(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料が設置載置される試料台と、
前記試料台に載置された前記試料に接触させるサーマルプローブと、
前記サーマルプローブ内の複数点の温度を計測するために引き出されたプローブ計測線と、
前記サーマルプローブと前記試料の接触後に前記サーマルプローブ内の複数点の温度を計測し、前記サーマルプローブ内の隣接区間の温度差により熱浸透率を計測する手段と
を備えたことを特徴とする熱浸透率の計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱浸透率の計測装置において、
前記サーマルプローブを任意の平面内で移動自在に支持するプローブ支持ステージと、
前記試料台を前期サーマルプローブが移動する平面に直交する一方向に往復移動自在に支持する試料台支持ステージと
を備えたことを特徴とする熱浸透率の計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の熱浸透率の計測装置において、
前記サーマルプローブには、前記試料との接触を検出する接触検知手段が備えられ、    前記プローブ支持ステージには、前記試料台側を撮影して計測領域を設定するための撮像手段が備えられている
ことを特徴とする熱浸透率の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーマルプローブを用いてサーマルプローブ内の温度を計測する熱浸透率の計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換材料は熱と電気の間で直接エネルギー変換を行う材料である。この材料に温度差を与えると材料内部で電位差が生じるので、この電位差を外部回路に取り出せば、外部負荷の部分で電力を取り出すことができ、温度差を利用した発電システム等に利用できる。
【０００３】
近年、環境問題の観点から、廃熱を再利用することが提唱されている。廃熱を再利用して電気エネルギーに変換するためには、熱から電気に大量に変換できる熱電効率の良い熱電変換材料を開発することが求められている。熱電変換材料の開発段階で作製される試料は、試料の材質が不均質であったり、一般の計測法では測定できない試料形状を持っていたりする。したがって、試料の均質性を検証でき、かつ一般的な計測法では評価できない試料を評価できる装置及びその評価方法の開発が求められている。
【０００４】
また、傾斜機能材料は試料内になだらかに分布を持っている。複数の材料を用いて傾斜組成させることにより、多機能を持った新材料を開発することができ、新たな製品開発につながる可能性がある。例えば、熱物性値をなだらかに分布した試料を作製することで、熱伝導特性や熱起電力特性を所望の状態にした製品を開発することができる。熱物性値の分布を確認するために、微小領域の熱物性値を計測できる装置の開発が必要である。
【０００５】
微小領域の熱物性測定に関連する技術としては、例えば、周期加熱法とサーモリフレクタンス技術を応用して熱浸透率を測定する方法（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）や、ＡＦＭ技術を活用した熱イメージを計測するＳＴｈＭ技術（例えば、非特許文献２参照）や、同じく先端を細くした熱電対をカンチレバーとして試料表面の温度情報を収集して表面形状測定に利用するＳＴＰ法（例えば、非特許文献３参照）などが提案されている。サーマルプローブを利用した熱物性測定法が複数提案されている（例えば、非特許文献４、５、特許文献２、３参照）。以上の方法に基づいた装置は開発されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１２１５８５号公報
【特許文献２】特開２００４−００３８７２号公報
【特許文献３】特開２００８−０５７１４４号公報
【非特許文献１】Thermal effusivity distribution measurements using a thermo-reflectance technique; in Proceeding of 10th International Conference of Photo-acoustic and Photothermal Phenomena, pp. 315-317 (1999); N. Taketoshi, M. Ozawa, H. Ohta, and T. Baba.
【非特許文献２】Scanning Near-Field Optical Microscopy and Scanning Thermal Microscopy; Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 33, p.p.3785-3790 (1994); R. J. Pylkki, P. J. Moyer, and P. E. West.
【非特許文献３】Scanning Thermal Profiler; Appl. Phys. Lett., Vol. 49, No23, pp. 1587-1589(1986); C. C. Williams and H. K. Wickamasinghe.
【非特許文献４】点接触式温度プローブによる固体熱３定数の測定法（測定理論）；熱物性，13, 4, pp.246-251; 高橋一郎、榎森正晃.
【非特許文献５】点接触式温度プローブによる固体熱３定数の測定法（被測定物体形状と測定条件の検討）；熱物性，13, 4, pp.252-257; 高橋一郎、榎森正晃.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、複数点の電圧及び／又は温度の計測方法、接触点温度の評価方法、熱浸透率の評価方法に基づいた熱浸透率の計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、微小領域のゼーベック係数と熱浸透率を評価する際に、サーマルプローブを備えた測定装置を用い、複数点の電圧及び／又は温度の計測方法、接触点温度の評価方法、熱浸透率の評価方法に基づいた装置を構成することで、精度良く測定できる知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００９】
ゼーベック係数及び熱浸透率の計測装置は、試料が設置載置される導電体製の試料台と、前記試料台から引き出され前記試料台と同一材質の試料台配線と、前記試料台に載置された前記試料に接触させる導電体製サーマルプローブと、サーマルプローブから引き出されサーマルプローブと同一材質のプローブ配線と、前記サーマルプローブ内の複数点の温度を計測するために引き出されたプローブ計測線と、前記サーマルプローブと前記試料の接触前後にサーマルプローブ内の複数点の温度とサーマルプローブと試料の接触点の電圧を計測することでゼーベック係数と熱浸透率を計測する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
そして、前記サーマルプローブを任意の平面内で移動自在に支持するプローブ支持ステージと、前記試料台を前期サーマルプローブが移動する平面に直交する一方向に往復移動自在に支持する試料台支持ステージとを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記サーマルプローブには、前記試料との接触を検出する接触検知手段が備えられ、前記プローブ支持ステージには、前記試料台側を撮影して計測領域を設定するための撮像手段が備えられていることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決するための請求項１に係る本発明の熱浸透率の計測装置は、試料が設置載置される試料台と、前記試料台に載置された前記試料に接触させるサーマルプローブと、前記サーマルプローブ内の複数点の温度を計測するために引き出されたプローブ計測線と、前記サーマルプローブと前記試料の接触後に前記サーマルプローブ内の複数点の温度を計測し、前記サーマルプローブ内の隣接区間の温度差により熱浸透率を計測する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
そして、請求項２に係る本発明の熱浸透率の計測装置は、請求項１に記載の熱浸透率の計測装置において、前記サーマルプローブを任意の平面内で移動自在に支持するプローブ支持ステージと、前記試料台を前期サーマルプローブが移動する平面に直交する一方向に往復移動自在に支持する試料台支持ステージとを備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に係る本発明の熱浸透率の計測装置は、請求項２に記載の熱浸透率の計測装置において、前記サーマルプローブには、前記試料との接触を検出する接触検知手段が備えられ、前記プローブ支持ステージには、前記試料台側を撮影して計測領域を設定するための撮像手段が備えられていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の熱浸透率の計測装置では、プローブ支持ステージ及び試料台支持ステージを移動制御することにより、試料台に対してサーマルプローブを任意の関係に移動させてサーマルプローブを試料に接触させることができる。また、接触検知手段により接触状況を把握することで、試料が変更になっても同一状態でサーマルプローブを接触させることができ、撮像手段により計測領域を設定して計測を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の熱浸透率の計測装置は、熱浸透率の分布測定を正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１には本発明の一実施形態例に係るゼーベック係数及び熱浸透率の計測装置（熱浸透率の計測装置）の正面、図２には図１中のＩＩ−ＩＩ線矢視、図３にはサーマルプローブと試料台との関係を模式的に表した概念を示してある。
【００１８】
図１、図２に示すように、熱浸透率の計測装置として、ゼーベック係数及び熱浸透率の計測装置１のベース２には、Ｘ軸ステージ３及びＹ軸ステージ４が設けられ、ベース２にはＸ軸ステージ３及びＹ軸ステージ４が互いに直交した方向に延びて配されている。
【００１９】
図１に示すように、Ｘ軸ステージ３にはＸ軸移動ベース５がＸ軸方向（図１中左右方向）に移動自在に支持され、Ｘ軸移動ベース５は図示しない駆動機構によりＸ軸ステージ３に沿って往復移動自在になっている。Ｘ軸移動ベース５には試料台６が取り付けられ、試料台６に試料７が接触載置される。
【００２０】
図２に示すように、Ｙ軸ステージ４にはＹ軸移動ベース８がＹ軸方向（図２中左右方向）に移動自在に支持され、Ｙ軸移動ベース８は図示しない駆動機構によりＹ軸ステージ４に沿って往復移動自在になっている。Ｙ軸移動ベース８にはＺ軸ステージ９が立設され、Ｚ軸ステージ９のＸ軸ステージ３側の面にはＺ軸移動ベース１０（プローブステージ）がＺ軸方向（図２中上下方向）に移動自在に支持されている。Ｚ軸移動ベース１０は図示しない駆動機構によりＺ軸ステージ９に沿って上下方向に往復移動自在になっている。
【００２１】
つまり、Ｙ軸ステージ４及びＺ軸ステージ９により、後述するサーマルプローブを任意の平面内（ＹＺ平面内）で移動自在に支持するプローブステージが構成されている。そして、Ｘ軸ステージ３により、後述するサーマルプローブをＹＺ平面に対して直交する一方向に往復移動自在に支持する試料台支持ステージが構成されている。
【００２２】
図１、図２に示すように、Ｚ軸移動ベース１０には支持台１１が固定され、支持台１１には接触検知手段１２を介してプローブブロック１３が取り付けられている。プローブブロック１３にはプローブブロック１３と同一材料のプローブ１４が設けられ、Ｚ軸移動ベース１０が下降することによりプローブ１４が試料７に接触するようになっている。サーマルプローブは、接触検知手段１２、プローブブロック１３及びプローブ１４により構成されている。
【００２３】
Ｚ軸移動ベース１０にはカメラ支持台１５が固定され、カメラ支持台１５には撮像手段としての試料カメラ１６が取り付けられている。試料カメラ１６では試料７が撮影され、試料カメラ１６で撮影した試料画像に対して画像中の特定領域が設定されて熱物性評価の設定範囲とされる。
【００２４】
図３を参照してサーマルプローブの構成を説明する。
【００２５】
サーマルプローブはプローブブロック１３（材質Ａ: 例えば、コンスタンタン）とプローブ１４（材質Ａ: 例えば、コンスタンタン）とから構成され、プローブブロック１３とプローブ１４は測定中一体となって移動する。プローブブロック１３の温度（Ｔｐｂ）と試料台７（材質Ｂ: 例えば、銅）の温度（Ｔｓｂ）とは、図示しない温度制御手段によって、測定中は一定温度に保たれている。
【００２６】
試料７とプローブ１４の先端が接触していない状態で、プローブブロック１３の温度（Ｔｐｂ）と試料台７の温度（Ｔｓｂ）が制御される。この時、Ｔｐｂ≧Ｔｓｂ＋１０℃の関係を満足するように制御される。これは、プローブ１４の先端を試料７の温度よりも十分高い条件にするためである。
【００２７】
測定は、サーマルプローブのプローブ１４と試料７とが接触していない状態で開始し、一定時間の経過後、プローブ１４の先端と試料７とを接触させる。一定時間接触させた後、サーマルプローブのプローブ１４を試料７から離し、プローブ１４内の電圧計測と温度計測を測定中に行う。
【００２８】
試料台６からは電圧計測用の試料台配線２２（材質Ｂ：例えば、銅）が計測用として引き出され、プローブブロック１３からはプローブ配線２１（材質Ａ：例えば、コンスタンタン）が引き出されている。試料台配線２２とプローブ配線２１は、計測手段３１で接続されている。そのため、プローブ配線２１と試料台配線２２との間が熱電対として機能できるので、接触点の温度計測、電圧計測を行うことができる。
【００２９】
プローブ１４内の温度は、Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３の３点で測定する。プローブ１４内のＴ１、Ｔ２及びＴ３からは、それぞれ、電圧・温度計測用の配線（材質Ｃ：例えば、クロメル）３２ａ、３２ｂ、及び３２ｃが計測用として引き出されている（プローブ計測線）。配線３２ａ、３２ｂ、及び３２ｃは計測手段３１でプローブ配線２１とそれぞれ接続している。そのため、Ｔ１、Ｔ２及びＴ３の温度は、クロメル−コンスタンタンのＥ熱電対として計測できる。
【００３０】
上述したゼーベック係数及び熱浸透率の計測装置１による測定の動作を説明する。
【００３１】
例えば、試料台６に試料７を接触載置し、Ｘ軸移動ベース５、Ｙ軸移動ベース８及びＺ軸移動ベース１０を適宜移動させ、試料カメラ１６により試料７を撮影して測定範囲を決定する。Ｘ軸移動ベース５、Ｙ軸移動ベース８及びＺ軸移動ベース１０を適宜移動させ、試料７の測定位置の直上にプローブ１４を位置させ、プローブ１４内の複数点の温度計測を開始する。Ｚ軸移動ベース１０を下降させてプローブ１４を試料７に接触させ、接触時の電圧を計測する。接触の判断は、接触検知手段１２の検出値の変化により行う。
【００３２】
試料７の多数箇所を測定する場合、Ｘ軸移動ベース５、Ｙ軸移動ベース８及びＺ軸移動ベース１０を適宜移動させ、熱物性評価の設定範囲でプローブ１４の試料７への接触を繰り返し、設定範囲の該当場所でプローブ１４内の複数点の温度計測と接触点の電圧を計測する。多数箇所の計測（プローブ１４の試料７への接触）は、プローブ１４の下降量（Ｚ軸移動ベース１０の移動量）を制御することで多数箇所に対して測定を行なう。
【００３３】
これにより、試料７に対する微小領域のゼーベック係数と熱浸透率分布を得るためのプローブ１４内の複数点の温度計測と接触点の電圧を実測する。
【００３４】
未知試料のゼーベック係数を計測する方法は、図３に示したように、サーマルプローブ（材質Ａ）、試料台６（材質Ｂ）、未知試料（試料７：材質Ｄ）の測定系を用いる。ここで、計測される接触点の電圧ΔＶは、次式（１）に示す式で表すことができる。
【数１】
0005190842.tif 000002
【００３５】
（１）式において、Ｓｂは試料台６（試料台配線２２）のゼーベック係数、Ｔｂｄは試料台６と試料７の接触温度、Ｔｊは計測手段３１の温度、Ｓｄは試料７のゼーベック係数、Ｔｃｐｃａｌは接触点の温度、Ｓａはプローブブロック１３（プローブ配線２１）のゼーベック係数を表す。
【００３６】
試料台６（試料台配線２２：材質Ｂ）、及びプローブ１４（プローブブロック１３、プローブ配線２１：材質Ａ）のゼーベック係数が既知であり、接触点の温度Ｔｃｐｃａｌがプローブ内の複数点の温度計測と試料台６の同じ材料の基準試料７（材質Ｂ）の測定結果に基づいて評価でき、計測手段３１の温度Ｔｊを計測し、試料台６と試料７の接触温度Ｔｂｄを試料台６の制御温度Ｔｓｂとするならば、以下の（２）式で未知試料のゼーベック係数を見積もることが可能である。
【００３７】
【数２】
0005190842.tif 000003
【００３８】
また、未知の試料７に対する熱浸透率は図３のプローブ１４内の複数点の温度計測によって評価する。接触後のプローブ１４内の隣接区間の温度差ΔＴは、試料７の熱浸透率ｂに対応しており、以下の（３）式で熱浸透率ｂと温度差ΔＴとの関係を表わすことができる。
【００３９】
【数３】
0005190842.tif 000004
【００４０】
尚、（３）式中、ｃ１、ｃ２、ｃ３は定数である。
【００４１】
また、試料７の体積比熱容量Ｃ（密度と比熱容量）を公知の方法で測定すれば、上述した熱浸透率ｂから、(４)式により熱伝導率λへの変換が行なえる。つまり、未知試料について測定された熱浸透率ｂから未知試料の熱伝導率を推定することができる。
【数４】
0005190842.tif 000005
【００４２】
これにより、試料７（未知試料）について測定された熱浸透率ｂから試料７（未知試料）の熱伝導率を推定することができる。実際の装置としては、(４)の変換式を組み込むことにより、未知の試料７の熱伝導率として表示することもできる。
【００４３】
複数箇所の測定においては、全ての点で前記計測によりゼーベック係数と熱浸透率の評価を行い、各測定位置の値として評価する。
【００４４】
上述した装置により、試料として６００μｍ×１５００μｍの（Ｂｉ２Ｔｅ３）１-ｘ（ＳｂＴｅ）ｘを用い、３０μｍ間隔で分布測定を行うことで、図４〜図６に示した結果を得ることができた。
【００４５】
図４はゼーベック係数Ｓｄ（μＶＫ−１）の値の数値分布を濃淡で表した状況であり、濃淡の状態が濃くなるにしたがいゼーベック係数（μＶＫ−１）が小さくなっている。図５は熱浸透率ｂ（Ｊｓ−０．５ｍ−２Ｋ−１）の値の数値分布を濃淡で表した状況であり、濃淡の状態が濃くなるにしたがい熱浸透率（Ｊｓ−０．５ｍ−２Ｋ−１）が小さくなっている。
【００４６】
また、図６は公知の手法で評価した体積比熱容量（１．３６×１０６Ｊｍ−３Ｋ−１）を用いて求めた熱伝導率λ（Ｗｍ−１Ｋ−１）の値の数値分布を濃淡で表した状況であり、濃淡の状態が濃くなるにしたがい熱伝導率λ（Ｗｍ−１Ｋ−１）が小さくなっている。
【００４７】
測定結果の平均値と標準偏差は、ゼーベック係数Ｓｄは１６１±２２μＶＫ−１であり、熱浸透率ｂは１３６０±１２０Ｊｓ−０．５ｍ−２Ｋ−１であり、熱伝導率λは１．３７±２．４Ｗｍ−１Ｋ−１であった。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の装置を利用することにより、熱電変換効率の良い熱電変換材料を利用する技術分野において有用な材料を開発する際に材料探査と均質性評価の側面で利用できる。また、傾斜機能材料の熱物性分布を得ることができるので、新規の材料開発の促進につながる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態例に係る熱物性評価装置の正面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線矢視図である。
【図３】サーマルプローブと試料台との関係を模式的に表した概念図である。
【図４】ゼーベック係数の分布を表した概念図である。
【図５】熱浸透率の分布を表した概念図である。
【図６】熱伝導率の分布を表した概念図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  計測装置
２  ベース
３  Ｘ軸ステージ
４  Ｙ軸ステージ
５  Ｘ軸移動ベース
６  試料台
７  試料
８  Ｙ軸移動ベース
９  Ｚ軸ステージ
１０  Ｚ軸移動ベース
１１  支持台
１２  接触検知手段
１３  プローブブロック
１４  プローブ
１５  カメラ支持台
１６  試料カメラ
２１  プローブ配線
２２  試料台配線
３１  計測手段
３２  配線
【図１】
0005190842.tif 000006
【図２】
0005190842.tif 000007
【図３】
0005190842.tif 000008
【図４】
0005190842.tif 000009
【図５】
0005190842.tif 000010
【図６】
0005190842.tif 000011