微驅動器、設有該微驅動器的磁頭折片組合以及磁碟驅動器的製作方法
2023-09-23 10:55:35 2
專利名稱：微驅動器、設有該微驅動器的磁頭折片組合以及磁碟驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁碟驅動器，特別是指微驅動器以及使用該微驅動器的磁頭折片組合。
背景技術：
磁碟驅動器為一種使用磁介質儲存數據的信息存儲裝置。參考圖1a，現有典型的磁碟驅動器(Disk Drive)包括一個磁碟及一個用於驅動磁頭折片組合277(Head Gimbal Assembly，HGA)的驅動臂(磁頭折片組合277設有一個裝有磁頭203的懸臂件(未標示))。其中，磁碟裝在一個用以驅動磁碟旋轉的主軸馬達上，一個音圈馬達(Voice-Coil Motor，VCM)用於控制驅動臂的運動，從而控制磁頭203在磁碟表面上從一個磁軌移動到下一個磁軌，進而從磁碟中讀取或寫入數據。
然而，在磁頭203的行程中，由於音圈馬達(VCM)和懸臂件所固有的容差(Tolerance)，磁頭203不能進行很好的位置控制，因而影響磁頭203從磁碟中讀取或寫入數據。
為了解決上述問題，壓電微驅動器(piezoelectric(PZT)micro-actuator)被用於調整磁頭203的位移(displacement)。亦即，壓電微驅動器以一個較小的幅度調整磁頭203的位移從而補償音圈馬達(VCM)及懸臂件的容差。這樣，可使磁軌寬度變得更小，可以增加50％的磁碟驅動器的TPI值(『tracks per inch』value)(即增加了其表面記錄密度)。
參考圖1b，傳統的壓電微驅動器205設有一個U形的陶瓷框架297。該U形陶瓷框架297包括兩個陶瓷臂207，其中每個陶瓷臂207在其一側設有一個壓電片(未圖示)。參考圖1a及1b，壓電微驅動器205與懸臂件213物理相連，其中，在每個陶瓷臂207一側，有三個電連接球209(金球焊接(gold ball bonding，GBB)或錫球焊接(solder bump bonding，SBB))將微驅動器205連接到磁頭折片組合的電纜210上。此外，還有四個電連接球208(GBB或SBB)用於實現磁頭203與懸臂件213之間的電連接。圖1c則展示了將磁頭203插入微驅動器205的詳細過程。其中，磁頭203通過環氧膠點212與兩個陶瓷臂207上的兩點206相粘結，從而使磁頭203的運動依賴於微驅動器205的陶瓷臂207。
當電流通過懸臂件電纜210施加於微驅動器205上時，微驅動器205的壓電片將膨脹或者收縮從而導致U形陶瓷框架297的兩個陶瓷臂207變形而使磁頭203在磁碟的軌道上移動。這樣，一個良好的磁頭位置調整(head positionadjustment)就可以實現。
然而，由於所述壓電微驅動器205和磁頭203被裝在懸臂舌(未標示)上，當壓電微驅動器205被激發時，由於微驅動器205的U形陶瓷框架297的限制，它將作單純的平動而使磁頭203搖擺，這樣將產生與激發懸臂件基板引起的震動相同的頻率的懸臂件的共振。這將限制磁碟驅動器的伺服系統帶寬以及容量的提高。如圖2所示，標號201代表激發懸臂件基板時的共振曲線，標號202代表激發微驅動器205時的共振曲線，該圖清楚地展示上述問題。
此外，由於微驅動器205包括一個附加塊，所以不僅影響其靜態性能，而且影響懸臂件213的動態性能，例如共振性能(resonance performance)，從而降低了懸臂件213的共振頻率並增加了其增益。
同時，因為微驅動器205的U形陶瓷框架297十分易碎，所以其抗震性能也是一個問題。
因此，提供一種微驅動器、磁頭折片組合、磁碟驅動器以解決上述問題實為必要。
發明內容
基於現有技術的不足，本發明的主要目的在於提供一種微驅動器及磁頭折片組合，可以實現良好的磁頭位置調整，並且在激發微驅動器時具有良好的共振性能(resonance performance)。
本發明的另一目的在於提供一種具有較大伺服系統帶寬以及容量的磁碟驅動器。
為了達到上述目的，本發明揭露了一種磁頭折片組合(head gimbalassembly)包括磁頭(slider)；以磁頭中心部分為旋轉中心水平旋轉磁頭的微驅動器(micro-actuator)；及用於支撐所述磁頭和微驅動器的懸臂件(suspension)。其中，所述微驅動器包括支撐框，該支撐框包括基部、活動片、連接基部和活動片的引柱；及連接基部和活動片的至少一個壓電片；所述引柱包括一個輔助磁頭水平轉動的樞軸部。在本發明中所述樞軸部比引柱寬度小。在一個實施例中，所述懸臂件包括形成於懸臂舌部、用於抵持支撐框基部的支撐裝置。所述至少一個壓電片夾持於所述懸臂舌部和微驅動器的支撐框之間，一片各向異性導電膜(ACF)將所述至少一個壓電片和懸臂件物理及電性相連。
在本發明一個實施例中，所述磁頭部分裝設在支撐框的活動片上，所述支撐裝置與懸臂件一體成型或與之相連接。其中，所述支撐裝置由聚合物或金屬製成。在一個實施例中，所述懸臂件包括一個設有小突起的負載杆，所述小突起用於支撐所述懸臂舌部，所述樞軸部形成於所述小突起的對應位置上。同時，在支撐框和懸臂舌部之間形成一個平行間隙。在本發明中，所述至少一個壓電片為薄膜壓電片或陶瓷壓電片。所述至少一個壓電片為單層結構或包含基層與壓電層的多層結構。所述壓電層為單層壓電結構或多層壓電結構，所述基層由金屬、陶瓷或聚合物(polymer)製成。
在本發明一個實施例中，所述基部及活動片通過引柱在預定位置平行連接，所述基部及活動片均為長方體。每個壓電片的兩端分別和基部和活動片相連接，每個壓電片上均設有複數電極觸點。
本發明一種硬碟驅動器，包括磁頭折片組合、與所述磁頭折片組合相連結的驅動臂、磁碟；及用以旋轉所述磁碟的主軸馬達。其中，所述磁頭折片組合包括磁頭(slider)、以磁頭中心部分為旋轉中心水平旋轉磁頭的微驅動器(micro-actuator)及用於支撐所述磁頭和微驅動器的懸臂件(suspension)。其中所述微驅動器包括支撐框，該支撐框包括基部、活動片、連接基部和活動片的引柱；及連接基部和活動片的至少一個壓電片；其中，所述引柱包括一個輔助磁頭水平轉動的樞軸部。
與現有技術相比，本發明微驅動器利用壓電片來旋轉支撐框的活動片，而磁頭部分地安裝於活動片上，從而可以旋轉磁頭。同時，設有樞軸部的引柱可阻止磁頭橫向運動，而僅允許其繞樞軸部旋轉。因為樞軸部與磁頭的中心線相對應，故磁頭可在不使磁頭折片組合擺動的情況下工作。亦即，磁頭的後緣部(trailing side)及前緣部(leading side)可同時向不同方向旋轉從而使磁頭得到更大的移動幅度。因為磁頭沿其中心旋轉，故可以獲得一個更大的位置行程調整能力及更寬的伺服系統帶寬。通常，通過旋轉方式調整磁頭的微驅動器的工作效率為通過平動方式調整磁頭的微驅動器(例如現有技術)的3倍。本發明微驅動器通過旋轉方式調整磁頭故可得到相當於現有技術3倍的工作效率。此外，相對於現有技術需要提供40V的驅動電壓用於壓電作業，本發明僅僅需要提供10V的驅動電壓因為省略了微驅動器的擺動方式(sway mode)，對應地，其節省了能源並可獲得較佳性能。此外，因為在懸臂舌上形成一個支撐裝置用於抵持支撐框的基部，從而在懸臂舌和支撐框間形成一個平行間隙，這樣，當微驅動器被激發時，活動片將更加自由地運動並在大範圍地旋轉磁頭。另外，懸臂共振現象不會發生在低頻段，而僅僅有單純的微驅動器共振現象發生在高頻段，這將增大磁碟驅動器的伺服系統帶寬及磁碟驅動器容量。最後，對比現有的U型陶瓷框架，本發明微驅動器的結構將獲得更好的抗震性能。
為使本發明更加容易理解，下面將結合附圖進一步闡述本發明微驅動器、磁頭折片組合、硬碟驅動器的具體實施例。
圖1a為現有磁頭折片組合(HGA)的立體圖；圖1b為圖1a的放大局部視圖；
圖1c展示了將磁頭插入圖1a中磁頭折片組合(HGA)的微驅動器中的詳細過程；圖2展示了圖1a中磁頭折片組合的共振曲線(resonance curve)；圖3本發明磁頭折片組合(HGA)第一實施例的立體圖；圖4是圖3中磁頭折片組合的局部放大圖；圖5是圖3中磁頭折片組合的立體分解圖；圖6是圖4中磁頭折片組合沿A-A線的局部剖視圖；圖7展示了本發明微驅動器未被施加電壓時的初始狀態；圖8及9展示了圖7中的微驅動器在被激發時的兩種不同的工作方式；圖10a展示了圖7所示的微驅動器的兩個壓電片間的電連接關係，根據本發明一個實施例，所述兩個壓電片具有相同的極化方向；圖10b展示了圖7所示的微驅動器的兩個壓電片間的電連接關係，根據本發明另一個實施例，所述兩個壓電片具有相反的極化方向；圖10c展示了分別加在圖10a所示兩個壓電片上的兩個電壓的波形圖；圖10d展示了分別加在圖10b所示兩個壓電片上的電壓的波形圖；圖11展示了圖3中磁頭折片組合的共振曲線；及圖12為本發明磁碟驅動器一個實施例的立體圖。
具體實施例方式
參考圖3，本發明一種磁頭折片組合3包括磁頭31、微驅動器32及用於承載所述磁頭31及微驅動器32的懸臂件8。
同樣請參考圖3，懸臂件8包括負載杆(load beam)17，撓性件(flexure)13、樞接件(hinge)15及基板(base plate)11。負載杆17上設有複數小突起329(參圖6)。在撓性件13上設有複數電極觸點308，複數電極觸點308一端和控制系統相連(未圖示)，另一端和複數電纜309，311相連。參考圖4及5，所述撓性件13亦包括一個懸臂舌片(suspension tongue)328，所述懸臂舌片328用於支撐微驅動器32和磁頭31，並使得承載力總是通過負載杆17上的小突起329施加於磁頭31的中心區域。所述懸臂舌片328上設有複數電極觸點113和328a。磁頭31一端對應於懸臂舌片328上電極觸點113設有複數電極觸點204。
參考圖4-5，根據本發明一個實施例，微驅動器32包括支撐框320及兩個壓電片321，322。每個壓電片321，322上對應電極觸點328a設有複數電極觸點(例如，壓電片321上設有兩個電極觸點321a，壓電片322上設有兩個電極觸點322a)。所述支撐框320可由金屬(例如，不鏽鋼)、陶瓷或者聚合物製成。其包括底臂392、頂臂390、及在預定位置平行連接底臂392與頂臂390的引柱393。在一個實施例中，底臂392和頂臂390均為長方體。所述引柱393上形成有樞軸部394，該樞軸部394的寬度比引柱393小。所述底臂392包括兩個自由端392a、392b，而所述頂臂390包括兩個自由端390a、390b。參考圖6，在一個實施例中，樞軸部394對應於負載杆17上小凸起329的位置而形成。這樣，支撐框320就和懸臂舌328具有相同的旋轉中心，同時一個平行間隙400形成在支撐框320和懸臂舌328之間。在本發明中，壓電片321通過將其兩端於支撐框320的兩個自由端392b和390b相連而與支撐框320連接起來。相似的，壓電片322通過將其兩端於支撐框320的兩個自由端392a和390a相連而與支撐框320連接起來。其中，所述壓電片321、322與支撐框320的連接方式可為傳統連接方式，例如環氧膠連接、各向異性導電膜連接。
在本發明中，所述壓電片321、322最好由薄膜壓電材料製成，該壓電片321、322可為單層壓電元件或多層壓電元件。在一個實施例中，所述壓電片321、322均可為包括內基層與外壓電層的多層結構。所述內基層可由陶瓷、聚合物或金屬製成，外壓電層可為單層壓電元件或多層壓電元件。
參考圖5和6，一個支撐條300形成於所述懸臂舌328上用來支撐支撐框320。在本發明中，所述支撐條300可與懸臂舌328一體成型，或通過雷射焊接與之相連接。在一個實施例中，所述支撐條300的厚度大於或等於30μm，該支撐條300由聚合物或金屬製成(如不鏽鋼)。
參考圖4-6，在本發明一個實施例中，所述兩個壓電片321、322和支撐框320連在一起而形成微驅動器32；然後，將磁頭31和微驅動器32相粘結；接著，磁頭31和微驅動器32被裝在懸臂件8上而形成磁頭折片組合3。
在本發明中，磁頭31通過環氧膠或ACF 40部分裝設於支撐框32上。優選地，磁頭31部分裝設於頂臂390上。微驅動器32通過用ACF將其上的兩個壓電片321，322與懸臂舌328相連而裝在懸臂件8上。對應地，兩個壓電片321、322上的電極觸點321a和322a與懸臂舌328上的電極觸點328a電性連接，從而將微驅動器32與懸臂件8上的兩個電纜311電性連接。此時，支撐條300被壓在支撐框320下用於抵持支撐框320的底臂392。在一個實施例中，所述支撐條300一端靠近樞軸部394。在本發明中，複數金屬球405用於電性連接磁頭31上的電極觸點204與電極觸點113，從而將磁頭31與電纜309電性連接。通過所述電纜309、311，所述電極觸點308將磁頭31及微驅動器32與控制系統電性相連(未圖示)。顯而易見，磁頭折片組合3亦可這樣裝配首先將微驅動器32與懸臂件8相連接，然後將磁頭31裝在微驅動器32上。
圖7-9，10a，10c展示了微驅動器32實現磁頭位置調整功能的第一種工作方式。在該實施例中，所述兩個壓電片321、322具有相同的極化方向(polarization direction)，如圖10a所示，該兩個壓電片321、322的一端404被共同接地，另一端401a和401b被分別施加具有兩個不同波形406、408的兩個電壓(如圖10c所示)。圖7展示了微驅動器32的初始狀態，即沒有電壓施加於微驅動器32上的壓電片321、322上時的狀態。當具有波形406、408的電壓施加於兩個壓電片321、322上時，在第一個半個周期，隨著驅動電壓的變化，壓電片321逐漸收縮到一個最短的位置，而同時壓電片322逐漸膨脹到一個最長的位置(對應於最大的位移位置)；然後又逐漸回復到其初始位置。在本發明中，因為壓電片321和支撐框320的自由端392b和390b相連而壓電片322和支撐框320的自由端392a和390a相連。在上述半個周期，隨著驅動電壓406、408的變化，頂臂390將被壓電片321、322以樞軸部394為旋轉中心旋轉至左側，然後又返回其初始位置。因為樞軸部394形成在引柱393上。當驅動電壓406、408進入第二個半個周期時(和第一個半個周期的相位相反)，壓電片322逐漸收縮到一個最短的位置，而同時壓電片321逐漸膨脹到一個最長的位置；然後又逐漸回復到其初始位置。在本發明中，因為樞軸部394的寬度比引柱393的寬度小，所以樞軸部394可以輔助磁頭31的水平轉動，亦即，引柱393很容易在小寬度樞軸部394處被彎曲，從而使磁頭31可得到更大的轉動。此外，因為所述支撐條300抵持支撐框320的底臂392，從而在頂臂390和懸臂舌328間形成一個平行間隙，這樣，頂臂390在被壓電片321、322驅動時可以更加自由地旋轉。
圖7-9，10b，10d展示了兩個壓電片321、322實現磁頭位置調整功能的另一種工作方式。在該實施例中，所述兩個壓電片321、322具有相反的極化方向，如圖10b所示。該兩個壓電片321、322的一端404被共同接地，另一端401a和401b被分別施加具有同一正弦波形407的電壓(參圖10d)。在上述電壓驅動下，在相同的半個周期內，壓電片321將逐漸收縮而同時壓電片322將逐漸膨脹，從而將支撐框320的頂臂390旋轉至左側；當電壓進入下半個周期時，壓電片321將膨脹而同時壓電片322收縮，從而將頂臂390旋轉至右側。
在本發明中，因為磁頭31部分地裝設在支撐框320的頂臂390上，所以所述磁頭31將以其中心部分(對應於樞軸部394)為旋轉中心、隨著頂臂390而旋轉。從而可得到一個良好的磁頭位置調整。
與現有技術相比，本發明微驅動器32可以磁頭31的中心部分為旋轉中心旋轉磁頭31，從而可使磁頭31的前緣部(leading side)和後緣部(trailingside)可往不同方向移動，然而現有的微驅動器僅能擺動磁頭的後緣部(因為其前緣部被固定).這樣，因為磁頭的前緣部和後緣部均可移動，所以本發明可使磁頭得到更大幅度的擺動。對應地，就可以提高磁頭的位置調整能力(headposition adjustment capacity)。
圖11展示了本發明磁頭折片組合共振性能的測試結果，其中，701代表懸臂件的基板激發共振曲線，而702代表微驅動器激發共振曲線。從該圖可看出，當激發微驅動器32時，懸臂共振未發生在低頻段，而僅僅有單純的微驅動器共振發生在高頻段，這樣將增大磁碟驅動器的伺服系統帶寬並提高其容量，同時減少磁頭的搜索及定位時間(seeking and settling time)。
在本發明中，參考圖12，將本發明磁頭折片組合3與磁碟驅動器殼體108、磁碟101、主軸馬達102、音圈馬達107等進行組裝即可形成一個磁碟驅動器。因為本發明磁碟驅動器的組裝過程及結構為業界普通技術人員所知曉，故在此不再詳述。
權利要求
1.一種磁頭折片組合(head gimbal assembly)，其特徵在於包括磁頭(slider)；以磁頭中心部分為旋轉中心水平旋轉磁頭的微驅動器(micro-actuator)；及用於支撐所述磁頭和微驅動器的懸臂件(suspension)；其中所述微驅動器包括支撐框，該支撐框包括基部、活動片、連接基部和活動片的引柱；及連接基部和活動片的至少一個壓電片；其中，所述引柱包括一個輔助磁頭水平轉動的樞軸部。
2.如權利要求1所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述樞軸部比引柱寬度小。
3.如權利要求1所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述懸臂件包括形成於懸臂舌部、用於抵持支撐框基部的支撐裝置。
4.如權利要求3所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述至少一個壓電片夾持於所述懸臂舌部和微驅動器的支撐框之間，一片各向異性導電膜(ACF)將所述至少一個壓電片和懸臂件物理及電性相連。
5.如權利要求1所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述磁頭部分裝設在支撐框的活動片上。
6.如權利要求3所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述支撐裝置與懸臂件一體成型或與之相連接。
7.如權利要求3所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述支撐裝置由聚合物或金屬製成。
8.如權利要求3所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述懸臂件包括一個設有小突起的負載杆，所述小突起用於支撐所述懸臂舌部，所述樞軸部形成於所述小突起的對應位置上。
9.如權利要求3所述的磁頭折片組合，其特徵在於在支撐框和懸臂舌部之間形成一個平行間隙。
10.如權利要求1所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述至少一個壓電片為薄膜壓電片或陶瓷壓電片。
11.如權利要求1所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述至少一個壓電片為單層結構或包含基層與壓電層的多層結構。
12.如權利要求11所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述壓電層為單層壓電結構或多層壓電結構，所述基層由金屬、陶瓷或聚合物(polymer)製成。
13.一種微驅動器，包括支撐框，該支撐框包括基部、活動片、連接基部和活動片的引柱；及連接基部和活動片的至少一個壓電片；其中，所述引柱包括一個輔助活動片水平轉動的樞軸部。。
14.如權利要求13所述的微驅動器，其特徵在於所述樞軸部比引柱寬度小。
15.如權利要求13所述的微驅動器，其特徵在於所述基部及活動片通過引柱在預定位置平行連接，其中每個均為長方體。
16.如權利要求13所述的微驅動器，其特徵在於每個壓電片的兩端分別和基部和活動片相連接，每個壓電片上均設有複數電極觸點。
17.如權利要求13所述的微驅動器，其特徵在於所述至少一個壓電片為薄膜壓電片或陶瓷壓電片。
18.如權利要求13所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述至少一個壓電片為單層結構或包含基層與壓電層的多層結構。
19.如權利要求18所述的磁頭折片組合，其特徵在於所述壓電層為單層壓電結構或多層壓電結構，所述基層由金屬、陶瓷或聚合物(polymer)製成。
20.一種硬碟驅動器，包括磁頭折片組合；與所述磁頭折片組合相連結的驅動臂；磁碟；及用以旋轉所述磁碟的主軸馬達；其特徵在於所述磁頭折片組合包括磁頭(slider)、以磁頭中心部分為旋轉中心水平旋轉磁頭的微驅動器(micro-actuator)及用於支撐所述磁頭和微驅動器的懸臂件(suspension)；其中所述微驅動器包括支撐框，該支撐框包括基部、活動片、連接基部和活動片的引柱；及連接基部和活動片的至少一個壓電片；其中，所述引柱包括一個輔助磁頭水平轉動的樞軸部。
全文摘要
本發明公開了一種磁頭折片組合包括磁頭(slider)；以磁頭中心部分為旋轉中心水平旋轉磁頭的微驅動器(micro－ac tua tor)；及用於支撐所述磁頭和微驅動器的懸臂件(suspension)；其中所述微驅動器包括支撐框，該支撐框包括基部、活動片、連接基部和活動片的引柱；及連接基部和活動片的至少一個壓電片；其中，所述引柱包括一個輔助磁頭水平轉動的樞軸部。所述樞軸部比引柱寬度小。所述懸臂件包括形成於懸臂舌部、用於抵持支撐框基部的支撐條。本發明同時公開了使用該磁頭折片組合的硬碟驅動器結構。
文檔編號G11B21/10GK1755799SQ200410079310
公開日2006年4月5日 申請日期2004年9月28日 優先權日2004年9月28日
發明者姚明高, 白石一雅 申請人:新科實業有限公司