CN1010443B - 数据存储装置 - Google Patents

Abstract

采用双面磁盘的一种磁性数据存储系统，用予先记录的不透光线图案确定存储磁性数据的磁道。一个独立的光学系统包括在磁盘的每边的读/写装置上，提供一个照明光源和一个起参考光栅作用的光敏检测器，照明光源把予先记录的光线图案成象到参考光栅上，作为磁头和所要求的磁道对准的指示，任何不对准能产生一个伺服信号。照明光源的一种形式是用一个表面发射的发光二极管和形成多束光源的光学镜片。

Description

该项发明涉及磁性数据存储或记录装置。

磁性数据存储或记录装置，一般是采用一种磁性存储或记录媒体，数据就储存在媒体的磁道上。而计算机技术发展的趋势是在这些媒体中增加数据的存储量和存储密度。通常用窄道宽、加密磁道的方法以提高每英寸磁道的密度（TPI-每英寸磁道数）。例如，高密存储磁盘一般的磁道密度大约为500到1000个TPI（每英寸磁道数目）。

由于道密度的增加，则要求一个较狭窄的传感器或磁头，才能读/写磁道上的数据，并且还需要更准确地跟踪，才能确保读/写的是所要求的磁道，以便使数据检索完全准确。为达到该目的，最重要的是传感器应当精确地置于被选取的磁道位置上。

技术上已承认需要准确地进行磁头跟踪，达到该目的有各种不同的方法，其中包括伺服控制磁头定位系统，均已获得不同程度的成功。

具体来说特别重要的，不仅仅需要可靠的跟踪技术，而且最好是容易实现和价格低廉，并能够处理数据存储设备上常出现的不可避免的微小偏差，同时这种媒体能够商业出售、价格合理。

在美国专利申请898，527号中，有关于磁性数据存储设备的说 明。其中磁性存储媒体典型的是一个磁盘，包括一个光学道的图案，在其上可以叠加磁性数据。这种光学图案在一种透明基底材料上形成，它包含按同心环排列的大量的线。这些线对光辐射基本上是不透明的。线与线之间用间隙隔开，这些间隙对光辐射基本上是透明的。基底上，通常在两面，涂敷一层很薄的磁性记录媒体，该薄层的厚度足以使其对光辐射基本上是透明的。

盘中的光学图案最典型的是用作为一个伦奇光栅（Ronchigrating），适于与位于磁盘侧面之外的一个参考光栅配合，该参考光栅装在一个径向可移动的读/写传感器组合件上。这组合件在盘处于操作位置时，它是与盘连在一起的驱动部件的一部分。光源对磁盘一边进行照射，光既通过磁盘的伦奇光栅，也通过在磁头组合件上的参考光栅，并被检测到。

以参考光栅随磁头相对于伦奇光栅的移动，由磁道到磁道，基本上是按照线性方式调制到达检测器的光强，将磁头位置误差信号的信息提供给伺服系统，用于定位读/写传感器，使其按照要求与磁盘上被选磁道对准。

所介绍的这种特殊装置，尽管是有用的，但其性能尚有改善的余地。特别是为了在双面磁盘的两边进行磁头控制跟踪，利用一个共同的照明光源和一个共同的检测器，它们之间彼此分开，所以产生种种问题，如平行的问题。此外，由于公用同一个检测器跟踪控制磁盘的两面，所以不可能优化各种对跟踪双面磁盘的每一侧寻迹的元件的空间相对关系，例如，激活的读/写磁头与检测器设在同一侧。

当采用可更换存储媒体如软盘时，这是一个很典型的问题。原因就在于，一般安装在驱动器中的一个磁头在相对工作位置和彼此 以一定距离隔开的装卸位置之间，可以相对反面磁头前后移动，以便允许插入和取出磁盘。再者，可移动磁头通常装在一个万向连接机构上，可以使磁头本身与软记录媒体（软盘）的取向最佳。如果装在万向架上面的磁头具有可移动的特点，那么，其磁传感器则不能与一个公用检测器保持固定的空间关系，结果就产生了不准确的误差位置信号。

另外，在那个系统中所用的极简单的检测装置的信/噪比也有改进的余地。特别有利的是采用一种对粗糙的和不均匀的光学图案边缘不大敏感的检测方案;能够平均检测相当大的面积，使局部不均匀性或者在薄的磁记录层上磁粉颗粒堆集的影响减到最小;能够调整圆形磁道的中心与光学图案中心之间的偏移;并且更适合于调节校正由于不同时期制造的不同磁盘、传感器和磁盘驱动装置中可能存在的偏差。

下面结合附图将详细描述该发明。其它种种改进是可能的。

该发明提供了改进在早期专利中所述磁性数据存储装置的许多特点。应该注意的是有些特点与其它特点是不相关的，所以本发明的具体实施例没有必要包括描述全部新颖的特点。

该发明的第一个特点是：在一个磁头托架组合件上装有一对集成磁头。每个磁头包含它自己的读和/或写传感器、光源和检测器，并适用于分别跟踪控制盘或其它存储媒体两相对侧面中的每一个盘面。这种设备，大大放宽了磁头对准公差的要求。特别是在软磁盘驱动的情况下，通过这种集成磁头结构，传感器和其相应的检测器之间的空间关系是固定的。

该发明的另一个特点是：有两个独立的检测器，每一个检测器 包含一个光敏探测器，该探测器被设计成能在其光学系统中起一个参考光栅的作用，以避免需要单独的或分立的参考光栅。这种功能的集成具有消除参考光栅和探测器之间的任何间隙的优点，从而消除了潜在的光学干涉和衍射。

在上面所提及的较好的结构中，检测器是一个积分检测器，它包含4个交错排列的光电元件，以便提供光电元件之间所要求的空间相位差。这有利于降低共态噪声，均衡记录层内均匀性的局部小偏差。同时，该积分检测器引入一个附加的自由度，可以用于补偿盘到盘，或驱动器到驱动器之间的偏差。

尤其是，在所描述的实施例中的较好的检测器包括多个细长的激活的光敏条状元件，一般为16个，等分为4，均匀交错排列，但相互分离。在这些光电器件中，每个元件的宽度等于构成盘中的光栅的每一条不透明的宽度，并且也等于不透明之间的透明间隙的宽度。这些光电元件又通过不透明光阑彼此隔开，分隔宽度为每一元件的1/2度。通过适当地连接这4个光电器件，构成一个新颖的电路布局，它包括几个适用参数变量，结果构成了一种检测器，可用于改善信/噪比，均衡记录层内非均匀性，并且可以补偿在各种驱动器和不同磁盘之间的偏差。

此外，本发明的一个实施例包括为磁盘的每一面提供了一个光学系统。在该系统中从一个准一点光源或准一线光源或线光源阵列平行照射使媒体光栅通过衍射将自身映象到参考光栅上，降低了必须将两个光栅分开的影响。

因此按照该发明优选实施方案，磁性存储装置应用于双面存储媒体，如一个磁盘，该媒体有支持其相反两面上第一和第二光透记 录层的支持件，并且包括在两个存储层之间起媒介作用的一个光栅，该光栅由不透明线和基本等宽的透光间隙构成。

另外，安装磁头托架组合件要求相对于磁盘可径向移动。磁头托架组合件除了支持毗邻于两个存储层的分离的读/写传感器之外，还支持分别装在磁盘的两边的第一个和第二个光源，并且支持分别和盘两边的光源对准的第一个和第二个检测器，以确定通过磁盘的两条分离的光路。每个检测器最好是包括一个探测器，它是由适当放置4的整数倍个交错开的光敏元件而构成的。它起一个参考光栅的作用，与磁盘上的光栅相配合使用。而且这些互连的光敏元件构成4个分立的光电器件。这些光电器件本身又互相连接成一个电路，目的是产生一个表明激活的磁头相对于被选取磁道的位置的伺服信号。该电路还包括一些可以改变的校准参数，用以补偿由盘到盘的偏差。

另外，该伺服系统的效率及其准确度，可以通过一个新型的照明光源进一步提高。这种新型照明光源可以将磁盘上的光栅，通过衍射，将自身成象在形成于检测器上的参考光栅上。在一个实施例中，照明装置采用一种扩展面发光二极管光源和适当的镜片而构成一个线光栅，其多重光束将磁盘光栅相应地自身成象到检测器光栅上。做为替代，激光二极管或其他类型的发光二极管均可用作光源。

从下面的详细描述，结合附图，将会更充分地理解该项发明。

图1简化图示按照该项发明所述实施例中插入磁盘的磁头托架组合件的主要部件。

图2简化表示为磁盘插入和抽出时托架的配置，与图1所示托架相同。

图3所示为用于图1所示的组合件的双面磁盘（包含有一个光栅） 的横截面图。

图4所示为一个探测器的各种光敏元件的布局图。在检测器中探测器也起一个参考光栅的作用，与磁盘上的光栅相互配合使用，并装在图1和图2所示的那种类型的组合件上。

图5为构成图4那种类型的探测器的硅器件的平面视图。

图6表示一个积分检测器电路的框图。图中采用了图4中的探测器，以得到光入射到探测器上所产生的伺服信号。

图7所示为一种新型的照明光源，适用于图1和图2所示的组合件。

图8为数据存储装置的功能块框图，它具体体现了本发明。

图9为依照本发明一个集成磁头结构的透视图。

图10a为衍射透镜的平面视图，用于实施该项发明中磁头的对准。

图10b是图10a透镜的断面示意图。

应当理解，这些图均未按比例画图，除非专门指明。

现在对图1作一说明。该图示意说明了一个磁头托架组合件100的主要部件，按照该项发明所描述的实施例，把组合件100相对于双面磁盘放在可工作位置，磁盘旋转地支撑于驱动转轴13上。我们称之为第一种状态。磁盘12的详图如图3所示。磁头托架组合件100和转轴13构成磁性数据存储装置部分或软盘驱动器的一部分，它具体体现了该发明。组合件100也如图2所示，是非工作的盘插入或取出的位置图，其中盘12已被取出，我们称之为第二种状态。

正如图3所示，磁盘12包括基底20。基底20由支持件21和光栅22构成的，件21选用对跟踪控制所用的光辐射或照明光源是透明的 材料构成，光栅22是由件21上或其中的不透明的中心环线22A及相对透明的交替间隙或环线22B构成的（对用于跟踪控制的辐射而言）。这些环线也起光道的作用，以确定磁道在储存信息的磁数据记录或存储层24和25上的位置。24和25位于基底部件20的相反表面上。层24和层25与基底20的厚度相比是非常薄的，事实上是透明的，或至少就跟踪控制所用的辐射而言是高度透射的。

虽然该发明的一些发明概念的优点在于存储装置或盘驱动器可采用不用类型的存储媒体，如磁性（软的或硬的）、光学的或磁光媒体等，但所述的实施例是针对着软磁盘驱动设备，这样说明就会更清楚。在这种情况，磁盘20是一个高密磁记录软盘，装在盒子里或壳套里（未画出），还有一个塑料（即聚酯薄膜）支持件21，光栅图案22用照相，或按其他方式在这个塑料薄膜上形成。一般情况，支持件21大约有0.003英寸（0.08毫米）厚度，薄磁记录层24和25的厚度大约为1微米（0.001毫米）。

层24和25的组成一般包含伽马-氧化铁（γ-氧化铁）或由钡铁氧体粒状细粉聚合粘结而成。选钡铁氧体微粒对高密度的数据存储更合适。虽然从磁头位置控制的目的来说，这种类型的磁盘对可见光是透射的，但对红外光谱部分的光透射性则更强，因此，选用红外光是更可取的。

再参照图1和图2，磁头托架组合件100包括与磁盘12有操作关系的径向可移动的磁头支架14，它包括支持部件14A和14B，这一对支持部件分别支持一对互相补偿的集成的磁性和光学的磁头0和1，它们在磁盘的两侧，彼此隔开，互相操作对准。磁头0和1中的每一个均包含一个主体部件10，为清楚起见，用虚线标出，由它支持并 定位包括一个读/写磁传感器15、一个光源16、一个准直透镜17和一个光检测器18的磁头部件。应该这样理解，含有准直透镜17是为了改良准直性，而且可以集中光通量，但是在集成磁头中使用它并非绝对必要。

每个传感器15包括主体部分15a，装有铁氧体磁心15b;其中，在与磁盘各磁层相邻的各磁头的表面上有一个磁通间隙。磁头应适合于在记录表面上空，以空气支承关系飞快运动。主体部分15a的表面上一般包括小槽15c，目的为有选择地降低空气对支承面的压力而便于磁头移动高度的控制，这是众所周知的技术。在相对的磁头0和1上的传感器15的补偿结构，能分别对铁心15b提供一个径向偏移量，可以防止数据通过相反的表面输出，也是众所周知的技术。

检测器18最好位于传感器15的一侧，并且光源16和相关的透镜17（假若用到透镜）位于另一侧，尽管这两种元件是可以集中在一起装在传感器的这一侧或者另一侧。为了跟踪的目的，最好将检测器装在传感器主体部分的一边，让它最靠近磁心15b，使检测器可以很好地“盯住”尽可能靠近磁通间隙的那部分磁盘。尽管让检测器准确地盯住与传感器间隙相同的那部分磁盘是较理想的，但从机械上讲，这两个元件不可能占据同一空间，因此会出现所示的径向偏差。而实际上把检测器18尽可能靠近传感器铁心15b，可使该偏差减至最小。

在相对的两个磁头0和1上，检测器18和光源16的装配是非常理想的，所以磁头0上的光源16能把光从这里输出，穿过磁盘12，由光栅图案22调制，射到已对准的磁头1的检测器18上。同样，磁头1上的光源16，将光输出，穿过磁盘射到已对准的磁头0的检测器18 上。

后面将详细讨论光源和检测器的细节。

支持部件14A如示意图所示那样，应与支持部件14B在铰接点19处枢轴式密合，这样使支持件14A可转动到如图2所示的升起的不操作位置，这时，磁头0和1进一步远离，而便于磁盘插入和取出。当磁盘12插到驱动器中，并且安装在转轴13上时则支持部件14A便自动地返回如图1所示的位置。当要取出磁盘12时，支持部件14自动回到图2所示的位置。支持部件14A和14B不需要连结在一起，但要求设计成使其中的一个能相对于另一个移动，以便于容易并安全地取出和插入磁盘12。磁头托架底座移动作用的机构，是大家方知的技术，不需要在这里进一步讨论。

因为所述的磁头托架组合件100适用于软盘12，所以上面的磁头1最好是从万向架装置26上悬挂下来。万向架26在支轴14A的枢轴下面，它可以使磁头1能按其间距旋转并以轴保持与磁头0面对面对准，在其中有一部分旋转软盘12的情况下，可能会出现稍微弯曲的形状，这与磁头穿透能力和装载有关。安装万向架也提供了由于转动而使盘振动所引起的瞬变失真的补偿。这种万向架也是众所周知的，勿需在此讨论。

在美国专利申请898，527号中，双面记录的光伺服磁头位置的控制是由单个光学系统来完成的。该光学系统由位于磁盘一侧的一个光源和在盘的另一侧的一个含有参考光栅的检测器组成。尽管该系统是可用的，但它存在着制造困难和成本昂贵的问题。即在托架上安装两个磁传感器和单个检测器需极严格的机械公差要求。所以，检测器相对于磁盘两侧任何一个磁传感器处在不变的预先规定的 径向空间关系。在软盘驱动的情况，公差问题更为突出，因为一个传感器必须用万向接头装在托架的引臂上，相对于另一个传感器旋转或移动。这样就需要克服两个附加公差因素。但是，我们最关心的是装有万向接头的传感器在磁头媒体界面处为响应磁盘动态的变化而引起的移动，这样，它离固定安装的检测器的径向距离将会改变，并因而产生非正确的位置误差信号。

很显然，采用两个分离的光学伺服系统，并把光学的和磁性的传感器件并入一个集成磁头结构中，这一类问题则减至最小。

因为至关重要的是检测器和工作的传感器之间的距离不变，而且希望能有万向接头的磁头1具有可移动的特点，当工作的传感器15进行读和写操作时，则要求跟踪控制检测器18在磁盘的同一侧。只有在磁盘每一边都装配一个独立的检测器18，才能满足这个要求。这就需要有两个独立的光学系统，每个磁头一个。

于是，在图1所示的磁头托架组合件100中，磁头1上的检测器18用于控制磁盘12上表面磁层24的跟踪对准。在磁头0上的检测器18用于控制磁盘12下表面磁层25的跟踪对准。

磁头托架组合件100和转轴13都是驱动装置的部件，驱动装置还包括使支持部件14相对于磁盘径向移动的设备，即相对于磁盘光栅22横过磁道方向移动的设备，以便使正在工作的读/写磁头为与被寻址的单个磁道对准。这些设备处于两个光学系统所提供的磁头位置误差信息的伺服控制之下。这两个光学系统是由相对的磁头0和1的光源16和检测器18构成的。另外，驱动装置还包括磁盘工作时能旋转磁盘的设备。这些驱动部件和磁头位置控制系统的操作将在后面参照图8作进一步说明。

此时讨论跟踪控制信号的检测过程是很有用的。

由于磁盘12上所形成的不透光环22A所确定的光学道小（见图3），使其光环边缘的轮廓不理想即粗糙，这会在伺服信号中产生附加噪声。举一个尺寸实例，在3.5英寸格式的软盘中，高密钡铁氧体磁盘为20Mb容量（每面10兆字节），要求磁道密度大约是540TPI（每英寸磁道数目）。

众所周知，在一个周期光学系统中信/噪比可以通过空间滤波，即在空间周期部分加权积分加以改进。在该发明优选实施例中所用的光探测器中的每一个检测器18都利用空间滤波以改进检测过程的信/噪比。

此外，要注意的是对检测系统而言，不仅仅检测被激活的磁头（即实际上被对准的磁头）与所要求的光学道之间的任何不重合是很重要的，而且，确定径向移动的适当方向以纠正对准与否也很重要的。

为达到此目的，发现采用磁盘中的光栅结合探测器具有优越性。在磁盘光栅中，不透明线22A的宽度基本上等于透明间隙22B的宽度;检测器的探测器部分包括通过光阑分开的第一周期组的观察孔以形成参考光栅，孔的宽度（横过道的尺寸）与磁盘上光栅的不透光线宽度相匹配。

当磁头上检测器的参考光栅相对于盘光栅作径向移动，它们配合起来调制到达参考光栅后面的检测器光敏部分的光强，以提供位置误差信号。当两个光栅同相，即与各自的透光和不透光部分重合时则到达光敏元件的光强为最大值。当两个光栅偏移1/2磁道间距，或者相位差为180度，则一个光栅的不透光部分挡住另一光栅的透 光部分，使投射到光敏元件上的光强最小。用这种等间距光栅装置，优越性是很明显的。两光栅最大和最小偏移位置之间光强的变化基本上呈线性关系，从而为确定传感器相对于被选取磁道的位置误差提供了一个线性控制范围。因此，可以通过使孔宽度精确地等于磁道间距的一半获得最大线性控制范围。每一周期孔被设计成基本上覆盖在盘光栅透光空间和不透光线之间的过渡区。这样，减少被遮挡的光量的移动将使孔适当地位于被跟踪的过渡区的中央。

但是，为了确保在不透光的线边缘的光滑度方面存在的极小不规则性造成的影响较小，则希望孔在磁道方向上的长度是较长的。这是说，由于最理想的是沿光滑的磁道，不规则的影响可以通过沿磁道取平均而减小。因此，在磁道方向上的孔的长度应足够长，使很小的不规则性对射到探测器光敏部分的光量的影响占极小的百分比。

然而，因为盘光栅的不透光线是弯曲的，而要符合易于制造的要求，孔却是直的，太长的孔隙则又可能覆盖反向过渡区。为了得到有效较长的长度，检测器被设计成还包括第二组周期孔，它基本上跟踪盘光栅的反向过渡区（不透光到透光的），即与第一组类似，只是与其相位相反。

具体来说，产生伺服信号的一个理想的检测器应包含一对光电二极管，每一个光电二极管通过匹配的空间滤波器检查磁盘的同一区域，这两个滤波器分别超前和滞后磁道间距90度。

这样一种发生器的几何结构可以用一个传统的光电检测器阵列来实现，这个阵列由两个独立的激活区域组成。每一个区域用一组周期排列的指形元件，其宽度与被检测的线的宽度和被检测的间隙宽度相匹配，这两组隔行排列以形成一个叉指式的双通道检测器， 它的两个输出分别送到差动放大器的不同输入端，进行相减。

这种磁盘中也存在着其它的复杂性。一般这些磁盘能在同相位的驱动器之间互换。虽然精密制造是确保同相位的一种途径，但是这必然导致生产成本的提高。另一种方法是让单个驱动装置在使用时被调整到所要求的相位。尽管单个驱动装置的机械调整是可行的，但通常电子调整是更有吸引力并更准确。

现在参照图4，图中所示为该发明中使用的积分检测器18的光敏探测器部件500的配置图，它设计成对所用的磁盘更便于校准。这种传感器包括16个平行均匀隔开的矩形光敏元件50的阵列，这些元件4个为一组互连形成4个光电器件。如上所述，标号为A的每个元件连到一条公共导线51上构成光电器件A部分;标号为C的每个元件连到一条公共导线52上形成光电器件C部分;标号为B的每个元件连到一条公共导线53上形成光电器件B部分;最后，标号为D的每个元件连到公共导线54并形成光电器件D部分。为便于描述，把这种结构的4个光电器件的元件隔行排列看作是4个光电器件的元件“周期”交错排列。在每两个元件50之间是一个非光敏感的或“死”区55，起光阑的作用，使元件50之间的相互干扰减到最小。

16个元件50的阵列基本上相当于一个探测器所要求的正方形孔，以截取穿过盘并被盘光栅22调制的红外辐射。

图4右边还表示，不透光线22A由间隙22B分隔开，形成磁盘上的光栅22。探测器阵列元件50与光栅22的相对位置是：当阵列处在稳定跟踪所要求的对准时，基本上没有伺服电流产生。要注意的是16个元件50的宽度与12个不透光线22A相对应，并介于盘光栅22的透光间隙22b之间。为达此目的，每个指形元件50的宽度等于不透 光（或透光）光栅线22A的平均宽度，并且当激活时，起1/2磁道间距孔的作用。每个光阑55，其宽度为指形元件50的宽度的一半。最上面的或第一条不透光线22a，其底边与最上面的或第一个C指形元件的顶边对准。第二条不透光线22a，其顶边与第一个C指形元件50的底边对准。第三条不透光线22a与第一个D元件50对准，第4个不透光线22a，与第一个一样，其底边与下一个或第2个C元件50的顶边对准，如此重复该图案。

结果是一个光电器件的所有4个指形元件50与光栅22具有相同的空间相位关系。可以看出，光电器件A的元件50的水平中心线离光电器件B元件50的水平中心线为一又二分之一光栅22的间距，并且光电器件C元件50的水平中心线离光电器件D元件50的距离也与上面类似。但是，光电器件A元件50的水平中心线离光电器件C元件50的水平中心线相距为光栅22间距的四分之三。光电器件B的元件50离光电器件D的元件50也相同。

图5表示了这种类型的4通道探测器。它由一个硅芯片600构成。其背表面（未画出）含有用大面积电极（未画出）覆盖的N-型区，前表面含有16个拉长的P-型区阵列60，对应于图4中16个元件50。通常，在P型-型和N-型区之间含一个中间的本征层（未画出）构成PIN结构（未画出），即光敏器件。16个元件的间隔如前面所述，并且每第4个元件的一组分别与4个输出电极61，62，63和64相连，这些电极分别对应于图4中的导线51，52，53和54。标号分别为66A，66B，66C和66D的大面积导电片，作为4个光电器件A，B，C和D的输出端。在背表面（未画出）的电极（未画出）作为4个光电器件A、B、C和D的公共电极。铝条65不透光，起光阑的作用，使P-型区与其相邻的P -型区分隔开。

图6说明4个光电器件A、B、C和D是怎样互相连接构成一个积分检测器70的。每一个公用电极被交流接地。光电器件A和B的输出电极（端子）分别连接到一个差动放大器71的倒相输入口和非倒相输入口。光电器件C和D的输出电极（端子）分别接到差动放大器72的一个倒相输入口和非倒相输入口，差动放大器71的输出端直接传送到开关73的一个接线柱，并通过倒相电路74接到开关73的另一接线柱上。同样，放大器72的输出端直接与开关75的一个接线柱相连，间接地通过倒相电路76，与开关75的另一接线柱相接。开关73和75的输出端分别接到电位器77的相对两端点，电位器的中间可调抽头78与检测器的输出端79相连接。当磁盘12第一次插入驱动装置时，开关73和75的置定位置及中间抽头78的置定位置一般在校准相位时进行调整，这样在读/写传感磁心15b正好与盘12上的参考磁道对准时，则在输出端79测得为0，这对应于没有调节磁头托架14位移的任何伺服信号。通常希望由磁盘上的参考磁道（未画出）与一个适当的控制电路（未画出）一起，用电子学方法设置开关和电位器抽头。开关73和75及电位器等是起这样作用的众所周知的电子元件。

另外，该电路能起到校正磁道中心和光学道中心之间的偏移的作用，也是可以理解的。

可以看到，通过保证探测器的每个指形元件60的宽度等于磁盘光栅22间距的二分之一，使线性控制范围达到最大，并且通过在磁盘光栅22上的不透光线和透光间隙之间等分该间距，当存在脱离对准的漂移时，则在磁道之间转移的机会最小。

另外，在每个光电器件中采用4个光敏指形元件60，彼此分开 为间距的整数倍（在所述的实施例中为3个间距），有效地加大检测器的尺寸，使其具有较高的敏感性，结果得到较好的平均输出噪声（由各种源产生的噪声）。这些噪声源一般包括光栅线间距不均匀和边缘毛刺、透过粒状磁粉涂层24和25的光学图案的观察，并且还有盘12的非均匀性，如由盘基底材料21的各向异性引起的椭圆形磁道畸变等。应当理解，要分为4个光电器件A，B，C和D组的元件60的总数目，可为4的整数倍，总数目越大，平均效果也越佳。

此外，通过采用一对光电器件，如光电器件A和B，检查基本上相同的面积，即分别以四分之一间距超前和滞后的磁道，一个光电器件用于跟踪不透光磁盘光栅线22a上面的边缘，另一个光电器件用于跟踪下一个相邻光栅线22a的下面边缘，则可有效地抵消可能产生的共态噪声，例如照射光源强度的变化或磁涂层24和25的光传输特性的改变所引起这种噪声。

最后，一个积分检测器是由交错的两组成对的光电器件构成的，相位按所描述的方式位移。在这里附加一个额外的由电子学调节的自由度，以调节校正不同的传感器因制造不精确而产生的极小偏差及磁道中心和光学道中心之间的偏移。

在所述实施例中，探测器600利用单个光敏器件60的几何结构及其在阵列中的相对间距构成光敏电子参考光栅，把光调制功能和检测功能结合于一个结构元件中。在这种检测器中，每个元件60在其相应的光电器件中起一个孔隙的作用。铝条65起光阑的作用。而且每个元件60，在它自己的光电器件中起一个孔隙的作用的同时，对另一个光电器件则有效地起到一个光阑的作用。例如，对于光电器件A来说，即使通过磁盘12的光线射入分属C、B和D的交错元件60 上面，也不能对A通道提供信号。所以对光电器件A而言，这些元件根本不起作用，因此其功能如同光阑一样。

为了使跟踪技术发挥最大的作用，其它方面的各种考虑也是重要的。

首先要求使探测器提供的伺服信号的调制和三角波形达到最大值，同时减小由探测600形成的检测器18与磁盘上的光栅22分离所发生的畸变。这种畸变是由衍射弥散引起的，并且这种畸变可以通过把检测器18安置在几乎接近盘12的位置，比较理想地减小。然而这并不总是很容易实现的，因为通常导线接头焊接在光电器件导电垫片66的顶表面上，这就势必限制了集成磁头0或1上的检测器18可能靠近磁盘。尽管如此，在某些情况下，实际上确定检测器18的位置是：只要这些障碍物允许，18就尽可能靠近磁盘，调制接收的光图案可以容忍降低磁盘光栅的某些要求。

图9所示为这种集成磁头的结构图。其中集成磁头90包括壳套92，适用于接收和支持如图所示的一磁传感器15。邻近的铁氧体磁心15b的地方，壳套92装有探测器600，该探测器与图1中的检测器18等价，与磁心15b的磁通间隙处于固定的径向空间关系。在传感器15的另一侧，壳套装有一个透镜17，用以将其后面光源16的光线输出，然后穿过磁盘12（未画出）。

壳套92支持探测器600，在导线焊头94a-d连到相应的垫片66a-d所能允许的空间内，尽可能靠近磁通间隙的平面。虽然在附图中并未画出，探测器600和透镜17的上面可以敷很薄的透明覆盖层，为磁头80提供一个较光滑的表面，使它适应于接触磁盘表面。

另外，它还可能包含一个光学元件，如在磁头基底内的一个陡 度折射率棒（gradient-indexrod）邻接磁盘面对的表面，把磁盘光栅22映象到检测器18的参考光栅上。但这种结构的包装和制造势必很困难，且成本较高。

更有前途的方法包括用准一点光源或线光源作用照明光源发出的高度平行光，使盘光栅22通过衍射将自身映象到检测器18的参考光栅上。这种方法装配简单，光学系统成本低廉，且降低了由于媒体上的污点、划痕和边缘粗糙而造成的光学噪声。

达到准直平行光和由此而形成一个衍射图象的一种技术是采用激光二极管光源16，作为一个准一点光源或线光源，放在透镜的无限远焦平面上，如一个陡度折射率棒，一个塑料非球面准直透镜或全息准直透镜都能提供平行光束。这种光线穿过磁盘光栅22，并将光栅22自身映象到带有参考光栅的检测器18的表面上，检测器18距盘光栅22的距离D由关系式D＝P²/L给出，其中P是磁盘光栅22的间距，L是光的波长。此外从成本和包装的观点看，最好是用边发光二极管或面发光二极管取代二极管激光光源16，作为准一点或线光源，其发射面积（用一维表示）小于5微米。从而也避免了由于激光的时间相干性可能产生的有害的干涉图案。当采用线光源时，应该调整线光源，使它们与磁盘和检测器光栅平行。

另一方法，可以采用一个相当大的或扩展面光源16，如图7所示。它包括一个表面面发光二极管81，81照射光学元件82的背表面，该背表面包含一个入射表面83（其形状构成一个线性光栅），它与光学元件82的无限远焦平面相吻合。具体来说，表面83包括平直的光射入部分，光从这里进入，穿过到出射表面84。表面83上有向后张开的交替的V型小刻面部分。入射光在小刻面上散射并且不会穿过出射表面。光出射表面84是非球面的，所以元件82起一个准直透镜的作用。因为元件82的几何结构，扩展面发光二极管81模拟一个线光源阵列，结果，从出射表面84射出一组成角度的彼此隔开的准直光束，入射表面83的每个平直面部分产生一束准直出射光，它们均是空间相干的。为了简明起见，只画了三条光束，如图7所示。这些光束以后穿过磁盘12上的光栅22，并把光栅22自身映象到检测器的参考光栅上，如前面所述。在入射表面83上形成的线性光栅具有周期性用来产生相应的多重自身映象进行相长重叠。

如果愿意，可把检测器18上的参考光栅定位于磁盘光栅22的高级衍射自身成象的焦点上。

另一种类型可用于集成磁头结构的光学元件17是一个衍射透镜，或者波带片。它是一个圆形衍射光栅，它不是如标准透镜那样通过折射将光聚焦，而是通过衍射聚焦光。在集成磁头中它作为一个准一点光源LED（发光二极管）的准直透镜。

衍射透镜包含互相交替的不透光和透光带（一些同心圆），每条带有要同的面积，但每条带的间距从中心到外边缘是减小的。如图 10a所示的衍射透镜96。透镜96的断面示意图如图10b所示。每一衍射单元的峰幅是相等的，但是单元的频率由里向外边缘是增加的。光栅是对称的，这样光被转换成0级并且等同地转换成±1级衍射，在每个正和负衍射奇数级处出现弱焦点（即3，5，7，…等）。

此外，通过使衍射透镜光栅具有不对称性，光可以优先转换入一个选定的级。

前面所列举的方法试图改进被检测信号的调制。

体现该发明的数据存储设备或软盘驱动器110的功能块框图如图8所示。设备110是在具有读/写控制器及伺服电路部件的控制电路112控制下工作的，读/写控制器和伺服电路在以微处理器为基础的控制逻辑电路部分的管理之处协调工作。控制器112还提供了连接驱动器110和主机（未画出）的接口部分。

磁头托架装配件14与磁头位置调节器114相连。它响应由调节器控制电路116提供的磁头位置信号，能相对于磁盘12径向地移动磁头托架装配件14，以便进行查找磁道、读/写和位置误差调整的操作。调节器114最好是能快速响应，精确定位类型的，这可以在适于高数据存储密度应用的技术上成熟的各种不同的调节器中选择。

设备110还包括移动存储媒体通过读/写传感器的装置。在所述的实施例中，该种装置是采用同轴马达装置118的结构，目的是实现磁盘12转动。同轴马达装置118由调节器控制电路116控制，控制电路116从马达装置118接收指示信号并以大家都熟悉的方式提供驱动信号。调节器控制电路116依次响应来自控制器112的读/写控制和伺服电路的输入信号而工作。

为了实现伺服控制的磁头跟踪的目的，集成磁头0和1均是能工 作的，但只是把对其邻近的磁盘12的那一侧进行读或写操作的磁头称作“激活磁头”（active    head）。而在磁盘12另一侧的非激活磁头按下述方式工作，即其光源16接通电源，使光线穿过磁盘，经光学图案或光栅22调制并投射到激活磁头上的与其相应的读/写传感器15毗邻的检测器18的参考光栅上。

根据来自主机的激活磁头的指定信号，控制器112，通过其控制逻辑部分，使读/写控制电路把磁头选择信号发送到二个磁头选择开关电路120和122，由其配置指定选取的磁头。第一个磁头选择开关电路120连接于控制器112的读/写控制电路与磁头0、1的读/写传感器15和光源16之间。第二个磁头选择开关电路122类似地连接于控制器112及磁头0、1的检测器18之间，并且将激活磁头的检测器18的位置误差信号输出，送到伺服电路。伺服电路响应并对调节器控制电路116提供校正位置信号，达到激活磁头的传感器与被选磁道对准的目的。

要在磁盘12上记录的数据，从读/写部分传送到写通道电路124，该电路连到第一个磁头选择开关120上，而从磁盘读出的数据则通过连接于第一个磁选择开关120和读/写控制电路之间的读通道电路126发送出去。

如果要在磁盘（图8下边的图）0面写或读数据，则磁头0被指定作为激活磁头。在该种方式中，读/写控制电路直接与磁头选择开关120相连，实现一种配置，把在磁头0上的读/写传感器15连接到相应的读通道126和写通道124之一上（并使磁头1上的传感器在这里断开），磁头1上的光源16接通电源，使光穿过盘12，并投射到磁头0上的检测器18的参考光栅上。第二个磁头选择开关电路122已与伺 服电路相连，响应由读/写控制电路提供的激活磁头的指示。当磁头1的光源16接通后，第一个磁头选择开关电路120保持磁头0的光源16处于断电状态，并且第二个磁头选择开开关122切断磁头1上的检测器18发出的信号，使其不被传送到伺服电路上。

用相反的方法对磁盘的1面读或写数据。磁头选择开关将磁头1上的传感器转接到一个合适的读和写通道126和124，接通磁头0上的光源16，并且将磁头1上的“激活”检测器18的位置误差信号输出到伺服电路。

由于磁盘12装在转轴13上，磁盘光栅22的位置是相对固定的，并且磁头0和1上的参考光栅为了调制由检测器18探测的光强度，主要相对光栅22移动。两个光栅事实上起一个梳形光阑的作用。当检测器的孔与盘光栅22的光发射间隙对准时，则探测的光强最大。当孔与间隙反相对，则探测的光强最小。在这两种情况之间所检测的光强呈线性变化，因此提供了与磁头位置成正比例的误差信息。

在软磁盘的情况，前面记录的圆形磁道可假设呈椭圆形状，这是由于磁盘基底材料各向异性扩展造成的。因此，实际上磁盘光栅22的圆环已经移动，或相对于参考光栅发生偏移，这就导致在积分检测器18的光强度发生改变。检测器18响应时对伺服电路提供的误差位置信号，使磁头托架14发生移动以达到激活磁头与被选择磁道对准的目的。

在所述的系统中使用的照明光源一般是红外光，其中心波段约在890毫微米。从镓铝砷发光二极管或镓铝砷激光二极管中很易得到红外光。硅光电器件非常适用这种波长的光，而且该种波长的光是与制作磁盘的一般材料相容的，易于被光栅22的不透光部分所吸 收。当然，也可用其它的波长，但它必须满足各种必须满足的要求，如果要使照明光源要起所要求的功能的话。

尽管所描述的该项发明是根据使用的磁盘，或者是软盘，或者是硬盘，作为存储的媒体，很显然，该发明稍作修改，也可适用于其他形式的存储媒体，如磁带。在磁带上，信息是按线性磁道存储，并且也需要把读/写磁头与被寻址的实际磁道准确地对准。

此外也很明显，对于该发明所描述的实施例中所讨论的各种特点，也可能省略或修改。例如，积分检测器可被省略，并可用一种更简单的检测器代替。这种简化形式可以是一个大面积光敏器件，其表面适当地屏蔽以构成线性参考光栅，与磁盘光栅相配合。另外，可以简单地利用一对光电器件，每一个包括被此隔开的条状元件阵列，这两个阵列交替排列构成检测器上的线性参考光栅，与磁盘上的光栅配合使用。

Claims (23)

1、一种使用双面磁性数据存储类型的媒体的磁性数据存储装置，该媒体包括透光的基底，在基底两侧面上分别有一个透光的磁性数据存储层，在存储层之间的基底上形成一个光栅，用来确定数据存储磁道在存储层上的位置，该装置包括：

支持和移动这种媒体，以便进行数据读与/或写操作的装置：

O和1磁头，每个磁头包括一个数据记录与/或读传感器、一个光源和一个检测器，该检测器包括一个由光敏探测器组成的参考光栅，它响应于通过媒体的由媒体光栅调制的、并在其后入射到该参考光栅的光线，提供指示传感器相对于已选磁道位置的位置误差信号；

所装配的磁头托架，可以相对于媒体作横向磁道移动，并且安装在该托架上的0和1磁头要求在媒体的相对两边互补对准，这样两个传感器中的每一个相对于其邻接的一个存储层处于读与/或写的状态；所述0磁头上的所述光源装配成可以将它的光输出通过媒体照射到所述/磁头上的所述检测器的所述参考光栅上，并且装配在所述/磁头上的所述光源，能将它的光输出通过媒体照射到所述0磁头上的所述检测器的所述参考光栅上，以提供所述位置误差信号；

所述磁性存储媒体内有一个由同心的不透光环被透光环分隔开而形成的光栅，以确定在磁盘相反一侧磁性记录层上同心圆数据磁道的位置；在磁盘两侧的每个检测器包括一个由多个均匀平行的光敏元件彼此分隔开而构成的探测器，用以确定与盘光栅配合的所述参考光栅。

响应于所述位置误差信号，移动磁头托架装配件，保持被选择的一个所述传感器与被选取的一条磁道对准的装置。

2、根据权利要求1中的磁性数据存储装置，其特征在于磁性存储媒体是一个软磁性记录盘，并且所述磁头托架包括0和1磁头支架，安装成可在第一种状态和第二种状态之间移动，其中所谓第一种状态是所述0和所述1磁头对磁盘处于可工作关系，第二种状态是指所述0和所述1磁头彼此相互分离开，在这种状态，便于磁盘插入和取出。

3、根据权利要求2的磁性数据存储装置，其特征在于所述0磁头以万向架形式安装在所述第一个支架上。

4、根据权利要求1的磁性数据存储装置，其特征在于0和1磁头上的每一个所述光源和所述检测器分别配置在该磁性传感器的左右两侧。

5、根据权利要求4中的磁性数据存储装置，其特征在于所述传感器包括一个有一磁通间隙的磁心，它装在传感器主体的一个侧面上，所述检测器与该侧面相邻安装，使该检测器与所述磁心靠近。

6、根据权利要求1的磁性数据存储装置，其特征在于每个探测器包含4个分离的光电器件，每个光电器件包括多个所述光敏元件，所述四个光电器件的所述光敏元件周地交错排列，彼此空间分开，确定所述参考光栅。

7、根据权利要求6的磁性数据存储装置，其特征在于磁盘光栅透光环的宽度等于不透光环的宽度;并且检测器的所述光敏元件的宽度等于所述每个透光的或不透光环的宽度，所述光敏元件彼此分开的距离等于所述光敏元件宽度的1/2。

8、根据权利要求7的磁性数据存储装置，其特征在于响应于各位置误信号的所述装置包括一个电路，该电路接收4个光电器件的输出信号，输出一个位置误差信号作为磁头和被选磁道之间任何不对准的量度。

9、根据权利要求8的磁性数据存储装置，其特征在于所述电路包括第1差动放大器，其两个输入信号是两个光电器件的两个输出信号，和第2差动放大器其两个输入信号是另外两个光电器件的输出信号，并且这两个差动放大器的输出信号加到一个阻抗装置的相对两端，该装置包含一个施加位置误差信号的可变端。

10、根据权利要求1的磁性数据存储装置，进一步包括将存储媒体光栅相应的对准部分分别成象到所述每一所述检测器参考光栅上的准直透镜装置。

11、根据权利要求10中的磁性数据存储装置，其特征在于所述成象装置包括一位于所述透镜的无限远焦平面上的准点或准线光源，它通过衍射将媒体光栅上所述已对准的部分自身成象到每一所述参考光栅上。

12、根据权利要求1中所述磁性数据存储装置，其特征在于所述光源包含一个面发光二极管，并且该装置还包括一光学装置，将二极管提供的入射照明形成多个有倾角，彼此隔开的准直光束，这些光是空间相干的。

13、根据权利要求12中所述磁性数据存储装置，其特征在于所述光学装置包括提供与多条准直光束相关联的多重自身象的装置，把媒体光栅相长地成象到检测器的参考光栅上。

14、根据权利要求13中的磁性数据存储装置，其特征在于所述光学装置包含一个光学元件，该光学元件包括一个入射表面和出射表面，入射表面又由包括一些小块刻面彼此隔开的平直面阵列，出射表面是非球面的，用于把入射光形成多个倾角间隔的准直光束。

15、根据权利要求1中的磁性数据存储装置，其特征在于每个所述光源包含一个准-点或准一线光源，并且每个磁头还包括一个准直光学元件，它的定位应使光源装处在所述准直光学元件的无限远焦点上，且平行于媒体光栅。

16、根据权利要求15的磁性数据存储装置，其特征在于所述准直光学镜片是一个塑料非球面透镜。

17、根据权利要求15的磁性数据存储装置，其特征在于所述准直光学镜片是一个衍射透镜。

18、根据权利要求15的磁性数据存储装置，其特征在于所述准直光学镜片是一个陡度折射率透镜。

19、根据权利要求15中的磁性数据存储装置，其特征在于所述准-点或准一线光源是一个边发光二极管。

20、根据权利要求15中的磁性数据存储装置，其特征在于所述准-点或准一线光源是一个激光二极管。

21、根据权利要求15中的磁性数据存储装置，其特征在于所述准-点或准一线光源是一个面发光二极管，其发射面积接近于一个准-点或准一线光源。

22、根据权利要求1的磁性数据存储装置，其特征在于所述光源是红外光源。

23、根据权利要求22中磁性存储装置，其特征在于所述光源发出的红外光是以890毫微米为中心的一个光波带。

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