JP2005227188A - 観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の温度による変化をリアルタイムで確実に観察することができるとともに装置をコンパクトなものとすることができ、しかも試料の温度を連続的に高精度で検出して信頼性の高い試料の材料評価をすることができ、信頼度の高い観察を行うことができる観察装置を提供することを目的としている。
【解決手段】試料の温度変化を観察する観察装置であって、気密構造の高温室と、この高温室内の中央部に配置され且つ試料を載置する試料台と、この試料台上の試料を加熱、冷却するため高温室に付設された熱風もしくは冷風を供給する加熱手段及び冷却手段と、加熱、冷却される試料の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出結果に基づいて上記加熱手段及び冷却手段を制御する制御手段とを備え、
上記高温室内の試料を、高温室とは別に設けた加熱手段及び冷却手段により生成した熱風もしくは冷風を供給して昇温もしくは降温させるようにしたことを特徴とする観察装置。
【選択図】 図１

Description

この発明は、試料が高温下で変化する様子をリアルタイムで観察することができる観察装置に関する。

試料が高温下で変化する様子をリアルタイムで観察することができる観察装置としては種々のタイプのものが提案されているが、迅速な昇温を実現するために能力の大きい加熱手段が必要とされている。

また、一般に温度制御された試料を高温室に設けられた観察窓を介して撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像された映像を映し出すモニタとを備えているが、観察窓は高温室の側面に設けられている。

このような例としては、特開２００２−１０７３１７公報（特許文献１参照）に示すような、試料の加熱温度による変化を観察する観察装置であって、気密構造の高温室と、この高温室内の中央部に配置され且つ試料を載置する試料台と、この試料台上の試料を加熱、冷却する加熱手段及び冷却手段と、これらの加熱手段及び冷却手段によって加熱、冷却される試料の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出結果に基づいて上記加熱手段及び冷却手段を制御する制御手段と、この制御手段で温度制御された上記試料を上記高温室に設けられた観察窓を介して撮像する少なくとも二つの撮像手段と、これらの撮像手段で撮像された映像を映し出す少なくとも二つのモニタとを備え、上記各モニタ上で上記試料の温度に伴って変化する映像に基づいて上記各撮像手段をそれぞれ前後左右及び上下に移動操作する少なくとも二つの操作手段を設けるとともに、上記各撮像手段の水平方向及び上下方向の移動量を上記各モニタ上で測定する測定手段を少なくとも二つ設けたことを特徴とするものが知られている。
特開２００２−１０７３１７公報

しかしながら、上記従来の観察装置の場合、装置が大型で高価なものとなり、また観察としては観察の自由度が低く（死角が多い）、新規材料等の試料の評価手法としては信頼性に欠けるという課題があった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、試料の温度による変化をリアルタイムで自由度の高い観察をすることができるとともに装置をコンパクトなものとすることができ、しかも試料の温度を連続的に高精度で検出して信頼性の高い試料の材料評価をすることができ、信頼度の高い観察を行うことができる観察装置を提供することを目的としている。

この発明の請求項１に記載の観察装置は、試料の温度変化を観察する観察装置であって、気密構造の高温室と、この高温室内の中央部に配置され且つ試料を載置する試料台と、この試料台上の試料を加熱、冷却するため高温室に付設された熱風もしくは冷風を供給する加熱手段及び冷却手段と、加熱、冷却される試料の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出結果に基づいて上記加熱手段及び冷却手段を制御する制御手段とを備え、
上記高温室内の試料を、高温室とは別に設けた加熱手段及び冷却手段により生成した熱風もしくは冷風を供給して昇温もしくは降温させるようにしたことを特徴とするものである。

この発明の請求項２に記載の観察装置は、試料の温度変化を観察する観察装置であって、上部にドーム型観察窓を設けた気密構造の高温室と、この高温室内の中央部に配置され且つ試料を載置する試料台と、この試料台上の試料を加熱、冷却するため高温室に付設された熱風もしくは冷風を供給する加熱手段及び冷却手段と、加熱、冷却される試料の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出結果に基づいて上記加熱手段及び冷却手段を制御する制御手段とを備えるとともに、
上記制御手段で温度制御された上記試料を上記高温室上部に設けられたドーム型観察窓を介して撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像された映像を映し出すモニタとを備えことを特徴とするものである。

この発明の請求項３に記載の観察装置は、試料の温度変化を観察する観察装置であって、気密構造の高温室と、この高温室内の中央部に配置され且つ試料を載置する試料台と、この試料台上の試料を加熱、冷却するため高温室に付設された熱風もしくは冷風を供給する加熱手段及び冷却手段と、加熱、冷却される試料の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出結果に基づいて上記加熱手段及び冷却手段を制御する制御手段と、
高温室とこれらの加熱手段及び冷却手段との通路をそれぞれ分割して形成した給気路および排気路と、高温室内のエアを加熱手段及び冷却手段へ送り込んで循環させるようにした排気路部分に設けたファンと、高温室と加熱手段及び冷却手段との通路上に設けた開閉弁と、開閉弁よりも高温室側に設けた連通口とを備えるとともに、
上記制御手段で温度制御された上記試料を上記高温室上部に設けられたドーム型観察窓を介して撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像された映像を映し出すモニタとを備えことを特徴とするものである。

また、この発明の請求項４に記載の観察装置は、請求項２または３に記載の発明において、ドーム型観察窓を、中間に空気層を介在させた２重ガラスで構成したことを特徴とするものである。

また、この発明の請求項５に記載の観察装置は、請求項２ないし４のいずれかに記載の発明において、撮像手段が、上記ドーム型観察窓上において自由に観察角度を変えられるようにしたことを特徴とするものである。

また、この発明の請求項６に記載の観察装置は、請求項２ないし５のいずれかに記載の発明において、試料台が、上記加熱手段から供給される熱風により輻射熱を発生する部材からなることを特徴とするものである。

この発明の請求項１ないし６に記載の発明によれば、試料の温度による変化をリアルタイムで自由度の高い観察をすることができるとともに装置をコンパクトなものとすることができ、しかも試料の温度を連続的に高精度で検出して信頼度の高い観察を行うことが可能であり、正確な試料の材料評価をすることができる観察装置を提供することが可能である。
とくに、高温室に設けたヒータによる逐次的な加熱ではなく、予め加熱手段や冷却手段で生成した熱風ないし冷風を高温室に供給して温度変化をもたらすようにしたので、試料をスムーズかつ迅速に昇温ないし冷却することができ、しかも試料の温度分布を均一なものとすることが可能である。

以下、図１ないし図５に示す実施形態に基づいてこの発明を説明する。
図１はこの発明の観察装置の内部構造を説明する概略図、図２は観察装置の平面図、図３は観察装置の正面図、図４は観察装置の左側面図、図５は観察装置の右側面図である。

本実施形態の観察装置は例えば図１ないし図５に示すよう外観が矩形状に形成されており、半田等の無機材料、合成樹脂等の有機材料、あるいは電子部品等の試料の加熱温度による外観の変化を観察する場合に使用される。この観察装置は、図１ないし図５に示すように、ハウジング１と、ハウジング１のほぼ中央に設けられた高温室（高温チャンバ）２と、高温室２上面を覆って上部に突き出るように設置されたドーム型観察窓３とで構成され、このドーム型観察窓３を開閉して試料の出し入れを行う。

ドーム型観察窓３の開閉は、ヒンジによってドーム型観察窓３の一端を軸支して他端を上下に昇降可能としたり、ピボットを中心にドーム型観察窓３を水平かつ円弧状に回動可能としたり、ドーム型観察窓３を中央で分割してそれぞれを外側に直線的にスライドさせたりして、適宜行なうことができる。
上記ドーム型観察窓３は中間に空気層４を介在させた２重ガラス構造とすることが望ましく、それぞれ放熱ガラスを用いることが必要である。

上記高温室２の中央部に試料台５が配置されている。この試料台５は試料６を搭載可能であり、かつ熱伝導性に優れた金属（例えばニッケル）により形成されている。試料台５をニッケル等の熱伝導性に優れた金属により形成することで、試料台５が短時間で均等に加熱され、温度分布をなくし、全面の温度を均一化することができる。この試料台５は固定式でも、ターンテーブル式に正逆方向へ回転したり、水平方向にスライドさせたりする機構を具備していてもよい。

上記高温室２の両側には相対向して設けられた加熱機構７と冷却機構８とが付設されている。そして加熱機構７と冷却機構８は、試料台５上の試料６を加熱、冷却するための熱風を供給したり、冷風を供給するものであり、加熱機構７にはヒータ９が、また冷却機構８には冷媒（例えば、水道水）が流通する冷媒流路（図示せず）が配置されている。そして、高温室２には加熱、冷却される試料の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出結果に基づいて上記加熱手段及び冷却手段を制御する制御手段とが適所に設けられている。ちなみに、温度検出手段は試料台５に適宜間隔で設けた熱電対や温度センサであることが望ましく、制御手段はヒータ９の温度や熱風の送風量をコントロールするものであることが望ましい。

なお、上記加熱機構７に設けたヒータ９のほか、試料台５上の試料６を輻射熱で加熱する機構を設けておくこともできる。すなわち、試料台５として、上記加熱手段から供給される熱風により輻射熱を発生する部材、例えば熱伝導性の良好な銅などの素材を使用することが望ましい。
もちろん、主な加熱源は加熱機構７に設けたヒータ９であり、このような熱風供給による加熱は試料台５上の試料６の均一な温度変化を保障する。

上記試料台５の下方には、高温室２の両側に対向して設けられた加熱機構７と冷却機構８との間を連通している通路１１が設けられ、この通路１１は隔壁１４によってそれぞれ給気路１２と排気路１３とに分割されている。給気路１２はドーム型観察窓３の内壁に沿って熱風を供給するよう隔壁１４の外側に、排気路１３はその内側から試料台５の下部で筒状に絞られて、その後高温室２内のエアを加熱機構７と冷却機構８へ放出するようになっている。１５は高温室２内のエアを加熱機構７と冷却機構８へ送り込んで循環させるようにした、排気路１３部分に設けたファン、１６はファン１５を駆動制御するモータである。

上記高温室２と、それぞれ加熱機構７と冷却機構８との間の通路に配置した隔壁１４端部には開閉弁１７が設けられ、開閉弁１７の開閉操作により熱風供給による試料台５上の試料６への加熱をより精確にコントロールすることができる。
１８は開閉弁１７よりも高温室２側に設けた連通口で、開閉弁１７の開閉操作によるショックを和らげ、熱風の流れをスムーズにするためのものである。

上記熱電対や温度センサからなる温度検出手段は制御手段に接続され、この制御手段には加熱機構７及び冷却機構８が接続されている。したがって、制御手段は、その設定プログラムを介して温度検出手段の検出温度に基づいて加熱機構７及び冷却機構８を駆動制御し、所望の温度プロファイルに従って試料６の温度を昇降温させることができる。また、この制御手段には撮像手段及びそれぞれに対応するモニタが接続され、制御手段を介して撮像手段の撮像画像をそれぞれのモニタに映し出す。

図１に示すように、上記高温室２上部のドーム型観察窓３にはその内部で加熱処理される試料を撮像する撮像手段としてＣＣＤカメラ２１が設けられている。このようなＣＣＤカメラ２１としては、精密な観察のために、図３のように上部カメラ２１−１および下部カメラ２１−２の組合せとすることが望ましい。各ＣＣＤカメラ２１は、ハウジング１とは別に、あるいはハウジング１に取り付けられた操作機構を供えている。この操作機構の例を図示すると、支持台２２に、支柱２３を立設し、支柱２３から水平方向に首振り自在に取り付けたアーム２４の先端に保持されており、またアーム２４の先端は軸方向に回動可能となっている。したがって、各ＣＣＤカメラ２１は水平移動およびスイング可能であり、適宜の角度で試料６にアプローチすることができる。図において２５はドーム型観察窓３の下部を保護するための金属製放熱リングである。
ＣＣＤカメラ２１はビデオ機能を有し、観察記録を必要に応じて適宜編集できる。これらのＣＣＤカメラ２１のレンズはそれぞれ例えば１０〜１００倍のズーム機能を有し、肉眼では観察し難い小さな試料でも肉眼で観察できる大きさまで拡大して撮像することができる。また、ＣＣＤカメラ２１はドーム型観察窓３を介して試料を撮像するようになっている。ＣＣＤカメラ２１は、試料６を真上から、あるいは所定の傾斜角で撮像するようになっている。したがってＣＣＤカメラ２１を複数台使用し、それぞれに専用のモニタを接続して、これらで撮像された映像をリアルタイムでモニタの画面に映し出すようにすることができる。なお、ドーム型観察窓３によればＣＣＤカメラ２１を適宜位置に自由に配置することができる。

上記ＣＣＤカメラ２１は上述のように操作機構を介して左右方向（以下、「Ｘ方向」と称す。）、前後方向（以下、「Ｙ方向」と称す。）及び上下方向（以下、「Ｚ方向」と称す。）に移動可能であり、試料台５上の試料６を撮像する。

また、上記ドーム型観察窓３にはその内部を照明する照明手段（図示せず）が設けられている。この照明手段としては例えば光ファイバを用いることができる。そして、ＣＣＤカメラ２１によって高温室２内の試料６を撮像するに当たりドーム型観察窓３に装着された光ファイバを介して観察用光源から光を照射し、試料台５上の試料６を照明する。

上記高温室２内で試料６を観察するに当たり、高温室２内を適宜のガス雰囲気に切り換えることができる。これらのガスとしては、空気、窒素ガス、炭酸ガス（ＣＯ₂）、惰性気体等が使用可能である。もちろん、真空雰囲気下で観察できることは云うまでもない。

また、上記制御手段はスーパーインポーズコントローラを有し、観察時の検出温度、測定寸法及び時間をモニタに表示することができる。したがって、ＣＣＤカメラ２１で撮像した撮像画像の一部に検出温度、測定寸法及び時間が表示され、ビデオ編集しても試料の観察結果を評価資料として正しく保存することができる。
図３において３１，３２はそれぞれ冷却室および加熱室の温度制御盤、３３は非常停止スイッチ、３７は安全ロックであり、図４において３４は装置に電源を供給するための電源コネクタ、３５は給気ファンであり、図５において３６は排気ダクトである。

次に、動作について説明する。まず、各種試料６を高温室２内の試料台５上に載置し、ドーム型観察窓３を閉じて高温室２内を密閉する。次いで、ＣＣＤカメラ２１で試料６を撮像し、モニタを介して観察に適したカメラの倍率、ピント、絞り等の諸条件を設定する。その後、ＣＣＤカメラ２１を用いてそれぞれの観察ポイントを決める。次いで、この試料の温度プロファイルを制御手段に設定した後、観察装置の始動スイッチを投入すると、加熱手段７、冷却手段８及び温度検出手段が制御手段に設定された温度プロファイルに従って試料を加熱する。試料温度の上昇に伴って試料の形態が徐々に変化するが、この様子はＣＣＤカメラ２１で克明に撮像し、記録する。ＣＣＤカメラ２１の移動だけでは試料全体を観察できない場合には、操作手段を操作して試料台５を回転あるいはスライドさせることで、試料６全体を確実に観察することができる。また、試料６によっては空気雰囲気ではなく、例えば窒素ガス等の他のガス雰囲気で観察する場合もある。この場合には真空排気手段及び所望のガス供給源を用いてガス置換し、所望のガス雰囲気を作ることができる。

そして、試料６の形態が溶融等に変化し、寸法が変われば、モニタに表示した目盛（スケール）で寸法の変化（変化量）を確認することができる。したがってその後の開発に指針となる資料をこの観察から得ることができ、ビデオ編集によって観察記録を残すこともできる。

この発明の観察装置は、合成樹脂その他の有機化合物、セラミックその他の無機化合物、ハンダその他の金属等の、温度による形態変化を観察するために適宜使用することができる。

この発明の観察装置の内部構造を説明する概略図である。 観察装置の平面図である。 観察装置の正面図である。 観察装置の左側面図である。 観察装置の右側面図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 高温室
３ ドーム型観察
４ 空気層
５ 試料台
６ 試料
７ 加熱機構
８ 冷却機構
９ ヒータ
１１ 通路
１２ 給気路
１３ 排気路
１４ 隔壁
１５ ファン
１６ モータ
１７ 開閉弁
１８ 連通口
２１ ＣＣＤカメラ
２１−１ 上部カメラ
２１−２ 下部カメラ
２２ 支持台
２３ 支柱
２４ アーム
２５ 金属製放熱リング
３１，３２ 温度制御盤
３３ 非常停止スイッチ
３４ 電源コネクタ
３５ 給気ファン
３６ 排気ダクト
３７ 安全ロック

Claims (6)

1. 試料の温度変化を観察する観察装置であって、気密構造の高温室と、この高温室内の中央部に配置され且つ試料を載置する試料台と、この試料台上の試料を加熱、冷却するため高温室に付設された熱風もしくは冷風を供給する加熱手段及び冷却手段と、加熱、冷却される試料の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出結果に基づいて上記加熱手段及び冷却手段を制御する制御手段とを備え、
   上記高温室内の試料を、高温室とは別に設けた加熱手段及び冷却手段により生成した熱風もしくは冷風を供給して昇温もしくは降温させるようにしたことを特徴とする観察装置。
2. 試料の温度変化を観察する観察装置であって、上部にドーム型観察窓を設けた気密構造の高温室と、この高温室内の中央部に配置され且つ試料を載置する試料台と、この試料台上の試料を加熱、冷却するため高温室に付設された熱風もしくは冷風を供給する加熱手段及び冷却手段と、加熱、冷却される試料の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出結果に基づいて上記加熱手段及び冷却手段を制御する制御手段とを備えるとともに、
   上記制御手段で温度制御された上記試料を上記高温室上部に設けられたドーム型観察窓を介して撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像された映像を映し出すモニタとを備えことを特徴とする観察装置。
3. 試料の温度変化を観察する観察装置であって、気密構造の高温室と、この高温室内の中央部に配置され且つ試料を載置する試料台と、この試料台上の試料を加熱、冷却するため高温室に付設された熱風もしくは冷風を供給する加熱手段及び冷却手段と、加熱、冷却される試料の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の検出結果に基づいて上記加熱手段及び冷却手段を制御する制御手段と、
   高温室とこれらの加熱手段及び冷却手段との通路をそれぞれ分割して形成した給気路および排気路と、高温室内のエアを加熱手段及び冷却手段へ送り込んで循環させるようにした排気路部分に設けたファンと、高温室と加熱手段及び冷却手段との通路上に設けた開閉弁と、開閉弁よりも高温室側に設けた連通口とを備えるとともに、
   上記制御手段で温度制御された上記試料を上記高温室上部に設けられたドーム型観察窓を介して撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像された映像を映し出すモニタとを備えことを特徴とする観察装置。
4. ドーム型観察窓を、中間に空気層を介在させた２重ガラスで構成したことを特徴とする請求項２または３に記載の観察装置。
5. 撮像手段が、上記ドーム型観察窓上において自由に観察角度を変えられるようにしたことを特徴とする請求項２ないし３のいずれかに記載の観察装置。
6. 試料台が、上記加熱手段から供給される熱風により輻射熱を発生する部材からなることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の観察装置。
   

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