JP4897049B2 - 記録媒体駆動装置および摩擦特性測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転する記録媒体に対して情報を読み書きする記録媒体駆動装置および記録媒体とヘッドとの摩擦特性を測定する摩擦特性測定方法に関し、特に、記録媒体とヘッドとが接触するコンタクト記録方式の記録媒体駆動装置および摩擦特性測定方法に関する。

ＨＤＤ（Hard Disk Drive：ハードディスクドライブ）に代表される磁気ディスク装置等の記録媒体駆動装置において、記録密度を向上させるためには、磁気ヘッドの浮上量を極力小さくすることが必要である。ところが、この浮上量は、すでに１０ｎｍ以下に突入しており、種々のばらつきに対するマージンを確保した上で更に浮上量を下げることは次第に困難となりつつある。このようなことを背景に、磁気ヘッドと磁気ディスクを常時接触摺動させるコンタクト記録方式が以前より提案されている。

空気圧を利用した浮上型スライダーを用いるこれまでのＨＤＤと比べた場合、コンタクト記録においては、安定な記録再生や長期の寿命を確保するために、磁気ヘッドと磁気ディスクとの間の過度な吸着状態や、スティックスリップ状態、跳躍状態を避けたり、また、摩耗を低減したりすることが必須の課題となる。そのためには、摩擦特性を磁気ディスク装置内で随時モニターし、押し付け荷重等をコントロールすることによって、摩擦状態を好ましい状態に保ったり、可変範囲を超えた場合には、上位のシステムにアラームを発したりすることが必要である。

摩擦特性測定の課題のひとつは、サスペンション等によって掛けた押し付け荷重以外に、磁気ヘッドと磁気ディスクとの間に、メニスカス力や分子間力などの吸着力が作用するため、単に面内力を測定しただけでは真の摩擦係数が求まらないことである。

また、磁気ディスク装置内で面内力を正確に測定する方法も十分には提供されていなかった。
一般に、センサー等を用いて摩擦力を感度よく測定しようとすると、その力の方向にある程度のバネ性を持たせて力による変位を起こさせる必要があるため、周囲に比べて剛性の低い部分を設ける必要がある。磁気ディスク装置において、磁気ディスクの摺動方向に剛性の低い部分を設けると、ライトおよびリード信号の時間軸方向の変動が生じるので、正確な読み書きが阻害されることになる。

本発明の目的は、磁気ディスク装置内にＬＤＶ（Laser Doppler Velocimeter：レーザードップラー速度計）等の大掛かりな装置を必要とせず、ヘッド支持機構の剛性を犠牲にすることもなく、磁気ディスク装置内で磁気ヘッドと磁気ディスクとの間に作用する摩擦力を測定するとともに、垂直抗力から吸着力を分離し、真の摩擦係数を測定するための記録媒体駆動装置および摩擦特性測定方法を提供することにある。

実施形態によれば、記録媒体駆動装置は、回転する記録媒体に接触しながら情報を読み書きするヘッド素子と、前記ヘッド素子を前記記録媒体に接触させるための押付力を付与するヘッドサスペンションと、前記ヘッド素子を前記記録媒体の半径方向へ移動させるための駆動力を発生するボイスコイルモータと、前記ヘッド素子が読み取った情報に基づいて前記記録媒体のトラックに対する前記ヘッド素子の位置情報を検出するヘッド素子位置情報検出手段と、前記ヘッド素子位置情報検出手段によって検出した位置情報に基づいて前記ボイスコイルモータが発生する駆動力を制御することにより前記ヘッド素子を前記トラック上へ移動させる制御手段と、前記ヘッド素子が前記記録媒体の半径方向で振動するように前記ボイスコイルモータを制御するボイスコイルモータ制御手段と、前記ボイスコイルモータが前記ヘッド素子を前記記録媒体の半径方向に振動させた場合に、振動させるために発生された前記ボイスコイルモータの駆動力と前記ヘッド素子位置情報検出手段によって検出した位置情報とに基づいて、前記記録媒体と前記ヘッド素子との間に発生する摩擦力を算出する摩擦特性算出手段とを備え、前記ボイスコイルモータ制御手段は、前記ヘッド素子を前記記録媒体の半径方向へ移動させるためのサーボ帯域を越える高い測定用周波数で前記ボイスコイルモータを制御する構成である。

本発明を適用した記録媒体駆動装置および摩擦特性測定方法における測定原理を説明するための図である。 本発明を適用した記録媒体駆動装置および摩擦特性測定方法で求めることができる摩擦係数を示す図である。 本発明を適用した実施の形態を示すブロック図である。 本発明を適用した記録媒体駆動装置および摩擦特性測定方法の動作を説明するための図である。

以下、図面に基づいて本発明を適用した実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した記録媒体駆動装置および摩擦特性測定方法における測定原理を説明するための図である。

図１において、本発明が適用される磁気ディスク装置等の記録媒体駆動装置は、情報が記録された磁気ディスク媒体等の記録媒体１０に情報を書き込む、又は記録媒体１０から情報を読み取る磁気ヘッド等のヘッド素子２１を備えている。このヘッド素子２１は、ヘッドスライダー２２に搭載されている。

ヘッド素子２１が記録媒体１０に情報を読み書きする場合、記録媒体１０とヘッドスライダー２２とは例えば周速数十（ｍ／ｓ）で摺動状態となっている。ヘッドスライダー２２に対しては、図示しないヘッドサスペンションによって下向きの力Ｆが働き、この力Ｆでヘッドスライダー２２が記録媒体１０に押し付けられている。ヘッドサスペンションには、更に図示しないピエゾアクチュエータが搭載されており、ヘッドサスペンション自体による静的な押し着け力Ｆ_sに加えて、ピエゾアクチュエータに印加する電圧Ｖ_pに比例して、ｋ_p×Ｖ_pの力が重畳されている。すなわち、Ｆ＝Ｆ_s＋ｋ_p×Ｖ_pの関係がある。また、ヘッド素子２１の近傍においては、潤滑剤のメニスカス力や分子間力等の吸引力Ｆaが下向きに作用している。

更に、ヘッドスライダー２２の中でも記録媒体１０と接触していない部分では、空気流の作用によって上向きに空気力Ｆ_airが作用している。空気力Ｆ_airの内訳は、上向きの正圧と下向きの負圧があり、空気力Ｆ_airはその合力を示すものである。これらを考慮すると、接触している部における垂直抗力ＮはＮ＝Ｆ＋Ｆ_a−Ｆ_air＝Ｆ_s＋Ｆ_a−Ｆ_air＋ｋ_p×Ｖ_pとなる。この式の右辺のうちのＦ_s、Ｆ_a、Ｆ_airはＤＣ的な値であり、ｋ_p×Ｖ_pは、Ｖ_pの与え方によってはＡＣ的または階段関数的にすることも可能である。摩擦力をＦ_f、摩擦係数をμとすると、Ｆ_f＝μＮの関係がある。ＶpをＡＣ的または階段関数的に与え、Ｆ_fのＡＣ成分との関係において、ＤＣ的な吸引力Ｆ_aを除外した真の摩擦係数μを求めることができる。

ところで、このＦ_fは、主たる摺動方向である記録媒体１０の回転方向に発生するとともに、ヘッドスライダー２２を、データトラック１１をよぎる方向に駆動する際には、データトラック１１をよぎる方向にも作用すると考えられる。ヘッドスライダー２２をよぎる方向であれば、支持機構の一部に剛性を下げた部分を設けて、センサー等による力を測定する代わりに、記録媒体１０上に書かれた位置誤差信号を利用することにより行なうことが可能である。

次に、データトラック１１をよぎる方向の摩擦力の測定方法について説明する。
今、ヘッドスライダー２２は、図示されないＶＣＭ（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ）を用いて、データトラック１１上にサーボ制御でオントラックされているものとする。サーボ系で制御可能なサーボ帯域を越える周波数ｆ_dの電流ｉ_dをＶＣＭに重畳したとすると、掛けた電流に比例したトルクｋ_T×ｉ_dが発生する。ここで、ｋ_Tは、トルク定数であり、例えば５０（ｍＮｍ／Ａ）程度である。

ＶＣＭの回転中心からヘッド素子２１までの距離をＲとすると、摩擦力Ｆ_fによる摩擦トルクはＦ_f×Ｒである。ヘッドスライダー２２の慣性モーメントにＶＣＭ等のヘッド支持機構の慣性モーメントを合算したものをＪとすると、β＝（ｋ_T×ｉ_d−Ｆ_f×Ｒ）／Ｊの角加速度を生ずる。ヘッド素子２１の位置における変位ｘ_dは、ｘ_d＝（Ｒ／Ｊ）×∫∫（ｋ_T×ｉ_d−Ｆ_f×Ｒ）ｄｔ²であり、駆動電流を周波数ｆ_dの正弦波とすると、ｘ_ｄ、ｉ_ｄ、Ｆ_ｆの振幅｜ｘ_ｄ｜、｜ｉ_ｄ｜、｜Ｆ_ｆ｜の関係は、｜ｘ_d｜＝（Ｒ／Ｊ）×［ｋ_T×｜ｉ_d｜−Ｒ×｜Ｆ_f｜］／（２πｆ_d）²であり、下記のように｜ｘ_d｜から｜Ｆ_f｜を求めることが出来る。
｜Ｆ_f｜＝ｋ_T×｜ｉ_d｜／Ｒ−｜ｘ_d｜（２πｆ_d）²×Ｊ／Ｒ²
図２は、本発明を適用した記録媒体駆動装置および摩擦特性測定方法で求めることができる摩擦係数を示す図である。

図１を用いて説明したようにして求めたＦ_fを、押し付け力を変更させながら測定すると、図２に示すように、押し付け力の変更分と、Ｆ_fの変化分の比率からμを求めることができる。

以上の説明が本発明を適用した記録媒体駆動装置および摩擦特性測定方法における摩擦特性測定の原理である。本原理は、本願の出願人により日本国特許庁に特許出願した先の特許出願である特願平１０−２３５５４４号（日本国特許公開公報特開２０００−６５７２０号公報）に類似するものであり原理そのものは本願に援用可能であるが、適用される対象は異なるものである。すなわち、先の特許出願に開示した発明は、駆動手段として、ヘッドスライダー内に静電ＭＥＭＳ機構を必要としたり、変位の測定にＬＤＶ（レーザードップラー振動計）を用いたりすることを前提としており、本発明を適用することが可能な磁気ディスク装置等の記録媒体駆動装置内での実現には適さないものである。また、本願においては、主たる摺動方向とは異なる、データトラック１１をよぎる方向の変位を用いることにより、磁気ディスク装置等の記録媒体駆動装置内での実現を容易としたものである。

図３は、本発明を適用した実施の形態を示すブロック図である。
図３に示したブロック図を用いて本発明を適用した摩擦特性測定方法を説明する。本発明を適用した摩擦特性測定方法は次の工程から成っている。
（１）位置決めサーボにより、ヘッド素子２１をデータトラック１１上に位置決めする工程。
（２）データトラック１１上で、サーボ帯域を越える周波数でヘッド素子２１を記録媒体１０の面内に往復運動させる駆動力を印加する工程。好ましくはＶＣＭ２６に高周波信号を重畳させる。
（３）上記周波数成分の移動変位を測定する工程。好ましくは、ヘッド素子２１の位置信号を用いる。
（４）前記（１）の駆動力と（３）の移動変位との関係から、ヘッド素子２１と記録媒体１０との間に作用する摩擦力を算出する工程。
（５）さらに、前記（２）乃至（４）の工程を、ヘッドサスペンション２３などによって記録媒体１０に垂直な荷重を変更させて繰り返す工程。好ましくは、ヘッドサスペンション２３に設けられたピエゾアクチュエータ等の荷重制御アクチュエータ２５により、垂直荷重を変更させる。
（６）前記（５）において、垂直荷重の変更分と摩擦力の変更分から摩擦係数を求める工程。
（７）前記（５）において、摩擦力のＤＣ成分から、バネ荷重、空気力等既知の垂直荷重を差し引くことにより、吸着力を求める工程。

より具体的には、まず、ヘッドスライダー２２に搭載された磁気ヘッド等のヘッド素子２１により、記録媒体１０のデータトラック１１上に記録された情報（磁気情報）を読み取る。そして、記録媒体１０に記録されている情報を用いてトラックセンサーからの位置ずれに応じた信号を発生する位置復調器２７により情報を復調し、制御器２８によりＶＣＭ２６に流す電流を制御するサーボ系により、ヘッドスライダー２２をデータトラック１１上にオントラックさせておく。位置復調器２７による位置復調はサーボ帯域を超える所定の周波数まで帯域があるものとする。

摩擦特性測定器３１は、ＶＣＭ２６に重畳させるための、サーボ帯域を越える周波数の測定用電流を出力する。これにより、ヘッドスライダー２２はデータトラック１１をよぎる方向に微小変位で加振される。位置復調器２７では、測定用電流に対応する振動振幅を測定し、摩擦特性測定器３１に返す。摩擦特性測定器３１では、重畳した電流とその周波数に対応した振動振幅の関係から摩擦力を算出する。この際、電流増幅器２９とＶＣＭ２６の間に電流検出器３０を設け、実際に流れた電流をモニターしてもよい。測定用電流と振動振幅との関係は図４に示したようになる。図４には、押し付け力の変化分が正の場合を示してある。

このようにして、ある押し付け力状態において、データトラック１１をよぎる方向の摩擦力を求めることができる。
摩擦特性測定器３１は更に、ヘッドサスペンション２３上に設けられた荷重制御アクチュエータ２５に電圧を印加し、押し付け荷重を変更する。そして、その荷重状態に対応した摩擦力を同様の方法で測定する。この工程を繰返し、図２に示したような関係を導き、摩擦係数を算出する。また、確定した摩擦係数の値を用いて、未知数であった吸着力を求めることができる。

すなわち、本発明が適用される記録媒体駆動装置は、情報が書かれ回転するディスク媒体等の記録媒体１０から情報を読み取る例えばＨＤＤ等のディスク装置である。前記ディスク装置は、記録媒体１０上に書かれた情報を読み書きするヘッド素子２１と、ヘッド素子２１を搭載するヘッドスライダー２２と、前記ヘッドスライダー２２を支持し、前記ヘッドスライダー２２に前記記録媒体１０の方向への押し付け力を与えるヘッドサスペンション２３と、前記ヘッドサスペンション２３を保持するヘッドアーム２４と、前記ヘッドアーム２４を保持し、前記ヘッドスライダー２２を前記記録媒体１０の半径方向に移動させるトルクを発生するＶＣＭ２６と、前記読み取った情報から前記ヘッド素子２１の位置情報を復調する位置復調器２７と、前記位置情報から前記ＶＣＭ２６を制御する制御器２８と、前記制御器２８からの出力に応じた電流を前記ＶＣＭ２６に印加する電流増幅器２９を含む。

そして、前記ディスク装置において、前記ヘッドスライダー２２を任意のデータトラック１１上に位置決めする工程と、前記ＶＣＭ２６を制御する制御系のサーボ帯域を越える高い測定用周波数で前記ヘッド素子２１を、前記記録媒体１０上にほぼ同心状に設けられた任意のデータトラック１１上で、前記データトラック１１をよぎる方向に力もしくはトルクを与えて振動させる工程と、前記測定用周波数に対応した前記ヘッドスライダー２２の面内振動変位を検出する工程と、前記力もしくはトルクと前記面内振動変位の関係から前記記録媒体１０と前記ヘッドスライダー２２間に作用する摩擦力の大きさを算出する工程とを実行する。

さらに、前記ディスク装置は、前記ヘッドサスペンション２３の押し付け荷重を変更させる手段を備え、前記押し付け荷重を、所定の時間間隔で段階的に変更させる工程を実行する。そして、各押し付け荷重において、前述の摩擦力の測定を実施する工程と、隣接する押し付け荷重の変更量を取得する工程と、前記隣接する押し付け荷重に対応する摩擦力の変更量を取得する工程と、前記押し付け力の変更量と前記摩擦力の変更量の比率より摩擦係数を算出する工程とを実行する。

さらに、前記ディスク装置は、前記摩擦力を前記摩擦係数で除し、実効的な垂直抗力を算出する工程を実行する。
さらに、前記ディスク装置は、前記実効的な垂直抗力から前記変更前のバネ荷重および既知の垂直荷重を減じ、前記記録媒体１０と前記ヘッドスライダー２２との間に作用する吸着力を算出する工程を実行する。

また、前記ディスク装置は、前述の摩擦力測定工程において、前記力またはトルクを概ね正弦波とし、前記振幅と前記ヘッド素子２１の振動振幅とを検出する手段を備え、これらの振幅に基づいて摩擦力を求めることも可能である。

また、前記ディスク装置は、前述の摩擦力測定工程において、前記ヘッドサスペンション２３上にピエゾ素子を設け、前記ピエゾ素子への電圧印加により、前記押し付け荷重を変更させることも可能である。

また、前記ディスク装置は、前述の摩擦力測定工程において、荷重制御アクチュエータ２５の代わりに、前記記録媒体１０の幾何学的なうねりによる面振れによって受動的に起こる荷重変動を利用し、前記ヘッドサスペンション２３に設けられたピエゾセンサーまたは歪みゲージ等の加重変動測定手段からの出力により、前記荷重変動を推定することにより、前記押し付け力の変更を実行することも可能である。

さらに、前記ディスク装置は、既知の垂直荷重として、記録媒体１０の回転に伴う空気流により、記録媒体１０とヘッドスライダー２２の間に生ずる正圧又は負圧による空気力を予め算出しておき、この空気力を既知の垂直荷重として減ずることにより前記吸着力の算出を実行することも可能である。

以上説明してきたように、本発明を適用することにより、磁気ディスク装置等の記録媒体駆動装置の内部にＬＤＶ等の大掛かりな装置を必要とせず、ヘッドアーム２４等のヘッド支持機構の剛性を犠牲にすることもなく、記録媒体駆動装置で磁気ヘッド等のヘッド素子２１と磁気ディスク等の記録媒体１０との間に作用する摩擦力を測定するとともに、垂直抗力から吸着力を分離し、真の摩擦係数を測定することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明してきたが、本発明は、以上に述べた実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または形状を取ることができる。

Claims (14)

1. 回転する記録媒体に接触しながら情報を読み書きするヘッド素子と、
   前記ヘッド素子を前記記録媒体に接触させるための押付力を付与するヘッドサスペンションと、
   前記ヘッド素子を前記記録媒体の半径方向へ移動させるための駆動力を発生するボイスコイルモータと、
   前記ヘッド素子が読み取った情報に基づいて前記記録媒体のトラックに対する前記ヘッド素子の位置情報を検出するヘッド素子位置情報検出手段と、
   前記ヘッド素子位置情報検出手段によって検出した位置情報に基づいて前記ボイスコイルモータが発生する駆動力を制御することにより前記ヘッド素子を前記トラック上へ移動させる制御手段と、
   前記ヘッド素子が前記記録媒体の半径方向で振動するように前記ボイスコイルモータを制御するボイスコイルモータ制御手段と、
   前記ボイスコイルモータが前記ヘッド素子を前記記録媒体の半径方向に振動させた場合に、振動させるために発生された前記ボイスコイルモータの駆動力と前記ヘッド素子位置情報検出手段によって検出した位置情報とに基づいて、前記記録媒体と前記ヘッド素子との間に発生する摩擦力を算出する摩擦特性算出手段とを備え、
   前記ボイスコイルモータ制御手段は、前記ヘッド素子を前記記録媒体の半径方向へ移動させるためのサーボ帯域を越える高い測定用周波数で前記ボイスコイルモータを制御する記録媒体駆動装置。
2. さらに、前記ヘッドサスペンションが付与する押付力を変更する押付力変更手段を備え、
   前記摩擦特性算出手段は、
   前記押付力変更手段によって押付力が段階的に変更させられた場合に各押付力における摩擦力を算出し、前記押付力の変更量と前記摩擦力の変化量とに基づいて摩擦係数を算出する請求項１に記載の記録媒体駆動装置。
3. 前記摩擦特性算出手段は、
   前記摩擦力を前記摩擦係数で除算することにより前記ヘッド素子と前記記録媒体との間に発生する垂直抗力を算出する請求項２に記載の記録媒体駆動装置。
4. 前記摩擦特性算出手段は、
   前記垂直抗力と前記押付力とに基づいて前記ヘッド素子と前記記録媒体との間に発生する吸着力を算出する請求項３に記載の記録媒体駆動装置。
5. 前記押付力変更手段は、
   前記ヘッドサスペンションに設けられたピエゾ素子への電圧印加により前記押付力を変更させるアクチュエータである請求項２乃至４の何れか１項に記載の記録媒体駆動装置。
6. さらに、前記ヘッドサスペンションに設けられ、前記記録媒体の幾何学的なうねりによる面振れによって受動的に起こる荷重変動を測定する荷重変動測定手段を備え、
   前記押付力変更手段は、
   前記荷重変動測定手段によって測定した荷重変動に基づいて前記押付力を変更させる請求項２乃至４の何れか１項に記載の記録媒体駆動装置。
7. 前記摩擦特性算出手段は、
   前記垂直抗力と前記押付力とに基づいて算出した吸着力から前記記録媒体の回転に伴う空気流によって前記記録媒体と前記ヘッド素子との間に生ずる空気力を減算する請求項４に記載の記録媒体駆動装置。
8. 回転する記録媒体に接触しながら情報を読み書きするヘッド素子と、
   前記ヘッド素子を前記記録媒体に接触させるための押付力を付与するヘッドサスペンションと、
   前記ヘッド素子を前記記録媒体の半径方向へ移動させるための駆動力を発生するボイスコイルモータと、
   前記ヘッド素子が読み取った情報に基づいて前記記録媒体のトラックに対する前記ヘッド素子の位置情報を検出するヘッド素子位置情報検出手段と、
   前記ヘッド素子位置情報検出手段によって検出した位置情報に基づいて前記ボイスコイルモータが発生する駆動力を制御することにより前記ヘッド素子を前記トラック上へ移動させる制御手段とを備えた記録媒体駆動装置において実行される摩擦特性測定方法であって、
   前記ヘッド素子が前記記録媒体の半径方向で振動するように前記ボイスコイルモータを制御し、
   前記ボイスコイルモータが前記ヘッド素子を前記記録媒体の半径方向に振動させた場合に、振動させるために発生された前記ボイスコイルモータの駆動力と前記ヘッド素子位置情報検出手段によって検出した位置情報とに基づいて、前記記録媒体と前記ヘッド素子との間に発生する摩擦力を算出し、
   前記ボイスコイルモータの制御は、前記ヘッド素子を前記記録媒体の半径方向へ移動させるためのサーボ帯域を越える高い測定用周波数で前記ボイスコイルモータを制御する摩擦特性測定方法。
9. 前記記録媒体駆動装置は前記ヘッドサスペンションが付与する押付力を変更する押付力変更手段を備え、
   前記摩擦特性の算出は、
   前記ヘッドサスペンションが付与する押付力を段階的に変更し、各押付力における摩擦力を算出し、前記押付力の変更量と前記摩擦力の変化量とに基づいて摩擦係数を算出する請求項８に記載の摩擦特性測定方法。
10. 前記摩擦特性の算出は、
    前記摩擦力を前記摩擦係数で除算することにより前記ヘッド素子と前記記録媒体との間に発生する垂直抗力を算出する請求項９に記載の摩擦特性測定方法。
11. 前記摩擦特性の算出は、
    前記垂直抗力と前記押付力とに基づいて前記ヘッド素子と前記記録媒体との間に発生する吸着力を算出する請求項１０に記載の摩擦特性測定方法。
12. 前記押付力の変更は、
    前記ヘッドサスペンションに設けられたピエゾ素子への電圧印加により前記押付力を変更させるアクチュエータで実行される請求項９乃至１１の何れか１項に記載の摩擦特性測定方法。
13. 前記記録媒体駆動装置は、前記ヘッドサスペンションに設けられ、前記記録媒体の幾何学的なうねりによる面振れによって受動的に起こる荷重変動を測定する荷重変動測定手段をさらに備え、
    前記押付力の変更は、
    前記荷重変動測定手段によって測定した荷重変動に基づいて前記押付力を変更させる請求項９乃至１１の何れか１項に記載の摩擦特性測定方法。
14. 前記摩擦特性の算出は、
    前記垂直抗力と前記押付力とに基づいて算出した吸着力から前記記録媒体の回転に伴う空気流によって前記記録媒体と前記ヘッド素子との間に生ずる空気力を減算する請求項１１に記載の摩擦特性測定方法。

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