(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)飛行時間型質量分析部を囲む筐体の内部を加熱する熱出力部、
b)前記飛行時間型質量分析部のフライトチューブの温度を測定する第１温度センサ、
c)上記筐体の内部の温度を測定する第２温度センサ、及び
d)前記飛行時間型質量分析部の設定温度と第１温度センサにより測定される温度値との誤差に基づいてPID制御の第１伝達関数に従い筐体内部の温度の設定値を決定する１次ループの制御と、決定された筐体内部温度設定値と第２温度センサにより測定される温度値との誤差からPID制御の第２伝達関数に従い熱出力部の出力値を決定する２次ループの制御を行う制御部、を備え、
前記制御部は、まず第２伝達関数のPID制御係数を求め、次に第１伝達関数のPID制御係数を求めることを特徴とする分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量分析装置やガスクロマトグラフ、液体クロマトグラフなど、分析に際して温度の制御が重要である分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば試料をイオン化した後、電圧を印加して加速し、そのイオンが高真空に保持されたフライトチューブ内を飛行して電極に到達するまでの時間を測定することによりそのイオンの質量を測定する飛行時間(TOF;Time Of Flight)型質量分析装置の場合、フライトチューブが温度変化により伸縮するとイオンの飛行距離が変化し、測定される質量数に誤差が生じる。また、四重極型の質量分析装置では、四重極ロッドが温度変化により伸縮すると、ロッドで囲われる空間内の四重極電場が変化し、イオンの輸送効率が変化するため、測定イオン強度に誤差が生ずる。ガスクロマトグラフでは試料の沸点の相違等を利用して分析が行われるため、温度制御が十分に行われていない場合、再現性の良い測定が行われない。
【０００３】
制御対象の物理量を精度良く制御する方法の一つに、PID制御がある（特許文献１、非特許文献１参照）。温度を調節する場合（温調）を例に説明すると、PID制御とは、制御対象の現在のモニタ温度と設定温度の誤差に比例する項（Proportional Term:P項）、その誤差の積分に比例する項（Integral Term:I項）、および、誤差の微分に比例する項（Derivative Term:D項）の和をヒータ（またはクーラ。以下、単にヒータのみで話を進める）の出力とする制御をいう。なお、和を取る際には、各項に所定の重み付けを行うことが多い。
【０００４】
制御対象のモニタ温度をTmon、設定温度をTset、誤差をE、ヒータの出力をMとすると、PID制御による温度調節（温調）のブロック線図は図１のように表される。ここでCはPID制御の伝達関数、Gは制御対象の系の伝達関数を表す。図１に示されるように、外乱によりモニタ温度Tmonに変化が生じると、モニタ温度Tmonと設定温度Tsetとの誤差Eに応じてヒータの出力Mが制御される。
【０００５】
このPID制御の精度を更に向上させるため、これを二重に適用したカスケード制御も既に知られている。これは、一つの制御系信号によって別の制御系の設定値が与えられるというもので、PIDフィードバックのループが二重に（カスケードに）作用するものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開2001-357816号公報
【非特許文献１】
山本重彦、加藤尚武著、「PID制御の基礎と応用」、朝倉書店、1997年4月1日
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
PID制御やカスケードPID制御自体は高精度な物理量制御に適したものであるが、制御対象が温度である場合、しかも、制御対象（温調対象）の系の熱容量が大きい場合、系の時定数と無駄時間（制御を開始してからモニタ値に変化が現れるまでの時間）が大きくなるために、PID制御係数の調整が難しい。上記分析装置のように温調に対する要求精度が厳しい場合にはなおさら制御は難しく、特に温調の立ち上げ時にはオーバーシュートや過度の長時間制御という不具合が生じることがある。また、外部温度の急激な変化等の外乱によっても制御が乱されやすい。
【０００８】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、高精度の温度制御が可能な温度調節装置（温調装置）を備えた分析装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る分析装置は、a)飛行時間型質量分析部を囲む筐体の内部を加熱する熱出力部、b)前記飛行時間型質量分析部のフライトチューブの温度を測定する第１温度センサ、c)上記筐体の内部の温度を測定する第２温度センサ、及びd)前記飛行時間型質量分析部の設定温度と第１温度センサにより測定される温度値との誤差に基づいてPID制御の第１伝達関数に従い筐体内部の温度の設定値を決定する１次ループの制御と、決定された筐体内部温度設定値と第２温度センサにより測定される温度値との誤差からPID制御の第２伝達関数に従い熱出力部の出力値を決定する２次ループの制御を行う制御部、を備え、前記制御部は、まず第２伝達関数のPID制御係数を求め、次に第１伝達関数のPID制御係数を求めることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る分析装置の制御部は、図２に示すようなカスケードPID制御を行う。図２において、T1setは分析部の設定温度の値、T1monは第１温度センサにより測定される分析部の温度のモニタ値、M1は筐体内の温度の設定値、T2monは第２温度センサにより測定される筐体内の温度のモニタ値、M2は筐体内を加熱する熱出力部への制御入力値（例えば、ヒータに供給する電流）を表す。C1は分析部の温度のPID制御の伝達関数（以下「PID-C1」とする）、C2は筐体内の温度のPID制御の伝達関数（以下「PID-C2」とする）、G1、G2はそれぞれ分析部の温調プロセスおよび筐体内の温調プロセスを表す伝達関数である。各プロセスを無駄時間と１次遅れで表すと、それぞれ式（１）〜式（４）のように表され、更に２次ループの伝達関数は式（５）のように表される。なお１次ループとは分析部の温度のモニタ値T1monとその設定値T1setとの誤差E1に基づいて温調が行われる一連の制御ループであって、２次ループとは筐体内の温度のモニタ値T2monとその設定値M1との誤差E2に基づいて温調が行われる一連の制御ループである。
【００１１】
【数１】
0004222005.tif 000002
【数２】
0004222005.tif 000003
【数３】
0004222005.tif 000004
【数４】
0004222005.tif 000005
【数５】
0004222005.tif 000006
【００１２】
本分析装置の温調システムにおいて、外部から直接設定するのは分析部の温度の設定値T1setである。この分析部の温度の設定値T1setとそのモニタ値T1monとの誤差E1から、１次ループのPID制御の伝達関数PID-C1に従って筐体内温度の設定値M1が決定される。決定された筐体内温度の設定値M1は２次ループPID制御に与えられ、筐体内温度のモニタ値T2monとの誤差E2から２次ループ制御の伝達関数PID-C2に従って制御出力M2が決定される。この制御出力M2を用いて熱出力部を制御する。
【００１３】
このカスケードPID制御を行う具体的手段としての熱出力部には、分析部を囲む筐体の内部に設けたヒータとファンの組み合わせの他、外部から熱風を導入するシステムも考えることができる。この場合には、制御出力は熱風の温度及び風量を調節することとなる。
【００１４】
本発明に係る温調システムは種々の分析装置に対して有効であるが、分析結果に対する分析部の温度変化の影響の大きい飛行時間（TOF）型質量分析装置において特に好適である。
【００１５】
【発明の効果】
本発明においては分析部の温度の制御に対し、その周囲の筐体内温度をカスケード制御として加えることにより、外乱等に対してより安定した、高精度な温度制御を行うことができる。このため、本発明に係る分析装置により測定される分析値は高い精度を有する。
【００１６】
また、筐体内温度も制御されるため、主たる制御対象である分析部以外の部分（例えば制御基板等）を筐体内に配置することにより、その部分（付加部分）の温度も制御され得る。そして、たとえこの付加部分が放熱・吸熱を行うものであったとしても、それによる外乱は２次ループの内部で適切に制御されるため、主たる制御対象である分析部への影響は十分に小さく抑えられる。
【００１７】
また、ヒータ付近の温度を２次ループ内のPID制御の操作量設定可能範囲として明確に規定できるため、ヒータの出力可能範囲を決めて安全温度を規定することが困難な従来のPID制御と比較して、安全性においても利点がある。
【００１８】
【実施例】
図３に、本発明を実施したTOF型質量分析装置の温調システムの構成を示す。本実施例の質量分析装置は、断熱壁により形成された筐体３０、筐体３０の内部に設置された質量分析部３１、同じく筐体３０の内部であって質量分析部３１から離れた位置に設けられたヒータ３２及び適宜箇所に設けられた３個のファン３３、そして筐体３０の外部に設けられた制御部３４等から成る。なお、図３に示したファンの数や位置は単なる一例であり、必要な制御精度に応じて適宜設定すればよい。
【００１９】
質量分析部３１には分析部温度センサ３５を、ヒータ３２の近くには雰囲気温度センサ３６を設ける。詳しくは、質量分析部３１はフライトチューブ３１１とイオントラップ３１２で構成されるが、分析部温度センサ３５は、より高い温度制御が必要であるフライトチューブ３１１側に設けることが望ましい。制御部３４はマイクロコンピュータとそれを動作させる制御プログラムから成り、機能的には図３に示すように１次ループのPID制御伝達関数PID−C1に従って動作する第１制御部と２次ループのPID制御伝達関数PID−C2に従って動作する第２制御部とを有する。キーボード入力等により設定する質量分析部の制御目標温度（設定温度）は、第１制御部PID−C1に与える。ヒータ３２には電源３７及び電流制御部３８を接続する。
【００２０】
制御部３４は上記の第１制御部PID-C1による１次ループ及び第２制御部PID-C2による２次ループのカスケードPID制御を行う。このように２つのPID制御ループがあるため、比例ゲインKp、積分時間Ti、微分時間Tdから成るPID制御係数（PIDパラメータ）も２セット計６個を適切に調整（チューニング）しなければならない。PIDパラメータのチューニング方法には、ステップ応答法を用いて自動で行う方法や、試行錯誤法を用いて手動で行う方法等がある。試行錯誤法によるチューニング方法は以下の通りであって、比較的容易にチューニングを行うことができる。
【００２１】
（１）Td=0に固定する。
（２）Kp,Tiを少しずつ変化させ、温調開始後（３０分位）の応答曲線を見ながら、調整（イテレーション）を行う。応答はなるべく早く、かつ、確実に減衰するようにする。
（３）（２）で求めたKpとTiのセットに対して、応答曲線を見ながら最適なTdを求める。
【００２２】
なお、（１）から（３）はまず２次ループパラメータに対して行い、求められた２次ループパラメータを用いてカスケード制御を行って、１次ループのパラメータを同様に（１）から（３）により求める。
【００２３】
制御出力のオフセットMφの値はチューニング操作では０とする。チューニング完了後の温調に用いるMφは、チューニング時の温調で温度が平衡に達したときのそれぞれのPID出力値（0〜100%）を記録しておき、その値をMφとして設定すればよい。本実施例では、１次ループおよび２次ループのPIDはいずれもMφ=15%とした。
【００２４】
チューニングにより求めたパラメータセットを図４に示す。なお、チューニングは恒温室内温度を23℃とした環境で行った。
【００２５】
このような構成において、質量分析部３１の目標温度T1setを40℃に設定し、実際に温調を行ったときの筐体３０内の温度変化を測定した。
【００２６】
温調開始直後は筐体内温度モニタ値T2monは大きく上昇するが、分析部温度T1monは速やかに上昇するものの、その最高値は目標値40℃を少し超える程度であり、大きなオーバーシュートは見られない。その後も筐体内温度モニタ値T2monは大きく変化するが、分析部温度T1monは緩やかに変化して安定的に目標温度40℃に近づく。筐体内温度T2monは約７時間で熱平衡に達し、分析部温度T1monも目標温度40℃で安定する（図５）。図５において、筐体内温度モニタ値T2monが43℃付近でハンチングしているように見える。これは本実施例で使用したヒータ出力制御装置（電流制御部）３８の特性により丁度その温度付近で生じたものであるが、本発明に係るカスケード制御により、この温度の揺れが分析部３１の温度の安定性に与える影響はほとんどない。
【００２７】
筐体内が熱平衡に達した後、分析シーケンスを開始した。分析シーケンス開始後の室温、筐体内温度モニタ値T2monおよび分析部温度モニタ値T1monの履歴を図６に示す。筐体３０内が熱平衡に達した後の温度変動は±0.1℃以下に抑えられている。分析シーケンスを開始した後、18時05分に室温設定を23℃から18℃に変化させ、室温変化操作により外乱要因を装置に与えたが、室温設定を変化させてから1時間30分後には再び平衡状態に戻った。
【００２８】
このように-5℃という大きな室温変化を与えても、２次ループ内での外乱吸収により、フライトチューブの代表点における温度変化は最大で-0.9℃という小さな変化にとどまった。
【００２９】
外乱が発生してもフライトチューブの温度変化を小さくすることができることから、質量分析において高い測定精度および測定結果の再現性を維持することができると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  単純PID制御により温度調節を行う場合のブロック線図
【図２】  カスケードPID制御により温度調節を行う場合のブロック線図
【図３】  カスケードPID制御を用いたTOF型質量分析装置の温調システム
【図４】  試行錯誤法で求めたPIDパラメータセットの値を示す表
【図５】  装置立ち上げ後、筐体内温度が熱平衡に達するまでの温度履歴
【図６】  分析シーケンス開始後の室温、筐体内温度および分析部温度の温度履歴
【符号の説明】
３０…筐体
３１…質量分析部
３１１…フライトチューブ
３１２…イオントラップ
３２…ヒータ
３３…ファン
３４…制御部
３５…分析部温度センサ
３６…雰囲気温度センサ
３７…電源
３８…電流制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004222005.tif 000011
【図６】
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