JP2002187079A - 電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子顕微鏡の真空中、電子線下で生物試料に微
細操作を行えるようにする。 【解決手段】電子顕微鏡の真空の試料室内２で微小試料
を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュ
レータ１０を備える。マニピュレータ１０は並進３自由
度型である。マニピュレータ１０を光軸に対して位置合
わせする位置調整機構５と、試料室内にあるマニピュレ
ータの微小な針先合わせを電子顕微鏡モニタを観察しな
がら外部から操作する針先合わせ機構１２と、電力供給
用及び電気信号検出用のリード線を試料室の内から外へ
気密性を保持して引き出すリード線引出し孔９５とを備
え、これらの位置調整機構，針先合わせ機構の操作部及
びリード線引出し孔とが一つのフランジ７１に集約的に
配設され、このフランジが試料室の壁部の取付孔９６に
気密封止により取り付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料に対して微細
な操作力を加えるマイクロマニピュレータを備えた電子
顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、走査電子顕微鏡を用いて生物試
料(微小試料)を観察する場合、針状の棒を微細操作して
その操作力を加えることで、試料の表面を観察だけでは
なく、内部の組織を表面に引き出して観察をすることが
行われている。電子顕微鏡における試料に対する今まで
の微細操作は、特公昭５５−２１９８１号公報に記載の
ように、試料を割ったり、切り裂くなどの操作であり、
微小な試料(例えば細胞等)を掴んだり、移動させる機構
を備えていなかった。一方、微小対象物を複数(例えば
２本)の指の機能を有するいわゆる指片を微細操作して
ハンドリングする技術、いわゆるマイクロマニピュレー
ションは、マイクロエレクトロニクス、バイオテクノロ
ジー、医療などの分野で、特に光学顕微鏡を使用して行
われている。本発明者らは、先に特開平１０−１３８１
７７号において、微細作業では並進３自由度が主たる動
作になるという特性を有効に利用して、簡単で高精度な
位置決めを行い得る３自由度マイクロマニピュレータを
提案している（但し、マイクロマニピュレータのリンク
機構を構成する柔軟構造物をどのように製作して小型化
するかと、その材質、および、駆動させる機構としての
アクチェータ配設の具体的提案はされていない）。さら
に特開平８−１３２３６３号(特許番号第２５６０２６
２号)等において、指の機能を果たす箸状（針状）の２
本の指片(手先片)を備えたマイクロハンド機構(マニピ
ュレータ)を提案している。そして、マニピュレータを
駆動させる機構（アクチュエータ）は、１２個配設する
ことで提案されアクチュエータ自身が支柱としての役割
をしている。この箸状の指片を備えたマイクロハンド機
構は、光学顕微鏡下では数μｍ程度の微小物体を把持、
持ち上げ、回転、移動、開放することを実現している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来行われていた光学
顕微鏡に代わって、更に小さな微小試料(微小対象物)を
電子顕微鏡で観察しながら、マイクロマニピュレータを
操作できれば、試料をより緻細に観察したり、マイクロ
マシンの組立等の実現も可能になる。このような技術に
は、上記したような２本指機能を有するマニピュレータ
を用いることが望ましいが、電子線通路の限られたスペ
ースである真空状態におかれた試料室内では、光学顕微
鏡のように単純に大気圧環境の下で試料を観察しながら
微細操作を行わせるだけの発想では、その実現を図るこ
とができない。

【０００４】例えば、２本指機能を有するマニピュレー
タを試料室内に導入する場合には、アクチュエータが電
気駆動型である場合には、その電源や電気信号の引き出
しリードをどのようにして試料外に引き出すかとか、そ
の他にも、次のような、課題が残されている。 （１）一つは、電子線通路の限られたスペースである真
空状態におかれた試料室内に導入するにはまず小型化し
なければならない。 （２）二つめは、電気信号を引き出すリード線の数はで
きるだけ少なくしてワイヤハーネスの簡略化を図ると共
に、リード線からのアウトガスによるコンタミネーショ
ンの要因、真空を低下させる要因を少なくしなければな
らない。 （３）三つめは、箸状の２本の指片の先端合わせが、長
さ、間隔が合っていないと、大気中に取り出して再度、
光学顕微鏡で位置合わせをやり直さなければならず面倒
である。 （４）四つめは、電子顕微鏡は光学顕微鏡と違い高い倍
率で観察するので指片先端に振動があるとそれが拡大さ
れ焦点が合わなくなる。 （５）五つめは、指片を駆動させる機構(例えばリンク)
を電気的アクチュエータで作動させる場合、そのアクチ
ュエータに電圧を掛けると電界が発生し、電界によって
電子線に影響を与え正常な電子線像が得られない。 （６）六つめは、電子顕微鏡は光学顕微鏡と違い焦点深
度が深く、箸状の２本の指片の先端を合わせようとした
とき数μｍのＺ軸(指片の先端合わせ方向)のずれがあっ
ても、焦点が合ってしまうため、その位置ずれを認識で
きないことがある。このように指片同士の先端位置合わ
せが数μｍずれていては、微小物体を掴むことができな
い。 本発明は以上の種々の課題を解決して、電子顕微鏡のよ
うな真空下、電子線照射の下でもマニピュレータを用い
て支障なく、微小対象物を掴んだり、移動させたり、回
転させたり、開放動作を行い、今まで以上の微小物の観
察や組立等を可能にする電子顕微鏡を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、基本的には、次のように構成した。

【０００６】一つは、電子顕微鏡において、真空の試料
室内で複数の指片により微小試料を掴んで微小な回動、
移動、開放動作が可能なマニピュレータと、前記指片に
上記微小な動きをさせるための駆動機構と、前記駆動機
構への電力供給用及び電気信号検出用のリード線を試料
室の内から外へ気密性を保持して引き出す手段と、前記
駆動機構を電気的に制御する制御手段と、試料室外から
の操作により前記マニピュレータを光軸に対して位置合
わせする位置調整機構と、試料台に載置された試料から
の電子線情報による観察像を表示する表示手段を備え、
前記複数の指片の一つ乃至複数を３自由度の動作が行え
るようにしたことを特徴とする。

【０００７】上記構成によれば、電子顕微鏡の真空下の
試料室でのマイクロハンドリングを可能にするほかに、
小型化、省配線化を実現して原価低減を図り得る。その
ほかにも、上記課題解決のために、電子顕微鏡のマニピ
ュレータにおける指片同士の先端合わせの作業効率の向
上、対振動の改善、マニピュレータのアクチュエータか
ら生じる電界をシールドするための手段を講じるもの
も、以下の発明の実施の形態で提案する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示した実施例を参照して説明する。

【０００９】図１は、本発明の一実施例に係る電子顕微
鏡（ここでは、走査電子顕微鏡を例示するが透過電子顕
微鏡であってもよい）の縦断面図で図２のＣ−Ｃ′矢視
断面図である。図２は図１を矢印Ａ方向からみた一部断
面上面図、図３（ａ）はそれに用いる２本指マイクロハ
ンド機構（マイクロマニピュレータ）１０の構成を示す
一部断面上面図、同（ｂ）は図３（ａ）のＢ方向からみ
た図である。

【００１０】図１において、対物レンズ１の下部にある
試料室２は、その隔壁（壁体）２Ａにより真空室になり
得るように密室状に形成されている。隔壁２Ａには、後
述するマニピュレータ１０を試料室外から光軸に対して
位置合わせする位置調整機構５が気密性を保持するよう
に取付けられている。

【００１１】位置調整機構５は、取付用フランジ７１に
シール部材４２を介して取付けた外筒３と、その外筒３
の内側に球面のすべり対偶７０及びシール部材４３を介
して挿入された内筒６と、内筒６の内側にシール部材４
４を介して挿入した中空軸７と、中空軸７にシール部材
４５を介して挿入したマニピュレータ支持軸８を主な構
成部材としている。

【００１２】内筒６は、その一端に外筒３側の球形内面
にすべり対偶７０により係合する球形部４があり、この
すべり対偶７０は隔壁位置にあって、このすべり対偶位
置を中心に内筒６がフリーな状態では自在な首振運動を
行い得るようにしてある。

【００１３】外筒３の一端側（すべり対偶７０と反対側
の一端）には、マニピュレータ支持軸８をX軸とみた場
合に、それと直交するZ軸及びY軸方向に前記内筒６の傾
きを固定する傾き調整螺子４６、及びその調整螺子を後
退移動させたときに内筒６をその後退動作に追従移動さ
せるための戻しばね４７ａ付き押圧ピン４７が設けられ
ている。

【００１４】この調整螺子４６及び押圧ピン４７と上記
すべり対偶機構により、内筒６ひいてはマニピュレータ
１０のチルト機構を構成する。

【００１５】中空軸７と支持軸８は、溝４８及びピン４
９の係合により相対的に回り止めされている。

【００１６】中空軸７は、内筒６の内側を通って試料室
２の外部から内部へと貫通している。

【００１７】支持軸８は、中空軸７の軸孔を貫通して、
その先端部が試料室２内に導かれ、支持軸８先端にマニ
ピュレータ（マイクロハンド機構）１０が固着され、支
持軸８後端に雌螺子付きのつまみ９が設けられ、このつ
まみ９の雌螺子に支持軸８後端に設けた雄螺子５０が螺
子嵌合して、つまみ９の操作により支持軸８の直線運動
（進退動作）を可能にしている。

【００１８】ここで、２本指のマイクロハンド機構（マ
ニピュレータ）を、図２〜図５及び図８，図９を用いて
説明する。

【００１９】図４（ａ）（ｂ）は、第１の指片を動作さ
せる３自由度モジュール１１を見方を変えて示す立体図
であり、そのリンク機構１８は、回転対偶及び並進対偶
を実現する柔軟構造物からなる。ここでは、リンク機構
１８，指片のホルダー１６及びベース部材１５を一体成
形してなる。ホルダー１６には、指先（ニードル）取付
孔１７が設けてある。図５（ａ）は、ベース部材１５を
断面してマニピュレータ１１のベース部材１５，リンク
機構１８，ピエゾ圧電素子３４の関係、およびベース部
材１５と支持軸８の結合関係を示す図、図５（ｂ）は、
ベース部材１５を反リンク機構側からみた概略説明図で
ある。

【００２０】本実施例におけるマニピュレータの基本原
理は、先に提案した特開平１０−１３８１７７号公報に
記載されたものと同一であり、また、特開平８−１３２
３６３号（特許番号第２５６０２６２号）と類似してい
るが、本実施例では、電子顕微鏡に搭載するために、種
々の独自の構造的配慮がなされている。

【００２１】本実施例におけるマニピュレータ１０は、
２本の針状指片１３，１４に箸の動きに似せた動作を与
えるものであり、指片の駆動機構については、第１の指
片１３には、後述する３自由度モジュール１１を用い、
第２の指片１４には、針先合わせ機構１２を用いてい
る。

【００２２】第１の指片１３は、３自由度モジュール１
１を介して支持軸８とほぼ一直線上になるように取り付
けられ、さらに、第１の指片１３と第２指片１４とに微
小な相対運動を生成せしめ、その開き角度がほぼ２０°
で最適な相対運動が得られるように配置されている。

【００２３】３自由度モジュール１１は、指片１３を取
り付けるホルダー（エンドエフェクタ）１６と、このホ
ルダー１６を支持するベース部材１５と、前記ホルダー
１６，ベース部材１５の間を連結する回り対偶要素及び
並進対偶要素を有する三つのリンク機構１８と（図２，
図３では、作図の視覚的角度よりリンク機構１８が２本
表わされているが、このリンク機構１８は図４に示すよ
うに３本ある）、リンク機構１８に駆動力を与えるピエ
ゾ圧電素子３４よりなる。

【００２４】リンク機構１８は、１２０度間隔で配置さ
れる。

【００２５】ピエゾ素子３４は、図４，図５に示すよう
に筒形のベース部材１５に保持されて一部がリンク機構
１８側に突出し、この突出先端部が並進対偶要素のうち
ベースに対向する面３３（図５）に圧電力を加えるよう
に接している。

【００２６】ここで、リンク機構１８の、基本原理及び
構成を図８，図９を参照して説明する。

【００２７】電子顕微鏡下の微細作業では、互いに直交
する３軸方向の並進３自由度の動作が主要である。

【００２８】このような観点から考察すると、リンク要
素として、図８に示すように、一対の対偶部材１９の間
を薄肉部（くびれ部）２３で連結することにより回転対
偶Ｒを実現する柔軟構造物や、同図（ｂ）に示すよう
に、一対の対偶部材２０の両端部間を一対の連結杆部２
１によりそれぞれの薄肉部（くびれ部）２２を介して連
結して、並進対偶Ｐを実現する柔軟構造物（平行四辺形
リンク）を利用するのが有利であり、それらを利用して
３自由度の並進運動を実現する機構を構成するのが適切
である。

【００２９】本実施例では、上記の回転対偶Ｒ及び並進
対偶Ｐを組み合わせてリンク機構１８を構成するもので
あり、図９（ａ）はリンク機構１８の上面図、同（ｂ）
はリンク機構１８の正面図である。

【００３０】図９に示すように、リンク機構１８は、一
対の対偶部材３０の間を薄肉部３２で連結することによ
り実現される二つの回転対偶Ｒと、一対の対偶部材３０
の両端部間を一対の連結杆部３１でそれぞれ薄肉部３２
を介して連結することにより実現される二つの並進対偶
Ｐとを備えた柔軟構造物により構成されている。

【００３１】マニピュレータの駆動源となるアクチュエ
ータ３４は、例えばピエゾ圧電素子が用いられる。圧電
素子３４は、リンク機構１８の数に合わせて３個容易さ
れる。

【００３２】筒形ベース部材１５には、軸方向に向けて
ピエゾ圧電素子３４を内挿するための孔８４が図４及び
図５（ｂ）に示すように１２０度間隔で配置されてい
る。また、孔８４と合わせて圧電素子３４のリード線引
出し溝８５が形成されている。圧電素子３４は、上記孔
８４に内挿され、その一部が既述したようにベース部材
１５からリンク機構１８側に突出して、前記１対の並進
対偶Ｐの間に形成した受け面３３により受け止められて
いる。

【００３３】リンク機構１８は、一対の並進対偶Ｐのう
ちベース寄り側のものを図４に示すようにその連結杆部
３１を平行配置してその間にピエゾ圧電素子３４の一部
が入るようにしてある。

【００３４】３本の圧電素子３４を伸縮させたり、その
伸縮度合いを制御信号に応じて個別に変化させることに
より、リンク機構１８の接触部３３を押して各対偶を駆
動させることができるようになっている。

【００３５】本実施例の３自由度モジュール１１は、図
９のＲＰＲＰ機構を構成するリンク機構１８の三つを、
ベース部材１５とホルダー１６との間において、中心軸
線の周りに１２０°の間隔で対称型に配置する。

【００３６】３自由度モジュール１１は光造形で製作
（樹脂製）するか、ワイヤーカットで製作（金属製）す
るか、どちらかの方法で製作すると、従来に比べ大幅に
小型化された柔軟構造物の製作が実現できる。

【００３７】既述したように、３つのリンク機構１８
は、ベース部材１５に一体化されており、このベース部
材１５は可撓性の板２５と板形状のベースプレート２４
を挟んで、支持軸８先端にジョイント８７を介して固着
されている。ジョイント８７は、タップ状のものであ
り、図５に示すようにベース部材１５の一端面中央の螺
子孔８６に取り付けられ、支持軸８は、一端８′がジョ
イント８７の取り付け孔８７′に挿入されて止め螺子８
８の締付け力により固着されている。

【００３８】可撓性の板２５のうちベース１５から出た
部分は、図２，図３に示すように傾斜状に折り曲げられ
て斜板をなすものであり、この斜板によりばね板２５′
が形成されている。

【００３９】この斜板２５′には、雌螺子付きのスクリ
ューガイド３６が固定され、このガイド３６の雌螺子に
支持軸３５に設けた雄螺子３５Aが螺子嵌合して支持軸
３５の直線運動(進退動作)を可能にしている。支持軸３
５には、第２の針状指片１４が図２，図３に示すように
第１の針状指片１３に対して斜めの角度（ほぼ０度）で
取付けられている。

【００４０】板ばね２５′は、その背面に板ばねの傾き
及び傾き方向を微調整する複数の調整螺子（実施例では
２本）３７，３７′が押し当てられている。調整螺子３
７，３７′は、図１，図３に示すように、ベースプレー
ト２４に上下２列の平行配置になるように取付られる。
この調整螺子３７，３７′を、図２に示すように螺子回
し部材７２により進退調整可能にしてある。螺旋回し部
材７２は、フランジ７１を介して気密を保ちながら試料
室壁体２Ａに通されている。この板ばね２５′，調整螺
子３７，３７′，螺子回し部材７２が針先合わせ機構の
構成要素をなしている。

【００４１】すなわち、調整螺子３７，３７′を進退調
整することで、第２の指片１４の先端に全方向の微細な
動きが与えられるようになっている。

【００４２】上記した並進３自由度モジュール１１と上
記した針先合わせ機構１２により、第１の指片１３と第
２の指片１４のそれぞれの先端間に箸の動きに似せた微
小な相対運動を生じさせるものである。

【００４３】針先合わせ機構１２のうち、上記したスク
リューガイド３６及び支持軸３５の螺子部３５Ａが、マ
ニピュレータ１０を試料室外に出した状態でその指片１
３，１４同士を粗動の針先き合わせ操作する機構（第１
の針先合わせ機構）をなし、板ばね２５′、調整ねじ３
７，３７′，螺子回し部材７２が、マニピュレータ１０
を試料室２内に入れた状態の時にその指片１３，１４同
士を試料室外から微細に針先合わせ操作する機構（第２
の針先合わせ機構）をなしている。

【００４４】指片１３，１４の材質は、金属（タングス
テン）で、その先端はエッチング加工により極細形状に
なっている。第１の指片１３と第２の指片１４の材質は
表面を導電処理して先端を極細形状としたガラス針でも
よい。導電処理することにより、指片１３，１４をアー
ス処理することが可能になり、それにより指片１３，１
４に電子線が帯電するのを防止できる。

【００４５】ベース部材１５に設ける３個のアクチュエ
ータ３４としては、例えば、積層型のピエゾ圧電素子な
どを用いることができる。この場合ピエゾ圧電素子に電
圧を掛けると電界が発生し電子線に悪い影響を与える
が、ピエゾ圧電素子３４をベース部材１５でカバーさ
れ、ベース部材１５をアースすることで電磁シールドが
施されている。

【００４６】符号の２６は、アクチュエータ３４に電圧
を供給するリード線や試料の検出信号を導くリード線な
どを示すものであり、ハーメチック端子２７を介して試
料壁２Ａを通して外部に導き出される。リード線引出し
孔９５は、フランジ７１に設けられ、ガラスなどのシー
ル部材９４によりリード線引出し孔９５が塞がれてい
る。

【００４７】マニピュレータの位置調整機構５と、針先
合わせ機構の操作部７２と、気密封止されたリード線引
出し孔９５とが、一つのフランジ７１に集約的に配設さ
れ、このフランジ７１が試料室の壁体２Ａの取付孔９６
に気密封止により取り付けられている。

【００４８】アクチュエータ３４として用いるピエゾ圧
電素子は、応答が速く、微小変位と高出力が得られるも
のの、ヒステリシスが非常に大きく、駆動電圧のみによ
るオープンループ制御では、正確な位置決めを行うこと
が困難であるため、変位量を測定してフィードバック制
御することが望ましく、この場合には、特に、コンパク
トな変位測定手段とサーボ駆動系が要求される。

【００４９】このような変位測定手段としては、アクチ
ュエータ３４の伸縮方向に歪みゲージを直接貼り付けて
（図示は省略してある）、それら圧電素子のサーボ系と
しては、符号６０に示すように計算機を用いたソフトウ
エアサーボや演算増幅器を用いたアナログサーボ等を採
用することができる。サーボ系制御回路６０の指令信号
は、図示されないリード線及び既述したハーメチックシ
ール端子２７を介してアクチュエータ（圧電素子）３４
に送られる。

【００５０】試料室の光軸の位置には試料台２９が設置
されており、試料台２９には試料２８が載置されてい
る。本実施例ではマニピュレータ１０が水平に試料台２
９が斜めに配置されているが、これとは逆に試料台が水
平状態でマニピュレータ１０が斜めになるように配置し
てもよい。

【００５１】次に、このマニピュレータ（２本指マイク
ロハンド機構）１０における制御動作を説明する。

【００５２】まず、試料室外にてマニピュレータ１０の
２本指である第１の指片１３と第２の指片１４との先端
針先を目視で合わせた後、光学顕微鏡で確認して先端の
長さをほぼ一致させ、間隔が５０μｍ程度になるように
合わせる。

【００５３】その後、マニピュレータ１０を走査電子顕
微鏡の試料室２に挿入し所定の手順を経て電子顕微鏡の
モニタ像をモニタ手段（表示手段）を介して映し出し、
そのあと、ねじ回し機構７２により、調整ねじ３７，３
７′により第１の指片１３と第２の指片１４との先端同
士の針先を合わせる。像を観察しながら、針先合わせを
試料室外（真空外）から調整して先端同士の長さを完全
に一致させ、さらに、先端を接触させZ軸方向のずれを
なくしてから間隔を５μｍ程度（試料の大きさにあわせ
所望の間隔にする）にする。

【００５４】走査電子顕微鏡の試料微動装置によって所
望の視野を選び、生物試料の場合次のような微細操作を
行う。

【００５５】支持軸８のつまみ９とチルト機構５により
試料２８のどの部分に微細操作を行うか、おおよその位
置を決める。

【００５６】所定の対象物２３をハンドリングする場合
は、上述したように第１の指片１３と第２の指片１４と
の先端針先を合わせを行い、指片１３，１４を上記対象
物に対して位置決めした後、アクチュエータ３４による
三つのリンク機構１８を制御し、指片１３と指片１４と
に微小な相対運動を生成させる。

【００５７】即ち、まず、三つのアクチュエータ３４を
駆動してリンク機構１８の接触部３３を押し、ホルダ１
６を所定量可動させ、指片１３と指片１４とを対象物に
対して把持操作等の微細操作をするが、この微細操作
は、歪みゲージから各アクチュエータ３４の変位量を検
出し、この変位量からサーボ制御回路６０が指片１３の
現位置を算出し、これをフィードバックして所定の位置
決め指令値と比較し、その偏差量がなくなるまでアクチ
ュエータ３４をサーボ駆動することにより行う。そし
て、位置決めされた第１の指片１３に対し、三つのアク
チュエータ３４を駆動してリンク機構１８を所定量だけ
伸縮させ、指片１３および指片１４とに微小な相対運動
を生成させる。

【００５８】このようにリンク機構１８は広い動作領域
内で微小な相対運動を生成して、容易に対象物をハンド
リングすることができる。なお、上述した２本指マイク
ロハンド機構は、真空中、電子線下で数μｍ程度の微小
物体（例えば細胞等）を対象とし２本指でそれぞれ掴ん
で、並進、回転移動による位置決め、把持、押付け、切
断、引き伸ばし、圧搾、穴明け、かき混ぜ、はね飛ばし
等を行うために有効なものである。

【００５９】なお、ピエゾ圧電素子３４から発生する電
界の影響を取り除く方法として、３自由度モジュールを
光造形で製作（樹脂製）した場合は、ホルダ１６とベー
ス部材２４に導電処理して接地するとよく、ワイヤーカ
ットで製作（金属製）した場合は３自由度モジュール１
１を接地するとよい。

【００６０】本実施例によれば、次のような効果を奏す
る。 電子顕微鏡のマニピュレータに、３自由度モジュール
を使用し、また、各リンク機構１８を駆動するピエゾ素
子３４は、リンク１８一つ当たり一つで済むので、リー
ド線（ワイヤハーネス）２７の本数を大幅に削減するこ
とができる。

【００６１】すなわち、電子顕微鏡用のマニピュレータ
として６自由度のものを使用した場合には、アクチュエ
ータ用のピエゾ圧電素子が１２個用いるが、本実施形態
の３自由度では、ピエゾ抵抗素子３４は３個と大幅に削
減される。また、図示していないが、マニピュレータの
リンク位置変位を検出する歪ゲージは、６自由度の場合
には、２４個、本実施形態の場合は、６個、また、リー
ド線は、ピエゾ素子１つ当たりにつき２本であり、歪ゲ
ージ１つ当たりにつき３本である。リード線２６の数
は、６自由度の場合には、電子顕微鏡検出信号線も含め
れば１００本以上となり、膨大な数となり、これだけの
本数のリード線引出し孔を、フランジ７１に確保するこ
とはスペースの制約から困難である。これに対して、本
実施形態の場合には、リード線は、１／４と大幅に減少
することができ、それによりフランジ７１に、リード線
引出し部９５を、マニピュレータの位置調整機構５及び
針先合わせ操作部７２共々に集約的に配置することがで
き、それにより電子顕微鏡へのマニピュレータの実装を
可能にする。特に、フランジ７１を利用すれば、試料室
のアクセサリ取付用のポートをフランジ取り付け孔９６
として利用できるので、実装性に優れている。

【００６２】また、リード線を大幅に減少させることに
より、真空中でリード線の被覆材から出るアウトガスに
よるコンタミネーションの影響を防ぐことができる。 上記したように３自由度モジュールによれば、マニピ
ュレータを構成を簡略化し、また、歪ゲージやピエゾ圧
電素子も大幅に減少できるので、電子顕微鏡の小型化に
貢献することができる。 箸状の２本の指片の先端合わせとして、長さ、間隔の
合わせが、粗動操作は光学顕微鏡像で行ない、微細操作
は電子顕微鏡像で行なうことができ、その位置調整も容
易に行える。 ２本の指片の強度はアクチュエータを支柱とせず、ピ
エゾ素子の強度に頼らない構造で取り付けられ、剛性が
強く振動が伝わりにくいので、高い倍率の観察に適して
いる。 ２本の指片１３，１４の先端合わせのうち、微細位置
合わせについては、マニピュレータが試料室２内にあっ
ても、試料室外の操作により可能にするので、大気中に
取り出して再度、光学顕微鏡で位置合わせをやり直す必
要がなく、マニピュレータを導入しても操作性に優れた
電子顕微鏡を実現することができる。 本実施例によれば、光学顕微鏡で行えたことと同じこ
とが、真空中、電子線下でも、電界による影響を受けず
に電子線情報を得て微細操作を行うことができる。 更に、電子顕微鏡の持つ高い倍率と高い分解能の特性
を生かすことにより、マイクロマニピュレーションの技
術がレベルアップされ、マイクロエレクトロニクス、バ
イオテクノロジー、医療の分野により貢献することが可
能となる。

【００６３】本実施例ではマニピュレータ１０に３自由
度モジュール１１を１個使用する構造としたが、第２の
指片１４側も含め２個使用する構造としても同様の微細
操作が行える。また、マニピュレータ１０と支持軸８の
間にもう１個追加して、すなわち直列に２個接続する構
造としてもよく、この場合は動作領域が大きくとること
ができ、より広い作業空間にある対象物に対して位置決
めが可能となる。

【００６４】図６，図７には、針先合わせを試料室外か
ら可能にする操作部（螺子回し部材）７２の他の態様を
示し、図６は、自在継ぎ手９０を介して螺子回し部材７
２を調整ねじ３７，３７′の結合可能にしたものであ
り、図７は、フレキシブル部材９１を介して螺子回し部
材７２を調整ねじ３７，３７′に結合可能にしたもので
ある。このように構成するば、螺子回し部材７２と調整
螺子３７，３７′間に芯ずれが生じても、容易に両者を
結合することができる。

【００６５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電子顕微
鏡のような真空下、電子線照射の下でもマニピュレータ
を用いて支障なく、微小対象物を掴んだり、移動させた
り、回転させたり、開放動作を行い、今まで以上の微小
物の観察や組立て等を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る電子顕微鏡の縦断面図
で図２のＣ−Ｃ′矢視断面図である。

【図２】図１を矢印Ａ方向からみた一部断面上面図。

【図３】（ａ）は、上記実施例に用いる２本指マイクロ
ハンド機構（マイクロマニピュレータ）１０の構成を示
す一部断面上面図、（ｂ）は図３（ａ）のＢ方向からみ
た図。

【図４】本実施例における３自由度モジュール１１を見
方を変えて示す立体図。

【図５】（ａ）は、ベース部材１５を断面してマニピュ
レータ１１のベース部材１５，リンク機構１８，ピエゾ
圧電素子３４の関係、およびベース部材１５と支持軸８
の結合関係を示す図、（ｂ）は、ベース部材１５を反リ
ンク機構側からみた概略説明図。

【図６】針先合わせを試料室外から可能にする操作部
（螺子回し部材）７２の他の態様を示す説明図。

【図７】針先合わせを試料室外から可能にする操作部
（螺子回し部材）７２の他の態様を示す説明図。

【図８】３自由度マニピュレータの基本原理を示す説明
図。

【図９】３自由度マニピュレータのリンク機構を示す平
面図及び正面図。

【符号の説明】

１…対物レンズ、２…試料室、３…外筒、４…球形部、
５…位置調整機構、７…中空軸、８…支持軸、１０…マ
ニピュレータ、１１…３自由度モジュール、１２…針先
合わせ機構、１３…第１の指片、１４…第２の指片、１
５…ベース部材、１７…ホルダ（エンドエフェクタ）、
１８…リンク機構、２７…リード線、３４…アクチュエ
ータ（ピエゾ圧電素子）、３５…支持軸、３７，３７′
…調整ねじ（押棒）、７２…針先合わせ操作部（螺子回
し部材）、９５…リード線引出し孔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浮穴 基英 茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地 株 式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者 森田 一弘 茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地 株 式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者 藤井 和博 茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地 株 式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者 谷口 佳史 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者 小谷内 範穂 茨城県つくば市並木一丁目２番地 工業技 術院機械技術研究所内 (72)発明者 谷川 民生 茨城県つくば市並木一丁目２番地 工業技 術院機械技術研究所内 Ｆターム(参考） 3F060 BA10 FA06 FA07 GA11 GB12 HA02

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子顕微鏡において、真空の試料室内で
   複数の指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、
   開放動作が可能なマニピュレータと、前記指片に上記微
   小な動きをさせるための駆動機構と、前記駆動機構への
   電力供給用及び電気信号検出用のリード線を試料室の内
   から外へ気密性を保持して引き出す手段と、前記駆動機
   構を電気的に制御する制御する制御手段と、試料室外か
   らの操作により前記マニピュレータを光軸に対して位置
   合わせする位置調整機構と、試料台に載置された試料か
   らの電子線情報による観察像を表示する表示手段とを備
   え、前記複数の指片のうちの一つ乃至複数を３自由度の
   動作が行えるようにしたことを特徴とする電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記マニピュレータは、該マニピュレー
   タを試料室外に出してその指片同士を粗動の針先き合わ
   せ操作する第１の針先合わせ機構と、該マニピュレータ
   を試料室内に入れた状態でその指片同士を試料室外から
   微小の針先合わせ操作する第２の針先合わせ機構とを備
   えている請求項１記載の電子顕微鏡。
3. 【請求項３】 真空の試料室内で複数の針状指片により
   微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能な
   マニピュレータを備えた電子顕微鏡であり、前記マニピ
   ュレータは並進３自由度型であり、 前記マニピュレータを光軸に対して位置合わせする位置
   調整機構と、試料室内にあるマニピュレータの微小な針
   先合わせを電子顕微鏡モニタを観察しながら外部から操
   作する針先合わせ機構と、前記マニピュレータを駆動す
   るための電力供給用及び電気信号検出用のリード線を試
   料室の内から外へ気密性を保持して引き出すリード線引
   出し孔とを備え、前記位置調整機構，針先合わせ機構の
   操作部及び前記リード線引出し孔とが一つのフランジに
   集約的に配設され、このフランジが試料室の壁部の取付
   孔に気密封止により取り付けられていることを特徴とす
   る電子顕微鏡。
4. 【請求項４】 電子顕微鏡において、真空の試料室内で
   複数の針状指片により微小試料を掴んで微小な回動、移
   動、開放動作が可能なマニピュレータと、前記マニピュ
   レータを光軸に対して位置合わせする位置調整機構と、
   前記マニピュレータの微小な針先合わせを行なう針先合
   わせ機構と、前記位置調整機構及び前記針先合わせ機構
   を試料室外部から操作する操作部とを備えてなることを
   特徴とする電子顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記マニピュレータは、２本の針状指片
   よりなり、一方の針状指片が並進３自由度モジュールに
   支持され、他方の針状指片が傾きを有する板ばねに支持
   され、この板ばねは、その背面に板ばねの傾き及び傾き
   方向を微調整する複数の調整螺子が押し当てられ、この
   調整螺子を試料室壁体を通した螺子回し部材により進退
   調整可能にし、この板ばね，調整螺子，螺子回し部材が
   前記針先合わせ機構の構成要素をなしている請求項２か
   ら４のいずれか１項記載の電子顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記２本の針状指片は、開き角度がほぼ
   ２０°になるように設定してある請求項２から５のいず
   れか１項記載の電子顕微鏡。
7. 【請求項７】 電子顕微鏡において、真空の試料室内で
   複数の針状指片により微小試料を掴んで微小な回動、移
   動、開放動作が可能なマニピュレータを備え、前記マニ
   ピュレータは、複数の指片のうちの一つ乃至複数を３自
   由度の動作が行える並進３自由度モジュールにより駆動
   されるようにし、 前記並進３自由度モジュールは、指片を取り付けるホル
   ダーと、このホルダーを支持するベース部材と、前記ホ
   ルダー，ベース部材の間を連結する回り対偶要素及び並
   進対偶要素を有する三つのリンク機構と、前記リンク機
   構に駆動力を与えるピエゾ圧電素子とよりなり、このピ
   エゾ素子は、前記ベース部材に保持されて一部が前記リ
   ンク機構側に突出し、この突出先端部が前記並進対偶要
   素のうち前記ベースに対向する面に駆動力を加えるよう
   に接していることを特徴とする電子顕微鏡。
8. 【請求項８】 前記ベース部材は、筒形をなし、この筒
   形ベース部材に軸方向に向けて前記ピエゾ圧電素子を内
   挿するための孔が形成され、 前記リンク機構は、一対の対偶部材の間を薄肉部で連結
   することにより構成される二つの回転対偶と、一対の対
   偶部材の両端部間を一対の連結杆部によりそれぞれ薄肉
   部を介して連結して構成される二つの並進対偶を備え、
   各対偶を一つの平面上に配列させて３自由度の動作行わ
   せる柔軟構造物として構成され、前記一対の並進対偶の
   間に前記ピエゾ圧電素子の受け面が形成されている請求
   項７記載の電子顕微鏡。
9. 【請求項９】 前記ベース部材は、前記ピエゾ圧電素子
   から生じる電界をシールドするように構成されている請
   求項７又は８記載の電子顕微鏡。
10. 【請求項１０】 前記ピエゾ素子は、試料室の壁体を介
    してアースされたベース部材に内挿されることで電磁シ
    ールドされている請求項９記載の電子顕微鏡。
11. 【請求項１１】 電子顕微鏡において、真空の試料室内
    で複数の針状指片により微小試料を掴んで微小な回動、
    移動、開放動作が可能なマニピュレータを備え、前記マ
    ニピュレータは、少なくとも３自由度を有するモジュー
    ルにより駆動されるようにし、このモジュールのベース
    が試料室の壁体にアースされて取り付けられ、該モジュ
    ールを駆動するアクチュエータの少なくとも一部を前記
    ベースに内挿することで、前記アクチュエータから生じ
    る電界をシールドしていることを特徴とする電子顕微
    鏡。
12. 【請求項１２】 前記三つのリンク機構は光造形で加工
    するか、或いは、ワイヤーカットで加工してなる請求項
    ７または８記載の電子顕微鏡。