JP4608370B2 - 試料採取用マイクロミル - Google Patents

Description

本発明は、切削対象試料の微小部分を切削して試料を採取するための試料採取用マイクロミルに関する。

一般に、岩石試料または化石試料などについては微小領域毎の分析が必要であり、これを行うために、例えば安定同位体質量分析計または高周波誘導結合プラズマ発光−質量分析計などが用いられているが、これらの分析においては、試料である岩石片または化石片などにおける微小な分析対象領域部分を、いわゆるマイクロミルにより切削して当該分析対象領域部分を構成する物質の粉体を採取し、これを分析用試料として精密分析に供することが行われている。

ここで、分析対象領域部分とは、例えば分析の目的、試料の種類に応じて任意に決定される、試料における組織構造中における微細な一部の組織に係る領域部分であって、通常、ミクロン単位の極めて微小な領域部分毎に試料が切削され、これにより採取された当該各領域部分に係る粉体が独立した分析用試料として分析処理に供される。従って、このように微小な領域部分の切削を行うマイクロミルは、目的とする切削対象領域部分を高い精度で正確に切削できるものであることが要求される。

従来、マイクロミルとしては、水平な試料載置面を有すると共に、この試料載置面を水平に保持しながら上下方向に移動可能に設けられた試料載置用ステージと、ドリルビットのドリル回転軸が試料載置面に垂直となるよう固定的に支持された切削ドリルとを備えてなるものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

このようなマイクロミルは、切削対象物が試料載置面上に保持された試料載置用ステージを移動して、切削対象物を、一定の位置および角度に固定されて支持された切削ドリルのドリルビットに対して下方から接近させると共に当該ドリルビットに対して接触させることにより、当該切削対象物の切削を実行するものである。

しかしながら、通常、切削ドリルのドリルビットの切刃部分が回転することにより描かれる軌跡によって形成される形状（以下、単に「切刃回転形状」ともいう。）は円錐形状であるため、図３に示すように、切削対象領域部分５１がステージ５２の試料載置面５２１に対して垂直な境界面５３を介して隣接領域部分５４と接している場合には、境界面５３に沿って切削対象領域部分５１を厳密に正確に切削することができない、という問題がある。

すなわち、図３に示す場合に、ドリルビット５０の先端を境界面５３に対接させた状態で切削を行うと、切刃回転形状のテーパー面５０１が、境界面５３を越えて隣接領域部分５４側に進入することとなり、その結果、得られる分析用試料は、隣接領域部分５４の構成部分（斜線部）が含まれたものとなるので分析用試料として不適となる。

一方、図４に示すように、隣接領域部分５４が切削されることを防止するためにドリルビット５０に係る切刃回転形状のテーパー面５０１が境界線５３を越えないよう位置合わせをして切削対象領域部分５１の切削を行う場合には、ドリルビット５０の位置合わせが困難である上、ドリルビット５０と境界面５３との間の領域部分５５（斜線部）が残留してしまい、従って、切削対象領域部分５１の全部を切削・採取することができないため、分析用試料としての量が不十分となるおそれがある。

ニューウェーブリサーチ（Ｎｅｗ Ｗａｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）、"マイクロミル（ＭｉｃｒｏＭｉｌｌ）"、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００４年、［平成１７年３月１８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅｗ−ｗａｖｅ．ｃｏｍ／ＤｏｗｎＬｏａｄ％２０Ｆｉｌｅｓ／ＬＡ−ＭＭＬＬ−ＤＳａ４−０４０２．ｐｄｆ＞

本発明は、以上のような事情に基いてなされたものであって、その目的は、試料における所期の微小な領域部分を、高い精度で正確に切削することができて試料を採取することができる試料採取用マイクロミルを提供することにある。

本発明の試料採取用マイクロミルは、試料載置面を有するステージと、このステージの上方に位置するよう設けられた、ステージの試料載置面に保持された試料を切削するための回転切削ドリルと、ステージおよび回転切削ドリルの両者を離接方向に相対的に移動させる移動機構とを備えてなる試料採取用マイクロミルであって、
回転切削ドリルは、そのドリルビットの切刃部分が回転することにより描かれる軌跡によって形成される切刃回転形状が円錐形状であり、水平な回動軸の周りに回動可能な支持機構により支持され、その回転切削ドリルの回転軸の試料載置面に対する傾斜角度が調整可能であって切刃回転形状のテーパー面の角度が調整可能とされており、
前記移動機構は、ステージを水平面内で横方向および縦方向に推移させる構成を有し、当該ステージの最小移動単位が０．０２５〜１．０μｍであり、
回転切削ドリルの先端を含む領域を視野として有し、切刃部分によって切削される部位を拡大して観察するための観察手段が配設されており、
前記切刃回転形状のテーパー角度と試料における切削対象領域部分に係る境界面の前記試料載置面に対する角度とに基づいて、前記回転切削ドリルの回転軸の試料載置面に対する傾斜角度が設定されることにより当該回転切削ドリルに係る切刃回転形状のテーパー面が試料の境界面に適合する状態とされ、前記移動機構によって当該切刃回転形状のテーパー面が試料の境界面に沿って相対的に移動されることにより試料が切削されることを特徴とする。

本発明のマイクロミルによれば、水平な回動軸の周りに回動可能な支持機構により回転切削ドリルが支持された構成とされているため、回転切削ドリルは、ドリルビットの回転軸の試料載置面に対する角度が変化するよう傾斜可能であって、設定された傾斜角度で固定可能に設けられており、従って、切削対象領域部分に隣接する領域部分との境界面の試料載置面に対する角度、またはドリルビットに係る切刃回転形状のテーパー角を考慮して切削ドリルの傾斜の程度を設定することにより、ミクロン単位という極めて微小な切削対象領域部分の切削を、高い精度で、正確に達成することができる。その結果、隣接領域部分に由来する不純物が含有されない粉体を、高い量的効率で分析用試料として採取することができる。

以下、本発明のマイクロミルについて詳細に説明する。
図１は、本発明のマイクロミルの一例の構成を示す斜視図、図２は、切削ドリルが傾斜した状態で、切削対象物の切削が行われる状態を示す模式図である。

図１に示す例において、マイクロミル１０は、平板状の基台１１１およびこの基台１１１から上方に伸びるスタンド棒１１２を有するスタンド１１を備えてなり、この基台１１１上には、切削対象物である基礎試料１２２を固定的に保持するための保持具が設けられた試料載置面１２１を有するステージ１２を有すると共に、このステージ１２を移動させるステージ移動機構１３を備えてなるステージ台１４が設けられている。
スタンド棒１１２には、支持機構によって、その一端にドリルビット１５１を有する、本体が円筒状の回転切削ドリル１５が、ステージ１２の上方位置においてドリルビット１５１が試料載置面に向って伸びるよう配設されていると共に、ドリルビットの先端を含む領域を視野として有し、ドリルビット１５１によって切削される部位を拡大して観察するための、鏡筒１６１を有する観察手段１６がクロスクランプ１６２により配設されている。

具体的には、支持機構は、水平方向に伸びる支持用ロッド１７と、この支持用ロッド１７をその基端部においてスタンド棒１１２に装着するクロスクランプ１８とよりなり、支持用ロッド１７が、クロスクランプ１８によって、水平軸１７１の周りに回動可能とされていると共に、その回動状態が、設定された傾斜状態で固定可能に設けられている。そして、この支持用ロッド１７の先端には、切削ドリル１５が、ドリル装着用アダプター１５３によりドリルビット１５１の回転軸が水平軸１７１に垂直となるよう固定されて設けられている。

また、クロスクランプ１８から突出する支持用ロッド１７の基端部の外周面には、例えばドリルビット１５１の回転軸の試料載置面１２１に対する角度（以下、単に「ビット回転軸角度」ともいう。）を設定するための角度設定目盛１７２が設けられている。具体的には、支持用ロッド１７の外周面に、ロッド軸方向に伸びる複数の目盛線が、一の間隔距離がビット回転軸角度０．５°に相当するよう等しい間隔で周方向に並んで設けられていると共に、クロスクランプ１８にはこの目盛線に対向するよう一の基準線１８１が設けられている。

ここで、試料載置面に対するビット回転軸角度の設定可能範囲は、０〜±４５°の範囲であればよい。

切削ドリル１５においてドリルビット１５１は、基礎試料１２２の硬度などの物性、切削対象領域の大きさおよび形状などの適宜の条件に応じて、切刃回転形状またはそのテーパー角などの異なるものに交換することが可能であり、例えば一連の切削工程中の任意のタイミングでドリルビット１５１を交換することも可能である。ここで、ドリルビット１５１を、切刃回転形状のテーパー角の異なるものに交換した場合には、後述するように、ビット回転軸角度を必要に応じて変更すればよい。

ステージ台１４におけるステージ移動機構１３は、ステージ１２を上下方向（Ｚ軸方向）に推移させるリフト１３１と、このリフト１３１の上に設けられた、ステージ１２を水平面内で横方向（Ｘ軸方向）に推移させる第１の中間ステージ１３２と、この第１の中間ステージ１３２の上に設けられた、ステージ１２を水平面内で縦方向（Ｙ軸方向）に推移させる第２の中間ステージ１３３とよりなり、この第２の中間ステージ１３３の上に、平坦な試料載置面１２１を有する平板状のステージ１２が配設された構成とされている。
ここで、ステージ１２の寸法は、切削対象物を安定的に載置、固定することができる大きさであればよく、例えば縦５ｃｍ横５ｃｍとされる。

ステージ移動機構１３において、ステージ１２の最小移動単位は、例えば０．０２５〜１．０μｍ、好ましくは０．０２５μｍとされ、このようなステージ移動機構１３の駆動源としては例えばステップモータが用いられる。

観察手段１６としては、切削ドリルによる試料の切削状態を視覚的に拡大して確認できるものであればよく、例えば拡大鏡、適宜のモニタ装置への画像出力機能を有するＣＣＤカメラなどを利用することができる。

以上のマイクロミル１０においては、試料載置面１２１に切削対象物である基礎試料１２２が載置されて固定された後、ステージ移動機構１３における中間ステージ１３２、１３３が駆動されてステージ１２が縦方向および横方向に移動されてドリルビット１５１に対する基礎試料１２２の位置合わせが実行され、その後、リフト１３１が駆動されてステージ１２が上昇されることにより、基礎試料１２２がドリルビット１５１に接触されて切削が開始される。更に、この状態でステージ１２が縦方向および横方向に移動されて、基礎試料１２２における所期の領域部分の切削が達成される。

この切削工程においては、用いられるドリルビット１５１に係る切刃回転形状のテーパー角度γおよび、基礎試料２０における切削対象領域部分２１に係る境界面２２の試料載置面１２１に対する角度α（図２の例においては９０°）に基づいて、支持用ロッド１７の基端部を例えばオペレーターが指で回転させることにより、ドリルビット１５１のビット回転軸１５２が傾斜され、その角度が設定される。これにより、ドリルビット１５１に係る切刃回転形状のテーパー面が、境界面２２に適合する状態（図２（ｂ）参照）が達成される。

従って、この状態でステージ移動機構１３によりステージ１３がＺ軸方向上方に駆動されることにより、図２（ｃ）に示すように、ドリルビット１５１に係るテーパー面が、切削対象領域部分２１のみを切削しながら境界面２２に沿って相対的に移動することとなるため、結局、隣接する領域部分を切削することなく、しかも、切削対象領域部分２１を高い精度で、正確に切削することが可能である。

以上の、マイクロミルによれば、ドリルビットを有する切削ドリルが、水平な回動軸の周りに回動可能に設けられた支持用ロッドよりなる支持機構により支持されているため、用いられるドリルビットの形状、および、切削対象領域部分に係る境界面の角度などに関わらず、当該切削対象領域部分の切削を高い精度で正確に実行することが可能であり、これにより、目的とする分析対象試料を確実に採取することができる。
ここで、支持用ロッドに角度設定目盛が設けられていることにより、ドリルビットに係る切刃回転形状のテーパー角度γに合わせてドリルビットの回転軸角度を容易に、しかも確実に設定することが可能である。
また、ステージ移動機構における最小移動単位が小さく、しかも、切削部位を視覚的に確認する拡大鏡を備えた構成とされていることにより、微小な領域部分を切削する場合であっても、オペレーターは、切削操作を高い精度で、しかも容易に実行することができる。
更に、切削ドリルが、支持機構に設けられた適宜のアダプターにより交換可能に装着されているため、切削に供される切削ドリルの種類を、市販の製品から高い自由度をもって、選択することが可能である。

以上、本発明のマイクロミルについて具体的に説明したが、本発明においては種々の変更を加えることが可能である。
例えば、ステージ移動機構は、ステージを水平面上で回転させる回転テーブルを備えてなる構成とされていてもよい。このような構成によれば、切削対象物の切削工程において高い自由度が得られる。
また、切削対象領域部分に係る境界面の延伸方向などに応じて、切削ドリルの傾斜状態は、途中で、支持用ロッドが回動されてその角度が変更されてもよい。

本発明のマイクロミルの一例の構成を示す斜視図である。 本発明のマイクロミルによる基礎試料の切削において、切削ドリルが傾斜した状態で、切削対象物の切削が行われる状態を示す模式図である。 従来のマイクロミルによる基礎試料の切削状態を示す説明用斜視図である。 従来のマイクロミルによる基礎試料の切削状態を示す説明用斜視図である。

符号の説明

１０ マイクロミル
１１ スタンド
１１１ 基台
１１２ スタンド棒
１２ ステージ
１２１ 試料載置面
１２２ 基礎試料
１３ ステージ移動機構
１３１ リフト
１３２ 中間ステージ
１３３ 中間ステージ
１４ ステージ台
１５ 切削ドリル
１５１ ドリルビット
１５２ ビット回転軸
１５３ ドリル装着用アダプター
１６ 観察手段
１６１ 鏡筒
１６２ クロスクランプ
１７ 支持用ロッド
１７１ 水平軸
１７２ 角度設定目盛
１８ クロスクランプ
１８１ 基準線
２０ 基礎試料
２１ 切削対象領域部分
２２ 境界面
５０ ドリルビット
５０１ テーパー面
５１ 切削対象領域部分
５２ ステージ
５２１ 試料載置面
５３ 境界面
５４ 隣接領域部分
５５ 領域部分

Claims (1)

1. 試料載置面を有するステージと、このステージの上方に位置するよう設けられた、ステージの試料載置面に保持された試料を切削するための回転切削ドリルと、ステージおよび回転切削ドリルの両者を離接方向に相対的に移動させる移動機構とを備えてなる試料採取用マイクロミルであって、
   回転切削ドリルは、そのドリルビットの切刃部分が回転することにより描かれる軌跡によって形成される切刃回転形状が円錐形状であり、水平な回動軸の周りに回動可能な支持機構により支持され、その回転切削ドリルの回転軸の試料載置面に対する傾斜角度が調整可能であって切刃回転形状のテーパー面の角度が調整可能とされており、
   前記移動機構は、ステージを水平面内で横方向および縦方向に推移させる構成を有し、当該ステージの最小移動単位が０．０２５〜１．０μｍであり、
   回転切削ドリルの先端を含む領域を視野として有し、切刃部分によって切削される部位を拡大して観察するための観察手段が配設されており、
   前記切刃回転形状のテーパー角度と試料における切削対象領域部分に係る境界面の前記試料載置面に対する角度とに基づいて、前記回転切削ドリルの回転軸の試料載置面に対する傾斜角度が設定されることにより当該回転切削ドリルに係る切刃回転形状のテーパー面が試料の境界面に適合する状態とされ、前記移動機構によって当該切刃回転形状のテーパー面が試料の境界面に沿って相対的に移動されることにより試料が切削されることを特徴とする試料採取用マイクロミル。

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