JP2011039603A - バックラッシュ算出装置、観察システム及びバックラッシュ算出プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ヒステリシス特性を有するセンサを用いる場合でも正確なバックラッシュ値を算出する。
【解決手段】バックラッシュ算出装置は、センサプレート３２３が正転方向Ｄ１に移動する際に原点センサ３２４がセンサプレート３２３に反応してから反応しなくなるまでのセンサプレート３２３の移動量を示す値Ｃに基づいて、原点センサ３２４の反応状態がＯＦＦからＯＮに切り替わる位置と中心位置との間の距離を示す値ｘと、原点センサ３２４の反応状態がＯＮからＯＦＦに切り替わる位置と中心位置との間の距離を示す値ｙとを算出し、センサプレート３２３が逆転方向Ｄ２に移動する際に原点センサ３２４がＯＦＦしてからＯＮするまでのセンサプレート３２３の移動量を示す値ｚと、算出されたｘ、ｙとに基づいて、バックラッシュ値を算出する。
【選択図】図７

Description

本発明は、バックラッシュ値を算出可能なバックラッシュ算出装置、観察システム及びバックラッシュ算出プログラムに関する。

アクチュエータから伝動機構を介して伝達される駆動力により移動部を直線的に移動させて目標位置に位置決めする機器においては、一般的に、アクチュエータの動作量（具体的には、アクチュエータに与える駆動パルス数、又は、アクチュエータの駆動軸に設けられたエンコーダの出力パルス数等）から移動部の位置を測定し、測定した位置（以下、測定位置）に応じてアクチュエータを制御することが行われている。

また、少なくとも一組の歯車を有する伝動機構を介して移動部を移動させる場合には、一組の歯車の回転方向を逆転させた際に、歯車の噛み合わせに遊びがある（すなわち、バックラッシュがある）ことにより駆動力が移動部に伝達されない現象（いわゆる、ロストモーション）が生じる。このようなロストモーションが生じると、移動部の測定位置と実位置（実際の位置）との間に誤差が生じてしまい、正確な位置決めができなくなる。

このため、バックラッシュにより生じる誤差を示すバックラッシュ値を予め取得しておき、アクチュエータの回転方向を逆転させるときにはバックラッシュ値の分だけアクチュエータの回転量を増やすようにバックラッシュ補正を行うことで、位置決め精度を改善する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

また、バックラッシュ値を算出する方法としては、移動部（テーブル部）周辺に設けたセンサ（非接触変位計）を用いて、移動部を所定軸上の正方向に移動させた際にセンサが移動部の被検出部分に反応した測定位置と、移動部を当該所定軸上の負方向に移動させる際にセンサがテーブル部の被検出部分に非反応となった測定位置との差分をバックラッシュ値として算出する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２２５８４３号公報

ところで、上記のようなセンサは、センサヒステリシスと呼ばれるヒステリシス特性を有することがある。このような場合には、移動部の被検出部分に対するセンサの反応状態が非反応（以下、ＯＦＦ）から反応（以下、ＯＮ）に切り替わる範囲（以下、ＯＮ領域）と、移動部の被検出部分に対するセンサの反応状態がＯＮからＯＦＦに切り替わる範囲（以下、ＯＦＦ領域）とが異なる。

しかしながら、従来のバックラッシュ算出方法においては、ＯＮ領域とＯＦＦ領域との違いを考慮せずにバックラッシュ値を算出しているため、当該差分にはセンサヒステリシス分の誤差も含まれてしまい、正確なバックラッシュ値を算出できない問題があった。また、センサヒステリシスは、温度変化に応じて変化し、且つ、センサと被検出部分との間の間隔の変化に応じて変化するため、センサヒステリシス分の誤差を取り除くことは困難である。

近年では、μｍオーダでの位置決め精度が要求されているが、不正確なバックラッシュ値に基づくバックラッシュ補正を行ったのでは、そのような要求に応えることができない。

そこで、本発明は、ヒステリシス特性を有するセンサを用いる場合でも正確なバックラッシュ値を算出できるバックラッシュ算出装置、観察システム及びバックラッシュ算出プログラムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有している。まず、本発明に係るバックラッシュ算出装置の特徴は、アクチュエータ（例えばＸ軸用アクチュエータ３５１）から伝動機構（例えばＸ軸用アーム部３２０及び歯車部３４０）を介して伝達される駆動力により一軸（例えばＸ軸）上で移動する移動部（例えばＸＹステージ３１０）に設けられた被検出部分（例えばＸ軸用センサプレート３２３）の実位置が所定の位置であることを検出するためのセンサ（例えばＸ軸用原点センサ３２４）の出力と、前記アクチュエータの動作量に応じて測定される前記被検出部分の移動距離とに基づいて、前記伝動機構で生じるバックラッシュ分の誤差を示すバックラッシュ値を算出するバックラッシュ算出装置（例えば制御ＰＣ１００）であって、前記センサが前記被検出部分に反応する範囲（例えばＯＮ領域）の中心位置を示す第１の値（例えばＰ０）と、前記被検出部分に対する前記センサの反応状態が非反応から反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第２の値（例えばａ）と、前記反応状態が反応から非反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第３の値（例えばｂ）とを記憶する記憶部（例えばメモリ１５０）と、前記被検出部分が前記一軸上で所定方向（例えば正転方向Ｄ１）に移動する際に前記センサが前記被検出部分に反応してから反応しなくなるまでの前記被検出部分の移動量を示す第４の値（例えばＣ）と、前記記憶部に記憶されている前記第１、第２及び第３の値とに基づいて、現時点での前記反応状態が非反応から反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第５の値（例えばｘ）と、現時点での前記反応状態が反応から非反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第６の値（例えばｙ）とを算出する第１の算出部（例えば算出部１４１）と、前記被検出部分が前記一軸上で前記所定方向の反対方向（例えば逆転方向Ｄ２）に移動する際に前記センサが前記被検出部分に反応しなくなってから反応するまでの前記被検出部分の移動量を示す第７の値（例えばｚ）と、算出された前記第５及び第６の値とに基づいて、前記バックラッシュ値を算出する第２の算出部（例えば算出部１４１）とを備えることを要旨とする。

このような特徴によれば、記憶部に記憶されている第２の値はＯＮ領域を反映しており、記憶部に記憶されている第３の値はＯＦＦ領域を反映している。すなわち、センサヒステリシス（ＯＮ領域及びＯＦＦ領域の違い）が考慮されている。

ただし、第２の値及び第３の値では、使用環境の変化（温度変化や、センサと被検出部分との間の間隔の変化）によるセンサヒステリシスの変化が反映されていない。このため、第１の算出部が、現時点でのＯＮ領域を反映した第５の値と、現時点でのＯＦＦ領域を反映した第６の値とを算出することで、センサヒステリシスの変化に対応可能にしている。

そして、第２の算出部が、現時点でのＯＮ／ＯＦＦ領域を反映した第５の値及び第６の値を用いて、バックラッシュ分の誤差を含む第７の値からバックラッシュ値を算出することで、正確なバックラッシュ値を算出できる。

本発明に係る観察システムの特徴は、上記の特徴に係るバックラッシュ算出装置によって算出された前記バックラッシュ値を記憶するメモリ（メモリ１５０）と、前記アクチュエータを制御する制御ユニット（例えば制御ユニット２００）と、前記アクチュエータと前記移動部と前記被検出部分と前記センサとを有し、観察対象物（例えば観察対象物３１）を観察するための観察装置（例えば観察装置３００）とを備え、前記移動部は、前記観察対象物が設置されるステージ部であり、前記所定の位置とは、前記ステージ部の移動基準となる原点位置であり、前記観察装置は、前記ステージ部を前記原点位置に復帰させる原点復帰動作を定期的に実行し、前記第２の算出部は、前記観察装置が前記原点復帰動作を行う度に前記バックラッシュ値を算出し、前記制御ユニットは、前記ステージ部を目標位置に移動させる位置決め動作において、前記ステージ部の移動方向が前記所定方向から前記反対方向に切り替わるときに、前記算出部によって算出された前記バックラッシュ値に応じて前記アクチュエータの回転量を調整することを要旨とする。

このような特徴によれば、定期的に行われる原点復帰動作の度にバックラッシュ値を算出することで、センサヒステリシスが変動しても、当該変動に対応可能になる。そして、位置決め動作においては、原点復帰動作時に算出されたバックラッシュ値を用いてバックラッシュ補正を行うことで、μｍオーダでの位置決め精度を実現できる。

本発明の特徴は、上記の特徴に係る観察システムにおいて、前記被検出部分は、前記被検出部分が前記所定方向へ移動するときに前記反応状態を非反応から反応に切り替えるための第１の端部（例えば端部３２３ａ１）と、前記被検出部分が前記所定方向へ移動するときに前記反応状態を反応から非反応に切り替え、前記被検出部分が前記反対方向へ移動するときに前記反応状態を非反応から反応に切り替えるための第２の端部（例えば端部３２３ａ２）とを有することを要旨とする。

このように被検出部分を構成することで、上記の特徴に係るバックラッシュ算出装置のバックラッシュ値算出処理に寄与することができる。

上記の特徴において、前記被検出部分は、前記第１の端部と前記第２の端部との間に位置し、前記センサが反応する領域（例えば先端部分３２３ａ）と、前記第２の端部に隣接し、所定の大きさを有する開口部（例えば開口部３２３ｂ）とを有する。

このように被検出部分を構成することで、上記の特徴に係るバックラッシュ算出装置のバックラッシュ値算出処理に寄与することができる。

本発明に係るバックラッシュ算出プログラムの特徴は、アクチュエータから伝動機構を介して伝達される駆動力により一軸上で移動する移動部に設けられた被検出部分の実位置が所定の位置であることを検出するためのセンサの出力と、前記アクチュエータの動作量に応じて測定される前記被検出部分の移動距離とに基づいて、前記伝動機構で生じるバックラッシュ分の誤差を示すバックラッシュ値を算出するバックラッシュ算出装置に、前記センサが前記被検出部分に反応する範囲の中心位置を示す第１の値と、前記被検出部分に対する前記センサの反応状態が非反応から反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第２の値と、前記反応状態が反応から非反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第３の値とを記憶部から取得する手順（ステップＳ３０７）と、前記被検出部分が前記一軸上で所定方向に移動する際に前記センサが前記被検出部分に反応してから反応しなくなるまでの前記被検出部分の移動量を示す第４の値と、記憶されている前記第１、第２及び第３の値とに基づいて、現時点での前記反応状態が非反応から反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第５の値と、現時点での前記反応状態が反応から非反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第６の値とを算出する手順（ステップＳ３０７）と、前記被検出部分が前記一軸上で前記所定方向の反対方向に移動する際に前記センサが前記被検出部分に反応しなくなってから反応するまでの前記被検出部分の移動量を示す第７の値と、算出された前記第５及び第６の値とに基づいて、前記バックラッシュ値を算出する手順（ステップＳ３１０）とを実行させることを要旨とする。

このような特徴によれば、ヒステリシス特性を有するセンサを用いる場合でも正確なバックラッシュ値を算出できるバックラッシュ算出プログラムが提供される。

本発明の特徴によれば、ヒステリシス特性を有するセンサを用いる場合でも正確なバックラッシュ値を算出できるバックラッシュ算出装置、観察システム及びバックラッシュ算出プログラムを提供できる。

本発明の実施形態に係る観察システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る観察システムの概略動作を示すフロー図である。 本発明の実施形態に係る観察装置の外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るＸＹステージを駆動する駆動系の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るＸ軸用センサプレート及びＸ軸用原点センサの詳細構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る観察システムの機能ブロック構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るバックラッシュ値算出処理中のＸ軸用センサプレートの動作を示す図である。 本発明の実施形態に係るバックラッシュ値算出処理を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る零点算出動作のフロー図である。 本発明の実施形態に係るタイムラプス観察動作のフロー図である。 本発明の実施形態の比較例を説明するための図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。具体的には、（１）観察システムの概要、（２）観察システムの構成、（３）バックラッシュ値算出処理、（４）観察システムの動作、（５）実施形態の効果、（６）その他の実施形態について説明する。

以下の実施形態における図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。

（１）観察システムの概要
図１は、本実施形態に係る観察システム１の概略構成を示す図である。

本実施形態では、観察システム１は、細胞等を培養しつつ定期的に撮像できる。このような定期的な撮像（例えば１時間毎の撮像）による観察は、「タイムラプス観察」と呼ばれる。

図１に示すように、観察システム１は、制御ＰＣ１００、制御ユニット２００及び観察装置３００を有する。制御ＰＣ１００と制御ユニット２００とはケーブル１０を介して接続され、制御ユニット２００と観察装置３００とはケーブル２０を介して接続される。

制御ＰＣ１００は、操作者からの操作を受け付け、各種の動作指令を制御ユニット２００に送信する。制御ＰＣ１００は、観察装置３００の動作に関する情報を制御ユニット２００から受信する。本実施形態において制御ＰＣ１００はバックラッシュ算出装置を構成する。

制御ユニット２００は、制御ＰＣ１００から受信する動作指令と、観察装置３００からフィードバックされる情報とに応じて観察装置３００を制御する。

観察装置３００は、観察対象物３１としての細胞等の生育状態を観察するために、細胞等の観察対象物３１を撮像し、撮像により得られた画像データを制御ユニット２００に送信する。制御ＰＣ１００は、制御ユニット２００を介して画像データ受信し、受信した画像データを保存したり、表示したりする。

観察装置３００は、温度及び湿度が一定に保たれたインキュベータ４００内の棚４０１上に設置される。観察装置３００は、観察対象物３１を撮像するための撮像光学系３８０を有する。観察装置３００は、撮像光学系３８０の光軸Ｚに直交する方向に沿って移動するＸＹステージ３１０を有する。ＸＹステージ３１０上には、観察対象物３１を含んだ容器３０が設置される。

なお、図１の例ではインキュベータ４００の棚４０１が１つのみであるが、観察装置３００の側方や上方にも棚４０１をさらに設けてもよい。また、インキュベータ４００内に複数台の観察装置３００を設置してもよい。

図２は、観察システム１の概略動作を示すフロー図である。

ステップＳ１１において、制御ＰＣ１００の専用ソフトウェアが起動し、制御ユニット２００及び観察装置３００の電源がオンし、観察システム１が起動する。ステップＳ１２において、自動イニシャル動作が行われる。具体的には、観察装置３００のフォーカス機構、ズーム機構、及びＸＹステージ３１０が初期化される。

そして、ＸＹステージ３１０上に容器３０が設置され（ステップＳ１３）、撮像が開始される（ステップＳ１４）。その際、制御ＰＣ１００のディスプレイ上には、撮像中の画像が表示される。

ステップＳ１５において、制御ＰＣ１００に対する操作者の操作に応じて、容器３０の観察対象物３１を探索する探索操作が開始される。操作者は、制御ＰＣ１００の矢印キーを操作することでＸＹステージ３１０を移動させ（ステップＳ１６）、観察対象物３１を確認する（ステップＳ１７）。なお、容器３０内には複数の観察対象物３１が存在することがある。

ステップＳ１８において、制御ＰＣ１００は、観察装置３００から制御ユニット２００を介して画像データを取得し、取得した画像データを保存する。また、操作者が観察対象物３１の座標（ＸＹ座標）を設定すると、制御ＰＣ１００は、設定された座標を保存する。

その後は、目的別に操作内容が分かれる。具体的には、観察の終了（ステップＳ１９）と、目視による観察継続（ステップＳ２０）と、タイムラプス観察（ステップＳ２１）とに分かれる。タイムラプス観察を行うときには、１つの以上の座標が制御ＰＣ１００に設定及び保存される。なお、タイムラプス観察についての設定を行う際には、画像取得時間や倍率等も設定される。

（２）観察システムの構成
次に、観察システム１の構成について、（２．１）観察装置の詳細構成、（２．２）観察システムの機能ブロック構成の順に説明する。

（２．１）観察装置の詳細構成
図３は、観察装置３００の外観を示す斜視図である。図４は、ＸＹステージ３１０を駆動する駆動系の構成を示す斜視図である。

図３に示すように、観察装置３００は、ＸＹステージ３１０の上方に配置される照明部３５０と、ＸＹステージ３１０の下方に配置される撮像部３６０とを有する。

図４に示すように、観察装置３００は、ＸＹステージ３１０をＸ軸に沿って移動させるためのＸ軸用アーム部３２０と、ＸＹステージ３１０をＹ軸に沿って移動させるためのＹ軸用アーム部３３０と、Ｘ軸用アーム部３２０を駆動する駆動力を発生させるＸ軸用アクチュエータ３５１と、Ｙ軸用アーム部３３０を駆動する駆動力を発生させるＹ軸用アクチュエータ３５２とを有する。Ｘ軸用アーム部３２０とＹ軸用アーム部３３０とは連結部３９０により連結される。

本実施形態では、Ｘ軸用アクチュエータ３５１及びＹ軸用アクチュエータ３５２としてパルスモータを使用する。パルスモータは、１つのモータパルスが入力される毎に所定角度回転し、入力されるモータパルス数により回転量が定まる。制御ＰＣ１００は、Ｘ軸用アクチュエータ３５１及びＹ軸用アクチュエータ３５２に入力されるモータパルス数に応じてＸＹステージ３１０の位置を測定できる。以下においては、モータパルス数に応じて測定されるＸＹステージ３１０の位置を「測定位置」と称する。

Ｘ軸用アクチュエータ３５１からの駆動力は歯車部３４０を介してＸ軸用アーム部３２０に伝達される。Ｘ軸用アーム部３２０は、歯車部３４０を介して伝達された駆動力によりＸＹステージ３１０をＸ軸に沿って移動させる。本実施形態において歯車部３４０及びＸ軸用アーム部３２０は伝動機構を構成する。

歯車部３４０は、Ｘ軸用アクチュエータ３５１の回転軸３５１ａに固定された歯車３４１と、スプラインシャフト３４３を保持するスプラインホルダ３４４に設けられた歯車３４２とを有し、歯車３４１と歯車３４２とが噛み合っている。Ｘ軸用アクチュエータ３５１の回転（具体的には、回転軸３５１ａの回転）によりスプラインシャフト３４３が回転する。

Ｘ軸用アーム部３２０においては、プーリ３２２ａとプーリ３２２ａとにＸ軸用タイミングベルト３２２が掛け渡されており、Ｘ軸用タイミングベルト３２２の回転によりスライド部３２５がリニアガイド３２１に沿ってスライドする。スライド部３２５には、Ｘ軸用センサプレート３２３が固定されている。連結部３９０には、Ｘ軸における原点位置に対応する位置にＸ軸用原点センサ３２４が固定されている。Ｘ軸用センサプレート３２３は、ＸＹステージ３１０の移動に伴い移動する。本実施形態においてＸ軸用センサプレート３２３は被検出部分を構成する。

Ｙ軸用アクチュエータ３５２の回転軸３５２ａにはプーリ３３２ａが固定され、プーリ３３２ａとプーリ３３２ｂとにＹ軸用タイミングベルト３３２が掛け渡されている。Ｙ軸用タイミングベルト３３２の回転により連結部３９０がリニアガイド３３１に沿ってスライドする。連結部３９０には、Ｙ軸用センサプレート３３３が固定されている。Ｙ軸における原点位置に対応する位置にＹ軸用原点センサ３３４が固定されている。本実施形態では、Ｘ軸用原点センサ３２４及びＹ軸用原点センサ３３４として静電容量センサを用いるものとし、センサヒステリシスを有しているものとする。

図５は、Ｘ軸用センサプレート３２３及びＸ軸用原点センサ３２４の詳細構成を示す図である。なお、Ｙ軸用センサプレート３３３及びＹ軸用原点センサ３３４は、Ｘ軸用センサプレート３２３及びＸ軸用原点センサ３２４とそれぞれ同様に構成されているため、以下においては、主にＸ軸用センサプレート３２３及びＸ軸用原点センサ３２４に関して説明する。

図５（ａ）はＸ軸用センサプレート３２３及びＸ軸用原点センサ３２４を上方から観た図であり、図５（ｂ）はＸ軸用センサプレート３２３及びＸ軸用原点センサ３２４を側方から観た図である。Ｘ軸用原点センサ３２４内にはセンサ素子３２４ａが配置されている。

Ｘ軸用センサプレート３２３はＸ軸に沿って配置される１枚の板である。Ｘ軸用センサプレート３２３は、先端部分３２３ａ、開口部３２３ｂ、及び主部分３２３ｃを有する。先端部分３２３ａ及び主部分３２３ｃはＸ軸用原点センサ３２４が反応する領域であり、開口部３２３ｂはＸ軸用原点センサ３２４が反応しない領域である。

開口部３２３ｂの大きさは、Ｘ軸用原点センサ３２４をＯＦＦ状態にさせるのに十分な大きさである。本実施形態では開口部３２３ｂは四角形の形状であるが、円形や切り込み等であってもよい。Ｘ軸方向における先端部分３２３ａの長さＬ１は規定値（すなわち、制御ＰＣ１００にとって既知の値）である。制御ＰＣ１００や制御ユニット２００は当該規定値を予め記憶している。このため、電源投入時に開口部３２３ｂがＸ軸用原点センサ３２４のＯＮ領域に位置していても、ＸＹステージ３１０をＸ軸上である程度移動させ、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態で規定値の長さに相当するパルス数がカウントされたときには、開口部３２３ｂがＸ軸用原点センサ３２４のＯＮ領域に位置していたことを特定できる。

先端部分３２３ａは、端部３２３ａ１（第１の端部）及び端部３２３ａ２（第２の端部）を有する。端部３２３ａ１は、Ｘ軸用センサプレート３２３が正転方向Ｄ１（第１の方向）へ移動するときにＸ軸用原点センサ３２４を非反応状態から反応状態に切り替え、Ｘ軸用センサプレート３２３が逆転方向Ｄ２（第２の方向）へ移動するときにＸ軸用原点センサ３２４を反応状態から非反応状態に切り替えるための部分である。端部３２３ａ２は、Ｘ軸用センサプレート３２３が正転方向Ｄ１へ移動するときにＸ軸用原点センサ３２４を反応状態から非反応状態に切り替え、Ｘ軸用センサプレート３２３が逆転方向Ｄ２へ移動するときにＸ軸用原点センサ３２４を非反応状態から反応状態に切り替えるための部分である。

（２．２）観察システムの機能ブロック構成
図６は、観察システム１の機能ブロック構成を示すブロック図である。

図６に示すように、制御ＰＣ１００は、ディスプレイ１１０、キーボード１２０、マウス１３０、制御部１４０、メモリ１５０、通信部１６０、及び出力部１７０を有する。

ディスプレイ１１０は画像を表示する。キーボード１２０及びマウス１３０は操作者からの操作を受け付ける。制御部１４０は例えばＣＰＵにより構成され、各種の制御を行う。メモリ１５０は、制御部１４０における制御に用いられる各種の情報を記憶する。制御部１４０は、バックラッシュ値を算出し、バックラッシュ補正を行う算出部１４１（第１の算出部及び第２の算出部）を有する。メモリ１５０は、算出部１４１が算出したバックラッシュ値を記憶する。通信部１６０は、制御ユニット２００との通信を行う。出力部１７０は、ディスプレイ１１０に画像データ等を出力する。

制御ユニット２００は、ＨＵＢ２１０、モータ制御部２２０、照明制御部２３０、及び電源回路２４０を有する。ＨＵＢ２１０は、モータ制御部２２０、照明制御部２３０及び電源回路２４０による制御ＰＣ１００との通信を可能にするためのものである。モータ制御部２２０は、観察装置３００内のモータ（アクチュエータ）を制御する。照明制御部２３０は、観察装置３００の照明部３５０を制御する。電源回路２４０は、観察装置３００に電力を供給する。

観察装置３００は、ＸＹステージ３１０、Ｘ軸用アクチュエータ３５１、Ｙ軸用アクチュエータ３５２、Ｘ軸用原点センサ３２４、Ｙ軸用原点センサ３３４、及び顕微鏡部３７０を有する。顕微鏡部３７０は、ＸＹステージ３１０上に設置された容器３０内の観察対象物３１を位相差観察するためのものであり、観察対象物３１に光を照射する照明部３５０と、観察対象物３１を撮像する撮像部３６０と、撮像光学系３８０のズーム制御を行うズーム部３６２と、撮像光学系３８０のフォーカス制御を行うフォーカス部３６３とを有する。

Ｘ軸用原点センサ３２４及びＹ軸用原点センサ３３４は、ＸＹステージ３１０の原点位置への復帰動作に使用される。Ｘ軸用原点センサ３２４及びＹ軸用原点センサ３３４は、バックラッシュ値の算出にも使用される。

（３）バックラッシュ値算出処理
次に、図７及び図８を用いて、バックラッシュ値算出処理について説明する。図７は、バックラッシュ値算出処理中のＸ軸用センサプレート３２３の動作を示す図である。図８（図８（ｂ）〜（ｄ））は、当該動作中に、算出部１４１が行う算出処理を説明するための図である。

図８（ａ）に示すように、バックラッシュ値算出処理に先立ち、バックラッシュが生じない状態で、常温にて、ＸＹステージ３１０を正転方向Ｄ１へ移動させた際にＸ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態になる位置（以下、ＯＮ位置）及びＯＦＦ状態になる位置（以下、ＯＦＦ位置）と、Ｘ軸用原点センサ３２４のＯＮ領域の中心位置である零点Ｐ０（第１の値）とを測定し、メモリ１５０に記憶させておくものとする。ここで、ＯＮ位置及びＯＦＦ位置は零点Ｐ０を基準としたモータパルスのカウント数として表される。なお、メモリ１５０が、既知のＯＮ位置Ｐ１に関する値”ａ”（第２の値）と、既知のＯＦＦ位置Ｐ４に関する”ｂ”（第３の値）とを記憶しているものとする。

図７（ａ）に示すように、制御部１４０は、ＸＹステージ３１０を正転方向Ｄ１へ移動させる。具体的には、制御部１４０は、ＸＹステージ３１０を正転方向Ｄ１へ移動させるための動作指令を制御ユニット２００に送信する。制御ユニット２００のモータ制御部２２０は、ＸＹステージ３１０を正転方向Ｄ１へ移動させる。なお、ＸＹステージ３１０の初期位置が原点位置よりも正転方向Ｄ１側である場合には、逆転方向Ｄ２側へＸＹステージ３１０を移動させ、その後、ＸＹステージ３１０を正転方向Ｄ１へ移動させる。

図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示すように、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態になると、制御部１４０は、さらにＸＹステージ３１０を正転方向Ｄ１へ移動させる。算出部１４１は、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態になったときにパルスカウントを開始し、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＦＦ状態になるまでのモータパルスの数をカウントする。すなわち、図８（ｂ）に示すように、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態になったときのＸＹステージ３１０（Ｘ軸用センサプレート３２３）の位置Ｐ１’から、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＦＦ状態になったときのＸＹステージ３１０（Ｘ軸用センサプレート３２３）の位置Ｐ４’までのモータパルスの数（以下、移動距離Ｃ）をカウントする。移動距離Ｃは、第４の値に相当する。

算出部１４１は、カウントした移動距離Ｃと、メモリ１５０に記憶されているＯＮ位置Ｐ１（値“ａ”）及びＯＦＦ位置Ｐ４（値“ｂ”）とから、実測値の（現時点の）ＯＮ位置Ｐ１’と零点Ｐ０との間のカウント数によって表される距離（以下、ｘとする）と、零点Ｐ０と実測値の（現時点の）ＯＦＦ位置Ｐ４’との間のカウント数によって表される距離（以下、ｙとする）とを算出する。ここで、値“ａ”は、既知のＯＮ位置Ｐ１と零点Ｐ０との間の距離を示し、値”ｂ”は、既知のＯＦＦ位置Ｐ４と零点Ｐ０との間の距離との間の距離を示す。

算出部１４１は、次の式（１）及び（２）に従ってｘ及びｙを算出する。

ｘ＝Ｃ×ａ／（ａ＋ｂ） …（１）
ｙ＝Ｃ−ｘ …（２）
ここでｘは第５の値に相当し、ｙは第６の値に相当する。算出部１４１は、算出したｘ及びｙと、メモリ１５０に記憶されているａ及びｂとから、次の式（３）に従って比例関係を判定する。

ｂ／ａ＝ｙ／ｘ …（３）
式（３）が成り立てば、算出した距離ｘ及び距離ｙと、メモリ１５０に記憶されている”ａ”及び”ｂ”とが比例関係にあると判定する。算出したｘ及びｙはメモリ１５０に記憶される。

ここで、一致ではなく比例関係を判定するのは、図８（ｄ）に示すようなＯＮ・ＯＦＦ領域の温度変化を考慮するためである。比例関係にないと判定された場合には、再度図７（ａ）の動作を繰り返し、改善しない場合には異常終了する。異常終了するときにはその旨をディスプレイ１１０上に表示させる。

図７（ｄ）に示すように、制御部１４０は、ＸＹステージ３１０を逆転方向Ｄ２へ移動させるための動作指令を制御ユニット２００に送信する。制御ユニット２００のモータ制御部２２０は、ＸＹステージ３１０を逆転方向Ｄ２へ移動させる。

Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態になると、算出部１４１は、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態になったときのＸＹステージ３１０（Ｘ軸用センサプレート３２３）の測定位置Ｐ２（図８（ｃ）参照）を算出する。具体的には、算出部１４１は、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＦＦ状態になったときのＸＹステージ３１０（Ｘ軸用センサプレート３２３）の位置Ｐ４’から、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態になったときのＸＹステージ３１０（Ｘ軸用センサプレート３２３）の位置Ｐ２までのモータパルスの数（以下、移動距離ｚとする）をカウントする。移動距離ｚは、第７の値に相当する。

図８（ｃ）に示すように、算出部１４１は、カウントした移動距離ｚと、メモリ１５０に記憶されているｘ及びｙとから、次の式（４）に従って、バックラッシュ値を算出する。

バックラッシュ値＝（ｙ−ｚ）−ｘ …（４）
ここで、（ｙ−ｚ）とは、図８（ｃ）に示す位置Ｐ２を表し、ｘとは、図８（ｃ）に示す位置Ｐ３を表している。

算出部１４１は、算出したバックラッシュ値をメモリ１５０に格納し、位置決め動作において、Ｘ軸用アクチュエータ３５１を逆転させるときには、本来の回転量よりもバックラッシュ値の分だけ回転量を増加させるバックラッシュ補正を行う。

（４）観察システムの動作
次に、観察システムの動作について、（４．１）零点及びＯＮ／ＯＦＦ位置算出フロー、（４．２）観察動作フローの順に説明する。

（４．１）零点及びＯＮ／ＯＦＦ位置算出フロー
図９は、零点Ｐ０及びＯＮ／ＯＦＦ位置を算出する動作のフロー図である。本フローは、例えば観察装置３００による観察開始前に実行される。

ステップＳ１０１において、スプラインシャフト３４３にＸ軸用アクチュエータ３５１を直結する。このようにすることで、歯車部３４０等で生じるバックラッシュを無視できるようになる。

ステップＳ１０２において、観察装置３００の電源を投入し、正転方向Ｄ１への原点復帰動作を開始する。

ステップＳ１０３において、制御部１４０は、ＸＹステージ３１０（Ｘ軸用センサプレート３２３）をＸ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態になるまで移動させる。Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態になると、算出部１４１は、モータパルスのカウントを開始する（ステップＳ１０３）。

ステップＳ１０５において、制御部１４０は、ＸＹステージ３１０（Ｘ軸用センサプレート３２３）をＸ軸用原点センサ３２４がＯＦＦ状態になるまで移動させ、算出部１４１は、モータパルスをカウントする。Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＦＦ状態になると、算出部１４１は、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態からＯＦＦ状態になるまでのモータパルスのカウント数をメモリ１５０に記憶させる。

ステップＳ１０６及びＳ１０７において、制御部１４０は、Ｘ軸用センサプレート３２３を逆転方向Ｄ２へＸ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態になるまで移動させ、算出部１４１は、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＦＦ状態からＯＮ状態になるまでのモータパルスをカウントする。

ステップＳ１０８において、算出部１４１は、メモリ１５０に記憶されている、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態からＯＦＦ状態になるまでのモータパルスのカウント数と、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＦＦ状態からＯＮ状態になるまでのモータパルスのカウント数との差分を算出し、算出した差分を１／２することで零点Ｐ０を算出する。算出部１４１は、零点Ｐ０をメモリ１５０に格納する。さらに、算出部１４１は、零点Ｐ０を基準とした、Ｘ軸用原点センサ３２４のＯＮ位置Ｐ１を示す値ａと、零点Ｐ０を基準とした、ＯＦＦ位置Ｐ４を示す値ｂとをメモリ１５０に格納する。

なお、図８（ｄ）に示すように、温度変化等でＸ軸用センサプレート３２３とＸ軸用原点センサ３２４との間の間隔が変わることで、センサヒステリシスも変わることになるが、零点Ｐ０は変化しない。

（４．２）観察動作フロー
図１０は、観察動作フローのフロー図である。ここでは、タイムラプス観察を行う際のフローについて説明する。

ステップＳ３０１において、制御ＰＣ１００の専用ソフトウェアが起動し、制御ユニット２００及び観察装置３００の電源がオンし、観察システム１が起動する。

ステップＳ３０２において、観察装置３００は、原点復帰動作を開始する。その際、制御部１４０は、Ｘ軸用原点センサ３２４のＯＮ／ＯＦＦ判定を行う（ステップＳ３０３）。制御部１４０は、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態であればＯＦＦするまで逆転方向Ｄ２へＸＹステージ３１０を移動させ、その後、ＯＮするまで正転方向Ｄ１へＸＹステージ３１０を移動させる。一方、制御部１４０は、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＦＦ状態であればＯＮするまで正転方向Ｄ１へＸＹステージ３１０を移動させる。

ステップＳ３０４において、制御部１４０は、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わるまで正転方向Ｄ１へＸＹステージ３１０を移動させる。そして、制御部１４０は、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＮ状態での移動量がＸ軸用センサプレート３２３の先端部分３２３ａの長さＬ１を超えたか否かを判定する。

超えない場合には、ステップＳ３０７において制御部１４０は、零点Ｐ０を基準に左右のＯＮ／ＯＦＦ位置（すなわち、“ｘ”及び“ｙ”）を算出し、事前のＯＮ／ＯＦＦ位置（すなわち、“ａ”及び“ｂ”）と比較して、比例関係を判定する。算出した左右のＯＮ／ＯＦＦ位置と事前のＯＮ／ＯＦＦ位置とが大きく異なる場合、異常終了する（ステップＳ３０８）。算出した左右のＯＮ／ＯＦＦ位置と事前のＯＮ／ＯＦＦ位置と比例関係にある場合には、制御部１４０の算出部１４１は、図８で示した方法及び式（４）の計算式でバックラッシュ値を算出する（ステップＳ３１０）。

ステップＳ３１２において、制御部１４０は、Ｘ軸用原点センサ３２４がＯＦＦ状態になるまで逆転方向Ｄ２へＸＹステージ３１０を移動させ、その後、正転方向Ｄ１へＸＹステージ３１０を移動させて、原点位置で待機させる。

ステップＳ３１４において、制御部１４０の算出部１４１は、算出したバックラッシュ値を用いたバックラッシュ補正を行う。

なお、ステップＳ３０６、ステップＳ３０９、ステップＳ３１１、ステップＳ３１３のモータパルスカウントの処理は、測定位置の計算のために行われる処理である。

本フローのように、観察装置４００は、ＸＹステージ３１０を原点位置に復帰させる原点復帰動作を定期的に実行し、算出部１４１は、観察装置４００が原点復帰動作を行う度にバックラッシュ値を算出し、位置決め動作において、算出したバックラッシュ値を用いたバックラッシュ補正を行う。

（５）実施形態の効果
次に、比較例を挙げて、本実施形態によって得られる効果を説明する。図１１は、本実施形態の比較例を説明するための図である。比較例においては、Ｘ軸用原点センサ３２４を用いて、Ｘ軸用センサプレートが正転方向Ｄ１へ移動するときにＸ軸用原点センサ３２４がＯＮした測定位置と、Ｘ軸用センサプレートが逆転方向Ｄ２へ移動するときにＸ軸用原点センサ３２４がＯＦＦとなった測定位置との差分をバックラッシュ値として算出している。このような方法では、バックラッシュ値にセンサヒステリシス分の誤差が含まれることになる。また、比較例では、温度変化でセンサヒステリシスが変動することについて考慮されていない。

一方、本実施形態では、算出部１４１は、式（４）に従って、零点Ｐ０を基準に位置Ｐ１’に対して対称な位置Ｐ３と位置Ｐ２との差分をバックラッシュ値として算出する。位置Ｐ１’に対して対称な位置Ｐ３は、位置Ｐ２’の理想的な位置、すなわち、バックラッシュが生じていないと仮定した場合には位置Ｐ２’と等しい位置である。

本実施形態では、このような性質に着目し、零点Ｐ０を基準に位置Ｐ１’に対して対称な位置Ｐ３と位置Ｐ２との差分をバックラッシュ値として算出することで、センサヒステリシス分の誤差を含まない正確なバックラッシュ値を算出できる。したがって、ヒステリシス特性を有するＸ軸用原点センサ３２４を用いる場合でも正確なバックラッシュ値を算出できる。

本実施形態では、定期的に行われる原点復帰動作の度にバックラッシュ値を算出することで、温度変化等でセンサヒステリシスが変動しても、当該変動に対応可能になる。そして、位置決め動作においては、原点復帰動作時に正確に算出されたバックラッシュ値を用いてバックラッシュ補正を行うことで、μｍオーダでの位置決め精度を実現できる。

（６）その他の実施形態
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなる。

上述した実施形態では、主にＸ軸側でのバックラッシュ値算出の例を説明したが、Ｙ軸側でのバックラッシュ値算出にも本発明を適用できることは勿論である。

また、上述した実施形態では、バックラッシュ値算出を行う主体が制御ＰＣ１００であったが、バックラッシュ値算出を行う主体は制御ユニット２００又は観察装置３００であってもよい。

さらに、上述した実施形態では、本発明を観察システム１に適用する一例を説明したが、ヒステリシス特性を有するセンサを用い、バックラッシュが生じる機器が使用されるシステムであれば、観察システム１に限らず、あらゆるシステムに適用できる。

なお、上述した実施形態に係る各種の処理をコンピュータプログラムとして実装し、バックラッシュ算出装置として機能するコンピュータに当該コンピュータプログラムを実行させることができる。

このように本発明は、ここでは記載していない様々な実施形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

１…観察システム、１０，２０…ケーブル、３０…容器、３１…観察対象物、１００…制御ＰＣ、１１０…ディスプレイ、１２０…キーボード、１３０…マウス、１４０…制御部、１４１…算出部、１５０…メモリ、１６０…通信部、１７０…出力部、２００…制御ユニット、２１０…ＨＵＢ、２２０…モータ制御部、２３０…照明制御部、２４０…電源回路、３００…観察装置、３１０…ＸＹステージ、３２０…Ｘ軸用アーム部、３２１…リニアガイド、３２２…Ｘ軸用タイミングベルト、３２２ａ…プーリ、３２３…Ｘ軸用センサプレート、３２３ａ…先端部分、３２３ａ１，３２３ａ２…端部、３２３ｂ…開口部、３２３ｃ…主部分、３２４…Ｘ軸用原点センサ、３２４ａ…センサ素子、３２５…スライド部、３３０…Ｙ軸用アーム部、３３１…リニアガイド、３３２…Ｙ軸用タイミングベルト、３３２ａ，３３２ｂ…プーリ、３３３…Ｙ軸用センサプレート、３３４…Ｙ軸用原点センサ、３４０…歯車部、３４１，３４２…歯車、３４３…スプラインシャフト、３４４…スプラインホルダ、３５０…照明部、３５１…Ｘ軸用アクチュエータ、３５１ａ…回転軸、３５２…Ｙ軸用アクチュエータ、３５２ａ…回転軸、３６０…撮像部、３６２…ズーム部、３６３…フォーカス部、３７０…顕微鏡部、３８０…撮像光学系、３９０…連結部、４００…インキュベータ、４００…観察装置、４０１…棚

Claims (5)

1. アクチュエータから伝動機構を介して伝達される駆動力により一軸上で移動する移動部に設けられた被検出部分の実位置が所定の位置であることを検出するためのセンサの出力と、前記アクチュエータの動作量に応じて測定される前記被検出部分の移動距離とに基づいて、前記伝動機構で生じるバックラッシュ分の誤差を示すバックラッシュ値を算出するバックラッシュ算出装置であって、
   前記センサが前記被検出部分に反応する範囲の中心位置を示す第１の値と、前記被検出部分に対する前記センサの反応状態が非反応から反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第２の値と、前記反応状態が反応から非反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第３の値とを記憶する記憶部と、
   前記被検出部分が前記一軸上で所定方向に移動する際に前記センサが前記被検出部分に反応してから反応しなくなるまでの前記被検出部分の移動量を示す第４の値と、前記記憶部に記憶されている前記第１、第２及び第３の値とに基づいて、現時点での前記反応状態が非反応から反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第５の値と、現時点での前記反応状態が反応から非反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第６の値とを算出する第１の算出部と、
   前記被検出部分が前記一軸上で前記所定方向の反対方向に移動する際に前記センサが前記被検出部分に反応しなくなってから反応するまでの前記被検出部分の移動量を示す第７の値と、算出された前記第５及び第６の値とに基づいて、前記バックラッシュ値を算出する第２の算出部と
   を備えるバックラッシュ算出装置。
2. 請求項１に記載のバックラッシュ算出装置によって算出された前記バックラッシュ値を記憶するメモリと、
   前記アクチュエータを制御する制御ユニットと、
   前記アクチュエータと前記移動部と前記被検出部分と前記センサとを有し、観察対象物を観察するための観察装置と
   を備え、
   前記移動部は、前記観察対象物が設置されるステージ部であり、
   前記所定の位置とは、前記ステージ部の移動基準となる原点位置であり、
   前記観察装置は、前記ステージ部を前記原点位置に復帰させる原点復帰動作を定期的に実行し、
   前記第２の算出部は、前記観察装置が前記原点復帰動作を行う度に前記バックラッシュ値を算出し、
   前記制御ユニットは、前記ステージ部を目標位置に移動させる位置決め動作において、前記ステージ部の移動方向が前記所定方向から前記反対方向に切り替わるときに、前記第２の算出部によって算出された前記バックラッシュ値に応じて前記アクチュエータの動作量を調整する観察システム。
3. 前記被検出部分は、
   前記被検出部分が前記所定方向へ移動するときに前記反応状態を非反応から反応に切り替えるための第１の端部と、
   前記被検出部分が前記所定方向へ移動するときに前記反応状態を反応から非反応に切り替え、前記被検出部分が前記反対方向へ移動するときに前記反応状態を非反応から反応に切り替えるための第２の端部と
   を有する請求項２に記載の観察システム。
4. 前記被検出部分は、
   前記第１の端部と前記第２の端部との間に位置し、前記センサが反応する領域と、
   前記第２の端部に隣接し、所定の大きさを有する開口部と
   を有する請求項３に記載の観察システム。
5. アクチュエータから伝動機構を介して伝達される駆動力により一軸上で移動する移動部に設けられた被検出部分の実位置が所定の位置であることを検出するためのセンサの出力と、前記アクチュエータの動作量に応じて測定される前記被検出部分の移動距離とに基づいて、前記伝動機構で生じるバックラッシュ分の誤差を示すバックラッシュ値を算出するバックラッシュ算出装置に、
   前記センサが前記被検出部分に反応する範囲の中心位置を示す第１の値と、前記被検出部分に対する前記センサの反応状態が非反応から反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第２の値と、前記反応状態が反応から非反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第３の値とを記憶部から取得する手順と、
   前記被検出部分が前記一軸上で所定方向に移動する際に前記センサが前記被検出部分に反応してから反応しなくなるまでの前記被検出部分の移動量を示す第４の値と、記憶されている前記第１、第２及び第３の値とに基づいて、現時点での前記反応状態が非反応から反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第５の値と、現時点での前記反応状態が反応から非反応に切り替わる位置と前記中心位置との間の距離を示す第６の値とを算出する手順と、
   前記被検出部分が前記一軸上で前記所定方向の反対方向に移動する際に前記センサが前記被検出部分に反応しなくなってから反応するまでの前記被検出部分の移動量を示す第７の値と、算出された前記第５及び第６の値とに基づいて、前記バックラッシュ値を算出する手順と
   を実行させるバックラッシュ算出プログラム。

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