CN101261843A

CN101261843A - 高度传感系统及飞行高度调节方法

Info

Publication number: CN101261843A
Application number: CNA2007100877259A
Authority: CN
Inventors: 姚明高; 郭林; 孙雨
Original assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Current assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-10
Also published as: JP2008217973A

Abstract

本发明公开了一种磁盘驱动装置中的高度传感系统和/或飞行高度调节方法。在本发明中，磁盘驱动装置的邻近磁盘边缘的一侧设置了一个压电型(PZT－type)压力传感器和/或高度传感器。当所述磁盘旋转时，由所述磁盘产生的气流将会使所述传感器的压电元件变形。所述压电元件对应所述变形产生电压。这样就发生一个可补偿高度变化(例如，在较高的高度时，所述磁盘驱动装置内的空气将会变得稀薄，空气阻力也将减小)的校准动作。同时，所述传感器的压电元件的输出敏感度会随着所述高度的变化而变化。所述压电元件探测到所述高度后，伺服马达会根据所述高度信号来计算和/或调整动态飞行高度(DFH)和/或读写头的飞行高度。

Description

高度传感系统及飞行高度调节方法

技术领域

本发明涉及一种信息记录磁盘驱动装置，尤其涉及磁盘驱动装置中的高度传感系统(Altitude sensing system)和/或飞行高度调节方法。

背景技术

一种常见的信息存储设备是磁盘驱动系统，其使用磁性媒介来存储数据以及设置于该磁性媒介上方的可移动读写头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。

磁盘制造商经常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定位精度及速度进行控制。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。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。

一种已知的微致动器依靠压电元件实现对读写头位置的微调。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。当对压电元件施加适当电压时，所述压电元件产生收缩或扩张动作，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。许多公开文献例如日本专利第2002-133803号、美国专利第6671131号以及第6700749号、美国专利公开第2003/0168935号揭露了这类范例性的压电微致动器，请将上述每个专利的内容并入作为本发明的参考。

图1a为传统的磁盘驱动装置，磁盘101安装在主轴马达102上并由其旋转。音圈马达臂104上负载有磁头折片组合(HGA，head gimbal assembly)。所述磁头折片组合包括微致动器105和安装有读写头103的磁头。音圈马达(VCM，voice-coil motor)控制所述音圈马达臂104的运动，进而控制所述磁头在所述磁盘101的表面上的磁轨之间的移动，最终实现所述读写头103在所述磁盘101上数据的读写。

由于所述音圈马达和磁头悬臂组合的固有容差(例如动态余隙(dynamicplay))，所述磁头不能实现快速精确的位置调整，因此在只使用一个伺服马达系统的情况下，会对所述读写头在所述磁盘上的读写能力产生不利影响。于是，如上所述，采用压电微致动器105以改善所述磁头和所述读写头103的位置控制。更详细地，与所述音圈马达相比，所述压电微致动器105以较小的幅度调整所述磁头的位移以抵消所述音圈马达和/或磁头悬臂组合的共振容差(resonancetolerance)。所述微致动器的采用带来很多益处，例如，使较小磁轨间距的使用成为可能。所述微致动器能增加所述磁盘驱动装置中单位长度内的磁轨(TPI，tracks-per-inch)数量，也能有利地缩短所述磁头的寻轨和定轨时间。因此，所述压电微致动器使所述磁盘驱动装置内的信息存储磁盘的表面记录密度显著增长。

上述改进着重于精确调整磁头的水平位移以适应磁盘驱动容量的快速增长。相似地，容量的快速增长也要求以越来越高的灵敏度来控制磁头飞行于磁性媒介上方的高度。因此，在磁头折片组合的悬臂件凸起与挠性件之间设置了加速度传感器和/或压力传感器，该技术揭露于许多文献如日本专利第2005-093055号中，请将所述专利的全部内容并入作为本发明的参考。当磁头飞行高度变化时，所述加速度传感器和/或压电传感器将会探测所述凸起与所述挠性件之间的压力并产生相应的电压。根据此电压信号，所述伺服器将对飞行高度的变化做出调整和/或补偿。

图1b是现有技术中用于探测飞行高度的传感器。加速度传感器或压力传感器115是一种层叠结构，位于负载杆111上的凸起112与磁头100之间。所述传感器115包括一个压电晶体层(piezoelectricc rystal layer)119。第一、第二导电层118、120位于所述压电晶体层119的两侧。第一绝缘层117位于所述第一导电层118和金属层116(所述金属层116可能触碰所述凸起112)之间。第二绝缘层121可位于所述第二导电层120和所述磁头100之间。当发生磁头磁盘相互作用(HDI，Head-Disk Interference)时，所述加速度传感器或压力传感器115将会受到压力，从而产生几毫伏的电压差。基于所述电压信号，所述伺服器将调整和/或补偿飞行高度。

然而，这种技术存在一些缺陷。例如，由于所述加速度传感器或压力传感器115尺寸的限制，其对飞行高度的敏感度也受到限制。其次，当外界条件变化时，敏感度不断变化。因此，当高度改变时，高度测量敏感度也变化，这就使伺服控制系统很难判断是高度变化还是高度测量敏感度变化。此外，现有技术在悬臂件挠性件和凸起(dimple)之间提供压电元件，这在凸起和挠性件相互作用(例如，当撞击或振动发生等)的情况下会很容易损坏压电元件。这种相互作用会产生碎片或者微粒，该碎片或微粒会污染磁头磁盘界面并影响磁头读写功能。从长远来看，这些缺陷会影响磁盘驱动装置的稳定性。另外，所述传感器的生产过程很复杂并且耗费高。

因此，提供一种改进的高度传感系统和/或飞行高度调节方法以克服上述缺陷十分必要。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种传感器单元，所述传感器能够提供磁盘上方的磁头的飞行高度数据

本发明的另一目的在于提供一种传感器单元，所述传感器单元无需安装在支撑臂的凸起与挠性件之间。

本发明的再一目的是提供一种传感器，所述传感器能安装在邻近磁盘边缘，或邻近挠性线缆(flex cable)，或音圈马达臂顶端，或音圈马达臂侧面等位置。

为实现上述目的，本发明提供了一种高度传感器，所述高度传感器能探测系统的部件产生的气流风力。其包括一个可响应所述气流风力(air flowwindage)而移动的杆、至少一个可设置于所述杆的表面的压电层、以及至少一个可连接到所述至少一个压电层的连接触点。所述至少一个压电层可根据所述杆的运动而产生电压。所述至少一个连接触点可输出所述电压。所述气流风力与高度相关。

本发明提供了一种用于磁盘驱动器中的高度传感器。其包括可响应所述气流风力而移动的杆、至少一个可设置于所述杆的表面的压电层、以及至少一个可连接到所述至少一个压电层的连接触点。所述至少一个压电层可根据所述杆的运动而产生电压。所述至少一个连接触点可输出所述电压。

本发明提供了一种磁盘驱动器。所述磁盘驱动器包括磁头折片组合和连接到所述磁头折片组合的驱动臂。所述磁头折片组合包括装有读写头的磁头。所述磁盘驱动器还包括磁盘。旋转马达用于驱动所述磁盘旋转。当所述磁盘旋转时，所述磁盘可以产生气流。所述磁盘驱动器还包括高度传感器。所述高度传感器包括可响应所述气流风力而移动的杆、至少一个可设置于所述杆的表面的压电层、以及至少一个可连接到所述至少一个压电层的连接触点。所述至少一个压电层可根据所述杆的运动而产生电压。所述至少一个连接触点可输出所述电压。

本发明提供了一种用以确定飞行在磁盘上方的读写头的动态飞行高度的方法。其中旋转磁盘产生的气流产生一个信号。所述信号可至少部分通过读写头的高度而与动态飞行高度相关联。可选地，所述信号和所述飞行高度可使用快速傅立叶变换算法(FFT，Fast Fourier Transform)相关联。可选地，所述动态飞行高度可至少部分基于所述高度而产生变化。

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达目的及效果，以下结合实施例并配合附图详细予以说明。

附图说明

图1a为传统磁盘驱动器的部分立体图；

图1b展示了现有探测飞行高度的传感器；

图2a是本发明具有飞行高度传感器的硬盘驱动器的一个示范性实施例；

图2b是图2a所示的本发明连接件的一个实施例的详细图；

图3a是本发明传感器单元一个示范性实施例的详细分解图；

图3b是图3a所示的、本发明传感器单元一个实施例组装后的示意图；

图3c展示了图3a和图3b所示高度传感器的工作原理；

图3d是图3a-3c所示的第一移动杆的一个实施例的侧视图；

图3e是图3a-3c所示的第二移动杆的一个实施例的侧视图；

图4a和4b展示了本发明测试数据的一个示范性实施例；

图5a展示了本发明描述传感器输出和高度的关系的一个示范性实施例的仿真图；

图5b是本发明描述磁头飞行高度和高度的关系的一个示范性实施例的另一个仿真图，；

图6a是本发明使用高度传感器来调整磁头飞行高度的方法的一个示范性实施例的流程图；

图6b是本发明计算调整飞行高度的方法的一个示范性实施例的流程图；

图7展示了本发明水平放置的高度传感器的另一个示范性实施例；

图8a展示了本发明安装于音圈马达臂的顶部的高度传感器的另一个示范性实施例；

图8b是图8a所示音圈马达臂的详细图；以及

图9为本发明安装于音圈马达臂的侧边的传感器单元的再一个实施例。

具体实施方式

本发明的一个实施例在磁盘驱动装置的邻近磁盘边缘的一侧设置了一个压电型(PZT-type)压力传感器和/或高度传感器。当所述磁盘旋转时，由所述磁盘产生的气流将会使所述传感器的压电元件变形。所述压电元件因所述变形产生电压。这样就发生一个可补偿高度变化(例如，在较高的高度时，所述磁盘驱动装置内的空气将会变得稀薄，空气阻力也将减小，这样会减小所述磁盘驱动装置的阻尼并引起旋转的主频随着所述高度增加而变化，所有这些变化会作用于所述传感器并被所述传感器探测到)的校准动作。同时，所述传感器的压电元件的输出敏感度会随着所述高度的变化而变化。所述压电元件探测到所述高度后，伺服马达会根据所述高度信号来计算和/或调整读写头的动态飞行高度。

图2a是本发明具有飞行高度传感器的硬盘驱动器的一个示范性实施例。所述硬盘驱动器包括底板201和用于控制磁头悬臂组合(HSA，head stackassembly)203的音圈马达(VCM，voice-coil motor)202。主轴马达205旋转着一个或多个磁盘204。连接件206电性连接所述HSA 203的挠性线缆(flexcable)212以及印刷电路板组合(PCBA，printed circuit board assembly)(图未示)。一个用于探测外界环境高度的高度传感器209也可连接到所述连接件206上。

图2b是图2a所示连接件206的一个示范性实施例的详细图。所述连接件206包括连接件支撑装置(connector support)211。所述连接件支撑装置211可由聚合物、尼龙等制成。所述连接件支撑装置211收容所述挠性线缆212。所述连接件支撑装置211在其顶端上或顶端附近处设有侧臂(side wall)214。多个连接件触点(connector pad)217通过导线连接到所述挠性线缆212上。所述高度传感器209至少局部安装在所述连接件支撑装置211的边缘上并邻近所述侧臂214的一端。当所述主轴马达驱动所述磁盘旋转时，所述磁盘驱动器侧面的气流能够被所述高度传感器209探测到，因此这样安排所述高度传感器209与所述连接件206是非常有利的。所述高度传感器209可连接到连接触点215上。多个针脚(pin)焊接到所述连接件触点215、217上以将所述连接触点215、217连接到印刷电路板组合上。

图3a是本发明传感器单元一个示范性实施例的详细分解图。传感器单元包括顶盖(top cover)301和底座(bottom support)305。所述顶盖301包括一个框架(frame)302a和两个杆(beam)303。所述底座305包括一个框架302b和一个移动杆(moving beam)307。所述移动杆307具有一个压电层和一个基层。所述压电层的压电元件一端设有两个触点309以实现电性连接。图3b是图3a的传感器单元组装后的一个示范性实施例的示意图。

图3c展示了图3a和图3b所示传感器的工作原理。当外力、气流、风力(如图3c中箭头所示)等施加到所述传感器单元上时，所述移动杆309将会变形。由于所述移动杆309的表面上设有所述压电层，因此当所述移动杆309变形时所述压电元件将会输出电压信号。

图3d是图3a-3c所示第一移动杆309的一个示范性实施例的侧视图。移动杆309具有一个基层(substrate)307b。所述基层307b可由陶瓷(例如硅或者氧化镁结构)、金属材料等制成。所述基层307b上设有压电层(PZT layer)307a。根据本发明的另一个示范性实施例，所述压电层307a可以是陶瓷压电(ceramic PZT)晶体、薄膜压电(thin film PZT)晶体，或者其他材料如铅镁铌-铅钛(PMN-Pt)晶体制成。

图3e是图3a-3c所示第二移动杆309一个示范性实施例的侧视图。根据该实施例，所述移动杆309具有多层压电元件307a’，所述多层压电元件307a’夹设有一个或多个电极层308。所述多层压电元件307a’可通过电极层308连接在一起并/或连接到所述触点309上。

图4a和4b展示了本发明测试数据的一个示范性实施例。当所述硬盘驱动器工作时，所述传感器将会探测到气流并产生变形。所述变形将会产生信号输出402。所述传感器的信号输出的快速傅立叶变换(FFT，Fast FourierTransform)形成曲线403、404和405。所述曲线403，404和405映射出信号输出与高度的关系。所述曲线405对应于正常高度的情形。所述曲线403对应于高于正常高度的情形。所述曲线404对应于一个更高的高度。可以理解除了快速傅立叶变换外的其他变换都可以应用于本发明的示范性实施例。

图5a是本发明仿真图的一个示范性实施例，描述了传感器输出和高度的关系。从图中可以看出，传感器输出随着高度的增加而迅速线性递减。详细地，与图中所示数据匹配的线性方程是y＝-0.697x+62.829。图5b是本发明一个示范性实施例另一个仿真图，描述了磁头飞行高度和高度的关系。ID、MD和OD线分别代表磁头位于磁盘的内轨、中轨和外轨的数据。图5b展示了当外界高度变化时，位于内径(ID，Inner Diameter)、中径(MD，Middle Diameter)和外径(OD，Outer Diameter)轨道处的磁头飞行高度也发生变化。作为一个实施例，当外界高度从大约0变化到22.97千英尺时，位于MD轨道处的磁头飞行高度大约下降3.5纳米。磁头飞行高度变化时，系统将会做出补偿或者调整。否则，这种变化将导致由磁头触碰磁盘产生的对磁头磁盘界面的损害。

图6a是本发明使用高度传感器来调整磁头飞行高度的方法的一个示范性实施例的典型流程图。步骤S602：通过例如对传感器数据进行快速傅立叶变换算法来确定以海平面(sea level)为基准的输出来校准(calibrate)所述传感器，步骤S604：控制磁头读写过程和动态飞行高度(DFH，dynamic fly height)。步骤S606：对传感器数据进行实时快速傅立叶变换。步骤S608：确定输出是否变化。如果没有变化，转步骤S610，进行下一次探测。如果输出变化了，则进行步骤S612：进行伺服计算，并且该流程将会返回到步骤S604(即控制磁头读写过程和动态飞行高度)。

图6b是本发明计算调整飞行高度的方法一个示范性实施例的典型流程图。步骤S622：使用最佳匹配方程估测高度，所述最佳匹配方程可用实验方法获得。步骤S624：对每个特定设计(particular design)的、相对于硬盘驱动器中每一个磁盘的飞行高度变化进行估测。步骤S626：对应于上述估测，使用动态飞行高度的伺服控制来调整相对于磁盘的飞行高度。步骤S628：使用快速傅立叶变换算法处理所述传感器数据并确定变化的发生。如果变化是期望发生的，那么流程结束。如果变化是不期望发生的，进行步骤S630，进行伺服计算，然后返回到步骤S622(例如，重新估测高度等)。

在本发明的一个可选实施例中，高度传感器701可如图7所示水平放置。使用所述构造时移动杆307也应水平放置。可选地，或者附加地，本发明可叠层安装多个高度传感器(如每个磁盘可安装一个高度传感器)。为避免混淆在此不再描述图7中其他元件。

在本发明的另一个实施例中，如图8a所示，高度传感器可安装于音圈马达臂的上表面。所述高度传感器801将探测所述磁盘表面的气流并以上述实施例描述的相同方式产生信号。图8b是图8a所示臂的详细图。可选地，或附加地，高度传感器可安装在磁头悬臂组合的每个臂的顶端。

图9为本发明的再一个实施例，其中高度传感器901安装于音圈马达臂的侧边。详细地，高度传感器901位于臂上邻近前置放大器的一侧。挠性线缆的导线(图未示)可用于把传感器电性连接到伺服控制器。

可理解地，上述的仿真和实验数据仅为本发明的一些实施例。其他仿真和/或实验数据可产生不同的结果。该结果可潜在地影响最佳匹配方程(例如，系数、线性度等)以及高度。的确，其他实验也可产生更适合图7-9所描述的示范性实施例的数据和/或最佳比配方程。

可理解地，任何型号的压电元件都适用于上述示范性实施例。作为本发明的不受局限的实施例，所述压电元件可以是陶瓷压电元件、薄膜压电元件、铅镁铌-铅钛压电元件等。

尽管本发明是借助安装在磁盘驱动器内的传感器来描述上述示范性实施例，但本发明并不受此局限。例如，本发明的另一实施例可为需要探测风力和/或确定相关高度和/或高度变化的产业或领域的装置和/或系统提供高度传感器。在上述实施例中，高度传感器可安装在邻近风力区域处，和/或位于侧臂(side wall)上以便把风力的气流引导到传感器的一端。

以上披露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能由此来限定本发明之权利范围。因此依本发明专利申请范围所作的同等变化仍述本发明所涵盖的范围。

Claims

1. 一种用来探测由系统部件产生的气流风力的高度传感器，包括：

可响应所述气流风力而移动的杆；

至少一个形成于所述杆表面上的压电层，所述至少一个压电层可根据所述杆的运动产生电压；以及

至少一个可连接到所述至少一个压电层的连接触点，所述至少一个连接触点适于输出所述电压，

其中所述气流风力与高度相关。

2. 如权利要求1所述的高度传感器，其特征在于：所述高度传感器还包括一个电连接层和位于所述电连接层周围的两个压电层，所述电连接层与所述至少一个连接触点相连接。

3. 如权利要求1所述的高度传感器，其特征在于：所述杆包括由陶瓷和/或金属构成的基底层。

4. 如权利要求1所述的高度传感器，其特征在于：所述高度传感器还包括：

具有一个框架和两个支撑杆的顶盖；以及

具有框架的底座，

其中所述杆位于所述底座上和/或者连接到所述底座上。

5. 一种用于磁盘驱动装置中的高度传感器，包括：

可响应所述气流风力而移动的杆；

至少一个可连接到所述至少一个压电层的连接触点，所述至少一个连接触点适于输出所述电压。

6. 如权利要求5所述的高度传感器，其特征在于：所述高度传感器还包括一个电连接层和位于所述电连接层周围的两个压电层，所述电连接层与所述至少一个连接触点相连接。

7. 如权利要求5所述的高度传感器，其特征在于：所述杆包括由陶瓷和/或金属构成的基底层。

8. 如权利要求5所述的高度传感器，其特征在于：所述高度传感器还包括：

具有一个框架和两个支撑杆的顶盖；以及

具有框架的底座；

其中所述杆位于所述底座上和/或者连接到所述底座上。

9. 如权利要求5所述的高度传感器，其特征在于：所述高度传感器还包括一个处理器，所述处理器确定位于既定高度的磁盘上的磁头的飞行高度、以及磁盘上的磁头的动态飞行高度，并根据飞行高度和动态飞行高度的差值而确定调整量。

10. 一种磁盘驱动器，包括：

磁头折片组合，所述磁头折片组合包括具有读写头的磁头；

连接所述磁头折片组合的驱动臂；

磁盘；

用于旋转所述磁盘的旋转马达，当所述磁盘旋转时，所述磁盘产生气流；以及

用于进行磁头飞行高度调整的高度传感器；

其中，所述高度传感器包括：

可响应所述气流风力而移动的杆；

11. 如权利要求10所示的磁盘驱动器，其特征在于：所述磁盘驱动器还包括一个处理器，所述处理器确定位于既定高度的磁盘上的磁头的飞行高度、以及磁盘上的磁头的动态飞行高度，并根据飞行高度和动态飞行高度的差值而确定调整量。

12. 如权利要求11所述的磁盘驱动器，其特征在于：所述磁盘驱动器还包括连接所述高度传感器和所述处理器的挠性线缆。

13. 如权利要求11所述的磁盘驱动器，其特征在于：所述磁盘驱动器还包括根据所述调整量来调整所述磁头的动态飞行高度的伺服马达。

14. 如权利要求11所述的磁盘驱动器，其特征在于：所述处理器根据公式计算高度，所述公式为y＝-0.697x+62.829，其中所述y表示以毫伏为单位的传感器输出，所述x表示以千英尺为单位的高度。

15. 如权利要求10所述的磁盘驱动器，其特征在于：所述高度传感器位于邻近所述磁盘以及邻近所述驱动器一侧的位置。

16. 如权利要求10所述的磁盘驱动器，其特征在于：所述高度传感器位于所述磁头折片组合的顶端。

17. 如权利要求10所述的磁盘驱动器，其特征在于：所述高度传感器位于所述磁头折片组合的一侧。

18. 一种用以确定飞行于磁盘上方的读写头的动态飞行高度的方法，包括如下步骤：

根据所述磁盘旋转形成的气流产生一个信号；

至少部分基于所述读写头的高度将所述信号与动态飞行高度相关联。

19. 如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述信号与所述飞行高度通过快速傅立叶变换算法相关联。

20. 如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述方法还包括根据公式估测所述高度的步骤，所述公式是y＝-0.697x+62.829，其中所述y表示以毫伏为单位的传感器输出，所述x表示以千英尺为单位的高度。

21. 如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述方法还包括至少部分基于所述高度而改变所述动态飞行高度的步骤。