JP2994833B2 - 記録及び/又は再生装置、方法と情報検出装置 - Google Patents

記録及び/又は再生装置、方法と情報検出装置

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JP2994833B2 JP4009282A JP928292A JP2994833B2 JP 2994833 B2 JP2994833 B2 JP 2994833B2 JP 4009282 A JP4009282 A JP 4009282A JP 928292 A JP928292 A JP 928292A JP 2994833 B2 JP2994833 B2 JP 2994833B2
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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、例えばトンネル電流を
用いて高密度な情報の記録及び/又は再生を行なう技術
分野に関する。
【0002】
【従来の技術】情報記憶素子や情報記憶装置等のいわゆ
るメモリはコンピュータ及びその他関連機器の中核をな
すものであり、ビデオディスク、デジタルオーディオデ
ィスク等に見られるように、映像装置、音響装置の中で
も重要な地位を占めている。このメモリに要求される性
能はその用途によって異なるが、一般的には以下のよう
な点が挙げられる。 (1)高密度で記録容量が大きい。 (2)記録再生の応答速度が大きい。 (3)消費電力が少ない。 (4)生産性が高く、価格が低い。
【0003】従来、メモリの中心は磁性体や半導体を素
材とした磁気メモリや半導体メモリであったが、近年、
レーザ技術の進展に伴い、有機色素、フォトポリマなど
の有機薄膜を用いた安価で高密度な光メモリが登場して
いる。現在、これらのメモリを更に高密度で大容量にす
るために単位メモリビットの微細化に向けての技術開発
が進められているが、これらの従来のメモリとは全く別
の原理に基づくメモリの提案もされている。例えば、個
々の有機分子に論理素子やメモリ素子の機能を持たせた
分子電子デバイスの概念もその一つである。分子電子デ
バイスは単位メモリビットの微細化を極限まで進めたも
のと見ることができるが、これまで個々の分子にいかに
アクセスするかが問題とされてきた。
【0004】一方、最近、導体の表面原子の電子構造を
直接観察できる走査型トンネル顕微鏡(以後、STMと
略す)が開発され[G.Binnig et al.P
hys.Rev.Lett,49,57(198
2)]、単結晶、非晶質を問わず実空間像を高い分解能
で測定できるようになり、しかもSTMは試料に電流に
よる損傷を与えずに低電力で観測を行なえる利点も有し
ており、更に大気中でも動作し、種々の材料に対して用
いることができるため広範囲な応用が期待されている。
最近では導体表面に吸着した有機分子の分子像観察すら
可能であることが報告されている。
【0005】一方、STMの技術を応用した原子間力顕
微鏡(以後、AFMと略す)が開発され[G.Binn
ig et al.,Phys.Rev.Lett.,
56,930(1985)]、STMと同様、表面の凹
凸情報を得ることができるようになった。AFMは導電
体に限らず絶縁性の試料に対しても原子オーダーで測定
が可能なため今後の発展が望まれている。
【0006】STMは金属の探針(プローブ電極)と導
電性物質間に電圧を印加して、1nm程度の距離まで近
づけるとトンネル電流が流れることを利用している。こ
の電流は両者の距離変化に非常に敏感である。トンネル
電流を一定に保つように探針を走査することにより、こ
の導電性物質の実空間の表面構造を描くことができると
同時に、表面原子の全電子雲に関する種々の情報をも読
み取ることができる。この際、面内方向の分解能は1Å
(0.1nm)程度である。
【0007】従ってSTM原理を応用すれば十分に原子
オーダー(数Å)での高密度記録再生を行なうことが可
能である。この際の記録再生方法としては、粒子線(電
子線、イオン線)あるいはX線等の高いエネルギ電磁
波、及び可視・紫外光等のエネルギ線を用いて、適当な
記録層の表面状態を変化させて記録を行ない、STMで
再生する方法や、あるいは記録層として電圧印加によっ
て導電率の異なる状態へ遷移するスイッチング特性を有
し、且つ導電率の異なる名状態が電圧を印加しない状態
でも保持されるメモリ特性を有している媒体、例えばπ
電子系有機化合物やカルコゲン化合物類の薄膜層を用い
て記録・再生をSTMで行なう方法が知られている。こ
れは例えば特開昭63−161552号公報、特開昭6
3−161553号公報等に開示されている。この方法
によれば、記録のビットサイズを10nmとすれば、1
12bit/cm2もの高密度記録再生が可能である。
【0008】一方、情報記憶装置として、その情報転送
速度を向上させるため一般的に用いられる方法は、情報
の記録手段及び再生手段を複数具備した記憶装置によっ
て、時系列情報を並列情報に変換して複数の情報を同時
に記録し、又、複数の情報を並列情報として読出した
後、時系列情報に変換して再生するものである。STM
を応用した情報記憶装置においても、複数のプローブ電
極を具備することにより、同様に転送速度の向上がはか
れる。
【0009】又、半導体の微細加工技術を駆使して、片
持梁などの弾性体上にプローブ電極を形成し、かつ圧電
アクチュエータ等を弾性体上に形成して弾性体を変形駆
動可能とした記録再生ヘッドを複数個、一体基板上に形
成した情報記憶システムも提案されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】STMを応用した情報
記憶装置においては、プローブ電極を記録媒体表面に極
に近く、1nm程度まで接近させる必要がある。従って
プローブ電極を複数個具備させた場合には、全てのプロ
ーブ電極を等しく記録媒体表面から1nm程度のところ
まで接近させる必要がある。すなわち全てのプローブ電
極の先端を記録媒体表面を1nm程度平行移動させた仮
想曲面上に位置させることが必要である。
【0011】しかしながら、複数個のプローブ電極が1
つの支持体上に一体構成されている場合、全てのプロー
ブ電極の先端がある特定の曲面上に位置するように作成
することは困難である。該曲面が平面の場合、プローブ
電極先端の平面からの位置ずれは全プローブ電極それぞ
れについて1nm以下であることが望ましい。この精度
で複数のプローブ電極を支持体上に精度良く一体作成す
ることは手間やコストの面から困難であることが多い。
又、プローブ電極先端位置を極めて均一に形成できた場
合でも記録媒体表面は厳密にはうねり等があって不均一
である場合が多く、更に記録媒体表面とプローブ電極先
端の位置する面とを常に厳密に平行に配置するのは困難
であるため、各プローブ電極先端と記録媒体との距離を
完全に同一にすることが困難であった。
【0012】そこで、それぞれのプローブ電極の先端位
置を独立に移動させる機構を設け、該プローブ電極先端
それぞれの位置を独立に変化させ、全プローブ電極の先
端の位置する曲面を、形成時とは異なった曲面にするこ
とが望ましい。しかしながら、プローブ電極先端群と記
録媒体表面の相対関係が情報記憶装置の駆動毎に常に一
定に保たれるとは限らない。従って駆動開始時には相対
関係が不明であるから、プローブ電極先端の変位量は駆
動毎に求めていく方が良い。このため例えばプローブ電
極先端群が全体的に特定の方向に傾いてしまった等して
プローブ電極移動機構の無駆動時からの変位量が所定方
向に存在するプローブ電極群で極端に大きくなる等偏る
場合が起こり得る。
【0013】一方、プローブ電極群と記録媒体の接近が
完了した後、情報記憶装置として動作している時には、
接近完了時に必要であった各プローブ電極の変位量を保
持し、あるいはこの変位量の周りで微小な変位を継続さ
せ、位置制御を行なう。この際、上述の変位の偏りによ
って、一部のプローブ電極の位置制御が可能な範囲が制
限される場合が生じる問題があった。
【0014】以上の問題は、走査型プローブ顕微鏡(S
TM)や原子間力顕微鏡(AFM)を応用した情報記憶
装置において、プローブが複数存在する場合に全て共通
する課題であった。
【0015】本発明は、上記課題を解決すべくなされた
もので、1部のプローブの変位量が大きく偏る事を極力
さけ、全てのプローブを記録媒体又は物体表面の極く近
傍まで接近させることが可能であり、プローブ製造時の
プローブ先端位置がばらつき、あるいは記録媒体又は物
体表面が不均一であってもまたは、記録媒体表面とプロ
ーブ先端の位置する面とが傾いていても、その影響を受
けずに補償することのできる装置及び方法の提供を目的
とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為、
本発明の記録及び/又は再生装置では、情報記録及び/
又は再生用の複数のプローブと、該複数のプローブを情
報記録媒体の媒体面に対向して支持する支持体と、前記
複数のプローブおのおのに対し媒体面との間隔方向の位
置を変位させるべく設けられた変位手段と、該変位手段
による変位量の2乗和が最小になる様に前記支持体と媒
体面との距離及び媒体面に対する支持体の傾きを調整す
る調整手段とを備えている。
【0017】又、本発明の記録及び/又は再生方法は、
情報記録及び/又は再生用の複数のプローブと、該複数
のプローブを情報記録媒体の媒体面に対向して支持する
支持体と、前記複数のプローブおのおのに対し媒体面と
の間隔方向の位置を変位させるべく設けられた変位手段
と、前記支持体と媒体面との距離及び媒体面に対する支
持体の傾きを調整する調整手段とを備えた装置を用い、
前記変位手段による変位量の2乗和が最小になる様に前
記調整手段によって支持体と媒体面との距離及び媒体面
に対する支持体の傾きを調整する様にしている。
【0018】又、本発明の情報検出装置は、情報検出用
の複数のプローブと、該複数のプローブを被検体の被検
面に対向して支持する支持体と、前記複数のプローブお
のおのに対し被検面との間隔方向の位置を変位させるべ
く設けられた変位手段と、該変位手段による変位量の2
乗和が最小になる様に前記支持体と被検面との距離及び
被検面に対する支持体の傾きを調整する調整手段とを備
えている。
【0019】
【実施例】以下、第1実施例として所謂STMの原理を
用いた情報記憶装置の実施例を説明する。図1はプロー
ブ電極を中心とした記録ヘッド部分の構成図であり、1
はプローブ電極、2は各プローブ電極の先端部を媒体表
面垂直方向に移動させて両者の間隔を調整するためのプ
ローブ移動機構であり、各プローブ電極1と対になって
設けられている。3は複数のプローブ移動機構2を一体
的に支持する支持体であり、m×n個のプローブ移動機
構2及びプローブ電極1が記録ヘッドユニットとして一
体化されている。各プローブ移動機構2は、図面左側の
端部で支持体3に支持されており、ここを支点として紙
面に垂直方向に変位する。図面の支持体3の左側に示さ
れているのは各プローブ1(又は各プローブ移動機構
2)の行番号、支持体3の上側に示されているのは同列
番号である。
【0020】図2は図1における各々のプローブ電極1
及びプローブ移動機構2の詳細な構造を示す。同図にお
いて、SiO2からなる片持梁構造の弾性体201と、
該片持梁上に金属電極202と、AlNから成る圧電性
薄膜203を交互に積層したバイモルフ構造の圧電アク
チュエータを形成し、金属電極202間に電圧を印加す
ることによって、少なくとも圧電薄膜の面外方向に撓む
ように駆動することができる。204は絶縁体であるS
iO2膜である。なお、プローブ電極の先端部101
は、記録・再生・消去の分解能を向上させるためには、
できるだけ尖らせた方が良く、理論的には先端部101
を原子・分子レベルまで尖らせることによって、原子・
分子オーダーの分解能を得ることができる。該プローブ
電極の作成法として本実施例ではSiO2上にSiをフ
ォーカスト・イオンビームで打ち込み、Siの上に選択
的にSiを結晶させて先端部101を形成し、その上に
Auを蒸着して導電コート102を施した。これらはマ
イクロメカニクスの技術により、シリコンウエハ上に一
体で形成される。図面では理解を促す為プローブ電極を
実際より大きく示している。なお、プローブ移動機構2
として、弾性体の構造は片持梁には限定されない。又、
アクチュエータもバイモルフ構造に限定されるものでは
なく、プローブ電極先端を記録媒体表面へ接近を可能に
する運動が可能であれば良く、それらの構成材料も上述
の材料に限られるものではない。更にプローブ電極1の
形状や形成法や処理も上述の実施例に限定されるもので
はない。
【0021】図3は上記機構を有する情報機構装置の実
施例の全体構成図を示す。ここでは支持体3の支持する
プローブ移動機構2の列数mが3の場合を示してある。
4は記録媒体を示し、導電性の基板402上に記録層4
01が形成されている。記録層401としては、例えば
SOAZ(スクアリリウムービス−6−オクチルアズレ
ン)をLB法を用いて8層累積したものである。5は媒
体微動機構、7は媒体粗動機構であり、それぞれ記録媒
体4を支持体3に対して3次元的に粗動変位、微動変位
させるとともに記録媒体4と支持体3の対向する面間の
傾きを変化させる。微動制御回路6、粗動制御回路8は
それぞれ媒体微動機構5、媒体粗動機構7の駆動制御を
行なう。又、10のプローブ制御回路は複数のプローブ
電極のそれぞれの移動機構2の駆動制御を独立に行な
う。11は電流検出回路であり、それぞれプローブ電極
1と記録媒体4との間に流れる電流を独立に検出する。
12は電圧印加回路であり、各プローブ電極1と記録媒
体との間に記録・再生・消去のための電圧を独立に印加
する。9はマイクロコンピュータであり装置全体の中央
制御を行なう。13に示す筐体によって制御回路を除く
上記各機構が一体的にユニット化されている。なお、支
持体3と記録媒体4との間の相対的位置関係を変化させ
かつ支持体3と記録媒体4の対向する面間の傾きを変化
させる機構であれば上記構成には限定されない。例え
ば、支持体3側に粗動機構、微動機構を設けたり、支持
体側と記録媒体側の両方に移動機構を設けるようにして
も良い。
【0022】次に以上の構成の装置の動作について詳細
に説明する。支持体3上に互いに直交するX軸、Y軸を
とり、これらに垂直方向をZ軸とし、記録媒体に近づく
方向を正とする。各プローブ駆動機構の無駆動時からの
変位をもって各ブローブ電極先端位置のZ座標とする。
プローブ電極は支持体上に一体で形成されるので、形成
時に各プローブ電極先端のX座標、Y座標はあらかじめ
設計値として、又は測定しておいて知ることができる。
なお、プローブ移動機構の変位量は制御電圧によって制
御されるため、変位量は制御電圧の関数として表わされ
る。従って変位−電圧特性を予め設計値として、又は測
定しておいて知ってマイクロコンピュータに記憶させて
おけば、制御電圧のモニタによって変位量を知ることが
できる。
【0023】プローブ電極の接近方法の手順は以下の通
りである。なお、図4はこの手順を示すフローチャート
図である。これらの動作ステップはマイクロコンピュー
タ9の指令に基づいてなされる。始めに、電圧印加回路
12で全てのプローブ電極に等しい所定のバイアス電圧
を印加し、それぞれのプローブ電極に流れる電流をモニ
タしながら、媒体粗動機構7によってある程度(まだプ
ローブ電極に電流は流れない距離)まで大まかに接近さ
せ、次に媒体微動機構5によって記録媒体とプローブ電
極群の支持体との間隔を僅かずつ接近させる。接近させ
る最中、電流検出回路11において、m×n(=N)個
のプローブ電極のそれぞれに流れる電流を個別に検出す
る。接近するにつれて各プローブ電極に流れる電流値が
徐々に増加する。最初にいずれかのプローブ電極の1つ
の電流が予め設定した閾値を越えた時、媒体微動機構5
による記録媒体の接近を一旦停止させ、前記閾値を越え
たプローブ電極に対応したプローブ移動機構への制御電
圧を制御して、このプローブ電極のみ所定距離だけ後退
させる。しかる後に、再びプローブ電極群に対して記録
媒体を接近開始させる。前記後退させたプローブ電極を
除いた残りのプローブ電極に関して、同様に最初に前記
閾値を越えたプローブ電極を後退させ、再び記録媒体を
接近させる。このステップを繰り返して、m×n個のプ
ローブ電極それぞれに流れる電流が全て前記閾値を越え
たら記録媒体の接近を停止する。
【0024】次いで、それぞれのプローブ電極に流れる
電流が前記閾値と等しくなるように各プローブ移動機構
への制御電圧をそれぞれ調整して、おのおのその状態を
保持する。これによって各々のプローブ電極先端と記録
媒体との距離を全て等しく保持することができる。
【0025】一般に媒体表面は曲面であるが、かかる状
態においては、媒体表面が平面であり、プローブ先端が
全て同一平面上にあって両平面が平行に対向している状
態と等価である。従って、各プローブ電極毎のこの状態
からのZ方向変位位置をw座標(この状態でのプローブ
電極先端位置がw=0)とし、各プローブ電極のX座
標、Y座標と等しいu座標、v座標を設定した座標系
(u、v、w)を考えると、一般の媒体表面に対して
も、平面を平行に対向させる問題に帰着できる。即ち
(u、v、w)座標系内では媒体表面を平面とみなし得
る。
【0026】そこで各プローブ移動機構2に印加保持さ
れている制御電圧から各プローブ電極のプローブ移動機
構無駆動時からの変位量を求めこれに−1を乗じた値を
各プローブ電極先端の無駆動時のw座標として全て記憶
する。
【0027】(u、v、w)座標系での仮想平面は一般
に w=f(u、v)=au+bv+c(式1) と表わせる。先に求めた各プローブ電極毎のw座標を用
【0028】
【外1】 を求める。ここで和はm×n(=N)個のプローブ電極
全てに亘ってとる。次にこのSを最小にするようなa、
b、cを求める。これは ∂s/∂a=0(式3) ∂s/∂b=0(式4) ∂s/∂c=0(式5) の3式を連立方程式として解くことによって求められ
る。ここで求めたa、b、cによって、(式1)で表わ
される1つの仮想平面(L)が決定できる。この平面
は、各プローブ電極先端の該平面からのw方向ずれ量
の、全プローブに亘る2乗和を最小にする平面である。
a、bがともに0であれば、媒体表面(図4ではuv面
と表現する)は、プローブ電極の支持体に対し、このま
まZ方向に駆動すれば各プローブ電極変位量の2乗和を
最小にできる様に配置されているとみなせるが、aまた
はbが0でない場合、媒体表面はプローブ電極の支持体
に対して傾いているとみなせる。
【0029】媒体表面がプローブ電極の支持体に対して
傾いているとみなせる場合、媒体微動機構5もしくは媒
体粗動機構7を駆動して傾きを補償する。具体的な補償
は、たとえば以下の様な方法を用いる。即ち傾きを変化
させる手段が、3ケの圧電素子を独立に変位させるもの
である場合、予め求めておいた3ケの素子のそれぞれの
u、v座標(x、y座標と等価)から(式1)を用いて
上述の平面と平行になる為の各u、v座標位置でのw座
標を求める。これらを同一の値にするために必要なw方
向移動量がマイクロコンピュータ9で各圧電素子に対し
て求められ、実際にこの移動量に従ってマイクロコンピ
ュータ9から粗動制御回路又は微動制御回路6へ指令信
号が送られ各圧電素子を変位させる。
【0030】以上の操作を必要ならば、くり返すことに
よって後述する間隔調整後はプローブの変位量の2乗和
を最小とするように記録媒体とプローブ電極支持体の対
向する面間の傾きが調整され、(u、v、w)座標内で
仮想平面Lと媒体表面とが平行配置とみなせるように調
整される。
【0031】更に以下の様に間隔調整を行なう。まずマ
イクロコンピュータ9で記憶した全てのプローブ電極先
端のw座標の平均w0を求め、マイクロコンピュータの
指令信号により各プローブ電極先端と記録媒体との間隔
が前述閾値に相当する値に調整された際には、媒体微動
機構5もしくは媒体粗動機構7によって記録媒体をw方
向に−w0だけ、傾きを変化させずに移動させる。その
状態で再びそれぞれのプローブ電極に流れる電流をモニ
タしながら、それぞれのプローブ移動機構への制御電圧
を変化させて、各プローブ電極に流れる電流が閾値に等
しくなったらそれぞれその時の制御電圧を保持する。こ
れによって、各プローブ移動機構への制御電圧を0(プ
ローブ移動機構が無駆動状態)付近に分布させることが
でき、しかも、その全プローブ移動機構にわたる変位量
の2乗和を最小とすることができる。
【0032】なお、上記実施例のプローブ接近方法の変
形例として、微動機構5、粗動機構7を用いずに、各々
のプローブ電極と媒体表面との間の電流がしきい値を越
えない範囲で全てのプローブ移動機構に等しい駆動電圧
を印加して、各プローブ電極先端を記録媒体表面へある
程度まで等しく接近させ、その後に上記実施例と同様の
手順で操作を行なうようにしても良い。
【0033】以上の手順の操作を行なって調整が完了し
た後は、各々のプローブ電極を媒体との間の距離が変動
した場合も、この変動によって両者間を流れる電流も変
動するので、この電流の予め設定したしきい値からのず
れに基いてマイクロコンピュータ9でプローブ移動機構
をフィードバック制御することによって、両者間の距離
を一定に保つことができる。
【0034】以上の手順で記録媒体とプローブ電極先端
とを接近させて位置あわせを行なった後に記録(消
去)、再生の動作を行なう。以下の説明は図5の信号図
を用いて行なう。ここで全てのプローブ電極には0.5
Vのバイアス電圧を印加しておき、また、予め設定した
電流のしきい値は3×10-10Aであった。記録媒体を
X軸、Y軸に平行な面内(以下これをxy面内とする)
で、駆動しながら、個々のプローブ電極に個別のビット
情報(ここでは1つのプローブ電極用の情報として例え
ば図5中の(a))に基づいて生成された書き込みパル
ス列(同様に例えば図5中の(b))を印加した。ここ
でビット情報の最初のビットは個々のビット情報全てに
ついてON状態に対応するビットとしておいた。
【0035】パルス印加後、再び書き込み時と同じ方法
で記録媒体をxy面内駆動して、バイアス電圧0.5V
印加の条件下でプローブ電極と媒体間を流れる電流を測
定したところ、各パルス印加の位置で4桁程度の電流変
化が各プローブ電極に対して得られ、これらの電流測定
値を適切な閾値で2値化して得たパルス列は、各プロー
ブ電極に加えた個別のビット情報(同様に例えば図5中
の(a))に一致した。
【0036】次に以上の操作で書き込んだ個々の個別ビ
ット情報に基づいて(同様に例えば図5中の(c))に
示すような)消去パルス列を生成した。ここで全てのビ
ット情報に対して最初のビットはONのまま消去しない
ものとしておく。書き込み時と同じ方法で記録媒体をx
y面内で駆動して、電流を測定し、最初のビット、すな
わち最初に電流値が4桁程度変化した位置で媒体の駆動
を一時停止した。この時、初めに定めたビット情報の条
件のとおり、全てのプローブ電極について、4桁程度の
変化が認められた。つづいて媒体の駆動を再開し、これ
に同期させて、先に生成した個々のプローブ電極に対し
て、対応する個別の消去パルス列を印加した。再び書き
込み時と同じ方法で記録媒体をxy面内で駆動して電流
を測定したところ、最初のビット以外は全てOFF状
態、すなわち3×10-10A程度の電流値を示し、消去
の完了が確認された。
【0037】ここで使用した消去パルスに変えて、書き
込みに用いたビット情報のうち、最初のビットを除く、
任意のON状態のビットを選んで消去パルス列(同様に
例えば図5中の(d))を生成し、前述の手順と同様に
して消去実験を行なったところ、選択したビットのみの
消去が確認できた。
【0038】次に、第2実施例として所謂AFMの原理
を用いた情報記憶装置の実施例を説明する。本実施例で
はプローブ電極を変位させる片持梁の撓みを光学的手法
を用いて検出して、プローブ先端と記録媒体との距離を
得ることを特徴とする。図6はその要部の概略を説明す
る図であり、このような構成が図1のように支持体3m
×n個設けられている。
【0039】なお、それぞれの片持梁には第1実施例同
様、図2に示すようなプローブ移動機構が設けられてい
る。又、その他の構成も電流検出回路11以外にコンパ
レータ53からの出力もマイクロコンピュータ9に入力
される点、及び以下に説明する動作原理を除けば、図3
に示したものと同様である。
【0040】プローブ電極1を記録媒体4に非常に近接
させると、プローブ電極と記録媒体表面の間に働く作用
力(原子間力)によって片持梁2に撓みが生じる。この
撓み具合を光学的に検出する。これはレーザ光源50か
らのレーザビームを光ファイバ51で導いて、片持梁2
の表面に対して照射し、該レーザビームの反射ビームを
2分割光センサ52で受光し、各検出素子の出力をコン
パレータ53で比較することによって、反射ビームのず
れが分かり、片持梁2の撓みを検出することができる。
これは光てこ法と呼ばれる手法である。なお、光てこ法
には限らず例えば光干渉を用いた測定法や、あるいは片
持梁自体に撓みを検出する機構を設けるなどして、光学
的以外の手法によって測定する構成としても良い。
【0041】尚、各プローブ電極先端のX座標、Y座標
及びプローブ移動機構への制御電圧が0でかつプローブ
電極と記録媒体表面との間の作用力が実質的に0の場合
のZ座標は予め設計値または実測値としてマイクロコン
ピュータ6に記憶されている。又、プローブ移動機構へ
の制御分圧と片持梁2のたわみ量との関係(変位−電圧
特性)と、プローブ電極−記録媒体表面間の作用力と片
持梁2のたわみ量との関係(変位−作用力特性)も、あ
らかじめ設計値又は、実験値としてマイクロコンピュー
タ9に記憶されている。
【0042】プローブ電極の接近方法の手順は第1実施
例の電流検出を力の検出すなわち片持梁のたわみの検出
に変えた他は概略同様で以下の通りである。これらの動
作ステップはマイクロコンピュータ9の指令に基づいて
なされる。始めに、媒体粗動機構7によってある程度
(まだいずれの片持梁もたわみを生じない距離)まで大
まかに接近させ、次に媒体微動機構5によって記録媒体
とプローブ電極群の支持体との間隔を僅かずつ接近させ
る。接近させる最中、m×n個のプローブ電極のそれぞ
れを変位させる片持梁のたわみを個別に検出する。接近
するにつれて各片持梁のたわみが徐々に増加する。最初
にいずれかの片持梁のたわみが予め設定した閾値を越え
た時、媒体微動機構5による記録媒体の接近を一旦停止
させ、前記閾値を越えた片持梁に対応したプローブ移動
機構への制御電圧を制御して、このプローブ電極のみ所
定距離だけ後退させる。しかる後に、再びプローブ電極
群に対して記録媒体を接近開始させる。前記後退させた
プローブ電極群を除いた残りのプローブ電極に関して、
同様に最初に前記閾値を越えたプローブ電極を後退さ
せ、再び記録媒体を接近させる。このステップを繰り返
して、m×n個のプローブ電極それぞれを変位させる片
持梁のたわみが全て前記閾値を越えたら記録媒体の接近
を停止する。
【0043】次いで、それぞれのプローブ電極を変位さ
せる片持梁のたわみを2分割光センサ52を用いてモニ
ターしながら、各プローブ移動機構への制御電圧をそれ
ぞれ調整する。この調整は以下の様に行なう。即ち現在
プローブ移動機構に印加している制御電圧と、あらかじ
め、媒体とプローブ電極の間に力が作用しない状態で求
めておいた片持梁のたわみ量とプローブ移動機構への制
御電圧との関係とから、無作用力時に現在の制御電圧で
片持梁が当然たわむべき量からの、たわみ量ずれを検出
する。このずれは媒体とプローブ電極の間に作用する力
によるものであり、これずれ量は記憶されている変位−
作用力特性に従う。この特性に基いて、全プローブ電極
で一律に設定された所定の力が作用した場合に相当する
ずれ量をマイクロコンピュータ9で算出し、このずれ量
を生じる状態まで各プローブ移動機構への制御電圧を調
整し、調整完了後はおのおのその状態を保持する。これ
によって各々のプローブ電極先端と記録媒体との距離を
全て等しく設定することができる。
【0044】一般に媒体表面は曲面であるが、かかる状
態においては、媒体表面が平面であり、プローブ先端が
全て同一平面上にあって両平面が平行に対向している状
態と等価である。従って、各プローブ電極毎のこの状態
からのZ方向変位位置をw座標(この状態でのプローブ
電極先端位置がw=0)とし、各プローブ電極のX座
標、Y座標と等しいu座標、v座標を設定した座標系
(u、v、w)を考えると、一般の媒体表面に対して
も、平面を平行に対向させる問題に帰着できる。即ち
(u、v、w)座標系内では媒体表面を平面とみなし得
る。
【0045】そこで2分割光センサの出力から各プロー
ブ電極のプローブ移動機構無駆動かつ無作用力時からの
変位量を求め、これに−1を乗じた値を各プローブ電極
先端の無駆動かつ無作用力時のw座標として全て記憶す
る。
【0046】(u、v、w)座標系での仮想平面は前述
の如く w=f(u、v)=au+bv+c(式1) と表わせる。先に求めた各プローブ電極毎のw座標を用
【0047】
【外2】 を求める。ここで和はm×n(=N)個のプローブ電極
全てに亘ってとる。次にこのSを最小にするようなa、
b、cを求める。これは ∂s/∂a=0(式3) ∂s/∂b=0(式4) ∂s/∂c=0(式5) の3式を連立方程式として解くことによって求められ
る。ここで求めたa、b、cによって、(式1)で表わ
される1つの仮想平面(L)が決定できる。この平面
は、各プローブ電極先端の該平面からのw方向ずれ量
の、全プローブに亘る2乗和を最小にする平面である。
a、bがともに0であれば、媒体表面(図4ではuv面
と表現する)は、プローブ電極の支持体に対し、このま
まZ方向に駆動すれば各プローブ電極変位量の2乗和を
最小にできる様に配置されているとみなせるが、aまた
はbが0でない場合、媒体表面はプローブ電極の支持体
に対して傾いているとみなせる。
【0048】媒体表面がプローブ電極の支持体に対して
傾いているとみなせる場合、媒体微動機構5もしくは媒
体粗動機構7を駆動して傾きを補償する。具体的な補償
は、たとえば前述実施例と同様な方法を用いる。即ち傾
きを変化させる手段が、3ケの圧電素子を独立に変位さ
せるものである場合、予め求めておいた3ケの素子のそ
れぞれのu、v座標(x、y座標と等価)から(式1)
を用いて上述の平面と平行になる為の各u、v座標位置
でのw座標を求める。これらを同一の値にするために必
要なw方向移動量がマイクロコンピュータ9で各圧電素
子に対して求められ、実際にこの移動量に従ってマイク
ロコンピュータ9から粗動制御回路8又は微動制御回路
6へ指令信号が送られ各圧電素子を変位させる。
【0049】以上の操作を必要ならば、くり返すことに
よっで前述と同様後述する間隔調整後はプローブの変位
量の2乗和を最小とするように記録媒体とプローブ電極
支持体の対向する面間の傾きが調整され、(u、v、
w)座標内で仮想平面Lと媒体表面とが平行配置とみな
せるように調整される。
【0050】更に以下の様に間隔調整を行なう。まずマ
イクロコンピュータ9で記憶した全てのプローブ電極先
端のw座標の平均w0を求め、マイクロコンピュータの
指令信号により各プローブ電極先端と記録媒体との間隔
が前述閾値に相当する値に調整された際には、媒体微動
機構5もしくは媒体粗動機構7によって記録媒体をw方
向に−w0だけ、傾きを変化させずに移動させる。その
状態で再びそれぞれのプローブ電極からの反射ビームを
2分割光センサ52でモニタしながら、それぞれのプロ
ーブ移動機構への制御電圧を変化させて、各片持梁の無
作用力時のたわみ量からのたわみ量ずれが設定された所
定の力に相当する値に等しくなったらそれぞれその時の
制御電圧を保持する。これによって、各プローブ移動機
構への制御電圧を0(プローブ移動機構が無駆動状態)
付近に分布させることができ、しかも、その全プローブ
移動機構にわたる変位量の2乗和を最小とすることがで
きる。
【0051】なお、上記実施例のプローブ接近方法の変
形例として、前述と同様に微動機構5、粗動機構7を用
いずに、全てのプローブ移動機構に等しい駆動電圧を印
加して、各プローブ電極先端を記録媒体表面へある程度
まで等しく接近させ、その後に上記実施例と同様の手順
で操作を行なうようにしても良い。
【0052】以上の手順の操作を行なって調整が完了し
た後は、各々のプローブ電極を媒体との間の距離が変動
した場合、この変動によって両者間に作用する力も変動
する。この力の変動による片持梁のたわみの予め設定し
たしきい値からのずれに基いてマイクロコンピュータ9
でプローブ移動機構をフィードバック制御することによ
って、両者間の距離を一定に保つことができる。
【0053】以上の手順で記録媒体とプローブ電極先端
とを接近させて位置あわせを行なった後に記録(消
去)、再生の動作を行なう。尚本実施例では、書き込み
時、バイアス電圧の印加は特に必要ない。またプローブ
電極と媒体間に作用する力のしきい値は1×10-8Nに
設定した。記録媒体をxy面内で、駆動しながら、個々
のプローブ電極に個別のビット情報(ここでは1つのプ
ローブ電極用の情報として例えば図5中の(a))に基
づいて生成された書き込みパルス列(同様に例えば図5
中の(b))を印加した。ここでビット情報の最初のビ
ットは個々のビット情報全てについてON状態に対応す
るビットとしておいた。
【0054】パルス印加後、再び書き込み時と同じ方法
で記録媒体をxy面内駆動して、バイアス電圧0.1V
印加の条件下でプローブ電極と媒体間を流れる電流を測
定したところ、各パルス印加の位置で4桁程度の電流変
化が各プローブ電極に対して得られ、これらの電流測定
値を適切な閾値で2値化して得たパルス列は、各プロー
ブ電極に加えた個別のビット情報(同様に例えば図5中
の(a))に一致した。
【0055】次に以上の操作で書き込んだ個々の個別ビ
ット情報に基づいて(同様に例えば図5中の(c))に
示すような)消去のパルス列を生成した。ここで全ての
ビット情報に対して最初のビットはONのまま消去しな
いものとしておく。書き込み時と同じ方法で記録媒体を
xy面内で駆動して、電流を測定し、最初のビット、す
なわち最初に電流値が4桁程度変化した位置で媒体の駆
動を一時停止した。この時、初めに定めたビット情報の
条件のとおり、全てのプローブ電極について、4桁程度
の変化が認められた。つづいて媒体の駆動を再開し、こ
れに同期させて、先に生成した個々のプローブ電極に対
して、対応する個別の消去パルス列を印加した。再び書
き込み時と同じ方法で記録媒体をxy面内で駆動して電
流を測定したところ、最初のビット以外は全てOFF状
態、すなわち1×10-10A程度の電流値を示し、消去
の完了が確認された。
【0056】ここで使用した消去パルスに変えて、書き
込みに用いたビット情報のうち、最初のビットを除く、
任意のON状態のビットを選んで消去パルス列(同様に
例えば図5中の(d))を生成し、前述の手順と同様に
して消去実験を行なったところ、選択したビットのみの
消去が確認できた。
【0057】以下に述べる第3実施例においては第2実
施例の装置を用い、プローブ電極を接近させる際、各プ
ローブ電極に同一のバイアス電圧を印加し光てこ法によ
って片持梁のたわみを検出すると同時に、プローブ電極
と媒体の間に流れる電流の測定を行ない、図7に示すよ
うな、媒体とプローブ電極との距離に対する力と、電流
の関係を得、これをマイクロコンピュータ9に記憶させ
た。これによってプローブ電極と媒体との間に流れる電
流から、両者間に作用する力を得ることができる。
【0058】次に光てこ法による片持ち梁のたわみの検
出は行なわずに、プローブ電極と媒体間に流れる電流の
モニターするだけでプローブ電極の媒体への接近を行な
った。この際、プローブ電極に加えたバイアス電圧は先
に、力と電流の関係を求めた時のバイアス電圧と同一に
した。プローブ電極の接近の手順は第1実施例と同様で
あったが、用いたしきい値電流は、あらかじめ設定され
た所定の力に対応する値にした。具体的には以下に述べ
る様な形で行なった。
【0059】即ち始めに、電圧印加回路12で全てのプ
ローブ電極に等しい所定のバイアス電圧を印加し、それ
ぞれのプローブ電極に流れる電流をモニタしながら、媒
体粗動機構7によってある程度(まだプローブ電極に電
流は流れない距離)まで大まかに接近させ、次に媒体微
動機構5によって記録媒体とプローブ電極群の支持体と
の間隔を僅かずつ接近させる。接近させる最中、電流検
出回路11において、m×n(=N)個のプローブ電極
のそれぞれに流れる電流を個別に検出する。接近するに
つれて各プローブ電極に流れる電流値が徐々に増加す
る。最初にいずれかのプローブ電極の1つの電流が予め
設定した閾値を越えた時、媒体微動機構5による記録媒
体の接近を一旦停止させ、前記閾値を越えたプローブ電
極に対応したプローブ移動機構への制御電圧を制御し
て、このプローブ電極のみ所定距離だけ後退させる。し
かる後に、再びプローブ電極群に対して記録媒体を接近
開始させる。前記後退させたプローブ電極を除いた残り
のプローブ電極に関して、同様に最初に前記閾値を越え
たプローブ電極を後退させ、再び記録媒体を接近させ
る。このステップを繰り返して、m×n個のプローブ電
極それぞれに流れる電流が全て前記閾値を越えたら記録
媒体の接近を停止する。
【0060】次いで、それぞれのプローブ電極に流れる
電流が前記閾値と等しくなるように各プローブ移動機構
への制御電圧をそれぞれ調整して、おのおのその状態を
保持する。これによって各々のプローブ電極先端と記録
媒体との距離を全て等しく保持することができる。
【0061】一般に媒体表面は曲面であるが、かかる状
態においては、媒体表面が平面であり、プローブ先端が
全て同一平面上にあって両平面が平行に対向している状
態と等価である。従って、各プローブ電極毎のこの状態
からのZ方向変位位置をw座標(この状態でのプローブ
電極先端位置がw=0)とし、各プローブ電極のX座
標、Y座標と等しいu座標、v座標を設定した座標系
(u、v、w)を考えると、一般の媒体表面に対して
も、平面を平行に対向させる問題に帰着できる。即ち
(u、v、w)座標系内では媒体表面を平面とみなし得
る。 そこで2分割センサの出力から各プローブ電極の
プローブ移動機構無駆動かつ無作用力時からの変位量を
求めこれに−1を乗じた値を各プローブ電極先端の無駆
動かつ無作用力時のw座標として全て記憶する。
【0062】(u、v、w)座標系での仮想平面ば前述
の如く w=f(u、v)=au+bv+c(式1) と表わせる。先に求めた各プローブ電極毎のw座標を用
【0063】
【外3】 を求める。ここで和はm×n(=N)個のプローブ電極
全てに亘ってとる。次にこのSを最小にするようなa、
b、cを求める。これは ∂s/∂a=0(式3) ∂s/∂b=0(式4) ∂s/∂c=0(式5) の3式を連立方程式として解くことによって求められ
る。ここで求めたa、b、cによって、(式1)で表わ
される1つの仮想平面(L)が決定できる。この平面
は、各プローブ電極先端の該平面からのw方向ずれ量
の、全プローブに亘る2乗和を最小にする平面である。
a、bがともに0であれば、媒体表面(図4ではuv面
と表現する)は、プローブ電極の支持体に対し、このま
まZ方向に駆動すれば各プローブ電極変位量の2乗和を
最小にできる様に配置されているとみなせるが、aまた
はbが0でない場合、媒体表面はプローブ電極の支持体
に対して傾いているとみなせる。
【0064】媒体表面がプローブ電極の支持体に対して
傾いているとみなせる場合、媒体微動機構5もしくは媒
体粗動機構7を駆動して傾きを補償する。具体的な補償
は、たとえば前述実施例と同様な方法を用いる。即ち傾
きを変化させる手段が、3ケの圧電素子を独立に変位さ
せるものである場合、予め求めておいた3ケの素子のそ
れぞれのu、v座標(x、y座標と等価)から(式1)
を用いて上述の平面と平行になる為の各u、v座標位置
でのw座標を求める。これらを同一の値にするために必
要なw方向移動量がマイクロコンピュータ9で各圧電素
子に対して求められ、実際にこの移動量に従ってマイク
ロコンピュータ9から粗動制御回路8又は微動制御回路
6へ指令信号が送られ各圧電素子を変位させる。
【0065】以上の操作を必要ならば、くり返すことに
よって前述と同様後述する間隔調整後はプローブの変位
量の2乗和を最小とするように記録媒体とプローブ電極
支持体の対向する面間の傾きが調整され、(u、v、
w)座標内で仮想平面Lと媒体表面とが平行配置とみな
せるように調整される。
【0066】更に以下の様に間隔調整を行なう。まずマ
イクロコンピュータ9で記憶した全てのプローブ電極先
端のw座標の平均w0を求め、マイクロコンピュータの
指令信号により各プローブ電極先端と記録媒体との間隔
が前述閾値に相当する値に調整された際には、媒体微動
機構5もしくは媒体粗動機構7によって記録媒体をw方
向に−w0だけ、傾きを変化させずに移動させる。その
状態で再びそれぞれのプローブ電極に流れる電流をモニ
タしながら、それぞれのプローブ移動機構への制御電圧
を変化させて、各プローブ電極に流れる電流が閾値に等
しくなったらそれぞれその時の制御電圧を保持する。こ
れによって、各プローブ移動機構への制御電圧を0(プ
ローブ移動機構が無駆動状態)付近に分布させることが
でき、しかも、その全プローブ移動機構にわたる変位量
の2乗和を最小とすることができる。
【0067】なお、上記実施例のプローブ接近方法の変
形例として、前述と同様に微動機構5、粗動機構7を用
いずに、各々のプローブ電極と媒体表面との間の電流が
しきい値を越えない範囲で全てのプローブ移動機構に等
しい駆動電圧を印加して、各プローブ電極先端を記録媒
体表面へある程度まで等しく接近させ、その後に上記実
施例と同様の手順で操作を行なうようにしても良い。
【0068】以上の手順の操作を行なって調整が完了し
た後は、各々のプローブ電極を媒体との間の距離が変動
した場合、この変動によって両者間に作用する力も変動
するため、2分割光センサ、又は電流検出回路で求めた
所定の力からのずれに基いてマイクロコンピュータ9で
プローブ移動機構をフィードバック制御することによっ
て、両者間の距離を一定に保つことができる。特にプロ
ーブ電極が、媒体との間に斤力が作用するまで接近した
状態ではフィードバック制御をすることなく全てのプロ
ーブ電極と媒体との距離が一定に保持される。
【0069】以上の手順で記録媒体とプローブ電極先端
とを接近させて位置あわせを行なった後に記録(消
去)、再生の動作を行なう。ここで全てのプローブ電極
には0.1Vのバイアス電圧を印加しておき、また、予
め設定した電流のしきい値は図7における領域(a)に
対応する10-9Aであった。すなわちプローブ電極と媒
体間には斤力が作用しており、フィードバック制御なし
で距離が一定に保持される。記録媒体をxy面内で駆動
しながら、個々のプローブ電極に個別のビット情報(こ
こでは1つのプローブ電極用の情報として例えば図5中
の(a))に基づいて生成された書き込みパルス列(同
様に例えば図5中の(b))を印加した。ここでビット
情報の最初のビットは個々のビット情報全てについてO
N状態に対応するビットとしておいた。
【0070】パルス印加後、再び書き込み時と同じ方法
で記録媒体をxy面内駆動して、バイアス電圧0.1V
印加の条件下でプローブ電極と媒体間を流れる電流を測
定したところ、各パルス印加の位置で4桁程度の電流変
化が各プローブ電極に対して得られ、これらの電流測定
値を適切な閾値で2値化して得たパルス列は、各プロー
ブ電極に加えた個別のビット情報(同様に例えば図5中
の(a))に一致した。
【0071】次に以上の操作で書き込んだ個々の個別ビ
ット情報に基づいて(同様に例えば図5中の(c))に
示すような)消去のパルス列を生成した。ここで全ての
ビット情報に対して最初のビットはONのまま消去しな
いものとしておく。書き込み時と同じ方法で記録媒体を
xy面内で駆動して、電流を測定し、最初のビット、す
なわち最初に電流値が4桁程度変化した位置で媒体の駆
動を一時停止した。この時、初めに定めたビット情報の
条件のとおり、全てのプローブ電極について、4桁程度
の変化が認められた。つづいて媒体の駆動を再開し、こ
れに同期させて、先に生成した個々のプローブ電極に対
して、対応する個別の消去パルス列を印加した。再び書
き込み時と同じ方法で記録媒体をxy面内で駆動して電
流を測定したところ、最初のビット以外は全てOFF状
態、すなわち10-9A程度の電流値を示し、消去の完了
が確認された。
【0072】ここで使用した消去パルスに変えて、書き
込みに用いたビット情報のうち、最初のビットを除く、
任意のON状態のビットを選んで消去パルス列(同様に
例えば図5中の(d))を生成し、前述の手順と同様に
して消去実験を行なったところ、選択したビットのみの
消去が確認できた。
【0073】以上述べた各実施例は記録再生装置であっ
たが記録のみ、再生のみの装置であっても良い。
【0074】又、上述の記録媒体を被検体におきかえ、
再生の際と同じ要領で被検体表面の観察を行う顕微鏡装
置であっても良い。
【0075】
【発明の効果】以上説明した様に本発明により、各プロ
ーブ電極の変位量に極力偏りなく、全てのプローブ電極
を記録媒体表面の極く近傍まで接近させることが可能と
なり、これによってプローブ電極製造時のプローブ先端
位置のばらつき、あるいは記録媒体表面の不均一性更に
は記録媒体表面とプローブ電極先端の位置する面の間の
傾きがあってもその影響を受けずに補償可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明第1実施例の記録ヘッド部の構成図であ
る。
【図2】同プローブ電極の詳細図である。
【図3】同実施例の情報記憶装置の全体構成図である。
【図4】同実施例の装置の動作を示すフローチャート図
である。
【図5】実施例の記録(消去)再生動作で1つのプロー
ブ電極に加えたパルス列の信号図である。
【図6】本発明の第2の実施例の構成図である。
【図7】第3実施例中のプローブ電極と媒体との距離に
対する両者間に作用する力、および両者間に流れる電流
の関係である。
【符号の説明】
1 プローブ電極 2 プローブ移動機構 3 支持体 4 記録媒体 5 媒体微動機構 7 媒体粗動機構 9 マイクロコンピュータ 11 電流検出回路 12 電圧印加回路
フロントページの続き (72)発明者 宮▲崎▼ 俊彦 東京都大田区下丸子3丁目30番2号キヤ ノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−28550(JP,A) 特開 平5−28545(JP,A) 特開 平4−337540(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G11B 9/00 G01N 37/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 情報記録及び/又は再生用の複数のプロ
    ーブと、該複数のプローブを情報記録媒体の媒体面に対
    向して支持する支持体と、前記複数のプローブおのおの
    に対し媒体面との間隔方向の位置を変位させるべく設け
    られた変位手段と、該変位手段による変位量の2乗和が
    最小になる様に前記支持体と媒体面との距離及び媒体面
    に対する支持体の傾きを調整する調整手段とを備えたこ
    とを特徴とする記録及び/又は再生装置。
  2. 【請求項2】 前記変位手段は前記複数プローブ側に配
    置された支持体に設けられ、該支持体側端とは反対側の
    端に前記複数のプローブの一つが配置された片持ち梁状
    の弾性体であることを特徴とする請求項1の記録及び/
    又は再生装置。
  3. 【請求項3】 前記変位手段は前記複数のプローブ側に
    配置された支持体に設けられ、該支持体側端とは反対側
    の端に前記複数のプローブの一つが配置され、変形によ
    り該プローブを駆動する片持ち梁状の駆動素子であるこ
    とを特徴とする請求項1の記録及び/又は再生装置。
  4. 【請求項4】 情報記録及び/又は再生用の複数のプロ
    ーブと、該複数のプローブを情報記録媒体の媒体面に対
    向して支持する支持体と、前記複数のプローブおのおの
    に対し媒体面との間隔方向の位置を変位させるべく設け
    られた変位手段と、前記支持体と媒体面との距離及び媒
    体面に対する支持体の傾きを調整する調整手段とを備え
    た装置を用い、前記変位手段による変位量の2乗和が最
    小になる様に前記調整手段によって支持体と媒体面との
    距離及び媒体面に対する支持体の傾きを調整することを
    特徴とする記録及び/又は再生方法。
  5. 【請求項5】 情報検出用の複数のプローブと、該複数
    のプローブを被検体の被検面に対向して支持する支持体
    と、前記複数のプローブおのおのに対し被検面との間隔
    方向の位置を変位させるべく設けられた変位手段と、該
    変位手段による変位量の2乗和が最小になる様に前記支
    持体と被検面との距離及び被検面に対する支持体の傾き
    を調整する調整手段とを備えたことを特徴とする情報検
    出装置。
JP4009282A 1991-07-17 1992-01-22 記録及び/又は再生装置、方法と情報検出装置 Expired - Fee Related JP2994833B2 (ja)

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