JPH0644618A

JPH0644618A - 記録再生装置

Info

Publication number: JPH0644618A
Application number: JP4198599A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Yokoyama; 和夫横山; Hiroyuki Kado; 博行加道
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】原子間力顕微鏡技術がもつ高分解能を活かし、
従来の光学式の記録密度の限界を破る高密度の記録が可
能な記録再生装置を提供することを目的とする。【構成】記録媒体ディスク１を一定方向２に回転しつ
つ、カンチレバー３をディスク１の放線方向４にリニア
スライド５によつて位置決めする。カンチレバー３の先
端に有する電極探針６をこの記録面に近接または接触さ
せてこの記録媒体に記録または再生を行なう。その際、
電極探針と記録面との間に働く力を検出する検出手段が
カンチレバー３自体に一体的に構成してあり、この検出
力に応じて、この力が一定になるように、電極探針６を
記録面の法線方向７に添って円筒形圧電素子８で移動さ
せ、帰還制御をかける。このようにしながら、電極探針
６にパルス電圧を印加して記録媒体に電荷を与え情報を
記録する。また、その電荷を電極探針６で読み取ること
により情報を再生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、情報や信号を記録、又
は再生する記録再生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を出発点
として発達してきた走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、
物質表面の構造を原子オーダの分解能で観察できる装置
として近年急速に発展してきている。その中で原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）は、ＳＴＭがトンネル電流により表面
情報を得るため導電性の試料しか観測できないのに対し
て、力により表面情報を得るため絶縁体も測定できる顕
微鏡として実用化が進んできている。

【０００３】この原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の原理は次
のようなものである。一般に物質表面には、ファンデル
ワールス力、クーロン力等の力が働く。ＡＦＭは、微小
なカンチレバーに設けた探針を試料表面に接近させたと
きに働く局所的な力を、カンチレバーのたわみとして検
出し、この力を一定に保つように探針と試料の間の距離
を制御しつつ試料表面に沿って走査し、この際の制御量
を試料表面画像として画像化するものである。

【０００４】このような走査プローブ顕微鏡の技術は、
上述したＳＴＭおよびＡＦＭ以外にも、近接視野光学顕
微鏡（ＮＦＯＭ）、走査容量顕微鏡（ＳＣａＭ）などの
各種の観察装置、さらに原子、分子単位までの微細操作
を目指した超微細加工機などの周辺技術を生み出しつつ
ある。これらの技術は探針を、試料表面にたいして原子
オーダの距離でなぞることが共通している。

【０００５】他方、一定の信号や情報を記録、再生する
ための記録再生装置は、純機械式の円盤式蓄音機から始
まって、電気式（圧電式、容量式、磁気記録方式な
ど）、さらに光学式の情報記録再生装置が実用化され、
広く我々の日常生活に活用されている。高密度記録用の
ディスクの例としてビデオディスクを例にとってみる
と、この記録再生方式には、（１）Ｖ溝に凹凸として記
録された映像および音響情報を、ダイヤモンド針に結合
した圧電素子で電気信号に変換するもの、（２）導電性
ディスクのＶ溝に凹凸として記録された情報を、おなじ
くダイヤモンド針でトレースするとともにこのダイヤモ
ンド針に張り合わせた電極との静電容量を検知するも
の、（３）同じく静電方式であるが、ディスクに案内溝
がなく、パイロット信号によりトラッキング制御をかけ
るもの、さらに（４）光学反射面に凹凸として記録され
た情報に、集光したビームスポットを照射して凹凸によ
る光路差を読み取るものなどの各種の方法が提案され、
実用化されてきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、光学式の
ディスク装置は、比較的高密度の記録再生ができ、かつ
非接触で記録もしくは再生ができるため耐久性および信
頼性にも優れており、最近広く普及するようになってき
た。

【０００７】しかしながら、光学式の記録再生には、光
を集光するスポットサイズが、光の波長の数分の一以下
にはできないという物理限界があり、高密度化に限界が
ある。

【０００８】他方、上述のように、探針を試料に対して
原子オーダの距離でなぞる走査プローブ顕微鏡技術は、
上記の光スポットサイズをはるかに越えた微細領域の観
察技術であり、これは観察技術にとどまらず、原子、分
子オーダの分解能で試料表面を加工あるいは操作する技
術、さらに試料表面に情報を記録再生する技術としての
可能性が注目されている。

【０００９】しかしこれを実用的な記録再生技術とする
には、有用な探針・試料材料系とその記録再生方法を見
いだすとともに、機械走査にともない記録再生速度が遅
い点や、探針が試料に接触することによる探針の破損、
損耗、さらに狭トラック化に伴い難しくなるトラッキン
グ制御などを解決する必要がある。

【００１０】本発明はこれらの従来の記録再生装置の課
題に鑑み、走査プロ−ブ顕微鏡技術のもつ高分解能を活
かした情報の高密度記録が可能な記録再生装置を提供す
ることを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の記録再生装置
は、カンチレバーを位置決めし、そのカンチレバー先端
にある電極探針を記録媒体の記録面に相対的に近接また
は接触させて、この記録媒体に情報を記録、または再生
する記録再生装置であって、前記電極探針と記録面との
間に働く引力または斥力を検出する力検出手段と、前記
電極探針を前記記録面に対して相対的に移動させる移動
手段と、前記の力検出手段からの検出力が、一定になる
方向に前記電極探針を移動することにより帰還制御をか
ける制御手段とを備えた記録再生装置である。

【００１２】また、本発明の記録再生装置は、記録媒体
が、円盤状の導体または半導体基板上に形成した誘電体
薄膜を記録層とする容量記録媒体であり、電極探針にパ
ルス電圧を印加して記録層に電荷を注入または除去する
ことにより情報を記録または消去し、電極探針により記
録層の容量を検出して情報を再生するものである。

【００１３】また、本発明の記録再生装置は、記録媒体
が、円盤状の基盤上に凹凸を形成した導体層を記録層と
し、電極探針により記録層の導体との間の容量を検出し
て情報を再生するものである。

【００１４】

【作用】本発明の記録再生装置では、カンチレバーを位
置決めし、カンチレバー先端に有する電極探針を記録面
に近接または接触させて、記録媒体に情報を記録再生ま
たは再生するにあたり、力検出手段により、電極探針と
記録面との間に働く引力または斥力を検出し、制御手段
が、その検出力が一定になる方向に電極探針を移動手段
により移動させることにより帰還制御をかける。

【００１５】そして、例えば引力範囲内で動作させる場
合には電極探針は記録媒体ディスクの記録面に極めて近
接するものの非接触の状態で動作するため、電極探針と
記録媒体の相対運動による摩耗が原理的に発生しない。
ここで引力領域での動作は、検出および制御される力が
一般に１０^-8程度と小さいために、記録媒体の表面が極
めて平滑で、回転による面振れが殆どなく、かつ比較的
電極探針と記録媒体との相対速度が小さな、外乱ノイズ
の小さな条件下では帰還制御をかけることができる。

【００１６】他方、記録媒体の表面が相対的に荒れてい
たり、回転に伴う面振れが大きかったり、さらに記録再
生速度を高めるために相対速度を大きくしたりする場合
には、例えば、小さな斥力が働く領域で動作させるほう
がより安定に帰還制御をかけることができる。ここで斥
力が働くことは実質、電極探針とディスクの表面が接触
することを意味しているが、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
で表面を傷つけることなく原子配列を観察できる事実か
らも分かるように、この接触による電極探針および記録
媒体表面の損傷あるいは摩耗はほとんど発生しない。も
しくはたとえ発生しても極軽微である。この接触力が１
０^-3Ｎ台の力であると試料表面が柔らかい材質の場合に
は探針による傷が観察されるが、１×１０^-4Ｎ以下の力
では傷は観測されず、この範囲内の斥力では接触による
電極探針および記録媒体表面の損傷あるいは摩耗はほと
んどないか、もしくはあっても極軽微である。

【００１７】次に、例えば、本発明の電極探針をバネ定
数の小さなカンチレバーの先端に設けた場合は、記録媒
体の回転中に電極探針が万一表面の微小突起に衝突した
場合にも、過大な力を電極探針と記録媒体表面の相互に
与えない点で有利である。ここで１×１０^ー4Ｎ以下の力
を検出制御するためのカンチレバーのバネ定数は、０．
１〜１０Ｎ／ｍ程度が好ましく、このような小さなバネ
定数のカンチレバーでは、必然的に過大な力を受けた場
合には電極探針は記録媒体表面から遠ざかってくれる。

【００１８】また、力の帰還制御をかけるための駆動手
段について、例えば、カンチレバー先端に有する電極探
針を力検出手段とともに移動させる構成とした場合につ
いて次に述べる。

【００１９】本発明の多くの構成要素は、原子間力顕微
鏡（ＡＦＭ）の要素技術をヒントとしているが、その力
の検出方式には、（１）トンネル電流方式（２）光てこ
方式（３）光ヘテロダイン干渉方式などがあるが、いず
れもカンチレバーのたわみ変位を検出するものであり、
カンチレバーを駆動するとこれらの検出信号が変化する
不都合がある。このため、一般に原子間力顕微鏡では力
の帰還制御のための駆動およびＸＹ走査は試料側を動か
している。このような構成の装置をそのまま記録再生装
置に適用しても記録媒体は小さな面積のものしか使用で
きず、また本発明のように記録媒体を回転することはで
きない。そこで、本発明では、力検出手段をカンチレバ
ーとともに移動させる。

【００２０】また、記録媒体とカンチレバー先端に有す
る電極探針を、例えば乾燥気体中もしくは減圧気体中に
封じ込める構成とした場合は、電極探針と記録媒体の記
録面の接触時の損傷および摩耗をさらに低減することが
できる。大気中では大気に含まれる水蒸気の作用でつぎ
のような不都合が生じる。すなわち、この接触点におい
ては表面に吸着した水蒸気層による表面張力で探針は記
録媒体表面に引っ張られ、探針を表面に押し付ける力が
発生するとともに、水蒸気の存在によるメカノケミカル
的な作用により摩耗が促進される。これに対してこれら
を乾燥気体中もしくは減圧気体中に置くことにより、こ
の原因による斥力の増加および摩耗を除去できる。あわ
せて封止構造により摩擦、摩耗に大敵の塵芥の混入を防
ぐことができる。

【００２１】また、本発明では、電極探針にパルス電圧
を印加することにより記録を行い、記録層の電荷容量を
検出して情報を再生する。

【００２２】また、本発明では、電極探針により記録層
としての導体との間の容量を検出して情報を再生する。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２４】図１は本発明の一実施例を示す記録再生装
置の斜視図を示す。以下その構成を動作とともに説明す
る。

【００２５】記録媒体ディスク１を矢印２の方向に回転
しつつ、カンチレバー３をディスク１の放線方向４にリ
ニアスライド５によつて位置決めする。カンチレバー３
の先端に有する電極探針６をこのディスク１の記録面に
近接または接触させてこのディスク１に記録または再生
を行なう。電極探針６と記録面との間に働く力を検出す
る力検出手段の詳細は後述する。制御手段（１００、図
３参照）は、引力範囲内もしくは１×１０^-4Ｎ以下の斥
力内で、力検出手段（１４、１６、３０、図３参照）か
らの検出力が一定になるように制御を行うようになって
いる。すなわち、制御手段（１００）は、この検出力に
応じて、この力が一定になるように、電極探針６を、記
録面の法線方向７に添って、移動手段の一例としての円
筒形圧電素子８により移動させる。

【００２６】装置全体は電気的制御部分を除いてボック
ス９で覆い、乾燥気体中もしくは減圧気体中に封じ込め
る。

【００２７】記録媒体ディスク１の一実施例として、図
２に示す容量記録媒体を用いることができる。Ｓｉ基板
１０の表面にＳｉ酸化層１１を介してＳｉ窒化層１２を
形成し記録層とする。電極探針６にパルス電圧を印加す
ることにより、電荷が半導体（Ｓｉ）基板１０から絶縁
層（Ｓｉ酸化層）１１をトンネリングして記録層（Ｓｉ
窒化層）１２の、電極探針６下の領域１３に蓄えられ
る。逆方向のパルス電圧を印加することにより、この逆
プロセスが生じ、記録層１２の電荷を消去することがで
きる。この電荷情報の読み取りは、電極探針６と半導体
基板１０の間の靜電容量を検出することにより行なうこ
とができる。

【００２８】このような記録層１２としてＰＺＴ（ジル
コン酸チタン酸鉛）などの強誘電体薄膜を使うと、再生
出力が大きく好ましい。

【００２９】さらに記録媒体ディスク１を基板上に凹凸
を形成した導体層を記録媒体とすることが出来る。その
場合は、その記録したい情報に応じてスタンピング技術
を用いて、記録凹凸を形成する。それによって、大量の
ディスクを複製することができる。さらに、その場合の
情報の読み取りは、電極探針とその導電体との間の静電
容量（電極探針と導電体との間の間隔量に相当する）を
検出することによって、凹凸情報を再生することが出来
る。なお、その際、その基板上の凹凸は絶縁体からなる
平滑層によって埋められ平滑化されているので、その凹
凸が原因としての電極探針の移動は起こらないようにな
っている。あるいは、平滑化していない場合でも、その
凹凸が原因としての移動を無視するように、例えば、そ
の凹凸程度の周波数移動制御を抑圧してしまうような、
移動制御を行うようにしてもよい。

【００３０】電極探針６と記録媒体ディスク１の表面と
の間に働く力の検出法の第１の実施例を図３に示す。カ
ンチレバー３の先端に有する電極探針３の背面に電極１
４を形成し、基板１５に形成した電極１６を絶縁層１７
を介して対向させる。ディスク１表面と電極探針６の間
に働く力によりたわむカンチレバー３の変位により電極
１４と電極１６との間の間隔が変化し、この間の静電容
量を力検出センサ３０により検出することにより、電極
探針６が受ける力を検知することができる。このような
構成では、電極１４、１６の力検出手段がカンチレバー
３と一体構成となっているので、原子間力顕微鏡の試料
側に相当する記録媒体ディスクを移動させなくてすむメ
リットがある。

【００３１】電極探針６と記録媒体ディスク１の表面と
の間に働く力の検出法の第２の実施例を図４に示す。カ
ンチレバー３には電極探針６とともに半導体歪抵抗効果
を有する層１８を形成してある。半導体層１８は、ディ
スク表面と電極探針６の間に働く力によりたわむカンチ
レバー３の歪によりその抵抗が変化する。この抵抗変化
を検出することにより、電極探針６が受ける力を検知す
ることができる。このような構成でも半導体層１８の力
検出手段がカンチレバーと一体構成となっていて本発明
の記録再生装置を構成するのに都合がよい。

【００３２】次に、本発明の記録再生装置のトラッキン
グ制御の方法を図５に示す。

【００３３】図（ａ）はカンチレバー３の側面図であっ
て、カンチレバー３の先端に有する絶縁体の探針基体１
９の側面に、多分割した導体電極、ここでは電極２０お
よび電極２１と、電極探針としての電極６を取り付けて
いる。探針基体１９が方向２２に走行し、記録容量ドッ
ト２３上を通過する際、図（ａ）のように探針基体１９
が記録ドット２３の中央を通る場合には電極２０および
電極２１の検出する信号はＡおよびＢのようにその大き
さと間隔は等しい。しかし同図（ｂ）のように記録ドッ
ト２３の中央からはずれると電極２０と電極２１の検出
する信号にアンバランスを生じる。この対の電極２０、
２１の検出する信号の差信号をもとにカンチレバー３
を、駆動することによりトラッキング制御をかけること
ができる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明は、従来の光学方式の記録密度の限界を破り超高
密度の大量情報記録を可能にする記録再生装置を提供す
るもので、工業的価値の大きいものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すの記録再生装置の斜視
図である。

【図２】本発明の一実施例を示す記録媒体ディスクの略
示断面図である。

【図３】本発明の一実施例の力の検出素子を表わす略示
断面図である。

【図４】本発明の別の一実施例の力検出素子を示す略示
断面図である。

【図５】図（ａ）は、本発明のトラッキング制御法を説
明するための電極探針の略示側面図と記録ドットの平面
図であり、図（ｂ）は別の記録ドットの平面図である。

【符号の説明】

１：記録媒体ディスク２：記録媒体ディスクの回転方向３：カンチレバー４：ディスクの放線方向５：リニアスライド６：電極探針７：記録面の法線方向８：円筒形圧電素子９：ボックス１０：Ｓｉ基板１１：Ｓｉ酸化層１２：Ｓｉ窒化層１３：記録部１４：電極１５：基板１６：電極１７：絶縁体１８：半導体歪抵抗層１９：絶縁体探針２０：電極２１：電極２２：走行方向２３：記録ドット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カンチレバーを位置決めし、そのカンチレ
バー先端にある電極探針を記録媒体の記録面に相対的に
近接または接触させて、この記録媒体に情報を記録、ま
たは再生する記録再生装置であって、前記電極探針と記
録面との間に働く引力または斥力を検出する力検出手段
と、前記電極探針を前記記録面に対して相対的に移動さ
せる移動手段と、前記の力検出手段からの検出力が、一
定になる方向に前記電極探針を移動することにより帰還
制御をかける制御手段とを備えたことを特徴とする記録
再生装置。
【請求項２】制御手段は、引力範囲内もしくは１×１０
^-4Ｎ以下の斥力内で、前記検出力が一定になるように制
御を行うことを特徴とする請求項１記載の記録再生装
置。
【請求項３】移動手段は、前記電極探針を前記力検出手
段とともに、前記記録面の法線方向に移動させるもので
あることを特徴とする請求項１記載の記録再生装置。
【請求項４】記録媒体と前記カンチレバーの電極探針を
乾燥気体中もしくは減圧気体中に封じ込めたことを特徴
とする請求項１記載の記録再生装置。
【請求項５】記録媒体が、円盤状の導体または半導体基
板上に形成した誘電体薄膜を記録層とする容量記録媒体
であり、前記電極探針にパルス電圧を印加してその記録
層に電荷を注入または除去することにより情報を記録ま
たは消去し、前記電極探針により前記記録層の電荷容量
を検出して記録情報を再生することを特徴とする請求項
１記載の記録再生装置。
【請求項６】容量記録媒体が、Ｓｉ基板表面にＳｉ酸化
層を介して形成したＳｉ窒化層を記録層とするものであ
ることを特徴とする請求項５記載の記録再生装置。
【請求項７】容量記録媒体が、ＰＺＴ（ジルコン酸チタ
ン酸鉛）などの強誘電体薄膜を記録層とするものである
ことを特徴とする請求項５記載の記録再生装置。
【請求項８】記録媒体が、円盤状の基盤上に記録情報に
対応して凹凸が形成された導体層を記録層とし、前記電
極探針と前記導体層との間の容量を検出することによっ
て記録情報を再生することを特徴とする請求項１記載の
記録再生装置。
【請求項９】力検出手段が、前記カンチレバーに設けた
電極と、これと対向して設けた電極との間の容量を検出
することにより、力を受けてたわむカンチレバーの変位
を検出することを特徴とする請求項１記載の記録再生装
置。
【請求項１０】力検出手段が、前記カンチレバーに構成
した半導体歪抵抗効果素子の抵抗変化により、力を受け
てたわむカンチレバーの変位を検出することを特徴とす
る請求項１記載の記録再生装置。
【請求項１１】カンチレバーを位置決めし、そのカンチ
レバー先端に有する絶縁体探針基体の側面に、複数個の
導体電極が設けられ、この電極付探針を容量記録媒体に
近接または接触させて、この容量記録媒体に容量情報を
記録再生または再生する記録再生装置であって、前記複
数個の導体電極の内、前記探針基体の走行方向の情報記
録ビット列の左右に設けた電極対が検出する容量信号
を、トラッキング信号制御として前記探針基体を位置決
め制御し、他の導体電極を前記電極探針として利用する
ことを特徴とする請求項１記載の記録再生装置。