JP5646435B2 - データストレージシステム、方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、データストレージシステム、方法および装置に関する。

背景
データストレージシステムは、一般に、情報を読取ったり情報を記録媒体に書込んだりする１つ以上の記録ヘッドを含む。しばしば、記録ヘッドとその関連する媒体との間に比較的狭い距離または間隔を設けることが望ましい。この距離または間隔は、「フライハイト（fly height）」または「ヘッドと媒体との間隔（head-to-media spacing）」として公知である。このヘッドと媒体との間隔を小さくすることにより、記録ヘッドは、通常、媒体からの読取および媒体への書込の両方をより適切に行なうことができる。
米国特許第７４７７４７０号明細書

ヘッドと媒体との間隔を小さくする能力を向上させ得る１つの要因として、ヘッドと媒体との間隔を決定または測定する能力、および、接触がいつ起こるかを検出する能力が挙げられる。たとえば、ヘッドと媒体との間隔を決定するためのより正確な、および／またはより再現性の高い方法では、ヘッドと媒体との間隔を縮めることが可能となり得る。ヘッドと媒体との間隔を測定しようとする従来の取組みには、記録ヘッドが記録媒体と物理的に接触させられるのに付随して増大する変動の検出が含まれていた。

概要
一実施例においては、データストレージシステムは、記録ヘッドおよび補償抵抗器を含む。記録ヘッドは加熱素子を備える。補償抵抗器は、加熱素子と電気的に直列であり、記録ヘッドの外部にある。

別の実施例においては、方法は、加熱素子を補償抵抗器に電気的に直列に接続するステップを含む。交流が加熱素子に印加される。加熱素子の両端の電圧降下が測定される。補償抵抗器の両端の電圧降下が測定される。補償抵抗器の両端の電圧降下が、加熱素子の両端の電圧降下から減じられる。

別の実施例においては、方法は、交流を第１の角周波数で記録ヘッドに印加するステップを含む。記録ヘッドの加熱素子の両端の電圧降下が測定される。電圧降下の成分が抽出される。成分は、第１の角周波数の周波数の３倍の周波数を有する。

さらに別の実施例においては、装置は磁気記録ヘッドを含む。磁気記録ヘッドは、磁気記録ヘッドと隣接する記録媒体との間において近接点の付近に位置する金属素子を含む。金属素子は、加熱素子と温度センサとの組合せとして機能する。

主張されている実施例を特徴付けるこれらおよび他のさまざまな特徴および利点は、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を検討することで明らかになるだろう。

ヘッド、加熱素子および補償抵抗器を備えた実施例を示す図である。 加熱素子を有する記録ヘッドを示す概略図である。 補償抵抗器と電気的に直列である加熱素子を示す概略図である。 加熱素子が記録媒体と接触していない場合の加熱素子の温度変動を示すグラフである。 加熱素子が記録媒体と接触している場合の加熱素子の温度変動を示すグラフである。 温度変動の振幅をヘッドと媒体との間隔の関数として示すグラフである。 加熱素子の温度変動を決定する方法を示すプロセスフロー図である。

詳細な説明
この開示の実施例は、データストレージシステムにおけるヘッドと媒体との間隔を測定または決定するのに有用であり得る装置および方法を含む。一実施例においては、記録ヘッドは、交流によって電力供給される加熱素子を含む。交流は、加熱素子の温度を変動させる。以下により詳細に説明するように、温度変動の振幅は、記録ヘッドとその関連する記録媒体との間の距離に依存している（すなわち、温度変動の振幅はヘッドと媒体との間隔に依存している）。たとえば、一実施例においては、記録ヘッドは、記録ヘッドがその記録媒体から離れている場合（すなわち、ヘッドと媒体との間隔が０よりも大きい場合）と比べて、その記録媒体と接触している（すなわち、ヘッドと媒体との間隔がゼロである）ときにより多くの熱を失う。これは、一例として、ヘッドと媒体との間隔がゼロよりも大きい場合に起こる固体と気体との接触とは対照的に、ヘッドと媒体との間隔が０である場合に起こる固体と固体との接触によって、熱がより高い速度で記録ヘッドから放散されてしまうことによるものである。熱損失に差があることで、結果として、加熱素子の両端における温度変動の振幅が異なってくる。少なくともいくつかの実施例においては、装置および方法は、温度変動の振幅を測定し、そして、この振幅を用いて記録ヘッドと媒体との間隔を決定することを可能にする。

図１は、この開示に従った、記録ヘッド１００および記録媒体１６０の断面を示す概略図である。記録ヘッド１００は例示的にはスライダによって担持され、媒体１６０は例示的には記憶媒体である。図１は、記録ヘッドのうちいくつかの構成要素の断面図だけを示す簡略図である。当業者であれば、記録ヘッドが、概して、絶縁材料、読取／書込素子および電気接続点などの他の構成要素を含むがこれらに限定されないことを認識するだろう。

記録ヘッド１００は、任意には、導体１０４を介して電流または電力を受取る加熱素子１０２を含む。加熱素子１０２は、例示的には、電流が素子を通ると熱を発生させる抵抗ヒータである。しかしながら、加熱素子１０２は、特定の如何なるタイプの加熱素子にも限定されず、如何なるタイプの加熱素子をも含み得る。

加熱素子１０２は、熱エネルギ（すなわち、熱）を記録ヘッド１００の周囲部分１０６に伝える。熱エネルギは、周囲部分１０６の熱膨張を引起こす。この熱膨張を用いることにより、たとえば、データストレージシステムにおいてヘッドと媒体との間隔１０８を小さくすることができる。また、以下により詳細に説明するように、いくつかの実施例においては、加熱素子１０２は、加熱素子および温度センサとしての両方の役割を果たし、記録ヘッド１００と媒体１６０との間における最も近接する接触点に位置し得る。

加熱素子１０２は、任意には、外部の補償抵抗器１１０に電気的に直列に接続される。また、以下により詳細に説明するように、補償抵抗器１１０の電気的特性（たとえば、補償抵抗器の両端の電圧降下）は、記録ヘッド１００と媒体１６０との間においてヘッドと媒体との間隔１０８を近似させるのに用いられてもよい。

図２は、この開示に従った記録ヘッドシステムを示す概略図である。図２は、外部の補償抵抗器２８０および接地２９０に電気的に接続された記録ヘッド２００を示す。いくつかの実施例においては、外部の補償抵抗器２８０は、可撓性のある梁、サスペンションアーム、コントローラ回路または他のプリント回路基板（ＰＣＢ：printed circuit board）を含む記録ヘッドから離れていればどこに配置されてもよい。記録ヘッド２００は、読取素子２１０、書込素子２２０および加熱素子（すなわち、ヒータ）２３０を含む。読取装置および書込装置の実施例は特定の如何なる構成にも限定されず、実施例は、例示的には、如何なるタイプまたは構成の読取素子および／または書込素子を有するヘッドを含む。

加熱素子２３０は抵抗加熱素子である。加熱素子２３０の抵抗は、例示的には、加熱素子の温度に対して直線的またはほぼ直線的に変化する。加熱素子２３０は、任意には金属から作られ、記録ヘッド上で薄膜、ラインまたはワイヤとして形成される。一実施例においては、加熱素子２３０は、記録ヘッドのうち接触時に記録媒体に接触すべき第１の部分となるように、または、記録ヘッドのうち接触時に記録媒体に接触する第１の部分に近接して位置する（図１を参照）ように、記録ヘッド上の位置に配置される。たとえば、加熱素子２３０は、例示的には、書込素子２２０の付近にある記録ヘッドの空気軸受面上に位置する。

図２に図示のとおり、抵抗器２８０は、加熱素子２３０に電気的に直列に接続され、記録ヘッド２００の外部にある（すなわち、抵抗器２８０は記録ヘッドの一部ではない）。抵抗器２８０の抵抗は、例示的には、加熱素子２３０の抵抗と同じであるかまたはほぼ同じである。しかしながら、加熱電流によってもたらされる抵抗器２８０の抵抗変化は、無視できるほどにごくわずかなものである（すなわち、抵抗器２８０の抵抗は、加熱素子２３０の抵抗と同様に、加熱電流の振幅によって変化しない）。一実施例においては、抵抗器２８０は、その抵抗変化が無視できるほどわずかなものとなるほどに十分に大きな体積（たとえば、１ｍｍ^３よりも大きな体積）を有する。抵抗器２８０はまた、抵抗の温度係数が０に等しいかまたはほぼ０である材料で作ることができる。しかしながら、抵抗器２８０の実施例は特定の如何なるタイプの抵抗器にも限定されない。

記録ヘッド２００はさらに、例示的には、記録ヘッド構成要素を外部の電子装置（たとえば、プリアンプ、電流源および／もしくは外部抵抗）に電気的に接続または結合することを可能にする電気接続点またはパッド２１１、２１２、２２１、２２２、２３１および２３２を含む。図２は、６個の電気接続点を有する記録ヘッド２００を示す。しかしながら、記録ヘッドの実施例は、特定の如何なる構成もしくは数、または電気接続点にも限定されず、図示された６個よりも多くてもまたは少なくてもよく、場合によっては、これらの接続点のうちのいくつかが組合されてもよい。

図３は、動作中の加熱素子２３０および外部の補償抵抗器２８０を示す電気図である。加熱素子２３０および抵抗器２８０は電気的に直列に接続され、交流源３０２によって電力供給される。電流源３０２は、「ΔＶ_ＡＢ」３０４とラベル表示された加熱素子２３０の両端の電圧降下と、「ΔＶ_ＢＣ」３０６とラベル表示された補償抵抗器２８０の両端の電圧降下とをもたらす。以下に説明するように、加熱素子２３０の両端の電圧降下から補償抵抗器２８０の両端の電圧降下を減じることにより、ヘッドと媒体との間隔に相互に関連付けることのできる電圧信号が得られる。

回路内の駆動電流（すなわち、図３における交流源３０２からの電流）は、以下の式１によって表わすことができる。

式１：Ｉ（ｔ）＝Ｉ_０ｅｘｐ（ｉωｔ）
ここで、Ｉ（ｔ）は、時間ｔにおける瞬間電流であり、Ｉ_０は電流振幅であり、ωは角周波数（たとえば、ラジアン／秒）である。

加熱素子回路における電力は、以下の式２によって表わすことができる。
式２：Ｐ（ｔ）＝Ｖ（ｔ）Ｉ（ｔ）
ここで、Ｐ（ｔ）、Ｖ（ｔ）およびＩ（ｔ）はそれぞれ、回路についての、時間ｔにおける瞬時電力、電圧および電流である。駆動電圧Ｖ（ｔ）および電流Ｉ（ｔ）は常に、ともに正であるかまたはともに負であり、このため、電力Ｐ（ｔ）は常に正となる。結果として生じる電力の角周波数が駆動電流の角周波数の２倍（すなわち、２ω）であることにも留意されたい。

図４および図５は、加熱素子（たとえば、図２における素子２３０）の温度変動を時間の関数として示すグラフである。図４は、加熱素子と記録媒体とが接触していない（すなわち、加熱素子が気体で囲まれている）場合の温度変動を示し、図５は、加熱素子と記録媒体とが接触している場合の温度変動を示す。温度変動は以下の式３によって表わすことができる。

式３：ΔＴ＝ΔＴ_ＤＣ＋ΔＴ_ＡＣｅｘｐ（ｉ２ωｔ）
ここで、ΔＴ_ＤＣは、温度上昇の直流成分であり、ΔＴ_ＡＣは、温度変動の交流成分の振幅である。

グラフには注目すべきいくつかの事項がある。第１に、加熱素子の温度は、電力変動の角周波数と一致する角周波数で変動する（すなわち、温度が２ωで変動する）。第２に、接触していない場合の温度変動の振幅（すなわち、図４におけるΔＴ_ＡＣ１）は、接触している場合の温度変動の振幅（すなわち、図５におけるΔＴ_ＡＣ２）よりも大きい。先に述べたように、加熱素子が記録媒体と接触していないときに起こる接触が固体と気体との接触である場合の熱放散率と比べて、熱は、加熱素子が記録媒体と接触しているときに起こる固体と固体との接触点の間においてより急速に放散される。または、言いかえれば、加熱素子が記録媒体と接触していない場合（すなわち図４）、ほんのわずかな熱量しか加熱素子から放散されず、ΔＴ_ＡＣ１が大きくなる。加熱素子が記録媒体と接触している場合、より多くの熱量が加熱素子から放散され、ΔＴ_ＡＣ２が小さくなる。最後に、加熱素子の温度が２ωの角周波数で変動するので、（温度に対して直線的に変化する）加熱素子の抵抗が２ωの角周波数で変動することに留意されたい。

図６は、加熱素子における温度変動の振幅（すなわちΔＴ_ＡＣ）と、ヘッドと媒体との間隔との関係を例示する概略図である。グラフから分かるように、振幅は、ヘッドと媒体との間隔が小さくなるにつれて低下する。また、加熱素子がグラフの左側の固体と固体との伝熱界面（heat transfer interface）からグラフの右側の固体と気体との伝熱界面へと移動するにつれて、振幅が急激に変化する。したがって、ヘッドと媒体との間隔の値は、加熱素子の温度変動を決定することによって決定することができるか、または少なくとも近似させることができる。たとえば、ゼロクリアランスでの遷移を用いて、記録ヘッドと記録媒体との間の接触を検出することができる。

図７は、加熱素子の温度変動を決定する方法を示すプロセスフロー図である。温度変動は、例示的には、加熱素子の両端における電圧変動を測定することによって決定される。いくつかの実施例においては、３ωの電圧変動が測定される。ブロック７０２では、交流が、加熱素子と外部の補償抵抗器とを有する回路（たとえば、図３に示される回路）に印加される。いくつかの実施例においては、１ωの角周波数の交流が印加される。ブロック７０４では、交流が加熱素子を加熱して、加熱素子において温度変動をもたらす。いくつかの実施例においては、加熱素子における温度変動が２ωの角周波数で起こる。ブロック７０６では、加熱素子の両端の電圧降下が測定される。駆動交流によって倍増された抵抗変動が、結果として、加熱素子の両端に電圧変動をもたらす（たとえば図３における「ΔＶ_ＡＢ」３０４）。いくつかの実施例においては、１ωで駆動交流によって倍増された２ωでの抵抗変動が、結果として、３ωの角周波数で加熱素子の両端に電圧変動をもたらす。ブロック７０８では、補償抵抗器の両端の電圧降下（たとえば、図３における「ΔＶ_ＢＣ」３０６）が測定される。先に述べたように、補償器の抵抗は、その抵抗が加熱電流の振幅によってさほど変化しないかまたは認め得るほどには変化しないことを除いては、加熱素子の抵抗と同じであるかまたはほぼ同じである。従って、補償抵抗器の両端の電圧降下は、それが電圧変動成分（たとえば、３ω成分）を含まないであろう点を除いては、加熱素子の両端の電圧降下と同じになるかまたはほぼ同じになるだろう。ブロック７１０では、加熱素子の両端の電圧降下から補償抵抗器の両端の電圧降下を減じて、加熱素子の電圧変動成分（たとえば、３ωでの電圧変動成分）を決定する。任意には、ブロック７１２では、電圧変動成分は温度変動に相互に関連付けられ、この温度変動はさらに、ヘッドと媒体との間隔に相互に関連付けることができる。

この開示の一実施例においては、ロックイン技術／解析を用いて、３ω変動成分の信号対雑音比を向上させる。これは、３ωで設定された基準周波数を受取り、加熱素子の３ω変動成分を抽出するハードウェアまたはソフトウェア方法（たとえば、ロックイン増幅器またはＩＣ復調器）によって達成することができる。別の実施例においては、３ω変動成分の信号対雑音比は、加熱素子の両端の電圧降下から補償抵抗器の両端の電圧降下を減じる（たとえば図７におけるブロック７１０）前に、乗算回路を利用することによって改善される。乗算回路は、誤差を補正することができ、および／または、加熱素子の抵抗と補償抵抗器の抵抗との差をなくすことができる（すなわち、乗算回路は、任意には、加熱素子の抵抗と補償抵抗器の抵抗との差だけが加熱素子抵抗の３ω変動成分となるように抵抗を補正する）。

さらに別の実施例においては、加熱周波数を最適化することによって信号対雑音比をさらに向上させる。加熱周波数を最適化することにより、周囲の熱境界条件（thermal boundary conditions）に対する加熱素子の感度を高めることができる。熱波の浸入深さ（penetration depth）は以下の式４によって表わすことができる。

式４：ｄ＝（Ｄ／ω）^１／２
ここで、ｄは熱波の浸入深さであり、Ｄは材料の熱拡散率（thermal diffusivity）である。加熱周波数が低い場合、熱の侵入深さは大きくなる（すなわち、加熱素子のまわりの大量の材料が加熱される）。これにより、結果として、加熱素子が記録媒体と接触するほど近接した場合に（すなわち、ヘッドと媒体との間隔が０に近づくにつれて）、加熱素子の温度が上昇して熱境界条件に対する感度が低下する。加熱周波数が高い場合、熱の侵入深さは小さくなる（すなわち、加熱素子のまわりの少量の材料が加熱される）。これにより、結果として、加熱素子が記録媒体と接触するほど近接した場合に、加熱素子の温度が上昇して熱境界に対する感度が高くなる。したがって、比較的高い加熱周波数であれば、ヘッドと媒体との間隔を決定するのにより望ましいだろう。しかしながら、加熱周波数は、ヘッドとディスクとの界面における熱伝導の寄与を除外するように、熱を極めて小容量に制限するよう高く設定することができない。

上述したように、この開示の実施例は、データストレージシステムにおいてヘッドと媒体との間隔または接触を決定／検出するのに利用され得る装置および方法を提供する。実施例では、例示的には、加熱素子の変動温度に基づいて間隔が決定される。したがって、実施例は、間隔を検出するための従来の取組みを有するものとして、アコースティックエミッションなどの変動に依存していない。いくつかの実施例はまた他の利点を提供し得る。たとえば、いくつかの実施例における加熱素子は、ヒータおよび温度センサとしての両方の役割を果たす。また、たとえば、ヘッドと媒体との間隔の決定は、駆動／加熱周波数を最適化することによって、信号減算を利用することによって（たとえば、補償抵抗器を利用することによって）、および、ロックイン検出アルゴリズム／システムを利用することによって向上させることができる。

最後に、さまざまな実施例についての多数の特徴および利点が、上述の記載において、さまざまな実施例の構造および機能についての詳細とともに述べられてきたが、この詳細な説明は単に例示的なものにすぎず、特にこの開示の原理の範囲内における部分の構造および配置に関して、添付の特許請求の範囲に表される用語の広く一般的な意味で示される最大限の範囲にまで、詳細に変更が加えられ得ることが理解されるべきである。加えて、この明細書中に記載される実施例はハードディスクドライブに向けられているが、当業者であれば、この開示の教示が、この開示の範囲および精神から逸脱することなく他のタイプのデータストレージシステムにも適用可能であることを認識するだろう。

１００ 記録ヘッド、１０２ 加熱素子、１０４ 導体、１０６ 周囲部分、１０８ ヘッドと媒体との間隔、１１０ 補償抵抗器、１６０ 記録媒体。

Claims (7)

1. 抵抗値が温度とともに変化する加熱素子を有する記録ヘッドと、
   前記加熱素子に交流電力を供給する交流電源と、
   前記加熱素子と電気的に直列であり、前記記録ヘッドの外部にある補償抵抗器とを含み、前記補償抵抗器は前記交流電源により交流電力を供給されて前記加熱素子の抵抗値の変化の直流成分を相殺するように前記加熱素子の抵抗値を補償し、前記加熱素子の温度変動に非依存の抵抗値と前記補償抵抗器の直流抵抗値とが少なくともほぼ等しい、データストレージシステム。
2. 前記加熱素子の抵抗値と前記補償抵抗器の抵抗値との差を補償する乗算回路をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記加熱素子から電圧信号の一部を抽出するロックイン増幅器をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
4. 記録媒体をさらに含み、
   前記加熱素子は、前記記録ヘッドのうち記録媒体に最も近接する部分となるように、前記記録ヘッド上に位置する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記加熱素子は金属線または膜を含み、温度センサとしても機能する、請求項１に記載のシステム。
6. 温度とともに抵抗値が変化する記録ヘッドの加熱素子を前記記録ヘッド外部の補償抵抗器に電気的に直列に接続するステップと、
   前記加熱素子および前記補償抵抗器に交流を印加するステップとを備え、前記補償抵抗器は前記加熱素子の抵抗値の温度変動に依存しない成分の抵抗値と同じ抵抗値を有し、
   前記加熱素子の両端の電圧降下を測定するステップと、
   前記補償抵抗器の両端の電圧降下を測定するステップと、
   前記加熱素子の両端の電圧降下から前記補償抵抗器の両端の電圧降下を減じて前記加熱素子の電圧変化の交流成分を抽出するステップとを含む、方法。
7. 温度とともに抵抗値が変化する記録ヘッドの加熱素子を前記記録ヘッド外部の補償抵抗器に電気的に直列に接続するステップと、
   交流を第１の角周波数で前記記録ヘッドの前記加熱素子および前記補償抵抗器に印加するステップと、
   前記記録ヘッドの前記加熱素子および前記補償抵抗器それぞれの両端の電圧降下を測定するステップと、
   前記記録ヘッドの加熱素子の電圧降下から前記補償抵抗器の電圧降下を減算して前記記録ヘッド加熱素子の電圧降下の直流成分を補償して交流成分を抽出するステップとを含み、前記交流成分は、前記第１の角周波数の周波数の３倍の周波数を有し、かつ前記加熱素子の温度変動に非依存の抵抗値と前記補償抵抗器の直流抵抗値とが少なくともほぼ等しい、方法。

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