(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験ディスクを支持し且つ第１の軸線に沿って１つの表面上の１つの平面内を運動するための空気軸受スピンドルステージと、
第１の軸線と直交する第２の軸線に沿って前記表面上の前記平面内で運動するべく拘束され、読み取りヘッド要素を支持するようになっている空気軸受微小位置決めステージと、
空気軸受スピンドルステージを第１の軸線方向に沿った所望の位置に移動させるための第１のアクチュエータと、
空気軸受微小位置決めステージを第２の軸線方向に沿った所望の位置に移動させるための第２のアクチュエータと、
空気軸受スピンドルステージ及び空気軸受微小位置決めステージの各空気軸受から空気を除去し、空気軸受スピンドルステージおよび空気軸受微小位置決めステージを所望の各位置で前記表面に錠止させるための装置と、
から成る旋回スタンドプラットホーム。
【請求項２】
空気軸受スピンドルステージ及び空気軸受微小位置決めステージのための空気軸受が真空前負荷される請求項１の旋回スタンドプラットホーム。
【請求項３】
各空気軸受に空気を送るための急速排出弁を含んでいる請求項２の旋回スタンドプラットホーム。
【請求項４】
高い前負荷力を発生させるための中央の大真空領域と、各空気軸受から急速に空気を除去するための、空気軸受の入口に近接した小真空領域とを含んでいる請求項２の旋回スタンドプラットホーム。
【請求項５】
第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータとがリニアモーターである請求項１の旋回スタンドプラットホーム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、コンピュータのハードディスクドライブで使用する読み取りヘッド及び書き込みヘッドの各アセンブリを試験するための高安定性の旋回スタンドプラットホームに関する。
【０００２】
ここ１０年間、ハードディスクドライブの記憶容量は劇的に増大した。こうした記憶容量の増大は、部分的には、読み取り及び書き込み用の各ヘッドの磁気感度上の技術開発が急速に進んだことによるものである。技術開発上のこの急速な進展により、読み取りヘッドの製造は要求が極めて厳しいものとなり、その結果、製造される事実上全ての読み取りヘッド、そして恐らくは先進技術的なヘッドの全てについて受け入れ試験を実施する必要がある。
【０００３】
読み取りヘッドの電気的特性は、斯界では電気テスターとして知られる試験装置を使用して受け入れ承認される。この試験装置には、実際のディスクドライブの読み取りヘッドの動きを模擬する運動プラットホームが組み込まれている。運動プラットホームは、通常、粗い位置決めステージと、空気軸受微小位置決めステージとを含む。電気テスターには、読み取りヘッド要素を試験する高性能のエレクトロニクスもまた組み込まれる。読み取りヘッド要素の電気的な受け入れ承認は常に厳しいものではあったが、電気テスターの技術的に入手し得る運動条件の限界が押し広げられたのはつい最近のことである。
【０００４】
上述の如く、２ステージ式の運動プラットホームは、代表的には粗い位置決めステージと空気軸受微小位置決めステージとから成り立つ。コンピューターのディスクドライブではデータはディスクの螺旋状のトラックに沿って記憶される。各トラック間の半径方向間隔は、現在のところ約２．５ｃｍ（１ｉｎ）当たり１００００トラックもの稠密さであり、将来的には同３００００トラックとする計画がある。読み取りヘッドの性能を受け入れ承認するためには、ヘッドをトラック間隔よりも２桁（１０2）少ない運動増分量づつ移動させる能力があることが望ましい。約２．５ｃｍ（１ｉｎ）当たり１００００トラックの場合、この運動増分量は約２５ナノメータ（１μｉｎ）となる。このような微小運動は、付加電圧に応じて拡大縮小する圧電結晶を代表的に含む空気軸受微小位置決めステージで実施される。この空気軸受微小位置決めステージの移動範囲は代表的には１０μメータと極めて狭いために、ディスク上の異なる位置で読み取りヘッドを試験する場合は、空気軸受微小位置決めステージ全体を再位置決めしなければならない。電気テスターはその大抵の形態において、必要な全移動範囲は１００〜１５０ｍｍである。読み取りヘッドは、角度の付いた通路（ヘッドはレコードプレーヤーと同様にスゥイングアームに取り付けられる）に沿ってディスクドライブの外側半径位置から内側半径位置へと移動する。従って、ヘッドの相対角度はサーボトラックの正接ベクトルに関して変化する。このように変化する角度はスキュー角度と称され、このスキュー角度の変化はヘッド性能に影響を及ぼす。しかしながら、ある電気テスターではヘッドはデカルトＸＹ平面内を移動する。ヘッドを様々なＸＹ位置に移動させることでスキュー角度の全範囲が再現され得ることは数学的に示され得る。この特性から、こうした電気テスターは、ディスク直径及び駆動アームの旋回角度が変化する異なる形態のディスクドライブに対する高い融通性がある。
【０００５】
電気テスターの代表的試験シーケンスは、空気軸受微小位置決めステージのフィクスチャ（しばしば“ネスト”と称される）内に取り付けた曲げアームに取り付けた読み取りヘッドから成る読み取りヘッドアセンブリを使用して開始される。磁気ディスクを支持するためのスピンドルの、代表的には７２００ｒｐｍである運転速度が１４４００ｒｐｍに加速される。粗い位置決めステージが、読み取りヘッドを第１の試験位置に移動させ、読み取りヘッドは、隣接するトラックを消去して試験トラックと、内側及び外側に隣り合う各トラックのためのディスク上の全ての磁気情報を消去するよう指令される。次いで、読み取りヘッドは、ある有限長さ、代表的にはディスクの１回転未満の長さにおいてディスクにデータストリームを書き込むように指令される。次いで、空気軸受微小位置決めステージがヘッドを、“トラック外の”、通常は次ぎに隣り合うトラックの所定位置に移動し、この場所から試験トラックの磁気情報が検出され得ないことを検証する。次いで、空気軸受微小位置決めステージは試験トラックを横断して２５ナノメータもの小さい運動増分量分移動して、ディスクの半径方向位置に対する試験トラックの磁気データの強さの相関を取る。読み取りヘッド及び書き込みヘッドを相互位置付けしない多くの新型ヘッドでは、読み取り及び書き込みヘッドの相対間隔もまたこの試験で決定される。次いで、粗い位置決めステージが引き続く試験位置に移動され、上述の各段階が反復される。試験の終了に際し、粗い位置決めステージはロード位置に完全に引き込まれ、読み取りヘッドアセンブリが、未試験のアセンブリのために交換される。
【０００６】
試験シーケンスのための合計サイクル時間を最適化するために、空気軸受微小位置決めステージでの個別の運動増分量の移動時間（移動時間並びに、例えば１０ナノメーターの安定化帯域内に整定するための時間の両方）を、ディスクが一回転するに要する時間（例えば、１４４００ｒｐｍでの０．００４３秒）未満内に完了させるのが非常に望ましいが、この目標は、既存の設計形状の装置では現在のところ達成することができない。
【０００７】
従来の電気テスターの原理上の要素は、高速の空気軸受スピンドルと、２つのステージ運動システム（即ち、粗い位置決めステージ及び空気軸受微小位置決めステージ）である。既存の電気テスターは、空気軸受式であれ、機械式であれ、代表的には、積層したＸＹステージを使用する設計形状を有している。積層式のステージは、その積層構造の力学上、空気軸受微小位置決めステージの能力が制限される。各ステージを堅固に作成した場合でさえも、各ステージのための構造力学は、結局、ステージの直交軸のための駆動アクチュエータの限界で決まってしまう。各ステージでは、代表的には、剛性的に制約のあるリードネジが使用される。剛性の積み重ね式のステージ設計形状の大抵のものは、固有振動数が２００Ｈｚ未満である第１モードを有し、かくして、外部的な摂動による１回の揺動には０．００５秒の時間を要する。従って、微小ステージからの反力によって、１０ナノメータの安定化帯域を上回る大きさでの位置の摂動が生じると、微小位置決めのための移動を５マイクロ秒以下で実施するという目標を達成することは不可能になる。実際上は、粗い位置決めステージの第１モードでの固有振動数は１ｋＨｚを越えることが望ましい。
【０００８】
ディスクドライブの記憶密度が増大し続けていることから、現在開発されている読み取り／書き込み用の各ヘッドのための試験では、現在の技術では達成することが困難な位置安定性水準が要求される。更には、市場が競争的であることによる価格的な圧力から、製造スループットを増大することが常に要求される。その結果、今や、旋回スタンドプラットホームには、試験下の読み取りヘッドをより素早く移動させると同時に、高水準の位置安定性を提供することが求められる。粗い位置決めステージのための代表的な安定条件は、数秒間、位置が±１０ナノメータ以上変動しないことである。追加的条件は、位置決めされた粗い位置決めステージが極めて剛性であり、圧電結晶を使用した、移動する空気軸受微小位置決めステージからの反力及び回転するスピンドルからの不均衡力とによって、粗い位置決めステージに誘起される運動（振動形態での）が極めて小さいことである。読み取りヘッドのスピンドルに関する相対位置は、±１０ナノメータの帯域内で安定状態に維持されるべきである。かくして、粗い位置決めステージの運動は性能上のこの水準に歩み寄るものとなる。
本発明の旋回スタンドプラットホームは、既存の旋回スタンドプラットホームを上回る重要な幾つかの利益を提供する。主要な利益は、試験下の位置的安定性の領域におけるものである。本発明の旋回スタンドプラットホームは、コンピューターのディスクドライブのトラックの半径方向間隔がより稠密化されることによる厳しい条件を収受し得るものである。
【０００９】
（解決しようとする課題）
市場で要求される高い位置安定性及びスループットを提供する高安定性の旋回スタンドプラットホームを提供することである。
【００１０】
（課題を解決するための手段）
本発明は１様相において、試験ディスクを支持し且つ第１の軸線に沿って１つの表面における平面内を運動するように拘束された、空気軸受スピンドルステージを含んでいる。前記表面の、前記第１の軸線と直交する第２の軸線に沿った平面内を運動するように拘束された、空気軸受微小位置決めステージが、読み取りヘッド要素を支持するようになっている。空気軸受スピンドルステージを第１の軸線に沿った所望の位置に移動させるための第１のアクチュエータと、空気軸受微小位置決めステージを第２の軸線に沿った所望の位置に移動させるための第２のアクチュエータとが設けられる。空気軸受スピンドルステージと空気軸受微小位置決めステージの各空気軸受から空気を除去して、これら各ステージを所望位置で前記表面上に錠止するための装置が設けられる。好ましい実施例では、各ステージのための各空気軸受には真空により前負荷が加えられ、これが各ステージを然るべき試験位置にしっかりと保持する。他の実施例では、各空気軸受に、これらの空気軸受を急速に移動させるための空気を供給する急速放出弁が設けられる。
本発明の他の様相において、空気軸受は、大きい前負荷力を発生させるための中央の大真空領域と、空気軸受から空気を急速に除去するための、空気軸受入口に接近した小真空領域とを含む。
【００１１】
（発明の実施の態様）
本発明の旋回スタンドプラットホームの性能上の改善は、軸線を分離して、一方の軸線が試験下の読み取りヘッドを支持する空気軸受微小位置決めステージを担持し、他方の軸線が、磁気ディスクを支持する空気軸受スピンドルステージを担持するようにしたことに基づくものである。運動中の両ステージは、リニアモーターで直接駆動される摩擦のない空気軸受の移動軸線である。しかしながら、ステージが試験位置に到達すると空気軸受から空気が除去され、各ステージは真空前負荷され、優れた剛性を提供する花崗岩表面と直接接触する状態となる。以下に説明するように、空気軸受から非常に急速に空気をパージさせ得る技法が開示される。また、両ステージから空気が除去されるようにしたことで、磁気ディスクと試験下のヘッドとの間の相対高さの変化はなくなる。本発明の真空錠止された各ステージによれば、伝統的な積層式ステージではなし得なかった、１ｋＨｚよりも高い要求堅さ（スチフネス）が提供される。
【００１２】
図１を参照するに、高安定性の旋回スタンドプラットホーム１０が空気軸受微小位置決めステージ、即ち、空気軸受微小位置決めキャリッジ１２を含んでいる。当業者には、空気軸受微小位置決めキャリッジ１２が、圧電アクチュエータのような微小位置決めモジュール（図示せず）を含み、試験下の読み取りヘッド（図示せず）がこの微小位置決めモジュールによって担持されることを認識されよう。空気軸受微小位置決めキャリッジ１２は、リニアモーター１４の制御下に単一の軸線に沿って移動する。増分量エンコーダ１５が空気軸受微小位置決めキャリッジ１２に応答する。
【００１３】
空気軸受スピンドルステージ、即ち、空気軸受スピンドルキャリッジ１６が、磁気ディスク（図示せず）の回転を支持する。空気軸受スピンドルキャリッジ１６は、リニアモーター１８の制御下に、増分量位置エンコーダ１９に応答して空気軸受微小位置決めキャリッジ１２の運動方向と直交する軸線に沿って移動する。空気軸受微小位置決めキャリッジ１２及び空気軸受スピンドルキャリッジ１６は、円滑且つ平坦な花崗岩台座２０に載置される。鋼製の支持フレーム２２が、代表的には空気分離システムを介してこの花崗岩台座２０を支持する。支持フレーム２２は、運動制御体２４及びその他のエレクトロニクス、並びに図示しない空気支持機器をも支持する。運動制御体２４は、図示しないホストコンピュータとインターフェースする移動制御カードを収蔵し、各キャリッジをして、サーボ制御下に各軸線に沿って移動せしめる。運動制御体２４には各移動軸線のための電源もまた格納される。
【００１４】
本発明の軸線分割構成によれば、空気軸受微小位置決めキャリッジ１２と、空気軸受スピンドルキャリッジ１６とが、花崗岩台座２０の表面上の同じ平面内を移動することが可能となる。この形態によって、空気薄膜を除去した場合の磁気ディスクと試験下の読み取りヘッドとの間の高さ上の正味の差がなくなる。真空前負荷を使用することにより、各キャリッジは試験位置に剛性保持される。伝統的な移動軸線方式のものは、スピンドルにおける回転の非一様性に基づく周期的負荷を排除するための十分な剛性を有さず、かくしてこうした形態で使用することができなかった。しかしながら、真空錠止技法を使用することで、こうした分離軸線形態を利用することが可能となる。以下に議論するように、空気／真空軸受を使用する設計形状において、本発明の旋回スタンドプラットホームの高性能化に貢献するところの、各軸受からの空気の急速な除去を容易化するための高い前負荷力を空気軸受パッド内に達成するための、中央の大真空領域及び小真空領域が使用される。
【００１５】
図２及び図３には、本発明の高安定性の旋回スタンドプラットホームで使用する空気軸受表面が示される。従来技術の項目で説明したように、空気軸受は、圧縮空気を２枚の平坦なプレートの間隙に導入することで形成される。空気軸受に負荷を支持させるためには、各プレート間の領域を正圧化する必要がある。空気は極めて低粘性のものであるために、２枚のプレート間の間隙は、各プレート間と空気との表面摩擦が空気の流れを拘束するように非常に小さいものとするべきである。代表的にはこの間隙は５〜１０μメーターのオーダーのものである。こうした非常に小さい間隙はまた、各プレートの２μメーターのオーダーでの平坦化が要求され、それ故に空気軸受の製造は困難なものとなっている。
【００１６】
各プレート間の間隙内の圧縮空気は自然膨張して間隙を広げる。空気が膨張するに従い空気薄膜の圧力が減少し、結局、この空気薄膜の堅さ（スチフネス）を減少させる。空気薄膜は堅い方が望ましいことから、各プレート間の間隙は減少されるべきである。こうした間隙の減少は、空気薄膜の圧力に対する反力を導入することで達成される。この運転モードは空気薄膜の“前負荷”と称される。前負荷は、重さ（重力）、磁力、或いは本実施例では真空引きによって、空気軸受、即ち各キャリッジに反向する力を適用することで達成することができる。
【００１７】
図２及び図３には真空領域が陰影を付けた部分として示されている。図２に示す空気軸受微小位置決めキャリッジ１２は、中央の大真空領域３０と、それよりも小さい小真空領域３２とを含む。大真空領域３０及び小真空領域３２は、主たる空気軸受表面と平行な凹表面である。これらの真空領域を脱気して生じさせた負圧が前負荷となる。図３の空気軸受スピンドルキャリッジ１６は、同様の大真空領域３４及び小真空領域３６を含んでいる。各キャリッジは、圧縮空気がそこを通してキャリッジ内に導入されるオリフィス３８をも含んでいる。各オリフィス３８の周囲は楕円形状部分４０とされ、この楕円形状部分４０はキャッリッジ表面から１２μメーターのオーダーで若干凹状となっている。楕円形状部分４０はキャリッジ内の圧力を安定化させると共に、供給される空気を一様に分配する。
【００１８】
本発明における空気軸受の設計形状の、従来からの空気軸受のそれと異なる点は、大真空領域３０及び３４に加えて、小真空領域３２及び３６を入口オリフィス３８の間部分に含んでいることである。空気圧力の供給が停止されると、空気軸受への前負荷に加えて、これらの各真空領域もまた、空気薄膜を脱気する。こうした形態により、本発明の空気軸受は急速に“錠止される。小真空領域３２及び３６が無い場合には空気薄膜を各プレート間から“しごいて”排除する必要がある。小真空領域を加えることで、錠止後にシステムが完全に安定化すために要する時間は著しく短縮される。
【００１９】
図４に示すような”急速放出”弁５０を使用して空気軸受微小位置決めキャリッジ１２及び空気軸受スピンドルキャリッジ１６に空気を送るのが好ましい。送られた空気はソレノイド制御された空気弁（図示せず）を使用して電子的に断続される。ソレノイド弁の流れが限定される問題を解決するために、各キャリッジへの空気入口位置に急速放出弁５０が使用される。急速放出弁５０は、可動のゴムシール５２を使用する。可動のゴムシール５２は、急速放出弁内の、大きな、自由流れ排出ポート５４を開閉する。排出ポート５４は、入口５６位置の供給圧が各キャリッジ（及び出口ポート５８）での圧力よりも高い限り閉鎖される。入口位置の供給圧が降下する（ソレノイド弁が閉鎖）とすぐに、ゴムシール５２が排出ポート５４を開放し、各キャリッジ内の圧力を急速に低下させる。かくして、急速排出弁５０を設けることで、ソレノイド弁を遠隔位置に位置付けることが可能となる。空気は、空気圧が制限されることにより、空気ホースを通して移動してソレノイドを通して排出されるよりもずっと急速に排出される。好適な急速放出弁５０は東京のＳＭＣ  Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ社から入手することができる。
【００２０】
本発明のシステムによれば、可動部品が無く、損耗のない、潤滑或いは定期部品交換のメンテナンスを必要としない、摩擦のない運動が提供される。この利益は、潤滑と定期部品交換とを共に必要とするリードネジ及び回転要素軸受を使用する運動ステージに勝るものである。
【００２１】
運転に際し、運動制御体２４がリニアモーター１４及び１８を制御して、空気軸受スピンドルキャリッジ１２及び１６を位置エンコーダー１５及び１９により監視された所望の位置に移動する。各キャリッジが所望位置に到達すると、急速放出弁５０を通して各キャリッジから空気が急速に除去され、各キャリッジは花崗岩台座２０に錠止される。この際、空気軸受微小位置決めキャリッジ１２に担持された微小位置決めモジュールが微小位置決めを実行する。図５には、本発明のスプリットステージ設計形状の代表的な整定動作が示される。この例では、ステージの安定水準は、５０ミリ秒で運動が完了する内に±１０ナノメーターに達した。この性能は例外的なものではあるが、リニアモーターで駆動される各キャリッジ１２及び１６が、交換対象としてのリードネジ式の各ステージにおけるよりもずっと速い移動速度を提供する点はずっと劇的なものでさえある。図５に示されるデータは、毎秒３５０ｍｍのピーク速度及び０．２ｇの加速度下に移動する空気軸受微小位置決めキャリッジ１２を使用して取られたものである。これらの移動パラメータを使用した場合の１００ｍｍ全移動及び整定時間（ブレーキ釈放、移動及びブレーキ再係合を含む）は、従来のリードネジ式の各ステージにおけるそれが１．０〜１．５秒であるのに対し６００ミリ秒であった。かくして、本発明の高安定性旋回スタンドプラットホームによれば、市場で要求される高い位置安定性及びスループットが提供される。
【００２２】
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【００２３】
（発明の効果）
市場で要求される高い位置安定性及びスループットを提供する高安定性旋回スタンドプラットホームが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の高安定性の旋回スタンドプラットホームの斜視図である。
【図２】  空気軸受微小位置決めステージにおける空気軸受を底部から見た平面図である。
【図３】  空気軸受スピンドルステージの空気軸受を底部方向から見た平面図である。
【図４】  本発明で使用するための急速放出弁の断面図である。
【図５】  真空錠止された空気軸受のための位置整定状況を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  旋回スタンドプラットホーム
１２  空気軸受微小位置決めキャリッジ
１４、１８  リニアモーター
１５、１９  増分量エンコーダ
１６  空気軸受スピンドルキャリッジ
２０  花崗岩台座
２２  支持フレーム
２４  運動制御体
３０、３４  大真空領域
３２、３６  小真空領域
３８  入口オリフィス
４０  楕円形状部分
５０  急速放出弁
５２  可動のゴムシール
５４  排出ポート
５８  出口ポート
【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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