CN101174415A

CN101174415A - 识别微致动器压电元件问题的系统及方法

Info

Publication number: CN101174415A
Application number: CNA2006101366928A
Authority: CN
Inventors: 姚明高
Original assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Current assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-07
Also published as: JP2008135156A

Abstract

本发明提供一种识别微致动器压电元件问题的系统和方法。在若干实施例中，可施加电压(例如，正弦电压)到参考单元以引起该参考单元及测试单元振动。通过对各个共振特性(例如，频率、振幅、相位等)进行比较(例如借助处理器)而确定测试单元是否存在问题。所述参考单元可包括硬盘驱动器装置的磁头折片组合或磁头悬臂组合。所述测试单元可包括用于检测的相应部件。这种技术能够在每个微致动器仅有一个压电元件的情况下对压电元件问题进行检测。

Description

识别微致动器压电元件问题的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种信息记录磁盘驱动单元，尤其涉及一种用于识别与硬盘驱动装置的磁头折片组合的微致动器的压电元件有关的问题的技术。

背景技术

一种常见的信息存储设备是磁盘驱动单元，其使用磁性媒介来存储数据并借助设置于该磁性媒介上方的可移动读写元件来选择性地从磁性媒介上读取数据或将数据写在磁性媒介上。

消费者总是希望这类磁盘驱动系统的存储容量不断增加，同时希望其读写速度更快更精确。因此磁盘制造商一直致力于开发具有较高存储容量的磁盘系统，比如通过减少磁盘上的磁轨宽度或磁轨间距的方式增加磁轨的密度，进而间接增加磁盘的存储容量。然而，随着磁轨密度的增加，对读写头的位置控制精度也必须相应的提高，以便在高密度磁盘中实现更快更精确的读写操作。随着磁轨密度的增加，使用传统技术来实现更快更精确将读写头定位于磁盘上适当的磁轨变得更加困难。因此，磁盘制造商一直寻找提高对读写头位置控制的方式，以便利用不断增加的磁轨密度所带来的益处。

磁盘制造商有效使用的一种提高读写头在高密度盘上位置控制精度的方法为采用第二个驱动器，也叫微致动器。该微致动器与一个主驱动器配合共同实现对读写头的位置控制精度及速度。包含微致动主驱动器配合共同实现对读写头的位置控制精度及速度。包含微致动器的磁盘系统被称为双驱动器系统。

在过去曾经开发出许多用于提高存取速度及读写头在高密度磁盘的磁轨上定位精度的双驱动器系统。这种双驱动器系统通常包括一主音圈马达驱动器及一副微致动器，比如压电微致动器(即压电微致动器，以下简称为压电微致动器)。该音圈马达驱动器由伺服控制系统控制，该伺服控制系统导致驱动臂旋转，该驱动臂上承载读写头以便将读写头定位于存储盘上适当的磁轨上。压电微致动器与音圈马达驱动器配合使用共同提高存取速度及实现读写头在磁轨上位置的微调。音圈马达驱动器对读写头的位置粗调，而压电微致动器对读写头相对于磁盘的位置的精调。通过两个驱动器的配合，共同实现数据在存储盘上高效而精确的读写操作。

一种已知的用于实现对读写头位置微调的微致动器包含有压电元件。该压电微致动器具有相关的电子装置，该电子装置可导致微致动器上的压电元件选择性的收缩或扩张。压电微致动器具有适当的结构，使得压电元件的收缩或扩张引起微致动器的运动，进而引起读写头的运动。相对于仅仅使用音圈马达驱动器的磁盘系统，该读写头的运动可以实现对读写头位置更快更精确的调整。这类范例性的压电微致动器揭露于许多专利中，比如日本专利JP 2002-133803；美国专利第6,671,131及6,700,749号；及美国专利公开第2003/0168935号。上述内容在此组合在一起作为参考。

图1-2所示为传统的磁盘驱动单元，磁盘101安装在主轴马达102上并由其旋转。音圈马达臂104上承载有磁头折片组合(head gimbalassembly，HGA)277，该磁头折片组合277包括含有磁头203的微致动器，该磁头203上安装有读写头。一音圈马达控制音圈马达臂104的运动，进而控制磁头203在磁盘101的表面上的磁轨之间的移动，最终实现读写头在磁盘101上数据的读写。

当仅仅使用一个伺服马达系统时，由于音圈马达及磁头悬臂组合的固有误差(例如动态特性)，磁头无法实现快速而精确的位置控制，相反地，而是影响读写头精确读写磁盘上数据的性能。为此，增加上述压电微致动器，以便提高磁头203及读写头的位置控制精度。更具体地讲，与音圈马达比较，该压电微致动器以更小的幅度来调整磁头的位移，以便补偿音圈马达及/或磁头悬臂组合的共振误差。该压电微致动器使得应用更小的磁轨间距成为可能，并且可以将磁盘系统的磁轨密度(TPI，每英寸所含磁轨数量)提高50％，同时可以减少磁头的寻道时间(seeking time)及定位时间(settling time)。因此，压电微致动器可以大幅度提高磁盘驱动单元的表面记录密度。

图2a展示了传统的U形微致动器设计。在图2a中，微致动器105包括陶瓷框架100，该陶瓷框架100包括边臂107及108。所述边臂107及108上分别安装有压电元件107a及108a。所述压电微致动器105借助所述框架100的底部而连接到磁头折片组合的悬臂舌片上。一个平行间隙(未图示)允许电压施加到一个或更多压电元件107a、108a上时，所述微致动器105能够顺利地移动磁头203。

图2b展示了了另一种传统的U形微致动器设计。在图2b中，所述微致动器105’包括金属框架213，其具有顶支撑臂214、底支撑臂215及边臂211、212。所述边臂211、212上分别安装压电元件207、208。所述底支撑臂215安装于悬臂舌片上。一个平行间隙(未图示)允许电压施加到一个或更多压电元件207、208上时，所述微致动器105’能够顺利地移动磁头203。

图2c展示了图1、2所示传统磁盘驱动单元的、含有双驱动器的磁头折片组合277。更具体地，图2c是图1、2所示磁盘驱动单元的传统磁头折片组合的放大立体图。图2b所示的微致动器定位于磁头折片组合上。应当理解：图2a所示的微致动器也可定位于图2c所示的磁头折片组合上，因此省略相应描述。简言之，可使用电连接球109将微致动器105’与位于所述每个压电元件207、208一端的悬臂导线117连接起来。所述电连接球109可借助适当方法例如金球焊接(gold ball bonding，GBB)、锡球焊接(solder ball bonding，SBB)或其它类似方法形成。另外，所述磁头203插入并安装于金属框架213的顶支撑臂214上，并且多个电连接球(通过金球焊接、锡球焊接或其它类似方法连接)将磁头203与悬臂导线110连接起来以便实现与读/写传感器之间的电连接。当通过悬臂导线117而施加驱动电压后，所述边臂211及/或212上的压电元件207及/或208将会膨胀及/或收缩，引起边臂211及/或212沿共同侧向方向弯曲。这样，因为所述磁头203连接于两个边臂上，因此该磁头203产生侧向位移。因而可以实现磁头位置微调。

由于微致动器已在业界变得很普遍且其对于硬盘驱动器的功能非常重要，因此业界需要知道如何识别与压电元件有关的问题及/或故障。这些问题可以包括例如微裂纹的存在、压电元件的变形等。传统检测压电元件问题的技术包括对压电元件的可视化检查。很明显，这些技术存在一些缺陷。例如，由于压电元件及磁头折片组合的尺寸及复杂性，仅仅进行可视检查并不可行。

其它技术涉及将电压引入一个压电元件并采用激光多普勒振动计(Laser Doppler Vibrometers，LDV)对另一个压电元件进行电容测量及/或共振测量以检测机械共振特性，尤其检测其相对于预定标准的偏差。美国专利申请公开第2003/0076121号揭示了这样一个示例，该专利的全部内容在此作为参考。

具体地，图3a展示了现有的用于检测具有两个压电元件的磁头折片组合的错误的测试装置300。该测试装置300包括具有相关输入装置318及显示器316的用户界面314、测试控制处理器312、信号发生器308以及信号分析器310。所述信号发生器308与磁头折片组合第一边臂的微致动器的第一压电元件207电性连接(通过装置304)。所述信号分析器310与第二边臂的微致动器的另一个压电元件208电性连接(通过装置306)。所述测试控制处理器312指示信号发生器308在预定电压下(例如，扫频(swept)、正弦、周期啁啾声(period chirp)、随机噪声(random noise)等)输出参考信号。该参考信号将激发压电元件207并引起第一边臂弯曲。因为第一边臂与第二边臂互相连接，且所述第二压电元件位于第二边臂上，因此第二压电元件208将会弯曲，从而在压电元件208内产生响应电压。所述信号分析器310会检测该响应电压，而所述测试控制处理器312会将参考信号特性与响应信号特性进行比较，以便预测微致动器的特性。

图3b对图3a所示现有系统的输出情况进行了解释。该对照数据可以表达为波德图(bode plot)，波德图是一种反映电子滤波器的稳定状态频率响应的简便方法。该图表示了增益对数相对于频率对数的曲线。R1是上述压电元件207或208的电信号输出值，而R2是预期的响应信号。如果响应信号R1与已知的预期响应信号R2不匹配(例如，主峰值频率漂移，增益振幅不一致等)，则压电元件可能损坏或者存在缺陷，因为上述压电元件的响应特性已经发生了改变。

对于在结构上具有两个压电元件的磁头折片组合而言，这些传统的电容和激光多普勒振动计测量方法能够很好地工作。不幸的是，当系统中只有单个压电元件时它们可能根本无法工作。这种情况可能在硬盘驱动器传感器系统中发生。因此，应该认识到本领域需要可以克服上述一个或多个缺陷的改进系统。

发明内容

此处描述的若干实施例的一方面涉及用于检测在硬盘驱动器单元中发现的微致动器压电元件缺陷的技术。

此处描述的若干实施例的另一方面涉及涉及当微致动器上安装至少一个压电元件时检测缺陷的能力。

在若干具体实施例中，提供一种用于识别微致动器压电元件问题的系统。电压驱动器可与一个参考微致动器连接，该电压驱动器具有适当结构使得所述参考微致动器在参考共振情况下振动。测试微致动器在被来自参考微致动器的振动感应后可在测试共振情况下进行振动。处理器可对所述参考共振的至少一个特性与所述测试共振的至少一个相应特性进行比较。

在其它具体实施例中，提供一种用于识别微致动器压电元件问题的方法。可以提供参考微致动器及测试微致动器。可以施加电压到所述参考微致动器上以便在参考微致动器内感应形成参考共振，所述参考共振在测试微致动器内引起测试共振。可以测量所述参考共振和测试共振。可以对所述参考共振的至少一个特性及测试共振的至少一个相应特性进行比较。

在另外的实施例中，提供一种用于识别磁盘驱动器装置的微致动器压电元件问题的方法。所述磁盘驱动器装置包括含有一组磁头折片组合的磁头悬臂组合，所述每个磁头折片组合包括其上设有读写头的磁头及连接到磁头折片组合上的驱动臂。可以施加电压到所述磁头悬臂组合上以便在每个微致动器内感应形成共振。可以测量所述每个微致动器内的感应共振。可以产生参考共振。可以对所述感应共振的至少一个特性及参考共振的至少一个相应特性进行比较。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为传统磁盘驱动器单元的立体图；

图2为图1所示传统磁盘驱动器单元的局部立体图；

图2a展示了传统的U形微致动器设计；

图2b展示了另一种传统的U形微致动器设计；

图2c为图1-2所示磁盘驱动单元的传统磁头折片组合的放大状态的立体图；

图3a为检测具有两个压电元件的磁头折片组合的错误的传统测试装置；

图3b展示了图3a所示传统系统的输出情况；

图4a-4b展示了本发明若干实施例测试系统的示例性源装置；

图4c-4d展示了本发明若干实施例测试系统的示例性接收装置；

图5a展示了由本发明若干实施例所述测试系统产生的示例性测试数据的一个实例；

图5b展示了由本发明若干实施例所述测试系统产生的示例性测试数据的另一个实例；

图6展示了本发明一个实施例所述对微致动器进行测试的示例性方法流程图；

图7展示了磁头悬臂组合(head stack assembly，HSA)的局部立体图，本发明若干实施例所述测试技术可以应用到该磁头悬臂组合；

图8展示了本发明一个实施例所述对磁头悬臂组合的微致动器进行测试的示例性方法流程图；

图9为磁盘驱动器单元的立体图，本发明若干实施例所述测试技术可以应用到该磁盘驱动器单元。

具体实施方式

本发明的若干实施例提供了识别存在于微致动器压电元件内的问题(例如，微裂纹、变形等)的技术。可以通过在参考单元上施加电压(例如，正弦电压)而引起该参考单元及测试单元振动。可以通过对相应的共振特性(例如，频率、振幅、相位等)进行比较(比如借助处理器)而确定测试单元是否存在问题。所述参考单元可包括硬盘驱动装置的磁头折片组合或磁头悬臂组合。所述测试装置可包括用于检测的相应部件。该技术可实现当每个微致动器仅具有一个压电元件时对压电元件问题进行检测。

图4a-4b展示了本发明若干实施例所述测试系统的示例性源装置401；图4c-4d展示了本发明若干实施例所述测试系统的示例性接收装置；所述源装置401包括用于给参考磁头折片组合411的参考微致动器403提供电压的电压驱动器402。所述接收装置408包括传感器405、处理器407以及与测试磁头折片组合411’连接起来的测试微致动器404。

当所述参考磁头折片组合411的参考微致动器403被源装置401的电压驱动器402驱动时，所述参考微致动器403的压电元件将振动并产生具有固定频率的振动波形。如图4a所示，该波形将在空气中传播。与所述接收装置408连接的测试磁头折片组合411’的测试微致动器404的压电元件将接收到该波形。因为所述测试磁头折片组合411’与参考磁头折片组合411的频率相同，该测试磁头折片组合411’将接收该波形并在测试微致动器404的压电元件内引起响应共振。该响应共振将显示磁头折片组合411’的测试微致动器404的特性。例如，如果共振频率发生漂移或者如果振幅增加或减小，则测试磁头折片组合411’的测试微致动器404的压电元件可能损坏或有缺陷(可通过压电元件的响应特性显示出来)。

图5a展示了由本发明若干实施例所述测试系统产生的示例性测试数据的一个实例。当对上述参考微致动器403的压电元件施加正弦驱动电压501时，该参考微致动器403将振动并产生共振波形。在本实施例中，所述频率大约为25千赫兹，当然也可以产生其它频率。该波形将通过空气传播。所述位于接收装置408内的测试微致动器404将接收该波形并通过与共振502的感应而进行响应。该被感应的共振502应具有与电压驱动器402所施加的驱动电压以及参考微致动器403的共振频率相同的频率。

图5b展示了由本发明若干实施例所述测试系统产生的示例性测试数据的另一个实例。所述感应电压503与测试磁头折片组合411’的共振相对应。如图5b所示，所述感应共振电压503的频率为12.5千赫兹，该频率低于所述参考微致动器403的共振频率。由于所述微致动器403作为参考对象使用，上述差异可显示测试微致动器404具有结构问题，例如，微裂纹或其它缺陷。

图6展示了本发明一个实施例所述对微致动器进行测试的示例性方法流程图。在步骤S602中，将电压施加到所述参考微致动器上。这将在所述参考微致动器内引发共振，该共振继而导致所述测试微致动器内产生共振。所述在参考微致动器以及测试微致动器内引发的共振可在步骤S604中被测量，然后在步骤S606中进行比较。基于上述比较，在步骤S608中，可以确定所述测试微致动器是否存在问题。所述比较可包括，例如，振幅、频率、相位改变等的比较。

如上所述，所述电压驱动器可为单个的磁头折片组合，但本发明并不局限于此。例如，在一些实施例可以对整体磁头悬臂组合进行测试。图7展示了磁头悬臂组合800的局部立体图，本发明若干实施例所述测试技术可以应用到该磁头悬臂组合。因为磁头悬臂组合800包括多个磁头(head)，当电压驱动器运转时，位于所述磁头悬臂组合800的每个磁头折片组合277a-e上的部分或全部微致动器203a-e将会被感应。所述每个微致动器203a-e继而将产生响应共振。所述每个微致动器的每个压电元件的特性可被依次识别并与其它对象相比较。因此，在一些实施例中，所述整个磁头悬臂组合800可以有效地作为参考来使用。在本发明的其它实施例中可进行其它的比较(例如，如下参考图8的说明)以补充或者代替上述比较技术。

图8展示了本发明一个实施例所述对整体磁头悬臂组合的微致动器进行测试的示例性方法流程图。在步骤S802中，将电压施加到磁头悬臂组合以便在该磁头悬臂组合的每个磁头折片组合的每个微致动器内感应共振。在步骤S804中可以测量上述在每个微致动器内感应的共振，然后在步骤S806中执行对上述感应共振的一个或多个比较动作。这些比较动作可包括一系列成对比较、与平均诱导共振感应共振的比较、与估计参考共振的比较等。可选地(另外)，所述一个或多个共振可被指定为参考共振，以便其它所有检测到的共振可与其相比较。在步骤S808中，基于上述比较，可以确定所述一个或多个微致动器是否存在问题。

如图9所示，结合图7和图8描述的技术可应用到已经位于硬盘的磁盘901的磁盘驱动单元，所述主轴马达902用于驱动磁盘901旋转。音圈马达臂904支撑包含有一系列磁头折片组合的磁头悬臂组合800，每个磁头折片组合包括微致动器及磁头。所述磁头上集成有读写头。音圈马达(voice coil motor，VCM)用于控制所述马达臂904的运动，进而控制磁头903在磁盘901表面的磁轨之间移动，从而实现读写头从磁盘901读取数据或将数据写入磁盘901。再次，可以施加电压，识别并比较每个感应共振的特性。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims

1.一种用于识别微致动器压电元件问题的系统，其包括：

与一个参考微致动器连接的电压驱动器，该电压驱动器具有适当结构使所述参考微致动器在参考共振情况下振动；

当被来自参考微致动器的振动感应后在测试共振情况下振动的测试微致动器；及

用于对所述参考共振的至少一个特性与所述测试共振的至少一个相应特性进行比较的处理器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电压驱动器具有适当结构以对所述参考微致动器施加正弦电压。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述参考共振的至少一个特性以及所述测试共振的至少一个相应特性为频率、振幅及相位中的一个或多个。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述每个微致动器位于一个磁盘驱动器装置内，所述磁盘驱动器装置包括：

包含一组磁头折片组合的磁头悬臂组合，所述每个磁头折片组合包括其上设有读写头的磁头及连接到磁头折片组合上的驱动臂；

借助上述读写头实现数据从其读出或写入的磁盘；及

驱动所述磁盘旋转的主轴马达。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述参考微致动器为所述磁头悬臂组合中的一个微致动器，所有其它微致动器作为测试微致动器。

6.一种用于识别微致动器压电元件问题的方法，其包括：

提供参考微致动器及测试微致动器；

施加电压到所述参考微致动器上以便在参考微致动器内感应形成参考共振，所述参考共振在测试微致动器内引起测试共振；

测量所述参考共振和测试共振；及

对所述参考共振的至少一个特性及测试共振的至少一个相应特性进行比较。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于进一步包括基于上述比较步骤确定所述测试微致动器是否存在问题的步骤。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述电压为正弦电压。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述参考共振的至少一个特性以及所述测试共振的至少一个相应特性为频率、振幅及相位中的一个或多个。

10.一种用于识别磁盘驱动器装置的微致动器压电元件问题的方法，所述磁盘驱动器装置包括含有一组磁头折片组合的磁头悬臂组合，所述每个磁头折片组合包括其上设有读写头的磁头及连接到磁头折片组合上的驱动臂，所述方法包括：

施加电压到所述磁头悬臂组合上以便在每个微致动器内感应形成共振；

测量所述每个微致动器内的感应共振；

产生参考共振；及

对所述感应共振的至少一个特性及参考共振的至少一个相应特性进行比较。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于进一步包括基于上述比较步骤确定所述一个或多个微致动器是否存在问题的步骤。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述电压为正弦电压。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述感应共振的至少一个特性为频率、振幅以及相位中的一个或多个。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于进一步包括至少部分地基于所施加的电压来估计参考共振的步骤。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于进一步包括对所述感应共振平均化以便获得参考共振的步骤。

16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于进一步包括指定一个感应参考作为参考共振的步骤。

17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述参考共振围绕感应共振旋转，使得所述比较步骤包括将每个感应共振与每个其它感应共振相比较。