JPS61177653A - 光学式情報記憶装置 - 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】 （発明の技術分野） この発明は、情報を光学的に記録・再生する記憶装置に
係り、特に光学的に記録・消去の繰や返しが可能な記憶
装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

光学的に情報の記録・再生・消去を行なう記憶装置は、
記録密度が高いこと、及び＾速うンダムアクセスが可能
であることから注目されている。

このような記憶装置として、希土類及び遷移金属元素か
ら成る非晶質合金薄膜の光磁気効果を利用した記録媒体
や、非晶質と結晶質の間の相転移を利用した記録媒体等
を用いたものが知られている。

しかしながら前者の光磁気記憶装置においては、（ａ）
再生原理が直線偏光の偏光面の高々数置以下の回転を検
出することによっており、光学系が偏光子・検光子等を
含んで複雑になり、かつＳ／Ｎが低い、（ｂ）希土類及
び遷移金属元素からなる非晶質合金薄膜は大気中で容易
に酸化され、寿命が短い、（Ｃ）希土類元素を用いるた
めに原料コストが高い、（ｄ）磁場を印加する手段が必
要である。どいつた問題点を有する。

一方、後者の非晶質と結晶質の間の相転移を利用した記
憶装置においては、記録・消去が原理的に原子の拡散移
動を伴うものであることから、（ａ）１ビツトの情報の
記録または消去に要する時間が長く、データ転送速度を
高速にすることに限りがある。（ｂ）熱的繰返しに対し
て徐々に可逆性が失われ、消し残りが発生する。といっ
た問題点を有する。

この他に、基板上に少なくとも２つの別の層を設け、第
１の層は第２の層を変形させて記録するものであり、第
２の層は室温でマルテンサイト層である可逆型メモリ構
造が提案されている（特開昭５６−１２４１３６号公報
）。この方法では、（ａ＞記録媒体に少なくとも２つの
個別の層が必要であり、更には基板と第１の層との間、
および第１の層と第２の層の間の付着力を厳密に制御す
る必要があることから、製造プロセスが複雑である。（
ｂ）第１の層として高い熱膨張係数をもつ金属を用いた
場合、記録後に第１の層は平坦面に戻り、基板面側から
光ビームを入射して情報を再生することが難しい、（Ｃ
）第１の層として加熱分解するポリマを用いた場合、記
録・消去の繰返し回数に限りがある。といった問題点を
有する。

〔発明の目的〕

本発明は上記した従来装置の問題点を克服するためにな
されたものであり、従来とは原理的に異なる記憶方式に
より再生信号のＳ／Ｎ比の向上と記録・消去の高速化を
図り、また単層という単純な構造で寿命が長く原料がよ
り安価な記録媒体を用いて、かつ光学系が単純でかつ磁
場を印加する手段を必要としない、簡単な構成による光
学式情報記憶装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は上記した目的を達成するため、常温でマルテン
サイト相を呈し特定の温度・応力においてマルテンサイ
ト変態を起こす単層の物質膜を記録媒体として用い、そ
のマルテンサイト相内での変形を利用することが骨子で
ある。

マルテンサイト変態とその逆変態は、原子の拡散移動な
しで原子が連携運動をして結晶構造が変化するものであ
り、可逆性が高く、かつ相転移が高速で行われるという
特徴がある。これらの変態は温度の上下に対して、ある
ヒステリシスをもって観測される。以下では、昇温させ
ていった場合の逆変態の温度をＡＳ、逆変態が終了して
全て高温相になる温度をＡｆとする。マルテンサイト変
態をする物質の多くは、マルテンサイト相において応力
をかけて応力除去後も残るような歪、すなわち変形を与
えた場合、Ａ１以上に昇温すると逆変態に伴ってひずみ
がゼロに回復するという現象が起きる。これを形状記憶
効果と呼ぶ。

本発明は、この形状記憶効果を光ビームを用いた加熱手
段により制御する構成として記憶装置として実現したも
のである。すなわち、回折限界近くまで絞った光ビーム
を短時間のパルス幅で、上記のマルテンサイト相にある
記録媒体に照射して局部的に加熱し、その際に発生する
局部的な応力によって塑性変形した状態を例えば記録状
態とし、また記録時とは別の調整をした光ビームを用い
て局部的応力の小さい状態で記録媒体を昇温させて形状
記憶効果により変形を消去し、さらに記録媒体の変形の
有無を変形部分と平坦面での光の反射率の差を検知する
ことにより、記録された情報を再生する記憶装置である
。また、本発明では局部的な加熱による記録を可能とす
るために、面内の熱拡散を抑制するよう記録媒体を単層
構造で薄膜化している点も特徴である。

なお、記録媒体を常温に保持して光ビームで記録・消去
する実用的記憶装置では、マルテンサイト変態温度およ
び逆変態温度がそれに適した記録媒体を用いる必要があ
る。本発明ではこの観点から、２００〜５００℃でマル
テンサイト変態の逆変態を起こすものを用いることが望
ましい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、＜ａ）原子の拡散移動の無いマルテン
サイト変態を利用するために高速の記録・消去が可能で
あり、かつ可逆性が高い、（ｂ）再生の際に偏光子・検
光子を用いる必要がなく、光学系が単純でかつＳ／Ｎが
高い、（Ｃ）記録媒体としてＣｕ、ＡＱ、Ｎ　ｉ等の元
素を主成分としたものを使用することができ原料が安価
である。

（ｄ）記録媒体を上記のような元素を主成分として構成
できるために、光磁気記録媒体のように希土類元素を使
用する場合に比べて耐酸化性、耐候性に冨む、（ｅ）記
録媒体が単層で十分な機能を果たし、製造プロセスが単
純である。（ｆ）磁場を印加する手段が必要でなく、記
憶装置の構成が単純である。といった効果が得られる。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例における記録媒体および基板
の一実施例の断面図である。基板１はガラス、有機樹脂
等よりなる。この基板１に記録媒体２が形成されている
。この記録媒体２は本発明の場合、単層で十分な機能を
果たし得る。３は本発明によるところの後述する記録手
順によって例えば二値情報の１″を記録した記録部分で
、４は情報“０″の未記録部分くまたは消去済みの部分
）である。記録媒体２は常ｍＴａでマルテンサイト相を
呈し、常ＩＴａよりも高い特定の温度ＡＳ〜Ａｆおよび
特定の応力においてマルテンサイト逆変態が起こるよう
物質を選びその組成９組織を調整する。さらに記録媒体
２は、初期状態では第１図の未記録部分４に示すような
平坦面であり、かつ媒体全体を応力がかからない状態で
温度Ａ１以上に昇温しても高温相は平坦面であり、基板
１への付着力は弱い。

第２図は本発明の記録媒体を作成する装置の一例の構成
図である。５は真空容器、６は排気系。

７はセラミック製ルツボ、８はタングステンから成る通
電加熱用ヒータである。９はガラス、石英。

有機樹脂、Ｓｉ等のいずれかから成る基板であり、記録
媒体となる膜を付着させる間は回転させられるものとす
る。真空容器５を排気系６で１×１０−　’　Ｔｏｒｒ
以下に排気し、ヒータ８で加熱されたルツボ７よりルツ
ボ７内に充填された蒸発源が蒸発し、基板９に記録媒体
としての薄膜が付着する。

本発明の第１の実施例は、Ｃｕ−Ａ４合金薄膜を記録媒
体として用いた場合である。ヒータ８とルツボ７の組合
わせを第２図に示したように２個用意し、一方にＣＵ、
もう一方にＡ℃を充填し、ヒータ８への供給電力を制御
することによって個々の蒸発量を精密かつ安定に制御し
て、基板９上にＣｕ−Ａ４合金膜を付着させた。組成を
変化させて作成した種々のＣｕ−Ａｌ２合金膜について
電気抵抗の温度変化を測定したところ、Ａｊ２含有量が
９〜１５重１％の場合にマルテンサイト変態をする記録
媒体が得られた。電気抵抗の温度変化の測定は、マルテ
ンサイト変態の変態温度を知るのに好適の手段である。

測定は交流四端子法により行ない、昇温・冷却の速度は
１分あたり２０℃とした。

従来良く知られているバルクで形状記憶効果のある合金
は、逆変態温度が高々１００℃と常温以下のものが多く
、常温下で使用される記録媒体の材料としては都合が悪
い。それに対して、Ｃｕ−へ２合金、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ
合金、Ｎ１−Ａｆｆｉ合金等の薄膜は、１５０℃程度以
上といった高温で形状が回復するようにすることが容易
であり、常温下で不用意に形状が元に戻ってしまうこと
がなく好都合である。これらの長所を持つ合金１１１９
１を形成するには、例えば基板を赤外線ランプで加熱し
ながら膜を堆積することが有効である。

第３図は熱酸化膜付き３ｉウエハを基板とし、基板を３
００℃に加熱しながら厚さ６０００人に堆積したＣｕ−
Ａｎ合金Ｉｌｌの電気抵抗率の温度変化を測定した結果
を示したものである。図に示すように、常温でマルテン
サイト相を呈し、また逆変態の終了する温度はＡｆ−３
８０℃であり、かつ基板への付着力の強くない本発明に
好適な記録媒体が得られた。

一方、上記と同様の方法でガラス基板上に８００人の厚
さに堆積したＣｕ−Ａｆｉ合金薄膜について７０℃、８
５％相対湿度の高温加湿条件下において加速劣化試験を
行なった。劣化の目安として一定時間毎に光学的反射率
を測定した。第４図がその結果の一例である。横軸は高
温・加湿条件下に置いた時間、縦軸はＸ時間後の通常用
いられている半導体レーザの波長８３０　ｎｍに於ける
反射率をＲ（Ｘ）として、 （Ｒ（ｘ）　−Ｒ（０）　）／Ｒ（０）で定義される光
学的反射率の変化分である。第４図には比較のために用
意した光磁気記録媒体として代表的なＴｂＦｅ、ＧｂＣ
ｏの各非晶質合金薄膜についての結果の一例も記載した
。第４図より明らかなように、Ｃｕ−Ａｆｆｉ系合金薄
膜は、希土類元素を成分とする光磁気記録媒体に比べて
高温加湿条件下における反射率の低下が小さく、格段に
耐酸化性、耐候性に優れている。

第５図は上述した記録媒体を用い光ビームによって記録
・再生・消去をする本発明に基く記憶装置の一実施例の
構成図である。ガラス基板１０上に上述した単層薄膜の
記録媒体１１が形成されており、これらは軸１２を中心
に回転させられる。

光ビーム発生装置１３は例えば半導体レーザを用いて構
成され、照射する光ビームのパルス幅およびパワーを調
整する機構をも含む。１４は反射鏡。

１５は対物レンズである。対物レンズ１５によって絞り
込まれた光ビームが記録媒体１１に照射される。１６は
ハーフミラ−１１７は光検出器であり、記録媒体１１か
らの反射光の一部がハーフミラ−１６を介して光検出器
１７に入射する。

情報の記録は、記録媒体を局部的に加熱することにより
行なわれる。すなわち、対物レンズ１５によって記録媒
体１１に正確に焦点を合わせ、１μｍφ程度に絞った光
ビームを記録媒体１１の面内の熱拡散が問題にならない
程度のパルス幅で、かつ光ビーム照射部分の温度がＡ１
以上にならないようなパワーで照射することによって記
録ができた。記録した個所を顕微鏡で観察したところ、
第１図に示す形に変形していることが確認された。

こうして記録された情報の消去は、記録媒体を温度Ａｆ
以以上で昇温させることにより行なわれる。すなわち、
光ビームを記録媒体１１の温度がＡ１以上になるような
エネルギーで消去したい個所に照射した。但し、消去時
には不必要な熱応力の集中を避けるために、記録時より
も長いパルス幅でかつ記録時よりも太いビーム径の光ビ
ームを照射した。これにより、第１図の記録部分３は変
形が消失して平坦面に復すことが確認された。

以上の記録および消去は次のような原理と理解される。

記録すべく光ビームを用いて局部的な加熱をした場合、
第１図に示す記録媒体２のうち、光ビームを照射した部
分は、周囲の未記録部分４によって拘束されることから
、以下の内部応力σが発生する。

σ−Ｅ（Δ（１／１２＞ Ｅはヤング率、Δβ／２は拘束されない場合の熱膨張に
よる伸び率であり、 Δ２／２−β（Ｔ−Ｔａ） で表わされる。βは熱膨張係数、Ｔａは常温、■は光ビ
ーム照射部分の温度である。通常の合金、例えばＣｕ−
Ａｎ系合金においてはβ〜２×１０−’　　［１／Ｋ］
、Ｅ　〜１０”　　［Ｐａ］ｒあることを考慮すると、
光ビーム照射部分が常温より１５０℃温度上昇すること
により、σ−３００［ＭＰａ］の内部応力を発生する。

記録媒体２の基板１への付着力が弱い場合、この内部応
力σが記録媒体２の降伏応力σｃｒを越えると光ビーム
照射部分は塑性座屈を起こし、第１図に示す形に変形す
る。

本発明に係る記録媒体２は常温でマルテンサイト相にあ
るから、記録時に記録媒体２の温度がＡｓを越えない限
り、この変形はマルテンサイト相内の双晶界面の移動と
マルテンサイト兄第晶同士の変換によって担われる。こ
れらのメカニズムによって担われた変形は、局部的加熱
終了後、即ち応力除去後も安定に存在する。

上述したように本発明に係る記録媒体は常温でマルテン
サイト相にあるが、マルテンサイト相は母相に比べて軟
らかく、上記メカニズムによって変形し易く、降伏応力
σｃｒが１５０　［ＭＰａ］程度以下である。記録時に
は、Ａｆを越えない温度までの局部加熱による熱応力が
σｃｒを越えることが必要である。従って、記録媒体の
Ａｆは記録を確実なものとするために２００℃以上が望
ましい。

但し、現在実用化されている光学式情報記憶装置に使用
し得るコンパクトな半導体レーザ等の出力を考慮すると
、Ａｆの下限は５００’Ｃ以下が望ましい。なお、冷却
時にマルテンサイト変態の終了する温度Ｍｆは、常温以
上であればどのような値でもよい。

以上の手順によって第１図に示す如く塑性座屈によって
変形した記録部分３は、温度がＡＳ以下であれば安定に
存在し、これが例えばパ１ｎの記録状態となる。消去は
、既に述べた形状記憶効果による。すなわち、記録媒体
が昇温すると温度ＡＳ〜Ａｆにおいてマルテンサイト逆
変態が起こる。

記録時にマルテンサイト相内の双晶界面の移動とマルテ
ンサイト兄第晶同士の変換によって担われた変形は、逆
変態して高温相になる際に全て零になる。従って、記録
媒体２の形状は元の平坦面となる。この平坦面は消去用
光ビーム照射後、常温まで冷却されても安定であり、以
後応力がかからない限り安定である。この消去過程にお
いて、昇温による熱応力が前述の降伏応力σｃｒ以下で
ある必要がある。この要請は、消去用光ビームを記録時
よりも長いパルス幅で、かつ長いパルス立ち上がり時間
で、さらには記録時よりも太いビーム径とすることによ
り克服される。ビーム径を太くすることは、簡便には対
物レンズ１５の調整により、記録時に比べて少し焦点を
ずらすことによって実現される。また、記録用とは別に
消去用光ビームの光路を設けてもよい。以上の原理によ
って消去が完了する。

ここで、記録過程において熱応力が大き過ぎ、変形がマ
ルテンサイト相内の双晶界面の移動とマルテンサイト兄
第晶同士の変換以外の要因、例えばすべり等によって担
われた場合、消去が不可能である。従って、後に消去す
る可能性のある情報については、すべりに対する臨界応
力σ８８　（＞σｃｒ）以下の熱応力で記録する必要が
ある。逆に永久に消去したくない情報についてはσ８Ｈ
以上の熱応力で記録して保存することが可能である。

記録された情報の再生は、記録媒体に光ビームを照射し
、記録部分と未記録部分（または消去部分）とにおける
反射光量の差を第５図に示した光検出器１７で検知する
ことによって行なう。照射する光ビームは、反射光量が
光検出器１７で検出され得る程度に大きく、かつ記録時
や消去時よりも小さいパワーとする。第１図に示した如
く変形した記録部分３では、周囲の平坦な未記録部分４
に比較して光が散乱されること、および基板と記録媒体
の間に空洞が生じるために光学的条件が変化することか
ら、反射して戻ってくる光量を検知することにより記録
の有無がわかる。この場合、再生用光ビームの入射方向
は記録媒体面側からでも良いし、基板面側からでも良い
。消去・記録用の光ビームの入射方向も同様である。

なお、本発明における記録原理は常温でマルテンサイト
相にある記録媒体を応力によって変形させるものである
から、上記した再生信号の反射光量差は第１図に示した
平坦面の変形に起因するもののみである。従って、再生
信号のＳ／Ｎの観点から記録媒体を設計する場合、変形
の形状とその度合いのみを考慮すればよいという有利さ
がある。

以上述べたように、本発明による光学式情報記憶装置は
光磁気記憶装置で必要とするような磁場を印加する手段
や光路中の偏光子等が必要でなく、第５図に示すような
単純な構成となる。但し、本発明の装置をさらに実用的
な高密度情報記憶装置とするには、第５図に示した構成
要素の他に、基板に形成したトラッキング用案内溝に光
学系を追従させるトラッキングサーボ手段や、光学系の
焦点合せのためのフォーカシングサーボ手段等が必要と
なることは言うまでもない。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、例
えば実施例で挙げたＣＵ−Ａｊ２系合金を用いた記録媒
体は、他の同様のマルテンサイト変態を起こす物質で置
き換えることが可能である。

例えばバルクで形状記憶効果の知られている合金。

Ｔ　ｉ　−Ｎ　ｉ　（１５〜５６ｗｔ％）合金のＮｉを
ＣｕでＯ〜３０ｗｔ％ｉｌ換した合金、　Ｎ　１−Ａｎ
　（１９〜２３ｗｔ％）合金、　Ｍｎ−Ｃｕ　（５〜３
６ｗｔ％）合金Ｗ＋７）ｉｌ膜が、本発明の記録媒体と
して使用し得る。

また、実施例では局部的な熱応力を発生させて変形させ
た状態を記録状態、すなわち二値情報の“１″を表わす
としたが、逆に昇温させ変形を消去した後の状態を記録
状態１パとすることも可能である。この場合、初期状態
が第１図に示した変形部分となり、記録状態が平坦面と
なる。従って、初期状態として第１図に示すような変形
部分を記録媒体全面に連続的に同心円状またはスパイラ
ル状に形成することにより、光学系をガイドするための
トラッキング用案内溝の機能を持たせることができる。

その場合、基板に物理的に案内溝を形成する必要がなく
、案内溝形成の難しいガラス基板等も平坦面のまま高密
度記憶装置に使用できるという利点がある。

さらに、本発明の記録媒体は単層で十分な機能を果たし
得るが、例えば記録媒体の基板への付着力を調整したい
場合に熱的に安定な層を記録媒体と基板の間に設けたり
、または耐候性をさらに増すために記録媒体の両面に薄
い保護層を設ける、等の多層化を適宜採用することは全
く差支えなく、本発明の効果を損うものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における記録媒体と基板の断
面図、第２図は本発明に係る記録媒体を作成する装置の
一例の模式図、第３図は本発明に係る記録媒体のマルテ
ンサイト変態の様子を説明するための電気抵抗率の温度
変化を示す図、第４図はＣｕ−Ａｆｆｉ系合金薄膜から
なる記録媒体の耐候性を他の記録媒体と比較して示した
図、第５図は本発明に係る光学式情報記憶装置の一実施
例の全体構成図である。 １・・・基板、２・・・記録媒体、５・・・真空容器、
６・・・排気系、７・・・ルツボ、８・・・ヒータ、９
・・・基板、１０・・・基板、１１・・・記録媒体、１
２・・・回転軸、１５・・・対物レンズ、１６・・・ハ
ーフミラ−１１７・・・光検出器。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 第３図 温度ピＣ〕 第４図 手続補正書 ６０．４．２５ 昭和　　年　　月　　日 特許庁長官　志　賀　　　学　　殿 １、事件の表示 特願昭６０−１６７６１号 ２、発明の名称 光学式情報記憶装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （３０７）　　株式会社　東芝 ４、代理人 東京都港区虎ノ門１丁目２６番５号　第１７森ビル〒１
０５　　電話　０３　（５０２）３１８１　（大代表）
６、補正の対象 ７、補正の内容 （１）特許請求の範囲の記載を別紙の通り訂正する。 （２）Ｊ　　明細書第５頁第１１行の「逆変態の温度」
を「逆変態の開始温度」と訂正する。 （ａ　明細書第７頁第１４行〜第１７行の［単純である
・・・断面図である。」を下記の通り訂正する。 記 単純である。といった効果が得られる。 〔発明の実施例〕 第１図は本発明の一実施例における記録媒体および基板
の一実施例の断面図である。 ２、特許請求の範囲 （１）常温でマルテンサイト相を呈し特定の温度・応力
においてマルテンサイト変態を起こす単層の物質膜から
なる記録媒体と、この記録媒体を支持する基板と、この
記録媒体を光ビームの照射により特性温度以下１１局部
的に加熱することにより生じる応力で記録媒体に変形を
与える手段と、前記記録媒体を光ビームの照射により前
記特性温度以上まで昇温してマルテンサイト変態の逆変
態を引き起こせしめて形状を回復させる手段と、前記記
録媒体の変形の有無を光ビームを用いて検知する手段と
を備えたことを特徴とする光学式情報記憶装置。 （２）前記記録媒体が２００〜５００℃でマルテンサイ
ト変態の逆変態を起こすものであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の光学式情報記憶装置。 （３ｔｒＪ記記録媒体が銅を主成分としてアルミニウム
を９〜１５重量％を含んだ銅−アルミニウム系合金膜か
らなるものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の光学式情報記憶装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）常温でマルテンサイト相を呈し特定の温度・応力
   においてマルテンサイト変態を起こす単層の物質膜から
   なる記録媒体と、この記録媒体を支持する基板と、この
   記録媒体を光ビームの照射により特性温度以下で局部的
   に加熱することにより生じる応力で記録媒体に変形を与
   える手段と、前記記録媒体を光ビームの照射により前記
   特性温度以上まで昇温してマルテンサイト変態の逆変態
   を引き起こせしめて形状を回復させる手段と、前記記録
   媒体の変形の有無を光ビームを用いて検知する手段とを
   備えたことを特徴とする光学式情報記憶装置。
2. （２）前記記録媒体が２００〜５００℃でマルテンサイ
   ト変態の逆変態を起こすものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の光学式情報記憶装置。
3. （３）前記記録媒体が銅を主成分としてアルミニウムを
   ９〜１５重量％を含んだ銅−アルミニウム系合金膜から
   なるものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の光学式情報記憶装置。