JP2007279023A - スペーシング計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば１０ｎｍ以下の微小なスペーシングを測定することが可能なスペーシング計測装置及び計測方法を提供する。
【解決手段】被計測物Ｔの表面に透明体４を対向させ、透明体４を介して光を被計測物Ｔに出射し、被計測物Ｔの表面と透明体４との対向部に生じる干渉光の強度に基づいて被計測物Ｔと透明体４との間のスペーシングを算出するスペーシング計測装置であって、光を出射する光源１と、出射した光の強度を所定の周波数の変調波で変調させる変調手段２と、干渉光の光強度を電気信号に変換するセンシング手段７と、電気信号を、前記変調波を参照波として同期検波する同期検波手段８とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、被計測物と透明体とのスペーシングを算出するスペーシング計測装置及び計測方法に関し、例えば磁気ヘッドと磁気記録媒体との間の微小なスペーシングを測定するスペーシング計測装置及び計測方法に関する。

近年ハードディスクや磁気テープのような磁気記録媒体の高記録密度化により、磁気記録媒体とヘッドとの間のスペーシングが狭小化してきており、このスペーシングが最近では５−１０ｎｍという極微小なスペーシングも実現されている。

磁気テープにおいては、オーディオテープ、ビデオテープ、コンピュータテープなど様々な用途がある。特に、データバックアップ用テープの分野ではバックアップ対象となるハードディスクの大容量化に伴い、１巻当たり数百ＧＢの記憶容量のものが商品化されている。今後、ハードディスクのさらなる大容量化に対応するためには、バックアップテープの高容量化は不可欠である。

また、アクセス速度、転送速度を大きくするためには、磁気テープとヘッドとの間の相対速度を高めることが必要不可欠である。

また、磁気テープの高記録密度化においては、信号再生用ヘッドとして従来の電磁誘導（インダクティブ）型の磁気ヘッドを採用したシステムに代えて、磁気抵抗効果膜に電流を流し、その抵抗変化を電圧として検出するＭＲ（磁気抵抗効果）ヘッドを採用したシステムが使われている。ＭＲヘッドによれば、素子の抵抗変化の大きな膜と、電流密度及びヘッド構造設計とにより、ヘッド自身の高出力化を図ることができる。

ＭＲヘッドを採用したシステムでは、一般的に記録用には電磁誘導型ヘッドを用いるため、記録用ヘッドと再生用ヘッドとを一体化したインダクティブ・ＭＲ複合ヘッドを採用している。

前記のように１巻当たりにおける記憶容量の向上と、磁気テープとヘッドとの間の相対速度の高速化とに対応するために、磁気テープとしては、強磁性粉の磁気特性・分散性の向上による磁性層の改良により高記録密度化（記録波長とトラック幅の低減）したものと、テープの全厚を薄くして１巻当たりのテープ長さを長くして高記録容量化したものとがある。これらと共に、非磁性支持体、下塗層、磁性層の機械的特性の最適化により、磁気テープとヘッドとの間のコンタクトを改良することなどが必要となってきている。

このような背景の下、磁気テープとヘッドとの間のスペーシングを測定するスペーシング計測装置が提案されている。スペーシング計測装置は、光透過性材料で形成した透明体（模擬ヘッド）を磁気テープに対向させて、その対向部における干渉光の強度を測定する白色光干渉法によるものが一般的である。

図７に、従来のスペーシング計測装置の一例の構成図を示している。光源１００からの出射光は、光学レンズ１０１ａを経て、ハーフミラー１０２によって９０度折り曲げられる。この折り曲げられた光は、光学レンズ１０１ｂを経て、模擬ヘッド１０３を介して磁気テープＴに照射される。

模擬ヘッド１０３の磁気テープＴ側からの反射光と、磁気テープＴの表面からの反射光との干渉光は、光学レンズ１０１ｂ、ハーフミラー１０２、光学レンズ１０１ｃを経て、センシング手段であるＣＣＤカメラ１０４に到達する。ＣＣＤカメラ１０４に到達した干渉光は、電気信号に変換され、演算装置１０５に入力される。演算装置１０５において、干渉光強度とスペーシングとの関係式に基づいて、入力された電気信号に基づく干渉光強度に対応するスペーシングｈが算出されることになる。

この方法を用いた装置によれば、１５０ｎｍ程度のスペーシングまでは、比較的正確に測定できるが、それより小さいスペーシングを測定するのは困難であった。このため、さらに改良を加え、より微小なスペーシングを測定する測定装置が提案されている（例えば特許文献１、特許文献２）。
特表平８−５０７３８４号公報 特開平１０−２６７６２３号公報

近年の高記録密度媒体では、短波長記録特性の向上のため、磁性層表面が極めて平滑に仕上げられており、磁気テープとヘッドとの間のスペーシングが極めて小さくなってきている。このため、数１０ｎｍから１０ｎｍ以下のスペーシングを測定することが必要となってきている。

しかしながら、技術干渉光測定に関して、強度を校正し干渉縞のオーダーを決定する特許文献１に提案されている技術では、数１０ｎｍ程度のスペーシングまでしか測定することができず、それ以下のスペーシングを測定するのは困難であった。

また、干渉光を基準にして微小距離を測定する際に、照明光のスペクトラム強度分布を考慮して光強度の変化を解析する特許文献２に提案されている技術においても、１００ｎｍ以下のスペーシングを測定するのは困難であった。

このため、これらの技術では、例えば１０ｎｍ以下のスペーシングを測定することが要求される近年の高密度記録媒体におけるスペーシング測定に対応することは困難であった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、例えば１０ｎｍ以下の微小なスペーシングを測定することが可能なスペーシング計測装置及び計測方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のスペーシング計測装置は、被計測物の表面に透明体を対向させ、前記透明体を介して光を前記被計測物に出射し、前記被計測物の表面と前記透明体との対向部に生じる干渉光の強度に基づいて前記被計測物と前記透明体との間のスペーシングを算出するスペーシング計測装置であって、光を出射する光源と、前記出射した光の強度を所定の周波数の変調波で変調させる変調手段と、前記干渉光の光強度を電気信号に変換するセンシング手段と、前記電気信号を、前記変調波を参照波として同期検波する同期検波手段とを備えたことを特徴とする。

本発明のスペーシング計測方法は、被計測物の表面に透明体を対向させ、前記透明体を介して光を前記被計測物に出射し、前記被計測物の表面と前記透明体との対向部に生じる干渉光の強度に基づいて前記被計測物と前記透明体との間のスペーシングを算出するスペーシング計測方法であって、前記出射した光の強度を所定の周波数の変調波で変調させ、前記干渉光の光強度を電気信号に変換し、前記電気信号を、前記変調波を参照波として同期検波することを特徴とする。

本発明によれば、例えば１０ｎｍ以下の微小なスペーシングを測定することが可能になる。

本発明によれば、光の強度を所定の周波数の変調波で変調させて照射し、生じる干渉光の強度を、前記変調波を参照波として同期検波するため、例えば１０ｎｍ以下の微小なスペーシングを測定する際に大きくなるノイズ成分を最小限に押えることができ、高精度にスペーシングを測定することができる。

前記本発明のスペーシング計測装置及びスペーシング計測方法においては、前記変調波の周波数は、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の範囲であることが好ましい。この構成によれば、ノイズ低減効果が大きく、かつ同期検波も容易になる。

変調波の周波数は、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下が好ましく、３０Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下がより好ましい。この範囲が好ましいのは、１０Ｈｚより小さいと、後に説明する同期検波によるノイズ低減効果が小さくなり、１０００Ｈｚを超えると、同期検波そのものが困難になるからである。

また、前記スペーシングは、前記被計測物の表面粗さを含むことが好ましい。

また、前記本発明のスペーシング計測装置においては、前記干渉光の光路を分岐する分岐手段と、前記分岐した各光路に対応した波長選択手段とをさらに備えており、前記センシング手段は前記各波長選択手段に対応しており、前記各波長選択手段は、前記各光路の光をそれぞれ異なる波長の単色光に変換し、前記各センシング手段は、前記各単色光の光強度を電気信号に変換することが好ましい。

また、前記本発明のスペーシング計測方法においては、前記干渉光の光強度の電気信号への変換は、前記干渉光をそれぞれ異なる波長の単色光に変換し、前記各単色光について行なうことが好ましい。

前記のような複数の単色光を用いる構成によれば、計測の前提とするスペーシングの範囲をより広くすることができる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るスペーシング計測装置の構成図を示している。本図に示したスペーシング計測装置は、光透過性材料で形成した透明体である模擬ヘッド４と、これに対向させた被計測物である磁気テープＴとの間のスペーシングを測定するものである。

模擬ヘッド４は、例えば石英ガラス（ＢＫ７）のような透明部材を加工して実際の磁気ヘッドと同一形状に形成したものである。磁気テープＴは、走行速度制御手段（図示せず）により、走行速度を調節することができる。

また、磁気テープＴは、ガイド等（図示せず）により案内されて走行する。このガイド等の設定により、走行経路、及び走行時の磁気テープＴの張力である走行テンションが決定される。この走行速度、走行経路及び走行テンションを変化させることにより、模擬ヘッド４と磁気テープＴとの間のスペーシングを変化させることができる。また、模擬ヘッド４の磁気テープＴとの対向面の形状によってもスペーシングは変化する。

光源１は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ（波長６３３ｎｍ）を出射する光源である。この出射光は、変調手段である光学モジュール２により、所定の周波数の変調波で強度変調される。

図２は、出射光が強度変調された様子を示す図である。本図に示したように、出射光は、強度Ｉinが正弦波状に変化している。この強度変調された光が、模擬ヘッド４に向って出射されることになる。

より具体的には、光源１から出射した例えばＨｅ−Ｎｅレーザ（波長６３３ｎｍ）の出射光は、所定の回転速度で、所定の角度範囲内を相対的に反復反転回転する２枚の偏光板で構成した変調手段である光学モジュール２により、所定の周波数の変調波で強度変調されることになる。

この場合の光学モジュール２は、例えば同軸上に配置された２枚の偏光板を備えている。この２枚のうちの１枚は、回転駆動されるようにパルスモータに接続されている。パルスモータに変調信号を入力することにより、パルスモータに接続された偏光板は、所定の回転速度で所定の角度範囲内を反復反転することになる。

なお、前記の光学モジュール２は一例であり、出射光を強度変調できるものであればよく、前記の構成に限るものではない。例えば、偏光板を反復反転させる構成ではなく、偏光板をモータにより一方向に連続的に回転させる構成であってもよい。

変調波の周波数は、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下が好ましく、３０Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下がより好ましい。この範囲が好ましいのは、１０Ｈｚより小さいと、後に説明する同期検波によるノイズ低減効果が小さくなり、１０００Ｈｚを超えると、同期検波そのものが困難になるからである。

図１において、光学モジュール２を経て強度変調された出射光は、光学レンズ３ａを経て、ハーフミラー５によって９０度折り曲げられる。この折り曲げられた光は、光学レンズ３ｂを経て、模擬ヘッド４を介して磁気テープＴに照射される。

図３は、模擬ヘッド４と磁気テープＴとの対向部の近傍の拡大図である。模擬ヘッド４の磁気テープＴ側からの反射光１０と、磁気テープＴの表面からの反射光１１とが干渉し、強度Ｉoutの干渉光となる。この干渉光は、光学レンズ３ｂ、ハーフミラー５、光学レンズ３ｃを経て、センシング手段であるＣＣＤカメラ７に到達する。ＣＣＤカメラ７に到達した干渉光は、電気信号に変換される。

なお、ＣＣＤカメラ７は、センシング手段の一例であり、センシング手段は、ＣＣＤカメラに限らず、公知の受光素子を用いることができる。

前記のように出射光が所定の周波数の変調波で強度変調されているので、ＣＣＤカメラ７により得られた電気信号についても、強度変調された信号として得られることになる。

ここで、図４は、比較例におけるスペーシングと干渉光の電気信号の波形との関係を示す概念図である。図４の波形は、全体に右上がりになっており、スペーシングが増大するにつれて、干渉光の強度が大きくなっていることが分かる。この場合、各スペーシングに対応する電気信号の波形が図２に示した波形のようにノイズの無いものであれば、正確な強度Ｉoutを得ることができる。

しかしながら、図４に示した波形は、図２に示したような波形とは異なり、各スペーシングにおける波形が不規則である。このため、各スペーシングにおける強度Ｉoutを一意的に定めることが困難になる。

本実施の形態では、同期検波によりノイズを除去し、正確な強度Ｉoutを得るようにしている。具体的には、ＣＣＤカメラ７により得た電気信号を、図２に示した変調波を参照波として、同期検波するようにしている。このことにより、ＣＣＤカメラ７により得た電気信号から変調波の周波数以外のノイズは遮断されるので、ノイズの無い正確な電気信号が得られる。

図１の説明に戻ると、ＣＣＤカメラ７により得られた電気信号は、同期検波手段であるロックインアンプ８に入力される。ロックインアンプ８において、ＣＣＤカメラ７により得られた電気信号は、図２に示した変調波を参照波として同期検波される。このことにより、電気信号から変調波の周波数以外のノイズが遮断されるので、正確な干渉光強度が得られる。より具体的には、強度は周期的に変化するが中心値は一定である。このため、電気信号に変換した干渉光の波形において、最大値と最小値との平均値を干渉光の強度Ｉoutとすることができる。

得られた干渉光の強度は、演算装置９に入力される。演算装置９において、後に説明する干渉光の強度とスペーシングとの関係式に基づいて、入力された干渉光の強度に対応するスペーシングｈが算出されることになる。

次に、干渉光の強度から、スペーシングを求める過程を具体的に説明する。スペーシングをｈ、模擬ヘッド５に向けて出射される光の波長をλ、模擬ヘッド５の磁気テープＴ側の面における反射率をｒ、磁気テープＴの表面における反射率をｓとすると、出射光の強度Ｉinと干渉光の強度Ｉoutとの光強度比Ｉout／Ｉinは、以下の式（１）、（２）で表される。

φは、磁気テープＴの表面における反射による位相遅れである。模擬ヘッド４の透明体の反射率ｒ、磁気テープＴの表面反射率ｓ、位相差φは、事前に測定して求めておくことができる。このため、Ｉoutを測定すれば、式（１）及び式（２）からスペーシングhを算出することができる。前記の通り、本実施の形態では、同期検波によるノイズ除去により、正確なＩoutを得ることができるので、式（１）及び式（２）により算出したスペーシングhも正確な値になる。

図５は、式（１）及び式（２）からＩinを１としたときのＩoutを求め、スペーシングｈとＩoutとの関係を図示した図である。ただし、分り易いように、スペーシングｈがゼロのときはｙ軸（縦軸）の値もゼロになるようにしている。すなわち、ｈ＝０のときのＩoutをＩ₀とし、ｙ軸の値はＩout−Ｉ₀としている。

図５の関係を導出する際には、出射光の波長λ＝６３３ｎｍ、模擬ヘッド４の反射率ｒ＝０．０４、磁気テープＴの表面反射率ｓ＝０．１８、位相遅れφ＝２．７７度とした。

図５から分るように、ｈ＝０からスペーシングが大きくなるにつれて、干渉光の強度は増加し、用いた光源の１／４波長の付近のスペーシングでＩoutの最大強度が得られ、その後Ｉoutは減少に転じ、次の１／４波長で最小強度、さらに次の１／４波長で最大強度というように、以後１／２波長ピッチで最大光量を繰り返すことになる。図５では、１／４波長以降の波形は省略している。

図５から分るように、１／４波長より小さいスペーシングを測定しようとすると、スペーシングが小さければ小さいほど、干渉光の強度は小さくなる。このため、スペーシングが小さくなるにつれて、ＩoutとＩ₀との差は限りなく小さくなる。

したがって、数１０ｎｍ程度より小さいスペーシングを計測すると、干渉光の強度に基づく電気信号の出力が極めて小さくなるため、相対的にノイズが大きくなる。このため、図７に示したような従来の装置では、数１０ｎｍ程度がスペーシング計測の限界であった。本実施の形態では、前記のように、同期検波を行うことにより、微小な電気信号からノイズを除去することができる。このことにより、微小なスペーシングの計測に有利になり、例えば１０ｎｍ以下のスペーシングも測定可能となる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係るスペーシング計測装置の構成図を示している。実施の形態１では、一波長の光を用いたスペーシング計測装置の例を説明した。図６の構成は、実施の形態１の応用例であり、二波長の光を用いるスペーシング計測装置の例である。図６において、図１と同一構成のものは、同一符号を付して、詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、光源１として、ハロゲンランプのような白色光原を用いている。光源１からの出射光は、光学モジュール２、光学レンズ３ａ、ハーフミラー５ａ、光学レンズ３ｂを経て、模擬ヘッド４を介して磁気テープＴに照射される。模擬ヘッド４の磁気テープＴ側からの反射光と、磁気テープＴの表面からの反射光との干渉光は、光学レンズ３ｂ、ハーフミラー５a、光学レンズ３ｃを透過する。ここまでは、実施の形態１と同じである。

光学レンズ３ｃを透過した光は、分岐手段であるハーフミラー５ｂで２光路に分岐される。このうち、一方の光路の干渉光は、波長選択手段である波長選択透過性フイルタ６ａで単色光（例えば赤色）に変換されて、センシング手段であるＣＣＤカメラ７ａに到達する。他方の光路の干渉光は、波長選択透過性フイルタ６ａとは透過波長の異なる波長選択手段である波長選択透過性フイルタ６ｂで単色光（例えば緑色）に変換されて、センシング手段であるＣＣＤカメラ７ｂに到達する。

ＣＣＤカメラ７ａ、７ｂに到達した干渉光は、電気信号に変換され、この電気信号は、ロックインアンプ８に入力されて同期検波され、演算装置９において、スペーシングｈが算出されることになる。

ここで、実施の形態１において、図５を用いて説明したように、用いた光源の出射光の１／４波長の付近のスペーシングでＩoutの最大強度が得られ、その後Ｉoutは減少に転じる。この場合、１つの強度に複数のスペーシングの値が対応することになる。このため、図５の例では、被計測物のスペーシングが１５０ｎｍ程度以下であることが前提になる。もっとも、１５０ｎｍ程度以上に、測定範囲を広げることも可能であるが、被計測物のスペーシングの概略的な範囲が予め分っていることが前提になる。

本実施の形態では、２波長分の干渉光が得られるので、図５に示したような曲線は位相差のある２本の曲線が得られることになる。このため、１つの強度に２つのスペーシングの値が対応する場合であっても、一方のスペーシングの値に対応する２波長の干渉光の強度差と、他方のスペーシングの値に対応する２波長の干渉光の強度差とを比較することにより、いずれのスペーシングの値が実際の値であるかを判定することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、２波長分の干渉光を用いることにより、計測の前提とするスペーシングの範囲を広くすることができる。

なお、実施の形態１で説明したように、本発明は例えば１０ｎｍ以下の微小なスペーシングの測定に有利である。したがって、このような微小範囲のスペーシングの測定に用いるのであれば、実施の形態１の図１に示したような構成が適している。

また、前記実施の形態１、２では、磁気テープＴを走行させながら、走行速度、走行経路及び走行テンションを変化させたときの模擬ヘッド５と磁気テープＴとのスペーシングを計測する例を説明したが、模擬ヘッド４の磁気テープＴとの対向面の形状を変化させたときのスペーシングを計測することもできる。

また、前記の通り、本発明は、例えば１０ｎｍ以下の微小なスペーシングの測定に適しており、被計測物は磁気テープに限るものではない。

また、静止した（可撓性の）被計測物に透明体を当接させて当接面の各部のスペーシングを計測することにより被計測物の表面粗さを計測することも可能である。

以上のように、本発明によれば、例えば１０ｎｍ以下の微小なスペーシングを測定することができるので、本発明は、例えば高記録密度化された磁気テープとヘッドとの間のスペーシングの測定に有用である。

本発明の実施の形態１に係るスペーシング計測装置の構成図。 本発明の一実施の形態に係る出射光が強度変調された様子を示す図。 本発明の一実施の形態に係る模擬ヘッド４と磁気テープＴとの対向部の近傍の拡大図。 比較例に係るスペーシングと干渉光の電気信号の波形との関係を示す概念図。 本発明の一実施の形態に係るスペーシングと干渉光の強度との関係を示す図。 本発明の実施の形態２に係るスペーシング計測装置の構成図。 従来のスペーシング計測装置の一例の構成図。

符号の説明

１ 光源
２ 光学モジュール
３ａ，３ｂ，３ｃ 光学レンズ
４ 模擬ヘッド
５，５ａ，５ｂ ハーフミラー
６ａ，６ｂ 波長選択透過性フイルタ
７，７ａ，７ｂ ＣＣＤカメラ
８ ロックインアンプ
９ 演算装置
１０，１１ 反射光
Ｔ 磁気テープ

Claims (8)

1. 被計測物の表面に透明体を対向させ、前記透明体を介して光を前記被計測物に出射し、前記被計測物の表面と前記透明体との対向部に生じる干渉光の強度に基づいて前記被計測物と前記透明体との間のスペーシングを算出するスペーシング計測装置であって、
   光を出射する光源と、
   前記出射した光の強度を所定の周波数の変調波で変調させる変調手段と、
   前記干渉光の光強度を電気信号に変換するセンシング手段と、
   前記電気信号を、前記変調波を参照波として同期検波する同期検波手段とを備えたことを特徴とするスペーシング計測装置。
2. 前記変調波の周波数は、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の範囲である請求項１に記載のスペーシング計測装置。
3. 前記スペーシングは、前記被計測物の表面粗さを含む請求項１に記載のスペーシング計測装置。
4. 前記干渉光の光路を分岐する分岐手段と、前記分岐した各光路に対応した波長選択手段とをさらに備えており、前記センシング手段は前記各波長選択手段に対応しており、前記各波長選択手段は、前記各光路の光をそれぞれ異なる波長の単色光に変換し、前記各センシング手段は、前記各単色光の光強度を電気信号に変換する請求項１に記載のスペーシング計測装置。
5. 被計測物の表面に透明体を対向させ、前記透明体を介して光を前記被計測物に出射し、前記被計測物の表面と前記透明体との対向部に生じる干渉光の強度に基づいて前記被計測物と前記透明体との間のスペーシングを算出するスペーシング計測方法であって、
   前記出射した光の強度を所定の周波数の変調波で変調させ、前記干渉光の光強度を電気信号に変換し、前記電気信号を、前記変調波を参照波として同期検波することを特徴とするスペーシング計測方法。
6. 前記変調波の周波数は、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の範囲である請求項５に記載のスペーシング計測方法。
7. 前記スペーシングは、前記被計測物の表面粗さを含む請求項５に記載のスペーシング計測方法。
8. 前記干渉光の光強度の電気信号への変換は、前記干渉光をそれぞれ異なる波長の単色光に変換し、前記各単色光について行なう請求項５に記載のスペーシング計測方法。

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