JP6090454B2

JP6090454B2 - 圧力制御バルブ及び超臨界流体クロマトグラフ

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Publication number: JP6090454B2
Application number: JP2015533920A
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Inventors: 洋臣後藤; 統宏井上; 森　隆弘; 隆弘森; 阿部　浩久; 浩久阿部
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Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2017-03-08
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Description

本発明は、超臨界流体クロマトグラフの圧力制御に使用する圧力制御バルブに関し、特にその圧力制御バルブを駆動するアクチュエータに関するものである。

近年、超臨界流体クロマトグラフィー（以下、ＳＦＣ：Supercritical Fluid Chromatography）が注目されている。ＳＦＣは、二酸化炭素などに一定の温度及び圧力をかけて超臨界流体とし、その超臨界流体を溶媒として行なうクロマトグラフィーである。超臨界流体は液体と気体の両方の性質をもち、液体よりも拡散性が高く粘性が低いという特徴がある。かかる超臨界流体を溶媒として用いることで、高速・高分離・高感度での分析が可能となる。

溶媒を超臨界状態に保つためには、一般的に流量を３ｍｌ／ｍｉｎ以下の微少流量とし、流路系の圧力を１０ＭＰａ以上にする必要がある。このため、ＳＦＣ装置には、流路系を１０ＭＰａ以上の一定圧力で保つための圧力制御バルブが分析カラムの後段側に設けられている。

圧力制御バルブとしては、入口流路の設けられた弁座とその入口流路を塞ぐ弁体との間の隙間を調整する方式のもの（特許文献１参照。）や、ダイヤフラムの駆動により流路幅を調整する方式のもの（特許文献２参照。）、入口流路の端部のオリフィス開口にニードルを挿入し、オリフィス開口へのニードルの挿入深さによってその隙間を調整する方式のもの（特許文献３参照。）などがある。

特開平２−１９０７６１号公報特開平３−１７２６８８号公報特開平８−３３８８３２号公報

圧力制御バルブはダイヤフラム等の弁体を駆動するアクチュエータも備えている。超臨界流体クロマトグラフでは、分析流路内の圧力を設定圧力にするために必要な弁体のストローク量（移動量）は、弁機構の構造にもよるが、一般的に数百μｍ程度である。しかし、分析流路内の圧力が設定圧力付近になると、ポンプの脈動等によって０．１ＭＰａ程度の小さな圧力変動が生じるため、分析流路内の圧力の高い安定性を実現するためには、その圧力変動を打ち消すように弁体を小刻みに動作させる必要がある。

圧力制御バルブによって保持されるバルブ機構部分前後の圧力差ΔＰとバルブ機構部分の開口面積Ｓの関係は、ベルヌーイの定理より次式で表わされる。
ΔＰ＝Ｑ_m ²／２ρＳ²
Ｑｍは流体流量、ρは流体密度である。この式を用いて流体流量０．５〜５ｍｌ／ｍｉｎ、圧力１０〜４０ＭＰａの範囲において０．１ＭＰａ以下の分解能を実現するために必要な弁体の移動量制御の分解能を計算すると、圧力制御バルブのバルブ機構部分が例えば幅４０μｍの矩形開口の開量を調節するものとした場合、弁体のストローク量は最大で５０μｍ程度必要であると同時に弁体のストローク量をナノメートル単位で制御する分解能が必要ということになる。

ナノメートル単位の制御分解能を可能とするアクチュエータとしてピエゾ素子を利用したものが挙げられる。ピエゾ素子には一般に０〜１００Ｖの電圧が印加され、印加された電圧に比例する移動量を得ることができる。電圧の制御分解能は１／１００００程度であることから、ピエゾ素子によってナノメートル単位の制御分解能を得ることは可能である。しかし、ピエゾ素子のダイナミックレンジは制御分解能の１０００倍程度が限界であり、ナノメートル単位の制御分解能と５０μｍ以上のダイナミックレンジを両立させることは困難である。

かかる理由により、従来では、圧力制御バルブにはピエゾ素子を用いたアクチュエータよりもソレノイドを用いたアクチュエータが用いられている場合が多い。ソレノイドはピエゾ素子に比べてダイナミックレンジが広いものの制御分解能が悪いため、ポンプの脈動に起因する０．１ＭＰａ程度の圧力変動に対応することは困難である。

そこで、本発明は、超臨界流体クロマトグラフへの使用に適したダイナミックレンジと、ポンプの脈動に起因する圧力変動を打ち消すことのできる制御分解能を兼備する圧力制御バルブを提供することを目的とするものである。

本発明にかかる圧力制御バルブは、互いに連通される上流側流路の一端の開口と下流側流路の一端の開口がともに形成されている圧力調整空間と、圧力調整空間内において前記両開口を開閉する方向の一方向に駆動される弁体を有し、弁体の位置によって上流側流路の一端の開口と下流側流路の一端の開口との間を連通させる隙間量を変化させるバルブ機構と、弁体を一方向に駆動するアクチュエータと、アクチュエータの動作を制御する制御部と、を備え、アクチュエータは、ピエゾ素子を有し該ピエゾ素子への印加電圧の大きさによって一方向における弁体の位置を変化させるピエゾ機構と、ピエゾ機構よりも粗い制御分解能と広いダイナミックレンジを有し、ステッピングモータを備え該ステッピングモータが１ステップ回転するごとにピエゾ素子を前記一方向へ変位させるステッピング機構を有するものである。ステッピングモータによってピエゾ素子自体を変位させることができるので、必要に応じてピエゾ素子のダイナミックレンジが変更される。

上記圧力制御バルブの好ましい実施の態様は、上流側流路内の圧力を計測する圧力センサをさらに備え、制御部が、圧力センサの計測値が設定された値になるようにピエゾ素子への印加電圧をフィードバック制御するフィードバック制御回路を備えたピエゾ制御手段を有するものである。これにより、上流側流路内の圧力をピエゾ素子からなるピエゾ機構によって高精度に制御することができる。

さらに、制御部は、ピエゾ素子への印加電圧が、予め設定された下限値を下回ったときにステッピングモータを圧力調整空間の隙間量が縮小する方向に１ステップ回転させ、予め設定された上限値を上回ったときにステッピングモータを圧力調整空間の隙間量が拡大する方向に１ステップ回転させるように構成されたステッピングモータ制御手段を有することが好ましい。そうすれば、ピエゾ素子への印加電圧に応じてピエゾ素子の位置が自動的に変更され、上流側流路内の圧力を常にピエゾ機構の微細な制御分解能をもって制御することができる。

さらに、設定される分析条件ごとに予め定められたステッピングモータの開始位置情報を保持する開始位置情報保持部をさらに備え、制御部は、設定された分析条件と開始位置情報に基づいてステッピングモータの開始位置を割り出し、ステッピングモータをその開始位置にする開始位置調節手段をさらに備えていることが好ましい。

分析の開始当初において、分析条件によっては、上流側流路内の圧力を設定値にするために、ステッピングモータを初期状態からある程度回転させる必要がある場合がある。ステッピングモータの適当なおおよその位置（一方又は他方の方向へのステップ数）は分析条件から割り出すことが可能である。そこで、分析条件ごとの最適なステッピングモータの位置の情報（開始位置情報）を保持させておき、その開始位置情報に基づいてステッピングモータの位置を調節することで、圧力を設定圧力に到達させるまでに要する時間を短縮することができる。

本発明にかかる超臨界流体クロマトグラフは、分析流路と、分析流路に移動相を供給する移動相供給部と、分析流路中に試料を導入する試料導入部と、分析流路上で試料導入部よりも下流側に配置された分離カラムと、分析流路上で分離カラムよりも下流側に配置され、分離カラムで分離された試料成分を検出する検出器と、分析流路上で検出器よりも下流側に配置され、分析流路内の圧力を移動相が超臨界状態となる圧力に制御する本発明の圧力制御バルブと、を備えたものである。

本発明の圧力制御バルブでは、弁体を一方向に駆動するアクチュエータが、ダイナミックレンジは狭いが微細な制御分解能を有するピエゾ素子からなるピエゾ機構、及びピエゾ機構よりも粗い制御分解能と広いダイナミックレンジを有するステッピングモータからなるステッピング機構を備えているので、ピエゾ機構の微細な制御分解能を発揮できる範囲をステッピングモータによって拡大することができ、微細な制御分解能と広いダイナミックレンジの両立を図ることができる。

本発明の超臨界流体クロマトグラフでは、本発明の圧力制御バルブを用いて分析流路内の圧力を制御するように構成されているので、分析流路内を移動相が超臨界状態となるような高い圧力状態にしつつ、ポンプの脈動に起因する圧力変動を打ち消してその圧力状態を高い安定性をもって維持することができる。分析流路内の圧力が高精度に安定するので、分析結果の再現性が向上する。

超臨界流体クロマトグラフの一実施例を概略的に示す流路図である。圧力制御バルブの一実施例を示す断面図である。同実施例のバルブ機構部分を拡大して示す断面図である。同実施例の圧力制御バルブの凹部の形状を弁体部材及び押付部材を取り外した状態で示す断面図である。同実施例の圧力制御バルブの凹部内を上から見た図である。圧力制御バルブのさらに他の実施例を示す断面図である。圧力制御バルブのさらに他の実施例を示す断面図である。圧力制御バルブのさらに他の実施例を示す断面図である。圧力制御バルブのさらに他の実施例を示す断面図である。圧力制御バルブに用いられるアクチュエータの一実施例を示す正面図である。図７のアクチュエータの制御系統を示すブロック図である。図７のアクチュエータのピエゾ素子の制御を示すフローチャートである。図７のアクチュエータのステッピングモータの制御を示すフローチャートである。ピエゾ印加電圧と分析流路内の圧力の時間変化を示すグラフである。ピエゾ素子のフィードバック制御回路の一例を示す回路図である。

図１は超臨界流体クロマトグラフの一実施例を概略的に示す流路図である。
液体状態の二酸化炭素をポンプ６により送液する二酸化炭素送液流路２と、モディファイアであるメタノールをポンプ１０により送液するメタノール送液流路４がミキサ１４に接続されている。ミキサ１４には分析流路１６が接続されている。分析流路１６上には、この分析流路１６に試料を注入する試料注入部（オートサンプラ）１８、分離カラム２０、検出器２２及び圧力制御バルブ２４が配置されている。

二酸化炭素とメタノールはミキサ１４で混合され、移動相として分析流路１６に導入される。二酸化炭素送液流路２、メタノール送液流路４及びミキサ１４は移動相送液部を構成している。分析流路１６は圧力制御バルブ２４によって内圧が７ＭＰａ以上に制御されており、分析流路１６に導入された移動相は超臨界流体の状態となる。試料注入部１８により注入された試料は超臨界流体となった移動相によって分離カラム２０に搬送され、成分ごとに分離され、検出器２２及び圧力制御バルブ２４を経て外部へ排出される。なお、圧力制御バルブ２４の後段側に質量分析装置（ＭＳ）が接続されていてもよい。

圧力制御バルブ２４の一実施例について図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄを用いて説明する。
圧力制御ブロック３０の互いに対向する側面に配管を接続するための配管接続部３１及び３２が設けられている。両配管接続部３１と３２は圧力制御ブロック３０内に設けられた１本の内部流路４０によって互いに接続されている。圧力制御ブロック３０の材質は耐薬品性及び耐圧力性に優れた材料、例えばステンレス（ＳＵＳ３１６）である。内部流路４０の内径は例えば０．１〜０．３ｍｍ程度である。

配管接続部３１には分析流路の一部をなす配管３３が挿入されメイルナット３４によって固定されており、配管接続部３２には配管３６が挿入されメイルナット３８によって固定されている。配管３３は圧力制御室をなす内部流路４０への入口流路であり、配管３６は出口流路である。超臨界流体クロマトグラフの移動相は配管３３から内部流路４０に入り、配管３６から外部へ排出される。

内部流路４０と平行をなす圧力制御ブロック３０の一平面の内部流路４０上の位置に、該平面に対して垂直な方向に掘り込まれた掘込穴４６が設けられている。掘込穴４６の底面は内部流路４０近傍に達している。図２Ｃの二点鎖線の円で示されているように、掘込穴４６の底面４７（凹部形成面）に凹部４２が形成されている。凹部４２はその開口４８から底部に向かって収束する円錐形状に形成されている。凹部４２は内部流路４０を横切って２本の流路に分断しており、図２Ｄに示されているように、凹部４２内を開口部４８上から見ると、凹部４２によって切り取られた流路４０の２つの端部が凹部４２の内側に見える。なお、凹部４２の形状は円錐形状に限定されるものではなく、底部に向かって収束する形状であればよい。

掘込穴４６の底部に弁体部材４４が配置されている。弁体部材４４は平面形状が掘込穴４６の平面形状とほぼ同じ大きさの円形である封止部４４ａと、その封止部４４ａの一平面の中央部から突起して凹部４２と嵌合する形状の突起部４４ｂとを備えている。ここで、弁体部材４４の突起部４４ｂ側の面（封止部４４ａの突起部４４ｂが設けられている面）を前面、それとは反対側の面を背面とする。弁体部材４４は前面が凹部４２側を向き、突起部４４ｂが凹部４２に嵌め込まれている。封止部４４ａの突起部４４ａの周囲の面は掘込穴４６の底面４７に密着し、開口部４８を封止している。

圧力制御ブロック３０には、弁体部材４４を掘込穴４６の底面４７に押し付ける押付部材５０がネジ５２により装着されている。押付部材５０は、平面形状が掘込穴４６よりも大きい円形のフランジ部５０ａと、フランジ部５０ａの一平面の中央部から突起して掘込穴４６と嵌合する円柱形状の先端部５０ｂを備えている。先端部５０ｂは掘込穴４６内に挿入され、フランジ部５０ａの周縁部はネジ５２によって圧力制御ブロック３０に固定されている。先端部５０ｂの先端面は弁体部材４４の背面に接し、ネジ５２の締結具合によって弁体部材４４を掘込穴４６の底面４７側へ押し付ける力が調節される。

押付部材５０の中央部にフランジ部５０ａ及び先端部５０ｂを貫通する貫通孔５１が設けられている。貫通孔５１の内側を円柱形状の押圧棒５４が貫通し、押圧棒５４の先端が弁体部材４４の背面中央部に接している。押圧棒５４は例えばピエゾアクチュエータなどのアクチュエータ５６によって一方向（図において上下方向）に駆動される。押圧棒５４がアクチュエータ５６によって駆動されることで、押圧棒５４の先端面が弁体部材４４を押圧して弁体部材４４を変形させ、それによって突起部４４ｂが凹部４２内で変位する。凹部４２内において突起部４４ｂが変位することで、凹部４２と突起部４４ｂとの間の隙間の大きさが調節され、それによって内部流路４０の一端から他端へと通じる開口面積の大きさが調節される。ここで、押圧棒５４及びアクチュエータ５６はバルブ駆動機構を構成している。

なお、押付部材５０の構造は図２Ａに示されたものに限定されない。例えば、図６に示されているように、押付部材５０を内側に押圧棒５４を貫通させる貫通孔５１を有するとともに外周面にネジの切られた円柱形状の部材とし、掘込穴４６の内周面に押付部材５０の外周面のネジと螺合するネジを切っておく。これにより、押付部材５０を回転させることで、押付部材５０の先端面が弁体部材４４を底面４７側へ押し付ける力を調節することができる。

弁体部材４４は封止部４４ａ及び突起部４４ｂが耐性材料により一体成型されたものである。耐性材料とは、ポリブチレンテレフタレート、超高分子ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトンなど、超臨界流体クロマトグラフの溶媒に対して反応性をもたず（耐薬品性）、４０ＭＰａ程度の圧力に対する耐性（耐圧性）及びドライアイスの衝突によっても損傷を受けない強度（耐衝撃性）を有し、さらに突起部４４ｂを弾性変形により数十μｍ程度変位させる弾力性を有する材料である。

なお、本発明の圧力制御バルブに用いられる弁体は上記の弁体部材４４に限られるものではない。図３から図５は弁体として弁体部材４４とは異なる構造を有するものを用いた実施例を示している。

図３の弁体部材６０は図２の弁体部材４４と同一形状であるが、封止部６０ａと突起部６０ｂが互いに異なる材料で構成されている。封止部６０ａは弾力性の大きいゴム材料（例えば、バイトン（登録商標）、カルレッツ（登録商標）、パーフロ（登録商標））で構成され、突起部６０ｂは上述の耐性材料で構成されている。弁体部材６０において内部流路４０を流れる流体と接する部分は突起部６０ｂだけであるため、突起部６０ｂにのみ耐薬品性、耐圧性、耐衝撃性をもたせておけばよい。

ＳＦＣ内の圧力を安定させるために必要な±０．０１ＭＰａという精度を実現するために必要な分解能は、ベルヌーイの定理より導いた次式（１）より求めることができる。ここで、ΔＰは圧力差、Ｑ_mは移動相流量、ρは流体密度、ｄは流路内径（≒弁体の位置）である。
ΔＰ＝（８・Ｑ_m ²）／（ρπ²ｄ⁴）（１）

式（１）を用いて計算すると、±０．０１ＭＰａの精度を達成するためにはナノメートル単位の弁体の位置制御が必要となる。これはピエゾ素子による位置分解の限界に近い分解能である。そこで、図３の実施例のように、押圧棒５４による押圧によって変形する封止部６０ａの材質を弾力性の大きいゴム材料とすることで、押圧棒５４の変位量に対する突起部６０ｂの変位量の割合が小さくなり、突起部６０ｂの駆動制御の分解能を向上させることができる。

図４の弁体部材６２は弾力性の大きいゴム材料（例えば、バイトン（登録商標）、カルレッツ（登録商標）、パーフロ（登録商標））で構成された円板形状の部材である。弁体部材６２の前面側に保護シート６３が設けられている。保護シート６３はポリブチレンテレフタレート、超高分子ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトンなどの耐性材料により構成されている。この場合、開口部４８の内径よりも小さい外径を有する押圧棒５４で弁体部材６２の背面中央部を押圧することにより、弁体部材６２及び保護シート６３を大きく変形させて、保護シート６３と凹部４２との間の隙間の大きさを調節する。押圧棒５４の先端形状は凹部４２と嵌合する形状や半球状などである。弁体部材６２が弾力性の大きいゴム材料を変形させる構造であるため、押圧棒５４の変位量に対して保護シート６３の表面の変位量の割合が小さくなり、保護シート６３の表面の変位量制御の分解能を高くすることができる。なお、この実施例では、保護シート６３は弁体部材６２と別体として設けられているが、保護シート６３を弁体部材６２の表面にコーティングされた保護膜としてもよい。

なお、図３及び図４の実施例では、アクチュエータ５６の駆動量に対する弁体の変位量を小さくして分解能を高める反面、ゴム材料がダンパーのように働くためにアクチュエータ５６の駆動速度に対する内部流路４０の開口面積の制御の応答性が低くなる。そこで、図５に示されているように、膜状の硬質シート６４を弁体部材として使用し、硬質シート６４で開口部４８を封止するとともに、押圧棒５４の先端で硬質シート６４を変形させて内部流路４０の開口面積を制御してもよい。硬質シート６４はポリブチレンテレフタレート、超高分子ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、オーステナイト系ステンレス（例えばＳＵＳ３１６）などの耐性材料により構成することができる。硬質シート６４の厚みは例えば５０μｍ程度である。

図５の実施例では、硬質シート６４の周縁部を、厚さ０．５〜１ｍｍ程度のリング状の弾性部材６６を介して押付部材５０によって底面４７に押し付けて、開口部４８のシール性の向上を図っている。この場合の押圧棒５４の先端形状は平面ではなく、硬質シート６４を凹部４２の内側に押し付けることが可能な形状、例えば半球状や先端の尖っていない円錐形状などである。

次に、アクチュエータ５６について図７を用いて説明する。

アクチュエータ５６はステッピングモータ７０とピエゾ素子７２を備えている。ピエゾ素子７２は鉛直下向きに配置された変位部７２ａを鉛直方向に変位させるものである。ピエゾ素子７２のダイナミックレンジは１０μｍ程度であるが、ナノメートル単位の制御分解能を有する。すなわち、０〜１００Ｖの間で印加される電圧の大きさに応じて変位部７２ａの位置をナノメートル単位で制御することができる。変位部７２ａの先端は押圧棒５４に接しており、ピエゾ素子７２への印加電圧制御により圧力制御ブロック３０内の凹部４２と突起部４４ｂとの間の隙間をナノメートル単位で制御することができる。ピエゾ素子７２、変位部７２ａ及び押圧棒５４はピエゾ機構を構成している。ピエゾ素子７２はピエゾ保持部材７６によって保持されている。

ステッピングモータ７０は１パルスの正又は負の電圧が与えられると１ステップ分の角度だけ順方向に又は逆方向に棒ネジ７４を回転させるものである。ピエゾ保持部材７６は棒ネジ７４と螺合しながら保持されており、棒ネジ７４の回転に応じて上昇又は下降するようになっている。ステッピングモータ７０、棒ネジ７４及びピエゾ保持部材７６はステッピング機構を構成している。
ここで、ステッピングモータ７０の回転方向を、ピエゾ保持部材７６を下降させる方向を順方向、ピエゾ保持部材７６を上昇させる方向を逆方向と定義する。

アクチュエータ５６の制御系統について図８を用いて説明する。

ステッピングモータ７０とピエゾ素子７２は制御部８０によって制御される。移動相の流量や分析流路１６内の圧力などの分析情報は入力部８１を介して分析者により制御部８０に設定される。制御部８０は設定された圧力値（設定値）に基づき、分析流路１６内の圧力が設定値になるように制御する。制御部８０はステッピングモータ７０及びピエゾ素子７２を制御するためにピエゾ制御手段８０ａ、ステッピングモータ制御手段８０ｂ及び開始位置調節手段８０ｃを備えている。

ピエゾ制御手段８０ａは、分析流路１６内の圧力が設定値になるようにピエゾ素子７２への印加電圧を制御するように構成されている。図１において図示は省略されているが、分析流路１６内の圧力を計測する圧力センサ８２が設けられており、圧力センサ８２の計測値は制御部８０に取り込まれる。ピエゾ制御手段８０ａは圧力センサ８２の計測値が設定値になるようにピエゾ素子７２への印加電圧を出力する。

ピエゾ制御手段８０ａは図１２に示されるフィードバック制御回路を含んでいる。このフィードバック制御回路は、圧力センサ８２の計測値と設定値を演算増幅器９０に入力し、その差分を一定倍率で増幅した値をピエゾ印加電圧として出力するように構成されている。このフィードバック制御回路から出力されるピエゾ印加電圧が制御部８０に取り込まれる。

ステッピングモータ制御手段８０ｂは、ピエゾ素子７２の駆動状況に応じてステッピングモータ７０の位置を調整するように構成されている。ピエゾ素子７２は圧力センサ８２の計測値が設定値になるように制御されるが、環境温度や移動相の組成等が変化すると、圧力センサ８２の計測値を設定値にするために必要なピエゾ素子７２の駆動量が変化し、ピエゾ素子７２のダイナミックレンジを外れることがある。ステッピングモータ制御手段８０ｂは、圧力センサ８２の計測値を設定値にするために必要な駆動量がピエゾ素子７２のダイナミックレンジから外れそうなときにステッピングモータ７０を駆動してピエゾ素子７２の位置を変更することで、ピエゾ素子７２によって制御可能な変位量の範囲を変更する。

ステッピングモータ７０を動作させるか否かは、ピエゾ素子７２への印加電圧が予め設定された上限値（例えば７０Ｖ）と下限値（例えば３０Ｖ）の間にあるか否かにより判断する。ステッピングモータ制御手段８０ｂはピエゾ素子７２への印加電圧を定期的にモニタし、ピエゾ素子７２への印加電圧が上限値を超えている場合又は下限値を下回っている場合にステッピングモータ７０を駆動し、ピエゾ素子７２への印加電圧が常に上限値と下限値の間にあるように保つ。

開始位置情報調節手段８０ｃは、入力部８１を介して入力された分析条件と開始位置情報保持部８８に保持されている開始位置情報に基づいてステッピングモータ７０を適当な開始位置に調節するように構成されたものである。入力部８１を介して入力された分析条件から、分析流路１６内の圧力を設定圧力にするために必要な駆動部７２ａのおおよその変位量を割り出すことは可能であり、割り出した駆動部７２ａの変位量からステッピングモータ７０の適切な位置（順方向又は逆方向へのステップ数）を割り出すことができる。開始位置情報保持部８８には、設定される圧力や移動相の流量とステッピングモータ７０の位置との関係に関する情報が開始位置情報として保持されており、開始位置情報調節手段８０ｃは入力された分析条件と開始位置情報保持部８０ｃの開始位置情報に基づいてステッピングモータ７０の開始位置を割り出し、ステッピングモータ７０をその開始位置まで駆動する。

ピエゾ素子７２の制御について図９のフローチャートを用いて説明する。
ピエゾ素子７２への印加電圧は、圧力センサ８２の計測値が設定値と等しくなるように設定される。圧力センサ８２の計測値を一定時間ごとに取り込み、取り込んだ圧力センサ８２の計測値と設定値との差分をとってその差に応じた電圧をピエゾ素子７２に印加する。

ステッピングモータ７０の制御について図１０のフローチャートを用いて説明する。
分析開始当初、設定された分析条件と開始位置情報保持部８８の開始位置情報に基づいてステッピングモータ７０の開始位置を割り出し、ステッピングモータ７０をその開始位置に調節する。その後、ピエゾ駆動部８４からピエゾ素子７２への印加電圧を一定時間ごとに取り込む。取り込んだ印加電圧が上限値を超えている場合はステッピングモータ７０を１ステップだけ進め（順方向へ回転させ）、印加電圧が下限値を下回っている場合はステッピングモータ７０を１ステップだけ戻す（逆方向へ回転させる）。

なお、ステッピングモータ７０の制御頻度はピエゾ素子７２の制御頻度に比べて十分に遅くしなければ、ピエゾ素子７２の正常可動領域を反対側に超えて発振してしまうため、ステッピングモータ７０の制御を１０〜１００ｍ秒に１回程度にすることが好ましい。

図７のアクチュエータ５６により臨界流体クロマトグラフの分析流路内の圧力を制御したときのピエゾ印加電圧と分析流路内圧力の時間変化を図１１に示す。この図のＡ〜Ｅの各点はステッピングモータ７０が駆動された時点を示している。この測定では、ステッピングモータ７０の駆動の動機となるピエゾ印加電圧の上限値を７０Ｖ、下限値を３０Ｖに設定し、分析流路内の圧力を１０ＭＰａに設定した。

Ａ，Ｂ及びＣの点では、ピエゾ印加電圧が７０Ｖを超えたためにステッピングモータ７０が１ステップだけ順方向へ駆動され、ピエゾ素子７２が２μｍだけ下降した。これにより、分析流路内の圧力を１０ＭＰａにするために必要なピエゾ素子７２への印加電圧が低下している。Ｄ及びＥの点では、ピエゾ印加電圧が３０Ｖを下回ったためにステッピングモータ７０が１ステップだけ逆方向へ駆動され、ピエゾ素子７２が２μｍだけ上昇した。これにより、分析流路内の圧力を１０ＭＰａにするために必要なピエゾ素子７２への印加電圧が増加している。

図１１から、分析流路内の圧力が設定圧力１０ＭＰａに対し±０．０１ＭＰａの範囲内で制御されていることがわかる。これは、ピエゾ素子７２への印加電圧に応じてステッピングモータ７０がピエゾ素子７２の位置を調節し、それによってピエゾ素子７２が常に稼動範囲内で駆動されるためである。

２二酸化炭素送液流路
４メタノール送液流路
６，１０ポンプ
８二酸化炭素
１２メタノール（モディファイア）
１４ミキサ
１６分析流路
１８試料注入部
２０分離カラム
２２検出器
２４圧力制御バルブ
３０圧力制御ブロック
３１，３２配管接続部
３３，３６配管
３４，３８メイルナット
４０内部流路
４２凹部
４４，６０，６２，６４弁体部材
４６掘込穴
４７掘込穴の底面
４８開口部
５０押付部材
５０ａ押付部材のフランジ部
５０ｂ押付部材の先端部
５１押付部材の貫通孔
５２ネジ
５４押圧棒
５６アクチュエータ
７０ステッピングモータ
７２ピエゾ素子
７２ａ変位部
７４棒ネジ
７６ピエゾ素子保持部
８０制御部
８０ａピエゾ制御手段
８０ｂステッピングモータ制御手段
８０ｃ開始位置調節手段
８１入力部
８２圧力センサ
８８開始位置情報保持部
９０演算増幅器

Claims

互いに連通される上流側流路の一端の開口と下流側流路の一端の開口がともに形成されている圧力調整空間と、
前記圧力調整空間内において前記両開口を開閉する方向の一方向に駆動される弁体を有し、前記弁体の位置によって前記上流側流路の一端の開口と前記下流側流路の一端の開口との間を連通させる隙間量を変化させるバルブ機構と、
前記弁体を前記一方向に駆動するアクチュエータと、
前記アクチュエータの動作を制御する制御部と、
前記上流側流路内の圧力を計測する圧力センサと、を備え、
前記アクチュエータは、ピエゾ素子を有し該ピエゾ素子への印加電圧の大きさによって前記一方向における前記弁体の位置を変化させるピエゾ機構と、前記ピエゾ機構よりも粗い制御分解能と広いダイナミックレンジを有し、ステッピングモータを備え該ステッピングモータが１ステップ回転するごとに前記ピエゾ素子を前記一方向へ変位させるステッピング機構を有し、
前記制御部は、前記圧力センサの計測値が設定された値になるように前記ピエゾ素子への印加電圧をフィードバック制御するフィードバック制御回路を備えたピエゾ制御手段を有するとともに、前記ピエゾ素子への印加電圧が、予め設定された下限値を下回ったときに前記ステッピングモータを前記圧力調整空間の前記隙間量が縮小する方向に１ステップ回転させ、予め設定された上限値を上回ったときに前記ステッピングモータを前記圧力調整空間の前記隙間量が拡大する方向に１ステップ回転させるように構成されたステッピングモータ制御手段を有するものである圧力制御バルブ。
設定される分析条件ごとに予め定められた前記ステッピングモータの開始位置情報を保持する開始位置情報保持部をさらに備え、
前記制御部は、設定された分析条件と前記開始位置情報に基づいて前記ステッピングモータの開始位置を割り出し、前記ステッピングモータをその開始位置にする開始位置調節手段をさらに備えている請求項１に記載の圧力制御バルブ。
分析流路と、
前記分析流路に移動相を送液する移動相送液部と、
前記分析流路中に試料を導入する試料導入部と、
前記分析流路上で前記試料導入部よりも下流側に配置された分離カラムと、
前記分析流路上で前記分離カラムよりも下流側に配置され、前記分離カラムで分離された試料成分を検出する検出器と、
前記分析流路上で前記検出器よりも下流側に配置され、前記分析流路内の圧力を前記移動相が超臨界状態となる圧力に制御する請求項１又は２に記載の圧力制御バルブと、を備えた超臨界流体クロマトグラフ。