JP2000276862A - トラッキング方法および記憶装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】探針と媒体間に無視できない摩擦力が発生ずる
場合においても、カンチレバーのねじれ信号を直接位置
信号に利用したトラッキングを可能とする。 【解決手段】探針１を一端に有するカンチレバー２と、
カンチレバー２のねじれを検出するための光てこ検出機
構６を有し、振動子３により探針１を記録媒体４の表面
に平行かつカンチレバー２の軸方向に垂直な方向に揺動
し、カンチレバー２に発生するねじれの振動中心信号か
ら位置情報を得てトラッキングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、情報の記憶装置お
よび情報の記録または再生を行うヘッドのトラッキング
方法に係り、特に数十ナノメータ（nm）以下のサイズの
記録ビットの高速な記録または再生を行うのに好適なナ
ノトラッキング技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報化社会の進展は目覚ましく、
より多くの情報を記憶できる技術が要求されている。現
在、ファイルメモリの研究分野では、数十ナノメータ以
下のサイズの高密度化が進められている。その有望な候
補として、走査トンネル顕微鏡（Scannig Tunneling
Microscope；ＳＴＭ）に代表される走査プローブ顕微鏡
の技術がある。走査トンネル顕微鏡の技術は、米国特許
第４，３４３，９９３号に詳しく開示されている。その
原子サイズまでの空間分解能と原子サイズまでの微細加
工を可能とする原理に着目し、数十ナノメータ以下の情
報を記録マークとする超高密度記録への応用が進められ
ている。

【０００３】走査プローブ顕微鏡の技術を応用した情報
記録技術においては、尖鋭化された先端を有する探針を
用いて、電気的、磁気的、熱的、光学的、あるいは力学
的な方法、あるいはそれらの組合せによって、媒体表面
に数十ナノメータ以下のサイズの情報ビットを高密度に
記録し、上記探針と媒体とを接近あるいは接触させた状
態で生じる何らかの物理現象を検出することによって、
その高密度記録された情報ビットを再生する。

【０００４】このような走査プローブ顕微鏡の技術を応
用した数十ナノメータ以下のサイズの高密度情報の記録
または再生を高速かつ高精度に行うためには、数十ナノ
メータ以下の幅のトラックに沿った情報の記録または再
生を実現するための新規なナノトラッキング技術が必要
となる。

【０００５】走査プローブ顕微鏡の技術を利用した数十
ナノメータ以下のスケールのトラッキング技術の例は、
米国特許第５，５３７，３７２号に示されている。そこ
では、フィジカル レビュー レターズ第５６巻（１９
８６年）第９３０頁（Physical Review Letters 56
(1986)pp930）に開示されている原子間力顕微鏡（Atomi
c Force Microscope；ＡＦＭ）の技術を利用し、記録
トラックの中心に沿って配置されたピットあるいはマウ
ンドによる原子間力顕微鏡用カンチレバーのねじれを４
分割のフォトダイオードを有した光てこ手段により検出
し、その検出信号をカンチレバーにフィードバックする
ことにより、カンチレバーの先端に設けられた探針をト
ラックの中心に位置決めしている。

【０００６】また別の例として、我々は特開平９−１３
４５５２号に示された技術がある。この従来例では、記
録トラックとして連続グルーブあるいはグルーブ間に挟
まれたランドを用い、それらの表面形状によるカンチレ
バーのねじれをトラッキング信号とする技術である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記２つの従来技術に
おいては、探針と記録媒体とは接触しており、それらの
間には摩擦力が作用する。探針を自由端に有するカンチ
レバーは、その固定端と自由端を結ぶ方向（軸方向）
が、記録媒体表面に垂直かつトラックに接する面内にあ
るように配置される。このため探針がトラックを横切る
方向に動く時に生じる摩擦力により、カンチレバーには
ねじれが生じる。また、媒体表面に設けられたトラッキ
ングのための表面構造により、探針に働く垂直抗力の方
向が媒体表面に垂直な方向からそれ、カンチレバーにね
じれを引き起こす。

【０００８】従来技術は上記垂直抗力によるカンチレバ
ーのねじれを、トラッキング信号に利用するものであ
る。しかしながら、カンチレバーのねじれは、前述のよ
うに媒体表面からの垂直抗力だけでなく、探針と媒体の
間の摩擦力によっても生じる。また、摩擦力は探針の運
動方向にしたがってその方向を逆転させるので、カンチ
レバーのねじれ角は同一位置で符号の異なる二つの値を
持つことになり、摩擦力の存在がカンチレバーのねじれ
の挙動を複雑なものにする。

【０００９】よって、上記２つの従来技術は、媒体と探
針との間の運動摩擦係数が小さく、媒体の表面形状によ
るねじれに比較して摩擦によるねじれが無視できる程小
さい場合を前提としている。しかしながら、摩擦が無視
できる状況を実現させるためには、潤滑剤の塗布などの
効果を検討する必要があり、また探針材料と媒体材料の
組み合わせに制限を受けるなどの問題がある。

【００１０】本発明の目的は、上記従来技術が有する技
術的課題を解決し、新規な数十ナノメータ以下のスケー
ルの記録ビットの記録・再生を行うための探針（ヘッ
ド）のトラッキング方法および記憶装置を提供すること
にある。すなわち本発明の目的は、記録媒体と探針との
摩擦が無視できない状況でも、カンチレバーのねじれを
利用したトラッキング動作が可能な方法およびそれを用
いた記憶装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては次のような手段が提供される。

【００１２】トラック上にトラッキングのための第１の
情報および記録としての第２の情報とを持つ記録媒体
と、上記第１、第２の情報に対応した信号を導出するた
めのヘッドと、ヘッドを保持するための保持手段と、保
持手段のねじれを検出するための検出手段と、保持手段
およびヘッドを駆動するための駆動手段を有し、保持手
段を揺動することで、ヘッドと記録媒体との相互作用に
より保持手段に発生するねじれ振動から位置情報を得て
ヘッドをトラック中心に位置決めする。

【００１３】また、上記保持手段を揺動する際に発生す
る保持手段のねじれ振動の振動中心に関する信号から位
置情報を得る。

【００１４】また、上記保持手段が片持ち梁であり、こ
の片持ち梁の軸方向が、記録媒体表面に垂直かつトラッ
クに接する面内にあるように片持ち梁を配置し、上記片
持ち梁の揺動方向が記録媒体表面に平行かつトラックに
垂直であるトラッキング手段が提供される。

【００１５】また、上記保持手段に発生するねじれ振動
から位置情報を得て、ヘッドを強制的にトラック中心に
戻す手段が提供される。

【００１６】また、上記保持手段に発生するねじれ振動
から得た位置情報を上記駆動手段にフィードバックして
トラッキングする手段が提供される。

【００１７】また、上記記録媒体を回転運動させる機構
を備え、トラッキングを極座標系で行う手段が提供され
る。

【００１８】また、上記保持手段として歪ゲージ（ピエ
ゾ抵抗素子）を有するトラッキング手段が提供される。

【００１９】また、上記ねじれ検出に光てこ手段を用い
るトラッキング手段が提供される。

【００２０】また、上記ヘッドの高さ方向の制御手段と
して、スライダによる流体浮上手段を用いるトラッキン
グ手段が提供される。

【００２１】さらに、トラッキングのための第１の情報
がグルーブ、グルーブ間に挟まれたランド、ピット、マ
ウンド等の構造物であるトラッキング手段が提供され
る。

【００２２】以下では、本発明のトラッキング方法の動
作原理を説明する。図３は、探針１を先端に保持した矩
形カンチレバー２の先端方向（軸方向）から見た記録媒
体４の表面上での探針１とカンチレバー２の様子を示し
ている。記録媒体４の表面上にはトラッキングのための
案内溝４ａが設けられている。

【００２３】図３のように、カンチレバー２はその軸方
向が記録媒体４の表面に垂直かつ案内溝４ａの方向に接
する面内にあるように配置される。カンチレバー２に
は、探針１と記録媒体４との接触により、たわみとねじ
れを生じる。カンチレバー２のたわみ量ｚは、探針１と
記録媒体４との接触力Ｆ_zが一定になるようにフィード
バック制御により一定に制御される。

【００２４】また、カンチレバー２のねじれ角φは、探
針１に作用する垂直抗力Ｆ_nと摩擦力Ｆ_fの２つの要因に
より生じる。図３のように探針１が記録媒体４と傾斜角
θの点で接触すると、探針１が記録媒体４の表面から受
ける垂直抗力Ｆ_nの方向が接触力Ｆ_zの方向からそれ、カ
ンチレバー２にねじれを引き起こす。

【００２５】この垂直抗力Ｆ_nによるねじれ角は位置検
出に利用され、図４に示すように案内溝４ａの中心で符
号を逆転させ、その大きさは溝の中心に関して対称に変
化する。さらに、探針１と記録媒体４とが相対的に運動
すると、それらの間には摩擦力Ｆ_fが発生するので、相
対運動の方向がカンチレバー２の軸方向と角度を持つよ
うな場合、摩擦力Ｆ_fによりカンチレバー２にはねじれ
を生じる。図３は、その相対運動の方向がカンチレバー
２の軸方向と垂直である場合を示す。

【００２６】ここで、カンチレバー２を水平面内でその
軸方向に対して垂直な方向に振動させると、垂直抗力Ｆ
_n、摩擦力Ｆ_fの両方は上記振動による変調を受ける。こ
のとき、一方の摩擦力Ｆ_fは振動の１周期の間で符号ま
で変えるので、その変化量は大きいが、他方の垂直抗力
Ｆ_nの変化量は振動の振幅を小さくすることにより十分
小さくできる。従って、カンチレバー２のねじれ角φの
振動は、カンチレバーに与える振動が小振幅の場合、主
に摩擦力Ｆ_fの振動を反映することになり、ねじれ角φ
の振動の包絡線や振動中心を見ることで垂直抗力Ｆ_nに
よるねじれ角のみを検出することができる。

【００２７】以上のように本発明によれば、ねじれ角φ
の振動の包絡線や振動中心等のねじれ振動に関する信号
を位置信号として用いることで、探針と記録媒体の間の
摩擦が無視できない状況でも、カンチレバーのねじれを
利用しての案内溝等のトラッキングが可能となり、幅が
数十ナノメータ以下のトラックに対するトラッキング動
作を実現することができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１を用いて本発明
の一実施例の全体構成を説明する。図において１は探
針、２はカンチレバー、３は振動子、４は記録媒体、５
は支持体、６は光てこ検出機構、７はｒ−微動アクチュ
エータ、８はｚ−微動アクチュエータ、９はスウィング
アーム、１０はｚ−粗動機構、１１はｒ−粗動機構、１
２は回転駆動モータ、１３は信号生成回路、１４はトラ
ッキング制御回路、１５はｚ−サーボ回路、１６はレベ
ル検出回路、１７はｚ−粗動制御系、１８はｒ−粗動制
御系である。

【００２９】ｒ−粗動機構１１、ｚ−粗動機構１０とｒ
−微動アクチュエータ７、ｚ−微動アクチュエータ８が
スウィングアーム９を介して図のように構成される。ｒ
−微動アクチュエータ７の一端には振動子３が取付けら
れている。さらに振動子３には支持体５と光てこ検出機
構６が取付けられている。支持体５は先端に探針１を有
するカンチレバー２を支持している。光てこ検出機構６
はレーザダイオード６ａと４分割フォトダイオード６ｂ
で構成される。

【００３０】振動子３は、支持体５および光てこ検出機
構６を記録媒体４の面内でカンチレバー２の軸方向に対
して垂直な方向に振動させる。また、記録媒体４は回転
駆動モータ１２により一定の回転スピードで回転駆動さ
れる。回転方向は、探針１直下での記録媒体４の移動方
向がカンチレバー２の固定端から自由端への方向になる
ように設定されている。

【００３１】記録媒体４としては、その表面に図２に示
すようなトラッキング用案内溝４ａが同心円状に設けら
れたディスク形状のものを使用した。溝の幅は４０nm、
深さは１０nm、隣接する溝に挟まれたランド部の幅は４
０nmである。案内溝を有した記録媒体４の作製は、電子
ビーム（Electron Beam；ＥＢ）描画、エッチングプロ
セス、およびレプリカ作製技術を用いて行われた。先
ず、ＥＢ描画、エッチングプロセス技術によりシリコン
単結晶基板上に同心円状の溝構造を形成し、これを原盤
とした。次に、その原盤から紫外線硬化樹脂を用いたホ
トポリマー法によりレプリカを作製し、本実施例の記録
媒体４とした。

【００３２】データの書き込みには、媒体表面に探針１
を押し込んで凹構造を形成する方法や、探針１を一方の
電極として用いる相変化膜の抵抗加熱による相変化書き
込み、磁気媒体の抵抗加熱による磁化反転、あるいは誘
電体材料を用いた電気分極反転など、いずれかの方法に
必要な記録再生ヘッドを使用し、必要な記録層をレプリ
カ上に形成することにより適用可能であり、それぞれに
対応した読み出し方法を取ればよい。

【００３３】次に、各部の動作を説明する。データの書
き込みあるいは読み出し、例えば本発明に係わる記憶装
置を備えたパーソナルコンピュータの使用者がデータを
記録する場合の操作に対応して、ｚ−粗動制御系１７に
信号ｏｎ−ａが加えられ、一定電圧を積分する動作によ
り一定の増加率の電圧がｚ−粗動機構１０に出力され
る。この電圧に対応した距離だけ探針１は記録媒体４に
接近する。

【００３４】探針１が記録媒体４に押し付けられていく
と、垂直抗力および摩擦力の作用によりカンチレバー２
にはたわみおよびねじれが生じる。このたわみおよびね
じれは光てこ検出機構６により検出され、その検出信号
は信号生成回路１３に送られる。信号生成回路１３で
は、たわみ信号および振動子３によるねじれ振動の振動
中心に対応した信号を生成し、たわみ信号をｚ−サーボ
回路１５に送り、トラック中心からの位置ずれに対応す
るねじれの振動中心信号をトラッキング制御回路１４に
送る。

【００３５】ｚ−サーボ回路１５は板バネ２のたわみが
一定になるようにｚ−微動アクチュエータ８に駆動信号
を出力し、探針１と記録媒体４の接触力が一定になるよ
うにフィードバック制御する。この駆動信号がレベル検
出回路１６で予め設定された設定値を越えたとき、レベ
ル検出回路１６から信号が出力され、ｚ−粗動制御系１
７の積分動作を停止させる信号ｏｆｆ−ａとなる。これ
によりｚ−粗動機構１０に印加される電圧はその積分値
に保持される。この信号は同時にｒ−粗動制御系１８の
動作を開始させる信号ｏｎ−ｂとして利用される。

【００３６】信号ｏｎ−ｂが加えられたｒ−粗動制御系
１８は、ｒ−粗動機構１１に行き先トラック番号と現在
トラック番号との差に応じた電圧を印加する。現在トラ
ック番号は予め記録媒体４に書き込まれてあり、それを
読み出すことにより与えられる。

【００３７】ｒ−微動アクチュエータ７は、トラッキン
グ制御回路１４の出力が加えられて探針１がトラックか
ら外れないように高精度な追従制御を行う。追従制御に
は、従来の磁気記録および光記録で行われている連続サ
ーボやサンプルサーボ技術を使うことができる。これに
より図２に示したような幅４０nmの案内溝に対してトラ
ッキング制御しながら、高速に記録情報の書き込みおよ
び読み出しを行うことができる。

【００３８】データ記録後、ｚ−粗動制御系１７にはパ
ーソナルコンピュータのオペレーティングシステムから
リセット信号が送られる。これにより、ｚ−粗動制御系
１７が保持していた電圧はリセットされ、ｚ−粗動機構
１０により探針１は記録媒体４の表面から退避させられ
る。

【００３９】（実施例２）図５に本発明の他の実施例を
示す。本実施例ではカンチレバー２のたわみおよびねじ
れの検出のために圧電抵抗歪ゲージ１９を用いる。図５
は本実施例の主要部分のみを示したものであり、他の部
分は実施例１と同様の構成である。カンチレバー２の片
面に圧電抵抗歪ゲージ１９が形成され、この出力が信号
生成回路１３に導入される。圧電抵抗歪ゲージ１９はカ
ンチレバー２のたわみ、ねじれの両方を検出できるよう
に構成されており、実施例１の光てこ検出機構６が不要
となるため、これによりヘッド部の小型化が可能とな
る。

【００４０】上述の部分以外の動作は実施例１と本質的
に同じであるので説明は省略する。実施例１と同様に各
部を動作させることにより、図２に示したような幅４０
nmの案内溝に対してトラッキング制御しながら、高速に
記録情報の書き込みおよび読み出しを行うことができ
る。

【００４１】（実施例３）図６に本発明の他の実施例を
示す。本実施例では探針１と記録媒体４との間に働く力
を一定に制御する手段として、スライダ２０による流体
浮上手段を用いる。また、カンチレバー２のねじれを検
出するために実施例２と同様に圧電抵抗歪ゲージ１９を
用いる。これらの変更により、実施例１の光てこ検出機
構６、ｚ−微動アクチュエータ８、ｚ−サーボ回路１５
等が不要となり、ヘッド部の小型化およびシステム全体
の簡素化が可能となる。

【００４２】図６を用いて本実施例の主要部分の構成を
説明する。ｒ−粗動機構１１、ｚ−粗動機構１０、スウ
ィングアーム９が図のように構成される。スィングアー
ム９の一端にはサスペンション２１が取付けられてお
り、その先にスライダ２０が搭載されている。さらに、
スライダ２０にはｒ−微動アクチュエータ７と振動子３
が図６のように取付けられている。振動子３は先端に探
針１を有するカンチレバー２を支持する支持体５が取付
けられており、支持体５やカンチレバー２等を記録媒体
４の面内でカンチレバー２の軸方向に対して垂直な方向
に振動させる。また、記録媒体４は回転駆動モータ１２
により一定の回転スピードで回転駆動される。回転方向
は、探針１直下での記録媒体４の移動方向がカンチレバ
ー２の固定端から自由端への方向になるように設定され
ている。記録媒体４は実施例１と同じディスク形状のも
のを使用した。

【００４３】次に、各部の動作を説明する。データの書
き込みあるいは読み出しの操作に対応して、スウィング
アーム９がｚ−粗動機構１０によりある一定距離だけ記
録媒体４の方向に下げられる。スライダ２０は記録媒体
４の回転による空気の流れによる力を受けて浮上し、サ
スペンション２１による力と釣り合ったところで記録媒
体４との距離を一定にして動作状態に入る。この状態で
は探針１が記録媒体４に押し付けられて、一定の接触力
が探針１と記録媒体４の間に働くように探針１とスライ
ダ２０の相対位置が調整されている。

【００４４】カンチレバー２のねじれは圧電抵抗歪ゲー
ジ１９により検出され、この出力が信号生成回路１３に
導入される。信号生成回路１３では振動子３によるねじ
れの振動中心信号が生成され、トラッキング制御回路１
４に送られる。トラッキング制御回路１４の出力はｒ−
微動アクチュエータ７に加えられ、探針１がトラックか
ら外れないように高精度な追従制御を行う。この追従制
御に従来の磁気記録および光記録で行われている連続サ
ーボやサンプルサーボ技術を使うことができるのは実施
例１と同様である。この他の細部の動作は実施例１と同
様に行うことができる。

【００４５】これにより図２に示したような幅４０nmの
案内溝に対してトラッキング制御しながら、高速に記録
情報の書き込みおよび読み出しを行うことができる。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によればカン
チレバーのねじれ振動の包絡線や振動中心に関する信号
を位置信号として用いるので、探針と記録媒体の間の摩
擦が無視できない状況でもカンチレバーのねじれを利用
したトラッキングが可能となり、幅が数十ナノメータ以
下のトラックに対するトラッキング動作を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の記憶装置の構成を示すブロ
ック図。

【図２】本発明の実施例で使用した記録媒体上の案内溝
を示す斜視図。

【図３】記録媒体上の探針先端に作用する垂直抗力と摩
擦力、およびカンチレバーのたわみとねじれの関係を示
す説明図。

【図４】案内溝の断面形状によるカンチレバーのねじれ
角の位置変化を示す説明図。

【図５】本発明の一実施例の記憶装置の主要構成部分を
示す側面図。

【図６】本発明の一実施例の記憶装置の主要構成部分を
示す側面図。

【符号の説明】

１…探針、２…カンチレバー、３…振動子、４…記録媒
体、５…支持体、６…光てこ検出機構、７…ｒ−微動ア
クチュエータ、８…ｚ−微動アクチュエータ、９…スウ
ィングアーム、１０…ｚ−粗動機構、１１…ｒ−粗動機
構、１２…回転駆動モータ、１３…信号生成回路、１４
…トラッキング制御回路、１５…ｚ−サーボ回路、１６
…レベル検出回路、１７…ｚ−粗動制御系、１８…ｒ−
粗動制御系、１９…圧電抵抗歪ゲージ、２０…スライ
ダ、２１…サスペンション。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】信号を導出するためのヘッドを、トラッキ
   ングのための第１の情報と記録としての第２の情報をト
   ラック上に持つ記録媒体の上記トラック中心に位置決め
   する方法において、上記ヘッドを保持するための保持手
   段を揺動させ、上記保持手段に発生するねじれを検出
   し、上記ヘッドと上記記録媒体との相互作用により上記
   保持手段に発生するねじれ振動から位置情報を得て上記
   ヘッドを位置決めすることを特徴とするトラッキング方
   法。
2. 【請求項２】トラック上にトラッキングのための第１の
   情報および記録としての第２の情報を持つ記録媒体と、
   上記第１、第２の情報に対応した信号を導出するための
   ヘッドと、上記ヘッドを保持するための保持手段と、上
   記保持手段のねじれを検出するための検出手段と、上記
   保持手段およびヘッドを駆動するための駆動手段を備え
   る記憶装置において、上記保持手段を揺動させる手段
   と、上記ヘッドと上記記録媒体との相互作用により上記
   保持手段に発生するねじれ振動から位置情報を得る手段
   と、上記位置情報にもとづいて上記ヘッドをトラック中
   心に位置決めする手段を有することを特徴とする記憶装
   置。
3. 【請求項３】上記保持手段を揺動する際に発生する上記
   保持手段のねじれ振動の振動中心に関する信号から位置
   情報を得ることを特徴とする請求項１記載のトラッキン
   グ方法。
4. 【請求項４】上記保持手段が片持ち梁であって、上記片
   持ち梁はその軸方向が記録媒体表面に垂直かつトラック
   に接する面内にあるように配置され、上記保持手段を揺
   動させる手段は、上記片持ち梁を記録媒体表面に平行か
   つトラックに垂直な方向に揺動させる手段であることを
   特徴とする請求項２記載の記憶装置。
5. 【請求項５】上記保持手段に発生するねじれ振動から位
   置情報を得て、上記ヘッドを強制的にトラック中心に戻
   す手段を有することを特徴とする請求項２または４記載
   の記憶装置。
6. 【請求項６】上記保持手段に発生するねじれ振動から得
   た位置情報を上記駆動手段にフィードバックすることを
   特徴とする請求項１または３記載のトラッキング方法。
7. 【請求項７】上記記録媒体を回転運動させる機構を備
   え、トラッキングを極座標系で行うことを特徴とする請
   求項２、４または５のいずれか記載の記憶装置。
8. 【請求項８】上記保持手段は、歪ゲージ（ピエゾ（歪
   み）抵抗素子）を有することを特徴とする請求項２、
   ４、５または７のいずれか記載の記憶装置。
9. 【請求項９】上記ねじれ検出手段に、光てこ手段を用い
   たことを特徴とする請求項２、４、５、７または８のい
   ずれか記載の記憶装置。
10. 【請求項１０】上記ヘッドの高さ方向の制御手段とし
    て、スライダによる流体浮上手段を用いたことを特徴と
    する請求項２、４、５、７、８または９のいずれか記載
    の記憶装置。
11. 【請求項１１】トラッキングのための第１の情報が、グ
    ルーブ、グルーブ間に挟まれたランド、ピット、マウン
    ド等の構造物からなることを特徴とする請求項２、４、
    ５、７、８、９または１０のいずれか記載の記憶装置。