JP3251049B2 - 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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JP3251049B2
JP3251049B2 JP12035992A JP12035992A JP3251049B2 JP 3251049 B2 JP3251049 B2 JP 3251049B2 JP 12035992 A JP12035992 A JP 12035992A JP 12035992 A JP12035992 A JP 12035992A JP 3251049 B2 JP3251049 B2 JP 3251049B2
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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(1991)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 ＳENSORＳYMPOS
IUM,1990,pp,129〜132’中の論文“Ｉmage Ｃharge Ｓe
nsing byＳcanning 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（第１の提案例とす
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９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／Ｇ1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Ｇ1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２
０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Ｖ9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２６が
設けられている。
【００１２】ところが、このような第１の提案例構成に
よる表面電位計の場合、探針３と感光体１ｂ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、第１の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】このような点を考慮した表面電位及び形状
測定器が、特願平４−６６８７１号として本出願人によ
り提案されている（第２の提案例とする）。これは、測
定対象物の試料表面の電位分布と形状分布を測定するた
めに、導電性の探針に直流バイアス電圧とこれに重畳し
て交流電圧を印加する。そして、交流電圧が直流バイア
ス電圧に対して正側に振れた時の探針と試料表面との間
に働く静電引力と負側に振れた時の探針と試料表面との
間に働く静電引力とが等しくなるように直流バイアスを
制御し、この直流バイアス電圧から表面電位を測定す
る。一方、これらの静電引力の和が基準値と等しくなる
ように、探針先端と試料表面との距離を制御する。距離
の制御は試料又は探針を動かすアクチュエータにより行
い、このアクチュエータが動作した距離を測定すること
で、試料表面形状を測定するようにしたものである。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】ここに、第２の提案例
による場合、試料側にＺ軸方向のアクチュエータが設置
されているが、測定する試料が重い場合には、片持ち梁
側にＺ軸アクチュエータを設けることになる。即ち、固
定台と片持ち梁加振用圧電素子との間にＺ軸アクチュエ
ータを設けることになる。
【００１８】この方式の場合、下記のような欠点があ
る。
【００１９】Ａ．まず、光学的手法により片持ち梁の振
動を測定する方法は、精度が高いので、精度面を重視す
る場合には最良の方法といえる。しかし、光学的手法に
より片持ち梁の振動を測定する場合、片持ち梁を試料表
面の凹凸に対応させて上下させると、振動測定のための
レーザ光が梁の鏡に当らなくなったり、当る位置がずれ
てしまい、測定精度が低下してしまう。また、光学系全
体をＺ軸アクチュエータにより動かすことは、大きさ、
重量から考えて極めて困難である。
【００２０】Ｂ．これを避けるための方法として、光学
的手法に代えて、ビエゾ抵抗素子を持つ片持ち梁とし、
このビエゾ抵抗素子の抵抗値変化により片持ち梁の振動
を測定することで、光学系を不要とし、片持ち梁の根元
部分にＺ軸アクチュエータを取付けるようにしたものが
ある。
【００２１】しかし、このようなピエゾ抵抗素子方式に
よる場合も下記のような欠点がある。
【００２２】ａ．Ｚ軸アクチュエータは、通常、粗動用
と微動用との２つのアクチュエータを組合せて使用し、
微動用には一般にＰＺＴ等の圧電素子が用いられる。し
かし、ＰＺＴは印加電圧と距離変位との間の直線性の点
で比較的優れているものの、ヒステリシス特性を有して
おり、測定精度に問題がある。
【００２３】ｂ．また、微動用ＰＺＴには１０μｍ程度
の変位が要求される。このため、積層型のＰＺＴを用い
ることになる。しかし、このような構造のアクチュエー
タは加振用ＰＺＴより重いものとなるので、これを固定
台上に取付け、その上に加振用ＰＺＴ、片持ち梁を順に
配設することになる。つまり、微動用ＰＺＴは加振用Ｐ
ＺＴと片持ち梁とを動かすことになる。また、微動用Ｐ
ＺＴは試料表面上の凹凸に追随して変位する。よって、
表面に急峻な突起又は窪みがあると、微動用ＰＺＴは片
持ち梁を急激に変位・移動させることになる。ここに、
このような変位の周波数成分には片持ち梁の共振周波数
成分が含まれていることが多い。従って、これにより片
持ち梁がリンギング（減衰しながら共振する現象）振動
を起す。この時、片持ち梁は、元々、加振用ＰＺＴによ
り共振点付近で加振されているので、このようなリンギ
ング振動が片持ち梁振動に混入し、測定精度を低下させ
てしまう。
【００２４】ｃ．ＰＺＴは電気的に容量性負荷であるた
め、容量の充放電のために十数ｋＨｚ以上での応答性が
悪い。また、これ以上の周波数での駆動においては、容
量性電流による損失により、電流又はＰＺＴ自身が破損
してしまう。従って、試料表面形状の測定時に、これ以
上の周波数をもって現れ得る表面の凹凸に追随して、試
料表面と片持ち梁先端における探針との間の距離を一定
に保つことができない。この結果、この周波数帯域にお
ける測定精度が低下してしまう。
【００２５】よって、このような問題を解消して、高い
測定精度と高い応答速度とを併せ持つ表面電位及び形状
測定器が要望される。
【００２６】ところで、表面電位ないしは形状を測定す
る試料の中には、試料表面に１００μｍ程度のうねりが
存在するものもある。この場合、測定中に試料表面は数
Ｈｚ程度の繰返し周期で約１００μｍの振幅をもって上
下する。一方、試料表面上には高さ、幅とも数〜数十μ
ｍ程度の凹凸形状が存在し、これにより、数ｋＨｚ以上
の繰返し周波数で数〜数十μｍ程度の振幅をもって上下
する。
【００２７】この点、第２の提案例によれば、このよう
な２種類の試料表面‐探針間の距離変動に対して、アク
チュエータに対する帰還信号を周波数帯域により分離
し、各々の周波数成分に適したアクチュエータを制御す
るようにしている。より具体的には、低周波の大きい変
位に対してはボイスコイルを用い、高周波の小さい変位
に対してはＰＺＴを用いるようにしている。しかし、こ
の方式の場合、ＰＺＴの微動アクチュエータを用いるた
め、前述したような幾つかの欠点がある。
【００２８】よって、測定中に、大きなうねりのある測
定対象物についても測定精度及び分解能を低下させるこ
となく、その表面電位ないしは形状を測定し得ることが
要望される。
【００２９】
【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を設け、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を設け、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を設け、前
記探針の前記直流電圧の電位を測定する直流電位測定手
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交流電圧の振幅を制御
する振幅制御手段を設け、前記交流電圧の電位を測定す
る交流電位測定手段を設けた。
【００３０】請求項２記載の発明では、加振装置により
加振される片持ち梁の先端に保持された探針を設け、静
電力に応じて変化するこの探針の振動振幅を検出する変
位検出器による静電力検出手段を設け、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を設け、
前記探針の前記直流電圧の電位を測定する直流電位測定
手段を設け、前記交流電圧が、正側に振れた時の前記探
針の振幅が一定となり、又は、負側に振れた時の前記探
針の振幅が一定となり、又は、正側に振れた時の前記探
針の振幅と負側に振れた時の前記探針の振幅との和が一
定となるように前記加振装置による振動振幅を制御する
振幅制御手段を設け、この振動振幅を測定する振動振幅
測定手段を設けた。
【００３１】請求項３記載の発明では、請求項２記載の
発明における振幅制御手段、振動振幅測定手段に代え
て、加振装置による振動周波数を制御する周波数制御手
段と、この振動周波数を測定する振動周波数測定手段と
を設けた。
【００３２】請求項４記載の発明では、請求項１記載の
発明と同様に、探針、静電力検出手段、電位制御手段及
び直流電位測定手段を設けるとともに、交流電圧が、正
側に振れた時の静電力値を測定する前記静電力検出手段
からの、又は、負側に振れた時の静電力値を測定する前
記静電力検出手段からの、又は、前記交流電圧が、正側
に振れた時の静電力値と負側に振れた時の静電力値との
和を測定する前記静電力検出手段からの帰還信号を周波
数帯域により分離する分離手段を有して分離された一部
の周波数帯域の帰還信号により前記交流電圧の振幅を制
御する振幅制御手段を設け、前記交流電圧の電位を測定
する交流電位測定手段と、前記交流電位測定手段の測定
値から前記測定対象物の表面形状の前記一部の周波数帯
域に対応した空間周波数成分を測定する第１の空間周波
数成分測定手段を設け、前記分離手段により分離された
前記交流電圧の振幅を制御する前記一部の周波数帯域の
信号を除く帰還信号により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有する距離制御
手段を設け、前記アクチュエータの変位量を測定する変
位測定手段を設け、前記変位測定手段の測定値から前記
測定対象物の表面形状の前記一部の周波数帯域以外の周
波数帯域に対応した空間周波数成分を測定する第２の空
間周波数成分測定手段を設けた。
【００３３】請求項５記載の発明では、請求項２記載の
発明と同様に、探針、静電力検出手段、電位制御手段及
び直流電位測定手段を設けるとともに、交流電圧が、正
側に振れた時の静電力値を測定する前記静電力検出手段
からの、又は、負側に振れた時の静電力値を測定する前
記静電力検出手段からの、又は、前記交流電圧が、正側
に振れた時の静電力値と負側に振れた時の静電力値との
和を測定する前記静電力検出手段からの帰還信号を周波
数帯域により分離する分離手段を有して分離された一部
の周波数帯域の帰還信号により前記加振装置による振動
振幅を制御する振幅制御手段を設け、この振動振幅を測
定する振動振幅測定手段を設け、前記振動振幅測定手段
の測定値から前記測定対象物の表面形状の前記一部の周
波数帯域に対応した空間周波数成分を測定する第１の空
間周波数成分測定手段を設け、前記分離手段により分離
された前記加振装置による振動振幅を制御する前記一部
の周波数帯域の信号を除く帰還信号により前記測定対象
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
有する距離制御手段を設け、前記アクチュエータの変位
量を測定する変位測定手段を設け、前記変位測定手段の
測定値から前記測定対象物の表面形状の前記一部の周波
数帯域以外の周波数帯域に対応した空間周波数成分を測
定する第２の空間周波数成分測定手段を設けた。
【００３４】請求項６記載の発明では、請求項３記載の
発明と同様に、探針、静電力検出手段、電位制御手段及
び直流電位測定手段を設けるとともに、前記探針の前記
直流電圧の電位を測定する直流電位測定手段と、交流電
圧が、正側に振れた時の静電力値を測定する前記静電力
検出手段からの、又は、負側に振れた時の静電力値を測
定する前記静電力検出手段からの、又は、前記交流電圧
が、正側に振れた時の静電力値と負側に振れた時の静電
力値との和を測定する前記静電力検出手段からの帰還信
号を周波数帯域により分離する分離手段を有して分離さ
れた一部の周波数帯域の帰還信号により前記加振装置に
よる振動周波数を制御する周波数制御手段を設け、この
振動周波数を測定する振動周波数測定手段を設け、前記
振動周波数測定手段の測定値から前記測定対象物の表面
形状の前記一部の周波数帯域に対応した空間周波数成分
を測定する第１の空間周波数成分測定手段を設け、前記
分離手段により分離された前記加振装置による振動周波
数を制御する前記一部の周波数帯域の信号を除く帰還信
号により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有する距離制御手段を設け、前記
アクチュエータの変位量を測定する変位測定手段を設
け、前記変位測定手段の測定値から前記測定対象物の表
面形状の前記一部の周波数帯域以外の周波数帯域に対応
した空間周波数成分を測定する第２の空間周波数成分測
定手段を設けた。
【００３５】
【作用】請求項１，２及び３記載の発明によれば、静電
力検出手段の一部をなす探針支持部材の振動を測定する
ため、測定精度の高い光学的測定手法を用いて測定可能
となる。また、ＰＺＴ等のＺ軸アクチュエータを用いる
必要がないので、そのヒステリシス特性、ＰＺＴの変位
に伴う探針支持部材のリンギング等に起因する測定精度
の低下を生じない。さらには、容量性負荷であるＰＺＴ
を用いないので、高周波帯域における表面形状の測定に
も十分追随し得るものとなる。
【００３６】加えて、請求項４，５及び６記載の発明に
よれば、大きなうねりのある測定対象物の表面電位ない
しは形状の測定においても、探針に印加する交流電圧の
電位、片持ち梁の振動振幅ないしは片持ち梁の振動周波
数の変化から簡単な比例式を用いて表面形状を測定し得
るものとなる。即ち、請求項１，２及び３記載の発明に
よる場合には、振幅変動値が測定対象物表面と探針先端
との距離に対して線形関係にないので、帰還を掛ける帰
還信号のパラメータの変化分から線形式により距離変動
を求めることができず、約１００μｍの大きなうねりの
ある測定対象物表面の電位及び形状測定に適用するに際
しては複雑な換算式を用いて距離変動を求めなくてはな
らないが、この処理が簡単となる。また、探針先端と測
定対象物表面との間の距離が大きくなると測定分解能が
低下するが、この点に関しても、アクチュエータ制御に
より探針先端と測定対象物表面とを近接させ、ほぼ一定
の距離に保つことができ、測定分解能が低下することは
ない。
【００３７】
【実施例】請求項１及び４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９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及び直流電位測定手段
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。ま
た、探針３は固定台４に対して粗動アクチュエータとし
てのボイスコイル２７と、微動アクチュエータとしての
ＰＺＴ２８とにより支持された片持ち梁９の先端に保持
されている。試料２側はＸ，Ｙ軸アクチュエータ２９上
に保持されている。
【００３８】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の機械的共振点がずれるの
で、交流電圧Ｖ8 の周波数による強制振動の振動振幅が
小さくなる。
【００３９】いま、共振周波数ｆ0 （共振角周波数ω
0 ）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ｘとすると、何らかの物理的力（静電力、磁気
力或いはvan der Ｗaals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＝ａ・Ａ0・∂Ｆ／∂ｘ ………………………………………(１) で表される。ただし、ａは比例定数である。
【００４０】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ｘ、
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＝（ｂ／２)・Ｖ2／ｘ2 ………………………………(２） で表される。ただし、ｂは比例定数である。
【００４１】(２)式より ∂Ｆ／∂ｘ＝−ｂ・Ｖ2／ｘ3 ………………………………(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＝−ａ・ｂ・Ｖ2／ｘ3 ………………………………(４) となる。この時の振動振幅Ａは、 Ａ＝Ａ0 ＋ΔＡ＝Ａ0 −ａ・ｂ・Ａ 0 ・Ｖ2／ｘ3 ……………………(５) となる。
【００４２】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
変位量の変化の検出は、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。
【００４３】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 ＝ｃ・Ａ＝ｃ・Ａ0 −ｄ・Ｖ2／ｘ3 ………………………(６) として表される。ただし、ｃ，ｄはともに比例定数であ
り、ｄ＝ａ・ｂ・Ａ 0 である。
【００４４】いま、 ｃ・Ａ0 ＝ｖ0 ……………………………………………(７) ｄ・Ｖ2／ｘ3 ＝Δｖ ……………………………………………(８) とすると、電圧Ｖ1 は、 Ｖ1 ＝ｖ0 −Δｖ ……………………………………………(９) で表される。
【００４５】また、本実施例では、第１，２の提案例と
同様な構成に加え、サンプルホールド回路２１，２２か
らの出力Ｖ21，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が設けられている。この積分器３３の出力Ｖ15に
ついて周波数帯域により分離する分離手段となるバンド
パスフィルタ３４が設けられている。このバンドパスフ
ィルタ３４は出力Ｖ15を高帯域成分信号ＶH 、中帯域成
分信号ＶM 、低帯域成分信号ＶL との３信号に分離する
ものである。分離されたこれらの信号につき、高帯域成
分信号ＶH は交流電圧Ｖ4 を発生させるための電圧源１
７に振幅制御信号としてフィードバックされ、中帯域成
分信号ＶM はパワーアンプ３５を介して微動アクチュエ
ータ、即ちＰＺＴ２８に制御信号としてフィードバック
され、低帯域成分信号ＶL はパワーアンプ３６を介して
粗動アクチュエータ、即ちボイスコイル２７にフィード
バックされている。よって、高帯域成分信号ＶH のフィ
ードバック系が交流電圧Ｖ4 の振幅を制御する振幅制御
手段３７を構成しており、この出力線に対してはその交
流電位を測定する交流電位測定手段となる電圧計３８が
接続されている。また、中帯域成分信号ＶM 、低帯域成
分信号ＶL のフィードバック系が距離制御手段３９を構
成しており、各々の出力線に対しても変位測定手段とな
る電圧計４０，４１が接続されている。
【００４６】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 −Ｖp からＶb ＋
Ｖp 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。
【００４７】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。また、電圧源１７の交流電圧Ｖ4 の振幅も
高帯域成分信号ＶH により制御され、Ｖp ＝Ｖpaである
とする。すると、時刻ｔ1 において電圧Ｖ6 は電圧ＶSa
よりＶpaだけ大きくなり、時刻ｔ2 においてはＶpa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Ｖpa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ことと等価的となり、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ｔ
3 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。
【００４８】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Ｖ11aと時刻
ｔ2における電圧Ｖ12aとは等しくなる。これは、時刻ｔ
1，ｔ2における電圧Ｖ6の各々の値と、電圧ＶSa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。
【００４９】即ち、ｘ＝ｘa の場合、時刻ｔ1 において
試料２の表面電位を基準とした探針３と試料２表面との
間の電位差はＶpa、時刻ｔ2 におけるその電位差は−Ｖ
paである。従って、時刻ｔ1，ｔ2において作用する力Ｆ
1a，Ｆ2aは各々、 Ｆ1a ＝（ｂ／２)・Ｖpa 2／ｘa 2 ………………………(10) Ｆ2a ＝（ｂ／２)(−Ｖpa)2／ｘa 2 ………………………(11) となる。
【００５０】従って、電圧Ｖ11a，Ｖ12aは、(６)式よ
り、各々 Ｖ11a ＝ｃ・Ａ0 −ｄ・Ｖpa 2／ｘa 3 ＝ｖ0 −Δｖ11a ……………(12) Ｖ12a ＝ｃ・Ａ0 −ｄ・(−Ｖpa)2／ｘa 3 ＝ｖ0 −Δｖ12a ……(13) となる。ただし、 Δｖ11a ＝ｄ・Ｖpa 2／ｘa 3 ……………………………(14) Δｖ12a ＝ｄ(−Ｖpa)2／ｘa 3 ……………………………(15) とする。
【００５１】ここに、 Δｖ11a ＝Δｖ12a …………………………………………(16) であるので、 Ｖ11a ＝Ｖ12a …………………………………………(17) となる。
【００５２】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）。
【００５３】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＝Ｖ12a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 の直流電圧Ｖ
b の値も変化しない。
【００５４】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３(ｅ)に示す電圧Ｖ6 の直流電圧Ｖb も電圧ＶSa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。
【００５５】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ｘが、所望
の距離ｘa 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。また、この時の電圧Ｖpを
Ｖp ＝Ｖpaと設定しておく。
【００５６】即ち、この時の電圧Ｖ10は Ｖ10 ＝Ｖ21 ＋Ｖ22 ＝Ｖ11a ＋Ｖ12a ＝２（ｃ・Ａ0 −ｄ・Ｖpa 2／ｘa 3 ) …………………(18) となる。
【００５７】従って、基準電圧Ｖ13も Ｖ13 ＝Ｖ10 ＝２（ｃ・Ａ0 −ｄ・Ｖpa 2／ｘa 3 ) …………(19) のように設定されている。
【００５８】今、仮に平均距離ｘが所望の値となってい
るとし（ｘ＝ｘa ）、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も変動しな
い。従って、この出力Ｖ15をバンドパスフィルタ３４に
より周波数帯域で分離した各信号ＶL，ＶH，ＶMは変化
しない。よって、信号ＶL，ＶM は各々距離ｘを所望値
ｘa に維持させるに必要な電圧ＶLa，ＶMaを維持したま
まとなり、信号ＶH は電圧源１７の交流信号の振幅をＶ
4aに維持させるに必要な電圧ＶHaを維持したままとな
る。よって、粗動、微動用のボイスコイル２７、ＰＺＴ
２８は変位を示さず、電圧源１７による交流電圧の振幅
も変化を示さない。
【００５９】次に、Ｘ，Ｙ軸アクチュエータ２９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
料表面の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Δｘの突起の存在により探
針３・感光体１ｂ間の距離ｘのみがΔｘ分だけ小さくな
り（近付き）、ｘ＝ｘb＝ｘa −Δｘ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。
【００６０】ただし、動作説明を容易にするため、Δｘ
なる距離変化は周波数帯域としては高周波成分にしか含
まれておらず、よって、信号ＶH には変化を生ずるもの
の、信号ＶM，ＶLには変化が生じないものとする。
【００６１】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ｘの値が小さくなるので、力Ｆ
は大きくなる。即ち、 Ｆ1b ＝（ｂ／２)・Ｖpa 2／ｘb 2 ＝（ｂ／２)・Ｖpa 2／(ｘa−Δｘ)2 ＞（ｂ／２)・Ｖpa 2／ｘa 2 ＝Ｆ1a ……………………(20) Ｆ2b ＝（ｂ／２)(−Ｖpa)2／ｘb 2 ＝（ｂ／２)(−Ｖpa)2／(ｘa−Δｘ)2 ＞（ｂ／２)(−Ｖpa)2／ｘa 2 ＝Ｆ2a ……………………(21) で表される。
【００６２】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 ＝ｃ・Ａ0 −ｄ・Ｖp 2／ｘ3 ＝ｃ・Ａ0 −ｄ・Ｖpa 2／ｘb 3 ＝ｃ・Ａ0 −ｄ・Ｖpa 2／(ｘa−Δｘ)3 ＜ｃ・Ａ0 −ｄ・Ｖpa 2／ｘa 3 ＝Ｖ11a ………………(22) Ｖ12b ＝ｃ・Ａ0 −ｄ(−Ｖp)2／ｘ3 ＝ｃ・Ａ0 −ｄ(−Ｖpa)2／ｘb 3 ＝ｃ・Ａ0 −ｄ(−Ｖpa)2／(ｘa−Δｘ)3 ＜ｃ・Ａ0 −ｄ(−Ｖpa)2／ｘa 3 ＝Ｖ12a ………………(23) となる。
【００６３】また、 Ｖpa 2 ＝(−Ｖpa)2 …………………………………………(24) であるので、(22)(23)式より Ｖ11b ＝Ｖ12b ………………………………………………(25) なる結果となる。
【００６４】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。
【００６５】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。
【００６６】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。
【００６７】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、(26)(27)式より、 Ｖ10b ＝Ｖ11b ＋Ｖ12b ＜Ｖ11a ＋Ｖ12a ＝Ｖ13 ………………(28) となり、 Ｖ14 ＝−（Ｖ11b ＋Ｖ12b −Ｖ13）＞０ ………………(29) となる。
【００６８】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の値は小さくなってい
く。前述したように、この変化は周波数帯域として高周
波である場合を仮定しているので、信号ＶH の値のみが
小さくなっていく。この時、電圧源１７はその振幅Ｖp
が信号ＶH により制御されており、信号ＶH が小さくな
ると振幅Ｖp も小さくなっていく。振幅Ｖp が小さくな
ると、(22)(23)式よりＶ11b，Ｖ12bの値は大きくなって
いく。このような動作は、 Ｖ11b ＋Ｖ12b ＝Ｖ13 ……………………………………(30) となるまで続けられる。従って、信号ＶH の変化から試
料２表面のΔｘなる突起、即ち、表面形状を測定するこ
とができる。Δｘが突起でなく、窪みの場合も、上記の
動作において極性が反対となるだけであり、同様に測定
できる。
【００６９】特に、請求項４記載の発明にいうように粗
動、微動用のボイスコイル２７、ＰＺＴ２８により、低
周波で大きい振幅の試料２表面と探針３との間の距離変
動を除去しており、高周波で小さい振幅の距離変動を探
針３に印加している電圧の交流成分の振幅により測定す
る場合は、この交流成分の振幅変動と距離との間に比例
関係が成立し、容易に表面形状を測定し得る。ここに、
電圧Ｖ6 の交流成分の振幅Ｖp は信号ＶH により制御さ
れているので、ＶH とＶp との間に比例関係があれば、
電圧計３８の測定結果により表面の突起高さΔｘの値を
直線性をもって測定できる。
【００７０】以上のように、Ｘ，Ｙ軸アクチュエータ２
９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Δｘ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、Δｘ
に対して不感となる。同時に、電圧計３８により測定さ
れる信号ＶH の値からΔｘのみを測定することもでき
る。
【００７１】次に、Ｘ，Ｙ軸アクチュエータ２９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 ＝ＶSc
＝ＶSa−ΔＶS となったが、感光体１ｂ表面と探針３先
端との間の距離ｘは変化しない（ｘ＝ｘa 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。
【００７２】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Ｖpa＋ΔＶS 、時刻ｔ
2 においてはＶpa−ΔＶS となる。つまり、時刻ｔ1に
おける電位差が、時刻ｔ2 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ｔ2 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。
【００７３】即ち、 Ｆ1c ＝（ｂ／２)(Ｖpa＋ΔＶS )2／ｘa 2 ＞Ｆ1a ＝Ｆ2a ……(31) Ｆ2c ＝（ｂ／２)(Ｖpa−ΔＶS )2／ｘa 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 ＝ｃ・Ａ0 −ｄ(Ｖp ＋ΔＶS )2／ｘa 3 ＜Ｖ11a ＝Ｖ12a …………………………………(33) Ｖ12c ＝ｃ・Ａ0 −ｄ(Ｖp −ΔＶS )2／ｘa 3 ＞Ｖ12a ＝Ｖ11a …………………………………(34) となる。よって、 Ｖ11c ＜Ｖ12c …………………………………(35) なる結果が得られる。
【００７４】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 ＝Ｖ3c＝Ｖ12c−Ｖ11c ＝（４ｄ／ｘa 3 )・Ｖp・ΔＶS ……………………(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。
【００７５】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、
即ち、Ｖb ＝ＶSc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Ｖpa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Ｆ1d，Ｆ2dはＦ1d＝Ｆ2dとなる。この
結果、電圧Ｖ3はＶ3＝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−Δ
ＶS ）／Ｇ1に既知の値Ｇ1 を掛けた値により求められ
る。
【００７６】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。
【００７７】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、 Ｖpa ≫ΔＶS ……………………………………(37) であるので、 Ｖpa 2 ≫ΔＶS 2 ……………………………………(38) ２Ｖpa・ΔＶS ≫ΔＶS 2 ……………………………………(39) となる。
【００７８】よって、(33)(34)式より Ｖ11c ＝ｃ・Ａ0−ｄ(Ｖpa＋ΔＶS )2／ｘa 3 ＝ｃ・Ａ0−ｄ(Ｖpa 2＋２Ｖpa・ΔＶS＋ΔＶS 2)／ｘa 3 ≒ｃ・Ａ0−ｄ(Ｖpa 2＋２Ｖpa・ΔＶS)／ｘa 3 …………(40) Ｖ12c ＝ｃ・Ａ0−ｄ(Ｖpa−ΔＶS )2／ｘa 3 ＝ｃ・Ａ0−ｄ(Ｖpa 2−２Ｖpa・ΔＶS＋ΔＶS 2)／ｘa 3 ≒ｃ・Ａ0−ｄ(Ｖpa 2−２Ｖpa・ΔＶS)／ｘa 3 …………(41) となる。
【００７９】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Ｖ
22（＝Ｖ12c ）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。
【００８０】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 ＝ｃ・Ａ0−ｄ(Ｖpa 2＋２Ｖpa・ΔＶS)／ｘa 3 ＋ｃ・Ａ0−ｄ(Ｖpa 2−２Ｖpa・ΔＶS)／ｘa 3 ＝２ｃ・Ａ0 −２ｄ・Ｖpa 2／ｘa 3 ＝２（ｃ・Ａ0 −ｄ・Ｖpa 2／ｘa 3) ………………(42) となる。
【００８１】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が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３８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。即ち、Ｖp ＝Ｖpaのままである。
【００８２】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。
【００８３】さらに、表面電位ＶS がＶSaからＶSd＝Ｖ
Sa−ΔＶS に、距離ｘが高さΔｘの突起によりｘa から
ｘd ＝ｘa −Δｘ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ｘの変化とを独立かつ同時に測
定し得る。
【００８４】このケースにおいて、電圧Ｖ21，Ｖ22の値
を各々Ｖ11d，Ｖ12dとする。また、ｘd ＝ｘa −Δｘ、
ＶSd＝ＶSa−ΔＶS となり、Ｖp ＝Ｖpaのままであると
する。すると、(12)(13)式の場合と同様に、 Ｖ11d ＝ｃ・Ａ0 −ｄ（Ｖpa＋ΔＶS )2／(ｘa−Δｘ)3 ………(43) Ｖ12d ＝ｃ・Ａ0 −ｄ｛−(Ｖpa−ΔＶS )}2／(ｘa−Δｘ)3 ………(44) となる。
【００８５】これらの電圧Ｖ21，Ｖ22の電位差Ｖ3 は、 Ｖ3 ＝Ｖ22 −Ｖ21 ＝Ｖ12d −Ｖ11d ＝｛ｄ／(ｘa−Δｘ)3｝{(Ｖpa＋ΔＶS )2−(Ｖpa−ΔＶS )2} ＝｛４ｄ／(ｘa−Δｘ)3}・Ｖpa・ΔＶS ……………………（４
５） となる。ここに、ｘａ ≫Δｘであるので、（ｘa −Δ
ｘ)3 ＞０となり、Ｖ3 ＞０となる。
【００８６】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となり、Ｖ22＝Ｖ21と
なるまでＶ6 は減少していき、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。
【００８７】一方、距離の測定に関しては、 Ｖ10d ＝Ｖ12d ＋Ｖ11d ＝２ｃ・Ａ0−ｄ{(Ｖpa−ΔＶS )2＋(Ｖpa＋ΔＶS )2 }／(ｘa−Δｘ)3 ＝２ｃ・Ａ0−ｄ（Ｖpa 2−２Ｖpa・ΔＶS＋ΔＶS 2＋Ｖpa 2 ＋２Ｖpa・ΔＶS＋ΔＶS 2）／(ｘa−Δｘ)3 ＝２ｃ・Ａ0−２ｄ（Ｖpa 2＋ΔＶS 2）／(ｘa−Δｘ)3 ……………………………………(46) となる。ここに、Ｖpa 2 ≫ ΔＶS 2であるので、(46)式
は Ｖ10d ＝２ｃ・Ａ0−２ｄ・Ｖpa 2／(ｘa−Δｘ)3 …………………(47) となる。
【００８８】また、(19)式より Ｖ10d ＜Ｖ13 ……………………………………(48) であるので、電圧Ｖ14は正となって、電圧Ｖ15は小さく
なる。これにより、信号ＶH が小さくなり、振幅Ｖp も
小さくなっていく。この動作は、Ｖ10＝Ｖ13となるまで
継続される。この時の距離は、図４で説明した場合と同
様に、電圧計３８の測定結果から突起高さΔｘを測定し
得るものとなる。
【００８９】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。
【００９０】この結果、上述した動作をＸ，Ｙ軸アクチ
ュエータ２９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。
【００９１】つづいて、請求項２及び５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）。本実施例では、バンドパスフィルタ３４
により分離された最高周波帯域の信号ＶH を、電圧源１
７に代えて、ＰＺＴ７用の駆動電源１０に帰還入力さ
せ、信号ＶH により駆動電源１０の電圧振幅（振動振
幅）を制御するようにしたものである。具体的には、信
号ＶH が減少すれば交流電圧Ｖ8 の振幅は大きくなる。
信号ＶH の出力ラインにはその電圧振幅を測定する振動
振幅測定手段となる電圧計４２が接続されている。その
他の構成は、前記実施例と同様である。
【００９２】今、この交流電圧Ｖ8 の振幅をＶz で表す
ものとして、本実施例の動作を説明する。本実施例の場
合も、(１)式が成立し、片持ち梁９の振動振幅Ａ0 はＰ
ＺＴ７の振動振幅に比例し、ＰＺＴ７の振動振幅はこれ
に対する印加電圧の振幅Ｖzに比例する。即ち、 Ａ0 ∝Ｖz ………………………………………………………(49) が成立する。従って、ｅ′，ｅ″を比例定数とすると、
(１)(３)(49)式により ΔＡ＝−ｅ″・Ｖz ・Ｖ2／ｘ3 Ａ0 ＝ｅ′・Ｖz …………………………………………(50) となる。
【００９３】よって、この時の振幅は Ａ＝Ａ0＋ΔＡ＝ｅ′・Ｖz −ｅ″・Ｖz ・Ｖ2／ｘ3 …………(51) となる。ここに、電圧Ｖ1 は振幅Ａに比例するので、ｅ
1，ｅ2を比例定数とすると、 Ｖ1 ＝Ｖz（ｅ1−ｅ2・Ｖ2／ｘ3） …………………………(52) となる。
【００９４】ここで、表面電位ＶS ＝ＶSa、Ｖb ＝
ＶSa、Ｖ＝Ｖp ＝Ｖpa、ｘ＝ｘa 、Ｖz＝Ｖzaとする
と、 Ｖ11a ＝Ｖ12a ＝ｃ・Ａ0 −ｅ・Ｖza・Ｖpa 2／ｘa 3 ……………………(53) となる。よって、Ｖ3 ＝０であるので、電圧Ｖ9 の値は
変化せず、ＶS も変化せず、Ｖb ＝ＶSaを保つ。ここで
ｅは比例定数である。
【００９５】ところで、ｘ＝ｘa の時の電圧Ｖ10の値と
してＶ13を設定しておく。即ち、 Ｖ13＝２Ｖza（ｅ1−ｅ2・Ｖpa 2／ｘa 3） ＝２ｃ・Ａ0 −２ｅ・Ｖza・Ｖpa 2／ｘa 3 ……………………(54) とする。すると、ｘ＝ｘa である限り、Ｖ13＝Ｖ10であ
り、Ｖ14＝０であるので、図３で説明した場合と同様に
して、信号ＶH は変化しない。
【００９６】ついで、距離ｘについてのみその値が変化
し、ｘ＝ｘb＝ｘa−Δｘとなり、表面電位ＶS は変化し
ないものとする。また、Ｖz ＝Ｖzaのままであるとす
る。すると、 Ｖ11b ＝Ｖ12b ＝Ｖza｛ｅ1−ｅ2・Ｖpa 2／（ｘa−Δｘ)3 ｝ ……(55) であるので、Ｖ3 ＝０となり、表面電位ＶS の測定結果
となる電圧Ｖ9 は変化しない。
【００９７】一方、この時のＶ10、即ち、Ｖ10b は Ｖ10b ＝Ｖ11b ＋Ｖ12b ＝２Ｖza｛ｅ1−ｅ2・Ｖpa 2／（ｘa−Δｘ)3 ｝＜Ｖ13 ……(56) となるので、電圧Ｖ15は小さくなっていく。
【００９８】これにより、信号ＶH は小さくなり、駆動
電源１０の振幅Ｖz が大きくなっていく。(56)式より、
振幅Ｖzaが大きくなると、Ｖ10b の値も大きくなってい
く。この動作は、Ｖ10b ＝Ｖ11b ＋Ｖ12b＝Ｖ13となる
まで続けられる。従って、信号ＶH の変化から試料２表
面のΔｘなる突起、即ち、表面形状を測定することがで
きる。Δｘが突起でなく、窪みの場合も、上記の動作に
おいて極性が反対となるだけであり、同様に測定でき
る。
【００９９】特に、請求項５記載の発明にいうように粗
動、微動用のボイスコイル２７、ＰＺＴ２８により、低
周波で大きい振幅の試料２表面と探針３との間の距離変
動を除去しており、高周波で小さい振幅の距離変動を探
針３を加振させるための加振電圧の振幅変動により測定
する場合は、この加振電圧の振幅変動と距離との間に比
例関係が成立し、容易に表面形状を測定し得る。ここ
に、電圧Ｖ8 の振幅ＶZは信号ＶH により制御されてい
るので、ＶH とＶZ との間に比例関係があれば、電圧計
４２の測定結果により表面の突起の高さΔｘの値を直線
性をもって測定できる。
【０１００】次に、表面電位ＶS だけがＶS ＝ＶSc＝Ｖ
Sa−ΔＶS となり、ｘは変化しない場合を考える。この
時のＶ21，Ｖ22をＶ11c，Ｖ12cとすると、 Ｖ11c ＝ｃ・Ａ0−ｅ（Ｖpa ＋ΔＶS)2・Ｖza／ｘa 3 …………(57) Ｖ12c ＝ｃ・Ａ0−ｅ（Ｖpa −ΔＶS)2・Ｖza／ｘa 3 …………(58) となる。この時のＶ3 は、 Ｖ3 ＝Ｖ3c ＝Ｖ12c −Ｖ11c ＝４ｅ（Ｖza／ｘa 3)・Ｖpa・ΔＶS ＞０ ……………………………………(59) で表される。
【０１０１】これにより、Ｖ9 の値は減少していき、Ｖ
9 ＝ＶSc ／Ｇ1となると安定する。よって、Ｖ9 の値に
より表面電位ＶScを測定することができる。
【０１０２】一方、距離の測定については(40)(41)式の
場合と同様にして、 Ｖ11c ≒ｃ・Ａ0−ｅ（Ｖpa 2＋２Ｖpa・ΔＶS )・Ｖza／ｘa 3 …(60) Ｖ12c ≒ｃ・Ａ0−ｅ（Ｖpa 2−２Ｖpa・ΔＶS )・Ｖza／ｘa 3 …(61) Ｖ10 ＝Ｖ11c ＋Ｖ12c ＝２（ｃ・Ａ0−ｅ・Ｖpa 2・Ｖza／ｘa 3 ） ……………………………(62) として求められる。ここに、(54)式よりＶ10＝Ｖ13であ
り、高周波成分の信号ＶH は変化しないので、距離の測
定結果は変化しない。
【０１０３】ついで、表面電位ＶS がＶSaからＶSd＝Ｖ
Sa−ΔＶS に変化し、また、距離ｘが高さΔｘの突起に
よりｘa からｘd ＝ｘa −Δｘに同時に変化した場合の
測定について説明する。ここでは、Ｖ21，Ｖ22の値を各
々Ｖ11d，Ｖ12dとする。また、ｘd ＝ｘa −Δｘ，ＶSd
＝ＶSa−ΔＶS となり、Ｖz ＝Ｖzaのままであるとす
る。
【０１０４】すると、 Ｖ11d ＝ｃ・Ａ0−ｅ（Ｖpa ＋ΔＶS )2・Ｖza／(ｘa−Δｘ)3 …(63) Ｖ12d ＝ｃ・Ａ0−ｅ｛−（Ｖpa −ΔＶS )}2・Ｖza／(ｘa−Δｘ)3 ……………………………………(64) となり、 Ｖ3 ＝Ｖ22−Ｖ11＝Ｖ12d−Ｖ11d ＝｛ｅ・Ｖza／（ｘa−Δｘ)3 }{(Ｖpa＋ΔＶS)2−(Ｖpa−ΔＶS)2 ｝ ＝｛４ｅ・Ｖza／（ｘa−Δｘ)3 }・Ｖpa・ΔＶS ……………(65) となる。
【０１０５】ここに、ｘa≫Δｘであるので、（ｘa−Δ
ｘ)3＞０なり、 Ｖ3 ＞０ …………………………………………………(66) となる。よって、図５で説明した場合と同様に、電圧Ｖ
9 の値は減少していき、Ｖb＝ＶSdとなり、Ｖ22＝Ｖ21
となるまでＶ6の値は減少していき、最終的にＶb＝ＶSd
で安定する。よって、電圧Ｖ9 の値から表面電位ＶSdを
測定することができる。
【０１０６】一方、距離の測定については、この時の電
圧Ｖ10をＶ10d とすると、 Ｖ10 ＝Ｖ10d ＝Ｖ12d＋Ｖ11d ＝２ｃ・Ａ0−{ｅ・Ｖza／(ｘa−Δｘ)3} {(Ｖpa＋ΔＶS)2＋(Ｖpa−ΔＶS)2 ｝ ＝２ｃ・Ａ0−{２ｅ・Ｖza／(ｘa−Δｘ)3}(Ｖpa 2＋ΔＶS 2) …(67) となる。
【０１０７】ここに、(38)(67)式より、 Ｖ10d ＝２ｃ・Ａ0−{２ｅ・Ｖza／(ｘa−Δｘ)3}・Ｖpa 2 …………(68) となり、(54)式より Ｖ10d ＜Ｖ13 …………………………………………………………(69) となる。よって、電圧Ｖ14の値は正となり、電圧Ｖ15の
値は小さくなっていく。これにより、高周波成分の信号
ＶH が小さくなり、振幅Ｖz は大きくなっていく。この
動作は、Ｖ10＝Ｖ13となるまで続く。
【０１０８】以上のようにして、表面電位ＶS と試料２
表面の凹凸とが同時に変化しても各々を独立して測定し
得るものとなる。
【０１０９】この結果、上述した動作をＸ，Ｙ軸アクチ
ュエータ２９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。
【０１１０】さらに、請求項３及び６記載の発明の一実
施例を図７及び図８により説明する。構成的には前記実
施例と同様であるが、前記実施例がバンドパスフィルタ
３４により周波数分離された高周波成分の信号ＶH をＰ
ＺＴ７用の駆動電源１０の振動振幅制御用として用いた
のに対して、本実施例ではこの信号ＶH により駆動電源
１０による振動周波数を制御するようにしたものであ
る。この信号ＶH の減少により駆動電圧Ｖ8 の周波数は
減少する。また、信号ＶH の出力ラインにはその周波数
を測定する振動周波数測定手段となる電圧計４３が接続
されている。
【０１１１】このような構成において、本実施例の動作
を判りやすくするため、振幅Ｖz の周波数と片持ち梁９
の振動振幅との関係から説明する。今、図８において探
針３と試料２表面間との働く力が無い状態での、片持ち
梁９の振動振幅Ａと加振周波数ｆ（図７においてはＶz
の周波数となる）との特性がで示すようになっている
とする。ついで、探針３先端が試料２表面に近付き、両
者間に静電引力が働き、振幅Ａ‐加振周波数ｆ特性が
で示すようになったとする。
【０１１２】この間、加振周波数ｆをｆ0 に固定したま
まであると、振幅Ａは(０)の状態のＡ0 から(ｂ)の状態
に移り、Ａ0−ΔＡbとなる。この時のΔＡb は、ｇを比
例定数とすると、 ΔＡb ＝−ｇ・Ｖ2／ｘ3 ……………………………………………(70) で表される。
【０１１３】次に、(ｂ)の状態から周波数をｆ0 からΔ
ｆだけ小さくすると、振幅Ａは(ｂ)の状態からΔＡf だ
け大きくなる。ここで、Δｆ≪ｆ0 であれば、 ΔＡf ＝ｈ・Δｆ ……………………………………………(71) となる。従って、この時のＡ0 からの差ΔＡは ΔＡ＝ΔＡb ＋ΔＡf ＝−ｇ・Ｖ2／ｘ3＋ｈ・Δｆ ……………(72) となる。
【０１１４】よって、この時の振幅Ａは Ａ＝Ａ0＋ΔＡ＝Ａ0−ｇ・Ｖ2／ｘ3＋ｈ・Δｆ ……………(73) となる。ここに、電圧Ｖ1 は振幅Ａに比例するので、
ｉ，ｊを比例定数とすると、 Ｖ1 ＝ｃ・Ａ0−ｉ・Ｖ2／ｘ3＋ｊ・Δｆ ……………(74) となる。ここでｈ，ｉ，ｊは比例定数である。
【０１１５】今、表面電位ＶS ＝ＶSa、Ｖb ＝ＶSa、Ｖ
＝Ｖp＝Ｖpa、ｘ＝ｘa 、Δｆ＝０とすると、 Ｖ11a ＝Ｖ12a ＝ｃ・Ａ0−ｉ・Ｖpa 2／ｘa 3 ………………(75) であるので、Ｖ3 ＝０であり、Ｖ9 の値は変化せず、表
面電位ＶS が変化しない限り、Ｖb ＝ＶSaを保つ。
【０１１６】ところで、ｘ＝ｘa の時、Δｆ＝０、即ち
ｆ＝ｆ0 、Ｖ＝Ｖp ＝Ｖpaとした時のＶ10と同じ値に基
準電圧Ｖ13を設定しておく。即ち、 Ｖ13＝２（ｃ・Ａ0−ｉ・Ｖpa 2／ｘa 3） ……………………………(76) と設定する。また、ＶS ＝ＶSa＝Ｖb であり、Ｖ10＝Ｖ
13であるとすると、図３で説明した場合と同様に、
ＶH，Ｖ9とも変化しない。
【０１１７】また、ｘ＝ｘa の時のＶ10の値に基準電圧
Ｖ13の値を設定しておく。即ち、(76)式のように設定す
ると、ｘ＝ｘa である限り、Ｖ13＝Ｖ10であり、図３で
説明した場合と同様に、ＶH は変化しない。
【０１１８】次に、距離ｘについてのみその値が変化
し、ｘ＝ｘb＝ｘa−Δｘとなり、表面電位ＶS は変化し
ないとする。また、加振周波数ｆ＝ｆ0 （即ち、Δｆ＝
０）のままであったとする。すると、 Ｖ11b ＝Ｖ12b ＝ｃ・Ａ0−ｉ・Ｖpa 2／（ｘa−Δｘ)3 …………(77) であるので、Ｖ3 ＝０となり、表面電位ＶS の測定結果
Ｖ9 は変化しない。
【０１１９】一方、この時のＶ10、即ち、Ｖ10b は Ｖ10b ＝Ｖ11b ＋Ｖ12b ＝２｛ｃ・Ａ0−ｉ・Ｖpa 2／（ｘa−Δｘ)3｝＜Ｖ13 ……(78) となるので、Ｖ15の値は小さくなっていく。これによ
り、高周波成分の信号ＶHは小さくなり、駆動電源１０
の電圧Ｖ8 の周波数ｆが小さくなっていく。図８より(7
3)式のｈはｈ＜０である。よって、周波数ｆが小さくな
っていく、即ち、Δｆ＜０の場合、振幅Ａが大きくなっ
ていく。この動作は、Ｖ10b ＝Ｖ11b＋Ｖ12b＝Ｖ13とな
るまで続く。
【０１２０】特に、請求項６記載の発明にいうように粗
動、微動用のボイスコイル２７、ＰＺＴ２８により、低
周波で大きい振幅の試料２表面と探針３との間の距離変
動を除去しており、高周波で小さい振幅の距離変動を探
針３に印加している電圧の交流成分の周波数変化により
測定する場合は、この加振電圧の周波数変動と距離との
間に比例関係が成立し、容易に表面形状を測定し得る。
【０１２１】この時のΔｘは、周波数ｆの変化Δｆから
比例式により容易に知ることができる。即ち、周波数変
化Δｆが高周波成分の信号ＶH に比例するようにしてお
けば、この信号ＶH の値によりΔｘの値を比例式より求
めることができる。
【０１２２】次に、表面電位ＶS だけがＶS ＝ＶSc＝Ｖ
Sa−ΔＶS （ただし、ΔＶS ＞０とする）となり、距離
ｘは変化しない場合を考える。この時のＶ21，Ｖ22をＶ
11c，Ｖ12c とし、周波数ｆは表面電位ＶS が変化する
前の周波数と等しい、即ち、Δｆ＝０であるとする。す
ると、 Ｖ11c ＝ｃ・Ａ0−ｉ（Ｖpa＋ΔＶS)2／ｘa 3 ……………………(79) Ｖ12c ＝ｃ・Ａ0−ｉ（Ｖpa−ΔＶS)2／ｘa 3 ……………………(80) が成立する。よって、この時のＶ3 は Ｖ3 ＝Ｖ3c＝Ｖ12c−Ｖ11c ＝４ｉ・Ｖpa・ΔＶS ／ｘa 3 ＞０ ……………………(81) となる。これにより、Ｖ9 の値は減少していき、Ｖ9 ＝
ＶSc／Ｇ1 になると安定する。よって、このＶ9 に基づ
き表面電位ＶScを測定できる。
【０１２３】一方、距離の測定は(40)(41)式と同様にし
て、 Ｖ11c ≒ｃ・Ａ0−ｉ（Ｖpa 2＋２Ｖpa・ΔＶS）／ｘa 3 …………(82) Ｖ12c ≒ｃ・Ａ0−ｉ（Ｖpa 2−２Ｖpa・ΔＶS）／ｘa 3 …………(83) Ｖ10＝Ｖ11c ＋Ｖ12c ＝２｛ｃ・Ａ0−ｉ・Ｖpa 2／ｘa 3｝ ………………………(84) により行われる。この時、(76)式よりＶ10＝Ｖ13であ
り、高周波成分の信号ＶＨは変化しない。よって、距離
の測定結果も変化しない。
【０１２４】次に、表面電位ＶＳ がＶSaからＶSd＝Ｖ
Sa−ΔＶS に、距離ｘが高さΔｘの突起によりｘa から
ｘd ＝ｘa −Δｘに、同時に変化した場合の測定につい
て説明する。この場合のＶ21，Ｖ22の値を各々Ｖ11d，
Ｖ12dとする。また、ｘd ＝ｘa−Δｘ，ＶSd＝ＶSa−Δ
ＶSとなり、Δｆ＝０のままであるとする。すると、ｘa
≫Δｘにより Ｖ11d ＝ｃ・Ａ0−ｉ（Ｖpa＋ΔＶS)2／（ｘa −Δｘ)3 …………(85) Ｖ12d ＝ｃ・Ａ0−ｉ｛−（Ｖpa−ΔＶS)}2／（ｘa −Δｘ)3 ……(86) Ｖ3 ＝Ｖ22−Ｖ21＝Ｖ12d−Ｖ11d ＝｛ｉ／(ｘa −Δｘ)3}{(Ｖpa＋ΔＶS)2−（Ｖpa−ΔＶS)2｝ ＝｛４ｉ／(ｘa −Δｘ)3}・Ｖpa・ΔＶS ＞０ ………………(87) となる。
【０１２５】よって、図５で説明した場合と同様に、電
圧Ｖ9 は減少していき、Ｖb ＝ＶSdになり、Ｖ22＝Ｖ21
になるまでＶ6 は減少していき、Ｖb ＝ＶSdで安定す
る。よって、電圧Ｖ9 の値から表面電位ＶSdを測定する
ことができる。
【０１２６】一方、距離の測定については、 Ｖ10＝Ｖ10d ＝Ｖ12d＋Ｖ11d ＝２ｃ・Ａ0−{ｉ／(ｘa−Δｘ)3}{(Ｖpa−ΔＶS)2＋（Ｖpa＋ΔＶS)2｝ ＝２ｃ・Ａ0−２{ｉ／(ｘa−Δｘ)3}(Ｖpa 2＋ΔＶS 2) ………(88) により行われる。ここに、(88)(38)式より Ｖ10d ＝２ｃ・Ａ0−２ｉ・Ｖpa 2／(ｘa−Δｘ)3 ………………(89) となり、(75)式より Ｖ10d ＜Ｖ13 ………………………………………………………(90) となる。よって、Ｖ14は正となりＶ15は小さくなってい
く。これにより、高周波成分の信号ＶH が小さくなり、
振幅Ｖp も小さくなっていく。この動作はＶ10＝Ｖ13と
なるまで続く。
【０１２７】以上のようにして、表面電位ＶS と試料２
表面の凹凸とが同時に変化しても各々を独立して測定し
得るものとなる。
【０１２８】この結果、上述した動作をＸ，Ｙ軸アクチ
ュエータ２９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。
【０１２９】なお、これらの本実施例ではＸ，Ｙ軸アク
チュエータ２９を試料２側に対して設けたが、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。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、Ｖ11＝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ｘの変化を捉える信号Ｖ10を生成する
ようにしてもよい。
【０１３０】
【発明の効果】請求項１，２及び３記載の発明によれ
ば、静電力検出手段の一部をなす探針支持部材の振動
を、振幅制御された交流電圧の電位を測定する形、探針
に対する振幅制御された加振装置の振動振幅を測定する
形、又は、探針に対する周波数制御された加振装置の振
動周波数を測定する形で測定するため、応答性がよく測
定精度の高い光学的測定手法を用いて測定可能となり、
また、ＰＺＴ等のＺ軸アクチュエータを用いる必要がな
いので、そのヒステリシス特性、ＰＺＴの変位に伴う探
針支持部材のリンギング等に起因する測定精度の低下を
生ずることもなく、さらには、容量性負荷であるＰＺＴ
を用いないので、高周波帯域における表面形状の測定に
も十分追随できるものとなる。
【０１３１】加えて、請求項４，５及び６記載の発明に
よれば、帰還信号を周波数帯域により分離してその一部
の周波数帯域の信号により振幅、振動振幅ないしは振動
周波数を制御する一方、残りの周波数帯域成分の信号に
より距離制御用のアクチュエータを制御するようにした
ので、測定時に大きなうねりを持つ測定対象物の表面電
位ないしは形状の測定においても、請求項１，２及び３
記載の発明のように複雑な計算式等を用いて距離変動を
求めるようなことなく、交流電圧の電位の変化から簡単
な比例式を用いて表面形状を測定でき、さらには、アク
チュエータ制御により探針先端と測定対象物表面とを近
接させ、ほぼ一定の距離に保つことができ、測定分解能
が低下することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１及び４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及び５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３及び６記載の発明の一実施例を示す回
路構成図である。
【図８】加振周波数‐振動振幅特性図である。
【図９】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 ７ 加振装置 ９ 片持ち梁 １２ 静電力検出手段 １６ 電位制御手段 ２６ 直流電位測定手段 ２７，２８ アクチュエータ ３４ 分離手段 ３７ 振幅制御手段 ３８ 交流電位測定手段 ３９ 距離制御手段 ４０，４１ 変位測定手段 ４２ 振動振幅測定手段 ４３ 振動周波数測定手段
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 29/12 G01R 29/24 G01N 13/12 G01N 13/16

Claims (6)

    (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直流電位測定手
    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交流電圧の振幅を制御
    する振幅制御手段と、前記交流電圧の電位を測定する交
    流電位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】 加振装置により加振される片持ち梁の先
    端に保持された探針と、静電力に応じて変化するこの探
    針の振動振幅を検出する変位検出器による静電力検出手
    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
    する直流電位測定手段と、前記交流電圧が、正側に振れ
    た時の前記探針の振幅が一定となり、又は、負側に振れ
    た時の前記探針の振幅が一定となり、又は、正側に振れ
    た時の前記探針の振幅と負側に振れた時の前記探針の振
    幅との和が一定となるように前記加振装置による振動振
    幅を制御する振幅制御手段と、この振動振幅を測定する
    振動振幅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。
  3. 【請求項３】 加振装置により加振される片持ち梁の先
    端に保持された探針と、静電力に応じて変化するこの探
    針の振動振幅を検出する変位検出器による静電力検出手
    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
    する直流電位測定手段と、前記交流電圧が、正側に振れ
    た時の前記探針の振幅が一定となり、又は、負側に振れ
    た時の前記探針の振幅が一定となり、又は、正側に振れ
    た時の前記探針の振幅と負側に振れた時の前記探針の振
    幅との和が一定となるように前記加振装置による振動周
    波数を制御する周波数制御手段と、この振動周波数を測
    定する振動周波数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。
  4. 【請求項４】 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直流電位測定手
    段と、前記交流電圧が、正側に振れた時の静電力値を測
    定する前記静電力検出手段からの、又は、負側に振れた
    時の静電力値を測定する前記静電力検出手段からの、又
    は、前記交流電圧が、正側に振れた時の静電力値と負側
    に振れた時の静電力値との和を測定する前記静電力検出
    手段からの帰還信号を周波数帯域により分離する分離手
    段を有して分離された一部の周波数帯域の帰還信号によ
    り前記交流電圧の振幅を制御する振幅制御手段と、前記
    交流電圧の電位を測定する交流電位測定手段と、前記交
    流電位測定手段の測定値から前記測定対象物の表面形状
    の前記一部の周波数帯域に対応した空間周波数成分を測
    定する第１の空間周波数成分測定手段と、前記分離手段
    により分離された前記交流電圧の振幅を制御する前記一
    部の周波数帯域の信号を除く帰還信号により前記測定対
    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
    を有する距離制御手段と、前記アクチュエータの変位量
    を測定する変位測定手段と、前記変位測定手段の測定値
    から前記測定対象物の表面形状の前記一部の周波数帯域
    以外の周波数帯域に対応した空間周波数成分を測定する
    第２の空間周波数成分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。
  5. 【請求項５】 加振装置により加振される片持ち梁の先
    端に保持された探針と、静電力に応じて変化するこの探
    針の振動振幅を検出する変位検出器による静電力検出手
    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
    する直流電位測定手段と、前記交流電圧が、正側に振れ
    た時の静電力値を測定する前記静電力検出手段からの、
    又は、負側に振れた時の静電力値を測定する前記静電力
    検出手段からの、又は、前記交流電圧が、正側に振れた
    時の静電力値と負側に振れた時の静電力値との和を測定
    する前記静電力検出手段からの帰還信号を周波数帯域に
    より分離する分離手段を有して分離された一部の周波数
    帯域の帰還信号により前記加振装置による振動振幅を制
    御する振幅制御手段と、この振動振幅を測定する振動振
    幅測定手段と、前記振動振幅測定手段の測定値から前記
    測定対象物の表面形状の前記一部の周波数帯域に対応し
    た空間周波数成分を測定する第１の空間周波数成分測定
    手段と、前記分離手段により分離された前記加振装置に
    よる振動振幅を制御する前記一部の周波数帯域の信号を
    除く帰還信号により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有する距離制御手段
    と、前記アクチュエータの変位量を測定する変位測定手
    段と、前記変位測定手段の測定値から前記測定対象物の
    表面形状の前記一部の周波数帯域以外の周波数帯域に対
    応した空間周波数成分を測定する第２の空間周波数成分
    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。
  6. 【請求項６】 加振装置により加振される片持ち梁の先
    端に保持された探針と、静電力に応じて変化するこの探
    針の振動振幅を検出する変位検出器による静電力検出手
    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
    する直流電位測定手段と、前記交流電圧が、正側に振れ
    た時の静電力値を測定する前記静電力検出手段からの、
    又は、負側に振れた時の静電力値を測定する前記静電力
    検出手段からの、又は、前記交流電圧が、正側に振れた
    時の静電力値と負側に振れた時の静電力値との和を測定
    する前記静電力検出手段からの帰還信号を周波数帯域に
    より分離する分離手段を有して分離された一部の周波数
    帯域の帰還信号により前記加振装置による振動周波数を
    制御する周波数制御手段と、この振動周波数を測定する
    振動周波数測定手段と、前記振動周波数測定手段の測定
    値から前記測定対象物の表面形状の前記一部の周波数帯
    域に対応した空間周波数成分を測定する第１の空間周波
    数成分測定手段と、前記分離手段により分離された前記
    加振装置による振動周波数を制御する前記一部の周波数
    帯域の信号を除く帰還信号により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有する距
    離制御手段と、前記アクチュエータの変位量を測定する
    変位測定手段と、前記変位測定手段の測定値から前記測
    定対象物の表面形状の前記一部の周波数帯域以外の周波
    数帯域に対応した空間周波数成分を測定する第２の空間
    周波数成分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。
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