JP2019139904A - 位置決め装置および電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】高い位置決め精度を有する位置決め装置を提供する。【解決手段】位置決め装置２は、曲面を有する可動子１０と、第１方向に可動子１０を挟む第１ガイド２０および第２ガイド２２と、第１方向と直交する第２方向に可動子１０を挟む第３ガイド２４および第４ガイド２６と、第１ガイド２０を第１方向および第２方向と直交する第３方向に移動させる第１ピエゾ素子５０と、第２ガイド２２を第３方向に移動させる第２ピエゾ素子と、第３ガイド２４を第３方向に移動させる第３ピエゾ素子５４と、第４ガイド２６を第３方向に移動させる第４ピエゾ素子と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、位置決め装置および電子顕微鏡に関する。

透過電子顕微鏡や走査電子顕微鏡などの電子顕微鏡において、試料に探針を接触させて電気信号を測定したり、試料に給電したりするために、探針の位置決めを行う位置決め装置が用いられる。

例えば、特許文献１には、圧電材料の管と、圧電材料の管の先端に設けられ、かつ、球状の接触面を有する中間部分と、球状の接触面に接触する複数のクランプ要素を備えたサンプルホルダーと、を備えたマイクロポジショニング装置（位置決め装置）が開示されている。

特表２００４−５１５７６９号公報

このような位置決め装置では、例えば、探針を試料の所望の位置に接触させたり、試料の近傍に配置したりしなければならないため、高い位置決め精度が要求される。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、高い位置決め精度を有する位置決め装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記位置決め装置を含む電子顕微鏡を提供することにある。

本発明に係る位置決め装置の一態様は、
曲面を有する可動子と、
第１方向に前記可動子を挟む第１ガイドおよび第２ガイドと、
前記第１方向と直交する第２方向に前記可動子を挟む第３ガイドおよび第４ガイドと、
前記第１ガイドを前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に移動させる第１ピエゾ素子と、
前記第２ガイドを前記第３方向に移動させる第２ピエゾ素子と、
前記第３ガイドを前記第３方向に移動させる第３ピエゾ素子と、
前記第４ガイドを前記第３方向に移動させる第４ピエゾ素子と、
を含む。

このような位置決め装置では、第１ピエゾ素子および第２ピエゾ素子で第１ガイドおよび第２ガイドを互いに反対方向に移動させることによって、可動子を第２方向に沿った軸まわりに回転させることができる。このとき、第３ガイドと可動子の接触部分および第４ガイドと可動子の接触部分が軸受けとして機能するため、可動子の円滑な回転を実現できる。さらに、第３ピエゾ素子および第４ピエゾ素子で第３ガイドおよび第４ガイドを互いに反対方向に移動させることによって、可動子を第１方向に沿った軸まわりに回転させることができる。このとき、第１ガイドと可動子の接触部分および第２ガイドと可動子の接触部分が軸受けとして機能するため、可動子の円滑な回転を実現できる。したがって、こ
のような位置決め装置では、例えば、可動子に取付けられた物体を精度よく位置決めできる。

本発明に係る電子顕微鏡の一態様は、
前記位置決め装置の一態様を含む。

実施形態に係る位置決め装置を模式的に示す斜視図。 実施形態に係る位置決め装置を模式的に示す斜視図。 位置決め装置の動作を説明するための図。 位置決め装置の動作を説明するための図。 位置決め装置の動作を説明するための図。 位置決め装置の動作を説明するための図。 第１変形例に係る位置決め装置を模式的に示す斜視図。 第１変形例に係る位置決め装置を模式的に示す平面図。 第１変形例に係る位置決め装置の探針の変形例を模式的に示す図。 第２変形例に係る位置決め装置の可動子の近傍を模式的に示す斜視図。 第３変形例に係る位置決め装置の可動子を模式的に示す斜視図。 第４変形例に係る位置決め装置の可動子の近傍を模式的に示す断面図。 実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 実施形態に係る電子顕微鏡の試料ホルダーを模式的に示す斜視図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 位置決め装置
まず、本実施形態に係る位置決め装置について図面を参照しながら説明する。図１および図２は、本実施形態に係る位置決め装置２を模式的に示す斜視図である。なお、図１および図２には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。なお、Ｘ軸に沿う方向をＸ方向（第３方向の一例）とし、Ｙ軸に沿う方向をＹ方向（第２方向の一例）とし、Ｚ軸に沿う方向をＺ方向（第１方向の一例）とする。

位置決め装置２は、図１および図２に示すように、可動子１０と、探針１２と、第１ガイド２０と、第２ガイド２２と、第３ガイド２４と、第４ガイド２６と、第１ホルダー３０と、第２ホルダー４０と、第１ピエゾ素子５０と、第２ピエゾ素子５２と、第３ピエゾ素子５４と、第４ピエゾ素子５６と、第１与圧用板ばね６０と、第２与圧用板ばね６２と、を含む。

可動子１０は、例えば、球状である。すなわち、可動子１０は、球面を有している。可動子１０は、４つのガイド（第１ガイド２０、第２ガイド２２、第３ガイド２４、第４ガイド２６）に挟まれて保持されている。可動子１０は、金属などの電気伝導性を有する材料で構成されている。

可動子１０には、探針１２が固定されている。可動子１０にはパイプ１４が固定されており、パイプ１４には探針１２が固定されている。可動子１０とパイプ１４の固定、およびパイプ１４と探針１２の固定は、例えば、はんだ付け、ろう付け、熔接、または電気伝導性を有する接着剤で行われる。探針１２と可動子１０とは電気的に接続されている。探針１２は、例えば、試料に給電したり、試料の電気信号を測定したりする際に用いられる
。

第１ガイド２０は、第１ホルダー３０の可動子保持部３０２に固定されている。第１ガイド２０と可動子保持部３０２とは、電気絶縁性フィルム（図示せず）を介して接続されている。すなわち、第１ガイド２０と可動子保持部３０２とは、電気的に絶縁されている。第１ガイド２０は、可動子１０と接している。第１ガイド２０の可動子１０と接する面は、＋Ｚ方向を向いている。第１ガイド２０の可動子１０と接する面は、平坦である。

第２ガイド２２は、第１ホルダー３０の可動子保持部３１２に固定されている。第２ガイド２２と可動子保持部３１２とは、電気絶縁性フィルム（図示せず）を介して接続されている。すなわち、第２ガイド２２と可動子保持部３１２とは、電気的に絶縁されている。第２ガイド２２は、可動子１０と接している。第２ガイド２２の可動子１０と接する面は、−Ｚ方向を向いている。すなわち、第１ガイド２０の可動子１０と接する面と第２ガイド２２の可動子１０と接する面とは対向しており、第１ガイド２０と第２ガイド２２は可動子１０をＺ方向に挟んでいる。第２ガイド２２の可動子１０と接する面は、平坦である。

第３ガイド２４は、第２ホルダー４０の可動子保持部４０２に固定されている。第３ガイド２４と可動子保持部４０２とは、電気絶縁性フィルム（図示せず）を介して接続されている。すなわち、第３ガイド２４と可動子保持部４０２とは、電気的に絶縁されている。第３ガイド２４は、可動子１０と接している。第３ガイド２４の可動子１０と接する面は、−Ｙ方向を向いている。第３ガイド２４の可動子１０と接する面は、平坦である。

第４ガイド２６は、第２ホルダー４０の第２部分４１０の可動子保持部４１２に固定されている。第４ガイド２６と可動子保持部４１２とは、電気絶縁性フィルム（図示せず）を介して接続されている。すなわち、第４ガイド２６と可動子保持部４１２とは、電気的に絶縁されている。第４ガイド２６は、可動子１０と接している。第４ガイド２６の可動子１０と接する面は、＋Ｙ方向を向いている。すなわち、第３ガイド２４の可動子１０と接する面と第４ガイド２６の可動子１０と接する面とは対向しており、第３ガイド２４と第４ガイド２６は可動子１０をＹ方向に挟んでいる。第４ガイド２６の可動子１０と接する面は、平坦である。

第１ガイド２０、第２ガイド２２、第３ガイド２４、および第４ガイド２６の材質は、例えば、ベリリウム銅などの金属である。

第２ガイド２２には、端子２８が設けられている。端子２８と探針１２とは、第２ガイド２２および可動子１０を介して、電気的に接続されている。端子２８には、図示はしないが、電源や測定器などの外部装置に接続された配線が接続される。これにより、探針１２を試料に接触させて、試料に給電したり、試料の電気信号を測定したりすることができる。なお、端子２８は、第２ガイド２２以外のガイドに設けられていてもよいし、複数のガイドに設けられていてもよい。

なお、図示はしないが、端子２８を用いずに、第１ホルダー３０を探針１２に電気的に接続された配線として用いてもよい。このとき、第１ホルダー３０と第２ガイド２２とを電気的に接続して、第１ホルダー３０と探針１２を、第２ガイド２２および可動子１０を介して電気的に接続してもよい。

第１ホルダー３０は第１部分３００および第２部分３１０を有し、第２ホルダー４０は第１部分４００および第２部分４１０を有している。第１ホルダー３０および第２ホルダー４０は、ともに２つの部分で可動子１０を挟むように構成されており、類似した構成を
有している。第２ホルダー４０は、第１ホルダー３０に対して９０°回転して配置されている。これにより、可動子１０を２方向（Ｙ方向およびＺ方向）から挟むことができる。以下、第１ホルダー３０および第２ホルダー４０の構成について説明する。

第１ホルダー３０は、第１部分３００と、第２部分３１０と、を有している。第１部分３００と第２部分３１０との間に可動子１０が配置されている。第１部分３００は可動子１０の−Ｚ方向側に位置し、第２部分３１０は可動子１０の＋Ｚ方向側に位置している。

第１部分３００は、可動子保持部３０２と、伸縮部３０４と、弾性ヒンジ部３０６と、弾性ヒンジ部３０８と、を有している。

可動子保持部３０２は、第１部分３００の先端部に設けられている。可動子保持部３０２には、第１ガイド２０が固定されている。第１部分３００の可動子保持部３０２と第２部分３１０の可動子保持部３１２との間に、可動子１０が配置されている。

伸縮部３０４は、可動子保持部３０２に接続されている。伸縮部３０４には、第１ピエゾ素子５０が配置されている。開口部の対向する２つの内面、すなわち、開口部を規定する伸縮部３０４の２つの面には、第１ピエゾ素子５０の２つの端面がそれぞれ接着されている。

例えば、開口部の対向する２つの内面の距離を、第１ピエゾ素子５０の伸縮方向の寸法よりも短くすることによって、第１ピエゾ素子５０に対して与圧を加えることも可能である。このことは、その他の伸縮部３１４，４０４，４１４についても同様である。

第１部分３００には、伸縮部３０４が伸縮しやすいように弾性ヒンジ部３０６が設けられている。弾性ヒンジ部３０６は、伸縮部３０４の＋Ｘ方向側に設けられている。なお、弾性ヒンジ部３０６は、伸縮部３０４の−Ｘ方向側に設けられていてもよいし、伸縮部３０４の＋Ｘ方向側および−Ｘ方向側の両方に設けられていてもよい。

第１部分３００には弾性ヒンジ部３０８が設けられており、第１与圧用ばね６０を用いて可動子１０に対する把持力を発生させている。第１与圧用ばね６０が発生させる把持力によって、可動子１０が第１ガイド２０と第２ガイド２２とに挟まれて保持される。

第２部分３１０は、可動子保持部３１２と、伸縮部３１４と、弾性ヒンジ部３１６と、を有している。

可動子保持部３１２は、第２部分３１０の先端部に設けられている。可動子保持部３１２には、第２ガイド２２が固定されている。

伸縮部３１４は、可動子保持部３１２に接続されている。伸縮部３１４には、第２ピエゾ素子５２が配置されている。開口部の対向する２つの内面、すなわち、開口部を規定する伸縮部３１４の２つの面には、第２ピエゾ素子５２の２つの端面がそれぞれ接着されている。

第２部分３１０には、伸縮部３１４が伸縮しやすいように弾性ヒンジ部３１６が設けられている。弾性ヒンジ部３１６は、伸縮部３１４の＋Ｘ方向側に設けられている。

第２ホルダー４０は、第１部分４００と、第２部分４１０と、を有している。第１部分４００と第２部分４１０との間に可動子１０が配置されている。第１部分４００は可動子１０の＋Ｙ方向側に位置し、第２部分４１０は可動子１０の−Ｙ方向側に位置している。

第１部分４００は、可動子保持部４０２と、伸縮部４０４と、弾性ヒンジ部４０６と、弾性ヒンジ部４０８と、を有している。

可動子保持部４０２は、第１部分４００の先端部に設けられている。可動子保持部４０２には、第３ガイド２４が固定されている。第１部分４００の可動子保持部４０２と第２部分４１０の可動子保持部４１２との間に、可動子１０が配置されている。

伸縮部４０４は、可動子保持部４０２に接続されている。伸縮部４０４には、第３ピエゾ素子５４が配置されている。開口部の対向する２つの内面、すなわち、開口部を規定する伸縮部４０４の２つの面には、第３ピエゾ素子５４の２つの端面がそれぞれ接着されている。

第１部分４００には、伸縮部４０４が伸縮しやすいように弾性ヒンジ部４０６が設けられている。弾性ヒンジ部４０６は、伸縮部４０４の−Ｘ方向側に設けられている。なお、弾性ヒンジ部４０６は、伸縮部４０４の＋Ｘ方向側に設けられていてもよいし、伸縮部４０４の＋Ｘ方向側および−Ｘ方向側の両方に設けられていてもよい。

第１部分４００には弾性ヒンジ部４０８が設けられており、第２与圧用ばね６２を用いて可動子１０に対する把持力を発生させている。第２与圧用ばね６２が発生させる把持力によって、可動子１０が第３ガイド２４と第４ガイド２６とに挟まれて保持される。

第２部分４１０は、可動子保持部４１２と、伸縮部４１４と、弾性ヒンジ部４１６と、を有している。

可動子保持部４１２は、第２部分４１０の先端部に設けられている。可動子保持部４１２には、第４ガイド２６が固定されている。

伸縮部４１４は、可動子保持部４１２に接続されている。伸縮部４１４には、第４ピエゾ素子５６が配置されている。開口部の対向する２つの内面、すなわち、開口部を規定する伸縮部４１４の２つの面には、第４ピエゾ素子５６の２つの端面がそれぞれ接着されている。第２部分４１０には、伸縮部４１４が伸縮しやすいように弾性ヒンジ部４１６が設けられている。弾性ヒンジ部４１６は、伸縮部４１４の−Ｘ方向側に設けられている。

第１ホルダー３０の伸縮部３０４および伸縮部３１４は、十分な弾性を得るために、第１ホルダー３０の他の部分に比べて、Ｙ方向に拡がっている。同様に、第２ホルダー４０の伸縮部４０４および伸縮部４１４は、十分な弾性を得るために、第２ホルダー４０の他の部分に比べて、Ｚ方向に拡がっている。位置決め装置２では、第１ホルダー３０の伸縮部３０４および伸縮部３１４のＸ方向の位置と、第２ホルダー４０の伸縮部４０４および伸縮部４１４のＸ方向の位置とがずれている。これにより、第１ホルダー３０の伸縮部３０４および伸縮部３１４と、第２ホルダー４０の伸縮部４０４および伸縮部４１４とが干渉することを防ぐことができる。この結果、装置の小型化を図ることができる。

第１ホルダー３０および第２ホルダー４０の材質は、例えば、導電性を有する金属である。

第１ピエゾ素子５０は、例えば、積層型ピエゾ素子である。第１ピエゾ素子５０は、電圧が印加されることによって、Ｘ方向に伸縮する。この結果、伸縮部３０４がＸ方向に伸縮し、第１ガイド２０をＸ方向に移動させることができる。第１ピエゾ素子５０に電圧を印加するピエゾ配線７０は、伸縮部３０４の開口部内において第１ピエゾ素子５０に接続
されている。

第２ピエゾ素子５２は、例えば、積層型ピエゾ素子である。第２ピエゾ素子５２は、電圧が印加されることによって、Ｘ方向に伸縮する。この結果、伸縮部３１４がＸ方向に伸縮し、第２ガイド２２をＸ方向に移動させることができる。第２ピエゾ素子５２に電圧を印加するピエゾ配線７２は、伸縮部３１４の開口部内において第２ピエゾ素子５２に接続されている。第１ピエゾ素子５０と第２ピエゾ素子５２とは、Ｚ方向から見て、重なるように配置されている。

第３ピエゾ素子５４は、例えば、積層型ピエゾ素子である。第３ピエゾ素子５４は、電圧が印加されることによって、Ｘ方向に伸縮する。この結果、伸縮部４０４がＸ方向に伸縮し、第３ガイド２４をＸ方向に移動させることができる。第３ピエゾ素子５４に電圧を印加するピエゾ配線７４は、伸縮部４０４の開口部内において第３ピエゾ素子５４に接続されている。

第４ピエゾ素子５６は、例えば、積層型ピエゾ素子である。第４ピエゾ素子５６は、電圧が印加されることによって、Ｘ方向に伸縮する。この結果、伸縮部４１４がＸ方向に伸縮し、第４ガイド２６をＸ方向に移動させることができる。第４ピエゾ素子５６に電圧を印加するピエゾ配線（図示せず）は、伸縮部４１４の開口部内において第４ピエゾ素子５６に接続されている。第３ピエゾ素子５４と第４ピエゾ素子５６とは、Ｙ方向から見て、重なるように配置されている。

２． 位置決め装置の動作
次に、位置決め装置２の動作について説明する。

初期状態として、第１ピエゾ素子５０、第２ピエゾ素子５２、第３ピエゾ素子５４、および第４ピエゾ素子５６は、それぞれ伸縮量の５０％を発生させる電圧が印加されている。

２．１． Ｘ方向の移動
探針１２の先端をＸ方向に移動させる場合、４つのピエゾ素子５０，５２，５４，５６によって４つのガイド２０，２２，２４，２６を同じ方向に移動させる。

例えば、探針１２の先端を＋Ｘ方向に移動させる場合、４つのピエゾ素子５０，５２，５４，５６が同じ量だけ縮むように、４つのピエゾ素子５０，５２，５４，５６に電圧変化を与える。この結果、４つのガイド２０，２２，２４，２６が同じ量だけ＋Ｘ方向に移動し、探針１２が＋Ｘ方向に移動する。

例えば、探針１２の先端を−Ｘ方向に移動させる場合、４つのピエゾ素子５０，５２，５４，５６が同じ量だけ伸びるように、４つのピエゾ素子５０，５２，５４，５６に電圧変化を与える。この結果、４つのガイド２０，２２，２４，２６が同じ量だけ−Ｘ方向に移動し、探針１２が−Ｘ方向に移動する。

ここで、探針１２の先端をＸ方向に僅かに（例えば数ｎｍ〜数百ｎｍ程度）移動させる場合、４つのピエゾ素子５０，５２，５４，５６に供給される直流電圧を増減させることで、４つのピエゾ素子５０，５２，５４，５６の伸縮量を制御する。

また、探針１２の先端をＸ方向に大きく（例えば数百ｎｍ〜数ｍｍ程度）移動させる場合、４つのピエゾ素子５０，５２，５４，５６に供給される電圧を鋸波状に変化させる。これにより、可動子１０はスティックスリップにより移動する。スティックスリップとは
、物体が接触面に対して付着と滑りを交互に繰り返す振動現象をいう。鋸波の振幅や周波数を変化させることによって、探針１２の先端の移動速度を変化させることができる。

２．２． Ｚ方向の移動
図３および図４は、探針１２の先端をＺ方向に移動させる場合の位置決め装置２の動作を説明するための図である。探針１２の先端をＺ方向に移動させる場合、第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２で第１ガイド２０および第２ガイド２２を互いに反対方向に移動させることによって、可動子１０をＹ軸まわりに回転させる。

例えば、図３に示すように、探針１２の先端を＋Ｚ方向に移動させる場合、第１ピエゾ素子５０が伸び、第２ピエゾ素子５２が縮むように、第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２に電圧変化を与える。このとき、第１ピエゾ素子５０の伸び量と第２ピエゾ素子５２の縮み量は等しくする。この結果、第１ガイド２０が−Ｘ方向に移動し、第２ガイド２２が＋Ｘ方向に移動する。これにより、可動子１０は、Ｙ軸に沿った回転軸Ａまわりに回転し、探針１２の先端は＋Ｚ方向に移動する。

例えば、図４に示すように、探針１２の先端を−Ｚ方向に移動させる場合、第１ピエゾ素子５０が縮み、第２ピエゾ素子５２が伸びるように、第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２に電圧変化を与える。このとき、第１ピエゾ素子５０の縮み量と第２ピエゾ素子５２の伸び量は等しくする。この結果、第１ガイド２０が＋Ｘ方向に移動し、第２ガイド２２が−Ｘ方向に移動する。これにより、可動子１０は、Ｙ軸に沿った回転軸Ａまわりに回転し、探針１２の先端は−Ｚ方向に移動する。

回転軸Ａは、第３ガイド２４と可動子１０の接触部分と、第４ガイド２６と可動子１０の接触部分と、を結ぶＹ方向に沿った軸となる。可動子１０が第３ガイド２４と接触する面は球面であり、可動子１０と第３ガイド２４とは点接触する。同様に可動子１０が第４ガイド２６と接触する面は球面であり、可動子１０と第４ガイド２６とは点接触する。このように、位置決め装置２では、第１ガイド２０および第２ガイド２２を反対方向に移動させて可動子１０を回転させる際に、第３ガイド２４の接触点および第４ガイド２６の接触点が移動することなく軸受けとして機能する。そのため、可動子１０の回転軸Ａまわりの回転以外の動きが抑制され、可動子１０の円滑な回転が実現できる。

ここで、探針１２の先端をＺ方向に僅かに移動させる場合、第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２に供給される直流電圧を増減させることで、第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２の伸縮量を制御する。

また、探針１２の先端をＺ方向に大きく移動させる場合、第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２に供給される電圧を鋸波状に変化させて、可動子１０をスティックスリップにより回転させる。

２．３． Ｙ方向の移動
図５および図６は、探針１２の先端をＺ方向に移動させる場合の位置決め装置２の動作を説明するための図である。探針１２の先端をＹ方向に移動させる場合、第３ピエゾ素子５４および第４ピエゾ素子５６で第３ガイド２４および第４ガイド２６を互いに反対方向に移動させることによって、可動子１０をＺ軸まわりに回転させる。

例えば、図５に示すように、探針１２の先端を＋Ｙ方向に移動させる場合、第３ピエゾ素子５４が縮み、第４ピエゾ素子５６が伸びるように、第３ピエゾ素子５４および第４ピエゾ素子５６に電圧変化を与える。このとき、第３ピエゾ素子５４の縮み量と第４ピエゾ素子５６の伸び量は等しくする。この結果、第３ガイド２４が＋Ｘ方向に移動し、第４ガ
イド２６が−Ｘ方向に移動する。これにより、可動子１０は、Ｚ軸に沿った回転軸Ｂまわりに回転し、探針１２の先端は＋Ｙ方向に移動する。

例えば、図６に示すように、探針１２の先端を−Ｙ方向に移動させる場合、第３ピエゾ素子５４が伸び、第４ピエゾ素子５６が縮むように、第３ピエゾ素子５４および第４ピエゾ素子５６に電圧変化を与える。このとき、第３ピエゾ素子５４の伸び量と第４ピエゾ素子５６の縮み量は等しくする。この結果、第３ガイド２４が−Ｘ方向に移動し、第４ガイド２６が＋Ｘ方向に移動する。これにより、可動子１０は、Ｚ軸に沿った回転軸Ｂまわりに回転し、探針１２の先端は−Ｙ方向に移動する。

回転軸Ｂは、第１ガイド２０と可動子１０の接触部分と、第２ガイド２２と可動子１０の接触部分と、を結ぶＺ方向に沿った軸となる。可動子１０が第１ガイド２０と接触する面は球面であり、可動子１０と第１ガイド２０とは点接触する。同様に可動子１０が第２ガイド２２と接触する面は球面であり、可動子１０と第２ガイド２２とは点接触する。このように、位置決め装置２では、第３ガイド２４および第４ガイド２６を反対方向に移動させて可動子１０を回転させる際に、第１ガイド２０の接触点および第２ガイド２２の接触点が移動することなく軸受けとして機能する。そのため、可動子１０の回転軸Ｂまわりの回転以外の動きが抑制され、可動子１０の円滑な回転が実現できる。

ここで、探針１２の先端をＹ方向に僅かに移動させる場合、第３ピエゾ素子５４および第４ピエゾ素子５６に供給される直流電圧を増減させることで、第３ピエゾ素子５４および第４ピエゾ素子５６の伸縮量を制御する。

また、探針１２の先端をＹ方向に大きく移動させる場合、第３ピエゾ素子５４および第４ピエゾ素子５６に供給される電圧を鋸波状に変化させて、可動子１０をスティックスリップにより回転させる。

３． 特徴
位置決め装置２は、例えば、以下の特徴を有する。

位置決め装置２は、球面を有する可動子１０と、Ｚ方向に可動子１０を挟む第１ガイド２０および第２ガイド２２と、Ｙ方向に可動子１０を挟む第３ガイド２４および第４ガイド２６と、第１ガイド２０をＸ方向に移動させる第１ピエゾ素子５０と、第２ガイド２２をＸ方向に移動させる第２ピエゾ素子５２と、第３ガイド２４をＸ方向に移動させる第３ピエゾ素子５４と、第４ガイド２６をＸ方向に移動させる第４ピエゾ素子５６と、を含む。

そのため、位置決め装置２では、第１ガイド２０と第２ガイド２２で可動子１０を回転させる際には、第３ガイド２４と可動子１０の接触部分および第４ガイド２６と可動子１０の接触部分が軸受けとして機能し、可動子１０の円滑な回転を実現できる。また、第３ガイド２４と第４ガイド２６で可動子１０を回転させる際には、第１ガイド２０と可動子１０の接触部分および第２ガイド２２と可動子１０の接触部分が軸受けとして機能し、可動子１０の円滑な回転を実現できる。したがって、位置決め装置２では、可動子１０に取付けられた探針１２の先端を、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に精度よく位置決めできる。

位置決め装置２では、第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２で第１ガイド２０および第２ガイド２２を互いに反対方向に移動させることによって、可動子１０をＹ方向に沿った回転軸Ａまわりに回転させる。このとき、第３ガイド２４と可動子１０の接触部分および第４ガイド２６と可動子１０の接触部分が軸受けとして機能するため、可動子１
０の円滑な回転を実現できる。そのため、位置決め装置２では、探針１２の先端をＺ方向に精度よく位置決めできる。

位置決め装置２では、第３ピエゾ素子５４および第４ピエゾ素子５６で第３ガイド２４および第４ガイド２６を互いに反対方向に移動させることによって、可動子１０をＺ方向に沿った回転軸Ｂまわりに回転させる。このとき、第１ガイド２０と可動子１０の接触部分および第２ガイド２２と可動子１０の接触部分が軸受けとして機能するため、可動子１０の円滑な回転を実現できる。そのため、位置決め装置２では、探針１２の先端をＹ方向に精度よく位置決めできる。

位置決め装置２では、第１ピエゾ素子５０、第２ピエゾ素子５２、第３ピエゾ素子５４、および第４ピエゾ素子５６で第１ガイド２０、第２ガイド２２、第３ガイド２４、および第４ガイド２６を同じ方向に移動させることによって、可動子１０をＸ方向に移動させる。そのため、位置決め装置２では、探針１２の先端をＸ方向に精度よく位置決めできる。

位置決め装置２では、第１ピエゾ素子５０、第２ピエゾ素子５２、第３ピエゾ素子５４、および第４ピエゾ素子５６に鋸波状の電圧を供給することによって、可動子１０をスティックスリップにより移動させる。そのため、位置決め装置２では、可動子１０の移動量および回転量を大きくすることができる。

位置決め装置２では、探針１２が取り付けられた可動子１０を回転、および移動させることによって、探針１２の先端の位置決めを行う。そのため、可動子１０とガイド２０，２２，２４，２６との接触部分（軸受け）からオーバーハングする部分、すなわち、可動子１０の重心から離れた部分の質量を軽減できる。したがって、位置決め装置２では、可動子１０がスティックスリップにより移動する場合に、重力や慣性力によって指定された方向以外へ移動することを抑制できる。

４． 変形例
次に、本実施形態に係る位置決め装置の変形例について説明する。以下では、上述した位置決め装置２の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。

４．１． 第１変形例
次に、本実施形態に係る位置決め装置の第１変形例について説明する。図７は、第１変形例に係る位置決め装置４を模式的に示す斜視図である。図８は、第１変形例に係る位置決め装置４を模式的に示す平面図である。なお、図８は、図７をＹ方向から見た図である。

以下、第１変形例に係る位置決め装置４において、上述した位置決め装置２の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

位置決め装置４では、図７および図８に示すように、図２に示す位置決め装置２（以下「ユニット」ともいう）が２つ並べて配置されている。位置決め装置４は、第１ユニット２ａと、第２ユニット２ｂと、を有している。

第１ユニット２ａおよび第２ユニット２ｂは、Ｚ方向に並んで配置されている。第２ユニット２ｂは、第１ユニット２ａの＋Ｚ方向側に配置されている。

第１ユニット２ａおよび第２ユニット２ｂは、図２に示す位置決め装置２と同様に、それぞれ、可動子１０と、探針１２と、４つのガイド２０、２２，２４，２６と、第１ホル
ダー３０と、第２ホルダー４０と、４つのピエゾ素子５０，５２，５４，５６と、第１与圧用板ばね６０と、第２与圧用板ばね６２と、を含む。

ここで、第１ユニット２ａと第２ユニット２ｂをＺ方向に配列した場合、第２ピエゾ素子５２に接続されたピエゾ配線７２の引き出しが問題となる。これは、第２ピエゾ素子５２が、第１ユニット２ａの第２ユニット２ｂ側に配置されているためである。同様に、第１ユニット２ａと第２ユニット２ｂをＺ方向に配列した場合、第２ピエゾ素子５２に接続されたピエゾ配線７２の引き出しが問題となる。

そのため、位置決め装置４では、Ｚ方向から見て、第１ユニット２ａの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２は、第２ユニット２ｂの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２と重ならないように配置されている。図８に示す例では、第２ユニット２ｂの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２は、第１ユニット２ａの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２よりも＋Ｘ方向にずれて位置している。これにより、Ｚ方向から見て、第１ユニット２ａの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２は、第２ユニット２ｂの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２と重ならない。なお、第１ユニット２ａの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２と第２ユニット２ｂの第１ピエゾ素子５０と第２ピエゾ素子５２とは、一部が重なっていなければよく、互いに重なる部分があってもよい。

したがって、位置決め装置４では、第１ユニット２ａのピエゾ配線７２を、第２ユニット２ｂを通して＋Ｚ方向に引き出しても、第２ユニット２ｂの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２が邪魔にならない。同様に、第２ユニット２ｂのピエゾ配線７２を、第１ユニット２ａを通して−Ｚ方向に引き出しても、第１ユニット２ａの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２が邪魔にならない。

図７に示すように、第２ユニット２ｂのピエゾ配線７２は、第１ユニット２ａの弾性ヒンジ部３０６を構成する開口（切欠き）を通っている。また、図示はしないが、第１ユニット２ａのピエゾ配線７２は、第２ユニット２ｂの弾性ヒンジ部３０６を構成する開口（切欠き）を通っている。

このように、位置決め装置４では、Ｚ方向から見て、第１ユニット２ａの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２は、第２ユニット２ｂの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２と重ならないように配置されている。そのため、第１ユニット２ａのピエゾ配線７２を、第２ユニット２ｂの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２に妨げられることなく、第２ユニット２ｂ側から引き出すことができる。同様に、第２ユニット２ｂのピエゾ配線７２を、第１ユニット２ａの第１ピエゾ素子５０および第２ピエゾ素子５２に妨げられることなく、第１ユニット２ａ側から引き出すことができる。したがって、位置決め装置４では、装置の小型化を図ることができる。

なお、位置決め装置４は、２つのユニット２ａ，２ｂを含んで構成されていたが、位置決め装置４は、３つ以上のユニットを含んで構成されていてもよい。例えば、図７および図８に示すＺ方向に並んだ２つのユニット２ａ，２ｂをＹ方向に積層して、４つのユニットで位置決め装置を構成してもよい。

また、図９に示すように、第１ユニット２ａの探針１２と、第２ユニット２ｂの探針１２の形状および質量を異ならせることによって、第１ユニット２ａの探針１２の固有振動数と、第２ユニット２ｂの探針１２の固有振動数と、を異ならせてもよい。これにより、２つの探針１２の間の共振を起こりにくくすることができる。

また、例えば、第１ユニット２ａのパイプ１４と第２ユニット２ｂのパイプ１４の形状および質量を異ならせてもよい。これによっても、２つの探針１２の間の共振を起こりにくくすることができる。

４．２． 第２変形例
次に、第２変形例に係る位置決め装置の第２変形例について説明する。図１０は、第２変形例に係る位置決め装置の可動子１０の近傍を模式的に示す斜視図である。

第２変形例では、図１０に示すように、可動子１０に対して、探針１２とは反対側にバランスウエイト１６が配置されている。

バランスウエイト１６は、パイプ１４に固定されている。パイプ１４は可動子１０を貫通している。パイプ１４の一方の端部には探針１２が固定され、パイプ１４の他方の端部側がバランスウエイト１６として機能する。なお、バランスウエイト１６の形状は特に限定されない。

第２変形例では、可動子１０の中心に対して、重力による探針１２側の回転モーメントと、バランスウエイト１６による回転モーメントが釣り合っている。そのため、可動子１０がスティックスリップにより移動する場合に、探針１２にかかる重力や慣性力による回転モーメントを低減できる。したがって、可動子１０が指定された方向以外へ移動することを抑制できる。

４．３． 第３変形例
次に、第３変形例に係る位置決め装置の第３変形例について説明する。図１１は、第３変形例に係る位置決め装置の可動子１０を模式的に示す斜視図である。

上述した位置決め装置２では、図１に示すように、可動子１０は球状であり、可動子１０の第１ガイド２０、第２ガイド２２、第３ガイド２４、および第４ガイド２６と接触する面は、球面であった。

これに対して、第３変形例では、図１１に示すように、可動子１０の第１ガイド２０、第２ガイド２２、第３ガイド２４、および第４ガイド２６と接触する面は、円筒面である。図示の例では、可動子１０の面は、直交する２つの円筒面（第１円筒面１１ａと第２円筒面１１ｂ）を組み合わせて形成されている。第１円筒面１１ａはＹ軸に沿った中心軸を持つ円筒面であり、第２円筒面１１ｂはＺ軸に沿った中心軸を持つ円筒面である。

本変形例では、可動子１０が第３ガイド２４と接触する面は円筒面であり、可動子１０と第３ガイド２４とは線接触する。同様に可動子１０が第４ガイド２６と接触する面は円筒面であり、可動子１０と第４ガイド２６とは線接触する。これにより、第１ガイド２０および第２ガイド２２を反対方向に移動させて可動子１０を回転させる際に（図３および図４参照）、第３ガイド２４の接触部分および第４ガイド２６の接触部分が軸受けとして機能する。そのため、可動子１０の回転軸Ａまわりの回転以外の動きが抑制され、可動子１０の円滑な回転が実現できる。

また、可動子１０が第１ガイド２０と接触する面は円筒面であり、可動子１０と第１ガイド２０とは線接触する。同様に可動子１０が第２ガイド２２と接触する面は円筒面であり、可動子１０と第２ガイド２２とは線接触する。これにより、第３ガイド２４および第４ガイド２６を反対方向に移動させて可動子１０を回転させる際に（図５および図６参照）、第１ガイド２０の接触部分および第２ガイド２２の接触部分が軸受けとして機能する。そのため、可動子１０の回転軸Ｂまわりの回転以外の動きが抑制され、可動子１０の円
滑な回転が実現できる。

また、本変形例では、可動子１０が円筒面を有することによって、可動子１０を回転させる際に、探針１２の先端がＸ軸に沿った軸まわりに回転することを抑制することができる。

なお、可動子１０は、球面や円筒面以外の曲面を有していてもよい。

４．４． 第４変形例
次に、第４変形例に係る位置決め装置の第４変形例について説明する。図１２は、第４変形例に係る位置決め装置の可動子１０の近傍を模式的に示す断面図である。

第４変形例に係る位置決め装置は、図１２に示すように、可動子１０が第１ガイド２０、第２ガイド２２、第３ガイド２４（図１等参照）、および第４ガイド２６（図１等参照）の間から脱落することを防ぐためのストッパー８０を備えている。

ストッパー８０は、例えば、Ｘ方向に延在している第１部分８２と、第１部分からＺ方向に延在して可動子１０の−Ｘ方向側に位置している第２部分８４と、を有している。

ストッパー８０の第１部分８２は、第１ホルダー３０の第１部分３００に固定されている。ストッパー８０の第１部分８２は、第１ガイド２０よりも−Ｘ方向側まで延在している。そのため、ストッパー８０の第２部分８４は、可動子１０の−Ｘ方向側に位置している。

ストッパー８０の第２部分８４は、第１ガイド２０、第２ガイド２２、第３ガイド２４、および第４ガイド２６によって形成される開口２１の一部を塞ぐように設けられている。

ストッパー８０の第２部分８４によって、可動子１０が４つのガイド２０，２２，２４，２６の間から脱落することを防ぐことができる。図示の例では、ストッパー８０は、第１ホルダー３０の可動子保持部３０２に固定されているが、可動子１０の−Ｘ方向側に位置する第２部分８４を有していれば、その構成や位置は特に限定されない。

５． 電子顕微鏡
次に、本実施形態に係る電子顕微鏡について説明する。図１３は、本実施形態に係る電子顕微鏡１０００の構成を示す図である。図１４は、本実施形態に係る電子顕微鏡１０００の試料ホルダー１００８の先端部分を模式的に示す斜視図である。

本実施形態に係る電子顕微鏡１０００は、本発明に係る位置決め装置を含む。ここでは、電子顕微鏡１０００が本発明に係る位置決め装置として、位置決め装置４を含む場合について説明する。

電子顕微鏡１０００は、図１３に示すように、電子源１００２と、集束レンズ１００４と、試料位置決め装置１００６と、試料ホルダー１００８と、対物レンズ１０１０と、中間レンズ１０１２と、投影レンズ１０１４と、検出器１０１６と、を含む。

電子顕微鏡１０００では、電子源１００２から放出された電子線を集束レンズ１００４で集束して試料ホルダー１００８に保持された試料Ｓに照射し、対物レンズ１０１０で試料Ｓを透過した電子で透過電子顕微鏡像（ＴＥＭ（transmission electron microscope）像）を結像し、中間レンズ１０１２および投影レンズ１０１４によってＴＥＭ像をさらに
拡大して検出器１０１６上に結像する。試料Ｓは、試料位置決め装置１００６によって位置決めされる。

なお、電子顕微鏡１０００は、試料Ｓに照射される電子線を走査する走査コイルを備え、走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ（scanning transmission electron microscope）像）を取得できるように構成されていてもよい。

試料ホルダー１００８には、図１４に示すように、位置決め装置４が搭載されている。図１４に示す例では、位置決め装置４の２つのユニット２ａ，２ｂの第１ホルダー３０および第２ホルダー４０（図７参照）は、試料ホルダー１００８の内部に組み込まれている。２つのユニット２ａ，２ｂの探針１２は、試料Ｓに接触可能となるように、試料ホルダー１００８の先端部に配置されている。

このように、電子顕微鏡１０００は、位置決め装置４を含む。これにより、電子顕微鏡１０００では、試料室１００１において、試料Ｓに給電したり、試料Ｓの電気信号を測定したりすることができる。

なお、上記では、位置決め装置４は探針１２の位置決めを行ったが、例えば位置決め装置４は試料ホルダーの位置決めを行う装置であってもよい。この場合、図示はしないが、探針１２の代わりに試料ホルダーを可動子１０に固定すればよい。

また、上記では、電子顕微鏡１０００が透過電子顕微鏡である場合について説明したが、本発明に係る電子顕微鏡は、走査電子顕微鏡（scanning electron microscope）であってもよい。

なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

２…位置決め装置、２ａ…第１ユニット、２ｂ…第２ユニット、４…位置決め装置、１０…可動子、１１ａ…第１円筒面、１１ｂ…第２円筒面、１２…探針、１４…パイプ、１６…バランスウエイト、２０…第１ガイド、２２…第２ガイド、２４…第３ガイド、２６…第４ガイド、２８…端子、３０…第１ホルダー、４０…第２ホルダー、５０…第１ピエゾ素子、５２…第２ピエゾ素子、５４…第３ピエゾ素子、５６…第４ピエゾ素子、６０…第１与圧用ばね、６２…第２与圧用ばね、７０…ピエゾ配線、７２…ピエゾ配線、７４…ピエゾ配線、８０…ストッパー、８２…第１部分、８４…第２部分、３００…第１部分、３０２…可動子保持部、３０４…伸縮部、３０６…弾性ヒンジ部、３０８…弾性ヒンジ部、３１０…第２部分、３１２…可動子保持部、３１４…伸縮部、３１６…弾性ヒンジ部、４００…第１部分、４０２…可動子保持部、４０４…伸縮部、４０６…弾性ヒンジ部、４０８…弾性ヒンジ部、４１０…第２部分、４１２…可動子保持部、４１４…伸縮部、４１６…弾性ヒンジ部、１０００…電子顕微鏡、１００１…試料室、１００２…電子源、１００４…集束レンズ、１００６…試料位置決め装置、１００８…試料ホルダー、１０１０…対物レンズ、１０１２…中間レンズ、１０１４…投影レンズ、１０１６…検出器

Claims (12)

1. 曲面を有する可動子と、
   第１方向に前記可動子を挟む第１ガイドおよび第２ガイドと、
   前記第１方向と直交する第２方向に前記可動子を挟む第３ガイドおよび第４ガイドと、
   前記第１ガイドを前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に移動させる第１ピエゾ素子と、
   前記第２ガイドを前記第３方向に移動させる第２ピエゾ素子と、
   前記第３ガイドを前記第３方向に移動させる第３ピエゾ素子と、
   前記第４ガイドを前記第３方向に移動させる第４ピエゾ素子と、
   を含む、位置決め装置。
2. 請求項１において、
   前記可動子に取り付けられた探針を含む、位置決め装置。
3. 請求項２において、
   前記探針は、電子顕微鏡の試料室において、試料に接触する、位置決め装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記第１ピエゾ素子および前記第２ピエゾ素子で前記第１ガイドおよび前記第２ガイドを互いに反対方向に移動させることによって、前記可動子を前記第２方向に沿った軸まわりに回転させる、位置決め装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記第３ピエゾ素子および前記第４ピエゾ素子で前記第３ガイドおよび前記第４ガイドを互いに反対方向に移動させることによって、前記可動子を前記第１方向に沿った軸まわりに回転させる、位置決め装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
   前記第１ピエゾ素子、前記第２ピエゾ素子、前記第３ピエゾ素子、および前記第４ピエゾ素子で前記第１ガイド、前記第２ガイド、前記第３ガイド、および前記第４ガイドを同じ方向に移動させることによって、前記可動子を前記第３方向に移動させる、位置決め装置。
7. 請求項４ないし６のいずれか１項において、
   前記第１ピエゾ素子、前記第２ピエゾ素子、前記第３ピエゾ素子、および前記第４ピエゾ素子に鋸波状の電圧を供給することによって、前記可動子をスティックスリップにより移動させる、位置決め装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項において、
   前記曲面は、球面である、位置決め装置。
9. 請求項１ないし７のいずれか１項において、
   前記曲面は、円筒面である、位置決め装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項において、
    前記可動子、前記第１ガイド、前記第２ガイド、前記第３ガイド、前記第４ガイド、前記第１ピエゾ素子、前記第２ピエゾ素子、前記第３ピエゾ素子、および前記第４ピエゾ素子を有するユニットを含み、
    前記ユニットは、複数設けられている、位置決め装置。
11. 請求項１０において、
    前記ユニットは、２つ設けられ、
    ２つの前記ユニットは、前記第１方向に配列され、
    前記第１方向から見て、一方の前記ユニットの前記第１ピエゾ素子および前記第２ピエゾ素子は、他方の前記ユニットの前記第１ピエゾ素子および前記第２ピエゾ素子と重ならない、位置決め装置。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の位置決め装置を含む、電子顕微鏡。

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