专利名称：具有带纹理的垫片的磁盘驱动器浮动块的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来存储信息的磁盘存储系统。更具体地说，本发明涉及一种改进的磁盘驱动器浮动块的设计，它包括具有能减小浮动块与磁盘表面之间的静摩擦和动摩擦的接触表面的垫片。
背景技术：
在工业中，“温彻斯特(Winchester)”以及其它类似的磁盘驱动器是众所周知的。这样的驱动器使用覆有用来在多个圆形、同心的数据磁道上存储数码信息的可磁化介质的硬磁盘。磁盘安装在一主轴电动机上，主轴电动机使磁盘旋转并使磁盘的表面在相应的流体动力(例如空气)承载磁盘头浮动块下方通过。浮动块载有能将信息写入到磁盘表面和从磁盘表面读取信息的转换器。
一个致动机构在电路的控制下，使浮动块从磁道到磁道地横过磁盘的磁盘表面移动。致动机构包括一致动臂和一悬架组件。浮动块通过一万向连接件连接在悬架组件上。悬架向浮动块提供一载荷力，迫使浮动块靠近磁盘表面。
浮动块包括一面向磁盘表面的承载表面。当磁盘旋转时，磁盘在浮动块下且沿着承载表面以一大致平行于磁盘的切向速度的方向带动空气。当空气在浮动块的承载表面的下方通过时，沿着空气流路径的空气压缩使磁盘与浮动块的承载表面之间的空气压力增大，这产生了一个流体动力的提升力，该提升力抵抗载荷力，使浮动块升起并紧挨着磁盘表面“飞行”，且使浮动块所载的转换器得以施行读取和写入操作。对悬架组件的万向连接使浮动块在跟随着磁盘的凸版印刷倾斜和起伏。
增加磁盘存储能力的需求导致了更低的浮动块的飞行高度和更光滑的磁盘表面。不幸的是，超低飞行的浮动块的发展受到了一种被称为静摩擦的现象的阻碍。静摩擦是由静态摩擦和粘滞剪切力引起的，它们致使浮动块在一段时间不使用之后就粘结在磁盘表面上。假设主轴电动机能产生足够转矩，静摩擦可以通过主轴电动机来克服。但浮动块和/或磁盘可能会在从磁盘表面释放浮动块时发生损坏。此外，磁盘表面与浮动块之间的动摩擦也会导致转换器所产生的在读出和写入信号上的较低调制的形式的问题。
接触起动/停止(CSS)磁盘驱动器在起动和停止的过程中当磁盘的旋转速度不足以保持使浮动块飞行的承载时，以浮动块与磁盘表面接触的方式。为了减少静摩擦问题，一些CSS磁盘驱动器通过在一受控的方式下在磁盘表面上产生粗糙凸起或纹理来在靠近磁盘的内径处提供一专用的搁置区域。纹理用来减少在浮动块-磁盘交界面处的接触面积。尽管这种解决方案降低了磁盘驱动器由于静摩擦而发生损坏的可能性，但它也减少了磁盘表面可用于数据存储的面积。此外，介质表面上的粗糙凸起的存在会增多在操作过程中浮动块-介质接触的机会，从而使得实际可达到的超低飞行浮动块受到限制。
另一种减轻有关静摩擦和动摩擦问题的方法是在浮动块的承载表面上包括垫片。垫片用来减少与磁盘表面的接触面积，从而减少所承受的静摩擦和动摩擦。这样的垫片通常是由类似金刚石的碳(DLD)制成。不幸的是，在使用要求用极为光滑的磁盘表面(例如Ra＜3埃)的超高面密度界面的系统中，仅仅DLD垫片已显示出会导致静摩擦和动摩擦程度超过可靠性界限值。
另一种减轻与CSS磁盘驱动器相关的静摩擦问题的方法公开于发行给Kasamatsu等人的美国专利No.5,991,118中。Kasamatsu的专利通过蚀刻垫片的接触表面对浮动块的垫片进行了修改，以从而进一步地减小浮动块与磁盘表面之间的接触面积。在垫片上的蚀刻图案的深度小于垫片的厚度。当垫片的蚀刻部分磨损时，通过蚀刻的图案形成在接触表面上的纹理就损坏，直至它完全被磨光。一旦蚀刻表面消失，浮动块就与上述的带垫片的浮动块一样的工作。结果，这种方法最终还是将导致静摩擦和动摩擦的程度在使用超高面密度界面的系统中处在可靠性界限值之上。
还有另一种减轻静摩擦所引起的问题的方法是使用一斜块加载或斜块加载/卸载磁盘驱动器。斜块加载磁盘驱动器通过使用一斜坡来消除了必须将浮动块“停靠”在磁盘表面上的必要性，浮动块从该斜块加载到磁盘表面上和从磁盘表面上卸下。斜坡一般适于通过悬架来保持浮动块，并且通常位于磁盘外径附近。在停止驱动器工作之前，致动机构通过将悬架转动到斜坡上，将飞行的浮动块从磁盘表面上卸下。一旦浮动块被卸下，就能允许磁盘从全部的操作速度开始放慢其旋转速度，并且可以停止驱动器工作。在起动时，致动机构延迟浮动块到磁盘表面上的装载，直至磁盘的旋转速度达到全部的操作速度。尽管斜块加载的磁盘驱动器显示出是与CSS驱动器相关的诸如需要一专用搁置区域之类的许多问题的一解决方案，但斜块加载的磁盘驱动器也有它们的不足。
在斜块加载的磁盘驱动器中的一个问题是在斜块加载操作的过程中，当没有在浮动块下方形成足够的所需要的空气承载时，浮动块能会接触到磁盘表面。由于能够损坏磁盘表面和/或浮动块，且这可能会导致数据丢失和磁盘驱动器损坏，所以这样的接触是人们所不希望发生的。针对这个问题的一个部分的解决方案是在磁盘表面的外径处不写入数据的地方设置一专用的负载区域。不幸的是，这样的解决方案会减少驱动器的有效数据存储面积，且没有解决可能会损坏浮动块的问题。斜块加载的磁盘驱动器也会存在静摩擦的问题。例如，这可能发生在磁盘驱动器的供电中断而浮动块仍飞行在磁盘表面上方的时候，或者发生在斜块将悬架撞掉的时候。
需要一种改进的磁盘驱动器浮动块设计，它应能减少浮动块与磁盘表面之间的静摩擦和动摩擦，以提供用超光滑的磁盘表面进行可靠的操作，并同时进一步减少由于浮动块与磁盘表面之间的接触所导致的损坏的可能性。
发明内容
本发明旨在一种能解决上述问题的磁盘驱动器。该浮动块包括一浮动块本体和一形成在浮动块本体上的轨道。轨道具有一面向磁盘表面的承载表面。在轨道的承载表面上形成有一带纹理部分。一垫片沉积在带纹理部分上，并工作以减少静摩擦、动摩擦以及由于浮动块与磁盘表面的接触而导致浮动块或磁盘表面发生损坏的可能性。
这些以及其它的特征和优点将会在仔细地阅读了下面的附图和相应的详细描述之后变得清楚起来。
附图简述
图1是示出根据本发明实施例的一可选择的斜坡的磁盘驱动器系统的俯视图。
图2是根据本发明的多个实施例的浮动块的仰视图。
图3是根据本发明一实施例的一浮动块的一带纹理部分和接触表面的一部分的放大的立体图。
图4是示出根据本发明一实施例的浮动块制造方法的流程图。
图5.1-5.4示出了根据本发明实施例的一浮动块沿着图2的线5-5的局部剖面图。
具体实施例方式
图1是示出根据本发明实施例的一磁盘驱动器100的俯视图。磁盘驱动器100包括一磁盘102，该磁盘102安装成绕一轴104转动并由一主轴电动机驱动(未图示)。磁盘驱动器100的诸构件包含在一壳体内，该壳体包括基底106和一盖子(未图示)。磁盘驱动器100还包括一致动机构108，该致动机构108安装在一底板110上并可绕轴112相对磁盘102转动。在一个可选择的实施例中，致动机构108是一个线性致动器。致动机构108包括致动臂114和悬架组件116。浮动块118通过一万向连接件连接在悬架组件116上，并使浮动块118能在浮动在磁盘102的表面120上方的一支承上时倾斜和起伏。浮动块118按这里所提出的实施例设计，并支承一转换器，以形成一在磁盘102上读出和写入信息的磁头。致动机构108适于沿着磁盘102的内径124和外径126之间的弧形路径122来转动浮动块118。一盖子128可以盖住致动机构108的一部分。
驱动控制器130通过适合的连接对致动机构108进行控制。驱动控制器130可安装在磁盘驱动器100内部或者磁盘驱动器100的外面。在操作过程中，驱动控制器130接受指示磁盘102的所要接近部分的位置信息。驱动控制器130从一操作者、一主计算机或者另一适合的控制器接受位置信息。基于位置信息，驱动控制器130就向致动机构108提供一位置信号。位置信号使致动机构108绕轴112枢转。这接着使浮动块118在磁盘表面120的上方径向地沿着路径122移动。一旦转换器正确地定位，驱动控制器130于是就施行所要的读取或写入操作。
图2是根据本发明的多个实施例的一浮动块118的一实例的仰视图。浮动块118适于在磁盘102的一表面120上方支承一转换器142(图1)。浮动块118一般包括一浮动块本体143、轨道148以及形成在轨道148上的承载表面146。轨道148在浮动块118的前导边150与后随边152之间延伸。轨道148较佳地是在后随边152之前截断，以使转换器142的飞行高度最小。轨道148设置在一中心凹入部分154周围，当浮动块118在磁盘表面120上方飞行时，该中心凹入部分154形成低于周围压力的凹腔。浮动块118也可以包括一中心轨道156，该中心轨道156支承转换器142并包括一承载表面157。在前导边150处可设有一凹入的台阶或斜坡158，其深度在凹入部分154和承载表面146的深度之间。台阶158开始了对浮动块118下方的空气的压缩，以协助形成承载表面146下方的空气承载。中心轨道156还可以包括一台阶(或斜坡)160以类似地协助形成承载表面157下方的空气承载。浮动块118旨在成为本发明实施例可使用的一适合的浮动块设计例子。因此，本发明的实施例例如也可以使用具有一个或多个轨道的浮动块。
在操作的过程中，当磁盘102旋转时，在浮动块118下方且沿着浮动块118的承载表面146在一大致平行于磁盘102的切向速度的方向上带动空气(和/或润滑剂)。当空气在承载表面146下方通过时，沿着空气流动路径的空气压缩使磁盘表面120和承载表面146之间的空气压力增大，这产生了一流体动力的提升力，该提升力抵抗由悬架116所施加的一载荷力，并使浮动块118飞行在磁盘表面120上方并紧挨着磁盘表面。当磁盘102的切向速度在浮动块118处达到一最小的操作速度时，通常就形成了支承。这样，当磁盘102在浮动块118处的切向速度小于最小的操作速度时，浮动块118就与磁盘表面120接触。
图1所示的磁盘驱动器100可以构造成一接触起动/停止的磁盘驱动器或者一斜块加载的磁盘驱动器。作为一接触起动/停止的磁盘驱动器，当磁盘的切向速度低于最小操作速度时，浮动块118在起动和停止的操作中与磁盘表面120接触。对于斜块加载的磁盘驱动器，磁盘驱动100包括一斜坡132或其它适合的支承机构，以在加电和断电的过程中将浮动块118装载到磁盘表面120上或将浮动块118从磁盘表面120上卸下。这里，当要对磁盘驱动器100断电时(即磁盘减速到不旋转的状态)，致动机构108在驱动控制器130的控制之下旋转悬架组件116，以在磁盘102在浮动块118的位置处的切向速度下降到低于最小操作速度之前接合在外径126处的斜坡132。斜坡132构造成支承悬架116，以使浮动块118保持在磁盘表面120上方。同样地，当对磁盘驱动器100加电时，磁盘102向一完全的操作旋转速度加速，在该速度下，磁盘在外径126处的切向速度大于最小的操作速度。当磁盘102加速时，驱动控制器130对致动机构108进行控制，以将悬架116转离斜坡132，并将浮动块118置于磁盘表面120上方。
请再参见图2，浮动块118包括多个垫片162，它们沉积在承载表面146的带纹理部分163上。诸垫片162包括与其沉积于上的带纹理部分163相应的一接触表面164。垫片162的接触表面164减少了浮动块118与磁盘表面120之间的静摩擦和动摩擦，以便于使用超光滑的磁盘表面120(例如，粗糙度Ra＜3埃()的磁盘)，这使浮动块118能如具有高面密度记录的磁盘驱动器100所需要的那样，紧挨着磁盘102飞起。此外，浮动块118的诸垫片162在浮动块118紧挨着磁盘表面120飞起时和斜块加载操作过程中，减少了由于与浮动块118接触而导致磁盘表面120损坏的可能性。结果，在CSS中和采用具有高面密度记录的尤为光滑的磁盘120的斜块加载磁盘驱动器100中使用诸垫片162是十分理想的。
图3是对根据本发明实施例的形成在承载表面146上的一垫片162所进行原子力显微术(Atomic Force Microscopy(AFM))分析的一十分靠近的示范视图。沿着x-和y-轴166和168的单位分别是20微米(μm)/刻度，而在z-轴170中的单位则是100纳米(nm)/刻度。在本发明的一个实施例中，带纹理部分163包括多个凸起166，在图3中示出了它的一个例子。凸起166的横截面形状可以是圆形、长方形、椭圆形或者任何其它所要求的形状。可以根据要求对凸起166的尺寸以及各个凸起166之间的间隔进行调整，但这些尺寸和间隔依据其所使用的特定的制造方法将受到限制。例如，可以使用传统的平版印刷法来形成包括离散的1-10微米的结构特征的一带纹理表面166，而干涉平版印刷法则能形成约100纳米的离散结构特征。也可用本技术领域中已知的其它方法来形成所要的带纹理部分163，如反应离子蚀刻和铣削加工。在一个实施例中，凸起166的直径约为1微米，间距约为2微米，以及高度约为50纳米。
垫子162沉积在承载表面146的带纹理表面163上。由于类似金刚石的碳(DLC)的机械和与磁盘102的化学兼容性，以及因为它能通过与形成浮动块118的本体143的材料的相互作用来防止磁盘的润滑中断，所以垫子162较佳地是由类似金刚石的碳形成。通常，垫片162的横截面积约50平方微米至约5,000平方微米，高度约为300挨。垫片162的高度、宽度以及形状可以制成与适合的磁盘驱动操作所需要的间隙相兼容。垫片162包括一个与其沉积于上的带纹理部分163大致相应的接触表面164。结果，接触表面164包括多个凸起166′，它们与其下面的带纹理部分163的凸起166相应。这样，凸起166′的尺寸与带纹理部分163的凸起166相似。
在较佳的实施例中，带纹理部分163以及因而接触表面164是根据一塑性指数(Ψ)来形成的，该塑性指数(Ψ)基于以下的关系式Ψ=EH=σR]]>等式1式中E代表组合的或等效的杨氏弹性模量，H代表更柔软材料的一硬度，σ是表面高度的均方根，以及R代表粗糙凸起的顶峰的曲率半径。数值σ/R一般称为糙度参数。E的值可由以下关系式来确定1E=(1-γ12)E1+(1-γ22)E2]]>等式2式中γ代表垫片162的接触表面164的泊松比(γ1)和磁盘表面120(γ2)。类似地，E1和E2分别是接触表面164和磁盘表面120的杨氏弹性模量。
实验和通过建模已经表明，塑性指数(Ψ)越小，表面越光滑。更具体地说，当Ψ＜0.6，接触粗糙凸起主要发生弹性变形，并且，当Ψ减小到较小的值时，摩擦力变得很大。对于Ψ＞1.0的情况，接触粗糙凸起主要发生塑性变形，并且摩擦力通常较低，但磨损则大得让人无法接受。当塑性系数在0.6＜Ψ＜1.0时，接触粗糙凸起同时发生弹性和塑性的变形。
控制带纹理部分163并从而控制接触表面164的凸版印刷，以实现所要的塑性指数值，因此，就实现了与获得优越的浮动块-磁盘交界面的耐用性相一致的摩擦和磨损的程度。此外，可以在真实接触面积与名义接触面积的比值方面对表面的凸版印刷进行优化。结果，对于一给定的接触压力，较低的真实与名义接触面积比值会产生较高的应力，并从而产生较大的粗糙凸起的塑性变形；而很高的比值将保证粗糙凸起的塑性变形，但它可能会导致不可接受的高摩擦力值。由于耐久性在垫片162的设计中的重要性，较佳地是保持0.6左右的塑性指数(Ψ)。
现在参见图4及5.1-5.4，对根据本发明实施例的一浮动块118的制造方法来进行讨论。图4是一流程图，示出了在浮动块118的制造方法中采用的总的步骤，并且图5.1-5.4为沿着图2的线5-5的浮动块118的简化的局部剖面图。开始时，在步骤180处，提供一浮动块本体143。浮动块本体143包括形成在轨道148上的承载表面146，如图5.1中所示。在一个实施例中，在承载表面146上形成一保护覆层181，如图5.2中所示。保护覆层181较佳地是由DLC制成，在步骤182处，在轨道148的承载表面146的若干部分上形成带纹理部分163，如图5.3中所示。带纹理部分163可有任何适合的方法来形成，如照相平版印刷、干涉平版印刷以及其它适合的方法。带纹理表面163通常包括多个凸起166，每一凸起具有一高度183。可以选择高度183和凸起166的形状以提供所要的塑性指数(Ψ)。高度183通常是从峰顶184量到谷底185所得。此外，也可以选择相邻的凸起166之间的间隔或间距186来提供所要的塑性指数(Ψ)。在本方法的步骤188处，垫片162沉积在带纹理部分163上，如图5.4所示。垫片162包括一接触表面164，该接触表面164与垫片162沉积于上的带纹理部分163相应。结果，接触表面164包括多个凸起166′，且它们与带纹理部分163的凸起166相应。凸起166′较佳地是其高度小于凸起166的高度183，以使接触表面164在凸起166′磨损时至少保持到承载表面146。结果，本发明的实施例就比现有技术的垫片具有更长的使用期，在现有技术的垫片中，接触表面的深度有限，并可能被磨损成光滑的表面，从而导致静摩擦、动摩擦以及浮动块与存盘表面120之间损坏性接触的问题。
简而言之，本发明涉及一浮动块118，它包括至少一个形成在浮动块本体143上的轨道148。轨道148包括一承载表面146，该承载表面146包括至少一个带纹理部分163。轨道148的承载表面146可包括一保护覆层181。在承载表面146的带纹理部分163上沉积一垫片162。垫片162包括一接触表面164，该接触表面164与垫片162沉积于上的承载表面146的带纹理部分163大致一致。在一个实施例中，带纹理部分163根据一塑性指数Ψ形成，该塑性指数Ψ基于上述的等式1。
带纹理部分163一般包括多个凸起166。带纹理部分163的凸起166在一个实施例中是具有离散的1-10微米的结构特征的微米级纹(micro-textured)，在另一实施例中是具有离散的100-999纳米的结构特征的纳米级纹理(nano-textured)。
垫片162较佳地是由类似金刚石的碳(DLD)形成。浮动块118还可以包括一个或多个不沉积在承载表面146的一带纹理部分163上的垫片162。结果，浮动块118可包括具有带纹理接触表面164和无纹理接触表面的垫片162。
在另一实施例中，使用根据本发明实施例的一浮动块118来形成一接触起动/停止(CSS)磁盘驱动器存储系统。在另一实施例中，用根据本发明实施例的一浮动块118形成一斜块加载磁盘驱动器存储系统。
本发明的另一方面旨在一种制造用于磁盘驱动器系统100中的浮动块118的方法。该方法包括提供具有一轨道148的一浮动块本体143的一步骤180，该轨道148具有一承载表面146。接着，完成一步骤182，其中，在轨道148的承载表面146上形成一带纹理部分163。在一个最终步骤188中，在带纹理部分163上沉积一垫片162，因此，垫片162包括与其沉积于上的带纹理部分163相对应的一接触表面164。在一个实施例中，带纹理部分163根据一塑性指数Ψ形成，该塑性指数Ψ基于上面在等式1中所提供的关系式。
应予理解的是，尽管在前面的描述中提出了本发明的多个实施例的许多特征和优点，以及本发明的多个实施例的结构细部和功能，但本说明书仅是示例性的，可以在本发明的原理内对细部、尤其是零件的结构和布置方面进行修改，本发明的原理完全由表述所附权利要求书的用语的宽泛一般的含义来表示。因此，熟悉本技术领域的技术人员可认识到，在形式和细部方面可加以修改，而不超出本发明的原理和保护范围。
权利要求
1.一种用于磁盘驱动器存储系统的浮动块，它包括一浮动块本体；一形成在浮动块本体上并具有一升起的承载表面的轨道；一形成在承载表面上的带纹理部分；以及一沉积在承载表面的带纹理部分上的垫片。
2.如权利要求1所述的浮动块，其特征在于，根据一塑性指数Ψ形成带纹理部分，所述塑性指数Ψ基于以下关系式Ψ=EH=σR]]>式中E代表组合的杨氏弹性模量，H代表较柔软材料的硬度，σ是表面高度的均方根，以及R代表粗糙凸起顶峰的曲率半径。
3.如权利要求2所述的浮动块，其特征在于，Ψ在0.6＜Ψ＜1.0的范围内。
4.如权利要求1所述的浮动块，其特征在于，带纹理部分包括多个凸起。
5.如权利要求1所述的浮动块，其特征在于，带纹理部分包括多个凸起，每一凸起具有一高度，其中垫片的高度不大于凸起的高度。
6.如权利要求1所述的浮动块，其特征在于，带纹理部分是具有离散的1-10微米的结构特征的微米级纹理。
7.如权利要求1所述的浮动块，其特征在于，带纹理部分是具有离散的100-999纳米的结构特征的纳米级纹理。
8.如权利要求1所述的浮动块，其特征在于，垫片由类似金刚石的碳形成。
9.如权利要求1所述的浮动块，其特征在于，垫片沉积在一空气承载表面的无纹理部分上。
10.如权利要求1所述的浮动块，其特征在于，包括在轨道的承载表面上的一类似金刚石的碳的保护覆层。
11.一种接触起动/停止的磁盘驱动器存储系统，它包括如权利要求1所述的浮动块。
12.一种斜块加载的磁盘驱动器存储系统，它包括如权利要求1所述的浮动块。
13.如权利要求1所述的浮动块，其特征在于，垫片包括与它沉积于其上的带纹理部分相对应的一接触表面。
14.一种制造用于磁盘驱动器存储系统中的浮动块的方法，包括以下步骤提供具有一轨道的一浮动块本体，该轨道具有一承载表面；在轨道的承载表面上形成一带纹理部分；以及在带纹理部分上沉积一垫片。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，形成步骤(b)至少包括照相平版印刷过程、干涉平版印刷过程、铣削加工以及反应离子蚀刻过程中的一个。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，包括将一垫片沉积在承载表面的无纹理部分上的一步骤(d)。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，垫片包括与它沉积于上的带纹理部分相对应的一接触表面。
18.一种用来在旋转的磁盘的表面上存储信息的磁盘驱动器存储系统，它包括一用来在磁盘表面附近携带一换能件的浮动块；和一用来减少浮动块与磁盘表面之间的静摩擦和动摩擦的带纹理的垫片装置。
19.如权利要求18所述的浮动块，其特征在于，根据一塑性指数Ψ形成带纹理的垫片装置，所述塑性指数Ψ基于以下关系式Ψ=EH=σR]]>式中E代表组合的杨氏弹性模量，H代表较柔软材料的硬度，σ是表面高度的均方根，以及R代表粗糙凸起顶峰的曲率半径。
20.如权利要求19所述的浮动块，其特征在于，Ψ在0.6＜Ψ＜1.0的范围内。
全文摘要
一种磁盘驱动器浮动块(118)，包括一浮动块本体(143)和形成在浮动块本体上的轨道(148)。轨道包括一承载表面(146)，该承载表面面对磁盘(102)的一表面(120)。在轨道的承载表面上形成有一带纹理部分(163)。在带纹理部分上沉积垫片(162)。诸垫片工作以减少静摩擦、动摩擦以及由于浮动块与磁盘表面之间接触而导致的浮动块或磁盘表面发生损坏的可能性。
文档编号G11B5/60GK1568504SQ01817202
公开日2005年1月19日 申请日期2001年8月24日 优先权日2000年10月13日
发明者M·C·希普韦尔, J·W·里德林, J·V·汉奇, L·E·斯托夫, T·W·施特伯, B·W·卡尔, 朱健欣 申请人:西加特技术有限责任公司