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JP3445787B2 - Physical quantity measurement device - Google Patents
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JP3445787B2 - Physical quantity measurement device - Google Patents

Physical quantity measurement device

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JP3445787B2
JP3445787B2 JP2001136103A JP2001136103A JP3445787B2 JP 3445787 B2 JP3445787 B2 JP 3445787B2 JP 2001136103 A JP2001136103 A JP 2001136103A JP 2001136103 A JP2001136103 A JP 2001136103A JP 3445787 B2 JP3445787 B2 JP 3445787B2
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Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型力顕微鏡や
高分解能表面電位形状測定装置、さらには、感光体ドラ
ムの表面電位,トナー形状,トナー電位分布の測定装置
などに用いられる物理量測定装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning force microscope, a high-resolution surface potential profile measuring device, and a physical quantity measuring device used for measuring a surface potential of a photosensitive drum, a toner profile, and a toner potential distribution. Regarding

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、試料表面の電位や形状を測定する
物理量測定装置としては、種々のものが提案されてい
る。まず、第一の従来例(特願平5−93499号参
照)を図6に基づいて説明する。導電性基板1(試料
台)に設置された試料2と、これと対向配置された探針
3との間に電位差が生じて静電引力が作用すると、その
探針3を先端に有し端部が基台4に支持された片持ち梁
5が振動する。この片持ち梁5の探針3が取付けられた
面とは反対側の面(裏面)には反射ミラー6が取付けら
れている。これにより、光源としての半導体レーザ7か
ら出射した光は、反射ミラー6により反射され、いわゆ
る光テコ法によって受光素子としての光検知器8に検出
される。この検知された信号はプリアンプ9により出力
Vo(交流信号)として出力され、ロックインアンプ1
0において、正弦波交流電源11の同期信号(ω0) と
同期して直流電圧V11に変換される。この直流電圧V11
は積分器12に送られる。この積分器12は、正弦波交
流電源11の交流電圧V31によって静電引力が作用する
片持ち梁5の振動の振幅を0又は一定値になるように直
流電圧V21を可変させる。なお、この積分器12には、
直流電圧V21の変化する電位を測定する電圧計13が接
続されている。そして、その積分器12からの出力値で
ある電圧V21は、正弦波交流電源11の交流電圧V
31と、正弦波交流電源14の交流電圧V32と共に加算器
15に入力される。この加算器15からの電圧V41はパ
ワーアンプ16に送られ、このパワーアンプ16からの
電圧V51が片持ち梁5の探針3に印加される。一方、ロ
ックインアンプ17から出力された直流電圧V12は比較
器18に送られる。この比較器18からの電圧V6 は積
分器19に送られる。なお、この積分器19には、Z軸
アクチュエータ21の変位量を測定するための電圧計2
0が接続されている。そして、積分器19の電圧V22
パワーアンプ22に送られ、Z軸アクチュエータ21は
そのパワーアンプ22からの電圧V52によって駆動され
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, various types of physical quantity measuring devices for measuring the potential and shape of a sample surface have been proposed. First, a first conventional example (see Japanese Patent Application No. 5-93499) will be described with reference to FIG. When an electrostatic attraction acts due to a potential difference between the sample 2 installed on the conductive substrate 1 (sample table) and the probe 3 arranged opposite to the sample 2, the probe 3 has the probe 3 at its tip. The cantilever 5 whose part is supported by the base 4 vibrates. A reflection mirror 6 is attached to the surface (back surface) of the cantilever 5 opposite to the surface on which the probe 3 is attached. Thereby, the light emitted from the semiconductor laser 7 as the light source is reflected by the reflection mirror 6 and detected by the photodetector 8 as the light receiving element by the so-called optical lever method. The detected signal is output as the output Vo (AC signal) by the preamplifier 9, and the lock-in amplifier 1
At 0, it is converted into a DC voltage V 11 in synchronization with the synchronization signal (ω 0 ) of the sine wave AC power supply 11. This DC voltage V 11
Is sent to the integrator 12. The integrator 12 varies the DC voltage V 21 so that the amplitude of vibration of the cantilever 5 on which electrostatic attraction acts by the AC voltage V 31 of the sine wave AC power supply 11 becomes 0 or a constant value. The integrator 12 has
A voltmeter 13 is connected to measure the changing potential of the DC voltage V 21 . The voltage V 21 which is the output value from the integrator 12 is the AC voltage V of the sine wave AC power supply 11.
31 and the AC voltage V 32 of the sine wave AC power supply 14 are input to the adder 15. The voltage V 41 from the adder 15 is sent to the power amplifier 16, and the voltage V 51 from the power amplifier 16 is applied to the probe 3 of the cantilever 5. On the other hand, the DC voltage V 12 output from the lock-in amplifier 17 is sent to the comparator 18. The voltage V 6 from the comparator 18 is sent to the integrator 19. The integrator 19 includes a voltmeter 2 for measuring the amount of displacement of the Z-axis actuator 21.
0 is connected. The voltage V 22 of the integrator 19 is sent to the power amplifier 22, and the Z-axis actuator 21 is driven by the voltage V 52 from the power amplifier 22.

【0003】上述したように、片持ち梁5の共振周波数
ω0 とその1/2の周波数ω0/2とをもつ交流電圧V
a{=G(V31+V32)}と、直流バイアス電圧Vb
(=GV21)とが重畳された電圧V51を片持ち梁5に印
加し、周波数ω0 の交流電圧V 31により生じる片持ち梁
5の共振振動の振幅から直流バイアス電圧Vbと試料2
の表面電位Vs(接地電位に対する電位)との差を検出
し、この差が0となるように直流バイアス電圧Vbを制
御し、このVbの値から試料2の表面電位を測定する。
一方、周波数ω0/2 の交流電圧V32によって生じる振
動振幅から探針3の先端と、試料2の表面との間の距離
dを測定し、この距離dの値を一定に保つようにZ軸ア
クチュエータ21を駆動制御することによって、そのZ
軸アクチュエータ21の制御信号である電圧V22から試
料2の表面形状を測定する。このようにして試料2の表
面電位と表面形状とを同時にかつ独立して測定すること
ができる。
As described above, the resonance frequency of the cantilever beam 5
ω0 And its half frequency ω0AC voltage V with / 2
a {= G (V31+ V32)} And the DC bias voltage Vb
(= GVtwenty one) And voltage V51Mark cantilever 5
And the frequency ω0 AC voltage V 31Cantilever caused by
DC bias voltage Vb and sample 2
Detects the difference from the surface potential Vs (potential relative to ground potential) of
The DC bias voltage Vb is controlled so that this difference becomes zero.
The surface potential of Sample 2 is measured from the value of Vb.
On the other hand, the frequency ω0AC voltage V of / 232Shaking caused by
The distance between the tip of the probe 3 and the surface of the sample 2 from the dynamic amplitude
d is measured and the Z-axis alignment is maintained so that the value of this distance d is kept constant.
By controlling the actuator 21 to drive the Z
The voltage V that is the control signal of the shaft actuator 21twenty twoTry from
The surface shape of Material 2 is measured. In this way the table of sample 2
Simultaneous and independent measurement of surface potential and surface shape
You can

【0004】次に、第二の従来例(特開平6−1095
61号公報参照)を図7に基づいて説明する。基板23
の一端には、3本の片持ち梁24a,24b,24cが
V字形の構造をなして設けられている。これら3本の梁
の先端部には下方(Z方向)に向けて導電性の探針25
が取付けられている。この探針25には配線パターン2
6(以下、配線という)が接続され、この配線26は片
持ち梁24c上に形成され基板23上のパッド部27と
接続されている。また、片持ち梁24a,24bの付け
根付近には、歪検出素子(ピエゾ抵抗)27a,27b
が形成されており、このピエゾ抵抗27a,27bには
配線28a,28bが接続され、この配線28a,28
bには基板23上のパッド部29a,29bと接続され
ている。
Next, a second conventional example (Japanese Patent Laid-Open No. 6-1095).
61 reference) will be described with reference to FIG. Board 23
At one end thereof, three cantilever beams 24a, 24b, 24c are provided in a V-shaped structure. The tip of each of these three beams has a conductive probe 25 directed downward (Z direction).
Is installed. This probe 25 has a wiring pattern 2
6 (hereinafter referred to as wiring) are connected, and the wiring 26 is formed on the cantilever 24c and connected to the pad portion 27 on the substrate 23. In addition, strain detecting elements (piezoresistors) 27a and 27b are provided near the bases of the cantilevers 24a and 24b.
Are formed, and wirings 28a and 28b are connected to the piezoresistors 27a and 27b.
The pad portion 29b is connected to the pad portions 29a and 29b on the substrate 23.

【0005】これにより、パッド部27から配線26を
介して探針25に電圧が印加されると、試料(図示せ
ず)の表面と探針25との間に静電引力が作用し、片持
ち梁24a,24bが変形する。この機械的な変形をピ
エゾ抵抗27a,27bにより検出し、配線28a,2
8bからパッド部29a,29bを通じて電気信号に変
換して出力することにより、探針25に加わる力を測定
することができる。この場合、探針電位は1KV位にな
るため放電が生じやすいが、片持ち梁24cと片持ち梁
24a,24bとの間の距離Dを十分離すことによって
放電が生じないようにすることができる。
As a result, when a voltage is applied from the pad portion 27 to the probe 25 via the wiring 26, an electrostatic attractive force acts between the surface of the sample (not shown) and the probe 25, and the probe 25 The beams 24a and 24b are deformed. This mechanical deformation is detected by the piezoresistors 27a and 27b, and the wiring 28a and 2
The force applied to the probe 25 can be measured by converting the electric signal from 8b through the pad portions 29a and 29b and outputting the electric signal. In this case, since the probe potential is about 1 KV, discharge is likely to occur, but discharge can be prevented by separating the distance D between the cantilever 24c and the cantilevers 24a, 24b sufficiently. .

【0006】次に、第三の従来例(OPTRONICS、1992、N
o.9、p.97参照) を図8、図9に基づいて説明する。図
8に示すように、基板30の中央には片持ち梁31が設
けられ、この片持ち梁31上にはその延在した方向に沿
って光導波路32が形成されている。この片持ち梁31
の先端のギャップを挾んた基板30の固定部33上に
は、前記光導波路32の端面32aと対向する端面34
aを有する光導波路34が形成されている。このような
構造とされた基板30において、光導波路32を伝搬し
てきた光は片持ち梁31の先端に位置する端面32aか
ら放射され、この放射された光はこれと対向する端面3
4aから入射して再結合し光導波路34内を伝搬してい
く。この場合、図9(a)に示すように、片持ち梁31
が変形していない状態では、光導波路32,34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9(b)に示すように、片持ち梁3
1が変形した状態では、光軸ズレが生じ光導波路34側
に入射する光量が減少する。従って、このように片持ち
梁31の変形量(曲がり量)に応じて伝搬される光量が
変化するため、光導波路34側の光量を検出することに
より片持ち梁31の変形量を容易に測定することができ
る。この応用例としては、圧力センサ、加速度センサ、
流量センサ等が考えられる。
Next, a third conventional example (OPTRONICS, 1992, N
o.9, p.97) will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 8, a cantilever 31 is provided in the center of the substrate 30, and an optical waveguide 32 is formed on the cantilever 31 along the extending direction thereof. This cantilever 31
The end face 34 facing the end face 32 a of the optical waveguide 32 is provided on the fixed portion 33 of the substrate 30 with the gap between the ends of the optical waveguide 32 interposed therebetween.
An optical waveguide 34 having a is formed. In the substrate 30 having such a structure, the light propagating through the optical waveguide 32 is radiated from the end face 32a located at the tip of the cantilever 31, and the radiated light is faced with the end face 3 facing the end face 32a.
The light enters from 4a, recombines, and propagates in the optical waveguide 34. In this case, as shown in FIG. 9A, the cantilever 31
In the state in which is not deformed, the optical axis shift does not occur between the optical waveguides 32 and 34, so that the amount of propagated light does not decrease. However, as shown in FIG.
When 1 is deformed, an optical axis shift occurs and the amount of light incident on the optical waveguide 34 side decreases. Therefore, since the amount of light propagated changes according to the amount of deformation (bending amount) of the cantilever 31, the amount of deformation of the cantilever 31 can be easily measured by detecting the amount of light on the optical waveguide 34 side. can do. Examples of this application include pressure sensors, acceleration sensors,
A flow sensor or the like can be considered.

【0007】次に、第四の従来例(Japanese Journal o
f Applied Physics、Vol.28、No.2、Feb.、1989、p.287
参照)を図10に基づいて説明する。基板35上には片
持ち梁36が設けられている。この片持ち梁36の根本
付近には、その梁の延在方向に直交して光導波路37が
形成されている。また、基板35の固定部38上には、
光導波路37に平行な状態で光導波路39が形成されて
いる。この場合、光導波路37は片持ち梁36の変形量
を検出する信号検出用導波路とされ、光導波路39は参
照用導波路とされており、両者はY字形に分岐、合流し
て光導波路40とつながっている。このような構造とさ
れた基板35において、片持ち梁36の変形に伴って光
導波路37が変形し、これにより屈折率が変化して導波
路内を伝搬する光の位相が変化する。このような位相変
化によって片持ち梁36の変形量を測定することができ
る。
Next, a fourth 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 beam 36 is provided on the substrate 35. An optical waveguide 37 is formed near the root of the cantilever beam 36 so as to be orthogonal to the extending direction of the beam. Further, on the fixed portion 38 of the substrate 35,
The optical waveguide 39 is formed in parallel with the optical waveguide 37. In this case, the optical waveguide 37 is used as a signal detection waveguide for detecting the amount of deformation of the cantilever 36, and the optical waveguide 39 is used as a reference waveguide. It is connected to 40. In the substrate 35 having such a structure, the optical waveguide 37 is deformed along with the deformation of the cantilever 36, whereby the refractive index is changed and the phase of light propagating in the waveguide is changed. The amount of deformation of the cantilever beam 36 can be measured by such a phase change.

【0008】ここで、そのような位相変化により信号検
出を行う動作原理を、図11、図12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
10の片持ち梁36に相当する変形領域が、この図11
ではA領域(微細構造のダイアフラム部)に相当する。
変形するA領域上の光導波路37を通って位相が変化し
た光と、固定部38上の光導波路39を通って位相が変
化しない光とは、Y状の分岐部で合流し光導波路40で
合波干渉した時、この光導波路40から出力される光の
光強度は両方の光の位相によって変化する。この場合、
図12(a)に示すように、両方の光が同相の場合は、
合波されることにより0次モードが励起され、光導波路
40から出力される光の光量は最大となる。また、図1
2(b)に示すように、両方の光が逆相の場合は、1次
モードが励起されるため光波が導波路外部へ放射され
(シングルモード導波路の場合)、光導波路40からは
光が出力されない。このように光導波路40から出力さ
れる光量を測定することによって、A領域すなわち片持
ち梁36の変形量を測定することができる。
Here, the principle of operation for detecting a signal by 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 36 of FIG. 10 described above is shown in FIG.
Corresponds to area A (diaphragm portion having a fine structure).
The light whose phase has changed through the optical waveguide 37 on the deformed area A and the light whose phase has not changed through the optical waveguide 39 on the fixed portion 38 merge at the Y-shaped branching portion and are combined at the optical waveguide 40. The light intensity of the light output from the optical waveguide 40 changes due to the phases of both lights when the light beams interfere with each other. in this case,
As shown in FIG. 12A, when both lights are in phase,
The 0th-order mode is excited by being combined, and the amount of light output from the optical waveguide 40 is maximized. Also, FIG.
As shown in FIG. 2 (b), when both lights are in opposite phases, 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), and the light from the optical waveguide 40 Is not output. By measuring the amount of light output from the optical waveguide 40 in this way, the amount of deformation of the area A, that is, the cantilever 36 can be measured.

【0009】また、位相変化により信号検出を行う他の
例を、図13及び図14に基づいて説明する。図13に
示すように、基板35上には2本の光導波路41,42
が形成されており、これら光導波路41,42はX状の
分岐部にて光導波路37,39と交差している。この場
合、光導波路42は、光導波路41よりも導波路の幅が
狭く形成されている。基板35の端面には反射ミラー4
3が設けられている。このような構造はモードデバイダ
として機能するものである。まず、左側の幅の広い光導
波路41から入射した光は、分岐部にて1:1に分波さ
れ、光導波路37,39内を伝搬していき、反射ミラー
43により反射されて再度分岐部に戻ってくる。この
時、両方の光が図14(a)に示すように同相であれば
0次モードが励起され、光は広い幅の光導波路41の方
へ伝搬していく。また、両方の光が図14(b)に示す
ように逆相であれば1次モードが励起され、光は狭い幅
の光導波路42の方へ伝搬していく。このように光が同
相か否かはA領域すなわち片持ち梁36の変形量によっ
て決まるものであるため、光導波路41,42に戻って
くる光量を調べることにより片持ち梁36の変形量を測
定することができる。
Another example of detecting a signal based on a phase change will be described with reference to FIGS. 13 and 14. As shown in FIG. 13, two optical waveguides 41, 42 are provided on the substrate 35.
Are formed, and these optical waveguides 41 and 42 intersect the optical waveguides 37 and 39 at the X-shaped branching portion. In this case, the optical waveguide 42 is formed so that the width of the optical waveguide is narrower than that of the optical waveguide 41. The reflection mirror 4 is provided on the end face of the substrate 35.
3 is provided. Such a structure functions as a mode divider. First, the light incident from the wide optical waveguide 41 on the left side is split into 1: 1 at the branching portion, propagates in the optical waveguides 37 and 39, is reflected by the reflection mirror 43, and is branched again. Come back to. At this time, if both lights are in phase as shown in FIG. 14A, the 0th-order mode is excited, and the lights propagate toward the optical waveguide 41 having a wide width. If both lights have opposite phases as shown in FIG. 14B, the primary mode is excited and the lights propagate toward the optical waveguide 42 having a narrow width. As described above, whether or not the lights are in phase is determined by the amount of deformation of the region A, that is, the cantilever 36. Therefore, the amount of deformation of the cantilever 36 is measured by checking the amount of light returning to the optical waveguides 41 and 42. can do.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】第一の従来例(図6参
照)で述べた試料2が、電子写真装置に用いられる感光
体ドラムである場合について考える。今、感光体ドラム
の表面電位を測定するために、そのドラムを回転させる
と、偏芯構造により回転軸とドラムの中心軸とがズレて
いるため、1回転の間にドラム表面が100μm程度上
下動する。このとき、ドラム表面と探針3との間の距離
dは、十分な解像度を得るために、μmオーダ以下に初
期設定されている。図6の装置では、その距離dを常に
一定に保つために、周波数ω0/2 により生じる片持ち
梁5の共振振動の振幅から実際の動作時の距離dを測定
してZ軸アクチュエータ21に帰還をかけている。しか
し、距離dが例えば2μmであるのに対して、ドラム表
面の上下動が100μm程度もあり桁違いに大きいた
め、帰還動作が間に合わず、その結果、ドラム表面が探
針3に衝突してしまい、最悪の場合には探針3が破損し
てしまうおそれもある。
Consider a case where the sample 2 described in the first conventional example (see FIG. 6) is a photosensitive drum used in an electrophotographic apparatus. Now, when the drum is rotated in order to measure the surface potential of the photosensitive drum, the eccentric structure causes the rotational axis and the central axis of the drum to be misaligned. Move. At this time, the distance d between the surface of the drum and the probe 3 is initially set to the order of μm or less in order to obtain sufficient resolution. In the apparatus of Figure 6, in order to keep always constant the distance d, the Z-axis actuator 21 to measure the distance d at the time of actual operation from the amplitude of the resonant vibration of the cantilever 5 caused by the frequency omega 0/2 I am returning. However, while the distance d is, for example, 2 μm, the vertical movement of the drum surface is as large as 100 μm, which is an order of magnitude larger. Therefore, the return operation cannot be performed in time, and as a result, the drum surface collides with the probe 3. In the worst case, the probe 3 may be damaged.

【0011】また、片持ち梁5の振動状態は、半導体レ
ーザ7と反射ミラー6と光検知器8とによって構成され
る光学系を用いて、いわゆる光テコ法により検出され
る。この場合、半導体レーザ7から出射した全ての光が
光検知器8に導かれるのではなく、その一部の光は散乱
され、感光体ドラムのドラム表面に照射される。これに
より、その漏れた光によってドラム表面が感光されて表
面電荷が放電してしまい、正常な状態(静電潜像)を乱
してしまうことになる。
The vibration state of the cantilever 5 is detected by a so-called optical lever method using an optical system composed of the semiconductor laser 7, the reflection mirror 6 and the photodetector 8. In this case, not all the light emitted from the semiconductor laser 7 is guided to the photodetector 8, but a part of the light is scattered and applied to the drum surface of the photosensitive drum. As a result, the leaked light exposes the surface of the drum to discharge the surface charge, which disturbs the normal state (electrostatic latent image).

【0012】また、探針3とドラム表面との間には静電
引力が作用しているが、その電位差をV1 、距離をd
1 、探針3の先端部でのドラム表面に対向する等価的な
面積をS1 とすると、探針3とドラム表面との間に働く
力F1 は、 F1 =S1 ε0(V1 2/d1 2) …(1) ただし、ε0:空気の誘電率 として表わせる。一方、探針3と同電位とされた片持ち
梁5は基台4により支持されているが、この基台4の周
囲にはこれら部品を支持するための支持機構(周辺機
器)が設けられており、このような支持機構はノイズシ
ールドのために接地電位となっている。このため、片持
ち梁5とその周辺の支持機構との間においても静電引力
が作用する。今、その両者間の電位差をV2 、等価的な
距離をd2 、等価的な面積をS2 とすると、この場合に
おける力F2 は、 F2 =S2 ε0(V2 2/d2 2) …(2) として表わせる。ここで、(1)(2)式のF1,F2
比較すると、d1≪d2であるが、面積S2 は片持ち梁5
の裏面側であり、S2≫S1となる。また、探針3の電位
と、ドラム表面の電位とは構成上ほぼ等しくなるのに対
して、周辺の支持機構の電位は常に接地電位であるた
め、ドラム表面の電位が高い時にはV2 の値は大きくな
り、これによりV1≪V2となる。従って、このようなこ
とから、周辺機器の環境条件によっては力F2 は力F1
に対して無視できない値となり、この値が測定誤差を招
く原因となる。
Further, electrostatic attraction acts between the probe 3 and the drum surface. The potential difference is V 1 and the distance is d.
1 , the equivalent area of the tip of the probe 3 facing the drum surface is S 1 , the force F 1 acting between the probe 3 and the drum surface is F 1 = S 1 ε 0 (V 1 2 / d 1 2 ) (1) However, ε 0 can be expressed as the permittivity of air. On the other hand, the cantilever 5 having the same potential as the probe 3 is supported by the base 4, and a support mechanism (peripheral device) for supporting these parts is provided around the base 4. Such a support mechanism is at ground potential for noise shielding. Therefore, the electrostatic attractive force acts between the cantilever 5 and the supporting mechanism around the cantilever 5. Assuming that the potential difference between the two is V 2 , the equivalent distance is d 2 , and the equivalent area is S 2 , the force F 2 in this case is F 2 = S 2 ε 0 (V 2 2 / d 2 2 ) It can be expressed as (2). Here, comparing F 1 and F 2 in the equations (1) and (2), d 1 << d 2 , but the area S 2 is the cantilever beam 5.
It is the back side of, and S 2 >> S 1 . Further, since the potential of the probe 3 and the potential of the drum surface are substantially equal to each other in structure, the potential of the supporting mechanism in the periphery is always the ground potential, so that the value of V 2 is high when the potential of the drum surface is high. Becomes larger, which results in V 1 << V 2 . Therefore, from such a fact, the force F 2 may be the force F 1 depending on the environmental conditions of the peripheral devices.
However, this value causes a measurement error.

【0013】また、探針3をドラム表面に近づける測定
初期の段階では、探針3と試料2とが遠く数mm以上離
れているため、(1)式の力F1 は(2)式の力F2
対してむしろ小さな値となり、これにより、片持ち梁5
から検出された電圧V11は誤った値を示しその積分値で
あるV21はどんどん大きな値となる。その結果、探針3
とドラム表面との間の電位差V1 もKVオーダとなり、
その両者間に放電を生じ、測定対象であるドラム表面の
電位を乱すことになる。また、そのような放電を生じな
い場合でも、周辺部の支持機構と片持ち梁5との間に放
電を生じることになる。これにより、探針3が損傷を受
けたり、安全のために接地された加算器15の遮断回路
(図示せず)が作動して測定が不能となる。
Further, in the measurement initial stage bringing the probe 3 on the drum surface, since the distant and the probe 3 and the sample 2 is far several mm or more, (1) a force F 1 is the formula (2) It becomes a rather small value for the force F 2 , which causes the cantilever 5
The voltage V 11 detected from the erroneous value shows an erroneous value, and the integrated value V 21 becomes larger and larger. As a result, the probe 3
The potential difference V 1 between the drum surface and the drum surface is also KV order,
A discharge is generated between the two, disturbing the potential of the surface of the drum to be measured. Even if such a discharge is not generated, a discharge is generated between the support mechanism in the peripheral portion and the cantilever 5. As a result, the probe 3 is damaged, or a cutoff circuit (not shown) of the adder 15 that is grounded for safety is activated to make measurement impossible.

【0014】次に、第二の従来例(図7参照)の場合、
探針25に電圧を印加するための配線26と、ピエゾ抵
抗27a,27b又は配線28a,28bとの間の放電
を防ぐため、両者間を距離Dだけ離した構造にしてい
る。しかし、配線26への印加電圧が1KV程度と大き
いためこの電圧が変動すると、両者間に発生した寄生容
量を介して、電圧変動によるノイズがピエゾ抵抗27
a,27bにより検出した信号に混入してしまい測定誤
差の原因となる。また、ピエゾ抵抗27a,27bに流
す電流によるジュール熱によって片持ち梁5が曲がって
しまい測定誤差の原因となる。
Next, in the case of the second conventional example (see FIG. 7),
In order to prevent discharge between the wiring 26 for applying a voltage to the probe 25 and the piezoresistors 27a, 27b or the wirings 28a, 28b, the two are separated by a distance D. However, since the voltage applied to the wiring 26 is as large as about 1 KV, when this voltage fluctuates, noise due to the voltage fluctuation is generated via the parasitic capacitance generated between the two.
It is mixed with the signal detected by a and 27b and causes a measurement error. Also, the cantilever beam 5 is bent by Joule heat caused by the current flowing through the piezoresistors 27a and 27b, which causes a measurement error.

【0015】次に、第三の従来例(図8参照)、第四の
従来例(図10参照)の場合、光導波路32,34,3
7,39を用いて光量差から片持ち梁31,36の変形
量を検出する基本的な動作原理が述べられている。しか
し、そのような光導波路32,34,37,39を用い
て、感光体ドラムの表面電位の測定や、トナー電位分布
の測定等に応用した例は見当らない。
Next, in the case of the third conventional example (see FIG. 8) and the fourth conventional example (see FIG. 10), the optical waveguides 32, 34, 3 are provided.
The basic operating principle of detecting the amount of deformation of the cantilevers 31, 36 from the difference in the amount of light using 7, 39 is described. However, there is no example in which such optical waveguides 32, 34, 37, 39 are used to measure the surface potential of the photoconductor drum, the toner potential distribution, and the like.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の物理量測
定装置の発明は、交流成分と直流成分とが重畳された電
圧が印加される探針とこれに対向配置された試料の表面
との間に作用する静電引力により生じる前記探針の変位
又は振動から前記試料の物理量を測定する物理量測定装
置において、前記探針が試料表面から離れている段階で
は、前記探針への印加電圧の直流成分を試料表面電位の
概略値に設定自在とし、前記探針が試料表面に接近した
段階では、前記探針の変位又は振動からその探針に印加
される印加電圧の直流成分への帰還量を制御する直流成
分帰還量制御手段を設けた。
According to the invention of a physical quantity measuring device as set forth in claim 1, a probe to which a voltage in which an alternating current component and a direct current component are superposed is applied, and a surface of a sample which is arranged so as to face the probe. In the physical quantity measuring device for measuring the physical quantity of the sample from the displacement or vibration of the probe caused by the electrostatic attraction acting in between, at the stage where the probe is separated from the sample surface.
Is the direct current component of the voltage applied to the probe of the sample surface potential.
It can be set to an approximate value and the probe approaches the sample surface.
In the step, DC component feedback amount control means for controlling the amount of feedback from the displacement or vibration of the probe to the DC component of the applied voltage applied to the probe was provided.

【0017】したがって、直流成分帰還量制御手段を用
いて、まず、探針が試料表面から離れている実測定前の
段階では、探針に印加される印加電圧の直流成分を試料
表面電位の概略の値に設定しておき、その後、探針が試
料表面に接近した実測定の段階では、静電引力による探
針の変位又は振動からその探針に印加される印加電圧の
直流成分の帰還量を制御して物理量の測定を行うように
した。
Therefore, by using the DC component feedback amount control means, first, before the actual measurement when the probe is separated from the sample surface, the DC component of the applied voltage applied to the probe is roughly calculated as the sample surface potential. After that, at the actual measurement stage when the probe approaches the sample surface, the amount of feedback of the DC component of the applied voltage applied to the probe due to displacement or vibration of the probe due to electrostatic attraction. Was controlled to measure the physical quantity.

【0018】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、前記試料の表面に前記探針を走
査させる走査手段と、前記試料の表面と前記探針との少
なくとも一方を変位させて両者間の距離を大きく可変す
る粗動アクチュエータと微細に可変する微動アクチュエ
ータとを含む試料探針間距離可変手段と、実測定前に、
前記探針を前記試料の表面から離して前記試料の表面を
前記走査手段に走査させ、前記走査手段による前記試料
表面の走査に同期して前記粗動アクチュエータ及び前記
微動アクチュエータを駆動することなく前記探針先端と
前記試料の表面との間の距離を一定に保つための補正距
離を算出する補正距離算出手段と、この算出された補正
距離を走査位置に対比させて記憶する補正距離記憶手段
と、を具備し、実測定時には、前記探針を前記試料の表
面に近接させて前記試料の表面を前記走査手段に走査さ
せ、前記走査位置に対比して記憶された前記補正距離を
もとに前記試料の表面と前記探針との間の距離を粗動ア
クチュエータを駆動して可変すると共に、前記試料の表
面と前記探針との間の相互作用に応じて微動アクチュエ
ータを駆動して前記試料の表面と前記探針との間の距離
を一定に保つようにした。
According to a second aspect of the invention, in the physical quantity measuring device according to the first aspect, the scanning means for scanning the surface of the sample with the probe, and at least one of the surface of the sample and the probe are displaced. Before the actual measurement, the inter-sample-probe distance varying means including a coarse actuator that greatly varies the distance between the two and a fine actuator that finely adjusts the distance.
The probe is moved away from the surface of the sample to cause the scanning means to scan the surface of the sample, and the coarse movement actuator and the fine movement actuator are not driven in synchronization with the scanning of the surface of the specimen by the scanning means. A correction distance calculating means for calculating a correction distance for keeping the distance between the tip of the probe and the surface of the sample constant, and a correction distance storing means for storing the calculated correction distance in comparison with the scanning position. , And at the time of actual measurement, the probe is brought close to the surface of the sample to scan the surface of the sample by the scanning means, and based on the correction distance stored in comparison with the scanning position. The distance between the surface of the sample and the probe is varied by driving the coarse actuator, and the fine actuator is driven according to the interaction between the surface of the sample and the probe. The distance between the surface and the probe of the sample was kept constant.

【0019】したがって、走査手段を用いて実測定前に
予め試料表面の走査を行い、この走査に同期して補正距
離算出手段を用いて試料表面と探針先端との間の距離を
一定に保つための補正距離を算出し、この算出された補
正距離を走査位置に対比させて補正距離記憶手段に一旦
記憶させておき、その後、実測定時には、その記憶され
た補正距離を走査位置に対比させて読出し、試料探針間
距離可変手段を用いて試料の表面と探針との間の距離を
常に一定に保ちながら物理量の測定が行える。
Therefore, the sample surface is scanned in advance before the actual measurement by using the scanning means, and the distance between the sample surface and the tip of the probe is kept constant by using the correction distance calculating means in synchronization with this scanning. The calculated correction distance is calculated, and the calculated correction distance is compared with the scanning position and temporarily stored in the correction distance storage means. Then, during the actual measurement, the stored correction distance is compared with the scanning position. The physical quantity can be measured while always keeping the distance between the surface of the sample and the probe constant by using the variable distance between sample probes.

【0020】請求項3記載の発明は、請求項1記載の物
理量測定装置において、前記試料の表面に前記探針を走
査させる走査手段と、前記試料との間の距離を測定する
距離センサと、前記試料の表面と前記探針との少なくと
も一方を変位させて両者間の距離を大きく可変する粗動
アクチュエータと微細に可変する微動アクチュエータと
を含む試料探針間距離可変手段と、実測定前に、前記探
針を前記試料の表面から離して前記試料の表面を前記走
査手段に走査させ、前記距離センサにより検出された距
離の信号に基づいて、前記粗動アクチュエータ及び前記
微動アクチュエータを駆動することなく前記探針先端と
前記試料の表面との間の距離を一定に保つための補正距
離を算出する補正距離算出手段と、この算出された補正
距離を走査位置に対比させて記憶する補正距離記憶手段
と、を具備し、実測定時には、前記探針を前記試料の表
面に近接させて前記試料の表面を前記走査手段に走査さ
せ、前記走査位置に対比して記憶された前記補正距離を
もとに前記試料の表面と前記探針との間の距離を粗動ア
クチュエータを駆動して可変すると共に、前記試料の表
面と前記探針との間の相互作用に応じて微動アクチュエ
ータを駆動して前記試料の表面と前記探針との間の距離
を一定に保つようにした。
According to a third aspect of the present invention, in the physical quantity measuring device according to the first aspect, a scanning means for scanning the surface of the sample with the probe, and a distance sensor for measuring a distance between the sample and Sample inter-probe distance varying means including a coarse movement actuator that displaces at least one of the surface of the sample and the probe to greatly change the distance between the two and a fine movement actuator, and before actual measurement Driving the coarse actuator and the fine actuator based on a distance signal detected by the distance sensor by causing the scanning unit to scan the surface of the sample by separating the probe from the surface of the sample. Instead, a correction distance calculating means for calculating a correction distance for keeping the distance between the tip of the probe and the surface of the sample constant, and the calculated correction distance as a scanning position. Compensation distance storage means for storing in comparison with each other, and at the time of actual measurement, the probe is brought close to the surface of the sample to cause the scanning means to scan the surface of the sample, and to compare with the scanning position. Based on the stored correction distance, the distance between the surface of the sample and the probe is changed by driving the coarse movement actuator, and the interaction between the surface of the sample and the probe is changed. Accordingly, the fine movement actuator is driven to keep the distance between the surface of the sample and the probe constant.

【0021】したがって、走査手段を用いて実測定前に
予め試料表面の走査を行い、この走査に同期して補正距
離算出手段を用いて試料表面と探針先端との間の距離を
一定に保つための補正距離を算出し、この算出された補
正距離を走査位置に対比させて補正距離記憶手段に一旦
記憶させておき、その後、実測定時には、その記憶され
た補正距離を走査位置に対比させて読出し、試料探針間
距離可変手段を用いて試料の表面と探針との間の距離を
常に一定に保ちながら物理量の測定が行える。
Therefore, the sample surface is scanned in advance before the actual measurement by using the scanning means, and the distance between the sample surface and the tip of the probe is kept constant by using the correction distance calculating means in synchronization with this scanning. The calculated correction distance is calculated, and the calculated correction distance is compared with the scanning position and temporarily stored in the correction distance storage means. Then, during the actual measurement, the stored correction distance is compared with the scanning position. The physical quantity can be measured while always keeping the distance between the surface of the sample and the probe constant by using the variable distance between sample probes.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】まず、本発明の一実施の形態を図
1〜図5に基づいて説明する。なお、前述した第一の従
来例(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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The description of the same parts as those of the above-described first conventional example (see FIG. 6) is omitted,
The same reference numerals are used for the same portions.

【0023】〔全体構成〕試料は、電子写真装置に用い
られる感光体ドラム44とされている。この感光体ドラ
ム44には、これを回転させるための回転モータ45
と、エンコーダ46とが接続されている。このうち、回
転モータ45はモータ駆動電源47に接続され、エンコ
ーダ46は制御装置48(コンピュータ)に接続されて
いる。また、感光体ドラム44の表面には、片持ち梁5
の先端に取付けられた探針3が距離dをもって対向配置
されている。この探針3が取付けられた片持ち梁5を支
持する基台4と、反射ミラー6と半導体レーザ7と光検
知器8とからなる光テコ光学系49(物理量検出光学
系)とは、駆動装置50に固定されている。この駆動装
置50は、Y軸アクチュエータ51と、Z軸粗動アクチ
ュエータ52と、Z軸微動アクチュエータ53とからな
っている。これら3つのアクチュエータ51,52,5
3は、制御装置48によって駆動制御されている。この
場合、Y軸アクチュエータ51は、探針3をドラム表面
に対して副走査方向(回転軸方向)に走査させる。ま
た、回転モータ45は感光体ドラム44を回転させ、こ
れによって、探針3をドラム表面に対して主走査方向
(ドラム回転方向)に走査させる。
[Overall Structure] The sample is a photosensitive drum 44 used in an electrophotographic apparatus. A rotation motor 45 for rotating the photosensitive drum 44 is provided on the photosensitive drum 44.
And the encoder 46 are connected. Of these, the rotary motor 45 is connected to a motor drive power source 47, and the encoder 46 is connected to a control device 48 (computer). In addition, the surface of the photosensitive drum 44 has a cantilever beam 5.
The probe 3 attached to the tip of is opposed to the probe with a distance d. The base 4 that supports the cantilever 5 to which the probe 3 is attached, and the optical lever optical system 49 (physical quantity detection optical system) including the reflection mirror 6, the semiconductor laser 7, and the photodetector 8 are driven. It is fixed to the device 50. The drive unit 50 includes a Y-axis actuator 51, a Z-axis coarse movement actuator 52, and a Z-axis fine movement actuator 53. These three actuators 51, 52, 5
3 is driven and controlled by the control device 48. In this case, the Y-axis actuator 51 causes the probe 3 to scan the drum surface in the sub-scanning direction (rotational axis direction). Further, the rotation motor 45 rotates the photoconductor drum 44, which causes the probe 3 to scan the drum surface in the main scanning direction (drum rotation direction).

【0024】また、その制御装置48には、電圧V6
測定する電圧計56と、電圧V21を測定する電圧計13
と、電圧V22を測定する電圧計20とが接続されてい
る。また、パワーアンプ22から出力される電圧V
52は、a,b,c端子からなるスイッチ回路57のa端
子に接続されている。b端子はアース端子となってい
る。a又はb端子と接続されるc端子は、Z軸微動アク
チュエータ53に接続されている。これにより、a−c
端子間が接続されることによって、Z軸微動アクチュエ
ータ53は帰還ループによって駆動制御される。
Further, the control device 48 includes a voltmeter 56 for measuring the voltage V 6 and a voltmeter 13 for measuring the voltage V 21.
And a voltmeter 20 for measuring the voltage V 22 are connected. In addition, the voltage V output from the power amplifier 22
52 is connected to the a terminal of the switch circuit 57 composed of a, b, and c terminals. The b terminal is a ground terminal. The c terminal connected to the a or b terminal is connected to the Z-axis fine movement actuator 53. As a result, ac
By connecting the terminals, the Z-axis fine movement actuator 53 is driven and controlled by the feedback loop.

【0025】この場合、副走査用のY軸アクチュエータ
51と、主走査用の回転モータ45及びモータ駆動電源
47とは、走査手段54を構成している。また、Z軸粗
動アクチュエータ52と、Z軸微動アクチュエータ53
とは、感光体ドラム44の表面と探針3との間の距離d
を可変させる試料探針間距離可変手段55を構成してい
る。さらに、統括的な制御を行う制御装置48は、走査
手段54による走査位置に同期して探針3の先端とドラ
ム表面との間の距離dを一定に保つための補正距離d0
を算出するための補正距離算出手段(図示せず)と、こ
の算出された補正距離d0 を走査位置に対比させて記憶
する補正距離記憶手段としてのメモリ(図示せず)とを
備えている。
In this case, the Y-axis actuator 51 for sub-scanning, the rotary motor 45 for main scanning and the motor drive power source 47 constitute a scanning means 54. Further, the Z-axis coarse movement actuator 52 and the Z-axis fine movement actuator 53
Is the distance d between the surface of the photosensitive drum 44 and the probe 3.
The inter-sample probe distance varying means 55 for varying Further, the control device 48 that performs overall control synchronizes with the scanning position by the scanning means 54 and corrects the distance d 0 for keeping the distance d between the tip of the probe 3 and the drum surface constant.
And a memory (not shown) as a correction distance storage means for storing the calculated correction distance d 0 in comparison with the scanning position. .

【0026】このような構成において、本装置の動作に
ついて述べる。まず、実測定前の段階で、モータ駆動電
源47により回転モータ45を駆動して感光体ドラム4
4を回転させることによって、表面電位分布を測定する
ための主走査を行う。また、これと同時に、Y軸アクチ
ュエータ51を用いて探針3を感光体ドラム44の回転
軸方向へ移動させて副走査を行う。この場合、感光体ド
ラム44の回転速度は、実測定時よりも遅い速度で行
う。なお、この時、Z軸微動アクチュエータ53を動作
させないようにするために、スイッチ回路57のc端子
はb端子と接続されている。そして、このようにして感
光体ドラム44を回転させながらその回転角θをエンコ
ーダ46で読取って、制御装置48に送る。また、この
回転角θの読取りと同時に、電圧計56により電圧V6
の値を読み取って制御装置48に送る。これにより制御
装置48内では、補正距離算出手段を用いて、V6 の値
が0となるようにZ軸粗動アクチュエータ52を駆動制
御するための制御量すなわち補正距離d0 を算出し、こ
の補正距離d0 とエンコーダ46の回転角θとの関係を
示すテーブルを作成してメモリに記憶する。
The operation of the present apparatus having such a configuration will be described. First, before the actual measurement, the rotary motor 45 is driven by the motor drive power source 47 to drive the photosensitive drum 4
By rotating 4 the main scan for measuring the surface potential distribution is performed. At the same time, the Y-axis actuator 51 is used to move the probe 3 in the direction of the rotation axis of the photosensitive drum 44 to perform sub-scanning. In this case, the rotation speed of the photosensitive drum 44 is slower than that at the time of actual measurement. At this time, in order to prevent the Z-axis fine movement actuator 53 from operating, the c terminal of the switch circuit 57 is connected to the b terminal. Then, while rotating the photosensitive drum 44 in this way, the rotation angle θ is read by the encoder 46 and sent to the control device 48. At the same time when the rotation angle θ is read, the voltage V 6 is read by the voltmeter 56.
Is read and sent to the controller 48. As a result, in the control device 48, the correction distance calculating means is used to calculate the control amount for driving and controlling the Z-axis coarse motion actuator 52 such that the value of V 6 becomes 0, that is, the correction distance d 0. A table showing the relationship between the correction distance d 0 and the rotation angle θ of the encoder 46 is created and stored in the memory.

【0027】そして、実測定時においては、回転モータ
45により感光体ドラム44を回転させ、その回転角θ
をエンコーダ46により読取り、その読取った回転角θ
に対応する補正距離d0 をメモリのテーブルから読出
す。そして、その読出した補正距離d0 の分だけZ軸粗
動アクチュエータ52を動かすことによって、感光体ド
ラム44の偏芯によるドラム表面の上下動をなくし、毎
回転常に距離dを一定の状態に保つことができる。な
お、この時、スイッチ回路57内のc端子はa端子と接
続されており、これによりZ軸粗動アクチュエータ52
の最小分解能以下のドラム表面の凹凸による距離dの変
動をなくすことができる。また、このように感光体ドラ
ム44の偏芯によるドラム表面の上下動をなくす場合、
その偏芯以外のドラム表面に付着したゴミ、トナー等に
よる上下動が補正距離算出手段により求められるテーブ
ルに記録されないように、そのような高周波成分による
上下動を除去するローパスフィルタ(図示せず)を電圧
計56の出力側に配置させたり、制御装置48内の演算
によって高周波成分を除去するようにしてもよく、これ
によりフイードバック制御の動作を一段と安定させるこ
とができる。従って、このようなことから、本装置は、
試料として回転時に上下動が非常に大きくなるような感
光体ドラム44を測定するような場合においても、探針
3がドラム表面に衝突する確率が非常に小さくなり、こ
れにより、探針3の変位又は振動の物理量を正確に測定
することができるため、ドラム表面の電位分布を正確に
測定することができる。
At the time of actual measurement, the photosensitive drum 44 is rotated by the rotation motor 45, and the rotation angle θ
Is read by the encoder 46, and the read rotation angle θ
The correction distance d 0 corresponding to is read from the memory table. By moving the Z-axis coarse movement actuator 52 by the read correction distance d 0 , the vertical movement of the drum surface due to the eccentricity of the photosensitive drum 44 is eliminated, and the distance d is always maintained at a constant state. be able to. At this time, the c terminal in the switch circuit 57 is connected to the a terminal, so that the Z-axis coarse actuator 52 is connected.
It is possible to eliminate the fluctuation of the distance d due to the unevenness of the drum surface which is less than the minimum resolution of. Further, when eliminating the vertical movement of the drum surface due to the eccentricity of the photosensitive drum 44,
A low-pass filter (not shown) that removes vertical movement due to such high frequency components so that vertical movement due to dust, toner, etc. attached to the drum surface other than the eccentricity is not recorded in the table obtained by the correction distance calculation means. May be disposed on the output side of the voltmeter 56, or the high frequency component may be removed by calculation in the control device 48, whereby the feedback control operation can be further stabilized. Therefore, because of this, the device
Even when the photosensitive drum 44 whose vertical movement is very large during rotation is measured as a sample, the probability that the probe 3 collides with the drum surface becomes very small, which results in the displacement of the probe 3. Alternatively, since the physical quantity of vibration can be accurately measured, the potential distribution on the drum surface can be accurately measured.

【0028】次に、図1の装置の変形例を図2、図3に
基づいて説明する。
Next, a modified example of the apparatus shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

【0029】まず、図2の装置について説明する。感光
体ドラム44にはパルス回転モータ58が取付けられて
おり、このパルス回転モータ58は制御装置48と接続
されている。これにより、制御装置48によりパルス回
転モータ58を駆動制御することによって、感光体ドラ
ム44を回転させることができると共に、回転角θの測
定を行うことができる。この場合、回転モータ45とエ
ンコーダ46とモータ駆動電源47とが不要となり、部
品点数を減らすことができるため装置の簡素化を図るこ
とができる。
First, the apparatus shown in FIG. 2 will be described. A pulse rotation motor 58 is attached to the photosensitive drum 44, and the pulse rotation motor 58 is connected to the control device 48. As a result, by controlling the drive of the pulse rotation motor 58 by the control device 48, the photosensitive drum 44 can be rotated and the rotation angle θ can be measured. In this case, the rotary motor 45, the encoder 46, and the motor drive power source 47 are unnecessary, and the number of parts can be reduced, so that the device can be simplified.

【0030】次に、図3の装置について説明する。感光
体ドラム44のドラム表面に近接した位置には、そのド
ラム表面との間の距離を測定する距離センサ59が配置
されている。この距離センサ59は制御装置48と接続
されている。これにより、距離センサ59により検出さ
れた距離の信号を制御装置48に送ることによって、テ
ーブルを作成するための補正距離d0 を算出することが
できる。この場合、電圧計56が不要となり、回路の配
線状態を簡素化させることができる。
Next, the apparatus shown in FIG. 3 will be described. At a position close to the drum surface of the photosensitive drum 44, a distance sensor 59 for measuring the distance between the photosensitive drum 44 and the drum surface is arranged. The distance sensor 59 is connected to the control device 48. Accordingly, by sending a signal of the distance detected by the distance sensor 59 to the control device 48, the corrected distance d 0 for creating the table can be calculated. In this case, the voltmeter 56 is unnecessary, and the wiring state of the circuit can be simplified.

【0031】〔直流成分帰還量制御手段〕次に、図4に
示すように、直流電圧V11を出力するロックインアンプ
10の出力段と、加算器15の入力段との間には、直流
成分帰還量制御手段としての直流バイアス電圧制御回路
60が接続されている。この直流バイアス電圧制御回路
60は、探針3の変位又は振動からその探針3に印加さ
れる印加電圧V51の直流成分の帰還量を制御する。図5
は、直流バイアス電圧制御回路60の内部回路の構成を
示したものである。この直流バイアス電圧制御回路60
は、定電圧電源Vccに接続され電圧Vr1を可変できる第
一電圧調整部61と、比較器62と、直流電圧V11が入
力され電圧Vr2を可変できる第二電圧調整部63と、加
算器15へ電圧V21を出力する積分器64とから構成さ
れている。なお、ここでは、探針3は、図6と同様に、
Z軸アクチュエータ21上の試料台1に設置された試料
2に対向配置されている。
[DC Component Feedback Amount Control Means] Next, as shown in FIG. 4, a DC voltage is provided between the output stage of the lock-in amplifier 10 that outputs the DC voltage V 11 and the input stage of the adder 15. A DC bias voltage control circuit 60 as a component feedback amount control means is connected. The DC bias voltage control circuit 60 controls the feedback amount of the DC component of the applied voltage V 51 applied to the probe 3 from the displacement or vibration of the probe 3. Figure 5
Shows the configuration of the internal circuit of the DC bias voltage control circuit 60. This DC bias voltage control circuit 60
Is a first voltage adjusting unit 61 connected to the constant voltage power supply Vcc and capable of varying the voltage Vr 1 , a comparator 62, a second voltage adjusting unit 63 capable of varying the voltage Vr 2 to which the DC voltage V 11 is input, and an addition. And an integrator 64 that outputs a voltage V 21 to the device 15. In addition, here, the probe 3 is similar to FIG.
It is arranged to face the sample 2 installed on the sample table 1 on the Z-axis actuator 21.

【0032】このような構成において、直流バイアス電
圧制御回路60の動作について述べる。まず、探針3と
試料2の表面との間の距離が離れ、両者間の静電引力が
微弱であり、探針3の電位が試料2の表面電位からどん
どんずれていってしまうような場合について考える。こ
のような場合には、第二電圧調整部63のVr2の中点に
位置するR点を上側(図中)へ移行させそのR点をP点
と接続して短絡させる。これにより、電圧V21の値は第
一電圧調整部61からの電圧Vrにより決定されるた
め、電圧Vr1を手動によって調整することによって電圧
21の値を可変させることができる。このように手動に
より電圧V21の値を可変させることによって、探針3に
印加される印加電圧V51の直流成分を制御し、探針3の
電位を試料2の表面電位に近づけることができる。
The operation of the DC bias voltage control circuit 60 having such a configuration will be described. First, when the distance between the probe 3 and the surface of the sample 2 is large and the electrostatic attraction between the two is weak, and the potential of the probe 3 deviates more and more from the surface potential of the sample 2. think about. In such a case, the R point located at the middle point of Vr 2 of the second voltage adjusting unit 63 is moved to the upper side (in the figure), and the R point is connected to the P point to be short-circuited. As a result, the value of the voltage V 21 is determined by the voltage Vr from the first voltage adjuster 61, so that the value of the voltage V 21 can be varied by manually adjusting the voltage Vr 1 . By manually varying the value of the voltage V 21 in this way, the DC component of the applied voltage V 51 applied to the probe 3 can be controlled and the potential of the probe 3 can be brought close to the surface potential of the sample 2. .

【0033】そして、このように手動により電圧Vr1
調整して電圧V21の値を試料2の表面電位に略一致さ
せ、探針3と試料2の表面との間の距離を近づけた後、
第二電圧調整部63のVr2のP点に接続されていたR点
を下側(図中)へ徐々に移行させQ点側で接続する。こ
れにより、電圧V21の値を、第一電圧調整部61による
電圧Vrの手動の制御状態から、直流電圧V11による自
動の帰還制御状態に移行させることができる。そして、
このような状態で実測定を開始することによって、探針
3から試料2の表面又はその周辺機器への放電を生じに
くくさせることができ、また、これにより、試料2の表
面の状態を乱したり、電気回路が遮断されるようなこと
がなくなるため、表面電位等の測定をスムーズに行うこ
とができる。
After manually adjusting the voltage Vr 1 so that the value of the voltage V 21 substantially matches the surface potential of the sample 2, the distance between the probe 3 and the surface of the sample 2 is reduced. ,
The R point, which was connected to the P point of Vr 2 of the second voltage adjusting unit 63, is gradually moved to the lower side (in the figure) and connected at the Q point side. As a result, the value of the voltage V 21 can be shifted from the manual control state of the voltage Vr by the first voltage adjusting section 61 to the automatic feedback control state by the DC voltage V 11 . And
By starting the actual measurement in such a state, it is possible to prevent discharge from the probe 3 to the surface of the sample 2 or its peripheral devices, and to disturb the state of the surface of the sample 2. Moreover, since the electric circuit is not interrupted, the surface potential and the like can be measured smoothly.

【0034】[0034]

【発明の効果】請求項1記載の物理量測定装置の発明
は、直流成分帰還量制御手段を用いて、探針が試料表面
から離れている実測定前の段階では、探針への印加電圧
の直流成分を試料表面電位の概略値に設定し、また、探
針が試料表面に接近した実測定の段階では、静電引力に
よる探針の変位又は振動からその探針への印加電圧の直
流成分の帰還量を制御して測定を行うようにしたので、
このように試料の置かれる状態に応じて直流成分の帰還
量を変えることによって、探針から試料表面又はその周
辺機器への放電を生じにくくさせることができ、これに
より、試料表面の状態を乱したり、電気回路が遮断され
るようなことがなくなり、物理量の測定をスムーズに行
うことができ、測定精度が高い物理量測定装置を提供す
ることができる。
According to the invention of the physical quantity measuring device described in claim 1, the direct current component feedback quantity control means is used, and the voltage applied to the probe is measured before the actual measurement when the probe is separated from the sample surface. The DC component is set to the approximate value of the sample surface potential, and at the actual measurement stage when the probe approaches the sample surface, the DC component of the voltage applied to the probe due to the displacement or vibration of the probe due to electrostatic attraction. Since the amount of feedback of is controlled to measure,
By changing the feedback amount of the DC component according to the state of the sample placed in this way, it is possible to make discharge from the probe to the sample surface or its peripheral equipment less likely to occur, thereby disturbing the state of the sample surface. It is possible to provide a physical quantity measuring device having high measurement accuracy, which enables smooth measurement of a physical quantity without interruption of an electric circuit.

【0035】請求項2記載の発明は、走査手段を用いて
実測定前に予め試料表面の走査を行い、この走査に同期
して補正距離算出手段により試料表面と探針先端との間
の補正距離を算出し、補正距離記憶手段にその算出され
た補正距離を走査位置に対比させて一旦記憶させ、実測
定時には、その補正距離を走査位置に対比させて読出
し、試料探針間距離可変手段を用いて試料の表面と探針
との間の距離を常に一定に保ちながら試料表面の電位や
形状の測定を行うようにしたので、感光体ドラムのよう
な回転時に上下動が非常に大きくなる試料を測定するよ
うな場合でも、探針が試料表面に衝突する確立が非常に
小さくなり、これにより、探針の変位又は振動の物理量
を正確に測定することができ、測定精度が高い物理量測
定装置を提供することができる。
According to the second aspect of the invention, the sample surface is scanned in advance before the actual measurement by using the scanning means, and the correction distance calculating means synchronizes with the scanning to correct the distance between the sample surface and the tip of the probe. The distance is calculated, the calculated correction distance is stored in the correction distance storage means in comparison with the scanning position, and at the time of actual measurement, the correction distance is read in comparison with the scanning position. Since the electric potential and shape of the sample surface are measured while always keeping the distance between the sample surface and the probe constant by using, the vertical movement becomes extremely large when rotating like a photoconductor drum. Even when measuring a sample, the probability that the probe will collide with the sample surface is extremely small, which allows the physical quantity of displacement or vibration of the probe to be measured accurately, and the physical quantity measurement with high measurement accuracy. Providing equipment Can.

【0036】請求項3記載の発明は、走査手段を用いて
実測定前に予め試料表面の走査を行い、この走査に同期
して補正距離算出手段により試料表面と探針先端との間
の補正距離を算出し、補正距離記憶手段にその算出され
た補正距離を走査位置に対比させて一旦記憶させ、実測
定時には、その補正距離を走査位置に対比させて読出
し、試料探針間距離可変手段を用いて試料の表面と探針
との間の距離を常に一定に保ちながら試料表面の電位や
形状の測定を行うようにしたので、感光体ドラムのよう
な回転時に上下動が非常に大きくなる試料を測定するよ
うな場合でも、探針が試料表面に衝突する確立が非常に
小さくなり、これにより、探針の変位又は振動の物理量
を正確に測定することができ、測定精度が高い物理量測
定装置を提供することができる。
According to the third aspect of the invention, the sample surface is scanned in advance before the actual measurement by using the scanning means, and the correction distance calculation means synchronizes with the scanning to correct between the sample surface and the tip of the probe. The distance is calculated, the calculated correction distance is stored in the correction distance storage means in comparison with the scanning position, and at the time of actual measurement, the correction distance is read in comparison with the scanning position. Since the electric potential and shape of the sample surface are measured while always keeping the distance between the sample surface and the probe constant by using, the vertical movement becomes extremely large when rotating like a photoconductor drum. Even when measuring a sample, the probability that the probe will collide with the sample surface is extremely small, which allows the physical quantity of displacement or vibration of the probe to be measured accurately, and the physical quantity measurement with high measurement accuracy. Providing equipment Can.

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

【図1】本発明の一実施の形態である物理量測定装置の
構成を示す回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a physical quantity measuring device according to an embodiment of the present invention.

【図2】変形例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a modified example.

【図3】他の変形例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing another modification.

【図4】回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram.

【図5】図4の直流バイアス制御回路の構成を示す回路
図である。
5 is a circuit diagram showing a configuration of a DC bias control circuit of FIG.

【図6】第一の従来例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing a first conventional example.

【図7】第二の従来例を示すものであり、(a)は断面
図、(b)は上面図である。
7A and 7B show a second conventional example, in which FIG. 7A is a sectional view and FIG. 7B is a top view.

【図8】第三の従来例を示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing a third conventional example.

【図9】図8の導波光のモード状態を示すものであり、
(a)は光軸ずれがないときの動作を示す模式図、
(b)は光軸ずれがあるときの動作を示す模式図であ
る。
9 shows a mode state of the guided light of FIG.
(A) is a schematic diagram showing the operation when there is no optical axis deviation,
(B) is a schematic diagram showing an operation when there is an optical axis shift.

【図10】第四の従来例を示すものであり、(a)は斜
視図、(b)はa5−a5断面図である。
FIG. 10 shows a fourth conventional example, in which (a) is a perspective view and (b) is a sectional view taken along line a 5 -a 5 .

【図11】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. 11 is a perspective view showing a basic configuration of a Mach-Zehnder interferometer.

【図12】マッハツェンダ干渉計の動作を示すものであ
り、(a)は同相のときの動作を示す模式図、(b)は
逆相のときの動作を示す模式図である。
12A and 12B are diagrams showing the operation of the Mach-Zehnder interferometer, in which FIG. 12A is a schematic diagram showing the operation in the in-phase, and FIG. 12B is a schematic diagram showing the operation in the anti-phase.

【図13】マイケルソン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 Michelson interferometer.

【図14】マイケルソン干渉計の動作を示すものであ
り、(a)は同相のときの動作を示す模式図、(b)は
逆相のときの動作を示す模式図である。
14A and 14B are diagrams showing the operation of the Michelson interferometer, in which FIG. 14A is a schematic diagram showing an operation in the same phase, and FIG. 14B is a schematic diagram showing an operation in a reverse phase.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 試料 3 探針 52 粗動アクチュエータ(Z軸粗動アクチュ
エータ) 53 微動アクチュエータ(Z軸微動アクチュ
エータ) 54 走査手段 55 試料探針間距離可変手段 59 距離センサ 60 直流成分帰還量制御手段(直流バイアス
電圧制御回路)
2 sample 3 probe 52 coarse motion actuator (Z-axis coarse motion actuator) 53 fine motion actuator (Z-axis fine motion actuator) 54 scanning means 55 sample probe distance varying means 59 distance sensor 60 DC component feedback amount control means (DC bias voltage Control circuit)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G03G 21/00 G03G 21/00 (56)参考文献 特開 平5−273276(JP,A) 特開 平6−174461(JP,A) 特開 平1−206202(JP,A) 特開 平5−312873(JP,A) 特開 平6−26855(JP,A) 特開 平6−308180(JP,A) 特開 平6−201373(JP,A) 特開 平8−86792(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G01B 7/00 - 7/34 G01B 21/00 - 21/32 G12B 21/00 - 21/24 G03G 5/00 101 G03G 9/08 G03G 21/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI G03G 21/00 G03G 21/00 (56) References JP-A-5-273276 (JP, A) JP-A-6-174461 (JP , A) JP 1-206202 (JP, A) JP 5-312873 (JP, A) JP 6-26855 (JP, A) JP 6-308180 (JP, A) JP 6-201373 (JP, A) JP-A-8-86792 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 13/10-13/24 G01B 7/00-7 / 34 G01B 21/00-21/32 G12B 21/00-21/24 G03G 5/00 101 G03G 9/08 G03G 21/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 交流成分と直流成分とが重畳された電圧
が印加される探針とこれに対向配置された試料の表面と
の間に作用する静電引力により生じる前記探針の変位又
は振動から前記試料の物理量を測定する物理量測定装置
において、前記探針が試料表面から離れている段階では、前記探針
への印加電圧の直流成分を試料表面電位の概略値に設定
自在とし、前記探針が試料表面に接近した段階では、
記探針の変位又は振動からその探針に印加される印加電
圧の直流成分への帰還量を制御する直流成分帰還量制御
手段を設けた、ことを特徴とする物理量測定装置。
1. Displacement or vibration of the probe caused by electrostatic attraction acting between a probe to which a voltage in which an alternating current component and a direct current component are superimposed and a voltage applied to the probe and a surface of a sample arranged opposite to the probe are generated. In the physical quantity measuring device for measuring the physical quantity of the sample from the
Set the DC component of the applied voltage to the rough value of the sample surface potential
When the probe approaches the sample surface, a DC component feedback amount control means for controlling the feedback amount from the displacement or vibration of the probe to the DC component of the applied voltage applied to the probe is provided. A physical quantity measuring device characterized by the following.
【請求項2】 前記試料の表面に前記探針を走査させる
走査手段と、 前記試料の表面と前記探針との少なくとも一方を変位さ
せて両者間の距離を大きく可変する粗動アクチュエータ
と微細に可変する微動アクチュエータとを含む試料探針
間距離可変手段と、 実測定前に、前記探針を前記試料の表面から離して前記
試料の表面を前記走査手段に走査させ、前記走査手段に
よる前記試料表面の走査に同期して前記粗動アクチュエ
ータ及び前記微動アクチュエータを駆動することなく前
記探針先端と前記試料の表面との間の距離を一定に保つ
ための補正距離を算出する補正距離算出手段と、 この算出された補正距離を走査位置に対比させて記憶す
る補正距離記憶手段と、 を具備し、実測定時には、前記探針を前記試料の表面に
近接させて前記試料の表面を前記走査手段に走査させ、
前記走査位置に対比して記憶された前記補正距離をもと
に前記試料の表面と前記探針との間の距離を粗動アクチ
ュエータを駆動して可変すると共に、前記試料の表面と
前記探針との間の相互作用に応じて微動アクチュエータ
を駆動して前記試料の表面と前記探針との間の距離を一
定に保つようにした、ことを特徴とする請求項1記載の
物理量測定装置。
2. A scanning means for scanning the surface of the sample with the probe, and a coarse movement actuator for displacing at least one of the surface of the sample and the probe to greatly change the distance therebetween. A sample inter-probe distance varying means including a variable fine movement actuator, and before actual measurement, the probe is separated from the surface of the sample to cause the scanning means to scan the surface of the sample, and the sample by the scanning means. Correction distance calculation means for calculating a correction distance for keeping the distance between the tip of the probe and the surface of the sample constant without driving the coarse movement actuator and the fine movement actuator in synchronization with surface scanning. Correction distance storage means for storing the calculated correction distance in comparison with the scanning position, and at the time of actual measurement, the probe is brought close to the surface of the sample. The surface is scanned in the scanning means,
Based on the correction distance stored in comparison with the scanning position, the distance between the surface of the sample and the probe is changed by driving the coarse movement actuator, and the surface of the sample and the probe are changed. The physical quantity measuring device according to claim 1, wherein a fine actuator is driven according to an interaction between the probe and the probe to keep a distance between the surface of the sample and the probe constant.
【請求項3】 前記試料の表面に前記探針を走査させる
走査手段と、 前記試料との間の距離を測定する距離センサと、 前記試料の表面と前記探針との少なくとも一方を変位さ
せて両者間の距離を大きく可変する粗動アクチュエータ
と微細に可変する微動アクチュエータとを含む試料探針
間距離可変手段と、 実測定前に、前記探針を前記試料の表面から離して前記
試料の表面を前記走査手段に走査させ、前記距離センサ
により検出された距離の信号に基づいて、前記粗動アク
チュエータ及び前記微動アクチュエータを駆動すること
なく前記探針先端と前記試料の表面との間の距離を一定
に保つための補正距離を算出する補正距離算出手段と、 この算出された補正距離を走査位置に対比させて記憶す
る補正距離記憶手段と、 を具備し、実測定時には、前記探針を前記試料の表面に
近接させて前記試料の表面を前記走査手段に走査させ、
前記走査位置に対比して記憶された前記補正距離をもと
に前記試料の表面と前記探針との間の距離を粗動アクチ
ュエータを駆動して可変すると共に、前記試料の表面と
前記探針との間の相互作用に応じて微動アクチュエータ
を駆動して前記試料の表面と前記探針との間の距離を一
定に保つようにした、ことを特徴とする請求項1記載の
物理量測定装置。
3. A scanning means for scanning the surface of the sample with the probe, a distance sensor for measuring a distance between the sample, and at least one of the surface of the sample and the probe being displaced. A sample inter-probe distance varying means including a coarse movement actuator that greatly changes the distance between the two and a fine movement actuator that finely changes the distance, and the surface of the sample separated from the surface of the sample before actual measurement. The scanning means, and based on the signal of the distance detected by the distance sensor, the distance between the tip of the probe and the surface of the sample can be determined without driving the coarse actuator and the fine actuator. A correction distance calculating means for calculating a correction distance for keeping constant and a correction distance storing means for storing the calculated correction distance in comparison with the scanning position are provided. The surface of the sample is scanned in the scanning means the probe is brought close to the surface of the sample,
Based on the correction distance stored in comparison with the scanning position, the distance between the surface of the sample and the probe is changed by driving the coarse movement actuator, and the surface of the sample and the probe are changed. The physical quantity measuring device according to claim 1, wherein a fine actuator is driven according to an interaction between the probe and the probe to keep a distance between the surface of the sample and the probe constant.
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