对偏离磁道运动不敏感的动态飞行高度控制

摘要

描述了能够进行对偏离磁道运动不敏感的动态飞行高度控制的数据存储设备和方法。在一些实施例中，硬盘驱动器从未写入的、被热擦除或AC去磁的相邻重叠磁道获取信号数据。读头的一侧到另一侧(偏离磁道)位置误差或振荡不影响完全由磁盘上的磁畴产生的信号。因此，信号变化可以仅由飞行高度的变化产生。在另一些实施例中，用参考数据预先写入相邻重叠数据磁道。相邻重叠磁道的宽度超过读头的任何预料的一侧到另一侧位置误差，因此信号变化可以仅由飞行高度的变化产生。对于所有的实施例，噪声或参考数据信号可以用作没有由偏离磁道运动产生的影响的可靠的动态飞行高度测量。

说明书

技术领域

本发明涉及数据存储设备，具体地涉及具有旋转的磁盘的数据存储设 备，读/写头以小的磁头到磁盘(head-to-disk)间隙(“飞行高度”)在旋转的 磁盘上方飞行，该间隙可以被控制以保持读/写过程的完整性。

背景技术

数据存储设备采用旋转的数据存储介质诸如硬盘驱动器。在硬盘驱动器 中，利用写头将数据写入到磁盘介质，该写头产生高度局域化的磁场，该磁 场将磁盘内的磁畴配向在两个方向中的一个上，其中一个方向表示“1”，另 一个方向表示“0”。在某些情况下，磁化方向相对于磁盘平面向上或向下(垂 直磁记录或PMR)。在另一些情况下，磁化方向在磁盘的平面内。在所有的 情况下，此数据可以然后用读头读出。如图21所示，写头和读头通常被集 成在单个组件内。为了实现稳定增加的数据存储密度(通常以位/英寸²(bits/inch²)为单位来测量)，其在目前实现接近10¹²位/英寸²的水平，存 储单个位的磁区域的尺寸已经被缩小到纳米(nm)级。写入到这样小的区域 和从这样小的区域读取可以包括缩小读头和写头的尺寸并使它们更靠近磁 盘表面飞行(因为磁力随着磁盘和磁头之间距离的增加而迅速地降低)。磁 头和磁盘之间的距离被称为“飞行高度”，因为磁头被认为在压缩空气的缓 冲下在磁盘上方“飞行”，该压缩空气被磁盘的快速旋转产生然后在磁头(常 常被称为“滑块(sled)”)和磁盘之间被挤压。利用“热飞行高度控制(thermal  fly height contro1)”(TFC)实现对飞行高度的非常精确的控制，TFC采用电 加热器(具有毫瓦(mW)功率)加热磁头的磁极片(pole piece)，导致纳 米级的热膨胀，该热膨胀推动磁极片稍微更靠近旋转的磁盘表面。

TFC功率的精确控制可以包括飞行高度的准确的和反复的时间测量。对 于具有多个磁盘和多个读/写头(对于每个盘表面有至少一个)的磁盘驱动器， 通常采用对每个磁头进行TFC功率的单独控制，因为飞行高度变化在驱动 器的各磁头之间可以是不相关的。已经采用用于以选择的精确度水平和速度 获得这种飞行高度数据的各种方法，包括使用参考数据磁道(例如，使用纯 140MHz写入的数据)，或使用存储在驱动器上的用户数据。这样的控制方 法的示例在美国专利申请No.13/211593中描述，该申请通过引用整体结合 于此。在所有这些方法中，使用标准宽度的数据磁道，读头可以利用磁盘驱 动器内的电子器件控制的对准(也称为寻轨)在该磁道上方飞行。具体地， 紧接着寻道操作(其中磁头迅速地径向跨越磁盘半径的一部分扫描)，在寻 道操作结束之后的一段时间磁头可以趋向于相对数据磁道从一侧到另一侧 (side-to-side)(即，径向地)振动。这种振动会导致读头部分地偏离数据磁 道的边缘，导致读信号(也被称为读回信号或读出信号)某些衰减。在大多 数情况下，自动增益控制能够对这些读取信号波动进行调整直到获取数据。 然而，一些实施例的目标是采用这种读取信号来确定磁头的飞行高度，为此 这些读取信号波动会导致高度测量中的错误。这可能发生，因为存在能够引 起读取信号改变的两种运动：一侧到另一侧的磁头运动(部分地在数据轨道 上和部分地偏离数据磁道)以及对应于飞行高度变化的上下运动。在这两种 影响可能单独地或一起出现的情况下，无法分离这两种运动对读信号强度的 影响而获得期望的飞行高度变化信息。

一些实施例的目标是提供一种用于从读出信号获得本质上明确的飞行 高度信息的方法和结构，而没有来自相对数据磁道的一侧到另一侧磁头运动 的干扰。

一些实施例的另一个目标是提供重叠且用已知参考数据写入的相邻数 据磁道以提供用于通过热飞行高度控制(TFC)控制飞行高度的信号。

一些实施例的另一个目标是提供重叠且未写入、被热擦除或AC去磁的 相邻数据磁道以提供用于通过热飞行高度控制(TFC)控制飞行高度的信号。

发明内容

一些实施例的方面提供一种用于改善硬盘驱动器或采用旋转磁盘的其 他数据存储设备中的数据存储的方法。在一些实施例中，还没有被写入或已 经被热擦除或AC去磁的相邻数据磁道或扇区被读取以获得噪声数据。此噪 声数据可以然后被处理以获得功率谱(power spectra)。这些功率谱可以用来 获得关于磁头的飞行高度的精确信息，然后可以采用该精确信息更准确地进 行热飞行高度控制(TFC)而没有来自数据磁道上读头对准的变化的干扰 (即，在失去正确寻轨的情况下)，因为噪声信号不依赖于磁盘的未写入区 域上方的一侧到另一侧磁头位置，因此仅以可预测的方式随飞行高度而变 化。

在一些实施例中，可以用相同的已知参考信号写入多个相邻的重叠磁道 或扇区。这些重叠磁道跨越大于读头宽度的径向距离，使得在从这些重叠磁 道的读取操作期间，存在很少的或没有来自读头一侧到另一侧位置变化的干 扰，因为磁头保持在相邻重叠磁道或扇区上方。

附图说明

图1是在具有写入数据的移动磁盘上方飞行的读/写头的示意性等轴图；

图2是作为信号频率的函数的信号强度的对数的曲线图；

图3是在磁盘上方飞行的读头的示意性正视图；

图4是在磁盘上方飞行的读头的示意性俯视图；

图5是根据一些实施例的在具有写入数据的磁盘上方飞行的读头的示意 性正视图；

图6是根据一些实施例的在具有写入数据的磁盘上方飞行的读头的示意 性俯视图；

图7是根据一些实施例的在磁盘的无数据区域的区域上方飞行的读头示 意图；

图8是信号强度的对数随读头相对于数据磁道的中心和多个重叠数据磁 道的中心的位置而变化的曲线图；

图9是作为信号频率的函数的信号强度的对数的负微分的曲线图；

图10是示出磁盘上的写入数据的显微图；

图11是当通过在写入的数据磁道上对准的读头读取诸如图10中的数据 时作为信号频率的函数的功率谱的曲线图；

图12是示出磁盘的无数据部分的显微图；

图13是在读取诸如图12中的数据时作为信号频率的函数的功率谱的曲 线图；

图14是在磁盘的无数据的区域上方飞行的读/写头的示意性等轴图；

图15是在磁盘的无数据的区域上作为空间频率的函数的噪声功率的曲 线图；

图16是对于具有垂直磁记录(PMR)数据的磁盘作为热飞行高度控制 功率的函数的磁头间距变化的曲线图；

图17是对于具有热辅助记录(thermally-assisted recorded，TAR)数据 的磁盘作为热飞行高度控制功率的函数的磁头间距变化的曲线图；

图18是对于无数据的热辅助记录(TAR)磁盘区域作为热飞行高度控 制功率的函数的磁头间距变化的曲线图；

图19是在无数据的热辅助记录(TAR)磁盘上相对于空间频率的归一 化信号强度的对数的曲线图；

图20是对于无数据的热辅助记录(TAR)磁盘作为热飞行高度控制功 率的函数的磁头间距变化的曲线图；

图21是根据一些实施例的硬盘驱动器的示意图；

图22是根据一些实施例的用于测量飞行高度的变化的方法的流程图。

具体实施方式

实施例能够提供与用于动态控制读/写头相对于磁盘存储介质的飞行高 度的先前方法相比的一个或多个优点。不是所有的实施例都可以提供所有的 益处。将根据这些益处描述这些实施例，但是这些实施例不旨在限制本发明 的范围。各种修改、替换以及等同物落入本发明的精神和范围内，本发明的 范围如下面实施例描述并在权利要求书中限定。

图1是在沿方向108运动的磁盘104上方飞行的读/写头102的示意性等 轴图100。数据磁道上的一些磁化位(每个通常包括多个磁畴)被示出为清 晰的矩形106。读/写头102通常以大约10纳米的距离在磁盘介质104上方 “飞行”。磁头102的下表面和磁盘104的上表面之间的空气动力效应帮助 保持这种距离(称为“飞行高度”)。磁头102的下表面中的磁极片检测磁盘 104(例如，位106)中的磁性转变。存在磁头102相对于磁盘104的三种可 能的相对运动：1)磁盘104的旋转(箭头108)；2)对应于飞行高度变化的 垂直运动(箭头112)；以及3)磁头102相对于由区域106表示的数据磁道 的一侧到另一侧运动(箭头110)。磁头飞行高度影响所检测的信号强度：增 大的飞行高度减弱信号，而降低的飞行高度增强信号还同时增加了磁头102 和磁盘104之间的机械接触的概率，潜在地导致对磁盘104的机械损坏(“磁 头碰撞(head crash)”)。因此期望在磁盘驱动器操作期间保持飞行高度相对 稳定。如果磁头向任一侧部分地偏离数据磁道，读头的一侧到另一侧运动也 会影响信号强度。滑块102通常被发现随寻道操作后的一侧到另一侧运动而 振动，在该寻道操作中读头沿着箭头110方向回转以顺序地寻址磁盘104上 的各个数据磁道。目前，采用信号的长平均时间(显著地超过磁头102沿箭 头110的机械振动周期)来过滤掉由一侧到另一侧运动产生的信号变化。在 磁盘驱动器的存取写入的数据的正常操作中，可以容许信号强度的变化，其 或者由飞行高度变化和/或读头相对于数据磁道的中心的一侧到另一侧运动 引起。自动增益控制是用于补偿这些影响的可接受的方法。然而，为了一些 实施例的目的，优选地，将由一侧到另一侧磁头运动引起的信号强度变化与 由飞行高度变化引起的信号强度变化区别开。

图2是作为信号频率202的函数的信号强度的对数204的曲线图200， 示出了通常被称为“华莱士公式(Wallace equation)”的函数关系：

1(f)=α(f)exp[-2πfh]     [公式1]

其中

I(f)=在频率f的信号强度，

α(f)=来自读头的信号的功率谱，

f=信号的频率分量，

h=HMS，磁头介质间距或磁头在磁盘上方的飞行高度。

对公式1取对数得到：

Log[I(f)]=Log[α(f)]-2πfh     [公式2]

取决于α(f)随f的变化，能够看到Log[I(f)]可以表现出两种不同的变 化范围，对应于[α(f)]的函数变化与对应于f的负线性项的整个向下倾斜的线 (具有斜率=-2πh)结合：

1)低频区210，其中Log(I)是高的并随f增加，或相对独立于f(这些 频率对应于磁盘上在物理上较大并因此大致耦合的磁区)以及h(曲线206) 和h-Δh(曲线208)的HMS值；以及

2)包括虚线212的高频区，其中Log(I)仍然在幅度上是可测量的，但 是随f而减小：这些信号对应于物理尺寸范围上的磁畴，使得由Δh引起的 HMS中的变化对磁盘和磁头之间的磁耦合与区域210相比具有更大的影响， 从而通过h的变化调制信号强度并使得曲线206(HMS=h)和曲线208(HMS ＝h-Δh)分隔开在线212处的量214，如所示的。

曲线206对应于对于飞行高度h(磁头介质间距，HMS)的log(I)，而 曲线208对应于与减小的HMS(h-Δh)相应的略微较高的信号强度。如期 望的，信号随着磁头-磁盘间距的减小而增大，因为磁盘上的磁畴和读头之 间的磁耦合随着间隙的磁阻的减小而增强。

图3的视图(A)是以磁头介质间距320在磁盘304上方飞行并与数据 磁道306的中心线308对准的读头302的示意正视图300，数据磁道306包 含具有单个、两个或多个频率的参考数据。数据磁道的宽度通常大致对应于 用于写入数据磁道的写头的宽度。读头内的磁极片可以通常比写头的宽度在 径向上(图3中从左到右)稍微更窄。如图1所论述的，磁头和磁盘之间的 各种相对运动是可能的：1)垂直运动(箭头312)，其通过图2所示的信号 强度效应改变HMS；和2)一侧到另一侧运动(箭头310)。在视图(A)中， 读头302完全在数据磁道306之上，所以对于此特定的HMS320，磁耦合效 率和信号强度两者都被最大化。沿轴312的运动将改变信号强度，如图2所 论述的。

图3的视图(B)是与视图(A)相同的读头302的示意性正视图350， 但是现在读头302与数据磁道306的中心线308偏移距离366飞行。磁头302 的中心线在轴364上。在此情况下，磁头302的偏移366足够大，如所示的， 磁头302的一部分不再位于数据磁道306之上，因此磁耦合效率和信号强度 两者都被降低(与视图(A)相比)，即使在HMS320与HMS370相同的情 况下。如图2所论述的，沿轴312的运动将改变信号强度。通常，没有办法 区分开由沿轴312的运动(HMS变化)和沿轴310的运动引起的信号变化， 沿轴310的运动足够大以使读头部分地偏离数据磁道。

图4是在包含参考数据的数据磁道424(由两条加重虚线来划界)上方 的读头的轨迹402的示意性俯视图400，该参考数据具有单个、两个或多个 频率。沿着轨迹402，示出了读头的各个位置(在随后的时间)404、406、 408、410、412和414。箭头420示出相对于读头的磁盘运动的方向。箭头 422示出沿着轨迹402的时间的有效方向。因为磁头在“寻道(seek)”操作 即将结束时靠近磁道424，磁头位置404对应于磁头。位置406完全处于磁 道424之上，而位置408(短时间段之后)离开磁道424中的数据的左边缘。 在位置410，磁头再次处于磁道424之上，而在位置412(短时间段之后)， 磁头再次离开数据的边缘，在此情况下是向右。最终在位置414和此后(由 箭头430表示的时间)直到另一寻道操作被启动，在没有磁道对准不良错误 的情况下(换言之，在磁头进行数据磁道的精确寻轨下)，磁头将保持在磁 道424上的写入数据的宽度内。箭头432表示读头可以足够地离开磁道424 的中心线使得磁头边缘可以延伸到写入数据之外的时间，如图3的视图(B) 所示。箭头430示出读头将保持在写入数据内的时间，如图3的视图(A) 所示。应注意，对于名义上完成寻道操作之后相当长的时间段来说，磁头可 能间歇地足够离开磁道424的中心线而引起某些信号损失，该信号损失可能 干扰磁头介质间距的测量。

采用包含参考数据的相邻重叠数据磁道的实施例

图5和图6是在磁盘的包含参考数据的区域上方飞行的读头的正视和俯 视示意图，该参考数据包括单个、两个或多个频率。

图5的视图(A)是根据一些实施例的以磁头介质间距520在磁盘504 上方飞行并与数据磁道506的中心线508对准的读头502的示意性正视图 500。如图6所示，磁道506包括相邻的重叠磁道。重叠磁道506可以通过 各种方法写入，包括但不限于：1)在没有磁道之间的未写入转换的情况下， 微动写头跨越磁盘以将相同的参考信号(具有单个、两个或多个频率)写到 多个邻近磁道上，以及2)使用叠瓦式写入方法(shingled writing method， SMR)以在宽度上对应于多个相邻数据磁道的带上写入参考数据(具有单个、 两个或多个频率)。应注意，对于本实施例来说，相邻重叠数据磁道506的 宽度比读头502的宽度要宽得多。HMS520沿着箭头512的变化将仍然对信 号强度有影响(参见图2)，然而只要这些位移足够小以保持磁头502处于相 邻重叠数据磁道506之上，沿着箭头510的一侧到另一侧的位移将对信号强 度具有小的影响或没有影响。

图5的视图(B)是根据一些实施例的与视图(A)相同的读头502的 示意性正视图550，但是读头502现在与相邻重叠数据磁道506的中心线508 偏移距离566飞行。应注意，由于重叠磁道506可以在宽度上是图3中的数 据磁道306的三倍或更多倍，所以读头502不以图3的视图(B)中磁头302 延伸到磁道306的边缘以外的方式延伸离开磁道506的边缘。因此，在具有 零偏移(视图A)和偏移566(视图B)的磁头位置之间应当没有信号强度 的损失，其中HMS520与HMS570相同。

图6是在包含参考数据的相邻重叠数据磁道624(由两条加重虚线来划 界)上方的读头的轨迹602的示意性俯视图600，参考数据包括单个、两个 或多个频率。沿着轨迹602，示出了读头的各个位置(在随后的时间)604、 606、608、610、612和614(对应于图4中的时间404、406、408、410、412 和414)。箭头620示出相对于读头的磁盘运动的方向。箭头622示出沿着轨 迹602的时间的有效方向。因为磁头在“寻道(seek)”操作即将结束时靠近 磁道624，所以磁头位置604对应于磁头。位置606、608、610、612和614 全部完全在磁道624上方。磁头将在此后(由箭头630表示的时间)保持在 磁道624上方，直到另一寻道操作被启动(在没有磁道对准不良错误的情况 下)。箭头632表示读头可以足够地离开磁道624的中心线使得磁头的边缘 可延伸到写入数据之外的时间-应注意，此时间相对于图4被缩短。箭头630 示出读头将保持在写入数据内的时间，如图5的视图(A)和视图(B)所示- 应注意，对于此实施例，此周期开始得比图4中的周期早。此外在图6中示 出，轨迹640跨越多个数据磁道-这可以使在固定径向位置处的读回信号中 的跨道差异不存在(参见图19)。

采用无数据的相邻重叠数据磁道的实施例

图7是在相邻重叠磁道714(由两条加重虚线划界)上方飞行的读头的 轨迹702的示意性俯视图700，该相邻重叠磁道714不包含任何写入数据一 在下文称为“无数据(data-free)区域”。无数据区域包括不包含任何写入数 据的多个相邻且重叠的数据磁道，基于以下原因中的一个或多个：

1)磁道从未被写入，

2)在将磁盘安装在磁盘驱动器中之前，磁道通过加热整个磁盘而被预 先热擦除(此处理同时擦除整个磁盘介质)，

3)磁道通过与读/写头通常集成的使用激光的局部加热器件或其他局部 加热器件而被预先热擦除，或

4)磁道通过AC去磁擦除。

对于数据的充分热擦除，温度应当足够高以使介质磁无序-通常这可以 包括接近磁盘中的磁性材料的居里温度(通常约500℃)的温度。AC去磁 可以通过将磁盘置于振动的外部磁场中并缓慢使振荡幅度斜坡下降到零(通 常被称为“消磁(degaussing)”)来进行。可选地，可以利用写头影响局部 AC去磁。或者可以采用局部加热或者全局加热来增强AC去磁过程。沿着 轨迹702，示出了读头各种位置(在后续时间)704、706、708、710、712 和714(对应于图6中时间604、606、608、610、612和614)。箭头720示 出了相对于读头的磁盘运动的方向。箭头722示出了沿着轨迹702的时间的 有效方向。当磁头将近“寻道(seek)”操作结束靠近磁道724时磁头位置 704对应于磁头。位置706、708、710、712和714全部完全处于磁道724 之上。磁头将在此后(由箭头730表示的时间)保持在磁道724之上，直到 另一寻道操作被启动(在没有磁道对准不良错误的情况下)。箭头732表示 读头可以足够地远离磁道724的中心线使得磁头的边缘可延伸到写入数据以 外的时间-应注意，此时间相对于图4被缩短，但是可以类似于图6中的时 间632。箭头730示出读头将保持在“无数据”磁道区域内的时间-应注意， 对于此实施例，此周期开始得比图4中的周期早，但是可以类似于图6中的 时间630。图7中还示出，轨迹740跨越多个数据磁道-这可以使在固定径 向位置处的回读信号中的跨道差异不存在(参见图19)。

图8是作为读头相对于数据磁道(例如图3中的磁道306)的中心线和 相邻重叠数据磁道(例如图6中的磁道602)的中心的位置802(+和-)的 函数的信号强度的对数Log(I)804的曲线图800。曲线806对应于读头302 在如图3所示的数据磁道306上方飞行的信号强度。当磁头302居中地位于 图3的视图(A)中的数据磁道306上时，信号强度808被最大化。当磁头 302如图3的视图(B)所示与数据磁道306的中心线308偏移366时，强 度降低，如曲线806上的点810和812所示。如以上论述的，在数据获取期 间信号强度的某些降低是可接受的，然而某些实施例采用信号强度作为HMS 的变化的指示，因此由于一侧到另一侧磁头位置变化引起的任何信号变化会 导致HMS变化的错误指示。根据一些实施例，曲线816对应于读头502在 如图5的视图(A)中的多个重叠数据磁道506上方飞行的信号强度。当磁 头502如图5的视图(A)所示居中地位于数据磁道506上时，信号强度被 最大化到与图3中大致相同的水平808。当磁头502如图5的视图(B)中 与数据磁道506的中心线508偏离566时，与曲线806上的点810和812相 比，在曲线816上的点820和822处，强度不降低或很少地降低。在实施例 中使用较宽的数据磁道(或相邻的重叠数据磁道)的益处从此示例是明显的。 对于图7所示的示例(从无数据的相邻重叠磁道读取)，图8中的作为位置 的函数的信号强度应当略微下降或没有下降。

图9是作为信号频率902的函数的信号强度904的对数的负微分的曲线 图900。线906对应于在图2中的各种频率下曲线206和208之间的间隔。 线906的斜率等于Δh(具有移动到分母的2π因子)。

图10是示出磁盘1004上的写入数据1002的显微图1000，磁盘1004 将在硬盘驱动器的读/写操作期间沿方向1006移动。与单个位区域相比，颗 粒由小尺寸的单独的磁畴产生。

图11是当读取诸如图10中的数据时作为信号频率1102的函数的功率 谱α(f)1104的曲线图1100。曲线1108可以分成三个区域：

1)区域1106，对应于低频噪声。这个区域包含功率谱的峰值，

2)信号峰值1112，由数据磁道(每个通常包含多个磁畴)上的多个位 的空间频率产生，以及

3)区域1110，对应于高频噪声。在这个区域中包含比区域1106或信号 峰值1112更少的信号功率。

功率谱可以通常利用快速傅里叶变换(Fast-Fourier Transforms，FFTs) 或其他计算方法获得。

图12是示出无数据(见图7中的定义)的磁盘1204的一部分的显微图 1200。作为较亮或较暗的不规则区域，单个磁畴是可见的。在读/写操作期间， 磁盘将相对于读/写头沿方向1206移动。

图13是当从诸如图12中的磁盘的区域读取时作为信号频率1302的函 数的功率谱α(f)1304的曲线图1300。曲线1308的区域1306和1310分别对 应于图11中的曲线1108的区域1106和1110。应注意，由于有磁盘1204的 无数据区域，所以在图13中没有信号峰值对应于图11中的信号峰值1112。

图14是在无数据(与图1相比)的磁盘1404上方飞行的读/写头1402 的示意性等轴图1400。如图1中，存在磁头1402相对于磁盘1404的三种可 能的相对运动：1)磁盘1404的旋转运动(箭头1406)，2)对应于飞行高度 的变化的垂直运动(箭头1412)，以及3)磁头1402相对于磁盘1404的一 侧到另一侧运动(箭头1410)。从图1400，一侧到另一侧磁头运动的无关重 要性是明显的，因为磁畴(所有的磁畴比写入的位小得多)的均匀图案没有 将引起信号强度的显著变化(不同于统计噪声)的结构(即，较大的磁化区 域)。从图14中的磁头1402的信号将包括如图13所示的所有频率。

图15是作为空间频率1502的函数的噪声功率1504的曲线图1500-与 图2和图11相比。曲线1508通常对应于图11中的曲线1108。区域1506对 应于图11中的区域1106-具有随频率增大而增大的强度的低频型。信号峰 值1514(其在磁盘具有写入数据时存在)对应于图11中的峰值1112。与图 2相比，曲线1512和1510分别对应于曲线206和208-在两种情况下，没 有信号峰值。因此，由无数据区域的噪声谱可以用作感应信号来检测HMS 的变化，如从曲线1512和1510的比较可见，特别在较高的空间频率处，例 如在此图上的约15μm^-1以上。我们注意到，快速傅里叶变换计算器2116将 产生作为瞬时频率的函数的输出。能够使用磁盘的旋转速度和磁头的径向位 置的知识来进行计算器2116中的瞬时频率与移动磁盘上的对应空间频率之 间的转换。对处于两个不同HMS值的信号强度变化的精确确定可以通过将 信号噪声由对应于例如没有TFC功率的另一HMS值处产生的另一噪声信号 归一化来促进(参见图19)。应注意，当磁盘具有单个、两个或多个频率处 的预写入数据时，功率谱将示出对应于写入数据中的频率的峰值。这些特定 峰值的幅度也将随HMS的减小而增大。峰值变化(单个、两个或多个频率 的峰值)可以用来计算HMS变化(通过在这些特定的写入频率(图16、17) 处回读)，然而，在整个频率范围上利用另一个HMS的功率谱来归一化一个 HMS的功率谱(见图19)通常会消除这些峰值，这种归一化数据可以用来 进行如这里所述的HMS估计。

图16是对于仅以140MHz写入然后也仅以140MHz读回的垂直磁记录 (PMR)数据并故意将磁头保持在写入的数据磁道的中心线上方时作为热飞 行高度控制(TFC)功率1602的函数的磁头间距变化1604的曲线图1600。 数据点1606被看到落在具有1.09nm/10mW的斜率的基本上直线1608上。 曲线1610是比直线1608在边缘上更好地拟合到数据点1606的二次函数。

图17是对于仅以140MHz写入然后也仅以140MHz读回的热辅助记录 (TAR)数据并保证磁头保持在数据磁道的中心线上时作为热飞行高度控制 (TFC)功率1702的函数的磁头间距变化1704的曲线图1700。数据点1706 被看到落在具有1.07nm/10mW的斜率的基本上直线1708上。曲线1710是 比直线1708在边缘上更好地拟合到数据点1706的二次函数。

图18是对于热辅助记录(TAR)磁盘的无数据区域作为热飞行高度控 制(TFC)功率1802的函数的磁头间距变化1804的曲线图1800。与图16 中的点1606或图17中的点1706相比，数据点1806表现出作为TFC功率 的函数的更多的变化(统计涨落)。线性拟合1808没有二次拟合1810那样 好，特别在较高的TFC功率处。应注意，这些结果是使用在单个频率(在 此示例中，140MHz)的读回信号，这些结果还可以通过使用多个频率或在 所有频率上的完整功率谱(通常利用FFT生成)获得，如通过下面在图19 和20中的方法得到。图18表明，即使没有写入信号，该方法的实施例提供 了一种作为TFC功率的函数的间距变化的良好的TFC校准。

归一化信号曲线图和随TFC功率的间距变化的计算

图19是相对于在无数据的热辅助记录(TAR)磁盘上的空间频率1902 的归一化信号强度的对数1904的曲线图1900。归一化信号(I₀)是能够在 0mW TFC测量的读回信号的傅里叶变换的参考信号。然而，在其他TFC功 率的傅里叶变换还能够用于参考信号I₀。傅里叶变换对在1ms中获取的数据 进行，对应于以约5450rpm旋转的磁盘的转数的1/11，并在20.6mm的半径 测量(在此半径处的盘表面速度为大约12m/s)。在“华莱士范围(Wallace  Range)”1916(对于此例子为约0.5x10⁷至1.5x10⁷m^-1)中，归一化信号是线 性的，对于四个TFC功率20、40、60和80mW的每个示出线性拟合(分别 为线1912、1910、1908和1906)。虚线1914表示对于0mW的TFC功率的 归一化线一曲线1906至1914已经通过参考数据归一化，因此对于0mW的 TFC功率的数据是本质上“归一化过的(normalized out)”以给出直的虚线。 对线性区域的范围1916的准确限定能够随不同磁盘磁设计和读头设计而改 变。因而，范围1916能够通过类似地获取对于不同磁盘磁性设计和读头设 计的数据并检验数据为线性的范围而被相应地确定。图20中的数据从四个 线性区域的斜率获得-这能够获得TFC校准。在一些实施例中，当径向地 移动读头跨越两个或更多相邻重叠磁道时可以获得用于构建图19的信号数 据-这具有在固定的径向位置处的回读信号中消除跨道差异的潜在益处(分 别参见图6和7中的轨迹640和740)。为了获得各个归一化曲线，可以使用 “降落方法(touch down method)”，如本领域公知的。此方法可以通常包括 如下步骤：

1)热量飞行高度控制(TFC)功率设定为0mW并且信号被获取作为参 考信号I₀，用于通过非零TFC功率获取的信号的归一化。参考信号的傅里叶 变换也允许确定华莱士范围，例如图19中的范围1916。

2)TFC功率然后以可控的速率倾斜上升直到读头与旋转的磁盘介质的 “降落(touch down)”通过公知的方法检测。在此点处的TFC功率被记为 P_TD。

3)从读/写头和加热器的设计参数，磁头介质间距(head medium spacing， HMS)相对于TFC功率P_TFC的变化率(dHMS/dP_TFC)是近似已知的。从此 值，步骤1)中的在0mW的TFC处的磁头飞行高度可以大致为[P_TD*(dHMS/ dP_TFC)]。

4)TFC功率可以现在从P_TD系统地减小(导致磁头升起离开旋转的磁 盘介质，即间隙>0nm)，记录在从P_TD下降至零的各个TFC功率处的信号。 图19示出对于四个功率80、60、40和20mW的处理过程(其中P_TD隐含地 大于80mW)。在这些TFC功率的每个处，回读信号的傅里叶变换通过参考 信号I₀的傅里叶变换来归一化，归一化信号的斜率在步骤1)中确定的华莱 士范围上计算。从公式2和图2的论述，图19中的斜率于是等于-Δh，换言 之，为飞行高度或来自参考飞行高度的HMS或在0mW的TFC功率处的HMS 的变化(如图19中的纵轴标签所示，其中已经除以2π因子)。

5)图20能够于是由图19中的对应于每个TFC功率的归一化信号的斜率 生成。

图20是对于无数据的热辅助记录(TAR)磁盘上的区域作为热飞行高 度控制功率2002的函数的磁头间距变化2004的曲线图2000。线2006上的 四个数据点对应于图19中的在线性华莱士范围1908上的四个加热器功率 20、40、60和80mW。图19中的四条直线1906-1912的斜率提供图20中的 间距变化数据。通过这五个点(包括在0mW的TFC功率的第五个点)的线 性2006拟合的斜率给出TFC功率和间距变化之间的TFC校准(nm/mW)。 由于实际值将随硬盘设计而变化，所以纵轴是任意单位的。

数据存储系统实施例

图21是根据一些实施例的数据存储系统2100的示意图。系统2100包 括主机计算机2102、存储装置诸如硬盘驱动器2110以及在主机计算机2102 与存储装置2110之间的接口2134。主机计算机2102包括处理器2104、主 机操作系统2108和控制代码2106。存储装置或硬盘驱动器2110包括耦接到 数据通道2120的控制器2114。硬盘驱动器2110包括携带具有读/写元件2124 的读/写头的臂状物2128以及加热器2126。

在操作中，主机计算机2102中的主机操作系统2108发送命令到硬盘驱 动器2110。响应于这些命令，硬盘驱动器2110在磁盘表面2122上执行要求 的功能诸如读取、写入和擦除数据。控制电路2114使得写入元件2124将数 据的磁图案记录在磁盘2122的位于磁道2130中的可写入表面上。控制电路 2114通过锁定伺服回路到预定的伺服定位脉冲图案(通常位于伺服分支或区 域)而将读/写头2124置于磁盘2132的可记录或可写的表面2122上。控制 器2114也调节到加热器2126的TFC电流来控制HMS。应注意，在没有伺 服脉冲图案的情况下，或者在“无数据”磁盘的情况下，控制器将不能将磁 头精确地置于期望的磁道(或径向位置)上，离开得比期望的磁头的一侧到 另一侧运动大，在这些条件下执行本实施例中提出的飞行高度测量变得有 益。

根据一些实施例，系统2100包括高速缓冲存储器2112，例如通过以下 中的一个或多个实现：闪存、动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存 取存储器(SRAM)。硬件快速傅里叶变换(FFT)计算器2116可以(可选 地)用于进行FFT功率谱计算，通常比软件或固件FFT计算更快。

系统2100(包括主机计算机2102和存储装置或硬盘驱动器2110)以足 以理解本实施例的简化形式示出。示出的主机计算机2102以及存储装置或 硬盘驱动器2110不旨在表示结构上或功能上的限制。这些实施例能够用于 各种硬件设备和系统以及各种其他的内部硬件器件。

对读头的偏离磁道运动不敏感的动态飞行高度控制的方法的流程图

图22是根据一些实施例的用于测量飞行高度的变化的方法的流程图 2200。

在方框2202，选择用于飞行高度控制方法的相邻重叠数据磁道的类型。 在一些实施例中，可以选择具有参考数据的相邻重叠磁道，该参考数据包括 单个、两个或多个频率。在另一些实施例中，可以选择无数据的相邻重叠数 据磁道。在图7的文字部分中讨论了用于生成或选择无数据磁道的各种方法。

在方框2204，制备或者选择如方框2202中选择的相邻重叠数据磁道。

在方框2206，读头运动(在寻道操作中)到在方框2204中选择的数据 磁道，然后从该数据磁道获取信号数据。

接下来，可以从方框2206进入两个可选的方框：首先进入方框2208以 直接存储原始的(未分析的)信号数据然后进入方框2210，或者直接地进入 方框2210以分析该信号数据(通常通过傅里叶变换)然后保存变换的数据。

在方框2212，来自方框2210的所保存的变换数据如图19中讨论地被归 一化。通过连续地对不同TFC功率重复方框2206至2210的操作，TFC控 制斜率(nm/mW)由变换数据的线性区域计算。

方框2214然后从变换的数据确定在给定TFC功率下的磁头-磁盘间隙， 结合加热器功率的知识，P_TD(参见图19)，其用于磁头“降落(touch down)” 到旋转的磁盘介质。

在方框2216，利用来自方框2214的数据和在方框2212中计算的校准 [nm/mW]将磁头-磁盘间隙控制到选择的间隙。

在方框2218，信号数据如方框2206中从相同的相邻重叠数据磁道重新 获取，重复方框2206-2218中概述的方法，每当磁盘介质旋转被重新开始， 或周期性地以预定时间间隔，或每当检测到信号强度的显著变化(可能表示 读/写头相对于磁盘的操作条件的变化)。

可供选择的实施例

尽管已经在硬盘驱动器的背景下描述了实施例，但是应当理解，可以在 其中进行各种改变、替换和修改，而不脱离本发明的如权利要求书限定的精 神和范围。另外，本申请的范围不旨在被限于说明书中描述的过程、机器、 制造或物质成分、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员 将从实施例的公开内容而易于理解的，根据本发明可以使用目前存在或之后 发展的执行与这里描述的相应实施例基本上相同的功能或实现与其基本上 相同的结果的过程、机器、制造、物质成分、装置、方法或步骤。相应地， 权利要求书旨在将它们(这样的过程、机器、制造、物质成分、装置、方法 或步骤)的范围包括之内。

例如，其他实施例可以包括一种磁盘驱动器系统，该磁盘驱动器系统包 括至少一个磁盘和读写头组件，该读写头组件具有从至少一个磁盘读取数据 的读头、向至少一个磁盘写入数据的写头、以及用于控制读写头和至少一个 磁盘之间的间距的加热器。此外，为了飞行高度测量，可以采用控制器选择 该至少一个磁盘的区域，其中所选择的区域包括从由无数据区域和预先写入 参考数据组成的组中选出的类型，读头从所选择的区域读取信号强度信息， 控制器分析该信号强度信息以获得读写头和至少一个磁盘之间的间距的测 量结果。

预先写入的参考数据的实施例可以包括单个、两个或多个频率，其中所 选择的区域包括相邻重叠数据磁道。无数据区域可以是至少一个磁盘的未写 入区域，所选择的区域包括相邻重叠数据磁道。无数据区域可以是至少一个 磁盘的被热擦除或AC去磁的区域，所选择的区域可以包括相邻重叠数据磁 道。

控制器还可以基于读写头和至少一个磁盘之间的间距的测量结果来控 制读写头和至少一个磁盘之间的间距，读写头和至少一个磁盘之间的间距的 控制可以受到加热器的影响。分析读取的信号强度信息可以包括信号强度信 息的频谱分析。频谱分析可以包括傅里叶变换操作，其中由傅里叶变换操作 的输出可以通过读出的参考信号的傅里叶变换来归一化。归一化的傅里叶变 换相对于信号频率的斜率可以用来测量在读写头与至少一个磁盘之间的间 隙。该斜率可以在傅里叶变换的全部频率范围的其中傅里叶变换信号是线性 的子范围上确定。

磁盘驱动器系统的实施例还可以包括：多个读写头组件，该多个读写头 组件的每个具有从至少一个磁盘读取数据的读头、向至少一个磁盘写入数据 的写头、以及控制读写头和至少一个磁盘之间的间距的加热器；以及控制器， 选择至少一个磁盘的多个区域，其中该多个区域中的每个区域由多个读写头 组件中的至少一个来读取，多个区域中的每个区域能够被选择用于飞行高度 测量的目的；多个区域中的每个区域是从无数据区域和预先写入参考数据构 成的组中选出的类型，所述多个读写头组件的至少一个从每个所选择区域读 取信号强度信息；控制器分析对应于多个区域的每个区域的信号强度信息以 获得多个读写头组件中的每个读写头在至少一个磁盘上的间隙的测量结果， 并且控制器基于读写头和至少一个磁盘之间的间距的测量结果来控制读写 头和至少一个磁盘之间的间距，其中读写头和至少一个磁盘之间的间距的控 制受到加热器的影响。

在另一实施例中，一种用于测量硬盘驱动器中的磁头-磁盘间隙的变化 的方法可以包括：选择磁盘的包括相邻重叠数据磁道的区域，其中相邻数据 磁道包括预先写入的参考数据，或者是无数据的；从每个所选择的区域读取 信号强度信息；以及进行信号强度信息的频谱分析以获得读写头和磁盘之间 的间隙的测量结果。

该方法还可以包括基于读写头和磁盘之间的间隙的测量结果来控制读 写头和磁盘之间的间隙。频谱分析可以包括傅里叶变换操作，还包括通过参 考读出信号的傅里叶变换来归一化来自傅里叶变换操作的输出。

该方法还可以包括利用归一化傅里叶变换相对于信号频率的斜率来测 量读写头和至少一个磁盘之间的间隙，其中该斜率在傅里叶变换的全部频率 范围的其中傅里叶变换信号是线性的子范围上确定。该方法还可以包括重新 读取信号强度信息以及重新分析信号强度信息以获得读写头在磁盘上的间 隙的重新测量结果。

在硬盘驱动器的操作期间可以根据需要重复重新读取信号强度信息和 重新分析信号强度信息的实施例。每当磁盘介质的旋转被重新开始，或周期 性地以预定时间间隔，或每当发生读取信号强度的显著变化，重复进行重新 分析信号强度信息可以发生。读取的信号强度信息可以包括从两个或更多个 相邻重叠数据磁道读取信号强度信息。