专利名称：动态控制读/写磁头的方法
技术领域：
本发明涉及在旋转或活动存储介质上保存信息或数据的硬盘驱动器或磁带记录器。更具体地说，本发明涉及当旋转磁盘在磁头下旋转或者当活动磁带在磁头下移动时，动态控制读/写磁头的浮动状态的方法和设备。
背景技术：
现有技术中已知的磁盘存储器包括空气支承(air-bearing)浮动块。浮动块本身安装在所谓的悬臂上，所述悬臂实质上起负载梁的作用，包括刚性部分和弹性部分，其中弹性部分产生把浮动块推向或推离记录介质的压力，从而利用一定的必要压力，把其上安装电磁换能器的浮动块推向记录介质或者拉离记录介质。
从而当记录介质，例如磁记录盘旋转时，施加在浮动块上的负载和由于气流的缘故施加在浮动块的空气支承表面上的气垫作用力相互平衡，从而，浮动块以很小的间隙(所谓的“浮动高度”)浮动在记录介质之上。
在旋转的磁硬盘上方支承读/写磁头的浮动块的浮动高度目前在20纳米的范围之内，并且未来很可能会降低。在目前已知的硬盘装置中，浮动高度实质上由浮动块的空气支承表面和磁头万向节组件的具体设计确定。但是，由于制造公差的缘故，对于相同类型的不同装置来说，存在几纳米之内的浮动高度的变化。这些公差显著影响硬盘的读写特性。
已知两组不同类型的现有磁头悬挂机制。在第一组磁头悬挂机制中，在悬臂的弹性部分上形成的薄膜(可由于薄膜自身的内部应力而扩展或者收缩)使弹性部分，从而使悬臂弯曲，从而改变读/写磁头在盘面上的浮动高度。
但是，悬臂朝着盘面的弯曲增大了与浮动块的气动升力反向作用的弹力。
现有技术中，已提出压电薄膜或者双金属片作为弯曲悬臂的换能器。例如在美国专利No.5825590，“Magnetic Head SuspensionMechanism with a Thin Film Thereon For Creating a Bent Portion of aVibration Absorbing Portion”(转让给日本的富士通公司)中，以及在美国专利No.5377058，“Fly Height Servo Control of Read/WriteHead Suspension”(转让给纽约州的IBM公司)中公开了属于上面提及的第一组的方法。
另一组现有方法提供悬臂的弹性压力和/或弯曲形状的一次性静态调整。在日本摘要通报JP 5189906A中，提出在浮动型磁头的生产中，通过向悬臂的弹性部分传递热能，并且调整弹性压力，把浮动块的浮动量设置成微小并且精确的量值。通过用激光束辐照弹性部件，并且依据不连续的弹性压力调整，沿弹性部件的滚轧方向设置弯曲量，从而完成热量施加。在设置弯曲量之后，浮动块被安装在悬臂上。
根据在日本摘要通报JP 63281283A中公开的另一种静态方法，弹性部件由诸如形状记忆合金之类的超弹性材料制成，形状记忆合金允许弹性部件的初始形状有几分弯曲。初始形状被变形，直到近似平行于盘面为止。由于只有弹性部件由超弹性材料制成，可确保面内刚性，另外使弹性常数降至最小。
使用换能器元件的上述方法存在这种元件在悬臂上需要更大面积的问题，这会使例如悬臂的小型化更加复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制读/写磁头在活动存储介质，例如旋转的磁性硬盘或者磁带记录器的磁带上方的浮动高度的方法和设备，所述方法和设备允许进行主动和/或动态浮动高度调整，或者，尤其是在磁带记录器的情况下，允许调整读/写磁头的支承压力。
另一目的是提供允许把单个存储器，尤其是硬盘驱动器的浮动高度精确设置成规定值，以便满足制造公差的方法和设备。
另一目的是提供允许补偿硬盘驱动器中的压力变化和/或硬盘驱动器或磁带存储器中空气支承表面的污染的方法和设备。
本发明的又一目的是提供一种控制读/写磁头在旋转磁性硬盘或者磁带存储器的活动磁带上方的横摇、俯仰和扭转的方法和设备，所述方法和设备允许对这些参数进行主动校准或调整。
为实现上述目的，本发明提供了一种控制读/写磁头的浮动高度的方法，包括提供安装在悬臂上的读/写磁头；把磁头用具有一弹性常数的弹力悬挂在存储介质上方；以该弹力对抗作用在磁头上的气动升力而推动磁头；改变至少部分悬臂的弹性常数，从而调整磁头的浮动高度、横摇角和俯仰角；改变施加在至少部分悬臂上的磁场，其中改变弹性常数可以在工作期间进行。
本发明还提供了一种控制读/写磁头的浮动高度的方法，包括提供安装在悬臂上的读/写磁头；把磁头用具有一弹性常数的弹力悬挂在存储介质上方；以该弹力对抗作用在磁头上的气动升力而推动磁头；改变至少部分悬臂的弹性常数，从而调整磁头的浮动高度、横摇角和俯仰角；改变至少部分悬臂中的电场，其中改变弹性常数可以在工作期间进行。
本发明还提供了一种数据存储装置，包括活动的存储介质和以一浮动高度位于存储介质附近并且安装在悬臂上的读/写磁头，所述悬臂用于把磁头活动悬挂在存储介质上方，并且以一弹力对抗作用在磁头上的气动升力而推动磁头，其中至少部分悬臂的材料具有与参数相关的弹性常数；以及依据所述参数控制弹性常数，从而调整磁头的浮动高度、横摇和俯仰的装置；其中所述参数是磁场的强度。
本发明还提供了一种用于数据存储装置的悬挂系统，包括活动的存储介质；以一浮动高度位于存储介质附近的读/写磁头，其中该磁头被安装在悬臂上，所述悬臂用于把磁头活动悬挂在存储介质上方，从而该悬臂以一弹力对抗作用在磁头上的气动升力而推动磁头，其中至少部分悬臂包括具有和参数相关的弹性常数的材料；利用所述参数作用于所述材料，以通过磁场的强度来调节磁头的浮动高度、横摇、俯仰和扭转的磁性装置；其中具有和参数相关的弹性常数的所述材料形成所述悬臂中的一层。
构成本发明基础的原理是影响或者改变悬架的弹性常数，从而影响前面提及的两个反向力的平衡状态，其中一个力起源于浮动块的空气支承表面下的气垫，导致升力或沉降力，另一个力由悬架本身的弹力提供。通过干扰作用力的平衡状态，可按照可控方式改变读/写磁头的浮动高度。通过弹性常数的可控变化，可精确调整浮动高度。
和前面描述的现有方法相反，本发明提供被动以及主动机制，其中仅仅通过改变弹性常数k实现读/写磁头的动作，而不是象现有方法那样利用主动挠曲ΔX来实现读/写磁头的动作，F＝k-ΔX。和通过提供弯曲力或弯曲动量主动挠曲悬架的现有方法相反，根据本发明，仅仅是由于作用于浮动块的机械作用力的新平衡的结果，悬架被弯曲。除了该弯曲之外，或取代该弯曲，通过局部改变由悬架材料的弹性模量赋予的弹性常数，还可局部弯曲或者甚至皱折悬架。
于是，本发明能够仅仅通过(主动)适当改变弹性常数，调整不正确的克负载(gramload)或者改变克负载。这可在磁盘存储器的制造过程中在悬架连同读/写磁头已被装配到存储器上之后已经完成，或者可作为主动调整手段，在HDD工作过程中完成。
另外，可在悬架上很小的区域中实现提出的动作方案，从而能够实现悬臂的进一步小型化。
存在测量磁头的浮动高度的若干方法和系统，例如在扫描探针显微传感器中使用的，并在美国专利5527110(Abraham等)“Method andApparatus for Detecting Asperities on Magnetic Disks using ThermalProximity Imaging”中举例说明的近程热传感技术。由于在磁盘存储器的工作过程中，硬盘的旋转速度几乎恒定，因此对于浮动块的指定设计，尤其是空气支承面的形状的指定设计来说，升力或沉降力几乎恒定，从而允许不正确克负载的一次性调整。另外，可在制造过程中设置特定的浮动高度。
除了通过改变弹性常数静态调整弹力之外，也可实现主动或者动态浮动高度调整，以便确保良好的读写性能，尤其是下面的旋转存储系统的操作性能。
于是，通过磁盘的高速旋转，整个磁盘存储器在工作过程中通常会改变其温度。这也会升高悬臂的温度和磁盘存放壳体内的气温。悬臂的不同温度会导致弹力的改变，从而导致磁头的浮动高度的相应变化。气压的变化或者空气支承面的污染会影响浮动块下的空气流动，从而影响驱动浮动块的升力。本发明可动态调整影响浮动高度的所有这些效应。于是，例如在HDD的低和高性能模式下，可据此调整硬盘的旋转速度的变化及其对读/写磁头的浮动高度的影响。
其它环境参数可以是材料随着磁盘工作时间的退化，于是为了实现硬盘的可靠性，必须校正所述材料退化，以便保持最佳的浮动高度。
本发明还允许动态设置特定的浮动高度，以便只在读/写磁头对磁盘进行读或写操作的过程中，使读/写磁头保持在最小的浮动高度。当不存在读或写访问时(这约占硬盘旋转时间的90％)，可使读/写磁头从最小浮动高度后撤，以便提高硬盘的机械耐久性。从而，本发明能够实现读/写磁头的动态两级或者多级操作。
应用本发明的另一技术领域是未来的可能需要不同但是确定的浮动高度，以便实现诸如存储密度之类的理想性能的读写过程。例如，可能更方便在很小的浮动高度下写入磁位，同时仍然可以在较高的浮动高度下读位。尤其是在寻道过程中，在较高的浮动高度下，可以足够的分辨率读取伺服模式。这会减少寻道时间。通过主动控制浮动高度，可实现这一点，并且还可增加硬盘的寿命。
于是，改变浮动高度能够把读/写磁头放置在一种停放位置，在所述停放位置，读/写磁头得到保护免受损害，从而能防震。另外，当浮动块远离盘面时，浮动块和盘面之间的空气摩擦力降低，其结果是降低了旋转硬盘所需的功耗。
本发明的另一应用领域是在诸如膝上型计算机、移动电话机之类的便携装置中磁盘存储器的使用，通过降低磁盘的转速，可用于降低功耗。磁盘转速的降低对空气支承力有影响，于是会导致浮动高度的变化，从而改变磁盘存储器的性能。
在第一实施例中，通过局部改变悬臂的材料温度，实现可变的悬架弹性常数。这样的温度变化可由布置在悬臂上的小型加热器，例如布置在悬臂表面上的薄膜或者厚膜结构实现。这种层结构尤其可根据温度改变弹性常数，改变这种层结构的弹性特性会导致悬臂的弯曲的变化，从而导致读/写磁头的浮动高度的变化。
根据另一实施例，通过把大块材料(bulk material)或者材料层用于悬臂，或者使用具有磁弹性效应的相应辅助层，也可实现弹性特性的变化，所谓磁弹性效应，是指材料的弹性常数取决于磁化强度。磁化强度可由作用于磁敏层的外加磁场或者内部施加磁场控制。内部磁场源可由布置在磁敏材料之下或者之上或者附近的第二硬磁层，或者通过添加作为感应元件的小型线圈，从而产生磁场来实现。这样的磁性层也可用于偏置磁弹性效应或者使磁弹性效应线性化。使用磁弹性层或材料的优点在于由于磁弹性效应是准静态效应，因此在存储器中不需要持续不断的功耗。
值得注意的是可对每个浮动块/硬盘组合体单独实现前述原理，并且前述原理不依赖于下面的磁盘存储器的特性。此外，前述原理并不局限于磁性硬盘存储器，还可应用于其它目前及未来的基于旋转盘的存储器，例如光盘等等。
下面将参考附图，借助实施例更详细地说明本发明。
图1是根据现有技术的悬臂的透视图；图2是图解说明作为本发明的基础的气垫机制的悬臂的示意图；图3a-3d是本发明的不同实施例的示意图；图4a-4c是图解说明横摇摆、俯仰和扭转的定义的示意图；图5a-5d是本发明的不同实施例的示意图。
具体实施例方式
图1中，表示了根据现有技术的悬臂100，所述悬臂100公开于美国专利No.5377058中，它包括浮动悬浮体110和读/写磁头120。读/写磁头120安装在浮动块125上。借助导线160实现包括一个或多个信号线的磁头120的供电。在其对侧，利用安装法兰130把悬臂100安装在硬盘驱动器(未示出)的马达法兰上。
压电薄膜140粘结在悬臂100上。通过导线150对薄膜140施加浮动高度校正电压。通过施加校正电压，薄膜140在悬臂00的平面中扩展，由于薄膜140和悬臂l00之间的粘附，对悬臂100产生弯曲力，迫使悬臂100沿其纵轴和横轴方向弯曲。
悬臂100朝着盘面的弯曲(未示出)增大了推斥气动升力的弹力，所述气动升力分别作用于读/写磁头120或者浮动块125，从而使磁头120更接近于盘面浮动。从而，利用校正电压调整了浮动高度。
图2是带有在磁性硬盘的盘面上滑动的浮动块的悬臂的示意侧视图。当磁性硬盘旋转时，布置在浮动块下的气垫沿离开硬盘或者朝向硬盘的方向施加作用力。在作用力Fa和弹力Fs平衡的情况下，磁头在平衡浮动高度(FH)下在旋转的硬盘上浮动。
根据本发明，悬臂包括布置在悬臂表面上的材料或者一层材料，弹性常数随材料的诸如温度之类的物理性质，或者随通过它的磁通量，或者随施加的电压，而发生较大变化。一次近似的弹力Fs可被写为Fs＝k×l，k是材料的弹性常数，l是悬臂的纵向或横向挠度。根据本发明，通过改变弹性常数k而改变弹力F。从而，按一级近似，在F＝常数的情况下，变化Dk导致挠度的变化D1。
现在参见图2，该图描述了尤其包括浮动块210的磁头浮动块组件200，所述浮动块210位于距离硬盘表面220一定距离的位置，以便图解说明构成本发明基础的气垫概念。下面，浮动高度(FH)定义为浮动块和盘面220之间的最小距离。浮动块210相对于盘面的空间方向和弯曲形状可由俯仰角和拱度值230表征。由于盘面220和浮动块210之间的相对移动(由用箭头240描述的硬盘的旋转方向确定)的缘故，形成特定的气流250，根据倾斜角α，所述气流250导致起因于空气支承面260上的气垫的作用力，所述空气支承面包括到盘面220的最小距离FH。
浮动块210或者磁头的浮动高度(FH)完全由前述浮动特性确定，即浮动块空气动力学产生的升力和沉降力，和悬臂280借助其把浮动块210推向盘面260的弹力。
图3a-3c描述了根据本发明的悬臂的不同实施例。
现在参见图3a，第一实施例包括悬臂300，悬臂300包括或者由弹性常数的弹性模量DE相对于DT有较大梯度的大块材料组成，这里DT是悬臂300的整体温度。悬臂300由厚度为d1的弹性部分310和厚度为d2的刚性部分320组成。在悬臂300的自由端，利用粘合剂327把浮动块325安装在悬臂300、310上。浮动块325的下表面到硬盘329的上表面的距离为FH。
悬臂300尤其包括布置在大块材料的特殊的弹敏(elasto-sensitive)部分340上的加热部件330，所述弹敏部分340由交叉线突出显示，并且具有高的弹性模量梯度。
本实施例中，加热部件330被实现成缠绕悬臂的电阻丝。或者，加热部件330可被实现成沿弹敏部件340布置在一面或者两面上的薄层或者厚层电阻材料。流经供电导线350的电流IC使弹敏材料340的温度升高，于是使材料340的弹性常数降低。
和起源于浮动块325之下的气垫效应(参见图2)的恒力Fa一起，悬臂300的弯曲曲率也将降低，从而增大浮动块325在盘面329上的浮动高度FH。
图3b中描述的本发明的另一实施例包括布置在悬臂410上，并且厚度为dlayer的弹敏层400，而不是大块材料。根据厚度dlayer和dbulk之间的差值，层400的弹性常数的变化也会导致悬臂410的弯曲曲率的变化。
该实施例还包括加热部件420，本实施例中，加热部件420被实现成回纹形电阻丝420。供电导线430提供的流经电阻丝420的电流主要加热层400，从而导致层400的弹性常数的变化。由于所谓的“被动双金属效应”，即层400的作用于悬臂410的弯曲动力的降低，这还会导致悬臂410的弯曲曲率的变化。这种结构中，起因于双金属效应和弹性效应的致动作用可能具有相反的符号。可选择通过改变温度表现出“零致动作用”的材料。或者，可选择具有高弹性效应的材料，这种材料过度补偿双金属致动作用。
这里要强调的是弯曲曲线的变化方向，从而浮动高度的变化方向取决于该两层系统的内应力的符号，从而当升高温度时，可增大或减小浮动高度。
图3c表示在悬臂510上布置磁弹性材料层500的实施例。借助磁场改变层500的弹性模量，利用位于层500上部的缠绕呈平线圈形状或者围绕悬臂缠绕的导线，产生所述磁场。借助供电导线530为线圈导线520供电。
图3d表示在悬臂的磁弹性部分上方，或者非常接近所述磁弹性部分，或者在所述磁弹性部分附近放置硬磁层(HL)的实施例。硬磁层的磁化确定悬臂的磁弹性部分的磁化方向，从而确定其弹性性质。借助外加磁场，甚至在HDD之外施加的磁场，可转换HL的磁化，或者利用通过布置在HL上方的小型感应元件的短电流脉冲，可设置HL的磁化。在外加磁场或者电流脉冲之后，HL中的磁化沿所需的方向旋转，于是确定层500的弹性性质。可以通过只利用磁弹性部分设计本实施例，所述磁弹性部件本身是硬磁材料。
图4a是磁性硬盘600的盘面上滑动的上浮动块620和下浮动块640的后部的沿纵轴的示意视图。当硬盘旋转时，浮动块下的气垫沿离开硬盘或朝向硬盘的方向施加作用力。如图所示，浮动块620、640可平行于盘面(零横摇)或者与盘面成一定的角度。
图4b是在磁性硬盘600的盘面上滑动的上浮动块620和下浮动块640的示意侧视图。当磁性硬盘转动时，浮动块下的气垫沿离开硬盘或朝向硬盘的方向施加作用力。如图所示，浮动块620、640的ABS可平行于盘面(零俯仰)或者与盘面成一定的角度。
图4c是在磁性硬盘600的盘面上滑动的下浮动块640的示意侧视图。如图所示，浮动块可沿着纵轴被扭转。
在来自德国专利申请DE 19603192 A1的图6的图5a中，描述了带有浮动块24的悬臂21a的前部。利用浮动块24附近的U形狭缝31和32以及直缝33和34修改悬臂。这样，形成H形磁头安装区，同时桥接部分36、38和39形成似kardanic悬挂系统。该悬挂系统具有非理想kardanic的缺点。如果没有很好地安装浮动块，则仅仅利用气垫压力，弯曲或扭转桥接部分所需的作用力会阻止磁头把浮动块准确对准盘面。
图5b表示了图5a的系统的变型，桥接部分710和720或者桥接部分的各个部分730、740、750、760由布置在桥接部分表面上的材料或者一层材料构成，弹性常数随着材料的物理性质比如温度或者通过它的磁通量而发生较大变化，如同前已针对悬臂说明的那样。通过有选择地改变桥接部分的弹性常数，可校正浮动块的安装公差，从而调整横摇、俯仰或扭转。
图5c表示了本发明的利用由交叉的桥接部分710和720构成的另一似kardanic悬挂系统的不同实施例。
图5a-5c中描述的系统存在桥接部分相互耦接的缺点。从而不能保持横摇和俯仰的单独适应。
图5d表示了具有分离轴(decoupled axis)的悬挂系统。桥接部分710a、710b和720或者桥接部分的各个部分770、780、790由布置在桥接部分的表面上的材料或者一层材料构成，弹性常数随着材料的物理性质发生较大变化。
权利要求
1.一种控制读/写磁头的浮动高度的方法，包括提供安装在悬臂上的读/写磁头；把磁头用具有一弹性常数的弹力悬挂在存储介质上方；以该弹力对抗作用在磁头上的气动升力而推动磁头；改变至少部分悬臂的弹性常数，从而调整磁头的浮动高度、横摇角和俯仰角；改变至少部分悬臂中的电场，其中改变弹性常数可以在工作期间进行。
2.按照权利要求1所述的方法，还包括用绕在悬臂至少一部分上的线圈至少局部地改变悬臂的温度的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，还包括改变至少部分悬臂的弹性常数以调节磁头的扭转的步骤。
全文摘要
本发明涉及动态控制读/写磁头的方法，包括提供安装在悬臂上的读/写磁头；把磁头用具有一弹性常数的弹力悬挂在存储介质上方；以该弹力对抗作用在磁头上的气动升力而推动磁头；改变至少部分悬臂的弹性常数，从而调整磁头的浮动高度、横摇角和俯仰角；改变至少部分悬臂中的电场，其中改变弹性常数可以在工作期间进行。
文档编号G11B7/12GK1822194SQ20051013814
公开日2006年8月23日 申请日期2001年8月11日 优先权日2000年8月29日
发明者鲁迪格·F.·伯杰, 安德莱斯·迪策尔, 弗里德里奇·弗雷施曼 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司