JPH08320325A

JPH08320325A - 物理量測定装置

Info

Publication number: JPH08320325A
Application number: JP817796A
Authority: JP
Inventors: Junichi Takahashi; 淳一高橋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1996-01-22
Publication date: 1996-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】周囲環境変化の影響を受けずに、常に安定し
た状態で正確に表面電位と表面形状を測定することが可
能な物理量測定装置を提供する。【解決手段】バネ３の機械的共振周波数以下の周波数
ωの第一交流電圧Ｖａ₁と、この第一交流電圧Ｖａ₁ の
周波数の１／２の周波数の第二交流電圧Ｖａ₂ とを重畳
した電圧を探針電圧印加手段４４により探針２に印加す
ることによって、周囲の環境変化の影響による機械的共
振周波数のわずかな変動によりバネ３の振動の位相が大
きく変動するようなことをなくし、表面電位と表面形状
とを互いに干渉させることなく正確な測定を行うように
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡、走査型力顕微鏡、高分解能表面電位計、形状測定
装置等に用いられる物理量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物理量測定装置に関する第一の従来例
（特開平６−３０８１８０号公報参照）を図１９に基づ
いて説明する。試料１に対向した上部の位置には、先端
に探針２（導電性の針）を有するバネとしての片持ち梁
３が配置されており、この片持ち梁３はその一端が基台
４に支持されてカンチレバーを構成している。このよう
なカンチレバーにはアンプ５を介して加算器６が接続さ
れている。この場合、周波数ω_acの交流電圧と、周波数
ω_ac／２の交流電圧と、直流バイアス電圧Ｖｂとが重畳
された電圧が加算器６に印加されると、試料１の表面と
探針２との間に静電引力が働いて、カンチレバーが振動
する。探針２と反対側の片持ち梁３の位置にはミラー７
が接続されており、このミラー７と半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）８と光検知器（ＰＤ）９との間でいわゆる光テコの
原理によりレーザ光の検出が行われる。これにより、Ｐ
Ｄ９に検出される光量からカンチレバーの振動状態を知
ることができる。そこで、今、試料１の表面と探針２と
の間の電位差をＶ、試料１の表面と探針２の先端との間
の距離をＺ、静電容量をＣとすると、静電引力Ｆ_esは、

【０００３】

【数１】

【０００４】として表わされる。また、試料１の表面電
位をＶｓとすると、Ｖは、

【０００５】

【数２】

【０００６】として表わされる。従って、Ｆ_esは、

【０００７】

【数３】

【０００８】として表わされる。ここで、ω_acをカンチ
レバーの共振周波数ω_o とすれば、Ｆ_esのω_acの成分で
ある静電引力Ｆ_esωac は、

【０００９】

【数４】

【００１０】となり、共振する。従って、Ｆ_esωac に
より生じるカンチレバーの振動を示すプリアンプ１０の
出力ｖは、

【００１１】

【数５】

【００１２】として表わされる。なお、ａは比例定数と
する。また、 φ₁ ＝φ …（６） φ₂ ＝（−π／２）＋φ …（７）とすると、φは力Ｆ_esωac の位相と、Ｆ_esωac により
生じる共振振動との間の位相差である。

【００１３】この場合、（５）式中の第一項は周波数ω
₀ の第一交流電圧により生じる振動を表わし、位相φ₁
は印加している第一交流電圧の位相を基準にしている。
その位相φ₁ は第一交流電圧からロックインアンプ１
１，１２に与えられる参照信号を基準にしている。
（５）式中の第二項は周波数ω₀ ／２の交流電圧により
生じる振動を表わし、位相φ₂ は印加している第二交流
電圧の位相を基準にしている。その位相φ₂ は第二交流
電圧からロックインアンプ１１，１２に与えられる参照
信号を基準にしている。第一交流電圧及び第二交流電圧
の位相は一致している。また、ａｓｉｎ（ωｔ＋ψ）な
る交流信号を位相θによりロックインアンプ１１，１２
により位相検波・増幅したときの出力Ｖは、

【００１４】

【数６】

【００１５】となる。なお、Ａは比例定数である。ここ
で、（５）式を（８）式に当てはめると、

【００１６】

【数７】

【００１７】となる。ここで、ω_acをカンチレバーの機
械的共振周波数ω₀ と完全に一致させる（ω_ac＝ω₀ ）
と、φ＝−π／２である。これを（９）式に代入する
と、

【００１８】

【数８】

【００１９】となる。位相θ＝θ₁ ＝−π／２でロック
インアンプ１１により、ｖを位相検波・増幅すればロッ
クインアンプ１１の出力Ｖ₁ は（１０）式に位相θ＝θ
₁ ＝−π／２を代入したものとなる。また、位相θ＝θ
₂ ＝−πでロックインアンプ１２により、ｖを位相検波
・増幅すればロックインアンプ１２の出力Ｖ₂ は（１
０）式に位相θ＝θ₂ ＝−πを代入したものとなる。な
お、ロックインアンプ１１には積分器１３が接続され、
ロックインアンプ１２には比較器１４と積分器１５が接
続されている。ここで、Ｖ₁、Ｖ₂は、

【００２０】

【数９】

【００２１】と表わすことができる。なお、Ａ₁，Ａ₂は
比例定数である。

【００２２】以上のようにして、（５）式の括弧内の第
一項と第二項の振幅を分離することができる。これによ
り、Ｖ₁ が０になるようにＶｂを制御すれば、（∂Ｃ／
∂Ｚ）に関係なく、Ｖｂの値から試料１の表面電位を測
定することができる。また、図１９の装置では、Ｖ₂ の
値を一定にするように、Ｚ軸アクチュエータ１６を制御
するから、トポ像（アクチュエータ制御電圧から得られ
る像）は（∂Ｃ／∂Ｚ）が一定の像となる。この場合、
試料１の絶縁膜の容量が、探針２の先端とカンチレバー
の容量よりも十分大きければ、トポ像は試料１の表面形
状を示す。従って、このようなことから、試料１の表面
電位と表面形状（物理量）を同時に測定することができ
る。

【００２３】次に、第二の従来例（走査型マクスウェル
応力顕微鏡による有機薄膜の表面電位の観察、信学技法
ＯＥＭ９２−３参照）を図２０に基づいて説明する。加
算器６には周波数ωの交流電圧と直流バイアス電圧Ｖｂ
とが入力され、これら２つの電圧が重畳された電圧が導
電性のカンチレバーに印加される。この印加電圧により
試料１の表面と探針２の先端との間に静電引力が働き、
カンチレバーが振動する。探針２と試料１の表面との間
の電位差をＶとすると、静電引力Ｆ_esは、

【００２４】

【数１０】

【００２５】として表わされる。ここで、試料１の表面
電位をＶｓとすると、Ｖは、Ｖ＝Ｖｂ−Ｖｓ＋Ｖ_Aｓｉｎωｔ …（１４）として表わされる。従って、Ｆ_esは、

【００２６】

【数１１】

【００２７】として表わされる。このＦ_esのω成分及び
２ω成分となるＦ_esω は、

【００２８】

【数１２】

【００２９】として表わされ、このＦ_esω によりカン
チレバーは振動する。ここで、ωはカンチレバーの機械
的共振周波数の１／２以下の周波数となっている。これ
により、Ｆ_esω により生じるカンチレバーの振動を示
すプリアンプ１０の出力ｖは、

【００３０】

【数１３】

【００３１】で表わされる。なお、ａは比例定数であ
る。

【００３２】ここで、ｖを、ロックインアンプ１１によ
り周波数ωの参照信号により位相検波増幅することによ
りＶ₁ が得られ、ロックインアンプ１２により周波数２
ωの参照信号により位相検波増幅することによりＶ₂ が
得られる。これらＶ₁，Ｖ₂の値は、

【００３３】

【数１４】

【００３４】として表わされる。なお、Ａ₁，Ａ₂は比例
定数である。

【００３５】以上のようにして、（１７）式の括弧内の
第一項と第二項の振幅を分離することができる。これに
より、Ｖ₁ が０になるようにＶｂを制御すれば、（∂Ｃ
／∂Ｚ）に関係なく、Ｖｂの値から試料１の表面電位を
測定することができる。

【００３６】また、図２０の装置では、Ｖ₂ の値を一定
にするように、Ｚ軸アクチュエータ１６を制御するか
ら、トポ像（アクチュエータ制御電圧から得られる像）
は（∂Ｃ／∂Ｚ）が一定の像となる。この場合、試料１
の絶縁膜の容量が、探針２の先端とカンチレバーの容量
よりも十分大きければ、トポ像は試料１の表面形状を示
す。従って、このようなことから、試料１の表面電位と
表面形状を同時に測定することができる。

【００３７】次に、第三の従来例を図２１に基づいて説
明する。図２１の装置は、図２０の装置にパソコン１７
と、粗動アクチュエータ１６ａとを接続した場合の例で
ある。物理量の測定を開始する前の探針２と試料１の表
面との間の距離は、走査・実測定時の距離よりも遥かに
離れていることから、測定を行う場合には、両者の距離
を測定時の距離に近づけるいわゆるアプローチ動作が必
要である。この場合、ロックインアンプ１２の出力値
は、探針２の先端と、試料１の表面との間の距離を示し
ていることから、その出力値をパソコン１７でモニタし
ながら、探針２と試料１の表面との間の距離が一定値に
近づいたところで粗動アクチュエータ１６ａを停止させ
て、アプローチ動作を行うようにしている。そして、試
料１の表面と探針２との間に働く静電引力による片持ち
梁３の曲がりや、振動状態の変化から、試料１の表面電
位及び表面形状（物理量）を測定することができる。

【００３８】次に、第四の従来例（表面マイクロマシニ
ングによるトンネル電流ユニット、マイクロ理工学、マ
イクロマシーニング合同研究会資料ＭＰ９４−６１、Ｍ
Ｍ９４−６１参照）を図２２に基づいて説明する。トン
ネル電流ユニットを構成するプローブ１８と、支持バネ
１９と、静電アクチュエータのバネ部２０とは可動部分
とされ、その他の接地パッド２１と、静電アクチュエー
タの駆動パッド２２と、プローブ１８に対向する電流検
出パッド２３とは固定部分とされ、シリコン酸化膜を介
して基板（図示せず）に固定されている。電流検出パッ
ド２３と駆動パッド２２との間には、電流電圧変換器
（ＩＶＣ）２４と、演算器２５と、積分器（Ｋｉ／ｓ）
２６とが接続されている。

【００３９】この場合、プローブ１８は、支持バネ１
９、接地パッド２１を介して接地電位となっている。一
方、電流検出パッド２３はトンネルバイアスにより接地
電位に対して一定の直流電圧が印加されている。今、こ
のような状態で、プローブ１８の先端が、電流検出パッ
ド２３にナノメートルオーダ単位で接近すると、両者間
にトンネル電流が流れる。電流電圧変換器（ＩＶＣ）２
４はそのトンネル電流を電圧に変換し、演算器２５でそ
の変換された電圧値と基準信号との偏差が求められ、こ
の偏差値が積分器（Ｋｉ／ｓ）２６を介して、静電アク
チュエータの駆動パッド２２にフィードバックされる。
このように駆動パッド２２に電圧が印加されると、その
駆動パッド２２側のくし歯部と支持バネ１９のくし歯部
との間に静電引力が作用し、これにより可動部分のプロ
ーブ１８が変位する。この場合の変位量は、例えば、外
乱等によりプローブ１８の先端と電流検出パッド２３と
の間の距離が変化して両者間の距離が一定に保たれる量
に相当する。

【００４０】次に、第五の従来例（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２７の中央には片持ち梁
２８が設けられ、この片持ち梁２８上にはその延在した
方向に沿って光導波路２９が形成されている。この片持
ち梁２８の先端のギャップを挾んた基板２７の固定部３
０上には、前記光導波路２９の端面２９ａと対向する端
面３１ａを有する光導波路３１が形成されている。この
ような構造とされた基板２７において、光導波路２９を
伝搬してきた光は片持ち梁２８の先端に位置する端面２
９ａから放射され、この放射された光はこれと対向する
端面３１ａから入射して再結合し光導波路３１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２８が変形していない状態では、光導波路２９，３
１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２８が変形した状態では、光軸ズレが生じ、光
導波路３１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２８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３１側の光量を検
出することにより片持ち梁２８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。

【００４１】次に、第六の従来例（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３２上には片
持ち梁３３が設けられている。この片持ち梁３３の付け
根付近には、その梁の延在方向に直交して光導波路３４
が形成されている。また、基板３２の固定部３５上に
は、光導波路３４に平行な状態で光導波路３６が形成さ
れている。この場合、光導波路３４は片持ち梁３３の変
形量を検出する信号検出用導波路とされ、光導波路３６
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３７とつながっている。このような構造
とされた基板３２において、片持ち梁３３の変形に伴っ
て光導波路３４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３３の変形量を測定することが
できる。

【００４２】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３３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３４を通って位相が変化し
た光と、固定部３５上の光導波路３６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３７で
合波干渉した時、この光導波路３７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
３７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３７からは
光が出力されない。このように光導波路３７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３３の変形量を測定することができる。

【００４３】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３２上には２本の光導波路３８，３９
が形成されており、これら光導波路３８，３９はＸ状の
分岐部にて光導波路３４，３６と交差している。この場
合、光導波路３９は、光導波路３８よりも導波路の幅が
狭く形成されている。基板３２の端面には反射ミラー４
０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３８から入射した光は、分岐部にて１：１に分波さ
れ、光導波路３４，３６内を伝搬していき、反射ミラー
４０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３８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３９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３３の変形量によっ
て決まるものであるため、光導波路３８，３９に戻って
くる光量を調べることにより片持ち梁３３の変形量を測
定することができる。

【００４４】

【発明が解決しようとする課題】第一及び第二の従来例
の場合（図１９、図２０参照）、交流電圧の周波数ω_ac
をカンチレバーの機械的共振周波数ω₀ に完全に一致さ
せている。従って、（１０）式でも述べたように、φ＝
−π／２となるため、ロックインアンプ１１により位相
θ＝−π／２で、ロックインアンプ１２により位相θ＝
−πでそれぞれ位相検波増幅すれば、（５）式の括弧内
の第一項と第二項の振幅を（１１）式、（１２）式に示
すように分離して得ることができる。

【００４５】しかし、カンチレバーの機械的共振周波数
ω₀ は、測定を何回か行っている間に、周囲の気温や湿
度、気圧などの影響により少しずつズレてくる。これに
対して、交流電圧の周波数ω_acは安定しているため、変
化しない。このため、ω₀ とω_acとは経時変化に伴って
一致しなくなってくる。また、カンチレバーの共振点付
近では共振周波数のズレに対する位相の変化が非常に大
きく、わずかな共振点のズレにより、φの−π／２から
の差が無視しえないものとなる。一方、ロックインアン
プ１１，１２において位相検波を行う位相は、測定当初
に調整したθ₁＝−π／２、θ₂ ＝−πのままである。
従って、（１１）式、（１２）式のように、（５）式の
括弧内の第一項と第二項とを分離できなくなる。

【００４６】例えば、ω₀ ＝ω_acが成り立たなくなるこ
とにより、φ＝−π／２＋Δφになったとする。このと
き、

【００４７】

【数１５】

【００４８】となる。ここでのθ＝θ₁ ＝−π／２の時
のロックインアンプ１１の出力Ｖ₁ 、及び、θ＝θ₂ ＝
−πのときのロックインアンプ１２の出力Ｖ₂ はそれぞ
れ、

【００４９】

【数１６】

【００５０】となる。（２１）式、（２２）式からわか
るように、Δφ≠０であるため、（５）式の括弧内の第
一項と第二項とは分離されず、表面電位を測定する信号
Ｖ₁ には表面形状を測定するための（５）式の括弧内の
第二項の振幅が混入している。また、表面形状を測定す
る信号であるＶ₂ には表面電位を測定するための（５）
式の括弧内の第一項の振幅が混入している。すなわち、
このことは、表面電位が表面形状の測定結果に混入・干
渉し、また、表面形状が表面電位の測定結果に混入・干
渉することを意味する。このように、従来においては、
カンチレバーの共振周波数であるω₀ が、周囲の気温や
湿度、気圧などの影響によりわずかに変動することによ
って、試料１の表面電位と表面形状の測定結果が互いに
干渉し、無視できない誤差となって現われてくる。

【００５１】次に、第三の従来例の装置（図２１参照）
は、図２０の装置に粗動アクチュエータ１６ａとパソコ
ン１７とを追加したものであり、この場合のロックイン
アンプ１２の出力は、

【００５２】

【数１７】

【００５３】のようになる。ここで、試料１の絶縁膜の
容量が探針２の先端と、カンチレバーの容量よりも十分
大きければ、（∂Ｃ／∂Ｚ）は探針２と試料１の表面と
の間の距離のみに依存する関数となり、これにより、Ｖ
₂ から探針２の先端と試料１の表面との間の距離を測定
することができる。図２１の構成では、ロックインアン
プ１２の出力をパソコン１７がモニタし、探針２と試料
１の表面との間の距離が一定値に近づくと、粗動アクチ
ュエータ１６ａを停止させてアプローチを行っている。
一方、探針２の先端と試料１の基板との間の静電容量Ｃ
は平行平板のコンデンサに近似することができ、Ｃ＝ε（Ｓ／Ｚ） …（２３）となる。ここで、Ｓはコンデンサ電極の面積、εは電極
間の誘電体の誘電率である。これにより、（∂Ｃ／∂
Ｚ）は、

【００５４】

【数１８】

【００５５】となる。（２５）式から、Ｖ₂ はＺの自乗
に反比例する。

【００５６】一方、電子写真の開発過程において、感光
体試料にレーザビームにより書込みを行った後のビーム
スポットが照射された部分の表面電位分布を測定したい
という要望がある。この場合、図２１の装置において、
試料１を探針２から離れたところで予め帯電器により帯
電させ、レーザビームを照射した後、試料１を探針２の
下に移動し、探針２と試料表面との間でアプローチを行
った後、試料１の表面電位分布測定を開始することにな
る。この場合、感光体試料は表面に電化が帯電した後、
光が照射されなくても、その表面電位が徐々に低下す
る、いわゆる暗減衰という特性をもつ。この暗減衰の速
度は条件により異なるが一般的な感光体の場合、帯電後
５分程度で初期値の８０％程度の表面電位となる。この
ようなことから、感光体試料を測定する場合、帯電後か
ら５分程度以内で測定が終了することが好ましい。実
際、図２１の装置で感光体の表面電位を測定する場合、
最も時間がかかるステップはアプローチであり、通常２
〜３分程度が必要となる。このように時間がかかるのは
以下のような理由による。

【００５７】帯電・露光後、試料１を探針２の直下に移
動してきた時の探針２と試料表面との間の距離Ｚは数ｍ
ｍであるのに対して、測定時のＺは十分な解像度を得る
ために、０．５μｍ程度でなければならない。従って、
アプローチのステップでは、探針２の先端と試料１の表
面が衝突することなく、Ｚを数ｍｍから０．５μｍ（１
／１００）に近づけなければならない。アプローチ時
に、パソコン１７が粗動アクチュエータ１６ａを制御す
る基となるＺを検出している信号はＶ₂ であり、（２
５）式に示されるように、Ｚの自乗に反比例する。従っ
て、アプローチ時にＺが数ｍｍから０．５μｍへ約１／
１００になるため、Ｖ₂ の値は約１００００倍となる。
すなわち、Ｚが小さくなるに従ってＶ₂ は急激に大きく
なる。逆にいうと、探針と試料表面とが近づかないと、
Ｖ₂ はＺに対して十分な感度を持たないことになる。図
２１の装置の場合、Ｖ₂ の出力からパソコン１７が粗動
アクチュエータ１６ａに負帰還をかけ、アプローチを行
うため、高速なアプローチを行うとすると、Ｚ測定時の
値に近づくまで十分な負帰還がかからず、探針２と試料
表面とが衝突することになる。このようなことから、ア
プローチをゆっくりと行わなければならず、アプローチ
に時間がかかることになる。このようにアプローチに時
間がかかることによって、感光体の暗減衰が進み、測定
すべき初期の状態からの誤差が大きくなる。

【００５８】また、高速なアプローチを行う手段とし
て、アプローチ前の探針２と試料表面との間の距離ｄｓ
をＶ₂ の出力から測定しておき、予め決められている測
定時の探針先端と試料表面との間の距離ｄｏから、粗動
アクチュエータ１６ａがアプローチ時に移動すべき距離
ｄｓ−ｄｏを算出し、パソコンがその距離分だけ粗動ア
クチュエータを動かし、試料１のアプローチを行い、探
針２の先端と試料表面との間の距離をｄｓにする方法が
ある。しかし、この場合も、Ｖ₂ が距離Ｚの自乗に反比
例するため、アプローチ前のＺ＝ｄｓ（数ｍｍ）である
場合にはＶ₂ は距離に対して十分な感度を持たず、探針
２の先端と試料表面との間の距離を正確に測定すること
ができない。従って、粗動アクチュエータ１６ａが移動
すべき正確な距離を知ることができず、アプローチ時
に、探針２の先端と試料表面とが衝突することになる。

【００５９】次に、図３０は、第四の従来例（図２２参
照）のトンネル電流ユニットを、表面電位測定に応用し
た場合の例である。プローブ１８には、支持バネ１９、
接地パッド２１を介して、アンプ４１の出力が印加され
る。試料１の表面電位と、探針２の電位との間に働く静
電引力により支持バネ１９が変形、振動する。この変
形、振動は静電アクチュエータを構成する駆動パッド２
２のくし歯電極と支持バネ１９のくし歯電極との間の静
電容量の変化して表われる。これらくし歯間の容量を容
量計４２により測定することによって、プローブの変
形、振動を測定することができる。しかし、電子写真に
おける１ＫＶに及ぶ表面電位を測定する場合、プローブ
の電位も試料１の表面電位と等しく１ＫＶ程度になる。
従って、容量計４２の接地パッド２１に接続されている
入力端も１ＫＶの高電圧になる。このため、容量計４２
の耐圧限界を超えて、破損が生じたり、大きな測定誤差
の原因となり、プローブ１８の振動を測定することがで
きなくなる。

【００６０】次に、感光体の表面電位の測定を行うため
には、前述したように測定を数分のうちに終了しなけれ
ばならない。これを実現するためには、アプローチを素
早く行うと共に、実測定時間を短縮する必要があり、そ
のためには図１９の片持ち梁３の共振周波数を高く設定
する必要がある。この共振周波数を高く設定するために
は、片持ち梁３のバネ定数を高くするのが最も簡単であ
るが、これを行うと探針２に働く相互作用（静電引力）
に対する片持ち梁３の曲がりが小さくなり、感度が低下
する。そこで、共振周波数を高くしかつバネ定数の増加
を抑える方法としては、片持ち梁３全体の寸法を相似的
に小さく（いわゆる、シュリンク）すればよい。このた
め、図３１に示すような寸法をもつ半導体加工プロセス
で作製されたマイクロカンチレバー４３を用いる。すな
わち、片持ち梁３の長さＬ＝４５０μｍ、幅Ｗａ＝３０
μｍ、厚さＤ＝２．２μｍとし、探針２の高さＨ＝１３
μｍとする。

【００６１】一方、スポット径２Ｗのレーザビームが座
標Ｘ＝０を中心に照射されたときの試料表面座標ｘに対
する表面電位分布Ｖ（ｘ）は

【００６２】

【数１９】

【００６３】で近似することができる。この場合、ａは
感光体材料から決まる値で、ａ≒０．０１ｃｍ、スポッ
ト径２Ｗ＝６０μｍ、露光部電位Ｖ_L ＝−１００
（Ｖ）、非露光部電位Ｖ_D ＝−１０００（Ｖ）とする
と、表面電位分布は図３２のようになる。今、図３３に
示すように、探針２がｘ＝０（Ｖ（０）＝Ｖ_L の位置）
の直上にあり、電位測定の制御系によりカンチレバー電
位がＶ_cant＝Ｖ_L になっていると仮定すると、座標ｘに
おける試料表面とカンチレバーとの電位差ΔＶ（ｘ）＝
Ｖ（ｘ）−Ｖ_L となり、ｘに対して図３４の曲線を示
す。

【００６４】また、空気中１気圧、２０°Ｃにおける放
電開始電圧Ｖｓ（Ｖ）は、放電を生じる電極のギャップ
ｄ（μｍ）に対して、Ｖｓ＝２．４４ｄ＋６５．３√ｄ …（２８）として表わされる（パッシェン則）。

【００６５】図３３のように、試料表面に対して片持ち
梁３を平行に配置させると、両者間の距離は１３．５μ
ｍである。ここで、ｄ＝１３．５とすると、このときの
放電開始電圧Ｖｓは、約２７３Ｖとなる。図３４におい
て、ΔＶ（ｘ）がＶｓを超えた部分では片持ち梁３と試
料表面との間で放電が生じることになる。すなわち、ｘ
＞約６０〜７０μｍの部分では放電を生じ、試料表面の
電荷分布を乱すことになり、測定が不可能となる。この
ような問題を解決するための方法としては、図３１の高
さＨを１００μｍ以上にしたカンチレバーを用いればよ
い。しかし、マイクロカンチレバーでは探針２の高さＨ
を百μｍ程度にすることはその製造工程上、非常に困難
である。マイクロカンチレバーを用いずに、大きなカン
チレバーを用いれば高さＨを百μｍ程度にすることは可
能であるが、前述したように高い周波数と低いバネ定数
とを同時に満足することはできない。

【００６６】次に、第五の従来例（図２３参照）、第六
の従来例（図２５参照）の場合、光導波路２９，３１，
３４，３６を用いて光量差から片持ち梁２８，３３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２９，３１，３４，３６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。

【００６７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、バネの機械的共振周波数以下の周波数の第一交流電
圧と、この第一交流電圧の周波数の１／２の周波数の第
二交流電圧とを重畳した電圧を探針に印加する探針電圧
印加手段を設けた。

【００６８】従って、探針電圧印加手段により探針に印
加される電圧の周波数は、バネの機械的共振周波数以下
の非共振な振動周波数とされているため、従来のように
機械的共振周波数でバネを振動させるときのように、周
囲の気温、湿度、気圧等の影響による機械的共振周波数
のわずかな変動によって、バネの振動の位相が大きく変
動するようなことがなくなる。

【００６９】請求項２記載の発明では、探針と試料の表
面との間の距離を測定する距離測定手段を設け、探針と
試料の表面との接近及び離脱の際に、距離測定手段の出
力値をもとに探針と試料の表面との間の距離を制御する
距離制御手段を設けた。

【００７０】従って、距離測定手段の出力値をもとに、
距離制御手段を用いて探針と試料の表面との間の距離を
制御することによって、従来のように粗動・微動アクチ
ュエータにより探針と試料表面との間の距離を制御する
必要がなくなり、これにより、高速でかつ探針と試料表
面との衝突が生じることなく、アプローチ動作を行わせ
ることができる。

【００７１】請求項３記載の発明では、探針を有する基
板の可動部に一部が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基板の固定
部に配線された第二の光導波路とを備え、探針に印加す
る電圧印加回路と、第一及び第二の光導波路を通過した
光により探針の運動を検出する運動検出回路とを電気的
に分離して設けた。

【００７２】従って、第一の光導波路に接続された探針
に印加する電圧印加回路と、第一及び第二の光導波路を
通じて探針の運動を検出する運動検出回路とを電気的に
分離して設けたことによって、試料の表面に対向配置さ
れる探針側に高電圧が印加されても、その探針の運動を
検出する運動検出回路側にはその高電圧は印加されず、
これにより、耐圧限界を超えて測定回路が破損したり、
大きな測定誤差を招いたりするようなことがなくなる。

【００７３】請求項４記載の発明では、探針を有する基
板の可動部に一部が配線された第一の光導波路と、基板
の固定部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基板上
に配線された第三の光導波路とを備え、探針に印加する
電圧印加回路と、第三の光導波路で干渉を起こした光に
より探針の運動を検出する運動検出回路とを電気的に分
離して設けた。

【００７４】従って、第一の光導波路に接続された探針
に印加する電圧印加回路と、第三の光導波路を通じて探
針の運動を検出する運動検出回路とを電気的に分離して
設けたことによって、試料の表面に対向配置される探針
側に高電圧が印加されても、その探針の運動を検出する
運動検出回路側にはその高電圧は印加されず、これによ
り、耐圧限界を超えて測定回路が破損したり、大きな測
定誤差を招いたりするようなことがなくなる。

【００７５】請求項５記載の発明では、測定時に、試料
の表面に平行な方向に対してバネの延在方向が一定の傾
斜角度をなすように、バネを配置した。

【００７６】従って、測定時に、バネの延在方向を試料
の表面に平行な方向に対して一定の傾斜角度をもたせた
ことによって、バネ部材として機械的共振周波数が高く
バネ定数が小さなマイクロカンチレバーを用いたような
場合でも、バネ部分と試料表面との間で放電現象が生じ
るようなことがない。

【００７７】請求項６記載の発明では、請求項５記載の
発明において、試料の表面に平行な方向に対するバネの
延在方向の傾斜角度を、少なくとも１５°以上に設定し
た。

【００７８】従って、試料の表面に平行な方向に対する
バネの延在方向の傾斜角度を、少なくとも１５°以上に
設定したことによって、試料の表面と探針との間に作用
する力の測定の感度低下を極力抑えることができる。

【００７９】

【実施の形態】本発明の実施の第一の形態を図１及び図
２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、従来技術（図１９参照）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。

【００８０】図１の物理量測定装置には、探針電圧印加
手段４４が設けられている。この探針電圧印加手段４４
は、バネとしての片持ち梁３の機械的共振周波数ω₀ 以
下の周波数ωの第一交流電圧Ｖa₁と、この第一交流電圧
Ｖa₁の周波数ωの１／２の周波数の第二交流電圧Ｖa₂と
を重畳した電圧を探針２に印加する。以下、この探針電
圧印加手段４４を設けた場合における装置の動作につい
て述べる。

【００８１】加算器６には、帰還直流電圧Ｖｂと、片持
ち梁３の機械的共振周波数ω₀ の１／２以下好ましくは
１／３以下の周波数ωの第一交流電圧Ｖa₁と、ω／２の
第二交流電圧Ｖa₂とが加算される。これら重畳された電
圧が片持ち梁３に印加される。今、探針２と、試料表面
との間に働く力は、前述したように、

【００８２】

【数２０】

【００８３】である。試料１の表面電位をＶｓとする
と、探針２と試料表面との間の電位差Ｖは、

【００８４】

【数２１】

【００８５】となる。これにより、探針２の先端と、試
料表面との間の静電引力Ｆesは、

【００８６】

【数２２】

【００８７】となる。ωは、機械的共振周波数ω₀ の１
／３以下の周波数であるから、Ｆesにより共振振動を起
こすことはない。従って、片持ち梁３の振動の表わすプ
リアンプ１０の出力ｖは、

【００８８】

【数２３】

【００８９】となり、Ｆesに比例した同位相の振動を示
す。ロックインアンプ４５は狭帯域アンプであり、参照
信号の周波数がωであるため、（３１）式の出力ｖの第
二項のω成分のみを増幅する。第二項の各々の正弦関数
の位相差は、探針２に印加している周波数ωの交流電圧
を基準にした位相差である。また、第二項は互いにπ／
２だけ位相がずれた正弦波が重畳された波形となってい
る。ここでのロックインアンプ４５は２位相型となって
いるため、π／２だけ位相がずれた正弦波は分離され、
それぞれの出力Ｖ₁，Ｖ₂は、

【００９０】

【数２４】

【００９１】となり、交流電圧の振幅に比例した直流電
圧が出力される。なお、Ａ₁，Ａ₂は比例定数である。こ
のように（３１）式の第二項の括弧内の２つの項を分離
することができる。（３１）式中のωは片持ち梁３の機
械的共振周波数ω₀ に非共振な振動周波数であり、従来
技術のように共振周波数で片持ち梁３を振動させる場合
のように、周囲の気温、湿度、気圧などの影響による共
振周波数のわずかな変動により、片持ち梁３の振動の位
相が大きく変動することはない。従って、振動波形の位
相変化に起因して、表面電位と表面形状の測定結果が互
いに干渉し、無視できない誤差となって現われてくるよ
うなことがなくなり、安定して正確な誤差の少ない試料
１の表面電位と表面形状の測定を行うことができる。こ
の場合、電圧Ｖ₁ が０になるようにＶｂに帰還をかける
ことにより、Ｖｂの値から表面電位Ｖｓを知ることがで
きる。また、探針電圧と表面電位の直流バイアス電圧が
等しくなるので、解像度を高くするために探針２と試料
表面との間の距離を近づけても、両者間で放電現象が生
じるようなことがなく、非破壊の状態で測定が可能とな
る。また、Ｖ₂ の値が一定になるようにＺ軸アクチュエ
ータ１６に帰還をかけることにより、探針２と試料表面
との間の距離を一定に保つことが可能となり、これによ
り試料表面に凹凸が存在しても、探針２と試料表面との
衝突を防止すると共に、解像度の変動を抑えることがで
きる。

【００９２】次に、本実施の形態の変形例について説明
する。ここでは、加算器６、Ｚ軸アクチュエータ１６に
帰還をかけるようなことは行わず、図２に示すように、
ロックインアンプ４５の出力Ｖ₁，Ｖ₂をパソコン１７に
送り込むようにする。このようにパソコン１７に出力デ
ータを取込むことによって、試料１の表面電位と、探針
２と試料表面との間の距離を測定することができる。す
なわち、試料１の絶縁膜の容量が探針２の先端とカンチ
レバーの容量よりも十分大きければ、（∂Ｃ／∂Ｚ）は
探針２と試料表面との間の距離の関数となるため、Ｖ₂
から探針２と試料表面との間の距離を計算して求めるこ
とができる。また、Ｖ₂ から得られた（∂Ｃ／∂Ｚ）
と、Ｖ₁ から（１１）式を用いて試料１の表面電位Ｖｓ
を計算して求めることができる。なお、この時のＶｂは
０である。

【００９３】上述したように、探針電圧印加手段４４に
より探針２に印加される電圧の周波数ωは、片持ち梁３
の機械的共振周波数ω₀ とは異なる非共振な振動周波数
とされているため、従来のように機械的共振周波数ω₀
で片持ち梁３を振動させたときのように、周囲の気温、
湿度、気圧等の影響による機械的共振周波数ω₀ のわず
かな変動によって、片持ち梁３の振動の位相が大きく変
動するようなことがなくなる。これにより、片持ち梁３
の振動波形の位相変化に起因して表面電位と表面形状と
の測定結果が互いに干渉し合って無視できない誤差とな
って現われるようなことがなく、物理量（試料表面電位
及び試料表面形状）の測定を常に安定した状態で正確に
行うことができる。

【００９４】次に、本発明の実施の第二の形態を図３〜
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、従来技術（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。

【００９５】片持ち梁３に近接した位置には、探針２と
試料１の表面との間の距離を測定する距離測定手段とし
ての距離計４６が設けられている。この距離計４６と片
持ち梁３を保持する基台４とは、共通の固定台４７によ
り機械的に強固に保持されている。距離計４６はどのよ
うなものでもよいが、測定精度が高い光学的な距離計、
例えば非接触レーザ変位計が望ましく、また、その出力
は測定する距離に対して直線的で一定の感度をもつこと
が好ましい。このような距離計４６はパソコン１７に接
続されている。このパソコン１７内には、距離計４６の
出力値をもとに探針２と試料１の表面との間の距離を求
め、アプローチ時の粗動アクチュエータ１６ａの動作を
制御する距離制御手段（図示せず）が設けられている。

【００９６】このような構成において、以下、距離計４
６及び距離制御手段の働きを中心に説明する。まず、試
料１、Ｚ軸アクチュエータ１６、感光体の試料１が一体
となって、移動レール４８により帯電器４９とレーザ書
込み系５０との下方に移動する。この位置で、試料１は
帯電器４９により帯電され、その後、レーザ書込み系５
０により露光される。これにより、試料１の表面にはレ
ーザ光が照射されたパターンの静電潜像が形成される。
その後、試料１、Ｚ軸アクチュエータ１６は、移動レー
ル４８によって、片持ち梁３と距離計４６の下方に移動
する。そして、この位置で、距離計４６は、距離計自身
と試料表面との間の距離を測定する。この距離計４６
は、距離に対して直線的で一定の感度をもつことから、
距離計４６と試料表面とが数ｍｍ離れていても、距離の
変動に対して十分な感度をもつ。また、距離計４６と片
持ち梁３の基台４とは、共通の固定台４７により強固に
保持されていることから、距離計４６の出力値から探針
２の先端と試料１の表面との間の距離が一意的に決定さ
れる。このとき、パソコン１７は、試料１が探針２の直
下に移動した直後に距離計４６の出力値を読取り、この
ときの探針２と試料表面との間の距離ｄｓを測定する。
この距離ｄｓは、測定値が距離に対して十分な感度を有
することから、正確な値を示す。その後、パソコン１７
は予め決められている測定時の探針２の先端と試料１の
表面との間の距離ｄ₀ から、粗動アクチュエータ１６ａ
がアプローチ時に移動すべき距離ｄｓ−ｄ₀ を計算し、
この距離分だけ粗動アクチュエータ１６ａを動かし、試
料１のアプローチを行い、探針２の先端と試料１の表面
との間の距離をｄｓにする。このとき、粗動アクチュエ
ータ１６ａが移動すべき距離が正確にわかっているた
め、フィードバックをかけずにオープンループで粗動ア
クチュエータ１６ａを駆動制御することができる。これ
により、高速でかつ探針２と試料１の表面とが衝突する
ことなくアプローチ動作を行うことができる。

【００９７】また、パソコン１７が距離計４６の出力を
監視しながらアプローチを行い、探針２の先端と試料１
の表面との間の距離が測定時のｄ₀ になったところで、
粗動アクチュエータ１６ａを停止させる（負帰還をかけ
る）ようにしてもよい。この場合、距離計４６の出力は
探針２の先端と試料１の表面との間の距離に対して直線
であり、感度が一定であるため、高速にアプローチを行
う場合、負帰還が間に合わず探針２の先端と試料１の表
面とが衝突するようなことはない。

【００９８】次に、本実施の形態の変形例について説明
する。ロックインアンプ１２の出力と目標基準電圧との
偏差を出力する比較器１４の出力を常に積分器１５（図
２１参照）で積分しＺ軸アクチュエータ１６に帰還をか
ける場合について考える。ここでは、図２１の積分器１
５の代わりに、帰還回路５１を設けた。図４は、帰還回
路５１の内部回路の構成を示す。帰還回路５１は、第一
電圧調整部５２と、比較器５３と、第二電圧調整部５４
と、積分器５５とから構成されている。

【００９９】今、アプローチ時における探針２と試料１
の表面との間の距離は、これを一定（ｄ₀ ）に保とうと
するＶ₂₁に制御されるＺ軸アクチュエータ１６の動き
と、探針２と試料１の表面との間の距離をｄ₀ に近づけ
ようとする粗動アクチュエータ１６ａの動きとに分けら
れる。このため、二重に帰還制御がかかるようになり、
きわめて不安定な動作となる。そこで、このような不具
合をなくすために、アプローチ終了までは第一電圧調整
部５２による電圧Ｖr₁の手動の制御状態にしておき、ア
プローチ終了後（粗動アクチュエータ１６ａにより探針
２と試料１の表面との間の距離を変化させることがなく
なった後）、直流電圧Ｖ₁₁による自動の帰還制御状態に
移行させる。これにより、二重に帰還制御がかかるよう
なことがなくなり、安定した動作を行わせることができ
る。

【０１００】上述したように、距離計４６の出力値をも
とに、距離制御手段を用いて探針２と試料１の表面との
間の距離を制御することによって、従来のように粗動ア
クチュエータ１６ａ・Ｚ軸アクチュエータ１６により探
針２と試料表面との間の距離を制御する必要がなくな
り、高速でかつ探針２と試料表面との衝突が生じること
なく、アプローチ動作を行わせることが可能となる。こ
のため、物理量の測定開始までの時間を一段と短縮する
ことができ、これにより例えば感光体の表面電位の測定
を精度良く行うことができる。

【０１０１】次に、距離計４６に使用される光源につい
て説明する。その光源としては発光波長が感光体に感度
を有しない波長であることが望ましく、受光素子もその
発光波長に感度を有するものであることが望ましい。例
として、感光体が電子写真に用いられる感光体である場
合について述べる。

【０１０２】図５は、電子写真装置に用いられる周知の
代表的な感光体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（Layered Photo
Conductor）｛約０．１μｍ厚のchlorodiane blue とdi
phenylhydrazone との混合物の膜ＣＧＬ（Charge Gener
ation Layer）の上に約１５μｍのＣＴＬ（Charge Tra
nsport 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（polyvinylcarbazole とt
rinitrofluorenone 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４００
ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で感度を有している。

【０１０３】これにより、感光体は６００ｎｍ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
発する測定用レーザ光源と、この６００ｎｍ以上の波長
の感度を有する受光素子とを用いる。また、分光感度に
対してある程度の余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。

【０１０４】

【表１】

【０１０５】

【表２】

【０１０６】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。

【０１０７】

【表３】

【０１０８】

【表４】

【０１０９】また、図５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。

【０１１０】

【表５】

【０１１１】

【表６】

【０１１２】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
を組み合わせて距離計４６を構成することによって、感
光体上での静電潜像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。

【０１１３】次に、本発明の実施の第三の形態を図６〜
図１１に基づいて説明する（請求項３記載の発明に対応
する）。なお、従来技術（図２３、図３０参照）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。

【０１１４】試料１と対向した位置には、プローブ１８
が基板５６の端部から飛び出した形で配置されている。
このプローブ１８と、４本のバネ５７と、バネ５７の中
央に形成された平坦部５９とは一体に形成され、可動部
を構成している。バネ５７は、基板５６の固定部側とな
る４箇所の固定端５８に固定されている。また、レーザ
光が入射する第一の光導波路６０は、可動部の平坦部５
９及び基板５６の固定部の両方に渡って配線されてい
る。この第一の光導波路６０の端面に端面を対向させた
形で、第二の光導波路６１が固定部側に配線されてい
る。また、平坦部５９にはリード線６２を介してアンプ
４１が接続されている。これにより、プローブ１８に
は、リード線６２を介してアンプ４１から電圧が印加さ
れる。この場合、プローブ１８と、平坦部５９と、リー
ド線６２と、アンプ４１とは、電圧印加回路６３を構成
している。また、バネ５７と、このバネ５７に一部が接
続された第一の光導波路６０と、受光側の第二の光導波
路６１と、受光器（図示せず）とは、運動検出回路６４
を構成している。これら電圧印加回路６３と運動検出回
路６４とは、電気的に分離されている。

【０１１５】このような構成において、本装置の動作に
ついて述べる。プローブ１８には、アンプ４１の出力が
リード線６２を介して印加される。この印加電圧によ
り、プローブ１８と試料１の表面との間に静電引力が働
く。この静電引力により、バネ５７に接続されたプロー
ブ１８は移動又は変形する。一方、レーザ光が第一の光
導波路６０側から入射しており、その端面から出射した
光は対向する第二の光導波路６１の端面に再入射して受
光器に受光される。この場合、プローブ１８の移動又は
変形による運動は、第二の光導波路６１を介して受光器
に光量変化として検出される。

【０１１６】試料１の表面電位を測定する場合、従来例
（図３０参照）では、プローブ１８も表面電位とほぼ同
電位の高い電圧となり、プローブ１８の振動を測定する
測定器の耐圧限界を超え測定不能となるようなことがあ
るが、本実施の形態では、プローブ１８の運動を光学的
に検出し、プローブ１８に電圧を印加する系（電圧印加
回路６３）とプローブ１８の運動を検出する系（運動検
出回路６４）とを電気的に分離しているため、プローブ
１８の運動測定に支障をきたすようなことがない。ま
た、プローブ１８の運動を検出する系はプローブ１８が
形成されている基板と同一の基板上に作られているた
め、装置全体の小型化が可能となる。また、プローブ１
８をアレイ化してもよく、多点同時測定による高速な測
定も可能である。

【０１１７】次に、変形例について説明する。図７の装
置は、バネ５７を例えば低抵抗のポリシリコンにより形
成し導電性とした場合の例である。アンプ４１は固定端
５８を介して導電性のバネ５７と接続されている。これ
により、アンプ４１の出力はバネ５７を介してプローブ
１８に印加される。このようにバネ５７にリード線の機
能をもたせることによって、配廻しが少なく、部品点数
を削減することができる。また、図８は、第一の光導波
路６０に導電性物質（例えば、金属薄膜）をコートした
場合の例である。アンプ４１の出力は第一の光導波路６
０を介してプローブ１８に印加される。このように第一
の光導波路６０を導電性とすることにより、リード線と
しての機能をもたせることができる。また、図９は、第
一の光導波路６０の剛性を高めて、バネとしての機能を
もたせた場合の例である。アンプ４１の出力は、リード
線６２を介してプローブ１８に印加される。これによ
り、前述したバネ５７の構造がなくなり、簡素化した構
成とすることができる。また、図１０は、第一の光導波
路６０の剛性を高め、かつ、金属薄膜等の導電性物質を
コートした場合の例である。これにより、一段と単純な
構成とすることができる。また、図１１は、アンプ４１
の出力はリード線６２を介してプローブ１８に印加され
るのみならず、そのプローブ１８に印加する電圧と同一
の電圧が基板５６にも印加されている。これにより、プ
ローブ１８と基板５６との間、及び、プローブ１８と基
板周辺の機構部分との間に静電引力が働くことを防止す
ることができる。

【０１１８】上述したように、第一の光導波路６０に接
続されたプローブ１８に印加する電圧印加回路６３と、
第一及び第二の光導波路６０，６１を通じてプローブ１
８の運動を検出する運動検出回路６４とを電気的に分離
して設けたので、試料１の表面に対向配置されるプロー
ブ側に高電圧が印加されても、プローブ１８の運動を検
出する運動検出回路６４側には高電圧は印加されず、耐
圧限界を超えて測定回路が破損したり、大きな測定誤差
を招いたりするようなことがなくなる。これにより、高
電圧な表面電位の測定が可能となり、また、運動検出回
路６４はプローブ１８が形成されている基板５６と同一
の基板上に設けられていることから、装置全体の小型化
を図ることができる。

【０１１９】次に、本発明の実施の第四の形態を図１２
及び図１３に基づいて説明する（請求項４記載の発明に
対応する）。なお、従来技術（図２５参照）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。

【０１２０】基板５６の端部から先端が飛び出したプロ
ーブ１８と、４本のバネ５７と、平坦部５９とは、可動
部を構成している。バネ５７は、基板５６の固定部側と
なる固定端５８に固定されている。平坦部５９及び基板
５６の固定部の両方に渡って、第一の光導波路（信号検
出用）６５が配線されている。また、固定部側には第二
の光導波路（参照用）６６が配線されている。第一の光
導波路６５を伝搬する光と第二の光導波路６６を伝搬す
る光とが干渉を起こすように、第一の光導波路６５と第
二の光導波路６６とが合流する位置の基板５６の固定部
側には第三の光導波路６７が配線されている。また、平
坦部５９にはリード線６２を介してアンプ４１が接続さ
れている。これにより、プローブ１８には、リード線６
２を介してアンプ４１から電圧が印加される。この場
合、プローブ１８と、平坦部５９と、リード線６２と、
アンプ４１とは、電圧印加回路６３を構成している。ま
た、バネ５７と、このバネ５７に一部が接続された第一
の光導波路６５と、第二の光導波路６６と、第三の光導
波路６７と、受光器及び光源（ともに図示せず）とは、
運動検出回路６４を構成している。これら電圧印加回路
６３と運動検出回路６４とは、電気的に分離されてい
る。

【０１２１】このような構成において、本装置の動作に
ついて述べる。アンプ４１の出力がリード線６２を介し
てプローブ１８に印加されると、プローブ１８と試料１
の表面との間に静電引力が働き、これによりプローブ１
８が移動又は変形する。このプローブ１８の運動は平坦
部５９上の第一の光導波路６５を変位させるため、この
変位が第三の光導波路６７を介して受光器（図示せず）
に光量変化して検出される。

【０１２２】試料１の表面電位を測定する場合、従来例
（図２５参照）では、プローブ１８も表面電位とほぼ同
電位の高い電圧となり、プローブ１８の振動を測定する
測定器の耐圧限界を超え測定不能となるようなことがあ
るが、本実施の形態では、プローブ１８の運動を第一〜
第三の光導波路６５，６６，６７を用いて光学的に検出
し、プローブ１８に電圧を印加する系（電圧印加回路６
３）とプローブ１８の運動を検出する系（運動検出回路
６４）とを電気的に分離しているため、プローブ１８の
運動測定に支障をきたすようなことがない。また、プロ
ーブ１８の運動を検出する系はプローブ１８が形成され
ている基板と同一の基板上に作られているため、装置全
体の小型化が可能となる。また、プローブ１８をアレイ
化してもよく、多点同時測定による高速な測定も可能で
ある。

【０１２３】次に、変形例について説明する。図１３に
示すように、信号検出用の第一の光導波路６５と、参照
用の第二の光導波路６６との端面にはミラー６８が設け
られている。第一の光導波路６５と第二の光導波路６６
との合流位置には、光導入用及び受光用の第三の光導波
路６７が設けられている。この場合、レーザ光は光導入
用の第三の光導波路６７から第一の光導波路６５と第二
の光導波路６６とに分岐して入射し、ミラー６８により
反射され、その後、受光用の第三の光導波路６７に導か
れ受光器に検出される。このように入射光路と反射光路
とを共用させることにより、基板構成の小型化を図るこ
とができる。

【０１２４】また、本実施の形態の場合にも、前述した
変形例（図７〜図１１参照）と同様に、バネ５７を導電
性としてリード線の機能をもたせたり、第一の光導波路
６５を導電性としてリード線の機能をもたせたり、第一
の光導波路６５の剛性を高めバネとしての機能をもたせ
るようにしてもよい。

【０１２５】次に、本発明の実施の第五の形態を図１４
〜図１８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、従来技術（図３３参照）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。

【０１２６】図１４は、測定時における試料１の表面に
対向配置される片持ち梁３の様子を示す。この場合、片
持ち梁３は、その延在方向が試料１の表面に平行な方向
に対して一定の傾斜角度θをなすように配置されてい
る。この傾斜角度θとしては、少なくとも１５°以上、
好ましくは２０°以上に設定する。以下、このような状
態に設定した理由について述べる。

【０１２７】ここでの片持ち梁３の形状は、前述した図
３３の構成と同様とする。測定時における探針２と試料
１の表面との間の距離ｄ₀ は０．５μｍとされ、傾斜角
度θを３０°に設定する。今、探針２の直下の位置をＸ
＝０とした時の片持ち梁３と試料１の表面との間の距離
ｄ（ｘ）は、

【０１２８】

【数２５】

【０１２９】として表わされる。このようにして求めた
ｄ（ｘ）を（２８）式のパッシェン則の式に代入する
と、ｘに対する放電開始電圧Ｖｓ（ｘ）が分かる。この
放電開始電圧Ｖｓ（ｘ）を図３４のΔＶ（ｘ）と共にプ
ロットすると、図１５のようになる。この図１５によ
り、放電開始電圧Ｖｓ（ｘ）の絶対値がΔＶ（ｘ）の絶
対値よりも約３００Ｖ（約ｘ＝１００μｍ以下の範囲）
大きくなっている。このように片持ち梁３を試料１の表
面に対して傾斜角度θ＝３０°傾斜させて取り付けるこ
とによって、片持ち梁３と試料１の表面との間で放電が
生じないことがわかる。

【０１３０】図１６（ａ）は、θ＝１５°としたときの
様子を示し、放電開始電圧Ｖｓ（ｘ）とΔＶ（ｘ）とが
等しくなる点が現われる。図１６（ｂ）は、傾斜角度θ
＝１０°としたときの様子を示し、放電開始電圧Ｖｓ
（ｘ）の絶対値がΔＶ（ｘ）の絶対値よりも大きくなる
点が現われる。このようなことから、探針２と試料１の
表面との間で放電を生じさせないためには、θ＝１５°
以上に設定する必要があり、余裕をもたせてθ＝２０°
以上とすることが好ましい。

【０１３１】次に、変形例について説明する。図１７
（ａ）〜（ｃ）は、片持ち梁３の変形例を示す。図１７
（ａ）は探針２の先端が試料１の表面に対して直角に取
付けられている場合の例である。図１７（ｂ）は探針２
が取付けられている片持ち梁３の一部の面が、試料１の
表面に対して平行になるように形成されている場合の例
である。図１７（ｃ）は探針２を両側２本の片持ち梁３
により保持している場合の例である。また、さらに２本
の片持ち梁を加えて十字状に計４本の片持ち梁により保
持するようにしてもよい。このような状態で探針２を保
持することにより、片持ち梁３を従来のように傾斜させ
ていない場合と同様な印加条件に設定することができ
る。また、図１８は、前述した図６の基板形状を変えた
ものである。すなわち、ここでは片持ち梁に相当するも
のがなく、基板５６の端部を試料１の表面に対してθだ
け傾斜して形成させている。これにより、基板５６と試
料１の表面との間で放電が生じるのを防ぐことができ
る。

【０１３２】上述したように、測定時に、試料１の表面
に平行な方向に対して延在方向が一定の傾斜角度θをな
すように片持ち梁３を配置することにより、機械的共振
周波数が高くバネ定数が小さなマイクロカンチレバーを
用いた場合でも放電が生じるようなことがなくなり、高
速で感度の高い物理量の測定を行うことができる。これ
により、例えば感光体のような暗減衰のある試料１の表
面電位の測定が可能となる。この場合、特に、傾斜角度
θを、少なくとも１５°以上に設定することにより、片
持ち梁３と試料１の表面との間に作用する放電現象を防
止し、測定感度を一段と高めることができる。

【０１３３】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、探針電圧印加手
段によりバネの機械的共振周波数以下の周波数の第一交
流電圧と、この第一交流電圧の周波数の１／２の周波数
の第二交流電圧とを重畳した電圧を探針に印加するよう
にしたので、周囲の環境変化の影響による機械的共振周
波数のわずかな変動によって表面電位と表面形状との測
定結果が互いに干渉し合って無視できない誤差となって
現われるようなことをなくし、常に安定した状態で正確
な物理量の測定を行うことができる。

【０１３４】請求項２記載の発明は、探針と試料の表面
との接近及び離脱の際に、距離測定手段の出力値をもと
に、距離制御手段によって探針と試料の表面との間の距
離を制御するようにしたので、高速でかつ探針と試料表
面との衝突が生じることなくアプローチ動作を行わせる
ことができ、これにより、物理量の測定開始までの時間
を短縮でき、試料として例えば感光体の表面電位の測定
を精度良く行うことができる。

【０１３５】請求項３記載の発明は、探針を有する基板
の可動部に一部が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基板の固定部
に配線された第二の光導波路とを備え、探針に印加する
電圧印加回路と、第一及び第二の光導波路を通過した光
により探針の運動を検出する運動検出回路とを電気的に
分離して設けたので、探針の運動を検出する運動検出回
路が探針に印加する電圧によって支障をきたすようなこ
とがなくなり、これにより、高電圧な表面電位の測定が
可能となり、また、運動検出回路は探針が形成されてい
る基板と同一の基板上に設けられていることから、装置
全体の小型化が可能となる。

【０１３６】請求項４記載の発明は、探針を有する基板
の可動部に一部が配線された第一の光導波路と、基板の
固定部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基板上に
配線された第三の光導波路とを備え、探針に印加する電
圧印加回路と、第三の光導波路で干渉を起こした光によ
り探針の運動を検出する運動検出回路とを電気的に分離
して設けたので、探針の運動を検出する運動検出回路が
探針に印加する電圧によって支障をきたすようなことが
なくなり、これにより、高電圧な表面電位の測定が可能
となり、また、運動検出回路は探針が形成されている基
板と同一の基板上に設けられていることから、装置全体
の小型化が可能となる。

【０１３７】請求項５記載の発明は、測定時に、試料の
表面に平行な方向に対して延在方向が一定の傾斜角度を
なすようにバネを配置したので、機械的共振周波数が高
くバネ定数が小さなマイクロカンチレバーを用いた場合
でも放電が生じるようなことがなくなり、これにより、
高速で感度の高い物理量の測定を行うことができ、例え
ば感光体のような暗減衰のある試料の表面電位の測定が
可能となる。

【０１３８】請求項６記載の発明は、試料の表面に平行
な方向に対するバネの延在方向の傾斜角度を、少なくと
も１５°以上に設定したので、バネと試料の表面との間
に作用する放電現象を防止し、測定感度を一段と高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第一の形態である物理量測定装
置を示す構成図である。

【図２】図１の装置にパソコンを付加させた場合の構成
図である。

【図３】本発明の実施の第二の形態である物理量測定装
置を示す構成図である。

【図４】帰還回路の構成を示す回路図である。

【図５】波長に対する感光体の感度を示す特性図であ
る。

【図６】本発明の実施の第三の形態である物理量測定装
置を示す構成図である。

【図７】バネにリード線の機能をもたせた場合を示す構
成図である。

【図８】光導波路にリード線の機能をもたせた場合を示
す構成図である。

【図９】光導波路にバネの機能をもたせた場合を示す構
成図である。

【図１０】光導波路にリード線の機能とバネの機能とを
もたせた場合を示す構成図である。

【図１１】プローブ及び基板に電圧を印加した場合を示
す構成図である。

【図１２】本発明の実施の第四の形態である物理量測定
装置を示す構成図である。

【図１３】光導波路の一端にミラーを配置した場合を示
す構成図である。

【図１４】本発明の実施の第五の形態である片持ち梁の
構成図である。

【図１５】試料表面と探針との間の電位差、及び、放電
開始電圧の様子を示す特性図である。

【図１６】傾斜角度を変えた場合における電位差、及
び、放電開始電圧の様子を示す特性図である。

【図１７】片持ち梁の変形例を示す側面図である。

【図１８】基板端部を試料表面に対して傾斜して形成し
た場合を示す構成図である。

【図１９】第一の従来例である物理量測定装置を示す構
成図である。

【図２０】第二の従来例である物理量測定装置を示す構
成図である。

【図２１】第三の従来例である物理量測定装置を示す構
成図である。

【図２２】第四の従来例である物理量測定装置を示す構
成図である。

【図２３】第五の従来例である物理量測定装置を示す構
成図である。

【図２４】信号検出の動作原理を示す説明図である。

【図２５】第六の従来例である物理量測定装置を示し、
（ａ）は斜視図、（ｂ）はａ−ａ断面図である。

【図２６】位相変化により信号検出を行うマッハツェン
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原理を示し、
（ａ）は同相時の動作を示す模式図、（ｂ）は逆相時の
動作を示す模式図である。

【図２８】位相変化により信号検出を行う他の例を示す
斜視図である。

【図２９】図２８の動作原理を示し、（ａ）は同相時の
動作を示す模式図、（ｂ）は逆相時の動作を示す模式図
である。

【図３０】表面電位測定計を示す構成図である。

【図３１】マイクロカンチレバーの構成を示す側面図で
ある。

【図３２】表面電位分布を示す特性図である。

【図３３】試料表面とカンチレバーとの間に電位差が発
生している様子を示す側面図である。

【図３４】試料表面と探針との間の電位差、及び、放電
開始電圧の様子を示す特性図である。

【符号の説明】

２探針３バネ１８探針４４探針電圧印加手段４６距離測定手段６０第一の光導波路６１第二の光導波路６３電圧印加回路６４運動検出回路６５第一の光導波路６６第二の光導波路６７第三の光導波路 ω 周波数 ω₀ 機械的共振周波数

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探針が取付けられたバネを有し、その探
針とこれと対向配置された試料の表面との間に作用する
静電引力により前記バネを変形させ、このバネの変形に
より前記試料と前記探針との間に作用する静電引力を検
出して前記測定物の物理量を測定する物理量測定装置に
おいて、前記バネの機械的共振周波数以下の周波数の第
一交流電圧と、この第一交流電圧の周波数の１／２の周
波数の第二交流電圧とを重畳した電圧を前記探針に印加
する探針電圧印加手段を設けたことを特徴とする物理量
測定装置。
【請求項２】探針を測定対象となる試料の表面に近接
させてその試料の物理量を測定する物理量測定装置にお
いて、前記探針と前記試料の表面との間の距離を測定す
る距離測定手段を設け、前記探針と前記試料の表面との
接近及び離脱の際に、前記距離測定手段の出力値をもと
に前記探針と前記試料の表面との間の距離を制御する距
離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】探針を有する基板の可動部に一部が配線
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に配線された第二
の光導波路とを備え、前記探針に電圧を印加する電圧印
加回路と、前記第一及び第二の光導波路を通過した光に
より前記探針の運動を検出する運動検出回路とを電気的
に分離して設けたことを特徴とする物理量測定装置。
【請求項４】探針を有する基板の可動部に一部が配線
された第一の光導波路と、前記基板の固定部に配線され
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基板上に配線
された第三の光導波路とを備え、前記探針に電圧を印加
する電圧印加回路と、前記第三の光導波路で干渉を起こ
した光により前記探針の運動を検出する運動検出回路と
を電気的に分離して設けたことを特徴とする物理量測定
装置。
【請求項５】バネに接続され可動自在とされた探針を
有し、この探針と試料の表面との相互作用により前記試
料の表面の物理量を測定する物理量測定装置において、
測定時に、前記試料の表面に平行な方向に対して前記バ
ネの延在方向が一定の傾斜角度をなすように前記バネを
配置したことを特徴とする物理量測定装置。
【請求項６】試料の表面に平行な方向に対するバネの
延在方向の傾斜角度は、少なくとも１５°以上であるこ
とを特徴とする請求項５記載の物理量測定装置。