JP2005257535A - 分光光度計 - Google Patents

Abstract

【課題】 大形試料を測定するための分光光度計において、電源投入時から装置が熱的に安定するまでのウォームアップ時間を短縮する。
【解決手段】 最大の熱源である光源室１０内を入口端２５とし、ケース外部に出口端２６を開口させた排気ダクト２４を、測光光学系の定盤として機能する架台フレーム２０の天板２１を補強する断面コの字形状の補強部材２２を用いて形成する。排気ダクト２４を通る加熱空気によって天板２１を暖め、その上に搭載されている分光器などの光学部品やケース内の空気を暖める。それによってケース内の空気や各部品は短時間で熱的に安定した状態となるので、ウォームアップ時間が短縮化される。
【選択図】 図４

Description

本発明は分光光度計に関し、更に詳しくは、大きなサイズの試料を測定するための大形の分光光度計に関する。

従来、分光光度計による測定対象物は比較的小形のものが多かったが、近年、半導体ウエハの大口径化や液晶パネルの大形化などが急速に進展し、大形の測定対象物を高精度で測定したいという要求が非常に強まっている。こうした要求に応えるため、例えば１２インチの半導体ウエハをそのまま試料室内に収容して測定が行えるような、大形試料に対応した分光光度計が開発されている（例えば非特許文献１など参照）。

こうした大形試料に対応した分光光度計では、筐体が大きくなって筐体の内部空間の容積が大きくなることに伴って、従来の小形の、具体的には卓上型の分光光度計ではあまり問題とならなかったような問題が生じている。この点について説明する。

一般に分光光度計では、測定精度を高めるために、測光光学系を構成する回折格子、各種ミラー等の相対位置精度が非常に重要である。こうした光学部品はそれ自体が熱膨張し、また光学部品を固定したベース板自体も熱膨張する。そのため、光学部品の相対位置は、装置の電源が未投入で冷えた状態にあるときから、電源を投入して各部が暖まってくると、徐々に変化する。このように装置が不安定である状態で測定を行うと、側光値がふらついたりスペクトルのベースラインが曲がってしまったりして、良好な測定が行えない。したがって一般的に、装置の電源を投入した後、筐体の内部が十分に暖まって温度が安定した状態つまりほぼ熱的な平衡状態となるまで待って、それから測定を行う必要がある。

上記のような小形の分光光度計では、電源を投入してから温度安定状態になるまでの時間は長くても１時間程度である。ところが、上述したような大形試料に対応した床置き型の分光光度計では、筐体内部の空間の容積が小形の分光光度計に比べて遙かに大きいため、筐体内部が暖まりにくく、電源投入後に温度安定状態になるまでに数時間を要することもある。このように測定の待ち時間が長くかかると測定効率が非常に悪くなる。

「紫外可視分光光度計 SolidSpec-3700 Solidspec-3700DUV」、[online]、株式会社島津製作所、[平成１６年３月３日検索]、インターネット<URL : http://www.an.shimadzu.co.jp/products/uv/solidspec/solid1.htm>

本発明は上記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、装置の起動後に迅速に筐体内部の温度状態を安定させて測定に取り掛かることができる分光光度計を提供することにある。

一般的な可視紫外分光光度計では、光源としてタングステンハロゲンランプや重水素ランプなどが利用される。こうした光源は点灯中にかなりの熱を発生するため、従来の分光光度計では、光源を内装する光源室で発生した熱を筐体外部へと迅速に逃がすために、光源室と光源室から最も近い筐体壁面との間に排気ダクトを形成し、送風ファンによって光源室で発生した熱を排気ダクトを通して筐体外部へと吐き出すようにしている。本願発明者はこの光源室で発生する熱に着目し、起動直後に筐体内部を温度上昇させるために、この熱を積極的に利用することに想到した。

すなわち、上記課題を解決するために成された本発明は、光源室に収容された光源、分光器、及び光検出器を含む測光光学系を筐体の内部に配設した分光光度計において、
a)前記光源の放射熱により光源室内で発生する加熱空気を筐体の外部に排出するために、入口端が光源室内に開放し出口端が筐体外部に開放した排気流路と、
b)該排気流路に入口端から出口端に向かう空気流を生起させる送風手段と、
を備え、前記排気流路を流通する加熱空気からの熱伝導によって筐体内部を暖めるべく、最短経路とならない経路を通るように前記排気流路を筐体内部に通す又は筐体と熱的に接触させた状態で配設するようにしたことを特徴とする。

本発明に係る分光光度計では、通電されておらずに冷えた状態にあるときから電源が投入されると、光源室で発生した熱つまり加熱空気が排気流路を通って出口端に達するまでに排気流路を形成する壁面を暖め、この壁面との直接的又は間接的な熱交換によって測光光学系を載置している定盤や筐体内部の空気が暖められる。このため、従来の分光光度計に比べて筐体内部が短時間で熱的に安定した状態となり、測光光学系を構成する各部品の相対位置関係などが安定する。それによって、測光値のふらつきもなくなり、高い精度での測定を行うことができる。

本発明の一態様としては、測光光学系を搭載する金属製の定盤に熱的に接触するように前記排気流路を配設した構成とすることができる。この構成によれば、排気流路を流れる加熱空気からの熱伝導によって定盤が効率よく暖められ、さらにその定盤からの熱伝導によって測光光学系を構成する各部品が暖められる。したがって、測光値を安定させるまでに要する時間を短縮化するのに非常に有効である。

また、測光光学系を載置する定盤は歪みや曲がりあると好ましくないから、十分な剛性を確保するためにチャンネル材や中空材を梁として堅強に支持されるのが一般的である。そこで、定盤を支持する構造体であるチャンネル材又は中空材を利用して光源室から筐体外部へと続く排気流路を形成すれば、効率良く定盤を暖めることができるとともに、コストの増加も抑えることができる。

本発明に係る分光光度計によれば、最も大きな熱源である光源室から出る排熱によって筐体内部を効率よく暖めることができるので、装置の起動時から熱的に安定な状態になるまでの時間を従来よりも短縮することができる。特に、大形試料を測定するために大形の試料が収容できるような広いスペースを筐体内に確保した分光光度計では、従来、長いウォームアップ時間を要していたが、本発明によればこうしたウォームアップ時間を格段に短くすることができる。それによって、測定者の待ち時間が短くて済み、測定効率を改善することができる。また、装置が熱的に安定した後に、例えば冷房や暖房によって周囲温度が変化した場合でも、こうした熱的な外乱の影響を受けにくくすることができ、測定の安定性や再現性を向上することができる。

以下、本発明に係る分光光度計の一実施例について図を参照して説明する。図１は本実施例による分光光度計の外観斜視図、図２は本実施例の分光光度計の外観正面図（ａ）及びＡ−Ａ’線断面図（ｂ）、図３はケース内下部の架台フレームを示す外観斜視図、図４は架台フレームの上面平面図、図５は排気ダクトとなる補強部材の断面図である。

この分光光度計１は大形の床置き式であり、その外形を成すケース２は大別して下部ケース２ｂと上部ケース２ａとから成る。ちなみに、この分光光度計の外形寸法は、幅×高さ×奥行きが1000×800×1200(mm)である。下部ケース２ｂは堅強な架台フレーム２０の周囲に外装板３が取り付けられた構造であり、上部ケース２ａは架台フレーム２０の上に載せられた外装板４と、該外装板４にアーム５を介して取り付けられたハッチ６とから成る。図１に示すようにハッチ６は上方向に開放自在であり、開放状態では上部ケース２ａの内部が覗けるようになっており、この状態で試料をセットする。ハッチ６を閉鎖した状態では上部ケース２ａ内は略密閉された状態になっており、外乱となる外光が内部に入らないようになっている。

架台フレーム２０は大荷重に耐える必要があり、図３に示すように、堅強に組まれた枠体の上面に金属板から成る天板２１が取り付けられ、剛性を確保するべく天板２１の下面には梁として機能する補強部材２２が取り付けられている。これらは全て溶接によって互いに固着されている。この架台フレーム２０の天板２１は本分光光度計１の測光光学系を搭載する定盤として機能し、図２（ｂ）に示すように、天板２１の上に、光源室１０、分光ユニット１１、及び検出ユニット１３が設けられ、分光ユニット１１と検出ユニットとの間が試料をセットするための試料室１２となっている。光源室１０内には光源として重水素ランプとタングステンハロゲンランプとが収容されており、分光ユニット１１内には回折格子や各種ミラーを含む分光器が収容され、検出ユニット１３内には光電子増倍管などの光検出器が収容されている。そして、光源から出た光が分光器で分光されて所定波長の光が取り出され、これが試料室１２を通過して光検出器に到達するように光路が形成される。

一方、下部ケース２ｂに収容される架台フレーム２０の内側には、上記測光光学系を制御したり、検出器により得られた検出信号を処理するための各種の電気回路基板や電源などが収容される。

この分光光度計の中で、最も大きな熱を発生するのは光源室１０であり、従来は、光源室で発生した熱をできるだけ迅速にケースの外へ放散させるようにしている。それに対し、本実施例の分光光度計１では、光源室１０で発生する熱をただ単にケース２の外部へと逃がすのではなく、その過程でケース２内部、特に上部ケース２ａ内部を暖めて電源投入時から全体が熱的に安定した状態になるまでの時間を短縮するようにしている。

具体的には、架台フレーム２０の補強部材２２は、例えば図５（ａ）に示すように断面コ字形状のチャンネル材であり、そのチャンネル材の開口部が天板２１の下面で閉塞されるように天板２１に対して溶接されている。そのため、天板２１下面と補強部材２２で囲まれる空間２３が補強部材２２の延伸方向に形成されることとなり、これを光源室１０から加熱空気を排出するための排気流路として利用している。

すなわち、この補強部材２２を利用して、図４に示すように、光源室１０からケース２の左側面まで達する屈曲形状のの排気ダクト２４を形成している。この排気ダクト２４は光源室１０内に向いて入口端２５が開口し、ケース２外部に向いて出口端２６を有する。また、この排気ダクト２４中に入口端２５から出口端２６へと抜ける空気流を生起するために、入口端２５には光源室１０から吸引した空気を排気ダクト２４内に押し出すための入口側送風ファン２７を、出口端２６には排気ダクト２４内から空気を吸引して機外へと押し出すための出口側送風ファン２８をそれぞれ設けている。もちろん、いずれか一方のみに送風ファンを設けるようにしてもよいが、排気ダクト２４の両端にそれぞれ送風ファンを設けることで、より効率よく空気流を生起することができる

この分光光度計１の電源が投入されると、光源室１０ではランプが点灯し、ランプが熱源となって光源室１０内の空気や光源室１０壁面自体を加熱する。電源投入と同時に両送風ファン２７、２８が回転駆動され、それによって光源室１０内の加熱空気は入口端２５から入って排気ダクト２４を通して出口端２６から吐き出される。光源室１０は完全に密閉されているわけではないため、隙間を通して光源室１０内には冷たい（光源室１０内の空気に比べれば相対的に冷たい）空気が供給される。架台フレーム２０、天板２１、補強部材２２はいずれも金属製であって熱伝導が良好である。そのため、光源室１０から排気ダクト２４に流れる加熱空気との熱交換によって補強部材２２や天板２１は効率良く暖められる。さらに、天板２１からの熱伝導によって、天板２１上に設けられている各種の光学部品も暖められ、また上部ケース２ａ内の空気も暖められる。なお、排気ダクト２４内で上記のような熱交換に利用される分以上の熱は出口端２６からケース２外部へと排出される。

この分光光度計１は大形試料の測定が可能であるように上部ケース２ａ内の空間が広く確保されているため、熱容量が非常に大きく暖まりにくい。しかしながら、上記のようにフレーム架台２０の天板２１から全体が加熱されるので、装置を起動させた後に比較的短いウォームアップ時間で上部ケース２ａ内の空気や上記測光光学系の各部品の温度が安定し、高い精度での測定が可能な状態となる。また、特に測光光学系を載置してある広い定盤（架台フレーム２０の天板２１）が排気ダクト２４によって暖められるので、上部ケース２ａ内の温度が安定した後に、周囲温度に関する外乱を受けにくくなる。

なお、下部ケース２ｂ内に収容されている電気回路基板や電源も光源室１０ほどではないものの発熱する。上記実施例ではこの下部ケース２ｂ内の熱は積極的には利用していないが、ここでの加熱空気も上部ケース２ａ内の加熱に利用するようにしてもよい。

また、補強部材２２の形状としては、図５（ｂ）に示すような角筒形状のものを利用してもよい。また、それ以外の形状のものでも、排気流路として利用可能でありさえすればよい。

また、光源室１０からケース２外部へと至る排気ダクト２４の形状や引き回しは上記記載のものに限らない。以下に他の実施例を説明する。図６は本発明の他の実施例による分光光度計において、排気ダクト２４の配設状態を示す斜視図である。この実施例では、架台フレーム２０の天板２１に形成した排気ダクト２４と同様の排気ダクトを外装板４の内側にも形成している。すなわち、外装板４の側板内側では排気ダクト２４ｂが略垂直に立ち上げられ、さらに上板下面では左右方向に延伸するように排気ダクト２４ｃが設けられている。これによって、上部ケース２ａが一層効率良く暖められるので、ウォームアップ時間が一層短縮化される。

また、上記のように排気ダクトを長くすればするほど排気ダクト自体の流路抵抗が増加するので、送風ファンの送風能力が同一であるとすると流量が減少し、熱が光源室１０内にこもり易くなる。そのため、光源室１０内での発熱量が多い場合には、十分な放熱が出来なくなって故障等の原因となり得る。そこで、例えばランプの定格電流が大きく光源室１０内での発熱量が大きい場合には、図７に示すように排気ダクト２４を屈曲させずに真っ直ぐに延ばすことによって流路抵抗を小さくするとよい。この場合には、天板２１と排気ダクト２４との熱交換に寄与する面積は小さくなるものの、排気ダクト２４を通る加熱空気の熱量が大きければ十分な加熱効果が得られる。

なお、上記実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変更、修正、追加等を行っても本願請求項に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例による分光光度計の外観斜視図。 本実施例の分光光度計の外観正面図（ａ）及びＡ−Ａ’線断面図（ｂ）。 下部ケース内の架台フレームを示す外観斜視図。 架台フレームの上面平面図。 排気ダクトとなる補強部材の断面図。 本発明の他の実施例による分光光度計において排気ダクトの配設状態を示す斜視図。 本発明の他の実施例による分光光度計において排気ダクトの配設状態を示す架台フレームの上面平面図。

符号の説明

２…ケース
２ａ…上部ケース
２ｂ…下部ケース
３、４…外装板
５…アーム
６…ハッチ
１０…光源室
１１…分光ユニット
１２…試料室
１３…検出ユニット
２０…架台フレーム
２１…天板
２２…補強部材
２３…空間（排気流路）
２４、２４ａ、２４ｂ…排気ダクト
２５…入口端
２６…出口端
２７…入口側送風ファン
２８…出口側送風ファン

Claims (3)

1. 光源室に収容された光源、分光器、及び光検出器を含む測光光学系を筐体の内部に配設した分光光度計において、
   a)前記光源の放射熱により光源室内で発生する加熱空気を筐体の外部に排出するために、入口端が光源室内に開放し出口端が筐体外部に開放した排気流路と、
   b)該排気流路に入口端から出口端に向かう空気流を生起させる送風手段と、
   を備え、前記排気流路を流通する加熱空気からの熱伝導によって筐体内部を暖めるべく、最短経路とならない経路を通るように前記排気流路を筐体内部に通す又は筐体と熱的に接触させた状態で配設するようにしたことを特徴とする分光光度計。
2. 前記測光光学系を搭載する金属製の定盤に熱的に接触するように前記排気流路を配設したことを特徴とする請求項１に記載の分光光度計。
3. 前記定盤を支持する構造体であるチャンネル材又は中空材を用いて前記排気流路を形成したことを特徴とする請求項２に記載の分光光度計。

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