JP2002055040A - Physical quantity measurement device - Google Patents
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- JP2002055040A JP2002055040A JP2001136107A JP2001136107A JP2002055040A JP 2002055040 A JP2002055040 A JP 2002055040A JP 2001136107 A JP2001136107 A JP 2001136107A JP 2001136107 A JP2001136107 A JP 2001136107A JP 2002055040 A JP2002055040 A JP 2002055040A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 物理量の測定開始までの時間を短縮し、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。
【解決手段】 探針2と試料1の表面との接近及び離脱
の際に、距離測定手段46の出力値をもとに、距離制御
手段によって探針2と試料1の表面との間の距離を制御
するようにしたことで、高速でかつ探針2と試料1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
短縮し、試料1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。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To accurately measure the surface potential of, for example, a photoreceptor as a sample, by shortening the time until the start of physical quantity measurement. The distance between a probe and a surface of a sample is controlled by a distance control unit based on an output value of a distance measurement unit when the probe approaches and departs from the surface of the sample. , It is possible to perform the approach operation at high speed and without collision between the probe 2 and the surface of the sample 1, thereby shortening the time until the start of the physical quantity measurement, For example, for example, the surface potential of the photoconductor can be accurately measured.
Description
【0001】[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。The present invention relates to a physical quantity measuring device used for a scanning probe microscope, a scanning force microscope, a high-resolution surface electrometer, a shape measuring device, and the like.
【0002】[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6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ωac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(LD)
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、PD9
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Fesは、2. Description of the Related Art A first conventional example relating to a physical quantity measuring device (see Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-308180) will be described with reference to FIG. A cantilever 3 serving as a spring having a probe 2 (conductive needle) at the tip is provided at an upper position facing the sample 1.
The cantilever 3 has a base 4 at one end.
It is supported by and constitutes a cantilever. An adder 6 is connected to such a cantilever via an amplifier 5. In this case, the AC voltage at the frequency ω ac and the frequency ω
When a voltage on which an AC voltage of ac / 2 and a DC bias voltage Vb are superimposed is applied to the adder 6, an electrostatic attractive force acts between the surface of the sample 1 and the probe 2, and the cantilever vibrates. I do. A mirror 7 is connected to the position of the cantilever 3 opposite to the probe 2, and this mirror 7 and a semiconductor laser (LD)
The laser beam is detected between the photodetector 8 and the photodetector (PD) 9 by the so-called optical lever principle. Thereby, PD9
The vibration state of the cantilever can be known from the detected light amount. Therefore, assuming now that the potential difference between the surface of the sample 1 and the probe 2 is V, the distance between the surface of the sample 1 and the tip of the probe 2 is Z, and the capacitance is C, the electrostatic attractive force F es is
【0003】[0003]
【数1】 (Equation 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、[0004] When the surface potential of the sample 1 is Vs, V is
【0005】[0005]
【数2】 (Equation 2)
【0006】として表わされる。従って、Fesは、[0006] Therefore, F es is
【0007】[0007]
【数3】 (Equation 3)
【0008】として表わされる。ここで、ωacをカンチ
レバーの共振周波数ωo とすれば、Fesのωacの成分で
ある静電引力Fesωac は、[0008] Here, assuming that ω ac is the resonance frequency ω o of the cantilever, the electrostatic attractive force F es ωac , which is a component of ω ac of F es , is
【0009】[0009]
【数4】 (Equation 4)
【0010】となり、共振する。従って、Fesωac 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、And resonate. Therefore, the output v of the preamplifier 10 indicating the vibration of the cantilever caused by F esωac is:
【0011】[0011]
【数5】 (Equation 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Fesωac の位相と、Fesωac により
生じる共振振動との間の位相差である。## EQU1 ## Note that a is a proportional constant. Φ 1 = φ (6) φ 2 = (− π / 2) + φ (7) where φ is the phase difference between the phase of the force F esωac and the resonance vibration caused by F esωac. .
【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、In this case, the first term in the equation (5) is the frequency ω
0 represents the vibration caused by the first AC voltage, and the phase φ 1
Is based on the phase of the applied first AC voltage.
The phase φ 1 is determined from the first AC voltage to the lock-in amplifier 1
Reference signals given to the reference numerals 1 and 12 are used as a reference.
(5) the second term in the equation represents the vibration generated by the AC voltage of a frequency ω 0/2, the phase phi 2 is based on the phase of the second alternating voltage applied. The phase φ 2 is based on a reference signal supplied to the lock-in amplifiers 11 and 12 from the second AC voltage. The phases of the first AC voltage and the second AC voltage match. Further, the AC signal asin (ωt + ψ) is converted into the lock-in amplifiers 11 and 12 by the phase θ.
The output V at the time of phase detection and amplification by
【0014】[0014]
【数6】 (Equation 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、## EQU1 ## A is a proportional constant. Here, when equation (5) is applied to equation (8),
【0016】[0016]
【数7】 (Equation 7)
【0017】となる。ここで、ωac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(ωac=ω0 )
と、φ=−π/2である。これを(9)式に代入する
と、## EQU1 ## Here, ω ac is completely matched with the mechanical resonance frequency ω 0 of the cantilever (ω ac = ω 0 ).
And φ = −π / 2. Substituting this into equation (9) gives
【0018】[0018]
【数8】 (Equation 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、## EQU1 ## If v is phase-detected and amplified by the lock-in amplifier 11 at the phase θ = θ 1 = −π / 2, the output V 1 of the lock-in amplifier 11 becomes the phase θ = θ in the equation (10).
1 = −π / 2 is substituted. Also, the phase θ = θ
If the lock-in amplifier 12 detects and amplifies v at 2 = −π, the output V 2 of the lock-in amplifier 12 becomes (1
Equation (0) is obtained by substituting the phase θ = θ 2 = −π. An integrator 13 is connected to the lock-in amplifier 11,
A comparator 14 and an integrator 15 are connected to the lock-in amplifier 12. Here, V 1 and V 2 are:
【0020】[0020]
【数9】 (Equation 9)
【0021】と表わすことができる。なお、A1,A2は
比例定数である。Can be expressed as A 1 and A 2 are proportional constants.
【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6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。As described above, the amplitudes of the first term and the second term in the parentheses in the equation (5) can be separated. Thus, by controlling the Vb so V 1 is becomes 0, (∂C /
Regardless of ∂Z), the surface potential of the sample 1 can be measured from the value of Vb. Further, the apparatus of FIG. 6, such that a constant value of V 2, because controlling the Z-axis actuator 16, (image obtained from the actuator control voltage) Topozo's constant (∂C / ∂Z) It becomes an image. In this case, if the capacity of the insulating film of the sample 1 is sufficiently larger than the capacities of the tip of the probe 2 and the cantilever, the topo image shows the surface shape of the sample 1. Therefore, from this, the surface potential and the surface shape (physical quantity) of the sample 1 can be measured simultaneously.
【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7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Fesは、Next, a second conventional example (observation of the surface potential of an organic thin film by a scanning Maxwell stress microscope, see IETF 92-3) will be described with reference to FIG. An AC voltage having a frequency ω and a DC bias voltage Vb are input to the adder 6, and a voltage obtained by superimposing these two voltages is applied to a conductive cantilever. This applied voltage causes an electrostatic attraction between the surface of the sample 1 and the tip of the probe 2, and the cantilever vibrates. Assuming that the potential difference between the probe 2 and the surface of the sample 1 is V, the electrostatic attractive force F es is
【0024】[0024]
【数10】 (Equation 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+VAsinωt …(14) として表わされる。従って、Fesは、## EQU1 ## Here, assuming that the surface potential of the sample 1 is Vs, V is expressed as follows: V = Vb−Vs + VA sinωt (14) Therefore, F es is
【0026】[0026]
【数11】 [Equation 11]
【0027】として表わされる。このFesのω成分及び
2ω成分となるFesω は、## EQU2 ## F esω which is the ω component and 2ω component of F es is
【0028】[0028]
【数12】 (Equation 12)
【0029】として表わされ、このFesω 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、Fesω 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、The cantilever vibrates due to this Fesω . Here, ω is a frequency equal to or lower than の of the mechanical resonance frequency of the cantilever. As a result, the output v of the preamplifier 10 indicating the vibration of the cantilever caused by F esω is:
【0030】[0030]
【数13】 (Equation 13)
【0031】で表わされる。なお、aは比例定数であ
る。## EQU1 ## Here, a is a proportional constant.
【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、Here, V 1 is obtained by phase-detecting and amplifying v by the lock-in amplifier 11 using the reference signal of the frequency ω, and V 1 is obtained by the lock-in amplifier 12.
V 2 is obtained by performing phase detection amplification using the reference signal of ω. These values of V 1 and V 2 are:
【0033】[0033]
【数14】 [Equation 14]
【0034】として表わされる。なお、A1,A2は比例
定数である。Represented as A 1 and A 2 are proportional constants.
【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。As described above, the amplitudes of the first term and the second term in the parentheses in the equation (17) can be separated. Thus, by controlling the Vb so V 1 is becomes 0, (∂C
/ ∂Z), the surface potential of the sample 1 can be measured from the value of Vb.
【0036】また、図7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。In the apparatus shown in FIG. 7, the Z-axis actuator 16 is controlled so as to keep the value of V 2 constant.
The top image (image obtained from the actuator control voltage) is an image in which (ΔC / ΔZ) is constant. In this case, if the capacity of the insulating film of the sample 1 is sufficiently larger than the capacities of the tip of the probe 2 and the cantilever, the topo image shows the surface shape of the sample 1. Therefore, from this, the surface potential and the surface shape of the sample 1 can be measured at the same time.
【0037】次に、第三の従来例を図8に基づいて説明
する。図8の装置は、図7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。Next, a third conventional example will be described with reference to FIG. The apparatus shown in FIG. 8 is an example in which a personal computer 17 and a coarse actuator 16a are connected to the apparatus shown in FIG.
The distance between the probe 2 and the surface of the sample 1 before starting the measurement of the physical quantity is far greater than the distance at the time of scanning / actual measurement. A so-called approach operation to approach the distance at the time of measurement is required. In this case, since the output value of the lock-in amplifier 12 indicates the distance between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 1, while monitoring the output value with the personal computer 17,
When the distance between the probe 2 and the surface of the sample 1 approaches a fixed value, the coarse movement actuator 16a is stopped to perform the approach operation. Then, the surface potential and the surface shape (physical quantity) of the sample 1 can be measured from the bending of the cantilever 3 due to the electrostatic attraction acting between the surface of the sample 1 and the probe 2 and the change in the vibration state. .
【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9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1
9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(I
VC)24と、演算器25と、積分器(Ki/s)26
とが接続されている。Next, a fourth conventional example (Tunnel current unit by surface micromachining, microscience and engineering, micromachining joint research material MP94-61, M
M94-61) will be described with reference to FIG. The probe 18 constituting the tunnel current unit and the support spring 1
9, the spring portion 20 of the electrostatic actuator is a movable portion, the other ground pad 21, the drive pad 22 of the electrostatic actuator, and the current detection pad 23 facing the probe 18 are fixed portions, It is fixed to a substrate (not shown) via an oxide film. Between the current detection pad 23 and the drive pad 22, a current-to-voltage converter (I
VC) 24, a computing unit 25, and an integrator (Ki / s) 26
And are connected.
【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。In this case, the probe 18 is
9, via the ground pad 21 to the ground potential. On the other hand, a constant DC voltage with respect to the ground potential is applied to the current detection pad 23 by the tunnel bias. Now, in such a state, when the tip of the probe 18 approaches the current detection pad 23 in units of nanometers, a tunnel current flows between them. Current-voltage converter (IVC) 2
Numeral 4 converts the tunnel current into a voltage, and a calculator 25 calculates a deviation between the converted voltage value and the reference signal. The deviation value is calculated via an integrator (Ki / s) 26 by an electrostatic actuator. Is fed back to the drive pad 22.
When a voltage is applied to the drive pad 22 in this manner, an electrostatic attraction acts between the comb portion on the drive pad 22 side and the comb portion of the support spring 19, thereby causing the probe 18 of the movable portion to move. Displace. The displacement amount in this case corresponds to, for example, an amount by which the distance between the tip of the probe 18 and the current detection pad 23 changes due to disturbance or the like, and the distance between the two is kept constant.
【0040】次に、第五の従来例(OPTRONICS、1992、N
o.9、p.97参照) を図10、図11に基づいて説明す
る。図10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だ基板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11(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11(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。Next, a fifth conventional example (OPTRONICS, 1992, N
o.9, p.97) will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 10, a cantilever 28 is provided at the center of the substrate 27, and an optical waveguide 29 is formed on the cantilever 28 along the direction in which it extends. Fixed portion 3 of substrate 27 sandwiching the gap at the tip of cantilever 28
On 0, an optical waveguide 31 having an end face 31a facing the end face 29a of the optical waveguide 29 is formed. In the substrate 27 having such a structure, the light propagating through the optical waveguide 29 is applied to the end face 2 located at the tip of the cantilever 28.
9a, the emitted light enters from an end face 31a facing the light, recombines, and propagates through the optical waveguide 31. In this case, as shown in FIG. 11A, when the cantilever 28 is not deformed, the optical waveguides 29 and 3 are not deformed.
Since there is no optical axis shift between the two, the amount of light to be propagated does not decrease. However, as shown in FIG.
When the cantilever 28 is deformed, an optical axis shift occurs, and the amount of light incident on the optical waveguide 31 decreases. Accordingly, since the amount of light propagated varies according to the amount of deformation (bending amount) of the cantilever 28, the amount of deformation of the cantilever 28 can be easily measured by detecting the amount of light on the optical waveguide 31 side. can do. Examples of this application include a pressure sensor, an acceleration sensor, and a flow sensor.
【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12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。Next, a sixth conventional example (Japanese Journal o)
f Applied Physics, Vol. 28, No. 2, Feb., 1989, p. 287
Will be described with reference to FIG. A cantilever 33 is provided on the substrate 32. In the vicinity of the root of the cantilever 33, an optical waveguide 34 is provided orthogonal to the extending direction of the beam.
Are formed. On the fixed portion 35 of the substrate 32, an optical waveguide 36 is formed in a state parallel to the optical waveguide 34. In this case, the optical waveguide 34 is a signal detecting waveguide for detecting the amount of deformation of the cantilever 33, and the optical waveguide 36
Is a reference waveguide, and both branches into a Y-shape, merges, and is connected to the optical waveguide 37. In the substrate 32 having such a structure, the optical waveguide 34 is deformed in accordance with the deformation of the cantilever 33, whereby the refractive index changes and the phase of light propagating in the waveguide changes. The amount of deformation of the cantilever 33 can be measured by such a phase change.
【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13、図14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
12の片持ち梁33に相当する変形領域が、この図13
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14(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1
4(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。Here, the principle of operation for detecting a signal based on such a phase change will be described using a Mach-Zehnder interferometer having a basic structure shown in FIGS. The deformation area corresponding to the cantilever beam 33 in FIG.
Corresponds to the region A (diaphragm portion of the fine structure).
The light whose phase has changed through the optical waveguide 34 on the deformable region A and the light whose phase does not change through the optical waveguide 36 on the fixed portion 35 join at the Y-shaped branch portion and are combined at the optical waveguide 37. When multiplex interference occurs, the light intensity of the light output from the optical waveguide 37 changes depending on the phase of both lights. in this case,
As shown in FIG. 14A, when both lights are in phase,
The zero-order mode is excited by the multiplexing, and the amount of light output from the optical waveguide 37 becomes maximum. FIG.
As shown in FIG. 4B, when both lights are out of phase, the first-order mode is excited, so that a light wave is radiated to the outside of the waveguide (in the case of a single mode waveguide). Is not output. By measuring the amount of light output from the optical waveguide 37 in this manner, the deformation amount of the region A, ie, the cantilever 33, can be measured.
【0043】また、位相変化により信号検出を行う他の
例を、図15及び図16に基づいて説明する。図15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16(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16(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。Another example of detecting a signal based on a phase change will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 15, two optical waveguides 38 and 39 are provided on a substrate 32.
Are formed, and these optical waveguides 38 and 39 intersect with the optical waveguides 34 and 36 at the X-shaped branch portions. In this case, the width of the optical waveguide 39 is smaller than that of the optical waveguide 38. The reflection mirror 4 is provided on the end face of the substrate 32.
0 is provided. Such a structure functions as a mode divider. First, the light incident from the wide optical waveguide 38 on the left side is split 1: 1 at the branch portion, propagates in the optical waveguides 34 and 36, is reflected by the reflection mirror 40, and is again split at the branch portion. Come back to. At this time, if both lights are in phase as shown in FIG. 16A, the 0th mode is excited, and the light propagates toward the optical waveguide 38 having a wide width. If both lights are out of phase as shown in FIG. 16B, the first mode is excited, and the light propagates toward the optical waveguide 39 having a narrow width. As described above, whether or not the light is in phase is determined by the deformation amount of the cantilever 33 in the region A, that is, by measuring the amount of light returning to the optical waveguides 38 and 39 to measure the deformation amount of the cantilever 33. can do.
【0044】[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6、図7参照)、交流電圧の周波数ωac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。In the first and second conventional examples (see FIGS. 6 and 7), the frequency ω ac of the AC voltage is completely matched with the mechanical resonance frequency ω 0 of the cantilever. . Therefore, as described in equation (10), φ = −π
/ 2, the phase θ =
At −π / 2, the phase θ = −π by the lock-in amplifier 12.
, The amplitudes of the first and second terms in parentheses in equation (5) can be separated and obtained as shown in equations (11) and (12).
【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ωacは安定しているため、変
化しない。このため、ω0 とωac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。However, the mechanical resonance frequency ω 0 of the cantilever shifts little by little due to the influence of ambient temperature, humidity, air pressure, etc. during several measurements. On the other hand, since the frequency ω ac of the AC voltage is stable, it does not change. For this reason, ω 0 and ω ac do not match with time. Further, near the resonance point of the cantilever, a change in the phase with respect to the deviation of the resonance frequency is very large, and the difference between φ and −π / 2 cannot be ignored due to a slight deviation of the resonance point. On the other hand, the phases at which the lock-in amplifiers 11 and 12 perform phase detection remain θ 1 = −π / 2 and θ 2 = −π adjusted at the beginning of the measurement.
Therefore, it is not possible to separate the first and second terms in parentheses in equation (5), as in equations (11) and (12).
【0046】例えば、ω0 =ωac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、For example, it is assumed that φ = −π / 2 + Δφ because ω 0 = ω ac is not satisfied. At this time,
【0047】[0047]
【数15】 (Equation 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、Is as follows. Here, the output V 1 of the lock-in amplifier 11 when θ = θ 1 = −π / 2, and θ = θ 2 =
The output V 2 of the lock-in amplifier 12 at −π is
【0049】[0049]
【数16】 (Equation 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。Is as follows. As can be seen from the equations (21) and (22), since Δφ ≠ 0, the first and second terms in parentheses in the equation (5) are not separated, and the signal V 1 for measuring the surface potential is used. Contains the amplitude of the second term in parentheses in equation (5) for measuring the surface shape. Further, a signal for measuring the surface shape V 2 in for measuring the surface potential (5)
The amplitude of the first term in parentheses in the formula is mixed. That is,
This means that the surface potential mixes and interferes with the measurement result of the surface shape, and the surface shape mixes and interferes with the measurement result of the surface potential. Thus, conventionally,
Since the resonance frequency ω 0 of the cantilever slightly fluctuates due to the influence of ambient temperature, humidity, and atmospheric pressure, the surface potential of the sample 1 and the measurement result of the surface shape interfere with each other, resulting in a non-negligible error. Appears.
【0051】次に、第三の従来例の装置(図8参照)
は、図7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、Next, a third conventional apparatus (see FIG. 8)
Is obtained by adding a coarse actuator 16a and a personal computer 17 to the apparatus shown in FIG. 7, and the output of the lock-in amplifier 12 in this case is
【0052】[0052]
【数17】 [Equation 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8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、Is as follows. Here, if the capacity of the insulating film of the sample 1 is sufficiently larger than the tip of the probe 2 and the capacity of the cantilever, (∂C / ∂Z) is only the distance between the probe 2 and the surface of the sample 1. Dependent function, which allows V
From 2, the distance between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 1 can be measured. 8, the output of the lock-in amplifier 12 is monitored by the personal computer 17, and the probe 2 and the sample 1 are monitored.
When the distance to the surface approaches a fixed value, the coarse movement actuator 16a is stopped to perform the approach. On the other hand, the capacitance C between the tip of the probe 2 and the substrate of the sample 1 can be approximated to a parallel plate capacitor, and C = ε (S / Z) (23) Here, S is the area of the capacitor electrode, and ε is the dielectric constant of the dielectric between the electrodes. Thereby, (∂C / ∂
Z)
【0054】[0054]
【数18】 (Equation 18)
【0055】となる。(25)式から、V2 はZの自乗
に反比例する。Is as follows. From equation (25), V 2 is inversely proportional to the square of Z.
【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8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8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。On the other hand, in the development process of electrophotography, there is a demand to measure a surface potential distribution of a portion irradiated with a beam spot after writing on a photosensitive member sample with a laser beam. In this case, in the apparatus shown in FIG. 8, the sample 1 is charged by a charger in advance at a distance from the probe 2 and irradiated with a laser beam. Then, the sample 1 is moved below the probe 2, and the probe 2 and the sample 2 are moved. After approaching the surface, measurement of the surface potential distribution of the sample 1 is started. In this case, the photoreceptor sample is charged on the surface after electrification,
Even if no light is irradiated, the surface potential gradually decreases, which is a so-called dark decay characteristic. Although the speed of the dark decay varies depending on the conditions, in the case of a general photoconductor, the surface potential becomes about 80% of the initial value about 5 minutes after charging. For this reason, when measuring a photoconductor sample, it is preferable that the measurement be completed within about 5 minutes after charging. In fact, when measuring the surface potential of the photoreceptor with the apparatus of FIG.
It takes about 3 minutes. Such time is taken for the following reasons.
【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
8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。After the charging / exposure, the distance Z between the probe 2 and the surface of the sample when the sample 1 is moved directly below the probe 2 is several meters.
In contrast to m, Z at the time of measurement must be about 0.5 μm in order to obtain a sufficient resolution. Therefore,
In the approach step, Z is changed from several mm to 0.5 μm (1 μm) without collision between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 1.
/ 100). During approach, the signal is detected the Z personal computer 17 is based on controlling the coarse actuator 16a is V 2, (2
5) As shown in the equation, it is inversely proportional to the square of Z. Therefore, at the time of approach, Z is reduced from several mm to 0.5 μm by about 1 /
Since it is 100, the value of V 2 is about 10,000 times.
That is, V 2 rapidly increases as Z decreases. Conversely, if the probe and the sample surface do not come close,
V 2 will not have sufficient sensitivity to Z. If the apparatus of FIG. 8, negative feedback from the output of the V 2 to the personal computer 17 is coarse actuator 16a, for performing the approach, when performing high-speed approaches, sufficient negative feedback to approach the value at Z measurement The probe 2 and the sample surface collide. For this reason, the approach must be performed slowly, and the approach takes time. As described above, the approach takes a long time, so that the dark decay of the photoconductor proceeds, and the error from the initial state to be measured increases.
【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。As means for performing a high-speed approach, the distance ds between the probe 2 before the approach and the sample surface is used.
The measured beforehand from the output of the V 2, from the distance do between the predetermined probe tip at the time of measurement and the sample surface, the coarse actuator 16a calculates the distance ds-do should move during approach There is a method in which the personal computer moves the coarse actuator by that distance to approach the sample 1 and set the distance between the tip of the probe 2 and the sample surface to ds. However, also in this case, since V 2 is inversely proportional to the square of the distance Z, if Z = ds (several mm) before the approach, V 2 does not have sufficient sensitivity to the distance, and the probe 2 The distance between the tip of the sample and the sample surface cannot be measured accurately. Therefore, it is not possible to know the exact distance that the coarse movement actuator 16a should move, and the tip of the probe 2 collides with the sample surface during approach.
【0059】次に、図17は、第四の従来例(図9参
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。FIG. 17 shows an example in which the tunnel current unit of the fourth conventional example (see FIG. 9) is applied to surface potential measurement. The probe 18 has a support spring 19,
The output of the amplifier 41 is applied via the ground pad 21. The support spring 19 is deformed and vibrates due to electrostatic attraction acting between the surface potential of the sample 1 and the potential of the probe 2. The deformation and vibration are caused by the driving pad 2 constituting the electrostatic actuator.
It appears as a change in capacitance between the second comb electrode and the comb electrode of the support spring 19. By measuring the capacitance between the comb teeth with the capacitance meter 42, the deformation and vibration of the probe can be measured. However, when measuring a surface potential of 1 KV in electrophotography, the potential of the probe is equal to the surface potential of the sample 1 and is about 1 KV.
Therefore, the input terminal of the capacitance meter 42 connected to the ground pad 21 also has a high voltage of 1 KV. Therefore, the capacity meter 42
When the pressure exceeds the withstand voltage limit, the probe 18 is damaged or causes a large measurement error, so that the vibration of the probe 18 cannot be measured.
【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6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18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。Next, in order to measure the surface potential of the photosensitive member, the measurement must be completed within a few minutes as described above. In order to realize this, it is necessary to perform the approach quickly and to shorten the actual measurement time. For that purpose, it is necessary to set the resonance frequency of the cantilever 3 in FIG. 6 to be high. In order to set the resonance frequency high, it is easiest to increase the spring constant of the cantilever 3, but when this is done, the interaction (electrostatic attraction) acting on the probe 2
, The bending of the cantilever 3 becomes smaller, and the sensitivity decreases. Therefore, as a method of increasing the resonance frequency and suppressing the increase in the spring constant, the entire size of the cantilever 3 may be reduced similarly (so-called shrink). Therefore, a micro cantilever 43 manufactured by a semiconductor processing process having dimensions as shown in FIG. 18 is used. That is, the length L of the cantilever 3 is 450 μm and the width Wa is 30
μm, thickness D = 2.2 μm, height H of the probe 2 = 13
μm.
【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On the other hand, the surface potential distribution V (x) with respect to the sample surface coordinate x when a laser beam having a spot diameter of 2 W is irradiated around the coordinate X = 0 is
【0062】[0062]
【数19】 [Equation 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VL =−100
(V)、非露光部電位VD =−1000(V)とする
と、表面電位分布は図19のようになる。今、図20に
示すように、探針2がx=0(V(0)=VL 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Vcant=VL 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)−VL となり、xに対して図21の曲線を示
す。Can be approximated by In this case, a is a value determined by the photoreceptor material, acm0.01 cm, spot diameter 2W = 60 μm, exposure portion potential VL = −100.
(V), when the non-exposed portion potential V D = −1000 (V), the surface potential distribution is as shown in FIG. Now, as shown in FIG. 20, the probe 2 is at x = 0 (the position of V (0) = VL ).
Assuming that the cantilever potential is V cant = V L by the potential measurement control system, the potential difference ΔV (x) between the sample surface and the cantilever at the coordinate x =
V (x) -V L, and the relative x shows the curves of Figure 21.
【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)。The discharge starting voltage Vs (V) at 1 atmosphere in air and 20 ° C. is Vs = 2.44d + 65.3√d (28) with respect to the gap d (μm) of the electrode causing discharge. (Paschen's rule).
【0065】図20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21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18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。As shown in FIG. 20, when the cantilever 3 is arranged in parallel to the sample surface, the distance between them is 13.5 μm.
m. Here, if d = 13.5, the discharge starting voltage Vs at this time is about 273V. In FIG. 21, discharge occurs between the cantilever 3 and the sample surface in a portion where ΔV (x) exceeds Vs. That is, x
Discharge occurs at a portion> 60 to 70 μm, which disturbs the charge distribution on the surface of the sample, making measurement impossible. As a method for solving such a problem, a cantilever having a height H of 100 μm or more in FIG. 18 may be used. However, in the micro cantilever, the height H of the probe 2 is
It is very difficult to reduce the thickness to about 100 μm in the manufacturing process. If a large cantilever is used without using a micro cantilever, the height H can be reduced to about 100 μm, but the high frequency and the low spring constant cannot be simultaneously satisfied as described above.
【0066】次に、第五の従来例(図10参照)、第六
の従来例(図12参照)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。Next, in the case of the fifth conventional example (see FIG. 10) and the sixth conventional example (see FIG. 12), the optical waveguides 29, 31, and
The basic operation principle of detecting the deformation amounts of the cantilever beams 28 and 33 from the light amount difference using the light amounts 34 and 36 is described. However, there is no example in which such optical waveguides 29, 31, 34, and 36 are applied to measurement of the surface potential of the photosensitive drum, measurement of the toner potential distribution, and the like.
【0067】[0067]
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明で
は、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。According to a first aspect of the present invention, there is provided a physical quantity measuring apparatus for measuring a physical quantity of a sample by bringing the probe close to the surface of the sample to be measured. A distance measuring means for measuring a distance between the probe and the sample is provided based on an output value of the distance measuring means when approaching and leaving the surface of the probe and the sample. Distance control means for controlling the distance from the surface is provided.
【0068】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。Therefore, based on the output value of the distance measuring means,
By controlling the distance between the probe and the surface of the sample using the distance control means, there is no need to control the distance between the probe and the surface of the sample with a coarse / fine actuator as in the past, Thus, the approach operation can be performed at a high speed without collision between the probe and the sample surface.
【0069】請求項2記載の発明は、請求項1記載の物
理量測定装置において、距離測定手段は、試料の分光感
度を持たない波長の光を発する光源と、前記光源が発す
る光の波長に感度を持つ受光素子との組合せよりなる光
学的測定手段である。According to a second aspect of the present invention, in the physical quantity measuring apparatus according to the first aspect, the distance measuring means includes: a light source that emits light having a wavelength that does not have a spectral sensitivity of the sample; Optical measuring means comprising a combination with a light receiving element having
【0070】従って、試料、例えば感光体上での静電潜
像の状態を乱すようなことなく、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。Therefore, the measurement of the surface potential and the like can be accurately performed without disturbing the state of the electrostatic latent image on the sample, for example, the photoconductor, without measuring errors.
【0071】[0071]
【発明の実施の形態】本発明の参考例を図1及び図2に
基づいて説明する。なお、従来技術(図6参照)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。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A reference example of the present invention will be described with reference to FIGS. The description of the same parts as those of the conventional technique (see FIG. 6) is omitted, and the same parts are denoted by the same reference numerals.
【0072】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。The physical quantity measuring device shown in FIG. 1 is provided with a probe voltage applying means 44. This probe voltage applying means 44
Includes a first alternating voltage Va 1 cantilever 3 mechanical resonance frequency omega 0 following frequency omega as a spring, the second AC voltage 1/2 of the frequency of the frequency omega of the first AC voltage Va 1 A voltage on which Va 2 is superimposed is applied to the probe 2. Hereinafter, the operation of the apparatus when the probe voltage applying means 44 is provided will be described.
【0073】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、The adder 6 includes a feedback DC voltage Vb and a first AC voltage Va 1 having a frequency ω of 以下 or less, preferably 1 / or less, of the mechanical resonance frequency ω 0 of the cantilever 3, / 2 of the second AC voltage Va 2 is added. These superimposed voltages are applied to the cantilever 3. Now, the force acting between the probe 2 and the sample surface is, as described above,
【0074】[0074]
【数20】 (Equation 20)
【0075】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、Is as follows. Assuming that the surface potential of the sample 1 is Vs, the potential difference V between the probe 2 and the surface of the sample is
【0076】[0076]
【数21】 (Equation 21)
【0077】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、Is obtained. Thus, the electrostatic attractive force Fes between the tip of the probe 2 and the sample surface is
【0078】[0078]
【数22】 (Equation 22)
【0079】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、Is obtained. ω is 1 of the mechanical resonance frequency ω 0
Since the frequency is equal to or lower than / 3, no resonance oscillation is caused by Fes. Therefore, the output v of the preamplifier 10 representing the vibration of the cantilever 3 is
【0080】[0080]
【数23】 (Equation 23)
【0081】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、## EQU1 ## which indicates the same-phase vibration proportional to Fes. The lock-in amplifier 45 is a narrow-band amplifier, and since the frequency of the reference signal is ω, amplifies only the ω component of the second term of the output v of Expression (31). The phase difference of each sine function in the second term is a phase difference based on the AC voltage of the frequency ω applied to the probe 2. The second terms are π /
It has a waveform in which a sine wave whose phase is shifted by 2 is superimposed. Since the lock-in amplifier 45 here is of a two-phase type, a sine wave whose phase is shifted by π / 2 is separated,
The respective outputs V 1 and V 2 are
【0082】[0082]
【数24】 (Equation 24)
【0083】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。Thus, a DC voltage proportional to the amplitude of the AC voltage is output. A 1 and A 2 are proportional constants. Thus, the two terms in the parentheses of the second term of the equation (31) can be separated. Ω in the equation (31) is a vibration frequency that is non-resonant with the mechanical resonance frequency ω 0 of the cantilever 3, and as in the case of vibrating the cantilever 3 at the resonance frequency as in the prior art, The phase of the vibration of the cantilever 3 does not greatly change due to a slight change in the resonance frequency due to the influence of temperature, humidity, atmospheric pressure, and the like. Therefore, the measurement result of the surface potential and the surface shape does not interfere with each other due to the phase change of the vibration waveform and appears as a non-negligible error, and the sample 1 with stable and accurate error is less. Of the surface potential and the surface shape can be measured. In this case, by applying the feedback to Vb so that voltages V 1 becomes zero, it is possible to know the surface potential Vs from the value of Vb. In addition, since the probe voltage and the DC bias voltage of the surface potential become equal, even if the distance between the probe 2 and the sample surface is shortened in order to increase the resolution, a discharge phenomenon may occur between them. Measurement in a non-destructive state. Further, by feeding back the Z-axis actuator 16 so that the value of V 2 becomes constant, the distance between the probe 2 and the sample surface can be kept constant. Even if it is present, the collision between the probe 2 and the sample surface can be prevented, and the fluctuation of the resolution can be suppressed.
【0084】次に、本参考例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。Next, a modification of the present embodiment will be described. Here, the feedback to the adder 6 and the Z-axis actuator 16 is not performed, and the outputs V 1 and V 2 of the lock-in amplifier 45 are sent to the personal computer 17 as shown in FIG. By taking the output data into the personal computer 17 in this manner, the surface potential of the sample 1 and the probe 2
The distance between the sample and the sample surface can be measured. That is, if the capacity of the insulating film of the sample 1 is sufficiently larger than the capacity of the tip of the probe 2 and the cantilever, (∂C / ∂Z) is a function of the distance between the probe 2 and the sample surface. The distance between the probe 2 and the sample surface can be calculated from V 2 and calculated. Also, (∂C / ∂Z) obtained from V 2 ,
From V 1, the surface potential Vs of the sample 1 can be calculated and calculated using the equation (11). Note that Vb at this time is 0.
【0085】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。As described above, the frequency ω of the voltage applied to the probe 2 by the probe voltage applying means 44 is
For being different non-resonant vibration frequency and the mechanical resonance frequency omega 0, conventional mechanical resonance frequency omega 0 as
Ambient temperature, as if the cantilever 3 was vibrated at
A slight change in the mechanical resonance frequency ω 0 due to the influence of humidity, atmospheric pressure or the like prevents the phase of the vibration of the cantilever 3 from largely changing. Thereby, the cantilever 3
Measurement of physical quantities (sample surface potential and sample surface shape) without the measurement results of surface potential and surface shape interfering with each other due to the phase change of the vibration waveform of the sample and appearing as non-negligible errors Can always be performed accurately in a stable state.
【0086】本発明の実施の一形態を図3〜図5に基づ
いて説明する。なお、従来技術(図8参照)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。An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The description of the same parts as those of the conventional technique (see FIG. 8) is omitted, and the same parts are denoted by the same reference numerals.
【0087】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。At a position close to the cantilever 3, a distance meter 46 is provided as a distance measuring means for measuring a distance between the probe 2 and the surface of the sample 1. The distance meter 46 and the base 4 holding the cantilever 3 are mechanically and firmly held by a common fixed base 47. The distance meter 46 may be any type, but an optical distance meter with high measurement accuracy,
For example, a non-contact laser displacement meter is desirable, and its output is preferably linear and has a constant sensitivity to the distance to be measured. Such a distance meter 46 is connected to the personal computer 17. In the personal computer 17, a distance control means for determining the distance between the probe 2 and the surface of the sample 1 based on the output value of the distance meter 46 and controlling the operation of the coarse actuator 16a during approach (FIG. (Not shown).
【0088】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。In such a configuration, the distance meter 4
6 and the function of the distance control means will be mainly described. First, the sample 1, the Z-axis actuator 16, and the photoreceptor sample 1 are integrally moved by the moving rail 48 below the charger 49 and the laser writing system 50. At this position, the sample 1 is charged by the charger 49, and thereafter, the laser writing system 5
Exposure by 0. Thus, an electrostatic latent image of a pattern irradiated with the laser light is formed on the surface of the sample 1.
Thereafter, the sample 1 and the Z-axis actuator 16 are moved below the cantilever 3 and the distance meter 46 by the moving rail 48. Then, at this position, the distance meter 46 measures the distance between the distance meter itself and the sample surface. This distance meter 46
Has a linear and constant sensitivity to distance,
Even if the distance meter 46 and the sample surface are separated by a few mm, the distance meter 46 has sufficient sensitivity to a change in distance. Further, since the distance meter 46 and the base 4 of the cantilever 3 are firmly held by the common fixed table 47, the tip of the probe 2 and the surface of the sample 1 are determined from the output value of the distance meter 46. Is uniquely determined. At this time, the personal computer 17 reads the output value of the distance meter 46 immediately after the sample 1 has moved directly below the probe 2, and measures the distance ds between the probe 2 and the sample surface at this time.
This distance ds indicates an accurate value because the measured value has sufficient sensitivity to the distance. After that, the personal computer 17
Is determined from the distance d 0 between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 1 at the time of measurement, which is determined in advance.
There calculates the distance ds-d 0 to be moved at the time of approach,
The coarse movement actuator 16a is moved by this distance to approach the sample 1, and the distance between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 1 is set to ds. At this time, since the distance to move the coarse movement actuator 16a is accurately known, the coarse movement actuator 16a can be drive-controlled in an open loop without applying feedback. Thus, the approach operation can be performed at a high speed without collision between the probe 2 and the surface of the sample 1.
【0089】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。Further, the personal computer 17 approaches while monitoring the output of the distance meter 46, and the tip of the probe 2 and the sample 1
When the distance to the surface becomes d 0 at the time of measurement,
The coarse actuator 16a may be stopped (negative feedback is applied). In this case, the output of the distance meter 46 is a straight line with respect to the distance between the tip of the probe 2 and the surface of the sample 1, and the sensitivity is constant. The tip of the probe 2 does not collide with the surface of the sample 1.
【0090】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
8参照)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8の積分器15の
代わりに、帰還回路51を設けた。図4は、帰還回路5
1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。Next, a modification of this embodiment will be described. Consider a case in which the output of the comparator 14 that outputs the deviation between the output of the lock-in amplifier 12 and the target reference voltage is always integrated by the integrator 15 (see FIG. 8), and the Z-axis actuator 16 is fed back. Here, a feedback circuit 51 is provided instead of the integrator 15 of FIG. FIG. 4 shows the feedback circuit 5
1 shows a configuration of an internal circuit. The feedback circuit 51 includes a first voltage adjustment unit 52, a comparator 53, a second voltage adjustment unit 54,
And an integrator 55.
【0091】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。Now, the probe 2 and the sample 1 at the time of approaching
The distance between the probe 2 and the surface of the sample 1 is represented by d 0, and the distance between the probe 2 and the surface of the sample 1 is controlled by V 21 to keep the distance (d 0 ) constant. And the movement of the coarse movement actuator 16a which approaches to For this reason, feedback control is applied twice,
Extremely unstable operation. Therefore, in order to eliminate such an inconvenience, the previous approaches completion leave manual control state of the voltage Vr 1 by the first voltage adjustment unit 52, after the approach completion (by coarse actuator 16a of the probe 2 and the sample 1 after it is no longer possible to change the distance between the surface), shifts to the feedback control state of the automatic due to the DC voltage V 11. Thereby, double feedback control is not applied, and stable operation can be performed.
【0092】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。As described above, by controlling the distance between the probe 2 and the surface of the sample 1 using the distance control means based on the output value of the distance meter 46, the coarse movement It is not necessary to control the distance between the probe 2 and the sample surface by the actuator 16a and the Z-axis actuator 16, so that the approach operation can be performed at high speed without collision between the probe 2 and the sample surface. It becomes possible. For this reason, the time until the start of the measurement of the physical quantity can be further shortened, whereby, for example, the measurement of the surface potential of the photoconductor can be performed with high accuracy.
【0093】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。Next, the light source used for the distance meter 46 will be described. The light source preferably has an emission wavelength that does not have sensitivity to the photoreceptor, and the light receiving element also preferably has sensitivity to the emission wavelength. As an example, a case where the photoconductor is a photoconductor used for electrophotography will be described.
【0094】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。FIG. 5 shows the spectral sensitivity of a well-known typical photosensitive member used in an electrophotographic apparatus. Thus, at around 400 nm, Se and a mixture of zinc sulfide and cadmium sulfide have particularly high sensitivity. In the vicinity of 600 nm, LPC (Layered Photo
Conductor) {Chlorodiane blue and di of about 0.1μm thickness
Membrane CGL of mixture with phenylhydrazone (Charge Gener
CTL (Charge Tra)
nsport Layer) has a particularly high sensitivity. Organic photoreceptors (polyvinylcarbazole and t
A substance obtained by mixing rinitrofluorenone in a ratio of 1: 1 and having a positive charge has a sensitivity at around 600 nm, and an organic photoreceptor (having a similar substance negatively charged) has a sensitivity of 400 nm.
It has sensitivity in the range of nm to 600 nm.
【0095】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。From this, it is understood that the photosensitive member has no sensitivity to light having a wavelength of 600 nm or more. Therefore,
For this reason, a measurement laser light source that emits light having a wavelength of 600 nm or more and a light receiving element having sensitivity of this wavelength of 600 nm or more are used. In addition, from the viewpoint of giving a certain margin to the spectral sensitivity, a light source and a light receiving element made of a material corresponding to light having a wavelength of 900 nm or more are preferably used. Materials for the light source and the light receiving element corresponding to the wavelength of 900 nm or more include those shown in Tables 1 and 2 below.
【0096】[0096]
【表1】 [Table 1]
【0097】[0097]
【表2】 [Table 2]
【0098】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。Further, as the material of the light source and the light receiving element corresponding to the wavelength of 600 nm or more, in addition to the light source and the light receiving element corresponding to the wavelength of 900 nm or more, those shown in the following Tables 3 and 4 can be used. is there.
【0099】[0099]
【表3】 [Table 3]
【0100】[0100]
【表4】 [Table 4]
【0101】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。Further, in FIG. 5, since the substance is low in sensitivity to a wavelength of 400 nm or less, a light source having a wavelength of 400 nm or less and a light receiving element having sensitivity to this wavelength are used. Materials for the light source and the light receiving element corresponding to the wavelength of 400 nm or less include those shown in Tables 5 and 6 below.
【0102】[0102]
【表5】 [Table 5]
【0103】[0103]
【表6】 [Table 6]
【0104】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。As described above, the light having a wavelength which does not have the spectral sensitivity of the photosensitive member is used, and the light emitting wavelength and the material having the spectral sensitivity coincide with each other from the various materials of the light source and the light receiving element. By configuring the total 46, the state of the electrostatic latent image on the photoconductor is not disturbed,
As a result, the measurement of the surface potential or the like can be accurately performed without a measurement error.
【0105】[0105]
【発明の効果】請求項1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。According to the first aspect of the present invention, when the probe approaches and departs from the surface of the sample, the distance control means controls the distance between the probe and the surface of the sample based on the output value of the distance measuring means. The approach distance can be controlled so that the approach operation can be performed at high speed and without collision between the probe and the sample surface, thereby shortening the time until the start of the physical quantity measurement, For example, the surface potential of a photoreceptor as a sample can be measured accurately.
【0106】請求項2記載の発明は、距離測定手段を、
試料の分光感度を持たない波長の光を発する光源と、前
記光源が発する光の波長に感度を持つ受光素子との組合
せよりなる光学的測定手段で構成したので、試料、例え
ば感光体上での静電潜像の状態を乱すようなことなく、
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。According to a second aspect of the present invention, the distance measuring means comprises:
A light source that emits light of a wavelength that does not have the spectral sensitivity of the sample, and a light receiving element that is sensitive to the wavelength of the light emitted by the light source, the optical measurement means consisting of a combination of the sample, for example, on the photoreceptor Without disturbing the state of the electrostatic latent image,
The measurement of the surface potential and the like can be accurately performed without a measurement error.
【図1】本発明の参考例である物理量測定装置を示す構
成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a physical quantity measuring device according to a reference example of the present invention.
【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。FIG. 2 is a configuration diagram when a personal computer is added to the apparatus of FIG.
【図3】本発明の実施の一形態である物理量測定装置を
示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a physical quantity measurement device according to an embodiment of the present invention.
【図4】帰還回路の構成を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a feedback circuit.
【図5】波長に対する感光体の感度を示す特性図であ
る。FIG. 5 is a characteristic diagram showing the sensitivity of a photoconductor to wavelength.
【図6】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。FIG. 6 is a configuration diagram showing a physical quantity measuring device as a first conventional example.
【図7】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。FIG. 7 is a configuration diagram showing a physical quantity measuring device as a second conventional example.
【図8】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。FIG. 8 is a configuration diagram showing a physical quantity measuring device as a third conventional example.
【図9】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。FIG. 9 is a configuration diagram showing a physical quantity measuring device as a fourth conventional example.
【図10】第五の従来例である物理量測定装置を示す斜
視図である。FIG. 10 is a perspective view showing a fifth conventional example of a physical quantity measuring device.
【図11】信号検出の動作原理を示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating an operation principle of signal detection.
【図12】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。FIG. 12 shows a physical quantity measuring device according to a sixth conventional example,
(A) is a perspective view, (b) is an aa cross-sectional view.
【図13】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。FIG. 13 is a perspective view showing a basic configuration of a Mach-Zehnder interferometer that detects a signal by a phase change.
【図14】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。FIG. 14 shows the operating principle of a Mach-Zehnder interferometer,
(A) is a schematic diagram showing the operation in the in-phase, and (b) is a schematic diagram showing the operation in the opposite phase.
【図15】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。FIG. 15 is a perspective view showing another example of detecting a signal by a phase change.
【図16】図15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。16A and 16B show the operation principle of FIG. 15, wherein FIG. 16A is a schematic diagram showing an operation at the same phase, and FIG. 16B is a schematic diagram showing an operation at the opposite phase.
【図17】表面電位測定計を示す構成図である。FIG. 17 is a configuration diagram showing a surface potential measurement meter.
【図18】マイクロカンチレバーの構成を示す側面図で
ある。FIG. 18 is a side view showing a configuration of a micro cantilever.
【図19】表面電位分布を示す特性図である。FIG. 19 is a characteristic diagram showing a surface potential distribution.
【図20】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。FIG. 20 is a side view showing a state where a potential difference is generated between the sample surface and the cantilever.
【図21】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。FIG. 21 is a characteristic diagram showing a potential difference between a sample surface and a probe and a state of a discharge starting voltage.
1 試料 2 探針 46 距離測定手段 1 sample 2 probe 46 distance measuring means
Claims (2)
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。1. A physical quantity measuring device for measuring a physical quantity of a sample by bringing the probe close to a surface of a sample to be measured, wherein a distance measuring means for measuring a distance between the probe and the surface of the sample. Distance control means for controlling a distance between the probe and the surface of the sample based on an output value of the distance measuring means when the probe approaches and departs from the surface of the sample. A physical quantity measuring device characterized by comprising:
ない波長の光を発する光源と、前記光源が発する光の波
長に感度を持つ受光素子との組合せよりなる光学的測定
手段であることを特徴とする請求項1記載の物理量測定
装置。2. The distance measuring means is an optical measuring means comprising a combination of a light source emitting light of a wavelength having no spectral sensitivity of the sample and a light receiving element sensitive to the wavelength of the light emitted by the light source. The physical quantity measuring device according to claim 1, wherein:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001136107A JP2002055040A (en) | 1995-03-20 | 2001-05-07 | Physical quantity measurement device |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7-60224 | 1995-03-20 | ||
| JP6022495 | 1995-03-20 | ||
| JP2001136107A JP2002055040A (en) | 1995-03-20 | 2001-05-07 | Physical quantity measurement device |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP817796A Division JPH08320325A (en) | 1995-03-20 | 1996-01-22 | Physical quantity measuring device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002055040A true JP2002055040A (en) | 2002-02-20 |
Family
ID=26401292
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001136107A Pending JP2002055040A (en) | 1995-03-20 | 2001-05-07 | Physical quantity measurement device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002055040A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7117723B2 (en) | 2003-09-24 | 2006-10-10 | Shimadzu Corporation | Fractionating apparatus |
| JP2008058107A (en) * | 2006-08-30 | 2008-03-13 | Seiko Instruments Inc | Potential difference detection method and scanning probe microscope |
-
2001
- 2001-05-07 JP JP2001136107A patent/JP2002055040A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7117723B2 (en) | 2003-09-24 | 2006-10-10 | Shimadzu Corporation | Fractionating apparatus |
| JP2008058107A (en) * | 2006-08-30 | 2008-03-13 | Seiko Instruments Inc | Potential difference detection method and scanning probe microscope |
| US7861577B2 (en) | 2006-08-30 | 2011-01-04 | Seiko Instruments Inc. | Electric potential difference detection method and scanning probe microscope |
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