JP5620503B2 - 電動式ステージ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

関連出願とのクロスレフェレンス
本出願は、2009年10月16日付で提出された米国特許出願第61/252,263号の利益を求めるものであり、その内容は、参照することにより本願に組み込まれる。

本発明は電動式ステージ(stage)に関し、特に、例えば、従来からの親ネジ(lead screw)駆動型顕微鏡法(microscopy)ステージと比較して無視できるバックラッシュを有し、高速動作可能な顕微鏡法ステージに関するものである。

電動式顕微鏡法ステージは、典型的には、ローディングステージプレート(積載台板：loading stage plate)の設置面積(footprint)を十分超えて延長するx軸・y軸モータによって駆動される親ネジによって制御される。これは、例えば、顕微鏡とステージプレートとの間隔があまり無く、ステージに対して標本プレートと相互作用し且つ操作することが望ましいような厳しい環境において問題となり得る。加えて、高速顕微鏡法ステージは、電動化されたネジ駆動式又は接触式駆動装置から機械的なバックラッシュを度々経験しており、これによって顕微鏡対物レンズに対する標本の位置決めを遅らせてしまう。

本発明に係るオートフォーカス装置では、第１及び第２の運動軸に対する各リニア駆動モーターが棒状固定子を包むコイルアセンブリを備え、第１のコイルアセンブリが基板に対して固定され、第１の棒状固定子が、第１の運動軸において第１の並進プラットフォームを駆動するように第１の並進プラットフォームに取り付けられており、第２のコイルアセンブリが第１の並進プラットフォームに対して固定され、第２の棒状固定子が、第２の運動軸において第２の並進プラットフォームを駆動するように第２の並進プラットフォームに取り付けられているので、リニア駆動モーターは、従来からの親ネジ駆動型顕微鏡法ステージと比較して無視できるバックラッシュを有し高速動作可能なステージプラットフォームの動作を可能にする。

本発明の実施態様（実施例）によるステージの分解図である。

本発明の実施態様によるリニア(線形)駆動部の分解図である。

図2のリニア駆動部の組立図である。

図3のリニア駆動部の平面図である。

図4の線5-5で切ったときの断面図である。

図3のリニア駆動部の固定子の端面図である。

図6の線7-7で切ったときの断面図である。

図1のステージの部分分解図である。

図8において○で囲んだエリア9の拡大図である。

本発明の別の実施態様によるステージの部分分解図である。

好適な実施態様の詳細な説明

ここでは、現在考えられる本発明を実施するものとしてのベストモードを記載する。この説明は、限定的な意味で解釈されるようには意図されておらず当業者が本発明の利点及び構成が分かるように添付図面を参照することにより例示目的のみで提供される本発明の具体例を示すものである。図面においては、同じ参照記号は同じ又は同様の部分を示す。

図1は、電動式ステージ(例えば、従来からの親ネジ駆動型顕微鏡法ステージと比較して無視できるバックラッシュを有し高速作動可能な顕微鏡法指向のXY並進ステージ100)の一実施態様の分解図を示している。ここで述べるステージ100は、例えば、2009年10月16日付で提出された米国特許出願第61/252,263号(その内容をここに参照することにより組み込む)に記載されたオートフォーカス装置と共に用いることができる。ステージ100の他の用法も可能である。後述するように、ステージ100は、例えば、最小限の厚みを有ししっかり統合され非常にコンパクトなデザインを備え、顕微鏡の光学軸において移動する部品を備えている。

ステージ100はさらに、基板層110とX並進プラットフォーム層120とY並進プラットフォーム層130を備え、これらはそれぞれ顕微鏡法指向負荷(図示せず)を受け入れるように設計された中央孔112、122、132をそれぞれ備えている。ステージ100は種々の負荷(例えば限定されないいかなるスタイルのウェルプレート(well plate)、顕微鏡スライド、又は一般的な搭載プラットフォームを含む)を受け入れるように設計されている。孔112、122、132は、ステージ100の搭載表面に対して直角又は平行に配置されるかどうかに関わらず、ステージのあらゆる構成部分によって邪魔されないことが好ましい。この実施態様において、Xプラットフォーム120は、低摩擦クロスローラベアリングレール対114を介して基板110に連結しており、Yプラットフォーム130は、別の直角方向の低摩擦クロスローラベアリングレール対124を介してXプラットフォーム120に連結されている。クロスローラベアリングレールが図示されているが、当然のことながら、他の種類のベアリングとして、例えばキャリッジ型(図10参照)リニアエアベアリング等を用いても良い。ステージ100のプラットフォーム120、130間の分離ギャップは、この構造の3つの層110、120、130が互いに自由に動けるように最小に保持されている。全ての運動・位置フィードバック部品は、プラットフォーム間に形成された空洞(キャビティ)内にしっかりと一体化されることが好ましい。ここに述べる実施態様においては、低摩擦ベアリングレール対114、124に加えて、結果として低いメンテナンスと高い信頼性を備えた高度な無摩擦運動を確実にするステージ100の3つの層110、120、130間においては、いかなる他の物理的な接触点又連結されるインタフェースも無いことが好ましい。

ここで述べる一実施態様では、X方向及びY方向において運動駆動力が非接触実施で発生し、これによって、親ネジ、ベルトドライブ、ギアボックス又はその他のあらゆる形態の接触式駆動システムを不必要にしている。一実施態様として、非接触駆動部は、ステージ100の構造内に完全に統合された直角（直交）方向のリニアモータ140、142を備えている。ステージ100の3つの層間の空洞として、基板110とX並進プラットフォーム120との間のXリニアモータ140のための空洞116と、X並進プラットフォーム120とY並進プラットフォーム130との間におけるYリニアモータ142のための空洞126が形成されることが好ましい。リニアモータ140、142はステージ構造に一体化されるものとして例示されているが、駆動/コントローラシステムも必要に応じてステージ構造から分離させてもよい。

図2は、図1のリニアモータ140、142の一実施態様の分解図を示している。図3は組立図であり、図4は平面図であり、そして図5はリニアモータ140、142の実施態様の図4における線5-5で切ったときの断面図を示している。リニアモータ140、142は説明の便宜上同じものであることが好ましいが、説明を簡略化するため図2-5のリニアモータはリニアモータ140と同一のものである。リニアモータ140は棒状の固定子150と、包囲用電磁コイルアセンブリ160とを備えている。固定子150はステンレススチール固定子チューブ152（その中には端部キャップ156同士間に設けた一連の円筒状の磁石154が配置されている）を用いて組み立てることが好ましく、磁石154は図7(これは図6の固定子150の端面図を線7-7で切ったときの断面図である)に示すように同一磁極が互いに隣接する方向に端面同士が向かい合って配置されている。コイルアセンブリ160はステンレススチールチューブ162を備えていることが好ましく、その周りにはいくつかのコイルセグメント164が巻かれ且つチューブに接着されている。絶縁用ワッシャ166が各コイルセグメント164間に配置されている。固定子チューブ152は、コイルアセンブリチューブ162がその上を接触しないで自由に摺動できる寸法になっている。リニアモータの或る面の構造と関連して或る材料がここでは記述されるが、当然のことながら、他の材料、合金、材料組成或いはその組み合わせも考えられる。

図8は、ステージ100の一実施態様の部分分解図を示しており、この場合、X並進プラットフォーム120は基板110の上に組み立てられており、Y並進プラットフォーム130はX並進プラットフォーム120の上方に配置されて組み立てられるようになっている。図9は図8の○で囲んだ領域9の拡大図を示している。各リニアモータ140、142のコイルアセンブリ160は、空洞116、126内に収容されることによってステージアセンブリにしっかりと一体化されている。X軸上運動のため、コイルアセンブリは基板110内における空洞116(図1)内に保持される。Y軸方向進行のため、コイルアセンブリはX並進プラットフォーム120内の空洞126内に保持される。X軸コイルアセンブリはX並進プラットフォーム120の運動に対して固定され、Y軸コイルアセンブリはY並進プラットフォーム130の運動に対して固定されている。X軸固定子チューブは、X軸コイルアセンブリチューブの中心(図1)を通るように、X並進プラットフォーム120に取り付けられている。同様に、Y軸固定子チューブは、Y軸コイルアセンブリチューブの中心を通るようにY並進プラットフォーム130に取り付けられている。ここに例示した実施態様では、各進行軸に対して運動するのは固定子チューブであり、コイルアセンブリではない。

図1に示すように、一実施態様として、ステージ構造内にそれぞれ位置する空洞118、128内に埋め込まれたリニアエンコーダスケール170、180を用いて位置フィードバック(position feedback)を容易にしている。X軸エンコーダ170は、基板110内に含まれる空洞118に置かれ、Y軸エンコーダ180は、X並進プラットフォーム120内に位置する空洞128内に含まれている。組み合わされる読取ヘッドは、X軸についてはX並進プラットフォーム120において、また、Y軸に対してはY並進プラットフォーム130において配置されている。ここではリニアエンコーダスケールについて述べているが、他の位置決め手段も考えられる。本実施態様のステージ100においては、ベアリングレール、固定子チューブ及びリニアエンコーダスケールは、各運動軸において互いに平行に配向することが好ましい。

図10に示す別の実施態様によるステージ200は、基板層210とX並進プラットフォーム層220とY並進プラットフォーム層230とを備え、図1-9のステージ100と同様の構造になっている。図10の実施態様では、Yプラットフォーム230は、例えば、ファスナ226によってYプラットフォームに固定されるキャリッジベアリング225を含む低摩擦再循環型(recirculating-type)キャリッジベアリングレール対224を介してXプラットフォーム220に連結されている。ネジ式ファスナ226が示されているが、他のファスナも可能である。同様に、Xプラットフォーム220は、キャリッジベアリング(図示せず)を含む別の直角方向の低摩擦再循環型キャリッジベアリングレール対を介して基板層210に連結されている。例えば、単一のレール224を用いた再循環型ベアリングにより、例えば不均一な取り付けプラットフォームへの先行載荷(preloading)/ピニング(pinning)により、或いは熱膨張によりステージ200が歪む場合には、クロスローラより斯かるベアリングの方が広がり(open up)難いので、ステージ200の性能はより信頼できるものとなり得る。使用するベアリングの種類に関わらず、ステージ200のプラットフォーム220、230間の分離ギャップは、この構造の3つの層210、220、230が互いに自由に動けるように最小に保持される。

このように、モノリシック２軸又は３軸ステージが設けられ、各軸は、固定円筒コイルによってカプセル化された線形的に変位可能な磁性棒アセンブリで構成されるリニア誘導モータによって駆動される。各軸の移動は、並進プラットフォームに依存し、このX及びY並進プラットフォーム同士間の相対的な位置決め、及びベースプラットフォームに対する位置決めに依存しており、該ステージの基板プラットフォームとは別に、各軸は、分離されるならば自分自身に対して作用できないことが好ましい。加えて、図示されていないが、ここで記述した概念は、例えば、Z軸又は顕微鏡法用途におけるような光学軸に沿ったような第３の移動軸(ここでは第３軸に沿った同様の並進が、同様に配置されたリニアモータアセンブリによって駆動される)に対しても拡張できる。

例えばステージ100又は200は、種々の用途に対して種々の産業に用いることができる。一つの非限定的な例としては、このステージを用いてサンプルに対する顕微鏡のあらゆる部分、又は顕微鏡に対するサンプルのいずれかを位置決めするために用いる場合の顕微鏡法的なものに対してである。特に顕微鏡法的な用途の場合には、主な実用上の利点は、最小限度の厚みと最小限度の分離によってプレートを組み込むことによって実現され、この結果、ステージを加速するために必要なパワーを少なくし全体の質量を下げることになる。他の非限定的な例としては、マシンビジョン検査又は非接触式寸法検査を含んでいる。他の産業上の用途も考えられる。

本発明は、いくつかの記述した実施態様についてある一定の長さ及びある特殊性を持って説明したが、そのような特殊性又は実施態様或いは具体例に限定すべきであるという意図はなく、付属の特許請求の範囲について解釈されるものであり、以て先行技術を考慮した斯かる特許請求の範囲の最も広い可能な解釈をもたらし、従って本発明の意図した範囲を有効に包含するものである。さらに、本発明の重要でない変形(現在は予想されないが)が対応する均等物を表すが、可能な記載が得られる本発明によって予測される実施態様の観点で上記の説明が本発明を記述したものである。

Claims (20)

1. 基板、第１の運動軸を有する第１の並進プラットフォーム、及び第２の運動軸を有する第２の並進プラットフォームと；
   該基板及び該第１の並進プラットフォームの間に配置され、該第１の運動軸と整列するように配向され且つ該基板における第１の空洞内に着座された第１のリニア駆動モータと；
   該第１の並進プラットフォーム及び該第２の並進プラットフォームの間に配置され、該第２の運動軸と整列して配向され且つ該第１の並進プラットフォームにおける第２の空洞内に着座された第２のリニア駆動モータと；
   を備え、該第１のリニア駆動モータが、第１の棒状固定子を包む第１のコイルアセンブリを備え、この第１のコイルアセンブリは、該第１のコイルアセンブリが該基板に対して固定され且つ該第１の棒状固定子が該第１のコイルアセンブリ内を動くことができるように該第１の空洞内に制約されており、該第１の棒状固定子が、該第１の運動軸において該第１の並進プラットフォームを駆動するように該第１の並進プラットフォームに取り付けられており、
   該第２のリニア駆動モータが、第２の棒状固定子を包む第２のコイルアセンブリを備え、この第２のコイルアセンブリは、該第２のコイルアセンブリが該第１の並進プラットフォームに対して固定され且つ該第２の棒状固定子が該第２のコイルアセンブリ内を動くことができるように該第２の空洞内に制約されており、該第２の棒状固定子が、該第２の運動軸において該第２の並進プラットフォームを駆動するように該第２の並進プラットフォームに取り付けられている
   ことを特徴とするステージ。
2. 請求項１において、該第２のリニア駆動モータは、該第１のリニア駆動モータに対して直角に配向されていることを特徴とするステージ。
3. 請求項１において、該第１及び第２の並進プラットフォームの位置フィードバックをさらに含むことを特徴としたステージ。
4. 請求項３において、該位置フィードバックはリニアエンコーダスケールを含むことを特徴とするステージ。
5. 請求項１において、さらに、該基板と該第１並進プラットフォームとの間、及び該第１の並進プラットフォームと該第２の並進プラットフォームとの間に配置されるベアリングレールを備えたことを特徴とするステージ。
6. 請求項５において、該ベアリングレールは、低摩擦であり、該基板と該並進プラットフォームとの間において唯一の接触点が形成されることを特徴としたステージ。
7. 請求項５において、該ベアリングレールは、さらに、低摩擦再循環型キャリッジベアリングを備えていることを特徴とするステージ。
8. 請求項１において、該棒状固定子は、さらに、同一の磁極が互いに隣接するように端面同士が向き合って配置された一連の磁石を含むことを特徴とするステージ。
9. 請求項１において、該コイルアセンブリはさらにチューブを含み、このチューブは、このチューブに巻かれ且つ固着された複数のコイルセグメントを含んでいることを特徴とするステージ。
10. 請求項９において、さらに、各コイルセグメント間に配置された絶縁用ワッシャを含むことを特徴とするステージ。
11. 第１の運動軸を有する第１の並進プラットフォーム及び第２の運動軸を有する第２の並進プラットフォームと；
    該第１の運動軸において該第１の並進プラットフォームを駆動するための第１のリニア駆動モータ、及び該第２の運動軸において該第２の並進プラットフォームを駆動するための第２のリニア駆動モータと；
    を備え、該第１のリニア駆動モータが、第１の棒状固定子を包む第１のコイルアセンブリを備え、
    この第１のコイルアセンブリは、基板に対して固定され、該第１の棒状固定子は該第１のコイルアセンブリ内を動くことができ、該第１の棒状固定子は、該第１の棒状固定子が該第１の運動軸において該第１の並進プラットフォームを駆動するように該第１の並進プラットフォームに取り付けられており、
    該第２のリニア駆動モータが、第２の棒状固定子を包む第２のコイルアセンブリを備え、
    この第２のコイルアセンブリは、該第１の並進プラットフォームに対して固定され、該第２の棒状固定子は該第２のコイルアセンブリ内を動くことができ、該第２の棒状固定子は、該第２の棒状固定子が、該第２の運動軸において該第２の並進プラットフォームを駆動するように該第２の並進プラットフォームに取り付けられている
    ことを特徴としたステージ。
12. 請求項１１において、該第２のリニア駆動モータが該第１のリニア駆動モータに対して直角に配向されていることを特徴としたステージ。
13. 請求項１１において、さらに、該第１及び第２の並進プラットフォームの位置フィードバックを備えたことを特徴とするステージ。
14. 請求項１３において、該位置フィードバックはリニアエンコーダスケールを含むことを特徴としたステージ。
15. 請求項１１において、さらに、基板と該第１の並進プラットフォームとの間、及び該第１の並進プラットフォームと該第２の並進プラットフォームとの間に配置されたベアリングレールを含むことを特徴としたステージ。
16. 請求項１５において、該ベアリングレールは低摩擦であり、該基板と該並進プラットフォームとの間において唯一の接触点が形成されることを特徴としたステージ。
17. 請求項１５において、該ベアリングレールは、さらに、低摩擦再循環型キャリッジベアリングを備えていることを特徴としたステージ。
18. 請求項１１において、該棒状固定子は、さらに、同一の磁極が互いに隣接するように端面同士が向き合って配置された一連の磁石を含むことを特徴としたステージ。
19. 請求項１１において、該コイルアセンブリは、さらにチューブを備え、このチューブは、このチューブに巻かれ且つ固着された複数のコイルセグメントを含んでいることを特徴としたステージ。
20. 請求項１９において、さらに、各コイルセグメント間に配置された絶縁用ワッシャを備えたことを特徴とするステージ。

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