JP5115584B2 - 試料の断面形成方法、固定用治具および測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、試料の断面形成方法、固定用治具および測定方法に関し、より特定的には、減衰全反射法を利用した赤外分光法に適用される、試料の断面形成方法、固定用治具および測定方法に関する。

従来の試料の断面形成方法に関して、たとえば、特開昭５７−１４７３７号公報には、断面状態の正確な試料を容易かつ短時間に作成することを目的とした、シートまたはフィルムの断面観察試料の作成方法が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された断面観察試料の作成方法においては、観察すべきシートの両面に、常温硬化型の速乾性接着剤を介して補強用シートを積層する。接着剤が硬化した後、観察すべき端面を超ミクロトームにより切断することによって観察面を得る。

特開昭５７−１４７３７号公報

有機化合物などから形成される試料に赤外線を照射し、透過もしくは反射光を分光することによってスペクトルを得て、試料の分子構造や状態を測定する赤外分光法が知られている。この赤外分光法においては、屈折率の大きい媒質結晶、代表的にはＧｅ（ゲルマニウム）クリスタルを通じて試料に赤外線を照射する減衰全反射法が利用されている。減衰全反射法を利用する場合、試料に媒質結晶を押し当てる必要があるため、試料が薄肉のフィルム状であると、試料が曲がってしまい測定が実施できないという問題がある。

このような問題に対しては、試料をエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂に埋め込み、試料の断面が露出するように樹脂を加工する方法が挙げられる。しかしながら、この方法においては、熱硬化性樹脂の硬化に長時間を要するといった問題や、熱硬化性樹脂が試料の表面を溶解するといった新たな問題が生じ、結果して、迅速かつ高精度な測定が実現されない。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、迅速かつ高精度な測定を実現する試料の断面形成方法、固定用治具および測定方法を提供することである。

この発明に従った試料の断面形成方法は、減衰全反射法を利用した赤外分光法において、フィルム状の試料に測定用の断面を形成するための試料の断面形成方法である。試料の断面形成方法は、試料をシート部材間に配置するステップと、シート部材に対してその両側から試料を挟み込む方向の外力を作用させるステップと、シート部材に外力を作用させた状態で、シート部材の端部を試料ごと除去することによって、試料に測定用の断面を得るステップとを備える。試料をシート部材間に配置するステップは、シート部材間の一部に配置した接着部材によって、試料をシート部材間に仮固定するステップを含む。試料の断面形成方法は、試料に測定用の断面を得るステップの前に、外力を作用させた状態のシート部材から、接着部材が配置されたシート部材の一部を切り離すステップをさらに備える。

このように構成された試料の断面形成方法によれば、試料をその両側からシート部材で挟み込む形態により強固に固定することができる。これにより、減衰全反射法を利用した赤外分光法による測定時に、試料が変形することを防止できる。また、シート部材に対して試料を挟み込む方向の外力を作用させることによって試料を固定するため、試料の固定
に要する時間を短縮することができる。したがって、本発明によれば、迅速かつ高精度な測定を実現することができる。
また、接着部材を用いて試料をシート部材間に仮固定することによって、シート部材に外力を作用させるまでの間、試料とシート部材とを一体に取り扱うことができる。また、シート部材に外力を作用させた後は、その外力によって試料がシート部材間に固定されるため、シート部材から接着部材が配置されたシート部材の一部を切り離す。

また好ましくは、シート部材に外力を作用させるステップは、シート部材の両側に挟持部材を配置し、挟持部材を互いに近接させることによって、シート部材に試料を挟み込む方向の外力を作用させるステップを含む。このように構成された試料の断面形成方法によれば、シート部材の両側に配置された挟持部材によって、試料をその両側からシート部材で挟み込む形態を得ることができる。

また好ましくは、シート部材の両側に挟持部材を配置するステップは、試料を挟み込んだシート部材の一部が挟持部材間から突出するように、シート部材の両側に挟持部材を配置するステップを含む。試料に測定用の断面を得るステップは、挟持部材間から突出する位置でシート部材の端部を試料ごと除去するステップを含む。このように構成された試料の断面形成方法によれば、挟持部材間から突出するシート部材間の試料の位置に、測定用の断面を得ることができる。

この発明に従った試料の固定用治具は、上述に記載の試料の断面形成方法において用いられる。試料の固定用治具は、シート部材の両側に配置される挟持部材と、挟持部材に連結され、挟持部材間の距離が変化するように挟持部材を移動させる移動機構部とを備える。このように構成された試料の固定用治具によれば、移動機構部を操作することによって、挟持部材間の距離が近接するように挟持部材を移動させ、挟持部材からシート部材に所定方向の外力を加える。このため、試料の固定に要する時間を短縮し、試料の測定を迅速に実施することができる。

この発明に従った試料の測定方法は、減衰全反射法を利用した赤外分光法による試料の測定方法である。試料の測定方法は、試料をシート部材間に配置するステップと、シート部材に対してその両側から試料を挟み込む方向の外力を作用させるステップと、シート部材に外力を作用させた状態で、シート部材の端部を試料ごと除去することによって、試料に測定用の断面を得るステップと、シート部材に外力を作用させた状態で、試料の測定用
の断面に所定の屈折率を有する媒質結晶を当接させつつ、赤外線を媒質結晶を介して試料に照射するステップとを備える。試料をシート部材間に配置するステップは、シート部材間の一部に配置した接着部材によって、試料をシート部材間に仮固定するステップを含む。試料の測定方法は、試料に測定用の断面を得るステップの前に、外力を作用させた状態のシート部材から、接着部材が配置されたシート部材の一部を切り離すステップをさらに備える。

このように構成された試料の測定方法によれば、減衰全反射法を利用した赤外分光法による試料の測定を、迅速かつ高精度に実施することができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、迅速かつ高精度な測定を実現する試料の断面形成方法、固定用治具および測定方法を提供することができる。

減衰全反射法を利用した赤外分光法による試料の測定を模式的に表わした図である。 図１中の測定装置において、試料を固定するためのホルダーを示す側面図である。 この発明の実施の形態における試料の断面形成方法および測定方法の流れを示すフローチャート図である。 図３中に示された試料の断面形成方法および測定方法の第１ステップを示す図である。 図３中に示された試料の断面形成方法および測定方法の第２ステップを示す図である。 図３中に示された試料の断面形成方法および測定方法の第３ステップを示す図である。 図３中に示された試料の断面形成方法および測定方法の第４ステップを示す図である。 図３中に示された試料の断面形成方法および測定方法の第５ステップを示す図である。 本実施の形態における試料の断面形成方法および測定方法が適用された測定事例の可視像を示す図である。 図９中の測定事例のイメージング像を示す図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、減衰全反射法を利用した赤外分光法による試料の測定を模式的に表わした図である。図１を参照して、本実施の形態における試料の断面形成方法は、減衰全反射法（ＡＴＲ法：attenuated total reflection）を利用した赤外分光法（ＩＲ法：infrared spectroscopy）による試料の測定に用いられる。

測定装置１０は、その主要な構成部品として、光源１２、検出器１４およびクリスタル１６を有する。光源１２は、試料２１に向けて赤外線を発する。検出器１４は、試料２１からの反射光を取り込み、スペクトルに変換する。

クリスタル１６は、試料２１に形成された測定用断面２２に当接して配置される。クリスタル１６としては、屈折率の大きい媒質結晶、たとえば、屈折率ｎ＝４を有するゲルマニウム（Ｇｅ）の結晶が用いられる。光源１２から発せられた赤外線は、クリスタル１６を通過して試料２１に向かう。赤外線は、測定用断面２２から数μｍの深さまで達し、試料２１によって反射される。その反射光は、再びクリスタル１６を通過して検出器１４に向けて進行する。

本実施の形態における測定装置１０は、特に、高分解能（たとえば、分解能１，５６μｍ）を有することによって、測定用断面２２に赤外線が照射された領域の情報を２次元的にイメージとして表示することが可能である。すなわち、測定装置１０によれば、空間分解能を伴った試料２１の解析が可能である。一例を挙げると、測定装置１０は、赤外線が照射された領域の試料２１の材質を色分けして表示することが可能である。

測定装置１０は、主に、高分子の有機化合物の測定に用いられる。一例を挙げれば、試料２１としては、テープ電線やＦＰＣ（flexible printed circuits）が挙げられる。テープ電線は、複数本の平角導体を樹脂層を介して積層した構造を有する。ＦＰＣは、銅基板上に接着剤を介してポリイミド樹脂を積層した構造、もしくは銅基板上にエポキシ樹脂を積層した構造を有する。そのほか、試料２１としては、リチウムイオン電池などの電池において、電解質を収容するケース体と、そのケース体から延出する電極との間を封止する接合部が挙げられる。その接合部は、ポリプロピレン（ＰＰ）と、架橋ポリプロピレンとを積層した構造を有する。

試料２１は、薄肉のフィルム形状を有する。試料２１は、クリスタル１６を測定用断面２２に当接させる測定時に、試料２１単体では形状を保持できない程の薄肉のフィルム形状を有する。本発明は、試料の厚みが３ｍｍ以下である場合に好適に適用され、さらに１ｍｍ以下である場合により好適に適用される。

図２は、図１中の測定装置において、試料を固定するためのホルダーを示す側面図である。図２を参照して、固定用治具としてのホルダー４１は、挟持部材としてのブロック４２ｐおよびブロック４２ｑ（以下、両者を特に区別しない場合には、ブロック４２という）と、移動機構部としてネジ部４４とを有する。ブロック４２は、ブロック４２ｐとブロック４２ｑとの間の距離が変化するように移動可能に設けられている。ネジ部４４は、ブロック４２に連結されている。ネジ部４４を操作することによって、ブロック４２が移動し、ブロック４２ｐとブロック４２ｑとの間の距離が増減する。ネジ部４４は、手動により操作されてもよいし、モータ等の駆動によって操作されてもよい。

図１中の測定装置１０による測定時、試料２１はホルダー４１によって固定される。試料２１の固定には、補強用シート３１ｐおよび補強用シート３１ｑ（以下、両者を特に区別しない場合には、補強用シート３１という）が用いられる。試料２１は、補強用シート３１ｐと補強用シート３１ｑとの間に配置された状態で、ブロック４２ｐとブロック４２ｑとの間に位置決めされる。ホルダー４１は、ブロック４２ｐとブロック４２ｑとが互いに近接する方向の外力を補強用シート３１に対して作用させる。これにより、試料２１は、その両側から補強用シート３１によって挟み込まれた状態で固定される。

補強用シート３１は、樹脂材料から形成されている。補強用シート３１は、たとえば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などから形成されている。補強用シート３１は、平面的に見た場合に、試料２１よりも大きい面積を有する。

試料２１は、測定用断面２２を有する。測定用断面２２は、試料２１の端部を試料２１の厚み方向に沿って除去した場合に得られる除去面により形成されている。特に本実施の形態では、測定用断面２２が、試料２１の端部を試料２１の厚み方向に沿って切断した場合に得られる切断面により形成されている。補強用シート３１は、切断面３２を有する。切断面３２は、測定用断面２２と同一平面上に延在している。

ブロック４２は、頂面４３を有する。頂面４３は、同一平面上に延在するように形成されている。頂面４３は、たとえば、研磨工程によって仕上げられている。試料２１は、測定用断面２２が頂面４３よりも突出した位置に配置されるように、ホルダー４１によって固定されている。

図３は、この発明の実施の形態における試料の断面形成方法および測定方法の流れを示すフローチャート図である。図４から図８は、図３中に示された試料の断面形成方法および測定方法の各ステップを示す図である。

続いて、試料２１に測定用断面２２を形成する方法、および減衰全反射法を利用した赤外分光法により試料２１を測定する方法について説明する。

図３および図４を参照して、まず、測定の対象となる試料２１と、その試料２１の固定に用いられる補強用シート３１とを準備する（Ｓ１０１）。

本実施の形態では、試料２１が１μｍ以上１０００μｍ以下の範囲の厚みを有する。補強用シート３１は、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲の厚みを有する。補強用シート３１の材質としては、試料２１を形成する材質とは異なる材質を選定する。たとえば、試料２１がＰＥＴ層を含む場合、補強用シート３１の材質としてＰＥを選定する。このような選定を可能とするため、予め試料２１の材質を特定するためのＩＲ測定を実施してもよい。

次に、補強用シート３１を洗浄する（Ｓ１０２）。具体的には、補強用シート３１の表面をアセトンなどを用いて拭き取る。

次に、試料２１を補強用シート３１間に仮固定し、試料２１の両側に補強用シート３１が配置された積層体を得る（Ｓ１０３）。具体的には、接着部材としての接着テープ３６を、試料２１と補強用シート３１ｐおよび補強用シート３１ｑとの間にそれぞれ介挿させる。この際、平面的に見た場合の補強用シート３１の周縁に位置する接着領域３７に、接着テープ３６を配置する。接着領域３７を除いた、補強用シート３１の接触領域３８では、補強用シート３１と試料２１とが直接、接触する。

図３および図５を参照して、次に、ホルダー４１によって試料２１を固定する（Ｓ１０４）。具体的には、ブロック４２ｐとブロック４２ｑとを十分に離した状態で、両者の間に、試料２１が仮固定された補強用シート３１を位置決めする。この際、接着テープ３６によって接着された接着領域３７が、ブロック４２の頂面４３から突出した位置に配置され、接触領域３８がブロック４２ｐとブロック４２ｑとの間に配置されるように、補強用シート３１を位置決めする。ネジ部４４を操作し、ブロック４２ｐとブロック４２ｑとを互いに近接させることによって、補強用シート３１に対して試料２１を挟み込む方向の外力を作用させる。

本実施の形態では、補強用シート３１は樹脂材料から形成されるため、補強用シート３１と試料２１との密着性を向上させることができる。これにより、試料２１を補強用シート３１間により強固に固定することができる。

図３および図６を参照して、次に、接着テープ３６を補強用シート３１から切り離す（Ｓ１０５）。具体的には、はさみなどを用いて、ブロック４２から突出する補強用シート３１を、接触領域３８の適当な位置で切断する。これにより、接着領域３７を含む補強用シート３１が切り離され、ホルダー４１には、ブロック４２ｐおよびブロック４２ｑからの外力を受ける補強用シート３１ｐおよび補強用シート３１ｑと、その外力によって補強用シート３１ｐと補強用シート３１ｑとの間に挟み込まれた試料２１とが残る。

図３および図７を参照して、次に、補強用シート３１を試料２１ごと切断することによって、試料２１に測定用断面２２を形成する（Ｓ１０６）。本実施の形態では、補強用シート３１および試料２１の切断に、ダイヤモンドカッター５２を備えたミクロトーム５１を用いる。この際、補強用シート３１は樹脂材料から形成されるため、ダイヤモンドカッター５２を欠けさせることなく、切断工程を容易に実施することができる。ミクロトーム５１によって切断された試料２１の切断面によって、測定用断面２２が形成される。同時に、補強用シート３１には、測定用断面２２と同一平面上に延在する切断面３２が形成される。

測定用断面２２と、ブロック４２の頂面４３（すなわち、ブロック４２による試料２１の固定端）との間の高さをＨ１とするとき、試料２１を、Ｈ１が１ｍｍ以下となるように切断するのが好ましい。さらに、ブロック４２によって挟み込まれた試料２１の高さをＨ２とするとき、試料２１を、Ｈ２＞Ｈ１の関係を満たすように切断するのが好ましい。これらの場合、ブロック４２から補強用シート３１に加わる外力を測定用断面２２の高さまで十分に作用させることができる。その結果、クリスタル１６が測定用断面２２に当接される試料２１の測定時に、試料２１と補強用シート３１との間に隙間が生じることを効果的に抑制できる。

また、補強用シート３１の厚みＢは、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲に設定されることが好ましく、たとえば、０．３５ｍｍに設定される。厚みＢを０．１ｍｍ以上に設定することによって、補強用シート３１の強度を十分に確保し、試料２１の測定時に補強用シート３１が変形することを効果的に抑制できる。また、厚みＢを０．５ｍｍ以下に設定することによって、ミクロトーム５１による補強用シート３１の切断を容易に行なうことができる。

なお、本実施の形態では、ミクロトーム５１を用いた切断工程によって、試料２１に測定用断面２２を形成したが、本発明はこれに限られず、たとえば、試料２１の端面を研磨することによって測定用断面２２を形成してもよい。

図３および図８を参照して、次に、試料２１を固定したホルダー４１を測定装置１０内の適当な位置に設置し、クリスタル１６を測定用断面２２に当接させる。赤外線をクリスタル１６を通じて測定用断面２２に照射することによって、試料２１の測定を実施する（Ｓ１０７）。

以上に説明したように、本実施の形態における試料の断面形成方法および測定方法においては、試料２１をその両側に配置された補強用シート３１によって強固に固定する。このため、試料２１の測定時にクリスタル１６が測定用断面２２に押し付けられた場合にも試料２１が変形するということがない。

また、補強用シート３１による試料２１の固定には、補強用シート３１をその両側から力学的に支持するホルダー４１が用いられる。このため、試料２１を熱硬化性樹脂によって封止する場合と比較して、樹脂を硬化させるための時間を必要とせず、試料２１の固定を迅速に実施することができる。また、試料２１を熱硬化性樹脂によって封止する場合、硬化前の樹脂によって試料２１が溶融するおそれがあるが、本実施の形態ではこのような懸念もない。

また、本実施の形態では、補強用シート３１を形成する材質として、試料２１を形成する材質とは異なる材質が選定される。このため、試料２１および補強用シート３１間でＩＲスペクトルのピークが重畳するということがなく、試料２１の測定を高精度に実施することができる。また、補強用シート３１は、単に試料２１を補強する部材として設けられているため、材質の特性として接着性などが要求されることがなく、材質の選定時の自由度を高めることができる。

以上に説明した、この発明の実施の形態における試料の断面形成方法および測定方法についてまとめて説明すると、本実施の形態における試料の断面形成方法は、減衰全反射法を利用した赤外分光法において、フィルム状の試料２１に測定用の断面としての測定用断面２２を形成するための方法である。試料の断面形成方法は、試料２１をシート部材としての補強用シート３１間に配置するステップと、補強用シート３１に対してその両側から試料２１を挟み込む方向の外力を作用させるステップと、補強用シート３１に外力を作用させた状態で、補強用シート３１の端部を試料２１ごと除去することによって、試料２１に測定用断面２２を得るステップとを備える。
また好ましくは、シート部材は、試料とは異なる材質から形成される。このように構成された試料の断面形成方法によれば、試料の両側に配置されるシート部材に起因して試料の測定精度が低下することを防止できる。
また好ましくは、シート部材は、樹脂材料から形成される。このように構成された試料の断面形成方法によれば、シート部材と試料との密着性を向上させることで、試料をシート部材間により強固に固定することができる。また、試料に測定用の断面を得るステップ時にシート部材の端部を容易に除去することができる。したがって、試料の測定をより迅速かつ高精度に実施することができる。

また、本実施の形態における試料の測定方法は、上記試料の断面形成方法が備えるステップに加えて、補強用シート３１に外力を作用させた状態で、試料２１の測定用断面２２に所定の屈折率を有する媒質結晶としてのクリスタル１６を当接させつつ、赤外線をクリスタル１６を介して試料２１に照射するステップをさらに備える。

このように構成された、この発明の実施の形態における試料の断面形成方法および測定方法によれば、試料２１はその両側に配置された補強用シート３１によって強固に固定されるため、クリスタル１６が当接される測定時に試料２１が変形するということがない。このため、試料２１の高精度な測定を実現することができる。また、試料２１はホルダー４１を用いて力学的に固定されるため、試料２１の測定に至るまで準備作業を迅速に進めることができる。

図９は、本実施の形態における試料の断面形成方法および測定方法が適用された測定事例の可視像を示す図である。図１０は、図９中の測定事例のイメージング像を示す図である。

図９および図１０を参照して、本測定事例では、試料２１に対してＩＲ測定を実施し、試料２１の材質を２次元的に色分けして表示した。この際、補強用シート３１として、厚み２００μｍのＰＥ樹脂製のシートを用いた。図７中のＨ１が１ｍｍ以下となるように、試料２１を補強用シート３１によって挟持した。図９中では、クリスタル１６が試料２１の測定用断面２２に当接される範囲が２点鎖線によって示されている。

ＩＲ測定の結果、図１０中に示すように、試料２１の測定用断面２２が、ＰＥＴ層を示す領域６１と、共重合ポリエステル＋水酸化アルミニウム層を示す領域６２とに色分けして表わされた。また、測定に際して、補強用シート３１と試料２１との間に隙間が生じないことが確認された。なお、Ｈ１が１ｍｍよりも大きい場合には、補強用シート３１と試料２１との間に隙間が生じることが確認された。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、主に、減衰全反射法を利用した赤外分光法による、フィルム状の試料の測定に利用される。

１０ 測定装置、１２ 光源、１４ 検出器、１６ クリスタル、２１ 試料、２２ 測定用断面、３１，３１ｐ，３１ｑ 補強用シート、３２ 切断面、３６ 接着テープ、３７ 接着領域、３８ 接触領域、４１ ホルダー、４２，４２ｐ，４２ｑ ブロック、４３ 頂面、４４ ネジ部、５１ ミクロトーム、５２ ダイヤモンドカッター。

Claims (5)

1. 減衰全反射法を利用した赤外分光法において、フィルム状の試料に測定用の断面を形成するための試料の断面形成方法であって、
   試料をシート部材間に配置するステップと、
   前記シート部材に対してその両側から試料を挟み込む方向の外力を作用させるステップと、
   前記シート部材に前記外力を作用させた状態で、前記シート部材の端部を試料ごと除去することによって、試料に測定用の断面を得るステップとを備え、
   前記試料をシート部材間に配置するステップは、前記シート部材間の一部に配置した接着部材によって、試料を前記シート部材間に仮固定するステップを含み、
   前記試料に測定用の断面を得るステップの前に、前記外力を作用させた状態の前記シート部材から、前記接着部材が配置された前記シート部材の一部を切り離すステップをさらに備える、試料の断面形成方法。
2. 前記シート部材に外力を作用させるステップは、前記シート部材の両側に挟持部材を配置し、前記挟持部材を互いに近接させることによって、前記シート部材に試料を挟み込む方向の外力を作用させるステップを含む、請求項１に記載の試料の断面形成方法。
3. 前記シート部材の両側に挟持部材を配置するステップは、試料を挟み込んだ前記シート部材の一部が前記挟持部材間から突出するように、前記シート部材の両側に前記挟持部材を配置するステップを含み、
   前記試料に測定用の断面を得るステップは、前記挟持部材間から突出する位置で前記シート部材の端部を試料ごと除去するステップを含む、請求項２に記載の試料の断面形成方法。
4. 請求項２または３に記載の試料の断面形成方法において用いられる試料の固定用治具であって、
   前記シート部材の両側に配置される前記挟持部材と、
   前記挟持部材に連結され、前記挟持部材間の距離が変化するように前記挟持部材を移動させる移動機構部とを備える、試料の固定用治具。
5. 減衰全反射法を利用した赤外分光法による試料の測定方法であって、
   試料をシート部材間に配置するステップと、
   前記シート部材に対してその両側から試料を挟み込む方向の外力を作用させるステップと、
   前記シート部材に前記外力を作用させた状態で、前記シート部材の端部を試料ごと除去することによって、試料に測定用の断面を得るステップと、
   前記シート部材に前記外力を作用させた状態で、試料の測定用の断面に所定の屈折率を有する媒質結晶を当接させつつ、赤外線を前記媒質結晶を介して試料に照射するステップとを備え、
   前記試料をシート部材間に配置するステップは、前記シート部材間の一部に配置した接着部材によって、試料を前記シート部材間に仮固定するステップを含み、
   前記試料に測定用の断面を得るステップの前に、前記外力を作用させた状態の前記シート部材から、前記接着部材が配置された前記シート部材の一部を切り離すステップをさらに備える、試料の測定方法。