JP3171787B2 - 表面状態測定装置 - Google Patents

表面状態測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は表面状態測定装
置、より詳細には測定対象物の表面電位および／または
表面形状を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば「光導電性の感光体」は表面が平
滑で凹凸が少なく、「むら」なく帯電されるものが良し
とされる。従って、感光体が試作されたような場合に、
その表面形状や表面電位の分布状態を測定する必要が生
じる。
【０００３】このような場合に対処すべく、感光体等の
測定対象物の表面形状や表面電位の分布を測定する装置
として、従来、図１０に示す如きものが知られている
（例えば、信学技報ＯＭＥ９２−３ １３頁 走査型マ
クスウェル応力顕微鏡による有機薄膜の表面電位の観
察）。
【０００４】測定対象物０に対向して導電性のカンチレ
バー１０が配備され、カンチレバー１０の自由端部には
導電性の探針１２が、測定対象物０に対向するように保
持されている。
【０００５】ＬＤ１４からカンチレバー１２に光が照射
され、カンチレバー１０による反射光を受光素子１６が
受光して光電変換信号を発生するようになっている。受
光素子１６から発生した光電変換信号はプリアンプ１８
を介してロックインアンプ２０，２２に入力するように
なっている。
【０００６】ロックインアンプ２０の出力は、積分器３
０を介して加算器３２に直流電圧：Ｖbとして印加され
る。ロックインアンプ２２の出力は比較器２４により電
源２６の「基準電圧」と比較され、積分器２８を介して
アクチュエータ３８に印加される。
【０００７】探針１２は、図示されない走査機構により
測定対象物１０の測定表面を１次元的もしくは２次元的
に走査するようになっている。測定対象物１０の表面は
電位：Ｖs（上記表面上の位置の関数である）を有す
る。
【０００８】交流電源３６からの交流電圧：Ｖa・ｓｉ
ｎ(ωｔ)と前記直流電圧：Ｖbを加算器３２において加
え合わせ、直流を重畳させた電圧「Ｖb＋Ｖa・ｓｉｎ
(ωｔ)」をカンチレバー１０を介して探針１２に印加す
る。
【０００９】探針１２と測定対象物０の表面との間を
「間隔：Ｚ，容量：Ｃのコンデンサ」と見做すと、探針
１２と測定対象物０の表面に働く「静電引力：Ｆes」
は、コンデンサの電圧をＶとすると、ポテンシャルエネ
ルギー：Ｕ＝ＣＶ2/２であるから「Ｆes＝−ｇｒａｄ
Ｕ」により、 Ｆes＝｛−（∂Ｃ／∂Ｚ）・Ｖ2／２｝ （１） で与えられる。
【００１０】上記の電圧：Ｖは「Ｖ＝Ｖb−Ｖs＋Ｖa・
ｓｉｎ(ωｔ)」であるから、これを（１）式の右辺に代
入すると、 Ｆes＝−(∂Ｃ/∂Ｚ)・{(Ｖb−Ｖs)2＋(Ｖa2/２)｝／２ −(∂Ｃ/∂Ｚ)・{２(Ｖb−Ｖs)・Ｖa・ｓｉｎ(ωｔ)}]／２ −(∂Ｃ/∂Ｚ)・[(Ｖa2/２)・ｓｉｎ{２ωｔ−(π/２)}]／２ （２） が得られる。（２）式の右辺第１項は固定的であるが、
第２，第３項は「振動的」である。
【００１１】上記角周波数：ωをカンチレバー１０の機
械的共振の角周波数の１／２以下の大きさに設定してお
くと、カンチレバー１０は（２）式右辺の第２，第３項
の振動的な力により強制振動され、この振動に従って受
光素子１６から発せられる光電変換信号をプリアンプ１
８で増幅した出力電圧：ｖは、比例係数をαとして、 ｖ＝−α(∂Ｃ/∂Ｚ)・［{２(Ｖb−Ｖs)・Ｖa・ｓｉｎ(ωｔ)} ＋(Ｖa2/４)・ｓｉｎ{２ωｔ−(π/２)}］ （３） となる。
【００１２】この出力電圧をロックインアンプ２０によ
り角周波数：ωの参照信号（交流電源３６から供給され
る）により位相検波増幅すると、ロックインアンプ２０
から Ｖ1＝−Ａ1・(∂Ｃ/∂Ｚ)・(Ｖb−Ｖs)・Ｖa （４） なる電圧：Ｖ1が得られる。Ａ1は比例係数である。
【００１３】また、上記電圧：ｖをロックインアンプ２
２により角周波数：２ωの参照信号（交流電圧３６から
供給される角周波数：ωの電圧の高調波として発生させ
る）により位相検波増幅すると、ロックインアンプ２２
から Ｖ2＝−Ａ2・(∂Ｃ/∂Ｚ)・Ｖa2 （５） なる電圧：Ｖ2が得られる。Ａ2は比例係数である。
【００１４】上記電圧：Ｖ1は積分器３０を介して直流
電圧：Ｖbとしてカンチレバー１０に印加されるが、積
分器３０は「Ｖ1が０となるよう」に出力：Ｖbを制御す
るので、Ｖ1が０となるときの積分器３０の出力：Ｖb
は、(∂Ｃ/∂Ｚ)の如何に拘らず測定対象物０の表面電
位：Ｖsに等しく、このようにして積分器３０から表面
電位測定結果：Ｖsが得られる。
【００１５】一方、ロックインアンプ２２の出力電圧：
Ｖ2は比較器２４で基準電圧と比較され、積分器２８を
介してアクチュエータ３８に印加される。
【００１６】アクチュエータ３８は電圧：Ｖ2が一定と
なるように、測定対象物０の表面と探針１２の間の間
隔：Ｚを一定に制御する。Ｖaは定数であるから積分器
２８から得られる出力の像、所謂「トポ像」は「(∂Ｃ/
∂Ｚ)＝一定」の像となり、従って測定対象物０の表面
形状（走査線上の形状）を与えることになる。
【００１７】このようにして、測定対象物０の表面電位
と表面形状とを同時に測定することができる。
【００１８】上記表面状態測定において、表面形状は電
圧：Ｖ2を通じて測定されるわけであるが、電圧：Ｖ2を
与える（５）式において、(∂Ｃ/∂Ｚ)は任意のＺに対
し、(∂Ｃ/∂Ｚ)＜０、且つ(∂2Ｃ/∂Ｚ2)＞０であるか
ら、探針１２が測定対象物０の表面に近づき（遠ざか
り）、Ｚが小さく（大きく）なると、電圧：Ｖ2は大き
く（小さく）なり、アクチュエータ３８は電圧：Ｖ2を
小さく（大きく）するように、即ち、Ｚを大きく（小さ
く）するように動作し、これにより間隔：Ｚが一定に保
たれる。
【００１９】しかるに、電圧：Ｖ2が急激に変化したよ
うな場合、「アクチュエータ３８による帰還動作」が間
にあわず、探針１２と測定対象物０の表面が衝突する
と、探針１２はファンデルワールス力等の「付着力」に
より測定対象物０の表面に拘束され、カンチレバー１０
の振動が停止する。
【００２０】この振動停止により式（３）右辺第２項の
振幅が０となるから、ロックインアンプ２２の出力電
圧：Ｖ2は０になる。換言すれば、電圧：Ｖ2は探針１２
の測定対象物０の表面への接触以前よりも小さくなる。
【００２１】このためアクチュエータ３８は間隔：Ｚが
大きくなったかのように駆動され、探針１２と測定対象
物０とを更に近付けるように動作する。
【００２２】このため探針１２は測定対象物０の表面に
更に強く押し当てられ、表面形状の測定ができなくな
り、最悪の場合は探針１２、測定対象物０の一方もしく
は双方が破損することになる。
【００２３】図１１を参照して、この点をより詳細に説
明する。図１１は、上記探針１２と測定対象物０の表面
との間隔：Ｚと、ロックインアンプ２２の出力電圧：Ｖ
2との関係を示す。「アクチュエータ３８による帰還動
作」により上記間隔：Ｚを所定値：Ｚ0に制御するもの
とし、Ｚ0に対応する出力電圧：Ｖ2の値を図の如く「Ｖ
20」とする。なお、図１１を描くに際して、前記式
（５）における比例係数：Ａ2を負としている。
【００２４】間隔：Ｚ0の近傍では、間隔：Ｚが小さく
なると出力電圧：Ｖ2は大きくなる。アクチュエータ３
８による帰還動作は、電圧：Ｖ20を基準電圧とし、出力
電圧：Ｖ2を電圧：Ｖ20に等しくするように行なわれる
ので、間隔：ＺがＺ0よりも小さくなれば（Ｖ2−Ｖ20）
＞０となり、（Ｖ2−Ｖ20）を積分して間隔：Ｚを大き
くするように実行される。間隔：Ｚが間隔：Ｚ0よりも
大きくなったときは上記とは逆になって、間隔：Ｚを小
さくするように帰還動作が行なわれる。
【００２５】しかるに前述の如く帰還動作が間にあわ
ず、間隔：Ｚが小さくなりすぎて、図１１の領域：αに
入ってしまうと、この領域では∂Ｖ2/∂Ｚの符号が間
隔：Ｚ０の近傍とは逆（＞０）で、（Ｖ２−Ｖ20）＜０
であるため、帰還動作は間隔：Ｚを小さくする方向に作
用する。これにより出力電圧：Ｖ2はさらに小さくなっ
て所謂「正帰還」がかかった状態となり、探針１２は測
定対象物０の表面に向かって次第に強く押し当てられる
ことになる。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】この発明は上述した事
情に鑑み、表面状態測定装置において、探針および／ま
たは測定対象物の破損を有効に防止し、測定動作を安定
化することである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】この発明の表面状態測定
装置は「測定対象物の表面における電位および／または
表面形状を表面状態として測定する装置」である。即
ち、測定対象物は表面電位を持つ。この表面電位：Ｖs
は、表面の均一帯電や、測定対象物の内部の電荷分布、
あるいは測定対象物への外部電圧の印加等の原因により
生じる。
【００２８】請求項１記載の発明の表面状態測定装置
は、導電性の板バネと、探針と、背面電極と、電圧印加
手段と、走査手段と、振動検知手段と、電圧分離手段
と、電圧制御手段と、電圧出力手段と、アクチュエータ
とを有する。
【００２９】「導電性の板バネ」は、探針を保持し、測
定時には振動する。「探針」は、板バネに、測定対象物
の表面に対向するように保持され、測定対象物の表面に
対し間隔：Ｚ1を隔し、対向面積：Ｓ1をもって対向す
る。「背面電極」は、板バネに関し測定対象物の表面と
逆の側に設けられ、板バネよりも高い剛性を有し、板バ
ネとともに対向面積：Ｓ2で間隔：Ｚ2のコンデンサを構
成する。背面電極は板バネよりも高い剛性を持つため、
測定時には板バネの振動に拘らず背面電極自体は振動し
ない。
【００３０】「電圧印加手段」は、板バネを介して、探
針に「所定の交流電圧と直流電圧：Ｖbを重畳し」て印
加し、背面電極に上記直流電圧：Ｖbを印加する。「走
査手段」は、探針により測定対象物を走査する手段であ
る。「振動検知手段」は、板バネの振動を検知する手段
である。
【００３１】「電圧分離手段」は、振動検知手段の出力
から「表面電位：Ｖsと直流電圧：Ｖbとに応じた第１電
圧」と「測定対象物の表面形状と間隔：Ｚ1に応じた第
２電圧」とを分離して得る手段である。「電圧制御手
段」は、第１電圧を０とするように直流電圧：Ｖbを制
御する。「電圧出力手段」は、第２電圧の振幅に比例す
る出力を出力する。
【００３２】「アクチュエータ」は、電圧出力手段の出
力により、探針先端と測定対象物の間隔：Ｚ1を所定の
間隔：Ｚ0に調整する。
【００３３】上記背面電極の形状および配備態位は、上
記対向面積：Ｓ1と間隔：Ｚ0に対し、上記対向面積：Ｓ
2と間隔：Ｚ2とが、条件： (Ｓ1/Ｚ0 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)＜０ を満足するように定められる。
【００３４】上記「電圧印加手段」により板バネを介し
て探針に印加される所定の交流電圧は「板バネの機械的
共振の角周波数の１／２以下の角周波数：ω」を持つこ
ともできるし（請求項２）、「板バネの機械的共振の角
周波数：ω0を角周波数として持つ交流電圧と、角周波
数：ω0／２を持つ交流電圧との和」であることもでき
（請求項３）、「板バネの機械的共振角周波数：ω0を
角周波数として持つ交流電圧と、角周波数：２ω0を持
つ交流電圧との和」であることもできる（請求項４）。
【００３５】請求項５記載の発明の表面状態測定装置
は、導電性の板バネと、探針と、背面電極と、電圧印加
手段と、走査手段と、振動検知手段と、電圧分離手段
と、電圧制御手段と、電圧出力手段と、アクチュエータ
とを有する。
【００３６】これらのうち、板バネ、探針、背面電極、
走査手段、振動検知手段、電圧分離手段、電圧制御手
段、電圧出力手段およびアクチュエータは、請求項１記
載の表面状態測定装置におけるのと同様のものである。
【００３７】「電圧印加手段」は、板バネを介して探針
に、振幅：ＶAの所定の交流電圧と直流電圧：Ｖbを重畳
して印加し、背面電極には振幅：ＶEで上記「所定の交
流電圧と同位相且つ同周波数の交流電圧」と上記直流電
圧：Ｖbとを重畳して印加する。
【００３８】探針の測定対象物表面に対する対向面積：
Ｓ1と間隔：Ｚ0および電圧：ＶA，ＶEに対し、背面電極
と板バネのコンデンサとしての対向面積：Ｓ2と間隔：
Ｚ2とが、条件： [(Ｓ1・ＶA 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2(ＶA−ＶE)2/Ｚ2 2}]＜０ を満足するように、背面電極の形状および配備態位が定
められる。
【００３９】請求項６記載の発明の表面状態測定装置
は、導電性の板バネと、探針と、背面電極と、電圧印加
手段と、走査手段と、振動検知手段と、電圧分離手段
と、電圧制御手段と、電圧出力手段と、アクチュエータ
とを有する。
【００４０】これらのうち、板バネ、探針、背面電極、
走査手段、振動検知手段、電圧分離手段、電圧制御手
段、電圧出力手段およびアクチュエータは、請求項１記
載の表面状態測定装置におけるのと同様のものである。
【００４１】「電圧印加手段」は、板バネを介して探針
に「振幅：ＶAで角周波数：ω1の交流電圧と振幅：ＶB
で角周波数：ω2の交流電圧の和を、直流電圧：Ｖbに重
畳」して印加し、背面電極には「振幅：ＶCで角周波
数：ω3の交流電圧を直流電圧：Ｖbに重畳」して印加す
る手段である。
【００４２】探針の測定対象物表面に対する対向面積：
Ｓ1と間隔：Ｚ0および電圧：ＶB，ＶCに対し、背面電極
と板バネのコンデンサとしての対向面積：Ｓ2と間隔：
Ｚ2とが、条件： [(Ｓ1・ＶB 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2(ＶB−ＶC)2/Ｚ2 2}]＜０ を満足するように、背面電極の形状および配備態位が定
められれる。
【００４３】また、板バネ（その振動における振幅が探
針先端と測定対象物表面との距離を示す）の強制振動の
角周波数と同じ角周波数の電気力が、板バネと背面電極
との間に生じるように、角周波数：ω1，ω2及びω3の
関係が定められる。
【００４４】上記請求項１〜６の任意の１に記載の表面
状態測定装置において、導電性の板バネの振動を検知す
る「振動検知手段」は、「背面電極に穿設された孔を介
して板バネを照射する光を放射する光源と、板バネによ
り反射され、上記孔を通った光を受光する受光素子とを
有する」ように構成することができる（請求項７）。
【００４５】この場合において「導電性の板バネに穿設
された孔が透明導電体により少なくとも一部が充填され
ている」ようにすることができる（請求項８）。
【００４６】あるいはまた、背面電極を「透明導電体」
で構成し、振動検知手段が「背面電極を介して導電性の
板バネを照射する光を放射する光源と、板バネにより反
射された光を上記背面電極を介して受光する受光素子と
を有する」ようにすることができる（請求項９）。
【００４７】なお、上記「導電性の板バネ」は、以下の
実施の形態において用いられる「導電性のカンチレバ
ー」として実施することもできるし、両端を保持された
板バネとして実施することもできる。両端を保持した板
バネを用いる場合には、探針は、板バネ中央部の、振幅
が最大となる部分の近傍に設けるのが良い。
【００４８】また、表面状態の測定の１つの形態とし
て、測定対象物の１点のみにおける表面電位の測定（所
謂ワンポイント測定）を行なう場合があり、このような
測定形態の場合に、測定開始時に探針を測定対象物表面
に近付ける「アプローチ工程」の際に、従来の測定方式
だと前述の正帰還による探針・測定対象物の破損の問題
が発生する。
【００４９】この発明は、このような問題をも有効に解
決できるものである。上記ワンポイント測定のみを行な
うように測定装置を構成する場合には、前記各請求項記
載の発明において「走査手段」を省略することができ
る。
【００５０】請求項１０記載の発明の表面状態測定装置
は、導電性の板バネと、探針と、背面電極と、電圧印加
手段と、走査手段と、振動検知手段と、電圧分離手段
と、電圧制御手段とを有し、請求項１記載の発明と、以
下の点において異なる。即ち、第１に、請求項１０記載
の発明は電圧出力手段およびアクチュエータを必要とし
ない。これらは請求項１記載の発明では帰還系を構成す
るが、請求項１０記載の発明では「帰還系を必要としな
い」のである。
【００５１】第２に、背面電極の形状および配備態位
は、前記対向面積：Ｓ1と間隔：Ｚ1の設定値：Ｚ0に対
し、前記対向面積：Ｓ2と間隔：Ｚ2とが条件： (Ｓ1/Ｚ0 2)−（Ｓ2/Ｚ2 2)＜０ を満足し、且つ、電圧分離手段による第２電圧：Ｖ2と
上記間隔：Ｚ1の関係が単調的な１価関数になるととも
に、上記設定値：Ｚ0が所定の大きさを有するように定
められる。「設定値：Ｚ0」の意味に就いては後述す
る。
【００５２】請求項１０記載の発明の表面状態測定装置
においても、「電圧印加手段」により板バネを介して探
針に印加される所定の交流電圧は「板バネの機械的共振
の角周波数の１／２以下の角周波数：ω」を持つことも
できるし、「板バネの機械的共振の角周波数：ω0を角
周波数として持つ交流電圧と、角周波数：ω0／２を持
つ交流電圧との和」であることもでき、「板バネの機械
的共振角周波数：ω0を角周波数として持つ交流電圧
と、角周波数：２ω0を持つ交流電圧との和」であるこ
ともできる。
【００５３】請求項１１記載の発明の表面状態測定装置
は、導電性の板バネと、探針と、背面電極と、電圧印加
手段と、走査手段と、振動検知手段と、電圧分離手段
と、電圧制御手段とを有し、請求項５記載の発明と以下
の点において異なる。
【００５４】即ち、第１に、請求項１１記載の発明は電
圧出力手段とアクチュエータを必要としない。第２に、
背面電極の形状および配備態位は、前記対向面積：Ｓ1
と間隔：Ｚ1の設定値：Ｚ0および電圧：ＶA，ＶEに対
し、前記対向面積：Ｓ2と間隔：Ｚ2とが、条件： [(Ｓ1・ＶA 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2(ＶA−ＶE)2/Ｚ2 2}]＜０ を満足し、且つ、電圧分離手段による第２電圧：Ｖ2と
上記間隔：Ｚ1の関係が単調的な１価関数になるととも
に、上記設定値：Ｚ0が所定の大きさを有するように定
められる。
【００５５】請求項１２記載の発明の表面状態測定装置
は、導電性の板バネと、探針と、背面電極と、電圧印加
手段と、走査手段と、振動検知手段と、電圧分離手段
と、電圧制御手段とを有し、請求項６記載の発明と以下
の点において異なる。
【００５６】即ち、第１に、請求項１２記載の発明は電
圧出力手段とアクチュエータを必要としない。第２に、
背面電極の形状および配備態位は、前記対向面積：Ｓ1
と間隔：Ｚ1の設定値：Ｚ0および電圧：ＶB，ＶCに対
し、前記対向面積：Ｓ2と間隔：Ｚ2とが、条件： [(Ｓ1・ＶB 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2(ＶB−ＶC)2/Ｚ2 2}]＜０ を満足し、且つ、電圧分離手段による第２電圧：Ｖ2と
上記間隔：Ｚ1の関係が単調的な１価関数になるととも
に、上記設定値：Ｚ0が所定の大きさを有するように定
められる。
【００５７】そして、請求項６記載の発明と同様、上記
板バネの強制振動の角周波数と同じ角周波数の電気力
が、板バネと背面電極との間に生じるように、前記角周
波数：ω1，ω2，ω3の関係が定められる。
【００５８】上述の如く、請求項１０〜１２記載の発明
の表面状態測定装置では帰還動作を行なわないので、請
求項１〜９の発明においては帰還系を構成する「電圧出
力手段とアクチュエータ」とが不要なのである。
【００５９】請求項１０〜１２記載の表面形状測定装置
は前述の如く、「帰還系」を必要とせず、探針と測定対
象物との間隔間隔：Ｚ1は、設定値：Ｚ0を基準として変
化するが、帰還動作を行なわないので、間隔：Ｚ1が小
さくなりすぎると、ファンデルワールス力等の付着力に
より探針が測定対象物の表面に付着拘束されることにな
る。
【００６０】上述の設定値：Ｚ0は、表面形状測定装置
における設計条件により設定される「測定対象物と探針
との間の間隔」であり、この設定値：Ｚ0をしかるべく
大きく設定し、測定中に探針が測定対処物表面に接触・
拘束されるような近さに、測定対象物に近づかないよう
にする。これが上記「設定値：Ｚ0が所定の大きさを有
する」ということである。設定値：Ｚ0の有する所定の
大きさは、例えば、測定対象物の表面の凹凸が１〜２μ
ｍであるような場合には、３〜４μｍ程度が好適であ
る。設定値：Ｚ0は勿論、自動的もしくは手動により可
調整とすることができる。上記のように、請求項１０，
１１，１２記載の発明における設定値：Ｚ0は、請求項
１，５，６記載の発明における間隔：Ｚ0とは技術的な
意味が異なる。請求項１，５，６記載の発明における間
隔：Ｚ0は、帰還系により実現されるべき探針と測定対
象物表面との間隔である。
【００６１】上記請求項１〜６の任意の１、もしくは請
求項１０〜１２の任意の１に記載の表面状態測定装置に
おいては、導電性の板バネの振動を検知する振動検知手
段を「背面電極に穿設された孔を介して板バネを照射す
る光を放射する光源と、板バネにより反射され上記孔を
通った光を受光する受光素子と、背面電極に穿設された
孔を充填する透明非導電体と、この透明非導電体を挾む
ように形成された透明導電膜を有する」ように構成する
ことができる（請求項１３）。
【００６２】また、上記請求項１〜６の任意の１、もし
くは請求項１０〜１２の任意の１に記載の表面状態測定
装置においては、背面電極を「表面を透明道電膜で被覆
された透明絶縁体」で構成し、導電性の板バネの振動を
検知する振動検知手段が、背面電極を介して板バネを照
射する光を放射する光源と、上記板バネにより反射され
た光を上記背面電極を介して受光する受光素子とを有す
るようにすることができる（請求項１４）。
【００６３】請求項１０〜１４記載の発明の「表面状態
測定装置」においても、前記「ワンポイント測定」のみ
を行なうように測定装置を構成する場合には、「走査手
段」を省略できる。
【００６４】
【発明の実施の形態】以下、具体的な実施の形態を説明
する。
【００６５】図１は、請求項１，２記載の発明の表面状
態測定装置の実施の１形態を説明するための図である。
なお、繁雑を避けるため、混同の虞れがないと思われる
ものについては、図１０におけると同一の符号を用い
た。
【００６６】図１０におけると同じく、符号０は「測定
対象物」、符号１０は「導電性の板バネ」としての導電
性のカンチレバー、符号１２は「探針」、符号１４は
「光源であるＬＤ」、符号１６は「受光素子」、符号１
８は「プリアンプ」、符号２０，２２は「ロックインア
ンプ」、符号２４は「比較器」、符号２６は「電源」、
符号２８は「積分器」、符号３０は「積分器」、符号３
２は「加算器」、符号３４は「アンプ」、符号３６は
「交流電源」、符号３８は「アクチュエータ」、符号４
０は「背面電極」、符号４２は「アンプ」を示してい
る。
【００６７】図１０に示した従来の表面状態測定装置と
異なる点は、背面電極４０とアンプ４２が用いられてい
る点である。
【００６８】背面電極４０は、カンチレバー１０に関し
測定対象物０の表面と逆の側に設けられ、剛性の高い材
料で構成され「実質的な剛体」である。
【００６９】図２に示すように、背面電極４０は「板バ
ネ」としてのカンチレバー１０に平行に位置するように
基部４０１により支持され、基部４０１の底部に形成さ
れた絶縁体層４０２によりカンチレバー１０と絶縁され
ている。
【００７０】この実施の形態においては背面電極４０は
導電性であるが、背面電極を絶縁性の材料で形成しカン
チレバー１０に面した側の面に導電膜を形成してもよ
い。勿論この導電膜には電圧を印加できることが必要で
ある。背面電極４０はカンチレバー１０と共に、対向面
積：Ｓ2で間隔：Ｚ2の「コンデンサ」を構成する。
【００７１】図２（ａ）に示す如く、背面電極４０には
孔４０３が穿設される。図１に示すように、光源である
ＬＤ１４から放射された光は孔４０３を介してカンチレ
バー１０の背面を照射する。そしてカンチレバー１０に
よる反射光は再び孔４０３を通って受光素子１６に入射
し、光電変換信号を発生させる。この光電変換信号はプ
リアンプ１８で増幅されてロックインアンプ２０，２２
に印加される。
【００７２】即ち、この実施の形態において「振動検知
手段」は、背面電極４０に穿設された孔４０３を介して
カンチレバー１０を照射する光を放射する「光源」とし
てのＬＤ１４と、カンチレバー１０により反射され孔４
０３を通った光を受光する受光素子１６とを有し（請求
項７）、ＬＤ１と受光素子１６とプリアンプ１８および
背面電極４０に穿設された孔４０３により構成されてい
る。
【００７３】探針１２は、図１，２では「先端のとがっ
た針状」に描かれているが、実際には図３に示すよう
に、面積：Ｓ1をもって測定対象物０の表面と対向す
る。探針１２と測定対象物０の表面とは間隔：Ｚ1を隔
している。図１におけるアクチュエータ３８は「間隔：
Ｚ1を所定間隔：Ｚ0に保つ」ように動作する。
【００７４】図１を参照する。交流電源３６で発生され
る交流電圧：ＶA・ｓｉｎ(ωｔ)を加算器３２とアンプ
３４を介してカンチレバー１０に印加し、ＬＤ１４を発
光させると、受光素子１６から光電変換信号１６が発生
し、これがプリアンプ１８により増幅されてロックイン
アンプ２０，２２に印加される。
【００７５】ロックインアンプ２０の出力は積分器３０
を介し、一方では加算器３２に印加され、他方ではアン
プ４２に印加される。加算器３２の出力は、アンプ３４
により増幅され、カンチレバー１０を介して探針１２に
「所定の交流電圧：ＶA・ｓｉｎ(ωｔ)と直流電圧：Ｖb
を重畳した電圧（図２（ｂ）のＶc）」として印加さ
れ、アンプ４２の出力は背面電極４０に「直流電圧：Ｖ
b（図２（ｂ）のＶe）」として印加される。
【００７６】即ち、ロックインアンプ２０と積分器３０
と交流電源３６と、加算器３２およびアンプ３４，４２
は「電圧印加手段」を構成する。
【００７７】また、ロックインアンプ２２の出力は比較
器２４により電源２６の基準電圧と比較され、積分器２
８を介してアクチュエータ３８に印加される。従って、
ロックインアンプ２２と比較器２４と電源２６と積分器
２８とは「電圧出力手段」を構成する。
【００７８】探針１２は、図示されない走査手段によ
り、測定対象物１０の測定表面を１次元的もしくは２次
元的に走査するようになっている。
【００７９】走査手段とアクチュエータとは公知のもの
を適宜利用できる。例えば、測定対象物が「光導電性の
感光体でドラム状に形成されたもの」であれば、走査手
段は該感光体を回転させる手段と、導電性のカンチレバ
ーを感光体軸方向に移動させる移動手段とにより構成す
ることができる。
【００８０】図１において、アクチュエータ３８は測定
対象物０を変位させるように描かれているが、例えば測
定対象物が上記のドラム状の感光体であれば、アクチュ
エータはカンチレバー１０の方を変位させるように構成
される。
【００８１】さて、測定対象物１０の表面は電位：Ｖs
を有するものとし、交流電源３６からの交流電圧と前記
直流電圧を加算器３２において加えあわせ、アンプ３４
で増幅した電圧「Ｖb＋ＶA・ｓｉｎ(ωｔ)」を図３の電
圧：Ｖcとして導電性カンチレバー１０を介して探針１
２に印加するとともに、アンプ４２の出力電圧：Ｖbを
図３における電圧：Ｖeとして背面電極４０に印加す
る。
【００８２】探針１２と測定対象物０の表面との間を、
間隔：Ｚ1，容量：Ｃ1のコンデンサと見做すと、このコ
ンデンサの電圧、即ち、探針１２と測定対象物０の表面
との間の電圧：ｖ1は、ｖ1＝Ｖc−Ｖs＝Ｖb−Ｖs＋ＶA
・ｓｉｎ(ωｔ)であるから、探針１２と測定対象物０の
表面に働く「電気力：Ｆ1」は、式（１）に倣って、 Ｆ1＝{−(∂Ｃ1/∂Ｚ1)・Ｖ1 2/２｝ （１Ａ） で与えられる。
【００８３】上記電圧：ｖ1は、ｖ1＝Ｖb−Ｖs＋ＶA・
ｓｉｎ(ωｔ)であるから、これを上記（１Ａ）式の右辺
に代入すると、 Ｆ1＝−(∂Ｃ1/∂Ｚ1)・{(Ｖb−Ｖs)2＋(ＶA 2/２)｝／２ −(∂Ｃ1/∂Ｚ1)・{２(Ｖb−Ｖs)・ＶA・ｓｉｎωｔ}／２ −(∂Ｃ1/∂Ｚ1)・[(ＶA 2/２)・ｓｉｎ{２ωｔ−(π/２)}／２ （２Ａ） が得られる。右辺第１項は固定的であるが第２，第３項
は振動的である。
【００８４】カンチレバー１０と背面電極４０とは、前
記の如くコンデンサを構成するので、このコンデンサの
容量をＣ2とすると、カンチレバー１０と背面電極４０
の間の電位差：ｖ2は、ｖ2＝Ｖc−Ｖe＝Ｖb＋ＶA・ｓｉ
ｎ(ωｔ)−Ｖb＝ＶA・ｓｉｎ(ωｔ)となり、カンチレバ
ー１０に背面電極４０から作用する力：Ｆ2は、 Ｆ2＝−(∂Ｃ2/∂Ｚ2)・(ＶA 2/２)／２ −(∂Ｃ2/∂Ｚ2)・[(ＶA 2/２)・ｓｉｎ{２ωｔ−(π/２)}／２ （２Ｂ） が得られる。右辺第１項は固定的であるが、第２項は振
動的である。
【００８５】従って、カンチレバー１０には正味の力：
Ｆとして「Ｆ＝Ｆ1−Ｆ2」が作用する。力：Ｆは（２
Ａ），（２Ｂ）を引き算することにより得られる。空気
の誘電率を「ε」とすると(∂Ｃ1/∂Ｚ1)＝Ｓ1・ε/Ｚ1
2となり、(∂Ｃ2/∂Ｚ2)＝Ｓ2・ε/Ｚ2 2となるので、Ｆ
の式は、 Ｆ＝(Ｓ1・ε/Ｚ1 2)・{(Ｖb−Ｖs)2＋(ＶA 2/２)｝／２ −(Ｓ2・ε/Ｚ2 2)・(ＶA 2/２)／２ ＋(Ｓ1・ε/Ｚ1 2)・{２(Ｖb−Ｖs)・ＶA・ｓｉｎωｔ}／２＋ {(Ｓ1/Ｚ1 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)}・ε・[(ＶA 2/２)・ｓｉｎ{２ωｔ−(π/２)}／２ （２Ｃ） となる。
【００８６】この実施の形態において、角周波数：ω
は、カンチレバー１０の機械的共振の角周波数の１／２
より小さく設定されており（請求項２）、カンチレバー
１０は、式（２Ｃ）の第３，第４項の作用により「強制
振動」を起こす。
【００８７】従って、振動検出手段の出力（プリアンプ
１６の出力）：ｖは、比例係数を適当にα，βとして、 ｖ＝α(Ｓ1・/Ｚ1 2)・{２(Ｖb−Ｖs)・ＶA・ｓｉｎωｔ} ＋β{(Ｓ1/Ｚ1 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)}・[(ＶA 2/２)・ｓｉｎ{２ωｔ−(π/２)} （３Ｃ） となる。
【００８８】出力電圧：ｖをロックインアンプ２０によ
り角周波数：ωの参照信号により位相検波増幅すると、
ロックインアンプ２０から Ｖ1＝−Ａ1・(Ｓ1・/Ｚ1 2)・(Ｖb−Ｖs)・ＶA （４Ａ） なる電圧：Ｖ1が得られる。Ａ1は適当な比例係数であ
る。電圧：Ｖ1は、測定対象物０の表面電位：Ｖsと直流
電圧：Ｖbに応じた電圧である。
【００８９】また、電圧：ｖをロックインアンプ２２に
より角周波数：２ωの参照信号により位相検波増幅する
と、ロックインアンプ２２から Ｖ2＝−Ａ2・{(Ｓ1/Ｚ1 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)}・ＶA 2 （５Ａ） なる電圧：Ｖ2が得られる。Ａ2は適当な比例係数であ
る。
【００９０】上記電圧：Ｖ1は積分器３０を介して直流
電圧：Ｖbとしてカンチレバー１０に印加され、積分器
３０が「Ｖ1が０となるよう」に出力Ｖbを制御するの
で、Ｖ1が０となるときの積分器３０の出力：Ｖbは、測
定対象物０の表面電位：Ｖsに等しく、このようにして
積分器３０から表面電位測定結果：Ｖsが得られる。
【００９１】一方、ロックインアンプ２２の出力電圧：
Ｖ2は比較器２４で基準電圧と比較され、積分器２８を
介してアクチュエータ３８に印加される。
【００９２】アクチュエータ３８は電圧：Ｖ2が一定と
なるように、測定対象物０の表面と探針１２の間の間
隔：Ｚ1を所定の間隔：Ｚ0に制御し、積分器２８から得
られる出力の像は測定対象物０の表面形状（走査線上の
形状）を与える。即ち、電圧：Ｖ2は、測定対象物０の
表面形状および間隔：Ｚ1に応じた電圧である。
【００９３】かくして、ロックインアンプ２０，２２と
比較器２４と電源２６および積分器２８は、振動検知手
段の出力：ｖから、表面電位：Ｖsと直流電圧：Ｖbとに
応じた第１電圧：Ｖ1と、測定対象物の表面形状に応じ
た第２電圧：Ｖ2とを分離して得る「電圧分離手段」を
構成し、積分器３０は、第１電圧：Ｖ1を０とするよう
に直流電圧：Ｖbを制御する「電圧制御手段」を構成す
る。このようにして、測定対象物０の表面電位と表面形
状とを同時に測定することができる。
【００９４】さて、請求項１記載の発明の表面状態測定
装置では、 (Ｓ1/Ｚ0 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)＜０ （６） が満足されるように、背面電極４０の形状および配備態
位を定められている。Ｓ1やＺ0は探針１２の形状による
ので容易に変更できないので、背面電極４０の形状（Ｓ
2を決定する）および配備態位（Ｚ2を決定する）により
条件（６）を充足させるのである。条件（６）が満足さ
れているとき、間隔：Ｚ1と、前記ロックインアンプ２
２の出力：Ｖ2との関係は、（５Ａ）式におけるＡ2を負
とすれば、図１２に示す如きものとなる。Ｚ0の近傍で
は、間隔：Ｚ1が小さくなって探針１２が測定対象物０
に近づくに従い、（５Ａ）式に従い電圧：Ｖ2が大きく
なっていく。また、Ｚ1＝Ｚ0では、（６）式の従って
（５Ａ）式の右辺の括弧内が負になるから、図１２に示
すようにＶ2＜０となる。
【００９５】アクチュエータ３８による帰還動作は、上
記第２電圧：Ｖ2が図１２における電圧：Ｖ20に等しく
なるように間隔：Ｚ1を制御するので、間隔：Ｚ1は図１
２の間隔：Ｚ0へ回帰しようとする。即ち、アクチュエ
ータ３８による帰還動作においては、第２電圧：Ｖ2と
電圧：Ｖ20との差：Ｖ2−Ｖ20の符号により探針１２の
変位方向が決定され、上記「差」が正（負）なら間隔：
Ｚ1が大きくなる（小さくなる）方向に探針を変位させ
ようとする。
【００９６】間隔：Ｚ1がある程度以上小さくなれば、
ファンデルワールス力等の付着力によりカンチレバー１
０の振幅は次第に小さくなり、間隔：Ｚ1がさらに小さ
くなれば探針１２は測定対象物０の表面に拘束され、カ
ンチレバー１０の振動は停止する。第２電圧：Ｖ2は、
カンチレバー１０の振幅に比例するので、カンチレバー
１０の振動が停止すればＶ2は０となる。
【００９７】図１２を参照すれば明らかなように、０≦
Ｚ1≦Ｚ0の領域において、常に第２電圧：Ｖ2＞Ｖ20、
即ち、上記差：Ｖ2−Ｖ20は正である。従って、たとい
探針が測定対象物０の表面に拘束されても、アクチュエ
ータ３８による帰還動作は、間隔：Ｚ1を大きくするよ
うに、即ち、探針１２を測定対象物０の表面から離そう
とするように作用することになる。
【００９８】従って、アクチュエータ３８による「負帰
還動作」が間にあわず、探針１２が測定対象物０の表面
に接触し、上記表面に拘束された場合でも、探針１２が
測定対象物０の表面に「より強く押しつけられる」よう
なことがない。従って、最悪の場合でも、探針および／
または測定対象物表面が損傷を受けるようなことがな
い。
【００９９】（６）式において、「Ｓ1/Ｚ0 2」に対して
「Ｓ2/Ｚ2 2」を次第に大きくしていくと（６）式の左辺
は次第に負に増大していく。（６）式の左辺が負で十分
に大きくなると、第２電圧：Ｖ2と間隔：Ｚ1との関係
は、図１３に示すように「単調的な１価関数」になる。
即ち、間隔：Ｚ1に対し、第２電圧：Ｖ2が一義的に定ま
る。従って上記関数を実験的に定めれば、第２電圧：Ｖ
2により、間隔：Ｚ1すなわち、測定対象物０の表面形状
を知ることができる（請求項１０）。
【０１００】図１４は、請求項１０記載の発明の実施の
１形態を示している。繁雑を避けるため、混同の虞れが
ないと思われる物については、図１におけると同一の符
号を付した。
【０１０１】図１の実施の形態との差異は、測定対象物
０を保持している保持体３８Ａがアクチュエータでな
く、図１の実施の形態で、アクチュエータ３８とともに
「帰還系」を構成する比較器２４と電源２６および積分
器２８が無いことである。即ち、図１４の実施の形態で
は、ロックインアンプ２０と２２とが、振動検知手段の
出力：ｖから、表面電位：Ｖsと直流電圧：Ｖbとに応じ
た第１電圧：Ｖ1と、測定対象物の表面形状に応じた第
２電圧：Ｖ2とを分離して得る「電圧分離手段」を構成
し、積分器３０は、第１電圧：Ｖ1を０とするように直
流電圧：Ｖbを制御する「電圧制御手段」を構成する。
前述の如く、第１電圧：Ｖ1はロックインアンプ２０か
ら、第２電圧：Ｖ2はロックインアンプ２２から出力さ
れる。図１の実施の形態と同様、測定対象物の表面電位
は直流電圧：Ｖbにより知られる。探針１２と測定対象
物０の表面との間隔：Ｚ1の設定値：Ｚ0と対向面積：Ｓ
1とに対し、対向面積：Ｓ2と間隔：Ｚ2とが、条件： (Ｓ1/Ｚ0 2)−（Ｓ2/Ｚ2 2)＜０ を満足し、且つ、第２電圧：Ｖ2と間隔：Ｚ1の関係が単
調的な１価関数になるとともに、設定値：Ｚ0が前述の
「所定の大きさ」を有するように、背面電極４０の形状
および配備態位が定められているので、ロックインアン
プ２２からの出力である第２電圧：Ｖ2が知られると、
Ｖ2とＺ1の関係を定める「単調的な１価関数」により測
定対象物０の表面形状（間隔：Ｚ1）を知ることができ
る。
【０１０２】このようにして、測定対象物０の表面電位
と表面形状とを同時に測定することができる。
【０１０３】図４は請求項１，３記載の発明の実施の１
形態を図１に倣って示している。図１におけると同じ符
号のものは図１に於けると同一のものを示している。図
４に示す実施の形態が図１の形態と異なる点は、「電圧
印加手段」における交流電源が２つの交流電源３６Ａ，
３６Ｂにより構成され、交流電源３６Ａ，３６Ｂによる
交流電圧が、加算器３２Ａにより直流電圧：Ｖbと加え
られて「導電性の板バネ」であるカンチレバー１０を介
して探針１２に印加される点である。従って、この実施
の形態において「電圧印加手段」は、ロックインアンプ
２０と積分器３０と交流電源３６Ａ，３６Ｂと、加算器
３２Ａおよびアンプ３４，４２により構成されることに
なる。
【０１０４】交流電源３６Ａは、ＶA・ｓｉｎ(ω0ｔ)の
交流電圧を発生し、交流電源３６Ｂは、ＶB・ｓｉｎ(ω
0/２・ｔ)の交流電圧を発生する。角周波数：ω0は、カ
ンチレバー１０の機械的共振角周波数：ω0である。
【０１０５】これら交流電圧は、加算器３２Ａにより直
流電圧：Ｖbとともに加算され、カンチレバー１０を介
して探針１２に印加される。一方、背面電極４０には直
流電圧：Ｖbが印加される。
【０１０６】このとき、探針１２の電圧：Ｖcは、Ｖc＝
Ｖb＋ＶA・ｓｉｎ(ω0ｔ)＋ＶB・ｓｉｎ(ω0/２・ｔ)で
あり、探針１２と測定対象物０の表面電位：Ｖsとの電
位差：Ｖ1は、Ｖ1＝Ｖc−Ｖs＝Ｖb−Ｖs＋ＶA・ｓｉｎ
(ω0ｔ)＋ＶB・ｓｉｎ（ω0/２・ｔ）であり、背面電極
４０の電圧：ＶeはＶe＝Ｖbである。
【０１０７】先に説明した実施の形態と同様にして、カ
ンチレバー１０に作用する力を計算すると、その振動成
分：Ｆesω0として、 Ｆesω0＝(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・{(Ｖb−Ｖs)・ＶA・ｓｉｎω0ｔ} ＋{(Ｓ1/Ｚ1 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)}・ε・[(ＶA 2/４)・ｓｉｎ{ω0ｔ−(π/２)}] （２Ｄ） が得られる。
【０１０８】ω0は、カンチレバー１０の機械的共振の
角周波数であるから、力：Ｆesω0を受けると、カンチ
レバー１０は角周波数：ω0で共振することになる。こ
の振動は振動検知手段により検知され、その出力：ｖ
は、比例係数を適当にα，βとして、 ｖ＝α(Ｓ1・/Ｚ1 2)・{(Ｖb−Ｖs)・ＶA・ｓｉｎω0ｔ} ＋β{(Ｓ1/Ｚ1 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)}・ＶA 2・ｓｉｎ{ω0ｔ−(π/２)} （３Ｄ） となる。
【０１０９】出力電圧：ｖをロックインアンプ２０によ
りθ＝−π／２の位相で増幅するとロックインアンプ２
０から「α・(Ｓ1・/Ｚ1 2)・(Ｖb−Ｖs)」に比例した第
１電圧：Ｖ1が得られる。電圧：Ｖ1は測定対象物０の表
面電位：Ｖsと直流電圧：Ｖbとに応じた電圧である。
【０１１０】また、電圧：ｖをロックインアンプ２２に
よりθ＝−πの位相で増幅すると、ロックインアンプ２
２から「β・{(Ｓ1/Ｚ1 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)}」に比例した第
２電圧：電圧：Ｖ2が得られる。
【０１１１】上記第１電圧：Ｖ1は、積分器３０を介し
て直流電圧：Ｖbとしてカンチレバー１０に印加され、
積分器３０が「Ｖ1が０となるよう」に出力：Ｖbを制御
するので、電圧：Ｖ1が０となるときの積分器３０の出
力：Ｖbは、測定対象物０の表面電位：Ｖsに等しく、こ
のようにして積分器３０から表面電位測定結果：Ｖsが
得られる。
【０１１２】第２電圧：Ｖ2は比較器２４で基準電圧と
比較され、積分器２８を介してアクチュエータ３８に印
加され、アクチュエータ３８は電圧：Ｖ2が一定となる
ように、測定対象物０の表面と探針１２の間の間隔：Ｚ
1を所定の間隔：Ｚ0に制御する。積分器２８から得られ
る出力の像は、測定対象物０の表面形状（走査線上の形
状）を与える。即ち、第２電圧：Ｖ2は、測定対象物０
の表面形状と間隔：Ｚ1に応じた電圧である。このよう
にして、測定対象物０の表面電位と表面形状とを同時に
測定することができる。
【０１１３】この実施の形態でも、 (Ｓ1/Ｚ0 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)＜０ （６） が満足されるように、背面電極４０の形状および配備態
位を定められており、図１に即して説明した実施の形態
と同様、Ｚ1とＶ2の関係は図１２に示すごとくであり、
アクチュエータ３８による負帰還動作が間にあわず、探
針１２が測定対象物０の表面に接触し、ファンデルワー
ルス力等の接触力により上記表面に拘束されても、アク
チュエータ３８は間隔：Ｚ1を大きくするように動作す
るので、探針１２が測定対象物０の表面に「より強く押
しつけられる」ことがなく、探針１２および／または測
定対象物０の表面が損傷を受けることがない。
【０１１４】この実施の形態でも、図１４の実施の形態
と同様、探針１２と測定対象物０の表面との間隔：Ｚ1
の設定値：Ｚ0を、十分に大きい「所定の大きさに」設
定し、対向面積：Ｓ1と設定値：Ｚ0とに対し、対向面
積：Ｓ2と間隔：Ｚ2とが、条件： (Ｓ1/Ｚ0 2)−（Ｓ2/Ｚ2 2)＜０ を満足し、且つ、第２電圧：Ｖ2と間隔：Ｚ1の関係が単
調的な１価関数になるように、背面電極４０の形状およ
び配備態位が定めることにより、帰還系を省略して、測
定を行なうことができる。
【０１１５】再び図４に戻ると、図４の交流電源３６
Ａ，３６Ｂで発生させる交流電圧を、カンチレバー１０
の機械的共振の角周波数：ω0に対して、それぞれＶA・
ｓｉｎ(ω0ｔ)およびＶB・ｓｉｎ(２ω0・ｔ)とする
と、請求項４記載の表面状態測定装置の実施の１形態に
なる。
【０１１６】これら交流電圧は、加算器３２Ａにおいて
直流電圧：Ｖbとともに加算され、カンチレバー１０を
介して探針１２に印加される。背面電極４０には直流電
圧：Ｖbが印加される。
【０１１７】このとき探針１２に印加される電圧：Ｖc
は「Ｖc＝Ｖb＋ＶA・ｓｉｎ(ω0ｔ)＋ＶB・ｓｉｎ(２ω
0ｔ)」であり、探針１２と測定対象物０の表面電位：Ｖ
sとの電位差：ｖ1は「ｖ1＝Ｖc−Ｖs＝Ｖb−Ｖs＋ＶA・
ｓｉｎ(ω0ｔ)＋ＶB・ｓｉｎ(２ω0ｔ)」で、背面電極
４０の電圧：ＶeはＶe＝Ｖbである。
【０１１８】先に説明した実施の形態と同様にして、カ
ンチレバー１０に作用する力を計算すると、その振動成
分：Ｆesω0として、 Ｆesω0＝(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・{(Ｖb−Ｖs)・ＶA・ｓｉｎω0ｔ}／２− {(Ｓ1/Ｚ1 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)}・ε・[(ＶA・ＶB)・ｓｉｎ{ω0ｔ−(π/２)}]／２ （２Ｅ） が得られる。
【０１１９】ω0はカンチレバー１０の機械的共振の角
周波数であるから、力：Ｆesω0を受けると、カンチレ
バー１０は角周波数：ω0で共振する。この振動は振動
検知手段により検知され、その出力：ｖは、適当な比例
係数をα，βとして、 ｖ＝α(Ｓ1・/Ｚ1 2)・{(Ｖb−Ｖs)・ＶA・ｓｉｎ{ω0ｔ−(π/２)} ＋β{(Ｓ1/Ｚ1 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)}・ｓｉｎ(ω0ｔ−π) （３Ｅ） となる。
【０１２０】出力電圧：ｖをロックインアンプ２０によ
りθ＝−π／２の位相で増幅すると、ロックインアンプ
２０から「α・(Ｓ1・/Ｚ1 2)・(Ｖb−Ｖs)」に比例した
第１電圧：Ｖ1が得られる。また、電圧：ｖをロックイ
ンアンプ２２によりθ＝−πの位相で増幅すると、ロッ
クインアンプ２２から「β・{(Ｓ1/Ｚ1 2)−(Ｓ2/
Ｚ2 2)}」に比例した第２電圧：電圧：Ｖ2が得られる。
【０１２１】上記第１電圧：Ｖ1は積分器３０を介して
直流電圧：Ｖbとしてカンチレバー１０に印加され、積
分器３０が「Ｖ1が０となるよう」に出力Ｖbを制御する
ので、前記各実施の形態と同様、積分器３０から表面電
位測定結果：Ｖsが得られる。
【０１２２】第２電圧：Ｖ2は比較器２４で基準電圧と
比較され、積分器２８を介してアクチュエータ３８に印
加され、アクチュエータ３８は第２電圧：Ｖ2が一定と
なるように、測定対象物０の表面と探針１２の間の間
隔：Ｚ1を一定値：Ｚ0に制御するから、積分器２８から
得られる出力の像は、測定対象物０の表面形状（走査線
上の形状）を与える。このようにして、測定対象物０の
表面電位と表面形状とを同時に測定することができる。
【０１２３】この実施の形態でも、 (Ｓ1/Ｚ0 2)−(Ｓ2/Ｚ2 2)＜０ （６） が満足されるように、背面電極４０の形状および配備態
位を定められている。
【０１２４】従って、前記各実施の形態と同様、アクチ
ュエータ３８による負帰還動作が間にあわず、探針１２
が測定対象物０の表面に接触し、上記表面に拘束されて
も、アクチュエータ３８は探針１２を測定対象物０の表
面から離そうとする方向に作用するから、探針１２およ
び／または測定対象物０の表面が損傷を受けることがな
い。
【０１２５】そしてこの実施の形態の場合にも、探針１
２と測定対象物０の表面との間隔：Ｚ1の設定値：Ｚ0を
十分に大きい「所定の大きさに」設定し、対向面積：Ｓ
1と設定値：Ｚ0とに対し、対向面積：Ｓ2と間隔：Ｚ2と
が、条件： (Ｓ1/Ｚ0 2)−（Ｓ2/Ｚ2 2)＜０ を満足し、且つ、第２電圧：Ｖ2と間隔：Ｚ1の関係が単
調的な１価関数になるように、背面電極４０の形状およ
び配備態位が定めることにより、帰還系を省略して、測
定を行なうことができる。
【０１２６】図４における交流電源３６Ａ，３６Ｂにお
いて発生させる交流電圧は、上記２つの実施の形態のも
のに限らず「ＶA・ｓｉｎωｔとＶB・ｓｉｎ(ωｔ/２)
の組み合わせ」や、「ＶA・ｓｉｎωｔとＶB・ｓｉｎ
(ωｔ)の組み合わせ（ωは機械的共振角周波数の１／２
以下の角周波数であり、この組み合わせは、本質的に、
図１の実施の形態のものと等価である）」あるいは、カ
ンチレバー１０の機械的共振の互いに異なる次数の角周
波数をωn，ωmとして「ＶA・ｓｉｎωnｔとＶB・ｓｉ
ｎ(ωmｔ/２)の組み合わせ」等が可能である。
【０１２７】図５は請求項５記載の表面状態測定装置の
実施の１形態を示す。混同の虞れがないと思われるもの
に就いては図１におけると同一の符号を用いた。
【０１２８】この実施の形態においては、電圧印加手段
において交流電圧を発生する交流電源３６と交流電源３
６Ｃにおいて、それぞれ、交流電圧：ＶA・ｓｉｎ(ω
ｔ)，ＶE・ｓｉｎ(ωｔ)が発生する。角周波数：ωは、
カンチレバー１０の機械的共振角周波数と異なる角周波
数である。
【０１２９】交流電圧：ＶA・ｓｉｎ(ωｔ)は積分器３
０からの直流電圧：Ｖbと加算器３２により加算され、
カンチレバー１０を介して探針１２に印加される。一
方、交流電圧：ＶE・ｓｉｎ(ωｔ)は積分器３０からの
直流電圧：Ｖbと加算器４３により加算され、背面電極
４０に印加される。
【０１３０】従って、探針１２と測定対象物１０の表面
の電位差：ｖ1は「ｖ1＝Ｖb−Ｖs＋ＶA・ｓｉｎ(ω
ｔ)」であり、探針１２と背面電極４０の電位差：ｖ2は
「ｖ2＝ＶA・ｓｉｎ（ωｔ）−ＶE・ｓｉｎ(ωｔ)」で
ある。
【０１３１】探針１２の測定対象物０に対向する面積お
よび対向間隔をそれぞれＳ1，Ｚ1、カンチレバー１０と
背面電極４０の対向面積および対向間隔をそれぞれ
Ｓ2，Ｚ2として、カンチレバー１０に作用する電気力を
計算すると、その振動成分：Ｆosは、 Ｆos＝(Ｓ1・ε/Ｚ1 2)・{２(Ｖb−Ｖs)・ＶA・ｓｉｎωｔ}／２＋ {(Ｓ1/Ｚ1 2)−Ｓ2・(ＶA−ＶE)2/Ｚ2 2}・ε・ｓｉｎ{２ωｔ−(π/２)}／４ （２Ｄ） となる。
【０１３２】カンチレバー１０は、式（２Ｄ）で表され
る振動成分の作用により強制振動を起こす。従って、振
動検出手段の出力（プリアンプ１６の出力）：ｖは、比
例係数を適当にα，βとして、 ｖ＝α(Ｓ1・/Ｚ1 2)・{２(Ｖb−Ｖs)・ＶA・ｓｉｎωｔ}＋ β{(Ｓ1・ＶA 2/Ｚ1 2)−Ｓ2・(ＶA-ＶE)2/Ｚ2 2}・ε・ｓｉｎ{２ωｔ-(π/２)} （３Ｄ） となる。
【０１３３】この出力電圧：ｖをロックインアンプ２０
により角周波数：ωの参照信号により位相検波増幅する
と、ロックインアンプ２０から Ｖ1＝−Ａ1・(Ｓ1・/Ｚ1 2)・(Ｖb−Ｖs)・Ｖａ （４Ａ） なる電圧：Ｖ1が得られる。Ａ1は比例係数である。
【０１３４】また、電圧：ｖをロックインアンプ２２に
より角周波数：２ωの参照信号により位相検波増幅する
と、ロックインアンプ２２から Ｖ2＝−Ａ2・{(Ｓ1・ＶA 2/Ｚ1 2)−Ｓ2・(ＶA−ＶE)2/Ｚ2 2} （５Ａ） なる電圧：Ｖ2が得られる。Ａ2は比例係数である。
【０１３５】従って、前記各実施の形態と同様に、積分
器３０からは測定対象物０の表面電位測定結果：Ｖsが
得られる。
【０１３６】一方、ロックインアンプ２２の出力電圧：
Ｖ2は比較器２４で基準電圧と比較され、積分器２８を
介してアクチュエータ３８に印加される。アクチュエー
タ３８は電圧：Ｖ2が一定となるように、測定対象物０
の表面と探針１２の間の間隔：Ｚ1を一定の設定値：Ｚ0
に制御し、積分器２８から得られる出力の像は、測定対
象物０の表面形状（走査線上の形状）を与える。このよ
うにして、測定対象物０の表面電位と表面形状とを同時
に測定することができる。
【０１３７】請求項５記載の発明の表面状態測定装置で
は、 (Ｓ1・ＶA 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2・(ＶA−ＶE)2/Ｚ2 2}＜０ （６Ａ） が満足されるように、背面電極４０の形状および配備態
位を定められている。Ｓ1やＺ0は探針１２の形状による
ので容易に変更できないので、背面電極４０の形状（Ｓ
2を決定する）、配備態位（Ｚ2を決定する）および交流
電圧の振幅：ＶA，ＶEにより条件（６Ａ）を充足させる
のである。
【０１３８】式（３Ｄ）の、角周波数：２ωの振動電圧
成分の振幅：β{(Ｓ1・ＶA 2/Ｚ1 2)−Ｓ2・(ＶA−ＶE)2/
Ｚ2 2}に対応するカンチレバー１０の振幅に対応する前
記電圧：Ｖ2は、探針１２と測定対象物１０との間隔：
Ｚ1に対し、図１２の曲線と同様に、０≦Ｚ1≦Ｚ0の領
域において常に第２電圧：Ｖ2が帰還動作の基準電圧：
Ｖ20よりも大きいので、たとい探針が測定対象物０の表
面に拘束されても、アクチュエータ３８による帰還動作
は間隔：Ｚ1を大きくするように、即ち、探針１２を測
定対象物０の表面から離そうとするように作用する。
【０１３９】従って、探針１２が測定対象物０の表面に
接触し、上記表面に拘束された場合でも、探針１２が測
定対象物０の表面に「より強く押しつけられる」ような
ことがない。従って、最悪の場合でも、探針および／ま
たは測定対象物表面が損傷を受けるようなことがない。
【０１４０】（６Ａ）式で、「Ｓ1・ＶA 2/Ｚ0 2」に対し
「Ｓ2・(ＶA−ＶE)2/Ｚ2 2」を大きくしていくと左辺は
次第に負に増大していく。（６Ａ）式の左辺が負で十分
に大きくなると、第２電圧：Ｖ2と間隔：Ｚ1の関係は、
図１３に例示したような「単調的な１価関数」になり、
間隔：Ｚ1に対し第２電圧：Ｖ2が一義的に定まる。従っ
て上記関数関係を実験的に定めれば、第２電圧：Ｖ2に
より間隔：Ｚ1すなわち、測定対象物０の表面形状を知
ることができる（請求項１１）。
【０１４１】図１５は、請求項１１記載の発明の実施の
１形態を示している。繁雑を避けるため、混同の虞れが
ないと思われる物については、図５におけると同一の符
号を付した。
【０１４２】図５の実施の形態との差異は、測定対象物
０を保持している保持体３８Ａがアクチュエータでな
く、図５の実施の形態においてはアクチュエータ３８と
ともに「帰還系」を構成する比較器２４と電源２６、積
分器２８がないことである。図１５の実施の形態でも、
図１４の実施の形態と同様、ロックインアンプ２０と２
２とが、振動検知手段の出力：ｖから、表面電位：Ｖs
と直流電圧：Ｖbとに応じた第１電圧：Ｖ1と、測定対象
物の表面形状に応じた第２電圧：Ｖ2とを分離して得る
「電圧分離手段」を構成し、積分器３０は、第１電圧：
Ｖ1を０とするように直流電圧：Ｖbを制御する「電圧制
御手段」を構成する。
【０１４３】第１電圧：Ｖ1はロックインアンプ２０か
ら、第２電圧：Ｖ2はロックインアンプ２２から出力さ
れる。図５の実施の形態と同様、測定対象物の表面電位
は直流電圧：Ｖbにより知られる。探針１２と測定対象
物０の表面との間隔：Ｚ1は、設定値：Ｚ0が十分に大き
い「所定の大きさ」となるように設定され、前記対向面
積：Ｓ1と設定値：Ｚ0および前記電圧：ＶA，ＶEに対
し、対向面積：Ｓ2と間隔：Ｚ2とが、条件： [(Ｓ1・ＶA 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2(ＶＡ−ＶＥ)2/Ｚ2 2}]＜０ を満足し、且つ、第２電圧：Ｖ2と間隔：Ｚ1の関係が単
調的な１価関数になるように、背面電極４０の形状およ
び配備態位が定められている。
【０１４４】従って、ロックインアンプ２２からの出力
である第２電圧：Ｖ2が知られると、Ｖ2とＺ1の関係を
定める「単調的な１価関数」により測定対象物０の表面
形状を知ることができる。このようにして、測定対象物
０の表面電位と表面形状とを同時に測定することができ
る。
【０１４５】図６は請求項６記載の表面状態測定装置の
実施の１形態を示している。混同の虞れが無いと思われ
るものについては、図１，図４，図５におけると同一の
符号を用いた。
【０１４６】この実施の形態では、電圧印加手段におけ
る交流電源３６Ｄ，３６Ｅ，３６Ｆにおいて、それぞれ
交流電圧：ＶA・ｓｉｎ(ω1ｔ)，ＶB・ｓｉｎ(ω2ｔ)，
ＶC・ｓｉｎ(ω3ｔ)が個別的に発生させられる。
【０１４７】交流電圧：ＶA・ｓｉｎ(ω1ｔ)，ＶB・ｓ
ｉｎ(ω2ｔ)は、積分器３０からの直流電圧：Ｖbととも
に加算器３２Ａで加算され、カンチレバー１０を介して
探針１２に印加される。一方、電圧：ＶC・ｓｉｎ(ω3
ｔ)は、積分器３０からの直流電圧：Ｖbとともに加算器
４３で加算され背面電極４０に印加される。
【０１４８】このとき探針１２に測定対象物０(表面電
位：Ｖｓ)から作用する電気力：Ｆ1は、従前通り、探針
１２と測定対象物０の対向面積及び対向間隔をＳ1，Ｚ1
として、 Ｆ1＝(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・{(Ｖb−Ｖs）2＋ＶA 2/２＋ＶB 2/２}／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・｛(ＶA 2/２)・ｓｉｎ{２ω1ｔ−(π/２)}／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・｛(ＶB 2/２)・ｓｉｎ{２ω2ｔ−(π/２)}／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・｛２(Ｖb−Ｖs)・ＶA・ｓｉｎ(ω1ｔ)}／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・｛２(Ｖb−Ｖs)・ＶB・ｓｉｎ(ω2ｔ)}／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・ＶA・ＶB・ｓｉｎ{(ω1−ω2)ｔ＋(π/２)}／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・ＶA・ＶB・ｓｉｎ{(ω1＋ω2)ｔ＋(π/２)}／２ （８） となる。
【０１４９】また、カンチレバー１０と背面電極４０と
の間に作用する電気力：Ｆ2は両者の対向面積：Ｓ2、対
向距離：Ｚ2を用いて、 Ｆ2＝(Ｓ2/Ｚ2 2)・ε｛(ＶA 2／２)＋(ＶB 2/２)＋(ＶC 2/２)}／２ ＋(Ｓ2/Ｚ2 2)・ε・[ＶA 2・ｓｉｎ{２ω1ｔ−(π/２)} ＋ＶB 2・ｓｉｎ{２ω2ｔ−(π/２)} ＋ＶC 2・ｓｉｎ{２ω3ｔ−(π/２)}]／４ ＋(Ｓ2/Ｚ2 2)・ε・ＶA・ＶB[ｓｉｎ{(ω1−ω2)ｔ＋(π/２)} −ｓｉｎ{(ω1＋ω2)ｔ＋(π/２)}] ＋(Ｓ2/Ｚ2 2)・ε・ＶA・ＶC[ｓｉｎ{(ω1−ω3)ｔ＋(π/２)} −ｓｉｎ{(ω1＋ω3)ｔ＋(π/２)}] ＋(Ｓ2/Ｚ2 2)・ε・ＶB・ＶC[ｓｉｎ{(ω2−ω3)ｔ＋(π/２)} −ｓｉｎ{(ω2＋ω3)ｔ＋(π/２)}] （９） となる。
【０１５０】ここで、カンチレバー１０の機械的共振周
波数：ω0に対し、ω1＝ω0、ω2＝ω0／２とすると、
（８）式のＦ1は Ｆ1＝(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・{(Ｖb−Ｖs)2＋ＶA 2/２＋ＶB 2/２}／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・[(ＶA 2/２)・ｓｉｎ{２ω0ｔ−(π/２)}]／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・[(ＶB 2/２)・ｓｉｎ{ω0ｔ−(π/２)}]／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・[２(Ｖb−Ｖs)ＶA・ｓｉｎ(ω0ｔ)]／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・[２(Ｖb−Ｖs)ＶB・ｓｉｎ{(ω0/２)ｔ)]／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・ＶA・ＶB・ｓｉｎ{(ω0/２)ｔ＋(π/２)}／２ ＋(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・ＶA・ＶB・ｓｉｎ{(３ω0/２)ｔ＋(π/２)}／２ （８Ａ） さらに、ω3をω0／２とすると、（９）式のＦ2は Ｆ2＝(Ｓ2/Ｚ2 2)・ε・{(ＶA 2/２)＋(ＶB 2/２)＋(ＶC 2/２)}／２ ＋(Ｓ2/Ｚ2 2)・ε・[ＶA 2・ｓｉｎ{２ω0ｔ−(π/２)} ＋ＶB 2・ｓｉｎ{ω0ｔ−(π/２)} ＋ＶC 2・ｓｉｎ{ω0ｔ−(π/２)}]／４ ＋(Ｓ2/Ｚ2 2)・ε・ＶA・ＶB[ｓｉｎ{(ω0/２)ｔ＋(π/２)} −ｓｉｎ{(３ω0/２)ｔ＋(π/２)}］ ＋(Ｓ2/Ｚ2 2)・ε・ＶA・ＶC[ｓｉｎ{(ω0/２)ｔ＋(π/２)} −ｓｉｎ{(３ω0/２)ｔ＋(π/２)}］ ＋(Ｓ2/Ｚ2 2)・ε・ＶB・ＶC[ｓｉｎ{(ω0/２)ｔ＋(π/２)} −ｓｉｎ{(３ω0/２)ｔ＋(π/２)}］ （９Ａ） となり、Ｆ2に角周波数：ω0を持つ振動成分が発生す
る。
【０１５１】ω0はカンチレバー１０の機械的共振の角
周波数であるから、カンチレバー１０は上記Ｆ1とＦ2の
合力のうちで、角周波数：ω0を持つ次のような振動成
分：Ｆosω0に共振する。
【０１５２】 Ｆosω0＝(Ｓ1/Ｚ1 2)・ε・{２(Ｖb−Ｖs)ＶA・ｓｉｎ(ω0ｔ)｝／２＋ ε・[(Ｓ1/Ｚ1 2)ＶB 2−(Ｓ2/Ｚ2 2)(ＶB−ＶC)2]・ｓｉｎ{ω0ｔ−(π/２)}／４ (２Ｅ） 従って、振動検出手段の出力：ｖは、比例係数をα，β
として、 ｖ＝α｛２(Ｖb−Ｖs)ＶA・ｓｉｎ(ω0ｔ)｝＋ β[(Ｓ1/Ｚ1 2)ＶB 2−(Ｓ2/Ｚ2 2)(ＶB−ＶC)2]・ｓｉｎ{ω0ｔ−(π/２)} （３Ｅ） となり、ロックインアンプ２０によりθ＝−π／２の位
相により、ロックインアンプ２２によりθ＝−πの位相
により増幅することにより、α(Ｖb−Ｖs)ＶAに比例す
る直流電圧が得られ、積分器３０からの出力は測定対処
物０の表面電位測定結果：Ｖsとなる。
【０１５３】ロックインアンプ２２の出力は比較器２４
で基準電圧と比較され、積分器２８を介してアクチュエ
ータ３８に印加される。
【０１５４】アクチュエータ３８は印加される電圧が一
定となるように、測定対象物０の表面と探針１２の間の
間隔：Ｚ1を一定の間隔：Ｚ0に制御し、積分器２８から
得られる出力の像は測定対象物０の表面形状を与える。
このようにして、測定対象物０の表面電位と表面形状と
を同時に測定することができる。
【０１５５】請求項６記載の発明の表面状態測定装置で
は、 （Ｓ1・ＶB 2／Ｚ0 2）−｛Ｓ2（ＶB−ＶC）2／Ｚ2 2｝＜０ （６Ｂ） が満足されるように、背面電極４０の形状および配備態
位を定められている。
【０１５６】Ｓ1やＺ0は探針１２の形状によるので容易
に変更できないので、背面電極４０の形状（Ｓ2を決定
する）、配備態位（Ｚ2を決定する）および交流電圧の振
幅：ＶB，ＶCにより条件（６Ｂ）を充足させるのであ
る。
【０１５７】式（３Ｅ）の、位相：−π／２の振動成分
の振幅：β[(Ｓ1/Ｚ1 2)ＶB 2−(Ｓ2/Ｚ2 2)(ＶB−ＶC)2]
に対応するカンチレバー１０の振幅に応じてロックイン
アンプ２２から出力される第２電圧：Ｖ2と間隔：Ｚ1の
関係は、上記式（６Ｂ）が満足されていれば、図１２に
例示したような曲線となって、０≦Ｚ1≦Ｚ0の領域にお
いて常に第２電圧：Ｖ2が帰還動作の基準電圧：Ｖ20よ
りも大きいので、たとい探針が測定対象物０の表面に拘
束されても、アクチュエータ３８による帰還動作は間
隔：Ｚ1を大きくするように、即ち、探針１２を測定対
象物０の表面から離そうとするように作用する。
【０１５８】従って、探針１２が測定対象物０の表面に
接触し、上記表面に拘束された場合でも、探針１２が測
定対象物０の表面に「より強く押しつけられる」ような
ことがない。従って、最悪の場合でも、探針および／ま
たは測定対象物表面が損傷を受けるようなことがない。
【０１５９】（６Ｂ）式で、「Ｓ1・ＶB 2／Ｚ0 2」に対
し「Ｓ2（ＶB−ＶC）2／Ｚ2 2」を大きくしていくと左辺
は次第に負に増大し、（６Ｂ）式の左辺が負で十分に大
きくなると、第２電圧：Ｖ2と間隔：Ｚ1の関係は、図１
３に例示したような「単調的な１価関数」になり、間
隔：Ｚ1に対し第２電圧：Ｖ2が一義的に定まる。従って
上記関数関係を実験的に定めれば、第２電圧：Ｖ2によ
り間隔：Ｚ1すなわち、測定対象物０の表面形状を知る
ことができる（請求項１３）。
【０１６０】図１６は、請求項１３記載の発明の実施の
１形態を示している。繁雑を避けるため、混同の虞れが
ないと思われる物については、図６におけると同一の符
号を付した。
【０１６１】図６の実施の形態との差異は、測定対象物
０を保持している保持体３８Ａがアクチュエータでな
く、図６の実施の形態においてはアクチュエータ３８と
ともに「帰還系」を構成する比較器２４と電源２６、積
分器２８がないことである。図１６の実施の形態でも、
図１４の実施の形態と同様、ロックインアンプ２０と２
２とが、振動検知手段の出力：ｖから、表面電位：Ｖs
と直流電圧：Ｖbとに応じた第１電圧：Ｖ1と、測定対象
物の表面形状に応じた第２電圧：Ｖ2とを分離して得る
「電圧分離手段」を構成し、積分器３０は、第１電圧：
Ｖ1を０とするように直流電圧：Ｖbを制御する「電圧制
御手段」を構成する。
【０１６２】第１電圧：Ｖ1はロックインアンプ２０か
ら、第２電圧：Ｖ2はロックインアンプ２２から出力さ
れる。図６の実施の形態と同様、測定対象物の表面電位
は直流電圧：Ｖbにより知られる。探針１２と測定対象
物０の表面との間隔：Ｚ1は、設定値：Ｚ0が十分に大き
い「所定の大きさ」となるように設定され、前記対向面
積：Ｓ1と設定値：Ｚ0および電圧：ＶB，ＶCに対し、対
向面積：Ｓ2と間隔：Ｚ2とが、条件： [(Ｓ1・ＶB 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2(ＶB−ＶC)2/Ｚ2 2}]＜０ を満足し、且つ、第２電圧：Ｖ2と間隔：Ｚ1の関係が単
調的な１価関数になるように背面電極４０の形状および
配備態位が定められている。角周波数：ω1，ω2，ω3
の関係は、上記請求項６記載の発明の場合と同様、カン
チレバー１０の強制振動の角周波数と同じ角周波数の電
気力が、カンチレバー１０と背面電極４０との間に生じ
るように定められている。
【０１６３】従って、ロックインアンプ２２からの出力
である第２電圧：Ｖ2が知られると、Ｖ2とＺ1の関係を
定める「単調的な１価関数」により測定対象物０の表面
形状を知ることができる。このようにして、測定対象物
０の表面電位と表面形状とを同時に測定することができ
る。
【０１６４】請求項６，１２記載の表面状態測定装置の
特徴の一端は上記したように、電圧印加手段の交流電圧
３６Ｄ，３６Ｅ，３６Ｆで発生させる交流電圧の角周波
数：ω1，ω2，ω3の関係を「カンチレバー（その振幅
が探針先端と測定対象物表面の間隔を表す）の強制振動
の角周波数と同じ角周波数の静電引力が、カンチレバー
と背面電極との間に生じる」ように定めることであり、
このような関係を満たす関係は上記例：ω1＝ω0，ω2
＝ω3＝ω0／２の他に種々可能であり、それらを一覧に
すると以下のようになる。縦に並んだ３つの角周波数が
上記関係を満たす組み合わせである。
【０１６５】ω1 ω0 ω0 ω0 ω0 ω
0 ω0 ωn ωn ω2 2ω0 2ω0 ω0/2 ω0/2 ω0/2 2ω0
ωm/2 ωm/2 ω3 2ω0 ω0 2ω0 3ω0/2 ω0/2 ω0/2
ωm/2 3ωm/2 ωn，ωmはカンチレバー１０の１次共振角周波数、２次
共振角周波数等のように「互いに次数の異なる共振角周
波数」である。
【０１６６】請求項１〜４，１０記載の発明において
は、背面電極は４０は式（６）即ち、 (Ｓ1/Ｚ0 2)−（Ｓ2/Ｚ2 2）＜０ を満足するように、背面電極４０の形状および配備態位
が定められる。
【０１６７】条件（６）は、探針１２の形状、測定対象
物表面に対する対向距離に応じ「背面電極４０の形状と
配備態位のみ」で満足させねばならず、背面電極の形状
および配備態位に対する大きな制限となる。
【０１６８】これに対し、請求項５，６，１１，１２記
載の発明では背面電極の形状および配備態位に対する条
件： (Ｓ1・ＶA 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2・(ＶA−ＶE)2/Ｚ2 2}＜０ （６Ａ） または条件： (Ｓ1・ＶB 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2・(ＶB−ＶC)2/Ｚ2 2}＜０ （６Ｂ） には、交流電圧の振幅：ＶA，ＶEやＶB，ＶCが入ってい
るので、背面電極の形状・配備態位に加えて、これら電
圧振幅の大きさ調整することで条件（６Ａ），（６Ｂ）
の充足が可能であり、背面電極の形状および配備態位の
自由度が増大し、背面電極の設計が容易になる。
【０１６９】即ち、Ｓ1，Ｓ2，Ｚ0，Ｚ2およびＶAもし
くはＶBを、測定感度や共振周波数、バネ定数等の特性
項目に対して最適化して設計・製作し、上記（６Ａ）あ
るいは（６Ｂ）を満足するようにＶEもしくはＶCを設定
できる。
【０１７０】振動検出手段は、図１等に示す例に代え
て、図７に示すようにカンチレバー１０に導波路１０Ａ
を設け、ＬＤ１４からの光を導波路１０Ａを導波させて
受光素子１６により受光するようにし、カンチレバー１
０の振動に応じて受光素子１６の受光量が振動的に変化
するようにしてもよい。あるいはカンチレバー１０の振
動振幅をピエゾ抵抗やピエゾ圧電素子等により検出する
ようにしてもよい。
【０１７１】図８は請求項８記載の発明の実施の１形態
を特徴部分のみ示している。背面電極４０に穿設された
孔４０３が、透明導電体４０５により充填されている。
勿論、透明導電体４０５は電気的に背面電極と接続され
ている。透明導電体４０５は、光源（例えば図１のＬＤ
１４）からの光を透過し、電気抵抗の小さいものであれ
ば適宜に用いることができる。
【０１７２】光源として、AlGaInP半導体レーザ（波
長：６７０ｎｍ）やＨｅ−Ｎｅレーザ（波長：６３２．
８ｎｍ）を用い、受光素子（カンチレバー１０により反
射され透明導電体４０５を透過した光を受光する）とし
てＳｉやGaAs等のフォトダイオードを用いた場合、透明
導電体４０５の材料としてはＩｎ，Ｓｎ，Ｏの化合物
や、ZnOAl，In2O3、SnO2等を用いることができる。ま
た、光源として、Pb1-xSex半導体レーザ（波長：４３５
０〜８３３０ｎｍ），Pb1-xCdx半導体レーザ（波長：２
６６０〜５５００ｎｍ），Ｈｅ−Ｘｅ気体レーザ（波
長：３５００ｎｍ）等を用い、受光素子としてPbSe光導
電素子やInSb光起電力素子を用いた場合には、透明導電
体４０３の材料として、Ｓｉ，Ｇｅ，GaAs等を低抵抗化
したものを用いることができる。
【０１７３】また、ＬＤ１４の発光波長の光に対して透
明な絶縁基板により孔４０３を充填し、そのカンチレバ
ー側の表面に前記材料をフィルム状に形成し、これを背
面電極と接続しても良い。
【０１７４】図９は請求項９記載の発明の実施の１形態
を特徴部分のみ示している。
【０１７５】この実施の形態では、背面電極４０ａ自体
が透明導電体で形成されている。このようにすれば、光
源からの光をカンチレバーに照射するのに、背面電極に
孔を形成する必要がない。
【０１７６】図１７は、請求項１３記載の発明の実施の
形態を特徴部分のみ示す。導電性の板バネをなすカンチ
レバー１０の振動を検知する振動検知手段は、背面電極
４０に穿設された孔４０３を介してカンチレバー１０を
照射する光を放射する光源（図示されず）と、カンチレ
バー１０により反射され、孔４０３を通った光を受光す
る受光素子（図示されず）とを有し、背面電極４０に穿
設された孔４０３は透明非導電体４０６により充填され
るとともに、透明非導電体４０６を挾むように透明道電
膜４０７，４０８が形成されている。
【０１７７】透明導電膜４０７，４０８は、照射光を透
過させ、且つ電気抵抗の低い物質による膜であり、従っ
て透明導電膜４０７，４０８は背面電極４０と同電位に
なっている。
【０１７８】光源として、AlGaInP半導体レーザ（波
長：６７０ｎｍ）やＨｅ−Ｎｅレーザ（波長：６３２．
８ｎｍ）を用い、受光素子としてＳｉやGaAs等のフォト
ダイオードを用いた場合、透明非導電体４０６の材料と
してはパイレックスガラス、石英を用い、透明導電膜４
０７，４０８の材料としてＩｎ，Ｓｎ，Ｏの化合物や、
ZnOAl，In2O3、SnO2等を用いることができる。
【０１７９】光源として、Pb1-xSex半導体レーザ（波
長：４３５０〜８３３０ｎｍ），Pb1-xCdx半導体レーザ
（波長：２６６０〜５５００ｎｍ），Ｈｅ−Ｘｅ気体レ
ーザ（波長：３５００ｎｍ）等を用い、受光素子として
PbSe光導電素子（感度波長領域：２０００〜５０００ｎ
ｍ）やInSb光起電力素子（感度波長領域：２０００〜５
５００ｎｍ）を用いた場合には、透明非導電体４０６の
材料としてサファイア、ダイヤモンド、ＴｉＣｌ，Ａｇ
Ｃｌ等を用い、透明導電膜４０７，４０８の材料として
Ｓｉ，Ｇｅ，GaAs等を低抵抗化したものを用いることが
できる。
【０１８０】図１８は、請求項１４記載の発明の実施の
形態を特徴部分のみ示す。即ち、「背面電極」が表面を
透明道電膜４０ｃで被覆されたガラス等の透明絶縁体４
０ｂで構成され、カンチレバー１０の振動を検知する振
動検知手段は、背面電極を介してカンチレバー１０を照
射する光を放射する光源（図示されず）と、カンチレバ
ー１０により反射された光を背面電極を介して受光する
受光素子（図示されず）とを有する。透明絶縁体４０ｂ
や透明導電膜４０ｃの材料としては上記の種々のものを
適宜用いることができる。透明導電膜４０ｃは、透明絶
縁体４０ｂのカンチレバー１０に対向する側にのみ設け
ても良い。
【０１８１】なお、図１７，１８において、Ｖcは図２
（ｂ）、図３におけると同じく、アンプ３４を介してカ
ンチレバー１０に印加される電圧であり、Ｖeは同様に
アンプ４２を介して背面電極４０や背面電極における透
明導電膜４０ｃに印加される電圧である。
【０１８２】上述の如く、この発明の実施に当たって
は、上記条件（６）もしくは（６Ａ）または（６Ｂ）を
満足させる必要があるが、図８や図１７の実施の形態に
おけるように、背面電極４０に孔４０３を形成すると、
上記各条件を満足させるのに孔４０３の存在を考慮した
設計が必要で、設計が複雑化することがあるが、請求項
８，９や請求項１４記載の発明のように、孔４０３を透
明導電体で充填したり、背面電極自体を透明体で形成
し、孔を設けないようにすると設計が容易になる。
【０１８３】前述したように、測定対象物の表面電位を
ワンポイント測定する場合は、上に説明した実施の形態
において、走査手段を省略できる。
【０１８４】
【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば新規な表面状態測定装置を実現できる（請求項１〜１
４）。
【０１８５】請求項１〜９記載の発明に依れば、測定対
象物の表面状態を測定する際、探針の帰還動作が間にあ
わずに探針と測定対象物表面が接触することがあって
も、探針および／または測定対象物が損傷を受ける虞れ
がなく、安定した表面状態測定を実現できる。
【０１８６】また、請求項１０〜１２記載の発明によれ
ば、帰還系を用いること無く、測定対象物の表面状態を
測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明の実施の１形態を説明する
ための図である。
【図２】図１の実施の形態における導電性のカンチレバ
ーと背面電極の位置関係を説明するための図である。
【図３】図１の実施の形態におけるカンチレバーの運動
を説明するための図である。
【図４】請求項３記載の発明の実施の１形態を説明する
ための図である。
【図５】請求項５記載の発明の実施の１形態を説明する
ための図である。
【図６】請求項６記載の発明の実施の１形態を説明する
ための図である。
【図７】振動検知手段の１形態を説明するための図であ
る。
【図８】請求項８記載の発明の実施の１形態を特徴部分
のみ示す図である。
【図９】請求項９記載の発明の実施の１形態を特徴部分
のみ示す図である。
【図１０】従来技術とその問題点を説明するための図で
ある。
【図１１】従来技術の問題点を説明するための図であ
る。
【図１２】請求項１，５，６記載の発明により、従来技
術の問題点が解決される理由を説明するための図であ
る。
【図１３】請求項１０，１１，１２記載の発明の原理を
説明するための図である。
【図１４】請求項１０記載の発明の実施の１形態を説明
するための図である。
【図１５】請求項１１記載の発明の実施の１形態を説明
するための図である。
【図１６】請求項１２記載の発明の実施の１形態を説明
するための図である。
【図１７】請求項１３記載の発明の実施の形態におる特
徴部分を示す図である。
【図１８】請求項１４記載の発明の実施の形態におる特
徴部分を示す図である。
【符号の説明】
０ 測定対象物 １０ 導電性のカンチレバー １２ 探針 １４ ＬＤ １６ 受光素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−369418（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−194975（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−318568（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−248082（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−114606（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−273276（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−312873（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−308180（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−221846（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−149988（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 7/34 G01B 21/30 G01B 11/30 H01J 37/28 G01R 29/12 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】測定対象物の表面における電位：Ｖsおよ
    び/または表面形状を表面状態として測定する装置であ
    って、 導電性の板バネと、 この板バネに、測定対象物の表面に対向するように保持
    され、上記測定対象物の表面と間隔：Ｚ1を隔し、対向
    面積：Ｓ1をもって対向する探針と、 上記板バネに関し測定対象物の表面と逆の側に設けら
    れ、上記板バネよりも高い剛性を有し、上記板バネとと
    もに対向面積：Ｓ2で間隔：Ｚ2のコンデンサを構成する
    背面電極と、 上記板バネを介して上記探針に、所定の交流電圧と直流
    電圧：Ｖbを重畳して印加し、上記背面電極に上記直流
    電圧：Ｖbを印加する電圧印加手段と、 上記探針により測定対象物を走査する走査手段と、 上記板バネの振動を検知する振動検知手段と、 この振動検知手段の出力から、表面電位：Ｖsと直流電
    圧：Ｖbとに応じた第１電圧と、測定対象物の表面形状
    および上記間隔：Ｚ1に応じた第２電圧とを分離して得
    る電圧分離手段と、 上記第１電圧を０とするように、上記直流電圧：Ｖbを
    制御する電圧制御手段と、 上記第２電圧に比例する出力を出力する電圧出力手段
    と、 この電圧出力手段の出力により、上記探針先端と測定対
    象物との間隔：Ｚ1を所定の間隔：Ｚ0に調整するアクチ
    ュエータ手段とを有し、 上記対向面積：Ｓ1と間隔：Ｚ0に対し、上記対向面積：
    Ｓ2と間隔：Ｚ2とが、条件： (Ｓ1/Ｚ0 2)−（Ｓ2/Ｚ2 2)＜０ を満足するように、上記背面電極の形状および配備態位
    を定めたことを特徴とする表面状態測定装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の表面状態測定装置におい
    て、 電圧印加手段により、導電性の板バネを介して探針に印
    加される所定の交流電圧が、上記板バネの機械的共振角
    周波数の１／２以下の角周波数：ωを持つことを特徴と
    する表面状態測定装置。
  3. 【請求項３】請求項１記載の表面状態測定装置におい
    て、 電圧印加手段により、導電性の板バネを介して探針に印
    加される所定の交流電圧が、上記板バネの機械的共振角
    周波数：ω0を角周波数として持つ交流電圧と、角周波
    数：ω0／２を持つ交流電圧の和であることを特徴とす
    る表面状態測定装置。
  4. 【請求項４】請求項１記載の表面状態測定装置におい
    て、 電圧印加手段により、導電性の板バネを介して探針に印
    加される所定の交流電圧が、上記板バネの機械的共振角
    周波数：ω0を角周波数として持つ交流電圧と、角周波
    数：２ω0を持つ交流電圧との和であることを特徴とす
    る表面状態測定装置。
  5. 【請求項５】測定対象物の表面における電位：Ｖsおよ
    び/または表面形状を表面状態として測定する装置であ
    って、 導電性の板バネと、 この板バネに、測定対象物の表面に対向するように保持
    され、上記測定対象物の表面と間隔：Ｚ1を隔し、対向
    面積：Ｓ1をもって対向する探針と、 上記板バネに関し測定対象物の表面と逆の側に設けら
    れ、上記板バネよりも高い剛性を有し、上記板バネとと
    もに対向面積：Ｓ2で間隔：Ｚ2のコンデンサを構成する
    背面電極と、 上記板バネを介して上記探針に、振幅：ＶAの所定の交
    流電圧と直流電圧：Ｖbを重畳して印加し、上記背面電
    極に振幅：ＶEで上記所定の交流電圧と同位相且つ同周
    波数の交流電圧と上記直流電圧：Ｖbとを重畳して印加
    する電圧印加手段と、 上記探針により測定対象物を走査する走査手段と、 上記板バネの振動を検知する振動検知手段と、 この振動検知手段の出力から、表面電位：Ｖsと直流電
    圧：Ｖbとに応じた第１電圧と、測定対象物の表面形状
    および上記間隔：Ｚ1に応じた第２電圧とを分離して得
    る電圧分離手段と、 上記第１電圧を０とするように、上記直流電圧：Ｖbを
    制御する電圧制御手段と、 上記第２電圧に比例する出力を出力する電圧出力手段
    と、 この電圧出力手段の出力により、上記探針先端と測定対
    象物の間隔：Ｚ1を所定の間隔：Ｚ0に調整するアクチュ
    エータ手段とを有し、 上記対向面積：Ｓ1と間隔：Ｚ0および上記電圧：ＶA，
    ＶEに対し、上記対向面積：Ｓ2と上記間隔：Ｚ2とが、
    条件： [(Ｓ1・ＶA 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2(ＶA−ＶE)2/Ｚ2 2}]＜０ を満足するように、上記背面電極の形状および配備態位
    を定めたことを特徴とする表面状態測定装置。
  6. 【請求項６】測定対象物の表面における電位：Ｖsおよ
    び/または表面形状を表面状態として測定する装置であ
    って、 導電性の板バネと、 この板バネに、測定対象物の表面に対向するように保持
    され、上記測定対象物の表面と間隔：Ｚ1を隔し、対向
    面積：Ｓ1をもって対向する探針と、 上記板バネに関し測定対象物の表面と逆の側に設けら
    れ、上記板バネよりも高い剛性を有し、板バネとともに
    対向面積：Ｓ2で間隔：Ｚ2のコンデンサを構成する背面
    電極と、 上記板バネを介して上記探針に、振幅：ＶAで角周波
    数：ω1の交流電圧と振幅：ＶBで角周波数：ω2の交流
    電圧との和を、直流電圧：Ｖbに重畳して印加し、上記
    背面電極には振幅：ＶCで角周波数：ω3の交流電圧を上
    記直流電圧：Ｖbに重畳して印加する電圧印加手段と、 上記探針により測定対象物を走査する走査手段と、 上記板バネの振動を検知する振動検知手段と、 この振動検知手段の出力から、表面電位：Ｖsと直流電
    圧：Ｖbとに応じた第１電圧と、測定対象物の表面形状
    と上記間隔：Ｚ1に応じた第２電圧とを分離して得る電
    圧分離手段と、 上記第１電圧を０とするように、上記直流電圧：Ｖbを
    制御する電圧制御手段と、 上記第２電圧に比例する出力を出力する電圧出力手段
    と、 この電圧出力手段の出力により、上記探針先端と測定対
    象物の間隔：Ｚ1を所定の間隔：Ｚ0に調整するアクチュ
    エータ手段とを有し、 上記対向面積：Ｓ1と間隔：Ｚ0および上記電圧：ＶB，
    ＶCに対し、上記対向面積：Ｓ2と上記間隔：Ｚ2とが、
    条件： [(Ｓ1・ＶB 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2(ＶB−ＶC)2/Ｚ2 2}]＜０ を満足するように、上記背面電極の形状および配備態位
    を定め、 上記板バネの強制振動の角周波数と同じ角周波数の電気
    力が、上記板バネと背面電極との間に生じるように、上
    記角周波数：ω1，ω2，ω3の関係を定めたことを特徴
    とする表面状態測定装置。
  7. 【請求項７】請求項１または２または３または４または
    ５または６記載の表面状態測定装置において、 導電性の板バネの振動を検知する振動検知手段が、背面
    電極に穿設された孔を介して上記板バネを照射する光を
    放射する光源と、上記板バネにより反射され、上記孔を
    通った光を受光する受光素子とを有することを特徴とす
    る表面状態測定装置。
  8. 【請求項８】請求項７記載の表面状態測定装置におい
    て、 背面電極に穿設された孔が透明導電体により少なくとも
    一部が充填されていることを特徴とする表面状態測定装
    置。
  9. 【請求項９】請求項１または２または３または４または
    ５または６記載の表面状態測定装置において、 背面電極は透明導電体で構成され、 導電性の板バネの振動を検知する振動検知手段が、背面
    電極を介して板バネを照射する光を放射する光源と、上
    記板バネにより反射された光を上記背面電極を介して受
    光する受光素子とを有することを特徴とする表面状態測
    定装置。
  10. 【請求項１０】測定対象物の表面における電位：Ｖsお
    よび/または表面形状を表面状態として測定する装置で
    あって、 導電性の板バネと、 この板バネに、測定対象物の表面に対向するように保持
    され、上記測定対象物の表面と間隔：Ｚ1を隔し、対向
    面積：Ｓ1をもって対向する探針と、 上記板バネに関し測定対象物の表面と逆の側に設けら
    れ、上記板バネよりも高い剛性を有し、上記板バネとと
    もに対向面積：Ｓ2で間隔：Ｚ2のコンデンサを構成する
    背面電極と、 上記板バネを介して上記探針に、所定の交流電圧と直流
    電圧：Ｖbを重畳して印加し、上記背面電極に上記直流
    電圧：Ｖbを印加する電圧印加手段と、 上記探針により測定対象物を走査する走査手段と、 上記板バネの振動を検知する振動検知手段と、 この振動検知手段の出力から、表面電位：Ｖsと直流電
    圧：Ｖbとに応じた第１電圧と、測定対象物の表面形状
    に応じた第２電圧とを分離して得る電圧分離手段と、 上記第１電圧を０とするように、上記直流電圧：Ｖbを
    制御する電圧制御手段と、 上記対向面積：Ｓ1と間隔：Ｚ1の設定値：Ｚ0とに対
    し、上記対向面積：Ｓ2と間隔：Ｚ2とが、条件： (Ｓ1/Ｚ0 2)−（Ｓ2/Ｚ2 2)＜０ を満足し、且つ、上記第２電圧：Ｖ2と上記間隔：Ｚ1の
    関係が単調的な１価関数になるとともに、上記設定値：
    Ｚ0が所定の大きさを有するように、上記背面電極の形
    状および配備態位を定めたことを特徴とする表面状態測
    定装置。
  11. 【請求項１１】測定対象物の表面における電位：Ｖsお
    よび/または表面形状を表面状態として測定する装置で
    あって、 導電性の板バネと、 この板バネに、測定対象物の表面に対向するように保持
    され、上記測定対象物の表面と間隔：Ｚ1を隔し、対向
    面積：Ｓ1をもって対向する探針と、 上記板バネに関し測定対象物の表面と逆の側に設けら
    れ、上記板バネよりも高い剛性を有し、上記板バネとと
    もに対向面積：Ｓ2で間隔：Ｚ2のコンデンサを構成する
    背面電極と、 上記板バネを介して上記探針に、振幅：ＶAの所定の交
    流電圧と直流電圧：Ｖbを重畳して印加し、上記背面電
    極に振幅：ＶEで上記所定の交流電圧と同位相且つ同周
    波数の交流電圧と上記直流電圧：Ｖbとを重畳して印加
    する電圧印加手段と、 上記探針により測定対象物を走査する走査手段と、 上記板バネの振動を検知する振動検知手段と、 この振動検知手段の出力から、表面電位：Ｖsと直流電
    圧：Ｖbとに応じた第１電圧と、測定対象物の表面形状
    に応じた第２電圧とを分離して得る電圧分離手段と、 上記第１電圧を０とするように、上記直流電圧：Ｖbを
    制御する電圧制御手段と、 上記対向面積：Ｓ1と間隔：Ｚ1の設定値：Ｚ0および上
    記電圧：ＶA，ＶEに対し、上記対向面積：Ｓ2と上記間
    隔：Ｚ2とが、条件： [(Ｓ1・ＶA 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2(ＶA−ＶE)2/Ｚ2 2}]＜０ を満足し、且つ、上記第２電圧：Ｖ2と間隔：Ｚ1の関係
    が単調的な１価関数になるとともに、上記設定値：Ｚ0
    が所定の大きさを有するように、上記背面電極の形状お
    よび配備態位を定めたことを特徴とする表面状態測定装
    置。
  12. 【請求項１２】測定対象物の表面における電位：Ｖsお
    よび/または表面形状を表面状態として測定する装置で
    あって、 導電性の板バネと、 この板バネに、測定対象物の表面に対向するように保持
    され、上記測定対象物の表面と間隔：Ｚ1を隔し、対向
    面積：Ｓ1をもって対向する探針と、 上記板バネに関し測定対象物の表面と逆の側に設けら
    れ、上記板バネよりも高い剛性を有し、板バネとともに
    対向面積：Ｓ2で間隔：Ｚ2のコンデンサを構成する背面
    電極と、 上記板バネを介して上記探針に、振幅：ＶAで角周波
    数：ω1の交流電圧と振幅：ＶBで角周波数：ω2の交流
    電圧との和を、直流電圧：Ｖbに重畳して印加し、上記
    背面電極には振幅：ＶCで角周波数：ω3の交流電圧を上
    記直流電圧：Ｖbに重畳して印加する電圧印加手段と、 上記探針により測定対象物を走査する走査手段と、 上記板バネの振動を検知する振動検知手段と、 この振動検知手段の出力から、表面電位：Ｖsと直流電
    圧：Ｖbとに応じた第１電圧と、測定対象物の表面形状
    に応じた第２電圧とを分離して得る電圧分離手段と、 上記第１電圧を０とするように、上記直流電圧：Ｖbを
    制御する電圧制御手段と、 上記対向面積：Ｓ1と間隔：Ｚ1の設定値：Ｚ0および上
    記電圧：ＶB，ＶCに対し、上記対向面積：Ｓ2と上記間
    隔：Ｚ2とが、条件： [(Ｓ1・ＶB 2/Ｚ0 2)−{Ｓ2(ＶB−ＶC)2/Ｚ2 2}]＜０ を満足し、且つ、上記第２電圧：Ｖ2と間隔：Ｚ1の関係
    が単調的な１価関数になるとともに、上記設定値：Ｚ0
    が所定の大きさを有するように、上記背面電極の形状お
    よび配備態位を定め、 上記板バネの強制振動の角周波数と同じ角周波数の電気
    力が、上記板バネと背面電極との間に生じるように、上
    記角周波数：ω1，ω2，ω3の関係を定めたことを特徴
    とする表面状態測定装置。
  13. 【請求項１３】請求項１または２または３または４また
    は５または６または１０または１１または１２記載の表
    面状態測定装置において、 導電性の板バネの振動を検知する振動検知手段が、背面
    電極に穿設された孔を介して上記板バネを照射する光を
    放射する光源と、上記板バネにより反射され、上記孔を
    通った光を受光する受光素子とを有し、 背面電極に穿設された孔が透明非導電体により充填され
    るとともに、上記透明非導電体を挾むように透明道電膜
    が形成されていることを特徴とする表面状態測定装置。
  14. 【請求項１４】請求項１または２または３または４また
    は５または６または１０または１１または１２記載の表
    面状態測定装置において、 背面電極が、表面を透明導電膜で被覆された透明絶縁体
    で構成され、 導電性の板バネの振動を検知する振動検知手段が、背面
    電極を介して板バネを照射する光を放射する光源と、上
    記板バネにより反射された光を上記背面電極を介して受
    光する受光素子とを有することを特徴とする表面状態測
    定装置。
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JP3511361B2 (ja) * 1997-08-04 2004-03-29 セイコーインスツルメンツ株式会社 走査プローブ顕微鏡
JP5765146B2 (ja) * 2011-09-01 2015-08-19 株式会社島津製作所 原子間力顕微鏡におけるカンチレバー励振方法及び原子間力顕微鏡

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