CN108701470A - 用于减小磁头-介质间隔的读/写磁头的主动控制 - Google Patents

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CN108701470A CN201680081811.6A CN201680081811A CN108701470A CN 108701470 A CN108701470 A CN 108701470A CN 201680081811 A CN201680081811 A CN 201680081811A CN 108701470 A CN108701470 A CN 108701470A
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Abstract

本发明总体上涉及通过提供对于读/写磁头相对于磁盘的旋转磁数据读取和记录表面的定位的主动控制来实现减小硬盘驱动器(HDD)中的磁头‑介质间距(HMS)的系统。该系统用于在磁盘旋转期间实时或接近实时地监视和调整读/写磁头的定位，从而将读/写磁头的磁换能器与磁盘表面之间的HMS维持在预定范围内，一般在1.0nm到10.0nm之间，在一些实施例中约为4.3nm。该系统利用完全主动悬浮来代替常规的空气轴承表面(ABS)设计，从而将磁头飞行高度维持在期望的范围内。该系统进一步允许磁换能器和磁盘表面中的每一个都没有任何外涂层或润滑层。

Description

用于减小磁头-介质间隔的读/写磁头的主动控制
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月16日提交的美国临时专利申请No.62/295,681的优先权，其内容通过引用全部并入在此。
技术领域
本公开总体上涉及磁数据存储系统和设备，并且更具体地涉及通过提供的对于读/写磁头相对于磁盘的旋转磁数据记录和读取表面的定位的主动控制来实现减少硬盘驱动器(HDD)中的磁头-介质间隔(HMS)的系统。
背景技术
硬盘驱动器，也称为“硬盘”、“硬盘驱动器”或“固定磁盘”，其是使用涂覆有磁性材料的一个或多个快速旋转的磁盘或盘片来存储和获取数字信息的数据存储设备。盘片与设置在移动的致动器臂上的磁头配对。磁头用于对于磁盘表面读取和写入数据。当HDD运行时，每个磁盘通过主轴系统快速地旋转，并且使用通过致动器而定位在磁盘的特定位置的一个或多个读/写磁头来从磁盘读取数据和/或将数据写入到磁盘。
读/写磁头使用磁场从磁盘表面读取数据和将数据写入到磁盘表面。由于磁偶极子场随着远离磁极而快速减弱，因此必须严格控制读/写磁头与磁盘表面之间的距离。当前的系统尝试控制磁头与磁盘表面之间的磁头-介质间距或间隔(HMS)以便为了HDD的有效运转而保持磁头尽可能靠近旋转的磁盘。如在此所使用，HMS通常指的是读/写磁头与磁盘表面之间的总距离。HMS例如可以不仅包括读/写磁头相对于磁盘表面的飞行高度，而且包括读/写磁头或磁盘表面中的任一个上的所有涂层或润滑层的厚度。
磁头与磁盘表面之间的HMS是确定能够写入到磁盘和/或从磁盘读取的信息量的关键因子，有时被称为面位密度(磁盘表面上单位面积/位数)。例如，随着磁头和磁盘表面之间的间隔增大，从磁盘读取数据和将数据写入磁盘的有效性都降低。因此，磁头与磁盘表面之间的HMS越大，需要的位单元越大，因此致使记录信息的面密度越小。相反，磁头与磁盘之间的HMS越小，需要的位单元越少，因此允许信息记录的面密度更大。增大面密度会提高磁盘驱动器的总存储容量，而减小面密度会降低总存储容量。
存在如下的现有系统，这些系统尝试控制读/写磁头的飞行高度以减小HMS，从而改善HDD的操作并提高存储容量。例如，一些磁盘驱动器依赖于空气轴承表面(ABS)配置，其中由于通过磁盘的旋转所产生的快速移动空气所提供的空气动力学提升力与通过致动器臂的承重梁部分施加到保持磁头的滑块的下拉力之间的平衡，读/写磁头与磁盘之间的间隔得以保持。
ABS涉及的进一步改进被称为热飞行高度控制(TFC)设计。在TFC设计中，滑块包括放置在磁头的磁换能器附近的电阻器，当该电阻器被激活时，在换能器附近产生温度升高，使得该换能器朝向光盘表面突出。虽然滑块通常的飞行高度通过TFC保持不变，但是磁换能器甚至更靠近磁盘表面几纳米。当向加热器的供电减少或终止时，热量迅速消散到滑块的其余部分，并且突出撤回。加热和冷却的循环可以每秒重复数千次。虽然TFC设计允许磁头更靠近磁盘表面几纳米的细微移动，但是TFC设计依赖于灵活的承重梁和ABS设计，通常在从磁头到磁盘表面的z方向的几百纳米的范围内起作用。
用于控制读/写磁头和磁盘表面之间的HMS的现有系统和设计具有不足，因此影响HDD的整体性能。例如，ABS设计无法完全防止在HDD运行期间磁头与磁盘表面之间的接触。特别地，作为ABS设计的一部分，滑块的头部区域被缓缓推向磁盘直至实现接触(“向下接触”)，在该位置处，滑块被推离磁盘(“拉回”)。由于直接作用于HDD的内部和外部振动，以及由于HDD内的空气流中的振动而可能发生的磁盘的颤动，也可能发生磁头与磁盘表面之间的接触。接触磁盘的动作引起磁头的机械磨损，随着时间的推移通常会导致操作退化并且最终导致故障。为了防止源于相互的间歇性接触的潜在损伤，磁盘表面通常涂覆至少两层：第一硬涂层和第二润滑涂层。另外，磁头本身也可以涂覆有硬涂层以提供附加的保护。虽然硬涂层和润滑层可以提供保护，但是它们也会增大磁头与磁盘表面之间的HMS，因此在试图减小HMS值时呈现出挑战，并且限制了为了改善读取和存储容量而增大面密度的能力。
ABS设计的另一缺点是由于磁盘的旋转所产生的高速空气而造成的HDD内的湍流。空气湍流引起“风偏(windage)”效应，这会导致磁盘颤动以及致动器臂的轻微移动，这些都会导致磁头错过磁盘表面上的期望磁道，通常被称为磁道对准不良(track miss-registration，TMR)。因此，TMR进一步降低了HDD的可靠性和性能。
发明内容
由于较高的面密度允许增加磁盘的存储容量并进一步改善从磁盘读取的数据，对于硬盘中较高面密度的需求一直在增加。本发明涉及一种通过提供减少的磁头-介质间距或间隔(HMS)来实现更高面密度的系统。特别地，本公开的系统用于监视读/写磁头相对于磁盘表面的位置，并将读/写磁头的定位主动控制在磁头与磁盘表面之间的相对紧密的HMS公差内(例如，在1.0nm到10.0nm之间，并且在一些示例中为4.3nm)，同时确保防止磁头和磁盘表面之间的接触。
本公开的系统利用完全主动的致动器组件来代替常规的ABS设计，该完全主动的致动器组件包括z轴致动器，该z轴致动器用于在相对于磁盘表面基本正交的方向上支撑和移动读/写磁头。换句话说，z轴致动器执行用于使读/写磁头沿z方向朝向或远离磁盘表面移动。z方向与基本正交于磁盘表面进行定向的z轴基本上平行。z轴通常可以平行于磁盘的旋转轴。
该系统包括控制器，该控制器用于监视读/写磁头相对于磁盘表面之间的HMS，并且将控制信号发送到z轴致动器，从而在读/写磁头位于期望的HMS值范围之外的情况下引起读/写磁头的移动。特别地，控制器可以用于接收和处理测量数据，该测量数据包括在磁盘旋转期间读/写磁头相对于磁盘表面的飞行高度的一个或多个测量。基于该测量数据，控制器可以用于确定读/写磁头的位置以及读/写磁头的位置是否落在所设置的HMS值范围之外。因此，控制器在这里可以称为“伺服控制器”，因为控制器是利用误差感测负反馈来校正机构性能(例如，调整读/写磁头的位置)的伺服机构。因此，本公开的系统用于始终主动地控制磁头在磁盘表面上方的飞行高度，从而确保磁头在操作期间保持在期望的HMS范围内，同时还确保磁头从不接触磁盘表面。
本公开的系统提供许多优点。例如，通过提供对于z轴致动器的完全主动控制并确保读/写磁头和磁盘表面之间不会发生接触，可以消除通常应用于磁盘和磁头表面的保护性硬涂层和润滑层，或者至少磁盘和读/写磁头表面可包括非常少量的硬涂层或润滑层(例如，厚度在0.1nm至2.0nm范围内的涂层或层)。这些层的厚度消除或减小导致磁头和磁盘表面之间的HMS显著减小，从而允许实现面密度增加。另外，由于消除了磁头和磁盘表面之间的所有物理接触，因此结合本公开系统的HDD的磨损和损坏将会减少，并且将比当前硬盘驱动器单元具有更长的操作寿命。
另外，由于本发明的致动器设计不依赖于空气动力来维持磁头的飞行高度，因为系统不依赖于ABS设计，所以不再需要HDD内的空气。因此，在HDD外壳内可以保持低气压环境，包括零或接近零的气压，从而基本上消除了所有的气动拖拽和湍流，这些是导致磁头和磁盘表面接触、磁盘颤动、TMR和功耗的主要原因。另外或替代地，在一些实施例中，可以清除HDD外壳内剩余的任何氧气并用例如氮气或氦气的惰性气体来代替，这可以改善HDD外壳内组件的寿命和操作。例如，典型的HDD可以在外壳内包括氧气，这能够导致HDD组件的氧化，这可能影响性能和可靠性。因此，清除HDD外壳中的氧气并用惰性气体来替代防止HDD组件暴露在氧气中。
消除ABS设计的另一优点涉及以下事实：根据本公开的读/写磁头不需要空气轴承滑块，由于时间密集的制造工艺和涉及的成本，空气轴承滑块可能是HDD中单个最昂贵的组件。空气轴承滑块通常由氧化铝/碳化钛(Al2O3/TiC)制成，因为这种材料非常适合制造具有光滑面和锐利边缘的滑块。然而，这种材料与大多数常见的半导体制造工艺不相容，因此必须改变这些制造工艺以适应氧化铝/碳化钛材料，这耗费时间并且导致基板上的可用空间的损失。本发明的系统允许使用来自Si晶圆的硅(Si)基板来制造磁头，其中这种材料与大多数常见的半导体制造工艺和设备更加兼容。该系统允许通过减小磁头的尺寸和增加能够在任何给定的Si基板上生产的磁头的数量，来获得磁头制造效率的大幅提高，其中Si晶圆尺寸约为300mm，远大于Al2O3/TiC晶圆的典型尺寸200mm。因此，对于用于根据本公开的读/写磁头的薄膜换能器的陶瓷基板的物理尺寸没有下限。此外，通过使用基于Si的薄膜磁头，可以添加额外的电子线路和组件以改善性能，例如用于在将信号经过较长距离传输到驱动接口之前提升读/写磁头信号的前置放大器电路。
在一个方面，本发明包括一种用于在硬盘驱动器(HDD)中提供减小的磁头-介质间隔(HMS)的系统。该系统包括具有磁数据记录和读取表面的磁盘和具有磁换能器的读/写磁头，该磁换能器用于从磁盘的磁表面读取数据或将数据写入磁盘的磁表面。该系统还包括z轴致动器，其耦合到读/写磁头并且用于控制读/写磁头在相对于磁盘表面基本正交的方向上进行移动。该系统还包括伺服控制器，该伺服控制器与z轴致动器电通信并且用于在磁盘旋转期间监视读/写磁头相对于磁盘表面的定位。伺服控制器用于使得z轴致动器调节读/写磁头的位置，以防止磁换能器与磁数据记录和读取表面之间的HMS下降到约1.0nm以下和超过约10.0nm。
在一些实施例中，伺服控制器可以用于在磁盘旋转期间监视和调整读/写磁头相对于磁盘表面的定位，以确保磁换能器从不与磁盘表面物理接触。
在一些实施例中，伺服控制器用于使z轴致动器调整读/写磁头的位置，以防止HMS超过约8.0nm和下降到约4.0nm以下。在一些实施例中，伺服控制器用于在磁盘旋转期间保持读/写磁头相对于磁盘表面的位置，使得HMS约为4.3nm。
伺服控制器可以用于接收和处理测量数据，测量数据包括在磁盘旋转期间读/写磁头相对于磁盘表面的飞行高度的一个或多个测量。伺服控制器可以用于基于测量数据的处理来确定磁换能器是否位于约1.0nm至约10.0nm的HMS范围内。在确定磁换能器位于HMS范围之外的情况下，伺服控制器用于将控制信号发送到z轴致动器以使得读/写磁头进行移动，从而使得磁换能器位于HMS范围内。
测量数据的处理可以包括将测量数据与包括HMS范围的一组参考数据进行比较。在确定磁换能器位于HMS范围的最小值以下的情况下，控制信号使得z轴致动器在远离磁盘表面的方向上移动读/写磁头，从而使得磁换能器位于HMS范围内。在确定磁换能器位于HMS范围的最大值以上的情况下，控制信号使得z轴致动器在朝向磁盘表面的方向上移动读/写磁头，从而使得磁换能器位于HMS范围内。
在一些实施例中，读/写磁头可以用于经由读/写磁头与磁盘表面之间的电容耦合布置来测量飞行高度。在其他实施例中，z轴致动器还可包括测量传感器，该测量传感器测量飞行高度距离。测量传感器可以包括例如电容耦合设备。
在一些实施例中，磁盘、致动器组件和伺服控制器用于在HDD内的低气压环境中进行操作。例如，在一些实施例中，磁盘、致动器组件和伺服控制器用于在HDD内的零或接近零的气压环境中进行操作。在一些实施例中，该系统还可以包括真空泵，其用于维持HDD内的零或接近零的气压环境。
在一些实施例中，读/写磁头可以包括用于支撑磁换能器的硅(Si)基板。Si基板可以用于支撑一个或多个有源电子部件，该有源电子部件用于耦合到磁换能器或与磁换能器通信。例如，在一个实施例中，一个或多个有源电子部件可以包括位于Si基板上并与磁换能器的读取元件通信的前置放大器。前置放大器用于放大来自磁换能器的读取元件的读取信号。磁换能器的读取元件可以包括一个或多个电感元件。另外或替代地，Si基板可以包括用于测量HMS的传感器，例如电容耦合电路。另外或替代地，Si基板上的一个或多个有源电子部件可以包括伺服控制器自身的一个或多个部分。
在一些实施例中，磁盘的磁数据记录和读取表面没有任何外涂层或润滑层。在一些实施例中，读/写磁头的磁换能器没有任何外涂层或润滑层。此外，在其他实施例中，磁盘表面和磁换能器都没有任何外涂层或润滑层。
在一些实施例中，z轴致动器可以包括：刚性框架，该刚性框架包括细长主体，该细长主体具有第一端、相对的第二端、以及在第一端和第二端之间延伸的通道；以及磁头组件，该磁头组件位于刚性框架内并且用于在磁盘旋转期间控制读/写磁头的磁换能器相对于磁盘表面的飞行高度。磁头组件可以包括机电构件，该机电构件位于通道内并且邻近框架的细长主体的第一端。机电构件可以用于接收来自伺服控制器的控制信号，以使机电构件沿着通道的长度收缩和膨胀。磁头组件还可包括悬架臂，该悬架臂位于机电构件和框架的细长主体的第二端之间的通道内。
悬架臂可以包括可变形部分，该可变形部分用于响应于相邻机电构件的相关联收缩和膨胀而在基本平面配置和屈曲配置之间转变。当处于屈曲配置时，可变形部分通常在远离框架和第一悬架臂的其余部分的方向上延伸。读/写磁头耦合到悬架臂的可变形部分。因此，在可变形部分从平面配置转变到屈曲配置时，读/写磁头用于在远离悬架臂和框架并朝向磁盘的数据读取和记录表面的基本正交的方向上进行移动。当可变形部分从屈曲配置转变为平面配置时，读/写磁头用于在远离磁盘的数据读取和记录表面并朝向悬架臂和框架的基本正交的方向上进行移动。
悬架臂的可变形部分可以包括具有默认的、基本上平面形状的形状记忆材料，并且可以用于：当机电构件膨胀而从机电构件向该形状记忆材料施加线性力时向外弯曲，当机电构件收缩而去除线性力时返回到默认的、基本上平面的形状。
在其他实施例中，z轴致动器可以包括：刚性框架，该刚性框架包括细长主体，细长主体具有第一端、相对的第二端和沿其长度的通道；以及位于通道内并邻近第一端的机电构件。机电构件可以用于接收来自伺服控制器的控制信号，以使机电构件沿着通道的长度收缩和膨胀。z轴致动器还可以包括L形悬架臂，其具有短段和读/写磁头耦合在其最远端上的长段。短段可以经由切口部分直接耦合到框架的一部分并且邻近机电构件定位。悬架臂可以用于响应于相邻机电构件的相关联收缩和膨胀而在基本平面配置和弯曲配置之间转变。当处于弯曲配置时，悬架臂在短段的切口部分处弯曲，并且长段的最远端在远离框架的方向上延伸。相应的，在悬架臂从平面配置转变到弯曲配置时，读/写磁头用于在远离框架并朝向磁盘的数据读取和记录表面的方向上进行移动。当悬架臂从弯曲配置转变到平面配置时，读/写磁头用于在远离磁盘的数据读取和记录表面并朝向框架的方向上移动。
切口部分布置成防止悬架臂向内弯曲，并且在机电构件膨胀时，允许悬架臂在从机电构件向该悬架臂施加线性力时仅向外弯曲。
附图说明
要求保护的主题的特征和优点将从与其一致的实施例的以下具体实施方式中将变得清楚，该具体实施方式应当参考附图进行考虑，其中：
图1是可以并入根据本公开的系统的硬盘驱动器(HDD)的示例实施方式的分解图；
图2是示出根据本公开并且用于并入到图1的HDD中的系统的框图；
图3是示出使用根据本公开的系统，用于监视并且主动控制读/写磁头相对于磁盘表面的位置的方法的一个实施例的流程图；
图4A和图4B是与图2的系统兼容的z轴致动器的磁头组件的一个实施例的透视图和侧视图，示出在基本平面配置中的磁头组件的一部分；
图5A和图5B是屈曲配置(buckled configuration)中的图4A和图4B的磁头组件的透视图和侧视图，其示出为了减小读/写磁头与磁盘表面之间的HMS而进行的读/写磁头朝向磁盘表面的移动；
图6是双设计配置中的包括图4A和图4B的磁头组件的双磁头组件的侧视图；
图7是位于两个邻近磁盘之间的图6的双磁头组件的侧视图，并且以屈曲配置示出了磁头组件中的一个磁头；以及
图8A和图8B是与图2的系统兼容的z轴致动器的磁头组件的另一实施例的侧视图，其示出了磁头组件的一部分从基本平面配置转变到弯曲配置(bent configuration)以进行读/写磁头朝向磁盘表面的移动，从而减小读/写磁头与磁盘表面之间的HMS。
为了深入理解本公开，应当结合上述附图，参考包括所附权利要求的以下详细说明。虽然结合示例实施例来描述本公开，但是本公开不旨在限制于在此公开的特定形式。应当理解的是，根据所建议或提供的情况，可以想到各种省略和等同物的替换。
具体实施方式
通过概述，本公开总体上涉及一种用于在硬盘驱动器(HDD)中提供缩小的磁头-介质间距(HMS)以实现增加的面位密度从而改善输出传输(例如，数据的读取和写入)的系统。特别地，本公开的系统用于监视读/写磁头相对于磁盘表面的位置，并将读/写磁头的定位主动控制在磁头与磁盘表面之间的相对紧密的HMS公差内(例如，在1.0nm到10.0nm之间，并且在一些示例中为4.3nm)，同时确保防止磁头和磁盘表面之间的接触。
如在此所使用，“HMS”通常指的是读/写磁头与磁盘表面之间的总距离。因此，HMS例如可以不仅包括读/写磁头相对于磁盘表面的飞行高度，而且包括读/写磁头或磁盘表面中的任一个上的所有涂层或润滑层的厚度。如在此将更详细描述的，本公开的系统允许读/写磁头和磁盘表面裸露(例如，没有任何硬涂层或润滑层)。因此，在一些实施例中，根据本公开的系统的读/写磁头与磁盘表面之间的HMS通常可以是指读/写磁头的裸磁换能器与磁盘的裸磁数据记录和读取表面之间的距离。然而，应该注意的是，在一些实施例中，磁盘和读/写磁头表面可以包括非常少量的硬涂层或润滑层(例如，厚度在0.1nm至2.0nm范围内的涂层或层)。因此，HMS包括读/写磁头的磁换能器与磁盘表面之间的距离，其中包括磁换能器或磁盘表面上包括的任意薄的硬涂层或润滑层。
本公开的系统利用完全主动的致动器组件来代替常规的ABS设计，该完全主动的致动器组件包括z轴致动器，该z轴致动器用于在相对于磁盘表面基本正交的方向上支撑和移动读/写磁头。换句话说，z轴致动器执行用于使读/写磁头沿z方向朝向或远离磁盘表面移动。z方向与基本正交于磁盘表面进行定向的z轴基本上平行。z轴通常可以平行于磁盘的旋转轴。
该系统包括控制器，该控制器用于监视读/写磁头相对于磁盘表面之间的HMS，并且将控制信号发送到z轴致动器，从而在读/写磁头位于期望的HMS值范围之外的情况下引起读/写磁头的移动。特别地，控制器可以用于接收和处理测量数据，包括在磁盘旋转期间读/写磁头相对于磁盘表面的飞行高度的一个或多个测量。基于测量数据，控制器可以用于确定读/写磁头的位置以及读/写磁头的位置是否落在所设置的HMS值范围之外。因此，控制器在这里可以称为“伺服控制器”，因为该控制器是利用误差感测负反馈来校正机构性能(例如，调整读/写磁头的位置)的伺服机构。因此，本公开的系统用于始终主动地控制磁头在磁盘表面上方的飞行高度，从而确保磁头在操作期间保持在期望的HMS范围内，同时还确保磁头从不接触磁盘表面。
本公开的系统提供许多优点。例如，通过提供对于z轴致动器的完全主动控制并确保读/写磁头和磁盘表面之间不会发生接触，可以消除通常应用于磁盘和磁头表面的保护性硬涂层和润滑层，或者至少磁盘和读/写磁头表面可包括非常少量的硬涂层或润滑层(例如，厚度在0.1nm至2.0nm范围内的涂层或层)。这些层的厚度消除或减小导致磁头和磁盘表面之间的HMS显著减小，从而允许实现面密度增加。另外，由于消除了磁头和磁盘表面之间的所有物理接触，因此结合本公开系统的HDD的磨损和损坏将会减少，并且将比当前硬盘驱动器单元具有更长的操作寿命。
另外，由于本发明的致动器设计不依赖于空气动力来维持磁头的飞行高度，因为系统不依赖于ABS设计，所以不再需要HDD内的空气。因此，在HDD外壳内可以保持低气压环境，包括零或接近零的气压，从而基本上消除了所有的气动拖拽和湍流，这些是导致磁头和磁盘表面接触、磁盘颤动、TMR和功耗的主要原因。另外或替代地，在一些实施例中，可以清除HDD外壳内剩余的任何氧气并用例如氮气或氦气的惰性气体来代替，这可以改善HDD外壳内组件的寿命和操作。例如，典型的HDD可以在外壳内包括氧气，这将会导致HDD组件的氧化，从而可能影响性能和可靠性。因此，清除HDD外壳中的氧气并用惰性气体来替代可防止HDD组件暴露在氧气中。
消除ABS设计的另一优点涉及以下事实：根据本公开的读/写磁头不需要空气轴承滑块，由于时间密集的制造工艺和涉及的成本，空气轴承滑块可能是HDD中单个最昂贵的组件。本发明的系统允许使用来自Si晶圆的硅(Si)基板来制造磁头，其中这种材料与大多数常见的半导体制造工艺和设备更加兼容。该系统通过减小磁头的尺寸和增加在任何给定Si基板上可以生产的磁头数量，从而获得磁头制造效率的大幅提高。此外，通过使用基于Si的薄膜磁头，可以添加额外的电子线路和组件以改善性能，例如用于在将信号经过较长距离传输到驱动器接口之前提升读/写磁头信号的前置放大器电路。
图1是可以实现根据本公开的系统的硬盘驱动(HDD)10的示例实施方式的分解图。HDD 10包括底座或底盘12，其上可以定位和固定在此所述的组件，以及盖子14，盖子14用于紧固到底盘12用来覆盖和保护HDD 10内的组件。如在此将更详细描述的，底盘12和盖子14可以经由任何已知技术(例如，粘合剂、聚合物条带或垫圈等)相互气密密封，其中HDD 10的内部提供低气压环境，其可包括零或接近零的气压环境。
HDD 10通常包括用于旋转一个或多个磁盘或盘片18的主轴电机16，和用于支撑一个或多个磁头组件22的致动器组件20，其中一个或多个磁头组件22包括至少一个读/写磁头24，该至少一个读/写磁头24用于将数据写入磁盘18和/或从磁盘18读取数据。
致动器组件20包括第一致动器26和第二致动器28。第一致动器26用于绕枢轴轴承30旋转，以将磁头组件22扫过并定位在磁盘18的表面上。特别地，第一致动器26用于相对于磁盘表面在x方向和y方向上移动磁头组件22，如图1中的三维笛卡尔坐标系所示。x方向和y方向分别对应于坐标系的x轴和y轴，因此通常沿着与磁盘18的表面基本平行的x、y平面延伸。因此，在一些实施例中，第一致动器26可以包括例如常规的旋转臂致动器，其用于相对于磁盘18的旋转轴线径向地移动磁头组件22，以使得磁头24在沿着磁盘18的磁编码轨道的弧形路径上摆动。第一致动器26通常可以由来自电动机32(例如，音圈电动机等)的输入进行操作。在其他实施例中，第一致动器26可以包括皮带和皮带轮布置，例如美国专利No.9,058,825、美国专利No.9,190,087、美国专利No.9,293,163以及待审的美国专利申请No.15/043,095中描述的那些布置，这些中的每个的内容通过引用将其全部内容并入在此。
致动器组件26包括可旋转地耦合到枢轴轴承32的臂34，其中第二致动器28耦合到支撑臂34。第二致动器28用于支撑磁头组件22，并且进一步在相对于磁盘18的表面基本正交的方向上移动读/写磁头24。特别地，第二制动器28用于使读/写磁头24在z方向上朝向或远离磁盘表面移动。z方向对应于与磁盘18的表面正交的z轴(在坐标系中示出)。特别地，z轴对应于磁盘18的旋转轴。因此，在下面的描述中，第二致动器28将被称为“z轴致动器28”。如将在此更详细描述的，本发明的z轴致动器28可以包括不同的实施例，例如屈曲臂设计(如图4A至图4B、图5A至图5B所示)或弯曲臂设计(如图8A至图8B所示)，每个设计用于实现读/写磁头24在z方向上的精确和准确的移动。如在此将更详细描述的，z轴致动器28用于与控制器通信，并且响应于来自控制器的控制信号，移动读/写磁头以便将读/写磁头维持在距离磁盘表面的期望距离的位置处。
图2是示出根据本公开并且用于并入到HDD 10中的系统的框图。如图所示，该系统通常包括具有磁数据记录和读取表面的磁盘18。在一些实施例中，磁盘表面可以是裸露的。换句话说，磁盘表面可以没有任何外涂层或润滑层。该系统还包括具有磁换能器的至少一个读/写磁头24，在一些实施例中，其中磁换能器可以是裸露的(即，磁换能器没有任何外涂层或润滑层)。然而，应该注意的是，在一些实施例中，磁换能器的磁盘表面或两者都可以包括非常少量的硬涂层或润滑层(即，厚度在0.1nm至2.0nm范围内的涂层或层)。在一些实施例中，磁盘表面和磁换能器中的至少一个可以包括单层石墨烯，例如，其厚度可以约为0.35nm至1.0nm。
磁换能器用于从磁盘18的磁表面读取数据或将数据写入磁盘18的磁表面。该系统还包括z轴致动器28，其耦合到读/写磁头24并且用于控制读/写磁头24在相对于磁盘18的表面基本正交的方向上进行移动。该系统还包括控制器36，该控制器36与z轴致动器28电通信并且用于在磁盘18旋转期间监视读/写磁头24相对于磁盘表面的定位。控制器用于使得z轴致动器28调节读/写磁头24的位置，以防止磁换能器与磁数据记录和读取表面之间的磁头-介质间距(HMS)落在期望的HMS值范围之外。换言之，该控制器用于监视读/写磁头24相对于磁盘表面之间的HMS，并且将控制信号发送到z轴致动器28，从而在读/写磁头24位于HMS值的设置范围之外的情况下使得读/写磁头24进行移动。因此，控制器36在这里可以称为“伺服控制器36”，因为控制器是利用误差感测负反馈来校正机构性能(例如，调整读/写磁头的位置)的伺服机构。
特别地，伺服控制器36可以用于接收和处理来自传感器38的测量数据，其中测量数据可以包括在磁盘旋转期间读/写磁头24相对于磁盘表面的飞行高度的一个或多个测量。特别地，传感器38可以用于测量磁换能器与磁盘表面之间的距离(例如，HMS测量)，并将这样的测量提供给伺服控制器36进行处理。在一些实施例中，传感器38包括电容耦合设备。在一些实施例中，读/写磁头24用于经由读/写磁头24和磁盘表面之间的电容耦合布置来测量磁换能器与磁盘表面之间的距离。例如，可以经由测量读/写磁头与磁盘表面之间的电容耦合和/或通过比较从已知伺服模式产生的不同谐波读取信号的幅度，或者甚至从随机用户数据来获得测量数据。
然后，传感器38用于将测量数据传输到伺服控制器36。反过来，伺服控制器36用于处理测量数据从而确定读/写磁头的位置，并且进一步确定读/写磁头24，特别是磁换能器是否落在HMS值的设置范围之外。
在一些实施方案中，HMS值的设置范围可以是1.0nm至10.0nm。因此，在磁换能器落在1.0nm至10.0nm范围之外的情况下，伺服控制器36用于生成控制信号并其发送到z轴致动器28，从而使致动器28将读/写磁头24移动到使磁换能器落在1.0nm至10.0nm范围内的位置。在一些实施例中，HMS值的范围可以更窄，例如4.0nm至8.0nm。此外，在一些实施例中，HMS值可以设置为约4.3nm。因此，伺服控制器36用于在HDD的操作期间监视读/写磁头24的位置，并生成和发送一个或多个控制信号，使得z轴致动器28根据需要移动读/写磁头24，以便将磁换能器的位置保持在设置的HMS 4.3nm值内。因此，本公开的系统用于始终主动地控制磁头在磁盘表面上方的飞行高度，从而确保磁头在操作期间保持在期望的HMS范围内，同时还确保磁头从不接触磁盘表面。
如前所述，本公开的系统不依赖于ABS设计。相应的，因为本发明的z轴致动器28设计不依赖于空气动力来维持磁头的飞行高度，因此不再需要HDD 10内的空气。相应的，在HDD 10外壳内可以保持低气压环境，包括零或接近零的气压，从而基本上消除了所有的气动拖拽和湍流，这些是导致磁头和磁盘表面接触、磁盘颤动、TMR和功耗的主要原因。然而，在一些实施例中，在HDD外壳内保持低但非零的气压可能是有利的，以便有助于HDD 10的不同部件之间的热传递。
为了保持低气压、接近零气压或零气压环境，HDD 10的底盘12和盖子14可以通过任何已知技术(例如，粘合剂、聚合物条带或垫圈等)相互气密密封。气密密封通常会防止大气空气泄漏回到外壳中。然而，该系统可以进一步包括真空泵40，例如用于即使HDD外壳内有任何泄漏仍保持期望的低气压。
另外或替代地，在一些实施例中，可以清除HDD外壳内剩余的任何氧气并用例如氮气或氦气的惰性气体来代替，这可以改善HDD外壳内组件的寿命和操作。例如，典型的HDD可以在外壳内包括氧气，这能够导致HDD组件的氧化，这可能影响性能和可靠性。因此，清除HDD外壳中的氧气并用惰性气体来替代防止HDD组件暴露在氧气中。
图3是示出使用根据本公开的系统，用于监视并且主动控制读/写磁头相对于磁盘表面的位置的方法300的一个实施例的流程图。方法300包括将HMS设置为可接受的范围(操作304)。例如，伺服控制器36可用于设置读/写磁头24将保留在其中的HMS值的期望范围。HMS值的范围可以包括1.0nm至10.0nm，更特别地为4.0nm至8.0nm。在一些实施例中，近似HMS值可以设置为例如4.3nm。方法300还包括获得一个或多个HMS测量(操作306)。如前所述，该系统可包括传感器38，传感器38用于经由电容耦合设备来收集HMS测量(例如，磁换能器与磁盘表面之间的距离的测量)。在替换实施例中，读/写磁头24可以用于经由电容耦合布置来测量磁换能器与磁盘表面之间的距离。
然后可以在操作308中确定HMS测量是否落入HMS值的设置范围内(或近似值)。此时，伺服控制器用于处理HMS测量数据，并且基于HMS测量数据与HMS值的设置范围(或近似值)的比较，确定是否相应地定位读/写磁头24的磁换能器。如果在操作308中确定读/写磁头24的磁换能器位于HMS值的设置范围内，则系统继续获得测量数据(操作306)。然而，如果在操作308中确定读/写磁头24的磁换能器位于HMS值的设置范围之外，则伺服控制器用于确定所需的适当校正，具体地计算z轴位置误差信号(操作310)。例如，伺服控制器可以用于计算磁头必须移动以落回到HMS值的设置范围内的准确距离。
然后，伺服控制器用于生成控制z轴致动器的操作的控制信号(操作312)，以使磁头移动到校正位置，以便将磁换能器放回到HMS值的设置范围内(操作314)。例如，如果确定磁换能器位于HMS范围的最小值以下(例如，1.0nm以下)，则控制信号使得z轴致动器在远离磁盘表面的方向上移动读/写磁头，从而使得磁换能器位于HMS范围内。类似的，如果确定磁换能器位于HMS范围的最大值以上(例如，10.0nm以上)，则控制信号使得z轴致动器在朝向磁盘表面的方向上移动读/写磁头，从而使得磁换能器位于HMS范围内。在调整磁头时，系统继续获得测量数据(操作306)。
应当注意的是，伺服控制器36用于以连续的方式监视并主动控制读/写磁头24相对于磁盘表面的位置。特别地，伺服控制器36可以用于周期性地接收和处理HMS测量数据，例如在给定的时间段内以相对高的频率接收和处理HMS测量数据。在一些实施例中，伺服控制器36可以用于以10千赫兹(每秒10,000次)进行操作(即，监视和控制读/写磁头24的位置)。
虽然图3示出了根据各种实施例的方法操作，但是应该理解的是，在任何实施例中，并非所有这些操作都是必需的。实际上，在此应当完成理解的是，在本公开的其他实施例中，在图3中描绘的操作可以以未在任何附图中具体示出的方式进行组合，但仍然与本公开完全一致。因此，针对在一个附图中未确切示出的特征和/或操作的权利要求被认为在本公开的范围和内容内。
另外，已经参考以上附图和所附示例进一步描述了实施例的操作。一些附图可能包括逻辑流程。虽然在此呈现的这些附图可以包括特定的逻辑流程，但是应当理解的是，逻辑流程仅提供了可以如何实现在此描述的一般功能的示例。此外，除非另外指示，否则给定的逻辑流程不一定必须按照所呈现的顺序执行。另外，给定逻辑流程可以由硬件要素、由处理器执行的软件要素或其任何组合来实现。实施例不限于此上下文。
消除ABS设计的多个优点中的一个优点涉及以下事实：读/写磁头24不需要空气轴承滑块，由于时间密集的制造工艺和涉及的成本，空气轴承滑块可能是HDD中单个最昂贵的组件。空气轴承滑块通常由氧化铝/碳化钛(Al2O3/TiC)制成，因为这种材料非常适合制造具有光滑面和锐利边缘的滑块。然而，这种材料与大多数常见的半导体制造工艺不相容，因此必须改变这些制造工艺以适应氧化铝/碳化钛材料，这耗费时间并且导致基板上的可用空间的损失。例如，制造空气轴承滑块的过程可以包括使用光刻工艺在200mm直径的Al2O3/TiC晶圆上沉积薄膜磁换能器。然后将晶圆分成片，这些片最终变为滑块(约1mm×0.8mm×0.3mm)。从晶圆切割、抛光和刻蚀空气轴承滑块的过程包括许多苛刻的步骤，并且由于薄膜换能器可能发生的损坏而经常遭受低良率。此外，由于晶圆不能减薄到小于1mm(单个滑块的长度)，所以晶圆上的大部分空间(real-estate)都会损失到切割刀片上。
在一些实施例中，读/写磁头24可以包括用于支撑磁换能器的硅(Si)基板。本发明的系统允许使用来自Si晶圆的Si基板来制造磁头，其中这种材料与大多数常见的半导体制造工艺和设备更加兼容。本公开的系统允许通过减小磁头的尺寸和增加能够在任何给定的Si基板上生产的磁头的数量，来获得磁头制造效率的大幅提高，其中Si晶圆大小约为300nm，远大于Al2O3/TiC晶圆的典型尺寸200nm。因此，较大的300mm Si晶圆可以容纳更多的磁换能器磁头，其可以制造得比滑块面更小。实际上，由于换能器的大小约为半微米，因此其尺寸的唯一下限是由自动处理机械的敏捷性来强加的。此外，在切割之前，Si晶圆可以被减薄以便更易于切割，并且将针对切割刀片损失的表面量最小化。因此，在Si基板上制造磁头的工艺比制造空气轴承滑块更有高效。较大的300mm硅晶圆比200mm的Al2O3/TiC晶圆具有更大的表面积。此外，薄膜磁头具有比滑块面小的底面积，因此可以更紧密地封装在基板上。此外，与空气轴承滑块成型工艺相比，标准化封装工艺对Si基板几乎没有良率损失。
Si基板可以用于支撑一个或多个有源电子部件，该有源电子部件用于耦合到磁换能器或与磁换能器通信。例如，在一个实施例中，一个或多个有源电子部件可以包括位于Si基板上并与磁换能器的读取元件连通的前置放大器。前置放大器用于放大来自磁换能器的读取元件的读取信号，以便在较长距离上传输读取信号之前对该读取信号进行增强。包括与读取元件相邻的前置放大器的优点在于，读取元件可以是简单的电感元件而不是复杂的GMR传感器，这将极大地简化磁换能器的制造。另外或替代地，Si基板可以包括测量HMS的传感器，例如电容耦合电路。另外或替代地，Si基板上的一个或多个有源电子部件可以包括伺服控制器自身的一个或多个部分。能够与磁换能器集成的其他可能电路包括但不限于定时线路和缓冲存储器。
如前所述，本发明的z轴致动器28可以包括不同的实施例，例如屈曲臂设计(如图4A至图4B、图5A至图5B所示)或弯曲臂设计(如图8A至图8B所示)，每个设计用于实现读/写磁头24在z方向上的精确和准确的移动。
图4A和图4B是z轴致动器组件400的一个实施例的透视图和侧视图，其具有屈曲臂设计并且在基本平面配置中进一步示出磁头组件的一部分。致动器400通常包括具有细长主体402的刚性框架，该细长主体402具有第一端404、相对的第二端406、以及在第一端和第二端之间延伸的通道408。致动器组件400还包括磁头组件，该磁头部组件位于刚性框架内并且用于在磁盘旋转期间控制读/写磁头的磁换能器相对于磁盘表面的飞行高度。
磁头组件通常包括机电构件410和悬架臂412。机电构件410位于通道408内并且邻近框架的细长主体的第一端404。悬架臂412位于机电构件410和框架的细长主体402的第二端406之间的通道408内。机电构件410用于从伺服控制器36接收控制信号以使得机电构件410沿着通道408的长度方向收缩和膨胀。例如，机电构件410可以包括压电元件。因此，控制信号可以包括电机械构件410膨胀的电流。因此，机电构件410通常具有第一长度L1，并且在接收到包括电流的控制信号时，然后可以膨胀到大于第一长度L1的第二长度L2(参见图5A和图5B)。
悬架臂412包括可变形部分415，其用于响应于相邻机电构件410的相关收缩和膨胀而在基本平面配置(图4A和图4B中所示)和屈曲配置(图5A和图5B中所示)之间转变。例如，如图5A和图5B所示，当处于屈曲配置时，可变形部分414在远离悬架臂412的其余部分的方向上延伸。如图所示，读/写磁头416耦合到可变形部分414。因此，导致可变形部分414移动的机电构件410的收缩和扩展进一步导致耦合到可变形部分414的读/写磁头416的相关联移动。
悬架臂412还包括横跨悬架臂412的宽度并沿其长度的多个切口(notch)418。多个切口418以允许悬架臂412的多个部分相对于彼此弯曲的方式来布置。例如，切口被布置成允许可变形部分414在机电构件410膨胀时从机电构件410向其施加线性力时仅在向外方向上屈曲。切口418可以进一步布置成防止可变性部分414在来自机电构件410的膨胀而向其施加的线性力时在向内的方向上屈曲。
如图4B所示，当可变形部分处于基本平面配置时，读/写磁头416处于距磁盘表面的第一HMS距离(HMS1)。然而，在响应于来自伺服控制器36的控制信号而发生机电构件410膨胀时，机电构件410可以从第一长度L1转变到第二长度L2并且对悬架臂412施加力，这导致可变形部分414从平面配置转变到屈曲配置。当转变到屈曲配置时，如图5B所示，读/写磁头416在远离悬架臂412和框架并朝向磁盘18的数据读取和记录表面的基本正交的方向上移动(如箭头418所示)，从而导致距磁盘表面的第二HMS距离HMS2，其小于第一HMS距离HMS1。换句话说，机电构件410的膨胀导致读/写磁头416与磁盘表面之间的HMS减小。
可变形部分414还用于在将施加到悬架臂412的线性力移除时返回到默认的平面配置。换句话说，在机电构件410收缩时，来自机电构件410抵靠悬架臂412的线性力减小，这导致可变形部分414返回到平面配置。因此，当可变形部分414从屈曲配置转变为平面配置时，读/写磁头416用于在远离磁盘18的数据读取和记录表面并朝向悬架臂412和框架往回的基本正交的方向上进行移动。换句话说，机电构件410的收缩导致读/写磁头416与磁盘表面之间的HMS增加。因此，图4A至图4B和图5A至图5B的屈曲臂致动器组件400精确地并且经由伺服控制器进行控制来实现完全主动控制读/写磁头相对于磁盘表面在z方向上的移动。
致动器为了保持期望的“飞行”高度所需要的在z轴上的移动量可以等于碟片与支撑z轴致动器的平面(x,y)致动器之间的z间距公差，其是固定值，加上碟片中的任何运行时间的颤动和主轴电动机的液动推力轴承中的任何轴向跳动，这些是随时间变化的。合理的制造和装配公差在0.02mm的范围内，而在真空中的磁盘颤动值估计为+/-2微米。FDB推力轴承通常在非常低的频率下产生几微米的跳动。在一些实施例中，制造公差以及z致动器磁头组件中的任何松弛可以通过悬架臂的加热来补偿。例如，悬架臂412可以耦合到加热元件(例如，导电细丝等)，该加热元件用于接收电流并且进而将热量施加到悬架臂412。在接收到热量时，悬架臂412可在通道408内膨胀并使可变形部分414进一步转变为屈曲配置，以弥补机电构件410和悬架臂412之间的任何松弛，并进一步推进可变形部分414，并且因此读/写磁头416到达更靠近磁盘表面的位置。磁盘颤动部分地通过压电致动以及磁换能器的常规热飞行高度控制来补偿。
图6是双设计配置中的包括图4A和图4B的磁头组件的组件侧视图。图7是位于两个邻近磁盘之间的图6的双设计配置磁头组件的侧视图，并且示出了屈曲配置的磁头组件中的一个磁头。如图所示，双头设计包括第一z轴致动器组件400(1)和第二z轴致动器组件400(2)，它们基本上相互平行地定位，但用于在相反的方向上屈曲。这种双头设计特别有利于放置在两个相邻磁盘之间，以便实现相对于第一读/写磁头和第二读/写磁头的相关联的相对磁盘表面上的数据读取和记录。例如，如图7所示，第二组件400(2)处于屈曲配置，而第一组件400(1)保持在平面配置中。然而，应该注意的是，组件400(1)和组件400(2)都可以在平面配置或屈曲配置中的任一种配置进行同时操作。
图8A和图8B是与本公开的系统兼容的z轴致动器组件500的弯曲臂设计的侧视图。如图所示，组件500包括刚性框架，该刚性框架包括细长主体502，细长主体502具有第一端504、相对的第二端506和沿其长度的通道508。组件500还包括机电构件510，机电构件510位于通道508内并且邻近细长主体502的第一端504。与先前在此描述的机电构件410类似，机电构件510用于从伺服控制器36接收控制信号，以使机电构件510沿着通道508的长度收缩和膨胀，从而改变机电构件510的长度(例如，第一长度L1与大于第一长度L1的第二长度L2之间的转变)。
组件500还包括L形悬架臂512，其具有短段514和长段516。短段514直接耦合到框架的一部分并且在切口部分517处邻近机电构件510进行定位。长段516包括最远端518，读/写磁头520耦合到该最远端518。悬架臂512用于响应于相邻的机电构件510的相关联收缩和膨胀而在基本平面配置(图8A中示出)和弯曲配置(图8B中示出)之间转变。特别地，在膨胀(例如，从第一长度L1增加到第二长度L2)时，机电构件510用于对悬架臂512的短段514施加线性力，这导致悬架臂512在切口部分517(其用作旋转轴)处的弯曲。切口部分517可以布置成，允许悬架臂512当机电构件510膨胀时从机电构件510向其施加线性力时仅向外弯曲。切口部分517还可以布置成防止悬架臂512当机电构件510膨胀时从机电构件510施加线性力时向内弯曲。
当从平面配置转变为弯曲配置时，悬架臂512的最远端518在远离框架的方向上具有最显著的移动量。进而，附接到最远端518的读/写磁头520在朝向磁盘418的数据读取和记录表面的方向上移动，从而减小读/写磁头520和磁盘表面之间的HMS距离。
悬架臂512还用于当从机电构件510移除对短段514的线性力时返回到默认的平面配置。换句话说，在机电构件510收缩时，来自机电构件510对于短段514的线性力减小，这导致悬架臂512经由切口部分517在远离磁盘表面的方向上弯曲并且返回到平面配置。因此，在悬架臂512从弯曲配置转变到平面配置时，读/写磁头520用于在远离磁盘18的数据读取和记录表面的方向上进行移动。换句话说，机电构件510的收缩导致读/写磁头520与磁盘表面之间的HMS增加。
如在此的任何实施例中所使用，术语“模块”可以指代用于执行任何前述操作的软件、固件和/或电路。软件可以体现为记录在非瞬态计算机可读存储介质上的软件包、代码、指令、指令集和/或数据。固件可以体现为在存储器设备中硬编码(例如，非易失性)的代码、指令或指令集和/或数据。如在此的任何实施例中所使用的“线路(circuitry)”可以单独地或以任何组合形式包括：例如硬连线线路；可编程线路，诸如包括一个或多个单独的指令处理核的计算机处理器；状态机线路；和/或存储由可编程线路执行的指令的固件。这些模块可以共同地或单独地体现为形成一个较大系统的一部分的线路，例如集成电路(IC)、芯片上系统(SoC)、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、服务器，智能手机等。
在此描述的任何操作可以在包括一个或多个存储介质的系统中实现，其中一个或多个存储介质单独地或组合地存储当执行所述方法时由一个或多个处理器执行的指令。这里，处理器可以包括例如服务器CPU、移动设备CPU和/或其他可编程线路。
而且，意图是在此描述的操作可以分布在多个物理设备上，诸如在多于一个的不同物理位置处的处理结构。存储介质可以包括任何类型的有形介质，例如任何类型的盘，包括硬盘、软盘、光盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、可重写光盘(CD-RW)、以及磁光盘；半导体器件，诸如只读存储器(ROM)、诸如动态和静态RAM的随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器、固态硬盘(SSD)、磁卡或光卡，或适用于存储电子指令的任何类型的介质。其他实施例可以实现为由可编程控制设备执行的软件模块。存储介质可以是非瞬态的。
如在此所述，可以使用硬件元件、软件元件或其任何组合来实现各种实施例。硬件元件的示例可以包括处理器、微处理器、电路、电路元件(例如，晶体管、电阻器、电容器、电感器等)、集成电路、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、逻辑门、寄存器、半导体器件、芯片、微芯片、芯片组等。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指代相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。
这里采用的术语和表达用作描述的术语而非限制，并且在使用这些术语和表达时，无意排除所示和所述特征的任何等同物(或其部分)，并且应当认识到在权利要求的范围内可以进行各种修改。因此，权利要求旨在涵盖所有这些等同物。
通过引用方式的并入
贯穿本公开中已经对其他文献(例如，专利、专利申请、专利出版物、期刊、书籍、论文、网页内容)进行了引用和引述。出于所有目的，所有这些文献都通过引用整体并入在此。
等同方案
根据本公开的全部内容，除了在此所示和所述的那些实施例之外，本领域技术人员清楚本发明的各种修改及其许多其他实施方案，包括对在此引用的科学和专利文献的参考。在此的主题包含可以在本发明的各种实施例及其等同方案中适用于本发明的实践的重要信息、示例和指导。

Claims (53)

1.一种用于在硬盘驱动器(HDD)中提供减小的磁头-介质间距(HMS)的系统，所述系统包括：
磁盘，其具有磁数据记录和读取表面；
读/写磁头，其具有磁换能器，所述磁换能器用于从所述磁盘的磁表面读取数据或者将数据写入到所述磁盘的磁表面；
z轴致动器，其耦合到所述读/写磁头并用于控制所述读/写磁头在相对于所述磁盘的表面基本正交的方向上进行移动；以及
伺服控制器，其与所述z轴致动器电通信并且用于在所述磁盘进行旋转期间监视所述读/写磁头相对于磁盘表面的定位，所述伺服控制器用于使得所述z轴致动器调整所述读/写磁头的位置，以防止所述磁换能器与所述磁数据记录和读取表面之间的磁头-介质间距(HMS)下降至约1.0nm以下和超过约10.0nm。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述伺服控制器用于使得所述z轴致动器调整所述读/写磁头的位置，以防止HMS超过约8.0nm和下降到约4.0nm以下。
3.根据权利要求2所述的系统，所述伺服控制器用于在所述磁盘进行旋转期间保持所述读/写磁头相对于磁盘表面的位置，使得HMS约为4.3nm。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述伺服控制器用于接收和处理测量数据，所述测量数据包括在磁盘旋转期间所述读/写磁头的所述磁换能器相对于磁盘表面的飞行高度的一个或多个测量。
5.根据权利要求4所述的系统，其中基于所述测量数据的处理，所述伺服控制器用于确定所述磁换能器是否位于约1.0nm到约10.0nm的HMS范围内，并且如果确定所述磁换能器位于所述HMS范围以外，进一步将控制信号发送给所述z轴致动器以使得所述读/写磁头进行移动从而使所述磁换能器位于所述HMS范围内。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述测量数据的处理包括将所述测量数据与包括HMS范围的一组参考数据进行比较。
7.根据权利要求6所述的系统，其中如果确定所述磁换能器位于HMS范围的最小值以下，则所述控制信号使得所述z轴致动器在远离所述磁盘表面的方向上移动所述读/写磁头，从而使得所述磁换能器位于HMS范围内。
8.根据权利要求6所述的系统，其中如果确定所述磁换能器位于HMS范围的最大值以上，则所述控制信号使得所述z轴致动器在朝向所述磁盘表面的方向上移动所述读/写磁头，从而使得所述磁换能器位于HMS范围内。
9.根据权利要求4所述的系统，其中所述读/写磁头用于经由所述读/写磁头与所述磁盘表面之间的电容耦合布置来测量所述飞行高度。
10.根据权利要求4所述的系统，其中所述z轴致动器还包括测量飞行高度距离的测量传感器，其中所述测量传感器包括电容耦合设备。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述伺服控制器用于在磁盘旋转期间监视和调整所述读/写磁头相对于所述磁盘表面的定位，以确保所述磁换能器不与所述磁盘表面物理接触。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述磁盘、致动器组件和所述伺服控制器用于在硬盘驱动器(HDD)内的低气压环境中进行操作。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述磁盘、所述致动器组件和所述伺服控制器用于在硬盘驱动器(HDD)内的零或接近零的气压环境中进行操作。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括真空泵，所述真空泵用于维持HDD内的零或接近零的气压环境。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述读/写磁头包括用于支撑所述磁换能器的硅(Si)基板。
16.根据权利要求15所述的系统，其中Si基板用于支撑一个或多个有源电子部件，该一个或多个有源电子部件用于耦合到所述磁换能器或与所述磁换能器通信。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述一个或多个有源电子部件包括前置放大器，该前置放大器位于所述Si基板上并且与所述磁换能器的读取元件通信并且用于放大来自所述磁换能器的读取元件的读取信号，其中所述磁换能器的读取元件包括一个或多个电感元件。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述一个或多个有源电子部件包括用于测量HMS的传感器，所述传感器包括电容耦合电路。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述一个或多个有源电子部件包括所述伺服控制器的一个或多个部分。
20.根据权利要求1所述的系统，其中所述磁盘的磁数据记录和读取表面没有任何外涂层或润滑层。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述读/写磁头的磁换能器没有任何外涂层或润滑层。
22.根据权利要求1所述的系统，其中所述z轴致动器包括：
刚性框架，其包括细长主体，该细长主体具有第一端、相对的第二端以及在第一端和第二端之间延伸的通道；以及
磁头组件，其位于所述刚性框架内并且用于在磁盘旋转期间控制所述读/写磁头的所述磁换能器相对于磁盘表面的飞行高度。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述磁头组件包括：
机电构件，所述机电构件位于所述通道内并且邻近框架的细长主体的第一端，所述机电构件用于接收来自所述伺服控制器的控制信号以使得所述机电构件沿着所述通道的长度收缩和膨胀；
悬架臂，所述悬架臂位于所述机电构件与所述框架的细长主体的第二端之间的通道内，所述悬架臂包括可变形部分，该可变形部分用于响应于邻近的机电构件的相关联收缩和膨胀而在基本平面配置和屈曲配置之间转变，其中当处于所述屈曲配置时，所述可变形部分在远离所述框架和第一悬架臂的剩余部分的方向上延伸；并且
所述读/写磁头耦合到所述悬架臂的可变形部分，
其中当所述可变形部分从平面配置转变到屈曲配置时，所述读/写磁头用于在远离所述悬架臂和所述框架并朝向所述磁盘的数据读取和记录表面的基本正交的方向上进行移动，并且
其中当所述可变形部分从屈曲配置转变为平面配置时，所述读/写磁头用于在远离所述磁盘的数据读取和记录表面并朝向所述悬架臂和所述框架的基本正交的方向上进行移动。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述悬架臂的可变形部分包括具有默认的基本平面形状的形状记忆材料，
其中所述可变形部分用于当所述机电构件膨胀而从所述机电构件向所述可变形部分施加线性力时向外弯曲，当所述机电构件收缩而去除线性力时返回到默认的基本平面形状。
25.根据权利要求1所述的系统，其中所述z轴致动器包括：
刚性框架，其包括细长主体，该细长主体具有第一端、相对的第二端以及沿其长度方向的通道；
机电构件，所述机电构件位于所述通道内并且邻近框架的细长主体的第一端，所述机电构件用于接收来自所述伺服控制器的控制信号以使得所述机电构件沿着所述通道的长度收缩和膨胀；
L形悬架臂，其具有短段和长段，其中所述短段的切口部分直接耦合到所述框架的一部分并且位于所述机电构件附近，并且所述长段具有最远端，所述悬架臂用于响应于邻近的机电构件的相关联收缩和膨胀而在基本平面配置和弯曲配置之间转变，其中当处于弯曲配置时，所述悬架臂在所述短段的切口部分弯曲，并且所述长段的最远端在远离所述框架的方向上延伸；并且
所述读/写磁头耦合到所述悬架臂的长段的最远端，
其中，当所述悬架臂从平面配置转变到弯曲配置时，所述读/写磁头用于在远离所述框架并朝向所述磁盘的数据读取和记录表面的方向上进行移动，并且
其中，当所述悬架臂从弯曲配置转变到平面配置时，所述读/写磁头用于在远离所述磁盘的数据读取和记录表面并朝向所述框架的方向上移动。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述切口部分布置成防止所述悬架臂向内弯曲，并且当所述机电构件膨胀时，允许所述悬架臂在从所述机电构件向所述悬架臂施加线性力时仅向外弯曲。
27.一种用于硬盘驱动器(HDD)的z轴致动器组件，所述z轴致动器组件包括：
刚性框架，其包括细长主体，该细长主体具有第一端、相对的第二端以及在第一端和第二端之间延伸的通道；以及
第一磁头组件，其用于控制第一读/写磁头相对于第一磁盘的磁数据记录和读取表面的飞行高度，第一读/写磁头组件包括：
第一机电构件，所述第一机电构件位于所述通道内并且邻近框架的细长主体的第一端，所述第一机电构件用于接收电流以使得所述第一机电构件沿着所述通道的长度收缩和膨胀；
第一悬架臂，所述第一悬架臂位于所述第一机电构件与所述框架的细长主体的第二端之间的通道内，所述第一悬架臂包括可变形部分，该可变形部分用于响应于邻近的第一机电构件的相关联收缩和膨胀而在基本平面配置和屈曲配置之间转变，其中当处于所述屈曲配置时，所述可变形部分在远离所述框架和所述第一悬架臂的剩余部分的方向上延伸；并且
所述第一读/写磁头耦合到所述第一悬架臂的可变形部分，其中当所述可变形部分从平面配置转变到屈曲配置时，所述第一读/写磁头用于在远离所述第一悬架臂和所述框架并朝向所述第一磁盘的数据读取和记录表面的基本正交的方向上进行移动。
28.根据权利要求27所述的z轴致动器组件，其中所述第一悬架臂的可变形部分包括具有默认的基本平面形状的形状记忆材料。
29.根据权利要求28所述的z轴致动器组件，其中所述第一悬架臂的可变形部分用于当第一机电构件膨胀时从所述第一机电构件向所述第一悬架臂的可变形部分施加线性力时向外弯曲。
30.根据权利要求29所述的z轴致动器组件，其中所述第一悬架臂的可变形部分用于在去除所述线性力时返回到所述默认的基本平面形状。
31.根据权利要求28所述的z轴致动器组件，其中所述形状记忆材料用于在向其施加热量时向外弯曲，并且当所述热量移除时返回到所述默认的基本平面形状。
32.根据权利要求27所述的z轴致动器组件，其中所述第一悬架臂包括跨越所述第一悬架臂的宽度并且沿第一悬架臂的长度的多个切口，所述多个切口用于允许第一悬架臂的多个部分相对彼此弯曲。
33.根据权利要求32所述的z轴致动器组件，其中多个切口布置为允许所述可变形部分当第一机电构件膨胀时从所述第一机电构件向所述可变形部分施加线性力时仅向外屈曲。
34.根据权利要求32所述的z轴致动器组件，其中多个切口布置为防止所述可变形部分当第一机电构件膨胀时从所述第一机电构件向所述可变形部分施加线性力时向内屈曲。
35.根据权利要求27所述的z轴致动器组件，其中所述第一机电构件包括压电元件。
36.根据权利要求27所述的z轴致动器组件，其中所述第一磁头组件用于在HDD内的低气压环境下进行操作。
37.根据权利要求27所述的z轴致动器组件，其中所述第一磁头组件用于在HDD内的零或者接近零的气压环境下进行操作。
38.根据权利要求27所述的z轴致动器组件，进一步包括：
第二磁头组件，其基本平行于所述第一磁头组件定位并且用于控制第二读/写磁头相对于第二磁盘的磁数据记录和读取表面的飞行高度，其中所述第二磁盘邻近所述第一磁盘，第二读/写磁头组件包括：
第二机电构件，所述第二机电构件位于所述通道内并且邻近框架的细长主体的第一端，所述第二机电构件用于接收电流以使得所述第二机电构件沿着所述通道的长度收缩和膨胀；
第二悬架臂，所述第二悬架臂位于所述第二机电构件与所述框架的细长主体的第二端之间的通道内，所述第二悬架臂包括可变形部分，该可变形部分用于响应于邻近的第二机电构件的相关联收缩和膨胀而在基本平面配置和屈曲配置之间转变，其中当处于所述屈曲配置时，所述可变形部分在远离所述框架和所述第二悬架臂的剩余部分的方向上延伸；并且
所述第二读/写磁头耦合到所述第二悬架臂的可变形部分，其中当所述可变形部分从平面配置转变到屈曲配置时，所述第二读/写磁头在远离所述第二悬架臂和所述框架并朝向所述第二磁盘的磁数据读取和记录表面的基本正交的方向上进行移动。
39.根据权利要求38所述的z轴致动器组件，其中所述第一悬架臂的可变形部分和所述第二悬架臂的可变形部分用于在所述屈曲配置中在彼此相反的方向上移动。
40.根据权利要求39所述的z轴致动器组件，其中所述第一读/写磁头和所述第二读/写磁头用于在所述第一悬架臂的可变形部分和所述第二悬架臂的可变形部分处于所述屈曲配置时在彼此相反的方向上移动。
41.根据权利要求38所述的z轴致动器组件，其中所述第一磁头组件和所述第二磁头组件用于在HDD内的低气压环境下进行操作。
42.根据权利要求41所述的z轴致动器组件，其中所述第一磁头组件和所述第二磁头组件用于在HDD内的零或者接近零的气压环境下进行操作。
43.根据权利要求27所述的z轴致动器组件，其中所述第一磁盘的磁数据记录和读取表面没有任何外涂层或润滑层。
44.根据权利要求27所述的z轴致动器组件，其中所述第一读/写磁头的磁换能器没有任何外涂层或润滑层。
45.一种z轴致动器磁头组件，其用于在硬盘驱动器(HDD)中控制读/写磁头相对于磁盘的磁数据读取和记录表面的飞行高度，所述z轴致动器磁头组件包括：
刚性框架，其包括细长主体，该细长主体具有第一端、相对的第二端以及沿该细长主体的长度方向的通道；
机电构件，所述第一机电构件位于所述通道内并且邻近框架的细长主体的第一端，所述机电构件用于接收电流以使得所述机电构件沿着所述通道的长度收缩和膨胀；
L形悬架臂，其具有短段和长段，所述短段的一部分直接耦合到所述框架的一部分并且位于与所述机电构件邻近的通道内，并且所述长段具有最远端，所述悬架臂用于响应于邻近的机电构件的相关联收缩和膨胀而在基本平面配置和弯曲配置之间转变，其中当处于弯曲配置时，所述悬架臂在所述短段的一部分处弯曲，并且所述长段的最远端在远离所述框架的方向上延伸；以及
读/写磁头耦合到所述悬架臂的长段的最远端，其中当所述悬架臂从平面配置转变到弯曲配置时，所述读/写磁头用于在远离所述框架并朝向所述磁盘的磁数据读取和记录表面的方向上进行移动。
46.根据权利要求45所述的z轴致动器磁头组件，其中所述悬架臂包括切口，所述切口跨越所述悬架臂的宽度位于所述悬架臂的短段与所述框架的耦合点处，所述切口用作允许所述悬架臂相对于所述框架弯曲的弯曲点。
47.根据权利要求46所述的z轴致动器磁头组件，其中所述切口布置为允许所述悬架臂当机电构件膨胀时从所述机电构件向所述悬架臂施加线性力时仅向外弯曲。
48.根据权利要求46所述的z轴致动器磁头组件，其中所述切口布置为防止所述悬架臂当机电构件膨胀时从所述机电构件向所述悬架臂施加线性力时向内弯曲。
49.根据权利要求45所述的z轴致动器磁头组件，其中所述机电构件包括压电元件。
50.根据权利要求45所述的z轴致动器磁头组件，其中z轴致动器磁头组件用于在HDD内的低气压环境下进行操作。
51.根据权利要求45所述的z轴致动器磁头组件，其中z轴致动器磁头组件用于在HDD内的零或接近零的气压环境下进行操作。
52.根据权利要求45所述的z轴致动器磁头组件，其中所述磁盘的磁数据读取和记录表面没有任何外涂层或润滑层。
53.根据权利要求45所述的z轴致动器磁头组件，其中所述读/写磁头的磁换能器没有任何外涂层或润滑层。
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