特許 7522313 粒子解析装置および粒子解析方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-16

(45)【発行日】2024-07-24

(54)【発明の名称】粒子解析装置および粒子解析方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/22 20060101AFI20240717BHJP

   G01N 23/2251 20180101ALI20240717BHJP

   G01N 15/0227 20240101ALI20240717BHJP

【ＦＩ】

H01J37/22 502H

G01N23/2251

G01N15/0227 110

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2023525250

(86)(22)【出願日】2021-06-02

(86)【国際出願番号】 JP2021021042

(87)【国際公開番号】W WO2022254620

(87)【国際公開日】2022-12-08

【審査請求日】2023-11-07

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松本 絵里乃

(72)【発明者】

【氏名】久田 明子

(72)【発明者】

【氏名】大南 祐介

(72)【発明者】

【氏名】平野 遼

【審査官】大門 清

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－８７３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２６９４８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２６８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００７５２８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１３８８７４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／２２

Ｇ０１Ｎ ２３／２２５１

Ｇ０１Ｎ １５／０２２７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１つ以上の粒子を解析する粒子解析装置であって、
前記粒子解析装置は、複数の動作パターンのいずれかで動作可能であり、前記複数の動作パターンは、
第１時間で調製された１つ以上の粒子の画像を第１倍率で取得した後に、単一の粒子の形態が第１基準を満たしているかを判定する第１動作パターンと、
前記第１時間で調製された複数の粒子の画像を取得した後に、前記複数の粒子の明るさおよび面積が第２基準を満たしているかを判定する第２動作パターンと、
前記第１時間より長い第２時間で調製された複数の粒子の画像を、前記第１倍率より低い第２倍率で取得した後に、前記複数の粒子の数が第３基準を満たしているかを判定する第３動作パターンと、
を含む粒子解析装置。

【請求項2】

請求項１に記載の粒子解析装置であって、前記画像を取得する電子顕微鏡を備える、粒子解析装置。

【請求項3】

請求項２に記載の粒子解析装置であって、
前記１つ以上の粒子を濃縮することによって試料を作製する観察試料作製装置と、
前記第１基準、前記第２基準および前記第３基準を表す情報を格納するデータベースと、
前記判定の結果を表示するディスプレイと、
を備える粒子解析装置。

【請求項4】

請求項１に記載の粒子解析装置であって、
前記粒子解析装置は、観察倍率および粒子サイズを取得し、
前記粒子解析装置は、前記観察倍率をＭ倍とし、前記粒子サイズをＤマイクロメートルとし、比例定数をＫとして、Ｍ＝Ｋ／Ｄとしたときに、
Ｋ＞５０００である場合には、前記第１動作パターンで動作し、
５００＜Ｋ＜５０００である場合には、前記第２動作パターンで動作し、
Ｋ＜５００である場合には、前記第３動作パターンで動作する、
粒子解析装置。

【請求項5】

請求項１に記載の粒子解析装置であって、前記１つ以上の粒子は、アルコールまたは金属を含む染色剤を用いて処理された粒子である、粒子解析装置。

【請求項6】

請求項１に記載の粒子解析装置であって、前記粒子解析装置は、前記１つ以上の粒子に液体を分注し、画像取得範囲全体において前記液体をろ過することにより、前記１つ以上の粒子を前記画像取得範囲にわたって分散させる、粒子解析装置。

【請求項7】

請求項１に記載の粒子解析装置であって、
前記粒子解析装置はデータベースを備え、
前記データベースは、
前記第１基準、前記第２基準および前記第３基準を表す情報と、
前記第１基準、前記第２基準および前記第３基準に関連する判定を行うためのプログラムと、
を格納する、粒子解析装置。

【請求項8】

請求項７に記載の粒子解析装置であって、
前記粒子解析装置は、通信ネットワークを介して外部のコンピュータと接続され、
前記粒子解析装置は、前記外部のコンピュータから、
前記第１基準、前記第２基準または前記第３基準を表す情報、または、
前記第１基準、前記第２基準または前記第３基準に関連する判定を行うためのプログラム、
を取得する、粒子解析装置。

【請求項9】

請求項１に記載の粒子解析装置であって、
前記第２動作パターンにおいて、前記画像は、前記第１倍率より低く前記第２倍率より高い中間倍率で取得される、粒子解析装置。

【請求項10】

請求項３に記載の粒子解析装置であって、
前記ディスプレイは、
前記１つ以上の粒子の種類および状態を入力するための粒子パラメータ入力部と、
前記判定の結果を表示するための結果表示部と、
を表示する、粒子解析装置。

【請求項11】

１つ以上の粒子を解析する粒子解析方法であって、
前記粒子解析方法は、複数の動作パターンのいずれかで実行可能であり、前記複数の動作パターンは、
第１時間で調製された１つ以上の粒子の画像を第１倍率で取得した後に、単一の粒子の形態が第１基準を満たしているかを判定する第１動作パターンと、
前記第１時間で調製された複数の粒子の画像を取得した後に、前記複数の粒子の明るさおよび面積が第２基準を満たしているかを判定する第２動作パターンと、
前記第１時間より長い第２時間で調製された複数の粒子の画像を、前記第１倍率より低い第２倍率で取得した後に、前記複数の粒子の数が第３基準を満たしているかを判定する第３動作パターンと、
を含む粒子解析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は粒子解析装置および粒子解析方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年のナノ・マイクロテクノロジーの発展から、百ナノメートルから数百マイクロメートル程度の粒子を使用する産業が増加している。例えば、電子回路の微細化に伴うコンデンサに使う誘電体粒子や、電池の大容量化に伴う電極材に使う導電性微粒子などである。これら粒子は、粉砕や焼結による粒子形成や結晶成長などの製造プロセスをへて製造される。製造の観点でこれら粒子の評価が重要である一方で、製造した材料に混入する異物粒子の許容可能なサイズの微細化も進んでいる。つまり、材料製造プロセスで混入する異物としての粒子の評価も重要になってきている。

【0003】

粒子を検査するために顕微鏡画像の解析が用いられる。さらに粒子を詳細に評価するため十分な分解能をもつ電子顕微鏡がよく用いられる。特許文献１は濾過面積を制御することによって、液体に含まれる異物の捕集を迅速化するための方法を開示している。特許文献２では、電子顕微鏡を用いた粒子解析の方法を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－１３８２２６号公報

【文献】特開２０１２－２３８７２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の技術（たとえば特許文献２）では、粒子の観察条件および検査指標が単一パターンであり、固定された条件で調製される粒子の解析にしか適応することができない。

【0006】

本発明は、粒子に係る条件に応じて３つの動作パターンのいずれかで動作することにより、粒子に係る条件に応じた解析を可能とする粒子解析装置および粒子解析方法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】

【0007】

本発明に係る粒子解析装置の一例は、
１つ以上の粒子を解析する粒子解析装置であって、
前記粒子解析装置は、複数の動作パターンのいずれかで動作可能であり、前記複数の動作パターンは、
第１時間で調製された１つ以上の粒子の画像を第１倍率で取得した後に、単一の粒子の形態が第１基準を満たしているかを判定する第１動作パターンと、
前記第１時間で調製された複数の粒子の画像を取得した後に、前記複数の粒子の明るさおよび面積が第２基準を満たしているかを判定する第２動作パターンと、
前記第１時間より長い第２時間で調製された複数の粒子の画像を、前記第１倍率より低い第２倍率で取得した後に、前記複数の粒子の数が第３基準を満たしているかを判定する第３動作パターンと、
を含む。
また、本発明に係る粒子解析方法の一例は、
１つ以上の粒子を解析する粒子解析方法であって、
前記粒子解析方法は、複数の動作パターンのいずれかで実行可能であり、前記複数の動作パターンは、
第１時間で調製された１つ以上の粒子の画像を第１倍率で取得した後に、単一の粒子の形態が第１基準を満たしているかを判定する第１動作パターンと、
前記第１時間で調製された複数の粒子の画像を取得した後に、前記複数の粒子の明るさおよび面積が第２基準を満たしているかを判定する第２動作パターンと、
前記第１時間より長い第２時間で調製された複数の粒子の画像を、前記第１倍率より低い第２倍率で取得した後に、前記複数の粒子の数が第３基準を満たしているかを判定する第３動作パターンと、
を含む。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る粒子解析装置および粒子解析方法によれば、粒子に係る条件に応じた解析が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】結晶成長における形態変化の模擬図

【図2】粒子の変化に対する粒子サイズと数の関係を示す例のグラフ

【図3】本発明の実施例１に係るフローチャート

【図4】観察倍率と粒子の関係を示す例の表

【図5】試薬で処理した粒子形態画像例の図

【図6】輝度の強度による粒子の状態例を示す図

【図7】計測結果をデータベースと照合する例のフローチャート

【図8】観察試料作製装置の概略図

【図9】観察試料作製装置のろ過ユニットの概略図

【図10】メンブレンアセンブリの概略図

【図11】フレーム形状の概略図

【図12】単一ウェルのろ過流路の概略図

【図13】分注ケースのウェル配置の概略図

【図14】観察用試料台の概略図

【図15】メンブレン上のサンプルの概略図

【図16】前処理治具を使用した粒子の均一な回収例を示す図

【図17】粒子解析装置の例の構成図

【図18】操作画面の例の図

【図19】データベースにおける各条件のリストの変形例を示した図

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下で、本発明の実施例における粒子の解析方法について詳細を記載する。なお、以下で「粒子」とは、以下のものを含むが、これらに限定されない。
‐粉砕、焼結または結晶化により形成される粒子
‐腐食によって、メッキによって、または電池などの化学反応によって、表面に析出または形成される段差や模様などの立体構造
‐材料の劣化またはエッチングにより発生する空孔または傷
‐外部要因として生成される異物
‐ある粒子に対して外部からの刺激（たとえば加熱、振動、加圧、化学変化など）を加えることで変化した後の粒子
‐有機物であるファイバー、マイクロプラスチック、花粉、細胞、血球、細菌、またはウイルス

【0011】

本発明が活用されるいくつかの例を以下に示す。一つ目の例として、結晶成長を観察し判定を行う場合である。成長の元となる種結晶を用いた結晶成長において、成長初期の短時間後では種結晶の周りに結晶が成長して粒子の形状が変化する。成長が進んだ長時間後では、隣接する結晶同士がくっつくことで粒子数が減少していく。このような場合の粒子判定において本発明を用いることが可能である。

【0012】

二つ目の例として、材料の傷または空孔の成長を観察し判定を行う場合である。材料を劣化させる反応や張力を負荷した状況において、短時間では、元々存在する空孔が広がるという形状変化を示し、長時間では、空孔自体の数が増加し材料が劣化する（シートの引張試験など）。このような場合も本発明を用いることが可能である。

【0013】

三つ目の例として、粉体の粉砕による微粒生成を観察し判定を行う場合である。粉体を粉砕することによる微粒子製造プロセスにおいて、短時間では、粉体を形成する粒子の角が取れるなどの形状変化が起きるが、長時間では、粒子自体が粉砕され、微粒子化することで、トータルの微粒子の数が増える。このような場合の粒子解析に本発明を用いることが可能である。

【0014】

これらの事例の場合に本発明を用いることで、短時間での形状変化を認識することで長時間経過後の判定を実施しなくてよく、検査の効率化が行えるという効果を得られる場合がある。

【0015】

［実施例１］
以下、本発明の実施例１を図面を用いて説明する。

【0016】

結晶成長における粒子の変化の詳細に関して図１を用いて説明する。図中横軸は時間を表し、粒子の時間経過に伴う変化を示す。縦軸は撮像時の倍率を表す。図中の画像は粒子解析装置によって取得される画像の模式図である。

【0017】

本実施例では、たとえば時刻ｔ０からｔ１における単一粒子の形態の変化を高倍率にて判定する。高倍率で観察する理由は、単一粒子の形態を詳細に観察できるためである。一方で、粒子の数を判定する場合は、ｔ０からｔ３まで反応を行った後に行うことで、粒子の数の判定をすることができる。また、中間倍率で観察するとその形状変化と数の両方を捉えることが可能であり、粒子群としてどのような挙動を示しているか判定することができる。

【0018】

横軸を粒子サイズ、縦軸を粒子の数として粒子の分布の変化の様子を図２に示す。粒子変化前は粒子数が多く粒子サイズが小さいため分布はグラフｃのようになり、粒子変化後は粒子数が少なく粒子サイズが大きいためグラフｄのようになる。本実施例では、粒子数を評価する場合は縦軸に沿った変化量Ｙで判定し、粒子サイズで評価する場合は横軸に沿った変化量Ｘで判定する。粒子群を評価する場合は、縦軸に沿った粒子数の変化量Ｙ’と、横軸に沿った粒子サイズ変化量Ｘ’とを用いて判定する。粒子群の判定において、粒子のサイズと数だけでなく明るさによって判定してもよい。

【0019】

なお、図１と図２では、時間と共に粒子の数が減少する事例について記載したが、時間と共に増加する場合にも本実施例を適用可能である。

【0020】

粒子を製造するときに、粒子が正しく製造できているか検査する必要がある場合がある。あるいは、粒子の製造においてどのプロセス条件が良いか確認するために、様々な反応条件で生成した粒子の評価を行う場合がある。

【0021】

このような粒子の評価を行う際に、長い時間（図１の時刻ｔ０～ｔ３）の反応を行わずに、短時間（図１の時刻ｔ０～ｔ１）の反応を行って高倍率で観察するという選択が可能である。また、正しく粒子が製造できるか確認するためには、長い時間（図１の時刻ｔ０～ｔ３）の反応を行い、粒子の数の評価するために低倍率で観察するという選択が可能である。

【0022】

つまり、本実施例により、短時間で反応した粒子の形態変化を捉える場合は高倍率で観察を可能とし、長時間かけて粒子を調製した場合等は、形状ではなく粒子の数を多数カウントすることが可能な低倍率での観察を可能とすることによって、粒子判定を効率的に行うことが可能となる。粒子の製造プロセスにおいて、製造途中の短時間で高倍率で観察した画像の解析結果から、その製造条件に問題があることを検知し報告することによって製造の効率化を達成することも可能である。データベースの構築により、得られた画像解析の結果は、製造の条件を最適化して改善提案することにも利用可能である（ソリューション提案）。

【0023】

（電子顕微鏡の有用性）
粒子の数、種類、形態等を観察するためには、粒子の形態の詳細解析が可能な分解能を有することが好適である。そこで、粒子数の解析、粒子種の解析、粒子形態の解析を行うために、数十ミリメートルの視野で観察することも可能であり、ナノメートルサイズの構造物の形態を観察することが可能な電子顕微鏡を用いると好適である。以下では、電子顕微鏡を用いて粒子を解析する方法に関して以下詳細を説明する。但し、以下で説明する方法及び装置は、電子顕微鏡に限らず、光やレーザーを用いる光学式の顕微鏡などでも適応することが可能である。

【0024】

（粒子解析フロー）
図３は本発明を実施するためのフローチャートである。本実施例に係る粒子解析装置は、図３に示す方法を実行することにより、１つ以上の粒子を解析する。

【0025】

まず初めに、粒子解析装置は、検査する粒子についての観察条件を選択する（Ｓ１）。たとえば、使用者が様々な観察条件のうち１つを選択し、粒子解析装置はその入力を受け付ける。観察条件は、たとえば粒子の材料種や調製時間および観察方法（単一の粒子を観察するか、または複数の粒子を観察するか）を表す情報を含む。

【0026】

本実施例に係る粒子解析装置は、複数の動作パターン（図３に示す３つの動作パターンを含む）のいずれかで動作可能である。また、本実施例に係る粒子解析方法は、これらの動作パターンのいずれかで実行可能である。粒子解析装置は、観察条件に応じて動作パターンのいずれかを選択する。動作パターンは、たとえば調製時間（Ｓ２）および解析対象が単一粒子であるか否か（Ｓ３）に基づいて選択される。

【0027】

調製時間が短く（たとえば所定の閾値以下であり）、単一粒子を観察する場合には、第１動作パターンが選択される。第１動作パターンでは、第１時間（たとえば比較的短い時間）で調製された粒子の画像を第１倍率（たとえば比較的高い倍率）で取得する（Ｓ１１）。

【0028】

次に、単一の粒子を抽出する（Ｓ１２）。複数の粒子を含む画像から単一の粒子の画像を抽出するための具体的な処理は、当業者が適宜設計可能であり、たとえば公知技術に基づいてもよい。

【0029】

次に、抽出された単一の粒子の形態を計測する（Ｓ１３）。第１動作パターンにおける粒子の形態は、たとえば粒子の面積および長さによって表される。以下では、顕微鏡画像として表示される粒子サイズのことを粒子の面積と記載するが、実際に画像から計測する値は二次元の顕微鏡画像から抽出可能な、直径、半径、短径、長径、面積、重心、形状などを数値化した情報のことを言う。すなわち、粒子の形態、寸法、面積等は、顕微鏡画像における形態、寸法、面積等であってもよいし、顕微鏡画像に基づいて推定または計算される値によって表されてもよい。「長さ」の定義は当業者が適宜決定可能であるが、たとえば粒子の寸法が最も大きくなる方向における寸法とすることができる。画像に基づいて粒子の面積および長さを取得するための具体的な処理は、当業者が適宜設計可能であり、たとえば公知技術に基づいてもよい。

【0030】

次に、データベースから粒子の形態に関する第１基準を取得し（Ｓ１４）、抽出された単一の粒子の形態が第１基準を満たしているかを判定する（Ｓ１５）。たとえば、面積および長さがそれぞれ所定範囲内であれば第１基準を満たすと判定され、いずれかまたは双方が所定範囲外であれば第１基準を満たさないと判定される。

【0031】

第１基準が満たされる場合には、粒子は正常であると判定され、そうでなければ粒子は異常であると判定される。判定の結果は表示装置または記憶装置に出力されてもよい。

【0032】

調製時間が短く、複数の粒子からなる粒子群を観察する場合には、第２動作パターンが選択される。第２動作パターンでは、第１時間（たとえば比較的短い時間）で調製された粒子の画像を、所定の中間倍率（たとえば第１倍率より低く、後述の第２倍率より高い倍率）で取得する（Ｓ２１）。

【0033】

次に、複数の粒子からなる粒子群を抽出する（Ｓ２２）。複数の粒子を含む画像から粒子群の画像を抽出するための具体的な処理は、当業者が適宜設計可能であり、たとえば公知技術に基づいてもよい。

【0034】

次に、抽出された粒子群の形態を計測する（Ｓ２３）。第２動作パターンにおける粒子の形態は、たとえば粒子群の明るさおよび面積によって表される。明るさは、たとえば画像における輝度の強度値によって表すことができる。粒子群が複数の画素によって表される場合には、明るさの統計値（平均値、標準偏差、ヒストグラム、等）を用いてもよい。また、画像に基づいて粒子群の面積を取得するための具体的な処理は、当業者が適宜設計可能であり、たとえば公知技術に基づいてもよい。

【0035】

次に、データベースから粒子の形態に関する第２基準を取得し（Ｓ２４）、抽出された粒子群の形態が第２基準を満たしているかを判定する（Ｓ２５）。たとえば、明るさおよび面積がそれぞれ所定範囲内であれば第２基準を満たすと判定され、いずれかまたは双方が所定範囲外であれば第２基準を満たさないと判定される。

【0036】

第２基準が満たされる場合には、粒子群は正常であると判定され、そうでなければ粒子群は異常であると判定される。判定の結果は表示装置または記憶装置に出力されてもよい。

【0037】

調製時間が長い場合（たとえば所定の閾値を超えている場合）には、第３動作パターンが選択される。本実施例では、第３パターンは、複数の粒子からなる粒子群を観察するための動作パターンである。第３動作パターンでは、第１時間より長い第２時間で調製された粒子の画像を低倍率（すなわち第１倍率および中間倍率より低い倍率）で取得する（Ｓ３１）。

【0038】

次に、複数の粒子からなる粒子群を抽出し（Ｓ３２）、その粒子群に含まれる粒子の数を計測する（Ｓ３３）。粒子群の画像に基づいて粒子の数を取得するための具体的な処理は、当業者が適宜設計可能であり、たとえば公知技術に基づいてもよい。

【0039】

次に、データベースから粒子の数に関する第３基準を取得し（Ｓ３４）、抽出された粒子の数が第３基準を満たしているかを判定する（Ｓ３５）。たとえば、粒子数が所定範囲内であれば第３基準を満たすと判定され、所定範囲外であれば第３基準を満たさないと判定される。

【0040】

第３基準が満たされる場合には、粒子群は正常であると判定され、そうでなければ粒子群は異常であると判定される。判定の結果は表示装置または記憶装置に出力されてもよい。

【0041】

以下で設定倍率に関して詳細を記載する。１マイクロメートルの粒子を１ピクセルの大きさにするには、図４（ａ）より倍率を１００倍前後にする。そのため、１マイクロメートルの粒子の数をカウントする場合は、１粒子が最低でも数ピクセルの大きさとなるように、倍率は１００～５００倍程度とすると好適である。粒子のサイズが１０マイクロメートルの場合、好適な倍率は１０～５０倍程度となる。

【0042】

一方、１マイクロメートル粒子の形態の詳細を把握する場合は、粒子の画像を数十ピクセル程度にするため、図４（ａ）より倍率を１０００～５０００倍程度またはそれ以上にすると好適である。

【0043】

また、１マイクロメートルの粒子群として評価したい場合や、粒子の明るさを評価したい場合は、１マイクロメートルの粒子を数ピクセルから数十ピクセル程度にするため、倍率を５００～５０００倍程度にすると好適である。

【0044】

ここで、粒子の大きさをＤ［μｍ］とし、倍率をＭ［倍］とし、比例定数をＫとすると、
Ｍ＝Ｋ／Ｄ
となり、実用上の画像ピクセル数から考えると、図４（ｂ）に示すように、比例定数Ｋは以下の通りとなる。
第１動作パターンで単一粒子の評価を行う場合： Ｋ＞５０００
第２動作パターンで粒子群の評価を行う場合： ５００＜Ｋ＜５０００
第３動作パターンで粒子数の評価を行う場合： Ｋ＜５００

【0045】

Ｓ２およびＳ３に代えて、この比例定数Ｋに基づいて動作パターンを選択することも可能である。たとえば、粒子解析装置は、Ｓ１において観察倍率および粒子サイズを取得する。そして、粒子解析装置は、観察倍率をＭ［倍］とし、粒子サイズをＤ［μｍ］とし、比例定数をＫとして、Ｍ＝Ｋ／Ｄとしたときに、
Ｋ＞５０００である場合には、第１動作パターンで動作し、
５００＜Ｋ＜５０００である場合には、第２動作パターンで動作し、
Ｋ＜５００である場合には、第３動作パターンで動作する、
ように構成することができる。このように、３段階の倍率を設定することにより、粒子の状態に応じた適切な画像が取得される。

【0046】

粒子の形態の違いをより強調するための方法例を図５に示す。図５は、アルコールまたは金属を含む染色剤を用いて処理された粒子５００の模式図である。図５（ａ）はアルコール処理をした粒子の画像であり、図５（ｂ）はアルコール処理をしていない粒子の画像である。

【0047】

図５（ａ）の画像に示されているようにアルコールで処理することで粒子内にアルコールが浸透し形の一部が膨れた形態に変化し、図５（ｂ）のアルコール処理無しの形態と比べて粒子が増長して観察される。このように、回収した粒子に対して染色剤やアルコールなどの試薬で処理することで、粒子の特徴をより計測しやすくすることが可能である。処理された粒子を用いると、粒子の製造過程の状況や状態について判断するための適切な指標を得ることができる。

【0048】

図６は輝度の強度による粒子の状態の例を示す図である。図６（ａ）は観察した粒子に厚みがあり、粒子の中に染色液が浸透しない状態の例を示す図である。粒子の表面からの反射電子のみから得られる像を示す。図６（ｂ）は観察した粒子に厚みがなく、電子線が粒子を通過し、回収した器材の状態も反映するような状態の例を示す図である。回収した器材にある粒子に加え、反射電子量の違うパターン６００（穴など）がある場合にはその状態を反映したような像を示す。図６（ｃ）は観察した粒子に染色液が透過した状態を示す図である。粒子の状態や性質によって染色液が粒子の内部に浸透し粒子像の輝度が高くなった像を示す。このように、例えば粒子の電子顕微鏡画像における粒子由来の輝度の強度によって粒子の状態がわかり、粒子の調製時の状況を判断するための適切な指標を得ることができる。

【0049】

このように、粒子の形態に代えて、またはこれに加えて、顕微鏡画像における輝度の強度、染色具合（たとえば輝度の強度分布に基づいて取得可能である）に基づいて、使用者は粒子の厚みや組成を把握することができ、これを判定基準として用いることも可能である。

【0050】

また、粒子の形態に代えて、またはこれに加えて、粒子と反射電子量の違うパターンが粒子を回収する観察面に存在し、粒子の電子線透過具合に応じてそのパターンが粒子の観察像に反映された場合に、使用者はこのパターンをその粒子が正常かどうかの判定基準として用いることも可能である。

【0051】

図７は粒子の計測結果をデータベースの判定基準と照合する例のフローチャートである。例えば、粒子結晶成長により調製した粒子を検査するときに、第１動作パターンにおける判定を複数回繰り返し、さらなる総合判定を行うことができる。

【0052】

たとえば、観察画像から複数の粒子の形態を抽出し、各粒子について第１動作パターンでの判定を行う。判定結果の例として、標準粒子に該当する形態（すなわち、図３のＳ１５において正常と判定される形態）の粒子が７０％、そうでない形態（すなわち、図３のＳ１５において異常と判定される形態）の粒子が３０％含まれていたとする。また、データベースには標準粒子に該当する形態が６０％以上存在するという基準が格納されているとする。

【0053】

この場合には、標準粒子に該当する形態の粒子の比率が基準を満たすため、その調製した粒子は、図７の処理において正常と判定される。この閾値は材料と調製状態あるいは条件の組み合わせによって予め決めておくことができる。

【0054】

なお、上記の例では第１動作パターンにおける判定を繰り返したが、変形例として、第２動作パターンにおける１回の処理によって図７の処理を行ってもよい。たとえば、粒子解析装置は、粒子群に含まれる各粒子について、その粒子が標準粒子に該当する否かを判定し、標準粒子に該当する粒子の比率に基づいて、粒子群が正常か否かを判定してもよい。その場合には、第２基準は、粒子の形態に関する基準に代えて、またはこれに加えて、標準粒子に該当する粒子の比率に関する基準を含んでもよい。

【0055】

（粒子捕集ユニット説明）
粒子を解析するために、材料上に付着した粒子を観察することもあるが、粒子の数が少ない場合や、観察したい材料自体のサイズが大きい場合は、粒子の数と形状を評価することは非常に手間となる。そこで、液体中や気体中に粒子を移し、フィルタ上に粒子を吸引して、そのフィルタを観察することで粒子の解析を行うことができる。以下では、液中に存在する粒子をフィルタを用いてろ過して、フィルタ上の粒子を観察する方法に関して詳細例を説明する。

【0056】

粒子解析装置は、粒子を濃縮することによって観察試料を作製する観察試料作製装置を備えてもよい。図８は、観察試料作製装置８００の構成の一例を示している。観察試料作製装置８００は、
‐粒子を含んだ液体をろ過するためのろ過ユニット８０１と、
‐液体のろ過に用いる圧力差を発生させる真空排気ポンプ８０２と、
‐真空排気ポンプ８０２とろ過ユニット８０１とを接続するための配管８０３と、
‐ろ過ユニット８０１から真空排気ポンプ８０２へ微細な粒子の流入を防止するためのフィルタ８０４と、
‐真空排気状態と大気開放状態を切り替えるための排気バルブ８０５と、
‐ろ過により生じた排液を排出するための排液バルブ８０６と、
を備える。

【0057】

ろ過ユニット８０１は、多数の微細孔をもつメンブレンに粒子を含有する液体を通すことで、メンブレン上に粒子が分散された試料を作製することができる。真空排気ポンプ８０２は、たとえばダイアフラム真空ポンプやドライポンプ等の低真空で動作可能なものが使用される。配管８０３は、たとえば金属製或いはゴム製のものを使用する。フィルタ８０４は、真空排気ポンプ８０２への微細な粒子の吸引を防止し、真空排気ポンプ８０２の故障や真空排気ポンプ８０２の排気口からの微細粒子の放出を防止する目的で用いられる。フィルタ８０４には、たとえばＨＥＰＡフィルタのようなエアフィルタが用いられる。排気バルブ８０５は、手動方式、電動方式のどちらも使用可能であり、電動タイプを用いる場合、真空排気ポンプ８０２の動作と連動させることで操作を簡便化できる。排液バルブ８０６は、手動方式、電動方式のどちらも使用可能であるが、使用する液体に対して耐性のあるものを使用すると好適である。

【0058】

図９は、観察試料作製装置８００における、ろ過ユニット８０１の一例を示している。ろ過ユニット８０１は、
‐粒子を含有する液体を分注し保持するための分注ケース９００と、
‐液体に含有する粒子をろ過するためのメンブレンとそれを支持するためのフレームから成るメンブレンアセンブリ９０２と、
‐分注ケース９００とメンブレンとの間の液漏れ防止および、ろ過ユニット８０１内部と外部との圧力差を保持するための上部シール材９０１と、
‐メンブレンアセンブリを搭載するための支持板９０４と、
‐メンブレンと支持板間の液漏れを防止するための下部シール材９０３と、
‐メンブレンによるろ過で発生した排液を溜めるためのベース９０５と、
‐分注ケース９００をベースに固定し、メンブレンとシール材を密着させるための固定ネジ９０６と、
を備える。

【0059】

分注ケース９００は、粒子を含有する液体を分注するためのウェルを複数有し、同時に複数の異なる液体のろ過が可能である。分注ケース９００の各ウェルの容量は、ろ過する液体の濃度や、染色、洗浄処理の条件に依存し、およそ１００～２０００ｍｌの容量を有する。分注ケース９００の各ウェル下部の流路径は、顕微鏡を用いた観察の際、１つの視野に存在する粒子の個数に影響する。例えば、ウェル下部の流路径φ２ｍｍの分注ケース９００を用いて、濃度１５００００個／ｍｌの液体を１ｍｌろ過し、観察視野０．０００２ｍｍ^２で顕微鏡観察を行う場合、１視野あたり１０個の微粒子を観察することができる。顕微鏡で１００倍率～１００００倍率の倍率で観察したときの観察画像の１視野当たりの面積０．０００１～０．０１ｍｍ^２に１個以上の粒子を観察することができる密度で粒子を濃縮して回収することで、どの視野を観察しても粒子を観察することができ、観察のための時間を短縮することが出来る。

【0060】

例えば粒子を回収する観察試料作製装置８００のろ過流路の径を６ｍｍにすると１０^５個／ｍＬの粒子懸濁液を１ｍＬ回収し、１００００倍率の倍率で観察したときに１観察画像あたりに１個の粒子を観察することが可能となる。例えば、粒子の大きさが１μｍ^２の時、１０^５個の粒子の面積が回収面の半分を占める場合には、粒子を回収する観察試料作製装置８００のろ過流路の径は０．５ｍｍであると望ましい。

【0061】

観察試料作製装置８００の径が小さすぎると吸引ろ過するときに時間がかかる。観察試料作製装置８００の径が大きいときに底面の一部に気泡ができた場合には、そこには菌が回収されず、均一性が保てなくなる。また、観察試料作製装置８００の径が小さく、気泡が底面全体を覆うと吸引ろ過できず、粒子を回収できないことがある。液体の濃度や液量などの条件にもよるが、ろ過流路の流路径のサイズはおよそφ０．５～６ｍｍであることが望ましい。

【0062】

ウェル下部の流路径はウェル上部の径と同等もしくはそれ未満にすることで、分注する液量が少ない場合でも、粒子が高密度に分散した試料が作製できる。

【0063】

また、分注ケース９００の下面には、上部シール材との密着性を高め、リークを防止するための凸構造が設けられる。上部シール材９０１および下部シール材９０３には、耐薬品性の材質が用いられ、分注ケース９００の流路と同じ位置に同様な穴構造が設けられる。このとき粒子を回収する面積を一定にするために、下部シール材９０３の穴構造の径は回収する面積に応じた径をもち、上部シール材９０１はそれより大きな径にすると好適である。この場合には、下部シール材９０３の穴が上部シール材９０１の穴の中に位置することで粒子が常に下部シール材の面積に回収されることにより、部材のわずかな位置ずれによる回収面積のばらつきを抑えることが可能となる。

【0064】

メンブレンアセンブリ９０２は、薄く単体では取扱いづらいメンブレンをフレームに固定することで、ろ過ユニット８０１からの着脱および顕微鏡の試料ステージへの搭載を容易にする役割をもつ。

【0065】

支持板９０４は、分注ケース９００、上部シール材９０１および下部シール材９０３と同じ位置に流路としての穴構造を有する。支持板９０４は、固定ネジを締めシール材を押さえた際、支持板９０４が湾曲しないような厚みを有するが、流路径と流路長のアスペクト比を小さくし、流路の圧力損失を小さくするために、各流路の下面側からザグリ穴を有する。また、支持板９０４は、メンブレンアセンブリの位置を合わせるためにフレームを嵌め込むための溝構造を有する。

【0066】

ベース９０５は、１度のろ過処理で発生する排液を溜める容積を有する。また、ベース９０５は、排気用のポートと排液用のポートを有し、排気用ポートは液体の流入を防ぐために、排液用ポートより上方に位置する。分注ケース９００、支持板９０４およびベース９０５は、使用する液体に対して耐性のある材質が用いられる。また、分注ケース９００やベース９０５は、透過性のある材質を使用することで、ろ過処理の状態をユニット外部から視認することができる。

【0067】

図１０はろ過ユニット８０１で使用するメンブレンアセンブリの一例を示している。メンブレンアセンブリ９０２はメンブレン１０００とフレーム１００１で構成される。メンブレン１０００は、多数の１０ｎｍ～１０μｍ程度の微細な孔を有する高分子材料のシートであり、数μ～数十μｍの厚みをもつ。メンブレン１０００は、テープ或いは、接着剤によりフレーム１００１に固定されている。フレーム１００１は、導電性のある材質を使用することで、例えば、電子顕微鏡観察の際、電子線による帯電を緩和することができる。また、メンブレン１０００に直接、金や白金によるコート等の導電性化処理を行うことも、電子ビームによる帯電緩和に効果的である。

【0068】

図１１はメンブレンアセンブリのフレームを示している。フレームは、角形フレーム１１０１ａや丸形フレーム１１０１ｂが用いられる。フレームには、顕微鏡の試料台に搭載する際にフレームの方向を示す切欠き形状或いは刻印を有する。また、フレームに英数字や記号を記載することで、ウェル毎に試料をナンバリングし管理することができる。

【0069】

図１２はろ過ユニットにおける、単一ウェルのろ過流路断面の一例を示している。分注ケース９００の下部の流路径が上部のウェル径よりも小さい場合、上部のウェルと下部の流路間をテーパ形状とすることで、ウェル内の分注液の残留を低減できる。また、ウェルおよび、ろ過流路の断面形状は円形でなく多角形でも良いが、ろ過流路の断面が多角形の場合、流路壁面の抵抗により、隅の流量が低下することで、ろ過の均一性が損なわれるため、流路の断面形状は多角形よりも円形が好ましい。支持板９０４の下面からのザグリ穴は、図のようなザグリ形状や、その他テーパ形状でも良い。

【0070】

図１３はろ過ユニットにおける、分注ケース１３０１のウェル配置の一例を示している。分注ケース９００は複数のウェル１３００を有し、各ウェルは行方向、列方向において、それぞれ等間隔に配置されている。このため、複数のピペットを有する分注機を用いて、複数のウェルに同時に液体を分注することが可能である。特に、各ウェルの間隔を市販されているマルチピペットに合わせることで、より汎用的な処理に使用できるが、任意に設計したピペットに合わせて各ウェルの間隔を決めても良い。

【0071】

ウェル数は顕微鏡のステージの可動範囲とろ過流路の間隔により決められる。例えば、Ｘ方向の可動範囲５０ｍｍのステージで、ろ過流路の間隔を９ｍｍ、流路径をφ３ｍｍとした場合、Ｘ方向に５つのウェルを設けることができる。流路の間隔はウェルの間隔と必ずしも同じではなく、ステージの可動範囲に、より多くの観察領域を作製したい場合は、流路の間隔をウェルの間隔よりも狭くすると良い。

【0072】

図１４は顕微鏡観察用の試料台の一例を示している。試料台１４００は、顕微鏡のステージにメンブレンアセンブリを搭載するために用いられる。例えば、電子顕微鏡を用いて観察する際にはアルミや銅といった非磁性の金属が用いられ、試料台１４００がメンブレンと密着することで電子線による帯電を緩和することができる。試料台１４００は、メンブレンアセンブリのフレーム１００１に合致する形状を有し、高精度で試料を顕微鏡ステージに搭載することが可能であり、自動での試料搭載や撮像において有利となる。

【0073】

図１５はメンブレン上にサンプリングされた試料の一例を示している。ろ過される液体によっては無色透明のために、目視での試料位置の確認が困難である。このような場合、予めメンブレン上のろ過部１５００の位置座標を顕微鏡のステージ座標に対応付けて記憶しておくことで、容易に試料位置を特定して観察可能である。

【0074】

顕微鏡観察用の試料台１４００を使用して粒子を均一に回収することで回収面の一部を観察した画像から全体の粒子の輝度値を算出できる例を図１６に示す。図１６は顕微鏡観察用の試料台１４００を使用した粒子の均一な回収例を示す図である。

【0075】

図１６（ａ）は回収した粒子が均一に分散していない状態の例である。回収した円内の一部に白い塊がライン上に見えるが、これはそこに粒子の凝集１６００がある様子である。この場合、観察する位置によって粒子の密度が異なるため、粒子数を計測し比較するには回収面全体を観察すると好適である。

【0076】

また高倍率で観察した場合にも、粒子単体の形態を抽出する際に、粒子が凝集して回収されていると個々の粒子の形態を抽出することは難しく、また凝集したことで形態が変化する可能性もある。

【0077】

回収面の一部にのみ液体を送液し、回収面全体に液体が行き渡る前に液体を吸引すると、その部分にだけ粒子が回収されることがある。試料台１４００に液体を分注し保持するための分注ケース９００があることにより、回収する液体を保持し回収面全体でろ過でき、これによって、回収面に均一に分散した状態で粒子を回収することができる。

【0078】

図１６（ｂ）は回収した粒子が均一に分散している状態の例である。観察位置による粒子の密度のばらつきがないため、一部を観察することで、全体の輝度値や粒子数などに換算することが可能である。例えば、粒子を平面上に均一に分散して回収することで、回収面の全面ではなく一部を電子顕微鏡で観察し計測することができ、粒子の判定がより適切に行える。また個々の粒子が凝集せず重なっていないことで個々の粒子の形態を抽出しやすくなる。粒子数が増加する過程で３次元的な凝集体を構成する粒子種については、顕微鏡の試料台を傾けることで高さ方向を観察し、計測することが可能である。

【0079】

このように、粒子解析装置は、粒子に液体を分注し、画像取得範囲全体において液体をろ過することにより、粒子を画像取得範囲にわたって分散させると好適である。

【0080】

以上説明するように、実施例１に係る粒子解析装置および粒子解析方法によれば、粒子に係る条件に応じた解析が可能となる。

【0081】

［実施例２］
実施例２は、実施例１の粒子解析装置に、さらなる構成要素を追加するものである。以下、実施例１と共通する部分については説明を省略する場合がある。

【0082】

（装置構成）
図１７は粒子解析装置の例の構成図である。粒子解析装置は、
‐粒子を観察に適切な密度で平面上に濃縮することによって試料を作製する観察試料作製装置８００と、
‐回収した粒子を観察し、粒子の画像を取得する顕微鏡１７０１（たとえば電子顕微鏡）と、
‐粒子の観察条件を判断し、観察した画像を解析して結果を表示する制御／分析装置１７０２と、
‐粒子の種類（たとえば材料種類および製造条件）、状態、等などを入力するための材料・状態入力部１７３１（粒子パラメータ入力部）と、判定の結果を表示するための結果表示部１７３２を含む操作画面１７０３（図１８に関連して詳述する）を表示するディスプレイと、
を備える。このような構成により、粒子解析装置単独で条件の入力から結果の出力までを一貫して行うことができる。とくに、１つの画面で粒子パラメータの入力および結果出力を行うことができる。

【0083】

顕微鏡１７０１は、観察試料作製装置８００で粒子を回収したメンブレンアセンブリ９０２を観察するために取り付けられる配置部１７１１を備えている。

【0084】

制御／分析装置１７０２は、
‐入力された材料種類や粒子状態の情報に基づき、顕微鏡の観察条件を判断する観察条件判断部１７２１と、
‐顕微鏡の観察画像を取り込み、画像中の粒子を計測し解析する画像計測／解析部１７２４と、
‐これまでの粒子の解析結果と判定閾値を格納したデータベース１７２２と、
‐画像計測／解析部で得られた情報とデータベースにある判定閾値とを照合して粒子の解析結果を判定する判定部１７２３と、
を備える。

【0085】

データベース１７２２は、第１基準、第２基準および第３基準を表す情報を格納してもよい。また、データベース１７２２は、第１基準、第２基準および第３基準に関連する判定を行うためのプログラムを格納してもよい。さらに、データベース１７２２は、ＢＩ（Business Intelligence）ツールにおいて用いられる様々なリスト１７２５を格納してもよい。このようなデータベース１７２２により、様々な基準およびアルゴリズムを事前に準備して用いることができる。

【0086】

制御／分析装置１７０２内のデータベース１７２２は、インターネット上に繋がるクラウドサーバなどであってもよい。すなわち、粒子解析装置は、通信ネットワークを介して外部のコンピュータと接続されてもよく、粒子解析装置は、この外部のコンピュータから、第１基準、第２基準または第３基準を表す情報を取得してもよい。また、粒子解析装置は、この外部のコンピュータから、第１基準、第２基準または第３基準に関連する判定を行うためのプログラムを取得してもよい。このような構成によれば、様々な基準およびアルゴリズムを適宜取得して用いることができる。

【0087】

観察条件判断部１７２１では、材料・状態入力部１７３１で入力された粒子調製時間、調製条件などの情報に基づいて顕微鏡１７０１の動作パターンを決定する。より具体的には、図３で説明したフローに沿って、あらかじめ決められた加速電圧や倍率などの条件に基づいて動作パターンを決定してもよい。つまり、粒子を調製するために要した時間によって粒子を高倍率で観察するか、低倍率で観察するかなどを決定する。

【0088】

次に、決定された動作パターンに基づく観察条件にて取得された画像が、画像計測／解析部１７２４に入力される。また、材料・状態入力部１７３１で入力された粒子調製時間、調製条件などの情報に基づいてデータベース１７２２を参照し、判定閾値を取得する。

【0089】

画像計測／解析部１７２４では、取得した画像または粒子情報から、輝度分布、コントラスト、大きさ、長さ、面積、等の数値データを算出する。算出された数値データは判定部１７２３に入力され、データベース１７２２から出力される判定閾値と比較され、比較結果は操作画面１７０３上の結果表示部１７３２に表示される。

【0090】

画像計測／解析部１７２４は画像中のそれぞれの粒子の特徴量（形態または数）を抽出し、標準粒子の特徴量（たとえば第１基準、第２基準および第３基準の判定に用いられる）との差異を解析する。例えば、製造した粒子の力学的性質を評価する場合には、使用者は、製造した粒子に応力やひずみなどの外部刺激を与えたものと、与える前の粒子とを調製して双方を観察し、その画像中の粒子の特徴量を比較した解析結果から製造した粒子を評価してもよい。

【0091】

標準粒子の特徴量については、過去に観察し、画像計測／解析部１７２４に蓄積されている画像または当該画像から抽出された情報を用いることも可能である。

【0092】

図１８は、材料・状態入力部１７３１と結果表示部１７３２とを備える操作画面１７０３の例を示した図である。使用者が、材料・状態入力部１７３１において解析する粒子の材料種類や粒子状態などをあらかじめ登録されたタブの中から選択し、その後に観察スタートボタンを押すことで図３の処理が開始される。

【0093】

材料種類や粒子状態は新たに追加することも可能であり、その場合にはデータベース１７２２のデータも更新される。結果表示部１７３２では粒子の画像解析結果（たとえば「正常」または「異常」）を示す。画像表示ボタンを押すことで解析した画像をディスプレイに表示させ確認することも可能である。

【0094】

例えば、粉砕加工して製造したトナー粒子を解析する場合において、材料種類としてトナー粒子、粒子状態として粉砕を選択し、観察スタートボタンを押すと、自動的に顕微鏡観察が開始され、画像解析の後に結果表示部に解析結果が表示される。解析結果には、正常あるいは異常のほかに解析スコアなどを表示することも可能である。

【0095】

図１９は、データベースにおける各条件のリストの変形例を示した図である。材料・状態入力部１７３１で入力された材料種類や状態の情報に基づき、図１９のリストに記載された観察条件で顕微鏡観察が実行される。その観察画像が決められた指標で計測され、データベース１７２２に記載された閾値と照合され正常／異常が判定される。

【0096】

例えば、電子顕微鏡を用いて粉砕によって製造したトナー粒子を解析する場合、材料・状態入力部１７３１にトナー粒子、粉砕条件などが入力され、また解析する際の製造工程（たとえば短時間検査または長時間検査。図１８には示さない）が入力されることにより、観察条件判断部１７２１にあらかじめ設定されている倍率や加速電圧などの条件が読み込まれる。指定された条件で観察された画像について、画像計測／解析部１７２４で指定された指標で粒子が計測される。

【0097】

図１９に示した、粉砕で製造したトナー粒子について短時間検査（工程１）で検査する場合には、倍率５０００、加速電圧５ｋＶ、電流パターン１で画像を１０枚取得することが指定される。次に、取得された画像について粒子の形態が計測され、標準粒子の形態と比較される。検査粒子の標準粒子に対する一致率（たとえば、判定されたすべての粒子のうち、正常と判定された粒子の比率）についても解析される。一致率を、データベース１７２２に格納された基準に基づいてさらに評価して閾値と比較し、総合的な結果を結果表示部１７３２に表示してもよい。材料・状態入力部１７３１において材料種類や状態を入力することで、画像計測／解析部１７２４で計測される指標が指定されることになる。

【0098】

［実施例３］
実施例１または２において、図８に示した観察試料作製装置８００を使って粒子を濃縮し染色し、その後に回収面の外観観察や、顕微鏡で観察し輝度を計測することで、表面に回収した粒子の密度やろ過した粒子の濃度を算出することができる。

【符号の説明】

【0099】

５００…粒子、６００…パターン、８００…観察試料作製装置、８０１…過ユニット、８０２…真空排気ポンプ、８０３…配管、８０４…フィルタ、８０５…排気バルブ、８０６…排液バルブ、９００…分注ケース、９０１…上部シール材、９０２…メンブレンアセンブリ、９０３…下部シール材、９０４…支持板、９０５…ベース、９０６…固定ネジ、１０００…メンブレン、１００１…フレーム、１１０１ａ…角形フレーム、１１０１ｂ…丸形フレーム、１３００…ウェル、１３０１…分注ケース、１４００…試料台、１５００…ろ過部、１６００…粒子の凝集、１７０１…顕微鏡（電子顕微鏡）、１７０２…制御／分析装置、１７０３…操作画面、１７１１…配置部、１７２１…観察条件判断部、１７２２…データベース、１７２３…判定部、１７２４…画像計測／解析部、１７２５…リスト、１７３１…材料・状態入力部（粒子パラメータ入力部）、１７３２…結果表示部。

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】