CN101281753B - 设计成减小飞行高度西格马的滑块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种设计成减小飞行高度西格马的滑块。根据一个实施例，滑块包括：空气支承面、前浅阶梯垫、后浅阶梯垫和后侧气仓。前浅阶梯垫和后浅阶梯垫位于比空气支承面深的第一水平。后侧气仓位于比空气支承面深的第二水平。后侧气仓紧邻滑块的后角。

Description

设计成减小飞行高度西格马的滑块
技术领域
本发明的实施例涉及用于盘驱动器的滑块。更具体来讲，本发明的实施例涉及设计成减小飞行高度西格马(sigma)的滑块。
背景技术
通常，盘驱动器被用来存储数据。盘驱动器可以是直接访问存储设备(DASD)或硬盘驱动器(HDD)等等，并可以包括一个或多个盘和管理盘上的操作的盘控制器。可以通过在盘的中心设置主轴而将盘现垂直堆叠在主轴上。主轴可以由马达驱动以在3000rpm到15000rpm的速度范围内转动。盘的距离主轴最近的部分通常称为内径(ID)，而盘的距离主轴最远的部分通常称为外径(OD)。
读写头可以被用来向盘上写入数据和从盘中读出数据。读写头与滑块相连。滑块为读写头提供机械支撑并提供头和驱动器之间的电气连接。滑块可以被附接至悬架以形成头万向节组件(HGA)。HGA可以被附接至作为致动器组件的一部分的致动器臂，以移动和支撑HGA。此外，滑块包括在滑块的空气支承面(air bearing surface，ABS)上形成的垫形的图案，使得滑块可以在盘上方以所希望的高度“飞行”在气垫。
一组滑块的飞行高度可以如图1所示的那样绘出。垂直轴表示频率，水平轴表示飞行高度。所述一组的标准差σ(也称为“飞行高度西格马”)可以用以衡量共用同一空气支承设计的零件组的飞行高度分散度。比如，σ1表明该组的飞行高度的分布比西格马为σ2的另一组更为分散。
生产商希望尽可能生产具有近似相同的飞行高度的滑块。一组滑块的飞行高度越相近，生产商生产以预定方式运转的盘驱动器就越容易，并且生产商必须废弃的滑块也越少。所以，滑块生产商坚持不懈的寻找设计具有尽可能小的飞行高度西格马的滑块的方法，因为这可以使他们更快的生产出具有优良品质的盘驱动器，并减少成本。
发明内容
本发明公开了一种设计成减小飞行高度西格马的滑块。根据一个实施例，滑块包括：空气支承面、前浅阶梯垫、后浅阶梯垫和后侧气仓。前浅阶梯垫和后浅阶梯垫位于比空气支承面深的第一水平。后侧气仓位于比空气支承面深的第二水平。后侧气仓紧邻滑块的后角。
附图说明
结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，其与文字说明一起用于说明本发明的原理：
图1示出了滑块组的飞行高度的分布。
图2示出了传统的滑块。
图3示出了根据一个实施例的设计成减小飞行高度西格马的滑块。
图4示出了根据一个实施例的滑行在盘表面上方的滑块。
图5示出了根据一个实施例的定位在ID和OD处的滑块。
图6示出了根据一个实施例的滑块相对于近似从ID和OD流向滑块的空气。
图7示出了根据一个实施例的与后浅阶梯垫相关联的各个尺寸。
图8示出了根据一个实施例的与后ABS垫相关联的各个尺寸。
图9示出了根据一个实施例的滑块的各个蚀刻水平。
图10示出了盘驱动器的平面图，便于讨论本发明的各个实施例。
除非特别注明，本描述中参考的绘图不应被理解为按照比例绘制的。
具体实施方式
现在将给出本发明的不同实施例的详细说明，附图中示出了这些实施例的示例。虽然本发明将结合这些实施例进行描述，但应明白这并不意图将本发明限定在这些实施例范围内。相反，本发明意图包括所有落在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的可替换方案、修改和等同技术方案。而且，在下面对本发明的描述中，将给出大量的特定细节以提供对于本发明的透彻理解。在其它实例中，众所周知的方法、程序、部件和电路未进行详细描述，以免不必要的模糊本发明的各个方面。
概述
图2示出了传统滑块200。传统滑块200包括各种结构，如：前ABS垫210；前浅阶梯垫220；后浅阶梯垫240；后ABS垫250；和位于接近滑块200后角的着陆垫230。结构210-250具有的形状在本质上是矩形多边形的变形，因为结构210-250的形状都是基于直线，并未包括曲线轮廓。适应于自然气流周线的流线型结构能够有助于提高空气支承的性能。除了其它方面，传统滑块200所采用的结构210-250的几何特性主要是限制了滑块200的设计所能实现的流线型化。
与之相对照，图3示出了根据一个实施例的设计成减小飞行高度西格马并提高其它性能参数的滑块300。滑块300包括：前ABS垫310、前浅阶梯垫320、后浅阶梯垫330、后ABS垫340、侧栏360、通道370、通道进气口350、后侧气仓(pocket)380和着陆垫390。滑块300在两侧均具有通道进气口350、侧栏360、通道370、气仓380和侧ABS垫390。
后浅阶梯垫330具有与之(330)相关联的提供传统滑块设计未提供的平滑气流特性的若干曲线。位于侧边并朝向滑块300后部的气仓380处于低于ABS的第二水平。气仓380主要增加滑块300的侧倾刚度(roll stiffness)。前ABS垫310被成形以提高滑块的俯仰刚度(pitch stiffness)。后ABS垫340被成形以减小由于环境气体压力降低而引起的飞行高度损失效应。
影响飞行高度西格马的因素
飞行高度由于不可避免的制造参数的变化而发生变化。这些变化产生不希望出现的力，影响到滑块的飞行高度、俯仰(pitch)和侧倾(roll)，从而影响到滑块飞行高度的分散情况(增大了飞行高度西格马)。减小这样的飞行高度分散的一种较好的方法是增加空气支承(air bearing)的刚度或者减小飞行高度对于制造参数的敏感性，使得飞行高度相对于目标值的偏差最小化。
图4示出了根据一个实施例的在盘450表面上方滑动时的滑块400。随着滑块400在盘450的表面之上滑动时，空气在滑块400和盘450的表面之间移动。空气使滑块400向上抬升。为平衡向上的抬升，悬架410对滑块400施加向下的力420，称为预加载荷。它还施加向上的俯仰力矩440和较小的或者为零的侧倾力矩430。预加载荷或俯仰力矩或侧倾力矩中任一个的变化将会影响到飞行高度姿态。较高的预加载荷力将导致滑块飞行高度的降低。较高的俯仰力矩将增大滑块的俯仰并减小飞行高度。侧倾力矩的变化可能引起飞行高度的增大或减小。
空气支承垫还会受到制造公差的影响，并影响到滑块飞行高度。比如，被称为为掩模未对准的变化可能改变空气支承垫相对于滑块本体的位置。空气支承面曲率的变化，比如纵向曲率或凸度(crown)、和横向曲率或拱度(camber)，可能使滑块的曲率偏离它的目标值。这些变化中的任何一个都会增加或减小滑块的飞行高度。
影响飞行高度西格马的环境因素
人们希望能够在地球上不同的地方使用盘驱动器。比如，他们可能想在海平面处使用他们的计算机，并且随后又想在高山上使用同一个计算机。海平面处的空气压力要高于更高海拔处的空气压力。空气压力影响到滑块将能飞行的高度。通常的环境气压影响是：气压越低，滑块也将飞行得越低。
滑块下方的盘的速度的大小影响到滑块飞行的姿态。图5示出了根据一个实施例的定位在ID和OD处的滑块500。滑块500的速度在ID位置最小，因为盘半径在ID处最小。滑块500速度随滑块500向OD移动而增加，因为盘半径在增加。另外，运行在产品速度(product speed)(即，大约为15000rpm)时盘驱动器的运转速度要高于其运行在伺服写入速度(即，大约为4000到8000rpm)时的速度。
空气510、520朝向滑块500流动的方向和强度(也称为“斜气流(skew)”)是影响飞行高度西格马的另外一个因素。参考图5，线510表示朝向滑块500流动的空气在滑块500接近ID时的方向，线520表示朝向滑块500流动的空气在滑块500接近OD时的方向。此外，由于滑块500接近OD时以较高的速度运行，所以气流强度随着滑块500向OD移动接近而增大。比如，520处的气流强度要强于510处的气流强度。朝向滑块500流动的空气的方向和强度的变化除了其它影响以外，会增加滑块500侧倾的可能性。
气垫的阻尼特性
随着部件的运行，其会有振动的趋势。阻尼特性是部件对抗振动趋势的能力。如果部件在运行于其谐振状态时具有足够的阻尼以抑制放大，则部件具有动态稳定性。各种实施例也具备动态稳定性，能够减小飞行高度西格马。
根据一个实施例，滑块300具有矩形形状。比如，滑块300可以采用飞米-L(femto-L)类型，这里，长度大约为1.25毫米，宽度大约为0.7毫米。矩形滑块比正方形滑块更易于侧倾。但是，本发明的不同实施例能够用以降低诸如飞米-L型之类的矩形滑块的侧倾的可能性，并从而减小飞行高度西格马。
前ABS垫
图6示出了根据一个实施例的相对于近似来自ID和OD朝向滑块600流动的空气的滑块600。参考图3和图6可以清楚地发现，前ABS垫310具有尤其是能够减小斜气流510、520的影响的形状。前ABS垫310的形状使得它(310)的边缘612、614、622和624与朝向滑块600流动的空气的方向510、520对齐。比如，如图6中所示出的，朝向滑块600的ID侧的内边缘614和外边缘612近似与空气朝向滑块600的OD侧流动的方向520对齐。滑块600的OD侧的内边缘624近似与空气朝向滑块600的ID侧流动的方向510对齐。
根据一个实施例，在OD侧的外边缘622根据例如滑块的仿真结果而没有与空气朝向滑块600的ID侧流动的方向510对齐。仿真结果表明，根据一个实施例，边缘622并不需要与空气从ID侧流动的方向510对齐。这种结果的一个可能的原因是因为沿方向520流动的气流的强度要强于沿方向510流动的气流的强度。
后浅阶梯垫
参考图3，后浅阶梯垫330包括：近似位于后浅阶梯垫330的前部中央的突起332(这里也称为“后浅阶梯垫突起”)。后浅阶梯垫330还包括位于突起332每一侧的凹部334、334(这里也称为“后浅阶梯垫凹部”)。
根据一个实施例，后浅阶梯垫330具有非几何形状。比如，后浅阶梯垫330可以具有与之(330)相关联的若干曲线。突起332是曲线的，凹部334、336是曲线的，并且后浅阶梯垫的侧边338、339是曲线的。突起332减小了滑块300侧倾的可能性，因为例如突起332能够对气流重定向。突起332有助于补偿气压的变化，并有助于动态稳定性。突起332朝向滑块300的OD侧的曲线有助于补偿来自OD侧的气流强度的增加。根据一个实施例，凹部334、336减少了气压变化对于飞行高度的影响。包括突起332的后浅阶梯垫330的形状用以降低对气压变化的敏感性，通过增加阻尼改善动态稳定性，此外还增加空气支承刚度并减小飞行高度西格马。
图7示出了根据一个实施例的与后浅阶梯垫330相关联的各个尺寸。参考图3和图7，突起332的长度710可以在大约150-500微米之间的范围内。根据一个实施例，突起332的长度710大约为300微米。突起332的宽度701可以大约为100微米或更小。根据一个实施例，突起332的宽度701大约为30微米。根据一个实施例，只要制造工艺能够实现，突起332的宽度701尽可能地窄。
后浅阶梯垫凹部334、336为大约5-30微米。根据一个实施例，后浅阶梯垫凹部334、336的宽度702、704为大约15微米。根据一个实施例，ID侧的凹部336略微深于OD侧的凹部334。比如，凹部336可以比凹部334深若干微米。
根据一个实施例，突起332朝向OD侧略微弯曲。比如，突起332相对于沿着突起332中心的轴线708的弯曲部分706可以是大约40微米。
后ABS垫
根据一个实施例，后ABS垫的前部为凹形的。后ABS垫的形状有助于增加空气支承的刚度、增加阻尼并减小海拔敏感性。
图8示出了根据一个实施例的与后ABS垫340相关联的各个尺寸。后ABS垫340的长度812可以在大约150-300微米的范围内。根据一个实施例，后ABS垫340的长度812为大约250微米。后ABS垫340的前部的凹部342的长度814的范围在大约10-60微米。根据一个实施例，凹部342的长度814为大约25微米。
后侧气仓
根据一个实施例，朝向滑块后部的侧气仓尤其是增加了空气支承的侧倾刚度，并减小了滑块侧倾的可能性。根据一个实施例，气仓紧邻着陆垫。如图3和图9示出的，侧垫390位于气仓380的后面。气仓380位于低于空气支承面的第二水平。
图9示出了根据一个实施例的滑块的不同的蚀刻水平。比如，浅阶梯垫320、330和通道370位于比空气支承面深的第一水平。气仓380为深于前浅阶梯垫320、后浅阶梯垫330和通道370的第二水平。当空气遇到滑块的前部时，空气压力增加。为了说明的目的，这一点处的气压将被称为气压水平A。气压随着气体流进通道进气口350并沿气道370流动而降低。当空气遇到气仓380时，气压升高至高于气压水平A的水平。滑块两侧气压水平的升高降低了滑块侧倾的可能性。因而，根据一个实施例，通道或气仓，或者它们的组合，有助于降低滑块侧倾的可能性。
在前ABS垫、后浅阶梯垫、后ABS垫和气仓章节中讨论了这些结构设计的各种合理性。对于滑块设计的合理性的讨论提出了本设计能够减小飞行高度西格马的一些原因。本讨论并不试图提出本设计能够减小飞行高度西格马的全部原因。
滑块的蚀刻水平
参考图9，第一水平比ABS深大约0.05-0.40微米，第二水平比ABS深大约1-4微米，并且第三水平比ABS深大约1.05-4.4微米，即前两个水平的总和。根据一个实施例，第一水平比ABS深大约0.18微米，第二水平比ABS深大约2.0微米。前ABS垫310、后ABS垫340、侧栏360和侧垫390位于ABS水平，因而距离盘最近。前浅阶梯垫320、后浅阶梯垫330、通道进气口350和通道370比ABS水平深一级(第一水平)。气仓380比ABS深两级(第二水平)。空白的区域比ABS深三级(第三水平)。
微粒
参考图2，在传统滑块200的前ABS垫210之间有一开口。而且，传统滑块200的侧边260是开放的，微粒能够通过开口进入。微粒能够集聚在传统滑块200的着陆垫230的前面。典型的滑块飞行在盘上方大约6到15纳米处。因而，进入到滑块和盘之间的微粒能够损伤盘表面。与之相对照，参考图3，根据一个实施例，前ABS垫310是封闭的，并且滑块300具有侧栏360，从而降低了微粒进入滑块300和盘表面之间的可能性。
尽管侧栏360降低了微粒进入滑块300和盘表面之间的可能性，但侧栏360增加了滑块300侧倾的可能性。由于这个原因，传统滑块200没有在两侧采用延伸至滑块尾端的连续侧栏。传统滑块最多可能采用在滑块端部之前结束的短侧栏或仅在一侧采用长的侧栏。但是，本发明的各种实施例降低了滑块300侧倾的可能性，并且因而，根据一个实施例的滑块300能够在滑块300的两侧采用侧栏360。
示例性盘驱动器
图10示出了盘驱动器的平面图，便于讨论本发明的各种实施例。盘驱动器1010包括：基座铸件(base casting)1013；马达轮毂(hub)组件1030；盘1038；致动器轴1032；致动器臂1034；悬架组件1037；轮毂1040；音圈马达1050；磁头1056；和滑块1055。
部件装配到基座铸件1013中，基座铸件1013为部件和子组件提供了附接点和配准点。多个悬架组件1037(示出一个)可以以梳状形式附接到致动器臂上。多个传感器头或滑块1055(示出一个)可以分别附接到悬架组件1037。滑块1055定位成邻近盘1038的表面，以便用磁头1056(示出一个)读取和写入数据。旋转的音圈马达1050绕致动器轴1032转动致动器臂1035，以移动悬架组件1050至所需要的盘1038的径向位置。致动器轴1032、轮毂1040、致动器臂1034和音圈马达150可以整体地称为旋转致动器组件。
数据以称为数据道1036的同心环的模式被记录到盘的表面1035上。盘的表面1035通过马达轮毂组件1030高速旋转。数据道1036通过通常位于滑块1055末端的磁头1056被记录在旋转的盘表面1035上。
图10是平面图，仅示出了一个头、滑块和盘表面的组合。本领域技术人员应明白，就一个头-盘组合所描述的内容适用于多个头-盘的组合，如盘组(disk stack)(未示出)。但是，为简略和清楚起见，图1只示出一个头和一个盘表面。
结论
尽管各个实施例与减小飞行高度西格马相关，但是各个实施例可以相互独立地或以不同的组合方式来使用，从而减小飞行高度西格马。
先前已经给出的对于本发明的特定实施例的描述是为说明和描述的目的。它们并不是穷尽的或者意图将本发明限定在所公开的具体形式，在本发明的教导下，很多变型和修改都是可能的。在此对所描述的实施例的选择和描述是为了最充分的解释本发明的原则和它的实际应用，从而使其它本领域的技术人员能够最充分的利用本发明和经各种修改以适用于考虑到的具体用途的不同实施例。本发明的范围由所附权利要求及其等同技术方案限定。

Claims (20)

1.一种设计成减小飞行高度标准差的滑块，该滑块包括；
空气支承面；
位于比所述空气支承面深的第一水平的前浅阶梯垫和后浅阶梯垫；和
位于比所述空气支承面和所述第一水平深的第二水平的后侧气仓，其中，所述后侧气仓紧邻所述滑块的后角。
2.如权利要求1所述的滑块，其中，所述滑块还包括：
位于所述后侧气仓前面的通道，其中，空气流过所述通道，然后进入所述后侧气仓。
3.如权利要求1所述的滑块，其中，所述滑块还包括：
用以减小微粒进入所述滑块和盘表面之间的可能性的侧栏，其中，所述侧栏与所述滑块的每一侧边相关联。
4.如权利要求1所述的滑块，其中，所述第一水平的范围为比所述空气支承面深0.05到0.40微米，而所述第二水平的范围为比所述空气支承面深1.0到4.0微米。
5.如权利要求1所述的滑块，其中，所述后侧气仓紧邻与所述滑块相关联的着陆垫。
6.如权利要求1所述的滑块，
其中所述后浅阶梯垫具有非几何形状以减小飞行高度标准差，其中，所述非几何形状包括至少一条曲线。
7.如权利要求6所述的滑块，其中，所述滑块包括：近似位于所述后浅阶梯垫的前端中央的后浅阶梯垫突起。
8.如权利要求7所述的滑块，其中，所述后浅阶梯垫突起的长度为150到500微米。
9.如权利要求7所述的滑块，其中，所述后浅阶梯垫突起的宽度为100微米或更小。
10.如权利要求7所述的滑块，其中，所述后浅阶梯垫突起朝向滑块的接近盘驱动器的外径的一侧弯曲。
11.如权利要求7所述的滑块，其中，所述后浅阶梯垫在所述后浅阶梯垫突起的每一侧具有凹部。
12.如权利要求11所述的滑块，其中，所述凹部为5到30微米宽。
13.如权利要求6所述的滑块，其中，所述滑块包括后空气支承面垫，该后空气支承面垫在其前部具有凹部。
14.如权利要求13所述的滑块，其中，所述后空气支承面垫的长度为150到300微米，而后空气支承面垫的前部的凹部的长度为10到60微米。
15.如权利要求1所述的滑块，
其中，所述滑块包括用以向所述盘写入数据和从盘读出数据的读写头，并且所述空气支承面包括前空气支承面垫，该前空气支承面垫有着与其第一侧相关联的边缘，其中，所述边缘与空气近似朝向前空气支承面垫的第二侧流动的方向近似对齐。
16.如权利要求15所述的滑块，其中，所述前空气支承面垫的边缘为朝向所述盘的内径的外边缘，并且其中所述空气近似朝向所述盘的外径流动。
17.如权利要求15所述的滑块，其中，所述前空气支承面垫的边缘为朝向所述盘的内径的内边缘，并且其中所述空气近似朝向所述盘的外径流动。
18.如权利要求15所述的滑块，其中，所述前空气支承面垫的边缘为朝向所述盘的外径的内边缘，并且其中所述空气近似朝向所述盘的内径流动。
19.如权利要求15所述的滑块，其中，所述前空气支承面垫的另一边缘为朝向所述盘的外径的外边缘，并且其中所述另一边缘不需要与朝向所述盘的内径流动的空气对齐。
20.如权利要求15所述的滑块，其中，所述前空气支承面垫在前部封闭。
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