CN105280199B - 一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制方法和装置；使用了气体压强波动叠加原理，通过在硬盘盖子内表面设计一个压电换能器，将压电换能器表面振动产生的声波，与盘片旋转带动的气流波动进行叠加，以消减气流波动的振幅，从而减小气流引起磁头振动的振幅；本发明所采用的压电换能器响应快，振动频率高，不仅抑制磁头振动的效果好，而且实现简单，能够进行主动实时控制。

Description

一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制方法及装置

技术领域

本发明涉及电脑硬件技术领域，尤其涉及一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制方法及装置。

背景技术

磁存储硬盘技术提供着近90％的信息存储容量，是当今和未来信息存储容量的主要提供者。在可以预见的未来中，在性能、价格和容量的综合考量下，还看不到能够取代硬盘存储器的新型存储器件。我国对信息存储容量有着巨大的刚性需求，每年所使用和购买的磁盘存储器数量已经超过日本和美国成为世界第一。经过近60年的发展，硬盘的面存储密度发生了急剧的变化，国际上磁盘存储器的记录密度已接近1Tera-bit/in²(Tb/in²)的极高水平，磁头飞行高度达到3.5纳米。其核心的磁头技术是当今世界上最成功的纳米技术之一，并于2007年获得诺贝尔物理学奖。在硬盘存储器的磁记录密度进一步提高到10Tb/in²甚至更高的过程中需要突破性颠覆性的科技创新。

基于硬盘的工作原理，其磁头与盘片之间结构的截面图如图1所示，包括盘片110、磁头121、读写单元122、平衡架123和悬臂梁124。盘片110是一个多层结构，其中磁记录层是由众多紧密相邻的纳米尺寸磁性颗粒组成，用来存储数据，磁性颗粒之间的间距约为12纳米。磁头121是一个形状不规则的长方体，其中与盘片110相对的一面叫做空气承压面。读写单元122通过微工艺镶嵌在磁头中，读写单元122接通电流，通过电流的变化产生磁场。平衡架123是一个厚度很薄的梁，末端与悬臂梁124连接，前端与磁头121连接。平衡架123在空间上具有5个自由度，即沿Y、Z方向的移动和XY、YZ、XZ三个平面上的转动。悬臂梁124另一端与图1中未画出的驱动臂相连。磁头121、平衡架123和悬臂梁124合称为磁头总成130。

当硬盘工作时，盘片110高速旋转，带动硬盘内部的空气作旋转流动(气流流动方向垂直于XZ平面)。旋转的气流进入盘片110与磁头121中间的间隙，空气被压缩，压强增大，在磁头121的空气承压面上产生压力促使磁头121抬升浮起，稳定时磁头121与盘片110之间的距离约为10纳米，这个高度称为磁头的飞行高度。对于盘片110直径为2.5英寸的空气硬盘来说，当硬盘转速超过2495转每分，内部的气流就会由层流流动转变为湍流流动。而现在硬盘的工作转速一般为7200转每分、10000转每分。由于气流在旋转过程中受到磁头总成130的阻挡，因此磁头总成130将产生气流引起的振动，相应地磁头121将会产生Z方向和Y方向的振动。在磁头121的飞行高度为10纳米时，如果这种气流引起振动的尺寸接近10纳米，那么将会极大的影响读写单元122读写信息的稳定性和可靠性。在未来磁记录密度为10Tb/in²，盘片110转速将更高，磁头的飞行高度将低于3.5nm。在磁头121如此低的飞行高度中，气流引起磁头121的振动甚至会导致毁灭性的头盘碰撞的后果。

为了提高硬盘工作的稳定性和可靠性，必须减少和抑制气流引起的磁头121的振动幅度，进而减小振动对磁头121飞行高度的影响。查阅相关文献，已有的减小气流引起磁头121振动的方法是通过改变硬盘内部气流的流道。这种方法对于不同的硬盘结构，可控性不强，灵活性不够，极其被动。因此，极有必要设计一种主动式能进行反馈调节的抑制气流引起磁头121振动的方法。

发明内容

本发明提供了一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制方法和装置，

本发明的技术方案是：一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制装置，包括在硬盘盖子内表面设置的压电换能器和设置在硬盘外的傅里叶分析仪、依次连接的多普勒激光测振仪、带通滤波器、信号调节器、相位调节器、功率放大器和压电换能器；所述的傅里叶分析仪与多普勒激光测振仪连接；

所述的压电换能器的上表面接地，下表面接通电压；

所述的多普勒激光测振仪发出的激光束通过磁头总成顶端正上方硬盘盖子的小孔垂直照射在硬盘磁头总成顶端，用于检测磁头微小振幅的高频振动。

优选的，所述的压电换能器的上表面和硬盘盖子内表面之间设有一层柔性阻尼材料。

优选的，所述的压电换能器的中心与磁头的连线为23毫米，该连线与硬盘外盒长边的夹角为10.5度。

一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制方法,包括如下步骤：

步骤1：多普勒激光测振仪检测到磁头振动的位移信号，将磁头振动的位移信号输入至所述带通滤波器；

步骤2：所述的带通滤波器对磁头振动位移信号进行滤波，所述的磁头振动的位移信号的主峰值频率成分得以通过，其他频率成分的信号受到衰减或抑制；然后将信号传送给信号调节器；

步骤3：所述的信号调节器对所述带通滤波器处理后的磁头振动位移信号进行放大处理，并将磁头振动位移信号转变成电压信号并输出至相位调节器；

步骤4：所述的相位调节器接收经过所述信号调节器处理后的电压信号输入，对电压信号进行相位调节，并输出至功率放大器。

步骤5：所述的功率放大器接收经过相位调节器调节后的电压信号，对电压信号功率进行增大处理，并输出至压电换能器。

步骤6：所述的压电换能器接收经过所述功率放大器处理后的电压信号输入至压电换能器，电压信号驱动压电换能器工作。

步骤7：重复步骤1至6直到多普勒激光测振仪检测到的抑制后的磁头振动位移信号的主峰值降低幅度到达阈值。

优选的，所述的步骤1中，多普勒激光测振仪检测到磁头振动的位移信号，将磁头振动的位移信号分为两路，一路输入至所述带通滤波器；另一路输入至具有存储和运算功能的傅里叶分析仪中，进行磁头振动位移信号的频谱分析，并实时显示磁头振动位移信号的频率分析结果。

优选的，所述的步骤2中，带通滤波器的中心频率和带宽根据磁头振动的位移信号中需要被抑制的主要峰值频率进行设置。

优选的，所述的步骤4中，压电换能器表面振动产生的声压设置为与磁头附近气流波动的气压相反的相位。

本发明的技术效果是：一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制方法和装置；使用了气体压强波动叠加原理，通过在硬盘盖子内表面设计一个压电换能器，将压电换能器表面振动产生的声波，与盘片旋转带动的气流波动进行叠加，以消减气流波动的振幅，从而减小气流引起磁头振动的振幅；本发明所采用的压电换能器响应快，振动频率高，不仅抑制磁头振动的效果好，而且实现简单，能够进行主动实时控制。

附图说明

图1为硬盘磁头与盘片之间的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的压电换能器的物理模型简化示意图；

图3为本发明实施例所适用的气体压强波动叠加原理示意图；

图4A为本发明实施例提供的压电换能器在硬盘中的位置反向示意图；

图4B为本发明实施例提供的压电换能器在硬盘中的位置的正向示意图；

图5为本发明的装置示意图；

图6为本发明方法的信号流向图；

图7为本发明的方法流程图；

图8A为本发明实施例提供的使用声压抑制气流引起的磁头振动在频率范围为1650-1850赫兹的效果图；

图8B为本发明实施例提供的使用声压抑制气流引起的磁头振动在频率范围为3100-3400赫兹的效果图；

图中：110—盘片、121—磁头、122—读写单元、123—平衡架、124悬臂梁、10—压电换能器、20—硬盘盖子、21—磁头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

图2为本发明实施例提供的压电换能器的物理模型简化示意图，该压电换能器10的直径为20毫米，厚度为1毫米。所述压电换能器10的上表面接地，下表面接通电压，由于逆压电效应，所述压电换能器10的下表面将会产生机械振动，进而推动周围空气的振动，形成在空气中传播的声波，进而形成声压。

为了清楚地介绍本发明实施例的技术方案，首先介绍本发明所基于的设计原理。如图3所示为本发明实施例所适用的气体压强波动叠加原理示意图。气体压强波动的两个重要参数是频率和振幅，相同频率的两个气体压强波动在空间中会发生叠加，即两个气体压强波动的振幅相互叠加。如图3所示，若在空间不同位置中，存在由气流运动造成的气流压强波动一和由压电换能器10表面振动产生的声音压强波动二，且两种压强波动的频率相同。两种压强波动可能在空间的某一点A相遇，若两个压强波动在A点恰好相位相反，就会在A点使反向振幅相互消减，叠加消减后的总的压强波动将会减弱。若A点为本发明实施例中的磁头，那么气流压强波动一和声音压强波动二叠加消减后的总的压强波动对磁头的作用将会减小，因此，磁头的振动也会被抑制。

本发明即将上述的气体压强波动叠加原理应用于硬盘中，提出一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制装置。另外需要说明的是，为了便于观察和描述，部分附图中仅标示出了与本发明相关部件的编号。

图4A和图4B为本发明实施例提供的压电换能器在硬盘中的位置示意图，包括硬盘盖子20、压电换能器10、磁头21和盘片110。其中用于产生振动的所述压电换能器10的上表面固定在所述硬盘盖子20的内表面，本发明实施例设计的所述压电换能器10的中心与磁头21的连线为23毫米，该连线与硬盘外盒长边的夹角为10.5度；所述盘片110旋转时带动硬盘容腔中气流的流动，产生气流压强波动，所述磁头21附近的气流遇到所述磁头21受到阻碍，气流对所述磁头21产生冲击作用，所述磁头21则产生振动。所述压电换能器10上表面电压为0伏，下表面的电压大小则根据所述磁头21的振动位移需要被抑制的程度进行选择。由于逆压电效应，所述压电换能器10下表面将会产生机械振动，进而推动周围空气的振动，形成在空气中传播的声波，进而形成声压波动。所述盘片110转动引起的气流压强波动与所述压电换能器10下表面振动产生的声压波动在所述磁头21处发生叠加消减，以降低所述磁头21的振动。

本实施例提出的技术方案也可适用于其他尺寸和结构硬盘的磁头振动的抑制。压电换能器10是基于逆压电原理实现电压信号向机械振动转换的组件，压电换能器10产生的机械振动的幅值、频率和相位与所施加在其上的电压信号的幅值、频率和相位有关，而由压电换能器10机械振动所产生声波的幅值、频率和相位与压电换能器10机械振动的幅值、频率和相位相关。因此，可以通过改变驱动压电换能器10的电压信号的幅值、频率和相位，来改变压电换能器10机械振动所产生声波的幅值、频率和相位。在不同尺寸和结构的硬盘中，硬盘内部气流压强的波动也不同，可以通过改变驱动压电换能器10的电压信号来获得合适的声压幅值、频率和相位，基于本发明实施例提出的气体压强波动叠加原理来叠加消减磁头21附近的气流压强波动，进而得到好地磁头21振动的抑制效果。

为了避免压电换能器10的振动带动硬盘盖子20的振动，需要在压电换能器10的上表面和硬盘盖子20内表面之间设计一层柔性阻尼材料。

盘片110旋转时带动硬盘容腔中气流的流动，形成了硬盘内部气流压强波动，压电换能器10下表面振动使硬盘容腔中空气随之振动，形成硬盘内部声音压强波动。盘片110旋转引起的气流压强波动相当于图3中的气流压强波动一，压电换能器10下表面振动产生的声压波动相当于图3中的声音压强波动二。气流压强波动一和声音压强波动二在磁头21附近叠加消减。

叠加消减后的总的压强波动：

p_c＝p+p_a (1)

其中，p是盘片110旋转引起的气流压强波动，p_a是压电换能器10下表面振动产生的声压波动。

从而降低所述的盘片110转动引起的气流压强波动的振幅，即减小了气流压强波动引起的磁头21的振动。因此，本实施例的技术方案，通过在硬盘盖子20内表面设计一个压电换能器10，在一定程度上抑制了气流压强波动引起的磁头21的振动。

如图5，一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制装置，包括在硬盘盖子内表面设置的压电换能器和设置在硬盘外的多普勒激光测振仪、依次连接的傅里叶分析仪、带通滤波器、信号调节器、相位调节器、功率放大器和压电换能器；所述的傅里叶分析仪与多普勒激光测振仪连接；所述的多普勒激光测振仪发出的激光束通过磁头总成顶端正上方硬盘盖子的小孔垂直照射在硬盘磁头总成顶端，用于检测磁头21微小振幅的高频振动。

一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制方法,包括如下步骤：

步骤1：多普勒激光测振仪检测到磁头振动的位移信号，将磁头振动的位移信号分为两路，一路输入至所述带通滤波器，另一路输入至具有存储和运算功能的傅里叶分析仪中，进行磁头振动位移信号的频谱分析，并实时显示磁头振动位移信号的频率分析结果。

步骤2：所述的带通滤波器对位移信号进行滤波，所述的磁头振动的位移信号的主峰值频率成分得以通过，其他频率成分的信号受到衰减或抑制；然后将信号传送给信号调节器；带通滤波器的中心频率和带宽根据磁头振动的位移信号中需要被抑制的主要峰值频率进行设置。

步骤3：所述的信号调节器对带通滤波器处理后的信号进行放大处理，并将信号转变成电压信号并输出至相位调节器；

步骤4：所述的相位调节器接收信号调节器处理后的电压信号输入，对电压信号进行相位调节，并输出至功率放大器。压电换能器表面振动产生的声压设置为与磁头附近气流波动的气压相反的相位。

步骤5：所述的功率放大器接收相位调节器调节的电压信号后对电压信号功率进行增大处理，并输出压电换能器。

步骤6：所述的压电换能器接收经过所述功率放大器处理后的电压信号输入至压电换能器，电压信号驱动压电换能器工作，所述的压电换能器表面产生振动并推动周围空气的振动，形成在硬盘容腔空气中传播的声波，振动产生的声压传播到磁头附近，并与磁头气流波动的气压叠加消减。

步骤7：重复步骤1至6直到多普勒激光测振仪检测到的抑制后的磁头振动位移信号的主峰值降低幅度到达阈值。

在初步抑制的气流压强波动引起的磁头振动，同样被多普勒激光测振仪检测到，重新作为本装置的输入信号，通过本装置的再调节，输出为驱动压电换能器的电压信号，进而获得与气流压强波动叠加消减最大的声音压强波动，从而获得最好的磁头振动的抑制效果。

对于同一种盘片转速带动的气流压强波动所引起的磁头振动的抑制效果，与压电换能器的驱动电压、设计安装位置和外观尺寸有关，所以，压电换能器的驱动电压、设计安装位置和外观尺寸可以根据需要进行不同的变化。

图6为本发明实施例所提供的反馈控制闭环回路信号图，图中D(s)为被抑制前的气流压强波动引起的磁头振动的信号，即本方法输入的初始扰动信号，e(s)为被抑制后的磁头振动的信号，即本方法输出的误差信号，G(s)为本方法的传递函数，H(s)为本方法的频率响应。

于是本方法的误差信号可以表达为：

e(s)＝D(s)-G(s)·H(s)·e(s) (2)

进一步将公式(2)变形得到e(s)/D(s)＝1/[1+G(s)·H(s)·e(s)](3)

其中e(s)/D(s)称为本方法的敏感性函数，为了得到好的磁头振动抑制效果，那么敏感性函数就应减小。

图7为本发明实施例提供的使用声压抑制气流引起磁头振动的方法流程图。

图8A为本发明实施例提供的使用声压抑制气流引起的磁头振动在频率范围为1650-1850赫兹的效果图(硬盘盘片转速为10000转每分，驱动压电换能器的电压为100伏)，图8B为频率范围为3100-3400赫兹的效果图硬盘盘片转速为10000转每分，驱动压电换能器的电压为10伏)。图8A可以看出，使用压电换能器产生的声音压强波动与气流压强波动进行叠加消减后，由气流压强波动引起的磁头的振动在1760赫兹时的振幅减小了3.35纳米(15.3％)，磁头振动的抑制效果显著。图8B可以看出，使用压电换能器产生的声音压强波动与气流压强波动进行叠加消减后，由气流压强波动引起的磁头的振动在3245赫兹时的振幅减小了1.19纳米(96.7％)，磁头振动的抑制效果显著，甚至消除。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，本发明提出的技术原理不限于这里所述的特定实施例，亦可拓展至相关领域进行应用。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制装置，其特征在于：包括在硬盘盖子内表面设置的压电换能器(10)和设置在硬盘外的多傅里叶分析仪、依次连接的普勒激光测振仪、带通滤波器、信号调节器、相位调节器、功率放大器和压电换能器；所述的傅里叶分析仪与多普勒激光测振仪连接；

所述的压电换能器(10)的上表面接地，下表面接通电压；

所述的多普勒激光测振仪发出的激光束通过磁头总成顶端正上方硬盘盖子的小孔垂直照射在硬盘磁头总成顶端，用于检测磁头(21)振幅微小的高频振动。

2.根据权利要求1所述的一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制装置，其特征在于：所述的压电换能器(10)的上表面和硬盘盖子(20)内表面之间设有一层柔性阻尼材料。

3.根据权利要求1或2任一项所述的一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制装置，其特征在于：所述的压电换能器(10)的中心与磁头(21)的连线为23毫米，该连线与硬盘外盒长边的夹角为10.5度。

4.一种如权利要求1所述的基于声压控制的硬盘磁头振动抑制装置的使用方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：多普勒激光测振仪检测到磁头振动的位移信号，将磁头振动的位移信号输入至所述带通滤波器；

步骤2：所述的带通滤波器对位移信号进行滤波，所述的磁头振动的位移信号的主峰值频率成分得以通过，其他频率成分的信号受到衰减或抑制；然后将信号传送给信号调节器；

步骤3：所述的信号调节器对带通滤波器处理后的信号进行放大处理，并将信号转变成电压信号并输出至相位调节器；

步骤4：所述的相位调节器接收信号调节器处理后的电压信号输入，对电压信号进行相反的相位调节，并输出至功率放大器；

步骤5：所述的功率放大器接收相位调节器调节的电压信号后对电压信号功率进行增大处理，并输出压电换能器；

步骤6：所述的压电换能器接收经过所述功率放大器处理后的电压信号输入至压电换能器，电压信号驱动压电换能器工作；

步骤7：重复步骤1至6直到多普勒激光测振仪检测到的抑制后的磁头振动位移信号的主峰值降低幅度到达阈值。

5.根据权利要求4所述的一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制装置的使用方法,其特征在于：所述的步骤1中，多普勒激光测振仪检测到磁头振动的位移信号，将磁头振动的位移信号分为两路，一路输入至所述带通滤波器；另一路输入至具有存储和运算功能的傅里叶分析仪中，进行磁头振动位移信号的频谱分析，并实时显示磁头振动位移信号的频率分析结果。

6.根据权利要求4所述的一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制装置的使用方法,其特征在于：所述的步骤2中，带通滤波器的中心频率和带宽根据磁头振动的位移信号中需要被抑制的主要峰值频率进行设置。

7.根据权利要求4所述的一种基于声压控制的硬盘磁头振动抑制装置的使用方法,其特征在于：所述的步骤4中，压电换能器表面振动产生的声压设置为与磁头附近气流波动的气压相反的相位。