JP2011058969A - 光学計測器用断熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、高温加熱中の対象物を微細に計測するため、熱源との距離が近い光学計測器を熱気から保護し、安定した計測を可能とする計測器の実現を目的とする。
【解決手段】 対象物と光学計測器との間に平行平面な透明体を配置し、光学計測器と透明体の間に強制対流を発生させる空冷または液体冷却と、前記透明体を支持し、液体を使った冷却が可能な熱交換器により、光学計測器への熱気を遮断する光学計測器用断熱装置を構成するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温または加熱中の対象物を観察する、あるいはその表面形状などを計測する光学装置に関するものである。

高温加熱が必要であり、かつ加熱に伴う形状や物理的諸特性の変化が問題となる製品あるいは物質が工業生産品の中には数多く存在する。加熱中あるいは高温下で観察が求められているものの一例として、電子回路基板製造における半田ボール電極のリフロー工程がある。半田をボール状に形成するためには半田が溶融する250℃前後まで加熱する必要があるが、リフロー工程においては、半田だけでなく基板も一緒に加熱されることから、半田の溶融状態だけでなく基板の変形が問題となることもあり得る。

これらリフロー工程中に発生する問題は、製品の品質や歩留まりに影響してしまうことから、リフロー工程中の半田ボールの融解状態や基板の反りを観察あるいは計測しそのメカニズムを解明することが重要となる。

高温下あるいは加熱中の物体の観察には、対象物を密閉して熱気を遮断し、密閉筐体の一部に断熱ガラスで観察用の窓を設け、観察系（カメラ＋レンズあるいは人）によりその窓を通して観察するのが一般的である。

この場合、密閉している筐体あるいは観察窓のガラスも高温になったり、温度勾配によって偏光に影響がでる光応力が発生する可能性があり、また空気による熱対流により観察系も熱の影響を受ける可能性がある。高精度の計測が必要な光計測器の場合、熱の影響があるとキャリブレーション値が変化してしまうなど、無視できない影響があるため、影響を受けない程度に観察窓から離して設置する、あるいは観察窓や筐体の外部表面が高温にならないように断熱材を挟んだ2重筐体、2重窓とするなどの対策が一般的である。

特開2009-10164号公報

しかし、対象物が微細で、顕微鏡のような高倍率の拡大光学系が必要な場合、顕微鏡のワーキングディスタンスは非常に短いため、観察窓から離して設置することは不可能であり、同様に対象物から結果的に離して設置されることになる2重筐体、2重窓も不可能である。非常に薄い2重構造は可能と思われるが、それでは断熱の効果を得ることができない。

高精度の光学計測器で、計測原理的に光の偏光特性を利用する装置、あるいは対象物の偏光特性自体を計測するような装置の場合、計測光路中にガラスが挿入されること自体、光学系の収差性能が変化してしまうため好ましくない。さらに、ガラスの熱膨張により応力歪みが発生し、複屈折現象がおこり偏光特性が乱されることが考えられる。

本発明が解決しようとする課題は、高温加熱中の対象物と光学計測器との距離が短い場合でも、計測器への熱伝導・熱対流・熱輻射を遮断し、偏光特性に影響を大きく与えない、高精度で、安定した観察及び計測を可能とする光学計測器用断熱装置の実現である。

本発明は、厚みの薄い石英ガラスなどの平行平面透明体が、偏光特性に影響を与えない有用性があること、平行平面透明体に接して常温の気体または流体を強制的に流すと、その平行平面透明体からの熱伝達が遮断されることを利用したものである。
さて、前記課題を解決するために、光学計測器の光路中に挿入される少なくとも1枚の平行平面透明体と、前記平行平面透明体を支持しかつ、熱源から前記光学計測器に向かう熱対流を遮断し、その内部に液体を流して熱が問題とならない外部へ排熱することで自らを冷却する機能を有する熱交換器と、前記光学計測器と平行平面透明体の間に、強制的に気体あるいは液体の流れを発生させることで前記平行平面透明体から前記光学計測器への対流熱伝達を防ぐ対流発生機構とにより断熱をする構造をもつ光学計測器用断熱装置を構成する。

前記平行平面透明体を2枚挿入し、２枚の間の空間に前記対流発生機構により強制的に気体あるいは液体の対流を発生させる。

前記平行平面透明体は、少なくとも１面に、熱源からの輻射熱を低減する薄膜が塗布され、また、熱膨張で発生する応力歪みによる複屈折が、偏光を利用する前記光学計測器の計測に影響しない程度に薄くしたもので構成する。

また、前記光学計測器の設置空間の温度が、熱源からの熱により上昇することを抑制し、かつ前記熱交換器による結露発生を抑制するための空調機構を備える。

さらに、前記光学計測器の周囲に設置され、熱源からの熱対流を遮断する機能を有する断熱材を備えた装置を構成する。

以上のように構成することで、高温加熱中の対象物と光学計測器との距離が短い場合でも、熱源から計測器への熱を遮断し、複屈折を抑え、安定して微細に観察及び計測が可能となる光学計測器用断熱装置が実現できる。

以下では、本発明を具体的に実施するにあたり最良と思われる実施形態について述べる。

まず、本発明を具現化した実施形態の例を、図１、図２を参照して説明する。

基本的な構成部品は、光学計測器６の光学系部１０１を覆う断熱材１と、その下部に付ける断熱装置２と、断熱材１及び設置空間の温度上昇を抑える空調装置５である。また、本実施例では光学系部１０１は対物レンズ部を表し、光学計測器６はその光学系部１０１に入った光をカメラに結像させて、観測及び計測する役割を持っている。

断熱材１は、加熱装置４からの熱対流が光学計測器６の光学系部１０１に直接当たり、光学系部１０１の温度が上昇するのを防ぐために設けている。空調装置５により光学計測器６周辺の空間は一定温度に保たれているので、断熱材１として熱伝導率の低い、熱容量の大きい材質を使用すれば、時間経過と共に断熱材１自身が温度上昇して光学計測器６に熱が伝達してしまうようなことは起こらない。ここでは、光学計測器６の光学系部１０１のみを覆う形となっているが、これに限られるものではない。光学計測器６全体を覆う場合も本発明の範疇である。

空調装置５は、対象物３及び加熱装置４（以下熱源という。）からの発熱により時間経過とともに光学計測器６周辺の空間の温度が上昇していくのを防ぎ、温度を一定にするのが主な役割である。光学計測器６周辺に熱気が滞留しないように空気の対流を起こしたり、不要な熱を廃棄したりする機能をもつ。また、後述するように、断熱装置２では冷却機構を用いるため、結露が発生しないように湿度を管理する目的もある。

断熱装置２は、熱源からの熱が光学計測器６に伝達されることを防ぐために設けられている。熱源から光学計測器６へは主に空気を介した対流熱伝達により熱が伝達されると考えられるから、たとえば、空調装置５の冷風を熱源と光学計測器６の間に流すことで熱伝達を防ぐことも可能と考えられる。しかし、加熱中の対象物３にも冷風が当たり、対象物３自体が冷却されてしまうため、対象物３のある高温空間と、常温である必要のある光学計測器６の存在する空間を明らかに分けるために断熱装置２を設けている。

断熱装置２の構造を図２に示す。断熱装置２は、熱源と光学計測器６との間に挿入され、熱源からの熱気が直接光学計測器６に当たるのを防いでいるが、熱源との距離が非常に近いため、強制的な冷却をしない限りいずれ高温となってしまい、結局光学計測器６に熱が到達してしまう。そこで断熱装置２は、自身で冷却する機構を持つ構造となっている。

本課題のように、高温で熱源との距離が非常に近い場合には、フィンやファンなどを用いた単純な空冷機構では冷却能力が足りない。またペルチェ素子のような冷却素子と放熱機構を組み合わせることも考えられるが、いずれにしても光学計測器６の周辺空間に放熱することは避けなければならない。

そこで、断熱装置２に液体循環用の配管部１０３を設けて、外部に位置する装置の冷却液体循環装置１０６と液体用循環ホース１０２で接続することにより、自身を冷却する機構とした。図２、３中に示すように、光学計測器６の光路を遮らないように配置した循環用パイプ２０３内に一定温度の液体を循環させ、均一に断熱装置２全体が冷却されるようにしている。

断熱装置２は、本体材料および循環用パイプ２０３に熱伝導率の高い材質を使用することで熱交換器としての効率を上げることができる。また、断熱装置２の内部に循環用パイプ２０３を通しているため、断熱装置２の小型化が図れ、かつ、装置の形状に合わせて、均一に冷却できるようにパイプを配置することも可能としている。さらに、パイプを通す部分に厚みができたとしても、光学系部１０１を挿入する部分（光路中）にはパイプを配置しないため、対象物３と光学計測器６との間の空間（以下ワーキングディスタンスと称する）が大きくとれない場合でも、ワーキングディスタンスに対して十分に薄く設計することができる。

液体の温度を低く設定すれば冷却効果は高まるが、低すぎても光学計測器６に影響を与えると考えられるため、定常状態で室温レベルとなるように設定するのが望ましい。局所的に低温となる部分などがあると、その部分で結露してしまう可能性もあるため、空調装置５による湿度制御が必要である。

このような冷却機構により断熱装置２本体部分は冷却できるが、計測光路部分は循環用パイプ２０３を配管することができないため直接冷却できない。そのため、そのままでは高温熱源からの熱気は計測光路を通して光学計測器６側へと伝わってしまう。

そこで、断熱装置２ではさらに、計測光路部分に２枚の平行平面透明体２０２を配置し、これらの間の空間に、図４に示すような強制対流を発生させる機構を設けている。気体または液体を強制対流させるため、送風・送水口２０４と排気・排水口２０５を設け、外部に位置する送風発生装置１０５や気体吸引装置（図示していない）、またはその両方に気体送排用ホース１０４で接続する。これによって計測器の光路を遮ることなく、２枚の平行平面透明体２０２の間の熱伝達は強制対流によって遮断される。また、平行平面透明体２０２は高温にさらされるため、その材質には耐熱性に優れた、例えば合成石英ガラスなどが該当する。

２枚の平行平面透明体２０２の間の熱伝達は熱伝導・熱対流・熱輻射のうち熱対流であるが判明した。２枚の平行平面透明体２０２間に強制対流をさせない場合、今回図示しないが、図２中の光学系部１０１側の平行平面透明体２０２は加熱装置４が設定温度（２６０℃）に達した時点で開始温度２４度から７０度付近まで温度上昇が起こった。光学系部１０１の先端部と光学系部側の平行平面透明体２０２は近接していてほぼ同じ温度となるため、このままでは断熱装置の機能としては不十分である。一方、強制対流を発生させた場合、図２中の対象物３側の平行平面透明体２０２が図６グラフに示すように、約１００℃近くまで上昇しているのに対し、光学系部１０１側の平行平面透明体２０２はほとんど温度変化していない。このことから平行平面透明体２０２の２枚の間に発生させている強制対流は十分な断熱効果があることがわかる。

2枚の平行平面透明体２０２間の熱伝達を遮断する手段としては、2枚の間の空間部を密閉して、気体を排出し真空状態にする構造も考えられる。しかし、空間を真空にすると、大気圧により平行平面透明体２０２に強い圧力がかかるため平面の歪みが発生し、例えば光学計測器６が無収差波面を必要とするような場合、悪影響を与える可能性がある。少なくとも、かなり強度を持った厚さのガラスを使用する必要があり、スペースが必要となるし、光学的にも光学計測器６への影響は避けられない。

また、平行平面透明体２０２を配置しないで対流を発生させることも考えられるが、その場合、対流は排気・排水口２０５以外に、光学系部１０１方向と対象物３方向へも流れてしまう。光学系部１０１方向に対流が発生してしまうと、加熱装置により温められた空気が光学系部１０１へ直接当たってしまい断熱の効果が下がってしまう。一方、対象物３方向へ分岐した対流は、加熱温度に対しては温度が低いため、対象物３が冷やされ、適切な加熱処理が行われない。

そのため、光学系部１０１及び対象物３の間には２枚の平行平面透明体２０２を配置し、それに対して平行で一方向に対流が発生するような機構であると良い。この機構により、層流状態の気体または液体を流すことができ、気体または液体の屈折率を安定させて、そのゆらぎによる計測ノイズを低減することが可能となる。干渉計測をするような場合は屈折率のゆらぎは大きな問題となる。検証実験では、気体を対流させた状態を干渉計で観測してもゆらぎがないことを確認している。また、その状態でリフロー中の対象物を観測しても画像のゆらぎは見られなかった。

平行平面透明体２０２は、必ずしも２枚である必要はない。１枚だけにして、その１枚の平行平面透明体２０２と光学計測器６の光学系部１０１との間に空気の流れを作ることも考えられるし、逆に平行平面透明体２０２を３枚以上配置し、強制対流させる層を増やす機構も考えられる。これらについても本発明の範疇である。

また、熱源からは輻射熱も発生する。これは電磁波の形で空間を伝播し、気体に影響をほぼ受けずに熱が伝わるため、上記のような対策で防ぐことはできない。輻射熱の影響は、本発明で考えているような課題に対してはあまり問題とはならないと考えられるが、平行平面透明体２０２に熱源からの輻射熱のピーク波長を反射するような薄膜を塗布することで、光学計測器６への熱移動を低減することができる。

以上のような機能を有しているので、平行平面透明体２０２は、輻射熱対策以外はそれ自身に断熱または冷却する機能を必要としないため、熱的には厚さを任意に選択することができる。これにより、従来の観察方法で光路中に置かれるガラス厚に対し、厚さを大幅に薄くしても光学計測器６に対する熱遮断を可能としている。

平行平面透明体２０２を薄くすることができるのは、光学計測器６にとっては大きなメリットである。単純なメリットとしては、本発明の課題の場合、ワーキングディスタンスが大きくとれないことが前提であるから薄く製作可能であることは、ワーキングディスタンスが小さくとも挿入できることになるし、また断熱装置２の挿入によりさらに小さくなるワーキングディスタンスを少しでも大きく確保できることになる。

さらに、光学計測器６の中には、顕微鏡のように結像性能が非常に重要であるものが存在する。対物レンズの開口数が比較的大きいものにおいては、光路中に平行平面が挿入されると球面収差あるいは色収差が発生し、画質を劣化させてしまう。画質の劣化量は平行平面の厚さの影響により変わり、薄いものであれば影響は小さい。本発明の場合、顕微鏡のカバーガラスレベルの厚さににすることもできるため、光学計測器６への影響は非常に小さくすることができる。

また、光学計測器６の中には、光の持つ偏光特性を利用したもの、あるいは対象物３の偏光特性を計測するものなども含まれるが、このような場合、光路中に挿入された平行平面透明体２０２が複屈折特性を有していると正しい計測ができなくなってしまう。

複屈折とは、物質に固有なある軸を考え、その軸方向に振動する光線を常光線、その軸に直交する方向に振動する光線を異常光線と呼ぶことにすると、これら２つの光線に対する物質の屈折率がそれぞれ異なる値をもつ現象のことをいう。通常ガラスはアモルファスな構造を持つため、複屈折現象は見られないが、物理的な圧力負荷がかかると、分子配列に方向性が生じ、複屈折現象が現れることが知られている。

本発明において、平行平面透明体２０２の対象物３に面する面は確実に高温となる。その場合、平行平面透明体２０２に熱歪みが発生し、その歪みにより複屈折が発生すると考えられる。複屈折が発生すると直線偏光が直線でなくなり、例えば楕円偏光となり計測に影響を与えることになるが、その影響の程度は平行平面透明体２０２の厚さによって異なる。平行平面透明体２０２を十分薄くできるならばその影響を小さくすることができ、計測には無視できる。本実施例での検証実験では、薄さ0.12ｍｍの合成石英ガラスを使用し、これが前記の画像劣化及び複屈折が計測に影響を与えない程度の厚さであることを確認している。

本発明により、物体加熱時の精密な形状観察及び計測が可能となる。物体の高温ストレスによる影響を研究する分野において大きな需要があると考えられる。

本発明の実施例を示した図である。 本発明の断熱装置部を説明するための縦断面図である。 熱交換器の循環用パイプの配置を示した横断面図である。 強制対流を発生させる機構部を説明するための断面図である。 強制対流を発生させる機構部を説明するための上面図である。 平行平面透明体の温度状態を示したグラフである。

１ 断熱材
２ 断熱装置
３ 対象物
４ 加熱装置
５ 空調装置
６ 光学計測器
７ 設置台
１０１ 光学系部
１０２ 液体循環用ホース
１０３ 配管部
１０４ 気体送排用ホース
１０５ 送風発生装置
１０６ 冷却水循環装置
２０１ 熱交換器プレート
２０２ 平行平面透明体
２０３ 循環用パイプ
２０４ 送風・送水口
２０５ 排気・排水口

Claims (6)

1. 光学計測器の光路中に挿入される少なくとも1枚の平行平面透明体と、
   前記平行平面透明体を支持し、かつ、熱源から前記光学計測器に向かう熱対流を遮断し、内部に液体を流して熱が問題とならない外部へ排熱することで自らを冷却する機能を有する熱交換器と、
   前記光学計測器と平行平面透明体との間に、強制的に気体あるいは液体の流れを発生させることで前記平行平面透明体から前記光学計測器への対流熱伝達を防ぐ対流発生機構とにより構成されることを特徴とする光学計測器用断熱装置。
2. 前記平行平面透明体は2枚で構成され、
   ２枚の間の空間に前記対流発生機構により強制的に気体あるいは液体の対流を生じさせることを特徴とする請求項１記載の光学計測器用断熱装置。
3. 前記平行平面透明体の少なくとも１面に、熱源からの輻射熱を低減する薄膜が塗布されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の光学計測器用断熱装置。
4. 前記平行平面透明体は、熱膨張で発生する応力歪みによる複屈折が、偏光を利用する前記光学計測器の計測に影響しない程度に薄いことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３のいずれかに記載の光学計測器用断熱装置。
5. 前記光学計測器の設置空間の温度が、熱源からの熱により上昇することを抑制し、かつ前記熱交換器による結露発生を抑制するための空調機構を備えることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の光学計測器用断熱装置。
6. 前記光学計測器の周囲に設置され、熱源からの熱対流を遮断する機能を有する断熱材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５のいずれかに記載の光学計測器用断熱装置。