JP2002031593A

JP2002031593A - 物理量測定装置

Info

Publication number: JP2002031593A
Application number: JP2001136104A
Authority: JP
Inventors: Junichi Takahashi; 淳一高橋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-05-07
Filing date: 2001-05-07
Publication date: 2002-01-31

Abstract

(57)【要約】【課題】形状測定用の半導体レーザから出射した光の
一部が散乱し、感光性を有する試料の表面に照射されて
試料表面が感光されてしまうのを防止する。【解決手段】先端に探針が取付けられた片持ち梁を有
し、感光性を有する試料とこれに対向配置された探針と
の間に作用する力により生じる探針の変位又は振動から
試料の物理量を測定するに際し、試料が感光しない波長
の光を発する光源を設け、光源から発せられた光を反射
する反射ミラーを片持ち梁に取付け、反射ミラーにより
反射された光を受光する受光素子とを設けた。これによ
り、試料表面の状態が光源の光によって乱されるような
ことがなくなり、測定精度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型力顕微鏡や
高分解能表面電位形状測定装置、さらには、感光体ドラ
ムの表面電位，トナー形状，トナー電位分布の測定装置
などに用いられる物理量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、試料表面の電位や形状を測定する
物理量測定装置としては、種々のものが提案されてい
る。まず、第一の従来例（特願平５−９３４９９号参
照）を図７に基づいて説明する。導電性基板１（試料
台）に設置された試料２と、これと対向配置された探針
３との間に電位差が生じて静電引力が作用すると、その
探針３を先端に有し端部が基台４に支持された片持ち梁
５が振動する。この片持ち梁５の探針３が取付けられた
面とは反対側の面（裏面）には反射ミラー６が取付けら
れている。これにより、光源としての半導体レーザ７か
ら出射した光は、反射ミラー６により反射され、いわゆ
る光テコ法によって受光素子としての光検知器８に検出
される。この検知された信号はプリアンプ９により出力
Ｖｏ（交流信号）として出力され、ロックインアンプ１
０において、正弦波交流電源１１の同期信号（ω_０）と
同期して直流電圧Ｖ₁₁に変換される。この直流電圧Ｖ₁₁
は積分器１２に送られる。この積分器１２は、正弦波交
流電源１１の交流電圧Ｖ₃₁によって静電引力が作用する
片持ち梁５の振動の振幅を０又は一定値になるように直
流電圧Ｖ₂₁を可変させる。なお、この積分器１２には、
直流電圧Ｖ₂₁の変化する電位を測定する電圧計１３が接
続されている。そして、その積分器１２からの出力値で
ある電圧Ｖ₂₁は、正弦波交流電源１１の交流電圧Ｖ
₃₁と、正弦波交流電源１４の交流電圧Ｖ₃₂と共に加算器
１５に入力される。この加算器１５からの電圧Ｖ₄₁はパ
ワーアンプ１６に送られ、このパワーアンプ１６からの
電圧Ｖ₅₁が片持ち梁５の探針３に印加される。一方、ロ
ックインアンプ１７から出力された直流電圧Ｖ₁₂は比較
器１８に送られる。この比較器１８からの電圧Ｖ₆ は積
分器１９に送られる。なお、この積分器１９には、Ｚ軸
アクチュエータ２１の変位量を測定するための電圧計２
０が接続されている。そして、積分器１９の電圧Ｖ₂₂は
パワーアンプ２２に送られ、Ｚ軸アクチュエータ２１は
そのパワーアンプ２２からの電圧Ｖ₅₂によって駆動され
る。

【０００３】上述したように、片持ち梁５の共振周波数
ω₀ とその１／２の周波数ω₀／２とをもつ交流電圧Ｖ
ａ｛＝Ｇ（Ｖ_３１＋Ｖ_３２）｝と、直流バイアス電圧Ｖ
ｂ（＝ＧＶ₂₁）とが重畳された電圧Ｖ₅₁を片持ち梁５に
印加し、周波数ω_０の交流電圧Ｖ₃₁により生じる片持
ち梁５の共振振動の振幅から直流バイアス電圧Ｖｂと試
料２の表面電位Ｖｓ（接地電位に対する電位）との差を
検出し、この差が０となるように直流バイアス電圧Ｖｂ
を制御し、このＶｂの値から試料２の表面電位を測定す
る。一方、周波数ω₀／２の交流電圧Ｖ₃₂によって生じ
る振動振幅から探針３の先端と、試料２の表面との間の
距離ｄを測定し、この距離ｄの値を一定に保つようにＺ
軸アクチュエータ２１を駆動制御することによって、そ
のＺ軸アクチュエータ２１の制御信号である電圧Ｖ₂₂か
ら試料２の表面形状を測定する。このようにして試料２
の表面電位と表面形状とを同時にかつ独立して測定する
ことができる。

【０００４】次に、第二の従来例（特開平６−１０９５
６１号公報参照）を図８に基づいて説明する。基板２３
の一端には、３本の片持ち梁２４ａ，２４ｂ，２４ｃが
Ｖ字形の構造をなして設けられている。これら３本の梁
の先端部には下方（Ｚ方向）に向けて導電性の探針２５
が取付けられている。この探針２５には配線パターン２
６（以下、配線という）が接続され、この配線２６は片
持ち梁２４ｃ上に形成され基板２３上のパッド部２７と
接続されている。また、片持ち梁２４ａ，２４ｂの付け
根付近には、歪検出素子（ピエゾ抵抗）２７ａ，２７ｂ
が形成されており、このピエゾ抵抗２７ａ，２７ｂには
配線２８ａ，２８ｂが接続され、この配線２８ａ，２８
ｂには基板２３上のパッド部２９ａ，２９ｂと接続され
ている。

【０００５】これにより、パッド部２７から配線２６を
介して探針２５に電圧が印加されると、試料（図示せ
ず）の表面と探針２５との間に静電引力が作用し、片持
ち梁２４ａ，２４ｂが変形する。この機械的な変形をピ
エゾ抵抗２７ａ，２７ｂにより検出し、配線２８ａ，２
８ｂからパッド部２９ａ，２９ｂを通じて電気信号に変
換して出力することにより、探針２５に加わる力を測定
することができる。この場合、探針電位は１ＫＶ位にな
るため放電が生じやすいが、片持ち梁２４ｃと片持ち梁
２４ａ，２４ｂとの間の距離Ｄを十分離すことによって
放電が生じないようにすることができる。

【０００６】次に、第三の従来例（OPTRONICS、1992、N
o.9、p.97参照）を図９、図１０に基づいて説明する。
図９に示すように、基板３０の中央には片持ち梁３１が
設けられ、この片持ち梁３１上にはその延在した方向に
沿って光導波路３２が形成されている。この片持ち梁３
１の先端のギャップを挾んた基板３０の固定部３３上に
は、前記光導波路３２の端面３２ａと対向する端面３４
ａを有する光導波路３４が形成されている。このような
構造とされた基板３０において、光導波路３２を伝搬し
てきた光は片持ち梁３１の先端に位置する端面３２ａか
ら放射され、この放射された光はこれと対向する端面３
４ａから入射して再結合し光導波路３４内を伝搬してい
く。この場合、図１０（ａ）に示すように、片持ち梁３
１が変形していない状態では、光導波路３２，３４間で
光軸ズレが生じないため、伝搬される光量が減少するこ
とはない。しかし、図１０（ｂ）に示すように、片持ち
梁３１が変形した状態では、光軸ズレが生じ光導波路３
４側に入射する光量が減少する。従って、このように片
持ち梁３１の変形量（曲がり量）に応じて伝搬される光
量が変化するため、光導波路３４側の光量を検出するこ
とにより片持ち梁３１の変形量を容易に測定することが
できる。この応用例としては、圧力センサ、加速度セン
サ、流量センサ等が考えられる。

【０００７】次に、第四の従来例（Japanese Journal o
f Applied Physics、Vol.28、No.2、Feb.、1989、p.287
参照）を図１１に基づいて説明する。基板３５上には片
持ち梁３６が設けられている。この片持ち梁３６の根本
付近には、その梁の延在方向に直交して光導波路３７が
形成されている。また、基板３５の固定部３８上には、
光導波路３７に平行な状態で光導波路３９が形成されて
いる。この場合、光導波路３７は片持ち梁３６の変形量
を検出する信号検出用導波路とされ、光導波路３９は参
照用導波路とされており、両者はＹ字形に分岐、合流し
て光導波路４０とつながっている。このような構造とさ
れた基板３５において、片持ち梁３６の変形に伴って光
導波路３７が変形し、これにより屈折率が変化して導波
路内を伝搬する光の位相が変化する。このような位相変
化によって片持ち梁３６の変形量を測定することができ
る。

【０００８】ここで、そのような位相変化により信号検
出を行う動作原理を、図１２、図１３の基本的構造であ
るマッハツェンダ干渉計を用いて説明する。前述した図
１１の片持ち梁３６に相当する変形領域が、この図１２
ではＡ領域（微細構造のダイアフラム部）に相当する。
変形するＡ領域上の光導波路３７を通って位相が変化し
た光と、固定部３８上の光導波路３９を通って位相が変
化しない光とは、Ｙ状の分岐部で合流し光導波路４０で
合波干渉した時、この光導波路４０から出力される光の
光強度は両方の光の位相によって変化する。この場合、
図１３（ａ）に示すように、両方の光が同相の場合は、
合波されることにより０次モードが励起され、光導波路
４０から出力される光の光量は最大となる。また、図１
３（ｂ）に示すように、両方の光が逆相の場合は、１次
モードが励起されるため光波が導波路外部へ放射され
（シングルモード導波路の場合）、光導波路４０からは
光が出力されない。このように光導波路４０から出力さ
れる光量を測定することによって、Ａ領域すなわち片持
ち梁３６の変形量を測定することができる。

【０００９】また、位相変化により信号検出を行う他の
例を、図１４及び図１５に基づいて説明する。図１４に
示すように、基板３５上には２本の光導波路４１，４２
が形成されており、これら光導波路４１，４２はＸ状の
分岐部にて光導波路３７，３９と交差している。この場
合、光導波路４２は、光導波路４１よりも導波路の幅が
狭く形成されている。基板３５の端面には反射ミラー４
３が設けられている。このような構造はモードデバイダ
として機能するものである。まず、左側の幅の広い光導
波路４１から入射した光は、分岐部にて１：１に分波さ
れ、光導波路３７，３９内を伝搬していき、反射ミラー
４３により反射されて再度分岐部に戻ってくる。この
時、両方の光が図１５（ａ）に示すように同相であれば
０次モードが励起され、光は広い幅の光導波路４１の方
へ伝搬していく。また、両方の光が図１５（ｂ）に示す
ように逆相であれば１次モードが励起され、光は狭い幅
の光導波路４２の方へ伝搬していく。このように光が同
相か否かはＡ領域すなわち片持ち梁３６の変形量によっ
て決まるものであるため、光導波路４１，４２に戻って
くる光量を調べることにより片持ち梁３６の変形量を測
定することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】第一の従来例（図７参
照）で述べた試料２が、電子写真装置に用いられる感光
体ドラムである場合について考える。今、感光体ドラム
の表面電位を測定するために、そのドラムを回転させる
と、偏芯構造により回転軸とドラムの中心軸とがズレて
いるため、１回転の間にドラム表面が１００μｍ程度上
下動する。このとき、ドラム表面と探針３との間の距離
ｄは、十分な解像度を得るために、μｍオーダ以下に初
期設定されている。図７の装置では、その距離ｄを常に
一定に保つために、周波数ω₀／２により生じる片持ち
梁５の共振振動の振幅から実際の動作時の距離ｄを測定
してＺ軸アクチュエータ２１に帰還をかけている。しか
し、距離ｄが例えば２μｍであるのに対して、ドラム表
面の上下動が１００μｍ程度もあり桁違いに大きいた
め、帰還動作が間に合わず、その結果、ドラム表面が探
針３に衝突してしまい、最悪の場合には探針３が破損し
てしまうおそれもある。

【００１１】また、片持ち梁５の振動状態は、半導体レ
ーザ７と反射ミラー６と光検知器８とによって構成され
る光学系を用いて、いわゆる光テコ法により検出され
る。この場合、半導体レーザ７から出射した全ての光が
光検知器８に導かれるのではなく、その一部の光は散乱
され、感光体ドラムのドラム表面に照射される。これに
より、その漏れた光によってドラム表面が感光されて表
面電荷が放電してしまい、正常な状態（静電潜像）を乱
してしまうことになる。

【００１２】また、探針３とドラム表面との間には静電
引力が作用しているが、その電位差をＶ₁ 、距離をｄ
₁ 、探針３の先端部でのドラム表面に対向する等価的な
面積をＳ₁ とすると、探針３とドラム表面との間に働く
力Ｆ₁ は、Ｆ₁ ＝Ｓ₁ ε₀（Ｖ₁ ²／ｄ₁ ²） …（１）ただし、ε₀：空気の誘電率として表わせる。一方、探針３と同電位とされた片持ち
梁５は基台４により支持されているが、この基台４の周
囲にはこれら部品を支持するための支持機構（周辺機
器）が設けられており、このような支持機構はノイズシ
ールドのために接地電位となっている。このため、片持
ち梁５とその周辺の支持機構との間においても静電引力
が作用する。今、その両者間の電位差をＶ₂ 、等価的な
距離をｄ₂ 、等価的な面積をＳ₂ とすると、この場合に
おける力Ｆ₂ は、Ｆ₂ ＝Ｓ₂ ε₀（Ｖ₂ ²／ｄ₂ ²） …（２）として表わせる。ここで、（１）（２）式のＦ₁，Ｆ₂を
比較すると、ｄ₁≪ｄ₂であるが、面積Ｓ₂ は片持ち梁５
の裏面側であり、Ｓ₂≫Ｓ₁となる。また、探針３の電位
と、ドラム表面の電位とは構成上ほぼ等しくなるのに対
して、周辺の支持機構の電位は常に接地電位であるた
め、ドラム表面の電位が高い時にはＶ₂ の値は大きくな
り、これによりＶ₁≪Ｖ₂となる。従って、このようなこ
とから、周辺機器の環境条件によっては力Ｆ₂ は力Ｆ₁
に対して無視できない値となり、この値が測定誤差を招
く原因となる。

【００１３】また、探針３をドラム表面に近づける測定
初期の段階では、探針３と試料２とが遠く数ｍｍ以上離
れているため、（１）式の力Ｆ₁ は（２）式の力Ｆ₂ に
対してむしろ小さな値となり、これにより、片持ち梁５
から検出された電圧Ｖ₁₁は誤った値を示しその積分値で
あるＶ₂₁はどんどん大きな値となる。その結果、探針３
とドラム表面との間の電位差Ｖ₁ もＫＶオーダとなり、
その両者間に放電を生じ、測定対象であるドラム表面の
電位を乱すことになる。また、そのような放電を生じな
い場合でも、周辺部の支持機構と片持ち梁５との間に放
電を生じることになる。これにより、探針３が損傷を受
けたり、安全のために接地された加算器１５の遮断回路
（図示せず）が作動して測定が不能となる。

【００１４】次に、第二の従来例（図８参照）の場合、
探針２５に電圧を印加するための配線２６と、ピエゾ抵
抗２７ａ，２７ｂ又は配線２８ａ，２８ｂとの間の放電
を防ぐため、両者間を距離Ｄだけ離した構造にしてい
る。しかし、配線２６への印加電圧が１ＫＶ程度と大き
いためこの電圧が変動すると、両者間に発生した寄生容
量を介して、電圧変動によるノイズがピエゾ抵抗２７
ａ，２７ｂにより検出した信号に混入してしまい測定誤
差の原因となる。また、ピエゾ抵抗２７ａ，２７ｂに流
す電流によるジュール熱によって片持ち梁５が曲がって
しまい測定誤差の原因となる。

【００１５】次に、第三の従来例（図９参照）、第四の
従来例（図１１参照）の場合、光導波路３２，３４，３
７，３９を用いて光量差から片持ち梁３１，３６の変形
量を検出する基本的な動作原理が述べられている。しか
し、そのような光導波路３２，３４，３７，３９を用い
て、感光体ドラムの表面電位の測定や、トナー電位分布
の測定等に応用した例は見当らない。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の物理量測
定装置の発明は、先端に探針が取付けられた片持ち梁を
有し、感光性を有する試料とこれに対向配置された前記
探針との間に作用する力により生じる前記探針の変位又
は振動から前記試料の物理量を測定する物理量測定装置
において、前記試料が感光しない波長の光を発する光源
と、前記片持ち梁に取付けられ前記光源から発せられた
光を反射させる反射ミラーと、前記試料が感光しない波
長の感度を有し前記反射ミラーにより反射された光を受
光する受光素子とからなる物理量検出光学系を備えてい
る。

【００１７】したがって、物理量検出光学系の光源から
発せられた試料が感光しない波長の光は、静電引力が作
用する片持ち梁に取付けられた反射ミラーに入射し、こ
のミラーにより反射された光は試料が感光しない波長の
感度を有する受光素子に検出され、これにより、試料表
面の状態が光源の光によって乱されるようなことがなく
なる。

【００１８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の物
理量測定装置において、試料が感光しない光源の発光波
長を、４００ｎｍ以下、又は、６００ｎｍ以上の値とし
た。

【００１９】したがって、試料の感光材料として頻繁に
用いられるのは、感光感度が４００ｎｍ付近のものと６
００ｎｍ付近のものであることから、４００ｎｍ付近の
感光材料の試料に対しては６００ｎｍ以上の発光波長を
もつ光源を選択し、６００ｎｍ付近の感光材料の試料に
対しては４００ｎｍ以下の発光波長をもつ光源を選択す
ることによって、光源の光により試料の状態が乱される
ようなことがなくなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態を図１〜図
６に基づいて説明する。なお、前述した第一の従来例
（図７参照）と同一部分についての説明は省略し、その
同一部分については同一符号を用いる。

【００２１】〔全体構成〕試料は、電子写真装置に用い
られる感光体ドラム４４とされている。この感光体ドラ
ム４４には、これを回転させるための回転モータ４５
と、エンコーダ４６とが接続されている。このうち、回
転モータ４５はモータ駆動電源４７に接続され、エンコ
ーダ４６は制御装置４８（コンピュータ）に接続されて
いる。また、感光体ドラム４４の表面には、片持ち梁５
の先端に取付けられた探針３が距離ｄをもって対向配置
されている。この探針３が取付けられた片持ち梁５を支
持する基台４と、反射ミラー６と半導体レーザ７と光検
知器８とからなる光テコ光学系４９（物理量検出光学
系）とは、駆動装置５０に固定されている。この駆動装
置５０は、Ｙ軸アクチュエータ５１と、Ｚ軸粗動アクチ
ュエータ５２と、Ｚ軸微動アクチュエータ５３とからな
っている。これら３つのアクチュエータ５１，５２，５
３は、制御装置４８によって駆動制御されている。この
場合、Ｙ軸アクチュエータ５１は、探針３をドラム表面
に対して副走査方向（回転軸方向）に走査させる。ま
た、回転モータ４５は感光体ドラム４４を回転させ、こ
れによって、探針３をドラム表面に対して主走査方向
（ドラム回転方向）に走査させる。

【００２２】また、その制御装置４８には、電圧Ｖ₆ を
測定する電圧計５６と、電圧Ｖ₂₁を測定する電圧計１３
と、電圧Ｖ₂₂を測定する電圧計２０とが接続されてい
る。また、パワーアンプ２２から出力される電圧Ｖ
₅₂は、ａ，ｂ，ｃ端子からなるスイッチ回路５７のａ端
子に接続されている。ｂ端子はアース端子となってい
る。ａ又はｂ端子と接続されるｃ端子は、Ｚ軸微動アク
チュエータ５３に接続されている。これにより、ａ−ｃ
端子間が接続されることによって、Ｚ軸微動アクチュエ
ータ５３は帰還ループによって駆動制御される。

【００２３】この場合、副走査用のＹ軸アクチュエータ
５１と、主走査用の回転モータ４５及びモータ駆動電源
４７とは、走査手段５４を構成している。また、Ｚ軸粗
動アクチュエータ５２と、Ｚ軸微動アクチュエータ５３
とは、感光体ドラム４４の表面と探針３との間の距離ｄ
を可変させる試料探針間距離可変手段５５を構成してい
る。さらに、統括的な制御を行う制御装置４８は、走査
手段５４による走査位置に同期して探針３の先端とドラ
ム表面との間の距離ｄを一定に保つための補正距離ｄ₀
を算出するための補正距離算出手段（図示せず）と、こ
の算出された補正距離ｄ₀ を走査位置に対比させて記憶
する補正距離記憶手段としてのメモリ（図示せず）とを
備えている。

【００２４】このような構成において、本装置の動作に
ついて述べる。まず、実測定前の段階で、モータ駆動電
源４７により回転モータ４５を駆動して感光体ドラム４
４を回転させることによって、表面電位分布を測定する
ための主走査を行う。また、これと同時に、Ｙ軸アクチ
ュエータ５１を用いて探針３を感光体ドラム４４の回転
軸方向へ移動させて副走査を行う。この場合、感光体ド
ラム４４の回転速度は、実測定時よりも遅い速度で行
う。なお、この時、Ｚ軸微動アクチュエータ５３を動作
させないようにするために、スイッチ回路５７のｃ端子
はｂ端子と接続されている。そして、このようにして感
光体ドラム４４を回転させながらその回転角θをエンコ
ーダ４６で読取って、制御装置４８に送る。また、この
回転角θの読取りと同時に、電圧計５６により電圧Ｖ₆
の値を読み取って制御装置４８に送る。これにより制御
装置４８内では、補正距離算出手段を用いて、Ｖ₆ の値
が０となるようにＺ軸粗動アクチュエータ５２を駆動制
御するための制御量すなわち補正距離ｄ₀ を算出し、こ
の補正距離ｄ₀ とエンコーダ４６の回転角θとの関係を
示すテーブルを作成してメモリに記憶する。

【００２５】そして、実測定時においては、回転モータ
４５により感光体ドラム４４を回転させ、その回転角θ
をエンコーダ４６により読取り、その読取った回転角θ
に対応する補正距離ｄ₀ をメモリのテーブルから読出
す。そして、その読出した補正距離ｄ₀ の分だけＺ軸粗
動アクチュエータ５２を動かすことによって、感光体ド
ラム４４の偏芯によるドラム表面の上下動をなくし、毎
回転常に距離ｄを一定の状態に保つことができる。な
お、この時、スイッチ回路５７内のｃ端子はａ端子と接
続されており、これによりＺ軸粗動アクチュエータ５２
の最小分解能以下のドラム表面の凹凸による距離ｄの変
動をなくすことができる。また、このように感光体ドラ
ム４４の偏芯によるドラム表面の上下動をなくす場合、
その偏芯以外のドラム表面に付着したゴミ、トナー等に
よる上下動が補正距離算出手段により求められるテーブ
ルに記録されないように、そのような高周波成分による
上下動を除去するローパスフィルタ（図示せず）を電圧
計５６の出力側に配置させたり、制御装置４８内の演算
によって高周波成分を除去するようにしてもよく、これ
によりフイードバック制御の動作を一段と安定させるこ
とができる。従って、このようなことから、本装置は、
試料として回転時に上下動が非常に大きくなるような感
光体ドラム４４を測定するような場合においても、探針
３がドラム表面に衝突する確率が非常に小さくなり、こ
れにより、探針３の変位又は振動の物理量を正確に測定
することができるため、ドラム表面の電位分布を正確に
測定することができる。

【００２６】次に、図１の装置の変形例を図２、図３に
基づいて説明する。

【００２７】まず、図２の装置について説明する。感光
体ドラム４４にはパルス回転モータ５８が取付けられて
おり、このパルス回転モータ５８は制御装置４８と接続
されている。これにより、制御装置４８によりパルス回
転モータ５８を駆動制御することによって、感光体ドラ
ム４４を回転させることができると共に、回転角θの測
定を行うことができる。この場合、回転モータ４５とエ
ンコーダ４６とモータ駆動電源４７とが不要となり、部
品点数を減らすことができるため装置の簡素化を図るこ
とができる。

【００２８】次に、図３の装置について説明する。感光
体ドラム４４のドラム表面に近接した位置には、そのド
ラム表面との間の距離を測定する距離センサ５９が配置
されている。この距離センサ５９は制御装置４８と接続
されている。これにより、距離センサ５９により検出さ
れた距離の信号を制御装置４８に送ることによって、テ
ーブルを作成するための補正距離ｄ₀ を算出することが
できる。この場合、電圧計５６が不要となり、回路の配
線状態を簡素化させることができる。

【００２９】〔直流成分帰還量制御手段〕図４に示すよ
うに、直流電圧Ｖ₁₁を出力するロックインアンプ１０の
出力段と、加算器１５の入力段との間には、直流成分帰
還量制御手段としての直流バイアス電圧制御回路６０が
接続されている。この直流バイアス電圧制御回路６０
は、探針３の変位又は振動からその探針３に印加される
印加電圧Ｖ₅₁の直流成分の帰還量を制御する。

【００３０】図５は、直流バイアス電圧制御回路６０の
内部回路の構成を示したものである。この直流バイアス
電圧制御回路６０は、定電圧電源Ｖccに接続され電圧Ｖ
r₁を可変できる第一電圧調整部６１と、比較器６２と、
直流電圧Ｖ₁₁が入力され電圧Ｖr₂を可変できる第二電圧
調整部６３と、加算器１５へ電圧Ｖ₂₁を出力する積分器
６４とから構成されている。なお、ここでは、探針３
は、図７と同様に、Ｚ軸アクチュエータ２１上の試料台
１に設置された試料２に対向配置されている。

【００３１】このような構成において、直流バイアス電
圧制御回路６０の動作について述べる。まず、探針３と
試料２の表面との間の距離が離れ、両者間の静電引力が
微弱であり、探針３の電位が試料２の表面電位からどん
どんずれていってしまうような場合について考える。こ
のような場合には、第二電圧調整部６３のＶr₂の中点に
位置するＲ点を上側（図中）へ移行させそのＲ点をＰ点
と接続して短絡させる。これにより、電圧Ｖ₂₁の値は第
一電圧調整部６１からの電圧Ｖｒにより決定されるた
め、電圧Ｖr₁を手動によって調整することによって電圧
Ｖ₂₁の値を可変させることができる。このように手動に
より電圧Ｖ₂₁の値を可変させることによって、探針３に
印加される印加電圧Ｖ₅₁の直流成分を制御し、探針３の
電位を試料２の表面電位に近づけることができる。

【００３２】そして、このように手動により電圧Ｖr₁を
調整して電圧Ｖ₂₁の値を試料２の表面電位に略一致さ
せ、探針３と試料２の表面との間の距離を近づけた後、
第二電圧調整部６３のＶr₂のＰ点に接続されていたＲ点
を下側（図中）へ徐々に移行させＱ点側で接続する。こ
れにより、電圧Ｖ₂₁の値を、第一電圧調整部６１による
電圧Ｖｒの手動の制御状態から、直流電圧Ｖ₁₁による自
動の帰還制御状態に移行させることができる。そして、
このような状態で実測定を開始することによって、探針
３から試料２の表面又はその周辺機器への放電を生じに
くくさせることができ、また、これにより、試料２の表
面の状態を乱したり、電気回路が遮断されるようなこと
がなくなるため、表面電位等の測定をスムーズに行うこ
とができる。

【００３３】〔光源〕次に、本実施の形態では、試料
が、感光体ドラム４４のような感光性を有する材料から
なっている場合について述べる。光テコ光学系４９（図
１参照）を構成する光源（半導体レーザ７等）は、試料
（以下、感光体ドラム４４とする）が感光しない波長領
域の光を発する材料により形成されている。また、受光
素子（光検知器８）は、感光体ドラム４４が感光しない
波長の感度を有する材料により形成されている。以下、
具体的な数値を挙げて説明する。

【００３４】図６は、電子写真装置に用いられる周知の
代表的な感光体ドラム４４の分光感度を表わしたもので
ある。これにより、４００ｎｍ付近では、Ｓｅと、
硫化亜鉛と硫化カドミニウムとの混合物とが特に高い感
度を有している。６００ｎｍ付近では、ＬＰＣ（Laye
red Photo Conductor）｛約０．１μｍ厚のchlorodiane
blue とdiphenylhydrazone との混合物の膜ＣＧＬ（Cha
rge Generation Layer）の上に約１５μｍのＣＴＬ（Ch
arge Transport Layer）を積層したもの｝が特に高い感
度を有している。また、有機感光体（polyvinylcarba
zole とtrinitrofluorenoneを１：１に混合した物質を
正に帯電させたもの）は６００ｎｍ付近に感度を有し、
有機感光体（と同様な物質を負に帯電させたもの）
は４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で感度を有している。

【００３５】これにより、感光体ドラム４４は６００ｎ
ｍ以上の波長の光に対して感度をもたないことがわか
る。従って、このようなことから、波長６００ｎｍ以上
の波長の光を発する材料からなる光源と、この６００ｎ
ｍ以上の波長に感度をもつ材料からなる光検知器８とを
用いる。また、分光感度に対してある程度の裕度をもた
せる意味から、好ましくは、９００ｎｍ以上の波長の光
に対応する材料からなる光源及び受光素子を用いるとよ
い。この９００ｎｍ以上の波長に対応する光源及び受光
素子の材料としては、以下の表１、表２に示すようなも
のがある。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】また、６００ｎｍ以上の波長に対応する光
源及び受光素子の材料としては、前記９００ｎｍ以上の
波長に対応する光源及び受光素子に加えて、以下の表
３、表４に示すようなものがある。

【００３９】

【表３】

【００４０】

【表４】

【００４１】また、図６において、、の物質に関し
ては４００ｎｍ以下の波長に対して感度が低いことか
ら、その４００ｎｍ以下の波長の光源と、この波長に感
度をもつ受光素子とを用いる。この４００ｎｍ以下の波
長に対応する光源及び受光素子の材料としては、以下の
表５、表６に示すようなものがある。

【００４２】

【表５】

【００４３】

【表６】

【００４４】上述したように、感光体の分光感度を持た
ない波長の光を用い、光源及び受光素子の各種の材料の
中から発光波長と分光感度のある波長とが一致する材料
を組み合わせて光テコ光学系４９を構成することによっ
て、感光体ドラム４４上での潜像形成の状態が乱される
ことがなくなり、これにより、測定誤差をなくして表面
電位等の測定を正確に行うことができる。

【００４５】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、物理量の測定に
用いられる物理量検出光学系の光源を試料が感光しない
波長の光を発する材料により形成すると共に、その光源
からの光を受光する受光素子も試料が感光しない波長に
感度を有する材料により形成したので、試料表面の状態
が光源の光によって乱されるようなことがなくなり、こ
れにより、測定精度が高い物理量測定装置を提供するこ
とができる。

【００４６】請求項２記載の発明は、試料の感光材料の
感光感度が４００ｎｍ付近のものに対しては６００ｎｍ
以上の発光波長をもつ光源を用い、試料の感光材料の感
光感度が６００ｎｍ付近のものに対しては４００ｎｍ以
下又は６００ｎｍ以上の発光波長をもつ光源を用いるよ
うにしたので、光源の光により試料の状態が乱されるよ
うなことがなくなり、これにより一段と正確な測定を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である物理量測定装置の
構成を示す回路図である。

【図２】変形例を示す回路図である。

【図３】他の変形例を示す回路図である。

【図４】回路図である。

【図５】図４の直流バイアス制御回路の構成を示す回路
図である。

【図６】感光体の分光感度を示す特性図である。

【図７】第一の従来例を示す回路図である。

【図８】第二の従来例を示すものであり、（ａ）は断面
図、（ｂ）は上面図である。

【図９】第三の従来例を示す斜視図である。

【図１０】図９の導波光のモード状態を示すものであ
り、（ａ）は光軸ずれがないときの動作を示す模式図、
（ｂ）は光軸ずれがあるときの動作を示す模式図であ
る。

【図１１】第四の従来例を示すものであり、（ａ）は斜
視図、（ｂ）はａ₅−ａ₅断面図である。

【図１２】マッハツェンダ干渉計の基本構成を示す斜視
図である。

【図１３】マッハツェンダ干渉計の動作を示すものであ
り、（ａ）は同相のときの動作を示す模式図、（ｂ）は
逆相のときの動作を示す模式図である。

【図１４】マイケルソン干渉計の基本構成を示す斜視図
である。

【図１５】マイケルソン干渉計の動作を示すものであ
り、（ａ）は同相のときの動作を示す模式図、（ｂ）は
逆相のときの動作を示す模式図である。

【符号の説明】

２試料３探針５片持ち梁６反射ミラー７光源８受光素子４９物理量検出光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F063 AA43 BB10 CA08 DA01 DB01 DB05 DD02 EA16 EB23 HA04 HA20 JA04 LA04 LA11 2F065 AA06 AA09 FF09 GG04 GG05 GG06 HH12 JJ01 JJ08 JJ18 UU01 2F069 AA60 DD08 GG04 GG06 GG07 GG62 HH05 HH30 JJ07 LL03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端に探針が取付けられた片持ち梁を有
し、感光性を有する試料とこれに対向配置された前記探
針との間に作用する力により生じる前記探針の変位又は
振動から前記試料の物理量を測定する物理量測定装置に
おいて、前記試料が感光しない波長の光を発する光源
と、前記片持ち梁に取付けられ前記光源から発せられた
光を反射させる反射ミラーと、前記試料が感光しない波
長の感度を有し前記反射ミラーにより反射された光を受
光する受光素子とからなる物理量検出光学系を備えたこ
とを特徴とする物理量測定装置。
【請求項２】試料が感光しない光源の発光波長を、４
００ｎｍ以下、又は、６００ｎｍ以上の値としたことを
特徴とする請求項１記載の物理量測定装置。