JP3845732B2

JP3845732B2 - リニア駆動式試料切削面計測方法及び装置

Info

Publication number: JP3845732B2
Application number: JP2004035857A
Authority: JP
Inventors: 俊郎樋口; 謙一工藤; 茂也多田
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP2005227113A

Description

本発明は、リニア駆動式試料切削面計測方法及び装置に係り、特にリニア駆動式スライサ及びその切削面計測装置に関するものである。

従来のスライサとしては、主に回転式スライサが用いられている。

図７はかかる従来の回転式スライサの模式図である。

この図において、１０１はステージ、１０２は回転刃、１０３は回転刃１０２を駆動するＡＣモータ、１０４は試料、１０５は試料１０４の冷却板、１０６は試料１０４を上昇させるステッピングモータ、１０７はＡＣモータ１０３及びステッピングモータ１０６を制御する制御装置、１０８は試料１０４の断面を測定する顕微鏡、１０９はＣＣＤカメラ、１１０はＣＣＤカメラ１０９に接続される試料断面記録装置、１１１は試料断面記録装置１１０に接続される画像処理用コンピュータである。

このように、ステージ１０１上に押し上げられた試料１０４の上部を回転刃１０２の回転駆動により切削（スライス）して、その試料面１０４Ａを露出させて、その試料面１０４Ａを顕微鏡１０８で観測してその画像情報を取り出し、試料面１０４Ａの３次元画像の立体構築を行うようにしている。これに関連する技術としては、本願発明者の提案である下記の特許文献１〜５などに開示されている。
特公平７−１０９３８４号公報特開平８−０３５９２１号公報特開平９−１４５５５９号公報特開平９−２４３５６１号公報特開平１１−１１８６７９号公報

しかしながら、従来の回転式スライサの問題点としては、以下のようなことが挙げられる。

（１）試料の幅が大きく、回転刃の回転半径が小さいほど、その試料面の内外で切削速度差が大きくなり、均一な切削面が得られない。

（２）回転刃は回転軸を固定側として片持梁の構造となっており、回転半径が長くなるほど、刃先先端の撓みによる変位が大きくなり、良好な切削面が得られない。そこで、これを防ぐために回転刃の断面二次モーメントを大きくしなければならず、回転刃の板厚が必然的に厚くなってしまう。

（３）回転刃の板厚が厚くなると、顕微鏡の対物レンズと試料の間を回転刃が通過するため、作動距離を長くとらなければならず、対物レンズの倍率を高くできない。

（４）モータを動力源に、減速器を介して回転刃を駆動させるようにしているため、機械的損失が大きく、出力の大きなモータを用いないと回転刃先の速度と切削力の両立が困難である。

（５）試料の形状のうちで一番長い方向を試料送り方向にしているため、長い試料では切削回数が非常に多くなる。

本発明は、上記状況に鑑みて、簡便で、小型であり、しかも良好な試料面情報を得ることができるリニア駆動式試料切削面計測方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕リニア駆動式の移動体に切削刃とイメージスキャナーを装着し、前記切削刃により試料の上面を切削し、新たな切削面を生成し、その切削面をイメージスキャナーにより読み取るリニア駆動式試料切削面計測方法であって、前記リニア駆動式の移動体は往路と復路を移動し、前記往路で前記切削刃により前記試料の上面を切削し、それにより生成された新たな切削面を前記復路で前記イメージスキャナーにより読み取ることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のリニア駆動式試料切削面計測方法において、前記リニア駆動式の移動体の移動速度を前記往路では高速とし、前記復路では前記往路の移動速度より遅くして、前記イメージスキャナーにより精細な画像を取得することを特徴とする。

〔３〕リニア駆動式試料切削面計測装置において、試料が固定される試料固定部と、前記試料を送る試料送り機構と、前記試料固定部の両側に配置されるスライドレールと、切削刃と、イメージスキャナーと、前記切削刃と前記イメージスキャナーを一体化するとともに、前記スライドレールに沿って往復するリニア駆動式の移動体とを備え、前記切削刃により切削された前記試料の切削面を前記イメージスキャナーにより読み取るとともに、前記リニア駆動式の移動体の移動速度を往路と復路で異なるように制御可能にすることを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

（１）本発明のリニア駆動式試料切削面計測装置（リニア式スライサ）では、試料面での切削速度差が生じないため、均一な試料の切削面が得られる。

（２）本発明のリニア駆動式試料切削面計測装置（リニア式スライサ）では、試料に近い両端に剛性の高いスライダを用いるため、短い両端固定梁の構造となり、梁の板厚が薄くても、刃先の撓みを少なくすることができ、良好な切削面を得ることが容易である。

（３）本発明のリニア駆動式試料切削面計測装置（リニア式スライサ）では、梁の板厚を薄くできるため、作動距離を短くでき、高倍率の対物レンズを用いることができる。

（４）本発明のリニア駆動式試料切削面計測装置（リニア式スライサ）では、機械的損失の少ないリニアモータを用いることができるため、刃先の速度と切削力の両立が容易である。また、従来の回転式スライサのように減速器を必要とせず、装置の大きさが回転半径に依存しないため、コンパクトにできる。また、リニアモータは加減速が容易であるため、好みのタイミングで切削でき、露光時間は切削速度に依存しない。

（５）本発明のリニア駆動式試料切削面計測装置（リニア式スライサ）では、直線的に往復運動を繰り返しながら切削を行う。この往復運動は、切削工程と戻り工程に分けられ、切削工程で試料を切削し、戻り工程で走査型の画像取得装置で切削面の情報を読み取ることによって、１往復で試料の切削と切削面の画像取得を行うことができる。

（６）本発明のリニア駆動式試料切削面計測装置（リニア式スライサ）では、試料の一番長い方向を切削方向にすることができ、かつ試料の一番薄い方向を試料送り方向にできるため、回転式スライサに比べ切削回数を非常に少なくすることができる。

（７）本発明のリニア駆動式試料切削面計測装置（リニア式スライサ）では、カッターマークがまっすぐにできるため、カッターマークによる観察不良を少なくできる。

試料が固定される試料固定部と、前記試料を送る試料送り機構と、前記試料固定部の両側に配置されるスライドレールと、切削刃と、イメージスキャナーと、前記切削刃と前記イメージスキャナーを一体化するとともに、前記スライドレールに沿って往復するリニア駆動式の移動体とを備え、前記切削刃により切削された試料の切削面を前記イメージスキャナーにより読み取る。よって、簡便で、小型であり、しかも良好な試料面情報を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示すリニア式スライサの要部斜視図、図２はそのリニア式スライサを用いた計測装置のシステム構成図である。

図１において、１は試料、２は試料固定部、３は試料固定部２の両側に配置されるスライドレール、４は切削刃、５は切削刃４の保持体、６はイメージスキャナー〔例えば、富士通（株）製、ＲＳ−Ｃ４０Ｕ、表現色１６７７万色、解像度６００ｄｐｉ〕、７はそのイメージスキャナー６と切削刃の保持体５とを一体にした移動体、７Ａは切削片を収納するカバーである。

このリニア式スライサを用いた計測装置のシステムは、図２のように構成されている。すなわち、上記した移動体７はリニアモータ〔例えば、日本トムソン（株）製、ＬＴ１００ＣＧＳ−２００／Ｉ０，分解能１μｍ、最高速度２ｍ／ｓ〕８の一部を構成しており、このリニアモータ８は、リニアモータ移動子８Ａとリニアモータ固定子８Ｂからなっている。９は試料送り機構（例えば、上記特許文献５参照）、１０は試料送り機構９に接続されるステージドライバ、１１はリニアモータ８に接続されるリニアモータドライバ、１２はコンピュータ（制御・情報処理装置）である。このコンピュータ１２は、ステージドライバ１０、リニアモータドライバ１１、イメージスキャナー６に接続されており、リニアモータ８および試料送り機構９からの情報を入力し、各部の同期をとってそれらを制御することができる。

そこで、１往復で切削刃４によるスライス作業とイメージスキャナー６によるスキャンニングを行い、繰り返し駆動することによって試料１の断面画像を連続的に取得することができる。

図３はそのリニア式スライサを用いた計測装置の動作の説明図である。

（１）図３（ａ）に示すように、まず、移動体７は右端（原点位置）に停止している。

（２）そこで、移動体７はリニアモータ８の駆動により、図３（ｂ）に示すように、高速で左側に移動し、試料固定部２の試料１の上部を切削刃４で切削する。それにより、観察すべき試料１の切削面が現れる。その際の切削刃４の切削速度は例えば１００ｍｍ／ｓである。

（３）次に、図３（ｃ）に示すように、移動体７は左端に停止する。

（４）次に、図３（ｄ）に示すように、移動体７は右方へと戻り、試料固定部２の試料１の位置に至ると、往路で切削された観察すべき試料１の切削面の情報をイメージスキャナー（ラインセンサ）６で読み取る。その際のイメージスキャナー（ラインセンサ）６による試料１上のスキャン速度は、例えば３０ｍｍ／ｓである。

（５）最後に、図３（ｅ）に示すように、移動体７は右端（原点位置）に停止する。

試料固定部２の試料１を順次送りながら、この工程を繰り返すことにより、試料固定部２の試料１の切削面の情報を連続的に読み取ることができる。

このように、往路では高速に移動体７を移動させ、切削刃４で試料固定部２の試料１を切削することにより、的確な切削面を提供することができ、復路ではその移動体７の速度を往路のそれよりは落としてイメージスキャナー（ラインセンサ）６の計測に適した速度で移動させ、その試料固定部２の試料１の切削面の情報を的確に読み取ることができる。

図４は本発明のリニア式スライサ機構と従来の回転式スライサ機構とを比較した図である。

この図において、本発明のリニア式スライサ機構１５の占有面積はＡであり、従来の回転式スライサ機構１６の占有面積はＢである。

この図から明らかなように、本発明のリニア式スライサ機構１５の占有面積Ａの方が従来の回転式スライサ機構１６の占有面積Ｂより、３５％以上少なく、本発明のリニア式スライサ機構１５の方がコンパクトに構築することができる。

以下、本発明のリニア式スライサを用いた計測装置の性能評価について説明する。

まず、本発明による試料の画像評価について説明する。ここでは、イメージスキャナーとＣＣＤカメラで試料画像をそれぞれ取得し比較して評価する。実験条件は、試料をスライスする厚さを２０μｍ、スライス時の切削刃（すくい角５０°、逃げ角１５°、引き角３０°）の速度を１５０ｍｍ／ｓ、イメージスキャナー（１６７７万色、６００ｄｐｉ）のスキャン速度を３０ｍｍ／ｓで行った。

そして、図５（ａ）に示すように、試料としてのクレヨン２１をパラフィン２２に包埋して、図５（ｂ）に示すように、切削刃２３でそのクレヨン２１およびパラフィン２２を切削して切削断面２４を生成する。これを、図５（ｃ）に示すように、上面から見ると、切削断面２４にはクレヨン断面２１Ａが現れる。

図６（ａ）は、このようにして得られたクレヨン断面２１Ａのイメージスキャナーによる断面画像、図６（ｂ）は同じくクレヨン断面２１ＡのＣＣＤカメラによる断面画像を示している。ここでは、実験条件として、周囲の照明の外乱を省くため暗室で実験した。

図６（ａ）のイメージスキャナーにより取得した断面画像によれば、（１）パラフィン部分が黒く映し出されている、（２）切削面の凹凸が目立たない、（３）上下左右に照明斑がない、という特徴が見られる。つまり、切削斑、照明斑によるスライス断面画像の輝度の不均一さや色彩斑は確認されなかった。

これに対して、図６（ｂ）のＣＣＤカメラにより取得した断面画像によれば、（１）パラフィン内で光が乱反射し全体が白く映し出されている、（２）切削面の凹凸が影を作り切削斑が目立つ、（３）放射状の照明斑ができており、色彩斑がある、という特徴が見られる。

このように、従来の装置で使用されていたＣＣＤカメラに代わり、イメージスキャナーを用いたことにより、照明が観察面を均一に照らすため照明斑がなく、スライス断面画像の輝度の不均一さや色彩斑が低減した。

また、２本のスライドレールを用いた直動機構は、従来の装置で用いられていた回転刃のような片持梁ではなく、両端支持梁であるため剛性を高くでき、切削斑をさらに低減できる。

さらに、直動機構とイメージスキャナーを組み合わせることによって小型化が可能になった。

上記したように本発明のリニア式スライサでは、直線的に往復運動を繰り返しながら切削を行う。この往復運動は、往路工程と復路工程に分けられ、往路工程で試料を切削し、復路工程で走査型の画像取得装置で切削面の情報を読み取ることによって、１往復で試料の切削と切削面の画像取得を行うことができる。

また、本発明のリニア式スライサでは、イメージスキャナーとＣＣＤカメラの同時使用も可能である。

なお、ＣＣＤカメラによる可視化手法においては、試料に対する照明を均一にする、試料のＣＣＤカメラに対する角度を一定に保つ、などの作業に熟練を要し、安定した計測が困難であるため、取り扱いが簡便で、常に一定の条件で対象をスキャンするイメージスキャナーに着目し、任意波長におけるサンプルのスキャンを安定して行う「マルチバンドイメージスキャナー」が提案されている（蔦端樹、一ノ瀬修一、小川紋弘、杉山純一、相良泰行、「マルチバンドイメージスキャナーによるメロンの糖度分布の可視化」、第１９回非破壊計測シンポジウム講演要旨集、ｐｐ．１６０−１６１、２００３参照）が、本発明におけるイメージスキャナーとして、このようなマルチバンドイメージスキャナーを用いることができることは言うまでもない。

さらに、従来の回転式スライサでは、試料の一番長い方向を試料送り方向にしており、長い試料では切削回数が非常に多かったが、本発明のリニア式スライサでは、試料の一番長い方向を切削方向にでき、且つ試料の一番薄い方向を試料送り方向にできるため、回転式スライサに比べ切削回数を非常に少なくすることができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のリニア駆動式試料切削面計測方法及び装置は、良好な試料面情報を得ることができる試料切削面を得る装置として広く利用可能である。

本発明の実施例を示すリニア式スライサの要部斜視図である。本発明の実施例を示すリニア式スライサを用いた計測装置のシステム構成図である。本発明の実施例を示すリニア式スライサを用いた計測装置の動作の説明図である。本発明のリニア式スライサ機構と従来の回転式スライサ機構とを比較した図である。本発明による試料の画像評価のための試料を示す図である。本発明による試料の画像評価の結果を示す図である。従来の回転式スライサの模式図である。

符号の説明

１試料
２試料固定部
３スライドレール
４，２３切削刃
５切削刃の保持体
６イメージスキャナー
７移動体
７Ａカバー
８リニアモータ
８Ａリニアモータ移動子
８Ｂリニアモータ固定子
９試料送り機構
１０ステージドライバ
１１リニアモータドライバ
１２コンピュータ（制御・情報処理装置）
１５リニア式スライサ機構
２１クレヨン（試料）
２１Ａクレヨン断面
２２パラフィン
２４切削断面

Claims

リニア駆動式の移動体に切削刃とイメージスキャナーを装着し、前記切削刃により試料の上面を切削し、新たな切削面を生成し、その切削面をイメージスキャナーにより読み取るリニア駆動式試料切削面計測方法であって、前記リニア駆動式の移動体は往路と復路を移動し、前記往路で前記切削刃により前記試料の上面を切削し、それにより生成された新たな切削面を前記復路で前記イメージスキャナーにより読み取ることを特徴とするリニア駆動式試料切削面計測方法。
請求項１記載のリニア駆動式試料切削面計測方法において、前記リニア駆動式の移動体の移動速度を前記往路では高速とし、前記復路では前記往路の移動速度より遅くして、前記イメージスキャナーにより精細な画像を取得することを特徴とするリニア駆動式試料切削面計測方法。
（ａ）試料が固定される試料固定部と、
（ｂ）前記試料を送る試料送り機構と、
（ｃ）前記試料固定部の両側に配置されるスライドレールと、
（ｄ）切削刃と、
（ｅ）イメージスキャナーと、
（ｆ）前記切削刃と前記イメージスキャナーを一体化するとともに、前記スライドレールに沿って往復するリニア駆動式の移動体とを備え、
（ｇ）前記切削刃により切削された前記試料の切削面を前記イメージスキャナーにより読み取るとともに、前記リニア駆動式の移動体の移動速度を往路と復路で異なるように制御可能にすることを特徴とするリニア駆動式試料切削面計測装置。