CN100458918C - 微驱动器、使用该微驱动器的磁头折片组合以及磁盘驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁头折片组合，包括：磁头(slider)；微驱动器(micro-actuator)；其中所述微驱动器包括底臂、活动臂及以底臂的轴线为对称轴对称分布、并分别连接所述底臂和活动臂的两个侧臂；以及至少一个与所述侧臂相连接的压电片；及用于支撑所述磁头和微驱动器的悬臂件(suspension)。其中，所述磁头装在活动臂上，并在激发所述至少一个压电片时被所述活动臂所旋转。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。
Description
技术领域
本发明涉及磁盘驱动器，特别是指微驱动器以及使用该微驱动器的磁头拆片组合。
背景技术
磁盘驱动器为一种使用磁介质储存数据的信息存储装置。参考图1a，现有典型的磁盘驱动器(Disk Drive)包括一个磁盘及一个用于驱动磁头折片组合277(Head Gimbal Assembly，HGA)的驱动臂(磁头折片组合277设有一个装有磁头203的悬臂件(未标示))。其中，磁盘装在一个用以驱动磁盘旋转的主轴马达上，一个音圈马达(Voice-Coil Motor，VCM)用于控制驱动臂的运动，从而控制磁头203在磁盘表面上从一个磁轨移动到下一个磁轨，进而从磁盘中读取或写入数据。
然而，在磁头203的行程中，由于音圈马达(VCM)和悬臂件所固有的容差(Tolerance)，磁头203不能进行很好的位置控制，因而影响磁头203从磁盘中读取或写入数据。
为了解决上述问题，压电微驱动器(piezoelectric(PZT)micro-actuator)被用于调整磁头203的位移(displacement)。亦即，压电微驱动器以一个较小的幅度调整磁头203的位移从而补偿音圈马达(VCM)及悬臂件的容差。这样，可使磁轨宽度变得更小，可以增加50％的磁盘驱动器的TPI值(‘tracks per inch’value)(即增加了其表面记录密度)。
参考图1b，传统的压电微驱动器205设有一个U形的陶瓷框架297。该U形陶瓷框架297包括两个陶瓷臂207，其中每个陶瓷臂207在其一侧设有一个压电片(未图示)。参考图1a及1b，压电微驱动器205与悬臂件213物理相连，其中，在每个陶瓷臂207一侧，有三个电连接球209(金球焊接(gold ball bonding，GBB)或锡球焊接(solder bump bonding，SBB))将微驱动器205连接到磁头折片组合的电缆210上。此外，还有四个电连接球208(GBB或SBB)用于实现磁头203与悬臂件213之间的电连接。图1c则展示了将磁头203***微驱动器205的详细过程。其中，磁头203通过环氧胶点212与两个陶瓷臂207上的两点206相粘结，从而使磁头203的运动依赖于微驱动器205的陶瓷臂207。
当电流通过悬臂件电缆210施加于微驱动器205上时，微驱动器205的压电片将膨胀或者收缩从而导致U形陶瓷框架297的两个陶瓷臂207变形而使磁头203在磁盘的轨道上移动。这样，一个良好的磁头位置调整(head positionadjustment)就可以实现。
然而，由于所述压电微驱动器205和磁头203被装在悬臂舌(未标示)上，当压电微驱动器205被激发时，由于微驱动器205的U形陶瓷框架297的限制，它将作单纯的平动而使磁头203摇摆，这样将产生与激发悬臂件基板引起的震动相同的频率的悬臂件的共振。这将限制磁盘驱动器的伺服***带宽以及容量的提高。如图2所示，标号201代表激发悬臂件基板时的共振曲线，标号202代表激发微驱动器205时的共振曲线，该图清楚地展示上述问题。
此外，由于微驱动器205包括一个附加块，所以不仅影响其静态性能，而且影响悬臂件213的动态性能，例如共振性能(resonance performance)，从而降低了悬臂件213的共振频率并增加了其增益。
因此，提供一种微驱动器、磁头折片组合、磁盘驱动器以解决上述问题实为必要。
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微驱动器及磁头折片组合，可以实现良好的磁头位置调整，并且在激发微驱动器时具有良好的共振性能(resonance performance)。
本发明的另一目的在于提供一种具有较大伺服***带宽以及磁头位置调整能力的磁盘驱动器。
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(slider)；微驱动器(micro-actuator)；其中所述微驱动器包括支撑框和至少一个压电片，所述支撑框包括底臂、活动臂及以底臂的轴线为对称轴对称分布、并通过所述底臂相互连接，且分别沿所述活动臂的对角线与所述活动臂连接的两个侧臂；所述至少一个压电片与所述侧臂相连接；及用于支撑所述磁头和微驱动器的悬臂件(suspension)；其中，所述磁头装在活动臂上，并在激发所述至少一个压电片时被所述活动臂所旋转。
在一个实施例中，所述活动臂包括一个支撑磁头的支撑部，以及分别和位于支撑部对角线上的两端部相连的两个连接部。所述每个连接部的宽度均小于支撑部的宽度。所述磁头部分装在所述支撑框的支撑部，且磁头与所述支撑部的中心相匹配。所述两个连接部可通过两个连接点与两个侧臂相连，所述两个连接点以支撑框的纵轴为对称轴对称分布。两个侧臂间的距离大于磁头的宽度。所述底臂和所述悬臂件部分相连，在所述支撑框与所述悬臂件间形成一个平行间隙。所述侧臂形成于所述底臂和活动臂的两侧，在侧臂和底臂之间或者在侧臂和活动臂间形成至少一个间隔。所述至少一个压电片装在所述每个侧臂的一侧或两侧。所述用于粘结磁头和支撑框的材料以及粘结所述支撑框底臂和悬臂件的材料为环氧胶、粘结剂或各向异性导电模(ACF)。
本发明一种微驱动器，包括：支撑框及至少一个压电片；所述支撑框包括底臂；用以支撑和旋转磁头的活动臂；以底臂的轴线为对称轴对称分布、并通过所述底臂相互连接，且分别沿所述活动臂的对角线与所述活动臂连接的两个侧臂；所述至少一个压电片连接到所述两侧臂。在一个实施例中，所述活动臂包括一个支撑磁头的支撑部，以及分别和位于支撑部对角线上的两端部相连的两个连接部。所述每个连接部的宽度均小于支撑部的宽度。所述至少一个压电片为薄膜压电片或陶瓷压电片。所述至少一个压电片为单层结构或包含基层与压电层的多层结构。所述压电层为单层压电结构或多层压电结构，所述基层由金属、陶瓷或聚合物(polymer)制成。所述侧臂形成于所述底臂和活动臂的两侧，在侧臂和底臂之间或者在侧臂和活动臂间形成至少一个间隔。所述至少一个压电片装在所述每个侧臂的一侧或两侧。所述用于粘结磁头和支撑框的材料为环氧胶、粘结剂或各向异性导电模(ACF)。
本发明一种硬盘驱动器，包括：磁头折片组合；与所述磁头折片组合相连结的驱动臂；磁盘；及用以旋转所述磁盘的主轴马达；其中，所述磁头折片组合包括磁头(slider)、微驱动器(micro-actuator)及用于支撑所述磁头和微驱动器的悬臂件(suspension)；其中，所述微驱动器包括支撑框和至少一个压电片，所述支撑框包括底臂、活动臂及以底臂的轴线为对称轴对称分布、并通过所述底臂相互连接，且分别沿所述活动臂的对角线与所述活动臂连接的两个侧臂；所述至少一个压电片与所述侧臂相连接；其中，所述磁头装在活动臂上，并在激发所述至少一个压电片时被所述活动臂所旋转；所述底臂部分装在悬臂件上，在所述支撑框和悬臂件形成一个平行间隙。
与现有技术相比，本发明微驱动器利用压电片来弯曲支撑框的侧臂，从而旋转支撑框的活动臂，而因为磁头部分地安装于活动臂上，从而可以旋转磁头。同时，支撑框的两个窄宽度的连接部可阻止磁头横向运动，而仅允许磁头绕其中心并且和所述活动臂一起旋转。同时，因为活动臂与磁头的中心相对应，故磁头可在不使磁头折片组合摆动的情况下工作。
在本发明中，磁头的后缘部(trailing side)及前缘部(leading side)可同时向不同方向旋转从而使磁头得到更大的移动幅度。同时，因为磁头沿其中心旋转，故可以获得一个更大的位置行程调整能力及更宽的伺服***带宽。通常，通过旋转方式调整磁头的微驱动器的工作效率为通过乎动方式调整磁头的微驱动器(例如现有技术)的3倍。本发明微驱动器通过旋转方式调整磁头故可得到相当于现有技术3倍的工作效率。此外，因为磁头的宽度小于两侧臂间的距离，从而在两者间形成两个间隙，这样，当微驱动器被激发时，磁头将更加自由地在更大范围内转动。另外，悬臂共振现象不会发生在低频段，而仅仅有单纯的微驱动器共振现象发生在高频段，这将增大磁盘驱动器的伺服***带宽及磁盘驱动器容量。最后，对比现有的U型陶瓷框架，本发明微驱动器的结构将获得更好的抗震性能。
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微驱动器、磁头折片组合、硬盘驱动器的具体实施例。
附图说明
图1a为现有磁头折片组合(HGA)的立体图；
图1b为图1a的放大局部视图；
图1c展示了将磁头***图1a中磁头折片组合(HGA)的微驱动器中的详细过程；
图2展示了图1a中磁头折片组合的共振曲线(resonance curve)；
图3本发明磁头折片组合(HGA)第一实施例的立体图；
图4是图3中磁头折片组合的局部放大图；
图5是图4的分解图；
图6是图3中磁头折片组合的局部侧视图；
图7展示了图3中微驱动器和装在其上的磁头的立体图；
图8展示了图7中装有磁头的微驱动器未被施加电压时的初始状态；
图9a展示了图8所示的微驱动器的两个压电片间的电连接关系，根据本发明一个实施例，所述两个压电片具有相同的极化方向；
图9b展示了图8所示的微驱动器的两个压电片间的电连接关系，根据本发明另一个实施例，所述两个压电片具有相反的极化方向；
图9c展示了分别加在图9b所示两个压电片上的两个电压的波形图；
图9d展示了分别加在图9a所示两个压电片上的电压的波形图；
图10及11展示了图8中装有磁头的微驱动器被激发时的两种不同的工作方式；
图12为图3中磁头折片组合的共振曲线；
图13-15为本发明微驱动器的支撑框的三个实施例的立体图；
图16-18为本发明微驱动器三个实施例的示意图；
图19为本发明磁盘驱动器一个实施例的立体图。
具体实施方式
参考图3，本发明一种磁头折片组合3包括磁头31、微驱动器32及用于承载所述磁头31及微驱动器32的悬臂件8。
参考图4及5，所述挠性件13亦包括一个悬臂舌片(suspension tongue)328，所述悬臂舌片328用于支撑微驱动器32和磁头31，并使得承载力总是通过负载杆17上的小突起329施加于磁头31的中心区域。所述悬臂舌片328上设有复数电极触点113和310。磁头31一端对应于悬臂舌片328上电极触点113设有复数电极触点204。
参考图4-5，根据本发明一个实施例，微驱动器32包括支撑框320及两个压电片321。每个压电片321上对应电极触点310设有复数电极触点333。所述支撑框320可由金属(例如，不锈钢)、陶瓷或者聚合物制成，其包括底臂393、活动臂394及两侧臂391、392。两侧臂391、392以底臂393的轴线为对称轴对称分布，每个侧臂391、392均和底臂393和活动臂394相连。在该实施例中，两侧臂391、392间的距离大于磁头31的宽度，当磁头31装在支撑框320上时，在支撑框320和磁头31间就形成两个间隙315。此外，活动臂394包括一个用于支撑磁头31的支撑部10以及两个连接部11及12。所述连接部11及12分别和位于支撑部10对角线上的两端部相连。每个连接部11及12的宽度小于支撑部10的宽度，从而在侧臂391和支撑部10间形成一个槽口14，同时在侧臂392和支撑部10间形成一个切口(未标示)。为了增加支撑框320的弹性，在底臂393和两侧臂391、392间可形成两个槽口16。在该实施例中，所述支撑部10为长方体形状，所述连接部11和12与之垂直相连。
参考图4-5，在负载杆17上形成有一个限位装置207，该限位装置207穿过悬臂舌片328用以防止悬臂舌片328在正常工作或受到震动或撞击时不会过度弯曲.在本发明中，所述压电片321与支撑框320的连接方式可为传统连接方式，例如环氧胶连接(epoxy bonding)、各向异性导电膜(anisotropicconductive film，ACF)连接。
在一个实施例中，活动臂394对应于负载杆17上小凸起329的位置而形成。这样，支撑框320就和悬臂舌328具有相同的旋转中心，同时一个平行间隙400形成在支撑框320和悬臂舌328之间。在本发明中，压电片321通过将其两端于支撑框320的两个自由端相连而与支撑框320连接起来。相似的，压电片321通过将其两端于支撑框320的两个自由端相连而与支撑框320连接起来。在本发明中，所述压电片321最好由压电薄膜材料制成，该压电片321可为单层压电元件或多层压电元件。在一个实施例中，所述每个压电片321均可为包括内基层与外压电层的多层结构。所述内基层可由陶瓷、聚合物或金属制成，外压电层可为单层压电元件或多层压电元件。
参考图3-8，所述两个压电片321和支撑框320连在一起而形成微驱动器32；然后，将磁头31和微驱动器32的支撑部10相粘结；接着，磁头31和微驱动器32按如下步骤装在悬臂件8上而形成磁头折片组合3：
首先，支撑框320通过ACF、粘接剂或环氧胶(epoxy)部分连接于挠性件13的悬臂舌片328上，并且在所述支撑框320和悬臂舌片328之间形成一个平行间隙。然后，复数金属球332(GBB或SBB)将两个压电片321上的电极触点333与悬臂舌片328上的电极触点310电性连接，从而将微驱动器32与悬臂件8上的两个电缆311电性连接。同时，复数金属球405(GBB或SBB)将磁头31上的电极触点204与电极触点113电性相连，从而将磁头31与电缆309电性连接。通过所述电缆309、311，所述电极触点308将磁头31及微驱动器32与控制***电性相连(未图示)。显而易见，磁头折片组合3亦可这样装配：首先将微驱动器32与悬臂件8相连接，然后将磁头31装在微驱动器32上。
参考图5和7，磁头31通过两个环氧条18(epoxy bar)部分装设于支撑部10上，并且磁头31和支撑部10的中心相对应。在该实施例中，两个环氧条18以支撑部10中心为对称点对称地设于的支撑部10的两端。
图8，9a，9d和10展示了微驱动器32实现磁头位置调整功能的第一种工作方式。在该实施例中，所述两个压电片321具有相同的极化方向(polarizationdirection)，如图9a所示，该两个压电片321的一端404被共同接地，另一端401a和401b被分别施加具有同一正弦波形407的电压(参图9d)。图8展示了微驱动器32的初始状态，即没有电压施加于其上的状态。当具有波形407的正弦电压施加于两个压电片321上时，在第一个半个周期，两个压电片321随401a和401b被分别施加具有同一正弦波形407的电压(参图9d)。图8展示了微驱动器32的初始状态，即没有电压施加于其上的状态。当具有波形407的正弦电压施加于两个压电片321上时，在第一个半个周期，两个压电片321随着驱动电压的增加同时逐渐收缩到一个最短的位置(对应于最大的位移位置)；然后随着驱动电压的减小同时逐渐回复其初始位置。
参考图10和7，当两个压电片321同时收缩时，其将使两个侧臂391和392弯曲，进而驱使活动臂394的两个连接部11、12向相反的方向移动。因为两个连接部11、12沿支撑部10的对角线与之向连接，并且每个连接部11、12的宽度小于支撑部10的宽度，从而使支撑部10在两个连接部11、12产生的扭矩的作用下围绕其中心从原始位置501旋转至最大位移位置502，然后又回到原始位置501。对应地，因为磁头31通过两个环氧条18和支撑部10部分连接，并且磁头31和支撑部10的中心相对应，从而磁头31将围绕其中心并随支撑部10从原始位置501转到最大位移位置502，然后又回到其原始位置501。此外，在磁头31和支撑框320之间的两个间隙315保证了磁头31的自由旋转。
参考图8、9a、9d和11，当驱动电压407进入第二个半个周期时(和第一个半个周期的相位相反)，两个压电片321将随着负驱动电压的增加同时逐渐膨胀到一个最大位移位置，然后随着负驱动电压减小到零而逐渐回到其原始位置。对应地，它将使磁头31从其原始位置501旋转至最大位移位置503，然后又回到其原始位置。这里，因为磁头31被驱使沿其中心旋转，从而可进行一个良好的磁头位置调整。
图8、9b、9c及10-11展示了两个压电片321实现磁头位置调整功能的另一种工作方式。在该实施例中，所述两个压电片321具有相反的极化方向，如图9b所示。该两个压电片321的一端404被共同接地，另一端401a和401b被分别施加具有两个不同波形406、408的两个电压(如图9c所示)。在上述电压驱动下，在相同的半个周期内，两个压电片321将同时逐渐收缩到最短的位置，然后又回到其初始位置。当驱动电压406、408进入下半个周期时，两个压电片321将同时膨胀到最长的位置，然后又回到其原始位置。相似地，磁头31将循环地围绕其中心旋转进而获得良好的磁头位置调整。
在本发明中，因为所述每个连接部11、12的宽度比支撑框32的支撑部10的宽度小，所以其将有助于支撑部10和磁头31的旋转，亦即，连接部11、12具有一个窄的宽度将使其易被弯曲从而可驱使支撑部10和磁头31旋转。此外，参考图6，悬臂舌片328和活动臂394间的平行间隙将使支撑部10和磁头31在被压电片321驱动时可更加自由的旋转。
与现有技术相比，本发明微驱动器32通过用两个压电片321旋转其上的活动臂，从而使磁头31以其中心为旋转中心而旋转，进而使磁头31的前缘部(leading side)和后缘部(trailing side)往不同方向移动，而现有的微驱动器仅能摆动磁头的后缘部(因为其前缘部被固定)。这样，本发明可使磁头的位置调整更加有效。对应地，就可以提高磁头的位置调整能力(head positionadjustment capacity)。
图12展示了本发明磁头折片组合共振性能的测试结果，其中，701代表悬臂件的基板激发共振曲线，而702代表微驱动器激发共振曲线。从该图可看出，当激发微驱动器32时，悬臂共振未发生在低频段，而仅仅有单纯的微驱动器共振发生在高频段，这样将增大磁盘驱动器的伺服***带宽并提高其容量，同时减少磁头的搜索及定位时间(seeking and settling time)。
参考图13-15，在本发明中，支撑框32亦可为其它结构，例如，支撑部10可为除长方体以外的其它形状(例如，长斜方体)。可选择地，连接部11、12可以一定角度(不是90度)与支撑部10相连接。为了更容易的弯曲连接部11、12，一个切口15可提供在连接部11(12)和支撑部10之间。
在本发明三个实施例中，参考图16-18，支撑部10可具有一个由光滑圆弧构成的轮廓。此外，连接部11，12亦可为曲线状。另外，为了使施加于支撑部10上的力保持平衡，连接部11、12可通过两个连接点500与两个侧臂391、392相连，所述两个连接点500以支撑框的纵轴为对称轴对称分布。在本发明中，所述压电片可以装在每个侧臂391，392的一侧或两侧。
在本发明中，参考图19，将本发明磁头折片组合3与磁盘驱动器壳体108、磁盘101、主轴马达102、音圈马达107等进行组装即可形成一个磁盘驱动器。因为本发明磁盘驱动器的组装过程及结构为业界普通技术人员所知晓，故在此不再详述。
Claims (20)
1.一种磁头折片组合，其特征在于包括：
磁头；
微驱动器；其中所述微驱动器包括支撑框以及最少一个压电片；所述支撑框包括底臂、活动臂及以底臂的轴线为对称轴对称分布、并通过所述底臂相互连接，且分别沿所述活动臂的对角线与所述活动臂连接的两个侧臂；所述至少一个压电片与所述侧臂相连接；及
用于支撑所述磁头和微驱动器的悬臂件；
其中，所述磁头装在活动臂上，并在激发所述至少一个压电片时被所述活动臂所旋转。
2.如权利要求1所述的磁头折片组合，其特征在于：所述活动臂包括一个支撑磁头的支撑部，以及分别和位于支撑部对角线上的两端部相连的两个连接部。
3.如权利要求2所述的磁头折片组合，其特征在于：所述每个连接部的宽度均小于支撑部的宽度。
4.如权利要求2所述的磁头折片组合，其特征在于：所述磁头部分装在所述支撑框的支撑部，且磁头与所述支撑部的中心相匹配。
5.如权利要求2所述的磁头折片组合，其特征在于：所述两个连接部可通过两个连接点与两个侧臂相连，所述两个连接点以支撑框的纵轴为对称轴对称分布。
6.如权利要求1所述的磁头折片组合，其特征在于：两个侧臂间的距离大于磁头的宽度。
7.如权利要求1所述的磁头折片组合，其特征在于：所述底臂和所述悬臂件部分相连，在所述支撑框与所述悬臂件间形成一个平行间隙。
8.如权利要求1所述的磁头折片组合，其特征在于：所述侧臂形成于所述底臂和活动臂的两侧，在侧臂和底臂之间或者在侧臂和活动臂间形成至少一个间隔。
9.如权利要求1所述的磁头折片组合，其特征在于：所述至少一个压电片装在所述每个侧臂的一侧或两侧。
10.如权利要求1所述的磁头折片组合，其特征在于：所述用于粘结磁头和支撑框的材料以及粘结所述支撑框底臂和悬臂件的材料为环氧胶、粘结剂或各向异性导电模。
11.一种微驱动器，包括：
支撑框，以及至少一个压电片；
其中所述支撑框包括底臂，
用以支撑和旋转磁头的活动臂；
以底臂的轴线为对称轴对称分布、并通过所述底臂相互连接，且分别沿所述活动臂的对角线与所述活动臂连接的两个侧臂；
所述至少一个压电片连接到所述两侧臂。
12.如权利要求11所述的微驱动器，其特征在于：所述活动臂包括一个支撑磁头的支撑部，以及分别和位于支撑部对角线上的两端部相连的两个连接部。
13.如权利要求12所述的微驱动器，其特征在于：所述每个连接部的宽度均小于支撑部的宽度。
14.如权利要求11所述的微驱动器，其特征在于：所述至少一个压电片为薄膜压电片或陶瓷压电片。
15.如权利要求11所述的微驱动器，其特征在于：所述至少一个压电片为单层结构或包含基层与压电层的多层结构。
16.如权利要求15所述的微驱动器，其特征在于：所述压电层为单层压电结构或多层压电结构，所述基层由金属、陶瓷或聚合物制成。
17.如权利要求11所述的微驱动器，其特征在于：所述侧臂形成于所述底臂和活动臂的两侧，在侧臂和底臂之间或者在侧臂和活动臂间形成至少一个间隔。
18.如权利要求11所述的微驱动器，其特征在于：所述至少一个压电片装在所述每个侧臂的一侧或两侧。
19.如权利要求11所述的微驱动器，其特征在于：所述用于粘结磁头和支撑框的材料为环氧胶、粘结剂或各向异性导电模。
20.一种硬盘驱动器，包括：
磁头折片组合；
与所述磁头折片组合相连结的驱动臂；
磁盘；及
用以旋转所述磁盘的主轴马达；其特征在于：
所述磁头折片组合包括磁头、微驱动器及用于支撑所述磁头和微驱动器的悬臂件；
其中，所述微驱动器包括支撑框，以及至少一个压电片；所述支撑框包括底臂、活动臂及以底臂的轴线为对称轴对称分布、并通过所述底臂相互连接，且分别沿所述活动臂的对角线与所述活动臂连接的两个侧臂；所述至少一个压电片与所述侧臂相连接；
其中，所述磁头装在活动臂上，并在激发所述至少一个压电片时被所述活动臂所旋转；所述底臂部分装在悬臂件上，在支撑框和悬臂件形成一个平行间隙。
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