單色儀的制作方法

專利名稱：單色儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及單色儀，主要用于分析如分光廣度計和比色計的儀器。
廣泛使用的單色儀用于分析儀器，包括如衍射光柵的光散射單元用于相對于波長散射光；驅動機械裝置用于旋轉光散射單元；細縫用于從散射光提取單色光；光檢測器用于檢測由細縫提取的單色光并產生對應檢測到的單色光波長的信號。
在使用這種單色儀的分光光度計中，通常可用的有兩種分析方法波長掃描分析法和時間過程分析法。在波長掃描分析法中，當光散射單元在預置角度旋轉時，來自光檢測器的信號被取樣，同時獲得在預置波長范圍(波長掃描范圍)內的光譜。如果需要，重復數次這樣的波長掃描。另一方面，在時間過程分析法中，光散射單元被固定在對應于對象波長的某一角度位置，測量對象波長的光強度相對于時間的變化。
實際上使用了幾種驅動機械裝置一種使用正弦桿機械裝置把平移運動轉換成為旋轉運動；一種使用步進電機和減速齒輪的開環回路控制；一種使用直流伺服電機的閉環回路控制。當使用衍射光柵作為光散射單元時，它的旋轉范圍通常設定在20-30度。
在上面論述的三種類型的驅動機械裝置中，使用正弦條和使用步進電機的機械裝置有一個共同的缺點，即，波長掃描要求長時間。有時，需要幾十秒鐘才能完成一周波長掃描。此外，在這些機械裝置中，因為不能檢測到光散射單元的旋轉位置，如果電機的控制值和電機的實際角度位置之間的關系一旦畸變，例如，由于驅動機械裝置相對于時間的退變，偏差可以容易地在實際獲得的單色光的波長和對象波長之間發生。
在直流伺服電機機械裝置中，高速波長掃描是可能的，因為光散射單元的旋轉位置總是被檢測到，所以沒有這樣的偏差發生。但是，通常獲得的直流伺服電機(或類似的電機)被設計為連續不斷地旋轉(即，旋轉超過360度)。當這種電機被用來在小角度范圍(即上述20-30度)旋轉光散射單元時，在這樣小的角度范圍內，穩定光散射單元的旋轉速度是困難的。除此之外，在這樣小的范圍內，如果電機前后重復地旋轉，則旋轉速度很難正確地再現。
本申請的發明人已經在日本專利申請號平10-124167(公開號平11-304587)中提出了一種新的單色儀用于解決上述問題，在該申請中，光散射單元由包括線性電機和位置檢測器(編碼器)的機械裝置驅動。由于驅動機械裝置的緣故，單色儀的波長掃描分析的效率和準確性大大改善。新的驅動機械裝置還有一個優點，即，與常規機械裝置比較成本很低。
上面論述的專利申請的單色儀目的是改善波長掃描分析的效率和準確性，但不適用時間過程分析。因此，本發明的目的是進一步改善使用線性電機驅動光散射單元的單色儀的效率和準確性。
本發明的單色儀包括在軸附近旋轉的光散射單元；線性電機，用于旋轉環繞軸的光散射單元；編碼器，用于產生代表光散射單元的旋轉位置的信號，該信號沒有平坦部分的波形；以及，控制器，用于檢測基于由編碼器產生的信號的光散射單元的旋轉位置和用于控制線性電機。
本發明單色儀的一個特征是由編碼器產生的信號波形沒有平坦部分。這意味著在作為光散射單元的旋轉位置的橫坐標上和作為信號強度的縱坐標上，信號的圖形沒有平坦的部分。或可以說，如果光散射單元的旋轉位置稍微變化一點，信號的強度肯定變化。
當然，檢測光散射單元的位置等于檢測固定連接到光散射單元的任何部件。例如，在下面的實施例中，光散射單元被安裝在一個軸上，軸被固定到臂的一端，該臂由線性電機驅動。光散射單元的旋轉位置可以在光散射單元和線性電機之間的任何位置被檢測到，所以編碼器可以放置在它們之間的任何位置上。
使用線性電機作為驅動設備驅動光散射單元，本發明的單色儀甚至以高速的穩定速度不變地旋轉光散射單元。使用上述的編碼器，檢測光散射單元的旋轉位置的準確性與常規裝置比較得到了很大的改善。因此，使用本發明單色義的分光光度計在波長掃描分析和時間過程分析中具有較高的效率和準確性。


圖1是本發明單色儀實施例的平面圖。
圖2是圖1橫切線II-II的單色儀的橫截面圖。
圖3A是碼輪的放大圖。
圖3B顯示在碼輪中的縱向位置和發射之間的關系波形。
圖4A是編碼器的輸出信號的波形。
圖4B是圖4A波形的部分放大波形。
圖5是單色儀的控制系統的方塊圖。
本發明實施例的單色儀10顯示在圖1和圖2中。單色儀有一個基座11，在基座內有一深凹槽111，軸承機構12和線性電機13放置在凹槽111內。臂15由軸承機構12支撐，軸承機構12被構造為含有圓筒外殼121和一對滾珠軸承機構122、122的預加載軸承。軸向的軸14位于臂15的圓形端上，軸14旋轉地由該對滾珠軸承機構122、122支撐。因此，臂15水平地在軸承機構12的中心軸附近旋轉。一對制動器112、112位于基座1的上面，用于限定和確定臂15的旋轉范圍。
臂15的下表面懸掛線性電機機構13的可移動部件131。可移動部件131在它的垂直橫截面是L型，可移動部件131的水平部分被插入具有自由接觸方式的線性電機機構13的固定部件132的水平隙縫133內。當某些電壓供給到線性電機機構13時，可移動部件131在水平方向獲得電磁力。該電磁力從可移動部件131傳送到臂15，給出臂15的軸向軸14一個扭矩，水平地旋轉臂15。當施加到線性電機機構13的電壓極性被反相時，臂15在相反的方向旋轉。隙縫133的寬度(圖1中的垂直尺寸)設計的足夠大以允許可移動部分131自由地運動直到臂15被制動器112、112停止。
光柵支撐件17安裝在臂15的圓形端的上面，衍射光柵16固定在光柵支撐件17上。衍射光柵16被固定，所以，它的表面的中心是在軸承機構12或軸向軸14的中心軸上，并且，該表面的法線與臂15的縱向軸平行。因此，當臂15如上所述旋轉時，衍射光柵16的方位在水平面改變。衍射光柵16的可移動的角度范圍與臂15的旋轉范圍相同。
頭18被固定在臂15的另一端(旋轉軸的遠端)上，并與臂15形成T型。臂15和頭18可以在一體內形成。頭18的外邊緣是弧形，弧形碼輪181放置在頭18上。碼輪181的中心基本上位于軸向軸14的中心軸上。頭18的外邊緣被插入固定在基座11上的傳感器單元19中形成的隙縫191內。
碼輪18和傳感器19組合了(之后稱為編碼器)兩相編碼器的功能，該編碼器產生兩列按照臂15的旋轉位置改變強度的波形信號。通常，已知的常規的兩相編碼器產生兩個信號，每一個信號由一系列矩形脈沖組成。這種常規的兩相編碼器由具有重復反射和發射的波形及反射型或發射型光學傳感器組成。另一方面，現在的實施例的編碼器20產生沒有平坦部分的波形(或非矩形波形)，以便提高臂15的位置檢測準確性(或位置檢測分辨率)。
使用附圖1-3B詳細論述編碼器20。圖3A是碼輪181的放大平面圖，為解釋的方便，其中，弧線被直線地延伸。在這個例子中，碼輪181被構建作為窗口，在該窗口內，光的發射相對于縱向位置連續地和周期性地變化。因此，碼輪181在此后也稱為發射窗口。如圖3B所示，發射窗口181的光發射相對于縱向位置正弦地變化。在傳感器19的隙縫191的內部，提供了一個光發射單元，用于投射光到發射窗口181；一個接受單元，用于產生對應于通過發射窗口181的光的強度的信號。
圖4A是編碼器20的輸出信號波形，圖4B顯示了波形的放大部分。象在這些波形中顯示的一樣，編碼器20產生了兩個信號A和B。兩個信號的強度按照臂15的旋轉位置變化，但在這兩個信號的相位中有90度的差別。從這兩個正弦信號A和B，可以獲得有關臂15的旋轉位置和旋轉方向的信息。例如，當臂15在某些方向從預置的參考位置被旋轉時，臂15的旋轉位置可以基于由編碼器20產生的正弦信號的脈沖數(或最小峰值的最大峰值的數量)來確定。可以用圖4A的R來確定分辨率(或位置準確性)。臂15的旋轉方向可以通過檢測信號A和信號B的峰值哪個先到達來確定。除了脈沖數的信息之外，臂15的旋轉位置的分辨率(或確定準確性)可以通過使用正弦曲線的相位信息(例如，來自每個信號的最大峰值的相位位置)來改善。
可以使用各種方法確定參考位置，以檢測臂15的絕對旋轉位置。在方法之一中，當衍射光柵16的表面的法線與入射光線(或衍射光柵16以一正確的角度面對入射光線)一致時，確定反射光(瑞利光)的方向作為臂15的參考位置。本實施例的單色儀10裝備有臂檢測器21，當臂15是在參考位置時，該檢測器21產生臂檢測信號，通過該信號確定臂15是否在參考位置上。
最好在某一時間點上使用信號A和信號B之一，信號A和信號B在該時間點上存在較大的變化率，以便在檢測臂15的旋轉位置時改善準確性。例如，假設臂15是在圖4B的點P上。正弦信號A以大約最大峰值在P點，所以變化率是小的，而同時信號B的變化率是大的。因此，最好使用P點的信號B以高準確性檢測臂15的旋轉位置。
圖5顯示了單色儀10的控制系統的方塊圖。由對應于臂15旋轉的編碼器20產生的兩個正弦信號A和B由各自的放大器311和312調整到預置電壓幅度的信號。然后，該信號由各自的A/D轉換器321和322轉換為各自的數字數據，該數據通過總線33被發送到CPU 34。CPU 34處理通過A/D轉換器321、322、323發送的數字數據以確定如上所述的臂15的旋轉方向和旋轉位置，以及進行基于所確定的結果的預置數據處理。CPU 34然后產生代表控制值(電壓或極性)的數字數據，用于控制線性電機13。由CPU 34產生的數字數據通過D/A轉換器35被轉換成為模擬信號，該模擬信號然后通過放大器36被調整到預置電壓的另一個模擬信號。該信號被送到線性電機13。
CPU 34以各種方式控制線性電機13，取決于使用單色儀10的分析儀器的類型和分析的對象。在此論述的例子中，單色儀10被用在分光光度計中。如前所述一樣，波長掃描分析和時間過程分析可以在分光光度計中進行。分光光度計的操作員操作輸入裝置39，像CPU 34發出命令，指定使用哪一種分析。對應操作員指定的分析種類，CPU 34處理和控制如下。必要的程序和數據(例如，代表臂15的旋轉位置和由單色儀提取的單色光的波長之間的關系)事先被存儲在ROM 40和RAM 41中。
當指定了波長掃描分析時，操作員使用輸入裝置39給出了代表被掃描(即，最小波長和最大波長范圍的數據)的波長范圍的數據到CPU34。CPU 34執行線性電機13的負反饋控制。根據臂檢測器21和編碼器20的輸出信號監視臂15的旋轉位置。CPU 34連續地產生控制值數據，用于控制線性電機13，所以，臂15的旋轉位置以恒定的旋轉速度從對應最小波長的位置到對應最大波長的位置變化。如果波長掃描被重復數次，當臂15到達對應最大波長(或最小波長)位置時，CPU 34倒轉施加到線性電機13的電壓極性。
當指定時間過程分析時，操作員通過輸入裝置39給出了在分析中代表被使用(即，最小波長和最大波長范圍的數據)的對象波長的數據到CPU 34。當根據臂檢測器21和編碼器20的輸出信號檢測臂15的位置時，CPU 34產生控制值數據，用于驅動線性電機13把臂15帶到對應對象波長的位置。當檢測到臂15到達對象旋轉位置時，CPU 34，同時監視來自編碼器20的輸出信號，連續地為線性電機13調整控制值數據，所以，來自編碼器20的輸出信號保持恒定。因為由CPU 34控制線性電機13，臂15停留在對象旋轉位置上。最好在線性電機13的負反饋中使用PID(比例積分微分)控制方法，使用該方法，可以使臂15的旋轉位置保持在高準確性和高穩定性。
當控制臂15的旋轉位置或旋轉速度的高準確性不是必要的時，能夠只使用從正弦信號A和B獲得的信息中的脈沖數的信息用于確定臂15的旋轉位置。考慮這個可能性，在圖5中的控制系統中提供了一個電路，用于從編碼器20的輸出信號獲得脈沖數的信息。該電路包括兩個比較器371和372，當來自對應的放大器311或312的信號達到預置水平時，每一個比較器產生一個輸出信號。比較器371和372的輸出端被連接提供到總線33的輸入端口38的端子上。根據來自輸入端口38的信號，CPU34可以檢測正弦信號A或B的脈沖的到來。在這個例子中，臂15的旋轉位置時基于脈沖數確定的，數據處理比使用脈沖數的信息和相位的信息簡單。操作員可以事先通過輸入裝置39向CPU 34發出命令，CPU 34是否使用來自A/D轉換器321和322的信號或來自輸入端口38的信號。換句話說，在時間過程分析中，預先確定使用來自A/D轉換器321和322的信號，和在波長掃描分析中，預先確定使用來自輸入端口38的信號都是可能的。
應當注意，上面論述的實施例僅僅是例子，沒有限制，本發明在它的精神和范圍內可以以任何方式實施。例如，由解碼器20產生的輸出信號在上面的論述中假定是正弦信號。波形可以是其它形式，如三角形波形，只要波形不含有平坦部分。上面實施例的編碼器由相對于位置的正弦地發射變化的發射窗口和發射型的光傳感器組成。換句話說，用相對于位置連續地和周期底變化反射率的反射平板和反射型的光傳感器組成的編碼器是可能的。代替這種光學型編碼器，在本發明中也可以使用磁編碼器和光干涉編碼器。
權利要求
1.一種單色儀，包括在一軸附近旋轉的光散射單元；線性電機，用于旋轉環繞該軸的光散射單元；編碼器，用于產生代表光散射單元的旋轉位置的信號，該信號沒有平坦部分的波形；以及，控制器，用于檢測基于由編碼器產生的信號的光散射單元的旋轉位置和用于控制線性電機。
2.按權利要求1所述的單色儀，其特征是光散射單元被安裝在一個臂上，該臂的一端在軸附近旋轉，并由線性電機驅動。
3.按權利要求2所述的單色儀，其特征是編碼器包括提供在臂的另一端的發射窗口和提供在單色儀的基座上的發射型光傳感器，其中，發射窗口的發射相對于臂的旋轉位置連續地和周期地變化。
4.按權利要求3所述的單色儀，其特征是發射窗口的發射正弦地變化。
5.按權利要求3所述的單色儀，其特征是發射窗口的發射重復地三角形變化。
6.按權利要求2所述的單色儀，其特征是編碼器包括提供在臂的另一端的反射平板和固定在單色儀的基座上的反射型光傳感器，其中，反射平板的反射率相對于臂的旋轉位置連續地和周期地變化。
7.按權利要求6所述的單色儀，其特征是反射平板的反射率正弦地變化。
8.按權利要求6所述的單色儀，其特征是反射平板的反射率重復地三角形變化。
9.按權利要求3所述的單色儀，其特征是編碼器產生在兩個信號之間有相位差的兩個周期信號，控制器檢測基于兩個信號的光散射單元的旋轉方向及旋轉位置。
10.按權利要求3所述的單色儀，其特征是控制器檢測基于由編碼器產生信號的脈沖數的光散射單元的旋轉位置。
11.按權利要求6所述的單色儀，其特征是編碼器產生在兩個信號之間有相位差的兩個周期信號，控制器檢測基于兩個信號的光散射單元的旋轉方向及旋轉位置。
12.按權利要求6所述的單色儀，其特征是控制器檢測基于由編碼器產生信號的脈沖數的光散射單元的旋轉位置。
全文摘要
在一種單色儀中,包括在軸附近旋轉的光散射單元;線性電機,用于旋轉環繞軸的光散射單元;編碼器,用于產生代表光散射單元的旋轉位置的信號,以及,線性電機控制器,用于檢測基于由編碼器產生的信號的光散射單元的旋轉位置。由編碼器產生的信號沒有平坦部分的波形;就是說,如果光散射單元的旋轉位置稍微變化一點,信號的強度肯定變化。使用線性電機作為驅動設備驅動光散射單元,單色儀甚至以高速的穩定速度恒定地旋轉光散射單元。
文檔編號G01J3/12GK1271851SQ0010611
公開日2000年11月1日 申請日期2000年4月25日 優先權日1999年4月27日
發明者吉川治 申請人:株式會社島津制作所