DE68923823T2

DE68923823T2 - Datenwiedergabesystem.

Info

Publication number: DE68923823T2
Application number: DE1989623823
Authority: DE
Inventors: Kazuo C O Mitsubishi Den Okada; Michihiro C O Mitsubi Tadokoro
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-06-07
Filing date: 1989-06-05
Publication date: 1995-12-21
Anticipated expiration: 2009-06-06
Also published as: EP0345696A2; JPH01307939A; EP0345696A3; DE68923823D1; EP0345696B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Datenwiedergabesystem mit einem elektrisch leitenden Datenträger, wobei Daten auf diesen in Form von Niveauunterschieden der Datenträgeroberfläche aufgezeichnet sind, wie aus der GB-A-218 248 0 bekannt ist.
Die JP-A-57109 141 offenbart ein Gerät mit einem leitenden Kopf, der mit einem Ausgang der aufgezeichneten Signalspannung verbunden ist, wobei ein leitender Drehteller mit einem anderen Ausgang für die Spannung verbunden ist.
Fig. 2 ist eine Darstellung, die ein optisches Datenwiedergabesystem nach dem Stand der Technik darstellt, das in der japanischen Patentveröffentlichung 49-60,702 offenbart ist. Bezugnehmend auf diese Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Datenträgerscheibe, die als CD bezeichnet ist, die um eine Achse mittels einer Welle 3 drehbar ist, die mechanisch mit einem Motor 2 verbunden ist. Die Oberseite 5 des Datenträgers 1, die parallel zur Ebene X0Y ist, ist eben und besitzt eine spiralartig kontinuierliche Reihe von Beugungselementen 6 in Form angehobener und abgesenkter Bereiche. Jedes Beugungselement 6 besitzt ein Profil, das ein wenig in der Ebene der Oberseite 5 ausgedehnt ist, während seine Breite im wesentlichen konstant ist und nie 2 um überschreitet. Es kann in Form einer flachen Kerbe oder einer Hervorwölbung in oder auf der Oberseite 5 gebildet sein. Der Datenträger 1 ist transparent und erlaubt die Datenwiedergabe durch Licht, das durch ihn hindurch übertragen wird, wie im folgenden beschrieben. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Lichtquelle 7, die eine Lichtmenge oder einen Strahl 9 parallel zur Achse 0Z erzeugt. Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Objektivlinse, die den Lichtstrahl 9 ab einem Punkt 0 auf dem Datenträger 1 fokussiert. Am Punkt 0 ist der Lichtstrahl in einem Zustand minimalen Durchmessers, zum Beispiel im fokussierten Zustand mit einem Durchmesser von im wesentlichen um 1 um. Der Lichtstrahl 10, der zum Punkt 0 hin konvergiert ist, wird nach Passieren durch den Punkt 0 divergiert, um durch den Datenträger 1 übertragen zu werden und eine lichtauftreffende Oberflächenzone 13 von zwei aneinanderliegenden Photosensoren 11 und 12 zu beleuchten. Eine Trennlinie der Photosensoren 11 und 12 schneidet die Achse 0Z rechtwinklig und ist parallel zur Achse 0X.
Die Ausgabesignale von den Photosensoren 11 und 12 werden an einen Differentialverstärker 13 gegeben. Die Ausgabe des Differentialverstärkers 13 wird an einen Tiefpaßfilter 14 gegeben. Die Ausgabe &epsi; des Tiefpaßfilters 14 betätigt ein Betätigungsmittel 15, um die Auslenkung der Objektivlinse 8 in der 0Y-Achsen-Richtung zu steuern. Die Ausgabe der Photosensoren 11 und 12 wird durch Widerstände 16 und 17 und einen Operationsverstärker 18 in ein Signal S(t) umgewandelt, das proportional zur Summe der Signale der beiden photosensoren 11 und 12 ist.
Nun wird der Betrieb beschrieben. Bezugnehmend auf Fig. 2 wird es, wenn der Brennpunkt 0 des Lichtstrahls 10 auf der Oberseite 5 des Datenträgers 1 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Beugungselementen 6 ist, keine Beugung geben, und der optische Energieeintrag auf die Photosensoren 11 und 12 wird auf die Zone 13 beschränkt bleiben.
Wenn der Brennpunkt 0 des Lichtstrahls 10 auf ein Streuelement 6 auf dem Datenträger 1 trifft, wird der Lichtstrahl 10 gebeugt. In diesem Fall wird die optische Energie über eine schattierte Fläche 19 gestreut, die wesentlich breiter als die Fläche 13 ist. Als Ergebnis wird eine Veränderung in der Summe S(t) der Signale von den zwei Photosensoren 11 und 12 erzeugt.
Wie dargestellt, kann das Signal S(t) als eine impulsmodellierte Periode erhalten werden, basierend darauf, ob der Lichtstrahl auf ein Beugungselement 6 trifft, oder nicht. Auf diese Weise ist es möglich, Daten auf dem Datenträger 1 zu reproduzieren.
Mit dem obigen Aufbau des Datenwiedergabesystems nach dem Stand der Technik ist die Größe der Beugungselemente 6 im wesentlichen gleich dem Brennpunktdurchmesser des Lichtstrahls, der auf die Elemente auftrifft, und wird mathematisch im wesentlichen als λ/NA dargestellt, wobei λ die Wellenlänge der Lichtquelle ist und NA die numerische Apertur der Objektivlinse ist. Dadurch wird durch Setzen von NA = 0,5 und bei λ = 800 nm der Lichtstrahldurchmesser im wesentlichen um 1 um liegen. Dadurch wird die Größe der Beugungselemente im wesentlichen 1 um sein. Um die Datenaufzeichnungsdichte auf dem Datenträger zu vergrößern, ist es notwendig, die Größe der Beugungselemente zu verkleinern. Zusätzlich ist es notwendig, den Brennpunktdurchmesser des Lichtstrahls, der auf die Beugungselemente auftrifft, zu reduzieren.
Jedoch ist die Wellenlänge der Lichtquelle, wie zum Beispiel eines Halbleiterlesers, nicht so klein, und die untere Grenze wird bei 400 bis 50 nm angenommen. Zusätzlich kann die numerische Apertur der Objektivlinse nicht größer als 1 sein. Daher kann, wenn die numerische Zahl nahe 1 gesetzt werden kann, der Brennpunktlichtdurchmesser nur um ungefähr ein Viertel reduziert werden. Sogar in einem solchen Fall ist die Datenaufzeichnungsdichte auf dem Datenträger 1 bis 4 kbit/mm als Liniendichte unter der Annahme, daß ein Beugungselement ein Bit ist, und es ist schwierig, eine weitere Vergrößerung der Dichte zu erhalten.
Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein Datenwiedergabesystem zu schaffen, das eine Vergrößerung der Datenaufzeichnungsdichte erlaubt. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Datenwiedergabesystem zu schaffen, das die genaue Steuerung der Entfernung zwischen einem Datenträger zur Aufzeichnung von Daten darauf und einer Probe zum Auslesen der Daten erlaubt.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsmerkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher, wenn diese im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Datenwiedergabesystems nach der Erfindung, und
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Datenwiedergabesystems nach dem Stand der Technik.
In den Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 20 einen Datenträger, das Bezugszeichen 22 ein Aufzeichnungselement, 23 eine Nadel, 25 und 27 Operationsverstärker, 26 ein piezoelektrisches Element (Antriebsmittel) und 28 einen Tiefpaßfilter.
Nun wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Bezugnehmend auf die Figur bezeichnet Bezugszeichen 20 eine elektrisch leitende Datenträgerplatte. Die Trägerplatte 20 ist um eine Achse 4 mittels einer Welle 3 drehbar, die mechanisch mit einem Motor 2 verbunden ist. Der Datenträger 20 und die Welle 3 sind elektrisch miteinander verbunden. Die Oberseite 21 des Datenträgers 20 ist parallel zur Ebene 0XY und ist eben. Die Oberseite 21 des Datenträgers 20 besitzt eine spiralige Reihe von Aufzeichnungselementen in Form von Ausnahmen oder angehobenen Abschnitten. Die Aufzeichnungselemente 22 können mittels elektronischer Strahlaufzeichnung gebildet sein und können von einer Masterscheibe durch Benutzung von Vervielfältigungstechniken kopiert werden. Die Größe der Aufzeichnungselemente 22 ist typischerweise in der Größenordnung 100 pm. Bezugszeichen 23 bezeichnet eine elektrisch leitende Nadel. Die Entfernung zwischen der Spitze der Nadel 23 und der Oberfläche 21 wird im wesentlichen mit 1 nm beibehalten. Eine Spannung V, niedriger als die Austrittsarbeit, wird zwischen der Nadel 23 und dem Datenträger 20 angelegt.
Der Strom, der zwischen der Nadel 23 und dem Datenträger 20 übertragen wird, wird durch die Welle 3 an einen Strom-zu-Spannung-Umwandler 24 gegeben. Die Ausgabe des Strom-zu-Spannung-Wandlers 24 wird an einen Operationsverstärker 25 gegeben, dessen Ausgabe &epsi; dazu benutzt wird, ein piezoelektrisches Element 26 so zu betreiben, daß es die Nadel 23 in der 0Z-Achsenrichtung auslenkt. Die Ausgabe &epsi; des Operationsverstärkers 25 wird durch einen Operationsverstärker 27 in ein Signal S(t) umgewandelt, das proportional zur Auslenkung des piezoelektrischen Elementes 26 ist.
Der Betrieb dieses Ausführungsbeispiel wird nun beschrieben. Energetisch gesehen befinden sich Elektronen in einem Festkörper in einem Potentialtopf mit der Höhe der Austrittsarbeit. Jedoch fällt die Wellenfunktion der Elektronen in dem Festkörper exponentiell nach außen hin ab und erstreckt sich in der Größenordnung von nm in die Barriere hinein. Dadurch können, wenn zwei elektrische Leiter einander sich bis auf ein Maß vergleichbar der Größe eines Atoms annähern, Elektronen in den beiden Festkörpern jeweils übertragen werden. Dieses Phänomen wird Tunneleffekt genannt. Wenn eine Spannung V, niedriger als die Austrittsarbeit Φ ist, die zwischen zwei Metallstücken angelegt wird, die um eine Entfernung Z voneinander beabstandet sind, können die Elektronen die Potentialbarriere überwinden. Zu diesem Zeitpunkt wird die Stromdichte JT unter der Annahme freier Elektronen als:
JT = (βV/2πλZ) exp (-2Z/λ) ... (1)
wobei Z die Entfernung zwischen den zwei elektrischen Leitern ist, V eine Spannung kleiner als die Austrittsarbeit Φ ist, und λ = h/2π (2mΦ) den Dämpfungsfaktor im Vakuum oder der Atmosphäre außerhalb des Metalls der Wellenfunktion ist, h die Planck-Konstante ist, in die Masse des Elektrons ist, Φ die Austrittsarbeit, β gleich e²/h ist, wobei e die Ladung eines Elektrons ist, und eine Leitungskonstante (das Inverse des Quantenlochwiderstands) ist, unabhängig von der Sorte des Metalls.
Auf der sauberen Oberfläche eines herkömmlichen Metalls ist die Austrittsarbeit Φ 1 bis 5 eV, so daß λ 0,1 bis 0,2 nm ist. Wenn zwei Metallstücke mit Φ 5 eV aneinander sich annähern, so daß die Entfernung weniger als 1 nm ist, ist der Tunnelstrom ungefähr 1 nA, und der Betrag des Stroms wird sich um circa eine Größenordnung geändern, wenn sich die Entfernung um 0,1 nm ändert.
Das Datenwiedergabesystem nach der Erfindung benutzt die obigen Charakteristika. Die Entfernung zwischen der Nadel 23 und der Oberseite 21 des Datenträgers 20 in Fig. 1 wird auf ungefähr 1 nm gesetzt. Der Tunnelstrom zwischen der Nadel 23 und dem Datenträger 20 wird als eine Exponentialfunktion der Distanz zwischen den beiden verändert. Die Entfernung kann konstant gehalten werden, indem die Spannung, die auf das piezoelektrische Element 26 durch den Strom-zu-Spannung-Umwandler 24 und den Operationsverstärker 25 angelegt wird, so gesteuert wird, daß der Tunnelstrom konstant gehalten wird. In diesem Zustand wird die Nadel 23 über die spiralige Reihe der Aufzeichnungselemente 22 abtastend hinüberfahren. Wenn die Aufzeichnungselemente 22 in der Form von Vertiefungen vorliegen, wird die Nadel 23 nach unten durch das piezoelektrische Element 26 ausgelenkt, wenn es über einem Aufzeichnungselement 22 ist, um den Tunnelstrom konstant zu halten. Wo die Aufzeichnungselemente 22 in Form von erhabenen Abschnitten vorliegen, wird die Nadel 23 durch das piezoelektrische Element 26 nach oben ausgelenkt.
Dies bedeutet, daß mit der Bearbeitung des Signals, das aut das piezoelektrische Element 26 durch den Operationsverstärker 27 angelegt wird, das Signal des Datenträgers 20 als Signal s(t), als Impulsmodulationsperiode wiedergegeben wird, abhängig davon, ob sich die Nadel 23 auf dem Wiedergabeelement 22 befindet oder nicht.
Die Auflösung des Systems, das in Fig. 1 dargestellt wird, ist typischerweise circa 100 pm in Richtung der Oberfläche (z. B. der X0Y-Ebene) und ungefähr 1 pm in Vertikalrichtung (z. B. der 0Z-Achsenrichtung). Dadurch wird, verglichen mit der Aufzeichnungsdichte von 1 um nach dem Stand der Technik die Linienaufzeichnungsdichte um den Faktor 10&sup4; vergrößert und die Ebenenaufzeichnungsdichte um den Faktor 10&sup8;.

Claims

1. Datenwiedergabesystem mit einem elektrisch leitenden Datenträger (20) mit darauf aufgezeichneten Daten in Form von Niveauunterschieden der Datenträgeroberfläche (21),

- einer elektrisch leitenden Nadel (23), die so angeordnet ist, daß ein Tunnelstrom zwischen der Nadel (23) und dem Datenträger (20) fließt,

- Antriebsmittel (26) zum Steuern der Entfernung zwischen der Nadel (23) und dem Datenträger (20) nach einem Steuersignal (&epsi;), und

- einem ersten Operationsschaltkreismittel (25), das als Eingabe ein Signal empfängt, das dem Tunnelstroin entspricht, um ein Steuersignal an die Antriebsmittel (26) zu geben, um so den Tunnelstrom konstant zu halten,

- einem zweiten Operationsschaltkreis (27) zur Ausfilterung von Daten, die auf dem Datenträger aufgezeichnet sind, durch Bearbeitung eines elektrischen Signals, das diese Daten wiedergibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

- eine elektrisch leitende, drehbare Welle (3) mechanisch mit dem Datenträger (20) verbunden ist und eine Achse für die Drehbewegung des Datenträgers (20) darstellt,

- die Nadel (23) durch einen ersten Operationsschaltkreis (25) gesteuert wird, und die Antriebsmittel (26) in Übereinstimmung mit Niveaudifferenzen, die durch die Vorsehung von Aufzeichnungselementen (22) auf dem Datenträger (20) erzeugt werden, bewegt sind, so daß der Tunnelstrom, der zwischen der Nadel (23) und dem Datenträger (20) fließt, konstant gehalten wird, und

- das elektrische Signal dieses Kontrollsignal (&epsi;) darstellt.

2. Datenwiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (26) aus einem piezo-elektrischen Element besteht.

3. Datenwiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenträger (20) aus einer Scheibe besteht, die eine Oberfläche besitzt, die mit erhabenen und vertieften Abschnitten gebildet ist.

4. Datenwiedergabesystem nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Operationsschaltkreise (25, 27) aus entsprechenden Operationsverstärkern bestehen.