(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料台を載せる試料ステージであって、
前記試料台を水平方向に移動させて、当該試料台の位置を調整する試料ステージ駆動機構と、
前記試料台の下に設けられ、一部が上下方向に移動する支持手段とを備え、
前記支持手段は、その一部が上方向に移動した状態において、当該支持手段の一部と前記試料台とが接触し、その一部が下方向に移動した状態において、当該支持手段の一部と当該試料台とが離間する試料ステージ。
【請求項２】
試料台を載せる試料ステージであって、
前記試料台を水平方向に移動させて、当該試料台の位置を調整する試料ステージ駆動機構と、
上下方向に自由度を有し、当該試料台と前記試料ステージを固定する弾性体と、
前記試料台の下に設けられ、一部が上下方向に移動する支持手段とを備え、
前記支持手段は、その一部が上方向に移動した状態において、当該支持手段の一部と前記試料台とが接触し、その一部が下方向に移動した状態において、当該支持手段の一部と当該試料台とが離間する試料ステージ。
【請求項３】
前記弾性体が板バネであることを特徴とする請求項２記載の試料ステージ。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか記載の試料ステージであって、
前記支持手段による一部の上下方向の移動動作を制御する制御手段を備え、
この制御手段は、前記支持手段の一部を上方向に移動した状態で保持する第１のモードと、前記支持手段の一部を上下方向への移動を繰り返させる第２のモードとを少なくとも実行し、
前記第１のモードにおいて、前記支持手段の一部が上方向に移動した状態では、当該支持手段の一部と前記試料台とが接触し、
前記第２のモードにおいて、前記支持手段の一部が上方向に移動した状態では、当該支持手段の一部と前記試料台とが接触し、
前記第２のモードにおいて、前記支持手段の一部が下方向に移動した状態では、当該支持手段の一部と前記試料台が離間する試料ステージ。
【請求項５】
請求項４記載の試料ステージを用いた顕微鏡であって、
前記第１のモードと前記第２のモードでの焦点のずれを合わせる焦点移動手段を備えることを特徴とする顕微鏡。
【請求項６】
請求項４記載の試料ステージであって、第１のモードと第２のモードとの間で試料高さを略同じにする試料高さ調整手段を備えたことを特徴とする試料ステージ。
【請求項７】
前記支持手段は、上下方向に伸縮する伸縮手段であることを特徴とする請求項１乃至４又は６いずれか記載の試料ステージ。
【請求項８】
前記伸縮手段が圧電素子であり、
当該圧電素子に電圧を印加することにより、当該圧電素子の伸縮が行われることを特徴とする請求項７記載の試料ステージ。
【請求項９】
請求項４又は６乃至８いずれか記載の試料ステージであって、
前記試料ステージ駆動機構を動作させる状態か否かを判別する判別手段を備え、
前記制御手段は前記試料ステージ駆動機構を動作させる状態であると判別した時は前記第２のモードを実行し、
前記試料ステージ駆動機構を動作させる状態にないと判別した時は前記第１のモードを実行することを特徴とする試料ステージ。
【請求項１０】
前記判別手段は前記試料ステージ駆動機構の静電容量の変化を検出することにより判別することを特徴とする請求項９記載の試料ステージ。
【請求項１１】
前記判別手段は商用電源の誘導を検出することにより判別することを特徴とする請求項９記載の試料ステージ。
【請求項１２】
前記判別手段は前記試料ステージ駆動機構の一部に流した電流の変化を検出することにより判別することを特徴とする請求項９記載の試料ステージ。
【請求項１３】
前記判別手段は前記試料ステージ駆動機構に加わる応力を測定することにより判別することを特徴とする請求項９記載の試料ステージ。
【請求項１４】
前記判別手段は前記試料ステージ駆動機構の周辺の光の遮蔽を検出する光学センサーにより判別することを特徴とする請求項９記載の試料ステージ。
【請求項１５】
前記支持手段における一部の上下方向の動作の繰り返し周波数が１５ｋＨｚ〜３０ｋＨｚであることを特徴とする請求項１乃至４又は６乃至１４いずれか記載の試料ステージ。
【請求項１６】
請求項１乃至４又は６乃至１５いずれか記載の試料ステージを用いた顕微鏡。
【請求項１７】
請求項１乃至４又は６乃至１５いずれか記載の試料ステージを用いた測定器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料ステージに関するものであり、特に顕微鏡に用いられる試料ステージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
顕微鏡の試料ステージには、試料の位置調整を行うためＸ、Ｙ方向の二方向に試料を移動する構造を有するものがある。従来技術による試料ステージの構造を図９を用いて説明する。図９は従来技術による試料ステージの分解斜視図である。２は試料台を載せるため最上段に配置された上テーブルである。３は上テーブルの下に配置された中テーブル、４は中テーブルの下に配置された下テーブルである。これらの３つのテーブルが試料ステージを構成している。上テーブルの下面と中テーブルの上面には一対のＸ軸直線運動軸受け５が設けられている。そして上テーブルの横に設けられたＸ方向位置調整ノブ７を回すことによりＸ軸直線運動軸受け５の位置がずれ、Ｘ方向の位置を調整ができる。また中テーブルの下面と下テーブルの上面には一対のＹ軸直線運動軸受け６が設けられている。Ｙ軸直線運動軸受け６は前記Ｘ軸直線運動軸受け５に対して直角に設けられている。そして中テーブル３の横に設けられたＹ方向位置調整ノブ８を回すことによりＹ軸直線運動軸受け６の位置がずれ、Ｙ方向の位置を調整ができる。これら２つの直線運動軸受けを設けることにより、水平に２方向の試料の移動が可能となり、位置調整をすることができる。そして試料ステージの中央の上に顕微鏡を設けることにより、試料台のほぼ全域での試料の観察が可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の試料ステージでは、直線運動軸受けおよびステージ構成部品の剛性が低い場合は設置環境の床振動等によって、試料が観察中に振動して観察が困難になるといった問題点があった。また振動を受けにくくするために剛性を高くすると、直線運動軸受けのがたがなくなり、試料ステージがスムーズに動かないという問題点が生じる。従って、外部の振動による位置変動が少ない試料ステージと、スムーズに移動できる試料ステージを一つの試料ステージで実現するのは困難であった。
【０００４】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動できる試料ステージ及びその試料ステージを用いた顕微鏡または測定器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる第１の試料ステージは、試料台を載せる試料ステージ（例えば、本発明の実施の形態における試料台９）であって、前記試料台を水平方向に移動させて、当該試料台の位置を調整する試料ステージ駆動機構（例えば、本発明の実施の形態におけるＸ軸直線運動軸受け５、Ｙ軸直線運動軸受け６、Ｘ方向位置調整ノブ７及びＹ方向位置調整ノブ８から構成される試料ステージ駆動機構）と、前記試料台の下に設けられ、一部が上下方向に移動する支持手段（例えば、本発明の実施の形態におけるピエゾアクチュエーター１）とを備え、前記支持手段は、その一部が上方向に移動した状態において、当該支持手段の一部と前記試料台とが接触し、その一部が下方向に移動した状態において、当該支持手段の一部と当該試料台とが離間するものである。これにより試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動させることができる。
【０００６】
本発明にかかる第２の試料ステージは、試料台を載せる試料ステージ（例えば、本発明の実施の形態における試料台９）であって、前記試料台を水平方向に移動させて、当該試料台の位置を調整する試料ステージ駆動機構（例えば、本発明の実施の形態におけるＸ軸直線運動軸受け５、Ｙ軸直線運動軸受け６、Ｘ方向位置調整ノブ７及びＹ方向位置調整ノブ８から構成される試料ステージ駆動機構）と、上下方向に自由度を有し、当該試料台と前記試料ステージを固定する弾性体（例えば、本発明の実施の形態における板バネ１０）と、前記試料台の下に設けられ、一部が上下方向に移動する支持手段（例えば、本発明の実施の形態におけるピエゾアクチュエーター１）とを備え、前記支持手段は、その一部が上方向に移動した状態において、当該支持手段の一部と前記試料台とが接触し、その一部が下方向に移動した状態において、当該支持手段の一部と当該試料台とが離間するものである。これにより試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動させることができる。
【０００７】
本発明にかかる第３の試料ステージは、本発明にかかる第２の試料ステージであって、前記弾性体が板バネであることを特徴とするのものである。これにより試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動させることができる。
【０００８】
本発明にかかる第４の試料ステージは、本発明にかかる第１乃至第３いずれかの試料ステージであって、前記支持手段による一部の上下方向の移動動作を制御する制御手段（例えば、本発明の実施の形態におけるピエゾアクチュエーターコントローラー１６）を備え、この制御手段は、支持手段の一部を上方向に移動した状態で保持する第１のモードと、支持手段の一部を上下方向への移動を繰り返させる第２のモードとを少なくとも実行し、前記第１のモードにおいて、前記支持手段の一部が上方向に移動した状態では、当該支持手段の一部と前記試料台とが接触し、前記第２のモードにおいて、前記支持手段の一部が上方向に移動した状態では、当該支持手段の一部と前記試料台とが接触し、前記第２のモードにおいて、前記支持手段の一部が下方向に移動した状態では、当該支持手段の一部と前記試料台が離間するものである。これにより試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動させることができる。
【０００９】
本発明にかかる顕微鏡は第４の試料ステージを用いた顕微鏡であって、前記第１のモードと前記第２のモードでの焦点のずれを合わせる焦点移動手段を備えるものである。これにより焦点位置の再調整が不要になり、操作性が向上する。
【００１０】
本発明にかかる第５の試料ステージは、本発明にかかる第４の試料ステージであって、前記第１のモードと前記第２のモードとの間で試料高さを略同じにする様、支持手段によって高さを調整することを特徴とするものである。これにより、焦点位置の再調整が不要になり、操作性が向上する。
【００１１】
本発明にかかる第６の試料ステージは本発明にかかる第１乃至５いずれかの試料ステージであって、前記支持手段は上下方向に伸縮する伸縮手段（例えば、本発明の実施の形態におけるピエゾアクチュエーター１）であることを特徴とするものである。これにより試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動させることができる。
【００１２】
本発明にかかる第７の試料ステージは本発明にかかる第４乃至６いずれかの試料ステージであって、前記試料ステージ駆動機構を動作させている状態か否かを判別する判別手段（例えば、本発明の実施の形態における静電容量検出器１４）を備え、前記制御手段は前記試料ステージ駆動機構を動作させている状態であると判別した時は前記第２のモードを実行し、前記試料ステージ駆動機構を動作させている状態にないと判別した時は前記第１のモードを実行することを特徴とするものである。これにより試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動させることができる。さらに操作性を向上させることができる。
【００１３】
本発明にかかる第８の試料ステージは、本発明にかかる第７の試料ステージであって、前記判別手段は前記試料ステージ駆動機構の静電容量の変化を検出することにより判別することを特徴とするものである。これにより試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動させることができる。さらに操作性を向上させることができる。
【００１４】
本発明にかかる第９の試料ステージは、本発明にかかる第７の試料ステージであって、前記判別手段は商用電源の誘導を検出することにより判別することを特徴とするものである。これにより試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動させることができる。さらに操作性を向上させることができる。
【００１５】
本発明にかかる第１０の試料ステージは、本発明にかかる第７の試料ステージであって、前記判別手段は前記試料ステージ駆動機構の一部に流した電流の変化を検出することにより判別することを特徴とするものである。これにより試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動させることができる。さらに操作性を向上させることができる。
【００１６】
本発明にかかる第１１の試料ステージは、本発明にかかる第７の試料ステージであって、前記判別手段は前記試料ステージ駆動機構に加わる応力を測定することにより判別することを特徴とするものである。これにより試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動させることができる。さらに操作性を向上させることができる。
【００１７】
本発明にかかる第１２の試料ステージは、本発明にかかる第７の試料ステージであって、前記判別手段は前記試料ステージ駆動機構の周辺の光の遮蔽を検出する光学センサーにより判別することを特徴とする請求項７記載の試料ステージ。するものである。これにより試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動させることができる。さらに操作性を向上させることができる。
【００１８】
本発明にかかる第１３の試料ステージは、本発明にかかる第１乃至１２いずれかの試料ステージであって、前記支持手段における一部の上下方向の動作の繰り返し周波数が１５ｋＨｚ〜３０ｋＨｚであることを特徴とするものである。これにより上下方向の動作による騒音を小さくすることができる。
【００１９】
本発明にかかる試料ステージは顕微鏡または測定器のいずれかに用いることが好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態１．
本実施の形態１にかかる試料ステージの構成を図１、図２に示す。図１は本実施の形態１にかかる試料ステージの分解斜視図である。１はピエゾアクチュエーター、２は上テーブル、３は中テーブル、４は下テーブル、５はＸ軸直線運動軸受け、６はＹ軸直線運動軸受け、７はＸ方向位置調整ノブ、８はＹ方向位置調整ノブ、９は試料台、１１は穴部、１２は長穴部、１３は開口部、１６はピエゾアクチュエーターコントローラーを示している。
【００２１】
まず本発明にかかる試料ステージの駆動機構について説明する。本発明にかかる試料ステージでは、Ｘ軸直線運動軸受け５、Ｙ軸直線運動軸受け６、Ｘ軸方向位置調整ノブ７、Ｙ軸方向位置調整ノブ８から試料ステージ駆動機構が構成される。上テーブル２は試料ステージの最上部に設けられており、その上に試料台９を載せる。その試料台９に載せられた試料を上から顕微鏡を用いて観察する。上テーブル２の下には中テーブル３が配置されており、上テーブル２の下面と中テーブル３の上面には一対のＸ軸直線運動軸受け５が設けられている。このＸ軸直線運動軸受け５をずらすためのＸ方向位置調整ノブ７が上テーブル２の横に設けられている。このＸ軸方向位置調整ノブ７を手で回すことにより、Ｘ軸直線運動軸受け５の位置がずれて、Ｘ軸方向に中テーブル３に対して上テーブル２を相対的に移動させることが可能となる。
【００２２】
そしてこの中テーブル３の下にはさらに下テーブル４が配置されており、中テーブル３の下面と下テーブル４の上面には一対のＹ軸直線運動軸受け６が設けられている。このＹ軸直線運動軸受け６はＸ軸直線運動軸受け５と直角に設けられている。このＹ軸直線運動軸受け６をずらすためのＹ方向位置調整ノブ８が中テーブル３の横の設けられている。このＹ軸方向位置調整ノブ８を手で回すことにより、Ｙ軸直線運動軸受け６の位置がずれてＹ軸方向に下テーブル４に対して中テーブル３を相対的に移動させることが可能となる
【００２３】
このように試料ステージを駆動させることによって試料台９はＸ、Ｙ方向に２自由度を持つ。従って平面方向の位置を調整できるようになる。そしてこの試料ステージの中央の上方に顕微鏡を設けることにより、試料台９のほぼ全域に渡って観察することができる。
【００２４】
次に試料ステージ駆動機構を有する試料ステージとピエゾアクチュエーター１との構成について説明する。伸縮手段であるピエゾアクチュエーター１は下テーブル中央付近に１つ設けられている。図１に示すように上テーブル２、中テーブル３、下テーブル４にはそれぞれ貫通孔が設けられている。ピエゾアクチュエーター１はこの貫通孔を通るように組み立てられる。よってピエゾアクチュエーター１と上テーブル２の上に配置されている試料台９の裏面が接触する。
【００２５】
図２に試料ステージの分解拡大斜視図を示し、さらに詳細に説明する。下テーブル４の中央部付近にはピエゾアクチュエーター１の径より若干大きい径の穴部１１が設けられている。また中テーブル３にはピエゾアクチュエーター１の径より若干大きい径の長穴部１２が設けられている。その長穴部１２は中テーブル３が移動する方向（本実施の形態ではＹ方向）に長くなっており、その長さは試料台３の長さより若干短くなっている。さらに上テーブル２には試料台９より若干小さい開口部１３が設けられている。試料ステージを上述の構造にすることにより、Ｘ、Ｙ方向に試料が移動しても、試料台９のほぼ全範囲で試料台９を押し上げることが可能となる。
【００２６】
次にピエゾアクチュエーター１の上下方向の伸縮及び試料台９の上下方向の動作を説明する。ピエゾアクチュエーター１は圧電素子であり電圧をかけることにより、その電圧に応じて上下方向に伸縮する。従ってその伸縮幅及び伸縮の繰り返し周波数を容易に設定することができる。操作者はピエゾアクチュエーターコントローラー１６を用いることによりピエゾアクチュエーター１に電圧を印加することができる。このピエゾアクチュエーターコントローラーは直流電圧を印加させることができ、その電圧を調整することができる。ここでピエゾアクチュエーター１に１０〜２０Ｖの直流電圧を印加するとピエゾアクチュエーター１の先端が数μm伸縮する。図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）にこのピエゾアクチュエーター１が伸縮している様子を示す。
【００２７】
図３（ａ）はピエゾアクチュエーター１に電圧を印加している状態を図示している。ピエゾアクチュエーター１にはその電圧により上方向に伸びる力が加わり、上方に伸びた状態になっている。そしてピエゾアクチュエーター１は試料台９を押し上げ、試料台９と上テーブル２が離間した状態で保持される。この状態では試料台９はアクチュエーター１の接触面と試料台９の裏面との摩擦で固定されることとなる。また試料台９の裏面及びピエゾアクチュエーター１の先端はほぼ平坦であるので、水平に押し上げることができる。
【００２８】
図３（ｂ）はピエゾアクチュエーター１に電圧を印加していない状態を図示している。ピエゾアクチュエーター１には伸びる力が加わっていないため、電圧を印加した状態に比べて縮んだ状態になっている。よってピエゾアクチュエーター１は試料台９と接触していない状態となる。従って試料台９は上テーブル２と接触している状態となる。
【００２９】
図３（ｃ）はピエゾアクチュエーター１に図３（ａ）の電圧より低い電圧を印加している状態を図示している。ピエゾアクチュエーター１には上方向に伸びる力が加わり、上方に伸びた状態になっている。しかしその力は図３（ａ）で加わっている力より小さく、伸び量が少ないため試料台９と上テーブル２は離間した状態とはなっていない。従って試料台９はピエゾアクチュエーター１及び上テーブル２の両方に接触した状態となっている。この状態を第１のモードとする。この第１のモードでは、試料台９はアクチュエーター１の接触面と試料台９の裏面との摩擦力及び試料台９の裏面と上ステージ２との摩擦力で固定される。
【００３０】
顕微鏡による試料観察時には、ピエゾアクチュエーターコントローラー１６を用いてピエゾアクチュエーター１に直流電圧を印加して、図３（ｃ）の第１のモードとする。すなわち試料台９はピエゾアクチュエーター１及び上ステージ２と接触し、これらの間に摩擦力が発生している状態となる。これにより、試料ステージの剛性が低く、設置環境の床振動等によって試料ステージが振動を受けても、試料台９が振動を受けにくくなる。さらにピエゾアクチュエーター１の材質をセラミックなどの剛性の高いものとすることにより、試料台９はより振動しにくくなる。よって試料の位置変動を少なくでき、観察を安定して行うことができる。
【００３１】
試料の位置調整時には、ピエゾアクチュエーターコントローラー１６を用いて、その印加電圧を０Ｖに切り替える。そうすることにより図３（ｂ）の試料台９とピエゾアクチュエーター１が離間した状態となる。この状態ではピエゾアクチュエーター１と試料台９の摩擦が生じなくなる。よって試料ステージをスムーズに移動させることができ、試料の位置決めを容易に行うことができる。従って、試料観察時と試料位置調整時とで印加する電圧を切り替えることにより、外部の振動による位置変動が少ない試料ステージと、スムーズに移動できる試料ステージを一つの試料ステージで実現することができる。
【００３２】
本実施の形態では位置調整時の印加する電圧を０Ｖとしたが、電圧は０Ｖに限らず図３（ｂ）に示す試料台９とピエゾアクチュエーター１が離間した状態を作り出すことができる電圧であればよい。例えば、低い電圧を印加することによって、接触しない程度の伸びを与えてもよい。さらには振幅の小さい交流電圧を与えてもよい。これらによっても同様の効果が得られる。
【００３３】
試料位置調整時での試料台９は図３（ｂ）の状態にある。従って試料位置調整時に顕微鏡のフォーカス位置変化がほとんどない。そのため試料台９が高さ方向にほとんど変化しない。よって試料を観察しながら、容易に位置を調整することができ、光学顕微鏡などの顕微鏡や測定器に用いることが好適である。
【００３４】
また試料観察時は図３（ｃ）の状態であり、試料位置調整時は図３（ｂ）の状態であるため試料台の高さがほとんど変化しない。よって試料位置調整時と試料観察時での試料に対する顕微鏡のフォーカス位置変化がほとんどなく、ステージ移動時とステージ静止時で焦点位置の再調整が不要になり、操作性が向上する。
【００３５】
本発明の実施の形態２．
図４に本発明の実施の形態２にかかる試料ステージの分解斜視図を示す。図１、図２で示した記号と同じ符号を付した構成は、図１又は図２と同一又は相当部を示すため説明を省略する。
【００３６】
本実施の形態２でも実施の形態１と同様に、Ｘ軸方向位置調整ノブ６とＹ軸方向位置調整ノブ８を手で回すことによりＸ、Ｙ方向に試料ステージの位置が調整でき、この試料ステージの中央の上に顕微鏡を設けることにより、試料台９のほぼ全域に渡って観察することができる。
【００３７】
実施の形態１とは、板バネ１０を用いて試料台９を上テーブル２に固定させた点で異なる。この板バネ１０は図４に示すように試料台の四隅に取り付けられ、上テーブル２に対してＸ、Ｙ方向に固定されている。また板バネ１０は弾性体であるため、わずかに上下方向（すなわちＺ方向）に対して自由度を持っており、試料台９もＺ方向に対して自由度を持つ。よって実施の形態１と同様にピエゾアクチュエーター１に電圧を印加することにより、図３（ｃ）に示すようにピエゾアクチュエーター１が伸びて、試料台９と接触する。試料台９はピエゾアクチュエーター１及び上ステージ２との間に摩擦力が発生している状態となる。さらに板バネ１０により抑えられている状態となる。
【００３８】
本実施の形態２でも実施の形態１と同様に、試料観察時にはピエゾアクチュエーター１に直流電圧を印加して試料台９を接触させる。ここでは、図３（ｃ）に示す状態とし、これを第１のモードとする。従って試料台９は下からピエゾアクチュエーター１により支持され摩擦力により固定される。さらに上から板バネ１０により抑えられている状態となる。これにより、試料ステージの剛性が低くても設置環境の床振動等によって受ける試料ステージの振動を、試料台９が受けにくい構造となる。またピエゾアクチュエーター１の材質をセラミックなどの剛性の高いものとすることにより、試料台９はより振動しにくくなる。従ってＸ、Ｙ、Ｚ方向のいずれに対しても試料の位置変動を少なくでき、観察を安定して行うことができる。
【００３９】
試料位置調整時には実施の形態１と同様に０Ｖ又は低い電圧を印加し、図３（ｂ）の状態とすれば同様の効果を得ることができる。従って顕微鏡や測定器に用いることが好適である。
【００４０】
また試料台９は板バネ１０を用いて上テーブル２に固定されており、この板バネ１０はＸ、Ｙ方向に対しては、ほとんど弾性を持たない。したがって試料台９のＸ、Ｙ方向及び回転方向に対しての変動を抑制することができる。
【００４１】
本実施の形態では試料台９は板バネ１０により固定されているため、試料観察時にはさらに高い電圧を印加し、図３（ａ）の状態としてもよい。この状態では試料台９はピエゾアクチュエーター１と接触し、この間に摩擦力が発生する。上から板バネ１０により抑えられている状態となる。これにより、試料ステージの剛性が低くても設置環境の床振動等によって受ける試料ステージの振動を板バネ１０が吸収し、試料台９が振動を受けにくい構造となる。またピエゾアクチュエーター１の材質をセラミックなどの剛性の高いものとすることにより、試料台９はより振動しにくくなる。従って同様の効果を得ることができる。さらに電圧の細かな調整が不要となる。
【００４２】
上述の場合は試料観察時と試料位置調整時で試料台９の高さが異なる。従って観察時と調整時で試料高さの違いによる焦点位置のずれを合わせる焦点移動手段を設けることが望ましい。例えば移動時と調整時で対物レンズを焦点を調整したり、試料台９に対する顕微鏡の高さを調整してもよい。これにより焦点の再調整が不要となり、操作性が向上する。
【００４３】
さらに板バネ１０は上下方向に弾性を持つため、試料台が傾いて押し上げられた場合でも四隅に設けられた個々の板バネ１０の伸縮により、その傾きを吸収することができる。これにより試料台９を水平に保つことが可能である。
【００４４】
これらの効果を得るために板バネ１０を設ける場所及び個数は、図４で図示した四隅に４個に限らず、任意の場所に少なくとも２個以上設ければよい。これにより試料台９を持ち上げた時の傾きを吸収することができ、試料台９を水平に保つことができる。
【００４５】
また試料台９と上テーブル２を固定するのは板バネ１０に限らず、バネ、ゴム等の弾性体であればよい。また固定する箇所は試料台９の上面でなくてもよい。従って図５に示すように、試料台９の下に適当な弾性係数を持つ弾性体のゴム１５を設けてもよい。これにより、試料ステージの剛性を高くしなくても設置環境の床振動等によって受ける試料ステージの振動をゴム１５が吸収し、試料台９が受けにくい構造となる。よって試料の位置変動を少なくでき、観察を安定して行うことができる。
【００４６】
本発明の実施の形態３．
本発明の実施の形態３は上述の実施の形態１、２の試料位置調整時に印加する電圧を変更したものである。従って図１、図２又は図４で示した記号と同じ符号を付した構成は、図１、図２又は図４と同一又は相当部を示すため説明を省略する。本実施の形態ではピエゾアクチュエーターコントローラー１６は直流電圧のみでなく，交流電圧を印加することができ、その振幅及び周波数を調整することができる。
【００４７】
なお本実施の形態３は実施の形態１で示した板バネ１０を備えない構成でも、実施の形態２で示した板バネ１０を備える構成でもよい。そして試料観察時は上述の実施の形態と同じであるため、その説明を省略する。
【００４８】
試料の位置調整時において、ピエゾアクチュエーターコントローラー１６を用いて、その印加電圧を直流電圧から交流電圧に切り替える。ピエゾアクチュエーター１はその電圧に応じて伸縮を繰り返す。従って図３（ｂ）、図３（ｃ）の状態を繰り返している。これを第２のモードとする。そうすることにより図３（ｂ）で示す試料台９とピエゾアクチュエーター１が離間した状態が発生する。この状態ではピエゾアクチュエーター１と試料台９の摩擦が生じなくなる。よって試料ステージをスムーズに移動させることができ、試料の位置決めを容易に行うことができる。従って、試料観察時と試料位置調整時とで印加する電圧を切り替えることにより、外部の振動による位置変動が少ない試料ステージと、スムーズに移動できる試料ステージを一つの試料ステージで実現することができる。
【００４９】
本実施の形態で交流電圧の振幅が大きい場合は、図３（ａ）に示すように試料台９を押し上げることとなり、図３（ａ）、図３（ｂ）の状態を繰り返すことになる。ここでその交流電圧の周波数を高くしていくと、試料台９の上下の動作がピエゾアクチュエーター１の伸縮動作より遅れることとなる。よってピエゾアクチュエーター１が縮んだ状態では試料台９がピエゾアクチュエーター１及び上テーブル２とも接触していない状態、すなわち図３（ｄ）に示すように宙に浮いている状態となることがある。従って、ピエゾアクチュエーター１と試料台９は図３（ｄ）の状態と図３（ａ）の状態を繰り返す。この場合では、図３（a）と図３（ｄ）を繰り返している状態が第２のモードとなる。これにより、交流電圧の振幅の調整を容易に行うことができる。また図３（ａ）の状態と図３（ｄ）の状態を繰り返させるために、ここではその交流電圧の周波数を１５〜３０ｋＨｚとした。この周波数では、ピエゾアクチュエーター１の上下方向の伸縮による騒音を少なくすることができる。
【００５０】
上述の実施例では、試料観察時に図３（ｄ）の試料台９とピエゾアクチュエーター１が離間した状態が発生する。従ってピエゾアクチュエーター１と試料台９の摩擦が生じなくなる。よって板バネ１０を備えていれば、試料ステージをスムーズに移動させることができ、試料の位置決めを容易に行うことができる。従って、試料観察時と試料位置調整時とで印加する電圧を切り替えることにより、外部の振動による位置変動が少ない試料ステージと、スムーズに移動できる試料ステージを一つの試料ステージで実現することができる。
【００５１】
上述の場合、試料観察時と試料位置調整時で試料台９の高さが異なる。従って観察時と調整時で試料高さの違いによる焦点位置のずれを合わせる焦点移動手段を設けることが望ましい。例えば移動時と調整時で対物レンズを焦点を調整したり、試料台９に対する顕微鏡の高さを調整してもよい。これにより焦点の再調整が不要となり、操作性が向上する。
【００５２】
また、試料位置調整時での試料に対する顕微鏡のフォーカス位置変化がほとんどないため、試料が高さ方向にほとんど変化しない。よって試料を観察しながら、容易に位置を調整することができる。従って光学顕微鏡などの顕微鏡に用いることが好適である。
【００５３】
発明の実施の形態４．
本実施の形態４にかかる試料ステージは、上述の実施の形態１、２、３の試料ステージの操作性を向上させたものである。実施の形態１、２、３では、ピエゾアクチュエーター１に印加する電圧の切り替えを、ピエゾアクチュエーターコントローラー１６を用いて手動で行っていた。本実施の形態４では、この電圧の切り替えを、試料ステージに設けられた検出器により自動的に行うものである。図６を用いて本実施の形態４にかかる試料ステージを説明する。図６は本実施の形態にかかる試料ステージの分解斜視図である。図１、図２又は図４で示した記号と同じ符号を付した構成は、図１、図２又は図４と同一又は相当部を示すため説明を省略する。図６では実施の形態３にかかる試料ステージに上述の印加電圧の自動切換手段を設けたものを図示したが実施の形態１、２にかかる試料ステージに本自動切換手段を設けても、同様の効果が得られる。
【００５４】
本実施の形態４では判別手段として静電容量検出器１４が設けられている点で異なる。静電容量検出器１４はＸ方向位置調整ノブ７及びＹ方向位置調整ノブ８と接続されている。その静電容量検出器１４はピエゾアクチュエーターコントローラー１６と接続されている。そしてピエゾアクチュエーターコントローラー１６はピエゾアクチュエーター１と接続されており、電圧を印加する。
【００５５】
試料位置調整時には、操作者がＸ方向位置調整ノブ７またはＹ方向位置調整ノブ８を手で回し、試料ステージを駆動させることとなる。試料観察時には操作者は試料台の位置が変動しないようにＸ方向位置調整ノブ７及びＹ方向位置調整ノブから手を離し、試料ステージを静止させる。従って位置調整時にはノブと操作者の手が接触することとなり、試料観察時にはノブと操作者の手が接触していないこととなる。
【００５６】
静電容量検出器１４を用いて、このＸ方向位置調整ノブ７及びＹ方向位置調整ノブの静電容量を観察しておく。操作者の手がＸ、Ｙどちらかのノブに触れている時は静電容量が変化するため、試料ステージが駆動しているか否かを判別することができる。これにより試料観察時か位置調整時かを判別することができる。そして操作者の手がどちらかのノブに触れ、位置調整時と判別した場合は、ピエゾアクチュエーターコントローラー１６はピエゾアクチュエーター１に交流電圧を印加すればよい。従ってピエゾアクチュエーター１は第２のモードの動作を行う。逆に操作者の手がどちらのノブに触れておらず、試料観察時と判別した場合は、ピエゾアクチュエーターコントローラー１６はピエゾアクチュエーター１に直流電圧を印加すればよい。従ってピエゾアクチュエーター１は第１のモードの動作を行う。
【００５７】
これにより操作者がピエゾアクチュエーターコントローラー１６を操作することなく第１のモードと第２のモードの切り替えを行うことができる。従って試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動できる試料ステージの操作性を向上させることができる。さらに操作性が向上する。
【００５８】
位置調整時と判別した場合は、実施の形態１又は２と同じようにピエゾアクチュエーターコントローラー１６はピエゾアクチュエーター１に０Ｖまたは低い電圧さらには振幅の小さい交流電圧を印加することも可能である。これにより図３（ｂ）の状態が第２のモードとなる。これにより同様の効果が得られる。
【００５９】
本実施の形態において、振幅の大きい交流電圧が印加されると第２のモードで図３（ａ）と図３（ｄ）を繰り返す。従って試料観察時と位置調整時で試料高さが異なり、焦点位置がずれてしまう。この焦点位置のずれを検出し、印加する交流電圧の振幅、周波数等を調整する回路をアクチュエーターコントローラー１６に設けることにより、ステージ移動時とステージ静止時で焦点位置の再調整が不要になり、操作性が向上する。
【００６０】
図６には静電容量検出器１４を用いて、電圧の自動切換えを行ったが、その他の電気的な方法で操作者の手とノブが接触しているかを検出してもよい。例えば商用電源の誘導を検出してもよいし、またノブに微弱電流を流しておき、操作者の手とノブが接触した時の電流の変化を検出してもよい。これらでも同様の効果を発揮することができる。
【００６１】
さらには上述の電気的な検出方法以外の検出方法で検出してもよい。例えば、ステージの駆動系の機構にかかっている応力をひずみゲージで測定することによって、応力の直流成分が増加したら操作者がノブを回していると判別してもよい。また操作者と位置調整ノブとの間にエリアセンサーなどの光学センサーを設け、センサーの光が遮られたら位置調整時と判別することもできる。また位置調整ノブの手前に扉を設けて、その扉の開閉によって判別してもよい。これらの方法でも同様の効果を発揮することができる。
【００６２】
その他の実施の形態．
上述の実施の形態では、ピエゾアクチュエーター１が試料台９と接触する面は平面として図示したが、図７に示すように凸型の球面としてもよい。さらには緩い凸型の球面であることが望ましい。これにより、ピエゾアクチュエーターが試料台に対して傾いて伸びた場合でも、その傾きを吸収することができ、試料台を水平に押し上げることができる。さらに試料台の裏面の材質を硬度の高いＳＫ材のような工具鋼やステンレス鋼としてもよい。これによりピエゾアクチュエーター１の伸縮による、試料台９の裏面の変形を抑えることができる。同様にピエゾアクチュエーター１の先端の接触部を硬度の高いＳＫ材のような工具鋼やステンレス鋼としてもよい。これによりピエゾアクチュエーター１の先端部の変形を抑えることができ耐久性を向上させることができる。
【００６３】
上述の実施の形態では、試料台９を押し上げる伸縮手段をピエゾアクチュエーター（圧電素子）としたが、ボイスコイル等の電磁的に伸縮する伸縮部材を用いても同様の効果を発揮することができる。またピエゾアクチュエーター１に印加する電圧又はその交流電圧の周波数、振幅を可変させる機構を設け、試料の重量等に応じて調整できるようにしてもよい。また交流電圧の波形は正弦波、矩形波又は鋸歯状波のいずれでもよく、またそれ以外の波形でも同様の効果を得ることができる。さらには交流電圧と直流電圧を重畳させても同様の効果を得ることができる。また伸縮手段でなくても、一部が上下方向に移動することによって試料台を押し上げる支持手段であってもよい。
【００６４】
上述の実施の形態では、ピエゾアクチュエーター１は試料ステージの中央部に一つのみ設けたが、図８のように３点で試料台９を支持することも可能である。これにより、個々のピエゾアクチュエーター１の高さをピエゾアクチュエーター１に印加する電圧を制御することにより調整することで、試料台９の水平を微調整することができる。さらにこの場合、試料ステージの中央付近にピエゾアクチュエーター１が存在しないので透過型顕微鏡を用いることも可能となる。またここで図示した３点以外にも任意の場所に複数のピエゾアクチュエーター１を設ければ、同様に水平を微調整することができる。また試料台の中央部付近にピエゾアクチュエーター１を設けなければ、透過型顕微鏡に用いることも可能となる。
【００６５】
上述の実施の形態では、試料の位置調整はＸ方向とＹ方向の位置調整ノブにより行うこととしたが、ノブに限らずレバー、つまみ又はダイヤル等を用いて位置調整を行ってもよい。さらにこれらのレバー、ダイヤル又はつまみ等に静電容量検出器等の検出器を設けて、直流電圧と交流電圧の印加を切り替えてもよい。また直角のＸ、Ｙ方向に限られず平面方向に位置調整をできればよい。例えば、直角でない２方向に直線運動軸受けを設け、位置調整ができるようにしてもよい。さらにｒ、θ方向に位置調整ができるようにしてもよい。この場合、円形の試料又は試料台に用いることが有用である。さらにはＸ方向またはθ方向の１自由度のみの駆動機構を有している試料ステージでもよい。
【００６６】
本発明にかかる試料ステージは手動で位置調整を行う顕微鏡に用いることが好適である。さらに試料ステージ駆動機構を有する光学顕微鏡、電子顕微鏡又はレーザー顕微鏡等いかなる顕微鏡にも用いることができる。また試料の寸法や高さを測定する顕微鏡に用いることも可能である。
【００６７】
また本発明にかかる試料ステージは自動で試料台位置の移動を行う顕微鏡、例えば走査型顕微鏡に用いることも可能である。この場合、試料ステージの駆動回路中に試料台位置の移動中か静止中かを判別する回路を組み込むことにより、同様の効果を得ることができる。
【００６８】
さらに本発明にかかる試料ステージは顕微鏡だけでなく、位置調整機能を備えるその他の観察機器、測定機器、分析装置、検査装置にも用いることも可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、試料観察時には試料位置が安定し、かつ試料をスムーズに移動できる試料ステージ及びそれを用いた顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる試料ステージの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる試料ステージの分解拡大斜視図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は本発明にかかる試料ステージの試料台とピエゾアクチュエーターとの接触部の断面拡大図である。
図３（ａ）はピエゾアクチュエーターが伸びて、押し上げた状態を示す図である。
図３（ｂ）はピエゾアクチュエーターが縮んだ状態を示す図である。
図３（ｃ）はピエゾアクチュエーターが伸びて、試料台と接触した状態を示す図である。
図３（ｄ）はピエゾアクチュエーターが高い周波数で伸縮して、試料台が宙に浮いた状態を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる試料ステージの分解拡大斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる別形態の試料ステージの断面拡大図である。
【図６】本発明の実施の形態４にかかる試料ステージの分解斜視図である。
【図７】本発明のその他の実施の形態にかかる試料ステージに用いられるピエゾアクチュエーターの先端部の拡大図である。
【図８】本発明のその他の実施の形態にかかる試料ステージのピエゾアクチュエーターの配置図である。
【図９】従来技術による試料ステージの分解斜視図である。
【符号の説明】
１  ピエゾアクチュエーター
２  上テーブル
３  中テーブル
４  下テーブル
５  Ｘ軸直線運動軸受け
６  Ｙ軸直線運動軸受け
７  Ｘ方向位置調整ノブ
８  Ｙ方向位置調整ノブ
９  試料台
１０  板バネ
１１  穴部
１２  長穴部
１３  開口部
１４  静電容量検出器
１５  ゴム
１６  ピエゾアクチュエーターコントローラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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