JP3155326B2 - 表面電位及び形状測定器 - Google Patents

表面電位及び形状測定器

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JP3155326B2
JP3155326B2 JP06687192A JP6687192A JP3155326B2 JP 3155326 B2 JP3155326 B2 JP 3155326B2 JP 06687192 A JP06687192 A JP 06687192A JP 6687192 A JP6687192 A JP 6687192A JP 3155326 B2 JP3155326 B2 JP 3155326B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば電子写真装置に
おける感光体ドラム表面の電位分布測定や、トナー形状
或いはトナー帯電分布測定、又は、静電気メモリのピッ
クアップなどに用いられる表面電位及び形状測定器に関
する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、電子写真プロセスにおける印写
画像は、感光体上に形成される静電潜像を基礎としてい
る。このため、電子写真法において、静電潜像の状態を
知ることは、帯電、露光、現像等の印写プロセスや感光
体などの評価・解析を行なう上で重要である。
【０００３】ここに、静電気は電圧は高いが電荷量が少
ないという特徴を有するため、静電位の測定を一般的な
接触型電位計で行なうと、静電気が電圧計を通ってリー
クしてしまう等の計測上の問題を生ずる。よって、静電
位の計測には、非接触型電位計、即ち、表面電位計が適
しているとされている。
【０００４】このような点を考慮しながら、感光体上に
形成される静電潜像を直接測定できるようにした静電潜
像測定装置が、電子写真学会誌 第３０巻 第２号(199
1)において論文「感光体上静電潜像の高分解能測定」
（ｐ．１２３〜１３０）（第１の従来例とする）として
報告されている。これは、いわゆる直流増幅型のもので
あり、測定電極を測定対象物（感光体）に近接させ、そ
の時に測定電極に誘起される電荷を測定用コンデンサで
電圧に変換し、入力インピーダンスの高い増幅器で増幅
するようにしたものである。
【０００５】ここに、試料表面電位を測定するプローブ
は、このプローブ先端と試料表面との間の距離により、
測定結果に大きな誤差を生じる。そこで、このような表
面電位測定装置において、試料表面とプローブとの間の
距離を一定に維持させるようにしたものが、例えば、文
献‘ＴECHNICAL ＤIGEST OF THE 9TH ＳENSOR ＳYMPOSIUM,1990,pp,129〜132’中の論文“Ｉmage Ｃha
rge Ｓensing by Ｓcanning Ｅlectrometer”（第２の従来例とする）と
して報告されている。これは、プローブの両脇にレーザ
ダイオードとＰＳＤ（半導体位置検出器）とを一対設
け、レーザ光を試料表面に照射し、その反射光がＰＳＤ
に戻る位置によってプローブ先端と試料表面との距離を
測定し、この測定結果からプローブ全体を移動させるア
クチュエータに対してフィードバック制御を掛け、プロ
ーブ先端と試料表面との距離を一定とさせるようにした
ものである。
【０００６】ところが、第１の従来例による場合、測定
用コンデンサに対して浮遊容量を介して電流が流入する
のを防止するため、シールドケースを必要とし、プロー
ブ自身を小型化できず、これをアレイ状に並べた時の密
度が向上しないものとなってしまうとか、浮遊容量を一
定に保つために測定電極と感光体との間の距離を一定に
保つための装置（即ち、第２の従来例のようなギャップ
センサないしはギャップコントローラ）を必要とし、装
置が大型化・複雑化してしまうといった問題がある。
【０００７】しかして、プローブの小型・アレイ化を容
易にした表面電位計が、特願平３−３１６８７２号とし
て本出願人により提案されている。これは、測定対象物
表面に存在する電荷と探針との間に生ずる静電力を検出
する手段を有し、この静電力が零又はほぼ零となるよう
に探針の電位を測定対象物の表面電位と等しくなるよう
に制御し、この時の探針の電位を換算して表面電位の測
定結果とするようにしたものである。
【０００８】その構成例を図８に示す。まず、基板１ａ
上に感光体１ｂを積層させて測定対象物となる試料２の
表面には電荷Ｑが存在し、接地ＧＮＤとの間に電位差
（表面電位）ＶS を生じている。このような感光体１ｂ
表面に近接対向させて導電性の探針３が設けられてい
る。この探針３は、固定台４に対して一対の電極５，６
を有するピエゾ圧電素子、ここではＰＺＴ７、絶縁フィ
ルム８を介して一端が固定支持された導電性の片持ち梁
９の先端下部に取付けられている。つまり、探針３は片
持ち梁９を板ばねとするような形でその先端側に変位自
在に支持され、かつ、探針３と片持ち梁９とは電気的に
導通した状態とされている。前記ＰＺＴ７には電極５，
６を介して駆動電源１０により交流電圧Ｖ8 が印加さ
れ、このＰＺＴ７は交流電圧Ｖ8 の周波数で振動するよ
うに構成されている。この周波数は、片持ち梁９の機械
的振動の固有振動周波数ｆ0 で振動するものとされてい
る。
【０００９】一方、片持ち梁９の探針３背面位置には鏡
１１が固定されており、この鏡１１を利用して片持ち梁
９先端部分の変位を介して探針３と感光体１ｂの表面電
位ＶS との間に作用する静電力を検出する静電力検出手
段としての光テコ法変位検出器１２が設けられている。
この光テコ法変位検出器１２は、この鏡１１とともに、
前記鏡１１部分にレーザ光を照射するレーザダイオード
１３と、鏡１１部分の変位に応じて角度変位した位置に
反射光を受ける位置検出フォトダイオード（ＰＳＤ）１
４とにより構成されている。このＰＳＤ１４の出力はプ
リアンプ１５により振動を表す電気信号Ｖ0 として出力
される。
【００１０】よって、探針３の先端と感光体１ｂの表面
電位ＶS との間に静電力（静電引力）が作用すると、そ
の力により、片持ち梁９のばね定数が等価的に変化した
ことになる。これにより、片持ち梁９の共振点がずれる
のであるが、片持ち梁９はＰＺＴ７により片持ち梁９の
固有振動数ｆ0 で強制振動されているので、その振動振
幅が小さくなる。このような振動振幅の減少は、片持ち
梁９先端の変位量の減少として光テコ法変位検出器１２
により捉えられる。つまり、光テコ法変位検出器１２に
よる変位検出は、探針３が受けている静電引力を検出す
ることに相当する。
【００１１】さらに、前記光テコ法変位検出器１２の出
力Ｖ0 に基づき前記探針３の電位を可変制御する電位制
御手段１６が設けられている。この電位制御手段１６
は、予め設定された直流電圧Ｖ9＝ＶS ／Ｇに電源１７
による台形状波形の交流電圧Ｖ４を重畳するゲイン０の
加算器１８と、この加算器１８の出力電圧Ｖ５ を増幅
して前記探針３（片持ち梁９）に出力電圧Ｖ6 を印加す
るゲインＧのパワーアンプ１９と、前記プリアンプ１５
の出力Ｖ0 の振幅を直流電圧Ｖ1 に変換するＡＭ復調器
２０と、この直流電圧Ｖ1 を所定タイミングでサンプリ
ングして保持するサンプルホールド回路２１，２２と、
これらのサンプルホールド回路２１，２２から得られる
電圧Ｖ21，Ｖ22間の差をとる差動アンプ２３と、この差
動アンプ２３の出力電圧Ｖ3 を積分して前記直流電圧Ｖ
9 を増減させる反転積分器構成の積分器２４とをループ
状に接続して構成されている。ここに、前記電源１７か
ら前記サンプルホールド回路２２に対するシンクロ信号
Ｖ72が交流電圧Ｖ4 に同期して取出され、サンプルホー
ルド回路２２に対してはインバータ２５により反転され
たシンクロ信号Ｖ71が与えられている。さらに、前記直
流電圧Ｖ9 の値を測定して電位測定手段となる電圧計２
６が設けられている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
提案例構成による表面電位計の場合、探針３と感光体１
ｂ表面との間に作用する静電気力は、表面電位と探針３
との電位差が高くなった場合に大きくなるだけでなく、
探針３と感光体１ｂ表面との間の距離が短くなった場合
も大きくなるため、表面電位と表面形状とを同時かつ独
立して測定することはできない不都合がある。
【００１３】即ち、実際の普通紙複写機（ＰＰＣ）用の
ドラム状感光体の表面電位分布を測定するような場合、
感光体を回転させる一方、探針を装置本体側に固定支持
させて行うことになるが、感光体は一般にそのドラム中
心が１００μｍのオーダで偏心しており、又は、感光体
表面形状も必ずしも鏡面ではなく、特に有機感光体（Ｏ
ＰＣ）の場合には顔料の粒子や、クリーニング等で生じ
たひっかき傷などによる凹凸が存在している。よって、
感光体表面と探針との間の距離は感光体の回転によって
変動することになり、提案例方式による場合には、感光
体の表面電位が均一であっても距離の変動を表面電位の
変動として測定してしまうことになる。また、トナー粒
子上の帯電分布を調べる場合、前述したように、トナー
は通常凹凸形状をしているので、帯電分布とその表面形
状とを同時に測定する必要がある。
【００１４】また、第２の従来例による場合、試料表面
の凹凸が大きいとレーザ光が散乱されてＰＳＤに入射す
るビームスポット径が大きくなり、距離測定精度が低下
してしまう。
【００１５】さらに、試料がＰＰＣ用の感光体である場
合、レーザ光を感光体が感じ、感光体表面上の電荷が放
電されて消滅してしまう可能性もある。よって、この面
からは、感光体等を測定対象物とする場合であっても、
その表面の電荷に何ら影響を与えることなく、距離の制
御精度がよい状態で、その表面電位と表面形状（距離）
とを測定し得ることが要望される。
【００１６】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、測定対象物に対向させた導電性の探針と、この探針
と前記測定対象物の表面電位との間に作用する静電力を
検出する静電力検出手段と、前記探針に対して直流電圧
に交流電圧を重畳して交流電圧が正側に振れた時の静電
力と負側に振れた時の静電力とが等しくなるように前記
直流電圧を可変させる電位制御手段と、前記探針の前記
直流電圧の電位を測定する電位測定手段と、前記交流電
圧が、正側に振れた時の静電力が一定となり、又は、負
側に振れた時の静電力が一定となり、又は、正側に振れ
た時の静電力と負側に振れた時の静電力との和が一定と
なるように前記測定対象物と前記探針との間の距離を制
御するアクチュエータを備えた距離制御手段と、前記ア
クチュエータの変位量を測定する変位量測定手段とを設
けた。
【００１７】この際、請求項２記載の発明では、測定開
始時に探針を測定対象物表面に近付けてこの探針と前記
測定対象物表面との間の距離を所望の距離に設定すると
きに、前記距離が大きい段階では交流電圧の振幅を大き
くし、所望の距離に近付くに従い漸次この交流電圧の振
幅を小さくさせていくアプローチ制御手段を備えた距離
制御手段とした。
【００１８】また、請求項３記載の発明では、測定開始
時に探針を測定対象物表面に近付けてこの探針と前記測
定対象物表面との間の距離を所望の距離に設定するとき
に、当初の交流電圧の振幅を測定時の振幅より大きく設
定維持させたままこの交流電圧により前記探針に働く静
電引力が基準値に等しくなるまでこの探針を測定対象物
表面に近付けた後、前記探針に働く静電引力が基準値と
等しくなるように前記交流電圧の振幅を可変制御してこ
の振幅が測定時の振幅と等しくなるまで前記探針を測定
対象物表面に近付けていくアプローチ制御手段を備えた
距離制御手段とした。
【００１９】さらに、請求項４記載の発明では、アクチ
ュエータとして粗動アクチュエータと微動アクチュエー
タとを設け、前記アクチュエータに対する制御信号を周
波数帯域により分離して前記粗動アクチュエータと微動
アクチュエータとに別個に入力させる距離制御手段とし
た。
【００２０】
【作用】請求項１記載の発明によれば、電位測定手段の
測定結果を測定対象物の表面電位の測定結果とし、変位
量測定手段により測定された距離制御手段のアクチュエ
ータの変位量を測定対象物の表面形状の測定結果として
いるので、測定対象物について表面電位と表面形状とを
同時に、かつ、独立して測定し得るものとなる。この
際、距離の測定制御も精度のよいものとなり、かつ、測
定対象物が感光体等であってもその表面電荷に何ら影響
を与えることなく、その表面電位及び表面形状ないしは
距離の測定が可能となる。
【００２１】ここに、測定の初期状態にあっては探針を
測定対象物表面に対して所望の距離まで近付けるアプロ
ーチ動作が必要となる。この際、探針に印加する交流電
圧の振幅が一定であると測定対象物表面に近付くにつれ
て急激に静電引力が増加する。よって、この静電引力を
測定しながらアプローチ用のアクチュエータを動作制御
すると、探針先端が測定対象物表面に衝突してしまうこ
とがあり得る。この点、請求項２記載の発明によれば、
探針を測定対象物表面に対して所望の距離まで近付ける
プロセスに際して、距離が大きい段階では交流電圧の振
幅を大きくして両者間の電位差を大きくするが、所望距
離に近付くにつれて漸次振幅を小さくして両者間の電位
差を小さくしているので、探針先端を測定対象物に衝突
させることなく近付けることができ、双方の破壊を防止
し得る。
【００２２】同様に、請求項３記載の発明によれば、当
初の交流電圧の振幅を測定時の振幅より大きく設定維持
させたままこの交流電圧により探針に働く静電引力が基
準値に等しくなるまでこの探針を測定対象物表面に近付
けた後、探針に働く静電引力が基準値と等しくなるよう
に交流電圧の振幅を可変制御してこの振幅が測定時の振
幅と等しくなるまで探針を測定対象物表面に近付けるよ
うにしたので、探針先端を測定対象物に衝突させること
なく近付けることができ、双方の破壊を防止し得る。
【００２３】さらに、測定対象物を例えばドラム状感光
体とし、その表面電位及び表面形状を測定する際、前述
したように、感光体の偏心による１００μｍオーダの探
針・表面間の距離変動や、表面の傷等によるμｍオーダ
の探針・表面間の距離変動が存在し得るものであり、双
方の距離変動に対して１つのアクチュエータで制御する
のは極めて困難である。この点、請求項４記載の発明に
よれば、粗動アクチュエータと微動アクチュエータとの
２つのアクチュエータを用いるとともに、偏心による距
離変動は一般に数Ｈｚなる低周波の繰返し特性を持つの
に対して傷等による距離変動は一般に数ｋＨｚなる高周
波の繰返し特性を持つ点に着目し、アクチュエータに対
する制御信号を低周波成分と高周波成分とに二分して各
々対応する粗動、微動アクチュエータを駆動させるの
で、双方の距離変動に対する制御を適正に行うことがで
き、より高精度に表面電位と表面形状とを測定し得るも
のとなる。
【００２４】
【実施例】請求項１記載の発明の一実施例を図１ないし
図５に基づいて説明する。図８で示した部分と同一部分
は同一符号を用いて示す。即ち、基本として、試料２に
対する探針３、静電力検出手段となる光テコ法変位検出
器１２、電位制御手段１６及び電位測定手段となる電位
計２６は、本実施例でもそのまま用いられている。ただ
し、ＰＺＴ７に関する機械的振動の固有振動周波数ｆ0
とは、片持ち梁９がＰＺＴ７により加振される力以外の
力を受けない場合の共振点とされている。
【００２５】よって、探針３の先端と感光体１ｂの表面
電位ＶS との間の電位差Ｖによる静電力（静電引力）が
作用すると、片持ち梁９のばね定数が等価的に変化した
ことになる。これにより片持ち梁９の共振点がずれ、振
動振幅が小さくなる。
【００２６】いま、固有振動周波数ｆ0 （固有振動角周
波数ω0 ）で片持ち梁９を加振し、この片持ち梁９に静
電引力等の外力が働いていない場合の片持ち梁９の先端
の振動振幅をＡ0 とする。また、探針３先端と試料２表
面との間の平均距離（探針３先端の振動中心と試料２表
面との距離）をｄとすると、何らかの物理的力（静電
力、磁気力或いはヴァン・デル・ワールス力など）Ｆが
探針３の先端に加わった場合の、片持ち梁９の振動振幅
の変化ΔＡは、近似的に ΔＡ＝α・∂Ｆ／∂ｄ ……………………………………………(１) で表される。ただし、αは比例定数である。
【００２７】また、説明を単純化するために、図２に模
式的に示すように、探針３の先端を面積Ｓを持つ平板と
考え、試料２表面に対して平行に対向しているものとす
る。また、探針３先端と試料２表面との間の距離をｄ、
両者間の電位差をＶとする。すると、両者間に働く力Ｆ
は、 Ｆ＝（β／２)・(Ｖ2／ｄ2 ） ………………………………(２) で表される。ただし、βは比例定数である。
【００２８】(２)式より ∂Ｆ／∂ｄ＝−β・Ｖ2／ｄ3 ………………………………(３) が得られる。よって、静電力Ｆにより生ずる変化ΔＡ
は、(１)(３)式より ΔＡ＝−αβ・Ｖ2／ｄ3 ………………………………(４) となる。この時の振動振幅Ａは、 Ａ＝Ａ0 ＋ΔＡ＝Ａ0 −αβ・Ｖ2／ｄ3 ……………………(５) となる。
【００２９】このような振動振幅の減少は、片持ち梁９
先端の変位量の減少として光テコ法変位検出器１２によ
り捉えられる。つまり、光テコ法変位検出器１２による
変位検出は、探針３が受けている静電引力を検出するこ
とに相当する。
【００３０】ここに、前記光テコ法変位検出器１２、従
って、プリアンプ１５の出力Ｖ0 は片持ち梁９の振動を
表す電圧となる。また、電圧Ｖ1 は電圧Ｖ0 の振幅を直
流電圧に変換したものであるので、その電圧値は、 Ｖ1 ＝γＡ＝γＡ0 −δ・Ｖ2／ｄ3 ………………………(６) として表される。ただし、γ，δはともに比例定数であ
り、δ＝αβである。
【００３１】いま、 γＡ0 ＝ｖ0 ……………………………………………(７) δ・Ｖ2／ｄ3 ＝Δｖ ……………………………………………(８) とすると、電圧Ｖ0 は、 Ｖ0 ＝ｖ0 −Δｖ ……………………………………………(９) で表される。
【００３２】しかして、本実施例では、提案例と同様な
構成に加え、試料２は絶縁性の台２７を介して移動機構
２８上に保持されている。この移動機構２８は試料２を
Ｚ軸方向（感光体１ｂ表面に垂直方向）に移動させるた
めのＺ軸アクチュエータ２９と、Ｘ，Ｙ軸方向に移動さ
せるためのＸ，Ｙ軸アクチュエータ３０とよりなる。一
方、前記サンプルホールド回路２１，２２からの出力Ｖ
21，Ｖ22を加算する加算器３１が設けられ、この加算器
３１からの出力Ｖ10を予め設定された基準電圧（基準
値）Ｖ13と比較する差動増幅器３２が設けられている。
この差動増幅器３２の出力Ｖ14を積分する積分器３３が
設けられ、この積分器３３の出力Ｖ15を増幅するパワー
アンプ３４が設けられている。このパワーアンプ３４の
出力Ｖ16が前記Ｚ軸アクチュエータ２９に対する駆動用
の制御信号としてフィードバックされ、距離制御手段３
５が構成されている。
【００３３】さらに、前記積分器３３から出力される出
力Ｖ15の値を測定して変位量測定手段となる電圧計３６
が設けられている。
【００３４】このような構成において、図３ないし図５
に示すタイミング波形図を参照して表面電位ＶS 及び表
面形状の測定動作を説明する。まず、ＰＺＴ７には図３
(ａ)に示すように交流電圧Ｖ8 が印加され、また、同図
(ｂ)に示す台形状波形の交流電圧Ｖ4 は、この交流電圧
Ｖ8 の周期よりも低い周波数（好ましくは、１／１０以
下）に設定されて加算器１８の一方の入力端子に入力さ
れ、さらに、同図(ｃ)に示すようにＶb／Ｇ1なる電圧Ｖ
9 がこの加算器１８の他方の入力端子に入力されている
とする。すると、加算器１８の出力電圧Ｖ5 は同図(ｄ)
に示すようになり、さらに、ゲインＧ1 のパワーアンプ
１９で増幅した出力電圧Ｖ6 は同図(ｅ)に示すようにな
る。即ち、直流電圧Ｖb を中心にＶb −（Ｖ4a・Ｇ1 ）
／２からＶb ＋（Ｖ4a・Ｇ1 ）／２の間で振れる電圧、
つまり、直流電圧Ｖb に交流電圧Ｖ4 をＧ1 倍した交流
電圧を重畳した波形の電圧となる。よって、探針３の先
端電位もこの出力電圧Ｖ6 に相当する電位となる。
【００３５】ここに、いま、感光体１ｂの表面電位ＶS
は、ＶS ＝ＶSaであり、電圧Ｖb がＶb ＝ＶSaになって
いるとする。すると、時刻ｔ1 において電圧Ｖ6 は電圧
ＶSaよりＶ4a・Ｇ1 ／２だけ大きくなり、時刻ｔ2 にお
いてはＶ4a・Ｇ1 ／２だけ小さくなっている。よって、
時刻ｔ1，ｔ2において探針３の先端は、表面電位ＶＳａ
との間にＶ４ａ・Ｇ1 ／２の電位差があるので、同図
(ｆ)に示すように、各々Ｆ1a，Ｆ2aなる静電力ＦS を受
ける。これにより、前述したように片持ち梁９のばね定
数が変化したと等価的となり、この片持ち梁９、従っ
て、探針３の振動振幅が小さくなる。よって、光テコ法
変位検出器１２を通して得られる振幅信号Ｖ0 は同図
(ｇ)に示すように小さくなる。なお、時刻ｔ3 において
は、Ｖ6 ＝ＶSaであり、同電位であるので、探針３は静
電引力ＦS を受けず、振幅信号Ｖ0 の振幅も大きくな
る。
【００３６】このような振幅信号Ｖ0 はＡＭ復調器２０
により復調され、同図(ｈ)に示すような直流電圧Ｖ1 に
変換される。ここに、時刻ｔ1 における電圧Ｖ11と時刻
ｔ2における電圧Ｖ12とは等しくなる。これは、時刻
ｔ1，ｔ2における電圧Ｖ6 の各々の値と、電圧ＶS との
差の絶対値が等しく、時刻ｔ1，ｔ2において作用する静
電引力Ｆ1，Ｆ2の値が等しいためである。
【００３７】即ち、ｄ＝ｄa の場合、時刻ｔ1 において
試料２の表面を基準とした探針３と試料２表面との間の
電位差はＶ4a・Ｇ1 ／２、時刻ｔ2 におけるその電位差
は−Ｖ4a・Ｇ1 ／２である。従って、時刻ｔ1，ｔ2にお
いて作用する力Ｆ1a，Ｆ2aは各々、 Ｆ1a ＝（β／２)(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 2 ) …………(10) Ｆ2a ＝（β／２)(−Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 2 ) …………(11) となる。
【００３８】従って、電圧Ｖ11a，Ｖ12aは、(６)式よ
り、各々 Ｖ11a ＝γＡ0 −δ(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 3 ) ＝ｖ0 −Δｖ11 …………………(12) Ｖ12a ＝γＡ0 −δ(−Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 3 ) ＝ｖ0 −Δｖ12 …………………(13) となる。ただし、 Δｖ11 ＝δ(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 3 ) ………………（１４） Δｖ１２ ＝δ(−Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 3 ) ………………(15) とする。
【００３９】ここに、 Δｖ11a ＝Δｖ12a …………………………………(16) であるので、 Ｖ11a ＝Ｖ12a …………………………………(17) となる。
【００４０】ここに、電源１７からはその交流電圧Ｖ4
に同期した同図(ｊ)に示すようなシンクロ信号Ｖ72が取
出され、サンプルホールド回路２２のサンプリング時刻
が決められている。同様に、同図(ｉ)に示すように、こ
のシンクロ信号Ｖ72を反転させたシンクロ信号Ｖ71が生
成され、サンプルホールド回路２１のサンプリング時刻
が決められている。本例では、これらのサンプルホール
ド回路２１，２２がシンクロ信号Ｖ71，Ｖ72の立上りで
サンプリングするように構成されているので、サンプル
ホールド回路２１は時刻ｔ1 における直流電圧Ｖ1 の値
をＶ21＝Ｖ11aとして、サンプルホールド回路２２は時
刻ｔ2 における直流電圧Ｖ1 の値をＶ22＝Ｖ12a として
各々サンプルホールドする（同図(ｋ)(ｌ)参照）。
【００４１】これらの電圧Ｖ21，Ｖ22は差動アンプ２３
に入力されて差がとられ、Ｖ3 として出力される。い
ま、前述したようにＶ11a＝Ｖ22aによりＶ21＝Ｖ22であ
るので、同図(ｍ)に示すように、Ｖ3 ＝Ｖ22−Ｖ21＝０
となる。この差動アンプ２３の出力Ｖ3 は積分器２４に
入力されるが、Ｖ3 ＝０であるので、積分器２４出力で
ある直流電圧Ｖ9 の値は当初のＶSa ／Ｇ1のまま変化し
ない、従って、探針３に印加する電圧Ｖ6 の値も変化し
ない。
【００４２】このように感光体１ｂの表面電位ＶS が、
ＶS ＝ＶSaのまま変化しない限り、探針３の先端電位も
図２(ｅ)に示す電圧Ｖ6 のような波形を維持し続ける。
よって、表面電位ＶS は直流電圧Ｖ9 を電圧計２６で読
取り、パワーアンプ１９のゲインＧ1 を掛けることによ
り、ＶS ＝ＶSaとして求められる。
【００４３】一方、これらの電圧Ｖ21，Ｖ22を加算器３
１により加算した電圧Ｖ10は、差動増幅器３２で基準電
圧Ｖ13と比較される。この基準電圧Ｖ13の値は、探針３
の先端と感光体１ｂの表面との間の平均距離ｄが、所望
の距離ｄa となった場合の電圧Ｖ10の出力と等しい値に
予め設定されたものである。
【００４４】即ち、この時の電圧Ｖ10は Ｖ10 ＝Ｖ21 ＋Ｖ22 ＝Ｖ11a ＋Ｖ12a ＝２｛γＡ0 −δ(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 3 )} ………(18) となる。
【００４５】従って、基準電圧Ｖ13も Ｖ13 ＝Ｖ10 ＝２｛γＡ0 −δ(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 3 )} ……………………………(19) のように設定されている。
【００４６】いま、仮に平均距離ｄが所望の値となって
いるとし（ｄ＝ｄa ）、この時の電圧Ｖ10の値Ｖ10a が
基準電圧Ｖ13と等しい値、即ち、Ｖ10a ＝Ｖ11a＋Ｖ12a
＝Ｖ13になっていたとする。すると、この時の電圧Ｖ14
はＶ14＝０であり、これを積分した出力Ｖ15も変動せ
ず、距離ｄを所望値ｄa に維持させるに必要な電圧Ｖpa
／Ｇ1 を維持したままとなる。よって、出力Ｖ16は電圧
Ｖpaを維持したままとなり、Ｚ軸アクチュエータ２９は
変位を示さない。
【００４７】次に、Ｘ，Ｙ軸アクチュエータ３０により
試料２をＸ軸又はＹ軸方向に移動させ、探針３直下の試
料表面位置が移動した場合を考える。ここでは、このよ
うな移動により、図３に示したような状態から、感光体
１ｂの表面電位ＶS は変化せずＶS ＝ＶSaのままとし、
感光体１ｂの表面が高さΔｄの突起の存在により探針３
・感光体１ｂ間の距離ｄのみがΔｄ分だけ小さくなり
（近付き）、ｄ＝ｄb ＝ｄa −Δｄになったものとし、
その測定シーケンスを図４を参照して説明する。
【００４８】まず、感光体１ｂ表面と探針３先端とが近
付くと、(２)式においてｄの値が小さくなるので、力Ｆ
は大きくなる。即ち、 Ｆ1b ＝（β／２)(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄb 2 ) ＝（β／２)(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2{１／(ｄa−Δｄ)2 } ＞（β／２)(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 2 )＝Ｆ1a ……………………………(20) Ｆ2b ＝（β／２)(−Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄb 2 ) ＝（β／２)(−Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2{１／(ｄa−Δｄ)2 } ＞（β／２)(−Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 2 )＝Ｆ2a ……………………………(21) で表される。
【００４９】これにより、振動振幅Ａも小さくなり、こ
の振幅を表す電圧Ｖ11b，Ｖ12bは、各々 Ｖ11b ＝γＡ0 −δ(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄ3 ) ＝γＡ0 −δ(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄb 3 ) ＝γＡ0 −δ(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2{１／(ｄa−Δｄ)3 } ＜γＡ0 −δ(Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 3 ）＝Ｖ11a ……………………………(22) Ｖ12b ＝γＡ0 −δ(−Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄ3 ) ＝γＡ0 −δ(−Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄb 3 ) ＝γＡ0 −δ(−Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2{１／(ｄa−Δｄ)3 } ＜γＡ0 −δ(−Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 3 ）＝Ｖ12a ……………………………(23) となる。
【００５０】また、 (Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2＝(−Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2 ……………………(24) であるので、(22)(23)式より Ｖ11b ＝Ｖ12b ………………………………………………(25) なる結果となる。
【００５１】ここに、Ｖ21は時刻ｔ1 における電圧Ｖ1
の値、即ち、Ｖ11b を保持し、Ｖ22は時刻ｔ2 における
電圧Ｖ12b を保持しているので、Ｖ21＝Ｖ11b，Ｖ22＝
Ｖ12bとなる。よって、(25)式より、Ｖ3 ＝Ｖ22−Ｖ21
＝０となる。
【００５２】即ち、Ｖ11b，Ｖ12bは Ｖ11b ＜ Ｖ11a ………………………………………………(26) Ｖ12b ＜ Ｖ12a ………………………………………………(27) ではあるが、(25)式に示したように、Ｖ11b ＝Ｖ12bで
あるので、Ｖ3 ＝０となる。よって、電圧Ｖ3 を積分し
た電圧Ｖ9 も変化せず、電圧Ｖ6 の直流バイアス電圧Ｖ
b も図３に示した状態から変化しない。従って、電圧Ｖ
9 は感光体１ｂの表面電位を表すものとなる。
【００５３】これによれば、感光体１ｂの表面電位ＶS
がＶS ＝ＶSaのままで変化しなければ、表面の突起によ
り感光体１ｂ表面と探針３との間の距離ｄが小さくなっ
ても、このような変動が表面電位の測定結果には何ら影
響を及ぼさないものとなり、表面電位がＶSaである正し
い結果が得られるものとなる。即ち、表面電位の測定結
果は、距離ｄの変動に対して不感となる。
【００５４】一方、この時の電圧Ｖ21，Ｖ22の和である
電圧Ｖ10の値をＶ10b とすると、 Ｖ10b ＝Ｖ11b ＋Ｖ12b ＜Ｖ11a ＋Ｖ12a ＝Ｖ13 ………………(28) となり、 Ｖ14 ＝−（Ｖ11b ＋Ｖ12b −Ｖ13）＞０ ………………（２９） となる。
【００５５】ここに、積分器３３は反転積分器であり、
電圧Ｖ１４が正になると、電圧Ｖ15の値は小さくなり、
電圧Ｖ16の値も小さくなっていく。Ｚ軸アクチュエータ
２９はこの印加電圧Ｖ16が小さくなるとＺ軸方向に縮む
（試料２表面が探針３から離れる）ので、距離ｄは距離
ｄb より大きくなっていく。この距離ｄが大きくなる
と、(22)(23)式よりＶ11b，Ｖ12bの値も大きくなってい
く。このような動作は、 Ｖ11b ＋Ｖ12b ＝Ｖ13 ……………………………………(30) となるまで続けられる。そして、ｄ＝ｄa となり、(30)
式を満たす状態になると、電圧Ｖ14が変動しないものと
なり、止まることになる。即ち、感光体１ｂの表面の突
起の高さΔｄ分だけＺ軸アクチュエータ２９が縮むこと
になる。ここに、ＰＺＴ構成のＺ軸アクチュエータ２９
の縮み量と印加電圧Ｖ16との間には比例関係がある。ま
た、電圧Ｖ16，Ｖ15間にも比例関係があるので、電圧Ｖ
15の変化から表面の突起高さΔｄを測定することができ
る。
【００５６】以上のように、Ｘ，Ｙ軸アクチュエータ３
０の動作により探針３直下の試料２表面箇所が移動し、
これにより探針３直下の試料２表面の電位は変化せず、
高さΔｄの突起が探針３直下に現われた場合であって
も、表面電位の測定値（電圧計２６の測定値）は、Δｄ
に対して不感となる。同時に、電圧計３６により測定さ
れる電圧Ｖ15の値により、Δｄのみを測定することもで
きる。
【００５７】さらに、Ｘ，Ｙ軸アクチュエータ３０によ
り試料２がＸ軸又はＹ軸方向に移動し、探針３直下の試
料２表面箇所が移動し、これにより、図３に示した状態
から感光体１ｂの表面電位ＶS のみが変化してＶS ＝Ｖ
Sb＝ＶSa−ΔＶとなったが、感光体１ｂ表面と探針３先
端との間の距離ｄは変化しない（ｄ＝ｄa のままであ
り、表面に凹凸が存在しない）とした場合の測定シーケ
ンスを図５を参照して説明する。
【００５８】いま、表面電位ＶS がＶSaからＶSc＝ＶSa
−ΔＶS に変化したとする。また、探針３の先端電位Ｖ
6 は図３(ｅ)に示した値と同じであるとする。すると、
図５(ａ)に示すように感光体１ｂの表面と探針３先端と
の電位差は、時刻ｔ1 においては（Ｖ4a・Ｇ1 ／２）＋
ΔＶS 、時刻ｔ2 においては（Ｖ4a・Ｇ1 ／２）−ΔＶ
S となる。つまり、時刻ｔ1 における電位差が、時刻ｔ
2 における電位差よりも大きくなる。従って、探針３先
端の受ける静電引力ＦS も同図(ｂ)に示すように時刻ｔ
2 の時の値Ｆ2cよりも時刻ｔ1 の時の値Ｆ1cのほうが大
きくなる。
【００５９】即ち、 Ｆ1c ＝（β／２){(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）＋ΔＶS }2(１／ｄa 2 ) ＞Ｆ1a ＝Ｆ2a ……………………………………(31) Ｆ2c ＝（β／２){(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）−ΔＶS }2(１／ｄa 2 ) ＜Ｆ1a ＝Ｆ2a ……………………………………(32) となり、Ｆ1c＞Ｆ2cであるので、時刻ｔ1，ｔ2での電圧
Ｖ1 の値Ｖ11c，Ｖ12cは、各々 Ｖ11c ＝γＡ0 −δ{(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）＋ΔＶS }2(１／ｄa 3 ) ＜Ｖ11a ＝Ｖ12a ……………………………………(33) Ｖ12c ＝γＡ0 −δ{(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）−ΔＶS }2(１／ｄa 3 ) ＜Ｖ12a ＝Ｖ11a ……………………………………(34) となる。よって、 Ｖ11c ＜Ｖ12c ……………………………………(35) なる結果が得られる。
【００６０】この結果、前述したように、時刻ｔ1 にお
けるサンプルホールド電圧Ｖ11c は時刻ｔ2 におけるサ
ンプルホールド電圧Ｖ12c の値より小さくなる（同図
(ｄ)〜(ｆ)参照）。よって、サンプルホールド回路２
１，２２の各々の出力電圧Ｖ21，Ｖ22の間には、Ｖ21＜
Ｖ22なる関係が成立する。従って、差動アンプ２３の出
力Ｖ3 は同図(ｇ)に示すように正の電圧となる。この電
圧Ｖ3 は、 Ｖ3 ＝（２・ΔＶS ／ｄa 3 )・Ｖ4a・Ｇ1 ……………………(36) で表される。ここに、積分器２４は反転積分器なので、
この電圧Ｖ3 を積分し、直流電圧Ｖ9 の電位は当初の値
ＶSa／Ｇ1 から減少されていく。
【００６１】直流電圧Ｖ9 が減少すると、同図(ｈ)に示
すように、探針３（片持ち梁９）に対する電圧Ｖ6 の交
流振幅のバイアス電圧Ｖb （振幅の中心電圧）も小さく
なり、このバイアス電圧Ｖb がＶSa−ΔＶS となった時
にＶb の変動は止まる。そして、図３の場合と同様に、
電圧Ｖ6 はＶb ＝ＶSa−ΔＶS ＝ＶScなる直流電圧を中
心とし振幅Ｖ4a・Ｇ1 ／２の電圧となる。この時の感光
体１ｂの表面電位はＶSa−ΔＶS であるので、図５(ｉ)
に示すように、時刻ｔ1，ｔ2において受ける静電引力Ｆ
1d，Ｆ2dはＦ1d＝Ｆ2dとなる。この結果、電圧Ｖ3 はＶ
3 ＝０となり、直流電圧Ｖ9 は（ＶSa−ΔＶS ）／Ｇ1
なる電圧を維持する。この時の感光体１ｂの表面電位
は、電圧計２６の指示値（ＶSa−ΔＶS ）／Ｇ1 に既知
の値Ｇ1 を掛けた値により求められる。
【００６２】感光体１ｂの表面電位がＶSa＋ΔＶS に変
化した場合は、上記の処理の電圧の増減関係が逆になる
だけで、同様に電圧Ｖ9 を可変させる制御を行なうこと
により、最終的にはＶb ＝ＶSa＋ΔＶS となる。
【００６３】一方、感光体１ｂ表面・探針３先端間の距
離の測定に関して説明する。前述した(33)(34)式におい
て、実際の測定では、常に探針３の電圧への帰還制御を
掛けていれば、 Ｖ4a・Ｇ1 ／２≫ΔＶS ……………………………………(37) （Ｖ4a・Ｇ1 ／２)2 ≫ΔＶS 2 ……………………………………(38) Ｖ4a・Ｇ1・ΔＶS ≫ΔＶS 2 ……………………………………(39) となる。
【００６４】よって、(33)(34)式より Ｖ11c ＝γＡ0−δ{(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）＋ΔＶS }2(１／ｄa 3 ) ＝γＡ0−δ{(Ｖ4a 2・Ｇ1 2／４)＋Ｖ4a・Ｇ1・ΔＶS＋ΔＶS 2}(１／ｄa 3) ≒γＡ0−δ{(Ｖ4a 2・Ｇ1 2／４)＋Ｖ4a・Ｇ1・ΔＶS}(１／ｄａ ３） ……………………………………（４０） Ｖ12c ＝γＡ0−δ{(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）−ΔＶS }2(１／ｄa 3 ) ＝γＡ0−δ{(Ｖ4a 2・Ｇ1 2／４)−Ｖ4a・Ｇ1・ΔＶS＋ΔＶS 2}(１／ｄa 3) ≒γＡ0−δ{(Ｖ4a 2・Ｇ1 2／４)−Ｖ4a・Ｇ1・ΔＶS}(１／ｄa 3) ……………………………………(41) となる。
【００６５】この時、電圧Ｖ21，Ｖ22は時刻ｔ1 におけ
る電圧Ｖ21＝Ｖ11c 、時刻ｔ2 における電圧Ｖ22＝Ｖ
12c を保持したものであるので、図５(ｅ)(ｆ)に示すよ
うに、Ｖ21＝Ｖ11c ，Ｖ22＝Ｖ12c となる。
【００６６】また、電圧Ｖ10はこれらの電圧Ｖ21，Ｖ22
の和であるので、 Ｖ10 ＝Ｖ21 ＋Ｖ22 ＝Ｖ11c ＋Ｖ12c ＝γＡ0−δ{(Ｖ4a 2・Ｇ1 2／４)＋Ｖ4a・Ｇ1・ΔＶS}(１／ｄa 3) ＋γＡ0−δ{(Ｖ4a 2・Ｇ1 2／４)−Ｖ4a・Ｇ1・ΔＶS}(１／ｄa 3) ＝２γＡ0 −２δ{(Ｖ4a 2・Ｇ1 2／４)(１／ｄa 3) ＝２〔γＡ0 −δ{(Ｖ4a 2・Ｇ1 2／４)(１／ｄa 3)〕 ……………………………………(42) となる。
【００６７】また、基準電圧Ｖ13は(19)式で求めた値が
予め設定されているので、(19)式と(42)式とより、図５
に示す状態でも、Ｖ13＝Ｖ10となる。従って、Ｖ14もＶ
14＝０となる。これはＶ15も変化しないことを意味し、
試料２の表面凹凸の測定結果である電圧計３６の指示値
は、表面電位ＶS の変化に対して全く影響を受けず変化
しないものとなる。
【００６８】以上のことから、感光体１ｂ表面に凹凸が
存在せずその表面電位のみが変化する場合であっても、
表面電位ＶS の変化のみを測定し得るものとなる。
【００６９】さらに、表面電位ＶS がＶSaからＶSd＝Ｖ
Sa−ΔＶ、距離ｄが高さΔｄの突起によりｄa からｄd
＝ｄa −Δｄに、同時に変化した場合の測定シーケンス
について説明する。この場合、そのタイミングチャート
は図示を省略するが、図４と図５とに示したシーケンス
が同時に生ずるだけであるので、前述した説明に準じ、
表面電位ＶS と距離ｄの変化とを独立かつ同時に測定し
得る。
【００７０】このケースにおいて、電圧Ｖ21，Ｖ22の値
を各々Ｖ11d，Ｖ12dとすると、(12)(13)式の場合と同様
に、 Ｖ11d ＝γＡ0 −δ{(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）＋ΔＶS }2{１／(ｄa−Δｄ)3} ……………………………………(43) Ｖ12d ＝γＡ0 −δ{(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）−ΔＶS }2{１／(ｄa−Δｄ)3} ……………………………………(44) となる。
【００７１】これらの電圧Ｖ21，Ｖ22の電位差Ｖ3 は、 Ｖ3 ＝Ｖ22 −Ｖ21 ＝Ｖ12d −Ｖ11d ＝−｛δ／(ｄa−Δｄ)3｝ ×〔{(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）−ΔＶS }2−{(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）＋ΔＶS }2〕 ＝−｛δ／(ｄa−Δｄ)3｝ ×〔{(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）−ΔＶS ＋(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）＋ΔＶS ｝ ×{(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）−ΔＶS −(Ｖ4a・Ｇ1 ／２）−ΔＶS ｝〕 ＝｛２ΔＶS δ／(ｄa−Δｄ)3｝(Ｖ4a・Ｇ1 ）＞０ ……………………………………(45) となる。
【００７２】よって、図５に示した場合と同様に、電圧
Ｖ9 は減少していき、Ｖb ＝ＶSdとなるまでこの直流電
圧Ｖb も減少していき、最終的にＶb ＝ＶSdとなって安
定する。よって、電圧Ｖ9 の値から表面電位ＶSdを測定
し得るものとなる。
【００７３】一方、距離の測定に関しては、(43)(44)式
は(40)(41)式の場合と同様に、 Ｖ11d ≒γＡ0−δ{(Ｖ4a 2・Ｇ1 2／４)＋Ｖ4a・Ｇ1・ΔＶS}{１／(ｄa−Δｄ)3} ……………………………………(46) Ｖ12d ≒γＡ0−δ{(Ｖ4a 2・Ｇ1 2／４)−Ｖ4a・Ｇ1・ΔＶS}{１／(ｄa−Δｄ)3} ……………………………………(47) となり、これらの和である電圧Ｖ10は、 Ｖ10 ＝Ｖ11d ＋Ｖ12d ＝２〔γＡ0−δ(Ｖ4a・Ｇ1 ／２){１／(ｄa−Δｄ)3}〕＜Ｖ13 ……………………………………(48) となる。
【００７４】よって、電圧Ｖ14は正となり、電圧Ｖ15は
小さくなり、Ｚ軸アクチュエータ２９が縮むように駆動
される。この動作は、Ｖ10＝Ｖ13となるまで継続され、
距離ｄがｄ＝ｄa となるまで行われることになる。よっ
て、図４で説明した場合と同様に、電圧計３６により測
定される電圧Ｖ15の値から突起高さΔｄを測定し得るも
のとなる。
【００７５】以上のように、表面電位ＶS の変動と表面
凹凸による距離変動とが同時に生じても、表面電位と距
離（突起高さ）とを各々別個に測定し得るものとなる。
【００７６】この結果、上述した動作をＸ，Ｙ軸アクチ
ュエータ３０により試料２を２次元的に移動させて探針
３により試料２表面をラスタスキャンさせることによ
り、試料２表面上の表面電位分布及び表面形状分布を同
時かつ独立して測定し得るものとなる。
【００７７】なお、本実施例ではＸ，Ｙ軸アクチュエー
タ３０及びＺ軸アクチュエータ２９を試料２側に対して
設けたが、相対的なものであり、片持ち梁９の根元側に
設けて探針３側を移動させるようにしてもよい。
【００７８】また、表面電位測定のための帰還制御を距
離制御に優先させ、時刻ｔ1 における電圧Ｖ21（＝
Ｖ11）と時刻ｔ2 における電圧Ｖ22（＝Ｖ12）とが、Ｖ
11＝Ｖ12となった後で、Ｖ11又はＶ12の値をサンプルホ
ールドすることにより、距離ｄの変化を捉える信号Ｖ10
を生成するようにしてもよい。
【００７９】つづいて、請求項２及び３記載の発明の一
実施例を図６により説明する。前記実施例で示した部分
と同一部分は同一符号を用いて示す（以下の実施例でも
同様とする）。本実施例は、探針３に対する試料２のア
プローチ動作を工夫したもので、移動機構２８中にアプ
ローチ用アクチュエータ３７を付加し、かつ、差動増幅
器３２からの出力Ｖ14に基づきこのアプローチ用アクチ
ュエータ３７と前記電源１７とを制御する制御用コンピ
ュータ３８を設けたものである。これらのアプローチ用
アクチュエータ３７と制御用コンピュータ３８とがアプ
ローチ制御手段３９を構成している。
【００８０】このような構成において、交流電圧Ｖ6 の
振幅がＶ4a・Ｇ1 で、探針３先端と試料２表面との距離
ｄがｄ＝ｄa である（即ち、測定時の所望の条件であ
る）ときの電圧Ｖ10の値をＶ10＝Ｖ13とし、制御用コン
ピュータ３８にはこれらの電圧Ｖ10，Ｖ13の差を示す電
圧Ｖ14が入力される。これに基づき、制御用コンピュー
タ３８は電源１７に交流電圧制御信号を出力してその振
幅を制御する。また、制御用コンピュータ３８はアプロ
ーチ用アクチュエータ３７に対して粗動コントロール信
号を出力し、試料２表面を探針３先端に近付けるアプロ
ーチ動作を制御する。
【００８１】このアプローチ動作に当っては、まず、探
針３に対向する試料表面電位をＧＮＤ電位としておき、
交流電圧Ｖ6 に対するバイアス電圧Ｖb をＶb ＝０とす
る。また、交流電圧Ｖ6 の振幅を、Ｖ4・Ｇ1と表すと、 Ｖ11 ＝Ｖ12 ＝γＡ0 −δ｛(Ｖ4・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 3 )｝ ……………………………………(49) であるので、電圧Ｖ10は Ｖ10 ＝２〔γＡ0 −δ｛(Ｖ4・Ｇ1 ／２)2(１／ｄa 3 )｝〕 ……………………………………(50) となる。
【００８２】このような条件下に、アプローチの初期で
は、探針３先端が試料２表面から大きく離れた状態にあ
り、両者間の距離ｄが非常に大きい。従って、この時の
電圧Ｖ10は、ｄ＝ｄa の時の基準電圧Ｖ13（(19)式参
照）より大きいので、差動増幅器３２の出力Ｖ14は、ほ
ぼその飽和電圧まで達している。この電圧Ｖ14を制御用
コンピュータ３８が検出・確認した後、アプローチ動作
が開始される。
【００８３】開始に当っては、電源１７の交流電圧Ｖ4
の振幅を予め設定されている測定時の振幅Ｖ4aより大き
な振幅Ｖ4bに設定する。この後、粗動コントロール信号
を通してアプローチ用アクチュエータ３７を駆動制御し
て試料２表面と探針３先端との間の距離ｄを漸次小さく
していく。この動作において、(51)(52)式より距離ｄが
小さくなると、電圧Ｖ11，Ｖ12も小さくなっていき、電
圧Ｖ10の値も小さくなる。制御用コンピュータ３８は電
圧Ｖ14の値を監視し続け、Ｖ10＝Ｖ13、即ち、Ｖ14＝０
となったら、その時点でアプローチ用アクチュエータ３
７の動作を一旦停止させる。
【００８４】さらに、アプローチ用アクチュエータ３７
を再始動させ、距離ｄをｄ0 よりも小さくしていくと、
(56)式より、電圧Ｖ10は電圧Ｖ13よりも小さくなってい
く。よって、電圧Ｖ14は負となる。これを制御用コンピ
ュータ３８が検出し、電源１７の交流電圧Ｖ4 の振幅が
小さくなるように制御する。(48)式よりこの振幅を小さ
くすると、電圧Ｖ10の値が大きくなり、Ｖ10＝Ｖ13とな
るまで交流電圧Ｖ4 の振幅を小さくしていく。即ち、距
離ｄを小さくするに伴い、交流電圧Ｖ4 の振幅を小さく
しながらＶ10＝Ｖ13となるように帰還制御を掛けながら
アプローチさせていくものである。
【００８５】このような動作により、交流電圧Ｖ4 の振
幅が一定の値に近付き、Ｚ軸アクチュエータ２９による
変位可能領域に入ったら、アプローチ用アクチュエータ
３７の動作は停止される。その後、Ｚ軸アクチュエータ
２９を用いて同様の動作を行い、最終的に、Ｖ4 ＝Ｖ4a
になるまで試料２のアプローチ動作を行い、前述したよ
うな、通常の測定動作に移行する。
【００８６】このように、本実施例のアプローチ動作に
よれば、電圧Ｖ14の値が距離ｄの変化に対して急激に変
化することがないので、制御用コンピュータ３８等の制
御系が電圧Ｖ14の変化を検知してアプローチ用アクチュ
エータ３７を停止させるまでの時間遅れの間に試料２表
面が探針３３先端に衝突してしまうことがなく、双方の
破損・破壊を防止できる。
【００８７】さらに、請求項４記載の発明の一実施例を
図７により説明する。本実施例は、感光体ドラム等を測
定対象とした場合において生じ得る偏心に起因する距離
変動と、表面凹凸きず等に起因する距離変動との２種類
の距離変動に適切に対処し得るようにしたものである。
【００８８】まず、探針３先端と感光体１ｂ表面との距
離ｄの変化は、低周波で変動幅の大きな成分と、高周波
で変動幅の小さな成分とを含んでいる場合が多い。
【００８９】そこで、本実施例では、このような点に着
目し、Ｚ軸アチュエータ２９を微動アクチュエータとし
て、電圧Ｖ15をＨＰＦ（ハイ・パス・フィルタ）４０を
通して高周波成分の制御信号を抽出してこのＺ軸アクチ
ュエータ（微動アクチュエータ）２９に与える一方、別
のＺ軸アクチュエータ４１を粗動アクチュエータとして
設け、電圧Ｖ15をＬＰＦ（ロー・パス・フィルタ）４
２、増幅器４３を通して低周波成分の制御信号を抽出し
てこのＺ軸アクチュエータ（粗動アクチュエータ）４１
に与えるようにしたものである。ここに、Ｚ軸アクチュ
エータ２９側が例えば圧電素子構成であるのに対して、
Ｚ軸アクチュエータ４１側はボイスコイル構成のものと
されている。
【００９０】即ち、距離ｄの制御信号である電圧Ｖ15を
ＨＰＦ４０とＬＰＦ４２とにより周波数帯域に応じて分
離し、ＨＰＦ４０側から出力される電圧Ｖ16なる制御信
号により、高周波特性はよいが変位量が数１０μｍ程度
の微動アクチュエータ２９を駆動させるものとするが、
ＬＰＦ４２側から出力される電圧Ｖ17なる制御信号によ
り、変位量はｍｍ程度までで大きいが低周波にしか応答
しない高周波特性の悪い粗動アクチュエータ４１を駆動
させるようにしたものである。
【００９１】これにより、低周波で変動幅の大きな成分
と、高周波で変動幅の小さな成分を含んでいる距離変動
に対して適切に対処して距離ｄの制御を行うことがで
き、適正かつ精度よく、感光体１ｂの表面電位及び表面
形状を測定し得るものとなる。
【００９２】なお、これらの実施例にあっても、試料２
側でなく、探針３側をアクチュータ駆動させるようにし
てもよい。
【００９３】
【発明の効果】請求項１記載の発明では、測定対象物に
対向させた導電性の探針と、この探針と前記測定対象物
の表面電位との間に作用する静電力を検出する静電力検
出手段と、前記探針に対して直流電圧に交流電圧を重畳
して交流電圧が正側に振れた時の静電力と負側に振れた
時の静電力とが等しくなるように前記直流電圧を可変さ
せる電位制御手段と、前記探針の前記直流電圧の電位を
測定する電位測定手段と、前記交流電圧が、正側に振れ
た時の静電力が一定となり、又は、負側に振れた時の静
電力が一定となり、又は、正側に振れた時の静電力と負
側に振れた時の静電力との和が一定となるように前記測
定対象物と前記探針との間の距離を制御するアクチュエ
ータを備えた距離制御手段と、前記アクチュエータの変
位量を測定する変位量測定手段とを設けて、電位測定手
段の測定結果を測定対象物の表面電位の測定結果とし、
変位量測定手段により測定された距離制御手段のアクチ
ュエータの変位量を測定対象物の表面形状の測定結果と
するようにしたので、測定対象物について表面電位と表
面形状とを同時に、かつ、独立して測定でき、この際、
距離の測定制御も精度のよいものとなり、かつ、測定対
象物が感光体等であってもその表面電荷に何ら影響を与
えることなく、その表面電位及び表面形状ないしは距離
の測定を行うことができる。
【００９４】この際、請求項２記載の発明では、アプロ
ーチ制御手段を備えて、探針を測定対象物表面に対して
所望の距離まで近付けるプロセスに際して、距離が大き
い段階では交流電圧の振幅を大きくして両者間の電位差
を大きくするが、所望距離に近付くにつれて漸次振幅を
小さくして両者間の電位差を小さくしていくようにした
ので、探針先端を測定対象物に衝突させることなく近付
けることができ、双方の破損・破壊を防止することがで
きる。
【００９５】同様に、請求項３記載の発明によれば、当
初の交流電圧の振幅を測定時の振幅より大きく設定維持
させたままこの交流電圧により探針に働く静電引力が基
準値に等しくなるまでこの探針を測定対象物表面に近付
けた後、探針に働く静電引力が基準値と等しくなるよう
に交流電圧の振幅を可変制御してこの振幅が測定時の振
幅と等しくなるまで探針を測定対象物表面に近付けるよ
うにしたので、探針先端を測定対象物に衝突させること
なく近付けることができ、双方の破損・破壊を防止する
ことができる。
【００９６】さらに、請求項４記載の発明では、探針先
端と感光体表面との距離の変化が低周波で変動幅の大き
な成分と高周波で変動幅の小さな成分とを含んでいる場
合でも、アクチュエータとして粗動アクチュエータと微
動アクチュエータとを設け、アクチュエータに対する制
御信号を周波数帯域により分離して前記粗動アクチュエ
ータと微動アクチュエータとに別個に入力させる距離制
御手段としたので、双方の距離変動に対する制御を適正
に行うことができ、よって、より高精度に表面電位と表
面形状とを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明の一実施例を示す回路構成
図である。
【図２】探針付近を拡大して示す模式図である。
【図３】表面電位の変動及び距離の変動のない場合の測
定動作を示すタイミング波形図である。
【図４】距離が変動した場合の測定動作を示すタイミン
グ波形図である。
【図５】表面電位の変動した場合の測定動作を示すタイ
ミング波形図である。
【図６】請求項２，３記載の発明の一実施例を示す回路
構成図である。
【図７】請求項４記載の発明の一実施例を示す回路構成
図である。
【図８】既提案例を示す回路構成図である。
【符号の説明】
２ 測定対象物 ３ 探針 １２ 静電力検出手段 １６ 電位制御手段 ２６ 電位測定手段 ２９ アクチュエータ＝微動アクチュエータ ３５ 距離制御手段 ３６ 変位量測定手段 ３９ アプローチ制御手段 ４１ 粗動アクチュエータ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−72505（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−273277（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−165772（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−52711（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 29/12 - 29/14 G01R 29/24 G01N 13/10 - 13/24

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 測定対象物に対向させた導電性の探針
    と、この探針と前記測定対象物の表面電位との間に作用
    する静電力を検出する静電力検出手段と、前記探針に対
    して直流電圧に交流電圧を重畳して交流電圧が正側に振
    れた時の静電力と負側に振れた時の静電力とが等しくな
    るように前記直流電圧を可変させる電位制御手段と、前
    記探針の前記直流電圧の電位を測定する電位測定手段
    と、前記交流電圧が、正側に振れた時の静電力が一定と
    なり、又は、負側に振れた時の静電力が一定となり、又
    は、正側に振れた時の静電力と負側に振れた時の静電力
    との和が一定となるように前記測定対象物と前記探針と
    の間の距離を制御するアクチュエータを備えた距離制御
    手段と、前記アクチュエータの変位量を測定する変位量
    測定手段とよりなることを特徴とする表面電位及び形状
    測定器。
  2. 【請求項２】 測定開始時に探針を測定対象物表面に近
    付けてこの探針と前記測定対象物表面との間の距離を所
    望の距離に設定するときに、前記距離が大きい段階では
    交流電圧の振幅を大きくし、所望の距離に近付くに従い
    漸次この交流電圧の振幅を小さくさせていくアプローチ
    制御手段を備えた距離制御手段としたことを特徴とする
    請求項１記載の表面電位及び形状測定器。
  3. 【請求項３】 測定開始時に探針を測定対象物表面に近
    付けてこの探針と前記測定対象物表面との間の距離を所
    望の距離に設定するときに、当初の交流電圧の振幅を測
    定時の振幅より大きく設定維持させたままこの交流電圧
    により前記探針に働く静電引力が基準値に等しくなるま
    でこの探針を測定対象物表面に近付けた後、前記探針に
    働く静電引力が基準値と等しくなるように前記交流電圧
    の振幅を可変制御してこの振幅が測定時の振幅と等しく
    なるまで前記探針を測定対象物表面に近付けていくアプ
    ローチ制御手段を備えた距離制御手段としたことを特徴
    とする請求項１記載の表面電位及び形状測定器。
  4. 【請求項４】 アクチュエータとして粗動アクチュエー
    タと微動アクチュエータとを設け、前記アクチュエータ
    に対する制御信号を周波数帯域により分離して前記粗動
    アクチュエータと微動アクチュエータとに別個に入力さ
    せる距離制御手段としたことを特徴とする請求項１記載
    の表面電位及び形状測定器。
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