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発明の名称 ピックアップ装置、及びそれを用いた情報記憶装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平7−105579
公開日 平成7年(1995)4月21日
出願番号 特願平5−250485
出願日 平成5年(1993)10月6日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小鍜治 明 (外2名)
発明者 伊藤 達男 / 上田 路人 / 水口 信一
要約 目的
小型で優れた特性を持つピックアップ装置を提供すること。

構成
ディスク状回転記録媒体1とディスク状回転記録媒体1直下に設けられた、複数の探針群と前記探針のまとまり毎に試料との間隔を変化させる駆動手段と前記探針のまとまり毎に少なくとも2つの探針と試料の間隔を検出する手段と入出力信号処理回路及びまたはギャップ制御回路を同一基板に備えたことを特徴とするピックアップ装置3と、前記ディスク状回転記録媒体を回転させる手段2とからなる。
特許請求の範囲
【請求項1】複数の探針群と前記探針のまとまり毎に試料との間隔を変化させる駆動手段と前記探針のまとまり毎に少なくとも2つの探針と試料の間隔を検出する手段とを同一基板に備えたことを特徴とするピックアップ装置。
【請求項2】入出力信号処理回路及びまたはギャップ制御回路を探針群と同一基板に備えたことを特徴とする請求項1記載のピックアップ装置。
【請求項3】複数の探針群と、前記探針のまとまり毎に試料との間隔を変化させる駆動手段と、前記探針のまとまり毎に少なくとも2つの探針と試料の間隔を検出する手段と、前記探針群に加わる加速度を検出する手段と、前記探針群を基板側に退避する手段と、入出力信号処理回路及びまたはギャップ制御回路とを同一基板上に備えたことを特徴とするピックアップ装置。
【請求項4】ディスク状回転記録媒体と前記ディスク状回転記録媒体を回転させる手段と、前記ディスク状回転記録媒体に近接して設けた請求項1または請求項2または請求項3記載のピックアップ装置とからなることを特徴とする情報記憶装置。
【請求項5】ディスク状回転記録媒体と、前記ディスク状回転記録媒体を回転させる手段と、前記ディスク状回転記録媒体の半径直下に並べた複数の探針群と前記探針のまとまり毎に試料との間隔を変化させる駆動手段と前記探針のまとまり毎に少なくとも2つの探針と試料の間隔を検出する手段とを同一基板に備えたピックアップ装置とからなり、且つ前記半径と直行する半径を含み前記ディスク状回転記録媒体に垂直な平面上にピックアップ装置支持部の中心線が含まれるように前記ピックアップ装置支持部を設け、且つ前記ピックアップ装置の基板と前記ディスク状回転記録媒体を同一の材料若しくは熱膨張率がほぼ等しい材料としたことを特徴とする情報記憶装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばエッチングやリソグラフィなどのIC製造方法によって作製され、マイクロポジショナとして、走査プローブ顕微鏡のマルチプローブヘッドや記録再生装置のピックアップヘッドに用いることのできるピックアップ装置とそのピックアップ装置を用いた、超高密度記録可能な情報記憶装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、マイクロマシニング技術の進展にともない、従来、個別部品を組み立てて使われていた装置、例えば走査プローブ顕微鏡のピックアップ装置もIC製造方法を用いて組立工程なしで製作する研究が成されている。このようなピックアップ装置の従来例としては、特に、特開平4−147448号公報に示されている情報記憶装置が挙げられる。
【0003】図6はこの従来の情報記憶装置の構成を示している。図6において、101はシリコン基板であり、102は先端に探針を有するカンチレバーである。シリコン基板101上にはZ方向粗動用圧電素子が設けられ、カンチレバーのZ方向駆動範囲内に記録媒体103が入るまで探針を近づける際に使用する。探針による記録を行う際には、カンチレバーをZ方向に微小距離湾曲させ、探針と記録媒体103を接近もしくは接触させ、パルス電圧を印加する。一方、読み出しの際には、書き込まれたビットデータ列に沿って探針をスキャンさせ、情報を読み出す構造となっている。
【0004】このカンチレバー102の構成を図7に示す。図7に示すように、カンチレバー102は、基本的に圧電体117aおよび117bからなるバイモルフ構造である。圧電体117aの上には電極119a,119bが設けられ、また、圧電体117bの下には電極118a,118bが設けられている。なお、圧電体117a,117bの間にも電極120が設けられ、探針114は引き出し電極113上に構成されている。
【0005】各電極118a,118b,119a,119b,120には、パッド部から任意に電圧を印加することができる。
【0006】周知の如くピエゾ素子は電界の方向に応じて伸長または収縮する性質を持つため、電極120を接地した状態に保持しておき、電極118a、118b、119a、119bに正負の電圧を適当に印加することにより、薄膜ピエゾ素子117aおよび117bに与えられる電界を制御してカンチレバー102を自由に伸縮、変形させ、しかもピエゾ素子がきわめて高い分解能を持つことから、その先端の探針114を精密に駆動して、試料の走査をすることができる。
【0007】また、従来の記録再生装置のピックアップ装置としては、特に例を挙げて説明するまでもないが、VTRや磁気ディスク装置に使用する磁気ヘッド、光ディスク装置に使用する光学ヘッドといったものが一般的である。記録再生装置は常に小型軽量化や大容量化を追求しており、そのためには高密度記録技術やピックアップヘッドに代表される精密機構技術の進展が必要不可欠である。
【0008】新しい高密度記録原理として現在提案されているものは数多くあるが、その中には探針記録、すなわちSTM等に用いられている微小な探針をヘッドとして用いる、機械的な走査をともなう方式がある。
【0009】例えば Barrettらの論文("Charge storage in a nitride-oxide-silicon medium by scanning capacitance microscopy", J. Appl. Phys, Vol.70, No.5,pp.2725-2733, 1 September 1991)に示されている探針式の電荷注入記録は、非破壊で高密度な記録再生の可能性を実証するものである。
【0010】その原理を簡単に説明する。AFM(原子間力顕微鏡= Atomic Force Microscope)のカンチレバー上に設けた導電性の探針を導電性支持体上の誘電体層(窒化シリコン)に接触させ、バイアス電圧を印加すると、電荷が誘電体層にトラップされ情報が記録される。再生は探針と基板間の静電容量をセンサで検出して行なう。また、逆バイアスによる消去ならびに繰り返し記録が可能である。
【0011】記録媒体はボロンを添加した多結晶シリコン基板上に酸化膜と窒化膜を設けたものである。この記録媒体にタングステン探針を接触させて、−25Vの電圧を20μ秒印加し、75nmのピットを記録している。記録密度は実に180ビット/μm2 に達しており、従来の200倍以上となっている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従来の薄膜プローブの構成では探針の動きの自由度を増すために複雑なバイモルフ構造となっており、なおかつそれぞれのピエゾ素子に加える電圧を精妙に制御しなければならず、複雑な構成と回路が必要であるという問題点を有していた。またピエゾ素子の微動範囲は数μm以下に限られているため、広い範囲を観察するためにはピックアップ全体を試料に対して移動させなければならないという問題点も有していた。また、探針により記録・再生を行っている際に強い振動や衝撃が加わると、探針が破損してしまうという問題点も有していた。さらに、一つの探針で複数の線上の情報の記録・再生を行う上、記録媒体の熱膨張により記録された情報の位置が変化するため、探針をスキャンして絶えず情報のある位置へ導く必要があり、探針の制御機構・回路が複雑なものとなってしまうという問題点も有していた。
【0013】本発明は、上記従来のピックアップの問題点を解決するもので、IC製造技術による大量一括生産という特徴を活かし簡単な構成と回路とにより広い範囲にわたって有効なピックアップ装置と、そのピックアップ装置を用いて超高密度記録可能な情報記憶装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するために本発明の第1の発明のピックアップ装置は複数の探針群と前記探針のまとまり毎に試料との間隔を変化させる駆動手段と前記探針のまとまり毎に少なくとも2つの探針と試料の間隔を検出する手段とを同一基板に備えたものである。本発明の第2の発明のピックアップ装置は、複数の探針群と、前記探針のまとまり毎に試料との間隔を変化させる駆動手段と、前記探針のまとまり毎に少なくとも2つの探針と試料の間隔を検出する手段と、前記探針群に加わる加速度を検出する手段と、前記探針群を基板側に退避する手段と、入出力信号処理回路及びまたはギャップ制御回路とを同一基板上に備えたものである。本発明の第3の発明の情報記憶装置は、ディスク状回転記録媒体と前記ディスク状回転記録媒体を回転させる手段と、前記ディスク状回転記録媒体に近接して設けた、複数の探針群と前記探針のまとまり毎に試料との間隔を変化させる駆動手段と前記探針のまとまり毎に少なくとも2つの探針の位置を検出する手段とを同一基板に備えたピックアップ装置からなるものである。本発明の第4の発明の情報記憶装置は、ディスク状回転記録媒体と、前記ディスク状回転記録媒体を回転させる手段と、前記ディスク状回転記録媒体の半径直下に並べた複数の探針群と前記探針のまとまり毎に試料との間隔を変化させる駆動手段と前記探針のまとまり毎に少なくとも2つの探針と試料の間隔を検出する手段とを同一基板に備えたピックアップ装置とからなり、且つ前記半径と直行する半径を含み前記ディスク状回転記録媒体に垂直な平面上にピックアップ装置支持部の中心線が含まれるように前記ピックアップ装置支持部を設け、且つ前記ピックアップ装置の基板と前記ディスク状回転記録媒体を同一の材料若しくは熱膨張率がほぼ等しい材料としたことを特徴としたことを特徴とするものである。
【0015】
【作用】この構成によって本発明の第1の発明のピックアップ装置は、微細なピッチで整列した探針群を、少なくとも2つの探針と試料の間隔を検出し、この間隔が同一になるように駆動手段を制御することにより、一度に試料に近接させることができ、一度に広い範囲にわたり、多点の計測ができることとなる。さらに試料またはピックアップ装置の何れかを探針群の整列方向と直角方向に動かせば2次元的な観察ができることになる。また、本発明の第2の発明のピックアップ装置は、探針によりディスク状回転記録媒体上の情報が記録される同心円周(以降トラックと呼ぶ)上に記録再生を行っている際に衝撃や強い振動が加わった場合、加速度センサによりこれを検知し探針群を基板側に退避させることで、探針がディスク状回転記録媒体に強く押し付けられたり、またそれにより回転するディスク状回転記録媒体と探針との間に強い摩擦力がはたらいたりすることで、探針が破壊されるのを防ぐことができる。また、本発明の第3の発明の情報記憶装置はトラック毎に設けられた探針が第1または第2の発明のピックアップ装置により、ディスク状回転記録媒体に近接すると共に、ディスク状回転記録媒体が回転することにより、各探針毎にトラック上に記録再生が行われることとなる。また、本発明の第4の発明の情報記憶装置は、情報記憶装置に温度変化が生じ、情報記憶装置の各部が熱膨張を起こし探針とトラックの間にズレが生じるのを防ぐことができる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。
【0017】図1は本発明のピックアップ装置、及びそれを用いた情報記憶装置の構成図であり、図1において1はディスク状回転記録媒体であり、例えば導電性支持体上に形成した誘電体層によって構成されている。本実施例の場合、導電性支持体は単結晶Siとし、その直径は10mmである。2は回転手段であり、例えばサーボモーターである。ディスク状回転記録媒体1は回転手段2のシャフトに連結されており、回転できるようになっている。3はピックアップ装置であり、ディスク状回転記録媒体1の直下に設けられている。4は情報記憶装置を覆う筺体であり、その底面に回転手段2の底面が固定されている。5はピックアップ装置支持部であり、筺体4の壁面に固定されている。図2にピックアップ装置3の構成を示す。6は基板であり、好ましくは単結晶Siからなる。7a〜7dは探針群であり、複数の探針からなり、探針間のピッチは0.35μmである。8a〜8dは片持ち梁であり、上面に探針群7a〜7dが設けられている。片持ち梁8a〜8dの幅は約35μmであり、一つの片持ち梁上には100個の探針が設けられているが図にはその一部のみを示している。ディスク状回転記録媒体の面精度は単結晶Siでは1.5nmていどであるため、35μmの幅では、直線であると見なすことができ、片持ち梁とディスク状回転記録媒体を平行にすると、片持ち梁上の100本の探針とディスク状回転記録媒体との距離は全て等しくなる。片持ち梁8a〜8dは図示しない駆動手段により上面に載っている探針7a〜7dを片持ち梁にたいして鉛直方向に移動させる。9は回路であり、探針の信号処理や探針とディスク状回転記録媒体1とのギャップ制御を行う。10は加速度センサであり、ピックアップ装置に加わる加速度を検出する。11はキャビティであり、基板6上に設けた凹部である。ピックアップ装置3の動作を図3、図4及び図5を用いて説明する。図3はピックアップ装置3の一部分の上面図であり、同図において図2と同一物には同一番号を賦して説明を省略する。12は探針であり、図2に於いて説明した探針群を構成する探針の一つである。探針12は図示しない情報処理回路に配線されている。13a、13b、14a、14bは電極であり、多結晶Si等で形成される。電極13a、13bは片持ち梁8bの裏面に設けられ、電極14a、14bはキャビティ11の底面まで伸びている。15a、15bは探針であり、探針12と同様であるが、探針12と異なるのは図示しないギャップ検出回路に接続され、図1のディスク状回転記録媒体1との間隔を検出できるようになっている点である。16は絶縁体であり、キャビティ11内の電極14a,14b上に設けられている。図4はピックアップ装置3の断面図であり、図3の一点鎖線部の断面を示している。同図に於いて図2及び図3と同一物については同一番号を賦して説明を省略する。図4に於いて片持ち梁8aを駆動する力は静電力として周知のもので、上下に対向した電極13a、14aに図示しない配線を通じて異極性の電圧を印加すると電極13a、14aは互いに引きつけ合い、同極性の電圧を印加すると電極13a、14aは互いに反発する。電極14aは基板6上に設けられているので、結果、電極13aと一体になっている片持ち梁8aが鉛直方向に移動することになる。また、移動量は電極13a、14aに印加する電圧により、制御できる。図3に示すように片持ち梁には、各々2組の対向電極がついているので、それぞれの対向電極に印加する電圧を制御することにより、片持ち梁は、ねじり方向に動くこともできる。絶縁体16は電極13aと14aのショートを防ぐだけでなく、この2つの電極と共にコンデンサを形成し、異符号の電荷を蓄電することで、静電力により引きつけ合い、非使用時の探針12の保護も行っている。片持ち梁8a上には本実施例の場合、100個の探針が設けられており、全ての探針をディスク状回転記録媒体1に対して一定の間隔で近接させるためには片持ち梁8aをディスク状回転記録媒体1に対して平行を保ったまま移動させる必要がある。このため図3に示した探針15a、15bを用いる。即ち、探針15a、15bにより、ディスク状回転記録媒体1との間隔を検出しながらそれぞれの間隔が常に一定になるように2組の対向電極13a、14aと13b、14bに印加する電圧を制御することにより、片持ち梁8a上の全ての探針を一定間隔でもってディスク状回転記録媒体に近接させることができる。このようにして、一つの片持ち梁について、100個の記録再生が行え、片持ち梁を幾つも並べることにより、1000個でも10000個でも記録再生ができることになる。また、1個の探針で記録・再生を行うトラックは1本だけなのでトラッキングは不要となる。ただし、ディスク状回転記録媒体に温度変化が起こり、熱膨張(または収縮)が発生した場合、例えば、50℃の温度上昇があると、本実施例の場合、最外周のトラック(内径9mm)のトラックは外へ0.5μmもずれ、記録ピットをφ75nmの円とすると、このピット7個分もずれてしまうことになる。そこで本実施例では、先の図1に示すように、ディスク状回転記録媒体とピックアップ装置基板及びピックアップ装置支持部を同じ材料である単結晶Siにて作成し、しかもディスク状回転記録媒体とピックアップ装置の探針群が同様に熱膨張するようにしている。このディスク状回転記録媒体と探針群のずれを先のピットの半径以下、即ち37.5nm以下にしようとするなら、両者の温度差を3.5℃以下にすればよく、これは容易に実現できる値である。本実施例の場合図1に示したディスク状回転記録媒体の直径は10mmであり、内径4.5mmから9mm迄を記録可能エリアとすると記録可能エリア内には半径方向に6400個の探針が並び、その下には64個の片持ち梁が並ぶ。記録方式としては探針式の電荷注入記録を用いるものとする。この方式によれば、最小記録ピット長は75nmとなり、1ビットのサイズは75nm×350nm、従って記録密度は26Gb/in2 となって、現在、外部記憶装置の主流のハードディスクのそれの2桁近くも高密度になる。本実施例の直径10mmのディスクの場合記憶容量は片面で150Mバイトにもなる。図5は加速度センサ部の一例の断面図を示したものであり、同図において図2と同一物には同一番号を賦して説明を省略する。17はひずみを測定するひずみゲージである。18は加速が加わった際に大きな慣性力を発生する振動子である。19は振動子の慣性力によりたわむ片持ち梁である。20は過大な加速度が加わった場合に片持ち梁の曲げ破壊が発生するのを防止する保護ストッパである。図5において、ピックアップ装置3に、例えば下向きに加速度が加わると、振動子18に慣性力が上向きに加わり片持ち梁19は上へとたわむ。この時、ひずみゲージ17にひずみが発生し電圧が発生するため、この値の大きさから加速度の大きさを知ることができる。なお、同図においては上下方向1軸の加速度のみを検出するようにしているが、他の軸方向も検出できるようひずみゲージを複数設けてもよい。この加速度センサ10により検出された加速度が過大であると判断された場合、先に図4に於いて説明したように、静電力により片持ち梁8aを基板6に引きつけることで、探針12及び探針15a、15bが破壊されるのを防ぐことができる。
【0018】以上のように本実施例によれば、サーボモーター等の回転手段により回転する直径10mmのディスク状回転記録媒体の直下に0.35μmピッチで半径方向に整列した6400個の探針を100個毎に片持ち梁上に設け、2つのギャップ検出用探針で水平出しをしながら静電力によって探針群をディスク状回転記録媒体に近接させることにより、0.35μmピッチのトラック上に記録再生が行えることとなる。また、ピックアップ装置上にと加速度センサを組み込むことで、ピックアップ装置に加わる加速度を正確に計測することができ、その結果、探針を衝撃から保護することができる。また、1本の探針で1本のトラックのみの記録・再生を行い、且つ熱膨張によるトラックと探針のずれをキャンセルする構成となっているため、トラッキングが不要となり、片持ち梁制御用の回路や機構が簡略化される。
【0019】なお、本実施例に於いて片持ち梁の駆動手段として静電力を用いた例を示したが、他のピエゾ素子や、電磁力による駆動手段を用いても差し支えない。
【0020】
【発明の効果】以上のように本発明の第1の発明によれば、複数の探針を一度に試料に近接させることができ、試料もしくはピックアップ装置を探針の整列方向と直角に走査すると共に、電気的に探針を順次選択してその情報を取り込めば、簡単に2次元の情報が得られることとなり、一つの探針を2次元的に走査する事にくらべ、高速化が図れることとなり、その効果は、大なるものである。
【0021】また、本発明の第2の発明によれば、衝撃や強い振動に対する保護機構を備えているため、従来のハードディスクにみられるような、使用に際しての極端な配慮が必要なくなる。
【0022】また、本発明の第3の発明によれば、26Gb/in2 もの高密度記録が得られることとなり、さらに各トラック毎に記録再生用の探針があるので、必要な情報を探すためのシークタイムも格段に速くなり、コンピューターの外部記憶装置として、益なること大である。
【0023】また、本発明の第4の発明によれば、熱膨張による探針とトラックとのずれをキャンセルできるため、トラッキングの必要がなくなり、片持ち梁の制御や駆動構造を簡略化することができる。




 

 


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