JP6002061B2

JP6002061B2 - 微粒子分析装置

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Publication number: JP6002061B2
Application number: JP2013037736A
Authority: JP
Inventors: 光一寺田; 菅谷　昌和; 昌和菅谷; 鹿島　秀夫; 秀夫鹿島; 永野　久志; 久志永野; 高田　安章; 安章高田; 浩美佐藤
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Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2016-10-05
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Description

本発明は、微粒子を回収して分析する微粒子分析装置に関する。

最近、世界的にテロの脅威が増しており、日用品を用いた爆薬の製造方法が広く知られるようになったことで、日常生活においても爆発物を用いたテロや犯罪が脅威となってきた。ロンドンでは地下鉄とバスを狙った同時多発テロが発生し、多数の死傷者が出た。また、報道によれば、日本国内でも通勤電車内で自爆テロを企てた容疑者が逮捕されるなどの事例が発生している。そこで従来から、航空機もしくは空港施設への爆発物持込を制限するための技術開発が広く行われてきた。

従来開発されてきた危険物探知技術として、例えば質量分析計を用いた爆発物探知装置が知られている。この装置は、荷物から漏洩した爆発物蒸気をサンプリングプローブにより採取し、それを負のコロナ放電を用いてイオン化し、質量分析計を用いて検出することにより、危険物の有無を判定している。また、円盤状のフィルタに爆発物微粒子を回収し、別の位置に移動させて、回収した爆発物微粒子を加熱蒸発させ、分析器で分析する方法も知られている。

また、爆発物微粒子を対象としたものではないが、特許文献１には、微粒子を捕集するためのフィルタの着脱を自動化し、捕集済みフィルタを他の装置へ遠隔操作で回収するための方法が開示されている。

特開平７−２４３９５０号公報

しかし、従来技術には以下に述べる課題があった。
従来の質量分析計を用いた爆発物探知装置は、荷物から漏洩した爆発物蒸気をサンプリングプローブにより採取する必要がある。破壊力のある軍用の爆薬や発射薬、工事現場などで使用される産業用爆薬は、安全に運用できるように安定な物質が使用されるため、比較的蒸気圧が低い物質が多い。そのため、蒸気を採取するより、微粒子として回収して分析する必要がある。

円盤状のフィルタに爆発物微粒子を回収し分析器で分析する技術は、微粒子吸着と加熱気化の２工程が必要になることから、連続してリアルタイム分析ができない。また当該技術は、円盤状のフィルタ部を回転させることにより、吸着工程、加熱気化工程、クリーニング工程を順次実施し、再度吸着工程に戻る構成となっているため、フィルタ部を何らかの証拠物件として後日利用するようなことができない。装置構成を維持したままで、フィルタを証拠物件として都度取り外すには手間がかかる。

特許文献１に記載の技術は、微粒子捕集用のフィルタを室温より高い温度に加熱した状態で利用することを前提としているが、フィルタを装着した後でフィルタが適正な温度になるまでは装置を使用できないため、長時間中断することなしに分析を続けることができない。

以上のような理由から、ガスではなく微粒子を分析対象とすることができ、かつ、連続してリアルタイム分析ができ、かつ、必要とされるフィルタ交換を十分短い時間内に完了することができる分析装置が求められている。

本発明の微粒子分析装置は、検出対象の微粒子を含む気体を濃縮する濃縮部、濃縮部で濃縮された気体中の微粒子を捕集し加熱気化させる加熱気化部、加熱気化部で加熱気化された試料を分析する分析部を有する。加熱気化部には複数のフィルタを配置し、１つのフィルタを使い終えたら次のフィルタに交換できる機構を備える。また、使用中のフィルタを加熱するとともに、フィルタ交換によって次に使用されるフィルタを予備加熱する。

すなわち、加熱気化部は、濃縮部と分析部とを接続する流路と、その流路に挿入された第１のフィルタと、流路の周囲を第１のフィルタが挿入された状態でシールするシール部と、第１のフィルタを加熱する加熱部と、流路の外に位置し次に流路に挿入されて使用される第２のフィルタと、第２のフィルタを加熱する予備加熱部と、第１のフィルタを流路から排出し第２のフィルタを流路に挿入するフィルタ交換機構とを備える。

本発明によれば、微粒子を分析対象とすることができ、かつ、連続してリアルタイム分析ができ、必要とされるフィルタ交換を十分短い時間内に完了させることができる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

微粒子分析装置の一例のシステム構成図。微粒子分析装置の構成例を示す概略図。従来のフィルタホルダとフィルタカートリッジの構成例を示す断面模式図。本発明による微粒子分析装置の加熱気化部の構成例を示す断面模式図。フィルタホルダの概略構造例を示す図。フィルタカートリッジの概略構造例を示す図。フィルタカートリッジの概略構造例を示す図。本発明による微粒子分析装置の加熱気化部の構成例を示す断面模式図。フィルタカートリッジに設けられた検出穴の例を示す図。フィルタカートリッジに設けられた検出穴の例を示す図。フィルタカートリッジに設けられた検出穴の例を示す図。フィルタカートリッジに設けられた検出穴の例を示す図。本発明による微粒子分析装置の加熱気化部の構成例を示す断面模式図。本発明による微粒子分析装置の加熱気化部の構成例を示す断面模式図。本発明による微粒子分析装置の加熱気化部の構成例を示す断面模式図。本発明による微粒子分析装置の加熱気化部の構成例を示す断面模式図。本発明による微粒子分析装置の加熱気化部の構成例を示す断面模式図。本発明による微粒子分析装置の加熱気化部の構成例を示す断面模式図。本発明による微粒子分析装置の加熱気化部の構成例を示す断面模式図。本発明による微粒子分析装置の加熱気化部の構成例を示す斜視図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
最初に、本発明が対象とする微粒子分析装置の全体的な構成について説明する。図１は微粒子分析装置の一例のシステム構成図であり、図２は微粒子分析装置の構成例を示す概略図である。

図１に示すように、分析対象の微粒子を含んだ気体である試料は捕集部１０１から導入され、濃縮部８で濃縮される。不要な排気は排気部１０２から排出され、濃縮後の試料のみが加熱気化部１０３へ送られる。加熱気化部１０３で加熱気化された試料は分析部１０４へ送られ、分析結果は制御部１０６を介して表示操作部１０５へと伝達される。

次に図２において、微粒子を含んだ気体である試料は、試料導入口から濃縮部８に投入される。不要な気体は上部から排気され、残った微粒子を多く含んだ気体が、フィルタホルダ３に挿入設置されているフィルタカートリッジ１へと流しこまれる。本例では、フィルタカートリッジ１とフィルタホルダ３とで加熱気化部１０３を構成する。フィルタカートリッジ１の内部には後述するようにフィルタが組み込まれており、フィルタはフィルタカートリッジ１ともども、フィルタホルダ３に組み込まれている加熱ヒータによって加熱される。濃縮部８からフィルタホルダ３へ投入される気体は、フィルタホルダの開口部を通り、さらにフィルタを通過して下部から吸引される。この時、気体に含まれていた微粒子は、フィルタカートリッジ１に保持されたフィルタに捕集され、そこで加熱されてガス化し、気体と同様に下部から吸引される。吸引されたガスは分析部に導入され、成分についての分析が行われる。

フィルタとしては、例えば、濾過精度０．３μｍから１．０μｍ程度のステンレス鋼メッシュ材を用いることができる。ここでフィルタは、分析対象とする微粒子以外のさまざまな夾雑物質、例えば空気中を浮遊しているゴミなどを捕集してしまう可能性がある。長時間の分析作業により、フィルタに夾雑物質が多量に蓄積すると、夾雑物質から発生するノイズ成分が徐々に高くなるなどして分析に支障が出るだけでなく、フィルタの気体通過効率が低下したり、フィルタの表面部分への熱伝導率が低下するなどして、装置全体の効率が低下する。このため、フィルタに夾雑物質などが蓄積してしまった場合に、フィルタを交換する必要がある。

図３は、従来のフィルタホルダとフィルタカートリッジの構成例を示す断面模式図である。フィルタ２はフィルタカートリッジ１に固定的に組み込まれており、フィルタカートリッジ１ごと交換される。すなわち、フィルタ交換の際には、図３に矢印で示したようにフィルタホルダ３からフィルタカートリッジ１を抜き取り、新しいフィルタカートリッジ１を改めて挿入する。フィルタホルダ３とフィルタカートリッジ１の間には、メタルタッチによるシール部４２があり、フィルタカートリッジ１をフィルタホルダ３へ適正に挿入することで、フィルタホルダ開口部５１を介して気体の流路が構築される。

このような構成の場合、交換のためにフィルタカートリッジ１を往復運動させる必要があって連続的な交換が困難である。また、挿入した新しいフィルタカートリッジ１に対して、加熱ヒータ４による加熱昇温が完了するまでは微粒子のガス化が行えないため、フィルタ交換に起因する装置のダウンタイムを短くすることが困難である。

本発明は、図１及び図２に一般的な構成を示した微粒子分析装置において分析を中断することなく簡便にフィルタ交換を行うことを可能にするものである。以下では、微粒子分析装置の構成のうちフィルタ交換に関する部分の構成について詳細に説明する。

（Ａ）第一の実施の形態
図４は本発明の第一の実施形態を示したものであり、本実施形態による微粒子分析装置の加熱気化部１０３の断面模式図である。なお、微粒子分析装置のシステム構成は図１に示され、装置の全体構成は図２に示されている。

図４において、１は交換可能なフィルタカートリッジ、２はフィルタカートリッジに保持されたフィルタ、３は微粒子分析装置に組み込まれているフィルタホルダ、４は加熱ヒータ、５はフィルタカートリッジが備える雄ネジシール部、６はフィルタホルダが備える雌ネジシール部、７はボルトヘッド部、５１はフィルタホルダ開口部、５２は予備加熱部、６１は送り部、１０６は制御部である。

以下、本実施形態の動作について説明する。フィルタ２は、フィルタカートリッジ１の内部に、複数個が組み付けられている。フィルタカートリッジ１は外形がおおむね円柱形であり、その外周には雄ネジが形成されている。フィルタカートリッジ１のフィルタ２が保持されている部分には、フィルタカートリッジを横断してフィルタ２の面に垂直な方向に延びる流路形成用貫通穴５３が設けられている。フィルタ２は、この流路形成用貫通穴５３を塞ぐようにして配置されている。このフィルタカートリッジ１の流路形成用貫通穴５３がフィルタホルダ開口部５１と整列したとき、フィルタ２を介して濃縮部８と分析部１０４とを接続する流路が形成され、微粒子分析装置はこの流路が形成された状態で使用される。

フィルタホルダ３は、加熱ヒータ４を内蔵しており、また、内周に雌ネジが形成された概略円筒状の穴を備えている。フィルタカートリッジ１の雄ネジは、フィルタホルダ３の雌ネジに嵌合することができ、これによりフィルタカートリッジ１はフィルタホルダ３の中を旋回しながら前進することができる。フィルタカートリッジ１の旋回動作は、フィルタカートリッジ１の最後端に設けられているボルトヘッド部７に対して、制御部１０６の制御下に送り部６１から旋回力を加えることで行われる。さらに、フィルタカートリッジ１の雄ネジ部、すなわち雄ネジシール部５と、フィルタホルダ３の雌ネジ部、すなわち雌ネジシール部６とが嵌合することによって、フィルタカートリッジ１とフィルタホルダ３との隙間が実質的に密閉される。雄ネジシール部５と雌ネジシール部６によって構成されるシール部は、フィルタホルダ３のフィルタホルダ開口部５１にフィルタカートリッジ１の流路形成用貫通穴５３が整列することによって形成された濃縮部８と分析部１０４とを接続する流路の周囲をシールする。

フィルタ２を交換する際には、送り部６１からボルトヘッド７に旋回力を加えることでフィルタカートリッジ１を旋回すなわち前進させ、予め決められた回数の旋回を行うことで、未使用の新しいフィルタをフィルタホルダ開口部５１に対して位置決めする。フィルタホルダ開口部５１の周囲に位置する加熱ヒータ４によってフィルタ加熱部が構成され、フィルタ加熱部によって加熱されたフィルタホルダ３から、フィルタカートリッジ１を介した熱伝導によってフィルタホルダ開口部５１に配置されたフィルタ２が加熱される。ここでは、フィルタ２は２００℃から２５０℃の範囲に加熱される。なぜなら、本実施形態において、フィルタ２で捕集しガス化しようとしている検出対象の微粒子は爆発物微粒子であり、その代表的な物質（ＲＤＸなど）の沸点が上記温度範囲にあるからである。

一方、使用済みのフィルタ２は、フィルタカートリッジ１の前進に伴ってフィルタホルダ３から徐々に押し出され、図の左方から排出される。

また、雌ネジシール部６が設けられたフィルタホルダ３の円筒形の穴は、フィルタカートリッジ１に組みつけられている２個以上のフィルタ２を覆うだけの長さを持ち、フィルタホルダ開口部５１からフィルタカートリッジ１の挿入口の方向に延長されている。フィルタホルダ３のフィルタカートリッジ挿入口の方へ延長された部分は予備加熱部５２であり、予備加熱部５２にはフィルタホルダ開口部５１の周囲と同様に加熱ヒータ４が内蔵されている。これにより、次に使用される交換用フィルタは、フィルタホルダ開口部５１に位置決めされるより以前に、予備加熱部５２に位置している時点で、現在使用中のフィルタと同様に加熱される。

このように、フィルタカートリッジ１を前進させる操作を行った後で、フィルタホルダ開口部５１に位置決めされたフィルタ２を加熱するのではなく、予備加熱部５２において未使用のフィルタ２を予め加熱することによって、フィルタホルダ開口部５１における使用前準備としてのフィルタ加熱時間を大幅に短縮もしくはゼロにすることができる。

ここでは予備加熱を常時行うことを想定しており、予備加熱部５２に位置している次に使う交換用フィルタは、フィルタホルダ開口部５１に位置して使用されているフィルタと同じ時間だけ予備加熱が続けられる。本実施形態では、フィルタホルダ開口部５１の周囲の加熱部と予備加熱部５２とは、連続的な構造として熱伝導率の良い材料、例えば金属で一体的に構成されている。これにより、フィルタホルダ開口部５１の周囲の加熱部と予備加熱部５２との温度はおおむね同等になる。なお、フィルタホルダ３とフィルタカートリッジ１とは、互いに嵌合した状態で常温より加熱する必要があることから、線膨脹係数がほぼ同等の材料によって構成するのがよい。

図５及び図６により、フィルタホルダとフィルタカートリッジの構造を説明する。図５はフィルタホルダ３の概略構造を示した機械図面（第三角法による）であり、図６はフィルタカートリッジ１の概略構造を示した機械図面（第三角法による）である。いずれも切断位置Ａ−Ａ’における断面図を併記する。

図７は、本実施形態におけるフィルタカートリッジ１の概略構造を、別の観点から示した図である。図７には、フィルタカートリッジ１の円柱表面の外周に形成されている雄ネジの形状の一例を示しており、上から順に上面概念図、側面概念図、及び外観図である。図７には、ネジのリードがピッチの４倍となる４条ネジとした場合の例を示した。このようなネジ形状とすることで、フィルタカートリッジ１が１旋回するごとにフィルタカートリッジ１はその開口部１個分だけ前進し、０．５旋回ごとに開口部０．５個分だけ前進する。つまりフィルタカートリッジ１が上下反転した状態では、フィルタカートリッジ１の流路形成用貫通穴５３がフィルタホルダ３の開口部と整合した位置を取ることがなくなる。

このような構成とすることで、フィルタ２の上面に捕集されたもののガス化されていない夾雑物が、フィルタホルダ３の下部に開口している穴から分析部に向けて落下することを確実に防止することができる。

なお、フィルタホルダ３の雌ネジは、フィルタカートリッジ１の雄ネジと同じ仕様により形成する必要があることは言うまでもない。また、ここでは４条ネジであるものとして説明したが、ネジのリードがフィルタカートリッジ１の開口部１個分と等しければ、何条のネジであってもよい。

上記のように、微粒子分析装置の加熱気化部に濃縮部と分析部とを接続する流路を設け、流路に挿入された第１のフィルタと、流路の周囲を第１のフィルタが挿入された状態でシールするシール部と、第１のフィルタを加熱する加熱部と、流路の外に位置し次に流路に挿入される第２のフィルタと、第２のフィルタを加熱する予備加熱部と、第１のフィルタを流路から排出し第２のフィルタを流路に挿入するフィルタ交換機構とを備えることによって、微粒子を分析対象とすることができ、かつ、使用前準備としてのフィルタ加熱時間を大幅に短縮もしくはゼロにして連続してリアルタイム分析ができ、必要とされるフィルタ交換を十分短い時間内に完了させる効果が得られる。

加熱部により第１のフィルタを２００℃から２５０℃の範囲に加熱することにより、フィルタに捕集した爆発物微粒子を加熱気化して分析することができる。

フィルタカートリッジに第１のフィルタと第２のフィルタを組み込み、フィルタ交換機構でフィルタカートリッジを駆動して第１のフィルタ及び第２のフィルタを流路を横切る方向に移動させてフィルタ交換を行うことにより、フィルタ交換を十分短い時間内に完了させることができる。

フィルタカートリッジを円柱形として外周に雄ネジを形成し、フィルタホルダに円筒形の穴を備え、その内面に前記雄ネジと嵌合する雌ネジを形成し、フィルタ交換機構は雄ネジを雌ネジに挿入して回転推進する機構とし、雄ネジと雌ネジの噛み合いによってシールを行うようにすることにより、フィルタ交換機構にシール部の機能を兼用させ、確実にシールを行うことができる。

このときフィルタカートリッジの外周に形成した雄ネジ及びフィルタホルダの内面に形成した雌ネジのリード長をフィルタホルダに保持された複数のフィルタのピッチ距離と等しく設定することで、フィルタの上面に捕集された夾雑物がフィルタホルダの開口部から分析部に向けて落下することを確実に防止することができる。

加熱部と予備加熱部をフィルタホルダに一体として備え、第１のフィルタと第２のフィルタを同時に加熱するように構成することで、加熱部と予備加熱部の温度をほぼ同じにすることができ、使用前準備としてのフィルタ加熱時間を大幅に短縮もしくはゼロにして連続してリアルタイム分析ができるようになる。

（Ｂ）第二の実施の形態
図８は本発明の第二の実施形態を示したものであり、本実施形態による微粒子分析装置の加熱気化部１０３の断面模式図である。

図８において、１はフィルタカートリッジ、２はフィルタ、３はフィルタホルダ、４は加熱ヒータ、５は雄ネジシール部、６は雌ネジシール部、７はボルトヘッド部、１１は光源、１２は光検出器、１３は検出穴、５１はフィルタホルダ開口部、５２は予備加熱部、６１は送り部、１０６は制御部である。

以下、本実施形態の動作を説明する。第二の実施形態の構成及び動作は、第一の実施形態と類似しているため、ここでは主に両者の差分について説明する。

第二の実施形態では、フィルタカートリッジ１に、複数の検出穴１３が設けられている。また、微粒子分析装置は光源１１と光検出器１２を備える。光源１１は光検出器１２に向けて光線、例えばレーザ光線を出射し、光源１１と光検出器１２を結ぶ光路は、フィルタカートリッジ１の前進する経路と交差するように設定されている。光源１１から出射され、検出穴１３を通過した光線は光検出器１２で検出される。これら追加の構成要素は、フィルタカートリッジ１の位置決めを精密に行うために設けられたものである。

第一の実施形態においては、フィルタカートリッジ１の位置決めは、ボルトヘッド部７を旋回する量によって制御される。一方、第二の実施形態では、フィルタカートリッジがどれだけ前進したかを、光源１１と光検出器１２の間にフィルタカートリッジ１の検出穴１３が整列していることを検出することで、より精密に制御する。すなわち、制御部１０６は、光検出器１２の出力信号をモニタしながら送り部６１によるフィルタカートリッジ１の旋回動作を制御する。そして、光源１１から出射された光線がフィルタカートリッジ１の検出穴１３を通って光検出器１２で検出されたとき、制御部１０６は光検出器１２からの信号を受けて送り部６１に指令し、フィルタカートリッジ１の旋回動作を止める。これにより、フィルタカートリッジ１の位置決めを高精度に行うことができる。

ここで検出穴１３は、フィルタカートリッジ１に組みつけられているフィルタ２から、できるだけ離れた位置に設けるのがよい。これにより、雄ネジシール部５と雌ネジシール部６により構成される、フィルタカートリッジ１とフィルタホルダ３の間の密閉効果を維持することができる。また、図８の例では、検出穴１３はフィルタカートリッジ１の流路形成用貫通穴５３と同一の方向にフィルタカートリッジ１の中心軸を通って貫通するように設けられているが、検出穴１３の方向及び設置位置はこれに限るものではなく、これと直交する方向であってもよいし、フィルタカートリッジ１の中心軸からオフセットした位置を通過するように設けてもよい。

また、検出穴１３は、必ずしも穴である必要すらなく、雄ネジシール部５の外周部に設けた切欠きであってもよい。この場合、当然であるが、光源１１及び光検出器１２の設置位置は、フィルタカートリッジ１の中心軸を通過する位置ではなく、フィルタカートリッジ１１の外周部が通過する位置に設置することが必要となる。

本実施形態の理解を助けるため、フィルタカートリッジ１に設ける検出穴１３の概略構造の例を図９〜１２に示す。図９は、検出穴１３がフィルタカートリッジ１に設けられた流路形成用貫通穴５３の軸と同じ方向、すなわちフィルタの面と直交する方向に延び、かつフィルタカートリッジ１の中心軸を通過している例を示している。図１０は、検出穴１３が流路形成用貫通穴５３の軸と直交する方向、すなわちフィルタの面と平行な方向に延び、かつフィルタカートリッジ１の中心軸を通過している例を示している。図１１は、検出穴１３が流路形成用貫通穴５３の軸と同じ方向、すなわちフィルタの面と直交する方向に延び、かつフィルタカートリッジ１の中心からオフセットした位置を通過している例を示している。図１２は、検出穴１３が、穴ではなく切欠きとして流路形成用貫通穴５３の軸と直交する方向、すなわちフィルタの面と平行な方向に延びるように形成されている例を示している。このようにフィルタカートリッジ１の回転中心からずれた位置に検出穴１３を設けることで、位置の一意性を向上できる。

上記のように、フィルタカートリッジに位置検出用の検出穴を設け、フィルタ交換機構に光源と光検出器を設置し、光源から出射された光線がフィルタカートリッジの検出穴を通って光検出器で検出されたときフィルタカートリッジの駆動を止めるようにすることによって、フィルタ交換時のフィルタカートリッジの位置決め精度を高めることができる。

また、上記のようにフィルタカートリッジに位置検出用の切欠き部を設け、フィルタ交換機構に光源と光検出器を設置し、光源から出射された光線がフィルタカートリッジの切欠き部を通って光検出器で検出されたときフィルタカートリッジの駆動を止めるようにすることによって、フィルタ交換時のフィルタカートリッジの位置決め精度を高めることができる。

（Ｃ）第三の実施の形態
図１３は本発明の第三の実施形態を示したものであり、本実施形態による微粒子分析装置の加熱気化部１０３の断面模式図である。

図１３において、１はフィルタカートリッジ、２はフィルタ、３はフィルタホルダ、４は加熱ヒータ、５は雄ネジシール部、６は雌ネジシール部、７はボルトヘッド部、５１はフィルタホルダ開口部、５２は予備加熱部、６１は送り部、１０６は制御部である。

以下、本発明の第三の実施形態の動作を説明する。第三の実施形態の構成及び動作は、第一の実施形態と類似しているため、ここでは主に両者の差分について説明する。

第三の実施形態では、フィルタホルダ３の周囲に切欠き３５を設け、この切欠き３５によりフィルタホルダ開口部５１と予備加熱部５２の間の熱抵抗が大きくなるように構成した。また、予備加熱部５２には、フィルタホルダ開口部５１より高密度で加熱ヒータ４を内蔵し、より高温となるように構成した。

第三の実施形態では、フィルタ２は、予備加熱部５２に滞留している間、相対的に高温の環境下に置かれることで、単に予備的に加熱されるだけでなく、フィルタ２の表面に付着している夾雑物質を加熱分解し除去するように構成される。加熱分解された夾雑物質は、予備加熱部５２付近に設けたガス抜き穴から排出される。このように構成することで、フィルタホルダ３に挿入する前のフィルタカートリッジ１の取り扱い手段をより低い清浄レベルとすることができ、装置全体としての構成簡素化が可能となる。

相対的に高温とは、例えば、通常の加熱温度を２５０℃とすると、２６０℃程度でよい。これにより、検出対象としている物質（爆発物微粒子など）と同程度の温度で気化する別の夾雑物質が、ノイズとして分析部に導入されてしまうことを回避できる。

なお、本実施形態では、予備加熱部５２を相対的に高温とするための手段として、加熱ヒータ４を高密度で内蔵する例を示したが、高温にする手段はこれに限るものではなく、フィルタホルダ開口部５１と予備加熱部５２とで加熱ヒータ４の加熱性能に差をつけるといった手段であっても差し支えない。

また、フィルタホルダ開口部５１と予備加熱部５２との間の熱抵抗を大きくするための手段として、両者の間に切欠きを設ける例を説明したが、こちらもこの手段に限るものではなく、例えば、両者の間に熱抵抗の大きい材料を挟み込むといった手段であっても差し支えない。

上記のように、予備加熱部を加熱部から独立させ、予備加熱部による加熱温度を加熱部による加熱温度よりも高温に設定することにより、予備加熱部に位置するフィルタの表面に付着している夾雑物質を加熱分解し除去することができ、夾雑物質がノイズとして分析部に導入されてしまうことを回避できる効果がある。それにより、フィルタホルダに挿入する前のフィルタカートリッジの取り扱い手段をより低い清浄レベルとすることができ、装置全体としての構成簡素化が可能となる。

（Ｄ）第四の実施の形態
図１４は本発明の第四の実施形態を示したものであり、本実施形態による微粒子分析装置の加熱気化部１０３の断面模式図である。

図１４において、１はフィルタカートリッジ、２はフィルタ、３はフィルタホルダ、４は加熱ヒータ、５は雄ネジシール部、６は雌ネジシール部、７はボルトヘッド部、２１はハロゲンランプヒータ、５１はフィルタホルダ開口部、５２は予備加熱部、６１は送り部、１０６は制御部である。

以下、本発明の第四の実施形態の動作を説明する。第四の実施形態の構成及び動作は、第三の実施形態と類似しているため、ここでは主に両者の差分について説明する。

第四の実施形態では、予備加熱部５２にハロゲンランプヒータ２１を備える。予備加熱部５２に位置しているフィルタ２は、加熱ヒータ４によって予備的に加熱される。これに加えて本実施形態では、フィルタ２の表面に付着している夾雑物質を加熱分解し除去するために、ハロゲンランプヒータ２１による追加の加熱を行う。夾雑物質を加熱分解するには比較的短時間、追加加熱するだけで十分であり、長時間その環境に維持することは必ずしも必要ではない。このため、高密度で加熱ヒータ４を内蔵するといった構成の代わりに、ハロゲンランプヒータ２１のような赤外線照射によって短時間で対象物を加熱することができる加熱手段を設け、夾雑物質の加熱分解を行う。加熱分解した夾雑物を含むガスは、追加加熱手段付近に設けたガス抜き穴から排出する。ここで短時間とは、例えば数十秒程度の時間である。追加加熱するタイミングは、新しいフィルタが予備加熱部５２へ導入され、予備加熱目標温度に到達した後、フィルタホルダ開口部５１へ送られるまでの間であることが望ましい。例えば、次の位置へフィルタを送る数十秒前から追加加熱を施し、数十秒間の追加加熱が完了次第、フィルタ送りを実施するといった動作タイミングが考えられる。

なお、短時間で加熱することができる手段であれば必ずしもハロゲンランプヒータを用いる必要はなく、適宜類似の手段を用いて加熱する構成であっても構わない。
上記のように、予備加熱部に赤外線照射手段を備えることによって、短時間の追加加熱でフィルタの表面に付着している夾雑物質を加熱分解することができるという効果が得られる。

（Ｅ）第五の実施の形態
図１５は本発明の第五の実施形態を示したものであり、本実施形態による微粒子分析装置の加熱気化部１０３の断面模式図である。

図１５において、１はフィルタカートリッジ、２はフィルタ、３はフィルタホルダ、４は加熱ヒータ、５は雄ネジシール部、６は雌ネジシール部、７はボルトヘッド部、３１は前面嵌合部、３２は後面嵌合部、３３はカートリッジ回収部、５１はフィルタホルダ開口部、５２は予備加熱部、６１は送り部、１０６は制御部である。

以下、本発明の第五の実施形態の動作を説明する。第五の実施形態の構成及び動作は、第一の実施形態と類似しているため、ここでは主に両者の差分について説明する。

第五の実施形態では、フィルタカートリッジ１は、その軸方向に多数連結されている。１つのフィルタカートリッジ１は１つのフィルタ２を内蔵し、各フィルタカートリッジは前面に前面嵌合部３１を、後面に後面嵌合部３２を有する。１つのフィルタカートリッジ１の前面嵌合部３１がその直前に位置する別のフィルタカートリッジ１の後面嵌合部３２に嵌合することで、複数のフィルタカートリッジ同士が連結される。フィルタカートリッジ１は多数連結された状態でフィルタホルダ３へ挿入され、第一の実施形態と同様に、旋回しながら前進していく。使用済みのフィルタカートリッジ１は、完全にフィルタホルダ３から抜け出した後でフィルタカートリッジ同士の連結が解放され、カートリッジ回収部３３へと回収される。

このような構成とすることで、特にフィルタ交換の頻度が頻繁である場合、使用済みのフィルタカートリッジ１を格納しておくスペースの確保が容易になる。また、使用前のフィルタカートリッジ１を格納しておくスペースの確保も容易になる。

なお、ここでは、１つのフィルタ２が１つのフィルタカートリッジ１に組みつけられている例を説明したが、もちろんこの構成に縛られるものではなく、２つ以上のフィルタ２が、１つのフィルタカートリッジに組みつけられている構成であっても差し支えない。

上記のように、各々が１個あるいは２個以上のフィルタを内蔵するフィルタカートリッジを軸方向に複数個連結してフィルタホルダに挿入する形態とすることで、省スペース化を図ることができる効果がもたらされる。

（Ｆ）第六の実施の形態
図１６は本発明の第六の実施形態を示したものであり、本実施形態による微粒子分析装置の加熱気化部１０３の断面模式図である。

図１６において、１はフィルタカートリッジ、２はフィルタ、３はフィルタホルダ、４は加熱ヒータ、４１は上下動挟み込み機構、４２はシール部、５１はフィルタホルダ開口部、５２は予備加熱部、６１は送り部、１０６は制御部である。

以下、本発明の第六の実施形態の動作を説明する。第六の実施形態では、フィルタカートリッジ１とフィルタホルダ３の間を密閉する手段として、これまでの実施形態のネジ機構ではなく、シール部４２を上下から挟み込む機構を採用した。シール部４２は個々のフィルタ２を取り囲むようにしてフィルタカートリッジ１の上下の面に設けられている。上下動挟み込み機構４１を動作させてフィルタホルダ３のフィルタカートリッジ対向面でフィルタカートリッジ１を上下方向から挟み込むことでシール部４２を押圧して変形させ、少なくともフィルタホルダ開口部５１の周囲をシールする。

説明の簡単のため、ここではフィルタカートリッジ１は直方体の外形を有するものとする。すなわち、フィルタカートリッジ１の上面と下面は平面であり、これと向き合うフィルタホルダ３の面も平面であるものとする。両者の間にはシール部４２が介在しており、フィルタホルダ３が上下動挟み込み機構によりフィルタカートリッジ１を挟み込むと、シール部４２の働きによって密閉が行われる。フィルタ交換を行う時、制御部１０６は、上下動挟み込み機構４１をゆるめることでフィルタホルダ３からフィルタカートリッジ１を解放し、次のフィルタ２がフィルタホルダ開口部５１に位置決めされるまで送り部６１によりフィルタカートリッジ１を前進させ、再び上下動挟み込み機構４１によりフィルタカートリッジ１を挟み込むという動作を実行させる。

なお、本実施形態では、シール部４２がフィルタカートリッジ１に備わっている例で説明したが、必ずしもこの通りである必要はなく、シール部４２はフィルタホルダ３に備わっていても差し支えない。また、必ずしもフィルタカートリッジ１が直方体であったり、フィルタカートリッジ１とフィルタホルダ３とが平面で相対していたりする必要はなく、互いに隙間なく密閉ができる形状であればよい。

上記のように、フィルタホルダはフィルタカートリッジを挟み込む動作をする駆動機構を備え、シール部は、駆動機構による挟み込み動作によりフィルタホルダとフィルタカートリッジとが接触することによってシールを行う構成とすることによって、確実にシールを行うことができるとともに、加熱部とフィルタカートリッジの間での十分な熱伝達を行うことができるという効果が得られる。

（Ｇ）第七の実施の形態
図１７は本発明の第七の実施形態を示したものであり、本実施形態による微粒子分析装置の加熱気化部１０３の断面模式図である。

図１７において、１はフィルタカートリッジ、２はフィルタ、３はフィルタホルダ、４は加熱ヒータ、４１は上下動挟み込み機構、４２はシール部、４３は送り出し機構部、４４は巻き取り機構部、５１はフィルタホルダ開口部、５２は予備加熱部、１０６は制御部である。

以下、本発明の第七の実施形態の動作を説明する。第七の実施形態の構成及び動作は、第六の実施形態と類似しているため、ここでは主に両者の差分について説明する。

第七の実施形態では、フィルタカートリッジ１の形態は、これまでの実施形態のような棒状ではなく、巻き取り可能なシート形状である。シート状のフィルタカートリッジ１は、使用開始時は送り出し機構部４３に巻き取られており、フィルタ交換動作のたびに、巻き取り機構部４４に巻き取ることで前進させる。フィルタ交換の時、制御部１０６は、上下動挟み込み機構４１を降下させてシール部４２を緩め、次に送り出し機構部４３及び巻き取り機構部４４を動作させてフィルタホルダ開口部５１へ未使用の次のフィルタ２を位置決めする。続いて制御部１０６は、上下動挟み込み機構４１を上昇させ、フィルタカートリッジ１をシール部４２で挟み込んで密閉してフィルタ交換を完了する。十分なシールを行うためには、複数のフィルタ２を隣り合うフィルタ間に間隙が形成されるようにしてフィルタカートリッジ１に配置し、シール時にはフィルタホルダ３に設けたシール部４２をその間隙に挿入してシールを行うのが好ましい。

なお、本実施形態では、フィルタ２は湾曲することのない構造として図示しているが、必ずしもこのような構造である必要はなく、自由に湾曲する材料でフィルタ２を構成してもよい。
上記のように、フィルタカートリッジの形態を巻き取り可能なシート形状とすることによって、省スペース化及び低コスト化を図ることができる。

（Ｈ）第八の実施の形態
図１８は本発明の第八の実施形態を示したものであり、本実施形態による微粒子分析装置の加熱気化部１０３の断面模式図である。

図１８において、１はフィルタカートリッジ、２はフィルタ、３はフィルタホルダ、４は加熱ヒータ、３３はカートリッジ回収部、４１は上下動挟み込み機構、４２はシール部、４５はカートリッジ蓄積部、４６は巻き取り機構部、５１はフィルタホルダ開口部、５２は予備加熱部、１０６は制御部である。

以下、本発明の第八の実施形態の動作を説明する。第八の実施形態の構成及び動作は、第七の実施形態と類似しているため、ここでは主に両者の差分について説明する。

第八の実施形態では、シート状のフィルタカートリッジ１は、予め巻き取られているのではなく、予め折りたたまれた状態でカートリッジ蓄積部４５に収納されている。フィルタカートリッジ１は、巻き取り機構部４６の動作によって前進し、逐次カートリッジ蓄積部４５から引き出され、フィルタホルダ開口部５１に新しいフィルタ２を位置づけることでフィルタ交換動作が行われる。また、使用済みのフィルタカートリッジは、カートリッジ回収部３３に逐次回収される。すなわち、フィルタ交換の際には、制御部１０６は、上下動挟み込み機構４１を降下させてシール部４２を緩め、次に巻き取り機構部４４を動作させてフィルタホルダ開口部５１へ未使用の新しいフィルタ２を位置決めする。続いて制御部１０６は、上下動挟み込み機構４１を上昇させ、フィルタカートリッジ１をシール部４２で挟み込んで密閉し、フィルタ交換を完了する。十分なシールを行うためには、複数のフィルタ２を隣り合うフィルタ間に間隙が形成されるようにしてフィルタカートリッジ１に配置し、シール時にはフィルタホルダ３に設けたシール部４２をその間隙に挿入してシールを行うのが好ましい。

上記のように、フィルタカートリッジの形態を折りたたみ可能なシート形状とすることによって、省スペース化及び低コスト化を図ることができる。

（Ｉ）第九の実施の形態
図１９、図２０は本発明の第九の実施形態を示したものであり、図１９は本実施形態による微粒子分析装置の加熱気化部１０３の断面模式図、図２０は斜視図である。

図１９、図２０において、１はフィルタカートリッジ、２はフィルタ、３はフィルタホルダ、４は加熱ヒータ、４１は上下動挟み込み機構、４２はシール部、４７はフィルタ回転機構、５１はフィルタホルダ開口部、５２は予備加熱部、１０６は制御部である。

以下、本発明の第九の実施形態の動作を説明する。第九の実施形態の構成及び動作は、第八の実施形態と類似しているため、ここでは主に両者の差分について説明する。

第九の実施形態では、フィルタカートリッジ１は円盤状の構造をしている。フィルタカートリッジ１は、制御部１０６の制御下にフィルタ回転機構４７によって回転し、これにより未使用のフィルタがフィルタホルダ３に対して位置決めされ、フィルタ交換動作が行われる。フィルタカートリッジ１には周方向に多数のフィルタが配置されている。次に使う順番のフィルタは、予備加熱部５２で適正な温度に加熱しておき、フィルタ交換時のダウンタイム低減を図る。フィルタ交換の際には、制御部１０６は、上下動挟み込み機構４１を降下させてシール部４２を緩め、次にフィルタ回転機構４７を駆動してフィルタホルダ開口部５１へ未使用の次のフィルタ２を位置決めする。続いて制御部１０６は、上下動挟み込み機構４１を上昇させ、フィルタカートリッジ１をシール部４２で挟み込んで密閉し、フィルタ交換を完了する。

以上のように、フィルタカートリッジを円盤状の構造とし周方向に複数のフィルタを配置したことによって、フィルタを送る機構の簡易化、高信頼化及び低コスト化を図ることができる。

以上、本明細書においては、説明の簡単のため、それぞれの特徴を個別の実施形態として説明したが、もちろんいくつかの特徴を同時に実施しても差し支えない。また、本明細書においては、濃縮部、ガス分析部等の詳細については述べていないが、これら単体の機能は、それぞれ既存の技術により実現することができる。例えば、ガス分析部として質量分析器もしくはイオンモビリティ検出器、濃縮部としてサイクロン分粒器などを用いることができる。

また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１フィルタカートリッジ
２フィルタ
３フィルタホルダ
４加熱ヒータ
５雄ネジシール部
６雌ネジシール部
７ボルトヘッド部
８濃縮部
１１光源
１２光検出器
１３検出穴
２１ハロゲンランプヒータ
３１前面嵌合部
３２後面嵌合部
３３カートリッジ回収部
４１上下動挟み込み機構
４２シール部
４３送り出し機構部
４４巻き取り機構部
４５カートリッジ蓄積部
４６巻き取り機構部
４７フィルタ回転機構
５１フィルタホルダ開口部
５２予備加熱部
６１送り部
１０１捕集部
１０２排気部
１０３加熱気化部
１０４分析部
１０５表示操作部
１０６制御部

Claims

検出対象の微粒子を含む気体を濃縮する濃縮部と、前記濃縮部で濃縮された気体中の微粒子を捕集し加熱気化させる加熱気化部と、前記加熱気化部で加熱気化された試料を分析する分析部とを有し、
前記加熱気化部は、前記濃縮部と前記分析部とを接続する流路と、前記流路に挿入された第１のフィルタと、前記流路の周囲を前記第１のフィルタが挿入された状態でシールするシール部と、前記第１のフィルタを加熱する加熱部と、前記流路の外に位置し次に前記流路に挿入される第２のフィルタと、前記第２のフィルタを加熱する予備加熱部と、前記第１のフィルタを前記流路から排出し前記第２のフィルタを前記流路に挿入するフィルタ交換機構とを備えることを特徴とする微粒子分析装置。
請求項１に記載の微粒子分析装置において、
前記加熱部は前記第１のフィルタを２００℃から２５０℃の範囲に加熱することを特徴とする微粒子分析装置。
請求項１に記載の微粒子分析装置において、
前記第１のフィルタと前記第２のフィルタは、フィルタを保持するためのフィルタカートリッジに組み込まれ、前記フィルタ交換機構は前記フィルタカートリッジを駆動して前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタを前記流路を横切る方向に移動させることを特徴とする微粒子分析装置。
請求項３に記載の微粒子分析装置において、
前記フィルタカートリッジを装着するフィルタホルダを備え、前記フィルタホルダに前記流路が設定されていることを特徴とする微粒子分析装置。
請求項４に記載の微粒子分析装置において、
前記フィルタカートリッジは円柱形であって、その外周に雄ネジが形成されており、
前記フィルタホルダは円筒形の穴を備え、その内面に前記雄ネジと嵌合する雌ネジが形成されており、
前記フィルタ交換機構は前記雄ネジを前記雌ネジに挿入して回転推進する機構であり、
前記シール部は前記雄ネジと前記雌ネジの噛み合いによってシールを行うことを特徴とする微粒子分析装置。
請求項５に記載の微粒子分析装置において、
前記雄ネジ及び前記雌ネジのリード長は、前記フィルタホルダに保持された複数のフィルタのピッチ距離と等しいことを特徴とする微粒子分析装置。
請求項４に記載の微粒子分析装置において、
前記フィルタホルダは前記フィルタカートリッジを挟み込む動作をする駆動機構を備え、
前記シール部は、前記駆動機構による前記挟み込み動作により前記フィルタホルダと前記フィルタカートリッジとが接触することによってシールを行うことを特徴とする微粒子分析装置。
請求項４に記載の微粒子分析装置において、
前記加熱部と前記予備加熱部とは前記フィルタホルダに一体として備えられ、前記第１のフィルタと前記第２のフィルタを同時に加熱することを特徴とする微粒子分析装置。
請求項８に記載の微粒子分析装置において、
前記加熱部と前記予備加熱部を合わせた長さは、前記フィルタカートリッジに保持された少なくとも２つのフィルタの中心間距離より長く、前記フィルタホルダは前記フィルタカートリッジ送り方向の逆方向に延長されていることを特徴とする微粒子分析装置。
請求項１に記載の微粒子分析装置において、
前記予備加熱部は前記加熱部から独立しており、前記予備加熱部は前記第２のフィルタを前記加熱部による前記第１のフィルタの加熱温度よりも高温に加熱することを特徴とする微粒子分析装置。
請求項１０に記載の微粒子分析装置において、
前記予備加熱部は前記加熱部と比べ加熱ヒータを高密度で備えることを特徴とする微粒子分析装置。
請求項１０に記載の微粒子分析装置において、
前記予備加熱部は赤外線照射手段を備えることを特徴とする微粒子分析装置。
請求項３に記載の微粒子分析装置において、
前記フィルタカートリッジは位置検出用の検出穴を有し、
前記フィルタ交換機構は光源と光検出器を備え、前記光源から出射された光線が前記フィルタカートリッジの前記検出穴を通って前記光検出器で検出されたとき前記フィルタカートリッジの駆動を止めることを特徴とする微粒子分析装置。
請求項１３に記載の微粒子分析装置において、
前記検出穴は、前記フィルタの面と平行な方向に延長していることを特徴とする微粒子分析装置。
請求項３に記載の微粒子分析装置において、
前記フィルタカートリッジは位置検出用の切欠き部を有し、
前記フィルタ交換機構は光源と光検出器を備え、前記光源から出射された光線が前記フィルタカートリッジの前記切欠き部を通って前記光検出器で検出されたとき前記フィルタカートリッジの駆動を止めることを特徴とする微粒子分析装置。