JP2012146383A - スピンドル上のディスクのセンタリング方法及び装置、スピンスタンドを用いた試験方法、並びに、スピンスタンド - Google Patents

Abstract

【課題】スピンドル（１１）上のディスク（５０）をセンタリングする方法及び装置、スピンスタンド（１）並びにスピンスタンドを用いた試験方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るセンタリング方法においては、スティックスリップクランプ（１４）を用いてスピンドルにディスクを取り付け、ディスクの中心（５４）がスピンドル軸（５２）からズラされるベクトルを決定し、当該ベクトルを動作可能に搭載された圧電アクチュエータ（２３）と合致させ、その後、圧電アクチュエータに電圧を付与し、ディスクの端部にインパルスを付与し、クランプにおいてディスクをスリップさせ、ディスクの位置ズレを減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピンドル上のディスクのセンタリング方法、スピンドル上のディスクのセンタリング装置、スピンスタンドを用いた試験方法、及び、スピンスタンドに関する。

具体的には、本発明は、当該技術分野において「スピンスタンド」或いは「動的エレクトリカル試験装置（dynamic electrical test machines）」として広く知られたヘッドメディア試験装置に関する。スピンスタンドは、当該技術分野において、例えば、ヘッド、ディスク及びチャネルといった種々のディスクドライブ構成要素を評価し及び最適化するための研究や開発において使用される手段として、発展してきた。今では、スピンスタンドは、ディスクドライブ製造分野において、製造した読み取り／書き込みヘッドやディスクをディスクドライブユニットに搭載する前に、それぞれを試験するために使用されてもいる。

スピンスタンドは、通常、モータによって駆動するスピンドルを備えており、当該スピンドルの上に、試験されるディスクが搭載されるとともに回転される。また、試験に供される読み取り／書き込みヘッドを保持し位置決めするためのヘッドロード機構を備えている。テストデータは、ヘッドによってディスクのトラックへと書き込まれる。続いて、当該テストデータは、ヘッドによって読み取られ、測定・解析され、結果がユーザへと表示される。データの書き込み及び／又は読み取り条件についての種々のパラメータを調整及び変化させることで、試験に供される部分の性能や特性を様々な条件にて調べることができる。このような流れで、ビットエラーレート（ＢＥＲ）バスタブ、トラックスクイズ、トラックセンター、読み取り／書き込みオフセット、上書き等を含む一連の試験が行われる。

スピンスタンドについて正確に試験を行うためには、スピンドル上にディスクが正確に配置されることが重要である。例えば、当該ディスクは、それに書き込まれるサーキュラサーボトラックであってもよい。サーボコントローラが、サーボトラックの後を追う際にサーボトラックの偏心を相殺しなくてもよいように、当該サーボトラックにより規定される中心は、スピンドルの軸とできるだけ一致させることが望ましい。先行技術において、ディスクをセンタリングするための様々なスキームが提案されている。

米国特許公開公報第２００７／００８６２９５号 米国特許第６１８９３７１号 米国特許５８１１６７８号 米国特許第６１０１８７６号 米国特許公開公報第２００９／０２４４７６４号

米国特許公開公報第２００７／００８６２９５号（Seagate Technology LLC）「Data Storage Disk Track Centering」には、スピンスタンドにおけるディスクの位置決め方法及びシステムが開示されている。当該方法は、ディスクの回転時、ヘッドを用いてディスクのサーボパターンを監視することによって、まず、回転軸からのディスク中心のオフセットベクトルを測定するものである。ディスクは、オフセットベクトルが「プッシャー」エレメント（“pusher”element）と一致するまで、回転させられる。高精度な位置決め台によって、当該プッシャーエレメントがディスクの端部と接触するまで、ディスクへとプッシャーエレメントを前進させることにより、ディスクの端部が特定される。その後、プッシャーエレメントが後退させられて、ディスクがスピンドルにより外される。そして、ディスクと接触させ、ディスクを移動させて、オフセットベクトルをゼロへと減ずるように計算され、プッシャーエレメントは位置決め台によって、新たな位置へと移動させられる。

このような方法は実際には困難である。というのも、スペースが制限されるため必要な装置の設置が困難であり、また、十分な精度でディスクの端部を感知することも困難なためである。また、このような方法にあっては、ディスクを再配置して再度固定する一方でディスクをチャックから解放する必要があり、さらなる誤差を生み出す場合もある。

ディスクドライブにおけるディスクスタックの動釣り合いに作用するその他の技術としては、例えば、米国特許第６１８９３７１号や米国特許５８１１６７８号（ＩＢＭ）、米国特許第６１０１８７６号（Western Digital）、米国特許公開公報第２００９／０２４４７６４号（Fujitsu）等が挙げられる。これら文献においては、ディスクスタックをバランスさせるようにディスクが回転しており、１回転毎に、ディスクの端部に外部から衝撃が与えられる。これら技術にあっては、ディスクスタックをどのように中央集積化するかに関して、利用可能なフィードバックが制限されており、正確性に限界があった。また、これら技術は、スピンドルアセンブリが質量の大きなデッキに標準的に搭載される場合に、直接適用できるものではない。

第１の本発明は、スピンドルの上のディスクのセンタリング方法であって、
ａ）スティックスリップクランプによりスピンドルにディスクを取り付ける工程；
ｂ）ディスクの中心がスピンドルの軸からズラされるベクトルを決定する工程；
ｃ）動作可能に搭載された圧電アクチュエータにベクトルを合致させる工程；及び
ｄ）圧電アクチュエータに電位を与え、当該圧電アクチュエータがディスクの端部にインパルスを与え、当該ディスクをクランプにおいてスリップさせ、ディスクのズレを減少させる工程
を備える、方法である。

当該方法によれば、ディスクを高精度に移動させることによって、ディスクの端部を特定する正確な動作やディスクの解放を必要とせずに、トラックの偏心を補正することができる。動作可能に搭載された圧電アクチュエータ、すなわち、ディスクに対して相対的に「フロート（float）」可能な圧電アクチュエータ機構、を用いることで、当該アクチュエータをディスクの端部へと接触、若しくは追従可能に（柔軟に）接触、させることができる。そして、当該圧電アクチュエータは、コントローラから電圧パルスが与えられることにより作動し、加速させられ、それに対応する力を発生させる。当該力は、一方は圧電アクチュエータ端部の慣性質量体及びその搭載部分にまで、他方はディスクの端部にまで及ぶ。ディスクの端部に与えられる力により、ディスクとスティックスリップクランプとの間の静的な摩擦接合が解除される。ディスクは、偏心が低減され、又は、なくなるように、ズラされた位置においてスリップし、及び、停止する。圧電アクチュエータに付与される電圧パルスのレベルや数を調整することにより、ディスクのズレを調整可能である。よって、本発明に係る方法は、例えば、異なる型のディスクやアクチュエータ等、異なる装置設定にも容易に適応することができる。

当該方法にあっては、ディスクの端部が正確な位置にあること、或いは、ディスクに対してアクチュエータを正確に設けることについては、必須ではないことが確認されている。このことは、ディスク動作前において、ディスクの端部を高精度で位置決めする必要がある先行技術、例えば米国特許公開公報第２００７／００８６２９５号とは対照的である。米国特許公開公報第２００７／００８６２９５号にあっては、所定の方法を実行するために、スピンスタンドのデッキ上で、極めて正確に、完全な位置決めを行うことが可能な高精度なアクチュエータが必要とされる。本発明のもう一つの利点としては、ディスクが保持されるクランプ力を調整する、或いは、クランプを解除する必要がなく、スティックスリップクランプが用いられることでディスクを動かすことができることが挙げられる。これに対して、米国特許公開公報第２００７／００８６２９５号にあっては、ディスクの端部を見つける際は当該ディスクを固定し、ディスク動作中においてはディスクを解放し、その後、さらなる調整或いは試験のために、ディスククランプ機構を用いて再度クランプしている。このように、ディスクの解放及び再クランプをする形態にあっては、より複雑なクランプや、より複雑な制御が必要であるだけでなく、ディスクの位置決めの際に誤差を生ずる可能性があり、スピンドル上のディスクをセンタリングする方法として限界がある。

圧電アクチュエータの好ましいセットアップについては、ディスクを保持するため、ディスクとスピンドルとの間に５〜２０Ｎの摩擦力が働くものとすることが好ましい。しかしながら、利用される摩擦力は、実際は、ディスクやアクチュエータの質量、アクチュエータによって達成される加速度等の他の要因に依存するものと考えられる。

クランプと連動するエフェクタ（effector）のインパルス動作については、反動がないものである。

好ましい形態において、圧電アクチュエータは、まとまった質量を有するボディ部と、ディスクの端部に上記のインパルスを付与するようにディスクに隣接する端部と、を有している。当該端部は、圧電アクチュエータへの電圧の付与により、ボディ部に対して相対的に移動可能とされており、この場合、上記のまとまった質量は、ディスクの質量よりも実質的に大きい。

圧電アクチュエータの背部にある質量体は、試験に供されるディスクよりも少なくとも１桁分質量が大きいことが好ましい。よって、５〜１０ｇの質量を有する通常のディスクに対しては、圧電アクチュエータの背部にある質量体は少なくとも５０〜１００ｇの質量を有することが好ましい。圧電アクチュエータの本体の質量は、当該好ましい範囲よりも下回っていてよい。この場合、質量体は、圧電アクチュエータが搭載されるような部材、或いは、圧電アクチュエータに取り付けられるアルミニウムブロック等の付加質量体とすることができ、これは、圧電アクチュエータとともに移動する。ここで、圧電結晶の前方の圧電アクチュエータの質量は、圧電クリスタルの背部の質量体と比較して、無視できる程度に、十分に小さいことが想定される。

電圧は一連のパルスにて付与されることが好ましい。一連のパルスを付与することで、共鳴効果が得られることが確認されており、すなわち、圧電アクチュエータに付与された電圧に対して、より大きな量でディスクを移動させることができる。これにより、使用電位を低くすることが可能となり、安全性の観点から有益である。共鳴効果を得るにあたっては、２重、或いはより好ましくは３重のパルスが最適であることが確認された。また、アクチュエータに付与される電位が２４Ｖである、アクチュエータ及びディスクの通常のセットアップに関しては、パルス間隔が７０〜８５ｕｓの間であると良好な結果が得られることが確認された。

一実施形態において、ディスクにインパルスが付与される前に、圧電アクチュエータは、ディスクと静的に接触される。他の実施形態において、ディスクにインパルスが付与される前に、圧電アクチュエータは、ディスクと追従可能に（柔軟に）接触される。第一形態においては、当該静的な接触を達成するため、アクチュエータにおいて、正確な制御で圧電アクチュエータアセンブリ全体をディスクへと前進させることが必要となる。第二形態においては、アクチュエータアセンブリをディスクに接触させるように移動させる際、高精度な制御は必要とされない。というのも、接触が柔軟であり位置決めの正確性はあまり重要ではなくなるためである。

本発明に係る方法の工程ｄにおいては、上記のベクトルのサイズや、ボルト当たりの位置ズレに関する予めの見積もりにしたがって、圧電アクチュエータに付与すべき電圧を計算することが好ましい。見積もりに関しては、例えば、本願実施例に記載するような実験・解析を行うことで計算可能である。通常、見積もりの際は、種々の部品の質量、ディスクがスピンドルに保持されるクランプ力や摩擦力、圧電アクチュエータの動作プロファイル等が考慮される。

本発明に係る方法は、
ｅ）工程ｄの後、ディスクの中心がスピンドルの軸からズラされる新たなベクトルを決定する工程；
ｆ）もともとのインパルスにより生じるディスクのズレを計算する工程；
ｇ）電位当たりのズレの見積もりを更新する工程；及び
ｈ）新たなベクトル及び更新された見積もりに基づいて、工程ｃ及びｄを繰り返す工程、
を備えることが好ましい。

これにより、本発明に係る方法自体を調整可能である。圧電アクチュエータの当初の動作により達成される位置ズレを考慮して、見積もりが修正される。例えば、当初においてアクチュエータが、期待される距離、すなわち、誤差ベクトルをゼロに減少させるのに必要な距離、の７５％（すなわち、３／４）だけディスクを移動させたことが確認された場合、見積もりは、３分の１（すなわち、４／３）までスケールアップされ得る。これにより、続いてなされる圧電アクチュエータによる移動がより正確なものとなり、ディスクをセンタリングするのに必要な反復回数が低減される。

ベクトルは、ディスクに書き込まれるサーボトラックを読み取り、サーボトラックの繰り返しランナウト（repeatable run out）を決定することにより計算されることが好ましい。これは、当該方法がスピンスタンド関連において使用され、読み取り／書き込みヘッドが、ディスクにデータを書き込み、読み取る場合に実施可能である。通常、スピンスタンドコントローラは、ディスク上のサーボトラックから位置誤差信号（Position Error Signal）を生成させる。当該ＰＥＳは、偏心によるディスクの繰り返しランナウトに起因するディスクの回転位置の変化に伴って変化する。ＰＥＳに関して平均から最も逸脱したもの（最大偏差）や、当該逸脱したものが生じた際のディスク位置を確認することで、誤差ベクトルを特定することができ、つまり、ディスクの中心からのズレを測定でき、偏心の方向、つまり、最も逸脱した際のディスクの回転位置を特定できる。サーボトラック情報、つまり、サーボトラックにおいてグレーコードでエンコードされたセクター番号、を読み取ることにより、ディスクの回転位置を測定することができる。とはいえ本発明においては、サーボトラックが必要というわけではない。例えば、一以上のレーザー変位装置を用いて、ディスクの偏心を測定することができるし、スピンドル上の光学エンコーダによってディスクの回転位置を特定することもできる。

第２の本発明は、
上記の方法にしたがって、スピンドル上のディスクをセンタリングする工程；
ディスクを回転させる工程；及び
読み取り／書き込みヘッドを用いてディスクからテストデータを読み取り、書き込む工程
を備えるスピンスタンドを用いた試験方法である。

これにより、従来と比較して、スピンスタンド上のディスクをセンタリングする改良された方法とすることができる。ヘッドがトラックに対して高精度で正確に位置決めされなければならないため、スピンスタンドで試験をする際は、高い正確性が必要となる。例えば、実際のスピンスタンドにあっては、１００ナノメータ幅しかないようなトラックにおいて、所望の位置から何十ナノメートルの範囲内でヘッドを位置決めできることが好ましい。ディスクを高精度にセンタリングすることで、試験の正確性を向上させることができる。

第３の本発明は、スピンドル上のディスクをセンタリングする装置であって、
コントローラ；
ディスクを保持するとともに回転させるためのスティックスリップクランプを有するスピンドル；
ディスクの位置の感知するセンサ；及び
動作可能に搭載された圧電アクチュエータ
を備え、
コントローラが、
ａ）センサからの位置データから、ディスクの中心がスピンドルの軸からズラされるベクトルを決定し；
ｂ）圧電アクチュエータに対して相対的にディスクを動かし、ベクトルを圧電アクチュエータと合致させ；
ｃ）圧電アクチュエータに電圧を付与し、当該圧電アクチュエータがディスクの端部にインパルスを付与し、ディスクがクランプにおいてスリップするとともにディスクのズレを減少させる
ように設けられている装置である。

第４の本発明は、
スピンドル；及び
スピンドル上のディスクをセンタリングする上述の装置
を備えたスピンスタンドである。

本発明の実施形態について添付の図面を参照しつつ説明する。

本発明に係るディスクをセンタリングする装置の一例を備えたスピンスタンドを概略的に示す図である。 図１のスピンスタンドのスピンドルに搭載されたディスク上のトラックを示す図である。 図１の圧電アクチュエータアセンブリの詳細図である。 本発明に係るディスクのセンタリング装置の一例を備えたテストシステムを示す図である。 図４のテストシステムのモデルを示す図である。 本発明に好適に使用可能な圧電部材プロファイルの一例を示す図である。 １ボルトステップに係る圧電動作を示す図である。 ディスクの通常の動作プロファイルを示す図である。 予想される移動量と駆動電圧強度との関係を示す図である。 圧電アクチュエータを駆動させるための好適なパルス形状を示す図である。 圧電アクチュエータを駆動させるための好適なパルス形状を示す図である。

図１にスピンスタンド１の概略図を示す。スピンスタンド１は、機械的に、公知の形態のいずれであってもよい。好ましいスピンスタンド１は、大質量のデッキ１０を備えており、当該デッキ１０は、スピンスタンド１の他の機械的部品に対する防振台となる。デッキ１０には、試験に供されるディスク５０が搭載されて回転されるスピンドルアセンブリ１１と、試験に供される読み取り／書き込みヘッド１００を保持するとともに位置決めするためのヘッドロード機構１２とが、取り付けられている。

また、スピンスタンド１は、スピンスタンドコントローラ１５を備えており、当該コントローラ１５は、スピンスタンド１の機械的部分、例えば、スピンドルアセンブリ１１やディスク５０の回転動作、ヘッド１００のディスク５０へのローディング、ヘッド１００のディスク５０の所望の位置への的確な位置決め、の制御を担っている。ディスク５０には、サーボトラックが書き込まれており、これは、サーボバーストとともにトラック及び／又はセクター番号をエンコードするグレーコードであってもよい。これらは、ヘッド１００により読み取られ、スピンスタンドコントローラ１５により利用されて、ディスク５０におけるヘッド１００の位置決めがなされる。すなわち、スピンスタンドコントローラ１５は、ヘッド１００により読み取られるサーボ情報にしたがって、ヘッド１００を、ディスク５０の所望の位置へと移動させることができる。コントローラ１５としては、適当にプログラムされたコンピュータ及び／又は適当な制御ロジックを備えた一以上の電子回路基板を用いればよい。

また、スピンスタンド１は、測定システム１６（読み取り／書き込みアナライザとして知られる）を備えており、当該測定システム１６は、ヘッド１００によってディスク５０のトラックにテストデータを書き込み、その後、ヘッド１００によってテストデータを再度読み取り、当該データを測定及び解析し、ユーザに結果を表示するものとされる。データの書き込み／読み取り条件下の様々なパラメータが、測定システム１６によって制御され、変化させられ、これにより、試験に供される部分の性能や特性を様々な条件において調べることができる。このようにして、例えば、ビットエラーレート（ＢＥＲ）バスタブ、トラックスクイズ、トラックセンター、読み取り／書き込みオフセット、上書き等を含む一連の試験が行われる。測定システム１６としては、適当にプログラムされたコンピュータ及び／又は適当な制御ロジックを備えた一以上の電子回路基板を用いればよい。

上述のスピンスタンド１を実施するための形態については、種々のものが公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図２は、ディスク５０のサーボトラック５１の一例を示す図である。サーボトラック５１としては、例えば当該技術分野において公知の種々の形態が適用できる。典型的には、サーボトラック５１は、トラック５１の中心を定めるヌルポイントを有するサーボバーストを備えている。ヘッド１００がサーボトラック５１上を旋回すると、サーボバーストを検知して、ヘッド１００がトラックの中心線から半径方向にどの程度ズレているかを示す位置誤差信号（Position Error Signal）を生成する。これは、ヘッド１００のトラック５１に対する半径方向の位置決めに利用される。

通常、サーボトラック５１は、例えば別個のサーボライター装置にて、或いは、エッチング等の当該技術分野において公知の方法により、スピンドルアセンブリ１１に搭載される前にディスク５０に書き込まれる。しかしながら、これにより下記の問題が生じる。すなわち、スピンドルアセンブリ１１に搭載された際に、ディスク５０がうまく配置されず、サーボトラック５１の中心５４が、スピンドルアセンブリ１１の回転軸５２に対して、正確に一致していない場合がある。図２から明らかなように、サーボトラック５１の中心によって定められたディスク５０の中心５４は、スピンドルアセンブリ１１の回転軸５２から誤差ベクトル５５の分ズラされており、これがディスク５０の偏心となる。すなわち、トラック５１の上方の半径方向の固定位置に位置決めされたヘッド１００からみると、ディスク５０が回転する際、トラック５１の半径方向の位置が変化することとなる。このような現象は、繰り返しランナウト（Repeatable Run Out (RRO)）として知られている。図２において破線で示されたサーボトラック５３は、スピンドルアセンブリ１１の回転軸５２にセンタリングされた所望のサーボトラック位置にあるものである。ＲＲＯにあっては、トラック５１に対して、トラックが半径方向の所望の位置に保持されるように、サーボコントローラ１５が、ＲＲＯを相殺するようにヘッド１００の位置を継続して調整しなければならない。したがって、ＲＲＯを防ぎ、或いは、許容レベルにまで低減するため、スピンドルアセンブリ１１のできるだけ中心にディスク５０を配置することが望まれる。

この問題に対応するため、一実施形態に係る本発明にあっては、図１に示されるように、ディスク５０をセンタリングするため、或いは、スピンドルアセンブリ１１においてディスク５０に書き込まれるトラックをセンタリングするため、スピンスタンド１のデッキ１０にディスクセンタリング機構２０が備えられている。ここで「センタリング」とは、スピンドル軸に対するディスク５０（又はトラック）のズレを低減或いは除去することを意味する。ディスクセンタリング機構２０は、圧電アクチュエータアセンブリ２１を備えており、これは好ましくはリニアアクチュエータ２２に搭載される。リニアアクチュエータ２２は、例えば、リニアステージ、圧縮空気によるスライド、或いは、ボールスクリュー機構であってもよい。リニアアクチュエータ２２は、ディスク５０をセンタリングする位置であってディスク５０に隣接した操作可能位置と、未使用時及びスピンスタンド１において試験が行われている時の位置であってディスク５０から離隔した後退位置と、の間において、圧電アクチュエータアセンブリ２１をｘ方向に移動させ得る。種々の態様に係るディスクセンタリング機構２０が、スピンスタンドコントローラ１５、或いは、別個のコントローラによって制御され得る。

図３は、スピンドルアセンブリ１１に搭載されたディスク５０との関係において、操作可能位置にある圧電アクチュエータアセンブリ２１を詳細に示す図である。圧電アクチュエータ２３は、ディスク５０の端部５７に隣接する接触端部２３ａを備えている。アクチュエータの本体２３ｂは、質量体２４に固定して搭載されている。質量体２４及び圧電アクチュエータ２３はレール２５に載せられており、ガイド部２６により拘束され、ディスク５０に対して水平且つディスクスピンドル軸５２へと向かう方向ｄに、若干スライドさせて動かすことができる。ガイド部２６は、リニアアクチュエータ２２が利用される位置であって、リニアアクチュエータ２２の動作可能部分に、或いは、リニアアクチュエータ２２が利用されない位置のデッキ１０に、搭載される。好ましくは、バネ等の付勢部材２７が質量体２４と一のマウント２６との間に設けられ、ディスク５０に向かってスライド可能なレール２５の上に搭載された質量体２４と圧電アクチュエータ２３とを付勢し、小さな接触力Ｆにて、圧電アクチュエータ２３の端部２３ａが、ディスク５０の端部５７へと当てられることとなる。力Ｆは好ましくは１０Ｎ以下であるが、摩擦力、すなわち、スピンドルアダプタとディスク５０との間に働く力であって実際にはクランプ力と摩擦係数に依存した力、よりも小さくすべきである（下記（１）にて詳述する）。本実施形態においては、力Ｆは５Ｎである。さもなければ、レール２５に載せられた部品は動作軸上でスライド自在となる。

圧電アクチュエータ２３は、その入力部２８を介して電圧が付与された場合に膨張する性質を有している。圧電アクチュエータ２３は、電圧が付与された場合に、接触端部２３ａが、本体２３ｂとは相対的に、ディスク５０に水平且つスピンドル軸５２に向かう方向ｄへと膨張するものとされる。

スピンドルアセンブリ１１は、空気ベアリングスピンドル等のモータ駆動のスピンドル１３と、ディスクを保持するために当該モータ駆動のスピンドル１３の端部に取り付けられたスピンドルアダプタ１４と、を備えている。スピンドルアダプタ１４は、ディスク５０が、加速時にスティックスリップ（stick-slip）によって動作し得るような形態にて、ディスクを保持するように構成及び配置される。例えば、スピンドルアダプタは、本体部分と蓋部とを有し、当該本体部と蓋部との間においてディスク５０が所定のクランプ力により保持され、所定の加速の際にはディスクがスティックスリップ可能とされる。

スティックスリップは、摩擦力が適宜変化することに伴って、表面が、互いに付着と滑りとを繰り返すことにより生じる。通常、２つの表面間の静止摩擦係数は、動摩擦係数よりも大きくなる。付与される力が静止摩擦よりも十分に大きい場合、摩擦が動摩擦へと減少することで動作速度が急激に跳ね上がることとなる。

圧電アクチュエータ２３は、そのコントローラからの電圧源によって、急勾配で励起され、圧電アクチュエータ２３は、１０００ｍｓ^−２を上回るような加速度で急激に膨張する。急激な加速は一方はディスクまで、他方は質量体２４までで止められる。ディスク５０は、最初、スピンドルアダプタ１４との間の摩擦によって固定されており、本発明に係る目的を鑑みれば、動かすことはできないと解される。質量体２４は、レール２５にスライド可能に搭載されていることで、自由に動かすことができる。

周知の物理法則によれば、このような動作の変位は、移動質量の加速度に比例する力を必要とする。尚、移動質量は、質量体２４、レール２５、圧電アクチュエータ２３の動作部分及び当該質量体２４とともに動作する他の部分に係る合計の量である。質量体２４の質量が、合計質量の主成分となると考えられる。よって、下記において、質量体２４の質量には、当該質量体２４とともに動く構成要素に係る質量を含むものとする。また、周知の物理法則によれば、移動質量に係る加速度によって、生ずる力と等しく、且つ、相反する力が、ディスク５０に与えられるはずである。ディスク５０上の当該力は、続いて、ディスク５０とスピンドルアダプタ１４との接触面へと伝えられる。圧電アクチュエータ２３の加速が十分に大きい場合、当該力は質量体２４を動かすだけでなくディスク５０とスピンドルアダプタ１４との結合に係る静止摩擦力をも上回り、この時点において、ディスク５０はスピンドルアダプタ１４に対してスリップし始めることとなる。

その後、圧電アクチュエータ２３の加速度は、発生する力がディスク５０とスピンドルアダプタ２４との動摩擦力よりも小さくなるところまで減少し、ディスク５０は、元の位置からズラされた新たな位置に置かれる。

したがって、圧電アクチュエータ２３へと一以上の電圧パルスを付与することによって、インパルスがディスク５０の端部５７に付与され、ディスク５０がスピンドルアダプタ１４においてスティックスリップすることとなって、ディスク５０を制御しながら移動させることができる。圧電アクチュエータ２３のインプット２８に付与される電圧パルスとディスク５０の結果的な位置ズレとの間の関係は、実際には、使用する圧電アクチュエータ２３の種類、スピンドルアダプタ１４のクランプ力、ディスク５０とスピンドルアダプタ１４との間の摩擦係数、及び、ディスク５０、圧電アクチュエータ２３やそれを支持する質量体２４の質量等、スピンスタンド１の詳細な設定に係る多くの因子に依存するものと解される。与えられたインパルスに関して、ディスクの位置ズレ量を決定する手法については、後述する。

ディスク５０の所望の並進運動を生成させる当該機構に関する重要なパラメータは以下の通りである。

１）ディスク５０とスピンドルアダプタ２４との間の摩擦力は、当該機構が一時的に打ち勝つ程度に、且つ、結果に矛盾がないように十分に制御された状態で、つまり、制御されないような動摩擦を避けるように、十分に小さい必要がある。摩擦力はディスク５０やスピンドルアダプタ２４の周知の材質、並びに、装置の設計や操作によって制御されるべきクランプ力によって、決定されるものである。

２）圧電アクチュエータ２３の背部にあるアセンブリの慣性質量体２４の質量は、相対的にかなりのものである必要がある。具体的には、質量体２４は、ディスク５０や、圧電性結晶とディスク５０との間のアクチュエータ２３に係る部品よりも極めて大きな質量を有していることが好ましい。慣性質量体２４は周知のものであり、設計によって制御される。

３）圧電アクチュエータ２３の加速度は、生じる力（Ｆ＝ｍ・ａによる）が、スピンドルアダプタ１４がディスク５０を固定する静止摩擦力に打ち勝つように十分大きい必要がある。

４）加速の持続時間は、パルス付与の間ディスク５０がどの程度動かされるかを決定する。動作の加速度及び持続時間は、駆動コントローラによって圧電アクチュエータ２３に付与される電圧のプロファイルを介して適切に制御され得る。当該システムは、使用時においてディスク５０やスピンドルアダプタ１４の特性が変化するかどうか検査され得る。

ディスクをセンタリングする好ましい方法は下記の通りである。

１．まず、ディスク５０の偏心が測定される。通常これは、ディスク５０に予め書き込まれ或いはエッチングされたサーボトラック５１の偏心度を、試験に供されるヘッド１００によって読み取ることで、行われる。サーボトラック５１から派生するＰＥＳ信号の最大電位が、誤差ベクトル５５を生じさせる。

２．誤差ベクトル（図２に矢印５５にて示される）が圧電機構の可動方向（図１及び２に矢印ｄにて示される）に沿って圧電機構に向かって合致するような回転位置にて、ディスク５０が停止される。圧電アクチュエータアセンブリ２１は、リニアアクチュエータ２２を用いて、ディスク５０の端部５７と接触させられる。上述の通り、当該接触は静的な接触であってよい。或いは、付勢部材２７が使用される場合は、当該接触は、追従可能な（柔軟な）接触であってよく、この場合、圧電アクチュエータアセンブリ２１の動作制御の際に必要となる正確性が低減される。

３．一以上の電位パルスが、圧電アクチュエータ２３に付与され、これにより、衝撃力（impulsive force）が、ディスク５０の端部５７に付与されることとなり、それゆえ、ディスク５０とスピンドルアダプタ１４との界面に付与されることとなる。最大の力は、ディスク５０とスピンドルアダプタ１４との間の摩擦力を打ち消すのに十分なものであり、ディスク５０が若干ズラされ得る。通常、この位置ズレは１００ｎｍ程度であり、装置の設計や操作パラメータによって制御される（後述する）。各パルスに応じて正確な位置ズレ量は変化し、この段階で最初の見積もりが用いられる。

４．圧電アクチュエータアセンブリ２１は、リニアアクチュエータ２２によって、ディスク５０から離れるように移動させられ、ディスク５０は、スピンドルアセンブリ１１によって回転させられる。

５．ディスク５０の偏心が上記と同様の方法で再度測定され、新たな誤差ベクトルを生成させる。許容範囲内と判断された場合は、この時点でプロセスが停止される。

６．仮に再度の調整が必要と判断された場合には、次工程において、圧電アクチュエータ２３に係る一回のステップで、ステップ３において、ディスク５０をどの程度位置ズレさせたのかを見積もる。これは、当初の誤差ベクトル５５と新たな誤差ベクトル５５とを比較することにより行われる。計算により、一のインパルスについて、ディスク５０がどの程度移動するのかに係る最初の見積もりをアップデートする。

７．ディスク５０が停止させられ、一又は複数の電位パルスを生成させるための新たな見積もりがなされ、ステップ３が繰り返される。

８．ステップ４〜７は、ディスク５０が許容範囲内に正確に位置決めされるまで、或いは、一定の回数となるまで、繰り返される。

試験システム
図４は、ディスクセンタリング機構２０に係る試験システム６０を示しており、図５は、特性や通常のセットアップに関する好ましいセッティングを調査するために使用される、試験システム６０の機械的モデルの一例を示している。試験シナリオには、圧電アクチュエータアセンブリ２１だけでなく、デッキ１０、スピンドルアセンブリ１１及びディスク５０、並びに、コントローラ１５も含まれている。しかしながら、図１との関係において、スピンスタンド１の他の部品については、明示されてはおらず、この試験シナリオにも示されていない。特に、試験システム６０においては、ヘッド１００でサーボ情報を読み取るのではなく、レーザー位置ズレ測定装置（laser displacement devices、不図示）が用いられて、ディスクの位置ズレを正確に測定するものである。また、試験システム６０においては、圧電アクチュエータアセンブリ２１を移動させるリニアアクチュエータ２２が用いられておらず、圧電アクチュエータアセンブリ２１はデッキ１０に直接固定されている。

テストシステム６０において、ディスク５０は、６５．００ｍｍ径、中心孔２０．００ｍｍ、厚み０．６５ｍｍ、ヤング係数９０ＧＰａ、ポアソン比０．２３、比重２．４７のガラスディスクである。

圧電アクチュエータ２３は、Physik Instrumente製のＥ８４１圧電移動アクチュエータ（E841 Piezo displacement actuator）である。これは、最大加速度２００ｍ／ｓ／ｓ、最大移動量４．８ｕｍの圧電セラミックアクチュエータである。図６に、このアクチュエータに係るパルスプロファイルを示す。パルス後、アクチュエータ２３はわずかな加速度及び速度でもって定常位置に戻る。圧電アクチュエータ２３のコンプライアンスはバネ定数３０〜７０Ｎ／ｕｍであってもよい。

スピンドルアダプタ１４は、ディスク５０の両側の適当な範囲をクランプしている。ディスクへの摩擦（friction-to-disk）は、接触面に亘って均一とされ、合計で１０Ｎの反発力を与えている。

このような試験セットアップによれば、様々なパラメータを変化させることができ、ディスク５０の動作に関する当該パラメータの影響を取り出すことができる。変化させられ得るパラメータの例としては、圧電アクチュエータに付与されるパルスの振幅、付与されるパルスの数、パルス間隔、ディスクのクランプ力を変化させた場合の影響、並びに、圧電アクチュエータの背部の質量体を変化させた場合の影響等が挙げられる。

最終システムにおいては、ディスクアダプタが、所定の限度の最大荷重を有する空気ベアリングスピンドルに搭載される。これにより、空気ベアリングスピンドルの形態について、インパルスに対する安全な動作限界を決定することができる。アダプタ及びスピンドル中心の合計質量が相対的に大きいので、安全な限界範囲内で動作させることが困難ではなくなると考えられる。

実験によれば、当該システムにおいて共鳴効果があることが分かった。言い換えれば、パルスが所定の振動数である場合、付与された駆動電位に関して、ディスク５０を一層大きく加速させることができる。安全性を考慮すれば、低電位にて、圧電アクチュエータ２３を可動させることが好ましい。したがって、付与された電位に関して、ディスク５０を大きく加速させるためには、共鳴増幅を利用することが好ましい。一連の二重パルス（図１０参照）或いは三重パルス（図１１参照）が、ディスクの動作を制御する際に効果的であることが分かった。連続する調整されたパルスを利用してもよいが、増幅効果や正確性に関して特に顕著な利点が得られるわけではない。

システムの理論モデル
図４の試験システムを解析するために、図５に示されたモデルを用いた。

十分な余裕をもたせるように、また、所望の操作条件下にある装置においてディスクがスリップすることがないように、ディスクを固定する摩擦力は１０Ｎ程度とされる。試験システムには、圧電アクチュエータの背部に１００ｇの質量体を設けた。

図７に示すように、スルー限定された電位のステップ入力に係る圧電アクチュエータ２３のインパルス挙動を観察したところ、ほぼ一定のパルス幅（６８ｕｓ）の三角形状の加速度であり、ボルト当たり５００ｍｓ^−２程度変化する駆動電位ステップに比例して、ピーク強度が変化していた。非常に早い立ち上がり時間が確認され、システム内の共鳴を生じさせ、時間計測中においてエッジの明確性が低下したため、ステップ入力はスルー限定された。４０ｕｓの立ち上がり時間が、高加速度及び共鳴効果の排除における妥協時間として選択された。

見積もりを扱いやすくするため、想定される加速度に関して、２０ｕｓにおいてピークに達し、５０ｕｓにおいて低下し始め、７０ｕｓでゼロとなるような台形のものとして簡略化した。また、ディスク５０は、力がクランプ摩擦を超えた時点で滑り始めるものとし、力がクランプ摩擦を下回った時点で減速するものとした。このようにした場合、圧電アクチュエータ２３が摩擦に打ち勝つ前に、最新の１００ｇ質量のアセンブリにあっては、加速度１００ｍｓ^−２にてオフセットとなる。さらに、ディスク質量を５ｇ、圧電アクチュエータ２３の最大加速度をボルト当たり５００ｍｓ^−２と仮定し、次に示す曲線を得た。図８に、ディスクの通常の動作プロファイルを示す。図９に、異なる電位のスルー限定された駆動電位ステップの関数としての、予想される変位量を示す。これら曲線は、圧電アクチュエータ２３がスピンスタンド１において所定量までディスク５０を移動させるために必要となる駆動電位の、最初の見積もりのために用いられる。

以上、本発明の形態について図示した例に基づいて詳細に記載したが、本発明の範囲内で適宜変更及び改良され得るものとして解されなければならない。

Claims (18)

1. スピンドル上のディスクのセンタリング方法であって、
   ａ）スティックスリップクランプにより前記スピンドルにディスクを取り付ける工程；
   ｂ）前記ディスクの中心が前記スピンドルの軸からズラされるベクトルを決定する工程；
   ｃ）動作可能に搭載された圧電アクチュエータに前記ベクトルを合致させる工程；及び
   ｄ）前記圧電アクチュエータに電圧を付与し、該圧電アクチュエータが前記ディスクの端部にインパルスを与え、該ディスクを前記クランプにおいてスリップさせ、前記ディスクの前記ズレを減少させる工程
   を備える、方法。
2. 前記圧電アクチュエータが、まとまった質量を有するボディ部と、前記ディスクの端部に前記インパルスを与えるため該ディスクに隣接した端部と、を備え、
   前記圧電アクチュエータの端部は、前記圧電アクチュエータに電位が与えられた状態において、前記ボディ部に対して相対的に動作可能であり、
   前記まとまった質量は、前記ディスクの質量よりも大きい、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記電位が、一連のパルスにて与えられる、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記圧電アクチュエータは、インパルスが前記ディスクに与えられる前において、前記ディスクと静的に接触した状態とされる、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記圧電アクチュエータは、インパルスが前記ディスクに与えられる前において、前記ディスクに追従可能に接触した状態とされる、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
6. 工程ｄにおいて、前記ベクトルのサイズ、及び、予め見積もられた電位当たりの前記ズレにしたがって、前記圧電アクチュエータに付与すべき電位を計算する工程を備える、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. ｅ）工程ｄの後、前記ディスクの中心が前記スピンドルの軸からズラされる新たなベクトルを決定する工程；
   ｆ）もともとの前記インパルスにより生じる前記ディスクのズレを計算する工程；
   ｇ）電位当たりの前記ズレの見積もりを更新する工程；及び
   ｈ）前記新たなベクトル及び更新された見積もりに基づいて、工程ｃ及びｄを繰り返す工程、
   を備える、請求項６に記載の方法。
8. 前記ディスクに書き込まれたサーボトラックを読み取り、該サーボトラックの繰り返しランナウトを決定することによって、前記ベクトルが計算される、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. スピンスタンドを用いた試験方法であって：
   請求項１〜９のいずれかに記載の方法にしたがって、スピンドルの上のディスクをセンタリングする工程；
   前記ディスクを回転させる工程；及び
   読み取り／書き込みヘッドにより前記ディスクへとテストデータを書き込み、読み取る工程
   を備える、方法。
10. スピンドル上のディスクをセンタリングする装置であって、
    コントローラ；
    ディスクを保持するとともに回転させるためのスティックスリップクランプを有するスピンドル；
    ディスクの位置の感知するセンサ；及び
    動作可能に搭載された圧電アクチュエータ
    を備え、
    前記コントローラが、
    ａ）前記センサからの位置データから、ディスクの中心が前記スピンドルの軸からズラされるベクトルを決定し；
    ｂ）前記圧電アクチュエータに対して相対的にディスクを動かし、前記ベクトルを前記圧電アクチュエータと合致させ；
    ｃ）前記圧電アクチュエータに電圧を付与し、該圧電アクチュエータが前記ディスクの端部にインパルスを付与し、前記ディスクが前記クランプにおいてスリップするとともに前記ディスクの前記ズレを減少させる
    ように設けられている装置。
11. 前記圧電アクチュエータが、まとまった質量を有するボディ部と、前記ディスクの端部に前記インパルスを与えるため該ディスクに隣接した端部と、を備え、
    前記圧電アクチュエータの端部は、前記圧電アクチュエータに電位が与えられた状態において、前記ボディ部に対して相対的に動作可能であり、
    前記まとまった質量は、前記ディスクの質量よりも大きい、
    請求項１０に記載の装置。
12. 前記コントローラが、一連のパルスにて、前記圧電アクチュエータに電圧を付与可能に設けられている、請求項１０又は１１に記載の装置。
13. 前記圧電アクチュエータが、前記ディスクにインパルスが付与される前に、ディスクに対して静的に接触させ得るように設けられている、請求項１０〜１２のいずれかに記載の装置。
14. 前記圧電アクチュエータが、前記ディスクにインパルスが付与される前に、ディスクに対して追従可能に接触させ得るように設けられている、請求項１０〜１３のいずれかに記載の装置。
15. 前記コントローラが、前記ベクトルのサイズ、及び、予め見積もられた電位当たりの前記ズレにしたがって、前記圧電アクチュエータに付与すべき電位を計算するように設けられる、請求項１０〜１４のいずれかに記載の装置。
16. 前記コントローラは、
    ｄ）前記ディスクが前記圧電アクチュエータによって移動させられた後、前記ディスクの中心が前記スピンドルの軸からズラされる新たなベクトルを決定し；
    ｅ）もともとの前記移動により生じる前記ディスクのズレを計算し；
    ｇ）電位当たりの前記ズレの見積もりを更新し；及び
    ｈ）前記新たなベクトル及び更新された見積もりに基づいて、工程ｂ及びｄを繰り返す
    ように設けられている、請求項１５に記載の装置。
17. 前記コントローラは、前記ディスクに書き込まれたサーボトラックを読み取り／書き込みヘッドを用いて読み取り、該サーボトラックの繰り返しランナウトを決定することによって、前記ベクトルを計算するように設けられている、請求項１０〜１６のいずれかに記載の装置。
18. スピンドル；及び、
    スピンドル上のディスクをセンタリングする請求項１０〜１７のいずれかに記載の装置
    を備えるスピンスタンド。

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