CN1322501C - 光学数据写/读装置的滑动器和包含这种滑动器的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于光学数据写/读装置(1)的滑动器(11)，在该滑动器(11)上装有确定焦点(42)的光学透镜(40)，该滑动器具有这样一种结构，以便于在诸如滑动器从内径到外径运动造成盘速变化时，由于围绕位于经过焦点的垂直平面内(最好旋转轴与焦点重合)的旋转轴的枢轴运动而改变倾斜角。由于这种结构，使得焦点(42)的浮动高度(HF)基本上保持恒定。

Description

光学数据写/读装置的滑动器和包含这种滑动器的装置
技术领域
本发明总体上涉及将数据写入可旋转存储盘和从这种可旋转存储盘中读取数据的领域。这种存储盘可以是磁盘、光盘、磁光盘等等。特别地，本发明可用在基于光学装置的写/读装置中，包括用于读和写操作的激光束；因此，本发明在下文中将特别说明这种光学系统。然而，本发明的范围不只限于这样的光学系统，还同样适用于磁性的系统。
背景技术
正如公知的，光学存储/检索系统包含可旋转的盘和用于扫描盘表面的光头。激光束通过光头聚焦在盘的表面，并且该盘相对于光盘旋转，以便聚焦的激光束在盘表面沿着圆形轨道运动。为了使聚焦的激光束能够寻址不同的轨道或沿着螺旋形轨道运动，光头相对于盘的径向发生移动。通过以合适的方式改变激光束强度，使得盘的物理特性发生改变，从而将数据存储在盘上。通过感知反射束的强度来从盘中读取数据。由于这种使用光学装置的数据存储/检索系统是众所周知的，在这里将不作更详细的说明。
光头包含安装在臂上的光学透镜，所述的臂是借助于悬架相对于盘定位的。在定位中，为了将光学透镜精确地定位在希望的轨道上方，重要的是以极高的精确度控制光学透镜的径向位置。然而，将光学透镜相对于盘表面的高度精确地保持在非常小的值也是非常重要的。本发明涉及一种特殊类型的光头，这种光头基于一种光头和盘表面之间的空气垫的存在来垂直定位。这样的光头也称为滑动器。滑动器有一个滑动面朝向盘表面，这个面也称为空气承载表面。空气承载滑动器表面和盘表面之间的距离非常小，典型的是1μm量级。支架给滑动器施加一个偏向力，迫使滑动器朝向盘表面。然而，当盘旋转时，空气被吸入空气承载滑动器表面和盘表面之间的狭窄间隙，随着增大的压力形成空气垫，施加给滑动器一个离开盘表面的力；这个力也称为升力。
在稳态情况下，空气垫产生的升力平衡支架施加的偏向力，因此空气承载滑动器表面和盘表面之间的距离保持恒定。这个距离也称为浮动高度。
在这方面公知的问题是：浮动高度取决于盘表面相对于空气承载滑动器表面的速度，因为吸入所述间隙的空气量取决于所述速度。由于希望的是浮动高度应该如上所述地尽可能保持恒定，所以必须采取防范措施。
一种方法是以一种使得盘相对于滑动器的线速度保持恒定的方式来驱动存储器和检索装置。然而这样意味着盘的旋转速度或角速度需要根据滑动器的径向位置进行调整。同样，以恒定角速度操作盘驱动器是优选的，因为在这样的模式中访问时间会比在恒定线速度(工作)模式中少。
如果在恒定角速度模式下操作盘驱动器，则在盘的外径处的升力总是大于在盘内径处的升力。这导致与内径处的浮动高度相比外径的浮动高度更大。
已经提出根据滑动器的径向位置通过调整滑动器相对于旋转盘的偏斜角来消除这个问题。在EP-A-1,001,423专利中提出通过沿着与径向路径不一致的移动路径移动滑动器来调整偏斜角。然而偏斜带来另一个问题：即相对于凹槽的偏振旋转，其中该偏振旋转不利于寻轨方法并且将降低点的质量。
还已经提出通过主动地调整向下的偏向力以用于保持恒定的浮动高度来消除所述问题。这种方法的一个实例在US-A-6,125,008中公开。然而这种方法涉及一种相当复杂的调整机制。
另一种方法，例如以US-A-5,986,850，是以这样一种方法来设计空气承载滑动器表面的结构：在空气承载滑动器表面和盘表面之间的间隙中由向下的元件(例如，抽气机)产生力，这种力随着空气速度的增大而增大。在远离前沿的位置给滑动器施加这种向下的力，在这个位置向上的垫力占优势，因此滑动器采用具有倾斜角的位置，该倾斜角随着空气速度的增大而增大。由于光学透镜安装在滑动器的尾部，所以光学透镜的浮动高度随着倾斜角的增大而减小。
然而，所述出版物所公开的结构非常复杂并且难于制造。此外，如上述公开的图5所表明，上述公开中的结构仅能在盘的外部半径减小浮动高度，但不能在全部盘范围内保持浮动高度。
发明内容
本发明总的目标是解决上述问题。
本发明的具体目标是提供具有自调整特性的滑动器以用于在不同盘半径保持它的浮动高度，同时滑动器结构相对简单。
这些目标是使用依照本发明如权利要求1到9中任一项所限定的滑动器来实现的。
依照本发明的一个重要方面，滑动器具有与光学透镜焦点基本重合的倾斜旋转轴。
本发明进一步涉及如权利要求10或11所限定的光学数据写和/或读装置。
附图说明
本发明将在下面的优选实施例的讨论中参照附图详细说明，在图中相同的参考数字代表相同或相似的元件，并且其中：
图1图释的是一种盘驱动器；
图2A和2B是装有滑动器的臂的概略的侧视图；
图3是较大比例的滑动器的概略的侧视图；
图4是依照本发明的滑动器的一个实施例的透视图；
图5A和5B是图4中滑动器的局部的纵向剖面图；并且
图6示意了图4中滑动器的测量结果。
具体实施方式
图1是示意说明了盘驱动器的一部分的平面图，总体上以附图标记1表示。盘驱动器装置1包含一个外壳(为了简化起见没有示出)和用于接收可旋转的盘2的装置，盘2的一个例子是光盘。盘驱动器装置1进一步包含用来扫描盘2表面以便向盘2写入数据或从盘2读出数据的扫描装置10。这种扫描装置10包含扫描头11、用于相对于盘定位扫描头11的定位装置20、以及用于相对于盘表面沿圆形轨道移动扫描头11的移位装置30。移位装置30包含用于如用箭头R指示地旋转盘2的旋转装置31。由于在盘驱动器设备中用于接收和可旋转盘的装置是众所周知的，这些将不作详细说明。
定位装置20包含臂21，臂21将扫描头11保持在盘2的表面3的上方，这将在以后详细说明。盘有一个由旋转装置31确定的旋转中心CR。扫描头11在盘2的表面3上确定扫描位置PS。连接旋转中心CR和扫描位置PS的径向线是以L作为参考。臂21有一个垂直于所述径向线L的中心轴。移位装置30包含用于移动臂21的臂位移装置32，扫描头11处于平行于所述径向线L的方向，如箭头D表示。由于用于移动扫描头11的装置是众所周知的，因此不对臂位移装置32进行详细说明。
图2A和2B以侧视图的方式示意说明了臂21的装有扫描头11的自由端。扫描头11包含具有顶表面13和底表面14的扫描头主体12，并且通过能够弹性地给扫描头主体12施加朝下的力的弹性悬挂装置22悬挂在臂21的自由端上。悬挂装置22在扫描头主体12的中心位置与扫描头主体12接合，以悬挂位置LS表示。扫描头主体12相对于悬挂装置22保持平衡，这样，在稳态平衡状态，当扫描头11以它的底表面14接近盘2的表面3时，扫描头11的底表面14基本上平行于盘表面3，如图2A所示。
在操作过程中，如图2B中箭头R所示，图中盘在扫描头11下方从左向右旋转。由于这个旋转，如图2B中箭头A所示空气被吸入扫描头11的底表面14和盘2的顶表面3之间的小间隙中。位于空气流A进入所述间隙15处的扫描头11边缘将表示为前沿16，反之，滑动器11的相对边沿，即空气流离开所述间隙15处的边缘将表示为后沿17。
这种空气流在扫描头11的底表面14上产生一种具有相当复杂的压力分布的空气垫。扫描头11的底表面14的一些部分承受增大的气压，然而其他部分承受减小的气压。总的来说，扫描头11的底表面14承受离开盘2方向的力。如图2B中箭头FU所示，这种向上的空气垫力主要作用在前沿16和悬挂装置22之间。这种空气垫力FU倾向于推动扫描头11离开运动的盘2。扫描头11(在下文中也表示为滑动器)因此浮于间隙15中的空气垫上。
滑动器11由于弹性悬挂装置22施加朝下的力FD而固定在某一位置。如图2B中以放大的方式清楚示出的，施加在滑动器11上不同位置处的两个力FU和FD倾向于使滑动器11倾斜，因此前沿16升起而后沿17降低。此时滑动器11的中心线与盘2的表面3构成角α，表示为倾斜角。
滑动器11载着构成盘驱动器装置1的光学系统部分的透镜40。透镜40接收基本上垂直于盘2的表面3的激光束41，并且将激光束A1聚焦在焦点42。如图1所示，焦点42决定扫描位置PS。根据环境的需要，焦点42也许位于滑动器11的底表面14之下的一段距离处，或者如在近场技术中一样地距离滑动器11的底表面14很近。为了精确性和高密度操作，希望的是焦点42和盘表面3之间距离保持恒定。
然而，当盘2的旋转速度或角速度保持恒定时，盘2相对于滑动器11的线速度随着扫描点PS和旋转中心CR之间距离变化而变化。更具体地说，与滑动器11接近旋转中心CR时相比，当滑动器11接近盘2外边缘时，盘2线速度更大，并因此吸入间隙15的空气A数量更多。随着增大的空气流A，升力FU也增大，引起焦点42和盘表面3之间距离增大，这一点是不希望的。
依照本发明，通过合适地设计滑动器11下表面14(也表示为空气承载表面)的几何形状可以减小或甚至消除这种不希望有的影响。在放大的比例下，图3以侧视图方式示意了依照本发明设计的滑动器11。图3清楚地示意了滑动器11的下表面14的端点在距离滑动器11的后沿17某一距离处靠近焦点42。后表面19和下表面14的相交角大于倾斜角α，因此后表面19和下表面14的交点18总是滑动器11的最低点。在优选的实施例中，所述角基本上等于90°，产生一个未在图3中示出的后平台。在图3中，所述角度大约是45°，并且后表面19向后沿逐渐变细。
焦点42和盘表面3之间的间隙将表示为浮动高度HF，
在倾斜的滑动器11下压缩的空气流A在通过滑动器最低点18后膨胀，引起滑动器最低点18之外(在图3：滑动器最低点18右边)的空气压力下降。因此，滑动器11的后部从空气A接收到减小的升力或甚至向下的以箭头FS表示的吸力，这一点倾向于增大倾斜角α。因而，随着空气流的增大，由于作用在滑动器前部的升力FU和作用在滑动器后部的吸力Fs的综合影响使得倾斜角α增大。
依照本发明一个重要方面，设计滑动器11底部的几何形状以便使滑动器的倾斜(例如倾斜角α的增大)以相对于水平旋转轴PA进行枢轴运动的形式出现，该水平旋转轴PA位于经过焦点42的垂直面内。因而，在初步近似中，倾斜角α的较小变化不会引起焦点42位置的任何垂直变化。
优选的是，焦点重合在所述旋转轴上。
将在下文中参考图4和5A-5B详细讨论滑动器几何形状的一个实例，在这些图中尺寸不是按比例示意的，为了清楚起见，Z方向的尺寸被特别放大。在一次试验中已经测试了这个实例；试验结果在图6中示出。
图4是颠倒放置的滑动器11底部的三维视图。纵向表示为X-方向，横向表示为Y-方向(通常情况下X和Y平行于盘表面)。滑动器11有一个基本为矩形的滑动器体50和基本为U形的凸起部分60。这个凸起部分60包含两条沿着滑动器体50的侧边51、52布置的腿61、62，每条腿61、62有一个前端61F、62F和后端61R、62R。凸起部分60此外还有一个连接所述腿61、62的前端61F、62F的桥63，桥63沿着滑动器体50的前沿53布置。在本例中，桥63和每条腿61、62都具有基本上为矩形的剖面。
在这个实例中，滑动器11宽度(Y方向尺寸)是2.5mm，桥63整体跨越这一宽度。桥63宽度(X方向尺寸)是0.8mm。
此外，在这个实例中，滑动器11长度(X方向尺寸)是3.5mm，但是腿61、62更短。每条腿的宽度(Y方向尺寸)是0.48mm，并且长度(X方向尺寸)是1.95mm；因而，每条腿61、62的后端61R、62R位于距离滑动器的后沿54的0.75mm的位置处。
腿61、62和桥63的高度(Z方向尺寸)大约是7.1μm。
此外，在这个实例中，滑动器11的高度(Z方向尺寸)是250μm。
优选的是，如图4所示，在桥63的整个长度上，桥在前端具有梯状凹槽64。这个梯状凹槽64的深度(Z方向尺寸)是1.0μm，宽度(X方向尺寸)是0.15mm。
图5A是在腿61截取的滑动器的纵向剖视图，图5B是从滑动器中心线截取的相似的剖视图。
剩余的滑动器的底面，即除腿61、62和桥63以外的底部被称为凹进的底面55。从实心块开始通过腐蚀掉它的一些部分(使用一种湿法蚀刻技术)而达到希望的深度，这样留下凹进的底面55，从而制造了示范的滑动器。尽管材料的选择不是主要的，但在本实例中材料是玻璃。实际上可以使用其它透明材料。可替换的方案是，如果有人希望使用不透明的材料，则该材料应该包括用于光学元件的透明窗。
滑动器还包含具有正方形结构(在X和Y方向)中心布置的岛状部分70。岛状部分70从凹进的底面55凸起并且具有与桥63和腿61、62相同的高度，以便使岛状部分70的底面和桥63以及腿61、62的底面处于同一XY平面内。岛状部分70长度(X方向尺寸)是0.5mm并且宽度(Y方向尺寸)是0.5mm。岛状部分70的中心C位于连接腿61、62的后端61R、62R的线上，与所述腿具有相同距离。
透镜(图4中没有示意)安装在滑动器上，它的光轴与岛状部分70的中心C重合并且焦点42(图2A)与岛状部分的面重合。因此，所述焦点和所述中心C重合。此外，这些图中示意了参考点PR，其位于岛状部分70的中心C后的0.22mm处。
滑动器11悬挂在(U型部分60在下方)位于前沿53和后沿54之间中途的悬挂点。使用的悬挂装置是一种“nanosuspension 850LSF”装置，作为一种标准元件产自Hutchinson Technology Company，Hutchinson，MN，USA。这种悬挂具有下述性质，在0.03到0.05N范围内加以说明：
-倾斜刚性＝2μNm/度
-轧辊刚性＝2.5μNm/度
-横向刚性＝12.5N/mm
设定该悬挂以施加0.03N的向下的力。
悬挂的滑动器放置在盘上方，并且盘以变化的速度旋转。在不同的位置测量滑动器的浮动高度。图6示意了测量结果。
在图6中，水平轴示意盘表面3相对于滑动器11的线速度。垂直轴示意在焦点C处测量的浮动高度HF(以LF线表示)和在参考点PR处测量的浮动高度HF(以LR线表示)。可以很清楚地看到，在焦点处测量的浮动高度在从3m/s到6m/s盘速的整个范围内基本上是恒定的(变化小于2.5％)。该3m/s到6m/s的盘速对应于在盘的内径和外径处的盘的正常速度。同样可以看到，在参考点PR处测量的浮动高度随着速度增大而减小，从而表明旋转轴PA位于焦点C。
尽管就特殊优选实施例而言详细地说明了本发明，但是应该很清楚本发明不限于这个实施例。相反地，变化和修改都可能落入在附属权利要求书中所限定的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于光学数据写/读装置的滑动器，在该滑动器上装有确定焦点的光学透镜；
该滑动器配有适用于悬挂于所述装置的臂上的弹性悬挂装置，该滑动器具有基本为水平方向的旋转轴，该旋转轴基本上位于穿过所述焦点的垂直平面内。
2.如权利要求1所述的滑动器，其中所述焦点重合于所述旋转轴上。
3.如权利要求1或2所述的滑动器，包括：
滑动器体；
从凹进的底面上凸起的为U形的凸起部分，该凸起部分包含沿着滑动器体侧边布置的两条腿，每条腿有一个前端和一个后端，该凸起部分还包括一个连接所述腿的前端的桥，该桥是沿着该滑动器体的前沿布置的；
从凹进的底面上凸起的岛状部分，该岛状部分的中心位于连接腿的后端的线上，该中心与各条腿之间的距离相等；
其中所述焦点与所述岛状部分的中心重合。
4.如权利要求3所述的滑动器，其中岛状部分具有与桥和腿相同的高度，以便使岛状部分的底面和桥的底面以及腿的底面在同一平面内。
5.如权利要求4所述的滑动器，其中所述岛状部分的所述中心与所述岛状部分的所述底面重合。
6.如权利要求3所述的滑动器，其中桥在它的前端具有一个梯状凹槽。
7.如权利要求6所述的滑动器，其中所述梯状凹槽在对应于该桥的长度的距离上延伸。
8.如权利要求3所述的滑动器，其中桥和腿都具有矩形的剖面。
9.如权利要求3所述的滑动器，其中岛状部分具有正方形的结构或形状。
10.一种光学数据写/读装置，其包含用来扫描盘表面的扫描装置，所述扫描装置包含如权利要求1至9中任一项所述的滑动器。
11.如权利要求10所述的装置，所述扫描装置进一步包含：
用于使盘旋转的盘旋转装置，该盘旋转装置定义一个旋转中心；
用于相对于盘来定位滑动器的定位装置，该定位装置包含用于悬挂滑动器的臂；
用于在与连接旋转中心和焦点的径向线相平行的方向上移动装有扫描头的臂的臂移位装置。
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