JPH02243918A - 変位検出装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は変位測定装置に関し、特にトンネル電流によっ
て基準スケールのピッチを検出し、スケールの移動量を
数１０８以上にわたってΔ基準ｌ定しえる変位検出装置
に孫わる。

（従来の技術） 従来、変位検出器として以下のものが知られている。

従来例１（第３回セレングフオーラ′ム（昭和６１年４
７１８日・９日）、“半導体レーザを用いた超高分解能
ディジタルスケール°、　ｐ、８７）は、この発明と同
様、基準スケールを用いる方式の変位検出器である。こ
の方式では、基準スケールとしてＧ　ｒａＬｉｎｇ　（
回折格子）を用い、前記スケールにレーザ光を照射し、
その回折光の干渉信号を内挿して高分解能パルス（１ｎ
ｍ）を得ている。

従来例２（特願昭６２−２０９８０２号公報）は、本発
明と同様、トンネル電流を用いた平行移動量検出装置で
ある。ここで、基準スケールとしては、Ｓｌ、Ｇｏ、水
晶などの単結晶を用いている。

しかしながら、従来例１，２は以下に述べる問題点を有
する。

（従来例１） この方式では基準スケールとして回折格子を用いている
が、回折格子の製造方式は現状ではりソグラフィによる
方式とルーリングエンジンによる機械加工方式の２方式
がある。原理的には、後者の方が狭いピッチのものが得
られる可能性がある。

また、一般市販品では２０００本／ｍ＋ｍ、研究レベル
でも１８０００本／■（ピッチ−５６ｍ＋ｎ）で、今後
更に微細化の可能性がある。即ち、基準スケールにおい
て最も重要なパラメータはこのピッチ（Ｐ）であり、ス
ケールの高い精度化を図るためにはこのＰを小さくする
必要が重要である。しかし、従来例２では回折の起きる
条件はｓｌｎθ−λ／Ｐ　（第９図参照）であり、これ
が解をもつにはλ／Ｐ＜１即ちλくＰでなければならな
い。しかるに、実用的な波長としてはλ−２５０ｎｍ程
度が限界であるため、回折法ではＰ　＝　２５０ｎａ＋
が基準スケールの限界であり、あとは内挿法によって高
分解能を得る手法にたよらざるを得ない。

（従来例２の場合） ■基準スケールとして８１等を用いた場合、Ｓｌ等の表
面は大気中で酸化が起り、トンネル電流を用いるには高
真空が必要になる。

■一般に結晶の表面原子はＲｅＲｅ−Ｃ０ｎ５ｔｒａＣ
１ＬＩａｒｌｒ１再構成）が起り、その原子配列が乱れ
易い。

■８１などは２次元の規則性をもつため、本文中で記載
されているように探針が原子の頂上のみを操作すること
は事実９．ｌ：不可能である。このため、移動比率演算
装置を設けるなど、斜めに操作した時のことを考慮する
必要がある。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、製品の寸法
を高精度に測定する場合のプローグ移動瓜や加工機械の
ステージの位置を高精度に測定する場合に、高分解能で
変位をΔＰＩ定しえる小型で構造が簡易な変位検出装置
を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、４電性を有する基準スケールと、この基準ス
ケールを一次元的に移動するステージと、前記基準スケ
ールに対し導電性を有する探針を近づける粗動機構と、
前記基準スケールに対し上記探針を微少量駆動する微動
機構と、前記基準スケールと探針１８１に流れるトンネ
ル電流を一定に保制御回路と、この制御回路の信号を計
数表示する回路とを具備し、基準スケールのもつ表面の
一方向に存在する周期的凹凸を計数して披Ａｌ１１定物
の変位量を７ｉＰＩ定する変位検出装置である。

本発明の第１のボイドはトネル電流を使用することであ
り、第２のポイントは基準スケールの構成にある。以下
、基僧スケールについて第１Ｏ図（Ａ）（Ｂ）を参照し
て説明する。同図は、従来例２の図面より抜粋した図で
あり、同図（Ａ）はＮｂ５ｃ３の単結晶の壁界面をＳＴ
Ｍで観察したアナログ図、同図（Ｂ）はＮｂＳｅ３中の
Ｎｂ。

Ｓｏ原子の璧界面への平面図である。即ち、ニオブセレ
ンＮｂ　Ｓｅ　３の単結晶の璧開面をＳＴＭで観察する
と、原子のレベルの周期性のある信号が１りられる。こ
の周期即ちピッチは１．５２９±０．０２ｍｆｆ１であ
り、この値又はこの１／２値を用いれば、１ｎＩｍ以下
の分解能のあるパルスが得ることができる。

但し、このＮｂＳｅ３結晶を基準スケールとして用いる
場合には、７７Ｋ（ケルビン）の低温が必要で、このＡ
Ｐｊ定器自体は液体ＨＯなどを用いた低温チャンバにで
動作させる必要がある。しかし、従来例２と異なり、１
次元の周期性をもつ単結晶を用いているので、探針が原
子列に直角に走らなくても意味のある周期信号を得るこ
とができる。

また、単結晶でなｌ’ｌΩｃ　ｐ１ｔｃハの回折格子（
表面は金などをコーティングした導電性を有するもの）
を用いることもできる。この場合には、現状ではピッチ
ＧＯｎｍ程度のものが存在するが、今後数ｎ１１のもの
まで可能性がある。この時のスケール全長は数１０ｍａ
＋から数１０ａ＋ｒＡが可能であると思われる。

なお、この場合も基準スケールは１次元の周期性を有し
ていることは自明である。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図〜第６図を参照して説
明する。

第１図は本実施例に係る変位検出装置の略斜視図である
。

図中の１は、例えば大きさが１００ｍｍ　　（長さ）ｘ
　５０＋ｎｍ　（幅）　ｘ　２０ｍ　ｍ　（高さ）のア
ルミ製のハウジングである。このハウジング１の内側に
は、中空のステージ２が配置されている。このハウジン
グ２は、リン青銅やバネ鋼からなるの厚み０．０５〜０
．２ｍｍ　７２度の薄い板（板バネ）３を介して前記ハ
ウジング１と４ケ所で連結されている。ここで、各板バ
ネ３は平行になっている。前記ステージ２の片端には、
伸びの極めて小さいボロンファイバーやカーボンファイ
バーからなるワイヤ４が固定されている。このワイヤ４
は、前記ハウジング１の側壁に設けられた貫通穴１ａか
ら外部に引出されている。このワイヤ４の他端は、披ｆ
ｌｌｌＪ定物（図示せず）、即ち移動量を／１１１１定
しようとする寸法測定機や加工機械のステージに固定さ
れている。この固定により、変位がステージ２に伝達す
るように構成されている。前記ステージ２の上面には、
ＮｂＳｅ３結晶を壁間した基準スケール５が接着やネジ
止め等の手段により固定されている。

前記ハウジング１には、第２図図示のアルミ製のＬ型ア
ーム６が取付けられている。このアーム６には、粗動用
のマイクロメータ（１目盛り１〜０．１μｍ）７が設け
である。このマイクロメートル７にはマイクロ移動部８
が取付けられており、マイクロメートル７を手動で回転
することによりマイクロ移動部８が一６Ｚ方向に進む。

ここで、前記マイクロメートル７及びマイクロ移動部８
を総称して微動機構と呼ぶ。前記マイクロ移動部８の先
端には、例えば積層型で５μｍ／１００　Ｖ　（全印加
電圧）の変位特性をもつ（つまり、１００■で最大５μ
ｍ伸びるという意味である）圧電素子（微動機構）９が
設けられている。この圧電索子９の先端には、探針１０
が取付けられている。この探針ｌＯの固定方法は、例え
ば探針ｌＯが入る穴のあいたアルミブロックが圧電索子
９の先端に接着されており、この穴に探針１０を挿入し
、ネジにより固定する方式である。

第４図は、こうした構造の変位検出装置の電気制御系を
示す回路図である。この制御系は、トンネル電流を得る
ためのバイアス電圧源２１、トンネル電流を検出する電
流電圧変換回路２２、対数増幅器２３、差動増幅′５２
４、積分器２５、増幅器２６、高圧増幅′Ｓ、２７、エ
ッヂ検出器２８、計数器２９及び表示器３０などにより
構成されている。

次に、上記構造の変位検出装置の作用について説明する
。

■まず、粗動マイクロ７を手動で調整し、探針ｌＯを基
準スケール５にトンネル電流が検出できる程度まで近付
ける。なお、このトンネル電流については、走査型トン
ネル顕微鏡（ＳＴＭ）の原理で自明なので説明を省略す
る。ここで、前記探針１０は、ＳＴＭと同様、第４図の
制御回路によってフィードバックされ、基準スケール５
表面から数ｎｒｐの近傍に保たれる。

■一方、披／ＩＩＩＪ定物の移動部分には前記ワイヤ４
の他端が固定されており、前記移動部分が６（く１０＋
ｕ＋）移動すると、ワイヤ４を介してステージ２がＸ方
向に引かれる。その結果、ステージ２は板バネ３の特性
により、第３図に示す如く平行にＸ方向に移動する。な
お、本方式ではステージ２はｙ、ｚ方向に移動しない（
上下動、左右動は極めて少ない）。また、いわゆるステ
ージ２のピッチング、ヨーイング、０−リングの成分は
極めて少なく数秒以下にできる。前記ステージ２が移動
すると、ＳＴＭの原理と同様、第５図の信号Ｓのように
、２！準スケ一ル４９表面の凹凸に対応した信号が得ら
れる（なお、この凹凸は原子レベルまでに達する）。

■更に、この信号をエッヂ検出器２Ｂに入力し、第６図
のような正負のパルス（Ｅ）を得る。このパルスを計数
することにより、基準スケール４のピッチＰの約１／２
の変位を計数器２９によってカウントし、表示器３０に
より表示することができる。

しかして、上記実施例に係る変位検出装置は、Ｎｂ５ｏ
２結晶を壁間した基準スケール５、この基準スケール５
を平行に移動するステージ２と、前記基準スケール２に
対し探針１０を近づける粗動機構と、前記基準スケール
５に対し上記探針ｌＯを微少量駆動する微動機構と、前
記基準スケール５と探針１０間に流れるトンネル電流を
一定に保つ制両回路と、この制御回路の信号を計数表示
する回路とを具備し、基■スケール５のもつ表面の一方
向に存在する周期的凹凸を計数して被測定物の低位量を
７１ｐｊ定する構成となっている。従って、以下に列挙
する効果を有する。

１）トンネル電流方式を用いているが、電流の瓜は極め
て微少（０，ｌＶ／ｎＡ）であるため、温度ドリフトを
回避できる（従来例２の光方式と比べ１Ｏ１Ｊ倍安定で
ある）。これに対し、従来の回折格子に光を当て周期信
号を電気分解する方式では、回折格子が光により暖まる
従って、回折格子が熱膨張し、十分な精度（測定の確度
）が十分得られない。

２）ＮｂＳｅ３の単結晶の壁間面をＳＴＭで観察すると
、原子のレベルの周期性のある信号が得られる。この周
期即ちピッチは１．５２９±０．０２ｍｍであり、この
値又はこの１／２値を用いれば、ｌｎｍ以下の分解能の
あるパルスが得ることができる。

これに対し、従来の回折格子に光を当てる方式ではｌｎ
ｉの分解能は得ているものの、この分解能の確度は回折
格子の山の形状の周期性に依存している。従って、１ｎ
＋ｎの精度は現状では保証できない。

即ち、 ３）装置全体を手の平にのるサイズ程度に小さくできる
。これに対し、従来の回折格子に光を当てる方式の場合
、光学的距離が必要なため装置全体が大型化する。

４）制御回路が極めて簡便である。これに対し、従来例
２の場合、ＡＤコンバータ、ＣＰＵなど極めて曳雑な電
気回路が必要となる。

なお、上記実施例では、ステージが被測定物とワイヤで
連結されている場合について述べたが、これに限定され
ない。例えば、連結棒や金属テープなど被測定物の変位
をステージ変位に伸縮なく伝達できるものであればなん
でもよい。

上記実施例では、ステージとハウジングを互いに平行な
板バネで連結した場合について述べたが、これに限定さ
れない。例えば、第７図や第８図に示す如くアルミ合金
ブロックからワイヤカット放電加工等により切り抜くタ
イプのものでもよく、また平行バネに限らず、基準スケ
ールを平行にＸ方向に移動できるメカニズムであればそ
の他の機構でも良い。

上記実施例では、アームに粗動用のマイクロメータを設
けた場合について述べたが、これに限定されない。例え
ば、１〜０．１μｍの精度で位置合せができる機構であ
ればどのような手段を用いてもよい。

上記実施例では、電気制御系で対数増幅器を用０たが、
フィードバックが行えればこの対数増幅器はなくても良
い。また、同制御系では第５図の信号Ｓはエッヂ検出器
２８によりパルスを発生させているが、エッヂを検出せ
ず、信号Ｓをそのまま＋ｉＥ数する方式でも良い（但し
、ＤＣ成分の除去やシュミット回路は必要であり、また
この方式では分解能は光のそれの２倍となる）。

［発明の効果］ 以上詳述した如く本発明によれば、製品の寸法を高精度
に７１１１１定する場合のプローグ移動量や加工機械の
ステージの位置を高精度に測定する場合に、高分解能で
低位を測定しえる小型で構造が簡易な変位検出装置を提
供できる＝

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の四実施例に係る変位検出装置の略斜視
図、第２図はこの装置に用いられるアームの斜視図、第
３図は第１図の装置の一構成要素であるステージの移動
状態を示す説明図、第４図は第１図の装置の電気制御系
を示す回路図、第５図は信号Ｓの波形図、第６図は信号
Ｅのパルス図、第７図及び第８図は夫々ステージの変形
例を示す斜視図、第９図は波長、入射角度及びピッチの
関係を示す説明図、第１０図はＮｂ　Ｓｅ　３の単結晶
の壁界面をＳＴＭで観察した場合の説明図である。 １・・・ハウジング、２・・・ステージ、３・・・板バ
ネ、４・・・ワイヤ、５・・・基準スケール、６・・・
アーム、７・・・マイクロメートル、８・・・マイクロ
移動部、９・・・圧電素子、ＩＯ・・・探針。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 アーム 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 導電性を有する基準スケールと、この基準スケールを一
   次元的に移動するステージと、前記基準スケールに対し
   導電性を有する探針を近づける粗動機構と、前記基準ス
   ケールに対し上記探針を微少量駆動する微動機構と、前
   記基準スケールと探針間に流れるトンネル電流を一定に
   保制御回路と、この制御回路の信号を計数表示する回路
   とを具備し、基準スケールのもつ表面の一方向に存在す
   る周期的凹凸を計数して被測定物の変位量を測定する変
   位検出装置。