CN110415731A - 具有附加微致动器对的两级头部悬置组件 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了具有附加微致动器对的两级头部悬置组件。公开了一种用于支撑盘驱动器的读/写头的位于可旋转驱动致动器臂上的头部悬置组件。头部悬置组件包括靠近并且可操作地连接到第一微致动器对的底板端，第一微致动器对通信地耦合到控制器。头部悬置组件还包括将第一微致动器对可移动地连接到第二微致动器对的负载梁。头部悬置组件还包括靠近并且可操作地连接到第二微致动器对的头部换能器端，第二微致动器对通信地耦合到控制器。读/写头位于头部换能器端附近，读/写头柔性地连接到负载梁，并且控制器配置为可选择地将控制信号传送到第一和第二微致动器对以改善对读/写头的跟踪控制。

Description

具有附加微致动器对的两级头部悬置组件
背景
本公开涉及用于可移动地支撑盘驱动器内的头部的头部悬置组件的多个方面，并且具体地涉及包括用于精细的头部移动和控制的压电微致动器的头部悬置组件。
硬盘驱动器(HDD)是包括一个或多个可旋转盘的数据存储设备的示例，通过磁读/写换能器头向可旋转盘写入和读取数据，磁读/写换能器头由对应的多个头部万向架组件(HGA)相对于盘表面可移动地支撑，多个头部万向架组件可以一起形成HGA的头部堆叠组件。一个HGA通常相对于相应的盘表面被可移动地支撑，使得磁读/写头可以相对于盘表面的数据轨道选择性地定位。这种磁头通常在空气动力学设计的滑块上被提供，以便在盘旋转时在盘表面上方若干纳米的所谓的“飞行高度”处靠近盘表面飞行。每个HGA通常连接到可旋转驱动致动器臂以用于移动读/写头和滑块，包括在盘表面上的弯曲部分或万向架以用于数据写入和读取。每个致动器臂被连接为由音圈驱动致动器伺服机构设备驱动。这种组件允许独立地控制每个磁读/写头以相对于盘表面的特定数据轨道定位。
随着HDD数据存储需求增加，盘表面上的典型的数据轨道密度也稳定地增加，以便获得给定的盘表面区域内的更高的数据存储。该盘表面密度通常被称为面密度。具体而言，数据轨道本身变得更窄并且轨道之间的径向间距减小，以便增加盘面密度。
为了改善提供给HGA的滑块的磁读/写头的精细移动，并获得更高的数据分辨率，已经开发了各种伺服致动器并在HDD应用中采用。通常，音圈驱动致动器提供粗略的移动以用于将磁读/写头定位到数据轨道。如果还需要更精细的移动，则微致动器可以为高密度HDD内的数据轨道的分辨率提供第二更精细的移动。这种系统被称为两级伺服致动悬置系统。
目前，使用两级致动的驱动器可以在诸如伺服故障、“嗡嗡”状况、工厂波特扫描等的状况期间利用头部级微致动。头部级微致动也可以被称为同位的微致动。HGA内的微致动器的放置通常导致设计、性能和可制造性方面的挑战。头部级同位的微致动还可以包括滑块和/或周围结构的独立致动，其可以通过刚性负载梁被灵活地连接到铰接式微致动器臂。
微致动器通常包括并利用由压电晶体材料构成的一个或多个元件，诸如锆钛酸铅(PZT)。其他此类元件可以在沿着HGA的一个或多个位置处被策略性地提供，并且可以以对称的对提供，以用于使HGA或其部分偏转和变形。HGA通常包括用于与致动器臂连接的底板、包括底板部分、弹簧部分和刚性区域的负载梁、以及支撑具有磁读/写头的滑块并且允许头部在负载梁上的凹坑周围纵摇和横摇的弯曲部分(或者替代地，万向架)。当滑块在由旋转的盘产生的空气承载上飞行时，弯曲部分与负载梁的互连允许空气动力学设计的滑块相对于旋转的盘表面的纵摇和横摇移动。
微致动器已经被开发为结合各种HGA组件一起工作并且被结构地连接到各种HGA组件，诸如底板、负载梁和弯曲部分。微致动器通常被配置成通过在具有压电材料的一个或多个固定元件上提供电场而引起材料(典型地是不锈钢)的变形。在压电微致动器(诸如PZT)上控制地施加电压差使得压电微致动器膨胀或收缩，以使底板、负载梁或弯曲部分变形，并且从而可控制地提供滑块和头部相对于盘上的特定数据轨道的精细移动。向PZT施加电信号产生变形，反之，PZT中的变形产生电信号。
微致动器可以在结构上以对称的横向对提供，以用于受控制的偏转。取决于压电元件对的位置和布置，微致动器对可以通过向相关联的压电元件对施加相似大小但相反极性的电场而一起作用。通常，微致动器对包括一对PZT元件。除了极化方向之外，两个成对的PZT元件彼此相同。因此，当向两个PZT施加正电压时，一个元件膨胀或变长，而另一个元件收缩或变短，从而向头部传递横向运动。
为了可控制地致动此类压电微致动器，通常为这对压电微致动器中的每一个提供正和负电连接。通常沿着HGA提供导体，其延伸到头部以用于读/写功能，并且用于在两级致动头部悬架的压电微致动器上提供电压。
取决于微致动器的位置和定位，悬架(例如，HGA)通常被分类为基于“负载梁偏置”微致动器的悬架或“同位”的微致动器悬架。在负载梁偏置型微致动器HGA中，微致动器位于负载梁上，靠近底板。在同位型微致动器HGA中，微致动器位于HGA的滑块端处的区域中。来自微致动器的力引起的力矩通过负载梁传递到滑块。
在基于同位的微致动器的HGA布局中，一对微致动器通常位于滑块附近并且连接到弯曲部分(例如，万向架)。来自微致动的力矩通过弯曲部分传递到滑块。该对微致动器中的每一个的电输入可以在它们之间产生相等并且相反的移动，导致滑块处的横向移动，通过弯曲部分传递。
所讨论和提及的微致动配置中的每一个具有各自的优点和挑战，并且对微致动配置的选择会显著影响伺服致动系统所使用的驱动和控制方案。基于负载梁偏置微致动器的悬架通常提供每单位输入更大位移的优点。然而，传递回致动器臂的更大的反作用力可能激发或引起不期望的共振和跟踪性能的降低。基于同位的微致动器的悬架通常通过在负载梁上围绕凹坑提供枢轴来提供最小化致动器臂上的反作用力(在典型的跟踪频率下)的优点，然而，具有每单位输入电压的更少位移的挑战。结果，实现需要相对大范围的头部运动的设计、同时维持通过致动器臂的期望程度的反作用力反馈是挑战性的。
共振可以包括机械或电气系统中的大幅度的振动及其调节，该振动由具有与系统的自振周期相同或几乎相同的周期的相对小的周期性刺激引起或促成。可以以位移测量各种频率下的振动和共振，其可以产生对应结果电压。作为现有配置的缺点，头部处的不期望的共振或其他振动可能导致与写入或读取磁介质相关的各种低效率。例如，不期望的共振可能导致偏离轨道错误或干扰伺服性能。在一些情况下，不期望的共振会导致滑块-盘接触，这可能导致盘和/或驱动器的灾难性故障。现有的微致动结构使用与HGA相关联的微致动器组在感测和致动之间进行选择。因此，需要控制HDD的HGA内的不期望的共振。
发明内容
本公开通过在两级头部万向架组件(HGA)中使用多组微致动器来改善硬盘驱动器(HDD)中的头部的伺服跟踪性能，克服了现有技术盘驱动器技术的各种缺点和短处。
传统地，在HDD头部悬置组件中，采用单组成对的微致动器来控制头部移动，无论是负载梁偏置型还是同位型。两级悬架中的附加的第二组微致动器可以提供先前在基于负载梁偏置和同位的头部悬置组件两者中发现的相应优点。
通过采用基于负载梁偏置和同位的头部悬置组件两者，组件一起具有许多益处，包括更高的致动范围、更高的跟踪精度和控制、以及通过在单个负载梁上使用两种类型的微致动器来减少反作用力和不期望的共振和/或振动的能力。所描述的两级和可逆HGA配置的一个益处是当与现有配置相比时具有增加的头部位置的旋转范围、可控制性的能力、以及具有精度和基于共振的改善的能力。具体而言，在HGA的同一负载梁上使用负载梁和同位的微致动器可以允许单个组件中的更大的行程(即，负载梁的移动的旋转范围)和更高的共振频率。基于负载梁的微致动器和同位的微致动器的主要缺点分别是较低的共振模式和较低的行程。在同一悬架上具有两种微致动器实现结合每组致动器的最佳特征的伺服控制方案。
所描述的具有负载梁偏置和同位的微致动器两者的两级和可逆HGA配置的另一益处包括同时具有感测和致动功能，其可用于实现控制以在读取和/或写入HDD介质期间补偿不期望的共振。通过使用两组微致动器，第一组可以用于滑块的致动，而第二组同时基于第一组处的致动并且在HGA的使用期间获得偏离轨道响应。此外，可以分析HGA内的头部的位移形式的偏转，并结合所感测的偏离轨道增益使用，以便控制头部处的不期望的共振。
所描述的方法和结构提供了伺服微致动器致动的改善的可控制性和/或共振减轻，以用于相对于作为两级致动HGA系统的一部分的盘数据轨道的磁读/写头的精细移动和定位。
根据本公开的第一方面，公开了一种用于支撑盘驱动器的读/写头的位于可旋转驱动致动器臂上的头部悬置组件。头部悬置组件包括靠近并且可操作地连接到第一微致动器对的底板端，第一微致动器对通信地耦合到控制器。头部悬置组件还包括将第一微致动器对可移动地连接到第二微致动器对的负载梁。头部悬置组件还包括靠近并且可操作地连接到第二微致动器对的头部换能器端，第二微致动器对通信地耦合到控制器。根据第一方面，读/写头位于头部换能器端附近，读/写头柔性地连接到负载梁，并且控制器配置为可选择地将控制信号传送到第一和第二微致动器对以改善对读/写头的跟踪控制。
根据本公开的第二方面，公开了另一种用于支撑盘驱动器的读/写头的位于可旋转驱动致动器臂上的头部悬置组件。头部悬置组件包括靠近并且可操作地连接到第一微致动器对的底板端，第一微致动器对通信地耦合到控制器。头部悬置组件还包括将第一微致动器对可移动地连接到第二微致动器对的负载梁。头部悬置组件还包括靠近并且可操作地连接到第二微致动器对的头部换能器端，第二微致动器对通信地耦合到控制器。根据第二方面，读/写头位于头部换能器端附近，读/写头柔性地连接到负载梁，并且控制器配置为可选择地将头部共振信号传送到第一和第二微致动器对并且从第一和第二微致动器对接收头部共振信号以减少不期望的共振。
根据本公开的第三方面，公开了一种存储设备。存储设备包括可旋转存储盘、可旋转驱动致动器臂、位于可旋转驱动致动器臂上的读/写头、控制器和头部悬置组件。根据第三方面，头部悬置组件包括靠近并且可操作地连接到第一微致动器对的底板端，第一微致动器对通信地耦合到控制器。头部悬置组件还包括将第一微致动器对可移动地连接到第二微致动器对的负载梁。头部悬置组件还包括靠近并且可操作地连接到第二微致动器对的头部换能器端，第二微致动器对通信地耦合到控制器。根据第三方面，读/写头位于头部换能器端附近，读/写头柔性地连接到负载梁，并且控制器配置为可选择地将控制信号传送到第一和第二微致动器对以改善对读/写头的跟踪控制。
附图说明
从本公开的以下详细描述结合附图，本公开的其他重要目的和优点将变得显而易见。
图1是根据各实施例的头部堆叠组件的立体图，该头部堆叠组件包括多个堆叠的致动器臂，其中每个臂具有头部悬置组件。
图2是根据各实施例的头部悬置组件的立体图，该头部悬置组件包括布置在头部悬置组件的底板区域中并且包括电连接组件的一对微致动器。
图3是根据各实施例的在底板处附连到致动器臂的头部悬置组件的立体图。
图4示出根据本公开的各实施例的两级HGA配置。
图5是示出根据各实施例的在单个微致动器对的示例范围的频谱上绘制的增益的曲线图。
图6A示出曲线图，包括与偏离轨道滑块增益一起绘制的负载梁偏置微致动器对x方向位移。
图6B示出第二曲线图，包括与偏离轨道滑块增益一起绘制的负载梁偏置微致动器对z方向位移。
图6C示出第三曲线图，包括与偏离轨道滑块增益一起绘制的负载梁偏置微致动器对y方向位移。
图7示出曲线图，包括与负载梁偏置微致动器对激励一起绘制的同位的微致动器对激励，其中按照频率在x轴上、并且增益在y轴上来绘制。
图8是根据各实施例的用于实现主动阻尼和/或调制消除的控制方案的示意图。
图9是根据各实施例的用于在同位的致动器和偏置致动器两者处一前一后地实现致动以改善致动行程、共振属性和头部的可控制性的控制方案的示意图。
具体实施方式
如本文说明书中阐述的本公开的前述具体实施例仅用于说明目的。在不背离本公开的主题的情况下，可以在本公开的精神和范围内作出各种偏离和修改。
图1是包括头部堆叠组件100和介质102的数据存储设备(例如，硬盘驱动器[HDD])的示例性组件的立体图。在一个实施例中，磁介质102将信息作为域存储在数据盘上的多个圆形同心数据轨道中，因为此类盘通常可安装到可以使介质102旋转并且使其数据表面通过相应的轴承滑块表面下方的主轴电机组件(未示出)。如所示，介质102的每个表面具有相关联的滑块104，滑块104中的每一个携带磁读/写头，该磁读/写头包括与介质102的表面的数据轨道通信的读和写换能器。
每个滑块104由头部悬置组件的头部万向架组件(HGA)108支撑，头部悬置组件进而附连到致动器机构116的可旋转驱动致动器臂112，以形成头部堆叠组件100。音圈驱动致动器120可以使致动器机构116围绕轴118旋转，音圈驱动致动器120通常可以由伺服控制电路(或“控制器”，如本文所使用的)控制。音圈驱动致动器120可以在任一旋转方向使致动器机构116旋转，以用于可控制地将HGA 108定位在旋转盘的表面上，并且因此将滑块104的头部相对于介质102的内径122和外径124之间的期望的数据轨道定位。另外公知的是，滑块104本身被空气动力学地设计为在盘旋转期间在每个盘表面附近产生的空气承载上飞行。
图2是根据本公开的多个方面的示例性HGA 108的放大的立体图。图3是图1所示的头部堆叠组件100的部分立体图，包括如图2所示并且与致动器臂112(图1所示)连接以用于相对于盘表面的移动的HGA 108。HGA 108包括负载梁126、弯曲部分127、底座或底板132和滑块104。负载梁本身包括与底板132诸如通过激光焊接连接的基部、弹簧或铰链区域131、以及从弹簧区域通向HGA 108的尖端的刚性区域129。负载梁126经由单独形成并附连的弯曲部分127支撑承载换能器的滑块104(图1所示)。替代地，众所周知，可以利用集成万向架代替弯曲部分127。例如，万向架通常被集成到负载梁126中，而弯曲部分是单独的组件，其可以被激光焊接到负载梁126并且提供可围绕负载梁126上的凹坑枢转的滑块安装部分，如从负载梁126的刚性区域129的端部提供的，诸如所示的。无论何种类型，万向架或弯曲部分127都提供可移动的滑块安装垫，滑块104附连到该滑块安装垫，使得滑块可以响应于当相对于盘表面飞行时的变化而至少在横摇和纵摇方向中移动。
弹簧或铰链区域131为负载梁126提供预负载力，当空气动力滑块相对于盘表面飞行时，该预负载力针对空气动力滑块的升力作用而作用。在飞行期间，预负载力迫使滑块104朝向介质的表面，以维持期望的飞行高度。在一些实施例中，铰链131是与负载梁126分开的组件，并且可以通过激光焊接连接到负载梁126。在其他实施例中，铰链131与负载梁126集成并与其接触而作为单个部分。安装板或底板132提供用于将致动器臂112耦合到HGA108的附连结构。在一个实施例中，底板132被激光焊接到负载梁126的底板部分128。如图2所示，附连结构可以是底板132的凸台塔136，其被配置为插入致动器臂112的孔(未示出)中并经历诸如球型压锻的压锻过程，以将致动器臂112耦合到HGA 108。凸台塔136优选地与底板132整体形成，并且可以由相同的材料制成。例如，底板132可以由诸如不锈钢的铁氧体或诸如铝、工程塑料等的其他合适的材料制成。
如所示，HGA 108还包括一对微致动器140和141。虽然音圈驱动致动器120(参见图1)使致动器机构116旋转以相对于介质102(参见图1)的内径122和外径124之间的期望的数据轨道定位滑块104，但是微致动器140和141为HGA 108提供相对于内径122和外径124之间的期望的数据轨道的对滑块104的精细或精确类型定位。
在一个优选实施例中，微致动器140和141是压电微致动器。压电微致动器将电信号转换为受控制的物理位移，并且由此，压电微致动器由脆性材料制成。示例性材料包括陶瓷和金属电极箔。常见的微致动器材料和设计包括具有压电晶体材料的一个或多个元件，压电晶体材料诸如锆钛酸铅(PZT)，因为这些元件在沿着HGA 108的一个或多个位置处被策略性地提供。微致动器还可以采用热致动器、形状记忆合金等其他致动方法。通过在具有压电材料的固定元件上提供电场，从而引起负载梁或弯曲部分的材料(典型地，不锈钢)的变形，微致动器已经被开发为在底板、负载梁和弯曲部分上工作。
在压电微致动器(诸如PZT)上控制地施加电压差使得压电微致动器膨胀或收缩，以使底板、负载梁或弯曲部分变形，并且从而可控制地提供滑块和头部相对于特定数据轨道的精细移动。根据图1-3的HGA 108，微致动器140和141被成对地提供，以便可控制地使HGA 108在其底板区域内变形。在这种情况下，通过根据压电元件对的位置和布置向压电元件对施加相似或相反极性的电场，微致动器140和141被成对地提供以用于一起作用的受控制的偏转。
如图2所示，微致动器对140和141位于进口143内，进口143被提供在底板132的轮廓内并且具有与底板132的高度基本相同或者小于底板132的高度的高度。以此方式，刚性材料的底板132为脆性材料的微致动器140和141提供保护。微致动器140和141各自优选地由邻近底板132的进口143的负载梁126的底板部分128的边缘部分144支撑在适当位置。具体而言，边缘部分144优选地在进口143内沿着至少两侧延伸，以便为微致动器140和141提供支撑壁架结构。更优选地，边缘144提供粘合或粘附微致动器140和141的边缘的表面，使得当它们被伸展或收缩时，它们向HGA 108提供可预测和可控制的移动。在所示实施例中，通过向微致动器140和141中的每一个施加相反的电场引起的微致动器140和141中的一个的延伸以及微致动器140和141中的另一个的收缩，引起负载梁126的底板部分128的偏转或扭曲，从而可控制地移动负载梁126的刚性区域129并且从而移动弯曲部分127和滑块104。向微致动器140和141中的每一个反向施加电场将引起相反但类似的HGA 108的偏转或扭曲。
通过一个或多个柔性电路147沿着HGA 108提供电导体，柔性电路147可以包括下文所讨论的与滑块104的读和写头电连接以及微致动器控制所需的任何数量的导体。柔性电路147本身是公知的，并且如沿着HGA(诸如HGA 108)粘合那样被提供，以用于电连接目的。如图2所示，柔性电路147沿着负载梁126从底板区域128一直延伸到靠近刚性区域129的末端，以与滑块104的读/写头电连接。通常，柔性电路147的某些引线或迹线也在弯曲部分的每一侧的旁边延伸，以延伸到滑块104以用于平衡。
柔性电路147可以包括通常由导电金属(诸如铜)构成的任何数量的引线或迹线，并且通常一起支撑在具有半刚性材料(诸如其间具有绝缘材料层的不锈钢，诸如包括聚酰亚胺)的基板上。与滑块104的电连接通常可以利用已知的导线或直接连接来完成。
为了可控制地提供微致动器140和141的压电材料的此类膨胀和收缩，可以在微致动器140和141中的每一个的厚度上施加电场。为此，优选地向每个微致动器140和141的一个表面提供第一电连接，并且优选地向每个微致动器140和141的第二表面提供第二电连接。具体而言，应当向一个表面提供正电连接，而向另一表面提供负电连接。
参照图4示出并描述了根据本公开的两级HGA 400配置的另一实施例。如所示，HGA400具有位于头部424附近的头部换能器端420(和滑块)和位于可旋转驱动致动器臂112(参见图1)附近的底板端421。如所示，HGA 400包含第一负载梁偏置微致动器对412。如所示，HGA 400优选地还包含位于定位在HGA 400的头部换能器端420内的头部424和滑块(在该视图中不可见)附近的同位的微致动器对410。根据一个实施例，负载梁偏置微致动器对412可以是主要的，而同位的微致动器对410可以是次要的。
当“主要”指代本文中的微致动器对时，它是指主要产生头部换能器端420处的滑块的移动的微致动器。同样，在第一实施例中，次要的微致动器对在本文中是指主要用于用作具有更高共振和/或更精确结构的微致动器的微致动器对。在第二实施例中，次要的微致动器对可以是用于感测和检测源自并且对应于由主要对引起的移动的反馈的微致动器对。各种微致动器(例如，次要对)处的反馈可以采取偏离轨道增益的形式。如本文所使用的，偏离轨道增益可以以分贝(dB)的对数或电压差为单位来测量。在实施例中，取决于实施例，构想主要微致动器对和次要微致动器对可以使它们的相对功能和作用反转。因为压电微致动器对通常是可逆的并且可以用于产生或感测诸如增益(例如，以电压、dB等为单位)的反馈输入，所以主要和次要的微致动器对可以使它们的功能反转而不在结构上改变HGA 400。HGA 400处的增益可以以dB为单位表示为振动频率(Hz)的函数，并且可以表示一个或多个动态性能特性中的一个，动态性能特性可以包括每输入信号的位移或电压反馈的比率。本文中，主要和次要的微致动器对也可以被统称为主要和次要微致动器。
如所示，微致动器对412是负载梁偏置微致动器412，其可以是微致动器、迷你致动器或其他致动器，并且可以可操作地连接到负载梁414并且位于底板端421处的底板连接部分418附近和/或附连到底板连接部分418，例如，如参考图1-3所示出和描述的。微致动器对412可以共同类似于图2的一对微致动器140和141。如上所述，主要致动器对可以是负载梁偏置微致动器412或同位的微致动器410。术语微致动器、迷你致动器和致动器在本文中可互换地使用，或者可表示相对比例的各种致动器。
在一个优选实施例中，两级HGA 400包括靠近并可操作地连接到底板连接部分418的第一负载梁偏置微致动器对412。底板连接部分418可以被配置为连接到底板，诸如图2中的132，诸如参考图1-3更详细地讨论的。负载梁414可以将第一微致动器对412(负载梁偏置微致动器412)可移动地连接到第二微致动器对410(同位的微致动器410)，第二微致动器对410靠近并连接到与底板连接部分418和底板端421相反定位的头部换能器端420。如本文中所描述的，与尺寸可以更小并且更靠近头部424的同位的致动器410相比，负载梁偏置微致动器412可以被配置用于负载梁414和头部424的更粗略的移动。
同位的微致动器对410可以位于万向架不锈钢弯曲部分416之间并可操作地在其之间连接。在各实施例中，同位的微致动器对410可以位于弯曲部分416的两个点之间或负载梁414和弯曲部分416的尖端处。还构想了各种其他实施例，包括当同位的致动器对410被附连到弯曲部分416并且包括附连有滑块的单独的插入件(未示出)时的实施例。在各实施例中，并且如所示，弯曲部分416可以包括两个单独的柔性弹簧状弯曲梁，其位于同位的微致动器对的侧面，弯曲梁各自将负载梁414连接到头部424以灵活地补充通过同位的微致动器410对的对负载梁414到头部424的连接。弯曲部分416还可以用于在HDD使用期间参照由旋转的盘相对于滑块引起的空气承载产生垂直(例如，z轴)的类似弹簧的偏置电阻。在优选实施例中，弯曲部分416可以为头部424提供稳定性，包括在致动期间，并且还可以在没有致动的时间期间为头部424和滑块提供默认或静止位置。弯曲部分416可以将头部换能器端420和读/写头424灵活地连接到负载梁414。可以使用万向架的各种示例来代替弯曲部分416。
用于与读/写头424一起使用的电连接422(例如，迹线)被描绘为跟随底板连接部分418和负载梁414，并且可操作地连接到负载梁偏置微致动器412、同位的微致动器410以及读/写头424。
负载梁偏置微致动器对412的每个微致动器可以各自将底板连接部分418连接到负载梁414，并且优选地每个微致动器与另一个相距一定距离地定位，并且同位的微致动器对410还可以具有与负载梁偏置微致动器对412的等效(垂直，如所示)的较大间距相比较小的微致动器-到-微致动器间距和间隔。微致动器对的各个微致动器的相对间距可以指定将某个电压施加到微致动器对产生多少旋转移动和/或扭矩。同样，如果在微致动器对处发生由其他系统力引起的移动，则可以压电地产生电压作为响应。
例如，同位的微致动器对410可以包括一对单独的PZT元件。在同位的微致动器410变成被激励的实施例中，在致动或感测期间，由于各个同位的微致动器410的电输入具有相反的极性，一个元件膨胀而另一个元件收缩(或者同样地，作为微致动器的移动的结果，替代地产生电输出)。根据各实施例，这种将相反极性施加到各个微致动器可以向头部和滑块提供横向运动或力矩。在HGA 400的示例中，负载梁偏置微致动器412也由一对PZT元件组成，使得在压电激励期间，一个元件膨胀而另一个元件收缩，从而为头部换能器端420(并且因此滑块)提供或关联横向移动。
在优选实施例中，负载梁偏置微致动器对412可以由PZT制成，如上所述。在其他构想的实施例中，负载梁偏置微致动器对412可以替代地由其他非压电致动方案制成，例如热致动器、形状记忆合金等。根据各实施例，可以以合适的低响应时间提供头部换能器端420的一系列各种运动的任何其他类型的致动可以被利用。
在读取和/或写入期间，同位的微致动器对410可以优选地用于(例如，更精细的)跟踪控制和头部424移动，而负载梁偏置微致动器对412可以优选地用于改善或调节头部424的运动的范围(例如，更粗略)。参考图1，注意，音圈驱动致动器120可以产生比负载梁偏置微致动器对更粗略的移动或调节。各种组件的移动或可调节性的这种相对粗略度可以至少部分地归因于微致动器对和音圈驱动致动器120中的每一个的物理尺寸、位置和配置。尽管注意到在本公开的实施例中，两个微致动器对可以优选地按移动的粗略度和各种共振属性的顺序来表示主要和次要微致动器，但是可以按各种其他方式来反转和分配作用，包括利用同位的微致动器对410作为主要的，而负载梁偏置微致动器对412作为次要的。
具体而言，如本文中所描述的，两个微致动器对可以一前一后地均用于致动，给出相同的偏置效应或相反的偏置效应，例如，更精细的头部424移动，加上第二对可以被相反或相同地致动以改善共振性能，或者，给予例如更粗略的头部424移动。替代地，具有多个独立的微致动器对(诸如微致动器对410和412)的HGA 400的可能优点之一是，在给定各种条件的情况下，此类微致动器对可以一起用作伺服传感器-致动器对组合单元，其中一对微致动器用于感测，而另一对用于致动(例如，分别为一对是次要的而另一对是主要的)。
如上文所讨论的，具有负载梁偏置微致动器对412和同位的微致动器对410的两级HGA 400的预期有利特征是提高的可控制性和共振特征。替代地，实施例允许同时感测/致动，并且因此出于该原因允许不同形式的精细控制功能。例如，当微致动器对中的一个正在用于伺服驱动时，其中电流被可控制地提供给一个微致动器对中的一个或两个，另一对可以同时并且有利地用于伺服感测，其中微致动器对感测由HGA 400系统上的其他力引起的变形或其他不规则性等。知晓并分析同时的微致动器对读取和设置可以用于显著地有益于HDD中的头部读/写性能。
在用于改善的伺服控制的同时感测/致动的一个实施例中，可以优选地采用主要的微致动器对来致动头部424，由此可以同时采用次要的微致动器对来感测头部424处的反馈，由此控制方案可以用于根据检测到的共振增益来精细地调整头部移动。控制方案可以是闭环控制方案，并且可以用于调节主要和/或次要微致动器处的输入以改善性能。例如，控制方案可以用于补偿在致动期间存在的各种共振和/或反馈问题，包括使用其他结构可能难以减少的共振。更多细节参见图8的控制器816。
还构想了使用独立的微致动器对的致动中的许多其他变型。
由于两个微致动器对优选地由PZT制成，因此每对可以固有地完全可逆，并且可以根据需要用于伺服感测或致动。在一些情况下，微致动器对可以用于感测和致动两者，但是如本文所述，将感测和致动分开以分离微致动器对是有益的。在一些情况下，微致动器对在运行中是动态可逆的，并且在其他情况下，基于每个微致动器对的期望功能，微致动器对被制造成规范、PZT组合和形状。根据一个实施例，次要的微致动器对被配置用于感测，而主要的微致动器对被配置用于基于次要的微致动器对处的感测来致动。
因此，具有负载梁偏置微致动器412和同位的微致动器410两者的两级HGA的益处可以是归因于微致动器对412和410的更高的精度和控制。与用于HGA的要求在感测和致动之间进行专一选择的现有结构相反，另一个益处可以是具有灵活性和可配置性的可逆HGA，因为改进的HGA可以同时高效地执行感测和致动功能。
如上文参考图4所述，头部换能器端420(以及读/写头、滑块等)可以靠近并可操作地连接到同位的微致动器对410，其可以通信地耦合到控制器(更多细节参见图8的控制器816和相关描述)。为了使作为频率的函数的HGA的读/写头424或头部换能器端420处的响应的示例可视化，图5是示出根据各实施例的在单个微致动器对的示例范围的频谱(以Hz)上绘制的增益(以dB为单位)的曲线图500。
为了使用单个微致动器对来评估偏离轨道响应和一般跟踪性能，被分析(例如，由控制器)的典型度量是响应于来自单个微致动器对的输入的滑块在存在换能器元件的区域处的偏离轨道响应。在这种情况下，换能器元件(例如，头部424)存在于头部换能器端420处。通常使用有限元技术或方法(FEM)来对该位置处的该响应建模或在诸如旋转架的测试设备中通过实验研究该位置处的该响应。根据各实施例，可以使用各种FEM来对头部换能器端420处的偏离轨道响应建模，诸如应用元素法(AEM)、广义有限元法(FEM)、混合FEM、hp-FEM、hpk-FEM、XFEM、S-FEM、谱元法、无网格法、间断Galerkin法、有限元极限分析、和/或拉伸网格法等。
如本文所使用的，控制器可以被设计以使得可以被称为开环响应的控制器响应和HGA响应之间的卷积(即，频域乘法)产生期望的输出-输入关系或转移函数。根据控制理论，对于所有频率，理想的开环转移函数为一(1)。然而，这通常是不实际的，因为实现一所需要的能量的量几乎会是无限的，并且控制器的计算时间理想地会为零。此外，HGA响应不确定性(由于制造差异等)显示特定部分可能需要唯一的控制器。由于这些限制，包括用于控制的反馈回路会是有益的。通过使用反馈回路，配置单个控制器以考虑有限能量使用、补偿计算延迟并为HGA方面的不确定性提供稳定性裕度会是可行的。根据该实施例，反馈可以采用滑块读/写头处的位置误差信号的形式。控制器可以被设计用于特定的频域。此外，在一些实施例中，可以对控制器表达式执行逆拉普拉斯变换，以将表示变换为可以被编程到示例HDD的控制器中的时域表示。
然而，感测测试设备通常表示组件级(例如，仅HGA组件)处的系统的响应，并且可能不一定实时地捕获示例HDD中的响应。此类响应可能是较不可预测的并且更难以建模。在示例驱动器中，通常使用位置误差信号(PES)来测量此类响应。虽然在一些情况下PES可以提供有利的效用，但是通常对于每个伺服样本仅更新PES一次，意味着PES输出可能是带宽受限制的。对大于伺服采样率的一半的频率处的偏离轨道响应的研究(次级微致动器对每秒感测偏离轨道响应多少次)对于目前的现有设置可能是挑战性的，但在给定示例驱动器中的越来越多的低频共振问题的情况下，偏离轨道响应对于性能逐渐变得更重要。
根据各实施例，在多个伺服扇区中的一个处的头部的位置可以仅由控制器知晓。伺服扇区可以表示“标记伺服信号”，其使控制器和伺服系统能读取换能器位置并相对于其预期位置校准换能器位置。伺服扇区可以是写在HDD的每个盘上的预定信号。因此，在一些实施例中，将这些标记保持为最小以使数据存储的面积最大化可以是优选的。因此，伺服扇区可以围绕盘圆周均匀地间隔。在一些实施例中，作为以上的结果，当滑块的头部位于伺服扇区之间时，它可能无法检测其当前位置。
在示例过程中，为了定量地评估所描述的两级可逆HGA的前述概念和益处，如所描述的，可以将输入信号施加到(主要的)同位的微致动器410(为驱动器中的跟踪控制提出的微致动器对)并且可以观察和分析(次要的)负载梁偏置微致动器对412的x、y和z方向上的变形，如下文参考图6A-6C所示。如本文所述，然后可以将变形输入到控制器中，以改善控制参数并减少驱动器内的共振效应。
具体而言，图6A-6C示出了次要的(感测)负载梁偏置微致动器对412的x(6A)、y(6B)和z(6C)方向中的每一个上的三维变形图。由于同位的微致动器对410的输入而导致的头部或滑块的偏离轨道增益(例如，以电压、dB等为单位测量的)在相应的曲线图中示出，如604、614和624。负载梁偏置微致动器对412的x方向位移(以原子单位[au])也在相应的曲线图中示出为602、612和622。
通常，在次要的同位的微致动器对410处测量的滑块处的偏离轨道响应关于并且涉及在主要的负载梁偏置微致动器对412处也经历和测量的力或响应。更多细节还参见图7和所附描述。头部或滑块的变形和对应的偏离轨道响应都作为频率的函数被绘制在各个曲线图中，其中两者都接收主要的同位的微致动器对410的输入。如上文所讨论的，可以使用FEM或有限元技术来对响应建模。
如本文所述，示例负载梁偏置微致动器对412在x、y和z方向上展现了作为频率的函数的不同级别的变形。变形图可以表示头部位移。HGA变形可以在传感器(例如，PZT微致动器)处被测量，并且因此预期与头部处的变形相关。根据各实施例，由微致动器测量的头部变形可以是头部处的所有三个方向的总向量响应。图6A示出曲线图600，包括与偏离轨道滑块增益604(以dB为单位示出)一起绘制的负载梁偏置微致动器对412的x方向位移602(以au为单位示出)。同样，图6B示出第二曲线图610，包括与偏离轨道滑块增益614(以dB为单位示出)一起绘制的负载梁偏置微致动器对412的z方向位移612(以au为单位示出)。并且，图6C示出第三曲线图620，包括与偏离轨道滑块增益624(以dB为单位示出)一起绘制的负载梁偏置微致动器对412的y方向位移622(以au为单位示出)。
如所示出和描述的，各种响应表明(负载梁偏置412)微致动器对响应于(同位410)微致动器对输入而展现作为频率的函数的不同级别的变形。根据各实施例，从负载梁偏置微致动器对412产生的净电压是极化方向上的变形的函数。在各种相关频率(例如，临界模式，其可以被图形地可视化为峰、谷等)方面，所产生的电压可以与滑块的响应相关。替代地，在这些模式的增益方面，所产生的电压可以与滑块的响应相关。
在使用时，当负载梁偏置微致动器对412和同位的微致动器对410均活动时，将负载梁偏置微致动器对412的输入信号与来自负载梁偏置微致动器对412的输出(输出响应于来自同位的微致动器的输入)分离可能是有益的。为了将输入与输出隔离，可以采用不同的方案。方案中的一个可以包括将输入信号的知识/数据先验地用于负载梁偏置微致动器对412，并且设计输入或解调方案的频率附近的信号滤波器以隔离输入和输出。在一些实施例中，控制信号可以被限制为低于10kHz。由于微致动器本质上同时是传感器和致动器，因此在电路的传感器分支中添加带宽为10kHz的高通滤波器可以从输出中去除任何控制信号。
构想利用自感测的、计算机控制的技术的替代方案，其可以依赖于使用以惠斯通电桥或其他电路结构形式的PZT的电容性质来隔离输入和输出以用于测量和/或分析。此外，关于根据各实施例可采用的各种控制器的更多细节参见图8。
图7示出了曲线图700，包括与负载梁偏置微致动器对412激励704一起绘制的同位的微致动器对410激励702，在x轴上绘制频率(以Hz)，并且在y轴上绘制增益(以dB为单位)。
曲线图700示出了两级HGA(例如，HGA 400)中的读/写头(例如，图4，424)处的滑块的偏离轨道响应或激励增益(以dB为单位)。偏离轨道响应可以归因于来自负载梁偏置微致动器704(例如，图4，412)和同位的微致动器702(例如，图4，410)两者的输入，并且两者都在曲线图700中表示。在该图示出对于每个共振模式，不同的微致动器对的输入和模式示出滑块上的不同级别的响应的同时，该图还指示每个单独模式处的响应可能被同位的微致动器对410或负载梁偏置微致动器对412以不同程度和/或以不同级别的灵敏度影响。
在一种情形下，同位的微致动器对410用于感测或跟踪(即，构成次要的微致动器对)，但是被发现激励或以其他方式引起具有至少一个伺服共振属性的不期望的共振。在这种情形下，可以例如由控制器(例如，图8的控制器816)分析至少一个伺服共振属性，以确定共振属性是否影响读/写头的性能。作为响应，可以调整负载梁偏置微致动器对412输入，使得通过负载梁偏置微致动器对412的水平致动可以影响和减轻该伺服共振属性(例如，频率、幅度、相位等)处的响应。相反，在负载梁偏置微致动器对412用于跟踪但被发现激发不期望的共振的反转情形下，可以调整同位的微致动器对410输入，使得可以通过伺服控制系统的设计来影响和/或减轻该伺服共振频率处的响应。
图8是根据各实施例的用于实现主动阻尼和/或调制消除的控制方案800的示意图。
控制方案800可以包括控制器816。控制器816可以包括各种硬件和/或软件组件和/或模块。例如，控制器816可以包括中央处理单元、存储器和存储组件，并且可以具有操作系统和加载在其上的固件。各种控制器816组件可以可操作地或电气地连接。
如本文所述，控制器816可以可操作地耦合到存在于各实施例中的任何微致动器，以便根据各种参数和读数来改善驱动性能。在使用控制器816的控制方案800的实施例中，同位的微致动器810可以用于轨道跟随输入(次要的)，而负载梁偏置微致动器812可以用于改善响应的范围(主要的)。优选地，使用滑块位置814的PES在820处感测控制方案800的轨道跟随响应。如本文所述，除了负载梁偏置/同位的微致动器(例如，用于主动阻尼和/或调制消除)之外，位置感测可以利用PES(例如，轨道跟随)。
控制器816可以被配置为可选择地向各种微致动器810和812(例如，其可以对应于图4的410和412)传送并且从各种微致动器810和812接收伺服头部共振信号。控制器816可以被配置为可选择地将来自各种传感器或头部(例如，424)的任何所接收的头部共振信号传送到其自身和/或另一对微致动器，以便改善微致动性能，例如通过减少头部处的不期望的共振。具体而言，根据各实施例，控制器816可以将信号824传送到偏置致动器812，并且可以从同位的致动器810接收信号822。
在连接点818处，控制器816可以使用同位的微致动器810来接收(或提供)用于轨道跟随输入的任何控制信号822或控制输入。可以在从连接点818作为信号826接收之后通过同位的致动器810接收控制信号822。附加的传感器(诸如来自负载梁偏置和/或同位的微致动器的自感测方案)可以提供关于任何更高频率调制和偏离轨道模式的信息。此外，在连接点818处，控制器816然后可以将控制信号824传送到负载梁偏置微致动器对812(例如，在现有信号之上)。一旦在偏置致动器812处接收到信号824，可以将来自偏置致动器812的信号传送到连接点818以校正或致动滑块位置，从而影响伺服共振性能。控制信号824可以被配置用于主动阻尼和/或调制消除，以及其他动作。
通过使用控制器816，偏置输入调整可以采用多种形式中的任一个。一种方法可以包括以关于相对于响应的相位偏移引入相同频率的输入。与引起不期望的激励的方法相比，该方法可在滑块上提供相反的力，从而至少部分地消除响应。另一种方法会引入多频输入(不期望的频率的组合，及其谐波[次谐波和超谐波])以产生与之前类似或相同的影响。然而，该方法可能涉及调整算法以获得期望的输入信号。众所周知，存在用于相同目的可以有益地采用的许多启发式方法。
图9是根据各实施例的控制方案900的示意图，该控制方案900用于在同位的致动器910和偏置致动器912两者处一前一后地实现致动，以改善头部的致动行程、共振属性和可控制性。
控制方案900可以包括控制器916。控制器916可以包括各种硬件和/或软件组件和/或模块。例如，控制器916可以包括中央处理单元、存储器和存储组件，并且可以具有操作系统和加载在其上的固件。各种控制器916组件可以可操作地或电气地连接。
如本文所述，控制器916可以可操作地耦合到存在于各实施例中的任何微致动器，以便根据各种参数和读数来改善驱动性能。在使用控制器916的控制方案900的实施例中，同位的微致动器910可以用于精确级别的对头部位置的精细调整(次要的)，而负载梁偏置微致动器912可以用于更粗略级别的改善头部的响应的范围(主要的)。
控制器916可以被配置为可选择地向各种微致动器910和912(例如，其可以对应于图4的410和412)传送并且从各种微致动器910和912接收伺服头部共振信号。控制器916可以被配置为可选择地通过信号922将更精细的致动命令传送到同位的致动器910，和/或将更粗略的致动命令传送到偏置致动器912。因为来自致动器的输出信号连接到连接点918，所以控制器916还可以分别从同位的致动器910和偏置致动器912接收致动信号926和928。
一旦分别在同位的致动器910和偏置致动器912处接收到信号922和924，可以将来自偏置致动器912的信号928传送到连接点918以校正或致动滑块位置，并且可以将信号926传送到连接点918以另外校正或致动滑块位置，从而影响伺服位置和/或共振性能。信号926和928各自可以分叉，并且各自都可以连接到连接点918以用于滑块控制，并且可以返回到控制器916以用于闭环控制，例如，对于914处的未来头部致动。
通过使用控制器916，可以将各种信号922和924分别传送到致动器910和912，并且可以如所描述的实现闭环控制以在使用期间并且根据将由控制器916控制的硬件中的各种缺陷或不一致对控制进行调节。通过一前一后地采用同位的致动器910和偏置致动器912，可以以改善的行程/范围、改善的共振属性、以及改善的精度来控制滑块的头部以用于在914处定位滑块(和头部)。
用于主动阻尼和调制消除的各种伺服控制电路和方案可以在使用微致动器对用于整个频谱上的阻尼(可能需要来自微致动器对的能量耗散)的简单被动控制与将实现模态阻尼和消除的任何和所有控制算法之间变化。
在本文中，参考附图，其形成本文的一部分，并且其中通过图示的方式示出至少一个特定实施例。具体实施方式提供了附加的具体实施例。应当理解的是，构想并且可作出其他实施例而不背离本公开的范围或精神。因此，具体实施方式不应按照限制的意义来理解。虽然本公开不限于此，但通过对所提供的示例的讨论将获得对本公开的各个方面的理解。
如本文中所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括具有复数指代物的实施例，除非内容明确地另作规定。如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“或”一般在其包括“和/或”的意义上采用，除非内容另外清楚地陈述。
除非另外指定，否则表示特征尺寸、数量和物理属性的所有数字应理解为由术语“约”修饰。因此，除非指出有相反的意思，否则所阐述的数值参数都是近似值，该近似值可以根据本领域技术人员利用本文公开的教导寻求获得的期望性质而变化。

Claims (20)

1.一种用于支撑盘驱动器的读/写头的位于可旋转驱动致动器臂上的头部悬置组件，所述头部悬置组件包括：
底板端，靠近并且可操作地连接到第一微致动器对，所述第一微致动器对通信地耦合到控制器；
负载梁，将所述第一微致动器对可移动地连接到第二微致动器对；以及
头部换能器端，靠近并且可操作地连接到所述第二微致动器对，所述第二微致动器对通信地耦合到所述控制器，
其中所述读/写头位于所述头部换能器端附近，所述读/写头柔性地连接到所述负载梁，以及
其中所述控制器配置为可选择地将控制信号传送到所述第一和第二微致动器对以改善对所述读/写头的跟踪控制。
2.如权利要求1所述的头部悬置组件，其特征在于，所述第一微致动器对是偏置微致动器。
3.如权利要求1所述的头部悬置组件，其特征在于，所述第二微致动器对是同位的微致动器。
4.如权利要求1所述的头部悬置组件，其特征在于，所述控制器进一步配置为接收读/写头位置数据以可选择地将所述控制信号传送到所述第一和第二微致动器对。
5.如权利要求1所述的头部悬置组件，其特征在于，所述第一微致动器对进一步配置用于伺服感测。
6.如权利要求5所述的头部悬置组件，其特征在于，所述控制器进一步配置为可选择地将头部共振信号传送到所述第一和第二微致动器对并且从所述第一和第二微致动器对接收头部共振信号以减少不期望的共振。
7.一种用于支撑盘驱动器的读/写头的位于可旋转驱动致动器臂上的头部悬置组件，所述头部悬置组件包括：
底板端，靠近并且可操作地连接到第一微致动器对，所述第一微致动器对通信地耦合到控制器；
负载梁，将所述第一微致动器对可移动地连接到第二微致动器对；
头部换能器端，靠近并且可操作地连接到所述第二微致动器对，所述第二微致动器对通信地耦合到所述控制器；
其中所述读/写头位于所述头部换能器端附近，所述读/写头柔性地连接到所述负载梁；以及
其中所述控制器配置为可选择地将头部共振信号传送到所述第一和第二微致动器对并且从所述第一和第二微致动器对接收头部共振信号以减少不期望的共振。
8.如权利要求7所述的头部悬置组件，其特征在于，所述第一微致动器对配置用于伺服跟踪控制。
9.如权利要求7所述的头部悬置组件，其特征在于，所述第一微致动器对配置用于伺服感测。
10.如权利要求7所述的头部悬置组件，其特征在于，所述第一微致动器对配置用于伺服致动。
11.如权利要求7所述的头部悬置组件，其特征在于，所述第一和第二微致动器对形成传感器-致动器对。
12.如权利要求11所述的头部悬置组件，其特征在于，所述第一微致动器对配置用于感测，并且所述第二微致动器对基于所述第一微致动器对处的感测而配置用于致动。
13.如权利要求7所述的头部悬置组件，其特征在于，与所述第一微致动器对相比，所述第二微致动器对实现增加的读/写头运动的范围。
14.如权利要求7所述的头部悬置组件，其特征在于，所述控制器是伺服控制电路。
15.一种存储设备，包括：
可旋转存储盘；
可旋转驱动致动器臂；
读/写头，位于所述可旋转驱动致动器臂上；
控制器；以及
头部悬置组件，包括：
底板端，靠近并且可操作地连接到第一微致动器对，所述第一微致动器对通信地耦合到所述控制器；
负载梁，将所述第一微致动器对可移动地连接到第二微致动器对；
头部换能器端，靠近并且可操作地连接到所述第二微致动器对，所述第二微致动器对通信地耦合到所述控制器；
其中所述读/写头位于所述头部换能器端附近，所述读/写头柔性地连接到所述负载梁；以及
其中所述控制器配置为可选择地将控制信号传送到所述第一和第二微致动器对以改善对所述读/写头的跟踪控制。
16.如权利要求15所述的存储设备，其特征在于，所述第一微致动器对是偏置微致动器。
17.如权利要求15所述的存储设备，其特征在于，所述第二微致动器对是同位的微致动器。
18.如权利要求15所述的存储设备，其特征在于，所述控制器进一步配置为接收读/写头位置数据以可选择地将所述控制信号传送到所述第一和第二微致动器对。
19.如权利要求15所述的存储设备，其特征在于，所述第一微致动器对进一步配置用于伺服感测。
20.如权利要求19所述的存储设备，其特征在于，所述控制器进一步配置为可选择地将头部共振信号传送到所述第一和第二微致动器对并且从所述第一和第二微致动器对接收头部共振信号以减少不期望的共振。
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