TW409178B - Displacement sensor and method for producing traget feature thereof - Google Patents

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TW409178B
TW409178B TW087101938A TW87101938A TW409178B TW 409178 B TW409178 B TW 409178B TW 087101938 A TW087101938 A TW 087101938A TW 87101938 A TW87101938 A TW 87101938A TW 409178 B TW409178 B TW 409178B
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optical sensor
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TW087101938A
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Michael Hercher
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Agilent Technologies Inc
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Description

五、發明說明（ 409178 A7 B7 14 產生一自摺鏡48反射的雷射光束通過雷射干涉計5〇而至逆 反射器52。光束經逆反射器52反射並與干涉計50的參考光 束組合。干涉計50提供該組合光束至感測器61，其回應來 決定控制臂40的位移（或位置的改變”接著，感測器61送 出一指示位置改變的信號給驅動電路63,其依序提供一信 號給VCM65而旋轉控制臂40直到與選定的幅射轨位定位 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一旦控制臂40正確定位，磁頭臂42接著使用所敘的位移感測 器與控制臂40定位。感測器包括光源模組56(希望包含雷射二極體） ，反射器58及感測器模組60(希望包含一雙晶光學感測器），全部附 於控制臂4〇的上表面。同參照第1及第2圖所敘之位移感測器的― 般應用實施例，動體作期間，光源模組56内的雷射二極體產生一 入射雷射光束’經反射器58反射而至與磁頭臂42末端54合為一体 或附於其上的目標形貌體(圖上未顯示）。如上述，目標形貌體有一 曲面，入射雷射光束自其反射而形成目標形貌體附近光源的映像 6反射雷射光束接著自反射器58反射至感測器模组6〇。映像再聚 焦於感測器模組60内光學感測器上。 系統校正使得當磁頭臂42與控制臂40正確定位時，一似點或 似線的小映像30(見第2圖）聚焦於感測器模組60内雙晶感測器晶胞 Α及Β分割帶32間的表面上》位移感測器處理控制電路67(示於第5 圖内）電結至光源模組56及感測器模絚60(第4圖）而如以下將更詳細 的描述，包含用以決定與監控信號值A+B與A_B的電路，該信號代 表磁頭與控制臂的相對位置。磁頭臂VCM驅動電路69偶合在位移 感測器處理控制電路67與磁頭fvCM7m。位錢測ϋ處理控制 本紙張Κ度顧+ _家鮮（CNSM4祕C 29T?i7 17 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線丨 經濟部中央標準局員Η消費合作社印製 409178 A7 _____B7 五、發明説明（i ) 此應用為1995年12月15日歸檔，標題為，，非接觸位置 感測器” ’美國序號第08/5AGC電路73，170部分之連續。 本發明大體係關於一種光學設備用以準確地量測動體 體之微小位移，更明確j是關於一種形成光學設備使用之 目標形貌體的方法。’ 在許多應用中大幅需要相對於一目標位置或位置來監 視一動體體的位置。例如，在磁碟機伺服系統中欲對一目 標’已知的位置準確偵測旋轉讀/寫磁頭臂之位置，使得 磁頭臂可移動體以與磁碟上目標輻射軌位定向而使讀/寫 磁頭對該位置讀取或寫入。位置感測儀器為用來提供此類 位置偵測的儀器。位移感測器為藉持續自一目標位置量測 目標物位移而監視動體體位置之感測儀器。 傳統之位移感測器的例子包括有電容量測儀器，光纖 鄰近感測器及如磁碟機伺服系統中普遍使用之干涉計感測 器等的光學感測器。許多舊有技藝之位移感測器不能達成 部分應用（如磁碟機伺服系統）要求的鑑別度（最小可量測 位移）或需要昂貴且/或複雜的電路及硬體來達成此鑑別。 為達成高鐘別’舉例而言，部分位移感測器在感測元件與 動體體間需要一精確且強勁的雷射光源或相當地接近，使 付該等儀器昂貴且難以實行。如此’在儀器表現與簡便間 必須有取捨。 蔡氏美國專利第5,3 15,372號描敘一使用光學位移感 測器之舊有技藝的磁碟機伺服系統。蔡氏儀器包括一光源 及一位於磁碟機外部'附於旋轉控制臂並與之相隔的光感 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
N1T -4- 409178 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（2 ) 測陣列。一反射器在it/寫磁頭與臂之旋__於_ 讀/寫磁頭臂。動體作期間，控制臂首先使用一干涉計儀 器與磁碟上的目標幅射軌位準確定向。接著，位移感測器 動體作以決定磁頭臂相對於控制臂的位置，使得磁頭臂可 移動體而與控制臂定位。 位移感測器的光源產生一入射光束藉反射器反射至光 感測陣列。光束射入光感測陣列的位置視磁頭與控制臂的 相對輻射位置而定。該陣列之每個光感測元件產生一振幅 與接收光強度成比例的電子信號。如此，該陣列的信號代 表磁頭與控制臂的相對輻射位置。處理電路接收並解碼陣 列輸出的信號以決定相對磁頭臂位置，藉而控制馬達旋轉 磁頭臂直到其正確定位。 蔡氏專利揭示的儀器有幾個缺點。雖然蔡氏儀器結構 上比較簡單且實行上相當便宜，但操作繁瑣。蔡氏儀器需 .要事先瞭解母個控制臂及相對磁頭臂位置以準確解譯光感 測陣列產生的電子信號。此外，由於反射器磁頭臂上讀/ 寫磁頭間不小的間距並也由於磁頭臂與控制臂的旋轉雙軸 ’嚴重犧牲了表現的精確性。此外，蔡氏的位移感測器訴 求監視磁頭臂相對於控制臂的輻射移動（由對軸旋轉造成 的移動體）。因為反射器直接將入射光束反射至光學感測 器’而與反射器有一段間距，感測器除了對磁頭臂的輻射 移動外，也會感應反射器的角移動體。如此，磁頭臂上反 射器角方位之精確性對精確的操作相當重要。任何對於磁 頭臂之反射器的角移動體可能會導致不當量測的發生。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規搞.（210><297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填转本頁) .丁 ,-·0 • si n - —I —I — 5- 經濟部中央標準局舅工消費合作社印製 409178 A7 _____ B7 五、發明説明（3 ) ~ 本發明大致的目標為提供一使用簡單但精域的光學位 移感測器以產生其目標形貌體之方法。 本發明的一個應用實施例指向一種儀器用以量測動體 體的位移。在該儀器中’ 一固定的光源產生一入射光束。 附於物體上的目標形貌體反射入射光束而形成與目標形貌 體相近之光源的第一映像。一映像鏡接收該第一映像而在 光學感測器上將第一映像再形成為光源的第二映像。與物 體相距的該光學感測器接收該第二映像並回應產生一電子 信號具有與光學感測器上接收第二映像之位置成比例的特 性’而表示了物體的位置。目標形貌體是藉在物體内刻劃 一凹槽而形成。 在應用實施例中，目標形貌體凹槽為半圓柱形。 在應用實施例中’目標形貌體曲度半徑在〇2〜5.0毫 米範圍内。 本發明另一個應用實施例指向一種光學位置感測儀器 ’用以感測磁碟機内讀/寫磁頭臂相對於控制臂的位置。 該儀器包括一附於控制臂產生入射光束的光源。附於磁頭 臂的目標形貌體反射入射光束而形成與目標形貌體相近之 光源的第一映像。一位於光路徑與目標形貌體間的映像鏡 接收該反射光束而在光學感測器上將第一映像再聚焦為光 源的第二映像。附於控制臂的該光學感測器接收該第二映 像並回應產生一電子信號具有與光學感測器上接收第二映 像之位置成比例的特性，而表示了物體的位置。目標形貌 體是藉在物體内刻劃一凹槽而形成。 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇〆297公釐） (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁)
*1T ~ 6 - 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 409178 A7 _______ B7_ 五、發明説明（4 ) 本發明另一個應用實施例指向一種方法，在物體内產 生目標形貌體*由位移感測器感測之物體的位移，該位移 感測器包括一產生自目標形貌體反射之入射光束的光源及 一接收目標形貌體所產生之光源映像的光學感測器。 該方法步驟有：將刻劃工具的刻劃面舆物體表面接觸 ;而在保持刻劃工具附於物體表面之壓力下，將目標形貌 體劃入物體表面。 在應用實施例中，刻劃的步驟包括保持物體靜止的步 驟。 在另一個應用實施例中，刻劃的步驟包括保持工具靜 止的步驟。 本發明的特色及優點自本發明以下詳細的描述更易了 解與明顯，並應參照附圖與附於詳述後的申請專利說明。 第1圖為使用如本發明所產生之目標形貌體的位移感 測器之一般應用實施例的方塊圖； 第2圖為位移感測器一特別應用實施例的詳圖； 第3圖為顯示自感測器之雙晶光學感測器輪出所形成 的電子信號； 第4圖為也使用如本發明所產生之目標形貌體的磁碟 機伺服系統之詳細方塊圖； 第5圖為顯示磁碟機伺服系統操作之部分結構性、部 分功能性的方塊圖； 第6A圖及6B為磁確機飼服系統處理電路之電子方境 圖； （ CNS ) Α4^ί& { 21GX297公釐} 一 ~- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Τ -'8 -7- 經濟部中央槔隼局員工消費合作社印黧 A 7 --—_____B7 _ 五、發明説明（5 ) 第7圖為使用在磁碟機伺服系統中之目標形貌體應用 實施例的詳圖； 第8圖為第7圖中所示目標形貌體及磁頭臂尖端之侧視 圖； 第9圖為本應用之位移感測器應用實施例部分較詳細 的圖示； 第10圖為可用來刻劃如本發明之目標形貌體的應用實 施例之工具的圖示； 第11圖為顯示刻劃如本發明應用實施例之目標形貌體 的部分結構性、部分功能性之圖示； 第12圖為也顯示刻劃如本發明應用實施例之目標形貌 體的部分結構性、部分功能性之圖示； 第13圖為顯示可用以如本發明應用實施例來刻劃目標 形貌體之一種特殊工具的圖示； 第14圖為第13圖之工具刻劃面較詳細的圖示。 使用如本發明所產生之目標形貌體的位移感測器應用 實施例之一般方塊圖a如示，感測器包括一固定光源〗0， 一動體14，一固定映像鏡26及一固定光學感測器20。目標 形貌體16附於或與動體14合為一體。動體14在所示之箭頭 X方向上可移動體而位移感測器藉量測動體丨4自參考位置 的位移來監視動體14之位置。 光源10產生一入射光束12經目標形貌體16反射形成反 射光束18。光源10的第一似點或似線像（未顯示）由於目標 形貌體16上之小彎曲反射面形成在目標形貌體16鄰近。第 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
409178 A7 __________B7 五、發明説明（6 ) ' 一映像隨目標形貌體移動體而移動體。反射光束18藉鏡26 歜焦使得在先學感測器2〇表面上形成（類似第一映像）光源 的第二映像。光學感測器20回應反射光東18(及第二映像) 的接收，產生一電子信號具有與光學感測器2〇表面接收反 射光束之位置（即第二映像所形成處）成比例的特性（如振 幅或頻率），所以該位置也對應動體丨4目前之位置。處理 電路（一如下參考第6B圖描述的特殊應用實施例）可連至光 學感測盗20以接收光學感測器2〇產生的電子信號並處理該 信號以自一已知的參考位置決定物體的位置及/或物體的 位移。該電路包括類比及數位信號處理電路。 如參考第9圖更詳細的描述’目標形貌體16包括—曲 面Π以反射入射光束12使得所欲之似點或似線光源〗〇的第 小映像开；ί成在目標形貌體鄰近且經鏡26於光學感測器 表面上再形成第二映像。光學感測器2〇在映像大小小減小 時對較小的位移更敏感。所以希望將似點或似線的小映像 再聚焦於光學感測器表面。 經濟部中央標隼局負工消費合作社印製 如以下更詳細的描述’目標形貌體16的曲面17可為凹 面或凸面》目標形貌體可如參考第1〇_13圖所述與動體14 合為一體。例如，目標形貌體16可包含為動體14内一部分 的曲面。同樣地，目標形貌體16可為附於動體14的獨立元 件。例如，目標形貌體16可為如大頭針的圓向形元件鎔接 ，銅鋅銲接，銲接，旋接或以其他方式附於動體14。目標 形貌體16的曲面17，若以獨立元件附著的話，應要足夠光 滑且最好打光以使入射光束有效反射。 I紙張尺度ijji}中國國‘家樣率（CNS ) Α4規;210X297公釐}- -9- 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 409178 A" __B7 五、發明説明（7 ) 參考第1圖，當動體14以箭頭X方向移動體時，光學 感測器20表面上接收反射光束丨8的位置以箭頭X’所示之 相反方向移動體。光學感測器20回應產生電子信號，其中 每個信號具有與光學感測器20表面接收反射光束之位置（ 即第二映像所形成處）並也與動體14的相對位置成比例。 當反射至光學感測器表面之光源的映像大小減小時， 感測器的位移鑑別增加。此外，當入射光束強度增加時， 感測器的位移鑑別增加。.因為使用了具曲面的目標形貌體 大幅減少了反射至光學感測器上光源映像的大小（即似點 或似線映像），大幅減低了為達高位移鑑別度所要求之高 效率且昂貴的雷射光源的需求。 第2圖為顯示如本發明之位移感測器一特殊應用實施 例的詳圖。第2圖中相同的元件與第1圖中的對照符號p.7 相同。如示’該感測器包括雷射二極體光源22，目標形貌 體附於其上或與之合成一體的動體14及雙晶光學感測琴28 。此外尚包括梯度指標（GRIN)入射雷射二極體光束瞄準 鏡24及反射光束聚焦鏡26。 雷射二極體22慣例上產生入射雷射光束12(第2圖中以 兩條獨立的雷射光束）經GRIN瞄準鏡24提供至目標形貌體 16。每個雷射二極體22、GRIN瞄準鏡24及雙晶光學感測 器28可為傳統元件。入射雷射光束12自目標形貌體16的曲 面17反射而在目標形貌體鄰近形成光源似點或似線的第一 小映像（未顯示）並反射入射光束12成為反射光束18。該似 點或似線的第一小映像經鏡26於雙晶光學感測器28上半面 本紙張尺度逋用中國國家)牌（CNS > A4規格（210X297公楚) " -10- (讀先閱讀背面之注意事項再填 商本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 ____4〇ms A7 五、發明説明（8 ) ' 1再形成第二映像30。鏡26接收反射光束18於雙晶光學感 利器28上聚焦成第二映像3〇。目標形貌體16的曲面使光 源2 2似點或似線的小映像3 〇再聚焦於雙晶光學感測器2 8表 面31上。 如以下更詳細的解釋，當圓筒形目標形貌體於物體内 形成，第一映像產生在自目標形貌體反射之光束交差或會 合處"相反地，當圓筒形目標形貌體附於物體並自表面向 外延伸，第一映像實際為目標形貌體内一點上的實像，反 射光束好似自其射出。 因為第一似點像形成在目標形貌體附近，系統對物體 及目標形貌體的移動體（如輻射移動）明顯不敏感而找不到 來量測。例如，若動體14對在Y方向（平行於目標形貌體 縱軸方向）稍微旋轉，量測將不受影響。這是因為鏡目標 形貌體16表面上反射光束18(及第一映像;)的部分會改變而 雙晶光學感測器28上第二映像30的位置將不變。如此，該 發明的系統對物體小的轄射移動不敏感。 雙晶光學感測器28包含兩個光學感測器晶胞a及b， 由窄帶32隔開。當動體14以X方向移動體，點像3〇以反方 向X’自晶胞A經雙晶光學感測器28表面移至晶胞點像30 的中心於第2圖中顯示在晶胞A及B間P.8的帶上。當點像3〇 的中心聚焦在晶胞A及B間的帶上時’感測器可調整而具 有一零或參考位置(動體14想要放置的位置）。 雙晶光學感測器^ 8的每個晶胞Α或Β產生一振幅視點 像30在晶胞表面上之位置而定的類比電子信號。每個晶胞 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） (请先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
•1T -11 - 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 409178 at B7 '、發明説明（9 ) 於點像30完全位在該晶胞表面上時產生最強的電子信號。 藉監控（A，B)/(A+B)的比值，其中A及B分別表示雙晶光學 感測器28晶胞A及B所產生之電子信號的振幅，可監視點 像30在雙晶光學感測器28表面上的位置，因而監視了動體 14(相對於靜上光源與光學感測器）的位置β這是因為可監 視點像3 0在雙晶光學感測器2 8表面上的位置可與動體14的 相對位置成相關線性。可藉使用處理電路（見第6Β圖）來監 視（Α-Β)/(Α+Β)的比值’該電路電連至雙晶光學感測器28 的雙晶輸出。該電路可包括數位信號處理電路而可連至具 顯示器的電腦讓使用者可輕易地監視動體14的位置。 感測器對Υ ’ Υ’ ’ ζ或角（對γ軸）方向上的移動體不敏 感。為了減少感測器對物體垂直移動體（遠離而朝向雷射 二極體）的敏感性，入射雷射光束12與反射雷射光束所形 成的平面本質上與晶胞Α及晶胞Β中央點間所形成的軸垂 直而與帶32本質上平行。如此，舉例而言，若動體14如第 2圖所示自第一位置以箭頭ζ方向垂直（遠離雷射二極體及 光學感測器）移至第二映像，則點像3〇會以雙晶光學感測 器28表面上箭頭γ，方向且與叉方向垂直移動體而不影響光 學感測器的電子輸出信號。 如第2圖所示，目標形貌體16可能具有一縱軸平行於 入射雷射光束12與反射雷射光束所形成的平面(以虛線顯 示）且平行於雙晶光學感測器28的帶32並垂直於通過每個 雙晶感測器晶胞中央.間形成的輪，使得感測器對微小的橫 向移動體（Υ或Υ，方向）不敏感。 本紙張尺錢> Λ4· ( f -I— I— I. I I — I -I 1 - J -I I I II I I I. ----1 - *^¾ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -12- 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 409178 at B7 五、發明説明（10 ) 所述的安排有利地提供對物體在Z(向上），Y或Y，（入 射及反射光束形成之平面的橫向）及韓射方向（繞在γ方向 形成之軸）的移動體之不敏感性》只有物體在X方向（垂直 於入射及反射光束形成之平面）的移動體會被量測β 第3圖為顯示信號Α及Β振幅差（Α-Β)對動體14在箭頭X 方向（示於第2圖）移動體的時間之圖示。在此例中，假設 動體14是在一時間為零的位置，使得點像3〇(在抵達晶胞 Α表面前）自雙晶光學感測器28的表面31偏焦。當動體14 以X方向移動體時’點像3〇首先抵達晶胞a的表面31，接 著繼續通過帶32而至晶胞B。 當點像30(大小有限並認為比a及b間的差帶寬還大） 的前緣（在時間1後）抵達晶胞A的邊緣，信號（A-B)開始自 零增加’當映像（在時間2)完全於晶胞A上時達最大值。當 (在時間3)映像前緣抵達晶胞a及B間差帶時，信號（A-B)開 始減少’當映像位於晶胞A及B間差帶中央而平均置於晶 胞A及B上時為零。當點像續移至晶胞b上時，信號（A_B) 繼續減小，當（時間4)完全於晶胞B上時達最小值。當點像 移離晶胞B (時間5) ’信號(A-B)增加回零值。曲線（a_b)對 映像位置的斜率在映像同位於A及B上時最大，當點像大 小減小但仍保持大於晶胞八及8間差帶寬度時，其值增加 〇 如此’可發現藉觀察信號A-B，可監控雙晶光學感測 器28上表面31上點像30的位置與動體14的線性相關位置。 同樣地，可量測動體14的第一映像與第二映像間的位移。 本紙張尺度適用中囤國家榡準（CNS ) A4規格ί 210 X 297公浚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) *11 -13- 經濟部中央棣準局員工消費合作衽印製 409178 A / ___B7 五、發明説明（η ) 感測器的動體力範圍（可達物体位置精確量測的範圍） 落在信號A-B曲線的線性範園且在第3圖的圖示上以標記 DR的點線間表示（大約在時間2·5及3.5間）。此外，P.10系 統有一最小捕捉範圍為信號Α-Β可精確偵測的最小水平。 此最小捕捉範圍以標記CR的點線間表示，在線性動體力 範圍内信號Α-Β曲線的斜率（微安/百萬分之一米）對應於雙 晶感測器的回應性（或靈敏性）^當此區域曲線的斜率增加 時’感測器可得到的鑑別（物体最小可偵測的位移）增加但 感測器的動體力範圍減少。如此，應讚賞所敘的感測器， 而必須在動體力範圍與位移鑑別間必須取得平衡。 (當點像30聚焦在雙晶光學感測器28表面31上時）信號 Α+Β的振幅可保持大致恆定使得可只藉監視信號α_β來完 成（Α-Β)/(Α+Β)比值的監視。保持信號α+β恆定可藉使用 自動體增益控制（AGC)電路（參考第6Α圖敘述如下的一應 用實施例）電偶合至雷射二極體22來控制輸入雷射光束12 之強度而完成。如下述，AGC電路監視信號Α+Β並控制供 給雷射二極體的電力。如此，可使用AGC電路來更簡化 監視雙晶光學感測器28輸出的電子信號所必需的雙晶光學 感測器28。 光源10可為任何型式的光源，產生滿足特定應用所要 求的靈敏度可被光學感測器偵測之足夠強度的入射光束。 例如’光源可包括一雷射二極體，一發光二極體（LED)， —鎢燈源或一光纖燈源。若使用光纖燈源，則要使用一對 光纖或一分歧纖維來指引反射雷射光束至光學感測器。在 一· - _ 本紙張尺歧财@剛轉（CNS「Λ4祕（2!GX 297公楚） ~—-—~- <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .水 訂 -14- 409178 A7 --------B7 五、發明説明（12) 應用實施例中’光源的功率希望在0.丨微瓦_20微瓦。此外 ’入射雷射光束的強度希望大約等於丨微瓦/100微毫米。 可使用各種型式的光學聚焦元件來指引入射及反射光 或雷射光束。例如可使用傳統透鏡，圓形或圓筒形鏡，GRIN 透鏡或鑄型非圓形透鏡。 光學感測器可為任何型式的光學感測器，產生一電子 信號具有與接收光束感測器表面上位置成比例的特性 ρ· 11(例如振幅或頻率舉例而言，光學感測器可為位置 感測器’其產生之電子信號的振幅與感測器上反射光束接 收的位置成正比。光學感測器希望包括一空間相隔的光學 感測器’可以產生形成比率（如（A-B)/(A+B))的一個或數 個信號。例如’光學感測器可為雙晶感測器，四分晶感測 器’ CCD陣列或其他。 所述感測器的一個優點為藉監控（A-B)/(A+B)的比值 ’感測器對光源的強度’目標形貌趙的反射性與光學感測 器的靈敏性稍不敏感。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 n m I I I— - t I Ξι I In . 1 _I I m , V i (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在應用實施例令，雙晶感測器每個晶胞的尺寸為〇6 毫米χ1·2毫米而晶胞間差帶（帶32的寬度）大致等於iq微毫 求。映像30的寬度可落在50微毫米-100微毫米。該光學感 測器的標準靈敏度大致等於0.4安/瓦。 在典型如伺服系統應用（以下將會描述）的應用中，鏡 26可置於與目標形貌體16及雙晶光學感測器28間大約等距 的位置，大約各20毫米。反射光束鏡26通常焦距為1〇毫米 。目標形貌體16曲面17的曲率半徑在應用實施例中希望在 本紙張尺度適用+國國家標準（CNS ) A4規格（.210X297公釐） -35- 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 ___ 409178 五、發明説明（13 ) ’ ~ 0.5-5.0毫米的範圍内β 第4圖為顯示另一個光學位移感測器使用在磁碟機伺 服系統中的應用實施例之圖示。如示，伺服系統傳統上包 括旋轉控制臂4〇(位於磁碟機外部〔未顯示〕）與讀/寫磁 頭臂42(位於磁碟機内部）^控制臂4〇及磁頭臂42皆對共同 軸44旋轉。附於磁頭臂42末端54上表面通過一褶曲（未顯 示）的疋一璜/寫磁頭（未顯示）。目標形貌體如本發明與磁 頭臂合為一体。用來寫入與讀取資料之磁碟（也未顯示）位 於磁頭臂上方。 如傳統的磁碟機伺服系統，控制臂首先對一參考位置 旋轉而與用以寫入與讀取的幅射轨位定位。接著，？12經 使用本發明光學位移感測系統，磁頭臂旋轉與控制臂定位 使得讀/寫磁頭可自想要之磁碟的幅射軌位讀取與寫入。 磁頭臂及控制臂也可以其他次序旋轉，例如以交替型式直 到準破定位達成。 控制臂首先使用一干涉計光學系統定向。干涉計系統 包括一雷射光源46，一摺鏡48，一干涉計5〇，一附於控制 臂40的下側的逆反射器52,及一干涉計輸出信號感測器61( 示於第5圖^控制臂VCM驅動電路63偶合在輸·出信號感 測器61與聲音線圈馬達(VCM)65間，控制控制臂4〇的旋轉 移動體。 應要了解’雷射干涉計使用一自一移動體目標所反射 (即逆反射器52)的第一雷射光束及一運行固定距離的參考 雷射光束以決定移動體目標的位置（或位移）。雷射光源46 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐-) (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 丁 -16 - 五、發明說明（ 409178 A7 B7 14 產生一自摺鏡48反射的雷射光束通過雷射干涉計5〇而至逆 反射器52。光束經逆反射器52反射並與干涉計50的參考光 束組合。干涉計50提供該組合光束至感測器61，其回應來 決定控制臂40的位移（或位置的改變”接著，感測器61送 出一指示位置改變的信號給驅動電路63,其依序提供一信 號給VCM65而旋轉控制臂40直到與選定的幅射轨位定位 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一旦控制臂40正確定位，磁頭臂42接著使用所敘的位移感測 器與控制臂40定位。感測器包括光源模組56(希望包含雷射二極體） ，反射器58及感測器模組60(希望包含一雙晶光學感測器），全部附 於控制臂4〇的上表面。同參照第1及第2圖所敘之位移感測器的― 般應用實施例，動體作期間，光源模組56内的雷射二極體產生一 入射雷射光束’經反射器58反射而至與磁頭臂42末端54合為一体 或附於其上的目標形貌體(圖上未顯示）。如上述，目標形貌體有一 曲面，入射雷射光束自其反射而形成目標形貌體附近光源的映像 6反射雷射光束接著自反射器58反射至感測器模组6〇。映像再聚 焦於感測器模組60内光學感測器上。 系統校正使得當磁頭臂42與控制臂40正確定位時，一似點或 似線的小映像30(見第2圖）聚焦於感測器模組60内雙晶感測器晶胞 Α及Β分割帶32間的表面上》位移感測器處理控制電路67(示於第5 圖内）電結至光源模組56及感測器模絚60(第4圖）而如以下將更詳細 的描述，包含用以決定與監控信號值A+B與A_B的電路，該信號代 表磁頭與控制臂的相對位置。磁頭臂VCM驅動電路69偶合在位移 感測器處理控制電路67與磁頭fvCM7m。位錢測ϋ處理控制 本紙張Κ度顧+ _家鮮（CNSM4祕C 29T?i7 17 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線丨 409178 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7 五、發明說明（15) 電路67提供一指示磁頭臂及控制臂相對位置的數位輸出信號給磁 頭臂VCM驅動電路69，其回應提供一信號給磁頭臂VCM71來旋轉 磁頭臂42直到與控制臂40定位。如以下參考第6A圈所敘，感測器 也包含偶合在光學感測器與雷射二極體間的AGC電路以保持恆定 的信號Α+Β ^ 第6Α圖以方塊圖型式顯示感測器AGC電路。所示的電路包括 雙晶感測器62(含於感測器模組60内）及雷射二極體72(含於光源模 組56内）以方便描述。該電路包括傳統式類比信號放大器64及66分 別連結以接收雙晶感測器62的輸出信號A及B。類比放大器64及66 分別放大類比信號A及B。放大的類比信號A及B提供為輸出並也 提供至AGC電路73。AGC電路73由類比加成電路68及雷射控制電 力電路70所構成。加成電路68產生加成信號A+B。信號A+B提供 至雷射控制電力電路70，其係監控加成信號A+B的大小並依序提 供輸出信號以控制雷射二極體72的電力，信號A+B被保持實質固 定。應被理解的是，由該雷射二極體所產生的該入射雷射光東之 強度可變化為該目標的反射，例如，為了信號A+B被保持固定而 變化。 第6B圖以方塊圖型式顯示磁頭臂VCM驅動電路69，其控制磁 頭臂VCM71 »如示’信號A及B由區塊74接收，其包括放大器與相 加及相減電路以產生信號A-B及A+B。信號A-B提供至一類比至數 位轉換器（ADC)76，其將類比信號A-B轉為數位信號。該數位信號 提供至一傳統暫存器78 ’其提供一代表信號A-B的數位輸出a 信號A+B提供至比較器80,其與一參考信號（最小起 始位準〔即零〕）比較信號A+B並提供指示信號A+B是否 I氏張尺度適用令囷國家標準（CNS)A4規格 (210 X 297 公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --II--------訂---------線 A7 經濟部_央標準局員工消費合作社印製 409178 五、發明説明（16) 大於最小起始位準的狀態輸出位元。電路磁頭臂VCM驅 動電路69控制VCM71以旋轉磁頭臂42直到信號A-B等於零 且決定（信號A-B的）該過零點對應於映像點聚焦於雙晶感 測器晶胞間帶上之點（表示磁頭臂42與控制臂4〇定位）。值 得一提的是（如上參照第3圖所述）信號A_B也可在映像點不 位於雙晶感測器任一晶胞表面上時有一零值（表示磁頭臂 42與控制臂40明顯異位）。該電路決定合適的過零是藉監 控信號A+B與比較器80達成。參照第3圖應了解達到比較 器80合適的過零點是當信號a-B等於零而信號a+b大於零 。當比較器80決定信號A+B大於零時，輸出一狀態位元。 如此，暫存器78提供的數位輸出信號與比較器8〇提供的狀 態位元會在磁頭臂42與控制臂40正確定位時一起指示。 第7圖更詳細顯示了磁頭臂42的末端54。表示磁頭臂42 的底面以顯示感測器86。滑動體彎曲84藉錄接附於磁頭臂 42的上表面。顯示了鎔點82。一滑動體及讀/寫磁頭（未顯 示）連至彎曲84的尖端。在如此的彎曲結構，滑動體及讀/ 寫磁頭慣例上是存在的。 在本發明的一應用實施例中，感測器86與磁頭臂42的 末端54合為一体。如下較詳細的敘述，藉使用可產生希望 具有縱軸與磁頭臂縱抽平行之曲面的到劃工具將目標形貌 體刻’入磁頭.臂42的末端54。舉例而言，如示，目標形貌. 體可為磁頭臂42内的圓筒形鋸齒88。圊筒形鋸齒88提供感 測器86的曲面以反射八射雷射光束。在應用實施例中，幽 面的面率半徑希望落在0.5-5.0毫米。 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公羞） {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}
-19- 409178 A7 ____B7 五、發明说明（17 ) 第8圖為磁頭臂42的末端54的側視圖，顯示滑板92附 於彎曲84。如示，滑板92位於感測器如下與磁頭臂42幾乎 相同的縱點上。一同顯示的為將感測器86稍微比磁頭臂42 其餘部分提高的肩部90。 第9圖為（似第1及第2圖）系統某部分之部分功能性、 部分結構性的方塊圖，顯示了光源第一及第二映像的形成 。第9圖只顯示了系統的部分包括目標形貌體16，映像鏡％ 及光學感測器20 » 第9圖中顯示了目標形貌體16的兩個位置：第一位置（ 目標形貌體以實線表示）及第二位置（目標形貌體以虛線表 示）。第二位置顯示目標形貌體在水平又方向偏離其第一 位置’該位移會由本發明的系統量測。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 n I I! - ί. I -i - I t I 1·-- a— I _1 i 4o - 丄 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 如示，入射光束12自目標形貌體16的曲面丨7反射成反 射光束18。光源之似點的第一小映像1〇〇A形成在目標形 貌體16鄰近當目標形貌體16自其第一位置（以位置八表 示）移至其第二專位置（以位置Β表示），似點的第一映像也 同目標形貌體16自其第一位置（以位置ιοοΑ表示）移至其第 二專位置（以位置100Β表示）。 在每個位置上，藉映像鏡26接收了反射光束18的一部 分並聚焦在光學感測器2 0的表面上。對位置a，第二映像 100A’在光學感測器20的表面上形成。對位置β，第二映 像1OOB ’在光學感測器20的表面上形成。如所示可見，當 目標形貌體16以水平X方向自位置a移至位置β，似點之 第二映像則自位置100A，移至100B，(相對於第2圖中光學感 本紙張尺度適用中囤國家標準(_CNS ) A4規格（210X297公釐) ""* - -20- A7 409178 __B7 五、發明説明（18 ) 測器20的表面3 1上映像30以X’方向移動體）。特別一提的 是第二映像100A’（及100B’）對應於第2圖中第二映像30。 在伺服系統應用實施例中（示於第4圖），只有磁頭臂 對軸44的旋轉移動體（相對於第2圖中動體14以X方向的移 動體）會被量測。目標形貌體相對於磁頭臂的輕射移動（相 對於第2圖中ρ· 16動體14以Y轴的旋轉），磁頭臂垂直遠離 或指向控制臂的移動體（相對於第2圖中Z方向的移動體）或 目標形貌體在磁頭臂縱轴形成方向之一上的移動體（相對 於第2圖中Y方向的移動體）皆不會被系統偵測到。 目標形貌體可由如本發明的處理與物体合為一体（即 如使用在磁碟機伺服系統應用t磁頭臂所附的E區塊）。該 處理包括用具刻劃部分的工具將目標形貌體刻入物体的表 面。 第10圖顯示可用以刻劃如本發明之目標形貌趙的刻劃 工具之應用實施例。如示，刻劃工具2〇〇包括把手部分2〇2 及刻劃部分204。把手部分通常為縱向且可具包括長方形（ 如示）、方形、八邊形、圓形及其他等的任意橫截面形狀 。刻劃部分204藉如機械安裝，黏附或其他合適的方法附 於把手部分202的末端。刻劃部分2〇4可緊密地保持在把手 部分202内使得沿著刻劃部分204與把手部分2〇2間的界面 210有一強的对度》 刻劃部分204希望在刻劃部分2〇4極末端有一刻劃表面 2〇6 »在應用實施例中刻劃表面2〇6為圓形使得半圓筒形的 目標形貌體可刻劃入物體的表面。在所示的應用實施例用 本紙張尺度適用中家標準（格（21()Χ297公楚〉 ；--1 <請先閲讀背面之注意事項再^Γ本頁) 、1Τ 經濟部中央標準局貝工消費合作社印掣 -21 - A7 B7 409178 •、發明説明（19) 中，刻劃部分204有一相當平的表面212。自表面212向後 延伸且接近自刻劃表面206向上（遠離末端）的為刻劃部分 204的表面208。 把手部分202可由鋼或任何其他強度足以承受刻劃處 理（下敘）而不會彎曲的材料構成。刻劃部分，或至少刻劃 部分的刻劃表面’應由強度比物体表面還強的材質構成使 得目標形貌體可由如下敘的處理刻劃入物体表面。在磁碟 機伺服系統應用中’通常磁頭臂所附著的E區塊物体及目 標形貌體所形成的表面是由鋁構成。希望刻劃工具的刻劃 部分是由鑽石構成而其P _ 17其刻劃表面部分打光使得刻劃 表面206與表面212間的界面為一尖線。在這樣的應用中， 刻劃部分也可由鎢，藍寶石或其他可在鋁上刻劃出凹槽的 材料構成" 第11圖為部分結構性、部分功能性顯示目標形貌體被 刻劃之處理的圖示。示於第11圖的為刻劃工具200及物體 220 »物體220包括目標形貌體會被劃入的表面222。刻劃 工具200以側視圖顯示，包括把手部分202及刻劃部分204 。表面212在以下會更仔細描敘之沿將被刻劃的凹槽之縱 轴的刻劃方向面向目標形貌體。因為刻劃工具200是由侧 面看入，第11圖沒有顯示刻劃表面206的圓形本質。 在處理中，刻劃工具200的刻劃表面206送與物體220 的表面222接觸。這可藉以Y1方向向表面222移動體刻劃 工具200及/或藉以Y2方向向刻劃工具200的刻劃表面206移 動體物體220來完成，希望同時保持把手部分202的縱軸垂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（2iOX297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 -22- 409178 A7 B7 五、發明説明（20 ) 直表面222。當刻劃表面206送與物體220的表面222接觸時 ，刻劃表面206會在位置S。接著，刻劃表面206在Y1方向 以增量Δ再移動體》這可藉以Y1方向移動體刻劃工具2〇〇 及/或藉以Y2方向移動體物體220來完成。在此點，刻劃表 面206將已掘入物體220的表面222且會在表面222下S-Δ的 位置上。在本發明較佳的應用實施例中，△落在〇.〇2至〇,〇5 毫米的.範圍内。 刻劃表面206的初始移動體移向並與物體220的表面 222接觸是發生將被刻劃之目標形貌體的目標起始點（其中 一個端點）之起始點d。接著，藉以XI方向移動體刻劃工 (讀先閱讀背面之注意事項再^C本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 具200及/或藉以X2方向移動體物體220D至點D+d的距離來 刻劃目標形貌體’點D+d為將被刻劃之目標形貌體的目標 端點》在此步驟期間，保持刻劃工具2〇〇在γι方向及/或物 體220在Y2方向的壓力使得刻劃表面206保持在水平S+△而 刻劃之目標形貌體會有一自表面222的深度A。希望把手 部分202的縱軸保持與表面222垂直以確保產生的凹槽之對 稱性。產生的凹槽形狀會是半圓筒形且會有一大概等於圓 形刻割表面206的p.18半徑。此半徑希望落在〇·2_5〇毫米 當刻劃表面206到達端點d+D，接著刻劃工具2〇〇以Υ2 方向移動體及/或物體220以Y1方向移動體直到刻劃表面 206與表面222不接觸，如此完成了凹槽目標形貌體的刻劃 當只移動趙物體220時，刻劃工具2〇〇可保持靜止 同 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2]〇χ297公釐） -23- 409178 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（21) 樣地’物體220可保持靜止。此保留可藉交互使用來完成 。此處理可藉手動體或經如鑽孔機等機械的幫助來完成， 其中物体維持在鑽孔機的階段而工具垂直架設在鑽孔機上 〇 第12圖顯示在物體220的表面222内由刻劃部分204的 刻劃表面206刻劃的半圓筒形凹槽224。 第13圖顯示一個替代且較佳的刻劃工具3〇〇，包含一 把手部分302及刻劃部分304。 刻劃工具300的刻劃部分304在第14圖中會更詳細顯示 且包括一刻劃表面306 ’表面312及斜讀邊308。310為刻劃 部分304與把手部分302間的界面。在俄亥俄州，克里夫籣 E.C.Kitzel&Sons有限公司之自然鑽石工具名下1135-020可 得到一這樣的工具。 如此至少已描敘了如本發明之一個示範應用實施例， 對熟悉此藝者可隨時做各種改變，修正與改善^例如，當 本發明的感測器描敘為藉採用雙晶感測器監視物体一維空 間的位置（或方向）時，值得一提的是本發明並不受限。藉 採用四分晶感測器，感測器可分別監視二度空間物体的位 置。如此的改變，修正與改善希望在本發明的精神與範疇 内。如此，前述的說明只是舉例而不是來限制。本發明只 受限於如下的申請專利及其同等說明。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公楚） -24- 409178 at B7 五、發明説明（22 ) 元件標號對照 經濟部中央標準局負工消費合作社印裝 10...光源 6〇…感測器模組 12...入射光束. 61…干涉計輸出信號感測器 14...動體 62...雙晶感測器 17...曲面 64，66…類比信號放大器 16，86...目標形貌體 67…位移感測器控制電路 18...反射光束 68…類比加成電路 20...光學感測器 69..，磁頭臂VCM驅動電路 22...雷射二極體光源 70…電射控制電力電路 26...映像鏡 71...磁頭臂VCM 28...雙晶光學感測器 72…雷射二極體 30...第二映像 73...AGC 電路 31·.·雙晶光學感測器上半面 74...區塊 32…窄帶 76...ADC 40...旋轉控制臂 78...暫存器 42...磁頭臂 80…比較器 44…共同韩 82...鎔點 46...雷射光源 84...滑動曲面 48...摺鏡 88...圓筒形鋸齒 50···雷射干涉計 90...肩部 52...逆反射器 92…滑板 54...末端 100A…似點的第一小映像 56...光源模矣且 100A’，100B’···第二咏德 本紙伕尺度適用中國國家標準（+CNS } A4規/格（210X297公釐） I I I I - - 1 !1 I .—^- 1ί - . < - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -It -25- 409178 A 7 B7五、發明説明（23 ) 200, 300…刻劃工具 212...平面 202, 302…把手部分 220…物體 204, 304…刻劃部分 222…表面 206，306…刻劃表面 224.··半圓筒形凹槽 208…表面 308...斜讀邊 210，310...界面 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) " -9 經濟I邱中央標隼局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS .) A4规格（2】0 X 297公趋） -26-

Claims (1)

  1. 409178 8 8 8 8 ABCD 申請專利範圍
    經濟部中夹標準局貝工消費合作社中裝 i 一種量測動體位移的儀器，包括： 產生入射光束的靜止光源； 附於物体上的目標形貌體，反射入射光束而在目 標形貌體鄰近形成光源的第一映像； 一映影鏡，接收第一映像而在光學感測器上將第 一映像再形成為第二映像；及 光學感測器，與物体相隔，接收第二映像並回應 產生具有與光學感測器上接收第二映像之位置，其代 表物体的位置，成比例的特性之電子信號； 其中目標形貌體是在物体内藉刻劃一凹槽形成。 2. 如申請專利範圍第1項的儀器，其中目標形貌體凹槽的 形狀為半圓筒形。 3. 如申請專利範圍第1項的儀器，其中目標形貌體的曲率 半徑在0.2至5.0毫米的範圍内。 4· 種光學位置感測儀器用以在磁碟機中感測讀/寫磁頭 臂相對於控制臂的位置，該儀器包括： 附於控制臂上產生入射光束的靜止光源； 附於磁頭臂上的目標形貌體，反射入射光束而在 目標形貌體鄰近形成光源的第一映像； 位於目標形貌體與光學感測器間光路徑上的块影 鏡’接收第一映像而在光學感測器上將第一映像再聚 焦為第二映像；及 光學感測器，附於控制臂，接收第二映像並回應 產生具有與光學感測器上接收第二映像之位置，其代 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） J1 iIT-- n ,—-1 i I I I I 訂 (請先閲讀背面之注意事項再壤寫本頁) -27- 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 409178 --一 D8 '申請專利ϋ ' ' 表磁頭臂的相對位置，成比例的特性之電子信號； 其中目標形貌體是在磁頭臂内藉刻劃一凹槽形成 〇 5‘如申請專利範圍第4項的儀器，其中目標形貌體凹槽的 形狀為半圓筒形。 6·如申請專利範圍第4項的儀器，其t目標形貌體的曲率 半徑在0‘2至5.0毫米的範圍内。 7·—種在物体内產生目標形貌體的方法，物体的位移是 由位移感測器感測’位移感測器包括一光源，產生入 射光束並自目標形貌體反射及一光學感測器，接收自 目標形貌體反射光之光源的映像，該方法包含步驟如 下： 將刻劃工具的刻劃面與物体表面接觸；並 在保持工具與物体表面壓力下，將目標形貌體刻 劃入物体表面内。 8. 如申請專利範圍第7項的方法，其中刻劃的步驟包含保 持物体靜止。 9. 如申請專利範圍第7項的方法，其中刻劃的步驟包含保 持工具靜止。 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------*--篆------丁 -Φ. t請先聞讀背面之注意事項存填寫本莧) -28 -
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