JPH04157644A - 浮動型プローブならびにこれを用いた記録および／または再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は走査型トンネル顕微鏡技術を応用した記録およ
び／または再生装置ならびにそれに用いる浮動型プロー
ブに関するものである。

［従来の技術］ 従来、記録再生装置として様々な提案がされているが、
代表的な例として磁気記録及び光記録を応用した装置が
ある。磁気記録では、記録再生に用いる磁気ヘッドなど
の制約から記録最小波長は数千人〜１μｍ程度となって
おり、また光記録では、記録再生に用いる光のビーム径
により記録密度が制限され、記録の最小単位は数千人〜
１μｍ程度となっている。また、磁気記録に用いられる
磁気ディスク装置においては、大記憶容量および速いデ
ータ転送速度を実現するため磁気へラドスライダが使用
されている。これは磁気ヘッドと記録媒体との距離を微
小で一定に保つために、両者が高速で相対移動する際に
空気の粘性によって生じる動圧を利用するものである。

そして、高密度記録のためにこの浮動式スライダの浮上
量が少しづつ微小化して０．２μｍ程度にまで到達する
など、より高密度な記録再生が求められている。

一方、近年、物質表面及び表面近傍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、Ｂｉｎｎｉｇｅｔ　　ａｌ、、Ｈｅ１
ｖｅｔｉｃａ　　Ｐｈｙｓｉｃａ　　Ａｃｔａ、５５，
７２６　（１９８２）］、単結晶、非晶質を問わず実空
間像の高い分解能の測定ができるようになり、しかも媒
体に電流による損傷を与えずに低電力で観測できる利点
をも有し、さらには超高真空中のみならず大気中、溶液
中でも動作し種々の材料に対して用いることがてきるた
め広範囲な応用が期待されている。

このＳＴＭをさらに高機能化するうえで、大面積走査、
高速走査などが行なわれており、５０μｍ角程度０走査
範囲やテレビ・レートの走査速度が実現されている。

また、ＳＴＭをマイクロッアプリケーション技術［Ｋ、
Ｅ、Ｐｅｔｅｒｓｅｎ、ＰｒｏｃＩ　ＥＥＥ　　エ旦、
４２０　（１９８２）］で製作する試みもありＳＴＭの
機構部の小型化が進められている。

更に、５７Ｍ技術を応用して高密度な記録再生を行なう
方法や装置が開発されている（特開昭６３−１６１５５
２号公報、６３−１６１５５３号公報など参照）。

［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、上記従来例の光記録においては、記録ビ
ーム径などにより記録密度が制限され、高密度記録が得
られないという問題がある。

また、磁気ディスクに於いては、■ヘッドや浮上面と記
録媒体との距離を更に微小化するとヘットクラッシュの
確率が高くなり、また■ヘッド部分が固定であるため、
コンタクトスタートストップ方式ではヘットに悪影響が
出る、等のため、より高密度・大容量な装置が得られな
いという問題がある。

また、Ｓ７Ｍ技術を応用した記録再生装置においては、
■トンネル領域までプローブ電極と記録媒体とを近付け
る粗動機構か必要であるため装置が複雑化する可能性が
あったり、■大面積走査Ｓ丁Ｍの走査範囲が数十μｍで
あり高密度の記録再生は可能であるが、大容量化が難し
く、■数十μｍ角の走査範囲のつなぎのために粗動機構
を設けると装置が大型化し、またアクセス速度が遅くな
る可能性があるなど改良の余地がある。

本発明の１つの目的は、このような従来技術に鑑み、記
録および／または再生装置において、さらに記録密度を
向上させ、大容量の記録再生ができるようにすることに
ある。また、他の目的は、プローブ電極と記録媒体間の
距離を制御するための粗動機構による装置の複雑化、大
型化、およびアクセスの遅延を解消することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため本発明の記録および／または再
生装置において用いられる浮動型プローブは、記録媒体
駆動時に記録媒体面との間に生じる空気流によって記録
媒体面から浮上する浮動部材と、この浮動部材によって
支持され記録媒体に対向し記録媒体との間に電界を生し
させるためのプローブ電極と、を具備する。

浮動部材とプローブ電極との間に介在してプローブ電極
を微動させる微動手段を設けるのが好ましい。

前記微動手段は例えは、圧電アクチュエータを利用した
ものであり、プローブ電極の微動方向として記録媒体面
に対し垂直な方向をも含む。この圧電アクチュエータと
しては、例えば、バイモルフ型のものを利用することが
できる。

浮動部材は通常、浮上面を有し、この浮上面と記録媒体
面との間に生じる空気流によって浮動するものである。

この浮上面は、形状変化もしくは移動し得るものである
ことが好ましく、その手段として、例えは、前記微動手
段のアクチュエータを共用したものであればなお好まし
い。

プローブ電極としては例えば、単結晶からなるものを用
いることができる。また、プローブ電極が複数である場
合は、微動手段はこれらを同時に微動させ得るものであ
るのが好ましい。

本発明の記録および／または再生装置は、このような浮
動型プローブ、この浮動型プローブを記＠媒体に対して
相対移動させる手段、および該浮動型プローブのプロー
ブ１Ｅ８ｉと記録媒体との間に電圧を印加する手段を具
備する。

記録媒体は、例えば、電気メモリ効果を有するものであ
り、例えば、有機化合物の単分子膜又は該単分子膜を累
積した累積膜を有するものとして構成される。記録媒体
の形状は、例えは、円板形状であり、これを複数有して
いる場合もある。

［作用コ この構成において、記録、再生時には、浮動型プローブ
の下で記録媒体が移動され、これによって浮動型プロー
ブと記録媒体との間に生じる空気流によって浮動型プロ
ーブは記録媒体から離れて空気流中に浮上し、これによ
って浮動型プローブと記録媒体との間の距離は例えば０
２μｍ程度の微小間隔に保たれる。したかって、粗動機
構を要しない簡単な構成により、高い記録密度で大容量
の記録・再生が行なわれる。

また、プローブ電極と記録媒体間の距離を制御するため
の粗動機構を特に要しないため、装置の複雑化、大型化
、およびアクセスの遅延か解消される。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。以下の各
図において同一の符号は同様の要素を示す。

第１図は本発明の一実施例に係るＨ己録再生装置の概略
ブロック図であり、本発明の特復を最もよく表わす図面
である。同図に於いて、１はプローブ電極、１０はプロ
ーブ電極１が複数取り付けられている浮動型プローブ、
１１は浮動型プローブ１０を支持する支持体、１２は浮
動型プローブ１０を移動させるためのキャリッジ、１３
はキャリッジ１２を駆動する駈り機構である。６は記録
媒体であり、研磨したカラス円板上に下地電極としてＡ
ｕをスパッタ法により形成した後、電気メモリ効果を有
するスクアリリウム−ビス−６−オクチルアズレン（以
下、５ＯＡＺと略す）をＬＢ法により８層累積し記録層
としたものである。

６０は記録媒体６を固定するスピンドル、６１はスピン
ドル６０を回転させるモータ、６２はモータ６１の回転
をスピンドル６０に伝えるベルトである。７０はこの記
録再生装置の上位装置との接続を行なうインターフェー
ス、７１は記録再生装置内の各回路間の相互動作の集中
制御を行なう制御回路、７２は書込み読出し情報（デー
タ）を制御回路７１からの指示により書き込んたり読み
圧したりする書込み読出し回路、７３はプローブ電極１
と記録媒体６との間にパルス状電圧を印加してデータを
書き込んだり、読出し電圧を印加する電圧印加回路、７
４はプローブ電極１と記録媒体６との間に流れる電流を
増幅する電流増幅回路、７５は制御回路７１などの指示
により電流増幅回路７４や位置検出回路７９の信号をも
とに浮動型プローブ１０の位置を決定する位置決め回路
、７６は位置決め回路７５からのサーボ信号を粗動（キ
ャリッジ１２）用の信号と微動（浮り型プローブ１０）
用の信号とに分けるサーボ回路、７７はキャリッジ１２
を駆動する駆ａ回路、７８は浮動型プローブ１０を駆動
する駆動回路である。

第２図は、浮動型プローブ１０の斜視図である。同図に
おいて、２はプローブ電極１を動かす圧電バイモルフ粱
、３は圧電バイモルフ梁２の端部が固定されている基板
、４は浮上面である。バイモルフ梁２に電圧を印加しな
い状態では、プローブ電極１の先端は浮上面４よりも（
図面の配置で）下の方に位置している。５は押付力を与
えるばねを固定する凹部である。

第３図は、第２図の圧電バイモルフ梁２部分を拡大した
斜視図である。同図中、２０は従来法により作成したプ
ローブ電極１からの信号を伝える配線、２１ｄ、２１ｅ
はバイモルフ梁２を駆動する電圧を印加するための電極
、３１は基板３上に設けられた配線用のボンディング・
バット、３０はプローグ電極１や電極２１’ａ〜２１ｅ
（２１ａ〜２１ｃは第４図に図示）とホンディング・パ
ット３１とを電気的に接続するための配線である。

第４図は（ａ）はバイモルフ梁２の断面区であり、同図
（ｂ）、（ｃ）はそれぞれバイモルフ梁２の２方向変位
およびＹ方向変位を示す図である。同図に於いて、２１
ａ、２１ｂ、２１ｃｌ。

２１ｅは外側電極、２１ｃは中央電極である。

２２ａ、２２ｂは圧電材であり、これらを挟む外側電極
と中央電極に電圧を印加すると図の紙面の垂直方間へ伸
縮するように分極処理されている。

プローブ電極１やプローブ電極用配線３０は省略して図
示している。

次に、バイモルフ梁２の動作を説明する。電極２１ｃを
コモン電極とし。電極２１ａと２１ｄに圧電材２２ａ、
２２ｂが紙面垂直方向に縮む電圧、電極２１ｂと２１ｅ
に伸びる電圧を印加すると第４図（ｂ）のようにＺ方向
ヘバイモルフ梁２の先端部は変位する。またこれとは逆
極性の電圧を印加すると変位方向は逆の向きとなる。こ
のようにして、プローブ電極１のＺ方向位置をバイモル
フ粱２の電極に印加する電圧で制することができる。一
方、ｉｊｆ！２１ｃをコモン電極とし、電極２１ａと２
１ｂに圧電材２２ａが伸びる電圧、電極２１ｄと２１ｅ
に圧電材２２ｂが縮む電圧を印加すると第４図（Ｃ）の
ようにｒ方向ヘバイモルフ粱２の先端部は変位する。ま
た、これとは逆極性の電圧を印加すると変位方向は逆向
きとなる。

このようにして、プローブ電極１のｒ方向位置をバイモ
ルフ梁２の電極に印加する電圧で制御することができる
。

バイモルフ粱２は、マイクロメカニクスあるいはマイク
ロメカニクスと呼はれている既知の方法で製作しである
。電極２１ａ〜２１ｅはＡｆｌ、圧電材２２ａ、２２ｂ
はＺｎＯて構成し、電極と圧電材との間には絶縁膜（Ｓ
１３Ｎ４）を挟んである。バイモルフ梁２の寸法は長さ
１ｍｍ、幅１４０μｍ、厚さ７．５μｍであり、±３０
Ｖの電圧印加によりｒ方向へ約±７．５μｍ、Ｚ方向へ
約±０．５μｍの変位量を得ることができる。

次に、第１図を参照し、記録再生動作について説明する
。モータ６１の駆動によりスピンドル６０を回転させる
と、記録媒体６の媒体表面上を浮動型プローブ１０が浮
上する。その浮上量は浮上面と媒体表面間で０２μｍ程
度、変動量は数％程度である。浮上が安定したら、プロ
ーブ電極１の先端を浮上面４より飛び出すようにバイモ
ルフ粱２を用いて２方向（記録媒体６表面に対し垂直な
方向）へ動かす。この時、プローブ電極１と記録媒体６
との間に電圧印加回路７３によって読比し電圧１．ＯＶ
を印加し、プローブ電極１と記録媒体６との間に流れる
電流を電流増幅凹路７４で増幅し、この電流か１００ｐ
Ａ（トンネル電流）でほぼ一定になるように位置決め回
路７５、サーボ回路７６および駆動回路７８によってバ
イモルフ梁２を動かし、プローブ電極１のＺ方向位置制
御を行なう。そして、プローブ電８ｉ１が記録媒体６上
の書込み位置に来たら電圧印加回路７３でパルス状電圧
（パルス高さ１０■、パルス幅１００ｎｓ）を印加し記
録を行なう。これにより、径か約１１００ｎのサイズの
記録ビットが形成される。再生は、プローブ電極１と記
録媒体６との間に読出し電圧１．ＯＶを印加しながらプ
ローブ電極１を形成した記録ヒツトにぶつからないほぼ
一定の高さに保ちつつ、電流増幅回路７４で電流値を検
知することにより行なう。

記録再生に際してのプローブ電極１の記録媒体６半径方
向の位置決めはキャリッジ１２を移動させて行なうが、
このために、不図示のサーホディスクを使用している。

更に細かい位置決めはバイモルフ粱２を記録媒体６の半
径（ｒ）方向に変位させることによって行なう。また、
キャリッジ１２では困難な早い速度のトラッキングもバ
イモルフ粱２によって行なうことができる。

そして、ディスク（記録媒体６）の回転や停止時に合わ
せてプローブ１を極１の先端が記録媒体の表面に接触し
ないようにバイモルフ梁２を動かすことで、磁気ヘッド
に於けるヘットクラッシュのような損傷が回避される。

第５図は、本発明の他の実施例を示す図面である。第１
図の実施例とは記録媒体および浮動型プローブが異なり
、他の構成は第１図の実施例と同様である。

第５図において、５６は記録媒体であり、表面を研磨し
たＡｎ合金円筒上にスッパタ法によりＡｕ薄膜を形成し
た後、その上に電気メモリ効果を有する５ＯＡＺをＬＢ
法で８層累積して記録層を形成したものである。記録媒
体５６はモータ６１によりヘルド６２およびスピンドル
６０を介してその円筒軸の回りに回転する。

５０は浮動型プローブであり、第６図は、その斜視図で
ある。

第６図中、２３はバイモルフ梁２が変形できるように設
けられた隙間である。この場合は、バイモルフ粱２の記
録媒体に対向する面も浮上面４の一部を構成する。そし
て、上述実施例と同様にバイモルフ梁２に電圧を印加し
ない状態ては、プローブ電極１は、その先端が浮上面４
よりも図の配置で下方に位置するように配置する。バイ
モルフ梁２の断面構造は上述実施例と同様であるが、寸
法は長さ４ｍｍ、幅０．６ｍｍ、厚さ２０μｍであり、
±１０Ｖの印加電圧でｒ方向（記録媒体５６の円筒軸方
向）に３０μｍ、Ｚ方向に１μｍの変位量を得ることが
できる。記録再生は、前述実施例と同様にして行なうこ
とできる。

第７図は浮動型プローブの他の実施例を示す図である。

この例はプローブ電極１や圧電バイモルフ梁２の数が第
６図の場合と異なるが、バイモルフ粱２の配置、断面構
造、寸法等は纂６図の場合と同様である。

この浮動型プローブによっても、上述と同様にして、直
径約１１００ｎの記録ビットか得られる。

第８図は第１図の装置において、第２図の浮動型プロー
ブの代わりに第６図の浮動型プローブを適用したときの
浮上面側から見た浮動型プローブの平面図である。この
ように、ディスク型の記録媒体６上での安定性を増すた
めに空気流入方向８０と浮動プローブの進行方向とを一
致させるように圧電バイモルフ梁２を変形させるように
してもよい。そして、言己録媒体６を回転させ浮動プロ
ーブの浮上量か安定したら、上述と同様にして、プロー
ブ電極をＺ方向へ動かし記録媒体との距離を両者の間に
流れる数ｎＡの微小電流（ｋンネル電流）がほぼ一定に
なるように制御しながら書込み位置にパルス電圧を印加
し記録ビットを形成する。読出しも上述実施例と同様に
して行なう。

なお、記録媒体としては、ディスク型やドラム型の他、
空気流による浮動型プローブを用いることができるもの
ならば、フレキシブルな記録媒体等であってもよい。ま
た、記録媒体６の基板としてガラス円板を用いたが、こ
の代わりに、アルミニウム合金円板など金属製のものを
用いても良いし、フレキシブルな材料に金属スパッタな
どのコーティングを行なったものも適用可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、記録および／また
は再生装置において、プローブ電極を空気流によって浮
動させるとともにプローブ電極を動かす手段を設けた浮
動型プローブを使用することにより、プローブ電極と記
録媒体との距離を微小にして記録密度を向上させ、大容
量の記録再生ができるようになる。また、プローブ電極
と記録媒体間の距離を制御するための粗動機構を省略す
ることができ装置部品数を減らすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る記録再生装置の概略
ブロック図、 第２図は、第１図の装置に使用される浮動型プローブの
斜視図、 第３図は、第１図の装置のプローブ電極を動かす圧電バ
イモルフ梁部分の斜視図、 第４区（ａ）は、第３図の圧電バイモルフ梁の断面図、 第４図（ｂ）および（ｃ）は、第４図（ａ）の圧電バイ
モルフ粱の動きを示す説明図、第５図は、本発明の他の
実施例に係る記録再生装置の概略ブロック図、 第６図は、第５図の装置に使用される浮動型プローブの
斜視図、 第７図は、浮動型プローブの他の実施例を示す斜視図、
そして 第８図は、第１図の装置において、第２図の浮動型プロ
ーブの代わりに第６図の浮動型プローブを通用したとき
の浮上面側から見た浮動型プローブの平面図である。 １ニブローブ電極、１０．５０・浮動型プローブ、１２
：キャリッジ、２：圧電バイモルフ梁、４：浮上面、６
，５６：記録媒体、７０．インターフェイス、７１：制
御回路、７２：書込み読出し回路、７３：電圧印加回路
、７４：電流増幅回路、７６・サーボ回路。 特許部願人　　キャノン株式会社

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. （１）記録媒体駆動時に記録媒体面との間に生じる空気
   流によって記録媒体面から浮上する浮動部材と、この浮
   動部材によって支持され記録媒体に対向し記録媒体との
   間に電界を生じさせるためのプローブ電極と、を具備す
   ることを特徴とする浮動型プローブ。
2. （２）更に前記浮動部材とプローブ電極との間に介在し
   てプローブ電極を微動させる微動手段を有する、請求項
   １記載の浮動型プローブ。
3. （３）前記微動手段は圧電アクチュエータを利用したも
   のであることを特徴とする、請求項２記載の浮動型プロ
   ーブ。
4. （４）前記微動手段はプローブ電極の微動方向として記
   録媒体面に対し垂直な方向を含むものであることを特徴
   とする、請求項２または３記載の浮動型プローブ。
5. （５）前記圧電アクチュエータはバイモルフ型であるこ
   とを特徴とする、請求項３記載の浮動型プローブ。
6. （６）前記浮動部材は浮上面を有し、この浮上面と記録
   媒体面との間に生じる空気流によって浮動するものであ
   ることを特徴とする、請求項２記載の浮動型プローブ。
7. （７）前記浮上面を形状変化もしくは移動させる手段を
   有することを特徴とする、請求項６記載の浮動型プロー
   ブ。
8. （８）前記浮上面を形状変化もしくは移動させる手段は
   、圧電アクチュエータを用いたものであることを特徴と
   する、請求項７記載の浮動型プローブ。
9. （９）前記圧電アクチュエータはバイモルフ型であるこ
   とを特徴とする、請求項８記載の浮動型プローブ。
10. （１０）前記微動手段はバイモルフ型アクチュエータを
    利用したものであり、前記浮動部材は浮上面を有し、こ
    の浮上面と記録媒体面との間に生じる空気流によって浮
    動するものであり、そして、この浮上面は前記微動手段
    のバイモルフ型アクチュエータによって形状変化もしく
    は移動されるものであることを特徴とする、請求項２記
    載の浮動型プローブ。
11. （１１）前記プローブ電極は単結晶からなることを特徴
    とする、請求項１記載の浮動型プローブ。
12. （１２）前記プローブ電極は複数であることを特徴とす
    る、請求項１記載の浮動型プローブ。
13. （１３）更に前記浮動部材とプローブ電極との間に介在
    して前記複数のプローブ電極を同時に微動させ得る微動
    手段を有することを特徴とする、請求項１２記載の浮動
    型プローブ。
14. （１４）請求項１〜１３いずれかに記載の浮動型プロー
    ブ、この浮動型プローブを記録媒体に対して相対移動さ
    せる手段、および該浮動型プローブのプローブ電極と記
    録媒体との間に電圧を印加する手段を具備することを特
    徴とする記録および／または再生装置。
15. （１５）前記記録媒体は電気メモリ効果を有するもので
    あることを特徴とする、請求項１４記載の記録および／
    または再生装置。
16. （１６）前記記録媒体は有機化合物の単分子膜又は該単
    分子膜を累積した累積膜を有するものであることを特徴
    とする、請求項１５記載の記録および／または再生装置
    。
17. （１７）前記記録媒体は円板形状であることを特徴とす
    る、請求項１４記載の記録および／または再生装置。
18. （１８）前記記録媒体を複数有していることを特徴とす
    る、請求項１７記載の記録および／または再生装置。