JP2012253955A - リニアモータ，可動ステージおよび電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】漏洩磁場の抑制と駆動性能とのバランスを取る。
【解決手段】開放面を有する第１のヨーク１８と、前記第１のヨーク内にＳ極とＮ極とが交互になるよう直線状に並べられた２列の永久磁石１７とを備えた界磁子９と、前記２列の永久磁石の間に設けられ直線移動する可動子１０とを備えたリニアモータにおいて、前記第１のヨークの開放面から見て前記第１のヨークの開放端部と前記永久磁石とを覆うように、前記第１のヨークの開放端部に第２のヨーク１９を接続する。
【選択図】 図４

Description

リニアモータ，可動ステージおよび電子顕微鏡に関する。

電子顕微鏡では、可動ステージを用いて撮像対象を移動させ、撮像対象の様々な位置の撮像を行うのが一般的である。可動ステージの高速移動や高精度な位置決めが必要なため、可動ステージの駆動力として、リニアモータが使われる。しかし、電子顕微鏡では、電子軌道上の磁場変動を避ける必要がある。よって可動ステージの移動に伴って生じる磁場変動も避けなければならない。

リニアモータでは、制御電流が通電されるコイルと永久磁石との電磁力が駆動力である。リニアモータで一般的なムービングコイル型は、レール状に並べた永久磁石列を有する界磁子と、制御電流を通電するコイルを有する可動子を備える。界磁子における可動子移動方向長さが、可動子の移動ストロークにほぼ相当する。

電子顕微鏡の可動ステージにリニアモータを用いる場合、前述の界磁子を固定すれば、磁場変動を抑制することができる。しかし、より部品点数の少ない可動ステージとしては、界磁子も移動する構成が考えられる。この構成では、界磁子の移動に伴い電子軌道の磁場変動が生じるので、この磁場変動を抑制する必要がある。さらに、駆動能力を高めるためには、界磁子の軽量化も必要である。

例えば特許文献１では、界磁ヨークの端部が、永久磁石の端部を覆うように、電気子巻線の表面に向かってＬ字状に折り曲げられたリニアモータが開示されている。これによれば、モータからの漏洩磁束を低減することができる。

特開２００２−３５４７７９号公報

しかし、上記特許文献１のものは、界磁子の漏洩磁場の大きさには個体差があることについて考慮していない。即ち、装置によって必要な漏洩磁場の抑制量が異なるにもかかわらず、同じ界磁ヨークを用いるため、界磁子が無駄に重くなるという課題がある。

本発明の目的は、漏洩磁場の抑制と駆動性能とのバランスを取ることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、開放面を有する第１のヨークと、前記第１のヨーク内にＳ極とＮ極とが交互になるよう直線状に並べられた２列の永久磁石とを備えた界磁子と、前記２列の永久磁石の間に設けられ直線移動する可動子とを備えたリニアモータにおいて、前記第１のヨークの開放面から見て前記第１のヨークの開放端部と前記永久磁石とを覆うように、前記第１のヨークの開放端部に第２のヨークを接続することを特徴とする。

本発明によれば、漏洩磁場の抑制と駆動性能とのバランスを取ることができる。

電子顕微鏡の概略構成図。 ムービングコイル型リニアモータの概略図と断面概略図。 可動ステージの構成例。 実施例１におけるリニアモータ概略断面図と別部材ヨーク取り付け概念図。 実施例２におけるリニアモータ概略断面図と別部材ヨーク取り付け概念図。 実施例３におけるリニアモータ概略断面図と別部材ヨーク取り付け概念図。 実施例４におけるリニアモータ概略断面図と別部材ヨーク取り付け概念図。

以下、本発明の実施の形態を図示する実施例を用いて説明する。

図１に、各形態例に共通する電子顕微鏡の概略構成を示す。電子顕微鏡は、電子銃１から放出された電子を電子レンズ２により偏向及び集束し、試料７の所定領域に照射する機能を有する。電子ビームと試料７との位置関係は、試料ステージ６により大まかに調整される。更に、電子レンズ２により電子ビームを偏向させ、試料７の様々な部位を検査又は撮像する。なお、一次電子軌道８は、電子レンズ２が無偏向の場合の軌道を示している。電子ビームにより照射された試料７の表面からは反射電子や二次電子が放出される。電子顕微鏡は、このうち二次電子を二次電子検出部４で捕捉する。

試料ステージ６の駆動力にリニアモータが適用できる。ただし、リニアモータからの漏洩磁場に注意しなければならない。電子軌道上の磁場変動は電子ビームを曲げ、撮像の位置ずれやフォーカスずれを引き起こすからである。

図２に、ムービングコイル型リニアモータの概略図と断面概略図を示す。界磁子９には、直線状に並べられた２列の永久磁石列と、永久磁石列を囲む形状のヨーク（第１のヨーク）１８が含まれており、可動子１０には、コイル（図示せず）が含まれている。永久磁石列の作る磁場と、可動子内のコイルが作る磁場との相互作用で、可動子１０は移動，位置決めが行われる。

可動子の移動と干渉するところにはヨークを配置できないため、界磁子（ヨーク）には一部開放面が必要である。界磁子からの漏洩磁場は、主に界磁子に開放面が存在することに由来している。

図３に、リニアモータを用いた可動ステージの構成例を示す。この可動ステージはｘ方向とｙ方向の２軸方向に可動する試料ステージ６を備える。試料ステージ６の駆動力には、ｘ方向とｙ方向、それぞれの１軸方向の移動を担うリニアモータが少なくとも１台ずつ必要である。図３では、中間ステージ１２をｘ方向へ移動させる第一のリニアモータ（図示せず）と、中間ステージ１２に固定された第二のリニアモータ（界磁子１３，可動子１４）を用いている。ｙ方向へ移動する中間ステージ上のリニアモータ可動子１４が、試料ステージ６と連結部１６で固定されているため、試料ステージ６は２軸方向に移動することができる。この際、中間ステージ上のリニアモータ界磁子１３は、ｘ方向へと移動する。

中間ステージ上のリニアモータ界磁子１３からは磁場が漏洩する。よって、図３の構成では、電子軌道も含め、ステージ周辺空間において、試料ステージ６の移動に伴って磁場分布が変化する。界磁子１３を試料ステージ６から遠ざけることで、この磁場変動量を抑制することが可能であるが、その分試料室容器５を大きくする必要がある。そこで、試料室を大きくせずに界磁子１３からの漏洩磁場を抑制する必要がある。

図４に、実施例１におけるリニアモータ概略断面図と別部材ヨーク取り付け概念図を示す。可動子１０が移動する方向（図ではｙ方向）と直交する断面（図ではｘ−ｚ平面）で説明する。断面がコの字型のヨーク１８の内面であって、対向する２面に永久磁石１７を設置する。これらの永久磁石１７の間に、可動子１０のコイル部分を挿入する。これだけでは磁場が漏洩してしまうので、ヨーク１８の開放面から見て、永久磁石１７とヨーク１８の開放端部を覆うように、ヨーク１８の開放端部に別部材からなるヨーク（第２のヨーク）１９を接続する。別部材からなるヨーク１９は、ヨーク１８の奥行と同等の長さであることが好ましい。

図３に示すようにｘ方向を高さ、ｙ方向を奥行、ｚ方向を厚さと称する。ヨーク１８両側の壁の厚さａと、永久磁石１７の厚さｂと、別部材からなるヨーク１９の厚さｃと、可動子１０のコイル部分の厚さｄ、ヨーク１８側部の壁の厚さｅとの関係は、ａ＋ｂ≦ｃかつ２ｃ＋ｄ＜ｅとする。ａ＋ｂ≦ｃとすることで、ヨーク１８の開放面からの磁場漏洩を抑制することができる。ａ＋ｂ＜ｃであれば磁場漏洩を更に抑制することができる。可動子１０がヨーク１９と干渉する場合、可動子厚さを一部分薄くするなどで干渉を避けることができる。２ｃ＋ｄ＜ｅとすることで、可動子１０が直線移動する際に別部材からなるヨーク１９とぶつからない。別部材からなるヨーク１９は、ヨーク１８と同一素材で作るのが適当である。

本実施例は、別部材からなるヨーク１９が直線状の板２枚の場合を示している。一例として、ヨーク１８の高さを約７０mm、奥行を約８００mm、厚さを約３０mmとし、高さ約５mmの別部材からなるヨーク１９を設置したところ、別部材からなるヨーク１９がない場合と比べて、界磁子９からの漏洩磁場が１／４程度に抑制できることを確認した。

界磁子９からの漏洩磁場の大きさには個体差がある。主な原因は、永久磁石の着磁がばらつくためである。従って、漏洩磁場の大きさも永久磁石によって様々なので、漏洩磁場の大きさをある基準以内に納めるために必要なヨーク量も様々となる。過剰なヨーク追加は、界磁子９の重量を増やすため、界磁子９も移動するステージ構成では、ステージの駆動性能が劣化する。

そこで、本実施例のように漏洩磁場抑制のためのヨークを別部材からなるヨーク１９とすることで、ヨーク厚さに選択性を持たせ、永久磁石に応じて適切な漏洩磁場の抑制と駆動性能とのバランスを取ることが可能となる。

また、永久磁石１７と、別部材からなるヨーク１９は接していてもよい。さらに、別部材からなるヨーク１９は一般的に強磁性体と呼ばれる材料であればヨーク１８と同一素材でなくてもよい。別部材からなるヨーク１９を、ヨーク１８と異なる素材で作製することで、別部材からなるヨーク１９の重量・体積と漏洩磁場抑制度とのバランスを微調整することが可能となる。

別部材からなるヨーク１９をヨーク１８に設置する際には、磁力を活かした貼り付け、真空対応の接着剤による貼り付け、ねじ止めなどが挙げられる。

本実施例では、ヨーク開放面が横向きとした構成を示したが、ヨーク開放面が鉛直上向き、または下向きである構成も可能である。

以下に示す実施例では、実施例１との相違点のみを説明する。図５に、実施例２におけるリニアモータ概略断面図と別部材ヨーク取り付け概念図を示す。別部材からなるヨークは、磁力によりヨーク１８へと引きつけられる。そこで、本実施例のように、別部材からなるヨーク２０をヨーク１８の開放端部の全周を囲むロの字型にすることで、設置位置の調整が容易になり、可動子１０との干渉を確実に避けることが可能となる。つまり、実施例１のように２部品からなるヨーク１９の場合よりも、平行に設置するための調整が不要である。また、設置位置精度を高めるには、ヨーク１８に凹部を形成し、その凹部に嵌めこむことができる凸部（例えばピン）を別部材からなるヨーク２０に形成することも考えられる。

図６に、実施例３におけるリニアモータ概略断面図と別部材ヨーク取り付け概念図を示す。本実施例では、分割型ヨーク２１が可動子移動方向に３つ連結された場合を示している。電子顕微鏡の撮像対象を大型化するには、可動ステージの移動ストロークを長くする、すなわち界磁子の奥行を長くする必要がある。ひとつの長い界磁子を作製することも可能であるが、ある規格長の界磁子を複数個連結することで、低コストでストロークの長い界磁子を作製できる。

実施例３に示したように、分割型ヨーク２１を複数連結して用いる場合、分割型ヨーク２１を連結する際の直線性が重要である。連結する際に別部材からなるロの字型ヨーク２０をガイドとして用いることで、連結時の直線性を向上させることが可能となる。なお、本実施例では別部材からなるヨークをロの字型で示したが、他の形状でも良い。

図７に、実施例４におけるリニアモータ概略断面図と別部材ヨーク取り付け概念図を示す。実施例３に示したように、分割型ヨーク２１を連結して用いる場合、分割型ヨーク２１の漏洩磁場の大きさに個体差が生じる場合がある。この場合、それぞれの分割型の界磁子に必要とされる、別部材からなるヨーク１９の漏洩磁場抑制性能が異なる。そこで、別部材からなり透磁率に分布を持たせたロの字型のヨーク２２を用いることで、漏洩磁場抑制の微調整が可能となる。別部材からなり透磁率に分布を持たせたロの字型のヨーク２２に透磁率の分布を持たせるには、含有する強磁性体の量を変える、別材料から構成するなどが挙げられる。この場合、別部材からなり透磁率に分布を持たせたロの字型のヨーク２２は、機械的には一体物としておくべきである。

１ 電子銃
２ 電子レンズ
３ カラム
４ 二次電子検出部
５ 試料室容器
６ 試料ステージ
７ 試料
８ 一次電子軌道
９ 界磁子
１０ 可動子
１１ 可動子移動方向
１２ 中間ステージ
１３ 中間ステージ上のリニアモータ界磁子（界磁子）
１４ 中間ステージ上のリニアモータ可動子（可動子）
１６ 連結部
１７ 永久磁石
１８ ヨーク（第１のヨーク）
１９ ヨーク（第２のヨーク）
２０，２１，２２ ヨーク

Claims (7)

1. 開放面を有する第１のヨークと、前記第１のヨーク内にＳ極とＮ極とが交互になるよう直線状に並べられた２列の永久磁石とを備えた界磁子と、
   前記２列の永久磁石の間に設けられ直線移動する可動子と
   を備えたリニアモータにおいて、
   前記第１のヨークの開放面から見て前記第１のヨークの開放端部と前記永久磁石とを覆うように、前記第１のヨークの開放端部に第２のヨークを接続することを特徴とするリニアモータ。
2. 請求項１において、
   前記第２のヨークは、前記第１のヨークとは透磁率が異なることを特徴とするリニアモータ。
3. 請求項１又は２において、
   前記第２のヨークは、前記第１のヨークの開放端部の全周を囲む口の字型であることを特徴とするリニアモータ。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、
   前記界磁子は、前記可動子の移動方向に分割された複数の界磁子を並べて構成されることを特徴とするリニアモータ。
5. 請求項４において、
   前記第２のヨークは、前記可動子の移動方向に透磁率の分布を有することを特徴とするリニアモータ。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載のリニアモータと、前記可動子と連結部を介して固定された試料ステージとを備えることを特徴とする可動ステージ。
7. 請求項６に記載の可動ステージと、電子銃と、前記電子銃から放出された電子を変更および集束する電子レンズと、前記電子が照射された試料から放出された二次電子を検出する二次電子検出部とを備えることを特徴とする電子顕微鏡。