JP6791517B1

JP6791517B1 - 光照射装置

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Publication number: JP6791517B1
Application number: JP2019204513A
Authority: JP
Inventors: 脩渡; 健太藤野
Original assignee: 株式会社セルシステム
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2039-11-12
Also published as: EP3821976A1; US20210140874A1; JP2021074684A

Abstract

【課題】反応容器内の試料をより効率的に撹拌しつつ光を照射できる光照射装置を提供する。【解決手段】回転ステージ３は、中心軸である第１の軸の回りに回転可能である。保持機構４は、長手方向を中心軸の方向とする反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８を、回転ステージ３上で第１の軸を中心とする円周上に等間隔に保持する。自転機構５１〜５８は、回転ステージ３上に設けられ、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８のそれぞれの底部を保持し、かつ、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８のそれぞれを反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８の中心軸である第２の軸の回りに自転させる。光照射機構６１〜６４は、回転ステージ３の外側の円周上に等間隔に配置され、少なくとも１つの発光ダイオードが設けられる。撹拌機構７１〜７８は、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８の近傍に設けられ、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８のそれぞれに投入された撹拌子を、磁力によって第２の軸と直交する方向を軸として回転させる。【選択図】図２

Description

本発明は、光照射装置に関し、特に反応容器に光を照射する光照射装置に関する。

光触媒反応や光触媒反応などの光の照射を要する反応実験を行うため、試料が注入された試験管などの反応容器に光を照射する光照射装置が用いられる。このような光照射装置として、例えば、水銀灯からの紫外線を試験管内の試料に照射する装置がよく知られている（非特許文献１）。この装置では、中央に配置された水銀灯を囲むように複数の試験管が配置されて、これらの試験管に同時に紫外線を照射することができる。また、水銀灯からの発熱を除去するため、冷却水を流す冷却機構が設けられる。

また、水銀灯の発熱の影響を避けるため、水銀灯をＬＥＤ（Light Emitting Diode）に置き換えた構成も提案されている（特許文献１）。ＬＥＤは水銀灯と比べて発熱が大幅に小さいため、冷却水よる冷却が必要なく、空冷が可能である。これにより、冷却機構を小型化できるので、装置全体の寸法を抑制できる。

特表２０１７−５２９２３６号公報

「光触媒反応装置」、小池精密機器製作所、[online]、［令和元年１０月２２日検索］、インターネット<URL: http://www.k-p-i.net/product/photocatalystreactor/reaction/>,<http://www.k-p-i.net/wp/wp-content/uploads/2017/02/photocatalystreactor.pdf>

特許文献１の光照射マルチサンプル並行反応装置は、特許文献１の光触媒反応装置での水銀灯の発熱の影響は避けることが可能である。また、光照射マルチサンプル並行反応装置では、円筒形の反応容器の軸を中心として、反応容器内で撹拌子を回転させて試料を撹拌することが可能である。しかし、このような撹拌方法では試料を効率的に撹拌することは難しい。特に、試料に非水溶性の粉体が含まれる場合には、粉体が反応容器の底部に沈殿し、撹拌できなくなる事態が生じ得る。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、反応容器内の試料をより効率的に撹拌しつつ光を照射できる光照射装置を提供することである。

本発明の第１の態様である光照射装置は、中心軸である第１の軸の回りに回転可能な回転ステージと、長手方向を前記中心軸の方向とする複数の反応容器を、前記回転ステージ上で前記第１の軸を中心とする円周上に等間隔に保持する保持機構と、前記回転ステージ上に設けられ、前記複数の反応容器のそれぞれの底部を保持し、かつ、前記反応容器のそれぞれを前記反応容器の中心軸である第２の軸の回りに自転させる複数の自転機構と、前記回転ステージの外側の円周上に等間隔に配置される、少なくとも１つの発光ダイオードが設けられた複数の光照射機構と、前記反応容器の近傍に設けられ、前記反応容器のそれぞれに投入された撹拌子を、磁力によって前記第２の軸と直交する方向を軸として回転させる複数の撹拌機構と、を有するものである。これにより、光を照射しながら、反応容器内の試料を、反応容器の長手方向に撹拌することが可能となる。

本発明の第２の態様である光照射装置は、上記の光照射装置において、前記自転機構は、保持している前記反応容器に投入された前記撹拌子を、磁力によって前記第２の軸まわりに回転させる撹拌機能を有することが望ましい。これにより、光を照射しながら、反応容器内の試料を、さらに反応容器の中心軸まわりに撹拌することが可能となる。

本発明の第３の態様である光照射装置は、上記の光照射装置において、前記光照射機構は、主面が前記第１の軸に向くように配置されることが望ましい。これにより、複数の反応容器に効率的に光を照射することができる。

本発明の第４の態様である光照射装置は、上記の光照射装置において、前記光照射機構は、前記主面の中心点を通る垂線が前記第１の軸と直交するように配置されることが望ましい。これにより、複数の反応容器に効率的に光を照射することができる。

本発明の第５の態様である光照射装置は、上記の光照射装置において、前記光照射機構は、前記主面の前中心点を通る前記第１の軸と平行な第３の軸上に、複数の前記発光ダイオードが配列されることが望ましい。これにより、これにより、複数の発光ダイオードからの光をバランスよく複数の反応容器に照射することができる。

本発明の第６の態様である光照射装置は、上記の光照射装置において、前記光照射機構は、前記主面の前中心点を通って前記第３の軸と直交する第４の軸上に、複数の前記発光ダイオードが前記第３の軸に対して対称に配列されることが望ましい。これにより、これにより、複数の発光ダイオードからの光をバランスよく複数の反応容器に照射することができる。

本発明の第７の態様である光照射装置は、上記の光照射装置において、前記光照射機構は、前記第３の軸の方向及び前記第４の軸の方向に、複数の前記発光ダイオードがマトリックス状に配列されることが望ましい。これにより、これにより、複数の発光ダイオードからの光をバランスよく複数の反応容器に照射することができる。

本発明の第８の態様である光照射装置は、上記の光照射装置において、前記光照射機構に前記発光ダイオードが複数設けられる場合、前記複数の発光ダイオードの発光波長は同じであり、前記複数の発光ダイオードの発光波長はそれぞれ異なり、又は、前記複数の発光ダイオードは、同じ発光波長を有する複数の発光ダイオードを含む群を複数含み、かつ、前記複数の群の発光波長はそれぞれ異なることが望ましい。これにより、必要に応じて適切な波長のＬＥＤを柔軟に配置することができる。

本発明の第９の態様である光照射装置は、上記の光照射装置において、前記回転ステージが回転することで前記複数の反応容器のそれぞれが１回公転するごとに、前記自転機構は保持している前記反応容器を１回自転させることが望ましい。これにより、複数の反応容器に均等に光を照射することができる。

本発明によれば、反応容器内の試料をより効率的に撹拌しつつ光を照射できる光照射装置を提供することができる。

本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。

実施の形態１にかかる光照射装置の外観を模式的に示す図である。実施の形態１にかかる光照射装置の内部構成を模式的に示す斜視図である。実施の形態１にかかる光照射装置の構成を模式的に示す上面図である。実施の形態１にかかる光照射装置を図３のＩＶ−ＩＶ線から見た場合の構成を模式的に示す図である。光照射機構の配置を模式的に示す斜視図である。光照射機構の配置を模式的に示す上面図である。光照射機構の配置を模式的に示す図である。反応容器の初期位置（０°）位置を示す図である。反応容器が初期位置から９０°公転した場合の位置を示す図である。反応容器が初期位置から１８０°公転した場合の位置を示す図である。反応容器が初期位置から２７０°公転した場合の位置を示す図である。反応容器での撹拌子の回転を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

実施の形態１
実施の形態１にかかる光照射装置１００について説明する。図１に、実施の形態１にかかる光照射装置１００の外観を模式的に示す。光照射装置１００は、台座１上に設けられた各種機構が、光を遮蔽するカバー２で覆われるように構成される。ここで、各種機構としては、回転ステージ、保持機構、自転機構、光照射機構及び撹拌機構を含む。

カバー２は、例えば、内部の機構を冷却するためのファンユニット２１や排気口２２などが設けられる。カバー２内で照射される光の漏洩を防止するため、排気口２２や窓部を設ける場合でも、なるべく小さくすることが望ましい。また、カバー２は、内部で照射される光、例えば紫外線、可視光、赤外線などの各種波長の光を遮蔽できる材料で構成される。

図２は、光照射装置１００の内部構成を模式的に示す斜視図である。図３は、光照射装置１００の構成を模式的に示す上面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線から見た場合の光照射装置１００の構成を模式的に示す図である。図２では、光照射装置１００の内部構成を理解しやすくするため、カバー２及び光照射機構を省略している。以下では、図１の紙面を概ね左から右へ向かう方向、図２及び図３の紙面を左から右へ向かう水平方向、図４の紙面に垂直で手前から奥に向かう方向をＸ方向とする。図１及び図２の紙面に対して概ね手前から奥へ向かう方向、図３の紙面を下から上へ向かう鉛直方向、図４の紙面を右から左へ向かう水平方向をＹ方向とする。図１、図２及び図４の紙面の下から上へ向かう鉛直方向、図３の紙面の紙面に垂直で奥から手前へ向かう方向をＺ方向とする。

台座１上には、Ｘ−Ｙ平面を主面とする円形の回転ステージ３が設けられ、中心を通るＺ方向に平行な軸（第１の軸とも称する）の回りに回転可能に構成される。なお、図示しないが、回転ステージ３の下部には、台座１に固定され、かつ、回転ステージ３の中心軸と結合された、モータなどの駆動部が設けられ、この駆動部が駆動することで回転ステージ３が所定の速度で回転する。

回転ステージ３上には、複数の反応容器を保持する保持機構４が設けられる。本実施の形態で用いられる反応容器は、Ｘ−Ｙ平面において円形断面を有し、円形断面の中心軸（第２の軸とも称する）の方向（Ｚ方向）を長手方向とする円筒形状の部分を有する容器である。反応容器としては、例えば、長手方向の一端が閉塞された円筒形状の容器である、試験管やバイアルなどの各種容器を用いることできる。また、反応容器としては、例えば、円筒形状の首部を有する各種のフラスコを用いてもよい。以下では、８本の反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８が用いられる場合について説明する。

保持機構４は、コラム４１、ビームＢ１〜Ｂ８及び保持具Ｈ１〜Ｈ８を有する。コラム４１は、棒状あるいは筒状部材であり、Ｚ方向の中心軸が回転ステージ３の回転軸と一致するように、回転ステージ３上に立設される。回転ステージ３からは、４５°の等間隔で、放射状に８本のビームＢ１〜Ｂ８が延材している。ビームＢ１〜Ｂ８の先端には、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８を保持する保持具Ｈ１〜Ｈ８がそれぞれ設けられる。保持具Ｈ１〜Ｈ８は、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８を回転可能に保持できる部材として構成され、例えば反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８を挿通させて保持可能な孔が設けられた部材として構成される。

なお、図４では、構成の理解を容易にするため、反応容器ＲＣ１及びＲＣ５に関する構成のみを表示している。

保持機構４で保持された反応容器の底部は、自転機構により保持される。この例では、自転機構５１〜５８が反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８の底部をそれぞれ保持する。すわなち、上面図において、保持具Ｈ１〜Ｈ８と重なる位置に、自転機構５１〜５８が設けられる。自転機構５１〜５８は円柱状の部材であり、Ｚ方向の中心軸まわりに回転可能に構成される。なお、図示しないが、回転ステージ３の下部には、回転ステージ３に固定され、かつ、自転機構５１〜５８の中心軸と結合されたモータなどの駆動部が設けられ、この駆動部が駆動することで自転機構５１〜５８が所定の速度で回転する。反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８の底部は自転機構５１〜５８とそれぞれ接触して保持されているため、自転機構５１〜５８が回転すると反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８もそれぞれ回転、すなわち自転することとなる。

なお、回転ステージ３、保持機構４及び自転機構５１〜５８は、回転ステージ３が回転しても相対的な位置関係は変わらない。よって、回転ステージ３が回転すると、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８も回転、すなわち公転することとなる。

回転ステージ３の外側の台座１上には、複数の光照射機構が設けられる。図５は、光照射機構の配置を模式的に示す斜視図である。図６は、光照射機構の配置を模式的に示す上面図である。複数の光照射機構は、回転ステージ３の外側の周上に等間隔で配置される。本実施の形態では、回転ステージ３の外側の周上に９０°の等間隔で４つの光照射機構６１〜６４が設けられている。この例では、光照射機構６１と光照射機構６３とは、回転ステージ３の回転軸（すなわち、コラム４１の中心軸）を挟んで対抗するように配置される。光照射機構６２と光照射機構６４とは、回転ステージ３の回転軸（すなわち、コラム４１の中心軸）を挟んで対抗するように配置される。

光照射機構６１〜６４のそれぞれには、１つ以上のＬＥＤが設けられる。例として、光照射機構６１の構成について説明する。図７に、光照射機構６１の配置を模式的に示す。光照射機構６１は、１つ以上のＬＥＤが設けられる光照射機構６１の主面ＰＳが、回転ステージ３の回転軸ＡＸ（すなわち、コラム４１の中心軸ＡＸ）と対向するように配置される。このとき、ＬＥＤの光を反応容器に効率的に照射するために、主面ＰＳの中心点ＣＰを通る主面ＰＳの垂線Ｖが、回転ステージ３の回転軸ＡＸ（すなわち、コラム４１の中心軸ＡＸ）と直交するように、光照射機構６１を配置することが望ましい。

ＬＥＤは、発光面の垂線が、主面の垂線Ｖと平行になるように設けられることが望ましい。また、ＬＥＤは、主面ＰＳの中心点ＣＰを通るＺ方向と平行な鉛直線ＶＬ（第３の軸とも称する）上に配置されることが望ましい。複数のＬＥＤを設ける場合には、主面ＰＳの鉛直線ＶＬ上に並ぶように配列されることが望ましい。これにより、複数のＬＥＤから、接近した反応容器に同様に光を照射することができる。

また、複数のＬＥＤを、主面ＳＰにおいて鉛直線ＶＬと直交する水平線ＨＬ（第４の軸とも称する）上に並べて配列してもよい。この場合、鉛直線ＶＬで区切られる２つの領域から照射される光を均等にするため、複数のＬＥＤは、鉛直線ＶＬに対して対称に配置されることが望ましい。

また、言うまでもないが、複数のＬＥＤは、鉛直線ＶＬの方向及び水平線ＨＬに方向に２次元的に、換言すればマトリックス状に配列されてもよい。

複数のＬＥＤの発光波長は、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。また、複数のＬＥＤには、発光波長が同じ所定個数のＬＥＤの群が２つ以上含まれていてもよい。

以上、光照射機構６１の構成について説明したが、これは光照射機構６２〜６４でも同様であるので、説明を省略する。

ここで、反応容器の公転及び自転について更に説明する。本実施の形態には、反応容器は、１回公転するごとに１回自転する。これにより、各反応容器の円形断面外周上で９０°ずつ離れた４点が、順番に照明ユニットに最接近するように公転及び自転することとなる。図８〜図１１に、反応容器の初期位置（０°）及び初期位置からそれぞれ９０°、１８０°、２７０°公転した場合の位置を示す。図８〜図１１では、着目する反応容器ＲＣの外周上に、９０°ずつ離隔した点を、時計回りに白丸、白四角形、黒丸及び黒四角形の印で表示している。また、図８〜図１１では、公転方向及び自転方向は時計回りとする。

図８の初期位置（０°）では、反応容器ＲＣの白丸の印が最も光照射機構６１に接近する位置にあるものとする。

図９に示すように、反応容器ＲＣが初期位置から時計回りに９０°回転した位置では、反応容器ＲＣの黒四角形の印が最も光照射機構６２に接近することとなる。

図１０に示すように、反応容器ＲＣが初期位置から時計回りに１８０°回転した位置では、反応容器ＲＣの黒丸の印が最も光照射機構６３に接近することとなる。

図１１に示すように、反応容器ＲＣが初期位置から時計回りに２７０°回転した位置では、反応容器ＲＣの白四角形が最も光照射機構６４に接近することとなる。

このように、本構成では、各反応容器に対してあらゆる方向から均等に光を照射することができる。また、各反応容器は同様に公転及び自転しているので、反応容器への光の照射状態を均一化することができる。これにより、各反応容器での実験環境を平均化することが可能となる。

引き続き、光照射装置１００の構成について説明する。回転ステージ３上には、反応容器内に投入された撹拌子を回転させる複数の撹拌機構が設けられる。この例では、自転機構５１〜５８の近傍に撹拌機構７１〜７８がそれぞれ配置される。撹拌機構７１〜７８は、それぞれ、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８の中心軸と直交する方向を回転軸として、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８の底部の撹拌子Ｓを磁力によって回転させるマグネチックスターラーのドライブユニットとして構成される。図１２に、反応容器ＲＣ１での撹拌子Ｓの回転を示す。図１２に示すように、反応容器ＲＣ１底部の撹拌子Ｓは、反応容器ＲＣ１の中心軸（Ｚ方向）と直交するＹ方向を回転軸として、撹拌子Ｓが撹拌機構７１によって回転する。この撹拌子の回転については、撹拌機構７２〜７８でも同様である。

非特許文献１の光照射マルチサンプル並行反応装置は、上述したように、反応容器内の撹拌子を回転させるスターラー機能を有している。しかし、このスターラー機能は、反応容器の中心軸回りに撹拌子を回転させる一般的なものであり、例えば試料に非水溶性の粉体が含まれる場合には粉体が反応容器の底部に沈殿し、試料を撹拌できなくなる。

これに対し、本構成では、反応容器の中心軸と直交する方向を回転軸として撹拌子を回転させることができるので、試料を反応容器の長手方向（上下方向）に撹拌することができる。これにより、試料に粉体が含まれる場合でも、粉体を沈殿させることなく効率的に撹拌することができる。したがって、粉体が関与する化学反応を効率よく行わせることが可能となる。

また、本構成では、照明光源としてＬＥＤを用いているため、水銀灯を用いる場合と比べて、発熱を低減することができる。これにより、空冷により、反応容器での実験環境をより一定の温度に維持できるとともに、冷却に用いる機構を小型化し、もって光照射装置１００を小型化することができる。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態では、反応容器、自転機構及び撹拌機構が８つ設けられる構成について説明したが、これは例示に過ぎない。反応容器、自転機構及び撹拌機構は、それぞれ２個以上の任意の数だけ設けてもよい。このとき、Ｍ（Ｍは２以上の整数）個の反応容器は、円周上において３６０／Ｍ°の等間隔で離隔した位置に設けられる。同様に、Ｍ個の自転機構及びＭ個の撹拌機構についても、円周上において３６０／Ｍ°の等間隔で離隔した位置に設けられる。

上述の実施の形態では、光照射機構が４つ設けられる構成について説明したが、これは例示に過ぎない。このとき、光照射機構は、２個以上の任意の数だけ設けてもよい。このとき、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の光照射機構は、円周上において３６０／Ｎ°の等間隔で離隔した位置に設けられることが望ましい。

上述の実施の形態では、撹拌機構７１〜７８が反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８から見てコラム４１の側に設けられる構成について説明したが、これは例示に過ぎない。攪拌子Ｓを反応容器の中心軸と直交する方向に回転させることができる限り、撹拌機構７１〜７８のそれぞれは、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８近傍の任意の位置に設けてもよい。

また、自転機構５１〜５８は、それぞれ、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８の中心軸を回転軸として、反応容器ＲＣ１〜ＲＣ８の底部の撹拌子Ｓを磁力によって回転させるマグネチックスターラーのドライブユニットとしての機能を有していてもよい。これにより、撹拌機構７１〜７８とは異なる方向を軸として撹拌子Ｓの回転させることも可能である。

上述の実施の形態では、撹拌子Ｓとして、図１１において円形断面を有する棒状の撹拌子を図示したが、これは例示に過ぎない。撹拌子Ｓとしては、オーバル形状又はフットボール形状の撹拌子、三角形の断面を有するトライアングル撹拌子、ディスク形状の撹拌子（例えば、クロスヘッド撹拌子）、他の断面形状を有する棒状の撹拌子（例えば、オクタゴン撹拌子）、クロス撹拌子などの各種の撹拌子を用いてもよい。

１台座
２カバー
３回転ステージ
４保持機構
２１ファンユニット
２２排気口
４１コラム
５１〜５８自転機構
６１〜６４光照射機構
７１〜７８撹拌機構
１００光照射装置
Ｂ１〜Ｂ８ビーム
Ｈ１〜Ｈ８保持具
ＲＣ、ＲＣ１〜ＲＣ８反応容器
Ｓ撹拌子

Claims

中心軸である第１の軸の回りに回転可能な回転ステージと、
長手方向を前記中心軸の方向とする複数の反応容器を、前記回転ステージ上で前記第１の軸を中心とする円周上に等間隔に保持する保持機構と、
前記回転ステージ上に設けられ、前記複数の反応容器のそれぞれの底部を保持し、かつ、前記反応容器のそれぞれを前記反応容器の中心軸である第２の軸の回りに自転させる複数の自転機構と、
前記回転ステージの外側の円周上に等間隔に配置される、少なくとも１つの発光ダイオードが設けられた複数の光照射機構と、
前記反応容器の近傍に設けられ、前記反応容器のそれぞれに投入された撹拌子を、磁力によって前記第２の軸と直交する方向を軸として回転させる複数の撹拌機構と、を備える、
光照射装置。
前記自転機構は、保持している前記反応容器に投入された前記撹拌子を、磁力によって前記第２の軸まわりに回転させる撹拌機能を有する、
請求項１に記載の光照射装置。
前記光照射機構は、主面が前記第１の軸に向くように配置される、
請求項１又は２に記載の光照射装置。
前記光照射機構は、前記主面の中心点を通る垂線が前記第１の軸と直交するように配置される、
請求項３に記載の光照射装置。
前記光照射機構は、前記主面の前中心点を通る前記第１の軸と平行な第３の軸上に、複数の前記発光ダイオードが配列される、
請求項３に記載の光照射装置。
前記光照射機構は、前記主面の前中心点を通って前記第３の軸と直交する第４の軸上に、複数の前記発光ダイオードが前記第３の軸に対して対称に配列される、
請求項５に記載の光照射装置。
前記光照射機構は、前記第３の軸の方向及び前記第４の軸の方向に、複数の前記発光ダイオードがマトリックス状に配列される、
請求項６に記載の光照射装置。
前記光照射機構に前記発光ダイオードが複数設けられる場合、
前記複数の発光ダイオードの発光波長は同じであり、
前記複数の発光ダイオードの発光波長はそれぞれ異なり、又は、
前記複数の発光ダイオードは、同じ発光波長を有する複数の発光ダイオードを含む群を複数含み、かつ、前記複数の群の発光波長はそれぞれ異なる、
請求項５乃至７にいずれか一項に記載の光照射装置。
前記回転ステージが回転することで前記複数の反応容器のそれぞれが１回公転するごとに、前記自転機構は保持している前記反応容器を１回自転させる、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光照射装置。