JP2003257350A - 電子顕微鏡等の試料移動装置及び試料移動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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。 【解決手段】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から、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し、該判断結果に
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を切り換え設定するようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【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ｎ
ｍ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等の試料移動装置は、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等の試料移動装置
であって、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。

【００１２】また、前記判断手段は、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
いて判断することを特徴としている。

【００１３】また、本発明にかかる電子顕微鏡等の試料
移動方法は、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等
の試料移動方法であって、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し、該判断結果に基づ
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ようにしたこ
とを特徴としている。

【００１４】また、前記判断は、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
行なわれる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／Δ
Ｘ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２
０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、１
８・・・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Ｃ
ＰＵ、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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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等
   の試料移動装置であって、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
   微鏡等の試料移動装置。
2. 【請求項２】前記判断手段は、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判
   断することを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡など
   の試料移動装置。
3. 【請求項３】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等
   の試料移動方法であって、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し、該判断結果に基づ
   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ようにしたこ
   とを特徴とする電子顕微鏡等の試料移動方法。
4. 【請求項４】前記判断は、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行なわ
   れることを特徴とする請求項３記載の電子顕微鏡などの
   試料移動方法。