CN100350460C - 用于磁盘驱动器浮动块的系统、方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于磁盘驱动器浮动块的系统、方法和装置。空气支承的设计使得当盘片旋转速度降低到约三分之一其运行速率时浮动块能够以更高的飞行高度飞行。此外，浮动块具有平坦轮廓，使其以低飞行高度σ、寻道期间和高海拔运行期间的低飞行高度损失来扫描盘片表面。该设计还提供了写凸起补偿，从而减小了由写电流使写元件凸起膨胀而引起的间距损失。空气支承的后垫块的前部区域轻微凹入。该设计以一定方式通过压缩进入的空气流而产生了意想不到的结果，即使是在两个极为不同的速率下，对写元件凸起补偿同时产生了很好的空气支承提升作用。

Description

用于磁盘驱动器浮动块的系统、方法和装置
技术领域
本发明大体上涉及一种用于磁盘驱动器浮动块的改进的空气支承的设计，特别是涉及用于浮动块的提高多重速率飞行高度性能和写元件凸起补偿的空气支承的设计的系统、方法及装置。
背景技术
数据访问和存储系统典型地包括一个或多个在磁或光存储介质上存储数据的存储设备。例如，磁存储设备被认为是直接存储设备(DASD)或硬盘驱动器(HDD)，包括一个或多个盘片和用于处理与盘片有关的本地操作的盘片控制器。硬盘本身通常是由铝合金制成或由玻璃和陶瓷的混合物制成的，并被磁介质覆盖。典型地，1到6个盘片被垂直地叠在一共同主轴上，该主轴被磁盘驱动器电机以每分钟几千转的转速旋转。
硬盘驱动器使用致动器组件，致动器使磁读/写头运动到旋转盘片上的期望位置，以写数据到该位置或从该位置读取数据。在大多数的硬盘驱动器中，磁读/写头安置在浮动块上。浮动块通常用于机械地支撑磁头以及用于磁头与磁盘驱动器系统中其他部分之间的电连接。浮动块典型地由多种形状的垫块构成，其在运动空间中滑动，以维持到旋转的盘片表面的距离恒定，从而防止不被期望的磁头接触盘片。
典型地，浮动块带有一系列成型的垫块，其位于浮动块表面距离盘片最近的位置，被称为空气支承表面(air bearing surface)(ABS)，以及带有围绕上述垫块的不同深度的凹腔，被称为蚀刻腔，使浮动块在磁盘驱动器运转期间在接近盘片的位置以恒定高度飞行。浮动块与每个盘片的每一面关联，在盘片表面上空飞行。每个浮动块安装在悬架上以形成磁头万向架组件(HGA)。磁头万向架组件而后连接到半刚性的致动器臂上，该致动器臂支撑整个磁头飞行单元。几个半刚性臂可以组合形成单一的可动单元，其具有线性支承系统或是旋转枢轴的支承系统。
磁头和臂组件利用磁铁/线圈结构线性地或枢轴地运动，该结构通常被称为音圈电机(VCM)。音圈电机的定子安装在底板上或安装有主轴的铸件上。铸造有主轴的底板、致动器音圈电机和内部滤波系统被装入盒子中并密封装配，以确保没有污染物可以进入并不利地影响在盘片上方飞行的浮动块的可靠性。
在一些磁盘驱动器系统中，浮动块的性能必须满足表面上似乎矛盾的要求。一个要求是当盘片旋转速度减小到约三分之一磁盘驱动器运行速度时，浮动块必须实际以更高的高度飞行。在一种应用中，伺服模式的写操作期间会产生对这种低速的需求。例如，如果盘片速度约为10000转/分，则浮动块飞行高度约为10nm；若伺服写速率约为3780转/分，则在浮动块外径上的最低飞行高度约为11nm。
除了双重速率要求外，浮动块必须具有平坦轮廓，使其从内径(ID)向外径(OD)扫描盘片表面。该平坦轮廓要求包括：由制造公差(低飞行高度σ)引起的在飞行高度上从一部分到另一部分的最小变化、寻道期间低飞行高度损失和在高于海平面的高海拔地区磁盘驱动器运行时的低飞行高度损失。
对这种浮动块的第三个要求是它能够补偿写凸起(write protrusion)。在高的数据写入速度下，磁头内部产生大量的热。这些热量导致磁头和浮动块内部的材料膨胀，使空气支承表面区域从其标称表面向磁盘突出。该凸起在凸起位置大大减小了间隙，增加了浮动块空气支承表面和盘片表面之间牢固接触的可能性。写元件的膨胀减小了飞行高度，这对于固有间距来讲是一重要部分，因此在浮动块和盘片之间产生了间距损失。
在现有技术中为达到这些要求作了很多尝试。传统的方法是改变空气支承表面的结构，包括使用了多种蚀刻深度、垫块成形和改变悬浮枢轴位置。典型地，后部空气支承垫块的前端做成凸起的或者弹头形式的，以避免在运行中收集颗粒。或者，设计了如U形的具有2.0或更大纵横比(即深度对宽度的比率)的很深的穴。虽然这些现有技术中的每个解决方案都在某种程度上可使用，但是我们需要更充分满足前面提到的所有要求的改进的空气支承的设计。
发明内容
根据本发明构建的系统、方法和装置的一个实施例包括用于改进多重速率飞行高度性能、平坦轮廓性能和写元件凸起补偿的浮动块空气支承的设计。空气支承的设计使浮动块在盘片旋转速度降低到约其运行速度三分之一时能以更高的飞行高度飞行。此外，浮动块具有平坦轮廓，使其以低飞行高度σ、寻道时低飞行高度损失和在高海拔运行时低飞行高度损失从内径到外径扫描盘片表面。本发明还提供了写凸起补偿，从而减少了由写电流导致写元件膨胀所引起的间距损失。
空气支承的设计的一个特征是后垫块的形状和蚀刻深度。后垫块的前部区域轻微凹入，其纵横比(即深度对宽度的比率)大约为0.1到0.8。该设计以一定方式通过压缩进入的空气流而产生了意想不到的结果，即使是在两个不同的速率下也产生了很好的空气支承提升作用。轻微凹入还可使读垫块区域对写凸起的增长敏感，其通过产生所需的额外的提升力来补偿由写元件凸起引起的间距减小。
鉴于下面对本发明的详细描述，并结合所附的权利要求书和附图，本发明前述的和其他的目的以及优点对于本领域的技术人员来讲将是显而易见的。
附图说明
上面已简要概述的本发明的具体描述将参考实施例用附图说明，这些附图构成了本说明书的一部分，由此，获得了本发明的特点、优点以及其他变得显而易见的方法，并将被更加详细地理解。但是应该注意，附图只是说明了本发明的实施例因此不应考虑作限制其范围，本发明可以有其他等同效果的实施例。
图1示出了根据本发明构建的磁盘驱动器的一个实施例的简化俯视图；
图2示出了与图1中磁盘驱动器一起使用的根据本发明构建的浮动块空气支承表面的立体图；
图3示出了图2中浮动块空气支承表面部件的x-y坐标的二维图；
图4示出了图2和3中浮动块在不同速率和高度运行的曲线；
图5示出了图2和3中浮动块的写凸起补偿。
具体实施方式
参考图1，示出了用于计算机系统的由磁硬盘存储器或驱动器111构成的信息存储系统的一个实施例的示意图。驱动器111具有外壳或底板113，其含有多个堆叠的彼此以紧密间距分开的平行磁盘片115(示出了一个)。盘片115由具有中心驱动毂组件117的主轴电机组件旋转。致动器121由多个平行的致动器臂125(示出了一个)以梳齿形式组成，该梳齿形式的致动器臂关于枢轴组件123枢转地安装在底板113上。控制器119也安装在底板113上，以有选择地使臂125组成的梳齿相对于盘片115运动。
在所示的实施例中，每个臂125都有从其伸出的至少一个悬臂载荷梁和悬架127。磁读/写转换器或读/写头安装在浮动块129上，并固定在挠性地安装在每个悬架127上的弯曲部分上。读/写头磁性地从盘片115上读数据和/或磁性地写数据到盘片115上。被称为磁头万向架组件的集成平面是安装在悬架127上的磁头和浮动块129。浮动块129通常接合在悬架127的端部。磁头典型的是微微级的尺寸(大约为1250×1000×300微米)，用陶瓷或金属间化合物材料制成。磁头也可以是毫微级的尺寸(大约为850×700×230微米)，通过悬架127预加载荷到盘片115的表面(在2到10克的范围内)。
悬架127具有类弹簧的性质，其使浮动块129的空气支承表面偏离或被推向盘片115，使在浮动块129和盘片表面之间能够产生气体支承膜层。容纳在传统音圈电机磁铁组件134(顶磁极没有示出)中的音圈133也安装在与磁头万向架组件相对的臂125上。通过控制器119，致动器121的运动(用箭头135表示)使磁头万向架组件径向地跨过盘片115的轨道运动直到磁头定位在各自的目标轨道上。磁头万向架组件以传统的方式运行，相互间总是一致运动，除非驱动器111使用多个独立的致动器(未示出)，其中臂可以相互独立运动。
现在参考图2和3，示出了浮动块129的空气支承表面(ABS)140的一个实施例的详细图。图3示出了空气支承表面140上的各部件的x-y坐标的一个建议的实施例。浮动块129以微微级的尺寸示出，空气支承表面140上形成的部件例如有两个蚀刻深度：浅的(如0.18微米)部件和深的(如1.7微米-0.18微米与1.52微米之和)部件。通过例子，克级载荷可以是2克，载荷支点位于浮动块129的中心(轴171和173的交叉)。
空气支承表面140有前缘141、后缘143、一对在二者之间伸展的侧缘145和147，以及在缘141、143、145、147的边界之间确定的大体是平的底板表面149。在所示的形式中，侧缘145距离盘片115的内径最近(图1)，侧缘147距离盘片115的外径边缘最近。
空气支承表面140通常具有U形的前缘垫块151，其与前缘141对齐。前缘垫块151的臂153和155从前缘141侧面、但与侧缘145和147稍微偏移向后延伸。两个大体是梯形的中间垫块161和163在前缘141的附近形成于前缘垫块151的顶部。这些部件的精确的位置、形状和尺寸的一个实施例再次在图3中示出。
与后缘143邻近，空气支承表面140包括三个后缘垫块165、167和169。后缘垫块165和169很相似并定位在接近后缘143对角的位置。后缘垫块165和169大体是锥形的、流线型的形状，并且是空气支承表面140上所有垫块中最小的垫块。后缘垫块167位于后缘垫块165和169之间，并沿着将空气支承表面140从一侧到另一侧截开的纵轴171。横轴173与纵轴171垂直，并将空气支承表面140前后截开。后缘垫块167比后缘垫块165和169大很多，实际上邻接后缘143。
一个附加垫块175位于后缘垫块167顶部，其对于为浮动块129提供期望的性能十分重要。垫块175大体是U形并沿其前缘轻微凹入。垫块175的前缘具有范围约为0.1到0.8的纵横比。正如图3中所示的，纵横比定义为垫块175凹入前缘的深度177除以垫块175凹入前缘的宽度179。总之，垫块161、163和175是以浅的蚀刻深度形成，而垫块151、165、167和169是以深的蚀刻深度形成。
图4和5示出了空气支承表面140的改进性能的实例。图4示出了浮动块129在不同速率和海拔下运行的曲线，其中垂直轴是飞行高度，水平轴是距离从内径(左侧)到外径(右侧)运动的盘片115(图1)中心的半径距离。例如，曲线181描述了当盘片115在海平面以约为10000转/分的正常速率旋转时空气支承表面140的性能。曲线183描述了当盘片115在海平面以约为3800转/分的伺服写速率旋转时空气支承表面140的性能。曲线185描述了当盘片115在高于海平面10000英尺的高度上以10000转/分的速率旋转时空气支承表面140的性能。这些曲线表明空气支承表面140实际上能够维持浮动块129在低速时以高于在高海拔高速时的飞行高度飞行。
图5示出了浮动块129上的空气支承表面140的写凸起补偿。当写电流被送入浮动块129中的写元件时，写元件具有膨胀的趋势，膨胀量虽小但很有影响(比如几个纳米)，因此减小了浮动块129和盘片115表面之间的间距(飞行高度)。本发明补偿了这种“写凸起”，从而减小了由写元件的膨胀而引起的间距损失。例如，曲线189表示了没有补偿时的飞行高度的损失。曲线189表明每1nm的凸起增长直接导致1nm的飞行高度损失。然而，曲线187表明浮动块129上的空气支承表面140的性能，其中凸起增长1nm引起的飞行高度损失小于1nm。该性能改进比现有技术提高了大约25％。
本发明还包括提高磁盘驱动器浮动块的多重速率飞行高度性能、平坦轮廓性能和写元件凸起补偿的方法。该方法的一个实施例包括提供磁盘驱动器111；在磁盘驱动器111中以介质盘片速率x转/分来旋转介质盘片115，使浮动块129相对于介质盘片115以a nm的飞行高度飞行；然后，使介质盘片115为写入伺服模式而以y转/分(y＜x)的伺服写速率旋转，使浮动块129以bnm的飞行高度飞行(b＞a)。
该方法可以包括在介质盘片速率约为10000转/分、飞行高度约为10nm，然后伺服写速率约为3780转/分、飞行高度约为11nm的条件下运行磁盘驱动器111。该方法还可包括在约为10000英尺的高度执行介质盘片速率，以及在大约海平面高度执行伺服写速率。该方法还可进一步包括在海平面以介质盘片速率运行磁盘驱动器111，使得浮动块129的飞行高度大于浮动块129在海平面在伺服写速率下的飞行高度。
此外，该方法进一步包括将写电流送入浮动块129中的写元件中以使写元件膨胀，从而减小浮动块129和介质盘片115之间的飞行高度，而用浮动块129的气体支承表面来补偿飞行高度的降低。另外，该方法可包括用浮动块129在平坦轮廓中以低飞行高度σ、寻道期间低飞行高度损失以及高海拔下运行期间低飞行高度损失从内径到外径扫描介质盘片115。
本发明具有几个优点，包括改进的多重速率飞行高度性能、平坦轮廓性能和写元件凸起补偿。空气支承的设计使浮动块能够在盘片旋转速度降低时以更高的飞行高度飞行。此外，浮动块具有平坦轮廓，使其以低飞行高度σ、寻道期间低飞行高度损失以及高海拔运行期间低飞行高度损失从内径到外径扫描盘片表面。本发明还提供了写凸起补偿，从而减小了由写电流导致写元件膨胀引起的间距损失。
虽然本发明仅以一些形式作了说明和描述，但是显然对本领域的技术人员来讲不限于这些，在不偏离本发明的范围内可做各种改变。

Claims (11)

1.磁盘驱动器浮动块，包括：
浮动块体；
浮动块体上的空气支承表面，该空气支承表面具有纵轴、横轴、前缘、后缘、一对在前缘和后缘之间伸展的侧缘，以及在前缘、后缘和两侧缘之间确定的底板表面；
形成于底板表面上的前缘垫块，该前缘垫块与前缘对齐并从前缘侧面但轻微与侧缘偏移伸展；
在前缘附近形成于前缘垫块上的中间垫块；
邻近后缘形成于底板表面上的后缘垫块；和
后缘垫块上的凹垫块，该凹垫块具有带轻微凹度的前缘，其纵横比在约为0.1到0.8的范围内。
2.如权利要求1的磁盘驱动器浮动块，其中中间垫块和凹垫块以浅蚀刻深度成形，而前缘垫块和后缘垫块以深蚀刻深度成形。
3.如权利要求2的磁盘驱动器浮动块，其中浅蚀刻深度约为0.18微米，深蚀刻深度约为1.7微米。
4.如权利要求1的磁盘驱动器浮动块，其中后缘垫块包括三个后缘垫块，其中两个相似并位于邻近后缘的对角的位置，第三个后缘垫块位于所述两个后缘垫块之间，所述两个后缘垫块是锥形的、流线型形状的并且比后缘垫块中的第三个后缘垫块要小。
5.如权利要求4的磁盘驱动器浮动块，其中所述后缘垫块中的第三个后缘垫块沿纵轴，并与后缘邻接。
6.一种数据存储和访问系统，用于提高磁盘驱动器浮动块的多重速率飞行高度性能、平坦轮廓性能和写元件凸起补偿，该系统包括：
具有介质盘片的磁盘驱动器，具有浮动块的致动器，该浮动块带有用于将数据从介质盘片读出和写入介质盘片的读/写头；浮动块进一步包括：
后缘；
邻近后缘形成的后缘垫块；
形成于后缘垫块上的凹垫块，该凹垫块具有带轻微凹度的前缘，其纵横比在约为0.1到0.8的范围内；和
在介质盘片速率为x转/分时，浮动块具有相对于介质盘片的anm的飞行高度，在写入伺服模式下的伺服写速率为y转/分且y＜x时，浮动块具有bnm且b＞a的飞行高度。
7.如权利要求6的系统，其中在介质盘片速率约为10000转/分时，浮动块的飞行高度约为10nm，在伺服写速率约为3780转/分时，浮动块的飞行高度约为11nm。
8.如权利要求7的系统，其中介质盘片速率是在海拔约为10000英尺的条件下的速率，伺服写速率是在约为海平面高度的条件下的速率。
9.如权利要求6的系统，其中在海平面高度和以介质盘片速率飞行时，浮动块的飞行高度大于浮动块在海平面在伺服写速率下的飞行高度。
10.如权利要求6的系统，还包括送入写电流到浮动块中的写元件，这使得写元件膨胀，从而减小浮动块和介质盘片之间的飞行高度，但是其中的凹垫块补偿了飞行高度的降低。
11.如权利要求6的系统，其中浮动块具有平坦轮廓，使其从内径到外径扫描介质盘片。
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