JPS63128211A - スペ−シング測定方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は２物体間のスペーシング測定方法に係り、特に
磁気ディスク装置におけるヘッドとディスクの間の極状
スペーシングを高精度に測定する方法に関する。

〔従来の技術〕

２物体間のスペーシング測定は産業上の各方面で必要と
なるが、特にサブミクロンの狭スペーシングを正確に測
定する技術は、磁気ディスク装置の開発において重要と
されている。

磁気ディスク装置に関連する従来のスペーシング測定装
置は、基本的には磁気ヘッドの浮上面とそれに対向する
ガラスディスク面のそれぞれから反射する光を干渉させ
、光の波長を変化させたり、磁気ヘッド浮上面とディス
ク面との相対的な傾きにより生ずる干渉縞の明暗のピー
クを光電素子等で検出することにより測定し、光の波長
と光路差の関係からスペーシングを求めていた。またそ
の後、トランザクション　オブ　ニー　ニス　エムイー
、ジャーナル　オブ　ラブリケーションテクノロジー　
１０４巻　１９８２年１月　第６０頁から６５頁、およ
び日本機械学会第９２６回講演会講演論文集　第８４．
０−８番　１９８４年８月　第４８頁から５０頁におい
て論じられているように、干渉縞の明暗のピークだけで
なく、明暗の度合い即ち干渉光強度を利用して、測定範
囲及び分解能を向上させる方法が提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術のうち、干渉縞の明暗のピークを測定する
方法では、ピークがλ／４毎にしか生じないため、Ｏ，
１５μｍ以下のスペーシングの測定が困難であった。ま
た干渉光強度を測定する方法では、光強度とスペーシン
グの関係を較正する必要があることと、０．１　μｍ以
下では干渉光強度が暗のピークに近づき、スペーシング
に対する光強度変化の割合が小さくなるため精度が悪く
なるという問題があった。いずれにしても、０．１５μ
ｍ以下の極状スペーシングの測定は困難なものとなって
いる。本発明の目的は、極状スペーシングを動的変動も
含めて従来より高精度に、とりわけ、０．１５　μｍ以
下Ｏμｍまでの領域を従来よりはるかに精度よく測定す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は２周波の直交偏光レーザ光を用いブリュース
タ角による光の反射対象の区別を行ない、スペーシング
による光路差を、光強度のビーム波の位相差として検出
することにより達成される。

まずヘッドあるいはディスクのいずれか一方を透量体と
する。この透明体側から、偏光状態が互いに直交し光周
波数差が一定に保たれた一対のレーザ光を入射する。こ
の光は次式で表わせる。

・・・（１） Ｃは光速、ｕｐ　、ｕｓはディスク面に対するＰ偏光、
Ｓ偏光の振幅を表わし、ΩＰ、Ω８はそれぞれＰ偏光、
Ｓ偏光の光周波数を表わす。このような光は１つのレー
ザからの光をビームスプリッタで分離し、片方の光を音
響光学素子のような周波数シフタに通し、再びもう一方
の光と光軸を一致させることにより得られる。しかしこ
の方法では２つに分離した２光束の間にはその光路に応
じた位相差が生ずる。従って途中のミラーなどの振動が
２光束の間の位相差を変化させ、測定誤差となる。式（
１）で示すような光を得る別法は、安定化横ゼーマンレ
ーザを利用する方法である。このレーザ光については「
光学」第１３巻第５号１９８４年１０月、ｐ４２１から
ｐ４２８において論じられている。このレーザを用いれ
ば周波数差が１００ＫＨｚからＩ　ＨＭ　Ｚ程度までの
、互いに直交する直線偏光が容易に得られ、２つの偏光
光の間の位相差が外乱によって変化しにくく、測定精度
が向上する。

第１図に基本的な光学系を示す式（１）の光をビームス
プリッタ４で分岐させ、偏光子５を用いて２成分を干渉
させて、この光強度を光電変換素子６でｗｔ測するとう
なりを生じている。このうなり周波数は光周波数差ΩＳ
−ΩＰに等しい。この光強度は次式で表わせる。

１Ｕ１２＝　ｕｐ２＋ｕｓ”＋　２１１ＦＬＩｓ　００
８（ωｔ−−ｚ）・・・（２） ただし、ω＝Ω８−Ω。

次に式（１）で表わされる光を、たとえばガラスディス
ク上に浮上させているヘッド浮上面に入射する。この時
入射角をガラスディスクに対してブリュースタ角Ｏｂと
なるようにすると、Ｐ偏光のガラス面における反射率が
０となり、スライダ面のみで反射する。一方Ｓ偏先はガ
ラス面およびスライダ面の双方で反射する。この反射光
は次式％式％ α３′　はヘッドに対向するガラスディスク面で反射し
たＳ偏光の反射率、αＳ”　はヘッド浮上面で反射した
Ｓ偏光の反射率、αげ　はヘッド浮上面で反射したＰ偏
光の反射率、ΔＺはスペーシングによる光路差、Δ８．
八Ｐはヘッド浮上面でのＳ偏光およびＰ偏光の反射に際
しての位相の遅れ量である。Δ８．Δ、は透明体の場合
は０であるが、導電性材料などの吸収体ではＯでないあ
る一定値となる。式（３）で表わされる光を偏光子５を
用いて３成分を干渉させ、光強度を光電変倹素子７で観
測すると次式で表わされるようなうなりを生じている。

ｌ　Ｖ　ｌ　””　（ａｓ’　ｕｓ）　”＋　（αｓ’
　ｕｓ）　２＋　（ｃｔｐ”ｕｐ）２　　　　Ｃ Ｃ ΩＰ ＋２ａｓ’　ａｓ’　ｕｓ２ｃｏｓ　（−ΔＺ＋ΔＰ）
　　　　　　・（４）式（４）の第１項〜第３項は直流
成分であるのでバイパスフィルタで取り除く。第６項は
ΔＺが一定であれば一促値となる。Δ２が時間変化すれ
ばその変化の周波数に応じて変化する。しかし磁気ヘッ
トの場合ΔＺの変化の周波数は高々２０Ｋ　Ｈｚである
から第２項、第３項の周波数に対して小さいため、長周
期の波である。従ってバイパスフィルタで除去できる。

次に入射光を観測する位置をＺ＝Ｚｔ、反射光を観測す
る位置をＺ＝Ｚ２とすると、式（２）と式（４）のωＺ
／Ｃに起因する位相差δ工はδ工＝二（Ｚ２−Ｚ２）　
　　　　　　　　・・・（５）である。典型的な例とし
て ｃ、＋＝２πＸ４００ｒａｄ／５ Ｃ＝３Ｘ１０’ｍ／ｓ、Ｚ２−Ｚｉ＝　　１ｍとすると δ１＝　８　、３８　Ｘ　１．０−８ｒａｄとなり、こ
れは１周期の１．３３　Ｘ　１０”−８倍、即ち１／７
５０波長の差である。従ってこの差は無視する。式（４
）の第５項にあるωΔＺ／Ｃは、ΔＺを１μｍとしても
１／７．５　Ｘ　１０δ波長であり、これも無視できる
。以上まとめると式（２）と式（４）は次のように簡化
して表わされる。

ＩＵ１２〜Ａ　ｃｏｓωｔ　　　　　　　　　・・・（
６）１■１２〜Ｂｚｃｏｓ（ωｔ＋δ＋ΔＦ）＋　Ｂ２
　ｃｏｓ　（ωｔ＋Δ、十ΔＳ）　　−（７）ただし ΩＰ δ＝□ΔＺ ４　％　ｎａ　　ｃｏｓ’Ｐａ ＝　　　　　　　　　　　　ｄ　　　　　　　　　・・
・（８）λＰ である。ここでｎａは空気の屈折率、（Ｐａは空気中の
光路と、ディスク面の垂直とのなす角、λＰは真空中の
Ｐ偏光の波長、ｄはスペーシングである。ヘッド浮上面
からの反射光は、再びガラスディスク面にブリュースタ
角で入射するため、δとしては１回反射の光路差のみを
考えればよい。

式（７）は変形すると Ｉ　Ｖ　ｌ　”〜Ｂ８ｃｏｓ　（ωｔ＋β）　　　　　
−（９）ただし αＳ′ となる。従って２つの光電変換素子の出力波形式（６）
と式（９）の位相差を検出することにより０から２πの
範囲でβが得られ、Δ２．ΔＳ、αＳ″′／αＳ′　を
あらかじめ求めておけば、式（１０）を計算機を使って
解くことによりＯから２πの範囲でδ十へ、が求まり、
δ即ちスペーシングｄが決定される。

ヘッド浮上面のΔ８．Δ、の値はエリプリメータにより
求めることができる。またαＩＩ　／α８′は第２図の
ようにすれば容易に求まる。即ち偏光子５によってレー
ザ光のＳ偏光のみをとり出し、前記と同様ブリュースタ
角で入射するが、ヘッド浮上面を平行を保ったままディ
スク面からある程度離し、ディスク面からの反射光線Ｓ
′とヘッド浮上面からの反射光線Ｓ“を別々に光電変換
素子６で検出できるようにする。同一の光電変換素子６
を用いて、まず入射光強度を測定し、これと次に測定す
る光線ｓ’　、ｓ“の強度の比からエネルギ反射率αｓ
２′、αｓｚ“を求め、その比の平方根をとることによ
りαＳ″／αＳ′が得られる。実施例で示すように、あ
る光学系ではαＮ　　をＯとすることができるが、この
時は式（６）のβをそのままδ十へ、とすることができ
る。

スペーシングｄが動的に変化する場合について考察する
ため ｄ　＝　ｄ　ｏ＋　ｄ　ｔ　ｓｉｎ　ωｖｔ　　　　　
　　−（１１）とおくと δ＝δ０＋δ１ｓｉｎ　ωｖｔ　　　　　　　　・・・
（１２）ただし７ ４πｎａｃｏｓ（Ｐａ δｏ”　　　　　　　　　　ｄ。

λ ４　πｎａ　ｃｏｓ’／’ａ δ１＝　　　　　　　　　　ｄｚ λ となるから、式（７）の第１項は １’３１ＣＯ８（＋１１し＋　δ１　ｓｉｎ　ωｖｔ＋
δ０＋ΔＩ＋）・・・（１３） となる。即ちスペーシングの動的変化は、時々開側の位
相の変化埜に表われる。従って時間を追って、２つの波
形の位相差を検出していけば、動的変化も求めることが
できる。式（１３）において６１　ｓｉｎωｖｔを周波
数変化として見るには、第１次近似として と表わせる。この微分を実行すれば式（１４）は％式％
（１５） 即ち１式（１３）は Ｂ　１ｃｏｓ（（（１）＋δｓωｖｃｏｓ　ωｖｔ　ｌ
　ｔ＝ｔｔ−ｔ２）　ｊ＋δ０＋Δｐ）　　　・−（１
６）となる。この周波数変化はヘッドの速度ｄを式（１
１）から求め、これを使って光周波数のドツプラーシフ
ト量を求めた式と一致する。このことからも明らかなよ
うに、式（４）の表示はヘッドの動きによる光のドツプ
ラー効果も含まれた定式％式％ 式（８）で示されるようにスペーシングｄは位相差δに
線形な関係にあり、δは式（１０）で表わされるように
βとほぼ線形な関係にある。βは２つの波の位相差とし
て検出するため、ヘテロダイン干渉法と同様１００分の
１周期程度の分解能は容易に得られる。さらにこのよう
な位相差を８倍に拡大測定する方法もあり５００分の１
周期程度の分解能が期待できる。これはスペーシングに
換算すればおよそ０．００１　　μｍである。またＳ偏
光とＰ偏光の周波数差ωを５００　ｋ　Ｈｚとすれば、
位相差を１波ずつ逐−求めることにより５００ｋ　Ｈｚ
のサンプリングデータが得られる。ひかえめに見積って
この１０分の１の波形が再現できるとしても５００　ｋ
　Ｈｚのダイナミックなスペーシング変化が測定できる
。以上のように、０μｍ付近の極状スペーシング領域も
含めて常に高精度にスペーシングの動的、静的測定が可
能となる。

〔実施例〕

第３図は原理とほぼ同じ光学系で、ヘッド浮上面全体に
レーザ光があたるようにしたものである。

横ゼーマンレーザ１からの光のＳ、Ｐ両偏光成分の直線
性をソレイユ・バビネ補償子９で補正し、Ｓ偏光とＰ偏
光の強度比を偏光子５で調整する。

こうして得られた光をビームエクスパンダ１０で広げ、
ヘッド浮上面全面に照射する。この入射光の一部はビー
ムスプリッタ４で分岐し、約４５゜に偏光面を調整した
偏光子５でＳ偏光とＰ偏光を干渉させ、この干渉光の強
度に現われるビート波を光電変換素子６により測定する
。ここで得られる波形は式（２）で表わされるものであ
る。ヘッド浮上面及びガラスディスク面で反射した光は
、結像レンズ］−１で結像補正し、約４５°に偏光面を
調整した偏光子５でＳ偏光とＰ偏光を干渉させ、その干
渉光強度に現われるビート波を光電変換素子７により測
定する。この時、ヘッド浮上面の測定したいあるポイン
トからの反射光に相当する投映場所に光電変換素子７を
置くようにする。ここで得られる波形は式（４）で表わ
されるものである。以上の２つの波形をアナログ／ディ
ジタル変換し、計算機でデータ処理することにより位相
差を求め、前記の方法でスペーシングを求める。または
位相検出器を使えば実時間測定も可能である。

本実施例によればあらかじめ反射率比α８′／αＳ′　
を求めておくだけで、誤差となる無用な位相変化を最小
におさえた計測が可能である。また、光電変換素子７に
よる検出位置を移動することにより、ヘッド浮上面の任
意のポインＩ−におけるスペーシングを測定することが
できる。さらにこの光電変換素子７をアレイにすると、
同時に多点の計測ができ、ヘッドの３次元的な動きが得
られる。

第４図は偏光ビームスプリング１２を利用してＳ偏光と
Ｐ偏光の光軸をずらすことにより、Ｓ偏光のヘッド浮上
面での反射をなくした実施例である。第１の実施例と同
様にして得られる入射光のＳ偏光成分を、偏光ビームス
プリッタ１２を２個用いて光路を平行にずらす。この２
つの光をブリュースター角で入射すると、Ｐ偏光はスラ
イダ浮上面のみで反射し、Ｓ偏光はヘッド浮上面に対向
する位置から少し離れたディスク面のみで反射する。こ
の反射したＳ偏光を再び２個の偏光ビームスプリッタで
、Ｐ偏光と同じ光路に戻し、偏光子５によってＳ偏光と
Ｐ偏光を干渉させ、この干渉光の強度に現われるビート
波を光電変換素子７により測定する。この反射光はＳ偏
光のヘッド浮上面での反射がないかわりに、Ｓ偏光とＰ
偏光の間でスペーシング以外の光路差Ｚｚをもつ。即ち
反射光は となり、反射光強度は、 ｌ　Ｖ　ｌ　”’　Ｃａｓ’　ｕｓ）　”＋　（αｐ’
　ｕｓ）　”ＣＣＣ ／Ｃの項を省略すると、 Ｉ　Ｖ　ｌ　２〜Ｂｔ　ｃｏｓ　（ωｔ＋δ−δ工＋Δ
ｐ）　　−（１，９）ただし、 である。従ってこの場合、入射光強度のビート波形（６
）式と反射光強度のビート波形（１９）式の位相差が、
そのままＳ偏光とＰ偏光の光路差δ−δ１＋ΔＰとなる
。ただしスペーシングによる光路差δを求めるためには
Δｐのほかにδ工も求めておかなければならない。これ
は、ヘッド取り除き光をブリースタ角以外の角度で入射
してＳ偏光とＰ偏光の両方をガラスディスク下面で反射
させたときに得られる光強度のビート波と入射光のビー
ト波の位相差から求めることができる。この実施例によ
れば、ガラスディスクやスライダの反射率を測定する必
要がなく、２つのビート波形の位相差のみから光路差を
決定できる。ただしＳ偏光とＰ偏光は途中から異なる径
路を通るので、その区間での大気の密度変化や、偏光ビ
ームスプリッタの振動などが誤差要因となる。また、Ｓ
偏光が反射するディスク面とヘッド浮上面と対向するデ
ィスク面とが一定の距離はなれているので、その２面の
平面度が光路差に影響する。従って前もっての光路差測
定は精密に行なっておく必要がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、スペーシングによる光路差を２つの電
気的な波形の位相差として検出することができるので、
従来測定が内積であった０〜０．１μｍの領域も含めて
、常に等しく高精度でスペーシングを求められるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本原理を表わす光学系の図、第２図
は補正すべき反射率比を得る方法を表わす図、第３図、
第４図はそれぞれ実施例の光学系の側面図である。 １・・・２周波直交偏光レーザ（横ゼーマンレーザ）、
２・・・ガラスディスク、３・・・磁気ヘッド、４・・
・ビームスプリッタ、５・・・偏光子、６，７・・・光
電変換素子、８・・・遮光板、９・・・ソレイユ・バビ
ネ補償子、１０・・・ビームエクスパンダ、１１・・・
レンズ、１２・・・偏光ビームスプリッタ。 芥］図 ７８開昭６３−１２８２１１（６） １〜　　・〉１、メ９″ □２．２）ζ′。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、スペーシングを形成している２物体のどちらか一方
   を透明体とし、透明体側から、偏光状態が互いに直交し
   光周波数差が一定に保たれた一対のレーザ光をブリユー
   スタ角で入射し、入射光強度に現われるビート波と反射
   光強度に現われるビート波との位相差からスペーシング
   を求めることを特徴とするスペーシング測定方法。