JPH04301527A - 分光光度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、測定波長を自動的に設
定または走査する分光光度計、特に可視紫外分光光度計
の各駆動部の動作原点の検出機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】分光光度計において波長設定や波長走査
はコンピュータ制御のモータによって自動的に行われて
いるが、このためには波長を走査するための分光器の分
散素子を所定角度に高精度で回転する機構だけでなく、
これに付随し連動して動作する幾つかの機構が必要とな
る。

【０００３】例えば、可視紫外域を波長範囲とする分光
光度計の場合、一般的には可視光用と紫外光用の２つの
光源を必要とし、設定波長によりこのいずれかを光路に
挿入しなければならない。この光源切換機構としては、
従来から、集光鏡を回転させる構成あるいは光源ランプ
を移動させる構成のものが知られている。

【０００４】また、分光器に回折格子を使用した場合、
回折格子の回転角度に応じて出口スリットから最も回折
強度の高い１次または−１次の分散光が出射されるよう
光学系が設計されているが、回折格子分光器の原理から
２次または−２次以上の次数の回折光、いわゆる高次光
が１次または−１次と同一光路にのって出口スリットか
ら一緒に出射される場合があるので、複数枚のハイパス
またはバンドパスの色ガラスフィルタを波長に応じて順
次光路に切換え挿入する高次光カットフィルタ切換機構
を分光器の前または後に備え、本来必要としない波長の
光が出口スリットから出射されないようにするのが一般
的である。

【０００５】これら３つの駆動機構、すなわち回折格子
の回転、２光源の切換え及び高次光カットフィルタの切
換えは、波長を自動的に設定または走査する可視紫外分
光光度計においては必須のものであり、いずれも省略す
ることはできない。

【０００６】ところで、これらの駆動動力源としては比
較的小形で、かつマイクロコンピュータによる制御が容
易であり、また減速機構なしでも低速の回転が可能なス
テッピングモータが広く用いられ、通常マイクロコンピ
ュータによってオープンループで制御され、またこの制
御は３つの機構が設定波長または走査波長に対応して所
定の連動動作を行うようになされている。

【０００７】第９図に、紫外光用光源１と可視光用光源
２を、光源集光ミラー３を揺動させることによって切換
え、また分光器として凹面回折格子形分光器を用いた場
合の一般的な従来の分光光度計の構成例を示す。この従
来例において、光源集光ミラー３は切換機構４によって
揺動され、また高次光カットフィルタ６は駆動機構７に
よって光路に切換え挿入される。さらに、凹面回折格子
９は回折格子回転機構１０によって回転され、その回転
角に応じて入口スリット１３から入射した白色光は反射
回折されて出口スリット１４上に所定の波長の単色光の
像として結像する。出口スリット１４から出射した単色
光は試料１６を透過後、測定部の結像光学系１５により
測光用検出器１２上に結像し、測光される。

【０００８】しかし、これら機構４、７及び１０の駆動
動力源として用いられるステッピングモータは、運転時
においては特別なフィードバックセンサを用いなくても
オープンループで制御することが可能であるが、分光光
度計の電源が投入され、各モータに電力が供給された瞬
間においてはモータの出力軸、すなわち光源集光鏡や回
折格子の角度または光路に挿入されているフィルタの種
類は不定であり、動作の基準となる動作原点を何等かの
方法によって検出しなければ、予めプログラムされたマ
イクロコンピュータによって制御することができない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、ステッ
ピングモータを用いた駆動機構には、必ず何等かの原点
検出機構が必要である。第９図に示した従来の分光光度
計においては、回折格子の回転、２つの光源の切換え及
び高次光カットフィルタの切換えの各駆動機構の駆動原
点を夫々の機構に独立して原点検出センサ５、８及び１
１を取付けて行っている。これら原点検出センサは、一
般に光電式センサまたはマイクロスイッチなどであり、
駆動機構の回転部または直進部に設けた開孔あるいは突
起などをこれらセンサにより検出し、その検出角度また
は位置を駆動の原点としてモータを制御する方法が一般
的である。

【００１０】しかしながら、３つの機構の夫々に原点検
出のための手段を設けることは、装置の機構や制御手段
が複雑になること及び検出手段にも分光光度計としての
本質的部分と同様の信頼性が要求されること、などによ
り装置の組立・調整の工数や部品点数の増加をもたらし
、分光光度計全体の価格の上昇や生産性の低下を招くと
いう問題点があった。

【００１１】例えば、検出手段として光電式センサを用
いた場合、必要な部品は光電式センサ以外に、センサと
制御部を接続するケーブル、センサを保持する部材、セ
ンサによって検出される駆動機構の突起部分、センサの
信号をマイクロコンピュータに伝達する制御回路など、
多くの部品を必要とする。また、検出手段にマイクロス
イッチを使用した場合には、上記と同様の部品が必要と
なることに加えて機械接点式のセンサに共通する事項で
ある長期の信頼性に欠けるという問題点が発生する。

【００１２】さらに、これらセンサを使用した原点検出
手段によると、原点位置の再現性はこれらセンサの性能
によって決定されることになるが、従来これらセンサの
精度は厳しい波長精度を要求される分光光度計にとって
必ずしも十分ではなく、動作の基準として重要な動作原
点の再現性を確保するためには、高価な高性能センサや
複雑な機構あるいは熟練した調整を要するという問題点
があった。

【００１３】本発明は、これら問題点を解決し、単純な
構成で３つの駆動機構の動作原点を検出することができ
るように工夫した分光光度計を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の分光光度計は、集光鏡を所定角度範囲で少
なくとも一往復揺動させる駆動機構を有し、いずれかの
光源を光路に挿入する２光源切換機構と、駆動範囲を制
限する抑止機構を有し、分光器設定波長に応じて選択的
に高次光カットフィルタを光路に挿入する高次光カット
フィルタ切換機構と、分光器の回折格子回転の概略原点
を検出する機構を有し、分光器設定波長に応じて回折格
子を回転する回折格子回転機構と、分光器出射光の極大
値を検出する手段と、前記高次光カットフィルタ切換機
構の動作原点を、その抑止機構によって制限することに
より決定し、しかる後前記２光源切換機構及び前記回折
格子回転機構の動作原点を、前記極大値検出機構からの
信号で決定する制御手段とを具備する。

【００１５】前記分光器出射光の極大値を検出する手段
としては、分光光度計の測光検出器を用いるとよい。

【００１６】

【作　　用】高次光カットフィルタ切換機構の駆動動力
源、好ましくはステッピングモータをその抑止機構によ
って制限されるまで回転させ、脱調させる。同モータを
十分回転させた後保持状態とし、この位置を高次光カッ
トフィルタ切換機構の動作原点とする。

【００１７】次に、高次光カットフィルタ切換機構を駆
動し、光束がフィルタ部の開孔を通過する位置で停止さ
せる。このフィルタ部の開孔は、原点を検出すべき光源
の光の光路中の通過を担保するために設けられたもので
ある。

【００１８】この状態で、回折格子回転機構の粗原点を
検出する。

【００１９】回折格子回転機構の駆動動力源、好ましく
はステッピングモータを概略２つの光源ランプが夫々十
分高いエネルギーを持つ波長まで回転させる。

【００２０】一方の光源を点灯し、２光源切換機構の集
光鏡が少なくとも一往復揺動するに十分なだけその駆動
機構を駆動し、この間で、測光用検出器の出力が極大と
なる角度を検出し、この角度位置を２光源切換機構の一
方の動作原点とする。他方の光源についても同様にして
その動作原点を決定する。

【００２１】最後に、夫々の光源を点灯し、夫々の光源
切換え位置において、回折格子回転機構の駆動動力源、
好ましくはステッピングモータを、光源０次光または輝
線スペクトルが出射される波長位置の近傍を走査するよ
う駆動する。この間で、測光用検出器の出力が極大とな
る位置を検出し、これを回折格子回転機構の動作原点と
する。

【００２２】この制御手順は、予めプログラムされたマ
イクロコンピュータによる制御手段によって、上記３つ
の機構が連動して制御されることにより実現される。

【００２３】上記回折格子回転機構の動作原点検出にお
いて、極大値として検出される光源０次光または輝線ス
ペクトルは、通常、紫外光用光源の重水素ランプにあっ
てはその輝線スペクトルや０次光が検出され、可視光用
光源のタングステンヨウ素ランプにあっては鋭い輝線ス
ペクトルを持たないので０次光が検出される。

【００２４】また、０次光や輝線スペクトルを検出する
センサとしては、分光光度計の測光用検出器のほか、例
えば出口スリット近傍に原点検出用の測光系を設けるこ
とも可能である。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。第１図は本発明を実施した分光光度計の光
源及び分光器部であり、これらは第９図に示した従来例
と同様、測光用検出器及び試料保持部などと共に分光光
度計を構成する。第１図実施例は紫外可視光を波長範囲
とする分光光度計で、光源は紫外光用、可視光用の夫々
別個の２個のランプである。また、分光器は凹面回折格
子形分光器の例を示している。

【００２６】第１図において、光源・分光器の光学系部
品、機構部品は、共通のベース１７に取付けられた２光
源切換部２０、高次光カットフィルタ切換部１９、回折
格子回転部１８及び入口スリット１３、出口スリット１
４などからなる。２１は回折格子回転機構の概略原点を
検出する光電式の粗原点検出用センサである。各機構に
おいて、位置や角度検出用センサとしては粗原点検出用
センサ２１のみであり、２光源切換部２０及び高次光カ
ットフィルタ切換部１９にはセンサはない。各機構のス
テッピングモータ及びセンサ２１はマイクロコンピュー
タ（図示せず）による制御機構に接続されており、予め
記憶されたプログラムによって連動制御される。以下、
各機構について説明する。

【００２７】光源切換部は、紫外光用の光源１または可
視光用の光源２の光束のいずれかを集光鏡３を揺動させ
ることにより、入口スリット１３から分光器に入射させ
る。第２図乃至第４図に光源切換機構の例を示す。第２
図は光源集光鏡及び駆動機構の両者を示す平面視図、第
３図は駆動機構部のみの平面視図、第４図は同側面視図
である。第２図乃至第４図において、ステッピングモー
タ２２の回転は、モータ出力軸に取付けたピニオンギヤ
２８を介して切換ギヤ２３に減速伝達される。切換ギヤ
２３はピン２４を中心に回転可能に駆動部ベース２９に
取付けられている。集光鏡３はミラーホルダ２７によっ
て保持されており、軸受機構（図示せず）によってミラ
ーの面頂点をとおる鉛直線を中心に回転可能であるよう
に、光源・分光器ベース１７に取付けられている。ミラ
ーホルダ２７には切換レバー２６が取付けられており、
このレバー２６は前記ギヤ２３の周上に圧入されたピン
２５にバネ（図示せず）によって押圧されて当接してい
る。

【００２８】ステッピングモータ２２の回転は、２つの
ギヤ２８、２３によって１／６　に減速され、ギヤ２３
に圧入されたピン２５はモータ回転速度の１／６　の速
度で円運動を行う。 このとき、ピンに当接するレバー２６は集光鏡ホルダ２
７の回転中心を中心に回転し、したがって集光鏡３も揺
動運動する。図示の実施例では、ギヤ２３及びミラーホ
ルダ２７の回転中心位置、レバー２６の長さなどが、ピ
ン２５の回転に対してレバー２６が約３０°の角度を往
復するよう設計されているので、２つの光源１、２を集
光鏡中心に対して６０°以下の開き角をもって配置すれ
ば、集光鏡３の揺動によって２光源いずれの光束も入口
スリット１３に集光することができる。なお、図示の機
構には２つのギヤ２８、２３の回転及びレバー２６の揺
動を制限する要素は存在せず、ステッピングモータ２２
はエンドレスで回転が可能であり、この間レバー２６、
すなわち集光鏡３は約３０°の範囲で揺動運動を繰返す
ことができるように構成されている。勿論、この機構に
は回転角の原点を検出するためのセンサは存在しない。

【００２９】第５図及び第６図に高次光カットフィルタ
切換機構を示す。第５図はその正面視図、第６図は同平
面視図である。第５図及び第６図において、入口スリッ
ト１３を形成した薄板を接着固定したベース３１には、
フィルタ切換えの動力源であるステッピングモータ３０
が取付けられている。モータ３０の出力軸にはピニオン
ギヤ３７が打込まれており、ベース３１に圧入固定され
たピン３８に回転可能に嵌込まれた扇形ギヤ３２に噛合
って、モータ３０の回転を１／１０に減速伝達している
。扇形ギヤ３２にはフィルタ取付板３３がネジ（図示せ
ず）によって固定されている。フィルタ取付板３３には
、分光光度計の波長域に対応した色ガラスフィルタ６が
扇形をなすよう接着固定されている。一般に、可視紫外
分光光度計の場合、この色ガラスフィルタ６は長波長域
用の３ヶのハイパスフィルタと、短波長域用の２ヶのバ
ンドパスフィルタのあわせて５ヶから構成されている。 また、フィルタ取付板３３には、色ガラスフィルタ１ヶ
分と同一寸法の開孔３６があわせて設けられ、フィルタ
６と共に扇形を形成する位置に配置されている。これら
の色ガラスフィルタ及び開孔は扇形ギヤ３２の回転によ
ってフィルタ取付板３３が回転することにより、順次入
口スリット１３を覆う位置、すなわち光路上に位置決め
される。図示の実施例においては、色ガラスフィルタ６
及び開孔３６は各々１５°の角度をなす位置に設けられ
ており、したがって上記のようにステッピングモータ３
０の回転が１／１０に減速されているから、モータ出力
軸の１５０　°回転によって１段階切換えられることに
なる。なお、開孔３６は、高次光が光路に入ることがな
く、また適当な特性を持ったバンドパス色ガラスフィル
タの存在しない最短波長域において、入口スリットから
の光束を直接分光器に導くことにより、光エネルギを有
効に利用できるようにするために設けられている。

【００３０】原点ストッパ３５ａ，３５ｂ　図示の実施
例の場合、ベース３１に一体形成された２本のボスであ
る。扇形ギヤがある範囲を越えて回転すると、回転部の
いずれかの部材がこのストッパ３５に当接し、それ以上
の回転をしないように駆動範囲を制限する働きをする。 第５図において、扇形ギヤが時計方向にある範囲を越え
て回転するときにはフィルタ取付板端面４０が原点スト
ッパ３５ａ　に衝突し、また反時計方向に回転するとき
には扇形ギヤ端面３９が原点ストッパ３５ｂ　に衝突す
る。原点ストッパ及び各回転部の寸法、形状、位置は前
記５ヶの色ガラスフィルタと１ヶの開孔、すなわち６ヶ
の位置決めをするのに十分な駆動範囲を確保できるよう
設定されている。図示の実施例の場合、６ヶの位置決め
点の間隔が前記のように１５°であるから、必要な扇形
ギヤ３２の回転範囲は１５°×（６−１）＝７５°であ
り、上記のごとく回転部が原点ストッパに衝突するまで
の角度は、７５°よりも３°程度広く設定されている。

【００３１】以上のように構成した機構において、装置
が通電された際にステッピングモータを、回転機構が確
実にいずれかの原点ストッパ３５に衝突するまで駆動し
、しかる後にモータを保持状態にすれば、特別な回転角
検出センサを用いることなく、回転機構の動作原点を決
定することができる。通電時に扇形ギヤがどの角度で停
止しているかはまったく不定であるが、図示の実施例で
は、ギヤをいずれかの方向に７５°＋３°＝７８°以上
回転させれば、ギヤ端面または取付板端面が原点ストッ
パに必ず衝突することになる。そのために要するステッ
ピングモータの回転角は、上記のように減速比１／１０
であるから７８０　°、すなわち２回転と６０°である
。通電時の扇形ギヤの角度が原点ストッパまでの回転角
にして７８°よりも小さいときは、回転部が原点ストッ
パに衝突後、ステッピングモータが脱調することになる
けれども、モータのトルク、回転速度を適当に設定すれ
ば、この脱調時にモータ及びギヤ歯面などの回転機構に
かかる負荷はわずかであり、またこの動作が行われるの
は装置を通電したときのみで、それ以後の動作は上記方
法で検出された原点を基準にして行われ、回転部が原点
ストッパに衝突するようなことはないから、実用上まっ
たく問題になることはない。さらに、色ガラスフィルタ
及び開孔３６を光束寸法に対して余裕のある大きさに設
定しておけば、この機構における原点検出精度は回折格
子回転機構や光源切換機構に要求されるほど厳しいもの
ではなく、上記手段によって実用上十分な精度と再現性
を持った動作原点の決定が可能である。

【００３２】第７図及び第８図に回折格子回転機構を示
す。第７図はその正面視図、第８図は同平面視図である
。第５図及び第６図では、入口スリット１３（図示せず
）から入射した白色光は凹面回折格子９によって反射回
折され、出口スリット１４（図示せず）上に結像する。 回折格子回転モータ部４１は、ステッピングモータ及び
減速機構からなるモータ組立品であり、ベース４５に取
付けられている。モータ４１の出力軸には、凹面回折格
子９を保持した回折格子ホルダ４４が取付けられており
、モータの回転によって凹面格子がその面頂点を通る鉛
直線を中心に回転することにより、出口スリット上に結
像する単色光の波長が走査される。図示の実施例におい
て、０次光出射時の回折格子法線と、回折格子面頂と出
口スリットを結ぶ直せんのなす角を２６°、格子定数を
１／９００　（ｍｍ）とした場合、分光光度計の最大波
長を９００ｎｍ　とすれば、出口スリット上に結像する
単色光を０次光から最大波長まで走査するときの回折格
子の回転角はおよそ３０°である。

【００３３】回折格子ホルダにはピン４２が打込まれて
おり、光電式の原点検出センサ４３がこのピンを検出す
ることにより、回折格子の回転の基準点が検出される。 センサ４３はあくまでも原点検出の出発点を決めるため
の概略の原点を検出するものであって、波長走査の正確
な原点を検出するものではない。

【００３４】分光器の回折格子回転機構は、分光光度計
の波長精度を決定する重要な機構であり、高い精度と再
現性が要求される。例えば、実施例においては、使用波
長範囲０〜９００ｎｍ　、その間の回折格子回転角３０
°であり、簡単のため回折格子回転角と出口スリット上
に結像する単色光の波長が直線関係にあると近似して概
略計算を行うと、分光光度計の波長精度仕様が±１ｎｍ
であるとき、回折格子回転角には±３０／９００＝±０
．０３３　°以上の精度・再現性が要求される。例えば
、これを実施例の原点検出機構のみによって実現しよう
とすれば、ピン４２とセンサ４３により検出される位置
の回転半径を１５ｍｍとすると、センサ４３の検出位置
精度、再現性は±（１５×２×π×０．０３３／３６０
　）＝±０．００８６ｍｍ＝±８．６　μｍ でなければならない。この精度は、市販の低価格のセン
サの使用によってはとても実現できないほど厳しいもの
である。

【００３５】一方、実施例におけるセンサ４３の役割は
、光源切換機構の原点を分光器出口スリットから出射さ
れる光束の光量の極大値を検知することによって決定す
る際、回折格子が出口スリット上に何等かの単色光スペ
クトルを結像する程度の角度精度を持っていればよい。 すなわち、可視光用または紫外光用の各ランプの発する
光束に含まれるいずれかの波長を出口スリットから出射
できる程度の精度が要求される。具体的に波長を単位と
してこの精度を表せば、例えば可視光用ランプの場合、
精度幅でおよそ２００ｎｍ　となり、原点検出に要求さ
れる精度は前記波長精度±１ｎｍの場合の約１００　倍
、すなわち±０．８ｍｍ　程度となって、市販の安価な
光電式センサによっても保証される値となる。

【００３６】回折格子回転機構のより正確な原点は上記
の方法によって検出された概略原点を出発点として、出
口スリットから出射される単色光または０次光の極大値
を検出することにより決定される。この回折格子回転機
構の正確な原点検出動作についても、もし粗原点検出セ
ンサ４３がなければ、極大値を決定するために回折格子
を最低１回転しなければならないが、原点検出センサ４
３によって極大値サーチの出発点を、極大値があると予
想される回折格子角度の近傍に設定することによって、
原点検出に要する時間の短縮、回折格子回転機構の簡略
化が実現される。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、高い精度を必要としな
い簡便な回転角検出センサを１つ用いるだけで、分光光
度計に必要な３つの駆動機構である光源切換、高次光カ
ットフィルタ切換及び回折格子回転の各原点を精度よく
検出することが可能となり、角機構、制御回路の簡略化
、信頼性の向上や部品点数の減少による装置価格の低減
と生産性の向上を図ることができる。特に、実施例のご
とく凹面回折格子を用いた簡単な構成の普及タイプの分
光光度計においてこれらの効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施した分光光度計の光源及び分光器
部の平面視図である。

【図２】光源切換機構及び光源切換ミラー部の平面視図
である。

【図３】光源切換機構のみの平面視図である。

【図４】光源切換機構のみの側面視図である。

【図５】高次光カットフィルタ切換機構の正面視図であ
る。

【図６】高次光カットフィルタ切換機構の平面視図であ
る。

【図７】回折格子回転機構の正面視図である。

【図８】回折格子回転機構の平面視図である。

【図９】従来の一般的な分光光度計の構成例を示す図で
ある。

【符号の説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】集光鏡を所定角度範囲で少なくとも一往復
   揺動させる駆動機構を有し、いずれかの光源を光路に挿
   入する２光源切換機構と、駆動範囲を制限する抑止機構
   を有し、分光器設定波長に応じて選択的に高次光カット
   フィルタを光路に挿入する高次光カットフィルタ切換機
   構と、分光器の回折格子回転の概略原点を検出する機構
   を有し、分光器設定波長に応じて回折格子を回転する回
   折格子回転機構と、分光器出射光の極大値を検出する手
   段と、前記高次光カットフィルタ切換機構の動作原点を
   、その抑止機構によって制限することにより決定し、し
   かる後前記２光源切換機構及び前記回折格子回転機構の
   動作原点を、前記極大値検出機構からの信号で決定する
   制御手段と、を具備してなる分光光度計。