气动造型用于磁盘驱动器的浮动块的方法及气动浮动块

摘要

一种浮动块，它至少有一个侧表面在前导与尾随表面之间连续弯曲，以基本消除由于倾斜定向的变化而作用在该侧表面上的偏离磁道力。对一浮动块形状建模，并对浮动块拟飞行的倾斜定向的范围内的多个倾斜定向中的每一个定向生成一对所建模形状上的气流的数字模拟。基于数字模拟对所建模的浮动块形状加以反复调整，直至对所建模形状的振动分析显示，振动不超过一预定的最小值。

说明书

供参考的相关申请

本申请要求提出于2002年5月14日的美国临时申请No.60/380,809“用于磁盘驱动器的气动浮动块造型(Aerodynamic Slider Profiling for DiscDrives)”的优先权。

技术领域

本发明涉及由气流支承以在移动表面附近飞起一较小距离的气动浮动块，尤其是涉及能使浮动块上的偏离磁道力作用最小的成形浮动块。

背景技术

磁盘驱动器在可旋转的可磁化盘表面上存储数字数据。数据由装载在浮动块上的读出和写入转换器(通常也称为“磁头”)来在磁盘表面的同心磁道上写入和读出数据。每一浮动块装在一柔性悬架上，该柔性悬架由诸如E-块之类的一致动部件的一致动臂支承。一音圈致动马达旋转该致动部件，以沿着定向成大致径向地横过磁盘的一弧形路径移动浮动块和磁头。通过沿着旋转致动部件所形成的浮动块弧形路径移动浮动块，相对所面对的磁盘上的一选定磁道定位磁头。

磁盘以绕其旋转轴线的一大体圆形的图案沿着其表面拖曳空气。浮动块本体包括一空气承载表面(ABS)，该空气承载表面反作用于磁盘在ABS下所拖动的空气。气流产生一升力，以抬升浮动块并使其和磁头“飞行”于磁盘表面上方。柔性悬架将浮动块支承向致动臂，并偏压浮动块抵抗气流的升力，以保持浮动块在靠近磁盘表面处的预定飞行高度。

当浮动块沿着其大致径向横穿磁盘的弧形路径移动时，它的倾斜度相对磁盘上的圆形磁道，在外径向磁道处的一正定向和内径向磁道处的一负定向之间变化。圆形气流大致成磁道切向地遇到浮动块，这样，撞击浮动块的气流的方向就随着浮动块的倾斜度而变化。因此，对于浮动块的不同倾斜定向，撞击浮动块的气流是来自不同的方向的。更具体地说，气流撞击浮动块的前导面(边)和一或者另一侧表面(边)，这要视浮动块究竟是处在正或者负倾斜定向而定。

在零倾斜定向(气流以90°撞击前导面)上，从浮动块上流出的任何涡流都被紧跟的尾随面捕获。涡流的图案通常相对浮动块对称。但是，在非零度的倾斜定向(正或者负倾斜)上，流出的涡流的图案是不对称的，引起浮动块上的不对称的偏离磁道力，这会使浮动块径向地移位。如果这些不对称的偏离磁道力是在悬架的这种结构模态处，它们就会导致浮动块和悬架中的径向振动形式的不可重复的振摆(non-repeatable runout(NRRO))。

当人们更多地需要磁盘数据密度增加、性能更高的磁盘驱动器时，就相应地需要增加磁道密度及提高介质速度。增加磁道密度需要减小磁道的宽度以及它们之间横过磁盘半径的间距。更窄的磁道、更小的磁道间距以及更大的介质速度都使人们更加需要更为精确的磁道跟踪技术，尤其是要使影响浮动块径向位置的偏离磁道力最小。本发明提供一种这个及其它问题的解决方案，并且本发明还具有优于现有技术的其它长处。

发明内容

在一个实施例中，一气动浮动块具有至少一个在前导与尾随表面之间连续弯曲的侧表面。该一侧表面弯曲成基本消除在所有设计倾斜定向处应作用在该侧表面上的偏离磁道力。

在另一实施例中，为靠近一移动介质、以与该介质所产生的空气或其它流体流的方向成不同的倾斜定向飞行的一浮动块选择一浮动块形状。对一浮动块的形状进行建模，并且对浮动块可能飞行的倾斜定向范围之内的多个倾斜定向中的每一个定向生成一对所建模形状上的气流的数字模拟。基于数字模拟对所建模的浮动块形状加以调整。基于一建模的浮动块形状选择一浮动块形状。

在较佳的实施例中，对形状模型进行一振动分析。如果所建模形状的振动超过一预定的最小值，就基于数字模拟对形状进行调整。迭代地重复该过程，直至振动分析表明振动不超过预定的最小值。因此，NRRO不会超出预先选定的磁道位置不正(track mis-registration(TMR))的限值。

在一些实施例中，通过计算该建模浮动块在悬架的一结构模式下移动的径向距离来进行振动分析，并且，当移动的距离不超过目标的预定最小值时就实现了最优的形状。

在阅读了下面的详细描述并参阅相关的附图后，本发明的其它特征及优点会变得清楚。

附图简述

图1是一磁盘驱动器的立体图，可以在该磁盘驱动器中实现本发明的若干方面。

图2是示出一浮动块由图1中所示的磁盘驱动器的一悬架支承的立体图。

图3和4示出了经过零或非零倾斜定向的一浮动块的气流图案。

图5是根据本发明的第一实施例优化一浮动块形状的过程的流程图。

图6是示出了根据本发明第二实施例的一浮动块，该浮动块的形状由图5所示的过程生成。

图7和8是比较一标准浮动块和一根据本发明的浮动块的显微照片。

图9和10是示出根据本发明成形的浮动块的优点的曲线图。

具体实施方式

图1是一磁盘驱动器100的立体图，在该磁盘驱动器中可使用根据本发明制造的一浮动块。磁盘驱动器100包括带有一底座102和一顶盖(未图示)的一壳体。磁盘驱动器100还包括一磁盘组106，该磁盘组由一磁盘夹具108支承在一主轴电动机(未图示)上，以沿着箭头132所示方向旋转。磁盘组106包括多个单独的磁盘107，诸磁盘107安装成绕中心轴109同步旋转。每一磁盘的表面有一装在磁盘驱动器100中的相关浮动块110，以用来与面对的磁盘表面通讯。浮动块110设置成飞行在磁盘组106的一相关单独磁盘的磁盘表面上方，并且装载有一转换头111，设置该转换头111用来向面对的磁盘表面上的同心磁道写入数据或从其读出数据。在图1所示的例子中，浮动块110由悬架112支承，悬架112又接着连接到-E-块致动器116的磁盘接近臂114上。致动器116由一音圈电动机(VCM)118驱动，以绕一枢轴120旋转致动器及所安装的浮动块110。致动器116的旋转使磁头沿着一弧形路径122移动，以将磁头放置到磁盘内直径124与磁盘外直径126之间的一所要的数据磁道的上方。

音圈电动机118由从包括在电路板128上的伺服电子装置发出的位置信号操作，这些位置信号又基于转换头111所产生的误差信号和从一主计算机(未图示)发出的位置信号。电路板128上还包括读出和写入电子装置，以基于转换头111的读出部分从磁盘组106读出的数据向主计算机提供信号，并向转换头111的写入部分提供写入信号，以向磁盘写入数据。

图2是由一悬架支承到一致动臂的一浮动块110的简化图。悬架112可以是一框架弹簧，其本体150装于致动臂114上。浮动块110固定在弹簧部分152上，弹簧部分152又通过片簧部分154连接到本体150上。浮动块110在其相对的两表面156和158之间的高度或厚度为h。致动臂114和悬架112将表面158放置成面对磁盘107(图1)的表面，该表面158包括轨道及其它结构特征(未图示)，以使浮动块具有飞行的特性。作用在轨道和其它结构特征的空气承载表面上的空气对表面158产生一个升力，以升举起浮动块。悬架112提供一抵抗升力的设计力，以使浮动块从磁盘“飞起”一个设计的距离。

图3是遇到一处于零倾斜定向的空气承载浮动块200的建模速度矢量的图。浮动块的底面(未图示)具有轨道和其它结构特征(未图示)，以使浮动块具有飞行特征。遇到浮动块200的前导边表面202的气流移动到浮动块上方和下方。浮动块下方的气流支承浮动块，以在磁盘表面飞起一设计的高度。移动的空气也集中地沿着侧表面204和206向浮动块的尾随边表面208流动。沿着侧面204和206流动的气流形成从尾随边表面208流出的涡流210和212。由于在图3中，浮动块200的定向是零倾斜度的，所以涡流210和212是相对相等和对称的，并且没有明显的偏离磁道力施加在浮动块上。

在图4中，浮动块200定向于一个非零的倾斜度，致使气流遇到前导边表面202和侧表面204，且气流就沿着前导边从侧面204向侧面206集中，以及沿着侧面204从前导边向尾随边208集中。从尾随边208靠近侧面204处流出一涡流214，以及从侧面206靠近前导边202处流出一较小的涡流216。这些流出的不对称涡流产生一偏离磁道力218，这个力相对所要跟踪的磁道径向偏移浮动块。

偏离磁道力218的频率f_F大致与涡流的流出频率f_S相等，后者则基于浮动块高度和空气撞击浮动块的平均速度。更具体地说，可如下式地计算流出频率：

                             f_S＝S·U/h式中，S为斯德鲁哈尔数，U是气流的平均速度，以及h为浮动块的高度或厚度。如果偏离磁道力218的频率(及因此流出频率)f_S大致与悬架的结构模式相同，在相同的频率处，即f_R＝f_S时，会在悬架中产生共振，致使浮动块以不可重复地方式径向振动。由于代表不可重复的振摆的这样的振动超出了伺服频带宽度，所以无法通过磁道跟踪伺服机构来对它进行补偿。本发明旨在使这种振动最小。

那些熟悉本技术领域的人们会理解，图3和4中所示的气流模型提供了对浮动块上的气流的数字模拟。这些数字模拟可用来产生一个使涡流流出最小的形状。图5是生成一所产生的涡流流出最小的浮动块形状的过程的流程图。

参见图1，当浮动块在磁盘的外和内径向磁道之间移动时，浮动块的倾斜定向从一个正向倾斜变化到一个负向倾斜。因此，偏离轨道PMS的载荷量会在浮动块从外磁道向内磁道移动时发生变化。倾斜的程度取决于磁盘驱动器的几何形状，尤其是磁盘的半径和在致动臂和悬架上的浮动块的定向。因此，对于给定的磁盘驱动器，可以确定正和负倾斜定向的度数，可以对浮动块横过磁盘磁道半径的各种位置上的气流的效应进行建模。基于对浮动块横过磁盘半径的各种建模位置的数字模拟，可以构造出浮动块的形状，以使浮动块的湍流最小。更具体地说，浮动块的侧边表面、前导与尾随边表面以及甚至是顶表面的形状可成形成使悬架在该结构模式的涡流流出最小。

图5是优化浮动块形状的过程的流程图。在步骤302处，从磁道的内半径和外半径来确定最大正向倾斜和最大负向倾斜之间的倾斜定向范围。在步骤304处选择一浮动块，并且在步骤306处生成其形状的一计算机模型。在步骤308处，在倾斜定向范围之内选择一倾斜定向，并且在步骤310处生成对所建模浮动块形状上的气流的一数字模拟。一种生成数字模拟的方便方法是，通过用软件模拟所建模的浮动块形状上的气流来生成数字列表形式的代表所建模形状上的模拟气流矢量的数字模拟。图3和4是使用Fluent 6.0软件生成的数字模拟所得到的显示的例子。

在步骤312处，对所检验的倾斜定向是否能充分代表磁盘的外和内磁道半径之间的倾斜范围进行判断。更具体地说，在浮动块形状上的气流效应对在外和内磁道之间的每一倾斜定向是不同的。因此，该过程需要在代表磁道半径范围的多个倾斜定向处对所建模的浮动块形状上的气流进行数字模拟。在一些情况下，该过程可以少到仅进行两个倾斜定向的数字模拟，即在浮动块的最大正向倾斜和最大负向倾斜处(在最外侧磁道和最内侧磁道处)。但更佳地是，在过程的初始迭代中至少采用三个倾斜定向，在最大正向倾斜和最大负向倾斜处各一个以及在零倾斜处一个。当然，可以在任何给定的情况下采用多于三个的倾斜定向。

在步骤312处，如果检验的倾斜定向数目小于所选择的数目，过程循环就回到步骤308，在步骤308处，选择一新的倾斜定向，并且如这里所述地生成一新的数字模拟。

在步骤312处，如果已经检验了所选择的倾斜定向，那么过程就继续进行步骤314。在步骤314处，分析在步骤310处生成的数字模拟，以计算由于已建模的浮动块形状上的模拟气流矢量所导致的偏离磁道力产生的可能共振频率振动。更具体地说，检测浮动块形状上的气流的数字模拟以确定不对称的流出涡流是否出现且会在或接近悬架112的结构模式(图2)时在浮动块上产生一偏离轨道力。如果这样的不对称流出涡流出现，那么就对气流矢量进行检测，以确定偏离磁道力的强度、位置及方向，以及浮动块由于偏离磁道力而产生的预计径向移动距离。由于在悬架112的结构模式的偏离磁道力而产生的浮动块移动促使浮动块发生NRRO振动。

在步骤316处，如果振动超过了一目标或预定的最小值(以浮动块移动的径向距离的形式)，过程就继续进行步骤318，在该步骤中，基于在步骤314中所确定的振动和在步骤310中所生成的数字模拟，对所建模的浮动块形状进行调整。目标预定最小值可以根据任何设计准则来选择，如满足磁道位置不正(TMR)方面的要求，且该要求是使该磁盘驱动器满足面积和磁道密度规格而定制的。如果在步骤314处的对数字模拟的振动分析显示在步骤310处所发现的非对称流出涡流会在或接近悬架112的结构模式(图2)在浮动块上产生额外的偏离磁道力，那么就在步骤318处基于气流矢量的数字模拟改变浮动块形状的模型，以减小和/或平衡流出的涡流。更具体地说，在步骤310处所生成的模拟气流矢量的数字列表提供气流的强度、位置及移动方面、以及从而由于气流而产生的作用在浮动块上的力的强度和位置方面的信息。在步骤314处，从这些信息中计算出力的频率、强度及位置。在步骤318处，采用这些涉及力的信息对浮动块形状的模型进行调整，并且过程回到步骤306处，在该步骤处对新的(第二个)形状建模。该过程对第二个形状重复预定数量的倾斜定向。

图5的过程继续迭代多个形状模型，直至在步骤316处，对步骤306处所生成的浮动块形状模型所进行的步骤314的振动分析表明振动满足一预定的最小距离的目标。然后，该过程就继续进行到步骤320，以输出在步骤306处所生成的模型。

步骤316的振动试验的目标预定最小距离可以是由设计者选择的任何设计限值。我们发现，一个方便的振动界限值是磁道宽度的1％。亦即，当由悬架112支承时，振动不会使浮动块的移动超过磁道宽度的1％的距离。因此，涡流流出最小，以使由于流出所产生的振动不会使浮动块的径向振动超过磁道宽度的1％。对于磁道宽度约为15微英寸(5.8微米)的涡流流出，由于涡流流出所产生的振动小于0.15微英寸(0.06微米)左右。当然，也可以基于磁盘驱动器的特定设计选择其它的界限值水平。

使用输出的浮动块形状模型来实现浮动块实际成形。该形状的形成可以通过将浮动块本体机加工成所要的形状，或者通过将材料沉积到浮动块本体上来形成所要求的形状，或者选择地蚀刻浮动块本体以实现所要求的形状。但最佳地是，通过在浮动块本体上涂覆粘合剂以形成必需的形状来实现所要的形状。粘合剂的材料可以与将浮动块连接到悬架112上的材料相同。较为方便的是，可以在将浮动块装配到悬架上的同时，涂覆粘合剂以将浮动块成形为正确的形状，从而使得制造步骤最少。在许多情况下，由于在浮动块的不同倾斜定向处的气流荷载的不同，在步骤306处生成的形状模型本身将是不对称的。在这样的情况之下，所得的浮动块本体的形状可能是不对称的。

在完成了图5所示的过程之后，较好地是在悬架上进行冲击试验以确定带有生成形状浮动块的悬架能承受完成的磁盘驱动器组件所需要的机械冲击设计水平，并保证涂覆到浮动块上的粘合剂(同时为了成形和装配)不移位。

图6示出了具有一大致为直线所围的本体402的一浮动块400，它的形状是由图5的过程进行优化的，并且根据本发明制造的。浮动块本体402初始的直线所围形状(亦即，图5的过程中的步骤304处所选择的形状)有带空气承载表面的轨道(未图示)、一尾随边表面404、一前导边表面406、侧边表面408和410以及顶表面412(与空气承载表面相对)。根据图5进行的形状生成所成形的气动表面414、416、418及420示出为分别重叠在表面404、408、410及406上。

尾随的气动表面414在倾斜角度的最大变化很大的情况是有用的，并且用来驱散从浮动块流出的尾随涡流。前导的气动表面420对经过浮动块的流线型的气流是有用的，以使涡流最小。在许多实施例中，可以省去尾随的气动表面414和/或前导的气动表面。在其它的实施例中，可以从侧表面408和410中的一个省去气动表面，尤其是在倾斜角度在约零和某正或负向倾斜之间变化的情况下。在还有其它的实施例中，尤其是在由于磁盘旋转速度高而导致风阻大的情况下，可以在顶表面412上形成一气动表面。表面414、416及418可以如前所述地由粘合剂或其它材料来形成。按照在图5中的步骤320处所输出的形状模型对每一表面进行仿制。或者，可以通过蚀刻或机加工浮动块来完成浮动块的形状，尽管这样的技术可能会要求对空气承载表面进行修改，该表面会受到去除浮动块本体的材料的影响。

如图6所示，气动表面是连续弯曲的表面。这样，气动表面416和418从前导边表面406或420延伸到尾随边表面404或414，并且气动表面418和420在侧表面416和418之间延伸。曲线的形状可以是圆形、椭圆形、抛物线形或形状生成过程所选择的任何其它连续弯曲的形状。尽管所述的弯曲形状在整个表面是连续的，但是曲率可以在前导和尾随边表面之间沿着表面变化。此外，侧表面416的弯曲形状可以与侧表面418的弯曲形状不同，例如在最大正和负倾斜角度不相同的状况下使用浮动块时。但在任何情况下，如上所述地成形浮动块的至少一个侧表面，以显著地减小并基本消除在浮动块的所有设计倾斜定向下从浮动块流出的涡流，从而显著地消除由于风而作用在浮动块上的偏离磁道力。

图7至10示出了本发明的优点。图7是其形状未经本发明优化的一标准浮动块450的显微照片，图中示出了一尾随气流452的图案。图8是其形状经本发明优化的一浮动块454的显微照片，图中示出了一尾随气流456的图案。对气流452和456的比较揭示出，从优化后的浮动块454发出的再循环区域460的范围小于从标准浮动块450发出的再循环区域458。图9示出了标准浮动块(470)和优化后的浮动块(472)两者相对时间的阻力系数，图10示出了标准浮动块(474)和优化后的浮动块(476)相对频率的阻力系数。这些图表证明了优化后的浮动块的阻力系数的改进(减小)。

在一个实施例中，本发明提供一种具有主要为直线所包围的本体(400)的气动浮动块，该本体形成有布置成面对一移动介质(107)并产生流体流以支承浮动块靠近该介质飞行的一空气承载表面、与空气承载表面相对的一顶表面(412)、布置成面对流体流的一前导表面(406)、与前导表面相对的一尾随表面(414)、以及在前导、尾随、空气承载以及顶表面之间的、相对的第一和第二侧表面(416和418)。该浮动块的特点在于，至少侧表面(416或418)中的一个在前导与尾随表面之间是连续弯曲的。浮动块设置成以不同的倾斜定向飞行在移动介质的附近，并且其特点还在于，至少侧表面(416或418)中的一个是弯曲的，以基本消除在该侧表面上的偏离磁道力(218)。

在另一实施例中，本发明提供一种为浮动块110选择一形状的过程，该浮动块用来在一移动介质107附近以与介质所产生的气流的方向成不同的倾斜定向飞行。对浮动块的形状进行建模(步骤306)，并且对多个倾斜定向(步骤312)中的每一个定向生成一对所建模形状(步骤310)上的气流的数字模拟。这些倾斜定向在浮动块拟相对气流飞行的一个倾斜定向范围之内(步骤302)。基于数字模拟(步骤314-316)对浮动块形状的模型加以调整(步骤318)。基于一建模的浮动块形状选择一浮动块形状(步骤320)。在较佳的实施例中，迭代地重复该过程以优化形状。

较佳地是，使用数字模拟在浮动块模型上进行一振动分析(步骤314)。在步骤316处，如果在该悬架结构模式的振动超过一预定的最小值(如使浮动块的移动大于磁道宽度的1％左右)，就在步骤318处对浮动块的形状进行调整。迭代地重复该过程，直至浮动块的移动不超过目标的预定最小值，于是输出浮动块模型。

本发明的过程不受磁盘驱动器主轴转速或磁盘直径的限制，也不受磁盘驱动器所操作的磁盘数量的限制。而是，本发明可应用于单磁盘和多磁盘的磁盘驱动器，该磁盘驱动器可以高主轴转速工作，也可以低主轴转速工作，以及本发明可应用于大直径的存储磁盘，也可用于小直径的存储磁盘。此外，本发明可用来形成浮动块和其它在任何流体介质(包括空气、氦气及其它气体，以及液体)中工作的装置的形状。

尽管已经结合用于磁盘驱动器的浮动块描述了本发明，但那些熟悉本技术领域的人们会认识到，本发明可以实践于采用可旋转存储介质的其它系统中，这样的系统包括、但不局限于伺服磁道写入器、多磁盘写入器、磁道写入测试仪、磁头测试仪、磁盘表面仿形工具机、光学驱动器，以及采用其它类型的工艺的系统，如存在于磁带驱动器或类似装置中的直线移动的介质。

应予理解的是，即使在前面的描述中列出了本发明各个实施例的许多特征和优点，以及本发明各个实施例的详细结构与功能，本公开文本也仅仅是说明性的，人们可以在本发明的原理之内对细部、尤其是零件的结构和布置加以修改，本发明的原理完全由表述所附权利要求书的诸用语的宽泛地、一般的含义来表明。例如，可以不超出本发明的保护范围和构思地根据过程的具体应用来改变具体的零件，并同时保持基本相同的功能性。这样，尽管是结合与可旋转介质一起使用的浮动块形状的优化来描述本发明的，但是该过程也可以应用到设计为用来对一表面相对移动的其它装置中，不管该表面是否是用于数据存储的。此外，尽管该过程是结合用来完成该过程的许多步骤的特定软件程序来描述的，但也可以采用其它的技术和程序来完成相同的功能，这不超出本发明的保护范围和构思。