JP5052300B2 - プローブ・ベースのデータ記憶デバイスにおけるデータを記録および再生するための方法、コンピュータ・プログラム、および装置、ならびにプローブ・ベースのデータ記憶デバイス - Google Patents

Description

本発明は、全般に、プローブ・ベースのデータ記憶デバイスに関する。これらのデバイスでの記憶密度をさらに上げ記録／再生技術を実装する方法、装置、およびコンピュータ・プログラムが提供される。

プローブ・ベースのデータ記憶デバイスには、トポグラフィのインデント、典型的には凹みもしくはマーク、すなわち記憶表面上の「ピット」の有無により情報を伝えるものがある。一般に、インデントがあれば、１ビットの値「１」に相当し、インデントがなければ、１ビットの値「０」に相当する。それぞれのインデントは、書き込み信号を印加し、デバイスのプローブで記憶表面を変形させてインデントを作ることによって形成される。例えば、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：原子間力顕微鏡）ベースの記憶デバイスでは、プローブは、微細加工されたカンチレバーの先端に取り付けられたナノメータ単位の鋭い先端である。この先端は、高分子フィルム状の記憶媒体の表面上を動くことができる。単一のインデントは、ＡＴＭカンチレバーの特定の端子間に電圧パルスを印加すると同時に、高分子フィルムの下の基板とカンチレバー本体上の基盤との間に別の電圧パルスを印加することによって形成される。第１パルスは、カンチレバーの先端を加熱する抵抗素子を加熱し、第２パルスは、先端を高分子フィルムに押しつける静電気力をカンチレバーと基板との間に作る。これら２つのパルスが一緒になってこの位置で書き込み信号を形成する。このとき、記憶表面上のインデントが作られるそれぞれのプローブ位置に単一の書き込み信号が印加される。読み出しモードの際は、サーモメカニカル・プローブを用い、カンチレバーの先端がビットのインデントのパターン上を移動する際のカンチレバーの先端のたわみを検出することによって、記憶されたビットを読み出すことができる。ＡＦＭベースのデータ記憶については、非特許文献１、および同書に引用されている参考文献に詳細に記載されている。同書の記載にあるように、基本的な読み出し／書き込み動作は単一のカンチレバーによって実装されうるが、実際には、より高いデータ・レートを容易にするために、個別にアドレス指定可能なカンチレバーの集積アレイが用いられる。アレイの各カンチレバーは、アレイが記憶媒体の表面に対して移動する際に、アレイの記憶フィールド内のデータを読み出し、書き込むことができる。

ＩＢＭ(ＩＢＭ社の登録商標) Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＆ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，Ｖｏｌｕｍｅ ４４，Ｎｏ．３，Ｍａｙ ２０００，ｐｐ３２３−３４０，"Ｔｈｅ ‘Ｍｉｌｌｉｐｅｄｅ’− Ｍｏｒｅ Ｔｈａｎ Ｏｎｅ Ｔｈｏｕｓａｎｄ Ｔｉｐｓ ｆｏｒ Ｆｕｔｕｒｅ ＡＦＭ Ｄａｔａ Ｓｔｏｒａｇｅ"、Ｖｅｔｔｉｇｅｒ ｅｔ．ａｌ．

プローブ・ベース機器の面記憶密度を高めるために、インデントは互いに隣接して配置されることが好ましい。一方、インデント間の距離が一定のしきい値よりも小さくなると、インデントは非線形的な干渉を始める。特に、新規に作られた各インデントが、そのしきい値距離よりも手前にある以前に形成されたインデントを部分的に「消去」する。以下インデント干渉しきい値ともよばれるこのしきい値距離はＤで表され、高分子フィルムを貫く先端の形状に依存する。先端が鋭いほど、Ｄは小さくなる。部分消去されたインデントが読み戻されるとき、それらは、部分消去されていないインデントよりも少ない信号振幅に相当する。これらの原則は、添付の図面の図１ａおよび図１ｂに示されている。図１ａは、しきい値距離Ｄで書き込まれた２つのインデントを示し、インデント間には干渉が生じていない。図１ｂは、インデント間の間隔がインデント干渉しきい値Ｄよりも小さい（ここではその間隔がＤ／２）ときに生じる部分消去を示すものである。後に形成されるインデントは先に形成されたインデントを部分消去し、その結果、この図の右側に示されるトポグラフィとなる。縦の点線は、図示の各場合のトポグラフィに相当するアナログの読み戻し波形がサンプリングされるタイミングを示し、ドットは対応するサンプル値を示す。図１ａの場合、正確な読み戻しサンプル値（１１）が得られている。一方、図１ｂでは、部分消去されたインデントに対する読み戻し信号の振幅が、検出しきい値に近い中間的な高さとなっている。ノイズまたは他の形のひずみが存在すると、このサンプル値は容易にしきい値より大きくなり、誤って「０」と検出されることもある。このことを図では、書き込まれたシンボル値を１１０とし、部分消去の結果読み戻しサンプル値を０１０として示している。このように、部分消去されたインデントのノイズ・マージンは部分消去されていないインデントに比べて低下して、検出エラーが生じ、結果として性能低下につながる。したがって、可能な限り部分消去を避けることが望ましい。

記憶密度の向上および部分消去の抑止を容易にする一つの方法は、より鋭い先端を用いることである。先端の尖鋭度は、各インデントを囲む塑性変形部分の半径を決定し、先端が鋭いと尖鋭度もより小さくなる。次に、塑性半径によって、２つのインデントが部分消去を生じることなくどれだけ互いに隣接できるのか、すなわちＤが決定される。それ故、先端が尖っているほど、インデント干渉しきい値Ｄが小さくなる。一方、先端が尖っているほど、先端の製作がより困難になるという問題がある。特に、先端のアレイが大きいほど、鈍い先端と比べて、先端の一様性を保つのが困難になりうる。加えて、上記記載の問題が解決できたとしても、先端と記憶媒体との摩擦によって先端が鈍くなって先端が摩耗するために、先端の尖鋭度は長くは保たれない。

記憶密度の向上および部分消去の回避を容易にする別の方法は、記憶されたデータに符号化を用いることである。使用される符号として（ｄ，ｋ）符号とよばれる種類のものがある。この符号は、符号化されたビット・シーケンス中の連続する「１」を、ｄ以上ｋ以下の個数の「０」によって確実に分割する。ここで、数値ｄ ｆ １である。連続する「１」すなわちインデントの物理的距離はＤに制限されているので、「１」の間に人工的にｄ個の「０」を挿入することによって、シンボル距離すなわち符号化されたシーケンスのビット間の距離を、情報ビット間の符号化されていない距離ＤからＤ／（ｄ＋１）に効果的に減少させることができる。図１ｃは、ｄ＝１の場合としたときの上記概念を示すものである。ここでは、２つの連続する「１」間の距離は、しきい値距離Ｄに保たれている。ただし、その「１」の間には、１つの符号化されたビットの値「０」が導入されている。このため、実際には、符号・シンボル間の距離がＤ／２に減少しているが、符号・シンボル間の最小距離が常にＤに保たれているので、インデント間の干渉はない。（ｄ，ｋ）符号の欠点は、「１」と「０」の可能なシーケンスがすべて、符号化されたビット・ストリームに通用するとは限らないことである。例えば、ｄ＝１符号の場合、シーケンス１１は許容されない。よって、この符号化プロセスについては、固有のレート損出が存在する。これは、符号レートＲで表される。この数値は、１より小さい値であり、実効シンボル距離を１／Ｒ増加させる。したがって、符号化されていない場合と比べて、記憶密度はＲ×（ｄ＋１）の係数だけ全体的に増加する。例えば、上述のサーモメカニカル・プローブ記憶システムでは、符号レートＲ＝２／３の（ｄ＝１，ｋ＝７）符号が選択され、密度の増加は（２／３）×（２）＝４／３となっている。一方、ユーザが選択するデータ・レートｒに対して符号レートがＲ＜１であるために、デバイス内のエレクトロニクスは、（ｒ／Ｒ）＞ｒの内部レートでデータを処理しなければならない。このように、固定のＩＣ技術では、符号化されたシステムのユーザ・データ・レートは符号化されていないシステムのユーザ・データ・レートよりも小さくなる。したがって、この種類の符号化は、ユーザ・データ・レートと引き替えに密度を高めることとなる。

したがって、上述した既存のシステムの欠点を軽減できるプローブ・ベースのデータ記憶デバイスの記憶密度を向上させるシステムを提供することが望ましい。

本発明の第１の態様の実施形態は、書き込み信号を印加するとデバイスのプローブによって記憶表面にインデントが形成されるプローブ・ベースのデータ記憶デバイスにおいてデータを記録／再生する方法を提供する。この方法は、
記憶表面上のｗ≦Ｍの間隔で離間する各プローブ位置において、一連の書き込み信号を印加することによって、記録信号内のｎ＞１個の連続ビット・シーケンスである第１値を記録するステップであって、Ｍは前記インデントの結合距離で、前記記憶表面でｎ個の読み戻しサンプル位置に亘るグルーブを形成するステップと、
前記読み戻しサンプル位置に対応するタイミングで、前記記録信号に対応する読み戻し信号をサンプリングするステップであって、前記インデントの干渉しきい値Ｄに対して前記読み戻しサンプル位置間隔がｓ＜Ｄとなるステップと、
を含む。

本発明は、記憶表面上のインデント間の距離が、部分消去の発生する距離よりも小さくなった際に発生する現象を利用したものである。特に、インデント間の間隔が、本明細書中Ｍで表すしきい値距離より小さくなると、インデントが結合して、隔離されたインデントよりも、すなわち以前に提案されたシステムにおける単一「ピット」よりも、直径および深さがより大きい１つの大きいインデントとなる。間隔が隣接した数個のインデントを、このように記憶表面の書き込み方向に沿って作ることによって、ほぼ均一な深さの連続したグルーブが形成される。このように、記録信号内のビット・パターンが、異なった長さのランドによって分割される、異なった長さのグルーブの形で記憶されるプローブ・ベースのデバイスでデータを記憶する新規の方法が提案される。特に、一般的に値「１」のビットである第１値の１個より多い連続ビット・シーケンスは、記憶表面上のｗ≦Ｍの間隔で離間する一連のプローブ位置において一連の書き込み信号を印加して、一連のインデントを形成することによって、記憶される。ここでＭは、前述したインデントの結合距離である。したがって、これらのインデントが結合してグルーブを形成し、このグルーブの長さは、書き込み方向に沿ってプローブが移動される際に印加された書き込み信号の個数による。これは、前述のシーケンスを記録する際のビットの個数による。ｎ＞１個の連続ビット・シーケンスである第１値は、書き込み信号を印加して、ｎ個の読み戻しサンプル位置に亘るグルーブを形成することによって記録される。次に読み戻し信号が、読み戻しサンプル位置に対応するタイミングでサンプリングされると、ｎビットのシーケンスの回復が達成される。この新規の記録システムが特に優れている点は、グルーブを用いてｎビットのシーケンスを表すことによって部分消去の問題が解消され、読み戻しサンプル位置間隔ｓがしきい値距離Ｄよりも小さくなるという事実にある。このように、本発明の実施形態によって、部分消去を回避することにより検出性能を保ったまま、記憶密度を向上させることができる。加えて、この記憶密度の向上は、尖った先端の使用によるものではないので、例えば先端の鈍化、経時変化、および非均一性などの、記憶密度に関する要因の作用が低減される。さらに、記憶密度の向上は、上述したシステムで要求されるような入力信号の符号化が必要ないので、ユーザ・データ・レートに影響なく達成できうる。

一般に、記録信号内の２つの可能なバイナリ値の一方は記憶表面にインデントがあることによって表すことができ、他方の値のビットはインデントがないこと、すなわちランドによって表すことができる。つまり、前述の第１値のビットは、「１」または「０」である。一方、「１」をインデントで表すのが、プローブ・ベースの記録では一般的である。したがって前記第１値のビットを、一般的に「１」で表すこととする。前記第１値が「０」である他方のシステムを本発明の実施形態で等しく用いることができる点を理解した上で、簡略のためにこの慣例を以下で採用することにする。

記録信号内のｎ＞１個の「１」のシーケンスは、一連の書き込み信号を印加することによって記憶表面上のグルーブとして書き込まれるが、隔離された「１」は単一の書き込み信号を印加することによって書き込まれることが好ましい。このように、隔離された「１」は、以前に提案されたシステムと同様に、単一のインデントすなわちピットによって表される。「グルーブ・ランド」システムを実施するために記憶表面上に形成されたグルーブは、このように、単一のピット以上の異なった長さを有する。

読み戻しサンプル位置間隔ｓの特定の値は、本発明の実施形態によって異なってもよいが、Ｄ／２＜ｓ＜Ｄの範囲にあることが好ましい。入力符号化の必要を避けた上で部分消去を回避しつつ、記憶密度の向上が可能であるために、ｓ＝Ｄ／２であることが最も好ましい。

連続した「１」のシーケンスを記録する際、「書き込み信号間隔」すなわち書き込み信号が印加されるプローブ位置間の間隔は、インデントの結合距離Ｍに等しいことが好ましい。これによって、少ない数の書き込み信号でグルーブを形成することができる。

入力信号の符号化は、本発明の実施形態の処理を行うためにはなされないが、特定の状況では、何らかの形の入力符号化を適用することが好ましいこともある。これに関する特定の例は、以前書き込まれた古いデータを先ず消去せずに、その古いデータ上に直接書き込むことを望む場合である。そのような「直接上書き」要件によって表される困難点および本発明の実施形態において直接書き込みを実現する方法を、以下に詳しく説明する。

本発明の第２の態様の実施形態では、本発明の第１の態様の実施形態にしたがって、データ記録／再生方法を実行するプローブ・ベースのデータ記憶デバイスを制御する命令を含むコンピュータ・プログラムが提供される。係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・プログラムを実装するデータ処理能力を有するプローブ・ベースのデータ記憶システムの構成要素によって実装することもできる。さらに、本発明を具体化するコンピュータ・プログラムは、独立したプログラムかまたはより大きいプログラム内の１つの要素を構成してもよく、例えば、ディスクなどのコンピュータ可読媒体またはコンピュータにロードするための電子転送の形で具体化されて提供されてもよい。コンピュータ・プログラムの命令は、直接または（ａ）他の言語、符号、または表記への変換と（ｂ）他のデータ形式への再生との一方か両方を行った後で、当該方法を実行させる命令セットを含み、任意の言語、符号、または表記で任意に表現された、プログラム・コードを含むとよい。

本発明の第３の態様の実施形態は、書き込み信号の印加がデバイスのプローブによって記憶表面にインデントを形成させるプローブ・ベースのデータ記憶デバイスにおいてデータの記録／再生を制御する装置を提供する。この装置は、
Ｍをインデントの結合距離として記憶表面上のｗ≦Ｍの間隔で離間する各プローブ位置において、一連の書き込み信号を印加して、記憶表面でｎ個の読み戻しサンプル位置に亘るグルーブを形成することによって、記録信号内のｎ＞１個の連続ビット・シーケンスである第１値を記録し、
Ｄをインデントの干渉しきい値として読み戻しサンプル位置間隔ｓがｓ＜Ｄとなるように、読み戻しサンプル位置に対応するタイミングで、記録信号に対応する読み戻し信号のサンプリングを制御する、
ようになっている。

本発明の第４の態様の実施形態は、
記憶表面と、
記憶表面に対して移動可能な少なくとも１つのプローブを含み、記憶表面に対して書き込み・読み出しをする読み出し／書き込みメカニズムであって、書き込み信号の印加が、プローブによって記憶表面にインデントを形成させる読み出し／書き込みメカニズムと、
Ｍをインデントの結合距離として記憶表面上のｗ≦Ｍの間隔で離間する各プローブ位置において、一連の書き込み信号を印加して、記憶表面でｎ個の読み戻しサンプル位置に亘るグルーブを形成することによって、記録信号内のｎ＞１個の連続ビット・シーケンスである第１値の記録を行う読み出し／書き込みメカニズムを制御する制御器と、
Ｄをインデントの干渉しきい値として読み戻しサンプル位置間隔ｓがｓ＜Ｄとなるように、読み戻しサンプル位置に対応するタイミングで、記録信号に対応する読み戻し信号をサンプリングするサンプラと、
を含むプローブ・ベースのデータ記憶デバイスを提供する。

一般に、本明細書で、本発明の態様の実施形態に関する特徴が説明される場合は、対応する特徴が本発明の他の態様の実施形態で提供されてもよい。

添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について例として説明する。

本発明の実施形態の処理を説明する前に、図２を参照して本発明で用いられる原理を説明する。本発明の実施形態は、高分子フィルム上にサーモメカニカル的に書き込まれたトポグラフィのインデントが、空間的に隣接する場合、連続したグルーブに結合される事実に基づくものである。インデント間の空間的距離が小さい場合、トポグラフィの変更は３つの異なる様式がある。インデント間の距離がインデントの干渉しきい値Ｄと少なくとも等しい第１様式では、インデントの間の干渉は発生しない。このことは、インデント間隔Ｄに関する図２の上側に示されている。これは、図１ａおよび図１ｃを参照して上記の記載で説明したようにデータの書き込みが行われる様式である。すでに説明したように、記憶密度の増加の度合いは、しきい値Ｄによる。インデント間の間隔がしきい値Ｄよりも小さくなくと、ただちにインデント間の干渉が発生する。特に、新しく形成されたインデントはそれぞれ、新しいインデントから距離Ｄ以内にあるあらゆる隣接したインデントを部分的にふさぐかまたは「消去」する。これは、図１ｂを参照して説明したように第２のトポグラフィの変化であり、図２の中側に示されている。インデント間の間隔がさらに小さくなって、特に、しきい値距離Ｍに近づくと、インデントが結合して、隔離されたインデントよりも大きい直径および深さを有する１つの大きなインデントとなる。これは、図２の下側に示されている。間隔がＭより小さい一連のインデントを、記憶表面上で書き込み方向に沿って作ることによって、ほぼ均一な深さの連続したグルーブが形成される。これが、説明する実施形態で用いられる原理である。さらに詳細には、一般に行われるようにインデントの有無で情報を記憶するのではなく、異なった長さのランドで隔離された異なる長さのグルーブの形で情報が記憶される。ランドが記録媒体の背景と実質的に同じトポロジカルな高さを有するのに対し、グルーブは特定の深さの溝である。記載された例では、ランドが「０」に相当するのに対し、グルーブは論理的に「１」に対応するものとされる。

図３は、本発明を具体化するプローブ・ベースの記憶デバイス１を概略的に示すものである。本実施形態では上記で参照した学術文献に記載された種類のプローブ記憶アレイ２を含む読み出し／書き込みメカニズムを、デバイス１は含む。アレイ制御器３は、プローブ・アレイ２の動作を制御する。アレイ制御器３は、前述の参考文献に記載されているように、高分子フィルム媒体５の表面でデータの読み出しおよび書き込みを行うようにアレイの個々のプローブを駆動するアレイ駆動器検出器回路４を含む。アレイ制御器３は、以下の説明にしたがってデータの記録／再生を行うために、駆動器／検出器回路４を介してアレイ２の動作を制御するための読み取り／書き込み制御器６も含む。一般に、読み取り／書き込み制御器６はハードウェアもしくはソフトウェア、またはその２つの組み合わせで実装されてもよい。好適な実装は、本明細書の記載から当業者には明らかとなろう。図において破線で示される構成要素７および８は、後に説明するデバイスの変更版で用いられる。

動作時は、入力データは記録のためにアレイ制御器３に供給される。読み取り／書き込み制御器６は、高分子フィルム媒体５の表面に対してプローブが移動する際に、アレイの個々のプローブへの書き込みパルスの印加を、駆動器／検出器回路４を介して制御する。実際には、個々のプローブが並行してアレイのそれぞれの記憶フィールドにデータを書き込むことができるのであるが、ここで用いられる記録／再生技術を理解するためには、単一プローブの読み出し／書き込み動作を考察すれば十分である。このように、読み取り／書き込み制御器６は、プローブによって記録される信号のビット値に応じて、プローブへの書き込みデータの印加を制御する。引き続き、制御器６は、高分子フィルム媒体５の表面の適切な領域の上をプローブが移動する際に記録信号を読み出すように、駆動器／検出器回路４を制御する。読み戻し信号は、記憶表面上で距離ｓの間隔で離間するプローブ位置に対応するタイミングで、回路４のサンプラ（個別には図示しない）によってサンプリングされる。そのようにして得られる読み戻しサンプル値は、元の記録信号のビット値に相当する。

記録動作における書き込みパルスの印加は、以下のシステムにしたがって、読み取り／書き込み制御器６によって制御される。この記載では、単一の書き込みパルスを、プローブによって単一のインデントを作るために印加される単一のパルスとする。すでに記載したように、この信号は、プローブの異なった端子に同時に印加される一対のパルスを通常含む。記録信号内のｎ＞１個の連続する「１」の任意のシーケンスに対して、一連の書き込み信号が、高分子フィルム媒体５の表面上で、書き込み間隔ｗの間隔で離間する各プローブ位置に印加される。ここで、ｗは、上述したインデントの結合しきい値Ｍに設定される。このように、結果として得られる一連のインデントは結合して、記憶表面５上でトラック方向に沿ったグルーブを形成する。このグルーブの長さは、ｎの値に依存する書き込み信号の個数に依存する。特に、書き込み信号が印加されて、ｎ個の「シンボル位置」ともよばれる、読み戻しサンプル位置に亘るグルーブが形成される。読み戻し信号がこれらのシンボル位置に対応するタイミングでサンプリングされると、元のｎ個の連続する「１」のシーケンスが回復される。記録信号内の隔離された「１」、すなわち両側に「０」が隣接する「１」については、対応する読み戻しサンプル位置で単一の書き込み信号が印加される。「０」は、読み戻しサンプル位置においてインデントが存在しないことによって表されるため、「０」を記録するために書き込みパルスを印加する必要はない。

インデントの結合距離Ｍは、説明したシステムでは一般におよそＤ／４であり、この例では、インデント書き込み間隔ｗをＤ／４に設定するために、Ｍ＝Ｄ／４とする。読み戻しサンプル位置間隔または「シンボル間隔」ｓは、Ｄ／２単位に設定される。Ｄ／２の整数倍の任意の長さの連続したグルーブは、Ｄ／４の書き込み間隔で書き込みパルスを印加することにより形成される。このように、任意の整数個のシンボル位置に亘るグルーブは、本発明の実施形態によって形成することができる。１つのシンボルの長さのグルーブ、すなわち１つのピットを形成するには、１つの書き込みパルスが用いられる。２つのシンボルの長さのグルーブについては、３つの書き込みパルスが印加される。一般に、この特定の例では、ｍシンボル長のグルーブは、Ｄ／４の間隔で（２ｍ−１）個の書き込みパルスを印加することによって、形成される。２シンボル長のグルーブの形成が図４の下の図に示されていて、左側の図はシンボル・シーケンス１１０の書き込みが示されている。Ｄ／４の書き込み間隔で印加された３つの書き込みパルスは、結合の結果、Ｄ／２のシンボル間隔で２シンボル位置に亘る、連続したグルーブを形成する３つのインデントに相当する。これは、右側の図に示されている。この図に示されているように、読み戻し信号が３つのシンボル位置に対応するタイミングでサンプリングされると、グルーブは２シンボル長を有するように見え、正確な読み戻しサンプル値１１０が得られる。原則的に、図に示されているように、グルーブでの信号サンプルは等しい振幅を有し、ランドのサンプルとの振幅の差異は比較的大きく、均一であり、その結果、検出器の入力において十分なノイズ・マージンを得ることができる。このように、２進しきい値検出器は、このシステムにしたがって、可変長のグルーブおよびランドとして記録される信号を検出するために利用できる。

比較のために、図４の上の図は、既知のｄ＝１の符号化法によるシーケンス１０１の記録を示す。これは、この符号で可能な「１」の最小間隔に相当する。中央の図は、Ｄ／２のシンボル間隔を用いての、符号化されないシーケンス１１０の記録を示す図である。中央の図は、すでに記載の部分消去問題を示し、この場合、検出性能を犠牲にすることによってしか記憶密度を向上させることができない。上の図の符号化システムにおいては、最小のインデント間距離間隔Ｄを保つために、符号化プロセスで、任意の２つの「１」の間に必ず「０」を挿入する必要がある。その結果は、レートの損出を犠牲にして記憶密度が部分的に増加するのみである。本実施形態の記録／再生技術では、以前に提案されたシステムの欠点を回避して、記憶密度を向上させることができる。部分消去を回避することにより検出性能を保ったまま、より高い記録密度を達成することができる。記憶密度の向上は、さらに尖った先端を用いることなく得ることができ、その結果、例えば先端の鈍化／経時変化／非均一性などの、記憶密度に影響する要因の作用が低減される。記憶密度の向上は、先端形状の変化への依存度が小さくなることに引き替えて得られるものである。この点に関して、例えば、上述の実施形態は、ｄ＝１の符号化システムに比べられるが、密度の低下を犠牲にすることで、機能を高めることができる。実際に、先端の経時効果への依存度を低くすることで期待できる密度の向上は５０％未満である。さらに、入力信号の符号化を用いない上記記載の実施形態においては、レートの損出がなく、したがって、ユーザ・データ・レートは影響されない。符号化しないデータが書き込まれ、Ｄ／２のシンボル間隔で再生されるので、達成される密度の増加は１×２＝２であり、これはｄ＝１の符号化の場合と比べて５０％の増加であり、ビット間隔がＤである通常の符号化しない場合と比べて１００％の向上である。Ｄ／４の間隔で書き込みを行ってグルーブを形成することは、ｄ＝１の符号化方法と比較すると、平均して、より多くの「１」が書き込まれる必要があり、その結果、電力の消費が増大するが、プローブ記憶アレイに対して想定される、電力を最も重視する用途以外では、この点は二次的な要因にすぎない。したがって、全体として、本発明の実施形態によって、プローブ記憶デバイスでの記録する密度は、以前に提案されたシステムと比較して、より大きくなる。

上述の記録方式においては、入力ユーザ・データに対して符号化は要求されないが、特定の場合では何らかの符号化を適用することが望ましいこともある。特に符号化が好適な例としては、直接上書き能力を提供することが望ましい場合をあげることができる。プローブ・ベースのデータ記憶デバイスでのデータの上書きには、問題がある。例えば、ゼロがビット位置で「インデントが存在しない」に対応する場合、ゼロを書き込むことは、操作しないことに相当する。したがって、ビット位置で以前に書き込まれた「１」にゼロを「書き込む」と、古い「１」をそのまま残すこととなり、結果として、新規に書き込んだデータが不正確となる。別の例として、ある特定のプローブ位置に「１」を書き込むと、上述したような部分消去のために、以前に書き込まれた隣接する１が０に変化させられることもある。このような作用があるために、以前に提案されたシステムでは、新しいデータを書き込む前に古いデータを消去する必要がある。すなわち、入力データを符号化するためには、新旧データ間の物理的干渉を考慮した符号化アルゴリズムを用いる必要がある。係るアルゴリズムの例は、米国特許公開第２００４／０１１４４９０（Ａ１）号明細書および米国特許公開第２００４／０２３３８１７（Ａ１）号明細書に開示されている。本発明を具体化する記録／再生技術は、入力符号化を軽く適用することにより、さらなる直接上書き能力の長所を提供することができる。この符号化は、ランドの長さに関する簡単な制約を与えるものである。特に、ランドの長さは、インデント干渉しきい値Ｄ、または上記記載の特定の例でのシンボル間隔ｓの２倍より長くならないように制約されている。このようにして、同一エリアに以前記憶されたシンボルのパターンに関わりなく、意図するシンボルのパターンが記憶媒体上に記憶される。そのようになる理由を、図５ａおよび図５ｂを参照して、説明する。

図５ａは、図３の実施形態により記録される信号内において、単一の「０」を含むランドを形成するパターンの例を示す。この図に示される特定のパターンは、１１０１である。図の中の×印で示される、隔離された「０」の位置には、以前に「１」が記録されていたものとする。この新しいパターンが書き込まれると、この位置の左右両側に、隣接するグルーブが形成され、それによって、図中の矢印で示されるように、新しいランドの予定位置で、それまで保たれていた弾性ひずみが緩和される。このように、このエリアにそれまで記憶されていたパターンがグルーブであってもランドであっても、単一の「０」を含むランド、すなわちＤ／２の長さのランドが常に記憶される。図５ｂは、本例において２つの「０」が連続し、ランド長がＤである場合のシナリオを示すもので、ここでは、記録パターンが１１００１となっている。左側にグルーブが形成されると、グルーブの右側でＤ／２以内の距離に存在するあらゆる既存のグルーブ、すなわち、図に示された、この記録パターンの第１の「０」の位置にあるグルーブがふさがれる。同様に、右側にグルーブが形成されると、グルーブの左側でＤ／２以内の距離に存在するあらゆる既存のグルーブ、すなわち示されたこの記録パターンの第２「０」の位置にあるグルーブがふさがれる。周囲のグルーブの作用が組み合わさって、２シンボル長の新規のランドが確実に形成される。なお、もちろんシンボル間隔ｓがＤ／２より小さくならない限り、３以上のシンボル長のランドは保証されない。一方で、直接上書きが行われないならば、記録システムにおいてＤより長いランドは一般に避けるべきである。

直接上書きを保証するために、コーダ７と、図に破線で示される対応するデコーダ８とを組み込むことによって、必要な符号化が図３の実施形態に適用できる。「１」のシーケンスが理論的には制約を受けないのに対し、記録信号内の連続する「０」の最大個数が２に制約される点で、コーダ７によって入力信号に適用される符号化は、プローブ・ベースの記録システムで現在使用されている（１，７）の符号と異なる。一方、検出器のタイミング・リカバリ・ループの性能を向上させるために、（ｄ，ｋ）の符号におけるｋの制約と同様に、連続する「１」の個数の上限も、この場合例えばｋ＝７とする。上述の２つの制約を満足する符号は、「０」と「１」とが入れ替わっていて、磁気記録に用いられるいわゆるＭＴＲ（ｊ，ｋ）の符号とよく類似している。本記録方式では、ｊ＝２およびｋ＝７である。コーダ７で用いることができ、レートがＲ＝６／７である、実際的なＭＴＲ（２，７）の符号は、この符号化方式の逆がデコーダ８に実装されていて、“Ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｒｕｎ Ｃｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｐａｒｔｉａｌ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ”、Ｃｉｄｅｃｉｙａｎ ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌ．Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、ｖｏｌ．１９、ｎｏ．４、ｐｐ６１９−６３４、Ａｐｒｉｌ ２００１に記載され、当参考文献の関連する内容を参照によって本願明細書に引用したものとする。これは、簡単なデコーダの実装を有するブロック符号であるために、（１，７）の符号と比べて、より簡単な符号の実装である。本願明細書の場合ではシンボル間隔ｓがＤ／２に保たれるために、この方式での密度の増加は２×６／７＝１．７１４３となる。本実施形態により、同時に直接上書き機能が提供される一方で、現在用いられているｄ＝１の符号と比べて記録密度が２８．６％増加する可能性がある。

本発明の実施形態がより高いレートの符号をサポートする事実は、ユーザ・データ・レートの達成が可能であることも示している。特に、レートが６／７の符号は、一定のチャネル・データ・レートに対して、（１，７）の符号での相当するデータ・レートと比較して、２８．６％高いユーザ・データ・レートにあたる。チャネル・データ・レートは、アナログのフロント・エンド回路および読み出しチャネルの複雑さに依存し、用いられるＩＣ技術によって制限されうる。

実験結果
図３および図４を参照して説明した模範的な記録方式を実験的に試験して、既知のｄ＝１の記録方式と比較した。全ての実験は、単一のカンチレバー試験台において、同一の単一プローブ／先端を用いて行った。既知の方式にｄ＝１の符号化を適用したが、試験した実施形態においてユーザ・データに対する符号化を行っていないので、有効な線記録密度は異なっている。同一のシンボル・ピッチｓに対し、ｄ＝１のシステムと比べて、本実施形態は５０％高い密度を達成した。２つの方式を同一基準で比較するために、異なった密度で記録実験を数回行った。各記録方法およびデータ密度に対して、少なくとも１０，０００個のシンボル、すなわち各５００個のシンボルの２０トラックを記録し、また読み戻した。シンボル・ピッチは、本発明の実施形態に対しては、３０．８、２０．５、および１５．４ｎｍであり、ｄ＝１の方法に対しては、２０．５、１５．４、１２．８、および１０．３ｎｍであった。これらの数値は、８２５から１６５０Ｋｂｉｔ／ｉｎの範囲の線密度に相当する。トラックのピットが４１．０ｎｍに固定されていたので、相当する面密度は５１１から１０２２Ｇｂｉｔ／ｉｎ^２の範囲である。全ての場合で、書き込み電圧を５．２Ｖ、および静電電圧を９．０Ｖに固定して、その両方を、Ｄ／２−間隔およびＤ／４−間隔の各パルスに対して、１２８μｓおよび６４μｓの時間を有する６．０μｓの期間のパルスで印加した。電子的ノイズおよび媒体ノイズの効果を低減するための読み戻し信号を平均するために、書き込みに用いたデータ・パターンは、各トラックで繰り返されたシーケンスを含んだ。

図６は、２０．５ｎｍのシンボル・ピッチおよび１２３９Ｋｂｔ／ｉｎの線密度で、本発明を具体化する方法で記録された、１０個の連続するトラックを部分的に示す画像である。異なった長さを有する、より長いグルーブの他に、隔離されたインデントが、画像において明らかに見て取れる。さらに、図７は、図６の中央のトラックを横断するライン走査を示す。書き込まれたグルーブの質が、この図ではさらに明らかに認められる。実線で示されるアナログの読み戻し信号とともに、図７は、中黒点および×点によって、記憶されたデータ・パターン内の「０」および「１」にそれぞれ相当する読み戻し信号のサンプルを示す。明らかに見えるように、「０」および「１」の振幅がよく分かれていて、簡単なしきい値検出によって潜在的な記憶パターンが再現されていることが示されている。比較のために、図８は、既知のｄ＝１の方法で記録されたデータ・トラックを部分的に示す。シンボル・ピッチが１５．４ｎｍで、有効な線密度が１１００Ｋｂｉｔ／ｉｎであった。密度は図７と比べて低いが、「０」および「１」の振幅レベルが図７のようによく分かれてないことが見られるであろう。２進しきい値検出器の入力における振幅マージンの低下が生じていて、２×１５．４＝３０．８ｎｍの最小ピッチの間隔で離間するインデント間の部分消去が明らかに見られる。２進しきい値検出器の性能は、検出器の入力における信号対ひずみ比（ＳＤＲ：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ）で評価することができる。「０」および「１」の平均振幅レベルの差異はこの図では信号として扱われ、これらの平均の周囲におけるあらゆる偏差はひずみとみなされる。本発明を具体化する方法ならびに既知のｄ＝１の方法の両方に対し、異なった記録線密度を横断するＳＤＲを測定した。その結果を図９に示した。それらの結果は、本発明を具体化する方法が、既知の方法と同様の動作を５０％高い密度で実行したことを示している。

特定のプローブ記憶アレイが、上記記載した特定の記憶デバイス１で用いられる一方で、本発明を具体化する他のプローブ・ベースの記憶デバイスでは、異なったプローブ・メカニズムがもちろん用いられてもよい。本発明の範囲から逸脱することなく、説明した実施形態に対して、別の変化および変更を多数作ることができる。

図１ａは、（上述のように）既存のプローブ・ベースの記録システムでの異なった読み出し／書き込みシナリオを示す。図１ｂは、（上述のように）既存のプローブ・ベースの記録システムでの異なった読み出し／書き込みシナリオを示す。図１ｃは、（上述のように）既存のプローブ・ベースの記録システムでの異なった読み出し／書き込みシナリオを示す。 既知のシステムと比較して、本発明の実施形態の処理の背後にある原理を示す。 本発明を具体化するプローブ・ベースのデータ記憶デバイスの概略を示す。 既知のシステムと比較して、図３の実施形態で用いられる記録／再生の技術を示す。 図５ａは、直接上書き能力を有する図３の変更において課せられる制約の理由を示す。図５ｂは、直接上書き能力を有する図３の変更において課せられる制約の理由を示す。 本発明の実施形態で得られる記録トラックの画像を示す。 図６の記録トラックを横断するライン走査を示す。 以前に提案されたシステムで得られる記録トラックを横断するライン走査を示す。 以前に提案されたシステムと本発明の実施形態との性能の比較を示す。

符号の説明

１ プローブ・ベースのデータ記憶デバイス
２ 読み出し／書き込みメカニズム
４ サンプラ
５ 記憶表面
６ 制御器
７ コーダ
８ デコーダ

Claims (13)

1. 書き込み信号の印加がプローブ・ベースのデータ記憶デバイス（１）のプローブによるインデントの形成を記憶表面（５）に生じさせる前記デバイス（１）におけるデータの記録／再生の方法であって、前記方法は、
   Ｍを前記インデントの結合距離として前記記憶表面（５）上のｗ≦Ｍの間隔で離間する各プローブ位置において、一連の書き込み信号を印加して、前記記憶表面でｎ個の読み戻しサンプル位置に亘るグルーブを形成することによって、記録信号内のｎ＞１個の連続ビット・シーケンスである第１値を記録するステップと、
   前記読み戻しサンプル位置に対応するタイミングで、前記記録信号に対応する読み戻し信号をサンプリングするステップであって、前記インデントの干渉しきい値Ｄに対して前記読み戻しサンプル位置間隔ｓがｓ＜Ｄとなるステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記記憶表面（５）上の対応する読み戻しサンプル位置において単一の書き込みパルスを印加することによって、前記記録信号内の前記第１値の隔離されたビットを記録するステップを含む方法。
3. 請求項１から２のいずれかに記載の方法であって、前記記憶表面（５）の隣接するインデント間の各ランドの長さが＜Ｄとなるように、前記記録信号内の前記第１値とは別の連続ビットの最大個数を制約するよう入力信号を符号化することによって、前記記録信号を生成するステップを含む方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、前記記録信号内の前記第１値とは別の連続ビットの最大個数が２に制約されるよう、前記入力信号を符号化するステップを含む方法。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の方法であって、前記記録信号内の前記第１値の連続ビットの最大個数を所定の数値に制約するよう入力信号を符号化することによって、前記記録信号を生成するステップを含む方法。
6. 書き込み信号の印加がプローブ・ベースのデータ記憶デバイス（１）のプローブにより記憶表面（５）にインデントを形成させる前記デバイス（１）の処理を制御する命令を含むコンピュータ・プログラムであって、前記プログラムは、請求項１から５のいずれかに記載のデータ記録／再生方法を実行するよう、前記デバイス（１）を制御するようになっているコンピュータ・プログラム。
7. 書き込み信号の印加がプローブ・ベースのデータ記憶デバイス（１）のプローブにより記憶表面(５)にインデントを形成させる前記デバイス（１）においてデータの記録／再生を制御する装置（６）であって、前記装置（６）は、
   Ｍを前記インデントの結合距離として前記記憶表面（５）上のｗ≦Ｍの間隔で離間する各プローブ位置において、一連の書き込み信号を印加して、前記記憶表面でｎ個の読み戻しサンプル位置に亘るグルーブを形成することによって、記録信号内のｎ＞１個の連続ビット・シーケンスである第１値の記録を行い、
   Ｄを前記インデントの干渉しきい値として読み戻しサンプル位置間隔ｓがｓ＜Ｄとなるように、前記読み戻しサンプル位置に対応するタイミングで、前記記録信号に対応する読み戻し信号のサンプリングを制御する、
   ようになっている装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、前記記憶表面（５）上の対応する読み戻しサンプル位置に単一の書き込みパルスを印加することによって、前記記録信号内の前記第１値の隔離されたビットの記録を行うようにさらになっている装置。
9. 請求項７から８のいずれかに記載の装置であって、前記装置（６、７、８）は、前記記憶表面（５）の隣接するインデント間の各ランドの長さが＜Ｄとなるように、前記記録信号内の前記第１値とは別の連続ビットの最大個数を制約するよう入力信号を符号化することによって、さらに前記記録信号を生成するようになっている装置。
10. 請求項９に記載の装置であって、前記入力信号の前記符号化は、前記記録信号内の前記第１値とは別の連続ビットの最大個数を２に制約する装置。
11. 請求項７から１０のいずれかに記載の装置であって、さらに、前記装置（６、７、８）は、前記記録信号内の前記第１値の連続ビットの最大個数を所定の数値に制約するよう入力信号を符号化することによって、前記記録信号を形成するようになっている装置。
12. 請求項７から１１のいずれかに記載の装置であって、前記第１値のビットは値「１」のビットである装置。
13. 記憶表面（５）と、
    前記記憶表面（５）に対して移動可能な少なくとも１つのプローブを含み、前記記憶表面（５）に対し書き込み・読み出しをする読み出し／書き込みメカニズム（２）であって、書き込み信号の印加が、前記プローブによって、前記記憶表面にインデントを形成させるメカニズム（２）と、
    Ｍを前記インデントの結合距離として前記記憶表面（５）上のｗ≦Ｍの間隔で離間する各プローブ位置において、一連の書き込み信号を印加して、前記記憶表面でｎ個の読み戻しサンプル位置に亘るグルーブを形成することによって、記録信号内のｎ＞１個の連続ビット・シーケンスである第１値の記録を行うように前記読み出し／書き込みメカニズム（２）を制御する制御器（６）と、
    前記読み戻しサンプル位置に対応するタイミングで、前記記録信号に対応する読み戻し信号をサンプリングするサンプラ（４）であって、前記インデントの干渉しきい値Ｄに対して前記読み戻しサンプル位置間隔ｓがｓ＜Ｄとなる、サンプラ（４）と、
    を含む、プローブ・ベースのデータ記憶デバイス（１）。

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