专利名称：磁头折片组合、磁盘驱动器及其飞行高度调节方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有良好飞行高度(flying height，FH)调节能力的磁头折片组合及磁盘驱动器，亦涉及调节飞行高度的方法和系统。
背景技术：
数据存储系统，例如磁盘驱动器，通常包括一个或多个被主轴马达驱动以一定速度旋转的磁盘，以及一个或多个飞行在磁盘表面并从磁盘表面读取/写入数据信息的信息存储头(通常称为磁头)。所述磁头包括一个正对磁盘表面的支撑面，例如空气支撑面(air bearing surface，ABS)。当磁盘旋转时，磁盘和空气支撑面间的空气压力增加，从而产生了一个提升力，该提升力可使磁头升起并飞行在磁盘表面。
众所周知，所述每个磁头均装在悬臂(suspension)上，所述悬臂由一个驱动臂支撑(具有磁头的悬臂被称为磁头折片组合(head gimbal assembly，HGA)。所述驱动臂可移动并被音圈马达(voice coil motor，VCM)所控制。然而，磁头的飞行高度由于下述原因极易发生变化1.高速悬转的磁盘；2.磁头空气支撑面的公差(tolerance)；3.悬臂的静态姿势。而飞行高度的变化又极大地影响了磁盘驱动器的性能。亦即，如飞行高度过高，将影响磁头从磁盘上读取或写入数据；相反， 如果飞行高度过低，磁头受到冲击时可能会刮擦磁盘，从而损坏磁头和/或磁盘。在当今的磁盘驱动器工业，随着磁盘驱动器容量的快速增加，磁盘驱动器的磁轨间距(track pitch)及磁轨宽度变得越来越窄，对应地，磁头的飞行高度变得越来越底，这样，控制磁头的动态飞行高度变得越来越重要。
为了满足上述需要，美国专利第5,611,707号公开了一种用于控制磁头动态飞行高度的装置。参考图1，磁盘驱动器包括磁盘100及磁头折片组合120，其中，所述磁盘100高速围绕主轴马达110(spindle motor)旋转，磁头折片组合120包含一个在磁盘100表面飞行的磁头。一个用于控制磁头动态飞行高度的飞行高度控制器130装在磁头折片组合120上。参考图2，所述飞行高度控制器130包括底座131及可动的空气动力元件132。所述空气动力元件132可沿底座131与可动的空气动力元件132的边缘135旋转。所述空气动力元件132可从一个与底座131平行的关闭位置移动到一个与底座131垂直的开放位置。当在关闭位置时，所述飞行高度控制器130不影响飞行高度的控制。当在开放的位置时，飞行高度控制器130将压低磁头折片组合120，对应地，降低了磁头的飞行高度。
然而，飞行高度控制器130的飞行高度调整能力有一个限制，即只能降低而不能增加飞行高度。而实际上，增加飞行高度以补偿制造磁头和磁头折片组合的 不稳定性十分必要。此外，因为飞行高度控制器130被装在磁头折片组合120上，所以磁头折片组合的重量将增加，而重量的增加将极大地影响磁头折片组合120的性能，例如共振性能(resonance performance)及抗震性能(shock performance)。同时，因为飞行高度控制器130远离磁头，所以其调整精度亦相当有限。最后，因为飞行高度控制器130有一个复杂的结构，所以其制造过程相当费时费力。
因此，提供一种具有飞行高度调节装置的磁头折片组合及包含该组合的磁盘驱动器以克服现有技术的缺点十分必要。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种可进行良好的飞行高度调整的磁头折片组合、硬盘驱动器以及使用其进行飞行高度调整的方法。
本发明的另一目的在于提供一种对磁头进行动态飞行高度调整的系统。
为了达到上述目的，本发明揭露了一种磁头折片组合(head gimbalassembly)包括磁头、用于支撑磁头的悬臂件、用于调整磁头飞行高度(flyingheight)的飞行高度调节装置；及用于电性连接所述磁头及飞行高度调节装置的柔性线缆。在本发明中，所述飞行高度调节装置包括置于所述磁头和悬臂件间的至少一个压电片。所述磁头折片组合进一步包括用于将所述飞行高度调节装置与所述悬臂件和柔性线缆相连接的各向异性导电膜(anisotropic conductivefilm，ACF)。
在本发明中，所述压电片为压电薄膜片、压电陶瓷片或弛豫铁电陶瓷(PMN-Pt)压电片，其可为单层压电片或多层压电片。在一个实施例中，所述压电片粘结于悬臂件的悬臂舌片区域的一面或两面。此外，在悬臂件的悬臂舌片区域形成至少一个狭槽。
一种用前述磁头折片组合调整飞行高度的方法，包括如下步骤(1)旋转磁盘，磁盘用于存储信息；(2)通过磁头读取所述信息；(3)在磁盘旋转时，激发压电片以控制磁头相对于磁盘的高度。
本发明一种硬盘驱动器，包括用于存储信息的磁盘及磁头折片组合。所述磁头折片组合包括在磁盘上飞行的磁头、用于支撑磁头的悬臂件、用于调整磁头飞行高度(flying height)的飞行高度调节装置及用于电性连接所述磁头及飞行高度调节装置的柔性线缆。
本发明一种动态调整飞行高度的系统，包括(1)伺服控制系统；用于拾取位置误差信号(position error signal，PES)并将其分成两路PES信号；(2)音圈马达控制器(VCM controller)；用于接收一路PES信号来控制音圈马达驱动器(VCM driver)，从而驱动音圈马达而调整磁头位置；(3)飞行高度调整计数器；用于接收另一路PES信号，并通过对比所述伺服控制系统所需要的信号计算出所需的飞行高度调整，然后输出一个驱动电压；(4)压电作业驱动器；接收所述驱动电压并将其施加于飞行高度调节装置以改变磁头的飞行高度。
与现有技术相比，首先，由于本发明不需要在磁头折片组合上提供一个复杂的飞行高度调节装置，所以它可以减轻磁头折片组合的重量，并且不用担心磁头折片组合的抗震性能。另外，磁头折片组合的其它性能，如共振性能(resonance)亦不会受到影响。
此外，因为本发明提供的飞行高度调节装置为一个设于磁头下的压电片，所以可以更加精确地调整磁头的飞行高度。再者，本发明可以根据需要的方式调整磁头的飞行高度。显而易见，本发明亦更容易实施并且成本较低。
为使本发明更加容易理解，下面将结合附图进一步阐述本发明磁头折片组合、硬盘驱动器及其飞行高度调整方法和系统的具体实施例。
图1为传统的飞行高度控制系统的立体图；图2为图1的局部放大视图，以展示传统的飞行高度控制器；图3是本发明磁头折片组合(磁头折片组合)第一实施例的立体图；图4为图3中磁头折片组合的局部放大分解图；图5为图3中磁头折片组合装配后的部分放大图；图6为图3中的磁头折片组合在微驱动器区域的剖视图；图7为本发明使用的压电片的一个实施例的剖视图；图8为本发明所使用的压电片的另一个实施例的剖视图；图9A-9C展示了本发明一个实施例所使用的压电片的三个不同的工作状态；图10A，10B，11A，11B展示了施加在所述压电片上的两种不同的电压；图12A-12C展示了本发明另一个实施例所使用的压电片的三个不同的工作状态；图13展示了磁头的飞行高度与磁头的拱度(camber)间的联系；图14为本发明磁头折片组合第二实施例的局部放大分解图；图15为图14中装配后的磁头折片组合的局部视图；图16为图14中磁头折片组合在微驱动器区域的剖视图；图17为本发明磁头折片组合第三实施例的立体图；图18为图17中磁头折片组合的局部放大分解图；图19为本发明磁头折片组合第四实施例的立体图；
图20为图19中磁头折片组合的局部放大图；图21为图19中的磁头折片组合在微驱动器区域的剖视图；图22为本发明磁盘驱动器的立体图；图23为本发明动态调节飞行高度的系统图。
具体实施例方式
参考图3，根据本发明第一实施例，一种磁头折片组合2包括磁头240、飞行高度调节装置及悬臂件100。
参考图3和4，磁头240的一侧设有复数个电极触点241。飞行高度调节装置事实上为一个两端设有两个电极触点301的压电片30(PZT piece)。悬臂件100包括负载杆(load beam)219、挠性件(flexure)217、枢接件(hinge)215及基板213。作为本发明一个实施例，所述挠性件217通过激光焊接(laserwelding)方式与枢接件215、负载杆219和基板213相连接。在该实施例中，负载杆219上设有一个小凸起329(见图6)及限位装置511。枢接件215及基板213上分别形成两个孔201及203。孔201用于铆合(swaging)磁头折片组合2及驱动臂(未图示)，而孔203则用于减轻悬臂件100的重量。同样参考图3和4，挠性件217一端设有复数连接触点251用于和控制系统(未图示)相连，另一端设有复数电极触点351，361。所述连接触点251通过复数电缆210和电极触点351，361相连。在本实施例中，所述挠性件217亦包括一个悬臂舌片(suspension tongue)328，所述悬臂舌片片328用于支撑磁头240，并使得承载力总是通过负载杆219上的小突起329(见图6)施加于磁头240的中心区域。在本实施例中，对应压电片30上的电极触点301，所述悬臂舌片片328上设有两个电极触点351。同时，对应磁头240上的电极触点241，悬臂舌片片328上设有复数电极触点361。
参考图7和8，在本发明中，所述压电片30可为单层压电片380或多层压电片382。在本发明一个实施例中，所述单层压电片380包括压电层373、两个导电层372及两个底层371。所述压电层373夹在两个导电层372间。两个底层371用于支撑和保护压电层373和导电层372。在本发明中，单层压电片380可为压电薄膜片，压电陶瓷片或PMN-Pt压电片。压电层373的厚度为1-3μm，每个导电层372的厚度小于1μm，而底层371的厚度在0.1μm至几微米之间。这样，单层压电片380的总厚度就会非常薄。在本发明中，多层压电片382包括两个或多个连在一起的单层压电片380(不包括底层371)及用以包覆所述单层压电片380的两个底层371。所述多层压电片382的每两个单层压电片380通过环氧胶或树脂383连接在一起。可以理解，上述做法将增加压电片30的弯曲性能(bending performance)，从而不仅有助于改变磁头的拱度(camber，磁头宽度方向的曲率称为磁头拱度)，而且使得调整磁头的拱度和飞行高度更加容易。在一个较佳实施例中，所述环氧胶或树脂383的厚度小于5μm，这将使压电片30保持薄的厚度及好的调整性能。
参考图4，两个狭槽218形成于悬臂舌片328上用于降低悬臂舌片328的刚度。在压电片30被弯曲时，该结构有助于获得好的飞行高度调整能力。同时，在悬臂舌片328上对应负载杆219上的限位器511形成有一个开口512。所述限位器511穿过开口512用以阻止悬臂舌片328的过限运动。
在该实施例中，参考图4，在装配过程中，首先，压电片30通过ACF片70粘结到悬臂舌片328上，对应地，悬臂舌片328上的两个电极触点351与压电片30上的电极触点301电性相连，从而在悬臂舌片328和压电片30之间建立电性连接。接着，磁头240被置于悬臂舌片328上，这样，所述压电片30被夹持在磁头240和悬臂舌片328之间。在本发明中，磁头240通过环氧胶或胶粘剂257(见图6)与悬臂舌片328部份连接。同时，通过用复数金属球501(GBB或SBB；金球焊接或锡球焊接)连接悬臂舌片328上的电极触点361与磁头240上的电极触点241，磁头240与悬臂舌片328电性相连。这样，磁头折片组合2就形成了，如图5及6所示。
图9A-9C详细地描述了压电片30的工作原理。当没有电压施加于压电片30上时，压电片30停在其原始位置，磁头240保持其原有形状，如图9A所示。参考图10A及11A，当正直流电压411施加于具有正极化特性的压电片30上时，具有正极化特性的压电片30将因为外斯域效应(Weiss domain effect) 而被弯曲。接着，如图9B所示，由于具有正极化特性的压电片30被夹持在磁头240和悬臂舌片328之间且悬臂舌片328刚度低，这样，在具有正极化特性的压电片30的积极作用(positive action)下，磁头240的外形(主要为磁头拱度)将变成阳性态。相反，参考图11B，当负直流电压411a施加于具有正极化特性的压电片30上时，在具有正极化特性的压电片30的消极作用(negativeaction)下，磁头240的外形(主要为磁头拱度)将变成阴性态，如图9C所示。参考图10B及11A，当正直流电压411施加于具有负极化特性的压电片30上时，具有负极化特性的压电片30将因为外斯域效应(Weiss domain effect)而被弯曲。接着，由于具有负极化特性的压电片30被夹持在磁头240和悬臂舌片328之间且悬臂舌片328刚度低，这样，在具有负极化特性的压电片30的积极作用(positive action)下，磁头240的外形(主要为磁头拱度)将变成阴性态，如图9C所示。相反地，参考图11B，当负直流电压411a施加于具有负极化特性的压电片30上时，在具有负极化特性的压电片30的消极作用(negative action)下，磁头240的外形(主要为磁头拱度)将变成阳性态，如图9B所示。
在另一个实施例中，如图12A-12C所示，压电片30亦可被装设于悬臂舌片328的背面。这样，磁头240就直接装在悬臂舌片328的一面而压电片30装在悬臂舌片328的另一面。类似地，当没有电压施加于压电片30上时，压电片30将停留在其原始位置，而磁头240亦保持其原有外形，如图12A所示。当一个正直流电压施加于具有正极化特性的压电片30上时，具有正极化特性的压电片30将因为外斯域效应(Weiss domain effect)而被弯曲。而因为具有正极化特性的压电片30被装在悬臂舌片328的背面而磁头240装在悬臂舌片328的正面，同时悬臂舌片328有低的刚度，如图12B所示。这样，在具有正极化特性的压电片30的积极作用下，磁头240的外形(主要为磁头拱度)将变成阳性态，反之，当负直流电压施加于具有正极化特性的压电片30上时，磁头240的外形(主要为磁头拱度)在具有正极化特性的压电片30的消极作用下将变成阴性态，如图12C所示。若压电片30具有负极化特性，其工作原理与上述原理相类似，在此不在详述。在本发明另一个实施例中，在悬臂舌片328的一侧或两侧可装设有两个或更多压电片30，这将提高调整磁头240外形(主要为磁头拱度)的能力，进而提高调整磁头240飞行高度的能力。
图13描述了本发明一个实施例中磁头240的拱度与其飞行高度之间关系。它展示了高拱度将导致低飞行高度。
在本发明磁头折片组合的另一个实施例中，如图14所示，悬臂舌片328被分成两部分一部分为活动部703，另一部分为固定部702。两个窄切口298形成于固定部702上，负载杆219上的小凸起329(参图16)置于两个窄切口298之间用于支撑固定部702。
参考图14-16，在装配中，首先，压电片30通过ACF片70粘接到悬臂舌片328的活动部703上。接着，磁头240被置于悬臂舌片328上，从而使压电片30被夹持在悬臂舌片328和磁头240之间。在该实施例中，磁头240通过环氧胶或胶粘剂257’部分粘接于悬臂舌片328的固定部702上。类似地，在上述装配后，通过金属球501或ACF片70而建立磁头240、悬臂舌片328和压电片30间的电连接。
在本发明磁头折片组合的另一个实施例中，参考图17-18，所述磁头折片组合在设有两个电极触点301的压电片30之外，进一步包括一个U型陶瓷框架801，该U型陶瓷框架801在其两侧设有两个PZT片803。磁头240装在U型陶瓷框架801内，其上的四个电极触点241暴露在外。所述两个PZT片803为压电薄膜片或压电陶瓷片。每个压电片803上设有两个电极触点802。悬臂舌片328被分为两部分，一部分为活动部703’，另一部分为固定部702’。在固定部702’上设有两个狭槽218’用以降低悬臂舌片328的刚度。在悬臂舌片328的固定部702’上对应电极触点802设有复数电极触点824，同时，对应电极触点301和241还设有复数电极触点351、361。此外，挠性件217上设有复数连接触点251，其一端和控制系统(未图示)相连，另一端和电缆210、211相连。连接触点251通过电缆210、211而将磁头240、压电片30及两个压电片803和控制系统(未图示)相连接。
在该实施例中，首先，压电片30通过ACF片70和悬臂舌片328的活动部703’电性及物理相连，对应地，电极触点301和电极触点351亦相互连接。然后，U型陶瓷框架801部分连接于悬臂舌片328上，并且复数金属球(GBB或SBB，未图示)用于将电极触点824、351和电极触点802、804相连接，从而将两个压电片803和电缆211项连接。此外，亦有复数金属球(GBB或SBB，未图示)将电极触点241和电极触点361相连接，从而将磁头240和悬臂舌片328电性相连。
当电源通过电缆211施加于压电片803上时，压电片803将膨胀或收缩而导致U型陶瓷框架801变形，进而使磁头240沿磁盘的径向旋转从而获得良好的位置调整。当电源通过电缆210施加于压电片30上时，压电片30将引起磁头240外形(主要是磁头拱度)的变化从而获得良好的飞行高度调整。在本发明磁头折片组合的第四实施例中，参考图19-21，具有两个压电片803的U型陶瓷框架801亦可以被一个金属支撑底860和一个压电单元850所替代。压电单元850包括两个压电薄膜片853(亦可为压电陶瓷片)和在其一侧的复数电极触点(为图示)。支撑底860包括基底861、引柱862以及活动片865。所述活动片865在其两侧具有两个侧臂863。在本发明一个实施例中，引柱862的宽度比活动片865的宽度窄。压电单元850通过传统的方式，如粘结方式，和支撑底860物理相连。悬臂100的悬臂舌片328被分成两部分，一部分为活动部703”，另一部分为固定部702”。在固定部702”上设有两个狭槽218’用于降低悬臂舌片328的刚度，负载杆219上的小凸起329(参图21)被置于两个狭槽218’之间用以支撑固定部702”。
参考图19-21，在本发明中，在压电单元850和支撑底860结合在一起形成一个附加微驱动器后，所述附加微驱动器通过ACF和挠性件217的固定部702”电性及物理相连。一个平行间隙313形成与所述附加微驱动器和悬臂舌片328之间，从而确保附加微驱动器的流畅运动。然后，压电片30通过ACF片70连接到悬臂舌片328的活动部703”上。之后，磁头240被置于压电片30和附加微驱动器之上，然后，通过ACF或胶粘剂257’将其与支撑底860的活动片865电性及部分物理连接。物理连接可使磁头240和附加微驱动器一起运动，而电连接则用于阻止磁头240的静电放电(ESD)损毁。
在该实施例中，四个金属球501(GBB或SBB)用于电性连接磁头240和两个电缆210。悬臂舌片328上的压电单元850通过其上的电极触点藉由ACF或导电胶与电缆211相连。通过电缆210、211，连接触点251将磁头240、压电片30以及附加的微驱动器与控制系统(未图示)电性相连。当电源通过电缆211施加于压电单元850上时，压电单元850将膨胀或收缩而导致支撑底860变形，进而使磁头240沿磁盘的径向旋转从而获得良好的位置调整。当电源通过电缆210施加于压电片30上时，压电片30将引起磁头240外形(主要是磁头拱度)的变化从而获得良好的飞行高度调整。
在本发明中，完成所述磁头折片组合2的装配后，磁头折片组合2与驱动臂587，然后装进壳体581中并与其相固定。其它必要的部件，例如磁盘583、主轴马达(spindle motor)585和音圈马达(VCM)914’亦被装入壳体581。这样，一个磁盘驱动器就形成了，如图22所示。
一种用本发明磁头折片组合调整飞行高度的方法，包括如下步骤(1)旋转磁盘583，磁盘583用于存储信息；(2)通过磁头240读取所述信息；(3)在磁盘583旋转时，激发压电片30以控制磁头240相对于磁盘583的高度。
图23展示了一个用于本发明磁盘驱动器飞行高度调整的电控制回路。磁头240飞行在磁盘583上并从中读取或写入数据信息。位置误差信号(positionerror signal，PES)990被一个伺服控制系统(未展示)所拾取并被分成两路信号，即信号904及905。其中，信号904被送入音图马达控制器(VCM controller)907用于控制音圈马达驱动器908(VCM driver)。音圈马达驱动器908用于驱动或调整音圈马达(VCM)909，从而调整磁头240的位置。而信号905则被转换为PW50(50％ width of amplitude，50％振幅宽度)信号，并被送入飞行高度调整计数器910中。飞行高度调整计数器910通过对比伺服控制系统(未展示)所需要的PW50信号计算出所需的飞行高度调整，然后输出一个驱动电压，该驱动电压可使压电片30变形进而改变磁头240的飞行高度。随后所述驱动电压被送入压电作业驱动器(PZT operation driver)911并施加于压电片30上，进而进行良好的飞行高度调整。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
权利要求
1.一种磁头折片组合(head gimbal assembly)包括磁头(slider)；用于支撑磁头的悬臂件(suspension)；用于调整磁头飞行高度(flying height)的飞行高度调节装置；及用于电性连接所述磁头和飞行高度调节装置的柔性线缆。
2.如权利要求1所述的磁头折片组合，其特征在于所述飞行高度调节装置包括置于所述磁头和悬臂件间的至少一个压电片。
3.如权利要求1所述的磁头折片组合，其特征在于进一步包括用于将所述飞行高度调节装置与所述悬臂件和柔性线缆相连接的各向异性导电膜(anisotropic conductive film)。
4.如权利要求2所述的磁头折片组合，其特征在于所述压电片为压电薄膜片、压电陶瓷片或弛豫铁电陶瓷(PMN-Pt)压电片。
5.如权利要求2所述的磁头折片组合，其特征在于所述压电片为单层压电片或多层压电片。
6.如权利要求2所述的磁头折片组合，其特征在于所述压电片粘结于悬臂件的悬臂舌片区域的一面或两面。
7.如权利要求1所述的磁头折片组合，其特征在于在悬臂件的悬臂舌片区域形成至少一个狭槽。
8.一种用权利要求1所述磁头折片组合调整飞行高度的方法，包括如下步骤旋转磁盘，磁盘用于存储信息；通过磁头读取所述信息；在磁盘旋转时，激发压电片以控制磁头相对于磁盘的高度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述飞行高度调节装置包括置于所述磁头和悬臂件间的至少一个压电片。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于各向异性导电膜(anisotropicconductive film)用于将所述飞行高度调节装置与所述悬臂件和柔性线缆相连接。
11.一种硬盘驱动器，包括用于存储信息的磁盘；及磁头折片组合；其特征在于所述磁头折片组合包括在磁盘上飞行的磁头(slider)；用于支撑磁头的悬臂件(suspension)；用于调整磁头飞行高度(flying height)的飞行高度调节装置；及用于电性连接所述磁头和飞行高度调节装置的柔性线缆。
12.如权利要求11所述的硬盘驱动器，其特征在于所述飞行高度调节装置包括置于所述磁头和悬臂件间的至少一个压电片。
13.如权利要求11所述的硬盘驱动器，其特征在于进一步包括用于将所述飞行高度调节装置与所述悬臂件和柔性线缆相连接的各向异性导电膜(anisotropic conductive film)。
14.一种动态调整飞行高度的系统，其特征在于包括伺服控制系统；用于拾取位置误差信号(position error signal，PES)并将其分成两路PES信号；音圈马达控制器(VCM controller)；用于接收一路PES信号来控制音圈马达驱动器(VCM driver)，从而驱动音圈马达而调整磁头位置；飞行高度调整计数器；用于接收另一路PES信号，并通过对比所述伺服控制系统所需要的信号计算出所需的飞行高度调整，然后输出一个驱动电压；压电作业驱动器；接收所述驱动电压并将其施加于飞行高度调节装置以改变磁头的飞行高度。
全文摘要
本发明公开了一种磁头折片组合，包括磁头、用于支撑磁头的悬臂件、用于调整磁头飞行高度的飞行高度调节装置；及用于电性连接所述磁头和飞行高度调节装置的柔性线缆。在本发明中，所述飞行高度调节装置包括置于所述磁头和悬臂件间的至少一个压电片。所述磁头折片组合进一步包括用于将所述飞行高度调节装置与所述悬臂件和柔性线缆相连接的各向异性导电膜(anisotropic conductive film)。本发明同时公开了使用该磁头折片组合的硬盘驱动器结构，以及使用其进行飞行高度调整的方法以及系统。
文档编号G11B21/21GK1758342SQ20041008530
公开日2006年4月12日 申请日期2004年10月9日 优先权日2004年10月9日
发明者姚明高, 白石一雅 申请人:新科实业有限公司