特開 2023-178856 空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023178856

(43)【公開日】2023-12-18

(54)【発明の名称】空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/71 20060101AFI20231211BHJP

【ＦＩ】

G01N21/71

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022091806

(22)【出願日】2022-06-06

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 公開日 令和４年３月１日 令和４年電気学会全国大会 予稿集， 第４６頁 開催日 令和４年３月２１日（開催期間 令和４年３月２１日～２３日） 令和４年電気学会全国大会 オンライン開催

(71)【出願人】

【識別番号】000173809

【氏名又は名称】一般財団法人電力中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三坂 英樹

(72)【発明者】

【氏名】江藤 修三

(72)【発明者】

【氏名】足立 和郎

【テーマコード（参考）】

2G043

【Ｆターム（参考）】

2G043AA01

2G043AA03

2G043AA06

2G043CA06

2G043EA06

2G043EA10

2G043FA01

2G043HA05

2G043JA01

2G043KA01

(57)【要約】

【課題】フィラー粒子の分布を適切に評価す空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラムを提供する。
【解決手段】樹脂の中にフィラーを含む試料に含まれる各元素に関するスペクトルデータを生成し、前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる所定の特徴元素の強度を取得し、前記特徴元素の強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する。
【選択図】図１３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

樹脂の中にフィラーを含む試料に含まれる各元素に関するスペクトルデータを生成し、
前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる所定の特徴元素の強度を取得し、
前記特徴元素の強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する
ことを特徴とする空間分布評価方法。

【請求項2】

前記試料にレーザーを照射し、
前記レーザーの照射により前記試料がプラズマ化した際のプラズマからの発光による前記スペクトルデータを生成し、
前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる前記特徴元素の発光強度を取得し、
前記特徴元素の強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する
ことを特徴とする請求項１に記載の空間分布評価方法。

【請求項3】

前記特徴元素の強度を基に前記フィラーの濃度を求めて前記フィラーの分布を評価することを特徴とする請求項１に記載の空間分布評価方法。

【請求項4】

前記スペクトルデータに現れる前記特徴元素のピークのうち、他の元素との重なりあいが少なく且つピーク強度が上位のピークを有する波長の強度を、前記特徴元素の強度とすることを特徴とする請求項１に記載の空間分布評価方法。

【請求項5】

前記特徴元素の基準強度を取得して、前記特徴元素の強度と前記基準強度とを比較して前記フィラーの分布を評価することを特徴とする請求項１に記載の空間分布評価方法。

【請求項6】

前記フィラーに含まれる元素以外の前記試料に含まれる比較元素の強度を前記スペクトルデータから取得し、
前記特徴元素の強度と前記比較元素の強度との比を算出して、算出した前記比を基に前記フィラーの分布を評価する
ことを特徴とする請求項１に記載の空間分布評価方法。

【請求項7】

樹脂の中にフィラーを含む試料に含まれる各元素に関するスペクトルデータを受信するスペクトルデータ受信部と、
前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる所定の特徴元素の強度を取得する濃度算出部と、
前記濃度算出部により取得された前記特徴元素の強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する分布評価部と
を備えたことを特徴とする空間分布評価装置。

【請求項8】

樹脂の中にフィラーを含む試料にレーザーを照射してプラズマ化させるレーザー光源と、
前記試料がプラズマ化した際のプラズマから発光された光を分光する分光器と、
前記分光器により分光された光を検出してスペクトルデータを生成する検出器と、
前記検出器により生成されたスペクトルデータを受信するスペクトルデータ受信部、前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる所定の特徴元素の発光強度を取得する濃度算出部及び前記特徴元素の発光強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する空間分布評価部を有する空間分布評価装置と
を備えたことを特徴とする空間分布評価システム。

【請求項9】

樹脂の中にフィラーを含む試料に含まれる各元素に関するスペクトルデータを生成し、
前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる所定の特徴元素の強度を取得し、
前記特徴元素の強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする空間分布評価プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

ナノコンポジット絶縁材料は、エポキシ樹脂などの樹脂材料中へ、アルミナ、チタニア、シリカなどの無機粒子であるフィラーを混入することで、電気的特性や熱的特性など、各種材料特性を向上させることを目的に開発が進められてきた。フィラーは、フィラー粒子とも呼ばれる。特に、近年ではフィラーの粒子サイズを精密にコントロールして、ナノメートルオーダーのナノフィラーとマイクロメートルオーダーのマイクロフィラーとの両方を混在させることで、所望の材料特性を実現できるように、様々な樹脂とフィラーとの組み合わせが検討されている。

【0003】

さらに、近年では、遠心分離装置や可変注型技術を応用して、樹脂材料中のフィラーの分布を精密に傾斜分布させることで、１つのバルク試料中で特性を徐々に変化させた傾斜機能材料（ＦＧＭ：Functionally Graded Materials）も開発されている。

【0004】

以上のいずれのナノコンポジット絶縁材料においても、所望の特性を得て機能性を向上させるためには、フィラーの分布を制御することが重要となり、その分布を適切に評価する方法が強く求められる。例えば、樹脂中でフィラーの凝集などが発生した場合、逆に特性低下するケースも起こり得る。

【0005】

従来、ナノコンポジット絶縁材料中のフィラーの分布を評価する際、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）が主に用いられてきた。ＳＥＭを用いた評価は、材料中の局所的なフィラーの分布と分散とを同時に把握することが可能である。

【0006】

また、コンポジット材料の評価方法として、コンポジット材料の表面に電子線を照射して、発生した二次電子の量を基に導通フィラーを特定し、その分布状態を評価する技術が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１３－１５６１５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、ＳＥＭによる観察を行うためには、試料の適当なサイズへの切断、必要に応じた樹脂中への包埋、観察断面の研磨、及び、真空蒸着装置などを用いた導電化処理などといった様々な処理が必要となる。そのため、実際の製品のように大型かつ複雑な形状を有するようなバルク試料に対しては、ＳＥＭによる観察では、フィラーの分布を評価することが困難である。

【0009】

また、コンポジット材料に電子線を照射してフィラーの分布状態を評価する技術では、導通フィラーを対象としており、導通フィラー以外のフィラーの分布を評価することは困難である。

【0010】

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、フィラーの分布を適切に評価する空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本願の開示する空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラムの一つの態様において、樹脂の中にフィラーを含む試料に含まれる各元素に関するスペクトルデータを生成し、前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる所定の特徴元素の強度を取得し、前記特徴元素の強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する。

【発明の効果】

【0012】

１つの側面では、本発明は、フィラーの分布を適切に評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、実施例に係る空間分布評価システムの構成例を示す図である。

【図2】図２は、試料片及び測定エリアを示す図である。

【図3】図３は、空間分布評価装置のブロック図である。

【図4】図４は、試料片の表面におけるライン上の照射痕の概要を示す平面図である。

【図5】図５は、試料片における照射痕断面の概要を示す断面図である。

【図6】図６は、スペクトルデータの一例を示す図である。

【図7】図７は、各元素とピーク波長との対応関係の一例を示す図である。

【図8】図８は、Ａｌピークに関するレーザー照射回数と発光強度との相関を示す図である。

【図9】図９は、Ａｌピーク及びＴｉピークの関係を示す図である。

【図10】図１０は、レーザー照射回数とＡｌ／Ｔｉ比との相関を示す図である。

【図11】図１１は、各測定エリアでのＡｌ／Ｔｉ比及び推定したＡｌ_２Ｏ_３の含有率を示す図である。

【図12】図１２は、ＸＲＦ装置による分析結果を示す図である。

【図13】図１３は、実施例に係る空間分布評価システムによるフィラーの分布の評価処理のフローチャートである。

【図14】図１４は、空間分布評価装置のハードウェア構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に、本願の開示する空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラムが限定されるものではない。

【実施例0015】

図１は、実施例に係る空間分布評価システムの構成例を示す図である。空間分布評価システム１は、レーザー誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ：Laser Induced Breakdown Spectroscopy）を用いて試料に含まれるフィラー粒子の分布を評価する。ＬＩＢＳは、試料の元素組成を調べるために用いられる分析技術である。

【0016】

本実施例に係る空間分布評価システム１は、空間分布評価装置１０、レーザー光源１１、ミラー１２及び１３、集光レンズ１４、軸外放物面鏡１５、換気装置付容器１６、二軸ステージ１７、光ファイバ１８、分光器１９、並びに、検出器２０を有する。

【0017】

また、試料片２００は、フィラー粒子の分布測定の対象として用いられるナノコンポジット絶縁材料である。図２は、試料片及び測定エリアを示す図である。試料片２００は、例えば、ベース材質がエポキシ樹脂であり、一次粒径が数十μｍであるマイクロフィラーとしてＳｉＯ_２、ＳｒＴｉＯ_３を含み、一次粒径が数十ｍｍであるナノフィラーとしてＡｌ_２Ｏ_３を含む。また、試料片２００のサイズは、１４０ｍｍ×１４０ｍｍ×８ｍｍ厚である。本実施例では、ナノフィラーであるＡｌ_２Ｏ_３を対象として空間分布評価を行う場合で説明する。

【0018】

試料片２００は、測定エリア２０１～２０４で示される部分の表裏の８つの領域それぞれが測定領域とされる。以下では、測定エリア２０１～２０４で示される部分の表裏の領域をそれぞれ、単に測定エリア２０１～２０４と呼ぶ。また、試料片２００における比較エリア２１１及び２１２は、試料片２００を切断した断面の領域であり、測定箇所による影響を検証するための比較箇所となる。

【0019】

レーザー光源１１は、空間分布評価装置１０からの制御にしたがい、半導体レーザー励起固体レーザー光を照射する。半導体レーザー励起固体レーザー光は、例えば、波長が１０６４ｍｍであり、周波数が２０Ｈｚであり、エネルギーが２０ｍＪである。以下では、半導体レーザー励起固体レーザー光を、単に「レーザー光」と呼ぶ。レーザー光源１１は、例えば、図２に示した試料片２００における測定エリア２０１～２０４のそれぞれで５００回ずつレーザー光を照射するように制御される。照射されたレーザー光は、ミラー１２及び１３のそれぞれで反射されて、集光レンズ１４へ入射される。

【0020】

集光レンズ１４は、例えば、焦点距離が３５０ｍｍの平凸レンズを用いることができる。集光レンズ１４は、ミラー１３を介して入射されたレーザー光を集光して試料片２００の表面に照射する。

【0021】

二軸ステージ１７は、試料片２００が設置される。二軸ステージ１７は、試料片２００が設置された状態で、換気装置付容器１６の内部に配置される。そして、二軸ステージ１７は、試料片２００を一方向に２ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させる。これにより、二軸ステージ１７は、一点に向けて照射されるレーザー光の試料片２００に対する照射位置を、試料片２００の表面上でライン状に移動させることができる。また、二軸ステージ１７は、試料片２００を移動させた一方向とは異なる方向に試料片２００を移動させた後に、一方向に移動させることで、試料片２００の表面上の他のラインに沿ってレーザー光の照射位置を移動させることができる。

【0022】

例えば、二軸ステージ１７は、各測定エリア２０１～２０４でスペクトルデータを５００個ずつ取得する場合、各測定エリア２０１～２０４についてそれぞれ１００箇所のレーザー光の照射点を含む５つのラインが形成されるように試料片２００を移動させる。

【0023】

試料片２００は、レーザー光の照射により、表面が僅かに削られる。それにより、試料片２００の表面では、電子励起状態になった試料片２００に存在する原子が電離してプラズマが発生する。そして、発生したプラズマ中の原子やイオンが、基底状態に戻る時に、元素特有の光の波長を放出する。以下では、プラズマから基底状態に戻る際に各元素からの光の放出を、「プラズマからの発光」と呼ぶ。

【0024】

軸外放物面鏡１５は、貫通穴を有する。軸外放物面鏡１５は、例えば、焦点距離が１５２．４ｍｍである。軸外放物面鏡１５は、試料片２００におけるプラズマからの発光による光が入射される。そして、軸外放物面鏡１５は、入射された光を光ファイバ１８の端面に結像させる。

【0025】

光ファイバ１８は、例えば、バンドルファイバを用いることができる。光ファイバ１８は、分光器１９に接続される。光ファイバ１８は、プラズマの発光が結像された光の入力を端面に受ける。そして、光ファイバ１８は、入力された光を分光器１９へ転送する。

【0026】

分光器１９は、ツェルニターナ型分光器である。分光器１９は、例えば、ゲート幅が１０μｓであり、遅延時間が０．１μｓであり、グレーティング刻線数が２４００本である。分光器１９は、プラズマからの発光による光の入力を光ファイバ１８から受ける。そして、分光器１９は、入力された光を波長毎に分光して検出器２０へ出力する。

【0027】

検出器２０は、分光器１９により分光された光の入力を受ける。そして、検出器２０は、波長毎に光を検出して、スペクトルデータを生成する。その後、検出器２０は、生成したスペクトルデータを空間分布評価装置１０へ出力する。

【0028】

空間分布評価装置１０は、スペクトルデータからフィラーに含まれる特徴元素のピークにおける光強度及びフィラーに含まれる元素以外の比較元素のピークにおける光強度の比を求める。そして、空間分布評価装置１０は、求めた比を用いて測定エリア２０１～２０４毎の特徴元素の含有率、すなわちフィラーの濃度を算出して、各測定エリア２０１～２０４におけるフィラー粒子の分布を評価する。以下に、空間分布評価装置１０の詳細について説明する。

【0029】

図３は、空間分布評価装置のブロック図である。空間分布評価装置１０は、図３に示すように、照射制御部１０１、スペクトルデータ受信部１０２、濃度算出部１０３及び空間分布評価部１０４を有する。また、空間分布評価装置１０は、キーボードやマウスなどの入力装置１１１及びモニタなどの表示装置１１２が接続される。

【0030】

照射制御部１０１は、レーザー光源１１を制御して、レーザー光が試料片２００に照射されるタイミングを制御する。例えば、二軸ステージ１７による試料片２００の移動により、測定エリア２０１にレーザー光が照射される位置に試料片２００が移動されると、照射制御部１０１は、レーザー光源１１からのレーザー光の照射を開始させる。そして、照射制御部１０１は、二軸ステージ１７による試料片２００の移動に合わせて、１つのラインで１００回照射されて５つのラインが形成されるようにレーザー光源１１にレーザー光を照射させる。照射制御部１０１は、測定エリア２０２～２０５についても同様にレーザー光をレーザー光源１１に照射させる。

【0031】

ここで、試料片２００へのレーザー光の照射について詳細に説明する。図４は、試料片の表面におけるライン上の照射痕の概要を示す平面図である。また、図５は、試料片における照射痕断面の概要を示す断面図である。

【0032】

例えば、図４において、試料片２００は、矢印Ｐの方向に二軸ステージ１７により移動される。この移動により、試料片２００の表面には、レーザー光の照射によるラインが形成される。

【0033】

レーザー光の照射により試料片２００の表面が削られる。本実施例では、試料片２００における照射面形状を揃えるため、１つのラインについて測定前に２回のレーザー光の走査を行った後に、３回目のレーザー光の走査で得られたスペクトルを分析に用いた。図５における、領域２３１が、１回目のレーザー光の走査により削られた部分である。また、領域２３２が、２回目のレーザー光の走査により削られた部分である。そして、領域２３３が、３回目の走査により削られた領域であり、分析及び評価の対象となる領域である。３回目の走査におけるレーザー光のスポット径２２０は、２５０μｍである。すなわち、この領域２３３の幅Ｗは約２５０μｍである。また、試料片２００の削られる前の表面から領域２３３の底面までの深さは約２０μｍである。

【0034】

図４における、領域２３３におけるレーザー光のスポット径２２０は、領域２３３の幅Ｗに相当し、約２５０μｍである。また、試料片２００の移動速度が２ｍｍ／Ｓであり、レーザー光の照射の繰り返し周波数が２０Ｈｚであることから、１地点当たりレーザー光が２回程度照射される。図４において、領域２２１が１照射分の減耗箇所であり、領域２２２が２照射分の減耗箇所である。

【0035】

スペクトルデータ受信部１０２は、試料片２００の表面へのレーザー光の照射により発生したプラズマからの発光による光のスペクトルデータの入力を検出器２０から受ける。スペクトルデータ受信部１０２は、測定エリア２０１～２０４毎に、５００個のスペクトルデータを取得する。そして、スペクトルデータ受信部１０２は、測定エリア２０１～２０４毎の５００個のスペクトルデータを濃度算出部１０３へ出力する。

【0036】

図６は、スペクトルデータの一例を示す図である。図６は、横軸で光の波長を表し、縦軸で発光強度を表す。図６は、ベース材質がエポキシ樹脂であり、マイクロフィラーとしてＳｉＯ_２、ＳｒＴｉＯ_３を５０ｖｏｌ％含み、ナノフィラーとしてＡｌ_２Ｏ_３を１ｖｏｌ％含む試料片２００のスペクトルデータである。スペクトルデータ受信部１０２は、図６に示されるようなスペクトルデータを５００個、濃度算出部１０３へ出力する。

【0037】

濃度算出部１０３は、測定エリア２０１～２０４毎の５００個のスペクトルデータの入力をスペクトルデータ受信部１０２から受ける。次に、濃度算出部１０３は、定量評価に用いるＬＩＢＳピークを選定する。ここで、濃度算出部１０３は、各元素と発光ピーク波長との対応関係を示すピーク波長情報を保持する。図７は、各元素と発光ピーク波長との対応関係の一例を示す図である。例えば、濃度算出部１０３は、Ｔｉ（チタン）であれば、波長が２６１．１、２６４．７、３３４．２、３９８．２、４５３．４、４８４．１及び５２１．０（ｎｍ）などでピークを有し、Ａｌ（アルミニウム）であれば、波長が３０９．７、３９４．４及び３９６．１（ｎｍ）でピークを有するといった情報を含むピーク波長情報を保持する。以下では、ＡｌのピークをＡｌピークと呼び、ＴｉのピークをＴｉピークと呼ぶ。

【0038】

本実施例では、ナノフィラーはＡｌ_２Ｏ_３であり、Ａｌは試料片２００を構成する他の材料には含まれない。そのため、試料片２００におけるＡｌの分布を推定することで、ナノフィラー粒子の分布を推定することができる。このように評価対象のナノフィラー粒子の分布を推定するための、ナノフィラーに含まれる実際の検出対象の元素を、ここでは「特徴元素」と呼ぶ。また、以下では、ナノフィラーの分布を、ナノフィラー分布と呼ぶ場合がある。

【0039】

濃度算出部１０３は、取得したスペクトルデータにおけるナノフィラーに含まれる特徴元素であるＡｌに由来するピークの発光強度を検出する。ここでは、濃度算出部１０３は、Ａｌ以外の他の元素に由来するピークとの重なりが少なく、且つ、ピーク強度の比較的大きなピークとして、３９６．２ｎｍの波長の発光強度をＡｌピークの発光強度として検出した。

【0040】

ここで、本実施例では、濃度算出部１０３は、３９６．２ｎｍの波長でのピークをＡｌピークとして用いることの指定を予め受ける。ただし、特徴元素の分布の推定に用いるピークの選定は、濃度算出部１０３が自動で行うことも可能である。例えば、濃度算出部１０３は、保持する各元素のピーク波長情報を用いて、試料片２００を構成する材料において、特徴元素以外の他の元素に由来するピークとの重なりが少なく、且つ、ピーク強度の比較的大きなピークを選定すればよい。また、特徴元素の選定も自動で行うことも可能であり、例えば、濃度算出部１０３は、ナノフィラーに含まれる元素のうち、他の元素に由来するピークとの重なりが少なく、且つ、ピークにおける発光強度の比較的大きなピークを有する元素を特徴元素として選定すればよい。

【0041】

ただし、測定により得られたスペクトルデータでは、レーザー照射１回毎のＡｌピークの強度変化に大きなばらつきが発生する。図８は、Ａｌピークに関するレーザー照射回数と発光強度との相関を示す図である。図８は、横軸でレーザー照射回数を表し、縦軸で発光強度を表す。図８に示すように、レーザー照射回数毎のＡｌピークの発光強度は、１８０００～２４０００カウントの範囲で大きくばらつくことがある。そのうえで、測定エリア２０１～２０４におけるＡｌピークの強度変化のばらつきと、比較エリア２１１～２１２におけるＡｌピークの強度変化のばらつきとの間に明確な違いは見られないことから、このばらつきは測定箇所による影響ではないといえる。そこで、レーザー照射回数毎でのばらつきによる影響を抑制するため、濃度算出部１０３は、試料片２００に含まれる他の元素由来のピークとの発光強度の比を用いて濃度を計算する。以下では、特徴元素との比を求める他の元素を、「比較元素」と呼ぶ。

【0042】

ここで、発光強度の比を計算する際、特徴元素及び比較元素のピークの励起に関する上順位のエネルギーはできるだけ近いことが望ましい。これは、発光強度が上順位のエネルギーと強い相関があり、プラズマの温度がばらついた場合に、上順位のエネルギーが近い元素のピークの発光強度に同程度のばらつきが生じるためである。

【0043】

この点、Ａｌピークに近接したピークとしては、Ｔｉ由来のピークが多く存在する。図９は、Ａｌピーク及びＴｉピークの関係を示す図である。図９に示すように、Ｔｉピークの中で波長が３９８．２ｎｍのＴｉピークが、他のピークとの重なりあいが少なく、且つ、Ａｌピークの励起に関する上順位のエネルギーが近いピークである。そこで、本実施例では、Ｔｉを比較元素として、比較元素の検出に用いるピークの波長を３９８．２ｎｍとする。

【0044】

ここで、本実施例では、濃度算出部１０３は、３９８．２ｎｍの波長でのピークをＴｉピークとして用いることの通知を予め受ける。ただし、比較元素及び比較元素の分布の推定に用いるピークの選定についても、濃度算出部１０３が自動で行うことも可能である。例えば、濃度算出部１０３は、特徴元素のピークに近接したピークを多く有する元素を比較元素として決定し、その比較元素のピークの中で他のピークとの重なりあいが少なく、且つ、特徴元素のピークの励起に関する上順位のエネルギーが近いピークを選定すればよい。

【0045】

濃度算出部１０３は、波長が３９８．２ｎｍのＴｉピークを用いて３９６．３ｎｍのＡｌピークとの発光強度の比であるＡｌ／Ｔｉ比を算出する。図１０は、レーザー照射回数とＡｌ／Ｔｉ比との相関を示す図である。図１０に示すように、Ａｌ／Ｔｉ比を用いることで、レーザー照射回数による値のばらつきは小さくなる。

【0046】

また、測定エリア２０１～２０４及び比較エリア２１１～２１２のそれぞれのスペクトルデータから算出したＡｌ／Ｔｉ比からヒストグラムを作成したところ、いずれもガウス分布に概ねしたがう形状が得られる。そして、各エリアのＡｌ／Ｔｉ比のヒストグラムがガウス分布にしたがうことから、Ａｌ／Ｔｉ比の平均をＡｌ／Ｔｉ比の代表値として取り扱うことが可能であるといえる。そこで、Ａｌ／Ｔｉ比の平均を求めてそれぞれを比較したところ、測定エリア２０１～２０４及び比較エリア２１１～２１２のいずれかのＡｌ／Ｔｉ比が大きくなるなどの傾向は確認されなかった。そのため、平均値のばらつきは測定エリア２０１～２０４でのナノフィラーであるＡｌ_２Ｏ_３の分布状態の違いを表すと考えられる。

【0047】

濃度算出部１０３は、各スペクトルデータの全てについてＡｌ／Ｔｉ比を算出する。次に、濃度算出部１０３は、測定エリア２０１～２０４毎にＡｌ／Ｔｉ比の平均を算出する。ここで、プラズマからの発光では多く含まれる元素ほど発光強度が大きくなる。すなわち、この場合の発光強度は、その元素の所定領域当たりの分布、すなわち含有率と考えることができる。さらに、含有率は濃度であるので、濃度算出部１０３は、特徴元素の発光強度から濃度を算出することができる。

【0048】

そこで、濃度算出部１０３は、測定エリア２０１～２０４毎のＡｌ／Ｔｉ比から得られるＡｌの分布を、各測定エリア２０１～２０４におけるナノフィラーであるＡｌ_２Ｏ_３の分布、すなわち含有率として求める。図１１は、各測定エリアでのＡｌ／Ｔｉ比及び推定したＡｌ_２Ｏ_３の含有率を示す図である。濃度算出部１０３は、例えば、測定エリア２０１～２０４の８つそれぞれについて、図１１に示すＡｌ／Ｔｉ比を算出する。

【0049】

次に、濃度算出部１０３は、全てのスペクトルデータから得られたＡｌ／Ｔｉ比の全平均を算出して、Ａｌ_２Ｏ_３のナノフィラーを１ｖｏｌ％充填時のＡｌ／Ｔｉ比の基準値とする。ここで、本実施例では、濃度算出部１０３は、試料片２００の測定エリア２０１～２０４におけるＡｌ／Ｔｉ比の全平均をＡｌ／Ｔｉ比の基準値としたが、基準値はこれに限らない。例えば、標準試料があれば、濃度算出部１０３は、その標準試料を用いた検量線を基に決定されるＡｌ／Ｔｉ比の基準値を用いてもよい。また、過去の統計情報があれば、濃度算出部１０３は、統計情報を用いてＡｌ／Ｔｉ比の基準値を算出してもよい。

【0050】

次に、濃度算出部１０３は、各測定エリア２０１～２０４において取得したＡｌ／Ｔｉ比の平均値とＡｌ／Ｔｉ比の基準値との偏差を算出する。例えば、濃度算出部１０３は、図１１における推定Ａｌ_２Ｏ_３含有率として表される値を測定エリア２０１～２０４それぞれの偏差として算出する。そして、濃度算出部１０３は、算出した偏差を用いて各測定エリア２０１～２０４におけるＡｌ_２Ｏ_３のナノフィラー分布を評価する。例えば、各測定エリア２０１～２０４で偏差にほぼ偏りが無ければ、濃度算出部１０３は、各測定エリア２０１～２０４にナノフィラーが均等に分布しておりばらつきが小さいと判定する。また、各測定エリア２０１～２０４のうち偏差が他のエリアと大きく異なるエリアがある場合、濃度算出部１０３は、そのエリアの分布が他のエリアの分布と異なっておりばらつきが大きいと判定する。その後、濃度算出部１０３は、評価結果を表示装置１１２へ送信して表示させることで、利用者に評価結果を通知する。

【0051】

本実施例では、濃度算出部１０３は、図１１に示すように測定エリア２０１～２０４それぞれの推定Ａｌ_２Ｏ_３含有率を、０．９６～１．０４ｖｏｌ％として算出した。この結果により、濃度算出部１０３は、試料片２００におけるＡｌ_２Ｏ_３のナノフィラー粒子は、分布のばらつきが小さく且つ空間分布が試料片２００のスケールで均一であると推定する。本実施例では、試料片２００のスケールは、測定に用いたラインの間隔であるｍｍスケールから試料片２００の全体のｃｍスケールの範囲である。

【0052】

なお、本実施例に係る空間分布評価装置１０によるＬＩＢＳを用いたナノフィラー分布の評価では、数十ｎｍの一次粒子の集まりであるナノフィラーの凝集の有無、すなわちナノフィラーの分散性については、空間分解能の面から評価することが困難である。ナノフィラーの分散性の評価については、既存のＳＥＭ観察などにより実施されることが好ましい。

【0053】

ここで、本実施例に係る空間分布評価装置１０によるナノコンポジット絶縁材料中のナノフィラー分布の評価の妥当性を検証するため、ＸＲＦ（X－Ray Fluorescence）装置を用いて、同じ試料片２００の分析を行った。ＸＲＦで得られる情報は、検出された各元素のｗｔ％である。そこで、この場合にもＡｌ／Ｔｉ質量比を算出して、それらの平均値に対する偏差によりＡｌ_２Ｏ_３含有率を算出した。

【0054】

図１２は、ＸＲＦ装置による分析結果を示す図である。ＸＲＦ装置を用いた測定では、図１２に示すように、Ａｌ／Ｔｉ質量比は０．１９８～０．２３０と見積もられ、全８箇所の結果により算出した平均値に対する偏差は±１０％以内となった。Ｘ線は測定対象物の密度によって透過性が異なる特性を持つことから、ＸＲＦはフィラー粒子量の多寡により検出深さが変化するため、ナノフィラー分布の定量的な評価に用いることは困難である。ただし、測定箇所毎に検出深さに関するばらつきがあったことを仮定しても、Ａｌ／Ｔｉ質量比のばらつきの範囲は大きいが、概ね本実施例に係る空間分布評価装置１０によるナノフィラー分布の評価結果と対応する結果が得られた。このことから、本実施例に係る空間分布評価装置１０の評価結果は妥当と考えられる。

【0055】

図１３は、実施例に係る空間分布評価システムによるフィラー分布の評価処理のフローチャートである。次に、図１３を参照して、空間分布評価システム１によるフィラー分布の評価処理の流れについて説明する。

【0056】

レーザー光源１１は、空間分布評価装置１０の照射制御部１０１からの制御を受けて、レーザー光を照射する（ステップＳ１）。

【0057】

レーザー光源１１から照射されたレーザーは、ミラー１２及び１３を経由して集光レンズ１４に入射し、集光されて試料片２００の表面に照射される。試料片２００は、レーザーの照射を表面に受けて、試料片２００に存在する原子が電離してプラズマが発生する。そして、発生したプラズマの原子やイオンが基底状態に戻るときに元素特有の光の波長を放出することで、プラズマからの発光が発生する（ステップＳ２）。

【0058】

プラズマからの発光により発生した光は、軸外放物面鏡１５を経由して光ファイバ１８の端面に結像する。光ファイバ１８は、軸外放物面鏡１５から入力された光を分光器１９へ転送する。分光器１９は、分光器１９は、光ファイバ１８から入力された光を波長毎に分光して検出器２０へ出力する（ステップＳ３）。

【0059】

検出器２０は、分光器１９により分光された光の入力を受ける。そして、検出器２０は、波長毎に光を検出して、スペクトルデータを生成する（ステップＳ４）。その後、検出器２０は、生成したスペクトルデータを空間分布評価装置１０へ出力する。

【0060】

空間分布評価装置１０の照射制御部１０１は、全ての測定エリア２０１～２０４における全ラインの走査が終了したか否かを判定する（ステップＳ５）。実行する走査が残っている場合（ステップＳ５：否定）、照射制御部１０１は、次の走査を行わせるようにレーザー光源１１を制御する。そして、評価処理はステップＳ１へ戻る。

【0061】

これに対して、全ての走査が終了した場合（ステップＳ５：肯定）、空間分布評価装置１０のスペクトルデータ受信部１０２は、スペクトルデータを検出器２０から受信して、濃度算出部１０３へ出力する。濃度算出部１０３は、取得したスペクトルデータから評価対象のフィラーに含まれる特徴元素の所定の波長を有するピークの発光強度を取得する（ステップＳ６）。

【0062】

次に、濃度算出部１０３は、取得したスペクトルデータから評価対象のフィラーに含まれる元素以外の所定の比較元素の特定の波長を有するピークの発光強度を取得する（ステップＳ７）。

【0063】

次に、濃度算出部１０３は、特徴元素のピークの発光強度と比較元素のピークの発光強度との比を算出する（ステップＳ８）。

【0064】

次に、濃度算出部１０３は、算出した全ての比の平均を算出して比の基準値を算出する（ステップＳ９）。

【0065】

次に、濃度算出部１０３は、測定エリア２０１～２０４毎の比の平均を算出する（ステップＳ１０）。

【0066】

次に、濃度算出部１０３は、比の基準値と測定エリア２０１～２０４毎の比の平均との偏差から、測定エリア２０１～２０４毎のフィラーの推定含有率を算出する（ステップＳ１１）。その後、濃度算出部１０３は、算出した測定エリア２０１～２０４毎のフィラーの推定含有率の情報を空間分布評価部１０４へ出力する。

【0067】

空間分布評価部１０４は、測定エリア２０１～２０４毎のフィラーの推定含有率の情報の入力を濃度算出部１０３から受ける。そして、空間分布評価部１０４は、測定エリア２０１～２０４毎のフィラーの推定含有率を比べて、測定エリア２０１～２０４毎のフィラー粒子の分布を評価する（ステップＳ１２）。

【0068】

その後、空間分布評価部１０４は、評価結果を表示装置１１２へ送信して表示させることで、利用者に評価結果を通知する（ステップＳ１３）。

【0069】

以上に説明したように、本実施例に係る空間分布評価システムは、ＬＩＢＳを用いて各測定エリアにおけるスペクトルデータを取得する。そして、空間分布評価システムは、スペクトルデータからフィラーに含まれる特徴元素のピークにおける光強度及びフィラーに含まれる元素以外の比較元素のピークにおける光強度の比を求め、求めた比を用いて測定エリア毎の特徴元素の含有率、すなわちフィラーの濃度を算出して、各測定エリアにおけるフィラー粒子の分布を評価する。

【0070】

これにより、一定体積中に含まれるナノフィラー粒子の総量を濃度として捉え、空間分布評価を行うことが可能となる。また、試料の適当なサイズへの切断、必要に応じた樹脂中への包埋、観察断面の研磨、及び、真空蒸着装置などを用いた導電化処理などといった様々な処理を行わなくても良くなり、フィラー粒子の空間分布評価を容易に行うことができる。また、大型な形状や複雑な形状の試料であっても容易に分布の評価を行うことができる。さらに、２つの元素の比を用いることで、測定毎の光強度の変動を軽減することができ、より正確な空間分布評価を行うことが可能となる。さらに、測定したスペクトルデータから得られる光強度の平均値を分布の基準値として、基準値との偏差を用いて分布の評価を行うことで、含有率が未知のフィラーであっても分布を評価することが可能となる。

【0071】

ここで、本実施例では、特徴元素と比較元素とのピークの高さにあたる発光強度の比を用いて分散を評価したが、他にも、濃度分析装置は、特徴元素に由来するピークの高さ、あるいはピークにおける発光強度の積算値であるピークの面積、及び参照ピークとの面積比を用いて分散を評価してもよい。また、本実施例ではナノフィラー分布の評価を行う場合について説明したが、本実施例に係る空間分布評価システムは、同様の方法によりマイクロフィラーやその他の複合材料中の分散剤（例えば、ガラス繊維強化プラスチック中のガラス）のように、母材と元素組成が異なる内包物の分布の評価を行うことも可能である。

【0072】

さらに、本実施例では、ＬＩＢＳを用いて空間分布評価を行ったが、他の方法を用いて各元素のスペクトルを取得して同様に空間分布評価を行うことも可能である。例えば、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ）を用いてもよい。その場合、ＸＲＦ顕微鏡や可搬型ＸＲＦにてある程度局所の元素スペクトルを取得可能であり、その取得した元素スペクトルから上述した方法で空間分布評価を行うことも可能である。また、ラマン分光法を用いてもよい。その場合、化学結合のスペクトルを取得することができ、フィラーに由来する化学結合ピークの高さを特徴元素に由来するピーク高さとして取り扱うことにより、上述した方法で空間分布評価を行うことも可能である。この場合も、大規模サンプルを前処理無く迅速に測定可能である。

【0073】

（ハードウェア構成）
図１４は、空間分布評価装置のハードウェア構成の一例を示す図である。図１４に示すように、空間分布評価装置１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１、メモリ９２、ハードディスク９３及びネットワークインタフェース９４を有する。ＣＰＵ９１は、バスを介して、メモリ９２、ハードディスク９３及びネットワークインタフェース９４と接続される。

【0074】

ネットワークインタフェース９４は、空間分布評価装置１０と外部装置との通信のインタフェースである。ネットワークインタフェース９４は、例えば、ＣＰＵ９１と検出器２０との間の通信を中継する。

【0075】

ハードディスク９３は、補助記憶装置である。ハードディスク９３は、例えば、スペクトルデータを格納する。また、ハードディスク９３は、照射制御部１０１、スペクトルデータ受信部１０２、濃度算出部１０３及び空間分布評価部１０４の機能を実現するためのプログラムを含む各種プログラムを格納する。

【0076】

メモリ９２は、主記憶装置である。メモリ９２は、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）を用いることができる。

【0077】

ＣＰＵ９１は、ハードディスク９３に格納された各種プログラムを読みだして、メモリ９２に展開して実行する。これにより、ＣＰＵ９１は、スペクトルデータ受信部１０２、濃度算出部１０３及び空間分布評価部１０４の機能を実現する。

【符号の説明】

【0078】

１ 空間分布評価システム
１０ 空間分布評価装置
１１ レーザー光源
１２，１３ ミラー
１４ 集光レンズ
１５ 軸外放物面鏡
１６ 換気装置付容器
１７ 二軸ステージ
１８ 光ファイバ
１９ 分光器
２０ 検出器
１０１ 照射制御部
１０２ スペクトルデータ受信部
１０３ 濃度算出部
１０４ 空間分布評価部
１１１ 入力装置
１１２ 表示装置
２０１～２０４ 測定エリア
２１１，２１２ 比較エリア

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】