(57)【要約】  顕微鏡ステージ移動機構（１００）であって、ベッド（１０５）にしっかりと取り付けられた、又はベッド（１０５）に取り付け可能である駆動部（１１０）であって、駆動要素（１１４）の略直線運動を提供する駆動部（１１０）と、回動軸（Ａ−Ａ）周りの回動運動のために配置されたロッカー（１３０）であって、前記回動軸（Ａ−Ａ）が前記ベッド（１０５）に対して固定されており、前記ロッカーが、前記駆動要素（１１４）と直接的に係合可能であるように配置された第１の領域（１２２）、及び、前記第１の領域（１２２）から遠くにある第２の領域（１２４）を有する、ロッカー（１３０）と、前記ロッカーの前記第２の領域（１２４）と直接的に係合可能であるように配置された追従面（１３４）を有する追従部（１３０）であって、前記ステージの垂直方向移動可能部分に取り付けられた、又は取り付け可能である、追従部（１３０）と、を備えており、前記駆動要素（１１４）及び前記第１の領域（１２２）は、係合された場合に第１の接触点（Ｐ）において点接触を有し、前記第２の領域（１２４）及び前記追従面（１３４）は、係合された場合に第２の接触点（Ｐ）において点接触を有することを特徴とする顕微鏡ステージ移動機構（１００）が開示される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡ステージ移動機構（１００）であって、
ベッド（１０５）にしっかりと取り付けられた、又はベッド（１０５）に取り付け可能である駆動部（１１０）であって、駆動要素（１１４）の略直線運動を提供する駆動部（１１０）と、
回動軸（Ａ−Ａ）周りの回動運動のために配置されたロッカー（１３０）であって、前記回動軸（Ａ−Ａ）が前記ベッド（１０５）に対して固定されており、前記ロッカーが、前記駆動要素（１１４）と直接的に係合可能であるように配置された第１の領域（１２２）、及び、前記第１の領域（１２２）から遠くにある第２の領域（１２４）を有する、ロッカー（１３０）と、
前記ロッカーの前記第２の領域（１２４）と直接的に係合可能であるように配置された追従面（１３４）を有する追従部（１３０）であって、顕微鏡ステージの垂直方向移動可能部分に取り付けられた、又は取り付け可能である、追従部（１３０）と、
を備えており、
前記駆動要素（１１４）及び前記第１の領域（１２２）は、係合された場合に第１の接触点（Ｐ）において点接触を有し、
前記第２の領域（１２４）及び前記追従面（１３４）は、係合された場合に第２の接触点（Ｐ）において点接触を有することを特徴とする、顕微鏡ステージ移動機構（１００）。
【請求項２】
前記点接触の係合は、使用時に回転係合であることを特徴とする、請求項１に記載の顕微鏡ステージ移動機構（１００）。
【請求項３】
前記点接触は、前記駆動要素、前記第１の領域、前記第２の領域、又は、前記追従面の部品をそれぞれ形成する、向かい合った円筒形特徴又は略平坦な表面特徴及び向かい合った略球形状の表面特徴によって提供される、請求項１又は２に記載の顕微鏡ステージ移動機構（１００）。
【請求項４】
前記駆動部が、使用時に水平方向に配置された直線駆動モータであること、
前記駆動モータが、水平方向に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能であるステージ（ベッド）に取り付けられること、
前記駆動モータの出力は、前記駆動要素にしっかりと接続されること、
前記ロッカーの回動軸は、使用時に略水平になる（例えば、Ｘ平面に対して平行になる）こと、
前記ロッカーは、水平軸Ａ−Ａ周りで回動するためのボール又はローラー要素のベアリングに取り付けられること、
前記回動軸を原点とする、第１の接触点と第２の接触点との間の角度分離は９０°より小さいこと、又は、前記第１の接触点と前記第２の接触点との間の角度分離は９０°より大きいこと、
前記第２の領域は、前記ロッカーによって垂直方向の動きへ変換される、前記駆動部又は前記直線駆動部の水平方向の移動によって駆動される又は駆動可能である、前記ステージのサンプル取付部分等の前記ステージの前記垂直方向移動可能部分を支持すること、及び、
前記移動機構のモーメントアームは、前記移動機構の移動範囲全体に亘って実質的に調整されること、
のうち１つ又は複数が設けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の顕微鏡ステージ移動機構（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は顕微鏡ステージに関し、特に、そのような顕微鏡ステージの部品を１つ又は複数の方向に、例えばＺ方向における上下方向に移動するのに適切な移動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡ステージは一般的に、全ての運動軸に沿って非常に高い精度で且つ再現可能であるように要求される。通常、顕微鏡ステージは、３つの直交軸：Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を有し、これらの軸は、顕微鏡の光軸によって一般的に定義される。ほとんどの用途において、通常顕微鏡の光学要素に向かう動き又は光学要素から離れる動きである、Ｚ軸に沿った動きは、高分解能、例えば０．１０μｍ未満のステップ距離（step distance）と、高い再現性、例えば、Ｚ軸方向の同じ目標位置に対する複数回の到達における約０．２０μｍ未満の誤差とによって特徴付けられるべきである。さらに、顕微鏡システムは一般的に、Ｚ座標軸、Ｘ座標軸、及びＹ座標軸における動きの間のクロスカップリングを最小化させるように試みる。そのようなクロスカップリングは、撮像動作中に捕捉されたデータを歪ませる傾向があり、このような傾向は次いで、取得したデータの質及び有用性を減少させるからである。顕微鏡のスライドにおける一般的なＺ軸方向の走査は、Ｚ軸方向の総変位が１３μｍである場合に０．２０μｍ間隔で取得された６５地点で構成されることができる。さらに、Ｚ軸方向の移動量の合計は、様々な高さのサンプル取付部を収容するために、理想的には１０ｍｍ程度にすべきである。
【０００３】
その全体が参照によって本願に組み込まれる特許文献１及び２に例示されているように、従来のステージ技術によれば、従来の顕微鏡システムのステージは、傾斜構成における一連のリニアスライド（a series of linear slides）を利用する。スライド及び傾斜は、Ｚ軸の次元においてステージ上に配置された顕微鏡スライドを案内するように協働する。Ｚ軸方向の移動を生み出すように要求されたそのような複数のリニアスライド構成は、必然的に過度に拘束される。その結果、部品の公差、仕様、及び組立方法は、繰り返し可能な移動を実現するために非常に正確でなければならない。たとえそうであったとしても、摩擦力は、繰り返し可能な位置付けを損なう。
【０００４】
さらに、従来のシステムは通常、前述の仕様、公差、及び組立て要件から生じる付随の高いコストに関連している。例えば、６つの異なるリニアスライドと複数のカスタム加工プレート又はスライドマウントとは、従来のシステムにおいてＺ軸方向の移動を可能にするために必要になる場合がある。
【０００５】
上記の問題に対処するための１つのアプローチは、特許文献３（参照によって本願に組み込まれる）に示されており、この文献は、いくつかの動径成分（radial component）を有するが、少なくともＺ軸方向の移動を提供するための屈曲部を使用する。しかしながら、繰り返し可能で正確な移動を提供するための手段は、特許文献３で完全に対処されていない。顧客の期待は、サンプル取付領域への相対性のオープンサクセスのためのであり、そのようなオープン領域では、サンプルを調査するために使用される、サンプル取付領域と光学素子との間の妨げられない相対運動を可能にする。コンパクトで低コストの顕微鏡はまた、顧客の重要な要求である。画像解析の進歩により、３次元イメージングがより一般的である。比較的早く且つ繰り返し可能なＺ軸方向の移動は、高品質な３次元イメージングを提供するための能力を高める。発明者らは、ステージの移動のために使用された機構が、上記の問題及び顧客のニーズ／要求に対処するように改善されることができることを認識した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，７８１，７５３号
【特許文献２】米国特許第５，８１２，３１０号
【特許文献３】米国特許第７，７０５，３２３号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態の目的は、顕微鏡ステージ移動機構であって、水平方向の直線駆動部の動きを小さな垂直方向の空間内における垂直方向の位置付けに変換するために、略水平方向に位置付けられた直線駆動部であって、回動可能なロッカーアームを介して前記顕微鏡ステージの略垂直方向の動きを提供するように配置された直線駆動部によって顕微鏡サンプルステージの正確で、繰り返し可能な位置付け制御を与える、顕微鏡ステージ移動機構を提供することである。その目的は、可動部分の間の略回転運動を提供するように幾何学形状を有する、機構の好ましい特徴によって高められ、それによって、例えばローラーベアリングがより広く使用される場合、又は全体的なスライド要素が採用される場合に引き起こされる可能性があるランダムな位置付けエラーを最小化させることである。
【０００８】
本明細書に記載された機構の１つの利点は、回転運動が、繰り返し可能な再位置付けを提供する摩擦を減少させることである。さらに、低い摩擦は、摩耗を減少させ、より長期間にわたって、精度が維持される。
【０００９】
本発明の態様によれば、顕微鏡ステージ移動機構であって、
ベッドにしっかりと取り付けられた、又はベッドに取り付け可能である駆動部であって、駆動要素の略直線運動を提供する駆動部と、
回動軸周りの回動運動のために配置されたロッカーであって、前記回動軸が前記ベッドに対して固定されており、前記ロッカーが、前記駆動要素と直接的に係合可能であるように配置された第１の領域、及び、前記第１の領域から遠くにある第２の領域を有する、ロッカーと、
前記ロッカーの前記第２の領域と直接的に係合可能であるように配置された追従面を有する追従部であって、前記ステージの垂直方向移動可能部分に取り付けられた、又は取り付け可能である、追従部と、
を備えており、
前記駆動要素及び前記第１の領域は、係合された場合に第１の接触点において点接触を有し、
前記第２の領域及び前記追従面は、係合された場合に第２の接触点において点接触を有することを特徴とする、顕微鏡ステージ移動機構が提供される。
【００１０】
好ましくは、直線運動がおこる場合に、前記係合は回転係合（rolling engagement）である。
【００１１】
好ましくは、前記点接触は、前記駆動要素、前記第１の領域、前記第２の領域、又は、前記追従面の部品をそれぞれ形成する、向かい合った円筒形特徴又は略平坦な表面特徴及び向かい合った略球形状の表面特徴によって提供される。これらの特徴の位置付け及び寸法決めを考慮することは、それらの特徴の相対的な移動中に、第１の接触点及び第２の接触点の略完全な回転移動を可能にし、且つステージの垂直方向の持ち上げ中に、駆動部によって作用された力が略一定になることを可能にする。
【００１２】
好ましくは、前記駆動部が、使用時に水平方向に配置された直線駆動モータであること、
前記駆動モータが、水平方向に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能であるステージに取り付けられること、
前記駆動モータの出力は、前記駆動要素にしっかりと接続されること、
前記ロッカーの回動軸は、使用時に略水平になること、
前記ロッカーは、水平軸の周りで回動するためのボール又はローラー要素のベアリングに取り付けられること、
回動軸を原点とする、第１の接触点と第２の接触点との間の角度分離は９０°より小さいこと、又は、前記第１の接触点と前記第２の接触点との間の角度分離は９０°より大きいこと、及び、
前記第２の領域は、前記ロッカーによって垂直方向の動きへ変換される、駆動部又は直線駆動部の水平方向の移動によって駆動される又は駆動可能である、ステージのサンプル取付部分等のステージの垂直方向移動可能部分を支持すること、
のうち１つ又は複数が設けられる。
【００１３】
本発明のさらなる利点および利益は、以下の詳細な説明を考慮して当業者に容易に明らかになるであろう。
【００１４】
本発明は、添付された図面を参照してより詳細に記載されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】顕微鏡ステージ移動機構の実施形態の透視図を示す。
【図２】図１に示された実施形態の等角図を示す。
【図３ａ】異なる方向における図１及び図２の実施形態の側面図を示す。
【図３ｂ】異なる方向における図１及び図２の実施形態の側面図を示す。
【図３ｃ】異なる方向における図１及び図２の実施形態の側面図を示す。
【図４】顕微鏡ステージ移動機構のさらなる実施形態を示す。
【図５ａ】異なる方向における図４の実施形態の側面図を示す。
【図５ｂ】異なる方向における図４の実施形態の側面図を示す。
【図５ｃ】異なる方向における図４の実施形態の側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
顕微鏡ステージ移動機構の実施形態は、本発明の原理に従って以下に記載される。
【００１７】
図１は、模式的に示される、駆動本体１１２に駆動可能に接続された直線駆動モータ（linear drive motor）１１０を備える顕微鏡ステージ移動機構１００を示す。駆動本体１１２は、モータ１１０の影響下で、矢印Ｙの方向に自由に移動する。直線駆動モータ１１０は、例えば、「ＢＬＭＵＣシリーズ」という名称で、エアロテック社によって供給されるタイプであってもよい。駆動部はベッド１０５に固定されており、このベッド１０５は、Ｙ軸方向及びＸ軸方向において、この場合において水平方向において、独立して移動可能である顕微鏡ステージの部品であってもよい。駆動本体は、駆動要素１１４を含み、この場合において、円筒要素である。
【００１８】
この機構はロッカー（rocker）１２０をさらに含み、このロッカー１２０は軸Ａ−Ａ周りで回動可能である。直線駆動モータ１１０及び軸Ａ−Ａの両方は、前記ベッド１０５に対して固定される。ロッカー１２０は、円筒要素から形成された第１の領域及び第２の領域を有する。この機構１００はまた、追従部（follower）１３０を含む。この追従部は、模式的に示されるように、顕微鏡ステージ１３５のさらなる部分、例えばＺ軸方向に移動可能な、この場合において垂直方向に移動可能な、ステージのサンプル取付部分を支持してもよい。追従部１３０は、追従面１３４を含む。
【００１９】
使用時に、駆動モータ１１０は、適切な制御信号によって、矢印Ｙの方向に移動させる。次いで、このことは、駆動要素１１４を同一のＹ軸方向に移動させる。駆動要素１１４は、回動軸Ａ−Ａ周りのロッカーの動きを引き起こす、第１の領域１２２とロッカー１２０を直接的に係合する。次いで、その回動運動は、ロッカー１２０の第２の領域１２４を同様の方法で回動させ、次いで追従面１３４に作用し、同様にＺ軸方向に追従部１３０を駆動させる。それ故に、顕微鏡ステージ１３５は、Ｚ軸方向に、この場合において垂直方向に移動される。
【００２０】
図２は、図１に示されるように、同一の実施形態を示す。けれども、この図において、直線駆動モータ１１０は、駆動本体１１２の下に装着されるようにより詳細に示されており、回動ピン１２６は、ローラーベアリング１２８によって、ロッカー１２０を支持するために、その装着部と一緒に適所に示される。
【００２１】
図３ａ、図３ｂ、及び図３ｃはそれぞれ、図１に示された実施形態の同じ側面図を示す。図３ａにおいて、駆動要素１１４は右側まで延在されており、ロッカー１２０の回動並びに追従部１３０及びステージ１３５の持ち上げを引き起こす。モータ１１０を左側まで駆動させることは、図３ｂに示されるように、ステージ１３５を低下させるだろう。そして、モータ１１０を左側までさらに駆動させることは、ステージ１３５をさらに低下させる。
【００２２】
前述の図面において、駆動要素１１４、第１の領域１２２、第２の領域１２４、及び追従面１３４はそれぞれ、円筒形状のローラー又はその一部から形成されており、それらの各隣接する円筒軸が９０°とされるように配置される。それによって、点接触Ｐが得られる、つまり、１つの非常に小さな領域Ｐにおいて実質的に接触している。この接触点Ｐは、材料の線（線接触として知られている）又は平坦な表面間の接触が使用される接触と比較して、繰り返し可能な位置付けを提供する。さらに、図３ａ、図３ｂ、及び図３ｃにおいて最もよく示されるように、回動軸Ａ−Ａと接触点との間の角度αは、使用中、略一定のままである。この幾何学的関係、又はより正確には、円筒の直径及び回動軸Ａ−Ａに対する位置付けとの間の幾何学的関係の選択は、使用時に点接触の回転運動に導き、それによって、点接触における摩耗を最小化する。この場合において、角度αは、９０°より小さくなる。回転する点接触の結果として、駆動機構の正確性は、長時間の使用中も維持される。
【００２３】
図４は、図１、図２、及び図３に示される実施形態に類似の実施形態を示す。この実施形態において、顕微鏡ステージ移動機構２００は、ベッド１０５にしっかりと固定された直線駆動モータ２１０を有する。この直線駆動モータ２１０は、矢印Ｙの方向に駆動本体２１２を駆動させ、次いで駆動要素２１４を同じ方向に駆動させる。前述の実施形態に記載されるように、駆動要素２１４は、ロッカー２２０の第１の領域２２２に作用する。このＹ軸方向の移動は、回動軸Ａ−Ａ周りのロッカー２２０の回動を引き起こす。ロッカーは、ベッド１０５にも取り付けられた回動支持部２２８上の中間のローラーベアリング（図示せず）を有する回動軸２２６によって支持される。ロッカーは第２の領域２２４を有し、第２の領域２２４は、次いでステージ２３５の移動を引き起こす追従部２３０の追従面２３４に作用する。
【００２４】
図５ａ、図５ｂ、及び図５ｃはそれぞれ、図４の矢印Ｖの方向における移動機構２００の側面図を示す。図５ａにおいて、駆動要素２１４は、平坦な表面としてより明確に示されることができる。一方、ロッカーの第１の領域及び第２の領域は、球形状の表面を有し、追従面２３４はまた、平坦な表面である。しかしながら、平坦な表面と球形状の表面との組み合わせは、上記の利点を有する点接触Ｐをさらに提供する。この場合において、点接触、球の半径、及び回動軸Ａ−Ａに対するそれらの位置の幾何学的関係は、図５ａ、図５ｂ、及び図５ｃに示されるように、駆動位置全体に亘って、直線駆動モータ２１０に略一定の力の要求を提供する。接触点Ｐと軸Ａ−Ａとの間の角度αがこの実施形態において９０°より大きく、１８０°よりも大きいことに留意されるべきである。この力のモーメントは、示された幾何学的配置では一定のままである。
【００２５】
本発明は、本明細書に記載される実施形態によって限定されると見なされるべきではなく、当業者に容易に明らかであるように、添付された特許請求の範囲内で変更されることができる。例えば、移動機構１００又は２００は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能であるベッド１０５に取り付けられ、これにより、ベッドに取り付けられ、且つＺ軸方向に移動可能であるサンプル取付ステージも、この前記移動機構によって上下方向に駆動されることができることが想定される。しかしながら、移動機構１００又は２００がＸ軸方向及びＹ軸方向において移動可能であるステージを支持することができ、Ｚ軸方向におけるそのステージのさらなる移動を提供することができることは完全に可能である。移動機構１００及び２００の極めて重要な要素は、駆動要素及びロッカーの第１の領域、並びにロッカーの第２の領域および追従面によって提供される補完的な特徴である。これらの部品は、４４０Ｃ硬化鋼又はセラミック材料などの硬化材料から形成するのが最適である。駆動モータはリニアモータである必要はないが、直線運動又は直線運動に近似した動きを生成するべきである。例えば、ねじを駆動させる回転運動又はクランク機構は十分であるが、リニアモータ（linear motor）は、回転式駆動装置よりも少ない体積を必要とする可能性がある。Ｘ軸方向の動き、Ｙ軸方向の動き、及びＺ軸方向の動き、並びに水平方向の動き及び垂直方向の動きに対応する従来の関係を参照することが好ましい。ただし、動きを９０°変化させるように機構を採用することができるため、必ずしも垂直方向の移動を水平方向にする必要はない。約１０ｍｍの移動範囲をもたらすＺ軸方向の動きが好ましいが、良好な精度及び再現性を維持しながら、より多く、たとえば２５ｍｍ以下、たとえば２．５ｍｍの移動範囲が可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１００  顕微鏡ステージ移動機構、移動機構
１０５  ベッド
１１０  駆動モータ、直線駆動モータ
１１２  駆動本体
１１４  駆動要素
１２０  ロッカー
１２２  第１の領域
１２４  第２の領域
１２６  回動ピン
１２８  ローラーベアリング
１３０  追従部
１３４  追従面
１３５  顕微鏡ステージ、ステージ
２００  顕微鏡ステージ移動機構、移動機構
２１０  直線駆動モータ
２１２  駆動本体
２１４  駆動要素
２２０  ロッカー
２２２  第１の領域
２２４  第２の領域
２２６  回動軸
２２８  回動支持部
２３０  追従部
２３４  追従面
２３５  ステージ
【図１】
2021518581.tif 000003
【図２】
2021518581.tif 000004
【図３ａ】
2021518581.tif 000005
【図３ｂ】
2021518581.tif 000006
【図３ｃ】
2021518581.tif 000007
【図４】
2021518581.tif 000008
【図５ａ】
2021518581.tif 000009
【図５ｂ】
2021518581.tif 000010
【図５ｃ】
2021518581.tif 000011
【国際調査報告】
2021518581.tif 000012
2021518581.tif 000013
2021518581.tif 000014