粘弹性衰减的浮动块悬浮系统 本发明涉及磁盘驱动器中浮动块的悬浮物系统，更具体地涉及一种具有把某个模式蚀刻成为一个叠片层、用以建立能衰减系统中的各种振荡方式的限定区的叠片悬浮系统。
利用装在浮动块上的传感器读写至少一个可转动磁盘上的数据的磁记录磁盘文件在该技术领域中是众所周知的。在这种系统中，浮动块通常是由某个悬浮系统附加在传动臂上的。
使用叠片材料构造磁盘文件中的浮动块悬浮系统在该技术领域中也是众所周知的。例如，Erpelding等人在1991年2月26日授权的美国专利4,996,623中提出的由夹在两个金属层中的聚酰亚胺材料薄片组成的一种悬浮系统。同样，Ainslie等人于1988年8月2授权的美国专利4,761,699中提出的一种附加在叠片悬浮物上的浮动块。
已知磁盘驱动器中传动臂和悬浮物地振荡会产生不合要求的影响，例如浮动块上记录元件的不可重复的径向跳动。减少这种振荡的一种已知方法是把某种粘弹材料加入到支撑浮动块的悬浮系统中。例如，Pa(等人于1988年7月26日授权的美国专利4,760,478中提出了具有固定在负载承受部件的粘弹材料层，用以衰减支撑臂中的振荡的一种磁头支撑臂。
在对广义的系统中有害的振荡问题进行分析中，已经开发出用被限定层和限定层来衰减振荡的理论模型，这些模型说明：所获得的全部衰减的有效性取决于被限定层的硬度及其长度。适当估算这一长度有几种方法，同时用到了分析的和实验的方法。例如，在第31卷(1959年)的美国声学会的杂志上由E.M.Kerwin发表的名为“被限定粘弹性层对曲折波的衰减”一文中认为：被限定层的有效长度与曲折波的波长有关。
在第48卷(1970年)的美国声学会的杂志上由R.Plunkett和C.T.Lee发表的另一篇题为“被限制粘弹性层衰减的长度优化”的论文中认为：可对单个或多个衰减层确定有效的限定层长度。在另一篇题为“聚酰亚胺薄膜的粘弹性和滞缓性恢复”(VLSI Memo 90—600，MIT(1990年6月)，作者F.Maseeh和S.Senturia)的论文中，对聚酰亚胺薄膜的粘弹特性进行了表达和测量。
现有的技术并没有提出用被限定层/限定层原理来解决磁盘驱动器的浮动块悬浮物中出现不想要的振荡的问题。此外，随着信息存储介质(如硬盘)磁道密度的增加，对能把振荡减到最少的浮动块悬浮系统的需求就会继续变得更加重要。
简而言之，本发明的最佳实施例是用于磁记录磁盘文件的一种浮动块悬浮系统，该系统利用被限定层/限定层来衰减存在于悬浮系统中的振荡。该系统包括一个叠片悬浮物，用于连接浮动块和传动臂，该悬浮物包括传导层、绝缘层和加固层。绝缘层由某种具有一些粘弹特性的材料组成，如聚酰亚胺，其作用是作为衰减由加固层引起的振荡的被限定层。传导层包括作为绝缘层的限定区的着陆区图形。
在本发明的替换实施例中，在传导层和加固层中形成了一个V形的舌片。该舌片使得聚酰亚胺绝缘层能经受伸展和剪切力的作用，由此衰减悬浮系统所受到的振荡的曲折和挠曲方式。
图1是根据本发明的浮动块悬浮系统的顶视图；
图2是沿着图1的线2—2截取的浮动块悬浮系统的截面图；
图3是根据本发明的浮动块悬浮系统的替换实施例的顶视图；
图4是沿着图3的线4—4截取的浮动块悬浮系统的截面图；
图5是使用了根据本发明的浮动块悬浮系统的一个磁盘文件的简图。
图1是浮动块悬浮系统10的顶视图。系统10包括浮动块部分14、传动臂部分18和连接部分22(也称为负载梁)。在系统10的表面30上有多个信号保护线25和电线26。每个电线26的每一边都有一个空间34，以便防止该电线26和邻近的电线26或保护线25短路。同样，每个信号保护线25在其每一边上也有一个空间34，防止该保护线25和邻近的电线26或保护线25发生短路。信号保护线25的功能是把不需要的电信号送到磁盘文件的地线电路上。这些不需要的电信号是由外部环境的杂散电磁场所产生的。
部分14、18和22指定了系统10的范围，但系统10是由一块连续的叠片材料形成的，正如下面结合图2所说明的那样。
浮动块部分14是系统10中安装读/写浮动块35的部分。读/写浮动块包括用于读写象硬盘这样的介质上的数据的传感器。电线26形成了连接浮动块35和外部系统的电连接器，如下面结合图5所说明的那样。
臂部分18是系统10中被连接到传动臂的部分，例如图5中所示的臂136。通常，臂部分18是这样被附加到传动臂上的：沿着图2所示的第一层50把臂部分18结合到传动臂上。
臂部分18和链部分22之间有一对绞链36。同样，绞连37位于链部22的末端，链部22与浮动块部分14邻接。
链部分22包括多个着陆区38、多个空间40和多个空间41，以被称之为“斑马线”的模式位于表面30上。每个着陆区38被空间40中的一个同相邻的着陆区38分开。空间41沿着没有被空间40围绕的着陆区38的每个边与着陆区38邻接，因此，每个着陆区38都是完全被空间40和41的组合所包围的。
着陆区38的形状并不是关键的，但通常每个着陆区38都是一个多边的密封区域。如图1所示，着陆区38的某些边可以是曲线、其他的形状，如圆形、多边形、正方形、矩形和梯形也都可以用于着陆区38。
第二组着陆区43以及空间44和45位于中轴线46的周围，中轴线46在系统10的纵向轴上。每个着陆区43是一个多边的密封区域，空间44中的一个把该区域同邻近的着陆区43分开。空间45沿着不被空间44包围的着陆区43的每个边与着陆区43邻接，因此，每个着陆区43完全被空间44和45的组合所包围。
在该最佳实施例中，某些着陆区38(在图1中标号为“a”)位于轴47的周围，轴47经过固定点36的附近并且平分出两个或多个着陆区38(a)。每个着陆区38(a)都是多边形的区域，在轴47周围稍微弯曲，并且在所有的边上都被空间40或空间41所包围着。着陆区38(a)有一个宽度“C”，是沿着垂直平分邻近着陆区38(即在轴47的方向上)的线测量到的。此外，在该最佳实施例中，空间41之一位于系统10的边48上。空间40与蔓延在边48上的空间41交叉。轴49贯穿垂直于中轴线46的两个绞链36，而轴51则贯穿垂直于中轴线46的绞链37。
图2是浮动块悬浮系统10的一个截面视图，说明系统10是一个由第一层50、第二层54和第三层58组成的叠片结构。第一层50邻近第二层54的一个表面。第三层58邻近第二层54的另一个表面，使得第二层54和第一层50及第三层58分开，层50、54和58都位于互相平行的平面上。
正如在图2中所看到的，着陆区38是第三层38的区域，其截面基本上是矩形，并且通过一个空间40与每个邻近的着陆区38隔开。空间40向下延伸到第二层54，使第二层54通过空间40被暴露出来。
图1和图2中说明的各种元素的典型尺寸和组成如下：空间40和44的宽度“b”约为0.05到0.1毫米，着陆区38和43的宽度“C”约为0.4毫米，第一层50的厚度“W”约为0.051毫米，并且是由不锈钢这样的刚性材料组成的，第二层54的厚度“x”约为0.006毫米，并且是由聚酰亚胺这样的粘弹性绝缘材料组成的，第三层58的厚度“y”约为0.0127毫米，并且是由高强度铍铜合金这样的电传导材料组成的。
应该知道：上面列出的各值取决于着陆区38和43、以及空间40、41、44和45的特点图形，并且取决于在层50、54和58中所用的材料。对于不同的系统，就需要确定不同的值。
着陆区38和43、以及电线26和信号保护线25是通过利用标准的金属蚀刻技术来蚀刻表面30而形成的。例如，当第三层58包含铍铜时，用铁的氯化物蚀刻层58。蚀刻处理就是从特定的区域中去掉金属，由此形成了定义电线26、信号保护线25以及着陆区38和43的空间34、40、41、44和45。
关于空间34、40、41、44和45，通过蚀刻处理完全去掉第三层58中的金属，而让第二层54通过空间34、40、41、44或45暴露出来。实际上，典型的化学蚀刻处理将不会对空间40形成如图2所示的具有真正矩形的槽。由某种化学蚀刻处理所形成的实际的槽都是稍微变圆或变细，这在该技术领域中是众所周知的。
在该最佳实施例中，第一、第二和第三层50、54和58最初都包括一条连续的铍铜/聚酰亚胺/不锈钢叠片的叠片材料。然后从这条叠片中制作出多个浮动块悬浮系统10。St.Clair等人的美国专利4,543,295(1985年9月24日授权)介绍了金属一聚酰亚胺薄膜叠片的制备过程。
图3是浮动块悬浮系统70的另一个实施例的顶视图。系统70具有浮动块部分74、臂部分78和链接部分82。系统70的表面90上有多个电线86和信号保护线87。空间94把每个电线86和相邻的每个电线或保护线87分开，防止该电线86同相邻的电线86或保护线87发生短路。同样，每个信号保护线87在其每一边上都有空间94，防止保护线87和相邻的电线86或保护线87发生短路。通过绕着舌片98的界线切出V形通道102而在表面90上形成具有长度为“L”的V形舌片98。
图4是浮动块悬浮系统70的截面视图，说明系统70是由第一层106、第二层110和第三层114组成的一个叠片结构。第一层106位于第二层110的一个表面上。第三层114位于第二层110的另一个表面上，因而第二层110把第一层106和第三层114隔开，而层106、110和114都位于互相平行的平面上。
正如图4中所能看到的，通道102是围绕舌片98的一个区域，在该区域中，第三层114已经被去掉，使得第二层110被暴露出来。另外，在通道102下面的第一层106的一部分也被去掉，露出第二层110，并形成了一个锥形的通道118。因此，第二层110在通道102的两边都被暴露。通道118按照完全围绕舌片98的界线的通道102的形状，因此也具有通道102的V形形状。
图3和图4所示的各种元素的典型尺寸和组成如下：通道102的宽度“f”约为0.4毫米，长度“L”约为6.3毫米，层106、110和114类似于层50、54和58，具有相同的尺寸和组成，因而，第一层106的厚度“g”约为0.051毫米，并且是由不锈钢这样的刚性材料组成的。第二层110的厚度“h”约为0.006毫米，并且是由聚酰亚胺这样的粘弹绝缘材料组成的。而第三层114的厚度“k”约为0.0127毫米，并且是由铍铜合金这样的电传导材料组成的。
应该知道，上述的各种值取决于舌片98以及通道102和108的具体图形，也取决于层106、110和114中所用的材料。对于不同的系统，需要确定不同的值。
如前面对悬浮系统10的讨论一样，舌片98、电线86和保护线87都是利用标准的金属蚀刻技术在表面90上蚀刻而形成的。蚀刻处理就是从特定的区域中去掉金属，由此形成了定义电线86、保护线87和舌片98的空间94及通道102。
关于空间94和通道102，通过蚀刻处理，完全去掉第三层114中的金属，使第二层110通过空间94或通道102暴露出来。通道118也是由化学蚀刻形成的。通道118是一个锥形(即在其底部较宽而邻接第二层110)，是由蚀刻处理形成的。当一个厚的金属层(例如层106)被蚀刻时，所形成的槽一般都稍微变成锥形。
图5是利用了本发明的浮动块悬浮系统10或70的一个磁记录磁盘元件120的简图。应该知道，悬浮系统10和70也能用于其他需要振荡最小化传感器悬浮系统的收据存储系统，例如软盘驱动器、光盘驱动器或激光唱盘机。
磁盘元件120包括多个适用于硬盘驱动器的磁记录盘124。磁盘124装在主轴128上，而主轴128又被连接到主轴马达130上。马达130装在底板131上。
多个读/写浮动块35位于磁盘124的上方，这样，每个磁盘124都可以被其中一个浮动块35所访问。每个浮动块35包括包括一个用于读写磁盘124上的多个同轴数据磁道上的数据的传感器，并被附加到一个悬浮系统10(或70)上。每个悬浮系统10(或70)被附加到传动臂136上，而传动臂又被附加到旋转的传动器140上。旋转传动器140带动传动臂136(因此也带动悬浮系统10或70以及浮动块35)径向地经过磁盘124。外壳144(在图5中用虚线表示)密封磁盘元件120，并使之不被粒子污染。
控制器148全面控制系统120。控制器148包括中央处理器(CPU)、存储器和其他的数字电路，并且被连接到传动器的控制/驱动器152上，而152又同传动器140电连接。这就使得控制器148能控制浮动块35在磁盘124上的移动。控制器148的电路同读/写通道156连接，而156电路又同浮动块35电连接。这又使得控制器148能从磁盘124中接收数据以及把数据送到磁盘124中。控制器148的电路还连接到主轴控制/驱动器160上，而160的电路又连接主轴电机130。这就使得控制器148能控制磁盘124的旋转。主机系统164(通常为计算机系统)的电路连接控制器148。主机系统164可以把数字数据送到控制器148而被存在磁盘124上，或者也可以要求从磁盘124中读出数字数据并送到系统164。数据存储系统(例如磁盘元件120(不带悬浮系统10或70))的基本操作和结构在该技术领域中是众所周知的，在由C.Dennis Mee和Eric D.Daniet所写的并由McGraw—Hill出版公司1990年出版的《磁记录手册》一书中有更详细的描述。
现在参考图5，对本发明提出的问题进行解释。磁盘元件120中传动臂136和悬浮系统10(或70)的振荡产生了增加浮动块35的记录元件的不可重复摆动(NRRO)的不合要求的影响。这种影响限制了磁道的密度和磁盘元件120的容量。
在磁盘元件120中，臂136和悬浮系统10的振荡是由于磁盘主轴128的振荡和传动器140的移动、尤其是在机壳144内部气流而激发起来的。振荡的幅度以及NRRO幅度同激励的程度成正比。另外，激励源的频率含量也是很重要的。如果激励频率接近悬浮装置的自然频率，则振荡的幅度将与衰减量成反比。如果某些驱动频率接近其自然频率，则在某种特定方式中具有很小衰减的系统将具有很大的振幅。通常气流激发悬浮物10(或70)的所有频率。因此，为了降低NRRO，希望具有较高的衰减，尤其在具有显著贡献NRRO的方式中。还希望在设计中具有较高的自然频率和强度。在悬浮物和浮动块运动之间具有较低的耦合度，并且对激励源有较低的敏感性。
现在参考图1和图2，解释本发明最佳实施例的功能。悬浮系统10由三个层50，54和58组成。第一层50是一个加固物层，该层使系统10具有刚性并且是需要被衰减的结构。第二层54是一个限定层，被第三层58所限定。第二层54由某种聚酰亚胺绝缘材料所组成，位于第一层50和第三层58之间做为电绝缘体，并且还具有粘弹性。粘弹性意味着在一种形变材料中的压力与形变和形变的速率两者成正比。粘弹性材料也显示了滞缓和松驰的特性。滞缓意味着在恒定的压力下，形变随时间而增长。松驰则意味着在恒定固定的形变下，压力随时间恒定地减少。
第三层58由电传导材料组成，如铍铜这样的高强度铜合金。第三层58最好由铜组成是因为电导线26需要作为有效的电导体。这种合金最好是高强度的，因为这种高模量能提供高的强度，提高限定层把应变能量传入第二层54的能力。另外，绞链36和37带有作用于浮动块35的预加载，因而经受高的压力。此外，这种合金在压力下更稳定，意味着预加载没有失去。
通过提供使第二层54能经受剪切的区域，着陆区38和43以及空间40、41、44和45的图形用来衰减悬浮系统10的曲折方式。当悬浮系统10经受曲折振荡时，第一层50的材料经受周期性的形变。由于第二层54被接合在第一层50上，因此，这种形变被传送进入组成第二层54的材料的底面。
在第二层54被某个着陆区38复盖的区域中，第二层54的顶面被超出着陆区38所允许的强度的形变所压制。因此，层54的整个厚度都受到剪切。层54内部的剪切活动吸收了系统的能量，由此衰减了悬浮系统的形态运动。
空间40和44的作用是把着陆区38和43的宽度“C”保持在某个最佳的值。例如，如果空间40和44不存在，宽度“C”将变大，而着陆区38和43也分别变得太柔韧而不能有效地作为一个限定层。另一方面，如果着陆区38和43的宽度“C”太窄，被这些着陆区复盖的区域将是太小的而无法起到有效的限定作用。在这两种情况下将导致较少的衰减。基本上说，当相邻着陆区38之间还保持离散的间距时，则对空间40的宽度“b”的选择应尽可能窄。
图1所示的着陆区38的“斑马线”图形的目标是衰减悬浮系统10的曲折和挠曲方式。为了衰减这些模式，把某些着陆区38放在轴47的周围，轴47垂直于着陆区38的曲率，并且接近绞链36中的一个。这种方位对最大程度的形变提供了最优化的着陆宽度“c”。
在着陆区38和43中，宽度“c”被优化到产生最高的衰减。如果宽度“c”太大，着陆区38将被第二层54所伸展。另一方面，如果宽度“c”太小，很小的第二层54将被压制。在这两种情况中，所得到的衰减量将小于采用宽度“c”的某些最佳值所能得到的衰减量。
确定宽度“c”的一个最佳值的近似技术使用下面的等式1，其中Es＝铜的弹性系数＝1.279×108；E1＝聚酰亚胺的粘力系数＝1.2×106；x＝第二层的厚度＝0.006mm；y＝第三层宽度＝0.0127mm；v＝聚酰亚胺的泊松系数＝0.34：c=4.64(1+v)xyEs/E1=.3mm---(1)]]>
一旦计算出宽度“c”的近似值，就可以通过构造厚型的系统10并测量各种配置所得到的衰减量对宽度“c”进行优化。一般地，宽度“c”的取值范围为0.1到0.8mm。
参考图1和图5，臂部18和链部22之间有一对绞链36，使链部22能绕轴49在枢轴上转动，并且使得浮动块35和浮动块部14能在不干扰浮动块35和磁盘124之间飞行高度的情况下紧紧跟踪磁盘的摆动。绞链36是第三层58的部分并沿着轴49蔓延，在浮动块35上产生预装载。这种预装载迫使浮动块贴着磁盘124，并由磁盘主轴128旋转所产生的气体轴承力所平衡，主轴128的旋转倾向于把浮动块35和磁盘124分开。位于绞链36、臂部18和链部22之间的电导线26和保护线25是足够柔韧的，使之不会影响绞链36的角度。此外，轴49周围的链部22的曲折硬度主要取决于绞链36。
绞链37使浮动块部分14能绕着轴46纵向倾斜，并能绕轴51横向摆动。位于绞链37的双边以及链部22和浮动块部14之间的电线26和保护线25部分是足够韧的，使得绕着轴46和51的浮动块部分14的曲折强度主要取决于绞链37的刚度。适当选择绞链36和37的长度和宽度，为浮动块部分14提供曲折和从其平面上转移中的足够刚度，使浮动块35飞行在所需的飞行高度上并使之尽可能保持恒定。悬浮物的动态响应和自然频率也是由绞链的刚度所决定的。
参考图3和图4，说明另一实施例的功能。在磁盘驱动器操作期间，悬浮系统70的曲折和挠曲模式使系统70被曲折和扭曲。然而，舌片98的形状使之能在运动期间保持相当的平坦，由此，使得舌片98下面的第二层110的部分能经受伸张和剪切运动。较窄的宽度“f”有利于第二层110中的剪切，而较宽的宽度“f”则产生更多的张力。
确定长度“L”最佳值的一种近拟技术使用了下面的等式2，其中f＝0.4mm：L=1.2041/3Es/E1(y/x)3bsf3[1+2.4(1+v)(x/y)2]4=6.3---(2)]]>
一旦计算出长度“L”的一个近似值，就可以通过构造厚型系统70并对各种配置所得到的衰减量的测量对“L”进行优化以便得到一个最优化的值。一般来说，长度“L”较短将产生小的衰减，但较长的长度“L”将会恶化系统70的悬浮动态。
选择V形的舌片98，因为当对舌片98给出最大的刚度时，V形的舌片98将使悬浮系统70中刚度的降低程度达到最小。当这些元素的每一个具有可能的最宽基底时，就能实现舌片98和悬浮系统70中的最大刚度。
虽然借助上述的最佳实施例来描述本发明，但应该理解，这些讨论并不能看作是对本发明的一种限制。在读了上述的描述之后，熟悉这一技术的人显然能提出各种替换和改进的方案。因此，打算把附加的权利要求书解释为包括了落在本发明的真正原理和范围中的所有替换和改进的方案。