JP4119655B2

JP4119655B2 - 電子顕微鏡の試料移動装置

Info

Publication number: JP4119655B2
Application number: JP2002050993A
Authority: JP
Inventors: 大蔵善博
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: JP2003257350A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ駆動による電子顕微鏡等の試料移動装置および試料移動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料像の観察時に、試料を載せたステージを、サブｎｍオーダーで位置調整することが必要となる電子顕微鏡では、ＣＰＵによる正確なステージ駆動方法（サーボ制御）と、操作者がマニュアルで直接サブｎｍオーダーのステージ操作を行なう非サーボ制御によるステージ駆動方法とを、目的に応じて使い分けることが必要とされている。
【０００３】
図１は、通常行なわれているサーボ制御方法を模式的に示したものである。図中、１は、試料移動のサーボ制御を行なうサーボ・ドライバーである。サーボ・ドライバー１は、所定の試料移動量ΔＸがパルス電圧として入力されると、入力された試料移動量ΔＸに応じた量だけＤＣモータ２を回転させ、ＤＣモータ軸に螺合された押し子３で試料駆動機構４を「てこ」の原理により押圧し、試料をΔＸだけ移動させる。このとき、サーボ・ドライバー１に入力されたパルス電圧は、サーボドライバー１の内部に設けられた第１のカウンター５によってカウントされている。一方、ＤＣモータ２のモータ軸に同軸状にマウントされたロータリー・エンコーダ６から、ＤＣモータ２の回転量に応じて出力されるパルス信号は、サーボ・ドライバー１の内部に設けられた第２のカウンター７でカウントされている。そして、第１のカウンター５のカウント値と第２のカウンター７のカウント値を比較器８で比較して、両者の値が一致するように、ＤＣモータ２の回転量をフィードバック制御する。このように、目標量に相当する回転角度だけモータを回転させ、その位置を維持するようにフィードバック制御をかけることをサーボ制御と呼んでいる。
【０００４】
一方、電子顕微鏡の倍率が極めて高い状態において、試料を極めてわずかな量だけ移動させたい場合には、通常、サーボ制御によらない試料移動方法が採用される。図２は、通常行なわれている非サーボ制御方法を模式的に示した図である。図中９は、ＤＣモータ２を駆動させるためのＤＣ電源である。ＤＣ電源９とＤＣモータ２との間には、通電をオン／オフするためのスイッチ１０が設けられている。試料移動を行なわせる際には、このスイッチ１０をパルス状に短時間だけオンにすることにより、短いパルス電圧をＤＣモータ２に送り、ＤＣモータ２を「寸動」させることにより、極めてわずかな量だけ、試料の移動を行なわせている。この方法は、ごくわずかな距離だけ試料移動を行なわせたいような場合には、極めて優れた方法であるが、全てがマニュアル操作で行なわれるため、移動距離の定量性や再現性に乏しいという欠点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、位置制御サーボ機構は、電子顕微鏡の倍率が中程度のときに、試料移動を所定の距離だけ定量的に行なわせる目的で使用する際には極めて優れた方法であるが、電子顕微鏡の倍率が極めて高い状態で、ごくわずかな距離だけ試料移動を行なわせたいような場合には、必ずしも優れた方法ではない。なぜなら、モータ軸から実際のステージに至る「てこ」の原理を利用した部分の弾性要素、摩擦要素、ダンパー要素などにより、モータが回転を始めた時点で直ちにステージの移動が開始されるとは限らない。また、ステージが止まっているときは、静止摩擦が支配的であるが、ステージが動き始めると、動摩擦が支配的になるため、モータのトルク負荷が急激に小さくなる。そのため、位置制御サーボ機構でステージの移動を制御しようとすると、ハンチングや振動を発生しやすくなる。
【０００６】
また、位置制御サーボ機構を用いると、絶えずフィードバック制御されているため、ステージが停止状態であっても、検出器（例えば、モータのロータリー・エンコーダ）に変位が生じると、その変位を打ち消す方向にモータを駆動しようとするため、微振動を生じやすい。そこで、従来は、この問題を解決するために、サーボ系に、Ｇａｉｎ・Ｌｏｗと呼ばれる振動緩和機能、すなわち、ステージの動きが許容範囲に入ったら、フィードバック系のゲインを下げる機能を設け、ステージの振動が止まりやすくする工夫を凝らしていた。ところが、この機能をオン／オフすると、それによる振動を生じたり、前述したような試料移動機構部の負荷の変化に由来するステージの「押し戻し」を起こしたりする。
【０００７】
これらの振動やハンチングは、電子顕微鏡の倍率がさほど高くない場合には、ほとんど目立たないが、電子顕微鏡の倍率が極めて高い場合には、無視できなくなる。
【０００８】
また、操作者がトラッカー・ボールなどの操作盤を使って、像を観察しながらステージを移動させる場合、画像表示装置上でのトラッカー・ボール単位回転量当たりの像移動量は、ほぼ一定であることが望ましい。従って、現在の位置制御サーボ機構では、高倍率状態で位置制御の最小ステップをサブｎｍオーダーに設定した場合、その設定を変えないで倍率を下げて、高速駆動をしようとすると、試料の移動距離が莫大な値になり、膨大な数のパルス信号が必要となって、カウンターフローなどの制御不能に陥ることがあった。
【０００９】
一方、位置制御サーボ機構を用いずに、比較的ゆっくりと送出されるパルス電圧による「寸動」でステージを制御すると、モータのトルクの伝達が瞬間的にしか起こらなくなるため、駆動機構のモータ停止時のステージの「押し戻し」現象も少なくなるし、パルス電圧の波形をステージが移動するぎりぎりの条件に設定すれば、モータに附属したロータリー・エンコーダの歯数よりも微小なステップでのステージの移動が実現できる。しかし、言うまでもないが、電子顕微鏡の倍率にステージの移動距離をリンクさせたり、ＣＰＵによって定量的にステージを移動させたりすることはできなくなる。
【００１０】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、位置制御サーボ機構の長所と、非サーボ制御方法の長所とを兼ね備えた電子顕微鏡等の試料移動装置および試料移動方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかる電子顕微鏡の試料移動装置は、
サーボ機構によるステージ制御とサーボ機構によらないステージ制御とが共に可能な電子顕微鏡の試料移動装置であって、
観察倍率の値と、試料の移動距離の値と、モニターの解像度の値とに基づいて、サーボ機構によるステージ制御とサーボ機構によらないステージ制御のうち、いずれの方法を選択すれば良いかを判断する判断手段と、
該判断手段の判断結果に基づいて、サーボ機構によるステージ制御とサーボ機構によらないステージ制御との切り換えを行なう切換手段と
を備えたことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。一般に、電子顕微鏡のステージには、試料を対物レンズポールピースの上方向から光軸に沿って挿入するトップエントリー・ステージと、試料を対物レンズポールピースの横方向から光軸に直交させて挿入するサイドエントリー・ステージとが存在しているが、どちらのタイプも、ＤＣモータの回転をギヤで減速し、スプラインなどによって並進運動に変換し、「てこ」を作動させることで、Ｘ、Ｙ方向の動きに変換する方式を採用している。そこで、以下の説明では、ＸＹ駆動機構部の詳細については省略し、ＤＣモータの制御システムを中心に述べることにする。
【００１６】
図３は、本発明にかかる電子顕微鏡等の試料移動装置の一実施例である。図中１１は、ＤＣモータである。ＤＣモータ１１のモータ軸の一端は、ＸＹ軸駆動機構１２に接続され、他端は、モータ軸に同軸状にマウントされたロータリー・エンコーダ１３に接続されている。ＤＣモータ１１を駆動させる駆動機構としては、ＤＣサーボ機構１４とパルス駆動回路１５とがあり、両者は、リレー１６を伴ったスイッチ１７および１８で切り換え可能になっている。リレー１６を制御しているのが、制御部１９であり、制御部１９への入力手段として、トラッカーボール２０が備えられている。これらの試料移動装置全体を制御しているのが、ステージ制御用ＣＰＵ２１であり、このＣＰＵは、通信手段を介して、電子顕微鏡のメインＣＰＵ２２と接続されている。ステージ制御用ＣＰＵ２１と電子顕微鏡のメインＣＰＵ２２とをつなぐ通信手段は、ステージ制御用ＣＰＵ２１が電子顕微鏡本体の倍率値などを読み取る際に使用される。
【００１７】
ＤＣサーボ機構１４は、入力された指令パルスの数に相当する分量だけＤＣモータ１１を正確に回転させる位置制御駆動回路である。指令パルスの出力は、トラッカーボール２０から制御部１９に入力されたステージの駆動指令を、制御部１９の内部に設けられたカウンタ２３により計数し、計数結果を指令パルス発生器２４に与えることによって、指令パルス発生器２４から行なわれる。ＤＣモータ１１の実際の回転量は、モータ軸にマウントされたロータリー・エンコーダ１３の出力信号から、ＤＣサーボ機構１４によって正確に読み取られる。ＤＣサーボ機構１４は、読み取った結果に基づいて、ＤＣモータ１１の実際の回転量を知り、指令した回転量に正確に一致するように補正し、ＤＣモータ１１の回転量を常にフィードバック制御する。その具体的なやり方は、「従来の技術」の項で説明したサーボ・ドライバー１の例と同じである。
【００１８】
また、パルス駆動回路１５は、パルス状の電圧を発生させる回路であり、電圧とパルス幅とを、ステージ制御用ＣＰＵ２１とステージ制御用ＣＰＵ２１に附属しているメモリー２５に収められたデータに基づいて、任意に可変することができるようになっている。メモリー２５には、電子顕微鏡本体の観察倍率が高い場合には、電圧を低く、パルス幅を狭く設定させ、電子顕微鏡本体の観察倍率が低い場合には、電圧を高く、パルス幅を広く設定させるような数値表が書き込まれている。パルス駆動回路１５がステージを制御する具体的なやり方は、「従来の技術」の項で説明した非サーボ制御方法の例と似ているが、その例を一歩前進させ、手動のスイッチ操作でパルス電圧を発生させていたのを、ほぼ自動的に行なわせるようにしたものである。これは、通信手段を介して読み取った電子顕微鏡本体の観察倍率の値とメモリー２５に書き込まれた数値表とに基づいて、ステージ制御用ＣＰＵ２１が、パルス駆動回路１５に対して最適なパルス電圧を発生させるように制御するものである。
【００１９】
パルス駆動回路１５もまた、入力された指令パルスの数に相当する分量だけＤＣモータ１１を正確に回転させる位置制御駆動回路である。指令パルスの出力は、トラッカーボール２０から制御部１９に入力されたステージの駆動指令パルスを、制御部１９の内部に設けられたカウンタ２３により計数し、計数結果を指令パルス発生器２４に与えることによって、指令パルス発生器２４から行なわれる。パルス駆動回路１５は、指令パルス発生器２４から入力された１個の指令パルスに対して、整数倍のパルス列を発生するパルス列発生回路２６を持っており、整数ｎとパルス列の周期ΔＴとは、通信手段を介して読み取った電子顕微鏡本体の観察倍率の値とメモリー２５に書き込まれた数値表とに基づいて、ステージ制御用ＣＰＵ２１により設定される。パルス列発生回路２６から出力される適切に設定されたパルス列に基づいて、パルス電圧発生回路２７がＤＣモータ１１を駆動するためのパルス電圧を発生し、ＤＣモータ１１を連続的に「寸動」制御する。
【００２０】
ＤＣサーボ機構１４とパルス駆動回路１５との切り換えは、制御部１９の内部に設けられた駆動方法切り換え器２８によって行なわれる。この切り換えの目安として用いられる指標が、ＤＣサーボ機構１４の最小駆動ステップ（通常は、ロータリー・エンコーダ１３の１ステップ当たりの移動量）ΔＸと、図示しない像検出器（モニター）の解像度ΔＲとの比、ΔＲ／ΔＸの値である。尚、通常、ΔＸは数ｎｍ、ΔＲは数十μｍの値を取る。
【００２１】
電子顕微鏡の観察倍率Ｍが、このΔＲ／ΔＸよりも小さな値を取る場合には、ＤＣサーボ機構１４の最小駆動ステップは、像検出器（モニター）上では判別できない。また、観察倍率Ｍが、このΔＲ／ΔＸよりも大きな値を取る場合であっても、トラッカーボール２０から入力されたステージの駆動指令パルスに相当するＤＣモータ１１の駆動量が、ＤＣサーボ機構１４の最小駆動ステップΔＸよりもかなり大きな値であるような場合は、ＤＣサーボ機構１４でステージを駆動しても、サーボ制御の欠点である振動や駆動ステップの荒さは目立たなくなる。従って、これらの場合には、ステージをサーボ制御しても差し支えない。
【００２２】
一方、それ以外の場合、すなわち、観察倍率Ｍが、このΔＲ／ΔＸよりも大きな値を取り、かつ、トラッカーボール２０から入力されたステージの駆動指令パルスに相当するＤＣモータ１１の駆動量が、ＤＣサーボ機構１４の最小駆動ステップΔＸに比べ、それぼど大きくない値であるような場合には、ステージをサーボ制御すると、振動、ハンチング、押し戻しなどの現象がモニター上に顕著に現れるようになって、問題が起きる。従って、この場合には、ステージをサーボ制御ではない方法で制御しなければならない。
【００２３】
このように、駆動回路の切り換えは、電子顕微鏡の観察倍率Ｍと、トラッカーボール２０からの駆動指令パルスをカウントするカウンタ２３の値とを、ステージ制御用ＣＰＵ２１によって定期的に読みに行かせた上で、読み取った値を考慮して行なえば良い。
【００２４】
図４は、ＤＣモータ１１を駆動させる駆動機構として、ＤＣサーボ機構１４とパルス駆動回路１５とを、どのように切り換えて使用すれば良いかの判断過程を流れ図で示したものである。まず、観察倍率Ｍが、ΔＲ／ΔＸの値よりも小さい場合は、制御部１９の内部に設けられた駆動方法切り換え器２８により、ＤＣサーボ機構１４側に、ステージの駆動方法が切り換えられる。次に、観察倍率Ｍが、ΔＲ／ΔＸの値よりも大きく、しかもトラッカーボール２０から入力される駆動指令パルスのカウント値が所定の値Ｌよりも小さい場合には、制御部１９の内部に設けられた駆動方法切り換え器２８により、パルス駆動回路１５側に、ステージの駆動方法が切り換えられる。尚、このとき、ステージ制御用ＣＰＵ２１に接続されたメモリー２５の数値表に基づいて、電子顕微鏡の倍率Ｍが大きな場合には、ＤＣモータ１１を駆動させるパルス電圧の電圧値を低く、パルス幅を狭く設定させ、電子顕微鏡の倍率Ｍが小さな場合には、ＤＣモータ１１を駆動させるパルス電圧の電圧値を高く、パルス幅を広く設定させる。次に、観察倍率Ｍが、ΔＲ／ΔＸの値よりも大きく、しかもトラッカーボール２０から入力される駆動指令パルスのカウント値が所定の値Ｌよりも大きい場合には、制御部１９の内部に設けられた駆動方法切り換え器２６により、ＤＣサーボ機構１４側に、ステージの駆動方法が切り換えられる。
【００２５】
尚、トラッカーボール２０から入力される駆動指令パルスのカウント値が大きいか小さいかを見極めるための基準となる所定の値Ｌには、例えば、観察視野の大きさの１／２の値とか、ΔＸの１０倍の値とかを便宜的に採用すれば良い。また、この基準値Ｌは、電子顕微鏡の観察条件などで最適値が変化するため、任意に設定できるようにしておき、ステージ調整時に、ステージ制御用ＣＰＵ２１にその都度記憶させることが望ましい。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の電子顕微鏡等の試料移動装置及び試料移動方法によれば、観察倍率の値と、試料の移動距離の値と、モニターの解像度の値とに基づいて、サーボ機構によるステージ制御とサーボ機構によらないステージ制御とを切り換えるようにしたので、位置制御サーボ機構の長所と、非サーボ制御方法の長所とを兼ね備えた電子顕微鏡等の試料移動装置および試料移動方法を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】サーボ機構による従来のステージ制御方法を示す図である。
【図２】サーボ機構によらない従来のステージ制御方法を示す図である。
【図３】本発明にかかる電子顕微鏡等の試料移動装置の一実施例である。
【図４】本発明にかかる電子顕微鏡等の試料移動方法の一実施例である。
【符号の説明】
１・・・サーボ・ドライバー、２・・・ＤＣモータ、３・・・押し子、４・・・試料駆動機構、５・・・第１のカウンター、６・・・ロータリー・エンコーダ、７・・・第２のカウンター、８・・・比較器、９・・・ＤＣ電源、１０・・・スイッチ、１１・・・ＤＣモータ、１２・・・Ｘ軸Ｙ軸駆動機構、１３・・・ロータリー・エンコーダ、１４・・・ＤＣサーボ機構、１５・・・パルス駆動回路、１６・・・リレー、１７・・・スイッチ、１８・・・スイッチ、１９・・・制御部、２０・・・トラッカーボール、２１・・・ステージ制御用ＣＰＵ、２２・・・メインＣＰＵ、２３・・・カウンター、２４・・・指令パルス発生器、２５・・・メモリー、２６・・・パルス列発生回路、２７・・・パルス電圧発生回路、２８・・・駆動方法切り換え器。

Claims

サーボ機構によるステージ制御とサーボ機構によらないステージ制御とが共に可能な電子顕微鏡の試料移動装置であって、
観察倍率の値と、試料の移動距離の値と、モニターの解像度の値とに基づいて、サーボ機構によるステージ制御とサーボ機構によらないステージ制御のうち、いずれの方法を選択すれば良いかを判断する判断手段と、
該判断手段の判断結果に基づいて、サーボ機構によるステージ制御とサーボ機構によらないステージ制御との切り換えを行なう切換手段と
を備えたことを特徴とする電子顕微鏡の試料移動装置。