(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体層が書込手段と相対的に移動している状態で、強誘電体層に書込手段による電界を印加して、アナログ記録を行うにあたり、書込手段が電界を強誘電体層へ印加して記録する方法であって、
強誘電体層に印加される電界が、記録すべきアナログ電気信号が包括線として記録されるように交流電気信号を重畳した電気信号を書込手段によって印加される電界であり、
該電界が強誘電体層と書込手段の相対的位置の変化によって、少なくとも強誘電体層の飽和電界以上の強度の電界から正負が交番しながら減衰することによって強誘電体層の前歴を消去しながら書き込むことを特徴とする強誘電体層へのアナログ記録方法。
【請求項２】
強誘電体層が書込手段と相対的に移動している状態で、強誘電体層に書込手段による電界を印加して、多段階記録を行うにあたり、書込手段が電界を強誘電体層へ印加して記録する方法であって、
強誘電体層に印加される電界が、記録すべきパルス状の多段階電気信号を最高周波数ｆｍで近似した多段階振幅の電気信号とし、該電気信号が包括線として記録されるように交流電気信号を重畳した電気信号を書込手段によって印加される電界であり、
該電界が強誘電体層と書込手段の相対的位置の変化よって、少なくとも強誘電体層の飽和電界以上の強度の電界から正負が交番しながら減衰することによって強誘電体層の前歴を消去しながら書き込むことを特徴とする強誘電体層への多段階記録方法。
【請求項３】
請求項１あるいは２に記載の強誘電体層への記録方法で記録する装置であって、書込手段である書込用電極と読取手段である読取用電極を有することを特徴とする強誘電体層への記録装置
【請求項４】
書込用電極が読取用電極を兼ねていることを特徴とする請求項３に記載の強誘電体層への記録装置。
【請求項５】
記録装置がディスクドライブ方式でディスクの基板上に形成されている強誘電体層にアナログ記録または多段階記録するための記録装置であることを特徴とする請求項３あるいは４に記載の強誘電体層への記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
強誘電体層を記録媒体とし、そこへアナログ記録（無段階記録）または多段階記録を行い、利用する分野、特に、書き換え可能なディスク状記録体への記録に関する強誘電体層への記録方法および強誘電体層への記録装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
本発明は本願発明者による特開2005-149647の改良に関する。以下、特開2005-149647に沿って、背景技術について述べる。
通常の強誘電体は、印加電界Ｅと電気分極Ｐの間に図１４に示したような履歴挙動（ヒステリシス）を有している。この履歴挙動についての詳細は、例えば「強誘電体薄膜メモリ」（１９９５年発行、サイエンスフォーラム社）に記載されており、また特開平６−１３０３６１号公報、特開２００１−２９８１６４号公報等にも多数記載されている。印加電界を強くしても強誘電体の電気分極が増加しないようになる電界の強さを飽和電界と呼ぶ。そのときの分極を飽和分極と呼び、Ｐｍと表示する。また、残留分極Ｐｒとは強誘電体を電界Ｅに晒した後、電界を取り去っても強誘電体に残留する電気分極である。強誘電体層に飽和電界以上の電界を印加した際の残留分極を飽和残留分極と呼びＰｒ（ｍ）と表示する。ここで飽和電界とは理論的には強誘電体層の全ての部分が一方向に整列して分極している状態を示すが、実際の強誘電体層においては何らかの原因で仲々整列しない部分が発生することがある。しかし実用上問題のない程度であれば、それを無視して飽和電界と呼ぶ。厳密に区別する場合には、前者をＥｓ（飽和）、後者をＥｍ（最大）で示すことが多い。ここでは実質的な飽和を示し、Ｅｍと表示する。先に述べたＰｍも同様に実質的に最大の分極であることを示す。印加電界を−Ｅｍ→Ｅｍ→−Ｅｍに変化したときの履歴挙動の例は図１４における最大面積のループであり、一般に飽和履歴曲線と呼ぶ。
【０００３】
強誘電体の残留分極を利用して、強誘電体を記録媒体として使用する分野がある。その分野の一つに、強誘電体層をディスク状の記録メディアとするものがある。例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されている高密度記録方式である。
【０００４】
その方式は図１５（ａ）（ｂ）に例示したように、強誘電体層２１０はディスク２００の一面に形成されていて、片持ちレバー２１２で支持された書込用電極２１１と相対している。書込信号発生回路２２１で発生した電界Ｅを書込用電極２１１に印可することによって強誘電体層２１０を分極させ、残留分極Ｐｒを発生させる。記録は強誘電体層２１０と書込用電極２１１が相対的に移動する状態で行う。全面への書込は、記録用メディアがディスク状の場合には、ディスクがモータ２４２で駆動する回転軸２４１を中心に回転し、書込用電極２１１がディスクの直径方法に移動する方法で行う。そして、読出は読出用電極（本例では書込用電極２１１が兼ねる）で読み取った信号を読出信号発生回路で処理して行う。
【０００５】
一方、記録用メディアが回転しない場合の書込方法としては、書込用電極が一方向に移動し、記録用メディアがそれと垂直な方向移動する方法と、書込用電極が平面的に２方向を移動する方法が開示されている。この場合は、記録用メディアはディスク状ではなく、矩形状のものが開示されている。
【０００６】
これら従来技術においては、デジタル記録、すなわち２値記録が対象であって、残留分極は、単にある方向とその逆方向であると述べられているだけである。すなわち、２値記録である。ただし、特開平１１−４０７５９号公報には強誘電体層に通常とは異なる特徴があるものを使用して、残留分極が正負の飽和残留分極の２値以外に残留分極ゼロの状態を得ることによって、３段階（３値）記録を行う方法が開示されている。しかし、３段階記録が限度である。
【０００７】
強誘電体は原理的にはアナログ記録、多段階記録の素材とすることが可能である。ここでアナログ記録とは、一般的には記録すべき信号（データ）の強度が無段階的に変化するのに対応して、記録を無段階的に行うことを指す。また、記録されているデータを無段階的に読み出すことも含む。従って無段階記録と呼ぶこともある。また、多段階記録とは、多値記録とも呼ばれ、記録するべき信号の強度が多段階、または多値の状態で記録媒体に印加され、記録媒体に記録された状態も多段階（多値）の状態になるものをいう。
【０００８】
一般にアナログ記録では、信号上では時間的に、記録媒体上では空間的に連続している記録を指すことが多いが、本発明においては、図１０のように時間（ｔ）的、空間（Ｔ）的に離散している記録も、記録信号が無段階信号ならばアナログ記録と呼ぶ。多段階記録の場合も同様である。このように、記録媒体上で分割して記録されることは、例えばディスクをセグメントに分割して記録する場合に発生する。
【０００９】
多段階記録（多値記録）とは、一般には３段階（３値）以上の記録を指すが、本発明においても、同様であるとする。また、本発明においては、飽和残留分極が２方向あることを使用した２段階記録（２値記録）の場合を、デジタル記録と呼ぶ。
【００１０】
アナログ記録がデジタル記録より好都合な場合は、例えば自然現象の記録や、出力が人の感覚で受け取られる場合である。たとえばデジタルカメラの信号を記録するのに有効である。デジタルカメラのＣＣＤからの画像信号の強度は完全に無段階ではなく、多数の段階からなっている。その画像の出力信号を画像として見るのは人間であり、画像をアナログ的に受け取る。また、音声も同様である。
【００１１】
現在はデジタル信号処理技術が進歩し、音声のようなアナログ信号であってもＡ−Ｄ変換でデジタル化して記録し、記録信号の読み出しもその後の信号処理もデジタルである。最終段階に近い段階でＤ−Ａ変換して人間が受け取ることができるようにしている。しかし、アナログまま記録・再生することができれば、データ量やデータ処理量を減少させうる。また、多段階記録が可能であれば、２値のデジタルデータであってもＤ−Ｄ変換によって、データ量が減少し、処理速度の向上につながる。
【００１２】
アナログ記録では、入力と出力の間にどの程度の直線性（正比例関係）が得られるのかが常に問題となる。アナログ記録では、記録する信号の強度とその信号を記録状態から再生した信号の強度の関係が、何ら補正しない状態で直線的に比例するほど、使用しやすく、用途が広い。多段階記録でも同様である。また、周波数応答性が低周波数から高周波数まで平坦であるほど好ましい。一般に、強誘電体は分極の反転速度が数マイクロ秒であるので、基本的には周波数応答性を広くすることができる可能性がある。
【００１３】
メモリセルの発明ではあるが、強誘電体をアナログ記録の用途に使用する方法が特開平９−６３２９４号公報に開示されている。その方法を、図１６に基づいて以下に述べる。
【００１４】
まず、強誘電体層Ｆｍを一対の電極ＸとＹで挟持した構成を作成する（図１６（ｂ））。これをメモリセルと呼ぶ。電極Ｘと電極Ｙの間に図１６（ａ）に示した一連の電気信号を印加する。すなわちまず、メモリセルに強誘電体の抗電界（本願発明者注：飽和電界と解する方がよいと考える）よりも大きな電界を有する第一のパルスＶｅを一対の電極から強誘電体層に印加して、強誘電体を分極の２つの状態のうち第一の方向（図１６（ｂ）では下向き方向）の分極状態Ｐに分極させる。次に第一のパルスとは逆方向の電界の第２のパルスＶｗを電極に印加して、第一の方向の分極を有するドメインと、それとは逆方向の分極（上向きの分極Ｐ）を有するドメインとが混在した部分分極状態とする（図１６（ｃ））。この第２のパルスで部分分極状態を無段階的に制御することができるので、アナログ記録を行うことができる。
【００１５】
図１６（ｂ）の状態にすることは、既に強誘電体層に記録されている残留分極（以後、前歴と呼ぶ）を消去するための行程であって、多段階記録、アナログ記録を行うためには必要な行程である。もしも、この行程を経ずに新規なデータを書き込むための電界を印加すると、得られる残留分極は、前歴によって異なった値になる。その理由は、強誘電体がヒステリシス特性を有することに由来する。図１６（ｂ）の状態、すなわち飽和分極の状態にすると、前歴は消去され、その後に新規なデータを書き込むと、再現性のある残留分極が得られる。
【００１６】
この特開平９−６３２９４号公報の方法を、書込電極と強誘電体層が相対的に移動する状態に適用したものが、特開平９−９１７７６に記載されている。すなわち、第１のパルスで強誘電体層を飽和分極の状態にしたのち、第２のパルスで逆方向の電界を印加して、部分分極状態にする方法である。
【００１７】
この方法の問題点は、後に作用効果の項で詳しくのべるが、書込電界と残留分極が直線関係にある範囲が狭く、また記録可能な電界の幅が狭い点である。ただし、感度は高い。
【００１８】
一方、特許文献１、特許文献２、特許文献３等の公知資料には、強誘電体層の前歴を消去する行程についての記載がない。これは、書込時には、常に飽和分極の状態（図１６（ｂ）の状態および分極の方向が逆の状態）にするので、強誘電体層の前歴は消去されてしまう。従って前歴消去の行程は不要だからである。また、前歴を消去する行程を行おうとしても、強誘電体層と電極が相対的に移動しているので、行うことができない。
【００１９】
また、別の方法が特開平１１−３０５２５７号公報に記載されている。これは、アクティブ型液晶表示装置において、ＴＦＴのゲート絶縁層に強誘電体を使用して、消費電力を減少するという発明である。
【００２０】
その発明では、強誘電体ゲート絶縁膜の分極状態を多段階または無段階に所要の値にする方法を開示している。その方法では、強誘電体層の前歴を消去する方法として、時間的に電界が減少する交番パルス電界、または交流で強誘電体層の前歴を消去する方法である。その後、記録すべき電圧を印加して、残留分極を得る。しかし、本発明が対象としている方法では、前歴消去用電極と強誘電体層が相対的に移動しているので、この方法も適用することができない。
【００２１】
本願発明者は特開2005-149647号において、以下の方法を提供して、以上の背景技術の問題点の解決すべき課題を解決し、強誘電体層を記録媒体とする多段階記録、アナログ記録を行う強誘電体層への記録方法、および強誘電体層への記録装置として、従来法より入出力特性の直線性がよい方法、装置を実現することができた。
【００２２】
すなわち、強誘電体層と書込手段が相対的に移動している状態で、強誘電体層にアナログ記録または多段階記録を行うにあたり、書込手段が電界を強誘電体層へ印加して記録するに先立ち、強誘電体層の飽和電界以上の電界を前歴消去手段によって印加して前歴を消去することを特徴とする強誘電体層への記録方法であって、誘電体層に印加される前歴消去手段による電界が、正負が交番する電界であって、前歴消去手段と強誘電体層の相対的位置の変化によって、少なくとも強誘電体層の飽和電界以上の強度の電界から減少して、正負が３サイクル以上交番する間に実質的にゼロになることを特徴とする強誘電体層への記録方法を提供した。
【００２３】
また、実際の装置としては、ディスクドライブ方式でディスクの基板上に形成されている強誘電体層にアナログ記録または多段階記録するための装置であることを特徴とする強誘電体層への記録装置を提供した。
【００２４】
しかし、新たな問題が発生した。まず、電極が前歴消去用の電極が必要になったことである。すなわち、基本構成としては、前歴消去用、書込用、読取用の３種類の電極が必要となり、コストアップになった。電極の数をへらすために、前歴消去、書込、読取を一つに電極で行うようにすることもできるが、前歴を消去した後、ディスクが１回転してから書込を行うので、書込速度があがらなかった。また、書き込んだ場所を読み取るには、さらにディスクが１回転するのを待つ必要があった。また、書込と読取を別の電極で行うとして、前歴消去と書込を一つの電極で行うとした場合には、前歴消去後、ディスクが１回転してから書き込む必要があり、書き込みに時間がかかった。
【特許文献１】特開平８−３１０２７号公報
【特許文献２】特開平９−９１７７６号公報
【特許文献３】特開平１０−２８９４９５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、強誘電体層にアナログ記録を行う場合に、電極構成が簡単であり、かつ書き込み時間が短い記録方法と記録装置を見いだすことである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
請求項１に記載の発明は、
強誘電体層が書込手段と相対的に移動している状態で、強誘電体層に書込手段による電界を印加して、アナログ記録を行うにあたり、書込手段が電界を強誘電体層へ印加して記録する方法であって、
強誘電体層に印加される電界が、記録すべきアナログ電気信号が包括線として記録されるように交流電気信号を重畳した電気信号を書込手段によって印加される電界であり、
該電界が強誘電体層と書込手段の相対的位置の変化によって、少なくとも強誘電体層の飽和電界以上の強度の電界から正負が交番しながら減衰することによって強誘電体層の前歴を消去しながら書き込むことを特徴とする強誘電体層へのアナログ記録方法である。
【００２７】
請求項２に記載の発明は、
強誘電体層が書込手段と相対的に移動している状態で、強誘電体層に書込手段による電界を印加して、多段階記録を行うにあたり、書込手段が電界を強誘電体層へ印加して記録する方法であって、
強誘電体層に印加される電界が、記録すべきパルス状の多段階電気信号を最高周波数ｆｍで近似した多段階振幅の電気信号とし、該電気信号が包括線として記録されるように交流電気信号を重畳した電気信号を書込手段によって印加される電界であり、
該電界が強誘電体層と書込手段の相対的位置の変化よって、少なくとも強誘電体層の飽和電界以上の強度の電界から正負が交番しながら減衰することによって強誘電体層の前歴を消去しながら書き込むことを特徴とする強誘電体層への多段階記録方法である。
【００２８】
請求項３に記載の発明は、
請求項１あるいは２に記載の強誘電体層への記録方法で記録する装置であって、書込手段である書込用電極と読取手段である読取用電極を有することを特徴とする強誘電体層への記録装置である。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、
書込用電極が読取用電極を兼ねていることを特徴とする請求項3に記載の強誘電体層への記録装置である。
【００３０】
請求項５に記載の発明は、
記録装置がディスクドライブ方式でディスクの基板上に形成されている強誘電体層にアナログ記録または多段階記録するための記録装置であることを特徴とする請求項３あるいは４に記載の強誘電体層への記録装置である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によって、強誘電体層を記録媒体とするアナログ記録を行う強誘電体層への記録方法、および強誘電体層への記録装置として、前歴消去と書込を一つの電極で同時に行うことができるようになり、従来法より電極構成が簡単であり、書き込み時間が短く、低コストの記録方法と記録装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
請求項１に関わる強誘電体層への記録方法に用いられる記録装置の構造例を図１に示す。図１において、強誘電体層１２はディスク状の基板１０の上に裏面電極１１を介して形成されていて、軸中心で回転している。裏面電極１１は、少なくとも表面に強誘電体層１２がある部分の裏面全面に形成されている。
【００３３】
書込信号は、書込信号発生器１３において、交流電圧と記録すべきアナログ信号を重畳して形成される。その電圧波形の例を図２に示す。この電圧が書込手段である書込用ヘッド１４を通じて、その先端の書込用電極１５と強誘電体層１２の裏面電極１１の間で形成される電界として、強誘電体層１２に印加される。そして、後に述べるメカニズムによって、強誘電体層の前歴（以前記録）が消去されると同時に、所望の記録すべきアナログ信号、または多段階信号が、直線性のよい入出力特性がえられる強誘電体層の残留分極として記録される。
【００３４】
一方、強誘電体層１２に記録された電気分極状態の信号は、読取用ヘッド１６の先端の読取用電極１７によって、局部的な電界強度として感知され、読取用ヘッド１６の作用によって読取信号１８として外部へ取り出される。書込と読取は独立に行うことができる。なお、書込用電極１５と読取用電極１７は強誘電体層１２とは接しない状態で保持されている。
【００３５】
図２に例示した書込用信号発生器で発生させる電気信号の波形について以下に述べる。この波形は、記録すべきアナログ信号と一定電圧の交流を重畳させて得ている。ここで交流の周波数は記録すべき信号の最高周波数より数倍高い周波数である。例えば図２のように、周波数の高い交流電圧が、周波数の低い記録すべき信号によって、電位の中間値が変動した波形になっている。別の見方をすると、包絡線が記録すべき信号である。ここで交流電圧の高さは、交流電圧によって発生する書込用電極１５の直下の電界が、強誘電体層の飽和電界より大きくなるように設定する。その設定の結果として、後に述べるように、強誘電体層の前歴が消去される。なお、書込用電極の構造は、分解能（記録密度）を高くするために、できるだけ電界を狭い領域に集中させることが好ましく、一般的に針状である。
【００３６】
ここで、書込用信号発生器１３において、記録すべきアナログ信号と重畳される交流信号の周波数は、記録すべきアナログ信号の最高の周波数より少なくとも４倍以上の周波数であることが、アナログ記録に必要な最低限の直線性の入出力特性をうるために必要である。さらに良好な直線性を有する入出力特性を得るためには、６倍以上の周波数であることが好ましく、倍率が高くなるにつれて入出力特性の直線性が向上する。ただし、倍率を１０倍程度以上にしても、入出力特性の直線性はあまり向上しない。しかし、書込信号発生器から書込用電極までの書込信号系のインピーダンスの面から、限界がある。そのため、そのインピーダンスをできるだけ低くする書込信号系の構造、構成が好ましい。書込用電極は針状電極とすることで記録密度を高くすることができ、またインピーダンスを低くすることができるので好ましい。
【００３７】
書込用電極と強誘電体層は相対的に移動しているので、強誘電体層に印加される書込最中に書込用針状電極による電界は、両者が近づくにつれて増加し、針状電極の真下で最大になり、遠ざかるにつれて減少する。最大に達した後に減少する強誘電体層に印加される電界の強度の変化を模式的に図７に示した。
【００３８】
相対速度が遅い場合には、記録すべきアナログ信号が狭い部分に密に詰まり過ぎて、強誘電体層の特性と書込用電極で定められる最高記録密度以上になると、忠実な記録にならない。
【００３９】
一方、強誘電体層に印加される電界が最大から実質的にゼロになるまでに、交流成分によって強誘電体層の電気分極が周期的に変化するが、そのサイクルの回数が３回以下では、記録すべきアナログ信号に忠実な残留電気分極が強誘電体層上に形成されない。４回以上のサイクルが必要である。従って、交流信号の周波数はできるだけ高いことが好ましいが、前記したように書込用信号系のインピーダンスによる制限がある。なお、強誘電体の分極反転速度はマイクロ秒以下であるが、この速度が問題にならない周波数の範囲を本願の対象とする。
【００４０】
以下に本発明の書込方法によって、強誘電体層の前歴（すでに書き込まれていて、残留分極として保存されているデータ）が消去され、所望のデータが強誘電体層に残留分極として書き込まれる過程を述べる。
【００４１】
まず、書込用電極によって発生する電界の大きさと分布の影響は、特開2005-149647号の場合とほぼ同様であり、図４を用いて以下に示す。これらは最終的には分解能（記録密度）に影響するので、本発明の書込方法による分解能は、特開2005-149647号における分解能とほぼ同じである。
【００４２】
図４に基づいて、時間的に連続した多段階信号あるいはアナログ信号を書込用電極に供給して強誘電体層に記録する方法、によって生じる残留分極の様子を以下に説明する。この場合、強誘電体層の前歴消去は対象部分全域について連続して飽和電界を印加して行ったものとする。
【００４３】
理想的な書込用電極として、それによって発生する電極直下の電界の分布が一様であり、それ以外の場所の電界が零のものを想定する。まず、この書込用電極の直下を強誘電体層が移動している最中に、電界が変化した場合を以下検討する。
【００４４】
書込電界が弱→強に変化した場合と、強→弱に変化した場合では、強誘電体のヒステリシス特性の故に、残留分極の様子が若干異なる。弱→強に変化した場合には、書込用電極の直下で弱く分極していた部分（弱分極部分）は全部強く分極した状態（強分極状態）になる。一方、書込電界が強→弱に変化した場合には書込用電極の直下で強分極だった部分の残留分極は強分極のまま残る。従って、たとえば、図４（ａ）に示したように、ｔ＝０で強（＋＋）の信号電界を印加した時点から、（ｂ）のｔ＝１で強（＋＋）の信号電界を終了し、弱（＋）の信号電界を印加するまでは、上向きの分極が大きい。（ｃ）のｔ＝２は、弱の信号を印加してから、電極の半ばまで強誘電体層が移動した状態であって、強誘電体層は電極の前半分の部分は電界弱に比例した少程度の分極状態である。（ｄ）は書込信号の強度弱の状態で強誘電体層が書込用電極の下を半分だけ通過した状態を示している。さらに（ｄ）は書込信号が弱の状態で強誘電体層が書込用電極の出口まで移動した状態を示している。次に書込信号が弱の状態で記録された部分の先端が書込用電極の出口を通過する寸前に強信号を印加すると、（ｅ）に示したように先に記録した弱信号による分極は消去されて、強信号に対応する分極状態になる。従って、分解能（記録密度）は、書込用電界の移動方向の長さ（幅）の２倍のサイズである。
【００４５】
実際には、書込用電極による電界は一様でなく、また電極の端部で不連続的にゼロにはならず、連続的に減少する。従って、分解能は上述の解析結果よりも若干変化するが、書込用電極の幅の大略２倍であるということができる。
【００４６】
特開2005-149647とは異なり、本発明の書込方法においては、図４（ａ）におけるように強誘電体層の前歴は予め飽和電界を印加して消去するのではなく、書込用信号による交番電界の強さを飽和電界以上にすることによって、消去している。従って、強誘電体層が電極部を通過する速度が速すぎると飽和電界が印加されない部分が発生し、前歴の消去が不完全になってしまう。この現象を回避するためには、書込用電極によって飽和電界以上に達する領域のサイズをＷ、強誘電体層の一転が通過するに要する時間をｔ、書込用の交番電界の周波数をｆであるとすると、少なくともＷ／ｔ＞ｆであることが必要である。従って記録密度を高くするためにはｆをできるだけ高くすることが有効である。
【００４７】
特開2005-149647号に開示した方法おいては、前歴消去用電界として、正負が交番する電界を使用するが、消去する場所が一カ所（１セグメント、１トラック）であって、交番する複数のパルス（図６（ａ）（ｂ））、または交流（図６（ｃ））を用いて前歴を消去する過程を、以下図７，８に基づいて説明する。全面の記録を消去して書き換える場合も同様である。
【００４８】
なお、消去する際には、前歴消去用電界の最大強度は強誘電体層の飽和電界以上である。交番する回数は数回程度あればよい。交番する回数が少ないと、前歴消去効果が不完全になり、書込電界と残留電界の間の相関（再現性）が低下する。そのため、アナログ記録、多値記録の精度が低下する。要求される再現性によって異なるが、少なくとも３サイクルは交番することが望ましい。通常は５〜６回交番すれば充分であるが、高い再現性を必要とする場合には、さらに多数回の前歴消去用交番電界を印加する。
【００４９】
図７は、強誘電体層が消去用電極に近づき、下を通過し、遠ざかるにつれて、印加される電界が変化する様子を例示している。前歴消去用電極は一定強度の交番電界を発生している。強誘電体層に印加される電界の強度の増加、減少は直線的であるように描いているが、実際は電極の形状によって異なる。図８はその際の強誘電体層内の分極の履歴である。分極は、最終的には原点近くに収束する。
【００５０】
電界を漸次減少して履歴を消去する方法は、特開平１１−３０５２５７号公報に記載されているが、その場合には消去用電極と強誘電体層の位置は固定し、消去用電界を時間的に減少させている。この減衰する交番電界を使用する方法で前歴を消去して初期化した場合の、書込時の書込電界Ｅと残留分極Ｐｒの関係は図9に示したようになる。
【００５１】
その理由を図５に基づいて以下で説明する。ただし、印加する前歴消去用電界の減衰度合いは実質的に滑らかであるとした場合、即ち、理想的な場合についてである。図７においては、印加電界は最大（飽和電界）からゼロまでに３．５サイクル程度交番しているが、この程度では実質的に滑らかとは言えず初期化分極曲線は原点から多少ずれ、また滑らかでない。図９は交番する回数が無限回と見なせる程度に多い場合の理想的な場合の初期化曲線である。実質的には交番する回数が１０サイクル程度であれば、図９に示したような、ほぼ原点を通る滑らかな初期化曲線となる。
【００５２】
図５の初期化分極曲線は、図８の点線、すなわち交番電界を使用する方法による初期化方法で前歴を消去した場合の、分極Ｐの減少の折り返し点の包絡線である。そして、書込電界Ｅを印加した場合には、この線に沿って分極Ｐが発生する。残留分極Ｐｒは、生じた分極Ｐに対応したヒステリシス曲線（マイナーループ）に従った値になる。すなわち、図５において、Ｅ１の電界でＰ１まで分極した強誘電体層は、電界をゼロにすると、残留分極はＰｒ１になるが、曲線Ｐ１〜Ｐｒ１は、Ｐ１の分極を最大分極とするマイナーループの一部である。マイナス方向に−Ｅ２の電界を印加した場合には、−Ｐ２まで分極し、残留分極は−Ｐｒ２となる。図５とマイナーループを使用して、書込電界と残留分極の関係を図上で求めることができる。その結果が図９，１０である。また、この方法を用いて本発明における強誘電体層への書込過程を検討した結果が図３（ａ）、（ｂ）である。
【００５３】
初期化方法として、漸次減少する交番電界であって最大電界が飽和電界Ｅｍ以上であるものを使用する方法では、書込電界の範囲として図５の−７から＋７程度の範囲を使用することができる。また、書込電界Ｅと残留分極Ｐｒがほぼ直線関係をなす範囲が、書込電界が−３から＋３の範囲であり広く、直線性が高いので、アナログ記録に適している。また、書込電界と記録される残留分極の関係の勾配が緩やかであるので、電界の制御を高精度で行う必要性が少ない。以上が特開2005-149647号における前歴消去過程と書込過程である。
【００５４】
なお、特開2005-149647号に開示した方法で多段階記録を行う場合、時間的に連続する記録信号を用いる場合について述べているが、時間的に不連続なパルス状の記録信号も同様に用いることが可能であり、さらに本発明の方法および装置においても可能である。
【００５５】
本発明における前歴消去過程と書込過程は以下のメカニズムによると推定している。これを図３に基づいて説明する。
図３（ａ）は、記録すべき信号による電界（信号電界）がゼロ、すなわち、図２のＡ点ように短時間平均電圧がゼロである部分における場合についてである。図３（ａ）において、記録電界は、強誘電体層が書込用電極の直下から相対的に移動して、書込用電極による電界がおよばない場所まで移動したときの、電界の経時変化の様子である。また、それに伴う強誘電体層の電気分極の経時変化の様子を示している。
【００５６】
実際には、電界は経時的に変化するので、図３（ａ）図のように対称であるのはごく短時間であるが、書込用電極と強誘電体層の相対速度が速い場合には、信号電界がゼロであることに対応して、書込用電極による電界がおよばない場所に至るまで、強誘電体層に印加される電界は正負がほぼ対称である。最初に印加される電界が強誘電体層の飽和電界以上であれば、前歴がどのようなものであっても、すなわち残留分極の大きさがどのようなものであっても、飽和電界によってすべて消去される。そして、強誘電体層に誘起される電気分極は、経時的に減少する対称的なヒステリシス曲線の上を動き、残留分極は最終的にゼロになる。すなわち、図３（ａ）において、ゼロ分極が記録された信号となる。この場合、完全にゼロでなくても、ノイズとして許容される程度の残留分極であれば、強誘電体層に印加される電界は実質的にゼロであるとみなすことができる。
【００５７】
一方、図３（ｂ）は、書込用信号電圧がＶｔであって、対応する書込用信号電界がＥｔである場合、すなわち図２のB点における場合についてである。この場合、強誘電体層に印加される電界はＥｔだけバイアスがかかったものとなる。最初に印加される電界が強誘電体層の飽和電界以上であると、前歴は完全に消去される。そして、書込用電極と強誘電体層の相対的位置が離れて、書込用電極の電界がおよばない場所に移動するまでに強誘電体層に誘起される電気分極は、経時的に減少するがバイアスがあるので図に示したような非対称なヒステリシス曲線の上を動き、最終的に残留分極Ｐｒが発生し、記録された信号となる。
【００５８】
すなわち、記録すべき電気信号の最高の周波数より数倍高い周波数の交流と、記録すべき信号を重畳して、書込用電極で強誘電体層に印加するとき、電極直下で印加される電界の最小強度がその強誘電体層の飽和電界より大きく、かつ電極と記録された強誘電体層の部分が遠ざかって、実質的に印加される電界の強度がゼロと見なせる場所になるまでに、印加される交番電界の回数が数回以上である場合には、強誘電体層に記録される残留分極の大きさは、特願２００３−３８７５１の方法で記録した場合に強誘電体層に記録される残留分極とほぼ同じになる。
【００５９】
入出力特性を良好にするためには、ここで重畳される交流の周波数は少なくとも記録すべき電気信号の最高の周波数の４倍は必要であり、好ましくは６〜７倍以上である。交流の周波数が高くなるにつれて入出力特性は良くなるが、その効果は頭打ちになり、１０倍以上にする価値はほとんどない。また、電極による電界が実質的に零になるまでに交番される回数も少なくとも４回は必要であり、好ましくは６〜７回以上である。一方、１０回以上にする価値はほとんどない。
【００６０】
しかし前に述べたように、分解能（記録密度）の点からは交流の周波数は高いほど好ましい。例えば音声の記録に使用した場合には、通常２０ｋＨｚ程度が最高周波数である。従って、重畳する交流の周波数は１０倍でも２００ｋＨｚであり、通常の信号回路で充分に対応することができる。ただし、強誘電体層の分極の最小サイズに基づく記録密度以上の記録密度は原理的に不可能である。
【００６１】
請求項２において、パルス状の多段階信号を最高周波数ｆｍで近似した多段階振幅の電気信号とする方法としては、例えばバンドパスフィルタとして最高通過周波数ｆｍのものを使用して記録すべき信号の周波数域を制限する方法がある。また別の方法として記録すべきパルス状信号をトリガーとして周波数がｆで振幅が記録すべきパルス状信号の振幅に比例し信号を発生させることもできる。そして重畳する交流の周波数を少なくともｆｍの４倍以上にすることが、振幅に忠実な多段階記録を行うために必要であることは、請求項１に関して前記したのと同様である。
【００６２】
実際の構造について、図１１に示した実施例１に記載の構造概略図によって説明する。図１１において、書込用電極１１２の先端と強誘電体記録（用）ディスクの記録面との間隔は、電界強度に影響するので、書き込み時にはできるだけ一定値になるように制御されている。その高さ方向の位置の制御機構は、図を見やすくするため図示していないが、読取用ヘッド部に図示している制御機構と同じ機構を使用している。また、記録位置は片持ちレバー１１３が取り付けられている支柱部を水平方向へ移動する機構によって調整している。そのための機構としては、例えば図に示した片持ちレバーが取り付けられた台を水平方向に移動する方法や、片持ちレバーをディスクの半径方向に移動する機構と、片持ちレバーを取り付けた台を回転させる機構を組み合わせる方法がある。その他、ＣＤやＤＶＤの記録用ディスク装置に使用されている位置制御機構、トラッキング機構を使用することができる。
【００６３】
一方、読取用電極１１６は、図１１において、読取用ヘッド部の片持ちレバーの先端に近い部分に取り付けられている。強誘電体層の残留分極を読み取る方法として、読取用電極が直下の強誘電体層の残留分極と電気的な引力や斥力を及ぼし合うものの場合には、読取用電極の高さを検知する方法を使用する。実際には例えば、高さ方向は、光の反射角度を検出する読取用電極位置検出機構によって測定され、読取位置制御機構（読取電極位置制御装置と読取電極高さ制御装置１１８）によって、できるだけ電極とディスクの間のギャップが一定になるようにフィードバック機構を使用して、位置制御装置部に設けた、例えば静電気力や磁気力を使用した位置制御装置を使用して、調整する。読取方法としては、例えば、図示してあるように読取電極とディスク上の記録信号、すなわち電気分極の間に働く静電力を位置制御装置に印加する制御信号の強さと読取電極の高さ方向の位置の値から求める方法がある。
【００６４】
また、読取用電極１１６として、電界の強度によって例えば抵抗値が変化する材料を使用して、抵抗値の変化として記録されている信号を読み取る方法がある。この場合も、電極に静電誘導による分極が発生して、電極の高さ方向が変化する場合には、高さの位置検出装置からの情報によって、読み取った記録信号を補正する。
【００６５】
読み取る場合には、記録されている位置へ読取用電極を移動する必要があるが、その機構は書込用電極に使用している機構と同じである。
【００６６】
図１２は一個のヘッドで、書込と読取を行う装置の構成を示している。記録すべきデータは図１１の場合と同様に書き込み用信号発生器によって、少なくとも４倍の周波数の信号と混合され、重畳された信号となり、書き込み電極とディスクのアース側に接続され、書き込み電極の先端とディスク面で形成される電界によって、強誘電体層に記録される。読取用には、図１１と同様に静電力を利用する方法や、電界の強度によって電気抵抗が変化する材料を電極に使用する方法がある。装置構成としては、図１１の装置より簡易であるが、電極材として、書き込みに適し、かつ読取用に適した材料を選定する必要がある。また、記録した信号を読み取る場合には、記録直後に読み取りたいとしても、少なくとも一回転後になる。
【実施例１】
【００６７】
図１１は本発明の記録装置の実施例であり、用途は音声の記録再生用である。ディスクの基板上に形成されている強誘電体層に請求項１に記載の方法で音声のアナログ記録を行うことができる機能を有することを特徴とするディスクドライブ記録装置である。特願平２０００−３８７５７１の図１１に記載したものを基本とし、書込用ヘッド部と読取用ヘッド部を有していて、書き込みながら、読み取ることが可能である。読取用電極を含む読取用ヘッド部の構造は特願２０００−３８７５７１に記載したものと同じものを使用している。
【００６８】
以下図１１に基づいて説明する。記録すべき対象の音声信号は周波数２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの帯域を設定している。音声信号は書込用信号発生器で、２００ｋＨｚの交流と重畳され、出力される。出力信号は、一方はアース側として、強誘電体記録ディスクの裏面に接続され、もう一方は書込用ヘッド部の片持ちレバー１１２の先端に取り付けた書込用電極に接続されている。出力信号の強度は、記録すべき信号がないばあい、すなわち零の場合に、書込用電極の先端とその直下のディスクのアース面とが形成する電界の最大値が、強誘電体層の飽和電界の１．２倍となるように調整されている。
【００６９】
強誘電体ディスク１１０は、ディスク状（直径１２０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ）のガラス基板の上に裏面電極としてＩＴＯ（膜厚０．２μｍ）をスパッタ法で成膜し、その上に強誘電体層として、ジルコン酸チタン酸鉛（膜厚１００ｎｍ）をスパッタ法で成膜したものである。なおガラス基板の中心部には回転駆動用の穴が開けてあって、さらにＩＴＯ電極と導電性の回転駆動軸の間は電気的接続可能な構造となっている。
強誘電体ディスク１１０は回転機構１１４によって１８００ｒｐｍで回転している。
【００７０】
書込用電極１１２、読取用電極１１６はいずれも白金線で、先端を電解研磨法で曲率半径２００ｎｍに研磨したものを用いた。書込用電極１１２と読取用電極１１６はいずれも片持ちレバー１１３の先端部付近に取り付けられている。片持ちレバー１１３の支持部はXY移動機構に取り付けられていて、電極部を必要な場所に移動することができる。図示してないが、片持ちレバーは磁気ディスク装置で使用される空気浮上法で強誘電体層と一定の間隔を保つようにしている。
【００７１】
読取用電極１１６には読取電極位置制御装置より一定の電位が印加されていて、強誘電体層に記録された残留分極との間に電気的引力や斥力が働く。そのため読取用電極１１６が含まれるセンサー部は、上下方向に動く。背面の反射面にはレーザ光１１５が照射され、反射光は光センサー１１７で検出されて、信号が位置検出センサーに入り、読取用電極１１６の上下方向の位置が検出される。検出された信号はフィードバック信号として位置制御電源部に入れ、読取用センサー部が一定位置を維持し、上下に動かないように位置制御装置１１８にて制御する。また、その制御信号の大きさを残留分極の大きさ、すなわち記録されていた信号の大きさとして取り出す。
【００７２】
なお、読取用電極１１６の電界によって記録されていた残留分極の大きさが変化してしまう場合には、読取り後に書込用電極によって書き直す。読取用電極の電位を０に保持すればこの必要はない。
【００７３】
本発明の装置でパルス信号を記録した場合、強誘電体層の分極域０．２ｍｍ、ビット周期０．４ｍｍ、記録密度４００Ｍｂ／ｃｍ２を達成することができる。なお、パルス信号の場合には記録すべき信号を書込用信号発生器の処理上限の周波数２０ｋHzの信号であると見なして記録する。また、音声信号を記録、再生した場合、信号をデジタル化し、間引いたり、補間したりする必要がないので、高忠実な再生音を得ることができる。
【実施例２】
【００７４】
実施例１の装置において、書込用電極と読取用電極を共用するようにした。図１２に構造の概略図を示す。書込・読取兼用ヘッド部には実施例１の読取用ヘッド部を用いた。強誘電体層の前歴を消去しながら書き込むことができる。ただし、電極への接続は、書込時と読取時で切り替える。従って、書き込みながら読み取ることはできない。
【００７５】
書き込み時に書き込み電界によって強誘電体層と書込・読取兼用電極１２１の間隔が変動することを、位置制御装置１１８によって抑制することができる。
【００７６】
図１３に特開2005-149647に開示した電極を一個にした場合の装置の概略を示す。まず消去用信号発生器の信号を電極に接続し、書き込みたい場所の強誘電体層の前歴を消去する。その後、電極への接続を書込用信号発生器に切り替えて、書き込むので、図１２の装置と比較して書き込みに時間がかかる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係る強誘電体層への記録方法に用いる装置の概略構成図である。
【図２】書込用信号発生器で発生させる書込用信号の電圧波形の例である。
【図３】本発明に係わる強誘電体層への書込過程の説明図である。
【図４】分解能の説明のための、書込用電界と強誘電体層の分極の様子の説明図である。
【図５】減衰交番電界を印加する方法による初期化方法で前歴を消去した時の書込電界と残留分極の関係を示すグラフ図である。
【図６】前歴消去用の交番電界の例を示す説明図で、（ａ）は交番する複数のパルス、（ｂ）連続的に交番するパルス、（ｃ）交流である。
【図７】一定強度の交番電界または交流電界を前歴消去用電極で印加した場合に、移動する強誘電体層の１点に印加される電界強度が最大値に達した後の時間変化を示すグラフ図である。
【図８】図７の電界を印加された場合の強誘電体層内の分極の履歴である。
【図９】減衰交番電界を印加する方法による初期化方法で前歴を消去した強誘電体層への理想的な書込電界と残留分極の関係を示すグラフ図である。
【図１０】時間（ｔ）的、空間（Ｔ）的に離散したアナログ信号とその記録例を示すグラフ図である。
【図１１】実施例１の強誘電体層への記録装置の構成概略図である。
【図１２】実施例２の強誘電体層への記録装置の構成概略図である。
【図１３】従来技術における電極が１個の構成の強誘電体層への記録装置の構成概略図である。
【図１４】強誘電体のヒステリシスの例を示すグラフ図である。
【図１５】強誘電体膜を使用した従来の記録装置の例を示す概念図（ａ）と、機能構成図（ｂ）である。
【図１６】強誘電体膜へのアナログ記録を行う従来方法の例を示す電気信号と強誘電体層の分極の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０・・・基板
１１・・・表面電極
１２・・・強誘電体層
１３・・・書込信号発生器
１４・・・書込用ヘッド
１５・・・書込用針状電極
１６・・・読取用ヘッド
１７・・・読取用針状電極
１８・・・読取信号
１１０・・・強誘電体記録ディスク
１１２・・・書込用電極
１１３・・・片持ちレバー
１１４・・・回転機構
１１５・・・レーザ光
１１６・・・読取用電極
１１７・・・光センサー
１１８・・・電極高さ制御装置
１１９・・・読み出した信号
１３１・・・書込用兼読取用（兼消去用）電極
２００・・・ディスク
２１０・・・強誘電体層
２１１・・・書込用電極
２１２・・・片持ちレバー
２２１・・・書込信号発生回路
２４１・・・回転軸
２４２・・・モータ
【図１】
0004572756.tif 000002
【図２】
0004572756.tif 000003
【図３】
0004572756.tif 000004
【図４】
0004572756.tif 000005
【図５】
0004572756.tif 000006
【図６】
0004572756.tif 000007
【図７】
0004572756.tif 000008
【図８】
0004572756.tif 000009
【図９】
0004572756.tif 000010
【図１０】
0004572756.tif 000011
【図１４】
0004572756.tif 000012
【図１５】
0004572756.tif 000013
【図１６】
0004572756.tif 000014
【図１１】
0004572756.tif 000015
【図１２】
0004572756.tif 000016
【図１３】
0004572756.tif 000017