JP2009013957A - 送液装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カムの加工精度とカム同士の位相精度とカムに追従して往復運動する部位の加工精度による送液の不安定化を低減し、常に一定流量の送液を行うことが可能な送液装置を提供する。
【解決手段】回転軸１に固定された円板部材１５に設けられたスリット１６（ホームポジション）から所定角度毎にプランジャ５ａ、５ｂの接液端部の位置をリニアゲージなどの計測器具２３ａ，２３ｂを用いて測定し、細分した回転角度毎のプランジャ５ａ、５ｂの接液端部の位置パラメータを入力部２２より入力する。ＣＰＵ２１は、前記位置プロファイルに基いたモータ１４の回転速度制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を送液する装置に関し、特に液体クロマトグラフなどの分析装置において、移動相を送液する際に用いられる送液装置およびその制御方法に関する。

特許文献１に開示されているように、次のような送液装置が知られている。まず、モータによって回転させられる回転軸上で回転する複数のカムと、これらの複数のカムのそれぞれに追従して往復運動し複数のプランジャポンプのポンプ室への接液端部を有する複数のプランジャとを備えている。次に、これら複数のプランジャのそれぞれの往復運動によってポンプ動作を行うとともに、１つの送液路に直列に接続された複数のプランジャポンプを備えた送液装置である。すなわち、複数のカムは、互いに特定の角度で回転軸に固定されており、複数のプランジャポンプがそれぞれ決まった周期で移動相の吸入と吐出を行うことで、互いに吸入と吐出のタイミングを補いながら途切れることの無い、安定した送液を実現するものである。

特開２００５−２８２５１７号公報

特許文献１に開示された従来の送液装置では、特定のホームポジションからのカムの回転角度に基いて圧縮率補正を行っている。しかし、回転軸の軸加工精度、複数のカムの加工精度、カムと回転軸の固定時の組立精度、カムとプランジャまでの各部位の加工精度により、回転軸の回転角度におけるプランジャの接液端部の、本来規格の位置と実際の位置が異なる場合がある。複数のプランジャポンプの圧縮率補正は、複数のカム間の本来規格の位相差に基いて実行されるため、複数のプランジャの接液端部の位置が本来規格の位置からズレていれば、圧縮率補正の開始点と終了点にズレが生じ、結果として脈動が発生してしまう。また、上記加工精度による僅かな誤差を考慮せず、本来規格の形状と認識して制御するため、圧縮率補正以外の区間においては一定速度で回転し、僅かな脈流を発生させている。

本発明は、回転軸の軸加工精度、複数のカムの加工精度、複数のカムと回転軸の固定時の組立精度、複数のカムから複数のプランジャの接液端部までの各部の加工精度による送液の不安定化を軽減し、安定した送液を行う送液装置を提供することを目的とする。

本発明はその一面において、回転軸を回転させるモータと、前記回転軸上で回転する複数のカムと、前記カムのそれぞれに追従して往復運動し複数のプランジャポンプのポンプ室への接液端部を有する複数のプランジャと、これら複数のプランジャのそれぞれの往復運動によってポンプ動作を行うとともに、１つの送液路に直列に接続された複数のプランジャポンプを備えた送液装置において、前記回転軸の細分された回転角度毎の複数の前記プランジャの接液端部の位置を表す位置プロファイルを記憶する手段と、この位置プロファイルを読出して前記モータの回転速度を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明に望ましい実施態様においては、前記モータとして、ステッピングモータを採用し、前記回転軸の細分された回転角度は、前記ステッピングモータの所定のステップ数によって設定したことを特徴とする。

本発明は他の一面において、前記送液装置の制御方法であって、前記モータにより前記回転軸を回転させながら、前記プランジャの接液端部の位置を測定するステップと、細分された回転角度毎に測定した複数の前記プランジャの接液端部の位置を表す位置プロファイルを記憶させるステップと、運転時には、前記記憶させた位置プロファイルを読出して前記モータの回転速度を制御するステップとを備えたことを特徴とする。

複数のカムを１回転させた時の所定角度毎の各プランジャの接液端部位置を表す位置プロファイルを参照して制御することによって、カムに追従して往復運動を行う全ての部位の加工、位相、および組立精度に影響されなくなる。したがって、正確なプランジャの接液端部位置に基いた回転速度でモータを回転させることができ、また、正確な圧縮率補正を行うことができ、これら２点の理由によって、送液を安定させることができる。

図１は、本発明の一実施例による２連プランジャ型送液装置とそれを用いた液体クロマトグラフの概略構成図、図２は、本発明の一実施例におけるカム２ａ、２ｂからプランジャ５ａ、５ｂまでの具体的構造を示す斜視図である。

以下に、図１および図２を参照して、本発明の一実施例を説明する。

１つの回転軸１上に２つのカム２ａ、２ｂが取り付けられている。カム２ａ、２ｂにはそれぞれプランジャポンプ３ａ、３ｂのスライダ４ａ、４ｂおよびプランジャ５ａ、５ｂが追従するように取り付けられている。

スライダ４ａ、４ｂはそれぞれのカム２ａ、２ｂの形状に追従して往復運動を行い、プランジャ５ａ、５ｂはスライダ４ａ、４ｂの往復運動に追従して往復運動を行う。プランジャ５ａ、５ｂの他端は、それぞれポンプヘッド６ａ、６ｂのポンプ室７ａ、７ｂに出入りする。

プランジャポンプ３ａのポンプ室７ａの入口側と出口側にはそれぞれ逆止弁８、９が設けられており、プランジャ５ａの往復運動によって吸入した移動相１０を圧縮して吐出を行い、両逆止弁８，９により、次段のポンプ室７ｂ側へ常に一定方向に送液する。次段のプランジャポンプ３ｂは、プランジャ５ｂの往復運動により、前段のポンプ室７ａから送液された移動相１０を吸引、吐出して、圧力センサ１１側へと常に一定方向に送液している。

プランジャポンプ１ｂの出口側には、圧力センサ１１とダンパ１２が設けられており、移動相１０は、圧力センサ１１からダンパ１２を通って送液される。その後は、ドレンバルブ９を開放し、気泡排出及び溶離液の充填を行い、ドレンバルブ９を閉じると、インジェクタ５３により分析対象となる試料が注入され、混合された溶液はカラム５４に入り、成分毎に分離された後に検出器５５で成分分析される。そして分析後は廃液タンクへ流す。以上のように、液体クロマトグラフとして機能する。

カム２ａ、２ｂは互いに特定の角度で回転軸１に固定されており、プランジャポンプ３ａと３ｂがそれぞれ決まった周期で移動相１０の吸入と吐出を行うことで、互いに吸入と吐出のタイミングを補いながら途切れることの無い、安定した送液を実現している。送液中はプランジャポンプ３ａと３ｂの上死点や下死点となる回転角度で吸入と吐出の入れ替わりが行われる。

高圧で移動相を送液する場合、移動相の圧縮作用や逆止弁の切換えタイミングによって送液が途切れてしまう。このため、ＣＰＵ１３は、常時、圧力センサ１１から送られる送液圧力情報の信号を得て、送液圧力が一定になるようにモータ１４をフィードバック制御し、モータ１４の回転速度を一時的に速める（圧縮率補正）ことで安定した送液圧力を維持して送液の安定化を図っている。モータ１４の回転速度は、ＣＰＵ１３に設定されたカムプロファイルに応じて調整されている。圧縮率補正を行うことで送液の安定化を図った場合においても除去できない圧力変動は、ダンパ１２を設けることで圧力変動を緩和し、高性能かつ安定な送液を実現する。

回転軸１の下端にはカム１ａ、１ｂのホームポジション検出用の円板部材１５が取り付けられており、円板部材１５にはスリット１６が設けられている。回転軸１の回転によりホームポジションセンサ１７がスリット１６の角度位置を検出することでカム１ａ、１ｂの回転の基準点を認識する。

ＣＰＵ１３は、カム１ａ、１ｂの回転角度を常時認識しながら、モータ１４の回転速度を制御している。具体的には、回転角度０．５度〜１．５度以内に設定された所定角度毎の位置プロファイルに基いて制御すれば十分な精度を得ることができる。モータ１４としてステッピングモータを採用することが望ましく、位置プロファイルの細分回転角度を、ステッピングモータの予定のステップ数毎に設定することが望ましい。

モータ１４が回転作動すると、小プーリ１８、ベルト１９、および大プーリ２０を介して回転軸１が回転駆動され、それに追従してカム２ａ、２ｂが回転する。

パソコン（ＰＣ）２１は、測定した位置パラメータと、本来規格の位置パラメータから補正区間と補正流量を算出して回転速度を調整する位置プロファイルを作成し、入力部２２から、ＣＰＵ１３へ前記位置プロファイルを入力することで、後述する圧縮率補正を行う。本実施例では、カムの加工による誤差、互いのカム固定時の位相誤差などの誤差を完全に含めた位置プロファイルとして設定し、その位置プロファイルに基づいてモータ１４の回転速度を制御する。

図３は、本発明の一実施例における位置パラメータの測定及び入力方法の概要図である。位置パラメータ測定用のＰＣ２１が、本来規格の位置プロファイルにより、モータ１４の回転制御を行う。このとき、回転軸１に固定された円板部材１５に設けられたスリット１６（ホームポジション）から所定角度（例えば１°）毎にプランジャ５ａ、５ｂの接液端部の位置をリニアゲージなどの計測器具２３ａ，２３ｂを用いて正確に測定する。この測定結果を、電気的信号などにより、ＰＣ２１へ伝達する。このプランジャ５ａ、５ｂの接液端部位置の測定を、カム２ａ、２ｂが３６０°回転完了するまで継続して実行する。

ＰＣ２１は、測定したプランジャ５ａ、５ｂの接液端部の位置パラメータによって補正した位置プロファイルを作成する。例えば、まず、測定したプランジャ５ａ、５ｂの接液端部の位置パラメータと本来規格の各プランジャ接液端部の位置パラメータから、測定対象装置の流量が過多になる角度区間と過多分の流量、過少になる角度区間と過少分の流量を求める。次に、これらのデータに基いて、補正区間、補正値を算出し、本来規格の位置プロファイルを前記補正区間、前記補正値によって補正した位置プロファイルを作成する。

図４および図５に、測定対象の各プランジャ接液端部の位置パラメータと本来規格の各プランジャ接液端部の位置パラメータの一例を示し、図６に本来規格の位置プロファイルによってモータ１４を回転制御させた場合の、本来規格の流量と測定対象の流量を示す。

図４のＤａ区間では測定対象のプランジャの接液端部位置は、本来規格のものよりも角度的に遅れて出現しており、Ｄｂ区間では角度的に早く出現している。Ｄａ区間はポンプ３ａ側の吐出区間、ポンプ３ｂ側の吸入区間であるため、ポンプ３ａの吐出が遅れ、ポンプ３ｂの吸引が早くなり、Ｄａ区間では本来規格よりも流量が少なくなる。Ｄｂ区間はポンプ３ａ側の吸入区間、ポンプ３ｂ側の吐出区間であるため、ポンプ３ａの吸入は逆止弁５の働きにより流量に影響をもたらさないが、ポンプ３ｂの吐出が早くなり、Ｄｂ区間では本来規格よりも流量が多くなる。

ＰＣ４１は、測定した位置パラメータと本来規格の位置パラメータから補正区間Ｄａ、Ｄｂと補正流量Ｆａ、Ｆｂを算出する。そして、Ｈａ区間においては回転速度を早く、Ｈｂ区間においては回転速度が遅くなるよう、回転速度を補正した位置プロファイルを作成し、入力部２２よりＣＰＵ２１へ前記位置プロファイルを入力してモータの速度制御を行う。

このようにカム２ａ、２ｂの各回転角度におけるプランジャ５ａ、５ｂの接液端部の位置を正確に測定し、その測定した角度に基づいて位置プロファイルを設定することで回転軸１の３６０°全ての回転角度で、正しい速度制御を行うことができる。したがって、従来解決できなかった回転軸１の軸加工精度、カム２ａ、２ｂの加工精度、カム２ａ、２ｂと回転軸１の固定時の組立精度、スライダ４ａ、４ｂのカム２ａ、２ｂと接触する部位の加工精度などによる送液の不安定性を低減できる。この結果、安定した一定流量の送液を行うことが可能となり、図６に示すＦａ，Ｆｂの１／５以下の流量誤差に抑制することができる。

本実施例では、一本の回転軸に固定された２つのカムを用いているが、回転軸とカムが一体となっている送液装置、スライダ部の無い送液装置においても本発明を適用して、カムとカムに追従して往復運動を行う部位の機械加工誤差を補正することが可能である。

本発明の一実施例による２連プランジャ型送液装置とそれを用いた液体クロマトグラフの概略構成図である。 本発明の一実施例におけるカム２ａ、２ｂからプランジャ５ａ、５ｂまでの具体的構造を示す斜視図である。 本発明の一実施例における位置パラメータの測定及び入力方法の概要図である。 本発明の一実施例における測定対象のポンプ１ａ側のプランジャ接液端部の位置パラメータと本来規格の各プランジャ接液端部の位置パラメータの一例を示す図である。 本発明の一実施例における測定対象のポンプ１ｂ側のプランジャ接液端部の位置パラメータと本来規格の各プランジャ接液端部の位置パラメータの一例を示す図である。 本発明の一実施例におけるカムの回転角度とプランジャポンプの吸入・吐出の関係を示す図である。

符号の説明

１…回転軸、２ａ，２ｂ…カム、３ａ，３ｂ…プランジャポンプ、４ａ，４ｂ…スライダ、５ａ，５ｂ…プランジャ、６ａ，６ｂ…ポンプヘッド、７ａ，７ｂ…ポンプ室、８，９…逆止弁、１０…移動相、１１…圧力センサ、１２…ダンパ、１３…ＣＰＵ，１４…モータ、１５…円板部材、１６…スリット、１７…ホームポジションセンサ、１８…小プーリ、１９……ベルト、２０…大プーリ、２１…パソコン（ＰＣ）、２２…入力部、２３ａ，２３ｂ…計測器具、２９…ドレンバルブ、５３…インジェクタ、５４…カラム、５５…検出器、５６…廃液タンク。

Claims (12)

1. 回転軸を回転させるモータと、前記回転軸上で回転する複数のカムと、前記カムのそれぞれに追従して往復運動し複数のプランジャポンプのポンプ室への接液端部を有する複数のプランジャと、これら複数のプランジャのそれぞれの往復運動によってポンプ動作を行うとともに、１つの送液路に直列に接続された複数のプランジャポンプを備えた送液装置において、前記回転軸の細分された回転角度毎の複数の前記プランジャの接液端部の位置を表す位置プロファイルを記憶する手段と、この位置プロファイルを読出して前記モータの回転速度を制御する制御部とを備えたことを特徴とする送液装置。
2. 回転軸を回転させるモータと、前記回転軸上で回転する２つのカムと、前記カムのそれぞれに追従して往復運動し２つのプランジャポンプのポンプ室への接液端部を有する２つのプランジャと、これら２つのプランジャのそれぞれの往復運動によってポンプ動作を行うとともに、１つの送液路に直列に接続された２つのプランジャポンプを備えた送液装置において、共通のホームポジションを基準とした前記２つのカムにおける細分された回転角度毎の、２つの前記プランジャの接液端部の位置に基づく位置プロファイルを記憶する手段と、この位置プロファイルに基いて前記モータの回転速度を制御する制御部を備えたことを特徴とする送液装置。
3. 請求項１または２において、プランジャの前記接液端部の位置プロファイルを入力する入力部を備えたことを特徴とする送液装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記カムと前記プランジャとの間に、前記カムに追従して往復運動を行い、前記カムの動きを前記プランジャに伝達する機構を備えたことを特徴とする送液装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記カムと、前記プランジャと、前記プランジャポンプを３組備えたことを特徴とする送液装置。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記モータはステッピングモータであることを特徴とする送液装置。
7. 請求項６において、細分された前記回転角度は、前記ステッピングモータの予定ステップ数に対応した角度であることを特徴とする送液装置。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記細分された回転角度は、０．５〜１．５度以内の所定値であることを特徴とする送液装置。
9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、前記プランジャの前記接液端部の位置を測定する手段を備えたことを特徴とする送液装置。
10. 回転軸を回転させるモータと、前記回転軸上で回転する複数のカムと、前記カムのそれぞれに追従して往復運動し複数のプランジャポンプのポンプ室への接液端部を有する複数のプランジャと、これら複数のプランジャのそれぞれの往復運動によってポンプ動作を行うとともに、１つの送液路に直列に接続された複数のプランジャポンプを備えた送液装置の制御方法において、前記モータにより前記回転軸を回転させながら、前記プランジャの接液端部の位置を測定するステップと、細分された回転角度毎に測定した複数の前記プランジャの接液端部の位置を表す位置プロファイルを記憶させるステップと、この位置プロファイルを読出して前記モータの回転速度を制御するステップとを備えたことを特徴とする送液装置の制御方法。
11. 請求項１０において、前記モータとしてステッピングモータを使用して前記回転軸を回転させるステップと、前記細分された回転角度として、前記ステッピングモータの所定ステップ数毎に前記プランジャの接液端部の位置を測定するステップを備えたことを特徴とする送液装置の制御方法。
12. 請求項１〜９のいずれかに記載の送液装置と、カラムと検出器とを有する液体クロマトグラフ。

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