JPH04358337A - 情報記録再生方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複数本のプローブを用い
て記録媒体に情報を記録再生する技術、例えばＳＴＭの
原理を応用した高密度なデータ記録再生の技術に関する
。

【０００２】

【従来の技術】従来、メモリとしては磁性体や半導体を
素材とした半導体メモリや磁気メモリが主であったが、
近年レーザー技術の進展にともない、有機色素、フォト
ポリマーなどの有機薄膜を用いた光メモリによる安価で
高密度な記録媒体が登場してきた。

【０００３】又、最近、導体の表面原子の電子構造を直
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．Ｂｉｎｎｉｇ　ｅｔ　ａｌ．　
Ｐｈｙｓ．　Ｒｅｖ．　Ｌｅｔｔ，　４９，５７（１９
８２）］、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、しかも試料に電流による
損傷を与えずに低電力で観測できる利点も有し、更に大
気中でも動作し、種々の材料に対して用いることができ
るため広範囲な応用が期待されている。ＳＴＭは金属の
探針（プローブ電極）と導電性物質間に電圧を加えて１
ｎｍ程度の距離まで近ずけるとトンネル電流が流れるこ
とを利用している。この電流は両者の距離変化に非常に
敏感である。トンネル電流を一定に保つように探針を走
査することにより実空間の全電子雲に関する種々の情報
をも読み取ることができる。この際、面内方向の分解能
は０．１ｎｍ程度である。

【０００４】したがってＳＴＭの原理を応用すれば十分
に原子オーダー（サブ・ナノメートル）での高密度記録
再生を行なうことが可能である。例えば、特開昭６１−
８０５３６号公報に開示されている記録再生装置では、
電子ビーム等によって媒体表面に吸着した原子粒子を取
り除き書き込みを行ない、ＳＴＭによりこのデータを再
生している。

【０００５】記録層として電圧電流のスイッチング特性
に対してメモリ効果を持つ材料、例えばπ電子系有機化
合物やカルコゲン化合物類の薄膜層を用いて、記録・再
生をＳＴＭで行なう方法が、特開昭６３−１６１５５２
号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報等に開示され
ている。この方法によれば、記録のビットサイズを１０
ｎｍとすれば、１０１２ビット／ｃｍ２もの大容量記録
再生が可能である。

【０００６】更なる小型化を目的として、複数のプロー
ブ電極を半導体基板上に形成し、これと対向する記録媒
体を回転させ記録を行なう装置が、特開昭６２−２８１
１３８号公報、特開平１−１９６７５１号公報等に提案
されている。例えば１ｃｍ２角のシリコンチップ上に２
５００本のプローブ電極を配置したマルチプローブヘッ
ドとメモリ効果を持つ材料を組み合わせることにより、
１プローブ当たり４００Ｍビット、総記録容量１Ｔビッ
トの大容量デジタルデータの記録再生が可能となる。

【０００７】実際にマルチプローブヘッドを使った記録
再生装置を構成する場合、以下の点を考慮しなければな
らない。 （１）マルチプローブヘッドを構成している２５００本
のプローブ電極を無欠陥で作成することは困難である。 従って製造歩留を上げるためには、ある程度の欠陥プロ
ーブ電極を許容する必要がある。 （２）プローブ電極は繰り返し使用後に何らかの損傷を
受ける可能性がある。１本のプローブ電極の損傷により
４００Ｍビットものデータが失われる。信頼性の確保の
ためには、プローブ電極が損傷しても記録データが復元
されなければならない。 （３）記録媒体は分子オーダの均一性を要求される。ラ
ングミュアブロジェット法などを利用して高い配向性を
持つ記録層を形成したとしても、分子オーダのピンホー
ルを完全に排除することは非常に困難である。ゆえに記
録媒体の部分的な欠陥によるデータの欠落に対しても対
策が必要である。

【０００８】ところで、一般の半導体メモリでは信頼性
を向上させるために、冗長ビットを予め用意しておき、
不良ビットが発生した場合には不良ビットをこの冗長ビ
ットで置き換え、半導体製造プロセスで起きた欠陥ビッ
トの補償に対処している。又、磁気ディスク、光ディス
ク等では、媒体の部分欠陥を補償するため、エラー訂正
の手法を用いている。エラー訂正は、記録時にはｋビッ
トの入力信号をｎビットの符号に変化して媒体に記録す
る。一方、再生時にはｎビットの信号を媒体より読取り
、これをｋビットの信号に復元して出力する。このとき
ｋ＜ｎであり、媒体に記録されたｎビットの符号語の一
部のビットがエラーにより変化しても、復号時には元の
正しい信号を復元することが可能となる。この符号化は
用途によりＢＣＨ符号、ファイア符号、リードソロモン
符号など多数提案されている。この符号化によるエラー
訂正は主としてランダムエラーの除去が行なえる。一方
、記録媒体上のキズや記録層の剥れ等により生じるバー
ストエラーに対しては、通常は上記符号化とインターリ
ーブ法（交錯法）を組み合わせて用いて対処している。 そしてこの場合、予想される最大バーストエラー長より
十分に大きなデータ領域に渡って符号語列を積符号また
は連続符号を用いて二重に符号化する必要がある。

【０００９】なおインターリーブ法（交錯法）とは、バ
ーストエラーをいくつかの符号語に分散させ、短いバー
ストエラーもしくはランダムエラーに変換し、エラー検
出及び訂正を行なう方法である。例えば、まずｋビット
の入力信号をｎビットに符号化する（以下、このような
符号を（ｎ，ｋ）符号と呼ぶ）。このｎビットの符号語
をＬ個集め、図７のようにＬ行ｎ列の行列に配置する。 そして第１列から順に送出し、Ｌビットの新しい符号語
を得て記録する。これにより、Ｌビット以下のバースト
エラーはＬ個の記録信号語に１ビットずつ分散される。 すなわちバーストエラーがランダムエラーに変換される
。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２５０
０本ものマルチプローブ電極を用いた分子オーダの記録
再生を行なうメモリ装置においては、上述した従来のエ
ラー訂正の手法を用いてプローブの損傷、媒体の部分欠
陥等に対して信頼性を確保するには、以下の課題を解決
する必要がある。 （１）プローブ欠陥の冗長度を持たせるため、冗長プロ
ーブ電極を設けることは可能である。しかしプローブ電
極数が２５００本にも及ぶため、不良プローブ電極の検
出、及びその位置の記憶と冗長プローブ電極への切り換
え機構が煩雑となる。 （２）プローブ電極の損傷、記録媒体の部分欠陥はバー
ストエラーであり、上述したエラー訂正の手法は原理的
には適用可能である。しかしプローブ電極１本の損傷は
４００Ｍビットのバーストエラーに相当し、１００μｍ
角の媒体欠陥は１００Ｍビットのバーストエラーに相当
する。このような大きなバーストエラー長に対応するエ
ラー訂正を行なうためには多量の符号化計算と膨大な作
業用メモリ空間を必要とする。これは二重符号化すると
しても、一連の符号長はバーストエラー長よりもかなり
長くとる必要があるからである。そのため装置も大型に
なり、１０１２ビット／ｃｍ２の大容量・小型高密度の
特性が生かせなくなってしまう。

【００１１】本発明は上記２つの課題を解決すべくなさ
れたもので、例えばＳＴＭの原理を用いたマルチプロー
ブ型のメモリ装置において、プローブ電極の製造上の欠
陥の影響を排除し、プローブ電極の損傷、記録媒体に発
生する部分欠陥等によるデータ欠落事故を無くすことが
可能な装置の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段及び作用】上記課題を解決
する本発明は、記録媒体とそれと対向する複数のプロー
ブ（マルチプローブ）を有する記録及び／又は再生装置
において、マルチプローブに対して記録時には符号器と
分配器を用い、再生時には収集器と復号器を用いてエラ
ー訂正する。符号化された入力信号を分配器によりマル
チプローブの各プローブに重複がないように分散するこ
とにより、大きなバーストエラーの発生を抑えエラー訂
正を容易に行なうものである。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を情報の記録再生装置に適用し
た実施例を図面を用いて詳細に説明する。図１は実施例
の装置の全体構成を示すものであり、同図において１は
符号器、２はデータ分配器、３は書込み信号をプローブ
電極に供給する際に接続するスイッチである。４はマル
チプローブヘッドであって複数個並列に設けられたカン
チレバー５を保持し、各カンチレバー６の先端部にはプ
ローブ電極６が支持されている。本実施例の装置ではこ
のようなカンチレバー５及びプローブ電極６がｍ（＝２
５００）本設けられている。これはマイクロメカニクス
による微細加工の技術により作成される。各カンチレバ
ー５はそれぞれ制御信号によって撓みを生ずることによ
ってプローブ電極６と記録媒体７との間隔（Ｚ方向）を
調整することができる。８は媒体基板、９は記録媒体７
をＸＹ方向で移動させるステージであり、プローブ電極
がアクセスする記録媒体の位置を制御する。１０はデー
タ収集器、１１は復号器である。１２は制御用ＣＰＵで
あって、ステージ９を駆動しマルチプローブヘッド４を
記録媒体の特定のトラックに移動・追跡させる。又、一
連の書込み／読出し制御も行なう。

【００１４】図２は実施例の記録再生装置のプローブと
記録媒体との相対位置を制御する機構の詳細な構成図を
示す。図３はプローブをｐ×ｑ＝ｍの二次元マトリック
ス状に配置マルチプローブヘッドを用いた記録した場合
の記録媒体上の各プローブの記録領域を示す。図４は個
々のプローブが図３のトラッキングパターンに沿って記
録する様子を示す拡大図である。図２において、３１は
ＸＹ方向走査回路、３２はステージをＸ方向に駆動する
ピエゾアクチュエータ、３３はステージをＹ方向に駆動
するピエゾアクチュエータ、３４はマルチプローブヘッ
ド４をＸ方向に駆動するピエゾアクチュエータ、３５は
各プローブ毎ののデータ入出力とＺ方向の駆動制御を行
なう制御回路部である。３６は位置ずれ検出部であって
、制御回路部３５からのトンネル電流をからトラッキン
グパターンの位置信号を検出してトラッキングずれを検
出し、それを補正すべくアクチュエータ３４を駆動する
。

【００１５】プローブと記録媒体の間隔の制御は、プロ
ーブと記録媒体間に流れるトンネル電流を検出し、その
平均値を算出し、この値が基準値と等しくなるように各
プローブのカンチレバー５をＺ方向に駆動して行なう。 マルチプローブヘッドと記録媒体の相対位置はＸＹ方向
走査回路３１により、各プローブが媒体上のそれぞれの
領域をトラッキングパターンに沿って二次元的走査する
ように制御する。

【００１６】図３に記録媒体７上の各プローブの記録領
域を示す。１０１は記録媒体、１０１０Ｔはトラッキン
グパターンである。１０２はプローブ（１，１）による
記録領域Ａ（１，１）を示す。ｐ×ｑ個のマトリックス
上に配置されたプローブによりｍ＝ｐ×ｑ個の記録領域
がそれぞれ形成される。各プローブに対してステージの
ＸＹ走査は同時に行われるので、それぞれの記録領域Ａ
（１，１）・・・・・　Ａ（ｐ，ｑ）は並列にアクセス
される。すなわち、ｍ個の記録領域のそれぞれにｍ個の
プローブを介してｍビット並列の記録を行なうことがで
きる。更に各記録領域はＸＹ走査の位置に対応した共通
のアドレスを用いて記録再生を行なうことができる。図
４はある記録領域のトラッキングパターン近傍における
プローブ走査の例を示す。１０３はプローブ電極の軌跡
、１０４は記録されたデータビットである。

【００１７】本実施例の装置の記録時及び再生時の動作
は以下の通りである。記録時には、記録すべき入力デー
タはｋビットの並列信号として扱われる。この信号は符
号器１によりｎ（ｎ＞ｋ）ビットの信号に符号化される
。この符号化は十分な符号化利得が得られるような変換
行列を選ぶ。ここでの符号化はランダムエラーの訂正が
行なえれば良いので、ブロック符号を用いる。具体的に
はＢＣＨ符号の採用が好適である。ｎビットからなる符
号語をｘ、生成行列をＧ、ｋビットからなる記録データ
をｉとすると、 ｘ＝ｉＧ である。符号長ｎ＝２ｒ−１、最小距離ｄとし、ｒ＝４
，ｄ＝５の二重エラー訂正ＢＣＨ符号は（１５、７）符
号である。この時の生成行列Ｇ（変換行列）は原始多項
式の表現を用いて、 Ｇ（ｘ）＝（１＋ｘ＋ｘ４）（１＋ｘ＋ｘ２＋ｘ３＋ｘ
４）で与えられる。上記多項式は一般的なデジタルデー
タを記録する場合に用いることができる。更に本発明の
記録再生システムの総合的なバーストエラー訂正能力を
十分に生かすためには、記録する符号語のデータ幅を大
きくすることが望ましく、例えば（１２８、１１２）符
号　　　　Ｇ（ｘ）＝１＋ｘ＋ｘ２＋ｘ７＋ｘ１０＋ｘ
１１＋ｘ１２＋ｘ１３＋ｘ１４＋ｘ１５を用いることも
できる。符号化利得に関しては、各符号語のデータビッ
トがそれぞれ独立のプローブで記録されるため、白色ガ
ウス的な雑音が加わって起きるランダムエラーとなる。 ビットエラー率を１０−８とすると、上述したブロック
符号を用いて６．５〜７．５ｄＢの符号化利得が得られ
る。本実施例では、符号長ｎの選定はプローブ数ｍ、プ
ローブエラー率等により後述のように最適化した。勿論
、たたき込み符号を用いて更にエラー検出及び訂正能力
を高めることも可能である。

【００１８】上記のようにして符号器１で符号化された
ｎビットの信号は分配器２に入力する。分配器２ではｍ
（＝２５００）本のプローブ電極の中から前記符号化さ
れたビット数ｎと同数のｎ本のプローブ電極を抽出し、
スイッチ３の選択によって抽出したｎ本のプローブ電極
に対して、ｎビット信号の各ビットの信号に応じたパル
ス電圧を印加して記録媒体上にデータの書込みを行なう
。

【００１９】一方、再生時には、マルチプローブヘッド
４のｍ本全てのプローブ電極６で読み取ったｍビットの
信号を、収集器１０に入力して収集器１０においてその
中からｎ本の信号線を選択しｎビットのデータを生成す
る。そして復号器１１において前記符号器１で行なった
符号化の逆変換によってデータを復元再生する。

【００２０】次に図１の分配器２及び収集器１０のより
詳細な構成及び作用を説明する。図５は分配器２の内部
のブロック構成図である。１３はデータ配列テーブルＲ
ＯＭであり、ｎビットの符号語を入力してｍ（＝２５０
０）本のプローブ電極の何処に書込むかを決定するデー
タテーブルが記憶される。この時使用されるテーブルは
制御用ＣＰＵ１２より与えられる配置選択線により決定
される。１４は書込みタイミングを生成する回路で、書
込み時にプローブ電極の書込みＳＷの駆動及びタイミン
グの制御を行なう。

【００２１】図６はデータ配列テーブルＲＯＭ１３に記
憶されるデータ内容の一例である。配置選択線は予め決
められた順序で逐次循環するコード列である。この操作
により、一連の符号語列はｍ本のプローブ電極に対して
分散配置される。この時のデータ配列テーブルＲＯＭ１
３の内容は、符号化方式、符号語のビット幅ｎ、及びプ
ローブ電極の数ｍにより最大の符号化利得及び最小のバ
ーストエラー長を与えるように選ぶことができる。図６
の例では、各配列コードについてｍプローブ中ｎビット
のみ記録を行なうようになっているが、記録を行なわな
いプローブの記録領域は無駄にするのではなく異なる配
置コードを割り当てる。すなわち同じＸＹ走査アドレス
で異なる配置コードによる記録ができ、これらの配置コ
ードを排他的に用いて同時にｍ本のプローブを記録動作
させることができる。

【００２２】又、ｍ＝ｎ・Ｎ（Ｎ＝１，２，３，・・・
・）という関係を満たすようにｎを選べば、ｎビット符
号語をＮ個並列に記録でき、インターリーブ法を併用し
た場合になどに効率の良い記録再生が行なえる。

【００２３】本実施例では以下の条件を鑑みｎを決定し
た。製造時のプローブ不良率をＤ、使用中に発生するプ
ローブ不良率をＥとする。この時、符号語のビット幅ｎ
は、ｍ≧ｎ≧ｍ・（Ｄ＋Ｅ）の範囲で選ぶ。ｎは大きい
ほどシステム全体のバーストエラー訂正能力が高くなる
。しかしｎが大きくなると符号化／復号化のハードウェ
アが大掛かりになるので、ｎ＝ａ・ｍ・（Ｄ＋Ｅ）とす
ると、ａ＝２〜３０に選ぶ。符号化利得に関しては、ｎ
が入力データビット幅ｋに対して大きく取るほど高くな
る。しかし記録再生システムとしての記録容量は（ｎ−
ｋ）／ｎだけ小さくなる。よって総合的な効率を考えて
上記ａの値により、符号化率ｋ／ｎ＜１−１／ａとなる
ような符号を選ぶ。なお本実施例ではＢＣＨ符号を用い
ているが、ビタビアルゴリズム（たたき込み符号／ビタ
ビ復号）を用いると更に高い符号化利得を得ることがで
きる。

【００２４】収集器１０は分配器２の逆の動作を行なう
。配置選択線は記録時と同じコードが与えられ、プロー
ブ電極から読出したデータの復元が行なわれる。万一、
誤った配置選択コードに基づいて読出しデータの復元を
行なった場合は、正しい符号に復元されないため容易に
配置エラーを検出できる。更にパリティや補正データビ
ットの冗長コードを付加すれば更に確実なエラー検出が
可能となる。

【００２５】なお、本実施例では分配器２、収集器１０
にはデータ配列テーブルＲＯＭを用いているが、テーブ
ル参照方式に限定されることはなく、例えばランダムロ
ジックによる演算、あるいは各種機能デバイスを用いた
拡散化処理等、様々な方法を用いることができる。

【００２６】この符号語のビットを各プローブ電極に分
散配置する操作を行なうことにより、プローブ電極の一
部が損傷を受けても４００Ｍビットに及ぶ大量のバース
トエラーを発生することがなくなる。これは記録再生装
置を使用中に生じたプローブ電極の不良事故のみならず
、マルチプローブヘッド製造プロセスで起きたプローブ
電極の部分不良にも対処できる。又、記録媒体上の大き
な部分欠陥においても同様にバーストエラーを回避する
ことができる。これらのエラーは必ずランダムエラーも
しくはごく短いバーストエラーとなり、通常のエラー回
復手段を用いて容易にエラー訂正を行なうことができる
。本実施理では以下のエラー回復手段を有している。

【００２７】データの復号は上述した符号化の生成行列
Ｇに対応する検査行列Ｈを用い、シンドロームＳを算出
して行なう。ｎビットの書込みデータをｘ、読出したデ
ータをｙとすると、ＨｘＴ＝０であり、Ｓ＝ＨｙＴによ
りシンドロームを求める。すなわち、Ｓ＝０であればエ
ラーなしと判定する。又、Ｓ＝０でなければ、Ｓ＝Ｈｅ
Ｔとなるエラーベクトルｅを求めて、ｘ＝ｙ−ｅにより
読出しデータを訂正する。

【００２８】本実施例では上記の演算をシグナルプロセ
ッサ等を用いて行なうが、巡回符号として多項式演算回
路を用いても同様な処理を実現することができる。又、
あらゆる符号化／復号化の手法を適用することができ、
オーディオ分野で主に用いられるクロスインターリーブ
・二重符号化リードソロモン符号、データ通信で主に用
いられる検査ビットを不可した拡張符号なども活用する
ことができる。

【００２９】なお、一連のデータ配列循環コードはデー
タ復元のパスワードとして使用することができる。すな
わちこの配列コードを記録再生装置を使用するユーザ毎
に唯一的に割り付けることによりユーザ間の機密の確保
ができる。更に、データが記録媒体の広域に分散される
ため、不特定者が記録媒体からデータを解読することは
不可能に近く機密性が高い。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、マルチプローブを用い
た記録再生装置において、データ誤りを無くし、繰り返
し使用によるデータの欠損の無くし信頼性を高めること
ができる。又、マルチプローブが部分的に不良を有して
いてもデータの記録再生が可能であるため、マルチプロ
ーブの製造歩留を上げることができ、生産性が良く且つ
低コストな装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の記録再生装置の構成図である
。

【図２】実施例の装置におけるプローブと記録媒体との
位置関係制御の機構の詳細な構成図である。

【図３】記録媒体上の各プローブの記録領域を示す図で
ある。

【図４】ある記録領域の内容を示す拡大図である。

【図５】分配器の詳細なブロック構成図である。

【図６】データ配列テーブルＲＯＭの一例を示す図であ
る。

【図７】インターリーブ法の説明図である。

【符号の説明】

１　　符号器 ２　　データ分配器 ３　　スイッチ ４　　マルチプローブヘッド ５　　カンチレバー ８　　媒体基板 ９　　ステージ １０　　データ収集器 １１　　復号器 １２　　制御用ＣＰＵ １３　　データ配列テーブルＲＯＭ １４　　書込みタイミング生成回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】記録媒体、該記録媒体と対向する記録及び
   ／又は再生のための複数のプローブ、記録すべき情報を
   符号化し前記複数のプローブに分散して記録媒体上に書
   込みを行なう手段　　及び／又は　　前記複数のプロー
   ブで記録媒体上から読出された分散された情報を収集し
   復号化することで記録された情報の再生を行なう手段を
   有することを特徴とする情報の記録及び／又は再生装置
   。
2. 【請求項２】前記記録媒体と複数のプローブとの相対的
   位置関係を調整する手段を有する請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】前記記録媒体と複数のプローブとの間に記
   録及び／又は再生のための電圧を印加する手段を有する
   請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】記録媒体に対向して設けられたｍ本のプロ
   ーブによって、記録媒体に対して情報の記録を行なう記
   録ステップ及び／又は情報の再生を行なう再生ステップ
   を有する方法において、前記記録ステップは、記録すべ
   きｋビットの入力信号をｎ（ｋ＜ｎ≦ｍ）ビットの信号
   に符号化するステップと、該符号化されたｎビット信号
   を、前記ｍ本のプローブの中から選択したｎ本のプロー
   ブに分散するステップと、該選択したプローブによって
   記録媒体に書込みを行なうステップを有し、前記再生ス
   テップは、ｍ本のプローブを用いて記録媒体に書込まれ
   た情報を読み取るステップと、前記ｍ本のプローブで読
   み取った複数の情報を再配置してｎビットの信号列を生
   成するステップと、該ｎビット信号列からエラーを検出
   及び／又はエラーを訂正してｋビットの信号に復号化す
   るステップ、を有することを特徴とする情報の記録及び
   ／又は再生方法。
5. 【請求項５】少なくとも１回の符号化により生成した信
   号列を構成するビット情報は、それぞれ異なったプロー
   ブに重複無く分散される請求項４記載の記録再生方法。