JP4197662B2

JP4197662B2 - 記録再生試験装置

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Publication number: JP4197662B2
Application number: JP2004160221A
Authority: JP
Inventors: 孝幸久住; 清志山川; 耕治斉藤; 一弘大内
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: JP2005338007A

Description

この発明は、例えば、プローブ顕微鏡やスピンスタンドなど、媒体にプローブを接触させて走査し、情報を記録または再生することで、記録或いは再生試験を実施する記録再生試験装置に関する。

一般に、ハードディスクドライブ（以下、単にＨＤＤと称する）と呼ばれる磁気記録再生装置は、パーソナルコンピュータを始めとして、映像や音楽の記録再生装置に組み込まれ、広く普及している。

ＨＤＤの開発において、磁気ディスクとヘッドの最終的な性能評価には、スピンスタンドと呼ばれる試験装置が用いられる。スピンスタンドは、試験用の磁気ディスクをスピンドル上で回転させ、磁気ディスクの所定のトラック上に試験用の磁気ヘッドを位置決めし、この磁気ヘッドを介して磁気ディスクの試験トラックに試験データを記録或いは再生することで、磁気ディスクやヘッドの性能を評価する。

この種のスピンスタンドにおいては、磁気ヘッドを取り付けたスライダを磁気ディスクの回転により生じる空気流によって磁気ディスク表面から数ナノメートルの高さに浮上させており、磁気ヘッドと磁気ディスクとの間のギャップを一定に保持している。

従って、この種のスピンスタンドによる性能評価では、極めて平坦かつ平滑な試験用の磁気ディスクと、極めて低い浮上姿勢を実現するスライダが準備されていなければならない。さらに、スピンドルの精度向上以上に磁気ディスクの高密度化が進んでいるため、開発段階のスピンスタンドでさえ、位置決め信号（以下、マーカーと称する場合もある）を磁気ディスク上に記録させて試験を行わなければならなかった。言い換えると、この種のスピンスタンドを使うためには、安定した位置決め信号が再生できる磁気ディスクや磁気ヘッドを用意しなければならなかった。

このため、磁気ディスクや磁気ヘッドの単に電磁的な特性を評価したい場合などには、前述の準備が負担となることから、これを必要としない簡便な試験装置が求められてきた。

この要求に対し、磁気ディスクを用いない試験装置の例として、ヤマモト（S.Y.Yamamoto）等は、IEEE Transaction on Magnetics(Vol133,no1,pp891,1997)（非特許文献１参照。）において、磁気抵抗素子を搭載した磁気ヘッドを用いて記録再生試験を行う準静的記録再生試験機についての報告をしている。この試験機では、磁気ヘッドと磁気メディアを接触させた状態で、３［ｍｍ／ｓｅｃ］〜３０［ｍｍ／ｓｅｃ］程度の十分に低速な相対速度で磁気ヘッドと磁気メディアを相対的に移動させ、記録再生時における磁気ヘッドや磁気メディアの電磁的な特性を評価している。

しかし、このような、準静的記録再生試験機においては、磁気ヘッドと磁気メディアが常に接触した状態で低速で相対運動するため、磁気ヘッドを支持した懸架機構が接触による応力で変形し、特に走査経路がスイッチバックする場合において、往路と復路でその幅方向に数十ナノメートルの走行ずれを起こしてしまう問題があった。また、一方向走行中においても、磁気ヘッドと磁気メディアの接触部位が予め与えられた軌道から外れ、幅方向に数ナノメートルの揺らぎが発生してしまう問題があった。これらは、上記論文で報告された実験や、その後の追加報告における記録トラック幅（２００〜５００ナノメートル）においてはさほどの影響がみられないが、磁気メディアの更なる高密度化が進むにつれて、重大な問題となることが予想される。
IEEE Transaction on Magnetics(Vol133,no1,pp891,1997)

この発明の目的は、予め与えられた軌道から外れることなく媒体をプローブで確実に走査できる記録再生試験装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の記録再生試験装置は、情報を記録および再生する媒体とプローブを近接対向させた状態で予め与えられた軌道に沿って相対的に移動させ、上記媒体を上記軌道に沿って走査する走査手段と、この走査手段による走査に基づいて、上記媒体に対して情報を記録および再生する記録再生手段と、上記走査手段による走査の間、上記媒体とプローブの相対的な位置関係を監視する監視手段と、この監視手段による監視結果に基づいて、上記媒体およびプローブの少なくとも一方を必要に応じて移動させ、上記媒体とプローブの対向部位が上記軌道から外れることを抑制する補正手段と、を有し、上記監視手段は、上記プローブに対して固定的に設けられた反射面、この反射面にレーザ光を照射する光源、および上記反射面を介して反射された上記レーザ光を受光する受光部を有し、上記反射面は、上記媒体の上記プローブに対向する対向面に対して垂直な面より上記光源から離れる方向に傾倒して取り付けられていることを特徴とする。

また、本発明の記録再生試験装置は、情報を記録および再生する媒体とプローブを近接対向させた状態で予め与えられた軌道に沿って予め与えられた特性を有する相対速度で移動させ、上記媒体を上記軌道に沿って走査する走査手段と、この走査手段による走査に基づいて、上記媒体に対して情報を記録および再生する記録再生手段と、上記走査手段による走査の間、上記媒体とプローブの相対的な位置関係を監視する監視手段と、この監視手段による監視結果に基づいて、上記媒体およびプローブの少なくとも一方を必要に応じて移動させ、上記媒体とプローブの対向部位が上記軌道から外れることを抑制するとともに、上記媒体とプローブとの間の走査速度が上記特性を有する相対速度から変動することを抑制する補正手段と、を有し、上記監視手段は、上記プローブに対して固定的に設けられた反射面、この反射面にレーザ光を照射する光源、および上記反射面を介して反射された上記レーザ光を受光する受光部を有し、上記反射面は、上記媒体の上記プローブに対向する対向面に対して垂直な面より上記光源から離れる方向に傾倒して取り付けられていることを特徴とする。

上記発明の記録再生試験装置によると、媒体とプローブの相対的な位置関係を監視して、その対向部位が予め与えられた軌道から外れることのないように、媒体とプローブの少なくとも一方を必要に応じて移動するようにしたため、媒体とプローブの状態によらず、媒体をプローブで確実に走査できる。

この発明の記録再生試験装置は、上記のような構成および作用を有しているので、予め与えられた軌道から外れることなく媒体をプローブで確実に走査できる。

以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１には、この発明の実施の形態に係るトレース機構として、記録再生試験装置１（以下、単に装置１と称する）の概略構造を模式的に示してある。また、図２には、装置１の動作を制御する制御系のブロック図を示してある。この装置１は、試験用の後述する試料１０と試験用の後述する測定子２０を予め与えられた軌道に沿って相対的に移動させ、試料１０或いは測定子２０の特性を評価するための試験装置である。ここでは、試験装置に本発明を適用した場合について説明するが、媒体をトレースすることにより情報を記録或いは再生するＨＤＤなどの記録再生装置やプローブ顕微鏡などに本発明を適用することができる。

装置１は、試料１０（被トレース体、媒体）をあらゆる方向に精密に移動可能に保持する駆動ステージ２を有する。試料１０は、図示しない試料ホルダーによって保持されて、試料ホルダーを駆動ステージ２に取り付けることにより、駆動ステージ２に固設される。なお、試料１０として、ここでは、矩形板状のものを例にとって説明するが、３次元的に見ていかなる形状のものであっても良い。また、以下の説明では、駆動ステージ２による試料１０の移動方向として、図１中左右方向をＸ方向とし、図１中上下方向をＹ方向とし、紙面方向をＺ方向とする。

駆動ステージ２には、駆動ステージ２の位置を検出することで試料１０の絶対的な位置を検出するステージ位置検出器４（監視手段）、および駆動ステージ２をあらゆる方向に精密駆動する駆動装置６（トレース手段、走査手段）が接続されている。本発明の補正手段として機能するコントローラ８は、予め与えられた軌道として、各方向成分における時間関数ｘ0（ｔ）、ｙ0（ｔ）、ｚ0（ｔ）を有する任意軌道ｆ（ｔ）、およびステージ位置検出器４を介して検出した試料１０の位置情報に基づいて、駆動装置６を帰還制御し、試料１０を所望する方向に精密に移動する。

ステージ位置検出器４、および駆動装置６の組み合わせとしては、例えば、静電容量型変位計と圧電素子を利用したアクチュエータの組み合わせが考えられる。しかし、これら検出器４および駆動装置６の組み合わせはこれに限らず、干渉計や光電検出器と空気軸受けで支持されたモータライズドアクチュエータの組み合わせ等、種々の組み合わせを採用することができる。

また、装置１は、試料１０の表面を走査（トレース）する測定子２０（トレーサー、プローブ）を片持ち梁状態で懸垂支持する細長い板ばね状のアーム２２（支持手段）、およびアーム２２をあらゆる姿勢に保持できる６自由度の懸架装置２４（調節手段）を有する。測定子２０は、アーム２２の先端に固設され、アーム２２の基端が懸架装置２４によって固定されている。

懸架装置２４は、アーム２２先端の測定子２０が任意の姿勢で上述した軌道上で駆動ステージ２上の試料１０に近接対向するように、アーム２２、すなわち測定子２０を高精度に位置決め配置する。また、懸架装置２４は、後述する監視手段によって監視した測定子２０の状態に応じて、測定子２０の姿勢が所望する姿勢になるようにアーム２２の位置をフィードバック制御する。

なお、特許請求の範囲およびここで言う「近接対向」は、試料１０と測定子２０が接触している状態も含むものとする。特に、ここで説明する装置１は、測定子２０を試料１０の表面（対向面）に接触させた状態のまま両者を相対的に移動させている。例えば、アーム２２のばね定数とアーム先端変形量によって得られる接触力を任意の値に制御することも可能である。また、アーム２２に荷重を検出する例えば歪みゲージのようなセンサを設置して接触力を検出し、任意の値に制御することも可能である。

また、本実施の形態では、懸架装置２４は、測定子２０を所定位置に固定して位置決め配置するが、後述する監視手段によって測定子２０の位置を検出して、測定子２０を任意の位置に移動したり、測定子２０を介して取得した情報に基づいて測定子２０を移動したりするようにしても良い。

また、ここでは、測定子２０として、磁気記録媒体に対して磁気記録情報を書き込んだり読み出したりする磁気ヘッドを想定しているが、試料１０の物理情報を測定するプローブであったり、試料１０に外部から物理的に影響を与える素子であったり、双方を含むものであっても良い。さらに、ここでは、測定子２０がアーム２２の先端に直接取り付けられているが、磁気ヘッドを想定した場合には測定子２０がヘッドスライダに形成され、スライダがアーム２２の先端に取り付けられることになる。

さらに、装置１は、測定子２０の試料１０に対する相対的な位置関係を監視する監視手段として、測定子２０に対して固定的に設けられた反射面３０、およびレーザ装置３２を有する。反射面３０は、本実施の形態のように測定子２０に直接固定しても良いが、測定子２０を固設したスライダなどのここでは図示しない固設手段に個設しても良く、測定子２０を先端に取り付けたアーム２２に個設しても良い。また、測定子２０が磁気ヘッドであるものと想定すると、磁気ヘッドを形成したスライダやサスペンションアーム、さらにはヘッドを保持したパラレルリンクサスペンションに反射面３０を固設しても良い。

図３には、パラレルリンクサスペンション１００（以下、単にサスペンション１００
と称する）の概略構造を模式的に示してある。サスペンション１００は、ヘッド１０２（トレーサー、プローブ）を媒体１０４の対向面１０５に近接対向させて保持した連結部１０６（固定手段）、連結部１０６の互いに上下に離間した２位置に先端を回動自在に取り付けた第１アーム１１２および第２アーム１１４、および、第１、第２アーム１１２、１１４の基端を回動自在に取り付けた固定部１１６を有する。本実施の形態では、第１、および第２アーム１１２、１１４は、互いに平行且つ同じ長さに形成され、連結部１０６および固定部１１６とともに平行四辺形状をなしている。なお、第１および第２アーム１１２、１１４の両端は、それぞれ端部を弾性的に回動可能とする弾性ヒンジ１２０を介して連結部１０６および固定部１１６に連結されている。

このサスペンション１００は、第１、第２アーム１１２、１１４を基端を中心に上下に揺動させることにより、図４に示すように、連結部１０６をその姿勢を保持したまま上下に移動させることができ、姿勢の変動を抑制できる特徴を有する。このため、ヘッド１０２を固設した連結部１０６に反射面３０を取り付けてこの反射面３０で反射されるレーザ光をモニタすることでヘッド１０２の姿勢を確実に検出できる。

ところで、レーザ装置３２は、反射面３０に向けてレーザ光を照射する図示しない光源、および反射面３０を介して反射されたレーザ光を受光する図示しない受光部を有する。そして、レーザ装置３２は、測定子２０の変位信号（変位検出結果）として、各方向成分における時間関数ｘ1（ｔ）、ｙ1（ｔ）、ｚ1（ｔ）を有するＹ1（ｔ）をコントローラ８に出力する。

コントローラ８は、ステージ位置検出器４から試料１０の変位信号（変位検出結果）として出力される各方向成分における時間関数ｘ2（ｔ）、ｙ2（ｔ）、ｚ2（ｔ）を有するＹ2（ｔ）、および上述したＹ1（ｔ）に基づいて、駆動装置６を制御し、測定子２０と試料１０との間の相対的な位置を所望する軌道に設定する。

さらに、表示部４０は、コントローラ８が補正した測定子２０と試料１０との間の軌道ｆ（ｔ）に関する情報、および測定子２０からの出力情報を測定結果として表示させる。

次に、図５に示すブロック線図を参照して、上述した装置１の動作について説明する。
まず、上述した任意軌道ｆ（ｔ）が走査信号としてコントローラ８に与えられ、駆動装置６が制御されて試料１０が駆動ステージ２によって移動される。測定子２０が固定的に配置されていることから、試料１０を移動することで両者が相対的に移動（走査、トレース）される。そして、コントローラ８は、走査の間、レーザ装置３２を介して測定子２０（プラントＰ）の変位信号Ｙ1（ｔ）を取得するとともに、ステージ位置検出器４を介して試料１０（プラントＰ）の変位信号Ｙ2（ｔ）を試料走査の変位信号として取得する。

さらに、コントローラ８は、取得した２つの変位信号Ｙ1（ｔ）、Ｙ2（ｔ）に基づいて試料１０と測定子２０との間の相対的な位置関係を判断し、走査信号ｆ（ｔ）へフィードバックする。これにより、試料１０に対する測定子２０の走査軌道を予め与えられた軌道ｆ（ｔ）にフィードバック制御できる。

ここで、図６および図７を参照して、上述した反射面３０の取り付け角度について考察する。なお、ここでは、測定子２０として磁気ヘッド（ここでは図示省略）を想定し、磁気ヘッドを搭載したスライダ５０の側面に反射面３０を設けた場合について説明する。

磁気ヘッド（測定子２０）の測定手段としては、計測の際のアッベの誤差を低減するために、被測定物である磁気ヘッドの測定軸は、測定対象となる動作軸上であることが必要である。装置１における動作軸とは、磁気ヘッドとメディア（試料１０）の間の対向面である。そのため、反射面３０は、対向面と略垂直なスライダ５０の側面であることが望ましい。

近年の磁気ヘッドは、スライダ５０の厚さが０．５［ｍｍ］以下であることが一般的で、厚さが０．２３程度のスライダも提案されている。このため、非接触で測定する光学的手段として測定点を狭小化するための光線を偏角、絞り角、（あるいはアライメント角度）と呼ばれる角度θで磁気ヘッドから被測定物までの距離（作動距離）において絞っている。つまり、図６（ａ）に示すように、この光線の死角になると、測定が不能となる。例えば、作動距離が１０［ｍｍ］、θが１度だと、０．１７［ｍｍ］となり、上記ヘッド厚を考えると、測定が困難になる。

このため、本発明では、図６（ｂ）に示すように、ヘッド側面をこの絞り角度θ以上の角度θ’につけ、測定値をこの角度θ’によって得られるｃｏｓθ’との積として補正してフィードバックするようにした。

以上のように、本実施の形態によると、測定子２０の絶対的な位置を検出するための手段が光学式であるため、反射板３０を搭載可能なあらゆるプローブアッセンブリを適用可能となる。

また、本実施の形態によると、試料１０の絶対的な位置をステージ位置検出器４を介してコントローラ８が監視するとともに、測定子２０の絶対的な位置を反射板３０およびレーザ装置３２を用いて監視するようにしたため、試料１０と測定子２０との間の接触による応力が作用して両者の姿勢が不安定になった場合であっても、すなわち、試料１０および測定子２０の状態にかかわらず、両者の相対的な位置関係を高精度に検出できる。

これにより、試料１０と測定子２０を高精度に追従させることができ、両者の相対位置の変動を抑制できる。例えば、本実施の形態によると、試料１０と測定子２０との間の対向部位が予め与えられた軌道から外れないように制御でき、且つ、予め与えられた特性を有する相対速度で移動されている試料１０および測定子２０に対し、上記特性を有する相対速度の変動も抑制できる。

また、本実施の形態によると、試料１０と測定子２０の相対的な位置が変化しないように制御できるため、従来のスピンスタンドのように試料１０上に相対位置を補正するためのマーカー（位置決め情報、サーボ信号）を付与する必要がない。

また、本実施の形態によると、試料１０と測定子２０が２０［ｍｍ／ｓｅｃ］以下の準静的（超低速）で相対運動するため、空気潤滑等、高速相対運動する場合に必要となる準備が不要となり、またこれら要素の性能が及ぼす影響を排除して、試料１０と測定子２０の基本的な特性評価が可能である。なお、ここで言う相対運動速度は、本発明の出願時における圧電素子の限界によるものであるため、将来的には２０［ｍｍ／ｓｅｃ］を超える可能性がある。

なお、この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。

例えば、磁気ヘッドを搭載したスライダをサスペンションアームに取り付ける緩衝ばね部材としてのジンバルに反射板３０を取り付けても良く、ジンバルを上述した角度で部分的に折り曲げて反射板３０として機能させても良い。

また、測定子２０に固定的に配置した反射板３０を複数設け、対応するレーザ装置３２を複数設け、異なる複数の方向から測定子２０の位置を検出するようにしても良い。例えば、図１でＸ方向に磁気ヘッドの上下２軸の測定手段を設けることでロール方向の傾きを検出し、Ｘ方向或いはＹ方向にヘッドの左右２軸の測定手段を設けることでスキュー方向の傾きを検出し、Ｙ方向にヘッドの上下２軸の測定手段を設けることでピッチ方向の傾きを検出しても良い。

さらに、本発明は、磁気ヘッドと磁気ディスクなどの磁気媒体との間における記録再生試験に利用できる。また、本発明は、電磁波両立性（ＥＭＣ）や電磁波障害（ＥＭＩ）の対策用に電子基板と測定プローブで測定する手段に利用できる。また、本発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）のようなプローブ顕微鏡の方式にも適用できる。

この発明の実施の形態に係る記録再生試験装置の概略構造を示す模式図。図１の装置の動作を制御する制御系のブロック図。パラレルリンクサスペンションの構造を説明するための模式図。図３のサスペンションの動作を説明するための図。図１の装置の動作を説明するためのブロック線図。反射面の取り付け角度について説明するための図。反射面の取り付け角度について説明するための図。

符号の説明

１…記録再生試験装置、２…駆動ステージ、４…ステージ位置検出器、６…駆動装置、８…コントローラ、１０…試料、２０…測定子、２２…アーム、２４…懸架装置、３０…反射面、３２…レーザ装置、４０…表示部、５０…スライダ、１００…パラレルリンクサスペンション、１０２…ヘッド、１０４…媒体、１０５…対向面、１０６…連結部、１１２…第１アーム、１１４…第２アーム、１１６…固定部、１２０…弾性ヒンジ。

Claims

情報を記録および再生する媒体とプローブを近接対向させた状態で予め与えられた軌道に沿って相対的に移動させ、上記媒体を上記軌道に沿って走査する走査手段と、
この走査手段による走査に基づいて、上記媒体に対して情報を記録および再生する記録再生手段と、
上記走査手段による走査の間、上記媒体とプローブの相対的な位置関係を監視する監視手段と、
この監視手段による監視結果に基づいて、上記媒体およびプローブの少なくとも一方を必要に応じて移動させ、上記媒体とプローブの対向部位が上記軌道から外れることを抑制する補正手段と、を有し、
上記監視手段は、上記プローブに対して固定的に設けられた反射面、この反射面にレーザ光を照射する光源、および上記反射面を介して反射された上記レーザ光を受光する受光部を有し、上記反射面は、上記媒体の上記プローブに対向する対向面に対して垂直な面より上記光源から離れる方向に傾倒して取り付けられていることを特徴とする記録再生試験装置。
情報を記録および再生する媒体とプローブを近接対向させた状態で予め与えられた軌道に沿って予め与えられた特性を有する相対速度で移動させ、上記媒体を上記軌道に沿って走査する走査手段と、
この走査手段による走査に基づいて、上記媒体に対して情報を記録および再生する記録再生手段と、
上記走査手段による走査の間、上記媒体とプローブの相対的な位置関係を監視する監視手段と、
この監視手段による監視結果に基づいて、上記媒体およびプローブの少なくとも一方を必要に応じて移動させ、上記媒体とプローブの対向部位が上記軌道から外れることを抑制するとともに、上記媒体とプローブとの間の走査速度が上記特性を有する相対速度から変動することを抑制する補正手段と、を有し、
上記監視手段は、上記プローブに対して固定的に設けられた反射面、この反射面にレーザ光を照射する光源、および上記反射面を介して反射された上記レーザ光を受光する受光部を有し、上記反射面は、上記媒体の上記プローブに対向する対向面に対して垂直な面より上記光源から離れる方向に傾倒して取り付けられていることを特徴とする記録再生試験装置。
上記監視手段は、上記媒体とプローブの相対的な位置関係を異なる方向から監視するように、複数設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の記録再生試験装置。
上記プローブを固設した固設手段をさらに有し、上記反射面は、上記固設手段に固設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の記録再生試験装置。
上記固設手段は、異なる２位置で、互いに離間して略平行に延び且つ基端を回動自在に保持された細長い第１アームおよび第２アームの先端に回動自在に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の記録再生試験装置。
上記プローブを先端に固設した細長い支持手段をさらに有し、上記反射面は、上記支持手段に固設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の記録再生試験装置。