JPH01147318A - 位置検出装置 - 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、位置、長さ、角度等の計測に用いられるエン
コーダ、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エンコーダに関する。

［従来の技術］ 従来この柚のエンコーダとしては、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エンコーダ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、このようなエンコーダの分解能は符号板
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１０
μｍ程度が限界で、他のタイプのエンコーダも同程度か
それ以下である。また、光の干渉を利用した場合も１μ
ｍ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、より高分解能のエンコーダ
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、該測定ヘッドまた
は前記第１の位置検出手段に固定された第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または前記
第１の位置検出手段に固定され該測定ヘットに対する該
第１の位置検出手段の相対位置を検出するため該第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Ｂ動させなから、第２の位置検出手段で検出す
ることにより、上記求められたり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
手段により補り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詳細な説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係るエンコーダを示す
。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材
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１０ｏ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図のエンコーダ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１ｐを検出する電流検出手段、１０はスイッチ１
１が閉じられているときに電流ｒｐ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
御すべく圧電素子トライバ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Ｉ
ｐ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、−旦設定される
とエンコーダ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　Ｐｒｏｇｒｅｓ
ｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎ
ｇ　　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”　　、　　Ｐｒｏｃ、６
ｔｈ　　ＳｅｎｓｏｒＳｙｍｐｏｓｉｕｍ、１９８６．
　ｐｐｌ　３７−１４２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■を印加して両者
の距離を近付けていった場合、ある距ｒｌｉＪｇまで近
づけるとトンネル電流と呼ばれる微少な電流■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（ＳＴＭ）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
あることが確記されている。

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１ｐ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４２１の凹凸によフてトンネル
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エンコーダ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
、ｘｌ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か符号板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１
１０）、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、例えは第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（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１
４０）。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ィッチを用いてもよ
いし、第１の符号板４１上に位貯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を計測位置へ向は移動させる（ス
テップ１６０）。そして、第１の位置検出手段によりパ
ルスＰＣ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
停止しくステップ１９０）、さらに第４図の微少距１ｆ
ｉ１１．　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
２２０）、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２４０）。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ａｔＸ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エンコーダより分解能を向上させ
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手段と直交す
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多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。従フて、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２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
ヘット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の実施例に係るエンコーダ
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、８２ａの位置検出手段（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？ｉＪ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か可能となる。

第８図は、本発明の第３の実施例に係るエンコーダを示
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を測長ヘット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エンコーダ
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
測が可能なエンコーダとなる。

（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の実施例に係るエンコーダを示
す断面図および平面図、 第２図は、第１図のエンコーダ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図の製画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の実施例に係るエンコーダの要部を示す側面図、 第８図は、本発明の第３の実施例に係るエンコーダの要
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エンコーダを示
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’　、７１．７２ニブローブ、 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、１０１：測長ヘッド、４２１．４２２ニスケール
、 ４２１ａ：原子。 特許出願人　　　キャノン株式会社 代理人　弁理士　　　伊　東　哲　也 代理人　　５′Ｐ理士　　　　　伊　　東　　辰　　雑
業３図 第　４　＠ 第　５　図 第６図 第７ｖｊＡ 第８因 第９図 第１０図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）位置情報を有する第１の符号板と、該位置情報を
   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、該測定ヘッドまたは前記第１の位置
   検出手段に設けられた第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または前記第１の位置検出手
   段に設けられ該測定ヘッドに対する該第１の位置検出手
   段の相対位置を検出するため該第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具備することを特徴
   とするエンコーダ。
2. （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項に記載のエンコーダ。
3. （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項に記載のエンコーダ。
4. （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項に記載のエンコーダ。
5. （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
   記載のエンコーダ。
6. （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
   のエンコーダ。