CN101373601B - 磁记录盘和磁盘驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁记录盘和磁盘驱动器。一种磁记录盘驱动器使用具有大致沿径向跨数据磁道延伸的预图案化伺服扇区的盘。伺服扇区包括至少两个定位误差信号(PES)脉冲串或区段。对伺服读回信号中PES区段的相位解调以产生PES，以控制磁盘驱动器致动器用于定位读/写头。每个区段含有大致径向取向的磁化条，每个条包括多个形成之字形图案的岛。沿着磁道的方向，条具有交替变化的磁化极性。在一个实施例中，有四个区段：第一对区段A和B和第二对类似的区段C和D，其中区段A中径向条的之字形图案是区段B中径向条的之字形图案关于径向线的镜像，但其中区段C和D中的径向条沿径向从区段A和B中的径向条偏移岛径向高度的二分之一。

Description

磁记录盘和磁盘驱动器

技术领域

本发明总体上涉及图案化介质(patterned-media)磁记录盘，其中每个数据位被存储在盘上的磁隔离的数据岛中，更具体而言本发明涉及具有用于头定位的图案化的非数据伺服区段(servo field)的图案化介质盘和磁盘驱动器。

背景技术

已经提出了具有图案化磁记录介质的磁记录硬盘驱动器来提高数据密度。在图案化介质中，将盘上的磁记录层图案化成小的隔离数据岛，使得在每个岛或“比特”中有单个磁畴。该单个磁畴可以是单个晶粒，或由若干强耦合晶粒构成，它们作为单个磁体积一致地切换磁状态。这与常规的连续介质相反，在连续介质中，单个“比特(bit)”可以具有由畴璧隔开的多个磁畴。为了产生图案化岛所需的磁隔离，必须要打破或显著减小岛之间的空间的磁矩，以使这些空间基本上是非磁的。或者，可以通过制造图案化介质，使得在岛之间的空间中没有磁材料。美国专利5820769、5587223和6383598是各种图案化介质和它们的制造方法的代表。

如同常规非图案化或连续介质盘那样，图案化介质盘也具有用于读/写头定位的非数据伺服区。图案化介质盘中的非数据伺服区包含由非磁空间分开的伺服块(servo block)或岛。伺服块形成伺服图案，其产生伺服读回信号，该信号被解调为定位误差信号(PES)，用于将读/写头定位到期望的数据磁道中并将其保持在磁道上。所提出的用于格式化这种盘的方法是在制造期间利用大磁体DC“擦除”盘，使得所有伺服岛被沿相同方向磁化。于是对于图案化介质垂直磁记录盘而言，所有伺服岛将具有“进入”或“离开”盘表面的磁化方向。然而，因为对于这种方法而言仅使用了磁化的单个极性，牺牲了来自伺服岛的可用信号幅度(amplitude)的一半，使得信噪比(SNR)并非最佳。被公开为US 2006/0280975A1并转让给本申请的同一受让人的未决申请11/148918描述了一种磁记录盘，其具有离散的伺服岛，这些伺服岛在沿着磁道的方向上具有交替变化的极性，且经过构图而形成常规的正交伺服图案(quadrature servo pattern)。

需要一种具有非数据伺服岛的图案化介质磁记录盘，其伺服岛具有交替变化的磁化极性，以提供最佳的SNR，而且还形成一种较容易解调为PES的改进的伺服图案。

发明内容

本发明涉及一种磁记录盘驱动器和盘，该盘具有预先图案化的非数据伺服扇区(servo sector)，该伺服扇区大致沿径向跨数据道延伸。伺服扇区包括至少两个定位误差信号(PES)脉冲串(burst)或区段(field)。对伺服读回信号中PES区段的相位解调以产生PES，从而控制磁盘驱动器致动器来定位读/写头。每个区段含有大致径向取向的磁化条，每个条包括形成之字形图案的多个岛。在一个实施例中，每个岛具有大约为Tp的径向高度，其中Tp为径向方向上磁道中心线的间隔。在第一区段中，所述多个岛以磁道中心线为中心，在第二区段中，所述多个岛以两相邻磁道中心线之间的中间线为中心。沿着磁道的方向，条具有交替变化的磁化极性。

在一个实施例中，有四个区段：第一对区段A和B和第二对区段C和D，其中区段A中径向条的之字形图案是区段B中径向条的之字形图案关于径向线的镜像，其中区段C中径向条的之字形图案是区段D中径向条的之字形图案关于径向线的镜像，其中区段C和D中的径向条沿径向从区段A和B中的径向条偏移岛径向高度的二分之一。在另一个实施方式中，仅使用A、B、C和D区段中的三个。在又一个实施方式中，仅使用每个区段对A-B和C-D中的一个以及大致径向取向的磁化标记的同步图案。

该盘可以是具有预图案化数据岛和预图案化非数据伺服扇区的图案化介质盘、具有常规连续介质数据磁道和预图案化非数据伺服扇区的连续介质盘、或具有离散数据磁道和预图案化非数据伺服扇区的连续介质盘。

磁盘驱动器包括伺服电子装置，其测量来自不同区段的伺服读回信号的相位。在使用两对区段(A-B和C-D)的实施方式中，通过区段A和区段B之间的相位差计算主PES(mPES)，通过区段C和区段D之间的相位差计算替代PES(sPES)。对于岛高度为Tp的情况，mPES正比于读头从磁道中心线的偏移，sPES正比于读头从两个磁道中心线的中点的偏移。对于最终的PES计算值，根据读头的径向位置选择计算的mPES和sPES值中的一个或另一个。

为了更完整地理解本发明的本质和优点，应当结合附图参考以下详细说明。

附图说明

图1为示出了具有非数据伺服扇区和同步区段的磁记录盘的常规磁记录盘驱动器的示意图。

图2为示出了从盘表面观察的，具有读/写头末端分的磁盘驱动器滑块面对盘的表面和数据磁道一部分的图示。

图3为示出了图案化介质盘一部分的示意图，其具有跨越若干数据磁道的图案化同步区段和图案化伺服扇区，非数据岛在沿着磁道的方向上具有交替变化的极性。

图4(A)为来自单个垂直磁化非数据岛的代表性信号。

图4(B)为如果沿同样的垂直方向磁化所有岛从而使它们的磁化具有单个极性时来自一系列非数据岛的代表性信号。

图4(C)为来自根据本发明的盘的代表性信号，该盘的非数据岛具有交替变化的垂直磁化方向，从而沿磁道相邻的两个岛具有相反极性。

图5A为根据本发明的定位误差信号(PES)区段的图示，每个串或区段A、B、C和D的部分、对角条形岛的方向每单个磁道改变一次。

图5B为根据本发明的定位误差信号(PES)区段的图示，每个串或区段A、B、C和D的部分、对角条形岛的方向每两个磁道改变一次。

图6为形成伺服区段中的径向条的平行四边形岛的详细图示。

图7为针对一种设计范例，图6所示的参数Ii、Wd、间隙和y作为r的函数的曲线图。

图8为针对一种设计范例图6所示的岛角α作为r的函数的曲线图。

图9为用于从伺服读回信号计算相位和PES的硬件的框图。

图10为作为距磁道中心线的径向距离的函数的所测的四个区段A、B、C和D的每个的相位值的曲线图。

图11为计算的主PES(mPES)和替代PES(sPES)作为距磁道中心线的径向距离的函数的曲线图。

图12为作为距磁道中心线的径向距离的函数的归一化的PES的曲线图。

图13为用于对角条形岛的径向高度与磁道节距相同的范例的三个区段A、B和C的图示。

图14为用于对角条形岛径向高度与磁道节距相同的范例的三个区段A、C和D的图示。

图15为用于对角条形岛径向高度是磁道节距两倍的范例的三个区段A、B和C的图示。

图16为用于对角条形岛径向高度是磁道节距两倍的范例的三个区段A、C和D的图示。

图17为示出了数据采样开始时间的伺服读回信号的图示。

图18为范例脉冲串图案，其中对角条形岛的径向高度与磁道节距Tp相同，区段组合为A和C，同步图案与区段A和C一起使用。

图19为范例脉冲串图案，其中对角条形岛的径向高度为磁道节距的两倍，区段组合为A和C，同步图案与区段A和C一起使用。

具体实施方式

图1为常规磁记录盘驱动器的示意图，示出了具有非数据区的磁记录盘，具体而言非数据区为用于在数据磁道上定位记录头的伺服扇区、及使记录头能够读写数据扇区中的数据的同步区段。由100总体表示的磁盘驱动器包括磁记录盘104、音圈电机(VCM)致动器110、致动器臂106、悬架107、头载体或气垫滑块108和记录头109。记录头109通常为感应写头和磁阻读头的组合(也称为读/写头)，位于滑块108的尾部或端面上。滑块108由悬架107支撑在致动器臂106上，悬架107使滑块能够在盘沿箭头130的方向旋转时产生的气垫上“俯仰”和“转动”。图1中仅示出了与滑块和记录头相关的一个盘面，但通常有堆叠在轴毂上的多个盘，轴毂由主轴电机转动，每个盘的每个表面与独立的滑块和记录头相关。

图2为示出了从与部分数据磁道118重叠的盘104表面观察的滑块108面对盘的表面108a和记录头109末端的图示。记录头109为读/写头，是一系列在滑块108的端面108b上淀积并光刻构图的薄膜。写头109a包括由写间隙WG隔开的写极P1/S2和P2。当把写电流引入写头109a时，在沿着数据磁道118的方向上跨过WG产生磁场。磁致电阻传感器或读头109b位于两个绝缘间隙层G1、G2之间。间隙层G1、G2位于磁屏蔽S1和P1/S2之间，P1/S2还充当着写头109a的第一写极。因为屏蔽S2还充当着极P1，因此这种读/写头也被称为“合并”头。如果S2和P1为独立的层，该读/写头被称为“背负式”头。因为构成头109的膜是依次淀积在滑块108的端面108b上的，因此在读头109b和写头109a的写间隙WG之间在沿磁道方向或圆周方向上有间隔D。图2所示的写头109a为水平记录写头，如数据磁道118的截面中的箭头所示，用于在盘104上的记录层平面中记录磁化。然而，写头也可以是垂直记录写头，具有垂直写极(WP)，其记录垂直于盘104上的记录层的磁化。

再次参考图1，盘104具有旋转中心111并沿方向130转动。盘104具有磁记录层，磁记录层具有径向间隔的同心数据磁道，其中之一被示为磁道118。每个数据磁道都具有参考标记121，表示磁道的开始。磁盘驱动器被示为区位记录(zone-bit-recording：ZBR)磁盘驱动器，因为数据磁道被沿径向分成若干环形数据带或区的组，其中三个被示为区151、152和153，但本发明完全适用于不使用ZBR的磁盘驱动器，在这种情况下磁盘驱动器仅具有单个数据区。在每个区中，沿圆周方向将磁道分成若干数据扇区，例如径向外部数据区中的典型的数据扇区164。每个数据扇区164前面为同步(sync)区段，例如典型的同步区段163。同步区段163可以被读头探测到，用于使数据扇区164中的数据位的读取和写入同步。

每个数据磁道还包括多个圆周方向或角向间隔的伺服扇区120，其含有可由读头探测到的定位信息，用于将头109移动到期望的数据磁道并将头109保持在该数据磁道上。每个磁道中的伺服扇区沿圆周方向与其他磁道中的伺服扇区对准，从而它们沿大致径向跨磁道延伸，如径向定向的伺服扇区120所示。伺服扇区120具有大致沿径向的大致弓形，其大致重合径向致动器110在盘上移动头109时头109的路径。伺服扇区120是盘上的非数据区域，通常在制造或格式化盘期间对其一次性磁化，在磁盘驱动器正常运行期间不会对其进行擦除。

与磁盘驱动器100相关的电子装置包括读/写(R/W)电子装置113、伺服电子装置112、控制器电子装置115和接口电子装置114。在磁盘驱动器100工作期间，R/W电子装置113从头109接收信号并将伺服扇区120的伺服信息向伺服电子装置112传递，将数据扇区164的数据信号向控制器电子装置115传递。伺服电子装置112使用伺服信息在140处产生电流，该电流驱动VCM致动器110以定位头109。接口电子装置114通过接口172与主系统(未示出)通信，传递数据和命令信息。接口电子装置114还通过接口174与控制器电子装置115通信。在磁盘驱动器100工作期间，接口电子装置114通过接口172接收从数据扇区164读取或向其写入的请求。控制器电子装置115从接口电子装置114接收所请求数据扇区的列表并将它们转换成一组唯一地标识盘表面、磁道和数据扇区的数字。将数字传递到伺服电子装置112以便能将头109定位到适当的数据扇区。

如果该磁盘驱动器是“无头”架构的磁盘驱动器，表示该数据扇区164不含有需要在能够从数据扇区读取或向其写入数据之前读取的唯一数据扇区地址，那么，一旦伺服电子装置112已经将头定位在适当数据磁道上方，伺服电子装置112就开始进行扇区计算，以定位和识别期望的数据扇区。简而言之，在无头架构方案中，使用伺服扇区120开头处的伺服定时标记(STM)来定位伺服扇区，来自含索引标记(index mark)121的伺服扇区的STM计数唯一地标识出每个伺服扇区。一旦这样确定了期望的数据扇区，则检测出该数据扇区前面的同步区段，以控制从数据扇区读出的数据位或写到数据扇区的数据位的时间(timing)。

常规的磁记录盘驱动器使用具有“连续”介质的盘，意味着磁记录层是可磁化材料的连续膜。在常规的连续介质盘中，同心的数据磁道彼此并未物理分离，且不是预先形成在记录层中的，而是在来自写头的写磁场在连续磁层中产生磁化时形成的。连续介质盘也可以是“离散磁道”盘，这意味着连续磁材料的同心数据磁道被同心非磁保护带彼此径向分开。例如，如美国专利4912585所述，离散磁道磁记录盘是现有技术公知的。在离散磁道盘中，非磁保护带可以是沟或槽，或由非磁材料形成，或含有磁材料但表面远低于数据磁道表面以免对来自数据磁道的读回信号产生不利影响。

然而，已经提出了具有“图案化”介质的磁记录盘来提高数据密度。在图案化介质中，将盘上的可磁化材料图案化成小的隔离数据岛，使得在每个岛或“比特”中有单个磁畴。该单个磁畴可以是单个晶粒，或由若干强耦合晶粒构成，所述晶粒作为单个磁体积一致地切换磁状态。这与常规的连续介质相反，在连续介质中，单个“比特”可以具有由畴璧隔开的多个磁畴。为了产生图案化岛所需的磁隔离，必须要打破或显著减小岛之间的空间的磁矩，以使这些空间基本上表现为非磁的。在图案化介质中，数据扇区以及非数据区域都被图案化。然而，也可以制造仅非数据区域被图案化的连续介质盘。这种连续介质盘可以具有常规的同心数据磁道，或被非磁保护带分开的离散数据磁道，但非数据区域被图案化。在美国专利4912585中描述了具有图案化伺服区的离散磁道盘的范例。

图3为示出了图案化介质盘一部分的示意图，其具有跨越若干数据磁道的图案化同步区段163和图案化伺服扇区120，如被公开为US2006/0280975A1且被转让给本申请相同受让人的未决申请11/148918所述。示出了四个完整数据磁道：308、309、310和半磁道311，每个具有各自的磁道中心线328、329、330和331。读头109b被示为定位在数据磁道308中，将在盘沿箭头130的方向旋转时检测同步区段163和伺服扇区120中的岛。

同步区段163被示为具有四个同步标记或径向条的图案，其为由非磁空间分隔开的磁化非数据岛163a-163d。同步标记为沿径向跨过数据磁道延伸的条，形成单频图案，其适于在读取或写入数据扇区中的数据位之前锁定锁相环数据时钟。同步区段163位于实线表示的数据扇区164前方，数据扇区164示出了若干数据岛。

伺服扇区120是扇区伺服系统中通常使用的类型的常规伺服图案，为了清楚起见示出了大大简化的图案。伺服图案包括若干含有非数据岛的区段，其中三个被示为伺服定时标记(STM)区段302、磁道ID(TID)区段304和定位误差信号(PES)区段305，区段305被示为公知的PES脉冲串A-D的正交图案(quadrature pattern)。每个脉冲串或区段A-D中的岛被用于确定头径向位置的小数部分(fractional part)。当头在轨道中线处时，来自岛A和B的读回信号幅度相等。当头位于半磁道位置时，来自C岛和D的幅度相等。随着头移开磁道，来自所有岛的幅度将增大或减小。PES岛的幅度在伺服电子装置112中被解码并用于重新定位头。

在图3中，同步区段163、数据扇区164和伺服扇区120中的所有岛都是磁材料的离散岛。将轮流排列的岛(被交叉阴影示出)沿与其他岛的磁化相反的方向磁化。于是，非交叉阴影岛中的磁化反平行于交叉阴影岛中的磁化。对于垂直记录来说，如果非交叉阴影岛中的磁化是朝向图3的纸外的，那么交叉阴影岛中的磁化将进入纸内。对于水平记录来说，如果非交叉阴影岛中的磁化是朝向图3中沿着磁道的方向的右方的，那么交叉阴影岛中的磁化将朝向左方。每个离散的岛都是通过由200表示的非磁空间与其他岛分离开的磁化岛。术语“非磁”表示岛之间的空间200是由如下材料形成的：诸如电介质的非铁磁材，或在没有施加磁场时基本没有残余磁矩的材料，或在岛下方凹入足够远的沟或槽中的磁材料以免不利地影响读或写。非磁空间200也可以是不存在磁材料，例如磁记录层或盘基中的沟或槽。

如图3所示意性示出的，伺服扇区120中的PES块具有显著低于数据频率(数据扇区164中的数据岛的频率)的频率(伺服频率)。这是因为对于读头109b的给定分辨率而言，R/W电子装置113中的现代部分响应(PR)读出通道能够以读头分辨率若干倍的周期处理线位密度。然而，为了清楚地分辨单个脉冲(这有利于数据同步和PES解码)，非数据伺服岛的周期应当接近读头的分辨率。在盘的内径(ID)附近，伺服频率将更接近数据频率，但二者的频率将受到盘最大线性密度的限制。然而，随着距离ID的径向位置增大，数据频率相对于伺服频率升高，因为伺服频率是恒定的，而数据频率通常随着半径线性增大。

图4(A)为图3的单个的磁化的非数据岛经过读头时被读头109b检测到的代表性信号。图示的孤立脉冲响应Vp用于垂直磁化的岛。如果非数据岛以特定周期重复，且所有岛不是以图3所示的交替极性被磁化的，而是以相同的垂直方向磁化从而它们的磁化具有单一极性，那么读头109b将检测出如图4(B)所示的一系列脉冲。注意，峰间幅值Vpp小于孤立脉冲响应Vp。然而，当沿交替垂直方向磁化非数据岛，从而使相邻两个岛具有相反极性时，将由读头109b检测到如图4(C)所示的一系列脉冲。注意，图4(C)中的峰间幅值Vpp大于图4(B)中的峰间幅值Vpp的两倍。如果记录系统中的大部分噪声是不依赖于数据的，且因此在图4(B)和4(C)范例之间是恒定的，那么对于图4(C)的具有交替极性的范例而言信噪比将显著更好。因为可以在瞬时信噪比和图案长度之间权衡，所以能够利用更短的数据同步和伺服图案实现所需性能目标，从而为数据扇区留下更多盘空间。

PES区域图案

本发明涉及一种盘和磁盘驱动器，其具有图3所示的那样的具有交替极性但具有相位型PES区段的图案化非数据岛，本发明还涉及用于对来自PES区段的信号解调的方法。该盘可以是具有预图案化数据岛和预图案化非数据岛的图案化介质盘、具有常规连续介质数据磁道和预图案化非数据岛的连续介质盘或具有离散数据磁道和预图案化非数据岛的连续介质盘。

图5A和5B示出了具有每个脉冲串或区段A、B、C和D的部分的PES区段。四个区段(区段A、区段B、区段C和区段D)的每个将具有多个大致径向定向的之字形条或其“脉冲串”，其大致沿径向跨多个数据磁道延伸，但每个区段仅示出了两个条。条沿大致径向与跨盘延伸，优选具有大致弓形，其基本重复径向致动器在盘上移动头时头的路径(如图1A中的伺服扇区120所示)。条的数量取决于在图案读回信号中有多少噪声。如果每个区段中有更多的条，可以对相位测量求平均以减少由于噪声引起的信号误差。条沿圆周方向或沿着磁道的方向具有交替变化的极性，用影线线和非阴影线表示不同极性。

每个条(例如图5A中的条402、404)都是形成之字图案的多个对角块或岛。每个条中的岛，例如条402中的岛403、405，相对于沿着磁道的方向交替改变它们的对角取向(岛角α)。在图5A和5B中，将岛改变方向的条区域示为较尖锐的拐角。难以将岛构图成具有非常尖锐的拐角，因此在实际中，这些拐角有些圆化。然而，圆角不会对读回信号的解调(demodulation)产生不利影响。在图5A中，每个单磁道改变对角条形岛的方向，在图5B中，每两个磁道改变对角条形岛的方向。这两个都是范例，条形岛方向的改变可以扩展到磁道节距Tp的大于2的整数倍。于是，岛的径向高度优选为磁道宽度的整数倍，磁道宽度与磁道节距Tp相同。条形岛(例如岛403、405)的径向高度设计取决于目标磁道节距、读头几何形状和读头的特性。每个条都是两种平行四边形岛的连接。两种形状是相同的平行四边形，但沿圆周方向以相反取向放置它们。(线对称为垂直于磁道中心线的径向线。)在一个径向位置上岛之间的圆周方向间隔“Ii”是相同的，该间隔正比于距盘中心的径向距离“r”。这实质上意味着径向条是大致等角地间距隔开的。

条可以是大致径向地跨整个盘(或整个区)延伸的连续条。然而，可能难以制造连续条，因此条也可以是一系列的径向的较短的分离条形段，其大致沿径向跨整个盘(或整个区)延伸。在这种实施方式中，相邻条形段之间的径向间隙显著小于读头的径向宽度，因此段之间的间隙不会显著影响伺服读回信号。

区段B中条的之字形图案是区段A中条的之字形图案关于径向线的镜像。类似地，区段D中条的之字形图案是区段C中条的之字形图案关于径向线的镜像。对于对角条形岛取向每单磁道改变的脉冲串图案(图5A)，在区段A和区段B中岛对角取向在两个磁道中心线之间的中间线改变，在区段C和区段D中，岛取向在磁道中心线处改变。如图5A和5B所示，区段对C和D中的径向条从区段对A和B中的径向条沿径向偏移岛高度的一半。对于对角条形岛取向每两个磁道改变的脉冲串图案(图5B)，在区段A和区段B中，如果岛对角取向在奇数磁道中心线处改变，则在区段C和区段D中，岛取向在偶数磁道中心线处改变。为了下面的说明，使用的范例将是图5A中所示的图案。

PES解调由相位测量法完成。使用区段A和区段B相位图案来生成“mPES”(主定位误差信号)，其正比于读头从磁道中心线的偏移。使用区段C和区段D的相位图案来生成“sPES”(substitute position error signal：替代定位误差信号)，其正比于读头与两相邻磁道的中点的偏移。通过使用mPES和sPES，定位误差信号能够覆盖整个磁道宽度中的读头偏移。

在图5A-5B中，“Tp”表示相邻磁道之间的径向间隔，即磁道节距(nm)，“Ii”表示岛圆周方向间隔(nm)，“Wd”表示平行四边形岛沿圆周方向的宽度(nm)，“间隙”为两个圆周方向相邻的岛之间的间隙(nm)，角度“α”为岛的取向相对于磁道中心线的角度(度)，术语“y”如下定义。平行四边形岛的形状取决于目标磁道节距Tp、读头几何形状和读头灵敏度特性。图6更详细地示出了平行四边形岛的几何形状。

mPES和sPES由下列方程给出：

mPES＝gain_h*(ph_A-ph_B)/(2*Xa)    方程(1)

sPES＝gain_h*(ph_C-ph_D)/(2*Xa)    方程(2)

其中“gain_h”为斜率校正因数(slope correction factor)，“ph”为来自相关区段的相位测量，“Xa”为每磁道的相位改变(度/磁道)。

希望Xa作为半径的函数保持恒定，即，对每个磁道都是恒定的。为了解释在本发明中如何实现这点，定义如下项：

y＝Ii*Xa/180(单位nm)    方程(3)

Ii＝Wd+gap+y(单位nm)    方程(4)

h＝径向的岛高度(nm)

k1：Wd与Ii之比(无单位)

k2：间隙与Ii之比(无单位)

k：Ii与r之比(无单位)

r：距盘中心的半径(nm)

圆周方向间隔Ii(nm)正比于r。于是，Ii＝2π*k*r，这确保了在读头探测岛时的读回信号对于整个盘(或者区，如果有多个环形数据区或带的话，如图1A中的区域151、152、153所示)都是恒定的。在有多个区的情况下，“k”的值在每个伺服区中是不同的，在一个区之内伺服图案读回信号频率是恒定的，但对各个区域而言是不同的。

利用常数k、k1和k2，可以将Wd和gap(间隙)也设计成正比于r。

Wd＝k1*Ii(单位nm)     方程(5)

gap＝k2*Ii(单位nm)    方程(6)

然后从方程(4)得出，

Ii＝(k1+k2+Xa*h/(180*Tp))(nm)，    方程(7)

以及

k1+k2+Xa*h/(180*Tp)＝1    方程(8)

Ii＝2π*k*r(nm)        方程(9)

Wd＝2π*k*k1*r(nm)     方程(10)

gap＝2π*k*k2*r(nm)    方程(11)

y＝Ii*Xa/180(nm)       方程(12)

α＝tan^-1(h/y)＝tan^-1[(180*h)/(Ii*Xa)](弧度)    方程(13)

针对Tp＝39nm，Xa＝90度的一个设计范例，图7示出了Ii、Wd、间隙和y作为r的函数的变化，图8示出了岛角α作为r的函数的变化。在该范例中，从盘中心到PES区段所位于的位置的距离在13.9mm到31.2mm之间。这对于2.5″形状因数的磁盘驱动器而言是典型尺度。

利用全部四个区段A、B、C和D的解调方法

解调的PES正比于读头的径向移动，该关系接近线性。通过施加斜率校正“gain_h”，可以在整个磁道宽度上将解调的mPES和sPES平滑连接成一条线。图9示出了相位测量硬件的一个范例。这基于数字采样和离散傅里叶变换(DFT)计算。在该范例中，数据采样和DFT功能位于对应于R/W电子模块113(图1A)的数据信道大型集成电路芯片(LSI)610中，且相位计算是在对应于伺服电子装置112和控制器电子装置115(图1A)的微处理器(MPU)630中执行的。然而，可以由单个数字信号处理器(DSP)或具有相关存储器(用于存储进行计算所需的计算机程序指令)的微处理器执行所有这些计算。

伺服图案读回信号(如图4C中所示)运行到信道LSI 610并被输入到衰减器(ATT)612。ATT 612在可变增益放大器(VGA)614的可调节信号范围内粗略调节输入信号的幅度。VGA 614然后在一些预定义的幅度范围内调节输入信号的幅度。连续时间滤波器(CTF)616是在采样前对高频噪声进行频带限制的低通滤波器。然后以恒定采样速率对信号采样，并由模拟到数字转换器(ADC)618将其转换成数字信号。

然后在DFT模块620处对采样的数字数据进行DFT。对于相位测量而言，仅需要计算读回信号的主频。由下式给出其主频：

$F_1=\left(\frac{1}{N}\right)\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(n\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{N}\right)-j\left(\frac{1}{N}\right)\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(n\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{N}\right)$ 方程(14)

其中

j：虚部

f(n)：采样的读回信号

N：读回信号的每个周期的样本数

M：总采样次数(通常为N的倍数)

从方程(14)可知，利用主频的DFT计算，相位测量计算如下表达：

$\mathrm{phase}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin 1}{\cos 1}\right)*\frac{180}{\mathrm{\π}}$ (度)    方程(15)

$\cos 1=\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(n\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{N}\right)$ 方程(16)

$\sin 1=-\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(n\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{N}\right)$ 方程(17)

数字“M”为总采样次数，通常设置为“N”的倍数。通过为M选择大数，可以对相位测量求平均以减少噪声。例如，如果每个脉冲串中有24个条，且读回信号的每个周期有8个数据样本，那么M可以等于(24/2)*8＝96。

下一步是从方程(1)和(2)在MPU 630中计算mPES和sPES。项“Xa”设计为对于一个相位图案区段(区段A或区段B或区段C或区段D)的每一个磁道节距的相位改变。在这种情况下，通过两个区段相位值相减计算每个mPES和sPES。通过减去一个区段的相位，消除了采样开始时间误差。而且，这些方程中的PES值被归一化。于是，PES值1对应于一个磁道节距。图10示出了针对四个区段的每个作为距磁道中心线的径向距离的函数的测量相位值。

通过区段A和区段B之间的相位差计算mPES，通过区段C和区段D之间的相位差计算sPES。对于条形岛高度等于单磁道节距的情况，mPES正比于读头从磁道中心线的偏移，sPES正比于读头从两个磁道中心线的中点的偏移。图11示出了作为距磁道中心线的径向距离的函数的mPES和sPES计算。对于最终的PES计算，根据读头的径向位置选择计算的mPES和sPES值中的一个或另一个。根据哪个具有较小的绝对值从mPES或sPES中选择要使用的PES。例如，如果(ph_A-ph_B)的绝对值小于(ph_C-ph_D)，这表示读头更靠近磁道中心线。相反，如果(ph_C-ph_D)的绝对值小于(ph_A-ph_B)，这表示读头更靠近两相邻磁道中心线之间的中点。如果所选定的mPES或sPES曲线的斜率对该值而言为负的，则将所选mPES或sPES的符号乘以-1。例如，参考图11，如果读头位于+5nm处，mPES的绝对值约为0.15，sPES的绝对值约为0.35，则选择mPES。而且mPES的斜率为负，所以使mPES值乘以-1。类似地，如果读头位于-15nm处，mPES的绝对值大约为0.35，sPES的绝对值大约为0.10，则选择sPES。而且sPES的斜率为负，所以使sPES值乘以-1。还可以从磁道ID(TID)确定mPES和sPES的斜率，即，从TID为奇或偶来确定。可以从图11的mPES正弦波形图明白这一点，图11示出了在一个磁道中心线(径向距离为0nm)处，斜率为负，在下一磁道中心线(径向距离为39nm)处斜率为正，因此每隔一个磁道(例如偶数编号的TID)斜率都为负，且每个一个磁道(例如奇数编号的TID)斜率都为正。最后，如果所选PES为sPES值，那么将对应于二分之一磁道常数偏移的值与PES求和(相加或相减)。例如，如果一个磁道对应于PES 1，那么将对应于二分之一磁道的常数偏移值0.5与PES求和。图12示出了最终的PES解调结果。

方程(1)和(2)中的“gain_h”项为斜率校正增益。在PES区段的实际解调中，每个磁道的相位改变量(Xa)不会完全匹配理论相位图案方程。这是因为平行四边形岛的径向高度相对较小。另外，平行四边形岛以每个磁道节距间隔改变其取向。但是解调的PES基本正比于读头绕岛中心的移动，该关系接近线性。于是，通过施加斜率校正“gain_h”，可以在整个磁道宽度上将解调后的mPES和sPES平滑连接成一条直线。该“gain_h”值的范围在大约0.5到大约3之间。该值主要取决于Ii和岛角α，如上所述，其随着半径r而变化。为了覆盖整个磁盘，必须要根据PES区段的径向位置校准“gain_h”。通过选择适当的“gain_h”，可以将mPES和sPES平滑地连接成一条直线。在图12中这被示为作为距磁道中心线的径向距离的函数的归一化PES。该“gain_h”校准操作非常类似于常规正交PES脉冲串图案所用的操作。

利用四个区段A、B、C和D的任意三个的解调方法

在本发明的另一个实施方式中，PES条和岛如上所述，但完整的PES区段仅具有区段A、B、C和D中的三个，并对上述解调方法进行修改。减少一个区段减少了伺服信息所需的磁盘空间量，从而增大了可用于数据的磁盘空间量。该脉冲串图案部分可以具有常规四个脉冲串(A、B、C和D)中三个脉冲串的任意组合。

以圆周方向的间隔Ii设置每个条。每个区段的边界处的条间隔(Ib)被定义为n*Ii，在以下解释的范例中n＝2。通过下式描述该间隔的规则：

Ib＝Ii*k3*(m/2)(nm)     方程(18)

项“Ib”取决于“m”、每个读回信号的数据样本数量，并假定交替极性的磁化条。项“Ii”正比于图案距盘中心的径向距离，即，条大致等角间隔开，使得伺服图案读回信号频率在整个盘上是相同的。于是，在该三脉冲串图案中，Ib也正比于图案距盘中心的径向距离。在方程(18)中，“k3”为一些自然数常数。例如，如果m＝8(在读回信号的一个周期中有8个数据样本)，那么从理论上讲，Ib可以是¹/₄*Ii、¹/₂*Ii、³/₄*Ii、Ii、1¹/₄*Ii、1¹/₂*Ii等。然而，Ib应当大于Ii，以避免来自相邻脉冲串中岛的信号干扰。而且，图案化介质的制造限制了两个岛之间的最小距离。于是，使用整数倍的Ii作为边界间隔是方便的。在该范例中，m＝8，k3＝8，Ib＝2*Ii。这意味着，相邻区段等角间距地隔开，其角间距为每个区段中径向条的角间距的整数倍。

图13为对角条形岛径向高度与磁道节距Tp相同且区段组合为A+B+C的范例。图14为对角条形岛径向高度与磁道节距相同且区段组合为A+C+D的范例。图15为对角条形岛径向高度与两倍的磁道节距Tp相同且脉冲串区段组合为A+B+C的范例。图16为对角条形岛径向高度与两倍的磁道节距相同且脉冲串区段组合为A+C+D的范例。

解调方法包括三个区段的每个的相位测量和mPES/sPES计算。相位测量与上述相同，但去掉了一个脉冲串。由于数据采样开始时间的原因，mPES/sPES计算需要改变。

图17示出了数据采样开始时间。向下的箭头表示数据采样时间。数据采样速率是恒定的且得到精确控制。第一个大箭头为数据采样的开始，“δt”为从读回信号的上部峰值时刻到数据采样的开始的时间延迟。对于一个脉冲串而言DFT获得的相位测量结果取决于数据采样开始时间。假设信号波形为正弦波形，方程(19)示出了针对一个脉冲串的数据采样开始延迟和相位测量结果之间的关系。

$\mathrm{OFT}=360*\frac{\mathrm{\δt}}{T}$ 方程(19)

OFT为读头位于磁道中心线时的相位测量结果。相位图案具有两个区段，每个区段的斜率相对于垂直于磁道中心线的线对称。该特征允许抵消数据采样开始时间误差。方程(20)-(23)示出了相位测量的理论表达式，其中“rt”为相对于磁道中心线的读头磁道位置，“I_height”为条形岛在径向的高度，OFT为“rt”＝0时的相位测量结果。项“ph(rt)”为距图案在“rt”处的理论相位，等于“Xa*rt/Tp”。

ph_A(rt)＝ph(rt)+OFT     方程(20)

ph_B(rt)＝-ph(rt)+OFT    方程(21)

${\mathrm{ph}}_{C\left(\mathrm{rt}\right)}=\mathrm{ph}(\mathrm{rt}-\frac{I_{\mathrm{height}}}{2})+\mathrm{OFT}$ 方程(22)

${\mathrm{ph}}_{D\left(\mathrm{rt}\right)}=-\mathrm{ph}(\mathrm{rt}-\frac{I_{\mathrm{height}}}{2})+\mathrm{OFT}$ 方程(23)

在使用全部四个区段计算mPES/sPES的解调方法中，OFT被消去，如方程(1)和(2)所示。在方程(20)-(23)中，OFT值被表达为相同的值。为了实现该目的，条形岛圆周方向间隔“Ii”和脉冲串图案区段边界处的岛间隔“Ib”必须要满足方程(18)，且采样速率必须恒定。对于仅使用三个区段的解调方法，两个区段的相位测量之和简单地变为OFT的两倍。方程(24)为方程(20)和(21)之和，方程(25)为方程(22)和(23)之和。因此，不必需要区段对A/B和C/D二者来消去OFT。

ph_A(rt)+ph_B(rt)＝2*OFT    方程(24)

ph_C(rt)+ph_D(rt)＝2*OFT    方程(25)

对于3脉冲串图案区段A+B+C，在方程(26)和(27)中表达了利用该特征的mPES/sPES计算方法。在这种情况下，方程(26)，即“mPES”的计算与四区段计算相同。然而，方程(27)，即“sPES”的计算使用方程(24)来消去OFT。

mPES＝gain_h*(ph_A-ph_B)/(2*Xa)

＝gain_h*ph(rt)/(Xa)

＝gain_h*(rt/Tp)    方程(26)

sPES＝gain_h*[ph_C-(ph_A-ph_B)/2)]/Xa

＝gain_h*[ph(rt-I_height/2)]/Xa

＝gain_h*(rt-I_height/2)/Tp    方程(27)

对于四个区段A、B、C和D中三个的任意其他组合都可以获得类似结果。

利用两个区段和同步标记的解调方法

在本发明的另一个实施方式中，PES条和岛如上所述，但PES区段仅具有区段A、B、C和D中的两个，且解调方法使用来自同步区段的相位测量(如图3中的项163所示)。减少两个区段减少了伺服信息所需的磁盘空间量，从而增大了可用于数据的磁盘空间量。该脉冲串图案部分可以具有两个脉冲串的任意组合，其中一个脉冲串为A或B，另一个脉冲串为C或D。

以圆周方向间隔Ii设置每个条。每个区段的边界处的条间隔(Ib)被定义为n*Ii，在以下解释的范例中n＝2。通过方程(18)描述该间隔的规则，在此重复如下：

Ib＝Ii*k3*(m/2)(nm)    方程(18)

项“Ib”取决于“m”、每个读回信号的数据样本数量，并假定交替极性的磁化条。项“Ii”正比于图案距盘中心的径向距离，使得伺服图案读回信号频率在整个盘上是相同的。于是，在该两脉冲串图案中，与前述三脉冲串图案类似，Ib也正比于图案距盘中心的径向距离“r”。如上文针对三脉冲串实施方式所述，使用整数倍的Ii作为边界间隔是方便的。在该范例中，m＝8，k3＝8，Ib＝2*Ii。

图18为范例脉冲串图案，其中对角条形岛的径向高度与磁道节距Tp相同，且区段组合为A+C。图19为范例脉冲串图案，其中对角条形岛的径向高度为磁道节距的两倍，且区段组合为A+C。在图18和19中，在PES区段开始之前示出了具有六个径向同步标记或条的同步图案。与PES区段中的径向条类似，同步图案中的标记沿大致径向跨盘延伸，优选具有大致弓形，其基本复制径向致动器在盘上移动头时头的路径(如图1A中的伺服扇区120所示)。忽略了STM区段和TID区段(图3中分别为302和304项)。

如图18和19所示，同步标记或径向条的岛间隔必须与PES区段中的岛相同。于是，在该解调方法中，“Ii”为区段A和C中的条形岛之间以及同步标记之间的圆周方向间隔。而且，必须要把“Ii”设计成正比于距盘中心的伺服图案径向距离“r”。于是伺服图案读回信号频率在整个盘(或区上，如上所述，如果有多个数据区的话)上是相同的。而且，最后一个同步标记和第一个PES岛之间的圆周方向距离为Ib，应当为圆周方向间隔Ii的倍数。在图18和19中，Ib＝2*Ii。在此为了方便使用“同步图案”一词，并不表示径向“同步标记”与用于同步读取和写入数据的头所用的图案相同(如图3中的项163所示)。对于这种仅使用四个区段中的两个的解调方法而言，任何具有PES区段之间的所需间隔且具有径向标记(径向标记具有所需间隔Ii)的图案都起作用。

如上所述，使用四个区段A、B、C和D的解调方法消除了由于采样开始时间误差造成的相位测量偏移“OFT”。在该两脉冲串加同步图案的方法中，使用同步图案相位信息抵消OFT。同步标记具有与两个区段中的岛相同的圆周方向间隔“Ii”，同步图案和第一脉冲串(图18和19中的区段A)之间的圆周方向间隔为Ii的倍数。同步图案完全由作为径向条的岛构成。从理论上讲，同步图案的相位恒定，仅取决于采样开始时间。于是，如果采样开始时间与脉冲串图案相位测量相同，则同步图案的相位值如下表达：

ph_Sync(rt)＝OFT    方程(28)

其中ph_Sync(rt)为同步图案相位值，“rt”为读头从磁道中心线的径向偏移。

以下为mPES和sPES的方程：

mPES＝gain_h*(ph_A(rt)-ph_Sync(tr))/Xa    方程(29)

mPES＝gain_h*(ph_C(tr)-ph_Sync(rt))/Xa    方程(30)

于是，通过从脉冲串图案相位值减去同步图案相位值，消除了相位测量偏移。方程(29)和(30)示出了利用区段A和C的方法的计算。类似的方程适用于两个脉冲串图案与同步图案的任何其他组合。

尽管已经参考优选实施例具体展示和描述了本发明，本领域的技术人员将要理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种形式和细节上的变化。因此，仅仅把所披露的发明示为例示性的，其范围仅受到所附权利要求限制。

Claims (21)

1.一种磁记录盘，包括：

可磁化材料的记录层，用于在多个同心圆形数据道中记录数据；以及

沿径向跨多个数据道延伸的多个非数据伺服扇区，所述伺服扇区包括径向取向的磁化条的至少两个区段，每个条包括形成之字形图案的多个预图案化非数据岛，其中沿第一方向磁化沿道方向上的每个区段中的多个交替间隔的条，并沿反平行于所述第一方向的第二方向磁化每个区段中的所述交替间隔的条之间的条。

2.如权利要求1的磁记录盘，其中每个区段中的所述径向取向的磁化条等角地间隔开。

3.如权利要求2的磁记录盘，其中所述至少两个区段以所述径向取向的磁化条的角间隔的整数倍被角间隔开。

4.如权利要求1的磁记录盘，其中每个道具有道中心线且相邻道之间的径向间距为道节距Tp，其中所有预图案化非数据岛的径向高度为Tp的整数倍，且其中所有预图案化非数据岛具有相同的径向高度。

5.如权利要求4的磁记录盘，其中所述至少两个区段的一个中的径向条从所述至少两个区段的另一个中的径向条沿径向偏移所述预图案化非数据岛径向高度的二分之一。

6.如权利要求4的磁记录盘，其中每个所述伺服扇区有四个区段，包括第一对区段A和B以及第二对区段C和D，其中，区段A中径向条的之字形图案是区段B中径向条的之字形图案关于径向线的镜像，区段C中径向条的之字形图案是区段D中径向条的之字形图案关于径向线的镜像，且其中区段C和D中的径向条从区段A和B中的径向条沿径向偏移预图案化非数据岛径向高度的二分之一。

7.如权利要求1的磁记录盘，其中所述至少两个区段的一个中的径向条的之字形图案是所述至少两个区段的另一个中的径向条的之字形图案关于径向线的镜像。

8.如权利要求1的磁记录盘，其中每个所述伺服扇区有至少三个区段，且其中每个区段中的径向条等角间距地隔开，且所述至少三个区段以径向条的角间隔的整数倍而角间隔开。

9.如权利要求1的磁记录盘，还包括沿径向跨多个数据道延伸的径向同步标记的同步图案，其中沿第一方向磁化在沿道方向上交替间隔的多个同步标记，并沿反平行于所述第一方向的第二方向磁化所述交替间隔的同步标记之间的同步标记，且其中每个区段中的径向条和同步图案中的径向同步标记等角间距地隔开，且所述至少两个区段和所述同步图案以所述径向条的角间距的整数倍而角间隔开。

10.如权利要求1的磁记录盘，其中所述第一和第二方向平行于所述记录层的平面。

11.如权利要求1的磁记录盘，其中所述第一和第二方向垂直于所述记录层的平面。

12.如权利要求1的磁记录盘，其中所述数据道被图案化成由非磁空间间隔开的可磁化材料的离散数据岛。

13.如权利要求1的磁记录盘，其中所述数据道为记录层的连续可磁化材料。

14.如权利要求1的磁记录盘，其中所述数据道为由同心非磁保护带分隔开的所述记录层的连续可磁化材料的离散数据道。

15.一种图案化介质垂直磁记录盘，包括：

基板；以及

所述基板上的可磁化材料的记录层，其被图案化成：

a、多个同心圆形数据道，每个数据道包含可磁化材料的离散数据岛，以及

b、跨多个数据道沿径向延伸的多个非数据伺服扇区，所述伺服扇区包括等角间距地隔开的径向取向的磁化条构成的至少两个区段，每个条包括形成之字形图案的多个预图案化非数据岛，其中沿垂直于所述记录层的第一方向磁化沿道方向上的每个区段中的多个交替间隔的条，并沿反平行于所述第一方向的第二方向磁化每个区段中的所述交替间隔的条之间的条，且其中所述至少两个区段以所述条的角间距的整数倍而角间隔开。

16.如权利要求15的盘，其中每个道具有道中心线且相邻道之间的径向间距为道节距Tp，其中所有预图案化非数据岛的径向高度为Tp的整数倍，且其中所有岛具有相同的径向高度。

17.如权利要求16的盘，其中所述至少两个区段的一个中的径向条从所述至少两个区段的另一个中的径向条沿径向偏移所述预图案化非数据岛径向高度的二分之一。

18.如权利要求16的盘，其中每个所述伺服扇区有四个区段，包括第一对区段A和B以及第二对区段C和D，其中，区段A中径向条的之字形图案是区段B中径向条的之字形图案关于径向线的镜像，区段C中径向条的之字形图案是区段D中径向条的之字形图案关于径向线的镜像，且其中区段C和D中的径向条从区段A和B中的径向条沿径向偏移预图案化非数据岛径向高度的二分之一。

19.如权利要求15的盘，还包括跨多个数据道沿径向延伸的径向同步标记的同步图案，其中沿第一方向磁化沿道方向上多个交替间隔的同步标记，并沿反平行于所述第一方向的第二方向磁化所述交替间隔的同步标记之间的同步标记，且其中所述同步图案中的径向同步标记等角间距地隔开，且所述同步图案以所述径向取向的磁化条的角间距的整数倍而角间隔开。

20.一种磁记录盘驱动器，包括：

如权利要求15的图案化介质垂直磁记录盘；

在所述数据道的数据岛中写入数据的写头；

从所述数据道中的数据岛读取数据并检测所述伺服扇区中的区段中的磁化条的读头，所述读头在所述盘旋转时从所述磁化条产生读回伺服信号；

连接到所述读头和写头的致动器，用于将所述读头和写头定位到不同的数据道并将所述读头和写头保持在所述道上；以及

伺服电子装置，响应于所述伺服信号产生供给所述致动器的控制信号，所述伺服电子装置包括处理器，所述处理器用于从所述至少两个区段中的条计算所述读回伺服信号的相位并从所述计算的相位计算所述控制信号。

21.如权利要求20的磁记录盘驱动器，其中

a、所述盘上的所述至少两个区段中的条中的所有预图案化非数据岛具有相同的径向高度，其中所述盘上的每个伺服扇区具有四个区段，包括第一对区段A和B以及第二对区段C和D，其中，区段A中径向条的之字形图案是区段B中径向条的之字形图案关于径向线的镜像，区段C中径向条的之字形图案是区段D中径向条的之字形图案关于径向线的镜像，且其中区段C和D中径向条从区段A和B中的径向条沿径向偏移预图案化非数据岛径向高度的二分之一；及

b、所述处理器从区段A和B的相位差计算主定位误差信号mPES，并从区段C和D的相位差计算替代定位误差信号sPES。

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