JP4141685B2 - ヘッドアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、ディスク状の記録媒体にアクセス可能に設けられたヘッドのためのヘッドアクチュエータ及びそのヘッドアクチュエータを有するディスク装置に関し、特に、メインアクチュエータとこのメインアクチュエータとは独立に駆動されるマイクロアクチュエータとを含む２段アクチュエータの改良に関する。

コンピュータの記録装置として、磁気ディスク装置等のディスク装置（ディスクドライブ）が用いられている。従来知られているディスク装置は、回転するディスク状の記録媒体と、記録媒体にアクセス可能に設けられたヘッドと、ヘッドを記録媒体の概ね半径方向に移動して記録媒体の所望のトラック上で位置決めするヘッドアクチュエータとを備えている。

例えば、磁気ディスク装置においては、磁気ディスクが記録媒体として用いられ、データの書き込み及び／又は読み出しのための薄膜磁気変換器がヘッドとして用いられる。磁気ディスクはハウジング（或いはディスクエンクロージャ）内においてモータにより高速で回転駆動され、ヘッドは、磁気ディスクの高速回転によって与えられるエアベアリングを提供するための特定の形状を有するスライダに搭載されて、ヘッドアクチュエータによって磁気ディスクの半径方向に駆動される。

ディスクの単位表面積当りに記憶されるデータの量（面密度）を高めるためには、書き込みヘッドがディスクのより狭いトラックにより多くのデータを書き込むことが必要である。面密度の向上は、書き込みヘッドがディスクに記録するデータトラックの数を増やすことによって可能である。

これに関連するパラメータ表現がトラック密度或いはＴＰＩ（１インチあたりのトラック数）である。ＴＰＩを高くすると、各トラックの幅が狭くなり、よって、磁気ヘッドの位置決め精度を向上させる必要がある。ＴＰＩを例えば２５０００としようとすると、トラックピッチが１μｍとなり、磁気ヘッドの位置決め精度は０．１μｍ以下であることを要求される。

一般的なヘッドアクチュエータを有する磁気ディスク装置においては、アクチュエータアームが回転可能にハウジングのベースに取りつけられており、アクチュエータアームの一端にはロードビーム（サスペンション）の基端部が固定されている。ロードビームの先端部には磁気ヘッドを搭載したスライダが取りつけられている。

アクチュエータアームの他端部にはコイルが取りつけられており、このコイルとベースに対して固定された磁石を含む磁気回路との組み合わせによりボイスコイルモータが構成されている。コイルに通電することによりコイルが力を受け、アクチュエータアームが回転し、ヘッドは磁気ディスクの概ね半径方向に駆動される。

従って、周知のサーボ技術を適用してコイルに流れる電流を制御することによって、ヘッドを磁気ディスクの所望のトラック上で位置決めすることができる。ヘッドの位置決め精度を向上させる基本的な手段は、位置決めサーボ系のループゲインを大きくして、オープンループの交差周波数を高くすることであるが、従来のヘッドアクチュエータの場合、位置決めサーボ系のループゲインは、軸受の剛性に起因するアクチュエータアームの並進振動モードの固有振動数に制限されている。

通常、この並進振動モードの固有振動数を現状値（数ｋＨｚ）以上に飛躍的に高めることはできず、従来のヘッドアクチュエータの構成では位置決めサーボ系のループゲインの増大は望めない。従って、追従可能な周波数が制限され、ヘッドの高精度な位置決めが困難であった。その結果、達成可能な最小トラック幅が制限され、データの高密度な記録が困難であった。

このような点に鑑みて、独立して駆動可能な２つのアクチュエータを備えた所謂二重アクチュエータが提案されている。この２重アクチュエータは、例えば、ボイスコイルモータを用いてベース上で回転するように駆動されるメインアクチュエータと、メインアクチュエータに対して揺動するように駆動されるマイクロアクチュエータとを備えている。ヘッドはマイクロアクチュエータに搭載される。

例えば、メインアクチュエータのアクチュエータアームに幅狭のくびれ部が形成され、このくびれ部には両側から互い違いにスリットがインターディジタル状に形成され、くびれ部の両側には各々ピエゾ素子等を用いて構成される一対の積層型の圧電素子が配置される。

そして、一方の圧電素子が伸びる方向にその圧電素子に電圧が印加されたときには他方の圧電素子が縮む方向にその圧電素子に電圧が印加されるようにして所謂プッシュプル動作を行わせることで、マイクロアクチュエータはメインアクチュエータに対して揺動するように駆動される。

このように、マイクロアクチュエータは、ヘッドをメインアクチュエータに対して微小運動させるものであり、メインアクチュエータによるよりも高い周波数成分に追従させたサーボ制御が可能になる。

但し、追従可能な周波数を高く設計すると、駆動可能な最大変位は減少する傾向にある。例えば、上述した構成の２段アクチュエータにおけるマイクロアクチュエータの駆動可能な最大変位は２μｍ程度と小さいものである。

この種の２重アクチュエータにおいては、特にメインアクチュエータのアクチュエータアームには、ディスクの回転によって生じる風が外乱として作用するので、その影響により、ヘッドを所望のトラック上で位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータの変位振幅は増加する。この風による外乱は、ディスクの回転速度の増加に伴って増加する傾向にある。

磁気ディスク装置に対しては、記録密度の向上のみならず応答の高速化への要求も高いので、今後、高速化の為にディスクの回転速度は増加する傾向にある。ディスクの回転速度が増加して風による外乱の影響が大きくなると、マイクロアクチュエータを制御する上でその変位振幅が飽和する恐れがある。

マイクロアクチュエータの変位振幅が飽和すると、ヘッドを高い周波数成分に追従させてサーボ制御することができず、ヘッドの位置決め精度（トラッキング精度）が低下する恐れがある。

よって、本発明の目的は、メインアクチュエータ及びマイクロアクチュエータを含む２段アクチュエータにおいて、ヘッドを所望のトラックに位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータの変位を小さく抑えることができるようにするところにある。

本発明の他の目的は、そのような２段アクチュエータを用いてディスクに対するヘッドのトラッキング精度を高くすることができるディスク装置を提供することにある。

請求項１記載の発明によると、ベース上で回転するディスク状の記録媒体にアクセス可能に設けられたヘッドのためのヘッドアクチュエーダであって、上記ベース上で回転するように駆動されるメインアクチュエータと、上記ヘッドを搭載して上記メインアクチュエータに対して揺動するように駆動されるマイクロアクチュエータとを備え、上記メインアクチュエータ及び上記マイクロアクチュエータは、上記ヘッドが上記記録媒体の概ね半径方向に移動して上記記録媒体の所望のトラック上で位置決めされるように制御され、上記メインアクチュエータは上記ベース上に固定された玉軸受を含み、該玉軸受は非線形バネの性質を有しており、上記玉軸受に使用されるグリースの粘度を高くすることによって上記メインアクチュエータの機構特性の１次共振周波数が１００Ｈｚ以上に設定されるヘッドアクチュエータが提供される。

請求項２記載の発明によると、ベース上で回転するディスク状の記録媒体にアクセス可能に設けられたヘッドのためのヘッドアクチュエーダであって、上記ベース上で回転するように駆動されるメインアクチュエータと、上記ヘッドを搭載して上記メインアクチュエータに対して揺動するように駆動されるマイクロアクチュエータと、上記メインアクチュエータと上記ベースとの間に設けられた弾性部材とを備え、上記メインアクチュエータ及び上記マイクロアクチュエータは、上記ヘッドが上記記録媒体の概ね半径方向に移動して上記記録媒体の所望のトラック上で位置決めされるように制御され、上記弾性部材の弾性係数に従って上記メインアクチュエータの機構特性の１次共振周波数が１００Ｈｚ以上に設定されるヘッドアクチュエータが提供される。

本発明によると、メインアクチュエータ及びマイクロアクチュエータを含む２段アクチュエータにおいて、メインアクチュエータの機構特性の１次共振周波数を適切に設定することで、ヘッドを所望のトラック上に位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータの変位を小さく抑えることができる。

この２段アクチュエータを用いることによって、ディスクに対するヘッドのトラッキング精度を高めることができ、しかも風による外乱を考慮することなくディスクの回転速度を高めることができるので、ディスクに対する高い記録密度を有し、且つ高速応答特性を有するディスク装置の提供が可能になる。

以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。同様の図を通じて同一の符号は類似又は同様の部品を示す。

図１は本発明による磁気ディスク装置の実施形態としてのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の内部構造を示す部分平面図である。ＨＤＤのハウジング（エンクロージャ）のベース２上には、図示しないモータによって一定速度で回転する記録媒体としての磁気ディスク４と、磁気ディスク４に対向するヘッド（ヘッドスライダ）６とが設けられている。

ヘッドスライダ６は磁気ディスク４の回転によって与えられるエアベアリングによって磁気ディスク４上に支持される。ヘッド６はメインアクチュエータ８及びマイクロアクチュエータ１０を有する二重型のヘッドアクチュエータ１２によって磁気ディスク４の概ね半径方向に移動可能である。

メインアクチュエータ８はベース２上に固定された玉軸受１６を含む。玉軸受１６によってメインアクチュエータ８のアクチュエータアーム１８はピボット１４を中心として回転可能であり、メインアクチュエータ８は周知のボイスコイルモータによって回転駆動される。

アクチュエータアーム１８の先端近傍には幅狭のくびれ部２０が形成されており、くびれ部２０には、その両側から交互に複数のスリット２２がインターディジタル状に形成されている。

くびれ部２０の両側には、各々ピエゾ素子等を用いて構成される積層型の圧電素子２４及び２６が設けられている。素子２４が伸びる方向に素子２４に電圧が印加されているときには素子２６には素子２６が縮むように電圧が印加され、一方素子２４が縮む方向に素子２４に電圧が印加されているときには素子２６には素子２６が伸びる方向に電圧が印加される。

このようなプッシュプル駆動によって、くびれ部２０は僅かに首振り運動し、マイクロアクチュエータ１０はメインアクチュエータ８の先端近傍に位置する支点を中心として揺動するように駆動可能である。

ヘッド６はマイクロアクチュエータ１０の先端に搭載される。従って、メインアクチュエータ８及びマイクロアクチュエータ１０の各々を周知のサーボ技術によって制御することによって、ヘッド６を磁気ディスク４の所望のトラックＴ上で位置決めすることができる。

このように、アクチュエータ１２を駆動することによって、ヘッド６は磁気ディスク４の記録領域にアクセス可能である。尚、ハウジングの内部空間は、図示しないカバーをベース２に装着することによって閉鎖され得る。

この実施形態においては、メインアクチュエータ８及びマイクロアクチュエータ１０を組み合わせて構成されるヘッドアクチュエータ１２が採用されているので、メインアクチュエータ８のみによってヘッド６を位置決めする場合に比べて高精度なヘッド６の位置決めが可能になる。

図２は図１に示されるヘッドアクチュエータ１２の制御系のブロック線図である。同図において、Ｃ１はマイクロアクチュエータ１０の制御器、Ｃ２はメインアクチュエータ８の制御器、Ｐ１はマイクロアクチュエータ１０の機構系の伝達関数、Ｐ２はメインアクチュエータ８の機構系の伝達関数、ｒはヘッド６の位置決めに関する目標値（指令値）、ｙはヘッド６の変位、ｚ１はマイクロアクチュエータ１０のメインアクチュエータ８に対する相対変位、ｚ２はメインアクチュエータ８の変位、ａはメインアクチュエータ８に対する風による外乱を表している。

図２に示されるような制御系が採用されている場合、前述したように、メインアクチュエータ８の特にアクチュエータアーム１８には磁気ディスク４の回転によって生じる風が外乱として作用するので、その影響により、ヘッド６を所望のトラックＴ上に位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータ１０の変位振幅が増加する。

そこで、本発明ではメインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数を高くすることによって、ヘッド６を所望のトラックＴ上に位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータ１０の変位を小さく抑えている。より特定的には、次の通りである。

図３Ａ〜図３Ｃはメインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数を高くすることによって得られる技術的効果を説明するための図である。

図３Ａはメインアクチュエータ８に作用する外乱がない状態で、ヘッド６を所望のトラックＴ上に位置決めしている状態を示している。磁気ディスク４の偏心等に起因するトラックＴの変動が無く、且つ、メインアクチュエータ８が外乱を受けていなければ、マイクロアクチュエータ１０を極めて狭い変位振幅内で制御することによって、ヘッド６を所望のトラックＴ上に位置決めすることができる。

図３Ｂは磁気ディスク４の回転によって生じる風が符号２８で示されるようにメインアクチュエータ８に外乱として作用する場合を示している。メインアクチュエータ８が外乱によって変位すると、図２に示される制御系のフィードバックの作用によって、メインアクチュエータ８の変位を補償するようにマイクロアクチュエータ１０が変位し、ヘッド６は所望のトラックＴ上に位置決めされる。

但し、メインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数が比較的低い場合、メインアクチュエータ８が風による外乱を受けて大きく変位してしまうので、符号３０で示されるように、マイクロアクチュエータ１０を大きく変位させないと、ヘッド６をトラックＴ上に位置決めすることはできない。

ヘッド６を所望のトラックＴ上に位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータ１０の変位は、メインアクチュエータ８の機構特性を変更することによって減少させることができる。

風による外乱を受けたメインアクチュエータ８には、ヘッド６をトラックＴ上に位置決めしようとする制御系による力が作用するほかに、玉軸受１６（図１参照）が有する非線形バネの性質により発生するメインアクチュエータ８の変位と逆方向の力が作用し、メインアクチュエータ８の位置が決定される。

ここで、図３Ｂの場合に比べて玉軸受１６の非線形バネの剛性を高めると、メインアクチュエータ８は風による外乱に対して変位しにくくなるので、図３Ｂの場合に比べてメインアクチュエータ８の変位を減少させることができる。この状態を図３Ｃに示す。メインアクチュエータ８の変位を減少させたことにより、符号３２で示されるように、マイクロアクチュエータ１０の変位を減少させることができる。

一般に、玉軸受の非線形バネの剛性は、玉軸受の内輪及び外輪の各々と玉との接触面積が大きい程高くなる傾向にあるので、玉軸受の与圧を高めることにより或いは玉軸受の玉径を大きくすることにより剛性を高めることができる。

また、玉軸受に使用されるグリースの粘度を高くすることによっても、非線形バネの剛性を高くすることができる。ここで例示された非線形バネの剛性を高くするための３つの手段は、これらのうちから１つが選択されて実施されてもよいし、２つ又は３つが組み合わせて実施されても良い。

尚、玉軸受の非線形バネの特性に関する付加的な詳細については、小泉忠由、黒田修「転がり摩擦作用下の減衰振動の解析」トライボロジスト、第３５巻、第６号（１９９０）４３５〜４３９頁を参照されたい。

メインアクチュエータ８の玉軸受１６の非線形バネの剛性を高めることは、メインアクチュエータ８の機構特性としてみると１次共振周波数を高めることと等価である。即ち、メインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数を高めれば、外乱によるメインアクチュエータ８の変位を減少させることができる。

次に、図４〜図６により、メインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数を高くすることにより、ヘッドアクチュエータ１２によってヘッド６を所定のトラックＴ上に位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータ１０の変位が減少することを示すシミュレーション結果について説明する。

図４は駆動電流に対するメインアクチュエータ８の変位振幅の周波数応答特性を示すグラフであり、この特性は図２のブロック線図におけるメインアクチュエータ８の伝達関数Ｐ２に相当している。

符号４ａ〜４ｅはそれぞれメインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数が２０，５０，１００，１５０及び２００Ｈｚでの特性を示している。このグラフにおいて、縦軸は基準振幅に対する振幅の比をｄＢ表示で示しており、横軸は周波数（Ｈｚ）を示している（他のグラフにおいても同様）。

１次共振周波数が高いほど、振幅は小さい。風による外乱に対するメインアクチュエータ８の変位の周波数応答特性もこれと同様の特性を示し、１次共振周波数が高いほど、振幅は小さい。

このシミュレーション結果は、メインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数を高くすることにより、風による外乱が作用するメインアクチュエータ８の変位を小さくできることを意味する。

図５は風による外乱（ａ）を受けるメインアクチュエータ８の変位（ｚ２）のスペクトラムを示す図である。符号５ａ〜５ｅはそれぞれメインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数が２０，５０，１００，１５０及び２００Ｈｚでのスペクトラムを示している。

メインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数が高いほど振幅は小さくなっている。このシミュレーション結果は、１次共振周波数を高くすることにより、風による外乱が作用した際のメインアクチュエータ８の変位を小さくできることを意味する。

図６はメインアクチュエータ８に作用する風による外乱（ａ）の影響を受けたマイクロアクチュエータ１０の変位（ｚ１）のスペクトラムを示すグラフである。符号６ａ〜６ｅはそれぞれメインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数が２０，５０，１００，１５０及び２００Ｈｚでのスペクトラムを示している。

図５により説明した結果の影響を受けて、メインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数が高いほど、振幅は小さくなっている。このシミュレーション結果は、メインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数を高くすることにより、アクチュエータ１２によってヘッド６を所望のトラックＴ上に位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータ１０の変位を小さくできることを意味する。

上述したシミュレーション結果に基く計算によると、メインアクチュエータ８の１次共振周波数を２０Ｈｚから１５０Ｈｚに高めることにより、ヘッドアクチュエータ１２によってヘッド６を所望のトラックＴ上に位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータ１０の変位は３２％減少する。更に２００Ｈｚに高めると、２０Ｈｚの場合に比べて同変位は４０％減少する。また、マイクロアクチュエータ１０の変位を小さくすることにより、消費電力も低減される。

このように、本実施形態ではメインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数を１００Ｈｚ以上にしているので、メインアクチュエータ８及びマイクロアクチュエータ１０を含む２段型のヘッドアクチュエータ１２において、ヘッド６を所望のトラックＴ上に位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータ１０の変位を小さく抑えることができる。その結果、磁気ディスク４に対するヘッド６のトラッキング精度の高い磁気ディスク装置の提供が可能になり、磁気ディスク４に対する記録密度を高めることができる。

図７は本発明による磁気ディスク装置の他の実施形態を示すハードディスクドライブの内部構造を示す部分断面図である。この実施形態は、メインアクチュエータ１８とベース２との間に設けられた弾性部材３４によって特徴付けられる。

弾性部材３４は概ねプレート状の形状を有しており、その両端近傍の部分はそれぞれメインアクチュエータ８の側面とベース２の壁面とに貼着されている。特にこの実施形態では、ヘッド６を外部回路と電気的に接続するためのフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）３６に弾性フィルム３８を貼り付けることによって高い弾性係数を得、それによりメインアクチュエータ８の機構特性の１次共振周波数を高めている。

従って、玉軸受１６の仕様を変更することなしに、単純な部材（弾性フィルム３８）を追加することだけによって、ヘッドアクチュエータ１２によってヘッド６を所望のトラックＴ上に位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータ１０の変位を減少させることができる。１次共振周波数を高めることにより得られる技術的効果及び１次共振周波数の望ましい値については図１により説明した実施形態と同様であるので、その説明は省略する。

尚、図１に示される実施形態における玉軸受１６の最適な設計と図７に示される実施形態における弾性部材３４の採用とを組み合わせて本発明を実施して、メインアクチュエータ８及びマイクロアクチュエータ１０を含む２段型のヘッドアクチュエータ１２において、ヘッド６を所望のトラックＴ上に位置決めするのに必要なマイクロアクチュエータ１０の変位を小さくするようにしても良い。

以上の実施形態では、積層型の圧電素子２４及び２６を用いて構成されるマイクロアクチュエータ１０が採用されているが、コイル及び磁気回路を含むマイクロアクチュエータその他のマイクロアクチュエータが採用されても良い。

更に、以上の実施形態では、本発明が適用される磁気ディスク装置について説明したが、光ディスク装置及び光磁気ディスク装置等の他のディスク装置或いはそのようなディスク装置におけるヘッドアクチュエータに本発明が適用されても良い。

図１は本発明による磁気ディスク装置の実施形態としてのハードディスクドライブの内部構造を示す部分平面図；
図２はヘッドアクチュエータの制御系を示すブロック線図；
図３Ａ〜図３Ｃは本発明により得られる技術的効果を説明するための図；
図４はメインアクチュエータの周波数応答特性をシミュレーションした結果を示すグラフ；
図５は風により外乱を受けるメインアクチュエータの変位のスペクトラムをシミュレーションした結果を示すグラフ；
図６はメインアクチュエータに作用する風による外乱の影響を受けたマイクロアクチュエータの変位のスペクトラムをシミュレーションした結果を示すグラフ；そして
図７は本発明による磁気ディスク装置の他の実施形態としてのハードディテクタドライブの内部構造を示す部分平面図である。

Claims (3)

1. ベース上で回転するディスク状の記録媒体にアクセス可能に設けられたヘッドのためのヘッドアクチュエーダであって、
   上記ベース上で回転するように駆動されるメインアクチュエータと、
   上記ヘッドを搭載して上記メインアクチュエータに対して揺動するように駆動されるマイクロアクチュエータとを備え、
   上記メインアクチュエータ及び上記マイクロアクチュエータは、上記ヘッドが上記記録媒体の概ね半径方向に移動して上記記録媒体の所望のトラック上で位置決めされるように制御され、
   上記メインアクチュエータは上記ベース上に固定された玉軸受を含み、該玉軸受は非線形バネの性質を有しており、上記玉軸受に使用されるグリースの粘度を高くすることによって上記メインアクチュエータの機構特性の１次共振周波数が１００Ｈｚ以上に設定されるヘッドアクチュエータ。
2. ベース上で回転するディスク状の記録媒体にアクセス可能に設けられたヘッドのためのヘッドアクチュエーダであって、
   上記ベース上で回転するように駆動されるメインアクチュエータと、
   上記ヘッドを搭載して上記メインアクチュエータに対して揺動するように駆動されるマイクロアクチュエータと、
   上記メインアクチュエータと上記ベースとの間に設けられた弾性部材とを備え、
   上記メインアクチュエータ及び上記マイクロアクチュエータは、上記ヘッドが上記記録媒体の概ね半径方向に移動して上記記録媒体の所望のトラック上で位置決めされるように制御され、
   上記弾性部材の弾性係数に従って上記メインアクチュエータの機構特性の１次共振周波数が１００Ｈｚ以上に設定されるヘッドアクチュエータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のヘッドアクチュエータを備えることを特徴とする磁気ディスク装置。

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