JP6487672B2 - 干渉計、干渉計を用いた分光光度計及び干渉計の制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、例えば赤外光源を用いた干渉計、干渉計を用いた分光光度計及び干渉計の制御プログラムに関するものである。

干渉計の１つとして知られているマイケルソン干渉計は、光源から射出された光を２つの光束に分割し、一方の光束を固定ミラーに反射させるとともに他方の光束を移動機構によって往復移動する移動ミラーに反射させて、これらの光束を再度重ね合わせることで光路差による干渉光を生成する。このような干渉計は、干渉光を測定試料に照射して分析を行う分光光度計に用いられている。

ところで、上述した干渉計では、使用される環境（外気温や湿度等）、使用頻度、使用態様によって経年劣化が生じる。なかでも、分光光度計の測定時間の短縮化や測定性能の向上のために、移動ミラーを高速で移動させる昨今の干渉計の使用態様では、移動ミラーを移動させる移動機構に負担がかかり、移動機構が早期に劣化する。

そこで、干渉計の劣化診断を行うものとして、例えば特許文献１記載の分光光度計がある。この分光光度計では、測定試料を設置せずに分析を行った実測値と予め定めた標準値とを比較して、分光光度計の劣化診断を行う。

特開２０１４−１８２０６５号公報

ところで、上述した干渉計の劣化のなかでも、移動機構の劣化は移動ミラーの移動速度をふらつかせるので、測定試料の分析に使用できる干渉光を生成することができなくなる。そのため、移動機構の劣化については、特にメンテナンスを早急に行う必要がある。

しかしながら、特許文献１記載の装置では、分光光度計の劣化診断を行うことはできても、具体的にどの部位に劣化が生じているのかを診断することはできない。そのため、分光光度計の劣化が生じている部位を診断するために分光光度計全体をメンテナンスする必要があり、時間と手間がかかるという問題がある。

本願は上述した問題に鑑みて、分析計の性能に最も影響を与える干渉計の移動機構の劣化を診断して、装置故障に至る前に適切なメンテナンスを施すことができる干渉計等を提供することをその主たる課題とするものである。

本発明の干渉計は、移動ミラーと、前記移動ミラーを往復移動させる移動機構と、前記移動機構を制御して、前記移動ミラーの往復移動を等速となるようにする移動制御部と、前記移動ミラーの移動速度を測定する測定部と、前記移動ミラーが等速移動時に前記測定部が測定した測定値を用いて、前記移動ミラーの速度安定性を示す速度安定指標を算出する安定診断部とを具備することを特徴とする。

これにより、安定診断部が移動ミラーの速度安定性を示す速度安定指標を算出するので、この速度安定指標から移動ミラーを移動させる移動機構の劣化を診断することができる。そのため、速度安定指標によって分析計の性能に最も影響を与える干渉計の移動機構の劣化を診断することができ、装置故障に至る前に適切なメンテナンスを施すことができる。

本発明の干渉計の具体的な一態様としては、測定試料の分析に用いられ、前記安定診断部が、前記測定試料の分析時に前記測定部が測定した測定値を用いて前記速度安定指標を算出するものを挙げることができる。
これにより、安定診断部が測定試料の分析時に測定された測定値を用いて速度安定指標を算出するので、移動機構の劣化診断のために別途干渉計を作動させる必要がなく、装置故障に至る前に適切なメンテナンスを施すことができる。

本発明の干渉計の劣化診断の具体的な一態様としては、前記速度安定指標と予め定めた閾値とを比較して、前記速度安定指標が前記閾値よりも大きい場合に、注意信号を生成する判定部をさらに具備するものを挙げることができる。
これにより判定部が、速度安定指標と閾値とを比較して注意信号を生成するので、この注意信号を用いて例えば外付けのディスプレイ等に異常を表示すれば、使用者は容易に干渉計の劣化を知ることができる。

本発明の干渉計の別の具体的な一態様としては、前記移動ミラーが等速移動する毎に前記安定診断部が算出した前記速度安定指標を経時的に記録する格納部をさらに具備するものを挙げることができる。
上述の構成によって、速度安定指標の経時的な変化を確認することができるので、移動機構のメンテナンスの時期を予測することも可能になる。

また本発明の干渉計の別の具体的な一態様としては、前記格納部が、前記測定試料の分析結果と、前記安定診断部が算出した前記速度安定指標とを紐つけて記録するものを挙げることができる。

上述の構成によって、格納部が測定試料の分析結果と速度安定指標とを紐付けて記録するので、一時的に速度安定指標が下がったときの測定値を確認することができ、信頼性の高い測定値を提供することができる。

上述した干渉計に用いた分光光度計も本発明の１つである。
上述した干渉計を用いた分光光度計であれば、移動機構の劣化診断を行うことができるので、移動機構の劣化に起因する信頼性の低いデータがユーザに提供されてしまうことを防ぐことができる。

上述した干渉計の診断プログラムとしては、移動ミラーを往復移動させる移動機構を制御して、前記移動ミラーの往復移動を等速となるようにするとともに、測定部が測定した前記移動ミラーの移動速度を示す移動速度信号を受け付ける干渉計の診断プログラムであって、前記移動ミラーが等速移動時に前記測定部が測定した測定値を用いて、前記移動ミラーの速度安定性を示す速度安定指標を算出することを特徴とする。

本発明の干渉計、干渉計を用いた分光光度計、干渉計の制御プログラムによれば、干渉計の移動機構の劣化を診断して、メンテナンスにかかる時間と手間を短縮することができる。

本実施形態における分光光度計及び干渉計を示す概略図。 本実施形態における制御部を示す概略図。 本実施形態における移動ミラーの目標位置と時間との関係を示すグラフ。 本実施形態における移動ミラーの速度と時間との関係を示すグラフ。 本実施形態における速度安定指標と閾値との関係を示すグラフ。 その他の実施形態におけるＦＴＩＲを示す概略図。

以下、本発明の干渉計の一実施形態について図を用いて説明する。

本実施形態の干渉計２は、例えばＦＴＩＲ等の分光光度計に用いられるものであって、この分光光度計１としては、図１に示すように干渉計２と、測定試料を設置する試料台３と、測定試料を透過した光を受光する検出して、該光を分光することによって測定試料特有のスペクトルを検出し、測定試料を分析する分析部４とを具備する。

干渉計２は、本実施形態では、図１に示すように、赤外波長領域の光を射出する光源５と、ビームスプリッタ６と、固定ミラー７と、移動ミラー８と、移動ミラー８を往復移動させる移動機構９と、移動ミラー８の移動速度を測定する測定部１０と、移動機構９を制御して等速で往復移動させるとともに、移動機構９の劣化診断を行う制御部１１とを備える。

光源５は、例えばセラミックス等の高温発熱体等が用いられ、本実施形態では赤外波長域の光を射出するものである。

ビームスプリッタ６は、例えば赤外透過性のあるＫＢｒのような結晶でできた平行板に、Ｇｅ等の薄膜をコーティングしたものであり、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６で透過された光の光路上に配置されるものである。

移動ミラー８は、ビームスプリッタ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６で反射された光の光路上に配置されるものである。

移動機構９は、長軸方向にレールが設けられた直動ガイド９ａと、直動ガイド９ａのレールに沿って移動するとともに移動ミラー８が直立した状態で搭載される台９ｃと、直動ガイド９ａの長軸方向に対して垂直な方向に台９ｃ全体に巻回されたコイル９ｂと、直動ガイド９ａの長軸方向と平行となるように配置されて直動ガイド９ａを挟むように配置された図示しない一対の永久磁石とを具備する。
そして、制御部１１から制御信号（例えば電流値）を受けてコイル９ｂに電流を流すことにより、この電流が流れる方向と永久磁石による磁場とによって発生する力により、台９ｃを直動ガイド９ａに沿って往復直線移動させるものである。

測定部１０は、移動ミラー８の移動速度を測定するフォトセンサであって、例えば固定ミラー７及び／又は移動ミラー８にＨｅ−Ｎｅレーザ等のレーザ光等を照射する光源１０ａと、固定ミラー７及び／又は移動ミラーから反射された光の周波数変化から速度を測定する測定部１０ｂとを具備するものである。そして、測定部１０ｂが測定した速度を示す実速度データを制御部１１へ送信する。

この干渉計２の動作について説明する。
光源５から射出された光が、ビームスプリッタ６によって２つの光束に分割されて、一方の光束は固定ミラー７によってビームスプリッタ６に向けて反射し、他方の光束は移動ミラー８によってビームスプリッタ６に向けて反射する。このとき、移動ミラー８は移動機構９によって往復直線移動しているので、固定ミラー７によって反射された光束と、移動ミラー８によって反射された光束との間には光路差が生じ、これらの光をビームスプリッタ６で重ね合わせて干渉光を生成するものである。

制御部１１は、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に示す移動制御部１１ａ、安定診断部１１ｂ、判定部１１ｃ、格納部１１ｄとしての機能を発揮するものである。

移動制御部１１ａは、移動機構９を制御して、移動ミラー８を反転に要する区間を除いた区間において等速移動させるものであって、予め入力された目標位置を時間微分して得られる目標速度を示す目標速度データと、測定部１０から送信された実速度データとの偏差を算出し、この偏差に比例動作及び積分動作等の演算処理を施して制御信号を生成し、この制御信号を移動機構９へ送信するものである。

この予め入力された目標位置は、縦軸を位置、横軸を時間とすると、図３に示すように三角波を描く。目標位置に追随するように移動機構９を動かした速度は、縦軸を速度、横軸を時間とすると、図４に示すように一定の等速度の等速区間と、等速度から減速して止まった後に等速度と同じ速度まで加速する反転区間とが交互に繰り返される。移動制御部１１ａは、等速区間において、移動機構９を直動ガイド９ａにそって等速移動させるとともに、反転区間において、移動機構９を直動ガイド９ａの両端部で反転させる。そして、移動制御部１１ａによってこの制御が繰り返されることで、移動機構９及び移動機構９に搭載された移動ミラー８は往復直線移動を行う。

安定診断部１１ｂは、移動ミラー８が等速移動時に測定部１０が測定した測定値を用いて、移動ミラー８の速度安定性を示す速度安定指標を算出するものである。

速度安定指標を算出方法について以下に説明する。
安定判断部１１ｂは、測定部１０から送信される実速度データを用いて、移動機構９が予め定めた等速移動開始位置（等速区間と反転区間の境目）に到達したと判断すると、その等速移動開始位置から等速区間内における所定区間において、測定部１０から送信される実速度データの標準偏差及び平均値を求め、標準偏差を平均値で割ることによって速度安定指標を算出する。

この速度安定指標は、例えば以下の式で表すことができる。
ここで、等速区間内における所定区間において、所定時間ごとのミラーの速度ＶｉをＮ回測定したとすると、
本実施形態において、ｎは３が用いられている。

なお、安定判断部１１ｂは、所定等速区間において測定部１０から送信される実速度データの一部を用いて速度安定指標を算出してもよい。このとき、安定判断部１１ｂは、所定等速区間のスタート直後から所定時間において測定部１０から送信される実速度データを使用することが好ましい。スタート直後の不安定な実速度データを用いて速度安定指標を算出することで、より精密に移動機構９の劣化や異常を判断することができる。

このように安定診断部１１ｂが測定試料の分析時に測定された測定値を用いて速度安定指標を算出するので、干渉計２の劣化診断のためだけに別途干渉計２を作動させる必要がなく、メンテナンスにかかる時間と手間を省くことができる。

判定部１１ｃは、安定診断部１１ｂが算出した速度安定指標データを受け付けて、速度安定指標データと、予め定めた所定の閾値を示す閾値データとを比較して、速度安定指標データが閾値データを超えていた場合には、注意信号を生成するものである。生成された注意信号は、図示しない外付けのディスプレイ等の表示部に送信されて、ディスプレイ上に異常がある旨を表示したり、図示しない別途設けたアラームを点灯したりする。これにより、ユーザは移動機構９が劣化したことを容易に知ることができる。

この閾値は複数設けてもよく、複数設けられる閾値の具体例としては、図５の縦軸に示すように、製品出荷時の合否判定に用いられる出荷時性能検査閾値、メンテナンスの要否判定に用いられるメンテナンス閾値、データの信頼性の有無に用いられるデータ信頼性閾値等が挙げられる。これらの閾値を用いれば、判定部１１ｃは、例えば速度安定指標が出荷時性能検査閾値を超えれば、出荷停止信号を生成し、出荷停止を促すことができる。また、判定部１１ｃは、速度安定指標がメンテナンス閾値を超えれば、メンテナンス信号を生成し、メンテナンスを行うようにユーザに促すことができる。さらに、判定部１１ｃは、速度安定指標がデータ信頼性閾値を超えれば、警告信号を生成し、干渉計の修理をユーザに促したりすることができる。上述のように閾値を超えたことによって生成される、出荷停止信号、メンテナンス信号、警告信号等の信号の総称を、注意信号とする。

格納部１１ｄは、分析部４が分析した測定試料の分析結果と速度安定指標データとを紐付けて記録する。
これにより、外部振動等の何らかの外乱に起因して、一時的に速度安定指標が下がったときの分析結果を確認することができるので、このような外乱に基づく分析結果を除去すること等ができ、信頼性の高い測定値を提供することができる。

また、格納部１１ｄは、安定診断部１１ｂが算出した速度安定指標を示す速度安定指標データを、制御部１１に内蔵された図示しないクロックから取得した時間データに紐つけて記録してもよい。これにより、格納部１１ｄは、移動機構９が等速移動するたびに算出される速度安定指標データを、経時的に記録することとなる。そのため、速度安定指標の経時的な変化を確認することができ、移動機構９のメンテナンスの時期を予測することが可能になる。

上述のように構成した本実施形態の干渉計２は、安定診断部１１ｂが移動ミラー８の速度安定性を示す速度安定指標を算出するので、この速度安定指標から移動ミラー８を移動させる移動機構９の劣化を診断することができる。そのため、速度安定指標によって分析計の性能に最も影響を与える干渉計２の移動機構９の劣化を診断することができ、装置故障に繋がる前に適切なメンテナンスを施すことができるという格別の効果を有する。

次に、本発明の干渉計をＦＴＩＲ等の分光光度計に用いた場合の実施形態について説明する。なお、上述の分光光度計の説明と同じ部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

図６は、本実施形態における分光光度計１００を示す概略図である。本実施形態における分光光度計１００は、干渉計２と、測定試料が収容されるガスセル３０と、ガスセル３０を透過した光を検出する検出器４０と、検出器４０で検出された光の信号強度をフーリエ変換して測定試料の濃度を測定する測定部５０とを具備する。なお、本実施形態においては、干渉計２の光源５は赤外波長領域の光を射出するものである。また、測定試料としては例えば自動車等の排ガスを挙げることができる。

ガスセル３０は、セル内で試料に干渉計２で生成された干渉光を透過させるものであって、筐体形状をなし、その一面に干渉計２で生成された干渉光が入射する入射窓と、試料を透過した光を出射する出射窓とが設けられている。

検出器４０は、ガスセル３０内で試料を透過した光の信号強度を検出するものであって、例えば半導体型のセンサや焦電型のセンサ等が用いられる。

測定部５０は、検出器４０が検出した光の強度信号をフーリエ変換して各波数成分の光の強度に分離するものである。そして、各波数の吸光度と濃度とが比例するランベルト・ベールの法則に基づいて、試料濃度を測定するものである。

本実施形態の干渉計をＦＴＩＲに用いた場合であっても、干渉計の安定診断部１１ｂが移動ミラー８の速度安定性を示す速度安定指標を算出するので、この速度安定指標から移動ミラー８を移動させる移動機構９の劣化を診断して、信頼性の高いデータを提供することができる。また、格納部１１ｄが測定試料の分析結果と速度安定指標とを紐付けて記録するので、一時的に速度安定指標が下がったときの測定値を確認することができ、信頼性の高い測定値を提供することができる。

本発明は、上述した構成に限られるものではない。

上記実施形態では、移動機構をボイスコイルモータで作動するものとしているが、移動機構が往復直線移動できるものに構成するものでれば、この構成に限られない。

上記実施形態では、測定部にフォトセンサが用いられているが、例えば位置センサや加速度センサ等を用いることもできる。この場合は、測定値を時間微分又は時間積分して実速度データを検出すればよい。

また、本実施形態では格納部を制御部内部に設けているが、制御部に外付けされた記録媒体を格納部として用いることもできる。

本発明は、その他その趣旨に反しない範囲で様々な変形が可能である。

２・・・干渉計
８・・・移動ミラー
９・・・移動機構
１０・・測定部
１１・・制御部
１１ｂ・安定診断部

Claims (8)

1. 移動ミラーと、
   前記移動ミラーを往復直線移動させる移動機構と、
   前記移動機構を制御して、所定の等速区間において前記移動ミラーの往復直線移動を等速度となるようにし、前記等速区間を除く反転区間において前記移動ミラーを前記等速度から減速させた後に反転させて前記等速度まで加速させる移動制御部と、
   前記移動ミラーの移動速度を測定する測定部と、
   前記移動ミラーの位置が前記反転区間から前記等速区間に変わった直後から所定時間において前記測定部が測定した測定値を用いて、前記移動ミラーの前記移動速度のばらつき具合を示す速度安定指標を算出する安定診断部とを具備することを特徴とする干渉計。
2. 測定試料の分析に用いられ、
   前記安定診断部が、前記測定試料の分析時に前記測定部が測定した測定値を用いて前記速度安定指標を算出することを特徴とする請求項１記載の干渉計。
3. 前記速度安定指標と予め定めた閾値とを比較して、前記速度安定指標が前記閾値よりも大きい場合に、注意信号を生成する判定部をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２記載の干渉計。
4. 前記移動ミラーが等速移動する毎に前記安定診断部が算出した前記速度安定指標を経時的に記録する格納部をさらに具備することを特徴とする請求項１、２又は３記載の干渉計。
5. 前記格納部が、前記測定試料の分析結果と、前記安定診断部が算出した前記速度安定指標とを紐つけて記録することを特徴とする請求項２を引用する請求項４記載の干渉計。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の干渉計を用いた分光光度計。
7. 移動ミラーを往復直線移動させる移動機構を制御して、前記移動ミラーを前記移動機構を制御して、所定の等速区間において前記移動ミラーの往復直線移動を等速度となるようにし、前記等速区間を除く反転区間において前記移動ミラーを前記等速度から減速させた後に反転させて前記等速度まで加速させるとともに、測定部が測定した前記移動ミラーの移動速度を示す移動速度信号を受け付ける干渉計の診断プログラムであって、
   前記移動ミラーの位置が前記反転区間から前記等速区間に変わった直後から所定時間において前記測定部が測定した測定値を用いて、前記移動ミラーの前記移動速度のばらつき具合を示す速度安定指標を算出する診断プログラム。
8. 移動ミラーを往復直線移動させる移動機構を制御して、前記移動ミラーを前記移動機構を制御して、所定の等速区間において前記移動ミラーの往復直線移動を等速度となるようにし、前記等速区間を除く反転区間において前記移動ミラーを前記等速度から減速させた後に反転させて前記等速度まで加速させるとともに、測定部が測定した前記移動ミラーの移動速度を示す移動速度信号を受け付ける干渉計の診断方法であって、
   前記移動ミラーの位置が前記反転区間から前記等速区間に変わった直後から所定時間において前記測定部が測定した測定値を用いて、前記移動ミラーの前記移動速度のばらつき具合を示す速度安定指標を算出する診断方法。