JPH05312873A - Surface potential and shape measuring apparatus - Google Patents

Surface potential and shape measuring apparatus

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JPH05312873A
JPH05312873A JP4120359A JP12035992A JPH05312873A JP H05312873 A JPH05312873 A JP H05312873A JP 4120359 A JP4120359 A JP 4120359A JP 12035992 A JP12035992 A JP 12035992A JP H05312873 A JPH05312873 A JP H05312873A
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probe
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electrostatic force
potential
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Junichi Takahashi
淳一 高橋
Hiroyuki Horiguchi
浩幸 堀口
Motomi Ozaki
元美 尾崎
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Abstract

PURPOSE:To enable the measurement of surface potential and shape with high accuracy and high responsiveness by controlling the amplitude of alternating voltage in such a way that electrostatic force at the time of alternating voltage superimposed on d.c. voltage being deflected to the positive side or the negative side or the sum of the electrostatic force is constant. CONSTITUTION:Alternating voltage V8 is applied to an exciting device PZT7 so as to detect (12) electrostatic force Fs acting between a probe 3 and the surface potential Vs of a measured object 2. The output V obtained by adding (31) the electrostatic force Fs is compared (32) with the reference value V13, and a high band component signal WM is separated (34) from the output V15 obtained by integrating the output V obtained by comparison and fed back as a control signal to the voltage source 17 for generating alternating voltage V4. The amplitude of the voltage V4 is controlled in such a way that the electrostatic force Fs at the time of the voltage V4 being deflected to the positive side or the negative side or the sum of two electrostatic force Fs is constant, and in this state, the voltage V4 is added (18) to d.c. voltage V9 and amplified (19) to output voltage V6. Accordingly, the tip voltage of the probe 3 also becomes the corresponding potential so as to enable simultaneous and independent measurement even if the fluctuation of the surface potential Vs and the fluctuation of distance caused by the irregular surface are generated simultaneously.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface potential and shape measuring instrument used for measuring the potential distribution on the surface of a photosensitive drum in an electrophotographic apparatus, measuring the toner shape or toner charge distribution, or picking up an electrostatic memory. Regarding

【0002】[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。
2. Description of the Related Art Generally, a printed image in an electrophotographic process is based on an electrostatic latent image formed on a photoconductor. Therefore, in the electrophotographic method, it is important to know the state of the electrostatic latent image in order to evaluate and analyze the printing process such as charging, exposure, and development, and the photoconductor.

【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。
Since static electricity has a high voltage but a small amount of charge, static electricity leaks through the voltmeter when the electrostatic potential is measured by a general contact electrometer. Causes measurement problems. Therefore, it is said that a non-contact type electrometer, that is, a surface electrometer is suitable for measuring the electrostatic potential.

【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。
In consideration of these points, an electrostatic latent image measuring device capable of directly measuring an electrostatic latent image formed on a photoconductor is an electrophotographic society journal, Vol. 30, No. 2 (1991). ), "High-resolution measurement of electrostatic latent image on photoconductor" (p.
123-130) (referred to as the first conventional example). This is a so-called DC amplification type, in which the measuring electrode is brought close to the object to be measured (photoreceptor), the electric charges induced in the measuring electrode at that time are converted into a voltage by the measuring capacitor, and an amplifier with a high input impedance is used. It is designed to be amplified by.

【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。
Here, the probe for measuring the sample surface potential is determined by the distance between the tip of the probe and the sample surface.
It causes a large error in the measurement result. Therefore, in such a surface potential measuring device, the one in which the distance between the sample surface and the probe is kept constant is disclosed in, for example, the document “TECHNICAL DIGEST OF THE 9TH SENSORSYMPOS”.
IUM, 1990, pp, 129-132 ', "Image Charge Se"
nsing by Scanning Electrometer ”(referred to as a second conventional example), in which a pair of laser diode and PSD (semiconductor position detector) are provided on both sides of the probe to irradiate the sample surface with laser light. The distance between the probe tip and the sample surface is measured according to the position where the reflected light returns to the PSD, and feedback control is applied to the actuator that moves the entire probe from this measurement result, and the distance between the probe tip and the sample surface is kept constant. It is intended to be.

【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。
However, in the case of the first conventional example, a shield case is required in order to prevent the current from flowing into the measuring capacitor through the stray capacitance, and the probe itself cannot be miniaturized. A device for keeping the distance between the measurement electrode and the photoconductor constant in order to keep the stray capacitance constant (that is, the second conventional method). A gap sensor or a gap controller as in the example is required, and there is a problem that the device becomes large and complicated.

【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。
Therefore, a surface electrometer which facilitates miniaturization and arraying of probes has been proposed by the present applicant as Japanese Patent Application No. 3-316872 (first proposal example). This has means for detecting an electrostatic force generated between the electric charge existing on the surface of the object to be measured and the probe, and the potential of the probe is adjusted so that the electrostatic force becomes zero or almost zero. The surface potential is controlled to be equal, and the potential of the probe at this time is converted to obtain the surface potential measurement result.

【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。
An example of the structure is shown in FIG. First, the substrate 1a
An electric charge Q is present on the surface of the sample 2 which is a measurement object by laminating the photoconductor 1b on the top, and a potential difference (surface potential) V S is generated between the sample 2 and the ground GND. Such a photoreceptor 1b
A conductive probe 3 is provided in close proximity to the surface. The probe 3 is provided with a pair of electrodes 5, 6 with respect to the fixed base 4.
A piezoelectric cantilever having an edge, a PZT 7 in this case, and an electrically conductive cantilever 9 whose one end is fixedly supported via an insulating film 8 is attached to the lower end of the tip. That is, the probe 3 is displaceably supported at the tip end side thereof in a shape of the cantilever 9 as a leaf spring, and the probe 3 and the cantilever 9 are electrically connected. There is. The PZT7 has electrodes 5,
An AC voltage V 8 is applied from the driving power supply 10 via 6, and the PZT 7 is configured to vibrate at the frequency of the AC voltage V 8 . This frequency is assumed to vibrate at the natural vibration frequency f 0 of the mechanical vibration of the cantilever 9.

【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。
On the other hand, a mirror 11 is fixed to the rear surface of the probe 3 of the cantilever 9, and the probe 3 and the photosensitive member 1b are moved through the displacement of the tip of the cantilever 9 using this mirror 11. An optical lever displacement detector 12 is provided as an electrostatic force detecting means for detecting an electrostatic force acting between the surface potential V s and the surface potential V s.
This optical lever displacement detector 12, together with this mirror 11,
A laser diode 13 for irradiating the mirror 11 portion with laser light, and a position detection photodiode (PSD) 1 for receiving reflected light at a position angularly displaced according to the displacement of the mirror 11 portion.
4 and. The output of the PSD 14 is output by the preamplifier 15 as an electric signal V 0 representing vibration.

【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。
Therefore, when an electrostatic force (electrostatic attraction) acts between the tip of the probe 3 and the surface potential V S of the photoconductor 1b, the spring constant of the cantilever 9 is equivalently changed by the force. It has been done. As a result, the resonance point of the cantilever beam 9 is displaced, but since the cantilever beam 9 is forcibly vibrated by the PZT 7 at the natural frequency f 0 of the cantilever beam 9, its vibration amplitude becomes small. Such a decrease in the vibration amplitude is regarded as a decrease in the amount of displacement of the tip of the cantilever 9 and the optical lever method displacement detector 12
Captured by. That is, the displacement detection by the optical lever displacement detector 12 corresponds to the detection of the electrostatic attractive force applied to the probe 3.

【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
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。
Further, a potential control means 16 for variably controlling the potential of the probe 3 based on the output V 0 of the optical lever displacement detector 12 is provided. This potential control means 16
Is a DC voltage V 9 = V S / G 1 set in advance
The adder 18 with a gain of 0 that superimposes the trapezoidal waveform AC voltage V 4 and the output voltage V 5 of the adder 18 are amplified and the output voltage V 6 is applied to the probe 3 (cantilever 9). Power amplifier 19 with gain G 1 and the preamplifier 15
AM demodulator 2 for converting the amplitude of the output V 0 of the DC voltage into the DC voltage V 1
0, sample hold circuits 21 and 22 that sample and hold this DC voltage V 1 at a predetermined timing, and a differential amplifier that takes the difference between the voltages V 21 and V 22 obtained from these sample hold circuits 21 and 22. 23 and an integrator 24 having an inverting integrator configuration for integrating the output voltage V 3 of the differential amplifier 23 and increasing / decreasing the DC voltage V 9 are connected in a loop. Here, the sync signal V 72 from the power source 17 to the sample and hold circuit 22
Is taken out in synchronism with the AC voltage V 4 , and the synchro signal V 71 inverted by the inverter 25 is given to the sample hold circuit 22. Further, a voltmeter 26 serving as a potential measuring means for measuring the value of the DC voltage V 9 is provided.

【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。
However, in the case of the surface electrometer according to the configuration of the first proposed example, the electrostatic force acting between the probe 3 and the surface of the photosensitive member 1b has a high potential difference between the surface potential and the probe 3. When the distance between the probe 3 and the surface of the photoconductor 1b becomes shorter, the surface potential and the surface shape cannot be measured simultaneously and independently. There is inconvenience.

【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。
That is, when measuring the surface potential distribution of a drum-shaped photoconductor for an actual plain paper copying machine (PPC),
While the photoconductor is rotated, the probe is fixed and supported on the apparatus main body side, but the photoconductor generally has a drum center eccentric on the order of 100 μm, or the photoconductor surface shape is not always a mirror surface. No organic photoconductor (O
In the case of (PC), there are pigment particles and unevenness due to scratches caused by cleaning and the like. Therefore,
The distance between the surface of the photoconductor and the probe changes depending on the rotation of the photoconductor. In the case of the first proposed example method, the distance changes even if the surface potential of the photoconductor is uniform. It will be measured as a change in potential. Also,
When the charge distribution on the toner particles is examined, as described above, since the toner usually has an uneven shape, it is necessary to measure the charge distribution and the surface shape at the same time.

【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。
Further, in the case of the second conventional example, if the unevenness of the sample surface is large, the laser beam is scattered and the beam spot diameter incident on the PSD becomes large, which deteriorates the distance measurement accuracy.

【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。
Further, when the sample is a photoconductor for PPC, there is a possibility that the photoconductor senses a laser beam and the charge on the surface of the photoconductor is discharged and disappears. Therefore, from this aspect, even when using a photoconductor or the like as the measurement target,
The surface potential and surface shape (distance) of the surface are controlled accurately without affecting the electric charge on the surface.
It is desired to be able to measure and.

【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。
A surface potential and shape measuring instrument considering such a point has been proposed by the present applicant as Japanese Patent Application No. 4-66871 (second proposal example). In order to measure the potential distribution and shape distribution of the sample surface of the measurement object, a DC bias voltage and an AC voltage superimposed on the DC bias voltage are applied to the conductive probe. The electrostatic attractive force acting between the probe and the sample surface when the AC voltage swings to the positive side with respect to the DC bias voltage and the static attraction acting between the probe and the sample surface when swinging to the negative side. The DC bias is controlled so that it becomes equal to the electromotive force, and the surface potential is measured from this DC bias voltage. On the other hand, the distance between the tip of the probe and the sample surface is controlled so that the sum of these electrostatic attractive forces becomes equal to the reference value. The distance control is performed by an actuator that moves the sample or the probe, and the sample surface shape is measured by measuring the distance at which this actuator operates.

【0017】[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。
Here, in the case of the second proposed example, the actuator in the Z-axis direction is installed on the sample side, but when the sample to be measured is heavy, the Z-axis is mounted on the cantilever side. A shaft actuator will be provided. That is, the Z-axis actuator is provided between the fixed base and the cantilever beam vibrating piezoelectric element.

【0018】この方式の場合、下記のような欠点があ
る。
This method has the following drawbacks.

【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。
A. First, the method of measuring the vibration of the cantilever beam by an optical method has high accuracy, so it can be said that it is the best method when importance is attached to accuracy. However, when measuring the vibration of the cantilever beam by an optical method, if the cantilever beam is moved up and down according to the unevenness of the sample surface, the laser beam for vibration measurement will not hit the mirror of the beam or the position where it hits. Will be deviated, and the measurement accuracy will decrease. Also, moving the entire optical system by the Z-axis actuator is
Considering the weight, it is extremely difficult.

【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。
B. As a method to avoid this, instead of an optical method, a cantilever with a piezoresistive element,
By measuring the vibration of the cantilever beam by changing the resistance value of the piezoresistive element, there is a device in which an optical system is unnecessary and a Z-axis actuator is attached to the root portion of the cantilever beam.

【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。
However, the piezoresistive element method also has the following drawbacks.

【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。
A. The Z-axis actuator usually uses a combination of two actuators, one for coarse movement and one for fine movement,
For fine movement, a piezoelectric element such as PZT is generally used. However, although PZT is relatively excellent in the linearity between the applied voltage and the distance displacement, it has a hysteresis characteristic and has a problem in measurement accuracy.

【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。
B. Further, the PZT for fine movement is required to have a displacement of about 10 μm. Therefore, the laminated PZT is used. However, since the actuator having such a structure is heavier than the vibration PZT, the actuator is mounted on the fixed base, and the vibration PZT and the cantilever are arranged in this order. In other words, the PZT for fine movement is the P for vibration
It will move the ZT and the cantilever. Also, for fine movement P
ZT is displaced following the unevenness on the sample surface. Therefore,
If there are sharp protrusions or depressions on the surface, the fine-movement PZT will abruptly displace / move the cantilever. here,
The frequency component of such displacement often includes the resonance frequency component of the cantilever. Accordingly, this causes ringing (a phenomenon in which the cantilever resonates while being attenuated) vibration. At this time, since the cantilever is originally vibrated by the vibrating PZT in the vicinity of the resonance point, such ringing vibration is mixed into the cantilever vibration and the measurement accuracy is deteriorated.

【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。
C. Since PZT is an electrically capacitive load, it has poor responsiveness at a frequency of more than 10 kHz due to charge and discharge of the capacity. Further, in driving at a frequency higher than this, the current or the PZT itself is damaged due to the loss due to the capacitive current. Therefore, when measuring the surface shape of the sample, it is not possible to keep the distance between the sample surface and the probe at the tip of the cantilever constant by following the unevenness of the surface that may appear at a frequency higher than this. As a result, the measurement accuracy in this frequency band deteriorates.

【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。
Therefore, there is a demand for a surface potential and shape measuring instrument which solves such a problem and has both high measurement accuracy and high response speed.

【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。
By the way, in some samples for measuring the surface potential or shape, there is a waviness of about 100 μm on the sample surface. In this case, during measurement, the sample surface fluctuates with an amplitude of about 100 μm at a repetition period of about several Hz. On the other hand, the height and width of the sample surface are several to several tens of μ.
There is a concave and convex shape of about m, which causes an up and down with an amplitude of several to several tens of μm at a repetition frequency of several kHz or more.

【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。
In this respect, according to the second proposed example, the feedback signal to the actuator is separated by the frequency band with respect to such two types of distance variation between the sample surface and the probe, and each frequency component is divided into frequency components. I am trying to control a suitable actuator. More specifically, a voice coil is used for large low frequency displacement, and PZT is used for small high frequency displacement. However, in this system, since the PZT fine movement actuator is used, there are some drawbacks as described above.

【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。
Therefore, it is desired that the surface potential or shape of a measuring object having a large undulation can be measured during measurement without lowering the measurement accuracy and resolution.

【0029】[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。
According to a first aspect of the present invention, a conductive probe is provided to face an object to be measured, and a static force acting between the probe and the surface potential of the object is measured. An electrostatic force detecting means for detecting electric power is provided, and an electrostatic force when the alternating voltage is swung to the positive side and an electrostatic force when the alternating voltage is swung to the negative side by superposing the alternating voltage on the direct current voltage with respect to the probe. A potential control unit that varies the DC voltage so as to be equal is provided, and a DC potential measurement unit that measures the potential of the DC voltage of the probe and an electrostatic force when the AC voltage swings to the positive side are constant. Or, the electrostatic force when swinging to the negative side becomes constant,
Alternatively, an amplitude control means for controlling the amplitude of the AC voltage is provided so that the sum of the electrostatic force when swung to the positive side and the electrostatic force when swung to the negative side is constant, and the potential of the AC voltage is set. An AC potential measuring means for measuring was provided.

【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。
According to the second aspect of the present invention, a probe held at the tip of the cantilever vibrated by the vibrating device is provided, and the displacement for detecting the vibration amplitude of the probe which changes according to the electrostatic force is provided. An electrostatic force detecting means by a detector is provided, and the electrostatic force when the AC voltage is swung to the positive side and the electrostatic force when the AC voltage is swung to the negative side are equal to each other by superposing the AC voltage on the DC voltage with respect to the probe. To provide a potential control means for varying the DC voltage,
A DC potential measuring means for measuring the potential of the DC voltage of the probe is provided, and the AC voltage has a constant amplitude of the probe when swung to the positive side, or the above when swung to the negative side. Vibration by the vibrating device such that the amplitude of the probe becomes constant, or the sum of the amplitude of the probe when swung to the positive side and the amplitude of the probe when swung to the negative side becomes constant. An amplitude control means for controlling the amplitude is provided, and a vibration amplitude measuring means for measuring the vibration amplitude is provided.

【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。
According to a third aspect of the present invention, instead of the amplitude control means and the vibration amplitude measuring means in the second aspect of the invention, frequency control means for controlling the vibration frequency by the vibrating device and this vibration frequency are measured. A vibration frequency measuring means is provided.

【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
に制御するため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
た。
In the invention described in claim 4, as in the invention described in claim 1, the probe, the electrostatic force detection means, the potential control means and the DC potential measurement means are provided, and the AC voltage is swung to the positive side. Static force is constant, or the electrostatic force when it swings to the negative side is constant, or the sum of the electrostatic force when it swings to the positive side and the electrostatic force when it swings to the negative side is constant. And a separating means for separating the feedback signal for controlling so that the amplitude of the AC voltage is controlled by the feedback signal of a part of the separated frequency band. A distance control means having an actuator for controlling the distance between the object to be measured and the probe by a feedback signal excluding the signal in the part of the frequency band for controlling the amplitude of the AC voltage separated by Of the actuator It provided a displacement measuring means for measuring a position quantity.

【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制御するための帰
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た。
According to the fifth aspect of the invention, similarly to the second aspect of the invention, the probe, the electrostatic force detecting means, the potential control means and the direct current potential measuring means are provided, and the alternating voltage is swung to the positive side. When the amplitude of the probe becomes constant, or when it swings to the negative side, the amplitude of the probe becomes constant, or when it swings to the positive side and when it swings to the negative side Of the vibrating device by a feedback signal of a partial frequency band separated by a separating means for separating a feedback signal by a frequency band for controlling so that the sum with the amplitude of the probe becomes constant. An amplitude control means for controlling the vibration amplitude is provided, a vibration amplitude measuring means for measuring the vibration amplitude is provided, and a signal in the partial frequency band for controlling the vibration amplitude by the vibrating device separated by the separating means is provided. Except for the return signal, the measurement object The distance control means having an actuator for controlling the distance between the probe provided, provided with displacement measuring means for measuring the displacement amount of the actuator.

【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、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制御するための帰
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
設けた。
According to the sixth aspect of the invention, similarly to the third aspect of the invention, a probe, an electrostatic force detecting means, a potential control means and a DC potential measuring means are provided, and the AC voltage swings to the positive side. When the amplitude of the probe becomes constant, or when it swings to the negative side, the amplitude of the probe becomes constant, or when it swings to the positive side and when it swings to the negative side Of the vibrating device by a feedback signal of a partial frequency band separated by a separating means for separating a feedback signal by a frequency band for controlling so that the sum with the amplitude of the probe becomes constant. Provided with frequency control means for controlling the vibration frequency,
Provided with a vibration frequency measuring means for measuring this vibration frequency,
Distance having an actuator for controlling the distance between the object to be measured and the probe by a feedback signal excluding the signal in the part of the frequency band for controlling the vibration frequency by the vibrating device separated by the separating means Provided with control means,
Displacement measuring means for measuring the amount of displacement of the actuator is provided.

【0035】[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。
According to the first, second and third aspects of the invention, since the vibration of the probe support member forming a part of the electrostatic force detecting means is measured, it is possible to perform measurement using an optical measuring method with high measurement accuracy. Becomes In addition, since it is not necessary to use a Z-axis actuator such as PZT, the measurement accuracy does not deteriorate due to its hysteresis characteristics and ringing of the probe support member due to the displacement of PZT. Furthermore, PZT, which is a capacitive load
Since it is not used, the measurement of the surface shape in the high frequency band can be sufficiently followed.

【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。
In addition, according to the present invention as defined in claims 4, 5 and 6, the potential of the AC voltage applied to the probe and the cantilever are used even in the measurement of the surface potential or the shape of the measuring object having a large undulation. It is possible to measure the surface shape using a simple proportional expression from the change in the vibration amplitude or the vibration frequency of the cantilever. That is, according to the first, second and third aspects of the present invention, since the amplitude variation value is not in a linear relationship with the distance between the surface of the object to be measured and the tip of the probe, the change in the parameter of the feedback signal for feedback is changed. It is not possible to obtain the distance variation in a linear form from the minutes, and when applying it to the measurement of the potential and shape of the surface of the measurement object with a large undulation of about 100 μm, it is necessary to obtain the distance variation using a complicated conversion formula. , This process becomes easy. Further, the measurement resolution decreases as the distance between the tip of the probe and the surface of the measuring object decreases, but regarding this point as well, the tip of the probe and the surface of the measuring object are brought close to each other by actuator control, and a substantially constant distance is obtained. Can be maintained and the measurement resolution does not decrease.

【0037】[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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the invention described in claims 1 and 4 is shown in FIG.
Or, it demonstrates based on FIG. The same parts as those shown in FIG. 9 are designated by the same reference numerals. That is, basically, the probe 3 for the sample 2, the optical lever displacement detector 12 serving as the electrostatic force detecting means, the potential control means 16, and the electrometer 26 serving as the DC potential measuring means are used as they are in this embodiment. There is. However, the natural vibration frequency f 0 of mechanical vibration related to the PZT 7 is a resonance point when the cantilever 9 receives no force other than the force excited by the PZT 7. Further, the probe 3 is held at the tip of a cantilever 9 supported by a voice coil 27 as a coarse actuator and a PZT 28 as a fine actuator with respect to the fixed base 4. The sample 2 side is held on the X and Y axis actuators 29.

【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。
Surface potential V S of the tip of the probe 3 and the photosensitive member 1b
When the electrostatic force (electrostatic attractive force) due to the potential difference V between and acts, the spring constant of the cantilever 9 changes equivalently. As a result, the mechanical resonance point of the cantilever beam 9 is displaced, so that the vibration amplitude of the forced vibration due to the frequency of the AC voltage V 8 is reduced.

【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 Walls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。
Now, the resonance frequency f 0 (resonance angular frequency ω
The vibration amplitude of the tip of the cantilever 9 when the cantilever 9 is vibrated in 0 ) and no external force such as electrostatic attraction acts on the cantilever 9 is A 0 . If x is the average distance between the tip of the probe 3 and the surface of the sample 2 (distance between the vibration center of the tip of the probe 3 and the surface of the sample 2), some physical force (electrostatic force, magnetic force or van der The change ΔA of the vibration amplitude of the cantilever beam 9 when F is applied to the tip of the probe 3 is approximately ΔA = a · A 0 · ∂F / ∂x ……………… ……………………… It is represented by (1). However, a is a proportional constant.

【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。
In order to simplify the explanation, as schematically shown in FIG. 2, the tip of the probe 3 is considered to be a flat plate having an area S and faces the surface of the sample 2 in parallel. And In addition, the distance between the tip of the probe 3 and the surface of the sample 2 is x,
The potential difference between the two is V. Then, the force F acting between them
Is expressed by F = (b / 2) · V 2 / x 2 ………………………… (2). However, b is a proportional constant.

【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・V2/x3 ……………………(5) となる。
From the equation (2), ∂F / ∂x = −b · V 2 / x 3 ………………………… (3) is obtained. Therefore, the change ΔA caused by the electrostatic force F
From equations (1) and (3), ΔA = −a · b · V 2 / x 3 ………………………… (4). The vibration amplitude A at this time is A = A 0 + ΔA = A 0 −a · b · V 2 / x 3 ……………… (5).

【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。
Such a decrease in vibration amplitude is caused by the cantilever beam 9.
It is captured by the optical lever displacement detector 12 as a decrease in the displacement of the tip. That is, the detection of the change in the displacement amount by the optical lever displacement detector 12 corresponds to the detection of the electrostatic attractive force applied to the probe 3.

【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である。
Here, the output V 0 of the optical lever displacement detector 12, and thus the preamplifier 15, becomes a voltage representing the vibration of the cantilever 9. Further, since the voltage V 1 is obtained by converting the amplitude of the voltage V 0 into a DC voltage, the voltage value is V 1 = c · A = c · A 0 −d · V 2 / x 3 ... …………… It is expressed as (6). However, both c and d are proportional constants, and d = a · b.

【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。Now, c · A 0 = v 0 ………………………………………… (7) dV 2 / x 3 = Δv ………………………… …………………… (8), the voltage V 1 is expressed by V 1 = v 0 −Δv ………………………………………… (9) ..

【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
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。
In addition, in the present embodiment, in addition to the configuration similar to the first and second proposed examples, an adder 31 for adding outputs V 21 and V 22 from the sample hold circuits 21 and 22 is provided,
A differential amplifier 32 for comparing the output V 10 from the adder 31 with a preset reference voltage (reference value) V 13 is provided. An integrator 33 that integrates the output V 14 of the differential amplifier 32 is provided. A bandpass filter 34 is provided as a separating means for separating the output V 15 of the integrator 33 according to the frequency band. The bandpass filter 34 serves to separate the output V 15 higher-band component signal V H, the middle band component signal V M, the third signal of the low-band component signal V L. Of these separated signals, the high band component signal V H is the voltage source 1 for generating the alternating voltage V 4.
7 is fed back as an amplitude control signal, the middle band component signal V M is fed back as a control signal to the PZT 28 through the power amplifier 35, and the low band component signal V L is fed through the power amplifier 36 to the coarse actuator. That is, it is fed back to the voice coil 27. Therefore, the feedback system of the high band component signal V H constitutes the amplitude control means 37 for controlling the amplitude of the AC voltage V 4 , and this output line serves as an AC potential measuring means for measuring the AC potential. A voltmeter 38 is connected. Further, the feedback system of the middle band component signal V M and the low band component signal V L constitutes the distance control means 39, and voltmeters 40 and 41 serving as displacement measuring means are connected to the respective output lines. ing.

【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
8 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
p 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。
In such a structure, as shown in FIGS.
The measurement operation of the surface potential V S and the surface shape will be described with reference to the timing waveform diagram shown in FIG. First, for PZT7, see FIG.
An alternating voltage V 8 is applied as shown in FIG.
The trapezoidal waveform AC voltage V 4 shown in (b) is set to a frequency (preferably 1/10 or less) lower than the cycle of the AC voltage V 8 and input to one input terminal of the adder 18. In addition, as shown in FIG. 7C, the voltage Vb becomes V b / G 1.
It is assumed that 9 is input to the other input terminal of the adder 18. Then, the output voltage V 5 of the adder 18 is shown in FIG.
Further, the output voltage V 6 amplified by the power amplifier 19 having the gain G 1 is as shown in FIG. That is, mainly the DC voltage V b V b -V p from V b +
Voltage swings between V p, i.e., the voltage waveform of the AC voltage V 4 obtained by superimposing an AC voltage 1 times G into a DC voltage V b. Therefore, the tip potential of the probe 3 also becomes a potential corresponding to this output voltage V 6 .

【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
0 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。
Now, the surface potential V S of the photosensitive member 1b
Is V S = V Sa and the voltage V b is V b = V Sa. Further, the amplitude of the AC voltage V 4 of the voltage source 17 is also controlled by the high band component signal V H , and it is assumed that V p = V pa . Then, at time t 1 , the voltage V 6 changes to the voltage V Sa.
It becomes larger by V pa and becomes smaller by V pa at time t 2 . Therefore, the tip of the probe 3 in the times t 1, t 2, since there is a potential difference of V pa between the surface potential V Sa, as shown in FIG. (F), each F 1a, F 2a becomes static Receive power F S. This is equivalent to the change in the spring constant of the cantilever 9 as described above, and the vibration amplitude of the cantilever 9, and thus the probe 3, is reduced. Therefore, the amplitude signal V 0 obtained through the optical lever displacement detector 12 becomes small as shown in FIG. Note that time t
At 3 , V 6 = V Sa, which is the same potential,
The probe 3 does not receive the electrostatic attractive force F S , and the amplitude of the amplitude signal V 0 also increases.

【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
変換される。ここに、時刻t1における電圧V11aと時刻
2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。
Such an amplitude signal V 0 is sent to the AM demodulator 20.
Is demodulated and converted into a DC voltage V 1 as shown in FIG. Here, the voltage V 11a at time t 1 is equal to the voltage V 12a at time t 2 . This is time t
This is because the respective absolute values of the difference between the voltage V 6 at 1 and t 2 and the voltage V Sa are equal, and the values of the electrostatic attractive forces F 1 and F 2 acting at the times t 1 and t 2 are equal. ..

【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。
That is, when x = x a , the potential difference between the probe 3 and the surface of the sample 2 with reference to the surface potential of the sample 2 at time t 1 is V pa , and the potential difference at time t 2 is −V.
pa . Therefore, the force F acting at the times t 1 and t 2
1a and F 2a are respectively F 1a = (b / 2) · V pa 2 / x a 2 …………………… (10) F 2a = (b / 2) (− V pa ) 2 / x a 2 ……………………… (11).

【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。
[0050] Therefore, the voltage V 11a, V 12a is (6) from each V 11a = c · A 0 -d · V pa 2 / x a 3 = v 0 -Δv 11a ............... (12 ) becomes V 12a = c · a 0 -d · (-V pa) 2 / x a 3 = v 0 -Δv 12a ...... (13). However, Δv 11a = d · V pa 2 / x a 3 ………………………… (14) Δv 12a = d (−V pa ) 2 / x a 3 …………………… ……… (15)

【0051】ここに、 Δv11a =Δv12a …………………………………………(16) であるので、 V11a =V12a …………………………………………(17) となる。Here, since Δv 11a = Δv 12a …………………………………… (16), V 11a = V 12a …………………………………… …………… It becomes (17).

【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)。
From the power source 17, the AC voltage V 4
The synchronized signal V 72 as shown in FIG. 7 (j) synchronized with the above is taken out, and the sampling time of the sample hold circuit 22 is determined. Similarly, as shown in (i) of the same figure, a synchro signal V 71 is generated by inverting this synchro signal V 72, and the sampling time of the sample hold circuit 21 is determined. In this example, since the sample-hold circuits 21 and 22 are configured to sample at the rising edges of the sync signals V 71 and V 72 , the sample-hold circuit 21 changes the value of the DC voltage V 1 at time t 1 to V 1. When 21 = V 11a , the sample hold circuit 22 samples and holds the value of the DC voltage V 1 at time t 2 as V 22 = V 12a (see (k) (l) in the same figure).

【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。
These voltages V 21 and V 22 are applied to the differential amplifier 23.
Is input to, the difference is taken, and output as V 3 . Since V 21a = V 12a and V 21 = V 22 as described above, V 3 = V 22 −V 21 = 0 as shown in FIG.
Becomes The output V 3 of the differential amplifier 23 is input to the integrator 24, but since V 3 = 0, the value of the DC voltage V 9 that is the output of the integrator 24 changes at the original V Sa / G 1 . No, therefore, the DC voltage V 6 of the voltage V 6 applied to the probe 3
The value of b also does not change.

【0054】このように感光体1bの表面電位VS が、
S =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。
Thus, the surface potential V S of the photosensitive member 1b is
Unless change from V S = V Sa, the DC voltage V b of the voltage V 6 tip potential of the probe 3 is also shown in FIG. 3 (e) also maintains the voltage V Sa. Therefore, the surface potential V S is obtained as V S = V Sa by reading the DC voltage V 9 with the voltmeter 26 and multiplying the gain G 1 of the power amplifier 19.

【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
p =Vpaと設定しておく。
On the other hand, these voltages V 21 and V 22 are added to the adder 3
The voltage V 10 added by 1 is compared with the reference voltage V 13 in the differential amplifier 32. The value of this reference voltage V 13 is determined by the probe 3
Is preset to a value equal to the output of the voltage V 10 when the average distance x between the tip of the and the surface of the photoconductor 1b becomes the desired distance x a . Further, the voltage V p at this time is set as V p = V pa .

【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。That is, the voltage V 10 at this time is V 10 = V 21 + V 22 = V 11a + V 12a = 2 (c · A 0 −d · V pa 2 / x a 3 ) ... 18)

【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。Therefore, the reference voltage V 13 is also set as V 13 = V 10 = 2 (c · A 0 −d · V pa 2 / x a 3 ) ... (19).

【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
13になっていたとする。すると、この時の電圧V14
14=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
a 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。
[0058] Now, the tentatively average distance x is a desired value (x = x a), equal value V 10a is the reference voltage V 13 of the voltage V 10 at this time, i.e., V 10a = V 11a + V 12a =
Suppose it was V 13 . Then, the voltage V 14 at this time is V 14 = 0, and the integrated output V 15 does not change. Therefore, the signals V L , V H , and V M obtained by separating the output V 15 by the bandpass filter 34 in the frequency band do not change. Therefore, the signals V L and V M remain the voltages V La and V Ma required to maintain the distance x at the desired value x a , respectively, and the signal V H is the amplitude of the AC signal of the voltage source 17 that is V a.
The voltage V Ha required to maintain the voltage at 4a is maintained. Therefore, the voice coil 27 for coarse and fine movements, the PZT
28 shows no displacement, and the amplitude of the alternating voltage by the voltage source 17 also shows no change.

【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。
Next, consider a case where the sample 2 is moved in the X-axis or Y-axis direction by the X, Y-axis actuator 29 and the position of the sample surface immediately below the probe 3 is moved. Here, due to such movement, the surface potential V S of the photoconductor 1b does not change from the state shown in FIG. 3 and remains V S = V Sa , and the surface of the photoconductor 1b has the height Δx. only the distance x between the probe 3, the photosensitive member 1b by the presence of the projections is decreased only Δx minute (approach), and shall become x = x b = x a -Δx , with reference to FIG. 4 and the measurement sequence Explain.

【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。
However, in order to facilitate the explanation of the operation, Δx
The change in distance is included only in the high frequency component in the frequency band. Therefore, it is assumed that the signal V H changes but the signals V M and V L do not change.

【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。
First, when the surface of the photosensitive member 1b and the tip of the probe 3 come close to each other, the value of x in the equation (2) becomes small, so that the force F
Grows. That is, F 1b = (b / 2) · V pa 2 / x b 2 = (b / 2) · V pa 2 / (x a −Δx) 2 > (b / 2) · V pa 2 / x a 2 = F 1a …………………… (20) F 2b = (b / 2) (− V pa ) 2 / x b 2 = (b / 2) (− V pa ) 2 / (x a −Δx ) 2 > (b / 2) (− V pa ) 2 / x a 2 = F 2a …………………… (21).

【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。
As a result, the vibration amplitude A also becomes small, and the voltages V 11b and V 12b representing this amplitude are respectively V 11b = cA 0 -dV p 2 / x 3 = cA 0 -d V pa 2 / x b 3 = c · A 0 −d · V pa 2 / (x a −Δx) 3 <c · A 0 −d · V pa 2 / x a 3 = V 11 a ……………… (22) V 12b = c · A 0 -d (-V p) 2 / x 3 = c · A 0 -d (-V pa) 2 / x b 3 = c · A 0 -d (-V pa) 2 / (x a −Δx) 3 <c · A 0 −d (−V pa ) 2 / x a 3 = V 12 a ………… (23).

【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。Further, since V pa 2 = (-V pa ) 2 …………………………………… (24), from the equations (22) and (23), V 11b = V 12b …………………………………………………… (25).

【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
12bとなる。よって、(25)式より、V3 =V22−V21
=0となる。
Here, V 21 is the voltage V 1 at time t 1 .
, V 11b and V 22 holds the voltage V 12b at time t 2, so V 21 = V 11b , V 22 =
It becomes V 12b . Therefore, from the equation (25), V 3 = V 22 −V 21
= 0.

【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
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。
That is, V 11b and V 12b are V 11b <V 11a ………………………………………… (26) V 12b <V 12a …………………… Although it is (27), since V 11b = V 12b as shown in the equation (25), V 3 = 0. Therefore, the voltage V 9 obtained by integrating the voltage V 3 does not change, and the DC bias voltage V 6 of the voltage V 6 does not change.
b does not change from the state shown in FIG. Therefore, the voltage V
Reference numeral 9 represents the surface potential of the photoconductor 1b.

【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。
According to this, the surface potential V S of the photosensitive member 1b is
Does not change as V S = V Sa , even if the distance d between the surface of the photoconductor 1b and the probe 3 becomes small due to the protrusion on the surface, such a variation is not observed in the measurement result of the surface potential. It has no effect, and the correct result with the surface potential of V Sa is obtained. That is, the measurement result of the surface potential becomes insensitive to the variation of the distance d.

【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。
On the other hand, assuming that the value of the voltage V 10 which is the sum of the voltages V 21 and V 22 at this time is V 10b , from the equations (26) and (27), V 10b = V 11b + V 12b <V 11a + V 12a = V 13 (28) and V 14 =-(V 11b + V 12b -V 13 )> 0 (29).

【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。
Here, the integrator 33 is an inverting integrator,
When the voltage V 14 becomes positive, the value of the voltage V 15 becomes smaller. As described above, since it is assumed that this change has a high frequency band, only the value of the signal V H becomes smaller. At this time, the voltage source 17 has its amplitude V p.
There are controlled by the signal V H, it becomes smaller the amplitude V p the signal V H is reduced. As the amplitude V p becomes smaller, the values of V 11b and V 12b become larger from the expressions (22) and (23). Such an operation is continued until V 11b + V 12b = V 13 (30). Therefore, from the change of the signal V H , it is possible to measure the protrusion Δx on the surface of the sample 2, that is, the surface shape. Even when Δx is not a projection but a depression, the polarities are opposite in the above operation, and the same measurement can be performed.

【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。
In particular, as described in the fourth aspect of the invention, the voice coil 27 for coarse and fine movements and the PZT 28 are used to eliminate the distance variation between the surface of the sample 2 and the probe 3 which has a large amplitude at a low frequency. Therefore, when measuring a distance variation of small amplitude at high frequency by the amplitude of the AC component of the voltage applied to the probe 3, a proportional relationship is established between the amplitude variation of the AC component and the distance, which is easy. The surface shape can be measured. here,
Since the amplitude V p of the AC component of the voltage V 6 is controlled by the signal V H , if there is a proportional relationship between V H and V p ,
The value of the protrusion height Δx on the surface can be linearly measured from the measurement result of the voltmeter 38.

【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。
As described above, the X, Y axis actuator 2
By the operation of 9, the surface portion of the sample 2 immediately below the probe 3 moves,
As a result, the potential of the surface of the sample 2 directly below the probe 3 does not change,
Even when the protrusion with the height Δx appears just below the probe 3, the measured value of the surface potential (the measured value of the voltmeter 26) is Δx.
Become insensitive to. At the same time, it is possible to measure only Δx from the value of the signal V H measured by the voltmeter 38.

【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。
Next, the sample 2 is moved in the X-axis or Y-axis direction by the X- and Y-axis actuators 29, and the surface of the sample 2 immediately below the probe 3 is moved, whereby the state shown in FIG. 3 is exposed. Only the surface potential V S of the body 1b changes and V S = V Sc
= V Sa −ΔV S , but the distance x between the surface of the photoconductor 1b and the tip of the probe 3 does not change (x = x a remains, and there is no unevenness on the surface). The measurement sequence will be described with reference to FIG.

【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
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。
Now, the surface potential V S changes from V Sa to V Sc = V Sa
It is assumed that the temperature has changed to −ΔV S. Also, the tip potential V of the probe 3
It is assumed that 6 is the same as the value shown in FIG. Then,
As shown in FIG. 5A, the potential difference between the surface of the photoconductor 1b and the tip of the probe 3 is V pa + ΔV S at time t 1 and time t.
At 2 , V pa −ΔV S. That is, the potential difference at time t 1 becomes larger than the potential difference at time t 2 . Therefore, the electrostatic attractive force F S received by the tip of the probe 3 is also shown in FIG.
As shown in (b), the time t 1 is greater than the value F 2c at the time t 2.
The value F 1c at that time becomes larger.

【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
1 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。
That is, F 1c = (b / 2) (V pa + ΔV S ) 2 / x a 2 > F 1a = F 2a (31) F 2c = (b / 2) (V pa −ΔV S ). Since 2 / x a 2 <F 1a = F 2a (32) and F 1c > F 2c , the values V 11c and V 12c of the voltage V 1 at the times t 1 and t 2 are respectively V 11c. = C · A 0 −d (V p + ΔV S ) 2 / x a 3 <V 11a = V 12a ……………………………… (33) V 12c = c · A 0 -d ( V p -ΔV S) 2 / x a 3> V 12a = V 11a ....................................... becomes (34). Therefore, the result of V 11c <V 12c ……………………………… (35) is obtained.

【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
22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
Sa/G1 から減少されていく。
As a result, as described above, the sample hold voltage V 11c at time t 1 becomes smaller than the sample hold voltage V 12c at time t 2 (see FIG.
(See (d) to (f)). Therefore, the sample hold circuit 2
Between each of the output voltages V 21, V 22 of 1, 22, V 21 <
The relationship of V 22 is established. Therefore, the output V 3 of the differential amplifier 23 becomes a positive voltage as shown in FIG. The voltage V 3 is represented by V 3 = V 3c = V 12c -V 11c = (4d / x a 3) · V p · ΔV S ........................ (36). Here, since the integrator 24 is an inverting integrator,
By integrating this voltage V 3 , the potential of the DC voltage V 9 is reduced from the initial value V Sa / G 1 .

【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
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
S )/G1に既知の値G1 を掛けた値により求められ
る。
As the DC voltage V 9 decreases, the bias voltage V b (center voltage of amplitude) of the AC amplitude of the voltage V 6 with respect to the probe 3 (cantilever 9) also decreases as shown in FIG. When this bias voltage V b becomes V Sa −ΔV S ,
That is, when V b = V Sc , the fluctuation of V b stops.
Then, as in the case of FIG. 3, the voltage V 6 is V b = V Sa
The voltage has an amplitude V pa centered on a direct current voltage ΔV S = V Sc . Since the surface potential of the photoconductor 1b at this time is V Sa −ΔV S , the electrostatic attractive forces F 1d and F 2d received at the times t 1 and t 2 are F 1d = F 1 as shown in FIG. 5 (i). It becomes 2d . As a result, the voltage V 3 becomes V 3 = 0, and the DC voltage V 9 becomes (V Sa
Maintain a voltage of −ΔV S ) / G 1 . At this time, the surface potential of the photoconductor 1b is the value indicated by the voltmeter 26 (V Sa −Δ
It is obtained by multiplying V S ) / G 1 by a known value G 1 .

【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。
When the surface potential of the photoconductor 1b is changed to V Sa + ΔV S , the voltage increase / decrease relationship in the above processing is simply reversed, and the voltage V 9 is similarly changed to the final value. Specifically, V b = V Sa + ΔV S.

【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。
On the other hand, the measurement of the distance between the surface of the photosensitive member 1b and the tip of the probe 3 will be described. In the equations (33) and (34) described above, in the actual measurement, if feedback control to the voltage of the probe 3 is always applied, V pa >> ΔV S ………………………………………… Since (37), V pa 2 >> ΔV S 2 ……………………………… (38) 2V pa · ΔV S >> ΔV S 2 ……………………… …………… (39).

【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。Therefore, from the equations (33) and (34), V 11c = c · A 0 −d (V pa + ΔV S ) 2 / x a 3 = c · A 0 −d (V pa 2 + 2V pa · ΔV S + ΔV S 2 ) / x a 3 ≈c · A 0 −d (V pa 2 + 2V pa · ΔV S ) / x a 3 ………… (40) V 12c = c · A 0 −d (V pa −ΔV S ) 2 / x a 3 = c · A 0 −d (V pa 2 −2V pa · ΔV S + ΔV S 2 ) / x a 3 ≈c · A 0 −d (V pa 2 −2V pa · ΔV S ) / x a 3 ………… (41)

【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。
[0079] At this time, the voltage V 21 at time t 1 the voltage V 21, V 22 is (= V 11c), the voltage at time t 2 V
Since it holds 22 (= V 12c ), FIG.
As shown in (f), V 21 = V 11c and V 22 = V 12c .

【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。
Further, the voltage V 10 is these voltages V 21 and V 22.
V 10 = V 21 + V 22 = V 11c + V 12c = c · A 0 −d (V pa 2 + 2V pa · ΔV S ) / x a 3 + c · A 0 −d (V pa 2 − 2V pa · ΔV S ) / x a 3 = 2c · A 0 -2d · V pa 2 / x a 3 = 2 (c · A 0 −d · V pa 2 / x a 3 ) ……………… ( 42)

【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。
Further, since the reference voltage V 13 is set in advance to the value obtained by the equation (19), the equation (19) and the equation (42) are used.
Even in the state shown in, V 13 = V 10 . Therefore, V 14 is also V
14 = 0. This means that V 15 does not change,
The indicated value of the voltmeter 38, which is the measurement result of the surface unevenness of the sample 2, is not affected by the change in the surface potential V S and does not change. That is, V p = V pa remains unchanged.

【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。
From the above, even when there is no unevenness on the surface of the photoreceptor 1b and only the surface potential changes,
Only the change in the surface potential V S can be measured.

【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
d =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。
Further, the surface potential V S changes from V Sa to V Sd = V
A description will be given of the measurement sequence when Sa- ΔV S and the distance x simultaneously changes from x a to x d = x a −Δx due to the protrusion having the height Δx. In this case, although the timing chart is not shown, only the sequences shown in FIGS. 4 and 5 occur at the same time. Therefore, according to the above description, the surface potential V S and the change in the distance x are independent. It can be measured at the same time.

【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、
Sd=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。
In this case, the values of the voltages V 21 and V 22 are V 11d and V 12d , respectively. In addition, x d = x a −Δx,
It is assumed that V Sd = V Sa −ΔV S and that V p = V pa remains. Then, as in the case of the equations (12) and (13), V 11d = c · A 0 −d (V pa + ΔV S ) 2 / (x a −Δx) 3 ……… (43) V 12d = c · A 0 −d {− (V pa −ΔV S )} 2 / (x a −Δx) 3 (44)

【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、x≫Δxであるので、(xa −Δ
x)3 >0となり、V3 >0となる。
The potential difference V 3 between these voltages V 21 and V 22 is V 3 = V 22 −V 21 = V 12d −V 11d = {d / (x a −Δx) 3 } {(V pa + ΔV S ). 2− (V pa −ΔV S ) 2 } = {4d / (x a −Δx) 3 } · V pa · ΔV S …………………… (4
5) becomes. Here, since x a >> Δx, (x a −Δ
x) 3 > 0 and V 3 > 0.

【0086】よって、図5に示した場合と同様に、電圧
9 は減少していき、Vb =VSdとなり、V22=V21
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。
Therefore, as in the case shown in FIG. 5, the voltage V 9 decreases, V b = V Sd , and V 6 decreases until V 22 = V 21, and finally V 6. V b = V Sd and stabilize. Therefore, from the value of the voltage V 9 to the surface potential V Sd
Can be measured.

【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。
On the other hand, regarding the measurement of the distance, V 10d = V 12d + V 11d = 2c · A 0 -d {(V pa −ΔV S ) 2 + (V pa + ΔV S ) 2 } / (x a −Δx) 3 = 2c · A 0 −d (V pa 2 −2V pa · ΔV S + ΔV S 2 + V pa 2 + 2V pa · ΔV S + ΔV S 2 ) / (x a −Δx) 3 = 2c · A 0 −2d (V pa 2 + ΔV S 2 ) / (x a −Δx) 3 …………………………………… (46). Here, since V pa 2 >> ΔV S 2 , the formula (46) is V 10d = 2c · A 0 -2d · V pa 2 / (x a −Δx) 3 …………………… (47) Becomes

【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
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。
From the equation (19), since V 10d <V 13 ………………………… (48), the voltage V 14 becomes positive and the voltage V 15 becomes small. Become. As a result, the signal V H becomes smaller and the amplitude V p also becomes smaller. This operation is continued until V 10 = V 13 . As for the distance at this time, the protrusion height Δx can be measured from the measurement result of the voltmeter 38, as in the case described with reference to FIG.

【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。
As described above, even if the fluctuation of the surface potential V S and the distance fluctuation due to the surface unevenness occur at the same time, the surface potential and the distance (protrusion height) can be measured separately.

【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。
As a result, the sample 2 is two-dimensionally moved by the X and Y axis actuators 29 and the surface of the sample 2 is raster-scanned by the probe 3 in accordance with the above-described operation. The surface shape distribution can be measured simultaneously and independently.

【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。
Next, one embodiment of the invention described in claims 2 and 5 will be described with reference to FIG. The same parts as those shown in the above-mentioned embodiments are designated by the same reference numerals (the same applies to the following embodiments). In this embodiment, the bandpass filter 34
The signal V H in the highest frequency band separated by
Instead of No. 7, the drive power source 10 for the PZT 7 is fed back and the voltage amplitude (vibration amplitude) of the drive power source 10 is controlled by the signal V H. Specifically, the amplitude of the AC voltage V 8 increases as the signal V H decreases.
A voltmeter 42 serving as a vibration amplitude measuring means for measuring the voltage amplitude is connected to the output line of the signal V H. Other configurations are the same as those in the above-mentioned embodiment.

【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/x30 =e′・Vz …………………………………………(50) となる。
Now, assuming that the amplitude of the AC voltage V 8 is represented by V z , the operation of this embodiment will be described. Also in the case of this embodiment, the equation (1) is established and the vibration amplitude A 0 of the cantilever 9 is P.
It is proportional to the vibration amplitude of ZT7, and the vibration amplitude of PZT7 is proportional to the amplitude V z of the applied voltage thereto. That is, A 0 ∝V z …………………………………………………… (49) is established. Therefore, if e ′ and e ″ are proportional constants,
According to the equations (1), (3) and (49), ΔA = -e ″ · V z · V 2 / x 3 A 0 = e ′ · V z ………………………………………… ( 50).

【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。
Therefore, the amplitude at this time is A = A 0 + ΔA = e ′ · V z −e ″ · V z · V 2 / x 3 (51) where the voltage V 1 is Since it is proportional to the amplitude A, e
If 1 and e 2 are proportionality constants, then V 1 = V z (e 1 −e 2 · V 2 / x 3 ) ... (52)

【0094】ここで、表面電位VS =VSa、Vb
Sa、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。
Here, the surface potentials V S = V Sa , V b =
If V Sa , V = V p = V pa , x = x a , and V z = V za , then V 11a = V 12a = c · A 0 −e · V za · V pa 2 / x a 3 ……… …………… (53). Therefore, since it is V 3 = 0, the value of the voltage V 9 unchanged, V S is also not changed to keep the V b = V Sa.

【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。
By the way, V 13 is set as the value of the voltage V 10 when x = x a . That is, V 13 = 2V za (e 1 −e 2 · V pa 2 / x a 3 ) = 2c · A 0 −2e · V za · V pa 2 / x a 3 …………………… (54 ). Then, as long as x = x a , V 13 = V 10 and V 14 = 0, so that the signal V H does not change as in the case described with reference to FIG.

【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。
[0096] Then, the value of miso changes in the distance x, x = x b = x a -Δx , and the surface potential V S and shall not change. Further, it is assumed that V z = V za is still maintained . Then, V 11b = V 12b = V za {e 1 −e 2 · V pa 2 / (x a −Δx) 3 } (55), so V 3 = 0 and the surface potential V S is measured. The resulting voltage V 9 does not change.

【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。On the other hand, V 10 at this time, that is, V 10b is V 10b = V 11b + V 12b = 2V za {e 1 −e 2 · V pa 2 / (x a −Δx) 3 } <V 13 ... Since (56), the voltage V 15 becomes smaller.

【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。
As a result, the signal V H becomes smaller and the amplitude V z of the driving power supply 10 becomes larger. From equation (56),
As the amplitude Vza increases, the value of V10b also increases. This operation is continued until V 10b = V 11b + V 12b = V 13 . Therefore, from the change of the signal V H , it is possible to measure the protrusion Δx on the surface of the sample 2, that is, the surface shape. Even when Δx is not a projection but a depression, the polarities are opposite in the above operation, and the same measurement can be performed.

【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。
In particular, as described in the fifth aspect of the invention, the voice coil 27 for coarse and fine movements and the PZT 28 are used to eliminate the variation in the distance between the surface of the sample 2 and the probe 3 which has a large amplitude at a low frequency. Therefore, when measuring the distance variation of small amplitude at high frequency by the amplitude variation of the excitation voltage for exciting the probe 3, a proportional relationship is established between the amplitude variation of the excitation voltage and the distance. , The surface shape can be easily measured. Here, since the amplitude V Z of the voltage V 8 is controlled by the signal V H , if there is a proportional relationship between V H and V Z , the height Δx of the protrusion on the surface is determined from the measurement result of the voltmeter 42. The value of can be measured linearly.

【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。
Next, only the surface potential V S is V S = V Sc = V
Consider a case where Sa −ΔV S and x does not change. When V 21 and V 22 at this time are V 11c and V 12c , V 11c = c · A 0 −e (V pa + ΔV S ) 2 · V za / x a 3 ………… (57) V 12c = c · A 0 −e (V pa −ΔV S ) 2 · V za / x a 3 (58) At this time, V 3 is V 3 = V 3c = V 12c −V 11c = 4e (V za / x a 3 ) · V pa · ΔV S > 0 ……………………………………………… It is represented by (59).

【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。
As a result, the value of V 9 decreases, and V 9
It becomes stable when 9 = V Sc / G 1 . Therefore, the surface potential V Sc can be measured by the value of V 9 .

【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。
On the other hand, regarding the measurement of the distance, V 11c ≈c · A 0 −e (V pa 2 + 2V pa · ΔV S ) · V za / x a 3 in the same manner as in the case of the equations (40) and (41). … (60) V 12c ≈ c · A 0 −e (V pa 2 −2V pa · ΔV S ) · V za / x a 3 … (61) V 10 = V 11c + V 12c = 2 (c · A 0 − e · V pa 2 · V za / x a 3 ) …………………………………… (62). Here, since V 10 = V 13 from the equation (54) and the signal V H of the high frequency component does not change, the distance measurement result does not change.

【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。
Then, the surface potential V S changes from V Sa to V Sd = V
The measurement will be described when the distance x changes from Sa to ΔV S and the distance x changes from x a to x d = x a −Δx at the same time due to the protrusion having the height Δx. Here, the values of V 21 and V 22 are V 11d and V 12d , respectively. Also, x d = x a −Δx, V Sd
= V Sa −ΔV S , and V z = V za is still maintained .

【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。Then, V 11d = c · A 0 −e (V pa + ΔV S ) 2 · V za / (x a −Δx) 3 (63) V 12d = c · A 0 −e {-(V pa −ΔV S )} 2 · V za / (x a −Δx) 3 …………………………………… (64), and V 3 = V 22 −V 11 = V 12d −V 11d = {E · V za / (x a −Δx) 3 } {(V pa + ΔV S ) 2 − (V pa −ΔV s ) 2 } = {4 e · V za / (x a −Δx) 3 } · V pa · ΔV S …………… (65)

【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
測定することができる。
Here, since x a >> Δx, (x a −Δ
x) 3> 0 becomes, V 3> 0 the ......................................................... (66). Therefore, as in the case described with reference to FIG.
The value of 9 is decreasing to V b = V Sd and V 22 = V 21
The value of V 6 decreases until it becomes V b = V Sd
Stabilizes at. Therefore, the surface potential V Sd can be measured from the value of the voltage V 9 .

【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。
On the other hand, regarding the distance measurement, when the voltage V 10 at this time is V 10d , V 10 = V 10d = V 12d + V 11d = 2c · A 0 − {e · V za / (x a −Δx ) 3 } {(V pa + ΔV S ) 2 + (V pa −ΔV S ) 2 } = 2c · A 0 − {2e · V za / (x a −Δx) 3 } (V pa 2 + ΔV S 2 ) ... (67)

【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
値は小さくなっていく。これにより、高周波成分の信号
H 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。
From the equations (38) and (67), V 10d = 2c · A 0 − {2e · V za / (x a −Δx) 3 } · V pa 2 (68) From equation (54), V 10d <V 13 ………………………………………………………… (69). Therefore, the value of the voltage V 14 becomes positive and the value of the voltage V 15 becomes smaller. As a result, the high frequency component signal V H becomes smaller and the amplitude V z becomes larger. This operation continues until V 10 = V 13 .

【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。
As described above, the surface potential V S and the sample 2
Even if the surface irregularities change at the same time, each can be measured independently.

【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。
As a result, the above-described operation is performed by moving the sample 2 two-dimensionally by the X and Y axis actuators 29 and raster-scanning the surface of the sample 2 with the probe 3, whereby the surface potential distribution on the surface of the sample 2 and The surface shape distribution can be measured simultaneously and independently.

【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。
Further, an embodiment of the invention described in claims 3 and 6 will be described with reference to FIGS. 7 and 8. The configuration is the same as that of the above-described embodiment, but in the above-described embodiment, the signal V H of the high frequency component frequency-separated by the bandpass filter 34 is set to P
While this is used for controlling the vibration amplitude of the drive power supply 10 for ZT7, in this embodiment, the vibration frequency by the drive power supply 10 is controlled by this signal V H. The frequency of the driving voltage V 8 decreases due to the decrease of the signal V H. Further, a voltmeter 43 serving as a vibration frequency measuring means for measuring the frequency is connected to the output line of the signal V H.

【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。
In this structure, in order to make the operation of this embodiment easy to understand, the frequency of the amplitude V z and the cantilever beam 9 are used.
The relationship with the vibration amplitude of Now, in FIG. 8, the vibration amplitude A and the vibration frequency f (V z in FIG. 7) of the cantilever beam 9 in a state where no force acts between the probe 3 and the surface of the sample 2.
It is assumed that the characteristics of and are shown by. Next, it is assumed that the tip of the probe 3 comes close to the surface of the sample 2 and an electrostatic attractive force acts between the two, and the amplitude A-excitation frequency f characteristic becomes as shown by.

【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。
During this period, if the excitation frequency f is kept fixed at f 0 , the amplitude A shifts from A 0 in the state (0) to the state in (b) and becomes A 0 -ΔA b . ΔA b at this time is represented by ΔA b = −g · V 2 / x 3 ………………………………………… (70), where g is a proportional constant.

【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
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。
Next, from the state of (b), the frequency is changed from f 0 to Δ.
When f is decreased, the amplitude A is increased by ΔA f from the state of (b). Here, if Δf << f 0 , then ΔA f = h · Δf …………………………………… (71). Therefore, the difference ΔA from A 0 at this time is ΔA = ΔA b + ΔA f = −g · V 2 / x 3 + h · Δf (72)

【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。
Therefore, the amplitude A at this time is A = A 0 + ΔA = A 0 −gV 2 / x 3 + hΔf (73) Here, since the voltage V 1 is proportional to the amplitude A,
If i and j are proportionality constants, then V 1 = c · A 0 −i · V 2 / x 3 + j · Δf (74)

【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。
Now, the surface potentials V S = V Sa , V b = V Sa , V
= V p = V pa , x = x a , and Δf = 0, V 11a = V 12a = c · A 0 −i · V pa 2 / x a 3 ………… (75) , V 3 = 0, the value of V 9 does not change, and V b = V Sa is maintained as long as the surface potential V S does not change.

【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、
H,V9とも変化しない。
By the way, when x = x a , the reference voltage V 13 is set to the same value as V 10 when Δf = 0, that is, f = f 0 and V = V p = V pa . That is, V 13 = 2 (c · A 0 −i · V pa 2 / x a 3 ) ……………………………… (76). Also, V S = V Sa = V b , and V 10 = V
If it is 13 , similar to the case described in FIG. 3,
Neither V H nor V 9 changes.

【0117】また、x=xa の時のV10の値に基準電圧
13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。
The value of the reference voltage V 13 is set to the value of V 10 when x = x a . That is, if set as in the expression (76), V 13 = V 10 as long as x = x a , and V H does not change as in the case described with reference to FIG.

【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
9 は変化しない。
Next, it is assumed that the value changes only for the distance x, x = x b = x a −Δx, and the surface potential V S does not change. Further, the excitation frequency f = f 0 (that is, Δf =
It is assumed that it remains 0). Then, V 11b = V 12b = c · A 0 −i · V pa 2 / (x a −Δx) 3 (77), so V 3 = 0 and the measurement result of the surface potential V S. V 9 does not change.

【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。
On the other hand, V 10 at this time, that is, V 10b is V 10b = V 11b + V 12b = 2 {c · A 0 −i · V pa 2 / (x a −Δx) 3 } <V 13 ... Since it becomes (78), the value of V 15 becomes smaller. As a result, the signal V H of the high frequency component becomes small, and the drive power source 10
The frequency f of the voltage V 8 becomes smaller. From Figure 8 (7
In the expression (3), h is h <0. Therefore, when the frequency f decreases, that is, when Δf <0, the amplitude A increases. This operation continues until V 10b = V 11b + V 12b = V 13 .

【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。
In particular, as described in the sixth aspect of the invention, the coarse / fine voice coil 27 and the PZT 28 are used to remove the variation in the distance between the surface of the sample 2 and the probe 3 which has a large amplitude at a low frequency. Therefore, in the case of measuring the distance variation of high amplitude and small amplitude by the frequency variation of the AC component of the voltage applied to the probe 3, a proportional relationship is established between the frequency variation of the excitation voltage and the distance. , The surface shape can be easily measured.

【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。
Δx at this time can be easily known from the change Δf of the frequency f by a proportional expression. That is, if the frequency change Δf is made to be proportional to the signal V H of the high frequency component, the value of Δx can be obtained from the value of this signal V H by the proportional expression.

【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
Sc/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。
Next, only the surface potential V S is V S = V Sc = V
Sa −ΔV S (where ΔV S > 0) and the distance x does not change. V 21 and V 22 at this time are V
11c and V 12c , and the frequency f is equal to the frequency before the surface potential V S changes, that is, Δf = 0. Then, V 11c = c · A 0 −i (V pa + ΔV S ) 2 / x a 3 ……………… (79) V 12c = c · A 0 −i (V pa −ΔV S ) 2 / X a 3 …………………… (80) is established. Therefore, V 3 at this time becomes V 3 = V 3c = V 12c -V 11c = 4i · V pa · ΔV S / x a 3> 0 ........................ (81). As a result, the value of V 9 decreases and V 9 =
It stabilizes at V Sc / G 1 . Therefore, the surface potential V Sc can be measured based on this V 9 .

【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Vは変化しない。よって、距離
の測定結果も変化しない。
On the other hand, the distance is measured in the same manner as the equations (40) and (41) by V 11c ≉cA 0 -i (V pa 2 + 2V paΔV S ) / x a 3 ...... (82 ) V 12c ≈ c · A 0 −i (V pa 2 −2V pa · ΔV S ) / x a 3 ………… (83) V 10 = V 11c + V 12c = 2 {c · A 0 −i · V pa 2 / x a 3 } ………………………… (84). At this time, from the expression (76), V 10 = V 13 , and the high-frequency component signal V H does not change. Therefore, the distance measurement result does not change.

【0124】次に、表面電位V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
d =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
12dとする。また、xd =xa−Δx,VSd=VSa−Δ
S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。
Next, the surface potential V S changes from V Sa to V Sd = V
The measurement will be described when Sa −ΔV S and the distance x simultaneously changes from x a to x d = x a −Δx due to the protrusion having the height Δx. In this case, the values of V 21 and V 22 are respectively V 11d ,
V 12d . In addition, x d = x a −Δx, V Sd = V Sa −Δ
It becomes V S , and Δf remains 0. Then x a
>> By Δx V 11d = c · A 0 −i (V pa + ΔV S ) 2 / (x a −Δx) 3 ………… (85) V 12d = c · A 0 −i {− (V pa −ΔV S )} 2 / (x a −Δx) 3 (86) V 3 = V 22 −V 21 = V 12d −V 11d = {i / (x a −Δx) 3 } {(V pa + ΔV S ) 2− (V pa −ΔV S ) 2 } = {4i / (x a −Δx) 3 } · V pa · ΔV S > 0 ………… (87).

【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。
Therefore, as in the case described with reference to FIG. 5, the voltage V 9 decreases, V b = V Sd , and V 22 = V 21.
V 6 decreases until it becomes, and stabilizes at V b = V Sd . Therefore, the surface potential V Sd can be measured from the value of the voltage V 9 .

【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
なるまで続く。
On the other hand, regarding the measurement of the distance, V 10 = V 10d = V 12d + V 11d = 2c · A 0 − {i / (x a −Δx) 3 } {(V pa −ΔV S ) 2 + (V pa + ΔV S ) 2 } = 2c · A 0 -2 {i / (x a −Δx) 3 } (V pa 2 + ΔV S 2 ) ... (88). From equations (88) and (38), V 10d = 2c · A 0 -2i · V pa 2 / (x a −Δx) 3 ………… (89), and from equation (75), V 10d <V 13 ………………………………………………………… (90). Therefore, V 14 becomes positive and V 15 becomes smaller. As a result, the signal V H of the high frequency component becomes small,
The amplitude V p also becomes smaller. This operation continues until V 10 = V 13 .

【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。
As described above, the surface potential V S and the sample 2
Even if the surface irregularities change at the same time, each can be measured independently.

【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。
As a result, the above-described operation is performed by moving the sample 2 two-dimensionally by the X and Y axis actuators 29 and raster-scanning the surface of the sample 2 with the probe 3. The surface shape distribution can be measured simultaneously and independently.

【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
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。
Although the X and Y axis actuators 29 are provided on the sample 2 side in these embodiments, they may be provided on the base side of the cantilever beam 9 to move the probe 3 side. .. Also, give priority to a feedback control for the surface potential measurement distance control, voltage V 22 (= V 12) in the voltage V 21 (= V 11) and the time t 2 at time t 1 and is, V 11 = V 12 After that, the value of V 11 or V 12 may be sampled and held to generate the signal V 10 that captures the change in the distance x.

【0130】[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。
According to the first, second and third aspects of the present invention, the vibration of the probe support member forming a part of the electrostatic force detecting means is measured by measuring the potential of the amplitude-controlled AC voltage. Since the measurement is performed by measuring the vibration amplitude of the vibration control device with amplitude controlled for the needle, or by measuring the vibration frequency of the vibration control device with frequency controlled for the probe, the optical response is high and the measurement accuracy is high. Can be measured using a dynamic measurement method,
Further, since it is not necessary to use a Z-axis actuator such as PZT, there is no decrease in measurement accuracy due to its hysteresis characteristics, ringing of the probe support member due to displacement of PZT, and the capacitive load. Is PZT
Since it is not used, it is possible to sufficiently follow the measurement of the surface shape in the high frequency band.

【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。
In addition, according to the invention described in claims 4, 5 and 6, the feedback signal is separated by the frequency band and the amplitude, the vibration amplitude or the vibration frequency is controlled by the signal of a part of the frequency band. Since the actuator for controlling the distance is controlled by the signal of the remaining frequency band component, the measurement of the surface potential or the shape of the measuring object having a large undulation at the time of measurement is also preferable.
The surface shape can be measured from a change in the potential of the AC voltage using a simple proportional expression without obtaining the distance fluctuation using a complicated calculation expression as in the described invention. The tip of the needle and the surface of the object to be measured can be brought close to each other and can be maintained at a substantially constant distance, and the measurement resolution does not deteriorate.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing an embodiment of the invention described in claims 1 and 4.

【図2】探針付近を拡大して示す模式図である。FIG. 2 is an enlarged schematic view showing the vicinity of a probe.

【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。
FIG. 3 is a timing waveform chart showing a measurement operation when there is no fluctuation in surface potential and fluctuation in distance.

【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。
FIG. 4 is a timing waveform chart showing the measurement operation when the distance changes.

【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。
FIG. 5 is a timing waveform chart showing the measurement operation when the surface potential changes.

【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。
FIG. 6 is a circuit configuration diagram showing an embodiment of the invention described in claims 2 and 5.

【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。
FIG. 7 is a circuit configuration diagram showing an embodiment of the invention described in claims 3 and 6.

【図8】加振周波数‐振動振幅特性図である。FIG. 8 is a vibration frequency-vibration amplitude characteristic diagram.

【図9】既提案例を示す回路構成図である。FIG. 9 is a circuit configuration diagram showing an already proposed example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 2 object to be measured 3 probe 7 vibrating device 9 cantilever 12 electrostatic force detection means 16 potential control means 26 DC potential measurement means 27, 28 actuator 34 separation means 37 amplitude control means 38 AC potential measurement means 39 distance control means 40 , 41 displacement measuring means 42 vibration amplitude measuring means 43 vibration frequency measuring means

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。
1. A conductive probe facing a measurement target, electrostatic force detection means for detecting an electrostatic force acting between the probe and the surface potential of the measurement target, and the probe. And a potential control means for varying the DC voltage so that the AC voltage is superimposed on the DC voltage and the electrostatic force when the AC voltage swings to the positive side becomes equal to the electrostatic force when the AC voltage swings to the negative side. , A DC potential measuring means for measuring the potential of the DC voltage of the probe, and an electrostatic force when the AC voltage swings to the positive side becomes constant, or an electrostatic force when the AC voltage swings to the negative side becomes constant. Next to
Alternatively, an amplitude control unit that controls the amplitude of the AC voltage so that the sum of the electrostatic force when swung to the positive side and the electrostatic force when swung to the negative side is constant, and the potential of the AC voltage is measured. And a surface potential and shape measuring instrument.
【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。
2. A probe held at the tip of a cantilever vibrated by a vibrating device, and an electrostatic force detecting means by a displacement detector for detecting a vibration amplitude of the probe which changes in accordance with an electrostatic force. And by varying the DC voltage so that the electrostatic force when the AC voltage is swung to the positive side and the electrostatic force when the AC voltage is swung to the negative side are equalized by superposing the AC voltage on the probe. Potential control means, a DC potential measuring means for measuring the potential of the DC voltage of the probe, and the AC voltage, the amplitude of the probe becomes constant when it swings to the positive side, or to the negative side The amplitude of the probe when shaken is constant, or the sum of the amplitude of the probe when shaken to the positive side and the amplitude of the probe when shaken to the negative side is constant. Amplitude control means for controlling the vibration amplitude by the vibrating device, and vibration amplitude measuring means for measuring the vibration amplitude A surface potential and shape measuring instrument comprising:
【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。
3. A probe held at the tip of a cantilever vibrated by a vibrating device, and an electrostatic force detecting means by a displacement detector for detecting a vibration amplitude of the probe which changes according to an electrostatic force. And by varying the DC voltage so that the electrostatic force when the AC voltage is swung to the positive side and the electrostatic force when the AC voltage is swung to the negative side are equalized by superposing the AC voltage on the probe. Potential control means, a DC potential measuring means for measuring the potential of the DC voltage of the probe, and the AC voltage, the amplitude of the probe becomes constant when it swings to the positive side, or to the negative side The amplitude of the probe when shaken is constant, or the sum of the amplitude of the probe when shaken to the positive side and the amplitude of the probe when shaken to the negative side is constant. A frequency control means for controlling the vibration frequency by the vibrating device and a vibration frequency measurement for measuring this vibration frequency. A surface potential and shape measuring instrument, characterized in that it comprises a measuring means.
【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制御するための帰還信号を
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
位測定手段とよりなることを特徴とする表面電位及び形
状測定器。
4. A conductive probe facing the object to be measured, electrostatic force detection means for detecting electrostatic force acting between the probe and the surface potential of the object to be measured, and the probe. And a potential control means for varying the DC voltage so that the AC voltage is superimposed on the DC voltage and the electrostatic force when the AC voltage swings to the positive side becomes equal to the electrostatic force when the AC voltage swings to the negative side. , A DC potential measuring means for measuring the potential of the DC voltage of the probe, and an electrostatic force when the AC voltage swings to the positive side becomes constant, or an electrostatic force when the AC voltage swings to the negative side becomes constant. Next to
Alternatively, the feedback signal for controlling so that the sum of the electrostatic force when swung to the positive side and the electrostatic force when swung to the negative side is constant is separated by using a separating means for separating the feedback signal by the frequency band. Amplitude control means for controlling the amplitude of the AC voltage by the feedback signal of the partial frequency band, and a feedback signal excluding the signal of the partial frequency band for controlling the amplitude of the AC voltage separated by the separating means A surface potential and shape measuring instrument comprising: a distance control means having an actuator for controlling a distance between the measuring object and the probe; and a displacement measuring means for measuring a displacement amount of the actuator. ..
【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制御するための帰還信号を
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よりなることを特徴とする表面電
位及び形状測定器。
5. An electrostatic force detecting means using a probe held at the tip of a cantilever vibrated by a vibrating device and a displacement detector for detecting a vibration amplitude of the probe which changes according to electrostatic force. And by varying the DC voltage so that the electrostatic force when the AC voltage is swung to the positive side and the electrostatic force when the AC voltage is swung to the negative side are equalized by superposing the AC voltage on the probe. Potential control means, a DC potential measuring means for measuring the potential of the DC voltage of the probe, and the AC voltage, the amplitude of the probe becomes constant when it swings to the positive side, or to the negative side Control so that the amplitude of the probe when shaken becomes constant, or the sum of the amplitude of the probe when shaken to the positive side and the amplitude of the probe when shaken to the negative side becomes constant. Of a part of the frequency band separated by separating means for separating the feedback signal by the frequency band Amplitude control means for controlling the vibration amplitude of the vibration device by a feedback signal, vibration amplitude measuring means for measuring the vibration amplitude, and the part for controlling the vibration amplitude of the vibration device separated by the separating means. A distance control means having an actuator for controlling the distance between the object to be measured and the probe by a feedback signal excluding a signal in the frequency band, and a displacement measuring means for measuring the displacement amount of the actuator. Characteristic surface potential and shape measuring instrument.
【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制御するための帰還信号を
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よりなることを特徴と
する表面電位及び形状測定器。
6. A probe held at the tip of a cantilever vibrated by a vibrating device, and an electrostatic force detecting means by a displacement detector for detecting a vibration amplitude of the probe which changes according to an electrostatic force. And by varying the DC voltage so that the electrostatic force when the AC voltage is swung to the positive side and the electrostatic force when the AC voltage is swung to the negative side are equalized by superposing the AC voltage on the probe. Potential control means, a DC potential measuring means for measuring the potential of the DC voltage of the probe, and the AC voltage, the amplitude of the probe becomes constant when it swings to the positive side, or to the negative side Control so that the amplitude of the probe when shaken becomes constant, or the sum of the amplitude of the probe when shaken to the positive side and the amplitude of the probe when shaken to the negative side becomes constant. Of a part of the frequency band separated by separating means for separating the feedback signal by the frequency band Frequency control means for controlling the vibration frequency of the vibration device by a feedback signal, vibration frequency measuring means for measuring the vibration frequency, and the part for controlling the vibration frequency of the vibration device separated by the separating means. A distance control means having an actuator for controlling the distance between the object to be measured and the probe by a feedback signal excluding a signal in the frequency band, and a displacement measuring means for measuring the displacement amount of the actuator. Characteristic surface potential and shape measuring instrument.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019028150A (en) * 2017-07-26 2019-02-21 京セラドキュメントソリューションズ株式会社 Image forming device

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KR100718140B1 (en) * 2005-11-12 2007-05-14 삼성전자주식회사 Semiconductor probe and method of recording and repoducing information using the same
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