JP2547334B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、位置、長さ、角度等の計測に用いられる位
置検出装置、特に高分解可能の位置検出機能を付加して
高精度の測定を可能とした位置検出装置に関する。

［従来の技術］ 従来この種の位置検出装置としては、位置に関する情
報を有する符号板とこれに対し相対的に移動して位置に
関する情報を検出する検出手段と検出した情報を処理す
る信号処理部とで構成されるものが知られている。そし
て、これらは符号板と検出手段によっていくつかのタイ
プに分類され、光学式、磁気式、静電容量式などがあ
る。

第９図に従来の基本的な位置検出装置の要部構成図を
示す。いわゆる光学式（透過型）の場合で、発光素子１
からの光はコリメータレンズ２で平行光にされた後、符
号板４およびマスク５を通過して２つの受光素子3a,3b
に入射する。そして、符号板４の相対移動に伴ない該受
光素子3a,3bで検出された信号はプリアンプ６で増幅さ
れて図示しない信号処理部へ送られ、相対移動量等が求
められる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、このような位置検出装置の分解能は符
号板４およびマスク５に設けられたスリットのピッチで
決まり、信号処理部で電気的な分割を行わない場合には
10μｍ程度が限界で、他のタイプの位置検出装置も同程
度かそれ以下である。また、光の干渉を利用した場合も
１μｍ前後が限界であった。これ以上の分解能を必要と
する場合は、電子ビームで微細な目盛の刻まれた符号板
上を走査してその反射ビームを検出する方法もあるが、
装置が非常に大がかりなものになるという欠点があっ
た。

本発明は、このような従来例の問題点に鑑み、従来の
ものより大型化することなく、より高分解能の位置検出
装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ そのために本発明では、位置情報を有する第１の符号
板と、該第１の符号板の位置情報を検出する第１の位置
検出手段と、該第１の位置検出手段を移動可能に保持し
前記第１の符号板と相対的に移動可能な測定ヘッドと、
該測定ヘッド及び前記第１の位置検出手段の一方に設け
られた、位置情報を有する第２の符号板と、該第２の符
号板に対向して前記測定ヘッド及び前記第１の位置検出
手段の他方に設けられ、前記測定ヘッドに対する前記第
１の位置検出手段の相対位置を検出するため前記第２の
符号板の位置情報を検出する第２の位置検出手段とを備
える構成とした。第２の符号板上の位置情報は第１の符
号板上の位置情報より細かいピッチで設けられる。

［作用］ この構成において、第１の符号板と第１の検出手段と
が被測定量に応じて相対移動すると、この間に第１の位
置検出手段によって第１の符号板上の例えば所定ピッチ
の繰返しパターンとして設けられた位置情報が検出さ
れ、その繰返し数をカウントすることにより比較的低分
解能で相対移動量が求められる。そしてさらに、第２の
符号板上の位置情報を、例えば上記求められた移動量と
真の相対移動量との差に応じて第２の符号板と位置検出
手段とを相対移動させながら、第２の位置検出手段で検
出することにより、上記求められた移動量と真の相対移
動量との差が高分解能で求められる。

このようにして、第１の検出手段の分解能を第２の検
出手段により補って長さや角度の高分解能の測定が行な
われる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係る位置検出装置を
示す。同図（ａ）は側方断面図、（ｂ）は（ａ）の下方
から見た平面図である。同図において、７は導電性材料
からなるプローブ、８は２つの圧電アクチュエータ8a,8
bからなり該プローブ７を後述の第２の符号板42の表面
に対して略垂直な方向に移動せしめる駆動手段である。
圧電アクチュエータ8aは単体の圧電材料からなる第１の
プローブ駆動手段で、一端に前記プローブ７が取付けら
れ、他端は第２のプローブ駆動手段である積層形の圧電
アクチュエータ8bの一端に固着される。圧電アクチュエ
ータ8bのもう一端は、第１の位置検出手段を構成する発
光素子１、コリメータレンズ２、受光素子３、マスク５
の各要素を一定の位置関係に保持する保持部財100に固
定される。そして、プローブ７とプローブ駆動手段８
は、第２図に示す各ブロックからなる制御手段とともに
第２の位置検出手段を構成する。第１図の41は第１の符
号板で、その表面410には該第１の符号板41を反射型と
して使用するため、反射率の大きな部分とほとんど反射
のない部分からなる等ピッチのいわゆる白黒パターンの
スケール（図示せず）が形成されている。101は燐青銅
などからなる４つの金属板102の平行板ばねによって前
記保持部材100を矢印Ｃ方向に相対的に移動可能に支持
する筐体で、測長ヘッドと称される。該測長ヘッド101
は、前記第１の符号板41に対して相対的に移動可能に配
置される。42は導電性材料からなる第２の符号板で、前
記測長ヘッド101の内面に前記プローブ７と対向して設
置され、該プローブ７との間に一定電圧が印加される。
また、第２の符号板42の表面420には、第２図に示すよ
うなそのピッチが前記第１の符号板41のスケールと比べ
て例えば１桁以上小さな所定の深さの凹凸からなるスケ
ール421が、電子線描画やリソグラフィなどの手段によ
って矢印Ｃ方向に連続して形成されている。該スケール
421のピッチは前記第１の符号板41のスケールのピッチ
の例えば整数分の１に設定する。108は前記保持部材100
と前記測長ヘッド101の間に設けられ、保持部材100を測
長ヘッド101に対して相対的に移動させるための駆動手
段で例えば積層型の圧電アクチュエータである。なお、
３は第９図と同様に２つの受光素子3a,3bからなるもの
とする。

第２図は、第１図の位置検出装置の制御手段のブロッ
ク図である。

同図において、９は第２の符号板42とプローブ７との
間に一定電圧Vpを印加した場合に該プローブ７を流れる
電流Ipを検出する電流検出手段、10はスイッチ11が閉じ
られているときに電流Ipが一定となるようにプローブ７
と第２の符号板42上のスケール421との距離を一定に保
つために、圧電アクチュエータ8aを制御すべく圧電素子
ドライバ12への信号Vsを生成するコントローラである。
また、Vbはプローブ７を電流Ipの検出できる距離までス
ケール421に近付けるために積層型の圧電アクチュエー
タ8bを駆動する電圧で、図示しないドライバによって生
成され、一旦設定されると位置検出装置として使用中は
その値に固定される。

ここで、第２の位置検出手段の動作について説明す
る。

この第２の位置検出手段は、梶村他：“走査型トン
ネル顕微鏡",固体物理,Vol.22,No.3,pp176-185（1987）
やH.Adachi:“Recent progress in the Scanning Tun
neling Microscope",Proc.6th Sensor Symposium,1986,
pp137-142等に示される走査型トンネル顕微鏡（STM）と
同様の動作原理を応用したものである。すなわち、第３
図に示すように、導電性材料からなるプローブ７′と試
料44との間に電圧Ｖを印加して両者の距離を近付けてい
った場合、ある距離ｇまで近づけるとトンネル電流と呼
ばれる微少な電流Ｉが流れることが知られており、その
原理を利用したものとして走査型トンネル顕微鏡（ST
M）がある。このトンネル電流は距離ｇに対して指数関
数的に変化するが、ｇが一定となるようにプローブ７′
を上下させながら矢印Ｃ方向に動かしていくと、プロー
ブ７′の上下動そのものが矢印Ｃ方向の試料44表面の形
状に対応したものとなる。そして、その表面に沿った方
向の分解能は原子オーダであることが確認されている。

第２の位置検出手段は上記原理を応用したもので、そ
の動作は、まず、第２図において符号板42とプローブ７
の間に一定電圧Vpを印加して、電圧Vbを調整しながら圧
電アクチュエータ8bによってプローブ７をトンネル電流
の流れる距離まで符号板42に近付ける。次に、スイッチ
11を閉じて電流検出手段９によって検出されるトンネル
電流Ipが一定となるように、圧電アクチュエータ8aへの
印加電圧Vaをコントローラ10からドライバ12への信号Vs
によって調整する。この状態でプローブ７と符号板42と
の間に矢印Ｃ方向の相対的な動きがあれば、スケール42
1の凹凸によってトンネル電流Ipが変化するので、コン
トローラ10は前述のようにトンネル電流Ipが一定となる
ように、すなわちプローブ７とスケール421の距離が常
に一定となるように圧電アクチュエータ8aのドライバ12
へ信号Vsを出力する。従って、圧電アクチュエータ8aの
伸縮量は印加電圧Vaに比例することから、信号Vsはスケ
ール421の凹凸に対応した信号となる。これを２値化し
て波形整形することにより、第４図に示す信号PFが得ら
れる。なお、スイッチ11を開いたまま電圧Vaを一定値に
保ち、プローブ７の符号板42厚み方向の空間的位置を一
定にして電流検出手段９で得られる電流Ipを量子化して
も同様の信号PFを得ることができる。

第４図は第１図の装置における各部信号の関係を示す
タイミングチャートである。同図のA,Bはそれぞれ受光
素子３（3a,3b）からの信号を２値化・波形整形したも
ので、マスク５によって互いに90度位相のずれた信号と
なっている（横軸は位置を示す）。PCはこの２つの信号
の立上がり・立下がりから一定幅のパルスを生成するこ
とにより、元のパルスを４逓倍したものである。

以上のように構成された位置検出装置で位置計測を行
なう方法を第１図、第４図および計測の手順を示すフロ
ーチャートである第５図を用いて説明する。

今、第４図において位置原点XOから位置Xkまでの距離
を計測する場合、従来の第１の位置検出手段のみでは図
の左方よりパルスPCをカウンタでカウントしていき、X1
までのパルス数Ｍとパルスのピッチ（符号板41のスケー
ルのピッチの1/4）Ｐで求まるＭ・ＰがXkの原点からの
距離となり、位置X1から位置X2までの長さｓは計測され
ない。すなわち、信号PCの１パルス分±Ｐの誤差が計測
に含まれる。本発明はこの長さｓを前述の第２の位置検
出手段によって計測して、計測の精度（分解能）を向上
させるものである。

計測の手順は、次のような計測前の準備を行なうこと
から始まる。第１図を参照してまず、測長ヘッド筐体10
1に対する第１の位置検出手段の位置を一定にするた
め、プローブ７が符号板42上の基準位置に来るように保
持部材100を駆動手段108で移動させ（ステップ110）、
不図示のパルスPF用のカウンタをリセットする（ステッ
プ120）。上記基準位置は、たとえば第２の符号板42上
のスケール421のピッチを部分的に変化させておくこと
で判別できる。次に、測長ヘッド101を位置原点XOに移
動させ（ステップ130）、不図示のパルスPC用のカウン
タをリセットする（ステップ140）。この位置原点に位
置決めするには、別に設置したフォトインタラプタのよ
うな光スイッチを用いてもよいし、第１の符号板41上に
位置原点用のマークを設け、これを第１の位置検出手段
で検出してもよい。

ステップ150において計測を行なうと判定されると、
まず測長ヘッド101を計測位置へ向け移動させる（ステ
ップ160）。そして、第１の位置検出手段によりパルスP
Cをカウントしながら（ステップ170）計測位置まで来た
ら（ステップ180）、測長ヘッド101を停止し（ステップ
190）、さらに第４図の微少距離ｓを測定するために、
保持部材100を駆動手段108によって測長ヘッド101を移
動させてきた方向と逆方向に最後にカウントしたパルス
PCが現われるまで移動させる（ステップ200）。このと
き、プローブ７によってパルスPFをPF用カウンタでカウ
ントする（ステップ210）。パルスPCが現われたら（但
し、このときPC用カウンタは−１しない）（ステップ22
0）、PC用カウンタとPF用カウンタのカウント値から計
測位置の位置原点からの距離を算出する（ステップ24
0）。例えば、２つのカウントの値がそれぞれM,Nであっ
たとすれば、求める距離Ｘは、 Ｘ＝Ｍ・Ｐ＋Ｎ・ｐ となる。そして最後に、保持部材100を基準位置に戻
し、PF用カウンタをリセットして次の計測に備える。

このようにして従来の位置検出装置より分離能を向上
させた計測ができるが、更に高分解能を必要とする場合
は、第２の符号板表面の原子配列をスケールとして使用
すればよい（原子の大きさは既知とする）。

第６図にその例を示す。第６図はスケール421の表面
部分の断面図で、421aは符号板42を構成する金属原子、
421bは電子線描画等で位置検出方向と直交する方向に削
設された溝である。一般に、この溝と溝の間隔を原子オ
ーダの精度で作成するのは困難であるが、あらかじめ基
準位置からの各溝の位置を前述の第２の位置検出手段に
より原子の個数をカウントして求め、メモリ等に記憶し
ておけば、ｍ番目の溝421bの位置がわかる。従って、ｍ
番目の溝の立上り位置から原子の個数ｎをカウントする
ことによって、原子オーダでの位置検出が可能となる。

なお、第２の位置検出手段では第１の位置検出手段の
補間的役割でよいので、その計測範囲も小さくてよく、
少なくとも第４図のパルスPCのピッチＰ以上あればよ
い。故に、第２の符号板や駆動手段としてのアクチュエ
ータも小さくてよく、これらを含む測長ヘッドは従来の
測長ヘッドに比べてほとんど変わらない大きさでよい。

次に、第７図に本発明の第２の実施例に係る位置検出
装置の要部を示す。これは、上述の第２の位置検出手段
においてプローブが２つある場合で、71,72が同じスケ
ールに対向して配置されたプローブ、81a,82aはそれぞ
れのプローブに対する第２のプローブ駆動手段である圧
電アクチュエータ、8bは第１のプローブ駆動手段である
圧電アクチュエータである。ｄは２つのプローブ81a,82
aの位置検出方向（矢印Ｃ方向）の間隔で、前述のスケ
ール421のピッチｐに対して、 ｄ＝（2n＋１）・p/4 に設定される（ｎは整数）。また、それぞれのプローブ
71,72と第２のプローブ駆動手段81a,82aには第２図の制
御手段がそれぞれに組合わされ、スケールと各プローブ
の距離を一定に保つように制御する。これによって、位
相の90度ずれた２つの信号が得られ、第１の位置検出手
段では移動方向がわからないような微小な距離でも方向
の検知が可能となる。

第８図は、本発明の第３の実施例に係る位置検出装置
を示す要部斜視図で、上述の第２の符号板42のスケール
を相互に位相を４分の１ピッチ（p/4）だけずらして配
した２列のスケール421,422とし、２つのプローブ71,72
の位相ずれをなくしてすなわちスケールに直角方向の並
びで配置した場合を示す。この場合も第７図の場合と同
様の効果が得られる。

なお、第１の位置検出手段としては光学式に限られる
ものではなく、磁気式やその他のタイプのものも使用で
きる。また、実施例の説明はリニアタイプで行なった
が、ロータリタイプ（回転型）、すなわち角度計測装置
とすることももちろん可能である。また、第10図に示す
ようにプローブ７、プローブ駆動手段８を測長ヘッド10
1の内面に、符号板42を保持部材100に設けて、プローブ
７と符号板42との関係を前述の実施例と逆にすることも
可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば従来の位置検出
装置にその分解能を補完するより高分解能の位置検出手
段例えば走査型トンネル顕微鏡の原理を利用した位置検
出手段を付加することにより、以下のような効果が得ら
れる。

（１）計測範囲はそのままで、１桁以上高分解能のエン
コーダが得られる。特に、位置情報として符号板表面の
原子配列を使用すれば、オングストローム・オーダの計
測が可能な位置検出装置となる。

（２）位置検出部には、例えばプローブと圧電アクチュ
エータとを付加するだけなので、高分解能でありながら
コンパクト化が可能である。

（３）プローブを２本設けることで、従来のエンコーダ
では計測できないような微小な範囲の長さや角度の変化
でも方向とその大きさの計測が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例に係る位置検出装置を
示す断面図および平面図、 第２図は、第１図の位置検出装置の制御手段のブロック
図、 第３図は、本発明に利用される走査型トンネル顕微鏡
（STM）の原理図、 第４図は、第１図の装置における各部信号の関係を示す
タイミングチャート、 第５図は、第１図の装置による測長の手順を示すフロー
チャート、 第６図は、第１図の装置において原子配列をスケールと
した場合の第２の符号板の断面図、 第７図は、本発明の第２の実施例に係る位置検出装置の
要部を示す側面図、 第８図は、本発明の第３の実施例に係る位置検出装置の
要部を示す斜視図、 第９図は、従来例の斜視図、そして第10図は、本発明の
他の実施例に係る位置検出装置を示す断面図である。 1:発光素子、3:受光素子、4,41,42:符号板、7,7′,71,7
2:プローブ、8a,8b,81a,82a,108:圧電アクチュエータ、
9:電流検出手段、10:コントローラ、100:保持部材、10
1:測長ヘッド、421,422:スケール、421a:原子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川瀬 俊光 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 平１−147317（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】位置情報を有する第１の符号板と、該第１
   の符号板の位置情報を検出する第１の位置検出手段と、
   該第１の位置検出手段を移動可能に保持し前記第１の符
   号板と相対的に移動可能な測定ヘッドと該測定ヘッド及
   び前記第１の位置検出手段の一方に設けられた、位置情
   報を有する第２の符号板と、該第２の符号板に対向して
   前記測定ヘッド及び前記第１の位置検出手段の他方に設
   けられ、前記測定ヘッドに対する前記第１の位置検出手
   段の相対位置を検出するため前記第２の符号板の位置情
   報を検出する第２の位置検出手段とから成る位置検出装
   置。
2. 【請求項２】前記測定ヘッドが、前記第２の位置検出手
   段を前記第２の符号板に対して相対的に駆動する駆動手
   段を含む、特許請求の範囲第１項に記載の位置検出装
   置。
3. 【請求項３】前記第２の符号板が導電性材料からなり前
   記第２の位置検出手段が、前記第２の符号板表面に対向
   しその先端が該第２の符号板表面に近接して配置された
   導電性材料からなるプローブと該プローブを前記第２の
   符号板表面に対して略垂直な方向に移動せしめる複数の
   プローブ駆動手段と前記プローブと前記第２の符号板の
   間に電圧を印加して該プローブを流れる電流を検出する
   電流検出手段と該電流検出手段の出力に応じて前記複数
   のプローブ駆動手段を制御する制御手段とを有する、特
   許請求の範囲第２項に記載の位置検出装置。
4. 【請求項４】前記第２の符号板上の位置情報が、該第２
   の符号板表面に一定のピッチで設けられた凹凸および／
   または該第２の符号板表面の原子配列を含む、特許請求
   の範囲第３項に記載の位置検出装置。
5. 【請求項５】前記プローブは、前記第２の符号板との相
   対移動方向に前記ピッチの４分の１の奇数倍相互にずら
   して配設した２つのプローブである特許請求の範囲第４
   項に記載の位置検出装置。
6. 【請求項６】前記第２の符号板上の凹凸が前記第２の位
   置検出手段との相対移動方向に沿って位相を４分の１ピ
   ッチずらして２列設けられ、前記プローブが該２列の凹
   凸のそれぞれに対応してかつ前記相対移動方向に対し直
   角方向の並びで２つ配置された、特許請求の範囲第４項
   に記載の位置検出装置。