(57)【要約】  被測定表面（ＳＵＴ）の静電気力を測定する静電気力検出器（ＥＦＤ）は、カンチレバーアームとプローブを備えた静電気力検出器を有する。ＥＦＤは、その中をプローブが延びる孔を備え、ＳＵＴからの静電電界がカンチレバーアームおよびプローブの大部分に到達するのを防止すべく配置され、光がＳＵＴに到達することを防ぐシールドを有する。ＳＵＴ上の電位を測定するＥＦＤの電位範囲を選択する方法は、推定電位範囲の端点またはその近くでＥＦＤを用いて２つの電位を測定し、極性を比較することを含む。極性が相違すれば、推定電位範囲が選択される。だが極性が同じなら、推定電位範囲が調整されて新たな推定電位範囲が与えられ、これはＳＵＴ上の電位がその範囲内かどうか調べるためにテストされる。【選択図】図５
2019513981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定表面（ＳＵＴ）の静電力を測定する静電気力検出器（ＥＦＤ）であって、
（ａ）カンチレバーアームとプローブを有し、前記プローブが、前記カンチレバーアームの支点から遠位の位置で前記カンチレバーアームから延出し、前記ＳＵＴ上の静電位による静電気力が前記プローブの先端に生じるように向けられている静電気力検出器と、
（ｂ）前記先端に生じた静電気力による前記カンチレバーアームの曲げを、前記先端に生じた静電力の周波数成分を含む電気信号へと変換する光学システムと、
（ｃ）前記力検出器にバイアス電圧を印加する電圧源と、
（ｄ）前記ＳＵＴ上の静電位の測定値が得られるように前記電気信号の前記周波数成分を検出する周波数検出器と、
（ｅ）貫通孔を画定する表面を備えたシールドと、を有し、前記貫通孔は、前記シールドに対して前記プローブが動けるサイズであり、前記シールドは、前記ＳＵＴからの静電電界が前記カンチレバーアームに到達するのを抑制し、かつ光が前記ＳＵＴに到達するのを防ぐように配置されており、前記シールドは、前記カンチレバーアームと前記ＳＵＴの間に配置され、前記プローブの一部が、前記シールドの前記貫通孔の中を延びていることを特徴とするＥＦＤ。
【請求項２】
前記シールドは、前記カンチレバーアームに対するよりも前記ＳＵＴに対して、より近い位置に設けられている請求項１記載のＥＦＤ。
【請求項３】
前記シールドは、静電力線が前記シールドで終わるように、前記静電気力検出器と同じ電位に維持されている請求項１記載のＥＦＤ。
【請求項４】
前記カンチレバーアームの長さが９００μｍから３６００μｍの間である請求項１記載のＥＦＤ。
【請求項５】
前記カンチレバーアームの幅が４００μｍから１４００μｍの間である請求項１記載のＥＦＤ。
【請求項６】
前記シールドの幅が前記カンチレバーアームの幅以上である請求項５記載のＥＦＤ。
【請求項７】
前記シールドの幅が前記カンチレバーアームの幅以上である請求項１記載のＥＦＤ。
【請求項８】
ＥＦＤの電圧範囲を選択する方法であって、
（ａ）被測定表面（ＳＵＴ）上の帯電による電位の第１の推定値（第１電位推定値）を与え、
（ｂ）前記第１電位推定値を含む電位範囲を選択し、前記電位範囲が第１電位（Ｖｄｃ−ｈｉｇｈ）から第２電位（Ｖｄｃ−ｌｏｗ）まで広がるものとし、
（ｃ）前記ＥＦＤのプローブ先端を、前記プローブ先端と前記ＳＵＴの間のアーク放電を防止できる距離だけ、前記ＳＵＴから離して置き、
（ｄ）Ｖｄｃ−ｈｉｇｈを用い、以下の式：
Ｖｔ＝ＶＡＣＳｉｎωｔ＋ＶＤＣ
に従って前記プローブ先端へと入力電圧を印加し、前記ＥＦＤからの測定出力電位の第１電位指標を得て、
（ｅ）Ｖｄｃ−ｌｏｗを用い、以下の式：
Ｖｔ＝ＶＡＣＳｉｎωｔ＋ＶＤＣ
に従って前記プローブ先端へと入力電圧を印加し、前記ＥＦＤからの前記測定出力電圧の第２電位指標を得て、
（ｆ）前記第１電位指標の極性を前記第２電圧指標の極性と比較して第１極性指標を得て、
（ｇ）前記第１極性指標が相反する極性を示していれば、前記電荷が選択された前記電位範囲内にあるものと判定し、
（ｈ）前記第１極性指標が同一の極性を示していれば、前記電位が選択された前記電位範囲内にないものと判定することを特徴とする方法。
【請求項９】
前記電位が選択された前記電位範囲内にあると判定された場合に、前記ＥＦＤを用いて前記電位を測定する請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記電位が選択された前記電位範囲内にあると判定された場合に、前記プローブ先端を前記ＳＵＴのより近くへと動かす請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記電位が選択された前記電位範囲内にないと判定された場合に、新たな電位推定値を与え、前記第１電位推定値の代わりに前記新たな電位推定値を用いて（ｂ）から（ｈ）に至るステップを繰り返す請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記第１電位指標がゼロ未満の極性を有する場合、前記第１電位推定値から、特定の差の数を引いたものを、前記新たな電位推定値とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記第１電位指標がゼロより大きい極性を有する場合、前記第１電位推定値に、特定の差の数を足したものを、前記新たな電位推定値とする請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記特定の電位差の数は、４０ボルトの倍数である請求項１２または１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定表面（ＳＵＴ）上の帯電を測定する装置、システム、および方法に関する。こうしたＳＵＴには、とりわけ、複写機の電子写真ドラムや顕微鏡法におけるものが含まれる。
【背景技術】
【０００２】
静電気力検出器（ＥＦＤ）は、ＳＵＴ上の帯電の測定に用いられる。ＥＦＤは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、静電気力顕微鏡（ＥＦＭ）、などの高精度測定装置、および類似の限界寸法測定装置に用いられる。ＥＦＤでは、カンチレバーアームからＳＵＴに向かってプローブ部が延びる。プローブ部は大抵の場合、幅よりも長さがずっと大きいものとして形作られ、非常に小さい表面積を有する先端に向けて先細る。プローブ部の先端は、ＳＵＴの近傍に配置される。理想的には、ＳＵＴ上の帯電によりＥＦＤに作用する静電力は、プローブ部の先端のみに作用するが、従来技術の装置はこのような理想的状態を達成できていない。従来技術の装置では、静電力が先端以外の場所、例えばカンチレバーアームや、カンチレバーアームと先端の間のプローブ部のシャフトに作用すると、測定エラーが生じる。その結果、従来技術の装置は、ＳＵＴ上の静電電位を正確に測定できない。
【０００３】
従来技術の装置には、さもなくばカンチレバーアームに作用するであろう静電力を減らし測定精度を高めるため、力検出器の一部をシールドしているものもある。これらの従来技術の装置では、シールドは、ＳＵＴとカンチレバーアームの間に配置されている。このような従来技術のシールドは、ＳＵＴ上の静電電位による影響からカンチレバーアームを実質的にシールドしているが、この従来技術のシールドは、ＳＵＴ上の静電電位による影響からプローブ部のシャフト側面を適切にシールドできていない。（先端に加えて）プローブ部のシャフト側面もＳＵＴ上の静電電位によって生じる静電力の作用を受けるので、従来技術の装置では測定誤差が生じる。
【０００４】
加えて、多くのＳＵＴは感光性である。従来技術のシールドの構成は、望ましくない光がＳＵＴに到達するのを適切に減らすことができていない。感光体を有する多くのＳＵＴの感光度は、約０．１５〜０．４nＪ／ｃｍ２なので、ＳＵＴに到達する少量の光が、ＳＵＴ上の静電電位に観測可能な違いを生じ得る。光源にかかわらず、光に敏感なＳＵＴに望ましくない光が到達すれば、この望ましくない光は、ＳＵＴ上の静電電位に変化を与え、それによりＳＵＴ上にあるべき静電電位の正確な測定値を得ることを不可能とする。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、被測定表面（ＳＵＴ）の静電気力を測定する静電気力検出器（ＥＦＤ）として実施可能である。このＥＦＤは、
（ａ）カンチレバーアームとプローブを有し、前記プローブが、前記カンチレバーアームの支点から遠位の位置で前記カンチレバーアームから延出し、前記ＳＵＴ上の静電荷による静電気力が前記プローブの先端に生じるように向けられている静電気力検出器と、
（ｂ）前記先端に生じた静電気力による前記カンチレバーアームの曲げを、前記先端に生じた静電気力の周波数成分を含む電気信号へと変換する光学システムと、
（ｃ）前記静電気力検出器にバイアス電圧を印加する電圧源と、
（ｄ）前記ＳＵＴ上の帯電状況の測定値が得られるように前記電気信号の前記周波数成分を検出する周波数検出器と、
（ｅ）貫通孔を画定する表面を備えたシールドと、を有し、前記シールドは、前記ＳＵＴからの静電電界が前記カンチレバーアームに到達するのを抑制し、かつ光が前記ＳＵＴに到達するのを防ぐように配置されており、前記シールドは、前記カンチレバーアームと前記ＳＵＴの間に配置され、前記プローブの一部が、前記シールドの前記貫通孔の中を延びている。
【０００６】
前記シールドは、
（１）前記カンチレバーアームに対するよりも前記ＳＵＴに対して、より近い位置に設けられ、および／または、
（２）電気力線が前記シールドで終わるように、前記静電気力検出器と同じ電位に維持されるものとでき、および／または、
（３）前記カンチレバーアームの幅以上の幅を有するものとできる。
【０００７】
前記カンチレバーアームは、
（１）長さが９００μｍから３６００μｍの間、および／または、幅が４００μｍから１４００μｍの間であるものとできる。
【０００８】
本発明は、ＥＦＤの電圧範囲が選択される方法として実施可能である。この方法は、
（ａ）被測定表面（ＳＵＴ）上の帯電による電位の第１の推定値（第１電位推定値）を与え、
（ｂ）前記第１電位推定値を含む電圧範囲を選択し、前記電圧範囲が第１電位（Ｖｄｃ−ｈｉｇｈ）から第２電位（Ｖｄｃ−ｌｏｗ）まで広がるものとし、
（ｃ）前記ＥＦＤのプローブ先端を、前記プローブ先端と前記ＳＵＴの間のアーク放電を防止できる距離だけ、前記ＳＵＴから離して置き、
（ｄ）Ｖｄｃ−ｈｉｇｈを用い、以下の式：
Ｖｔ＝ＶＡＣＳｉｎωｔ＋ＶＤＣ
に従って前記プローブ先端へと入力電圧を印加し、前記ＥＦＤからの測定出力電圧の第１電位指標を得て、
（ｅ）Ｖｄｃ−ｌｏｗを用い、以下の式：
Ｖｔ＝ＶＡＣＳｉｎωｔ＋ＶＤＣ
に従って前記プローブ先端へと入力電圧を印加し、前記ＥＦＤからの前記測定出力電圧の第２電位指標を得て、
（ｆ）前記第１電位指標の極性を前記第２電位指標の極性と比較して第１極性指標を得て、
（ｇ）前記第１極性指標が相反する極性を示していれば、前記電圧が選択された前記電圧範囲内にあるものと判定し、
（ｈ）前記第１極性指標が同一の極性を示していれば、前記電圧が選択された前記電圧範囲内にないものと判定する。
【０００９】
前記帯電が選択された前記電位範囲内にあると判定された場合には、前記ＳＵＴ上の電圧は、前記ＥＦＤを用いて測定可能である。だが、前記電荷が選択された前記電位範囲内にないと判定された場合には、新たな電圧推定値が与えられ、前記第１電位推定値の代わりに前記新たな電圧推定値を用いて（ｂ）から（ｈ）に至るステップが繰り返されるものとできる。前記電荷が選択された前記電圧範囲内にあると判定された時には、前記プローブが前記ＳＵＴのより近くへと動かされてよいし、測定された電荷がその特定の場所での前記ＳＵＴ上の電荷の測定値とされてもよい。このような方法は、前記測定範囲を狭めることで前記ＳＵＴ上の電位を正確に測定することに役立ち、同時に、電位が大まかに分かるまでプローブを安全な距離に保つことでアーク放電を防止することにも役立つ。
【００１０】
極性が同一である（両方とも＋または両方とも−）と判定されると、推定値の範囲が変更される。これを行うために、前記第１電圧指標がゼロ未満の極性を有するかどうかの判定が下され、前者の場合には、前記第１電圧推定値から、特定の差の数を引いたものを、前記新たな電圧推定値とする。だが、前記第１電圧指標がゼロより大きい極性を有する場合には、前記第１電圧推定値に、特定の差の数を足したものを、前記新たな電圧推定値とする。例えば、前記特定の差の数は、４０ボルトの倍数である。
【００１１】
本発明の本質および目的をより完全に理解してもらうために、添付の図面および以下の記載を参照されたし。簡単には、図面は以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１ａ】図１ａは、シールドを持たない従来技術のＥＦＭの模式図である。
【図１ｂ】図１ｂは、シールドを持たない従来技術のＥＦＭの体系的なヘッドを描いた模式的斜視図である。
【図２】図２は、従来技術のＥＦＭの平行面モデルの線図である。
【図３】図３は、従来技術のＥＦＭの一部を描いた線図である。
【図４ａ】図４ａは、本発明によるＥＦＤの諸様相を描いた斜視図である。
【図４ｂ】図４ｂは、本発明によるＥＦＤの諸様相を描いた斜視図である。
【図４ｃ】図４ｃは、本発明によるＥＦＤの諸様相を描いた斜視図である。
【図５】図５は、本発明によるシールドを備えたＥＦＤの模式図である。
【図６】図６は、我々のシールドを用いることで達成可能なＳＵＴへ到達する光の減少具合を示すグラフである。
【図７】図７は、電圧差対Ｖωを示すグラフである。
【図８】図８は、目標電圧入力範囲が決定される我々の発明による方法のフローチャートである。
【図９】図９は、ＳＵＴの表面電圧の時間経過に伴う変化をＥＦＭ及び一般的な表面電位計で測定したグラフである。
【図１０】図１０は、低移動度を持つ感光体の潜像測定の試験結果を示す。
【図１１】図１１は、高移動度を持つ感光体の潜像測定の試験結果を示す。
【図１２】図１２は、露光エネルギ対潜像電圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、ＳＵＴ上の電位を測定するためのＥＦＭなどのＥＦＤである。本発明は、ＥＦＭ以外の装置にも利用可能であり、よって本発明はＥＦＭには限定されない。本発明は、写真複写機の電子写真ドラム、あるいは圧電セラミック製造におけるＳＵＴに用いることができる。よって、説明はＥＦＭのものに集中しがちではあるが、本文献のクレームは、そのクレームが明らかにＥＦＭを指している場合を除けば、必ずしもＥＦＭに限定されてはいない。
【００１４】
本発明は、静電気力検出器を備えるＥＦＤとして実施可能である。静電気力検出器は、カンチレバーアームと、カンチレバーアームから延びるプローブとからなるものとできる。力検出器は単一材料から形成可能である。プローブは、先端が終点となるシャフトからなるものとでき、この先端は、理想的には小さな表面積を有する。使用時、プローブの先端は、ＳＵＴ上の電位がＥＦＤの先端でのみ静電気力を生じるように、ＳＵＴの近傍に置かれる。先端に作用する力は、カンチレバーアームが曲げを生じるように、プローブのシャフトを介してカンチレバーアームへと伝えられる。レーザが、カンチレバーアームの反射面へと向けられる。レーザからのレーザ光は、カンチレバーアームで反射され、光検出器で受光される。受光されたレーザ光の位置は、カンチレバーアームの湾曲を示すものであり、この湾曲は、カンチレバーアームに作用している静電気力を示している。よって、光検出器上の反射レーザ光の位置を検出することで、カンチレバーアームに作用している静電気力を測定することが可能である。例えば、光検出器上の特定の位置をＳＵＴ上の特定の電位と関連付けるように、検出回路を設計および／または校正することができる。
【００１５】
カンチレバーアームの湾曲がＳＵＴ上の電圧を測定するために用いられ、かつ、その湾曲がプローブに作用する静電気力によって生じるものであるため、そのような静電気力を、ＳＵＴ上の電位に応じて先端に作用する静電気力に限定することが望ましい。測定精度を高めるために、ＳＵＴ上の電位が、例えばカンチレバーアーム上、および／または、カンチレバーアームに近いプローブのシャフト上などのプローブ先端以外の場所で静電気力検出器に静電気力を作用することを防止することを目的として、１つ以上のシールドを用いることが可能である。
【００１６】
さらに、ＳＵＴで受光される光は、とりわけＳＵＴが感光性である場合に、ＳＵＴ上の電位に影響を及ぼし得る。このような光は、レーザ、あるいはその他の場所から生じ得る。例えば、ＳＵＴで受光されるこうした光は、（ａ）カンチレバーアームからのレーザ光の不完全な反射、（ｂ）周囲の気体の汚染物質によって引き起こされ得る、周囲媒体を介してのレーザ光の不完全な伝達、および／または（ｃ）光検出器で受光される光の不完全な吸収、から生じ得る。ＳＵＴで受光される光の量を減らすために、我々の発明の実施の形態では、１つ以上のシールドが使用され、そのうち１つ以上がカンチレバーアームとＳＵＴとの間に配置され、かつ、プローブの向こうまで延びるものとできる。我々の発明の実施の形態が、プローブの向こうまで延びるシールドを有する場合には、プローブがシールドを貫いて延びることができるように、シールドに孔を設けるものとできる。さらに、シールドの１つ以上はカンチレバーアームよりも幅広とできる。
【００１７】
本発明が適用可能な従来技術の静電気力顕微鏡の代表的な構成が、図１ａおよび図１ｂに示されている。この従来技術のシステムは、光学系２０と、大まかに符号１０で示される静電気力検出器を有する。静電気力検出器は、カンチレバーアーム１２と、先端１６を備えたプローブ１４とを有する。光学系２０は、レーザ２２と、光検出器２４と、検出回路３０とを有する。ＳＵＴ４０は機能可能な状態でアクチュエータ４４と結びついており、これは例えば圧電ドライバであり、さらに機能可能な状態でスキャナ４８と結びついている。プロセッサ５０は、検出回路３０の出力とつながっており、検出回路３０から得られたデータを処理するのに利用可能である。フィードバック回路７０は、入力が、検出回路３０の出力に電気的に接続され、出力が、制御を行えるように、直流電源６０に電気的に接続されている。ＳＵＴ４０と直流電源６０は両方とも、電気アース、すなわち符号６５に電気的に接続可能である。直流電源６０と交流電源８０を組み合わせたものが、力検出器１０と検出回路３０に接続されている。
【００１８】
ＳＵＴ４０上の電荷によって、検出器１０の先端１６に静電力が生じる。カンチレバーアーム１２の一端は、この場合トランスデューサ９０に固定されているので、先端１６の静電力によって、カンチレバーアーム１２が支点８５から曲がる。トランスデューサ９０は、トランスデューサ９０に与えられた電気信号に応じてアーム１２に動きを生じさせる圧電素子とすることができる。
【００１９】
カンチレバーアームの曲がり量は、光てこ方式を用いて電気信号に変換される。ＳＵＴ４０上の電荷の極性を識別するために、導体９２を介して、直流および交流成分を有する外部バイアス電圧がトランスデューサ９０に印加される。バイアス電圧Ｖｔは以下の式によって表わされる。
【００２０】
【数１】
2019513981.tif 000003
【００２１】
光検出器２４は、トランスデューサ９０に与えられた電気信号によって変調された反射レーザ光を受光し、ωおよび２ωの周波数成分を含む信号を検出器３０に与える。先端１６とＳＵＴ４０との間の関係が平行面モデル（図２、図３を参照）と考えられる場合には、以下の式により、プローブ先端１６上の生じた静電力から、ωおよび２ωのそれぞれに対応する情報が得られる。
【００２２】
【数２】
2019513981.tif 000004
【００２３】
【数３】
2019513981.tif 000005
【００２４】
上述の式において、Ｖｔは外部バイアス電圧、ρはＳＵＴ４０上の電荷分布密度、εはＳＵＴ４０の誘電率、ｄ０はＳＵＴ４０の厚さ、ｄはプローブ先端１６と金属基板３００間の距離、Ｓは先端１６によって検知されているＳＵＴ４０の面積である。εとｄ０が分かっていれば、Ｆω（静電気力のω成分）を検出することで、あるいは、Ｆωがゼロになるようにフィードバックとして検出器に与えられるＶＤＣを測定することで、ρ（電荷分布密度）を算出することが可能である。ｄ０がゼロの場合は、被測定表面が固体金属であり、プローブがもはやＳＵＴ４０上に位置していないことを意味する。誘電体膜１００上の電荷分布を測定することが求められているのだから、ｄ０＝０の状態は現実的ではなく、よってＦ２ωを直接測定することが求められる。
【００２５】
ＳＵＴ４０上の特定の場所に関する電荷分布密度（すなわちＳＵＴ４０上の電荷）を計算可能とするためには、プローブ先端１６とＳＵＴ４０上の表面電荷との間に生じた静電力が特定されなくてはならない。電位分布を得るには、ポアソン方程式が役立つと思われる。
【００２６】
【数４】
2019513981.tif 000006
【００２７】
ここで、Ｖは本計算から得られる電位、ρは電荷分布密度、ε０は真空の誘電率である。
【００２８】
プローブ先端１６によって検知されている領域の静電場分布は、上述の電位分布（∇２Ｖ）を用いることで特定可能である。先行する２つのステップによって得られたデータから、先端１６とＳＵＴ４０上の電荷の間に生じた静電気力を計算する。
【００２９】
図１ｂはさらに、図１ａに描かれた先行技術のＥＦＭの諸様相を描いている。静電気力検出器１０は、カンチレバーアーム１２の一端に固定されたプローブ１４を有し、アーム１２の他端は、機能可能な状態でカンチレバー角度のコントローラ１７８およびマイクロメータヘッド１７９と結びつくボディ１７６に固定されている。レーザ２２は、レンズ１８４によってカンチレバーアーム１２上に集束されるビーム１８２を生じる。ミラー１８６は、反射されたビーム１８８を、ビームを光検出器２４上に集めるシリンドリカルレンズ１９０へと向ける。図１ｂに描かれたＳＵＴ４０は、圧電アクチュエータ４４上にあり、これは機能可能な状態でＸ‐Ｙステージ４８と結びついており、プローブ先端１６に対してＳＵＴ４０を位置決めする役目を果たす。Ｘ‐Ｙステージ４８は、ＳＵＴ４０とプローブ１４との間の距離を変えることなく、ＳＵＴ４０の移動を可能とする。圧電アクチュエータ４４は、プローブ先端１６に近づくように、あるいは遠ざかるようにＳＵＴ４０を動かす。
【００３０】
数式３に関連して、Ｆ２ωは、ＳＵＴ４０の粗さについての情報をもたらすのに利用可能である。これがどのように達成可能かについて、詳細を述べるのが有益であろう。図１ａを参照すると、検出回路３０、ＣＰＵ５０、およびフィードバック回路７０は、圧電アクチュエータ４４およびＸ‐Ｙステージ４８と連動して働き、（ａ）ＳＵＴ４０の特定の場所を先端１６の下に置くためにＸ軸および／またはＹ軸方向にＳＵＴ４０を動かし、（ｂ）数式３を用いてそのＸ‐Ｙ位置におけるＦ２ωを特定し、（ｃ）圧電アクチュエータ４４を用いてＺ軸方向のＳＵＴ４０の位置を調整し、Ｆ２ωが所定の一定値と等しくなるようにし、（ｄ）Ｘ軸方向のＳＵＴ４０の位置を知ることで、ｄを特定し、（ｅ）ｄを知ることで、参照用テーブルやその他の手段で、そのＸ‐Ｙ位置におけるＳＵＴ４０上の対応する電荷を特定する。
【００３１】
上述のカンチレバーアームを備えた静電気力検出器は、導体表面に置かれた誘電体膜上の静電電位を検出可能なように設計および製作されている。上述の方法および装置を用いれば、比較的広い領域（例えば、数百平方ミリメートル）のスキャンにおいて、比較的高い空間分解能および電位分布の正確な測定が可能となる。このような正確な測定を行うには、帯電した誘電体膜の厚さを測定することが必要である。
【００３２】
静電気力の作用によって厚さｄ０のフィルム上の静電位を測定するシステムおよび方法は、ＳＵＴ４０を“見る”等価の先端領域がｄ０の変化により変化するために、フィルム厚ｄ０の変化で生じる静電力の変化によって起きるエラーの影響を受けやすいことが確認されている。よって、ＳＵＴ４０上の静電位のより正確な測定値を特定するためには、誘電体膜厚の変化についての情報を用いて、ＥＦＤによって集められたデータを調整しなくてはならない。ここで提案されている膜厚測定方法は、ＡＣバイアス電圧から生じる検出Ｆ２ω成分を利用するものである。膜厚を考慮して測定された静電気力のデータを調整することで、さもなければ存在するであろうエラーを１０％未満に減らすことができ、エラーの大半を膜厚ｄ０の変化に帰することができる。
【００３３】
本発明に基づくプローブ１４は、１ｆＣ未満の感度および１０μｍの空間分解能で静電位を検出するものとできる。このようなプローブ１４は、ニッケル箔から作成可能である。このようなプローブ１４を用いることで、本発明は、ＳＵＴ４０上の静電位とＳＵＴ４０の膜厚の両方を同時に測定するのに利用でき、よって測定された静電位を調整し、これによりＳＵＴ４０上の実際の静電電位を特定することができる。
【００３４】
プローブ１４の先端１６に静電気力が印加された時、同じ静電界によるさらなる静電気力がカンチレバーアーム１２に生じ、これが測定エラーを起こし、プローブの空間分解能を下げることがある。本発明によると、カンチレバーアーム１２およびプローブ１４のシャフト２０４の大部分は、ＳＵＴ４０からシールドされており、これは、測定システムの正確性を高めるために、プローブ１４のシールドされた部分にＳＵＴ上の電位が作用することを防ぐためのものである。図４ａ、図４ｂ、図４ｃを参照すると、本発明に基づくＥＦＤの静電気力検出器２００が示されている。静電気力検出器２００は、カンチレバーアーム１２と、先端１６を備えたプローブ１４を含む。プローブ１４は、さまざまな形状およびサイズが可能である。図４ａ、図４ｂ、図４ｃでは、プローブ１４は、従来技術のシャフトよりも長さが大きいシャフト２０４を有するものとして描かれている。本発明のシャフト２０４は、２００μｍから１０００μｍの間の長さとできる。本発明によれば、静電シールド２１０は機能可能な状態で、静電気力検出器２００のカンチレバーアーム１２と結びついている。シールド２１０は、金属などの導体材料とでき、図面においては、カンチレバーアーム２０２とＳＵＴ４０の間に配置された細長い帯状のものとして描かれている。シールド２１０は、ＳＵＴ４０と近い距離に設けられており、好ましくは３００μｍ未満である。シールド２１０の長さは、好ましくはカンチレバーアーム１２より長く、カンチレバーアーム１２の遠位端１９がＳＵＴ４０上の静電荷からシールドされている。遠位端１９がシールドされていることを確実なものとすることで、シャフト２０４のかなりの部分もまた、ＳＵＴ４０上の静電電界からシールドされることになる。図４ａ、図４ｂ、図４ｃに描かれた構成では、シールド２１０の幅は、カンチレバーアーム１２の幅よりも相当に大きい。シールド２１０はこれ以外の幅を持つものであってもよいが、シールド２１０は、カンチレバーアーム１２の幅より少なくとも大きい。本発明のさまざまな実施の形態において、シールド２１０がカンチレバーアーム１２よりも約５ｍｍ長く、８ｍｍ幅広であれば、適切なシールディングが得られると考えられる。
【００３５】
力検出器２００とシールド２１０は、同一またはほぼ同一の電位に維持されるものとできる。これは導電接続２１６によって図４ａに図式的に示されているが、所望の結果は、電圧源を用いて、アーム１２とシールド２１０の両方に同じ電圧を印加することによって達成可能である。カンチレバーアーム１２とシールド２１０を同じ電位に保つために他の構成を採用することも可能で、これは両者の間に導体を設けることを含む。アーム１２とシールド２１０の両方の電圧を同じに保つことで、先端１６が据えられている場所以外の場所でＳＵＴ４０上の電荷によって生じる電気気力は、カンチレバーアーム１２あるいはプローブ１４のシールドされた部分に与えられず、代わりにシールド２１０に与えられる。その結果、検出器２００に与えられる力は、ＳＵＴ４０の特定の部分における電荷と関連する静電気力に限定されて、主としてシールド２１０とＳＵＴ４０との間にあるプローブ１４の部分、つまり大半がプローブ１４の先端１６に付与される。従来技術の装置と比べると、我々のシールドの構成は、静電気力検出器２００へと与えられた静電気力を、より大きな割合で先端１６からやって来たものとできる。我々の構成によれば、先端１６に最も近い電荷以外の電荷から生じる静電気力をほぼ排除することができると考えられる。
【００３６】
ここまで本発明に基づくＥＦＤのあらましを述べたので、以下には本発明のさらなる詳細を述べる。
【００３７】
電子写真などの場合においては、測定が求められるＳＵＴ４０上の帯電による表面電位は非常に高く、例えば＋／−１ｋＶである。さらに、ＳＵＴ４０は、必要とされる空間分解能に対して非常に広く、よってＳＵＴ４０についての有用な情報を得るには、多くの測定読み取りが必要となる。例えば多くの場合において、分析を受ける総面積は、およそ数百平方ミリメートルであり、必要な空間分解能は、およそ１０マイクロメートルである。従来のケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）は、１０ｎｍ〜１００ｎｍの空間分解能で表面電圧を測定できる能力を持つが、ＫＦＭが現実的に測定可能な面積は数百平方マイクロメートルの範囲であり、これは電子写真で期待されるものと比べて非常に小さい。対照的に、センサとＳＵＴ４０との間の容量結合を用いる従来技術の静電電圧計は、広範囲（例えば２００ｍｍ２）をスキャンできる能力を有するが、空間分解能は通常、数ミリメートル程度の低さにすぎない。理想的には、改良後のＥＦＤは、一般的なＫＦＭよりもずっと広範囲をスキャンできる能力を有し、＋／−１ｋＶの入力電圧範囲を有し、およそ１０マイクロメートルの空間分解能を有するものである。
【００３８】
我々の発明は、大きなシールドとの組み合わせでＥＦＤに光てこ方式を適用し、電圧測定のためにカンチレバーアーム１２の反りを検知するものであり、我々のＥＦＤは、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一種として分類可能である。我々の発明は、ＳＵＴ４０上の電荷の存在によって生じるカンチレバーアーム１２の振動における微小な変化を検出するものであって、シールド２１０は、特定の種類のＳＵＴ４０、とりわけ感光性物質（例えば、光の存在に対して反応する感光体）を含むＳＵＴ４０に対して光が及ぼす影響を減らすことができる。
【００３９】
感光体の表面電位は、たとえ感光体が暗所に置かれていても自然と減衰する（すなわち、暗減衰）。我々のＥＦＤは、実際に測定が行われた時に表面電位の正確な推定値を得るために、ＳＵＴ４０の特定の感光体の予期される暗減衰特性を補償する特徴を含むである。暗減衰特性を補正する一つの方法は、暗減衰率についての周知の情報と、電圧が印加された時と測定された時との間の時間差とを用いて、我々のＥＦＤによって得られたデータを正規化することである。このような補正は、静電気力検出器２００から静電気力情報を受け取り、ＳＵＴ４０に電位が与えられてからどれだけ時間が経過したかを特定し、経過時間に対応する補正値を選び、この補正値を静電気力検出器２００から得られた静電気力情報に与えるようにプログラムされたコンピュータを用いることで達成可能である。
【００４０】
ここに述べたシールド２１０は、さもなければＳＵＴ４０の感光性物質を照らすことになる散乱および漏出レーザ光をシールド２１０が減らす、または無くすので、ＥＦＤによる表面電位測定値を改善可能な手段として利用可能である。また上述したように、このようなシールド２１０は、先端１６以外の領域、例えばカンチレバーアーム１２またはアーム１２に最も近いシャフト２０４の部分、において静電気力が静電気力検出器２００に作用する能力を低くするように配置され、かつ機能可能に構成されるものとできる。このようなシステムによって、我々の発明のＥＦＤは、感光体のＳＵＴ４０の静電潜像を検知するものとして構成可能であり、これは従来技術のＥＦＤシステムを著しく進歩させるものである。
【００４１】
既に述べた情報をいくつか繰り返すことになるが、以下の情報を述べる。
我々のＥＦＤの実施の形態の模式図を図５に示す。図５に示すＥＦＤでは、ＤＣバイアス電圧（ＶＤＣ）とＡＣバイアス電圧（ＶＡＣｓｉｎωｔ）が、同時に力検出器２００とシールド２１０に印加される。シールド２１０とＳＵＴ４０の間に位置する先端１６は、ＳＵＴ４０に接近させられ（あるいはその逆）、ＳＵＴ４０上の電位による誘導によって生じた静電引力が原因のカンチレバーアーム１２の動きが検知される。先端１６が電位に近いと、検出器２００に印加されたＡＣバイアス電圧がアーム１２を振動させ、この検知された振動が２つの周期的成分ωおよび２ωを含む。平行面モデル（図２参照）が我々のＥＦＤを正確にモデル化しているならば、静電引力は特定可能であり、よって以下に改めて示す数式２および３（既述）に示されるように、２つの異なる力ＦωとＦ２ωを得ることが可能である。
【００４２】
【数２】
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【００４３】
【数３】
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【００４４】
ＤＣバイアス電圧がプローブ１４に印加され、そのＤＣバイアス電圧がＳＵＴ４０の表面電圧（ρｄ０／ε）と等しい時、数式２から、Ｆωはゼロであると分かる。ＥＦＤで表面電位測定が行われる時はいつも、Ｆωがゼロになるようにバイアス電圧ＶＤＣが制御されるが、これはフィードバックループを制御することによって行い得る。この方法は、先端１６とＳＵＴ４０の間にアーク放電を起こすことなく、ＳＵＴ４０の表面電圧の測定を可能とする。この方法ではまた、高い空間分解能での測定も行える。
【００４５】
（ＥＦＭを用いた感光体の表面電圧測定）
（光漏出抑制装置）
光てこ方式を採用した我々のＥＦＤの実施の形態の動作中、カンチレバーアーム１２上の反射面へとレーザ光が向けられる。測定持続時間を１００秒とすると、我々の発明の一実施形態は、光漏出量を１．５ｎＷ未満に制御するものとできる。この条件を満たすために、我々の発明のその実施形態は、３つの改良点：（１）カンチレバーアーム１２の形状の変更、（２）改良されたシールド２１０の使用、および（３）ＳＵＴ４０上の電位を測定するために用いられる手順の改良、のうち１つ以上を取り入れることができる。これら３つの改良点を以下に述べる。
【００４６】
（カンチレバー形状の変更）
より効率的な光シールドであるために、本発明の実施の形態は、従来技術に見られるアームよりも幅広のカンチレバーアーム１２を有するものとできる。しかしながら、カンチレバーアーム１２の幅が広くなってその他の部分が変わらなければ、カンチレバーアーム１２のばね定数が大きくなる。ばね定数はシステムの重要な要素（共振周波数や検出感度など）に影響を与えるので、ばね定数の変化は最小とすることが望ましく、これはカンチレバーアーム１２の長さを伸ばすことで実現可能である。表１は、従来技術のカンチレバーアーム１２と本発明のカンチレバーアーム１２に関する情報を示す。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
図６との関連で、以下に表１についてさらに述べる。
（光シールド性能の確認）
上述のように我々は、カンチレバーアーム１２の寸法を変え、従来技術に見られるカンチレバーアーム１２よりも幅広で長いものとした。より幅広で長いアーム１２を用いることで、光がＳＵＴに到達することが防止できる。これに代えて、あるいはこれに加えて、我々の発明は、より大きなシールド２１０を配置し、ＳＵＴ４０に光が到達する能力を低くするためにシールド２１０にピンホール２１２を設けるものであってもよい。このようなシールド２１０はまた、シールド２１０とＳＵＴ４０の間にあるプローブ１４の部分へと静電気力を限定することで、静電気力検出器２００への望ましくない静電気力を減らす。光がＳＵＴ４０に到達するのを防ぐシールド２１０の能力を改善するために、ピンホール２１２の直径の大きさは、プローブ先端１６の自由な動きを許容するのに必要なものより大きくならないように、慎重に決定されなくてはならない。
【００４９】
図６は、我々の発明を用いることで得られる利点を示している。図６には３つのプロットが示されている。一番上のプロットは、表１に示された従来のカンチレバーの特徴を備えたＥＦＭを用いて得られたデータを示す。真ん中のプロットおよび下側のプロットは、表１に示された新しいカンチレバーの特徴を備えたＥＦＭを用いて得られたデータを示す。真ん中のプロットのデータは、直径５００μｍの孔２１２を有するシールドを用いて得られたもので、プローブシャフト２０４の直径は５０μｍである。下側のプロットのデータは、直径１００μｍの孔２１２を有するシールドを用いて得られたもので、プローブシャフト２０４の直径は５０μｍである。ここで、孔２１２を有する我々のシールドを用いることで、ＳＵＴ４０に到達する望ましくない光において、２７％の減少が達成され、プローブシャフト２０４の直径に近づくように孔２１２を狭めることで、５１％のさらなる減少が達成された。
【００５０】
本発明の一実施形態において、我々は、レーザ２２のレーザダイオードへの電流対漏出レーザ光の光パワーの関係を測定したが、その関係は図６に示されている。図６から、レーザ２２のレーザダイオードへの電流が２５ｍＡ未満に制御され、かつ本発明のシールド２１０が利用されていれば、漏出光パワーが１．５ｎＷ未満になったことが分かる。そういうわけで、我々の発明のシステムは、（従来技術のシステムに比べての）レーザ２２への電力低減、および／または、レーザ２２へ届けられる電力を調整する能力、も含み得る。あるいは、従来技術のシステムよりも低出力のレーザ２２が用いられてもよい。
【００５１】
（感光性物質に対する測定ルーチンの改善）
図７および上記説明に関してだが、我々のＥＦＤの一実施形態では、検出回路３０の一部である差動アンプから得られる電圧信号Ｖωを利用している。数式２を使うものとして構成された検出回路３０によって感知された振動は、差動アンプへと与えられる。我々の発明の一実施形態のデータが図７に示されている。図７には、Ｖωと、ＳＵＴ４０の電圧とＶＤＣの間の電圧差との関係が示されている。図７ならびに数式２から、Ｖωと電圧差との関係が一次関数として理解可能であることが分かる。
【００５２】
測定中に、Ｖω（ＶＤＣ−ＨＩＧＨ）およびＶω（ＶＤＣ−ＬＯＷ）からＶωがゼロとなるＶＤＣを得ることを目的に、プローブ１４へと所定範囲（ＶＤＣ−ＨＩＧＨからＶＤＣ−ＬＯＷ）の初期ＤＣ電圧を印加することで、フィードバック制御が実施可能である。よって各電荷測定の開始前に、予想電圧範囲が決められる。このターゲット電圧および範囲は、ＡＤ／ＤＡコンバータの入力範囲を調整するため、ＳＵＴ上の電荷が正確に測定できるようにプローブ１４にバイアスをかけるため、ならびに先端１６とＳＵＴ４０の間のアーク放電を防止するために用いられる。
【００５３】
図８のフローチャートは、ＳＵＴ４０の電位測定を行い、かつＥＦＭを適切に作動させるのに必要な経験を最小化する方法を示している。図８の方法に従うことで、静電気力検出器２００によって測定されるべきターゲット電圧範囲が、そのような方法を用いずに行われるものと比べて、迅速に調整可能である。この説明において“ターゲット電位”はＳＵＴ４０上の予想電位である。図８に関して、最初のステップは、ターゲット電位が予想範囲内にあるかどうかの確認を含むものとできる。これを行うために、推定電位が選ばれ、例えば、推定電位に所定の数を加えること、および推定電位から所定の数を引くことで範囲が定められる。このステップの一例として、例えば推定電位が０ボルトとされた時、範囲は４０ボルトを加算および減算することで得られ、−４０ボルトから＋４０ボルトまでの範囲（ＶＤＣ−ＨＩＧＨおよびＶＤＣ−ＬＯＷと呼ばれる）とできる。そして、ＶＤＣ−ＬＯＷがプローブに印加され、電位測定値（Ｖω（ＶＤＣ−ＬＯＷ）、Ｖω−とも呼ばれる）が得られる。さらに別のステップでは、ＶＤＣ−ＨＩＧＨがプローブに印加され、電位測定値（Ｖω（ＶＤＣ−ＨＩＧＨ）、Ｖω＋とも呼ばれる）が得られる。次に、極性Ｖω−とＶω＋が比較され、極性が同一か、あるいは相違するかが判定される。極性が相違する場合、範囲は適切な位置にあり、その場所におけるＳＵＴ４０上の電荷が測定可能である。だが極性が同一の場合には、範囲は上下にシフトされ、新たなペアの極性が求められ、比較される。このプロセスは、極性Ｖω−とＶω＋が相違するまで繰り返される。
【００５４】
範囲を上下のどちらにシフトさせるか判断するために、極性Ｖω−とＶω＋が調べられ、極性が両方ともゼロ未満であれば、範囲は下にシフトされ、極性が両方ともゼロより大きければ、範囲は上にシフトされる。図８において、この移動は、先立つ推定電位に所定の電位（例えば４０ボルト）を加算または減算することで行われる。
【００５５】
このような方法を実行することで、ＳＵＴ４０とプローブ１４の間のアーク放電が回避できる。例えば、プローブ先端１６は最初、ＳＵＴ４０から遠い位置に置かれ、上述の方法が実行されて、電位を含む電位範囲を特定する。この範囲の選択後に、プローブ先端１６は、アーク放電が起きないであろう程度にＳＵＴ４０に向けて動かされ、先に選択した範囲を開始点として用いて該方法を再び実行し、極性が相違するまで範囲を変更する。新たな範囲が選択されるごとに、プローブ先端１６は再び、アーク放電が起きないであろう程度にＳＵＴ４０に向けて動かされ、該方法が再び繰り返される。このプロセスはプローブ先端１６がＳＵＴ４０から望ましい距離となるまで繰り返すことができ、このポイントでＳＵＴ４０上の電荷が測定され、ユーザへと与えられる。すなわち、本発明の方法は、ＳＵＴ４０とプローブ先端１６との間にアーク放電を生じるリスクなしにＳＵＴ４０に近づくように徐々にプローブ先端１６を動かすものとして考え得る。
【００５６】
（ＥＦＭを用いた光減衰測定）
本発明の特定に実施形態に関して、我々は、我々の発明の光シールド２１０を備えたＥＦＭならびに上述の我々の新たな測定ルーチンを用いて感光体を測定した。比較のために、我々は、従来の静電電位計（トレック社モデル３４７）を用いて同様に表面４０の電位を測定した。同一の測定条件を確保するために、測定エリアでの相対湿度は、ＥＦＭと静電電位計の両方とも１．２％とした。ＥＦＭは、プローブ１４が通過する直径１００マイクロメートルのピンホール２１２を有するシールド２１０を含むものであった。プローブ１４が孔２１２の中を延びる場所で、プローブの直径は５０μｍであった。レーザダイオードへの電流は７ｍＡとされた。図９は、時間経過に伴う表面４０の電位変化を示している。図９のＸ軸は、ＳＵＴ４０の感光体を帯電させてから経過した時間を表わす。ＥＦＭに関するデータと静電電位計に関するデータは、同一ではないにしても非常に似ている。この測定は、ＥＦＭと静電電位計に関してそれぞれ３回ずつ繰り返され、類似性はこの繰り返しによって確認された。したがって図９にプロットされた実験データは、（１）我々の発明のＥＦＭは、レーザ２２からの光がＳＵＴ４０に測定可能な影響を及ぼすことを防止しつつ、感光体ＳＵＴ４０の表面電位を測定可能であること、および（２）我々の発明は、操作者が高レベルの専門技術を持たなくても、ＳＵＴ４０の表面電位を測定する能力をもたらし得る、ことを示している。なお、（レーザ光を用いた）ＥＦＭに関するデータは、（光を用いない）静電電位計に関するデータと非常に近いラインを描く。よって、たとえＳＵＴ４０が感光性であったとしても、（光を用いる）我々の発明は、光を用いない装置と類似または同等のデータを取得するのに利用可能である。
【００５７】
（感光体の静電潜像の測定）
我々は、我々の発明に基づくＥＦＤを用いて感光体ＳＵＴ４０の静電潜像の測定に挑戦した。比較のため我々は、高移動性あるいは低移動性の、一般的な有機感光体を有するＳＵＴ４０を用いた。ＳＵＴ４０感光体に電荷を与えるのには、スコロトロンが用いられた。スコロトロンのタングステンワイヤには−４ｋＶ、グリッドには−８００Ｖを印加した。ＳＵＴ４０感光体に静電潜像を作り出すために、ビーム径が５０マイクロメートルで波長が６７０ｎｍのレーザ２２が用いられた。静電潜像を作り出すに当たっては、露光時間を制御するためにパルス発生器が用いられた。表２は、露光エネルギ密度が１．７〜２８．５ｍＪ／ｍ２の範囲となるように制御されたことを示している。
【００５８】
【表２】
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【００５９】
テスト結果は、図１０および図１１に示されている。プロットの傾きは、感光体の暗減衰の作用を示している。図１０、図１１のそれぞれにおいて、検出器のスキャン方向は、各グラフの右から左となっている。いずれの感光体においても、露光エネルギ密度の増加に伴って静電潜像の中央において著しい電位変化が起こる傾向が確認できた。低移動性の感光体に関するデータと比べると、高移動性の感光体に関するデータの後半では、データがより分散していることが分かる。
【００６０】
我々は、いくつかの異なる露光エネルギ密度レベルで静電潜像電位を取得した。これらのデータを図１２に示す。予想どおり図１２は、低移動性の感光体と比べて、高移動性の感光体からの静電潜像は、電位の振れが大きいことを示している。
【００６１】
我々は、ＳＵＴ４０感光体の表面電位ならびに静電潜像を測定した。光シールド２１０を備えた我々のＥＦＤ、およびＳＵＴ４０感光体の表面電位測定のための測定ルーチンは、優れた結果をもたらした。さらに我々のデータは、移動性が異なる場合でも我々のＥＦＤを用いて潜像を検出できることを示しており、我々のＥＦＤに感光体の移動性の違いを表現する能力があることを立証している。
【００６２】
本発明を、１つ以上の特定の実施の形態に関して説明したが、当然ながら本発明は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の形態でも実施可能である。よって本発明は、添付のクレームおよびその合理的解釈のみによって限定されるものとみなされる。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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