CN100353418C - 具有旋转压电式微致动机构的盘驱动器 - Google Patents

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Abstract

具有双级致动机构的盘驱动器具有作为次级致动机构的移动滑动件旋转压电式微致动机构。该微致动机构具有与盘驱动器的悬架联接的衬底。支撑滑动件的可旋转支架通过相对刚性的扭力弹性件而联接到在衬底上的固定柱。具有联接到衬底上的固定端的压电驱动装置提供它的可动端的双向线性位移。微致动机构包括位移放大装置。在一个实施例中,臂或连接杆位于驱动装置的可动端和支架之间。在驱动装置的可动端和连接杆的第一端之间的联动装置将驱动装置的线性位移转化为经放大的杆的正交线性位移。杆的第二端在半径距离处与可旋转支架联接,由此促成支架的旋转运动和在滑动件上的读/写头的横跨轨道位移。

Description

具有旋转压电式微致动机构的盘驱动器
技术领域
本发明通常涉及一种具有双级致动机构的数据记录盘驱动器,更具体地说,本发明涉及这样的盘驱动器:在该驱动器中,次级致动机构是一种移动滑动件型的微致动机构。
背景技术
数据记录盘驱动器,例如磁记录盘驱动器,将信息存储到在可旋转磁记录盘的数据表面上的数据轨道中。从数据表面读取信息或写信息到数据表面的读/写头或传送器(transducer)位于由在旋转盘上的空气垫支撑的气浮(air-bearing)滑动件上。该滑动件联接到在刚性臂的端部的柔性悬架,并被致动机构从轨道到轨道大致径向地移动。盘驱动器的致动机构通常是一旋转音圈电机(VCM),在从数据表面接受预先记录的伺服位置信息的伺服控制系统的控制下,该VCM使致动机构的臂以及联接的悬架和滑动件径向移动,以将所述头定位在期望的轨道。由于在盘上的数据轨道被制成更窄,并且被更紧密地放置以增加数据的密度,因而对于致动器和伺服控制系统来说,迅速而准确地将头定位在期望的轨道之上并且提供下一轨道变得日益困难。例如,具有VCM致动机构的伺服控制系统将难于达到大于2kHz的伺服环带宽。
提高伺服带宽的一种方式是采用双级致动机构,其中,VCM致动机构是提供头的粗略定位的第一级,次级致动机构是提供头的精确定位的第二级。次级致动机构可以是位于悬架的端部和滑动件之间并相对于悬架移动滑动件的移动滑动件型致动机构。一种这样的移动滑动件型的次级致动机构是旋转静电微致动机构(这样称呼是因为它是一种微机电系统(MEMS)装置),如美国专利5,959,808和5,995,334所述。近年来,在集成电路技术上的进步已导致可以利用静电和其它方法比如机械的、电磁的、液体的或热的方法来致动和控制的微米尺寸的MEMS装置的发展。MEMS制造技术是更成熟的半导体微制造技术与微机械加工的新的进展的结合产物。
因为移动滑动件微致动机构是由静电驱动,所以它通常施加相对小的力以提供相对大的滑动件的位移,因而通常它使用相对软的弹性件来支撑可移动的滑动件。然而,在一些盘驱动器的应用中,外部振动力,比如可能因空气流动及头-盘接触而引起的,可以是相对大的,这导致增加了头定位误差。
已经提出了使用压电驱动装置的移动滑动件微致动机构。这些微致动机构通常需要被设置在支撑头的滑动件的端部的附近的压电元件,因而大的外力可以损坏压电元件。另外,这些微致动机构通常以平移方式移动滑动件,即沿线性方向,从而反作用力可以激励悬架的固有振动模式,这限制了双级致动机构可达到的伺服带宽。因为压电式微致动机构比同等的静电微致动机构需要更大的力却提供更小的位移,所以它们不一定可以提供足够的位移以支持聚焦在数据轨道上的头。美国专利6,381,104公开了通过旋转来移动滑动件的压电式移动滑动件微致动机构,但可旋转部分没有被支撑在它的旋转轴上,没有扭力弹性件保证纯旋转运动,头的位移大致与压电元件的位移相同,压电元件被设置在最可能接触盘的滑动件的端部附近。
在图1和2中,盘驱动器是具有双级致动机构和伺服系统的磁记录盘驱动器,该双级致动机构和伺服系统将联接到头载体或滑动件30上的磁读/写头36定位在磁记录盘11的所选轨道上,头载体或滑动件30可以是气浮滑动件或接触记录滑动件。双级伺服系统包括用于将头粗略定位的音圈电机(VCM)主致动机构13。主致动机构13和可旋转盘11被安装到盘驱动器基座10上。主致动机构13包括致动机构臂12,在臂12的末端具有悬架16。滑动件30联接到悬架16的灵活的万向节(gimbal)18上。用于将头36精确定位在所选轨道上的次级致动机构是联接到万向节18上的移动滑动件型微致动机构14。图2的放大分解视图所示为微致动机构14,其以静电旋转微致动机构的形式被定位在万向节18和滑动件13之间。微致动机构14的固定部分连接到万向节18的底部上,滑动件30连接到微致动机构14的可移动部分上。固接平台(未示出)可以被安装在微致动机构14和滑动件30之间。滑动件30可以是连续接触型的头载体,比如那些具有在读和写期间与盘保持接触的衬垫或滑垫(skid)的头载体。滑动件30还可以是提供完全的气浮支撑的非接触类型,或者是只提供局部支撑而滑动件的一部分在读和写期间与盘保持接触或几乎接触的类型。
图3是一种类型的现有技术的旋转静电式微致动机构14、盘驱动器的悬架万向节18和气浮滑动件30的分解图。滑动件30具有面对盘驱动器的盘的气浮表面32和支撑读/写头36的跟踪表面(trailing surface)34。微致动机构14包括在绝缘衬底51上的固定和可移动部分,该衬底通常是具有绝缘表面层如聚酰亚胺、二氧化硅或氮化硅层的硅基座。衬底51被安装到在悬架16(图2)的端部的万向节18上。微致动机构14的固定部分包括固定在衬底51上中心柱52和两组也固定在衬底51上的固定电极53、53′。微致动机构14的可移动旋转部分包括支架54、多个将支架54与固定柱52连接的挠曲件或扭力弹性件55和多个联接到支架54且被图示为两组的可移动电极56、56′。各组可移动电极56、56′分别与各组固定电极53、53′交插设置。可选地,支架54可以支撑该滑动件30所连接的固接平台(未示出)。当电势被施加在固定和可移动电极之间时,支架54进行围绕柱52的中轴线的旋转运动,如箭头59所示,这使头36在横横跨轨道方向移动。所有联接到衬底51的元件这样形成:利用光刻技术对衬底51构图,并且沉积导电材料,例如镍(Ni)或铜(Cu)。
需要一种具有压电式移动滑动件的旋转微致动机构的双级致动机构盘驱动器,该压电式移动滑动件的旋转微致动机构大致抗外力,提供大致纯旋转运动,并且放大压电驱动装置的位移。
发明内容
本发明是具有作为次级致动机构的压电式移动滑动件的旋转微致动机构的双级致动机构盘驱动器。该微致动机构具有联接到盘驱动器悬架上的衬底。支撑滑动件的可移动支架通过相对刚性的扭力弹性件联接到在衬底上的固定的柱上。具有一个联接到衬底上的固定端的压电驱动装置提供它的可移动端的双向线性位移。该微致动机构包括一个位移放大装置。在一个实施例中,一个臂或连接杆被设置在驱动装置的可移动端和支架之间。在驱动装置的可移动端和连接杆的第一端之间的联动装置将驱动装置的线性位移转变为杆的经放大的正交线性位移。杆的第二端在半径距离(radial distance)处与可移动支架联接,以促使该支架进行旋转运动,并由此促成在滑动件上的读/写头的横跨轨道(cross-track)位移。压电驱动装置产生一足够大的力,从而扭力弹性件可以成为足够刚性而能够抵抗外部的干扰力,然而,通过使用位移放大装置,相对小的驱动装置位移足以满足要求。
为了更充分地理解本发明的性质和优点,以下将参考附图进行详细描述。
附图说明
图1是现有技术的具有双级头定位系统的盘驱动器的透视图;
图2是图1的现有技术的盘驱动器的联接到悬架上的旋转次级致动机构的视图;
图3是现有技术的具有悬架和滑动件的旋转静电式微致动机构的分解透视图;
图4是本发明的不具有头载体的旋转压电式微致动机构的分解透视图;
图5是说明本发明的微致动机构的组装的分解透视图;
图6是移去了压电驱动装置和头载体的本发明的微致动机构的俯视图;
图7是用于现有技术的旋转静电式微致动机构、基于本发明的双旋转压电式微致动机构和本发明的旋转压电式微致动机构的压电驱动装置部分的开环频率响应的增益部分;
图8是基于本发明的具有位移放大的旋转压电式微致动机构的第二实施例的示意图。
具体实施方式
本发明可应用于任何盘驱动器和任何与盘交换数据的头。因而,盘驱动器可以使用光盘,或可以具有只读数据或只写数据的头。
图4是本发明的旋转压电式微致动机构100的透视图。微致动机构100包括衬底102,并如图所示,为便于描述,头载体或滑动件没有联接到该衬底上,压电驱动装置180升高到衬底之上。该衬底可以是单晶硅(Si)或其它合适的材料。如图4所示,所有微致动机构的元件,压电驱动装置180除外,在衬底上被构图并由导电材料形成,优选地是Ni。可移动元件凸出于衬底102之上,并连接着与衬底联接的固定元件。在衬底100上的微致动机构元件利用众所周知的MEMS微制造技术而形成。通常,首先用光刻技术对衬底102构图,然后在将位于可移动元件之下的衬底区域上沉积材料例如二氧化硅(SiO2)。接着用光致抗蚀剂使衬底构图,电镀Ni以形成所有元件,包括联接到衬底上的固定元件。光致抗蚀剂和打底的SiO2被除去,以在衬底102上形成最终的微致动机构元件。
以轴线105为中心的柱104固定在衬底102上。可旋转支架106凸出在衬底102上,并通过多个挠曲件108而连接到固定柱104,挠曲件108从轴线105大致径向向外延伸。头载体或滑动件联接到支架106上,以如图3所示方式,优选地它的质心与轴线105对准。柱的挠曲件108的功能在支架106的旋转运动期间类似于扭力弹性件。
压电驱动装置180是具有作为第一电极184的导电层和作为第二电极186的导电层的压电材料片182。两个电极184、186彼此电绝缘,如间隙187所示。如果电压被施加到电极184、186上,压电驱动装置180沿它的长度即沿压电片182的平面大致线性地膨胀或收缩,如箭头188所示。片180可以是任何众所周知的压电材料,比如多晶铁电陶瓷材料,例如钛酸钡(BaTiO3)和锆钛酸铅(PZT)。压电陶瓷材料包括可从NEC/东京得到的NEPECNPM陶瓷。压电驱动装置180还可以是多层PZT致动机构,比如由丹麦的Noliac A/S制造的一种致动机构。多层PZT致动机构可以减小用于相同的位移输出所需的驱动电压。
压电驱动装置180的固定部分190与在衬底102上的板120联接。通过板120,导电焊盘(conductive pad)117与第一电极184进行电连接。压电驱动装置180的可移动部分192与可移动板122联接。可移动板122通过挠曲件124连接到固定在衬底102上的锚固件126上。电连接从导电焊盘119进行到锚固件126和挠曲件124再进行到板122,最后到第二电极186。锚固挠曲件124容许可移动部分192如箭头188所示大致线性双向位移,并提供防止与该位移正交的移动的刚性。压电驱动装置部分190、192可以通过导电环氧树脂分别与板120、122联接。
连接杆或臂130将驱动器可移动部分192连接到可转动支架106。臂130的第一端132位于多个挠曲件140和多个联动装置150之间。挠曲件140在它们的固定端与固定板142连接,固定板142联接到衬底102上。挠曲件140的另一端联接到臂端132上。联动装置将臂端132与可移动板122连接起来。这样,使挠曲件140、具有臂端132的臂130、联动装置150和板122都凸出在衬底102之上,并且与驱动器的可移动部分192连接。臂130的第二端以与轴线105相距约半径的距离而连接到支架106上。
图5是说明本发明的微致动机构的组装的分解图。间隔层170如图所示被制作,并被设置在形成于衬底102的在下面的微致动机构元件上。覆盖层172,其包括连接垫(bonding pad)174,被构图在间隔层170之上。间隔层170的作用是保证在衬底102上的可移动元件和后形成的可移动元件彼此之间或与固定元件之间不干扰。例如,直接位于连接垫174下的间隔层避免了连接垫与柱104接触,直接位于压电驱动装置180的固定端192下的间隔层避免了驱动器180与挠曲件140、150接触。
下面参考图6说明微致动机构100的操作,图6是移去了压电驱动装置180的微致动机构的俯视图。如果通过施加电压使压电驱动装置180起动,与驱动器的可移动部分192(图4)联接的板122线性移位(沿箭头188)。由于挠曲件140在箭头188方向的刚性,臂端132不能沿箭头188移动,因而板122的线性位移通过联动装置150被转化到臂130,这使得臂130的线性位移(沿箭头136)与板122的线性位移大致正交。联动装置150被取向为朝着臂端132与平行于箭头180的线成一小角度。通过使联动装置150具有这样的角度和长度来放大可移动部分192的位移。
以一个例子说明位移放大。对于大多数盘驱动器的应用,在约2到15之间的放大率是可以接受的。如果头载体是可购得的“pico-slider(皮米滑动件)”,那么支撑它的支架106的尺寸是约1.25mm×1mm。如果位移放大率是大约10,那么假如压电驱动装置180具有+/-0.1μm的双向位移,臂130的端132就会有约+/-1.0μm的位移。在pico-slider上的头的横跨轨道位移可以通过在轴线105和臂端132之间的半径的长度得到进一步放大。如果头被设置在臂端132的半径的两倍处,那么头的横跨轨道位移就会是约+/-2.0μm。
图6说明微致动机构100的抗震特性。锚固挠曲件124沿它们的长度方向具有刚性,以在与箭头188大致正交的方向提供对驱动器的可移动部分192起作用的外力的抵抗力。类似地,驱动器的挠曲件140沿它们的长度方向具有刚性,以在大致沿箭头188的方向提供对驱动器的可移动部分192起作用的外力的抵抗力。因而压电驱动装置180的可移动部分大致抵抗任何在平面内的外部干扰力。当大的震动被施加到微致动机构的滑动件组件时,由滑动件的质量产生更大的力。在盘驱动器中,震动通常产生大的线性加速度。因而,滑动件的质量产生施加到滑动件支架106上的大的线性力。然而,支架106由相对刚性的挠曲件108支撑,所以震动没有被传递到相对脆弱的陶瓷压电片182。
图7所示为一个旋转压电式微致动机构的压电驱动装置和三个微致动机构的开环频率响应的增益。线200是图3所示现有技术的旋转静电式微致动机构的频率响应。它具有相对低的谐振频率(约2.5kHz),因为扭力弹性件需要相对地柔软以适应相对小的静电力。线202是具有与现有技术的静电微致动机构相比的同等尺寸的本发明的旋转压电式微致动机构的频率响应,其中扭力弹性件具有比现有技术的静电微致动机构大约20倍的弹簧常数。该微致动机构具有约17kHz的谐振频率。线204是具有与现有技术的静电微致动机构相比的同等尺寸的本发明的旋转压电式微致动机构的频率响应,其中扭力弹性件具有比现有技术的静电微致动机构约大40倍的弹簧常数。该微致动机构具有约22kHz的谐振频率。对于旋转压电式微致动机构而言,该扭力弹簧常数明显高,因为压电力远大于静电力。通过选择径向的挠曲件(图3的挠曲件55和图4的挠曲件108)的数量、长度和厚度而选定扭力弹簧常数,这些挠曲件将旋转支架与柱连接起来。线206是压电驱动装置的频率响应,显示出在所需(interest)的频率范围内没有振动模式(vibration mode)。
图8是具有位移放大的旋转压电式微致动机构的第二实施例的示意图。在该实施例中,至少一个压电驱动装置180′具有一个联接到它的可移动部分192′上的臂130′。臂130′的第一端132′联接到驱动器的可移动部分192′上,第二端134′联接到可旋转支架106′上。支点139联接到衬底102′上,在距端部132的距离L1并距端部134的距离L2处与臂130′接触。这样,臂130′作为一个杠杆来放大压电驱动装置180′的位移,放大率约由L2/L1给定。
虽然已经参照优选实施例详细显示并描述了本发明,但本领域技术人员应该理解,在没有脱离本发明的精神和范围的情况下,可对本发明进行形式上和细节上的各种改变。因此,应该认为,所公开的发明仅是说明性的并且它的范围只由所附权利要求限定。
本申请与同时提出申请的名称为“旋转压电式微致动机构和盘驱动器的头-悬架组件”的申请有关系。

Claims (23)

1、一种盘驱动器,其包括:
一数据记录盘,其具有多个数据轨道;
一头,其被用于与所述盘交换数据;
一主致动机构,其被用于使所述头在一所选轨道上粗略定位;和
一次级致动机构,其被连接到所述头和所述主致动机构,并被用于使所述头在所述所选轨道上精确定位,该次级致动机构包括:
一联接到所述主致动机构的衬底;
一固定在所述衬底上的柱;
一可旋转支架,其支撑所述头并通过多个柱挠曲件而连接到所述柱
子上,所述柱挠曲件容许所述支架围绕穿过所述柱的一轴线的旋转运动;
一压电驱动装置,其具有一固定在所述衬底上的部分和一可大致线性地移动的部分;和
一臂,其具有一连接到所述驱动装置的可移动部分上的第一端和一以与所述柱的轴线相距一半径而连接到所述旋转支架上的第二端,响应于所述驱动装置的可移动部分的移动,所述臂的第二端进行的大致线性位移大于所述驱动装置的可移动部分的大致线性位移。
2、如权利要求1所述的盘驱动器,其中,进一步包括固定在所述衬底上并通过一锚固挠曲件而连接到所述驱动器的可移动部分的一锚固件,所述锚固挠曲件容许所述可移动部分的大致线性移动,并阻止与该大致线性移动大致正交的移动。
3、如权利要求2所述的盘驱动器,其中,进一步包括一联动装置,其将所述驱动装置的可移动部分与所述臂的第一端连接起来,使得所述臂的第一端响应于所述驱动装置的可移动部分的移动而大致正交于所述驱动装置的可移动部分的大致线性移动而移动。
4、如权利要求3所述的盘驱动器,其中,进一步包括将所述驱动装置的可移动部分和所述臂的第一端连接起来的一驱动装置挠曲件,所述驱动装置挠曲件限制平行于所述驱动装置的可移动部分的移动的所述臂的第一端的移动。
5、如权利要求2所述的盘驱动器,其中,所述锚固件和锚固挠曲件由导电材料形成。
6、如权利要求1所述的盘驱动器,其中,从所述柱的轴线到所述臂的第二端的半径大致正交于所述臂的第二端的大致线性位移。
7、如权利要求1所述的盘驱动器,其中,进一步包括一支点,其联接到所述衬底上,在与所述第一端相距距离L1且与所述第二端相距距离L2处与所述臂接触,其中L2大于L1。
8、如权利要求1所述的盘驱动器,其中,进一步包括连接到所述驱动装置的可移动部分上且被用于放大所述驱动装置的可移动部分的位移的一装置。
9、如权利要求1所述的盘驱动器,其中,所述臂的第二端的线性位移比所述驱动器的可移动部分的线性位移大大约2到15倍。
10、如权利要求1所述的盘驱动器,其中,所述主致动机构包括一主致动机构臂和一联接到该主致动机构臂的端部上的悬架,所述次级致动机构的衬底与所述悬架联接。
11、如权利要求1所述的盘驱动器,其中,所述盘驱动器是一磁记录盘驱动器,其中,所述头是用于从所述盘读数据和写数据到所述盘的一读/写头,并且进一步包括安装到所述可旋转支架上的一滑动件,所述读/写头形成在所述滑动件上。
12、如权利要求11所述的盘驱动器,其中,进一步包括一联接到所述可旋转支架上的固接平台,所述滑动件被安装到该固接平台上。
13、一种磁记录盘驱动器,其包括:
一磁记录盘,其具有多个数据轨道;
一读/写头,其被用于从所述盘读数据和写数据到所述盘;
一头载体,其被用于支撑所述读/写头;
一主致动机构,其被用于使所述头在一所选轨道上粗略定位,并包括一主致动机构臂和一联接到该主致动机构臂上的悬架;
一压电式微致动机构,其被用于使所述头在所述所选轨道上精确定位,该微致动机构包括:
一联接到所述悬架的衬底;
一固定在所述衬底上的柱;
一可旋转支架,其通过多个扭力弹性件而连接到所述柱,所述弹性件容许所述支架围绕穿过所述柱的一轴线的旋转运动,其中所述头载体联接到所述可旋转支架上;
一压电驱动装置,其具有一固定在所述衬底上的部分和一具有双向线性位移的可移动部分;和
一连接杆,其具有一连接到所述驱动装置的可移动部分上的驱动装置端和一以与所述柱的轴线相距一半径而连接到所述旋转支架上的支架端,响应于所述驱动装置的可移动部分的移动,所述杆的支架端进行的大致线性位移大于所述驱动装置的可移动部分的大致线性位移。
14、如权利要求13所述的磁记录盘驱动器,其中进一步包括固定在所述衬底上并通过一锚固挠曲件而连接到所述驱动器的可移动部分的一锚固件,所述锚固挠曲件容许所述盘驱动器的可移动部分的大致线性移动,并阻止与该大致线性移动大致正交的移动。
15、如权利要求14所述的磁记录盘驱动器,其中,进一步包括一联动装置,其将所述驱动装置的可移动部分与所述杆的驱动装置端连接起来,使得所述杆的驱动装置端大致正交于所述驱动装置的可移动部分的大致线性位移而移动,该联动装置放大所述驱动装置的可移动部分的位移。
16、如权利要求15所述的磁记录盘驱动器,其中,进一步包括一驱动装置挠曲件,其将所述驱动装置的可移动部分与所述杆的驱动装置端连接起来,该驱动装置挠曲件限制平行于所述驱动装置的可移动部分的大致线性位移的所述杆的驱动装置端的移动。
17、如权利要求14所述的磁记录盘驱动器,其中,所述锚固件和锚固挠曲件由导电材料形成。
18、如权利要求13所述的磁记录盘驱动器,其中,从所述柱的轴线到所述杆的支架端的所述半径大致正交于所述杆的支架端的大致线性位移。
19、如权利要求13所述的磁记录盘驱动器,其中,进一步包括一支点,其联接到所述衬底上,在与所述驱动装置端相距距离L1且与所述支架端相距距离L2处与所述连接杆接触,其中L2大于L1。
20、如权利要求13所述的磁记录盘驱动器,其中,进一步包括连接到所述驱动装置的可移动部分上且被用于放大该驱动装置的可移动部分的位移的一装置。
21、如权利要求13所述的磁记录盘驱动器,其中,所述杆的支架端的线性位移比所述驱动装置的可移动部分的线性位移大约2到15倍。
22、如权利要求13所述的磁记录盘驱动器,其中,进一步包括一固接平台,其联接到所述可旋转支架上,所述头载体被安装到该固接平台上。
23、如权利要求13所述的磁记录盘驱动器,其中,所述头载体是一气浮滑动件,所述读/写头形成在该滑动件上。
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