(57)【要約】  強誘電体の表面に接触若しくは近接して配置されるべきプローブと、プローブおよび強誘電体内部の静電容量を含む発振ループと、発振ループ内で生成される測定信号の強誘電体への交番電界印加に伴う周波数変化に基づいて強誘電体の物性状態を検出する検出手段と、を含む物性状態検出装置であり、測定信号の周波数を低周波に変換し、これを変換測定信号として出力する周波数変換手段と、変換測定信号の周波数を目標周波数に一致するべく制御する周波数制御手段と、変換測定信号の周波数に応じた信号レベルを有する周波数検出信号を生成する周波数検出手段と、周波数検出信号を同期信号に基づいて同期検波する同期検出手段と、を含む。
2008114421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体の表面に接触若しくは近接して配置されるべきプローブと、前記プローブおよび前記強誘電体内部の静電容量を含む発振ループと、前記発振ループ内で生成される測定信号の前記強誘電体への交番電界印加に伴う周波数変化に基づいて前記強誘電体の物性状態を検出する検出手段と、を含む物性状態検出装置であって、
前記測定信号の周波数を低周波に変換し、これを変換測定信号として出力する周波数変換手段と、
前記変換測定信号の周波数を目標周波数に一致するべく制御する周波数制御手段と、
前記変換測定信号の周波数に応じた信号レベルを有する周波数検出信号を生成する周波数検出手段と、
前記周波数検出信号を同期信号に基づいて同期検波する同期検出手段と、
を含むことを特徴とする物性状態検出装置。
【請求項２】
前記強誘電体に一定周波数の探索信号を供給し、前記強誘電体に交番電界を与える交番電界印加手段と、
前記同期信号を生成する同期信号生成手段と、を更に含み、
前記同期信号は、前記探索信号に対して所定時間遅延していることを特徴とする請求項１に記載の物性状態検出装置。
【請求項３】
前記周波数制御手段は、前記目標周波数と前記変換測定信号の周波数差に基づいて制御信号を生成する制御器を含み、
前記周波数変換手段は、前記制御信号に応じた周波数のＶＣＯ信号を生成する電圧制御発振器と、前記測定信号と前記ＶＣＯ信号とを混合する混合器と、を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の物性状態検出装置。
【請求項４】
前記制御器は、前記目標周波数から前記変換測定信号の周波数を減算し、これを誤差信号として出力する減算器と、
前記誤差信号を積分し、前記変換測定信号の周波数が前記目標周波数に一致するべく前記制御信号を生成する積分器と、を含むことを特徴とする請求項３に記載の物性状態検出装置。
【請求項５】
前記制御器は、前記誤差信号が所定範囲を超えたとき若しくは起動時に初期化信号を生成するロック検出器をさらに含み、
前記積分器は、前記初期化信号に応じて前記制御信号を初期状態に設定することを特徴とする請求項４に記載の物性状態検出装置。
【請求項６】
前記周波数検出手段は、所定の基準レベルに基づいて前記変換測定信号を２値化処理する２値化回路と、前記２値化処理された信号のエッジをトリガ信号として、一定のパルス幅を有するパルス信号列を生成する発振回路と、前記パルス信号列の信号レベルを平均化する平均化回路と、を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の物性状態検出装置。
【請求項７】
前記同期検出手段は、前記周波数検出信号のうちの前記探索信号の周波数帯域と同一の周波数帯域のみを通過せしめる帯域通過フィルタと、
前記帯域通過フィルタ通過後の周波数検出信号の極性を反転させる極性反転器と、
前記帯域通過フィルタ通過後の周波数検出信号又は、前記極性反転器によって極性反転された周波数検出信号のいずれかを前記同期信号に応じて選択し、これを検波信号として出力する同期検波回路と、
前記検波信号のうちの前記同期信号の周波数成分を除去する低域通過フィルタと、を含むことを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の物性状態検出装置。
【請求項８】
前記混合器と前記周波数検出手段と前記制御器と前記制御発振器とから構成される周波数制御ループのゲイン交点周波数をｆ０、前記探索信号の周波数をｆ３、前記変換測定信号の周波数をΔｆとすると、
ｆ０＜ｆ３＜Δｆ
の関係が常に成立することを特徴とする請求項３に記載の物性状態検出装置。
【請求項９】
前記測定信号の周波数をｆ１、前記ＶＣＯ信号の初期の周波数をｆ２０、前記周波数制御ループがロックしているときのＶＣＯ信号の周波数をｆ２、前記変換測定信号の周波数をΔｆとすると、
ｆ２０＜ｆ２＜ｆ１かつｆ１−ｆ２＝Δｆ＞０
又は
ｆ２０＞ｆ２＞ｆ１かつｆ２−ｆ１＝Δｆ＞０
のいずれかを満たすことを特徴とする請求項８に記載の物性状態検出装置。
【請求項１０】
前記強誘電体の抗電界以上の電界を生ぜしめる記録パルスを生成する記録パルス発生器と、
前記探索信号又は前記記録パルスのいずれかを選択的に前記強誘電体に印加するスイッチ手段と、を更に有することを特徴とする請求項２乃至９のいずれかに記載の物性状態検出装置。
【請求項１１】
強誘電体の表面に接触若しくは近接して配置されるべきプローブと前記強誘電体内部の静電容量とを含む発振ループ内で生成される測定信号の前記強誘電体への交番電界印加に伴う周波数変化に基づいて前記強誘電体の物性状態を検出物性状態検出方法であって、
前記測定信号の周波数を低周波に変換し変換測定信号を得る周波数変換ステップと、
前記変換測定信号の周波数に応じた信号レベルを有する周波数検出信号を得る周波数検出ステップと、
前記周波数検出信号を同期信号に基づいて同期検波する同期検出ステップと、を含み、
前記周波数変換ステップは、前記変換測定信号の周波数が目標周波数に一致するように制御する周波数制御ステップを含むことを特徴とする物性状態検出方法。
【請求項１２】
前記周波数変換ステップは、前記測定信号と局部発振信号とを混合するステップを含み、
前記制御ステップは、前記目標周波数と前記変換測定信号の周波数の差に基づいて前記局部発振信号の周波数を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の物性状態検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体材料の分極方向の如き容量変化を伴う物性状態を検出する物性状態検出装置および物性状態検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、 情報量の増大から高速且つ大量に情報を蓄積する技術への要求が高まっている。 現在最も広く情報記録に使用されている磁気記録の記録密度は理論限界に近づきつつあり、垂直磁気記録を用いても、１Tbit/inch2の記録密度を達成することが限界だと考えられている。一方、強誘電体は自発分極を持ち、その分極方向は、外部から電界を印加することにより反転させることができる。従って、デジタルデータをこの分極の向きに対応させて情報を記録することができる。また、強誘電体の分域壁は１、２単位格子程度で、強磁性体のそれより格段に薄いことはよく知られており、そのドメインサイズも強磁性体のドメインサイズよりはるかに小さいので、強誘電体の極微細なドメインを人工的に制御できれば超高密度情報記録素子が得られると考えられる。しかし、強誘電材料中の分極は、材料の表面に付着した電子やイオン等の表面電荷によって遮蔽され、これを測定すること、すなわち、記録された情報を読み出すことは困難であった。【０００３】
強誘電体の分極分布を純電気的に検出する装置として、ＳＮＤＭ（走査型非線形誘電率顕微鏡）が知られている。図１はこのＳＮＤＭを応用した公知の強誘電体分極方向検出装置のブロック図である。この装置は、強誘電体材料の非線形誘電率すなわち探針３直下の静電容量Ｃｐの変化を測定することで強誘電体の分極方向を判別するものである。かかる装置において強誘電体材料１の分極方向を検出するには、ステージ２とリングプローブ４および探針（プローブ）３間に外部から交番電界を印加する。すると発振器５の発振周波数が交番電界に伴って変化する。このときの符号を含めた発振周波数の変化の割合は、探針直下の非線形誘電率すなわち静電容量Ｃｐによって決定されるので、その周波数変化の割合を探針３が２次元スキャンすることによって強誘電体材料１の分極分布が検出される。具体的には、発振器５の周波数変化はＦＭ復調器６で復調した後、ロックインアンプ７で印加電界の周波数で同期検波することによって検出される。
【特許文献１】特開２００４−１２７４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来の検出装置の如く、探針（プローブ）３が強誘電体材料上を走査して分極分布を検出するような場合、探針３直下の静電容量Ｃｐは、媒体上の検出位置すなわちデータ再生位置によって大きく変化するため、発振器５の発振周波数もこれに伴って変化する。そして、ＦＭ復調器６は、この周波数信号を直接受信して復調処理を行うので、復調可能な周波数の検出幅を広く取らねばならず、高感度な信号検出を行うことは困難であった。また、交番電界の印加に伴う発振周波数の変化は僅かであり、この変化を精度よく検出することが重要であるが、かかる点については未だ改善の余地がある。また、上記従来の検出装置の如く信号検出にロックインアンプを使用した場合、回路が大規模となるので複数のプローブを装置に搭載してこれらによって同時にデータの記録再生を行わせることが困難であった。【０００５】
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、強誘電体の如き非線形誘電率変化を伴う媒体の物性状態（分極状態）を高精度で検出でき、また小規模な回路で構成することができる物性状態検出装置および物性状態検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の物性状態検出装置は、強誘電体の表面に接触若しくは近接して配置されるべきプローブと、前記プローブおよび前記強誘電体内部の静電容量を含む発振ループと、前記発振ループ内で生成される測定信号の前記強誘電体への交番電界印加に伴う周波数変化に基づいて前記強誘電体の物性状態を検出する検出手段と、を含む物性状態検出装置であって、前記測定信号の周波数を低周波に変換し、これを変換測定信号として出力する周波数変換手段と、前記変換測定信号の周波数を目標周波数に一致するべく制御する周波数制御手段と、前記変換測定信号の周波数に応じた信号レベルを有する周波数検出信号を生成する周波数検出手段と、前記周波数検出信号を同期信号に基づいて同期検波する同期検出手段と、を含むことを特徴としている。【０００７】
また、本発明の物性状態検出方法は、強誘電体の表面に接触若しくは近接して配置されるべきプローブと前記強誘電体内部の静電容量とを含む発振ループ内で生成される測定信号の前記強誘電体への交番電界印加に伴う周波数変化に基づいて前記強誘電体の物性状態を検出物性状態検出方法であって、前記測定信号の周波数を低周波に変換し変換測定信号を得る周波数変換ステップと、前記変換測定信号の周波数に応じた信号レベルを有する周波数検出信号を得る周波数検出ステップと、前記周波数検出信号を同期信号に基づいて同期検波する同期検出ステップと、を含み、前記周波数変換ステップは、前記変換測定信号の周波数が目標周波数に一致するように制御する周波数制御ステップを含むことを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来の検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例である物性状態検出装置の全体構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例である混合器の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例である周波数検出器の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例である制御器の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施例である探索信号生成器の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施例である同期検出器の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施例である物性状態検出装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図９】周波数制御系のオープンループ特性を示すグラフである。
【図１０】混合器の入出力信号の周波数設定を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施例に係る制御器の構成を示すブロック図である。
【図１２】混合器の入出力信号の周波数設定を示す図である。
【図１３】本発明の他の実施例である物性状態検出装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の他の実施例である物性状態検出装置の全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０００９】
１０  記録媒体
１１  探針
１２  リングプローブ
１３  発振器
２０  混合器
３０  周波数検出器
４０  制御器
５０  電圧制御発振器
６０  探索信号生成器
７０  同期検出器
８０  記録パルス発生器
９０  切り替えスイッチ
１００  周波数分別器
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。以下の説明においては、本発明に係る物性状態検出装置を強誘電体材料を記録媒体とした再生装置或いは記録再生装置に適用した場合を例に説明する。尚、以下に示す図において、実質的に同一又は等価な構成要素、部分には同一の参照符を付している。
（第１実施例）
図２は、本発明の実施例である物性状態検出装置のブロック図である。以下、図２を参照しつつ、その全体構成について説明する。【００１１】
探索信号生成器６０は、探索信号ｆ３（ｔ）を生成し、これを金属ステージ１４を介して記録媒体１０に印加するとともに同期信号を生成し、これを同期検出器７０に供給する。記録媒体１０は、本発明に係る物性状態検出装置の測定対象であり、強誘電体材料によって形成される。探針（プローブ）１１はその先端が記録媒体１０に接触あるいは近接して配置され、この探針１１とリングプローブ１２によって、探索信号ｆ３（ｔ）の印加に伴う探針１１直下の静電容量Ｃｐの変化が読み取られることによって、記録媒体１０に記録されたデータが読み取られる。尚、探針１１と記録媒体１０との相対的な位置の移動は例えば記録媒体１０の形状がディスク状である場合には記録媒体１０が回転することにより行われ、記録媒体１０の形状が矩形状である場合には探針１１と記録媒体１０のいずれか一方が直線的に移動することにより行われる。【００１２】
発振器１３は、インダクタＬを含み、このインダクタＬと上記静電容量ＣｐとでＬＣ共振回路を構成し、静電容量Ｃｐの変化によって周波数変調された測定信号ｆ１（ｔ）を生成する。【００１３】
混合器２０は、発振器１３から供給される測定信号ｆ１（ｔ）を低周波に変換する本発明の周波数変換手段に相当し、測定信号ｆ１（ｔ）と電圧制御発振器５０から供給されるＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）との周波数差を示す変換測定信号Δｆ（ｔ）を生成する。【００１４】
周波数検出器３０は、本発明の周波数検出手段に相当し、変換測定信号Δｆ（ｔ）に応じた信号レベルを有する周波数検出信号Ｖ１（ｔ）を生成し、これを制御器４０および同期検出器７０に供給する。【００１５】
制御器４０は、本発明の周波数制御手段に相当し、変換測定信号Δｆ（ｔ）が目標周波数に一致するべく電圧制御発振器５０の発振周波数を制御する。具体的には、変換測定信号Δｆ（ｔ）の目標値を示す目標周波数信号ｆｒの信号レベルと周波数検出信号Ｖ１（ｔ）とを比較して、その差を積分し、変換測定信号Δｆ（ｔ）が目標周波数となるように制御信号を生成する。【００１６】
電圧制御発振器５０は、上記混合器２０による周波数変換処理において、いわゆる局部発振器として機能するものであり、制御器４０から供給される制御信号に応じて周波数制御がなされたＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）（局部発振信号）を生成し、これを混合器２０に供給する。上記した混合器２０、周波数検出器３０、制御器４０、電圧制御発振器５０によって、周波数制御ループが形成される。【００１７】
同期検出器７０は、本発明の同期検出手段に相当し、探索信号生成器６０から供給される同期信号に同期して周波数検出器３０から供給される周波数検出信号Ｖ１（ｔ）を同期検波し、その結果を検出信号Ｖ２（ｔ）として出力する。検出信号Ｖ２（ｔ）は、記録媒体１０に探索信号ｆ３（ｔ）を印加することによって得られた記録媒体１０の分極状態を示す信号であり、すなわち記録されたデータの再生信号である。【００１８】
このように、本発明に係る物性状態検出装置においては、混合器２０、周波数検出器３０、制御器４０、電圧制御発振器５０によって周波数制御系が構成され、探索信号生成器６０、同期検出器７０によって信号検出系が構成される。【００１９】
次に上記した本発明に係る物性状態検出装置の各構成部分の詳細について以下に説明する。まず、本発明に係る物性状態検出装置の測定対象である記録媒体１０は、例えばＬｉＴａＯ３等の強誘電体材料からなり、抗電界以上の電界を印加することで分極方向を変化させることができる。従って、この記録媒体１０にデータに対応させて分極方向を定めることによってデータの記録を行うことが可能である。本発明に係る物性状態検出装置は、この記録媒体１０の分極状態の検出すなわちデータ再生をなすものである。【００２０】
探針（プローブ）１１は、その先端が記録媒体１０に接触或いは近接するように配置され、その周囲にはリング状のリングプローブ１２が設けられている。リングプローブ１２は、接地電位に固定されている。発振器１３は、探針１１とリングプローブ１２の間に設けられたインダクタＬを含み、探針１１直下の記録媒体１０内部に形成される静電容量ＣｐとインダクタＬによって定まる発振周波数で発振する測定信号ｆ１（ｔ）を出力する。【００２１】
記録媒体１０には探索信号ｆ３（ｔ）が金属ステージ１４を介して印加されることによって、交番電界が印加される。記録媒体１０に交番電界が印加されると探針１１先端から記録媒体１０を貫通してプローブリング１２へとたどる電界パスが形成され、探針１１は記録媒体１０の内部に形成される静電容量Ｃｐに接続される。また、記録媒体１０に交番電界が印加されることによって記録媒体１０の非線形誘電率が変化するので、これに伴い静電容量Ｃｐも変化する。静電容量Ｃｐの態様は、記録媒体１０の分極状態によって異なる。具体的には、探索信号ｆ３（ｔ）が正極性のときの静電容量をＣｐｐ、負極性のときの静電容量をＣｐｎとすると、記録媒体１０の分極状態によってＣｐｐとＣｐｎの大小関係が異なる。換言すれば、探索信号ｆ３（ｔ）の極性変化に伴って、探針１１直下の容量Ｃｐが増加するか減少するかは、記録媒体１０の分極方向によって全く逆の反応を示すのである。本発明に係る物性状態検出装置は、探索信号ｆ３（ｔ）の印加に基づく静電容量Ｃｐの変化の態様を検出することによって記録媒体１０の分極方向の検出すなわち記録媒体１０に記録されたデータの再生をなすものである。尚、探索信号ｆ３（ｔ）の印加に伴う静電容量Ｃｐの変化量はａＦ（アトファラド：１０−１８Ｆ）のオーダであり、極めて僅かな容量変化を検出することとなる。【００２２】
発振器１３は、インダクタＬと静電容量Ｃｐとで共振回路を構成する。そして、静電容量Ｃｐの変化は、周波数変換され、測定信号ｆ１（ｔ）として出力される。具体的には、交番電界の印加によって静電容量Ｃｐの値が大きくなると測定信号ｆ１（ｔ）の発振周波数は低くなり、静電容量Ｃｐの値が小さくなると測定信号ｆ１（ｔ）の発振周波数は高くなる。発振器１３によって生成された測定信号ｆ１（ｔ）は混合器２０に供給される。【００２３】
図３は、混合器２０のより詳細な構成を示すブロック図である。混合器２０は、例えばダブルバランスドミキサ２１と、低域通過フィルタ２２と、増幅器２３と、により構成される。ダブルバランスドミキサ２１は、発振器１３から供給される測定信号ｆ１（ｔ）と電圧制御発振器５０から供給されるＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）（局部発振信号）とを混合することにより互いに周波数が異なる２つのビート信号を生成する。すなわち、ダブルバランスドミキサ２１は、ｆ１（ｔ）＋ｆ２（ｔ）で示される第１ビート信号および｜ｆ１（ｔ）−ｆ２（ｔ）｜で示される第２ビート信号を生成する。低域通過フィルタ２２は、高周波である第１ビート信号を除去し、低周波である第２ビート信号のみを通過させる。第２ビート信号は、上記の如く｜ｆ１（ｔ）−ｆ２（ｔ）｜で示される信号であり、測定信号ｆ１（ｔ）の周波数とＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数との差分を示す信号である。従って、測定信号ｆ１（ｔ）よりも低周波となる。低域通過フィルタ２２の出力信号は、増幅器２３によって増幅され、変換測定信号Δｆ（ｔ）として出力される。すなわち、測定信号ｆ１（ｔ）は、混合器２０を通過することによって低周波の変換測定信号Δｆ（ｔ）に変換される。この混合器２０による周波数変換処理によって、高精度な信号検出が達成されることとなる。混合器２０によって生成された変換測定信号Δｆ（ｔ）は周波数検出器３０に供給される。【００２４】
図４は、周波数検出器３０のより詳細な構成を示すブロック図である。周波数検出器３０は、例えばコンパレータ３１と、単安定マルチバイブレータ３２と、低域通過フィルタ３３と、増幅器３４と、により構成される。コンパレータ３１は、混合器２０より出力される変換測定信号Δｆ（ｔ）を２値化処理する。具体的には、変換測定信号Δｆ（ｔ）と所定の基準レベルとを比較し、Δｆ（ｔ）の信号レベルが基準レベルよりも大きいときはデジタル値１を出力し、Δｆ（ｔ）の信号レベルが基準レベルよりも小さいときはデジタル値０を出力する。かかる２値化判定においては出力のチャタリング防止のため、適切な正帰還が施され、いわゆるヒステリシス特性を持たせることとしてもよい。コンパレータ３１の出力信号は、単安定マルチバイブレータ３２に入力される。単安定マルチバイブレータ３２は、入力された２値化信号の立ち上がりエッジをトリガとして、一定のパルス幅を有するパルス信号列を発生させ、これを低域通過フィルタ３３に供給する。低域通過フィルタ３３は、単安定化マルチバイブレータ３２から出力されたパルス列を平均化する。尚、低域通過フィルタ３３の通過帯域は、変換測定信号Δｆ（ｔ）をキャリア成分として除去すべく、変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数より低く設定される。低域通過フィルタ３３の出力は、増幅器３４により増幅され周波数検出信号Ｖ１（ｔ）として出力され、制御器４０および同期検出器７０に供給される。ここで、単安定マルチバイブレータは、入力信号の１周期毎に固定幅のパルスを出力するので、入力信号の周期が短くなると、すなわち変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数が高くなると、単位時間あたりの固定幅の出力パルス数が増加する。そして、低域通過フィルタ３３の作用により、単安定マルチバイブレータ３２の出力パルス列は平均化されるので、その出力レベルは増加することとなる。一方、入力信号の周期が長くなると、すなわち変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数が低くなると単安定マルチバイブレータ３２から単位時間あたりに出力される固定幅のパルス数は減少するので、これが低域通過フィルタ３３によって平均化されると、その出力レベルは減少することとなる。すなわち、周波数検出器３０は、入力された変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数に応じた信号レベルを有する周波数検出信号Ｖ１（ｔ）を出力するのである。【００２５】
周波数検出信号Ｖ１（ｔ）につき端的に述べると、探索信号ｆ３（ｔ）の印加によって生じた記録媒体１０の静電容量Ｃｐの変化が、発振器１３によって周波数に変換され、混合器２０によって低周波に変換され、更に周波数検出器３０によってｆ−Ｖ変換され、得られた信号が周波数検出信号Ｖ１（ｔ）である。【００２６】
図５は、制御器４０のより詳細な構成を示すブロック図である。制御器４０は、例えば減算器４１と、反転積分器４２と、により構成される。減算器４１の一方の入力端には周波数検出信号Ｖ１（ｔ）が入力され、他方の入力端には変換測定信号Δｆ（ｔ）の目標値を示す目標周波数信号ｆｒが入力される。減算器４１は、目標周波数信号ｆｒから周波数検出信号Ｖ１（ｔ）を減算し、これを誤差信号として出力する。反転積分器４２は、誤差信号を積分し、誤差信号がゼロとなるべく、誤差信号に対して、位相補償し、位相反転させた制御信号を出力する。すなわち、反転積分器４２は減算器４１から出力される誤差信号が負の場合は制御信号の出力レベルを上昇させ、誤差信号が正の場合には制御信号の出力レベルを下降させる。制御器４０によって生成された制御信号は電圧制御発振器５０に供給される。【００２７】
電圧制御発振器５０は、例えばインダクタと可変容量ダイオードと能動素子とを含み（いずれも図示せず）、制御器４０より供給される制御信号に応じて可変容量ダイオードの容量値を変化させる。その結果、電圧制御発振器５０は、制御信号に応じた発振周波数のＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）（局部発振信号）を出力する。つまり、ＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）は、混合器２０から出力される周波数誤差信号Δｆ（ｔ）の周波数が目標周波数に一致するように制御器４０によって制御されるのである。【００２８】
このように、本発明の物性状態検出装置においては混合器２０、周波数検出器３０、制御器４０、電圧制御発振器５０によって周波数制御ループを構成している。この周波数制御ループの作用について以下に説明する。周波数制御ループが形成されることにより、測定信号ｆ１（ｔ）の周波数が大きく変化しても、ＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）がこの変化に追従して変化するので、変換測定信号Δｆ（ｔ）（＝｜ｆ１（ｔ）−ｆ２（ｔ）｜）は、目標周波数に保たれる。より具体的には、静電容量Ｃｐは、探針１１が記録媒体１０をスキャンする位置によって大きく変動し得る。静電容量Ｃｐが再生位置の変化によって低下し、測定信号ｆ１（ｔ）の周波数が高くなると、混合器２０から出力される変換測定信号Δｆ（ｔ）は高くなり、これに伴って、周波数検出器３０から出力される周波数検出信号Ｖ１（ｔ）の信号レベルが上昇する。周波数検出信号Ｖ１（ｔ）によって示される周波数誤差信号Δｆ（ｔ）の周波数が目標周波数よりも高いときは、減算器４１から出力される誤差信号は負のレベルとなる。負のレベルの誤差信号が反転積分器４２に供給されると、制御器４０より出力される制御信号の信号レベルが上昇する。制御信号の信号レベルが上昇すると、電圧制御発振器５０の出力であるＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数が高くなる。ＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数が高くなると、一旦上昇した変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数が低下し、目標周波数に一致するように制御されることとなる。一方、これとは逆に探針１１が記録媒体１０をスキャンする位置によって静電容量Ｃｐが上昇し、これに伴い測定信号ｆ１（ｔ）の周波数が低くなり、混合器２０から出力される変換測定信号Δｆ（ｔ）が目標周波数よりも低くなった場合には、周波数制御ループの作用によってＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数は低下し、一旦低下した変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数は上昇し、目標周波数に一致するように制御される。【００２９】
次に信号検出系について説明する。図６は、探索信号生成器６０のより詳細な構成を示すブロック図である。探索信号生成器６０は例えば水晶発振器６１と、分周器６２と、位相シフト器６３と、振幅調整器６４と、により構成される。水晶発振器６１は例えば１０ＭＨｚの安定した発振周波数のクロック信号を出力し、これを分周器６２と位相シフト器６３にそれぞれ供給する。分周器６２は入力クロック信号を例えば１／１０００に分周し、１０ＫＨｚの周波数を持つ基準信号を出力し、これを振幅調整器６４と位相シフト器６３にそれぞれ供給する。振幅調整器６４は、基準信号の振幅およびオフセット電圧を調整し、例えば振幅±５Ｖ、周波数１０ＫＨｚの探索信号ｆ３（ｔ）を生成し、これを記録媒体１０に供給する。振幅調整回路６４の作用によって、探索信号ｆ３（ｔ）のレベル調整がなされ、記録媒体１０には適切な交番電界が印加されることとなる。具体的には、探索信号ｆ３（ｔ）は、振幅調整回路６４によって、記録媒体１０に記録されたデータの読出しに必要な振幅レベルであり、かつデータ書き込みには至らない振幅レベルに調整される。位相シフト器６３は、例えばシフトレジスタによって構成され、分周器６２から供給された基準信号の位相をクロック信号に従って位相シフトさせ、これを同期信号として同期検出器に向けて出力する。同期信号は、探索信号ｆ３（ｔ）の印加から後述する同期検出器７０による同期検波までの遅延量に相当する時間Ｔｓだけ、探索信号ｆ３（ｔ）に対して遅延される。これにより、同期検出器７０による同期検波が適切になされることとなる。尚、探索信号ｆ３（ｔ）および同期信号は、本発明に係る物性状態検出装置の外部より供給されることとしてもよい。【００３０】
図７は、同期検出器７０のより詳細な構成を示すブロック図である。同期検出器７０は、例えば帯域通過フィルタ７１と、極性反転器７２と、アナログスイッチ７３と、低域通過フィルタ７４と、帯域阻止フィルタ７５と、により構成される。帯域通過フィルタ７１には、周波数検出器３０から周波数検出信号Ｖ１（ｔ）が供給される。上記したように周波数検出信号Ｖ１（ｔ）は、探索信号ｆ３（ｔ）を記録媒体１０に印加したことにより生じた発振器１３の発振周波数の変化を電圧として検出した信号である。つまり、周波数検出信号Ｖ１（ｔ）は、本来探索信号ｆ３（ｔ）の変化に従って変化する信号であるから、索信号ｆ３（ｔ）の周波数成分以外は不要である。従って、帯域通過フィルタ７１は探索信号ｆ３（ｔ）の周波数成分のみを通過させ、その他の帯域の信号成分をノイズとして除去するように設計される。ノイズ源としては例えば交流電源からのハム信号等が挙げられる。帯域通過フィルタ７１によってノイズが除去された周波数検出信号Ｖ１（ｔ）は、極性反転器７２およびアナログスイッチ７３にそれぞれ供給される。極性反転器７２は、周波数検出信号Ｖ１（ｔ）の極性を反転させ、これをアナログスイッチ７３に供給する。つまりアナログスイッチ７３には極性反転器７２を介して極性反転された信号と、極性反転器７２を介さず元の極性を維持した信号とが入力される。さらにアナログスイッチ７３には探索信号生成器６０から出力された同期信号が入力される。アナログスイッチ７３は、同期信号をコントロール信号として例えば同期信号が高レベルのときは反転処理を施していない周波数検出信号Ｖ１（ｔ）を出力し、同期信号が低レベルのときは極性反転された周波数検出信号Ｖ１（ｔ）を出力する。アナログスイッチ７３はいわゆるチョッパー回路を構成しており、周波数検出信号Ｖ１（ｔ）のうちの同期信号に同期した成分のみを検出し、検波信号を出力する同期検波回路である。低域通過フィルタ７４および帯域阻止フィルタ７５は、検波信号に含まれる同期信号の周波数成分を除去するキャリア除去用のフィルタである。低域通過フィルタ７４の通過帯域は、同期信号の周波数より低く設計する。帯域阻止フィルタ７５は、いわゆるノッチフィルタであり、その阻止周波数は同期信号の周波数に一致するべく設計する。両フィルタの作用により、検波信号に含まれる同期信号の周波数成分が除去された検出信号Ｖ２（ｔ）が出力される。尚、両フィルタの配置順序は、図７に示された順序と逆になっていても構わない。また、帯域阻止フィルタ７５の阻止周波数は、同期信号の周波数の高調波、または同期信号の周波数およびその高調波等の複数の周波数帯域を阻止すべく設計してもよい。【００３１】
次に本発明に係る物性状態検出装置の動作について図８に示すタイミングチャートを参照しつつ説明する。図８において区間１および区間２は記録媒体１０の分極ドメインを示しており、区間１にはデータ「１」が記録され、区間２にはデータ「０」が記録されているものとする。つまり、記録媒体１０は、区間１および区間２において各データに対応した互いに異なる分極状態を呈している。探索信号生成器６０は、図８に示す如く、周期的にその極性が変動する探索ｆ３（ｔ）を金属ステージ１４を介して記録媒体１０に印加する。尚、探索信号ｆ３（ｔ）は矩形波でも正弦波でもよい。これにより、記録媒体１０には交番電界が印加され、記録媒体を介在した探針１１直下の静電容量Ｃｐが変化する。ここで、探索信号ｆ３（ｔ）が正極性のとき、記録媒体１０には正方向の電界が印加され、このときの探針１１直下の静電容量をＣｐｐとし、探索信号ｆ３（ｔ）が負極性のとき、記録媒体１０には負方向の電界が印加され、このときの探針１１直下の静電容量をＣｐｎとする。上記の如く、区間１と区間２とでは、記録媒体１０の分極方向が互いに異なっており、これに起因して区間１ではＣｐｐ＜Ｃｐｎの関係が成立し、区間２ではＣｐｐ＞Ｃｐｎの関係が成立する。このため発振器１３より出力される測定信号ｆ１（ｔ）は、区間１においては正方向の電界印加時の方が、負方向の電界印加時に比べ発振周波数が高くなる。一方、区間２においては、正方向の電界印加時の方が、負方向の電界印加時に比べ発振周波数が低くなる。測定信号ｆ１（ｔ）は、混合器によって、低周波の周波数誤差信号Δｆ（ｔ）に変換されるが、交番電界印加に基づく発振周波数の変化は、そのまま周波数検出器３０に伝達される。【００３２】
周波数検出器３０より出力される周波数検出信号Ｖ１（ｔ）は、周波数が電圧に変換された信号であり、また、帯域通過フィルタ７１の通過後において、探索信号ｆ３（ｔ）の出力時に対し時間Ｔｓだけ遅延したものとなる。すなわち、周波数検出信号Ｖ１（ｔ）は、図８に示す如く、探索信号ｆ３（ｔ）に対して時間Ｔｓだけ遅延し、区間１においては正方向の電界印加に対応して高レベルを呈し、負方向の電界印加に対応して低レベルを呈する。一方、区間２においては、これとは逆の信号レベルを呈する。また、探索信号生成器６０は、探索信号ｆ３（ｔ）の印加から同期検波までの遅延量に相当する時間Ｔｓだけ探索信号ｆ３（ｔ）の出力時に対して遅延させた同期信号を生成し、これを同期検出器７０に供給する。その結果、周波数検出信号Ｖ１（ｔ）は区間１においては同期信号と同位相となり、区間２においては逆位相となる。【００３３】
同期検出器７０のアナログスイッチ７３は、同期信号をコントロール信号として同期信号が高レベルのときは反転処理を施していない周波数検出信号Ｖ１（ｔ）を出力し、同期信号が低レベルのときは極性反転された周波数検出信号Ｖ１（ｔ）を出力する。つまり、区間１においては、高レベルの周波数検出信号Ｖ１（ｔ）はそのまま出力され、低レベルの周波数検出信号Ｖ１（ｔ）は反転処理されて出力される。一方、区間２においては、高レベルの周波数検出信号Ｖ１（ｔ）は反転処理されて出力され、低レベルの周波数検出信号Ｖ１（ｔ）はそのまま出力される。かかる信号処理によって得られる検波信号は、図８に示すように、区間１においては正極性の信号のみによって構成され、区間２においては負極性の信号のみによって構成される。そして、低域通過フィルタ７４および帯域阻止フィルタ７５の作用によって検波信号からキャリア成分が除去され、検出信号Ｖ２（ｔ）が生成される。検出信号Ｖ２（ｔ）は、区間１において正極性となり、区間２においては負極性となる。つまり記録媒体１０に記録されたデータ「１」および「０」は電圧レベルの違いとして検出され、純電気的に再生される。換言すれば、強誘電体材料の分極状態が純電気的に検出されたことになる。【００３４】
次に、上記した各構成部分によって生成される各種信号の設定周波数について説明する。
図９は周波数制御系のオープンループ特性を示すボーデ線図である。図９においてｆ０はゲイン交点周波数、ｆ３は探索信号周波数（交番電界周波数、同期信号周波数）、Δｆは変換測定信号周波数（中間周波数）を示し、これらの各周波数はｆ０＜ｆ３＜Δｆとなるように設定するのが好ましい。以下その理由について説明する。【００３５】
仮にｆ０＞ｆ３となるように設定した場合、周波数サーボが探索信号周波数ｆ３に追従してしまい、周波数検出信号Ｖ１（ｔ）の探索信号に対する変化分が減少し、結果として検出信号Ｖ２（ｔ）の検出Ｓ／Ｎが低下してしまう。【００３６】
一方、周波数検出器３０の低域通過フィルタ３３は、上記のとおり変換測定信号Δｆ（ｔ）をキャリア成分として除去すべく、通過帯域は変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数Δｆ以下に設定されるので、同期検出器７０に入力される周波数検出信号Ｖ１（ｔ）の信号帯域はΔｆ以下となる。故に、仮にｆ３＞Δｆに設定した場合、ｆ３＞Δｆ＞Ｖ１（ｔ）となり、同期検出器７０による同期検波処理において、同期信号周波数（＝ｆ３）の方が検出すべき入力信号である周波数検出信号Ｖ１（ｔ）の信号帯域と比較して高いと、入力信号の帯域外を同期検出することとなり、検出感度が低下し、結果として検出信号Ｖ２（ｔ）の検出Ｓ／Ｎが低下してしまう。以上の理由から、ｆ０＜ｆ３＜Δｆの関係が成立するように各周波数を設定することにより、最終的な検出結果である検出信号Ｖ２（ｔ）のＳ／Ｎが向上し、精度よくデータの再生を行うことが可能となる。【００３７】
次に、混合器２０の入出力信号における周波数設定について図１０を参照しつつ説明する。図１０において、ｆ１は測定信号周波数（発振器１３の出力周波数）、ｆ２はＶＣＯ信号周波数、ｆ２０はサーボ初期化時のＶＣＯ信号周波数、Δｆは変換測定信号周波数（中間周波数）を示している。ここで、ｆ１＞ｆ２が常に成立するように制御器４０を設計した場合、ｆ２０＜ｆ２＜ｆ１となるように初期のＶＣＯ信号の周波数ｆ２０を設定するのが好ましい。以下その理由について、仮にｆ２０＞ｆ１となるように設定した場合の不具合を例に説明する。【００３８】
装置の電源投入時に周波数制御ループにおけるフィードバック制御が初期化される。具体的には、制御器４０の反転積分器４２のコンデンサ（図示せず）の蓄積電荷を初期値に設定することにより周波数制御ループの初期化がなされる。その結果、電圧制御発振器５０の入力信号である制御信号の出力レベルが初期値となる。制御信号のレベルが初期値のとき、電圧制御発振器５０の出力信号であるＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数はｆ２０となる。そして、混合器２０からは変換測定信号Δｆ（ｔ）が出力され、その周波数はΔｆ０（＝｜ｆ１−ｆ２０｜）である。ここで周波数Δｆが目標周波数よりも高いとき、制御器４０の減算器４１から出力される誤差信号は負となるので、反転積分器４２の出力である制御信号の信号レベルは上昇する。制御信号の信号レベルが上昇すると電圧制御発振器５０から出力されるＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数ｆ２は高くなる。ＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数ｆ２が高くなるとｆ１とｆ２の周波数差はさらに拡大し、変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数Δｆが高くなり、目標周波数からのずれがさらに拡大し、制御ループが正帰還となり周波数制御が発振する。以上の理由から周波数制御ループがロックしており、フィードバック制御が安定しているときにｆ１＞ｆ２となるべく制御器４０の極性を選択した場合には、ｆ２０＜ｆ２＜ｆ１の順に周波数を設定することにより周波数制御ループが正帰還となる不具合を回避でき、周波数制御の引き込み過程を安定化させることが可能となる。【００３９】
以上の説明から明らかなように、本発明の物性状態検出装置は測定信号ｆ１（ｔ）を低周波の変換測定信号Δｆ（ｔ）に変換している。これにより、交番電界印加に伴う測定信号ｆ１（ｔ）の極僅かな周波数変化を精度よく検出することが可能となる。この周波数変化をより高精度で検出するためにはΔｆ（ｔ）としてより低い周波数を選択する必要がある。例えば発振器１３から出力される検出信号ｆ１（ｔ）の周波数を１ＧＨｚとした場合、交番電界印加に伴う静電容量Ｃｐの容量変化は、上記したようにａＦのオーダであるため、この容量変化によって生じる測定信号ｆ１（ｔ）の周波数変化は１ＫＨｚ以下となる。１ＧＨｚの信号に生じた１ＫＨｚ以下の周波数変化を精度よく検出するためには変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数として数百ＫＨｚを選択する必要がある。かかる測定信号ｆ１（ｔ）の周波数変換は、混合器２０およびＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）によって達成される。【００４０】
また、本発明の物性状態検出装置においては混合器２０、周波数検出器３０、制御器４０、電圧制御発振器５０によって周波数制御ループを構成し、中間周波数である変換測定信号Δｆ（ｔ）が目標周波数に一致するようにフィードバック制御する。これにより、例えば探針１１が記録媒体１０上を移動することにより静電容量Ｃｐが大きく変動し、これに伴って測定信号ｆ１（ｔ）の周波数が大きく変動しても、ＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）がその変動に追従するように変化し、変換測定信号Δｆ（ｔ）が一定となるように制御がなされるので、データ再生位置の変化等によって生じた周波数の変動成分は除外され、高精度の信号検出が可能となる。詳述すると、測定信号ｆ１（ｔ）の発振周波数が１ＧＨｚの場合、データ再生位置の変化に伴う検出信号ｆ１（ｔ）の周波数変化は、１ＭＨｚ以上に及ぶ場合がある。混合器２０から出力される変換測定信号Δｆ（ｔ）（＝｜ｆ１（ｔ）−ｆ２（ｔ）｜）を数百ＫＨｚとして選択した場合、仮にフィードバック制御を行わずＶＣＯ信号の周波数を固定値に設定すると、記録媒体の再生位置の変化に伴う測定周波数ｆ１（ｔ）の変化量が変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数を上回ることとなり周波数検出が破綻する。そこで、本発明においては、混合器２０、周波数検出器３０、制御器４０、電圧制御発振器５０によって周波数制御ループを構成し、変換測定信号Δｆ（ｔ）が一定になるように測定信号ｆ１（ｔ）の周波数ずれに追従するようにＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）を制御するので、交番電界印加に基づく周波数変化以外の周波数変動要因は除去されることとなり、高精度の信号検出が可能となるのである。【００４１】
また、本発明に係る物性状態検出回路は、従来のロックインアンプを用いて同期検波する方法に比べて高速でデータ再生することができ、回路規模も小さなもので実現でき、小型化、集積化が可能となる。
（第２実施例）
以下に本発明に係る物性状態検出装置の第２実施例について説明する。上述の第１実施例において図５に示される制御器４０の構成は、測定信号ｆ１（ｔ）の周波数ｆ１とＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数ｆ２との関係においてｆ１＞ｆ２が常に成立する場合に適用可能な構成である。これに対して第２実施例では、ｆ１＜ｆ２が常に成立する場合に適用可能な構成を示す。【００４２】
図１１は、第２実施例に係る制御器４０´の具体的な構成を示すブロック図である。制御器４０´は、減算器４１と、ロック検出器４３と、非反転積分器４４と、により構成される。減算器４１は、目標周波数信号ｆｒから周波数検出信号を減算し、これを誤差信号として出力する。非反転積分器４４は、誤差信号を積分し、誤差信号がゼロとなるべく、誤差信号に対して位相反転させないで制御信号を出力する。すなわち、非反転積分器４４は減算器４１から出力される誤差信号が負の場合は制御信号の出力レベルを下降させ、誤差信号が正の場合には制御信号の出力レベルを上昇させる。このように、非反転積分器４４は誤差信号に応じて制御信号の出力レベルを調整するが、制御信号の極性は第１実施例に係る反転積分器４２とは逆となる。【００４３】
ロック検出器４３は、例えばコンパレータ等のレベル比較器（図示せず）とカウンタ等の時間間隔計測器を含むシーケンサ（図示せず）とから構成され、周波数制御状態を観測し、連続してロックがはずれていると判断した場合には初期化信号を出力し、後段の非反転積分器４４を初期化する。具体的には、ロック検出器４３は、減算器４１から出力される誤差信号が所定範囲を超えた場合、または装置の電源投入時に初期化信号を出力する。尚、ロック検出器４３は減算器４１から出力される誤差信号が所定範囲を超える状態が一定時間継続した場合に初期化信号を生成することとしてもよい。【００４４】
非反転積分器４４はこの初期化信号を受信すると、内部のコンデンサ（図示せず）の蓄積電荷を初期値に設定し、制御信号を初期値に設定する。制御信号が初期値に設定されると電圧制御発振器５０から出力されるＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）が初期化され、周波数制御ループにおけるフィードバック制御の初期化がなされる。これにより、周波数制御ループの引き込み動作を安定させることが可能となる。また、ｆ１＞ｆ２となり、正帰還による発振が生じた場合でも、かかる初期化作用によって自動的に周波数制御ループが引き込み動作を開始するので、正帰還状態が連続する不具合を防止することが可能となる。尚、制御器以外の他の構成部分については第１実施例と同一であるのでその説明については省略する。【００４５】
次に、本実施例における混合器２０の入出力信号の周波数設定について図１２を参照しつつ説明する。図１２において、ｆ１は測定信号周波数（発振器１３の出力周波数）、ｆ２はＶＣＯ信号周波数、ｆ２０はサーボ初期化時のＶＣＯ信号周波数、Δｆは変換測定信号周波数（中間周波数）を示している。ここで、ｆ１＜ｆ２が常に成立するように制御器４０を設計した場合、ｆ２０＞ｆ２＞ｆ１の関係が成立するように初期のＶＣＯ信号の周波数ｆ２０を設定するのが好ましい。以下その理由について、仮にｆ２０＜ｆ１となるように設定した場合の不具合を例に説明する。【００４６】
装置の電源投入時に周波数制御ループにおけるフィードバック制御が初期化される。具体的には、制御器４０´の非反転積分器４４のコンデンサ（図示せず）の蓄積電荷を初期値に設定することにより周波数制御ループの初期化がなされる。その結果、電圧制御発振器５０の入力信号である制御信号の出力レベルが初期値となる。制御信号のレベルが初期値のとき、電圧制御発振器５０の出力信号であるＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数はｆ２０となる。そして、混合器２０からは変換測定信号Δｆ（ｔ）が出力され、その周波数はΔｆ０（＝｜ｆ１−ｆ２０｜）である。周波数Δｆが目標周波数よりも高いとき、制御器４０´の減算器４１から出力される誤差信号は負となるので、非反転積分器４４の出力である制御信号の信号レベルは下降する。制御信号の信号レベルが下降すると電圧制御発振器５０から出力されるＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数ｆ２は低くなる。ＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数ｆ２が低くなるとｆ１とｆ２の周波数差はさらに拡大し、変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数Δｆが高くなり、目標周波数からのずれがさらに拡大し、制御ループが正帰還となり周波数制御が発振する。以上の理由から周波数制御ループがロックしており、フィードバック制御が安定しているときにｆ１＜ｆ２となるべく制御器４０´の極性を選択した場合には、ｆ２０＞ｆ２＞ｆ１の順に周波数を設定することによって、周波数制御ループが正帰還となる不具合を回避でき、周波数制御の引き込み過程を安定化させることが可能となる。【００４７】
このように、本発明の物性状態検出装置においては、制御器の構成が図５もしくは図１１に示す如き２通りの構成をとり得るのは、制御すべき変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数Δｆ（＝｜ｆ１（ｔ）−ｆ２（ｔ）｜）が絶対値として出力されることに基づく。尚、これら２種類の制御器４０および４０´の両方を備え、例えば測定信号ｆ１（ｔ）の周波数特性に応じてこれらのうちのいずれかを選択して使用することとしてもよい。
（第３実施例）
以下に本発明に係る物性状態検出装置の第３実施例について説明する。図１３は、本発明の第３実施例に係る物性状態検出回路の構成を示すブロック図である。第３実施例に係る装置は、図２に示した第１実施例の構成に加えて記録パルス発生器８０および切り替えスイッチ９０を更に備え、記録再生装置を構成している。記録パルス発生器８０は、記録媒体１０に記録すべきデータに対応した記録パルスを発生させる。記録パルスとしては正弦波、矩形波のいずれであってもよいが、記録媒体１０にデータの書き込みができる程度の電圧レベルを有している必要がある。切り替えスイッチ９０は、記録媒体１０にデータ記録を行う際には記録パルス発生器８０側に接続され、データ再生を行う際には探索信号生成器６０側に接続される。記録パルス発生器８０から金属ステージ１４を介して記録媒体１０に記録パルスが印加されると、記録媒体１０の探針１１直下の領域に抗電界以上の電界が印加され、印加電界の方向に対応した方向に分極する。この分極方向はデータに対応しており、これによってデータの記録がなされる。一方、データ再生時には切り替えスイッチ９０が探索信号生成器６０側に切り替えられて、記録媒体１０に探索信号ｆ３（ｔ）を印加することによって、分極方向を検出してデータの再生を行う。尚、探索信号生成器６０と記録パルス発生器８０とはそれぞれ独立に構成する必要がなく、記録時と再生時とで出力レベル等を変化させることができる単一の発振器で構成することとしてもよい。
（第４実施例）
上記した第１〜第３実施例においては、１つの探針（プローブ）１１を用いてデータの記録再生を行う場合について説明したが、図１４に示す如き構成をとることによって複数の探針を用いて記録媒体に同時にデータの記録再生を行うことが可能となる。第４実施例に係る物性状態検出装置は、金属ステージ１４が接地電位に固定され、周波数分別器１００が新たに設けられる。また制御器４０から出力される制御信号は発振器１３に供給され、その出力周波数すなわち測定信号ｆ１（ｔ）の周波数が制御信号に応じて変化するよう構成される。探索信号生成器６０から出力される探索信号ｆ３（ｔ）は周波数分別器１００に供給される。周波数分別器１００は、例えば１０ＭＨｚ以下の低周波信号である探索信号ｆ３（ｔ）を受信してこれを探針１１に供給するとともに、発振器１３から出力される例えば１ＧＨｚ以上の高周波信号である測定信号ｆ１（ｔ）を受信してこれをそのまま混合器２０に供給する。周波数分別器１０を通過した測定信号ｆ１（ｔ）は、混合器２０に供給され、変換測定信号Δｆ（ｔ）（＝｜ｆ１（ｔ）−ｆ２｜）として出力される。尚、本実施例においては、電圧制御発振器５０より供給されるＶＣＯ信号の周波数ｆ２は固定値である。そして変換測定信号Δｆ（ｔ）は周波数検出器３０によって電圧変換され、周波数検出信号Ｖ１（ｔ）として出力される。制御器４０は、周波数検出信号Ｖ１（ｔ）によって示される変換測定信号Δｆ（ｔ）の周波数が目標周波数と一致するべく制御信号を生成し、これを発振器１３に供給する。発振器１３はこの制御信号に応じてΔｆ（ｔ）と目標周波数が一致するように測定信号ｆ１（ｔ）の周波数を変化させる。発振器１３の発振周波数を制御する方法としては、発振器１３を例えば電圧制御発振器（ＶＣＯ）で構成することとしてもよい。【００４８】
このように、本実施例においては、記録媒体の電位が固定され、探索信号は探針を介して供給されるので、複数の探針を使用して同時にデータを記録再生することが可能となる。また、電圧制御発振器５０から出力されるＶＣＯ信号ｆ２（ｔ）の周波数を固定して、発振器１３自体の発振周波数をフィードバック制御して、変換測定信号Δｆ（ｔ）が一定となるように制御している。これにより、複数の探針を用いて、同時にデータを記録再生する場合でも、探針ごとに電圧制御発振器５０を設ける必要がなく共通化できるので、装置の簡素化および小型化を図ることが可能となる。尚、記録時には、複数の探針の各々には記録パルス発生器８０から記録パルスが供給され、これら複数の探針によって記録媒体１０に同時にデータの記録が行われる。このように本実施例に係る物性状態検出装置では、複数の探針（プローブ）を用いて同時にデータの記録再生を行うので、高速にデータの記録再生を行うことが可能となる。【００４９】
尚、上記した各実施例においては本発明に係る物性状態検出装置を強誘電体材料を記録媒体とする再生装置或いは記録再生装置に適用した場合を例に説明したが、強誘電体材料表面の非線形誘電率の分布やドメイン構造を高分解能に観察、測定する分析装置に適用することも可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年5月9日(2008.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体の表面に接触若しくは近接して配置されるべきプローブと、前記プローブおよび前記強誘電体内部の静電容量を含む発振ループと、前記発振ループ内で生成される測定信号の前記強誘電体への交番電界印加に伴う周波数変化に基づいて前記強誘電体の物性状態を検出する検出手段と、を含む物性状態検出装置であって、
前記測定信号の周波数を低周波に変換し、これを変換測定信号として出力する周波数変換手段と、
前記変換測定信号の周波数を目標周波数に一致するべく制御する周波数制御手段と、
前記変換測定信号の周波数に応じた信号レベルを有する周波数検出信号を生成する周波数検出手段と、
前記周波数検出信号を同期信号に基づいて同期検波する同期検出手段と、
を含むことを特徴とする物性状態検出装置。
【請求項２】
前記強誘電体に一定周波数の探索信号を供給し、前記強誘電体に交番電界を与える交番電界印加手段と、
前記同期信号を生成する同期信号生成手段と、を更に含み、
前記同期信号は、前記探索信号に対して所定時間遅延していることを特徴とする請求項１に記載の物性状態検出装置。
【請求項３】
前記周波数制御手段は、前記目標周波数と前記変換測定信号の周波数差に基づいて制御信号を生成する制御器を含み、
前記周波数変換手段は、前記制御信号に応じた周波数のＶＣＯ信号を生成する電圧制御発振器と、前記測定信号と前記ＶＣＯ信号とを混合する混合器と、を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の物性状態検出装置。
【請求項４】
前記制御器は、前記目標周波数から前記変換測定信号の周波数を減算し、これを誤差信号として出力する減算器と、
前記誤差信号を積分し、前記変換測定信号の周波数が前記目標周波数に一致するべく前記制御信号を生成する積分器と、を含むことを特徴とする請求項３に記載の物性状態検出装置。
【請求項５】
前記制御器は、前記誤差信号が所定範囲を超えたとき若しくは起動時に初期化信号を生成するロック検出器をさらに含み、
前記積分器は、前記初期化信号に応じて前記制御信号を初期状態に設定することを特徴とする請求項４に記載の物性状態検出装置。
【請求項６】
前記周波数検出手段は、所定の基準レベルに基づいて前記変換測定信号を２値化処理する２値化回路と、前記２値化処理された信号のエッジをトリガ信号として、一定のパルス幅を有するパルス信号列を生成する発振回路と、前記パルス信号列の信号レベルを平均化する平均化回路と、を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の物性状態検出装置。
【請求項７】
前記同期検出手段は、前記周波数検出信号のうちの前記探索信号の周波数帯域と同一の周波数帯域のみを通過せしめる帯域通過フィルタと、
前記帯域通過フィルタ通過後の周波数検出信号の極性を反転させる極性反転器と、
前記帯域通過フィルタ通過後の周波数検出信号又は、前記極性反転器によって極性反転された周波数検出信号のいずれかを前記同期信号に応じて選択し、これを検波信号として出力する同期検波回路と、
前記検波信号のうちの前記同期信号の周波数成分を除去する低域通過フィルタと、を含むことを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の物性状態検出装置。
【請求項８】
前記混合器と前記周波数検出手段と前記制御器と前記制御発振器とから構成される周波数制御ループのゲイン交点周波数をｆ０、前記探索信号の周波数をｆ３、前記変換測定信号の周波数をΔｆとすると、
ｆ０＜ｆ３＜Δｆ
の関係が常に成立することを特徴とする請求項３に記載の物性状態検出装置。
【請求項９】
前記測定信号の周波数をｆ１、前記ＶＣＯ信号の初期の周波数をｆ２０、前記周波数制御ループがロックしているときのＶＣＯ信号の周波数をｆ２、前記変換測定信号の周波数をΔｆとすると、
ｆ２０＜ｆ２＜ｆ１かつｆ１−ｆ２＝Δｆ＞０
又は
ｆ２０＞ｆ２＞ｆ１かつｆ２−ｆ１＝Δｆ＞０
のいずれかを満たすことを特徴とする請求項８に記載の物性状態検出装置。
【請求項１０】
前記強誘電体の抗電界以上の電界を生ぜしめる記録パルスを生成する記録パルス発生器と、
前記探索信号又は前記記録パルスのいずれかを選択的に前記強誘電体に印加するスイッチ手段と、を更に有することを特徴とする請求項２乃至９のいずれかに記載の物性状態検出装置。
【請求項１１】
強誘電体の表面に接触若しくは近接して配置されるべきプローブと前記強誘電体内部の静電容量とを含む発振ループ内で生成される測定信号の前記強誘電体への交番電界印加に伴う周波数変化に基づいて前記強誘電体の物性状態を検出物性状態検出方法であって、
前記測定信号の周波数を低周波に変換し変換測定信号を得る周波数変換ステップと、
前記変換測定信号の周波数に応じた信号レベルを有する周波数検出信号を得る周波数検出ステップと、
前記周波数検出信号を同期信号に基づいて同期検波する同期検出ステップと、を含み、
前記周波数変換ステップは、前記変換測定信号の周波数が目標周波数に一致するように制御する周波数制御ステップを含むことを特徴とする物性状態検出方法。
【請求項１２】
前記周波数変換ステップは、前記測定信号と局部発振信号とを混合するステップを含み、
前記制御ステップは、前記目標周波数と前記変換測定信号の周波数の差に基づいて前記局部発振信号の周波数を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の物性状態検出方法。
【請求項１３】
前記プローブは、前記強誘電体との相対位置の変化により前記強誘電体を走査し、
前記周波数制御手段は、前記プローブの走査位置の変化に基づく前記測定信号周波数変化に対応して前記変換測定信号の周波数を制御することを特徴とする請求項１に記載の物性状態検出装置。
【請求項１４】
前記プローブの走査位置の変化に基づく前記測定信号の周波数変化は、前記交番電界印加に伴う前記測定信号の周波数変化よりも大であることを特徴とする請求項１３に記載の物性状態検出装置。
【国際調査報告】
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