JP4559758B2 - 観察装置 - Google Patents

Description

本発明は顕微鏡などで観察する装置に関し、特に熱電素子やヒーターによる温度調節を伴った観察装置の構造に関する。

従来、プレパラートによる観察や、マイクロＴＡＳ（Total Analysis System）チップ、ＤＮＡチップなどのマイクロ化学チップによる観察において、観察対象部が温度に依存しない場合は室温で観察すれば良かった。

しかし、例えば細胞を培養しながら観察したり、化学反応を促進させたり停止させたりしながら観察する場合のように、観察対象部が温度に依存する場合は観察対象部を温度調節しながら観察する必要が生じてくる。

また、従来の観察の方法としては、観察対象部を透過光によって観察する透過型顕微鏡による方法、透過型拡大鏡による方法、あるいは透過光を直接目視する方法が一般的に行われている。

このように、観察対象部を透過光によって、温度調節しながら観察することを目的としたものが実際に販売されている（例えば非特許文献１参照）。

図７は、上記従来技術の構造を示した図である。これは、金属製の熱伝導基板７０１と温度調節手段１０４が接続され、熱伝導基板７０１の温度を調節し、熱伝導基板７０１には観察穴７０２が設けられていて、熱伝導基板７０１の上に観察対象部１０２が観察穴７０２の位置になるように観察対象部材１０１を置き、熱伝導によって観察対象部材１０１の温度を調節し、下部の光源７０３から観察対象部１０２を透過光１０７で観察手段１０８によって観察する構造となっている。

この従来技術では、観察穴７０２を通過してきた透過光１０７で観察対象部１０２を温度調節しながら観察することができる。

顕微鏡用ペルチェ式冷却・加熱装置１００２１型取扱説明書、ジャパンハイテック株式会社、平成１５年、ｐ．１−６

ところがこの従来技術では、熱伝導基板７０１に、透過光１０７で観察するための観察穴７０２を設けているために、観察対象部材１０１の観察対象部１０２の付近には熱伝導基板７０１が直接接続できない構造となる。そのため、観察対象部１０２は観察対象部材１０１の観察対象部１０２を除いた周りの部分からの熱伝導によってのみ熱が伝わってくるため、熱抵抗が高く熱伝導にロスが生じ、精密な温度調節ができない。

さらに、観察対象部１０２の付近において観察穴７０２に近い場所と遠い場所で熱の伝わり方が異なるため、観察対象部１０２において温度ムラが生じてしまう。

そのため、観察対象部１０２を、本来観察するべき目的の温度に正確に調節することができないという致命的な問題があった。

この問題は、透過光１０７で観察する場合、観察対象部１０２を温度調節する熱伝導基板７０１に透過光１０７が通過する穴を必ず設けなければならず、つまりは透過光１０７を用いて観察する場合には、観察対象部１０２の真下を直接温度調節しようとすると、透過光１０７を遮ってしまう。そのため、観察対象部１０２の真下を直接温度調節することができないという根本的な構造の問題に起因している。

〔発明の目的〕
そこで、本発明の目的は上記の問題を解決して、観察対象部を観察するべき目的の温度に正確に、かつ観察対象部の付近を温度ムラの無い均一な温度に調節して透過光で観察することができる観察装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明の観察装置においては、下記に記載す
る構成を採用する。

すなわち、本発明の観察装置は、１つの平面を有し、平面の温度を自由に調節することができる温度調節手段と、板状部分を有し、一方の平面から光を発光することが可能な板状発光手段とを備え、板状発光手段の他方の平面と温度調節手段の温度調節可能な平面とを熱伝導良く接続することを特徴とする。
また、温度調節手段が、熱電素子と、熱電素子の一端に熱伝導良く接続する温度センサーと、熱電素子の他端に熱伝導良く接続する熱交換手段と、温度センサーで測定した温度により熱電素子に流す電流を制御して温度調節手段の温度を調節する温度制御手段とを有することが好ましい。
また、温度調節手段が、ヒーターと、ヒーターに熱伝導良く接続する温度センサーと、温度センサーで測定した温度によりヒーターに流す電流を制御して温度調節手段の温度を調節する温度制御手段とからなってもよい。
また、前期板状発光手段が、導光板を有するバックライトであることが好ましい。
また、前期板状発光手段が、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子を有するバックライトであってもよい。

〔作用〕
本発明の観察装置では、温度調節手段に薄型形状の板状発光手段を熱伝導良く接続し、その上に観察対象部材を直接置いて温度調節することによって、観察対象部の真下の板状発光手段の透過光によって観察対象部の付近を直接温度調節しながら観察することが可能となり、観察対象部を観察するべき目的の温度に正確に、かつ観察対象部の付近を温度ムラの無い均一な温度に調節して透過光で観察することができる。

以上の説明で明らかなように、本発明の観察装置は、板状発光手段を設けることにより、板状発光手段を観察対象部の透過光として用い、さらに板状発光手段を温度調節手段と観察対象部材との熱伝導部材としても利用して、温度調節手段と観察対象部とを板状発光手段を介して直接熱伝導良く接続することができる。そのため、観察対象部を観察するべき目的の温度に正確に、かつ観察対象部の付近を温度ムラの無い均一な温度に調節して透過光で観察することができる。

さらに、温度調節手段を適当な大きさにすることにより、観察部分のみを局所的に温度調節することもできる。

また、板状発光手段に複数の温度調節手段を熱伝導良く接続することによって、複数の観察対象部を異なる温度で観察することもできる。

そのうえ、観察対象部材の下部は直接板状発光手段であるために、広い範囲を同時に観察することができる。

上記構造により、従来技術の透過光を用いて観察する場合、透過光を遮ってしまうために観察対象部の真下を直接温度調節することができないという根本的な構造の問題を解決することができる。

以下、本発明の観察装置の構成における最適な実施形態について図面を用いて説明する。

図１〜図６を用いて本発明の実施の形態における観察装置の構造について説明する。

図１は本発明の観察装置の全体的な構成を示す構造図である。図２は本発明の観察装置の斜視図である。まず、図１および図２によって本発明の観察装置の全体的な構成を説明する。説明をしやすくするために、上、下という言葉は図面の上、下に対応している。

まず、観察対象部材１０１は、例えば透明性を有するガラスや樹脂でできた顕微鏡観察用プレパラートや、マイクロＴＡＳ（Total Analysis System）チップ、ＤＮＡチップなどのマイクロ化学チップであり、その内部、または上部に観察対象部１０２を有しており、観察対象部１０２には、細胞の培養や各種化学反応など温度を調節しながら透過光１０７によって観察するものが入っている。

観察対象部１０２は例えば機械加工、化学的エッチング、リソグラフィなどの微細加工法によって観察対象部材１０１の内部、または上部に作り込まれている。また、観察対象部１０２はプレパラートの上に観察するもの（細胞の入った溶液など）を置き、カバーガラスを乗せるだけであってもよい。

板状発光手段１０３は導光板やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子の厚さの均一な薄板形状を有するバックライトであり、その上側の平面から光を発光することができ、その平面を発光面１０６とする。

温度調節手段１０４は熱電素子またはヒーターなどによって、一方の平面（上面）を温度を面内で正確かつ均一に温度調節することができ、その温度調節する平面を温度調節面１０５とする。

ここで、本発明の観察装置において最も特徴のある構成について説明する。

温度調節手段１０４の温度調節面１０５と板状発光手段１０３の下側の平面とを熱伝導性接着剤、または熱伝導性グリース、熱伝導性シートによって熱伝導良く接続する。

本発明の説明では、熱伝導良く接続するとは、銅、アルミニウムなどの金属や、窒化アルミニウム、アルミナ、ボロンナイトライドなどのセラミックスの微粒子（フィラー）などをエポキシ樹脂などに混ぜて熱伝導性を高めた熱伝導性接着剤による接合や、上記微粒子をシリコングリースなどに混ぜて熱伝導性を高めた熱伝導性グリース、あるいは上記微粒子を混ぜた厚さ方向に弾性のあるシリコン樹脂などの熱伝導性シートによる接続や、あるいは半田接合によって、面と面との熱抵抗を極力小さくすることを意味しており、具体的には熱抵抗率１×１０^-4ｍ²℃／Ｗ以下であることが望ましい。

温度調節手段１０４と板状発光手段１０３とを熱伝導良く接続し、板状発光手段１０３の厚さが均一であるため、温度調節手段１０４の温度調節面１０５から板状発光手段１０３の発光面１０６への熱抵抗も、温度調節面１０５の対向する同じ面内であればどの部分でも一定の値となり、そして、板状発光手段１０３の厚さが薄いために温度調節面１０５と発光面１０６との温度差を非常に小さく抑えることができる。

つまり板状発光手段１０３を均一な熱伝導部材として利用できる。そのため、発光面１０６の温度調節面１０５の対向する面内の温度は温度調節面１０５とわずかな温度差で均一に温度調節することができる。

そして観察するときに、図２に示すように板状発光手段１０３の上側に観察対象部材１０１を接続する。このとき、観察対象部１０２全体を発光面１０６による透過光１０７が通過する位置関係になるように、発光面１０６と観察対象部材１０１の下面とを、透明なシリコングリースなどによって熱伝導良く接続する。透明なシリコングリースを使う理由は透過光１０７を遮らないようにするためである。シリコングリース以外でも透過光１０７を遮らないものであり、熱伝導良く接続可能なものであればよい。

発光面１０６と観察対象部材１０１の下面とを熱伝導良く接続することによって、観察対象部１０２と温度調節面１０５との熱抵抗も温度調節面１０５の面内で小さく一定の値となり、温度調節面１０５と観察対象部１０２との温度差も同様に小さく抑えることができる。

また、この小さな熱抵抗は予測することができるか、あるいは実験によって実測できるため、温度調節面１０５と観察対象部１０２とのわずかな温度差を正確に求めることが可能となるため、観察対象部１０２の温度を正確に調節することが可能となる。

その結果、観察対象部１０２を正確にかつ均一に温度調節することができ、かつ発光面１０６からの透過光１０７によって観察手段１０８で観察することができる。

つまり、観察対象部１０２を観察するべき目的の温度に正確に、かつ観察対象部１０２の付近を温度ムラの無い均一な温度に調節して透過光１０７によって観察することができる。

また、観察対象部１０２の大きさとほぼ同じ大きさの温度調節手段１０４を設けることにより、観察対象部１０２の付近のみを局所的に温度調節することができる効果がある。

さらに、図１、および図２では観察対象部１０２、および温度調節手段１０４は１つで説明したが、観察対象部１０２、および温度調節手段１０４はそれぞれ複数有ってもよく、その場合は複数の温度調節手段によって複数の観察対象部を異なる温度に調節して観察することができる効果がある。

そのうえ、従来技術では観察穴７０２の大きさに観察できる範囲が制限されていたが、本発明では、観察対象部材１０１の下部は直接板状発光手段１０３であるために、観察する範囲が制限されることが無く広い範囲を同時に観察することができる効果も持つ。

図３は本発明の観察装置の板状発光手段１０３の構造を示す断面図である。ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル：アクリル）などの樹脂でできた導光板３０１は内部には数多くの光反射ドット３０２を有し、導光板３０１の下側には光反射板３０４を有し、導光板３０１の側面に設けられたＬＥＤ３０３から照射した導入光３０６を紙面横方向に導き、各光反射ドット３０２によって紙面上方に導入光３０６を反射させ、導光板３０３の上側に
設けられた光拡散板３０５によって光を拡散させて上向きの透過光１０７を導き出し、発光面１０６から透過光１０７を発光してバックライトを形成する。

板状発光手段１０３の総厚は１ｍｍ程度で均一な厚さとなっており、温度調節面１０５と観察対象部１０２との熱伝導部材としての機能も有する。

上記ではＰＭＭＡなどの樹脂で導光板３０１を説明したが、導光板３０１の材料として、ガラスや透明なセラミックスなど、熱伝導率の良いものを使用すれば温度調節面１０５と観察対象部１０２との熱抵抗がさらに小さくなり、観察対象部１０２の温度と温度調節面１０５との温度差がさらに小さくなる効果がある。

図３で板状発光手段１０３としては、導光板を有するバックライトで説明したが、薄型のＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子を有するバックライトなどでも同様の効果が得られるし、またその他の薄い平面形状のバックライトでも効果は同じである。

特にＥＬ素子を有するバックライトの場合は、ＬＥＤなどの光源を必要としないので、構造が簡単になること、また平面そのものが発光するのでより均一な透過光が得られることなどの効果が得られる。

図４は本発明の観察装置の温度調節手段１０４の構造を示す断面図である。温度調節手段１０４は、熱電素子４０１、熱伝導体４０２、熱交換手段４０３、温度センサー４０５を有している。熱電素子４０１の一端（温度調節を行う側）には熱伝導体４０２を半田や熱伝導性接着剤によって熱伝導良く接合し、他端（熱交換を行う側）には熱交換手段４０３を半田や熱伝導性接着剤、あるいは熱伝導性グリースによって熱伝導良く接続している。

熱伝導体４０２は銅やアルミニウム、窒化アルミなどの熱伝導率が高い材料、またはヒートパイプや熱伝導率が異方性を有する材料などの優れた熱伝導性能を持つもので構成する。

そして、熱伝導体４０２には穴を開けてサーミスター、白金測温抵抗体（Ｐｔ１００Ω）、熱電対などの温度センサー４０５を入れ込み、熱伝導性接着剤で封止して一体化してある。この温度センサー４０５の温度を図６で説明する温度制御手段６０６にフィードバックして、熱伝導体４０２の温度を熱電素子４０１の電流を制御して一定の温度にコントロールする。

また、図５で説明する熱電素子４０１の熱伝導板５０５に温度センサー４０５を一体化させて、熱伝導体４０２の代用として用いてもよい。

さらに、観察対象部１０２の近傍に温度センサー４０５を設けてもよい。この場合観察対象部１０２の温度を直接測定できるため、観察対象部１０２をより正確に温度調節することができるという効果がある。

熱交換手段４０３は、フィン４０４を有するヒートシンクである。この場合、周囲の雰囲気気体と熱交換を行う。図ではフィン４０４しか示していないが、フィン４０４とともに強制的に熱交換するためのファンを取り付けることにより、熱交換の性能が上がる効果がある。

また、熱交換手段４０３が、その内部に液体漕を有し液体漕と外部の恒温装置とを循環する液体によって熱交換する方法を使うことにより、温度調節範囲を広くする効果があり
、特にマイナス数十度に冷やす必要がある場合に用いることができるという効果がある。

さらにまた、別の熱電素子とフィンを組み合わせて熱交換手段４０３としてもよい。この場合、熱電素子が２段となるため、温度調節の精度が高くなる、温度制御の範囲が広がるという効果がある。

そして、上記では温度調節手段１０４として熱電素子を用いて説明したが、室温よりも高い温度に調節する場合に限れば、温度調節手段１０４としてヒーターを用いることも出来る。この場合は、熱交換手段４０３が必要なくなり構造が非常に単純になるという効果がある。

温度調節手段１０４は、温度調節できるものであればよく、上記で説明した具体例に限られることはない。

図５は本発明の観察装置の熱電素子４０１の構造を示す断面図である。

一般に熱電素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに、また電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換することができるデバイスである。

熱電素子の両端の間に温度差を与えると、ゼーベック効果により電圧を発生する。また、熱電素子に直流電流を流すと、ペルチェ効果により一端で吸熱し、他端で放熱（発熱）する。

熱電素子はこのような可逆の効果を併せ持つデバイスであり、熱エネルギーと電気エネルギーの変換素子として応用されている。

特に、熱電素子に流す電流の量や向き（極性）を制御することで、熱電素子の一端の面の温度を正確に制御することが可能で、温度調節装置として応用することができる。

熱電素子４０１の具体的な構造は、ｐ型熱電半導体５０１とｎ型熱電半導体５０２を、交互に規則的になるように配置し、各々の熱電半導体の両端部分で配線電極５０３により配線し、複数のｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体が、交互に電気的に直列になるように接続する。

そして、直列に接続した両端の熱電半導体には電流を流すためのリード線５０７をつなげる２つの引き出し電極５０４がそれぞれ接続されている。また、配線電極５０３、引き出し電極５０４と熱伝導板５０５、５０６とはそれぞれ接合されており、一端が温接点、他端が冷接点となっている。電流を流す向きでどちらも温接点または冷接点になり得る。

熱電素子は、例えば図５で熱伝導板５０５側を冷接点となるように電流を流し、冷却する場合、冷接点で吸熱した熱量と熱電素子に流す電流によって生じるジュール熱を温接点となる熱伝導板５０６側に運ぶ。そのため、熱伝導板５０６側ではその熱を放熱可能な構造にしないと熱がたまって温度が上昇してしまう。そして、その影響で冷接点側の温度も上昇してしまう。

また熱伝導板５０５側を温接点になるようにして加熱する場合、つまりは逆に電流を流した場合は、熱伝導板５０６側が冷接点となり、熱伝導板５０６側で必要な熱を与える構造にて温度を保たないと、温度がさがってしまい、その影響で加熱したい熱伝導板５０５側の温度も下がってしまう。

つまり、熱電素子４０１の一端を冷却したり、加熱したり、温度調節したりするためには、他方で十分に熱交換できるヒートシンクのようなものが必要不可欠である。そのため、図４において、熱電素子４０１と熱交換手段４０３とを熱伝導良く接続している。

熱伝導板５０５、熱伝導板５０６としては、窒化アルミニウムやアルミナなどの熱伝導率の良いセラミックスを用いる。

熱電半導体の材料としては、ｐ型熱電半導体５０１にはＢｉＴｅＳｂからなる合金を用い、またｎ型熱電半導体５０２にはＢｉＴｅＳｅからなる合金を用いている。しかし、熱電材料としてはこれに制限されるものではなく、他のＢｉＴｅ系など用途に応じて様々な材料を用いることができる。

熱電素子４０１は、熱交換手段が過不足する熱を適切に交換できる条件下では熱電素子４０１に流す電流を制御して逆転したり、または調節することにより、熱電素子４０１の一端の面をマイナス数十℃からプラス百数十℃の範囲内で一定の温度に保つことができる。もちろん、ある程度の速さで温度を変化させることも可能である。

この熱電素子４０１の一端の面（温度調節面１０５に近い面）を上記の方法で温度調節することで、一定温度にする場合、プラスマイナス０．１℃程度の精度で温度調節できるため、温度調節面１０５およびそれにわずかな温度差だけ異なる観察対象部１０２も十分に精度の高い温度調節が可能となる。

熱電素子４０１は図５に示した構造の他に、熱電半導体どうしの間を樹脂などで充填し、熱伝導板５０５、熱伝導板５０６の片方、または両方を省く構造のものでもよく、その場合例えば、配線電極５０３と、接合固定する熱伝導板５０５、熱伝導板５０６との間に絶縁層を設ける構造などがある。このように樹脂を充填して、配線部分を覆うことにより、熱電素子に防水性を付与することができる。

また、熱電素子を複数上下に重ね、それらを合わせて熱電素子４０１として用いることにより、なおいっそう調節する温度範囲が広がり、温度調節の精度もより高くなる。

熱電素子４０１の大きさは、特に限定されるものではないが、大きい面積を温度調節する場合には数ｃｍ四方のものを使い、マイクロ化学チップなどの微小領域の温度調節を考慮した場合では、数ｍｍ四方以下の大きさのものを使うことが好ましい。

図６は本発明の観察装置における温度調節手段１０４の温度を調節するための温度制御手段６０６の制御システムを説明した図である。

温度センサー４０５は、リード線４０６によって温度センサー４０５の信号を温度に変換する温度変換回路６０１につながっている。温度変換回路６０１は、熱電素子４０１の電流を制御する電流制御回路６０２につながっている。電流制御回路６０２は電源回路６０３およびその先の外部コンセント６０４につながっている。電流制御回路６０２は、そのリアルタイムの温度と設定温度とを表示する表示部、設定を変更するスイッチ等が集まるコンソール６０５につながっている。そして１つの温度制御手段６０６が形成されている。

電流制御回路６０２では、温度センサー４０５で測定した温度が設定温度になるように、温度センサー４０５で測定した温度をフィードバック制御、例えば温度調節でよく使われるＰＩＤ制御などによって、熱電素子４０１に流す電流を制御して、熱電素子４０１のリード線５０７を介して熱電素子４０１に電流を流す。このような制御方法によって精度
的には設定温度プラスマイナス０．１℃程度が実現できる。

以上の本発明の実施の形態の説明で明らかなように、本発明の観察装置は、板状発光手段を設けることにより、板状発光手段を観察対象部の透過光として用い、さらに板状発光手段を温度調節手段と観察対象部材との熱伝導部材としても利用する。そのため、観察対象部を観察するべき目的の温度に正確に、かつ観察対象部の付近を温度ムラの無い均一な温度に調節して透過光で観察することができる。

本発明の観察装置の全体的な構成を示す構造図である。 本発明の観察装置の全体的な構成を示す斜視図である。 本発明の観察装置の板状発光手段の構造を示す断面図である。 本発明の観察装置の温度調節手段の構造を示す断面図である。 本発明の観察装置の熱電素子の構造を示す断面図である。 本発明の観察装置における温度制御手段の制御システムを説明した図で ある。 従来の観察装置の構成を示す構造図である。

符号の説明

１０１ 観察対象部材
１０２ 観察対象部
１０３ 板状発光手段
１０４ 温度調節手段
１０５ 温度調節面
１０６ 発光面
１０７ 透過光
１０８ 観察手段
３０１ 導光板
３０２ 光反射ドット
３０３ ＬＥＤ
３０４ 光反射板
３０５ 光拡散板
３０６ 導入光
４０１ 熱電素子
４０２ 熱伝導体
４０３ 熱交換手段
４０４ フィン
４０５ 温度センサー
４０６、５０７ リード線
５０１ ｐ型熱電半導体
５０２ ｎ型熱電半導体
５０３ 配線電極
５０４ 引き出し電極
５０５、５０６ 熱伝導板
６０１ 温度変換回路
６０２ 電流制御回路
６０３ 電源回路
６０４ 外部コンセント
６０５ コンソール
６０６ 温度制御手段
７０１ 熱伝導基板
７０２ 観察穴
７０３ 光源

Claims (3)

1. １つの平面を有し、該平面の温度を自由に調節することができる温度調節手段と、板状部分を有し、一方の平面から光を発光することが可能な板状発光手段とを備え、該板状発光手段の他方の平面と前記温度調節手段の温度調節可能な平面とを熱伝導良く接続し、前記温度調節手段が、熱電素子と、該熱電素子の一端に熱伝導良く接続する熱交換手段と、前記熱電素子の他端に熱伝導良く接続する温度センサーと、該温度センサーで測定した温度により前記熱電素子に流す電流の量や向きを制御して前記温度調節手段の温度を調節する温度制御手段とを有し、前記板状発光手段の発光面に観察対象部材を熱伝導良く接続して置いたときに、前記板状発光手段の発光面の反対面に配置されている熱電素子を有する前記温度調節手段によって温度調節を行いながら前記板状発光手段からの透過光で観察することを特徴とする観察装置。
2. 前記板状発光手段が、導光板を有するバックライトであることを特徴とする請求項１に記載の観察装置。
3. 前記板状発光手段が、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子を有するバックライトであることを特徴とする請求項１に記載の観察装置。

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