JP2930447B2 - 情報処理装置 - Google Patents

情報処理装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
等の技術を応用した情報処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、メモリ材料の用途はコンピュータ
とその関連機器、ビデオ、オーディオディスク等のエレ
クトロニクス産業の中核を成すものであり、その材料開
発も極めて活発に行われている。従来では、磁性体、半
導体を素材とした磁気メモリ、半導体メモリが主であっ
たが、レーザー技術の進展に伴い有機色素、フォトポリ
マ等の有機薄膜を用いた安価でかつ高密度記録可能な光
メモリが登場しつつある。
【０００３】一方で、最近では物質表面及び表面近傍の
電子構造を直接観察できる走査型トンネル顕微鏡（以下
ＳＴＭという）が開発され［G.Binniget al.,Helvetic
-aPhysica Acta,55,726(1982) ］、単結晶、非結晶を問
わず高分解能で実空間像の観測ができるようになり、し
かも試料物質に電流による損傷を殆ど与えずに低電力で
測定できる利点をも有し、更には超高真空中のみならず
大気中、溶液中でも動作し、種々の材料に対して適用で
きるため広汎な応用が期待されている。
【０００４】ＳＴＭは金属の探針と導電性試料との間に
電圧を印加して約１ｎｍ程度の距離まで近付けると、ト
ンネル電流が発生する現象を利用している。このトンネ
ル電流は両者間の距離変化に非常に敏感で指数関数的に
応答するため、トンネル電流を一定に保持して探針を試
料上で走査すれば、試料表面の実空間形状を面内方向の
分解能０．１ｎｍ程度まで得ることができる。
【０００５】このＳＴＭの原理を応用すれば、原子オー
ダ（サブ・ナノメートル）での記録再生が可能となるた
め、この原理を応用した超高密度記録用の情報の記録・
再生・消去の少なくとも何れかを行う情報処理装置が種
々提案されている。例えば、特開昭６１−８０５３６号
公報に開示されるものでは、記録媒体表面に吸着した原
子粒子を電子ビームで除去して書込みを行っており、そ
の他にレーザービーム、電子ビーム、粒子ビーム等を用
いて記録媒体の表面を物理的、或いは磁性的に崩壊させ
て書込みを行う方法も提案されている。
【０００６】また、米国特許第4,575,822 号公報に開示
されるものでは、記録媒体表面に形成された誘電体層に
トンネル電流によって電荷を注入して記録を行ってお
り、何れの場合にもＳＴＭで記録再生が行われる。或い
は、特開昭６３−１６１５５２号公報、同１６１５５３
号公報に開示されるように、電圧電流のスイッチング特
性に対してメモリ効果を持つ材料、例えばπ電子系有機
化合物、カルコゲン化合物類の薄膜層を記録層として用
いて、ＳＴＭにより記録再生を行う方法も提案され、こ
の方法によれば記録ビットサイズを１０ｎｍとして、１
０12ビット／ｃｍ2 の大容量記録再生が可能となる。
【０００７】これらの情報処理装置においては、探針、
記録媒体間に流れるトンネル電流の平均値を一定に保持
して走査することが重要であり、その制御方法は例えば
特開平１−５３３６３号公報、同１３３２３９号公報等
に開示されるものに提案されている。
【０００８】図５は１従来例の探針、記録媒体間距離の
制御回路を示し、プローブ電極１、記録媒体２間に流れ
るトンネル電流は電流増幅器３で増幅され、低域通過型
フィルタ４によって抽出した帯域成分は、位相補償回路
５、誤差増幅器６、サンプルホールド回路７を介し、プ
ローブ電極１に取り付けられた円筒型ピエゾアクチュエ
ータ８の動作電圧にフィードバックが掛けられており、
トンネル電流の平均値が一定となるように制御されてい
る。また、高域通過型フィルタ９によって抽出された帯
域成分は、信号処理回路１０に入力されてそこで情報の
再生が行われる。なお、記録信号入力時には、サンプル
ホールド回路７を用いてプローブ電極１の制御出力信号
を一定に保つように制御している。
【０００９】この制御方法は図６に示す回路でも実現可
能である。即ち、プローブ電極１、記録媒体２間に流れ
る電流は、電流増幅器３、対数増幅器１１、低域通過型
フィルタ４を経た後に、増幅器１２、位相補償回路５、
誤差増幅器６、サンプルホールド回路７を介して円筒型
ピエゾアクチュエータ８の動作電圧にフィードバックが
掛けられ、低域通過型フィルタ４の出力は信号処理回路
１０で情報再生される。なお、記録信号入力時にはプロ
ーブ電極１は図５の回路と同様に動作させる。
【００１０】ところで情報処理装置においては、記録媒
体２にアクセスする際にプローブ電極１の位置決めを行
う必要がある。この種の高密度メモリの場合には、一般
的に予め記録媒体２に位置決め用のエッジ部を刻設して
おいて、エッジ検出後にそのエッジに沿ってプローブ電
極１をアクセス位置まで移動する所謂トラッキング方法
が採用されている。従って、実際のアクセス時にはトラ
ックから次のトラックに移動するトラック移動が頻繁に
行われる。このトラック移動には、プローブ電極１の駆
動走査機構の駆動電圧にオフセットを与えたり、或いは
粗動機構自体を動かす等の方法が採られる。
【００１１】前述したように従来の情報処理装置では、
トンネル電流の平均値をほぼ一定に保持して、プローブ
電極１を記録媒体２の面内方向に走査するため、プロー
ブ電極１が図７に示すような凹部のトラック溝Ｔを横切
る際には、プローブ電極１の先端の軌跡はトラック溝の
形状に沿って図中に点線で示すようになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】一般に、プローブ電極
１の先端は非常に尖鋭であるから、プローブ電極１と記
録媒体２の接触は回避しなくてはならない。しかしなが
ら上述の従来例において、記録媒体２上の凹部からプロ
ーブ電極１が抜け出る際にプローブ電極１が記録媒体２
に衝突することを回避するために、フィードバック制御
が追従可能な走査速度でプローブ電極１が走査されてい
る。この走査速度がフィードバック制御の追従能力で制
限されるという事実は、装置の高速なアクセス速度が要
求されている分野への応用に制限を加える結果となって
いる。
【００１３】本発明の目的は、上述の従来例の問題点を
解消しデータへのアクセス速度が速く、そのため用途が
広い情報処理装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係る情報処理装置は、記録媒体からの信号
を検出するプローブの位置をフィードバック制御するプ
ローブ駆動手段と、前記記録媒体上の所定のエッジを検
出するエッジ検出手段と、該エッジ検出手段からの出力
信号に基づいて前記プローブ駆動手段の制御をホールド
するホールド手段とを有することを特徴とするものであ
る。
【００１５】
【作用】上述の構成を有する情報処理装置は、例えばト
ンネル電流検出手段によって検出されるトンネル電流の
平均値がほぼ一定となるように、プローブの位置をフィ
ードバック制御するが、記録媒体上でエッジを検出した
際にはプローブの制御がホールドされる。
【００１６】
【実施例】本発明を図１〜図４に図示の実施例の基づい
て詳細に説明する。図１は構成図を示し、図５と同一符
号は同一部材を示している。ステージ１３上には下地電
極１４を取り付けた記録媒体２が載置され、円筒型ピエ
ゾアクチュエータ８を取り付けられたプローブ電極１
が、記録媒体２に対向して下向きに設けられている。ト
ンネル電流検出のために、プローブ電極１には電流増幅
器３が接続され、電流増幅器３の出力は電極制御用比較
器１５、サンプルホールド回路１６に接続されており、
サンプルホールド回路１６の出力は誤差増幅器６、低域
通過型フィルタ４、高域通過型フィルタ９に接続されて
いる。誤差増幅器６の出力は円筒型ピエゾアクチュエー
タ８のｚ方向駆動電極８ａに接続され、低域通過型フィ
ルタ４の出力はデータ変復調部１７、可変抵抗VR2 を介
してデータ検出用比較器１８に接続され、高域通過型フ
ィルタ９の出力はデータ検出用比較器１８に接続され、
データ検出用比較器１８の出力はデータ変復調部１７に
接続されている。また、電極制御用比較器１５の出力は
トラッキング制御部１９からの出力と共にオア回路２
０、アンド回路２１に接続されている。オア回路２０に
はトラッキング制御部１９の出力も入力され、オア回路
２０の出力はサンプルホールド回路１６に接続されてい
る。アンド回路２１にはトラッキング制御部１９からの
出力が入力され、アンド回路２１の出力はオア回路２２
に接続され、オア回路２２の出力はトラッキング制御部
１９からの出力と共にアップダウンカウンタ２３に接続
され、アップダウンカウンタ２３の出力はＤ／Ａ変換器
２４に、Ｄ／Ａ変換器２４の出力は増幅器２５に、増幅
器２５の出力は円筒型ピエゾアクチュエータ８のｘ方向
駆動電極８ｂに接続されている。また、Ｄ／Ａ変換器２
４の出力は、トラッキング制御部１９からの出力と共
に、可変抵抗VR1 、抵抗R1を介して増幅器２６に接続さ
れ、増幅器２６は円筒型ピエゾアクチュエータ８のｙ方
向駆動電極８ｃに接続されている。一方、ステージ制御
部２７の出力は増幅器２８ａ、２８ｂ、２８ｃに接続さ
れ、増幅器２８ａ、２８ｂ、２８ｃの出力はステージ１
３に接続されて、ステージ１３上に載置された記録媒体
２の三次元移動が可能とされている。データ変復調部１
７の出力は、パルス発生器２９に接続され、更にＤＣバ
イアス電圧VB1 と合成され下地電極１４に接続されてい
る。なお、円筒型ピエゾアクチュエータ８はプローブ電
極１を三次元方向にそれぞれ最大２μｍ移動することが
可能とされている。
【００１７】データは記録媒体２上のデータ列上に記録
され、データ列間にはトラック溝が設けられていて、プ
ローブ電極１の位置決めに利用される。データ再生時に
は、サンプルホールド回路１６をスルー状態に従って、
後述する方法でこのデータ列上を走査する。プローブ電
極１、記録媒体２間に流れるトンネル電流は、電流増幅
器３で増幅され、サンプルホールド回路１６を経た後に
誤差増幅器６で基準電圧VB2 と比較され、その誤差電圧
がフィードバックされてｚ方向駆動電極８ａに印加され
るので、プローブ電極１は記録媒体２上のデータ列の凸
部分、又は電子状態の変化に追従するように走査され
る。
【００１８】一方で、サンプルホールド回路１６からの
出力は、低域通過型フィルタ４、高域通過型フィルタ９
に入力されており、低域通過型フィルタ４で積分したエ
ンベロープ信号を抵抗VR2 によって適当に減衰した電圧
と、高域通過型フィルタ９からの出力とがデータ検出用
比較器１８で比較され、２値化データとしてデータ変復
調部１７に出力される。なお、可変抵抗VR2 はデータ列
による出力電圧よりも大きく設定されているものとす
る。
【００１９】トラック移動時においては、電流増幅器３
の出力は電極制御用比較器１５に入力されており、図２
に示すようにトラック溝ＴのエッジＡ点にプローブ電極
１が到達すると、電極制御用比較器１５でエッジ検出が
行われる。その出力はオア回路２０を経てサンプルホー
ルド回路１６に入力され、プローブ電極１のｚ軸方向の
動きがホールドされる。プローブ電極１がトラック溝Ｔ
を越えてエッジＢ点に到達して再びトンネル電流が流れ
始めると、オア回路２０の出力がオフになり、プローブ
電極１のフィードバック制御が開始される。従って、プ
ローブ電極１の先端軌跡は図２の点線で示すようにな
る。トラック移動時に、複数のトラック溝Ｔを横切る場
合には、プローブ電極１がトラック溝Ｔを検出した時点
でプローブ電極１のｚ軸方向の動きをホールドし、この
動作を繰り返す。なお、トラック間移動以外でプローブ
電極１のｚ軸方向の動きをホールドする場合には、オア
回路２０にオン信号を入力すればよい。
【００２０】次に、プローブ電極１の走査においては、
電極制御用比較器１５によって検出されるエッジ検出信
号は、アンド回路２１、オア回路２２を介してアップダ
ウンカウンタ２３へのアップ入力となっており、トラッ
キング制御部１９からアンド回路２１に入力されるトラ
ック移動信号との論理積出力が取られ、次にオア回路２
２に入力されるアップ制御信号との論理和出力がとられ
ている。電極制御用比較器１５がエッジを検出をして、
アップダウンカウンタ２３がアップに切換わるとアップ
カウントが始まるが、一定数の計数後にトラッキング制
御部１９からダウン制御信号が入力されて、再びダウン
カウントに変わる。
【００２１】一方で、アップダウンカウンタ２３の出力
はＤ／Ａ変換器２４、増幅器２６を介してｘ方向駆動電
極８ｂに接続されているので、円筒型ピエゾアクチュエ
ータ８によって、プローブ電極１がｘ軸方向に駆動され
る。アップダウンカウンタ２３の出力信号は、トラッキ
ング制御部１９からの出力方向制御信号によって制御さ
れる可変抵抗VR2 、抵抗R1を介して、トラッキング制御
部１９からのウォブリング信号と合成されｙ方向駆動電
極８ｃに入力され、円筒型ピエゾアクチュエータ８によ
ってプローブ電極１をｙ軸方向にも駆動するようになっ
ている。従って、トラックの移動前に電極制御用比較器
１５がエッジ検出をして、トラッキング制御部１９から
トラック移動信号が入力されると、アップダウンカウン
タ２３がアップに切換わり、そのトラックに沿ってプロ
ーブ電極が往復移動して走査が行われることになる。
【００２２】このプローブ電極１の走査方位は、可変抵
抗VR2 を調整し、ｘ軸方向とｙ軸方向の駆動比を変える
ことによって制御することが可能であり、適正走査方位
はウォブリング電圧を変化してプローブ電極１をｙ軸方
向で移動し、この際のトンネル電流のエンベロープ信号
をモニタして調整する。なお、トラッキング制御部１９
からアンド回路２１に入力される信号は、トラック移動
時にはオフになっているのでプローブ電極１の走査方向
が反転することはない。
【００２３】データ記録時には、プローブ電極１を記録
媒体２のデータ列に沿って走査し、データ書き込みクロ
ックに同期してサンプルホールド回路１６をホールド状
態として、データ変復調部１７から出力されるデータ信
号に従ってパルス発生器２９より書込みパルスを発生す
る。
【００２４】図３は第２の実施例の構成図を示し、この
実施例においては電極制御用比較器１５の出力はサンプ
ルホールド回路１６、アンド回路２１、オフセット増幅
回路３０に接続され、更に誤差増幅器６の出力がオフセ
ット増幅回路３０に接続され、オフセット増幅回路３０
の出力はｚ方向駆動電極８ａに接続されている。また、
トラッキング制御部１９はサンプルホールド回路１６、
オフセット増幅回路３０に接続されており、他の構成は
第１の実施例と同様である。
【００２５】この実施例では、電極制御用比較器１５に
よってトラック溝Ｔが検出された後に、プローブ電極１
をホールドする動作が第１の実施例と異なっている。エ
ッジ検出信号が電極制御用比較器１５からサンプルホー
ルド回路１６、オフセット増幅回路３０に入力される
と、プローブ電極１がホールドされるが、更にオフセッ
ト増幅回路３０からｚ方向駆動電極８ａに一定のオフセ
ット電圧が加えられるため、プローブ電極１は記録媒体
２から一定距離だけ離される。一定時間が経過すると、
トラッキング制御部１９からサンプルホールド回路１
６、オフセット増幅回路３０に信号が出力されて、ホー
ルド状態が解除され、再びプローブ電極１のフィードバ
ック制御が開始される。
【００２６】従って、プローブ電極１の先端の軌跡は図
４の点線で示すようになる。なお、広範囲移動の際に
は、アクセス位置に到達するまではプローブ電極１を記
録媒体２から遠去けておいて、アクセス位置で降下すれ
ばよい。これは動作にも適用可能であり、プローブ電極
１、記録媒体２の衝突が回避される。
【００２７】記録媒体２には、プローブ電極１、記録媒
体２間の電流、電圧特性に対してメモリ効果を有するも
のが使用される。記録媒体２の表面に凹凸を形成して記
録を行うものでは、ＨＯＰＧ(Highly Oriental Pyrolit
hic Graphite) 劈開基板、シリコンウエハ、真空蒸着又
はエピタキシャル成長させたＡｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｃｕ等
の金属薄膜、Ｒｈ25Ｚｘ75、Ｃｏ35Ｔｂ65などのガラス
金属があり、記録媒体２の表面の電子状態によって記録
を行うものでは、アモルファスシリコン、π電子系有機
化合物、カルコゲン化合物類の薄膜層などがある。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る情報処
理装置は、記録媒体上でエッジを検出した際には、プロ
ーブ電極のホールド状態が変化されるので、記録媒体上
に設けられたトラック溝等にプローブ電極の先端が入り
込むことがなく、プローブ電極と記録媒体の接触が防止
される。従って、走査速度を速めることができ、トラッ
ク間移動、データアクセスなどが高速化されるという効
果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の構成図である。
【図２】プローブ電極の先端の軌跡の説明図である。
【図３】第２の実施例の構成図である。
【図４】プローブ電極の先端の軌跡の説明図である。
【図５】第１の従来例の構成図である。
【図６】第２の従来例の構成図である。
【図７】従来例のプローブ電極の先端の軌跡の説明図で
ある。
【符号の説明】
１ プローブ電極 ２ 記録媒体 ３ 電流増幅器 ４ 低域通過型フィルタ ６ 誤差増幅器 ７、１６ サンプルホールド回路 ８ 円筒型ピエゾアクチュエータ ９ 高域通過型フィルタ １０ 信号処理回路 １３ ステージ １５ 電極制御用比較器 １９ トラッキング制御部 ２３ アップダウンカウンタ ２７ ステージ制御部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 邦裕 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 畑中 勝則 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−1947（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G11B 9/00 G11B 9/04

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 記録媒体からの信号を検出するプローブ
    の位置をフィードバック制御するプローブ駆動手段と、
    前記記録媒体上の所定のエッジを検出するエッジ検出手
    段と、該エッジ検出手段からの出力信号に基づいて前記
    プローブ駆動手段の制御をホールドするホールド手段と
    を有することを特徴とする情報処理装置。
  2. 【請求項２】 前記ホールド手段によるホールドはエッ
    ジ検出時の前記プローブの鉛直方向の位置に前記プロー
    ブを固定するようにした請求項１に記載の情報処理装
    置。
  3. 【請求項３】 前記ホールド手段によるホールドはエッ
    ジ検出時の前記プローブの鉛直方向の位置よりも前記プ
    ローブ電極を前記記録媒体から離した位置に固定するよ
    うにした請求項１に記載の情報処理装置。
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