JPH04142403A

JPH04142403A - 角度的位置関係検出方法及びこれを用いたエンコーダ

Info

Publication number: JPH04142403A
Application number: JP2265086A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Nose; 博康能瀬; Toshihiko Miyazaki; 俊彦宮崎; Takahiro Oguchi; 小口　高弘; Kunihiro Sakai; 酒井　邦裕; Toshimitsu Kawase; 俊光川瀬
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-10-04
Filing date: 1990-10-04
Publication date: 1992-05-15
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JP2761801B2; US5329513A

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】［ａ業上の利用分野］本発明は、精密位置決め、速度及び変位計測等における
位置情報検出に用いられる、特に原子オーダーの分解能
を有するエンコーダおよびそのエンコーダ等の情報読取
り装置に必要な角度検出方法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、これと相対的に穆動して位置ま
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
ている。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る。

また、さらに高分解能が得られるエンコーダとして、走
査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の原理を用いて原子配列
を基準目盛としたエンコーダが提案されている（特開昭
６２−２０９３０２号）。

この走査型トンネル顕微鏡は導電性試料と導電性探針の
間に電圧を印加してｉｎｎ程度の距離まで接近させてト
ンネル電流を流した場合、その距離によりトンネル電流
が指数関数的に変化することを利用したものである。す
なわち、例えば先鋭な探針を用いて、導電性物質からな
る試料表面を探針と試料表面間の距離を一定に保ちなが
ら２次元的に走査した場合、表面の原子配列または凹凸
形状によりトンネル電流が変化するので、これに基づき
試料表面の像を得ることができる（「固体物理Ｊ　Ｖｏ
ｌ、２２　Ｎｏ、３１９８７　ＰＰ、１７６−１８６）
。

すなわち、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ずれが生じると、それに応
じて周期的にトンネル電流が変化することを利用して数
人程度という原子オーダーの分解能を有するエンコーダ
を構成することができる。

［発明が解決しようとする課！］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５図（Ａ）の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７８〜７ｂ
）により、検出されるトンネル電流は第５図（Ｂ）の波
形７ａ’〜７ｂ’のように変化する。例えば、矢印７ａ
で示すように探針の軌跡が結晶格子の山にのった場合に
は、波形７ａ’のように振幅が大きくＳＮ比の良い均一
な出力信号が得られるが、矢印７ｂで示すように、結晶
格子の整列方向に対して傾いた場合は波形７ｂ’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
くなってしマイ、均一な出力信号が得られずエンコーダ
出力の誤差となってくる。

実際に上記従来例のようにエンコーダを構成した場合、
探針は矢印７ａで示すような軌跡を通ることが望ましい
が、結晶格子等を用いた基準目盛では、エンコーダにセ
ットする際、目視で結晶方位を確認できないのて、結晶
格子の方位が移動量検出方向に対して傾くことが多く、
検出誤差を生じてしまう。

本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、
エンコーダ等において、移動量検出方向の傾きによる検
出誤差をなくすことにある。

［課題を解決するための手段］上言己目的を達成するため本発明の角度検出方法では、
目盛に対向させてプローブを一定方向に所定の振動数お
よび振幅で振動させながらプローブを介して目盛を検出
し、この検出信号の振動数スペクトル情報に基づいてプ
ローブの振動方向と目盛との角度的位置関係を検出する
ようにしている。

また、第１の物体としての目盛を第２の物体としてのプ
ローブを介して検出するエンコーダあるいは情報読取り
装置において、プローブを一定方向に所定の振動数およ
び振幅で振動させる手段と、その撮動中にプローブを介
して目盛を検出して得られる検出信号の振動数スペクト
ル情報に基づいてプローブの振動方向と目盛との角度的
位置関係を検出する手段とを具備するようにしている。

目盛が格子点状の場合は、通常、前記プローブの振動方
向と直角な方向にも所定の振動数および振幅でプローブ
を振動させるのが好ましい。

前記プローブと各目盛との距離に応じた振幅の信号とし
ては、例えば、プローブと各目盛間を流れるトンネル電
流や、プローブと各目盛間に働く微少な力によるものが
利用できる。

本発明のエンコーダにおいては、さらに、前記プローブ
の振動方向と目盛との角度的位置関係の検出結果を反映
する手段として、例えば、その検出結果に基づき第１の
物体と第２の物体間の角度的位置関係を調整する手段を
有するようにしてもよい。

［作用］この構成において、プローブを目盛に対向させ一定方向
に所定の振動数および振幅で振動させることにより得ら
れる目盛の検出信号の振動数は、単位時間の振動におい
てプローブが検出する目盛の数に対応する。そしてこの
目盛数は、目盛に対するプローブの振動方向と対応する
。したがって、その検出信号の振動数に基きプローブの
振動方向と目盛との角度的位置関係が検出される。また
、例えば、目盛方向とプローブの振動方向とが一致して
いるときに検出されるべき検出信号の振動数を基準とし
、検出信号におけるこの基準振動数成分の強度がピーク
であることをもって目盛方向とプローブの振動方向とが
一致していることが検出される。この場合、目盛が例え
ば格子点状であれば、プローブを上記プローブの振動方
向に直角な方向にも格子間隔程度以上の振幅および比較
的低い振動数で振動させて検出範囲を平面化し、一定時
間における検出信号の基準振動数成分の強度スペクトル
がピークであることをもって目盛方向とプローブの振動
方向とが一致していることが検出される。そして、例え
ばこのような一致が検出されるように目盛とプローブに
よる変位検出方向との角度を調整して検出結果を反映す
ることにより正確な変位検出が行なわれる。

［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図、
第２図はその動作を説明するための説明図である。

第１図において、１は探針を駆動する円筒型圧電素子、
２は例えばグラファイトなどの結晶格子からなる基準目
盛である。３は円筒型圧電素子１の先端に固定された探
針（プローブ）であり、基準目盛２に対して相対移動量
検出方向（図中Ｘ方向）に相対移動可能なように配置さ
れている。すなわち、第２図（ａ）に示すように、円筒
型圧電素子１が固定された対象物１０１と基準目盛２が
回転機構６を介して固定された対象物１０２とは、相対
移動量検出方向（図中Ｘ方向）に相互に移動可能に支持
されており、探針３と基準目盛２間の相対移動量として
対象物１０１と１０２間の相対移動量を検出するように
なっている。回転機構６としては、図示してないが、パ
ルスモータ−を用い、ウオームギヤによる減速機構を設
けて回転させる方式などを用いるようにしてもよい。

ここで、円筒型圧電素子１の外周には第２図（ａ）、（
ｂ）に示すようなパターンで電極５ａ、５ｂ、５ｂ’　
、５ｃ、５ｃ’　が形成されており、内周側には、同図
（ｂ）に示すように−様な共通電極５ｄが形成されてい
る。そして、２駆動回路１０が電極５ａに電圧を印加す
ると、円筒型圧電素子１は図中２方向に伸縮し、これに
より探針３と基準目盛２の距離を調節することができる
ようになっている。また、Ｘｉ［ｉ！駆動回路１６電極
５ｂ、５ｂ’　に逆極性の電圧を印加すると、方が２方
向に伸び他方はＸ方向に縮んで円筒型圧電素子１はＸ方
向に曲げられ探針３はＸ方向に駆動される。同様にＹ駆
動回路１８が電極５ｃ。

５ｃ’　に電圧を印加すると、探針３はＸ方向に駆動さ
れる。

第１図に戻り、探針３と基準目盛２の間には、バイアス
電源７によりバイアス電圧が加えられ、探針３は、探針
３の先端と基準目盛２との間にトンネル電流が流れる程
度まで基準目盛２に近づけられている。このトンネル電
流はトンネル電流検出回路８により検出され、その出力
信号により探針３と基準目盛２間の平均間隔が、後述の
相対移動、角度調整時にも一定であるように制御される
。すなわち、トンネル電流設定回路９では、探針３と基
準目盛２とが所望の間隔となるように所定のトンネル電
流を設定し、その値とトンネル電流検出回路８の出力と
のエラー信号を検出する。

そして、トンネル電流設定回路９中のローパスフィルタ
によりそのエラー信号を平均化し、これがゼロとなるよ
うに駆動回路１０を介して、円筒型圧電素子１の電極５
ａに制御電圧を印加するようになっている。

探針３と基準目盛２との相対移動時には、探針３には、
基準目盛２の山により、探針３と基準目盛２間の間隔が
変化し、トンネル電流に、移動量に対応した信号が生じ
るので、その山の数をカウントすることにより、相対移
動量を検知することができる。移動量測定中はトンネル
電流検出回路８からの移動量信号は切換スイッチ１１で
エンコーダ回路１２側に接続され、エンコーダ回路１２
において信号処理を行ない、移動量を検出するようにな
っている。

移動量の検出法については、特開平１−１４７３１７号
、１−１４７３１８号、および１−１５０８１３号等に
記載の公知の方法を用いることができ、本発明では、特
に限定しない。

次に、基準目盛の移動量検出方向に対する角度誤差の検
出法について第１図を参照して説明する。移動量の測定
を行う前は、切換スイッチ１１はＡ／Ｄ変換回路１３側
に接続されており、トンネル電流検出回路８の出力はＡ
／Ｄ変換回路１３を通して、デジタル化されＣＰＵ１４
に取り込まれている。また、発振回路１５とＸ駆動回路
１６により電極５ｂに電圧が印加され、これにより探針
３は振動数ｆｌ、振幅ｄ１の三角波でＸ方向に定常振動
させられている。この振幅ｄ１は、基準目盛２の山が複
数個、例えば１０山程度かかるように探針３が走査する
ような大きさである。また、発振回路１７とＹ駆動回路
１８により、電極５ｃに電圧が印加され、これにより探
針３は振動数ｆ２、振幅ｄ２の三角波でＸ方向に定常振
動させられている。この振動数ｆ２は、Ｘ方向の振動数
ｆ１に比べてかなり小さく設定する。例えば、ｆ、＝１
００Ｈｚ　〜ＩＫＨｚならば、ｆ＊＝ｔ〜１０Ｈｚ程度
とする。さらに振幅ｄ、は基準目盛２がグラファイトな
どの結晶格子からなる場合は、山の列を少なくとも一列
以上含むように探針３が走査するような大きさである。

このような場合、トンネル電流検出回路８の出力は、第
３区に示すように、探針３が基準目盛２の山にかかって
いるときは、Ｘ方向の走査により基準目盛２の山のピッ
チをｐ（定数）とすると、２ｄ、ｆ。

ｆ−の信号が現われ、山からずれていると信号の振幅が
少なくなる。その際、探針３をＸ方向にも同時に走査し
ているために基準目盛２の山を必ず横切り周期的に信号
が出て、信号自身がなくなることはない。この信号がＡ
／Ｄ変換器１３を通してＣＰＵ１４に取り込まれ、次の
ようにして角度誤差が検出される。

すなわちまず、このような信号をある一定時間取り込ん
でフーリエ変換し、Ｘ方向の走査振動数の信号のスペク
トルを求める。

第４図（ａ）は、基準目盛２の山のパターンであり、グ
ラファイトなどの結晶格子はこのような三角格子状をし
ている。図中、矢印４１はＸ方向の走査方向（相対移動
量検出方向）と基準目盛２の方向が一致している場合の
Ｘ方向の走査方向であり、矢印４２は基準目盛２の角度
がＸ方向の走査方向（相対移動量検出方向）とずれてい
る場合のＸ方向の走査方向である。図では、基準目盛２
のパターンを基準に描いているので、Ｘ方向の走査方向
が変わっているように見える。

このようなパターンの基準目盛２において、矢印４１の
方向をＯｏとして基準目盛２を回転させ２ｄ、ｆ。

ると、振動数ｆ＝□の信号のスペクトル強度は、第４図
（ｂ）のように変化する。すなわち、基準目盛の方向と
Ｘ方向の走査方向（相対移動量検出方向）が一致した時
は振動数ｆ−２ｄｌｆｌのスベクトル強度は最大となり
、そこから角度がずれるに従い、その振動数成分は少な
くなり、その後増加してパターンの対称位置で再び最大
となる。

第４図（ａ）のパターンの場合は、６０”　ごとにピー
クが出てくる。したがって、基準目盛２を回転させるこ
とにより、振動数ｆ＝２ｄ＋ｆ＋のスペクトルが最大と
なる角度がわかり、基準目盛の方向をＸ方向の走査方向
すなわち、相対移動量検出方向に一致させることができ
る。また、基準目盛２をスペクトルが最大となるまで回
転させた角度より、最初にずれていた角度誤差を定量的
に検出できる。すなわち、ＣＰＵ１４からの信号により
θ駆動回路１９を介して基準目盛２の回転機構６を駆動
させ、そのときのトンネル電流の信号をＡ／Ｄ変換回路
１３を介してＣＰｔＪ１４でモニタしてフーリエ変換の
演算を行ない、基準振動数ｆのスペクトルが最大となる
角度を検出し、その角度となるように回転機構６を制御
することにより基準目盛の方向を相対移動量検出方向に
一致させることができる。

基準目盛２のパターンが第４図（Ｃ）に示すような正方
状のときは、基準振動数ｆ＝２ｄｌｆ、のスベクトルは
同図（ｄ）に示すように９０°ごとにピークを持つ。ま
た、同図（ｅ）のようなライン状のときは、Ｘ方向の走
査方向が矢印４１のようにライン状パターンと直交した
ときに最大となり、上述と同様にして基準目盛の方向を
合わせることができる。このようなパターンの場合は常
に基準目盛の山の信号が出ているので必ずしも探針をＸ
方向に走査する必要はない。

また、このようなライン状のパターンの場合には、基準
目盛の矢印４１の方向を０°とし、これに対する角度誤
差をθとすると、Ｘ方向の目盛のピッチＰは　　　とな
るので、Ｘ方向の走査振ＣＯＳθ となる。

したがって、この場合、変調信号の振動数は角度誤差θ
の関数となり、変調信号の振動数の偏移量により、角度
誤差を求めることができる。すなわち、ＣＰＵ１４にお
いてＡ／Ｄ変換回路１３からの信号をフーリエ変換し、
スペクトルが最大となる振動数を求めることにより、角
度誤差を演算して求めることができる。

また、回転機構６としては、図示してないが、パルスモ
ータ−を用い、ウオームギヤによる減速機構を設けて回
転させる方式などを用いてもよい。目盛はエンコーダの
測定用目盛に限らず、定周期配列のもの、例えば特開昭
６３−１６１５５３号、特開昭６４−３５７４３号にあ
るような情報記録再生装置用の情報記録担体内の所定周
期で配列された情報ビットであってもよい。この場合こ
の情報記録再生装置に上述本発明の機能を前述実施例と
同様な形で持たせればよい。

［発明の効果コ以上説明したように、目盛に対向させてプローブを一定
方向に所定の振動数および振幅で振動させながらプロー
ブを介して目盛を検出し、この検出信号の振動数スペク
トル情報に基づいてプローブの振動方向と目盛との角度
的位置関係を検出するようにしたため、その検出結果に
基いて目盛の変位量検出方向に対する傾きを調整するこ
とができる。

【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ダの構成図
、第２図（ａ）および（ｂ）は、第１図の装置の動作を説
明するための説明図、第３図は、第１図の装置における横比信号の説て第５図（Ａ）および（Ｂ）は、従来例の説明図である。１：円筒型圧電素子、２：基準目盛、３；探針、５ｍ、
５ｂ、５ｂ’　、５ｃ、５ｃ’　　：電極、５ｄ：共通
電極、６：回転機構、８：トンネル電流検出回路、９：
トンネル電流設定回路、１ｏ：２駆動回路、１１：切換
スイッチ、１２：エンコーダ回路、１３　：　Ａ／Ｄ変
換回路、１４：ＣＰＵ、１５，１７：発振回路、１６：
Ｘ駆動回路、１８：Ｙ駆動回路、１０１！：対象物。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも一方向に配列される目盛に対向させて
プローブを所定方向に所定の振動数及び振幅で振動させ
てプローブを介して目盛を検出し、この検出信号の振動
数スペクトル情報に基づいてプローブの振動方向と目盛
の配列方向との角度的位置関係を検出することを特徴と
する角度的位置関係検出方法。
（２）前記検出信号の所定の振動数成分の強度に基づい
て前記角度的位置関係を検出する、請求項１記載の角度
的位置関係検出方法。
（３）前記検出信号の振動数に基づいて前記角度的位置
関係を検出する、請求項１記載の角度的位置関係検出方
法。
（４）前記プローブの振動方向と直角な方向にも所定の
振動数及び振幅でプローブを振動させる、請求項２又は
３記載の角度的位置関係検出方法。
（５）前記検出信号は、プローブと目盛間を流れるトン
ネル電流によるものである、請求項１〜４いずれかに記
載の角度的位置関係検出方法。
（６）前記検出信号は、プローブと目盛間に働く微小な
力によるものである、請求項１〜４いずれかに記載の角
度的位置関係検出方法。
（７）第１の物体としての少なくとも一方向に配列され
る目盛を第２の物体としてのプローブを介して検出し、
その検出信号に基づいて第１の物体と第２の物体との間
の変位を検出するエンコーダにおいて、プローブを所定
方向に所定の振動数及び振幅で振動させる手段と、その
振動中にプローブを介して目盛を検出して得られる検出
信号の振動数スペクトル情報に基づいてプローブの振動
方向と目盛の配列方向との角度的位置関係を検出する手
段とを具備することを特徴とするエンコーダ。
（８）前記角度的位置関係を検出する手段は検出信号の
所定の振動数成分の強度に基づいて前記角度的位置関係
を検出する、請求項７記載のエンコーダ。
（９）前記角度的位置関係を検出する手段は検出信号の
振動数に基づいて前記角度的位置関係を検出する、請求
項７記載のエンコーダ。
（１０）前記プローブの振動方向と直角な方向にも所定
の振動数及び振幅でプローブを振動させる手段を有する
、請求項８又は９記載のエンコーダ。
（１１）前記検出信号は、プローブと各目盛間を流れる
トンネル電流によるものである、請求項７〜１０いずれ
かに記載のエンコーダ。
（１２）前記検出信号は、プローブと各目盛間に働く微
小な力によるものである、請求項７〜１０いずれかに記
載のエンコーダ。
（１３）前記角度的位置関係を検出する手段による検出
結果に基づき第１の物体と第２の物体間の角度的位置関
係を調整する手段を有する請求項７記載のエンコーダ。
（１４）第１の物体としての少なくとも一方向に配列さ
れる目盛を第２の物体としてのプローブを介して検出す
る情報読取り装置において、プローブを所定方向に所定
の振動数及び振幅で振動させる手段と、その振動中にプ
ローブを介して目盛を検出して得られる検出信号の振動
数の状態に基づいてプローブの振動方向と目盛との角度
的位置関係を検出する手段とを具備することを特徴とす
る情報読取り装置。
（１５）少なくとも一方向に配列される目盛に対向させ
たプローブと該プローブを所定方向に所定の振動数及び
振幅で振動させる振動手段と、前記プローブを介して目
盛を検出し、この検出信号の振動数スペクトル情報に基
づいてプローブの振動方向と目盛の配列方向との角度的
位置関係を検出する角度的位置関係検出手段とを有する
ことを特徴とする角度的位置関係検出装置。