JPH0914926A

JPH0914926A - 磁気ヘッド浮上量測定装置

Info

Publication number: JPH0914926A
Application number: JP6165096A
Authority: JP
Inventors: Teruaki Tokutomi; 照明徳冨; Kyoichi Mori; 恭一森; Toshinori Sugiyama; 敏教杉山
Original assignee: Hitachi Electronics Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 1995-04-25
Filing date: 1996-02-26
Publication date: 1997-01-17
Anticipated expiration: 2016-02-26
Also published as: JP3339777B2

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気ディスク装置における実際のヘッド浮上量
とのずれが少なく、浮上量が小さいヘッドに対して精度
の高い測定ができる磁気ヘッド浮上量測定装置を提供す
ることにある。【解決手段】浮上量測定のためのディスクを単結晶サフ
ァイアのディスクとすることで、その厚さを従来の石英
ディスクより薄くして、これにより重量と厚さとを低減
し、かつ、これの屈折率が約１．７６と高いことを利用
して測定光学系への反射光量を増加させる。このことに
よりノイズに対する干渉光の強度が増加させて単結晶サ
ファイアディスクにより得られた検出値を(2)式の理論
値に近づけ、論理値との比較においてヘッド浮上量を測
定するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、磁気ヘッド浮上
量測定装置に関し、詳しくは、薄膜ヘッドについての、
微小な浮上量の測定において、実際の磁気ディスク記憶
装置（以下磁気ディスク装置）の状態に対応させて高い
測定精度で浮上量を測定することができるような磁気ヘ
ッド浮上量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、磁気ディスクとこれの面から浮
上する浮上型のヘッド（以下単にヘッドという）との関
係についての説明図であって、図（a)に示すように、磁
気ディスク１はスピンドル２に装着されて回転する。磁
気ディスク１に対してデータの読み／書きするヘッド３
１は、支持アーム３２の先端に取り付けられ、支持アー
ム３２の後端はキャリッジ機構４に設けられた支持部材
４１に固定されている。ヘッド３１は、キャリッジ機構
４により移動して磁気ディスク１にローディングされ
る。

【０００３】図(b)は、ヘッド３１の形状を示してい
る。その底面にはスライダー面３１１が形成され、磁気
ディスク１の回転により生ずるエアフローにより、図
(c)のようにスライダー面３１１が表面より浮上量ｈで
浮上し、所定のトラックに対してデータのアクセスがな
される。上記の浮上量ｈは、ヘッドの動作にとって極め
て重要であるので、各ヘッドは、ヘッド浮上量測定装置
により測定されて検査されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図６は、白色光の干渉
波方式によるヘッド浮上量測定装置の概要を示すもので
ある。図(a)において、テスト用として石英ガラスの透
明ディスク（以下単にディスクという）５を使用し、こ
れをスピンドル２に装着して回転させ、ディスク５の裏
面５２にヘッド３１を、前記のキャリッジ機構４に対応
するヘッドローディング機構３によりローディングして
浮上させる。ディスク１の上方に測定光学系６を設け、
キセノンランプの光源６１より、波長帯域（λa〜λb）
の白色光Ｌ_Tを、投光レンズ６２とハーフミラー６３を
介して対物レンズ６４によりディスク５に投射する。白
色光Ｌ_Tは表面５１と裏面５２によりその一部が反射さ
れるが、大部分は透過してスライダー面３１１を照射す
る。なお、ヘッドローディング機構３は、データ処理装
置７により制御される。

【０００５】ここで、図(b)のように、表面５１、裏面
５２およびスライダー面３１１の反射率をそれぞれｑ，
ｒ，ｓ、その反射光をそれぞれＲq,Ｒr,Ｒsとする。反
射光ＲrとＲsとは互いに干渉して干渉波Ｒrsを生じ、ハ
ーフミラー６３を透過して、スペクトラム分光器である
凹面回折格子６５に達してスペクトル分光される。ただ
し、白色光を用いることと、ディスク５の厚さｄが浮上
量ｈより遙かに大きいこととにより、反射光Ｒqと反射
光Ｒr,Ｒsの相互干渉は非常に小さくて無視できる。
上記の干渉波Ｒrsはリニアセンサ６６に受光されて各波
長に対応するスペクトルのパターン信号として、図(c)
に例示するような波長に応じたスペクトルのパターン信
号が出力される。このパターン信号をデータ処理装置７
においてデータ処理することで、浮上量ｈを求める。

【０００６】すなわち、図(c)において、横軸を波長
λ、縦軸を干渉波の強度Ｉrsとすると、例えば波長λ1,
λ2,λ3でピーク点ｐ₁,ｐ₂,ｐ₃をなす。ここで反射光Ｒ
rとＲsの位相角をδとすると、位相角δ、浮上量ｈおよ
び波長λとの間には次の関係式がある。 δ＝４πｈ／λ，（λ：λa〜λb) …………(1) この(1)式を利用してピーク点の波長λ1，λ2，λ3から
浮上量を算出できる。一方、微小すきまの干渉光の入射
光に対する反射率は、一般的に次の式になる。ただし、δ＝４πｈ／λ，λ：波長，ｈ：浮上量，Ｒ
（λ，ｈ）：波長λで浮上量ｈにおける反射率，ｒ
（λ）：空気層からみたガラスディスクの波長λにおけ
る反射率，ｓ（λ）：空気層からみたヘッドの波長λに
おける反射率である。この式に従って干渉光の波長のス
ペクトル分布と反射率により理論値としての浮上量を得
ることができる。

【０００７】磁気ヘッド浮上量測定において、位相角
δ、浮上量ｈおよび波長λとの間の関係式である(1)式
により浮上量を得る場合には、浮上量が大きいときには
問題はない。しかし、浮上量が０．１ミクロンとか、そ
れ以下のになったとき、それを高精度に測定するとなる
と、ピーク点が現れない場合が発生して測定ができなく
なる問題がある。そこで、後者の(2)式により得られる
理論値から算出した値を比較基準値として浮上量を算出
することが考えられるが、これを適用してみると、実際
の磁気ディスク装置の使用状態での磁気ヘッドの浮上量
と測定値との間で誤差が生じ易い。その理由の１つに、
まず、反射率ｒ，ｓの値が実際のヘッドのものと相違す
ることを挙げるうことができる。

【０００８】また、この(2)の式関係に従って多数の点
でデータを採取して判定すると測定時間が長くならざる
を得ない。一方、磁気ディスク装置の記憶容量の向上に
より、ヘッドとディスクとの間隔が狭くなっている関係
で、磁気ディスク装置の信頼性の観点からヘッド全数に
ついて浮上量測定しているのが現状である。そのため
に、より短時間で高精度な測定を行う検査装置の要請が
ある。しかし、前記のような測定方式ではこの要請にも
応えることができない。なお、ヘッド浮上量測定におい
て、前記の反射率ｒ，ｓの値をより正確に求めて測定す
るものとして本願出願人による特開平５−３２２５２２
号の出願がある。この発明の目的は、磁気ディスク装置
における実際のヘッド浮上量とのずれが少なく、浮上量
が小さいヘッドに対して精度の高い測定ができる磁気ヘ
ッド浮上量測定装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るためのこの発明の磁気ヘッド浮上量測定装置の特徴
は、単結晶サファイアの透明なディスクと、このディス
クが装着されこれを回転させるスピンドルと、前記ディ
スクの一方の面にヘッドをローディングするローディン
グ機構と、光電変換器を有し前記ディスクの他方の面か
ら光を照射して前記一方の面からの反射光と前記ヘッド
の面からの反射光との干渉光を受けてこれを前記光電変
換器により電気信号に変換する測定光学系と、この測定
光学系からの前記電気信号を受けて前記ヘッドの浮上量
を算出する処理装置とを備えるものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】この発明は、要するに、浮上量測
定のためのディスクを単結晶サファイアのディスクとす
ることで、その厚さを従来の石英ディスクより薄くし
て、これにより重量と厚さとを低減し、かつ、これの屈
折率が約１．７６と高いことを利用して測定光学系への
反射光量を増加させる。その結果、ノイズに対する干渉
光の強度が増加し、ディスクの重量が低減することによ
り従来よりもディスクの高速回転が可能になる。なお、
従来の石英ディスクの屈折率は１．４６である。単結晶
サファイアのディスクは硬度が大きいために、結晶成長
法により板状のものを成長させ、それを円板に加工し
て、さらにその両面をダイヤモンド砥粒により研磨して
形成される。

【００１１】ところで、磁気ヘッド浮上量測定用のディ
スクとして使用する単結晶サファイアは、酸化アルミニ
ウム（Ａｌ₂Ｏ₃）が主体のもので、その硬度は、モース
硬さ９を示す。これに対して、磁気ヘッド（薄膜ヘッ
ド）のスライダー面を形成するセラミック構造体は、や
はり酸化アルミニウムが主体のものであって、その硬度
はモース硬さ９である。そこで、両者の硬度は同等であ
り、単結晶サファイアにはヘッドによるスクラッチ傷が
つきにくい効果がある。一方、従来の測定用ディスクの
石英ガラスの硬度は、モース硬さ７程度であるため、こ
れにヘッドのスライダー面が接触すると、両者の硬度の
差によりディスクの表面がスクラッチされて傷つく。こ
の傷がついた表面は、ヘッドの浮上を不安定にするばか
りでなく、測定にとって有害な乱反射を起こし、誤測定
の原因にもなる。しかし、前記のような単結晶サファイ
アを用いることで、(2)式の理論値に近い値の測定値を
得ることができる。

【００１２】また、特に、最近の磁気ディスク装置の磁
気ヘッドの浮上量は、数十nmと低くなっているために、
測定時にディスクと接触する頻度が高くなってきてい
る。そのためディスクが損傷しやすく、短時間でディス
クを交換しなければならず、不経済で、測定効率が悪い
が、前記のように単結晶サファイアディスクを使用する
ことでディスク交換の頻度も低減できる。その結果、測
定エラーが低減する上に、高精度の測定が可能になり、
かつ、ディスクに傷が付き難くなる関係でその寿命が長
くなり交換の回数を低減させることができる。単結晶サ
ファイアディスクにより得られた検出値が前記の(2)式
の理論値に近づくことにより、測定ヘッドの干渉光の強
度の値（測定値）は、(2)式をグラフに展開して得られ
る波長に対する反射率Ｒを浮上量ｈとの関係について算
出した浮上量の理論データとのずれが減少する。そこ
で、浮上量特性をグラフに展開してみると、短い波長に
ついては、浮上量と反射率との関係は、特性に差が出る
が、波長が短くなると、光学系の設計が難しくなり、高
価な部品を使用しなければならなくなる。従来と同等の
光学系で高精度な測定をするには、図４のグラフの特性
からして波長が３５０ｎｍ以上が好ましい。

【００１３】すなわち、図４のグラフでは、波長が短い
方が特性に変化があって、低い浮上量まで区別が可能で
ある。しかし、ここでの浮上量の測定は、投射光と反射
光がディスクを透過するので、波長が短くなればなるほ
ど、透過率が低下し、途中の減衰により反射光（検出干
渉光）の強度が低下する。そのため、この発明では、従
来よりも厚さの薄い単結晶サファイアディスクを使用し
ているが、それでも実際上は、３５０ｎｍ以上の短い波
長では、検出される干渉光のレベルが低くなり、高精度
の測定に信頼性がなくなる。

【００１４】

【実施例】図４は、前記の(2)式に従って求めた白色光
における浮上量と波長と反射率との関係を示す磁気ヘッ
ドについてのグラフである。縦軸は、反射率Ｒ（％）で
あり、横軸は、波長λである。各グラフは、それぞれの
浮上量ｈについての反射率Ｒと波長λとの関係を示して
いる。このグラフに示される特性をみると、それぞれ
は、３５０ｎｍから８００ｎｍが単純増加あるいは単純
減少の特性になっている。そこで、この範囲を基準とし
て測定値と各グラフ特性における理論値とのデータマッ
チングをすれば、高速に精度よく、０．１ミクロン以下
の範囲までの浮上量ｈの判定が可能である。各特性値の
うち同じ波長において、ある浮上値の特性グラフと他の
浮上値の特性グラフとの間で交点が少ないのは４００ｎ
ｍ程度からであり、４００ｎｍ以下では、ｈ＝０．１８
μｍのグラフではピークが存在している。また、先に述
べた理由から波長が短くなるとそれだけ高精度の測定に
おける光学系の設計が難しく、高価になる。また、測定
値の信頼性の点からも実際上は、３５０ｎｍ以上の範囲
での測定が適切なものになる。

【００１５】波長が短くなると、単純なデータマッチン
グでは精度よく判定することが難しく、比較データ量を
多くすると浮上量の判定処理効率が落ちる。また、８０
０ｎｍ以上になると、０．１ミクロン以下の各特性値が
接近し、かつ、検出される測定値側の精度が複素屈折率
の影響で低くなる。すなわち、実際の光は、物質の表面
ではなく、あたかも物質に潜り込んで反射するような現
象で反射，屈折をするので、その分、浮上量ｈが大きく
測定されるので、浮上量が小さいときにはそれだけ検出
値の変動が大きくなる。また、比較基準の範囲を８００
ｎｍ以上にすると、比較データ量が多くなり、処理効率
の低下をまねく。

【００１６】さて、図１の磁気ヘッド浮上量測定装置で
は、図６のディスク５を石英のディスクから、これに対
して厚さが１／３程度の単結晶サファイアディスク９に
換えている。これにより、先に説明したように(2)式の
理論値に近い値で検出光（干渉光）の強度を検出するこ
とができる。また、ディスク９の重量が低減すること
で、従来よりもディスクを高速回転させても回転ぶれが
少なく、高精度の測定が可能になる。そして、前記した
ように、測定精度と処理効率を向上させるために、図４
のグラフにおいて、波長４００ｎｍから７５０ｎｍの範
囲を選択して約２ｎｍ程度〜４ｎｍ程度おきに８０点か
ら１８０点程度のデータをサンプリングして、あらかじ
めメモリに記憶された図４のこの範囲の対応する、後述
の理論値データテーブル７３のデータとデータマッチン
グさせて、測定ヘッドの浮上量ｈを決定する。

【００１７】そのために図１では、図６の凹面回折格子
６５の分析範囲を波長４００ｎｍから７５０ｎｍの範囲
を含むこれより大きな範囲で分光する凹面回折格子６５
ａとし、リニアセンサ６６を、検出する画素数が２５６
ビットの一次元ＣＣＤセンサ６７に置き換える。そし
て、これら２５６の画素が波長４００ｎｍから７５０ｎ
ｍの範囲の光を受光するようにする。ＣＣＤセンサ６７
の出力を読み出す読出駆動回路６８と、読み出された出
力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換回路（Ａ／Ｄ）６
９とを介してデータ処理装置７０に入力する。なお、こ
こでは、図６と同様な構成要素は同一符号で示してあ
る。また、ヘッドローディング機構３は、データ処理装
置７０により制御される。

【００１８】データ処理装置７０は、マイクロプロセッ
サ（ＭＰＵ）７１によりＡ／Ｄ変換回路６９からのバス
７５を介してデータを受けてメモリ７２に一旦記憶し、
そのうち４００ｎｍに対応するデータから順次１画素置
きに１２８個のデータを採取する。理論値データテーブ
ル７３の４００ｎｍから波長約２．７nｍごとに設けら
れた１２８個の波長についてのデータについて各波長ご
とにそれぞれの波長における浮上値に対応するデータを
順次データマッチングさせていく。マッチングしたデー
タがその波長値における浮上値になる。理論値データテ
ーブル７３は、図３に示すように、各波長に対応してそ
れぞれの浮上量の理論値が配列されたテーブルである。

【００１９】前記のデータマッチングの基本的な処理と
しては、同じ波長のデータにおいて受光された検出値が
理論値データテーブル７３のどれに一番近いかを判定し
て、一番近い浮上値を各波長ごとに決定していくもので
ある。その結果として、一番に多い浮上値を検出浮上値
として得る。なお、一番多い浮上値が全体の約９０％以
下の場合、言い換えれば１１５個以下の場合には、再検
査を行う。処理プログラムとしては、メモリ７２にはデ
ータマッチングプログラム７４が設けられている。な
お、この処理プログラムは、単にデータの絶対値による
減算の演算をして最も小さいものに対応する浮上値を読
み出すだけの単純な処理であるので、その詳細は割愛す
る。また、理論値データテーブル７３の各データ値は、
測定値側の変動を考慮して、理論値を実測値あるいは実
験値により補正するとよい。あるいはこれを所定の範囲
のデータとして、前記の一番近いものに変えてこの範囲
内に入るか否かの判定をして範囲内に入った浮上値を求
めてもよい。

【００２０】さて、単結晶サファイアディスク９は、図
２に示すように、無色透明な単結晶サファイアを素材と
し、板状に結晶成長させたものをドーナッツ状に加工す
る。ドーナッツ状の加工としては、直径φd≒３０〜１
２０mm、厚さｄ≒１．５〜４mmの円板とし、その中心に
直径φc≒５〜２０mmの中心孔９aを穿孔し、両面をダイ
ヤモンド砥粒の研磨により高精度に仕上げて形成され
る。各直径φd，φcと厚さｄの数値例を述べると、３．
５インチの磁気ディスクに対応するものとして、最適値
としては、φd＝１０５mm、φc＝５mm、ｄ＝２mmであ
る。

【００２１】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明にあ
っては、浮上量測定のためのディスクを単結晶サファイ
アのディスクとすることで、その厚さを従来の石英ディ
スクより薄くして、これにより重量と厚さとを低減し、
かつ、これの屈折率が約１．７６と高いことを利用して
測定光学系への反射光量を増加させることができるの
で、ノイズに対する干渉光の強度が増加し、単結晶サフ
ァイアディスクにより得られた検出値が(2)式の理論値
に近づく。その結果、測定ヘッドの干渉光の強度の値
（測定値）は、(2)式をグラフに展開して得られる波長
に対する反射率Ｒを浮上量ｈとの関係について算出した
浮上量の理論データとのずれが減少し、論理値とのデー
タ比較により精度の高いヘッド浮上量測定が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明による磁気ヘッド浮上量測定
装置を適用した一実施例の測定装置の全体概要図であ
る。

【図２】図２は、その単結晶サファイアディスクであ
り、（a）は、その平面図、(b)はその断面図である。

【図３】図３は、理論値データテーブルの説明図であ
る。

【図４】図４は、白色光における浮上量と波長と反射率
との関係を示すグラフ図である。

【図５】図５は、磁気ディスクとこれの面から浮上する
ヘッドとの関係についての説明図であって、(a)は、そ
の磁気ディスクとヘッドとの関係を示し、(b)はヘッド
本体の構造の説明図、(c)は、ヘッドの浮上状態の説明
図である。

【図６】図６は、従来の磁気ヘッド浮上量測定装置の説
明図であって、(a)はその浮上量測定装置の基本構成
図、(b)はその浮上量ｈの測定方法の説明図、(c)は、干
渉波の波長についてのスペクトルパターンの説明図であ
る。

【符号の説明】

１…磁気ディスク、２…スピンドル、３…ヘッドローデ
ィング機構、４…キャリッジ機構、５…石英ディスク、
６…測定光学系、７，７０…データ処理装置、９…サフ
ァイアディスク、３１…ヘッド、３２…支持アーム、３
１１…スライダー面、４１…支持部材、６１…キセノン
ランプの光源、６２…投光レンズ、６３…ハーフミラ
ー、６４…対物レンズ、６５，６５ａ…凹面回折格子、
６６…リニアセンサ、６７…一次元ＣＣＤセンサ、６８
…読出駆動回路、６９…Ａ／Ｄ変換回路（Ａ／Ｄ）、７
１…マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）、７２…メモリ、７
３…理論値データテーブル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶サファイアの透明なディスクと、こ
のディスクが装着されこれを回転させるスピンドルと、
前記ディスクの一方の面に磁気ヘッドをローディングす
るローディング機構と、光電変換器を有し前記ディスク
の他方の面から光を照射して前記一方の面からの反射光
と前記磁気ヘッドの面からの反射光との干渉光を受けて
これを前記光電変換器により電気信号に変換する測定光
学系と、この測定光学系からの前記電気信号を受けて前
記磁気ヘッドの浮上量を算出する処理装置とを備える磁
気ヘッド浮上量測定装置。
【請求項２】前記ディスクの厚さが１．５ｍｍから４ｍ
ｍの範囲であって、前記磁気ヘッドは薄膜ヘッドであ
り、測定光学系は、３５０nｍから８００ｎｍの波長を
含む白色光を前記ディスクを介して前記薄膜ヘッドに照
射する投射光学系と、前記薄膜ヘッドからの反射光を前
記ディスクを介して受けて３５０nｍから８００ｎｍの
波長を含む範囲で分光するスペクトラム分光器とを有
し、前記光電変換器は、検出画素数が多数１ライン状に
配列された光電変換素子であり、前記スペクトラム分光
器により分光された光を受けて前記検出画素対応に分光
されたそれぞれの波長の光の強度を電気信号に変換する
請求項１記載の磁気ヘッド浮上量測定装置。
【請求項３】前記処理装置は、前記光電変換素子からの
信号をＡ／Ｄ変換してデジタル値として受けて、前記検
出画素に対応する前記デジタル値を前記検出画素に対応
する波長について設けられた所定の理論値と比較するこ
とで、前記浮上量を算出する請求項２記載の磁気ヘッド
浮上量測定装置。
【請求項４】前記理論値は、により求められるそれぞれの浮上量ｈについての反射率
Ｒと波長λとの関係において、４００nｍから８００ｎ
ｍの波長の範囲のものであって、ここに、δ＝４ｈ／
λ，λ：波長，ｈ：浮上量，Ｒ（λ，ｈ）：波長λで浮
上量ｈにおける反射率，ｒ（λ）：空気層からみたガラ
スディスクの波長λにおける反射率，ｓ（λ）：空気層
からみた薄膜ヘッドの波長λにおける反射率である請求
項３記載の磁気ヘッド浮上量測定装置。