標位置ＲＥＦを微分演算部１０４で時間微分した目標速度と、位置センサが検出した反射ミラー８の検出位置を時間微分して得られる検出速度との偏差を算出し、該偏差に比例動作及び積分動作等の演算処理を施して速度制御信号を生成して、加算部１０５へと出力する。

ここで、前記目標位置ＲＥＦは、縦軸を位置軸、横軸を時間軸としたときに、図３に示す三角波となるものである。具体的には、目標位置グラフは、予め定めた反転位置−ｙ１からｙ１の間を、一定の傾きを有する直線Ｌ１と、直線Ｌ１とは逆の傾きを有する直線Ｌ２とが交互に連続するものである。この目標位置ＲＥＦを時間微分すると、一定の目標速度となる。
なお、第２フィードバック制御部１０２における目標位置ＲＥＦは、この図３に示す目標位置ＲＥＦと同様のものである。

フィードフォワード制御部１０３は、目標位置ＲＥＦに演算処理を施して目標位置制御信号を生成し、この信号を加算部１０５へと出力する。

加算部１０５は、第１フィードバック制御部１０１から出力された速度制御信号、及び、フィードフォワード制御部１０３から出力された目標位置制御信号を加算した加算制御信号を生成する。この加算制御信号は移動機構９へ入力される。

そして、加算制御信号を受けて駆動した移動機構９による反射ミラー８の位置が位置センサによって検出されて、この検出位置を時間微分して得られる検出速度を用いて、第１フィードバック制御部１０１が速度制御信号を生成する。この速度制御信号が、加算部１０５でフィードフォワード制御部１０３が生成した目標位置制御信号と加算されて加算制御信号となり、この加算制御信号が移動機構９へフィードバックされる一連の動作が繰り返され、第１フィードバックループＡが構築される。

第２フィードバック制御部１０２は、前記目標位置ＲＥＦと、位置センサが検出した反射ミラー８の検出位置との偏差を算出し、該偏差に比例動作及び微分動作等の演算処理を施して位置制御信号を生成する。この位置制御信号は、移動機構９へ入力される。

そして、位置制御信号を受けて移動した移動機構９の検出位置が位置センサによって検出され、この検出位置を用いて第２フィードバック制御部１０２が位置制御信号を生成し、この位置制御信号が移動機構９へフィードバックされる一連の動作が繰り返され、第２フィードバックループＢが構築される。

しかして、本実施形態の制御装置１０は、移動機構９の制御を、第１フィードバックループＡ又は第２フィードバックループＢのいずれか一方から他方に切り替えるスイッチ部１０６、及びこのスイッチ部１０６を制御するスイッチ制御部（図示しない）を備える。

スイッチ部１０６は、スイッチ制御部が移動機構９への制御信号の入力を加算制御信号又は位置制御信号のいずれか一方から他方に切り替えることにより、前記移動機構９の制御を、第１フィードバックループＡ又は第２フィードバックループＢのいずれか一方から他方に切り替えるものである。

スイッチ制御部は、位置センサが検出した反射ミラー８の検出位置を時間微分して得られる検出速度をパラメータとして用いて、スイッチ部１０６を第１フィードバックループＡ又は第２フィードバックループＢの一方から他方に切り替えるものである。
具体的には、第１フィードバックループＡにおいて、検出速度が目標速度の所定割合（例えば９０％）以下、又は、検出速度が所定速度以下となると、スイッチ制御部が直線運動から反転運動への切り替え点と判断し、スイッチ部１０６を制御して、第１フィードバックループＡから第２フィードバックループＢへと切り替えるものである。
また、第２フィードバックループＢにおいて、検出速度が目標速度の所定割合（例えば９０％）以上、又は、検出速度が所定速度以上となると、スイッチ制御部が反転運動から直線運動への切り替え点と判断し、スイッチ部１０６を制御して、第２フィードバックループＢから第１フィードバックループＡへと切り替えるものである。

ここで、制御装置１０に第１フィードバックループＡが構築されているときでも、第２フィードバック制御部１０２は、常に演算処理を行って位置制御信号を生成する。また、同様に制御装置１０に第２フィードバックループＢが構築されているときでも、常に第１フィードバック制御部１０１及びフィードフォワード制御部１０３は演算処理を行い、加算部１０５が加算制御信号を生成する。

以下、マイケルソン干渉計２の動作について説明する。

まず、測定を開始する前に、台車９２を、直動ガイド９１の片端に配置された基準部材（図示しない）に当接するまで移動させて、台車９２が基準部材に当接すると、第１フィードバックループＡ又は第２フィードバックループＢによって移動機構９の制御が開始される初動制御が行われる。なお、初動制御は検出位置あるいは検出速度のいずれを用いて制御してもよい。
初動制御後、直線運動時の反射ミラー８の移動速度が測定を開始できる程度に安定すると、制御装置１０が、直線運動を第１フィードバックループＡで制御し、反転運動を第２フィードバックループＢで制御する。

第１フィードバックループＡによる移動機構９の制御は以下の通りである。
移動機構９の位置を位置センサが受信すると、第１フィードバック制御部１０１は、この検出位置を用いて速度制御信号を生成して加算部１０５へ出力する。このとき、フィードフォワード制御部１０３は、目標位置制御信号を生成して加算部１０５へ出力する。加算部１０５は、速度制御信号及び目標位置制御信号を加算した加算制御信号を生成する。この加算制御信号は移動機構９に入力され、移動機構９はこの信号に従って駆動する。
ここで、第１フィードバック制御部１０１に入力される目標位置ＲＥＦは、前述したように時間微分すると一定の目標速度となるので、加算部１０５が生成した加算制御信号が入力された移動機構９は、図４の模式図に示すように等速運動を行う。

そして、位置センサが検出した検出位置を時間微分した検出速度が、目標速度の所定割合以下となると、スイッチ制御部によりスイッチ部１０６は、移動機構９の制御を、第１フィードバックループＡから第２フィードバックループＢに切り替える。

第２フィードバックループＢによる移動機構９の制御は以下の通りである。
移動機構９の位置を位置センサが受信すると、第２フィードバック制御部１０２は、位置制御信号を生成する。この位置制御信号は移動機構９へ入力されて、移動機構９はこの位置制御信号に沿って移動する。
ここで、第２フィードバック制御部１０２に入力される目標位置ＲＥＦは、予め定めた所定位置であるので、第２フィードバック制御部１０２が生成する位置制御信号が入力された移動機構９は、図４の模式図に示すように反転運動を行う。

そして、位置センサが検出した検出位置を時間微分した検出速度が、目標速度の所定割合以上となると、スイッチ制御部によりスイッチ部１０６は、移動機構９の制御を、第２フィードバックループＢから第１フィードバックループＡに切り替える。

このような制御装置１０により、図４に示すように、第１フィードバックループＡにより移動機構９が制御されているときは、移動機構９は等速に直線運動を行い、第２フィードバックループＢにより移動機構９が制御されているときは、移動機構９は所定の定位置で反転運動を行う。

このように構成した干渉計２は、直線運動時に、速度情報に基づいて移動機構９を等速に制御するので、位置情報に基づく制御よりも精密に移動機構９を等速移動させることができ、安定的な干渉波形を得ることができる。
そして、反転運動時に、位置情報に基づいて移動機構９を制御するので、速度情報に基づく制御よりも量子化ノイズの影響を低減させて、常に所定の同位置で移動機構９を反転させて干渉計２の装置性能を向上させることができる。
そのため、上述した構成を備える干渉計２を用いたＦＴＩＲは、直線運動時に速度情報を用いて精密に反射ミラー８を等速移動させることができるので、直線運動時に設定される一定のサンプリング時間において、反射ミラー８の移動速度を精度よく等速にすることができ、結果として一定距離毎に干渉波を得ることができる。また、干渉波を得る必要のない反転運動時においては、位置情報を用いてより正確な位置制御ができるので、所定の定位置で反転させて、干渉波の誤差を抑えることができる。従って、本発明の干渉計２を用いたＦＴＩＲは、測定精度を向上させることができる。
さらに、高分解能のセンサを用いずに高精度に移動機構９を制御することができるので、コストを抑えることができる。

また、加算部１０５が、第１フィードバック制御部１０１が生成した速度制御信号と、フィードフォワード制御部１０３が生成した目標位置制御信号を加算するので、直線運動時において、速度制御及び位置制御の２自由度制御系により移動機構９を制御するとともに移動機構９に生じる例えば振動等の外乱の影響を抑えることが出来るので、反転運動時に反転位置が所定の位置からずれることを防ぎ、干渉計２の装置性能の悪化を防止することが出来る。

また、第１フィードバックループＡ又は第２フィードバックループＢのいずれが形成されている場合でも、第１フィードバック制御部１０１及び第２フィードバック制御部１０２が常に演算処理を行うので、第１フィードバックループＡ又は第２フィードバックループＢのいずれか一方から他方に切り替えるときに、スムーズに切り替えることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではない。

例えば、本実施形態では移動機構９を駆動するものとして、ボイスコイルモータを用いているが、例えばモータとボールネジ等の直動機構を用いたものでもよい。

本実施形態では、反射ミラー８の位置を検出する位置センサを用いているが、例えば反射ミラー８の速度を検出する速度センサを併用してもよい。この場合、移動機構９の直線運動時は、速度センサにより検出された検出速度を用いて第１フィードバックループＡによる制御を行い、移動機構９の反転運動時は、位置センサにより検出された検出位置を用いて第２フィードバックループＢによる制御を行う。

本実施形態では、スイッチ制御部のスイッチ部１０６の制御するためのパラメータに、検出位置を時間微分して得られる検出速度が用いられているが、検出位置を用いてもよい。
この場合、例えばスイッチ制御部は、検出位置が予め定めた所定範囲（例えば、往復中心から所定距離の範囲）を超えると、直線運動から反転運動への切り替え点と判断し、前記移動機構９の制御を第１フィードバックループＡから第２フィードバックループＢに切り替える。そして、検出位置が予め定めた所定範囲（例えば、往復中心から所定距離の範囲）内であると、スイッチ制御部は、反転運動から直線運動への切り替え点と判断し、前記移動機構９の制御を、第２フィードバックループＢから第１フィードバックループＡに切り替える。

本発明は、その趣旨に反しない範囲で様々な変形が可能である。

１・・・分光分析装置
２・・・干渉計
８・・・反射ミラー
９・・・移動機構
１０・・制御装置
１０１・第１フィードバック制御部
１０２・第２フィードバック制御部
１０３・フィードフォワード制御部
１０６・スイッチ部

Claims (6)

1. 反射ミラーと、
   前記反射ミラーを直線運動及び反転運動させて往復させる移動機構と、
   前記移動機構を制御する制御装置とを備える干渉計であって、
   前記制御装置が、
   前記反射ミラーの検出速度と予め設定した一定の目標速度との速度偏差に演算処理を施し、その演算処理で生成した速度制御信号を入力して前記移動機構を制御する第１フィードバック制御部と、
   前記反射ミラーの検出位置と予め設定した時間変化する目標位置との位置偏差に演算処理を施し、その演算処理で生成した位置制御信号を入力して前記移動機構を制御する第２フィードバック制御部とを有し、
   前記反射ミラーの直線運動を判断した場合、第１フィードバック制御部によって、前記移動機構が制御される第１フィードバックループを形成し、前記反射ミラーの反転運動を判断した場合、第２フィードバック制御部によって、前記移動機構が制御される第２フィードバックループを形成する干渉計。
2. 前記制御装置が、前記目標位置信号に演算処理を施して目標位置制御信号を生成するフィードフォワード制御部をさらに有し、
   前記反射ミラーの直線運動時において、前記第１フィードバック制御部が生成した前記速度制御信号に前記フィードフォワード制御部が生成した前記目標位置制御信号を加算して前記移動機構に入力する請求項１記載の干渉計。
3. 前記制御装置が、
   前記移動機構の制御を第１フィードバックループ又は第２フィードバックループのいずれか一方から他方に切り替えるスイッチ部と、
   前記スイッチ部を前記反射ミラーの検出位置又は検出速度のいずれか一方を用いて制御するスイッチ制御部とをさらに有し、
   前記スイッチ制御部が前記スイッチ部を制御して、前記反射ミラーを直線運動から反転運動に切り替えるときに、第１フィードバックループから第２フィードバックループに切り替え、前記反射ミラーを反転運動から直線運動に切り替えるときに、第２フィードバックループから第１フィードバックループに切り替える請求項１又は２記載の干渉計。
4. 前記第１フィードバックループが形成されているときに、前記第２フィードバック制御部が、前記位置制御信号を生成する前記演算処理を行い、
   前記第２フィードバックループが形成されているときに、前記第１フィードバック制御部が、前記速度制御信号を生成する前記演算処理を行う請求項１乃至３何れかに記載の干渉計。
5. 請求項１乃至４何れかに記載の干渉計を有する分光分析装置。
6. 反射ミラーと、前記反射ミラーを直線運動及び反転運動させて往復させる移動機構と、前記移動機構を制御する制御装置とを有する干渉計の制御プログラムであって、
   前記反射ミラーの直線運動を判断した場合、前記反射ミラーの検出速度と予め設定された一定の目標速度との速度偏差に演算処理を施して、その演算処理により生成された速度制御信号を前記移動機構にフィードバックする第１フィードバックステップと、
   前記反射ミラーの反転運動を判断した場合、前記反射ミラーの検出位置と予め設定した時間変化する目標位置との位置偏差に演算処理を施して、その演算処理で生成された位置制御信号を前記移動機構にフィードバックする第２フィードバックステップと、をコンピュータに実行させる干渉計の制御プログラム。