DE69125046T2 - Gerät zur Informationsaufzeichnung und/oder -wiedergabe - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Apparatur zur Informationsaufzeichnung und/oder Reproduktion.
Betroffener Stand der Technik
• Gegenwärtig wächst der Informations-Aufzeichnungsbedarf beispielsweise für Berechnungsinformationen oder Bildinformationen etc., und die Nachfrage nach einem Aufzeichnungsgerät mit größerer Kapazität nimmt weiter zu.
• Mit der Entwicklung der Halbleiterprozeßtechnik erhofft man sich weiterhin eine Miniaturisierung der Aufzeichnungseinheit, weil der Mikroprozessor bei steigender Berechnungsleistung weiter miniaturisiert wurde. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden Untersuchungen und Experimente mit den herkömmlichen Techniken fortgeführt, und zwar unter Verwendung verschiedener Verfahren, wie z.B. magnetischer Aufzeichnung, Halbleiterspeicherung, optischer Disks etc., um die Miniaturisierung des Aufzeichnungsgebietes (kleinstes Aufzeichnungsgebiet) für ein Bit durchzuführen, welches die minimale Aufzeichnungseinheit bei diesen Verfahren darstellt.
• Bei der magnetischen Aufzeichnung ist jedoch mindestens ein Gebiet von mehreren 10 µm² als minimales Aufzeichnungsgebiet für den magnetischen Aufnahmekopf notwendig, um die Änderungen im magnetischen Fluß auf einem magnetischen Aufzeichnungsmedium trennen zu können. Daher ist der Abstand zwischen Aufnahmekopf und Aufnahmemedium beschränkt, was es schwierig macht, den Abstand bei weniger als ungefähr einige 10 bis einige 100 Nanometer (einige 100 bis einige 1000 Å) zu steuern. Ebenso ist es bei der optischen Disk schwierig, den Strahldurchmesser auf eine Dimension kleiner als die zur Anwendung kommende optische Wellenlänge zu reduzieren; sonach sind mehrere µm² als kleinstes Aufzeichnungsgebiet erforderlich.
• Um das minimale Aufzeichnungsgebiet extrem klein zu machen, wurde eine Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur vorgeschlagen, die in der Lage ist, ein minimales Aufzeichnungsgebiet von 10 nm² bereitzustellen, auf der eine feine Sonde, Chip, etc. (im folgenden im Ganzen als Sonde bezeichnet) zur Erzeugung des Tunnelstromes für ein Aufzeichnungsmedium dafür ausgelegt ist, um Aufzeichnungsinformation dadurch zu schreiben, daß die Arbeitsfunktionen der Aufzeichnungsmediums-Oberfläche mit Hilfe des Tunnelstroms, welcher von der Sonde erzeugt wird und das Aufzeichnungsmedium durchfließt, geändert werden, und um Information dadurch zu lesen, daß die Änderungen im Tunnelstrom zwischen der Sonde und dem Medium nachgewiesen werden, welche durch die Änderungen in der Arbeitsfunktion auf der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums als Ergebnis der Schreib- Aufzeichnung verursacht werden. Unter den solchen Apparaturen gibt es einige, bei denen eine Mehrzahl der oben erwähnten Sonden für die Aufzeichnung und Reproduktion bereitgestellt sind, mit dem Zweck, das Aufzeichnungsgebiet auszudehnen. Die Durchführung dieser Aufzeichnung und Reproduktion auf ein ausgedehntes Gebiet wird dadurch versucht, daß ein Aufzeichnungsmedium gegenüber der Mehrzahl Sonden transportiert wird, um es der Gesamtzahl an Sonden zu ermöglichen, die Oberfläche des Aufzeichnungsmediums zur selben Zeit abzutasten und die Aufzeichnung oder Reproduktion durch den Tunneleffekt an dieser Verbindungsstelle auszuführen.
• Jedoch wird bei einer solchen Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur das Aufzeichnungsmedium zur Zeit der Abtastung für die Aufzeichnung oder Reproduktion an jeder der Sonden verschoben, und jede der Sonden ist fest gegenüber der anderen oder beweglich nur in der Richtung senkrecht zu dem jeder gegenüberstehenden Medium positioniert, um den Abstand zwischen der Sonde und dem Medium einzustellen. Daher ist es unmöglich, jeden Abtastvorgang der jeweiligen Sonde zu steuern, falls jede der Sonden veranlaßt wird, die Oberfläche des Aufzeichnungsmediums zur Aufzeichnung entlang dem vorgegebenen Weg abzutasten oder zur Reproduktion die aufgezeichnete Information an jedem Ort seqentiell abzutasten. Folglich besteht die Möglichkeit eines Aufzeichnungs- oder Reproduktionsfehlers für eine oder mehrere Sonden, da eine oder mehrere der Gesamtzahl Sonden entlang dem vorgegebenen Pfad und der Informationsfolge selbst dann nicht abtasten kann, wenn der gesamte Abtastvorgang präzise gesteuert wird. Insbesondere besteht bei einer den Tunneleffekt benutztenden Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur die Möglichkeit, daß Aufzeichnung und Reproduktion unmöglich werden, weil ihr minimales Aufzeichnungsgebiet so eng ist, daß, selbst wenn die Änderungen durch thermische Ausdehnung des Aufzeichnungsmediums im Laufe der Zeit klein sind, die resultierenden Änderungen der Aufzeichnungsposition einen großen Effekt haben. Wenn dann eine der Sonden so eingestellt wird, daß sie entlang dem festgelegten Weg und der Informationsfolge abtastet, werden die anderen Sonden veranlaßt, sich völlig abseits des festgelegten Weges und der lnformationsfolge zu positionieren.
• Die WO 89/07 256 veröffentlicht ein Massenspeichersystem, welches eine Mehrzahl Chips beinhaltet, von denen jeder von einem eigenen piezoelektrischen bimorph-Ausleger getragen wird, wobei eine Mehrzahl unabhängiger Aufzeichnungsflächen von jeweils einer einzelnen Sondenelektrode abgetastet wird. Dieses Dokument befaßt sich daher insbesondere nicht mit dem Problem der fehlerhaften Nachführung für den Fall, daß ein Einfach-Oberflächen-Aufzeichnungsmedium lokal deformiert ist. Desweiteren lehrt dieses Dokument, die Sondenelektroden individuell in einer Richtung senkrecht zu den Aufzeichnungsflächen zu steuern.
• Die EP-A-O 247 219 beschreibt eine Direktzugriff-Speichereinheit, umfassend eine Mehrzahl Sondenelektroden vis- -vis einem Einfach-Oberflächen-Aufzeichnungsmedium, wobei jede Sondenelektrode so eingerichtet ist, daß sie individuell unter Berücksichtigung ihrer Höhe relativ zu besagter Oberfläche während einer Abtastbewegung verstellt werden kann, wohingegen der Abtastvorgang der Mehrzahl Sondenelektroden parallel zur Oberfläche gemeinsam gesteuert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Informationsaufzeichnungs- und/oder Reproduktionsapparatur von der Art bereitzustellen, wie sie durch die oberbegrifflichen Merkmale von Anspruch 1 festgelegt wird, und die dabei in der Lage ist, die Aufzeichnung oder Reproduktion mit der Gesamtzahl der Sonden an exakter Position auszuführen, und zwar selbst dann, wenn im Laufe der Aufzeichnung oder Reproduktion durch eine Mehrzahl Sonden das Medium durch thermische Ausdehnung etc. deformiert wird.
• Dieses Ziel wird erreicht durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche festgelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, welche die Struktur einer ersten Ausführungsform einer Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, welche schematisch den Aufzeichnungsund Reproduktionskopf der o.g. Apparatur zeigt.
• Fig. 3 und 4 sind Draufsicht und Querschnittsansicht, welche je einen dreidimensionalen Antriebsmechanismus der o.g. Apparatur zeigen.
• Fig. 5 zeigt den Abtastweg der Sonde in der o.g. Apparatur.
• Fig. 6A und 6B zeigen das Prinzip der Spurführung in der o.g. Apparatur.
• Fig. 7A und 7B sind Flußdiagramme für die CPU-Steuerung in o.g. Apparatur.
• Fig. 8 zeigt einen Kontrollmechanismus für die o.g. Apparatur.
• Fig. 9 ist eine perspektivische Querschnittsansicht, welche den vollständigen Aufbau der o.g. Apparatur zeigt.
• Fig. 10 zeigt den Abtastvorgang zur Zeit der Aufzeichnung und Reproduktion in o.g. Apparatur.
• Fig. 11 und 12 sind Draufsicht bzw. Querschnittsansicht, von denen jede den dreidimensionalen Antriebsmechanismus für eine zweite Ausführungsform einer Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Fig. 13 zeigt eine Aufzeichnungs- und Reproduktionschip-Einheit einer dritten Ausführungsform einer Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur gemäß der vorliegenden Erfindung und
• Fig. 14 zeigt die Verstellung eines Auslegers der o.g. Apparatur.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Das Aufzeichnungsmedium, welches für eine unten beschriebene Ausführungsform einer Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur verwendet wird, umfaßt einen organischen Metall-Oxid-Halbleiterdünnfilm mit einer auf einer leitfähigen Substratelektrode erzeugten Aufzeichnungsmediumsschicht, wobei die o.g. Aufzeichnungsmediumsschicht die Form ihrer Aufzeichnungsmediumsoberfläche aufgrund des von einer tunnelstromerzeugenden Sonde erzeugten Tunnelstromes nach außen (vgl. Staufer, Appl. Phys. Letters, Vol. 51 (4), 27, July, 1987, S. 244) oder nach innen (vgl. Heinzelmann, Appl. Phys. Letters, Vol. 53, 24, December, 1988, S. 2447) zu wölben vermag oder umfaßt eine organische Dünnfilmschicht etc., welche ihre charakteristische elektrische Leitfähigkeit aufgrund des o.g. Tunnelstromes zu ändern vermag. Als o.g. organischer Film, der seine elektrische Charakteristik zu ändern vermag, wird ein Langmuir-Blodgett-Film bevorzugt (vgl. EP0272935 A2). Insbesondere sollte der o.g. Langmuir-Blodgett-Film in seiner Schichtfläche vorzugsweise eine Struktur haben, welche einen amorphen Zustand oder einen zweidimensionalen kristallinen Zustand anzubieten vermag.
• Außerdem ist die für eine Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Sonde zur Erzeugung des Tunnelstromes von solcher Struktur, daß ein mit einer Verstelleinrichtung versehener Ausleger durch eine mikromechanische Technik auf einem eine Halbleiterschicht besitzenden Substrat erzeugt wird und am vorderen Ende des Auslegers eine Sonde montiert ist. Als oben erwähnte Verstelleinrichtung kommen Mittel wie piezoelektrischer Effekt, elektrostatische Kraft etc., oder vorzugsweise Mittel unter Verwendung von Bimorph-Elementen zur Anwendung. Da ferner die Sonde auf dem die Halbleiterschicht besitzenden Substrat erzeugt ist, ist es notwendig, einen in der Nähe der Sonde angebrachten Aufzeichnungs- und Reproduktionschip mit einer integrierten Halbleiterschaltung bereitzustellen, wobei letztere umfasst: eine Stromverstärkungsschaltung zur Verstärkung der von der Sonde zur Erzeugung des Tunnelstroms fließenden Stromsignale, eine Schaltung zur Stromspannungswandelung, eine Treiberschaltung für das Treiben der o.g. Verstelleinrichtung u.a.
• Im folgenden werden in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
• Fig. 1 ist eine Ansicht, welche schematisch die Struktur einer ersten Ausführungsform der Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und Fig. 2 ist eine Ansicht, welche schematisch den für diese Apparatur zur Anwendung kommenden Aufzeichnungs- und Reproduktionskopf 100 zeigt. Auf einem Aufzeichnungs- und Reproduktionschip 1 sind eine Mehrzahl dreidimensionaler Antriebsmechanismen 2 in solcher Weise angeordnet, daß jeder von ihnen sich unabhängig entlang der drei Achsen verstellen kann (in Fig. 1 ist nur einer von ihnen vertreten). Am vorderen Ende von jedem dreidimensionalen Antriebsmechanismus 2 ist eine Sonde 4 zur Erzeugung des Tunnelstromes montiert. Der Aufzeichnungs- und Reproduktionskopf wird hergestellt aus einer Mehrzahl Chips, die parallel angeordnet sind, so daß die Mehrzahl Sonden der Mehrzahl Chips einem Aufzeichnungsmedium zur selben Zeit gegenüberstehen (in Fig. 1 ist nur eine von diesen dargestellt).
• In Fig. 3 und Fig. 4 ist als Beispiel ein piezoelektrischer dreidimensionaler Bimorph- Treibermechanismus im Detail dargestellt. Fig. 3 ist seine Draufsicht, während Fig. 4 seine Seitenansicht darstellt. Der dreidimensionale Treibermechanismus 2 wird durch anisotropes Ätzen von der Rückseite des Sisubstrats (100) aus erzeugt. Der dreidimensionale Treibermechanismus 2 umfaßt einen piezoelektrischen Dünnfilm 5 zur Verstellung der Sonde sowie einen Ausleger 3 mit der Elektrode 6, die den Dünnfilm treibt. Der piezoelektrische Dünnfilm 5 wird in zwei die Elektrode 6 einschließenden Schichten in der Schichtstruktur erzeugt, wie in der Seitenansicht von Fig. 4 gezeigt, und ein solchartiges Set wird paarweise in Reihe in Breitenrichtung (y-Richtung) des Auslegers 3 angeordnet, wie in Fig. 3 zu sehen. Der Ausleger 3 wird in x-Richtung durch das Gleichgewicht zwischen Ausdehnung und Kontraktion der zwei sich in der Schichtstruktur überlappenden piezoelektrischen Dünnfilme 5 und in y-Richtung durch das Gleichgewicht zwischen Ausdehnung und Kontraktion der zwei piezoelektrischen Dünnfilme 5 in Breitenrichtung verstellt. Außerdem wird der Ausleger in z-Richtung durch gemeinsame Ausdehnung und Kontraktion der vier piezoelektrischen Dünnfilme verstellt. Folglich treibt der dreidimensionale Antriebsmechanismus 2 die Sonde 4 in den drei Dimensions-Richtungen x, y und z an. Eine Treibersteuerung für die z-Achse 36 und eine Treibersteuerung für die x-, y-Achsen 37, welche später beschrieben werden, steuern den Antrieb des Auslegers 3 in der z-Richtung bzw. der x-, y-Richtung jeweils durch Änderung des Wertes der an jedem der piezoelektrischen Dünnfilme 5 durch die Elektrode 6 angelegten Spannung und durch das Gleichgewicht der jeweiligen Spannungswerte.
• Zurückkehrend zu Fig. 1, bezeichnen nun Bezugszeichen21 ein Aufzeichnungsmedium zur Aufzeichnung von Informationen und Bezugszeichen22 einen Aufzeichnungsmediumsträger. Als Aufzeichnungsmedium werden nicht nur solche wie etwa auf einem Quarz - beispielsweise mit Hilfe eines Vakuumverdampfungsverfahrens -abgeschiedes Cr von 50 Å, und darüberhinaus unter Zuhilfenahme des selben Verfahrens als Basiselektrode abgeschiedenes Au von 300 Å, auf welches mit Hilfe des LB-Verfahrens SOAZ (Squarilium-bis-6-octylazulen) in vier Ebenen aufgeschichtet wird o.ä., verwendet, sondern auch verschiedene Aufzeichnungsmedien wie sie in EP0272935 A2 veröffentlicht sind.
• Hier moduliert ein Datenmodulator 30 einen Aufzeichnungsdatensatz als für die Aufzeichnung geeignete Signale, und ein Aufzeichnungsspannungsgeber 31 zeichnet die Daten unter Anlegung einer Spannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium 21 und der Sonde 4 auf ein Aufzeichnungsmedium in Übereinstimmung mit den durch den Datenmodulator modulierten Signalen auf. Wenn beispielsweise eine Schreibspannung eines Rechteckspannungspulses von 3 V Höhe und 50 ns Länge durch den Aufzeichnungsspannungsgeber 31 angelegt wird, während die Sonde 4 sich dem Aufzeichnungsmedium 21 auf einen vorbestimmten Abstand annähern kann, wird ein Schreibvorgang ausgeführt, da das Aufzeichnungsmedium dazu veranlaßt wird, seine elektrische Leitfähigkeit so zu verändern, daß ein Abschnitt mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand erstellt wird. Dann werden durch Anlegen der Schreibspannung in Übereinstimmung mit der aufzuzeichnenden Information viele Stücke von Informationen auf dem Aufzeichnungsmedium 21 zweidimensional aufgezeichnet, während die Sonde 4 in z-Richtung konstant gehalten und zur selben Zeit veranlaßt wird, ihre relative Abtastbewegung in x- und y-Richtung auszuführen. Hier bezeichnet ein Bezugszeichen 32 einen Aufzeichnungssignaldetektor zum Nachweis der Stromstärke des Tunnelstromes, der zwischen der Sonde 4 und dem Aufzeichnungsmedium 21 fließt, wenn eine Spannung zwischen diesen beiden angelegt ist, und ein Bezugszeichen 33 bezeichnet einen Datendemodulator zum Demodulieren der Tunnelstromsignale, welche vom Aufzeichnungssignaldetektor 32 nachgewiesen wurden. Bei der Reproduktion wird beispielsweise eine Gleichspannung von 200 mv, welche geringer als die Aufzeichnungsspannung ist, zwischen der Sonde 4 und dem Aufzeichnungsmedium 21 angelegt, während die Sonde 4 und das Aufzeichnungsmedium 21 auf einem vorbestimmten Abstand gehalten werden. Unter dieser Bedingung, also während die Sonde 4 entlang der Aufzeichnungs-Bitfolge auf dem Aufzeichnungsmedium 21 abtastet, sprechen die Tunnelstromsignale, welche unter Verwendung des Aufzeichnungssignaldetektors 32 nachgewiesen werden sollen, auf die Datenaufzeichnungssignale an. Daher ist es unter Verwendung des Datendemodulators 33 möglich, das Datenreproduktionssignal durch Demodulation des nachgewiesenen Tunnelstromsignals, welches nach einer nötigen Stromspannungswandlung ausgegeben wird, zu erhalten.
• Hier bezeichnet das Bezugszeichen 34 einen Detektor zum Nachweis der Höhe einer Sonde. Dieser Detektor 34 empfängt das nachgewiesene Signal vom Aufzeichnungssignaldetektor 32 und verarbeitet das übrigbleibende Signal, nachdem die Hochfrequenzschwingungsanteile, welche vom Vorhandensein eines Informationsbits herrühren, herausgeschnitten wurden, und liefert ein Befehlssignal zu einer Treibersteuerung 36 für die z-Achse, mit dem Ziel, die Vertikalbewegung der Sonde 4 so zu steuern, daß der Wert dieses übriggebliebenen Signals konstant wird. Folglich kann ein im wesentlichen konstanter Abstand zwischen der Sonde 4 und dem Medium 21 gehalten werden.
• Das Bezugszeichen 35 bezeichnet eine Spurnachweisvorrichtung. Die Spurnachweisvorrichtung 35 ermittelt die Abweichung der Sonde 4 von dem Weg entlang dem die Daten aufgezeichnet werden sollten, oder von der Bit-Folge der aufgezeichneten Daten (hierauf im folgenden bezug genommen als Spur), wenn die Sonde 4 die relative Abtastbewegung auf dem Aufzeichnungsmedium 21 ausführt. Ein Beispiel für diesen Nachweis wird unten gegeben.
• Die Treibersteuerung für die x- und y-Achse 37 treibt die Sonde 4 so an, daß sie annähernd entlang der Kontur der Spur in Übereinstimmung mit einer Anweisung von einer später beschriebenen CPU 50 abtastet. Zu diesem Zeitpunkt wird die Sonde 4 veranlaßt sowohl über eine Breite, die kleiner ist als die Bit-Breite, als auch mit einer Frequenz, die kleiner ist als die Bit-Erzeugungsfrequenz, in Richtung der Bit-Folge und in der Richtung senkrecht dazu innerhalb der Spur zu schwingen. Die Bewegung der Sonde 4 zu dieser Zeit wird in Fig. 5 gezeigt. In Fig. 5 bezeichnen die Bezugszeichen 18, 19 und 20 je eine Spur, ein Informationsbit und den Abtastweg der Sonde 4. Hier wird in Fig. 6A die Amplitude des Tunnelstromsignals gezeigt, wie sie von der Sonde 4 beim Durchlaufen der Bits, jeweils für die Position der Sonde in Spurbreitenrichtung, erzeugt wird. Da in dieser Machart die Amplitude des erzeugten Signals je nach Position der Sonde 4 in Spurbreitenrichtung variiert, wird nun eine modulierte Komponente als Antwort auf die Frequenz der Schwingung in Breitenrichtung zum von der Sonde 4, welche den Spurabtastvorgang unter Oszillation in Spurbreitenrichtung ausführt, nachgewiesenen Tunnelstromsignal hinzugefügt. Hier wird in Fig. 6B jedes der ermittelten Signale gezeigt, wenn der Mittelpunkt dieser Oszillation in Breitenrichtung sich jeweils an den Positionen 4b, 4c und 4d in Spurbreitenrichtung befindet. In dieser Hinsicht bezeichnet eine Nr. 4a eine Schwingungskurvenform der Schwingung in Breitenrichtung der Sonde 4 bei der Erzeugung dieser Signale, d.h. die Kurvenform des Steuerungssignals in Spurbreitenrichtung wie es bereitgestellt wird für den dreidimensionalen Antriebsmechanismus. Die Signale wie sie in Fig. 6B mit den Bezugszeichen 4b, 4c und 4d dargestellt sind, werden erzeugt durch die Sammlung von Signalen wie sie zu jeder Zeit, zu der die Sonde 4 jedes der Bits durchläuft, erzeugt werden. Da jedoch jedes der Signale extrem fein und in großer Anzahl vorhanden ist, sind die Signale in Fig. 6B einfach nur durch ihre Einhüllende vertreten.
• Wie in Fig. 6B dargestellt, ändern die Amplituden des nachgewiesenen Signals ihre Einhüllenden, welche die Signale 4b, 4c und 4d von Fig. 6B vertreten, in Übereinstimmung mit den Positionen wie sie in Fig. 6A durch Pfeile mit den entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Wenn die Hüllkurvensignale nach einer Vollweggleichrichtung gezeichnet werden, erhalten daher die Signale die Form 4b', 4c' und 4d' wie in Fig. 6B gezeigt. Mit anderen Worten ist ihr Hüllkurvensignal, entgegen der Schwingungskurvenform 4a der Sonde 4, so klein wie das Signal 4c', falls die Sonde 4 genau oberhalb der Kalibrierung angeordnet ist, wie durch Pfeil 4c gekennzeichnet. Falls die Sonde nach oben hin abweicht wie durch Pfeil 4b gekennzeichnet, verschiebt sich die Phase um 180º gegenüber der Schwingungskurvenform 4a, und die Amplitude wird ebenfalls größer. Falls die Sonde nach unten hin abweicht, wie durch Pfeil 4d gekennzeichnet, wird die Phase äquivalent zu der der Schwingungskurvenform 4a und die Amplitude wird ebenfalls groß. Demgemäß ist es möglich, ein Signal proportional zur Abweichung von der Mitte der Spur dadurch zu erhalten, daß man eine Phasenbestimmung des nachgewiesenen Signals nach der Vollweggleichrichtung mit dem Schwingungssteuerungssignal der Sonde 4 in Spurbreitenrichtung als Referenzsignal ausführt. Die oben bekanntgemachten Verfahren werden im Spurdetektor 35 ausgeführt, und indem man die so erhaltenen Signale als Rückkopplungssignale der Antriebssteuerung 37 für die x- und y-Achse hinzufügt, ist es möglich, eine Rückkopplungssteuerung auszuführen, um die Sonde 4 auf der Spur zu halten. Mit anderen Worten, wird so die Spurführung möglich.
• Falls bei den obigen Verfahren nur eine Spurführung für den Fall der Reproduktion erwogen wird, genügt es, wenn nur die oben erwähnte Spurführung unter Verwendung der der aufgezeichneten Information entsprechenden Bits ausgeführt wird, oder in der selben Art und Weise wie bei der Spurführung zur Zeit der Aufzeichnung, wie unten angegeben verfahren wird.
• Bei der Ausführung der Spurführung zur Zeit der Aufzeichnung wird eine Mehrzahl Bits zur Spurführung an einer Mehrzahl Orten, deren Positionen im voraus bekannt sind, auf der Spur aufgezeichnet und die Sonde 4 wird nur dann veranlaßt, in Spurbreitenrichtung zu schwingen, wenn die Sonde solche Orte durchläuft, an denen sie Aufzeichnungssignale zur Ausführung der Spurführung und zum Nachweisen der vorgenannten Intervalle nachweist. Wenn die Sonde 4 zum Aufzeichnungsgebiet in der Spur transportiert wird, werden die Anweisungssignale vom Sondenhöhendetektors 34 und des Spurführungsdetektors 35 ausgesetzt, und zur selben Zeit wird ihre Schwingung in Spurbreitenrichtung ebenfalls ausgesetzt.
• Eine Aufzeichnungs- und Reproduktionsschaltung 40 umfaßt den oben erwähnten Datenmodulator 30, einen Aufzeichnungsspannungsgeber 31, einen Aufzeichnungssignaldetektor 32, einen Datenmodulator 33, einen Sondenhöhendetektor 34, einen Spurführungsdetektor 35, einen Antriebsregler für die z-Achse 36 und Antriebsregler für die x- und y-Achsen 37.
• Je eine Aufzeichnungs- und Reproduktionsschaltung 40 ist vorgesehen für eine Mehrzahl Sonden und ihre dreidimensionalen Mechanismen sind dem Aufzeichnungsmedium zugewandt. Jede von ihnen führt unabhängig solche Operationen wie Aufzeichnung und Reproduktion durch jede Sonde, Verstellungssteuerung für jede Sonde (Spurführung, Intervallanpassung, etc.) oder ähnliches aus. Ebenso wird jedes der o.g. Elemente in der Aufzeichnungs- und Reproduktionsschaltung 40 durch eine für jede Schaltung 40 separat vorhandene CPU 50 gesteuert. Fig. 7A und 7B sind Flußdiagramme, welche den Steuerungsfluß durch die CPU 50 zum Zeitpunkt jeder ausgeführten Aufzeichnung und Reproduktion durch die jeweiligen Schaltungen 40 zeigen. Auf diese Weise können verschiedene Informationsaufzeichnungsund Reproduktionsvorgänge gleichzeitig (simultan) in jedem Block ausgeführt werden.
• Zur Einstellung der relativen Positionsbeziehung durch Verschieben entweder des Aufzeichnungsmediums oder des Aufzeichnungs- und Wiedergabekopfes 100 oder beider von ihnen unabhängig voneinander, gibt es ein Verfahren, welches einen Steuerungsmechanismus verwendet, umfassend einen zylindrischen Piezoantrieb, eine parallele Feder, ein differentielles Mikrometer, eine Lautsprecherspule, eine Meßschnecke (engl. inch worm), etc. Fig. 8 ist eine teilweise Querschnittsansicht, welche ein Beispiel eines Steuerungsmechanismus dieser Art zeigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Aufzeichnungs- und Reproduktionskopf 100 im Ganzen mit Hilfe eines Steuerungsmechanismus verstellt, der zwei Arten von Verstelleinrichtungen verwendet: zum einen ein röhrenförmiges piezoelektrisches Element 14 für die Höhenverschiebung und einen parallelen Federmechanismus 15 für die breitflächige Verstellung, in welchen schichtweise aufgebaute piezoelektrische Bimorphelemente 16 und 17 eingebaut sind, wie in Fig. 8 dargestellt. Am oberen Ende des röhrenförmigen piezoelektrischen Elementes ist der Aufzeichnungs- und Reproduktionskopf angeordnet, und der gesamte Aufbau dieses Steuerungsmechanismus ist so angeordnet, daß er dem Aufzeichnungsmedium gegenübersteht.
• Die schichtweise aufgebauten piezoelektrischen Bimorphelemente 16 und 17 sind so ausgelegt, daß sie den Aufzeichnungs- und Reproduktionskopf 100 je entlang der x- bzw. y-Achse verstellen. Wenn man diese antreibt, werden die Befestigungen der röhrenförmigen piezoelektrischen Elemente in dem parallelen Federmechanismus je in der x- bzw. y-Richtung transportiert. Mit diesen Verfahren kann die Verstellungsabtastung des Gebietes von 1 µm Winkel oder mehr durch eine Sonde 4 ausgeführt werden.
• Fig. 9 zeigt als Querschnittsansicht den gesamten Aufbau der Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur, wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Der Aufzeichnungs- und Reproduktionskopf 100, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, wird durch einen Chiphalter 15a im Verstellungssteuerungsmechanismus, wie er in Fig. 8 gezeigt ist, gehalten, und des weiteren wird das röhrenförmige piezoelektrische Hochgeschwindigkeitselement 15 durch einen Befestigungsring 15b gehalten. Das Aufzeichnungsmedium 21 ist an einem Aufzeichnungsmediumhalter 22 befestigt. Bei der Erzeugung des Tunnelstromes wird die Vorspannung dadurch zugeführt, daß es der Elektrode 24 unter Verwendung einer Elektrodenschraube 23 ermöglicht wird, mit dem Aufzeichnungsmedium 21 Kontakt zu haben.
• Um es dem Aufzeichnungs- und Reproduktionskopf 100 zu ermöglichen, sich an das Aufzeichnungsmedium 21 anzunähern, wird ein feiner Einstellhebel 26 durch Drehen an einer feinen Einstellschraube 25 bedient. Während in Fig. 9 der Abstand zwischen oberer und unterer Baueinheit zur einfachen Erkennbarkeit vergrößert ist, sind im Betrieb die Aufzeichnungsmediumseinheit und die Einheit, die den Aufzeichnungs- und Wiedergabekopf trägt, näher beieinander angeordnet.
• Fig. 10 zeigt den von dieser Apparatur zur Zeit von Aufzeichnung und Reproduktion ausgeführten Abtastvorgang. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet eine Zone (Block) von beispielsweise ungefähr 5 µm Winkel, in dem eine Sonde ihren Aufzeichnungsund Reproduktionsvorgang durch Abtasten des Aufzeichnungsmediums 21 ausführt. Eine Bezugszeichen 28a bezeichnet die ungefähre Spur der Sonde 4 in jedem der Blöcke 28, und das Bezugszeichen 27 bezeichnet eine teilweise vergrößerte Ansicht der Spur 28a.
• Mit Hilfe der schichtweisen aufgebauten piezoelektrischen Bimorphelemente 16 und 17 und dem röhrenförmigen piezoelektrischen Element 15 wird der gesamte Aufbau des Aufzeichnungs- und Reproduktionskopfes 100 rechtwinklig transportiert, so daß die Gesamtzahl Sonden 4 ungefähr je in den Blöcken 28 abtasten, wie unter Verwendung der Spuren 28a gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt führt jede der Sonden durch Treiben des dreidimensionalen Treibermechanismus 2 in Form einer Dreieckskurve mit einer Amplitude von beispielsweise ungefähr 1 µm die Feinspurabtastung aus, wie in der vergrößerten Darstellung 27 gezeigt. Bei der Ausführung der Spurführung wird des weiteren eine feine Schwingung in Spurbreitenrichtung hinzugefügt, wie in Fig. 5 gezeigt. Folglich ist es möglich, das Aufzeichnungsgebiet effektiv auszunutzen, da Aufzeichnung und Reproduktion durch die Sonden 4 so ausgeführt werden, daß sie durch die Möglichkeit, sich in Zickzackrichtung zu bewegen, ein spezifiziertes Gebiet des Aufzeichnungsmediums gründlich und schnell abtasten. Ebenso geschieht die Spurführung für jede Sonde in ihrem Abtastblock unabhängig, und selbst für den Fall, daß Ausdehnung oder Kontraktion zwischen den jeweiligen Blöcken erzeugt wird, ist es möglich, die Spurabtastvorgänge durch alle Sonden ausführen zu lassen.
• Fig. 11 und Fig. 12 sind Draufsicht bzw. Querschnittsansicht je eines dreidimensionalen Treibermechanismus einer zweiten Ausführungsform der Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur gemäß der vorliegenden Erfindung. Der restliche Aufbau und die Wirkungen sind äquivalent denen der ersten Ausführungsform. Für gleichartige Bauteile, wie sie in der ersten Ausführungsform erscheinen, sind die selben Bezugszeichen vorgesehen. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein dreidimensionaler Treibermechanismus 2' vom Mittelbalkenauslegertyp eingesetzt, welcher den piezoelektrischen Effekt und die elektrostatische Kraft benutzt. Ein Ausleger 3' wird in der Breitenrichtung durch einen Mittelbalken 9 an dessen beiden Enden abgestützt, und unter Ausnützung des piezoelektrischen Effektes des piezoelektrischen Dünnfilms 5 wird die Sonde 4 zur Erzeugung des Tunnelstromes am oberen Ende des Auslegers 3' in dessen Längsrichtung verstellt. Dann ist es möglich, den Ausleger 3' durch Anlegen einer Spannung an eine Elektrode 8 oberhalb eines in Richtung des Substrates erzeugten zweiten Auslegers 10 in der Richtung senkrecht zu der oben genannten Richtung zu verstellen, oder auch den zweiten Ausleger unter Verwendung der elektrostatischen Kraft durch Anlegen einer Spannung an eine Elektrode 8' neben dem zweiten Ausleger 10 zu verstellen.
• Fig. 13 zeigt den Aufzeichnungs- und Reproduktionschip 1' einer dritten Ausführungsform der Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein dreidimensionaler Treibermechanismus 2' ist in solcher Struktur ausgelegt, daß der dreidimensionale Treibermechanismus 2 mit Längsrichtung in der z- Richtung der ersten Ausführungsform hier so angeordnet ist, daß seine Längsrichtung in der y-Richtung parallel zur Medienoberfläche zeigt, die Breitenrichtung der flachen Plattenform in x-Richtung, und ihre Dickenrichtung in der x-Richtung, wohingegen die Sonde 4 sich als einzige in z-Richtung zeigt (mit Breite > Dicke).
• Hier bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen Treiber, der mit einer Funktion äquivalent zur Treibersteuerung 36 für die z-Achse und Treibersteuerung 37 für die x- und y-Achse wie in der ersten Ausführungsform versehen wurde. Eine Nr.12 bezeichnet einen zum Aufzeichnungssignaldetektor 32 der ersten Ausführungsform äquivalenten Detektor, der hier sowohl eine Stromverstärkung des Tunnelstromsignals als auch einen Stromspannungswandler hat. Der restliche Aufbau und die Wirkungen sind äquivalent denen der ersten Ausführungsform, und der Treiber 11 und der Aufzeichnungssignaldetektor sind mit den anderen Bauteilen wie bei der ersten Ausführungsform verkabelt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Teil der Aufzeichnungs- und Reproduktionsschaltung 40 der ersten Ausführungsform, d.h. der Treiber 11 und der Aufzeichnungssignaldetektor 12 ist hier auf dem Aufzeichnungs- und Reproduktionschip erzeugt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde die oben genannte Aufzeichnungs- und Reproduktionsschaltung vorgesehen für je ein Set einer Mehrzahl Sonden und deren dreidimensionalen Treibermechanismus. Daher ist es möglich die Spurführung etc. unabhängig für jede Sonde 4 auszuführen.
• Ein Ausleger 3", wie er in Fig. 13 gezeigt ist, wird durch ein piezoelektrisches Bimorphelement angetrieben, um sich beträchtlich in der Richtung, welche durch einen Pfeil in Fig. 14 gezeigt ist, zu verstellen. Folglich kann ein großes Gebiet entlang der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums durch die Sonde zur Abtastung erreicht werden. Außerdem braucht man keinen speziellen Zwischenraum in z-Richtung oder irgend einen Zwischenraum, der tatsächlich nicht genutzt werden kann, zwischen Sonde und Medium.
• Bei einer gegebenen Länge des Auslegers 3", gezeigt in Fig. 14, von 400 µm und einer Breite von 100 µm ist bei Verwendung eines schichtweise aufgebauten Aluminiumnitritfilmes von 1 µm als Bimorphelement mit einer dazwischen eingelegten Elektrode bei Anlegen einer Spannung von 30 V und 1 kHz eine Verstellung von 10 µm zu erreichen. Ebenso ist es mit einer Elektrodenanordnung für die Bimorphelemente wie in Fig. 3 gezeigt möglich, sowohl eine Verstellung von 0,2 µm in Längsrichtung (z-Richtung) der in Fig. 14 gezeigten Sonde 4 als auch die Verstellung in Längsrichtung des Auslegers 3" zur selben Zeit bereitzustellen. Auf diese Weise wird der Zwischenraum zwischen dem Ausleger und der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums zur Steuerung während der Verstellung parallel zur Aufzeichnungsmediumsfläche eingestellt.
• Wie beschrieben, wird der Ausleger 3" an der Stirnseite eines Halbleiterchipsubstrates erzeugt. So gesehen kann der Aufzeichnungs- und Reproduktionschip 1' der vorliegenden Erfindung als ein Ausleger aufgefaßt werden. Daher ist es möglich, der bei der Montage erzeugten Verwerfung der Substratoberfläche zu entgehen.
• Zuvor sind die oben dargestellten Ausführungsformen alle für eine Aufzeichnungs- und Reproduktionsapparatur gedacht,die vorliegende Erfindung ist aber selbstverständlich auch für eine Apparatur entweder nur zur Aufzeichnung oder nur zur Reproduktion geeignet.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird wie oben beschrieben eine Mehrzahl Aufzeichnungs- und/oder Reproduktionssonden in die Lage verstellt, die Spurführung unabhängig voneinander auszuführen, so daß es möglich ist, einen konstanten Aufzeichnungs- und Reproduktionsvorgang zu allen Zeiten mit der Gesamtheit an Sonden auszuführen, und zwar selbst dann, wenn beispielsweise thermische Ausdehnung oder irgend eine Änderung im Lauf der Zeit oder eine Änderung der Eigenschaften des Mediums auftreten.

Claims (4)

1. Informationsaufzeichnungs-/reproduktionsapparatur, umfassend

- eine Mehrzahl Sondenelektroden (4), die je dazu vorgesehen sind, einer Mehrzahl Blöcke eines Einfachoberflächen-Aufzeichnungsmediums (21) gegenüberzustehen, wobei jede Sondenelektrode bezüglich ihrer Höhe gegenüber der Oberfläche versetzt zu werden vermag, und zwar unabhängig während einer Abtastbewegung der Mehrzahl Sondenelektroden parallel zu der Oberfläche, und

- eine Aufzeichnungs-/Reproduktionseinrichtung (40) zum Bewirken einer Aufzeichnung und/oder Reproduktion von Information gegenüber dem Aufzeichnungsmedium unter Verwendung der Probenelektroden,

gekennzeichnet durch

- eine Steuereinrichtung (11, 35, 37) zum individuellen Abtasten für jede Sondenelektrode unabhängig von den anderen parallel zu der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums.

2. Apparatur nach Anspruch 1, bei der jede Sondenelektrode (4) von einem Ausleger (3) vom Piezoelektro-Element- Typ, der in dreidimensionalen Richtungen versetzt zu werden vermag, getragen ist.

3. Apparatur nach Anspruch 1, des weiteren umfassend eine Spur-Nachweisschaltung (35) zum Nachweisen einer Positionsabweichung zwischen besagter Sondenelektrode (4) und einer vorbestimmten Bahn, die auf dem Aufzeichnungsmedium (21) erzeugt ist, wobei die Steuereinrichtung (11, 35, 37) jede der Mehrzahl Sondenelektroden unabhängig in der Richtung parallel zur Oberfläche des Aufzeichnungsmediums auf der Basis der nachgewiesenen Positionsabweichungen versetzt.

4. Apparatur nach Anspruch 1, bei der die Aufzeichnungs-/Reproduktionseinrichtung (40) eine Informationsaufzeichnung/-reproduktion durch jede der Mehrzahl Sondenelektroden (4) unabhängig bewirkt.