JP7735897B2 - イオン化用ヒータ - Google Patents

Description

本発明は、イオン化用ヒータに関する。

質量分析装置には、分析対象の試料からイオンを生成するイオン化装置が設けられる。例えば、特許文献１には、ヒータおよびイオン化プローブが設けられた質量分析装置が記載されている。ヒータにより加熱されたアシストガスがイオン化プローブから噴霧される液体試料に供給されることにより、液体試料の有機溶媒が気化する。これにより、液体試料のイオン化効率が向上する。

特開２０２１－８９２２７号公報

近年、質量分析装置の小型化に伴い、イオン化装置を小型化することが要求されている。この場合、イオン化用のヒータも小型化する必要がある。しかしながら、ヒータを小型化すると、電熱線と電圧供給用の電極との接続部分が断線しやすくなることにより、信頼性が低下することが判明した。

本発明の目的は、信頼性を低下させることなく小型化することが可能なイオン化用ヒータを提供することである。

本発明の一態様は、試料からイオンを生成するイオン化用ヒータであって、一方向に延びるボビンと、前記ボビンに巻回される電熱線と、前記電熱線に溶接される電極とを有し、前記ボビンには、前記一方向に沿った溝部が形成され、前記電極は前記溝部に嵌め込まれる、イオン化用ヒータに関する。

本発明によれば、信頼性を低下させることなくイオン化用ヒータを小型化することができる。

本発明の一実施の形態に係るヒータを含む質量分析装置の構成を示す模式図である。 ヒータの構成を示す模式的斜視図である。 図２のヒータの平面図である。 板ばねの構成を示す平面図である。 板ばねの構成を示す側面図である。

（１）質量分析装置
以下、本発明の実施の形態に係るイオン化用ヒータ（以下、単にヒータと呼ぶ。）について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係るヒータを含む質量分析装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、質量分析装置２００は、ヒータ１００、真空容器１１０、イオン化装置１２０、イオンガイド１３０，１４０、質量フィルタ１５０および検出器１６０を含む。

真空容器１１０内には、イオン化室１１１、真空室１１２、真空室１１３および真空室１１４が上流から下流に向かってこの順で並ぶように設けられる。真空容器１１０内の真空度は、上流から下流に向かって高くなる。したがって、イオン化室１１１の真空度が最も低く、真空室１１４の真空度が最も高い。例えば、イオン化室１１１の圧力は略大気圧であり、真空室１１４の圧力は１０^－２～１０^－３Ｐａである。

イオン化室１１１と真空室１１２とは、隔壁１７０により隔てられる。隔壁１７０には、脱溶媒管１７１が設けられる。真空室１１２と真空室１１３とは、隔壁１８０により隔てられる。隔壁１８０には、スキマコーン１８１が設けられる。真空室１１３と真空室１１４とは、隔壁１９０により隔てられる。隔壁１９０には、孔部１９１が設けられる。

イオン化装置１２０は、ＥＳＩ（Electrospray Ionization）プローブ等のイオン化プローブである。イオン化装置１２０は、イオン化室１１１に取り付けられる。イオン化装置１２０には、液体クロマトグラフ等から液体状の試料が導入される。また、イオン化装置１２０には、窒素ガス等のネブライザガスが導入される。イオン化装置１２０は、ネブライザガスを用いて、試料に電荷を付与しつつ試料をイオン化室１１１に噴霧する。

ヒータ１００は、イオン化室１１１に取り付けられる。ヒータ１００には、クリーンエア等のヒーティングガスが導入される。ヒータ１００は、ヒーティングガスを加熱しつつノズル１０１から試料に供給する。これにより、噴霧された試料の脱溶媒が促進され、試料中の成分がイオン化室１１１内でイオン化する。通常は、各成分の１価のイオンが生成される。ヒータ１００の詳細については後述する。

イオンガイド１３０，１４０は、真空室１１２，１１３にそれぞれ配置される。イオン化室１１１で生成されたイオンは、隔壁１７０の脱溶媒管１７１を通して真空室１１２に導かれる。真空室１１２に到達したイオンは、イオンガイド１３０により隔壁１８０のスキマコーン１８１を通して真空室１１３に導かれる。真空室１１３に到達したイオンは、イオンガイド１４０により隔壁１９０の孔部１９１を通して真空室１１４に導かれる。

質量フィルタ１５０は、例えば４本のロッド電極を含む四重極型質量フィルタであり、真空室１１４に配置される。質量フィルタ１５０は、真空室１１４に到達したイオンのうち、ロッド電極に印加された電圧に対応する特定の質量電荷比を有するイオンのみを飛行させて通過させる。検出器１６０は、例えば電子増倍管であり、質量フィルタ１５０の下流に位置するように真空室１１４に配置される。検出器１６０は、質量フィルタ１５０を通過したイオンを検出する。イオンの検出結果は、例えばマススペクトルの生成に用いられる。

（２）ヒータ
図２は、ヒータ１００の構成を示す模式的斜視図である。図２に示すように、ヒータ１００は、ボビン１０、電熱線２０および一対の電極３０を含む。ボビン１０は、一方向に延びる筒状部材であり、本例では略円筒形状を有する。以下の説明では、ヒータ１００において、ボビン１０が延びる方向を軸方向と呼び、軸方向に直交する方向を径方向と呼ぶ。また、軸方向に直交する断面において、ボビン１０の外周面に沿った方向を周方向と呼ぶ。

ボビン１０は、耐熱性および絶縁性を有する材料により形成される。ボビン１０は、１０００℃以上の耐熱性を有することが好ましい。本例では、ボビン１０は、セラミックにより形成される。電熱線２０は、ボビン１０の外周面に巻回される。電熱線２０は、高い発熱性を有する材料により形成されることが好ましい。本例では、電熱線２０はニクロム線である。電熱線２０の両端部は、一対の電極３０にそれぞれ電気的に接続される。

一対の電極３０は、ボビン１０の両端部にそれぞれ取り付けられ、ボビン１０の両端部から軸方向外側にそれぞれ引き出される。また、一対の電極３０は、電源から一対の電極３０に電圧が供給されることにより、ヒータ１００が動作する。これにより、導入されるヒーティングガスが加熱される。

図３は、図２のヒータ１００の平面図である。図３に示すように、ボビン１０は、一対のフランジ１１および一対のフランジ１２を有する。各フランジ１１，１２は、円形の外縁を有する。各フランジ１１は、第１のフランジの例である。各フランジ１２は、第２のフランジの例である。

一対のフランジ１１は、ボビン１０の両端部の外周面を取り囲む。各フランジ１１には、軸方向に沿った溝部１３が形成される。一方のフランジ１２は、ボビン１０の一端部から軸方向に所定距離だけ離間した部分の外周面を取り囲む。他方のフランジ１２は、ボビン１０の他端部から軸方向に所定距離だけ離間した部分の外周面を取り囲む。

ボビン１０における一対のフランジ１２の間には、円筒形状を有する巻回領域１４が設けられる。巻回領域１４には、電熱線２０が巻回される。本例では、巻回領域１４の径は、各フランジ１２の径よりも大きいが、実施の形態はこれに限定されない。巻回領域１４の径は、フランジ１２の径よりも小さくてもよいし、フランジ１２の径と等しくてもよい。ボビン１０の各端部におけるフランジ１１，１２間には、円筒形状を有する電極領域１５が設けられる。各電極領域１５の径は、フランジ１１の径およびフランジ１２の径よりも小さい。

各電極３０は、接続端子３１および板ばね３２を含む。以下、一方の電極３０の構成を説明するが、他方の電極３０の構成も同様である。接続端子３１は、軸方向に延びるピン形状を有する。図４は、板ばね３２の構成を示す平面図である。図５は、板ばね３２の構成を示す側面図である。図４および図５に示すように、板ばね３２は、狭持部３２ａおよび突出部３２ｂを含む。

狭持部３２ａは、断面Ｃ字形状を有する湾曲部材である。軸方向において、狭持部３２ａの幅は、図３のボビン１０の電極領域１５の幅（フランジ１１，１２間の距離）よりも小さい。狭持部３２ａの内径（曲率径）は、電極領域１５の外径よりもわずかに大きい。図５の例では、狭持部３２ａの両端部は周方向外側に折り返されているが、実施の形態はこれに限定されない。

突出部３２ｂは、略平板形状を有し、狭持部３２ａの端面における略中央部分から軸方向に突出する。周方向において、狭持部３２ａの幅は、図３のフランジ１１の溝部１３の幅よりもわずかに小さい。図４の例では、突出部３２ｂの先端は幅広に形成されているが、実施の形態はこれに限定されない。

突出部３２ｂがフランジ１１の溝部１３に嵌め込まれる。この状態で、狭持部３２ａは、ボビン１０の電極領域１５に当接するように電極領域１５を狭持する。これにより、板ばね３２がボビン１０の端部に取り付けられる。電熱線２０の端部は、溶接により狭持部３２ａおよび突出部３２ｂの外周面に接続される。本例では、電熱線２０は、板ばね３２との接触部分を除き、宙に浮くことなくボビン１０と接触する。突出部３２ｂの先端は、溶接により接続端子３１の基端に接続される。接続端子３１の先端は、図示しないケーブルを介して電圧供給用の電源に接続される。

（３）効果
本実施の形態に係るヒータ１００においては、溶接により電極３０が電熱線２０に接続される。そのため、ねじ等により電極３０が電熱線２０に接続される場合とは異なり、電熱線２０と電極３０との接続部分にねじれが発生しない。

また、電極３０は、ボビン１０の軸方向に沿った溝部１３に嵌め込まれるので、軸方向に摺動可能な自由度を有する。これにより、電熱線２０と電極３０との接続部分に加わる機械的な軸方向の張力が軽減される。したがって、ヒータ１００が小型である場合でも、電熱線２０と電極３０との接続部分が断線する可能性が低減される。その結果、信頼性を低下させることなくヒータ１００を小型化することができる。

また、電極３０は、ボビン１０に取り付けられる板ばね３２を含む。この場合、板ばね３２は、径方向に変形可能な自由を有する。これにより、電熱線２０と電極３０との接続部分に加わる機械的な径方向の張力が軽減される。そのため、電熱線２０と電極３０との接続部分が断線する可能性がより低減される。その結果、信頼性をより向上させつつヒータ１００を小型化することができる。

ここで、板ばね３２は、ボビン１０を狭持する狭持部３２ａと、狭持部３２ａから軸方向に突出し、溝部１３に嵌め込まれる突出部３２ｂとを含む。ボビン１０は、円筒形状を有し、狭持部３２ａの断面は、ボビン１０の外周面に当接するＣ字形状を有する。この場合、電極３０を溝部１３に嵌め込んだ状態でボビン１０に容易に取り付けることができる。

電熱線２０は、電極３０との接触部分を除き、宙に浮くことなくボビン１０と接触する。この場合、電熱線２０の局所的な温度低下が軽減されるので、電熱線２０の温度分布を均一に近づけることができる。そのため、熱的な張力が電熱線２０と電極３０との接続部分に加わることが防止される。これにより、電熱線２０と電極３０との接続部分が断線する可能性がさらに低減される。その結果、信頼性をさらに向上させつつヒータ１００を小型化することができる。

ボビン１０の端部には、フランジ１１が形成され、溝部１３は、フランジ１１に形成される。この場合、フランジ１１により電極３０がボビン１０の端部から抜け落ちることが防止される。これにより、電極３０を安定的にボビン１０に取り付けることができる。

また、ボビン１０の端部から軸方向に所定距離だけ離間した部分には、フランジ１２が形成され、電極３０は、フランジ１１の溝部１３に嵌め込まれた状態で、フランジ１１とフランジ１２との間の電極領域１５に取り付けられる。この場合、フランジ１１とフランジ１２とにより電極３０の摺動範囲が規制される。これにより、電極３０をより安定的にボビン１０に取り付けることができる。

（４）他の実施の形態
（ａ）上記実施の形態において、電極３０は接続端子３１を含むが、実施の形態はこれに限定されない。電極３０は接続端子３１を含まなくてもよい。この場合、電源からのケーブルが溶接等により板ばね３２に接続されてもよい。

（ｂ）上記実施の形態において、ボビン１０にフランジ１２が形成されるが、実施の形態はこれに限定されない。ボビン１０にフランジ１２が形成されなくてもよい。また、ボビン１０にフランジ１１が形成されるが、実施の形態はこれに限定されない。ボビン１０にフランジ１１が形成されなくてもよい。この場合、溝部１３は、ボビン１０の外周面に形成されてもよい。

（ｃ）上記実施の形態に例示したように、ボビン１０の両端部に溝部１３が形成され、一対の電極３０がボビン１０の両端部に溝部１３にそれぞれ嵌め込まれることが好ましいが、実施の形態はこれに限定されない。ボビン１０の片方の端部のみに溝部１３が形成され、片方の電極３０のみがボビン１０の溝部１３に嵌め込まれてもよい。

（ｄ）上記実施の形態において、一対の電極３０がボビン１０の両端部から軸方向外側にそれぞれ引き出されるが、実施の形態はこれに限定されない。一対の電極３０がボビン１０の片方の端部から軸方向外側に引き出されてもよい。

（５）態様
上記の複数の例示的な実施の形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

（第１項）一態様に係るイオン化用ヒータは、
試料のイオン化に用いられるイオン化用ヒータであって、
一方向に延びるボビンと、
前記ボビンに巻回される電熱線と、
前記電熱線と溶接される電極とを有し、
前記ボビンには、前記一方向に沿った溝部が形成され、
前記電極は前記溝部に嵌め込まれてもよい。

このイオン化用ヒータにおいては、溶接により電極が電熱線に接続される。そのため、ねじ等により電極が電熱線に接続される場合とは異なり、電熱線と電極との接続部分にねじれが発生しない。また、電極は、ボビンの一方向に沿った溝部に嵌め込まれるので、一方向に平行な軸方向に摺動可能な自由度を有する。これにより、電熱線と電極との接続部分に加わる機械的な軸方向の張力が軽減される。したがって、イオン化用ヒータが小型である場合でも、電熱線と電極との接続部分が断線する可能性が低減される。その結果、信頼性を低下させることなくイオン化用ヒータを小型化することができる。

（第２項）第１項に記載のイオン化用ヒータにおいて、
前記電極は、前記ボビンに取り付けられる板ばねを含んでもよい。

この場合、板ばねは、一方向に交差する径方向に変形可能な自由度を有する。これにより、電熱線と電極との接続部分に加わる機械的な径方向の張力が軽減される。そのため、電熱線と電極との接続部分が断線する可能性がより低減される。その結果、信頼性をより向上させつつイオン化用ヒータを小型化することができる。

（第３項）第２項に記載のイオン化用ヒータにおいて、
前記板ばねは、
前記ボビンを狭持する狭持部と、
前記狭持部から前記一方向に突出し、前記溝部に嵌め込まれる突出部とを含んでもよい。

この場合、電極を溝部に嵌め込んだ状態でボビンに容易に取り付けることができる。

（第４項）第３項に記載のイオン化用ヒータにおいて、
前記ボビンは、円筒形状を有し、
前記狭持部の断面は、前記ボビンの外周面に当接するＣ字形状を有してもよい。

この場合、電極をボビンにより容易に取り付けることができる。

（第５項）第１項～第４項のいずれか一項に記載のイオン化用ヒータにおいて、
前記電熱線は、前記電極との接触部分を除き、宙に浮くことなく前記ボビンと接触してもよい。

この場合、電熱線の局所的な温度低下が軽減されるので、電熱線の温度分布を均一に近づけることができる。そのため、熱的な張力が電熱線と電極との接続部分に加わることが防止される。これにより、電熱線と電極との接続部分が断線する可能性がさらに低減される。その結果、信頼性をさらに向上させつつイオン化用ヒータを小型化することができる。

（第６項）第１項～第５項のいずれか一項に記載のイオン化用ヒータにおいて、
前記ボビンの端部には、第１のフランジが形成され、
前記溝部は、前記第１のフランジに形成されてもよい。

この場合、第１のフランジにより電極がボビンの端部から抜け落ちることが防止される。これにより、電極を安定的にボビンに取り付けることができる。

（第７項）第６項に記載のイオン化用ヒータにおいて、
前記ボビンの前記端部から前記一方向に所定距離だけ離間した部分には、第２のフランジが形成され、
前記電極は、前記第１のフランジの前記溝部に嵌め込まれた状態で、前記第１のフランジと前記第２のフランジとの間の領域に取り付けられてもよい。

この場合、第１のフランジと第２のフランジとにより電極の摺動範囲が規制される。これにより、電極をより安定的にボビンに取り付けることができる。

１０…ボビン，１１，１２…フランジ，１３…溝部，１４…巻回領域，１５…電極領域，２０…電熱線，３０…電極，３１…接続端子，３２…板ばね，３２ａ…狭持部，３２ｂ…突出部，１００…ヒータ，１０１…ノズル，１１０…真空容器，１１１…イオン化室，１１２～１１４…真空室，１２０…イオン化装置，１３０，１４０…イオンガイド，１５０…質量フィルタ，１６０…検出器，１７０，１８０，１９０…隔壁，１７１…脱溶媒管，１８１…スキマコーン，１９１…孔部，２００…質量分析装置

Claims (7)

1. 試料のイオン化に用いられるイオン化用ヒータであって、
   一方向に延びるボビンと、
   前記ボビンに巻回される電熱線と、
   前記電熱線に溶接される電極とを有し、
   前記ボビンには、前記一方向に沿った溝部が形成され、
   前記電極は前記溝部に嵌め込まれる、イオン化用ヒータ。
2. 前記電極は、前記ボビンに取り付けられる板ばねを含む、請求項１記載のイオン化用ヒータ。
3. 前記板ばねは、
   前記ボビンを狭持する狭持部と、
   前記狭持部から前記一方向に突出し、前記溝部に嵌め込まれる突出部とを含む、請求項２記載のイオン化用ヒータ。
4. 前記ボビンは、円筒形状を有し、
   前記狭持部の断面は、前記ボビンの外周面に当接するＣ字形状を有する、請求項３記載のイオン化用ヒータ。
5. 前記電熱線は、前記電極との接触部分を除き、宙に浮くことなく前記ボビンと接触する、請求項１～４のいずれか一項に記載のイオン化用ヒータ。
6. 前記ボビンの端部には、第１のフランジが形成され、
   前記溝部は、前記第１のフランジに形成される、請求項１～５のいずれか一項に記載のイオン化用ヒータ。
7. 前記ボビンの前記端部から前記一方向に所定距離だけ離間した部分には、第２のフランジが形成され、
   前記電極は、前記第１のフランジの前記溝部に嵌め込まれた状態で、前記第１のフランジと前記第２のフランジとの間の領域に取り付けられる、請求項６記載のイオン化用ヒータ。