JP6454129B2 - 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

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（ゴニオメーター）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。

このようなアクチュエーターとして、例えば、特許文献１には、ボールねじ溝を形成したねじ軸の外周面に軸方向に延びるボールスプライン溝を設けた複合軸に、この複合軸の荷重作用位置側から順番に、スプライン用外筒、ボールねじナット、および中空モーターを組み込んだアクチュエーターが開示されている。

特許文献１のアクチュエーターでは、中空モーターを回転駆動すると、モーター駆動軸の回転駆動力がボールねじナットを介して複合軸の軸方向推力に変換される。この推力の軸方向反力が中空モーターのベアリングで支持され複合軸が直線運動する。複合軸に作用する軸方向荷重はボールねじナットで負荷され、トルクはスプライン用外筒で支持される。また、全方向のラジアル荷重およびモーメント荷重はスプライン用外筒およびボールねじナットで支持され、アタッチメント取付部に取付けられたフィンガ等のアタッチメントの、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向および各軸回りのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚ方向の位置決めがなされる。

ここで、特許文献１のアクチュエーターでは、スプライン用外筒は、円筒状であり、その内周面には複合軸に形成されたボールスプライン溝に対応するボール転走溝が設けられている。ボールスプライン溝とボール転走溝間に荷重を負荷する多数のボールが転動自在に介装されている。また、該ボールは、ボールスプライン用外筒内周に組み込まれた保持器により整列循環運動するように保持されている。保持器にはボール循環路が複数形成されており、負荷域のボールを保持器外周とスプライン用外筒内周間の無負荷域に循環させるようになっている。

特開平６−３００１０６号公報

ここで、特許文献１に記載のアクチュエーターでは、複合軸に形成されたボールスプライン溝とスプライン用外筒に形成されたボール転走溝との間ではボールに与圧が付与され、保持器に形成されたボール循環路ではボールに与圧が付与されない。そのため、ボールがスプライン溝とボール転走溝との間からボール循環路に移動するときに、ボールは与圧が付与された状態から与圧が付与されていない状態となる。このときに、アクチュエーターには衝撃が加わり、複合軸が振動する。また、ボールがボール循環路からスプライン溝とボール転走溝との間に移動するときには、ボールは与圧が付与されていない状態から与圧が付与された状態となるため、同様に、複合軸が振動する。

複合軸、すなわち、アクチュエーターの出力軸が振動すると、駆動対象も振動してしま
う。例えば、電子顕微鏡の試料位置決め装置において、アクチュエーターの出力軸が振動してしまうと、試料を所定の方向に移動させるときに、試料の所定の方向の移動の他に、試料の振動が生じてしまう。そのため、例えば、ユーザーが観察視野を確認しながら試料の移動を行おうとしても、試料の移動の他に、試料の振動（すなわち観察視野の振動）が生じてしまうため、試料を移動しながら観察視野を確認することが困難になってしまう。

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、出力軸に生じる振動を低減することができるアクチュエーター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、上記アクチュエーターを含む試料位置決め装置および荷電粒子線装置を提供することにある。

（１）本発明に係るアクチュエーターは、
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、
を含み、
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転動溝と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。

このようなアクチュエーターでは、有限ストロークのボールスプラインを用いている。すなわち、ボールスプラインは、ボール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。これにより、ボール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、このようなアクチュエーターでは、動作時のシャフト（出力軸）の振動を低減することができ、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る。

また、このようなアクチュエーターでは、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たナット部によって、モーター部の回転力をシャフトに伝達している。これにより、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を低くすることができる。そのため、例えば、モーター部の磁気ヒステリシスによる微小（例えばミクロンオーダー）な回転や、サーボノイズによりモーター部が意図せずに励起されることによる微小な振動等が、直接、シャフトに伝わることを抑制することができる。したがって、このようなアクチュエーターでは、シャフトの振動を低減することができ、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る。

また、このようなアクチュエーターでは、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、このようなアクチュエーターでは、モーター部の回転力をナット部とシャフト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。

（２）本発明に係るアクチュエーターにおいて、
前記シャフト部および前記ナット部は、前記モーター部の回転運動を直線運動に変換する滑りねじ部を構成していてもよい。

このようなアクチュエーターでは、滑りねじ部によって、モーター部の回転運動を直線運動に変換しているため、例えばモーター部の回転運動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直線運動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を低くすることができる。そのため、例えば、モーター部の磁気ヒステリシスによる微小な回転や、サーボノイズによりモーター部が意図せずに励起されることによる微小な振動等が、直接、シャフトに伝わることを抑制することができる。

（３）本発明に係るアクチュエーターにおいて、
前記ボールスプラインにおいて、前記ボールは前記第１転動溝上のみを転動してもよい。

このようなアクチュエーターでは、ボールは転動溝上のみを転動するため、ボールに付与される与圧を一定にすることができる。これにより、ボール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、このようなアクチュエーターでは、動作時のシャフトの振動を低減することができ、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る。

（４）本発明に係るアクチュエーターにおいて、
前記ナット部は、前記モーター部の回転子に固定されていてもよい。

（５）本発明に係る試料位置決め装置は、
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、
本発明に係る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、本発明に係るアクチュエーターを含むため、試料の振動を低減することができる。特に、このような試料位置決め装置では、アクチュエーターの動作時のシャフトの振動を低減することができるため、試料を所定の方向に移動させる際の試料の振動を低減できる。したがって、例えば、ユーザーは試料を所定の方向に移動させつつ、高倍率で試料を観察することができる。

また、このような試料位置決め装置では、例えばピエゾ素子を含むアクチュエーターを用いた試料位置決め装置と比べて、試料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、かつ、静定時間を短くすることができる。したがって、このような試料位置決め装置では、例えば、試料の全域で微小な移動が可能となり、かつ、試料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。

（６）本発明に係る荷電粒子線装置は、
本発明に係る試料位置決め装置を含む。

このような荷電粒子線装置では、本発明に係る試料位置決め装置を含むため、試料の振動を低減できる。

（７）本発明に係る荷電粒子線装置は、
本発明に係る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、シャフト（出力軸）の振動を低減することができるアクチュエーターを含むことができる。

本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。 本実施形態に係る試料位置決め装置を模式的に示す図。 本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
まず、本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、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、を含んで構成されている。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、ケース６０に対して、ベアリング４０，４２を介して、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。

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、を含んで構成されている。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には、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の軸に沿った転動溝（スプライン溝）２３が形成されている。転動溝２３は、ボール２４を転動させるための溝である。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、転動溝２３を転動可能である。転動溝２３には、複数のボール２４が配置され、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の転動溝２３に対応する転動溝（図示せず）が形成されている。シャフト２２の転動溝２３と外筒２６０の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ことによりボール２４
が互いに接触しない構造を有している。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は転動溝２３上のみを転動し循環路等を転動しないため、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、例えば、ステンレス鋼である。

ボールスプライン２０では、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、図１に示すように、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、シャフト２２と、ナット部３２と、を含んで構成されている。

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３４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の材質は、例えば、ステンレス鋼である。

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てもよい。

次に、アクチュエーター１００の動作について説明する。

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。

アクチュエーター１００は、例えば、以下の特徴を有する。

アクチュエーター１００では、モーター部１０と、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。したがって、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。

また、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。

また、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。

２． 試料位置決め装置
次に、本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３は本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３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３には、互いに直交する軸として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、本実施形態では、試料位置決め装置１は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の試料位置決め装置である。

試料位置決め装置１は、図３に示すように、管状部材（以下「シフター」ともいう）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，Ｙ軸方向に対して、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軸方向に対して、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、本発明に係るアクチュエーター（図示の例ではアクチュエーター１００）を含んで構成されている。Ｘ駆動機構１４０は、さらに、レバー１４２を含んで構成されている。

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のシャフト２２（出力軸）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、本発明に係るアクチュエーター（図示の例ではアクチュエーター１００）を含んで構成されている。Ｙ駆動機構１５０は、さらに、戻しばね１５２を含んで構成されている。アクチュエーター１００のシャフト２２の先端は、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、以下の特徴を有する。

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。

３． 電子顕微鏡
次に、本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４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４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、本発明に係る試料位置決め装置（図示の例で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。電子線源１０１１は、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線ＥＢを放出する。電子線源１０１１としては、例えば、電子銃を用いることができる。電子線源１０１１として用いられる電子銃は特に限定されず、例えば熱電子放出型や、熱電界放出型、冷陰極電界放出型などの電子銃を用いることができる。

集束レンズ（コンデンサーレンズ）１０１２は、電子線源１０１１の後段（電子線ＥＢの下流側）に配置されている。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。集束レンズ１０１２は、図示はしないが、複数のレンズを含んで構成されていてもよい。

対物レンズ１０１３は、集束レンズ１０１２の後段に配置されている。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。対物レンズ１０１３は、図示はしないが、上部磁極（ポールピースの上極）、および下部磁極（ポールピースの下極）を有している。対物レンズ１０１３では、上部磁極と下部磁極との間に磁場を発生させて電子線ＥＢを集束させる。

試料位置決め装置１は、試料ホルダー１２０が保持している試料Ｓを対物レンズ１０１３の上部磁極と下部磁極との間に位置させる。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は、対物レンズ１０１３の後段に配置されている。中間レンズ１０１５は、図示はしないが、複数のレンズを含んで構成されていてもよい。投影レンズ１０１６は、中間レンズ１０１５の後段に配置されている。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、本発明に係るアクチュエーター（図示の例ではアクチュエーター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、本発明に係るアクチュエーター（図示の例ではアクチュエーター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、本発明に係るアクチュエーター（図示の例ではアクチュエーター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。

電子顕微鏡１０００は、図示の例では、除振機１０１８を介して架台１０１９上に設置されている。

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、を含んで構成されていたが、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３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４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、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…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、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、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、１０１８…除振機、１０１９…架台、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、
   を含み、
   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。
2. 請求項１において、
   前記シャフトおよび前記ナット部は、前記モーター部の回転運動を直線運動に変換する滑りねじ部を構成している、アクチュエーター。
3. 請求項１または２において、
   前記ボールスプラインにおいて、前記ボールは前記第１転動溝上のみを転動する、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、
   前記ナット部は、前記モーター部の回転子に固定されている、アクチュエーター。
5. 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４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。
6. 請求項５に記載の試料位置決め装置を含む、荷電粒子線装置。
7. 請求項１ないし４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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