(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピンホール領域に複数のピンホール螺旋列が形成されたピンホールアレイディスクとこ
のピンホールに励起光束を集光させるマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイディ
スクとを同軸結合し、センサレスブラシレスモーターにより回転させる構成の共焦点スキャナユニットであって、
前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクのいずれかに
前記ピンホール螺旋列の本数に等しい数の等ピッチのエンコーダパターンを形成し、
１つのエンコーダパターンにおける周方向の幅を他のエンコーダパターンと異ならせると共に、
回転センサから発生されるパルス信号における立ち上がり（又は立下り）エッジを読み、前記ピンホール螺旋列の走査位置に応じたトリガ信号を発生する走査同期パルス生成回路と、
前記回転センサから発生されるパルス信号におけるパルス幅を読み、前記幅の異なるエンコーダパターンの通過を検出して前記ニポウディスクの回転に応じたトリガ信号を発生する回転同期パルス生成回路と、
前記回転同期パルス生成回路から発生されるトリガ信号を計数し回転数設定部に保持された回転数指令値と比較するモーター制御部と、前記計数したトリガ信号と前記回転数設定部に保持された回転数指令値との偏差に基づいて前記ニポウディスクの回転が所定の回転速度となるように制御するモーター駆動部と、を備え、
前記センサレスブラシレスモーターを駆動する３相交流電圧のうちの１相の正弦波周波数を前記等ピッチのエンコーダパターンおよび回転数設定信号に基づいて発生する電気信号に同期させて回転させるようにしたことを特徴とする共焦点スキャナユニット。
【請求項２】
前記回転数設定信号が電圧入力であった場合は電圧周波数変換部により周波数に変換して前記センサレスブラシレスモーターを駆動することを特徴とする請求項１に記載の共焦点スキャナユニット。
【請求項３】
前記回転数設定信号が通信により設定された場合は、通信処理部により周波数に変換して前記センサレスブラシレスモーターを駆動することを特徴とする請求項１に記載の共焦点スキャナユニット。
【請求項４】
前記エンコーダパターンを前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクにおける外周部に形成したことを特徴とする請求項１に記載の共焦点スキャナユニット。
【請求項５】
前記エンコーダパターンを前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクにおける内周部に形成したことを特徴とする請求項１に記載の共焦点スキャナユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点顕微鏡に用いて好適な共焦点スキャナユニットに関し、低出力のブラシレスセンサレスモーターを使用して回転数精度を向上させ振動を低減した共焦点スキャナユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明が適用される共焦点顕微鏡は、レーザ光（以下、計測光）による試料上の集光点を走査し、試料からの戻り蛍光を結像させて画像を得ることにより試料を観察するもので、生物やバイオテクノロジーなどの分野おける生きた細胞の生理反応観察や形態観察、あるいは半導体市場におけるＬＳＩの表面観察等に使用されている。
【０００３】
はじめに共焦点顕微鏡について簡単に説明する。
図５は、従来の共焦点顕微鏡の構成例を示す機能ブロック図である。共焦点スキャナユ
ニット１は、顕微鏡ユニット２のポートに接続されている。計測光Ｌは、共焦点スキャナ
ユニット１のマイクロレンズアレイディスク１１に形成されたマイクロレンズにより個別
の励起光束Ｌ１に集光され、ダイクロイックミラー１２を透過後、ピンホールアレイディ
スク（以下、ニポウディスク）１３の個々のピンホールを通過し、顕微鏡ユニット２の対
物レンズ２１により、ステージ３上の試料４に集光される。
【０００４】
この励起光束Ｌ１の照射により、試料４が蛍光を発生する。試料４から出た戻り蛍光Ｌ
２は、再び対物レンズ２１を通り、ニポウディスク１３の個々のピンホール上に集光され
る。個々のピンホールを通過した戻り蛍光は、ダイクロイックミラー１２で反射され、リ
レーレンズ１４を介してカメラ５が備えるＣＣＤ素子５１の受光面に結像される。
【０００５】
マイクロレンズアレイディスク１１及びニポウディスク１３は、同軸結合され、モータードライバ１５により回転制御されるモーター１６により、所定の速度で回転駆動される。この回転によるニポウディスク１３上のピンホールの移動により、試料４上への集光点を走査している。
【０００６】
ニポウディスク１３のピンホールが並んでいる表面と、試料４の被観察面と、ＣＣＤ素
子５１の受光面とは互いに光学的に共役関係に配置されているので、ＣＣＤ素子５１には
試料４の光学的断面像、即ち共焦点画像が結像される。ニポウディスク方式の共焦点顕微
鏡の詳細に関しては、特許文献１に開示されている。
【０００７】
このような機能構成をとる共焦点顕微鏡において、ノイズの少ない安定した共焦点画像
を得るためには、ニポウディスクの回転を高精度に制御するとともに、ニポウディスクの
回転走査周期と、カメラの撮像周期を同期させる必要がある。
【０００８】
図５に示す装置では、ニポウディスク１３の回転をフォトセンサの如き回転センサ１７
により検出し、走査トリガ生成回路６によりニポウディスク１３の回転に応じたトリガ信
号を発生し、モータードライバ１５および撮像トリガ供給部７に供給している。
【０００９】
モータードライバ１５は、このトリガ信号を受け、ニポウディスク１３を所定の回転数で回転させるように、モーター１６を駆動する。
【００１０】
撮像トリガ供給部７は、トリガ信号からＣＣＤ素子５１の垂直転送時間を考慮した撮像
トリガ信号を生成して撮像制御部８に渡し、撮像制御部８は撮像トリガ信号に基づいて共
焦点画像を取得するカメラ５の撮像周期を制御する。
【００１１】
このように、回転センサ１７から得られるトリガ信号によりニポウディスクの回転速度
やカメラ５の撮像周期を制御すると、励起光束Ｌ１による試料の走査とカメラ５による共
焦点画像の撮像とを正確に同期させることができ、同期縞などのノイズのない、安定した
共焦点画像を得ることができる。
なお、共焦点スキャナユニットに関する先行技術として例えば下記の特許文献がある。
【００１２】
【特許文献１】特開平５−６０９８０号公報
【特許文献２】特開２００６−１４５６３４号公報
【００１３】
図６は、このようなトリガ信号を発生するために使用されるニポウディスク１３の一例
を示す構成図である。図６（ａ）は、ニポウディスク上に設けられたピンホール螺旋列の
位置に同期したパルス信号を得るものである。斜線で示すピンホール領域１３１には、複
数のピンホール螺旋列が形成されており、外周のエンコーダ領域１３２には、ニポウディ
スク１３の回転位置に応じたトリガ信号を発生するためのスリットが設けられている。図
に示す例は、２４列のピンホール螺旋列を有するもので、エンコーダ領域１３２の円周上
に２４個のスリットＳ１〜Ｓ２４が設けられている。
【００１４】
ここで、スリットＳ１〜Ｓ２４は等ピッチに形成されており、そのピッチは、１周（３
６０°）を２４で割った、１５°となっている。
したがって、回転センサからは、ニポウディスク１３の１回転につき、ピンホール螺旋
列の走査位置に応じた２４パルスのトリガ信号が得られ、撮像動作の同期制御に利用する
ことができる。
【００１５】
また、図６（ｂ）は、１回転あたりに１パルスのトリガ信号を発生する例を示したもの
である。エンコーダ領域１３２には、ニポウディスク１３における任意の基準位置に対応
したスリットＳ０が設けられている。
したがって、回転センサからは、ニポウディスク１３の１回転につき、１パルスのトリ
ガ信号が得られ、ニポウディスク１３の回転制御に利用することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
なお、ピンホール螺旋列の走査位置に応じた２４パルスのトリガ信号をニポウディスク
１３の回転制御に利用することも可能であるが、回転制御の絶対基準として、１回転１パ
ルスのトリガ信号も必要である。
【００１７】
ニポウディスク１３に２トラックのエンコーダ領域１３２を設け、１回転１パルスおよ
び１回転２４パルスのトリガ信号を同時に得ることも考えられるが、ニポウディスク１３
にはピンホール領域１３１の他に、アライメントマーク領域などがあり、広範囲のエンコ
ーダ領域１３２を確保することは難しい。
また、２トラックのエンコーダ領域１３２を読むために、回転センサの構成も複雑にな
ってしまう。
【００１８】
本発明は上記のような従来装置の欠点をなくし、１トラックのエンコーダ領域から２種
類のトリガ信号を得るとともに、低速時に誘起電圧が小さくなり、位置を検出ができにくい領域でも、正確な位置を把握することで、正弦波駆動を行い、滑らかな電流駆動で、低振動駆動することのできる共焦点スキャナユニットを簡単な構成により実現することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）ピンホール領域に複数のピンホール螺旋列が形成されたピンホールアレイディスクとこのピンホールに励起光束を集光させるマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイディスクとを同軸結合し、センサレスブラシレスモーターにより回転させる構成の共焦点スキャナユニットであって、
前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクのいずれかに
前記ピンホール螺旋列の本数に等しい数の等ピッチのエンコーダパターンを形成し、
１つのエンコーダパターンにおける周方向の幅を他のエンコーダパターンと異ならせると共に、
回転センサから発生されるパルス信号における立ち上がり（又は立下り）エッジを読み、前記ピンホール螺旋列の走査位置に応じたトリガ信号を発生する走査同期パルス生成回路と、
前記回転センサから発生されるパルス信号におけるパルス幅を読み、前記幅の異なるエンコーダパターンの通過を検出して前記ニポウディスクの回転に応じたトリガ信号を発生する回転同期パルス生成回路と、
前記回転同期パルス生成回路から発生されるトリガ信号を計数し回転数設定部に保持された回転数指令値と比較するモーター制御部と、前記計数したトリガ信号と前記回転数設定部に保持された回転数指令値との偏差に基づいて前記ニポウディスクの回転が所定の回転速度となるように制御するモーター駆動部と、を備え、
前記センサレスブラシレスモーターを駆動する３相交流電圧のうちの１相の正弦波周波数を前記等ピッチのエンコーダパターンおよび回転数設定信号に基づいて発生する電気信号に同期させて回転させるようにしたことを特徴とする共焦点スキャナユニット。
【００２０】
（２）前記回転数設定信号が電圧入力であった場合は電圧周波数変換部により周波数に変換して前記センサレスブラシレスモーターを駆動することを特徴とする（１）に記載の共焦点スキャナユニット。
【００２１】
（３）  前記回転数設定信号が通信により設定された場合は、通信処理部により周波数に変換して前記センサレスブラシレスモーターを駆動することを特徴とする（１）に記載の共焦点スキャナユニット。
【００２２】
（４）前記エンコーダパターンを前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクにおける外周部に形成したことを特徴とする（１）に記載の共焦点スキャナユニット。
【００２３】
（５）前記エンコーダパターンを前記ピンホールアレイディスクまたは前記マイクロレンズアレイディスクにおける内周部に形成したことを特徴とする（１）に記載の共焦点スキャナユニット。
【発明の効果】
【００２４】
このように、ピンホールアレイディスクまたはマイクロレンズアレイディスクのいずれ
かにピンホール螺旋列の本数に等しい数の等ピッチのエンコーダパターンを形成するとと
もに、１つのエンコーダパターンにおける周方向の幅を他のエンコーダパターンと異なら
せるようにすると、回転センサから発生されるパルス信号における立ち上がり（立ち下り
）エッジを読めば、ピンホール螺旋列の走査位置に応じたトリガ信号を得ることができ、
回転センサから発生されるパルス信号におけるパルス幅を読めば、ピンホールアレイディ
スクの回転に応じたトリガ信号を得ることができ、センサレスブラシレスモーターを駆動する３相交流電圧のうちの１相の正弦波周波数を前記等ピッチのエンコーダパターンおよび回転数設定信号に基づいて発生する電気信号に同期させて回転させるので、低速時の回転精度を得ることができる。
【００２５】
また、エンコーダ領域は１トラック分だけであるので、余分な領域を占有しないととも
に、エンコーダパターンを読み取る回転センサも簡単な構成のもので良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。
はじめに図２を用いて本発明の共焦点スキャナユニットで使用するピンホールアレイディスク（以下、ニポウディスク）の構成を説明する。図２において、前記図６と同様のものは、同一符号を付して示す。
【００２７】
ニポウディスク１３のエンコーダ領域１３２には、ピンホール螺旋列の本数に等しい数
の等ピッチのエンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２が形成されている。ここでは、ピンホール
螺旋列の本数が１２本の場合を例示しており、エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２のピッチ
は３０°となっている。
【００２８】
また、エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２のうち、１つのエンコーダパターンＰ１は、そ
の周方向の幅が他のエンコーダパターンＰ２〜Ｐ１２と異なるように形成されている。図
２の例では、ピッチに換算して１３°相当で、他のエンコーダパターンＰ２〜Ｐ１２より狭く形成されている。他のエンコーダパターンＰ２〜Ｐ１２における周方向の幅は、ピッチに換算して１５°相当である。
なお、エンコーダパターンＰ１には、ニポウディスク１３の基準位置に同期した位置の
パターンが好適である。
【００２９】
このような位置関係を有するエンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２では、各パターンの先端
位置を読めば、ピンホール螺旋列の走査位置に応じたトリガ信号を得ることができるとと
もに、各パターンの幅を読めば、１つだけ幅の狭いエンコーダパターンＰ１の通過を検出
することができ、ニポウディスク１３の回転に応じたトリガ信号を得ることができる。
【００３０】
図１は、このような共焦点スキャナユニットを使用した共焦点顕微鏡の一実施例を示す
構成図である。図において、前記図５と同様のものは、同一符号を付して示す。ニポウデ
ィスク１３は前記図２の如きエンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２を有するものであり、回転
センサ１７はこのエンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２を読み取り、パターンの有無に応じた
２値のパルス信号を発生する。
【００３１】
走査同期パルス生成回路６１は、回転センサ１７から発生されるパルス信号における立
ち上がり（立ち下り）エッジを読み、ピンホール螺旋列の走査位置に応じたトリガ信号を
発生する。このトリガ信号は、撮影トリガ供給部７に供給され、共焦点画像を取得するカ
メラ５の撮像周期信号として利用される。このトリガ信号は、ニポウディスク１３の１回転に対して１２パルス発生されるものである。
【００３２】
回転同期パルス生成回路６２は、回転センサ１７から発生されるパルス信号におけるパ
ルス幅を読み、幅の狭いエンコーダパターンＰ１の通過を検出して、ニポウディスク１３
の回転に応じたトリガ信号を発生する。
【００３３】
モータードライバ１５はモーター制御部６３ａ及びモーター駆動部６４ｂから構成されており、モーター制御部６３ａは、回転同期パルス生成回路６２から発生されるトリガ信号を計数し、これを回転数設定部６４に保持された回転数指令値と比較する。この偏差はモーター駆動部６４ｂに供給され、ニポウディスク１３の回転が所定の回転速度となるように制御される。
【００３４】
ところで、このようなニポウディスク方式の共焦点スキャナユニットでは、ホール素子センサ付きモーターにした場合は、サイズが大きくなり、ユニット内に収納できないため、低出力のセンサレスモーターを使用する必要がある。
【００３５】
従来のセンサレスモーター駆動は、誘起電圧をモニタしてローターの位置を推測して制御する１２０度通電駆動方式を取っていた。誘起電圧の大きさは回転速度に比例するので、低速時は誘起電圧が小さくなり、誤った回転位置を検出してしまう可能性があり、低速時の回転精度が得られない。また、１２０度通電駆動方式は矩形波電流駆動のため、電流の急峻な変動により、振動にも影響を与えていた。
【００３６】
本発明では図１に示すようにモーター駆動部６３ｂからセンサレスブラシモーター１６ａに供給される３相の誘起電圧の一つをモーター制御部６３ａにフィードバックし、位相を合わせて駆動する。図１では１相分の線のみを記載している。
【００３７】
図３（ａ〜ｄ）は回転数設定信号に対する各信号のタイミングを合わせた状態を示す説明図である。図３ａは回転数設定部６４からの設定信号、図３ｂは回転センサ（フォトセンサ）の信号、図３ｃは３相誘起電圧のうちの１相の誘起電圧、図３ｄは電流波形データを示しており、回転センサ（フォトセンサ）からの１回転１２パルスのエンコーダ信号とセンサレスブラシモーター１６ａの誘起電圧をモニタしてタイミングを測定しＴ１，Ｔ２，・・・，Ｔ１２に対して正弦波データとの位相を合わせて駆動させる。
【００３８】
このようにＴ１，Ｔ２，・・・，Ｔ１２に対して正弦波データとの位相を合わせて駆動すれば、ベクトル制御に比べて、内部処理の負担が軽減されて、回転数精度を上げることができる。この場合、回転数制御は外部からの回転数設定入力に対して、正弦波の振幅を制御し、フォトセンサの信号とのＰＬＬ制御で行なうものとする。
【００３９】
図４（ａ，ｂ）は回転数設定部からの信号が周波数入力とは異なる状態で入力された場合の処置を示す要部ブロック構成図である。図４中図１に示すものと同様なものは同一符号を付している。
図４ａは回転数設定部６４に電圧入力があった場合の対処を示すもので、ここでは、回転設定部とモーター制御部６３ａの間に電圧／周波数変換器６５を設けた例を示し、
また、図４ｂは回転数設定部６４に通信による設定がなされた場合の対処を示すもので、回転数設定部６４とモーター制御部６３ａの間に通信処理部６６と周波数発生部を設けた例を示している。
【００４０】
以上説明したように、本発明の共焦点スキャナユニットでは、１トラックのエンコーダ領域１３２（エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２）から２種類のトリガ信号を得ることができる。また、エンコーダ領域１３２は１トラック分だけであるので、ニポウディスク１３の表面に余分な領域を占有しないとともに、エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２を読み取る回転センサ１７も簡単な構成のもので良い。
【００４１】
なお、上記の説明においては、エンコーダ領域１３２（エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１
２）をニポウディスク１３の外周部に設けた場合を例示したが、エンコーダ領域１３２（
エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２）の位置はこれに限らず、ニポウディスク１３の内周部
であっても良い。
【００４２】
また、上記の説明においては、エンコーダ領域１３２（エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１
２）をニポウディスク１３側に設けた場合を例示したが、エンコーダ領域１３２（エンコ
ーダパターンＰ１〜Ｐ１２）は、ニポウディスク１３に同軸結合されたマイクロレンズア
レイディスク側に設けても良い。
【００４３】
さらに、エンコーダパターンＰ１〜Ｐ１２において、特定のパターンＰ１の幅を他のパ
ターンＰ２〜Ｐ１２よりも狭く形成した場合を例示したが、特定のパターンＰ１の幅を他
のパターンＰ２〜Ｐ１２よりも広く形成しても、同様の動作を行わせることができる。
【００４４】
また、上記の説明においては、エンコーダ領域１３２にエンコーダパターンを１２個設けた例について説明したが、ピンホール螺旋列の数が増減した場合はそれに合わせて増減される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の共焦点スキャナユニットを共焦点顕微鏡に適用した実施形態の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の共焦点スキャナユニットに使用されるピンホールアレイディスクの実施形態の一例を示す構成図である。
【図３】回転数設定信号に対する各信号のタイミングを合わせた状態を示す説明図である。
【図４】回転数設定が電圧入力であった場合の要部ブロック構成図（ａ）である。  回転数設定が通信によりなされた場合の要部ブロック構成図（ｂ）である。
【図５】従来の共焦点顕微鏡の構成例を示す機能ブロック図である。
【図６】ニポウディスクの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  共焦点スキャナユニット
２  顕微鏡ユニット
３  ステージ
４  試料
５  カメラ
６  走査トリガ生成回路
７  撮像トリガ供給部
８  撮像制御部
１１  マイクロレンズアレイディスク
１２  ダイクロイックミラー
１３  ピンホールアレイディスク（ニポウディスク）
１４  リレーレンズ
１５  モータードライバ
１６  モーター
２１  対物レンズ
５１  ＣＣＤ素子
６１  走査同期パルス生成回路
６２  回転同期パルス生成回路
６３ａ  モーター制御部
６３ｂ  モーター駆動部
６４  回転速度設定部
６５  電圧／周波数変換部
６６  通信処理部
６７  周波数発生部
１３１  ピンホール領域
１３２  エンコーダ領域
【図１】
0005176616.tif 000002
【図２】
0005176616.tif 000003
【図３】
0005176616.tif 000004
【図４】
0005176616.tif 000005
【図５】
0005176616.tif 000006
【図６】
0005176616.tif 000007