JPH08114606A

JPH08114606A - 物理量測定装置

Info

Publication number: JPH08114606A
Application number: JP24902694A
Authority: JP
Inventors: Junichi Takahashi; 淳一高橋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1994-10-14
Publication date: 1996-05-07

Abstract

(57)【要約】【目的】試料表面の電位や形状を高精度に測定するこ
とが可能な物理量測定装置を提供する。【構成】実測定前に走査手段５４を用いて試料４４の
表面を走査し、この走査に同期して補正距離算出手段に
より試料４４の表面と探針３の先端との間の補正距離を
算出し、その算出された補正距離を補正距離記憶手段に
記憶させておき、実測定時において、その記憶された補
正距離を走査位置に対比させて読出し、試料探針間距離
可変手段により試料４４の表面と探針３との間の距離を
常に一定に保った状態で試料４４の表面の電位や形状を
測定するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型力顕微鏡や高分
解能表面電位形状測定装置、さらには、感光体ドラムの
表面電位，トナー形状，トナー電位分布の測定装置など
に用いられる物理量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、試料表面の電位や形状を測定する
物理量測定装置としては、種々のものが提案されてい
る。まず、第一の従来例（特願平５−９３４９９号参
照）を図２１に基づいて説明する。導電性基板１（試料
台）に設置された試料２と、これと対向配置された探針
３との間に電位差が生じて静電引力が作用すると、その
探針３を先端に有し端部が基台４に支持された片持ち梁
５が振動する。この片持ち梁５の探針３が取付けられた
面とは反対側の面（裏面）には反射ミラー６が取付けら
れている。これにより、光源としての半導体レーザ７か
ら出射した光は、反射ミラー６により反射され、いわゆ
る光テコ法によって受光素子としての光検知器８に検出
される。この検知された信号はプリアンプ９により出力
Ｖｏ（交流信号）として出力され、ロックインアンプ１
０において、正弦波交流電源１１の同期信号（ω₀）と
同期して直流電圧Ｖ₁₁に変換される。この直流電圧Ｖ₁₁
は積分器１２に送られる。この積分器１２は、正弦波交
流電源１１の交流電圧Ｖ₃₁によって静電引力が作用する
片持ち梁５の振動の振幅を０又は一定値になるように直
流電圧Ｖ₂₁を可変させる。なお、この積分器１２には、
直流電圧Ｖ₂₁の変化する電位を測定する電圧計１３が接
続されている。そして、その積分器１２からの出力値で
ある電圧Ｖ₂₁は、正弦波交流電源１１の交流電圧Ｖ
₃₁と、正弦波交流電源１４の交流電圧Ｖ₃₂と共に加算器
１５に入力される。この加算器１５からの電圧Ｖ₄₁はパ
ワーアンプ１６に送られ、このパワーアンプ１６からの
電圧Ｖ₅₁が片持ち梁５の探針３に印加される。一方、ロ
ックインアンプ１７から出力された直流電圧Ｖ₁₂は比較
器１８に送られる。この比較器１８からの電圧Ｖ₆ は積
分器１９に送られる。なお、この積分器１９には、Ｚ軸
アクチュエータ２１の変位量を測定するための電圧計２
０が接続されている。そして、積分器１９の電圧Ｖ₂₂は
パワーアンプ２２に送られ、Ｚ軸アクチュエータ２１は
そのパワーアンプ２２からの電圧Ｖ₅₂によって駆動され
る。

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

【０００４】次に、第二の従来例（特開平６−１０９５
６１号公報参照）を図２２に基づいて説明する。基板２
３の一端には、３本の片持ち梁２４ａ，２４ｂ，２４ｃ
がＶ字形の構造をなして設けられている。これら３本の
梁の先端部には下方（Ｚ方向）に向けて導電性の探針２
５が取付けられている。この探針２５には配線パターン
２６（以下、配線という）が接続され、この配線２６は
片持ち梁２４ｃ上に形成され基板２３上のパッド部２７
と接続されている。また、片持ち梁２４ａ，２４ｂの付
け根付近には、歪検出素子（ピエゾ抵抗）２７ａ，２７
ｂが形成されており、このピエゾ抵抗２７ａ，２７ｂに
は配線２８ａ，２８ｂが接続され、この配線２８ａ，２
８ｂには基板２３上のパッド部２９ａ，２９ｂと接続さ
れている。

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

【０００６】次に、第三の従来例（OPTRONICS、1992、N
o.9、p.97参照）を図２３、図２４に基づいて説明す
る。図２３に示すように、基板３０の中央には片持ち梁
３１が設けられ、この片持ち梁３１上にはその延在した
方向に沿って光導波路３２が形成されている。この片持
ち梁３１の先端のギャップを挾んた基板３０の固定部３
３上には、前記光導波路３２の端面３２ａと対向する端
面３４ａを有する光導波路３４が形成されている。この
ような構造とされた基板３０において、光導波路３２を
伝搬してきた光は片持ち梁３１の先端に位置する端面３
２ａから放射され、この放射された光はこれと対向する
端面３４ａから入射して再結合し光導波路３４内を伝搬
していく。この場合、図２４（ａ）に示すように、片持
ち梁３１が変形していない状態では、光導波路３２，３
４間で光軸ズレが生じないため、伝搬される光量が減少
することはない。しかし、図２４（ｂ）に示すように、
片持ち梁３１が変形した状態では、光軸ズレが生じ光導
波路３４側に入射する光量が減少する。従って、このよ
うに片持ち梁３１の変形量（曲がり量）に応じて伝搬さ
れる光量が変化するため、光導波路３４側の光量を検出
することにより片持ち梁３１の変形量を容易に測定する
ことができる。この応用例としては、圧力センサ、加速
度センサ、流量センサ等が考えられる。

【０００７】次に、第四の従来例（Japanese Journal o
f Applied Physics、Vol.28、No.2、Feb.、1989、p.287
参照）を図２５に基づいて説明する。基板３５上には片
持ち梁３６が設けられている。この片持ち梁３６の根本
付近には、その梁の延在方向に直交して光導波路３７が
形成されている。また、基板３５の固定部３８上には、
光導波路３７に平行な状態で光導波路３９が形成されて
いる。この場合、光導波路３７は片持ち梁３６の変形量
を検出する信号検出用導波路とされ、光導波路３９は参
照用導波路とされており、両者はＹ字形に分岐、合流し
て光導波路４０とつながっている。このような構造とさ
れた基板３５において、片持ち梁３６の変形に伴って光
導波路３７が変形し、これにより屈折率が変化して導波
路内を伝搬する光の位相が変化する。このような位相変
化によって片持ち梁３６の変形量を測定することができ
る。

【０００８】ここで、そのような位相変化により信号検
出を行う動作原理を、図２６、図２７の基本的構造であ
るマッハツェンダ干渉計を用いて説明する。前述した図
２５の片持ち梁３６に相当する変形領域が、この図２６
ではＡ領域（微細構造のダイアフラム部）に相当する。
変形するＡ領域上の光導波路３７を通って位相が変化し
た光と、固定部３８上の光導波路３９を通って位相が変
化しない光とは、Ｙ状の分岐部で合流し光導波路４０で
合波干渉した時、この光導波路４０から出力される光の
光強度は両方の光の位相によって変化する。この場合、
図２７（ａ）に示すように、両方の光が同相の場合は、
合波されることにより０次モードが励起され、光導波路
４０から出力される光の光量は最大となる。また、図２
７（ｂ）に示すように、両方の光が逆相の場合は、１次
モードが励起されるため光波が導波路外部へ放射され
（シングルモード導波路の場合）、光導波路４０からは
光が出力されない。このように光導波路４０から出力さ
れる光量を測定することによって、Ａ領域すなわち片持
ち梁３６の変形量を測定することができる。

【０００９】また、位相変化により信号検出を行う他の
例を、図２８及び図２９に基づいて説明する。図２８に
示すように、基板３５上には２本の光導波路４１，４２
が形成されており、これら光導波路４１，４２はＸ状の
分岐部にて光導波路３７，３９と交差している。この場
合、光導波路４２は、光導波路４１よりも導波路の幅が
狭く形成されている。基板３５の端面には反射ミラー４
３が設けられている。このような構造はモードデバイダ
として機能するものである。まず、左側の幅の広い光導
波路４１から入射した光は、分岐部にて１：１に分波さ
れ、光導波路３７，３９内を伝搬していき、反射ミラー
４３により反射されて再度分岐部に戻ってくる。この
時、両方の光が図２９（ａ）に示すように同相であれば
０次モードが励起され、光は広い幅の光導波路４１の方
へ伝搬していく。また、両方の光が図２９（ｂ）に示す
ように逆相であれば１次モードが励起され、光は狭い幅
の光導波路４２の方へ伝搬していく。このように光が同
相か否かはＡ領域すなわち片持ち梁３６の変形量によっ
て決まるものであるため、光導波路４１，４２に戻って
くる光量を調べることにより片持ち梁３６の変形量を測
定することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】第一の従来例（図２１
参照）で述べた試料２が、電子写真装置に用いられる感
光体ドラムである場合について考える。今、感光体ドラ
ムの表面電位を測定するために、そのドラムを回転させ
ると、偏芯構造により回転軸とドラムの中心軸とがズレ
ているため、１回転の間にドラム表面が１００μｍ程度
上下動する。このとき、ドラム表面と探針３との間の距
離ｄは、十分な解像度を得るために、μｍオーダ以下に
初期設定されている。図２１の装置では、その距離ｄを
常に一定に保つために、周波数ω₀／２により生じる片
持ち梁５の共振振動の振幅から実際の動作時の距離ｄを
測定してＺ軸アクチュエータ２１に帰還をかけている。
しかし、距離ｄが例えば２μｍであるのに対して、ドラ
ム表面の上下動が１００μｍ程度もあり桁違いに大きい
ため、帰還動作が間に合わず、その結果、ドラム表面が
探針３に衝突してしまい、最悪の場合には探針３が破損
してしまうおそれもある。

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

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

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

【００１４】次に、第二の従来例（図２２参照）の場
合、探針２５に電圧を印加するための配線２６と、ピエ
ゾ抵抗２７ａ，２７ｂ又は配線２８ａ，２８ｂとの間の
放電を防ぐため、両者間を距離Ｄだけ離した構造にして
いる。しかし、配線２６への印加電圧が１ＫＶ程度と大
きいためこの電圧が変動すると、両者間に発生した寄生
容量を介して、電圧変動によるノイズがピエゾ抵抗２７
ａ，２７ｂにより検出した信号に混入してしまい測定誤
差の原因となる。また、ピエゾ抵抗２７ａ，２７ｂに流
す電流によるジュール熱によって片持ち梁５が曲がって
しまい測定誤差の原因となる。

【００１５】次に、第三の従来例（図２３参照）、第四
の従来例（図２５参照）の場合、光導波路３２，３４，
３７，３９を用いて光量差から片持ち梁３１，３６の変
形量を検出する基本的な動作原理が述べられている。し
かし、そのような光導波路３２，３４，３７，３９を用
いて、感光体ドラムの表面電位の測定や、トナー電位分
布の測定等に応用した例は見当らない。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、試料の表面（例えば感光体ドラムの表面）とその表
面に対向配置された探針との間の相互作用を検出するこ
とにより、前記試料の物理量を測定する物理量測定装置
に、試料の表面を走査する走査手段と、この走査に同期
して探針先端と試料の表面との間の距離を一定に保つた
めの補正距離を算出する補正距離算出手段と、この算出
された補正距離を走査位置に対比させて記憶する補正距
離記憶手段と、前記走査位置に対比して記憶された補正
距離をもとに試料の表面と探針との間の距離を可変させ
る試料探針間距離可変手段とを設けた。

【００１７】請求項２記載の発明では、試料の表面（例
えば感光体ドラムの表面）とその表面に対向配置された
探針との間に作用する静電引力により生じる前記探針の
変位又は振動から前記試料の物理量を測定する物理量測
定装置に、探針が前記試料の表面に近接している場合と
試料の表面から離れている場合とに応じて、探針の変位
又は振動からその探針に印加される印加電圧の直流成分
の帰還量を制御する直流成分帰還量制御手段を設けた。

【００１８】請求項３記載の発明では、先端に探針が取
付けられた片持ち梁を有し、感光性を有する試料とこれ
に対向配置された前記探針との間に作用する力により生
じる前記探針の変位又は振動から前記試料の物理量を測
定する物理量測定装置において、前記試料が感光しない
波長の光を発する光源と、前記片持ち梁に取付けられ前
記光源から発せられた光を反射させる反射ミラーと、前
記試料が感光しない波長の感度を有し前記反射ミラーに
より反射された光を受光する受光素子とからなる物理量
検出光学系を備えた。

【００１９】請求項４記載の発明では、基板の一部に形
成された片持ち梁と、この片持ち梁の先端部に基板面に
対して垂直に設けられた探針と、片持ち梁上でかつその
梁が延在された方向に沿って配線された第一の光導波路
と、この第一の光導波路の端面に対向する端面を有し前
記基板の固定部上に配線された第二の光導波路とを備え
た。

【００２０】請求項５記載の発明では、基板の一部に形
成された片持ち梁と、この片持ち梁の先端部に基板面に
対して垂直に設けられた探針と、片持ち梁上又はその梁
の付け根部分にその梁が延在された方向に直交する方向
に沿って配線された第一の光導波路と、この第一の光導
波路に対向する基板の固定部上に配線された第二の光導
波路と、第一の光導波路を伝搬する光と第二の光導波路
を伝搬する光とが干渉を起こすようにこれら２つの光導
波路が合流する固定部上の位置に配線された第三の光導
波路とを備えた。

【００２１】請求項６記載の発明では、請求項４又は５
記載の発明において、片持ち梁の片面若しくは両面、又
は、光導波路の互いに対向した端面を除く片持ち梁の片
面若しくは両面を、導電膜により被覆した。

【００２２】請求項７記載の発明では、請求項４又は５
記載の発明において、片持ち梁及び探針を、導電性物質
により形成した。

【００２３】請求項８記載の発明では、請求項４，５，
６又は７記載の発明において、測定対象の試料が感光し
ない波長の光を発光する光源を光導波路の入射光路側に
配置し、試料が感光しない波長の感度を有する受光素子
を光導波路の出射光路側に配置した。

【００２４】請求項９記載の発明では、請求項３又は８
記載の発明において、試料が感光しない光源の発光波長
を、４００ｎｍ以下、又は、６００ｎｍ以上の値とし
た。

【００２５】請求項１０記載の発明では、請求項６，７
又は８記載の発明において、片持ち梁の一部又は全部を
その片持ち梁よりも高い剛性をもつ導電部材により覆
い、この導電部材と片持ち梁とを同電位に設定した。

【００２６】請求項１１記載の発明では、請求項１０記
載の発明において、片持ち梁を囲む導電部材の探針が取
付けられた面とは反対側の面に、前記片持ち梁の変位又
は振動を測定するために用いる光源から発せられた光を
通過させるための穴を形成した。

【００２７】請求項１２記載の発明では、請求項１０記
載の発明において、片持ち梁を囲む導電部材の一部又は
全部に、前記片持ち梁の変位又は振動を測定するために
用いる光源の発光波長の光を通過させる透明領域を形成
した。

【００２８】請求項１３記載の発明では、請求項１０記
載の発明において、片持ち梁を囲む導電部材の一部又は
全部を、前記片持ち梁の変位又は振動を測定するために
用いる光源の発光波長の光を通過させる透明領域により
形成し、この導電部材の透明領域上に前記発光波長の光
を通過させかつ導電性のある透明導電膜を設けた。

【００２９】

【作用】請求項１記載の発明においては、走査手段を用
いて実測定前に予め試料表面の走査を行い、この走査に
同期して補正距離算出手段を用いて試料表面と探針先端
との間の距離を一定に保つための補正距離を算出し、こ
の算出された補正距離を走査位置に対比させて補正距離
記憶手段に一旦記憶させておき、その後、実測定時に
は、その記憶された補正距離を走査位置に対比させて読
出し、試料探針間距離可変手段を用いて試料の表面と探
針との間の距離を常に一定に保ちながら物理量の測定が
行える。

【００３０】請求項２記載の発明においては、直流成分
帰還量制御手段を用いて、まず、探針が試料表面から離
れている実測定前の段階では、探針に印加される印加電
圧の直流成分を試料表面電位の概略の値に設定してお
き、その後、探針が試料表面に接近した実測定の段階で
は、静電引力による探針の変位又は振動からその探針に
印加される印加電圧の直流成分の帰還量を制御して物理
量の測定を行うようにした。

【００３１】請求項３記載の発明においては、物理量検
出光学系の光源から発せられた試料が感光しない波長の
光は、静電引力が作用する片持ち梁に取付けられた反射
ミラーに入射し、このミラーにより反射された光は試料
が感光しない波長の感度を有する受光素子に検出され、
これにより、試料表面の状態が光源の光によって乱され
るようなことがなくなる。

【００３２】請求項４記載の発明においては、片持ち梁
に取付けられた探針とこの探針と対向する試料表面との
間に相互作用力が作用しない場合には、第一の光導波路
の端面と第二の光導波路の端面との間で授受される光量
は一定の大きさを保つのに対して、探針と試料表面との
間に相互作用力が作用した場合には、その相互作用力の
大きさに応じて前記２つの光導波路の端面間で授受され
る光量の値は変化することになり、これにより、その授
受される光量の割合から探針の変位又は振動を検出し、
これから試料の物理量を測定することができる。

【００３３】請求項５記載の発明においては、片持ち梁
に取付けられた探針とこの探針と対向する試料表面との
間に相互作用力が作用しない場合には、第一の光導波路
と第二の光導波路とを通過し第三の光導波路で合成され
る光量は一定の大きさを保つのに対して、探針と試料表
面との間に相互作用力が作用した場合には、その相互作
用力の大きさに応じて片持ち梁側に位置する第一の光導
波路を通過する光量が変化し、これにより第三の光導波
路で合成される光量が変化することになるため、その変
化する光量の割合から探針の変位又は振動を検出し、こ
れから試料の物理量を測定することができる。

【００３４】請求項６記載の発明においては、探針先端
と片持ち梁の基板固定部に固着した部分とは導電膜を通
じて電気的に接続された状態となり、これによりその基
板固定部に固着した部分からリード線を介して電圧を印
加することによって探針先端に電圧を印加することがで
きる。また、光導波路側から光が漏れ感光体の電位に影
響を与えることもない。

【００３５】請求項７記載の発明においては、導電性物
質とされた探針先端と、導電性物質とされた片持ち梁の
基板固定部に固着した部分とは電気的に接続された状態
となるため、その基板固定部に固着した部分からリード
線を通じて電圧を印加することによって探針先端に電圧
を印加することができる。

【００３６】請求項８記載の発明においては、光源から
出射した光は光導波路内に入射して伝搬していき、これ
より出射した光は受光素子に検出される。このとき、光
源の光は試料が感光しない波長からなっているため、そ
の光が光導波路から受光素子に検出される際に外部に漏
れ出るようなことがあっても、その漏れ出た光によって
試料の状態が乱されるようなことがなくなる。

【００３７】請求項９記載の発明においては、試料の感
光材料として頻繁に用いられるのは、感光感度が４００
ｎｍ付近のものと６００ｎｍ付近のものであることか
ら、４００ｎｍ付近の感光材料の試料に対しては６００
ｎｍ以上の発光波長をもつ光源を選択し、６００ｎｍ付
近の感光材料の試料に対しては４００ｎｍ以下の発光波
長をもつ光源を選択することによって、光源の光により
試料の状態が乱されるようなことがなくなる。

【００３８】請求項１０記載の発明においては、高剛性
な導電部材とこれにより覆われた片持ち梁とを同電位に
設定することによって、片持ち梁の裏面（探針が設けら
れた面とは反対側の面）と周辺機器との間で静電引力が
作用するようなことがなくなり、この静電引力により生
じる片持ち梁の振動又は変形による測定誤差が生じない
ため、測定精度が向上する。

【００３９】請求項１１記載の発明においては、片持ち
梁を囲む導電部材に穴を形成することによって、その穴
を通じて光テコ法により片持ち梁の先端に光を照射して
その片持ち梁の変位又は振動を測定する場合において
も、片持ち梁の裏面と周辺機器との間で静電引力が作用
するようなことがなくなる。

【００４０】請求項１２記載の発明においては、片持ち
梁を囲む導電部材の一部又は全部に光源の発光波長の光
を通過させる透明領域を形成することによって、その透
明領域を通じて光テコ法により片持ち梁の先端に光を照
射してその片持ち梁の変位又は振動を測定する場合にお
いても、片持ち梁の裏面と周辺機器との間で静電引力が
作用するようなことがなくなる。

【００４１】請求項１３記載の発明においては、片持ち
梁を囲む導電部材の一部又は全部に光源の発光波長の光
を通過させる透明領域を形成し、この透明領域上に発光
波長の光を通過させかつ導電性のある透明導電膜を設け
たことによって、その透明領域及び透明導電膜を通じて
光テコ法により片持ち梁の先端に光を照射してその片持
ち梁の変位又は振動を測定する場合においても、片持ち
梁の裏面と周辺機器との間で静電引力が作用するような
ことがなくなる。

【００４２】

【実施例】まず、本発明の第一の実施例を図１〜図３に
基づいて説明する（請求項１記載の発明に対応する）。
なお、前述した第一の従来例（図２１参照）と同一部分
についての説明は省略し、その同一部分については同一
符号を用いる。

【００４３】試料は、電子写真装置に用いられる感光体
ドラム４４とされている。この感光体ドラム４４には、
これを回転させるための回転モータ４５と、エンコーダ
４６とが接続されている。このうち、回転モータ４５は
モータ駆動電源４７に接続され、エンコーダ４６は制御
装置４８（コンピュータ）に接続されている。また、感
光体ドラム４４の表面には、片持ち梁５の先端に取付け
られた探針３が距離ｄをもって対向配置されている。こ
の探針３が取付けられた片持ち梁５を支持する基台４
と、反射ミラー６と半導体レーザ７と光検知器８とから
なる光テコ光学系４９（物理量検出光学系）とは、駆動
装置５０に固定されている。この駆動装置５０は、Ｙ軸
アクチュエータ５１と、Ｚ軸粗動アクチュエータ５２
と、Ｚ軸微動アクチュエータ５３とからなっている。こ
れら３つのアクチュエータ５１，５２，５３は、制御装
置４８によって駆動制御されている。この場合、Ｙ軸ア
クチュエータ５１は、探針３をドラム表面に対して副走
査方向（回転軸方向）に走査させる。また、回転モータ
４５は感光体ドラム４４を回転させ、これによって、探
針３をドラム表面に対して主走査方向（ドラム回転方
向）に走査させる。

【００４４】また、その制御装置４８には、電圧Ｖ₆ を
測定する電圧計５６と、電圧Ｖ₂₁を測定する電圧計１３
と、電圧Ｖ₂₂を測定する電圧計２０とが接続されてい
る。また、パワーアンプ２２から出力される電圧Ｖ
₅₂は、ａ，ｂ，ｃ端子からなるスイッチ回路５７のａ端
子に接続されている。ｂ端子はアース端子となってい
る。ａ又はｂ端子と接続されるｃ端子は、Ｚ軸微動アク
チュエータ５３に接続されている。これにより、ａ−ｃ
端子間が接続されることによって、Ｚ軸微動アクチュエ
ータ５３は帰還ループによって駆動制御される。

【００４５】この場合、副走査用のＹ軸アクチュエータ
５１と、主走査用の回転モータ４５及びモータ駆動電源
４７とは、走査手段５４を構成している。また、Ｚ軸粗
動アクチュエータ５２と、Ｚ軸微動アクチュエータ５３
とは、感光体ドラム４４の表面と探針３との間の距離ｄ
を可変させる試料探針間距離可変手段５５を構成してい
る。さらに、統括的な制御を行う制御装置４８は、走査
手段５４による走査位置に同期して探針３の先端とドラ
ム表面との間の距離ｄを一定に保つための補正距離ｄ₀
を算出するための補正距離算出手段（図示せず）と、こ
の算出された補正距離ｄ₀ を走査位置に対比させて記憶
する補正距離記憶手段としてのメモリ（図示せず）とを
備えている。

【００４６】このような構成において、本装置の動作に
ついて述べる。まず、実測定前の段階で、モータ駆動電
源４７により回転モータ４５を駆動して感光体ドラム４
４を回転させることによって、表面電位分布を測定する
ための主走査を行う。また、これと同時に、Ｙ軸アクチ
ュエータ５１を用いて探針３を感光体ドラム４４の回転
軸方向へ移動させて副走査を行う。この場合、感光体ド
ラム４４の回転速度は、実測定時よりも遅い速度で行
う。なお、この時、Ｚ軸微動アクチュエータ５３を動作
させないようにするために、スイッチ回路５７のｃ端子
はｂ端子と接続されている。そして、このようにして感
光体ドラム４４を回転させながらその回転角θをエンコ
ーダ４６で読取って、制御装置４８に送る。また、この
回転角θの読取りと同時に、電圧計５６により電圧Ｖ₆
の値を読み取って制御装置４８に送る。これにより制御
装置４８内では、補正距離算出手段を用いて、Ｖ₆ の値
が０となるようにＺ軸粗動アクチュエータ５２を駆動制
御するための制御量すなわち補正距離ｄ₀ を算出し、こ
の補正距離ｄ₀ とエンコーダ４６の回転角θとの関係を
示すテーブルを作成してメモリに記憶する。

【００４７】そして、実測定時においては、回転モータ
４５により感光体ドラム４４を回転させ、その回転角θ
をエンコーダ４６により読取り、その読取った回転角θ
に対応する補正距離ｄ₀ をメモリのテーブルから読出
す。そして、その読出した補正距離ｄ₀ の分だけＺ軸粗
動アクチュエータ５２を動かすことによって、感光体ド
ラム４４の偏芯によるドラム表面の上下動をなくし、毎
回転常に距離ｄを一定の状態に保つことができる。な
お、この時、スイッチ回路５７内のｃ端子はａ端子と接
続されており、これによりＺ軸粗動アクチュエータ５２
の最小分解能以下のドラム表面の凹凸による距離ｄの変
動をなくすことができる。また、このように感光体ドラ
ム４４の偏芯によるドラム表面の上下動をなくす場合、
その偏芯以外のドラム表面に付着したゴミ、トナー等に
よる上下動が補正距離算出手段により求められるテーブ
ルに記録されないように、そのような高周波成分による
上下動を除去するローパスフィルタ（図示せず）を電圧
計５６の出力側に配置させたり、制御装置内４８内の演
算によって高周波成分を除去するようにしてもよく、こ
れによりフイードバック制御の動作を一段と安定させる
ことができる。従って、このようなことから、本装置
は、試料として回転時に上下動が非常に大きくなるよう
な感光体ドラム４４を測定するような場合においても、
探針３がドラム表面に衝突する確率が非常に小さくな
り、これにより、探針３の変位又は振動の物理量を正確
に測定することができるため、ドラム表面の電位分布を
正確に測定することができる。

【００４８】次に、図１の装置の変形例を図２、図３に
基づいて説明する。まず、図２の装置について説明す
る。感光体ドラム４４にはパルス回転モータ５８が取付
けられており、このパルス回転モータ５８は制御装置４
８と接続されている。これにより、制御装置４８により
パルス回転モータ５８を駆動制御することによって、感
光体ドラム４４を回転させることができると共に、回転
角θの測定を行うことができる。この場合、回転モータ
４５とエンコーダ４６とモータ駆動電源４７とが不要と
なり、部品点数を減らすことができるため装置の簡素化
を図ることができる。次に、図３の装置について説明す
る。感光体ドラム４４のドラム表面に近接した位置に
は、そのドラム表面との間の距離を測定する距離センサ
５９が配置されている。この距離センサ５９は制御装置
４８と接続されている。これにより、距離センサ５９に
より検出された距離の信号を制御装置４８に送ることに
よって、テーブルを作成するための補正距離ｄ₀ を算出
することができる。この場合、電圧計５６が不要とな
り、回路の配線状態を簡素化させることができる。

【００４９】次に、本発明の第二の実施例を図４及び図
５に基づいて説明する（請求項２記載の発明に対応す
る）。なお、前述した第一の実施例と同一部分について
の説明は省略し、その同一部分については同一符号を用
いる。

【００５０】直流電圧Ｖ₁₁を出力するロックインアンプ
１０の出力段と、加算器１５の入力段との間には、直流
成分帰還量制御手段としての直流バイアス電圧制御回路
６０が接続されている。この直流バイアス電圧制御回路
６０は、探針３の変位又は振動からその探針３に印加さ
れる印加電圧Ｖ₅₁の直流成分の帰還量を制御する。図５
は、直流バイアス電圧制御回路６０の内部回路の構成を
示したものである。この直流バイアス電圧制御回路６０
は、定電圧電源Ｖccに接続され電圧Ｖr₁を可変できる第
一電圧調整部６１と、比較器６２と、直流電圧Ｖ₁₁が入
力され電圧Ｖr₂を可変できる第二電圧調整部６３と、加
算器１５へ電圧Ｖ₂₁を出力する積分器６４とから構成さ
れている。なお、ここでは、探針３は、図２１と同様
に、Ｚ軸アクチュエータ２１上の試料台１に設置された
試料２に対向配置されている。

【００５１】このような構成において、直流バイアス電
圧制御回路６０の動作について述べる。まず、探針３と
試料２の表面との間の距離が離れ、両者間の静電引力が
微弱であり、探針３の電位が試料２の表面電位からどん
どんずれていってしまうような場合について考える。こ
のような場合には、第二電圧調整部６３のＶr₂の中点に
位置するＲ点を上側（図中）へ移行させそのＲ点をＰ点
と接続して短絡させる。これにより、電圧Ｖ₂₁の値は第
一電圧調整部６１からの電圧Ｖｒにより決定されるた
め、電圧Ｖr₁を手動によって調整することによって電圧
Ｖ₂₁の値を可変させることができる。このように手動に
より電圧Ｖ₂₁の値を可変させることによって、探針３に
印加される印加電圧Ｖ₅₁の直流成分を制御し、探針３の
電位を試料２の表面電位に近づけることができる。

【００５２】そして、このように手動により電圧Ｖr₁を
調整して電圧Ｖ₂₁の値を試料２の表面電位に略一致さ
せ、探針３と試料２の表面との間の距離を近づけた後、
第二電圧調整部６３のＶr₂のＰ点に接続されていたＲ点
を下側（図中）へ徐々に移行させＱ点側で接続する。こ
れにより、電圧Ｖ₂₁の値を、第一電圧調整部６１による
電圧Ｖｒの手動の制御状態から、直流電圧Ｖ₁₁による自
動の帰還制御状態に移行させることができる。そして、
このような状態で実測定を開始することによって、探針
３から試料２の表面又はその周辺機器への放電を生じに
くくさせることができ、また、これにより、試料２の表
面の状態を乱したり、電気回路が遮断されるようなこと
がなくなるため、表面電位等の測定をスムーズに行うこ
とができる。

【００５３】次に、本発明の第三の実施例を図６に基づ
いて説明する（請求項３，９記載の発明に対応する）。
なお、前述した各実施例と同一部分についての説明は省
略し、その同一部分については同一符号を用いる。

【００５４】本実施例では、試料が、感光体ドラム４４
のような感光性を有する材料からなっている場合につい
て述べる。光テコ光学系４９（図１参照）を構成する光
源（半導体レーザ７等）は、試料（以下、感光体ドラム
４４とする）が感光しない波長領域の光を発する材料に
より形成されている。また、受光素子（光検知器８）
は、感光体ドラム４４が感光しない波長の感度を有する
材料により形成されている。以下、具体的な数値を挙げ
て説明する。

【００５５】図６は、電子写真装置に用いられる周知の
代表的な感光体ドラム４４の分光感度を表わしたもので
ある。これにより、４００ｎｍ付近では、Ｓｅと、
硫化亜鉛と硫化カドミニウムとの混合物とが特に高い感
度を有している。６００ｎｍ付近では、ＬＰＣ（Laye
red Photo Conductor）｛約０．１μｍ厚のchlorodiane
blue とdiphenylhydrazone との混合物の膜ＣＧＬ（Cha
rge Generation Layer）の上に約１５μｍのＣＴＬ（Ch
arge Transport Layer）を積層したもの｝が特に高い感
度を有している。また、有機感光体（polyvinylcarba
zole とtrinitrofluorenoneを１：１に混合した物質を
正に帯電させたもの）は６００ｎｍ付近に感度を有し、
有機感光体（と同様な物質を負に帯電させたもの）
は４００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で感度を有している。

【００５６】これにより、感光体ドラム４４は６００ｎ
ｍ以上の波長の光に対して感度をもたないことがわか
る。従って、このようなことから、波長６００ｎｍ以上
の波長の光を発する材料からなる光源と、この６００ｎ
ｍ以上の波長に感度をもつ材料からなる光検知器８とを
用いる。また、分光感度に対してある程度の裕度をもた
せる意味から、好ましくは、９００ｎｍ以上の波長の光
に対応する材料からなる光源及び受光素子を用いるとよ
い。この９００ｎｍ以上の波長に対応する光源及び受光
素子の材料としては、以下の表１、表２に示すようなも
のがある。

【００５７】

【表１】

【００５８】

【表２】

【００５９】また、６００ｎｍ以上の波長に対応する光
源及び受光素子の材料としては、前記９００ｎｍ以上の
波長に対応する光源及び受光素子に加えて、以下の表
３、表４に示すようなものがある。

【００６０】

【表３】

【００６１】

【表４】

【００６２】また、図６において、、の物質に関し
ては４００ｎｍ以下の波長に対して感度が低いことか
ら、その４００ｎｍ以下の波長の光源と、この波長に感
度をもつ受光素子とを用いる。この４００ｎｍ以下の波
長に対応する光源及び受光素子の材料としては、以下の
表５、表６に示すようなものがある。

【００６３】

【表５】

【００６４】

【表６】

【００６５】上述したように、感光体の分光感度を持た
ない波長の光を用い、光源及び受光素子の各種の材料の
中から発光波長と分光感度のある波長とが一致する材料
を組み合わせて光テコ光学系４９を構成することによっ
て、感光体ドラム４４上での潜像形成の状態が乱される
ことがなくなり、これにより、測定誤差をなくして表面
電位等の測定を正確に行うことができる。

【００６６】次に、本発明の第四の実施例を図７〜図９
に基づいて説明する（請求項４，６記載の発明に対応す
る）。なお、前述した各実施例と同一部分についての説
明は省略し、その同一部分については同一符号を用い
る。

【００６７】前述した第三の従来例（図２３参照）と同
様に、図７の基板３０の中央には片持ち梁３１が形成さ
れており、この片持ち梁３１上には光導波路３２（第一
の光導波路）が形成され、この光導波路３２の端面３２
ａと対向する端面３４ａを有する固定部３３上には光導
波路３４（第二の光導波路）が形成されている。そし
て、ここでは、光導波路３２が形成された片持ち梁３１
の先端に、探針６５が取付けられている。

【００６８】このような構成において、探針６５に原子
間力、磁力、静電引力等の力が働くことによって片持ち
梁３１が変形し、この変形の度合いを光導波路３２，３
４を用いた光量変化（図２４参照）によって検出するこ
とにより、探針６５に働く力を測定することができる。
このように光学的手法により力の測定を行うことができ
るため、抵抗素子（図２２のピエゾ抵抗２７ａ，２７ｂ
参照）を用いて測定したときのようにジュール熱による
片持ち梁３１の変形が生じることがなく、また、配線部
や力検出部の簡略化を図ることができるため、製造工程
の簡略化を図ることができる。

【００６９】また、図８、図９は、図７の変形例を示し
たものである。図８は、基板３０の探針６５のある側の
面に導電膜としての金属膜６６が塗布されている。これ
により、片持ち梁３１の根本付近に接続したリード線６
７から探針６５への電圧印加を行うことができ、表面電
位の測定を行うことができる。また、このように光導波
路３２，３４の表面に金属膜６６を塗布することによっ
て、光が漏れ出るようなこともなくなるため、感光体ド
ラム４４の電位に悪影響を与えるようなこともない。ま
た、図９は、基板３０の表裏両方の面に金属膜６６が塗
布されている場合の例である。この場合にも、図８の場
合と同様な効果を得ることができる。なお、ここでの光
導波路３２，３４は基板裏面側に形成されている。

【００７０】次に、本発明の第五の実施例を図１０〜図
１２に基づいて説明する（請求項５，６記載の発明に対
応する）。なお、前述した各実施例と同一部分について
の説明は省略し、その同一部分については同一符号を用
いる。

【００７１】前述した第四の従来例（図２５参照）と同
様に、図１０の基板３５の中央には片持ち梁３６が形成
されており、この片持ち梁３６の根本付近には光導波路
３７（第一の光導波路）が形成され、この光導波路３７
と平行に配置された固定部３８上には光導波路３９（第
二の光導波路）が形成され、光導波路３７と光導波路３
９とが交差する位置には光導波路４０（第三の光導波
路）が形成されている。そして、ここでは、光導波路３
７を固定端に有する片持ち梁３６の先端に、探針６５が
形成されている。

【００７２】このような構成において、探針６５に原子
間力、磁力、静電引力等の力が働くことによって片持ち
梁３６が変形し、この変形の度合いを光導波路４０での
光量変化（図２７参照）によって検出することにより、
探針６５に働く力を測定することができる。このように
光学的手法により力の測定を行うことができるため、前
述した第四の実施例の場合と同様に、ジュール熱による
片持ち梁３６の変形が生じることがなく、製造工程の簡
略化を図ることができる。

【００７３】また、図１１、図１２は、図１０の変形例
を示したものである。図１１は、基板３５の探針６５の
ある側の面に金属膜６６が塗布されている。これによ
り、片持ち梁３６の根本付近に接続したリード線６７か
ら探針６５への電圧印加を行うことができ、表面電位の
測定を行うことができる。また、このように光導波路３
７，３９の表面に金属膜６６を塗布することによって、
光が漏れ出るようなこともなくなるため、感光体ドラム
４４の電位に悪影響を与えるようなこともない。また、
図１２は、基板３５の両方の面に金属膜６６を塗布した
場合の例である。ただし、ここでの光導波路３７，３９
は、図１１とは反対側の面に形成されている。この場合
にも、図１１と同様な効果を得ることができる。

【００７４】次に、本発明の第六の実施例を図１３及び
図１４に基づいて説明する（請求項７記載の発明に対応
する）。なお、前述した各実施例と同一部分についての
説明は省略し、その同一部分については同一符号を用い
る。

【００７５】図１３は、基本的には図７と同様な構造と
されている。ここでは、片持ち梁３１及び探針６５は、
金属等の導電性物質により形成されている。これによ
り、図８のように金属膜６６を基板表面に塗布する必要
がなくなり、片持ち梁３１に直接接続されたリード線６
７を介して探針６５に電圧を印加することができ、製造
工程の簡略化を図ることができる。また、図１４は、基
本的には図１０と同様な構造とされている。この場合に
も、片持ち梁３１及び探針６５は導電性物質により形成
されているため、図１３の場合と同様な効果を得ること
ができる。

【００７６】次に、本発明の第七の実施例について説明
する（請求項８記載の発明に対応する）。なお、前述し
た各実施例と同一部分についての説明は省略し、その同
一部分については同一符号を用いる。

【００７７】基板３０（図７、図１３参照）の入射光路
側の光導波路３２の端面には、試料（以下、感光体ドラ
ム４４とする）が感光しない波長の光を発する図示しな
い光源（前記半導体レーザ７と同様なもの）が配置され
ている。その基板３０の出射光路側の光導波路３４の端
面には、その感光体ドラム４４が感光しない波長の感度
を有する図示しない受光素子（前記光検知器８と同様な
もの）が配置されている。これにより、前述した第三の
実施例と同様な理由により、測定対象たる感光体ドラム
４４上の状態が光源からの光によって乱されることがな
くなる。

【００７８】また、基板３５（図１０、図１４参照）の
光導波路３７，３９が交差する入射光路側、出射光路側
にもそれぞれ感光体ドラム４４が感光しない波長の光に
対応した光源、受光素子を配置することにより、同様な
効果を得ることができる。

【００７９】次に、本発明の第八の実施例を図１５に基
づいて説明する（請求項１０記載の発明に対応する）。
なお、前述した各実施例と同一部分についての説明は省
略し、その同一部分については同一符号を用いる。

【００８０】図１５の片持ち梁３１は、光導波路３２，
３４が形成された基板３０（図７参照）の一部を拡大し
て示したものである（又は、図１０に示すような光導波
路３７，３９が形成された基板３５の片持ち梁３６を用
いてもよい）。この場合、探針６５以外の片持ち梁３１
の周囲は、導電部材としてのシールドボックス６８によ
り覆われている。このシールドボックス６８の材料とし
ては金属が用いられ、その板厚は厚く形成されており、
片持ち梁３１よりも剛性が遥かに高くなっている。ま
た、このシールドボックス６８と片持ち梁３１とは、リ
ード線６７により接続され、同電位に設定されている。

【００８１】このような構成において、探針６５とシー
ルドボックス６８とは同電位に設定されているため、静
電引力は探針６５と試料表面との間でのみ作用し、従来
のように片持ち梁３１の背面と周辺機器との間で作用す
るようなことがなくなり、これにより測定誤差をなくす
ことができる。このように片持ち梁３１の背面と周辺機
器との間で静電引力は作用しないが、シールドボックス
６８と周辺機器との間では作用する。しかし、シールド
ボックス６８は高剛性とされているため、振動するよう
なことがなく測定精度に影響を及ぼすようなこともな
い。

【００８２】次に、本発明の第九の実施例を図１６に基
づいて説明する（請求項１１記載の発明に対応する）。
なお、前述した各実施例と同一部分についての説明は省
略し、その同一部分については同一符号を用いる。

【００８３】前述した第八の実施例（図１５参照）で述
べたシールドボックス６８の探針６５が設けられた面と
は反対側の面には、光を通過させるための穴６９が形成
されている。この穴６９に近接した位置には、光源（半
導体レーザ７等）や受光素子（光検知器８）からなる光
テコ光学系４９が配置されている。

【００８４】このような構成において、その穴６９を通
じて半導体レーザ７から光を入射させ、その反射光を光
検知器８に導くことによって、片持ち梁３１の変位や振
動を測定することができる。この場合、穴６９を設けた
ことによって、片持ち梁３１の背面と周辺機器との間で
静電引力がわずかに働くが、従来に比べて測定誤差は非
常に小さく、周囲環境にほとんど影響されずに測定を行
うことができる。

【００８５】次に、本発明の第十の実施例を図１７及び
図１８に基づいて説明する（請求項１２記載の発明に対
応する）。なお、前述した各実施例と同一部分について
の説明は省略し、その同一部分については同一符号を用
いる。

【００８６】図１７に示すように、前述した第八の実施
例（図１５参照）で述べたシールドボックス６８の探針
６５が設けられた面とは反対側の面には、光源からの光
を通過させるための透明領域７０が形成されている。こ
の透明領域７０とシールドボックス６８とはリード線７
１により接続されている。これにより、透明領域７０と
シールドボックス６８と片持ち梁３１と探針６５とは電
気的に接続され、同電位に設定されている。

【００８７】この場合、透明領域７０の材料としては、
光源の発光波長において透明で、かつ、電気的抵抗の低
い物質を用いる。一例として、光源としてＡｌＧａＩｎ
Ｐ半導体レーザ（波長６７０ｎｍ）やＨｅ−Ｎｅ気体レ
ーザ（波長６３２．８ｎｍ）を用い、受光素子としてＳ
ｉやＧａＡｓＰ等のフォトダイオードを用いた場合、透
明領域７０の材料として、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｏの化合物や、
ＺｎＯＡｌ、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂ 等の物質を用いる。

【００８８】また、他の例として、光源としてＰｂ_1-x
Ｓｅ_x半導体レーザ（４３５０〜８３３０ｎｍ）、Ｐｂ
_1-xＣｄ_xＳ半導体レーザ（２６６０〜４３５０ｎｍ）、
Ｈｅ−Ｘｅ気体レーザ（３５００ｎｍ）等を用い、受光
素子としてＰｂＳｅ光導電素子（２０００〜５０００ｎ
ｍ）、ＩｎＳｂ光起電力素子（２０００〜５５００ｎ
ｍ）を用いた場合、透明領域７０の材料として、Ｓｉ、
Ｇｅ、ＧａＡｓ等の低抵抗化した物質を用いる。上述し
たように、シールドボックス６８に透明領域７０を形成
したことによって、片持ち梁３１の背面と周辺機器との
間で静電引力が作用することがなくなる。これにより、
静電引力による測定誤差をなくし、光テコ光学系４９に
よる片持ち梁３１の変位や振動を正確に測定することが
できる。

【００８９】また、図１８は、図１７の変形例を示すも
のである。ここでは、シールドボックス６８の全体が透
明領域７０に形成されている。この透明領域７０の材料
としては前述した場合と同様である。このように全体に
渡って透明に形成したことによって、前述したようにシ
ールドボックス６８に穴６９を設けて透明領域７０を一
部分に形成する製造上の手間を省くことができる。

【００９０】次に、本発明の第十一の実施例を図１９及
び図２０に基づいて説明する（請求項１３記載の発明に
対応する）。なお、前述した各実施例と同一部分につい
ての説明は省略し、その同一部分については同一符号を
用いる。

【００９１】図１９に示すように、シールドボックス６
８の探針６５が設けられた面とは反対側の面には、第十
の実施例（図１７参照）と同様な透明領域７０が形成さ
れている。この透明領域７０上には、光源の発光波長の
光を通過させかつ導電性の透明導電膜７２が形成されて
いる。そして、この透明導電膜７２はリード線７１によ
ってシールドボックス６８と接続されている。これによ
り、透明導電膜７２とシールドボックス６８と片持ち梁
３１と探針６５とは電気的に接続され、同電位に設定さ
れている。

【００９２】この場合、透明導電膜７２の材料として
は、光源の発光波長において透明で、かつ、電気的抵抗
の低い物質を用いる。一例として、光源としてＡｌＧａ
ＩｎＰ半導体レーザ（波長６７０ｎｍ）やＨｅ−Ｎｅ気
体レーザ（波長６３２．８ｎｍ）を用い、受光素子とし
てＳｉやＧａＡｓＰ等のフォトダイオードを用いた場
合、透明領域７０の材料としてパイレックスガラス、石
英を用い、透明導電膜７２としてＩＴＯ、ＺｎＯＡｌ、
Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂ の膜を用いる。

【００９３】また、他の例として、光源としてＰｂ_1-x
Ｓｅ_x半導体レーザ（４３５０〜８３３０ｎｍ）、Ｐｂ
_1-xＣｄ_xＳ半導体レーザ（２６６０〜４３５０ｎｍ）、
Ｈｅ−Ｘｅ気体レーザ（３５００ｎｍ）等を用い、受光
素子としてＰｂＳｅ光導電素子（２０００〜５０００ｎ
ｍ）、ＩｎＳｂ光起電力素子（２０００〜５５００ｎ
ｍ）を用いた場合、透明領域７０の材料としてサファイ
ア、ダイヤモンド、ＴｌＣｌ、ＡｇＣｌ等を用い、透明
導電膜７２としてＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の低抵抗化し
た物質を用いる。上述したように、シールドボックス６
８に透明領域７０及び透明導電膜７２を形成したことに
よって、より完全にシールドすることができ、片持ち梁
３１の背面と周辺機器との間での静電引力の作用を完全
になくすことができる。これにより、静電引力による測
定誤差をなくし、光テコ光学系４９による片持ち梁３１
の変位や振動を一段と正確に測定することができる。

【００９４】また、図２０は、図１９の変形例を示すも
のである。ここでは、シールドボックス６８は、金属で
はなく、ガラスにより形成されている。このシールドボ
ックス６８の外側全面に渡って透明導電膜７２が塗布さ
れている。探針６５と片持ち梁３１とシールドボックス
６８と透明導電膜７２とは、同電位に設定されている。
この場合にも、図１９の場合と同様に、片持ち梁３１と
周辺機器との間で静電引力が作用することがなく、静電
引力による測定誤差を小さくすることができる。

【００９５】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、走査手段を用い
て実測定前に予め試料表面の走査を行い、この走査に同
期して補正距離算出手段により試料表面と探針先端との
間の補正距離を算出し、補正距離記憶手段にその算出さ
れた補正距離を走査位置に対比させて一旦記憶させ、実
測定時には、その補正距離を走査位置に対比させて読出
し、試料探針間距離可変手段を用いて試料の表面と探針
との間の距離を常に一定に保ちながら試料表面の電位や
形状の測定を行うようにしたので、感光体ドラムのよう
な回転時に上下動が非常に大きくなる試料を測定するよ
うな場合でも、探針が試料表面に衝突する確立が非常に
小さくなり、これにより、探針の変位又は振動の物理量
を正確に測定することができ、測定精度が高い物理量測
定装置を提供することができる。

【００９６】請求項２記載の発明は、直流成分帰還量制
御手段を用いて、探針が試料表面から離れている実測定
前の段階では、探針への印加電圧の直流成分を試料表面
電位の概略値に設定し、また、探針が試料表面に接近し
た実測定の段階では、静電引力による探針の変位又は振
動からその探針への印加電圧の直流成分の帰還量を制御
して測定を行うようにしたので、このように試料の置か
れる状態に応じて直流成分の帰還量を変えることによっ
て、探針から試料表面又はその周辺機器への放電を生じ
にくくさせることができ、これにより、試料表面の状態
を乱したり、電気回路が遮断されるようなことがなくな
り、物理量の測定をスムーズに行うことができ、測定精
度が高い物理量測定装置を提供することができる。

【００９７】請求項３記載の発明は、物理量の測定に用
いられる物理量検出光学系の光源を試料が感光しない波
長の光を発する材料により形成すると共に、その光源か
らの光を受光する受光素子も試料が感光しない波長に感
度を有する材料により形成したので、試料表面の状態が
光源の光によって乱されるようなことがなくなり、これ
により、測定精度が高い物理量測定装置を提供すること
ができる。

【００９８】請求項４記載の発明は、第一の光導波路の
端面と第二の光導波路の端面との間で授受される光量の
大きさを求めることによって、基板面上に設けられた片
持ち梁の探針と試料表面との間に作用する力の大きさす
なわち探針の変位又は振動の物理量を測定することがで
きるので、従来のように片持ち梁上に抵抗素子（ピエゾ
抵抗）を配して測定を行う必要がなくなり、これによ
り、ジュール熱により片持ち梁が変形するようなことが
ないため、測定誤差を一段と小さくして簡略化された構
成の物理量測定装置を提供することができる。

【００９９】請求項５記載の発明は、片持ち梁の動きに
応じて変形する第一の光導波路を通過する光量と、第二
の光導波路を通過する光量とを第三の光導波路で合成し
て求めることによって、基板面上に設けられた片持ち梁
の探針と試料表面との間に作用する静電引力の大きさす
なわち探針の変位又は振動の物理量を測定することがで
きるので、従来のように片持ち梁上に抵抗素子（ピエゾ
抵抗）を配して測定を行う必要がなくなり、これによ
り、ジュール熱により片持ち梁が変形するようなことが
ないため、測定誤差を一段と小さくして、簡略化された
構成の物理量測定装置を提供することができる。

【０１００】請求項６記載の発明は、片持ち梁の片面又
は両面を導電膜により被覆するようにしたので、片持ち
梁の基板固定部に固着した部分と探針先端とを電気的に
接続することができ、これにより、片持ち梁の基板固定
部に固着した部分から探針先端に電圧を印加することが
できるため、試料の表面電位の測定を行うことができ
る。

【０１０１】請求項７記載の発明は、片持ち梁及び探針
を導電性物質により形成するようにしたので、片持ち梁
の基板固定部に固着した部分と探針先端とを電気的に接
続することができ、これにより、片持ち梁の基板固定部
に固着した部分から探針先端に電圧を印加することがで
きるため、試料の表面電位の測定を行うことができる。

【０１０２】請求項８記載の発明は、光源から出射し光
導波路内を伝搬し受光素子に検出される光は、試料が感
光しない波長とされているので、その光が光導波路から
受光素子に検出される際に外部に漏れ出るようなことが
あっても、その漏れ出た光によって試料の状態が乱され
るようなことがなくなり、これにより一段と正確な測定
を行うことができる。

【０１０３】請求項９記載の発明は、試料の感光材料の
感光感度が４００ｎｍ付近のものに対しては６００ｎｍ
以上の発光波長をもつ光源を用い、試料の感光材料の感
光感度が６００ｎｍ付近のものに対しては４００ｎｍ以
下又は６００ｎｍ以上の発光波長をもつ光源を用いるよ
うにしたので、光源の光により試料の状態が乱されるよ
うなことがなくなり、これにより一段と正確な測定を行
うことができる。

【０１０４】請求項１０記載の発明は、高い剛性をもつ
導電部材とこの部材により覆われた片持ち梁とを同電位
に設定したので、片持ち梁の裏面と周辺機器との間で静
電引力が作用せず、これによりその静電引力による測定
誤差をなくして測定精度を高めることができる。

【０１０５】請求項１１記載の発明は、片持ち梁を囲む
導電部材の探針が取付けられた面とは反対側の面に穴を
形成したので、その穴を通じて片持ち梁の先端に光を照
射して変位又は振動を測定する場合でも、片持ち梁の裏
面と周辺機器との間で静電引力が作用するようなことが
なく、これによりその静電引力による測定誤差をなくし
て測定精度を高めることができる。

【０１０６】請求項１２記載の発明は、片持ち梁を囲む
導電部材の探針が取付けられた面とは反対側の面に光源
の発光波長の光を通過させる透明領域を形成したので、
その透明領域を通じて片持ち梁の先端に光を照射して変
位又は振動を測定する場合でも、片持ち梁の裏面と周辺
機器との間で静電引力が作用するようなことがなく、こ
れによりその静電引力による測定誤差をなくして測定精
度を高めることができる。

【０１０７】請求項１３記載の発明は、片持ち梁を囲む
導電部材の探針が取付けられた面とは反対側の面に光源
の発光波長の光を通過させる透明領域を形成し、この透
明領域上に発光波長の光を通過させかつ導電性のある透
明導電膜を設けたので、その透明領域及び透明導電膜を
通じて片持ち梁の先端に光を照射して変位又は振動を測
定する場合でも、片持ち梁の裏面と周辺機器との間で静
電引力が作用するようなことがなくなり、また、導電部
材の透明領域上に透明導電膜を設けることによって一段
と完全なシールドを行うことができ、これにより測定精
度を一段と高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例である物理量測定装置の
構成を示す回路図である。

【図２】第一の実施例の変形例を示す回路図である。

【図３】第一の実施例の他の変形例を示す回路図であ
る。

【図４】本発明の第二の実施例を示す回路図である。

【図５】図４の直流バイアス制御回路の構成を示す回路
図である。

【図６】本発明の第三の実施例である感光体の分光感度
を示す特性図である。

【図７】本発明の第四の実施例を示すものであり、
（ａ）は斜視図、（ｂ）はａ₁−ａ₁断面図である。

【図８】基板上に導電膜を塗布した場合の様子を示す断
面図である。

【図９】図８の変形例を示す断面図である。

【図１０】本発明の第五の実施例を示すものであり、
（ａ）は斜視図、（ｂ）はａ₂−ａ₂断面図である。

【図１１】基板上に導電膜を塗布した場合の様子を示す
断面図である。

【図１２】図１１の変形例を示す断面図である。

【図１３】本発明の第六の実施例を示すものであり、
（ａ）は斜視図、（ｂ）はａ₃−ａ₃断面図である。

【図１４】図１３の変形例を示すものであり、（ａ）は
斜視図、（ｂ）はａ₄−ａ₄断面図である。

【図１５】本発明の第八の実施例を示すものであり、
（ａ）は斜視図、（ｂ）は梁の延在された方向に沿って
切断した断面図である。

【図１６】本発明の第九の実施例を示す断面図である。

【図１７】本発明の第十の実施例を示す断面図である。

【図１８】図１７の変形例を示すものであり、（ａ）は
斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図１９】本発明の第十一の実施例を示す断面図であ
る。

【図２０】図１９の変形例を示すものであり、（ａ）は
斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図２１】第一の従来例を示す回路図である。

【図２２】第二の従来例を示すものであり、（ａ）は断
面図、（ｂ）は上面図である。

【図２３】第三の従来例を示す斜視図である。

【図２４】図２３の導波光のモード状態を示すものであ
り、（ａ）は光軸ずれがないときの動作を示す模式図、
（ｂ）は光軸ずれがあるときの動作を示す模式図であ
る。

【図２５】第四の従来例を示すものであり、（ａ）は斜
視図、（ｂ）はａ₅−ａ₅断面図である。

【図２６】マッハツェンダ干渉計の基本構成を示す斜視
図である。

【図２７】マッハツェンダ干渉計の動作を示すものであ
り、（ａ）は同相のときの動作を示す模式図、（ｂ）は
逆相のときの動作を示す模式図である。

【図２８】マイケルソン干渉計の基本構成を示す斜視図
である。

【図２９】マイケルソン干渉計の動作を示すものであ
り、（ａ）は同相のときの動作を示す模式図、（ｂ）は
逆相のときの動作を示す模式図である。

【符号の説明】

２試料３探針５片持ち梁６反射ミラー７光源８受光素子３０基板３１片持ち梁３２第一の光導波路３３固定部３４第二の光導波路３５基板３６片持ち梁３７第一の光導波路３８固定部３９第二の光導波路４０第三の光導波路４４試料４９物理量検出光学系５４走査手段５５試料探針間距離可変手段６０直流成分帰還量制御手段６５探針６６導電膜６８導電部材６９穴７０透明領域７２透明導電膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料の表面とこれに対向配置された探針
との間の相互作用を検出することにより、前記試料の物
理量を測定する物理量測定装置において、前記試料の表
面を走査する走査手段と、この走査に同期して前記探針
先端と前記試料の表面との間の距離を一定に保つための
補正距離を算出する補正距離算出手段と、この算出され
た補正距離を走査位置に対比させて記憶する補正距離記
憶手段と、前記走査位置に対比して記憶された前記補正
距離をもとに前記試料の表面と前記探針との間の距離を
可変させる試料探針間距離可変手段とを備えたことを特
徴とする物理量測定装置。
【請求項２】交流成分と直流成分とが重畳された電圧
が印加される探針とこれに対向配置された試料の表面と
の間に作用する静電引力により生じる前記探針の変位又
は振動から前記試料の物理量を測定する物理量測定装置
において、前記探針が前記試料の表面に近接している場
合と前記試料の表面から離れている場合とに応じて、前
記探針の変位又は振動からその探針に印加される印加電
圧の直流成分への帰還量を制御する直流成分帰還量制御
手段を設けたことを特徴とする物理量測定装置。
【請求項３】先端に探針が取付けられた片持ち梁を有
し、感光性を有する試料とこれに対向配置された前記探
針との間に作用する力により生じる前記探針の変位又は
振動から前記試料の物理量を測定する物理量測定装置に
おいて、前記試料が感光しない波長の光を発する光源
と、前記片持ち梁に取付けられ前記光源から発せられた
光を反射させる反射ミラーと、前記試料が感光しない波
長の感度を有し前記反射ミラーにより反射された光を受
光する受光素子とからなる物理量検出光学系を備えたこ
とを特徴とする物理量測定装置。
【請求項４】基板の一部に形成された片持ち梁と、こ
の片持ち梁の先端部に基板面に対して垂直に設けられた
探針と、前記片持ち梁上でかつその梁が延在された方向
に沿って配線された第一の光導波路と、この第一の光導
波路の端面に対向する端面を有し前記基板の固定部上に
配線された第二の光導波路とを備えたことを特徴とする
物理量測定装置。
【請求項５】基板の一部に形成された片持ち梁と、こ
の片持ち梁の先端部に基板面に対して垂直に設けられた
探針と、前記片持ち梁上又はその梁の付け根部分にその
梁が延在された方向に直交する方向に沿って配線された
第一の光導波路と、この第一の光導波路に対向する前記
基板の固定部上に配線された第二の光導波路と、前記第
一の光導波路を伝搬する光と前記第二の光導波路を伝搬
する光とが干渉を起こすようにこれら２つの光導波路が
合流する前記固定部上の位置に配線された第三の光導波
路とを備えたことを特徴とする物理量測定装置。
【請求項６】片持ち梁の片面若しくは両面、又は、光
導波路の互いに対向した端面を除く片持ち梁の片面若し
くは両面を、導電膜により被覆したことを特徴とする請
求項４又は５記載の物理量測定装置。
【請求項７】片持ち梁及び探針を、導電性物質により
形成したことを特徴とする請求項４又は５記載の物理量
測定装置。
【請求項８】測定対象の試料が感光しない波長の光を
発光する光源を光導波路の入射光路側に配置し、前記試
料が感光しない波長の感度を有する受光素子を前記光導
波路の出射光路側に配置したことを特徴とする請求項
４，５，６又は７記載の物理量測定装置。
【請求項９】試料が感光しない光源の発光波長を、４
００ｎｍ以下、又は、６００ｎｍ以上の値としたことを
特徴とする請求項３又は８記載の物理量測定装置。
【請求項１０】片持ち梁の一部又は全部をその片持ち
梁よりも高い剛性をもつ導電部材により覆い、この導電
部材と前記片持ち梁とを同電位に設定したことを特徴と
する請求項６，７又は８記載の物理量測定装置。
【請求項１１】片持ち梁を囲む導電部材の探針が取付
けられた面とは反対側の面に、前記片持ち梁の変位又は
振動を測定するために用いる光源から発せられた光を通
過させるための穴を形成したことを特徴とする請求項１
０記載の物理量測定装置。
【請求項１２】片持ち梁を囲む導電部材の一部又は全
部に、前記片持ち梁の変位又は振動を測定するために用
いる光源の発光波長の光を通過させる透明領域を形成し
たことを特徴とする請求項１０記載の物理量測定装置。
【請求項１３】片持ち梁を囲む導電部材の一部又は全
部を、前記片持ち梁の変位又は振動を測定するために用
いる光源の発光波長の光を通過させる透明領域により形
成し、この導電部材の透明領域上に前記発光波長の光を
通過させかつ導電性のある透明導電膜を設けたことを特
徴とする請求項１０記載の物理量測定装置。