| 研究課題/領域番号 |
15H03889
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| 研究機関 | 長岡技術科学大学 |
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研究代表者 |
松谷 巌 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (00514465)
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| 研究分担者 |
大沼 清 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (50396834)
桑原 敬司 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (50525574)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 音響共鳴現象 / 超音波パルスエコー / 膜厚 / 音速 |
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| 研究実績の概要 |
導電性高分子膜は電解重合で形成されるが、その膜厚を成膜中に計測できれば、バイオ燃料電池等の、有機電子デバイスの製造性の向上に寄与できる。一方、細胞の積層状態（厚さ）を正確に計測できれば、細胞と外界との相互作用や刺激に対する細胞機能を解明できる可能性がある。これらの計測対象は、液中に存在し、音響特性が不均一かつ時間的に変動する点に特徴がある。また、数十μmの厚さが想定されるため、μmオーダーの分解能が要求される。従来技術である音響共鳴顕微鏡は、超音波を利用して膜厚の非破壊計測が可能であるものの、音速が既知であることが必須であるため、上記対象物の計測は不可能であった。そこで本研究では、音響物性が未知の物質を対象とし、液中での膜厚計測を目的として、音速と厚さの同時計測システムを開発する。現在、超音波の周波数解析と時間計測を組み合わせる新しい計測方法を3通り考案しており、そのうちの2方式について、検証実験に成功した。今年度は、新しい音響共鳴顕微鏡を構築し、検証実験を進めることで、測定精度に関する理論的な考察を完成させた。また、測定対象としてiPS細胞が積層した基板を作る必要があるが、チタン基板上の任意の場所にヒトiPS細胞を固定する技術を確立した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
今年度は、音速と厚さの同時計測システムを開発し、計測精度や分解能について理論的および実験的な検証を行った。水浸式の超音波探触子を利用して、音響共鳴現象における周波数解析と超音波の伝播時間計測を組み合わせることで、金属基板上の薄膜の音速と膜厚の同時計測を可能にする方法を確認した。まず、薄膜付きの金属基板を水中に置き、超音波の反射波を計測する。薄膜を下側に向けて配置し、薄膜下部に空気の層をつける。このとき音響共鳴現象が発現し、周波数解析により、スペクトルの極小値である共鳴周波数 fr = vd/4d が得られる。次に、基板を上下逆にして膜の有る箇所と無い箇所を計測すると、その時間差tは、t = 2d/vw - 2d/vd となる。水中の音速値vwが既知のとき、2つの実測値（fr, t ）と2つの式（ fr = vd/4d, t = 2d/vw -2d/vd ）から音速vdと膜厚dを同時に求めることができる。インサイト社の超音波画像処理装置を用いて、公称周波数75 MHzの水浸式超音波探触子をXYZステージで移動可能にした。試験片として、1 mm 厚の鋼板上にエポキシ樹脂（公称音速は2300 m/s ）が電着塗装されたものを用いた。また、その公称膜厚は10、15、20、25 μm の４種類である。水の音速を vw = 1480 m/s として、エポキシ樹脂薄膜の音速と膜厚を同時に計測した。また、レーザ顕微鏡で試験片の断面を観察し、新手法による計測結果と比較した。本手法による膜厚計測結果は、レーザ顕微鏡による断面観察と比較して誤差1 μm程度であり、良好な精度で膜厚計測ができていることがわかった。また、測定対象としてiPS細胞が積層した基板を作成する検討を行い、チタン基板上の任意の場所にヒトiPS細胞を固定する技術を確立した。
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き音響共鳴現象を利用した周波数解析と反射超音波の時間計測を組み合わせることで、音速と膜厚の同時計測を可能にする方法を検証する。エポキシ樹脂薄膜の膜厚計測から、本手法で得られた膜厚はレーザ顕微鏡による断面観察結果と非常に良い一致を見せた。今後、音響特性が均一ではなく、なおかつ音速が未知である導電性高分子薄膜やヒトiPS細胞のような計測対象であっても、溶液中における音速と膜厚の同時計測によってその厚さが計測可能であることを示す。また、超音波の反射波形には、薄膜表面での反射波と薄膜－基板の境界からの反射波が混合していると考えられ、それが測定誤差につながっていると考えられる。この現象を踏まえて、現在の装置構成の測定限界および分解能についての考察を深める。
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