JP5043526B2 - 電子顕微鏡のシャッタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子顕微鏡の電子線通路に設けられ、電子線の通過を機械的に制御して電子顕微鏡像の観察や記録を行うシャッタ装置に関する。

電子顕微鏡には、最終の電子顕微鏡像をフィルム等の記録媒体やＣＣＤカメラ等の検出器に露光するためのシャッタ装置が通常組み込まれている。シャッタ装置は、電子線が観察面若しくは記録面に到達する前に遮ったり透過させたりすることにより、フィルム等に所望する時間のみ露光するための装置である。

シャッタ装置には、機械式のものと電磁式のものがあり、機械式シャッタは、以前は圧縮空気やガス圧で駆動されるアクチュエータによりシャッタ板の開閉動作を行う方式が主流であった。しかし、機械式シャッタの場合は、限られた空間のしかも真空中に挿入する必要があるため複雑な機構を用いることができず、高速なシャッタ動作を行うことが困難であった。また、動作時の機械的振動が試料等の振動を引き起こし、画像に悪影響を与えていた。この問題を解決するため、例えば特許文献１の特開平５−２２５９３８号公報にはアクチュエータに圧電素子を用いた技術が開示されている。また、例えば特許文献２の特開平７−２１１２７６号公報には電磁石により動作するシャッタの技術が開示されている。

ここでは、特許文献１の特開平５−２２５９３８号公報に開示されている技術を引用して、アクチュエータに圧電素子を用いた従来技術例を図３と図４を参照しながら説明する。

図３は、アクチュエータに圧電素子を用いたシャッタ装置１００の構成例を説明するためのブロック図である。シャッタ装置１００は、電子線通過孔２を有するアパーチャ板１と、電子線通過孔２を開閉するためのシャッタ板５と、シャッタ板５をピン４の周りに回転させるためのテコ体３と、テコ体３の力点３ａに接続された圧電素子６と、圧電素子６への電圧印加を制御してシャッタ板による電子線通過孔２の開閉動作を行うための圧電素子駆動回路８と、圧電素子駆動回路８による駆動を制御するための制御回路９を備え、圧電素子６の変形に基づく力点３ａの微小移動をテコ体３により拡大してシャッタ板に伝達させるようにした構造となっている。

このように構成されたシャッタ装置において、圧電素子６に電圧を印加してテコ体３に接続された圧電素子６を駆動すると、圧電素子６の変形によりテコ体３の力点３ａが微小移動する。力点３ａの微小移動をテコ体３により拡大してシャッタ板に伝達するため、制御回路９により圧電素子６を駆動すると電子線通過孔２を開閉するためのシャッタ板５が両位置間を移動し、シャッタの開閉がなされる。

シャッタ装置１００において、圧電素子６に電圧を印加していないシャッタが開のときの動作状態を図４（ａ）に、圧電素子６に電圧を印加しているシャッタが閉の時の動作状態を図４（ｂ）に示す。

圧電素子６は一般に電圧を印加したときの応答速度が速いため、従来の圧縮空気等を用いたシャッタ装置よりも高速にシャッタ動作させる（例えば０．１秒以下での往復運動させる）ことができる。また、シャッタ動作に伴う機械的振動の発生に関しても、動作する部分が圧電素子６のみであるため、従来の圧縮空気等を用いたシャッタ装置より振動の発生を大幅に減少させることが可能となった。

特開平５−２２５９３８号公報 特開平７−２１１２７６号公報

近年の透過型電子顕微鏡は、球面収差補正装置の組み込み等により性能がますます向上してきているため、高分解能顕微鏡像を撮影するときに、シャッタ動作に伴って発生する機械的振動の影響が相対的により大きくなってきている。

背景技術において説明したように、アクチュエータに圧電素子を用いることによって大幅に機械的振動を減少させることができた。しかし、球面収差補正装置を組み込んだような高性能電子顕微鏡においては、圧電素子６の変形時に発生する振動、特に圧電素子６の変形方向に発生する振動が電子顕微鏡像に悪影響を与えて像質が不十分となる場合があり、シャッタに関する更なる振動対策が必要となってきている。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、より機械的振動の小さいシャッタ装置を提供することにより、高性能透過型電子顕微鏡において、高分解能の電子顕微鏡像を撮影するときに、シャッタ動作による振動の影響を除去することを目的としている。

上記の問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
電子顕微鏡の電子線通路に設けられ、電子線の通過を機械的に制御するシャッタ装置であって、
電子線通過孔を有するアパーチャ板と、該電子線通過孔を開閉するためのシャッタ板と、該シャッタ板を支点の周りに回転させるためのテコ体と、該テコ体の力点に接続された第１の圧電素子と、該第１の圧電素子を保持するための固定部材と、第１の圧電素子への電圧の印加を制御して前記シャッタ板による前記開閉動作を行うための制御電源とを備えたシャッタ装置において、
該第１の圧電素子と対称の位置に配置されて且つ電圧が印加されたとき該第１の圧電素子が変形する方向と反対方向に変形するように該固定部材に保持された第２の圧電素子と、該第２の圧電素子の先端に取り付けられた前記シャッタ板と同等の慣性質量を有する重りとを備え、
前記シャッタ板による前記電子線通過孔の開閉動作を行う時、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子に同時に電圧を印加して、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子が常に逆方向に動くよう駆動し、前記シャッタ板の駆動時に発生する振動を前記重りの振動で打ち消すようにしたことを特徴とする。

また請求項２に記載の発明は、電子顕微鏡の電子線通路に設けられ、電子線の通過を機械的に制御するシャッタ装置であって、
電子線通過孔を有するアパーチャ板と、該電子線通過孔を開閉するためのシャッタ板と、該シャッタ板を支持する第１の圧電素子と、該第１の圧電素子を保持するための固定部材と、第１の圧電素子への電圧の印加を制御して前記シャッタ板による前記開閉動作を行うための制御電源とを備えたシャッタ装置において、
該第１の圧電素子と対称の位置に配置されて且つ電圧が印加されたとき該第１の圧電素子が変形する方向と反対方向に変形するように該固定部材に保持された第２の圧電素子と、該第２の圧電素子の先端に取り付けられた前記シャッタ板と同等の慣性質量を有する重りとを備え、
前記シャッタ板による前記電子線通過孔の開閉動作を行う時、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子に同時に電圧を印加して、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子が常に逆方向に動くよう駆動し、前記シャッタ板の駆動時に発生する振動を前記重りの振動で打ち消すようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、固定部材の対称位置に保持された二つの圧電素子を同時に反対方向に変形させることにより、シャッタ板の駆動に伴って発生する機械的振動を、シャッタ板と同等の慣性質量を持つ重りの振動によって打ち消すことができるため、鏡面収差補正装置を組み込んだような高性能電子顕微鏡においても、撮影された電子顕微鏡像への振動の影響を抑制し、像質の向上を図ることができる。

以下図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。但し、この例示によって本発明の技術範囲が制限されるものでは無い。各図において、同一または類似の動作を行うものには共通の符号を付し、詳しい説明の重複を避ける。

図１は、本発明を実施するシャッタ装置２００の構成例を示すブロック図である。図１において、アパーチャ板２１には電子線通過孔２２が設けられている。アパーチャ板２１にはテコ体２３が支点となるピン２４の周りに回転可能なように取り付けられている。固定部材２７はアパーチャ板２１の端部に取り付けられている。テコ体２３の一端にはシャッタ板２５が取り付けられている。テコ体の他端の力点２３ａは、バイモルフ型の圧電素子２６ａの一端に接続されている。圧電素子２６ａの他端は、固定部材２７の取付け部２７ａに取り付けられている。固定部材２７の取付け部２７ａと対称の位置にある取付け部２７ｂにもバイモルフ型の圧電素子２６ｂが取り付けられている。電圧印加時、圧電素子２６ａと圧電素子２６ｂは固定部材２７をはさんで互いに反対側に変形するように取り付けられている。圧電素子２６ｂの他端にはシャッタ板２５と同等の慣性質量を有する重り３０が取り付けられている。

固定部材２７には、圧電素子２６ａと２６ｂを駆動するための圧電素子駆動回路２８が接続され、さらに圧電素子駆動回路２８による駆動を制御するための制御回路２９が設けられている。バイモルフ型の圧電素子２６ａの曲がりにより生じるテコ体２３の力点２３ａの微小な移動を拡大してシャッタ板２５を移動させるために、力点２３ａとピン２４との間の距離はピン２４とシャッタ板２５との間の距離の１／１０程度に設定されている。

図２は、上記した構成のシャッタ装置２００の動作を説明するための図である。図２（ａ）は圧電素子２６ａに電圧が印加されていない状態を示す図である。この状態では圧電素子２６ａは変形しておらず、電子線通過孔２２は開かれている。次に電子顕微鏡像の写真撮影を行うため、制御回路２９より圧電素子駆動回路２８に駆動信号を送ると、圧電素子２６ａと２６ｂに正電圧が印加され、圧電素子２６ａと２６ｂは図２（ｂ）に示すように固定部材２７の中心方向に曲がる。圧電素子２６ａの曲がりによってテコ体２３の力点２３ａは微小量（例えば数１００μｍ）移動する。この移動はテコ体２３により拡大されてシャッタ板２５に伝達されるため、シャッタ板２５は力点２３ａと反対方向に数ｍｍ移動し電子線通過孔２２を覆う。その結果、電子線通過孔２２は閉じられ、その間にフィルムへの電子顕微鏡像の露光準備が行われる。

シャッタ板２５が電子線通過孔２２を覆うように圧電素子２６ａが変形するとき、重り３０が取り付けられた圧電素子２６ｂは圧電素子２６ａと反対向きに変形する。この変形により圧電素子２６ｂは圧電素子２６ａと逆位相の振動を発生させるので、固定部材２７上でシャッタ板２５の駆動により発生する振動を打ち消すことができる。続いて所望の露光時間の間、圧電素子２６ａと２６ｂへの電圧印加を停止し、図２（ａ）に示すような電子線通過孔２２が開かれた状態で、フィルム等への露光が実行される。露光が終了すると、再び図２（ｂ）に示すように電子線通過孔２２が閉じられた状態になる。

図５は、本発明を実施する他のシャッタ装置３００の構成例を示すブロック図である。図５において、アパーチャ板４１には電子線通過孔４２が設けられている。アパーチャ板４１にはテコ体４３が取り付けられている。固定部材４７はアパーチャ板４１の端部に取り付けられている。テコ体４３の一端にはシャッタ板４５が取り付けられている。テコ体の他端はバイモルフ型の圧電素子４６ａの一端に接続されている。圧電素子４６ａの他端は、固定部材４７の取付け部４７ａに取り付けられている。固定部材４７の取付け部４７ａと対称の位置にある取付け部４７ｂにもバイモルフ型の圧電素子４６ｂが取り付けられている。電圧印加時、圧電素子４６ａと圧電素子４６ｂは固定部材４７をはさんで互いに反対側に変形するように取り付けられている。圧電素子４６ｂの他端にはシャッタ板４５と同等の慣性質量を有する重り５０が取り付けられている。

固定部材４７には、圧電素子４６ａと４６ｂを駆動するための圧電素子駆動回路４８が接続され、さらに圧電素子駆動回路４８による駆動を制御するための制御回路４９が設けられている。バイモルフ型の圧電素子４６ａの曲がりにより生じるテコ体の一端の微小な移動を拡大してシャッタ板２５を移動させるために、テコ体４３の長さは、シャッタ装置２００に用いられるテコ体２３と比較して長めに設定されている。

図６は、上記した構成のシャッタ装置３００の動作を説明するための図である。図６（ａ）は圧電素子４６ａに電圧が印加されていない状態を示す図である。この状態では圧電素子４６ａは変形しておらず、電子線通過孔４２は開かれている。次に電子顕微鏡像の写真撮影を行うため、制御回路４９より圧電素子駆動回路４８に駆動信号を送ると、圧電素子４６ａと４６ｂに正電圧が印加され、圧電素子４６ａと４６ｂは図６（ｂ）に示すように固定部材４７の中心と反対方向に曲がる。圧電素子４６ａの曲がりによってテコ体４３の一端は微小量（例えば数１００μｍ）移動する。この移動はテコ体４３により拡大されてシャッタ板４５に伝達されるため、シャッタ板４５は数ｍｍ移動し電子線通過孔４２を覆う。その結果、電子線通過孔４２は閉じられ、その間にフィルムへの電子顕微鏡像の露光準備が行われる。

シャッタ板４５が電子線通過孔４２を覆うように圧電素子４６ａが変形するとき、重り５０が取り付けられた圧電素子４６ｂは圧電素子４６ａと反対向きに変形する。この変形により圧電素子４６ｂは圧電素子４６ａと逆位相の振動を発生させるので、固定部材４７上でシャッタ板４５の駆動により発生する振動を打ち消すことができる。続いて所望の露光時間の間、圧電素子４６ａと４６ｂへの電圧印加を停止し、図６（ａ）に示すような電子線通過孔４２が開かれた状態で、フィルム等への露光が実行される。露光が終了すると、再び図６（ｂ）に示すように電子線通過孔４２が閉じられた状態になる。

なお上記の実施例の説明において、圧電素子に電圧を印加したときにシャッタ板が電子線通過孔を覆うようにしたが、必ずしもそうする必要は無く、圧電素子に電圧を印加した状態では電子線通過孔が開かれており、圧電素子への電圧の印加を停止することにより電子線通過孔を閉じる構成としても良い。この場合でも、重りを取り付けたほうの圧電素子が常にシャッタ板を取り付けたほうの圧電素子と反対向きに変形するように固定部材に取り付けられていれば良い。

また、上記の実施例では圧電素子にバイモルフ型を用いるようにしたが、必ずしもバイモルフ型を用いる必要は無く、例えば剪断変形型の圧電素子を用いるようにしても良い。

以上説明したように、本発明によれば、固定部材の対称位置に保持された二つの圧電素子を同時に反対方向に変形させることにより、シャッタ板の駆動に伴って発生する機械的振動を、シャッタ板と同等の慣性質量を持つ重りの振動によって打ち消すようにしたので、鏡面収差補正装置を組み込んだような高性能電子顕微鏡においても、撮影された電子顕微鏡像への振動の影響を抑制し、像質の向上を図ることができる。

本発明を実施するシャッタ装置の構成例を示すブロック図である。 本発明を実施するシャッタ装置の動作を説明するための図である。 アクチュエータに圧電素子を用いた従来のシャッタ装置の構成例を説明するためのブロック図である。 アクチュエータに圧電素子を用いた従来のシャッタ装置の動作を説明するための図である。 本発明を実施する他のシャッタ装置の構成例を示すブロック図である。 本発明を実施する他のシャッタ装置の動作を説明するための図である。

符号の説明

（同一または類似の動作を行うものには共通の符号を付す。）
２１、４１ アパーチャ板
２２、４２ 電子線通過孔
２３、４３ テコ体
３ａ、２３ａ 力点
２４ ピン
２５、４５ シャッタ板
６、２６ａ、２６ｂ、４６a、４６ｂ 圧電素子
７、２７、４７ 固定部材
８、２８、４８ 圧電素子駆動回路
９、２９，４９ 制御回路
２７ａ、２７ｂ、４７ａ、４７ｂ 取付け部
１００、２００、３００ シャッタ装置

Claims (2)

1. 電子顕微鏡の電子線通路に設けられ、電子線の通過を機械的に制御するシャッタ装置であって、
   電子線通過孔を有するアパーチャ板と、該電子線通過孔を開閉するためのシャッタ板と、該シャッタ板を支点の周りに回転させるためのテコ体と、該テコ体の力点に接続された第１の圧電素子と、該第１の圧電素子を保持するための固定部材と、第１の圧電素子への電圧の印加を制御して前記シャッタ板による前記開閉動作を行うための制御電源とを備えたシャッタ装置において、
   該第１の圧電素子と対称の位置に配置されて且つ電圧が印加されたとき該第１の圧電素子が変形する方向と反対方向に変形するように該固定部材に保持された第２の圧電素子と、該第２の圧電素子の先端に取り付けられた前記シャッタ板と同等の慣性質量を有する重りとを備え、
   前記シャッタ板による前記電子線通過孔の開閉動作を行う時、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子に同時に電圧を印加して、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子が常に逆方向に動くよう駆動し、前記シャッタ板の駆動時に発生する振動を前記重りの振動で打ち消すようにしたことを特徴とするシャッタ装置。
2. 電子顕微鏡の電子線通路に設けられ、電子線の通過を機械的に制御するシャッタ装置であって、
   電子線通過孔を有するアパーチャ板と、該電子線通過孔を開閉するためのシャッタ板と、該シャッタ板を支持する第１の圧電素子と、該第１の圧電素子を保持するための固定部材と、第１の圧電素子への電圧の印加を制御して前記シャッタ板による前記開閉動作を行うための制御電源とを備えたシャッタ装置において、
   該第１の圧電素子と対称の位置に配置されて且つ電圧が印加されたとき該第１の圧電素子が変形する方向と反対方向に変形するように該固定部材に保持された第２の圧電素子と、該第２の圧電素子の先端に取り付けられた前記シャッタ板と同等の慣性質量を有する重りとを備え、
   前記シャッタ板による前記電子線通過孔の開閉動作を行う時、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子に同時に電圧を印加して、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子が常に逆方向に動くよう駆動し、前記シャッタ板の駆動時に発生する振動を前記重りの振動で打ち消すようにしたことを特徴とするシャッタ装置。

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