(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面上での二次元動作に制限される、読み取りヘッド素子を支持するように適合化された微細位置決めステージを支持する空気軸受パック、
上記表面上での所望の位置にパックを移動させる少なくとも一つのアクチュエータ、
当該パックの空気軸受から空気を除去して、当該パックを表面の所望の位置で固定する装置を含み、
当該パックは、高い予圧力を生成する大きな中央の真空領域と、空気軸受から迅速な空気の除去を行うための、空気軸受に近接した小さな真空領域とを含む、
スピン・スタンド・プラットフォーム。
【請求項２】
表面上での二次元動作に制限される、読み取りヘッド素子を支持するのに適合化された微細位置決めステージを支持する空気軸受パック、
上記表面上での所望の位置にパックを移動させる少なくとも一つのアクチュエータ、
空気軸受パックから空気を除去して、パックを表面の所望の位置で固定すると共に、さらに空気軸受パックから空気を除去するクイック・ダンプ・バルブを含む装置を含み、
当該パックは、高い予圧力を生成する大きな中央の真空領域と、空気軸受から迅速な空気の除去を行うための、空気軸受に近接した小さな真空領域とを含む、
スピン・スタンド・プラットフォーム。
【請求項３】
表面での動作を制限される真空予圧された空気軸受パック、
表面上の所望の位置にパックを移動させるアクチュエータ、
当該パックの空気軸受から空気を除去して、パックを表面の所望の位置で固定する装置を含み、
当該パックは、高い予圧力を生成する大きな中央の真空領域と、空気軸受から迅速な空気の除去を行うための、空気軸受に近接した小さな真空領域とを含む、
スピン・スタンド・プラットフォーム。
【請求項４】
真空予圧及び磁気予圧の組み合わせを用いる空気軸受レールによって表面上での二次元動作に制限される、読み取りヘッド素子を支持するように適合化された微細位置決めステージを支持する空気軸受パック、
上記表面上での所望の位置にパックを移動させる少なくとも一つのアクチュエータ、
当該パックの空気軸受から空気を除去して、パックを表面の所望の位置で固定する装置を含み、
当該パックは、高い予圧力を生成する大きな中央の真空領域と、空気軸受から迅速な空気の除去を行うための、空気軸受に近接した小さな真空領域とを含む、
スピン・スタンド・プラットフォーム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
本発明は、コンピュータ・ハード・ディスク・ドライブに使用される読取り/書込みヘッド・アセンブリを試験する高安定性スピン・スタンド・プラットフォームに関する。
【０００２】
過去10年にわたって、ハード・ディスク・ドライブの記憶容量は劇的に増大している。記憶容量のこのような増大は、一部では読取り/書込みヘッド素子の磁気感度に関する技術の急速な進歩に起因する。技術のこのような急速な進歩により、読取りヘッドの製造が非常に要求されており、事実上、製造されたすべての読取りヘッド、および高度な技術によるすべてのヘッドに対して受入れ（acceptance）試験が必要になっている。
【０００３】
読取りヘッドの電気特性は、業界で電気テスタと呼ばれているもので認可されている。この試験装置には、実際のディスク・ドライブ内での読取りヘッドの動作を模倣したモーション・プラットフォームが組み込まれている。モーション・プラットフォームは通常、粗位置決めステージおよび微細位置決めステージを含む。また電気テスタには、読取りヘッド素子を試験する精密な電子機器が組み込まれている。読取りヘッド素子の電気定性認可が常に要求されているが、電気テスタの動作要件により利用可能な技術の限界が追求されるようになったのはつい最近のことである。
【０００４】
上述のように、2ステージ動作システムは通常、粗位置決めステージおよび微細位置決めステージから成る。コンピュータ・ディスク・ドライブでは、データはディスク上のらせん状のトラック（track）に沿って格納される。トラック間の半径方向の間隔は現在、1インチ当たり（tpi）50,000トラックほど密であり、将来は100,000tpiほど密にすることが計画されている。読取りヘッドの性能を認可するには、トラック間隔よりも2桁（102）小さい離散動作増分（increment）でヘッドを移動させる能力を有することが望ましい。50,000tpiにおいては、0.2μインチ（5ナノメートル）の動作増分である。このような微細な動作は、印加電圧に応答して膨張し収縮する圧電性結晶を通常含む、微細位置決めステージによって実行される。この装置は、通常10μm程度の非常に限られた範囲を有し、したがって、ディスク上の様々な位置で読取りヘッドを試験するには全体の微細位置決めステージを再配置する必要がある。大部分の電気テスタ構成には、100mmから150mmのフルレンジ走行が必要である。実際のディスク・ドライブでは、読取りヘッドは、ディスク・ドライブの外径から内径まで斜めの経路に沿って横行し（ヘッドはレコード・プレーヤーと同様に、スイング・アームに取り付けられている）、したがって、ヘッドの相対角度はサーボ・トラックに正接するベクトルに対して変化する。角度のこのような変化をスキュー（skew）角度と呼び、スキュー角度の変化はヘッドの性能に影響を与える。しかし、電気テスタによっては、ヘッドがデカルトXY平面内で移動するものもある。ヘッドを様々なXY位置に移動させることによってスキュー角度の全範囲を再生できることを数学的に示すことができる。この性質のために、これらのテスタは、ディスクの直径およびドライブ・アームのピボット角度が異なる様々なディスク・ドライブ構成に対して非常に融通が利く。
【０００５】
電気テスタの典型的な試験シーケンスは、微細位置決めステージ上の留め具（「ネスト」と呼ばれることも多い）に取り付けられたたわみ（flexure）アームに設置された読取りヘッドから成る読取りヘッド・アセンブリを用いて始まる。磁気ディスクを支持するスピンドルは、動作速度、通常5,400rpmから20,000rpmまでに加速される。粗位置決めステージは読取りヘッドを第1の試験位置へ移動させ、読取りヘッドは、隣接するトラックを消去するよう命令される。試験トラックならびに内側および外側の隣接するトラックについて、ディスク上のすべての磁気情報が消去される。次いで、読取りヘッドは、通常はディスクの1回転よりも短い、ある有限長のディスクにデータのストリームを書き込むように命令される。その後、微細位置決めステージは、通常は次の隣接するトラックがありうる位置まで、ヘッドを「オフトラック」移動させ、試験トラックからの磁気情報が隣接するトラックからは検知できないことを確認する。次いで、微細位置決めステージは5nmほどの小さな離散動作増分で試験トラックを横切ってヘッドを移動させ、試験トラック上の磁気データの強度とディスク上の半径方向位置とを相関させる。読取りヘッドと書込みヘッドが同じ位置にない多くの最近のヘッドにおいて、この試験によって、読取り素子と書込み素子の相対間隔も決定される。その後、粗位置決めステージが以後の試験点に移動させられ、上記の段階が繰り返される。試験の終了時に、粗位置決めステージは完全に取込み位置に引き込まれ、読取りヘッド・アセンブリが、試験されていないアセンブリと交換される。
【０００６】
試験シーケンスの総サイクル時間を最適化するには、微細位置決めステージの離散動作増分をディスクの1回転に必要な時間（たとえば、20000rpmで0.003秒）よりも短い時間で完了する（移動時間および、安定帯域（band）内に設定する時間との両方、たとえば10nm）ことが極めて望ましい。この目標は現在、既存の構造では実現可能でない。
【０００７】
従来技術のテスタの基本的な素子は、高速空気軸受スピンドルおよび2ステージ動作システム（すなわち、粗位置決めステージおよび微細位置決めステージ）である。既存のテスタ設計は通常、空気軸受であるか機械的であるかにかかわらず、XY積重ね（stacked）ステージを利用している。積重ねステージでは、積重ねステージ構造の動力学的特性のために微細位置決めステージの機能が制限される。個々のステージを剛性にしても、各ステージの最終的な構造の動力学的特性は、直交ステージ軸の駆動アクチュエータの制限によって決定される。このようなステージは通常、限られた剛性を有する親ねじ（leadscrew）ドライブを使用する。最も剛性の積重ねステージ設計でさえ、第1モード固有周波数は200Hz未満である。したがって、外部の摂動による単一発振周期は0.005秒かかる。10nmの安定帯域を超える、微細位置決めステージからの反力による位置の摂動によって、5ミリ秒未満の微細位置決め移動の目標を実現することは不可能になる。実際の用途では、粗位置決めステージの第1モード固有周波数は1kHzを超えることが望ましい。本出願が一部継続出願である米国特許出願第09/099,046号は、空気軸受と、真空固定機能を有する分割軸構造とを使用したスピン・プラットフォームを開示している。
【０００８】
ディスク・ドライブの記憶密度が引き続き増大しているため、現在開発中の読取り/書込みヘッドの試験には、現在の技術では実現するのが困難な位置安定レベルが必要である。さらに、市場における価格面の競争が常に激しいため、製造スループットを高める必要がある。その結果、スピン・スタンド・プラットフォームは現在、試験中の読取りヘッドをより高速に移動させ、同時に、高レベルの位置安定性をもたらす必要がある。粗位置決めステージの代表的な安定性要件は、数秒の期間にわたって位置の変動を±10nm以下に抑えることである。他の要件は、位置決め後、移動する圧電ステージからの反力と回転するスピンドルからの不均衡力による粗位置決めステージの（振動の形の）動作がほとんどなくなるように、粗位置決めステージが極めて剛性でなければならないことである。スピンドルに対する読取りヘッドの相対位置は±10nm帯域内で安定しなければならない。したがって、粗位置決めステージが動くとこの性能レベルが低下する。
【０００９】
本発明のスピン・スタンド・プラットフォームは、既存のスピン・スタンド・プラットフォームに勝るいくつかの重要な利点をもたらすように構想されている。主要な利点は、試験中の位置安定性の面にある。本発明のスピン・スタンド・プラットフォームは、コンピュータ・ディスク・ドライブ上のトラックの半径方向間隔が絶えず密になっていることによる厳しい要件に対処することができる。
【００１０】
発明の概要
ある局面において、本発明のスピン・スタンド・プラットフォームは、微細位置決めステージを形成する空気軸受パックを含んでおり、パックは、表面上での二次元動作に制限される。微細位置決めステージは読取りヘッド素子を支持するように適合化されている。パックを表面上の所望の位置決めに移動させる少なくとも1つのアクチュエータが設けられている。空気軸受パックから空気を除去してパックを表面の所望の位置に固定する装置が設けられている。好ましい態様において、パックは、空気フィルムの剛性を高めるように真空予圧される。空気軸受に空気を供給するクイック・ダンプ・バルブが設けられており、高速動作がもたらされる。
【００１１】
第一のアクチュエータがパックを第1の方向へ移動させ、かつ第2のアクチュエータが第1の方向に直交する第2の方向へパックを移動させる2つのアクチュエータがあることが好ましい。2つのアクチュエータがリニア・モータであることも好ましい。この態様において、パックは、真空予圧および磁気予圧の組合せを用いる空気軸受レールによって制限される。
【００１２】
好ましい態様の説明
図1および図2を参照すると、本発明のスピン・スタンド・プラットフォーム10は、その上面に微細位置決めステージ（図示せず）を有するように適合化された真空固定パック12を含んでいる。微細位置決めステージを有するパック12は、微細位置決めステージ上の読取りヘッド素子の電気定性試験（electrical wualification test）を行うために、試験ディスク（図示せず）を有する空気軸受スピンドル14と協同する。
【００１３】
真空固定パック12は、空気軸受レール16により、平面内で二次元動作できるように支持されている。空気軸受レール16は、位置18で真空予圧され、位置20および22で磁気予圧される。図1で、レール16は、リニア・モータ24の制御下で左右に移動する。モータ24は、非接触リニア・エンコーダ26からの位置情報を受信する。
【００１４】
パック12は、非接触リニア・エンコーダ30からの位置情報を受信する第2のリニア・モータ28の制御下でレール16に沿って移動する。したがって、前述の構成では、パック12は花崗岩ベース32上で二次元移動することができる。
【００１５】
スチール・エンクロージャ34は、空気軸受パック12、空気軸受レール16、および空気軸受スピンドル14用のすべての空気式機器を含んでいる。エンクロージャ34内には、DMM2100サーボ・コントローラを含む電子機器も存在する。電源ボタン36によってサーボ・コントローラ（図示せず）が制御される。
【００１６】
図3には、真空固定パック12上で使用される空気軸受表面が示されている。2つの平坦なプレート間の隙間に加圧された空気が導入されたときに、バックグラウンドとして空気軸受が形成される。空気軸受が荷重を支持するように、平坦なプレート間の領域は正圧でなければならない。空気は粘度が非常に低いので、各プレートと空気の間の表面摩擦によって空気の流れが制限され、よって、圧力差が形成されるように、2枚のプレート間の隙間を非常に小さくする必要がある。通常、隙間は5μmから10μm程度である。このような非常に小さな隙間はまた、2μm程度平坦なプレートを必要とし、これは空気軸受の製造を困難にする。
【００１７】
プレート間の隙間内の加圧された空気は、膨張する固有の傾向を有し、その結果隙間は増大する。空気が膨張するにつれて、空気フィルムの圧力が低下し、空気フィルムの剛性が低減する。空気フィルムは剛性であることが望ましいので、隙間を減少させねばならない。減少は、フィルム圧と反対の力を導入することによって実現される。この動作方式を空気フィルムの「予圧」と呼ぶ。予圧は、反対の空気軸受の使用、重さ（重力）、もしくは磁力により、またはこの場合のように、減圧によって実現されうる。
【００１８】
図3において、真空領域が斜線の領域として示されている。パック12は、大きな中央の真空領域40およびそれより小さな真空領域42とを含む底面を有している。真空領域40および42は、主空気軸受表面に平行な凹面である。これらの領域から空気が排出されて負圧が生成され、予圧がかけられる。また軸受は孔（orifice）48も含んでおり、これを通して、加圧された空気が空気軸受に導入される。軸受表面から12μm程度わずかにへこんだ楕円形の領域50が、これらの孔48を囲んでいる。これらの領域50は、軸受内の圧力を安定化させ供給空気を一様に分散させるように働く。この設計は、除去された（relieved）領域51も含んでいる。
【００１９】
この空気軸受設計が従来の空気軸受設計と異なる点は、大きな中央の真空領域40だけでなく、小さな領域42も入口孔48間に含まれていることである。これらの領域は、空気軸受を予圧するだけでなく、供給空気圧がオフにされたときに空気フィルムを真空排気する助けにもなる。この構成は、本発明の軸受の迅速な「固定」を容易にする。これらの領域42なしでは、空気フィルムをプレート間から「押し（sqweezed）」出す必要があると考えられる。これらの領域を追加することにより、固定が行われた後システムが完全な安定性を達成するまでの時間が著しく短縮される。またこのパック設計には、図3に示すように空気軸パッド用の運動学的（3点）レイアウトが組み込まれている。この設計は、パックを機械のベースプレートに接触させたときの荷重移動による歪みを低減させる。
【００２０】
図4に示す空気の入った「クイック・ダンプ」バルブ52を使用して、空気軸受パック12および空気軸受レール16に空気を供給することが好ましい。空気の供給は、電磁制御空気弁（図示せず）を使用して電子的にオンおよびオフに切り換えられる。電磁弁による流れの制限を克服するために、システムの空気入口でクイック・ダンプ・バルブ52が使用されている。クイック・ダンプ・バルブ52は可動ゴム・シール54を使用している。可動ゴム・シール54は、バルブの、空気が自由に流れる大きな排気口56を開閉する。入口58での供給圧が軸受内（および出口60内）の圧力よりも高いかぎり、排気口56は閉じている。（電磁弁がオフに切り換えられたときに）供給圧が低下した直後に、ゴム・シール54が排気口56を開き、それによって空気軸受内の圧力を急速に低下させることができる。したがって、クイック・ダンプ・バルブ52は、電磁弁を遠くに配置することを可能にする。空気は、空気圧による制限のために、空気ホースを通過しソレノイドを通って排出される場合よりもずっと迅速に排出される。適切なクイック・ダンプ・バルブ52は、SMC Pneumatics, Inc.、東京、日本から市販されている。
【００２１】
本発明のシステムは、可動部分がなく、摩耗もなく、構成要素の潤滑または定期的な交換の形でのメンテナンスを必要としない、摩擦のない動作を提供する。これは、潤滑および定期的交換の両方を必要とする親ねじおよび転がり要素軸受を使用するモーション・ステージに勝る重要な利点である。
【００２２】
動作時には、エンクロージャ34内の動作コントローラがリニア・モータ24および28を制御して、位置エンコーダ26および30によってモニターされる所望の位置にパック12を移動させる。所望の位置に到達するとすぐ、空気がクイック・ダンプ・バルブ52を通して空気軸受から迅速に除去され、パック12が花崗岩ベース32に固定される。この時点で、パック12上に保持されている微細位置決めモジュールによって位置の微調整が行われる。
【００２３】
当業者には、本明細書において開示された本発明の修正および改変が明らかになると認識される。すべてのそのような修正および改変が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の高安定性スピン・スタンド・プラットフォームの斜視図である。
【図２】  図1のスピン・スタンド・プラットフォームの平面図である。
【図３】  空気軸受パックの底面図である。
【図４】  本発明における使用のためのクイック・ダンプ・バルブの断面図である。
【図１】
0004384834.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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