(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１の面と第２の面とを有する誘電体の微小領域に情報を記録する誘電体情報装置であって、
前記誘電体の第１の面に接触するように設けられた、所定曲率の先端部を有する複数の第１の電極と、
前記誘電体の第２の面に接続する第２の電極と、
前記複数の第１の電極に対応する複数の記録すべき信号を生成する記録信号生成手段と、
前記複数の第１の電極に対応する複数の交流信号であって、夫々が異なる所定の周波数を有する複数の交流信号を生成する交流信号生成手段と、
前記記録信号生成手段により生成された前記複数の記録すべき信号と、前記交流信号生成手段により生成された前記複数の交流信号を、複数の第１の電極の夫々毎に重畳する信号重畳手段と、
複数の第１の電極の夫々毎に前記信号重畳手段により前記交流信号が重畳された前記記録すべき信号を前記第１の電極に印加することで、前記微小領域に前記情報を記録する信号印加手段と、
誘電体の第１の電極と第２の電極間に形成される容量と、外付けされたインダクタを含んで構成された発振手段と、
前記発振手段により発振した、前記容量に依存して変調された周波数を復調する復調手段と、
前記交流信号生成手段により生成された前記複数の交流信号の夫々の周波数と同期をとりながら前記復調手段により復調された信号を再生することにより、複数の記録した信号を弁別しながら再生する信号再生手段と、
を具備することを特徴とする誘電体情報装置。
【請求項２】
さらに、前記第１の電極と前記第２の電極と前記記録信号生成手段と前記交流信号生成手段と前記信号印加手段とを備える前記記録手段及び前記発振手段と前記復調手段と前記信号再生手段とを備える再生手段のいずれか一方の手段を選択する選択手段  を具備すること特徴とする請求項１に記載の誘電体情報装置。
【請求項３】
前記交流信号を前記発振手段に対して遮断する遮断手段を具備すること
を特徴とする請求項１又は２に記載の誘電体情報装置。
【請求項４】
前記信号再生手段は同期検波方式による再生手段であること
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の誘電体情報装置。
【請求項５】
前記第１の電極の周囲に接地した電極を具備すること
を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の誘電体情報装置。
【請求項６】
前記複数の第１の電極は、所定間隔を有して保持されたこと
を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の誘電体情報装置。
【請求項７】
前記誘電体は、強誘電体からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の誘電体情報装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体の微小領域に情報を記録する記録装置、誘電体の微小領域に記録した情報を再生する再生装置、誘電体の微小領域に情報を記録し、再生する記録再生装置を形成する誘電体情報装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、多くの種類の強誘電材料や圧電材料が開発され、超音波や光素子及びメモリ等に多く用いられている。それに伴い、強誘電材料の残留分極分布や圧電材料の局所異方性の計測が行える方法の開発が進められてきている。これらに関し本願発明者らは純電気的に材料の分極分布や局所異方性の検出が、表面に付着した自由電荷による遮蔽効果に妨げられることなく行える技術として走査型非線形誘電率顕微鏡（ＳＮＤＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を開発してきた。
【０００３】
ＳＮＤＭは材料の非線形誘電率の分布計測から、分極の状態や局所的な異方性を検出する技術であって、これまで同軸共振器を用いた分布定数型プローブ、ＬＣ共振器を用いた小型の集中定数型プローブと順次開発を進めている。その分解能もナノメータからサブナノメータオーダにまで達しており、線形・非線形誘電率分布の定量計測も可能になっている。
【０００４】
このようにＳＮＤＭは誘電体の分極分布を極めて微小な領域で非破壊計測が可能であり、他方、所定の電界を印加することにより分極を制御することができる。従ってこのＳＮＤＭは超高密度誘電体記録再生を実現するための有効な技術となるものである。
【０００５】
さて、超高密度誘電体記録再生を実現するために、さらに小型で記録再生装置として用いることに適したＳＮＤＭが開発されている。このＳＮＤＭでは誘電体記録媒体側の裏面に形成されたの第１の電極と、前記誘電体の微小領域に接触（或いは微小のギャップを介して接触）するように形成されたプローブ用探針である第２の電極との間に、第１の電極側から測定用の低周波交番電界を印加して媒体に記録されていた微小領域の分極の正負を読み出していた。このとき前記第２の電極はグランドに接続された構成となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＳＮＤＭによる情報の高速記録再生を実現するには、複数のプローブを用いて同時に行うことが効果的である。しかしながら従来の構成ではプローブの数に応じた複数の発振器が必要であり、その発振器は比較的大きなものであった。この規模の大きな複数個の発振器を集積化し、装置の小型化を図ることは困難であり、装置の小型化を妨げる要因になっていた。
【０００７】
従って本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、小型で複数のプローブを用いることができるＳＮＤＭを構成し、このＳＮＤＭを用いて誘電体の微小領域に情報を記録する記録装置、記録した情報を再生する再生装置、及び情報を記録し再生する記録再生装置となる誘電体情報装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の誘電体情報装置は上記課題を解決するために、対向する第１の面と第２の面とを有する誘電体の微小領域に情報を記録する誘電体情報装置であって、前記誘電体の第１の面に接触するように設けられた、所定曲率の先端部を有する第１の電極と、前記誘電体の第２の面に接続する第２の電極と、記録すべき信号を生成する記録信号生成手段と、前記記録信号生成手段により生成された信号を前記第１の電極に印加する信号印加手段とを具備する。
【０００９】
本発明の第１の誘電体情報装置の態様では、誘電体の微小領域に情報を高密度で書き込むことが可能となる。記録媒体として用いる誘電体は、情報を書き込む面は平坦に形成され、書き込み用の第１の電極が好適に接触し、また移動が好適に行われる。誘電体の他の面には全面に第２の電極が密着して設けられていて、例えば、共通電位である接地電位に接続される。
【００１０】
前記第１の電極は、例えばタングステン等の導電性材料を、その先端が所定の曲率である、例えば半径がサブミクロンのオーダーの球状に電界研磨したものが用いられる。または、金属コーティングされたＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｒｃｏｓｃｏｐｅ：原子間力顕微鏡）用のカンチレバー等を用いてよい。
【００１１】
前記第２の電極は、例えば所定の平面状態が確保された導電性の基板が用いられる。
【００１２】
また、記録媒体となる誘電体は前記導電性の基板の上に、誘電体を所定の方法、例えばスパッタリング等の公知の方法によって形成された誘電体膜を用いることができる。
【００１３】
誘電体材料は、例えば以下に示す材料が使用される。
【００１４】
（ａ）ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3の固溶体であるＰＺＴ材料。
【００１５】
（ｂ）ＰｂＴｉＯ3で表されるチタン酸鉛。
【００１６】
（ｃ）ＰｂＺｒＯ3で表されるジルコン酸鉛。
【００１７】
（ｄ）ＢａＴｉＯ3で表されるチタン酸バリウム。
【００１８】
（ｅ）ＬｉＮｂＯ3で表されるニオブ酸リチウム。
【００１９】
（ｆ）鉛（Ｐｂ），ランタン（Ｌａ），ジルコニウム（Ｚｒ），チタン（Ｔｉ）系の固溶体であるＰＬＺＴ材料。
【００２０】
（ｇ）ビスマス（Ｂｉ），ナトリウム（Ｎａ），鉛（Ｐｂ），バリウム（Ｂａ）系の固溶体であるＢＮＰＢ材料などの誘電体材料。
【００２１】
前記材料は、セラミックス，単結晶又は薄膜形成されたもののいずれの材料も使用可能である。また、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデンと三フッ化エチレンの共重合体、フッ化ビニリデンと四フッ化エチレンの共重合体、シアノビニリデンと酢酸ビニルの共重合体などの圧電高分子材料なども使用することができる。またさらに、前記材料を複数個組み合わせた材料も使用できる。
【００２２】
記録信号生成手段は、第１の電極に印加されて誘電体材料の微小領域の分極状態を変化させ、記録する情報を生成する。デジタル信号に限ることなくアナログ信号であってもよい。音声情報、映像情報、コンピュータ用のデータ等、各種の情報に応じて構成される。
【００２３】
信号印加手段は、このように生成された記録用の信号を、直流電圧又はパルスとして誘電体の第１の面に第１の電極を介して印加する。
【００２４】
本発明の第２の誘電体情報装置は上記課題を解決するために、対向する第１の面と第２の面とを有する誘電体の微小領域に情報を記録する誘電体情報装置であって、前記誘電体の第１の面に接触するように設けられた、所定曲率の先端部を有する第１の電極と、前記誘電体の第２の面に接続する第２の電極と、記録すべき信号を生成する記録信号生成手段と、所定の周波数を有する交流信号を生成する交流信号生成手段と、前記記録信号生成手段により生成された信号と、前記交流信号生成手段により生成された信号を重畳する信号重畳手段と、前記信号重畳手段により重畳された信号を前記第１の電極に印加する信号印加手段と、誘電体の第１の電極と第２の電極間に形成される容量と、外付けされたインダクタを含んで構成された発振手段と、前記発振手段により発振した、前記容量に依存して変調された周波数を復調する復調手段と、前記復調手段により復調された信号と前記交流信号とにより、記録した信号を再生する信号再生手段とを具備する。
【００２５】
本発明の第２の誘電体情報装置の態様によれば、第１の誘電体情報装置に、記録していく情報を同時に再生して、記録状態を確認する再生手段を備えたものであって、記録が正常に行えているか否かを確認しながら情報の記録を行っていくことが可能となる。
【００２６】
再生手段の構成は、第１の電極と第２の電極間の微小領域で形成される、誘電体の分極の状態に対応した容量と、外付けされるインダクタとで構成される共振回路に接続された発振器と、容量の変動に対応して変化する前記発振器の発振周波数を復調する復調器と、前記復調器からの信号を前記交流信号生成手段により生成され記録情報に重畳された交流信号に同期させて、記録情報を再生する信号再生手段からなる。このときの発振周波数は１Ｇｈｚ程度である。
【００２７】
交流信号発生手段は、比較周波数の低い、例えば５Ｋｈｚ程度の周波数の交番電圧を発生し、信号重畳手段により記録用信号に重畳される。この合成された信号が信号印加手段により第１の電極に印加される。
【００２８】
その他の構成、記録媒体に関する説明は上述した第１の誘電体情報装置と同一である。また、第１の電極は上述した第１の誘電体情報装置で用いられるものと同様のものが適用される。
【００２９】
本発明の第３の誘電体情報装置は上記課題を解決するために、対向する第１の面と第２の面とを有する誘電体の微小領域に記録された情報を再生する誘電体情報装置であって、前記誘電体の第１の面に接触するように設けられた、所定曲率の先端部を有する第１の電極と、前記誘電体の第２の面に接続する第２の電極と、所定の周波数を有する交流信号を生成する交流信号生成手段と、前記交流信号生成手段により生成された交流信号を前記第１の電極に印加する信号印加手段と、誘電体の第１の電極と第２の電極間に形成される容量と、外付けされたインダクタを含んで構成される発振手段と、前記発振手段により発振した、前記容量に依存して変調された周波数を復調する復調手段と、前記復調手段により復調された信号と前記交流信号とにより記録されている信号を再生する信号再生手段とを具備する。
【００３０】
本発明の第３の誘電体情報装置の態様によれば、記録媒体である誘電体に、第１の電極と第２の電極間の分極の状態に応じた容量として記録されている情報を読み取る装置であって、所定の周波数の交流信号を交流信号生成手段により生成し、この交流信号を第１の電極に印加しつつ第１の電極で誘電体の表面に接触する。この接触した第１の電極と第２の電極間の微小領域の前記容量と外付けされたインダクタにより決まる周波数で発振する発振器を備え、この発振器の容量の値に応じて変調された発振信号を復調し、さらにその復調信号から前記交流信号と同期させて記録している情報を読み出す。交流信号は５Ｋｈｚ程度であり、発振信号は１Ｇｈｚ程度である。交流信号と同期させて情報を読み出すことにより高品位の情報再生が可能となる。
【００３１】
その他の構成、記録媒体に関する説明は上述した第１の誘電体情報装置と同一である。また、第１の電極は上述した第１の誘電体情報装置で用いられるものと同様のものが適用される。
【００３２】
本発明の第４の誘電体情報装置は上記課題を解決するために、対向する第１の面と第２の面とを有する誘電体の微小領域に情報を記録し、再生する誘電体情報装置であって、（i）記録手段は、前記誘電体の第１の面に接触するように設けられた、所定曲率の先端部を有する第１の電極と、前記誘電体の第２の面に接続する第２の電極と、記録すべき信号を生成する記録信号生成手段と、所定の周波数を有する交流信号を生成する交流信号生成手段と、前記記録信号生成手段により生成された信号と、前記交流信号生成手段により生成された信号を重畳する信号重畳手段と、前記信号重畳手段により重畳された信号を前記第１の電極に印加する信号印加手段とを具備し、（ii）再生手段は、誘電体の第１の電極と第２の電極間に形成される容量と、外付けされたインダクタを含んで構成された発振手段と、前記発振手段により発振した、前記容量に依存して変調された周波数を復調する復調手段と、前記復調手段により復調された信号と前記交流信号とにより記録した信号を再生する信号再生手段とを具備し、さらに、前記記録手段及び再生手段のいずれか一方の手段を選択する切替え装置を具備する。
【００３３】
本発明の第４の誘電体情報装置の態様によれば、記録装置と再生装置を共に備えた構成であって、いずれの装置として動作させるかを選択する切替え装置を備える。記録装置と再生装置の各々の構成とその動作は上述したものと同一であるが、本発明の構成では、記録装置と再生装置の交流信号発生手段と発振手段と復調手段と信号検出手段は共用していて、それぞれに専用の手段を設ける必要はない。切替え装置は外部からの操作により、第１の電極に印加する再生用の交流信号と、情報と交流信号を重畳した記録用の信号を切り替える。切替え装置からの指示で再生用の信号と記録用の信号を切り替える手段は２つの入力から１つを選択する機械的リレー装置、あるいは半導体素子で構成された固体リレー装置が用いられるが、アナログ信号を扱う場合は機械的リレー装置が、デジタル信号を扱う場合は固体リレー装置が好適である。
【００３４】
その他の構成、記録媒体に関する説明は上述した第１の誘電体情報装置と同一である。また、第１の電極は上述した第１の誘電体情報装置で用いられるものと同様のものが適用される。
【００３５】
本発明の誘電体情報装置の一態様では、前記交流信号を前記発振手段に対して遮断する遮断手段を具備する。
【００３６】
この態様によれば、第１の電極に印加する交流信号と誘電体の分極状態に応じて発振周波数が決まる発振器を備える装置においては、交流信号が発振器に入力されると発振周波数に影響を与えることになる。
【００３７】
この交流信号は分極状態に所定の周波数の揺動電界を与え、再生信号からこの交流信号を用いて記録されている情報を高いＳ／Ｎ比で読み取りが行えるようにしようとするものである。しかしながらこの交流信号が直接発振器に入力されると発振器と干渉して発振の外乱要因となり、また、後述するように第１の電極を複数設け、それぞれに異なる周波数の交流信号を印加する場合、更なる干渉が起こることを防止している。
【００３８】
上述した遮断手段を設けることは本発明の特徴の１つである、第１の電極を複数設けた場合であっても発振手段を１つで共用することを可能としている。即ち、比較的大きな回路構成を必要としていた発振手段を１つで済むので、記録、再生、記録再生装置を小型で安価に形成が可能となる。
【００３９】
本発明の誘電体情報装置の他の態様では、前記信号再生手段は同期検波方式による再生手段を具備する。
【００４０】
この態様によれば、誘電体の微小領域における容量に基づいて変化する発振器の発振周波数を、周波数復調手段により復調し、その復調信号を交流信号との位相関係を用いて再生する。交流信号に同期した信号が抜き出されるので高いＳ／Ｎ比で目的とする周波数変調を受けた信号の再生が可能である。発振周波数が多くの交流信号で変調されている場合、それぞれの交流信号と同期分離され、それぞれの交流信号に対応した正確な情報の再生が可能となる。
【００４１】
本発明の誘電体情報装置の他の態様では、前記第１の電極の周囲に接地した電極を具備する。
【００４２】
この態様によれば、前記電極は発振器によって第１の電極から印加された高周波電界が媒体表面の微小領域の容量を通過してアース側に戻る回路を形成している。尚、第１の電極の周囲に設定されていて上述したことと等価の役割を果たす電極であれば、その形状は問わない。
【００４３】
本発明の誘電体情報装置の他の態様では、前記第１の電極は、所定間隔を有して保持された複数の電極から成る。
【００４４】
この態様によれば、複数の第１の電極を設けることで、同時に複数の媒体表面位置で情報を記録し再生することが可能となる。例えば８本の第１の電極を設けた場合、８ビット単位で情報の書き込み、読み出しが可能となり、データ処理の高速化と効率化が図れる。
【００４５】
本発明の誘電体情報装置の他の態様では、複数設けられた前記第１の電極の各々に供給する、それぞれ異なる交流信号を生成する交流信号生成手段を具備する。
【００４６】
この態様によれば、複数設けられ第１の電極のそれぞれに異なる周波数の交流信号を印加するので、情報を再生するときにその電極に該当する周波数の交流信号を参照信号として用いることで、他の電極から再生される信号と混同することなく記録されている情報を再現することが可能である。
【００４７】
本発明の誘電体情報装置の他の態様では、前記誘電体は、強誘電体（ferroelectric substance）からなる。
【００４８】
この態様によれば、通常の誘電体（dielectric substance）と比較して一層良好に、強誘電体の微小領域に情報を高密度で書き込むことが可能となる。
【００４９】
本発明のテープ状媒体記録再生装置は上記課題を解決するために、テープ状の誘電体記録媒体に情報を記録し再生するテープ状媒体記録再生装置であって、前記誘電体記録媒体を直線状に走行させる走行手段と、前記誘電体記録媒体に接触し、情報を記録し読み出す複数の電極と、前記複数の電極と前記誘電体記録媒体を挟んで設けられた、接地される共通電極と、記録する信号を生成し、読み出された信号を再生する信号処理手段とを具備する。
【００５０】
この態様によれば、テープ状に形成された誘電体記録媒体を用いて高密度で大容量の記録再生装置を構成する可能となる。
【００５１】
本発明のテープ状媒体記録再生装置の一態様では、前記誘電体記録媒体は、強誘電体からなる。
【００５２】
この態様によれば、通常の誘電体からなる記録媒体と比較して一層良好に、強誘電体からなる記録媒体の微小領域に情報を高密度で書き込むことが可能となる。
【００５３】
本発明のディスク状媒体記録再生装置は上記課題を解決するために、ディスク状の誘電体記録媒体に情報を記録し再生するディスク状媒体記録再生装置であって、前記誘電体記録媒体を回転させる回転手段と、前記誘電体記録媒体に接触し、情報を記録し読み出す複数の電極と、前記複数の電極と前記誘電体記録媒体を挟んで設けられた、接地される共通電極と、前記複数の電極をディスク状の誘電体記録媒体の半径方向に移動させる移動手段と、記録する信号を生成し、読み出された信号を再生する信号処理手段とを具備する。
【００５４】
この態様によれば、ディスク状に形成された誘電体記録媒体を用いて高密度で大容量、高速アクセスの記録再生装置を構成する可能となる。
【００５５】
本発明のディスク状媒体記録再生装置の一態様では、前記誘電体記録媒体は、強誘電体からなる。
【００５６】
この態様によれば、通常の誘電体からなる記録媒体と比較して一層良好に、強誘電体からなる記録媒体の微小領域に情報を高密度で書き込むことが可能となる。
【００５７】
本発明のこのような作用、及び他の利得は次に説明する実施の形態から明らかにされる。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、誘電体情報装置については第１実施形態から第４実施形態を挙げ、また、テープ状媒体記録再生装置及びディスク状媒体記録再生装置の構成例について、それぞれ図を参照して説明する。
【００５９】
（第１実施形態）
まず、第１実施形態の誘電体情報装置について図１から図４を参照して説明する。ここで図１は第1実施形態の構成を示す図であり、図２は誘電体の分極状態と出力電圧の関係を説明するための図であり、図３は探針の周囲に設けられた電極の作用を説明するための図であり、図４は信号の検出に用いられるロックインアンプの構成と信号検出の動作について説明するための図である。
【００６０】
本実施の形態は導電体基板上に形成された誘電体を記録媒体とし、誘電体の微小領域に電界を加えて分極の方向を所定の方向に合わせ、その微小領域を情報記録単位として記録する記録系の構成と、分極の方向と印加する電界の方向とで異なる特に３次の誘電率ε３に着目し（印加する電界と分極の方向が同じ場合と異なる場合とで誘電率ε３は反転する）、これに対応する容量の変化を検出して記録されている情報を読み出す再生系の構成とを有する、記録再生機能を有した誘電体情報装置である。
【００６１】
図１は本実施の形態の誘電体情報装置１の構成を示す概略の図であって、情報を記録する誘電体記録媒体１１は誘電体薄膜１２と誘電体薄膜１２のベースとなる電極１３からなり、電極１３は接地される。誘電体薄膜１２は導電性の材料である電極１３の上にＢａＴｉＯ３等の誘電体材料をスパッタリング等の公知の技術によって形成されたものである。または図示しないＳｉ基板上に白金などの薄膜電極を形成し、その上にＰＺＴ等の誘電体薄膜をゾルゲル法等の手法で形成したものを用いてもよい。
【００６２】
誘電体記録媒体１１の誘電体薄膜１２に接触するように複数の探針１４ａ〜１４ｎが設けられ、探針１４ａ〜１４ｎと電極１３との間に挟まれた誘電体薄膜１２の微小領域に容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎが形成され、情報の記録単位となっている。
【００６３】
前記探針１４ａ〜１４ｎに印加する交流信号を発生する交流信号発生器１５ａ〜１５ｎ、記録用信号を発生する記録信号発生器１６、記録信号発生器１６からの信号１６ａ〜１６ｎと交流信号発生器１５ａ〜１５ｎからの信号を重畳する加算器１７ａ〜１７ｎ、交流信号発生器１５ａ〜１５ｎからの信号と重畳された信号を選択する切替え装置１８ａ〜１８ｎ、記録信号発生器１６及び切替え装置１８ａ〜１８ｎを制御する切替え制御部１９、選択された信号を探針１４ａ〜１４ｎに導くインダクタＬａ〜Ｌｎ、容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎと共振回路を構成するインダクタＬ、容量Ｃｓａ〜ＣｓｎとインダクタＬの値に基づいて発振する発振器２０、発振器２０からの周波数変調された発振信号を復調するＦＭ復調器２１、ＦＭ復調器２１からの復調信号を交流信号発生器１５ａ〜１５ｎからの信号と同期を取って情報を再生する信号検出器２２ａ〜２２ｎ、及び探針１４ａ〜１４ｎを囲うようにして接地された電極２３を備える。
【００６４】
交流信号発生器１５ａ〜１５ｎは探針１４ａ〜１４ｎのそれぞれにインダクタＬａ〜Ｌｎを介して固有の異なる周波数の交番電圧を供給するものであり、この周波数を参照信号として、各探針で検出する信号を弁別するものである。その周波数は５Ｋｈｚ程度を中心としたものであり、探針１４ａ〜１４ｎと電極１３との間の誘電体薄膜１２の微小領域に交番電界を印加することになる。
【００６５】
従って、記録しながら記録状態が正常に行えているか否かを確認するための記録情報の再生を伴わない純粋な記録動作を行う際には、このような各探針１４ａ〜１４ｎで検出する信号を弁別するための交番電界を印加する必要はなく、当該交番電界の印加は、専ら信号再生用に行われるものである。このため、記録時には、記録信号発生器１６からの記録用の信号として、直流電圧或いはパルスを探針１４ａ〜１４ｎに夫々印加すればよい。他方、再生時には、例えばキャリア周波数より十分低く探針１４ａ〜１４ｎの数ほど周波数の異なる交流信号を交流信号発生器１５ａ〜１５ｎにより印加すればよい。そして、このような交流信号発生器１５ａ〜１５ｎにより交番電界を印加するか否かは、記録時と再生時にスイッチにより切り替えればよい。
【００６６】
誘電体記録媒体１１の情報の記録及び再生の状態を図２に示す。まず、記録を行う場合は探針１４から記録情報に基づいた電界が誘電体膜１２を挟んで電極１３との間に加えられる。ここで例えば探針１４から電極１３に向かう電界が印加されたとき微小領域は下向きの分極Ｐとなり、電極１３から探針１４に向かう電界が印加されたときは上向きの分極Ｐとなるとする。これが情報を記録した状態に対応する。探針１４が矢印Ｘで示す方向に操作されると、検出電圧は分極Ｐに対応して、上下に振れた矩形波として出力される。分極Ｐの分極程度によりこのレベルは変化し、アナログ信号としての記録も可能である。
【００６７】
次に再生では、探針１４から加えられる交番電界の方向と対応する微小領域の分極Ｐ方向の関係から３次の誘電率ε３の正負が反転し、従ってこれに対応する容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎの値が変化し、詳しくは後述する発振器２０はこの容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎの値に基づいて発振周波数が変化し、これを復調することで情報の読み出しが可能となる。
【００６８】
記録信号発生器１６は記録用の信号を発生し、交流信号発生器１５ａ〜１５ｎの交流信号と重畳されて、記録時に探針１４ａ〜１４ｎに供給される。この信号はデジタル信号に限らずアナログ信号であってもよい。これらの信号として、音声情報、映像情報、コンピュータ用デジタルデータ等、各種の信号が含まれる。また、記録信号に重畳された交流信号は信号再生時の参照信号として各探針の情報を弁別して再生するためである。
【００６９】
加算器１７ａ〜１７ｎは記録信号１６ａ〜１６ｎに交流信号発生器１５ａ〜１５ｎからの固有で異なる交流信号を重畳するためのものである。交流成分を含む記録信号となり探針１４ａ〜１４ｎのそれぞれにインダクタＬａ〜Ｌｎを介して印加される信号を形成する。
【００７０】
切替え装置１８ａ〜１８ｎは再生時、交流信号発生器１５ａ〜１５ｎからの信号を、一方、記録時は記録信号発生器１６からの信号を探針１４ａ〜１４ｎに供給されるように選択する。この装置は機械式のリレーや半導体の回路が用いられるが、アナログ信号にはリレーが、デジタル信号には半導体回路で構成するのが好適である。
【００７１】
切替え制御部１９はユーザの操作指示で作動し、記録動作をさせる場合は記録信号発生器１６の動作を開始させ、切替え装置１８ａ〜１８ｎを記録信号発生器１６側に接続し、一方、再生動作をさせる場合は切替え装置１８ａ〜１８ｎを交流信号発生器１５ａ〜１５ｎ側に接続させる。また、図示しない誘電体情報装置の各種制御回路、駆動回路、これらを制御するＣＰＵを中心とした制御回路等に選択された動作を知らせ、装置の制御、駆動に当たらせる。
【００７２】
インダクタＬａ〜Ｌｎ及び容量Ｃａ〜Ｃｎは、交流信号発生器１５ａ〜１５ｎや記録信号発生器１６からの信号が発振器２０の発振に干渉しないように信号系統を遮断するためのハイパスフィルタを構成するために用いられていて、その遮断周波数はｆ＝１／２π√｛Ｌ（ａ〜ｎ）Ｃ（ａ〜ｎ）｝である。ここで、ＬはインダクタＬ（ａ〜ｎ）のインダクタンス、Ｃは容量Ｃ（ａ〜ｎ）のキャパシタンスとする。交流信号の周波数は５Ｋｈｚ程度であり、発振器２０発振周波数は１Ｇｈｚ程度であるので、１次のＬＣフィルタで分離は十分に行われる。さらに次数の高いフィルタを用いてもよいが素子数が多くなるので装置が大きくなる虞がある。
【００７３】
また、読み取り速度の向上のために交流信号発生器１５の交流信号の周波数と発振器２０の発振周波数はさらに高くすることが望ましい。その場合フィルタの定数もそれに対応して選定される必要がある。
【００７４】
発振器２０はインダクタＬと容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎで構成される共振回路の共振周波数ｆ０＝１／２π√（ＬＣ）で発振する。こで、ＬはインダクタＬのインダクタンス、Ｃは容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎ、及び探針１４周辺の図示しない浮遊容量の並列に合成されたキャパシタンスとする。発振器２０は上述したようにインダクタＬａ〜Ｌｎ及び容量Ｃａ〜Ｃｎによって信号源側と分離されているため、個々の探針毎に発振器を設ける必要はなく１つを備えればよい。これは本発明の大きな特徴となるものである。この周波数は１Ｇｈｚ程度を中心とした値となるようにインダクタＬのインダクタンスを設定する。
【００７５】
ここで容量Ｃａ〜Ｃｎと浮遊容量の発振に対する影響は、まず、容量Ｃａ〜Ｃｎについて、その容量は容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎと比較して十分に大きく、また、直列接続になっているので容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎが発振周波数に対して支配的になる。また、浮遊容量は容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎと並列に入るが、所定の手法により、例えば誘電率が既知のサンプルを用いてこの浮遊容量と発振周波数の関係を知ることができ、従って発振周波数の変動を容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎの変動と対応して分離することが可能である。
【００７６】
FM復調器２１は容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎの変動に対応して発振する発振器２０の出力をFM検波し振幅信号に復調する。この復調された信号には記録されている情報の他に各探針に印加された交流信号の成分を含むものである。
【００７７】
信号検出器２２ａ〜２２ｎは上述したFM復調器２１からの復調信号から、交流信号発生手段１５ａ〜１５ｎの信号を参照信号として、各交流信号、即ち、各探針に対応した信号を分離して再生する。この信号検出器２２として例えばロックインアンプを用いる。各周波数と同期をとることでその周波数の成分だけを高いＳ／Ｎ比で分離して取り出すことができる。尚、他の位相検波手段を用いてもよいことは当然である。
【００７８】
電極２３は図３に示すように探針１４ａ〜１４ｎの周囲に設けられた、接地された電極であって、発振器２０で発振された高周波電界が探針１４の先端から誘電体の微小領域の微小容量Ｃｓを通過してアース側に戻る回路を形成するための電極である。このような働きをするものであれば任意の形状の電極を用いてもよい。
【００７９】
次に、本実施形態の誘電体情報装置１の記録装置としての動作について説明する。
【００８０】
まず、切替え制御部１９を操作して記録装置として動作させることを指示する。記録信号発生器１６は記録すべき信号を発生し、その記録信号は加算器１７で交流信号発生器１５からの交流信号と重畳され、切替え装置１８に入力される。該切替え装置１８は切り替え制御部１９の制御により記録信号が接続され、インダクタＬａ〜Ｌｎを介して探針14ａ〜１４ｎに印加される。印加されると誘電体記録媒体１１の電極１３と探針14との間に電界が生じ、両電極に挟まれている誘電体薄膜１２の微小領域に、電界の方向に応じた分極が発生する。この分極が情報の記録に対応する。
【００８１】
記録としては上述したことであるが、記録と同時に再生する場合、特に記録が正常に行われているかをチェックするために、記録モニターのための再生について述べる。上述したようにして記録されると分極の状態に応じて容量Ｃｓのキャパシタンスが決まり、この容量ＣｓとインダクタＬとを構成要因として含む共振回路の共振周波数で発振器２０は発振する。発振器２０から出力される容量Ｃｓの変化に対応して変調された信号はＦＭ復調器２１で復調されＡＭ信号に変換される。このＡＭ信号は信号検出器２２に入力され、また、記録信号に重畳した交流信号も入力されて、同期検波が行われる。これにより、各探針１４ａ〜１４ｂにより書き込まれた情報は各々即時に再生され出力される。
【００８２】
次に、本実施形態の誘電体情報装置１の再生装置としての動作について説明する。
【００８３】
まず、切替え制御部１９を操作して再生装置として動作させることを指示する。交流信号発生器１５からの交流信号が切替え装置１８に入力される。該切替え装置１８は切替え制御部１９の制御により交流信号が接続され、インダクタＬａ〜Ｌｎを介して探針１４ａ〜１４ｂに印加される。印加されると誘電体記録媒体１１の電極１３と探針14との間に電界が生じ、その電界の方向と、両電極に挟まれている誘電体１２の微小領域の分極の方向により、容量Ｃｓのキャパシタンスが決まり、この容量ＣｓとインダクタＬとを構成要因として含む共振回路の共振周波数で発振器２０は発振する。発振器２０から出力される容量Ｃｓの変化に対応して変調された信号はＦＭ復調器２１で復調されＡＭ信号に変換される。このＡＭ信号は信号検出器２２に入力され、また、記録信号に重畳した交流信号も入力されて、同期検波が行われる。これにより、各探針１４ａ〜１４ｂは記録されている情報を各々分離して再生され出力される。
【００８４】
次に、信号検出器の同期検波に供されるロックインアンプについて、図4を参照して説明する。同期検波に用いられる手段はこのロックインアンプに限ることはないことは前述したとおりである。
【００８５】
ロックインアンプ５は、図４に示すように、入力端子Ｔ１、Ｔ２と、増幅器５１と、波形整形器５２と、同相分配器５３、５４と、90度移相器５５と、乗算器である混合器５６、５７と、低域通過フィルタ５８、５９と、出力端子Ｔ３、Ｔ４とによって構成される。
【００８６】
増幅器５１は、入力端子Ｔ１を介して入力される復調信号を増幅して同相分配器５３に出力する。同相分配器５３は、増幅された復調信号を同相分配して混合器５６と混合器５７に出力する。一方、波形整形器５２は、入力端子Ｔ２を介して入力された基準信号（図１の交流信号）を方形波に整形して同相分配器５４に出力する。同相分配器５４は、波形整形器５２から出力される基準信号を同相で分配して混合器５７と90度移相器５５に出力する。90度移相器５５は、基準信号を基準信号の周波数において９０度だけ移相して混合器５６に出力する。混合器５６は、復調信号と９０度だけ移相された基準信号を乗算して混合し、前記復調信号の周波数と前記基準信号の周波数の和と差の周波数を有する信号に変換して低域通過フィルタ５８に出力する。低域通過フィルタ５８は、入力される混合後の信号のうちの直流信号のみを通過させて出力端子Ｔ３に出力電圧Ｖａ1を出力する。混合器５７は、基準信号と復調信号とを乗算して混合し、前記復調信号の周波数と前記基準信号の周波数の和と差の周波数を有する信号に変換して、低域通過フィルタ５９に出力する。低域通過フィルタ５９は、入力される混合後の信号のうちの直流信号のみを通過させて出力端子Ｔ４に出力電圧Ｖａ2を出力する。
【００８７】
ここで、低域通過フィルタ５８から出力される電圧Ｖａ1は、基準信号が９０度だけ移相されて復調信号と混合されるので、前記復調信号と前記基準信号が同相で掛算され、且つ低域ろ波された後の電圧の絶対値を│Ｖａ│とし、かつ前記復調信号と前記基準信号との間の位相差をφとすると、数１で表される。また同様に、低域通過フィルタ５９から出力される電圧Ｖａ2は、数２で表される。
【００８８】
【数１】
Ｖａ１＝│Ｖａ│・ｓｉｎφ
【数２】
Ｖａ２＝│Ｖａ│・ｃｏｓφ
次に、ここで上述したように構成された基本回路を備える誘電体情報装置１において、誘電体の微小領域に印加する交流電界と誘電率及び発振周波数との関係について説明する。
【００８９】
誘電体情報装置１において、誘電体の微小領域に、交流信号発生器１５によって探針１４と電極１３の間に周波数ｆｐの正弦波である交流電圧Ｖｐを印加すると、微小領域に前記交流電圧Ｖｐの振幅に比例した周波数ｆｐを有する正弦波の交流電界Ｅｐを発生する。交流電圧Ｖｐと交流電界Ｅｐは、数３で表される角周波数ωｐを用いて数４と数５で表すことができる。ここでＶｐ0は交流電圧Ｖｐの振幅であり、Ｅｐ0は交流電界Ｅｐの振幅である。
【００９０】
【数３】
ωｐ＝２πｆp
【数４】
Ｖｐ＝Ｖｐ0cosωp
【数５】
Ｅｐ＝Ｅｐ0cosωp
また、交流電圧Ｖｐを印加したときの微小領域の誘電率εｔは、公知のように、交流電界Ｅｐと２次の誘電率ε２と３次の誘電率ε３と４次の誘電率ε４を用いると次の数６で表される。
【００９１】
【数６】
εｔ＝ε２＋ε３Ｅｐ＋（１／２）ε４Ｅｐ２
ここで、数６は以下のように導くことができる。誘電体に電界を印加したときの誘電体の電束密度と電界をそれぞれＤ、Ｅとして、誘電体の単位体積当たりに蓄えられる内部エネルギーと、電気的エンタルピーをそれぞれＵ、Ｈとして、前記電束密度Ｄと電界Ｅと内部エネルギーＵと電気的エンタルピーＨの微分をそれぞれｄＤ、ｄＥ、ｄＵ、ｄＨとすると、次の数７と数８の関係が成り立つ。
【００９２】
【数７】
ｄＵ＝ＥｄＤ
【数８】
Ｈ＝Ｕ−ＥＤ
以上の数７と数８から微分ｄＨは、次の数９で表される。従って、電束密度Ｄは数１０で表される。
【００９３】
【数９】
ｄＨ＝−ＤｄＥ
【数１０】
Ｄ＝−∂Ｈ／∂Ｅ
次に、電気エンタルピーＨを電界Ｅの関数として原点で４次の項までテーラー展開すると、電気的エンタルピーＨは次の数１１で与えられる。
【００９４】
【数１１】
Ｈ＝(1/2)(∂2Ｈ/∂Ｅ2)0Ｅ2+(1/6)(∂3Ｈ/∂Ｅ3)0Ｅ3
+(1/24)(∂4Ｈ/∂Ｅ4)0Ｅ4
ここで、０次の項は、電界Ｅ＝０で場に蓄えられるエネルギーを０とすることにより０とした。また、１次の項は、電界Ｅ＝０で電束密度Ｄ＝０になることと数１０とから０になる。また、数１０と数１１から電束密度Ｄは、次の数１２で表される。
【００９５】
【数１２】
Ｄ＝−(∂2Ｈ/∂Ｅ2)0Ｅ−(1/2)(∂3Ｈ/∂Ｅ3)0Ｅ2
−(1/6)(∂4Ｈ/∂Ｅ4)0Ｅ3
＝ε2Ｅ＋(１/２)ε3Ｅ2＋(１/６)ε4Ｅ3
ここで、
【００９６】
【数１３】
−(∂2Ｈ/∂Ｅ2)0＝ε2
【数１４】
−(∂3Ｈ/∂Ｅ3)0＝ε3
【数１５】
−(∂4Ｈ/∂Ｅ4)0＝ε4
としている。以上のことから、電気的エンタルピーＨをテーラー展開したときの、２次の展開係数に対応したε2を２次の誘電率と呼び、３次の展開係数に対応したε3を３次の誘電率と呼び、４次の展開係数に対応したε4を４次の誘電率と呼んでいる。さらに、数１２において、交流電界Ｅｐに発振信号に対応した微小電界ΔＥが重畳している場合を考える。このとき前記交流電界Ｅｐに対応した電束密度をＤｐとして、前記微小電界ΔＥに対応した微小電束密度をΔＤとすると、数１２は次の数１６のように表わすことができる。
【００９７】
【数１６】
Ｄｐ＋ΔＤ＝ε2(Ｅｐ＋ΔＥ)＋(１/２)ε3(Ｅｐ＋ΔＥ)2
＋(１/６)ε4(Ｅｐ＋ΔＥ)3
ここで、電束密度Ｄｐは、次の数１７で表され、また交流電界Ｅｐに比較して微小電界ΔＥは十分小さいので、(ΔＥ)2と(ΔＥ)3を含む項は０と近似することができ、数１７の第２項のΔＤは数１８のように表わすことができる。
【００９８】
【数１７】
Ｄｐ＝ε2Ｅｐ＋(１/２)ε3Ｅｐ2＋(１/６)ε4Ｅｐ3
【数１８】
ΔＤ＝ε2ΔＥ＋ε3ＥｐΔＥ＋(１/２)ε4Ｅｐ2ΔＥ
＝{ε2＋ε3Ｅｐ＋(１/２)ε4Ｅｐ2}ΔＥ
＝εｔΔＥ
数１８から明らかなように、微小電界ΔＥと、微小電界ΔＥによって発生する微小電束密度ΔＤの間の比例係数εｔとして数６を導くことができる。また、３次の誘電率ε3は、特に交流電界Ｅｐの向きと分極Ｐの向きが同じ向き場合と、交流電界Ｅｐの向きと分極Ｐの向きが逆の向き場合とで、正負が反転する。また数６において４次の誘電率ε4よりも高次の誘電率は無視しているが、前記高次の誘電率は２次，３次，及び４次の誘電率に比較して十分小さいので、以下の説明において高次の誘電率を無視したことの影響は無い。また、以下の説明において、数式は、誘電体の厚み方向の１次元に限定して表示している。
【００９９】
また、前記探針１４と電極１３とによって挟設された前記微小領域が構成する容量Ｃｓは、誘電率εｔに比例するので、誘電体の厚さｄと探針１４の先端部の面積と誘電体によって決まる正の定数Ｃｅと数６を用いて次の数１９のように表すことができる。
【０１００】
【数１９】
Ｃs＝Ｃe(１/ｄ){ε2＋ε3Ｅp＋(１/２)ε4Ｅp2}
また、数１９で表される容量Ｃｓは、次の数２０で表される容量Ｃ0と次の数２１で表される容量変化量△Ｃを用いると数２２のように表すことができる。ここで、容量Ｃ０は、交流電圧Ｖｐが印加されていないときの探針１４と電極１３と、探針１４と電極１３とによって挟設された前記微小領域が構成する容量であり、容量変化量△Ｃは、交流電圧Ｖｐを印加したときの容量Ｃ0からの容量変化量である。
【０１０１】
【数２０】
Ｃ0＝Ｃe(１/ｄ)ε２
【数２１】
△Ｃ＝Ｃｅ（１/ｄ)｛ε3Ｅp＋(１/２)ε4Ｅp2｝
【数２２】
Ｃs＝Ｃ0＋△Ｃ
数５で表される交流電界Ｅｐを数２１の右辺に代入して、さらに数２３で表される三角関数の公式を用いて変形すると、△Ｃは数２４のように表すことができる。
【０１０２】
【数２３】
cos2(ωp・ｔ)＝{1＋cos(2ωp・ｔ)}/2
【数２４】
△Ｃ＝Ｃe(1/ｄ){ε4Ｅp0２/4＋ε3Ｅp0cos(ωp・ｔ)
＋(ε4Ｅp02/4)cos(2ωp・ｔ)}
更に、数２４は、次の数２５と数２６と数２７で表される容量変化量△Ｃ2、△Ｃ3、△Ｃ4を用いて数２８のように書き換えることができる。ここで、容量変化量△Ｃ2は、４次の誘電率ε4と交流電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0の２乗に比例して時間的には変化しない変化量であって、容量変化量△Ｃ3は、３次の誘電率ε3と交流電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0に比例する振幅を有しかつ角周波数ωｐを有して交番的に変化する容量変化量である。また、容量変化量△Ｃ4は、４次の誘電率ε4と交流電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0の２乗に比例する振幅を有しかつ角周波数２ωｐを有して交番的に変化する容量変化量である。
【０１０３】
【数２５】
△Ｃ2＝Ｃe(1/ｄ)(ε4Ｅp02/4)
【数２６】
△Ｃ3＝Ｃe(1/ｄ)ε3Ｅp0cos(ωp・ｔ）
【数２７】
△Ｃ４＝Ｃe(1/ｄ)(ε4Ｅp02/4)cos(2ωp・ｔ)
【数２８】
△Ｃ＝△Ｃ2＋△Ｃ3＋△Ｃ4
一方、容量ＣsとインダクタＬは上述のようにＬＣ共振回路を構成し、前記ＬＣ共振回路の共振周波数ｆLCは、公知のように次の数２９で表される。
【０１０４】
【数２９】
ｆLC＝1/{2π√(Ｌ・Ｃs)}
＝1/[2π√{Ｌ・(Ｃ0＋ΔＣ)}]
また、数２６におけるε3Ｅｐ0と数２７におけるε4Ｅｐ02／４は、２次の誘電率ε2比べて十分小さいので、数２０と数２１よりＣ0≫ΔＣが成り立つ。従って、数２９を数３０で表される近似式を用いて書き換えると、前記容量変化量△Ｃと共振周波数変化量△ｆLCの関係は、数３１のように表わすことができる。
【０１０５】
【数３０】
√(1＋△Ｃ/Ｃ0)＝(1＋△Ｃ/Ｃ0)−1/2≒1−(1/2)(△Ｃ/Ｃ0)
【数３１】
△Ｃ/Ｃ0＝−2△ｆLC/ｆLC
以上のように、前記ＬＣ共振回路の共振周波数ｆLCは、前記容量Ｃｓの容量変化量△Ｃに比例して共振周波数変化量△ｆLCだけ変化する。従って、発振器２０は、前記共振周波数ｆLCと同じ周波数である発振周波数ｆOSCを有する発振信号を発振して発生してＦＭ復調器２１に出力する。ここで、上述のように前記ＬＣ共振回路の共振周波数ｆLCは、前記容量Ｃｓの容量変化量△Ｃに比例して共振周波数変化量△ｆLCだけ変化するので、前記発振周波数ｆOSCも同様に、前記容量Ｃｓの容量変化量△Ｃに比例して変化する。
【０１０６】
また、上述のように容量変化量△Ｃは、３次の誘電率ε3と交流電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0に比例する振幅を有しかつ角周波数ωｐを有して交番的に変化する容量変化量△Ｃ3と、４次の誘電率ε4と交流電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0の２乗に比例する振幅を有し、且つ角周波数２ωｐを有して交番的に変化する容量変化量△Ｃ4を含むので、前記発振信号は、３次の誘電率ε3と交流電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0に比例する振幅を有し、且つかつ角周波数ωｐ、即ち周波数ｆｐを有する信号Ｓ3と、４次の誘電率ε4と交流電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0の２乗に比例する振幅を有し、且つ角周波数２ωｐ、即ち周波数２ｆｐを有する信号Ｓ4によって周波数変調された発振信号である。このとき、前記周波数変調された発振信号の周波数偏移は、信号Ｓ3の振幅と、信号Ｓ4の振幅に比例する。
【０１０７】
前記ＦＭ復調器２１は、前記発振信号をＦＭ復調処理して、３次の誘電率ε3と交流電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0に比例する振幅を有し、且つ周波数ｆｐを有する信号Ｓ3と、４次の誘電率ε4と交流電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0の２乗に比例する振幅を有し、且つ周波数２ｆｐを有する信号Ｓ4を含む復調信号をロックインアンプ５の端子Ｔ１に出力する。
【０１０８】
ロックインアンプ５において、混合器５６は、増幅された後に同相分配された一方の復調信号と、波形整形され、且つ９０度移相された基準信号とを乗算して混合し、前記復調信号の周波数と前記基準信号の周波数の和と差の周波数を有する信号に変換して低域通過フィルタ５８に出力し、低域通過フィルタ５８は、混合後の信号のうち直流成分である出力電圧│Ｖａ│ｓｉｎφのみを端子Ｔ３に出力する。一方、混合器５７は、同相分配された他方の復調信号と波形整形された基準信号とを乗算して混合し、前記復調信号の周波数と前記基準信号の周波数の和と差の周波数を有する信号に変換して、低域通過フィルタ５９に出力し、低域通過フィルタ５９は、混合後の信号のうちの直流成分である出力電圧│Ｖａ│ｃｏｓφのみを端子Ｔ４に出力する。
【０１０９】
ここで、信号Ｓ3は前記基準信号の周波数ｆｐを有する信号であるので、前記混合器５８と前記混合器５７はそれぞれ、前記基準信号と周波数ｆｐを有する信号Ｓ3とを乗算して混合したときに発生する直流信号である出力電圧│Ｖａ│ｓｉｎφと出力電圧│Ｖａ│ｃｏｓφを出力する。即ち出力電圧Ｖａ1と出力電圧Ｖａ2は位相差φと３次の誘電率ε3に対応した電圧になる。ここで特に、３次の誘電率ε3が実数であって、且つ正の値のときには、数２６から明らかなように、容量変化量ΔＣ3と交流電界Ｅｐは同相で変化する。また、数３１から明らかなように、前記容量変化量ΔＣ3は、共振周波数変化量ΔｆLCと逆相で変化することになる。
【０１１０】
以上のことから、３次の誘電率ε3が実数であってかつ正の値のときには、共振周波数変化量ΔｆLCは交流電界Ｅｐと逆相で変化する。さらに、交流電界Ｅｐと交流電圧Ｖｐは同相で変化するので、３次の誘電率ε3が実数であってかつ正の値のときには、前記基準信号と前記信号Ｓ3の位相差φはπになる。また同様に３次の誘電率ε3が実数であってかつ負の値のときには、前記基準信号と前記信号Ｓ3の位相差φは０になる。
【０１１１】
以上のように、３次の誘電率ε3が実数のときには、前記基準信号と前記信号Ｓ3の位相差φは０かπの値をとり、出力電圧Ｖａ1は、０となり、出力電圧Ｖａ2のみが出力される。また、３次の誘電率ε3が正のときには、位相差φはπになって出力電圧Ｖａ2はマイナスの値で出力されて、一方、３次の誘電率ε3が負のときには、位相差φは０になって出力電圧Ｖａ2はプラスの値で出力される。
【０１１２】
（第2実施形態）
図5を参照して第2実施形態について説明する。本実施形態は誘電体記録媒体に情報を記録し、且つ記録しつつその情報を再生するために構築した誘電体情報装置に関する。
【０１１３】
誘電体情報装置２は、探針１４ａ〜１４ｎに印加する交流信号を発生する交流信号発生器１５ａ〜１５ｎ、記録用信号を発生する記録信号発生器１６、記録信号発生器１６からの信号と交流信号発生器１５ａ〜１５ｎからの信号を重畳する加算器１７ａ〜１７ｎ、記録信号を探針１４ａ〜１４ｎに導くインダクタＬａ〜Ｌｎ、容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎと共振回路を構成するインダクタＬ、共振回路の共振周波数に基づいて発振する発振器２０、発振器２０からの周波数変調された発振信号を復調するＦＭ復調器２１、ＦＭ復調器２１からの復調信号を交流信号発生器１５ａ〜１５ｎからの信号と同期をとって情報を再生する信号検出器２２ａ〜２２ｎ、及び探針１４ａ〜１４ｎを囲うようにして接地された電極２３を備える。
【０１１４】
次に、記録しつつある状態でその情報を再生する動作について説明する。まず記録は、記録信号発生器１６で記録用の信号を発生し、交流信号発生器１５ａ〜１５ｎの交流信号と重畳されて、記録時に探針１４ａ〜１４ｎに供給される。この印加される電圧で探針１４と電極１３の間に電界が生じ、誘電体１２の微小領域を信号に対応した方向に分極させ、情報が記録される。
【０１１５】
記録と同時に再生する場合、特に記録が正常に行われているかをチェックするために、分極の状態に応じて容量Ｃｓの容量が決まり、この容量ＣｓとインダクタＬとを構成要因とする共振回路の共振周波数で発振器２０は発振する。発振器２０から出力される容量Ｃｓの変化に対応して変調された信号はＦＭ復調器２１で復調されＡＭ信号に変換される。このＡＭ信号は信号検出器２２に入力され、また、記録信号に重畳した交流信号も入力されて、同期検波が行われる。これにより、各探針１４ａ〜１４ｂにより書き込まれた情報は各々即時に再生され出力され、正しく記録が行われているか否かをチェックできる。
【０１１６】
その他、本実施形態に係わる構成要素とその作用、及び誘電体記録媒体１１に関しては第1実施形態で説明したことと同様である。
【０１１７】
（第３実施形態）
図６を参照して第３実施形態について説明する。本実施形態は誘電体記録媒体に情報を記録するために構築した誘電体情報装置に関する。
【０１１８】
本実施形態の誘電体情報装置３は、探針１４ａ〜１４ｎに印加する交流信号を発生する交流信号発生器１５ａ〜１５ｎ、記録用信号を発生する記録信号発生器１６、記録信号発生器１６からの信号と交流信号発生器１５ａ〜１５ｎからの信号を重畳する加算器１７ａ〜１７ｎを備える。
【０１１９】
記録信号発生器１６で記録用の信号を発生し、交流信号発生器１５ａ〜１５ｎの交流信号と重畳されて、記録時に探針１４ａ〜１４ｎに供給される。この印加される電圧で探針１４と電極１３の間に電界が生じ、誘電体１２の微小領域を信号に対応した方向に分極させ、情報が記録される。
【０１２０】
その他、本実施形態に係わる構成要素とその作用、及び誘電体記録媒体11に関しては第1実施形態で説明したことと同様である。
【０１２１】
（第４実施形態）
図７を参照して第４実施形態について説明する。本実施形態は誘電体記録媒体に記録されている情報を再生するために構築した誘電体情報装置に関する。
【０１２２】
本実施形態の誘電体情報装置４は、探針１４ａ〜１４ｎに印加する交流信号を発生する交流信号発生器１５ａ〜１５ｎ、探針１４ａ〜１４ｎに導くインダクタＬａ〜Ｌｎ、誘電体の微小領域の容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎと共振回路を構成するインダクタＬ、共振回路の共振周波数に基づいて発振する発振器２０、発振器２０からの周波数変調された発振信号を復調するＦＭ復調器２１、ＦＭ復調器２１からの復調信号を交流信号発生器１５ａ〜１５ｎからの信号と同期を取って情報を再生する信号検出器２２ａ〜２２ｎ、及び探針１４ａ〜１４ｎを囲うようにして接地された電極２３を備える。
【０１２３】
次に再生では、探針１４から加えられる交番電界の方向と対応する微小領域の分極Ｐ方向の関係から容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎの値が変化し、情報に対応する。発振器２０はこの容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎの値に基づいて発振周波数が変化し、これを復調することで情報の読み出しが行われる。
【０１２４】
インダクタＬａ〜Ｌｎ及び容量Ｃａ〜Ｃｎは、交流信号発生器１５ａ〜１５ｎからの信号が発振器２０の発振に干渉しないように信号系統を遮断するためのハイパスフィルタを構成するために用いられている。
【０１２５】
発振器２０はインダクタＬと容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎを構成要因とする共振回路の共振周波数で発振する。ここで、発振器２０は上述したようにインダクタＬａ〜Ｌｎ及び容量Ｃａ〜Ｃｎによって信号源側と分離されているため、個々の探針毎に発振器を設ける必要はなく１つを備ええればよい。
【０１２６】
FM復調器２１は容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎの変動に対応した周波数で発振する発振器２０の出力をFM検波し振幅信号に復調する。この復調された信号には記録されている情報の他に各探針に印加された交流信号の成分を含むものである。
【０１２７】
信号検出器２２ａ〜２２ｎは上述したFM復調器２１からの復調信号から、交流信号発生手段１５ａ〜１５ｎの信号を参照信号として、各交流信号、即ち、各探針に対応した信号を分離して再生する。
【０１２８】
再生装置としての動作は、交流信号発生器１５からの交流信号がインダクタＬａ〜Ｌｎを介して探針14ａ〜１４ｎに印加される。印加されると誘電体記録媒体１１の電極１３と探針14との間に電界が生じ、その電界の方向と、両電極に挟まれている誘電体１２の微小領域の分極の方向により、誘電率が決まり、これに関する容量ＣｓとインダクタＬとを構成要因とする共振回路の共振周波数で発振器２０は発振する。発振器２０から出力される容量Ｃｓの変化に対応して変調された信号はＦＭ復調器２１で復調されＡＭ信号に変換される。このＡＭ信号は信号検出器２２に入力され、また、記録信号に重畳した交流信号も入力されて、同期検波が行われる。これにより、各探針１４ａ〜１４ｂは記録されている情報を各々分離して再生され出力される。
【０１２９】
その他、本実施形態に係わる構成要素とその作用、及び誘電体記録媒体１１に関しては第1実施形態で説明したことと同様である。
【０１３０】
（テープ状媒体記録再生装置の構成例）
図８を参照して、テープ状に形成した誘電体記録媒体を用いる記録再生装置について説明する。
【０１３１】
まず、記録再生装置６の構成の概略は、導電性の薄膜基盤６１とその上に所定の方法で形成された記録部を形成する誘電体薄膜６２からなるテープ状の誘電体記録媒体６３、巻き取り軸６４、６５、該巻き取り軸６４、６５を駆動するモータ６６、６７、誘電体記録媒体６３の薄膜基盤６１を接地する手段であるベース６８、探針６９、制御回路７０、操作入力部７１、動作状態表示部７２、ヘッド７３、記録再生回路７４、探針６９の周囲を囲むように設けられ接地される電極７５、その他テープの走行、記録再生に必要な公知の機構を備える。
【０１３２】
次に動作について説明する。誘電体記録媒体６３はベース６８と探針６９に接触した状態で矢印Ｘの方向に、巻き取り軸６４、６５により巻き取られ、または送り出されて走行する。巻き取り軸６４、６５はそれぞれ制御回路７０の制御信号により回転するモータ６６、６７に結合されていて、これによりそれぞれＲ１、Ｒ２の方向に回転して巻き取り、送り出しを行う。制御回路７０は上記モータ６６、６７の回転制御に限らず、装置全体の動作をコントロールする。装置の必要な部位に配置された図示しない各種センサからのデータが入力され、プログラムされたＣＰＵによって記録再生装置６が正常に作動するように制御する。
【０１３３】
また、制御回路７０には操作入力部７１から入力される操作指示の信号を受け、その指示に従って記録再生装置６を動作させ、また、動作状態表示部７２に動作状態を表示させる。入力する指示としては例えば記録、再生の選択、スタート、ストップ、早送り、巻き戻し等、従来の磁気テープを用いた装置の指示と同様のものがある。また、表示させる動作状態としては、例えば記録中であるか再生中であるか、早送りか巻き戻しか、現在の記録再生部位のアドレス等、やはり従来の磁気テープを用いた装置の動作表示と同様のものがある。
【０１３４】
次に、ヘッド７３は探針６９を有し、これに情報を印加し、或いは読み取る先端部の回路を備えている。探針６９は図８の紙面の垂直方向に複数本設けられている。回路として例えば図１に示す発振器２０、インダクタＬ、容量Ｃａ〜Ｃｎ等である。ヘッド７３へ供給する記録情報、読み取った再生情報は記録再生回路７４で処理される。この記録再生回路７４には、例えば図１に示す記録信号発生器１６、交流信号発生器１５、ＦＭ復調器２１、信号検出器２２等を備えている。電極７５は発振器で発振された高周波信号が探針６９から放出されアースに戻るためのものである。
【０１３５】
尚、これら各要素の構成と動作は第１実施形態等で説明したことと同様であり、ここでの再度の説明は省略する。
【０１３６】
記録する情報としてはテレビ、ラジオ等の映像信号や音声信号、コンピュータ用データが有り、再生出力はスピーカ、表示装置で音声出力、映像出力され、また、コンピュータのプログラムやデータとして供される。
【０１３７】
尚、テープ状媒体記録再生装置として、記録再生機能を併せ持つ装置について述べたが、記録機能だけの装置、再生機能だけの装置についても、それに関する機能を取り上げて構成されるものである。
【０１３８】
（ディスク状媒体記録再生装置の構成例）
図９を参照して、ディスク状に形成した誘電体記録媒体を用いる記録再生装置について説明する。
【０１３９】
まず、記録再生装置７の構成の概略は、導電性の基盤８１とその上に所定の方法で形成された記録部を形成する誘電体薄膜８２からなるディスク状の誘電体記録媒体８３、ディスクを回転させるモータ８４、誘電体記録媒体８３の基盤８１を接地する手段である回転ベース８５、制御回路８５、操作入力部８７、動作状態表示部８８、ヘッド８９、探針９０、ヘッド８９をディスク半径方向に移動するモータ９１、スクリュー９２、記録再生回路９３、探針９０の周囲を囲むように設けられ接地される電極９３、その他ディスクの回転、記録再生に必要な公知の機構を備える。
【０１４０】
次に動作について説明する。誘電体記録媒体８３は回転ベース８５に乗せられ、電気的接続を得ながら、制御回路８６に制御されたモータ８４によりＲ１方向に回転する。回転する回転ベース８５を接地接続する方法としてスリップリング等の公知の技術を用いることが可能である。制御回路８６は装置全体の動作をコントロールする。装置の必要な部位に配置された図示しない各種センサからのデータが入力され、プログラムされたＣＰＵによって記録再生装置７が正常に作動するように制御する。
【０１４１】
また、制御回路８６には操作入力部８７から入力される操作指示の信号を受け、その指示に従って記録再生装置７を動作させ、また、動作状態表示部８８に動作状態を表示させる。入力する指示としては例えば記録、再生の選択、スタート、ストップ、ヘッド８９の移動等、従来のディスクを用いた装置の指示と同様のものがある。また、表示させる動作状態としては、例えば記録中であるか再生中であるか、ヘッドの位置、現在の記録再生部位のアドレス等、やはり従来のディスクを用いた装置の動作表示と同様のものがある。
【０１４２】
次に、ヘッド８９は誘電体記録媒体８３の半径方向である矢印Ｘで示す方向に、モータ９１によりスクリュー９２を回転して移動する。このヘッド８９は複数の探針９０を有し、この探針９０に情報を印加し、或いは読み取る先端部の回路を備えている。例えば図１に示す発振器２０、インダクタＬ、容量Ｃａ〜Ｃｎ等である。
【０１４３】
ヘッド８９で読み取った再生情報は記録再生回路９３で処理される。この記録再生回路９３には、例えば図１に示す記録信号発生器１６、交流信号発生器１５、ＦＭ復調器２１、信号検出器２２等を備えている。電極９４は発振器で発振された高周波信号が探針９０から放出されアースに戻るためのものである。
【０１４４】
尚、これら各要素の構成と動作は第１実施形態等で説明したことと同様であり、ここでの再度の説明は省略する。
【０１４５】
記録する情報としてはテレビ、ラジオ等の映像信号や音声信号、コンピュータ用データが有り、再生出力はスピーカ、表示装置で音声出力、映像出力され、また、コンピュータのプログラムやデータとして供される。
【０１４６】
尚、ディスク状媒体記録再生装置として、記録再生機能を併せ持つ装置について述べたが、記録機能だけの装置、再生機能だけの装置についても、それに関する機能を取り上げて構成されるものである。
【０１４７】
以上詳細に説明したように、本発明の著しい特徴として、複数の探針が１つの発振器に取り付けられており、誘電体薄膜の一方の面に設けられた共通の接地される電極と、前記誘電体の微小領域に接触（或いは微小ギャップを介して接触）するように形成された複数の探針からなる電極との間に、探針側から各々異なる周波数の低周波交番電界を印加して媒体に記録された情報を同時に読み出すことができる。
【０１４８】
また、記録再生用の信号源回路と、ＬＣ共振器を含む発振器の高周波回路をＬ、Ｃによって相互の分離しているため、発振器への干渉がない。
【０１４９】
さらに、低周波交番電界印加用の電源は、それぞれ異なる単一周波数で発振可能であればよいため、単純で集積化も簡単である。一方の高周波用の発振器は１個を複数の探針で共用できる構成としたため、超小型の超高密度誘電体記録再生装置への実現が可能となる。
【０１５０】
尚、以上説明した各実施形態では、誘電体記録媒体１１、誘電体記録媒体８３、誘電体記録媒体６３を構成する誘電体は、好ましくは強誘電体からなる。これにより、一層良好に、強誘電体の微小領域に情報を高密度で書き込むことが可能となる。
【０１５１】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う誘電体情報装置もまた本発明の技術思想に含まれるものである。
【０１５２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、１つの発振器を共用した複数のプローブを用いるＳＮＤＭを構成し、このＳＮＤＭを用いて誘電体の微小領域に情報を記録する機能、記録した情報を再生する機能、記録し再生する機能を有する各種の小型の誘電体情報装置が提供できる。これにより極めて超高密度で大容量、高速応答の記録再生手段として利用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第1実施形態の構成を示す図である。
【図２】誘電体の分極状態と出力電圧の関係を説明するための図である。
【図３】探針の周囲に設けられた電極の作用を説明するための図である。
【図４】信号の検出に用いられるロックインアンプの構成と信号検出の動作について説明するための図である。
【図５】第２実施形態の構成を示す図である。
【図６】第３実施形態の構成を示す図である。
【図７】第４実施形態の構成を示す図である。
【図８】本発明の誘電体情報装置を、テープ状の誘電体記録媒体を用いて構成した記録再生装置のブロック図である。
【図９】本発明の誘電体情報装置を、ディスク状の誘電体記録媒体を用いて構成した記録再生装置のブロック図である。
【符号の説明】
１，２，３，４・・・誘電体情報装置
５・・・ロックインアンプ
６，７・・・記録再生装置
１１・・・誘電体記録媒体
１２・・・誘電体薄膜
１４・・・探針
１５・・・交流信号発生器
１６・・・記録信号発生器
１７・・・加算器
１８・・・切替え手段
２０・・・発振器
２１・・・ＦＭ復調器
２２・・・信号検出器
５１・・・増幅器
５２・・・波形整形器
５３，５４・・・同相分配器
５５・・・９０度移相器
５６，５７・・・混合器
５８，５９・・・ＬＰＦ
６３，８３・・・誘電体記録媒体
７０，８６・・・制御回路
７１，８７・・・操作入力部
７２，８８・・・動作状態表示部
７３，８９・・・ヘッド
７４，９３・・・記録再生回路
【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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