マイクロマニピュレータ
【課題】電子顕微鏡の真空中、電子線下で生物試料に微細操作を行えるようにする。
【解決手段】電子顕微鏡の真空の試料室内２で微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータ１０を備える。マニピュレータ１０は並進３自由度型である。マニピュレータ１０を光軸に対して位置合わせする位置調整機構５と、試料室内にあるマニピュレータの微小な針先合わせを電子顕微鏡モニタを観察しながら外部から操作する針先合わせ機構１２と、電力供給用及び電気信号検出用のリード線を試料室の内から外へ気密性を保持して引き出すリード線引出し孔９５とを備え、これらの位置調整機構，針先合わせ機構の操作部及びリード線引出し孔とが一つのフランジ７１に集約的に配設され、このフランジが試料室の壁部の取付孔９６に気密封止により取り付けられている。
【解決手段】電子顕微鏡の真空の試料室内２で微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータ１０を備える。マニピュレータ１０は並進３自由度型である。マニピュレータ１０を光軸に対して位置合わせする位置調整機構５と、試料室内にあるマニピュレータの微小な針先合わせを電子顕微鏡モニタを観察しながら外部から操作する針先合わせ機構１２と、電力供給用及び電気信号検出用のリード線を試料室の内から外へ気密性を保持して引き出すリード線引出し孔９５とを備え、これらの位置調整機構，針先合わせ機構の操作部及びリード線引出し孔とが一つのフランジ７１に集約的に配設され、このフランジが試料室の壁部の取付孔９６に気密封止により取り付けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料に対して微細な操作力を加えるマイクロマニピュレータを備えた電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、走査電子顕微鏡を用いて生物試料(微小試料)を観察する場合、針状の棒を微細操作してその操作力を加えることで、試料の表面を観察だけではなく、内部の組織を表面に引き出して観察をすることが行われている。電子顕微鏡における試料に対する今までの微細操作は、特公昭５５−２１９８１号公報に記載のように、試料を割ったり、切り裂くなどの操作であり、微小な試料(例えば細胞等)を掴んだり、移動させる機構を備えていなかった。一方、微小対象物を複数(例えば２本)の指の機能を有するいわゆる指片を微細操作してハンドリングする技術、いわゆるマイクロマニピュレーションは、マイクロエレクトロニクス、バイオテクノロジー、医療などの分野で、特に光学顕微鏡を使用して行われている。本発明者らは、先に特開平１０−１３８１７７号において、微細作業では並進３自由度が主たる動作になるという特性を有効に利用して、簡単で高精度な位置決めを行い得る３自由度マイクロマニピュレータを提案している（但し、マイクロマニピュレータのリンク機構を構成する柔軟構造物をどのように製作して小型化するかと、その材質、および、駆動させる機構としてのアクチェータ配設の具体的提案はされていない）。さらに特開平８−１３２３６３号(特許番号第２５６０２６２号)等において、指の機能を果たす箸状（針状）の２本の指片(手先片)を備えたマイクロハンド機構(マニピュレータ)を提案している。そして、マニピュレータを駆動させる機構（アクチュエータ）は、１２個配設することで提案されアクチュエータ自身が支柱としての役割をしている。この箸状の指片を備えたマイクロハンド機構は、光学顕微鏡下では数μｍ程度の微小物体を把持、持ち上げ、回転、移動、開放することを実現している。
【０００３】
【特許文献１】特公昭５５−２１９８１号公報
【特許文献２】特開平１０−１３８１７７号公報
【特許文献３】特開平８−１３２３６３号(特許番号第２５６０２６２号)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来行われていた光学顕微鏡に代わって、更に小さな微小試料(微小対象物)を電子顕微鏡で観察しながら、マイクロマニピュレータを操作できれば、試料をより緻細に観察したり、マイクロマシンの組立等の実現も可能になる。このような技術には、上記したような２本指機能を有するマニピュレータを用いることが望ましいが、電子線通路の限られたスペースである真空状態におかれた試料室内では、光学顕微鏡のように単純に大気圧環境の下で試料を観察しながら微細操作を行わせるだけの発想では、その実現を図ることができない。
【０００５】
例えば、２本指機能を有するマニピュレータを試料室内に導入する場合には、アクチュエータが電気駆動型である場合には、その電源や電気信号の引き出しリードをどのようにして試料外に引き出すかとか、その他にも、次のような、課題が残されている。
（１）一つは、電子線通路の限られたスペースである真空状態におかれた試料室内に導入するにはまず小型化しなければならない。
（２）二つめは、電気信号を引き出すリード線の数はできるだけ少なくしてワイヤハーネスの簡略化を図ると共に、リード線からのアウトガスによるコンタミネーションの要因、真空を低下させる要因を少なくしなければならない。
（３）三つめは、箸状の２本の指片の先端合わせが、長さ、間隔が合っていないと、大気中に取り出して再度、光学顕微鏡で位置合わせをやり直さなければならず面倒である。
（４）四つめは、電子顕微鏡は光学顕微鏡と違い高い倍率で観察するので指片先端に振動があるとそれが拡大され焦点が合わなくなる。
（５）五つめは、指片を駆動させる機構(例えばリンク)を電気的アクチュエータで作動させる場合、そのアクチュエータに電圧を掛けると電界が発生し、電界によって電子線に影響を与え正常な電子線像が得られない。
（６）六つめは、電子顕微鏡は光学顕微鏡と違い焦点深度が深く、箸状の２本の指片の先端を合わせようとしたとき数μｍのＺ軸(指片の先端合わせ方向)のずれがあっても、焦点が合ってしまうため、その位置ずれを認識できないことがある。このように指片同士の先端位置合わせが数μｍずれていては、微小物体を掴むことができない。
本発明は以上の種々の課題を解決して、電子顕微鏡のような真空下、電子線照射の下でもマニピュレータを用いて支障なく、微小対象物を掴んだり、移動させたり、回転させたり、開放動作を行い、今まで以上の微小物の観察や組立等を可能にする電子顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために、基本的には、次のように構成した。
【０００７】
一つは、電子顕微鏡において、真空の試料室内で複数の指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータと、前記指片に上記微小な動きをさせるための駆動機構と、前記駆動機構への電力供給用及び電気信号検出用のリード線を試料室の内から外へ気密性を保持して引き出す手段と、前記駆動機構を電気的に制御する制御手段と、試料室外からの操作により前記マニピュレータを光軸に対して位置合わせする位置調整機構と、試料台に載置された試料からの電子線情報による観察像を表示する表示手段を備え、前記複数の指片の一つ乃至複数を３自由度の動作が行えるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、電子顕微鏡の真空下の試料室でのマイクロハンドリングを可能にするほかに、小型化、省配線化を実現して原価低減を図り得る。そのほかにも、上記課題解決のために、電子顕微鏡のマニピュレータにおける指片同士の先端合わせの作業効率の向上、対振動の改善、マニピュレータのアクチュエータから生じる電界をシールドするための手段を講じるものも、以下の発明の実施の形態で提案する。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように本発明によれば、電子顕微鏡のような真空下、電子線照射の下でもマニピュレータを用いて支障なく、微小対象物を掴んだり、移動させたり、回転させたり、開放動作を行い、今まで以上の微小物の観察や組立て等を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に示した実施例を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施例に係る電子顕微鏡透過電子顕微鏡であってもよい）の縦断面図で図２のＣ−Ｃ´矢視断面図である。図２は図１を矢印Ａ方向からみた一部断面上面図、図３（ａ）はそれに用いる２本指マイクロハンド機構（マイクロマニピュレータ）１０の構成を示す一部断面上面図、同（ｂ）は図３（ａ）のＢ方向からみた図である。
【００１２】
図１において、対物レンズ１の下部にある試料室２は、その隔壁（壁体）２Ａにより真空室になり得るように密室状に形成されている。隔壁２Ａには、後述するマニピュレータ１０を試料室外から光軸に対して位置合わせする位置調整機構５が気密性を保持するように取付けられている。
【００１３】
位置調整機構５は、取付用フランジ７１にシール部材４２を介して取付けた外筒３と、その外筒３の内側に球面のすべり対偶７０及びシール部材４３を介して挿入された内筒６と、内筒６の内側にシール部材４４を介して挿入した中空軸７と、中空軸７にシール部材４５を介して挿入したマニピュレータ支持軸８を主な構成部材としている。
【００１４】
内筒６は、その一端に外筒３側の球形内面にすべり対偶７０により係合する球形部４があり、このすべり対偶７０は隔壁位置にあって、このすべり対偶位置を中心に内筒６がフリーな状態では自在な首振運動を行い得るようにしてある。
【００１５】
外筒３の一端側（すべり対偶７０と反対側の一端）には、マニピュレータ支持軸８をX軸とみた場合に、それと直交するZ軸及びY軸方向に前記内筒６の傾きを固定する傾き調整螺子４６、及びその調整螺子を後退移動させたときに内筒６をその後退動作に追従移動させるための戻しばね４７ａ付き押圧ピン４７が設けられている。
【００１６】
この調整螺子４６及び押圧ピン４７と上記すべり対偶機構により、内筒６ひいてはマニピュレータ１０のチルト機構を構成する。
【００１７】
中空軸７と支持軸８は、溝４８及びピン４９の係合により相対的に回り止めされている。
【００１８】
中空軸７は、内筒６の内側を通って試料室２の外部から内部へと貫通している。
【００１９】
支持軸８は、中空軸７の軸孔を貫通して、その先端部が試料室２内に導かれ、支持軸８先端にマニピュレータ（マイクロハンド機構）１０が固着され、支持軸８後端に雌螺子付きのつまみ９が設けられ、このつまみ９の雌螺子に支持軸８後端に設けた雄螺子５０が螺子嵌合して、つまみ９の操作により支持軸８の直線運動（進退動作）を可能にしている。
【００２０】
ここで、２本指のマイクロハンド機構（マニピュレータ）を、図２〜図５及び図８，図９を用いて説明する。
【００２１】
図４（ａ）（ｂ）は、第１の指片を動作させる３自由度モジュール１１を見方を変えて示す立体図であり、そのリンク機構１８は、回転対偶及び並進対偶を実現する柔軟構造物からなる。ここでは、リンク機構１８，指片のホルダー１６及びベース部材１５を一体成形してなる。ホルダー１６には、指先（ニードル）取付孔１７が設けてある。図５（ａ）は、ベース部材１５を断面してマニピュレータ１１のベース部材１５，リンク機構１８，ピエゾ圧電素子３４の関係、およびベース部材１５と支持軸８の結合関係を示す図、図５（ｂ）は、ベース部材１５を反リンク機構側からみた概略説明図である。
【００２２】
本実施例におけるマニピュレータの基本原理は、先に提案した特開平１０−１３８１７７号公報に記載されたものと同一であり、また、特開平８−１３２３６３号（特許番号第２５６０２６２号）と類似しているが、本実施例では、電子顕微鏡に搭載するために、種々の独自の構造的配慮がなされている。
【００２３】
本実施例におけるマニピュレータ１０は、２本の針状指片１３，１４に箸の動きに似せた動作を与えるものであり、指片の駆動機構については、第１の指片１３には、後述する３自由度モジュール１１を用い、第２の指片１４には、針先合わせ機構１２を用いている。
第１の指片１３は、３自由度モジュール１１を介して支持軸８とほぼ一直線上になるように取り付けられ、さらに、第１の指片１３と第２指片１４とに微小な相対運動を生成せしめ、その開き角度がほぼ２０°で最適な相対運動が得られるように配置されている。
【００２４】
３自由度モジュール１１は、指片１３を取り付けるホルダー（エンドエフェクタ）１６と、このホルダー１６を支持するベース部材１５と、前記ホルダー１６，ベース部材１５の間を連結する回り対偶要素及び並進対偶要素を有する三つのリンク機構１８と（図２，図３では、作図の視覚的角度よりリンク機構１８が２本表わされているが、このリンク機構１８は図４に示すように３本ある）、リンク機構１８に駆動力を与えるピエゾ圧電素子３４よりなる。
【００２５】
リンク機構１８は、１２０度間隔で配置される。
【００２６】
ピエゾ素子３４は、図４，図５に示すように筒形のベース部材１５に保持されて一部がリンク機構１８側に突出し、この突出先端部が並進対偶要素のうちベースに対向する面３３（図５）に圧電力を加えるように接している。
【００２７】
ここで、リンク機構１８の、基本原理及び構成を図８，図９を参照して説明する。
【００２８】
電子顕微鏡下の微細作業では、互いに直交する３軸方向の並進３自由度の動作が主要である。
【００２９】
このような観点から考察すると、リンク要素として、図８に示すように、一対の対偶部材１９の間を薄肉部（くびれ部）２３で連結することにより回転対偶Ｒを実現する柔軟構造物や、同図（ｂ）に示すように、一対の対偶部材２０の両端部間を一対の連結杆部２１によりそれぞれの薄肉部（くびれ部）２２を介して連結して、並進対偶Ｐを実現する柔軟構造物（平行四辺形リンク）を利用するのが有利であり、それらを利用して３自由度の並進運動を実現する機構を構成するのが適切である。
【００３０】
本実施例では、上記の回転対偶Ｒ及び並進対偶Ｐを組み合わせてリンク機構１８を構成するものであり、図９（ａ）はリンク機構１８の上面図、同（ｂ）はリンク機構１８の正面図である。
【００３１】
図９に示すように、リンク機構１８は、一対の対偶部材３０の間を薄肉部３２で連結することにより実現される二つの回転対偶Ｒと、一対の対偶部材３０の両端部間を一対の連結杆部３１でそれぞれ薄肉部３２を介して連結することにより実現される二つの並進対偶Ｐとを備えた柔軟構造物により構成されている。
【００３２】
マニピュレータの駆動源となるアクチュエータ３４は、例えばピエゾ圧電素子が用いられる。圧電素子３４は、リンク機構１８の数に合わせて３個容易される。
【００３３】
筒形ベース部材１５には、軸方向に向けてピエゾ圧電素子３４を内挿するための孔８４が図４及び図５（ｂ）に示すように１２０度間隔で配置されている。また、孔８４と合わせて圧電素子３４のリード線引出し溝８５が形成されている。圧電素子３４は、上記孔８４に内挿され、その一部が既述したようにベース部材１５からリンク機構１８側に突出して、前記１対の並進対偶Ｐの間に形成した受け面３３により受け止められている。
【００３４】
リンク機構１８は、一対の並進対偶Ｐのうちベース寄り側のものを図４に示すようにその連結杆部３１を平行配置してその間にピエゾ圧電素子３４の一部が入るようにしてある。
【００３５】
３本の圧電素子３４を伸縮させたり、その伸縮度合いを制御信号に応じて個別に変化させることにより、リンク機構１８の接触部３３を押して各対偶を駆動させることができるようになっている。
【００３６】
本実施例の３自由度モジュール１１は、図９のＲＰＲＰ機構を構成するリンク機構１８の三つを、ベース部材１５とホルダー１６との間において、中心軸線の周りに１２０°の間隔で対称型に配置する。
【００３７】
３自由度モジュール１１は光造形で製作（樹脂製）するか、ワイヤーカットで製作（金属製）するか、どちらかの方法で製作すると、従来に比べ大幅に小型化された柔軟構造物の製作が実現できる。
【００３８】
既述したように、３つのリンク機構１８は、ベース部材１５に一体化されており、このベース部材１５は可撓性の板２５と板形状のベースプレート２４を挟んで、支持軸８先端にジョイント８７を介して固着されている。ジョイント８７は、タップ状のものであり、図５に示すようにベース部材１５の一端面中央の螺子孔８６に取り付けられ、支持軸８は、一端８´がジョイント８７の取り付け孔８７´に挿入されて止め螺子８８の締付け力により固着されている。
【００３９】
可撓性の板２５のうちベース１５から出た部分は、図２，図３に示すように傾斜状に折り曲げられて斜板をなすものであり、この斜板によりばね板２５´が形成されている。
【００４０】
この斜板２５´には、雌螺子付きのスクリューガイド３６が固定され、このガイド３６の雌螺子に支持軸３５に設けた雄螺子３５Aが螺子嵌合して支持軸３５の直線運動(進退動作)を可能にしている。支持軸３５には、第２の針状指片１４が図２，図３に示すように第１の針状指片１３に対して斜めの角度（ほぼ０度）で取付けられている。
板ばね２５´は、その背面に板ばねの傾き及び傾き方向を微調整する複数の調整螺子（実施例では２本）３７，３７´が押し当てられている。調整螺子３７，３７´は、図１，図３に示すように、ベースプレート２４に上下２列の平行配置になるように取付られる。この調整螺子３７，３７´を、図２に示すように螺子回し部材７２により進退調整可能にしてある。螺旋回し部材７２は、フランジ７１を介して気密を保ちながら試料室壁体２Ａに通されている。この板ばね２５´，調整螺子３７，３７´，螺子回し部材７２が針先合わせ機構の構成要素をなしている。
【００４１】
すなわち、調整螺子３７，３７´を進退調整することで、第２の指片１４の先端に全方向の微細な動きが与えられるようになっている。
【００４２】
上記した並進３自由度モジュール１１と上記した針先合わせ機構１２により、第１の指片１３と第２の指片１４のそれぞれの先端間に箸の動きに似せた微小な相対運動を生じさせるものである。
【００４３】
針先合わせ機構１２のうち、上記したスクリューガイド３６及び支持軸３５の螺子部３５Ａが、マニピュレータ１０を試料室外に出した状態でその指片１３，１４同士を粗動の針先き合わせ操作する機構（第１の針先合わせ機構）をなし、板ばね２５´、調整ねじ３７，３７´，螺子回し部材７２が、マニピュレータ１０を試料室２内に入れた状態の時にその指片１３，１４同士を試料室外から微細に針先合わせ操作する機構（第２の針先合わせ機構）をなしている。
【００４４】
指片１３，１４の材質は、金属（タングステン）で、その先端はエッチング加工により極細形状になっている。第１の指片１３と第２の指片１４の材質は表面を導電処理して先端を極細形状としたガラス針でもよい。導電処理することにより、指片１３，１４をアース処理することが可能になり、それにより指片１３，１４に電子線が帯電するのを防止できる。
【００４５】
ベース部材１５に設ける３個のアクチュエータ３４としては、例えば、積層型のピエゾ圧電素子などを用いることができる。この場合ピエゾ圧電素子に電圧を掛けると電界が発生し電子線に悪い影響を与えるが、ピエゾ圧電素子３４をベース部材１５でカバーされ、ベース部材１５をアースすることで電磁シールドが施されている。
【００４６】
符号の２６は、アクチュエータ３４に電圧を供給するリード線や試料の検出信号を導くリード線などを示すものであり、ハーメチック端子２７を介して試料壁２Ａを通して外部に導き出される。リード線引出し孔９５は、フランジ７１に設けられ、ガラスなどのシール部材９４によりリード線引出し孔９５が塞がれている。
【００４７】
マニピュレータの位置調整機構５と、針先合わせ機構の操作部７２と、気密封止されたリード線引出し孔９５とが、一つのフランジ７１に集約的に配設され、このフランジ７１が試料室の壁体２Ａの取付孔９６に気密封止により取り付けられている。
【００４８】
アクチュエータ３４として用いるピエゾ圧電素子は、応答が速く、微小変位と高出力が得られるものの、ヒステリシスが非常に大きく、駆動電圧のみによるオープンループ制御では、正確な位置決めを行うことが困難であるため、変位量を測定してフィードバック制御することが望ましく、この場合には、特に、コンパクトな変位測定手段とサーボ駆動系が要求される。
【００４９】
このような変位測定手段としては、アクチュエータ３４の伸縮方向に歪みゲージを直接貼り付けて（図示は省略してある）、それら圧電素子のサーボ系としては、符号６０に示すように計算機を用いたソフトウエアサーボや演算増幅器を用いたアナログサーボ等を採用することができる。サーボ系制御回路６０の指令信号は、図示されないリード線及び既述したハーメチックシール端子２７を介してアクチュエータ（圧電素子）３４に送られる。
【００５０】
試料室の光軸の位置には試料台２９が設置されており、試料台２９には試料２８が載置されている。本実施例ではマニピュレータ１０が水平に試料台２９が斜めに配置されているが、これとは逆に試料台が水平状態でマニピュレータ１０が斜めになるように配置してもよい。
【００５１】
次に、このマニピュレータ（２本指マイクロハンド機構）１０における制御動作を説明する。
【００５２】
まず、試料室外にてマニピュレータ１０の２本指である第１の指片１３と第２の指片１４との先端針先を目視で合わせた後、光学顕微鏡で確認して先端の長さをほぼ一致させ、間隔が５０μｍ程度になるように合わせる。
【００５３】
その後、マニピュレータ１０を走査電子顕微鏡の試料室２に挿入し所定の手順を経て電子顕微鏡のモニタ像をモニタ手段（表示手段）を介して映し出し、そのあと、ねじ回し機構７２により、調整ねじ３７，３７´により第１の指片１３と第２の指片１４との先端同士の針先を合わせる。像を観察しながら、針先合わせを試料室外（真空外）から調整して先端同士の長さを完全に一致させ、さらに、先端を接触させZ軸方向のずれをなくしてから間隔を５μｍ程度（試料の大きさにあわせ所望の間隔にする）にする。
【００５４】
走査電子顕微鏡の試料微動装置によって所望の視野を選び、生物試料の場合次のような微細操作を行う。
【００５５】
支持軸８のつまみ９とチルト機構５により試料２８のどの部分に微細操作を行うか、おおよその位置を決める。
【００５６】
所定の対象物２３をハンドリングする場合は、上述したように第１の指片１３と第２の指片１４との先端針先を合わせを行い、指片１３，１４を上記対象物に対して位置決めした後、アクチュエータ３４による三つのリンク機構１８を制御し、指片１３と指片１４とに微小な相対運動を生成させる。
【００５７】
即ち、まず、三つのアクチュエータ３４を駆動してリンク機構１８の接触部３３を押し、ホルダ１６を所定量可動させ、指片１３と指片１４とを対象物に対して把持操作等の微細操作をするが、この微細操作は、歪みゲージから各アクチュエータ３４の変位量を検出し、この変位量からサーボ制御回路６０が指片１３の現位置を算出し、これをフィードバックして所定の位置決め指令値と比較し、その偏差量がなくなるまでアクチュエータ３４をサーボ駆動することにより行う。そして、位置決めされた第１の指片１３に対し、三つのアクチュエータ３４を駆動してリンク機構１８を所定量だけ伸縮させ、指片１３および指片１４とに微小な相対運動を生成させる。
【００５８】
このようにリンク機構１８は広い動作領域内で微小な相対運動を生成して、容易に対象物をハンドリングすることができる。なお、上述した２本指マイクロハンド機構は、真空中、電子線下で数μｍ程度の微小物体（例えば細胞等）を対象とし２本指でそれぞれ掴んで、並進、回転移動による位置決め、把持、押付け、切断、引き伸ばし、圧搾、穴明け、かき混ぜ、はね飛ばし等を行うために有効なものである。
【００５９】
なお、ピエゾ圧電素子３４から発生する電界の影響を取り除く方法として、３自由度モジュールを光造形で製作（樹脂製）した場合は、ホルダ１６とベース部材２４に導電処理して接地するとよく、ワイヤーカットで製作（金属製）した場合は３自由度モジュール１１を接地するとよい。
【００６０】
本実施例によれば、次のような効果を奏する。
（１）電子顕微鏡のマニピュレータに、３自由度モジュールを使用し、また、各リンク機構１８を駆動するピエゾ素子３４は、リンク１８一つ当たり一つで済むので、リード線（ワイヤハーネス）２７の本数を大幅に削減することができる。
【００６１】
すなわち、電子顕微鏡用のマニピュレータとして６自由度のものを使用した場合には、アクチュエータ用のピエゾ圧電素子が１２個用いるが、本実施形態の３自由度では、ピエゾ抵抗素子３４は３個と大幅に削減される。また、図示していないが、マニピュレータのリンク位置変位を検出する歪ゲージは、６自由度の場合には、２４個、本実施形態の場合は、６個、また、リード線は、ピエゾ素子１つ当たりにつき２本であり、歪ゲージ１つ当たりにつき３本である。リード線２６の数は、６自由度の場合には、電子顕微鏡検出信号線も含めれば１００本以上となり、膨大な数となり、これだけの本数のリード線引出し孔を、フランジ７１に確保することはスペースの制約から困難である。これに対して、本実施形態の場合には、リード線は、１／４と大幅に減少することができ、それによりフランジ７１に、リード線引出し部９５を、マニピュレータの位置調整機構５及び針先合わせ操作部７２共々に集約的に配置することができ、それにより電子顕微鏡へのマニピュレータの実装を可能にする。特に、フランジ７１を利用すれば、試料室のアクセサリ取付用のポートをフランジ取り付け孔９６として利用できるので、実装性に優れている。
【００６２】
また、リード線を大幅に減少させることにより、真空中でリード線の被覆材から出るアウトガスによるコンタミネーションの影響を防ぐことができる。
（２）上記したように３自由度モジュールによれば、マニピュレータを構成を簡略化し、また、歪ゲージやピエゾ圧電素子も大幅に減少できるので、電子顕微鏡の小型化に貢献することができる。
（３）箸状の２本の指片の先端合わせとして、長さ、間隔の合わせが、粗動操作は光学顕微鏡像で行ない、微細操作は電子顕微鏡像で行なうことができ、その位置調整も容易に行える。
（４）２本の指片の強度はアクチュエータを支柱とせず、ピエゾ素子の強度に頼らない構造で取り付けられ、剛性が強く振動が伝わりにくいので、高い倍率の観察に適している。
（５）２本の指片１３，１４の先端合わせのうち、微細位置合わせについては、マニピュレータが試料室２内にあっても、試料室外の操作により可能にするので、大気中に取り出して再度、光学顕微鏡で位置合わせをやり直す必要がなく、マニピュレータを導入しても操作性に優れた電子顕微鏡を実現することができる。
（６）本実施例によれば、光学顕微鏡で行えたことと同じことが、真空中、電子線下でも、電界による影響を受けずに電子線情報を得て微細操作を行うことができる。
（７）更に、電子顕微鏡の持つ高い倍率と高い分解能の特性を生かすことにより、マイクロマニピュレーションの技術がレベルアップされ、マイクロエレクトロニクス、バイオテクノロジー、医療の分野により貢献することが可能となる。
【００６３】
本実施例ではマニピュレータ１０に３自由度モジュール１１を１個使用する構造としたが、第２の指片１４側も含め２個使用する構造としても同様の微細操作が行える。また、マニピュレータ１０と支持軸８の間にもう１個追加して、すなわち直列に２個接続する構造としてもよく、この場合は動作領域が大きくとることができ、より広い作業空間にある対象物に対して位置決めが可能となる。
【００６４】
図６，図７には、針先合わせを試料室外から可能にする操作部（螺子回し部材）７２の他の態様を示し、図６は、自在継ぎ手９０を介して螺子回し部材７２を調整ねじ３７，３７´の結合可能にしたものであり、図７は、フレキシブル部材９１を介して螺子回し部材７２を調整ねじ３７，３７´に結合可能にしたものである。このように構成するば、螺子回し部材７２と調整螺子３７，３７´間に芯ずれが生じても、容易に両者を結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施例に係る電子顕微鏡の縦断面図で図２のＣ−Ｃ´矢視断面図である。
【図２】図１を矢印Ａ方向からみた一部断面上面図。
【図３】（ａ）は、上記実施例に用いる２本指マイクロハンド機構（マイクロマニピュレータ）１０の構成を示す一部断面上面図、（ｂ）は図３（ａ）のＢ方向からみた図。
【図４】本実施例における３自由度モジュール１１を見方を変えて示す立体図。
【図５】（ａ）は、ベース部材１５を断面してマニピュレータ１１のベース部材１５，リンク機構１８，ピエゾ圧電素子３４の関係、およびベース部材１５と支持軸８の結合関係を示す図、（ｂ）は、ベース部材１５を反リンク機構側からみた概略説明図。
【図６】針先合わせを試料室外から可能にする操作部（螺子回し部材）７２の他の態様を示す説明図。
【図７】針先合わせを試料室外から可能にする操作部（螺子回し部材）７２の他の態様を示す説明図。
【図８】３自由度マニピュレータの基本原理を示す説明図。
【図９】３自由度マニピュレータのリンク機構を示す平面図及び正面図。
【符号の説明】
【００６６】
１…対物レンズ、２…試料室、３…外筒、４…球形部、５…位置調整機構、７…中空軸、８…支持軸、１０…マニピュレータ、１１…３自由度モジュール、１２…針先合わせ機構、１３…第１の指片、１４…第２の指片、１５…ベース部材、１７…ホルダ（エンドエフェクタ）、１８…リンク機構、２７…リード線、３４…アクチュエータ（ピエゾ圧電素子）、３５…支持軸、３７，３７´…調整ねじ（押棒）、７２…針先合わせ操作部（螺子回し部材）、９５…リード線引出し孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料に対して微細な操作力を加えるマイクロマニピュレータを備えた電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、走査電子顕微鏡を用いて生物試料(微小試料)を観察する場合、針状の棒を微細操作してその操作力を加えることで、試料の表面を観察だけではなく、内部の組織を表面に引き出して観察をすることが行われている。電子顕微鏡における試料に対する今までの微細操作は、特公昭５５−２１９８１号公報に記載のように、試料を割ったり、切り裂くなどの操作であり、微小な試料(例えば細胞等)を掴んだり、移動させる機構を備えていなかった。一方、微小対象物を複数(例えば２本)の指の機能を有するいわゆる指片を微細操作してハンドリングする技術、いわゆるマイクロマニピュレーションは、マイクロエレクトロニクス、バイオテクノロジー、医療などの分野で、特に光学顕微鏡を使用して行われている。本発明者らは、先に特開平１０−１３８１７７号において、微細作業では並進３自由度が主たる動作になるという特性を有効に利用して、簡単で高精度な位置決めを行い得る３自由度マイクロマニピュレータを提案している（但し、マイクロマニピュレータのリンク機構を構成する柔軟構造物をどのように製作して小型化するかと、その材質、および、駆動させる機構としてのアクチェータ配設の具体的提案はされていない）。さらに特開平８−１３２３６３号(特許番号第２５６０２６２号)等において、指の機能を果たす箸状（針状）の２本の指片(手先片)を備えたマイクロハンド機構(マニピュレータ)を提案している。そして、マニピュレータを駆動させる機構（アクチュエータ）は、１２個配設することで提案されアクチュエータ自身が支柱としての役割をしている。この箸状の指片を備えたマイクロハンド機構は、光学顕微鏡下では数μｍ程度の微小物体を把持、持ち上げ、回転、移動、開放することを実現している。
【０００３】
【特許文献１】特公昭５５−２１９８１号公報
【特許文献２】特開平１０−１３８１７７号公報
【特許文献３】特開平８−１３２３６３号(特許番号第２５６０２６２号)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来行われていた光学顕微鏡に代わって、更に小さな微小試料(微小対象物)を電子顕微鏡で観察しながら、マイクロマニピュレータを操作できれば、試料をより緻細に観察したり、マイクロマシンの組立等の実現も可能になる。このような技術には、上記したような２本指機能を有するマニピュレータを用いることが望ましいが、電子線通路の限られたスペースである真空状態におかれた試料室内では、光学顕微鏡のように単純に大気圧環境の下で試料を観察しながら微細操作を行わせるだけの発想では、その実現を図ることができない。
【０００５】
例えば、２本指機能を有するマニピュレータを試料室内に導入する場合には、アクチュエータが電気駆動型である場合には、その電源や電気信号の引き出しリードをどのようにして試料外に引き出すかとか、その他にも、次のような、課題が残されている。
（１）一つは、電子線通路の限られたスペースである真空状態におかれた試料室内に導入するにはまず小型化しなければならない。
（２）二つめは、電気信号を引き出すリード線の数はできるだけ少なくしてワイヤハーネスの簡略化を図ると共に、リード線からのアウトガスによるコンタミネーションの要因、真空を低下させる要因を少なくしなければならない。
（３）三つめは、箸状の２本の指片の先端合わせが、長さ、間隔が合っていないと、大気中に取り出して再度、光学顕微鏡で位置合わせをやり直さなければならず面倒である。
（４）四つめは、電子顕微鏡は光学顕微鏡と違い高い倍率で観察するので指片先端に振動があるとそれが拡大され焦点が合わなくなる。
（５）五つめは、指片を駆動させる機構(例えばリンク)を電気的アクチュエータで作動させる場合、そのアクチュエータに電圧を掛けると電界が発生し、電界によって電子線に影響を与え正常な電子線像が得られない。
（６）六つめは、電子顕微鏡は光学顕微鏡と違い焦点深度が深く、箸状の２本の指片の先端を合わせようとしたとき数μｍのＺ軸(指片の先端合わせ方向)のずれがあっても、焦点が合ってしまうため、その位置ずれを認識できないことがある。このように指片同士の先端位置合わせが数μｍずれていては、微小物体を掴むことができない。
本発明は以上の種々の課題を解決して、電子顕微鏡のような真空下、電子線照射の下でもマニピュレータを用いて支障なく、微小対象物を掴んだり、移動させたり、回転させたり、開放動作を行い、今まで以上の微小物の観察や組立等を可能にする電子顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために、基本的には、次のように構成した。
【０００７】
一つは、電子顕微鏡において、真空の試料室内で複数の指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータと、前記指片に上記微小な動きをさせるための駆動機構と、前記駆動機構への電力供給用及び電気信号検出用のリード線を試料室の内から外へ気密性を保持して引き出す手段と、前記駆動機構を電気的に制御する制御手段と、試料室外からの操作により前記マニピュレータを光軸に対して位置合わせする位置調整機構と、試料台に載置された試料からの電子線情報による観察像を表示する表示手段を備え、前記複数の指片の一つ乃至複数を３自由度の動作が行えるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、電子顕微鏡の真空下の試料室でのマイクロハンドリングを可能にするほかに、小型化、省配線化を実現して原価低減を図り得る。そのほかにも、上記課題解決のために、電子顕微鏡のマニピュレータにおける指片同士の先端合わせの作業効率の向上、対振動の改善、マニピュレータのアクチュエータから生じる電界をシールドするための手段を講じるものも、以下の発明の実施の形態で提案する。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように本発明によれば、電子顕微鏡のような真空下、電子線照射の下でもマニピュレータを用いて支障なく、微小対象物を掴んだり、移動させたり、回転させたり、開放動作を行い、今まで以上の微小物の観察や組立て等を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に示した実施例を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施例に係る電子顕微鏡透過電子顕微鏡であってもよい）の縦断面図で図２のＣ−Ｃ´矢視断面図である。図２は図１を矢印Ａ方向からみた一部断面上面図、図３（ａ）はそれに用いる２本指マイクロハンド機構（マイクロマニピュレータ）１０の構成を示す一部断面上面図、同（ｂ）は図３（ａ）のＢ方向からみた図である。
【００１２】
図１において、対物レンズ１の下部にある試料室２は、その隔壁（壁体）２Ａにより真空室になり得るように密室状に形成されている。隔壁２Ａには、後述するマニピュレータ１０を試料室外から光軸に対して位置合わせする位置調整機構５が気密性を保持するように取付けられている。
【００１３】
位置調整機構５は、取付用フランジ７１にシール部材４２を介して取付けた外筒３と、その外筒３の内側に球面のすべり対偶７０及びシール部材４３を介して挿入された内筒６と、内筒６の内側にシール部材４４を介して挿入した中空軸７と、中空軸７にシール部材４５を介して挿入したマニピュレータ支持軸８を主な構成部材としている。
【００１４】
内筒６は、その一端に外筒３側の球形内面にすべり対偶７０により係合する球形部４があり、このすべり対偶７０は隔壁位置にあって、このすべり対偶位置を中心に内筒６がフリーな状態では自在な首振運動を行い得るようにしてある。
【００１５】
外筒３の一端側（すべり対偶７０と反対側の一端）には、マニピュレータ支持軸８をX軸とみた場合に、それと直交するZ軸及びY軸方向に前記内筒６の傾きを固定する傾き調整螺子４６、及びその調整螺子を後退移動させたときに内筒６をその後退動作に追従移動させるための戻しばね４７ａ付き押圧ピン４７が設けられている。
【００１６】
この調整螺子４６及び押圧ピン４７と上記すべり対偶機構により、内筒６ひいてはマニピュレータ１０のチルト機構を構成する。
【００１７】
中空軸７と支持軸８は、溝４８及びピン４９の係合により相対的に回り止めされている。
【００１８】
中空軸７は、内筒６の内側を通って試料室２の外部から内部へと貫通している。
【００１９】
支持軸８は、中空軸７の軸孔を貫通して、その先端部が試料室２内に導かれ、支持軸８先端にマニピュレータ（マイクロハンド機構）１０が固着され、支持軸８後端に雌螺子付きのつまみ９が設けられ、このつまみ９の雌螺子に支持軸８後端に設けた雄螺子５０が螺子嵌合して、つまみ９の操作により支持軸８の直線運動（進退動作）を可能にしている。
【００２０】
ここで、２本指のマイクロハンド機構（マニピュレータ）を、図２〜図５及び図８，図９を用いて説明する。
【００２１】
図４（ａ）（ｂ）は、第１の指片を動作させる３自由度モジュール１１を見方を変えて示す立体図であり、そのリンク機構１８は、回転対偶及び並進対偶を実現する柔軟構造物からなる。ここでは、リンク機構１８，指片のホルダー１６及びベース部材１５を一体成形してなる。ホルダー１６には、指先（ニードル）取付孔１７が設けてある。図５（ａ）は、ベース部材１５を断面してマニピュレータ１１のベース部材１５，リンク機構１８，ピエゾ圧電素子３４の関係、およびベース部材１５と支持軸８の結合関係を示す図、図５（ｂ）は、ベース部材１５を反リンク機構側からみた概略説明図である。
【００２２】
本実施例におけるマニピュレータの基本原理は、先に提案した特開平１０−１３８１７７号公報に記載されたものと同一であり、また、特開平８−１３２３６３号（特許番号第２５６０２６２号）と類似しているが、本実施例では、電子顕微鏡に搭載するために、種々の独自の構造的配慮がなされている。
【００２３】
本実施例におけるマニピュレータ１０は、２本の針状指片１３，１４に箸の動きに似せた動作を与えるものであり、指片の駆動機構については、第１の指片１３には、後述する３自由度モジュール１１を用い、第２の指片１４には、針先合わせ機構１２を用いている。
第１の指片１３は、３自由度モジュール１１を介して支持軸８とほぼ一直線上になるように取り付けられ、さらに、第１の指片１３と第２指片１４とに微小な相対運動を生成せしめ、その開き角度がほぼ２０°で最適な相対運動が得られるように配置されている。
【００２４】
３自由度モジュール１１は、指片１３を取り付けるホルダー（エンドエフェクタ）１６と、このホルダー１６を支持するベース部材１５と、前記ホルダー１６，ベース部材１５の間を連結する回り対偶要素及び並進対偶要素を有する三つのリンク機構１８と（図２，図３では、作図の視覚的角度よりリンク機構１８が２本表わされているが、このリンク機構１８は図４に示すように３本ある）、リンク機構１８に駆動力を与えるピエゾ圧電素子３４よりなる。
【００２５】
リンク機構１８は、１２０度間隔で配置される。
【００２６】
ピエゾ素子３４は、図４，図５に示すように筒形のベース部材１５に保持されて一部がリンク機構１８側に突出し、この突出先端部が並進対偶要素のうちベースに対向する面３３（図５）に圧電力を加えるように接している。
【００２７】
ここで、リンク機構１８の、基本原理及び構成を図８，図９を参照して説明する。
【００２８】
電子顕微鏡下の微細作業では、互いに直交する３軸方向の並進３自由度の動作が主要である。
【００２９】
このような観点から考察すると、リンク要素として、図８に示すように、一対の対偶部材１９の間を薄肉部（くびれ部）２３で連結することにより回転対偶Ｒを実現する柔軟構造物や、同図（ｂ）に示すように、一対の対偶部材２０の両端部間を一対の連結杆部２１によりそれぞれの薄肉部（くびれ部）２２を介して連結して、並進対偶Ｐを実現する柔軟構造物（平行四辺形リンク）を利用するのが有利であり、それらを利用して３自由度の並進運動を実現する機構を構成するのが適切である。
【００３０】
本実施例では、上記の回転対偶Ｒ及び並進対偶Ｐを組み合わせてリンク機構１８を構成するものであり、図９（ａ）はリンク機構１８の上面図、同（ｂ）はリンク機構１８の正面図である。
【００３１】
図９に示すように、リンク機構１８は、一対の対偶部材３０の間を薄肉部３２で連結することにより実現される二つの回転対偶Ｒと、一対の対偶部材３０の両端部間を一対の連結杆部３１でそれぞれ薄肉部３２を介して連結することにより実現される二つの並進対偶Ｐとを備えた柔軟構造物により構成されている。
【００３２】
マニピュレータの駆動源となるアクチュエータ３４は、例えばピエゾ圧電素子が用いられる。圧電素子３４は、リンク機構１８の数に合わせて３個容易される。
【００３３】
筒形ベース部材１５には、軸方向に向けてピエゾ圧電素子３４を内挿するための孔８４が図４及び図５（ｂ）に示すように１２０度間隔で配置されている。また、孔８４と合わせて圧電素子３４のリード線引出し溝８５が形成されている。圧電素子３４は、上記孔８４に内挿され、その一部が既述したようにベース部材１５からリンク機構１８側に突出して、前記１対の並進対偶Ｐの間に形成した受け面３３により受け止められている。
【００３４】
リンク機構１８は、一対の並進対偶Ｐのうちベース寄り側のものを図４に示すようにその連結杆部３１を平行配置してその間にピエゾ圧電素子３４の一部が入るようにしてある。
【００３５】
３本の圧電素子３４を伸縮させたり、その伸縮度合いを制御信号に応じて個別に変化させることにより、リンク機構１８の接触部３３を押して各対偶を駆動させることができるようになっている。
【００３６】
本実施例の３自由度モジュール１１は、図９のＲＰＲＰ機構を構成するリンク機構１８の三つを、ベース部材１５とホルダー１６との間において、中心軸線の周りに１２０°の間隔で対称型に配置する。
【００３７】
３自由度モジュール１１は光造形で製作（樹脂製）するか、ワイヤーカットで製作（金属製）するか、どちらかの方法で製作すると、従来に比べ大幅に小型化された柔軟構造物の製作が実現できる。
【００３８】
既述したように、３つのリンク機構１８は、ベース部材１５に一体化されており、このベース部材１５は可撓性の板２５と板形状のベースプレート２４を挟んで、支持軸８先端にジョイント８７を介して固着されている。ジョイント８７は、タップ状のものであり、図５に示すようにベース部材１５の一端面中央の螺子孔８６に取り付けられ、支持軸８は、一端８´がジョイント８７の取り付け孔８７´に挿入されて止め螺子８８の締付け力により固着されている。
【００３９】
可撓性の板２５のうちベース１５から出た部分は、図２，図３に示すように傾斜状に折り曲げられて斜板をなすものであり、この斜板によりばね板２５´が形成されている。
【００４０】
この斜板２５´には、雌螺子付きのスクリューガイド３６が固定され、このガイド３６の雌螺子に支持軸３５に設けた雄螺子３５Aが螺子嵌合して支持軸３５の直線運動(進退動作)を可能にしている。支持軸３５には、第２の針状指片１４が図２，図３に示すように第１の針状指片１３に対して斜めの角度（ほぼ０度）で取付けられている。
板ばね２５´は、その背面に板ばねの傾き及び傾き方向を微調整する複数の調整螺子（実施例では２本）３７，３７´が押し当てられている。調整螺子３７，３７´は、図１，図３に示すように、ベースプレート２４に上下２列の平行配置になるように取付られる。この調整螺子３７，３７´を、図２に示すように螺子回し部材７２により進退調整可能にしてある。螺旋回し部材７２は、フランジ７１を介して気密を保ちながら試料室壁体２Ａに通されている。この板ばね２５´，調整螺子３７，３７´，螺子回し部材７２が針先合わせ機構の構成要素をなしている。
【００４１】
すなわち、調整螺子３７，３７´を進退調整することで、第２の指片１４の先端に全方向の微細な動きが与えられるようになっている。
【００４２】
上記した並進３自由度モジュール１１と上記した針先合わせ機構１２により、第１の指片１３と第２の指片１４のそれぞれの先端間に箸の動きに似せた微小な相対運動を生じさせるものである。
【００４３】
針先合わせ機構１２のうち、上記したスクリューガイド３６及び支持軸３５の螺子部３５Ａが、マニピュレータ１０を試料室外に出した状態でその指片１３，１４同士を粗動の針先き合わせ操作する機構（第１の針先合わせ機構）をなし、板ばね２５´、調整ねじ３７，３７´，螺子回し部材７２が、マニピュレータ１０を試料室２内に入れた状態の時にその指片１３，１４同士を試料室外から微細に針先合わせ操作する機構（第２の針先合わせ機構）をなしている。
【００４４】
指片１３，１４の材質は、金属（タングステン）で、その先端はエッチング加工により極細形状になっている。第１の指片１３と第２の指片１４の材質は表面を導電処理して先端を極細形状としたガラス針でもよい。導電処理することにより、指片１３，１４をアース処理することが可能になり、それにより指片１３，１４に電子線が帯電するのを防止できる。
【００４５】
ベース部材１５に設ける３個のアクチュエータ３４としては、例えば、積層型のピエゾ圧電素子などを用いることができる。この場合ピエゾ圧電素子に電圧を掛けると電界が発生し電子線に悪い影響を与えるが、ピエゾ圧電素子３４をベース部材１５でカバーされ、ベース部材１５をアースすることで電磁シールドが施されている。
【００４６】
符号の２６は、アクチュエータ３４に電圧を供給するリード線や試料の検出信号を導くリード線などを示すものであり、ハーメチック端子２７を介して試料壁２Ａを通して外部に導き出される。リード線引出し孔９５は、フランジ７１に設けられ、ガラスなどのシール部材９４によりリード線引出し孔９５が塞がれている。
【００４７】
マニピュレータの位置調整機構５と、針先合わせ機構の操作部７２と、気密封止されたリード線引出し孔９５とが、一つのフランジ７１に集約的に配設され、このフランジ７１が試料室の壁体２Ａの取付孔９６に気密封止により取り付けられている。
【００４８】
アクチュエータ３４として用いるピエゾ圧電素子は、応答が速く、微小変位と高出力が得られるものの、ヒステリシスが非常に大きく、駆動電圧のみによるオープンループ制御では、正確な位置決めを行うことが困難であるため、変位量を測定してフィードバック制御することが望ましく、この場合には、特に、コンパクトな変位測定手段とサーボ駆動系が要求される。
【００４９】
このような変位測定手段としては、アクチュエータ３４の伸縮方向に歪みゲージを直接貼り付けて（図示は省略してある）、それら圧電素子のサーボ系としては、符号６０に示すように計算機を用いたソフトウエアサーボや演算増幅器を用いたアナログサーボ等を採用することができる。サーボ系制御回路６０の指令信号は、図示されないリード線及び既述したハーメチックシール端子２７を介してアクチュエータ（圧電素子）３４に送られる。
【００５０】
試料室の光軸の位置には試料台２９が設置されており、試料台２９には試料２８が載置されている。本実施例ではマニピュレータ１０が水平に試料台２９が斜めに配置されているが、これとは逆に試料台が水平状態でマニピュレータ１０が斜めになるように配置してもよい。
【００５１】
次に、このマニピュレータ（２本指マイクロハンド機構）１０における制御動作を説明する。
【００５２】
まず、試料室外にてマニピュレータ１０の２本指である第１の指片１３と第２の指片１４との先端針先を目視で合わせた後、光学顕微鏡で確認して先端の長さをほぼ一致させ、間隔が５０μｍ程度になるように合わせる。
【００５３】
その後、マニピュレータ１０を走査電子顕微鏡の試料室２に挿入し所定の手順を経て電子顕微鏡のモニタ像をモニタ手段（表示手段）を介して映し出し、そのあと、ねじ回し機構７２により、調整ねじ３７，３７´により第１の指片１３と第２の指片１４との先端同士の針先を合わせる。像を観察しながら、針先合わせを試料室外（真空外）から調整して先端同士の長さを完全に一致させ、さらに、先端を接触させZ軸方向のずれをなくしてから間隔を５μｍ程度（試料の大きさにあわせ所望の間隔にする）にする。
【００５４】
走査電子顕微鏡の試料微動装置によって所望の視野を選び、生物試料の場合次のような微細操作を行う。
【００５５】
支持軸８のつまみ９とチルト機構５により試料２８のどの部分に微細操作を行うか、おおよその位置を決める。
【００５６】
所定の対象物２３をハンドリングする場合は、上述したように第１の指片１３と第２の指片１４との先端針先を合わせを行い、指片１３，１４を上記対象物に対して位置決めした後、アクチュエータ３４による三つのリンク機構１８を制御し、指片１３と指片１４とに微小な相対運動を生成させる。
【００５７】
即ち、まず、三つのアクチュエータ３４を駆動してリンク機構１８の接触部３３を押し、ホルダ１６を所定量可動させ、指片１３と指片１４とを対象物に対して把持操作等の微細操作をするが、この微細操作は、歪みゲージから各アクチュエータ３４の変位量を検出し、この変位量からサーボ制御回路６０が指片１３の現位置を算出し、これをフィードバックして所定の位置決め指令値と比較し、その偏差量がなくなるまでアクチュエータ３４をサーボ駆動することにより行う。そして、位置決めされた第１の指片１３に対し、三つのアクチュエータ３４を駆動してリンク機構１８を所定量だけ伸縮させ、指片１３および指片１４とに微小な相対運動を生成させる。
【００５８】
このようにリンク機構１８は広い動作領域内で微小な相対運動を生成して、容易に対象物をハンドリングすることができる。なお、上述した２本指マイクロハンド機構は、真空中、電子線下で数μｍ程度の微小物体（例えば細胞等）を対象とし２本指でそれぞれ掴んで、並進、回転移動による位置決め、把持、押付け、切断、引き伸ばし、圧搾、穴明け、かき混ぜ、はね飛ばし等を行うために有効なものである。
【００５９】
なお、ピエゾ圧電素子３４から発生する電界の影響を取り除く方法として、３自由度モジュールを光造形で製作（樹脂製）した場合は、ホルダ１６とベース部材２４に導電処理して接地するとよく、ワイヤーカットで製作（金属製）した場合は３自由度モジュール１１を接地するとよい。
【００６０】
本実施例によれば、次のような効果を奏する。
（１）電子顕微鏡のマニピュレータに、３自由度モジュールを使用し、また、各リンク機構１８を駆動するピエゾ素子３４は、リンク１８一つ当たり一つで済むので、リード線（ワイヤハーネス）２７の本数を大幅に削減することができる。
【００６１】
すなわち、電子顕微鏡用のマニピュレータとして６自由度のものを使用した場合には、アクチュエータ用のピエゾ圧電素子が１２個用いるが、本実施形態の３自由度では、ピエゾ抵抗素子３４は３個と大幅に削減される。また、図示していないが、マニピュレータのリンク位置変位を検出する歪ゲージは、６自由度の場合には、２４個、本実施形態の場合は、６個、また、リード線は、ピエゾ素子１つ当たりにつき２本であり、歪ゲージ１つ当たりにつき３本である。リード線２６の数は、６自由度の場合には、電子顕微鏡検出信号線も含めれば１００本以上となり、膨大な数となり、これだけの本数のリード線引出し孔を、フランジ７１に確保することはスペースの制約から困難である。これに対して、本実施形態の場合には、リード線は、１／４と大幅に減少することができ、それによりフランジ７１に、リード線引出し部９５を、マニピュレータの位置調整機構５及び針先合わせ操作部７２共々に集約的に配置することができ、それにより電子顕微鏡へのマニピュレータの実装を可能にする。特に、フランジ７１を利用すれば、試料室のアクセサリ取付用のポートをフランジ取り付け孔９６として利用できるので、実装性に優れている。
【００６２】
また、リード線を大幅に減少させることにより、真空中でリード線の被覆材から出るアウトガスによるコンタミネーションの影響を防ぐことができる。
（２）上記したように３自由度モジュールによれば、マニピュレータを構成を簡略化し、また、歪ゲージやピエゾ圧電素子も大幅に減少できるので、電子顕微鏡の小型化に貢献することができる。
（３）箸状の２本の指片の先端合わせとして、長さ、間隔の合わせが、粗動操作は光学顕微鏡像で行ない、微細操作は電子顕微鏡像で行なうことができ、その位置調整も容易に行える。
（４）２本の指片の強度はアクチュエータを支柱とせず、ピエゾ素子の強度に頼らない構造で取り付けられ、剛性が強く振動が伝わりにくいので、高い倍率の観察に適している。
（５）２本の指片１３，１４の先端合わせのうち、微細位置合わせについては、マニピュレータが試料室２内にあっても、試料室外の操作により可能にするので、大気中に取り出して再度、光学顕微鏡で位置合わせをやり直す必要がなく、マニピュレータを導入しても操作性に優れた電子顕微鏡を実現することができる。
（６）本実施例によれば、光学顕微鏡で行えたことと同じことが、真空中、電子線下でも、電界による影響を受けずに電子線情報を得て微細操作を行うことができる。
（７）更に、電子顕微鏡の持つ高い倍率と高い分解能の特性を生かすことにより、マイクロマニピュレーションの技術がレベルアップされ、マイクロエレクトロニクス、バイオテクノロジー、医療の分野により貢献することが可能となる。
【００６３】
本実施例ではマニピュレータ１０に３自由度モジュール１１を１個使用する構造としたが、第２の指片１４側も含め２個使用する構造としても同様の微細操作が行える。また、マニピュレータ１０と支持軸８の間にもう１個追加して、すなわち直列に２個接続する構造としてもよく、この場合は動作領域が大きくとることができ、より広い作業空間にある対象物に対して位置決めが可能となる。
【００６４】
図６，図７には、針先合わせを試料室外から可能にする操作部（螺子回し部材）７２の他の態様を示し、図６は、自在継ぎ手９０を介して螺子回し部材７２を調整ねじ３７，３７´の結合可能にしたものであり、図７は、フレキシブル部材９１を介して螺子回し部材７２を調整ねじ３７，３７´に結合可能にしたものである。このように構成するば、螺子回し部材７２と調整螺子３７，３７´間に芯ずれが生じても、容易に両者を結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施例に係る電子顕微鏡の縦断面図で図２のＣ−Ｃ´矢視断面図である。
【図２】図１を矢印Ａ方向からみた一部断面上面図。
【図３】（ａ）は、上記実施例に用いる２本指マイクロハンド機構（マイクロマニピュレータ）１０の構成を示す一部断面上面図、（ｂ）は図３（ａ）のＢ方向からみた図。
【図４】本実施例における３自由度モジュール１１を見方を変えて示す立体図。
【図５】（ａ）は、ベース部材１５を断面してマニピュレータ１１のベース部材１５，リンク機構１８，ピエゾ圧電素子３４の関係、およびベース部材１５と支持軸８の結合関係を示す図、（ｂ）は、ベース部材１５を反リンク機構側からみた概略説明図。
【図６】針先合わせを試料室外から可能にする操作部（螺子回し部材）７２の他の態様を示す説明図。
【図７】針先合わせを試料室外から可能にする操作部（螺子回し部材）７２の他の態様を示す説明図。
【図８】３自由度マニピュレータの基本原理を示す説明図。
【図９】３自由度マニピュレータのリンク機構を示す平面図及び正面図。
【符号の説明】
【００６６】
１…対物レンズ、２…試料室、３…外筒、４…球形部、５…位置調整機構、７…中空軸、８…支持軸、１０…マニピュレータ、１１…３自由度モジュール、１２…針先合わせ機構、１３…第１の指片、１４…第２の指片、１５…ベース部材、１７…ホルダ（エンドエフェクタ）、１８…リンク機構、２７…リード線、３４…アクチュエータ（ピエゾ圧電素子）、３５…支持軸、３７，３７´…調整ねじ（押棒）、７２…針先合わせ操作部（螺子回し部材）、９５…リード線引出し孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子顕微鏡において、真空の試料室内で複数の指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータと、前記指片に上記微小な動きをさせるための駆動機構と、前記駆動機構への電力供給用及び電気信号検出用のリード線を試料室の内から外へ気密性を保持して引き出す手段と、前記駆動機構を電気的に制御する制御する制御手段と、試料室外からの操作により前記マニピュレータを光軸に対して位置合わせする位置調整機構と、試料台に載置された試料からの電子線情報による観察像を表示する表示手段とを備え、前記複数の指片のうちの一つ乃至複数を３自由度の動作が行えるようにしたことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
前記マニピュレータは、該マニピュレータを試料室外に出してその指片同士を粗動の針先き合わせ操作する第１の針先合わせ機構と、該マニピュレータを試料室内に入れた状態でその指片同士を試料室外から微小の針先合わせ操作する第２の針先合わせ機構とを備えている請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項３】
真空の試料室内で複数の針状指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータを備えた電子顕微鏡であり、前記マニピュレータは並進３自由度型であり、前記マニピュレータを光軸に対して位置合わせする位置調整機構と、試料室内にあるマニピュレータの微小な針先合わせを電子顕微鏡モニタを観察しながら外部から操作する針先合わせ機構と、前記マニピュレータを駆動するための電力供給用及び電気信号検出用のリード線を試料室の内から外へ気密性を保持して引き出すリード線引出し孔とを備え、前記位置調整機構，針先合わせ機構の操作部及び前記リード線引出し孔とが一つのフランジに集約的に配設され、このフランジが試料室の壁部の取付孔に気密封止により取り付けられていることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項４】
電子顕微鏡において、真空の試料室内で複数の針状指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータと、前記マニピュレータを光軸に対して位置合わせする位置調整機構と、前記マニピュレータの微小な針先合わせを行なう針先合わせ機構と、前記位置調整機構及び前記針先合わせ機構を試料室外部から操作する操作部とを備えてなることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項５】
前記マニピュレータは、２本の針状指片よりなり、一方の針状指片が並進３自由度モジュールに支持され、他方の針状指片が傾きを有する板ばねに支持され、この板ばねは、その背面に板ばねの傾き及び傾き方向を微調整する複数の調整螺子が押し当てられ、この調整螺子を試料室壁体を通した螺子回し部材により進退調整可能にし、この板ばね，調整螺子，螺子回し部材が前記針先合わせ機構の構成要素をなしている請求項２から４のいずれか１項記載の電子顕微鏡。
【請求項６】
前記２本の針状指片は、開き角度がほぼ２０°になるように設定してある請求項２から５のいずれか１項記載の電子顕微鏡。
【請求項７】
電子顕微鏡において、真空の試料室内で複数の針状指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータを備え、前記マニピュレータは、複数の指片のうちの一つ乃至複数を３自由度の動作が行える並進３自由度モジュールにより駆動されるようにし、前記並進３自由度モジュールは、指片を取り付けるホルダーと、このホルダーを支持するベース部材と、前記ホルダー，ベース部材の間を連結する回り対偶要素及び並進対偶要素を有する三つのリンク機構と、前記リンク機構に駆動力を与えるピエゾ圧電素子とよりなり、このピエゾ素子は、前記ベース部材に保持されて一部が前記リンク機構側に突出し、この突出先端部が前記並進対偶要素のうち前記ベースに対向する面に駆動力を加えるように接していることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項８】
前記ベース部材は、筒形をなし、この筒形ベース部材に軸方向に向けて前記ピエゾ圧電素子を内挿するための孔が形成され、前記リンク機構は、一対の対偶部材の間を薄肉部で連結することにより構成される二つの回転対偶と、一対の対偶部材の両端部間を一対の連結杆部によりそれぞれ薄肉部を介して連結して構成される二つの並進対偶を備え、各対偶を一つの平面上に配列させて３自由度の動作行わせる柔軟構造物として構成され、前記一対の並進対偶の間に前記ピエゾ圧電素子の受け面が形成されている請求項７記載の電子顕微鏡。
【請求項９】
前記ベース部材は、前記ピエゾ圧電素子から生じる電界をシールドするように構成されている請求項７又は８記載の電子顕微鏡。
【請求項１０】
前記ピエゾ素子は、試料室の壁体を介してアースされたベース部材に内挿されることで電磁シールドされている請求項９記載の電子顕微鏡。
【請求項１１】
電子顕微鏡において、真空の試料室内で複数の針状指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータを備え、前記マニピュレータは、少なくとも３自由度を有するモジュールにより駆動されるようにし、このモジュールのベースが試料室の壁体にアースされて取り付けられ、該モジュールを駆動するアクチュエータの少なくとも一部を前記ベースに内挿することで、前記アクチュエータから生じる電界をシールドしていることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項１２】
前記三つのリンク機構は光造形で加工するか、或いは、ワイヤーカットで加工してなる請求項７または８記載の電子顕微鏡。
【請求項１】
電子顕微鏡において、真空の試料室内で複数の指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータと、前記指片に上記微小な動きをさせるための駆動機構と、前記駆動機構への電力供給用及び電気信号検出用のリード線を試料室の内から外へ気密性を保持して引き出す手段と、前記駆動機構を電気的に制御する制御する制御手段と、試料室外からの操作により前記マニピュレータを光軸に対して位置合わせする位置調整機構と、試料台に載置された試料からの電子線情報による観察像を表示する表示手段とを備え、前記複数の指片のうちの一つ乃至複数を３自由度の動作が行えるようにしたことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
前記マニピュレータは、該マニピュレータを試料室外に出してその指片同士を粗動の針先き合わせ操作する第１の針先合わせ機構と、該マニピュレータを試料室内に入れた状態でその指片同士を試料室外から微小の針先合わせ操作する第２の針先合わせ機構とを備えている請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項３】
真空の試料室内で複数の針状指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータを備えた電子顕微鏡であり、前記マニピュレータは並進３自由度型であり、前記マニピュレータを光軸に対して位置合わせする位置調整機構と、試料室内にあるマニピュレータの微小な針先合わせを電子顕微鏡モニタを観察しながら外部から操作する針先合わせ機構と、前記マニピュレータを駆動するための電力供給用及び電気信号検出用のリード線を試料室の内から外へ気密性を保持して引き出すリード線引出し孔とを備え、前記位置調整機構，針先合わせ機構の操作部及び前記リード線引出し孔とが一つのフランジに集約的に配設され、このフランジが試料室の壁部の取付孔に気密封止により取り付けられていることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項４】
電子顕微鏡において、真空の試料室内で複数の針状指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータと、前記マニピュレータを光軸に対して位置合わせする位置調整機構と、前記マニピュレータの微小な針先合わせを行なう針先合わせ機構と、前記位置調整機構及び前記針先合わせ機構を試料室外部から操作する操作部とを備えてなることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項５】
前記マニピュレータは、２本の針状指片よりなり、一方の針状指片が並進３自由度モジュールに支持され、他方の針状指片が傾きを有する板ばねに支持され、この板ばねは、その背面に板ばねの傾き及び傾き方向を微調整する複数の調整螺子が押し当てられ、この調整螺子を試料室壁体を通した螺子回し部材により進退調整可能にし、この板ばね，調整螺子，螺子回し部材が前記針先合わせ機構の構成要素をなしている請求項２から４のいずれか１項記載の電子顕微鏡。
【請求項６】
前記２本の針状指片は、開き角度がほぼ２０°になるように設定してある請求項２から５のいずれか１項記載の電子顕微鏡。
【請求項７】
電子顕微鏡において、真空の試料室内で複数の針状指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータを備え、前記マニピュレータは、複数の指片のうちの一つ乃至複数を３自由度の動作が行える並進３自由度モジュールにより駆動されるようにし、前記並進３自由度モジュールは、指片を取り付けるホルダーと、このホルダーを支持するベース部材と、前記ホルダー，ベース部材の間を連結する回り対偶要素及び並進対偶要素を有する三つのリンク機構と、前記リンク機構に駆動力を与えるピエゾ圧電素子とよりなり、このピエゾ素子は、前記ベース部材に保持されて一部が前記リンク機構側に突出し、この突出先端部が前記並進対偶要素のうち前記ベースに対向する面に駆動力を加えるように接していることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項８】
前記ベース部材は、筒形をなし、この筒形ベース部材に軸方向に向けて前記ピエゾ圧電素子を内挿するための孔が形成され、前記リンク機構は、一対の対偶部材の間を薄肉部で連結することにより構成される二つの回転対偶と、一対の対偶部材の両端部間を一対の連結杆部によりそれぞれ薄肉部を介して連結して構成される二つの並進対偶を備え、各対偶を一つの平面上に配列させて３自由度の動作行わせる柔軟構造物として構成され、前記一対の並進対偶の間に前記ピエゾ圧電素子の受け面が形成されている請求項７記載の電子顕微鏡。
【請求項９】
前記ベース部材は、前記ピエゾ圧電素子から生じる電界をシールドするように構成されている請求項７又は８記載の電子顕微鏡。
【請求項１０】
前記ピエゾ素子は、試料室の壁体を介してアースされたベース部材に内挿されることで電磁シールドされている請求項９記載の電子顕微鏡。
【請求項１１】
電子顕微鏡において、真空の試料室内で複数の針状指片により微小試料を掴んで微小な回動、移動、開放動作が可能なマニピュレータを備え、前記マニピュレータは、少なくとも３自由度を有するモジュールにより駆動されるようにし、このモジュールのベースが試料室の壁体にアースされて取り付けられ、該モジュールを駆動するアクチュエータの少なくとも一部を前記ベースに内挿することで、前記アクチュエータから生じる電界をシールドしていることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項１２】
前記三つのリンク機構は光造形で加工するか、或いは、ワイヤーカットで加工してなる請求項７または８記載の電子顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２１６５７（Ｐ２００８−２１６５７Ａ）
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２００６７（Ｐ２００７−２２００６７）
【出願日】平成１９年８月２７日（２００７．８．２７）
【分割の表示】特願２０００−３８８７００（Ｐ２０００−３８８７００）の分割
【原出願日】平成１２年１２月２１日（２０００．１２．２１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００２３３５５０）株式会社日立ハイテクサイエンスシステムズ (112)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２７日（２００７．８．２７）
【分割の表示】特願２０００−３８８７００（Ｐ２０００−３８８７００）の分割
【原出願日】平成１２年１２月２１日（２０００．１２．２１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００２３３５５０）株式会社日立ハイテクサイエンスシステムズ (112)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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