JP5158032B2 - 液体クロマトグラフの自動試料注入装置 - Google Patents

Description

本発明は液体クロマトグラフに試料を自動的に注入するオートサンプラと称される自動試料注入装置に関するものである。

液体クロマトグラフの自動試料注入装置として、測定用の試料が入った試料瓶をラック内に設置し、ニードルによりラック内の試料瓶から試料を吸引し、その後ニードルが液体クロマトグラフの試料注入口まで移動して試料を注入するものがある。自動試料注入装置のニードルは水平面内を移動して目的の試料瓶上に位置決めされ、その位置で下降してニードル先端が試料瓶に挿入されて試料を吸引する。その後、ニードルは上昇して再度水平面内を移動して試料注入口の上部に位置決めされ、その位置で下降して試料注入口に試料に注入する。

これまでの自動試料注入装置は、図８（Ａ）に示されるように、ニードル２にバネ４とセンサ６が具備されている。センサ６は固定された保持部側に取りつけられたホトインタラプタ６ａと、ニードル２とともに移動するニードル支持部側に取りつけられたアクチュエータ６ｂとからなる。バネ４の強さはニードル２が試料瓶の入口を封止しているセプタムを貫通する力では収縮せず、ガラス瓶や金属部材などの硬い物体９に当たってニードルが曲がる程度の大きさの力が作用すると収縮するような強さに設定されている。そのため、ニードル２がセプタム８を貫通して試料瓶に正常に挿入されるときは（Ａ）のようにバネ４は収縮しないためにセンサ６は作動せず、ニードル２がガラス瓶などの異物９に当たって一定以上の応力がニードル２に加わると（Ｂ）から（Ｃ）のようにバネ４が縮むことでセンサ６が作動する。このセンサ６が作動することによりニードル２の下降動作を停止させている（特許文献１参照。）。

特開昭６３−２４３８８１号公報

しかしながら、このようなセンサ６を用いた異常検知機構は、ニードル２に加わる応力の時間的変化を捉えることができないため，ニードル２が下降した際に、試料瓶の壁面にニードル先端があたってしまったり、試料瓶底面にニードルが接触するなど非正常な動作に至った際、センサ６が機能するまでニードル２は下降し続ける。その結果、ニードル２が破損したり、試料瓶が破損してしまうなどの問題が生じる。

本発明は、ニードル２を下降させる際に、ニードル２が破損するなどの事態に至る前に異常を検知することのできる機構を備えた自動試料注入装置を提供することを目的とするものである。

本発明では、ニードルに加わる応力を測定するための圧力センサを取りつけ、その圧力値をモニタしながらニードルの下降距離を制御する。すなわち、ニードルに加わる応力値を連続的に収集し、収集した応力値から異常を検知してニードルや試料瓶が破損する前にニードルの移動を停止させる。

すなわち、本発明の自動試料注入装置は、ニードルと、前記ニードルを通して試料の吸引と吐出を行うポンプと、複数の試料瓶が配置されたサンプルラックと、パルスモータにより駆動され前記ニードルを前記サンプルラック内の選択された試料瓶の位置及び液体クロマトグラフの試料注入口の位置を少なくとも含む複数の位置の間で移動させるニードル移動機構と、前記ニードルに加わる垂直方向の応力を検知する圧力センサと、前記ニードルによる試料注入動作を制御する制御部とを備えている。

前記制御部は、前記ニードル移動機構のパルスモータの駆動を制御するパルスモータ駆動手段、前記ポンプの駆動を制御するポンプ駆動手段、前記圧力センサの出力に対応して前記ニードルが試料瓶に挿入されるには十分な大きさで前記ニードル又は試料瓶が破損するよりも小さい大きさのしきい値を保持するしきい値保持部、及び前記パルスモータ駆動手段を介して前記ニードルを試料瓶に向かって下降させるときの前記圧力センサの出力値を連続的に取り込んでその取り込んだ圧力センサ出力値が前記しきい値保持部に保持されたしきい値を超え、かつ圧力センサ出力値が極大点を過ぎたことにより異常を検知する異常検知手段を備えている。そして、前記制御部は、ニードルを下降させるためのパルスモータへの送出パルス信号のパルス数がニードルを試料瓶に挿入するためのパルス数に到達する前に前記異常検知手段により異常が検知されなかったときは前記ポンプ駆動手段を介して前記ポンプによる試料の吸引動作を行い、異常が検知されたときはニードルを下降させるためのパルスモータへのパルス信号の送出を停止し、異常を報知する信号を出力するものである。

本発明ではニードルや試料瓶が破損する位置までニードルを下降させた後に異常を検知するのではなく、圧力センサによりニードルにかかる応力を連続して監視し、しきい値と応力の時間変化により異常を検知するようにしたので、ニードルや試料瓶が破損する前にニードルの移動を停止させることができる。

また、本来、ニードルに応力が発生すべき位置以外の位置でニードルへの応力が検知された場合、ニードルと試料瓶の間に何か異物があることが検出できるなど異物検出機能としても利用することができる。

一実施例の自動試料注入装置の概観図である。 同実施例の内部構造を示す図であり、（Ａ）は概略的な斜視図、（Ｂ）はその中のニードルアセンブリの内部構造を詳細に示した斜視図である。 ニードル部分を示す正面断面図である。 制御部を示すブロック図である。 一実施例の動作を示すフローチャートである。 動作時の応力とニードルの状態を時系列に示す図である。 他の実施例におけるニードル部分を示す正面断面図である。 従来の自動試料注入装置における異常検知動作時のニードル部分を示す正面断面図である。

図１は一実施例の自動試料注入装置の外観図である。筐体１０の前面には開閉可能な扉１２が設けられており、その扉１２を開けるとサンプルラック１４を出し入れできるようになっている。サンプルラック１４には複数の試料瓶が配置される。自動試料注入装置の機構はこの筐体の内部に設置されており、外部からは見ることができない。

その内部の構造を図２に示す。（Ａ）は概略的な斜視図であり、（Ｂ）はその中のニードルアセンブリ２０の内部構造を詳細に示したものである。ニードルアセンブリ２０は内部にニードル２を備えている。ニードルアセンブリ２０は支持台２２に取りつけられている。支持台２２はガイドレール２４に沿ってＸ方向に移動可能に支持されており、Ｘ方向駆動用のパルスモータ２６によりベルト２８を介してＸ方向に移動させられる。支持台２２はガイドレール３０に沿ってＹ方向に移動可能に支持されており、支持台２２は駆動用のパルスモータ（図には表れていない）によりＹ方向に移動させられる。

図３に示されるように、ニードル２はニードルアセンブリ２０内でニードル取り付け部３２に固定され、取り付け部３２はＺ方向に移動する駆動部３４によりＺ方向に摺動可能に取り付けられている。取り付け部３２と駆動部３４の間にはコイルバネ３６が圧縮状態に挿入され、バネ３６と取り付け部３２との間には圧力センサ３８が設けられている。駆動部３４が下方向に移動することに伴って取り付け部３２も下方向に移動する。圧力センタ３８はバネ３６と取り付け部３２の間に働く応力、すなわちニードル２に働く応力を検知するためのものであり、例えば薄型ダイアフラムを用いたものや静電容量を検知するものなどが用いられている。

駆動部３４を介してニードル２を下降させるＺ方向の移動機構として、ニードルアセンブリ２０の筐体４０の上部にＺ方向駆動用のパルスモータ（図２（Ｂ）では現れていない）が設けられており、そのパルスモータにより回転が駆動される棒ネジ４２が垂直方向に取り付けられている。棒ネジ４２が回転することにより、棒ネジ４２と螺合している駆動部３４が上下方向に移動する。

ニードル２の基端部は取付部３２を貫通し、ニードル２を通して試料の吸引と吐出を行うポンプにつながれている。

図２（Ａ）に示されるように、ニードルアセンブリ２０の移動範囲の下方にはサンプルラック１４と、液体クロマトグラフの流路切換えバルブ４４が配置されている。

サンプルラック１４は図１に示されているように、平面内でスライドして筐体１０の全面から出し入れできるようになっており、サンプルラック１４の複数の穴にはそれぞれ試料瓶４６が嵌め込まれて保持されるようになっている。試料瓶４６は内部に試料を収容し、上部開口部がニードルで貫通可能なセプタムで封止されている。

流路切換えバルブ４４は六方バルブである。流路切換えバルブ４４の１つのポートには液体クロマトグラフの移動相を供給する流路が接続され、他の１つのポートにはカラムが接続され、他の２つのポートの間には注入された試料を計量するためのサンプルループが接続され、更に他の１つのポートには試料注入口であるインジェクションポート５０が取り付けられており、残りのポートは不要な液を排出するためのドレインポートである。流路切換えバルブ４４で試料を注入するときは、インジェクションポートがサンプルループを介してドレインに接続されるようにしておき、インジェクションポートから試料を注入して所定量をサンプルループに採取する。その後サンプルループを移動相流路とカラムの間に接続されるように切り換え、サンプルループに採取した試料を移動相によりカラムへ導いて分離と分析を行う。

ニードル２はニードルアセンブリ２０によってＸＹ方向とＺ方向に移動することができ、サンプルラック１４の任意の試料容器４６の位置、切換えバルブに設けられたインジェクションポート５０の位置及びニードル２を洗浄するための洗浄ポート５２の位置の上を少なくとも移動するように、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のそれぞれのパルスモータを含むニードル移動機構により移動が制御される。

図１の装置の内部にはニードルの移動、ニードルによる試料の吸引と吐出の動作の制御、及び切換えバルブ４４の流路切換えの動作の制御を行う制御装置が設けられている。制御装置はこの自動試料注入装置に専用のマイクロコンピュータとして設けられたものであるが、汎用のパーソナルコンピュータやその他のコンピュータにより実現することもできる。

制御装置はその機能が図４に示されるものであり、ニードル移動機構６３のパルスモータの駆動を制御するパルスモータ駆動手段６２、ニードル２用のポンプ６０の駆動を制御するポンプ駆動手段６４、圧力センサ３８の出力に対応してニードル２が試料瓶４６に挿入されるには十分な大きさでニードル２又は試料瓶４６が破損するよりも小さい大きさのしきい値を保持するしきい値保持部６６、及びパルスモータ駆動手段６２を介してニードル２を試料瓶４６に向かって下降させるときの圧力センサ３８の出力値を連続的に取り込んでその取り込んだ圧力センサ出力値がしきい値保持部６６に保持されたしきい値を超え、かつ圧力センサ出力値が極大点を過ぎたことにより異常を検知する異常検知手段６８を備えている。ニードル移動機構６３はニードルアセンブリ２０をＸ方向とＹ方向に移動させる機構と、ニードル２をＺ方向に移動させる機構を含んだものである。そして、制御装置７０は、ニードル２を下降させるためのパルスモータへの送出パルス信号のパルス数がニードルを試料瓶４６に挿入するためのパルス数に到達する前に異常検知手段６８により異常が検知されなかったときはポンプ駆動手段６４を介してポンプ６０による試料の吸引動作を行い、異常が検知されたときはニードル２を下降させるためのパルスモータへのパルス信号の送出を停止し、異常を報知する信号を出力する。

次に、図５と図６を参照してこの実施例においてニードル２の下降中の異常を検知するための動作を説明する。

操作に先立ち、しきい値保持部６６には、キーボードなどの入力装置からニードル２が試料瓶４６の開口部を封止しているセプタムを貫通するときの応力よりも大きな応力値で、かつニードル２が異物に当たっても破損されない程度の応力値をしきい値Ｐ０として設定しておく。このしきい値Ｐ０は予め実験により定めておく。

ニードル２の下降を開始する（ステップＳ１）と、制御装置７０は圧力センサ３８から圧力検出値を取り込み（ステップＳ２）、しきい値保持部６６に設定されているしきい値Ｐ０と比較する（ステップＳ３）。その取り込んだ圧力センサの検出値がしきい値を超えていなければ、ニードル２を下降させるためのパルスモータに供給するパルス信号のパルス数がニードル２を試料瓶４６に挿入するために必要な所定のパルス数に到達していない間は、更にニードルを下降させる（ステップＳ４→Ｓ５→Ｓ１）。ニードル２の下降中は圧力センサ３８による圧力検出値の取込みとしきい値Ｐ０との比較を繰り返していく。

圧力検出値がしきい値Ｐ０を超えない状態で試料の吸入に必要な位置までニードル２を下げるための所定のパルス数まで到達すると（ステップＳ５）、ニードル２は正常に試料瓶４６に挿入されたこととなるので、ポンプ駆動手段６４によりポンプ６０が作動させられて、ニードル動作が開始される（ステップＳ６）。ニードル２による所定量の試料の吸入が終わるとニードル２は上昇させられ、ニードルアセンブリ２０はホームポディションに戻る（ステップＳ７）。

一方、ニードル２の下降中にニードル下降用のパルスモータに供給したパルス信号のパルス数が所定のパルス数に到達する前に、圧力センサ３８による圧力値がしきい値Ｐ０を超えた場合（ステップＳ４）、そのときの圧力値が連続的に取り込んできた圧力値によるピーク値を超えたか否かを判定する（ステップＳ８）。ピークを超えていなければ、更にニードル２を下降させ（ステップＳ５→Ｓ１）、同様に圧力値の取込みとしきい値Ｐ０との比較及びピークを超えたか否かの判定を繰り返す（ステップＳ８→Ｓ５→Ｓ１）。圧力センサ３８による圧力値がしきい値Ｐ０を超えても、必ずしも異物に当たったとは限らないので、ピークを超えるまではニードル２の下降を続け、ニードル２を下げるためのパルスモータに供給したパルス信号のパルス数が所定のパルス数に到達すれば、正常に試料瓶にニードル先端が挿入されたものとしてニードル２による正常な吸引動作を行い、ニードルアセンブリ２０をホームポディションに戻して終了となる（ステップＳ８→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７）。

一方、しきい値を超えてニードル２を下降させていったときに、圧力センサによる検出値がピークを超えると（ステップＳ８）、その時点で異物に当たっていると判定し、ニードル２の下降動作を停止する（ステップＳ９）。そして使用者に異常を報知する（ステップＳ１０）。異常の報知はディスプレイに表示したり、音声によって警告を発するなどの手段で行う。又はプリンタに異常が発生したことを出力するようにしてもよい。

この実施例の動作を図６で表す。（Ａ）はニードル２を下げて行ったときにニードル２にかかる応力の時間変化を示したもの、（Ｂ）はニードル２が試料瓶の開口部を封止しているセプタム８に正常に挿入されるときの様子を示したものである。そのときのニードル２にかかる応力値の時間変化は図６（Ａ）の（ａ）に示されたようになる。すなわち、ニードル２の先端がセプタム８に当たり、ニードル先端がセプタム８に入り込むまでの間はバネ３６が収縮していくとともに応力が直線的に増加していく。やがてニードル先端がセプタム８中に入ると、セプタム中を進むための応力がほぼ一定値となり、応力値は時間に対しほぼ水平な状態となる。その後、ニードル先端がセプタム８の反対側に出ると、ニードル２にかかる応力はニードル２の側面とセプタム８の穴の内面との摩擦力となる。それはニードル先端がセプタム８を突き進む応力よりも小さくなって、図６（Ａ）（ａ）の低い応力値の平坦な直線で示されるような状態となる。

この実施例では応力値がしきい値を超えないでニードル２を下降させるためのパルスモータのパルス数が所定の値に到達したことをもってニードル２が正常に下降したと判定しているが、図６（Ａ）の（ａ）に示されるような応力値の時間変化のパターンを制御装置に記録しておき、ニードル２の下降に伴う応力のパターンとの比較から正常であるか否かを判定するようにしてもよい。

一方、図６（Ｃ）に示されるように、ニードル先端が試料瓶４６や金属部材などの異物９に当たった場合は、圧力センサ３８により検出される応力値は、図６（Ａ）の（ｂ）で示されるように、ニードル先端が異物９に当たってからバネ３６が収縮するとともに応力値が連続的に上昇していき、やがてしきい値Ｐ０超える。更に下降させるために駆動部３４を下降させていくと、ニードル２は異物９には進入できないのでバネ３６がさらに収縮するとともに圧力センサ３８による応力検出値もさらに増大していく。やがてニードル２が変形を始めると、応力値が下がり始め、時間に対する応力値の変化はピークを過ぎて減少を始める。制御装置７０は圧力センサ３８の出力値を連続的に取り込んで時間的な変化を監視していることにより、圧力センサ３８の出力値がピークを過ぎた時点Ｘを検知することができる。制御装置７０は応力値がピークを過ぎたその時点Ｘを検知したことにより異常があったと判定し、この時点Ｘでニードル２の下降を停止する。これにより、ニードル２は損傷することがない。もし、この時点Ｘで停止しないでさらにニードル２を下降させると、図６（Ａ）の（ｂ）の曲線の鎖線部に示されるように応力が低下していき、図６（Ｃ）に示されるようにニードル２の変形量が大きくなって塑性変形となり、ニードル２が損傷又は破損してしまう。

図７は他の実施例を示したものである。図３の実施例ではニードル移動機構はニードル２のＺ方向の移動をニードル２を下降させる方向に移動させるものであるのに対し、図７に示される実施例は、ニードル２の垂直方向は固定しておき、サンプルラックの側を上方向に移動させるようにしたものである。この場合もニードル２に働く応力を圧力センサ３８によって検出する点は同じである。

２ ニードル
２０ ニードルアセンブリ
３８ 圧力センサ
４６ 試料瓶
６０ ニードル用のポンプ
６２ パルスモータ駆動手段
６３ ニードル移動機構
６４ ポンプ駆動手段
６６ しきい値保持部
６８ 異常検知手段
７０ 制御装置

Claims (1)

1. ニードルと、
   前記ニードルを通して試料の吸引と吐出を行うポンプと、
   前記ニードルで貫通可能なセプタムで封止された複数の試料瓶が配置されたサンプルラックと、
   パルスモータにより駆動され前記ニードルを前記サンプルラック内の選択された試料瓶の位置及び液体クロマトグラフの試料注入口の位置を少なくとも含む複数の位置の間で移動させるニードル移動機構と、
   前記ニードルに加わる垂直方向の応力を検知する圧力センサと、
   前記ニードルによる試料注入動作を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記ニードル移動機構のパルスモータの駆動を制御するパルスモータ駆動手段、前記ポンプの駆動を制御するポンプ駆動手段、前記圧力センサの出力に対応して前記ニードルが前記セプタムを貫通して試料瓶に挿入されるには十分な大きさで前記ニードル又は試料瓶が破損するよりも小さい大きさのしきい値を保持するしきい値保持部、及び前記パルスモータ駆動手段を介して前記ニードルを試料瓶に向かって下降させるときの前記圧力センサの出力値を連続的に取り込んでその取り込んだ圧力センサ出力値が前記しきい値保持部に保持されたしきい値を超え、かつ圧力センサ出力値が極大点を過ぎたことにより異常を検知する異常検知手段を備えており、
   前記制御部は、ニードルを下降させるためのパルスモータへの送出パルス信号のパルス数がニードルを試料瓶に挿入するためのパルス数に到達する前に前記異常検知手段により異常が検知されなかったときは前記ポンプ駆動手段を介して前記ポンプによる試料の吸引動作を行い、異常が検知されたときはニードルを下降させるためのパルスモータへのパルス信号の送出を停止し、異常を報知する信号を出力するものである自動試料注入装置。