DE3542106C2 - Wellenlängen-Antriebsvorrichtung für Monochromatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellenlängen-Antriebs­ vorrichtung für Monochromatoren.

Es sind zwei Arten von Wellenlängen-Antriebsvorrichtungen bekannt, nämlich eine Sinuslineal- und eine Nocken- oder Mitnehmerbauart. Die beigefügte Fig. 4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Wellenlängen-Antriebsvorrichtung a der Sinuslinealbauart, die eine Gewindespindel b, eine mit deren Gewinde in Eingriff befindliche Spindelmutter d, die längs der Spindel bewegbar ist, und ein Lichtdis­ persionselement, z. B. ein Beugungsgitter c, das auf einer mit einem an der Mutter d anliegenden Arm versehenen Platte f gehalten ist, umfaßt, so daß bei einer Bewegung der Spin­ delmutter d die Platte f mit dem daran befindlichen Beu­ gungsgitter c gedreht werden, um das auf das Gitter fallen­ de Licht zu zerstreuen oder zu zerlegen. Bei dieser Vor­ richtung ist der Betrag der Verlagerung der Mutter d der Wellenlänge des Lichtstrahls vom Monochromator proportio­ nal. Es ist insofern möglich, durch eine Drehung der Spin­ del b, um die Mutter d linear zu verlagern, die Wellenlänge linear anzutreiben. Da jedoch die Präzision, mit der die Gewindespindel, die Spindelmutter und andere Teile bear­ beitet bzw. gefertigt werden, unmittelbar die Genauigkeit in der Messung beeinflußt, muß die Vorrichtung, nachdem die Teile zusammengebaut worden sind, um ihr genaues Arbeiten zu gewährleisten, justiert werden. Weil des weiteren die Vorschubspindel eine niedrige Übertragungsleistung der An­ triebskraft hat, muß, um eine Beschleunigung im Wellenlän­ genantrieb zu erlangen, der Antriebsmotor e groß bemessen werden, wenn er ein großes Drehmoment erzeugen soll, so daß der Motor teuer wird.

Bei einer Wellenlängen-Antriebsvorrichtung der Nocken- oder Mitnehmerbauart, müssen die Nocken mit einem hohen Grad an Präzision gefertigt werden, was die Herstellungskosten an­ steigen läßt.

Aus der US-37 33 131 ist es bereits bekannt, in Wellenlängen-Antrieben von Monochromatoren- Zahnriemenscheiben und Zahnflachriemen zu verwenden.

Ferner ist es aus der FR-35 40 626 A1 bekannt, Beugungsgitter auf Zahnsektorscheiben zu montieren, die von einem Zahnrad angetrieben werden, bzw. mit diesem kämmen.

Es ist im Hinblick auf den Stand der Technik die Aufgabe der Erfindung, eine Wellenlängen-Antriebsvorrichtung zur Verwen­ dung in Monochromatoren zu schaffen, durch die die oben erwähn­ ten Schwierigkeiten beseitigt werden, die einen einfachen Aufbau hat, die einen Wellenlängenantrieb mit hoher Ge­ schwindigkeit erreichen läßt und die dennoch mit geringen Kosten herzustellen ist.

Die Wellenlängen-Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt - kurz gesagt - ein optisches Element, das Licht in unterschiedliche Wellenlängen zerlegt, eine das optische Element für eine Drehung um eine erste Achse lagernde Ein­ richtung, einen Schrittmotor, eine erste Zahnriemenscheibe mit relativ kleinem Durchmesser, die mit der Abtriebswelle des Schrittmotors für eine gleichzeitige, schrittweise Dre­ hung mit diesem verbunden ist, ein erstes Zahngetriebeteil mit relativ großem Durchmesser, das an der das optische Ele­ ment lagernden Einrichtung für eine gleichzeitige Drehung mit dieser um die erste Achse befestigt ist, ein zweites Zahngetriebeteil mit relativ kleinem Durchmesser, das für eine Drehung um eine zweite Achse angeordnet ist und mit dem ersten Zahngetriebeteil kämmt, eine zweite Zahnriemenscheibe mit relativ großem Durchmesser, die am zweiten Zahngetriebe­ teil für eine gleichzeitige Drehung mit diesem um die zweite Achse fest ist, einen die erste sowie zweite Zahnriemen­ scheibe verbindenden Zahnflachriemen und eine Schaltungsan­ ordnung, die den Schrittmotor bezüglich seines Drehens steuert.

Das Untersetzungsverhältnis zwischen dem ersten und zweiten Zahngetriebeteil wird hierbei auf einen solchen Wert fest­ gesetzt, daß die zweite Zahnriemenscheibe für das Abtasten oder Durchlaufen eines üblicherweise für eine Messung ver­ wendeten Wellenlängenbereichs um einen Winkel gedreht wird, der kleiner als 360° ist.

Vorzugsweise ist das erste Zahngetriebeteil ein Zahnsektor mit einem Zentriwinkel, der größer ist als der Drehwinkel, den das Lichtdispersionselement benötigt, um den gesamten abzutastenden Wellenlängenbereich einschließlich eines Lichts nullter Ordnung zu durchlaufen.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand ihrer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine gemäß der Erfindung aus­ gebildete Wellenlängen-Antriebsvorrichtung;

Fig. 2 den Schnitt nach der Linie II-II, gesehen in Rich­ tung der Pfeile;

Fig. 3 das Schema der Steuerung des Schrittmotors von Fig. 1;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche Wellenlängen-Antriebsvorrichtung, die eingangs bereits besprochen wurde.

Gemäß den Fig. 1 und 2 weist eine Wellenlängen-Antriebsvor­ richtung 1 einen Fünfphasen-Schrittmotor 4 auf, der ein Lichtdispersionselement - in diesem Fall ein konkaves Beugungsgitter 2 - dreht. Bei der in Rede stehenden Aus­ führungsform dreht der Schrittmotor 4 um 0,72° pro Schritt, er führt in 500 Schritten eine vollständige Umdrehung aus und ist imstande, einen Antrieb mit Geschwindigkeiten, die größer als etwa 1000 Impulse/sec sind, zu bewirken.

Auf der Abtriebswelle des Schrittmotors 4 ist eine Zahn­ riemenscheibe 6 mit kleinem Durchmesser befestigt, während eine Zahnriemenscheibe 10 mit größerem Durchmesser an einer Welle 12 fest angebracht ist, die durch Lager 14 sowie 16 und eine Hülse 18 drehbar an einer Grundplatte 20 montiert ist.

Ein Zahnflachriemen 8 verbindet die beiden Zahnriemenschei­ ben 6 und 10 miteinander. Das Verhältnis in der Zahl der Zähne an der kleinen Riemenscheibe 6 zu der an der größe­ ren Riemenscheibe 10 ist im vorliegenden Fall mit 1 : 21 bestimmt.

Auf der Welle 12 ist ein Zahnritzel 22 kleinen Durchmessers befestigt, das zugleich mit der größeren Riemenscheibe 10 dreht, und mit dem Ritzel 22 kämmt ein Zahnsektor 24 von großem Durchmesser. Der Zahnsektor 24 hat einen Zentriwin­ kel, der größer als der Drehwinkel ist, den das Beugungs­ gitter 2 benötigt, um den gesamten Wellenlängenbereich ein­ schließlich des Lichts nullter Ordnung zu durchlaufen oder abzutasten. Der Zahnsektor 24 ist mit Hilfe von Schrauben 28 fest an einer Halterung 26 angebracht, an der das Gitter 2 durch ein Befestigungsglied 30 gehalten ist.

Da im allgemeinen der Drehwinkel eines konkaven Beugungs­ gitters zwischen 20° und 45° liegt, ist es für den Zahnsek­ tor 24 mit großem Durchmesser ausreichend, wenn sein Zentri­ winkel größer ist als der oben genannte Drehwinkelbereich. Insofern braucht das "Zahnrad 24" nicht unbedingt eine Kreis­ form aufzuweisen, vielmehr kann es in vorteilhafter Weise zur Raumersparnis ein Zahnsektor sein, wie es hier der Fall ist.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform ist das Zähne­ zahlverhältnis vom kleinen Zahnritzel 22 zum großen Zahn­ sektor 24 gleich 1 : 12. Wie gesagt wurde, ist das Zähne­ zahlverhältnis der kleinen Zahnscheibe 6 zur großen Zahn­ scheibe 10 gleich 1 : 21. Damit wird die Drehung des Schrittmotors 4 auf das Beugungsgitter 2 mit einem Unter­ setzungsverhältnis von 1/(12 · 21) = 1/252 übertragen, was bedeutet, daß ein Drehschritt des Schrittmotors 4 dem Dreh­ winkel 0,72° · 1/252 = 0,0029° des Beugungsgitters 2 ent­ spricht.

Die das konkave Beugungsgitter 2 mittels des Befestigungs­ gliedes 30 tragende Halterung 26 weist ein unteres, waage­ rechtes Teil auf, das an einer Nabe 32 befestigt ist, die ihrerseits durch eine Stellschraube 34 an einer Welle 36 festgehalten ist. Die Welle 36 wird an der Grundplatte 20 durch ein Lager 38 drehbar gehalten, so daß die Halterung 26 mit dem an dieser angebrachten Gitter 2 sowie Zahnsektor 24 um die Achse der Welle 36 gleichzeitig drehbar sind.

Das Gitter 2 ist an der Halterung 26 so befestigt, daß die zur Reflexionsfläche des Gitters 2 an dessen Drehzentrum senkrechte Linie einen vorbestimmten Winkel mit der Mittel­ linie des Zahnsektors 24 bildet, wobei das Zentrum der Re­ flexionsfläche des Gitters mit der Drehachse der Halterung 26 und derjenigen des Zahnsektors 24 koaxial ist.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist der gesamte zu durch­ laufende Wellenlängenbereich einschließlich von Licht null­ ter Ordnung auf einen Bereich von 0-1100 nm festgesetzt, wobei der für eine Messung üblicherweise verwendete Wellen­ längenbereich mit einer Größenordnung von 200-1100 nm be­ stimmt ist. Der Drehwinkel des Gitters 2 wie auch des Zahn­ sektors 24 ist zum Abtasten des gesamten Wellenlängenbereichs auf etwa 30° und zum Durchlaufen des üblicherweise für eine Messung verwendeten Wellenlängenbereichs auf etwa 27° fest­ gesetzt. Da das Zähneverhältnis zwischen dem Zahnritzel 22 und dem Zahnsektor 24 gleich 1 : 12 ist, beträgt der Winkel, um den die große Zahnriemenscheibe 10 zum Abtasten des ge­ samten Wellenlängenbereichs gedreht wird, 33° · 12 = 396°, während der Winkel, um den die gleiche Riemenscheibe 10 zum Durchlaufen des üblicherweise verwendeten Wellenlängenbereichs gedreht wird, 27° · 12 = 324° beträgt, d. h., kleiner ist als 360°. Deshalb ist, wenn der übliche Wellenlängenbereich von 200-1100 nm benutzt wird, jeder Punkt am Außenumfang der großen Zahnriemenscheibe 10 in einer Eins-zu-Eins-Überein­ stimmung mit den zerstreuten oder zerlegten Wellenlängen. Der vorher erwähnte Drehwinkel von 0,0029° des Gitters 2, der mit einem einzelnen Schritt des Schrittmotors 4 übereinstimmt, entspricht - ausgedrückt als Wellenlänge - annähernd 0,1 nm. Insofern kann eine Abtastung der Wellenlänge im üblichen Be­ reich von 200-1100 nm durch etwa 9000 Schritte des Schritt­ motors 4 abgedeckt und in einer kurzen Zeit, nämlich von etwa 9 sec, fertig ausgeführt werden, wenn der Motor 4 mit einer Geschwindigkeit von 1000 Impulsen/sec dreht.

Da bei der in Rede stehenden Ausführungsform die große Zahn­ riemenscheibe 10 in Richtung des Pfeils C und gleichzeitig der Zahnsektor 24 in Richtung des Pfeils D gedreht werden, schreitet das Abtasten oder Durchlaufen von der kürzeren zur längeren Wellenlänge hin fort.

Die Zahnriemenscheibe 10 von großem Durchmesser ist an ihrem Außenumfang mit einem Schlitz 40 versehen. Im Bereich des Außenumfangs dieser Scheibe 10 befindet sich ein auf einem Träger 44 befestigter Strahlungsempfänger 42, der den Schlitz 40 erfaßt, wenn die Riemenscheibe 10 so gedreht wird, daß der Schlitz 40 zum Strahlungsempfänger 42 hin verlagert wird. Nahe den gegenüberliegenden Seitenkanten des Zahnsektors 24 ist je ein Schalter 46 bzw. 48 angeordnet, die dazu dienen, die Ober- sowie Untergrenze im Drehbereich des Zahnsektors 24 zu bestimmen, wozu dieser Sektor 24 in seiner unteren Flä­ che mit einem Obergrenzestift 50 und einem Untergrenzestift 52 versehen ist. Wie die Fig. 3 zeigt, sind der Strahlungs­ empfänger 42 und die Grenzschalter 46, 48 an eine Steuer­ schaltung 54 angeschlossen, die die Drehung des Schrittmotors 4 regelt. Wenn der Zahnsektor 24 über den gesamten Wellen­ längen-Abtastbereich hinaus in den längeren oder kürzeren Wellenlängenbereich gedreht werden sollte, dann stößt der Ober- bzw. Untergrenzestift 50 bzw. 52 an den Grenzschal­ ter 46 bzw. 48, womit der Motor 4 von einer (nicht gezeigten) Stromquelle getrennt wird, um ein Weiterlaufen zu unterbin­ den.

Die Steuerschaltung 54 regelt den Drehwinkel des Schritt­ motors 4 sinusförmig in der Weise, daß das konkave Beugungs­ gitter 2 unterschiedliche Wellenlängen bei gleichen Inter­ vallen liefert, und sie setzt den Schrittmotor 4 still, wenn der Strahlungsempfänger 42 den Schlitz 40 erfaßt hat.

Der Schlitz 40 bestimmt einen Wellenlängenursprung. Die große Riemenscheibe 10 trägt auf ihrer oberen Fläche eine erste radiale Markierungslinie A, die zum Schlitz 40 um einen vor­ bestimmten Winkel R₁, der größer als 360° ist, beabstandet ist, und eine zweite radiale Markierungslinie B, die zur ersten Linie A mit einem vorbestimmten Winkel R₂ beabstandet ist. Die erste radiale Linie A bestimmt einen Bezugspunkt zur Justierung der optischen Achse des Monochromators, dem die Wellenlängen-Antriebsvorrichtung eingegliedert ist, und die zweite radiale Linie B bestimmt den Ausgangspunkt, an welchem das Zahnritzel 22 und der Zahnsektor 24 zum Kämmen miteinander kommen. Der Winkel R₁ entspricht dem gesamten, vom Gitter ab­ zutastenden Wellenlängenbereich vom Licht nullter Ordnung bis 1100 nm, d. h., ausgedrückt als Drehwinkel der Riemenscheibe 10, 396°. Der Winkel R₂ wird auf das Zwölffache des Winkels α zwischen der einen Seitenkante des Zahnsektors 24 und einer radialen Linie, die das Drehzentrum 0 ₁ des Zahnsektors, das mit demjenigen des Gitters 2 zusammenfällt, und den Punkt verbindet, an dem das Zahnritzel 22 sowie der Zahnsektor 24 miteinander kämmen, wenn das Gitter 2 mit Bezug zu dem durch den Eintrittsspalt S₁ einfallenden Licht so positioniert ist, daß ein Lichtstrahl nullter Ordnung durch einen Austritts­ spalt S₂ gerichtet wird, wie Fig. 1 zeigt, festgesetzt.

Zur Justierung der Wellenlängen-Antriebsvorrichtung 1 wird die große Riemenscheibe 10 in eine solche Lage gebracht, daß ihre zweite Markierungslinie B mit der Mitte des Strahlungs­ empfängers 42 fluchtet und zugleich der Zahn am linken Ende des Zahnsektors 24 mit dem Zahnritzel 22 in Eingriff ist. Wenn dann die Zahnriemenscheibe 10 in Richtung des Pfeils C gedreht wird, so werden zugleich der Zahnsektor 24 und das Beugungsgitter 2 in Richtung des Pfeils D gedreht, bis die erste Markierung auf die Mitte des Strahlungsempfängers 42 ausgerichtet ist, wobei der Zahnsektor 24 um den Winkel α und gleichzeitig die Riemenscheibe 10 um den Winkel R₂ ge­ dreht worden sind, so daß ein Lichtstrahl nullter Ordnung aus dem Austrittsspalt S₂ des Monochromators austritt. In der Praxis können die miteinander kämmenden Zahngetriebe­ teile 22 und 24 einen geringfügigen Fehler hervorrufen, der aber durch Justieren des Trägers 44 des Strahlungsempfängers 42 nach links oder rechts hin beseitigt werden kann. Die Riemenscheibe 10 wird dann um einen Winkel, der größer als R₁-390° und kleiner als R₁ ist, in Richtung des Pfeils C vom kürzeren zum längeren Wellenlängenbereich gedreht, bis der Schlitz 40 am Strahlungsempfänger 42 durchläuft, wor­ auf die Zahnscheibe 10 zur Fertigstellung der Justierung an­ gehalten wird.

Zur Selbstinitialisierung des Monochromators wird der Schrittmotor 4 erregt, um die Riemenscheibe 10 in Richtung des Pfeils C zu drehen, bis der Schlitz 40 vom Strahlungs­ empfänger 42 erfaßt wird, womit der Motor 4 stillgesetzt wird und hierauf ein Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 1100 nm aus dem Spalt S₂ tritt. Die Position des Schlitzes 40 liefert somit den Wellenlängenursprung. Erfindungsgemäß kann die optische Achse korrekt auf einfache Weise durch die erste sowie zweite Markierung A und B justiert werden.

Um die Präzision in der Ermittlung des Wellenlängenursprungs zu steigern, kann ein Verfahren zur Erfassung des Energie­ spitzenwerts der Lichtquelle zusätzlich zur Anwendung kommen.

Im allgemeinen erhält in einem Mechanismus zur Übertragung der Drehung eines Motors mit einem hohen Untersetzungswert ein Fehler in der Winkelübertragung einen größeren Einfluß in den hinteren Stufen, in denen ein höherer Präzisionsgrad im Mechanismus gefordert wird, und weil die Bauteile in den vorderen Stufen mit höheren Geschwindigkeiten gedreht werden, müssen diese Teile der vorderen Stufen so geräuschlos und/oder störungsfrei wie möglich sein. Bei der hier gezeigten und er­ läuterten Wellenlängen-Antriebsvorrichtung verwendet der Übertragungsmechanismus in der vorderen Stufe Zahnriemen­ scheiben sowie einen Zahnflachriemen, die einen geringeren Präzisionsgrad erfordern sowie wenig Geräusch bzw. Störungen erzeugen, und in der hinteren Stufe die präzis gefertigten Zahngetriebeteile (Zahnritzel und -sektor), die mit niedri­ ger Geschwindigkeit gedreht werden, so daß es möglich ist, eine störungsfreie Drehübertragung mit einer hohen Präzision zu erlangen.

Bei der gemäß der Erfindung ausgebildeten Wellenlängen-An­ triebsvorrichtung kommen als ein Mechanismus für die Drehung eines Lichtdispersionselements ein Zahnflachriemen, durch diesen verbundene Zahnriemenscheiben und Zahngetriebeteile zur Anwendung, so daß die gesamte Konstruktion bei allenfalls geringen Fehlern in der Winkelübertragung vereinfacht wird. Da der Mechanismus eine hohe Übertragungsleistung der An­ triebskraft hat, kann ein Wellenlängenantrieb bei hoher Ge­ schwindigkeit mit einem ein kleines Ausgangsdrehmoment auf­ weisenden Schrittmotor bewerkstelligt werden, woraus eine Verminderung in den Herstellungskosten resultiert.

Claims (5)

1. Wellenlängen-Antriebsvorrichtung für Monochromatoren, gekennzeichnet

• a) durch ein optisches Element (2), das Licht in unter­ schiedliche Wellenlängen zerlegt,
• b) durch eine das optische Element (2) lagernde Einrichtung (26), die um eine erste Achse drehbar ist,
• c) durch einen Schrittmotor (4),
• d) durch eine erste Zahnriemenscheibe (6) mit relativ geringem Durchmesser, die mit der Abtriebswelle des Schrittmotors für eine schrittweise Drehung mit diesem verbunden ist,
• e) durch ein erstes Zahngetriebeteil (24) mit relativ großem Durchmesser, das an der lagernden Einrichtung (26) für eine gleichzeitige Drehung mit dieser um die erste Achse befestigt ist,
• f) durch ein zweites Zahngetriebeteil (22) mit relativ kleinem Durchmesser, das für eine Drehung um eine zweite Achse angeordnet ist und mit dem ersten Zahn­ getriebeteil (24) kämmt,
• g) durch eine zweite Zahnriemenscheibe (10) mit relativ großem Durchmesser, die am zweiten Zahngetriebeteil (22) für eine gleichzeitige Drehung mit diesem um die zweite Achse befestigt ist,
• h) durch einen die erste sowie zweite Zahnriemenscheibe verbindenden Zahnflachriemen (8) und
• i) durch eine die Drehung des Schrittmotors (4) steuern­ de Schaltungseinrichtung (42, 46, 48, 50, 52, 54).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsverhältnis des ersten Zahngetriebeteils (24) zum zweiten Zahngetriebeteil (22) auf einen solchen Wert festgesetzt ist, daß die zweite Zahnriemenscheibe (10) für das Abtasten eines üblicherweise für eine Messung verwendeten Wellenlängenbereichs um einen Winkel, der kleiner als 360° ist, gedreht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zahngetriebeteil ein Zahnsektor (24) ist, der einen Zentriwinkel hat, welcher größer als der für das Lichtdispersionselement (2) erforderliche Drehwinkel, um den gesamten abzutastenden Wellenlängenbereich ein­ schließlich von Licht nullter Ordnung zu durchlaufen, ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zahnriemenscheibe (10) mit einer Einrichtung zur Bestimmung eines Wellenlängen­ ursprungs versehen ist, wobei eine erste Markierung (A) um einen vorbestimmten Winkel (R₁) zum Wellenlängenur­ sprung beabstandet ist sowie einen Bezugspunkt zur Justie­ rung der optischen Achse festlegt und wobei eine zweite Markierung (B) um einen vorbestimmten Winkel (R₂) zur ersten Markierung beabstandet ist sowie die Anfangsstel­ lung, an der das erste und zweite Zahngetriebeteil (24, 22) miteinander kämmen, festlegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bestimmung des Wellenlängenursprungs aus einem im Außenumfang der zweiten Zahnriemenscheibe (10) ausgebildeten Schlitz (40) sowie einem nahe diesem Außenumfang angeordneten, den Schlitz (40) erfassenden Strahlungsempfänger (42) besteht, dessen Ort in der Umfangsrichtung der zweiten Zahnriemenscheibe (10) ju­ stierbar ist.