JP6222501B2 - 分光装置 - Google Patents

Description

本発明は、分光素子駆動機構等に用いることが可能な回転駆動機構、及び該回転駆動機構を備える分光装置に関する。

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、波長分散型の分光装置（モノクロメータ）が用いられる。分光装置の一般的な構成としては、回折格子やプリズム等の分光素子と、入射光に対して分光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分光素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。この単色光の波長分解能はスリット幅と分光素子の角度精度に依存しており、波長分解能を高めるには、分光素子を微小間隔で精度良く回転駆動できる回転駆動機構が必要となる（特許文献１）。

回転駆動機構としてはサインバー駆動、カム駆動、モータ直軸駆動などが用いられるが、これらのいずれもモータの回転運動を利用することは共通している。分光装置では一般的に、１）極端な高速回転が要求されないこと、２）回転軸の位置決めが容易であること、等の理由からステッピングモータを用いられることが多い。

特開２００４−１６３１２６号公報

ステッピングモータの1ステップに対応する波長移動量は、分光装置が要求する波長分解能と波長移動速度との兼ね合いから決定される。すなわち、高い波長移動速度が要求される場合には1ステップ当たりの波長移動量を大きくし、高い波長分解能が要求される場合には1ステップ当たりの波長移動量を小さくする。

このように、1ステップ当たりの波長移動量を増減させることによって、波長分解能と波長移動速度のいずれか一方の特性を高くすることは可能であるが、これらの条件は互いに背反するため、双方の特性を同時に高くすることはできない。そのため、双方の特性を高くすることが要求される場合、通常は１ステップ当たりの波長移動量は小さくしつつ、単位時間当たりのステップ数を多くする（すなわち、パルスレートを高くする）ことが行われる。しかしながら、パルスレートを高くし過ぎると、ステッピングモータの制御が十分に行えなくなり、ついには脱調し、モータを正常に回転させることができなくなる。従って、パルスレートを高くすることによる波長分解能と波長移動速度の両特性の向上には限界がある。

本発明が解決しようとする課題は、高い波長移動速度と高い波長分解能を兼ね備えた分光素子駆動機構を実現することができる回転駆動機構を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、
外部から入力される駆動パルスに同期して回転駆動する回転駆動機構によって駆動される分光素子を有する分光装置において、
前記回転駆動機構が、
所定の安定位置毎に回転駆動する第一駆動方式と、該安定位置間より短い間隔で回転駆動する第二駆動方式とを備え、複数の巻線を固定子として有する回転駆動源と、
前記駆動パルスが入力される毎に、１駆動パルス当たりの前記回転駆動源の回転の変化量に対応する更新情報を設定し、その更新情報を任意のタイミングで更新可能な更新情報設定部と、
前記回転駆動源の回転位置に関する位置情報を保持し、前記更新情報設定部で設定された更新情報に基づき該位置情報を更新する位置情報更新部と、
前記位置情報更新部で更新された位置情報に基づき、前記各巻線の励磁状態を決定する巻線励磁状態決定部と、
前記巻線励磁状態決定部で決定された各巻線の励磁状態を実現するように、該各巻線に流す電流を制御する駆動制御部と、
前記回転駆動源を所定の目的位置まで回転させる際、目的位置が安定位置にない場合には、回転方向に対して、目的位置の直前に位置する安定位置まで前記第一駆動方式により前記回転駆動源を回転させ、該安定位置から目的位置まで前記第二駆動方式により１駆動パルスで前記回転駆動源の回転位置を合わせることを特徴とする分光装置。

本発明の回転駆動源にはステッピングモータを用いるのが望ましい。ステッピングモータには、巻線や極のある安定位置毎にモータの回転軸を回転させる駆動方式と、該安定位置間よりも短い間隔毎に回転軸を回転させる駆動方式とがある。前者の駆動方式はフルステップ駆動と呼ばれる。後者の駆動方式には、マイクロステップ駆動、ハーフステップ駆動、クォーターステップ駆動等がある。

ステッピングモータを用いた従来の回転駆動機構は、上記いずれの駆動方式を用いるにせよ、駆動中の1ステップ（1駆動パルス）当たりの回転の変化量は一定であった。本発明に係る回転駆動機構では、この従来は駆動中に一定であったステッピングモータの1ステップ当たりの変化量を、各ステップにおいて変更可能にしたことを特徴とするものである。これにより、以下のような駆動が可能となる。

例えばフルステップ分割数Nのマイクロステップ駆動を用いる場合、従来は、安定位置（以下、該安定位置を「フルステップ位置」とする。また、フルステップ位置間のマイクロステップ駆動の停止位置を「マイクロステップ位置」とする。）間の1/N間隔で回転軸が回転することになる。一方、本発明では、フルステップ位置間の1/Nを基本単位とし、1ステップ当たりに設定可能な変化量の絶対値の最小を1（フルステップ位置間の1/Nに相当）、絶対値の最大をN（フルステップ位置間の間隔に相当）のように決める。ここで、変化量を1に設定すれば、1ステップ毎に最小ピッチで回転軸が回転することになり、変化量を2に設定すれば、その倍の速度で回転することになる。さらに変化量をNに設定すればフルステップ駆動となり、変化量を1に設定したときのN倍の速度で回転することになる。このように、本発明の回転駆動機構では、変化量の設定によって回転速度を各ステップ毎に逐一変えることができる。また、フルステップ位置間の任意のマイクロステップ位置への移動を1ステップにて行うことができる。

上記の例では、本発明の回転駆動機構における回転位置の分解能はフルステップ位置間の1/Nになる。一方、回転速度は変化量の設定によって異なるが、最速駆動はフルステップ駆動によるものとなる。本発明の回転駆動機構では、各ステップ毎の変化量を適切に設定することにより、回転位置の分解能を向上させたことによる回転速度の低下を最小限に抑えることが可能となる。

本発明に係る回転駆動機構では、ステッピングモータの回転位置の分解能を向上させつつ、分解能の向上に伴う回転速度の低下を最小限に抑えることができる。そのため、この回転駆動機構を分光素子駆動機構に適用すれば、高い波長移動速度と高い波長分解能を兼ね備えた波長分散型の分光装置を実現することが可能となる。

本発明に係る回転駆動機構の一実施例を示すブロック図。 本実施例の回転駆動機構を分光素子駆動機構に適用した場合の駆動タイミングと測定タイミングの説明図。

図１に、本発明に係る回転駆動機構の一実施例のブロック図を示す。
本実施例の回転駆動機構１は、回転駆動源であるステッピングモータ１１（以下、「モータ１１」とする）と、外部からパルス信号（駆動パルス）が入力される毎に、その駆動タイミングにおいてモータ１１を回転させるべき変化量に対応する更新情報を設定する更新情報設定部１２と、モータ１１の回転位置を定める位置情報を保持し、更新情報設定部１２からの更新情報に基づいて該位置情報を更新する位置情報更新部１３と、位置情報更新部１３から送られる更新後の位置情報に基づいて、モータ１１の各巻線に流す電流量ないしは電流比率を決定する巻線励磁状態決定部１４と、巻線励磁状態決定部１４からの制御信号に基づいて、巻線励磁状態決定部１４で決定された各巻線の励磁状態を実現するように該各巻線に流す電流を制御する駆動制御部１５と、を有する。

更新情報設定部１２は、上記のように各ステップ毎に更新情報を設定することが可能である。この更新情報の設定は、予め作成された、位置情報と更新情報が対応付けされたテーブルを逐一参照することにより行っても良いし、規則的に変化させるようにしても良い。また、各ステップ毎に所定の演算によって求めるようにしても良い。

パルス信号の入力により、更新情報設定部１２で設定された更新情報は位置情報更新部１３に送られる。位置情報更新部１３にはモータ１１の現在の回転位置（現在位置）に対応する情報が保持されており、位置情報更新部１３が更新情報を受け取ると、それに基づいて次のモータ１１の回転位置（更新位置）を決め、巻線励磁状態決定部１４に更新位置等の位置情報を出力する。またこの際、現在位置は更新位置に更新される。

本実施例で用いる位置情報と更新情報について具体例を挙げて説明する。本実施例では、モータ１１として巻数が5個（5相）のものを用いることにする。この場合、巻線から構成される極数は10となる。また、モータ１１の駆動には、フルステップ分割数20のマイクロステップ駆動を用いることにする。

モータ１１の位置情報については、電気角におけるマイクロステップ駆動の最小回転量を基本単位として表す。すなわち、本実施例では5相モータを使用しているため、電気角一周において10個の極があり、隣接する極の間で20分割しているため、0〜199でモータ１１の電気角一周分の位置情報を表す。ここで、極は0の位置から20毎に存在するものとし、0の位置にある極から正の方向に順番に「極０」〜「極９」と番号付けする。また、更新情報は±1〜±20の変化量で与えることにする。この場合、正値が所定の方向への回転を、負値がそれとは逆の方向への回転を示す。

なお、更新情報については正値のみを設定し、パルス入力をCWパルスとCCWパルスの2入力として、回転方向に応じた方のパルス入力を使用する方法や、パルス入力とは別に回転方向を指定する信号を設ける等の変形は当然可能である。また、上記のように更新量として正値と負値の両方又はいずれか一方を用いる場合においても、変化量の絶対値を0〜19で与え、0が指定された場合にはフルステップ駆動を行うものと判断する（すなわち実際の変化量の絶対値は20となる）ようにすることもできる。さらに、更新情報として、実際の更新位置の情報を設定し、パルス入力による回転方向の情報を持たせることも可能である。

巻線励磁状態決定部１４は、位置情報更新部１３から出力された更新位置等の位置情報に基づいて、モータ１１の各巻線に流す巻線電流を決定する。この巻線電流の決定には、予め定義されているテーブルを参照するほか、テーブル情報を元に補間にて求める、完全に計算で求める、直前の状態から差分で求める、などの方法を用いることができる。

巻線励磁状態決定部１４が、モータ１１の各巻線に流す巻線電流を決定すると、それに対応する制御信号を駆動制御部１５に出力する。駆動制御部１５はこの制御信号に基づき、実際にモータ１１の各巻線に対して電流を流すことでモータ１１の回転を制御する。

以上の構成は、FPGAやCPLDなどの論理回路で実現するだけでなく、CPUやDSPを利用したソフトウエアによって構成したり、論理回路とソフトウエアの両方で構成したりすることも可能である。

次に、本実施例の回転駆動機構１を分光素子駆動機構に適用した場合を例に、回転駆動機構１の動作を、図２を用いて説明する。なお、以下では位置情報0が波長500nm、フルステップ駆動の1ステップに対応する波長移動量を2nmとした場合を考える。モータ１１の極数、フルステップ位置、マイクロステップ駆動の分割数は、上記と同様である。

［駆動例１］
516nmから504nmまで波長を移動させる場合を考える。これは、モータ１１の位置情報を160から40まで変化させることに相当する。ここで、各パルス信号に対する更新情報を-20に設定したならば、駆動タイミング（図２の矢印1つ分）毎に位置情報が20ずつ減算されることになる。この駆動はいわゆるフルステップ駆動に対応し、6パルスで波長移動が完了する。

［駆動例２］
次に、516nmから504nmまで走査間隔を2nmとして波長走査を行う場合を考える。この場合の回転駆動機構１の基本的な動作は、駆動例１と同様である。ただし、2nmの波長移動毎に停止して、検出器信号の測定動作を行うことになる。すなわち、更新情報には-20が設定され、パルス信号を1パルス受けて2nmの波長移動を行った後、検出器信号の測定動作を行う。測定完了後、再びパルス信号を1パルス受けて次の測定対象波長に移動し、同様の動作を測定波長範囲に対して継続する。なお、図２では、駆動タイミングと測定タイミングの区別が明確になるように、測定タイミング毎に矢印の塗りを変更している。

［駆動例３］
駆動例２と同じ測定波長範囲（516nm→504nm）で、走査間隔を4nmとした場合を考える。この場合、更新情報を-40に設定し、1パルスで4nmの波長移動を行うことには問題がある。

何故なら、更新情報を-40に設定した場合、最初の移動は極８（位置情報160）から極６（位置情報120）への移動となるが、極７（位置情報140）の状態を経ていないため、モータ１１の各巻線の励磁を位置情報120に対応する状態にしても回転方向を制御することができなくなり、脱調が発生することがある。一般的にステッピングモータはオープンループ制御で使用されるため、脱調が発生してもそれを検出することができず、装置内部で管理している波長と実際に分光素子で選択されている波長とが一致しない、いわゆる、波長ずれが発生するおそれがある。

この波長ずれが発生することを避けるために、モータ１１を回転させる際には、必ず各々の極位置を経るようにする必要がある。具体的には、本駆動例では、各パルスの更新情報を-20に設定する。これは、1パルス当たりの波長移動量を2nmに設定したことと同じである。そして、まず開始波長516nmに対する測定動作を完了し、その後、パルス信号を2パルス分を受けて4nmの波長移動を行う。この場合、極８から極７へ、極７から極６へと、極をまたがずにモータ１１を回転させているため、上記のような波長ずれは発生しない。512nmに対する測定動作が完了したならば、再度2パルス分のパルス信号を受けて次の測定対象波長に移動し、同様の測定動作を測定波長範囲に対して継続する。

［駆動例４］
次に、515nmから503nmへの波長移動を考える。この駆動例では、開始波長515nmは極７と極８の中間位置にあるため、フルステップ駆動ではこの波長を選択することができない。これは、フルステップ駆動の波長分解能が2nmであるため当然である。また、終了波長503nmに対しても同様である。従来技術でこの間題に対応するには、ハーフステップ駆動とするか、フルステップ駆動のまま、1ステップ当たりの波長移動量を小さくすることになる。いずれにしてもパルス数はおよそ2倍になるため、従来技術で同等の波長移動速度を得るには、パルスレートを2倍にする必要がある。

しかしながら、元々のパルスレートが高速回転を想定したものである場合、更にパルスレートを2倍にすると巻線電流の変化がレートに追いつかず、結果として正常に回転しなくなる。

本実施例の回転駆動機構１の場合、開始波長を選択するために位置情報に150を設定する。巻線励磁状態決定部１４は、この位置情報に対応した巻線励磁状態を決定し、制御信号を駆動制御部１５に送出する。これにより、モータ１１は対応する位置に回転軸を回転させる。

次に、パルス信号を受けて波長移動を行うわけであるが、上述の波長ずれの問題を回避するため、最初は極７（位置情報140）がある波長514nmに移動する必要がある。そのため、更新情報設定部１２は最初のパルス信号1パルス分に対しては更新情報を-10に設定する。これにより、モータ１１の回転軸は極７の位置に移動するので、これ以降はフルステップ駆動による移動を安全に行うことができる。更新情報設定部１２は次の5パルス分のパルス信号に対して更新情報を-20に設定する。これにより、極２（位置情報40）がある波長504nmまで最速駆動（フルステップ駆動）により波長移動が行われる。最後に更新情報を-10に設定して、1パルスの信号を受け、波長503nmに移動する。以上の動作により、波長移動が完了する。

本駆動例の合計パルス数は7であり、同じ波長移動量12nmである駆動例１と比較して1回しか増加していない。すなわち、波長移動速度を殆ど低下させることなく、より高い波長分解能で波長移動を行うことができる。波長移動範囲が広範囲になるほど、この波長移動速度の低下の程度は無視できるものとなる。

［駆動例５］
駆動例４と同じ測定波長範囲（515nm→503nm）で、走査間隔を1nmとして波長走査を行う場合は以下の通りである。まず、位置情報に150を設定する。走査間隔が1nmであるので、更新情報を-10に設定し、パルス信号が1パルス入力される毎に測定を行う。それを位置情報30に達するまで繰り返す。この駆動はハーフステップ駆動と同等である。

［駆動例６］
波長走査範囲を520nmから500nm、走査間隔を5nmとして波長走査を行う場合を考える。まず、位置情報を0とする（位置情報は電気角で与えられているため、正規化しなければ200に対応する）。そして、更新情報設定部１２は最初のパルス信号2パルス分に対しては更新情報を-20に設定し、その次の1パルス分に対しては更新情報を-10に設定する。これにより、位置情報150である波長515nmに移動したので、検出器信号を取得する。次の波長510nm（位置情報100）への移動には、まず、最初のパルス信号1パルス分に対しては更新情報を-10に設定し、次の2パルス分に対しては更新情報を-20に設定する。これにより、極位置をまたがずに目的の波長510nmまで移動したので、測定動作を行う。以下、同様の動作を波長500nmのある位置情報0まで行う。

以上の駆動手順を要約すると、目的とする波長がフルステップ位置に存在しない場合、マイクロステップ駆動によるマイクロステップ位置に回転位置を設定し、測定動作を含む波長移動動作を行う場合、フルステップ位置にいったん移動した後、目的波長の直前のフルステップ位置まで最速駆動（フルステップ駆動）を行い、最後に目的波長に対応するマイクロステップ位置に回転位置を設定するというものである。

上記の駆動例は本実施例の回転駆動機構１による駆動手順を簡単に説明したものである。実際の使用を鑑みて回折格子をモータ駆動軸による直軸駆動とした場合、波長位置とモータ駆動ステップの間にはsinないしはcosの関係が介在するため、測定停止位置はほぼ常にマイクロステップ位置になる。

以上、本発明に係る回転駆動機構について実施例を用いて説明したが、本発明の趣旨の範囲で適宜変更、修正を行うことができることは当然である。

例えば、上記実施例ではフルステップ位置間の移動を最速駆動（フルステップ駆動）で行っているが、速度を優先せず、駆動時の振動や停止時のぶれを低減することを目的として、ハーフステップ駆動、クォーターステップ駆動などのマイクロステップ駆動を主体として用いることは当然可能である。ただし、この際でも安定位置を経ることが必要である。

また、位置情報更新部１３で用いる位置情報は、最低限必要である電気角位置情報の他、モータ軸（入力軸ないし出力軸、またはその両方の）位置情報、分光素子位置情報等を配置することも可能である。

１…回転駆動機構
１１…ステッピングモータ
１２…更新情報設定部
１３…位置情報更新部
１４…巻線励磁状態決定部
１５…駆動制御部

Claims (4)

1. 外部から入力される駆動パルスに同期して回転駆動する回転駆動機構によって駆動される分光素子を有する分光装置において、
   前記回転駆動機構が、
   所定の安定位置毎に回転駆動する第一駆動方式と、該安定位置間より短い間隔で回転駆
   動する第二駆動方式とを備え、複数の巻線を固定子として有する回転駆動源と、
   前記駆動パルスが入力される毎に、1駆動パルス当たりの前記回転駆動源の回転の変化量に対応する更新情報を設定し、その更新情報を任意のタイミングで更新可能な更新情報設定部と、
   前記回転駆動源の回転位置に関する位置情報を保持し、前記更新情報設定部で設定された更新情報に基づき該位置情報を更新する位置情報更新部と、
   前記位置情報更新部で更新された位置情報に基づき、前記各巻線の励磁状態を決定する巻線励磁状態決定部と、
   前記巻線励磁状態決定部で決定された各巻線の励磁状態を実現するように、該各巻線に流す電流を制御する駆動制御部と、
   前記回転駆動源を所定の目的位置まで回転させる際、目的位置が安定位置にない場合には、回転方向に対して、目的位置の直前に位置する安定位置まで前記第一駆動方式により前記回転駆動源を回転させ、該安定位置から目的位置まで前記第二駆動方式により１駆動パルスで前記回転駆動源の回転位置を合わせることを特徴とする分光装置。
2. 回転開始位置が安定位置に存在しない場合、回転開始位置から最短位置にある安定位置までの更新情報を第二駆動方式による当該回転開始位置から当該安定位置へ１駆動パルスで前記回転駆動源の回転位置を合わせることが可能な回転変化量として前記更新情報設定部により設定することを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
3. 前記駆動源がステッピングモータであることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載の分光装置。
4. 前記更新情報は、前記分光素子の走査開始位置、及び走査間隔に基づいて設定されることを特徴とする請求項１〜３に記載の分光装置。
   

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