JPH01150813A - 相対変位量測定装置 - 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、微少位置決め、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（数人）
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。

このうち、最も高分解能が得られているのは、例えば格
子干渉の原理を用いた光学式エンコーダである。第３０
図は、従来より用いられている光学式エンコーダの構成
を示す。これは、光源３００１から出射された単色光３
００２を、基準目盛としての回折格子３００３に入射さ
せ、回折された±１次の回折光３００４．３００５を反
射鏡３００６を介して半透鏡３００フに入射させる。そ
して、この半透鏡３００７にて合成、干渉させ、得られ
た明暗の干渉光を光検出器３００８で光電変換して、干
渉光の明暗から光学系と基準目盛との相対変位量を検知
するものである。

［発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、上記に掲げた従来例において最も高分解
能を有する格子干渉光学式エンコーダの性能（分解能）
は主に格子ピッチで決められ、これをいかに精度よく微
小間隔で刻み、それを精度よく検出するかが重要な点で
ある。現状の精密加工技術（例えば、電子ビーム描画や
イオンビームカロエ）ではせいぜい０．０１μｍ（−１
ｏｏ人）の！前置が限界であり、また検出技術（例えば
、光ヘテロダイン法）においても０．０１μｍの分解能
が限界である。従フて、半導体製造装置等のため、より
高分解能のエンコーダが必要な場合には、その要求に応
えることができなかった。

本発明の目的は、上述の従来形における問題点に鑑み、
原子間距離のオーダの高分解能を有するエンコーダを提
供することにある。

［問題点を解決するための手段および作用］上記の目的
を達成するため、本発明は、長さに関する基準となる導
電性基準目盛とその基準目盛面に先端を近づけて配置さ
れた導電性探針との間に電圧を印加し、基準目盛と探針
の間に流れるトンネル電流値を検出して、そのトンネル
電流信号を波形処理し、処理後の信号から基準目盛と探
針との横方向すなわち目盛面内方向の相対動き量および
相対動き方向を検知してその横方向相対動き量信号と該
相対動き方向信号から基準目盛と探針の横方向相対変位
量を計数して、最終的に探針と基準目盛との横方向相対
移動量を検知することとしている。

以下、本発明をさらに詳しく説明する。

本発明は、導電性物質と導電性探針の間に電圧を印加し
てｉｎｎ程度の距離まで近づけるとトンネル電流が流れ
ることを利用している（「固体物理、Ｉ　Ｖｏｌ、２２
　Ｎｏ、３１９８７　ＰＰ１７６−１８６）　、　）ン
ネル電流は表面での仕事関数に依存するため、種々の表
面状態について情報を読みとることが可能である。

いま導電性物質の代表例として金属試料を考える。距＠
２だけ離れた２つの金属探針および基準原子配列の間に
、仕事間数φより低い電圧Ｖ（φ＞ｅＶ、ｅは電子の電
荷）を加えると、電子はポテンシャル障壁をトンネルす
ることが知られている。トンネル電流密度ＪＴを自由電
子近似で求めると ＪＴ　＝　（βＶ　／　２　ｒｔ入Ｚ）ｅｘｐ　（−２
２／λ）・・・・・・（１） のように表すことができる。

ただし、 λ：　　λ＝Ｍ／　ｆ〕］「■ 金属の外の真空中または大気中での波動関数の減衰距ｍ
＜φは１〜５ｅＶでありえは１〜２人である） １Ｔ：　　１Ｔ＝ｈ／２π ｈはブランク定数 ｍ：電子質量 β：　β：　ｅ　’　／　ｎ 式（１）において、距Ｉｌ！！！Ｚをｚ＝ｚｃと一定の
値とすれば、トンネル電流密度Ｊアは基準原子配列の仕
事関係φに応じ変化する。すなわち、探針と基準原子配
列との間の距離Ｚを一定とした状態で、探針（プローブ
）と基準原子配列に相対的位置ずれが生ずると、基準原
子配列に従って周期的にトンネル電流が変化する。そこ
で、このトンネル電流の変化から位置ずれ量が求まる。

また、式（１）において、トンネル電流密度ＪＴをＪＴ
＝＝Ｊｃと一定の値とすれば、探針と基準原子配列間の
距ｌｌＺと、基準原子配列の仕事関数φとは、一定の関
係を保ちつつ変化することとなる。従って、トンネル電
流密度ＪＴが一定になるように距離Ｚを制御することと
すれば、探針と基準原子配列に相対的位置ずれが生じた
場合に距離Ｚは基準原子配列に従って周期的に変化する
よう制御されることとなる。そこで、この距ｒｍＺの変
化量から位置ずれ量が求まる。

さて、面内の分解能δは探針先端が細いほど高くなり、
モデル計算によれば次のように表わされる。

δ＝［２λ（Ｒ＋　Ｚ　）　］　ｌ／まただし、Ｒは金
属探針先端の曲率半径である。

探針先端が原子−個であれば、Ｒ＝１人で、面内分解能
δは３人程度になる。このようなトンネル電流を用いる
方法は、大気中のみならず液中でも動作し、高い分解能
を持つ等多くの利点を有する。

本発明は上に述べた原理を応用して、物質表面の規則的
原子配列による周期的な凹凸を基準として、導電性探針
との間を流れるトンネル電流を用いてエンコーダを構成
し、従来のエンコーダの分解能の限界を超えた、数人程
度という原子オーダの分解能を有するエンコーダを提供
しようとするものである。

［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、本発明の一実施例に係るエンコーダの構成を
示す。第２図は、本実施例の各構成部分において得られ
る信号を示す。

第１図において、対象物１０１と対象物１０２は相対的
に横方向（紙面的左右の方向）にのみ移動できるように
設置されている。対象物１０１には導電性の基準目盛１
０３が、対象物１０２には導電性の探針１０４が設けら
れている。探針１０４と基準目盛１０３との間にはバイ
アス電源１０６によってバイアス電圧が加えられている
。

探針１０４の先端と基準目盛１０３とは、それらの間に
トンネル電流１０５が流れる程度まで、近づけられてい
る。ここで、トンネル電流１０５は、電流検出手段１０
７によって検出され、電流増幅手段１０８によって増幅
される。

増幅後のトンネル電流信号１１８（その波形を第２図（
ａ）に示す）は、波形処理手段１１０によっであるしき
い値レベルで切ることによる２値化、得られた２値化信
号のエツジを検出しパルス化する波形処理、および後に
横方向相対変位の向きを検知するための手段の説明に述
べるような方向検知処理が行なわれ、動き量・方向変換
手段１１１によって動き量信号１１２（第２図（ｂ））
および方向信号１１３（第２図（Ｃ））に変換され、そ
れぞれカウンタ１１４に入力される。当該カウンタ１１
４において、入力された動き量信号１１２および方向信
号１１３は横方向相対変位量に変換される。さらに、予
めメモリ１１５に保存されている初期位置データを用い
て、減算手段１１６によフて対象物１０１と対象物１０
２との初期位置からの横方向相対変位量１１７（第２図
（ｄ））が求められる。当該エンコーダの分解能は基準
目盛１０３のピッチ程度（基準目盛として導電性物質表
面原子の周期的配列を用いるならば、数オングストロー
ム）であるが、検知位置信号をさらに分割することによ
り、オングストローム以下の分解能とすることも可能で
ある（第２図（ｅ））。

次に、本発明で用いられる探針材料について説明する。

この探針材料は導電性を有するものであれば良く、例え
ばＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄ。

Ａ１１．Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｗ等の金属やこれらの合金
が使用できる。さらにはグラファイトやシリサイド、ま
たＩＴＯ（Ｉｎ−３ｎオキサイド）等の導電性酸化物も
使用することができる。

探針の先端は、エンコーダの分解能を高くするため、で
きるだけ鋭く原子オーダまで尖らせる必要がある。

本実施例では１　ｍｍφのタングステンワイヤを０．２
　ｍｍφ程度まで機械的に削り、電解研磨で先端を尖ら
せたものを探針１０４として使用しているが、処理方法
は何らこれに限定するものではない。

次に、基準目盛について説明する。第３図は本実施例の
探針１０４と導電性基準目盛１０３を示す模式図であり
、基準目盛として予め格子間距離が既知である導電性材
料表面の周期的な原子や分子の配列３０１を用いた例で
ある。このように、基準目盛１０３として原子や分子等
の微小構造の周期的配列を用いれば、分解能が原子間距
離オーダ、すなわちオングストローム・オーダのエンコ
ーダが実現できる。このような導電性材料の例として、
例えば、Ａｕ、Ｐｔ、ＴａＳ、のような金属、ＣｕＡｕ
、ＰｔＩｒのような合金、グラファイトのような半金属
、Ｓｔ、ＭｏＳ２．ＧａＡｓ。

ＳｉＣのような半導体、導電性ＬＢ（ラングミュア・プ
ロジェット）膜、ＴＣＮＱ　（テトラシアノキノジメタ
ン）のような導電性有機物質の本発明への適用が考えら
れる。

また、上記物質の原子や分子の配列の他にも、第４図（
ａ）に示すような導電性物質表面４０１に集束イオンビ
ームや電子ビーム等による加工によって作製した目盛４
０２や、第４図（ｂ）に示すような回折格子状の形状を
持った物体表面４０３に導電性物質のコーティング４０
４を施したものを基準目盛として用いることもできる。

次に、原子や分子等の周期的配列と作製目盛を複合させ
て基準目盛（以下、複合目盛という）として用いる例を
示す。

第５図は、複合目盛に関する一実施例を示す断面図であ
る。同図のように、基準目盛１０３上に基準原点５０１
を加工し、この原点５０１の位置に探針１０４がきたと
きを初期セット点とすれば、常にこの基準原点５０１か
らの移動量が求まり、対象物１０１を基準とした対象物
１０２の絶対的心動量を求めることができる。その他は
前述の相対量の検出で示したものと同様に取り扱える。

第６図は、複合目盛に関する他の実施例を示す断面図で
ある。同図（ａ）は、基準目盛１０３の原子配列の表面
の一部を他の物質で置き換え、基準原点６０１ａ、〜６
０１ａ３とした例である。また同図（ｂ）は基準目盛１
０３の原子配列の表面の一部に他の物質を付着させて基
準原点６０１ｂ。

〜６０１ｂ、とした例である。同図（Ｃ）は基準目盛１
０３の原子配列の表面近傍の一部をエツチングし削り取
ることによって基準原点６０１ｃ、〜６０１Ｃ３を形成
した例である。

これらは基準原点を複数個（これらの図ではそれぞれ３
信を図示している）設けたものである。

同図（ａ）を参照して動作説明すれば、まず探針１０４
が基準原点６０１　ａ　Ｉ（ｉ　＝　１〜ｎ　）を通過
するごとに粗動信号を出力し、そして基準原点６０１ａ
１から次の基準原点６０１ａｌ＊１までの間は微動信号
を出力する。同図（ｂ）および（Ｃ）の複合目盛の例で
も動作は同様である。対象物１０１．１０２の相対的穆
動量が大きい場合はこのような粗動信号を取ることによ
って、検出処理の簡略化および時間短縮を図ることがで
きる。

第７図は、複合目盛に関する別の実施例を示す断面図で
ある。同図に示す基準原点７０１ｄ、〜７０１ｄ４はそ
れぞれの基準原点の幅や基準原点間の間隔が異なフてい
るが、その幅や間隔は芋めの測定により既知のものであ
り、それらの値はメモリ１１５（第１図）上に記憶しで
ある。同図において、７０１ｄ、の基準原点の幅をり、
−、，７０１ｄ２の基準原点の幅をＬ−，７０１（１３
の基準原点の幅をＬｌｌｌ、１．７０１ｄ１と７０１ｄ
２の基準原点間隔をＷ、、、７０１ｄ、と７０１ｄ３の
基準原点間隔をＷ、、で示し、これらの値を予めメモリ
１１５（第１図）に格納しておく。そして、探針１０４
が各基準原点を通過するたびに、記憶されているこれら
の幅や間隔の値をカウントできるようにしておく。すな
わち、基準原点通過ごとに粗動信号（各基準点間の間隔
Ｗ、、やＷ、）を出力する一方、各基準原点の幅ｔ、ｍ
−１＋Ｌｍ、Ｌ＠＋１等を出力すれば、第６図で示Ｉ・
たものと同様に検出処理の簡略化および時間短縮が実現
できる。

第８図は、複合目盛に関するさらに別の実施例を示す断
面図である。同図（ａ）は基準原点８０１上にｉ、〜ｉ
ｎまでのｎビットの基準原点の絶対位置情報を記録した
ものである。探針１０４がこの基準原点８０１を通過す
れば粗動信号と同じに基準原点の絶対位置情報が出力さ
れるのでどの位置の基準原点を通過したか特定すること
ができ、位置情報が短時間で得られる。

同図（ｂ）も同様に基準原点８０２，８０３，８０４上
に絶対位置情報を記録したものである。基準原点８０２
，８０３，８０４として、それぞれ８０２’　、８０３
’　、８０４’のような形状の凹凸が形成されている。

この凹凸が絶対位置情報になっており、これにより各基
準原点を特定することができる。すなわち、凹凸８０２
’　、８０３’　、８０４’　にはそれぞれ基準原点の
番地ｉ−１、ｉ、ｉ＋１が記録されている。この場合各
基準原点の位置は例えばこの突起状の形状の図中左側面
の位置とする等は予め定めておく。８０５゜８０６は原
子目盛である。なお、この実施例では探針１０４の進行
方向に絶対位置情報のビットを並べているカゼ、これに
限らず基準原点に隣接した位置に並べたり、対象物１０
１と対象物１０２との相対的穆動方向に直交する方向に
並べることもできる。

第９図は、基準目盛として非周期的目盛を用いた実施例
を示す断面図である。これは、予め既知の目盛を用いて
当該非周期的目盛９０１の間隔を測定し、その間隔情報
をメモリ１１５（第１図）上に記憶しておき、対象物１
０１と対象物１０２の相対８動により探針１０４が当該
非周期的目盛９０１を走査して得られる信号と予めメモ
リ１１５上に記憶しである間隔情報とを用いて、対象物
１０１と対象物１０２との相対穆勤量を検知するもので
ある。

次に、第１０図〜第１８図を用いて、対象物１０１と対
象物１０２との横方向相対変位の向きを検知するための
手段につき説明する。

第１０図は、相対変位の方向に非対称な形状（の電子雲
分布）を持った基準目盛１０ｏ１を用いた実施例の構成
図を示す。

対象物１０１と対象物１０２との相対変位に伴って、ト
ンネル電流信号１１８が第１１図（ａ）のような変化を
示したとする。このとき横方向相対位置情報抽出手段１
０９において、動き歪信号１１２および方向信号１１３
はそれぞれ第１１図（ｂ）および同図（Ｃ）のようにな
り、これらにより同図（ｄ）に示される横方向相対変位
量が求められる。従って、この場合第１０図において対
象物１０２は対象物１０１を基準として紙面内で右向き
に、第１１図（ｄ）に示される量だけ変位していること
が分る。

同様に、相対変位に伴うトンネル電流が第１１図（ｅ）
のよ゛うな変化を示した場合は、以降の信号波形処理後
、動き歪信号１１２および方向信号１１３は第１１図（
ｆ）および同図（ｇ）に示されるようになる。これらに
より、対象物１０１を基準として対象物１０２は紙面内
で左向きに、第１１図（ｈ）　に示される量だけ変位し
ていることが分る。

さらに、例えばトンネル電流が第１１図（ｉ）のような
変化を示す場合は、Ｔ点において対象物１０１を基準と
する対象物１０２の相対変位の向きが紙面内で右から左
に変化したことが分る。

このような非対称な形状（の電子雲分布）を持った基準
目盛の例として、第１２図に示すような面心立方格子の
（１１１）面や、引き上げ方向に非対称性を生じる導電
性ＬＢ膜等がある。

第１３図は、対象物１０１と対象物１０２との横方向相
対変位の向きを検知する別の実施例を示す。同図は、探
針横方向振動手段１３ｏ１を用いて探針１０４を相対変
位の方向に微小振動させる例である。対象物１０１と対
象物１０２との相対穆勤速度に比べて探針１０４を十分
早く振動させれば、トンネル電流信号の横方向相対変位
に関する位置微分係数が得られ、これから横方向相対変
位の向きが検知できる。

これを説明する。相対変位の方向に撮動させた場合、得
られる信号は目盛位置に対応するトンネル電流信号に、
この目盛位置に対応するトンネル電流信号より振幅が小
さくかつ高周波な探針振動による微小振動信号成分かの
フた形になる。この信号を分割して、それぞれローパス
フィルタとバイパスフィルタに入力し、ローパスフィル
タからの出力は微小振動信号成分を除いたほぼ純粋な目
盛位置に対応するトンネル電流信号となるので相対変位
量の計測に用いる。バイパスフィルタからの出力はトン
ネル電流信号成分を除いた、探針振動による微小振動信
号のみとなる。この微小振動信号は、探針の一方向への
振動を正、それと逆方向への移動を負とすると探針が目
盛に対し正方向に移動すれば、トンネル電流信号が増加
する時には、探針の振動と同位相の微小振動信号が増加
量に応じた振幅で発生し、トンネル信号が減少する時に
は探針の振動と逆位相の信号が減少量に応じた振幅で発
生する。従って、この得られた信号を、探針振動の信号
を基準信号としてロックインアンプに入力し、得られる
振幅および位相からトンネル電流の正方向相対変位に関
する位置微分係数に対応した信号、すなわち第１４図（
ｃ）に示す信号が得られる。探針が目盛に対し負方向に
移動すればトンネル電流信号の増加、減少時の微小振動
信号は、探針振動に対しそれぞれ逆位相、同位相になり
、同様にロックインアンプに入力して得られた信号は、
トンネル電流の負方向相対変位に関する位置微分係数に
対応した信号、すなわち第１４図（ｇ）に示す信号とな
る。この様に同じトンネル電流信号に対して得られる相
対変位に関する位置微分係数信号が進む方向によりまっ
たく逆位相になるので、この位相を見ることによって進
行方向が分る。

例えば対象物１０１と対象物１０２との横方向相対変位
に伴うトンネル電流信号およびその位置微分係数が第１
４図（ａ）および同図（ｃ）のような変化を示す場合は
、第１３図において対象物１０２は対象物１０１を基準
として紙面内で右向きに、第１４図（ｄ）に示される量
だけ変位していることが分る。

同様に、相対変位に伴うトンネル電流が第１４図（ｅ）
のような変化を示す場合は、以降第１４図（ｆ）　、　
（ｇ）に示される信号波形処理後、対象物１０１を基準
として対象物１０２は紙面内で左向きに、第１４図（ｈ
）に示される量だけ変位していることが分る。

さらに、例えばトンネル電流が第１４図（ｉ）や第１４
図（Ｉｌｌ）に示されたような変化を示す場合は、Ｔ点
において対象物１０１を基準とした対象物１０２の相対
変位の向きが右から左に変化したことが分る。

第１５図は、対象物１０１と対象物１０２との横方向相
対変位の向きを検知するさらに別の実施例を示す。同図
において、探針横方向振動手段１５０１は探針１０４を
対象物の相対変位の方向に振動させる。そして、異なる
２点Ａ、Ｈにおいてトンネル電流信号を得る。この実施
例においては、対象物１０１と対象物１０２との相対移
動速度に比べて探針１０４を十分速く振動させる必要が
ある。探針１０４の振動の幅をｄとすれば、この方法は
、間隔ｄだけ隔てられた２つの探針によって基準目盛１
０３に対して位相差を持った２つのトンネル電流信号か
ら方向検知を行なう方法と同等である。

ここで、例えば基準目盛１０３のピッチをｐとし、探針
１０４の振動の幅ｄを ｄ＝−＋Ｎ−Ｌ＜Ｎ＝ｏ、ｓ　、２・・・・・・）とな
るようにとるとする。このとき、対象物１０１と対象物
１０２との横方向相対変位に伴うトンネル電流が第１６
図（ａ）のような変化を示す場合は、第１５図において
対象物１０２は対象物１０１を基準として紙面内で右向
きに変位していることが分り、トンネル電流が第１６図
（ｅ）のような変化を示す場合は左向きに変位している
ことが分る。さらに、トンネル電流が第１６図（ｉ）　
または（ｍ）に示されたような変化を示す場合は、Ｔ点
において、対象物１０１を基準とした対象物１０２の相
対変位の向きが右から左に変化したことを表わす。

第１７図は、対象物１０１と対象物１０２との横方向相
対変位の向きを検知するさらに別の実施例を示す。同図
は２つの探針を用いた実施例である。間隔ｄだけ隔てら
れた２つの探針１７０’ｌＡおよび１７０１Ｂにおける
トンネル電流信号１７０５Ａおよび１７０５Ｂを検出す
ることによって、横方向相対変位の向きを検知すること
ができる。例えば、基準目盛１０３のピッチをｐとし、
探針１７０１Ａと探針１７０１Ｂとの幅ｄをとなるよう
にする。このとき、対象物１０１と対象物１０２の横方
向相対変位に伴う２つの探針１７０１Ａおよび１７０１
Ｂにおけるトンネル電流１７０５Ａおよび１７０５Ｂが
、第１８図（ａ）のような変化を示す場合は、第１７図
において対象物１０２は対象物１０１を基準として紙面
内で右向きに変位していることが分り、一方トンネル電
流が第１８図（ｅ）のような変化を示す場合は右向きに
変位していることが分る。

さらに、トンネル電流が第１８図（ｉ）　、　（ｍ）　
に示されたような変化を示す場合は、Ｔ点において、対
象物１０１を基準とした対象物１０２の相対変位の向き
が右から左に変化したことが分る。

［他の実施例］ 次に、トンネル電流値が所定の値となるように探針縦方
向位置制御手段により探針の縦方向位置を制御しつつ横
方向の相対ｇ動量を算出する実施例につき説明する。

第１９図は、本発明の他の実施例に係るエンコーダの構
成を示す。第２０図は、本実施例の動作を説明するため
のブロック図である。

第１９図において、対象物１０１と対象物１０２との間
の相対横方向変位を検知するため、まず設定トンネル電
流値Ｉ０を定め（第２０図ブロックＢ１）、探針縦方向
位置制御手段１９０１を用いて探針１０４の縦方向位置
制御を行なう。この制御は、まずトンネル電流値Ｉを検
出しくブロックＢ２）、検出電流値Ｉと設定トンネル電
流値■。とを比較する（ブロックＢ４）。■≠１０のと
きはフィードバック制御手段１９０２から探針縦方向位
置制御手段１９０１にフィードバックする（ブロックＢ
３）。そして検出電流値Ｉが設定電流値Ｉ０と等しくな
ったところで（ブロックＢ４）、探針１０４の縦方向の
絶対位置信号を横方向相対位置情報抽出手段１０９へ出
力する（ブロックＢ５）。以後、対象物１０１と対象物
１０２が横方向に相対変位する場合においても、検出電
流値Ｉが常に設定電流値ＩＯと等しくなるように探針縦
方向位置制御手段１９０１およびフィードバック制御手
段１９０２を用いて探針１０４の縦方向位置のフィード
バック制御を行ない、探針１０４の縦方向の絶対位置信
号を横方向相対位置情報抽出手段１０９へ出力する。こ
のとき、対象物１０１と対象物１０２とが基準目盛１０
３の１ピッチ分、相対的に横方向に変位するのに要する
時間に比べ、前述のフィードバック制御に要する時間は
十分に小さくなければならない。

さて、横方向相対位置情報抽出手段１０９においては、
人力された探針１０４の縦方向絶対位置信号１９０３並
びに基準目盛１０３および探針１０４についての情報（
ブロックＢ６）から、横方向相対動き量とＢｗＪ方向を
検出する（ブロックＢ７）、すなわち、縦方向絶対位置
信号１９０３（その波形を第２１図（ａ）に示す）は波
形処理手段１１０によって波形処理が加えられ、動き量
・方向変換手段１１１によって動き全信号１１２（第２
１図（ｂ））および方向信号１１３（第２１図（Ｃ））
に変換され、カウンタ１１４に人力される。カウンタ１
１４において入力された動き全信号１１２および方向信
号１１３は横方向相対変位量に変換され、さらに予めメ
モリ１１５に保存されている初期位置データを用いて減
算手段１１６によって対象物１０１と対象物１０２との
横方向相対変位量１１７（第２１図（ｄ））が求められ
る（ブロックＢ８）。

当該エンコーダの分解能は基準目盛１０３のピッチ程度
（基準目盛として導電性物質表面原子の周期的配列を用
いるならば、数オングストローム）であるが、探針縦方
向変化量信号から動き量パルス信号を作る際にしきい値
を複数設けて（第２１図（ｅ））多値化したパルス信号
（第２１図（ｆ））を得れば、（第２１図（ｇ）に示す
相対変位方向信号と合せて）検知位置信号をさらに分割
した信号を得ることができ、オングストローム以下の分
解能とすることも可能である（第２１図（ｈ））。

次に、第２２図〜第２９図を用いて、探針縦方向位置を
検出する前記の実施例において対象物１０１と対象物１
０２との横方向相対変位の向きを検知するための手段に
ついて説明する。

第２２図は、第１９図に示した実施例において基準目盛
として第１２図に示されるような対象物の相対変位の方
向に非対称な形状（の電子雲分布）を用いた実施例であ
る。対象物１０１と対象物１０２との相対変位に伴う探
針の縦方向変位が第２３図（ａ）のような変化を示す場
合は、以後の横方向相対位置情報抽出手段１０９におけ
る動き全信号１１２および方向信号１１３はそれぞれ第
２３図（ｂ）および（Ｃ）のようになり、これらより第
２３図（ｄ）に示される横方向相対変位量が求められる
。従って、この場合は第２２図において対象物１０２は
対象物１０１を基準として紙面内で右向きに、第２３図
（ｄ）に示される量だけ変位していることが分る。

同様に、対象物の相対変位に伴なう探針１０４の縦方向
変位が第２３図（ｅ）のような変化を示す場合は、第２
３図（ｆ）　、　（ｇ）に示される信号波形処理後、対
象物１０２は対象物１０１を基準として紙面内で左向き
に、第２３図（ｈ）に示される量だけ変位していること
が分る。

さらに、例えば探針１０４の縦方向変位が第２３図（ｉ
）のような変化を示す場合は、Ｔ点において対象物１０
１を基準とした対象物１０２の相対変位の向きが右から
左に変化したことが分る。

第２４図は、探針の縦方向位置を検出する前記の実施例
において、対象物１０１と対象物１０２との横方向相対
変位の向きを検知できる別の実施例を示す。同図におい
て、探針１０４は探針横方向振動手段１３０１により対
象物の相対変位の方向に微小振動させられる。対象物１
０１と対象物１０２との相対穆動速度に比べて探針１０
４を十分速く振動させれば、探針１０４の縦方向絶対位
置信号の横方向相対変位に関する位置微分係数が得られ
、これから横方向相対変位の向きが検知できる。

例えば、対象物１０１と１０２の横方向相対変位に伴う
探針１０４の縦方向変位およびその位置微分係数が第２
５図（ａ）および同図（Ｃ）のような変化を示す場合に
は、第２４図において対象物１０２は対象物１０１を基
準として紙面内で右向きに第２５図（ｄ）に示される量
だけ変位していることが分る。

同様に対象物の相対変位に伴う探針１０４の縦方向変位
が第２５図（ｅ）のような変化を示す場合は、以降第２
５図（ｆ）　、　（ｇ）に示される処理後、対象物１０
１を基準として対象物１０２は紙面内で左向きに、第２
５図（ｈ）　に示される量だけ変°位していることが分
る。

さらに、第２５図（ｉ）や同図（ｍ）に示されたような
変化を示す場合は、Ｔ点において対象物１０１を基準と
した対象物１０２の相対変位の向きが右から左に変化し
たことが分る。

第２６図は、探針縦方向位置を検出する前記の実施例に
おいて、対象物１０１と対象物１０２との横方向相対変
位の向きを検知できるさらに別の実施例を示す。これは
探針横方向振動手段１５０１を用いて探針１０４を対象
物の相対変位の方向に振動させ、異なる２点Ａ、Ｂにお
いて探針１０４の縦方向絶対位置信号を得るようにした
ものである。探針１０４は対象物１０１と対象物１０２
との相対心動速度に比べて十分速く振動させ、ざらに探
針１０４の振動周期に比べて十分短い時間で、探針縦方
向位置制御手段１９０１を用いて探針１０４の縦方向位
置制御（トンネル電流１０５が一定となるようなフィー
ドバック）を行なう必要がある。探針１０４の振動の幅
をｄとすれば、この方法は間隔ｄだけ隔てられた２つの
探針によって基準目盛に対して位相差を持フた２信号か
ら方向検知を行なう方法と同等である。

ここで、例えば基準目盛のピッチをｐとし、探針１０４
の振動の幅ｄを ｄ＝−＋Ｎ−Ｌ（Ｎ＝ｏ、　　１．２・・・・・・）と
なるようにとるものとする。このとき、対象物１０１と
対象物１０２の横方向相対変位に伴う探針１０４の縦方
向変位が第２７図（ａ）のような変化を示す場合は、第
２６図において対象物１０２は対象物１０１を基準とし
て紙面内で右向きに変位していることが分り、探針１０
４の縦方向変位が第２７図（ｅ）のような場合は左向き
に変位していることが分る。

さらに、探針１０４の縦方向変位が第２７図（ｉ）およ
び同図（ｍ）　に示されたような変化を示す場合は、Ｔ
点において対象物１０１を基準とした対象物１０２の相
対変位の向きが右から左に変化したことが分る。

第２８図は、探針縦方向位置を検出する前記の実施例に
おいて対象物１０１と対象物１０２との横方向相対変位
の向きを検知できるさらに別の実施例であり、２つの探
針を用いた実施例である。

同図において、探針縦方向位置制御手段２８０１Ａおよ
び２８０１Ｂは、間隔ｄだけ隔てられた２つの探針１７
０１Ａおよび１７０１Ｂの縦方向位置制御（トンネル電
流が一定となるようなフィードバック）を独立に行なっ
ている。そして、２つの探針縦方向変位信号２８０３Ａ
および２８０３Ｂを検出することによって、横方向相対
変位の向きを検知することができる。

例えば、基準目盛１０３のピッチをｐとし、探針１７０
１Ａと探針１７０１Ｂとの幅ｄをａ＝Ｌ＋Ｎ−！ｊ（Ｎ
＝ｏ、　　１．２・・・・・・）となるようにする。こ
のとき、対象物１０１と対象物１０２の横方向相対変位
に伴う２探針１７０ＩＡ、１７０１Ｂの縦方向変位が第
２９図（ａ）のような変化を示す場合は、第２８図にお
いて対象物１０２は対象物１０１を基準として紙面内で
右向きに変位していることが分り、２探針の縦方向変位
が第２９図（ｅ）のような変化を示す場合は右向きに変
位していることが分る。

さらに、対象物１０１と対象物１０２の横方向相対変位
に伴う２探針１７０１Ａ、１７０１Ｂの縦方向変位が第
２９図（ｉ）　、　（ｍ）に示されたような変化を示す
場合は、Ｔ点において、対象物１０１を基準とした対象
物１０２の相対変位の向きが右から左に変化したことが
分る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、原子配列等を基
準目盛に用い探針と基準目盛との間に流れるトンネル電
流を検出して探針と基準目盛の相対位置ずれを検知して
いるので、原子間距離オーダ（オングストロームオーダ
）の高分解能を有するエンコーダが実現可能である。

また、探針と基準目盛との間隔を一定にしてトンネル電
流値を検出することとすれば、高速の位置検知が可能と
なる。トンネル電流値を一定にして探針の縦方向位置を
検知することとすれば、より高精度の位置検知が可能と
なる。

さらに、基準目盛として原子配列と作製目盛を複合させ
て用いることにより、絶対位置の検知、広い位置検知範
囲、高速の位置検知が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る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図の各構成部分において得られる信号を
表わす波形図、 第３図は、基準目盛として導電性材料表面の周期的な原
子や分子の配列を用いた例を示す模式第４図（ａ）は、
基準目盛として導電性物質表面に集束イオンビームや電
子ビーム等の加工によって作製した目盛を用いた例を示
す断面図、第４図（ｂ）は、基準目盛として回折格子状
の形状を持った物質表面を導電性物質でコーティングし
たものを用いた例を示す断面図、 第５図は、基準目盛上に基準原点を１個設けた複合目盛
を用いた例を示す断面図、 第６図は、基準目盛上に複数個の基準原点を周期的に設
けた複合目盛を用いた例を示す断面図、第７図は、基準
目盛上に幅および間隔が既知である複数個の基準原点を
設けた複合目盛を用いた例を示す断面図、 第８図は、基準目盛上の基準原点または基準原点近傍に
絶対的位置情報を記録した複合目盛を用いた例を示す断
面および外観図、 第９図は、基準目盛として非周期的目盛を用いた例を示
す断面図、 第１０図は、基準目盛として非対称基準目盛を用いた例
を示す構成図、 第１１図は、第１０図の実施例において得られる信号を
表わす波形図、 第１２図は、非対称基準目盛の具体例としての面心立方
格子の（１，１，１）面を示す模式図、第１３図は、探
針を横方向に振動させることによフて方向検知を行なう
実施例を示す断面図、第１４図は、第１３図の実施例に
おいて得られる信号を表わす波形図、 第１５図は、探針を横方向に振動させることによって方
向検知を行なう実施例を示す断面図、第１６図は、第１
５図の実施例において得られる信号を表わす波形図、 第１７図は、複数の探針を用いて方向検知を行なう実施
例を示す構成図、 第１８図は、第１７図の実施例において得られる信号を
表わす波形図、 第１９図は、探針縦方向位置検知によるエンコーダの構
成図、 第２０図は、トンネル電流を一定とした状態の下で探針
縦方向位置検知による相対横方向変位検出を行なう際の
手順を説明するためのブロック図、 第２１図は、第１９図の構成における各構成部分におい
て得られる信号を表わす波形図、第２２図は、第１９図
に示す実施例において基準目盛として非対称目盛を用い
た例を示す断面図、 第２３図は、第２２図の実施例において得られる信号を
表わす波形図、 第２４図は、第１９図に示す実施例において探針を横方
向に振動させることによフて方向検知を行なう例を示す
断面図、 第２５図は、第２４図の実施例において得られる信号を
表わす波形図、 第２６図は、第１９図に示す実施例において探針を横方
向に振動させることによって方向検知を行なう例を示す
断面図、 第２７図は、第２６図の実施例において得られる信号を
表わす波形図、 第２８図は、複数の探針を用いて方向検知を行なう実施
例を示す構成図、 第２９図は、第２８図の実施例において得られる信号を
表わす波形図、 第３０図は、従来例である格子干渉の原理を用いた光学
式エンコーダの構成図である。 １０１．１０２：対象物、 １０３：基準目盛、 １０４：探針、 １０５：トンネル電流、 １０６：バイアス電源、 １０７：電流検出手段、 １０８：電流増幅手段、 １０９：横方向相対位置情報抽出手段、１１０：波形処
理手段、 １１１：動き量・方向変換手段、 １１２：動き量信号、 １１３：方向信号、 １１４：カウンタ、 １１５：メモリ、 １１６二減算手段、 １１７：横方向相対変位量、 １１８：）−ンネル電流信号、 ３０１：導電性材料表面の周期的な原子や分子の配列、 ３０２：導電性材料表面の電子雲、 ４０１：導電性物質表面、 ４０２：作製目盛、 ４０３：回折格子状の形状を持った物質表面、４０４：
導電性物質によるコーティング、５０１：基準原点、 ６０１ａｌｘａ３　：基準目盛原子配列の表面の一部を
他の物質で置き換えて作製した基準原点、 ６０１ｂ１〜ｂ３　：基準目盛原子配列の表面の一部に
他の物質を付着させて作製した基準原点、 ６０１　Ｃ１〜ｃ、：基準目盛原子配列の表面の一部を
削り取ることによって作製した基準原点、 ７０１ｄ＋〜ｄ４　：幅および間隔が既知である複数個
の基準原点、 ８０１：絶対位置情報を記録した基準原点、８０２．８
０４：基準原点、 ８０３．８０５：絶対位置情報ビット、９０１：非周期
的目盛、 １００１：非対称基準目盛、 １３０１．１５０１：横方向探針振動手段、１７０１Ａ
、１７０１Ｂ：探針、 １７０２Ａ、１７０２Ｂ：バイアス電源、１７０３Ａ、
１７０３Ｂ：電流検出手段１７０４Ａ、１７０４Ｂ：電
流増幅手段、１７０５Ａ、１７０５Ｂ：トンネル電流信
号、１９０１：探針縦方向位置制御手段、 １９０２：フィードバック制御手段、 １９０３：縦方向絶対位置信号、 ２８０１Ａ、２８０１Ｂ：探針縦方向位置制御手段、 ２８０２Ａ、２８０２Ｂ：フィードバック制御手段、 ２８０３Ａ、２８０３Ｂ：縦方向絶対位置信号、 ３００に光源、 ３００２：、４１色光、 ３００３　：回折格子、 ３００４．３００５：±１次回折光、 ３００６　：反射鏡、 ３００７　：半透鏡、 ３００８　：光検出器。 第３図 第４図 第９図 第１２図 基李乱へ１１カ１ら￥、ｒ−図 （ｂ） 投口電子を刑２．−一２、〜１．−２−一〜　１，２−
ｍ−、，２−一〜〜〜〜　、２−５、Ｎ響＋　　　　　
〜、＋　　　　　−一　　　　　　＋／　　　　＼断面
図 第２１図 第２１図 第２２図 第２４図

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）長さに関する基準となる導電性基準目盛と、該基
   準目盛面に先端を近づけて配置された導電性探針と、該
   基準目盛と該探針との間に電圧を印加する手段と、該基
   準目盛と該探針の間に流れるトンネル電流値を検出し該
   トンネル電流値に基づき該基準目盛と該探針との横方向
   の相対動き量に応じた信号を出力する手段と、該信号出
   力手段の出力信号に基づいて該基準目盛と該探針との横
   方向の相対動き量および相対動き方向を検知する手段と
   、該横方向相対動き量信号と該相対動き方向信号から該
   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
   を具備することを特徴とするエンコーダ。
2. （２）前記計数手段がアップ・ダウン計数手段である特
   許請求の範囲第１項記載のエンコーダ。
3. （３）前記基準目盛と前記探針との縦方向相対位置を一
   定とする手段を設け、前記トンネル電流値の変化から前
   記基準目盛と前記探針の横方向相対変位を検知する特許
   請求の範囲第１項または第２項記載のエンコーダ。
4. （４）前記基準目盛と前記探針との縦方向相対位置を制
   御する手段を設け、前記トンネル電流が一定となるよう
   に前記縦方向相対位置の制御を行ない、前記縦方向相対
   位置の変位量から前記基準目盛と前記探針との横方向相
   対変位を検知する特許請求の範囲第１項または第２項記
   載のエンコーダ。
5. （５）前記基準目盛として導電性材料表面の原子や分子
   の配列を用いた特許請求の範囲第１項ないし第４項のい
   ずれか１つに記載のエンコーダ。
6. （６）前記基準目盛として周期的な表面形状を持った導
   電性物体を用いた特許請求の範囲第１項ないし第４項の
   いずれか１つに記載のエンコーダ。
7. （７）周期的配列を持った前記基準目盛上に基準原点を
   設けた特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか１
   つに記載のエンコーダ。
8. （８）周期的配列を持った前記基準目盛上に基準原点を
   複数個周期的に設けた特許請求の範囲第７項記載のエン
   コーダ。
9. （９）周期的配列を持った前記基準目盛上に設けた複数
   の基準原点の幅や基準原点間の間隔に関する情報をメモ
   リに持つ特許請求の範囲第７項または第８項記載のエン
   コーダ。
10. （１０）周期的配列を持った前記基準目盛上に設けた基
    準原点または基準原点近傍に絶対的位置情報を記録した
    特許請求の範囲第７項ないし第９項のいずれか１つに記
    載のエンコーダ。
11. （１１）基準となる目盛として、予め目盛の間隔に関す
    る情報をメモリに記憶させた非周期的目盛を用いた特許
    請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１つに記載の
    エンコーダ。
12. （１２）前記基準目盛と前記探針を横方向に相対的に走
    査して得られるトンネル電流の変化が一周期内で非対称
    となるような配列を前記基準目盛として用い、前記基準
    目盛と該探針の相対動き方向を検知する特許請求の範囲
    第１項ないし第１１項のいずれか１つに記載のエンコー
    ダ。
13. （１３）探針横方向位置制御手段を設け、前記探針を相
    対変位量検出方向に振動させることにより、前記基準目
    盛と前記探針の相対動き方向を検知する特許請求の範囲
    第１項ないし第１２項のいずれか１つに記載のエンコー
    ダ。
14. （１４）前記基準目盛の周期的配列において、それぞれ
    異なった位相に対応させた複数の探針を設け、前記複数
    探針からの複数の相対動き量信号の位相差によって、前
    記基準目盛と前記探針の相対動き方向を検知する特許請
    求の範囲第１項ないし第１２項記載のエンコーダ。