JP5473126B2

JP5473126B2 - 磁気ヘッド駆動装置およびそれを用いた磁気ディスク装置

Info

Publication number: JP5473126B2
Application number: JP2009281627A
Authority: JP
Inventors: 健治鈴木; 真介中川; 利彦清水; 英司曽我; 隆明出口; 睦郎太田
Original assignee: エイチジーエスティーネザーランドビーブイ
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2029-12-11
Also published as: US20110141614A1; US8699166B2; JP2011123960A

Description

本発明は、磁気ディスク装置におけるマイクロアクチュエータを搭載した磁気ヘッド駆動装置に関する。

磁気ディスク装置の記録密度の向上に伴い、磁気ヘッドの位置決め精度の向上が必要となっており、磁気ディスク装置内の流体加振力低減による外乱低減やアクチュエータの制御帯域の向上による外乱抑制により、位置決め精度の向上を図っている。従来のアクチュエータの位置決め機構は、ボイスコイルモータのコイルに電流を印加することで、アクチュエータ先端の磁気ヘッドを回転駆動して所定の位置決めを行なう機構であった。ボイスコイルモータによるヘッド位置決め系において、制御帯域はアクチュエータの主共振周波数に起因するところが大きいため、大幅な制御帯域向上は困難となってきており、アクチュエータ先端に搭載したピエゾ素子を駆動するマイクロアクチュエータを適用すべく、様々な研究がなされてきた。

マイクロアクチュエータのピエゾ素子の駆動方法として、特許文献１（以後、第一の従来例と称する）に開示される磁気ヘッド位置決め機構が挙げられる。第一の従来例の図１に示すように、第一の従来例は、アーム先端のピエゾ素子をアーム上下に取り付けて、上下のピエゾ素子を逆方向に駆動することで、ピエゾ素子による磁気ヘッドの駆動反力で生じるアームの振動をキャンセルすることにより、アーム単体に生じるアームの振動を抑制することができる。

また、特許文献２（以後、第二の従来例と称する）には、アクチュエータに生じる、ピエゾ素子による加振力を除去するように、制御対象となるマイクロアクチュエータ以外のマイクロアクチュエータを制御させる励振制御部を有する磁気ディスク装置が開示されている。第二の従来例の図１２に示すように、アーム上下のマイクロアクチュエータを反対に駆動する制御部を有することにより、ピエゾ素子の駆動反力で生じるアームの振動をアーム単体でなく、アクチュエータ全体で低減することができる。

特開２０００-２６０１４０号公報特開２００２-７４８７２号公報

第二の従来例による駆動機構は、アクチュエータに生じる、ピエゾ素子による加振力を除去するように、制御対象となるマイクロアクチュエータ以外のマイクロアクチュエータを制御させる励振制御部を設けて、ピエゾ素子の駆動反力で生じるアームの振動を低減する機構である。しかし、上下二枚のディスク間に挟まれたアーム(以下、中間アームと称する)はアーム先端に上下二つのピエゾ素子を有するのに対して、アーム上下一方にディスクが存在するアーム(以下、両端アームと称する)には一つのピエゾ素子しかないため、中間アームと両端アームで、ピエゾ素子駆動によるヘッドの周波数応答が大きく異なる。中間アームと両端アームとでピエゾ素子駆動をしたときのヘッドの周波数応答が大きく異なると、両端アームと中間アームの二つの異なる周波数応答に対応できるようにコントローラを設計する必要があるため、コントローラのノッチフィルタによる位相ロスが大きくなってしまう。そのため、両端アームと中間アームとで周波数特性が異なることは好ましくない。

この第二の従来例の課題に対して、第一の従来例は、中間アームだけでなく、両端アームの先端に二つのピエゾ素子を有するサスペンションを取り付け、二つのピエゾ素子を反対方向に駆動することで、ピエゾ素子の駆動反力を打消しあい、アームの振動モードの励起を低減する構造である。しかし、駆動反力を低減することでアームの振動を抑制することができるとともに、両端アームの周波数特性を中間アームの周波数特性に近づけることができるが、アームの振動を完全に抑えることは困難である。その理由として、３つの理由がある。

まず、アクチュエータ全体の振動モードを打ち消しあうことができないことが挙げられる。第一の従来例のように、両端アームにダミーアクチュエータを取り付けることで、アーム単体の振動モードの励起は抑えることができるが、アクチュエータ全体の変形を伴う、倒れのモードや複数のアームが連成したモードの励起は抑えることができない。

第２の理由は、両端アームにダミーアクチュエータを取り付けても、一方のピエゾ素子を有するサスペンション先端のスライダは磁気ディスク面上を浮上しているが、もう一方のダミーアクチュエータは磁気ディスク上を浮上していないため、二つのアクチュエータの動特性は一致せず、完全にピエゾ素子の駆動反力を打消しあうことはできない。

第３の理由は、アームの振動モードが純粋な面内振動だけであれば、完全に抑えることができるが、アームの振動モードは面内振動だけでなく、捩じりの面外振動を含み、また、面外振動を含むアームの振動モードは複数存在するためである。

また、第一の従来例は、ピエゾ素子を付けたダミーアクチュエータが必要であるため、コストという面からも、好ましくない。

以上の理由から、第一の従来例では、複数の振動モードが励起されてしまい、複数のアームの振動モードを抑える幅広いノッチフィルタを必要とし、制御コントローラの位相ロスが生じてしまい、制御系の安定が失われてしまう。そのため、ピエゾ素子の駆動反力で励起されるアームの振動モードの個数を減らし、かつ両端アームと中間アームの周波数特性を同じにすることで、ノッチフィルタの幅を狭めることが高精度な位置決めに必要となる。

また、マイクロアクチュエータの搭載で制御帯域を向上することができるため、低域のトルクノイズやディスクフラッタなどの低周波領域の外乱は抑圧できるが、制御帯域以上の周波数のアーム振動によるアームフラッタの位置決め誤差振動は抑圧できない。マイクロアクチュエータを搭載した磁気ディスク装置の位置決め精度向上のためには、アームフラッタによる位置決め誤差振動を低減することも重要である。

本発明の目的は、励起されるアームモードの数を一つにし、さらには、すべてのヘッドの励起されるアームモードの周波数応答を同位相にすることで、制御コントローラの位相ロスを減らし、制御系の安定を確保した高精度の位置決め精度を可能とする磁気ヘッド駆動装置を提供することにある。

これらの課題を解決するために、本発明の磁気ヘッド駆動装置は、磁気ディスク面上に情報の記録、再生を行なう磁気ヘッドを支持するサスペンションと、サスペンションを微小移動させるマイクロアクチュエータと、マイクロアクチュエータを支持し、アクチュエータ端部に設置したコイルに電流を印加することで、磁気ヘッドを回転移動するメインアクチュエータを有する磁気ヘッド駆動装置において、前記メインアクチュエータは、前記メインアクチュエータの両端部にあり、一つのマイクロアクチュエータを有する両端アームと、前記メインアクチュエータの中間部にあり、二つのマイクロアクチュエータを有する中間アームとで構成され、前記両端アームのマイクロアクチュエータどうしは同方向に駆動し、前記中間アームのマイクロアクチュエータは前記両端アームのマイクロアクチュエータの駆動方向と反対方向に駆動することを特徴とするものである。

本発明の磁気ヘッド駆動装置において、前記メインアクチュエータを構成するアームは、複数の中間アームと複数の両端アームとで構成されるものでよい。
また、本発明の磁気ヘッド駆動装置において、前記メインアクチュエータを構成するアームは、２本の中間アームと２本の両端アームとで構成されるものでよい。
また、本発明の磁気ヘッド駆動装置において、前記メインアクチュエータを構成するアームは、１本の中間アームと２本の両端アームとで構成されるものでよい。
また、本発明の磁気ヘッド駆動装置において、前記マイクロアクチュエータは、ピエゾ素子で駆動されるものでよい。

また、本発明の磁気ヘッド駆動装置において、マイクロアクチュエータを駆動する制御回路を有し、当該制御回路は、ノッチフィルタによるゲイン安定制御を行うものでよい。
また、本発明の磁気ヘッド駆動装置において、マイクロアクチュエータを駆動する制御回路を有し、当該制御回路は、励起されるアームモードを位相安定制御するものでよい。

本発明の磁気ディスク装置は、上記の磁気ヘッド駆動装置を用いたものである。

本発明により、マイクロアクチュエータを搭載する磁気ヘッド駆動装置の制御帯域向上の障害となる、アームモードに対応するノッチフィルタによる位相ロスを低減し、磁気ヘッドの高精度な位置決めを行なうことができる磁気ヘッド駆動装置を提供することができる。

本発明によるピエゾ素子の駆動方向を示す図。アクチュエータの構成図。ピエゾ素子によるヘッド駆動の説明図。第二の従来例による中間アームと両端アームの周波数応答の比較を示す図。第二の従来例による中間アームどうしの周波数応答の比較を示す図。第一、および、第二の実施例によって得られる周波数応答を示す図。第一の実施例によって得られる感度関数を示す図。第二の実施例によって得られる感度関数を示す図。磁気ディスク装置の概観図。

まず始めに、本発明の前提となる構成について説明する。図９は、磁気ディスク装置１の全体構成を示すものである。磁気ディスク装置１は、磁気情報を記録する磁気ディスク２と、磁気ディスク２を回転させるスピンドルモータ３と、また、磁気ディスク２面に対向して微小に浮上して磁気情報の読み取り、書き込みを行なう磁気ヘッド４と、磁気ヘッド４を先端に具備するアクチュエータ５を有する。また、スピンドルモータ３とアクチュエータ５を収納した筐体に対して、スピンドルモータ３やアクチュエータ５と対向する面にはスピンドルモータ３やアクチュエータ５の制御を行なうプリント回路基板が、ネジによって取り付けられている。

磁気ディスク装置１の起動時に、磁気ディスク２を支持するスピンドルモータ３が回転し、アクチュエータ５先端部の磁気ヘッド４が磁気ディスク２面上を微小に浮上して、磁気ディスク２の目標の半径方向に移動し、磁気ディスク２面上の所定のトラックに位置決めを行ない、情報の書き込みや読み出しを行なう。

アクチュエータの構成図を図２に示す。磁気ヘッド４の位置決めを行なうアクチュエータ５には、二つのヘッド位置決め機構があり、一つ目は、所定の回転モーメントを得るためにボイスコイルモータのコイル６に電流を印加して、磁気ヘッド４を回転移動するメインアクチュエータ７による位置決め機構であり、もう一つは、マイクロアクチュエータ８による位置決め機構である。

まず、メインアクチュエータ７は、ボイスコイルモータの回転部のコイル６と、コイル６を保持するコイルホルダー９、そして、先端のマイクロアクチュエータ８を支持するアーム１１で構成される。また、複数のアーム１１のうち、上下両端の両端アーム１２の先端には、一つのマイクロアクチュエータ８が接続しており、中間部にある中間アーム１３先端には、上下に二つのマイクロアクチュエータ８が接続している。ここで、マイクロアクチュエータ８先端の磁気ヘッド４の番号を下からヘッド０番からヘッド１番、ヘッド２番と順に定義する。ヘッド本数が６本のアクチュエータでは、ヘッド番号は５番まで存在する。

マイクロアクチュエータ８は、図３に示すように、メインアクチュエータ７のアーム１１先端の左右のピエゾ素子１４に異なる電圧を印加すると生じるピエゾ素子１４の変形により、サスペンション１０先端の磁気ヘッド４を移動させる。所定の磁気ヘッド４を位置決めするために、全てのピエゾ素子１４に電圧を印加するため、位置決めを行なわない磁気ヘッド４も揺動運動する。そのため、位置決めヘッドは、位置決めヘッド以外のピエゾ素子１４の変形やピエゾ素子１４の駆動反力によるアーム１１の振動の影響を受ける。第二の従来例は、ヘッド番号が奇数と偶数でヘッドの駆動方向を反対方向にすることで、ピエゾ素子１４の駆動反力を低減する機構である。

第二の従来例を用いた場合のアクチュエータのピエゾ素子駆動による周波数応答を図４と図５に示す。図４は、６本のヘッドのアクチュエータ５において、両端アーム１２(Head番号0)と中間アーム１３(Head番号1)のヘッドの周波数応答を比較したグラフである。また、図５は、中間アーム１３どうし(Head番号1,2)のヘッドの周波数応答を比較したグラフである。図４の７．５kHzに見えるモードは倒れモードと呼ばれるモードであり、ベースラインからゲインが持ち上がっている。倒れのモードは、両端アーム１２と中間アーム１３で位相が逆位相となっているため、ベースラインから持ち上がるゲインが幅広となる。そのため、対応するノッチフィルタの周波数範囲も広くなる。8.5kHzに小さなゲインが見えるモードは、アームモードと呼ばれるモードで、ピエゾ素子１４を駆動することによる駆動反力で励起されている。図４では、アームモードの位相は同位相であるため、ノッチフィルタの周波数範囲は小さいが、図５の中間アーム１３どうしの周波数応答では、アームモードは逆位相であるため、幅広い周波数をカバーするノッチフィルタが必要となる。よって、それぞれのモードで、全てのヘッドの位相が同位相であることは、安定な制御には必要である。

２２kHzにはサスペンション１０が大きく変形するサスペンションモードと呼ばれるモードが存在しており、両端アーム１２と中間アーム１３とでピエゾ素子駆動による周波数応答が大きく異なっていることが図４から分かる。中間アーム１２のピエゾ素子１４は、上下のピエゾ素子が逆方向に駆動するため、駆動反力を打ち消しあうことができるのに対して、両端アーム１２のピエゾ素子１４の駆動反力は打ち消しあうことはできないためである。つまり、第二の従来例では、８kHz付近に倒れモードを含む複数のアームモードを有すること、２０kHz付近で、両端アーム１２と中間アーム１３でサスペンションモードの周波数特性が異なるという二つの課題がある。第二の従来技術の課題に対して、第一の従来技術のように、両端アーム１２にダミーアクチュエータを設けることで、２０kHz付近のサスペンション１０のモードに関しては、両端アーム１２と中間アーム１３で周波数応答が同一となるため、位相ロスを低減することはできる。一方、８kHz付近のアームモードに関しては、面外振動の捩れモードや倒れモードを含む複数のアームモードが励起されるため、幅広い周波数でノッチフィルタを適用する必要があり、位相ロスが生じてしまう。

つまり、従来技術の課題を解決するためには、励起されるアームモードの数を一つに、もしくは、低減することが必要であり、さらに、適用するノッチフィルタでカバーする周波数の範囲を小さくするためには、励起されるアームモードにおいて、すべてのヘッドが同位相となる周波数応答にする必要がある。

以上の従来技術の課題を解決する本発明の第一の実施例について、図１を用いて以下で説明する。

第一の実施例について、従来例と同様に、磁気ディスク２の枚数が３枚で、磁気ヘッド４の本数が６本のアクチュエータ５で説明する。磁気ヘッド４の本数が６本であるため、両端アーム１２と中間アーム１３がそれぞれ２本ずつある。第一の実施例では、２本の両端アーム１２のピエゾ素子１４の駆動方向を同方向として、２本の中間アーム１３のピエゾ素子１４の駆動方向を、両端アーム１２とは反対方向とする。図１に駆動方向を示す。ピエゾ素子１４の駆動方向は、ピエゾ素子１４の上下面を変えることで、指定できる。また、ピエゾ素子１４の駆動方向は、制御回路を設け、プリアンプで駆動方向を切り替えても構わない。

中間アーム１３の上下のピエゾ素子１４駆動による磁気ヘッド４の周波数応答で、励起されるアームの振動モードを同位相にするためには、中間アーム１３の上下のピエゾ素子１４を同方向に駆動する必要がある。さらに、アームモードとは、アーム１１どうし、もしくは、アクチュエータ５でバランスをとるモードである。中間アーム１３どうしが逆位相に動くアームモードは、中間アーム１３どうしでバランスをとるため、両端アーム１２は大きく励起されない。両端アーム１２どうしが逆位相に動くアームモードも同様である。このことから、２本の中間アーム１３と２本の両端アーム１２をそれぞれ同じ方向に駆動し、中間アーム１３と両端アーム１２のピエゾ素子１４を反対方向に駆動することにより、一つのアームモードを同位相に励起できるため、ノッチフィルタの周波数の幅を小さくすることができる。第一の実施例による周波数応答を図６に示す。また、第一の実施例では、中間アーム１３の二つのピエゾ素子は同位相に駆動するため、２０kHzのサスペンションモードの周波数特性は、両端アーム１２と中間アーム１３で大きく異なることはなく、対応するノッチフィルタの幅を小さくすることができる。

励起されるアームモードの数が一つであること、かつ、励起されるアームモードの全てのヘッドが同位相であることで、ノッチフィルタによる位相遅れを低減できる。第一の実施例は、励起されるアームモードが一つ、かつ、同位相であるため、制御の方法として、ノッチフィルタによるゲイン安定制御を適用する。この制御は、制御回路により行われる。ゲイン安定制御以外にも、もう一つ制御方式が存在するが、以下の第二の実施例で説明する。

第一の実施例で示したノッチフィルタによるゲイン安定制御では、ノッチフィルタを適用する周波数の幅を小さくすることで位相ロスを減らすことができたが、第二の実施例は、励起されるアームモードを位相安定する制御方式とする。ピエゾ素子の駆動方式は、第一の実施例と同様に、２本の中間アーム１３と２本の両端アーム１２をそれぞれ同じ方向に駆動し、中間アーム１３と両端アーム１２のピエゾ素子１４を反対方向に駆動する。

位相安定制御の特徴は、励起されるアームモードが同位相であれば、励起されるアームモードのゲインに係らず制御が可能であり、さらに、位相安定制御を行なったモードの周波数での位置決め誤差振動を抑圧できることである。従来技術の課題で述べたように、マイクロアクチュエータ８の搭載で制御帯域を向上することができるため、低域のトルクノイズやディスクフラッタなどの低周波領域の外乱は抑圧できるが、制御帯域以上の周波数のアーム振動によるアームフラッタの位置決め誤差振動は抑圧できない。しかし、第二の実施例の位相安定制御で、マイクロアクチュエータ８を搭載した磁気ディスク装置の主な位置決め誤差振動であるアームフラッタによる位置決め誤差振動を抑圧できるため、本発明により、さらなる位置決め精度の向上が可能となる。

第一の実施例によって得られる感度関数の従来技術の感度関数との比較を図７に、第二の実施例によって得られる感度関数の従来技術の感度関数との比較を図８に示す。図７から、第一の実施例では、位相ロスを低減することで、特に２３００Hz付近に見られるように、低域の周波数帯で感度関数のゲインが下がっているため、安定な制御が可能となっているのが分かる。また、第二の実施例では、図８の８５００Hｚ付近に見られるように、感度関数がアームモードの周波数で0dB以下になっていることから、アームフラッタを抑圧できることが分かる。

第一、第二の実施例は、６本ヘッドのアクチュエータ５だけでなく、２枚の磁気ディスク２上下面に４本の磁気ヘッド４を有するアクチュエータ５にも適用可能であり、第二の実施例では、アームモードの全てのヘッドの位相が同位相であれば、近接するアームモードは一つでなくても構わない。

１ …磁気ディスク装置、２ …磁気ディスク、３ …スピンドルモータ、４ …磁気ヘッド、５ …アクチュエータ、６ …コイル、７ …メインアクチュエータ、８ …マイクロアクチュエータ、９ …コイルホルダー、１０ …サスペンション、１１ …アーム、１２ …両端アーム、１３ …中間アーム、１４ …ピエゾ素子。

Claims

磁気ディスク面上に情報の記録、再生を行なう磁気ヘッドを支持するサスペンションと、サスペンションを微小移動させるマイクロアクチュエータと、マイクロアクチュエータを支持し、アクチュエータ端部に設置したコイルに電流を印加することで、磁気ヘッドを回転移動するメインアクチュエータを有する磁気ヘッド駆動装置において、
前記メインアクチュエータは、前記メインアクチュエータの両端部にあり、一つのマイクロアクチュエータを有する両端アームと、前記メインアクチュエータの中間部にあり、二つのマイクロアクチュエータを有する中間アームとで構成され、
前記両端アームのマイクロアクチュエータどうしは同方向に駆動し、前記中間アームのマイクロアクチュエータは前記両端アームのマイクロアクチュエータの駆動方向と反対方向に駆動することを特徴とする磁気ヘッド駆動装置。
請求項１記載の磁気ヘッド駆動装置において、
前記メインアクチュエータを構成するアームは、複数の中間アームと複数の両端アームとで構成されることを特徴とする磁気ヘッド駆動装置。
請求項１記載の磁気ヘッド駆動装置において、
前記メインアクチュエータを構成するアームは、２本の中間アームと２本の両端アームとで構成されることを特徴とする磁気ヘッド駆動装置。
請求項１記載の磁気ヘッド駆動装置において、
前記メインアクチュエータを構成するアームは、１本の中間アームと２本の両端アームとで構成されることを特徴とする磁気ヘッド駆動装置。
請求項１記載の磁気ヘッド駆動装置において、
前記マイクロアクチュエータは、ピエゾ素子で駆動されることを特徴とする磁気ヘッド駆動装置。
請求項１または請求項５記載の磁気ヘッド駆動装置において、
マイクロアクチュエータを駆動する制御回路を有し、当該制御回路は、ノッチフィルタによるゲイン安定制御を行うことを特徴とする磁気ヘッド駆動装置。
請求項１または請求項５記載の磁気ヘッド駆動装置において、
マイクロアクチュエータを駆動する制御回路を有し、当該制御回路は、励起されるアームモードを位相安定制御することを特徴とする磁気ヘッド駆動装置。
請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載の磁気ヘッド駆動装置を用いた磁気ディスク装置。