JPH02164260A - 超音波顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野］ 本発明は、ボイスコイルモータを用いた移動台。 特に超音波顕微鏡のようにプローブや試料などを高速に
走査するのに好適な移動台に関する。

【従来の技術】

従来、超音波顕微鏡などのような高精度走査を必要とす
る装置には、精密機械、５ｌ−４（１９８５）、Ｐ、７
５０に開示されているように、第２図のような方法が採
用されていた。すなわち、精密な空気軸受型移動台を製
作し、その試料台１に試料２（または音響レンズ３）を
載せ、ボイスコイルモータを用いて駆動軸５を往復運動
させる方法が採用されていた。この駆動用ボイスコイル
モータには、第２図（ｂ）のようなものが用いられてい
た。この構造では、コイル８及びボビン９に生ずる軸方
向の動きが、キャリッジ１２及びボールベアリング１３
にガイドされて駆動軸５に導かれる。この場合、駆動軸
５の移動精度はボールベアリング１３の精度に依存する
。すなわち、ボールベアリングは精密なものでも２〜３
μｍの振れ回りをもつため、移動時に駆動軸５は上下方
向に２〜３μｍ揺動することとなる。この駆動軸５に直
接移動機構を付けて超音波顕微鏡の移動台に適用しよう
とすると、上下方向の要求移動精度０．０５μｍ以下を
満たさない。これを解決するために、これまでは第２図
（ｂ）に示すように試料台１の端に磁石片７を付け、こ
れを駆動軸５の先端に付けた鋼球６を介して往復運動さ
せることによってボールベアリングの上下方向の振動を
遮断する方法などが採用されてきた。 ［発明が解決しようとする課題１ 第２図のような構造を使った場合、ボイスコイルモータ
を高速で駆動すると試料台１の慣性力によって磁石片７
が鋼球６から離れてしまうことから、駆動速度やストロ
ークに限界（即動速度は１０１１ｚ、ストロークは５ｍ
ｍ程度）があった。また、キャリッジ１２を取付けるこ
とからボイスコイルモータで駆動される重量が増し、高
速応答性を必要とする装置ではその慣性力分だけ出力の
大きなボイスコイルモータを使う必要があった。 近年、移動台の高速化や長ストローク化が望まれるよう
になり、移動台の改善が必要になってきた。そのために
は、まず移動台の軽量化が重要であるが、従来構造のま
までは構造が複雑であり。 小型化はむずかしい。また、試料台１が薄いため空気軸
受の横方向剛性を上げにくく、製作コストも高いなどの
欠点があった。更に、試料台に音響レンズを付けた場合
には、試料台に妨げられて下の試料が見えにくく、作業
性にも問題があった。 本発明の目的は、上記要求に鑑み、構造が簡単で高速性
や生産性１作業性に優れ、ストロークも長く、かつ空気
軸受の剛性も高い、新しい移動台を提供することにある
。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本発明では四角い部材とこ
れに嵌合する鞘状部材との間に空気軸受を構成し、この
鞘状部材にボイスコイルモータのコイルを連結すること
により、コイルに電流を流したときに鞘状部材が軸方向
に直接陳動される構造を採用し、その上に音響レンズ又
は試料を載せて移動させる構造を特徴とする。例えば、
第１図に示すようなボイスコイルモータ（センターヨー
ク１０１．２個のサイドヨーク１０２．コイル８及び２
個の磁石１１からなる）を用い、センターヨーク１０１
の延長上に四角い部材１５を配置する。これに鞘状部材
１４を嵌合し、コイル８との間を２本の足１４１で連結
する。この状態で、部材１５と鞘状部材１４の間に空気
軸受を形成する構造である。 （作用１ この状態でコイル８に電流を流せば、発生する軸方向の
力は足１４１を介して鞘状部材１４を押す。鞘状部材１
４は、部材１５との間に空気軸受を形成していることか
ら軸方向に極めて滑らかに動くこと−ができる。この鞘
状部材１４の先端に例えば音響レンズ３を付ければ、レ
ンズの走査が可能になる。ここで、鞘状部材１４は非常
に軽く設計できるので、比較的小さなボイスコイルモー
タでも音響レンズ３を高速に移動することが出来る。 また、１４と１５との間の空気軸受は面積を増しやすく
、剛性を高めることが容易である。更に、兜 構成が非常に簡単であり、製作も容易である。Ｎ一 ん、音響レンズの周囲は邪魔になるものがないことから
、下の試料が見易く、作業性も十分に向上する。 （実施例１ 以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。 ［実施例１コ 第１図に示した方法を、第３図も併用して更に詳細に説
明する。 第１図において１部材１５はセンターヨーク１０１の延
長上に一体で形成し、その上に空気軸受１５１を形成し
た。（空気軸受１５１は、周囲より例えばＱ、２ｍｍ以
上（大きいほど好ましい）高く形成することによって、
鞘状部材１４との間での圧力負荷領域がはっきりして剛
性が高まり、また排出された空気も鞘状部材の外へ逃げ
易くなる。）なお、空気軸受１５１の上の空気吹き出し
穴１５２は第３図に示すような穴１５３（空気吹き出し
穴１５２と送気管取り付はロ１６′以外は開口部のない
袋状）につながっており、送気管１６に空気を吹き込む
と１５２から空気が吹き出す。この空気吹き出し穴は、
Ａ−Ｂ断面図に示すように、１断面に６ケ所（矩形の長
辺面上には２カ所、短辺面上には１カ所）を１組とし、
二つの断面に計１２カ所を設けた。 一方鞘状部材１４は、軽くするためにアルミニウム板を
組み合わせて製作し、空気軸受１５１との間隙が片側で
１０〜１５μｍ（１４と１５の寸法差にして２０〜３０
μｍ）になるように加工（フライス加工後ラップ仕上げ
）した。コイル８とを結ぶ２本の足１４１は、鞘状部材
と一体で成形し、コイル８に接着剤で固定した。 ここで、コイル８はセンターヨーク１０１や磁石１１と
の間に０．５ｍ＋ａ程度の間隙を持つように加工されて
おり、両者の相対的な位置関係は空気軸受によって規制
される。すなわち、第１図のように組立た状・態で空気
をつなげば、鞘状部材１４はコイル８と一緒に、他の部
品と接触することなく軸方向に動くことができるように
なる。その先端に音響レンズ３を付けたホルダ３０１を
接着することにより、音響レンズの走査機構が完成する
。 上記実施例では、部材１５をセンターヨーク１０１と一
体で形成し、また、鞘状部材１４はアルミニウム板を組
み合わせて加工した。しかし、この２点については次ぎ
のようにさらに改善することができる。 まず、部材１５の材質は、センターヨーク１０１の材質
と同じである必要はなく、非磁性体で製作することも可
能である。（１０１が磁化された状態で使用することを
考慮すれば、磁化の影響を受けない非磁性体の方が望ま
しい場合も多い。 また、製作中にも、センターヨークだけが長いとハンド
リングしにくい欠点があり、この点からも有利である。 ）非磁性体で製作する場合には、センターヨークとは別
体にせざるを得ないが、この場合、寸法はセンターヨー
クと同じである必要はなく、鞘状部材１４ができるだけ
軽量になるように設計することができる。鞘状部材１４
を軽量に設計するためには、まず小さくすることが重要
であり、この方法を第３図を用いて説明する。 第３図では、部材１５はステンレス材（ＳＵＳ３０４）
を、また鞘状部材１４はアルミニウム押出し材を用いて
製作した。アルミニウム押出し材は軸方向に沿って寸法
が一様であり、また内面の面粗さも優れている。これを
空気軸受の構成部材として使用した場合、一体形状であ
ることからアルミニウム板を組み合わせた場合よりは軽
くて剛性も高（なるなどの利点を持っている。ただし、
市販の押出し材は特定の寸法品に限られ、またその寸法
精度も絶対値は十分ではない。このため。 第３図の構造を組み立てるに当って、寸法が縦２５Ｘ横
１５×肉厚１．５ｍｍのものを選び、その内面寸法を測
定して空気軸受１５１との間隙が１０〜１５μｍになる
ように１部材１５の加工寸法を決定した。鞘状部材１４
とコイル８とのつなぎ方は、コイル８にアルミニウム板
１４２を貼り付け、また鞘状部材１４からは足１４１を
一体で削り出し、両者を１４１′で接着、した。なお、
ボイスコイルモータの出力によってはセンターヨーク１
０１の＠Ｂが上記のアルミニウム押出し材の寸法（今回
は２５ｎ＋ａ＋）より大きくなることが多く、この場合
には足１４１を第３図のように曲げることが必要になる
。このように足を曲げた場合、剛性が低くなり、軸方向
にバネ作用が生ずるおそれもある。これを防止するには
足１４１の側面に補強板１８（２点ａｍ状）を貼り付れ
ばよい。一方、鞘状部材１４を高速で動かすと、鞘の中
の空気が抵抗となって高速移動特性を損なう恐れがある
。 これを防ぐには、第３図に示したように、鞘状部材１４
に空気流通穴１７をあける。または音響レンズホルダ３
０１に鞘の内部に通ずる穴をあけるなどが有効である。 コイル８と、センターヨーク１０１や磁石１１との間の
相対的な位置決めは、部材１５とボイスコイルモータと
を第３図に示したような保持部材１９にねじ止めするこ
とによって行われる。（既に述べたように、８，１１，
１０１の間には０．５ｍｍ程度の間隙があるため、３者
を接触しないように組立ることは容易である。） なお、この組立状態では部材１５の保持が片持ち梁の状
態になることから、鞘状部材１４の先端が上下に揺れる
恐れがある。これを防ぐには第４図のように部材１５を
支える方法が有効である。 すなわち、鞘状部材１４の上面に長穴１７′をあけ、こ
れを通してボルト２０を部材１５にねじ２２で取りつけ
る。これにカラー２１を通して保持部材１９′に固定す
るものである。また他の方法として、音響レンズ３を第
５図に示すように直接鞘状部材１４に取り付け、部材１
５の先端を保持部材２３に固定する方法も有効である。 この場合、部材１５には音響レンズ３の通る長穴３０２
をあけて、なおかつ空気軸受を形成することが必要であ
る。音響レンズの上下方向の振動をできるだけ抑制でき
るように剛性を大きく設計するためには、空気軸受１５
１を、第５図のように音響レンズを挾むように配置する
のが効果的である。 ボイスコイルモータの出力が小さい場合には、さらに大
きなボイスコイルモータを使う必要がある。しかし、２
個を併用して出力を増す方法も考えられる。その方法と
して、第５図のＡ−Ａ’　を対称線として、その左側を
そっくり右側に配置すればよい。 ［実施例２］ ボイスコイルモータを２個使用する他の形式の移動台に
ついて述べる。第６図にその一実施例を示す。すなわち
、鞘状部材１４の両側面にボイスコイルモータのコイル
８を接着し、鞘状部材１４を北動するものである。ただ
し、コイル８を鞘状部材１４に直接接着するのは作業性
にも問題があるので、むしろコイル８に一旦アルミニウ
ム板を接着し、その板ごと鞘状部材１４に接着する方が
好適である。部材１５の構造は実施例１と基本的に同じ
であり、送気管１６から空気を吹き込むことにより穴１
５２がら空気が吹き出し、鞘状部材１４は浮上して軸方
向に滑らかに移動する。駆動力は、左右に接着したボイ
スコイルモータから与えられる。コイル８と、磁石１１
及びセンターヨーク１０１との相対位置決めは、固定台
２４に固定することによって行われる。 この方式によれば、実施例１よりは長さが小さくなり、
また片持ち梁になることによる剛性低下の問題も一挙に
解決できる。ただし、左右のボイスコイルモータの特性
がそろっていないときには、鞘状部材１４に対する軸方
向の駆動力が不安定になり、左右に振動する恐れがある
。この点に関しては、２個のボイスコイルモータが直列
に並ぶ実施例１の方が有利である。しかし、全体的にコ
ンパクトに設計できるので、装置の小型化のために゛は
本方式の方がより威力を発揮する。 この方式では、コイル８の一辺だけが鞘状部材１４に接
着されているため、高速で院りｊした場合にコイルの慣
性力が鞘状部材に曲げモーメントを及ぼし、鞘状部材の
変形を誘発する可能性がある。 この点を哉善する方法を、第７図に示す。すなわち、鞘
状部材１４に直接接着していたコイルを、鞘状部材１４
の上下に接着した連結板２５に接着した構造である。こ
のようにすることによって、コイルからは曲げモーメン
トが発、生することはなく、安定した滑らかな移動特性
を得ることが可能になる。 以上の説明では、鞘状部材に音響レンズを載せる方法を
述べてきたが、代りに試料をのせても同等の効果を得る
ことができる。 ［発明の効果） 上記のように、本発明による移動台は、音響レンズ３を
取りつけた鞘状部材１４を睡動する方式であり、極めて
軽量に設計できることから、優れた高速移動特性が得ら
れる。また、構造も小型で簡単であり、製作も容易であ
る。したがって１本発明を超音波顕微鏡に適用すれば、
小型で高速移動特性に優れた装置の設計が可能になる。 例えば、第１．３図の方式では、可動部は音響レンズも
含めて約１００ｇに設計でき、出力がＩＯＮのボイスコ
イルモータを使うことによって±１ｍ、ｍで５０）１ｚ
の高速駆動が可能であった。また、第６．７図の方式で
は、可動部は１５０〜２００ｇに設計できた二とから、
ＩＯＮのボイスコイルモータ（２個）を使って上記と同
等以上の移動特性を得ることができた。（なお、移動の
安定性は、いずれの方式でも優れていたが、第５．６，
７図に示した２個のボイスコイルモータを使う方式の方
がやや優れていた。）また、１１ｈの駆動速度では４０
ｍｍという長いストロークを得ることができた。 このような高速駆動と長いストロークとを１台の移動台
で行うことは、従来の移動台では側底なしえなかったも
のであり、本発明の有効性が明白である。 なお、上記の説明では断面形状が四角な部材を使った場
合についてのみ述べてきた。原理的には丸い部材を使用
しても同様な移動台を設計することは可能であるが、丸
い部材の場合には回転止めを設けることが必要になる。 したがって、本発明の方がより簡便に軽量の移動台を設
計するのに好適である。また、第２図のような形式のボ
イスコイルモータを用いて本発明のような移動台を設計
することも可能ではあるが、軽量化のためには本願の方
式の方がはるかに有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的な実施例を示す図、第２図は従
来の移動台を示す図、第３図はボイスコイルモータと鞘
状部材との寸法が異なる場合の組立構造を示す図、第４
図は移動台の安定性を増すために先端を固定する方法を
示す図、第５図は音響レンズを鞘状部材の中に組み込む
方法を示す図。 第６．７図は２個のボイスコイルモータを用いて構成す
る方法を示す図。 符号の説明 上記の図において、３は音響レンズ、８はコイル、１０
１はセンターヨーク、１０２はサイドヨーク、１１は磁
石、１４は鞘状部材、１５は空気軸受用部材、１６は送
気管、１９，２３は保持部材、２４は固定台をそれぞれ
示す。 第１図 第２目 ０υ （す ／ｚ二送気（ ？／ｚ：て科ヨーク ）ａ　／　：　ｉ）Ｊ、　＝ス、、、、、−＄３目 ＡＪ前面 ／ｌ：り気→４（ξドダ ツタ：ミオ午ｅ７２才　　／４２：禾丈）ｊ３：　來燭
１４−２λ４＼ 名５目 ３　：（塀しンス゛ Ｊ？：ココル ７１：ふ口石 ／ρ／：（ン７−ヨー７ ／ｐ２：　ブ３）′ヨー２ 第４目 ／４：動択町層 １５　：　４ご気１咄ピ費Ｓチア２オ フ７″：長り ／免ｌデ′：　ｇギヤ含Ｐ１下 ２Ｄ　：　方て１しＦ λρ′ニブー１１） ２ノ；オラー ｚ２：ねし ンＤＩ：’＃零しンクー′ ノ丁；ノ１１うｉ゛ 第６ 目 ｌ／：λ＆ん ／４：靭択鼾Ｍ ２４：１夾Ｃ ？７：利ｙし及 ／ｆ／　：　＠先物う１ ノｆ２：老覚り４シｔΔ瓢

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内側部材と、これに嵌合する外側部材との間で空気
   軸受を形成し、該外側部材にボイスコイルモータのコイ
   ルを連結して該外側部材を駆動することを特徴とする移
   動台。 ２、請求項１記載の移動台において、該内側部材と該外
   側部材とが四角い断面形状をなすことを特徴とする移動
   台。 ３、請求項２記載の移動台において、該外側部材がアル
   ミニウム押出し材からなることを特徴とする移動台。 ４、請求項１記載の移動台において、該ボイスコイルモ
   ータが複数台からなることを特徴とする移動台。 ５、請求項１記載の移動台を適用したことを特徴とする
   超音波顕微鏡。