JP4103136B2 - データ記録再生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査プローブ顕微鏡を応用したデータ記録再生装置に関し、例えば相変化膜を記録媒体とするデータ記録再生装置に利用して有用な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、探針を試料の表面に近接させた状態で走査させて観測を行う走査プローブ顕微鏡により、物質の表面をナノオーダーで観察することが可能になっている。さらに、走査プローブ顕微鏡を用いて例えば個々の原子を操作することで、物質の表面にナノオーダーのマークを形成し、それにより非常に高い記録密度でデータ記録を行うことが可能であることも知られている。
【０００３】
一方、現在、記録型のＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）や青紫色レーザを用いて記録再生を行う記録ディスクなど、相変化型の記録媒体が多く用いられることもあって、このような記録媒体の研究開発が大いに進展している。
【０００４】
そこで、本発明者は、走査プローブ顕微鏡を用いて相変化型の記録膜にデータの記録と再生が出来ないか検討した。相変化型の記録膜は、様々な研究開発が進められているため、高精度のものや多種多様な性質のものを比較的容易に得ることが出来ると考えたからである。
【０００５】
走査プローブ顕微鏡を応用したデータ記録再生装置の中で記録媒体に相変化型の記録膜を用いた従来技術としては、特許文献１の光記録再生装置があった。この光記録再生装置は、レーザをその波長以下の微小な開口から放出させてなる近接場光を用いてデータ記録を行うものである。すなわち、近接場光により光の分解能を超える微小なスポットで記録膜にレーザ出力を行い、それにより微小なスポットで相変化をさせてデータ記録を行う。データの再生は、相変化に付随して記録膜の表面電位が変化することを利用して、走査プローブ顕微鏡で用いられる手法により記録膜の表面電位を検出することで行う。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１８４７５１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように近接場光を用いたデータ記録では、光の分解能を超えるとはいえ記録ビットを１０ｎｍ（ナノメートル）のオーダーにまで小さくすることは未だ現実的でない。
【０００８】
この発明の目的は、相変化型の記録媒体に１０ｎｍや１ｎｍのオーダーの微小な記録ピットを形成でき、それにより１Ｔ（テラ）ｂｉｔ／ｉｎ２（＝１．５Ｇ（ギガ）ｂｉｔ／ｍｍ２）やそれ以上の高い記録密度でデータの記録再生が行えるデータ記録再生装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、表面電位が変調可能な記録膜を有する記録媒体を保持するテーブルと、探針を有し該探針の先を上記記録膜の近傍に位置させるように伸びるカンチレバーと、上記記録膜に垂直なＺ方向へ上記テーブル又は上記カンチレバーを変位させるＺ駆動手段と、上記記録膜と平行なＸ−Ｙ方向へ上記テーブル又は上記カンチレバーを変位させるＸＹ駆動手段と、上記探針が上記記録膜にほぼ接する位置に保たれるように上記Ｚ駆動手段を制御するＺ制御手段と、記録信号を受けて上記カンチレバーに記録用の電圧を出力する書込回路と、上記カンチレバーに表れる変化に基づき上記記録膜の走査位置の表面電位を検出する表面電位検出手段とを備え、上記ＸＹ駆動手段とＺ駆動手段およびＺ制御手段により上記探針を上記記録膜表面に沿って移動させながら上記書込回路により上記カンチレバーと上記探針を介して上記記録膜に電圧を印加し、この電圧印加により走査位置の表面電位を変調させてデータを記録する一方、上記表面電位検出手段の検出出力に基づき上記記録膜の走査位置の表面電位を検出することでデータを読み出すように構成したものである。
【００１０】
現在、走査プローブ顕微鏡に使用される探針はその先端の半径が１５ｎｍ程度にまで小さく形成することができ、さらに、カーボナノチューブを用いることで５ｎｍ程度にまで小さくすることが出来る。従って、記録膜に１５ｎｍや５ｎｍ程度の大きさの記録ピットを形成することが可能であり、それにより１Ｔｂｉｔ／ｉｎ２（ピット寸法２５ｎｍ）以上の記録密度を実現することが出来る。また、探針から記録膜に電圧を印加することで記録ピットを形成する構成なので、記録媒体として相変化型の記録膜を用いることが出来る。
【００１１】
すなわち、上記記録膜としては熱により相変化を生じる相変化型を適用することができ、その場合、上記探針を介して上記記録膜に流される電流により上記記録膜の走査位置の部位が発熱・相変化されてデータの書込みを行う一方、相変化に付随して変化される表面電位を上記表面電位検出手段により検出することでデータの読出しを行うことが出来る。
【００１２】
また、上記記録膜として強誘電体を適用することもでき、この場合、上記探針の電圧により記録膜の走査位置の部位を変調させてデータ書込みを行う一方、その変調された表面電位を検出することでデータ読出しを行うことが出来る。
【００１３】
具体的には、上記Ｚ制御手段は、上記カンチレバーを上記Ｚ方向の成分を含む向きで振動させる振動手段と、上記カンチレバーの振動による変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段の検出出力から特定周波数成分を導出する第１周波数フィルタと、この特定周波数成分の大きさに応じて上記Ｚ駆動手段をコントロールするＺ駆動用フィードバック回路とから構成すると良い。
【００１４】
このような手段によれば、上記Ｚ駆動用フィードバック回路の制御により上記探針の振動運動の中心位置と上記記録膜との距離が一定に保たれるようにすることが出来る。
【００１５】
また、上記表面電位検出手段は、上記カンチレバーに所定周波数の交流電圧を印加する電圧出力回路と、上記変位検出手段の検出出力から上記所定周波数又はその近傍の周波数成分を導出する第２周波数フィルタと、この第２周波数フィルタから導出された周波数成分の大きさに応じて上記カンチレバーに印加されるバイアス電圧を変化させる電圧用フィードバック回路とを備え、上記電圧用フィードバック回路により上記探針の中心電位と上記記録膜の走査位置の表面電位との電位差が一定に保たれるように制御され、上記バイアス電圧により上記記録膜の走査位置の表面電位を検出するように構成すると良い。このような構成により、記録ピットが形成されそれにより表面電位が変調されている記録膜上を走査する場合でも、探針と記録膜上の電位差を一定に保つことができ、それにより、記録膜の表面電位が探針の高さ制御に及ぼす影響を減らすことも出来る。
【００１６】
また、上記Ｚ駆動用フィードバック回路と上記電圧用フィードバック回路による帰還制御を行いながら上記書込回路により記録用の電圧を上記カンチレバーに印加することで上記探針を介して上記記録膜に電流を流しこの電流により発生される発熱により上記記録膜の走査位置の部位を相変化させてデータを記録するように構成すると良い。さらに、上記のＺ駆動用フィードバック回路の出力を外部出力する第１出力部と、電圧用フィードバック回路の出力を外部出力する第２出力部とを備えるように構成すると良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態のデータ記録再生装置の全体構成図、図２は記録膜の断面構成と探針先端とを示す説明図である。
この実施の形態のデータ記録再生装置１は、先端に探針ｈを有するカンチレバー１１と、ピエゾ素子を用いてカンチレバー１１を振動させる振動手段としてのピエゾ駆動部１２と、振動によるカンチレバー１１の変位量を検出する変位検出手段としての光梃子１３と、相変化型の記録膜を有する記録媒体２０と、記録媒体２０が載置されるとともに記録膜に水平なＸ−Ｙ方向の駆動と記録膜に垂直なＺ方向の微小駆動が可能な駆動テーブル２１と、カンチレバー１１の固有振動数（例えば１ＭＨｚ）と同じ周波数ωγの交流電圧“Ｖγsinωγt”をピエゾ駆動部１２に出力する第１電圧回路１５と、カンチレバー１１に所定周波数ω（例えば１０ＭＨｚ）の電圧“ＶＡｓｉｎωｔ”を印加する電圧出力回路としての第２電圧回路１６と、カンチレバー１１に可変的なバイアス電圧ＶＢを供給する可変バイアス回路１７と、アンプ１４を介した光梃子１３の出力から周波数ωγの成分を導出する第１周波数フィルタ３１と、アンプ１４を介した光梃子１３の出力から周波数ωの成分を導出する第２周波数フィルタ３２と、第１周波数フィルタ３１の出力に応じて駆動テーブル２１のＺ方向の駆動量を制御するＺフィードバック回路３３と、第２周波数フィルタ３２の出力に応じて可変バイアス回路１７の出力を制御するＶフィードバック回路３４等から構成される。
【００１８】
このデータ記録再生装置１においては、外部から記録信号ＩＮが入力され、この記録信号ＩＮが書込回路としての書込みアンプ１８を介してカンチレバー１１に出力されるようになっている。また、Ｖフィードバック回路３４の出力が再生信号ＯＵＴとして外部に出力され、さらに、Ｚフィードバック回路３３の出力が記録膜の表面状態を表わす検出信号ＯＵＴ２として外部に出力されるようになっている。
【００１９】
上記のカンチレバー１１は、固有振動数ωγを有する板バネ状のレバーであり導電体から構成される。また、探針ｈは、図２にも示されるように先端が半径１５ｎｍ程度に細くされた導電体である。
【００２０】
記録媒体２０は、その表面に例えばＧｅＳｂＴｅ（ゲルマニウム・アンチモン・テルル）やＩｎＡｇＳｂＴｅ（インジウム・銀・アンチモン・テルル）等からなる相変化型の記録膜２０Ａが、その下層に導電層２０Ｂが形成されたものである。記録膜２０Ａは６ｎｍ程度の厚さに形成され、導電層２０Ｂは例えば接地される。
【００２１】
光梃子１３は、半導体レーザ１３ａからカンチレバー１１の背面にレーザ光を照射し、その反射光の光量をフォトダイオード１３ｂ等により測定することで、カンチレバー１１の変位を高精度に検出するものである。
【００２２】
次に、上記構成のデータ記録再生装置１によりデータの記録再生を行う場合の動作について説明する。
このデータ記録再生装置１においては、Ｚフィードバック回路３３の帰還制御と駆動テーブル２１をＸ−Ｙ方向へ駆動させることにより、探針ｈが記録膜２０Ａの表面と僅かに接する高さで探針ｈが記録膜２０Ａの表面に沿って移動すなわち記録膜２０Ａの表面を走査しながら、データの記録又は再生が行われる。
【００２３】
探針ｈが記録膜２０Ａの表面を走査する際には、ピエゾ駆動部１２に電圧Ｖγｓｉｎωγｔが入力され、カンチレバー１１はピエゾ駆動部１２の駆動によりＺ方向の成分を含む向きに微小振動される。そして、この微小振動によるカンチレバー１１の変位が光梃子１３により検出される。
【００２４】
探針ｈが記録膜２０Ａから離れた上方位置にある場合、探針ｈはピエゾ駆動部１２の駆動力により固有振動数ωγで共振運動する。このとき光梃子１３からの検出信号Ｓｄの周波数ωγの成分は最大値となる。この周波数成分はＺフィードバック回路３３に供給され、Ｚフィードバック回路３３はそれが最大値である場合に駆動テーブル２１が上方に微小変位されるように制御する。
【００２５】
一方、探針ｈが記録膜２０Ａと接する程度に近づくと、探針ｈと記録膜２０Ａの表面間に原子間力等が働いて探針ｈに固有振動数からずれた振動数（ωγ−δω）の振動が発生する。そして、その分、固有振動数ωγの成分が減少し、この変化がＺフィードバック回路３３に送られる。Ｚフィードバック回路３３は、送られた固有振動数ωγの成分量が最大値より所定値小さいところで駆動テーブル２１のＺ方向の駆動を停止させ、減少量がそれ以上に大きい場合には駆動テーブル２１が下方に微小変位されるように制御する。
【００２６】
このようなピエゾ駆動部１２によるカンチレバー１１の振動駆動とＺフィードバック回路３３による帰還制御により、探針ｈは記録膜２０Ａと僅かに接する距離で上下に振動した状態で記録膜２０Ａ上を走査することになる。
【００２７】
また、このように探針ｈが記録膜２０Ａ上を走査する際には、可変バイアス回路１７とＶフィードバック回路３４の帰還制御により、探針ｈの中心電位と記録膜２０Ａの走査位置の表面電位との差が一定になるように制御される。
【００２８】
すなわち、カンチレバー１１と探針ｈに電圧回路１６から上記固有振動数ωγよりも例えば１０倍程度高い周波数ωで変化する交流電圧ＶＡｓｉｎωｔが印加され、さらに、可変バイアス回路１７により可変的なバイアス電圧ＶＢが印加される。そして、これらの電圧（ＶＢ＋ＶＡｓｉｎωｔ）により、探針ｈと記録膜２０Ａ表面との間にクーロン力が働き、カンチレバー１１はピエゾ駆動部１２による振動に加えて１０倍程度高い周波数ωの振動が重ね合わされたような振動を行う。そして、このような振動運動のうち振動数ωの成分第２周波数フィルタ３２により導出されてＶフィードバック回路３４に送られる。
【００２９】
ここで、探針ｈの中心電位と記録膜２０Ａの走査位置の表面電位との電位差が所定値（例えば０Ｖ）であるときと、所定値からずれたときとでは、探針ｈと記録膜２０Ａとの間に働くクーロン力が変化して、カンチレバー１１の運動が変化する。そして、この運動の変化が、振動数ωの成分量の変化となって現れる。
【００３０】
Ｖフィードバック回路３４では、カンチレバー１１の運動の振動数ωの成分量を監視しながら、この成分量が所定値で一定になるように、可変バイアス回路１７を制御する。それにより、探針ｈの中心電位と記録膜２０Ａの走査位置の表面電位との電位差が所定値（例えば０Ｖ）に保たれる。
【００３１】
上述のような探針ｈのＺ方向の位置制御と電位制御は、各々の制御のために用いるピエゾ駆動部１２の振動の周波数ωγと、電圧回路１６の出力の周波数ωとを大きく異ならせることで、それぞれの振動が互いに干渉してしまうのを防ぎ、Ｚ方向の位置制御と電位制御とをそれぞれ独立した状態で実行することが出来る。
【００３２】
データの記録は、上記のような制御により探針ｈが記録膜２０Ａの表面を走査している際に、その走査位置に対応させて入力端子から記録信号ＩＮを入力することで行われる。例えば、ハイレベルの信号ＩＮが入力されるとアンプ１８を介して比較的な大きな電圧が瞬間的にカンチレバー１１に印加され、探針ｈの先端から直下の記録膜２０Ａの部位に瞬間的に大きな電流が流される。この電流はその後導電層２０Ｂへと流される。そして、この電流により記録膜２０Ａの走査位置の部位が例えば６００℃以上に発熱されて結晶状態Ｃからアモルファス状態Ａへと相変化され、それにより記録ピットが形成される。
【００３３】
なお、アンプ１８の出力調整により記録膜２０Ａを通して流される電流量を減らして発熱温度を例えば３００℃まで下げることによりアモルファス状態Ａから結晶状態Ｃへ戻すことも可能であり、これによりデータの消去やデータの上書きも可能となる。
【００３４】
データの再生は、探針ｈのＺ方向の位置制御と電位制御とを行いながら探針ｈをデータの記録された記録膜２０Ａの表面を走査させることで行われる。そして、この走査の際にＶフィードバック回路３４から出力される信号が再生信号ＯＵＴとなる。
【００３５】
すなわち、記録膜２０Ａの表面電位はアモルファス状態Ａと結晶状態Ｃとで異なってくるが、上記の電位制御により探針ｈの中心電位と記録膜２０Ａの走査位置の表面電位との電位差は一定に保たれる。つまり、探針ｈがアモルファス状態Ａの部分に位置するときには、その表面電位に合わせて探針ｈのバイアス電圧が下げられ、他方、探針ｈが結晶状態Ｃの部分を位置するときには、その表面電位に合わせて探針ｈのバイアス電位が上げられる。この探針ｈのバイアス電圧の上げ下げはＶフィードバック回路３４の制御出力により行われているので、この出力である再生信号ＯＵＴにより探針ｈの走査位置がアモルファス状態Ａか結晶状態Ｃかが示されることとなる。
【００３６】
なお、Ｚフィードバック回路３３の出力を検出信号ＯＵＴ２として外部出力させることで、この検出信号ＯＵＴ２により記録膜２０Ａの表面の凹凸状態を観測することも出来る。
【００３７】
以上のように、この実施の形態のデータ記録再生装置１によれば、先端を１５ｎｍや５ｎｍ程度まで細くすることが可能な探針ｈを用いて記録ピットを形成するので１Ｔｂｉｔ／ｉｎ２といった高い記録密度の記録再生が実現できる。さらに、探針ｈから記録膜２０Ａへ電流を流してその部位を発熱させる構成なので、記録媒体に熱により相変化がなされる相変化型の記録膜２０Ａを使用することが出来る。相変化型の記録媒体は、研究開発が特に進んでいるため、高精度で且つ高い記録密度に適した特性の記録膜が比較的容易に得ることが出来る。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、実施の形態では、カンチレバーの振動による変位を検出するのに光梃子を用いているが、その他の種々の検出手段を用いることも出来る。また、記録膜は熱相変化型のものに限られず強誘電体を用いることも出来る。
【００３９】
その他、探針のＺ方向の位置制御や電位制御を行う構成も、上記実施の形態で示したＺフィードバック回路３３やＶフィードバック回路３４のみの構成に限られず、これらの構成を基本構成として精度や応答性能をより向上させるような様々な補正回路を組み合わせて用いることも出来る。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に従うと、先端を１５ｎｍや５ｎｍ程度まで細くすることが可能な探針を用いて記録膜に記録ピットを形成するので１Ｔｂｉｔ／ｉｎ２といった高い記録密度でデータ記録および再生を行えるという効果がある。
【００４１】
さらに、探針から記録膜に電圧を印加して記録ピットを形成する構成なので、記録媒体として相変化型の記録膜を用いることが出来る。それにより、高精度で高い記録密度に適した特性の記録膜を比較的容易に得ることが出来るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のデータ記録再生装置を示す全体構成図である。
【図２】記録膜の断面構成と探針の先端部分を示す説明図である。
【符号の説明】
１ データ記録再生装置
１１ カンチレバー
１２ ピエゾ駆動部
１３ 光梃子
１５ 第１電圧回路
１６ 第２電圧回路（電圧出力回路）
１７ 可変バイアス回路
１８ 書込みアンプ（書込回路）
２０ 記録媒体
２０Ａ 記録膜
２０Ｂ 導電層
２１ 駆動テーブル（テーブル、Ｘ−Ｙ駆動手段、Ｚ駆動手段）
３１ 第１周波数フィルタ
３２ 第２周波数フィルタ
３３ Ｚフィードバック回路（Ｚ駆動用フィードバック回路）
３４ Ｖフィードバック回路（電圧用フィードバック回路）
ｈ 探針
ＩＮ 記録信号
ＯＵＴ 再生信号
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査プローブ顕微鏡を応用したデータ記録再生装置に関し、例えば相変化膜を記録媒体とするデータ記録再生装置に利用して有用な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、探針を試料の表面に近接させた状態で走査させて観測を行う走査プローブ顕微鏡により、物質の表面をナノオーダーで観察することが可能になっている。さらに、走査プローブ顕微鏡を用いて例えば個々の原子を操作することで、物質の表面にナノオーダーのマークを形成し、それにより非常に高い記録密度でデータ記録を行うことが可能であることも知られている。
【０００３】
一方、現在、記録型のＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）や青紫色レーザを用いて記録再生を行う記録ディスクなど、相変化型の記録媒体が多く用いられることもあって、このような記録媒体の研究開発が大いに進展している。
【０００４】
そこで、本発明者は、走査プローブ顕微鏡を用いて相変化型の記録膜にデータの記録と再生が出来ないか検討した。相変化型の記録膜は、様々な研究開発が進められているため、高精度のものや多種多様な性質のものを比較的容易に得ることが出来ると考えたからである。
【０００５】
走査プローブ顕微鏡を応用したデータ記録再生装置の中で記録媒体に相変化型の記録膜を用いた従来技術としては、特許文献１の光記録再生装置があった。この光記録再生装置は、レーザをその波長以下の微小な開口から放出させてなる近接場光を用いてデータ記録を行うものである。すなわち、近接場光により光の分解能を超える微小なスポットで記録膜にレーザ出力を行い、それにより微小なスポットで相変化をさせてデータ記録を行う。データの再生は、相変化に付随して記録膜の表面電位が変化することを利用して、走査プローブ顕微鏡で用いられる手法により記録膜の表面電位を検出することで行う。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１８４７５１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように近接場光を用いたデータ記録では、光の分解能を超えるとはいえ記録ビットを１０ｎｍ（ナノメートル）のオーダーにまで小さくすることは未だ現実的でない。
【０００８】
この発明の目的は、相変化型の記録媒体に１０ｎｍや１ｎｍのオーダーの微小な記録ピットを形成でき、それにより１Ｔ（テラ）ｂｉｔ／ｉｎ２（＝１．５Ｇ（ギガ）ｂｉｔ／ｍｍ２）やそれ以上の高い記録密度でデータの記録再生が行えるデータ記録再生装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、表面電位が変調可能な記録膜を有する記録媒体を保持するテーブルと、探針を有し該探針の先を上記記録膜の近傍に位置させるように伸びるカンチレバーと、上記記録膜に垂直なＺ方向へ上記テーブル又は上記カンチレバーを変位させるＺ駆動手段と、上記記録膜と平行なＸ−Ｙ方向へ上記テーブル又は上記カンチレバーを変位させるＸＹ駆動手段と、上記探針が上記記録膜にほぼ接する位置に保たれるように上記Ｚ駆動手段を制御するＺ制御手段と、記録信号を受けて上記カンチレバーに記録用の電圧を出力する書込回路と、上記カンチレバーに表れる変化に基づき上記記録膜の走査位置の表面電位を検出する表面電位検出手段とを備え、上記ＸＹ駆動手段とＺ駆動手段およびＺ制御手段により上記探針を上記記録膜表面に沿って移動させながら上記書込回路により上記カンチレバーと上記探針を介して上記記録膜に電圧を印加し、この電圧印加により走査位置の表面電位を変調させてデータを記録する一方、上記表面電位検出手段の検出出力に基づき上記記録膜の走査位置の表面電位を検出することでデータを読み出すように構成したものである。
【００１０】
現在、走査プローブ顕微鏡に使用される探針はその先端の半径が１５ｎｍ程度にまで小さく形成することができ、さらに、カーボナノチューブを用いることで５ｎｍ程度にまで小さくすることが出来る。従って、記録膜に１５ｎｍや５ｎｍ程度の大きさの記録ピットを形成することが可能であり、それにより１Ｔｂｉｔ／ｉｎ２（ピット寸法２５ｎｍ）以上の記録密度を実現することが出来る。また、探針から記録膜に電圧を印加することで記録ピットを形成する構成なので、記録媒体として相変化型の記録膜を用いることが出来る。
【００１１】
すなわち、上記記録膜としては熱により相変化を生じる相変化型を適用することができ、その場合、上記探針を介して上記記録膜に流される電流により上記記録膜の走査位置の部位が発熱・相変化されてデータの書込みを行う一方、相変化に付随して変化される表面電位を上記表面電位検出手段により検出することでデータの読出しを行うことが出来る。
【００１２】
また、上記記録膜として強誘電体を適用することもでき、この場合、上記探針の電圧により記録膜の走査位置の部位を変調させてデータ書込みを行う一方、その変調された表面電位を検出することでデータ読出しを行うことが出来る。
【００１３】
具体的には、上記Ｚ制御手段は、上記カンチレバーを上記Ｚ方向の成分を含む向きで振動させる振動手段と、上記カンチレバーの振動による変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段の検出出力から特定周波数成分を導出する第１周波数フィルタと、この特定周波数成分の大きさに応じて上記Ｚ駆動手段をコントロールするＺ駆動用フィードバック回路とから構成すると良い。
【００１４】
このような手段によれば、上記Ｚ駆動用フィードバック回路の制御により上記探針の振動運動の中心位置と上記記録膜との距離が一定に保たれるようにすることが出来る。
【００１５】
また、上記表面電位検出手段は、上記カンチレバーに所定周波数の交流電圧を印加する電圧出力回路と、上記変位検出手段の検出出力から上記所定周波数又はその近傍の周波数成分を導出する第２周波数フィルタと、この第２周波数フィルタから導出された周波数成分の大きさに応じて上記カンチレバーに印加されるバイアス電圧を変化させる電圧用フィードバック回路とを備え、上記電圧用フィードバック回路により上記探針の中心電位と上記記録膜の走査位置の表面電位との電位差が一定に保たれるように制御され、上記バイアス電圧により上記記録膜の走査位置の表面電位を検出するように構成すると良い。このような構成により、記録ピットが形成されそれにより表面電位が変調されている記録膜上を走査する場合でも、探針と記録膜上の電位差を一定に保つことができ、それにより、記録膜の表面電位が探針の高さ制御に及ぼす影響を減らすことも出来る。
【００１６】
また、上記Ｚ駆動用フィードバック回路と上記電圧用フィードバック回路による帰還制御を行いながら上記書込回路により記録用の電圧を上記カンチレバーに印加することで上記探針を介して上記記録膜に電流を流しこの電流により発生される発熱により上記記録膜の走査位置の部位を相変化させてデータを記録するように構成すると良い。さらに、上記のＺ駆動用フィードバック回路の出力を外部出力する第１出力部と、電圧用フィードバック回路の出力を外部出力する第２出力部とを備えるように構成すると良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態のデータ記録再生装置の全体構成図、図２は記録膜の断面構成と探針先端とを示す説明図である。
この実施の形態のデータ記録再生装置１は、先端に探針ｈを有するカンチレバー１１と、ピエゾ素子を用いてカンチレバー１１を振動させる振動手段としてのピエゾ駆動部１２と、振動によるカンチレバー１１の変位量を検出する変位検出手段としての光梃子１３と、相変化型の記録膜を有する記録媒体２０と、記録媒体２０が載置されるとともに記録膜に水平なＸ−Ｙ方向の駆動と記録膜に垂直なＺ方向の微小駆動が可能な駆動テーブル２１と、カンチレバー１１の固有振動数（例えば１ＭＨｚ）と同じ周波数ωγの交流電圧“Ｖγsinωγt”をピエゾ駆動部１２に出力する第１電圧回路１５と、カンチレバー１１に所定周波数ω（例えば１０ＭＨｚ）の電圧“ＶＡｓｉｎωｔ”を印加する電圧出力回路としての第２電圧回路１６と、カンチレバー１１に可変的なバイアス電圧ＶＢを供給する可変バイアス回路１７と、アンプ１４を介した光梃子１３の出力から周波数ωγの成分を導出する第１周波数フィルタ３１と、アンプ１４を介した光梃子１３の出力から周波数ωの成分を導出する第２周波数フィルタ３２と、第１周波数フィルタ３１の出力に応じて駆動テーブル２１のＺ方向の駆動量を制御するＺフィードバック回路３３と、第２周波数フィルタ３２の出力に応じて可変バイアス回路１７の出力を制御するＶフィードバック回路３４等から構成される。
【００１８】
このデータ記録再生装置１においては、外部から記録信号ＩＮが入力され、この記録信号ＩＮが書込回路としての書込みアンプ１８を介してカンチレバー１１に出力されるようになっている。また、Ｖフィードバック回路３４の出力が再生信号ＯＵＴとして外部に出力され、さらに、Ｚフィードバック回路３３の出力が記録膜の表面状態を表わす検出信号ＯＵＴ２として外部に出力されるようになっている。
【００１９】
上記のカンチレバー１１は、固有振動数ωγを有する板バネ状のレバーであり導電体から構成される。また、探針ｈは、図２にも示されるように先端が半径１５ｎｍ程度に細くされた導電体である。
【００２０】
記録媒体２０は、その表面に例えばＧｅＳｂＴｅ（ゲルマニウム・アンチモン・テルル）やＩｎＡｇＳｂＴｅ（インジウム・銀・アンチモン・テルル）等からなる相変化型の記録膜２０Ａが、その下層に導電層２０Ｂが形成されたものである。記録膜２０Ａは６ｎｍ程度の厚さに形成され、導電層２０Ｂは例えば接地される。
【００２１】
光梃子１３は、半導体レーザ１３ａからカンチレバー１１の背面にレーザ光を照射し、その反射光の光量をフォトダイオード１３ｂ等により測定することで、カンチレバー１１の変位を高精度に検出するものである。
【００２２】
次に、上記構成のデータ記録再生装置１によりデータの記録再生を行う場合の動作について説明する。
このデータ記録再生装置１においては、Ｚフィードバック回路３３の帰還制御と駆動テーブル２１をＸ−Ｙ方向へ駆動させることにより、探針ｈが記録膜２０Ａの表面と僅かに接する高さで探針ｈが記録膜２０Ａの表面に沿って移動すなわち記録膜２０Ａの表面を走査しながら、データの記録又は再生が行われる。
【００２３】
探針ｈが記録膜２０Ａの表面を走査する際には、ピエゾ駆動部１２に電圧Ｖγｓｉｎωγｔが入力され、カンチレバー１１はピエゾ駆動部１２の駆動によりＺ方向の成分を含む向きに微小振動される。そして、この微小振動によるカンチレバー１１の変位が光梃子１３により検出される。
【００２４】
探針ｈが記録膜２０Ａから離れた上方位置にある場合、探針ｈはピエゾ駆動部１２の駆動力により固有振動数ωγで共振運動する。このとき光梃子１３からの検出信号Ｓｄの周波数ωγの成分は最大値となる。この周波数成分はＺフィードバック回路３３に供給され、Ｚフィードバック回路３３はそれが最大値である場合に駆動テーブル２１が上方に微小変位されるように制御する。
【００２５】
一方、探針ｈが記録膜２０Ａと接する程度に近づくと、探針ｈと記録膜２０Ａの表面間に原子間力等が働いて探針ｈに固有振動数からずれた振動数（ωγ−δω）の振動が発生する。そして、その分、固有振動数ωγの成分が減少し、この変化がＺフィードバック回路３３に送られる。Ｚフィードバック回路３３は、送られた固有振動数ωγの成分量が最大値より所定値小さいところで駆動テーブル２１のＺ方向の駆動を停止させ、減少量がそれ以上に大きい場合には駆動テーブル２１が下方に微小変位されるように制御する。
【００２６】
このようなピエゾ駆動部１２によるカンチレバー１１の振動駆動とＺフィードバック回路３３による帰還制御により、探針ｈは記録膜２０Ａと僅かに接する距離で上下に振動した状態で記録膜２０Ａ上を走査することになる。
【００２７】
また、このように探針ｈが記録膜２０Ａ上を走査する際には、可変バイアス回路１７とＶフィードバック回路３４の帰還制御により、探針ｈの中心電位と記録膜２０Ａの走査位置の表面電位との差が一定になるように制御される。
【００２８】
すなわち、カンチレバー１１と探針ｈに電圧回路１６から上記固有振動数ωγよりも例えば１０倍程度高い周波数ωで変化する交流電圧ＶＡｓｉｎωｔが印加され、さらに、可変バイアス回路１７により可変的なバイアス電圧ＶＢが印加される。そして、これらの電圧（ＶＢ＋ＶＡｓｉｎωｔ）により、探針ｈと記録膜２０Ａ表面との間にクーロン力が働き、カンチレバー１１はピエゾ駆動部１２による振動に加えて１０倍程度高い周波数ωの振動が重ね合わされたような振動を行う。そして、このような振動運動のうち振動数ωの成分第２周波数フィルタ３２により導出されてＶフィードバック回路３４に送られる。
【００２９】
ここで、探針ｈの中心電位と記録膜２０Ａの走査位置の表面電位との電位差が所定値（例えば０Ｖ）であるときと、所定値からずれたときとでは、探針ｈと記録膜２０Ａとの間に働くクーロン力が変化して、カンチレバー１１の運動が変化する。そして、この運動の変化が、振動数ωの成分量の変化となって現れる。
【００３０】
Ｖフィードバック回路３４では、カンチレバー１１の運動の振動数ωの成分量を監視しながら、この成分量が所定値で一定になるように、可変バイアス回路１７を制御する。それにより、探針ｈの中心電位と記録膜２０Ａの走査位置の表面電位との電位差が所定値（例えば０Ｖ）に保たれる。
【００３１】
上述のような探針ｈのＺ方向の位置制御と電位制御は、各々の制御のために用いるピエゾ駆動部１２の振動の周波数ωγと、電圧回路１６の出力の周波数ωとを大きく異ならせることで、それぞれの振動が互いに干渉してしまうのを防ぎ、Ｚ方向の位置制御と電位制御とをそれぞれ独立した状態で実行することが出来る。
【００３２】
データの記録は、上記のような制御により探針ｈが記録膜２０Ａの表面を走査している際に、その走査位置に対応させて入力端子から記録信号ＩＮを入力することで行われる。例えば、ハイレベルの信号ＩＮが入力されるとアンプ１８を介して比較的な大きな電圧が瞬間的にカンチレバー１１に印加され、探針ｈの先端から直下の記録膜２０Ａの部位に瞬間的に大きな電流が流される。この電流はその後導電層２０Ｂへと流される。そして、この電流により記録膜２０Ａの走査位置の部位が例えば６００℃以上に発熱されて結晶状態Ｃからアモルファス状態Ａへと相変化され、それにより記録ピットが形成される。
【００３３】
なお、アンプ１８の出力調整により記録膜２０Ａを通して流される電流量を減らして発熱温度を例えば３００℃まで下げることによりアモルファス状態Ａから結晶状態Ｃへ戻すことも可能であり、これによりデータの消去やデータの上書きも可能となる。
【００３４】
データの再生は、探針ｈのＺ方向の位置制御と電位制御とを行いながら探針ｈをデータの記録された記録膜２０Ａの表面を走査させることで行われる。そして、この走査の際にＶフィードバック回路３４から出力される信号が再生信号ＯＵＴとなる。
【００３５】
すなわち、記録膜２０Ａの表面電位はアモルファス状態Ａと結晶状態Ｃとで異なってくるが、上記の電位制御により探針ｈの中心電位と記録膜２０Ａの走査位置の表面電位との電位差は一定に保たれる。つまり、探針ｈがアモルファス状態Ａの部分に位置するときには、その表面電位に合わせて探針ｈのバイアス電圧が下げられ、他方、探針ｈが結晶状態Ｃの部分を位置するときには、その表面電位に合わせて探針ｈのバイアス電位が上げられる。この探針ｈのバイアス電圧の上げ下げはＶフィードバック回路３４の制御出力により行われているので、この出力である再生信号ＯＵＴにより探針ｈの走査位置がアモルファス状態Ａか結晶状態Ｃかが示されることとなる。
【００３６】
なお、Ｚフィードバック回路３３の出力を検出信号ＯＵＴ２として外部出力させることで、この検出信号ＯＵＴ２により記録膜２０Ａの表面の凹凸状態を観測することも出来る。
【００３７】
以上のように、この実施の形態のデータ記録再生装置１によれば、先端を１５ｎｍや５ｎｍ程度まで細くすることが可能な探針ｈを用いて記録ピットを形成するので１Ｔｂｉｔ／ｉｎ２といった高い記録密度の記録再生が実現できる。さらに、探針ｈから記録膜２０Ａへ電流を流してその部位を発熱させる構成なので、記録媒体に熱により相変化がなされる相変化型の記録膜２０Ａを使用することが出来る。相変化型の記録媒体は、研究開発が特に進んでいるため、高精度で且つ高い記録密度に適した特性の記録膜が比較的容易に得ることが出来る。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、実施の形態では、カンチレバーの振動による変位を検出するのに光梃子を用いているが、その他の種々の検出手段を用いることも出来る。また、記録膜は熱相変化型のものに限られず強誘電体を用いることも出来る。
【００３９】
その他、探針のＺ方向の位置制御や電位制御を行う構成も、上記実施の形態で示したＺフィードバック回路３３やＶフィードバック回路３４のみの構成に限られず、これらの構成を基本構成として精度や応答性能をより向上させるような様々な補正回路を組み合わせて用いることも出来る。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に従うと、先端を１５ｎｍや５ｎｍ程度まで細くすることが可能な探針を用いて記録膜に記録ピットを形成するので１Ｔｂｉｔ／ｉｎ２といった高い記録密度でデータ記録および再生を行えるという効果がある。
【００４１】
さらに、探針から記録膜に電圧を印加して記録ピットを形成する構成なので、記録媒体として相変化型の記録膜を用いることが出来る。それにより、高精度で高い記録密度に適した特性の記録膜を比較的容易に得ることが出来るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のデータ記録再生装置を示す全体構成図である。
【図２】記録膜の断面構成と探針の先端部分を示す説明図である。
【符号の説明】
１ データ記録再生装置
１１ カンチレバー
１２ ピエゾ駆動部
１３ 光梃子
１５ 第１電圧回路
１６ 第２電圧回路（電圧出力回路）
１７ 可変バイアス回路
１８ 書込みアンプ（書込回路）
２０ 記録媒体
２０Ａ 記録膜
２０Ｂ 導電層
２１ 駆動テーブル（テーブル、Ｘ−Ｙ駆動手段、Ｚ駆動手段）
３１ 第１周波数フィルタ
３２ 第２周波数フィルタ
３３ Ｚフィードバック回路（Ｚ駆動用フィードバック回路）
３４ Ｖフィードバック回路（電圧用フィードバック回路）
ｈ 探針
ＩＮ 記録信号
ＯＵＴ 再生信号
Claims (1)
- 相変化型の記録膜を有する記録媒体を保持するテーブルと、
探針を有し該探針の先を上記記録膜の近傍に位置させるように伸びるカンチレバーと、
上記記録膜に垂直なＺ方向へ上記テーブル又は上記カンチレバーを変位させるＺ駆動手段と、
上記記録膜と平行なＸ−Ｙ方向へ上記テーブル又は上記カンチレバーを変位させるＸＹ駆動手段と、
上記カンチレバーをＺ方向の成分を含む向きで振動させる振動手段と、
上記カンチレバーの振動による変位を検出する変位検出手段と、
該変位検出手段の検出出力から特定周波数成分を導出する第１周波数フィルタと、
この特定周波数成分の大きさに応じて上記探針が上記記録膜にほぼ接する位置で上記探針の振動運動の中心位置と上記記録膜との距離が一定に保たれるように上記Ｚ駆動手段をコントロールするＺ駆動用フィードバック回路と、
記録信号を受けて上記カンチレバーに記録用の電圧を出力する書込回路と、
上記カンチレバーに所定周波数の交流電圧を印加する電圧出力回路と、
上記変位検出手段の検出出力から上記所定周波数又はその近傍の周波数成分を導出する第２周波数フィルタと、
この第２周波数フィルタから導出された周波数成分の大きさに応じて上記探針の中心電位と上記記録膜の走査位置の表面電位との電位差が一定に保たれるように上記カンチレバーに印加されるバイアス電圧を変化させる電圧用フィードバック回路とを備え、
上記Ｚ駆動用フィードバック回路と上記電圧用フィードバック回路による帰還制御を行いながら上記書込回路により記録用の電圧を上記カンチレバーに印加することで、上記探針を介して上記記録膜に電流を流しこの電流により発生される発熱により上記記録膜の走査位置の部位を相変化させてデータを記録することを特徴とするデータ記録再生装置。
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