JP2945090B2 - エンコーダ - Google Patents
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- JP2945090B2 JP2945090B2 JP2179558A JP17955890A JP2945090B2 JP 2945090 B2 JP2945090 B2 JP 2945090B2 JP 2179558 A JP2179558 A JP 2179558A JP 17955890 A JP17955890 A JP 17955890A JP 2945090 B2 JP2945090 B2 JP 2945090B2
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- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/003—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring position, not involving coordinate determination
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- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
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- G—PHYSICS
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- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q80/00—Applications, other than SPM, of scanning-probe techniques
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
- Y10S977/874—Probe tip array
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
- Y10T29/49764—Method of mechanical manufacture with testing or indicating
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、微小位置決め、寸法測長、測距、および速
度計測等における位置情報測定、特に原子オーダー（数
Å）の分解能を必要とする計測制御に用いるエンコーダ
に関する。
度計測等における位置情報測定、特に原子オーダー（数
Å）の分解能を必要とする計測制御に用いるエンコーダ
に関する。
［従来技術］ 従来、この種のエンコーダは、位置または角度に関す
る情報を有する基準目盛と、これと相対的に移動して位
置または角度に関する情報を検出する検出手段とで構成
されていた。そして、このようなエンコーダは、その基
準目盛と検出手段によっていくつかのタイプに分類さ
れ、例えば光学式エンコーダ、磁気式エンコーダ、静電
容量エンコーダ等があった。
る情報を有する基準目盛と、これと相対的に移動して位
置または角度に関する情報を検出する検出手段とで構成
されていた。そして、このようなエンコーダは、その基
準目盛と検出手段によっていくつかのタイプに分類さ
れ、例えば光学式エンコーダ、磁気式エンコーダ、静電
容量エンコーダ等があった。
また、原子オーダーの分解能を有するエンコーダに
は、既に周知の、試料表面の情報を原子分解能で観察可
能な米国特許第4343993号記載の走査型トンネル顕微鏡
の基本原理を応用した、特開昭62−209302号公報記載の
平行移動量検出装置があった。
は、既に周知の、試料表面の情報を原子分解能で観察可
能な米国特許第4343993号記載の走査型トンネル顕微鏡
の基本原理を応用した、特開昭62−209302号公報記載の
平行移動量検出装置があった。
従来、このようなエンコーダには長さに関する基準と
なる目盛と、この目盛に近接して設けられている探針と
が具備されており、駆動機構を備えた基準目盛と探針と
の間に流れるトンネル電流を信号源とし、その情報を信
号処理してエンコードする機能がある。
なる目盛と、この目盛に近接して設けられている探針と
が具備されており、駆動機構を備えた基準目盛と探針と
の間に流れるトンネル電流を信号源とし、その情報を信
号処理してエンコードする機能がある。
上記エンコーダのトンネル電流を検知する探針は、既
に周知の電界研摩法を用いて、先鋭な針を作製し用いる
のが一般的であった。他に、機械研摩を用いる方法等が
あった。
に周知の電界研摩法を用いて、先鋭な針を作製し用いる
のが一般的であった。他に、機械研摩を用いる方法等が
あった。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、トンネル電流を検出する原子オーダー
の先鋭さを有する探針の機能は、エンコーダの核となる
部分で、この探針の性能は、直接エンコーダの性能にか
かわってくるものであるが、基準目盛と探針との間に流
れるpA〜nAオーダーのトンネル電流を制御し検知するの
に、前記基準目盛と探針との距離を数nmの非常に近接し
た状態にする必要があり、音響振動や床振動により接触
するという可能性が生じ、探針先端部が損傷して原子分
解能を持たない探針となり、原子オーダーの測長ができ
なくなってしまうという問題点を有していた。
の先鋭さを有する探針の機能は、エンコーダの核となる
部分で、この探針の性能は、直接エンコーダの性能にか
かわってくるものであるが、基準目盛と探針との間に流
れるpA〜nAオーダーのトンネル電流を制御し検知するの
に、前記基準目盛と探針との距離を数nmの非常に近接し
た状態にする必要があり、音響振動や床振動により接触
するという可能性が生じ、探針先端部が損傷して原子分
解能を持たない探針となり、原子オーダーの測長ができ
なくなってしまうという問題点を有していた。
本発明は、上記従来例における問題点に鑑みてなされ
たもので、より高い安定性で位置情報測定が可能なエン
コーダを提供することを目的とする。
たもので、より高い安定性で位置情報測定が可能なエン
コーダを提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段および作用］ 上記課題を解決するため、本発明のエンコーダは、長
さに関する基準となる基準目盛面に先端を近づけて配置
された探針と、該基準目盛の目盛情報を該探針を介して
検出する手段と、該検出手段の検出結果に基づき該基準
目盛と該探針の横方向相対変位量を計数する手段とを具
備したエンコーダにおいて、前記探針および検出手段を
複数組設け、かつ各探針のエンコーダとしての探針性能
を検査する探針性能検査手段と、該探針性能検査手段で
異常の発見された探針の再生を行なうための再生手段と
を設けたことを特徴とする。
さに関する基準となる基準目盛面に先端を近づけて配置
された探針と、該基準目盛の目盛情報を該探針を介して
検出する手段と、該検出手段の検出結果に基づき該基準
目盛と該探針の横方向相対変位量を計数する手段とを具
備したエンコーダにおいて、前記探針および検出手段を
複数組設け、かつ各探針のエンコーダとしての探針性能
を検査する探針性能検査手段と、該探針性能検査手段で
異常の発見された探針の再生を行なうための再生手段と
を設けたことを特徴とする。
［作用］ 本発明によれば、トンネル電流検知用の導電性探針を
複数個設けたことによって、１つの探針が損傷を受けて
も他のトンネル電流検知用探針を用いてそのままエンコ
ーディングを行なうことが可能である。
複数個設けたことによって、１つの探針が損傷を受けて
も他のトンネル電流検知用探針を用いてそのままエンコ
ーディングを行なうことが可能である。
したがって、本発明によれば、トンネル電流検知用探
針が１つしかない従来のエンコーダよりも高安定な位置
情報計測を行なうことができる。
針が１つしかない従来のエンコーダよりも高安定な位置
情報計測を行なうことができる。
［実施例］ 第１図は、本発明の一実施例に係るエンコーダの構成
を示し、第２図は、第１図におけ信号処理回路Ａと信号
処理回路Ｂに共通のブロック回路構成を示す。
を示し、第２図は、第１図におけ信号処理回路Ａと信号
処理回路Ｂに共通のブロック回路構成を示す。
第１図において、対象物101と対象物102は、相対的に
横方向（紙面内左右の方向）にのみ移動できるように設
置されている。
横方向（紙面内左右の方向）にのみ移動できるように設
置されている。
対象物101には、２つの探針11aおよび11bが設けられ
ており、各探針11a,11bの表面には、探針被覆材料12aお
よび12bと微小突起（微小突起の形成方法については後
述する）13aおよび13bがそれぞれ設けられている。対象
物102には、それぞれ試料台回転機構19aおよび19bによ
って回転される試料台18aおよび18b上に、基準目盛15a
および15bと探針再生用電極14aおよび14bが設置されて
いる。探針11a,11bの先端部に形成された微小突起13a,1
3bの先端と基準目盛15a,15bとの間には、バイアス電源2
1a,21bによってバイアス電圧が加えられている。微小突
起13a,13bの先端と基準目盛15a,15bとは、それらの間に
トンネル電流10a,10bが流れる程度まで近づけられてい
る。
ており、各探針11a,11bの表面には、探針被覆材料12aお
よび12bと微小突起（微小突起の形成方法については後
述する）13aおよび13bがそれぞれ設けられている。対象
物102には、それぞれ試料台回転機構19aおよび19bによ
って回転される試料台18aおよび18b上に、基準目盛15a
および15bと探針再生用電極14aおよび14bが設置されて
いる。探針11a,11bの先端部に形成された微小突起13a,1
3bの先端と基準目盛15a,15bとの間には、バイアス電源2
1a,21bによってバイアス電圧が加えられている。微小突
起13a,13bの先端と基準目盛15a,15bとは、それらの間に
トンネル電流10a,10bが流れる程度まで近づけられてい
る。
ここで、２つの微小突起13a,13bから流れるトンネル
電流10a,10bは、それぞれ信号処理回路Ａと信号処理回
路Ｂに入り、第２図に示す電流電圧変換回路107によっ
て電圧に変換され、増幅回路108によって増幅された
後、対数変数回路109によって対数変換される。
電流10a,10bは、それぞれ信号処理回路Ａと信号処理回
路Ｂに入り、第２図に示す電流電圧変換回路107によっ
て電圧に変換され、増幅回路108によって増幅された
後、対数変数回路109によって対数変換される。
また、２つの探針11a,11bは、探針振動手段110a,110b
によって、対象物101と対象物102の相対移動方向に振動
数ｆ、振幅ｄで振動する。探針振動信号は、発振器111
から出力される振動数nfの矩形波2aを分周回路112およ
び波形変換回路112a,12bによって振動数ｆの三角波に変
換したもので、増幅器114によって増幅後（信号2c）、
探針振動手段110a,110bに加えられる。ここで、探針11
a,11bを振動させる代わりに、基準目盛振動手段を対象
物102に設け、基準目盛15a,15bを振動させてもよい。
によって、対象物101と対象物102の相対移動方向に振動
数ｆ、振幅ｄで振動する。探針振動信号は、発振器111
から出力される振動数nfの矩形波2aを分周回路112およ
び波形変換回路112a,12bによって振動数ｆの三角波に変
換したもので、増幅器114によって増幅後（信号2c）、
探針振動手段110a,110bに加えられる。ここで、探針11
a,11bを振動させる代わりに、基準目盛振動手段を対象
物102に設け、基準目盛15a,15bを振動させてもよい。
さらに、対象物101と対象物102が横方向に相対移動す
る際、探針と基準目盛の平均間隔が一定となるように
（検知トンネル電流の平均値が一定となるように）、対
数変換回路109からの出力信号を検知し、平均トンネル
電流値設定回路115、ローパスフィルタ116、および増幅
回路117によってフィード・バックループを形成し、探
針縦方向位置制御手段17a,17bによって探針と基準目盛
の間隔を制御する。このとき、ローパスフィルタ115の
カットオフ周波数は、基準目盛上を探針が横方向に振動
することによって生ずるトンネル電流の速い変調成分を
取り除き、対象物101と対象物102が横方向に対象移動す
る際、基準目盛の傾き等によるトンネル電流のゆっくり
とした変化分を通すように選ぶ。
る際、探針と基準目盛の平均間隔が一定となるように
（検知トンネル電流の平均値が一定となるように）、対
数変換回路109からの出力信号を検知し、平均トンネル
電流値設定回路115、ローパスフィルタ116、および増幅
回路117によってフィード・バックループを形成し、探
針縦方向位置制御手段17a,17bによって探針と基準目盛
の間隔を制御する。このとき、ローパスフィルタ115の
カットオフ周波数は、基準目盛上を探針が横方向に振動
することによって生ずるトンネル電流の速い変調成分を
取り除き、対象物101と対象物102が横方向に対象移動す
る際、基準目盛の傾き等によるトンネル電流のゆっくり
とした変化分を通すように選ぶ。
探針振動手段110a,110b,による探針の振動によって、
探針−基準目盛間に流れるトンネル電流10a,10bには探
針が基準目盛上を走査することによる周波数（2d/p）ｆ
の変調成分が現われる（ｐは基準目盛間隔）。ここで、
対象物101と対象物102が相対的に横方向に移動すると、
上記トンネル電流10a,10bに現われる周波数（2d/p）ｆ
の変調成分が基準信号（例えば、探針振動信号）に対し
て位相ずれを起こす。信号の１周期（２πの位相ずれ）
が基準目盛１目盛分の探針と基準目盛との相対横ずれに
対応しているので、この位相ずれを検知することにより
対象物101と対象物102の相対的横方向移動量を検知する
ことができる。
探針−基準目盛間に流れるトンネル電流10a,10bには探
針が基準目盛上を走査することによる周波数（2d/p）ｆ
の変調成分が現われる（ｐは基準目盛間隔）。ここで、
対象物101と対象物102が相対的に横方向に移動すると、
上記トンネル電流10a,10bに現われる周波数（2d/p）ｆ
の変調成分が基準信号（例えば、探針振動信号）に対し
て位相ずれを起こす。信号の１周期（２πの位相ずれ）
が基準目盛１目盛分の探針と基準目盛との相対横ずれに
対応しているので、この位相ずれを検知することにより
対象物101と対象物102の相対的横方向移動量を検知する
ことができる。
以下、第３図および第４図を用いて第２図の信号処理
回路の動作を説明する。
回路の動作を説明する。
トンネル電流に現われる周波数（2d/p）ｆの変調成分
は、電流電圧変換回路107、増幅回路108、対数変換回路
109、およびバンドパスフィルタ118を経て取り出され
（図中、2d）、二値化回路119によって二値化された
後、信号2eとなる。ここで、ｄ＝2p/nとなるように探針
振動手段110（110a,110b）に加える探針振動信号2cの振
幅（増幅回路114のゲイン）を調整し、信号2eの周波数
をnfに一致させる。さらに発振器111からの信号2aを分
周回路112によって周波数を1/nに分周した信号2bを参照
信号として、信号2eをアナログスイッチ120によって２
つの信号2fと2gに分離する。
は、電流電圧変換回路107、増幅回路108、対数変換回路
109、およびバンドパスフィルタ118を経て取り出され
（図中、2d）、二値化回路119によって二値化された
後、信号2eとなる。ここで、ｄ＝2p/nとなるように探針
振動手段110（110a,110b）に加える探針振動信号2cの振
幅（増幅回路114のゲイン）を調整し、信号2eの周波数
をnfに一致させる。さらに発振器111からの信号2aを分
周回路112によって周波数を1/nに分周した信号2bを参照
信号として、信号2eをアナログスイッチ120によって２
つの信号2fと2gに分離する。
また、信号2bを参照信号として、信号2aをアナログス
イッチ121によって２つの信号2hと2iに分離する。
イッチ121によって２つの信号2hと2iに分離する。
ここで、信号2fと信号2hとを位相比較器122に入力
し、位相差出力信号2jを平均化回路123によって平均化
し信号2kを得る。さらに位相差が2nπ（n:整数）となる
ごとに、例えば位相差出力信号2k（3a）のゼロ・クロス
点を二値化回路124によって検知し、パルスを発生させ
（信号3b）、アップ・ダウンカウンタ125でパルス数を
計数することにより、信号2fと信号2hの相対位相ずれを
検知するとができる。
し、位相差出力信号2jを平均化回路123によって平均化
し信号2kを得る。さらに位相差が2nπ（n:整数）となる
ごとに、例えば位相差出力信号2k（3a）のゼロ・クロス
点を二値化回路124によって検知し、パルスを発生させ
（信号3b）、アップ・ダウンカウンタ125でパルス数を
計数することにより、信号2fと信号2hの相対位相ずれを
検知するとができる。
このとき、カウンタ125に入力する位相ずれ方向信号
すなわち、アップ・ダウン条件（符号）は次のようにし
て求める。発振器111からの出力信号2aから位相シフタ1
26、およびアナログスイッチ127を用いて信号2hに対し
て位相が90゜ずれた信号2lを生成する。信号2fと信号2l
を位相比較器128に入力し、位相差出力信号2mを平均化
回路129によって平均化し、信号2n（3d）を得る。さら
に信号3dを二値化回路12a,12b0によって二値化して位相
ずれ方向信号すなわち、アップダウンカウンタ入力アッ
プダウン信号3eとする。
すなわち、アップ・ダウン条件（符号）は次のようにし
て求める。発振器111からの出力信号2aから位相シフタ1
26、およびアナログスイッチ127を用いて信号2hに対し
て位相が90゜ずれた信号2lを生成する。信号2fと信号2l
を位相比較器128に入力し、位相差出力信号2mを平均化
回路129によって平均化し、信号2n（3d）を得る。さら
に信号3dを二値化回路12a,12b0によって二値化して位相
ずれ方向信号すなわち、アップダウンカウンタ入力アッ
プダウン信号3eとする。
このようにして、対象物101と対象物102の横方向位相
移動量を検知することができる。この位相移動量信号3c
は、各信号処理回路ＡおよびＢからそれぞれエンコーダ
出力ａおよびｂとして送出される。２つの信号a,bが共
に正常に出している時は、信号ａを優先し、信号ａのみ
から測長値を出すようにする。この代りに２つの信号a,
bの平均値を出しこれから測長値を出す様にしても良
い。
移動量を検知することができる。この位相移動量信号3c
は、各信号処理回路ＡおよびＢからそれぞれエンコーダ
出力ａおよびｂとして送出される。２つの信号a,bが共
に正常に出している時は、信号ａを優先し、信号ａのみ
から測長値を出すようにする。この代りに２つの信号a,
bの平均値を出しこれから測長値を出す様にしても良
い。
なお、この実施例による方式では、位相ずれ１周期分
（２π）が、基準目盛１目盛分の相対移動量に対応して
いる。また、この実施例中では触れなかったが、信号2g
と2iについても同様の信号処理を行なって相対移動量を
検知することができる。
（２π）が、基準目盛１目盛分の相対移動量に対応して
いる。また、この実施例中では触れなかったが、信号2g
と2iについても同様の信号処理を行なって相対移動量を
検知することができる。
次に第１図のエンコーダ出力ａとエンコーダ出力ｂの
信号を比較する。第５図、信号処理回路Ａと信号処理回
路Ｂ内の各信号3a,3e,3cの波形を示す。微小突起13aお
よび13bに対向した位置に設けられている基準目盛15aお
よび15bには同一基準の目盛を用いた。したがって、エ
ンコーダ出力ａおよびｂは、同一波形となるはずである
が、第５図において両者の波形を比較してみると、信号
処理回路ＢのΧ位置で信号に非同期性が現われているこ
とがわかる。これは、信号処理回路ＢのΧの位置で、微
小突起13bの先端が、接触する損傷等の影響で、原子分
解能を有する本実施例のエンコーダ用探針としては不適
当なものになってしまったものである。
信号を比較する。第５図、信号処理回路Ａと信号処理回
路Ｂ内の各信号3a,3e,3cの波形を示す。微小突起13aお
よび13bに対向した位置に設けられている基準目盛15aお
よび15bには同一基準の目盛を用いた。したがって、エ
ンコーダ出力ａおよびｂは、同一波形となるはずである
が、第５図において両者の波形を比較してみると、信号
処理回路ＢのΧ位置で信号に非同期性が現われているこ
とがわかる。これは、信号処理回路ＢのΧの位置で、微
小突起13bの先端が、接触する損傷等の影響で、原子分
解能を有する本実施例のエンコーダ用探針としては不適
当なものになってしまったものである。
この際の探針性能の良否は第２図の探針性能検出回路
200内で判定される。検査するための回路構成について
は、探針104から検知されるトンネル電流の変化を、電
流電圧変換回路107、増幅回路108、および対数変換回路
109により電気信号に変換し、バンドパスフィルタ201
で、対数変換回路109の出力信号に乗って来る周波数（2
d/p）f1の変調成分を取り出し、全波整流回路202により
整流し、積分回路203で平均化し、この平均化信号を、
比較器204で基準電源205から出力される予め設定された
探針性能の基準となる信号すなわち、針が正常な場合に
は変調成分信号の平均値は一定値になるので、この値と
同じ値に設定された信号とを比較する。針が損傷した場
合には変調成分を含め検出信号全体が０あるいは微弱と
なるので、変調成分信号の平均値は基準信号に比べ減少
する。この変化を比較器により検出することにより、探
針性能の良否を決定し、検査出力とする。この検査出力
から、微小突起13（13a,13b）先端の損傷を判断するこ
とができる。
200内で判定される。検査するための回路構成について
は、探針104から検知されるトンネル電流の変化を、電
流電圧変換回路107、増幅回路108、および対数変換回路
109により電気信号に変換し、バンドパスフィルタ201
で、対数変換回路109の出力信号に乗って来る周波数（2
d/p）f1の変調成分を取り出し、全波整流回路202により
整流し、積分回路203で平均化し、この平均化信号を、
比較器204で基準電源205から出力される予め設定された
探針性能の基準となる信号すなわち、針が正常な場合に
は変調成分信号の平均値は一定値になるので、この値と
同じ値に設定された信号とを比較する。針が損傷した場
合には変調成分を含め検出信号全体が０あるいは微弱と
なるので、変調成分信号の平均値は基準信号に比べ減少
する。この変化を比較器により検出することにより、探
針性能の良否を決定し、検査出力とする。この検査出力
から、微小突起13（13a,13b）先端の損傷を判断するこ
とができる。
第７図は、この損傷情報に基づいて各部の制御を行な
うシーケンス制御回路とその周辺部材の信号の流れを説
明するブロック構成図である。同図において、301はシ
ーケンス制御回路、304は信号処理回路A,Bそれぞれから
のエンコーダ出力a,bのいずれかのみを出力するようス
イッチングするアナログスイッチである。シーケンス制
御回路301は、各信号処理回路からの検査出力信号を取
り込み、いずれを突起にも損傷がない場合および突起13
bに損傷があると判断された場合にはスイッチ304にエン
コーダ出力ａを出力させ、突起13aに損傷があると判断
された場合にはエンコーダ出力ｂを出力させるように制
御する。シーケンス制御回路301は、また、図中の他の
要素に後述する制御を行なうために指令信号を発生す
る。
うシーケンス制御回路とその周辺部材の信号の流れを説
明するブロック構成図である。同図において、301はシ
ーケンス制御回路、304は信号処理回路A,Bそれぞれから
のエンコーダ出力a,bのいずれかのみを出力するようス
イッチングするアナログスイッチである。シーケンス制
御回路301は、各信号処理回路からの検査出力信号を取
り込み、いずれを突起にも損傷がない場合および突起13
bに損傷があると判断された場合にはスイッチ304にエン
コーダ出力ａを出力させ、突起13aに損傷があると判断
された場合にはエンコーダ出力ｂを出力させるように制
御する。シーケンス制御回路301は、また、図中の他の
要素に後述する制御を行なうために指令信号を発生す
る。
測長では、微小突起13aと基準目盛15aとの間で途切れ
ずに行なわれているが、いつ、探針11aの先端部が損傷
するかわからないため、既に損傷したもう一方の微小突
起13bを再形成しておく必要がある。
ずに行なわれているが、いつ、探針11aの先端部が損傷
するかわからないため、既に損傷したもう一方の微小突
起13bを再形成しておく必要がある。
再形成を行なうための操作（シーケンス制御回路301
による制御）を以下に述べる。本実施例では、微小突起
13b先端部が損傷を受けているので、第１図紙面内左側
の再形成機構を用いた。第１図紙面内右側のエンコーダ
機構はそのまま測長を続けてもよい。まず、微小突起13
bと基準目盛15bは、トンネル電流が流れる距離という、
かなり近接した状態にあるので、探針縦方向位置制御手
段17bを用いて、探針11bを基準目盛15bから待避され
る。そして、基準目盛15bと探針再生用電極14bが設置さ
れた試料台16bを試料台回転機構19bと回転機構位置制御
手段33bを用いて180゜回転させ、微小突起13bの対向位
置に探針再生用電極14bがくるように調整する。待避さ
せておいた微小突起13bを先端部にもつ探針11bを探針再
生用電極14bにトンネル電流が流れる距離まで接近させ
る。そして、パルス電源22bを用いて微小突起13bを再形
成する。これで、微小突起を再形成することができたの
で微小突起13bを待避させ、微小突起13bの対向位置に基
準目盛15bがくるように調整し、基準目盛15bにトンネル
電流が流れる距離まで微小突起13bを接近させる。以上
の操作により、損傷した探針先端を再形成することが可
能である。微小突起13aに損傷が発生した場合にはスイ
ッチ304を切り換えて、突起13a側で同様の処理を行な
う。以上のシーケンス制御回路301の制御のフローチャ
ートを第８図に示す。
による制御）を以下に述べる。本実施例では、微小突起
13b先端部が損傷を受けているので、第１図紙面内左側
の再形成機構を用いた。第１図紙面内右側のエンコーダ
機構はそのまま測長を続けてもよい。まず、微小突起13
bと基準目盛15bは、トンネル電流が流れる距離という、
かなり近接した状態にあるので、探針縦方向位置制御手
段17bを用いて、探針11bを基準目盛15bから待避され
る。そして、基準目盛15bと探針再生用電極14bが設置さ
れた試料台16bを試料台回転機構19bと回転機構位置制御
手段33bを用いて180゜回転させ、微小突起13bの対向位
置に探針再生用電極14bがくるように調整する。待避さ
せておいた微小突起13bを先端部にもつ探針11bを探針再
生用電極14bにトンネル電流が流れる距離まで接近させ
る。そして、パルス電源22bを用いて微小突起13bを再形
成する。これで、微小突起を再形成することができたの
で微小突起13bを待避させ、微小突起13bの対向位置に基
準目盛15bがくるように調整し、基準目盛15bにトンネル
電流が流れる距離まで微小突起13bを接近させる。以上
の操作により、損傷した探針先端を再形成することが可
能である。微小突起13aに損傷が発生した場合にはスイ
ッチ304を切り換えて、突起13a側で同様の処理を行な
う。以上のシーケンス制御回路301の制御のフローチャ
ートを第８図に示す。
以上説明したように、この実施例によると、損傷した
探針を再形成することが可能であり、かつ再形成してい
る間は、もう一方の探針が測長を継続しているため、測
長を正確に行なうことが可能となり、装置の信頼性が大
きく向上したエンコーダを提供することができた。
探針を再形成することが可能であり、かつ再形成してい
る間は、もう一方の探針が測長を継続しているため、測
長を正確に行なうことが可能となり、装置の信頼性が大
きく向上したエンコーダを提供することができた。
以下に実施例に使用した、微小突起13（13aまたは13
b）の形成方法を第１図と第６図を用いて詳細に説明す
る。
b）の形成方法を第１図と第６図を用いて詳細に説明す
る。
本発明に係る探針再生用電極14（14a,14b）の材料に
は、白金蒸着膜を用いた。この白金膜は、コーニング社
製の7059ガラス基板上にイオンビームスパッタ装置を用
いて蒸着した。探針11（11a,11b）の材料には、タング
ステンを用いた。タングステン探針を尖鋭化するため
に、一般的な電解研摩法を用いて作製した。電解研摩に
より作製した探針11の先端曲率半径は、0.1マイクロメ
ートル程度であった。さらに、作製した探針11の先端部
分に、イオンビームスパッタ装置を用いて金を15ナノメ
ートル程度被覆した。上述の探針11の先端部と探針再生
用電極14との間の距離は、トンネル電流が流れる距離ま
で近接している。この状態でパルス電源22a,22bから、
パルス巾４マイクロセカンド、パルス高さ４ボルトの条
件値を探針11と探針再生用電極14との間に印加し、第６
図（ｂ）に示すような微小突起13（13a,13b）を形成し
た。形成された微小突起13の大きさおよび形状は高さ10
ナノメートル、底面積15平行ナノメートルの円錐状のも
のであった。この微小突起が形成されるメカニズムとし
ては、高パルス電圧印加により局所的に瞬時に材料が溶
融し、かつ電解が探針と試料間に生じているため、溶融
した材料は、探針−試料間で引っ張り合う力が生じ、突
起状の山が形成されるものと考えている。したがって、
前述の探針材料、探針被覆材料、および探針再生用電極
の材料は、上述した材料に限定されるものではなく、適
宜選択することができるが、探針再生用電極よりも探針
側の材料の方が低融点であることが必要となる。
は、白金蒸着膜を用いた。この白金膜は、コーニング社
製の7059ガラス基板上にイオンビームスパッタ装置を用
いて蒸着した。探針11（11a,11b）の材料には、タング
ステンを用いた。タングステン探針を尖鋭化するため
に、一般的な電解研摩法を用いて作製した。電解研摩に
より作製した探針11の先端曲率半径は、0.1マイクロメ
ートル程度であった。さらに、作製した探針11の先端部
分に、イオンビームスパッタ装置を用いて金を15ナノメ
ートル程度被覆した。上述の探針11の先端部と探針再生
用電極14との間の距離は、トンネル電流が流れる距離ま
で近接している。この状態でパルス電源22a,22bから、
パルス巾４マイクロセカンド、パルス高さ４ボルトの条
件値を探針11と探針再生用電極14との間に印加し、第６
図（ｂ）に示すような微小突起13（13a,13b）を形成し
た。形成された微小突起13の大きさおよび形状は高さ10
ナノメートル、底面積15平行ナノメートルの円錐状のも
のであった。この微小突起が形成されるメカニズムとし
ては、高パルス電圧印加により局所的に瞬時に材料が溶
融し、かつ電解が探針と試料間に生じているため、溶融
した材料は、探針−試料間で引っ張り合う力が生じ、突
起状の山が形成されるものと考えている。したがって、
前述の探針材料、探針被覆材料、および探針再生用電極
の材料は、上述した材料に限定されるものではなく、適
宜選択することができるが、探針再生用電極よりも探針
側の材料の方が低融点であることが必要となる。
なお、上記実施例において、探針再形成のためのパル
ス高さおよびパルス巾を特定して実施したが、探針側の
材料および探針再生用電極の材料により適切な値を設定
して実施できるものであり、なんら本実施例の条件値に
限るものでない。
ス高さおよびパルス巾を特定して実施したが、探針側の
材料および探針再生用電極の材料により適切な値を設定
して実施できるものであり、なんら本実施例の条件値に
限るものでない。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明のエンコーダは、マルチ
のエンコードができる機構にしたことにより、エンコー
ディング中に１つのトンネル電流検知用探針が損傷を受
けて、正確なエンコードが出来なくなったときは、他の
トンネル電流検知用探針によるエンコーディングを継続
して行なうことができるため、長時間のエンコーディン
グを安定して行なえるようになった。すなわち、本発明
によれば、従来のエンコーダよりもさらに長期に渡し安
定なエンコーダを提供できた。
のエンコードができる機構にしたことにより、エンコー
ディング中に１つのトンネル電流検知用探針が損傷を受
けて、正確なエンコードが出来なくなったときは、他の
トンネル電流検知用探針によるエンコーディングを継続
して行なうことができるため、長時間のエンコーディン
グを安定して行なえるようになった。すなわち、本発明
によれば、従来のエンコーダよりもさらに長期に渡し安
定なエンコーダを提供できた。
第１図は、本発明の一実施例に係る、複数のトンネル電
流検知によるエンコーダの構成図、 第２図は、第１図における信号処理回路部分のブロック
構成図、 第３図、第４図および第５図は、信号処理回路において
得られる信号を示す波形図、 第６図は、本実施例の探針形成の基本原理図、 第７図は、シーケンス制御回路周辺のブロック構成図、
そして 第８図は、シーケンス制御回路の制御フローチャートで
ある。 10a,10b:トンネル電流 11,11a,11b:探針 12,12a,12b:探針被覆材料 13,13a,13b:微小突起 14,14a,14b:探針再生用電極 15a,15b:基準目盛 16a,16b:試料台 17a,17b:探針縦方向位置制御手段 21a,21b:バイアス電源 22a,22b:パルス電源 33a,33b:回転機構位置制御手段 126:ローパスフィルタ 127:増幅回路、 128:バンドパスフィルタ 129:二値化回路 120:アナログスイッチ 121:アナログスイッチ 122:位相比較器 123:平均化回路 123:二値化回路 125:アップ・ダウンカウンタ 126:位相シフタ 127:アナログスイッチ 128:位相比較器 129:平均化回路 130,130:二値化回路 200:探針性能検査回路 204:比較器 205:基準電源 301:シーケンス制御回路
流検知によるエンコーダの構成図、 第２図は、第１図における信号処理回路部分のブロック
構成図、 第３図、第４図および第５図は、信号処理回路において
得られる信号を示す波形図、 第６図は、本実施例の探針形成の基本原理図、 第７図は、シーケンス制御回路周辺のブロック構成図、
そして 第８図は、シーケンス制御回路の制御フローチャートで
ある。 10a,10b:トンネル電流 11,11a,11b:探針 12,12a,12b:探針被覆材料 13,13a,13b:微小突起 14,14a,14b:探針再生用電極 15a,15b:基準目盛 16a,16b:試料台 17a,17b:探針縦方向位置制御手段 21a,21b:バイアス電源 22a,22b:パルス電源 33a,33b:回転機構位置制御手段 126:ローパスフィルタ 127:増幅回路、 128:バンドパスフィルタ 129:二値化回路 120:アナログスイッチ 121:アナログスイッチ 122:位相比較器 123:平均化回路 123:二値化回路 125:アップ・ダウンカウンタ 126:位相シフタ 127:アナログスイッチ 128:位相比較器 129:平均化回路 130,130:二値化回路 200:探針性能検査回路 204:比較器 205:基準電源 301:シーケンス制御回路
フロントページの続き (72)発明者 能瀬 博康 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 宮▲崎▼ 俊彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−209302（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34
Claims (4)
- 【請求項１】長さに関する基準となる基準目盛に先端を
近づけて配置された探針と、該基準目盛の目盛情報を該
探針を介して検出する手段と、該検出手段の検出結果に
基づき該基準目盛と該探針の横方向相対変位量を計数す
る手段とを具備したエンコーダにおいて、 前記探針および検出手段を複数組設け、かつ各探針のエ
ンコーダとしての探針性能を検査する探針性能検査手段
と、該探針性能検査手段で異常の発見された探針の再生
を行なうための再生手段とを設けたことを特徴とするエ
ンコーダ。 - 【請求項２】前記探針性能検査手段の検査結果に基づい
て、検出結果により計数された横方向相対変位量が出力
される前記検出手段を選択することを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のエンコーダ。 - 【請求項３】前記検出手段は前記探針と基準目盛との間
に流れるトンネル電流を検出する手段を有し前記相対変
位量計数手段は前記トンネル電流検出手段の検出結果に
基づいて相対変位量の計数を行なうことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載のエンコーダ。 - 【請求項４】前記探針性能検査手段は前記トンネル電流
検出手段の検出信号を基準となる信号と比較をすること
によって前記探針性能の検査を行なうことを特徴とする
特許請求の範囲第３項記載のエンコーダ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2179558A JP2945090B2 (ja) | 1990-07-09 | 1990-07-09 | エンコーダ |
| DE69116027T DE69116027T2 (de) | 1990-07-09 | 1991-07-05 | Gerät und Methode zur Informationsdetektion |
| EP91111192A EP0470370B1 (en) | 1990-07-09 | 1991-07-05 | Information detection apparatus and method |
| CA002046474A CA2046474C (en) | 1990-07-09 | 1991-07-08 | Information detection apparatus and displacement information measurement apparatus |
| US08/132,161 US5349735A (en) | 1990-07-09 | 1993-10-05 | Information detection apparatus and displacement information measurement apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2179558A JP2945090B2 (ja) | 1990-07-09 | 1990-07-09 | エンコーダ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0466814A JPH0466814A (ja) | 1992-03-03 |
| JP2945090B2 true JP2945090B2 (ja) | 1999-09-06 |
Family
ID=16067838
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2179558A Expired - Lifetime JP2945090B2 (ja) | 1990-07-09 | 1990-07-09 | エンコーダ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5349735A (ja) |
| EP (1) | EP0470370B1 (ja) |
| JP (1) | JP2945090B2 (ja) |
| CA (1) | CA2046474C (ja) |
| DE (1) | DE69116027T2 (ja) |
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| US6813937B2 (en) | 2001-11-28 | 2004-11-09 | General Nanotechnology Llc | Method and apparatus for micromachines, microstructures, nanomachines and nanostructures |
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