CN1305627A - 高稳定性旋转台座 - Google Patents

Abstract

一种旋转台座具有分离的轴线。台座包括空气轴承心轴托架(16),其支撑着测试磁盘并被强制着在位于一个表面上的平面内沿着第一轴线移动。微定位托架空气轴承(12)被强制着在表面上的平面内沿着与第一轴线正交的第二轴线移动,微定位托架用于支撑读头元件。第一和第二致动器将托架移动到理想位置。在理想位置,一个装置将空气从空气轴承中排出,以将托架在理想位置锁定在表面上。优选将空气轴承真空预加载而且利用直线电机移动托架。

Description

高稳定性旋转台座

                本发明的背景技术

本发明涉及计算机硬盘驱动器中所用读/写头的测试用高稳定性旋转台座。

在过去十年中，硬盘驱动器的存储容量急速增大。存储容量的这种增大的一部分原因是读/写头的磁灵敏度方面的快速技术进步。这种快速技术进步导致对读头的制造要求非常高，其结果是，几乎所有制造出的读头，而且肯定所有先进技术的磁头，均需要接受测试。

读头的电特性是在本行业公知的电气测试仪上评估的。这种测试仪中装有一个运动台，其用于模拟读头在实际磁盘驱动器中的运动。运动台通常包括一个粗定位托架和一个微定位托架。电气测试仪中还装有用于测试读头元件的精密电子装置。尽管一直以来对读头元件进行电气评估的工作很费精神，但电气测试仪的运动要求仅在最近才对现有技术的发展提出了迫切的要求。

如上所述，一种双托架运动系统通常包括一个粗定位托架和一个微定位托架。在计算机磁盘驱动器中，数据沿着磁盘上的螺旋磁道存储。目前磁道间的径向间距为10,000道/英寸(tpi)，而将来准备要达到30,000tpi。为了评估读头的性能，希望能够以离散运动增量移动磁头，该增量比磁道间距低两个量级(10²)。在10,000tpi，这种运动增量为1微英寸(25纳米)。这样精细的运动是通过微定位托架实现的，微定位托架通常包括随着施加的电压而膨胀和收缩的压电晶体。这种装置的极限运动范围很小，通常为10μm的量级，因此需要重新定位整个微定位托架以便在磁盘的不同位置测试读头。大多数电气测试仪的构造要求全程运行的范围在100至150mm。在实际的磁盘驱动器中，读头沿着一个倾斜路径从磁盘的外半径移向内半径(磁头安装在一个摆动臂上，类似于电唱机)，因此磁头的相对角度相对于随动轨道的切线矢量而变化。这种角度变化称作斜交角，而斜交角的变化对磁头的性能有影响。然而，在一些电气测试仪中，磁头在一个直角坐标系的XY平面中移动。根据数学原理，可以通过磁头在各个XY位置上的移动而改造斜交角的整个范围。这种属性使这些电气测试仪对于磁盘直径和驱动臂回转角不同的各种磁盘驱动器构造而言具有很大的适应性。

电气测试仪的典型测试顺序起始于将由安装在挠性壁上的读头构成的读头组件安装到微定位托架的一个夹具(通常称作“嵌套”)中。一个用于支撑磁盘的心轴加速到工作速度，通常为7,200至14,400rpm(转/分)。一个粗定位托架将读头移动到第一测试位置，同时读头按指令实施相邻磁道的擦除，从而磁盘存储在测试磁道以及相邻内侧磁道和外侧磁道上的磁信息均被擦除。之后读头按指令向磁盘上写入一串有限长度的数据，通常短于磁盘的一整圈。之后微定位托架将磁头“脱离磁道”，通常是到达下一条相邻磁道上，以证实测试磁道上的磁信息不能从该相邻磁道探测到。之后微定位托架将磁头以小至25纳米的离散运动增量移动通过测试磁道，以测定测试磁道上的磁数据的强度与磁盘上的径向位置之间的关系。在许多新式磁头中，读头和写头不是安置在相同位置上，因此测试还需要确定读元件与写元件之间的相对间隔。之后粗定位托架移向下一个测试位置以重复上述步骤。在测试结束时，粗定位托架完全退回至信息输入点，而读头组件被替换为一个未测试的读头组件。

为了使测试顺序的总体循环时间最优化，非常希望微定位托架的离散运动增量在少于磁盘单圈旋转所需时间(例如在14,400rpm时为0.0043秒)内完全完成(同时包括运动时间和停止在一个诸如10纳米这样的稳定范围中的时间)。这个目标目前尚无法利用现有结构实现。

现有技术测试仪中的主要元件是一个高速空气轴承心轴和一个双托架运动系统(即一个粗定位托架和一个微定位托架)。现有测试仪结构通常使用在XY方向叠加的托架，托架是空气轴承式的或机械式的。因为叠加托架的动力特性，从而微定位托架的性能被限制。即使单个托架被制作成刚性的，每个托架的最终结构动力特性仍然是由正交托架轴线上的主动致动器的限制所确定的。这种托架通常利用刚度有限的丝杠驱动。即使最坚固的叠加托架结构也会有低于200Hz的第一阶固有频率。因此外界扰动所引起的振荡的单个周期将占用0.005秒。这样，由微定位托架上的反作用力导致的任何幅值超过10纳米的稳定范围的位置扰动，均可导致不可能实现5毫秒以下的微定位运动目标。在实际应用中，最好使粗定位托架具有超过1kHz的第一阶固有频率。

由于磁盘驱动器的存储密度不断增加，当前读/写头的测试技术的发展要求实现利用现有技术无法达到的位置稳定性。此外，竞争性市场要求保持恒定价格，这就要提高生产率。其结果是，旋转台座需要能够更快地移动受测磁头，同时又能提供高级别的位置稳定性。粗定位托架的典型稳定性要求是在几秒钟的时间内不出现±10纳米以上的位置变化。附加的要求是，一旦被定位粗定位托架必须极其坚固，以使源于移动压电托架的反作用力和源于旋转心轴的不平衡力只导致粗定位托架出现很小的运动(振动形式)。读头相对于心轴的相对位置必须保持稳定在±10纳米的范围内；这样粗定位托架的任何运动均会危及这个级别的性能。

本发明的旋转台座的构思旨在提供相对于现有旋转台座而言的多种关键性优点。其中一个主要优点是在测试时的位置稳定性方面。本发明的旋转台座能够满足计算机磁盘驱动器迄今为止最密的径向间距所提出的精确要求。

                    本发明概述

在一个方面，一种旋转台座包括一个空气轴承心轴托架，其支撑着一个测试磁盘并被强制着在位于一个表面上的平面内沿着第一轴线移动。一个空气轴承微定位托架被强制着在表面上的平面内沿着与第一轴线正交的第二轴线移动，微定位托架用于支撑一个读头元件。第一致动器用于沿第一方向将心轴托架移动到理想位置，而第二致动器用于沿第二方向将微定位托架移动到理想位置。一个装置用于将空气从心轴托架和微定位托架的空气轴承中排出，以将心轴托架和微定位托架在理想位置锁定在表面上。在一个优选实施例中，心轴托架和微定位托架的空气轴承被真空预加载，以将托架刚性保持在测试位置。在另一个优选实施例中，一个快泄阀用于向空气轴承供应空气，从而导致快速操作。

在另一个方面，空气轴承包括一个用于产生高预加载力的大中央真空区域和毗邻空气轴承入口用于将空气从轴承中排出的小真空区域。

还优选使第一和第二致动器是直线电机。

                    附图简述

图1是本发明的高稳定性旋转台座的透视图。

图2是微定位托架空气轴承的仰视图。

图3是心轴托架空气轴承的仰视图。

图4是本发明中使用的快泄阀的剖视图。

图5是真空锁定空气轴承托架的位置设置图。

                优选实施例描述

本发明的旋转台座是通过轴线的分离而获得旋转台座的改进性能的，其中一根轴线承载着用于支撑受测读头的微定位托架，另一根轴线承载着用于支撑磁盘的空气轴承心轴。在运动时，两个托架均被由直线电机直接驱动的无摩擦空气轴承承载着轴线运动。然而，当托架到达测试位置时，空气从空气轴承中排出，托架被真空预加载而直接接触花岗岩底座，以提供特别大的刚度。从后文可以看到，所公开的技术使得空气能够非常快速地从空气轴承中排空。此外，由于空气从两个托架中排出，因此磁盘与受测读头之间没有相对高度差。本发明的真空锁定托架提供了高于1kHz的所需刚度，而这是传统的叠加式托架达不到的。

现在参照图1，高稳定性旋转台座10包括一个微定位托架12。本领域的普通技术人员可以理解，托架12包括一个诸如压电致动器的微定位模块(未示出)，以使受测读头(未示出)能够被微定位模块承载。微定位托架12被一个直线电机14控制着沿一根单轴移动。一个位置增量编码器15响应于托架12的位置。

一个空气轴承心轴托架16支撑着一个磁盘(未示出)以便旋转。空气轴承心轴托架16在一个直线电机18的控制下响应于一个位置增量编码器19而沿一条垂直于托架12移动方向的轴线移动。托架12和16骑跨在一个光滑平坦花岗岩底座20上。一个钢制支架22通常通过一个气动隔离系统支撑着花岗岩底座20。支架22还支撑着一个运动控制器24和所有其它电子和气动支撑装置(未示出)。运动控制器24中包含一个运动控制卡，其与一台主计算机对接并引起所述托架在伺服控制下沿相应轴线移动。移动轴线的电源也包含在运动控制器24中。

本发明的分离轴线构造使得微定位托架12和心轴托架16能够在位于花岗岩底座20表面上的相同平面内移动。这种构造导致在气膜去除后磁盘与受测读头之间没有高度差。使用真空预加载可以将所述托架牢固地保持就位于测试位置。传统的运动轴线因刚性不足以将周期性负载从旋转中的转动不平衡性中剔除，因此不能用在这种构造中。然而，采用真空锁定技术使得这种分离轴线构造成为可能。如后文所讨论，通过使用大中央真空区以实现高预加载力和在空气轴承垫中使用小真空区以便于将空气从支承中快速排出，气浮/真空支承的结构有助于实现本发明的高性能旋转台座。

图2和3示出了本发明的高性能旋转台座上使用的空气轴承表面。作为背景知识，当压缩空气被引入两个平板之间的间隙中时，将形成空气轴承。为了使空气轴承能够支撑负载，平板间的区域中必须有正压。由于空气的粘度非常低，因此两个平板间的间隙需要非常小，以使板与空气之间的表面摩擦力能够限制空气的流动，从而产生压差。通常，间隙的量级为5至10μm。这样小的间隙还要求板的平面度在2μm的量级内，这使得空气轴承难以制造。

位于板间间隙中的压缩空气有自然膨胀的趋势以导致间隙增大。随着空气膨胀，气膜压力会降低，从而降低气膜的刚度。由于希望有刚性气膜，因此间隙必须减小。这种减小是通过沿气膜压力的反向引入一个力而实现的。这种操作模式被称作“预加载”气膜。预加载可以利用反向空气轴承、重量(重力)、磁力、或在本例中的抽真空而实现。

在图2和3中，真空区域显示为阴影区域。图2所示微定位空气轴承12包括一个大中央真空区域30和小真空区域32。真空区域30和32是平行于主空气轴承表面的凹陷表面。空气从这些区域中排空以产生负压，以施加预加载力。图3中的心轴空气轴承16同样包括真空区域34和36。所述轴承中还包括供气孔38，压缩空气可以通过这些孔引入空气轴承中。这些孔38被椭圆形区域40环绕着，椭圆形区域从空气轴承表面以12μm的量级略微凹入。这些区域40用于稳定轴承中的压力并均匀分布供应的空气。

这种空气轴承结构与传统空气轴承结构的不同之处在于，除了大中央区域30和34以外，还有区域32和36包含在供气孔38中。除了用于预加载支承以外，这些区域还有助于在供气压力关闭后将气膜排出。这种构造有助于快速“锁定”本发明的轴承。如果没有这些区域32和36，气膜必须从板间“挤出”。附加的这些区域可以显著减少锁定施加后系统达到完全稳定性的时间。

优选使用一个如图4所示的气动“快泄”阀50向空气轴承托架12和16供气。供气是利用一个电磁阀(未示出)进行电气打开和关闭的。为了克服电磁阀的流动限制，快泄阀50被用在托架进气口处。快泄阀50中采用了一个活动橡胶密封52。活动橡胶密封52用于打开和关闭阀中的一个大口径自由流动排气口54。只要在入口56处的供气压力高于轴承(以及出口58)中的压力，排气口54即被关闭。一旦供气压力下降(当电磁阀关闭时)，橡胶密封52将打开排气口54，以使空气轴承中的压力快速降低。因此快泄阀50使得电磁阀能够位于远距离处。这样，由于气压限制，空气可以排出得远快于通过气管输送空气和通过电磁阀排气时的情况。适宜的快泄阀50可以从日本东京的SMCPneumatics,Inc.购买到。

本发明的系统提供了无摩擦运动，即没有运动件、没有磨损和不需要进行诸如润滑或定期更换元件等保养。这是相对于运动托架而言的主要优点，运动托架中使用了丝杠和滚动体轴承，它们需要润滑和定期更换。

在操作时，运动控制器24控制着直线电机14和18，以便在位置增量编码器15和19的监控下将托架12和16移动到理想位置。在到达理想位置后，空气通过快泄阀50而从空气轴承中排出，以将托架12和16锁定在花岗岩底座20上。此时，通过微定位托架12上承载的微定位模块可以实现精确位置调节。图5示出了本发明的分离托架结构的典型稳定性能。在这个实例中，托架可以在运动结束后在50毫秒内达到±10纳米量级的稳定性。尽管这种性能很优异了，但更引人注目的是直线电机驱动的托架12和16可以比它们所取代的现有技术中的丝杠托架提供更高的速度。图5所示的数据是在托架12和16的峰值速度为每秒钟350mm而加速度为0.2g的情况下采集的。对于这种运动参数，在全长100mm的行程内移动和固定(包括松开制动器、移动和制动器重新咬合)需要600毫秒的时间，而在现有技术的丝杠托架中需要1.0至1.5秒。因此可以看出，本发明的高稳定性旋转台座能够同时满足市场所需的高位置稳定性和高生产率要求。

应当认识到，对于本领域的普通技术人员而言显然可以对这里公开的发明作出各种修改或改变。可以认为所有这些修改或改变均包含在权利要求的范围内。

Claims (6)

1．一种旋转台座，其包括：

一个空气轴承心轴托架，其支撑着一个测试磁盘并被强制着在位于一个表面上的平面内沿着第一轴线移动；

一个空气轴承微定位托架，其被强制着在平面内并在表面上沿着与第一轴线正交的第二轴线移动，微定位托架用于支撑一个读头元件；

第一致动器，其用于沿第一轴线将心轴托架移动到理想位置；

第二致动器，其用于沿第二轴线将微定位托架移动到理想位置；以及

装置，其用于将空气从心轴托架和微定位托架轴承中排出，以将心轴托架和微定位托架在理想位置锁定在表面上。

2．如权利要求1所述的旋转台座，其特征在于，心轴托架和微定位托架的空气轴承被真空预加载。

3．如权利要求2所述的旋转台座，还包括一个快泄阀，用以向空气轴承供应空气。

4．如权利要求2所述的旋转台座，其特征在于，空气轴承包括一个用于产生高预加载力的大中央真空区域和毗邻空气轴承入口用于将空气从轴承中快速排出的小真空区域。

5．如权利要求1所述的旋转台座，其特征在于，第一和第二致动器是直线电机。

6．空气轴承，其包括：

一个大致平的板，其包括一组用于使空气流入的间隔入口区域；以及

一个真空区域，其布置在各入口区域之间。

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