誘電率測定装置、誘電体測定方法、及び情報記録・再生装置
【課題】ｎｍ（ナノメートル）オーダーでの誘電体材料評価等に適した誘電率測定装置及び方法と、この技術を適用した高密度記録再生可能な記録・再生装置とを提供する。
【解決手段】誘電体の誘電率を測定する誘電率測定装置１は、梁状導電体１１ａの先端側面に微小の突起１１ｂを有するカンチレバー１１と、カンチレバーの周囲に設けられ接地された電極１４と、カンチレバーが接触する誘電体の微小領域の容量（Ｃｓ）と共振回路を構成するように設けられたインダクタＬと、共振回路に接続された発振器１６と、発振器の発振周波数を復調するＦＭ復調器１７と、その復調信号から誘電率情報を検出する誘電率検出器１８とを具備する。誘電体測定装置は、誘電体記録媒体を使用する情報記録・再生装置に利用可能である。
【解決手段】誘電体の誘電率を測定する誘電率測定装置１は、梁状導電体１１ａの先端側面に微小の突起１１ｂを有するカンチレバー１１と、カンチレバーの周囲に設けられ接地された電極１４と、カンチレバーが接触する誘電体の微小領域の容量（Ｃｓ）と共振回路を構成するように設けられたインダクタＬと、共振回路に接続された発振器１６と、発振器の発振周波数を復調するＦＭ復調器１７と、その復調信号から誘電率情報を検出する誘電率検出器１８とを具備する。誘電体測定装置は、誘電体記録媒体を使用する情報記録・再生装置に利用可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体の微小領域の誘電率を測定する誘電率測定装置及び方法と、この誘電率測定技術を適用した情報記録・再生装置との技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。この技術分野における開発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が進められた。このようにＳＮＤＭは誘電体の分極分布において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ものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなＳＮＤＭを利用した方法では原理的に誘電体ドメイン（即ち、誘電体の微小領域）の静電容量変化を周波数変化に置き換えるため、誘電体の分極方向の分布の判別は容易であったが、誘電率を定量測定することにおいては課題があった。本願発明者らはこの問題点を解決し、誘電率の分布を測定するために、誘電体表面に対して垂直に配置されたタングステン針を使用し、電界研磨によって形成された探針先端形状を球として近似した解析モデルを使用すると共に、予め誘電率既知の誘電体サンプルの測定によって測定系の浮遊容量を求め、これに基づき浮遊容量の影響をキャンセルすることで誘電率の定量測定が可能になることを示した。しかしながら、この方法では測定系の分解能の限界から高々μｍオーダーまでの粗い領域での計測にしか対応できなかった。
【０００５】
従って本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、誘電体の微細領域の誘電率分布の測定を可能にし、ｎｍ（ナノメートル）オーダーでの誘電体材料、例えば半導体電子回路の構成部材としての微細領域での材料評価等に適した誘電率測定装置及び方法と、この技術を適用した高密度記録再生可能な記録・再生装置とを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の誘電率測定装置は上記課題を解決するために、誘電体の誘電率を測定する誘電率測定装置であって、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、前記探針が接触する誘電体の微小領域の容量と共振回路を構成するように設けられたインダクタと、前記共振回路に接続された発振手段と、前記発振器の発振周波数を復調する復調手段と、前記復調手段の復調信号から誘電率情報を検出する検出手段とを具備する。
【０００７】
本発明の誘電率測定装置によれば、誘電体の微小領域の誘電率をｎｍオーダーの分解能で、非破壊で定量的に測定することが可能となる。誘電率を測定するために微小領域に接する探針は、例えば所定の長さを有する梁状の導電体に、その先端側面に微小の突起を設けた構造の導電体（導電材料）である。この探針を以下において「カンチレバー」と称する。このカンチレバーは、その梁状導電部が有する可撓性により、最適接触力を得ることができる。従って、誘電体試料との接触性能力、トレース能力を向上させるものである。また、このカンチレバーは、先端側面の探針部分も含めて導電性を有する。
【０００８】
カンチレバーは、好ましくは、その突起先端の曲率半径がｎｍのオーダーの球状に加工されたものが用いられる。これは、白金などの金属コーティングによって導電性を付与された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。
【０００９】
共振回路は測定すべき微小領域のカンチレバー直下の容量、外付けされるインダクタ、浮遊容量等で構成され、その共振周波数は１ＧＨｚ程度になるようにインダクタンスが選定される。
【００１０】
発振手段は上記共振回路に接続され、その共振周波数に基づいた周波数で発振する。従って、その発振周波数はカンチレバー直下の容量に依存することになり、容量の変化、即ち誘電体の測定部位の誘電率と直接的に関係してくる。この周波数の変化を検出することで逆に誘電率を測定することができる。尚、実際に共振回路にはカンチレバー直下の容量と並列に入る比較的大きな浮遊容量が加わる。しかしながら、後段で詳しく説明するように、それらの浮遊容量は既知の誘電体試料用いて求めたり、或いは公知の手法による算出手段で求めたりすることが可能であり、浮遊容量を含む全体の容量からカンチレバー直下の容量変化に対応する発振周波数の変化を分離して求めることができる。
【００１１】
復調手段は、前記発振手段から出力される発振周波数を復調し、容量に対応するＡＭ信号に変換する。上述したようにカンチレバー直下の容量によって発振周波数は変調されているが、これを復調し、容量を検出するために用いる。
【００１２】
検出手段は前記復調手段から出力される復調信号からでカンチレバー直下の容量を定量的に検出する。この量は誘電体の微小領域の誘電率と密接に関係していて、結局、その誘電率を決定することが可能となる。また、その誘電率が記録情報に対応しているとすると誘電体を記録媒体とする情報記録・再生装置の構成が可能となる。
【００１３】
本発明の誘電率測定装置の一態様では、前記検出手段は、前記探針を既知の誘電率分布を有する誘電体試料に接触させ、該誘電体試料の微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記誘電体の発振周波数のデータを使用して、該誘電体の誘電率を決定する算出手段を具備する。
【００１４】
この態様によれば、誘電体の誘電率測定に影響を及ぼす容量には、カンチレバー先端部下の容量の他に、カンチレバーの梁状部及びその支持部分と誘電体試料との間で生じる容量、測定系全体の浮遊容量等がある。これが誘電体の誘電率測定を困難にするが、この態様によれば、誘電体の誘電率測定が容易になる。即ち、この態様によれば、既知の誘電率を有する誘電体を用いて発振周波数を予め測定し、この測定結果を発振周波数のデータとして使用する。例えば、発振周波数のデータは、誘電体試料に対する誘電率と発振周波数の関係を表すデータである。誘電体の誘電率を実際に測定する際には、発振周波数のデータを参照して測定を行う。この際、発振周波数のデータにより示される誘電体試料に対する誘電率及び発振周波数の間の関係と、実際に検出された発振周波数とに基づいて、誘電率の決定が可能となる。
【００１５】
この態様では、前記算出手段は、(i)前記探針を異なる既知誘電率を有する複数の誘電体試料の各々に接触させ、該複数の誘電体試料の各々における微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記発振周波数のデータに基づいて作成された、複数の誘電体試料に対する誘電率と発振周波数との関係を示す検量線と、(ii)前記探針及びその支持部分が前記誘電体に対向する部分を含む範囲内において、その表面に微小な誘電率分布を有する前記誘電体に、前記探針を接触させた状態で、前記探針を静止させた場合に得られる前記発振周波数とに基づき、前記誘電体の平均誘電率を算出し、更に、前記誘電体に接触させた前記探針を相対的にスキャンすることで、前記誘電率分布に対応した前記発振周波数の変化から前記誘電率分布を決定するように構成してもよい。
【００１６】
このような構成によれば、予め複数の誘電体試料を用いて、検量線を作成しておく。検量線には、測定系（即ち、当該誘電体率測定装置）の特性が反映される。その後、この検量線と、測定試料に探針を静止状態で接触させた際の発振周波数とから、この測定試料の平均誘電率を先ず算出する。そして、探針を測定試料上でスキャンすることで、発振周波数の変化から、誘電体試料における誘電率分布を決定する。従って、比較的簡単な構成で、誘電体試料における微細領域の誘電率分布を高品位に測定可能となる。
【００１７】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、前記探針に印加する交流信号を生成する交流信号生成手段を更に具備する。
【００１８】
この態様によれば、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、カンチレバーに印加される。この周波数で誘電体はバイアスされ、復調手段からの出力にこの成分が含まれ、誘電率検出をするときの参照信号として利用する。
【００１９】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、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更に具備する。
【００２０】
この態様によれば、交流信号生成手段による交流信号の発振手段に対する影響を防止することが可能となる。遮断手段の構成は、例えば交流信号生成手段と発振手段の間に容量とインダクタとからなるローカットフィルタを用いて構成できる。
【００２１】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、前記検出手段による誘電率情報の検出は、前記復調信号と前記交流信号生成手段による交流信号とによる同期検波で行われる構成を具備する。
【００２２】
この態様によれば、交流信号によりバイアスされている復調信号を、その交流信号を参照して検出するので、ノイズの影響が少ない高品質の誘電率に関する情報が検出される。
【００２３】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、複数の前記探針と複数の前記交流信号生成手段を具備しており、該複数の前記交流信号生成手段は、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給する。
【００２４】
この態様によれば、一度に複数箇所での誘電率を検出できる。また、カンチレバー各々に異なる周波数の交流信号を印加するので、この交流信号を参照することで復調信号から各々のカンチレバーが検出した信号を分離して再生ができる。
【００２５】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、前記電極は、接地される。
【００２６】
この態様によれば、誘電率の検出を安定的に行える。但し、電極は、所定電位としては、接地電位以外の電位で設定されてよい。
【００２７】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、前記探針に対向配置されると共に前記誘電体が載せられるステージを更に備え、前記ステージは、接地される。
【００２８】
この態様によれば、接地されたステージに載せられた誘電体に、探針を接触させることにより、誘電率の検出を安定的に行える。
【００２９】
本発明の誘電率測定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。
【００３０】
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、超微細領域の誘電率のみならず非線型誘電率分布の正負の符号も含めて高精度で測定可能となる。
【００３１】
本発明の第１情報記録・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情報記録・再生装置であって、前記誘電体記録媒体を直線状に移動させる移動手段と、前記誘電体記録媒体に接触し情報を記録し読み出すための、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、前記情報に対応する信号を生成し、該信号を前記探針を介して記録し、記録されている情報を前記探針を介して読み出し再生する回路手段とを具備する。
【００３２】
本発明の第１情報記録・再生装置によれば、カンチレバーを信号の記録再生用電極として用いるので、高密度、大容量のテープ状誘電体記録媒体を用いた記録・再生装置が構成できる。また、記録媒体はテープ状の導電基板にスパッタリング等の公知の技術を用いて誘電体を形成することで作成される。
【００３３】
本発明の第１情報記録・再生装置の一態様では、、複数の前記探針と、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給する複数の前記交流信号生成手段と、を具備する。
【００３４】
この態様によれば、カンチレバーを複数本用いて同時に記録再生ができ、高速で大量データの記録再生が可能となる。また、カンチレバーの各々に異なる周波数の交流信号を印加するので、相互に干渉がない高品位な情報の抽出ができる。
【００３５】
本発明の第１情報記録・再生装置の他の態様では、前記電極は、接地される。
【００３６】
この態様によれば、接地された電極が周囲にある探針によって、誘電体記録媒体に対する情報記録再生を安定的に行える。但し、電極は、所定電位としては、接地電位以外の電位で設定されてよい。
【００３７】
本発明の第１情報記録・再生装置の他の態様では、前記誘電体記録媒体を前記探針と挟んで設けられた導電性のベースを更に備える。
【００３８】
この態様によれば、導電性のベース上における誘電体記録媒体に、探針を接触させることにより、情報記録再生を安定的に行える。
【００３９】
尚、この導電性のベースは、接地されてもよいし、接地電位以外の所定電位とされてもよい。例えば、探針の周囲に設けられた電極と等しい又は異なる電位にされてもよい。導電性のベースを、接地電位或いは所定電位に落とすことで、情報記録を安定的に行える。
【００４０】
本発明の第１情報記録・再生装置の他の態様では、前記誘電体記録媒体は、強誘電体からなる。
【００４１】
この態様によれば、通常の誘電体を使用する場合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。
【００４２】
本発明の第２情報記録・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情報記録・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ための、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、前記情報に対応する信号を生成し、該信号を前記探針を介して記録し、記録されている情報を前記探針を介して読み出し再生する回路手段と、前記探針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、を具備する。
【００４３】
本発明の第２情報記録・再生装置によれば、カンチレバーを信号の記録再生用電極として用いるので、高密度、大容量のディスク状誘電体記録媒体を用いた記録・再生装置が構成できる。また、記録媒体はディスク状の導電基板にスパッタリング等の公知の技術を用いて誘電体を形成することで作成される。
【００４４】
本発明の第２情報記録・再生装置の一態様では、複数の前記探針と、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給する複数の前記交流信号生成手段と、を具備する。
【００４５】
この態様によれば、カンチレバーを複数本用いて同時に記録再生ができ、高速で大量データの記録再生が可能となる。また、カンチレバーの各々に異なる周波数の交流信号を印加するので、相互に干渉がない高品位な情報の抽出ができる。
【００４６】
本発明の第２情報記録・再生装置の他の態様では、前記電極は、接地される。
【００４７】
この態様によれば、接地された電極が周囲にある探針によって、誘電体記録媒体に対する情報記録再生を安定的に行える。但し、電極は、所定電位としては、接地電位以外の電位に設定されてよい。
【００４８】
本発明の第２情報記録・再生装置の他の態様では、前記誘電体記録媒体を前記探針と挟んで設けられると共に前記回転手段により回転される導電性の回転ベースを更に備える。
【００４９】
この態様によれば、導電性の回転ベース上における誘電体記録媒体に、探針を接触させることにより、情報記録再生を安定的に行える。
【００５０】
尚、この導電性の回転ベースは接地されてもよいし、接地電位以外の所定電位とされてもよい。例えば、探針の周囲に設けられた電極と等しい又は異なる電位にされてもよい。導電性の回転ベースを、接地電位或いは所定電位に落とすことで、情報記録を安定的に行える。
【００５１】
本発明の第２情報記録・再生装置の他の態様では、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、通常の誘電体を使用する場合と比較して一層良好に、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】
本発明の誘電率測定方法は上記課題を解決するために、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、前記探針が接触する誘電体の微小領域の容量と共振回路を構成するように設けられたインダクタと、前記共振回路に接続された発振手段と、前記発振器の発振周波数を復調する復調手段と、前記復調手段の復調信号から誘電率情報を検出する検出手段と、を具備する誘電率測定装置によって前記誘電体の誘電率を測定する誘電率測定方法であって、前記探針を異なる既知誘電率を有する複数の誘電体試料の各々に接触させ、該複数の誘電体試料の各々における微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記発振周波数のデータに基づいて、複数の誘電体試料に対する誘電率と発振周波数との関係を示す検量線を作成する検量線作成工程と、前記探針及びその支持部分が前記誘電体に対向する部分を含む範囲内において、その表面に微小な誘電率分布を有する前記誘電体に、前記探針を接触させた状態で、前記探針を静止させた場合に得られる前記発振周波数と、前記検量線とに基づいて、平均誘電率を算出する算出工程と、前記測定試料に接触させた前記探針を相対的にスキャンすることで、前記誘電率分布に対応した前記発振周波数の変化から前記誘電率分布を決定する決定工程と、を備える。
【００５４】
本発明の誘電率測定方法によれば、予め複数の誘電体試料を用いて、検量線を作成しておく。検量線には、測定系（即ち、当該方法が行われる誘電体率測定装置）の特性が反映される。その後、この検量線と、測定試料に探針を静止状態で接触させた際の発振周波数とから、この誘電体試料の平均誘電率を先ず算出する。そして、探針を測定試料上でスキャンすることで、発振周波数の変化から、誘電体試料における誘電率分布を決定する。従って、比較的簡単な構成で、誘電体試料における超微細領域の誘電率分布を高精度で測定可能となる。
【００５５】
本発明の誘電率測定方法の一態様では、前記誘電体は、強誘電体からなる。
【００５６】
この態様によれば、通常の誘電体と比較して一層良好に、超微細領域の誘電率分布を高精度で測定可能となる。
【００５７】
本発明の本質、実用性、更に特徴は、簡単に後述される添付図面とともに読まれる、本発明の好適な実施の形態に関する次の詳細な説明から明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、本発明の好適な実施の形態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実施形態の誘電率測定装置について図１から図５を参照して説明する。ここで図１はカンチレバーのモデルと各種容量、及び誘電率検出の構成について示す図であり、図２はカンチレバーの誘電体試料に対するトレースと接触性について示す図である。また、図３は容量変化と共振周波数変化の関係について説明するための図であり、図４は誘電率変化の標準試料の測定結果を示す図であり、また、図５は容量変化と共振周波数変化について、複数の標準試料に基づく検量線を示す図である。
【００６０】
図１に示すように、誘電率測定装置１の構成は、カンチレバー１１と、電極１４と、発振器１６と、ＦＭ復調器１７と、誘電率検出器１８とを具備して構成される。さらに誘電体試料１２の誘電率測定部位の容量Ｃｓを含めた全容量と共振回路を構成するインダクタＬが設けられている。
【００６１】
次に各々の構成要素の動作、作用について説明する。
【００６２】
カンチレバー１１は、誘電体試料１２の誘電率測定のために用いられ、導電体部材から成る梁状部１１ａとその先端側面部に設けられた突起部１１ｂで構成されている。突起部１１ｂが誘電体試料１２の誘電率測定部位に当接され、誘電体試料１２の測定微小領域に発振器１６からの高周波電界を印加する。誘電体試料１２はステージ１３の上に載置される。
【００６３】
電極１４はカンチレバー１１の周囲に設けられ接地される電極である。この電極１４は後述する発振器１６の発振信号がカンチレバー１１に伝えられ、その高周波電界が誘電体試料１２の微小領域の容量を通過して接地側に戻るようにするために設けられるものであって、同様の働きをする電極であればその形状は問わない。
【００６４】
発振器１６は誘電体試料１２の微小領域の容量Ｃｓに対応した周波数で発振する発振器である。より具体的には、インダクタＬとカンチレバー１１の突起部１１ｂの直下の容量Ｃｓを含む回路の共振に係わる容量で共振回路が形成され、発振器１６はこの共振回路の共振周波数に応じた周波数で発振する。この周波数は１ＧＨｚ程度である。詳しくは後述するが、この微小領域の容量Ｃｓは誘電体の誘電率と密接な関係を有し、この容量Ｃｓの変動が他の容量とは切り離されて発振周波数の変動分として抽出される。
【００６５】
また、測定精度の向上のために発振器１６の発振周波数はさらに高くすることが望ましい。その場合共振回路の定数もそれに対応して選定される必要がある。
【００６６】
ＦＭ復調器１７は発振器１６の発振出力を復調するものであって、容量Ｃｓの変動により受けた周波数変調をＡＭ信号に復調する。ＦＭ復調器１７として汎用のＦＭ検波回路が用いられる。
【００６７】
誘電率検出器１８は、ＦＭ復調器１７で復調された信号から誘電率を検出するための信号処理と演算処理を行うための回路を備える。また、演算処理の回路は得られた情報について所定の演算と、データ校正等の処理が行われ誘電率が決定される。
【００６８】
次に、カンチレバー型の探針を用いた場合の操作性の利点について説明する。図２（ａ）は当初設定した状態のカンチレバー１１の固定部材１９と誘電体試料１２との位置関係を示し、その距離は、図２（ａ）に示すように、ｄ１に保たれた状態である。固定部材１９の位置設定は、図示しない所定の垂直方向位置決め装置によって行われる。このときカンチレバー１１の根元は、梁状部１１ａが固定部材１９に若干の撓みをもつように固定される。梁状部１１ａが有する弾性により、突起部１１ｂは誘電体試料１２に適度の接触圧で当接することになる。
【００６９】
図２（ｂ）は誘電体試料１２の表面がｄ２だけ凹となり、ヘッド側固定部材19との距離がｄ１＋ｄ２となった状態である。ＳＮＤＭはサブｎｍオーダーの表面状態を観察できるものであり、従って逆に原子レベルの凹凸が操作上影響してくることは避けられない。一方、誘電体試料１２の表面は原子レベルの凹凸があることは避けられなく、また、温度による厚み方向の変化も考慮する必要がある。このような状態で、その表面が凹となっても梁状部１１ａの弾性により適度な接触圧は保持される。但し、梁状部１１ａの撓みが若干緩むことによって突起部１１ｂが最適な状態でこの表面に当接することが可能である。
【００７０】
一方、図２（ｃ）は誘電体試料１２の表面がｄ３だけ凸となり、ヘッド側固定部材19との距離がｄ１−ｄ３となった状態である。この場合は梁状部１１ａの撓みが若干増し、突起部１１ｂの接触圧は増すものの適度な接触性は保たれる。
【００７１】
カンチレバー１１の探針の先端である突起部１１ｂは、ｎｍオーダーの曲率で超微細加工されており、これにより、ｎｍオーダーの分解能を実現可能となる。
【００７２】
このように探針としてカンチレバータイプを採用することで、誘電体試料１２の表面の若干の凹凸に対して、その都度探針の高さ方向の調節をする必要はなく操作性と追随性、トレース能力が格段に向上する。同時に、このようなカンチレバータイプの探針の先端を超微細加工するので、高分解能で誘電体試料１２の表面の探索が可能となる。この利点はこの技術を後述の如く情報記録・再生装置に適用した場合に特に顕著になり、長時間連続して記録再生を行うことを可能ならしめる。従来からの垂直に立てるプローブタイプの探針では誘電体試料１２の表面の凹凸に対応するために所定の調整動作が必要であったり、そのための機構が必要であった。
【００７３】
次に、誘電率の定量測定について図1、図３〜図５を参照して説明する。
【００７４】
ここで用いる探針はカンチレバー型であり、図1に示すように、先端部１１ｂ直下の誘電体の容量をＣｓ、カンチレバー１１と誘電体試料１２との間の容量をＣ01、装置の浮遊容量Ｃ0とする。容量Ｃ01、Ｃ０は装置の構成形態によって決まり、容量Ｃｓは誘電体の誘電率によって決まる量である。また、容量Ｃ01、Ｃ０と容量Ｃｓはその機構構成上、並列に入ることになる。
【００７５】
この状態で外付けされたインダクタＬとの関係における共振周波数について検討する。図３（ａ）はカンチレバー１１の先端が半径ａの球であるとしたもので、誘電体試料１２から離れている状態であり、容量Ｃｓは共振周波数に関与しない状態である。この状態ではインダクタＬと容量Ｃ０によって共振回路を構成し、その周波数ｆ0は
[数１]ｆ0＝１／２π√（ＬＣ０）
である。次に図３（ｂ）に示すように、カンチレバー１１が誘電体試料１２に当接され、共振回路の容量Ｃ０に容量Ｃ01と容量Ｃｓが並列に加わったとする。この合成容量をＣ＝Ｃ０＋Ｃ01＋Ｃｓとするが、ＣｓはＣ01より十分に小さいので（１：１０００程度）、近似的にＣ＝Ｃ０＋Ｃ01とする。このとき共振周波数ｆｓは
[数２]ｆｓ＝１／２π√｛Ｌ（Ｃ０＋Ｃ01）｝
となる。従って数１、数２より、数３、数４が導かれる。
【００７６】
[数３]ｆ0／ｆｓ＝√｛（Ｃ０＋Ｃ01）／Ｃ０｝
[数４]１／（Ｃ０＋Ｃ01）＝（ｆｓ／ｆ0）2／Ｃ０
次にカンチレバー１１が移動し、その直下の容量ＣｓがＣｓ＋ΔＣｓとなり、発振周波数ｆｓがｆｓ＋Δｆｓになったとする。このときΔｆｓは
[数５]Δｆｓ＝−ｆｓΔＣｓ／｛２（Ｃ０＋Ｃ01）｝
となる。これは数6より示される。即ち、
[数６]ｆｓ＋Δｆｓ＝１／２π√｛Ｌ（Ｃ０＋Ｃ01＋Ｃｓ＋ΔＣｓ）｝
≒１／２π√｛Ｌ（Ｃ０＋Ｃ01＋ΔＣｓ）｝
さらにテーラー展開により
＝〔１−ΔＣｓ／｛２（Ｃ０＋Ｃ01）｝〕
／２π√｛Ｌ（Ｃ０＋Ｃ01）｝
一方、カンチレバー１１の直下の容量変化ΔＣｓは数7で示される。
【００７７】
[数７]ΔＣｓ＝４πε０ａ〔１／｛ｂ（１−ｂ）｝
−ｌｎ｛１／（１−ｂ）｝／ｂ２〕〔２Δε／（εｒ＋１）２〕
＝４πε０ａ×２ＫΔε
但し、
[数８]Ｋ＝〔１／｛ｂ（１−ｂ）｝−ｌｎ｛１／（１−ｂ）｝／ｂ２〕
〔２／（εｒ＋１）２〕
[数９]ｂ＝（εｒ−１）／（εｒ＋１）
である。また、εｒは誘電体試料１２の平均比誘電率であり、Δεはカンチレバー１１直下の比誘電率がεａになったとしたときのΔε＝εｒ−εａである。尚、数７の導出は既知のものであり、ここでの説明は省略する。
【００７８】
従って、周波数変化Δｆｓは、数５、数６、数７、数８より
[数１０]Δｆｓ＝−ｆｓΔＣｓ／｛２（Ｃ０＋Ｃ01）｝
＝−ｆｓ×４πε０ａ×２ＫΔε／｛２（Ｃ０＋Ｃ01）｝
＝−４πε０ｆｓＫΔε｛ａ／（Ｃ０＋Ｃ01）｝
＝−４πε０（ａ／Ｃ０）（ｆｓ３／ｆ0２）ＫΔε
数１０においてＫは既知の誘電体試料の平均比誘電率εｒを測定することでわかり、従って、Δｆｓ、Δεがわかればａ／Ｃ０（プローブ定数と称する）を決定することができる。即ち、ａ／Ｃ０が決定できればΔｆｓは測定できるのでΔεを求めることが可能となる。
【００７９】
次に、Δｆｓ、Δεの決定について説明する。比誘電率が既知の誘電体試料１２であるとする。即ち、図３Ｂに示すように、その比誘電率εａ、εｂが、誘電体試料１２に対向するカンチレバー１１及びその支持部分（図示せず）を含む範囲内において交互に分布しているとする。比誘電率εａ、εｂは容量Ｃ０を形成する。また、この試料を用いて発振させたときの発振周波数をｆａ、ｆｂとする。平均比誘電率がεｒの場合の周波数はｆｓであり、周波数ｆｓがｆｂ（＝ｆｓ＋Δｆｂ）になったとき、εｒはεｂ（＝ｆｓ＋Δｆｂ）、また、周波数ｆｓがｆａ（＝ｆｓ＋Δｆａ）になったとき、εｒはεａであるとする。よって、Δｆｓ＝Δｆｂであり、Δε＝εｂ−εｒである。従って、数１０において、ａ／Ｃ０のみが装置固有の未知数となる。しかしながら、これは上述したようにプローブ定数として誘電率が既知の試料を用いて決定することが可能である。
【００８０】
次に、誘電体試料１２を図３（ｃ）に示すようにこの測定装置で測定しようとする。比誘電率εａ´、εｂ´が交互に並んでいるとし、測定状態での平均比誘電率をεｒ´とする。この平均比誘電率をεｒ´の決定方法は後段で図５を用いて詳述する。このときの全容量をＣ´＝Ｃ０＋Ｃ01´＋Ｃｓ´≒Ｃ´＝Ｃ０＋Ｃ01´とすると、発振周波数ｆｓ´は数１１に示すように、
[数１１]ｆｓ＝１／２π√（ＬＣ´）
＝１／２π√｛Ｌ（Ｃ０＋Ｃ01´）｝
となる。従って、数４と同様に
[数１２]１／（Ｃ０＋Ｃ01´）＝（ｆｓ´／ｆ0）2／Ｃ０
となり、同様にして、周波数変化Δｆｓ´は数１３、カンチレバー１１直下の容量変化ΔＣｓ´は数１４で表せる。
【００８１】
[数１３]Δｆｓ´＝−ｆｓ´ΔＣｓ´／｛２（Ｃ０＋Ｃ01´）｝
[数１４]ΔＣｓ´＝４πε０ａ〔１／｛ｂ´（１−ｂ´）｝
−ｌｎ｛１／（１−ｂ´）｝／ｂ´２〕
〔２Δε´／（εｒ´＋１）２〕
＝４πε０ａ×２Ｋ´Δε´
但し、
[数１５]Ｋ´＝〔１／｛ｂ´（１−ｂ´）｝
−ｌｎ｛１／（１−ｂ´）｝／ｂ´２〕
〔２／（εｒ´＋１）２〕
[数１６]ｂ´＝（εｒ´−１）／（εｒ´＋１）
従って、周波数変化Δｆｓ´は数１３、数１４、数１５より、
[数１７]Δｆｓ＝−ｆｓ´ΔＣｓ´／｛２（Ｃ０＋Ｃ01´）｝
＝−ｆｓ´×４πε０ａ×２Ｋ´Δε´
／｛２（Ｃ０＋Ｃ01´）｝
＝−４πε０ｆｓＫ´Δε´｛ａ／（Ｃ０＋Ｃ01´）｝
＝−４πε０（ａ／Ｃ０）（ｆｓ´３／ｆ0２）Ｋ´Δε´
となる。従って、プローブ定数ａ／Ｃ０は前述した既知の試料のテストから知られ、ｆ0、ｆｓ´、Ｋ´即ちｂ´は測定で得られるので、波数変化ｆｓ´が分かれば比誘電率の変化Δε´が分かることになる。ここで、カンチレバー１１直下の実際の比誘電率εｒ´＋Δε´となる。
【００８２】
図５は、実際の標準試料に対する測定結果に基づく、誘電体の比誘電率と周波数偏移の関係の一例を示す。この例では、複数の標準試料が、ＬiＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３、サファイア等である場合に、１本の検量線として得られる理論曲線を示している。誘電率分布を持つ試料として、周期的分極反転構造を有するＬiＴａＯ３を測定した場合、図５では、図４に示したような平均周波数（ｆｓ）の位置が、比誘電率３６．３に対応している。また、検量線を規定する複数の標準試料に対応する点が×印で当該検量線上に記されている。このようにカンチレバー１１等を含む固有の測定系における検量線を予め求めておけば、上述した方法で、線形の誘電率を定量計測することができる。即ち、予め検量線として理論曲線が既知である固有の測定系で、測定対象たる試料の測定における周波数偏移が分かれば、この理路曲線上に当てはめることで容易に比誘電率εｒを決定することが可能となる。尚、このような検量線は、標準試料の厚さが、カンチレバー１１の先端で電界が印加される微小領域の深さと比べて十分に厚ければ（例えば５０〜１００μｍ程度以上あれば）、標準試料の厚さによらない。更に、測定対象たる試料についても、この程度の厚みがあれば、比較的高精度で比誘電率εｒを決定できる
（第１変形形態）
次に、上述した第１実施形態の第１変形形態について図６及び図７を参照して説明する。ここで図６はカンチレバーのモデルと各種容量、及び誘電率検出の構成について示す図であり、図７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る。また、図１で示したのと同様の構成要素には同様の参照符号を付し、それらの説明は適宜省略する。
【００８３】
第１変形形態は、上述した第１実施形態における、誘電体の微小領域の分極状態を変化させることにより、情報を再生又は記録、若しくは記録及び再生することができ、特に上述した特徴を有するカンチレバーをピックアップ手段として用いることで、高密度に情報を記録する情報記録・再生装置の基本構造に応用するものである。この情報記録・再生装置の基本構造を用いた、より具体的な装置構成及び動作については、後に第２及び第３変形形態並びに第２及び第３実施形態として説明する。ここでは特に、第１変形形態における誘電率検出の基本原理は、上述した第１実施形態の場合と殆ど同様である。
【００８４】
即ち図６に示すように、誘電体記録・再生装置１'は、カンチレバー１１と、電極１４と、交流信号発生器１５と、発振器１６と、ＦＭ復調器１７と、誘電率検出器１８とを具備して構成される。さらに交流信号発生器１５からの信号が発振器１６に干渉することを防止するためのインダクタＬａ及び容量Ｃａからなるローカットフィルタと、誘電体試料１２の誘電率測定部位の容量Ｃｓを含めた全容量とともに共振回路を構成するインダクタＬとが設けられている。
【００８５】
次に各々の構成要素の動作、作用について説明する。
【００８６】
交流信号発生器１５は、インダクタＬａを介してカンチレバー１１に供給する低周波信号を発生する。この信号は、５ＫＨｚ程度の周波数を有する交流信号であり、突起部１１ｂから交番電界として誘電体試料１２の微小領域に印加される。また、インダクタＬａと容量Ｃａによって構成されるローカットフィルタによって交流信号発生器１５の交流信号が発振器１６に伝わって干渉を起こすことを防止する。その遮断周波数はｆ＝１／２π√（ＬａＣａ）である。交流信号発生器１５の交流信号の周波数は５Ｋｈｚ程度であり、発振器１６の発振周波数は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。ここでローカットフィルタのために挿入される容量Ｃａの発振に対する影響については、容量Ｃｓ、浮遊容量Ｃ０等は容量Ｃａと比較して十分に小さく、また、直列接続になっているので容量Ｃａの影響は無視できる。
【００８７】
また、測定精度の向上のために交流信号発生器１５と発振器１６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。
【００８８】
誘電率検出器１８は、ＦＭ復調器１７で復調された信号から誘電率を検出するための信号処理と演算処理を行うための回路を備える。上述した交流信号発生器１５の交流信号を受信し、復調信号をこの信号と参照して同期検波し、高品位の誘電率に関する情報が抽出される。この同期検波として例えばロックインアンプを用いる。ロックインアンプの構成と動作については後段で詳しく説明する。尚、他の位相検波手段を用いてもよいことは当然である。また、演算処理の回路は得られた情報について所定の演算と、データ校正等の処理が行われ誘電率が決定される。
【００８９】
次に、誘電体試料の分極状態と検出電圧について図７を参照して説明する。
【００９０】
図７に示すように誘電体試料１２の測定用微小領域の分極が矢印Ｐで示される方向になっているとする。カンチレバー１１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の正負が決まり、従ってこれに対応する容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎの値が変化する。詳しくは後述するが、発振器１６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、検波することで誘電率の情報の読み出しが可能となる。
【００９１】
図６に示した第１変形形態では好ましくは、カンチレバー１１を複数用いて同時に情報の記録或いは再生を行う。この際、複数の交流信号発生器１５及び複数のインダクタＬａを情報記録・再生装置に配置し、各カンチレバー１１に対し、各交流信号発生器１５が、各インダクタＬａを介して固有の異なる周波数の交番電圧を供給するように構成すれば、この各交流信号の周波数を参照信号として、各カンチレバーで検出する信号を弁別可能となる。その周波数は、５Ｋｈｚ程度を中心としたものであり、各カンチレバー１１とステージ１３との間の誘電体薄膜１２の各微小領域に交番電界を印加することになる。
【００９２】
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、このような各カンチレバー１１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、直流電圧或いはパルスを各カンチレバー１１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カンチレバー１１の数ほど周波数の異なる交流信号を各交流信号発生器１５により印加すればよい。そして、このような各交流信号発生器１５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。
【００９３】
（第２変形形態）
次に、図８を参照し、カンチレバーを用いた上記誘電率測定の技術を応用した情報再生装置２について説明する。微小領域の分極状態の変化として、情報を誘電体の微小領域に高密度記録することができ、上述した特徴を有するカンチレバーをピックアップ手段として用いることで高密度に記録された情報を読み出すことが可能である。
【００９４】
情報再生装置２は、誘電体２２と基板２３からなる誘電体記録媒体２１と、カンチレバー２４と、電極２５と、交流信号発生装置２６と、発振器２７と、ＦＭ復調器２８と、信号検出器２９と、インダクタＬと、インダクタＬａと、容量Ｃａとを備える。ここで上述した浮遊容量等については所定の手法により決定されるものとして以下の説明には導入しない。
【００９５】
誘電体記録媒体２１の誘電体２２の表面微小領域に記録する情報に対応して分極状態が決められ、それに応じて容量Ｃｓが決定される。カンチレバー２４が当接した微小領域の容量ＣｓとインダクタＬとを構成要素として共振回路が形成され、発振器２７はその共振周波数に基づいて発振する。その発振回路中に容量Ｃａが直列に挿入されているがＣｓに対してきわめて大きいので、容量Ｃｓが共振周波数の支配的要素である。
【００９６】
電極２５は発振器２７で発振した高周波信号がカンチレバー２４に印加され、更に誘電体２２の微小領域に印加されるときに、高周波電界が接地に戻るための電極である。
【００９７】
交流信号発生装置２６はカンチレバー２４に印加する交流信号を発生し、誘電体２２の微小領域に交番電界を印加する。この交番電界の方向と分極の方向とから誘電率の違い、即ちそれに対応する容量Ｃｓの違いが検出され、発振器２７の発振周波数を変調することになる。
【００９８】
インダクタＬａと容量Ｃａは交流信号発生装置２６の交流信号が発振器２７に漏れこみ、干渉を起こすことを防止するために設けられたローカットフィルタを構成している。発振器２７の発振周波数は１ＧＨｚ程度であり、交流信号発生装置２６の交流信号の周波数は５ＫＨｚ程度であり、１次のＬＣフィルタで十分分離は可能である。
【００９９】
FM復調器２８は周波数変調された発振器２７の発振信号を復調する。これは通常のＦＭ検波手段が用いられる。信号検出器２９はFM復調器２８で復調された信号から、交流信号発生器２６の交流信号を同期信号として同期検波を行い、記録されていた情報を再生する。
【０１００】
カンチレバー２４は複数本用いてもよく、その場合、その各々に固有の個別な交流信号を印加し、情報の弁別に使用される。
【０１０１】
以上説明したように、カンチレバーを探針電極として用いる誘電率測定装置１の技術を適用することで、高密度の情報再生装置が構成できる。
【０１０２】
（第３変形形態）
次に、図９を参照し、カンチレバーを用いた上記誘電率測定の技術を応用した情報記録装置について説明する。誘電体の微小領域の分極状態を変化させて情報を記録することができ、上述した特徴を有するカンチレバーをピックアップ手段として用いることで高密度に情報を記録することが可能である。
【０１０３】
情報記録装置３は、誘電体３２と基板３３からなる誘電体記録媒体３１と、カンチレバー３４と、電極３５と、交流信号発生装置３６と、記録信号発生器３７と、加算器３８と、発振器３９と、ＦＭ復調器４０と、信号検出器４１と、インダクタＬと、インダクタＬａと、容量Ｃａとを備える。
【０１０４】
誘電体記録媒体３１の誘電体３２の表面微小領域に記録する情報に対応して分極状態が決められ、それに応じた容量Ｃｓがある。カンチレバー３４が当接した微小領域の容量ＣｓとインダクタＬとを構成要素として共振回路が形成され、発振器３９はその共振周波数に基づいて発振する。その発振回路中に容量Ｃａが直列に挿入されているがＣｓに対してきわめて大きいので、容量Ｃｓが共振周波数の支配的要素であることは上述したとおりである。
【０１０５】
電極３５は発振器３９で発振した高周波信号がカンチレバー３４に印加され、更に誘電体３２の微小領域に印加されるときに、高周波電界が接地に戻るための電極である。
【０１０６】
交流信号発生装置３６はカンチレバー３４に印加する交流信号を発生し、誘電体３２の微小領域に交番電解を印加し、記録信号発生器３７からの記録信号にバイアスをかけ、分極状態を制御して情報を記録する。分極状態に対応する容量Ｃｓの違いに基づいて発振器３９の発振周波数を変調させ、これを復調することで正しい記録動作が行われているかモニターすることが可能となる。
【０１０７】
インダクタＬａと容量Ｃａは交流信号発生装置３６の交流信号が発振器３９に漏れこみ、干渉を起こすことを防止するために設けられたローカットフィルタを構成している。発振器３９の発振周波数は１ＧＨｚ程度であり、交流信号発生装置３６の交流信号の周波数は５ＫＨｚ程度であり、１次のＬＣフィルタで十分分離は可能である。さらに周波数を高めることはデータ転送レート上有利であり、その場合はそれに適合したフィルター定数を選定すればよい。
【０１０８】
FM復調器４０は周波数変調された発振器３９の発振信号を復調する。これは通常のＦＭ検波手段が用いられる。信号検出器４１はFM復調器４０で復調された信号から、交流信号発生器３６の交流信号を同期信号として同期検波を行い、記録されていた情報を再生する。
【０１０９】
カンチレバー３４は複数本用いてもよく、その場合、その各々に固有の個別な交流信号を印加し、情報の弁別に使用される。
【０１１０】
以上説明したように、カンチレバーを探針電極として用いる誘電率測定装置１の技術を適用することで、高密度の誘電体記録装置が構成できる。
【０１１１】
次に、誘電率検出器又は信号検出器（１８、２９、４１）の同期検波に供されるロックインアンプについて、図１０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。
【０１１２】
ロックインアンプ５は、図１０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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
入力端子Ｔ１に入力される復調信号と入力端子Ｔ２に入力される基準信号との間の位相差をφとし、また前記復調信号と前記基準信号（方形波）が同相（即ち、φ＝０）で掛算されるときの低域ろ波された後の電圧の絶対値を｜Ｖａ｜とすると、｜Ｖａ｜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、数１８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１９で表される。
【０１１５】
[数１８]Ｖａ１＝｜Ｖａ｜・ｓｉｎφ
[数１９]Ｖａ２＝｜Ｖａ｜・ｃｏｓφ
次に、ここで上述したように構成されたロックインアンプ等の基本回路を備える誘電体情報装置において、誘電体の微小領域に印加する交番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。
【０１１６】
図９に示すように交流信号発生器（１５、２６、３６）によって探針（即ち、カンチレバー１１、２４又は３４）と電極（即ち、ステージ１３又は基板２３、３３）の間の微小領域に周波数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の振幅に比例する、即ち、周波数ｆｐを有する正弦波の交番電界Ｅｐを発生する。交流電圧Ｖｐと交番電界Ｅｐは、数２０で表される角周波数ωｐを用いて数２１と数２２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は交番電界Ｅｐの振幅である。
【０１１７】
[数２０]ωｐ＝２πｆp
[数２１]Ｖｐ＝Ｖｐ0cosωp
[数２２]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、交番電界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２３で表される。
【０１１８】
[数２３]εｔ＝ε２＋ε３Ｅｐ＋（１／２）ε４Ｅｐ２
ここで、数２３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２４と数２５の関係が成り立つ。
【０１１９】
[数２４]ｄＵ＝ＥｄＤ
[数２５] Ｈ＝Ｕ−ＥＤ
以上の数２４と数２５から微分ｄＨは、次の数２６で表される。従って、電束密度Ｄは数２７で表される。
【０１２０】
[数２６]ｄＨ＝−ＤｄＥ
[数２７]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２８で与えられる。
【０１２１】
[数２８]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２７と数２８から電束密度Ｄは、次の数２９で表される。
【０１２２】
[数２９]Ｄ＝−(∂2Ｈ/∂Ｅ2)0Ｅ−(1/2)(∂3Ｈ/∂Ｅ3)0Ｅ2
−(1/6)(∂4Ｈ/∂Ｅ4)0Ｅ3
＝ε2Ｅ＋(１/２)ε3Ｅ2＋(１/６)ε4Ｅ3
ここで、
[数３０]−(∂2Ｈ/∂Ｅ2)0＝ε2
[数３１]−(∂3Ｈ/∂Ｅ3)0＝ε3
[数３２]−(∂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２９において、交番電界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。このとき前記交番電界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２９は次の数３３のように表わすことができる。
【０１２３】
[数３３]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３４で表され、また交番電界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３４の第２項のΔＤは数３５のように表わすことができる。
【０１２４】
[数３４]Ｄｐ＝ε2Ｅｐ＋(１/２)ε3Ｅｐ2＋(１/６)ε4Ｅｐ3
[数３５]ΔＤ＝ε2ΔＥ＋ε3ＥｐΔＥ＋（１/２）ε4Ｅｐ2ΔＥ
＝｛ε2＋ε3Ｅｐ＋(１/２)ε4Ｅｐ2｝ΔＥ
＝εｔΔＥ
数３５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２３を導くことができる。また、３次の誘電率ε3は、特に交番電界Ｅｐの向きと分極Ｐの向きが同じ向き場合と、交番電界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２３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。また、前記探針（即ち、カンチレバー１１、２４又は３４）と電極（即ち、ステージ１３又は基板２３、３３）とによって挟設された前記微小領域が構成するキャパシタンスＣｓは、誘電率εｔに比例するので、誘電体の厚さｄと探針（即ち、カンチレバー１１、２４又は３４）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２３を用いて次の数３６のように表すことができる。
【０１２５】
[数３６]Ｃs＝Ｃe（１/ｄ）｛ε2＋ε3Ｅp＋（１/２）ε4Ｅp2｝
また、数３６で表されるキャパシタンスＣｓは、次の数３７で表されるキャパシタンスＣ0と次の数３８で表されるキャパシタンス変化量△Ｃを用いると数３９のように表すことができる。ここで、キャパシタンスＣ０は、交流電圧Ｖｐが印加されていないときの探針（即ち、カンチレバー１１、２４又は３４）と電極（即ち、ステージ１３又は基板２３、３３）と、探針（即ち、カンチレバー１１、２４又は３４）と電極（即ち、ステージ１３又は基板２３、３３）とによって挟設された前記微小領域が構成するキャパシタンスであり、キャパシタンス変化量△Ｃは、交流電圧Ｖｐを印加したときのキャパシタンスＣ0からのキャパシタンス変化量である。
【０１２６】
[数３７]Ｃ0＝Ｃe(１/ｄ)ε２
[数３８]△Ｃ＝Ｃｅ（１/ｄ)｛ε3Ｅp＋(１/２)ε4Ｅp2｝
[数３９]Ｃs＝Ｃ0＋△Ｃ
数２２で表される交番電界Ｅｐを数３０の右辺に代入して、さらに数４０で表される三角関数の公式を用いて変形すると、△Ｃは数４１のように表すことができる。
【０１２７】
[数４０]cos2(ωp・ｔ)＝｛1＋cos(2ωp・ｔ)｝/2
[数４１]△Ｃ＝Ｃe(1/ｄ){ε4Ｅp0２/4＋ε3Ｅp0cos(ωp・ｔ)
＋(ε4Ｅp02/4)cos(2ωp・ｔ)}
更に、数４１は、次の数４２と数４３と数４４で表されるキャパシタンス変化量△Ｃ2、△Ｃ3、△Ｃ4を用いて数４５のように書き換えることができる。ここで、キャパシタンス変化量△Ｃ2は、４次の誘電率ε4と交番電界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、キャパシタンス変化量△Ｃ3は、３次の誘電率ε3と交番電界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キャパシタンス変化量である。また、キャパシタンス変化量△Ｃ4は、４次の誘電率ε4と交番電界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キャパシタンス変化量である。
【０１２８】
[数４２]△Ｃ2＝Ｃe(1/ｄ)(ε4Ｅp02/4)
[数４３]△Ｃ3＝Ｃe(1/ｄ)ε3Ｅp0cos(ωp・ｔ）
[数４４]△Ｃ４＝Ｃe(1/ｄ)(ε4Ｅp02/4)cos(2ωp・ｔ)
[数４５]△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４６で表される。
【０１２９】
[数４６]ｆLC＝1/{2π√(Ｌ・Ｃs)}
＝1/[2π√｛Ｌ・（Ｃ0＋ΔＣ）｝]
また、数４３におけるε3Ｅｐ0と数３６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３７数３８よりＣ0≫ΔＣが成り立つ。従って、数４６を数４７で表される近似式を用いて書き換えると、前記キャパシタンス変化量△Ｃと共振周波数変化量△ｆLCの関係は、数４８のように表わすことができる。
【０１３０】
[数４７]√(1＋△Ｃ/Ｃ0)＝(1＋△Ｃ/Ｃ0)−1/2≒1−(1/2)(△Ｃ/Ｃ0)
[数４８]△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、前記キャパシタンスＣｓのキャパシタンス変化量△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、前記キャパシタンスＣｓのキャパシタンス変化量△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、前記キャパシタンスＣｓのキャパシタンス変化量△Ｃに比例して変化する。また、上述のようにキャパシタンス変化量△Ｃは、３次の誘電率ε3と交番電界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キャパシタンス変化量△Ｃ3と、４次の誘電率ε4と交番電界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キャパシタンス変化量△Ｃ4を含むので、前記発振信号は、３次の誘電率ε3と交番電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0に比例する振幅を有しかつ角周波数ωｐすなわち周波数ｆｐを有する信号Ｓ3と、４次の誘電率ε4と交番電界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すなわち周波数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。
【０１３１】
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と交番電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0に比例する振幅を有しかつ周波数ｆｐを有する信号Ｓ3と、４次の誘電率ε4と交番電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0の２乗に比例する振幅を有しかつ周波数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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。すなわち出力電圧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が実数であってかつ正の値のときには、数３４から明らかなように、キャパシタンス変化量ΔＣ3と交番電界Ｅｐは同相で変化する。また、数３９から明らかなように、前記キャパシタンス変化量ΔＣ3は、共振周波数変化量ΔｆLCと逆相で変化する。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は交番電界Ｅｐと逆相で変化する。さらに、交番電界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の位相差は０になる。
【０１３４】
以上説明したように、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、３次の誘電率ε3が負のときには、位相差は０になって出力電圧Ｖａ2はプラスの値で出力される。
【０１３５】
従って、３次の誘電率ε3の正負によって出力が変化し、正負の程度によって出力のレベルも変化する。このようにして微小領域の分極状態を検出することができる。
【０１３６】
（第２実施形態）
図１１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情報記録・再生装置６について説明する。
【０１３７】
まず、記録媒体となる誘電体は導電性のテープ状基板の上に誘電体からなる誘電体膜を、例えばスパッタリング等の公知の方法によって形成する。
【０１３８】
誘電体材料は、例えば以下に示す材料が使用される。
【０１３９】
（ａ）ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3の固溶体であるＰＺＴ材料。
【０１４０】
（ｂ）ＰｂＴｉＯ3で表されるチタン酸鉛。
【０１４１】
（ｃ）ＰｂＺｒＯ3で表されるジルコン酸鉛。
【０１４２】
（ｄ）ＢａＴｉＯ3で表されるチタン酸バリウム。
【０１４３】
（ｅ）ＬｉＮｂＯ3で表されるニオブ酸リチウム。
【０１４４】
（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。
【０１４５】
（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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
まず、情報記録・再生装置６の構成の概略は、導電性の薄膜基板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の薄膜基板６１を接地する手段であるベース６８、カンチレバー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、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。
【０１４８】
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とカンチレバー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。
【０１４９】
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、その指示に従って情報記録・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。
【０１５０】
次に、ヘッド７３はカンチレバー６９を有し、これに情報を印加し、或いは読み取る回路を備えている。カンチレバー６９は図１１の紙面の垂直方向に複数本設けられている。ヘッド７３に搭載する各回路は、例えば図９に示す発振器３９、インダクタＬ、容量Ｃａ等を含む。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９に示す交流信号発生器３６、記録信号発生器３７、ＦＭ復調器４０、信号検出器４１等を備えている。電極７５はカンチレバー６９から放射される高周波電界を接地に導くためのものである。尚、これら各構成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る。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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、記録機能だけのテープ状媒体記録装置、再生機能だけのテープ状媒体再生装置についても、それに関する機能を取り上げて構成されるものである。
【０１５３】
（第３実施形態）
図１２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情報記録・再生装置７について説明する。誘電体材料は前述したものを用いることが可能である。
【０１５４】
まず、情報記録・再生装置７の構成の概略は、導電性の基板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の基板８１を接地する手段である回転ベース８５、制御回路８６、操作入力部８７、動作状態表示部８８、ヘッド８９、カンチレバー９０、ヘッド８９をディスク半径方向（紙面に垂直方向）に移動するモータ９１、スクリュー９２、ヘッドをガイドする軸９３、記録再生回路９４、電極９５、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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
また、制御回路８６は操作入力部８７から入力される操作指示の信号を受け、その指示に従って情報記録・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。
【０１５７】
次に、ヘッド８９は誘電体記録媒体８３の半径方向（紙面垂直方向）に、モータ９１によりスクリュー９２を回転して移動する。軸９３はスクリュー９２と対を成し、ヘッド８９の移動がスムーズに行えるように支持する。このヘッド８９は複数のカンチレバー９０を有し、このカンチレバー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。各回路は、例えば図９に示す発振器３９、インダクタＬ、容量Ｃａ〜Ｃｎ等を含む。
【０１５８】
ヘッド８９で読み取った再生情報は記録再生回路９４で処理される。この記録再生回路９４は、例えば図９に示す、交流信号発生器３６、記録信号発生器３７ＦＭ復調器４０、信号検出器４１等を備えている。電極９５はカンチレバー９０から放射される高周波電界を接地に導くためのものである。尚、これら各構成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る。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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、記録機能だけのディスク状媒体記録装置、再生機能だけのディスク状媒体再生装置についても、それに関する機能を取り上げて構成されるものである。
【０１６１】
以上詳細に説明したように、上述した２つの記録・再生装置６，７は本発明の著しい特徴として、カンチレバー型のトレース能力が極めて高い複数の探針を用いることと、これら複数の探針が１つの発振器に取り付けられていて作動することである。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前記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を可能としている。さらに前記低周波交番電界に記録用の信号を重畳して同時に記録することを可能としている。
【０１６２】
また、低周波電圧印加回路と、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、共振器相互の干渉がなく、十分に分離された信号を記録し、再生することが可能となる。
【０１６３】
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。
【０１６４】
尚、以上説明した各実施形態では、誘電体記録媒体２１、３１、６３及び８３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。
【０１６５】
（産業上の利用可能性）
本発明の誘電率測定装置及び誘電率測定方法は、誘電体記録媒体を用いた情報記録及び／又は再生装置に利用可能である。情報記録及び／又は再生装置は、映像信号、音声信号、コンピュータプログラムデータ等の情報を高密度で記録し、且つ／或いは、記録された情報を再生するために使用される。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】本発明の実施形態における、カンチレバーのモデルと各種容量、及び誘電率検出の構成について示す図である。
【図２】カンチレバーの誘電体試料に対する接触性について示す図である。
【図３】容量変化と共振周波数変化の関係について説明するための図である。
【図４】誘電率変化の標準試料の測定結果を示す図である。
【図５】容量変化と共振周波数変化について、複数の標準試料に基づく検量線を示す図である。
【図６】第１変形形態における、カンチレバーのモデルと各種容量、及び誘電率検出の構成について示す図である。
【図７】第１変形形態における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８】第２変形形態における交流信号をカンチレバーに印加して誘電率を検出する構成を示す図である。
【図９】第３変形形態における交流信号と記録信号により誘電体の微小領域の分極を変化させるための構成を示す図である。
【図１０】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１１】本発明の第２実施形態における、テープ状の誘電体記録媒体を用いる記録・再生装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３実施形態における、ディスク状の誘電体記録媒体を用いる記録・再生装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１６７】
１・・・誘電率測定装置
２・・・誘電体再生装置
３・・・誘電体記録装置
５・・・ロックインアンプ
６・・・テープ状媒体記録・再生装置
７・・・ディスク状媒体記録・再生装置
１１，２４，３４，６９，９０・・・カンチレバー
１４，２５，３５，７５，９５・・・電極
１５，２６，３６・・・交流信号発生器
１６，２６，３６・・・発振器
１７，２８，４０・・・ＦＭ復調器
１８・・・誘電率検出器
２９，４１・・・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
７４，９４・・・記録再生回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体の微小領域の誘電率を測定する誘電率測定装置及び方法と、この誘電率測定技術を適用した情報記録・再生装置との技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。この技術分野における開発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が進められた。このようにＳＮＤＭは誘電体の分極分布において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ものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなＳＮＤＭを利用した方法では原理的に誘電体ドメイン（即ち、誘電体の微小領域）の静電容量変化を周波数変化に置き換えるため、誘電体の分極方向の分布の判別は容易であったが、誘電率を定量測定することにおいては課題があった。本願発明者らはこの問題点を解決し、誘電率の分布を測定するために、誘電体表面に対して垂直に配置されたタングステン針を使用し、電界研磨によって形成された探針先端形状を球として近似した解析モデルを使用すると共に、予め誘電率既知の誘電体サンプルの測定によって測定系の浮遊容量を求め、これに基づき浮遊容量の影響をキャンセルすることで誘電率の定量測定が可能になることを示した。しかしながら、この方法では測定系の分解能の限界から高々μｍオーダーまでの粗い領域での計測にしか対応できなかった。
【０００５】
従って本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、誘電体の微細領域の誘電率分布の測定を可能にし、ｎｍ（ナノメートル）オーダーでの誘電体材料、例えば半導体電子回路の構成部材としての微細領域での材料評価等に適した誘電率測定装置及び方法と、この技術を適用した高密度記録再生可能な記録・再生装置とを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の誘電率測定装置は上記課題を解決するために、誘電体の誘電率を測定する誘電率測定装置であって、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、前記探針が接触する誘電体の微小領域の容量と共振回路を構成するように設けられたインダクタと、前記共振回路に接続された発振手段と、前記発振器の発振周波数を復調する復調手段と、前記復調手段の復調信号から誘電率情報を検出する検出手段とを具備する。
【０００７】
本発明の誘電率測定装置によれば、誘電体の微小領域の誘電率をｎｍオーダーの分解能で、非破壊で定量的に測定することが可能となる。誘電率を測定するために微小領域に接する探針は、例えば所定の長さを有する梁状の導電体に、その先端側面に微小の突起を設けた構造の導電体（導電材料）である。この探針を以下において「カンチレバー」と称する。このカンチレバーは、その梁状導電部が有する可撓性により、最適接触力を得ることができる。従って、誘電体試料との接触性能力、トレース能力を向上させるものである。また、このカンチレバーは、先端側面の探針部分も含めて導電性を有する。
【０００８】
カンチレバーは、好ましくは、その突起先端の曲率半径がｎｍのオーダーの球状に加工されたものが用いられる。これは、白金などの金属コーティングによって導電性を付与された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。
【０００９】
共振回路は測定すべき微小領域のカンチレバー直下の容量、外付けされるインダクタ、浮遊容量等で構成され、その共振周波数は１ＧＨｚ程度になるようにインダクタンスが選定される。
【００１０】
発振手段は上記共振回路に接続され、その共振周波数に基づいた周波数で発振する。従って、その発振周波数はカンチレバー直下の容量に依存することになり、容量の変化、即ち誘電体の測定部位の誘電率と直接的に関係してくる。この周波数の変化を検出することで逆に誘電率を測定することができる。尚、実際に共振回路にはカンチレバー直下の容量と並列に入る比較的大きな浮遊容量が加わる。しかしながら、後段で詳しく説明するように、それらの浮遊容量は既知の誘電体試料用いて求めたり、或いは公知の手法による算出手段で求めたりすることが可能であり、浮遊容量を含む全体の容量からカンチレバー直下の容量変化に対応する発振周波数の変化を分離して求めることができる。
【００１１】
復調手段は、前記発振手段から出力される発振周波数を復調し、容量に対応するＡＭ信号に変換する。上述したようにカンチレバー直下の容量によって発振周波数は変調されているが、これを復調し、容量を検出するために用いる。
【００１２】
検出手段は前記復調手段から出力される復調信号からでカンチレバー直下の容量を定量的に検出する。この量は誘電体の微小領域の誘電率と密接に関係していて、結局、その誘電率を決定することが可能となる。また、その誘電率が記録情報に対応しているとすると誘電体を記録媒体とする情報記録・再生装置の構成が可能となる。
【００１３】
本発明の誘電率測定装置の一態様では、前記検出手段は、前記探針を既知の誘電率分布を有する誘電体試料に接触させ、該誘電体試料の微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記誘電体の発振周波数のデータを使用して、該誘電体の誘電率を決定する算出手段を具備する。
【００１４】
この態様によれば、誘電体の誘電率測定に影響を及ぼす容量には、カンチレバー先端部下の容量の他に、カンチレバーの梁状部及びその支持部分と誘電体試料との間で生じる容量、測定系全体の浮遊容量等がある。これが誘電体の誘電率測定を困難にするが、この態様によれば、誘電体の誘電率測定が容易になる。即ち、この態様によれば、既知の誘電率を有する誘電体を用いて発振周波数を予め測定し、この測定結果を発振周波数のデータとして使用する。例えば、発振周波数のデータは、誘電体試料に対する誘電率と発振周波数の関係を表すデータである。誘電体の誘電率を実際に測定する際には、発振周波数のデータを参照して測定を行う。この際、発振周波数のデータにより示される誘電体試料に対する誘電率及び発振周波数の間の関係と、実際に検出された発振周波数とに基づいて、誘電率の決定が可能となる。
【００１５】
この態様では、前記算出手段は、(i)前記探針を異なる既知誘電率を有する複数の誘電体試料の各々に接触させ、該複数の誘電体試料の各々における微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記発振周波数のデータに基づいて作成された、複数の誘電体試料に対する誘電率と発振周波数との関係を示す検量線と、(ii)前記探針及びその支持部分が前記誘電体に対向する部分を含む範囲内において、その表面に微小な誘電率分布を有する前記誘電体に、前記探針を接触させた状態で、前記探針を静止させた場合に得られる前記発振周波数とに基づき、前記誘電体の平均誘電率を算出し、更に、前記誘電体に接触させた前記探針を相対的にスキャンすることで、前記誘電率分布に対応した前記発振周波数の変化から前記誘電率分布を決定するように構成してもよい。
【００１６】
このような構成によれば、予め複数の誘電体試料を用いて、検量線を作成しておく。検量線には、測定系（即ち、当該誘電体率測定装置）の特性が反映される。その後、この検量線と、測定試料に探針を静止状態で接触させた際の発振周波数とから、この測定試料の平均誘電率を先ず算出する。そして、探針を測定試料上でスキャンすることで、発振周波数の変化から、誘電体試料における誘電率分布を決定する。従って、比較的簡単な構成で、誘電体試料における微細領域の誘電率分布を高品位に測定可能となる。
【００１７】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、前記探針に印加する交流信号を生成する交流信号生成手段を更に具備する。
【００１８】
この態様によれば、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、カンチレバーに印加される。この周波数で誘電体はバイアスされ、復調手段からの出力にこの成分が含まれ、誘電率検出をするときの参照信号として利用する。
【００１９】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、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更に具備する。
【００２０】
この態様によれば、交流信号生成手段による交流信号の発振手段に対する影響を防止することが可能となる。遮断手段の構成は、例えば交流信号生成手段と発振手段の間に容量とインダクタとからなるローカットフィルタを用いて構成できる。
【００２１】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、前記検出手段による誘電率情報の検出は、前記復調信号と前記交流信号生成手段による交流信号とによる同期検波で行われる構成を具備する。
【００２２】
この態様によれば、交流信号によりバイアスされている復調信号を、その交流信号を参照して検出するので、ノイズの影響が少ない高品質の誘電率に関する情報が検出される。
【００２３】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、複数の前記探針と複数の前記交流信号生成手段を具備しており、該複数の前記交流信号生成手段は、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給する。
【００２４】
この態様によれば、一度に複数箇所での誘電率を検出できる。また、カンチレバー各々に異なる周波数の交流信号を印加するので、この交流信号を参照することで復調信号から各々のカンチレバーが検出した信号を分離して再生ができる。
【００２５】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、前記電極は、接地される。
【００２６】
この態様によれば、誘電率の検出を安定的に行える。但し、電極は、所定電位としては、接地電位以外の電位で設定されてよい。
【００２７】
本発明の誘電率測定装置の他の態様では、前記探針に対向配置されると共に前記誘電体が載せられるステージを更に備え、前記ステージは、接地される。
【００２８】
この態様によれば、接地されたステージに載せられた誘電体に、探針を接触させることにより、誘電率の検出を安定的に行える。
【００２９】
本発明の誘電率測定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。
【００３０】
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、超微細領域の誘電率のみならず非線型誘電率分布の正負の符号も含めて高精度で測定可能となる。
【００３１】
本発明の第１情報記録・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情報記録・再生装置であって、前記誘電体記録媒体を直線状に移動させる移動手段と、前記誘電体記録媒体に接触し情報を記録し読み出すための、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、前記情報に対応する信号を生成し、該信号を前記探針を介して記録し、記録されている情報を前記探針を介して読み出し再生する回路手段とを具備する。
【００３２】
本発明の第１情報記録・再生装置によれば、カンチレバーを信号の記録再生用電極として用いるので、高密度、大容量のテープ状誘電体記録媒体を用いた記録・再生装置が構成できる。また、記録媒体はテープ状の導電基板にスパッタリング等の公知の技術を用いて誘電体を形成することで作成される。
【００３３】
本発明の第１情報記録・再生装置の一態様では、、複数の前記探針と、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給する複数の前記交流信号生成手段と、を具備する。
【００３４】
この態様によれば、カンチレバーを複数本用いて同時に記録再生ができ、高速で大量データの記録再生が可能となる。また、カンチレバーの各々に異なる周波数の交流信号を印加するので、相互に干渉がない高品位な情報の抽出ができる。
【００３５】
本発明の第１情報記録・再生装置の他の態様では、前記電極は、接地される。
【００３６】
この態様によれば、接地された電極が周囲にある探針によって、誘電体記録媒体に対する情報記録再生を安定的に行える。但し、電極は、所定電位としては、接地電位以外の電位で設定されてよい。
【００３７】
本発明の第１情報記録・再生装置の他の態様では、前記誘電体記録媒体を前記探針と挟んで設けられた導電性のベースを更に備える。
【００３８】
この態様によれば、導電性のベース上における誘電体記録媒体に、探針を接触させることにより、情報記録再生を安定的に行える。
【００３９】
尚、この導電性のベースは、接地されてもよいし、接地電位以外の所定電位とされてもよい。例えば、探針の周囲に設けられた電極と等しい又は異なる電位にされてもよい。導電性のベースを、接地電位或いは所定電位に落とすことで、情報記録を安定的に行える。
【００４０】
本発明の第１情報記録・再生装置の他の態様では、前記誘電体記録媒体は、強誘電体からなる。
【００４１】
この態様によれば、通常の誘電体を使用する場合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。
【００４２】
本発明の第２情報記録・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情報記録・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ための、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、前記情報に対応する信号を生成し、該信号を前記探針を介して記録し、記録されている情報を前記探針を介して読み出し再生する回路手段と、前記探針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、を具備する。
【００４３】
本発明の第２情報記録・再生装置によれば、カンチレバーを信号の記録再生用電極として用いるので、高密度、大容量のディスク状誘電体記録媒体を用いた記録・再生装置が構成できる。また、記録媒体はディスク状の導電基板にスパッタリング等の公知の技術を用いて誘電体を形成することで作成される。
【００４４】
本発明の第２情報記録・再生装置の一態様では、複数の前記探針と、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給する複数の前記交流信号生成手段と、を具備する。
【００４５】
この態様によれば、カンチレバーを複数本用いて同時に記録再生ができ、高速で大量データの記録再生が可能となる。また、カンチレバーの各々に異なる周波数の交流信号を印加するので、相互に干渉がない高品位な情報の抽出ができる。
【００４６】
本発明の第２情報記録・再生装置の他の態様では、前記電極は、接地される。
【００４７】
この態様によれば、接地された電極が周囲にある探針によって、誘電体記録媒体に対する情報記録再生を安定的に行える。但し、電極は、所定電位としては、接地電位以外の電位に設定されてよい。
【００４８】
本発明の第２情報記録・再生装置の他の態様では、前記誘電体記録媒体を前記探針と挟んで設けられると共に前記回転手段により回転される導電性の回転ベースを更に備える。
【００４９】
この態様によれば、導電性の回転ベース上における誘電体記録媒体に、探針を接触させることにより、情報記録再生を安定的に行える。
【００５０】
尚、この導電性の回転ベースは接地されてもよいし、接地電位以外の所定電位とされてもよい。例えば、探針の周囲に設けられた電極と等しい又は異なる電位にされてもよい。導電性の回転ベースを、接地電位或いは所定電位に落とすことで、情報記録を安定的に行える。
【００５１】
本発明の第２情報記録・再生装置の他の態様では、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、通常の誘電体を使用する場合と比較して一層良好に、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】
本発明の誘電率測定方法は上記課題を解決するために、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、前記探針が接触する誘電体の微小領域の容量と共振回路を構成するように設けられたインダクタと、前記共振回路に接続された発振手段と、前記発振器の発振周波数を復調する復調手段と、前記復調手段の復調信号から誘電率情報を検出する検出手段と、を具備する誘電率測定装置によって前記誘電体の誘電率を測定する誘電率測定方法であって、前記探針を異なる既知誘電率を有する複数の誘電体試料の各々に接触させ、該複数の誘電体試料の各々における微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記発振周波数のデータに基づいて、複数の誘電体試料に対する誘電率と発振周波数との関係を示す検量線を作成する検量線作成工程と、前記探針及びその支持部分が前記誘電体に対向する部分を含む範囲内において、その表面に微小な誘電率分布を有する前記誘電体に、前記探針を接触させた状態で、前記探針を静止させた場合に得られる前記発振周波数と、前記検量線とに基づいて、平均誘電率を算出する算出工程と、前記測定試料に接触させた前記探針を相対的にスキャンすることで、前記誘電率分布に対応した前記発振周波数の変化から前記誘電率分布を決定する決定工程と、を備える。
【００５４】
本発明の誘電率測定方法によれば、予め複数の誘電体試料を用いて、検量線を作成しておく。検量線には、測定系（即ち、当該方法が行われる誘電体率測定装置）の特性が反映される。その後、この検量線と、測定試料に探針を静止状態で接触させた際の発振周波数とから、この誘電体試料の平均誘電率を先ず算出する。そして、探針を測定試料上でスキャンすることで、発振周波数の変化から、誘電体試料における誘電率分布を決定する。従って、比較的簡単な構成で、誘電体試料における超微細領域の誘電率分布を高精度で測定可能となる。
【００５５】
本発明の誘電率測定方法の一態様では、前記誘電体は、強誘電体からなる。
【００５６】
この態様によれば、通常の誘電体と比較して一層良好に、超微細領域の誘電率分布を高精度で測定可能となる。
【００５７】
本発明の本質、実用性、更に特徴は、簡単に後述される添付図面とともに読まれる、本発明の好適な実施の形態に関する次の詳細な説明から明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、本発明の好適な実施の形態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実施形態の誘電率測定装置について図１から図５を参照して説明する。ここで図１はカンチレバーのモデルと各種容量、及び誘電率検出の構成について示す図であり、図２はカンチレバーの誘電体試料に対するトレースと接触性について示す図である。また、図３は容量変化と共振周波数変化の関係について説明するための図であり、図４は誘電率変化の標準試料の測定結果を示す図であり、また、図５は容量変化と共振周波数変化について、複数の標準試料に基づく検量線を示す図である。
【００６０】
図１に示すように、誘電率測定装置１の構成は、カンチレバー１１と、電極１４と、発振器１６と、ＦＭ復調器１７と、誘電率検出器１８とを具備して構成される。さらに誘電体試料１２の誘電率測定部位の容量Ｃｓを含めた全容量と共振回路を構成するインダクタＬが設けられている。
【００６１】
次に各々の構成要素の動作、作用について説明する。
【００６２】
カンチレバー１１は、誘電体試料１２の誘電率測定のために用いられ、導電体部材から成る梁状部１１ａとその先端側面部に設けられた突起部１１ｂで構成されている。突起部１１ｂが誘電体試料１２の誘電率測定部位に当接され、誘電体試料１２の測定微小領域に発振器１６からの高周波電界を印加する。誘電体試料１２はステージ１３の上に載置される。
【００６３】
電極１４はカンチレバー１１の周囲に設けられ接地される電極である。この電極１４は後述する発振器１６の発振信号がカンチレバー１１に伝えられ、その高周波電界が誘電体試料１２の微小領域の容量を通過して接地側に戻るようにするために設けられるものであって、同様の働きをする電極であればその形状は問わない。
【００６４】
発振器１６は誘電体試料１２の微小領域の容量Ｃｓに対応した周波数で発振する発振器である。より具体的には、インダクタＬとカンチレバー１１の突起部１１ｂの直下の容量Ｃｓを含む回路の共振に係わる容量で共振回路が形成され、発振器１６はこの共振回路の共振周波数に応じた周波数で発振する。この周波数は１ＧＨｚ程度である。詳しくは後述するが、この微小領域の容量Ｃｓは誘電体の誘電率と密接な関係を有し、この容量Ｃｓの変動が他の容量とは切り離されて発振周波数の変動分として抽出される。
【００６５】
また、測定精度の向上のために発振器１６の発振周波数はさらに高くすることが望ましい。その場合共振回路の定数もそれに対応して選定される必要がある。
【００６６】
ＦＭ復調器１７は発振器１６の発振出力を復調するものであって、容量Ｃｓの変動により受けた周波数変調をＡＭ信号に復調する。ＦＭ復調器１７として汎用のＦＭ検波回路が用いられる。
【００６７】
誘電率検出器１８は、ＦＭ復調器１７で復調された信号から誘電率を検出するための信号処理と演算処理を行うための回路を備える。また、演算処理の回路は得られた情報について所定の演算と、データ校正等の処理が行われ誘電率が決定される。
【００６８】
次に、カンチレバー型の探針を用いた場合の操作性の利点について説明する。図２（ａ）は当初設定した状態のカンチレバー１１の固定部材１９と誘電体試料１２との位置関係を示し、その距離は、図２（ａ）に示すように、ｄ１に保たれた状態である。固定部材１９の位置設定は、図示しない所定の垂直方向位置決め装置によって行われる。このときカンチレバー１１の根元は、梁状部１１ａが固定部材１９に若干の撓みをもつように固定される。梁状部１１ａが有する弾性により、突起部１１ｂは誘電体試料１２に適度の接触圧で当接することになる。
【００６９】
図２（ｂ）は誘電体試料１２の表面がｄ２だけ凹となり、ヘッド側固定部材19との距離がｄ１＋ｄ２となった状態である。ＳＮＤＭはサブｎｍオーダーの表面状態を観察できるものであり、従って逆に原子レベルの凹凸が操作上影響してくることは避けられない。一方、誘電体試料１２の表面は原子レベルの凹凸があることは避けられなく、また、温度による厚み方向の変化も考慮する必要がある。このような状態で、その表面が凹となっても梁状部１１ａの弾性により適度な接触圧は保持される。但し、梁状部１１ａの撓みが若干緩むことによって突起部１１ｂが最適な状態でこの表面に当接することが可能である。
【００７０】
一方、図２（ｃ）は誘電体試料１２の表面がｄ３だけ凸となり、ヘッド側固定部材19との距離がｄ１−ｄ３となった状態である。この場合は梁状部１１ａの撓みが若干増し、突起部１１ｂの接触圧は増すものの適度な接触性は保たれる。
【００７１】
カンチレバー１１の探針の先端である突起部１１ｂは、ｎｍオーダーの曲率で超微細加工されており、これにより、ｎｍオーダーの分解能を実現可能となる。
【００７２】
このように探針としてカンチレバータイプを採用することで、誘電体試料１２の表面の若干の凹凸に対して、その都度探針の高さ方向の調節をする必要はなく操作性と追随性、トレース能力が格段に向上する。同時に、このようなカンチレバータイプの探針の先端を超微細加工するので、高分解能で誘電体試料１２の表面の探索が可能となる。この利点はこの技術を後述の如く情報記録・再生装置に適用した場合に特に顕著になり、長時間連続して記録再生を行うことを可能ならしめる。従来からの垂直に立てるプローブタイプの探針では誘電体試料１２の表面の凹凸に対応するために所定の調整動作が必要であったり、そのための機構が必要であった。
【００７３】
次に、誘電率の定量測定について図1、図３〜図５を参照して説明する。
【００７４】
ここで用いる探針はカンチレバー型であり、図1に示すように、先端部１１ｂ直下の誘電体の容量をＣｓ、カンチレバー１１と誘電体試料１２との間の容量をＣ01、装置の浮遊容量Ｃ0とする。容量Ｃ01、Ｃ０は装置の構成形態によって決まり、容量Ｃｓは誘電体の誘電率によって決まる量である。また、容量Ｃ01、Ｃ０と容量Ｃｓはその機構構成上、並列に入ることになる。
【００７５】
この状態で外付けされたインダクタＬとの関係における共振周波数について検討する。図３（ａ）はカンチレバー１１の先端が半径ａの球であるとしたもので、誘電体試料１２から離れている状態であり、容量Ｃｓは共振周波数に関与しない状態である。この状態ではインダクタＬと容量Ｃ０によって共振回路を構成し、その周波数ｆ0は
[数１]ｆ0＝１／２π√（ＬＣ０）
である。次に図３（ｂ）に示すように、カンチレバー１１が誘電体試料１２に当接され、共振回路の容量Ｃ０に容量Ｃ01と容量Ｃｓが並列に加わったとする。この合成容量をＣ＝Ｃ０＋Ｃ01＋Ｃｓとするが、ＣｓはＣ01より十分に小さいので（１：１０００程度）、近似的にＣ＝Ｃ０＋Ｃ01とする。このとき共振周波数ｆｓは
[数２]ｆｓ＝１／２π√｛Ｌ（Ｃ０＋Ｃ01）｝
となる。従って数１、数２より、数３、数４が導かれる。
【００７６】
[数３]ｆ0／ｆｓ＝√｛（Ｃ０＋Ｃ01）／Ｃ０｝
[数４]１／（Ｃ０＋Ｃ01）＝（ｆｓ／ｆ0）2／Ｃ０
次にカンチレバー１１が移動し、その直下の容量ＣｓがＣｓ＋ΔＣｓとなり、発振周波数ｆｓがｆｓ＋Δｆｓになったとする。このときΔｆｓは
[数５]Δｆｓ＝−ｆｓΔＣｓ／｛２（Ｃ０＋Ｃ01）｝
となる。これは数6より示される。即ち、
[数６]ｆｓ＋Δｆｓ＝１／２π√｛Ｌ（Ｃ０＋Ｃ01＋Ｃｓ＋ΔＣｓ）｝
≒１／２π√｛Ｌ（Ｃ０＋Ｃ01＋ΔＣｓ）｝
さらにテーラー展開により
＝〔１−ΔＣｓ／｛２（Ｃ０＋Ｃ01）｝〕
／２π√｛Ｌ（Ｃ０＋Ｃ01）｝
一方、カンチレバー１１の直下の容量変化ΔＣｓは数7で示される。
【００７７】
[数７]ΔＣｓ＝４πε０ａ〔１／｛ｂ（１−ｂ）｝
−ｌｎ｛１／（１−ｂ）｝／ｂ２〕〔２Δε／（εｒ＋１）２〕
＝４πε０ａ×２ＫΔε
但し、
[数８]Ｋ＝〔１／｛ｂ（１−ｂ）｝−ｌｎ｛１／（１−ｂ）｝／ｂ２〕
〔２／（εｒ＋１）２〕
[数９]ｂ＝（εｒ−１）／（εｒ＋１）
である。また、εｒは誘電体試料１２の平均比誘電率であり、Δεはカンチレバー１１直下の比誘電率がεａになったとしたときのΔε＝εｒ−εａである。尚、数７の導出は既知のものであり、ここでの説明は省略する。
【００７８】
従って、周波数変化Δｆｓは、数５、数６、数７、数８より
[数１０]Δｆｓ＝−ｆｓΔＣｓ／｛２（Ｃ０＋Ｃ01）｝
＝−ｆｓ×４πε０ａ×２ＫΔε／｛２（Ｃ０＋Ｃ01）｝
＝−４πε０ｆｓＫΔε｛ａ／（Ｃ０＋Ｃ01）｝
＝−４πε０（ａ／Ｃ０）（ｆｓ３／ｆ0２）ＫΔε
数１０においてＫは既知の誘電体試料の平均比誘電率εｒを測定することでわかり、従って、Δｆｓ、Δεがわかればａ／Ｃ０（プローブ定数と称する）を決定することができる。即ち、ａ／Ｃ０が決定できればΔｆｓは測定できるのでΔεを求めることが可能となる。
【００７９】
次に、Δｆｓ、Δεの決定について説明する。比誘電率が既知の誘電体試料１２であるとする。即ち、図３Ｂに示すように、その比誘電率εａ、εｂが、誘電体試料１２に対向するカンチレバー１１及びその支持部分（図示せず）を含む範囲内において交互に分布しているとする。比誘電率εａ、εｂは容量Ｃ０を形成する。また、この試料を用いて発振させたときの発振周波数をｆａ、ｆｂとする。平均比誘電率がεｒの場合の周波数はｆｓであり、周波数ｆｓがｆｂ（＝ｆｓ＋Δｆｂ）になったとき、εｒはεｂ（＝ｆｓ＋Δｆｂ）、また、周波数ｆｓがｆａ（＝ｆｓ＋Δｆａ）になったとき、εｒはεａであるとする。よって、Δｆｓ＝Δｆｂであり、Δε＝εｂ−εｒである。従って、数１０において、ａ／Ｃ０のみが装置固有の未知数となる。しかしながら、これは上述したようにプローブ定数として誘電率が既知の試料を用いて決定することが可能である。
【００８０】
次に、誘電体試料１２を図３（ｃ）に示すようにこの測定装置で測定しようとする。比誘電率εａ´、εｂ´が交互に並んでいるとし、測定状態での平均比誘電率をεｒ´とする。この平均比誘電率をεｒ´の決定方法は後段で図５を用いて詳述する。このときの全容量をＣ´＝Ｃ０＋Ｃ01´＋Ｃｓ´≒Ｃ´＝Ｃ０＋Ｃ01´とすると、発振周波数ｆｓ´は数１１に示すように、
[数１１]ｆｓ＝１／２π√（ＬＣ´）
＝１／２π√｛Ｌ（Ｃ０＋Ｃ01´）｝
となる。従って、数４と同様に
[数１２]１／（Ｃ０＋Ｃ01´）＝（ｆｓ´／ｆ0）2／Ｃ０
となり、同様にして、周波数変化Δｆｓ´は数１３、カンチレバー１１直下の容量変化ΔＣｓ´は数１４で表せる。
【００８１】
[数１３]Δｆｓ´＝−ｆｓ´ΔＣｓ´／｛２（Ｃ０＋Ｃ01´）｝
[数１４]ΔＣｓ´＝４πε０ａ〔１／｛ｂ´（１−ｂ´）｝
−ｌｎ｛１／（１−ｂ´）｝／ｂ´２〕
〔２Δε´／（εｒ´＋１）２〕
＝４πε０ａ×２Ｋ´Δε´
但し、
[数１５]Ｋ´＝〔１／｛ｂ´（１−ｂ´）｝
−ｌｎ｛１／（１−ｂ´）｝／ｂ´２〕
〔２／（εｒ´＋１）２〕
[数１６]ｂ´＝（εｒ´−１）／（εｒ´＋１）
従って、周波数変化Δｆｓ´は数１３、数１４、数１５より、
[数１７]Δｆｓ＝−ｆｓ´ΔＣｓ´／｛２（Ｃ０＋Ｃ01´）｝
＝−ｆｓ´×４πε０ａ×２Ｋ´Δε´
／｛２（Ｃ０＋Ｃ01´）｝
＝−４πε０ｆｓＫ´Δε´｛ａ／（Ｃ０＋Ｃ01´）｝
＝−４πε０（ａ／Ｃ０）（ｆｓ´３／ｆ0２）Ｋ´Δε´
となる。従って、プローブ定数ａ／Ｃ０は前述した既知の試料のテストから知られ、ｆ0、ｆｓ´、Ｋ´即ちｂ´は測定で得られるので、波数変化ｆｓ´が分かれば比誘電率の変化Δε´が分かることになる。ここで、カンチレバー１１直下の実際の比誘電率εｒ´＋Δε´となる。
【００８２】
図５は、実際の標準試料に対する測定結果に基づく、誘電体の比誘電率と周波数偏移の関係の一例を示す。この例では、複数の標準試料が、ＬiＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３、サファイア等である場合に、１本の検量線として得られる理論曲線を示している。誘電率分布を持つ試料として、周期的分極反転構造を有するＬiＴａＯ３を測定した場合、図５では、図４に示したような平均周波数（ｆｓ）の位置が、比誘電率３６．３に対応している。また、検量線を規定する複数の標準試料に対応する点が×印で当該検量線上に記されている。このようにカンチレバー１１等を含む固有の測定系における検量線を予め求めておけば、上述した方法で、線形の誘電率を定量計測することができる。即ち、予め検量線として理論曲線が既知である固有の測定系で、測定対象たる試料の測定における周波数偏移が分かれば、この理路曲線上に当てはめることで容易に比誘電率εｒを決定することが可能となる。尚、このような検量線は、標準試料の厚さが、カンチレバー１１の先端で電界が印加される微小領域の深さと比べて十分に厚ければ（例えば５０〜１００μｍ程度以上あれば）、標準試料の厚さによらない。更に、測定対象たる試料についても、この程度の厚みがあれば、比較的高精度で比誘電率εｒを決定できる
（第１変形形態）
次に、上述した第１実施形態の第１変形形態について図６及び図７を参照して説明する。ここで図６はカンチレバーのモデルと各種容量、及び誘電率検出の構成について示す図であり、図７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る。また、図１で示したのと同様の構成要素には同様の参照符号を付し、それらの説明は適宜省略する。
【００８３】
第１変形形態は、上述した第１実施形態における、誘電体の微小領域の分極状態を変化させることにより、情報を再生又は記録、若しくは記録及び再生することができ、特に上述した特徴を有するカンチレバーをピックアップ手段として用いることで、高密度に情報を記録する情報記録・再生装置の基本構造に応用するものである。この情報記録・再生装置の基本構造を用いた、より具体的な装置構成及び動作については、後に第２及び第３変形形態並びに第２及び第３実施形態として説明する。ここでは特に、第１変形形態における誘電率検出の基本原理は、上述した第１実施形態の場合と殆ど同様である。
【００８４】
即ち図６に示すように、誘電体記録・再生装置１'は、カンチレバー１１と、電極１４と、交流信号発生器１５と、発振器１６と、ＦＭ復調器１７と、誘電率検出器１８とを具備して構成される。さらに交流信号発生器１５からの信号が発振器１６に干渉することを防止するためのインダクタＬａ及び容量Ｃａからなるローカットフィルタと、誘電体試料１２の誘電率測定部位の容量Ｃｓを含めた全容量とともに共振回路を構成するインダクタＬとが設けられている。
【００８５】
次に各々の構成要素の動作、作用について説明する。
【００８６】
交流信号発生器１５は、インダクタＬａを介してカンチレバー１１に供給する低周波信号を発生する。この信号は、５ＫＨｚ程度の周波数を有する交流信号であり、突起部１１ｂから交番電界として誘電体試料１２の微小領域に印加される。また、インダクタＬａと容量Ｃａによって構成されるローカットフィルタによって交流信号発生器１５の交流信号が発振器１６に伝わって干渉を起こすことを防止する。その遮断周波数はｆ＝１／２π√（ＬａＣａ）である。交流信号発生器１５の交流信号の周波数は５Ｋｈｚ程度であり、発振器１６の発振周波数は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。ここでローカットフィルタのために挿入される容量Ｃａの発振に対する影響については、容量Ｃｓ、浮遊容量Ｃ０等は容量Ｃａと比較して十分に小さく、また、直列接続になっているので容量Ｃａの影響は無視できる。
【００８７】
また、測定精度の向上のために交流信号発生器１５と発振器１６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。
【００８８】
誘電率検出器１８は、ＦＭ復調器１７で復調された信号から誘電率を検出するための信号処理と演算処理を行うための回路を備える。上述した交流信号発生器１５の交流信号を受信し、復調信号をこの信号と参照して同期検波し、高品位の誘電率に関する情報が抽出される。この同期検波として例えばロックインアンプを用いる。ロックインアンプの構成と動作については後段で詳しく説明する。尚、他の位相検波手段を用いてもよいことは当然である。また、演算処理の回路は得られた情報について所定の演算と、データ校正等の処理が行われ誘電率が決定される。
【００８９】
次に、誘電体試料の分極状態と検出電圧について図７を参照して説明する。
【００９０】
図７に示すように誘電体試料１２の測定用微小領域の分極が矢印Ｐで示される方向になっているとする。カンチレバー１１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の正負が決まり、従ってこれに対応する容量Ｃｓａ〜Ｃｓｎの値が変化する。詳しくは後述するが、発振器１６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、検波することで誘電率の情報の読み出しが可能となる。
【００９１】
図６に示した第１変形形態では好ましくは、カンチレバー１１を複数用いて同時に情報の記録或いは再生を行う。この際、複数の交流信号発生器１５及び複数のインダクタＬａを情報記録・再生装置に配置し、各カンチレバー１１に対し、各交流信号発生器１５が、各インダクタＬａを介して固有の異なる周波数の交番電圧を供給するように構成すれば、この各交流信号の周波数を参照信号として、各カンチレバーで検出する信号を弁別可能となる。その周波数は、５Ｋｈｚ程度を中心としたものであり、各カンチレバー１１とステージ１３との間の誘電体薄膜１２の各微小領域に交番電界を印加することになる。
【００９２】
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、このような各カンチレバー１１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、直流電圧或いはパルスを各カンチレバー１１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カンチレバー１１の数ほど周波数の異なる交流信号を各交流信号発生器１５により印加すればよい。そして、このような各交流信号発生器１５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。
【００９３】
（第２変形形態）
次に、図８を参照し、カンチレバーを用いた上記誘電率測定の技術を応用した情報再生装置２について説明する。微小領域の分極状態の変化として、情報を誘電体の微小領域に高密度記録することができ、上述した特徴を有するカンチレバーをピックアップ手段として用いることで高密度に記録された情報を読み出すことが可能である。
【００９４】
情報再生装置２は、誘電体２２と基板２３からなる誘電体記録媒体２１と、カンチレバー２４と、電極２５と、交流信号発生装置２６と、発振器２７と、ＦＭ復調器２８と、信号検出器２９と、インダクタＬと、インダクタＬａと、容量Ｃａとを備える。ここで上述した浮遊容量等については所定の手法により決定されるものとして以下の説明には導入しない。
【００９５】
誘電体記録媒体２１の誘電体２２の表面微小領域に記録する情報に対応して分極状態が決められ、それに応じて容量Ｃｓが決定される。カンチレバー２４が当接した微小領域の容量ＣｓとインダクタＬとを構成要素として共振回路が形成され、発振器２７はその共振周波数に基づいて発振する。その発振回路中に容量Ｃａが直列に挿入されているがＣｓに対してきわめて大きいので、容量Ｃｓが共振周波数の支配的要素である。
【００９６】
電極２５は発振器２７で発振した高周波信号がカンチレバー２４に印加され、更に誘電体２２の微小領域に印加されるときに、高周波電界が接地に戻るための電極である。
【００９７】
交流信号発生装置２６はカンチレバー２４に印加する交流信号を発生し、誘電体２２の微小領域に交番電界を印加する。この交番電界の方向と分極の方向とから誘電率の違い、即ちそれに対応する容量Ｃｓの違いが検出され、発振器２７の発振周波数を変調することになる。
【００９８】
インダクタＬａと容量Ｃａは交流信号発生装置２６の交流信号が発振器２７に漏れこみ、干渉を起こすことを防止するために設けられたローカットフィルタを構成している。発振器２７の発振周波数は１ＧＨｚ程度であり、交流信号発生装置２６の交流信号の周波数は５ＫＨｚ程度であり、１次のＬＣフィルタで十分分離は可能である。
【００９９】
FM復調器２８は周波数変調された発振器２７の発振信号を復調する。これは通常のＦＭ検波手段が用いられる。信号検出器２９はFM復調器２８で復調された信号から、交流信号発生器２６の交流信号を同期信号として同期検波を行い、記録されていた情報を再生する。
【０１００】
カンチレバー２４は複数本用いてもよく、その場合、その各々に固有の個別な交流信号を印加し、情報の弁別に使用される。
【０１０１】
以上説明したように、カンチレバーを探針電極として用いる誘電率測定装置１の技術を適用することで、高密度の情報再生装置が構成できる。
【０１０２】
（第３変形形態）
次に、図９を参照し、カンチレバーを用いた上記誘電率測定の技術を応用した情報記録装置について説明する。誘電体の微小領域の分極状態を変化させて情報を記録することができ、上述した特徴を有するカンチレバーをピックアップ手段として用いることで高密度に情報を記録することが可能である。
【０１０３】
情報記録装置３は、誘電体３２と基板３３からなる誘電体記録媒体３１と、カンチレバー３４と、電極３５と、交流信号発生装置３６と、記録信号発生器３７と、加算器３８と、発振器３９と、ＦＭ復調器４０と、信号検出器４１と、インダクタＬと、インダクタＬａと、容量Ｃａとを備える。
【０１０４】
誘電体記録媒体３１の誘電体３２の表面微小領域に記録する情報に対応して分極状態が決められ、それに応じた容量Ｃｓがある。カンチレバー３４が当接した微小領域の容量ＣｓとインダクタＬとを構成要素として共振回路が形成され、発振器３９はその共振周波数に基づいて発振する。その発振回路中に容量Ｃａが直列に挿入されているがＣｓに対してきわめて大きいので、容量Ｃｓが共振周波数の支配的要素であることは上述したとおりである。
【０１０５】
電極３５は発振器３９で発振した高周波信号がカンチレバー３４に印加され、更に誘電体３２の微小領域に印加されるときに、高周波電界が接地に戻るための電極である。
【０１０６】
交流信号発生装置３６はカンチレバー３４に印加する交流信号を発生し、誘電体３２の微小領域に交番電解を印加し、記録信号発生器３７からの記録信号にバイアスをかけ、分極状態を制御して情報を記録する。分極状態に対応する容量Ｃｓの違いに基づいて発振器３９の発振周波数を変調させ、これを復調することで正しい記録動作が行われているかモニターすることが可能となる。
【０１０７】
インダクタＬａと容量Ｃａは交流信号発生装置３６の交流信号が発振器３９に漏れこみ、干渉を起こすことを防止するために設けられたローカットフィルタを構成している。発振器３９の発振周波数は１ＧＨｚ程度であり、交流信号発生装置３６の交流信号の周波数は５ＫＨｚ程度であり、１次のＬＣフィルタで十分分離は可能である。さらに周波数を高めることはデータ転送レート上有利であり、その場合はそれに適合したフィルター定数を選定すればよい。
【０１０８】
FM復調器４０は周波数変調された発振器３９の発振信号を復調する。これは通常のＦＭ検波手段が用いられる。信号検出器４１はFM復調器４０で復調された信号から、交流信号発生器３６の交流信号を同期信号として同期検波を行い、記録されていた情報を再生する。
【０１０９】
カンチレバー３４は複数本用いてもよく、その場合、その各々に固有の個別な交流信号を印加し、情報の弁別に使用される。
【０１１０】
以上説明したように、カンチレバーを探針電極として用いる誘電率測定装置１の技術を適用することで、高密度の誘電体記録装置が構成できる。
【０１１１】
次に、誘電率検出器又は信号検出器（１８、２９、４１）の同期検波に供されるロックインアンプについて、図１０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。
【０１１２】
ロックインアンプ５は、図１０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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
入力端子Ｔ１に入力される復調信号と入力端子Ｔ２に入力される基準信号との間の位相差をφとし、また前記復調信号と前記基準信号（方形波）が同相（即ち、φ＝０）で掛算されるときの低域ろ波された後の電圧の絶対値を｜Ｖａ｜とすると、｜Ｖａ｜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、数１８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１９で表される。
【０１１５】
[数１８]Ｖａ１＝｜Ｖａ｜・ｓｉｎφ
[数１９]Ｖａ２＝｜Ｖａ｜・ｃｏｓφ
次に、ここで上述したように構成されたロックインアンプ等の基本回路を備える誘電体情報装置において、誘電体の微小領域に印加する交番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。
【０１１６】
図９に示すように交流信号発生器（１５、２６、３６）によって探針（即ち、カンチレバー１１、２４又は３４）と電極（即ち、ステージ１３又は基板２３、３３）の間の微小領域に周波数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の振幅に比例する、即ち、周波数ｆｐを有する正弦波の交番電界Ｅｐを発生する。交流電圧Ｖｐと交番電界Ｅｐは、数２０で表される角周波数ωｐを用いて数２１と数２２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は交番電界Ｅｐの振幅である。
【０１１７】
[数２０]ωｐ＝２πｆp
[数２１]Ｖｐ＝Ｖｐ0cosωp
[数２２]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、交番電界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２３で表される。
【０１１８】
[数２３]εｔ＝ε２＋ε３Ｅｐ＋（１／２）ε４Ｅｐ２
ここで、数２３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２４と数２５の関係が成り立つ。
【０１１９】
[数２４]ｄＵ＝ＥｄＤ
[数２５] Ｈ＝Ｕ−ＥＤ
以上の数２４と数２５から微分ｄＨは、次の数２６で表される。従って、電束密度Ｄは数２７で表される。
【０１２０】
[数２６]ｄＨ＝−ＤｄＥ
[数２７]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２８で与えられる。
【０１２１】
[数２８]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２７と数２８から電束密度Ｄは、次の数２９で表される。
【０１２２】
[数２９]Ｄ＝−(∂2Ｈ/∂Ｅ2)0Ｅ−(1/2)(∂3Ｈ/∂Ｅ3)0Ｅ2
−(1/6)(∂4Ｈ/∂Ｅ4)0Ｅ3
＝ε2Ｅ＋(１/２)ε3Ｅ2＋(１/６)ε4Ｅ3
ここで、
[数３０]−(∂2Ｈ/∂Ｅ2)0＝ε2
[数３１]−(∂3Ｈ/∂Ｅ3)0＝ε3
[数３２]−(∂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２９において、交番電界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。このとき前記交番電界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２９は次の数３３のように表わすことができる。
【０１２３】
[数３３]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３４で表され、また交番電界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３４の第２項のΔＤは数３５のように表わすことができる。
【０１２４】
[数３４]Ｄｐ＝ε2Ｅｐ＋(１/２)ε3Ｅｐ2＋(１/６)ε4Ｅｐ3
[数３５]ΔＤ＝ε2ΔＥ＋ε3ＥｐΔＥ＋（１/２）ε4Ｅｐ2ΔＥ
＝｛ε2＋ε3Ｅｐ＋(１/２)ε4Ｅｐ2｝ΔＥ
＝εｔΔＥ
数３５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２３を導くことができる。また、３次の誘電率ε3は、特に交番電界Ｅｐの向きと分極Ｐの向きが同じ向き場合と、交番電界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２３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。また、前記探針（即ち、カンチレバー１１、２４又は３４）と電極（即ち、ステージ１３又は基板２３、３３）とによって挟設された前記微小領域が構成するキャパシタンスＣｓは、誘電率εｔに比例するので、誘電体の厚さｄと探針（即ち、カンチレバー１１、２４又は３４）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２３を用いて次の数３６のように表すことができる。
【０１２５】
[数３６]Ｃs＝Ｃe（１/ｄ）｛ε2＋ε3Ｅp＋（１/２）ε4Ｅp2｝
また、数３６で表されるキャパシタンスＣｓは、次の数３７で表されるキャパシタンスＣ0と次の数３８で表されるキャパシタンス変化量△Ｃを用いると数３９のように表すことができる。ここで、キャパシタンスＣ０は、交流電圧Ｖｐが印加されていないときの探針（即ち、カンチレバー１１、２４又は３４）と電極（即ち、ステージ１３又は基板２３、３３）と、探針（即ち、カンチレバー１１、２４又は３４）と電極（即ち、ステージ１３又は基板２３、３３）とによって挟設された前記微小領域が構成するキャパシタンスであり、キャパシタンス変化量△Ｃは、交流電圧Ｖｐを印加したときのキャパシタンスＣ0からのキャパシタンス変化量である。
【０１２６】
[数３７]Ｃ0＝Ｃe(１/ｄ)ε２
[数３８]△Ｃ＝Ｃｅ（１/ｄ)｛ε3Ｅp＋(１/２)ε4Ｅp2｝
[数３９]Ｃs＝Ｃ0＋△Ｃ
数２２で表される交番電界Ｅｐを数３０の右辺に代入して、さらに数４０で表される三角関数の公式を用いて変形すると、△Ｃは数４１のように表すことができる。
【０１２７】
[数４０]cos2(ωp・ｔ)＝｛1＋cos(2ωp・ｔ)｝/2
[数４１]△Ｃ＝Ｃe(1/ｄ){ε4Ｅp0２/4＋ε3Ｅp0cos(ωp・ｔ)
＋(ε4Ｅp02/4)cos(2ωp・ｔ)}
更に、数４１は、次の数４２と数４３と数４４で表されるキャパシタンス変化量△Ｃ2、△Ｃ3、△Ｃ4を用いて数４５のように書き換えることができる。ここで、キャパシタンス変化量△Ｃ2は、４次の誘電率ε4と交番電界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、キャパシタンス変化量△Ｃ3は、３次の誘電率ε3と交番電界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キャパシタンス変化量である。また、キャパシタンス変化量△Ｃ4は、４次の誘電率ε4と交番電界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キャパシタンス変化量である。
【０１２８】
[数４２]△Ｃ2＝Ｃe(1/ｄ)(ε4Ｅp02/4)
[数４３]△Ｃ3＝Ｃe(1/ｄ)ε3Ｅp0cos(ωp・ｔ）
[数４４]△Ｃ４＝Ｃe(1/ｄ)(ε4Ｅp02/4)cos(2ωp・ｔ)
[数４５]△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４６で表される。
【０１２９】
[数４６]ｆLC＝1/{2π√(Ｌ・Ｃs)}
＝1/[2π√｛Ｌ・（Ｃ0＋ΔＣ）｝]
また、数４３におけるε3Ｅｐ0と数３６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３７数３８よりＣ0≫ΔＣが成り立つ。従って、数４６を数４７で表される近似式を用いて書き換えると、前記キャパシタンス変化量△Ｃと共振周波数変化量△ｆLCの関係は、数４８のように表わすことができる。
【０１３０】
[数４７]√(1＋△Ｃ/Ｃ0)＝(1＋△Ｃ/Ｃ0)−1/2≒1−(1/2)(△Ｃ/Ｃ0)
[数４８]△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、前記キャパシタンスＣｓのキャパシタンス変化量△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、前記キャパシタンスＣｓのキャパシタンス変化量△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、前記キャパシタンスＣｓのキャパシタンス変化量△Ｃに比例して変化する。また、上述のようにキャパシタンス変化量△Ｃは、３次の誘電率ε3と交番電界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キャパシタンス変化量△Ｃ3と、４次の誘電率ε4と交番電界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キャパシタンス変化量△Ｃ4を含むので、前記発振信号は、３次の誘電率ε3と交番電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0に比例する振幅を有しかつ角周波数ωｐすなわち周波数ｆｐを有する信号Ｓ3と、４次の誘電率ε4と交番電界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すなわち周波数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。
【０１３１】
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と交番電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0に比例する振幅を有しかつ周波数ｆｐを有する信号Ｓ3と、４次の誘電率ε4と交番電界Ｅｐの振幅Ｅｐ0の２乗に比例する振幅を有しかつ周波数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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。すなわち出力電圧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が実数であってかつ正の値のときには、数３４から明らかなように、キャパシタンス変化量ΔＣ3と交番電界Ｅｐは同相で変化する。また、数３９から明らかなように、前記キャパシタンス変化量ΔＣ3は、共振周波数変化量ΔｆLCと逆相で変化する。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は交番電界Ｅｐと逆相で変化する。さらに、交番電界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の位相差は０になる。
【０１３４】
以上説明したように、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、３次の誘電率ε3が負のときには、位相差は０になって出力電圧Ｖａ2はプラスの値で出力される。
【０１３５】
従って、３次の誘電率ε3の正負によって出力が変化し、正負の程度によって出力のレベルも変化する。このようにして微小領域の分極状態を検出することができる。
【０１３６】
（第２実施形態）
図１１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情報記録・再生装置６について説明する。
【０１３７】
まず、記録媒体となる誘電体は導電性のテープ状基板の上に誘電体からなる誘電体膜を、例えばスパッタリング等の公知の方法によって形成する。
【０１３８】
誘電体材料は、例えば以下に示す材料が使用される。
【０１３９】
（ａ）ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3の固溶体であるＰＺＴ材料。
【０１４０】
（ｂ）ＰｂＴｉＯ3で表されるチタン酸鉛。
【０１４１】
（ｃ）ＰｂＺｒＯ3で表されるジルコン酸鉛。
【０１４２】
（ｄ）ＢａＴｉＯ3で表されるチタン酸バリウム。
【０１４３】
（ｅ）ＬｉＮｂＯ3で表されるニオブ酸リチウム。
【０１４４】
（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。
【０１４５】
（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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
まず、情報記録・再生装置６の構成の概略は、導電性の薄膜基板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の薄膜基板６１を接地する手段であるベース６８、カンチレバー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、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。
【０１４８】
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とカンチレバー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。
【０１４９】
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、その指示に従って情報記録・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。
【０１５０】
次に、ヘッド７３はカンチレバー６９を有し、これに情報を印加し、或いは読み取る回路を備えている。カンチレバー６９は図１１の紙面の垂直方向に複数本設けられている。ヘッド７３に搭載する各回路は、例えば図９に示す発振器３９、インダクタＬ、容量Ｃａ等を含む。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９に示す交流信号発生器３６、記録信号発生器３７、ＦＭ復調器４０、信号検出器４１等を備えている。電極７５はカンチレバー６９から放射される高周波電界を接地に導くためのものである。尚、これら各構成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る。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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、記録機能だけのテープ状媒体記録装置、再生機能だけのテープ状媒体再生装置についても、それに関する機能を取り上げて構成されるものである。
【０１５３】
（第３実施形態）
図１２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情報記録・再生装置７について説明する。誘電体材料は前述したものを用いることが可能である。
【０１５４】
まず、情報記録・再生装置７の構成の概略は、導電性の基板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の基板８１を接地する手段である回転ベース８５、制御回路８６、操作入力部８７、動作状態表示部８８、ヘッド８９、カンチレバー９０、ヘッド８９をディスク半径方向（紙面に垂直方向）に移動するモータ９１、スクリュー９２、ヘッドをガイドする軸９３、記録再生回路９４、電極９５、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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
また、制御回路８６は操作入力部８７から入力される操作指示の信号を受け、その指示に従って情報記録・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。
【０１５７】
次に、ヘッド８９は誘電体記録媒体８３の半径方向（紙面垂直方向）に、モータ９１によりスクリュー９２を回転して移動する。軸９３はスクリュー９２と対を成し、ヘッド８９の移動がスムーズに行えるように支持する。このヘッド８９は複数のカンチレバー９０を有し、このカンチレバー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。各回路は、例えば図９に示す発振器３９、インダクタＬ、容量Ｃａ〜Ｃｎ等を含む。
【０１５８】
ヘッド８９で読み取った再生情報は記録再生回路９４で処理される。この記録再生回路９４は、例えば図９に示す、交流信号発生器３６、記録信号発生器３７ＦＭ復調器４０、信号検出器４１等を備えている。電極９５はカンチレバー９０から放射される高周波電界を接地に導くためのものである。尚、これら各構成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る。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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、記録機能だけのディスク状媒体記録装置、再生機能だけのディスク状媒体再生装置についても、それに関する機能を取り上げて構成されるものである。
【０１６１】
以上詳細に説明したように、上述した２つの記録・再生装置６，７は本発明の著しい特徴として、カンチレバー型のトレース能力が極めて高い複数の探針を用いることと、これら複数の探針が１つの発振器に取り付けられていて作動することである。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前記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を可能としている。さらに前記低周波交番電界に記録用の信号を重畳して同時に記録することを可能としている。
【０１６２】
また、低周波電圧印加回路と、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、共振器相互の干渉がなく、十分に分離された信号を記録し、再生することが可能となる。
【０１６３】
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。
【０１６４】
尚、以上説明した各実施形態では、誘電体記録媒体２１、３１、６３及び８３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。
【０１６５】
（産業上の利用可能性）
本発明の誘電率測定装置及び誘電率測定方法は、誘電体記録媒体を用いた情報記録及び／又は再生装置に利用可能である。情報記録及び／又は再生装置は、映像信号、音声信号、コンピュータプログラムデータ等の情報を高密度で記録し、且つ／或いは、記録された情報を再生するために使用される。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】本発明の実施形態における、カンチレバーのモデルと各種容量、及び誘電率検出の構成について示す図である。
【図２】カンチレバーの誘電体試料に対する接触性について示す図である。
【図３】容量変化と共振周波数変化の関係について説明するための図である。
【図４】誘電率変化の標準試料の測定結果を示す図である。
【図５】容量変化と共振周波数変化について、複数の標準試料に基づく検量線を示す図である。
【図６】第１変形形態における、カンチレバーのモデルと各種容量、及び誘電率検出の構成について示す図である。
【図７】第１変形形態における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８】第２変形形態における交流信号をカンチレバーに印加して誘電率を検出する構成を示す図である。
【図９】第３変形形態における交流信号と記録信号により誘電体の微小領域の分極を変化させるための構成を示す図である。
【図１０】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１１】本発明の第２実施形態における、テープ状の誘電体記録媒体を用いる記録・再生装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３実施形態における、ディスク状の誘電体記録媒体を用いる記録・再生装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１６７】
１・・・誘電率測定装置
２・・・誘電体再生装置
３・・・誘電体記録装置
５・・・ロックインアンプ
６・・・テープ状媒体記録・再生装置
７・・・ディスク状媒体記録・再生装置
１１，２４，３４，６９，９０・・・カンチレバー
１４，２５，３５，７５，９５・・・電極
１５，２６，３６・・・交流信号発生器
１６，２６，３６・・・発振器
１７，２８，４０・・・ＦＭ復調器
１８・・・誘電率検出器
２９，４１・・・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
７４，９４・・・記録再生回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体の誘電率を測定する誘電率測定装置であって、
梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、
前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、
前記探針が接触する誘電体の微小領域の容量と共振回路を構成するように設けられたインダクタと、
前記共振回路に接続された発振手段と、
前記発振器の発振周波数を復調する復調手段と、
前記復調手段の復調信号から誘電率情報を検出する検出手段と、
を具備することを特徴とする誘電率測定装置。
【請求項２】
前記検出手段は、前記探針を既知の誘電率分布を有する誘電体試料に接触させ、該誘電体試料の微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記誘電体の発振周波数のデータを使用して、該誘電体の誘電率を決定する算出手段を具備すること
を特徴とする請求項１に記載の誘電率測定装置。
【請求項３】
前記算出手段は、
(i)前記探針を異なる既知誘電率を有する複数の誘電体試料の各々に接触させ、該複数の誘電体試料の各々における微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記発振周波数のデータに基づいて作成された、複数の誘電体試料に対する誘電率と発振周波数との関係を示す検量線と、
(ii)前記探針及びその支持部分が前記誘電体に対向する部分を含む範囲内において、その表面に微小な誘電率分布を有する前記誘電体に、前記探針を接触させた状態で、前記探針を静止させた場合に得られる前記発振周波数と
に基づき、前記誘電体の平均誘電率を算出し、
更に、前記誘電体に接触させた前記探針を相対的にスキャンすることで、前記誘電率分布に対応した前記発振周波数の変化から前記誘電率分布を決定することを特徴とする請求項２に記載の誘電率測定装置。
【請求項４】
前記探針に印加する交流信号を生成する交流信号生成手段を更に具備すること
を特徴とする請求項１に記載の誘電率測定装置。
【請求項５】
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更に具備すること
を特徴とする請求項４に記載の誘電率測定装置。
【請求項６】
前記検出手段による誘電率情報の検出は、前記復調信号と前記交流信号とによる同期検波で行われること
を特徴とする請求項４に記載の誘電率測定装置。
【請求項７】
複数の前記探針と複数の前記交流信号生成手段を具備しており、該複数の前記交流信号生成手段は、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給すること
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率測定装置。
【請求項８】
前記電極は、接地され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率測定装置。
【請求項９】
接地され、前記探針に対向配置されると共に前記誘電体が載せられるステージを更に備えた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率測定装置。
【請求項１０】
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率測定装置。
【請求項１１】
テープ状の誘電体記録媒体に情報を記録し再生する情報記録・再生装置であって、
前記誘電体記録媒体を直線状に移動させる移動手段と、
前記誘電体記録媒体に接触し情報を記録し読み出すための、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、
前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、
前記情報に対応する信号を生成し、該信号を前記探針を介して記録し、記録されている情報を前記探針を介して読み出し再生する回路手段と、
を具備することを特徴とする情報記録・再生装置。
【請求項１２】
複数の前記探針と、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給する複数の前記交流信号生成手段と、
を具備することを特徴とする請求項１１に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１３】
前記電極は、接地されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１４】
前記誘電体記録媒体を前記探針と挟んで設けられた導電性のベースを更に備えたことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１５】
前記誘電体記録媒体は、強誘電体からなることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１６】
ディスク状の誘電体記録媒体に情報を記録し再生する情報記録・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ための、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、
前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、
前記情報に対応する信号を生成し、該信号を前記探針を介して記録し、記録されている情報を前記探針を介して読み出し再生する回路手段と、
前記探針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、
を具備することを特徴とする情報記録・再生装置。
【請求項１７】
複数の前記探針と、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給する複数の前記交流信号生成手段と、
を具備することを特徴とする請求項１６に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１８】
前記電極は、接地されることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１９】
前記誘電体記録媒体を前記探針と挟んで設けられると共に前記回転手段により回転される導電性の回転ベースを更に備えたことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の情報記録・再生装置。
【請求項２０】
前記誘電体記録媒体は、強誘電体からなることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の情報記録・再生装置。
【請求項２１】
梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、前記探針が接触する誘電体の微小領域の容量と共振回路を構成するように設けられたインダクタと、前記共振回路に接続された発振手段と、前記発振器の発振周波数を復調する復調手段と、前記復調手段の復調信号から誘電率情報を検出する検出手段と、を具備する誘電率測定装置によって前記誘電体の誘電率を測定する誘電率測定方法であって、
前記探針を異なる既知誘電率を有する複数の誘電体試料の各々に接触させ、該複数の誘電体試料の各々における微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記発振周波数のデータに基づいて、複数の誘電体試料に対する誘電率と発振周波数との関係を示す検量線を作成する検量線作成工程と、
前記探針及びその支持部分が前記誘電体に対向する部分を含む範囲内において、その表面に微小な誘電率分布を有する前記誘電体に、前記探針を接触させた状態で、前記探針を静止させた場合に得られる前記発振周波数と、前記検量線とに基づいて、平均誘電率を算出する算出工程と、
前記測定試料に接触させた前記探針を相対的にスキャンすることで、前記誘電率分布に対応した前記発振周波数の変化から前記誘電率分布を決定する決定工程と、
を備えたことを特徴とする誘電率測定方法。
【請求項２２】
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２１に記載の誘電率測定方法。
【請求項１】
誘電体の誘電率を測定する誘電率測定装置であって、
梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、
前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、
前記探針が接触する誘電体の微小領域の容量と共振回路を構成するように設けられたインダクタと、
前記共振回路に接続された発振手段と、
前記発振器の発振周波数を復調する復調手段と、
前記復調手段の復調信号から誘電率情報を検出する検出手段と、
を具備することを特徴とする誘電率測定装置。
【請求項２】
前記検出手段は、前記探針を既知の誘電率分布を有する誘電体試料に接触させ、該誘電体試料の微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記誘電体の発振周波数のデータを使用して、該誘電体の誘電率を決定する算出手段を具備すること
を特徴とする請求項１に記載の誘電率測定装置。
【請求項３】
前記算出手段は、
(i)前記探針を異なる既知誘電率を有する複数の誘電体試料の各々に接触させ、該複数の誘電体試料の各々における微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記発振周波数のデータに基づいて作成された、複数の誘電体試料に対する誘電率と発振周波数との関係を示す検量線と、
(ii)前記探針及びその支持部分が前記誘電体に対向する部分を含む範囲内において、その表面に微小な誘電率分布を有する前記誘電体に、前記探針を接触させた状態で、前記探針を静止させた場合に得られる前記発振周波数と
に基づき、前記誘電体の平均誘電率を算出し、
更に、前記誘電体に接触させた前記探針を相対的にスキャンすることで、前記誘電率分布に対応した前記発振周波数の変化から前記誘電率分布を決定することを特徴とする請求項２に記載の誘電率測定装置。
【請求項４】
前記探針に印加する交流信号を生成する交流信号生成手段を更に具備すること
を特徴とする請求項１に記載の誘電率測定装置。
【請求項５】
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更に具備すること
を特徴とする請求項４に記載の誘電率測定装置。
【請求項６】
前記検出手段による誘電率情報の検出は、前記復調信号と前記交流信号とによる同期検波で行われること
を特徴とする請求項４に記載の誘電率測定装置。
【請求項７】
複数の前記探針と複数の前記交流信号生成手段を具備しており、該複数の前記交流信号生成手段は、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給すること
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率測定装置。
【請求項８】
前記電極は、接地され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率測定装置。
【請求項９】
接地され、前記探針に対向配置されると共に前記誘電体が載せられるステージを更に備えた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率測定装置。
【請求項１０】
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率測定装置。
【請求項１１】
テープ状の誘電体記録媒体に情報を記録し再生する情報記録・再生装置であって、
前記誘電体記録媒体を直線状に移動させる移動手段と、
前記誘電体記録媒体に接触し情報を記録し読み出すための、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、
前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、
前記情報に対応する信号を生成し、該信号を前記探針を介して記録し、記録されている情報を前記探針を介して読み出し再生する回路手段と、
を具備することを特徴とする情報記録・再生装置。
【請求項１２】
複数の前記探針と、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給する複数の前記交流信号生成手段と、
を具備することを特徴とする請求項１１に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１３】
前記電極は、接地されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１４】
前記誘電体記録媒体を前記探針と挟んで設けられた導電性のベースを更に備えたことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１５】
前記誘電体記録媒体は、強誘電体からなることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１６】
ディスク状の誘電体記録媒体に情報を記録し再生する情報記録・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ための、梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、
前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、
前記情報に対応する信号を生成し、該信号を前記探針を介して記録し、記録されている情報を前記探針を介して読み出し再生する回路手段と、
前記探針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、
を具備することを特徴とする情報記録・再生装置。
【請求項１７】
複数の前記探針と、各々の探針に対して異なる個別の周波数の交流信号を供給する複数の前記交流信号生成手段と、
を具備することを特徴とする請求項１６に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１８】
前記電極は、接地されることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の情報記録・再生装置。
【請求項１９】
前記誘電体記録媒体を前記探針と挟んで設けられると共に前記回転手段により回転される導電性の回転ベースを更に備えたことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の情報記録・再生装置。
【請求項２０】
前記誘電体記録媒体は、強誘電体からなることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の情報記録・再生装置。
【請求項２１】
梁状導電体の先端側面に微小の突起を有する探針と、前記探針の周囲に設けられた所定電位とされる電極と、前記探針が接触する誘電体の微小領域の容量と共振回路を構成するように設けられたインダクタと、前記共振回路に接続された発振手段と、前記発振器の発振周波数を復調する復調手段と、前記復調手段の復調信号から誘電率情報を検出する検出手段と、を具備する誘電率測定装置によって前記誘電体の誘電率を測定する誘電率測定方法であって、
前記探針を異なる既知誘電率を有する複数の誘電体試料の各々に接触させ、該複数の誘電体試料の各々における微小領域の容量に基づき前記発振手段を発振させて得られる前記発振周波数のデータに基づいて、複数の誘電体試料に対する誘電率と発振周波数との関係を示す検量線を作成する検量線作成工程と、
前記探針及びその支持部分が前記誘電体に対向する部分を含む範囲内において、その表面に微小な誘電率分布を有する前記誘電体に、前記探針を接触させた状態で、前記探針を静止させた場合に得られる前記発振周波数と、前記検量線とに基づいて、平均誘電率を算出する算出工程と、
前記測定試料に接触させた前記探針を相対的にスキャンすることで、前記誘電率分布に対応した前記発振周波数の変化から前記誘電率分布を決定する決定工程と、
を備えたことを特徴とする誘電率測定方法。
【請求項２２】
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２１に記載の誘電率測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−４６１３８（Ｐ２００８−４６１３８Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４２９３７（Ｐ２００７−２４２９３７）
【出願日】平成１９年９月１９日（２００７．９．１９）
【分割の表示】特願２００３−５２７４３４（Ｐ２００３−５２７４３４）の分割
【原出願日】平成１４年９月１０日（２００２．９．１０）
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【出願人】（５０１０７７７６７）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１９日（２００７．９．１９）
【分割の表示】特願２００３−５２７４３４（Ｐ２００３−５２７４３４）の分割
【原出願日】平成１４年９月１０日（２００２．９．１０）
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【出願人】（５０１０７７７６７）
【Ｆターム（参考）】
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