KR20010035835A - 삼차원 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터를 채용한 하드디스크 드라이브용 헤드 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기력을 이용하여 움직이는 3차원 빗살 구조물(Comb Structure)을 갖는 마이크로액츄에이터를 채용한 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD)용 헤드 어셈블리를 기재한다. 본 발명에 따른 삼차원 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이트를 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리는, 헤드 어셈블리에 장착되는 슬라이더의 일측면에 고정빗살과 이동빗살이 자기 기록면에 수평인 방향으로 형성된 마이크로 액츄에이트를 형성하여 이동빗살의 이동에 따른 정전력의 변화없이 일정한 정전력을 얻을 수 있는 동시에 이 마이크로액츄에이트의 이동판에 헤드를 일체형으로 형성한다.

Description

삼차원 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터를 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리{A head assembly for hard disk drive using a microactuator with 3-dimensional electrtostatic comb sturctures}

본 발명은 전기력을 이용하여 움직이는 3차원 빗살 구조물(Comb Structure)을 갖는 마이크로액츄에이터를 채용한 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD)용 헤드 어셈블리에 관한 것이다.

현재 컴퓨터 등의 기술의 발전에 따라 데이터를 저장하는 자기기록장치의 중요성이 커지고 있다. HDD(Hard Disk Drive)는 자기디스크에 자기헤드로 데이터를 저장하는 장치로서 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 가지고 있다. 여기서, 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리는 회전하는 자기 디스크(11)의 기록면에 자기 헤드(15)를 가진 슬라이더(12)가 플렉서(Flexure)(14)와 서스펜션(13)에 의하여 지지되어 자기 디스크(11)과 적절한 거리를 유지하면서 자기적으로 기록 또는 재생을 한다. 이러한 자기 기록 장치에 있어서, 기록 밀도 즉 인치당 트랙수(trasks per inch; TPI)가 높아지면 헤드의 위치를 높은 정밀도로 탐색(seek)하여야 한다.

자기헤드를 직접 움직여서 위치를 탐색(seeking)하는 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리로는, 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 마주보면서 정전기력(Electrostatic Force)를 이용하여 움직이는 평판형 마이크로액츄에이터(H. Fujita, et al, ″A Microactuator for Head Positioning System of Hard Disk Drives″, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.35, No.2, March 1999)를 들 수 있다. 도 2에 도시된 헤드 어셈블리를 참고로 설명하면 다음과 같다.

헤드 어셈블리의 전체적인 구조는 앞에서 설명된 바와 같이, 슬라이더(20)가 플렉서에 의해 스서펜션에 지지되며, 이 슬라이드(20)의 일측면(20a)을 고정기판면으로 하여 다수의 고정빗살(23)들이 형성되고 이동판(24)은 고정 기판면(20a)에 고정된 스프링(25)에 의하여 이동 가능하도록 지지된다. 이 이동판(24)를 움직이는 다수의 가진 빗살(27)들은 고정 빗살(23)들 사이에 배치되도록 이동판(24) 내측면 상에 형성된다. 그리고 이동판(24)의 외측면 상에는 헤드(25)가 배치된다. 따라서, 회전하는 자기 디스크(28)의 위에 위치하여 적절한 간격을 유지하는 슬라이더(slider)(20)의 일측면(20a)을 기판면으로 하는 마이크로액츄에이터(20a, 23, 24, 26, 27)는 자기헤드(25)를 미세하게 이동시킬 수 있게된다. 이러한 미세한 이동은 마이크로액츄에이터의 고정빗살(23)과 가진빗살(27) 사이에 적절한 수단을 통하여 전압을 가함으로써 일어난다. 즉, 전압이 인가된 두 판 사이에는 정전력이 작용하여 서로 잡아 당기는 힘이 작용함으로써 이동판(24)에 고정된 자기헤드(25)가 이동판(24)의 움직임에 따라 가진빗살(27) 면에 수직인 방향(29)으로 움직이게 된다.

이러한 원리로 작동이 되는 마이크로액츄에이터는 가진빗살의 움직임이 거리에 따라 변하는 비선형성이 있어서 제어하기가 어렵고, 가진빗살(27)과 고정빗살(23) 사이의 거리의 1/3 정도의 거리를 이동하면 서로 달라붙는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 평판면에 대하여 수직으로 돌출되고 서로 끼워진 한 쌍의 빗살(Comb) 구조에 전압을 인가하여 두 빗살 사이에 발생하는 정전기력(Electrostatic Force)이 빗살 구조 사이의 상대적인 움직임에 대하여 일정하게 유지되도록 하여, 기존의 콤에 비하여 큰 힘을 낼 수 있는 3차원 빗살 구조물(Comb Structure)을 갖는 마이크로액츄에이터를 채용한 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD)용 헤드 어셈블리를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 하드 디스크 드라이브(HDD)용 헤드 어셈블리의 구성도,

도 2는 종래의 정전기력을 이용한 마이크로 액츄에이터를 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리의 발췌 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리의 특징부인 3차원 빗살 구조물(Comb Structure)을 갖는 마이크로액츄에이터에서 빗살 구조물의 움직임 원리를 개념적으로 설명하는 도면,

도 4는 도 3의 삼차원 빗살 가진 구조물의 동작원리를 이용한 직진 구동형 액츄에이터 구성을 보여주는 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 삼차원 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터를 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리의 슬라이더 발췌 사시도,

도 6은 도 5에 도시된 마이크로액츄에이터를 확대하여 보여주는 확대 사시도,

그리고 도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 삼차원 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이터를 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리가 아암 및 서스펜션에 부착된 모습을 보여주는 도면들이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

11. 자기 디스크 12. 슬라이더

13. 서스펜션 14. 플렉서(Flexure)

15. 자기 헤드 20. 슬라이더

20a. 슬라이더의 일측면 23. 고정빗살

24. 이동판 25. 헤드

26. 스프링 27. 가진 빗살

28. 자기 디스크 31. 기판

32. 고정빗살 35. 이동빗살

36. 간극 s 41. 기판

42. 이동판 43. 이동빗살

44. 지지스프링 45. 지지체

46. 고정빗살 51. 슬라이더

52. 슬라이더의 일측면 53. 마이크로 액츄에이터

54. 자기 헤드 55. 자기 디스크

61. 슬라이더 62. 지지부

63. 지지스프링 64. 이동빗살

65. 이동판 66. 자기 헤드

67. 화살표 68. 고정빗살

70. 금 패드(gold pad) 71. 자기헤드

80. 마이크로액츄에이터 100. 웨이퍼

101. 플렉서(flexure) 102. 로드빔(load beam)

103. 마운팅 플레이트 200. 아암(arm)

711. 자기저항 센서(magnetoresistance sensor)

712. 자극(pole)

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 빗살 구조물(Comb Structure)을 갖는 마이크로액츄에이터를 채용한 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD)용 헤드 어셈블리는, 아암; 상기 아암에 고정된 하드 디스크의 기록면 수에 대응하는 숫자의 로드 빔들; 상기 로드 빔들의 종단부에 부착된 슬라이더들; 상기 슬라이더들의 일측면 상에 형성된 고정 빗살들, 상기 고정빗살들 사이에 위치하는 이동빗살들, 상기 이동빗살들이 그 내측면에 고정되고 상기 슬라이더 일측면 상에 소정의 간격으로 떠 있는 이동판들 및 이 이동판들이 상기 간격으로 이동가능하게 떠 있을 수 있도록 하는 스프링 부재화 지지대들을 가진 마이크로액츄에이터들; 상기 마이크로액츄에이터의 이동판 외측면에 형성된 헤드들;을 구비한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리에 있어서, 상기 고정 빗살들과 이동빗살들이 이동에 따른 정전력의 변화가 발생하지 않도록 상기 하드 디스크 기록면 상의 트랙들에 수직 방향으로 배열되어 상기 헤드들이 상기 트랙들에 교차하는 방향으로 상기 하드 디스크 기록면에 평행하게 움직일 수 있도록 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 고정빗살들은 상기 슬라이더의 일측면을 기판으로 이용하고, 상기 슬라이더, 마이크로액츄에이터 및 헤드들은 일관된 반도체 공정에 의해 일체형으로 제작되며, 전압 무인가시 상기 이동빗살들과 고정빗살들은 소정 간격 만큼 벗어난 형태로 서로 끼워지도록 형성되며, 상기 이동빗살들과 상기 고정빗살들 사이의 간격은 일정한 것이 바람직하다..

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 3차원 빗살 구조물(Comb Structure)을 갖는 마이크로액츄에이터를 채용한 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD)용 헤드 어셈블리를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 3차원 빗살 구조물(Comb Structure)을 갖는 마이크로액츄에이터를 채용한 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive; HDD)용 헤드 어셈블리는 기본적으로 아암(arm)과 이 아암에 하드 디스크의 기록면 수에 대응하는 숫자의 로드빔이 고정되며, 이 로드빔들의 스서펜션 종단에는 플렉서를 개재시켜 고정된 슬라이더들이 고정되며, 이 슬라이더들에 헤드가 배치된 마이크로액츄에이터가 형성된 구조를 가지는데(도 5 참조), 특히 본 발명의 헤드 어셈블리에서는 가진빗살의 이동에 따라 정전력이 달라지는 문제점을 해결하기 위하여 빗살 구조가 헤드의 움직임 방향에 나란하도록 배치된 마이크로액츄에이터를 채용한 것이 특징이다.

이와 같은 빗살 구조의 밀도는 면적에 비례하므로, 도 2에서 설명한 기존 정전력에 의한 빗살 구조의 액츄에이트 보다 힘이 크고, 거리의 변화에 힘의 크기를 거의 일정하게 유지 할 수 있다.

먼저, 도 3은 본 발명의 특징부인 3차원 빗살 구조물(Comb Structure)을 갖는 마이크로액츄에이터에서 빗살 구조물의 움직임 원리를 개념적으로 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 정전력을 이용한 삼차원 빗살 구조물은, 기판(31) 위에 수직으로 세워져 있는 하나 이상의 고정빗살(32), 이 고정빗살(32)과 마주보는 위치에서 서로 끼워진 형태로 위치하는 하나 이상의 이동빗살(35)로 구성되어 있다. 전술한 고정빗살(32)과 전술한 이동빗살(35)은 빗살 사이의 간극 s 만큼 떨어져서 있고, 기판(31)에 대하여 수직방향으로 거리 h 만큼 서로 겹쳐져 있으며, 기판(31) 에 대하여 수평방향으로 거리 x 만큼 서로 겹쳐진 형태로 되어 있다. 한 쌍의 빗살(32,35)은, 도시된 바와 같이, 전기적으로 서로 연결되어 있어, 전원공급수단(미도시)에 의해 전기장을 받아 구동된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 미도시 전원공급수단에 의하여 간극 s(36) 양쪽 빗살 구조물에 전압이 인가되면 고정빗살(32)과 이동빗살(35) 사이에는 콘덴서가 형성이 되어 에너지가 저장이 되며, 이 때 형성되는 캐패시터의 용량은 다음 수학식 1과 같이 표시된다.

여기서, s, h, x 는 간극 s의 유전율, 빗살 사이 간극, 한 쌍의 빗살이 기판에 대하여 수직방향으로 겹쳐진 길이, 한 쌍의 빗살이 기판에 대하여 수평방향으로 겹쳐진 길이이다. 수학식 1로 주어진 캐패시턴스는, 도 3에서 보이듯이, 두 개의 빗살 사이에 간극 s이 존재하므로 캐채시터에 저장되는 에너지 U는 다음 수학식 2와 같이 표시된다.

이동빗살(32)과 고정빗살(35)에 전술한 기판(31)에 평행한 방향(37)으로 가해지는 힘 F는 다음 수학식 3과 같다.

도 3에서 도시된 삼차원 빗살 가진 구조물의 구동원리를 보여주는 기본 개념도를 참고하여 계산한 이동빗살(32)과 고정빗살(35) 사이의 정전기력 식인 수학식 3에 의하면, 정전기력 F는 돌출한 이동빗살(32)과 고정빗살(35)의 수직방향, 즉 기판(31)과 평행한 방향(37)으로 작용한다는 것을 알 수 있다.

다음은 이와 같은 구성의 정전기력을 이용한 삼차원 빗살 구조물을 갖는 액츄에이터가 도 4에 도시된다. 도 4는 도 3의 삼차원 빗살 가진 구조물의 동작원리를 이용한 직진 구동형 액츄에이터를 보여준다. 도시된 바와 같이, 이 액츄에이터에서 이동판(42)은 이동판에 수직으로 돌출되어 있는 다수의 이동빗살(43)을 가지고 다수의 지지스프링(44)과 다수의 지지체(45)에 의하여 기판에 지지되어 있다. 상기 이동빗살(43)과 마주보는 위치에서 서로 끼워지는 형태로 배치된 다수의 고정빗살(46)은 기판(41)에 지지되어 있다. 이러한 삼차원 빗살 가진 구조물은 도 3에서 설명한 바와 같이 정전기력에 의하여 구동된다. 여기서, 지지 스프링(44)은 기판에 대한 수평폭 보다 수직폭이 크도록 제작한다. 이는 지지 스프링(44)이 수평방향(도면의 화살표 방향)으로는 유연한 탄력성을 가지고 움직이도록 하고 수직방향으로는 유연성 없이 고정되도록 하기 위함이다. 즉, 도 4에서 지지 스프링의 수직폭을 h, 수평폭을 b, 길이를 L이라 하고, 지지 스프링의 강성을 K라 할 때, 가진 방향과 측정 방향의 강성은 다음 수학식 4와 같이 표시된다.

여기서,지지 스프링(44)이 갖는 수평방향 강성 및 수직방향 강성은 각각 수평폭과 수직폭의 세제곱에 비례함을 알 수 있다.

전원공급수단(미도시)에 의해 상기 이동빗살(43)과 상기 고정빗살(46)에 전압이 가해지면 상기 이동빗살(43)과 고정빗살(46) 사이에는 수학식 1에서와 같은 캐패시턴스가 형성이 되며, 수학식 3에 의한 힘이 기판과 평행한 방향으로 발생하여 이동판(42)이 우측으로 힘을 받아 움직인다. 이 때 전원공급수단(미도시)에 인가되는 전압이 교류이면 지지스프링(44)은 현수구조물(42)을 지지하면서 인가되는 교류전압에 따라 현수구조물(42)을 화살표(47)의 방향으로 왕복운동을 할 수 있게 해준다. 이와 같은 동작이 가능하기 위해서 다수의 지지체(45)와 기판(41)과는 전기적으로 절연되어 형성되는 것이 바람직하다.

이상과 같은 원리로 동작하는 3차원 빗살 구조물을 갖는 액츄에이터을 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따라서 직접 마이크로액츄에이터를 슬라이더 상에 만든 실시예를 나타낸 도면이다. 회전하는 자기 디스크(55)의 윗면으로부터 적절한 간극을 유지하면서 비행하는 슬라이더(51)의 일측면(52)에 상기 직진 구동형 마이크로 액츄에이터(53)가 배치되고, 또한 이 직진 구동형 마이크로액츄에이터(53)의 외측면에는 자기 헤드(54)가 배치되어, 이 마이크로액츄에이터(53)의 움직임에 따라 자기 헤드(54)는 하드 디스크 기록면의 트랙을 교차하는 방향으로 기록면에 수평하게 이동(56)하면서 정밀한 헤드 위치가 제어된다. 즉, 마이크로액츄에이터(53)의 이동판(도 6의 65 참조) 상에 배치된 헤드(54)는 하드 디스크의 기록면 상에서 기록면과 수평하게 움직이게 되는데 액츄에이터에 의하여 기록면의 트랙과 교차하는 방향으로 세밀하게 움직이면서 트랙을 정확하게 선택하도록 제어된다. 따라서, 높은 PTI(track per inch)에 따른 헤드의 정교한 트랙 탐색이 가능해진다.

도 6은 도 5에 도시된 마이크로액츄에이터(53)를 확대하여 보여주는 상세 사시도이다. 자기 헤드(66)가 설치된 이동판(65)는 다수의 지지스프링(63)과 지지부(62)에 의하여 슬라이더(61)에 지지되어 있다. 상기 이동판(65)에는 다수의 이동빗살(64)이 형성되어 있으며 슬라이더(61)의 일측면에는 다수의 고정빗살(68)이 돌출되어 이동빗살(64)과 서로 끼워진 상태로 형성되어 있다. 따라서, 이동빗살(64)과 고정빗살(68)에 적절한 전압공급수단(미도시)을 통하여 전압을 인가하면 정전력이 발생하여 상기 이동판(65)에 있는 자기헤드(66)는 화살표(67)방향으로 움직이게 된다. 이 화살표 방향이 하드 디스크의 기록면과 평행하게 기록면의 트랙과 교차하는 방향이 된다. 이러한 과정을 통하여 자기헤드를 정밀하게 제어할 수 있다. 또한, 이러한 정밀제어를 위해 이동빗살(64)과 고정빗살(68)은 화살표 방향 즉 트랙과 교차하는 방향으로 배열된다. 이렇게 함으로써 정전기력은 돌출한 이동빗살(64)과 고정빗살(68)의 수직방향, 즉, 하드 디스크의 기록면과 평행한 방향(슬라이더(61) 면과 평행한 방향, 결국 트랙과 교차하는 기록면과 평행한 방향이 된다)으로 이동빗살(64)의 움직임에 관계없이 일정하게 작용한다. 따라서, 정전압 인가에 의해 트랙상의 정교한 헤드 위치 제어가 가능하게 된다.

이와 같이 헤드 및 액츄에이터가 형성된 슬라이더는 도 7에 도시된 바와 같이 플렉서(flexure)(101)를 개재시켜 로드빔(load beam)(102) 종단부의 서스서펜션에 부착된다. 이러한 로드빔(102)의 타측 종단부에는 마운팅 플레이트(103)가 구비되어, 도 8에 도시된 바와 같이, 아암(arm)(200)에 부착됨으로써 하드디스크 드리이브용 헤드 어셈블리가 완성된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 삼차원 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이트를 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리는 헤드 어셈블리에 장착되는 슬라이더의 일측면에 고정빗살과 이동빗살이 자기 기록면에 수평인 방향으로 형성된 마이크로 액츄에이트를 형성하여 이동빗살의 이동에 따른 정전력의 변화없이 일정한 정전력을 얻을 수 있는 동시에 이 마이크로액츄에이트의 이동판에 헤드를 일체형으로 형성함으로써 다음과 같은 여러 가지 효과를 얻을 수 있다.

1. 본 발명에 따른 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리에 부착된 마이크로 액츄에이터는 헤드가 형성된 이동판과 슬라이더 기판면에 수직방향으로 빗살을 제작함으로써, 기존의 액츄에이터에 비해 단위면적당 빗살의 개 수를 크게 늘일 수 있으므로 정전력을 크게할 수 있다.

2. 기존의 헤드 어셈블리의 액츄에이터에서 발생하는 정전력의 방향은 빗살의 돌출방향과 같으나, 본 발명에 따른 헤드 어셈블리의 마이크로액츄에이터에서 발생하는 정전력의 방향은 빗살의 돌출방향과 수직이므로 인가된 전압에 대하여 일정한 정전력이 발생하므로 움직임 또한 선형적이며 제어가 쉽다.

3. 기존의 헤드 어셈블리의 마이크로액츄에이터에 비해 힘이 크므로 이동판이 이동하는 이동변위를 크게 할 수 있다.

4. 힘이 크므로 이동판을 움직이기 위하여 공진점에서 구동할 필요없이 임의의 주파수로 이동판을 구동할 수 있다. 따라서, 이동판의 구동을 위한 인가 전압의 주파수 선택이 자유로우므로 어떠한 하드디스크 드라이브 어셈블리에 채용하더라도 무난하게 동작한다.

5. 적은 구동전압으로도 충분히 큰 힘을 낼 수가 있으므로 기존의 마이크로액츄에이터를 채용한 헤드 어셈블리에 비해 적은 전압으로 구동이 가능하다.

6. 기존 반도체 공정으로 제작이 가능하다.

Claims (5)

1. 아암;

   상기 아암에 고정된 하드 디스크의 기록면 수에 대응하는 숫자의 로드 빔들;

   상기 로드 빔들의 종단부에 부착된 슬라이더들;

   상기 슬라이더들의 일측면 상에 형성된 고정 빗살들, 상기 고정빗살들 사이에 위치하는 이동빗살들, 상기 이동빗살들이 그 내측면에 고정되고 상기 슬라이더 일측면 상에 소정의 간격으로 떠 있는 이동판들 및 이 이동판들이 상기 간격으로 이동가능하게 떠 있을 수 있도록 하는 스프링 부재화 지지대들을 가진 마이크로액츄에이터들;

   상기 마이크로액츄에이터의 이동판 외측면에 형성된 헤드들;을 구비한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리에 있어서,

   상기 고정 빗살들과 이동빗살들이 이동에 따른 정전력의 변화가 발생하지 않도록 상기 하드 디스크 기록면 상의 트랙들에 수직 방향으로 배열되어 상기 헤드들이 상기 트랙들에 교차하는 방향으로 상기 하드 디스크 기록면에 평행하게 움직일 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 삼차원 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이트를 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,

   상기 고정빗살들은 상기 슬라이더의 일측면을 기판으로 이용하는 것을 특징으로 하는 삼차원 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이트를 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리.
3. 제1항에 있어서,

   상기 슬라이더, 마이크로액츄에이터 및 헤드들은 일관된 반도체 공정에 의해 일체형으로 제작된 것을 특징으로 하는 삼차원 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이트를 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리.
4. 제1항에 있어서,

   전압 무인가시 상기 이동빗살들과 고정빗살들은 소정 간격 만큼 벗어난 형태로 서로 끼워지도록 형성된 것을 특징으로 하는 삼차원 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이트를 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리.
5. 제1항에 있어서,

   상기 이동빗살들과 상기 고정빗살들 사이의 간격은 일정한 것을 특징으로 하는 삼차원 빗살 구조물을 갖는 마이크로액츄에이트를 채용한 하드 디스크 드라이브용 헤드 어셈블리.