JP4331383B2 - 間隔測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は間隔測定方法に関するものであり、特に、ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）装置の記録媒体として用いる磁気ディスク等の回転円盤の表面の凹凸の高さ及び浮上量等の微小量を高精度に測定するための手法及び構成に特徴のある間隔測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報処理装置の外部記憶装置として使用されているＨＤＤ装置等の磁気記録装置では、情報量の増加にともなって年々記録密度の向上が要請されている。
【０００３】
この様な、磁気記録装置に用いられる磁気テープ、或いは、磁気ディスク等の磁気記録媒体は、一般には、磁気記録媒体を構成する磁性層を保護するために、磁性層上に保護潤滑層として、ＰＶＤ法或いはＣＶＤ法を用いて厚さが５〜５０ｎｍ程度のシリコン酸化物やシリコン窒化物、或いは、アモルファス状態のＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を成膜して保護層とし、次いで、保護層上に５〜１００Åの極めて薄い潤滑剤層を形成している。
【０００４】
上述の記録密度の上昇に伴って磁気ヘッドの浮上量が減少し、１０ｎｍ以下になろうとしているが、これに対して、磁気ディスクの表面には数ｎｍ程度の凹凸があるため、磁気ヘッドの浮上量の低下に伴って磁気ディスクの表面の凹凸をより正確に測定する技術の必要性が増している。
【０００５】
従来は、磁気ディスクを回転させた状態で、磁気ディスクの裏側からレーザ光を照射し、その反射光を測定することによって、光学的に磁気ヘッドの浮上量を測定していた。
【０００６】
また、上述のように、磁気ディスクの表面には凹凸があるので、測定用ヘッドの浮上量を制御し、測定用ヘッドを磁気ディスクの表面の凹凸に衝突させることによって、機械的に凹凸の凸部の高さを測定していたが、必ずしも充分な精度が得られるものではなかった。
【０００７】
一方、この様な機械的な測定方法に代わるものとして、磁気ヘッドと全く同様の浮上特性を有する測定用ヘッドの先端の磁気ディスクの表面に対向する領域に測定用導電性パターンを設け、この測定用導電性パターンと磁気ディスクとの間の容量を測定することによって磁気ディスクの表面の凹凸の高さや浮上量を求めることが試みられている。
【０００８】
即ち、平行平板型のキャパシタを想定すると、静電容量Ｃは、測定用ヘッドに設けた測定用導電性パターンの面積をＳ、測定用ヘッドと磁気ディスクとの間隔をｄ、測定用ヘッドと磁気ディスクとの間に介在する媒体（通常は空気）の比誘電率をεとした場合、
Ｃ＝εＳ／ｄ
で表されるので、ε及びＳは既知であるので、静電容量Ｃを電気的に測定することによって測定用ヘッドと磁気ディスクとの間隔ｄ、即ち、測定用ヘッドの浮上量が求められる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、表面に凹凸がある場合、静電容量Ｃは間隔ｄに反比例して大きくなるので、浮上量が小さくなるほど静電容量Ｃに対する寄与は凸部の影響が大きくなり、したがって、静電容量から浮上量を測定した場合、磁気ディスクの基準表面、即ち、凹凸の中心高さからではなく、凸部分との距離を測定してしまうことになるので、この事情を図８を参照して説明する。
【００１０】
図８（ａ）参照
図８（ａ）は、磁気ディスクの表面に設けた導電性保護膜４２の表面の凹凸を正弦波で近似した場合を示しており、この場合の微小領域の静電容量ΔＣ（ｘ）は、
ΔＣ（ｘ）∝１／ｄ（ｘ）
となり、単位面積当たりの静電容量は、ｘを０→１まで積分した値に相当する。
なお、この場合の奥行きの形状としては、正弦波を一定に保った波板状の形状と仮定する。
【００１１】
この様な正弦波の近似モデルにおいては、例えば、凹凸の凸部の高さｂをｂ＝１．５ｎｍ、ｙ＝０の磁気ディスクの基準表面と測定用導電性パターン４１との間隔ｄをｄ＝ａ＝３ｎｍとした場合、計算によって得た静電容量Ｃに基づいて、キャパシタを平行平板型に換算して求めた間隔ｄ′は、ｄ′≒２．６ｎｍとなり、浮上量の測定誤差、即ち、基準表面からの浮上量と換算表面４３からの浮上量との差は、約１３％になる。
【００１２】
図８（ｂ）参照
図８（ｂ）は、上述の浮上量の測定誤差の浮上量依存性をシミュレーションした結果を示す図であり、この場合、凸部の高さｂをｂ＝１としている。
図から明らかなように、基準表面からの浮上量の低下とともに測定誤差は急激に大きくなることが理解され、したがって、高記録密度化に伴って浮上量が小さくなると、測定誤差が大きくなるという問題がある。
【００１３】
したがって、本発明は、表面に凹凸がある場合に、基準表面との間隔及び凸部の高さを、測定した静電容量から精度良く求めることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
（１）本発明は、表面に凹凸２を有する導電性基板１と部品３との間隔ａを、導電性基板１と部品３との間の静電容量から求める間隔測定方法に関し、間隔ａを既知量変化させてモデル化した近似式で用いた変数の数に同等な数の間隔ａにおいて静電容量を測定し、この測定結果を、導電性基板１の表面の凹凸２をモデル化した近似式で求めた静電容量の計算式と対比させることによって、間隔ａを求めることを特徴とする。
【００１５】
この様に、導電性基板１と部品３との間隔ａを既知量変化させてモデル化した近似式で用いた変数の数に同等な数の間隔ａにおいて静電容量を測定するとともに、導電性基板１の表面の凹凸２をモデル化した近似式で求めた静電容量の計算式と対比させることによって、多元連立方程式が得られるので、この多元連立方程式を各変数について解くことによって、導電性基板１と部品３との間隔ａを測定した静電容量に基づいて精度良く求めることができる。
【００１６】
また、本発明は、上記（１）において、導電性基板１の表面の凹凸２を正弦波で近似したことを特徴とする。
特に、凹凸２を正弦波で近似した場合、即ち、図１において、
ｄ（ｘ）＝ａ−ｂ・ｓｉｎ（２πｘ）
とした場合には、静電容量Ｃは、
Ｃ∝１／（ａ² −ｂ² ）^1/2
として求まるので、
したがって、２種類の間隔ａで静電容量を求めるだけで、簡単な二元連立方程式とすることができるので、簡単に、間隔ａを求めることができ、また、合わせて、凸部の高さｂも求めることができる。
【００１７】
また、本発明は、上記（１）において、間隔ａを既知量変化させるために、導電性基板１の回転量を制御しても良い。
この様に、間隔ａを制御するためには、導電性基板１の回転量を制御することによって、回転に伴って発生する部品３の浮上量を制御すれば良い。
なお、回転量と浮上量との相関は、表面が平滑な基板１を用いて予め測定すれば良い。
【００１８】
また、本発明は、上記（１）において、導電性基板１と部品３とを接触させた状態でも静電容量を測定しても良い。
この様に、導電性基板１と部品３とを接触させた状態でも静電容量を測定することによって、導電性基板１の表面に非導電性の被膜、例えば、非導電性保護膜等が設けられていた場合にも、精度良く非導電性保護膜との間の真の間隔ａを測定することが可能になる。
【００１９】
また、本発明は、上記（１）において、導電性基板１が磁気記録媒体であり、部品３が、磁気ヘッドと同じ浮上特性を有する間隔測定用ヘッドであることを特徴とする。
この様に、上記の間隔測定方法は、磁気ヘッドの浮上量の制御にとって特に好適になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図７を参照して、本発明の実施の形態の微小間隔測定方法を説明するが、まず、図２を参照して、磁気ディスクの表面の凹凸のモデル化による近似方法と、それに伴う浮上量ａの算出方法を説明する。
図２（ａ）参照
図２（ａ）は、磁気ディスクの表面に設けた導電性保護層１２の表面の凹凸を正弦波で近似した場合を説明する図であり、この場合の奥行きは、正弦波を一定の状態で保った波板状と仮定する。
【００２５】
この場合、測定用導電性パターン１１と導電性保護膜１２との間隔は、横軸をｘとしてｄ（ｘ）で表すと、
ｄ（ｘ）＝ａ−ｂ・ｓｉｎ（２πｘ）
となり、また、奥行きを単位幅として規格化して考えると、微小領域Δｘにおける静電容量ΔＣは、
ΔＣ＝εΔｘ／ｄ（ｘ）
で表される。
【００２６】
したがって、単位面積当たりの静電容量Ｃを求めるためには、上記のεΔｘ／ｄ（ｘ）、即ち、εｄｘ／〔ａ−ｂ・ｓｉｎ（２πｘ）〕を、ｘが０→１の範囲で積分すれば良く、その結果、
Ｃ＝１／（ａ² −ｂ² ）^1/2
として静電容量Ｃが求まる。
なお、この静電容量Ｃは、計算処理処理ソフト（Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ３．０ ｆｏｒ Ｍａｃｉｎｔｏｓｈ）により求めたものであり、また、比誘電率の表記は省略している。
【００２７】
上記の静電容量Ｃの式は、次の、
Ｃ² （ａ² −ｂ² ）＝１
に変換することができるので、静電容量Ｃについて２つの測定値があれば、浮上量ａと、凸部の高さｂを２元連立方程式によって簡単に求めることができる。
まず、第１の状態で測定した場合の静電容量Ｃの測定値をＣ₁ とし、その時の浮上量をａとする。
【００２８】
図２（ｂ）参照
次いで、図２（ｂ）に示すように、浮上量を第１の状態よりＡだけ高くした第２の状態で測定した場合の静電容量Ｃの測定値をＣ₂ とする。
その時の浮上量は、当然ａ＋Ａとなる。
【００２９】
したがって、これらの測定結果に基づいて、
Ｃ₁ ²（ａ² −ｂ² ）＝１
Ｃ₂ ²〔（ａ＋Ａ）² −ｂ² 〕＝１
の二元連立方程式が得られ、これらは簡単に解け、その結果、浮上量ａは、
ａ＝（Ｃ₁ ²−Ｃ₂ ²−Ａ² Ｃ₁ ²Ｃ₂ ²）／（２ＡＣ₁ ²Ｃ₂ ²）
となり、Ｃ₁ ，Ｃ₂ は夫々実測値であり、また、Ａは設定値であるので浮上量ａが静電容量の実測値Ｃ₁ ，Ｃ₂ に基づいて求められる。
【００３０】
また、凸部の高さｂも同時に求められ、
ｂ＝（Ｃ₁ ⁴−２Ｃ₁ ²Ｃ₂ ²−２Ａ² Ｃ₁ ⁴Ｃ₂ ²＋Ｃ₂ ⁴−２Ａ² Ｃ₁ ²Ｃ₂ ⁴＋Ａ⁴ Ｃ₁ ⁴Ｃ₂ ⁴）^1/2 ／（２ＡＣ₁ ²Ｃ₂ ²）
となり、浮上量ａと同様に、Ｃ₁ 、Ｃ₂ 、及び、Ａの関数であるので、凸部の高さｂも実測値に基づいて求めることができる。
【００３１】
次に、図３を参照して、静電容量を求めるための測定装置の構成を説明する。
図３参照
図３は、本発明の実施の形態に用いる静電容量測定装置の概念的構成図であり、磁気ディスク２１をスピンドルモータ２２によって所定回転数で回転させ、アーム２３に設けたカンチレバー２４の先端に取り付けた測定用の浮上ヘッド２５を磁気ディスク２１の回転量に応じた浮上量で浮上させた状態で、浮上ヘッド２５の磁気ディスク２１との対向面に設けた測定用導電性パターン（図示せず）と磁気ディスク２１との間の静電容量Ｃを静電容量測定器２６によって測定するものである。
【００３２】
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態の第１の測定方法を説明する。
図４（ａ）参照
まず、磁気ディスク２１をスピンドルモータによって第１の回転数で回転させた第１の状態で静電容量を測定することによって静電容量Ｃ₁ を求める。
この場合の浮上量ａは測定対象であるので未知である。
【００３３】
図４（ｂ）参照
次いで、スピンドルモータの回転数を上げて第２の回転数で回転させた第２の状態で静電容量を測定することによって静電容量Ｃ₂ を求める。
この場合の第１の状態と第２の状態との間隔の差Ａは、表面が平滑な回転円盤を用いて予め測定した浮上量の差に基づいて、既知である。
したがって、上述の理由によって、Ｃ₁ ，Ｃ₂ の測定値に基づいて浮上量ａを求めることができる。
【００３４】
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態の第２の測定方法に用いる微小間隔測定用センサーを説明する。
図５参照
図５は、本発明の実施の形態の第２の測定方法に用いる微小間隔測定用センサーの先端部の浮上ヘッドの概略的構成図であり、浮上ヘッド２５の磁気ディスクとの対向面の主要部には、２つの段差部が設けられており、夫々の段差部に別個の測定用導電性パターン２７，２８を設けたものである。
なお、両側部に設けた突起は、浮上特性を制御するための浮上レールである。
【００３５】
この場合、磁気ディスクをスピンドルモータによって所定の回転数で回転させた状態で、測定用導電性パターン２７及び測定用導電性パターン２８によって独立に静電容量を測定すれば良く、２つの段差部の段差Ａは、浮上ヘッド２５の加工精度によって決定される既知の値であるので、測定用導電性パターン２７による静電容量の測定値をＣ₁ 、測定用導電性パターン２８による静電容量の測定値をＣ₂ とすれば、上記の第１の測定方法と同じ状態を実現することになる。
【００３６】
この第２の測定方法においては、浮上ヘッド２５の浮上量を変えずに２つの状態の測定が可能になり、且つ、段差Ａの精度は回転量の制御による差よりも精度が良いので、簡単に且つ高精度の測定が可能になる。
【００３７】
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態の第３の測定方法に用いる微小間隔測定用センサーを説明する。
図６参照
図６は、本発明の実施の形態の第３の測定方法に用いる微小間隔測定用センサーの先端部の浮上ヘッドの概略的構成図であり、浮上ヘッド２５の磁気ディスクとの対向面の主要部に、測定用導電性パターン２７及び測定用導電性パターン２８を設けるとともに、一方の測定用導電性パターン２７上に比誘電率が既知の誘電体層２９を部分的に設けたものである。
【００３８】
この場合も、磁気ディスクをスピンドルモータによって所定の回転数で回転させた状態で、測定用導電性パターン２７及び測定用導電性パターン２８によって独立に静電容量を測定すれば良く、２つの測定用導電性パターン２７及び測定用導電性パターン２８による静電容量の測定値は、誘電体層２９の膜厚及び比誘電率によって決定される値だけ異なるので、測定用導電性パターン２７による静電容量の測定値をＣ₁ 、測定用導電性パターン２８による静電容量の測定値をＣ₂ とすれば、上記の第１の測定方法と実効的に同じ状態を実現することになる。
【００３９】
この第３の測定方法においても、浮上ヘッド２５の浮上量を変えずに２つの状態の測定が可能になり、且つ、静電容量の測定値の差は、誘電体層２９の膜厚及び比誘電率によって決まるが、成膜による膜厚の精度は十分高く、且つ、比誘電率は既知であるので、段差加工を施すことなく精度の高い浮上量ａを求めることが可能になる。
【００４０】
次に、図７を参照して、上記の測定方法によって求めた浮上量ａ及び凸部の高さｂの信頼性を評価する。
図７参照
図７は、磁気ディスクの表面に設けた導電性保護膜３２の表面の凹凸をのこぎり波からなる波板でモデル化して近似したものであり、この場合、測定用導電性パターン３１と導電性保護膜３２との間隔は、横軸をｘとしてｄ（ｘ）で表すと、
ｄ（ｘ）＝ａ−ｂ（２ｘ−１）
となり、また、奥行きを単位幅として規格化して考えると、微小領域Δｘにおける静電容量ΔＣは、
ΔＣ＝εΔｘ／ｄ（ｘ）
＝εΔｘ／〔ａ−ｂ（２ｘ−１）〕
で表される。
【００４１】
したがって、単位面積当たりの静電容量Ｃを求めるためには、上記のεΔｘ／ｄ（ｘ）＝εΔｘ／〔ａ−ｂ（２ｘ−１）〕、即ち、εｄｘ／〔ａ−ｂ（２ｘ−１）〕を、ｘが０→１の範囲で積分すれば良く、その結果、簡単な積分により、
Ｃ＝ｌｎ（ａ＋ｂ）／２ｂ−ｌｎ（ａ−ｂ）／２ｂ
として静電容量Ｃが求まる。
なお、この場合の〔ｌｎ〕は、ｌｏｇ_e を意味する。
【００４２】
次に、上記の静電容量Ｃに、ａ＝２，ｂ＝１として代入して、第１の状態の静電容量Ｃ₁ を求めると、
Ｃ₁ ＝ｌｎ〔３〕／２
となる。
次に、上記の静電容量Ｃに、ａ＝４（即ち、ａ＝２，Ａ＝２），ｂ＝１として代入して、第２の状態の静電容量Ｃ₂ を求めると、
Ｃ₂ ＝ｌｎ〔５〕／２−ｌｎ〔３〕／２
となる。
【００４３】
このようにして得られたＣ₁ ，Ｃ₂ の数値を図２に関して説明した正弦波近似で得られた静電容量Ｃの式に代入して、再び、二元連立方程式を解くと、
ａ≒２．００３７２
ｂ≒０．８３７１４４
となる。
【００４４】
したがって、のこぎり波近似においてａ＝２，ｂ＝１，Ａ＝２と仮定して得られた静電容量Ｃ₁ ，Ｃ₂ を正弦波近似の測定値の代わりに代入した場合、浮上量ａについては、両者の間で約０．２％の差しかなく、凹凸をモデル化して近似した場合の浮上量ａの信頼性はかなり高いものと評価できる。
一方、凸部の高さｂについては、両者の間で約２０％の差があるので浮上量ａに比べて信頼性が低いと評価される。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載された解法に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、２つの測定状態における夫々の浮上量をａ及びａ＋Ａとして計算したが、ａとαａとして計算しても良いものであり、その場合には、上述ののこぎり波近似において、ａ＝２，ｂ＝１，α＝２と仮定して得られた静電容量の値Ｃ₁ ，Ｃ₂ を正弦波近似の式に代入して得られたａ，ｂは、夫々、
ａ≒２．００１２４
ｂ≒０．８３１１５６
となり、ａ及びａ＋Ａとして計算した場合とほぼ同様の結果が得られる。
【００４６】
また、上記の実施の形態においては、２つの状態において浮上量を測定しているが、モデル化する近似式に応じて３つ以上の変数を設定する場合には、３つ以上の状態で測定すれば良く、それに基づいて多元連立方程式を解けば良い。
【００４７】
また、その場合には、図５に示した微小間隔測定用センサーに設ける段差は、設定する状態がｎの場合、ｎ個の段差を設ければ良く、また、図６に示した微小間隔測定用センサーに設ける誘電体層パターンは、互いに異なった厚さで（ｎ−１）個、或いは、互いに異なった比誘電率の誘電体を用いて同じ厚さの誘電体層パターンを（ｎ−１）個設ければ良い。
【００４８】
また、上記の実施の形態においては、磁気ディスクの表面に設ける保護膜を導電性保護膜として説明しているが、非導電性の保護膜に対しても適用されるものであり、その場合には、上記の２つの状態における静電容量の測定に加えて、浮上ヘッドに設けた測定用導電性パターンと磁気ディスクに設けた保護膜とが接触する状態においても測定すれば良く、その値を用いることによって、非導電性の保護層の基準表面と測定用導電性パターン間の間隔、即ち、真の浮上量を測定することができる。
【００４９】
また、上記の実施の形態においては、磁気ヘッドの浮上量及び磁気ディスク表面の凹凸の高さの測定方法として説明しているが、本発明は必ずしもこの様な磁気ヘッドの浮上量の測定に限られるものではなく、表面に微小の凹凸を有する導電性基板と微小部品との間の微小間隔の測定に適用されるものであり、適用対象は限定されるものではない。
【００５０】
（付記１） 表面に凹凸を有する導電性基板と部品との間隔を、前記導電性基板と部品との間の静電容量から求める間隔測定方法に関し、前記間隔を既知量変化させてモデル化した近似式で用いた変数の数に同等な数の間隔ａにおいて静電容量を測定し、前記測定結果を、前記導電性基板の表面の凹凸を前記モデル化した近似式で求めた静電容量の計算式と対比させることによって、前記間隔を求めることを特徴とする間隔測定方法。
（付記２） 上記間隔を既知量変化させるために、上記導電性基板の回転量を制御することを特徴とする付記１記載の間隔測定方法。
（付記３） 上記導電性基板と上記部品とを接触させた状態でも静電容量を測定することを特徴とする付記１または２に記載の間隔測定方法。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、表面の凹凸を正弦波等で近似してモデル化するとともに、少なくとも２つの状態において静電容量を測定し、測定値に基づいて、微小間隔及び凹凸の凸部の高さを近似式から算出しているので、微小間隔が凹凸の高さに比べて小さい場合にも精度良く、且つ、短時間で測定・算出することが可能になり、それによって、高記録密度の磁気記憶装置に実用化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の浮上量算出方法の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態に用いる測定装置の概念的構成図である。
【図４】本発明の実施の形態の第１の測定方法の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態の第２の測定方法に用いる微小間隔測定用センサーの概略的構成図である。
【図６】本発明の実施の形態の第３の測定方法に用いる微小間隔測定用センサーの概略的構成図である。
【図７】本発明の実施の形態の計算値の評価方法の説明図である。
【図８】凹凸面上での静電容量の測定誤差の説明図である。
【符号の説明】
１ 導電性基板
２ 凹凸
３ 部品
１１ 測定用導電性パターン
１２ 導電性保護層
２１ 磁気ディスク
２２ スピンドルモータ
２３ アーム
２４ カンチレバー
２５ 浮上ヘッド
２６ 静電容量測定器
２７ 測定用導電性パターン
２８ 測定用導電性パターン
２９ 誘電体層
３１ 測定用導電性パターン
３２ 導電性保護膜
４１ 測定用導電性パターン
４２ 導電性保護膜
４３ 換算表面

Claims (1)

1. 表面に凹凸を有する導電性基板と部品との間隔を、前記導電性基板と部品との間の静電容量から求める間隔測定方法に関し、前記間隔を既知量変化させてモデル化した近似式で用いた変数の数に同等な数の間隔において静電容量を測定し、前記測定結果を、前記導電性基板の表面の凹凸を前記モデル化した近似式で求めた静電容量の計算式と対比させることによって、前記間隔を求めることを特徴とする間隔測定方法。

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