(57)【要約】【課題】圧力センサの圧力値を温度補償することにより、様々な条件下でより高精度のクロマトグラフ測定を行うことができる液体クロマトグラフ用ポンプを提供する。【解決手段】移動相の圧力に応じて抵抗値が変化する抵抗が組み込まれたブリッジ回路１００を有する液体クロマトグラフ用ポンプにおいて、当該ブリッジ回路１００を定電流駆動して、その入力電圧及び出力電圧を測定する。記憶部１０６にはあらかじめ測定された、温度と入力電圧の関係を示す第１情報及び温度と出力電圧の関係を示す第２情報が保存されており、補正部１０５が、入力電圧検出部１０４によって実際に測定された入力電圧の値と第１情報を基にブリッジ回路１００の温度情報を取得し、該温度情報と第２情報を基に出力電圧の値を補正する。【選択図】図２
2018031630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動相の圧力に応じて抵抗値が変化する抵抗が組み込まれたブリッジ回路を有する液体クロマトグラフ用ポンプであって、
ａ）前記ブリッジ回路の２点間に定電流を供給する定電流電源と、
ｂ）前記ブリッジ回路の前記２点間の電位差である入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
ｃ）前記ブリッジ回路の前記２点以外の２点間の電位差である出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
ｄ）あらかじめ測定された、温度と前記入力電圧の関係を示す第１情報と、あらかじめ測定された、温度と前記出力電圧の関係を示す第２情報とを記憶する記憶手段と、
ｅ）前記第１情報を基に前記入力電圧の値から温度情報を取得し、該温度情報及び前記第２情報を基に前記出力電圧の値を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする液体クロマトグラフ用ポンプ。
【請求項２】
前記第１情報が、あらかじめ測定された、温度と前記入力電圧の関係を示す校正関数又は校正表であり、前記第２情報が、あらかじめ測定された、温度と前記出力電圧の関係を示す校正関数又は校正表であることを特徴とする請求項１に記載の液体クロマトグラフ用ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブリッジ回路を利用した圧力センサを有する液体クロマトグラフ用ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体クロマトグラフでは、ポンプで試料を移動相とともにカラム内に送り込み、試料に含まれる１乃至複数の成分を時間的に分離・精製する。試料中の各成分はそれぞれ固有のカラム保持時間を有しこれに基づき時間的に分離されるが、ポンプから送り込まれる移動相の圧力が変動すると、該保持時間が変化し、近似の保持時間を有する複数の成分を分離できなくなったり、分析結果の再現性が悪くなったりする。そのため、液体クロマトグラフでは、ポンプから吐出される移動相の圧力が圧力センサによって測定される。
【０００３】
圧力センサとして、液体クロマトグラフ用ポンプでは従来より一般的に感圧ゲージ抵抗を含むブリッジ回路を利用した圧力センサが用いられる。この圧力センサは、シリコンダイヤフラムの表面に４個のピエゾ抵抗素子から成る感圧ゲージ抵抗を設け、それを含むブリッジ回路を構成して該ブリッジ回路の入力端間に電圧Ｖを印加する。この状態で圧力によりシリコンダイヤフラムが変形すると、出力端間からダイヤフラムの変形量に応じた電気信号が出力され、この出力値に基づいて圧力が求められる。液体クロマトグラフ用ポンプでは、従来より一般的に、ブリッジ回路の入力端間に定電圧電源を接続して、この圧力センサを駆動している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−６９３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来より用いられてきたブリッジ回路を利用した圧力センサは、該センサを構成する材料の熱膨張係数の違いやブリッジ回路を構成する４つのピエゾ抵抗素子の温度係数のばらつき等から、該センサが圧力を受けない状態（すなわち、シリコンダイヤフラムが無歪の状態）において温度変化により出力が発生するという温度特性（オフセット電圧温度特性）を有すると共に、４つのピエゾ抵抗素子の表面不純物濃度の差異や各ピエゾ抵抗素子の配置方位のばらつき等から、圧力を受けた状態において温度変化により出力が変動するという温度特性（感度温度特性）も有する。このように、該圧力センサの出力値は温度によって変動し、より正確な圧力測定が必要とされる場合には温度補償が必要となる。
【０００６】
特許文献１には、ガスクロマトグラフにおいてキャリアガスの流量を制御する際に、キャリアガスの圧力測定値を温度変化に応じて補償する技術が記載されている。ガスクロマトグラフでは移動相は窒素等の気体であり、気体は温度変化に伴う体積変化が液体に比して大きいため、クロマトグラフ流路内のような体積が不変の空間において、気体圧力の温度補償は基本的な課題である。一方、液体を移動相とする液体クロマトグラフでは、移動相の圧力はモニタされるのみで、温度補償が必要な程の厳密な圧力測定は必要とされてこなかった。
【０００７】
しかし、近年における生命科学や医薬品製造・検査技術の発達に伴い、極微量成分の分離・精製が可能な液体クロマトグラフが必要とされるようになった。このような液体クロマトグラフでは、内径１ｍｍ以下のマイクロカラム及びミクロポンプやナノポンプと呼ばれる低流量ポンプが用いられる。この低流量ポンプでは、１分あたり０．１μＬ〜数１０μＬ程度の微量の移動相がカラムに送液される。このため、移動相のわずかな圧力変動であっても分析結果に大きな影響を与え、より高精度なポンプ圧力調節が必要とされる。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、圧力センサの圧力値を温度補償することにより、様々な条件下でより高精度のクロマトグラフ測定を行うことができる液体クロマトグラフ用ポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明は、移動相の圧力に応じて抵抗値が変化する抵抗が組み込まれたブリッジ回路を有する液体クロマトグラフ用ポンプであって、
ａ）前記ブリッジ回路の２点間に定電流を供給する定電流電源と、
ｂ）前記ブリッジ回路の前記２点間の電位差である入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
ｃ）前記ブリッジ回路の前記２点以外の２点間の電位差である出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
ｄ）あらかじめ測定された、温度と前記入力電圧の関係を示す第１情報と、あらかじめ測定された、温度と前記出力電圧の関係を示す第２情報とを記憶する記憶手段と、
ｅ）前記第１情報を基に前記入力電圧の値から温度情報を取得し、該温度情報及び前記第２情報を基に前記出力電圧の値を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の構成によれば、出力電圧検出手段の出力である出力電圧から、温度補正前の移動相の圧力を測定することができる。一方、入力電圧検出手段の出力である入力電圧は、ブリッジ回路の温度に応じて変化するため、その値を記憶手段に記憶される第１情報と照合することにより、ブリッジ回路の温度を知ることができる。補正手段は、このようにして検出されたブリッジ回路の温度と記憶手段に記憶される第２情報とにより出力電圧（すなわち、移動相の圧力）を補正し、その温度における正しい圧力値を決定する。本発明に係る液体クロマトグラフ用ポンプでは、この温度補償された圧力値を用いることにより、より高精度なポンプ圧力調節を実現し、或いは、クロマトグラフの測定結果を補正することができる。
【００１１】
本発明に係る液体クロマトグラフ用ポンプにおいて、
前記第１情報が、あらかじめ測定された、温度と前記入力電圧の関係を示す校正関数又は校正表であり、前記第２情報が、あらかじめ測定された、温度と前記出力電圧の関係を示す校正関数又は校正表であることが望ましい。
【００１２】
この構成によれば、校正関数又は校正表を用い、出力電圧の値を補正手段によって補正することができ、その温度における正しい圧力値を決定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、定電流駆動されるブリッジ回路の入力電圧の値を検出することによりブリッジ回路の温度を検出し、それにより該ブリッジ回路の出力電圧の値を検出する。すなわち、本発明によれば、別途の温度センサを設けることなく、圧力センサに最も近い箇所において測定された温度値により補正された、より正確な移動相の圧力の値を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１に係る液体クロマトグラフ用ポンプを用いた液体クロマトグラフ装置の概要を示すブロック図である。
【図２】実施例１における圧力センサを示すブロック図である。
【図３】実施例１において、記憶部１０６に保持される校正関数を示す図である。
【図４】実施例２に係る液体クロマトグラフ用ポンプを用いた液体クロマトグラフ装置の概要を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するためのいくつかの形態を、実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００１６】
実施例１に係る液体クロマトグラフ用ポンプと、それを用いた液体クロマトグラフ装置について図１を参照しつつ説明する。
【００１７】
この液体クロマトグラフ装置は、移動相となる溶媒を収容した溶媒容器１から移動相を吸引してカラム４に輸送する送液部２、試料を移動相中に注入するための試料注入器３、試料を成分毎に時間的に分離するカラム４、カラム４を一定温度に維持するカラムオーブン５、カラム４で分離された各成分を検出する検出部６、これら各部を制御して分析作業を管理し、且つ検出部６で得られたデータの解析・処理を行う制御装置７を備える。
【００１８】
送液部２は溶媒中の溶存気体を脱気するための脱気ユニット８と、この脱気ユニット８で脱気された溶液をカラム４へと輸送するポンプユニット９とを備える。ポンプユニット９の吐出側には、後述する圧力センサ１０が備えられている。移動相はポンプユニット９によって溶媒容器１から吸引されてカラム４へ輸送されるが、その際に試料注入器３において試料が移動相へ注入されて、移動相と共にカラム４へ送り込まれる。カラム４では試料中の各成分が時間的に分離され、フォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）検出器等からなる検出部６によって順次検出される。検出部６で検出された信号は制御装置７に伝送され、制御装置７において各種の処理がなされて、モニタ画面（図示省略）にクロマトグラム等が表示される。カラム４を通過した移動相は、排液瓶（図示省略）に貯留される。図示を省略しているが、制御装置７にはキーボードやマウス等といったポインティングデバイスが接続されており、制御装置７はユーザからの操作に応じて送液部２の送液流量やカラムオーブン５の温度、検出部６の検出条件等の設定を行い、設定された分析条件に応じて各部の動作を制御する。なお、この制御装置７には、例えば汎用コンピュータを用いることができる。
【００１９】
図２を参照しながら、実施例１に備えられる圧力センサ１０について詳述する。
圧力センサ１０は、感圧ゲージ抵抗を含むブリッジ回路１００を利用した半導体圧力センサである。ブリッジ回路１００はシリコンダイヤフラムの表面にピエゾ抵抗素子から成る４つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が四辺形を形成するように接続されたものであり、そのうちの１つの抵抗体Ｒ１が移動相の圧力に応じて変形する部材（メンブレン）に接触するように配置されて、移動相の圧力変化に応じてその抵抗値が変化する。
【００２０】
ブリッジ回路１００において、抵抗体Ｒ１とＲ４の接点Ｃは定電流電源１０１に接続されている。抵抗体Ｒ２とＲ３の接点Ｄは接地されており、定電流電源１０１から一定電流、例えば数ｍＡの電流が流される。抵抗体Ｒ１と抵抗体Ｒ２の接点Ａと、抵抗体Ｒ３とＲ４の接点Ｂは、増幅器１０２の各入力端子に接続されており、増幅器１０２の出力側には出力電圧検出部１０３が接続されている。抵抗体Ｒ１〜Ｒ４の各抵抗値は、抵抗体Ｒ１に圧力がかからない状態では接点ＡＢ間に電位差が生じないように設定されている。
【００２１】
定電流電源１０１に接続される接点Ｃには入力電圧検出部１０４が接続されている。本実施例のブリッジ回路１００では接点Ｄが接地されているため、入力電圧検出部１０４は、接地電位を基準としてブリッジ回路１００に印加される電圧（入力電圧）を検出する。なお、接点Ｄを接地せず、接点ＣとＤの間の電位差を入力電圧検出部１０４が検出するようにしてもよい。
【００２２】
ブリッジ回路を利用した圧力センサは一般に、該センサを構成する材料の熱膨張係数の違いやブリッジ回路を構成する４つのピエゾ抵抗素子の温度係数のばらつき等から、該センサが圧力を受けない状態において温度変化により出力が発生するという温度特性（オフセット電圧温度特性）を有すると共に、４つのピエゾ抵抗素子の表面不純物濃度の差異や各ピエゾ抵抗素子の配置方位のばらつき等から、圧力を受けた状態において温度変化により出力が変動するという温度特性（感度温度特性）も有する。これらの温度特性から、ブリッジ回路を利用した圧力センサの出力の値は温度によって変動する。
【００２３】
この圧力センサの出力値の温度による変動を補正するため、圧力センサ１０は補正部１０５と、記憶部１０６とを備えている。記憶部１０６には、予め測定された、温度と入力電圧の関係を示すデータ（第１情報）、及び温度毎の出力電圧と圧力の関係を示すデータ（第２情報）が保存されている。この補正部１０５及び記憶部１０６には、例えばマイクロコンピュータを用いることができる。
【００２４】
以下、補正部１０５による圧力センサ１０の出力値の補正について説明する。ポンプユニット９が移動相を輸送するとき、移動相の圧力によって抵抗体Ｒ１の抵抗値が変化し、この抵抗値変化により生じる接点ＡＢ間の電圧が増幅器１０２によって増幅されて、出力電圧検出部１０３によって検出される（出力電圧）。一方、ブリッジ回路１００に印加される電圧の値は入力電圧検出部１０４によって検出される（入力電圧）。これら入力電圧及び出力電圧の値が補正部１０５に伝送される。
【００２５】
補正部１０５は、伝送された入力電圧の値と記憶部１０６に保存された第１情報とを基に、ブリッジ回路１００の温度情報を取得する。図３（ａ）に示すのは、本実施例において第１情報として用いられる、温度と入力電圧の値を示す校正関数である。例えば、入力電圧検出部１０４によって検出された入力電圧が３．７４２ｍＶであった場合、これを図３（ａ）に示す第１情報に照らし合わせると、そのときのブリッジ回路１００の温度は２０℃であることが分かる。
【００２６】
補正部１０５は、このようにして取得されたブリッジ回路１００の温度情報と、記憶部１０６に保存された第２情報とに基づき、出力電圧検出部１０３より伝送された出力電圧の値を補正する。図３（ｂ）に示すのは、本実施例において第２情報として用いられる、温度毎の出力電圧と圧力の関係を示す校正表である。例えば、上述の例においてブリッジ回路の温度が２０℃であったとき、この校正表によれば、出力電圧検出部１０３の出力値が０．２ｍＶであれば圧力は１ＭＰａであり、出力値が２４．６ｍＶであれば圧力は５０ＭＰａである。例えば、温度が２０℃、出力値が１４．７ｍＶであった場合には、１ＭＰａと５０ＭＰａの値から直線補間することにより、圧力は３０ＭＰａであることがわかる。補正部１０５は、このようにして温度におけるより正確な圧力値を求める。
【００２７】
なお、本実施例では、第１情報として校正関数を用い、第２情報として校正表を用いたが、第１情報、第２情報としては校正関数、校正表のどちらを用いてもよい。また、これら校正表及び校正関数を作成する際に測定する温度及び圧力の間隔は、直線補間やその他の補間で目的とする圧力分解能が得られるような間隔とすればよい。
【実施例２】
【００２８】
図４を参照しながら、本発明の実施例２に係る液体クロマトグラフ用ポンプと、それを用いた液体クロマトグラフ装置について説明する。なお、上述の実施例１で説明したものと同一又は対応する構成要素については、下二桁が共通する符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２９】
実施例２における液体クロマトグラフ装置は、２つのポンプユニットを直列に接続し、これら２つのポンプユニットを協調動作させて移動相を輸送するものである。本実施例に係る送液部２０２では、一次側ポンプユニット２０９Ａ及び二次側ポンプユニット２０９Ｂが、バルブＶを介して直列に接続されており、各ポンプユニットは、モータＭ１、Ｍ２によってそれぞれ別々に駆動される。
【００３０】
一次側ポンプユニット２０９Ａの吐出側には一次側圧力センサ２１０Ａが、二次側ポンプユニット２０９Ｂの吐出側には二次側圧力センサ２１０Ｂが設けられている。これら圧力センサ２１０Ａ、２１０Ｂは、それぞれ、実施例１に係る圧力センサ１０と同一の構造を有するものである。すなわち、圧力センサ２１０Ａ、２１０Ｂは、感圧ゲージ抵抗を含むブリッジ回路１００を利用した半導体圧力センサであって、シリコンダイヤフラムの表面にピエゾ抵抗素子から成る４つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ４が四辺形を形成するように接続されたものであり、そのうちの１つの抵抗体Ｒ１が移動相に接触するように配置されて、移動相の圧力変化に応じてその抵抗値が変化する。
【００３１】
一次側ポンプユニット２０９Ａと二次側ポンプユニット２０９Ｂは、バルブＶを介して接続される。すなわち、バルブＶを挟んだ両側に一次側ポンプユニット２０９Ａの吐出側流路と二次側ポンプユニット２０９Ｂの吸引側流路が位置する。バルブＶは一次側、二次側ポンプユニット２０９Ａ、２０９Ｂと共にその開閉が制御されるが、バルブＶが開く瞬間にバルブＶを挟む両側で移動相の圧力が異なると、圧力勾配によって送液速度が変動してしまう。そのため、実施例２に係る液体クロマトグラフ用ポンプでは、一次側圧力センサ２１０Ａ及び二次側圧力センサ２１０Ｂによって求められた圧力値を用いて、制御手段２０７が、一次側ポンプユニット２０９Ａを駆動するモータＭ１及び二次側ポンプユニット２０９Ｂを駆動するモータＭ２をそれぞれ制御する。
【００３２】
実施例２に係る液体クロマトグラフ用ポンプにおける温度補償効果について説明する。
圧力センサとして、フルスケール圧力１００ＭＰａ、フルスケール出力５０ｍＶ、（スパン温度係数＋零点温度係数）±０．２％Ｆ．Ｓ／℃のものを使用した場合を考える。この圧力センサにおいて温度が１℃変化すると、圧力センサの出力は、次式より０．１ｍＶ変動する可能性がある。
±５０ｍＶ×（０．２／１００）×１℃＝±０．１ｍＶ
これは、圧力に換算すると、次式より０．２ＭＰａに相当する。
（１００ＭＰａ／５０ｍＶ）×０．１ｍＶ＝０．２ＭＰａ
【００３３】
仮に、一次側ポンプユニット２０９Ａと二次側ポンプユニット２０９Ｂの移動相の温度が一方が１℃上昇し他方が１℃下降して、両者の温度差が２℃となった場合を考えると、一次側ポンプユニット２０９Ａと二次側ポンプユニット２０９Ｂの圧力の値は互いに０．２ＭＰａずつずれて、両者の間では０．４ＭＰａの圧力差が発生することになる。
この場合において、一次側、二次側圧力センサ２１０Ａ、２１０Ｂの温度補償を、補償ずれが例えば０．２℃以下まで抑えられるように第１情報、第２情報を作成しておくことができる。すると、上記の２つのポンプユニット２０９Ａ、２０９Ｂ間で発生した０．４ＭＰａの圧力差は、以下より０．０４ＭＰａまで抑えることができる。
±５０ｍＶ×（０．２／１００）×０．２℃＝±０．０２ｍＶ
（１００ＭＰａ／５０ｍＶ）×０．０２ｍＶ＝０．０４ＭＰａ
【００３４】
従って、実施例２に係る液体クロマトグラフ用ポンプでは、移動相の輸送中に、一次側ポンプユニット２０９Ａ及び二次側ポンプユニット２０９Ｂにおいて温度がどのよう変化したとしても、圧力センサ２１０Ａ、２１０Ｂの圧力値を温度補償することができ、より正確な移動相の圧力値を基に、２つのポンプユニット２０９Ａ、２０９Ｂを同期させて動作させることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１、２０１…溶媒容器
２、２０２…送液部
３、２０３…試料注入器
４、２０４…カラム
５、２０５…カラムオーブン
６、２０６…検出部
７、２０７…制御装置
８、２０８…脱気ユニット
９…ポンプユニット
２０９Ａ…一次側ポンプユニット
２０９Ｂ…二次側ポンプユニット
１０…圧力センサ
２１０Ａ…一次側圧力センサ
２１０Ｂ…二次側圧力センサ
１００…ブリッジ回路
１０１…定電流電源
１０２…増幅器
１０３…出力電圧検出部
１０４…入力電圧検出部
１０５…補正部
１０６…記憶部
【図１】
2018031630.tif 000003
【図２】
2018031630.tif 000004
【図３】
2018031630.tif 000005
【図４】
2018031630.tif 000006