JP4079398B2 - プローブの位置決め及びトラッキング機構とその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローブの位置決め及びトラッキング機構、及びプローブの位置決め及びトラッキング方法に関し、特に、ＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）の原理を用いた高密度・大容量メモリ装置における、プローブの位置決め及びトラッキングの技術分野に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、導体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．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ，４９，５７（１９８２）］、単結晶、多結晶を問わず実空間像の高い分解能の測定ができるようになった。
以来、先端の尖ったプローブを走査することにより様々な情報を得る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）や、さらに基板に電気的、化学的あるいは物理的作用を及ぼす事を目的としたＳＰＭを応用した微細加工技術の研究開発が行われている。さらに、このようなＳＰＭ技術はメモリ技術にも応用されつつある。例えば、特開昭６３−１６１５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報等には、記録層として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電子径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ＳＰＭで行う方法が開示されている。この方法を用いて記録のビットサイズを直径１０ｎｍとすれば、１０¹²ｂｉｔ／ｃｍ²の記録密度を持つ情報処理装置が実現できる。
【０００３】
さて、一般に媒体上に記録された情報を読み出す場合には、媒体上の情報列に沿って情報読み出し用のプローブを相対移動させる必要がある。そのためには、何らかの方法で情報列の位置を知り、その位置にプローブを移動させることが必要となる。
まず、情報列の位置を検出する方法として媒体上に物理的なトラックを形成し、そのトラックにプローブを沿わせる方法が知られている。
特開平１−１０７３４１号公報には記録媒体表面にトラックとしてＶ字型の溝を形成し、プローブ電極が常にこの溝の中央に位置するように制御する方法が開示されている。
また特開平１−１３３２３９号公報には記録媒体の下にトラックを導電体層で形成して、トラックにトラッキング信号を印加し、プローブから検出されるトラッキング信号に基づいてフィードバック制御を行う方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１−１０７３４１号公報や特開平１−１３３２３９号公報に開示されているような媒体上に物理トラックを作成する方法は、物理トラックを設ける工程が必要になり記録媒体の作成工程が複雑になることや、物理的な加工を行うために、記録媒体や、その基板の材質に対する制限等の点で問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、記録媒体に物理的な加工を行うことなく、数〜数十ｎｍオーダーで、記録再生と共通の原理、機構を用いて、再現性の高い位置制御が可能な記録再生装置におけるプローブの位置決め及びトラッキング機構とその方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、記録再生装置におけるプローブの位置決め及びトラッキング機構とその方法を、つぎのように構成したことを特徴とするものである。
すなわち、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、記録媒体に対してプローブで相対走査して該記録媒体上に情報を記録し、または該記録媒体から情報を再生する記録再生装置におけるプローブの位置決め及びトラッキング機構であって、
前記記録媒体に対して相対動作し、複数本の位置検出プローブを備えた位置検出プローブアレイと、
前記位置検出プローブアレイと前記記録媒体との前記記録媒体表面に平行な面内における相対角度を変化させることにより、前記複数本の位置検出プローブに対応する前記記録媒体上に形成された位置決めマーカー群を構成する複数の位置決めマーカーあるいはトラッキングマーカー群を構成する複数のトラッキングマーカーの間隔に対する、該複数本の位置検出プローブの見かけの間隔を変化させる角度制御手段と、
前記複数の位置決めマーカー上における前記見かけの間隔の変化したプローブの位置に応じた制御信号を出力する制御信号出力手段と、
前記制御信号に基づいて前記記録媒体と前記位置検出プローブアレイの相対位置を制御する制御手段と、
を有し、プローブの位置決め及びトラッキングを行うことを特徴としている。また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記位置決めマーカー群あるいはトラッキングマーカー群が、記録ビットによって作成されるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーが、互いに平行な線状の形状に作成されるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーの線状の形状を、記録ビットを連続的に並べて作成することを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーが、互いに平行な線内において、断続的な形状に作成されるように構成されていることを特徴としている。また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーの断続的な形状を、前記記録ビットを断続的に並べて作成することを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記位置決めマーカー群あるいはトラッキングマーカー群が、前記位置検出プローブアレイによって作成されるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記位置決めマーカー群あるいはトラッキングマーカー群を、複数組作成するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記位置決めマーカー群と前記トラッキングマーカー群とを兼ねるマーカー群を作成するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記位置決めマーカー群とトラッキングマーカー群を別々に作成するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、１つの位置決めマーカー群を構成する位置決めマーカーの数を、１つのトラッキングマーカー群を構成するトラッキングマーカーの個数より多く作成するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記位置検出プローブアレイが第１のプローブアレイと第２のプローブアレイとによる複数のプローブアレイで構成 され、これら第１のプローブアレイと第２のプローブアレイを直交する向きに配置し、直交する向きに配置された複数の位置決めマーカー群を作成するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記制御信号出力手段が、前記位置検出プローブアレイの各位置検出プローブからの出力を比較し、比較結果に応じた符合と絶対値を持つ信号を出力する比較演算手段であることを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、制御信号出力手段が、前記複数本の位置検出プローブからの出力を検出し、該出力の有無に応じた信号を出力する信号検出手段と、
前記信号検出手段の出力を、前記位置検出プローブの位置決め目標からの位置に応じて演算する演算手段とを有することを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記演算手段が、前記信号検出手段からの出力信号に対して、前記位置検出プローブの位置決め目標からの位置に応じた符号をつけて、加算することを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング機構は、前記演算手段が、前記信号検出手段からの出力信号に対して、前記位置検出プローブの位置決め目標からの位置に応じた係数をかけた上で、加算することを特徴としている。
【０００７】
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング方法は、記録媒体に対してプローブで相対走査して該記録媒体上に情報を記録し、または該記録媒体から情報を再生する記録再生装置におけるプローブの位置決め及びトラッキング方法であって、
前記記録媒体と相対動作し、複数本の位置検出プローブを備えた位置検出プローブアレイを有し、
前記位置検出プローブアレイと前記記録媒体との前記記録媒体表面に平行な面内における相対角度を変化させることにより、前記複数本の位置検出プローブに対応する前記記録媒体上に形成された位置決めマーカー群を構成する複数の位置決めマーカーあるいはトラッキングマーカー群を構成する複数のトラッキングマーカーの間隔に対する、前記複数本の位置検出プローブの見かけの間隔を変化させ、
前記複数の位置決めマーカー上における該見かけの間隔の変化したプローブの位置に応じた制御信号を出力し、該制御信号に基づいて前記記録媒体と前記位置検出プローブアレイの相対位置を制御して、プローブの位置決め及びトラッキングを行うことを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング方法は、前記位置検出プローブアレイと前記記録媒体との前記記録媒体表面に平行な面内における相対角度は、前記位置決めマーカー群をあるいはトラッキングマーカー群を、前記位置検出プローブアレイを用いて生成した後に、変化させることを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング方法は、前記プローブの位置決め及びトラッキングを行うに際して、位置決め時にトラッキング時よりも多くの位置検出プローブを用いて位置決めを行なうことを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング方法は、トラッキング時に使用しない位置検出プローブを記録再生プローブとして使用することを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング方法は、前記位置決めマーカー群あるいはトラッキングマーカー群を、記録ビットで作成することを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング方法は、前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーを、互いに平行な線状の形状に作成することを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング方法は、前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーの線状の形状を、記録ビットを連続的に並べて作成することを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング方法は、前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーを、互いに平行な線内において、断続的な形状に作成することを特徴としている。
また、本発明のプローブの位置決め及びトラッキング方法は、前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーの断続的な形状を、前記記録ビットを断続的に並べて作成することを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、複数本の位置検出プローブを有するプローブアレイで、記録媒体上に複数の位置決めマーカーを生成し、記録媒体表面と平行な面内において、プローブアレイと記録媒体との角度を変化させる事で位置決めマーカーから見たプローブの見かけの間隔を変化させ、どのプローブがマーカー上にあるかを検出することにより、高精度の位置決めが可能である。さらに、位置決めマーカー検出信号の有無のみにより、位置決めを行うため、ノイズに強い位置決め制御系の構築が可能である。
また、位置決めに用いるプローブの数を増やすことにより、より広範囲の位置決めが可能である。さらに、記録媒体上をプローブアレイで走査しながら、前記位置決め動作を行うことにより、本方式をトラッキング手段として使用することが可能なため、単純な構成で両機能を実現できる。
また、記録媒体に対して、物理的な加工を施さず、記録再生原理そのものによって、位置決め及びトラッキングが行われるため、記録再生機構と位置決め及びトラッキング機構とを容易に一体化できる。さらに、記録媒体の材質に対する制限も小さくなる。
また、位置決め動作には、記録再生時のトラッキング動作より多くの位置検出プローブを使用し、記録再生時にはトラッキング動作に使用しない位置検出プローブを記録再生プローブとして使用することにより、位置決め動作に求められる広い位置決め範囲を保ちながら、プローブの利用効率の高い記録再生装置を構成することが可能となる。
【０００９】
図に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図５において、導電性を有する基板５０１上の記録層５０２からなる記録媒体５０３に対し、先端に設けられている探針５０４が接触するように、複数のプローブ５０５が配置されている。各プローブ５０５において、探針５０４は、たわむ様に弾性変形を生じる弾性体５０６により支持されている。
ここで、弾性体５０６の弾性変形の弾性定数が約０．１［Ｎ／ｍ］、弾性変形量が約１μｍであるとすると、記録媒体に対する探針の接触力は約１０^-7［Ｎ］程度となる。
制御コンピュータ５１４により制御された位置制御回路５１３からの位置制御信号を受け、記録媒体５０３に取り付けられたｘｙｚ駆動ステージ５０８が駆動され、プローブ５０５と記録媒体５０３とは記録媒体５０３に平行な面内において相対的に２次元方向に移動する。記録媒体５０３に対し、プローブの５０５のｘｙｚ方向位置を調節し、探針５０４先端が記録媒体５０３上の所望の位置になるようプローブ５０５が位置合せされる。
【００１０】
上記の記録再生装置において記録媒体５０３に対しプローブ５０５を走査する際、プローブ５０５上の探針５０４先端は記録媒体５０３に対し、常に接触した状態を保つ。
このような接触走査方式は、探針５０４先端を記録媒体５０３に対し接触させたまま走査する場合に、記録媒体５０３の表面に凹凸があっても、弾性体５０６の弾性変形によりこれを吸収するため、探針５０４先端と記録媒体５０３表面の接触力はほぼ一定に保たれ、探針５０４先端や記録媒体５０３表面が破壊することを避けられる。この方式は個々のプローブをｚ方向に位置合せするピエゾ素子等の手段が不必要であるため、構成が複雑にならず、特に複数のプローブを有する装置に適している。
また、記録媒体５０３に対する個々のプローブ５０５のｚ方向位置のフィードバック制御が不必要であるため、記録媒体５０３に対するプローブ５０５の高速走査が可能となる。
【００１１】
制御コンピュータ５１４により制御された角度制御回路５１５からの角度制御信号を受け、プローブ５０５に取り付けられたθ駆動ステージ５０７が駆動され、プローブ５０５と記録媒体５０３とのなす角度は、記録媒体５０３の表面と平行な面内において相対的に変化する。
制御コンピュータ５１４により制御された記録制御回路５１１から発生された記録信号が、記録系に切り替えられた切り替えスイッチ５０９を通し、各探針５０４から記録媒体５０３に印加される。このようにして、記録層５０２の探針５０４先端が接触する部分に局所的に記録が行われる。
【００１２】
上述の装置における記録層５０１としては、電圧印加により流れる電流値が変化するような材料を用いる。具体例としては、第１に、特開昭６３−１６１５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報に開示されているようなポリイミドやＳＯＡＺ（ビス−ｎ−オクチルスクアリリウムアズレン）等電気メモリー効果を有するＬＢ膜（＝Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔｅ法により作成された有機単分子膜の累積膜）が挙げられる。この材料は、探針−ＬＢ膜−基板間にしきい値以上の電圧（５〜１０［Ｖ］程度）を印加するとＬＢ膜の導電性が変化（ＯＦＦ状態→ＯＮ状態）し、再生用のバイアス電圧（０．０１〜２［Ｖ］程度）を印加した際に流れる電流が増大するものである。
第２の具体例として、ＧｅＴｅ、ＧａＳｂ、ＳｎＴｅ等の非晶質薄膜材料が挙げられる。この材料は、探針−非晶質薄膜材料−基板間に電圧を印加し、流れる電流により発生する熱で非晶質→結晶質への相転移を起こさせるものである。これにより材料の導電性が変化し、再生用のバイアス電圧を印加した際に流れる電流が増大するものである。
第３の具体例として、ＺｎやＷ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の酸化性金属・半導体材料が挙げられる。この材料は、探針−酸化性金属・半導体材料間に電圧を印加すると、流れる電流により、材料表面に吸着している水や大気中の酸素と反応し、表面に酸化膜が形成される。このため材料表面の接触抵抗が変化し、バイアス電圧を印加した際に流れる電流が減少する。
【００１３】
さて、上述のように記録が行われたビットの再生は次のように行う。スイッチ５０９により、各プローブ５０５からの信号配線を再生系に切り替えた後、バイアス電圧印加手段５１０により、探針５０４と基板５０１との間にバイアス電圧を印加し、間に流れる電流を再生制御回路５１２において検出する。記録媒体５０３上の記録ビットの部分は記録がなされていない部分に比べ電流が多く（または、少なく）流れるため、再生制御回路５１２において、この電流の違いを検出し、再生信号とし、制御コンピュータ５１４に出力する。なお、本文中においては説明のため、電流が多く流れることを電流が流れる、電流が少なく流れることを電流が流れない、と記述する。
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の構成と動作について説明する。
まず、間隔ｄで並んだ５本のプローブ１０１，１０２，１０３，１０４，１０５を有するプローブアレイ１０７を用いて、間隔ｄで並んだ５列の位置決めマーカー１０６を形成する。本発明においては各プローブにおける探針の先端同士の間隔をプローブ間隔とする。
この後、図１に示すようにプローブアレイ１０７と位置決めマーカー１０６の相対角度をθ変化させる。これによって、先に形成した位置決めマーカー１０６の間隔に対する、プローブの見かけの間隔が変化する。図１は、見かけのプローブ間隔をΔｄだけ狭くした場合の例である。もちろん、見かけのプローブ間隔をΔｄだけ広くしてもかまわない。
【００１５】
ここで、プローブと記録媒体との間に、バイアス電圧を印加すると、プローブが位置決めマーカー１０６上にある場合には、プローブと記録媒体との間に電流が流れる。この電流をモニタすることにより、どのプローブが位置決めマーカー上にあるかを判別することができる。
ここで、プローブ１０３が位置決めマーカーの直上に位置するように位置決めを行った場合の例を図１、図３、図４を用いて説明する。
図３に示すように、プローブが目標通りの位置にある場合には、プローブ１０２，１０３，１０４に電流が流れる。電流の流れるプローブの配置は目標のプローブ１０３に対して対称である。しかし、位置決めマーカーに対して誤差が生じた場合、電流の流れるプローブの配置は目標のプローブ１０３に対して対称でなくなる。例えば、図４の例では、プローブ１０３，１０４，１０５に電流が流れる。ここで、誤差の向きに応じた極性と電流の流れるプローブの本数に応じた大きさを持つ信号を、演算手段を用いて出力する。これを用いて位置決めを行う。
【００１６】
以上、プローブが５本の場合について説明したがプローブの本数はこれに限定されるものではない。また、プローブアレイと記録媒体との相対回転角θ、プローブ間隔、位置決めマーカーの幅等の関係により、電流が流れるプローブの本数は３本でなくても構わない。Δｄを位置決めマーカーの幅に対して小さくとり、同時に電流が流れるプローブの本数を増やす事により、より高精度な位置決めが可能である。さらに、位置決め精度はプローブ間隔とビット間隔の差、すなわち前記Δｄに依存するが、位置決めできる範囲は、Δｄが一定の場合、プローブの本数をｎとすると、およそΔｄ×ｎとなる。すなわち、位置決めに使用するプローブ本数を多くすれば、目標とする位置を選べる範囲が大きくなる、あるいは、より大きな位置ずれに対応した位置決めを行うことができる。
また、電流の流れるプローブを検出するのではなく、電流の流れないプローブを検出して、位置決めを行うことも可能である。
【００１７】
さらに、本方式を、記録再生時のトラッキング手段として用いることも可能である。例えば、図１において、図中矢印の方向に走査を行いながら、プローブ１０１，１０２，１０４，１０５を用いて、これまで述べた方法で位置決めを行い、同時に、プローブ１０３を用いて任意の情報の記録再生を行うことで、トラッキング機構を構成することができる。
本発明を適用する記録再生装置は前記構成の装置に限られるものではない。磁気記録再生装置、光磁気記録再生装置等、近接場光記録再生装置等、他の記録再生装置にも適用可能である。
【００１８】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１、図２を用いて、前記構成の記録再生装置に対し、本発明の位置決め機構を適用した実施例１について以下に詳細な説明を行う。
まず、上記装置に対して、１００μｍ間隔で一体成形された５本のプローブからなるプローブアレイ１０７を取り付けた。プローブ１０２の探針先端からプローブ１０１の探針先端を見る向きをｙの正方向とし、記録媒体５０３の表面に垂直にプローブアレイ１０７から記録媒体５０３を見て、反時計周りをθの正の回転方向とし、ｙの正方向をθの負方向にπ／２ｒａｄ回転した向きをｘの正方向とする。
【００１９】
次に、プローブアレイ１０７で、長さ１１０μｍにわたり、図１中ｘの正方向に、直線状に走査を行う。走査中、各プローブを用いて、７ｎｍ間隔で電圧パルスを印加する。電圧は５．５Ｖ、印加時間は０．３μｓｅｃである。生成された個々の記録ビットの直径は約１０ｎｍである。以上の手順により、図１中ｘ方向に、長さ１１０μｍにわたり、５本の位置決めマーカー１０６が生成される。
次に、プローブアレイ１０７を元の位置に戻し、記録媒体５０３に対して、記録媒体５０３の表面と平行な平面内において、プローブ１０１の探針先端を中心として、θの正方向に０．００９ｒａｄ回転させた。これにより、隣り合うプローブの図１中ｙ方向の間隔は見かけ上、４ｎｍ小さくなる。この状態で、５本のプローブを使用して位置決めを行う事により、本実施例における位置決め機構は、図１中ｙ方向について約２５ｎｍのレンジを持つ。
【００２０】
次に、プローブ１０３が位置決めマーカーの直上に位置するように位置合わせ及びトラッキング動作を行う。
ここで、図２を用いて本実施例で用いた位置決め機構について説明する。５本のプローブから出力された位置決めマーカーの電流信号はＩ／Ｖ変換回路２０１によって電圧信号に変換され、増幅回路２０２によってそれぞれ増幅された後、信号検出回路２０３で、プローブに電流が流れているか検出される。信号検出回路２０３は、それぞれに対応するプローブに電流が流れた場合は１、流れていない場合は０の２値の信号を加算回路２０４へ出力する。加算回路２０４では入力された信号のうち、位置決め目標のプローブ１０３よりプローブ１０１側にあるプローブ、すなわちプローブ１０１，１０２の信号を正負反転し、プローブ１０４，１０５の信号と共に足し込み出力する。プローブ１０３の信号は足し込まない。加算回路２０４の出力信号はＰＩＤフィルタ２０５を通り、積分回路２０６で過去の履歴と足し合わされ、増幅回路２０７で増幅され、図５におけるｘｙｚ駆動ステージ５０８を制御する。
【００２１】
５本のプローブに１．５Ｖのバイアス電圧を印加し、それぞれのプローブに流れる電流をモニタした結果、プローブ１０１，１０２に電流が流れていることが検出された。次に、図２に示す回路を接続した後、それぞれのプローブに流れる電流をモニタしたところ、プローブ１０２，１０３，１０４に電流が流れていることが検出された。以上より、位置決め動作が確認される。
さらに、このままの状態で、プローブアレイで図１中ｘの正方向に長さ１００μｍにわたり、直線状に走査を行う。走査中、それぞれのプローブに流れる電流をモニタする。プローブ１０１，１０２，１０４，１０５には電流が断続的に流れたが、プローブ１０３には常に電流が流れていた。以上より、トラッキング動作が確認される。
【００２２】
［実施例２］
図６、図７を用いて、前記構成の記録再生装置に対し、本発明の位置決め機構を適用した実施例２について以下に詳細な説明を行う。
上記装置に対して、２００μｍ間隔で一体成形された５本のプローブを有するプローブアレイを２組用意する。まず、第１のプローブアレイ１０７を取り付ける。次に、図６に示すように、第２のプローブアレイ６０８を第１のプローブアレイ１０７と直交するように取り付ける。図６中、プローブ１０２の探針先端からプローブ１０１の探針先端を見る向きをｙの正方向とし、記録媒体５０３の表面に垂直にプローブアレイ６０８から記録媒体５０３を見て、反時計周りをθの正の回転方向とし、ｙの正方向をθの負方向にπ／２ｒａｄ回転した向きをｘの正方向とする。さらに、１本の記録再生プローブ６０６を取り付ける。以上１１本のプローブは一体となって移動するが、２組のプローブアレイ１０７、６０８は、それぞれ独立に、プローブ１０１及びプローブ６０１の探針先端を中心として、記録媒体と平行な平面内において回転できる。ここで、それぞれのプローブアレイを記録媒体５０３に対して、記録媒体５０３の表面と平行な平面内において、プローブ１０１及びプローブ６０１それぞれの探針先端を中心として、θの正方向に０．００９ｒａｄ回転させる。ここで、全プローブの短針先端を記録媒体に接触させる。
【００２３】
次に、第１のプローブアレイ１０７を用いて、位置決めマーカー１０６を作成する。全プローブで、長さ１０μｍにわたり、図６中ｘの正方向に、直線状に走査を行う。走査中、プローブアレイ１０７の５本のプローブを用いて、７ｎｍ間隔で電圧パルスを印加する。電圧は５．５Ｖ、印加時間は０．３μｓｅｃである。生成された個々の記録ビットの直径は約１０ｎｍである。以上の手順により、図６中ｘ方向に、長さ１０μｍにわたり、５本の位置決めマーカーが生成される。さらに、プローブアレイをｘの負方向に５μｍ、ｙの負方向に５μｍ移動させる。
次に、第２のプローブアレイ６０８を用いて、位置決めマーカー１０６を作成する。全プローブで、長さ１０μｍにわたり、図６中ｙの正方向に、直線状に走査を行う。走査中、プローブアレイ６０８の５本のプローブを用いて、７ｎｍ間隔で電圧パルスを印加する。電圧は５．５Ｖ、印加時間は０．３μｓｅｃである。生成された個々の記録ビットの直径は約１０ｎｍである。以上の手順により、図６中ｙ方向に、長さ１０μｍにわたり、５本の位置決めマーカーが生成される。
【００２４】
次に、全プローブを図６中ｙの負方向に５μｍ移動させてから、２組のプローブアレイの角度をそれぞれ元に戻す。これにより、先に生成した、位置決めマーカーの間隔に対する、隣り合うプローブ同士の見かけの間隔は、４ｎｍ広くなる。この状態で、５本のプローブを有するプローブアレイを２組用いて、位置決めを行う事により、本実施例における位置決め機構は、図６中ｘｙ方向について約２５ｎｍ□のレンジを持つ。
ここで、プローブ１０３、６０３が位置決めマーカーの直上に位置するように位置合わせ動作を行う。
【００２５】
ここで、図７を用いて本実施例で用いた位置合わせ機構について説明する。２組のプローブアレイ１０７、６０８のそれぞれ５本のプローブから出力された位置決めマーカーの電流信号はＩ／Ｖ変換回路２０１によって電圧信号に変換され、増幅回路２０２によってそれぞれ増幅された後、信号検出回路２０３で、プローブに電流が流れているか検出される。信号検出回路２０３は、それぞれに対応するプローブに電流が流れた場合は１、流れていない場合は０の２値の信号を加算回路２０４へ出力する。加算回路２０４では入力された信号のうち、例えば、プローブ１０３が位置決めマーカーの直上に位置するように、位置決めを行う場合、プローブ１０３よりプローブ１０１側にあるプローブ、すなわちプローブ１０１，１０２の信号を正負反転し、プローブ１０４，１０５の信号と共に足し込み出力する。プローブ１０３の信号は足し込まない。プローブアレイ６０８についても同様である。加算回路２０４の出力信号はＰＩＤフィルタ２０５を通り、積分回路２０６で過去の履歴と足し合わされ、増幅回路２０７で増幅され、図５におけるｘｙｚ駆動ステージ５０８を制御する。
図７に示す回路を接続し、２組のプローブアレイ１０７、６０８の１０本のプローブに１．５Ｖのバイアス電圧を印加する。その後、それぞれのプローブに流れる電流をモニタした結果、プローブ１０２、１０３、１０４、６０２、６０３、６０４に電流が流れていることが検出された。以上より、目標位置に位置決めが行われたことが確認できる。
【００２６】
ここで、記録再生プローブ６０６に電圧パルスを印加して、記録ビット６０７を生成する。電圧は５．５Ｖ、印加時間は０．３μｓｅｃである。生成される記録ビット６０７の直径は約１０ｎｍである。ここで、記録再生プローブ６０６に１．５Ｖのバイアス電圧を印加し、プローブ６０６に電流が流れていることを確認した。
次に、全プローブのバイアス電圧を切ってから、図７に示す回路を接続したまま、プローブ全体を図６中ｘの正の方向に１０ｎｍ、ｙの正の方向に１０ｎｍ移動させる。ここで、プローブ６０６に１．５Ｖのバイアス電圧を印加したところ、電流は流れなかった。以上より、プローブ６０６の短針先端が、先に生成した記録ビット６０７上から外れた事が確認できる。
次に、プローブ６０６のバイアス電圧を切った後、２組の位置検出プローブアレイ１０７、６０８の全プローブに、１．５Ｖのバイアス電圧を印加し、プローブ１０３，６０３がそれぞれの位置決めビット群の直上に位置するように位置決めを行う。次に、プローブ６０６に１．５Ｖのバイアス電圧を印加したところ、プローブ６０６に電流が流れていた。以上より、プローブ６０６の短針先端が、先に生成した記録ビット６０７上に位置決めされた事が確認できる。
【００２７】
［実施例３］
以下、図８を参照しながら、前記構成の記録再生装置に対し、本発明の位置決め及びトラッキング機構を適用した実施例３について詳細な説明を行う。
まず、上記装置に対して、１００μｍ間隔で一体成形された５０本のプローブからなるプローブアレイ８５１を取り付ける。これら５０本のプローブのうち、２３番目から２７番目の計６本のプローブを位置決めとトラッキングのために使用し、残りの４４本を位置決めと記録再生のために使用する。この状態で、プローブ１０２の探針先端からプローブ１０１の探針先端を見る向きをｙの正方向とし、記録媒体５０３の表面に垂直にプローブアレイ８５１から記録媒体５０３を見て、反時計周りをθの正の回転方向とし、ｙの正方向をθの負方向にπ／２ｒａｄ回転した向きをｘの正方向とする。
【００２８】
次に、プローブアレイ８５１で、図８中ｙの正方向に、長さ５μｍにわたり、直線状に走査を行う。走査中、全プローブを用いて、７ｎｍ間隔で電圧パルスを印加する。電圧は５．５Ｖ、印加時間は０．３μｓｅｃである。生成された個々のビットの直径は約１０ｎｍである。以上の動作により、図８中ｙの方向に長さ５μｍにわたり、幅１０ｎｍの位置決めマーカーが１００μｍ間隔で５０本生成される。
この状態から、さらに、プローブアレイ８５１で、図８中ｙの正方向に、長さ５０μｍにわたり、直線状に走査を行う。走査中、２３番目から２８番目までの６本のプローブそれぞれにつき、２０４８回電圧パルスを印加する。電圧は５．５Ｖ、印加時間は０．３μｓｅｃである。生成された個々のビットの直径は約１０ｎｍである。以上の動作により、図８中ｙの方向に長さ５０μｍにわたり、２０４８個のビットから構成されるトラッキングマーカーが１００μｍ間隔で６本生成される。
【００２９】
次に、プローブアレイ８５１を元の位置に戻し、図８中ｘの正方向に１μｍ移動させてから、同様に位置決めマーカー及びトラッキングマーカーの生成を行う。これを９回繰り返し、位置決めマーカー及びトラッキングマーカー群を有する計１０組のトラックが生成される。
次に、プローブアレイ８５１を図８中ｘの負方向に９μｍ、ｙの負方向に５３μｍ移動させてから、記録媒体５０３に対して、記録媒体５０３と平行な平面内において、プローブ１０１の探針先端を中心として、θの正方向に０．００００４ｒａｄ回転させる。これにより、２本のプローブの図１０中ｘ方向の見かけの間隔は４ｎｍ大きくなる。この状態で、５０本のプローブを用いて、位置決めを行う事により、本実施例における位置決め機構は、図８中ｘ方向について約２００ｎｍのレンジを持つ。また、図１０中ｙ方向の見かけのプローブ間隔は０．００００８ｎｍ小さくなるが、これはビット１０６の直径１０ｎｍに対して十分に小さいため、無視できる。
【００３０】
現在の状態では、プローブアレイ８５１の５０本のプローブの内、プローブ８０１の短針先端が位置決めマーカーの直上にある。ここで、プローブ８２５とプローブ８２６の短針先端を結んだ直線の中央がこの２本のプローブの位置決めマーカーの中央にある状態、すなわち、この２本のプローブ両方がそれぞれの位置決めマーカー上にある状態になるように位置決めを行う。
ここで、図９を用いて本実施例で用いた位置決め機構について説明する。５０本のプローブから出力された位置決めマーカーの電流信号はＩ／Ｖ変換回路２０１によって電圧信号に変換され、増幅回路２０２によってそれぞれ増幅された後、信号検出回路２０３で、プローブに電流が流れているか検出される。信号検出回路２０３は、それぞれに対応するプローブに電流が流れた場合は１、流れていない場合は０の２値の信号を加算回路２０４へ出力する。加算回路２０４では入力された信号に対して、図１１に示す係数をかけてから、全プローブの信号検出回路からの出力を足し込み出力する。重み付け加算回路９０１の出力信号はＰＩＤフィルタ２０５を通り、積分回路２０６で過去の履歴と足し合わされ、増幅回路２０７で増幅され、図５におけるｘｙｚ駆動ステージ５０８を制御する。
【００３１】
図９に示す回路を接続し、各プローブに１．５Ｖのバイアス電圧を印加する。各プローブに流れる電流をモニタしたところプローブ２５とプローブ２６に電流が流れていた。これにより、位置決めが行われた事が確認できる。
次にバイアス電圧を印加したまま、プローブアレイ８５１を図８中ｙ方向に走査する。プローブ１からプローブ２２及びプローブ２９からプローブ５０までの４４本のプローブに電流が検出されなくなった時点で、走査を止め、これら４４本のプローブに印加したバイアス電圧を切る。図１０に示すように回路をつなぎ替え、トラッキングを行いながらデータビットを記録する。
【００３２】
ここで、図１０を用いて本実施例で用いたトラッキング機構について説明する。プローブ２３からプローブ２８までの６本のプローブから出力されたトラッキングマーカーの電流信号はＩ／Ｖ変換回路２０１によって電圧信号に変換され、増幅回路２０２によってそれぞれ増幅された後、信号検出回路２０３で、プローブに電流が流れているか検出される。信号検出回路２０３は、それぞれに対応するプローブに電流が流れた場合は１、流れていない場合は０の２値の信号を加算回路２０４へ出力する。加算回路２０４では入力された信号に対して、図１２に示す係数をかけてから、全プローブの信号検出回路からの出力を足し込み出力する。重み付け加算回路９０１の出力信号はＰＩＤフィルタ２０５を通り、積分回路２０６で過去の履歴と足し合わされ、増幅回路２０７で増幅され、図５におけるｘｙｚ駆動ステージ５０８を制御する。
【００３３】
長さ１００μｍにわたり、図８中ｙの正方向に走査を行う。走査中、トラッキングに使用しない４４本のプローブを用いて、あらかじめ用意したデータに合わせて、各プローブ最大２０４８回電圧パルスを印加する。電圧は５．５Ｖ、印加時間は０．３μｓｅｃである。生成されたデータビットの直径は約１０ｎｍ、ビット間隔は約５０ｎｍである。以上の記録動作を先に生成した、１０組のトラックすべてに関して行う。
次に、トラッキングを行いながらデータビットの再生動作を行う。プローブアレイ８５１を元の位置に戻してから、プローブアレイ８５１の全プローブに１．５Ｖのバイアス電圧を印加し、上記トラッキング機構を用いてトラッキングを行いながら走査を行う。走査中、記録に用いた４４本プローブからの再生信号をモニタすることで、記録した情報を得た。各トラックについて５０回の再生動作を行ったところ、再生エラーは認められなかった。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数本の位置検出プローブを有するプローブアレイで、記録媒体上に複数の位置決めマーカーを生成し、記録媒体表面と平行な面内において、プローブアレイと記録媒体との角度を変化させる事で位置決めマーカーから見たプローブの見かけの間隔を変化させ、どのプローブがマーカー上にあるかを検出することにより、高精度の位置決めが可能となる。さらに、位置決めマーカー検出信号の有無のみにより、位置決めを行うため、ノイズに強い位置決め制御系の構築が可能となる。
また、本発明によれば、位置決めに用いるプローブの数を増やすことにより、より広範囲の位置決めが可能となる。さらに、記録媒体上をプローブアレイで走査しながら、前記位置決め動作を行うことにより、本方式をトラッキング手段として使用することが可能なため、単純な構成で両機能を実現することができる。
また、本発明によれば、記録媒体に対して、物理的な加工を施さず、記録再生原理そのものによって、位置決め及びトラッキングが行われるため、記録再生機構と位置決め及びトラッキング機構と容易に一体化することができる。さらに、記録媒体の材質に対する制限も少なくなる。
また、本発明によれば、位置決め動作には、記録再生時のトラッキング動作より多くの位置検出プローブを使用し、記録再生時にはトラッキング動作に使用しない位置検出プローブを記録再生プローブとして使用することにより、位置決め動作に求められる広い位置決め範囲を保ちながら、プローブの利用効率の高い記録再生装置を構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を説明する図。
【図２】本発明の実施例１の位置決め及びトラッキング機構を説明する図。
【図３】本発明の位置決め及びトラッキング機構の原理を説明する図。
【図４】本発明の位置決め及びトラッキング機構の原理を説明する図。
【図５】本発明を適用する記録再生装置の全体構成を説明する図。
【図６】本発明の実施例２を説明する図。
【図７】本発明の実施例２の位置決め機構を説明する図。
【図８】本発明の実施例３を説明する図。
【図９】本発明の実施例３の位置決め機構を説明する図。
【図１０】本発明の実施例３のトラッキング機構を説明する図。
【図１１】本発明の実施例３の重み付け加算回路における位置あわせ時の係数を表す図。
【図１２】本発明の実施例３の重み付け加算回路におけるトラッキング時の係数を表す図。
【符号の説明】
１０１：プローブ
１０２：プローブ
１０３：プローブ
１０４：プローブ
１０５：プローブ
１０６：位置決めマーカー
１０７：プローブアレイ
２０１：Ｉ／Ｖ変換回路
２０２：増幅回路
２０３：信号検出回路
２０４：加算回路
２０５：ＰＩＤフィルタ
２０６：積分回路
２０７：増幅回路
５０１：基板
５０２：記録層
５０３：記録媒体
５０４：探針
５０５：プローブ
５０６：弾性体
５０７：θ駆動ステージ
５０８：ｘｙｚ駆動ステージ
５０９：切り替えスイッチ
５１０：バイアス印加手段
５１１：記録制御回路
５１２：再生制御回路
５１３：位置制御回路
５１４：制御コンピュータ
５１５：角度制御回路
６０１：プローブ
６０２：プローブ
６０３：プローブ
６０４：プローブ
６０５：プローブ
６０６：プローブ
６０７：記録ビット
６０８：プローブアレイ
８０１：プローブ
８０２：プローブ
８０３：プローブ
８２４：プローブ
８２５：プローブ
８２６：プローブ
８５０プローブ
８５１：プローブアレイ
８５２：トラッキングマーカー
９０１：重み付け加算回路

Claims (25)

1. 記録媒体に対してプローブで相対走査して該記録媒体上に情報を記録し、または該記録媒体から情報を再生する記録再生装置におけるプローブの位置決め及びトラッキング機構であって、
   前記記録媒体に対して相対動作し、複数本の位置検出プローブを備えた位置検出プローブアレイと、
   前記位置検出プローブアレイと前記記録媒体との前記記録媒体表面に平行な面内における相対角度を変化させることにより、前記複数本の位置検出プローブに対応する前記記録媒体上に形成された位置決めマーカー群を構成する複数の位置決めマーカーあるいはトラッキングマーカー群を構成する複数のトラッキングマーカーの間隔に対する、該複数本の位置検出プローブの見かけの間隔を変化させる角度制御手段と、
   前記複数の位置決めマーカー上における前記見かけの間隔の変化したプローブの位置に応じた制御信号を出力する制御信号出力手段と、
   前記制御信号に基づいて前記記録媒体と前記位置検出プローブアレイの相対位置を制御する制御手段と、
   を有し、プローブの位置決め及びトラッキングを行うことを特徴とするプローブの位置決め及びトラッキング機構。
2. 前記位置決めマーカー群あるいはトラッキングマーカー群が、記録ビットによって作成されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の位置決め及びトラッキング機構。
3. 前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーが、互いに平行な線状の形状に作成されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のプローブの位置決め及びトラッキング機構。
4. 前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーの線状の形状を、記録ビットを連続的に並べて作成することを特徴とする請求項２に記載のプローブの位置決め及びトラッキング機構。
5. 前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーが、互いに平行な線内において、断続的な形状に作成されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のプローブの位置決め及びトラッキング機構。
6. 前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーの断続的な形状を、前記記録ビットを断続的に並べて作成することを特徴とする請求項５に記載のプローブの位置決め及びトラッキング機構。
7. 前記位置決めマーカー群あるいはトラッキングマーカー群が、前記位置検出プローブアレイによって作成されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の位置決め及びトラッキング機構。
8. 前記位置決めマーカー群あるいはトラッキングマーカー群を、複数組作成するように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の位置決め及びトラッキング機構。
9. 前記位置決めマーカー群と前記トラッキングマーカー群とを兼ねるマーカー群を作成するように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の位置決め及びトラッキング機構。
10. 前記位置決めマーカー群とトラッキングマーカー群を別々に作成するように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の位置決め及びトラッキング機構。
11. １つの位置決めマーカー群を構成する位置決めマーカーの数を、１つのトラッキングマーカー群を構成するトラッキングマーカーの個数より多く作成するように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の位置決め及びトラッキング機構。
12. 前記位置検出プローブアレイが第１のプローブアレイと第２のプローブアレイとによる複数のプローブアレイで構成され、これら第１のプローブアレイと第２のプローブアレイを直交する向きに配置し、直交する向きに配置された複数の位置決めマーカー群を作成するように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の位置決め及びトラッキング機構。
13. 前記制御信号出力手段が、前記位置検出プローブアレイの各位置検出プローブからの出力を比較し、比較結果に応じた符合と絶対値を持つ信号を出力する比較演算手段であることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の位置決め及びトラッキング機構。
14. 制御信号出力手段が、前記複数本の位置検出プローブからの出力を検出し、該出力の有無に応じた信号を出力する信号検出手段と、
    前記信号検出手段の出力を、前記位置検出プローブの位置決め目標からの位置に応じて演算する演算手段とを有することを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の位置決め及びトラッキング機構。
15. 前記演算手段が、前記信号検出手段からの出力信号に対して、前記位置検出プローブの位置決め目標からの位置に応じた符号をつけて、加算することを特徴とする請求項１４に記載の位置決め及びトラッキング機構。
16. 前記演算手段が、前記信号検出手段からの出力信号に対して、前記位置検出プローブの位置決め目標からの位置に応じた係数をかけた上で、加算することを特徴とする請求項１４に記載の位置決め及びトラッキング機構。
17. 記録媒体に対してプローブで相対走査して該記録媒体上に情報を記録し、または該記録媒体から情報を再生する記録再生装置におけるプローブの位置決め及びトラッキング方法であって、
    前記記録媒体と相対動作し、複数本の位置検出プローブを備えた位置検出プローブアレイを有し、
    前記位置検出プローブアレイと前記記録媒体との前記記録媒体表面に平行な面内における相対角度を変化させることにより、前記複数本の位置検出プローブに対応する前記記録媒体上に形成された位置決めマーカー群を構成する複数の位置決めマーカーあるいはトラッキングマーカー群を構成する複数のトラッキングマーカーの間隔に対する、前記複数本の位置検出プローブの見かけの間隔を変化させ、
    前記複数の位置決めマーカー上における該見かけの間隔の変化したプローブの位置に応じた制御信号を出力し、該制御信号に基づいて前記記録媒体と前記位置検出プローブアレイの相対位置を制御して、プローブの位置決め及びトラッキングを行うことを特徴とするプローブの位置決め及びトラッキング方法。
18. 前記位置検出プローブアレイと前記記録媒体との前記記録媒体表面に平行な面内における相対角度は、前記位置決めマーカー群をあるいはトラッキングマーカー群を、前記位置検出プローブアレイを用いて生成した後に、変化させることを特徴とする請求項１７に記載のプローブの位置決め及びトラッキング方法。
19. 前記プローブの位置決め及びトラッキングを行うに際して、位置決め時にトラッキング時よりも多くの位置検出プローブを用いて位置決めを行なうことを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載のプローブの位置決め及びトラッキング方法。
20. トラッキング時に使用しない位置検出プローブを記録再生プローブとして使用することを特徴とする請求項１９に記載のプローブの位置決め及びトラッキング方法。
21. 前記位置決めマーカー群あるいはトラッキングマーカー群を、記録ビットで作成することを特徴とする請求項１７に記載の位置決め及びトラッキング方法。
22. 前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーを、互いに平行な線状の形状に作成することを特徴とする請求項１７に記載のプローブの位置決め及びトラッキング方法。
23. 前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーの線状の形状を、記録ビットを連続的に並べて作成することを特徴とする請求項２２に記載のプローブの位置決め及びトラッキング方法。
24. 前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーを、互いに平行な線内において、断続的な形状に作成することを特徴とする請求項１７に記載のプローブの位置決め及びトラッキング方法。
25. 前記複数の位置決めマーカーあるいは前記複数のトラッキングマーカーの断続的な形状を、前記記録ビットを断続的に並べて作成することを特徴とする請求項２４に記載のプローブの位置決め及びトラッキング方法。

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