CN1028261C - 液体支承磁盘存储器 - Google Patents

Abstract

一种在磁头磁盘接触面处有改进的传感器架的液体支承磁盘存储器，其中架支撑对磁盘读书数据的磁头。架有一个靠近前端的空气支承表面，一个靠近后端的滑垫，及一组当存储器不工作时支撑空气支承表面脱离磁盘的液体膜的滑脚或支块，空气支承表面有一对位于后滑垫外侧的空气轴承轨道，在架的后区里不出现空气支承效应，以保证后滑垫的滑行作用。达到工作转速时，空气支承抬起支块脱离磁盘，而后滑垫是液体膜上的唯一滑脚。

Description

本发明涉及称为液体支承磁盘存储器的数据记录磁盘存储器，其中磁头或传感器架和磁盘表面上的液体润滑剂提供一种新型的磁头磁盘接触面。更确切地说，本发明涉及一种在磁头磁盘接触面处有改进的传感器架的液体支承磁盘存储器。

磁盘存储器亦称磁盘驱动器，是信息存储装置，它利用一个带有包含信息的同心数据磁道的可旋转的磁盘，一个用来对不同磁道读或写数据的磁头或传感器，以及一个连接至磁头架以便在读或写操作期间把磁头移到希望的磁道并把它保持在该磁道中心线上方的致动器。一般有一组磁盘，由隔离环隔开并叠放在靠磁盘驱动电动机旋转的转盘上。一个壳体支撑驱动电动机和磁头致动器并包围磁头和磁盘以便为磁头磁盘接触面提供一个大体上密闭的环境。在传统的磁性记录磁盘存储器中，磁头架是一个空气支承滑块，它支撑在磁盘表面上方的空气支承上。滑块靠来自连接滑块与致动器的悬架的一个小力保持贴着磁盘表面，以致在没有足够的磁盘转速来维持空气支承的开始和停止工作期间，滑块与磁盘表面接触。为了防止在磁盘 存储器起动和停止期间损坏磁头和磁盘，磁盘表面上需要一种润滑剂。

有若干个引述例介绍作为磁性记录磁盘存储器中常规的空气支承磁头磁盘接触面的可能的替代方案的不同类型的磁头架和液体支承。在受让人的美国专利2    969    435中，一个带有大平面的滑动式传感器架支撑在磁盘上的油层之上，油液由磁盘存储器之外的油液容器来供应并从位于传感器架前方的喷嘴流出。在受让人1988年10月31日提出并于1990年5月9日被作为欧洲公布申请EP    367    510公布的待决申请美国序列号264    604中，一个磁盘存储器利用一种作为比较厚的一层保持在磁盘上的连续循环的低粘度液体润滑剂，和一个带有犁过低粘度液体层的三角形滑脚的传感器架。该EP引述例提出，如果磁盘存储器是在没有空气存在的情况下严密密闭的，则低蒸气压力的润滑剂可能蒸发，允许所需的润滑剂循环靠蒸馏作用而发生。

更近一些，在受让人的共同待决申请美国序列号07/724    646和07/724    696中，已经介绍了一种液体支承磁盘存储器和传感器架，其中一种非循环的高粘度润滑剂膜保持在磁盘上，而一个带有专门改制的滑脚的传感器架随着磁盘旋转在液体膜上滑行。这些申请中介绍的传感器架是个改制的三轨道空气支承滑块，它有在每个外轨道上形成的前滑脚和在中央轨道上形成的后滑脚，三个滑脚的端面大体上共面，当磁盘存储器达到工作转速时，由于滑块轨道的空气 支承效应，前滑脚被抬起到液体膜上方，而液体润滑的后滑脚在液体膜上滑行。

带有滑动传感器架的改进的液体支承磁盘存储器的开发者面对若干项挑战。传感器必须提供静摩擦力小的磁头磁盘接触面，因为液体支承磁盘存储器一般有比空气支承磁盘存储器更大数量的自由润滑剂和更平滑的磁盘。传感器架还必须设计成使磁盘上润滑剂的消耗减至最小。此外，传感器架必须能在不同的磁盘直径上出现的传感器架与磁盘相对速度的很宽的范围内良好地运行。于是，需要的是一种带有改进的磁头磁盘接触面的液体支承磁盘存储器，它减小静摩擦力，使磁盘上润滑剂的消耗减至最小，并且使传感器架能在很宽的速度范围内滑行。

本发明是一种带有部分地由一个具有新特点的传感器架提供的改进的磁头磁盘接触面的液体支承磁盘存储器。传感器架有一个靠近其前端的空气支承面、一个靠近其后端的滑垫、以及一组支承空气支承面脱离磁盘的液体膜以便在磁盘存储器不工作时为传感器架提供静态上仰的滑脚或支块。空气支承面的形态为位于后滑垫外侧的一对空气支承轨道，以致在传感器架后区内仅出现最小的空气支承效应，从而保证后滑垫的滑行作用。随着接近工作转速，空气支承抬起支块脱离磁盘而后滑垫为液体膜上的唯一滑脚。由于传感器架的静态上仰位置而在后滑垫与磁盘上液体膜之间形成的小角度促进后滑垫的滑行功能。后滑垫有个比后缘宽的凸形前缘，以便使静摩 擦力和滑行期间的润滑剂稀化作用减至最小，而滑垫的前缘与后缘之间的角度选成能在随着传感器架从磁盘内径移到外径而出现的传感器架-磁盘速度（及旋转致动器磁盘存储器中传感器架与磁盘磁道切线之间的对应的斜交角）的很宽范围内滑行。

图1是一种液体支承磁盘存储器的示意图;

图2是图1中示意地画出的磁盘存储器的打开的俯视图;

图3是液体支承磁盘存储器中所用型式的隔离环润滑剂容器的局部剖切的透视图;

图4是改制成带有滑动面的一个空气支承滑块的底侧或磁盘侧的平面图;

图5是带有滑动传感器架的一个液体支承磁盘存储器的传感器架与磁盘接触面的剖视图;

图6是本发明的滑动传感器架的磁盘侧的平面图;

图7是在磁盘上的图6的传感器架的侧视图;

图8A和8B是本发明的滑动传感器架的其他实施例的平面图，画出前滑脚或支块的变通位置;

图8C和8D是本发明的滑动传感器架的其他实施例，表示用来在磁盘存储器不工作时支撑传感器架的附加滑脚或支块;以及

图9A-9F是图8A的滑动传感器架的剖视图，表示制造图8A的传感器架的顺序步骤。

以下将对照图1-5简要介绍在共同待决申请中引述的带滑动 传感器架的液体支承磁盘存储器。

首先参见图1，其中以剖视的形式画出了液体支承磁盘存储器的示意图。磁盘存储器包括其上固定着磁盘驱动电动机12和致动器14的一个基座10和一个盖11。基座10和盖11为磁盘储存器提供一个基本上密闭的壳体。一般来说有一个装在基座10和盖11之间的垫片13和一个用来均衡磁盘存储器内部与外界环境之间的压力的小通气孔（未画出）。把这种磁盘存储器描述成基本上密闭的，因为驱动电动机完全布置在壳体以内，而且没有用来冷却内部部件的外部强制空气源。磁性记录磁盘16借助于转盘18与驱动电动机12连接，磁盘贴在转盘上靠驱动电动机12来旋转。一个读/写磁头或传感器（示画出）装在传感器架20上。架20借助于刚性臂22和悬架24与致动器14连接，悬架24提供一个把传感器架20推靠在记录磁盘16表面上的偏置力，在磁盘存储器工作期间，驱动电动机12使磁盘16以恒定转速旋转，而一般来说为直线或旋转音圈马达（VCM）的致动器14使传感器架20通常径向掠过磁盘16的表面，以便读/写磁头可以接近磁盘16上不同的数据道。

图2是磁盘存储器去掉盖11时内部的俯视图，并且画出了一个环形润滑剂容器30，该容器用来保持提供液体润滑剂以补充磁盘16表面上的液体膜。工作期间一层粘度较高的润滑剂连续薄膜保持在磁盘16的表面上并由来自容器30的润滑剂来补充。图2还更详细地画出了悬架24，它向架20提供保持该架与磁盘16上润滑剂 膜接触的力。悬架可以是如象带有空气支承滑块的磁性磁盘存储器中所用的那种常规类型的悬架。一个例子是这里作为对比文件的受让人的美国专利4167765中所述的已经公知的Watrous悬架。这种悬架还提供允许传感器架在它支撑在液体润滑剂膜上时俯仰和侧滚的传感器架的万向接触。

环形润滑剂容器30详细地画在图3中，它可以在磁盘组中有多个磁盘的磁盘存储器中用作磁盘隔离环。容器30由用烧结不锈钢之类的多孔烧结材料制成的环形体32组成。然后通过电镀黄金之类的材料或者通过无电镀一层镍膜以提供包围烧结不锈钢的一层膜34，把环形体32的外表面完全封闭。然后在黄金或镍质面膜34上制出孔洞36，以便启封容器并提供存入内部的润滑剂可以放出的手段。这是通过蚀刻、烧蚀或静电放电加工在面膜34上加工出若干个，比如说一般4个小区域而实现的，在这些区域上产生孔洞36或小孔，然后容器被充以润滑剂，办法是把它放进真空，使它浸没在润滑剂中，稍对它加热以加快充液速度。孔洞36的数目和大小被选成在磁盘存储器工作期间提供希望数量的受控润滑剂排放，此排放量设计成与润滑剂离开磁盘的速度相匹配。当环形体32被设计成还用作磁盘中有多个磁盘支承在转盘18上的磁盘存储器中的隔离环时，孔洞36可布置得更靠近隔离环上与磁盘接触的部分，这样使所选的孔洞与对应的磁盘表面之一联系起来。除了孔洞36的大小之外，影响润滑剂离开磁盘的速度的因素包括磁盘的平滑度、磁盘的转速、润 滑剂的粘度及传感器架的结构。当磁盘不旋转时，环形体32的多孔海绵状材料的毛细作用把液体保留在容器之内。

虽然润滑剂容器或保持装置的具体类型不是本发明的一部分，但是有许多种其他可能的容器。例如，在某些应用场合里磁盘存储器的总运行时间较短（例如几个月），保持润滑剂装置可以在磁盘上靠近磁盘内径的无数据带或区域。在正常的磁盘润滑过程中，磁盘上无数据带也被润滑，以致无数据区域包含了润滑剂的额外供应以便补充液体膜。在针对这个具体应用场合的本实施例中，也可以希望使用粘度较高的润滑剂，以便稍微降低消耗速度。

图4画出标号20的传感器，它在受让人的共同待决申请美国流水号07/724696中被介绍。滑脚40、42、44被做在传统的三轨道空气支承滑块上。如在受让人的美国专利4894740中所述。滑脚40、42、44的每一个通过把轨道材料蚀刻下几千埃而被做在轨道50、51、52的常规底面上，最好用离子铣削或者用反应离子蚀刻或其他蚀刻方法。结果是滑脚成为轨道剩余的外突部分，从滑块的新形成的轨道向外突出，滑脚的端面大体上共面。离子铣削是以这样的方式实现的，即有一个从轨道外表面开始的滑脚小斜度。此滑脚斜度使传感器架得以实际上在磁盘上粘度较高的润滑剂膜的上面滑行。

传感器架与带润滑剂膜的磁盘之间的接触面画在图5中。在最佳实施例中，磁盘16有其上部固体部分，一层常规的无定形碳涂层膜60，它一般大约250埃厚。磁性层62，如象常规的钴合金溅射沉积 磁性膜，处于保护碳涂层60的下面。液体润滑剂作为最佳厚度大约20至100埃范围的膜64沉积在碳涂层60的上面。滑脚之一40的一部分被画成支撑在润滑剂膜64上。滑脚40的端面有大约100微米的直径并以大约10°角向大约4000埃的蚀刻深度倾斜。传感器46（图4）在滑脚44的端面处支撑于架20的后缘，从而保持离开记录磁盘顶面约为润滑剂膜厚度（例如20至100埃）的间隔。在磁盘存储器工作期间，悬架24（图2）在架20上保持一个迫使滑脚40、42、44与润滑剂膜64接触的力，由于润滑剂膜基本上是不可压缩的，所以该膜起着架20与磁盘16之间的隔离层的作用。滑脚40的端部与磁盘之间的较小的角度（图5中的10°）改善架的滑行能力，因为它保证对磁盘存储器起动期间在滑脚40端部下方掠过的润滑剂的阻碍较小。当磁盘存储器达到工作转速时，空气支承轨道50、51使滑脚40、42抬起脱离液体膜，而同时悬架保持滑脚44与液体膜滑动接触。

接下来参见图6和图7，其中画出改进的滑动传感器架100。架100有磁盘侧102、背侧104、前端106和后端108。传感器109，如象用来对磁盘读或写数据的常规的薄膜磁头，做在架100的后端108上。如在先有技术中已经公知的那样，磁头109可以是用薄膜沉积法制成的感应式读和写传感器或者带磁阻式（MR）读传感器的感应式写传感器。一个空气支承表面以一对轨道110、112的形式做在架100的磁盘侧102上，每个轨道有各自的前斜面114、116。在靠近后 端108的磁盘侧102上，还有一个滑脚或滑垫118，它提供一个用来在保持在磁盘150（图7）上的液体膜146上滑行的滑动面。如图7所示，滑垫118的滑动面与轨道110、112的空气轴承表面大体上共面。靠近斜面114、116的后端，从空气轴承轨道110、112伸出的是一对前滑脚或支块120、122。如图7中所画的，当架100在磁盘150表面上处于静止状态时，支块120、122为架100提供一个静态上仰位置。于是，静止时轨道110、112的空气轴承表面基本上保持与磁盘150上的液体膜146脱离接触，因而使架-磁盘接触面的静摩擦力减至最小。由支块120、122造成的架的静态上仰还在滑垫118与磁盘上的液体膜146之间形成小角度，它以针对图5所述的方式便于滑垫滑行。此外，支块的端面，由于它们处于与滑垫表面平行但不共面的平面中，所以还与液体膜之间形成一个小角度。空气支承轨道110、112的尺寸这样选择，即在磁盘存储器工作速度范围的下端，大约80%的悬架载荷由空气轴承负担，而其余载荷由滑垫118负担。于是，在工作转速下架100的前端及支块120、122保持与液体膜146脱离接触而后滑垫118以大体上如图7所示的方式在液体膜146上滑行。由于在架100的后区因为该区域中没有空气支承轨道而缺乏显著的空气升力，滑垫118在很宽的速度范围内保持与磁盘150上的液体膜146接触，这保证传感器109与磁盘150上的磁性层的间隔很小。

滑垫118有个比后缘130宽的前缘124。因此，滑垫118的侧缘 126、128相对于滑块长度方向是倾斜的。在最佳实施例中，侧缘126、128相对于滑块长度方向大约成20°角。通过使后滑垫118的前边比后边宽，防止滑垫118起犁耕作用，从而使磁盘150在滑垫118下面运动引起的润滑剂消耗减至最小。这还保持很小的阻力，结果使垫118之下的润滑剂的稀化作用减至最小。在带有旋转致动器的磁盘存储器中，滑块长度方向仅在一个磁道位置上与磁盘相切。例如，在一种可买到的21/2″磁盘驱动器中，滑块在内径处大约以-4°斜交，而在外径处大约以+17°斜交。通过使滑垫118的侧缘126、128的角度大于最大的斜交角绝对值，比如约20°，保证了滑垫在磁盘存储器当架从磁盘的内径向外径移动时的整个工作角度范围内保持没有犁耕作用。这使得架100在从磁盘内径到外径所遇到的架-磁盘相对速度的全范围内得以正确地滑行。

滑垫118的前缘124带有基本上外凸的曲率，曲率半径相当于直线后缘130的宽度。前缘124形状的局部弯曲，连同架100的前部保持脱离磁盘150表面（如图7中所示）的事实，使犁耕作用减至最小并把磁盘上可能存在的任何浮屑导向垫118的两侧。

已经确定，用本发明的后滑垫结构，在磁盘存储器的某些应用场合里可以去掉润滑剂容器。在一项实验中，若干个液体支承磁盘存储器没有装进任何类型的润滑剂容器而装进了类似图4所画的传感器架，但改制成后滑垫44具有图6中滑垫118的形状。这些存储器已经连续工作5个月以上，仅偶尔起动/停止并周期性拆卸以检查磨 损情况。没有观察到磨损而且存储器在继续工作。因此，虽然磁盘存储器的某些应用场合要求很长的运行时间因而保持磁盘上的液体膜的某种手段是必须的，但是在运行时间明显缩短的某些应用场合，本发明的传感器架将允许去掉容器。因而这样的磁盘存储器将比较简单和比较经济。

接下来参见图8A-8B，图中画出了架的其他实施例，其中支块120、122位于空气轴承表面轨道110、112的内侧或外侧，而不是象图6的实施例中那样位于轨道上。在这些实施例中，支块120、122直接从架的磁盘侧102伸出。这些实施例有个优点，即由于支块120、122不是做在轨道110、112上，消除了对空气轴承性能的任何影响。此外，在磁盘存储器起动和停止时，没有轨道上支块附近的润滑剂堆积，因此减小了静摩擦力。

接下来参见图8C-8D，图中画出了图6和图8A-8B的架的其他实施例，其中架上有3个或4个支块，用来在磁盘存储器不工作时保持滑垫118与磁盘上的润滑剂膜脱离接触。在图8C-8D中，支块132、134做在架的重心后面的磁盘侧102上。当架在磁盘存储器中处于静止状态时，架支撑在支块132、134及图8C中的一个前支块136或图8D中的两个前支块138、140上。在磁盘存储器起动时，传感器架最初靠所有3个或4个支块滑行，然后由于轨道110、112所提供的空气支承升力而绕后支块132，134转动。在满工作转速下，架转到滑垫118上而所有支块保持与磁盘上的液体脱离接触。图8D 的实施例超过图C的实施例的优点在于，由于图8D的架中直接在架前端106与滑垫118之间的通道上没有支块，消除了起动和停止时由于飞溅而形成的后滑垫118上的润滑剂堆积。

将对照图9A-9F介绍滑动传感器架的最佳制造方法，图中画出图8A中所画的架的制造步骤。图9A-9F是通过与支块120、122相交的剖面所取的架的剖视图。

在图9A中一个多层涂层172溅射沉积到架体170上。架体170一般由传统的碳化钛（TiC）与氧化铝（Al₂O₃）的烧结混合物（ceramic mixture）制成。涂层172包括溅射沉积到架体170上的第一层50埃的硅（Si）层，接着是150埃的无定形碳氢化合物（H∶C），50埃的Si和最后一层2000埃的H∶C。其主要部分是最后一层2000埃的H∶C的涂层基本上是碳，它最终将形成支块120、122。然后在涂层172的顶部滚涂一层如象Riston牌的聚甲基丙烯酸甲酯（RM-MA）之类的光刻胶，厚度大约0.08毫米。然后通过一个形成与空气支承轨道110、112、后滑垫118和支块120、122相对应的图形的适当的掩膜曝光。显影并去掉未感光的光刻胶之后，架如图9B中所画的那样，光刻胶面积保留在涂层172上最终将形成空气支承轨道110、112、后滑垫118和支块120、122的面积里。在其上将要形成支块120、122的光刻胶面积在图9B中标为光刻胶岛174、176。然后进行氧等离子体蚀刻加工或抛光加工去掉无光刻胶保护的区域里的Si-C多层涂层。此后进行反应离子蚀刻加工以便把架体170 蚀刻到磁盘侧102的深度以形成空气支承轨道110、112和后滑垫118，结果画在图9C中。接下来去掉剩下的光刻胶并且涂布第二次光刻胶层、曝光并显影，剩下刚好盖住支块120、122的胶岛178，如图9D中所示。后续的抛光加工从无光刻胶保护的区域去掉剩下的Si-C多层涂层，如图9E中所画的那样，以形成轨道110、112。最后，如图9F中所示，去掉剩下的光刻胶岛178，得到完整的架，它由架体170组成并带有空气支承轨道110、112和由Si-C多层涂层形成的并且超出轨道110、112大约2150埃即溅射沉积的Si-C涂层厚度而突出的支块120、122。虽然在图9E和图9F的剖视图中没有画出，但是后滑垫118在加工过程中已经形成，其滑动表面制成与轨道110和112的空气支承表面共面。

用所介绍的加工程序制造了图8A中所画的传感器架，带有从磁盘侧102突出到大约高出轨道110、112的空气支承表面1400埃的碳支块120、122。该架在具有钴-铂-铬磁性层和150埃保护碳涂层的21/2″薄膜磁盘上作了试验。浸涂了一种常规的全氟多醚润滑剂（Demnum牌专用）以便在碳涂层上形成厚度约为40埃的液体膜。悬架对架施加的载荷在4-6克的范围内。支块120、122抬起脱离磁盘的速度大约在每秒3-4米的范围内。测得从此范围至大约每秒15-20米时后滑垫118与液体膜接触。测得静摩擦力约为5克，在每秒5.5-11米的整个存储器工作速度范围内测得阻力约为0.1-0.4克。这两组数值足以防止磁盘存储器中的工作问题。测出在磁 盘存储器的磁道跟踪工作期间润滑剂的厚度是运动时间的函数。测出从大约40埃的初始润滑剂厚度开始，两天的磁道跟踪之后润滑剂消耗小于5埃。

虽然详细说明了本发明的最佳实施例，但是应该明白，可以对本发明进行变动和改进而不脱离以下权利要求所述的本发明的精神和范围。

Claims (11)

1、一种数据记录磁盘存储器，包括：

至少一个其上有液体膜的数据磁盘；

一个与磁盘连接的用来使磁盘旋转的电动机；

一个用来向磁盘写数据或从磁盘读数据的传感器；

一个带有磁盘侧、前端和后端的传感器架，该架包括一个在磁盘侧靠近前端的空气支承表面；

一个使架一般径向掠过磁盘以便传感器可以接近磁盘上的不同数据区的致动器；

把架连接到致动器以便在磁盘旋转时把架的滑动表面推靠到与磁盘上的液体膜接触的装置，以及

用来支撑电动机和致动器的装置，其特征在于：

所述传感器架进一步包括：

一个在磁盘侧靠近后端的液体支承滑动表面，其前缘比后缘宽，及一组用来在磁盘不旋转时支撑空气支承表面脱离磁盘的支块。

2、一种用于利用液体支承磁头磁盘接触面的数据记录磁盘存储器的传感器组件，该组件包括：

一个带有磁盘侧、前端和后端的传感器架，该架包含一个在磁盘侧靠近前端的空气轴承表面，

一个位于架上靠近架的后端的用来从磁盘读数据或向磁盘写数据的传感器，

其特征在于：

所述传感器架进一步包括：

一个在磁盘侧靠近后端的液体支承滑动表面，其前缘比后缘宽，及一组用来在磁盘不旋转时支撑空气支承表面脱离磁盘的支块。

3、如权利要求2所述的传感器组件，其特征在于支块位于空气支承表面上。

4、如权利要求2所述的传感器组件，其特征在于支块位于液体支承滑动表面的外侧，从而没有支块位于滑动表面与架的前端之间。

5、如权利要求2所述的传感器组件，其特征在于空气支承表面包含两个空气支承轨道，每个轨道位于液体支承滑动表面的外侧。

6、如权利要求2所述的传感器组件，其特征在于架上的滑动表面是从架的磁盘侧突出的滑垫的表面。

7、如权利要求6所述的传感器组件，其特征在于滑垫与空气支承表面基本上共面。

8、如权利要求6所述的传感器组件，其特处在于滑垫有个带有基本上外凸的曲率的前缘。

9、如权利要求6所述的传感器组件，其特征在于连接前缘与后缘的滑垫侧缘形成一个角度，此角度大于当架在磁盘存储器中时架相对于磁盘上的数据道的斜交角的最大值。

10、如权利要求2所述的传感器组件，其特征在于用来把架连接到磁盘存储器的致动器的装置，架到致动器的连接装置包括用来把架的滑动表面推压到与磁盘上的液体膜接触的装置。

11、如权利要求10所述的传感器组件，其特征在于架到致动器的连接装置包括提供架的一般万向运动的装置，借此当其滑动表面在磁盘旋转期间被推到与润滑剂膜接触时架可以俯仰和侧滚。

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