Experimental Study of Head-Disk Interface Instability on Light Contact Recording Using Dynamic Flying Height Control

Abstract

The instability of the slider touchdown process was observed by the sensitive method that uses PZT ((Zr x Ti 1 x ) O 3 ) sensor mounted on a suspension. By using this method, we could differentiate from the contact between the slider and the lubricant surface, the stable regime beyond touchdown (surfing regime), and the final full contact with the disk surface. Z-dol2000S clearly showed the surfing regime, but Z-tetraol2000S did not show the surfing regime on a thin lubricant film with a thickness of less than 16 Å. In the case of Z-dol, the magnitude of the slider vibration at the contact on the lubricant surface depended on the lubricant thickness; in the case of Z-tetraol, a large vibration was observed only at 20 Å. We have tried to explain these phenomena with the help of potential energy curves that are based on intermolecular forces calculated by molecular dynamic simulations. Potential energy curves could be used to explain the stability of the touchdown process.Index Terms-Head-disk interface, lubricant, magnetic head, magnetic recording.

Design Theory and Vibration Characteristics of Contact Head Slider

“…磁気ディスク装置におけるコンタクト記録スライダは， 1997~2004 年頃浮上ヘッドスライダの浮上量のばらつ き要因をなくして浮上すきまを数 nm 以下に低減させる手段として盛んに研究された (1)-(4) が，接触振動の発生 (5) ， ヘッド摩耗等によりその実現の可能性は小さかった．その後熱アクチュエータによりヘッド部を局所的に突出さ せる Thermal Flying height Control (TFC) ［Dynamic Flying Height control (DFH) ともよばれる］スライダ (6) が実用 化され，各スライダの浮上すきまのバラツキが除去された．また接触面積が減ったため，潤滑剤のメニスカス力 が低下し，さらにピコスライダに代わって小形のヘムトスライダが採用されたため，激しい跳躍自励振動の発生 がなくなった (7) ．TFC 技術により，現在のヘッド・媒体間浮上すきまは 2~3 nm 程度まで低減され，磁気ディス クの記録密度は 700 Gb/in 2 レベルになっている．今後さらに 1 Tb/in 2 以上の高記録密度を実現するには，1 nm 程 度の微小すきまの実現が望まれている．しかしヘッド部の等価曲率半径が 20 mm の場合でも，ヘッドとディスク の平均面間距離が 1 nm 強から吸着してしまうことが予測されている (8) ．したがって今後は，平均面間すきまが 1.3 nm 程度以上の非接触記録か，平均すきま 1 nm 以下の接触記録を選択しなければならないと考えられる． このようなヘッド・ディスク間すきまの狭小化の要請から，ヘッドを潤滑膜の流動層内で滑らす， surfing-recording の概念が Liu 他 (9), (10) により提案されている．接触記録の可能性を調べるため，TFC slider で，ヘ ッド部をディスク面に接触させるタッチダウン特性に関する実験が, Canchi & bogy (11), (12) ，Ma 他 (13) ，Shimizu 他 (14) , Tani 他 (15) 等により行われている．実験で用いたヘッドスライダ，潤滑剤等の実験条件の違いにより現象は異なる が，共通している現象は，ヘッドスライダの接触開始時には接触振動が生じるが，押し込み量を増加させると安 定な接触走査が得られる領域があることである．またヘッド押し込み量を増すとスライダの振動が低周波数成分 から高周波数成分へと変化する傾向がみられる．振動が生じない押し込み量領域を広げることができれば，TFC スライダによる on demand 方式の接触記録を行える可能性がある． ヘッドスライダの近接時から接触時におけるスライダ振動特性の数値シミュレーションも，Yu 他 (16) ，Vakis 他 (17) ，Zheng & Bogy (18) 等により行われ，接触開始時は接触振動が生じるが，押し込み量を大きくすると抑圧され ることが示されている．これらのシミュレーションは，ヘッド・ディスク間の相互作用力が正しく評価されてい れば，特定のヘッドスライダの特性を説明するためには優れているが，接触振動特性の全体を概観し，振動特性 のメカニズムとそれを支配するパラメータを明らかにし，更に安定に接触滑りするコンタクトスライダの基本的 な設計法を明らかにするには不適当である．Canchi & Bogy (19) は特定の条件下でピッチ 1 次モードの振動数の 2 倍がピッチ 2 次振動数に一致すると，非線形系の内部共振により大きな振動が生じること，また接触剛性特性の 非線形による高調波共振や分数次共振が起こることを非線形振動理論に基づき解析しているが，かなり特殊な条 件下の現象であり，一般的な振動挙動は解明されていない． これに対して，飯田他 (3) および Ono (4) Head-penetration depth , Canchi & Bogy (11) , Shimizu 他 (14) ，Tani 他 (15) の実験では，touchdown 直後は，100 kHz 以下の低周波数の成分 が励起されている． 特に Laser Doppler 振動計でスライダの 3 ないし 2 方向成分を測定している Canchi & Bogy (11) ， Shimizu 他 (14) では，touchdown 直後は off-track 方向に 100 kHz 以下の振動が励起され，押し込み量を大きくする にしたがい，これらの成分は小さくなっている．スライダ・サスペンション系は 100 kHz 以下の共振振動数の振…”

“…Canchi & Bogy (11) ， Shimizu 他 (14) の実験における接触開始時における z 方向の振動は， 100 kHz 以下の off-track 方向の振動と同じ周波数の振動も見られるが，浮上ヘッドスライダとしての P1 モード成分ないしそれより小さ いロールモード成分等の振動数成分が励起されている．本解析ではヘッド面はディスクに接触していることを前 提にしており，ヘッド面がディスク面から分離・跳躍すると，本解析結果の適用範囲外となる．しかしスライダ が MW により励振されて 100 kHz 以下の周波数 f r でディスク面から跳躍したとすると，接触剛性は零となり浮 (11) , Tani 他 (15) の論文では，130 kHz 近傍の浮上スライ ダとしての P1 モードの振動が現れ，Shimizu 他 (14) の論文では 190 kHz の P1 モードが現れている．本解析のモ…”

“…．この振動数はを大きくすると，増加する特性が明瞭である場合 (11), (13), (15) と，ほとんど変化しない場合 (14) がある．前者は図 (11) の LDV による測定結果を詳細に見ると，接触開 始時には off-track や down-track 方向に振動がみられるが，z 方向には更に押し込み量を増してから振動が現れて Effective contact damping ratio …”

Dynamic Head-Disk Interface Modeling and Adaptive Control of a Hybrid Actuator for Optical Data Storage Systems

“…These sources of flying height variations could be considered as multiple narrow band disturbances and have unknown and possibly time varying properties, which significantly affect the reliability of the read and write operations. [8,9] Therefore, it is highly desirable to design an effective control approach to further suppress these flying height variations.…”