JP4848429B2 - サーボ制御された電力を最適化するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、２次元フレクシャ（ｆｌｅｘｕｒｅ）ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅｍｏｒｙ Ｓｔｏｒａｇｅ）装置の動作において必要とされるサーボ・コントローラ電力を最適化する方法に関する。さらに、本発明は、本発明の方法の利用を通じて２次元フレクシャＭＥＭＳ記憶装置におけるサーボ・コントローラ電力を最適化するための装置を目的とするものである。

マイクロエレクトロニクス・メモリ記憶装置（ＭＥＭＳ）を使用する技術は、基本的に低コストで高密度のメモリ記憶装置の製造ならびに商用および技術的応用において幅広く使用されている。要するに、本技術の一例によれば、現在はさらに進化した開発段階にあるが、フレクシャ式ＭＥＭＳ装置（Ｆ‐ＭＥＭＳ）が使用されており、１平方インチ当たり１テトラビットの面積密度の情報をメモリ記憶することができるものと見込まれている。実際には、情報は、小さな片持ち（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）プローブを加熱して厚みが５０ｎｍのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）層上に４０ｎｍの窪みまたはピットの列を作成することによって、ＭＥＭＳ装置に記憶される。さらに、形成されているピットまたは窪みの有無を感知する方法によって情報を読み戻すために、正に同じ片持ちプローブを簡易に使用することができる。ここで、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）基板または層は、スキャナ・プラットフォーム上に取り付けられるように配置され、そして、スキャナ・プラットフォームは、複数のフレクシャまたは曲げ支持材によって支持される。基本的には、２つのアクチュエータを使用して、読み出し／書き込みセンサを備えるスキャナをＰＭＭＡ層の表面付近で移動させて、その上にある情報を取り出したり、情報を書き込んだりするために、ＸおよびＹ方向それぞれに沿って正しい位置へ移動させる。

本発明によれば、実際にはＸおよびＹ方向に２自由度（２°）を有するフレクシャ式ＭＥＭＳ記憶装置（Ｆ‐ＭＥＭＳ）用のサーボ・コントロールに電力を供給するために与える必要のあるエネルギーまたは電力を最小限にするために、様々な方法を使用することができる。一般的には、通常のやり方では、データは、一般的に行と列とで構成され、ＰＭＭＡ層上に形成された窪みまたはピットのようなデータは、読み出し書き込みセンサを備えるスキャナを初期アイドル・ホーム・ポジションからほぼＸおよびＹスキャニング方向に沿って変位させるようにに移動させることによってアクセスされる。よって、読み出し書き込みセンサがホーム・ポジションで静止またはアイドル状態で位置する間は、スキャナ・プラットフォームを支える曲げ支持材またはフレクシャは停止しており、センサを当該特定のホーム位置に保持するためにエネルギーまたは電力は消費されない。しかしながら、フレクシャを曲げて読み出し書き込みセンサをＸまたはＹスキャニング方向もしくはその両方向へホーム・ポジションから離れるようにＰＭＭＡ層の表面上の他の位置へ移動させるためには、センサが移動しやすくなるよう、曲げ支持材を曲げるために曲げ支持材に対して電力が供給されなければならない。この電力要求は、曲げ支持材またはフレクシャが曲がる距離の二乗に比例して増加する。曲げ支持材の変位を容易にするサーボに必要な電力量を最小限にするために様々な設計が使用されているものの、その利用についてはいろいろな考え方が必要となる。例えば、データは、ＰＭＭＡ上の様々なゾーンで構成することもでき、それによって、より頻繁に使用されるデータは、読み出し書き込みセンサのホーム・ポジション付近により近いところに位置付けられる。これにより、頻繁に使用されるデータを、遥かに低い消費エネルギー・レベルまたは電力要求で、より素早くアクセスすることができる。例えば、読み出し書き込みセンサによってＰＭＭＡ層上のデータをシークするランダム・スキャニング移動を行うためには、必要とされる長距離移動が最初に実施され、別の短距離に沿った移動が適切な時間量だけ遅延され、それによって、データをシークする両スキャニング移動が一般的にほぼ同時に完了する。要するに、これにより、２つのミクロン移動のタイミングが同期されたことによって、例えば消費エネルギーが大幅に削減され、センサの長距離移動であっても、エネルギーまたは電力量が大幅に節約されることがある。

したがって、本発明の目的は、２次元フレクシャＭＥＭＳ記憶装置におけるサーボ制御電力の消費を最適化する新規の方法を提供することである。

本発明の他の目的は、読み出し／書き込みセンサがＸ‐Ｙスキャナ・プラットフォームの表面付近を移動可能なような方法であって、最小限のサーボ制御電力の消費で所望のＸ‐、Ｙ‐方向へセンサを移動可能にするために、スキャナ・プラットフォームのための撓み支持材を使用する方法を提供することである。

本発明の他の目的は、２次元フレクシャＭＥＭＳ記憶装置におけるサーボ制御電力の消費を最適化するための装置の提供にある。

本発明の好ましい実施の形態についての以下の詳細な説明については、添付の図面と共に参照すればよい。

本発明、特に図面の図１および図２を詳細に参照すると、片持ちプローブ装置１０が一般的かつ概略的に示されている。片持ちプローブ装置１０は、ＭＥＭＳ記憶装置１２に関する情報を、厚いポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）層１８で構成された基板の上面１６に形成された窪みまたはピット１４の有無を感知することによって読み戻すためのものである。ＰＭＭＡ基板層１８は、スキャナ・プラットフォーム２０上に平らに置かれた状態で取り付けられており、スキャナ・プラットフォーム２０は、複数の曲げ部材またはフレクシャ２２によって支持されている。本例において、曲げ部材２２は、固定されたベース２４上に配置された単純なばね要素で構成されるものとして図示されており、それぞれ、一方の端部２６がプラットフォーム２０に取り付けられ、反対の端部２８が固定ベース２４に取り付けられ、これによって、スキャナ・プラットフォームは、そのＸおよびＹ両方向の変位を受けることが可能となる。スキャナ・プラットフォーム２０には、スキャナ・プラットフォームの変位を測定するＸ位置スキャナ３０とＹ位置スキャナ３２とが接続されており、当該変位は、Ｘアクチュエータ３４およびＹアクチュエータ３６によってスキャナ・プラットフォーム２０に与えられる。

ＰＭＭＡ層１８からなる基板の上面１６には、読み出し書き込みエレクトロニクスを使用するスキャニング・センサ４０が接触しており、ＰＭＭＡ層１８の表面１６に形成されているデータを表す窪みまたはピット１４の有無を感知するように適合されている。そのような窪みまたはピットは、図面をわかり易くするために、図１では図示されていない。ＭＥＭＳ装置用のデータ記憶媒体がＸ‐Ｙスキャニング平面に配置され、ＰＭＭＡ層１８の表面１６に沿って延在している。

図１から拡大された囲まれた部分Ａを表す図面の図２の詳細に示すように、スキャニング・センサ４０からのプローブ４２が示されており、抵抗型ヒータ４４と、ポリマー層１８、すなわち、スキャナ・プラットフォーム２０上にあるＰＭＭＡ層の上面１６に形成されるデータを提供する窪みまたはピット１４とを示す。プローブ４２は、窪み１４と接触またはそれを感知するように適合されており、本例において、層１８のＸ方向に沿った移動を示す。

図面の図３および図４に示すように、スキャナ・プラットフォーム２０のエッジ５８，６０に沿って移動可能な読み出し書き込み（Ｒ／Ｗ）プローブまたはセンサ５４，５６に対するスキャナ５０，５２の位置は、信頼性のあるデータ記憶機能および情報を達成するために必要な関数である。その結果、図３および図４によれば、サーボ制御を可能にするのに位置を正確に感知するためには、図５に示すように、スキャナ・プラットフォームの上下のＸおよびＹ光学センサを使用し、それによって、ＭＥＭＳの可動エッジに対して光を導くように、光ビームが光ファイバを通じて送られる。光ファイバを通る光ビームは、その後、小型のプリズム構造体６４を使用して約９０度の角度で反射される。プリズム構造体６４は、例えばサイズが約１ミリメートルであってもよい。

さらに、可動エッジを通る光ビームは、その後、第２のプリズムによって捉えられて、さらに９０度偏向されて、スキャナ・プラットフォームまたはセンサ・エレクトロニクスの部分に送り戻される。その結果、送られる光に比例して受信される光の量は、エッジ・センサ５４，５６の電圧出力の基礎を形成し、当該電圧は、その後、プラットフォーム・エッジの位置と直線的に相関する。

基本的には、図示のように、センサの読み出し書き込み動作は、図面の図６に概略に平面で表されるような２つの大きく異なる位置制御機能を必要とする。本例では、２次元ランダム・シークおよびトラック追従スキャンが使用される。ここではまず、光制御力のない、つまり緩和モードにあるスキャニング・センサ４０が、図６の点「Ａ」によって指定されたホーム・ポジション内にアドレス指定される。ホーム・ポジションからの移動が必須となるセンサまたは読み出し書き込みエレクトロニクス構成要素の移動における動的動作を実施するためには、またＰＭＭＡ層１８上にあるデータ・ブロック（すなわち、窪み１４）にアクセスする場合には、スキャニング・センサ４０は、２次元に沿って、つまり、Ｘ軌跡およびＹ軌跡に沿って、位置「Ａ」から表面１６上の点「Ｂ」にある別の位置へ移動されなければならない。名目上は、Ｘ方向のＸシークまたは移動はすべてのデータ・ブロックに対して同一であるが、Ｙスキャンまたはシークはランダムに引き起こされる。位置「Ｂ」が間近になると、スキャニング・センサ４０は、点「Ｃ」にある位置に向かって移動するために経路に沿って移動し、その移動経路に沿ってデータを読み出し書き込みするために、その速度係数を変更しなければならない。長いデータ・レコードに対しては、スキャニング・センサは、＋Ｘアクセスに沿った移動経路の終端に到達して、次に方向を逆にし、（−Ｘ）アクセスに沿って点「Ｄ」にある位置へ向けて逆移動を実行しなければならない。

本願のために開発されたスキャナは、ＸおよびＹカルテシアン座標に沿って独立または選択的に移動する自由を有する。よって、２つの別個の位置センサおよび図１に模式的に示す２つの電磁アクチュエータ３４，３６を制御する２つのフィードバック・サーボ・ループを使用して、開示された発明を実施する。注意すべきなのは、図１において、Ｘ‐Ｙ座標に沿った移動の自由は、実際には、複雑なフレクシャ・システム（詳細は図示せず）によって与えられるが、動きの自由の各度合いを単一の「ばね」要素２２によって模式的に表されている。

本ＭＥＭＳ記憶装置においては、比例積分微分（ＰＩＤ）方式のサーボ・コントローラが使用される。特徴的なＰＩＤコントローラの転送機能は、例えばアナログ形式では、以下の式によって表される。
コントローラ（出力／入力）＝（Ｋ_ｐ＋Ｋ_ＤＳ＋Ｋ_Ｉ／Ｓ） ［１］
式中、利得Ｋ_ｐ，Ｋ_Ｄ，Ｋ_Ｉは、比例‐微分‐積分利得であり、「Ｓ」は、ラプラス変換演算子である。利得を計算するためのパラメータ化の処理は、当該技術において周知である。よって、制御システム設計者は、スキャナの動的モデルを使用して、「最適な」設計を達成するために利得値を導出することになろう。

当該サーボ・システムが必要なのは、以下の３つの重要なタスクを行う場合である。第１に、シーク・モードの速度サーボを使用して、スキャナをＸおよびＹ座標に沿って最短時間内に対象トラック（図６における位置Ｂ）の周辺へ移動させなければならない。対象トラックへの強固で信頼性のあるシークを容易にするために、所望の速度特性が典型的にはメモリに記憶され、対象経路の周辺に到達するためには速度サーボ（位置サーボとは異なる）が使用される。次に、制御システムは、Ｋ_Ｉを通常０に設定した式［１］に示す型の位置コントローラを使用して、最小安定時間でＹ方向サーボを使用して対象経路のトラック中央ライン（ＴＣＬ）上にスキャニング・センサ４０を位置付けなければならない。Ｙサーボには比例‐微分‐積分型（ＰＩＤ）の位置コントローラがあるので、最終的に、Ｙサーボ・システムは、トラック追従モードに入り、Ｘサーボは、（位置サーボまたは速度サーボのいずれかを使用することによって）固定的な所定のスキャン速度を所望するスキャン・モードに入る。この動作は、Ｘサーボが持続的に所定のスキャン速度を維持しているときに、ＹサーボがＴＣＬに沿って記憶媒体を保持していることを強調して、トラック追従スキャンモードと称される。両サーボは、未知のヒステリシス効果および振動などの妨害に対して精度を維持する必要がある。

この動作を達成するための完全なサーボ・アーキテクチャおよびＸ‐Ｙシークを図７に示す。注意すべきなのは、ＸおよびＹ座標に沿ったスキャニング・センサを力学的に完全に分離させるためには、サーボ・システムを、同一の構成ブロックを有するように選ぶこともできるが、スキャナの運動の様々な局面において、異なるコントローラ（位置対速度）をサーボ・ループからの入出力で切り換えてもよい。位置情報は、上述の光学エッジ・センサ５４，５６によって生成され、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）６８によって（本例においては５ｋＨｚで）デジタル数字のストリームに変換される。各軸のデジタル・コントローラは、位置コントローラ・ブロック７０と、速度推定器ブロック７２，７４と、速度コントローラ・ブロック７６，７８と、基準軌跡ブロック８０，８２と、ポスト・フィルタ・バンク８４，８６とからなる。マイクロプロセッサ（図示せず）の管理下で、ブロックによって与えられた機能が適切に作動される。計算されたデジタル形式の制御出力は、入力サンプリング・レートと同一または異なるレートでデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）８８，９０へ送られる。ＤＡＣによって生成されたアナログ信号は、電流増幅器９２，９４を駆動し、それにより、スキャナ４０のアクチュエータ３４，３６を作動させる。

コンパクト・フラッシュ・メモリにおいて、その位置とは関係なくデータのブロックを連続して読み書きするには、同一のエネルギーがかかり、データは最終書き込みから次に利用可能なスロットに記憶される。これは、フレクシャ式ＭＥＭＳ記憶装置の場合には該当しない。ビットを読み出しまたは書き込むには同一のエネルギー量がかかるが、ホーム・ポジションから離れたデータにアクセスするには、フレクシャ力を上回るためのさらなるエネルギーがかかる。よって、これは、電力感知用途においてデータがどのように記憶されるかということに対して大きな影響力を有する。ここでは、データは、データ型および装置の動作モードに依存してゾーンで記憶されることが提案されている（図８）。ゾーン１は、スキャニング・センサ４０のホーム・ポジション付近に集まっており、頻繁に使用されるデータまたは最短時間で取り出される必要のあるデータ用に確保されている。ゾーン２は、新しいデータを入力するためのものであり、最も古いデータはゾーン３にある。ホストの装置、すなわちノートブック・コンピュータが充電中かつＦ‐ＭＥＭＳ１２がアイドル状態のときに、データは内部ゾーンから外部ゾーンへ移動する。ゾーン１およびゾーン２においては、データは、ホーム・ポジションから外側へ増加する（矢印で示す）。ゾーン３においては、データは、ホーム・ポジションに向かって内側へ増加し、最も古いデータは、ホーム・ポジションから最も離れた地点にセーブされる。ゾーン間の境界は、ユーザのアプリケーションによって移動され得る。

図９Ａおよび図９Ｂは、２つの異なるゾーンの２つの同一のデータ・ブロックにアクセスする際の違いを示す。連続データの各ブロックは、長さが１０ミクロンの５つの水平スキャン・ラインにわたっている。ホーム・ポジション（図６Ａ）から５ミクロンのところに位置するゾーン２またはゾーン３のデータ・ブロックにアクセスするには、１０５．０９ジュールを要し、ホーム・ポジション付近（ゾーン１）にある同一のデータ・ブロックにアクセスするためには３７．８８ジュールを要する。これは６４％のエネルギー節約である。この数値は、１００ミクロン離れたなどといったホーム・ポジションからさらに離れた場所にあるデータ・ブロックと比較すると、さらに高くなる。

Ｆ‐ＭＥＭＳによって、何らかの情報をランダム・シークに適用することによってエネルギーをさらに節約することができる。まず知る必要があるのは、それぞれ距離Ｘ，Ｙの関数としてのシーク時間Ｔｘ，Ｔｙである。ＴｘおよびＴｙは、以下の式から実験的に測定または推定することができる。
Ｔｘ＝Ｔｘ０＋（Ｘ−Ｘ０）／速度Ｘ
Ｔｙ＝Ｔｙ０＋（Ｙ−Ｙ０）／速度Ｙ

式中、Ｔｘ０は最小距離Ｘ０を移動するために必要な時間であって、速度Ｘへの加速および０への減速を含む。速度Ｘは、Ｘ軸についてのシーク速度である。同様に、Ｔｙ０はＹ０距離を移動するために必要な時間であって、速度ＹはＹ軸についてのシーク速度である。ＴｘおよびＴｙは、図１０Ａおよび図１０Ｂにそれぞれグラフ化されており、図１０Ｃは、Ｘ‐Ｙシーク・タイマの軌跡を示す。ＴｘがＴｙと等しい場合は、この種のシークは斜線によって表される。この線の上の空間は、Ｔｘの方が長い場合を表す。Ｔｙの方が長い場合は、斜線の下に表される。

ＴｘおよびＴｙがわかると、Ｘ‐Ｙシーク・コマンドの発行を、両コマンドが同時に完了するように同期させることが可能となる。例えば、ＴｘおよびＴｙが同一である場合には、両シークは同時に発行される。ＴｘがＴｙよりもＮミリ秒長い場合には、Ｘシーク・コマンドが最初に実行され、その後にＹシークがＮミリ秒遅れることになる。

図１１Ａは、Ｘが６ミクロン移動し、Ｙが２ミクロン移動し、両シーク・コマンドが同時に発行されるランダム・シークの場合の実験データを示す。Ｙは移動距離がより短く、Ｘよりも早く到達し、Ｙを２ミクロンに維持するために曲げ剛性に抗するための電力が必要である。この２次元シークおよびデータ１行にわたるスキャンに必要なのは、１．４７２ジュールである。図１１Ｂにおいて、Ｘ‐Ｙシークは、両方が同時に到達してＹの電力がＸが到達するのを待つことで無駄とならないように同期される。ここで、同一の２次元シークおよび１ライン・スキャンは、１．２５７ジュールしか消費しないので、１４．６％のエネルギー節約となる。Ｘ距離がＹ距離よりも遥かに大きい場合には、この節約はより大きなものとなろう。

本発明をその好ましい実施の形態に関して特に図示および説明してきたが、形式および内容に対する上記および他の変更が本発明の範囲および精神から逸脱することなく行われてもよいことが、当業者によって理解されるだろう。したがって、本発明は、説明および図示されたとおりの形式および内容に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲内にあることが意図されている。

読み出し／書き込みセンサのためのフレクシャ式Ｘ‐Ｙスキャナを搭載するＭＥＭＳ記憶装置の構成要素を一般的かつ概略的に示す。 図１において囲まれた部分Ａから拡大されたスキャナ・プローブの詳細を示す。 本発明に係るＸ‐Ｙスキャナ・プラットフォーム上での検査構成として使用される最適な位置センサの概略的な表現における側面図を示す。 本発明に係るＸ‐Ｙスキャナ・プラットフォーム上での検査構成として使用される最適な位置センサの概略的な表現における平面図を示す。 図４で囲まれた部分Ｂの詳細の拡大図を一般的かつ概略的に示す。 本発明のＸ‐Ｙスキャナのためのデータ・シークおよびスキャン軌跡を概略的に示す。 本発明に係るスキャナのＸ‐Ｙ運動を実施するためのサーボ制御システムの模式図を示す。 本発明に係る概略的に図示されたゾーン状の記憶機能を概略的に示す。 図９Ａおよび図９Ｂは、読み出し／書き込みセンサのホーム・ポジションに近い主領域におけるデータの記憶におけるエネルギー節約についてのチャートをそれぞれ示す。 図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃは、センサの変位およびデータの取り出しまたは書き込みあるいはその両方のためのＸおよびＹスキャナの時間対距離の関数をそれぞれグラフ化したものを示す。 図１１Ａおよび図１１Ｂは、Ｆ‐ＭＥＭＳ装置によって実施された同期されたスキャニング・シークのエネルギー節約をグラフとして示すものである。

Claims (7)

1. ２次元フレクシャ・マイクロエレクトロニクス・メモリ記憶装置の動作においてサーボ制御された電力を最適化するための装置であって、
   固定ベース部材と、
   上面にメモリ記憶媒体が設置された可動スキャナ・プラットフォームと、
   前記スキャナ・プラットフォームを前記固定ベース部材上に位置付け、前記可動スキャナ・プラットフォームが前記固定ベース部材に対してｘおよびｙ方向に変位するのを容易にする撓み支持材と、
   前記可動スキャナ・プラットフォームに接続され、これに対して前記ｘおよびｙ方向の変位を与えるためのサーボ・コントローラの動作に応じるアクチュエータであって、前記スキャナ・プラットフォームの変位の範囲を決定するためのｘおよびｙ位置センサを含むアクチュエータと
   前記メモリ記憶媒体に対して読み出し又は書き込みを行うスキャニング・センサを有するスキャニング構造体とを備え、
   前記スキャニング・センサを前記メモリ記憶媒体の対象トラックに位置づけるシーク・モードにおいて、Ｘ方向の移動とＹ方向の移動とが同時に完了するように、前記Ｘ方向の移動と前記Ｙ方向の移動のうち長い距離の移動が最初に開始され、短い距離の移動の開始が遅延され、
   前記メモリ記憶媒体が、ホーム・ポジションを囲むゾーン１と、該ゾーン１を取り囲むゾーン２と、該ゾーン２を取り囲むゾーン３に分けられており、前記ゾーン１に、頻繁に使用されるデータ又は最短時間で取り出されるべきデータが記憶されており、
   前記データは、所定のゾーンにおいては外側へ、別のゾーンにおいては前記ホーム・ポジションに向かって内側へ広がるように、前記メモリ記憶媒体上に配置されている、装置。
2. 前記遅延の量は、前記長い距離の移動を行わせるシーク時間と、前記短い距離の移動を行わせるシーク時間の差である、請求項１に記載の装置。
3. 前記スキャニング構造体は、前記可動スキャナ・プラットフォームの周辺エッジに位置付けられたスキャナ・プローブを備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記スキャニング構造体は、前記スキャナ・プラットフォームのエッジの両側に前記スキャナ・プローブを形成するプリズムを備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記ｘおよびｙサーボ・コントローラは、それぞれ、動作可能なシステム速度推定器と、速度コントローラと、位置コントローラとを備え、前記ｘおよびｙアクチュエータおよび前記スキャナ・プラットフォームの表面上の前記スキャニング構造体の変位を決定するセンサ・エレクトロニクスに動作可能に相互接続されている、請求項１に記載の装置。
6. 前記データは、前記スキャナ・プラットフォームの表面上に表面の窪みまたはピットのアレイとして提供される、請求項１に記載の装置。
7. 前記窪みまたはピットは、前記スキャナ・プラットフォームの上面上にあるポリマー層に形成され、
   前記スキャニング構造体は、前記窪みまたはピットと接触してそこからデータを導出するための抵抗型ヒータ・プローブを含む、請求項６に記載の装置。

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