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JP2625832B2 - Spectrophotometer wavelength drive mechanism - Google Patents
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JP2625832B2 - Spectrophotometer wavelength drive mechanism - Google Patents

Spectrophotometer wavelength drive mechanism

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は分光光度計において回折格子を回転させる波
長駆動機構にするものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention relates to a wavelength driving mechanism for rotating a diffraction grating in a spectrophotometer.

(従来の技術) 波長駆動機構としては、殆どの分光光度計でサインバ
ー方式が用いられる。
(Prior Art) As a wavelength driving mechanism, a sine bar method is used in most spectrophotometers.

第5図にサインバー方式の波長駆動機構を示す。 FIG. 5 shows a sine-bar type wavelength driving mechanism.

1は回折格子であり、サインバー2によって回転させ
られる。サインバー2の先端球3はスライダ4に当接
し、スライダ4は駆動モータにより回転するネジ5によ
って移動させられる。例えば、鎖線で示される位置4aに
あったスライダ4がネジ5の回転によって距離xだけ移
動して実線4の位置に移動した場合、サインバー2も位
置2aからθ回転し、回折格子1も位置1aからθ回転す
る。
Reference numeral 1 denotes a diffraction grating which is rotated by a sine bar 2. The tip ball 3 of the sine bar 2 comes into contact with a slider 4, and the slider 4 is moved by a screw 5 rotated by a drive motor. For example, when the slider 4 at the position 4a indicated by the chain line moves by the distance x by the rotation of the screw 5 and moves to the position of the solid line 4, the sine bar 2 also rotates by θ from the position 2a, and the diffraction grating 1 also moves Rotate θ from 1a.

他の波長駆動機構の例としては、第6図に示されるギ
ヤとプーリを使った減速機構をもつ方式がある。
As another example of the wavelength driving mechanism, there is a system having a reduction mechanism using a gear and a pulley as shown in FIG.

駆動モータにより回転させられるプーリ6の回転がベ
ルト7を介してプーリ8に伝達され、プーリ8と一体に
回転するギヤ8aがギヤ9と噛み合うことにより回折格子
1が減速されて回転する。
The rotation of the pulley 6 rotated by the drive motor is transmitted to the pulley 8 via the belt 7, and the gear 8a rotating integrally with the pulley 8 meshes with the gear 9, whereby the diffraction grating 1 is reduced and rotated.

(発明が解決しようとする課題) サインバー方式ではスライダー4の面とバー2が平行
のときに0次光が出るようにする調整と、バー2の長さ
Lの調整が面倒であり、時間がかかる。
(Problems to be Solved by the Invention) In the sine bar method, adjustment for emitting the zero-order light when the surface of the slider 4 is parallel to the bar 2 and adjustment of the length L of the bar 2 are troublesome, and time is required. It takes.

スライダー4の面の平面度が要求され、長時間の使用
によって摩耗により波長精度が劣化する。
The flatness of the surface of the slider 4 is required, and the wavelength accuracy deteriorates due to wear due to long-term use.

摩擦抵抗が大きいので、高速波長走査が困難である。 High-speed wavelength scanning is difficult due to high frictional resistance.

ギヤとプーリを用いる波長駆動機構においては、ギア
やプーリの偏心や歯の加工精度が波長精度に直接効いて
くるので、波長精度のよい波長駆動は困難である。
In a wavelength driving mechanism using a gear and a pulley, the eccentricity of the gear and the pulley and the processing accuracy of the teeth directly affect the wavelength accuracy, so that it is difficult to drive the wavelength with high wavelength accuracy.

分光光度計の波長駆動機構においては、駆動モータの
回転を回折格子の回転へ精度よく減速して伝えなければ
ならない。
In the wavelength driving mechanism of the spectrophotometer, the rotation of the driving motor must be accurately transmitted to the rotation of the diffraction grating at a reduced speed.

第7図に分光器の原理を示す。 FIG. 7 shows the principle of the spectroscope.

入射光軸10と出射光軸11の開き角を2K、その開き角の
二等分線をl、回折格子1の格子面の法線をP、lとP
のなす角をδとすると、出射光の波長λは次の(1)式
で与えられる。
The opening angle between the input optical axis 10 and the output optical axis 11 is 2K, the bisector of the opening angle is l, the normal to the grating surface of the diffraction grating 1 is P, and l and P
Let δ be the angle formed by the following equation (1).

λ=(2d/m)cosKsinδ ……(1) ここで、mは回折光の次数、dは格子間隔である。λ = (2d / m) cosKsinδ (1) where m is the order of the diffracted light, and d is the lattice spacing.

一般的な例として、m=1、d=1/1600(mm)、K=
10゜の場合を考えると、波長を0.1mmごとに送らるよう
にするには、δを約0.005゜以下ごとに送れなければな
らない。駆動モータとしてステッピングモータを用いる
とき、ステッピングモータの1パルス当りの送り角が例
えば0.36゜であるとすれば、減速比が1/72以下の伝達機
構が必要となる。
As a general example, m = 1, d = 1/1600 (mm), K =
Considering the case of 10 °, in order to send the wavelength every 0.1 mm, δ must be sent every about 0.005 ° or less. When a stepping motor is used as the drive motor, if the feed angle per pulse of the stepping motor is, for example, 0.36 °, a transmission mechanism having a reduction ratio of 1/72 or less is required.

本発明は、サインバー方式やギアとプーリを用いた方
式の問題点を解決し、波長精度がよく、高速走査が可能
な波長駆動機構を提供することを目的とするものであ
る。
An object of the present invention is to solve the problems of the sine bar method and the method using a gear and a pulley, and to provide a wavelength driving mechanism with good wavelength accuracy and capable of high-speed scanning.

(課題を解決するための手段) 第1図に本発明を概略的に表わす。(Means for Solving the Problems) FIG. 1 schematically shows the present invention.

1は回折格子、12は駆動モータであり、駆動モータ12
と回折格子1の間に減速機構としてハーモニックドライ
ブ機構が設けられている。14は駆動モータ12の駆動回路
である。15はハーモニックドライブ機構13の周期的誤差
を補正するパラメータを記憶する記憶手段、16は前記パ
ラメータを用いてハーモニックドライブ機構13の誤差を
補正した分光波長を算出する波長演算手段である。
1 is a diffraction grating, 12 is a drive motor, and the drive motor 12
A harmonic drive mechanism is provided as a deceleration mechanism between the first and second diffraction gratings. Reference numeral 14 denotes a drive circuit of the drive motor 12. Reference numeral 15 denotes storage means for storing a parameter for correcting a periodic error of the harmonic drive mechanism 13, and reference numeral 16 denotes wavelength calculation means for calculating a spectral wavelength in which the error of the harmonic drive mechanism 13 has been corrected using the parameter.

(作用) ハーモニックドライブ機構は減速機構の一種である。
第2図に一例のハーモニックドライブ機構の精度を測定
した結果を示す。駆動モータであるステッピングモータ
の1パルス当りの送り角が0.36゜、ハーモニックドライ
ブ機構の減速比が1/100のものを用い、300パルスごとに
回転させる。300パルスでの回転角は 0.0036゜×300=1.08゜ である。その出力回転角のずれ量を測定した結果、その
最大値±Xmaxは約60秒(=0.017゜)となった。これは
波長に換算すると、(1)式から±0.34nmに相当する。
中級クラス以上の分光光度計には±0.3nmの波長正確さ
が要求されるため、このままでは使用できない。
(Operation) The harmonic drive mechanism is a type of a speed reduction mechanism.
FIG. 2 shows the result of measuring the accuracy of an example harmonic drive mechanism. A stepping motor, which is a drive motor, has a feed angle per pulse of 0.36 ° and a harmonic drive mechanism with a reduction ratio of 1/100, and rotates every 300 pulses. The rotation angle at 300 pulses is 0.0036 mm x 300 = 1.08 mm. As a result of measuring the shift amount of the output rotation angle, the maximum value ± Xmax was about 60 seconds (= 0.017 °). This corresponds to ± 0.34 nm from the equation (1) when converted into a wavelength.
Intermediate class or higher spectrophotometers require a wavelength accuracy of ± 0.3 nm and cannot be used as is.

ハーモニックドライブ機構の原理と第2図の測定結果
から周期的に誤差を生じていることがわかる。そこで、
本発明は1周期の誤差形状から誤差を補正することによ
って正確な波長出力を得るようにする。パラメータ記憶
手段15は第2図に示されるような誤差形状を示すパラメ
ータを記憶し、波長演算手段16はそのパラメータを基に
して誤差を補正する。
It can be seen from the principle of the harmonic drive mechanism and the measurement results of FIG. 2 that errors occur periodically. Therefore,
The present invention obtains an accurate wavelength output by correcting an error from an error shape of one cycle. The parameter storage means 15 stores a parameter indicating an error shape as shown in FIG. 2, and the wavelength calculation means 16 corrects the error based on the parameter.

(実施例) 第3図にハーモニックドライブ機構13の一例の断面図
を示す。
(Embodiment) FIG. 3 shows a cross-sectional view of an example of the harmonic drive mechanism 13.

ハーモニックドライブ機構13はウエーブ・ゼネレータ
20、フレクスプライン21及びサーキュラ・スプライン22
の3つの基本要素を備えている。
Harmonic drive mechanism 13 is a wave generator
20, flex spline 21 and circular spline 22
The three basic elements are provided.

ウエーブ・ゼネレータ20は楕円状のカム20aとその外
周に嵌められたベアリング用ボール20bとから構成され
ている。ベアリングの内輪はカム20aに固定されるが、
外輪はボール20bを介して弾性変形する。
The wave generator 20 includes an elliptical cam 20a and a bearing ball 20b fitted around the cam 20a. The inner ring of the bearing is fixed to the cam 20a,
The outer ring is elastically deformed via the ball 20b.

フレクスプライン21は肉薄でカップ状の金属弾性体で
あり、開口部の外周に歯が刻まれたものである。
The flex spline 21 is a thin, cup-shaped metal elastic body having teeth cut on the outer periphery of the opening.

サーキュラ・スプライン22は剛体でリング状をしてお
り、内周にはフレクスプライン21と同ピッチの歯が刻ま
れており、その歯の数はフレクスプライン21の歯の数よ
り2枚多くなっている。
Circular spline 22 is rigid and ring-shaped, with teeth of the same pitch as flexspline 21 engraved on the inner circumference, and the number of teeth is two more than the number of teeth of flexspline 21. I have.

フレクスプライン21はウエーブ・ゼネレータ20により
楕円状にたわめられ、楕円の長軸の部分でサーキュラ・
スプライン22と歯が噛み合い、短軸の部分では歯が完全
には離れた状態となる。例えば、サーキュラ・スプライ
ン22を固定し、ウエーブ・ゼネレータ20を回すと、フレ
クスプライン21は弾性変形し、サーキュラ・スプライン
22との噛み合い位置が順次移動していく。ウエーブ・ゼ
ネレータ20が1回転したとき、フレクスプライン21はサ
ーキュラ・スプライン22より歯の数が2枚少ないので、
その分だけウエーブ・ゼネレータ20の回転方向とは逆の
方向に移動することになる。この場合はフレクスプライ
ン21の動きを出力として取り出す。
The flexspline 21 is bent into an elliptical shape by the wave generator 20, and the circular
The spline 22 meshes with the teeth, and the teeth are completely separated from each other at the short axis. For example, when the circular spline 22 is fixed and the wave generator 20 is turned, the flex spline 21 is elastically deformed, and the circular spline 21 is deformed.
The position of engagement with 22 moves sequentially. When the wave generator 20 makes one revolution, the flex spline 21 has two fewer teeth than the circular spline 22.
Accordingly, the wave generator 20 moves in the direction opposite to the rotation direction. In this case, the movement of the flex spline 21 is extracted as an output.

また、フレクスプライン21を固定すれば、サーキュラ
・スプライン22の動きを出力として取り出すことができ
る。
Further, if the flex spline 21 is fixed, the movement of the circular spline 22 can be extracted as an output.

フレクスプライン21の歯数をZfとし、サーキュラ・ス
プライン22の歯数をZc(=Xf+2)とすると、サーキュ
ラ・スプライン22を固定した場合の減速比は (Zf−Zc)/Zf=−2/Zf となり、フレクスプライン21を固定した場合の減速比は (Zc−Zf)/Zc=2/Zc となる。
Assuming that the number of teeth of the flex spline 21 is Zf and the number of teeth of the circular spline 22 is Zc (= Xf + 2), the reduction ratio when the circular spline 22 is fixed is (Zf−Zc) / Zf = −2 / Zf And the reduction ratio when the flexspline 21 is fixed is (Zc−Zf) / Zc = 2 / Zc.

第4図に、駆動モータ12として1パルス当りの送り角
が0.36゜である五相ステッピングモータを使用し、その
20パルス(出力で0.072゜)ごとに回転させ、ハーモニ
ックドライブ機構13のウエーブ・ゼレンレータ20が1周
(1000パルス=3.6゜)したときの誤差形状の測定例を
示す。
In FIG. 4, a 5-phase stepping motor having a feed angle per pulse of 0.36 ° is used as the drive motor 12,
An example of measurement of an error shape when the wave generator 20 of the harmonic drive mechanism 13 makes one rotation (1000 pulses = 3.6 °) by rotating every 20 pulses (0.072 ° in output) is shown.

この誤差形状から、(1)式のδ=0からNパルス送
ったときのδは次の(2)式で近似することができる。
From this error shape, δ when N pulses are sent from δ = 0 in equation (1) can be approximated by the following equation (2).

δ=3.6×a+(0.0036+θi×k)×(b−100×n)
……(2) θ=0.88×10-4(A又はA+1000が0〜319のとき) θ=−1.14×10-4(A又はA+1000が320〜519のとき) θ=0.80×10-4(A又はA+1000が520〜799のとき) θ=−1.36×10-4(A又はA+1000が800〜999のとき) ここで、A=(b−100×n)であり、a,bは N÷1000=aあまりb としたときのa,bである。θi(i=1〜4)及びその
適用範囲は第4図から決まる定数であり、k及びnは機
器によって異なるパラメータである。nは0〜9の10種
類の値を取り得る。kは0.8,1,1.2の3種類の値を取り
得る。
δ = 3.6 × a + (0.0036 + θi × k) × (b−100 × n)
...... (2) (when A or A + 1000 is 320~519) θ 1 = 0.88 × 10 -4 ( when A or A + 1000 is 0~319) θ 2 = -1.14 × 10 -4 θ 3 = 0.80 × 10 -4 (when A or A + 1000 is 520 to 799) θ 4 = −1.36 × 10 -4 (when A or A + 1000 is 800 to 999) where A = (b−100 × n) and a, b is a, b when N ÷ 1000 = a too much b. θi (i = 1 to 4) and its application range are constants determined from FIG. 4, and k and n are parameters that vary depending on the device. n can take ten values from 0 to 9. k can take three values, 0.8, 1, and 1.2.

k及びnの決定は以下のように行なう。 The determination of k and n is performed as follows.

多くの波長既知の輝線スペクトルをもつ光源(例えば
水銀ランプ)を用いて、k及びnを順次変えながら輝線
の波長を測定し、最も波長ずれの少ないkとnの組み合
せを決定する。kとnとの決定はプログラムにより自動
検索させ、kとnの種類をパラメータ記憶手段15として
の例えばEEPROM(電気消去型読出し専用メモリ)に記憶
させることにより、人出を使わずに波長精度の調整を行
なうことが可能となる。
Using a light source (e.g., a mercury lamp) having many known emission line spectra, the wavelength of the emission line is measured while sequentially changing k and n, and the combination of k and n with the smallest wavelength shift is determined. The determination of k and n is automatically searched by a program, and the types of k and n are stored in, for example, an EEPROM (Electrically Erasable Read-Only Memory) as the parameter storage means 15 so that the wavelength accuracy can be determined without using a remote controller. Adjustment can be performed.

ここで重要な点は、使用する機器が決まれば第4図に
示される誤差曲線の周期が決ってしまうことである。し
たがって、個々の機器のパラメータとしては誤差の振幅
としてkを、位相としてnを適当に選ぶだけで、比較的
簡単な方法で補正関数を当てはめることができる。
The important point here is that the cycle of the error curve shown in FIG. 4 will be determined if the equipment to be used is determined. Therefore, the correction function can be applied by a relatively simple method only by appropriately selecting k as the error amplitude and n as the phase as the parameters of each device.

(発明の効果) 本発明では駆動モータの回転を回折格子に伝達する減
速機構としてハーモニックドライブ機構を用いたので、
高速波長走査が可能であり、長時間使用においても精度
の劣化がなく、大きいスペースを必要としない。
(Effect of the Invention) In the present invention, a harmonic drive mechanism is used as a speed reduction mechanism for transmitting the rotation of the drive motor to the diffraction grating.
High-speed wavelength scanning is possible, accuracy is not deteriorated even when used for a long time, and a large space is not required.

ハーモニックドライブ機構の誤差を、記憶させたパラ
メータを用いて補正するようにしたので、自動調整が可
能であり、高い波長正確さを得ることができる。
Since the error of the harmonic drive mechanism is corrected using the stored parameters, automatic adjustment is possible, and high wavelength accuracy can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明を示す概略構成図、第2図はハーモニッ
クドライブ機構の誤差の測定結果を示す図、第3図はハ
ーモニックドライブ機構を示す断面図、第4図はハーモ
ニックドライブ機構の1周期分の誤差を示す図、第5図
はサインバー方式の従来の波長駆動機構を示す構成図、
第6図はギヤとプーリを使った従来の波長駆動機構を示
す概略構成図、第7図は分光器の原理を示す図である。 1……回折格子、 12……駆動モータ、 13……ハーモニックドライブ機構、 14……駆動回路、 15……パラメータ記憶手段、 16……波長演算手段。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a measurement result of an error of the harmonic drive mechanism, FIG. 3 is a cross-sectional view showing the harmonic drive mechanism, and FIG. 4 is one cycle of the harmonic drive mechanism. FIG. 5 is a configuration diagram showing a conventional wavelength drive mechanism of a sine bar method,
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a conventional wavelength drive mechanism using gears and pulleys, and FIG. 7 is a diagram showing the principle of a spectroscope. 1 ... Diffraction grating, 12 ... Drive motor, 13 ... Harmonic drive mechanism, 14 ... Drive circuit, 15 ... Parameter storage means, 16 ... Wavelength calculation means.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】駆動モータと回折格子の間に減速機構とし
てハーモニックドライブ機構を設け、ハーモニックドラ
イブ機構の周期的誤差を補正するパラメータを記憶する
記憶手段と、前記パラメータを用いてハーモニックドラ
イブ機構の誤差を補正した分光波長を算出する波長演算
手段とを備えた分光光度計の波長駆動機構。
A harmonic drive mechanism is provided between a drive motor and a diffraction grating as a speed reduction mechanism, and storage means for storing a parameter for correcting a periodic error of the harmonic drive mechanism, and an error of the harmonic drive mechanism using the parameter. A wavelength driving mechanism for a spectrophotometer, comprising: a wavelength calculating means for calculating a spectral wavelength in which the wavelength is corrected.
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