JP2021085410A - アクチュエーター、試料位置決め装置、および荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動対象のドリフトを低減できるアクチュエーターを提供する。【解決手段】アクチュエーター１００は、モーター部１０と、軸に沿って移動可能なシャフト２２を備えた有限ストロークのボールスプライン２０と、シャフト２２に形成された雄ねじ山に螺合する雌ねじ山を備え、モーター部１０の回転力をシャフト２２に伝達するナット部３２と、モーター部１０およびボールスプライン２０が収容されたケース６０と、を含み、モーター部１０が発生させる熱によって、シャフト２２は、シャフト２２の軸に沿って第１方向Ａに伸び、モーター部１０が発生させる熱によって、ケース６０は、シャフト２２の軸に沿って、第１方向Ａとは反対方向の第２方向Ｂに伸び、シャフト２２の先端には、駆動対象に接触する接触部７０が設けられ、接触部７０の熱伝導率は、シャフト２２の熱伝導率よりも低い。【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエーター、試料位置決め装置、および荷電粒子線装置に関する。

電子顕微鏡の試料位置決め装置は、試料を所望の位置に移動させて位置決めするために用いられる。このような試料位置決め装置では、通常、試料をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させるためのアクチュエーターとして、磁気型モーターを備えたアクチュエーターが用いられる。

例えば、特許文献１には、試料位置決め装置用のアクチュエーターとして、モーター部と、ボールが転動可能であって軸に沿って設けられた転動溝が形成されたシャフトを備えた有限ストロークのボールスプラインと、シャフトに形成された雄ねじ山に螺合する雌ねじ山を備え、モーター部の回転力をシャフトに伝達するナット部と、を含むアクチュエーターが開示されている。

特開２０１６−８４９１９号公報

上記のようなアクチュエーターでは、モーター部で生じた熱によって、シャフトが伸びる。これにより、アクチュエーターを動作させていないにも関わらず、シャフトの先端の位置が変位し、試料が移動してしまう場合がある。

本発明のアクチュエーターの一態様は、
モーター部と、
軸に沿って移動可能なシャフトを備えた有限ストロークのボールスプラインと、
前記シャフトに形成された雄ねじ山に螺合する雌ねじ山を備え、前記モーター部の回転力を前記シャフトに伝達するナット部と、
前記モーター部および前記ボールスプラインが固定されたケースと、
を含み、
前記ケースは、支持部材に固定される固定部を有し、
前記モーター部が発生させる熱によって、前記シャフトは、前記シャフトの軸に沿って前記ナット部から第１方向に伸び、
前記モーター部が発生させる熱によって、前記ケースは、前記シャフトの軸に沿って、前記固定部から前記第１方向とは反対方向の第２方向に伸び、
前記シャフトの先端には、駆動対象に接触する接触部が設けられ、
前記接触部の熱伝導率は、前記シャフトの熱伝導率よりも低い。

このようなアクチュエーターでは、モーター部が発生させる熱によってシャフトはシャフトの軸に沿ってナット部から第１方向に伸び、モーター部が発生させる熱によってケースはシャフトの軸に沿って固定部から第１方向とは反対方向の第２方向に伸びる。そのため、モーター部が発生させる熱によるシャフトの伸びによるシャフトの先端の変位を、モーター部が発生させる熱によるケースの伸びによって低減できる。したがって、このようなアクチュエーターでは、駆動対象のドリフトを低減できる。

本発明の試料位置決め装置の一態様は、
荷電粒子線装置の試料室において、試料の位置決めを行う試料位置決め装置であって、
前記アクチュエーターを含む。

このような試料位置決め装置では、前記アクチュエーターを含むため、試料のドリフトを低減できる。

本発明の荷電粒子線装置の一態様は、
前記アクチュエーターを含む。

このような荷電粒子線装置では、前記アクチュエーターを含むため、駆動対象のドリフトを低減できる。

実施形態に係るアクチュエーターを模式的に示す断面図。 有限ストロークのボールスプラインを模式的に示す斜視図。 モーター部が発生させる熱によるシャフトの伸び、およびケースの伸びを説明するための図。 実施形態に係る試料位置決め装置を模式的に示す図。 実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。

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． アクチュエーター
１．１． アクチュエーターの構成
まず、本発明の一実施形態に係るアクチュエーターについて図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るアクチュエーター１００を模式的に示す断面図である。なお、図１では、ボールスプライン２０、およびエンコーダー５０を簡略化して図示している。

アクチュエーター１００は、図１に示すように、モーター部１０と、ボールスプライン２０と、滑りねじ部３０と、ベアリング４０，４２と、エンコーダー５０と、ケース６０と、接触部７０と、を含む。

モーター部１０は、マグネット１２と、回転子１４と、コイル１６と、を含む。マグネット１２は、ケース６０の内周面に固定されている。マグネット１２は、例えば、永久磁石である。回転子１４は、ベアリング４０，４２を介して、ケース６０に回転自在に支持されている。コイル１６は、回転子１４の外周面に固定されている。コイル１６には、制御コントローラー（図示せず）から電流が供給される。モーター部１０では、マグネット１２で作られる磁界の中でコイル１６に流れる電流に作用する力を利用して回転子１４を回転させる。

回転子１４の材質は、例えば、インバー合金である。インバー合金は、線膨張係数が小さい合金である。回転子１４として用いられるインバー合金としては、３６インバーが挙げられる。３６インバーは、Ｆｅ−Ｎｉ合金であり、Ｎｉを３６％含む。

ボールスプライン２０は、シャフト２２と、ボール２４と、軸受部２６と、を含む。ボールスプライン２０は、ストロークが有限である、有限ストロークのボールスプラインである。すなわち、ボールスプライン２０は、ボール２４を循環させるための機構（ボール循環路）を有していない。

図２は、ボールスプライン２０を模式的に示す斜視図である。

シャフト２２は、ボールスプライン２０において、スプライン軸として機能する。シャフト２２は、アクチュエーター１００の出力軸である。シャフト２２の先端部の外周面には、シャフト２２の軸に沿った第１転動溝（スプライン溝）２３が形成されている。第１転動溝２３は、ボール２４を転動させるための溝である。第１転動溝２３は複数設けられるが、その数は特に限定されない。

ボール２４は、第１転動溝２３を転動可能である。第１転動溝２３には、複数のボール２４が配置され、第１転動溝２３に配置されたボール２４は、シャフト２２の軸方向に並んだボール列を構成している。

軸受部２６は、ケース６０に固定されている。軸受部２６は、ボール２４を介して、シャフト２２を支持している。軸受部２６は、筒状の外筒（スプライン外筒）２６０と、保持器２６２と、を有している。外筒２６０は、ケース６０の内周面に固定されている。外筒２６０には、シャフト２２の第１転動溝２３に対応する第２転動溝（図示せず）が形成されている。シャフト２２の第１転動溝２３と外筒２６０の第２転動溝との間にボール２４が転動可能に介装されている。保持器２６２は、外筒２６０の内側に配置されている。保持器２６２は、ボール２４を分離して保持している。

軸受部２６では、ボール２４が保持器２６２によって保持されるため、ボール２４が互いに接触しない。保持器２６２はボール２４を循環させない非循環型の保持器であり、シャフト２２の直線運動時に保持器２６２も移動するため、ストロークは有限となる。すなわち、ボールスプライン２０では、ボール２４は第１転動溝２３上のみを転動し循環路等を転動しない。そのため、ボール２４には常に一定の与圧が付与される。

シャフト２２、ボール２４、および軸受部２６の材質は、金属である。シャフト２２、ボール２４、および軸受部２６の材質は、例えば、ステンレス鋼である。

シャフト２２はボール２４を介して軸受部２６で支持されており、シャフト２２の軸に沿って設けられた第１転動溝２３をボール２４が転動することで、シャフト２２の軸回りの回転が抑制され、シャフト２２は軸方向に直線運動する。

ボールスプライン２０には、回転方向のすきまがなくなるように、与圧が付与されている。これにより、シャフト２２の回転と振れの発生をより抑制することができる。したがって、アクチュエーター１００では、駆動対象に軸方向の推進力のみを伝えることができる。

滑りねじ部３０は、モーター部１０の回転子１４の回転運動を、シャフト２２の直線運動に変換する機構である。滑りねじ部３０は、アクチュエーター１００の出力軸（シャフト２２）を出し入れする送り機構として機能する。滑りねじ部３０は、図１に示すように、シャフト２２と、ナット部３２と、を含む。

シャフト２２の後端部には、雄ねじ山３４が形成されている。ナット部３２は、モーター部１０の回転子１４に固定されている。ナット部３２には、シャフト２２の雄ねじ山３
４に螺合する（かみ合う）雌ねじ山３３が形成されている。ナット部３２は、雌ねじ山３３が形成されている部分ともいえる。

ナット部３２は、モーター部１０の回転子１４の回転に伴って回転し、ナット部３２の雌ねじ山３３とシャフト２２の雄ねじ山３４が螺合回転することによるねじの回転運動により、シャフト２２を直線運動させる。

滑りねじ部３０を構成するシャフト２２の雄ねじ山３４およびナット部３２の雌ねじ山３３は、ねじ研磨されていることが好ましい。これにより、滑りねじ部３０は、より振動の少ないスムーズな挙動を示す。

ベアリング４０，４２は、ケース６０に対して、回転子１４を回転可能に支持する。ベアリング４０は回転子１４の先端側を支持し、ベアリング４２は、回転子１４の後端側を支持している。ここでは、２つのベアリング４０，４２で回転子１４を回転可能に支持しているが、回転子１４を支持するためのベアリング４０，４２の数や与圧の付与形態は特に限定されない。

エンコーダー５０は、モーター部１０の回転子１４の回転速度や、回転方向、回転位置（角度）等を検出するためのセンサーである。エンコーダー５０は、回転子１４の回転速度や、回転方向、回転位置（角度）等を検出し、これらの情報を制御コントローラーに出力する。エンコーダー５０は、ケース６０の内側に配置されている。

ケース６０は、モーター部１０、ボールスプライン２０、滑りねじ部３０、ベアリング４０，４２、エンコーダー５０を収容している。また、ケース６０は、例えば、モーター部１０のマグネット１２の磁路を閉じ、磁気回路を構成している。ケース６０には、モーター部１０およびボールスプライン２０が固定されている。

ケース６０は、アクチュエーター１００を支持するための支持部材２に固定されている。ケース６０は、支持部材２に固定される固定部６２を有している。固定部６２は、ケース６０のうち、支持部材２に固定される部分である。固定部６２は、例えば、ねじ止めにより支持部材２に固定されてもよいし、接着剤などで支持部材２に固定されてもよい。

図示の例では、固定部６２は、ケース６０の先端６１に設けられている。なお、固定部６２の位置は、ケース６０の後端６３以外であれば、特に限定されない。

ケース６０の材質は、例えば、インバー合金である。ケース６０として用いられるインバー合金としては、３６インバーが挙げられる。ケース６０の材質は、例えば、回転子１４の材質と同じである。ケース６０の材質として、インバー合金を用いることによって、ケース６０の線膨張係数を小さくすることができ、かつ、ケース６０が磁気回路を構成することができる。

接触部７０は、シャフト２２の先端に設けられている。接触部７０は、駆動対象に接触する部分である。アクチュエーター１００では、シャフト２２の先端に接触部７０が設けられているため、シャフト２２は、直接、駆動対象に接しない。接触部７０の材質は、例えば、樹脂である。接触部７０の熱伝導率は、シャフト２２の熱伝導率よりも低い。例えば、接触部７０の材質は、樹脂であり、シャフト２２の材質は、金属である。

１．２． アクチュエーターの動作
アクチュエーター１００では、制御コントローラーからモーター部１０のコイル１６に電流が供給されるとモーター部１０の回転子１４が回転する。モーター部１０が回転駆動
すると、回転子１４の回転力がナット部３２を介してシャフト２２の軸方向の推進力に変換される。すなわち、モーター部１０の回転運動が、ナット部３２とシャフト２２からなる滑りねじ部３０によって直線運動に変換される。シャフト２２は、ボールスプライン２０によって、軸回りの回転が抑制され、直線運動する。これにより、シャフト２２、すなわち、アクチュエーター１００の出力軸は、駆動対象にシャフト２２の軸方向の推進力を伝える。

図３は、モーター部１０が発生させる熱によるシャフト２２の伸び、およびケース６０の伸びを説明するための図である。

モーター部１０のコイル１６に電流が供給されると、コイル１６は熱を発生させる。モーター部１０が発生させる熱によって、シャフト２２は、シャフト２２の軸に沿って、ナット部３２から第１方向Ａに伸びる。第１方向Ａは、ナット部３２からシャフト２２の先端に向かう方向である。ナット部３２は、シャフト２２を支持しているため、シャフト２２のナット部３２で支持されている部分が、シャフト２２の固定端となる。そのため、モーター部１０が発生させる熱によって、シャフト２２は、ナット部３２から第１方向Ａに伸びる。

また、モーター部１０が発生させる熱によって、ケース６０は、シャフト２２の軸に沿って、固定部６２から第２方向Ｂに伸びる。第２方向Ｂは、第１方向Ａとは反対方向である。第２方向Ｂは、ケース６０の固定部６２からケース６０の後端６３に向かう方向である。ケース６０の固定部６２が、ケース６０の固定端となる。そのため、モーター部１０が発生させる熱によって、ケース６０は、固定部６２から第２方向Ｂに伸びる。ケース６０が第２方向Ｂに伸びることによって、シャフト２２は第２方向Ｂに移動する。

モーター部１０が発生させる熱によるシャフト２２の第１方向Ａの伸び量Ｌ２と、モーター部１０が発生させる熱によるケース６０の第２方向Ｂの伸びによるシャフト２２の第２方向Ｂの移動量Ｌ４とは、等しい。したがって、アクチュエーター１００では、シャフト２２の伸び量Ｌ２とケース６０の伸びによるシャフト２２の移動量Ｌ４との差がゼロとなり、シャフト２２の伸びをケース６０の伸びによって相殺できる。したがって、モーター部１０が発生させる熱によるシャフト２２の先端の位置の変位を低減できる。

なお、シャフト２２の第１方向Ａの伸び量Ｌ２と、ケース６０の伸びによるシャフト２２の移動量Ｌ４との差は、ゼロでなくてもよく、駆動対象のドリフトが許容される範囲内であればよい。

アクチュエーター１００では、ケース６０の固定部６２の位置、およびアクチュエーター１００を構成する各部の線膨張係数を最適化することによって、上記のようにシャフト２２の先端の位置の変位を低減できる。

温度の変化による物体の伸び量ΔＬは、次式で表される。

ΔＬ＝α×Ｌ×ΔＴ
なお、αは、物体の線膨張係数であり、Ｌは物体のもとの長さであり、ΔＴは物体の温度の変化量である。

例えば、シャフト２２の長さ（固定端からの長さ）、ケース６０の長さ（固定端からの長さ）、およびモーター部１０からシャフト２２に加わる熱およびモーター部１０からケース６０に加わる熱を考慮して、ケース６０の線膨張係数、およびシャフト２２の線膨張係数を決定する。これにより、シャフト２２の伸びによるシャフト２２の先端の変位をケ
ース６０の伸びで低減できる。例えば、ケース６０の線膨張係数を、シャフト２２の線膨張係数よりも小さくすることによって、シャフト２２の伸びによるシャフト２２の先端の変位をケース６０の伸びで低減する。具体的には、ケース６０の材質を線膨張係数の小さい３６インバーとし、シャフト２２の材質をインバー合金に比べて線膨張係数の大きいステンレス鋼とする。なお、ケース６０の材質とシャフト２２の材質の組み合わせは、この例に限定されない。

また、図３に示す例では、ケース６０の固定部６２がケース６０の先端６１であるが、ケース６０の固定部６２の位置を変えることによって、ケース６０の伸びを調整してもよい。

また、上記では、シャフト２２の伸びを、ケース６０の伸びで相殺する場合について説明したが、シャフト２２の伸びを、ケース６０の伸びに、アクチュエーター１００を構成するその他の部材の伸びを加えることによって、相殺してもよい。例えば、シャフト２２の伸びを、ケース６０の伸びおよび回転子１４の伸びによって相殺してもよい。

１．３． 効果
アクチュエーター１００では、モーター部１０と、第１転動溝２３が形成されたシャフト２２を備えた有限ストロークのボールスプライン２０と、シャフト２２に形成された雄ねじ山３４に螺合する雌ねじ山３３を備えモーター部１０の回転力をシャフト２２に伝達するナット部３２と、を含む。このようにアクチュエーター１００では、ボールスプライン２０のシャフト２２を出力軸として用いることで、出力軸の出し入れ時にシャフト２２の軸方向の推進力のみを駆動対象に伝えることができる。

また、アクチュエーター１００では、有限ストロークのボールスプライン２０を用いている。すなわち、ボールスプライン２０は、ボール２４の循環路を有しておらず、ボールに付与される与圧を一定にすることができる。そのため、ボール２４に付与される与圧が変化することにより発生する振動を生じさせないことができる。したがって、アクチュエーター１００では、動作時のシャフト２２の振動を低減することができる。これにより、駆動対象に推進力を与える際に生じる振動を低減することができ、例えば駆動対象に振動を生じさせることなく、推進力を与えることができる。

例えば、ボールスプラインが、ボール循環路を備えた無限循環式のボールスプラインである場合、ボールが循環路と転動溝との間を移動する際にボールに付与される与圧が変化してシャフトが振動してしまう場合がある。これに対して、アクチュエーター１００では、上述したように、ボール２４の循環路を有していないため、ボール２４に付与される与圧を一定にすることができ、シャフト２２の振動を低減することができる。

また、アクチュエーター１００では、モーター部１０の回転力を推進力に変換する機構として、滑りねじ部３０を用いている。滑りねじ部３０は、例えば、モーター部の回転力をボールねじシャフトの螺旋状の転動溝をボールが循環することで推進力に変換するボールねじを用いた場合と比べて、剛性が高く、さらに振動伝達効率が低い。また、ボールねじの動力伝達効率は、例えば９０％以上である。そのため、アクチュエーター１００では、モーター部１０の磁気ヒステリシスによる微小な回転や、モーター部１０を制御する制御コントローラーのサーボノイズによりモーター部１０が意図せずに励起されることで発生する微小な振動等が、直接、シャフト２２に伝わることを抑制することができる。

サーボノイズとは、位置偏差が無く、静定制御が完了している状態にも関わらず、アクチュエーターの電源ラインやエンコーダー制御ラインに電源やコンバーターからのリップルノイズや制御回路の駆動周波数成分等が混入し、コイルを意図せず励起、もしくは共振
させ、モーター部を極微小に震えさせてしまうことである。

アクチュエーター１００では、モーター部１０の回転力をボールねじと比較して、ねじ部の送りピッチ（リード）を小さくできる滑りねじ部３０で軸方向の推進力に変換しているため、シャフト２２のストロークの全域で超微細な移動（例えばオングストロームオーダー）が可能である。さらに、アクチュエーター１００では、例えばピエゾ素子を用いて駆動対象に推進力を与える場合と比べて、駆動対象を移動させることができる範囲を大きくすることができる。また、ピエゾ素子の膨張、収縮の過程は時間に対してリニアに応答させることが難しく静定に時間が掛かってしまうが、アクチュエーター１００では、モーター部１０の回転力をナット部３２とシャフト２２によって伝達しているため、剛性を高めることができ、静定時間を短くすることができる。

アクチュエーター１００では、減速機を必要としないため、減速機特有のバッククラッシュによる不感帯や部材のヒステリシスによる不安定な動作を招くことがなく、アクチュエーター１００の最小駆動分解能付近での駆動を安定させることができる。

アクチュエーター１００では、ボールスプライン２０において、ボール２４は第１転動溝２３上のみを転動する。すなわち、ボールスプライン２０は、ボール２４を循環させる循環路を有しておらず、ボールに一定の与圧を付与することができる。したがって、アクチュエーター１００では、上述したように、ボール２４に付与される与圧が変化することにより発生する振動を生じさせないことができる。したがって、アクチュエーター１００では、動作時のシャフト２２の振動を低減することができる。これにより、駆動対象に推進力を与える際に生じる振動を低減することができ、例えば駆動対象に振動を生じさせることなく、推進力を与えることができる。

アクチュエーター１００では、モーター部１０が発生させる熱によって、シャフト２２は、シャフト２２の軸に沿って第１方向Ａに伸び、モーター部１０が発生させる熱によって、ケース６０は、シャフト２２の軸に沿って、第１方向Ａとは反対方向の第２方向Ｂに伸びる。そのため、アクチュエーター１００では、モーター部１０が発生させる熱によるシャフト２２の伸びによるシャフト２２の先端の変位を、モーター部１０が発生させる熱によるケース６０の伸びによって低減できる。したがって、アクチュエーター１００では、駆動対象のドリフトを低減できる。

アクチュエーター１００では、シャフト２２の先端に、接触部７０が設けられている。接触部７０の熱伝導率は、シャフト２２の熱伝導率よりも低い。そのため、シャフト２２の熱を駆動対象に伝わりにくくすることができる。これにより、シャフト２２の熱が駆動対象に伝わることによるシャフト２２の温度の変化を低減できる。この結果、シャフト２２の温度変化とケース６０の温度変化の差を小さくできる。そのため、シャフト２２の伸びをケース６０の伸びによって相殺する関係を維持できる。したがって、アクチュエーター１００では、駆動対象のドリフトを低減できる。

例えば、駆動対象の材質が熱伝導性のよい金属である場合、シャフト２２の先端が、直接、駆動対象に接していると、シャフト２２の熱が駆動対象に逃げて、シャフト２２の温度がケース６０の温度に比べて低下してしまう。この結果、シャフト２２の伸びをケース６０の伸びによって相殺する関係が崩れてしまい、シャフト２２の先端の位置が変位してしまう。

これに対して、シャフト２２の先端に接触部７０が設けられていると、シャフト２２の先端が、直接、駆動対象に接している場合と比べて、シャフト２２の温度変化とケース６０の温度変化の差を小さくできる。したがって、シャフト２２の伸びをケース６０の伸び
によって相殺する関係を維持できる。

このように、シャフト２２の先端に、シャフト２２よりも熱伝導率が低い接触部７０が設けられることによって、駆動対象の材質（熱伝導率）によらず、シャフト２２から駆動対象に逃げる熱を低減できる。そのため、上述したように、シャフト２２の伸びをケース６０の伸びによって相殺する関係を維持でき、駆動対象のドリフトを低減できる。

アクチュエーター１００では、モーター部１０が発生させる熱によるシャフト２２の第１方向Ａの伸び量Ｌ２と、モーター部１０が発生させる熱によるケース６０の第２方向Ｂの伸びによるシャフト２２の第２方向Ｂの移動量Ｌ４と、が等しい。そのため、アクチュエーター１００では、シャフト２２の伸びをケース６０の伸びによって相殺できる。これにより、モーター部１０が発生させる熱によるシャフト２２の先端の位置の変位を低減でき、駆動対象のドリフトを低減できる。

アクチュエーター１００では、ケース６０は、モーター部１０の磁気回路を構成し、ケース６０の材質はインバー合金である。そのため、アクチュエーター１００では、モーター部１０の熱によるケース６０の伸びを低減しつつ、磁気回路を構成できる。

アクチュエーター１００では、回転子１４の材質はインバー合金である。そのため、アクチュエーター１００では、モーター部１０の熱による回転子１４の伸びを低減できる。

２． 試料位置決め装置
次に、本発明の一実施形態に係る試料位置決め装置について図面を参照しながら説明する。図４は本発明の一実施形態に係る試料位置決め装置１を模式的に示す図である。なお、図４では、試料ホルダー１２０をシフター１１０に装着した状態を示している。また、図４には、互いに直交する３つの軸としてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示している。以下、試料位置決め装置１の使用状態について説明する。なお、図示の例では、試料位置決め装置１は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の試料位置決め装置である。

試料位置決め装置１は、図４に示すように、シフター１１０と、試料ホルダー１２０と、シフター支持部材１３０と、Ｘ駆動機構１４０と、Ｙ駆動機構１５０と、を含む。

試料位置決め装置１は、試料Ｓを試料室１０１の所望の位置へ移動および静止させることができる。具体的には、試料位置決め装置１は、試料ホルダー１２０によって試料Ｓを支持し、駆動機構１４０，１５０によってＸ軸方向およびＹ軸方向に、試料Ｓを直線的に移動させることができる。また、試料位置決め装置１は、Ｚ駆動機構（図示しない）によって、Ｚ軸方向に試料Ｓを直線的に移動させてもよいし、傾斜機構（図示しない）によって、試料ＳをＸ軸周りに傾斜させてもよい。なお、図示の例において、Ｚ軸方向は、試料室１０１を通過する電子線（図示しない）の進行方向である。

試料位置決め装置１では、シフター１１０は、壁部１０２を貫通するように設けられたシフター支持部材１３０によって支持されている。シフター１１０は、試料室１０１に連通する孔１１２を有しており、試料ホルダー１２０は、この孔１１２に移動可能に装着されている。試料ホルダー１２０は、試料Ｓが装着された先端部が試料室１０１に配置されている。そして、Ｘ駆動機構１４０は、試料ホルダー１２０を移動させることにより試料ＳをＸ軸方向に沿って移動させ、Ｙ駆動機構１５０は、シフター１１０を回動させることにより試料ＳをＹ軸方向に沿って移動させる。

以下、試料位置決め装置１を構成する各部材について説明する。

試料室１０１は、減圧状態に維持可能である。試料室１０１は、公知のポンプ（図示せず）によって真空排気されることにより減圧状態に維持される。試料室１０１には、試料ホルダー１２０によって試料Ｓが導入される。そして、試料室１０１において、試料Ｓに電子線が照射される。

シフター支持部材１３０は、壁部１０２を貫通する円筒状の部材である。シフター支持部材１３０には、シフター１１０が挿入されている。シフター支持部材１３０の試料室１０１側には、球面軸受部１３２が設けられている。球面軸受部１３２は、その内面が球面状に形成されている。

シフター１１０は、管状の部材であり、試料室１０１に連通する孔１１２を有している。図示の例では、孔１１２は、Ｘ軸方向に貫通している。孔１１２には、試料ホルダー１２０が装着される。これにより、試料ホルダー１２０は、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の移動が規制され、Ｘ軸方向に直線的に移動可能となる。シフター１１０の内側には、試料ホルダー１２０を支持するベアリング１１４が設けられている。図示の例では、ベアリング１１４は、シフター１１０の両端部（孔１１２の開口付近）に設けられている。ベアリング１１４は、試料ホルダー１２０のＸ軸方向への移動を円滑にすることができる。

シフター１１０は、試料室１０１側の端部に、球面部１１６を有する。球面部１１６の表面は、中心が孔１１２の中心軸上にある球面状に形成されている。球面部１１６は、球面軸受部１３２により支持される。球面軸受部１３２は、その内面が球面部１１６の表面に接するように形成されている。これにより、球面部１１６は、球面軸受部１３２に摺動可能に支持される。そのため、シフター１１０は、球面部１１６の中心を回動中心として、回動することができる。球面部１１６と球面軸受部１３２との間には、試料室１０１を気密に封止するためのＯリング１１９が設けられている。

試料ホルダー１２０は、シフター１１０の孔１１２に移動可能に装着される。試料ホルダー１２０の先端部には、試料Ｓを保持するための試料保持部１２３が設けられている。試料ホルダー１２０にはＯリング１２２が装着され、試料ホルダー１２０とシフター１１０との間が気密に封止されている。Ｏリング１２２は、試料ホルダー１２０の移動に伴って、シフター１１０の孔１１２内を摺動する。

駆動機構１４０，１５０は、試料室１０１における試料ホルダー１２０の位置を変えることができる。具体的には、駆動機構１４０，１５０は、試料Ｓを試料室１０１の所望の位置へ移動および静止させるように、試料ホルダー１２０を動作させる。

Ｘ駆動機構１４０は、試料ＳをＸ軸方向に沿って移動させる。Ｘ駆動機構１４０は、アクチュエーター１００を含む。Ｘ駆動機構１４０は、さらに、レバー１４２を含む。

レバー１４２は、軸１４３を回転中心とするてこ式のレバーである。レバー１４２の試料室１０１側の端部には、ベアリング１４４が設けられ、ベアリング１４４を介して試料ホルダー１２０を支持している。ベアリング１４４は、ＹＺ平面内を転動することができる。そのため、試料ＳのＹ軸方向への移動が円滑になる。試料ホルダー１２０には、−Ｘ軸方向の力が働いているため、試料ホルダー１２０は、レバー１４２（ベアリング１４４）に押しつけられている。レバー１４２の試料室１０１側とは反対側の端部には、アクチュエーター１００の接触部７０が接している。

アクチュエーター１００がシャフト２２をＸ軸方向に直線的に移動させることにより、レバー１４２は、軸１４３を回転中心として回転し、試料ホルダー１２０（試料Ｓ）をＸ軸方向に直線的に移動させる。ベローズ１４６は、試料室１０１を減圧状態に保ちつつ、
レバー１４２の移動を円滑にすることができる。

Ｙ駆動機構１５０は、試料ＳをＹ軸方向に移動させる。Ｙ駆動機構１５０は、アクチュエーター１００を含む。Ｙ駆動機構１５０は、さらに、戻しばね１５２を含む。アクチュエーター１００の接触部７０は、シフター１１０の＋Ｙ軸方向側の外周面に接している。シフター１１０の−Ｙ軸方向側の外周面には、戻しばね１５２が設けられている。シフター１１０は、戻しばね１５２によって、＋Ｙ軸方向に付勢されている。アクチュエーター１００がシャフト２２をＹ軸方向に直線的に移動させることにより、シフター１１０は、球面部１１６の中心を回動中心として回動する。これにより、試料ＳをＹ軸方向に直線的に移動させることができる。

なお、試料位置決め装置１は、試料ＳをＺ軸方向に移動させるＺ駆動機構（図示せず）をさらに有していてもよい。Ｚ駆動機構は、Ｙ駆動機構１５０と同様の構成であってもよい。また、試料位置決め装置１は、試料ＳをＸ軸まわりに傾斜させる機構（図示しない）を有していてもよい。

次に、試料位置決め装置１の動作について説明する。

試料位置決め装置１では、Ｘ駆動機構１４０によって試料ホルダー１２０をＸ軸方向に移動させることにより、試料ＳをＸ軸方向に移動させる。具体的には、Ｘ駆動機構１４０を構成しているアクチュエーター１００のシャフト２２を出し入れすることでレバー１４２を回転させることにより、試料ホルダー１２０がＸ軸方向に直線的に移動し、試料ＳがＸ軸方向に移動する。

また、試料位置決め装置１では、Ｙ駆動機構１５０によってシフター１１０を移動させることにより、試料ホルダー１２０を移動させて、試料ＳをＹ軸方向に移動させる。具体的には、Ｙ駆動機構１５０を構成しているアクチュエーター１００のシャフト２２を出し入れすることにより、シフター１１０を球面部１１６の中心を回動中心として回動させる。このシフター１１０の回動に伴って試料ホルダー１２０も回動し、試料ＳがＹ軸方向に移動する。

試料位置決め装置１は、例えば、以下の効果を有する。

試料位置決め装置１では、アクチュエーター１００を含む。アクチュエーター１００は、上述したように、アクチュエーター１００の動作時のシャフト２２の振動を低減することができる。そのため、試料位置決め装置１では、試料Ｓを移動させる際の試料Ｓの振動を低減することができる。したがって、例えば、試料位置決め装置１では、ユーザーは試料ＳをＸ軸方向（またはＹ軸方向）に移動させつつ、高倍率で試料Ｓを観察することができる。

また、試料位置決め装置１では、アクチュエーター１００を含むため、上述したように、シャフト２２のストロークの全域で超微細な移動（例えばオングストロームオーダー）が可能であり、例えばピエゾ素子を用いて駆動対象に推進力を与える場合と比べて、駆動対象を移動させることができる範囲を大きくすることができる。したがって、試料位置決め装置１では、例えば、φ２ｍｍの試料Ｓの全域で超微細な移動（例えばオングストロームオーダー）が可能となる。これにより、例えば、試料Ｓの全域でのドリフト補正が可能となる。

したがって、試料位置決め装置１では、長時間のドリフト補正を必要とする元素マッピング、スペクトル解析、原子分析等の分析や、長距離でのドリフト補正を必要とする、加
熱、冷却、トモグラフ等のその場観察において、ドリフト補正のストローク切れ（ドリフト補正が可能な範囲から外れること）を無くすことができる。

また、試料位置決め装置１では、アクチュエーター１００を含むため、上述したように、例えばピエゾ素子を用いて駆動対象に推進力を与える場合と比べて、静定時間を短くすることができ、試料Ｓのドリフトの終息を早めることができる。

また、試料位置決め装置１では、アクチュエーター１００の接触部７０がレバー１４２に接しているため、シャフト２２の熱をレバー１４２に伝わりにくくすることができる。この結果、上述したように、試料のドリフトを低減できる。

また、試料位置決め装置１では、アクチュエーター１００の接触部７０がシフター１１０に接しているため、シャフト２２の熱をシフター１１０に伝わりにくくすることができる。この結果、上述したように、試料のドリフトを低減できる。

３． 電子顕微鏡
次に、本発明の一実施形態に係る電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る電子顕微鏡１０００の構成を示す図である。図５は、試料Ｓが試料室１０１に導入された状態を図示している。

電子顕微鏡１０００は、例えば、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の構成を有している。電子顕微鏡１０００は、試料位置決め装置１を含む。

電子顕微鏡１０００は、さらに、電子線源１０１１と、集束レンズ１０１２と、対物レンズ１０１３と、中間レンズ１０１５と、投影レンズ１０１６と、撮像部１０１７と、コンデンサー絞り１０２０と、コンデンサー絞り位置決め装置１０２２と、対物絞り１０３０と、対物絞り位置決め装置１０３２と、制限視野絞り１０４０と、制限視野絞り位置決め装置１０４２と、を含む。

電子線源１０１１は、電子線ＥＢを発生させる。集束レンズ１０１２は、電子線源１０１１で発生した電子線ＥＢを集束して試料Ｓに照射するためのレンズである。対物レンズ１０１３は、試料Ｓを透過した電子線ＥＢで結像するための初段のレンズである。

試料位置決め装置１は、上述したように、試料室１０１において試料ホルダー１２０に保持された試料Ｓの位置決めを行う。試料位置決め装置１は、アクチュエーター１００を備えた駆動機構１４０，１５０によって試料Ｓを水平方向（電子線ＥＢの進行方向に対して直交する方向）に移動させることができる。

中間レンズ１０１５および投影レンズ１０１６は、対物レンズ１０１３によって結像された像をさらに拡大し、撮像部１０１７に結像させる。電子顕微鏡１０００では、対物レンズ１０１３、中間レンズ１０１５、および投影レンズ１０１６によって、結像系が構成されている。

撮像部１０１７は、結像系によって結像された透過電子顕微鏡像を撮影する。撮像部１０１７は、例えば、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ等のデジタルカメラである。

コンデンサー絞り１０２０は、例えば、集束レンズ１０１２と対物レンズ１０１３との間に配置されている。コンデンサー絞り１０２０は、例えば、試料Ｓに照射される電子線ＥＢの照射角（開き角）や照射量を調整することができる。コンデンサー絞り１０２０は、真空外から絞りの穴径の選択や位置の調整ができる可動絞りである。

コンデンサー絞り位置決め装置１０２２は、コンデンサー絞り１０２０を移動させて、絞りの穴径の選択や位置の調整を行うための装置である。コンデンサー絞り位置決め装置１０２２は、駆動源として、アクチュエーター１００を備えている。これにより、コンデンサー絞り１０２０に振動を生じさせることなく、微細に移動させることができる。したがって、コンデンサー絞り１０２０を正確に位置決めすることができる。さらに、例えば、コンデンサー絞り１０２０を移動させた後のドリフトの終息を早めることができる。

対物絞り１０３０は、対物レンズ１０１３の後焦点面に配置されている。対物絞り１０３０は、明視野像や暗視野像を得るための透過波や回折波を取り込むための絞りである。対物絞り１０３０は、真空外から絞りの穴径の選択や位置の調整ができる可動絞りである。

対物絞り位置決め装置１０３２は、対物絞り１０３０を移動させて、絞りの穴径の選択や位置の調整を行うための装置である。対物絞り位置決め装置１０３２は、駆動源として、アクチュエーター１００を備えている。これにより、対物絞り１０３０に振動を生じさせることなく、微細に移動させることができる。したがって、対物絞り１０３０を正確に位置決めすることができる。さらに、例えば、対物絞り１０３０を移動させた後のドリフトの終息を早めることができる。

制限視野絞り１０４０は、対物レンズ１０１３の像面（中間レンズ１０１５の物面）に配置されている。制限視野絞り１０４０は、制限視野回折を行う際に、回折図形を得る試料Ｓの領域を制限する絞りである。制限視野絞り１０４０は、真空外から絞りの穴径の選択や位置の調整ができる可動絞りである。

制限視野絞り位置決め装置１０４２は、制限視野絞り１０４０を移動させて、絞りの穴径の選択や位置の調整を行うための装置である。制限視野絞り位置決め装置１０４２は、駆動源として、アクチュエーター１００を備えている。これにより、制限視野絞り１０４０に振動を生じさせることなく、微細に移動させることができる。したがって、制限視野絞り１０４０を正確に位置決めすることができる。さらに、例えば、制限視野絞り１０４０を移動させた後のドリフトの終息を早めることができる。

４． 変形例
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、上述した実施形態では、図１に示すように、アクチュエーター１００のモーター部１０は、マグネット１２と、回転子１４と、コイル１６と、を備えていたが、モーター部１０の構成はこの例に限定されない。モーター部１０は、ＡＣサーボモーター、ＤＣサーボモーター、ステッピングモーター等の磁気型モーターであってもよい。すなわち、アクチュエーター１００は、磁気型のモーター部１０の回転力を、推進力に変換するリニアアクチュエーターに適用することができる。

例えば、上述した実施形態では、図４に示すように、アクチュエーター１００を電子顕微鏡の試料位置決め装置１や、図５に示すように、絞り位置決め装置１０２２，１０３２，１０４２に適用した例について説明したが、アクチュエーター１００を電子顕微鏡の検出器（例えばＥＤＳ検出器、暗視野検出器等）を移動させて位置決めを行うための検出器位置決め装置として用いてもよい。

また、例えば、上述した実施形態では、試料位置決め装置１を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ
）に適用した場合について説明したが、試料位置決め装置１は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）に限らず、その他の荷電粒子線装置に適用することができる。このような荷電粒子線装置としては、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、および走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）等を含む電子顕微鏡や、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ装置）、電子ビーム露光装置等が挙げられる。

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。

１…試料位置決め装置、２…支持部材、１０…モーター部、１２…マグネット、１４…回転子、１６…コイル、２０…ボールスプライン、２２…シャフト、２３…第１転動溝、２４…ボール、２６…軸受部、３０…滑りねじ部、３２…ナット部、３３…雌ねじ山、３４…雄ねじ山、４０…ベアリング、４２…ベアリング、５０…エンコーダー、６０…ケース、７０…接触部、１００…アクチュエーター、１０１…試料室、１０２…壁部、１１０…シフター、１１２…孔、１１４…ベアリング、１１６…球面部、１１９…Ｏリング、１２０…試料ホルダー、１２２…Ｏリング、１２３…試料保持部、１３０…シフター支持部材、１３２…球面軸受部、１４０…Ｘ駆動機構、１４２…レバー、１４３…軸、１４４…ベアリング、１４６…ベローズ、１５０…Ｙ駆動機構、１５２…戻しばね、２００…アクチュエーター、２０２…表面、２０４…表面、２６０…外筒、２６２…保持器、１０００…電子顕微鏡、１０１１…電子線源、１０１２…集束レンズ、１０１３…対物レンズ、１０１５…中間レンズ、１０１６…投影レンズ、１０１７…撮像部、１０２０…コンデンサー絞り、１０２２…コンデンサー絞り位置決め装置、１０３０…対物絞り、１０３２…対物絞り位置決め装置、１０４０…制限視野絞り、１０４２…制限視野絞り位置決め装置

Claims (7)

1. モーター部と、
   軸に沿って移動可能なシャフトを備えた有限ストロークのボールスプラインと、
   前記シャフトに形成された雄ねじ山に螺合する雌ねじ山を備え、前記モーター部の回転力を前記シャフトに伝達するナット部と、
   前記モーター部および前記ボールスプラインが固定されたケースと、
   を含み、
   前記ケースは、支持部材に固定される固定部を有し、
   前記モーター部が発生させる熱によって、前記シャフトは、前記シャフトの軸に沿って前記ナット部から第１方向に伸び、
   前記モーター部が発生させる熱によって、前記ケースは、前記シャフトの軸に沿って、前記固定部から前記第１方向とは反対方向の第２方向に伸び、
   前記シャフトの先端には、駆動対象に接触する接触部が設けられ、
   前記接触部の熱伝導率は、前記シャフトの熱伝導率よりも低い、アクチュエーター。
2. 請求項１において、
   前記ケースは、磁気回路を構成し、
   前記ケースの材質は、インバー合金である、アクチュエーター。
3. 請求項１または２において、
   前記シャフトの材質は、金属であり、
   前記接触部の材質は、樹脂である、アクチュエーター。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記モーター部が発生させる熱による前記シャフトの前記第１方向の伸び量と、前記モーター部が発生させる熱による前記ケースの前記第２方向の伸びによる前記シャフトの前記第２方向の移動量とは、等しい、アクチュエーター。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記ボールスプラインは、
   外筒と、
   前記軸に沿って前記シャフトに設けられた第１転動溝と、前記軸に沿って前記外筒に設けられた第２転動溝と、の間に転動可能に配置されている複数のボールと、
   複数の前記ボールを前記第１転動溝と前記第２転動溝に沿って分離して保持し、前記シャフトの移動に伴って移動する保持器と、
   を有する、アクチュエーター。
6. 荷電粒子線装置の試料室において、試料の位置決めを行う試料位置決め装置であって、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアクチュエーターを含む、試料位置決め装置。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアクチュエーターを含む、荷電粒子線装置。

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