JPH04115119A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、速度および
計測等における位置情報測定、特に原子オーダ（０，１
ナノメートル）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ものである。

［従来の技術］ 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、さらに高分解能が得られる変位量測定装置として
、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の原理を用いて原子配
列を基準目盛とした平行移動量検出装置、走査型トンネ
ル電流検圧装置や位置決め装置が提案されている（特開
昭６２−２０９３０２号公報、１９８９年度精密工学会
秋季大会学術講１寅会論文集Ｐ１５３）。走査型トンネ
ル顕微鏡は、導電性試料と導電性探針との間に電圧を印
加してｌｎｍ程度の距離まで接近させるとトンネル電流
か流れ、その距離によりトンネル電流か指数関数的に変
化することを利用したものて、先鋭な探針を用いて、導
電性物質からなる試料表面との距離を一定に保ち、２次
元的に走査すると、表面の原子配列または凹凸の形状に
よりトンネル電流が変化し、表面の像を得ることかでき
る［Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ　ｅｔ　ａｌ、、Ｐｈｙｓ、Ｒｅ
ｖ、Ｌｅｔｔ、４９（１９８２）５７］。

規則的原子配列または周期的凹凸形状を有する試料を基
準目盛とし、その基準目盛と探針間に基準目盛の方向に
沿った相対的位置すれが生しるとそれに応して周期的に
トンネル電流が変化することを利用して、０．１ナノメ
ートル程度という原子オーダーの分解能を有する変位量
測定装置を構成することができる。

［発明か解決しようとしている課題］ しかしながら、上記従来例において基準目盛としてグラ
ファイト（ＨＯＰＧまたはＫ１５ｈグラフアイト）のよ
うな結晶格子を用いることができるが、実際のグラファ
イトのＳＴＭ像は第６図（Ａ）に示すように三角格子状
に観察され、探針の移動する軌跡（図中の矢印）により
、検出されるトンネル電流は第６図（Ｂ）のように変化
する。例えば探針が図示するように結晶格子の山にのっ
たときの軌跡６ａの場合には、波形６ａ”のような振幅
が太きくＳ／Ｎの良い信号か得られるが、谷に沿った軌
跡６ｂの場合は波形６ｂ’のように振幅が非常に小さく
Ｓ／Ｎは悪くなる。また結晶格子の整列方向に対して傾
いた軌跡６ｃの場合は波形６ｃ’のように山にのった所
は振幅は大きく谷を横切るところは小さくなってしまい
、圧力の誤差となってくる。

実際に上記従来例のように変位量測定装置を構成した場
合、探針の軌跡が第６図（Ａ）の軌跡６ａを通ることが
望ましいが、結晶格子を利用した基準目盛では０１ナノ
メートルオーダーて相対移動量検出方向（Ｘ方向とよぶ
）と直交する方向（Ｘ方向とよぶ）に探針と基準目盛か
相対的にずれないように保持することは、変位量測定装
置として装置に組込んだ状態での温度ドリフト、応力緩
和、外部からの振動などによる相対すれ、相対秘動支持
機構の非直線性、相対移動方向と基準目盛の結晶格子方
向との角度誤差等かあるため、非常に困難であった。

また、上記従来例の位置決め装置においては、てあり、
結晶格子の局所的欠陥によって誤差を生しる。

また、上記従来例の走査型トンネル電流検出装置におい
ても、探針をｘ、ｙ２方向に異なる振動数て横振動させ
る必要があり、エンコーダとしての追従速度が小さくな
るという問題があった。

本発明の目的は、このような従来技術の間Ｈ，６に鑑み
、０．１ナノメートルオーダーの分解能をもつエンコー
ダにおいて、探針と基準目盛か相対移動量検出方向と直
交する方向に相対的にすれないようにし、かつ、追従速
度か大きいエンコータを実現することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため本発明のエンコーダは、第１の
物体に固定された周期パターン表面を有する基準目盛と
、その基準目盛に先端を近つけて第２の物体上に配置さ
れた探針と、この探針を基準目盛の表面に沿って相対的
に閉曲線状に走査させる探針駆動手段と、探針を介して
基準目盛の情報に応じた信号を検出する信号検出手段と
、探針駆動手段による走査に際して信号検出手段により
検出される信号に基づき第１および第２の物体間の所定
方向の相対変位を検出する変位検出手段と、変位検出手
段による相対変位検出方向と直交する方向への相対ずれ
を検出するずれ検出手段と、ずれ検出手段による検出結
果に基ついて基準目盛と探針との相対すれを補正するよ
うに基準目盛と探針とを相対移動させる相対移動手段と
を具備する。

探針駆動手段は、相対変位検出方向の成分の振幅が、相
対変位検出方向の基準目盛の間る方向の成分の振幅か相
対変位検出方向と直交探針を閉曲線状に走査させるもの
であるのが好ましい。

前記閉曲線としては、例えば、円または楕円か用いられ
る。

相対移動手段における制御状態から、相対変位検出方向
と直交する方向の相対変位量を検出するようにしてもよ
い。

［作用］ この構成において、探針を基準目盛の表面に沿つて相対
的に円周状または楕円周状に走査させると、探針先端が
相対変位量検出方向と平行で走査円または楕円の中心を
通る直線上を横切る２ケ所におけるトンネル電流の大き
さは、相対変位量検出方向の基準目盛の目盛列と探針と
の相対位置に応じて変化する。すなわち、トンネル電流
信号の大きさは探針が目盛列の真上のとき最大となり、
目盛列の間にあるとき最小となり、目盛列に対応して周
期的に変化する。したがって、相対変位量の検出に際し
ては、上述の２ケ所における信号の方で目盛列をカウン
トし、他方で、移動方向を検知する。

探針先端が、相対変位量検出方向と直交し、走査円また
は楕円の中心を通る直線上を横切る２ケ所におけるトン
ネル電流の大きさは、相対変位量検出方向と直交する方
向の基準目盛と探針とのずれに応じて変化する。したか
って、上述の２ケ所における信号の大きさが同一になる
ように基準目盛と探針との相対ずれ量を補正するよう相
対移動させて、探針走査の中心が相対変位量検出方向と
平行な基準目盛上のある目盛列上に保たれる。

［実施例コ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

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
すブロック図であり、第２図はこのエンコーダの原理を
示す説明図、第３図と第４図は、このエンコーダの各構
成部分において得られる信号を示す波形図、第５図は、
他の探針走査法と基準目盛を示す説明図である。

第１図に示すように、このエンコータは、相対変位量を
検知すべぎ２つの対象物の一方である対象物１０１に固
定したｘｙｚ方向探針駆動素子１０３、その先端に取り
付けた導電性を有する探針１０４、探針１０４の先端に
対抗するように他方の対象物１０２上に固定した導電性
を有する２次元基準目盛１０５を備える。２次元基準目
盛１０５としては、例えは、グラファイトのへき開面の
炭素原子格子、雲母のへき開面基板上の金のエピタキシ
ャル成長面の金原子格子、丁丁Ｆ−ＴＣＮＱ　（テトラ
チアフルバレン・テトラシアノキノジメタン）結晶のへ
き開面の分子配列なと原子や分子の周期的な２次元配列
を用いる。探針１゜４と基準目盛１０５の間にはバイア
ス電源＋０６によりバイアス電圧が加えられ、探針駆動
素子１０３により探針１０４の先端と基準目盛１０５と
の間隔はトンネル電流か流れる程度まで近づけられるよ
うになっている。このトンネル電流は電流−電圧変換回
路１０７により電圧に変換され、これを用いて探針１０
４と基準目盛１０５とか相対移動する際に平均間隔が一
定となるように制御される。すなわち、電流−電圧変換
回路１０７の出力信号３ｇは平均トンネル電流設定回路
１０８に人力されて所望の間隔となる設定トンネル電流
値とのエラー信号か検出され、その検出信号に基つきロ
ーパスフィルタ１０９および増幅器１１ｏを介して探針
駆動素子１０３のＸ方向駆動電極に制御電圧か印加され
る。ローパスフィルタ＋０９のカットオフ周波数は、探
針１０４て基準目盛１゜５を走査したときに基準目盛の
山により探針と基準目盛の間隔か変化することにより生
するトンネル電流の速い変調成分を取り除ぎ、トンネル
電流の直流成分を通すように選はれる。これにより探針
１０４は基準目盛１０５との平均距離か一定となるよう
に、探針駆動素子１０３によりＸ方向に駆動制御される
。

また、振動数ｆの余弦波信号であるＸ方向探針駆動信号
３ａおよび振動数ｆの正弦波信号であるｙ方向探針駆動
信号３ｂならびにケート信号３ｃ〜３ｆを発生する基準
信号発振器１１１、このＸ方向探針駆動信号３ａを増幅
して探針駆動素子１０３のＸ方向駆動電極に印加する増
幅器１１２、ｙ方向探針駆動信号３ｂとｙ方向制御回路
１２７からのｙ方向制御信号とを加算する加算器１１３
、その圧力を増幅して探針駆動素子１゜３のｙ方向駆動
Ｎ極に印加する増幅器】１４、電流；正変換回路１０７
からの出力信号３ｇとそれぞれ基準信号発振器１１１か
らのゲート信号３０〜３ｄとのアンドをとってイ言号３
に、３ｍ。

３ｕ、３ｎを出力するゲート回路１１５１２２、　　１
１６．　　１２３　　、　　イ言　号　３に、　　　３
ｍ３ρ、３ｎをそれぞれ平均化して出力する平均化回路
１１７．１２４．１１８．１２５、平均化回路１１７．
１１８の出力をそれぞね二値化して相対Ｂ動量信号４ａ
および移動方向信号４ｂを出力する二値化回路１１９．
１２０、信号４ａ、４ｂに基づきＸ方向相対変位置を算
出してＸ方向相対変位量信号４ｃを出力するアップダウ
ンカウンタ１２１、平均化回路１２４と１２５の出力の
差をとって出力する減算器１２６、そして、減算器１２
６からの差信号がゼロとなるようにｙ方向制御信号を加
算器】１３に出力するｙ方向制御回路１２７を備える。

次に、対象物１０１　（探針側）と対象物１０２（基準
目盛側）間の相対変位量（相対移動量及び相対啓動方向
）を検知する動作を説明する。

基準信号発振器１１１て発生したＸ方向探針駆動信号３
ａを増幅器１１２を介して探針駆動素子１０３のＸ方向
駆動電極に印加するとともに、ｙ方向探針駆動信号３ｂ
を加算器１１３と増幅器１１４を介して探針駆動素子１
０３のＸ方向駆動電極に印加すると、第２図に示すよう
に、探針１０４の先端は、円２０１を描くようにして基
準目盛１０５を走査する。このとき、探針１０４先端の
軌跡の円の直径をＤとし、基準目盛の原子配列の格子間
隔ｄとすると、 Ｄ＝（Ｎ±−）ｄ　　（Ｎ＝１．２，３．・・・）とな
るように、余弦波信号（Ｘ方向探針駆動信号３ａ）及び
正弦波信号（ｙ方向探針駆動信号３ｂ）の振幅を調節す
る。これにより、後述するＸ方向の移動方向信号４ｂが
最大となる。

第２図において、点Ａ〜Ｅは、対象物１０１と対象物１
０２とが、Ｘ方向に相対移動を生したときに移動してゆ
く、各時点での探針１０４先端の軌跡の中心を示す。探
針１０４先端の円運動の中心がＸ軸に沿って点ＡからＥ
へと移動するにつれて、電流電圧変換回路１０７の出力
信号は、信号３ｇ〜３ｊ、そして３ｇと変化する。

今、中心が点Ａにあるとすると、ゲート回路１１５およ
び１１６ては、基準信号発振器１１１から出力される、
ｘ、Ｘ方向探針駆動信号３ａ３ｂに同期し互いに位相か
すれたゲート信号３ｃ、３ｅによって、電流電圧変換回
路１０７からの人力信号３ｇにゲートかかけられ、信号
３に、３ｕか出力される。これらの信号を第３図（ｋ）
、（Ｉｌ）においてそれぞれ破線で示すように平均化回
路１１７．１１８で平均化し、モして二値化回路１１９
．１２０で二値化して相対移動量信号４ａおよび移動方
向信号４ｂとし、ざらにこれらの信号に基つきアップダ
ウンカウンタ１２１においてＸ方向相対変位量４ｃを算
出する。算出は、次のようにして行なう。

すなわち、相対移動量信号パルス４ａのパルス立ち下か
り点り、、Ｄ２．Ｄ３において、移動方向信号４ｂの符
号か＋（プラス）であれは、カウンタ１２１はパルス数
を加算し、−（マイナス）てあれは、減算する。さらに
、パルス立ち上がり点Ｕ、、Ｕ２において符号か−（マ
イナス）であれば、パルス数を加算し、＋（プラス）で
あれば減算する。このようにして、Ｘ方向相対変位量４
ｃを求めることかできる。

ｙ方向相対変位量については、同様に今、中心が点Ａに
あるとすると、ケート回路１２２１２３において、基準
信号発振器１１１から出力されるｘ、Ｘ方向探針駆動信
号３ａ、３ｂに同期し互いに位相がずれたケート信号３
ｄ、３ｆによって、電流電圧変換回路１０７からの人力
信号３ｇにケートかかけられ信号３ｍ、３ｎが出力され
る。これらの信号は、第３図（ｍ）、（ｎ）において破
線で示すように平均化回路１２４１２５て平均化され、
減算器１２６てそれらの差かとられ、そしてその差信号
がゼロとなるようにＸ方向制御回路１２７からＸ方向制
御信号か加算器１１３および増幅器１１４を介して、探
針駆動素子１０３のＸ方向駆動電極に印加され、これに
よってＸ方向の探針位置制御が行なわれる。

このようにして、対象物１０１と対象物１０２とか相対
変位を生ずる際に、探針１０４は回転運動をしなから、
その中心か基準目盛１０５のＸ方向のある１つの原子配
列に沿うように移動することになり（トラッキング）、
対象物１０１と１０２とが、Ｘ方向に相対変位を生して
も、探針１０４先端は、基準目盛１０５に対して、（回
転運動のＸ方向成分以外の）Ｘ方向には相対変位を生し
ない。

このときのＸ方向制御信号は、基準目盛１０５に対して
探針１０４先端をＸ方向に追従させるために探針駆動素
子１０３に加える信号であり、したがってこれから、対
象物１０１と１０２とのｙ方向相対変位量を求めること
かできる。また同時に、探針１０４は基準目盛１０５の
Ｘ方向のある１つの原子配列に沿うように移動（トラッ
キング）するため、Ｘ方向相対移動量の検知においてＸ
方向の横ずれによる検知誤差がない。

なお、本実施例では、基準目盛１０５の原子配列か三角
格子の場合を例にあげ、探針１０４先端の運動の軌跡が
円の場合について説明したが、本発明の概念は、なんら
ごわらに限定されるものでなく、例えば、第５図（Ａ）
および（Ｂ）に示すように、探針先端の運動の軌跡が、
楕円５０１でもよい。この場合、Ｘ方向格子間隔をｄｘ
、’！方向格子間隔をｄＹとすれは、Ｘ方向の８勅方向
信号およびＸ方向のトラッキング用差信号が最大となる
ように、楕円のＸ軸径Ｄｘ、Ｙ軸径ＤＹがそれぞれ となるように、探針駆動素子１０３に印加する余弦波信
号及び正弦波信号の振幅を調節する。

また、第５図（Ｃ）に示すように、基準目盛１０５の原
子配列が四角格子の場合も同様である。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、原子配列等を基準
目盛に用い、探針を介して基準目盛の情報に応じた信号
を検出し、探針と基準目盛の相対位置ずれを検知するエ
ンコーダにおいて、探針を基準目盛の表面に沿って、相
対的に閉曲線状に走査させ、得られた信号に基づいて、
相対変位検出方向に垂直な方向に沿った探針のずれを補
正するように制御するようにしたため、装置の温度ドリ
フト、外部から振動、相対移動支持機構の非直線性、基
準目盛の角度設定誤差等に起因する相対変位検出方向と
直交する方向の相対ずれを補正し、相対変位を正確かつ
安定に計測することが可能となる。

また、円周状、楕円状等の閉曲線状に探針を走査させる
ため、高速化が可能で、追従速度か大きいエンコーダー
が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係るエンコータの構成を
示すブロック図、 第２図は、本発明のエンコータの原理を示す説明図、 第３図（ａ）〜（ｎ）および第４図は、第１図の装置の
各構成部分において得られる信号を示す波形図、 第５図（Ａ）〜（Ｃ）は、他の探針走査法および基準目
盛を示す説明図、そして 第６図（Ａ）および（Ｂ）は、従来例に係る測長用波形
の説明図である。 １０１・対象物、１０２：対象物、１０３：ｘｙｚ方向
探針駆動素子、１０４・探針、１０５：基準目盛、１０
６：ハイアス電源、１．０７電流電圧変換回路、１０８
　平均トンネル電流設定回路、１０９：ローバスフィル
タ、１１０．増幅器、１１１：基準信号発振器、１１２
・増幅器、１１３　加算器、１１４：増幅器、１１５　
ゲート回路、】１６．ケート回路、１１７．平均化回路
、１１８：平均化回路、１１９：二値化回路、１２０、
二値化回路、１２１　アップダウンカウンタ、１２２・
ゲート回路、１２３　ケート回路、１２４・平均化回路
、１２５：平均化回路、１２６：減算器、１２７：ｙ方
向制御回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の物体に固定された周期パターン表面を有す
   る基準目盛と、その基準目盛に先端を近づけて第２の物
   体上に配置された探針と、この探針を基準目盛の表面に
   沿って相対的に閉曲線状に走査させる探針駆動手段と、
   探針を介して基準目盛の情報に応じた信号を検出する信
   号検出手段と、探針駆動手段による走査に際して信号検
   出手段により検出される信号に基づき第１および第２の
   物体間の所定方向の相対変位を検出する変位検出手段と
   、変位検出手段による相対変位検出方向と直交する方向
   への相対ずれを検出するずれ検出手段と、ずれ検出手段
   による検出結果に基づいて基準目盛と探針との相対ずれ
   を補正するように基準目盛と探針とを相対移動させる相
   対移動手段とを具備することを特徴とするエンコーダ。
2. （２）探針駆動手段は、相対変位検出方向の成分の振幅
   が、相対変位検出方向の基準目盛の間隔の１／４以上で
   あり、相対変位検出方向と直交する方向の成分の振幅が
   相対変位検出方向と直交する方向の基準目盛の間隔の１
   ／２以上であるように探針を閉曲線状に走査させるもの
   である、請求項１記載のエンコーダ。
3. （３）前記閉曲線が、円または楕円である、請求項１ま
   たは２記載のエンコーダ。
4. （４）相対移動手段における制御状態から、相対変位検
   出方向と直交する方向の相対変位量を検出する手段を備
   える、請求項１〜４いずれかに記載のエンコーダ。