特許 7593884 ＬＥＤ光源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】ＬＥＤ光源装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/01 20060101AFI20241126BHJP

   H01L 33/64 20100101ALI20241126BHJP

【ＦＩ】

G01N21/01 D

H01L33/64

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021093749

(22)【出願日】2021-06-03

(65)【公開番号】P2022185858

(43)【公開日】2022-12-15

【審査請求日】2024-02-08

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】清水 勇人

(72)【発明者】

【氏名】堀川 大空

(72)【発明者】

【氏名】高橋 拓也

(72)【発明者】

【氏名】川原 鉄士

【審査官】井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１２９７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０８１３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／０１３７７７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７－２１／６１

Ｇ０１Ｎ ２１／８４－２１／９５８

Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４

Ｇ０１Ｎ ３３／００

Ｇ０１Ｎ ３５／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料の吸光度を測定するために用いる光を出射するＬＥＤ光源装置であって、
前記光を出射する発光素子、
前記発光素子を実装した基板、
前記基板を支持するスペーサ、
前記発光素子、前記基板、および前記スペーサを収容する筐体、
前記筐体を封止する蓋、
を備え、
前記発光素子はＬＥＤを用いて構成されており、
前記スペーサは、前記筐体または前記蓋のうち少なくともいずれかと接するように配置されており、
前記基板の熱伝導率と前記スペーサの熱伝導率は、前記筐体の熱伝導率と前記蓋の熱伝導率いずれよりも高く、
前記ＬＥＤ光源装置はさらに、前記発光素子が出射した前記光を通過させる光路を備えており、
前記光路は、前記光が通過する開口を有し、
前記筐体の内部空間と前記ＬＥＤ光源装置の外気との間は、前記開口を介して換気可能に構成されている
ことを特徴とするＬＥＤ光源装置。

【請求項2】

前記筐体の熱伝導率と前記蓋の熱伝導率は、いずれも１０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上５０Ｗ／（ｍ・ｋ）以下である
ことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源装置。

【請求項3】

前記基板の熱伝導率と前記スペーサの熱伝導率は、いずれもリン青銅の熱伝導率以上である
ことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源装置。

【請求項4】

前記筐体は、前記筐体の内部を外気温よりも高い温度に調整することができる温度調整機構を有する
ことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源装置。

【請求項5】

前記温度調整機構は、
前記筐体の内部において恒温液を循環させる機構、
前記筐体を加熱するヒータ、
のうち少なくともいずれかによって構成されている
ことを特徴とする請求項４記載のＬＥＤ光源装置。

【請求項6】

前記温度調整機構は、前記筐体の内部において恒温液を循環させる機構によって構成されており、
前記温度調整機構は、前記恒温液の流量が減ることにより、前記筐体の内部の温度が下がるように構成されている
ことを特徴とする請求項４記載のＬＥＤ光源装置。

【請求項7】

前記温度調整機構は、前記ＬＥＤ光源装置が前記光を供給する自動分析装置が備える恒温槽の温度を維持するために用いる恒温液を用いて、前記筐体の内部の温度を調整する
ことを特徴とする請求項４記載のＬＥＤ光源装置。

【請求項8】

前記蓋は、前記発光素子に対して給電する配線を通過させる孔を有し、
前記孔の開口サイズは、前記光路の開口サイズよりも小さい
ことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源装置。

【請求項9】

前記スペーサの体積は、前記筐体の体積と前記蓋の体積いずれよりも小さい
ことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＬＥＤ光源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

試料に対して光を照射することにより、その試料のなかに含まれる物質を測定する技術は、様々な分析装置において用いられている。例えば対象物質の吸光度を測定することにより、その物質を定量化することができる。光源としては、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源などを用いることができる。

【0003】

下記特許文献１は、高速液体クロマトグラフィーシステムに関して、『高速液体クロマトグラフィーシステムに含まれるＵＶ－ＶＩＳ検出器ユニットなどのＵＶ－ＶＩＳ分光光度計のためのシステムおよび方法が提供される。一例では、ＵＶ－ＶＩＳ検出器ユニットのシステムは、第１光源と、信号検出器と、第１光源および信号検出器の中間に位置する流路と、第２光源と、基準検出器とを含む。第１の光源、信号検出器、および流路は、第１の軸に沿って整列される。第２の光源および基準検出器は、第１の軸とは異なる第２の軸に沿って整列される。』という技術を記載している（要約参照）。同文献における第１および第２の光源は、例えばＬＥＤによって構成される（同文献の００５０参照）。

【0004】

下記特許文献２は、光重合反応を進行させる光重合器において、ＬＥＤ光源を用いる例を記載している。同文献は、『携行して運び易い小型の重合装置であって、重合対象物に照射する光の強度を高くすることができ、安定して精度の高い重合硬化が可能で、さらに、対象物が、重合硬化時の重合発熱によって揮発する低分子量の単官能重合性単量体成分を含有し、当該成分が装置内に汚れとして付着・固化するような場合であっても、メンテナンスが容易な重合装置を提供する。』ことを課題として、『複数のＬＥＤを用いたヒートシンク付きＬＥＤパッケージを光源として光源室内に配置すると共に光源出射された光外部に照射するための光透過性窓材の外表面を保護フィルムで被覆することにより、前記汚れが発生した場合には、当該保護フィルムのみを交換できるようにし、メンテナンスの手間やコストを低減する。』という技術を記載している（要約参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特表２０２０－５２６７７０号公報

【文献】特開２０２０－０３３３９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＬＥＤ光源を用いる分析装置において、分析スループットを向上させるためには、電源を投入してからＬＥＤ光源の光量が安定するまでに要する時間を、なるべく短くすることが望ましい。ＬＥＤ光源の光量は光源温度によって影響を受けることに鑑みると、光源温度を速やかに安定化させることが必要である。

【0007】

ＬＥＤ光源の光量が安定した後であっても、様々な外乱の影響により光源温度が変動する可能性がある。このような温度変動は、ＬＥＤ光源の光量に対しても影響を与える。したがって外乱に対する光源温度の変動を、できる限り少なくすることが、分析精度の観点から重要である。

【0008】

上記特許文献１～２においては、このようにＬＥＤ光源を起動したときの光量を速やかに安定化させることや、起動後の外乱による変動を抑制することについて、改善する余地があると考えられる。

【0009】

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、吸光度分析において用いるＬＥＤ光源装置の光量を速やかに安定させるとともに、外乱に対する温度変動を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係るＬＥＤ光源装置は、スペーサ上にＬＥＤ基板を配置するとともに、前記基板とスペーサを装置筐体または装置蓋のうち少なくともいずれかと接触させ、前記基板と前記スペーサの熱伝導率は前記筐体と前記蓋の熱伝導率よりも高い。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係るＬＥＤ光源装置によれば、吸光度分析において用いるＬＥＤ光源装置の光量を速やかに安定させるとともに、外乱に対する温度変動を抑制することができる。本発明のその他の課題、構成、利点などについては、以下の実施形態を参照することによって明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態１に係るＬＥＤ光源装置１の構造を説明する断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係るＬＥＤ光源装置１の構造を説明する断面図である。ＬＥＤ光源装置１は、試料に含まれる物質の吸光度を測定することによりその物質を定量化する分析装置において、光源として用いられる。例えば血液試料に含まれる測定対象物質を、光照射によって測定する自動分析装置において、光源としてＬＥＤ光源装置１を用いることができる。

【0014】

ＬＥＤ光源装置１は、筐体１０４の内部に基板１０２などの部材を収容し、蓋１０５によって封止した構造を有する。ＬＥＤ光源装置１が発光する光は、光路１１３から出力される。したがって光路１１３は、少なくとも光軸上に（すなわち図１における符号１１３の隣の矢印に沿った位置に）開口部を有する。

【0015】

ＬＥＤ１０１は、基板１０２上に実装されている。スペーサ１０３は、基板１０２を支持する部材であり、筐体１０４と機械的に接触するとともに蓋１０５とも機械的に接触している。スペーサ１０３の位置を調整することにより、ＬＥＤ１０１が出射する光の光軸を、光路１１３が有する開口部や光学部品１１２の光軸と揃えることができる。すなわちスペーサ１０３は、基板１０２を支持するとともに、光軸の位置合わせをする部材としての役割を有する。

【0016】

ＬＥＤ１０１が出射する光は、合波装置１１１によって合波され、光学部品１１２（例えばレンズやスリットなど）を介して光路１１３へ向けて出射される。この光は、光学部品１１２（例えばレンズ、スリットなど）を介して、光路１１３が有する開口部から出力される。

【0017】

筐体１０４の壁の内部には、ＬＥＤ光源装置１の温度を調整するための恒温液（例えば水）を循環させるための水路が形成されている。恒温液は、入口１２１から供給され、出口１２２から排出される。恒温液は、例えば自動分析装置が試料の温度を維持するために備える恒温槽において用いられる恒温液を流用したものであってもよい。この場合は入口１２１と出口１２２が恒温槽と接続される。

【0018】

＜実施の形態１：装置の原理について＞
ＬＥＤ光源装置１に対して電源が投入されると、ＬＥＤ１０１が発光するとともに、ＬＥＤ１０１（およびその周辺部材）の温度が時間経過にともなって次第に上昇する。経過時間に対する温度上昇量（温度上昇率）は次第に小さくなり、ある程度の温度に達すると温度は安定する。

【0019】

ＬＥＤ１０１が出射する光の光量や波長は温度特性を有し、温度に応じてこれらが変動する。吸光度分析における分析精度を確保するためには、出射光の特性が安定している必要がある。したがって、ＬＥＤ光源装置１に対して電源を投入した後、出射光の特性を速やかに安定させることが望ましいといえる。

【0020】

出射光の特性を速やかに安定させるためには、ＬＥＤ１０１およびその周辺部材の温度が安定状態まで速やかに上昇する必要がある。そこで本実施形態１においては、基板１０２の体積とスペーサ１０３の体積をできる限り小さくすることにより、基板１０２の熱容量とスペーサ１０３の熱容量を小さくする。さらに基板１０２とスペーサ１０３は、熱伝導率が高い金属などの材料（例えばアルミニウム）によって構成する。これにより、ＬＥＤ１０１からの熱が効率よく筐体１０４などの周辺部材へ伝搬するので、ＬＥＤ１０１の温度を速やかに安定状態まで上昇させることができる。これにより、ＬＥＤ１０１の光量と波長を速やかに安定させることができる。

【0021】

以上に鑑みると、基板１０２の熱伝導率とスペーサ１０３の熱伝導率は、筐体１０４の熱伝導率と蓋１０５の熱伝導率いずれよりも高いことが望ましい。例えば蓋１０５または筐体１０４のうち少なくともいずれかをリン青銅によって形成した場合、基板１０２の熱伝導率とスペーサ１０３の熱伝導率は、いずれもリン青銅の熱伝導率と同じかまたはより大きいことが望ましい。筐体１０４の熱伝導率と蓋１０５の熱伝導率は、例えば１０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上５０Ｗ／（ｍ・ｋ）以下とすることができる。

【0022】

ＬＥＤ１０１の動作が安定した後であっても、例えばＬＥＤ光源装置１周辺の気流などが変動することにより外乱が生じ、これによりＬＥＤ１０１およびその周辺部材の温度が変動する可能性がある。これにより、ＬＥＤ１０１が出射する光の光量や波長が変動する可能性がある。したがって、ＬＥＤ１０１の動作が安定した後であっても、このような外乱に対する温度変動を小さくすることが望ましいといえる。

【0023】

そこで本実施形態１においては、筐体１０４の体積と蓋１０５の体積をできる限り大きくすることにより、筐体１０４の熱容量と蓋１０５の熱容量を大きくする。これにより、筐体１０４と蓋１０５は、外乱に対する温度変動が小さくなるので、ＬＥＤ１０１の動作が安定した以後における温度変動を抑制することができる。

【0024】

外乱に対する温度変動は、筐体１０４と蓋１０５それぞれの熱伝導率によってある程度抑制することもできる。すなわち、これら部材の熱伝導率が小さければ、外気温が変動したとしても、その変動が装置内部へ伝搬することをある程度抑制できる。

【0025】

＜実施の形態１：その他の部材＞
恒温液を循環させる水路は、ＬＥＤ光源装置１の温度を調整する温度調整機構としての役割を有する。恒温液の温度は、例えばＬＥＤ光源装置１の外気温度よりも高い温度に設定する。この場合は、温度を下げたければ水量を減らすことによって伝搬する熱量が低下して自然に温度が低下するので、冷却動作が可能な素子などを別途設ける必要がなく、簡便な構成によって温度調整が可能となる利点がある。

【0026】

温度調整機構は、水路に代えてまたはこれと併用して、加熱と冷却いずれも可能な素子が筐体１０４や蓋１０５を加熱・冷却することによって構成することもできる。例えばサーモスタットを備えたヒータやペルチェ素子などを併用することが考えられる。

【0027】

温度調整機構として恒温液を用いる場合、その恒温液は、ＬＥＤ光源装置１が光を供給する自動分析装置において備えられている恒温液循環機構と共用してもよい。自動分析装置は、試料の温度を一定に維持するための恒温槽を備えている場合があり、その恒温槽の温度を維持するために恒温液を恒温槽の周囲に循環させる。この場合、その恒温液をＬＥＤ光源装置１に対して供給することにより、ＬＥＤ光源装置１が独自の恒温液供給源を備える必要がないので、有用である。

【0028】

恒温液を自動分析装置との間で共用する場合、恒温液の流量などの制御は、自動分析装置に委ねてもよい。あるいは例えばＬＥＤ光源装置１の内部に流量調整弁などを配置することにより、ＬＥＤ光源装置１自身が流量制御機能を備えてもよい。制御指示を与えるコントローラなどの装置は、ＬＥＤ光源装置１内部に組み込んでもよいし、ＬＥＤ光源装置１外のデバイスとして構成してもよい。

【0029】

光路１１３は、ＬＥＤ１０１が出射する光を通過させる開口を有している。この開口によって、ＬＥＤ光源装置１の内部空間と外気との間で空気が出入りすることができる。このような空気の出入りは、ＬＥＤ光源装置１の内部空間の温度を変動させる要因となるので、なるべく抑制することが望ましい。すなわち光路１１３の開口サイズは、光を出射するために必要な最小限に留めることが望ましいと言える。

【0030】

光路１１３が有する開口の他に、ＬＥＤ光源装置１の内部空間と外気との間で換気可能な孔を設ける場合がある。例えばＬＥＤ１０１に対して給電するための配線を通す孔を蓋１０５の一部に設ける場合がある。この場合であっても、その孔の開口サイズは、光路１１３が有する開口サイズよりも小さくすることが望ましい。すなわち、ＬＥＤ光源装置１の内部空間の換気能力は、光路１１３の開口サイズによるものが最大となるようにすることが望ましい。これにより、内部空間と外気との間の熱交換が最小限に抑制されるので、ＬＥＤ１０１の温度変動を抑制することができる。光路１１３の開口以外に換気可能な孔を設ける場合であっても、その孔を適当な封止材などによって封止できるのであれば、封止することが望ましい。

【0031】

スペーサ１０３の体積は、その他部材のサイズなどによっても影響されるが、スペーサ１０３のなるべく熱容量を小さくするためには、スペーサ１０３の体積は少なくとも筐体１０４の体積と蓋１０５の体積いずれよりも小さくすることが望ましい。基板１０２の体積についても同様である。

【0032】

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係るＬＥＤ光源装置１において、基板１０２の熱伝導率とスペーサ１０３の熱伝導率は、筐体１０４の熱伝導率と蓋１０５の熱伝導率いずれよりも高い。これにより、ＬＥＤ１０１からの発熱が速やかに伝搬するので、特にＬＥＤ１０１に対して電源が投入されたときの光量や波長を、速やかに安定させることができる。

【0033】

本実施形態１に係るＬＥＤ光源装置１において、基板１０２の体積とスペーサ１０３の体積をできる限り小さくする（例えば筐体１０４の体積と蓋１０５の体積いずれよりも小さくする）ことにより、基板１０２の熱容量とスペーサ１０３の熱容量を小さくする。これにより、特にＬＥＤ１０１に対して電源が投入されたときの光量や波長を、速やかに安定させることができる。

【0034】

本実施形態１に係るＬＥＤ光源装置１において、筐体１０４の体積と蓋１０５の体積をできる限り大きくする（例えば基板１０２の体積とスペーサ１０３の体積いずれよりも小さくする）ことにより、筐体１０４の熱容量と蓋１０５の熱容量を大きくする。これにより、ＬＥＤ１０１の動作が安定した以後における温度変動を抑制することができる。

【0035】

本実施形態１に係るＬＥＤ光源装置１において、筐体１０４の内部空間と外気との間は光路１１３が有する開口を介して換気可能となっており、同開口の開口サイズは、内部空間を換気可能とするその他の開口サイズよりも小さい。これにより、内部空間の温度変動を最小限に抑制することができる。

【0036】

＜実施の形態２＞
実施形態１において、ＬＥＤ１０１の動作が安定したか否かを判定するためには、例えばＬＥＤ１０１が出射する光量の直近１０分間における平均に対する分散が２％以内に収まっているか否かなどのような基準を用いることができる。同様の基準は、筐体１０４や蓋１０５などの部材の温度が安定しているか否かを判定するために用いることもできる。ＬＥＤ光源装置１の各部材の材料や体積などを設計する際には、このような基準の下で本発明の目的を達成することができるようにすればよい。

【0037】

実施形態１において、ＬＥＤ１０１を頻繁にＯＮ／ＯＦＦすることなく、比較的長時間にわたってＯＮ状態を維持しておけば、ＬＥＤ１０１に対して電源を投入するときにおける光の波長や光量を速やかに安定化させる課題は緩和される。この場合であっても、実施形態１における、ＬＥＤ１０１起動後の外乱影響を抑制する効果は有用である。他方で例えば自動分析装置などのように、光を頻繁にＯＮ／ＯＦＦする装置においてＬＥＤ光源装置１を用いる場合においては、実施形態１の構成による効果が顕著に発揮される。

【0038】

実施形態１において、ＬＥＤ１０１からの発熱量が比較的小さい場合は、温度調整機構を省略することもできる。他方で、比較的発熱量が大きい光源を用いる光源装置において既に温度調整機構を備えている筐体１０４や蓋１０５を、本発明のために流用することもできる。この場合は、基板１０２やＬＥＤ１０１など光源そのものを除く部材については大部分を流用できる利点がある。

【0039】

実施形態１において、各金属部材は、電気絶縁が必要な場合を除き、接触熱抵抗が最小となるような手段によって接続することが望ましい。例えば熱伝導グリースなどを用いることが考えられる。

【0040】

＜本発明の変形例について＞
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例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例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。

【0041】

以上の実施形態において、スペーサ１０３は、筐体１０４または蓋１０５のうちいずれか一方のみと機械的に接する場合であっても、その接触した部材を介して、以上の実施形態と同様の役割を果たすことができる。

【符号の説明】

【0042】

１：ＬＥＤ光源装置
１０１：ＬＥＤ
１０２：基板
１０３：スペーサ
１０４：筐体
１０５：蓋
１１３：光路

【図1】