JP2001004519A - プローブ型顕微鏡及び情報記録再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は探針と試料の衝突が生じず、かつ動
作速度の速いプローブ型顕微鏡及び情報記録再生装置を
提供することを目的とする。 【解決手段】 光ファイバのプローブの近傍に発生する
近接場光を利用するプローブ型顕微鏡において、プロー
ブと試料の表面間の距離を調整する距離調整機構と、プ
ローブと試料との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
プローブに所定の共振周波数での振動を付与する加振手
段と、電圧印加手段によって印加した電圧による電場に
よって、又はプローブと試料とが接近することによって
発生するシアフォースによってプローブに生ずる振動振
幅の変化を測定する振動振幅測定手段とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプローブ型顕微鏡及
び情報記録再生装置に関し、特に情報記録媒体等のメデ
ィアに対して相対的に走査される情報記録再生用プロー
ブを用いて高密度の記録・再生を行う情報記録再生装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザ光線の高い空間コヒーレン
ト性を利用して、レーザ光線を回折限界まで集光したレ
ーザスポットを用いてメディアに記録し、あるいは情報
が記録されたメディアから情報を再生する光ディスク装
置がオーディオ用コンパクトディスクやコンピュータ用
光磁気ディスクファイルとして実用化されている。これ
らのメディアへの記録では、その記録密度がレーザ波長
でほぼ決定され、最近のメディアの大容量化の要求に応
えるために記録密度を更に向上させなければならない。
そこで、次世代超高密度光記録メモリとして注目されて
いる一つとして、エバネッセント波を用いて記録・再生
するフォトン走査型トンネル顕微鏡（以下Ｐ−ＳＴＭと
称す）を応用した光メモリが提案されている。以下に、
このＰ−ＳＴＭのいくつかの従来例について説明する。

【０００３】先ず、特開平７−２１５６４号公報（以下
第１の従来例と称す）には、Ｐ−ＳＴＭ型光メモリのい
かなる操作状況においても常にプローブと記録層との高
精度な距離の制御が行える方法および装置が開示されて
いる。この第１の従来例の概略構成を、第１の従来例の
概略断面を示す図７によって説明すると、同図に示すよ
うに先端部に微小開口部を有する透明体７１中を導波す
る第１の光７２が該微小開口部に形成する第１のエバネ
ッセント場７３中に光記録媒体７５の記録層７４を設置
し、第１の光７２を用いて該光記録媒体７５へ情報を記
録しあるいは記録情報を再生する。また、光記録媒体７
５中に第１の光７５とは異なる波長の第２の光７６を導
波させてその導波光が光記録媒体７５の表面に形成する
第２のエバネッセント波７７を透明体７１により検出
し、これを波長分離手段７８を用いて第１の光７２によ
る導波光と分離して第２の光の強度を検出することによ
り制御回路７９が透明体７１と光記録媒体７５との距離
を調節可能としている。

【０００４】また、特開平７−１９２２８０号公報（以
下第２の従来例と称す）には、エヴァネッセント光を利
用した高密度の記録・再生において、トラッキング制御
の精度を高め、ディスク状の記録媒体を使用可能にする
近視野光走査記録再生装置が開示されている。図８は第
２の従来例の概略構成を示す断面図である。同図に示す
ように、半導体レーザ８０から放射させたレーザ光をレ
ンズ８１で集束して光ファイバ８３に、その開口８２を
通じて与える。光ファイバ８３の先細の先端部に形成さ
れた走査ヘッド８４は、レーザ光の波長とほぼ同等かそ
れよりも小さい直径の開口８５を突端面に有し、記録面
８６は開口８５に対し相対的に移動する。そして、記録
面８６から走査ヘッド８４を通じて取り出された反射光
は光検出器８７で検出されてモニタ・出力器８８にモニ
タされる。また、走査ヘッド８４に一体的に並設された
走査制御ヘッド８９は独自の光源たる半導体レーザ９
０、レンズ系および光電変換素子９１を有し、走査ヘッ
ド８４を記録面のトラックに位置合わせするためのトラ
ッキングエラー検知信号を発生する。走査ヘッド８４は
エアースライダ９２に固定されており、記録面８６が高
速で移動することによってわずかに浮上し、その高さを
一定に保っている。更に、走査ヘッド８４とこれに連な
る本体部分との間に、不本意な揺れを吸収させるための
緩衝器９３を設けている。すなわち、本体部分の垂直方
向への揺らぎのダイナミックレンジは走査ヘッド８４の
それと大きく異なるので、その差による歪みを緩衝器９
３で吸収させている。緩衝器９３は図示したようなコイ
ル状のばねや、ハードディスク等に用いられている板ば
ねなどで構成できるが、垂直方向にのみクッション作用
を与えるものでなければならず、トラック方向に揺れを
生じさせないことが重要である。このように構成する
と、本体部分において垂直方向の揺れが生じても、走査
ヘッド８４の開口８５と記録面８６との間隔を常に所定
値に安定に保持させることができる。

【０００５】更に、特開平７−２２５９７５号公報（以
下第３の従来例と称す）には、プローブを記録媒体表面
に沿って走査させながら情報の記録再生を行なう情報記
録再生装置等において、実用上十分な速度でのプローブ
走査を実現する装置が開示されている。図９は第３の従
来例の概略構成を示す図である。同図に示すように、光
源１０１から出射した直線偏光の光束は、偏波面保存型
光ファイバ１０２を通り、光の波長よりも小さな微小開
口部１０４を有する金属マスク１０３を経てエバネッセ
ント波の形態をとる。ここで、金属マスク１０３，光磁
気記録媒体１０５は導体であるので、その双方に電極を
取り付けて容量距離センサ１３０に接続することによ
り、両者間の容量ｃから距離ｄを感知することができ
る。その効果としては、金属マスク１０３の光磁気記録
媒体１０５に正対した部分の面積が微小開口部１０４の
面積に比べて大きいため、高精度かつ高帯域な距離ｄの
情報を得ることができる。この距離ｄの情報をアクチュ
エータ１１４に帰還させて微小開口部１０４の位置を制
御することにより、高速プローブ走査が可能になる。な
お、再生時では、透明基板１０６を伝播した光がレンズ
１０７で集光され、この光の偏波面回転成分をアナライ
ザ１１７によって抽出し、レンズ１１８で集光したもの
を光検出器１１９で検出することにより、微小開口部１
０４近傍の光磁気記録媒体１０５の磁化情報ｍを検出す
る。検出した磁化情報ｍはコントロール１１０に送られ
てデジタル情報化される。

【０００６】また、特開平１０−１７２１７２号公報
（以下第４の従来例と称す）には、光プローブの形状の
ばらつきや経時変化などの光プローブの分解能を変化さ
せる原因があっても、所定の記録密度を維持する手段を
備えた高密度情報記録再生装置が開示されている。図１
０は第４の従来例の概略構成を示す図である。同図に示
すように、記録媒体１５０上に異なる周期を有する周期
パターン１５１，１５２を設け、これらの周期パターン
１５１，１５２を光プローブ１５３で検出し、得られる
信号を周波数分析して比較し、光プローブ１５３と記録
媒体１５０との間隔を検出する。空間周波数と光量変化
の基本波成分との特性を示す図１１に示すように、距離
Ｈが大きいと高い空間周波数の成分が小さくなりこれか
ら距離Ｈを測定できる。

【０００７】更に、「Khaled Karrai, et al, "Piezoel
ectric tip-sample distance control for near field
optical microscopes", pp.1842, Applied Physics Let
ters66(14), 3 April 1995」（以下第５の従来例と称
す）によれば、この従来例のＦｉｇ．１に示すように、
プローブが水晶振動子の片方の片持ち梁に接着され、図
中の左側の水晶振動子で、Ｘ方向に図示されていない圧
電素子により水晶振動子はその共振周波数で加振され
る。試料表面がプローブ先端に近づくと試料表面とプロ
ーブ先端に原子間力に基づくせん断応力(シアフォース)
が働く。この力が試料表面とプローブ先端間のばねとし
て働き、この振動系全体の共振周波数が変化する。しか
し、圧電素子により、加振されている周波数は以前と変
わらないので、振動系全体は共振状態から外れ、これに
より振動の振幅は小さくなる。振幅は水晶振動子の圧電
効果により生じる電圧から知ることができる。以上のよ
うにして、プローブ先端と試料表面間の距離を振動の振
幅から知ることができる。測定開始時に、まず最初はス
トロークが大きいが距離制御の精度の低いアクチュエー
タ(例えばステッピングモータ)により振動振幅を常に監
視ししつつプローブを試料表面に近づける。振幅が小さ
くなったところで、アクチュエータを停止する。更に、
微動のアクチュエータ(圧電素子など)により、プローブ
先端と試料表面間の距離が所望の距離になるように両者
を接近させて測定を始める。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】第１の従来例は、近接
場光により記録媒体上に情報を記録再生しようとするも
のであり、これにより大容量の記憶装置とするものであ
る。ここでは、記録媒体表面のごく近傍数十ｎｍに発生
しているエバネッセント光(近接場光)によりプローブ先
端と試料表面間の距離を測定する。したがって、両者間
が数十ｎｍにならないと両者の接近を知ることができ
ず、シアフォースによる距離検出と同じく、エバネッセ
ント光が検知されるまでのアプローチを非常にゆっくり
としないとプローブが記録媒体表面に衝突する可能性が
高い。また、アプローチをゆっくりすると、アプローチ
に時間がかかり、記録装置としての読み出し、書き込み
時間が非常にかかり動作が遅い装置となってしまう。つ
まり、第１の従来例ではプローブの破壊防止と速い動作
の両立ができない。また、記録再生を行う光源以外にプ
ローブ先端と記録媒体表面間の距離を測定するための別
な波長の光源が必要であるため、構成が複雑となりコス
ト高や故障が増えてしまう。

【０００９】また、第２の従来例は、走査ヘッド９(フ
ァイバプローブ)とスライダ２２間に緩衝器を設け、ス
ライダの不要な振動を吸収し、走査ヘッドのとメディア
間の間隔を所定値に安定に保持させるようにしている
が、スライダがメディアから離れた時に先の間隔を一定
にするということはスライダ底辺よりもヘッド先端が突
出することがある。すなわち、スライダがメディアから
離れ続いて近づく時緩衝器による吸収(今度はヘッドを
引っ込ませる)する動作が間に合わない場合があり、ヘ
ッドは、メディアに衝突することとなる。よって、第２
の従来例によれば、このようにヘッドが破損する危険性
が高い。

【００１０】更に、第３の従来例は、元々プローブ側面
からの光の漏れを防止するための遮光金属膜(従来技術
内では金属マスク)の５００ｎｍ×５００ｎｍと大きく
し、これと導電性の記録媒体間の静電容量を測定するこ
とにより両者間の距離を測定するものである。静電容量
は比較的遠方からも検出することができるので、シアフ
ォースやエバネッセント光を用いた場合よりも改善され
る。しかし、プローブ先端は非常に面積が小さいために
静電容量は非常に微少になり、浮遊容量等により実際の
測定は非常に困難である。また、感度を高めるためにプ
ローブ先端の金属膜の面積を大きくする必要がある。一
般的に厚いマスク金属膜（厚さ５００ｎｍ以上）を持つ
プローブに微少な開口（直径５０ｎｍ以下）のプローブ
を作製することは困難になる。更に、たとえできたとし
ても記録媒体とフ゜ローフ゛先端の金属面には表面の凹凸があ
るので、金属膜と媒体表面間の距離は最適にできたとし
ても、開口と媒体表面の距離は金属面の凹凸により必ず
しも最適にはならない。特に、金属膜の膜厚、すなわち
媒体表面に平行な面で考えれば面積が大きくなればこの
確立は著しく高くなる。また、第３の従来例ではメディ
アとプローブ間の距離を両者間の静電容量で測定し、こ
れから両者間の距離を調整するアクチュエータを制御
し、距離を一定にする。しかし、高速に回転しているメ
ディアに対してはこの帰還動作が間に合わないことが多
く、プローブとメディアが衝突する。

【００１１】また、第４の従来例は、プローブ先端と記
録媒体表面の距離を測定するために記録媒体に空間周波
数の異なるパターンを設ける必要があり、記録密度が低
くなる。また得られた信号を周波数分析する必要があ
り、これらの処理に時間がかかり、充分なスピードで、
距離を制御することができず、衝突の可能性が高い。ま
た、メディアを動かしながらプローブとメディア間の間
隔測定を行わなければいけないので間隔を一定に制御す
ることを失敗した時のダメージが大きい。

【００１２】更に、第５の従来例では、測定の最初にプ
ローブと試料表面を接近させる(アプローチ)シーケンス
において、両者間の距離をシアフォースにより検出して
いて、これをもとに粗動アクチュエータを停止させる。
シアフォースは両者間の距離が数十ｎｍ以下にならない
と働かない。したがって、粗動アクチュエータによりプ
ローブを試料表面に接近させる速度を遅くしないと、ア
プローチ時の停止動作が間に合わず、プローブと試料表
面が衝突し、プローブが破壊することになる。粗動アク
チュエータの移動速度を遅くするとアプローチに時間が
かかってしまい、測定の効率が著しく悪くなる。

【００１３】本発明はこれらの問題点を解決するための
ものであり、探針と試料の衝突が生じず、かつ動作速度
の速いプローブ型顕微鏡及び情報記録再生装置を提供す
ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る、光ファイ
バのプローブの近傍に発生する近接場光を利用するプロ
ーブ型顕微鏡は、プローブと試料の表面間の距離を調整
する距離調整機構と、プローブと試料との間に電圧を印
加する電圧印加手段と、プローブに所定の共振周波数で
の振動を付与する加振手段と、電圧印加手段によって印
加した電圧による電場によって、又はプローブと試料と
が接近することによって発生するシアフォースによって
プローブに生ずる振動振幅の変化を測定する振動振幅測
定手段とを具備する。このような構成を有する本発明の
プローブ型顕微鏡は、先ずプローブと試料との間に電圧
印加手段によって電圧を印加したとき発生する電場によ
るプローブにおける振動振幅の変化を振動振幅測定手段
によって測定する。その測定結果に基づいて距離調整機
構を制御してプローブと試料の表面間の距離を所定の位
置まで粗動調整して互いに接近させる。その後、電圧印
加をやめるか、あるいは一定に保った状態で、プローブ
と試料とが接近したとき発生する近接場によるプローブ
の振動振幅の変化を振動振幅測定手段によって測定し、
測定結果に基づいて距離調整機構を制御してプローブと
試料の表面間の距離を更に急接近可能とする微動調整を
行う。よって、プローブと試料が衝突することない、動
作速度の速いプローブ型顕微鏡を提供できる。

【００１５】また、別の発明に係る、光ファイバのプロ
ーブの近傍に発生するエバネッセント場中に設置された
メディアの記録層に近接場光を利用して情報を記録再生
する情報記録再生装置は、プローブとメディアの表面間
の距離を調整する距離調整機構と、プローブとメディア
との間に電圧を印加する電圧印加手段と、プローブに所
定の共振周波数での振動を付与する加振手段と、電圧印
加手段によって印加した電圧による電場によって、又は
プローブと試料とが接近することによって発生するシア
フォースによってプローブに生ずる振動振幅の変化を定
する振動振幅測定手段とを具備する。このような構成を
有する情報記録再生装置は、先ずプローブとメディアと
の間に電圧印加手段によって電圧を印加したとき発生す
る電場によるプローブにおける振動振幅の変化を振動振
幅測定手段によって測定する。その測定結果に基づいて
距離調整機構を制御してプローブとメディアの表面間の
距離を所定の位置まで粗動調整して互いに接近させる。
その後、プローブとメディアとが接近したとき発生する
近接場によるプローブの振動振幅の変化を振動振幅測定
手段によって測定し、測定結果に基づいて距離調整機構
を制御してプローブとメディアの表面間の距離を更に急
接近可能とする微動調整を行う。よって、プローブ先端
とメディア間の衝突が少なく、かつ動作速度の速い装置
を実現できる。

【００１６】更に、情報記録再生装置の距離調整機構
は、プローブと接するように設けられ、かつメディアの
表面に摺動可能に設けられ、電圧印加によって生じる圧
電効果に伴う変位現象によってプローブとメディアの距
離を可変する圧電素子を含んで構成している。よって、
回転するメディアの変動に対応してプローブとメディア
の間の距離を一定に保つことができる。

【００１７】また、情報記録再生装置の距離調整機構に
おける圧電素子に電荷制御回路を設けたことにより、圧
電素子に生じるクリープ現象を防ぎ、圧電素子の変位を
一定に保つことができ、強いてはプローブとメディアの
間の距離を一定に保つことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明のプローブ型顕微鏡は、プ
ローブと試料の表面間の距離を調整する距離調整機構
と、プローブと試料との間に電圧を印加する電圧印加手
段と、プローブに所定の共振周波数での振動を付与する
加振手段と、電圧印加手段によって印加した電圧による
電場によって、又はプローブと試料とが接近することに
よって発生するシアフォースによってプローブに生ずる
振動振幅の変化を測定する振動振幅測定手段とを具備す
る。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例の概略構成を示
す図である。同図において、レーザ光源１１はカップリ
ングレンズ１２によりファイバからなるプローブ１３の
端面に集光されてファイバからなるプローブ１３のコア
内に入る。その光は先端が先鋭化されているプローブ１
３の先端のごく近傍(数十ｎｍ)に近接場光として存在す
る。試料１４の表面をプローブ１３の先端から数十ｎｍ
以下の距離に近づけるとプローブ先端から染み出してい
る近接場光は試料に伝播し、プリズム１５、カップリン
グレンズ１６を通してフォトマルティプライアテューブ
（以下ＰＭＴと称す）１７に入る。ＰＭＴ１７は入射し
た光を電気信号に変換し、プリアンプ１８、Ａ／Ｄ変換
器１９を通してコンピュータ２０に試料１４の透過率の
ディジタル情報を供給して貯えられる。円筒圧電スキャ
ナ２１によりｘ，ｙにラスタスキャンを行いながら、こ
れに同期してコンピュータ２０は、先の情報を記憶して
いくので、２次元の透過率の分布像を作成することがで
きる。

【００２０】ここでは、試料１４の表面とプローブ先端
との間隔は数十ｎｍにしなければならない。実際の試料
は凹凸があるのが普通なので、この間隔を一定にするよ
うに制御を行う必要がある。このため、試料１４の表面
とプローブ１３の先端に原子間力に基づくせん断応力
(シアフォース)や静電引力を利用する。プローブ１３は
水晶振動子２２の片方の片持ち梁に接着されている。水
晶振動子２２は互いに接する圧電素子２３によりその共
振周波数で加振される。試料１４の表面がプローブ１３
の先端に近づくと試料１４の表面とプローブ１３の先端
に原子間力に基づくシアフォースや静電引力が働く。こ
の力が試料１４の表面とプローブ１３の先端間のばねと
して働き、この振動系全体の共振周波数が変化する。し
かし、圧電素子２３により、加振されている周波数は以
前と変わらないので、振動系全体は共振状態から外れ、
これにより振動の振幅は小さくなる。水晶振動子２２に
生じる電圧は差動増幅器２５で増幅され、ロックインア
ンプ２６に入力される。ロックインアンプ２６は振動周
波数に同期して水晶振動子２２の振幅を直流電圧に増幅
・変換する。帰還回路２７は所望のプローブ１３と試料
１４の表面間の距離に対応する参照信号との差を積分、
あるいは高いゲインで増幅し、円筒ピエゾのＺ方向に試
料１４を移動させるアクチュエータを駆動する。

【００２１】このような帰還動作によりプローブ１３と
試料１４の表面の間隔は一定に保たれる。帰還回路２７
の電圧を、Ａ／Ｄ変換器２８を介してコンピュータ２０
に取り込めば先の透過像と同様に試料１４の表面の凹凸
像（トポ像）を作成することができる。試料１４をセッ
ティングする時はプローブ１３と試料１４が接触しない
ようにプローブ１３は試料１４から遠くに離しておく。

【００２２】さて、このような測定を始める前に、プロ
ーブ１３と試料１４の表面を近づける作業が必要であ
る。先に述べたように、プローブ１３と試料１４の表面
間の距離をシアフォースのみで知ろうとすると、両者の
距離が数十ｎｍに近づくまで、試料１４の表面のプロー
ブ１３への接近を知ることができない。これにより衝突
が生じ易い。そこで、本実施例では、プローブ１３と試
料１４の表面間に電位差を生じさせることによりこれを
解決する。その前提として、プローブ１３はその先端ま
で導電性のものであることと、試料１４もまた導電性の
ものであることである。近接場光測定に用いられるファ
イバプローブはクラッドからの光の放出がノイズとなる
ため、これを防ぐために、ファイバクラッド上に金属コ
ートを施しているので、一般的に前者の条件は満たして
いる。また、試料１４も半導体を用いる集積回路、メモ
リディスクに用いられる光磁気材料、相変化材料などは
導体または半導体であり比抵抗が低いので、多くの場
合、後者の条件も満たしている。コンピュータ２０で制
御できるスイッチ２９を設ける。先ずスイッチ２９によ
り電圧Ｖａの電圧可変供給器３０とファイバプローブの
金属遮光膜を接続する。金属膜はファイバ全体に付着さ
せることができるので、ファイバプローブの根元に電圧
Ｖａの電圧可変供給器３０を接続することでファイバ先
端に電圧を印加することができる。試料１４は基準電位
に接続(接地)させておく。このようにしておくとファイ
バ先端の金属膜と試料１４の表面間に電圧Ｖａが印加さ
れる。したがって、両者の間に静電引力が働く。静電引
力は電圧Ｖａの２乗に比例し、プローブ１３と試料１４
の表面間の距離ｄの２乗に逆比例する。

【００２３】一方、原子間力すなわちシアフォースはプ
ローブ１３と試料１４の表面間の距離ｄの指数関数で減
少する。したがって、静電引力は距離に対する減衰がシ
アフォースに比べて遥かに緩やかであるため、プローブ
１３と試料１４の表面間の距離が大きくても両者の接近
を水晶振動子２２の振幅の減少として捉えることができ
る。この距離は電圧Ｖａの値にもよるが、数十Ｖの場
合、プローブ１３と試料１４の表面間の距離が数十μm
程度でも水晶振動子２２の振幅減少を捉えることができ
る。どの程度のプローブ１３と試料１４の表面間の距離
から、両者の接近を捉えるかは、電圧Ｖａにより調整可
能である。より遠くから両者の接近を捉えたい場合は電
圧Ｖａを大きくすればよい。測定開始時に、まず最初は
ストロークが大きいが距離制御の精度の低いアクチュエ
ータ(例えばステッピングモータ)により振動振幅を常に
監視ししつつプローブを試料１４の表面に近づける。振
幅が小さくなったところで、アクチュエータを停止す
る。さらに、微動のアクチュエータ(圧電素子など)によ
り、プローブ１３の先端と試料１４の表面間の距離が所
望の距離になるように両者を接近させ、この後、測定を
始める。

【００２４】例えば、Ｖａを２０Ｖ程度にし、粗動ステ
ージ３１により試料１４をプローブ１３に接近させる。
粗動ステージ３１はステッピングモータなどを用いた機
械的なステージで、ストロークは数ミリ程度、１ステッ
プで２０ｎｍから１μｍ程度の物を用いる。プローブ１
３と試料１４の表面間の距離が２０μｍぐらいになると
プローブ１３と試料１４の表面間の静電引力により水晶
振動子２２の振動振幅が小さくなる。これをコンピュー
タ２０が捉えて粗動ステージ３１の移動を停止する。２
０μｍ程度からプローブ１３と試料１４の表面の接近を
検知し停止させれば、検知から停止までの間の粗動ステ
ージ３１のオーバーランによりプローブ１３と試料１４
の表面が衝突することはない。したがって、比較的速い
速度(数μｍ/s)で最初のアプローチを行うことができ
る。次に、更なるアプローチを行うために、Ｖａを５Ｖ
程度にするこれにより、１μｍ程度までプローブ１３と
試料１４の表面が接近するとプローブ１３と試料１４の
表面間の静電引力により水晶振動子２２の振動振幅が小
さくなる。これをコンピュータ２０が捉えて粗動ステー
ジ３１の移動を停止する。この時は０．数μｍ／ｓ程度
の速度でアプローチさせる。この時はアプローチの速度
が前の段階より遅くなっているので、オーバーランが少
なくなる。したがって、停止時のプローブ１３と試料１
４の表面間の距離が小さくなっても両者が衝突すること
はない。更に、今度はスイッチ２９を接地側に切り替え
る。これによりプローブ１３と試料１４の表面間の電位
差はなくなり、両者には静電引力は働かなくなる。この
後、微動ステージ３２により数十ｎｍ/sの速度でプロー
ブ１３と試料１４の表面を接近させる。数十ｎｍ程度ま
でプローブ１３と試料１４の表面が接近するとプローブ
１３と試料１４の表面間のシアフォースにより水晶振動
子２２の振動振幅が小さくなる。これをコンピュータ２
０が捉えて微動ステージ３２の移動を停止する。この時
もプローブ１３と試料１４の表面間の距離の衝突は先に
述べたことと同じ理由により生じることはない。

【００２５】このように、プローブ１３と試料１４の表
面間の距離が大きい時は速いスピードで両者を接近させ
つつ、静電引力を用いてプローブと試料表面間の距離が
大きい段階から両者の接近を捉えることにより衝突を防
ぐことができる。プローブ１３と試料１４の表面間の電
位差と接近速度を段階的に小さくして、以上のシーケン
スを行うことができる。最後のアプローチでは両者の電
圧印加をなくしてシアフォースによるプローブ１３と試
料１４の表面間の距離検出を行ってアプローチを終了す
る。

【００２６】従来のシアフォースだけのプローブと試料
表面間の距離検出の場合は、数十ｎｍに接近してからで
ないと両者の接近を検知できないので、アプローチの最
初から数十ｎｍ/sの非常にゆっくりとした速度でアプロ
ーチを行う必要があり、測定開始までに非常に時間がか
かった。しかし、本実施例により、プローブと試料表面
間の距離に対応した接近速度を選ぶことができるので、
測定開始までの時間を短縮することができる。

【００２７】なお、第１の実施例では最後のアプローチ
で、プローブと試料表面間の電位差をなくしていたが、
このような方法に限定されるものでない。例えば、最後
のアプローチにおいて、一つ前のアプローチの段階での
電圧よりも更に電圧を下げ、電圧を印加したままで静電
引力を働かせ、アプローチを終了させることもできる。
そして、電圧を印加し、静電引力を検出しながらプロー
ブと試料表面間の距離を一定に保ちながら測定を行うこ
とができる。また、最後のアプローチにおいて、一つ前
のアプローチの段階での電圧よりも更に電圧を下げなく
ても同様の動作・測定を行うことができる。

【００２８】図２は本発明の第２の実施例の概略構成を
示す図である。同図において、レーザ光源１１は連続発
振していてその光はカップリングレンズ１２によりファ
イバからなるプローブ１３の端面に集光されてプローブ
１３のコア内に入る。その光は先端が先鋭化されている
プローブ１３の先端のごく近傍(数十ｎｍ)に近接場光と
して存在する。メディア４１はスピンドルモータ４２に
より回転させられる。メディア４１の表面には透過率の
コントラストを持つ領域(マーク)により情報が記録され
ている。プローブ１３の先端をメディア４１の表面から
数十ｎｍ以下の距離に近づけるとプローブ１３の先端か
ら染み出している近接場光は試料に伝播し、先のマーク
の透過率に対応したパワーを持つ透過光がメディア４１
のプローブ１３側と反対側に出てくる。この光はカップ
リングレンズ１６を通してＰＭＴ１７に入る。ＰＭＴ１
７は入射した光を電気信号に変換し、この信号はプリア
ンプ１８で増幅された後、２値化回路４３でディジタル
情報に変換され、コンピュータ２０に入力され、メディ
ア４１上の情報が読み取られる。メディア４１はプロー
ブ１３と相対運動をしているので、円周方向に並んでい
るマークに記録されている情報が時系列にコンピュータ
に蓄えられていく。メディア４１が書き込み可能なもの
であれば、同じようにデータを書き込むこともできる。
必要な書き込みパルスがコンピュータ２０によりＬＤド
ライバ４４に与えられ、これがレーザ光源１１を駆動し
て、メディア４１の表面に情報を書き込んでいく。ここ
では、メディア４１の表面とプローブ１３の先端との間
隔は数十ｎｍにしなければならない。実際のメディア４
１は凹凸があるし、メディア４１も回転に伴い面ぶれを
起こして上下するのが普通なので、この間隔を一定にす
るように制御を行う必要がある。

【００２９】このため、メディア４１の表面とプローブ
１３の先端に原子間力に基づくシアフォースや静電引力
を利用する。プローブ１３は水晶振動子２２の片方の片
持ち梁に接着されている。水晶振動子２２はＬ字型のホ
ルダ４５を介して積層圧電素子４６に接続されている。
積層圧電素子４６は耐摺動パッド４７の上に接続されて
いる。耐摺動パッド４７はメディア４１の表面に接触し
ている。メディア４１が回転すると、メディア４１上を
耐摺動パッド４７が摺動し、メディア４１とプローブ１
３間で相対運動が生じる。積層圧電素子４６はこれに電
圧が印加されるとＺ方向に伸び縮みするので、プローブ
１３とメディア４１表面間の距離を変えることができ
る。水晶振動子２２は互いに接する圧電素子２３により
その共振周波数で加振される。メディア４１の表面がプ
ローブ１３の先端に近づくとメディア４１の表面とプロ
ーブ１３の先端に原子間力に基づくシアフォースや静電
引力が働く。この力がメディア４１の表面とプローブ１
３の先端間のばねとして働き、この振動系全体の共振周
波数が変化する。

【００３０】しかし、圧電素子２３により、加振されて
いる周波数は以前と変わらないので、振動系全体は共振
状態から外れ、これにより振動の振幅は小さくなる。水
晶振動子２２に生じる電圧は差動増幅器２５で増幅さ
れ、ロックインアンプ２６に入力される。ロックインア
ンプ２６は振動周波数に同期して水晶振動子２２の振幅
を直流電圧に増幅・変換する。ロックインアンプ２６の
出力はＡ／Ｄ変換器２８を介してコンピュータ２０に取
り込まれる。

【００３１】そして、コンピュータ２０は所望のプロー
ブ１３とメディア４１の表面間の距離に対応する基準値
との差から、プローブ１３とメディア４１の表面間の距
離を制御する数値を計算して出力する。Ｄ/Ａ変換器４
８でこの出力値がアナログ電圧に変換された後、パワー
アンプにより増幅されて、積層圧電素子４６に入力され
る。これにより、プローブ１３とメディア４１の表面間
の距離がコンピュータ２０により制御される。耐摺動パ
ッド４７も含めてその上に搭載されているもの全体をス
ライダと呼ぶ。スライダは図示しないサスペンション、
アーム、アームモータを介してスピンドルモータ４２が
固定されている基板に固定されている。但しスライダは
図示していないアームモータによりトラッキング方向に
は移動できる。また、サスペンションによりＺ方向に上
下できる。しかし、サスペンションにより、適当な力
で、メディア４１の表面にスライダは押しつけられてい
て、耐摺動パッド４７はメディア４１の表面に接触して
いる。

【００３２】以上のような情報記録再生装置が待機状態
にある時は、プローブとメディアが接触しないようにプ
ローブはメディアから遠くに離しておく。さて、先に述
べた書き込みあるいは読み取り動作を始める前に、プロ
ーブとメディア表面を近づける作業が必要である。先に
述べたようにプローブとメディア表面間の距離をシアフ
ォースのみで知ろうとすると、両者の距離が数十ｎｍに
近づくまで、メディア表面のプローブへの接近を知るこ
とができない。これにより衝突が生じ易い。そこで、本
実施例では、プローブとメディア表面間に電位差を生じ
させることによりこれを解決する。その前提として、プ
ローブはその先端まで導電性のものであることとメディ
アもまた導電性のものであることである。近接場光測定
に用いられるファイバプローブはクラッドからの光の放
出がノイズとなるため、これを防ぐために、ファイバク
ラッド上に金属コートを施しているので、一般的に前者
の条件は満たしている。また、メディアも光磁気材料、
相変化材料などは導体または半導体であり比抵抗が低い
ので、多くの場合、後者の条件も満たしている。

【００３３】そこで、コンピュータで制御できるスイッ
チ２９を設ける。まず、スイッチ２９により電圧Ｖａと
ファイバプローブの金属遮光膜を接続する。金属膜はフ
ァイバ全体に付着させることができるので、ファイバプ
ローブの根元に電圧Ｖａを印加することでプローブ１３
の先端に電圧を印加することができる。メディア４１は
スピンドルモータ軸を介して、基準電位に接続(接地)さ
せておく。このようにしておくとプローブ１３の先端の
金属膜とメディア４１の表面間に電圧Ｖａが印加され
る。したがって、両者の間に静電引力が働く。静電引力
は電圧Ｖａの２乗に比例し、プローブ１３とメディア４
１の表面間の距離ｄの２乗に逆比例する。一方、原子間
力すなわちシアフォースはプローブ１３とメディア４１
の表面間の距離ｄの指数関数で減少する。したがって、
静電引力は距離に対する減衰がシアフォースに比べて遥
かに緩やかであるため、プローブ１３とメディア４１の
表面間の距離が大きくても両者の接近を水晶振動子の振
幅の減少として捉えることができる。この距離は電圧Ｖ
ａの値にもよるが、数十Ｖの場合、プローブ１３とメデ
ィア４１の表面間の距離が数十μｍ程度でも水晶振動子
２２の振幅減少を捉えることができる。どの程度のプロ
ーブ１３とメディア４１の表面間の距離から、両者の接
近を捉えるかは、電圧Ｖａにより調整可能である。より
遠くから両者の接近を捉えたい場合は電圧Ｖａを大きく
すればよい。待機時は、スライダはメディア４１の上に
接触している。この時、スピンドルモータ４２は回転ま
たは停止している。プローブ１３とメディア４１の表面
が接触する危険性を考えると停止している方が好まし
い。

【００３４】書き込み・読み取りを行う前に、プローブ
１３とメディア４１間に電圧を印加した状態で、圧電素
子２３により水晶振動子２２、プローブ１３を共振周波
数で加振し、水晶振動子２２の出力からプローブ１３の
振動振幅を常に監視しつつ、ランプレートの速い電圧を
積層圧電素子４５に印加して速いスピードで、プローブ
１３をメディア４１の表面に近づける。振幅が小さくな
ったところで、積層圧電素子４５の電圧をホールドして
プローブ１３とメディア４１の表面を接近させることを
停止する。更に、プローブ１３とメディア４１間に電位
差をなくし、ランプレートの遅い電圧を積層圧電素子４
６に印加して遅いスピードで微動のアクチュエータ(圧
電素子など)により、プローブ１３の先端とメディア４
１の表面間の距離が所望の距離になるように両者を接近
させ、この後、書き込み・読み取りを始める。一例とし
て、待機時は、プローブ１３の先端と耐摺動パッド４６
の表面(パッドはメディア表面に接触するので、メディ
ア表面と同じ高さになる)が約０．５μｍになるように
予めスライダを作製しておく。

【００３５】そして、例えば、Ｖａを２Ｖ程度にし、水
晶振動子２２の出力からプローブの振動振幅を常に監視
しつつ、ランプレートの速い電圧を積層圧電素子４６に
印加して速いスピードでプローブ１３とメディア４１の
表面を接近させる。プローブ１３とメディア４１の表面
間の距離が２００ｎｍぐらいになるとプローブ１３とメ
ディア４１の表面間の静電引力により水晶振動子２２の
振動振幅が小さくなる。これをコンピュータ２０が捉え
て積層圧電素子４６の電圧をホールドしてプローブ１３
とメディア４１の表面を接近させることを停止する。２
００ｎｍ程度からプローブ１３とメディア４１の表面の
接近を検知し停止させれば、検知から停止までの間のオ
ーバーランによりプローブ１３とメディア４１の表面が
衝突することはない。したがって、比較的速い速度(約
０．１μｍ/s)で最初のアプローチを行うことができ
る。

【００３６】そして、今度はスイッチ２９を接地側に切
り替える。これによりプローブ１３とメディア４１の表
面間の電位差はなくなり、両者には静電引力は働かなく
なる。この後、ランプレートの遅い電圧を積層圧電素子
４６に印加して遅いスピード（約１０ｎｍ／ｓ）でプロ
ーブ１３の先端とメディア４１の表面を接近させてい
く。数十ｎｍ程度までプローブ１３とメディア４１表面
が接近するとプローブ１３とメディア４１の表面間のシ
アフォースにより水晶振動子２２の振動振幅が小さくな
る。所望の距離まで両者が近づいたところで、これをコ
ンピュータ２０が捉えて積層圧電素子４６の変位を停止
する。この時はアプローチの速度が前の段階より遅くな
っているので、オーバーランが少なくなる。したがっ
て、停止時のプローブ１３とメディア４１の表面間の距
離が小さくなっても両者が衝突することはない。この
後、書き込み・読み取りを始める。

【００３７】このように、プローブ１３とメディア４１
の表面間の距離が大きい時は速いスピードで両者を接近
させつつ、静電引力を用いてプローブ１３とメディア４
１の表面間の距離が大きい段階から両者の接近を捉える
ことにより衝突を防ぐことができる。プローブ１３とメ
ディア４１の表面間の電位差と接近速度を段階的に小さ
くして、以上のシーケンスを行うことができる。最後の
アプローチでは両者の電圧印加をなくしてシアフォース
によるプローブ１３とメディア４１の表面間の距離検出
を行ってアプローチを終了する。

【００３８】従来のシアフォースだけのプローブ１３と
メディア４１の表面間の距離検出の場合は、数十ｎｍに
接近してからでないと両者の接近を検知できないので、
アプローチの最初から数十ｎｍ／ｓの非常にゆっくりと
した速度でアプローチを行う必要があり、書き込み・読
み取り動作の開始までに非常に時間がかかった。しか
し、先に延べた方法により、プローブ１３とメディア４
１の表面間の距離に対応した接近速度を選ぶことができ
るので、書き込み・読み取り開始までの時間を短縮する
ことができる。積層圧電素子としては数十Ｖで５００μ
ｍ程度の変位を得るために、厚さ２ｍｍ程度で２０〜３
０層程度の積層数のものを用いる。電圧を印加すると積
層圧電素子４５の厚さが増えるタイプのものでもよい
が、待機時や、電源ｏｆｆ時にプローブ１３とメディア
４１の表面間の距離が大きくなるようにするために、電
圧を印加すると厚みが減るタイプを用いることが好まし
い。

【００３９】上述の第１の実施例では最後のアプローチ
で、プローブ１３と試料１４の表面間の電位差をなくし
ていたが、第２の実施例はこのような方法に限定される
ものでない。第２の実施例として、例えば、最後のアプ
ローチにおいて、一つ前のアプローチの段階での電圧よ
りも更に電圧を下げ、電圧を印加したままで静電引力を
働かせ、アプローチを終了させることもできる。そし
て、電圧を印加し、静電引力を検出しながらプローブ１
３とメディア４１の表面間の距離を一定に保ちながらメ
ディアへの書き込み・読み取りを行うことがきる。ま
た、最後のアプローチにおいて、一つ前のアプローチの
段階での電圧よりも更に電圧を下げなくても同様の動作
を行うことができる。

【００４０】図３は本発明の第３の実施例の概略構成を
示す図である。ここで、第２の実施例ではプローブと試
料表面間の距離を常に帰還制御によって一定にするよう
にしていたが、実際にはメディア４１は高速に回転して
いるので望ましくない振動が生じ、帰還制御が暴走した
りして、プローブ１３とメディア４１の表面が衝突して
しまうことがある。そこで、第３の実施例では、待機状
態で、プローブとメディア表面間の距離を決め、書き込
み・読み取り時はプローブとメディアの表面間の距離を
固定した状態で、帰還制御を行わずに書き込み・読み取
りを行う。本実施例では静電引力によりプローブ１３と
メディア４１の表面間の距離検出は行わない。

【００４１】先ず、待機時において、スライダはメディ
ア４１の上に接触している。この時、スピンドルモータ
４２は回転または停止している。プローブ１３とメディ
ア４１の表面が接触する危険性を考えると停止している
方が好ましい。この時、プローブ１３の先端と耐摺動パ
ッド４７の表面(パッドはメディア表面に接触するの
で、メディア表面と同じ高さになる)が約０．５μｍに
なるように予めスライダを作製しておく。この後、ラン
プレートの遅い電圧を積層圧電素子４６に印加して遅い
スピード（約１０ｎｍ／ｓ）でプローブ１３の先端とメ
ディア４１の表面を接近させていく。数十ｎｍ程度まで
プローブ１３とメディア４１の表面が接近するとプロー
ブ１３とメディア４１の表面間のシアフォースにより水
晶振動子２２の振動振幅が小さくなる。所望の距離まで
両者が近づいたところで、これをコンピュータ２０が捉
えて積層圧電素子４６の変位を停止する。ここで、帰還
制御を停止し、先の停止時の状態で積層圧電素子４６の
厚みを固定する。つまりプローブ１３とメディア４１の
表面間の距離を固定する。ここで重要なことは、積層圧
電素子４５はこれに印加する電圧を増減させ、変位を生
じさせると、その後、電圧を一定にしても変位がゆっく
りと変化してしまう、いわゆるクリープ現象が起きてし
まうことである。これが生じると、いったん積層圧電素
子４６の位置（厚み）、すなわちプローブ１３とメディ
ア４１の表面間の距離を決めても、これが変化してしま
う。これを防止するため、電荷制御回路５１、あるいは
定電流回路を用いた電荷制御による線形制御方式を用い
る。あるいは、積層圧電素子４６に直列に適当な容量の
コンデンサを接続してもよい。これにより、積層圧電素
子４６の変位は固定され、よってプローブ１３とメディ
ア４１の表面間の距離も固定される。この後、書き込み
・読み取りを行うのであるが耐摺動パッド４７がメディ
ア４１の表面に接触しサスペンションによって一定の力
で押し付けられているので、書き込み・読み取りの動作
中もプローブ１３とメディア４１の表面間の距離が変わ
ることはない。帰還動作がないので、これが暴走したり
して、プローブ１３とメディア４１の表面が衝突してし
まうことがない。

【００４２】図４は本発明の第４の実施例の概略構成を
示す図である。ここで、第２の実施例ではプローブと試
料表面間の距離を常に帰還制御によって一定にするよう
にしていたが、実際にはメディア４１は高速に回転して
いるので望ましくない振動が生じ、帰還制御が暴走した
りして、プローブとメディア４１の表面が衝突してしま
うことがある。そこで、本実施例では待機状態で、プロ
ーブ１３とメディア４１の表面間の距離を決め、書き込
み・読み取り時はプローブとメディア４１の表面間の距
離を固定した状態で、帰還制御を行わずに書き込み・読
み取りを行う。基本的構成は第３の実施例と同じだが、
ここでは静電引力によりプローブ１３とメディア４１の
表面間の距離検出を行う。レーザ光源１１は連続発振し
ていてその光はカップリングレンズ１２によりファイバ
からなるプローブ１３の端面に集光されてプローブ１３
のコア内に入る。その光は先端が先鋭化されているプロ
ーブ１３の先端のごく近傍(数十ｎｍ)に近接場光として
存在する。メディア４１はスピンドルモータ４２により
回転させられる。メディア４１の表面には透過率のコン
トラストを持つ領域(マーク)により情報を記録されてい
る。プローブ１３の先端をメディア４１の表面から数十
ｎｍ以下の距離に近づけるとプローブ１３の先端から染
み出している近接場光はメディア４１に伝播し、先のマ
ークの透過率に対応したパワーを持つ透過光がメディア
４１のプローブ側と反対側に出てくる。この光はカップ
リングレンズ１６を通してＰＭＴ１７に入る。ＰＭＴ１
７は入射した光を電気信号に変換し、プリアンプ１８で
増幅された後、２値化回路４２でディジタル情報に変換
され、コンピュータ２０に供給され、メディア４１上の
情報が読み取られる。メディア４１はプローブ１３と相
対運動をしているので、円周方向に並んでいるマークに
記録されている情報を時系列にコンピュータ２０に蓄え
られていく。メディア４１が書き込み可能なものであれ
ば、同じようにデータを書き込むこともできる。必要な
書き込みパルスがコンピュータ２０によりＬＤドライバ
４３に与えられ、これがレーザ光源１１を駆動して、メ
ディア４１表面に情報を書き込んでいく。プローブ４１
は水晶振動子２２の片方の片持ち梁に接着されている。
水晶振動子２２は互いに接する圧電素子２３及びＬ字型
のホルダ４５を介して積層圧電素子４６に接続されてい
る。積層圧電素子４６は耐摺動パッド４７の上に接続さ
れている。耐摺動パッド４６はメディア４１の表面に接
触している。メディア４１が回転すると、メディア４１
上を耐摺動パッド４６が摺動し、メディア４１とプロー
ブ１３間で相対運動が生じる。積層圧電素子４６はこれ
に電圧を印加するとＺ方向に伸び縮みするので、プロー
ブ１３とメディア４１表面間の距離を変えることができ
る。水晶振動子２２は互いに接する圧電素子２３により
その共振周波数で加振される。メディア４１の表面がプ
ローブ１３の先端に近づくとメディア４１の表面とプロ
ーブ１３の先端に原子間力に基づくせん断応力（シアフ
ォース）や静電引力が働く。この力がメディア４１の表
面とプローブ１３の先端間のばねとして働き、この振動
系全体の共振周波数が変化する。しかし、圧電素子２３
により、加振されている周波数は以前と変わらないの
で、振動系全体は共振状態から外れ、これにより振動の
振幅は小さくなる。水晶振動子２２に生じる電圧は差動
増幅器２５で増幅され、ロックインアンプ２６に入力さ
れる。ロックインアンプ２６は振動周波数に同期して水
晶振動子２２の振幅を直流電圧に増幅・変換する。ロッ
クインアンプ２６の出力はＡ／Ｄ変換器２８を介してコ
ンピュータ２０に取り込まれる。コンピュータ２０は所
望のプローブ１３とメディア４１の表面間の距離に対応
する基準値との差をから、プローブ１３とメディア４１
の表面間の距離を制御する数値を計算して出力する。Ｄ
/Ａ変換器４７でこの出力値がアナログ電圧に変換され
た後電荷制御回路５１を介して積層圧電素子に入力され
る。これにより、プローブ１３とメディア４１の表面間
の距離がコンピュータ２０により制御される。スライダ
は図示しないサスペンション、アーム、アームモータを
介してスピンドルモータ４２が固定されている基板に固
定されている。但しスライダはアームモータによりトラ
ッキング方向には移動できる。またサスペンションによ
りＺ方向に上下できる。しかし、サスペンションによ
り、適当な力で、メディア４１の表面にスライダは押し
付けられていて、耐摺動パッド４７はメディア４１の表
面に接触している。

【００４３】以上のような情報記録再生装置が待機状態
にある時は、プローブ１３とメディア４１が接触しない
ようにプローブ１３はメディア４１から遠くに離してお
く。さて、前述の書き込みあるいは読み取り動作を始め
る前に、プローブ１３とメディア４１表面を近づける作
業が必要である。先に述べたようにプローブ１３とメデ
ィア４１の表面間の距離をシアフォースのみで知ろうと
すると、両者の距離が数十ｎｍに近づくまで、メディア
４１の表面のプローブ１３への接近を知ることができな
い。これにより衝突が生じ易い。そこで、本実施例で
は、プローブ１３とメディア４１の表面間に電位差を生
じさせることによりこれを解決する。その前提として、
プローブ１３はその先端まで導電性のものであることと
メディア４１もまた導電性のものであることである。近
接場光測定に用いられるファイバからなるプローブ１３
はクラッドからの光の放出がノイズとなるため、これを
防ぐために、ファイバクラッド上に金属コートを施して
いるので、一般的に前者の条件は満たしている。また、
メディアも光磁気材料、相変化材料などは導体または半
導体であり比抵抗が低いので、多くの場合、後者の条件
も満たしている。

【００４４】そこで、コンピュータ２０で制御できるス
イッチ２９を設ける。先ずスイッチ２９により電圧Ｖａ
とファイバからなるプローブ１３の金属遮光膜を接続す
る。金属膜はファイバ全体に付着させることができるの
で、ファイバからなるプローブ１３の根元に電圧Ｖａを
供給することでプローブ１３の先端に電圧を印加するこ
とができる。メディア４１はスピンドルモータ軸を介し
て、基準電位に接続（接地）させておく。このようにし
ておくとファイバ先端の金属膜とメディア４１の表面間
に電圧Ｖａが印加される。したがって、両者の間に静電
引力が働く。静電引力は電圧Ｖａの２乗に比例し、プロ
ーブとメディア表面間の距離ｄの２乗に逆比例する。一
方、原子間力すなわちシアフォースはプローブ１３とメ
ディア４１の表面間の距離ｄの指数関数で減少する。し
たがって、静電引力は距離に対する減衰がシアフォース
に比べて遥かに緩やかであるため、プローブ１３とメデ
ィア４１の表面間の距離が大きくても両者の接近を水晶
振動子２２の振幅の減少として捉えることができる。こ
の距離は電圧Ｖａの値にもよるが、数十Ｖの場合、プロ
ーブ１３とメディア４１の表面間の距離が数十μｍ程度
でも水晶振動子２２の振幅減少を捉えることができる。
どの程度のプローブ１３とメディア４１の表面間の距離
から、両者の接近を捉えるかは、電圧Ｖａにより調整可
能である。より遠くから両者の接近を捉えたい場合は電
圧Ｖａを大きくすればよい。待機時は、スライダはメデ
ィア４１の上に接触している。この時、スピンドルモー
タ４２は回転または停止している。プローブ１３とメデ
ィア４１の表面が接触する危険性を考えると停止してい
る方が好ましい。書き込み・読み取りを行う前に、プロ
ーブ１３とメディア４１間に電圧を印加した状態で、圧
電素子２３により水晶振動子２２、プローブ１３を共振
周波数で加振し、水晶振動子２２の出力からプローブ１
３の振動振幅を常に監視しつつ、ランプレートの速い電
圧を積層圧電素子４６に印加して速いスピードで、プロ
ーブ１３をメディア４１の表面に近づける。振幅が小さ
くなったところで、積層圧電素子４６の電圧をホールド
してプローブ１３とメディア４１の表面を接近させるこ
とを停止する。更に、プローブ１３とメディア４１間に
電位差を小さくし、ランプレートの遅い電圧を積層圧電
素子４６に印加して遅いスピードで微動のアクチュエー
タ（圧電素子など）により、プローブ１３の先端とメデ
ィア４１の表面間の距離が所望の距離になるように両者
を接近させ、この後、書き込み・読み取りを始める。

【００４５】一例として、待機時は、プローブ１３の先
端と耐摺動パッド４６の表面（パッドはメディア４１の
表面に接触するので、メディア４１の表面と同じ高さに
なる）が約０．５μｍになるように予めスライダを作製
しておく。例えば、電圧Ｖａを２Ｖ程度にし、水晶振動
子２２の出力からプローブの振動振幅を常に監視しつ
つ、ランプレートの速い電圧を積層圧電素子４６に印加
して速いスピードでプローブ１３とメディア４１の表面
を接近させる。プローブ１３とメディア４１の表面間の
距離が２００ｎｍぐらいになるとプローブ１３とメディ
ア４１の表面間の静電引力により水晶振動子２２の振動
振幅が小さくなる。これをコンピュータ２０が捉えて積
層圧電素子４６の電圧をホールドしてプローブ１３とメ
ディア４１の表面を接近させることを停止する。２００
ｎｍ程度からプローブ１３とメディア４１の表面の接近
を検知し停止させれば、検知から停止までの間のオーバ
ーランによりプローブ１３とメディア４１の表面が衝突
することはない。したがって、比較的速い速度（約０．
１μｍ/s）で最初のアプローチを行うことができる。更
に、今度は電圧Ｖａを０．５Ｖ程度にする。これにより
プローブ１３とメディア４１の表面間の電位差は小さく
なり、両者には静電引力は小さくなる。この後、ランプ
レートの遅い電圧を積層圧電素子４６に印加して遅いス
ピード（約１０ｎｍ/s）でプローブ１３の先端とメディ
ア４１の表面を接近させていく。数十ｎｍ程度までプロ
ーブ１３とメディア４１の表面が接近するとプローブ１
３とメディア４１の表面間の静電引力により水晶振動子
２２の振動振幅が小さくなる。所望の距離まで両者が近
づいたところで、これをコンピュータ２０が捉えて積層
圧電素子４６の変位を停止する。この時はアプローチの
速度が前の段階より遅くなっているので、オーバーラン
が少なくなる。したがって、停止時のプローブ１３とメ
ディア４１の表面間の距離が小さくなっても両者が衝突
することはない。

【００４６】このように待機時にプローブ１３をメディ
ア４１の表面にアプローチさせた後、帰還制御を停止
し、先の停止時の状態で積層圧電素子の厚みを固定す
る。つまりプローブ１３とメディア４１の表面間の距離
を固定する。両者の距離を固定した後も、プローブ１３
に電圧を印加しつつ書き込み・読み取りを行ってもよ
い。あるいは、両者の距離を固定した後、スイッチを接
地側に接続して、プローブへの電圧印加を止めてから、
書き込み・読み取りを行ってもよい。

【００４７】ここで重要なことは、積層圧電素子４６は
これに印加する電圧を増減させ、変位が生じると、その
後、電圧を一定にしても変位がゆっくりと変化してしま
う、いわゆるクリープ現象が起きてしまうことである。
これが生じると、いったん積層圧電素子４６の位置(厚
み)、すなわちプローブと試料表面間の距離を決めて
も、これが変化してしまう。これを防止するため、電荷
制御回路５１、あるいは低電流回路を用いた電荷制御に
よる線形制御方式を用いる。あるいは、積層圧電素子４
６に直列に適当な容量のコンデンサを接続してもよい。
これにより、積層圧電素子４６の変位は固定され、よっ
てプローブ１３とメディア４１の表面間の距離も固定さ
れる。この後、書き込み・読み取りを行うのであるが耐
摺動パッド４７がメディア４１の表面に接触しサスペン
ションによって一定の力で押し付けられているので、書
き込み・読み取りの動作中もプローブ１３とメディア４
１の表面間の距離が変わることはない。帰還動作がない
ので、これが暴走したりして、プローブ１３とメディア
４１の表面が衝突してしまうことがない。

【００４８】このように、アプローチ時に、プローブ１
３とメディア４１の表面間の距離が大きい時は速いスピ
ードで両者を接近させつつ、静電引力を用いてプローブ
１３とメディア４１の表面間の距離が大きい段階から両
者の接近を捉えることによりアプローチ時の衝突を防ぐ
ことができる。プローブ１３とメディア４１の表面間の
電位差と接近速度を段階的に小さくして、以上のシーケ
ンスを行うことができる。最後のアプローチでは両者の
電位差を小さくして小さい静電引力によるプローブ１３
とメディア４１の表面間の距離検出を行ってアプローチ
を終了する。

【００４９】従来のシアフォースだけのプローブとメデ
ィア表面間の距離検出の場合は、数十ｎｍに接近してか
らでないと両者の接近を検知できないので、アプローチ
の最初から数十ｎｍ／ｓの非常にゆっくりとした速度で
アプローチを行う必要があり、書き込み・読み取り動作
の開始までに非常に時間がかかった。しかし先に延べた
方法により、プローブとメディア表面間の距離に対応し
た接近速度を選ぶことができるので、書き込み・読み取
り開始までの時間を短縮することができる。積層圧電素
子としては数十Ｖで５００μｍ程度の変位を得るため
に、厚さ２ｍｍ程度で２０〜３０層程度の積層数のもの
を用いる。電圧を印加すると、この厚さが増えるタイプ
のものでもよいが、待機時や、電源ｏｆｆ時にプローブ
１３とメディア４１の表面間の距離が大きくなるように
するために、電圧を印加すると厚みが減るタイプを用い
ることが好ましい。

【００５０】次に、本発明の第５の実施例について説明
する。第４の実施例においては、先ず例えば電圧Ｖａを
２Ｖ程度にしてプローブ１３とメディア４１の表面を接
近させるアプローチを行った後電圧Ｖａを０．５Ｖ程度
にして微調整のアプローチを行っていたが、第５の実施
例では先ず例えば電圧Ｖａを２Ｖ程度にしてプローブ１
３とメディア４１の表面を接近させるアプローチを行っ
た後電圧Ｖａを０Ｖ、つまり接地した場合の例である。
ここでは、接地したときのアプローチについて説明する
ものとする。

【００５１】第４の実施例と同様に、例えば電圧Ｖａを
２Ｖ程度にし、水晶振動子の出力からプローブの振動振
幅を常に監視しつつ、ランプレートの速い電圧を積層圧
電素子に印加して速いスピードでプローブと試料表面を
接近させる。プローブとメディア表面間の距離が２００
ｎｍぐらいになるとプローブとメディア表面間の静電引
力により水晶振動子の振動振幅が小さくなる。これをコ
ンピュータが捉えて積層圧電素子の電圧をホールドして
プローブと試料表面を接近させることを停止する。２０
０ｎｍ程度からプローブとメディア表面の接近を検知し
停止させれば、検知から停止までの間のオーバーランに
よりプローブとメディア表面が衝突することはない。し
たがって、比較的速い速度（約０．１μｍ／ｓ)で最初
のアプローチを行うことができる。

【００５２】更に、今度はスイッチ２９を接地側に切り
替える。これによりプローブ１３とメディア４１の表面
間の電位差はなくなり、両者には静電引力は働かなくな
る。この後、ランプレートの遅い電圧を積層圧電素子４
６に印加して遅いスピード（約１０ｎｍ／ｓ）でプロー
ブ１３の先端とメディア４１の表面を接近させていく。
数十ｎｍ程度までプローブ１３とメディア４１の表面が
接近するとプローブ１３とメディア４１の表面間のシア
フォースにより水晶振動子２２の振動振幅が小さくな
る。所望の距離まで両者が近づいたところで、これをコ
ンピュータ２０が捉えて積層圧電素子４５の変位を停止
する。この時はアプローチの速度が前の段階より遅くな
っているので、オーバーランが少なくなる。したがっ
て、停止時のプローブ１３とメディア４１の表面間の距
離が小さくなっても両者が衝突することはない。このよ
うに待機時にプローブ１３をメディア４１の表面にアプ
ローチさせた後、帰還制御を停止し、先の停止時の状態
で積層圧電素子４６の厚みを固定する。つまりプローブ
１３とメディア４１の表面間の距離を固定する。

【００５３】上述した実施例において、プローブの振動
方向は試料又はメディアの表面に対して平行であった
が、これに限定する必要はなく、例えば図５又は図６に
示すように試料又はメディアの表面に対して垂直又はこ
れに近い方向に振動した場合でも同様な動作及び効果を
得ることができる。また、上記各実施例では近接場光を
用いたファイバプローブについて述べたが、本発明はプ
ローブのアプローチ方法に特徴あるので、ノンコンタク
ト型やコンタクト型の原子間力顕微鏡のカンチレバーや
磁力顕微鏡などにも適用可能である。更に、電圧印加を
一回又は段階的に可変してもよい。また、上記各実施例
では、透過光を利用したが、反射光を利用してもよく、
更に光電変換素子として、フォトマルティプライヤテュ
ーブを用いたが、フォトダイオードやアバランシェフォ
トダイオードでもよい。また、上記第２〜第５の実施例
では、コンタクト型スライダを例として示したが、フラ
イング型又はセミコンタクト型スライダでもよく、また
プローブとメディアの表面間の距離を調整するアクチュ
エータとして積層圧電素子を示したが条件が許せば他の
圧電素子でもよいし、磁力を用いたアクチュエータでも
よい。更に、上記各実施例では、プローブの振動を検出
する方法として水晶振動子を用いたが光学的手法により
プローブの振動を検出方法を用いてもよい。

【００５４】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変
形や置換可能であることは言うまでもない。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光ファイバのプローブの近傍に発生する近接場光を利用
するプローブ型顕微鏡は、プローブと試料の表面間の距
離を調整する距離調整機構と、プローブと試料との間に
電圧を印加する電圧印加手段と、プローブに所定の共振
周波数での振動を付与する加振手段と、電圧印加手段に
よって印加した電圧による電場によって、又はプローブ
と試料とが接近することによって発生するシアフォース
によってプローブに生ずる振動振幅の変化を測定する振
動振幅測定手段とを具備する。このような構成を有する
本発明のプローブ型顕微鏡は、先ずプローブと試料との
間に電圧印加手段によって電圧を印加したとき発生する
電場によるプローブにおける振動振幅の変化を振動振幅
測定手段によって測定する。その測定結果に基づいて距
離調整機構を制御してプローブと試料の表面間の距離を
所定の位置まで粗動調整して互いに接近させる。その
後、電圧印加をやめるか、あるいは一定に保った状態
で、プローブと試料とが接近したとき発生するシアフォ
ースによるプローブの振動振幅の変化を振動振幅測定手
段によって測定し、測定結果に基づいて距離調整機構を
制御してプローブと試料の表面間の距離を更に急接近可
能とする微動調整を行う。よって、プローブと試料が衝
突することない、動作速度の速いプローブ型顕微鏡を提
供できる。

【００５６】また、別の発明に係る、光ファイバのプロ
ーブの近傍に発生するエバネッセント場中に設置された
メディアの記録層に近接場光を利用して情報を記録再生
する情報記録再生装置は、プローブとメディアの表面間
の距離を調整する距離調整機構と、プローブとメディア
との間に電圧を印加する電圧印加手段と、プローブに所
定の共振周波数での振動を付与する加振手段と、電圧印
加手段によって印加した電圧による電場によって、又は
プローブと試料とが接近することによって発生するシア
フォースによってプローブに生ずる振動振幅の変化を定
する振動振幅測定手段とを具備する。このような構成を
有する情報記録再生装置は、先ずプローブとメディアと
の間に電圧印加手段によって電圧を印加したとき発生す
る電場によるプローブにおける振動振幅の変化を振動振
幅測定手段によって測定する。その測定結果に基づいて
距離調整機構を制御してプローブとメディアの表面間の
距離を所定の位置まで粗動調整して互いに接近させる。
その後、プローブとメディアとが接近したとき発生する
シアフォースによるプローブの振動振幅の変化を振動振
幅測定手段によって測定し、測定結果に基づいて距離調
整機構を制御してプローブとメディアの表面間の距離を
更に急接近可能とする微動調整を行う。よって、プロー
ブ先端とメディア間の衝突が少なく、かつ動作速度の速
い装置を実現できる。

【００５７】更に、情報記録再生装置の距離調整機構
は、プローブと接するように設けられ、かつメディアの
表面に摺動可能に設けられ、電圧印加によって生じる圧
電効果に伴う変位現象によってプローブとメディアの距
離を可変する圧電素子を含んで構成している。よって、
回転するメディアの変動に対応してプローブとメディア
の間の距離を一定に保つことができる。

【００５８】また、情報記録再生装置の距離調整機構に
おける圧電素子に電荷制御回路を設けたことにより、圧
電素子に生じるクリープ現象を防ぎ、圧電素子の変位を
一定に保つことができ、強いてはプローブとメディアの
間の距離を一定に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の概略構成を示す図であ
る。

【図２】本発明の第２の実施例の概略構成を示す図であ
る。

【図３】本発明の第３の実施例の概略構成を示す図であ
る。

【図４】本発明の第４の実施例の概略構成を示す図であ
る。

【図５】プローブの振動方向に別の形態を説明する図で
ある。

【図６】プローブの振動方向に更に別の形態を説明する
図である。

【図７】第１の従来例の概略断面を示す図である。

【図８】第２の従来例の概略断面を示す図である。

【図９】第３の従来例の概略断面を示す図である。

【図１０】第４の従来例の概略断面を示す図である。

【図１１】第４の従来例における空間周波数と光量変化
の基本波成分との特性を示す図である。

【符号の説明】

１３：プローブ、１４：試料、１５：プリズム、１７：
ＰＭＴ、１８：プリアンプ、１９，２８：Ａ／Ｄ変換
器、２０：コンピュータ、２１：円筒圧電スキャナ、２
２：水晶振動子、２３：圧電素子、２５：差動増幅器、
２６：ロックインアンプ、２７：帰還回路、２９：スイ
ッチ、３０：可変電圧源、３１：粗動ステージ、３２：
微動ステージ、４１：メディア、４５：ホルダ、４６：
積層圧電素子、４７：耐摺動パッド、５１：電荷制御回
路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ１１Ｂ 7/09 Ｇ１１Ｂ 7/09 Ｂ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバのプローブの近傍に発生する
   近接場光を利用するプローブ型顕微鏡において、 プローブと試料の表面間の距離を調整する距離調整機構
   と、 プローブと試料との間に電圧を印加する電圧印加手段
   と、 プローブに所定の共振周波数での振動を付与する加振手
   段と、 前記電圧印加手段によって印加した電圧による電場によ
   って、又はプローブと試料とが接近することによって発
   生するシアフォースによってプローブに生ずる振動振幅
   の変化を測定する振動振幅測定手段とを具備することを
   特徴とするプローブ型顕微鏡。
2. 【請求項２】 プローブと試料との間に前記電圧印加手
   段によって電圧を印加したとき発生する電場によるプロ
   ーブにおける振動振幅の変化を前記振動振幅測定手段に
   よって測定し、測定結果に基づいて前記距離調整機構を
   制御してプローブと試料の表面間の距離を所定の位置ま
   で粗動調整し、プローブと試料とが接近したとき発生す
   るシアフォースによるプローブの振動振幅の変化を前記
   振動振幅測定手段によって測定し、測定結果に基づいて
   前記距離調整機構を制御してプローブと試料の表面間の
   距離を微動調整する請求項１記載のプローブ型顕微鏡。
3. 【請求項３】 光ファイバのプローブの近傍に発生する
   エバネッセント場中に設置されたメディアの記録層に近
   接場光を利用して情報を記録再生する情報記録再生装置
   において、 プローブとメディアの表面間の距離を調整する距離調整
   機構と、 プローブとメディアとの間に電圧を印加する電圧印加手
   段と、 プローブに所定の共振周波数での振動を付与する加振手
   段と、 前記電圧印加手段によって印加した電圧による電場によ
   って、又はプローブと試料とが接近することによって発
   生するシアフォースによってプローブに生ずる振動振幅
   の変化を定する振動振幅測定手段とを具備することを特
   徴とする情報記録再生装置。
4. 【請求項４】 プローブとメディアとの間に前記電圧印
   加手段によって電圧を印加したとき発生する電場による
   プローブにおける振動振幅の変化を前記振動振幅測定手
   段によって測定し、測定結果に基づいて前記距離調整機
   構を制御してプローブとメディアの表面間の距離を所定
   の位置まで粗動調整し、プローブとメディアとが接近し
   たとき発生するシアフォースによるプローブの振動振幅
   の変化を前記振動振幅測定手段によって測定し、測定結
   果に基づいて前記距離調整機構を制御してプローブとメ
   ディアの表面間の距離を微動調整する請求項３記載の情
   報記録再生装置。
5. 【請求項５】 前記距離調整機構は、プローブと接する
   ように設けられ、かつメディアの表面に摺動可能に設け
   られ、電圧印加によって生じる圧電効果に伴う変位現象
   によってプローブとメディアの距離を可変する圧電素子
   を含んで構成する請求項３又は４に記載の情報記録再生
   装置。
6. 【請求項６】 前記圧電素子の変位を固定する電荷制御
   回路を設けた請求項５記載の情報記録再生装置。