(57)【要約】【課題】    磁気ディスク記録装置の浮上ヘッドスライダにおいて、１０ナノメートル以下の超微小浮上すきま領域では潤滑剤のメニスカスによりスライダがディスク面に吸着し、跳躍振動を生じてしまう問題があった。本発明はその原因となるメニスカス力とファンデルワールス力を小さくして接触跳躍振動をなくし安定浮上を実現する。【解決手段】  スライダの後側空気軸受面のヘッド位置部分に球面、楕円体面、円筒面等の凸曲面を形成し、その頂点位置近傍に記録再生ヘッドを設置し、後側軸受面の浮上量を吸着が生じない程度に大きくして、凸曲面頂点近傍の浮上すきまを１０ナノメートルより小さくする。【選択図】図１
2006196137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録再生ヘッドをディスク記録媒体に微小なすきまで気体潤滑膜により位置づける浮上ヘッドスライダにおいて、スライダの後側の空気軸受面の一部を凸曲面に形成し、その頂点近傍に記録再生ヘッドを設置したことを特徴とする浮上ヘッドスライダ。
【請求項２】
記録再生ヘッドをディスク記録媒体に微小なすきまで気体潤滑膜により位置づける浮上ヘッドスライダにおいて、スライダの後側の空気軸受面の一部を、走査方向またはトラック幅方向に曲率半径が異なる楕円体曲面に形成し、その頂点近傍に記録再生ヘッドを設置したことを特徴とする浮上ヘッドスライダ。
【請求項３】
記録再生ヘッドをディスク記録媒体に微小なすきまで気体潤滑膜により位置づける浮上ヘッドスライダにおいて、スライダの後側の空気軸受面の一部をほぼ一様な曲率半径をもつ球面に形成し、その頂点近傍に記録再生ヘッドを設置したことを特徴とする浮上ヘッドスライダ。
【請求項４】
記録再生ヘッドをディスク記録媒体に微小なすきまで気体潤滑膜により位置づける浮上ヘッドスライダにおいて、スライダの後側の空気軸受面の一部を、トラック幅方向または走査方向にほぼ一様な曲率半径をもつ円筒面に形成し、そのディスク面に最も近接した位置近傍に記録再生ヘッドを設置したことを特徴とする浮上ヘッドスライダ。
【請求項５】
前記の凸曲面、走査方向またはトラック幅方向の曲率半径が異なる楕円体曲面、曲率半径がほぼ一様な球面、ならびにトラック幅方向または走査方向にほぼ一様な曲率半径をもつ円筒面を、微小なステップの階段状面で近似的に形成し、その最上面でディスク面に最も近接した位置近傍に記録再生ヘッドを設置したことを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４に記載の浮上ヘッドスライダ。
【請求項６】
前記の凸曲面、楕円体面、球面、円筒面のディスク面に最も接近した最小すきま位置近傍の合成曲率半径が１００ｍｍ以下で、その位置の後端軸受面からの高さが数ナノメートル以上となるように形成したことを特徴とする請求項１から４記載の浮上ヘッドスライダ。
【請求項７】
前記の凸曲面、楕円体面、球面、円筒面のディスク面に最も接近した最小すきま位置近傍の合成曲率が１００ｍｍ以下で、その位置の後端軸受面からの高さが数ナノメートル以上となる面を微小なステップの階段状面で近似的に形成したことを特徴とする請求項１から４記載の浮上ヘッドスライダ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はコンピュータ用ファイル記憶装置として使用されている磁気ディスク記憶装置において、記録再生変換素子（以下、ヘッドという）をディスク状記録媒体面に微小且つ一定のすきまで位置決めする浮上ヘッドスライダに関するものである。さらに詳しくいえば、ヘッドとディスク記録媒体のすきまを数ナノメートル以下に接近させても、潤滑膜のメニスカス力やディスク面のファンデルワールス力によって生じる吸引力をスライダの浮上力より小さくし、よってスライダに作用する摩擦力もスライダ浮上力の半分程度以下にし、ヘッドとディスクとのすきまを１０ナノメートル（ｎｍ）以下の任意の微小すきまに安定に設定できる浮上ヘッドスライダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  コンピュータ用ファイル記憶装置として使用されている磁気ディスク装置を図８に示す。図８に示すように、磁気ディスク装置２は、磁気ディスクスピンドル機構６、ヘッド位置決め機構３および浮上ヘッドスライダ機構１０から構成されている。このうち、浮上ヘッドスライダ機構は、極めて小さいため見えないので、図９にその拡大した側面図を示している。図８および図９に示すように、磁気ディスク記憶装置では、回転する磁気ディスク５にヘッドを微小かつ一定のすきまで位置づけるために、空気膜潤滑の原理に基づくヘッドスライダ１（以下、簡単にスライダともいう）を用いている。即ち、ディスク面は矢印１２で示された方向に速度１０〜６０ｍ／ｓで走行しているので、ディスク面上の空気をスライダ１の下面に矢印１４のように掻きこむことにより、スライダ下面に形成されたステップ軸受面に高い圧力を発生させることができる。スライダ前後のステップ軸受を適当に設計することにより、サスペンション１１の弾性変形反力を用いてスライダ背面中央部に１０〜５０ｍＮの荷重を作用させると軸受浮上力とバランスし、ディスク面に対して１００μラジアン前後の傾斜角をもち、その後端の浮上すきまｈが１０〜１５ｎｍとなるようになっている。ヘッド１８はスライダ１の後端に設置されているので、ディスク面上の記録媒体に最も接近して効率よく記録再生できるようになっている。【０００３】  浮上ヘッドスライダ機構の機能は、回転するディスク面が上下振動１３をしていても、またディスク面に図９に示すようなうねりがあっても、ヘッドとディスク面との浮上すきまを一定に維持することである。このヘッドのディスク面への追従機能は、空気膜の等価的なばね剛性がサスペンションのばね剛性より４〜５桁大きく、よってディスク面に５μｍの振れがあってもすきま変動を０．１ｎｍ以下にすることができる。またスライダ質量が小さいために、空気膜剛性とスライダ質量、慣性モーメントで構成されるピッチモードの１次、２次共振周波数はそれぞれ１００，２００ｋＨｚ程度と高く、これらの周波数までのディスク面うねりや振動に追従することができる。【０００４】  図１０に最近の磁気ディスク装置で用いられているステップ形スライダの磁気ディスク面に対抗するステップ軸受面の形状の例を示す。空気軸受面は３つの高さの異なる面を有し、最も高い面を有する３個の軸受面１５ａ，１５ｂ、１５ｃと、それより１００〜２００ｎｍにある軸受面１６ａｂ、１６ｃ、およびそれらから１〜２マイクロメートル（μｍ）下にある面１７がある。ディスク面の運動により矢印１４の方向から運ばれた空気は、前側軸受面１５ａ、１５ｂではその前方にある軸受面１６ａｂとのステップ部によるすきま減少により、また後側軸受面１５ｃではその前方にある軸受面１６ｃとのステップ部によるすきま減少により圧縮されて圧力が高まる。更に図９から分かるように、ヘッドスライダはピッチ角をもっているから軸受面内で後端に行くにしたがって圧力が高まるようになっている。また、軸受面１５ａ、１５ｂ、１５ｃはほぼ同一平面内にあるが、多少の凸のクラウン形状をなしており、これにより後側軸受面に高い圧力が発生するようにしている。一方軸受面１７には負圧が発生し、この負圧力と負荷力の和と上記浮上力とが釣り合って図２の浮上姿勢と浮上すきまが形成される。スライダの浮上すきまが小さくなると浮上力が著しく増大するので空気膜は強いばね効果を有し、よってヘッドを回転するディスク表面に一定のすきまで位置決めすることができる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
【非特許文献１】分子間力と表面力、第２版、Ｊ．Ｎ．イスラエルチヴィリ著、近藤保／大島広行訳、第１７３頁
【特許文献１】特開２００３−１６８２７３号公報（第９頁、図１）
【０００６】  高密度記録のため、現在スライダのヘッド位置におけるディスク面とのすきまは１０ｎｍ程度に微小化されてきており、今後更に高密度化するためには、すきまを５〜６ｎｍ程度にすることが要求されている。しかし、スライダ後端のすきまを数ｎｍに低減すると、スライダがディスク面に吸引され、スライダには摩擦力も作用し、スライダが激しい跳躍振動を生じるという問題が生じてきた。
スライダの接触跳躍振動の原因となるスライダ後側軸受面とディスク面との相互作用力について図９を用いて説明する。磁気ディスク５は、アルミまたはガラスの上にＮｉＰなどの硬質皮膜が形成された基盤層５ａの上に磁性記録媒体層５ｂが形成され、その上に摩耗耐久性を高め磁性媒体の腐食を防ぐために数ナノメートルのアモルファスカーボン膜５ｃが形成されている。スライダの軸受面もアモルファスカーボン膜で覆われているが、ここでは省略している。ディスク面には、更にスライダとディスクが接触したとき、直接固体面同士が接触して接触面が破壊したり摩耗したりしないように１〜２ｎｍの厚さの潤滑膜が塗布されている。
【０００７】  スライダの最小すきまが数ｎｍの領域では、ディスク面の表面あらさや潤滑膜厚さの揺らぎのため、スライダの後側の軸受面とディスク面との間に潤滑剤がメニスカスを形成しやすくなる。特に潤滑剤がスライダ軸受面にも付着し、潤滑膜の揺らぎによる潤滑膜粗さが数ｎｍに達する場合もあるからである。いったん潤滑剤によりスライダ軸受面とディスク面が架橋されると吸着力が増大してスライダがディスク面に接触し、それによって生じる大きな摩擦力のためにスライダが不安定な跳躍振動を発生じるようになるのである。
【０００８】  従来この吸着力の影響を低減するために、図１０の後側軸受面のヘッドを含む後端中央部の幅を小さくし、接触しやすい軸受面積を小さくする方法が提案されていた。しかしこの場合でも、ディスク面の粗さがＲａ＝０．２ｎｍ程度になると浮上すきまが７〜８ｎｍ程度以下の領域でスライダの吸着力が強くなり跳躍振動の発生がさけられなくなっている。その理由はスライダ後側軸受面の後端がディスク面に接触すると、微小なピッチ角をもつ後側軸受面とディスク面の間の広い領域にメニスカスが形成され、吸着力と摩擦力が急増するからである。
【０００９】  潤滑剤が軸受平面とディスク面間に満たされ、その狭いすきま領域の周辺近傍内部でメニスカス境界をもつ場合の吸着力は、
Ｆｍ＝２Ｓγ／ｈ                                                  （１）
で表わされる。ここでγは潤滑剤の表面エネルギーないし表面張力で約２２ｍＮ／ｍである。またｈは軸受面とディスク面のすきま、Ｓは軸受面の面積である。今、メニスカスにより面積１０００μｍ２の軸受面とディスク面が接近しｈ＝０．２ｎｍ程度になると、Ｆｍ＝２２０ｍＮとなり、よって摩擦力も顕著に大きくなる。このため接触面積を小さくすることが重要であるが、後側軸受面積を小さくするとその浮上力が低下し、また空気膜剛性も低下するので追従性が劣化する。高密度化のためにディスク面粗さを小さくすればするほど接触時のｈは小さくなるから、一旦メニスカスが形成されると吸着力Ｆｍはスライダの浮上力より大きくなり、スライダはディスク面に吸着してしまう。
【００１０】  式（１）から、２平面間にメニスカスが形成されたときの吸着圧力は
Ｐｍ＝２γ／ｈ                                                    （２）
で表され、ｈ＝０．２ｎｍのとき、Ｐｍ＝２２０ＭＰａとなる。よってこのような吸着圧力をもつ面が粗さ突起接触し、高速で摺動すれば、突起接触面の面圧はこの１０倍以上になり、突起面上の潤滑膜は破壊され、粗さ突起は塑性変形し摩耗してしまう。
【００１１】  スライダの接触跳躍振動を防ぐために、空気軸受面の浮上力がディスク面の吸着力に負けないように、後側の空気軸受の浮上力と空気膜剛性を高めて吸着力に耐える設計も行われてきた。しかし、潤滑剤が浮上すきまｈ＝５ｎｍで軸受面とディスク面間に架橋し、式（２）で示す吸着圧力が生じたとすると、Ｐｍ＝８．８ＭＰａとなる。この値は大気圧の８８倍であり、よってこれに打ち勝つ空気膜圧力を発生させることは困難となる。また軸受面とディスク面間にメニスカスが形成されると空気膜圧力も生じなくなるので、吸着力の方が大きくなってしまう。そして一旦吸着力が浮上力に勝るようになると、スライダとディスク面間のすきまが益々小さくなり、スライダはディスク面に益々強く吸着されてしまう。
【００１２】  メニスカス力によりスライダ軸受面とディスク面の距離が１ｎｍ以下になると固体面間のファンデルワールス力も生じるようになる。粗さのない滑らかな平行平面間のファンデルワールス力による単位面積当たりの吸着圧力は
Ｐｆ＝Ａ／（６πｈ３）                                        （３）
で与えられる（非特許文献１参照）。ここでＡはＨａｍａｋｅｒ定数でＡ＝１０−１９Ｊ（ジュール）程度である。これを用いると、ｈ＝０．２ｎｍの場合の吸着圧力Ｐｆは７００ＭＰａに達する。よって高密度化のために記録媒体面の粗さを小さくすると、ひとたび潤滑剤のメニスカスによりスライダ軸受面とディスク面が吸引接触しスライダ・ディスク面間のすきまが小さくなると、たとえ接触面積を小さくしてもファンデルワールス力により著しい吸着圧力が生じることになる。
【００１３】  一方、特許文献１によれば、後側軸受面１５ｃのヘッド近傍部分に更に数ｎｍ高い軸受面を有する構成も提案されている。その実施例を図１１に示す。図１１においては、後側軸受面１５ｃの面に対して、４で示す面が更に数ｎｍだけ高くなっている。この構成はディスク面の微小うねりに対するスライダの追従性を高めるために提案されたものであるが、最大接触面積が小さく限られているために吸着力を小さくできる利点がある。しかしこの最小すきま部の軸受面４は基本的に平面であり、よってスライダ軸受面やディスク面の表面粗さが小さく滑らかになると、メニスカス力やファンデルワールス力により接触面には大気圧の数千倍の吸着圧力が発生し、これがディスク媒体面の摩耗とスライダの跳躍振動の原因になるという問題があった。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】  本発明はこのメニスカス吸着力とファンデルワールス力をスライダ軸受の浮上力より十分小さくすることができるヘッド近傍の軸受面形状を提供するものであり、具体的には、スライダの後側軸受面のヘッド近傍を曲率半径の小さい凸曲面に形成し、従来の軸受平面から数ナノメートル突出させ、その頂点近傍にヘッドを設置したことを特徴とする。凸曲面の形状は任意でよいが、その代表例としては、第１に面内で直交する２方向の曲率半径が異なる楕円体面があり、第２に最も簡明な曲率半径がほぼ一様な球面があり、第３に１方向の曲率半径が無限大に相当する円筒面があり、本発明はこれらすべての形状および加工精度上これらから多少ずれたものも含むものとする。さらに本発明は、これら各種の凸曲面を微細加工技術により階段状の面で近似的に形成した場合をも含む。この場合には微小なステップの階段状面により近似的に上記の凸曲面を形成するので、これから得られる効果は滑らかな凸曲面に近いものとなる。
【発明の効果】
【００１５】  これら本発明の凸曲面の頂点近傍にヘッドを設置し、ヘッドとディスク面とのすきまを１０ｎｍ以下のすきまで維持する浮上ヘッドスライダにおいては、たとえ凸曲面頂点部とディスク面との間にメニスカスが形成されてもその頂点近傍の合成された曲率半径を特定な値より小さくすれば、メニスカス吸着力とファンデルワールス力を空気軸受の浮上力より小さくでき、よって摩擦力も小さくでき、接触跳躍振動を抑圧できる。また凸曲面がディスク面に接触した場合にも、凸曲面の最大接触応力を従来の粗さ接触による接触応力より小さく出来、しかもスライダ凸曲面とディスク面の間に潤滑剤をメニスカス形成によって保持する機能もあるので、スライダ面とディスク面の摩耗耐久性を著しく向上させることができる。以下、吸着力の発生原理に基づき接触応力を評価し、本発明の効果およびその効果を有効に発揮するための最良の設計条件を、まず簡明な球面の場合を例にして、図面を用いて詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００１６】図１は本発明の１実施例で、ヘッドスライダ１の後側軸受面２５ｃの圧力中心位置近傍ないしヘッド位置近傍をほぼ一様な曲率半径Ｒをもつ球面２１に形成したことを特徴とする。また図２は本実施例の浮上ヘッドスライダがディスク面に対して浮上しているときの側面を模式的に示した図である。図１のヘッド１８は図２に示されていないが、ディスク面に最も接近した位置にあるよう、球面２１の頂点近傍に設置されている。このスライダの球面２１の頂点の高さＨは、たとえ球面頂点とディスク面間にメニスカスが架橋されても、潤滑剤がスライダ固体面との分離圧力により球面頂点から裾野の後側軸受面２５ｃへと移動し、後側軸受平面とディスク面との間にメニスカスが形成されないように十分大きいことが重要である。このため球面の頂点の高さＨは数ナノメートル以上となっている。一方、広い面積をもつ後側軸受面２５ｃのディスク面からの浮上高さＨ１は、後側軸受面自身とディスク面との間にメニスカスが形成されないように十分大きいことが重要であるが、同時に後側軸受の空気膜剛性を高めるためには小さい方が望ましく、このためＨ１は１０〜１５ｎｍ程度に設定するのが適当であろう。所望の高密度記録に必要な球面の頂点近傍の浮上すきまをＨ０とすれば、当然ながらほぼＨ０＝Ｈ１−Ｈの関係がある。
ただし本発明は、スライダのヘッド位置近傍の最小すきま部分のメニスカス吸引力と摩擦力を小さくする手段を提供するもので、他の空気軸受部分の形状を限定するものではない。図５は本発明を図３に示した従来のスライダに適用した場合を例示しただけで、ヘッド近傍の球面部分以外のスライダ軸受面は、従来のすべての各種スライダの軸受面と組み合わせることが可能であり、また今後設計される任意の軸受面を含むことは明らかである。【００１７】  後側軸受面内の球面頂点の位置は、ヘッドギャップ位置が空気軸受の圧力中心と一致するかあるいは圧力中心に十分近くなるようにするのが追従性の観点から望ましい。また後側空気軸受はその空気膜剛性を十分高くなるように設計する。この球面にも空気膜潤滑機構によって圧力が発生し、スライダの後側空気軸受面の機能の一部を担う。しかし球面部はその頂点から後端側では広がりすきま領域となるので圧力が減少する。そこで、後側軸受面２５ｃ内で負圧が生じないように設計する。このためには頂点の後側の長さはその前側より小さくするのが望ましい。この球面部も浮上力を発生するが、その浮上力負担率は２０％以下が望ましい。球面頂点は浮上状態を前提とするが、潤滑剤が付着し、メニスカスが形成され、その頂点は空気膜圧力が生じなくなる可能性があるからである。また球面の頂点近傍はディスク面の突起と間欠的に接触し、多少の摩耗は免れないからで、長期の間欠接触のために後側軸受面の浮上力が増減する可能性があるからである。しかし頂点部はなじみ効果で一定値に落ち着く性質がある。浮上力負担率が２０％であっても、頂点部のすきまが小さいので空気膜剛性の寄与はこれより大きくなるが、空気膜剛性の低下によるスライダの固有振動数への寄与は空気膜剛性の平方根に比例するので頂点近傍の浮上力の有無による固有振動数への影響は２０％以下となる。【００１８】  本発明の球面２１の曲率半径はメニスカス吸着力とファンデルワールス力の最大許容値をいくつにすべきかで決まり、吸着力を小さくしたい場合には曲率半径を小さくする。しかし、球面の頂点近傍の高さ変化が０．５ｎｍより小さい範囲に記録再生ヘッドを設置しなければならないので曲率半径はあまり小さくできない。そこでさらに曲率半径Ｒの球面に近い凸曲面のメニスカス力とファンデルワールス力の具体的な値を考慮しつつ曲率半径の適当な設計値の範囲について説明する。【００１９】  半径Ｒの球面と平面の間に形成されるメニスカス力Ｆｍは、メニスカス架橋があれば両者の距離には関係なくほぼ
Ｆｍ＝４πＲγ                                                （４）
で表される。ここで、γ＝０．００２２〜０．００２４Ｎ／ｍだから、Ｒ＝１０ｍｍとすると、Ｆｍ＝３ｍＮが得られる。
ところで、現在使用されている浮上ヘッドスライダの浮上力の総和は３０〜７０ｍＮであり、サスペンションからの荷重は１０〜３０ｍＮ程度である。また後側軸受の空気膜剛性は２×１０６Ｎ／ｍ程度である。そこで球面頂点が５ｎｍで浮上しているとして、メニスカス架橋によりスライダ軸受面がディスク面に吸着しないようにするためにはメニスカス力を浮上力以下にすればよい。そこでこの限界を３０ｍＮとすると、Ｒ＝１００ｍｍ以下となる。
一方、先端距離がｈだけ離れた半径Ｒの球と平面とのファンデルワールス力Ｆｆは非特許文献１より、
Ｆｆ＝ＡＲ／（６ｈ２）                                          （５）
で表される。Ａは前述のＨａｍａｋｅｒ定数である。ファンデルワールス力Ｆｆはｈ＞１ｎｍの場合にはきわめて小さく無視できる。そこでメニスカス吸着力とすきま変動で球面頂点がディスク面に接触し、ｈ＝０．２ｎｍになったとすると、Ｒ＝１０ｍｍ、１００ｍｍのとき、それぞれＦｆ＝４ｍＮ、４０ｍＮが得られる。【００２０】  よって球面の半径が１０ｍｍの場合には、たとえ球面頂点とディスク面とのすきまがｈ＝０．２ｎｍとなったとしても吸着力の総和は７ｍＮ程度であり、ほとんど問題にならない。もしＲ＝１００ｍｍとするとメニスカス力との和は７０ｍＮとなるが、この吸着力を超える浮上力は軸受面の設計によって可能である。現在の後側軸受の空気膜剛性２×１０６Ｎ／ｍを用いて、すきまが５ｎｍから０ｎｍになったときの浮上力の増加分を計算すると１０ｍＮとなる。しかしこれは空気膜を線形ばねとみなした場合の結果で、実際にはすきまが小さくなると浮上力はすきまに逆比例して増加し、空気膜剛性はすきまの２乗に逆比例して増大する。よって本発明の微小すきまヘッドスライダの定常浮上時における後側軸受面の浮上すきまを１０ｎｍとし、球面頂点のすきまを５ｎｍに設計したとすれば、球面頂点がディスク面に接触したときの浮上力は定常浮上時の２倍になるから、定常浮上時の浮上力を３５ｍＮ以上に設計すればよい。本発明の浮上ヘッドスライダは後側軸受の面積を増やすことができるので、定常浮上状態における浮上力と空気膜剛性を現状より高めることも可能である。またこの球面部で発生する空気膜圧力も剛性増大に寄与できる。このことから、ｈ＝０．２ｎｍの接触時においてメニスカス吸着力３０ｍＮとファンデルワールス力４０ｍＮとを許容するとすれば、球面の曲率半径はＲ＝１００ｍｍ程度以下となる。【００２１】  以上のことから、本発明のスライダ後側軸受面に球面を形成し、この頂点近傍にヘッドを設け、球面頂点近傍のみをディスク面に接近させる浮上ヘッドスライダでは、球面の曲率半径をＲ＝１００ｍｍ程度以下にすれば吸着力を浮上力より小さくすることができ、メニスカス力やファンデルワールス力による跳躍振動の問題は生じない。【００２２】  しかし、球面頂点にメニスカスが形成された場合とされない場合のメニスカス力によるすきま変動を定常浮上時のすきまの１０％程度に小さく抑えるには、メニスカス力を定常浮上力の１０％程度に抑えることが望ましい。いま定常時浮上力の１０％として４．５ｍＮを許容するとすれば、式（４）から曲率半径はＲ＝１５ｍｍ以下が望ましい。
また、曲率半径がＲ＝１５ｍｍの球面を持つスライダが、すきま変動により球面頂点とディスク面とのすきまがｈ＝０．２ｎｍに接近したとすると、このときのファンデルワールス力はＦｆ＝１０ｍＮである。よってメニスカス力とあわせて約１５ｍＮの吸着力が作用することになる。しかし浮上力はこの数倍大きいから球面頂点とディスク面とが吸着力によって接触し続けることはない。【００２３】  以上のことから、本発明のスライダ後側軸受面に球面を形成し、この頂点近傍にヘッドを設け、球面頂点近傍のみをディスク面に接近させることを特徴とする浮上ヘッドスライダでは、球面の曲率半径をＲ＝１５ｍｍ程度以下にすれば吸着力による跳躍振動の問題は生じないばかりでなく、メニスカス力によるすきま変動も浮上すきまの１０％程度以下にすることができる。【００２４】  吸着力と接触による摩擦力を小さくするには球面の曲率半径Ｒは小さい方が良いが、あまり小さくすると記録再生ヘッド位置を正確に頂点近傍に設けることが困難になる。特にスライダは書き込みヘッドと読み出しヘッドが数μｍ離れて設置してあるので、その間の高さの変化は０．５ｎｍ以下にすることが重要である。たとえば曲率半径が１．０ｍｍでは、凸面の頂点からの高さ距離が０．５ｎｍとなる弦の長さは２μｍでしかないので、記録再生ヘッド位置を正確に凸部の頂点に設けることが困難になる。しかしＲ＝５ｍｍとすれば、頂点から０．５ｎｍ下がる位置の弦の長さは４．５μｍとなるので、Ｒ＝５ｍｍが記録再生ヘッドを頂点近傍に設けるための最小の球面となろう。【００２５】  よってメニスカス力やファンデルワールス力によるスライダのディスク面への接触をなくし、またこれらの力による跳躍振動を抑圧するには球面の曲率半径をＲ＝１００ｍｍ程度以下とするのがよい。さらにメニスカス力やファンデルワールス力による浮上すきま変動を１０％程度以下にするには、球面の曲率半径は１５ｍｍ程度以下にするのが適当である。ただし、記録再生ヘッドを球面の頂点近傍の０．５ｎｍ以下の高さ変化以内に設置するためには、球面の曲率半径は５ｍｍ程度以上が望ましい。【００２６】  （本実施例の効果）以上の説明からわかるように、後側軸受面に頂点近傍の曲率半径が１００ｍｍ以下の球面に近い凸曲面を設け、この頂点近傍に記録再生ヘッドを設置すれば、後側軸受面の浮上すきまを１０ｎｍ以上に保ち、且つ球面のメニスカス力やファンデルワールス力による吸着力を空気軸受の浮上力より小さく保つことが出来るので、ヘッドとディスク面のすきまを１０ｎｍ以下の任意の値に維持できる安定な浮上ヘッドスライダを提供することができる。さらに当該球面の曲率半径を１５ｍｍ以下にすれば、メニスカスの有無によるすきま変化を定常浮上すきまの１０％程度以下に抑えることができる浮上ヘッドスライダを提供することができる。これが本実施例の第一義的な効果である。さらに、後側軸受面とディスク面は１０ｎｍ程度以上分離することができるので、メニスカスによる吸着を恐れることなく、十分広く設計することにより浮上力と空気膜剛性を高め、スライダの追従性を高めることができる。【００２７】  ところでこのような球面を設ける設計で最も心配になるのは、球面の頂点がディスク��に接触したときの摩耗である。もちろん定常浮上状態では、球面頂点部がディスク面粗さ突起に当たらないように、頂点部の浮上高さはグライドハイト以上となるようにディスク面の粗さは小さく設計される。従来のスライダでは、ディスク面の粗さを小さくしグライドハイトを小さくすると吸着力が大きくなって接触跳躍振動が生じたが、本発明の浮上ヘッドスライダではディスク面はなめらかにするほど球面頂点近傍のディスク面への接触はなくなる。従来スライダ軸受面やディスク面の摩耗は、潤滑剤のメニスカスにより軸受面がディスクに接触し、メニスカスによる吸引力により接触力が増大し、それにより摩擦力も増大し、跳躍振動が発生して更に動的接触力が増大し、摩耗損傷することが問題であった。そこで、スライダの浮上力を無視し、メニスカス力、ファンデルワールス力、および一定の接触力により、従来のスライダ軸受面がディスク面に突起接触するときに生じる最大接触応力と当該発明の球面頂点部に生じる最大接触応力を比較し、本発明のスライダ接触部の摩耗信頼性に関する優位性を明らかにする。【００２８】  まず平面が潤滑剤のメニスカスによって吸着し合う場合、ディスク表面の突起頂点にメニスカスによる接触が起こる。突起頂点は曲率半径Ｒの球面にモデル化できるから、上述の理由により一つの突起に吸着力Ｆ＝４πＲγが生じる。粗さ突起の曲率半径はμｍのオーダなので、一個の突起当たりの吸着力は上記の値より３桁小さい。しかしこの吸着力Ｆ＝４πＲγによる球面頂点部の最大接触応力は
2006196137.tif 000003
で表される。ここでＥ＊は接触する２面のヤング率Ｅ１，Ｅ２とポアソン比ν１，ν２によって定義される等価的なヤング率で
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ある。式（６）から分かるように、最大接触応力は、曲率半径の１／３乗に逆比例し、メニスカス吸着力によるスライダ・ディスク間の最大接触応力は最大の曲率半径をもつ本発明の球面の場合が最も小さい。
ちなみに、現行のヘッドスライダとディスク表面の物性値Ｅ１＝２００ＧＰａ、Ｅ２＝１４０ＧＰａ、ν１＝ν２＝０．３の場合は、Ｅ＊＝８０ＧＰａとなり、これと潤滑剤の表面エネルギーγ＝０．０２２Ｎ／ｍを用いてＲ＝２μｍとＲ＝１６ｍｍの場合のＰｍａｘを計算すると、それぞれＰｍａｘ＝５８０ＭＰａとＰｍａｘ＝２４ＭＰａとなる。したがって本発明の球面頂点の最大接触応力は平面の突起接触の場合の１／１０以下となり、よって摩擦力も最小となり、頂点部分の摩耗もしにくいことになる。【００２９】  更に重要なことは、高記録密度のために粗さを小さくしたなめらかな平面同士が接触すると吸着力が顕著に増大することである。軸受面の粗さが０．５ｎｍ以下に小さくなり、潤滑剤の流動成分の厚さより小さくなると、潤滑剤が軸受面とディスク面のすきま全体を覆いメニスカス吸着力が最大となり、このときの吸着圧力は式（２）で表されるようになる。よってすでに述べたように、接触面間隙がＨ＝０．２ｎｍなったとすると、接触面圧は７００ＭＰａとなり、この圧力を支える接触突起の真実接触面の応力はさらにこの１０倍以上になるので突起は塑性変形し、突起表面の潤滑膜も破壊され、スライダとディスク面の摩耗信頼性が損なわれる事態となる。【００３０】  これに対して本発明の凸曲面をもつスライダでは本質的に式（２）の条件は生じない。むしろ球面の微小突起が０．１ｎｍ以下に小さくなり、表面が滑らかになったときのメニスカス吸着力が式（４）で表され、このメニスカス吸着力による最大接触応力は式（６）で表される。【００３１】  さらにスライダ軸受面とディスク面が近接し、すきまが０．２ｎｍ程度になったときに生じるファンデルワールス力による吸着力は、上述のように、平面同士の接触の場合メニスカス力より著しく大きくなり、よって接触摺動面の摩耗耐久性もいっそう厳しくなる。一方球面の場合のファンデルワールス力は、式（５）から、ｈ＝０．２ｎｍ程度では潤滑膜のメニスカス力とほぼ同程度となり、また曲率半径Ｒに比例するので、頂点部の最大接触応力は式（６）で予測することができる。ここで式（６）を用いて、Ｒ＝５，１０，１５，５０，１００ｍｍのときの最大接触応力を計算すると、それぞれ、Ｐｍａｘ＝６７．７，５３．８，４７．０，３１．５，２５．０ＭＰａとなる。これは平面同士が接触する場合の１／１０以下であり、よってこの範囲で接触面の潤滑膜が破壊しないような潤滑剤条件を実現することによって摩耗信頼性の高いヘッド・ディスクインタフェース条件を実現することができる。【００３２】  次に、浮上すきま変動によってスライダ面がディスク面に接触したときに生じる接触応力を比較してみる。まず本発明の曲率半径Ｒの球面が接触力Ｆで平面と接触したときの最大接触応力Ｐｍａｘは既に式（６）で与えられている。一方、従来のスライダの平らな軸受面がディスク面に接触する場合には、多くの場合軸受面後端ないしスライダの稜や角が片当たりする。片当たりする部分の曲率半径は本発明の球面の曲率半径より小さく、よって局部的な接触応力が大きくなり、ディスク面が損傷し、後側軸受面の後端縁などが摩耗して凸曲面の曲率半径程度に丸くなるまで従来形スライダの方が摩耗する。【００３��】  もし、従来形スライダの後側軸受面がディスク面に平行に接触し、Ｎ個の曲率半径ｒの突起が均等に接触し、１個当たりの接触力がＦ／Ｎとなる理想的な場合を考えると、そのときの最大接触応力ｐｍａｘｒは、式（６）より
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で与えられる。そこでＰｍａｘとｐｍａｘｒとの比をとると
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となる。球面のＲがＲ＝５ｍｍとしてもｒ＝２μｍ程度だから、．ｒ／Ｒ＝１／２５００であり、よって接触面の突起個数が６．２５×１０６個以上でないとＰｍａｘ＜ｐｍａｘｒとなることを意味する。Ｐｍａｘ＞ｐｍａｘｒとなるには、突起密度が５０／μｍ２としても均一に接触する面積は１２５０００μｍ２以上が必要である。
このように、スライダとディスクとが理想的に突起接触するとしても、衝突接触時の接触応力を下げるにはスライダ軸受面の接触面積をかなり大きくしなければならず、よってこれによりメニスカス吸着力やファンデルワールス力が増大してしまうというパラドクスに陥ってしまうことがわかる。【００３３】  以上の議論からわかるように、スライダのヘッド設置場所に、曲率半径５〜１００ｍｍ程度の滑らかな球面を用いることによって、メニスカス力やファンデルワールス力によるスライダ・ディスク接触時の吸着力および最大接触応力を低減できるだけでなく、一定の力で接触したときの接触面の最大応力をも低減することができ、ヘッド・ディスクインタフェースの信頼性を高めることができる。これが本発明の第２の効果である。【００３４】  本発明の浮上ヘッドスライダの第３の重要な効果は、球面頂点がディスク面と接触したとき、接触面に適度の潤滑剤を維持する機能があることである。従来のスライダの平面の軸受面では、スライダが間欠接触浮上時にメニスカス形成効果により周辺の潤滑剤を最小すきま面の下にかき集める効果が強く、これためヘッドスライダがディスク面を走査した場合、ディスク面の走査軌跡上に潤滑剤の濃淡ができる欠点があった。また走査トラック近傍の潤滑剤をかき集めるので、その近傍の潤滑剤が消耗するという問題があった。また上述のように粗さ突起頂点の接触応力は数１００ＭＰａ以上になるので潤滑膜が破壊され、局所的な温度上昇、せん断歪、静電気などにより物理化学的に潤滑剤が劣化し、摩擦面が摩耗するという問題があった。これに対して本発明によるスライダでは、周辺の潤滑剤を過剰にかき集る効果が抑制され、且つ球面のメニスカス効果により、球面の頂点近傍の必要最小限の潤滑剤のみを間欠接触時に保持する効果があるので、走査面の潤滑効果も優れている。また上述のように、接触面の最大応力は数十ＭＰａ程度と小さいので、球面とディスク面が接触摺動した場合にも潤滑膜が破壊されることがなく、スライダ・ディスク間の摩耗耐久性を著しく高めることができる効果がある。
【他の実施例】
【００３５】（楕円体曲面の適用例）  先に示した実施例では曲率半径が方向によりほぼ一様な球面の場合を示したが、スライダの走査方向と幅方向に異なる曲率半径をもつ一般的な楕円体曲面でもよい。
図３はスライダの走査方向の曲率半径Ｒ１が幅方向の曲率半径Ｒ２より大きい楕円体曲面を有し、その頂点近傍にヘッドを設置した第２の実施例である。
【００３６】  一般に２つの直交する主軸の曲率半径が異なる楕円体曲面の等価的な合成曲率半径Ｒは
Ｒ＝２Ｒ１Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）                                    （９）
で与えられる。この式（９）を式（４），（５），（６），（８）へ代入すれば、方向により異なる曲率をもつ一般の楕円体曲面のメニスカス力、ファンデルワールス力、最大接触応力等を計算できる。よってメニスカス力による吸着力を軸受浮上力以下にするには、この合成曲率半径Ｒが１００ｍｍ以下となるよう楕円体面を後側軸受面に設け、その頂点近傍にヘッドを設置すればよい。また、メニスカス吸着力をスライダ浮上力の約１０％以下に押さえ、メニスカスの有無による浮上すきまの変動を小さく抑えるには、合成曲率半径Ｒを約１５ｍｍ以下となるようにすればよい。記録再生ヘッドはスライダ走査方向に５〜６μｍ離れているので、スライダ走査方向に大きな曲率半径を有し、幅方向に小さな曲率半径する面とするのがよい。しかし他の条件からその逆が重要ならば幅方向に大きな曲率半径を有し、走査方向に小さい曲率半径をもたせることも可能である。ちなみにＲ１＝２０ｍｍおよび３０ｍｍのとき合成曲率半径をＲ＝１５ｍｍとするには、それぞれＲ２＝１２ｍｍおよび１０ｍｍ以下にすればよい。
【００３７】（円筒曲面の適用例）  図４は後側軸受面内の凸曲面をスライダ走査方向に母線をもつ円筒面とした場合の他の実施例である。これは式（９）で、スライダ走査方向の曲率半径を無限大、即ちＲ２＝∞ｍｍとした場合である。この場合には、記録再生ヘッドを凸曲面の頂点位置に設置することが可能となる。なお、メニスカス吸着力を浮上力以下にするために、Ｒ≦１００ｍｍとするには、式（９）より、円筒面の曲率半径をＲ１≦５０ｍｍとする必要がある。またメニスカス吸着力を浮上力の約１０％以下にするには、Ｒ１≦７．５ｍｍとする必要がある。ただしこれは目安であって、軸受面の浮上力と空気膜剛性の設計しだいで、変化することに注意する。円筒面の吸着力を小さくするには円筒面の長さも必要最小限にするのが望ましい。なお、ヘッドをディスク面に最も接近した位置に設置するのを容易にするために、円筒面の母線方向をスライダ幅方向とする形式も考えられる。
【００３８】（任意の凸曲面の適用例）  ヘッド近傍の曲面は上記の球面、楕円体面、円筒面以外の任意の凸曲面でよく、その頂点近傍の微小領域の等価的な合成曲率半径Ｒは２つの主軸方向の曲率半径をＲ１，Ｒ２として式（９）で与えられる。よってこの等価的な合成曲率半径Ｒを用いれば、上記球面に対して述べた議論がすべて近似的に成立する。よって本発明は後側軸受面の圧力中心位置近傍に任意の凸曲面を形成しその頂点近傍に記録再生ヘッドを設置した浮上ヘッドスライダを含むものである。
【００３９】（凸曲面をステップ階段面で近似的に形成した場合の実施例）図５は後側軸受面内に凸曲面部を設け、記録再生ヘッドをその頂点部分に設置した他の実施例で、凸曲面を数個のステップ状階段面で近似的に形成した場合である。実際、上記の実施例のように完全に滑らかな球面、楕円体面、円筒面等の凸曲面を微細加工・薄膜形成技術により創成することは容易ではない。そこで、スライダ軸受面を１ｎｍ前後の厚さのステップで逐次除去していくか、スライダ後端面に薄膜を逐次積み重ねて記録再生ヘッドを形成する過程で近似的に凸曲面を形成する加工法が使用される。図５はそのような加工手法を球面に近い凸曲面に適用した例である。こうすることによって、曲率半径の比較的小さい曲面の場合でも、最上面の面積を記録再生ヘッドが十分に設置できるよう広くすることができる。このように、ステップ高さが小さい階段状平面によって近似的に凸曲面を製作する手法は、主曲率半径が異なる一般の楕円体曲面、球面、円筒面を含む全ての凸曲面一般に適用することができることは明らかであろう。
【００４０】  図６は本発明の浮上ヘッドスライダがディスク面に平行に着地したとき、高さが数ナノメートル以上ある凸曲面頂点がディスク面に接触しないようにしたヘッドスライダの実施例である。スライダ面中にある複数の支柱８はスライダが軸受面に平行に着陸したときにヘッド位置の凸曲面部がディスク面に接触しないような高さをもつ円柱支柱であり、スライダ面に少なくとも３個以上形成する必要がある。このような支柱は、スライダのメニスカス吸着力による摩擦力であるスティクションを低減させるために、従来スティクションフリースライダに使用されていた既知技術であり、図１１に示した特許文献１にも示されている。
ディスク起動時にスライダをディスク面に摺動させるコンタクトスタートストップ方式においても、スライダが回転するディスク面にロードされるロード／アンロード方式においても、スライダの凸曲面部がディスクに衝突しないように設計することが重要である。モバイル用磁気ディスク装置では耐衝撃性を高めるためにロード／アンロード方式が用いられているが、当該ヘッドスライダではロード／アンロード時に凸曲面の頂点がディスク面に衝突し、摩耗・損傷しないように設計するのが望ましい。それには浮上ヘッドスライダの流入端からディスク面に突入するようにするのがよい。またスティクションを防止する支柱を持つ当該スライダにおいては、ディスクを回転させてからロード／アンロードするのではなく、非作動時はアンロードさせ、使用時はロードしてから回転させ、アンロード時はディスクを停止させてからアンロードする方式なども考えられる。
【００４１】  図７は本発明の凸曲面を、５個の空気軸受パッドを有する浮上ヘッドスライダに適用した実施例で、軸受面の上面図を示している。この場合にも後側軸受面に楕円体曲面を形成しその頂点近傍にヘッドを設置している。凸曲面はヘッド設置部分に形成することが重要で、さらにヘッド位置は後側軸受面の圧力中心位置に近いことが望ましい。このように本発明の各種の凸曲面はこれまで用いられた全ての浮上ヘッドスライダに適用することができ、また今後設計される全ての浮上形ヘッドスライダに適用することができることは明らかである。
【本発明により得られる効果のまとめ】
【００４２】  以上説明したように、本発明は、従来の浮上ヘッドスライダの後側軸受面がほぼ平面であるのに対して、その圧力中心近傍に小さな曲率をもつ凸曲面、特に球面、楕円体面、円筒面ないしそれらを微小なステップの階段状面で近似的に形成した面を有し、その凸曲面の頂点近傍に記録再生ヘッドを設置することによって、潤滑剤のメニスカス力および固体壁面間のファンデルワールス力によって生じる吸着力と摩擦力を浮上力より十分小さく抑制しつつ、１０ナノメートル以下の任意のすきまでヘッドをディスク面に位置づけることができる浮上ヘッドスライダを提供することができる。本発明の浮上ヘッドスライダは吸着力と摩擦力によって生じるスライダの接触跳躍振動の発生を完全に抑圧することができる。またメニスカス力、ファンデルワールス力およびスライダのすきま変動による接触面の最大接触応力を、従来の粗さ接触に基づくスライダに比べて著しく小さくすることができる。さらにヘッド・ディスク接触面の潤滑効果をメニスカス形成により必要最小量に維持することができるので、ニアコンタクト領域のヘッド・ディスクインタフェースの摩耗耐久性を著しく向上できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】後側軸受面に球面を形成しその頂点近傍にヘッドを設置した本発明の実施例
【図２】図１の本発明の実施例の側面図
【図３】後側軸受面に楕円体曲面を形成し、その頂点近傍にヘッドを設置した本発明の他の実施例
【図４】後側軸受面のスライダ走査方向に母線をもつ円筒面を形成し、その頂点の後端近傍にヘッドを設置した本発明の他の実施例。
【図５】後端軸受面内の凸曲面をステップ状の階段面で近似的に形成した本発明の他の実施例
【図６】スライダ面に凸曲面頂点より高い支持柱を３個以上設け、凸曲面頂点がディスク面に接触しないようにした浮上ヘッドスライダの実施例
【図７】スライダ浮上面に５個の空気軸受面をもつ浮上ヘッドスライダの後側中央部軸受面凸曲面を形成しその頂点近傍にヘッドを設置した本発明の実施例
【図８】磁気ディスク装置の機構構成
【図９】従来の浮上ヘッドスライダの浮上原理と機構構成を示す側面図
【図１０】従来の浮上ヘッドスライダの空気軸受面の形状例
【図１１】後側軸受面のヘッド位置近傍を更に高い軸受平面で形成した従来のヘッドスライダの例
【符号の説明】
【００４４】  １−−−−ヘッドスライダ（スライダ）
２−−−−磁気ディスク装置
５−−−−磁気ディスク
５ａ−−−−ディスク基盤
５ｂ−−−−磁気記録媒体
５ｃ−−−−アモルファスカーボン薄膜
５ｄ−−−−潤滑膜
８−−−−支柱
１０−−−−浮上ヘッド機構
１１−−−−サスペンション
１２−−−−ディスク走行方向
１４−−−−空気流
１８−−−−ヘッド（記録再生素子）
２１−−−−球面
２２−−−−楕円体面
２３−−−−円筒面
２５ａ、２５ｂ−−−−前側軸受面
２５ｃ−−−後側軸受面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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