JPH0827178B2 - ヘッド浮上量測定装置 - Google Patents

ヘッド浮上量測定装置

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JPH0827178B2
JPH0827178B2 JP4297004A JP29700492A JPH0827178B2 JP H0827178 B2 JPH0827178 B2 JP H0827178B2 JP 4297004 A JP4297004 A JP 4297004A JP 29700492 A JP29700492 A JP 29700492A JP H0827178 B2 JPH0827178 B2 JP H0827178B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気ディスク装置や光
ディスク装置などに用いられるヘッドの浮上量の測定装
置および方法に関し、詳しくは、最小２乗法を用いてヘ
ッドの浮上量の推定を行う装置および方法に関する。本
明細書では、データをディスクから読み取ったり、ディ
スクに書き込んだりするためのリード／ライト（Ｒ／
Ｗ）ギャップ部分のみならず、スライダ部分も含めて、
ヘッドと称する。したがって、測定対象とするヘッド浮
上量は、Ｒ／Ｗギャップ近傍でのヘッド・ディスク間隙
長に限られず、スライダ面でのヘッド・ディスク間隙長
も含む。
【０００２】
【従来の技術】磁気ディスク装置は、極めて広い範囲に
応用され、小型化と高密度化に向けて開発が進められて
いる。より一層の高密度化を達成するためには、磁気ヘ
ッドと磁気ディスクとの間隙長（磁気ヘッドの浮上量）
を、Ｒ／Ｗギャップ部分で、現在の０．２ミクロンから
さらに０．１ミクロンにまで減少させる必要がある。こ
のためには、作製された磁気ヘッドについて、０．１ミ
クロン程度の浮上量を測定し、設計通りに浮上するか否
かを試験することが肝要である。
【０００３】浮上量の測定方法として、透明な石英ガラ
ス・ディスク上に浮上させた磁気ヘッドに、該ディスク
の裏面側から白色光を照射し、磁気ヘッドと石英ガラス
・ディスクの間隙によって生じた干渉色のスペクトル形
状を理論値と比較することによって、未知の間隙長すな
わち浮上量を求める方式が従来知られている。（Pacifi
c Precision Laboratories Inc.発行のカタログ、"Auto
matic Digital FlyingTester"、１９８８年）
【０００４】図１を参照し、浮上量を光学的に求める原
理について述べる。同図は、透明な石英ガラス・ディス
ク１と磁気ヘッド３が距離ｄで対向し、ヘッド３が飛行
状態になっている様子を表す。石英ガラス・ディスク側
から入射角θ１で間隙へ入射した光４は、石英ガラス・
ディスク１から空気間隙２に移る際に、角度θ２で屈折
しヘッド３に同じ角度θ２で入射する。光の一部５は、
ヘッド３の内部へ角度θ３で入射し吸収される。それ以
外の光は、ヘッド３で反射され、石英ガラス・ディスク
１の表面で再度反射される光７と、石英ガラス・ディス
ク１内へ入る光６とに分かれる。このような多重反射を
繰り返す際に、光路の異なる光は、干渉効果により強度
の変調を受ける。
【０００５】この効果を考慮して、石英ガラス・ディス
ク側に抜けてくる光６の振幅反射係数ｒは、入射光とし
てＳ偏光を選べば、Pochi Yeh; Optical Waves in Laye
redMedia, A Wiley-Interscience Publication, John W
iley & Sons, 1988, New Yorkにより、次のように表す
ことができる。
【数１】
【０００６】ここで、ｎ１、ｎ２、ｎ３は、それぞれ石
英ガラス・ディスク、空気、磁気ヘッドの複素屈折率、
λは光の波長、ｄは空気間隙長すなわち浮上量、ｃは光
速、ωは入射光の振動数を表す。また、ｒ１２はディス
クと空気の界面での反射率、ｒ２３は空気と磁気ヘッド
の界面での反射率、ｋｉは光波ベクトルのｘ成分を表
す。
【０００７】石英ガラス・ディスクと空気は損失が少な
く、その屈折率ｎ１、ｎ２は実数となるが、磁気ヘッド
の屈折率ｎ３は複素数となるので、式(3)、(4)より、ｒ
２３も複素数となる。このとき、ｒ２３は、次のように
表現できる。 r23 = -|r23|・EXP(iφ) (φ > 0) ---- (6)
【０００８】一般に、 |r23|、φはλの関数となる。こ
れを用いれば、式(1)は、実数係数のみを用いて次式の
ように表現できる。
【数２】
【０００９】ところで、実際に測定できるのは式(6)の
振幅反射係数 r ではなく、次に示す電力反射係数 R で
ある。
【数３】
【００１０】入射光の強度に係数Ｒを乗じた積が、反射
光の強度である。したがって、式(9)は、ある波長λの
光を入射角θ１で距離ｄの間隙に入射した場合の反射光
の強度を、スケーリング・ファクタを除いて表したもの
である。
【００１１】磁気ヘッドの複素屈折率ｎ３の値は、ヘッ
ドの材質及び積層構造、コーティングの方法により異な
る。しかしながら、この値は一度構造及び材料等が決ま
れば、固有の値として不変であるため、複素屈折率ｎ３
の実数部（屈折率）と虚数部（消光率）とに分け、理論
式（式(9)あるいはそれを変形した式）を実測データに
フィットさせる際に、それぞれの値をフィッティング・
パラメーターとして求めることが可能である。
【００１２】図２ないし図４は、上記の式(9)を用い
て、石英ガラス・ディスク側に反射される光の強度Ｒの
波長依存性を計算した例である。波長範囲は、３５０ｎ
ｍから８００ｎｍまでで、入射角は、０度である。浮上
量（空気間隙長）ｄをパラメーターとして図中に示し
た。浮上量の違いによってスペクトルの形状が異なって
いる。
【００１３】従来用いられている浮上量の測定方法は、
この空気間隙における白色光の干渉効果を利用してい
る。透明な石英ガラス・ディスク上に浮上させた磁気ヘ
ッドに入射した白色光が、間隙ｄの変化に伴って干渉色
が変化する様子を、回折格子を用いて分光し、そのスペ
クトルの形状からｄを逆算している。しかしながら、図
２から明らかなように、浮上量が低い範囲（８０ｎｍ〜
１２０ｎｍ）では反射光強度の波長による変化が乏し
く、特にタングステン・ランプの様に、短波長側の光の
強度が弱いランプと組み合わせた場合には、浮上量が変
化しても、スペクトルの変化として検知されにくい。し
たがって、従来広く用いられている方法は、今後磁気デ
ィスクの主流となる低い浮上量を持つ磁気ヘッドの評価
に不適当であることがわかる。さらに、光を分光するた
め、光源の輝度が高い必要があり、回折格子などの光学
系の使用とあいまって、測定装置の価格を高価にしてい
る。
【００１４】このような問題を避ける方法として、二種
類の波長の光をプローブ光として用いる方法が提供され
ている。例えば、特開平１−２６０３０５号公報では、
二種類の光源としてＨｅ−Ｎｅレーザー（６３３ｎｍ )
と半導体レーザー（８３０ｎｍ )が用いられている。各
波長の反射光の強度を測定し、予め各波長につき求めた
反射光強度とディスク・ヘッド間隙長との相関曲線（光
検出器の出力関数）に測定値をそれぞれプロットして、
ヘッドの浮上量を推定する。しかしながら、測定値と相
関曲線との比較の実際は、二種類の反射光の強度と浮上
量の関係をＲＯＭに記憶させたテーブルを用いるもので
あるが、後に述べる次数判定エラーのため、正しい浮上
量が求まらないという問題点があった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】上記二色のレーザー光
を用いる方式に、測定値と光検出器出力関数との比較の
手法として最小２乗法を適用することは、容易なことで
ある。しかしながら、この組み合わせには、以下に述べ
るような問題点がある。
【００１６】図５は、磁気ヘッドと石英ガラス・ディス
ク間の間隙長（浮上量）ｄと石英ガラス・ディスク側か
ら入射した光の反射光強度の関係を二つの波長について
計算で求め、プロットしたものである。（Ａ）は波長６
３３ｎｍ、（Ｂ）は波長８３０ｎｍについてのものであ
る。この関数をそれぞれF633(d), F830(d)とする。
【００１７】今、真の浮上量が５８ｎｍであるとして、
測定者がｄを推定する方法を述べる。このときの２つの
波長における反射光強度の実測値633R58、830R58と、図
５の特性曲線F633(d)、F830(d)とのそれぞれの差の２乗
の和の間隙長依存性
【数４】
【００１８】を求める。この左辺の最小値が浮上量ｄを
与える。しかしながら、関数 Es(d)は、浮上量ｄを与え
る真の最小値以外に、極小値を持つ場合がある。測定誤
差の範囲内にこのような極小値が入ってくると、真の浮
上量ｄでなく、偽の浮上量を与えてしまう。このような
誤りを次数判定エラーと呼ぶ。
【００１９】図６は、様々な間隙長に対応するEs(d)の
極小値の最小値Lm(d)を様々な間隙長ｄに対してプロッ
トしたものである。間隙長ｄによっては、このような極
小をここに表示した領域内に生じない場合や、複数個生
じる場合などがある。図ではｄを１ｎｍずつ変化させた
場合の極小を全て表示した。
【００２０】Es(d) の最小値そのものは、真の間隙長す
なわち浮上量そのものを与えるが、Lm(d)はそれ以外の
極小値であるため、真の間隙長に対応しない。この極小
が測定誤差の範囲内にあれば、偽の浮上量を与える可能
性がある。言い替えれば、Lm(d)とゼロ・レベルとの差
は、測定誤差のマージンとみなすことができる。
【００２１】半導体レーザーとヘリウム・ネオン・レー
ザーの二種類の波長を用いた場合は、測定誤差が、図６
に対応するノイズ・レベルとして０．００５程度である
ため、間隙長を５０ｎｍから９００ｎｍに変化させた場
合には、ほとんどの領域で誤差マージンが実際の測定誤
差の範囲に入ってしまい、真の浮上量ｄを求めることが
できない。
【００２２】さらに、二色のレーザー光を別々の光源で
発生する方式では、二つの光源から生ずるビームをひと
つのビームに合わせる光学系が必要である。また、半導
体レーザーのビームのようにアスペクト・レシオが異な
るビームを補正する高価なレンズ系も必要となる。
【００２３】また、従来は、浮上量を推定するための最
小２乗法の計算をオフライン計算に頼っていた。このた
め、浮上量を光学的に求める方式に最小２乗法を用いた
場合、測定を自動化したり、ヘッド浮上量の時間的変動
などの動特性を測定したりすることは極めて困難であっ
た。
【００２４】したがって、本発明の目的は、高感度でか
つ構成の簡単なヘッド浮上量測定装置を提供することに
ある。
【００２５】本発明の他の目的は、ヘッド浮上量の推定
のための最小２乗法の計算をリアルタイムで行うことに
ある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】本発明は、ディスクを回
転させたときに該ディスクの表面に生じる気体流を利用
して浮上するヘッドの浮上量を、ディスクまたはヘッド
の一方を透明体とし、他方を不透明体として測定する装
置であって、ディスクを回転させる駆動手段と、ヘッド
を上記ディスクの表面の近傍に位置させる手段と、白色
光源と、上記白色光源からの白色光を、該白色光が上記
ディスクと上記ヘッドとで多重に反射されるように、上
記ディスクと上記ヘッドの間隙に導く第一の光学系と、
複数の光検出手段と、上記ディスクまたはヘッドのうち
の不透明体からの反射光を、少なくとも三つの波長領域
に分光し、波長領域ごとに異なる光検出手段に導く第二
の光学系と、予め上記波長領域ごとに求めたディスク・
ヘッド間隙長と上記光検出手段により検出される反射光
強度の関数に基づき、最小２乗法を用いて、上記光検出
手段の出力から上記ヘッドの浮上量を推定する手段を具
備する、ヘッド浮上量測定装置である。
【００２７】上記第二の光学系から分光のための光学素
子を除き、代わりに、第一または第二の光学系に、上記
白色光に含まれる少なくとも三つの波長領域の光を、一
時に一領域ずつ、時分割式に透過させる光学素子を配置
してもよい。
【００２８】また、白色光源に代えて、それぞれが単色
光である光を少なくとも三色同時に発生する光源を用い
てもよい。
【００２９】本発明の別の側面によれば、物理量xを物
理量yiに変換する非線型関数fiが予め解析的に与えられ
ているときに（i = 1,2, .. n, n ≧ 2）、最小２乗法
を用いて物理量yiの測定値riから物理量xを推定する装
置であって、現在のxの推定値x*からyiの推定値fi(x*)
を計算する手段と、riとfi(x*)の誤差eiを計算する手段
と、wi・eiの線型結合として与えられる合成誤差を計算
する手段と、（ここに、wi= dfi(x*) / dx*） 上記合成誤差に基づいてxの推定値x*を更新する線型制
御手段を具備する、物理量推定装置が提供される。
【００３０】
【実施例】以下、本発明の実施例を、図面に基づいて説
明する。まず、本発明の、光源、光学系、および光検出
器を含む測定装置の全体的な構成に係わる側面について
述べ、次に光検出器の出力信号に基づいた、リアルタイ
ムでのヘッド浮上量推定の手順に係わる側面について述
べる。
【００３１】Ｉ．測定装置の全体構成 ［例１］図７は、本発明による測定装置の第１の例を模
式的に示す。磁気ヘッド２１は、アクチュエーター２２
によって、透明な石英ガラス・ディスク２３に対してア
クセスされる。石英ガラス・ディスク２３は、スピンド
ル２４ａに支持されてモータ２４で回転させられる。回
転するディスク２３の表面に生じる空気流を利用して、
磁気ヘッド２１は距離ｄだけ離れた状態で浮上する。
【００３２】光源２５は、実体顕微鏡２６に付属してい
る同軸落射型の照明装置である。この照明装置２５は、
２０ワットのタングステン沃素ランプを安定化電源で点
灯するものである。光源２５から出力された白色光２８
は、ハーフ・ミラー２９および対物レンズ３０を経て、
ディスク２３とヘッド２１の間隙３１に導かれる。白色
光２８は、磁気ヘッド２１に垂直入射に近い角度で照射
する。
【００３３】磁気ヘッド２１からの反射光３２は、アパ
ーチャー２９ａ、接眼レンズ３３、光学フィルター３４
を通過する。光学フィルタ３４は、四つのプリズムを張
り合わたものである。二つのプリズムの界面３４ａ、３
４ｂは誘電体層で被覆されている。界面３４ａは、青の
光を反射し、残りの光を透過させる。界面３４ｂは緑の
光を反射し、赤の光を透過させるように構成されてい
る。青、緑、赤の光は、それぞれシリコン受光素子３
５、３６、３７に導かれ、反射光強度に応じた電気信号
に変換される。
【００３４】実体顕微鏡２６は、ディスク２３に対して
水平方向に移動可能である。複数の点で浮上量の測定を
行う場合には、実体顕微鏡２６をディスク２３に対して
移動させる。
【００３５】図８に、光学フィルター３４の分光特性を
しめす。縦軸は、透過率である。フィルターの半値幅は
８０ｎｍとした。反射光３２は、三つの波長領域Ｂ
（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）に分けられる。隣り合うピ
ークの間隔は、約１００ｎｍである。
【００３６】次に、各フィルタを透過した光の強度を計
算機で計算した結果を示す。ここでは、光源２５の電力
スペクトル密度及び光学系の伝達関数は、可視波長領域
でフラットであると仮定した。フィルターごとに、各波
長について、式(9)から計算される反射光強度と当該フ
ィルターの当該波長での透過率を掛け合わせた積を求
め、可視波長領域で積分し、当該フィルター透過後の光
の強度とした。これはつまり当該フィルターに対応する
受光素子の出力信号レベルを表す。図９に計算結果を示
す。図から明かなように、観測する光が単色光でなく、
幅広い領域の波長を含む場合でも、明確な山と谷を有す
る関数が得られている。もう一つの注目すべき点は、光
源としてレーザーのような強い光源を用いないでも受光
素子の出力信号のレベルが充分大きいことである。
【００３７】実際の測定に際しては、「ＩＩ．ヘッド浮
上量の推定」で詳しく議論するように、式(9)、あるい
は現実の光源の電力スペクトル密度及び光学系の伝達関
数がフラットでないことを考慮して式（9）を変形した
理論式を使い、その理論式を予め行った実験データにフ
ィットさせて、受光素子３５、３６、３７それぞれの出
力関数を求めておく。それらの関数を FB(d)、FG(d)、F
R(d)とする。未知の浮上量で飛んでいるヘッドからの反
射光強度の測定値RB、RG、RRは、例えばコンピュータで
ある信号処理装置３８に送られ、最小２乗法によって浮
上量が推定される。具体的には、浮上量は、
【数５】
【００３８】を最小とするｄで与えられる。
【００３９】図１０に示すような分光特性を持つ３種類
のフィルターを用いた場合について同様の計算を行っ
た。この場合の半値幅は、２０ｎｍである。受光器の信
号レベルは、図８の場合と比べて、およそ１５分の１に
低下した。このような低下は、ノイズレベルを大きく
し、次数判定エラーに対して不利になる。
【００４０】さらに、回折格子を用いて反射光の波長分
布を測定する従来の方法では、個々の素子が受光する信
号レベルは、本実施例に比べて数百分の１以下になって
しまう。このために誤差が大きくなり、幅の広いフィル
ターを用いた場合と同様の精度を得るためには、測定時
間を大幅に長くして、平均化することで精度をあげなけ
ればならない。ヘッド生産工場の検査設備として浮上量
測定装置を用いる場合に、このことは、測定装置の設置
数の増加を意味し、好ましくない。
【００４１】［例２］図１１を参照して測定装置の第２
の例を説明する。光源４０は、ホロー陰極ヘリウム・カ
ドミウム・レーザーであり、波長４４１．６ｎｍ、５３
７．８ｎｍ、６３６．０ｎｍの光を同時に出力する。ホ
ロー陰極ヘリウム・カドミウム・レーザーは、各単色光
の出力強度が大きく、したがって、それら単色光を受け
る受光素子の出力信号のレベルも充分大きい。かつ、一
つの光源から三色のレーザー光が出力されるので、それ
ら光のビームを合わせるための光学系（通常、ビームス
プリッターなどの光学部品を含む）が不要である。
【００４２】光源４０から出力された光は、ビーム・ス
プリッター４１に入射し、間隙３１へ向けられる。ビー
ム・スプリッター４１は、プリズムを二つ張り合わせた
ものであり、二つのプリズムの界面がハーフ・ミラーと
して機能する。その余の構成は、一点を除き、例１（図
７）と同じなので、同じ要素には同じ参照番号を付し、
説明を省略する。その相違点は、光源４０、および光学
系を構成する部品４１、３０、３４が顕微鏡に収容され
ないことである。しかし、それらは図示しないステージ
に搭載され、磁気ヘッド２１に対して移動可能とされて
いる。
【００４３】３色のレーザー光は、ヘッド２１とディス
ク２３の間隙３１で干渉し、反射光の強度が、間隙長ｄ
により変化する。図１２に、反射光強度の実測値に合う
ように式(9)のパラメータを選んだ間隙長ｄと反射光強
度の関数を、波長ごとに示す。
【００４４】三色のレーザー光の場合の誤差マージンを
議論する。浮上量が５８ｎｍの場合の反射光強度の実測
値441R58,538R58,636R58と図１２の関数F441(d), F
538(d),F636(d)とのそれぞれの差の２乗の和の間隙長依
存性は、
【数６】
【００４５】で与えられる。図１３は、様々な間隙長に
対応するEs(d)の極小値の最小値Lm(d)を様々な間隙長ｄ
に対してプロットしたものであり、二色の場合の図６に
相当する誤差マージンを示す。二色の場合と比べておよ
そ誤差マージンが一桁以上改善されている。したがっ
て、５０ｎｍから９００ｎｍの範囲内で浮上量を次数判
定エラーなしに正確に求めることが可能である。この装
置を用いて、後述するテーブルルックアップ方式で浮上
量を推定することにより、１００ｎｍ前後の浮上量を、
４ｎｍ以下の誤差で精度よく求めることができた。
【００４６】レーザー光は、光学系を調整することによ
って、磁気ヘッドに対してスポット状に照射することが
簡単にできる。このことを利用して、浮上量測定点を正
確に決めることができる。図１４に示すように、浮上量
測定に先立って、上記ステージ（図示せず）を駆動し、
直行する二方向Ｘ−Ｘ^、Ｙ−Ｙ^にビーム・スポットを
スキャンして、三色の何れかの反射光強度の変動を調べ
る。図１５に示すような反射光の強度が大きく変化する
領域を、磁気ヘッド２１のエッジ４２として検出し、こ
れを基準にして、浮上量測定点を決定する。このやり方
で、例えば磁気ヘッドのＲ／Ｗギャップ４３に近い所望
の測定位置４４を決定し、そこにレーザー光を当て、浮
上量を測定することができた。
【００４７】光源として、水銀灯を用いることもでき
る。図１６は低圧水銀灯を示す。石英ガラス管４０の内
部にＴｂ，ＹＰＯ4とＥｕ，ＹＰＯ4を混合した蛍光体５
１を塗布し、水銀を封入した。図中、５２、５３は、フ
ィラメントである。水銀が電気的に励起されると、２５
４ｎｍの共鳴線の発光と５４７ｎｍの緑色と６１９ｎｍ
の赤色の蛍光が同時に出力される。
【００４８】低圧水銀灯の代わりに、図１７に示すよう
な超高圧水銀灯を用いることができる。石英ガラス管５
４の内部に、Ｔｂ，ＹＰＯ4とＥｕ，ＹＰＯ4を混合した
蛍光体５５を塗布し、水銀を封入する。図中、５６、５
７は、電極である。この場合は、水銀を励起すると、２
５４ｎｍの共鳴線の代わりに３６５ｎｍの共鳴線が強く
発光する。また、水銀には、５５０ｎｍに強い発光線が
あるため、３価のユーロピウムを賦活した蛍光体のみを
塗布しても、三色の光を同時に出力することができる。
高圧水銀アーク灯も３６５ｎｍと５５０ｎｍの光を強く
出力するので、超高圧水銀灯の代わりに用いることがで
きる。
【００４９】高圧または超高圧水銀灯を用いた場合に
は、水銀の３６５ｎｍと５５０ｎｍの共鳴線と、３価の
テルビウムおよび３価のユーロピウムを賦活した蛍光体
の発光を利用して、四色の光を同時に出力させてもよ
い。
【００５０】水銀灯を用いたときは、紫外光が出力され
るので、それに合わせた特性の光学フィルターを用意す
る。
【００５１】［例３］図１８は、白色光源を用い、反射
光検出器として３ＣＣＤカラー・カメラを用いた例を示
す。図中、６０はカラー・カメラであり、磁気ヘッド２
１からの青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の反射光がＣＣ
Ｄアレイ６０、６１、６２に導かれる。カラー・カメラ
６０の分光感度特性を図１９に示す。図１９に示したグ
ラフの縦軸はＣＣＤアレイの出力を表している。
【００５２】カラー・カメラ６０のＲＧＢ分解フィルタ
ー３４をより狭帯域の三点スペクトル・サンプリング用
帯域通過干渉フィルターで置き換えたものは、浮上量の
小さい範囲から大きい範囲まで反射光の振幅が減少しな
いという点で、三波長レーザー方式（上記例２）に匹敵
する。ただし、必要以上に帯域を狭くすると、反射光の
光量が減少するため、Ｓ／Ｎ比の劣化を招き、精度が悪
くなるので注意が必要である。狭帯域の干渉フィルター
を使用したカラー・カメラの分光感度特性の例を図２０
に示す。測定装置のその他の構成は図７に示した例１と
同じ構成であるから、説明を省略する。
【００５３】測定時には、図２１に示すように、磁気ヘ
ッド２１のＲ／Ｗギャップを含むスライダー面の全視野
のＲＧＢ画像データ（756 x 486 画素）を取り込む。図
中、２１Ａないし２１Ｅは浮上量測定箇所である。一箇
所の浮上量を計算する際、データの取り込みは一回と
し、近接する２０画素分の出力の平均値を用いる。
【００５４】磁気ヘッドの良品・不良品の判定では、Ｒ
／Ｗギャップ近傍の浮上量以外に、磁気ヘッドのスライ
ダー面のそりや浮上中の傾きが重要な評価項目となって
いる。それらの評価のためには、磁気ヘッドのスライダ
面の複数の箇所で浮上量を測定する必要がある。この例
の装置では、光学系を何等機械的に動かすことなしに磁
気ヘッド２１のスライダー面全体、したがって複数の測
定点でのＲＧＢデータを一度に取得できる。また、カメ
ラ６０にモニター装置（図示せず）を接続すれば、スラ
イダ面の色相を観察することができ、人間の眼による検
査が可能となる。
【００５５】なお、この例では、反射光を赤、緑、青の
波長領域に分光したが、視感度上の三原色にとらわれる
必要はない。青より短波長側に、あるいは赤より長波長
側にシフトした波長領域を用いてもよいことは言うまで
もない。
【００５６】［例４］図２２を参照し、カラー・カメラ
の代わりに白黒カメラと回転式三波長フィルタを組み合
わせて、例３と比較してより安価であり、かつ同程度の
精度を実現する例を説明する。例１と同じ構成要素には
同じ参照番号を付して説明を略し、以下では相違点のみ
を述べる。
【００５７】この例では、白色光源２５からの光２８
を、モータ６５によって回転される三波長フィルタ６６
を通して測定磁気ヘッド２１に照射する。回転式三波長
フィルタ６５の構造を図２３に示す。６７、６８、６９
はガラス板７０に貼り付けられた干渉フィルタであり、
透過する光はそれぞれ青、緑、赤である。したがって、
フィルタ６５は、磁気ヘッド１４に照射する光２８の波
長を時分割で変化させることができる。
【００５８】図２２に戻って、カメラ７１は白黒ＣＣＤ
カメラである。ＣＣＤアレイ７２は一個で充分であり、
反射光３２を分光するための光学系は不要である。白黒
ＣＣＤカメラ７１の出力をサンプリングするタイミング
を三波長フィルタ６６の回転と同期させることにより、
ガラス板７０が半回転する間に、干渉フィルタ６７、６
８、６９を通過する波長の反射光強度を測定することが
できる。青、緑、赤の反射光強度に対応する信号ＲＢ，
ＲＧ，ＲＲは、ＣＣＤカメラ７１から信号処理装置３８
へ供給される。
【００５９】図２３に示した回転フィルタを、磁気ヘッ
ドからの反射光を白黒ＣＣＤカメラに導く光学系に置い
ても、機能的に図２２の測定装置と等価であり、浮上量
を同様に測定することができる。
【００６０】以上、具体例を四つ示したが、本発明によ
るヘッド浮上量測定装置はこれらに限られるわけではな
い。例えば、例３又は例４の白色光源を、例２の三色レ
ーザー光源に取り替えた装置も本発明に含まれる。実
際、ホロー陰極ヘリウム・カドミウム・レーザーの出力
は大きいので、光学系を調整して磁気ヘッドのスライダ
面全体にレーザー光を照射しても、反射光の強度は充分
大きい。したがって、ホロー陰極ヘリウム・カドミウム
・レーザーとＣＣＤアレイの組み合わせによって、スラ
イダ面の複数の測定点での反射光強度のデータが一度に
得られる。 ［例５］ 図３１に実施例で用いた評価システムを模式的に示す。
波長６７０nm,７５０nmおよび８６０nmの半導体レーザ
ー８４、８５、８６のレーザー光をレンズでコリメート
し合波器８７に照射し一つのビームとして取り出す。ビ
ームスプリッター８８、対物レンズ８９を用いて石英デ
ィスク８２を介してレーザー光を磁気ヘッド８１に照射
する。石英ディスクは毎分１０００回転前後で回転して
おり、磁気ヘッドは１００nm程度浮上している。反射光
は石英ディスクと磁気ヘッドとのギャップ９１で生じる
干渉効果により強度の変調を受ける。反射光はビームス
プリッター８８を通して受光器１０で電気信号に変換さ
れコンピューターで信号処理される。ギャップｄを変化
させたときの各波長の強度変化の様子を図３２に示す。
半導体レーザー８４，８５，８６は、図３３に示すよう
な時系列的に互いにずらせたパルスで駆動されている。
従って、受光器１０に導かれる光は分光して三波長の半
導体レーザー光を識別しなくても、電気信号を時系列的
に処理することで三種類の波長を区別することができ
る。この方法を用いて５０nmから１０００nmのギャップ
を保ちながら動作中の磁気ヘッドのフライング・ハイト
を誤差範囲２nm以内で評価することができた。 [例６］ 例５で用いた受光器としてＴＶ用撮像管を用いた。半導
体レーザー光はヘッドの大きさにまで広げられた平行ビ
ームとした。この方法を用いて動作中の磁気ヘッドの画
像を電気信号としてコンピューターに取り込み、各波長
ごとの信号強度をそれぞれの画素ごとに求めた。このＴ
Ｖ用撮像管は単管式のＳｉビジコンまたは固体撮像素子
で充分であり、カラー用撮像管を用いる必要はない。カ
ラー用撮像管を用いてもＲＧＢ用フィルターにより光の
強度が減少するのみである。この方法を用いて磁気ヘッ
ドと石英ディスクとのギャップの二次元的な情報が得ら
れる。従って、磁気ヘッドのそりや、傾きなどの評価を
動作中に行うことができる。対物レンズ８９としてズー
ムレンズを用いて必要な倍率を選び、測定領域の画素数
を変えることで所望のＳＮ比を得ることができる。この
方法を用いて１１０nmのギャップを保ち動作中の磁気ヘ
ッドの非平面性（クラウン）を１．５％以内の誤差で求
めることができた。以上述べたように、光源および受光
器を全て固体素子である半導体レーザーとＳｉフォトダ
イオードで置き換えることができ従来用いられていた白
熱ランプや、ガスレーザーと比べて１０倍以上に寿命を
延ばすことが可能となった。さらに三種類の波長の光を
回折格子やフィルターなどの分光手段を用いることなく
独立して受光できるため、装置の簡略化とコストの低減
を行うことができた。
【００６１】ＩＩ． ヘッド浮上量の推定 本発明の別の側面によれば、ヘッド浮上量の推定（反射
光強度からの浮上量逆算）を、最小２乗法に基づき、リ
アルタイムで行うことができる。以下では、実際のヘッ
ド浮上量の推定方法に関し、前提となる浮上量測定装置
の出力関数の求め方、ゲイン及びオフセットの補正につ
いて述べた後、具体的な計算手順をテーブルルックアッ
プ方式と追従制御方式について説明する。テーブルルッ
クアップ方式、追従制御方式ともに、上記例１乃至４に
示した測定装置のいずれにも適用可能である。
【００６２】Ａ． 出力関数の求め方 実際に浮上量を測定するためには、事前の準備段階で、
標準ギャップ素子を用いて、幾つかの既知の浮上量ｄに
ついて反射光強度を測定し、得られたデータに理論式を
フィットさせることにより、理論式に含まれる係数の値
を決定して、光検出器の出力関数を求めておく。測定段
階では、未知の浮上量に対する光検出器の出力を信号処
理装置に送り、出力関数に基づいて浮上量を推定する。
そこで、出力関数を決めるときに、どのような理論式を
使うかが、測定の精度及び時間に影響する。以下では、
理論式について考察する。
【００６３】式(9)のRは、スケール・ファクターを除け
ば、浮上量測定装置の光検出器の計算上の出力yに等し
い。空気間隙長をxとし、式(9)を整理すると、yを与え
る関数f(x)は次のようになる。
【数７】
【００６４】また、aは波長λの関数である。(式（8）
参照)
【００６５】白色光源を用い、一つの光検出器で異なる
波長を含む光を受ける場合（測定装置例１、３、４）に
対処するには、厳密には光源の電力スペクトル密度及び
波長による光学系の伝達関数の違いを考慮しなければな
らないが、式(12)あるいはそれを変形した式を理論式と
してもよい測定結果が得られる。あるいは、xの多項式
を実際の出力にフィットさせてもよい。
【００６６】Ｂ． ゲイン補正及びオフセット補正 出力関数作成を作成する準備段階と、実際に未知の浮上
量を測定する測定段階とで、光源、光検出器のゲイン及
び光学系が全く同じ状態であれば、単純に、作成した出
力関数に基づいて、測定段階で得られた光検出器の出力
から浮上量を逆算すればよい。しかし、経時変化、環境
変化、電圧変化などは避けられないから、それらが同じ
状態にあることは通常期待できない。そこで、光検出器
の出力に対して、ゲイン補正及びオフセット補正を行う
アルゴリズムを提案する。このアルゴリズムは以下のス
テップからなり、準備段階と測定段階のそれぞれで実行
する。
【００６７】1) 測定点ごとに、光源をオフにしたとき
の光検出器の出力(暗出力)Yoffと、光源がオンでかつヘ
ッドが無い状態での光検出器の出力(無ヘッド出力)Yope
nを測定する。
【００６８】x = ∽ のとき、すなわちヘッドが存在し
ない時は多重反射はなくなり、式(12)は成立しない。こ
の場合の電力反射係数は次のように与えられる。
【数８】
【００６９】ここに、ｎ１は透明ディスクの屈折率、θ
1は透明ディスク内の入射角である。θ1＝０のとき、上
式は、
【数９】
【００７０】となる。Yopenの値はｎ１、ｎ２のみによ
って決まるので、ゲイン補正及びオフセット補正に使用
することは可能である。
【００７１】2) 準備段階では標準素子をロードした
後、また、測定段階では被検査ヘッドをロードした後に
得た光検出器の出力Ymesに対し、次の変換を行った結果
を光検出器の出力yとする。
【数１０】
【００７２】式(18)で表される変換で、オフセット補正
（Yoffを引くこと）とゲイン補正が同時に行わる。それ
ぞれ補正後の出力値を用いて、準備段階では出力関数を
作成し、測定段階では浮上量を逆算する。
【００７３】Ｃ． テーブルルックアップ方式 この方式は、ゲイン補正及びオフセット補正、並びに浮
上量の逆算を、ＲＡＭテーブルを使って高速に行う。全
体の処理は、２段階に分かれる。準備段階は、標準ギャ
ップ素子を使って得たデータに基づいて出力関数を作成
するオフライン較正ステップと、浮上量逆算のためのＲ
ＡＭテーブルを作るステップからなる。測定段階は、Ｒ
ＡＭテーブルを使って浮上量を逆算・推定するステップ
である。以下では、これらのステップを、カメラを光検
出器とする場合（測定装置例３、４）について説明す
る。
【００７４】Ｃ−１．準備段階 1) 出力関数の作成 電源投入後十分安定した状態で、標準ギャップ素子をロ
ードする前に、カメラ画像の所定の基準小領域（それぞ
れ２０画素からなる）の無ヘッド出力を平均し、Ｒ、
Ｇ、Ｂそれぞれについて無ヘッド出力Yopeniを得る。ま
た、光源をオフにして、同じ基準小領域の出力を平均
し、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの暗出力Yoffiを得る。次に、
ディスクを回転させないで標準ギャップ素子をロードし
たときの同じ基準小領域の出力を平均し、Ｒ、Ｇ、Ｂそ
れぞれの出力Ymesiを得る。しかる後、Ymesiを式(21)に
したがって変換し、出力yiを得る。各基準小領域に対応
する間隙長xと出力yiに基づいて、関数 yi = fi(x) (i
= 1, 2, 3)を多項式近似などで作る。
【００７５】2) ＲＧＢテーブルの作成 Ｒ、Ｇ、Ｂの出力関数を x ---> yi の形のテーブルに
しておく。浮上量測定範囲０〜１０００ｎｍを214 = 16
K等分し、等分点ごとにテーブルのエントリーを設ける
と、テーブルの大きさは、214 x 2 x 3 = 96 Kバイトと
なる。
【００７６】3) Ｊｓテーブルの作成 ＲＧＢテーブルに登録された各 x = x1 について、0 ≦
x ≦ 1000(nm)の範囲内で誤差の２乗和
【数１１】
【００７７】を計算し、その、x = x1 以外の最小極小
値 Js を求め、それをテーブル化しておく。テーブルの
大きさは、214 x 2 = 32 kバイトになる。
【００７８】4) Ｘテーブルの作成 Ｒ、Ｇ、Ｂの出力y1、y2、y3から浮上量xを逆算するた
めのテーブルを次のように作成する。すなわち、与えら
れたy1、y2、y3について、0 ≦ x ≦ 1000(nm)の範囲内
で、誤差の２乗和
【数１２】
【００７９】を最小とするような x を求め、それを
y1、y2、y3によってアドレスされる位置に登録する。テ
ーブルの大きさは、26+6+6 x 2 = 512 kバイトになる。
【００８０】Ｃ−２．測定段階 1) ゲイン補正及びオフセット補正 電源投入後十分安定した状態で、被検査ヘッドをロード
する前に、測定点に対応する小領域（それぞれ２０画素
からなる）の無ヘッド出力を平均し、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞ
れについて無ヘッド出力Yopeniを得る。また、光源をオ
フにした状態で、同じ小領域の出力を平均し、Ｒ、Ｇ、
Ｂそれぞれの暗出力Yoffiを得る。次に、被検査ヘッド
をロードし、ディスクを回転させたときの同じ小領域の
出力を平均し、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの出力Ymesiを獲得
し、Ymesiを式(21)にしたがって変換し、出力yiを得
る。被検査ヘッドが多数であっても、無ヘッド出力と暗
出力は、最初に獲得したデータを繰り返し使用する。
【００８１】2) x の逆算 Ｘテーブルを用いて、y1、y2、y3から浮上量xを逆算す
る。この例では、テーブルのアドレスは各６ビットと分
解能が不十分なので直線補間する。時間に余裕のあると
きは、多項式補間を用いればより精度を高めることがで
きる。メモリ容量に余裕があって、準備段階でＸテーブ
ルのアドレスのビット数を増やした場合には、補間を省
略してもよい。
【００８２】3) 信頼係数の計算 前ステップで求めた推定浮上量xについての推定の信頼
係数 KR を以下のように求める。 KR = 1-(J/Js)0.5 -------------- (21)
【００８３】ここに、Js はテーブル出力であり、J は
式(20)より求めたものである。
【００８４】Ｃ−３．測定例 図１８に示した装置を用いて、以下の手順で浮上量を測
定し、スループット及び測定精度の評価を行った。
【００８５】1) Ｘテーブル、Ｊｓテーブルの作成 図２４に、標準ギャップ素子１１０を示す。ガラスディ
スク１１１上にバー形状の金属薄膜１１２を蒸着して高
さ３００ｎｍの枕を形成し、そこに磁気ヘッド１１３を
スライダ面（浮上面）がガラスディスク側になるように
固定し、厚さ０から３００ｎｍの空気間隙を作った。
【００８６】標準ギャップ素子１１０を用いて、３ＣＣ
Ｄカメラの、Ｒ、Ｇ、ＢそれぞれのＣＣＤアレイの出力
関数fiを、次のようにして作成した。
【００８７】- ３ＣＣＤカメラの電源を投入して１時間
後に測定を開始する。
【００８８】- ３ＣＣＤカメラからの出力(Yopeni、Yme
si、Yoffi)を、ディスク１１１とヘッド１１３の密着点
からの距離Ｌを変えて一時的に記録する。Yopeni、Yoff
i、Ymesiのいずれを測定する場合でも、まず、スライダ
ー面の全視野のＲＧＢ画像データ（756 x 486 画素）を
取り込む。次いで、近接する２０画素分のデータを一度
に取り込んでその平均を出す。それらの値から式(21)に
したがって、yiを計算する。距離Ｌに対応する空気間隙
長xとyiを使って、xに対する出力関数fiを非線型関数
（式(12)）の近似で作る。
【００８９】作成した関数fiをもとに、前に述べた手順
で、ＲＧＢテーブル、Ｊｓテーブル及びＸテーブルを作
成し、各テーブルは信号処理装置３８（図１８）のＲＡ
Ｍに格納した。
【００９０】2) 浮上量の推定 被検査ヘッドのロード・アンロードを開始する前に、所
定の測定点（１５箇所）について、出力Yopeni、Yme
si、Yoffiを記録する。次に、各被検査ヘッドについ
て、出力Ymesiを一時的に記録し、これに対するゲイン
補正及びオフセット補正を行う。補正したＲＧＢデータ
(yi)からＸテーブルを用いて浮上量xを逆算する。な
お、画像データの取り込み方及び平均の求め方は、準備
段階と同じである。
【００９１】Ｃ−４．測定結果 まず、測定点を固定した、浮上量の動的変化の測定を議
論する。図２５は、磁気ヘッドのロードとアンロード時
の動的挙動を調べるために、ポール・ギャップ近傍の浮
上量を測定した結果を示す。定常状態で浮上している磁
気ヘッドを時刻ＴＡでアンロードし、時刻ＴＢで再びロ
ードした。図２５において、横軸は時間で縦軸はマイク
ロ・インチで表した浮上量である。
【００９２】この測定結果から、磁気ヘッドのアンロー
ド及びロード動作前後における浮上量の安定性がわか
る。測定の分解能は±１％以下である。この値はＣＣＤ
の出力をディジタル化する際のＡＤコンバータの精度で
決まるので、さらに改善が可能である。
【００９３】このように、測定装置例３にテーブルルッ
クアップ方式のオンライン浮上量推定を組み合わせるこ
とにより、浮上量試験工程での磁気ヘッドの良否を、１
個当り１５箇所で浮上量を測定し、ヘッドの傾き等の計
算を行って判断する場合、ヘッドをロードしてからアン
ロードするまで合計２０秒程度を要した。従来機は、１
個当り５箇所の測定で９０秒を要していたのであるか
ら、この浮上量測定装置によって、スループットの点で
大幅な改善がなされたことになる。
【００９４】Ｄ． 追従制御方式 次に、追従制御の考え方を用いた浮上量逆算のための高
速リアルタイム信号処理アルゴリズムについて、その原
理、最適解への引き込み、及びシミュレーション結果を
述べる。
【００９５】［原理］図２６に簡略化された追従制御系
のブロック図を示す。まず、記号を次のように定義す
る。
【００９６】x(t) --- 磁気ヘッド浮上量 yi(t) --- 波長λiについての反射光強度(光検出器の
理論上の出力)（ i = 1,2, .. n, n ≧ 2) fi(x) --- x(t)をyi(t)に変換するなめらかな非線型関
数 ni(t) --- yi(t)に重畳されるガウシアン・ノイズ ria(t) --- 光検出器の出力信号 = yi(t)+ni(t) rib(t) --- ノイズを除去した出力信号 x*(t) --- x(t)の推定信号 y* i(t) --- yi(t)の推定信号 ei(t) --- rib(t)とy* i(t)の差(誤差信号） J(t) --- 誤差の２乗和
【００９７】これらの定義と図２６の接続関係より以下
の各式が成立する。
【数１３】
【００９８】図２６において、 ７２１ないし７２ｎは
ノイズ・フィルタである。浮上量測定装置の光検出器７
１０の出力にはガウシアン・ノイズが重畳されているの
で、これらフィルタによってそれを取り除く。図では、
ノイズ・フィルタ７２１ないし７２ｎは、信号処理装置
７１１内部に位置しているが、外部に位置してもよい。
上記例３または例４に示したカラー・カメラを用いる測
定装置では、近接する画素の出力を平均することで、ノ
イズが軽減されている。
【００９９】波長がλiのノイズを除去した測定信号
は、比較器７３ｉに入力され、そこでyi(t)の推定信号
との誤差が計算される。波長ごとに求まった誤差は誤差
合成装置７４に供給され、そこで後述する関数gにした
がって合成される。誤差合成装置７４の出力は浮上量推
定装置７５に送られ、そこで未知の浮上量x(t)が推定さ
れる。浮上量推定装置７５の詳細は、後で図２７を参照
して説明する。
【０１００】浮上量推定値x*(t)は、反射光強度推定装
置７６１ないし７６ｎにそれぞれ供給される。反射光強
度推定装置７６ｉは、fi{x*(t)}を出力する。関数fi(x)
とその１次微分fi^(x)は、波長λiごとに適当な理論式
を実測データにフィットさせることにより、解析的に与
える。
【０１０１】ノイズ・フィルタ７２１ないし７２ｎ、比
較器７３１ないし７３ｎ、誤差合成装置７４、浮上量推
定装置７５、ならびに反射光強度推定装置７６１ないし
７６ｎは、ハードウェアとソフトウェアのいずれで具現
してもよい。
【０１０２】x*(t)に適当な初期値を与え、誤差の２乗
和J(t)が最小となるように追従制御ループを構成できれ
ば、観測量ri(t)から、未知信号x(t)の最良推定値x*(t)
を求めることが可能となる。 しかしながら、この制御ル
ープは、ループの中に非線型関数fi(x*)を含む多入力非
線型追従制御ループであり、既存の制御理論の適用は困
難である。このような追従制御を実現するため次のよう
な時変線型制御関数gを導入する。
【数１４】
【０１０３】式(26)のg(e1,e2,..,en)の意味について考
える。式(25)をx*で微分すれば
【数１５】
【０１０４】となる。式(28)の括弧内は、式(26)の分子
に等しい。Jが最小値を取る時は、dJはゼロとならなけ
ればならない。したがって、追従制御の基本方針として
は、式(28)の右辺を合成誤差信号としてフイードバック
ループを組むことが考えられる。ただし、ループ内には
非線型関数を含み、かつ各wiはx*の関数なので、x*や合
成誤差信号(式(28))などの小信号ゲイン ゲイン= 2・(w1 2+w2 2+ .... +wn 2) ----- (29) もx*の関数となり、定ゲインを前提とする既存の制御理
論は適用できない。ゲインを一定とするためには、式(2
8)をゲイン(29)で割ればよい。式(26)のg(e1,e2,..,en)
は、式(28)を上記ゲインで除したものと符号を除いて一
致する。符号を反転してあるのはネガティブ・フィード
バックにするためであり、また、式(28)の値が正のと
き、x*を減少させる必要があるからと考えてもよい。
【０１０５】式(26) の形はまた、各eiに含まれているx
*修正要求信号Δx* i( = ei/wi)をウエイトwi 2で加重平
均したものと考えることもできる。このとき、ウエイト
wi 2は、ノイズ（あるいは測定誤差）が各測定信号ri(t)
に同一S/Nで含まれているとき、合成誤差信号としてのg
(e1,e2,..,en)の出力の S/N が最大となるように選ばれ
ている。
【０１０６】実際には、あるxの変動に対して波長λiが
大きいほどその変動はゆるやかになり、より強力なノイ
ズ・フィルタリングが可能になるので、測定信号ri(t)
のS/Nは、λi 2に比例することを示せる。その場合、最
適なウエイトはwi 2ではなく、λi 2・wi 2となる。つま
り、時変線型制御関数gは、次のようになる。
【数１６】
【０１０７】これはまた、誤差の２乗和Jの定義におい
て、各波長に対応する２乗誤差にウエイトλi 2を乗じる
ことに対応している。
【０１０８】以上のような誤差合成により、非線型関数
を含むループが線形化された。したがって、浮上量推定
装置７５は、既存の線形制御理論を用いて構築すること
ができる。図２７は、サンプル値制御を行う浮上量推定
装置７５の一例を示す。時刻tn-2、tn-1、tnにおける浮
上量推定値をx* n-2、x* n-1、x* nとし、時刻tnにおける
関数gの値をgnとする。推定値x* n-2、x* n-1は、それぞ
れレジスタ７６、７７に記憶される。７８、７９、８０
は乗算器であり、それぞれ入力にkg、k1、k2を掛け合わ
せた値を出力する。ここで、kg = 1 - α、k1 = 1 +
α、k2 = -αである。αは０以上１以下の数で、浮上量
の変動を考慮して決定する。浮上量測定装置７５の実行
するアルゴリズムをＦＯＲＴＲＡＮ形式で表せば、次の
ようになる。
【数１７】
【０１０９】図２６の追従制御系で実際の浮上量xに追
従しているとき、推定値x*は最小２乗誤差の意味で、x
を近似している。
【０１１０】［大域的最適解への引き込みの手法］上記
追従制御の指導原理は、評価関数としての誤差の２乗和
を最小にするというものであったが、用いた手法はその
微分をゼロとするものであるため、x*(t)に与える初期
値によっては真の最小解ではなくx(t)とはかけ離れた局
所的な極小解にトラップされたまま追従してしまうこと
がある。これを避けて大域的最適解へ引き込むために次
のようなアルゴリズムを用いる。
【０１１１】１）x*(t)の取りうる値の範囲を定める。
いま、それを［0,SPAN］とする。 ２）ある初期値、x*(t) = SPAN・K (0<K<1)を与える。 ３）その初期値より出発してある一定時間追従制御を実
行する。 ４）誤差の２乗和 J がある与えられた値 Jlimit より
小さければ引き込み完了とする。（J = Σei 2の計算
は、図２６に示されていない回路によって行われる。） ５）J ≧ Jlimit の場合、x*(t)をジャンプさせる。即
ち、他の適当な K を与えてステップ 2) から繰り返
す。
【０１１２】このアルゴリズムにおいて、Kは通常の測
定域に近い所より出発し、一定の繰り返し回数のうち
に、[0,SPAN] の範囲を満遍なく覆うのがよい。シミュ
レーションでは以下のように変化させて、種々のxの値
に対して良い結果を得た。
【０１１３】K = 0.5, 0.25, 0.75, 0.125, 0.875, 0.3
75, 0.625,0.01, 0.99
【０１１４】また、Jlimitの値は、波長の数、波長の組
み合わせ、xの取りうる範囲、測定時に混入するノイズ
の大きさなどが与えられれば、計算により設定すること
かできる。上の例ではKとして大きな値と小さな値を交
互に与えているが、Kの与え方はこれに限られるわけで
はない。
【０１１５】［アルゴリズムの実現とシミュレーショ
ン］以上に説明した追従制御アルゴリズムは、連続時間
系、サンプル値系のいずれによっても実現できるが、通
常はマイクロプロセッサ等によるサンプル値制御が実現
しやすい。サンプル値制御の例は、既に図２７に示し
た。
【０１１６】波長数は原理的には２波長あれば追従可能
であるが、波長数が増すにつれ、最適解への引き込み可
能なxの範囲、許容できるノイズ（あるいは測定誤差）
の大きさが増す。それらはまた、波長の組み合わせ、信
号x(t)とノイズn(t)のパワースペクトル密度などとも密
接な関係があり、マッチトフィルターを用いることによ
り設計最適化が可能となる。現実の測定では、ゲイン補
正及びオフセット補正が必要となる場合が多いが、その
アルゴリズムは既に述べた。
【０１１７】次にシミュレーション例を説明する。ここ
では、２波長、３波長、４波長を含む多色レーザー光の
それぞれについて、ディスク・ヘッド間隙に対する入射
角を０ラジアンとした場合のサンプル値追従制御の挙動
を調べてみた。ノイズはホワイトノイズ、ノイズ・フィ
ルターは１ポール・ロー・パス・フィルタを用いた。シ
ミュレーション・ツールには、ＩＢＭ社によって市販さ
れている汎用動解析プログラムＤＳＬ(Dynamic Simulat
ion Language)を用いた。
【０１１８】２波長、３波長、４波長のシミュレーショ
ン結果をそれぞれ図２８から図３０に示す。出力関数fi
(x)は、式(12)を理論式として、これを実測データにフ
ィットさせることによって定めた。ただし、ゲイン補正
及びオフセット補正は行っていない。これらの図中の、
曲線a、b、cは、それぞれヘッド浮上量x(t)、推定浮上
量x*(t)、誤差J(t)を表す。いずれの場合も、推定浮上
量x*(t)は、追従制御を開始してから１秒で実際の浮上
量x(t)に一致し、かつそれ以後、浮上量x(t)の時間的な
変動に追随している。４波長の場合には、Ｓ／Ｎ比は６
ｄＢと低く、高い測定精度が得られている。
【０１１９】以上説明した追従制御型信号処理により、
廉価で精度がよく動解析の可能なヘッド浮上量測定装置
を実現できる。このアルゴリズムは、浮上量の動的変化
を精度よく追跡・測定するのに優れているが、多数の点
での浮上量を短時間で計測することが求められるヘッド
検査工程において使用することも可能である。インテル
社の８０３８６ＳＸ（２０ＭＨｚ）をＣＰＵとするパー
ソナル・コンピュータを使い、一測定点当りのループを
回す回数を最大２０回とした場合、１点当りの、収束す
るのに要する時間は、約２秒以下となる。そして、磁気
ヘッドの良否を、１個当り１５箇所で浮上量を測定し、
ヘッドの傾き等を計算して判断する場合、ヘッドをロー
ドしてからアンロードするまでの時間は合計約３３秒程
度になる。
【０１２０】また、この追従制御アルゴリズムは、異な
った波長の組み合わせのみならず、位相の異なる同一波
長の入力信号の組み合わせでも動作する。したがって、
例えば精密位置決め装置の２相式ロータリー・エンコー
ダーの信号処理に適用すれば、分解能および精度を向上
させることができる。
【０１２１】ＩＩＩ． 応用例 以上、測定装置の全体構成及び浮上量推定アルゴリズム
の例を示したが、本発明はこれらに限定されるわけでは
ない。例えば、ヘッドを透明体とし、光を空気間隙に対
してヘッド側から入射し、１以上の測定点で浮上量の動
的変動を追跡することによってディスク表面を検査する
装置に本発明を応用することができる。
【０１２２】
【発明の効果】本発明によれば、ヘッド浮上量を短時間
で精度よく測定することが可能である。さらに、本発明
のヘッド浮上量測定装置の構成は簡単で、従来機より安
価に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】石英ガラス・ディスクと磁気ヘッドの間隙での
光の多重反射を説明する図である。
【図２】反射光強度の波長依存性を示すグラフである。
【図３】反射光強度の波長依存性を示すグラフである。
【図４】反射光強度の波長依存性を示すグラフである。
【図５】反射光強度の波長依存性を示すグラフである。
【図６】二色の光を用い、測定値と出力関数との比較に
最小２乗法用いた場合の誤差マージンを示すグラフであ
る。
【図７】本発明の測定装置の全体構成の第１の例を示す
図である。
【図８】図７の装置で用いる光学フィルターの分光特性
を示すグラフである。
【図９】図７の光学フィルター透過後の反射光強度の波
長依存性を示すグラフである。
【図１０】半値幅の狭い光学フィルターの分光特性を示
すグラフである。
【図１１】本発明の測定装置の全体構成の第２の例を示
す図である。
【図１２】図１１の測定装置の光検出器の出力関数を示
すグラフである。
【図１３】図１１の測定装置での誤差マージンを示す図
である。
【図１４】磁気ヘッドのスライダ面上でのレーザー・ビ
ーム・スポットのスキャンの一例を示す図である。
【図１５】レーザー・ビーム・スポットのスキャンに伴
う反射光強度の変化を示すグラフである。
【図１６】図１１の測定装置に用いうる低圧水銀灯の一
例を示す概念図である。
【図１７】図１１の測定装置に用いうる超高圧水銀灯の
一例を示す概念図である。
【図１８】本発明の測定装置の全体構成の第３の例を示
す図である。
【図１９】図１８の測定装置のカラー・カメラの分光感
度特性を示すグラフである。
【図２０】狭帯域の干渉フィルターを使用したカラー・
カメラの分光感度特性を示すグラフである。
【図２１】図１８の測定装置によるＲＧＢデータの取得
の様子を示す図である。
【図２２】本発明の測定装置の全体構成の第４の例を示
す図である。
【図２３】図２２の測定装置の回転式三波長フィルタを
示す図である。
【図２４】標準ギャップ素子を示す図である。
【図２５】テーブルルックアップ方式による磁気ヘッド
浮上量の測定結果を示すグラフである。
【図２６】浮上量推定のための追従制御系のブロック図
である。
【図２７】図２６の浮上量推定装置の構造の一例を示す
ブロック図である。
【図２８】追従制御方式による浮上量測定のシミュレー
ションの結果を示すグラフである。
【図２９】追従制御方式による浮上量測定のシミュレー
ションの結果を示すグラフである。
【図３０】追従制御方式による浮上量測定のシミュレー
ションの結果を示すグラフである。
【図３１】本発明の測定装置の全体構成の第５の例を示
す図である。
【図３２】反射レーザー光の強度のギャップ長依存性を
示す図である。
【図３３】半導体レーザーの駆動パルスの波形図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 五十木 幸一 神奈川県藤沢市桐原町１番地 日本アイ・ ビー・エム株式会社 藤沢事業所内 (72)発明者 野田 紘 東京都千代田区三番町５−19 日本アイ・ ビー・エム株式会社 東京基礎研究所内 (56)参考文献 特開 平３−194411（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−178304（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−172503（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−122281（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−131710（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−60203（ＪＰ，Ａ)

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ディスクを回転させたときに該ディスクの
    表面に生じる気体流を利用して浮上するヘッドの浮上量
    を、ディスクまたはヘッドの一方を透明体とし、他方を
    不透明体として測定する装置であって、 ディスクを回転させる駆動手段と、 ヘッドを上記ディスクの表面の近傍に位置させる手段
    と、 白色光源と、 上記白色光源からの白色光を、該白色光が上記ディスク
    と上記ヘッドとで多重に反射されるように、上記ディス
    クと上記ヘッドの間隙に導く第一の光学系と、 複数の光検出手段と、 上記ディスクまたはヘッドのうちの不透明体からの反射
    光を、少なくとも三つの波長領域に分光し、波長領域ご
    とに異なる光検出手段に導く第二の光学系と、 予め上記波長領域ごとに求めたディスク・ヘッド間隙長
    と上記光検出手段により検出される反射光強度の関数に
    基づき、最小２乗法を用いて、浮上量の現在の推定値か
    ら上記光検出手段の推定出力を計算するとともに、現実
    の出力と推定出力の誤差を合成し、合成誤差に基づいて
    浮上量の推定値を更新する浮上量推定手段とを有するこ
    とを特徴とするヘッド浮上量測定装置。
  2. 【請求項２】ディスクを回転させたときに該ディスクの
    表面に生じる気体流を利用して浮上するヘッドの浮上量
    を、ディスクまたはヘッドの一方を透明体とし、他方を
    不透明体として測定する装置であって、 ディスクを回転させる駆動手段と、 ヘッドを上記ディスクの表面の近傍に位置させる手段
    と、 白色光源と、 上記白色光源からの白色光を、該白色光が上記ディスク
    と上記ヘッドとで多重に反射されように、上記ディスク
    と上記ヘッドの間隙に導く第一の光学系と、 光検出手段と、 上記ディスクまたはヘッドのうちの不透明体からの反射
    光を上記光検出手段に導く第二の光学系とを具備し、 上記第一または第二の光学系には、上記白色光に含まれ
    る少なくとも三つの波長領域の光を、一時に一領域ず
    つ、時分割式に透過させる光学素子が含まれており、 上記装置は、さらに、予め上記波長領域ごとに求めたデ
    ィスク・ヘッド間隙長と上記光検出手段により検出され
    る反射光強度の関数に基づき、最小２乗法を用いて、浮
    上量の現在の推定値から上記光検出手段の推定出力を計
    算するとともに、現実の出力と推定出力の誤差を合成
    し、合成誤差に基づいて浮上量の推定値を更新する浮上
    量推定手段を有することを特徴とするヘッド浮上量測定
    装置。
  3. 【請求項３】ディスクを回転させたときに該ディスクの
    表面に生じる気体流を利用して浮上するヘッドの浮上量
    を、ディスクまたはヘッドの一方を透明体とし、他方を
    不透明体として測定する装置であって、 ディスクを回転させる駆動手段と、 ヘッドを上記ディスクの表面の近傍に位置させる手段
    と、 それぞれが単色光である光を少なくとも三色同時に発生
    する光源と、 上記光源からの光を、該光が上記ディスクと上記ヘッド
    とで多重に反射されように、上記ディスクと上記ヘッド
    の間隙に導く第一の光学系と、 複数の光検出手段と、 上記ディスクまたはヘッドのうちの不透明体からの反射
    光を、上記の少なくとも三色に分光し、色ごとに異なる
    光検出手段に導く第二の光学系と、 予め上記色ごとに求めたディスク・ヘッド間隙長と上記
    光検出手段により検出される反射光強度の関数に基づ
    き、最小２乗法を用いて、浮上量の現在の推定値から上
    記光検出手段の推定出力を計算するとともに、現実の出
    力と推定出力の誤差を合成し、合成誤差に基づいて浮上
    量の推定値を更新する浮上量推定手段とを有することを
    特徴とするヘッド浮上量測定装置。
  4. 【請求項４】ディスクを回転させたときに該ディスクの
    表面に生じる気体流を利用して浮上するヘッドの浮上量
    を、ディスクまたはヘッドの一方を透明体とし、他方を
    不透明体として測定する装置であって、 ディスクを回転させる駆動手段と、 ヘッドを上記ディスクの表面の近傍に位置させる手段
    と、 それぞれが単色光である光を少なくとも三色同時に発生
    する光源と、 上記光源からの光を、該光が上記ディスクと上記ヘッド
    とで多重に反射されように、上記ディスクと上記ヘッド
    の間隙に導く第一の光学系と、 光検出手段と、 上記ディスクまたはヘッドのうちの不透明体からの反射
    光を上記光検出手段に導く第二の光学系とを具備し、 上記第一または第二の光学系には、上記光源からの光
    を、一時に一色ずつ、時分割式に透過させる素子が含ま
    れており、 上記装置は、さらに、予め上記色ごとに求めたディスク
    ・ヘッド間隙長と上記光検出手段により検出される反射
    光強度の関数に基づき、最小２乗法を用いて、浮上量の
    現在の推定値から上記光検出手段の推定出力を計算する
    とともに、現実の出力と推定出力の誤差を合成し、合成
    誤差に基づいて浮上量の推定値を更新する浮上量推定手
    段とを有することを特徴とするヘッド浮上量測定装置。
  5. 【請求項５】上記浮上量推定手段は、計算をリアルタイ
    ムで行うことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記
    載の装置。
  6. 【請求項６】上記浮上量推定手段の出力する合成誤差
    は、wi・ei（i = 1,2, .. n, n ≧ 3）の線型結合であ
    ることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の装
    置。ここに、 wi = dfi(x*) / dx* であり、 fi(x)は予め求めた浮上量xと光検出手段の出力yiの関数
    であり、 x*は推定浮上量であり、 eiは光検出手段の現実の出力と推定出力fi(x*)の誤差で
    ある。
  7. 【請求項７】誤差eiの２乗和を計算する手段と、所定時
    間経過後の誤差の２乗和を所定値と比較する手段とをさ
    らに具備し、比較結果に基づいて、現在の推定値をジャ
    ンプさせることを特徴とする請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】上記光検出手段は、ＣＣＤアレイであり、
    測定点に対応する複数の画素の出力の平均に基づいて、
    当該測定点での浮上量を推定することを特徴とする請求
    項１乃至４の何れかに記載の装置。
  9. 【請求項９】モニター装置をさらに具備し、上記ＣＣＤ
    アレイの出力が該モニター装置に供給されることを特徴
    とする請求項１乃至４の何れかに記載の装置。
  10. 【請求項１０】上記浮上量推定手段は、上記光検出手段
    からの出力に対して、ゲイン補正及びオフセット補正を
    行うことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の
    装置。
  11. 【請求項１１】上記ゲイン補正及びオフセット補正は、
    予め記録した光検出手段の光源オフ時の出力及び光源オ
    ンでヘッドがロードされていない時の出力に基づいて行
    うことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
  12. 【請求項１２】上記ディスク・ヘッド間隙長と反射光強
    度の関数は、光学理論から導いた式を、既知の複数のデ
    ィスク・ヘッド間隙長についての光検出手段の出力に対
    して上記浮上量推定手段と同じゲイン補正及びオフセッ
    ト補正を施したものにフィットさせて決定したものであ
    ることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】上記光検出手段に入射する各波長領域の
    光のスペクトルは、その半幅値が４０ｎｍ以上で、かつ
    隣り合うピークの位置が６０ｎｍ以上離れていることを
    特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
  14. 【請求項１４】上記光源は、波長４４１．６ｎｍ、５３
    ７．８ｎｍ、６３６．０ｎｍの光を同時に発振するホロ
    ー陰極ヘリウム・カドミウム・レーザであることを特徴
    とする請求項３又は４の何れかに記載の装置。
  15. 【請求項１５】上記光源は、管の内部に３価のテルビウ
    ムを賦活した希土類蛍光体及び３価のユウロピウムを賦
    活した希土類蛍光体を塗布した低圧水銀灯であり、上記
    ２種類の蛍光体の発光及び水銀の２５４ｎｍの発光線を
    出力することを特徴とする請求項３又は４の何れかに記
    載の装置。
  16. 【請求項１６】上記光源は、管の内部に３価のテルビウ
    ムを賦活した希土類蛍光体及び３価のユウロピウムを賦
    活した希土類蛍光体を塗布した高圧または超高圧水銀灯
    であり、上記２種類の蛍光体の発光及び水銀の３６５ｎ
    ｍの発光線を出力することを特徴とする請求項３又は４
    の何れかに記載の装置。
  17. 【請求項１７】上記光源は、さらに水銀の５５０ｎｍの
    発光線を出力することを特徴とする請求項１６に記載の
    装置。
  18. 【請求項１８】物理量xを物理量yiに変換する非線型関
    数fiが予め解析的に与えられているときに（i = 1,2,
    .. n, n ≧ 2）、最小２乗法を用いて物理量yiの測定
    値riから物理量xを推定する装置であって、 現在のxの推定値x*からyiの推定値fi(x*)を計算する手
    段と、 riとfi(x*)の誤差eiを計算する手段と、 wi・eiの線型結合として与えられる合成誤差を計算する
    手段と、（ここに、wi= dfi(x*) / dx*）上記合成誤差
    に基づいてxの推定値x*を更新する線型制御手段を具備
    する、物理量推定装置。
  19. 【請求項１９】誤差eiの２乗和を計算する手段と、所定
    時間経過後の誤差の２乗和を所定値と比較する手段をさ
    らに具備し、比較結果に基づいて、現在の推定値x*をジ
    ャンプさせることを特徴とする請求項１８記載の装置。
  20. 【請求項２０】物理量xを物理量yiに変換する非線型関
    数fiが予め解析的に与えられているときに（i = 1,2,
    .. n, n ≧ 2）、最小２乗法を用いて物理量yiの測定
    値riから物理量xを機械により推定する方法であって、 現在のxの推定値x*からyiの推定値fi(x*)を計算し、 riとfi(x*)の誤差eiを計算し、 wi・eiの線型結合として与えられる合成誤差を計算し、
    （ここに、wi = dfi(x*) / dx*）上記合成誤差に基づい
    てxの推定値x*を更新する線型制御を実行するステップ
    を含む、物理量推定方法。
  21. 【請求項２１】ディスクを回転させたときに該ディスク
    の表面に生じる気体流を利用して浮上するヘッドの浮上
    量を、ディスクまたはヘッドの一方を透明体とし、他方
    を不透明体として測定する装置であって、 ディスクを回転させる駆動手段と、 ヘッドを上記ディスクの表面の近傍に位置させる手段
    と、 少なくとも３個のお互いに出力波形の異なる半導体レー
    ザーと、 上記少なくとも３個の半導体レーザーの出力を、１つの
    ビームに合成し、該ビームが上記ディスクと上記ヘッド
    とで多重に反射されるように、上記ディスクと上記ヘッ
    ドの間隙に導く第一の光学系と、 複数の光検出手段と、 上記ディスクまたはヘッドのうちの不透明体からの反射
    光を、少なくとも三つの波長領域に分光し、波長領域ご
    とに異なる光検出手段に導く第二の光学系と、 予め上記波長領域ごとに求めたディスク・ヘッド間隙長
    と上記光検出手段により検出される反射光強度の関数に
    基づき、最小２乗法を用いて、浮上量の現在の推定値か
    ら上記光検出手段の推定出力を計算するとともに、現実
    の出力と推定出力の誤差を合成し、合成誤差に基づいて
    浮上量の推定値を更新する浮上量推定手段とを有するこ
    とを特徴とするヘッド浮上量測定装置。
  22. 【請求項２２】上記少なくとも３個の半導体レーザーの
    出力波形が６００nmから９００nmであることを特徴とす
    る請求項２２のヘッド浮上量測定装置。
  23. 【請求項２３】ディスクを回転させたときに該ディスク
    の表面に生じる気体流を利用して浮上するヘッドの浮上
    量を、ディスクまたはヘッドの一方を透明体とし、他方
    を不透明体として測定する装置であって、 ディスクを回転させる駆動手段と、 ヘッドを上記ディスクの表面の近傍に位置させる手段
    と、 少なくとも３個のお互いに出力波形の異なる半導体レー
    ザーと、 上記少なくとも３個の半導体レーザーを、時系列的に互
    いに重ならないパルスで駆動する手段と、 上記少なくとも３個の半導体レーザーの出力を１つのビ
    ームに合成し、該ビームが上記ディスクと上記ヘッドと
    で多重に反射されるように、上記ディスクと上記ヘッド
    の間隙に導く第一の光学系と、 光検出手段と、 上記ディスクまたはヘッドのうちの不透明体からの反射
    光を、上記光検出手段に導く第二の光学系と、 予め上記波長領域ごとに求めたディスク・ヘッド間隙長
    と上記光検出手段により検出される反射光強度の関数に
    基づき、最小２乗法を用いて、浮上量の現在の推定値か
    ら上記光検出手段の推定出力を計算するとともに、現実
    の出力と推定出力の誤差を合成し、合成誤差に基づいて
    浮上量の推定値を更新する浮上量推定手段とを有するこ
    とを特徴とするヘッド浮上量測定装置。
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