CN1068440A - 带有液膜磁头-磁盘接口的磁盘存储器用传感器支架 - Google Patents

Abstract

一种减小了磁头磁盘间隙并改进了记录性能的 磁盘存储器，它采用了一个用常规的高粘度润滑剂涂 膜的磁盘，一个在磁盘存储器的使用寿命内不断补充 磁盘上的润滑剂的润滑剂贮存器，和一个具有适于在 磁盘表面的液膜上滑行的底台的传感器支架。这种 磁盘存储器不包括任何使润滑剂再循环的装置，因为 润滑剂粘度高，不易离开磁盘。润滑剂贮存器只含很 少量的润滑剂，所以能装有其中密封的磁盘存储器， 磁盘存储器还能工作在接近真空的环境中。

Description

本发明涉及一种数据记录磁盘存储器，更具体地说，本发明是一种新型的磁盘存储器，其中磁头或传感器支架和磁盘表面的液态润滑剂形成一种新型的磁头-磁盘接口。

本申请和共同提交的未决申请NO.的说明书部分相同。本申请要求保护的是传感器组件，而申请NO.要求保护的是磁盘存储器。

磁盘存储器也叫磁盘驱动器，是信息存储装置，它利用了一个能够旋转的、具有包含信息的同心数据磁道的磁盘，一个用来在各磁道上读出或写入数据的磁头式传感器，和一个与磁头支架相连的传动机构。在读出或写入操作过程中，传动机构驱动磁头至所需磁道，并将其保持在该磁道中心线的上方。一般情况下有多个由隔离环分开的磁盘，这些磁盘套在一根由磁盘驱动电机旋转的轴上。一个外壳支撑驱动电机和磁头传动机构，并包围磁头和磁盘，为磁头-磁盘提供一个基本上密封的环境。在传统的磁记录磁盘存储器中，磁头支架是一种空气支承滑块，它涂在磁盘表面上方的空气支承面上运动，滑块受到来自将滑块与传动机构相连的悬置件的一个很小的力的作用，极力靠近磁盘表面，因此，当开始运行期间由于没有足够高的磁盘转速来维持空气支承面，滑块与磁盘表面便接触。磁盘表面需要润滑剂，以防止在磁盘存储器开始运行和停止运行期间损坏磁头和磁盘。

由于空气支承磁头-磁盘接口的缘故，传统的磁记录磁盘存储器存在着一些不足之处。磁头和磁盘之间的间隙受到空气支承滑块的最小可实现的飞行高度的限制，这意味着磁盘存储器的记录性能相应地受到限制，因为该性能是直接与这一间隙有关的。当滑块已经稳定地与磁盘接触相当短的一段时间后，液态润滑剂和较大的滑块的空气支承表面会产生静摩擦力，该摩擦力使滑块粘在磁盘表面，当磁盘存储器起动滑块脱离磁盘时，就会损坏磁头、磁盘或悬置件。当磁盘存储器运行时在磁头和磁盘之间主要是一层空气薄膜的界面，其刚性非常小，因此磁盘存储器对震动和撞击就非常敏感，这使得传统的磁盘存储器对某些应用场合就不适合了，例如便携式计算机。磁盘存储器内需要用来支承空气支承滑块的空气还增加了对旋转磁盘的空气阻力，所以提高了功耗，引起外部环境噪声，使得悬置件震动，并且加快了对磁头、磁盘和电子部件的腐蚀和氧化。

有一些参考文件描述了不同类型的磁头支架和液体支承面，它们能够代替磁记录磁盘存储器中传统的空气支承磁头-磁盘接口。在受托人的美国专利2，969，435中，具有一个很大平面的滑板型传感器支架悬浮在磁盘的一层油上，油由磁盘存储器外部的储油器提供，并从位于支架前方的一个喷嘴中排出。在受托人的未决申请中，该申请于1988年10月31日递交，美国序列号为264，604，并且于1990年5月9日作为欧洲公布申请EP367510公布，一种磁盘存储器采用连续重复循环的低粘度液态润滑剂，它保持在磁盘上成为一层比较厚的膜，该磁盘存储器还采用具有三角形底台的传感器支架，它在低粘度液体膜中穿行。EP参考文件指出，如果将磁盘存储器密封而不存在空气，那么气化压力低的润滑剂就会蒸发，这使得通过蒸馏产生所需要的润滑剂重复循环。

所需要的是这样一种磁盘存储器，它具有一个液体支承面接口，该接口提供了最小的磁头-磁盘间隙，并且不需要使润滑剂连续重复循环。

本发明是这样一种磁盘存储器，它具有一个用常规的高粘度润滑剂涂膜的磁盘，一个在存储器的使用寿命内补充磁盘上的润滑剂的润滑剂贮存器，以及一个有一个使支架能在高粘度液体膜上滑行的表面的传感器支架。该磁盘存储器不包括任何用于重复循环润滑剂的装置，这是由于润滑剂形成的薄膜厚度小和粘度高，润滑剂溅离磁盘的速率就比较低的缘故。润滑剂的粘度足够高，使得在磁盘驱动器的所要求的使用寿命内，润滑剂的损失量限定在可以由润滑剂贮存器补充的限度以内。润滑剂贮存器包含非常少量的润滑剂，于是就能装在磁盘存储器的外壳内。在本发明的最佳实施例中，润滑剂贮存器是一个靠近磁盘内径放置的密封环，它有一个通过毛细作用保持润滑剂的多孔的内壁，以及许多排放口，用于在磁盘旋转期间向磁盘释放润滑剂。所介绍的传感器支架的表面有多个滑行底台，是从支架伸出的大致呈削掉顶端的圆锥，圆锥的锥度非常平缓，使滑行底台大致是圆形的端部能在润滑剂膜表面滑行。滑行底台的大致圆形的端部改进了旋转传动机构磁盘存储器中的支架的工作状况，其中支架的运动方向随着磁盘上支架的径向位置而变化。在本发明的一个实施例中，磁盘存储器是密封的，并基本上抽成真空。该磁盘存储器能够在接近真空的环境中运行，因为不同于传统的磁盘存储器，它不需要空气来支持空气支承磁头-磁盘接口，并且分子量较重的润滑剂的高气化压力阻止了润滑剂蒸发。这样，由于在磁盘存储器内存在空气而带来的问题基本上得到了解决。

为了更充分地理解本发明的特点和优点，下面结合附图做详细的描述。

图1是本发明的磁盘驱动器的剖面图;

图2是图1所示磁盘驱动器的上开口图;

图3是以局部切剖表面的隔离环润滑剂贮存器的立体图;

图4是本发明的磁盘支架的底平面图;

图5是本发明的经改进具有滑行表面的空气支承滑块的底平面图;

图6是另一种传感器支架的侧视图;

图7是本发明的支架磁盘接口的剖面图;

图8表示作为磁盘驱动器开始/停止循环次数函数的传感器支架上的静摩擦力;

图9表示传统的空气支承磁头-磁盘界面磁盘驱动器和本发明的磁盘驱动器的频率滚降曲线;以及

图10表示在震动试验期间作为时间函数的传统的空气支承磁头-磁盘接口和本发明的磁头-磁盘接口的支架-磁盘间隙图。

首先参照图1，这里画出了本发明的磁盘存储器的剖面图。磁盘存储器包括机座10和盖11，磁盘驱动电机12、传动机构14固定在机座10上面。机座10和盖11为磁盘驱动器提供了一个基本密封的空间。一般情况下在机座10和盖11之间有一个密封垫13和一个用来平衡磁盘存储器内部和外部环境之间压力的很小的通气孔（未示出）。这种类型的磁盘存储器所以描述成基本上是密封的，是因为驱动电机12全部装在外壳之中，并且不施加冷却内部部件的外部压缩空气。磁记录磁盘16装在轴18上，由驱动电机12使其旋转。在传感器支架20上装有一个读出/写入磁头式传感器（未示出）。支架20通过刚性臂22和悬置件24与传动机构14相连，悬置件24提供一个使传感器支架20压在记录磁盘16表面的偏压力。在磁盘存储器运行期间，驱动电机12以恒定的速度使磁盘16旋转，并且一般是直线式或旋转式音圈电动机（VCM）的传动机构14使传感器支架20通常沿磁盘16的表面做径向运动，因此读出/写入磁头可以访问磁盘16上的不同的数据磁道。

图2表示移去了盖11的磁盘存储器内部结构的顶视图，并画出了环形润滑剂贮存器30，它作为保持提供液态润滑剂的部件，补充磁盘16表面的润滑剂。在磁盘16的表面保留着一层粘度较高的润滑剂的连续薄膜，磁盘存储器运行期间，由从润滑剂贮存器30排出的润滑剂对薄膜进行补充。图2还更详细地画出了悬置件24，它给支架20加了一个力，使其与磁盘16上的润滑剂腊保持接触。悬置件24可以是常规的悬置件，比如用在具有空气支承滑块的磁盘存储器中的那种。悬置件的一个例子是为了所知的Watrous悬置件，如在此处作为对比文件引用的受托人的美国专利4，167，765号中描述的那样。这种悬置件还为传感器支架提供了万向固定装置，它使支架在液态润滑剂膜上运动时可作纵向和横向的滚动。

图3详细地画出了环形润滑剂贮存器30，在具有以磁盘组形式出现的多个磁盘的磁盘存储器中，它也可以用作磁盘隔离环。润滑剂贮存器30包括一个环32，它由多孔的烧结金属，比如烧结的不锈钢加工而成。此后，或通过用例如金的材料电镀，或通过无电敷镀镍膜，将环32的外表面完全密封，以便形成包围烧结不锈钢的膜34。然后在金或镍表层膜34上开几个口36，使润滑剂贮存器不密封，从而提供了一个排放贮存在内部的润滑剂的装置。这通过在表层膜34上加工几个，例如一般为四个小区域而完成，加工方法为蚀刻、磨削或静电放电，于是在这些区域中形成了开口36或微孔。然后通过以下步骤将润滑剂灌入贮存器中：把贮存器放在其空中，浸入润滑剂，并微微加热贮存器，以便加快装灌的速度。选择开口36的数量和大小，以便在磁盘存储器运行期间按要求控制排放润滑剂的量，排放量设计成与润滑剂离开磁盘的速率相匹配。当磁盘存储器具有以由轴18支撑的磁盘组形式出现的多个磁盘，而环32又被设计成这种磁盘存储器中的隔离垫时，开口36可以位于隔离垫上更靠近与磁盘接触的部分，因此所选择的开口与一个相应磁盘的表面相关联。除了开口36的大小，影响润滑剂离开磁盘的速率的因素包括磁盘的平滑度、磁盘的转速、润滑剂的粘度，以及支架的结构样式。当磁盘不旋转时，环32通过多孔的、海绵状材料的毛细作用，将液体保持在润滑剂贮存器内。虽然润滑剂贮存器或保持装置的最佳实施例是如上所述及如图3所画的环形贮存器30，但是还可能有许多其它可替代的贮存器。例如，在一些应用场合，磁盘存储器的全部运行时间比较短（比如几个月），保持润滑剂的装置可以是磁盘上靠近磁盘内径的非数据区。在通常的磁盘润滑过程中，磁盘的非数据区也被润滑，因此，非数据区包含了额外可提供的润滑剂，用来补充液膜。在这一特定应用的实施例中，也可以要求使用粘度更高的润滑剂，以便使消耗率有某种程度的降低。

现在参照图4，图中示出了传感器支架及其滑行面，滑行面是由在平面43上形成的多个滑行底台40、42和44构成的。支架可以由制造空气支承滑块的常规材料做成，比如铁氧体或矾土和钛硬质合金陶瓷材料。支架20具有一个平整的表面，上面形成各个滑行底台。滑行底台44靠近支架的尾部边缘，即支架上支撑薄膜传感器46或其它记录磁头的部分。每个滑行底台通常是一个从平面43伸出的削掉顶端的圆锥，并且具有大致是圆形的端部，它能使支架在润滑剂膜上滑行，而不管支架相对于磁盘的运动方向如何。这样，当支架装在转动的传动机构上时，支架就能够滑行了，传动机构一般沿弧线移动支架，其中支架相对于磁盘的运动方向根据支架的径向位置而变化。

图5表示传感器支架的一个实施例，用20′表示，其中在常规的三轨空气支承滑块（如受托人的美国专利4，894，740号中描述的那样）上形成滑行底台40、42和44。通过向内蚀刻导轨几千埃的材料，最好是通过离子碾磨或通过活性离子蚀刻，在导轨50、51、52的普通底平面上形成各个滑行底台40、42、44，因而滑行底台就是向外突出于滑块导轨的未被蚀刻的外部。离子碾磨使得滑行底台从导轨的外表面伸出，呈现很小的锥度（大约小于十度），如同削掉顶端的圆锥。滑行底台锥度很小使得传感器支架实际上能在磁盘上的粘度较高的润滑剂膜上滑行。

虽然支架的滑行表面的最佳实施例如图4、5所示，但是本发明还成功地证实了一种由用环氧树脂粘接在常规的空气支承滑块上的几个直径为1mm或1mm以上的钨硬质合金球支承物构成的滑行表面。这种类型的支架的一个实施例如图6所示。支架是一种常规的双轨空气支承滑块25，传感器46位于它的尾端。一个直径为1mm的钨硬质合金球支承物26用环氧树脂粘接在滑块25的前端。球支承物26起前滑行底台的作用，并抬高尚有块25的前端，使得导轨的尾端，例如边缘27，起后滑行底台的作用。

传感器支架和带有润滑剂膜的磁盘之间的接口如图7所示。在最佳实施例中，磁盘16上面的致密部分有一常规的非晶碳涂层60，一般约为250埃厚。磁性层62，例如是由溅射淀积在磁性膜上的常规的钴合金构成，位于起保护作用的碳涂层60的下面。液态润滑剂作为膜64淀积在磁涂层60的上面，厚度最好在大约20至100埃的范围内。一个滑行底台40的一部分支撑在润滑剂膜64上。滑行底台40的端部的直径约为100微米，锥度约为10°，蚀刻深度约为4，000埃。传感器46（图5）安装在支架20的尾端，滑行底台44的边缘，于是与记录磁盘上面的间隙保持在大约等于润滑剂膜的厚度（例如20至100埃）。在磁盘存储器运行期间，悬置件24（图2）向支架20持续地施加一个力，迫使滑行底台40、42、44与润滑剂膜64接触，由于润滑剂膜64基本上是不可压缩的，所以起到了支架20和磁盘16之间的隔离层的作用。滑行底台40的端部和磁盘间的夹角较小（在图7中为10°），改进了支架的滑行能力，因为在磁盘驱动器开始运行期间，这对经过滑行底台40端部下面的润滑剂的阻碍较小。

在本发明中，通过在密封的机壳内保持真空，就有可能改进磁盘存储器的全部性能。这可以通过将磁盘存储器做成基本真空密封来实现，如在受托人的美国专利4，367，503和4，556，969中描述的那样。

本发明已经通过采用商用2.5英寸旋转传动机构磁盘驱动器（对某些部件进行改进）进行试验得到了证实。

所用的磁盘基底不用特意制造，但要尽可能地抛光。铝和玻璃底基都是可以的，虽然铝更好些。在适合的底基层的上面测向淀积一层CoPtCr合金磁膜，并且在磁膜上溅射淀积250埃厚的一层非晶氢化碳涂层。将磁盘浸入稀释的润滑剂溶剂混合物中，如在工业中通常的做法那样涂上润滑剂，只是润滑剂的涂层要达到大约100埃的厚度。精确的涂层厚度不是关键性问题，然而希望使润滑剂膜尽可能地薄，以便最大限度地减小磁头-磁盘间隙。可以通过紫外线（UV）或热处理将润滑剂粘在磁盘的碳涂层上，或采用在室温下自粘合的一种润滑剂。所采用的两种润滑剂，全氟聚醚（Perfluoro-Poly    ethers（PFPE））和碳氢化合物（HC），都是常规的磁盘润滑剂。特别是，从Daikin得到的PFPE    Demnum    SP可在室温下自粘合，可通过浸泡涂敷。HC润滑剂，可以是碳氢化合物的聚癸烯（poly-1-decene）型，如可从威利姆公司（William    F.Nye，Inc）得到的174H，能够用上述任何技术粘到磁盘上。最好使PFPE润滑剂粘合，但HC润滑剂不粘合。粘上的润滑剂（如果有的话），只占磁盘的全部润滑剂膜厚度的一小部分。PFPE润滑剂的粘度在5厘泊至10泊的范围内，分子量最好大于约2000amu。HC润滑剂的粘度在5厘泊至10泊的范围内，分子量最好大于约1000amu。当润滑剂与具有规定平滑度的磁盘一起使用，并且磁盘在规定转速下运行时，润滑剂的粘度要足够，设防止过量的润滑剂损失和满足传感器支架滑行面的需要。

在实验中，所用支架基本上是图5所示的那种，是用一个带有一个工作记录磁头和现存的空气支承面的滑块加工制成的。应用抗蚀剂和金属版印刷术在形成空气支承面的经抛光的导轨50、51和52上确定滑行底台。然后将空气支承面（除了抗蚀剂确定的底台之外）用离子碾磨去掉几千埃，形成底台。该最佳实施例包括三个底台，两个底台位于空气支承面的前部，稍稍伸出呈个的锥部，一个底台位于后部，装有记录磁头。

当采用这种类型的支架。并且磁盘存储器工作在空气环境中时，所得实验结果为前底台40、42（图5）一直处于滑行状态，直到磁盘达到最高转速，然后前底台“起飞”。后底台44一直继续滑行。这也减小了阻力。然而，对开始和停止阶段来说，前滑行底台仍旧是需要的。沿常规的空气支承面蚀刻或碾展的深度作为参数可以调整，以确保在整个所要求的速度和悬置件的预加载的范围内，使前底台飞行而后底台滑行。例如，如果设计常规的空气支承滑块前端飞行高度为5000埃，而后部飞行高度为1500埃，那么从滑块导轨蚀刻或碾磨掉3000埃的材料将导致支呆的后底台滑行，而前底台在大约2000埃的高度尺行。如果支架设计成图4所示的样子，那么所有的滑行底台都将一直处于滑行状态，因为没有空气支承面使前滑行底台飞起来。

如图3所画的润滑剂贮存器装在磁盘驱动器内。润滑剂贮存器压在磁盘上的磁盘内径的位置，例如通常应该装磁盘组隔离垫的位置。这样，贮存器既起润滑剂保持装置的作用，又起磁盘隔离垫的作用。贮存器有四个开口36，每个直径大约为100微米。贮存器装有大约0.2CC的润滑剂。用在贮存器中的润滑剂一般和磁盘上的润滑剂相同。

磁盘和润滑剂贮存器装在磁盘驱动器之后，将支架与具有6克弹簧预加载的Watrous型悬置件安装好，运行了驱动器。

对驱动器进行的实验包括：测量静摩擦力，润滑剂厚度，阻力，数据磁道的损耗（用光学观测），磁读出和写入，以及震动阻尼。

静摩擦力的测量值作为开始/停止循环次数的函数画在图8中，可以看出，即使经过十万次的开始/停止周期，静摩擦力仍然很小。支架和磁盘间的静摩擦力保持在3克至7克的范围内，这大大低于在磁盘驱动器起动时可能损坏磁头或磁盘的数值范围。

通过图像观测（用图像显微镜）并用椭圆率测量术测得的润滑剂厚度在整个磁盘表面为20至100埃。图像观测还证实，只是当磁盘旋转时，润滑剂贮存器才将润滑剂散布在磁盘的表面，并且润滑剂是借助支架滑行弄均匀的。多孔金属的毛细作用将润滑剂保留在贮存器内，除非旋转引起的离心力将它克服。润滑剂洒到磁盘上后，支架在访问磁盘时的运动将润滑剂弄均匀。为了便于将润滑剂弄均匀，支架周期性地访问磁盘上所有有效的磁道，例如每5分钟一次。通过传动机构进行的这种偶尔的访问使支架在磁盘上的不同径区域运动，这足以使不均匀的润滑剂厚度变均匀，这种不均匀性例如是由润滑剂贮存器不均匀地散布润滑剂造成的。基于这些实验结果，估计对一个运行在常规的3600RPM转速的单个2.5英寸磁盘来说，贮存器中只需要大约0.01CC的润滑剂就可以维持磁盘驱动器大约七年的设计使用寿命。假定七年中连续运行，上述润滑剂的量足以每天补充大约10埃的润滑剂膜。

阻力由附在悬置件上的应力计测量。阻力由磁盘相对支架的运动速度、时间和润滑剂厚度确定。一般，在运行速度时，阻力维持在1克以下。

用材料损耗分辨率高于10埃的光测量法测量，没有观测到磁盘损耗。

磁测量是用来确定由于磁头-磁盘的间隙小了许多而引起的记录性能的改善程度。测得的数据表明，与传统的使用同样磁头和磁盘的空气支承界面磁盘驱动器相比，本发明的实施例具有更好的重写特性、更高的信号幅度和更好的频率滚降曲线。参照图9，这些频率滚降曲线表明滑行支架的性能有了重大的改进。图9中的曲线表明，在滑行状态下信号幅度更高，并且高频响应比飞行状态时滚降慢。这意味着，在滑行状态下将工程师晚高的记录密度，这是减小磁头-磁盘间隙的结果。

在对本发明的带有传感器支架、磁盘和接口的磁盘存储器做抗震动或冲击实验时，商用2.5英寸磁盘驱动器经改进安装在一个抖动装置上。传感器支架如图5所示，通过一个常规的悬置件安装到旋转传动机构上。通过将磁盘浸入PFPE型润滑剂例如Demnum    SP中，使磁盘表面带有50埃的润滑剂。悬置件提供的、使支架压在磁盘上的负荷为5.5克，磁盘相对支架的运动速度为每秒7米。由抖动装置提供的加速实验是施加幅度为30克频率为70赫的正弦波形的力。通过测量支架和磁盘间的电容量来检测支架磁盘间隙，对该实验装置而言其结果用图10中的曲线70表示。对只是具有常规空气支承界面的同种类型的磁盘驱动器测量的结果用图10中的曲线72表示。比较曲线70和72说明，本发明在磁头-磁盘刚性和磁盘驱动器抗冲击方面都有重大的改进。

如上所述的改进后的磁盘驱动器也可以放在一个真空室中运行，做真空环境的实验。真空室中的压力减小到10^-6至10^-7乇。所得实验结果基本上与在空气环境中所得结果相同。

虽然已经对本发明的最佳实施例做了详细说明，但是应该清楚，在不偏离以下权利要求所描述的本发明的精神和范围的情况下，能够对本发明做各种修改和改进。

Claims (11)

1、一种用于数据记录磁盘存储器的传感器组件，其特征在于磁盘在其表面具有一层液膜，组件包括具有适于在液膜上滑行的而地支架和与支架相连、用于从磁盘读出数据和向磁盘写入数据的传感器。

2、根据权利要求1的传感器组件，其特征在于支架上的滑行面包括至少一个从支架伸出的滑行底台，滑行底台的一端相对于磁盘表面形成一个角度，该角度非常小，使滑行底台的端部能在磁盘表面的润滑剂膜上滑行。

3、根据权利要求2的传感器组件，其特征在于滑行底台是一个削掉顶端的大致圆形锥体。

4、根据权利要求2的传感器组件，其特征在于传感器位于支架上靠近滑行底台的地方。

5、根据权利要求1的传感器组件，其特征在于支架上的滑行面由至少一个大致球形的滑行底台组成。

6、根据权利要求1的传感器组件，其特征在于支架上的滑行面是一个大致平整的表面，至少有一个滑行底台从该面上伸。

7、根据权利要求1的传感器组件，其特征在于有一个用于连接支架和磁盘存储器的传动构件的装置，该装置包括用于向支架的滑行面施加偏压、使其与磁盘上的液膜接触的装置。

8、根据权利要求7的传感器组件，其特征在于连接支架和传动构件的装置包括用于使支架产生万向运动的装置，因此磁盘旋转期间，当支架的滑行面受力与润滑剂膜接触时，支架能够前后滚动和左右滚动。

9、根据权利要求1的传感器组件，其特征在于支架是一个具有多条导轨的空气支承滑块，其中滑行面包括至少一个从一条导轨伸出的滑行底台。

10、一种用于数据记录磁盘存储器的传感器组件，其特征在于磁盘在其表面具有液膜，组件包括：

具有多条导轨和多个滑行底台的空气支承滑块，滑行底台从导轨伸出，用于在液膜上滑行;以及

和滑块相连的传感器，用于从磁盘读出数据和向磁盘写入数据。

11、根据权利要求10的传感器组件，其特征在于每一个滑行底台的一端相对于磁盘表面形成一个角度，该角度非常小，使滑行底台的端部能在磁盘表面的润滑剂膜上滑行。

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