(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子顕微鏡における光学要素または試料を操作するマニピュレータにおいて、操作対象部材（４）が固定された部材（１）に対し相対的に移動可能な伝動体（２）を介して取り付けられ、伝動体（２）が熱的に異方性の複合材を含み、より高い熱伝導率の方向が操作対象部材（４）と固定された部材（１）とを結ぶ結合軸線の方向に指向しているマニピュレータ。
【請求項２】
伝動体（２）が操作対象部材（４）と固定された部材（１）とを結ぶ結合軸線（Ｂ−Ｂ）の方向に負の熱膨張係数を有している請求項１に記載のマニピュレータ。
【請求項３】
複合材が繊維強化グラファイトである請求項１または２に記載のマニピュレータ。
【請求項４】
複合材が炭素繊維を含んでいる請求項３に記載のマニピュレータ。
【請求項５】
伝動体（２）の端部が傾斜面（３）を備え、傾斜面（３）は操作対象部材（４）と固定された部材（１）とを結ぶ結合軸線（Ｂ−Ｂ）の方向に対し傾斜しており、操作対象部材（４）がこの傾斜面（３）で面接触により取り付けられている請求項１から４までのいずれか一つに記載のマニピュレータ。
【請求項６】
固定された部材（１）へ熱を排出するため、他の部材（１４）が設けられ、伝動体（２）は傾斜面（３）とは逆の側の端部において前記他の部材（１４）に対し面接触している請求項１から５までのいずれか一つに記載のマニピュレータ。
【請求項７】
伝動体（２）を取り囲む金属スリーブ（８）が設けられている請求項１から６までのいずれか一つに記載のマニピュレータ。
【請求項８】
マニピュレータが真空密封部を有し、伝動体（２）がこの真空密封部を貫通して案内されている請求項１から７までのいずれか一つに記載のマニピュレータ。
【請求項９】
真空密封部の領域に伝動体（２）用の傾動支持部（１０）が設けられている請求項８に記載のマニピュレータ。
【請求項１０】
電子光学要素と請求項１から１０までのいずれか一つに記載のマニピュレータとを備えた電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学機器または粒子光学機器用マニピュレータ、特に電子顕微鏡における絞りマニピュレータまたは試料マニピュレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のマニピュレータは通常伝動体を有し、伝動体は機器ハウジングに取り付けられる部材に対し相対的に２つまたは３つの空間方向へ移動可能であり、一端に操作対象部材、たとえば操作対象である絞りを担持している。入射線により操作対象部材には常にエネルギーが供給され、その結果操作対象部材が加熱されるので、熱をハウジングの方向へ排出するために、伝動体は通常金属から構成されている。
【０００３】
これに対応する絞りまたは多重絞り用のマニピュレータはたとえば本出願人の透過型電子顕微鏡“LEO 912”または“LEO 922”から知られている。従来から電子顕微鏡用の絞りを、内側の硬金属と、硬金属を取り囲んでいる金属製の外側の層とから多層で高熱伝導率で製造することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭６１−０４８２４８号公報（ＪＰ８６０４８２４８）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱伝導性に優れた伝動体を使用しているにもかかわらず、加熱状態が残存し、そのためマニピュレータの個々の部材が熱膨張するので、たとえば絞りの熱的シフトが発生し、特に絞りにあたるエネルギー流が変化するときに発生する。このため、エネルギー流が変化した後に、接続した絞りの位置を後調整しなければならない。
【０００６】
そこで本発明の目的は、操作対象部材の熱的シフトがない、或いは、熱的シフトが少ないマニピュレータを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は光学機器または粒子光学機器用マニピュレータ、特に電子顕微鏡における絞りマニピュレータまたは試料マニピュレータであって、操作対象部材が固定された部材に対し相対的に移動可能な伝動体を介して受容され、伝動体が熱的に異方性の複合材を含み、より高い熱伝導率の方向が操作対象部材と固定された部材とを結ぶ結合軸線の方向に指向していることを特徴としている。
【０００８】
本発明によるマニピュレータでは、公知のマニピュレータの場合と同様に、操作対象部材は固定された部材に対し相対的に移動可能な伝動体を介して受容される。しかしながら伝動体は熱的に異方性の複合材を含んでおり、より大きな熱伝導率の方向は操作対象部材と固定された部材とを結ぶ結合軸線の方向を向いている。
【０００９】
少なくとも操作対象部材と固定された部材とを結ぶ結合軸線の方向で熱伝導率が高いことにより、操作対象物に発生する熱を非常に効率的に固定された部材へ排出させることができる。
【００１０】
同時に、伝動体は結合軸線の方向で小さなまたは負の熱膨張係数を有している必要がある。操作対象部材と固定された部材とを結ぶ結合軸線の方向での熱膨張係数が小さい、または負であることにより、残存性熱膨張（よって残存性熱的シフト）を非常に小さくさせることができ、しかも負の熱膨張係数の場合には、伝動体により他の構成要素の残存性熱膨張が部分的に補償される。
【００１１】
複合材に対し適している材料としては、有利には、ピッチをベースとした(pitch-based)繊維強化延伸グラファイト(orientierted Graphites)が考えられる。この場合繊維は炭素繊維であってよい。この種の材料はたとえばBP Amoco Polymers Inc.社により“6000X”，“7000X”，“8000X”のタイプの“ThermalGraph”なる名称で市販されている。
【００１２】
操作対象部材と固定された部材とを結ぶ結合軸線の方向における伝動体の熱伝導率は銅の熱伝導率よりも大きく、すなわち３７８Ｗ／ｍＫよりも大きく、有利には６００Ｗ／ｍＫよりも大きい必要がある。
【００１３】
本発明は、操作対象部材と固定された部材とを結ぶ結合軸線の方向で十分な熱伝導率が保証されていさえすれば、伝動体に対しては熱的に異方性の材料が考えられるという認識と、これに対して垂直な方向で熱伝導率が著しく小さくとも障害にはならないという認識とに基づいている。操作対象部材と固定された部材とを結ぶ結合軸線に対し垂直な方向での熱伝導率が小さく（これは熱絶縁体の小さな熱伝導率に比較しうる）、同時に結合軸線に対し垂直な方向での熱膨張係数が比較的大きければ、結合軸線の方向で熱膨張が負になる可能性がある。このため、操作対象部材と固定された部材とを結ぶ結合軸線の方向における複合材の繊維方向は特定の向きに方向付けされている必要がある。
【００１４】
操作対象部材から伝動体への効率的な熱伝導のためには、伝動体の一端が傾斜面を備え、傾斜面が操作対象部材と固定された部材とを結ぶ結合軸線の方向に対し傾斜している必要がある。また、操作対象部材はこの傾斜面で面接触により取り付けられている必要がある。傾斜面により、熱伝導に利用される面の十分な最適化が達成される。
【００１５】
熱を伝動体から固定された部材へ（よって機器ハウジングへ、または周囲へ）排出させるためには、伝動体が傾斜面とは逆の側の端部において面接触している他の部材を設ける必要がある。
【００１６】
さらに伝動体を少なくとも一部領域において取り囲む金属スリーブを設けてよい。このような金属スリーブを用いると、伝動体の材料の機械的耐荷重性が一部悪いために生じる機械的な問題を解消することができる。
【００１７】
特に電子顕微鏡のような粒子線機器、或いは、真空中で放射案内が行われる他のイオン放射機器のマニピュレータに対しては、マニピュレータが真空密封部を有し、伝動体がこの真空密封部を貫通して案内されている必要がある。この場合、伝動体または該伝動体と面接触している他の部材から機器ハウジングまたは周囲への熱の誘導排出は、真空領域の外側で空気により行うことができる。
【００１８】
真空密封部の領域に伝動体用の傾動支持部が設けられているので、伝動体は操作対象部材の運動に必要な自由度を有する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の更なる詳細を図面に図示した実施形態を用いて説明する。
【００２０】
図１と図２のマニピュレータは金属から成るマウント部材（１）を有し、該マウント部材（１）によりマニピュレータを装置ハウジングの壁に受容可能であり、たとえば電子顕微鏡の真空管に受容可能である。マウント部材（１）内には、炭素繊維複合材から成る棒状の伝動体（２）が移動可能に挿入されている。伝動体（２）は、マウント部材（１）とは逆の側の端部に、操作対象部材を担持している。操作対象部材は、図示した実施形態の場合絞り担持体（４）であり、絞り担持体（４）はその上に配置される３つの径が異なる絞り（５，６，７）を備えている。
【００２１】
伝動体（２）の材料は炭素繊維で補強した延伸グラファイトであり、たとえばBP Amoco Polymers Inc.社により“ThermalGraph 8000X”なる名称で市販されているものである。この材料は異方性の強い熱的特性を持っており、繊維方向においては熱伝導性が非常に大きく、熱伝導率は８００Ｗ／ｍＫであるのに対し、繊維方向に対し垂直な方向ではむしろ熱伝導性は小さく、熱伝導率は２０Ｗ／ｍＫである。同時にこの材料は繊維方向において−１．７ｐｐｍ／℃の負の熱膨張係数を持っているので、伝動体は加熱時に少なくとも繊維方向に収縮する。伝導体の熱伝導率は３７８Ｗ／ｍＫよりも大きく、有利には６００Ｗ／ｍＫよりも大きいことが望まれる。
【００２２】
伝動体の熱的特性に異方性があるので、熱伝動体の材料は次のように方向付けされ、すなわち複合材の繊維方向が操作対象部材（４）とハウジングに取り付けられる部材（１）とを結ぶ結合軸線（Ｂ−Ｂ）の方向と一致するように方向付けされる。
【００２３】
操作対象部材（４）と伝動体（２）との優れた熱的カップリングを達成するため、伝動体（２）は操作対象部材を取り付けている端部に傾斜面（３）を有している。すなわち、伝動体（２）の端部は傾斜していて、操作対象部材（４）とハウジングに取り付けられる部材（１）とを結ぶ結合軸線（Ｂ−Ｂ）と４５゜以下の傾斜角を成している。操作対象部材（４）は対応する傾斜面（１７）を有している。伝動体（２）と操作対象部材（４）とは結合軸線（Ｂ−Ｂ）に対し垂直に位置しているねじ（１８，１９）を介して互いにねじ止めされている。結合軸線（Ｂ−Ｂ）に対し垂直にねじ止めする代わりに、傾斜面（３，１７）に対し垂直にねじ止めさせてもよい。このように伝動体（２）に傾斜面（３）を設けたことにより、熱伝導率がより大きな方向、すなわち繊維方向で熱が伝動体に供給されるような拡大面が提供される。同時に、ねじ止め部を介して、伝動体（２）と操作対象部材（４）との間に優れた熱的カップリングと面結合とが達成される。
【００２４】
伝動体（２）は、操作対象部材（４）とは逆の側で、金属スリーブ（８）内に固定的に取り付けられている。この金属スリーブ（８）は以下に詳細に述べるマニピュレータ構造体によって生じる、伝動体（２）の繊維方向に対し垂直な方向を吸収する用を成すとともに、操作対象部材（４）とは逆の側で伝動体の端面を他の部材（２３）と結合させる用をも成す。このため金属スリーブ（８）は操作対象部材（４）とは逆の側にユニオンナット（１３）を備えたフランジを有している。ユニオンナット（１３）により部材（２３）は伝動体（２）の端面と面接触して保持される。
【００２５】
伝動体に供給され、繊維方向において伝動体の端面のほうへ伝えられる熱は、この端面を介して前記他の部材（２３）に供給され、そこから空気と板ばね（１６，２２）とを介して、および金属管の内部に収容されている骨状の部材（１４）を介してマウント部材（１）へ送られる。空気を介して放熱を行うには、前記他の部材（２３）が真空領域の外側にあることが必要である。それゆえ伝動体（２）の領域でも真空密封が行われる。
【００２６】
金属スリーブ（８）は傾動支点部（１０）を介してマウント部材（１）で可動に支持されている。金属スリーブ（８）はマウント部材（１）の内部においてコイル圧縮ばね（９）によって取り囲まれており、コイル圧縮ばね（９）自体もメタルベローズ（１２）により取り囲まれている。この場合コイル圧縮ばね（９）は、操作対象部材（４）とハウジングに受容されている部材（１）とを結ぶ結合軸線（Ｂ−Ｂ）の方向に復帰力を発生させるために用いる。結合軸線（Ｂ−Ｂ）の方向における操作対象部材（４）の微調整は操作ノブ（１５）を介して行う。操作ノブ（１５）は、ねじ山（２０）を介して、ねじ込みテーパにより骨状の部材（１４）を受容しているねじを把持している。操作ノブ（１５）を回転させると、ねじ山（２０）が突出して（延長）、骨状の部材（１４）が、そしてこの骨状の部材（１４）を介して伝動体（２）もコイル圧縮ばね（９）の力に抗して結合軸線（Ｂ−Ｂ）の方向に変位し、或いは、ねじ山がねじ込まれて（短縮）、コイル圧縮ばね（９）が金属スリーブ（８）を操作ノブ（１５）の方向へ押す。
【００２７】
結合軸線（Ｂ−Ｂ）の方向に対し垂直に絞り（５，６，７）を操作するため２つの他の調整ねじ（２１，２４）が設けられている。これらの調整ねじ（２１，２４）は結合軸線（Ｂ−Ｂ）の方向に対し垂直にマウント部材（１）に取り付けられ、それぞれねじ山を介して、骨状の部材（１４）を取り囲んでいる部材（２３）を押す。復帰力を発生させるため、マウント部材（１）と部材（２３）との間に２つの板ばね（１６，２２）が配置され、これらの板ばね（１６，２２）はそれぞれ部材（２３）が変位したときに復帰力を互いに垂直な方向に発生させる。
【００２８】
３つの絞り開口（５，６，７）のうちの１つを選択的に放射路内へ挿入するため、マウント部材（１）内にはさらにラッチ型段階駆動部が組み込まれている。１段階駆動すると、その都度絞り担持体は１区間だけ結合軸線（Ｂ−Ｂ）の方向へ移動する。この区間は２つの絞り開口（５，６，７）の中心間の間隔に相当している。
【００２９】
真空密封のため、コイル圧縮ばね（９）はメタルベローズ（１２）によって取り囲まれている。メタルベローズ（１２）は部材（２３）およびパッキンリング（２５）と真空気密に結合され、たとえば蝋付けされている。これによってメタルベローズ（１２）内には真空が存在し、他方メタルベローズ（１２）の外側では周囲圧力が支配している。パッキンリング（２５）は傾動支点部を保持している部分によってマウント部材（１）に締め付け固定されている。
【００３０】
図３には、一部を図示した電子顕微鏡と関連させて上述のマニピュレータが図示してある。電子顕微鏡はハウジングとして用いる放射管（３０）を有し、放射管（３０）内には電子光学要素、たとえば電子源、コンデンサレンズ、対物レンズ、投影レンズ、スチグマトールのような変位システム等が光軸（ＯＡ）に沿って収容されている。図３に図示した部分には、これら電子光学要素のうちただ１つの要素、すなわちマグネットレンズをその磁極片（３１）およびマグネットコイル（３２）とともに図示した。
【００３１】
放射管の内部には放射案内管（３３）が配置されている。放射案内管（３３）は電子の案内のために必要な真空をマグネットコイル（３２）に対して区画している。この放射案内管は、絞り（４）が配置される領域に真空拡張部を有し、すなわち真空領域が放射管（３０）の壁で区画されている拡幅領域（３４）を有している。真空拡張部のこの領域（３４）で絞りマニピュレータのマウント部材（１）が放射管（３０）を貫通する穴に取り付けられている。前記段階駆動部をオンにすることにより絞り担持体の絞り開口（５，６，７）のうちの１つを選択的に放射路内へ持ちきたすことができ、次に操作ノブ（１５，２１）を回転させることにより位置調整することができる。
【００３２】
マニピュレータの上述の構成により、電子線により絞り担持体（５）に生じた熱は非常に効率的に伝動体（２）を介して真空領域から放出され、前記他の部材（１４）と、次にこの他の部材（１４）を取り囲んでいる空気とを介してマウント部材（１）へ、そしてそこから放射管（３０）へ排出される。
【００３３】
同時に、結合軸線（Ｂ−Ｂ）の方向において、または図３では光軸（ＯＡ）に対し垂直な方向において伝動体（２）が負の膨張係数をもっているため、結合軸線（Ｂ−Ｂ）の方向における絞り担持体（４）の不可避の熱的膨張が部分的に補償される。
【００３４】
実験の結果、伝動体のために使用した複合材は高真空でもガスの著しい発生を示さず、それ故高真空でも問題なく使用可能であることが明らかとなった。
【００３５】
本発明を図面を用いて絞りマニピュレータを例にとりマニピュレータの有利な使用形態に関し説明したが、伝動体（２）に絞り担持体とは異なる適当な他の操作対象部材を取り付けることにより、マニピュレータは試料マニピュレータとして、または他のマニピュレータのためにも問題なく使用することができる。
【００３６】
図面に図示した実施形態を用いて本発明を手動マニピュレータを例にとって説明したが、操作運動用の電動駆動部を備えた電動マニピュレータとして構成しても有利である。これにより、たとえば電子顕微鏡においてマニピュレータ全体を柱体の内部に受容させることによってマニピュレータの運動構造体を操作対象部材のすぐ近くに配置することが可能になる。したがって操作対象部材（その位置は同時に熱的にも安定に保持される）と、熱的安定性を保証する点（図１と図２の手動マニピュレータにおいては操作ノブ（１５，２１）とねじ（２４）とによって駆動される部材）との間の距離を短くさせることができる。総じてこの短い距離によって高い熱的安定性を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】絞り保持体を例にして図示した本発明によるマニピュレータの断面図である。
【図２】図１のマニピュレータを図１に対し垂直な断面で示した図である。
【図３】絞り保持体としての本発明によるマニピュレータを備えた透過型電子顕微鏡の一部を示した図である。
【符号の説明】
１  固定された部材
２  伝動体
３  傾斜面
４  操作対象部材
８  金属スリーブ
１０  傾動支持部
１４  他の部材
【図１】
0004377145.tif 000002
【図２】
0004377145.tif 000003
【図３】
0004377145.tif 000004