JP3554929B2 - 多方向反射体を用いたハードディスクドライブスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系 - Google Patents
多方向反射体を用いたハードディスクドライブスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハードディスクドライブスライダーの運動測定のためのスイングアーム光学系に係り、特に３つの反射面を用いて高速運動をする小さな測定対象物の精密な変位測定が可能な６自由度運動の測定方式を用いたハードディスクドライブスライダーの運動測定のためのスイングアーム光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３次元空間に位置した測定対象物の位置と姿勢を示す多様な方法として、３次元空間上における直交座標系に位置ベクトルで位置を示し、オイラー角を用いた表示方法がある。オイラー角は基準座標系のx、y、z軸を中心に測定対象物が回転した角度をそれぞれγ、β、αと表す。
【０００３】
図１は６自由度運動関係及び記号を定義するための概念図である。図１に示されたように、座標系ＯWは測定対象物１の運動を示すための基準座標系であり、測定対象物１の一部に座標系ＯW'、ＯSが定義される。座標系ＯSは測定対象物１に固定されて測定対象物１と共に運動する座標系であり、座標系ＯW'は基準座標系ＯWと同一な姿勢を保ち、座標系ＯSと原点を共有する。そして、ベクトル【外１】
は、座標系ＯSと定義される測定対象物１の位置を示す位置ベクトルである。そして、【外２】
は数式１のようにｔX、ｔY、ｔZ、γ、β、αと定義された行列であって、基準座標系ＯWに対して移動した座標系ＯSの位置と姿勢を示す。
【０００４】
【数１】
【０００５】
ここで、ｃ、ｓはそれぞれｃｏｓ、ｓｉｎを意味する。
【０００６】
座標系ＯSは測定対象物１に固定されているので、この行列を用いて測定対象物１の位置と姿勢を示すことができる。このように３次元空間で測定対象物１の位置と姿勢を測定するには、ｔX、ｔY、ｔZ、γ、β、αの６つ値を測定すれることによってわかる。
【０００７】
測定対象物１の位置と姿勢を測定するための従来の方法は、各軸別に変位を測定するセンサーを装着して多自由度変位の測定を行っていた。
【０００８】
図２は従来の技術による静電容量型の近接センサーを用いて２次元平面上の座標と姿勢を求めるための概念図である。図２に示すように、ｘ、ｙ軸方向の並進運動変位を測定するために、ｘ１近接センサー２１とｙ１近接センサー２５の信号を用いて、回転角を測定するために、ｘ２近接センサー２３をx１近接センサー２１と平行に設ける。もし、３次元空間上で６自由度変位を測定するには各方向別に２つずつの近接センサーを使用しなければならない。
【０００９】
このように、従来の方法を用いて６自由度変位を測定するためには多数のセンサーを各軸別に使用しなければならなく、これを実際に適用するには多くの問題がある。
【００１０】
静電容量型の近接センサーを適用する場合には、測定対象物１の材質が金属でなければならず、また、測定対象物１の形状による設置の問題があり、かつ近接センサー２１、２３、２５と測定対象物１との間に狭い間隔を保たなければならない欠点がある。
【００１１】
一方、測定対象物の６自由度運動を測定するための装置ではマイケルソン干渉系を用いる方法がある。
【００１２】
図３は従来の技術による１軸方向の変位を測定するために使用するマイケルソン干渉系の概念図である。図３に示すように、レーザー光源３０とビームスプリッター３２及び固定されたコーナーキューブ３４を設け、測定対象物１の表面にコーナーキューブ３６を設けて図３のような光路を形成する。このような複雑な構成を通じて１軸方向の変位のみを測定するので、６自由度変位を測定するためには６つの干渉系を構成しなければならない。
【００１３】
したがって、非常に複雑な構成となり、かつ、マイケルソン干渉系の特性上、６自由度の変位が発生しても干渉系の光路を保ちにくくなる問題がある。
【００１４】
一方、図４は従来の技術による４つの位置検出器を用いて測定対象物の６自由度の変位を測定するための概念図である。図４に示された６自由度変位測定装置は１９９７年に光学技術(Optical Engineering Vol.３６,No.８,pp.２２８７-２２９３)に論文で提案された装置であって、図４のように、測定対象物１に４つのビームスプリッター４５、４６、４７、４８を装着し、４つの位置検出器(ＰＳＤ;position-sensitive detector)４１、４２、４３、４４及び、２つのレンズ４９ａ、４９ｂで構成された６自由度測定システムを開発した。
【００１５】
この測定システムにおいて３軸方向の並進運動と３軸方向の回転運動をそれぞれ０.０５μｍと０.２５μｒａｄの分解能で測定する。しかし、この６自由度測定システムは６自由度の並進運動と回転運動とを同時に測定できる長所があるが、４つのビームスプリッター４５、４６、４７、４８を装着できるほど測定対象物１が大きくなければならず、高速測定には適さないという欠点がある。
【００１６】
また、図５は従来技術による光センサー組立体を測定対象物に付着して６自由度の変位を測定するための概念図である。図５に示した６自由度変位測定装置は、Romanikにより発明された６自由度変位測定装置であって、この装置は'米国特許第５,８８４,２３９号'に開示されている。
【００１７】
また、図５に示されたように、垂直及び水平方向の平面形レーザービームはスキャナー５６によって走査される。この際、垂直方向の平面形レーザービームは水平方向に走査し、水平方向の平面形レーザービームは垂直方向に走査することによって、特定範囲の測定領域をレーザービームで走査することになる。
【００１８】
そして、４つの光センサー５１、５２、５３、５４を特定の立体形に構成することによって、光センサー組立体を垂直及び水平方向の平面形レーザービームとして走査すれば、光センサーには強い光量が検出される。また、光センサー組立体の形状、位置及び姿勢により各光センサーには特定の順序でレーザー光が検出されるようにしたものである。
【００１９】
また、光センサー組立体の形状は一定に保たれるので各光センサー５１、５２、５３、５４でレーザー光が検出される時間を測定すれば光センサー組立体の位置と姿勢を測定可能にする。このような原理を用いると、測定しようとする測定対象物(図示せず)に光センサー組立体を付着して測定対象物の位置と姿勢を測定することができる。
【００２０】
また、光センサー組立体を構成する４つの光センサー５１、５２、５３、５４の他に外部に装着された１つの光センサー５５は、スキャニングシステムとセンサー信号との間の同期化のために使用するものである。
【００２１】
このようなシステムで測定された６自由度運動の測定値は光センサー組立体が大きいほど測定精度が高い。しかし、小さな測定対象物の運動を精密に測定するのに難点があり、測定速度がスキャニングシステムのスキャニング速度により制限されるので、測定対象物が高速運動をする場合にはスキャニング速度による測定速度の制約が伴うという問題がある。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記問題点を解決するために提供されたものであって、多方向反射体を用いて測定精度に優れ、小さな測定対象物の変位測定が容易で、かつ、高速の運動を測定することを可能とする６自由度運動の測定方式を用いて、ハードディスクドライブスライダーのトラック追従状態及びトラック探索運動によるスライダーの動的特性を正確に測定でき、簡単な構造を有するＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系を提供することを課題とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するための本発明は、レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームを用いてハードディスクドライブのスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系において、前記スライダーまたはこれに隣接するように備えられ、スライダーとの相対的な位置が固定されたもので前記レーザービームが共に入射する３つの反射面を含む多方向反射体と、前記レーザービームが前記多方向反射体の反射面の集束される頂点に入射されるように、レーザービームの光路を形成する少なくとも１つ以上の光路決定反射体と、前記多方向反射体から反射された３方向のレーザービームの進行方向に各々設けられる３つの位置検出器と、前記３つの位置検出器から検出されたレーザービームの強度分布の重心を分析して前記多方向反射体の６自由度を測定する制御部と、前記スライダーを支持し、長手方向に沿って前記レーザービームの光路が形成される複数のスイングアームを含むスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系である。
【００２４】
また、本発明の前記複数のスイングアームの後端部は、ピボットに連結されて前記ピボットを中心に旋回する。
【００２５】
また、本発明の前記複数のスイングアームは２つの上下部スイングアームで構成され、上部スイングアームの先端部には貫通孔が形成され、前記レーザービームが前記上部スイングアームの長手方向に沿って進行して前記貫通孔を通じて前記多方向反射体の頂点に入射される。
【００２６】
また、本発明の前記複数のスイングアームは２つの上下部スイングアームで構成され、上部スイングアームは剛体よりなり、前記下部スイングアームはサスペンションとフレキシャーとが連結され、前記フレキシャーの底部には前記スライダーが装着される。
【００２７】
また、本発明の前記光路決定反射体は前記上下部スイングアームの旋回中心点の前記ピボットの上端に設けられる第１反射体と、前記上部スイングアームに形成された貫通孔に設けられる第２反射体とを含み、前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体と前記第２反射体により反射されて前記多方向反射体の頂点に入射される。
【００２８】
また、本発明の前記第１、第２反射体は４５゜の傾斜面を有する四面体形であり、前記第１、第２反射体の傾斜面は相互対向して設けられて前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体の傾斜面で反射されて前記第２反射体の傾斜面に進行し、前記第２反射体の傾斜面では前記第１反射体から反射されたレーザービームが前記貫通孔を通過して前記多方向反射体の頂点に入射されるように反射する。
【００２９】
また、本発明の前記第１、第２反射体は４５゜の傾斜面を有する四面体形であり、前記第１、第２反射体の傾斜面は前記上部スイングアームに向かわせて並んで設けられて、前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体の傾斜面で反射されて前記第２反射体の傾斜面に進行し、前記第１反射体から反射されたレーザービームが前記第２反射体の傾斜面に入射されて前記第２反射体の傾斜面から前記貫通孔を通過して前記多方向反射体の頂点に入射されるように反射する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態例）
［測定方式の説明］
まず、本発明に適用される多方向反射体を用いた６自由度運動の測定方式を説明する実施形態例を、添付した図面を用いて詳しく説明する。
【００３１】
図６に示すように、本実施形態例では測定対象物１に三角錐状のミラー、すなわち多方向反射体１１０を装着する。多方向反射体１１０は３つの鏡面を有する立体ミラーであって、図７に示したように、上部頂点にレーザービームを入射させて３本の反射光線を発生させる。ここで、前記多方向反射体１１０は少なくとも３つの反射面を有する本発明に適用される多方向反射体の一実施例に係るものである。すなわち、本発明によれば、３つまたはそれ以上の反射面を含む多方向反射体が用いられ、反射体から反射される３本またはそれ以上の反射光線のうち、異なる方向に反射される３本の反射光線が６自由度変位測定に使われる。
【００３２】
また、前記多方向反射体または３面反射体は他の部品で製作された後、測定対象物１に設置しても、測定対象物１そのものに一体形成されてもよい。
【００３３】
前述したように多方向反射体または３面反射体から反射された３本の反射光線は３つのレーザービーム位置検出器１２１、１２２、１２３により検出される。前記位置検出器１２１、１２２、１２３は入射されたレーザービームの強度分布の中心位置を電気的信号として出力するセンサーであって、一般的に広く使われる素子である。３つの前記検出器１２１、１２２、１２３に集束された３対の位置座標を用いて多方向反射体１１０の６自由度変位ｘ、ｙ、ｚ、γ、β、αを求める。
【００３４】
また、多方向反射体１１０は測定対象物１に付着して測定対象物１と一緒に運動することによって、測定対象物１の６自由度運動を測定することになる。また、正確な測定結果を求めるためには多方向反射体１１０の頂点とレーザービームの中心が正確に一致しなければならない。
【００３５】
したがって、レーザービームが多方向反射体１１０の頂点を正確に追従可能にするためにレーザービームと多方向反射体１１０とが共に運動しなければならない。
【００３６】
このように、多方向反射体１１０の頂点とレーザービームの中心とが常に一致するように多方向反射体１１０の運動と共にレーザー光源１３０の位置を制御することについては後述する。
【００３７】
図６のように、多方向反射体１１０から反射された３本のレーザービームが３つの位置検出器１２１、１２２、１２３に入射すると、各位置検出器１２１、１２２、１２３から出力されるレーザー光点の位置と光量情報を用いて多方向反射体１１０の６自由度変位を測定し、レーザーと多方向反射体１１０の頂点間の整列状態を制御する。この際、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３から出力される信号はＡ／Ｄ変換器１３５により制御部１３８の記憶装置に記憶されて処理される。
【００３８】
３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力を用いて多方向反射体１１０の位置と姿勢を求めるには、多方向反射体１１０の６自由度変位と３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力との関係を数式で示さなければならない。
【００３９】
本実施形態例では６自由度変位を有する多方向反射体１１０により分岐されて出力されたレーザービームを、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３からの出力を求め出す一連の数式を誘導した。これは３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力を用いて多方向反射体１１０の６自由度変位を求められる直接的な数式を誘導しにくいからである。
【００４０】
図７はレーザービームが理想的な直線であると仮定した場合、多方向反射体１１０により反射されて位置検出器に集束される状態を座標系と共に示したものである。
【００４１】
ここで、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３をそれぞれ第１位置検出器１２１、第２位置検出器１２２、第３位置検出器１２３と定義し、このような第１、第２、第３位置検出器１２１、１２２、１２３と対応する位置の多方向反射体１１０の鏡面をそれぞれＭａ、Ｍｂ、Ｍｃと定義する。
【００４２】
図７では鏡面Ｍａから反射されて第１位置検出器１２１に集束されるレーザービームの経路を計算するための変数が表示されている。この時、基準座標系において多方向反射体１１０の位置と姿勢がわかっているのならば、簡単な解析幾何学を通じて多方向反射体１１０の鏡面Ｍａの表面法線ベクトルを求められる。また、鏡面Ｍａの表面法線ベクトルを［ｌaｍaｎa］Tとすれば、Ｍａの光反射行列は数式２のように示せる。
【００４３】
【数２】
【００４４】
そして、多方向反射体１１０の頂点に入射するレーザービームの方向ベクトルを【外３】
とすれば、鏡面Ｍａにより反射された反射光線の方向ベクトルは数式３である。
【００４５】
【数３】
【００４６】
ここで、【外４】
は反射光線の方向ベクトルを座標系ＯWに対して表示したものである。これを第１位置検出器１２１の座標系Ｏaに対して表示した方向ベクトルは数式４である。
【００４７】
【数４】
【００４８】
ここで、【外５】
は座標系ＯWとＯaとの間の回転変位を定義する行列【外６】
の逆行列である。そして、多方向反射体１１０の位置ベクトル【外７】
を第１位置検出器１２１の座標系Ｏaに対して表示した【外８】
は数式５により計算される。
【００４９】
【数５】
【００５０】
ここで、【外９】
は数式６に示すものであり、【外１０】
は図８に示された【外１１】
の逆行列である。
【００５１】
【数６】
【００５２】
このような順番で【外１２】
と【外１３】
を求めた後、数式７を用いて第１位置検出器１２１に集束されるレーザー光点の座標【外１４】
を求める。
【００５３】
【数７】
【００５４】
第２位置検出器１２２と第３位置検出器１２３のレーザー光点の座標は前述した第１位置検出器１２１に集束されたレーザー光点の座標を求める場合と同じ手順で求める。このような第２位置検出器１２２と第３位置検出器１２３の表面上に集束されたレーザー光点の座標はそれぞれ【外１５】
で求められ、多方向反射体１１０の６自由度変位ｔX、ｔY、ｔZ、γ、β、αとして３つの位置検出器１２１、１２２、１２３に集束されたレーザー光点の座標【外１６】
を求める。
【００５５】
続いて、レーザービームがガウス分布を有するという仮定下に行った測定について詳しく説明する。
【００５６】
図９は直径φlのレーザービームが多方向反射体１１０を通じて位置検出器１２１、１２２、１２３に検出される実際に近い現象を示している。
【００５７】
前記計算された第１、第２、第３位置検出器１２１、１２２、１２３の出力【外１７】
は、理想的な直線であるレーザービームを仮定して計算した結果である。しかし、実際のレーザービームは任意の直径を有し原形が断面の光線である。
【００５８】
図９に示されたように、レーザービームは多方向反射体１１０の上部頂点に入射すれば、多方向反射体１１０の鏡面により３本に分岐される。また、分岐されて反射された各レーザービームは図９のように、扇形の断面を示す。これは多方向反射体１１０の頂点をなす３つの鏡面が三角形であるからである。
【００５９】
このような扇形の断面を有するレーザービームが位置検出器１２１、１２２、１２３に入射されると位置検出器１２１、１２２、１２３はこの扇形の断面を構成するレーザー光分布の中心強度を電気的な信号として出力する。図９では第１位置検出器１２１の表面に集束されるレーザー光点の強度中心の位置が（ψa，ζa）で表されている。
【００６０】
一方、実際のレーザー光点の強度中心の位置（ψa，ζa）は、理想的なレーザービームと仮定して計算された第１位置検出器１２１に集束されたレーザー光点の座標【外１８】
に比べてやや下方に位置する。これはレーザービームの断面上に分布するレーザー強度分布の中心であるからである。
【００６１】
続いて、レーザー強度分布を考慮して位置検出器１２１、１２２、１２３の出力を求める手順について詳しく説明する。
【００６２】
本実施形態例においてレーザービームは円形断面を有するガウスビームであると仮定すると、ガウスビームはレーザービームの出力Ｐ、直径φlの場合、内部の強度は数式８のようなガウス関数の分布で示せる。
【００６３】
【数８】
【００６４】
ここで、ｒはレーザービームの中心からの距離を示し、Ｉ（ｒ）は単位面積当りのレーザービームの強度を意味する。
【００６５】
このような強度分布を有するレーザービームは多方向反射体１１０から３本に分けられて第１位置検出器１２１の表面上に図１０のように点で形成され、このような点の密度はレーザー光の強度を意味する。
【００６６】
レーザー光の強度は位置検出器１２１、１２２、１２３に入射するレーザービームの入射角度とレーザー光源１３０から出射されるレーザービームの直径φlによって変わる。図１０は多方向反射体１１０から反射されて第１位置検出器１２１に入射するレーザービームが第１位置検出器１２１の表面に垂直で、レーザービームの直径φlが４６０μｍの場合である。
【００６７】
ここで、第１位置検出器１２１に集束されたレーザービームの扇形断面をＰaとし、Ｐａを構成する両辺を【外１９】
とする。【外２０】
はそれぞれ多方向反射体１１０をなす角部ｌａｂとｌｃａが第１位置検出器１２１の表面に投影されて示された直線である。第１位置検出器１２１に集束されたレーザー光点Ｐａの内部でレーザー強度の重心（ψa，ζa）を求めるのは次の積分式で計算すれば求まる。
【００６８】
【数９】
【００６９】
ここで、ｒaとＩa（ｒa）は各々数式１０のように示せる。
【００７０】
【数１０】
【００７１】
第２位置検出器１２２と第３位置検出器１２３の場合にも同じ手順でガウス関数分布のレーザービームを考慮して第２、第３位置検出器１２２、１２３の光分布重心（ψb，ζb），（ψc，ζc）が求められる。これにより、多方向反射体１１０の６自由度変位ｔｘ、ｔｙ、ｔｚ、γ、β、αとして、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力値（ψa，ζa），（ψb，ζb），（ψc，ζc）を求める。
【００７２】
次に、数値解析を用いた６自由度変位測定について詳しく説明する。
【００７３】
今まで多方向反射体１１０の６自由度変位ｔX、ｔY、ｔZ、γ、β、αとして、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力値（ψa，ζa），（ψb，ζb），（ψc，ζc）を求める手順を説明した。しかし、実際に測定する時は３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力値（ψa，ζa），（ψb，ζb），（ψc，ζc）が与えられた状態で多方向反射体１１０の６自由度変位を求めなければならない。
【００７４】
本実施形態例ではこのような作業を多変数関数の解法を提供するニュートン法を用いて解析する。
【００７５】
図１１はこのような数値解析方法の手順を示している。図１１に示されたように、多方向反射体１１０の６自由度変位で構成されたベクトルを【外２１】
とし、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力を１次元ベクトル【外２２】
のように定義すれば、両ベクトル間には所定のベクトル関数の関係が成立する。
【００７６】
このような両ベクトル間のベクトル関数の関係は数式１１で示せる。
【００７７】
【数１１】
【００７８】
数式１１から分かるように、多方向反射体１１０の６自由度変位【外２３】
が与えられると、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力を求められる関数Ｆsystemが存在する。即ち、この関数の逆数を用いて多方向反射体１１０の６自由度変位を測定する。
【００７９】
もし、実際の測定作業を行う過程で３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力値【外２４】
が与えられると、数式１１を満たす多方向反射体１１０の６自由度変位【外２５】
を求めるために【外２６】
に対する推定値【外２７】
を評価して【外２８】
の近似値を推定する方法である。
【００８０】
このために初期の推定値【外２９】
を定め、図１１に示されたように、評価と新たな推定を繰り返す。また、任意の段階の推定値【外３０】
による位置検出器１２１、１２２、１２３の出力の推定値【外３１】
が計算されれば、元の位置検出器１２１、１２２、１２３の出力値【外３２】
と比較して評価するための基準が必要となる。この際、両ベクトルの差を【外３３】
とする時、【外３４】
が所定の誤差範囲のε以内におさまると反復的な推定作業は終了する。位置検出器１２１、１２２、１２３の出力の推定値【外３５】
に対して評価した後、新たな推定値【外３６】
を推定する方法はニュートン法を用いて行う。
【００８１】
次に、多方向反射体とレーザー光源との間の追従関係について詳しく説明する。
【００８２】
本実施形態例の測定原理を用いて測定対象物１の６自由度変位を測定するためには、測定対象物１に装着された多方向反射体１１０の頂点にレーザービームを入射させなければならない。この時、レーザービームの中心が多方向反射体１１０の頂点に正確に一致することで正確な測定値を求められる。
【００８３】
このために本実施形態例では多方向反射体１１０の運動とレーザービームが同期されて共に運動しなければならない。このために図６の上段に示したようにレーザー光源１３０を２次元に移送可能にする。
【００８４】
レーザービームが多方向反射体１１０に入射される時、レーザービームの中心と多方向反射体１１０の頂点とが一致しない場合には、３本に反射されるレーザービームの強度がそれぞれ他の値を示す。しかし、レーザービームの中心と多方向反射体１１０の頂点とが一致する場合には、３本のレーザー反射光は同じ強度を示すことになる。それぞれの位置検出器１２１、１２２、１２３はレーザービームの位置だけでなく強度を測定する機能を有している。
【００８５】
本実施形態例では３つの位置検出器１２１、１２２、１２３に入射されたレーザービームの強度を比較することによって、レーザービームの中心と多方向反射体１１０の頂点とを正確に一致させることが可能である。このような方法を通じて多方向反射体１１０が移動しても連続的に３つの位置検出器１２１、１２２、１２３に入射されたレーザービームの強度を比較することによって、多方向反射体１１０の頂点を正確に追従できるものである。
【００８６】
このような追従システムの制御方法が図６に示している。多方向反射体１１０の運動速度が速い場合には、モーターのような自動化された追従システムが要求され、多方向反射体１１０の運動速度が遅い場合には、手作業による追従でも測定作業ができる。
【００８７】
（実施例）
［スイングアーム光学系への適用］
前記したような第１実施形態例の測定方式は、本発明に係る、ディスク型情報記録媒体中の１つであるＨＤＤの作動時に発生するスライダーの運動を測定する光学系に適用される。
【００８８】
まず、ＨＤＤにおいてスライダーの運動について説明する。
【００８９】
図１２はＨＤＤの磁気ディスク表面上で運動するスライダーの運動を説明する概略図である。図１２に示すように、ＨＤＤ２１０の磁気ディスク２１１の上部にはスライダー２２０が位置し、スライダー２２０はスイングアーム２１５の先端部に固定される。
【００９０】
スライダー２２０を駆動するアクチュエータはボイスコイルモータ２１２であってスイングアーム２１５の後端部に設けられ、スイングアーム１５は高剛性構造のＥ−ブロック２１６と、弾性体のサスペンション２１８及びフレキシャー２１９よりなる。Ｅ−ブロック２１６はピボット２１４の上部から磁気ディスク２１１方向に連結され、Ｅ−ブロック２１６の先端にはサスペンション２１８が連結され、サスペンション２１８の先端にはフレキシャー２１９が連結され、このようなフレキシャー２１９の底面にはスライダー２２０が固定される。
【００９１】
一方、このような構造を有するＨＤＤ２１０で磁気ディスク２１１が回転すれば磁気ディスク２１１とスライダー２２０との間に空気軸受効果が発生し、空気軸受効果によりスライダー２２０は磁気ディスク２１１の表面上に浮き上がることになる。この時、スライダー２２０はアクチュエータにより一定の位置を保ち、磁気ディスク２１１の回転速度が一定した定常状態では磁気ディスク２１１とスライダー２２０との間隔が一定に保たれる。
【００９２】
一方、ＨＤＤ２１０においてデータを書込/読出する過程でスライダー２２０は一定のトラックを追従するトラック追従状態を保つか、あるいは一定のトラックから他のトラックに移動するトラック探索運動を行う。トラック追従状態では磁気ディスク２１１とスライダー２２０との間隔が一定に保たれ、スライダー２２０の姿勢も一定に保たれる。
【００９３】
しかし、トラック探索運動はスイングアーム２１５がピボット２１４軸を中心として旋回することでなされるので、スライダー２２０はスイングアーム２１５の旋回によって円弧状の軌跡に沿って移動する。したがって、トラック探索運動時にはアクチュエータにより急激な加速と減速がなされ、これによりサスペンション２１８とフレキシャー２１９が変形され、スライダー２２０の姿勢が変わる。
【００９４】
一方、ＨＤＤ２１０のデータ記録密度を高めるためにスライダー２２０と磁気ディスク２１１との間隔を最小化することが望ましい。そして、ＨＤＤの作動速度を高めるためにはスイングアーム２１５を速く駆動してスライダー２２０が磁気ディスク２１１の表面上で高速飛行を可能にすべきである。
【００９５】
しかし、スライダー２２０と磁気ディスク２１１との間隔が狭いほどスライダー２２０と磁気ディスク２１１との衝突の可能性が高まり、また、スライダー２２０の駆動速度が速くなるほど衝突の可能性が高まる。高速大容量のＨＤＤの開発において、このような現象を克服するために数多くの研究開発が進行し、多くの試行錯誤を試みられてきた。
【００９６】
しかし、前記スライダーと磁気ディスクとの間隔を保つためには、アクチュエータ、スイングアーム及び空気軸受の影響によるスライダーの動的特性を定量的に究明してこれを設計に反映する作業が要求されている。
【００９７】
このように、スライダーの動的特性を定量的に究明するための多様な論文が紹介されている。
【００９８】
図１３は従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さ測定システムの概略的な概念図である。図１３に示されたように、ＨＤＤスライダーの浮上り高さ測定システムは磁気ディスク２１１とスライダー２２５との間隔を測定するための装置であって、静電容量性物質よりなるレールが装置されたスライダー２２５と静電容量性物質が所定のパターンでその表面に印刷されている磁気ディスク２１１との間隔を静電容量センサーで測定する装置である。
【００９９】
一方、図１４は従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さとｘ軸を中心に測定対象物が回転した角度前記γ及びｙ軸を中心に測定対象物が回転した角度前記βの測定のためのシステムを示す概略図である。図１４に示されたように、ＨＤＤスライダー２２０の浮上り高さと前記γ及び前記βの測定のためのシステムは、レーザードップラー振動計２３０から出力される２本のレーザービームを用いて磁気ディスク２１１とスライダー２２０との間隔と、前記γ及び前記βを測定する。
【０１００】
また、図１５は従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さをフォトセンサーで測定するシステムの概略図である。図１５に示されたスライダーの浮上り高さ測定システムは、レーザー干渉を用いて磁気ディスクとスライダー２２０との間の浮上り高さを測定するためのものである。図１５に示されたように、磁気ディスクの代わりに透明なガラスディスクを使用することによってディスクの背面を通じて測定が可能となる。
【０１０１】
しかし、前記ＨＤＤスライダー運動測定装置及びシステムは、スライダーのトラック追従状態に対してのみ具現し、スライダーの運動測定対象もスライダーと磁気ディスクとの間隔と前記γ及び前記βに限定した。したがって、スライダーのトラック探索運動によるスライダーの急速な変位を測定するための装置及びシステムについては言及していない。
【０１０２】
このような従来の技術の問題点は、前記した６自由度運動の測定方式を適用することにより解決される。すなわち、ＨＤＤスライダーのトラック追従状態及びトラック探索運動によるスライダーの動的特性を正確に測定でき、簡単な構造を有するＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系が本発明により提供される。
【０１０３】
本発明によるＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のための上下部スイングアーム光学系の実施例を、図を用いて詳しく説明する前に、多方向反射体を用いた６自由度運動の測定装置について説明する。
【０１０４】
図１６は多方向反射体を用いて測定対象物の６自由度運動を測定するシステムの概念図を示し、図１７はスイングアーム光学系のスライダーの６自由度運動を、座標系を用いて示す概略図を示し、図１８はスライダーの６自由度運動を測定するために図１６に示された６自由度運動の測定システムをスイングアーム光学系に適用させた状態を示す概念図である。
【０１０５】
図１６に示されたように、６自由度運動を測定しようとする測定対象物３０１の上面に多方向反射体３１０を固定する。ここで、前述したように、前記多方向反射体３１０は少なくとも３つの反射面を有する本発明の多方向反射体の一実施例によるものである。
【０１０６】
すなわち、本発明によれば、３つまたはそれ以上の反射面を含む多方向反射体が用いられ、この時、反射体から反射される３本またはそれ以上の反射光線のうち、異なる方向に反射される３つの反射光線が６自由度変位測定に使われる。
【０１０７】
また、前記多方向反射体または３面反射体３１０は別の部品で製作された後、測定対象物３０１または後述するスライダー２２０、フレキシャー２１８などを設けてもよく、測定対象物３０１または後述するスライダー２２０、フレキシャー２１８にそれ自体を形成しても良い。この時、前記多方向反射体または３面反射体と前記スライダー間の相対的な位置が固定される。
【０１０８】
このような多方向反射体または３面反射体のスライダーに係る設置または形成状態は本発明の技術的範囲を制限しないものである。
【０１０９】
一方、レーザービームを前記多方向反射体または多方向反射体３１０から３つの反射面が集まる上部頂点に入射すると、１２０゜の角度をなしつつ３本の反射光線が発生する。このように３本に反射されたレーザービームを３つの位置検出器３３１、３３２、３３３で検査され、所定の幾何光学の数式を用いて測定対象物３１０に装着された多方向反射体３１０の６自由度運動（x、y、z、γ、β、α）を求める。
【０１１０】
このように求められた多方向反射体３１０の６自由度運動を通じて測定対象物３０１の６自由度運動を測定する。
【０１１１】
図１７に示すように、座標系によりスライダーの運動を示す。６自由度運動のうち、スイングアーム２４０（図１８）に連結したフレキシャー２１８の縦軸(Ｘｓ軸)を中心に発生したスライダー２２０の回転量(前記γ回転運動)とフレキシャー２１８の横軸(Ｙｓ軸)を中心に発生した回転量(前記β回転運動)、そして上下方向(Ｚｓ軸)への高さの変化が最も重要な運動である。
【０１１２】
一方、図１８に示されたように、スライダー２２０がトラック探索運動をする時に、スライダー２２０はスイングアーム２４０のピボット２１４軸を中心に円弧軌跡に沿って旋回する。この時、レーザービーム走査装置３２０がサスペンション２１８の先端部に備えられたスライダー２２０の円弧運動を追従してレーザービームがスライダー２２０上に設けられた多方向反射体３１０の上部頂点に正確に入射させなければならない。
【０１１３】
すなわち、スライダー２２０の運動速度が遅い場合にはレーザービームの正確な入射のためにガルバノメータスキャナー、または精密移送機構を用いて行えるが、高速運動のＨＤＤスライダーにおいて、レーザービームを多方向反射体の上部頂点に正確に入射させるのはかなり難しい。
【０１１４】
図１９は本発明の一実施例に係るＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系の概念図を示し、図２０は図１９に示されたスイングアーム光学系の断面図を示し、図２１は図１９に示されたスイングアームの先端部に設けられた第２反射体を示す詳細図を示し、図２２は図１９に示されたスイングアーム光学系の第２反射体の他の実施例である。
【０１１５】
図１９に示されたように、スイングアーム３４０は上下部が相互平行に形成されており、このような上下部スイングアーム３４０の後端部にはピボット２１４が連結される。したがって、上下部スイングアーム３４０はピボット２１４軸を中心に旋回できる。
【０１１６】
下部スイングアームはＥ-ブロック２１６とサスペンション２１８及びフレキシャー２１９に連結されてなされ、フレキシャー２１９の底面にはスライダー２２０が固定される。
【０１１７】
一方、スライダー２２０を駆動するアクチュエータはボイスコイルモータ２１２として上下部スイングアーム３４０の後端部に設けられる。そして、上部スイングアームは弾性変形のほとんどない剛体より構成される。
【０１１８】
一方、スライダー２２０の上面には多方向反射体３１０が固定され、多方向反射体３１０の上部頂点に対応して上部スイングアームの先端部には貫通孔３４３が形成される。そして、上部スイングアームの上面には第１反射体３５１と第２反射体３５２が固定される。
【０１１９】
このような第１、第２反射体３５１、３５２は４５゜の傾斜面を有する四面体形状を有し、第１反射体１５１はピボット１４軸の中心上面に位置するが、第１反射体１５１の４５゜傾斜面が上部スイングアームの先端部に向かう。そして、第２反射体３５２は上部スイングアームの先端部に位置し、第２反射体３５２の４５゜傾斜面は第１反射体３５１の傾斜面と対向して位置し、第２反射体３５２により反射されたレーザービームが上部スイングアームに形成された貫通孔３４３を通じて下部に位置した多方向反射体３１０の上部頂点に入射されるように位置する。
【０１２０】
したがって、図２０及び図２１に示されたように、レーザービーム走査装置３２０から走査されたレーザービームはピボット２１４軸の中心上部に位置した第１反射体３５１の傾斜面に入射され、第１反射体３５１により反射されたレーザービームは第２反射体３５２の傾斜面に進行される。そして、第２反射体３５２により反射されたレーザービームは上部スイングアームの貫通孔３４３を貫通して多方向反射体３１０の上部頂点に入射される。多方向反射体３１０の上部頂点に入射されたレーザービームは再び１２０゜で３方向に反射される。
【０１２１】
一方、図１８に示されたように、３方向に反射されたレーザービームの進行方向には３つの位置検出器３３１、３３２、３３３が設けられており、それぞれの位置検出器３３１、３３２、３３３に入射されたレーザービームは電圧信号として制御部３６０に入力される。
【０１２２】
制御部３６０ではそれぞれの位置検出器３３１、３３２、３３３に入力された電圧信号でレーザービームの重心を求め、入射されたレーザービームの強度を求めてそれぞれの位置検出器３３１、３３２、３３３で測定されたレーザービームの重心と強度を比較分析して多方向反射体３１０の６自由度を測定する。
【０１２３】
本発明においてトラック追従はもちろん、トラック探索時にスライダー２２０が実装された上下部スイングアーム３４０の急速な変位が発生しても、レーザービーム走査装置３２０から走査されたレーザービームが上下部スイングアーム３４０と共に変位される第１、第２反射体３５１、３５２及び多方向反射体３１０によりレーザービームは多方向反射体３１０の上部頂点に正確に入射される。
【０１２４】
したがって、多方向反射体３１０から反射された３本のレーザービームを受けて電圧信号を発生させる位置検出器３３１、３３２、３３３の信頼度も高まってスライダー２２０の６自由度運動を正確に測定できる。
【０１２５】
ここで、第１、第２反射体３５１、３５２の傾斜面はアルミニウムなどの金属材が蒸着されたミラーである。
【０１２６】
一方、図２２に示されたように、第２反射体３５２を透明なプリズムとして使用してもよい。この場合、図２２に示された第２反射体３５２は上下部スイングアームの貫通孔３４３を覆った状態に固定され、第１反射体３５１から反射されたレーザービームは第２反射体３５２の内部に入射され、第２反射体３５２の傾斜面の内側面で反射されて下部方向に反射される。
【０１２７】
このように反射されたレーザービームは貫通孔３４３を通じて多方向反射体３１０の上部頂点に入射される。この際、第２反射体３５２の傾斜面内側ではプリズムの屈折率が外部空気の屈折率より大きな状態となり、４５゜の入射角により入射されたレーザービームは全反射される。そして、反射されて下部方向に進行するレーザービームは第２反射体３５２の下面に全反射角より大きな垂直角として入射されて反射なく透過することになる。
【０１２８】
【発明の効果】
前記したように、本発明のＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のための上下部スイングアームの光学系は、スライダーのトラック追従状態及びトラック探索運動時にスライダーの６自由度運動を正確に測定できる。
【０１２９】
また、スライダーのトラック探索運動により発生する急速な変位に対してレーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが、スライダーに装着された多方向反射体を正確に追従できるので６自由度運動の測定の信頼度を向上させる。
【０１３０】
以上、本発明の多方向反射体を用いたＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系についての実施例を図に基づいて説明したが、これは本発明の実施例は例示的に説明したものであって本発明を限定するものではない。
【０１３１】
また、当業者ならば本発明の技術思想の範囲を離脱しない範囲内で多様な変形及び摸倣が可能なのは明白な事実である。
【０１３２】
【図面の簡単な説明】
【図１】６自由度運動関係及び記号を定義するための概念図である。
【図２】従来の技術による静電容量型の近接センサーを用いて２次元平面上の座標と姿勢を求めるための概念図である。
【図３】従来の技術による１軸方向の変位を測定するために使用するマイケルソン干渉系の概念図である。
【図４】従来の技術による４つの位置検出器を用いて測定対象物の６自由度変位を測定するための概念図である。
【図５】従来の技術による光センサー組立体を測定対象物に付着して６自由度変位を測定するための概念図である。
【図６】実施形態例による多方向反射体を用いた６自由度運動の測定装置の基本概念図である。
【図７】図６に示された６自由度運動の測定装置においてレーザービームを単純直線で摸写した場合の光学的現象を説明するための概念図である。
【図８】図６に示された６自由度運動の測定装置の数学的な展開のために各構成要素の相対的な位置と姿勢を数学的記号で表した概念図である。
【図９】実施形態例の測定原理でレーザービームをガウス関数の強度分布で示した場合の光学的現象を説明するための概念図である。
【図１０】図９に示された第１位置検出器に集束されたレーザー光点の強度分布を示すための例示図である。
【図１１】実施形態例において位置検出器の出力を用いて多方向反射体の６自由度変位を追従するための数値解析方法のフローチャートである。
【図１２】ＨＤＤの磁気ディスクの表面上で運動するスライダーの運動を説明するための概略図である。
【図１３】従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さ測定システムの概略的な概念図である。
【図１４】従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さとγ及びβの角度を測定するためのシステムを示す概略図である。
【図１５】従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さをフォトセンサーで測定するシステムの概略図である。
【図１６】多方向反射体を用いて測定対象物の６自由度運動を測定するシステムの概念図である。
【図１７】スイングアーム光学系のスライダーの６自由度運動を、座標系を用いて示す概略図である。
【図１８】スライダーの６自由度運動を測定するために図１６に示された６自由度運動の測定システムをスイングアーム光学系に適用させた状態を表した概念図である。
【図１９】本発明の一実施例によるＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系の概念図である。
【図２０】図１９に示されたスイングアーム光学系の断面図である。
【図２１】図１９に示されたスイングアームの先端部に設けられた第２反射体を示す詳細図である。
【図２２】図１９に示されたスイングアーム光学系の第２反射体の他の実施例である。
【符号の説明】
１１０ 多方向反射体
１２１、１２２、１２３ 位置検出器
１３０ レーザー光源
１３５ Ａ／Ｄ変換器
１３８ 制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハードディスクドライブスライダーの運動測定のためのスイングアーム光学系に係り、特に３つの反射面を用いて高速運動をする小さな測定対象物の精密な変位測定が可能な６自由度運動の測定方式を用いたハードディスクドライブスライダーの運動測定のためのスイングアーム光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３次元空間に位置した測定対象物の位置と姿勢を示す多様な方法として、３次元空間上における直交座標系に位置ベクトルで位置を示し、オイラー角を用いた表示方法がある。オイラー角は基準座標系のx、y、z軸を中心に測定対象物が回転した角度をそれぞれγ、β、αと表す。
【０００３】
図１は６自由度運動関係及び記号を定義するための概念図である。図１に示されたように、座標系ＯWは測定対象物１の運動を示すための基準座標系であり、測定対象物１の一部に座標系ＯW'、ＯSが定義される。座標系ＯSは測定対象物１に固定されて測定対象物１と共に運動する座標系であり、座標系ＯW'は基準座標系ＯWと同一な姿勢を保ち、座標系ＯSと原点を共有する。そして、ベクトル【外１】
【０００４】
【数１】
ここで、ｃ、ｓはそれぞれｃｏｓ、ｓｉｎを意味する。
【０００６】
座標系ＯSは測定対象物１に固定されているので、この行列を用いて測定対象物１の位置と姿勢を示すことができる。このように３次元空間で測定対象物１の位置と姿勢を測定するには、ｔX、ｔY、ｔZ、γ、β、αの６つ値を測定すれることによってわかる。
【０００７】
測定対象物１の位置と姿勢を測定するための従来の方法は、各軸別に変位を測定するセンサーを装着して多自由度変位の測定を行っていた。
【０００８】
図２は従来の技術による静電容量型の近接センサーを用いて２次元平面上の座標と姿勢を求めるための概念図である。図２に示すように、ｘ、ｙ軸方向の並進運動変位を測定するために、ｘ１近接センサー２１とｙ１近接センサー２５の信号を用いて、回転角を測定するために、ｘ２近接センサー２３をx１近接センサー２１と平行に設ける。もし、３次元空間上で６自由度変位を測定するには各方向別に２つずつの近接センサーを使用しなければならない。
【０００９】
このように、従来の方法を用いて６自由度変位を測定するためには多数のセンサーを各軸別に使用しなければならなく、これを実際に適用するには多くの問題がある。
【００１０】
静電容量型の近接センサーを適用する場合には、測定対象物１の材質が金属でなければならず、また、測定対象物１の形状による設置の問題があり、かつ近接センサー２１、２３、２５と測定対象物１との間に狭い間隔を保たなければならない欠点がある。
【００１１】
一方、測定対象物の６自由度運動を測定するための装置ではマイケルソン干渉系を用いる方法がある。
【００１２】
図３は従来の技術による１軸方向の変位を測定するために使用するマイケルソン干渉系の概念図である。図３に示すように、レーザー光源３０とビームスプリッター３２及び固定されたコーナーキューブ３４を設け、測定対象物１の表面にコーナーキューブ３６を設けて図３のような光路を形成する。このような複雑な構成を通じて１軸方向の変位のみを測定するので、６自由度変位を測定するためには６つの干渉系を構成しなければならない。
【００１３】
したがって、非常に複雑な構成となり、かつ、マイケルソン干渉系の特性上、６自由度の変位が発生しても干渉系の光路を保ちにくくなる問題がある。
【００１４】
一方、図４は従来の技術による４つの位置検出器を用いて測定対象物の６自由度の変位を測定するための概念図である。図４に示された６自由度変位測定装置は１９９７年に光学技術(Optical Engineering Vol.３６,No.８,pp.２２８７-２２９３)に論文で提案された装置であって、図４のように、測定対象物１に４つのビームスプリッター４５、４６、４７、４８を装着し、４つの位置検出器(ＰＳＤ;position-sensitive detector)４１、４２、４３、４４及び、２つのレンズ４９ａ、４９ｂで構成された６自由度測定システムを開発した。
【００１５】
この測定システムにおいて３軸方向の並進運動と３軸方向の回転運動をそれぞれ０.０５μｍと０.２５μｒａｄの分解能で測定する。しかし、この６自由度測定システムは６自由度の並進運動と回転運動とを同時に測定できる長所があるが、４つのビームスプリッター４５、４６、４７、４８を装着できるほど測定対象物１が大きくなければならず、高速測定には適さないという欠点がある。
【００１６】
また、図５は従来技術による光センサー組立体を測定対象物に付着して６自由度の変位を測定するための概念図である。図５に示した６自由度変位測定装置は、Romanikにより発明された６自由度変位測定装置であって、この装置は'米国特許第５,８８４,２３９号'に開示されている。
【００１７】
また、図５に示されたように、垂直及び水平方向の平面形レーザービームはスキャナー５６によって走査される。この際、垂直方向の平面形レーザービームは水平方向に走査し、水平方向の平面形レーザービームは垂直方向に走査することによって、特定範囲の測定領域をレーザービームで走査することになる。
【００１８】
そして、４つの光センサー５１、５２、５３、５４を特定の立体形に構成することによって、光センサー組立体を垂直及び水平方向の平面形レーザービームとして走査すれば、光センサーには強い光量が検出される。また、光センサー組立体の形状、位置及び姿勢により各光センサーには特定の順序でレーザー光が検出されるようにしたものである。
【００１９】
また、光センサー組立体の形状は一定に保たれるので各光センサー５１、５２、５３、５４でレーザー光が検出される時間を測定すれば光センサー組立体の位置と姿勢を測定可能にする。このような原理を用いると、測定しようとする測定対象物(図示せず)に光センサー組立体を付着して測定対象物の位置と姿勢を測定することができる。
【００２０】
また、光センサー組立体を構成する４つの光センサー５１、５２、５３、５４の他に外部に装着された１つの光センサー５５は、スキャニングシステムとセンサー信号との間の同期化のために使用するものである。
【００２１】
このようなシステムで測定された６自由度運動の測定値は光センサー組立体が大きいほど測定精度が高い。しかし、小さな測定対象物の運動を精密に測定するのに難点があり、測定速度がスキャニングシステムのスキャニング速度により制限されるので、測定対象物が高速運動をする場合にはスキャニング速度による測定速度の制約が伴うという問題がある。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記問題点を解決するために提供されたものであって、多方向反射体を用いて測定精度に優れ、小さな測定対象物の変位測定が容易で、かつ、高速の運動を測定することを可能とする６自由度運動の測定方式を用いて、ハードディスクドライブスライダーのトラック追従状態及びトラック探索運動によるスライダーの動的特性を正確に測定でき、簡単な構造を有するＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系を提供することを課題とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するための本発明は、レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームを用いてハードディスクドライブのスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系において、前記スライダーまたはこれに隣接するように備えられ、スライダーとの相対的な位置が固定されたもので前記レーザービームが共に入射する３つの反射面を含む多方向反射体と、前記レーザービームが前記多方向反射体の反射面の集束される頂点に入射されるように、レーザービームの光路を形成する少なくとも１つ以上の光路決定反射体と、前記多方向反射体から反射された３方向のレーザービームの進行方向に各々設けられる３つの位置検出器と、前記３つの位置検出器から検出されたレーザービームの強度分布の重心を分析して前記多方向反射体の６自由度を測定する制御部と、前記スライダーを支持し、長手方向に沿って前記レーザービームの光路が形成される複数のスイングアームを含むスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系である。
【００２４】
また、本発明の前記複数のスイングアームの後端部は、ピボットに連結されて前記ピボットを中心に旋回する。
【００２５】
また、本発明の前記複数のスイングアームは２つの上下部スイングアームで構成され、上部スイングアームの先端部には貫通孔が形成され、前記レーザービームが前記上部スイングアームの長手方向に沿って進行して前記貫通孔を通じて前記多方向反射体の頂点に入射される。
【００２６】
また、本発明の前記複数のスイングアームは２つの上下部スイングアームで構成され、上部スイングアームは剛体よりなり、前記下部スイングアームはサスペンションとフレキシャーとが連結され、前記フレキシャーの底部には前記スライダーが装着される。
【００２７】
また、本発明の前記光路決定反射体は前記上下部スイングアームの旋回中心点の前記ピボットの上端に設けられる第１反射体と、前記上部スイングアームに形成された貫通孔に設けられる第２反射体とを含み、前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体と前記第２反射体により反射されて前記多方向反射体の頂点に入射される。
【００２８】
また、本発明の前記第１、第２反射体は４５゜の傾斜面を有する四面体形であり、前記第１、第２反射体の傾斜面は相互対向して設けられて前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体の傾斜面で反射されて前記第２反射体の傾斜面に進行し、前記第２反射体の傾斜面では前記第１反射体から反射されたレーザービームが前記貫通孔を通過して前記多方向反射体の頂点に入射されるように反射する。
【００２９】
また、本発明の前記第１、第２反射体は４５゜の傾斜面を有する四面体形であり、前記第１、第２反射体の傾斜面は前記上部スイングアームに向かわせて並んで設けられて、前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体の傾斜面で反射されて前記第２反射体の傾斜面に進行し、前記第１反射体から反射されたレーザービームが前記第２反射体の傾斜面に入射されて前記第２反射体の傾斜面から前記貫通孔を通過して前記多方向反射体の頂点に入射されるように反射する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態例）
［測定方式の説明］
まず、本発明に適用される多方向反射体を用いた６自由度運動の測定方式を説明する実施形態例を、添付した図面を用いて詳しく説明する。
【００３１】
図６に示すように、本実施形態例では測定対象物１に三角錐状のミラー、すなわち多方向反射体１１０を装着する。多方向反射体１１０は３つの鏡面を有する立体ミラーであって、図７に示したように、上部頂点にレーザービームを入射させて３本の反射光線を発生させる。ここで、前記多方向反射体１１０は少なくとも３つの反射面を有する本発明に適用される多方向反射体の一実施例に係るものである。すなわち、本発明によれば、３つまたはそれ以上の反射面を含む多方向反射体が用いられ、反射体から反射される３本またはそれ以上の反射光線のうち、異なる方向に反射される３本の反射光線が６自由度変位測定に使われる。
【００３２】
また、前記多方向反射体または３面反射体は他の部品で製作された後、測定対象物１に設置しても、測定対象物１そのものに一体形成されてもよい。
【００３３】
前述したように多方向反射体または３面反射体から反射された３本の反射光線は３つのレーザービーム位置検出器１２１、１２２、１２３により検出される。前記位置検出器１２１、１２２、１２３は入射されたレーザービームの強度分布の中心位置を電気的信号として出力するセンサーであって、一般的に広く使われる素子である。３つの前記検出器１２１、１２２、１２３に集束された３対の位置座標を用いて多方向反射体１１０の６自由度変位ｘ、ｙ、ｚ、γ、β、αを求める。
【００３４】
また、多方向反射体１１０は測定対象物１に付着して測定対象物１と一緒に運動することによって、測定対象物１の６自由度運動を測定することになる。また、正確な測定結果を求めるためには多方向反射体１１０の頂点とレーザービームの中心が正確に一致しなければならない。
【００３５】
したがって、レーザービームが多方向反射体１１０の頂点を正確に追従可能にするためにレーザービームと多方向反射体１１０とが共に運動しなければならない。
【００３６】
このように、多方向反射体１１０の頂点とレーザービームの中心とが常に一致するように多方向反射体１１０の運動と共にレーザー光源１３０の位置を制御することについては後述する。
【００３７】
図６のように、多方向反射体１１０から反射された３本のレーザービームが３つの位置検出器１２１、１２２、１２３に入射すると、各位置検出器１２１、１２２、１２３から出力されるレーザー光点の位置と光量情報を用いて多方向反射体１１０の６自由度変位を測定し、レーザーと多方向反射体１１０の頂点間の整列状態を制御する。この際、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３から出力される信号はＡ／Ｄ変換器１３５により制御部１３８の記憶装置に記憶されて処理される。
【００３８】
３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力を用いて多方向反射体１１０の位置と姿勢を求めるには、多方向反射体１１０の６自由度変位と３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力との関係を数式で示さなければならない。
【００３９】
本実施形態例では６自由度変位を有する多方向反射体１１０により分岐されて出力されたレーザービームを、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３からの出力を求め出す一連の数式を誘導した。これは３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力を用いて多方向反射体１１０の６自由度変位を求められる直接的な数式を誘導しにくいからである。
【００４０】
図７はレーザービームが理想的な直線であると仮定した場合、多方向反射体１１０により反射されて位置検出器に集束される状態を座標系と共に示したものである。
【００４１】
ここで、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３をそれぞれ第１位置検出器１２１、第２位置検出器１２２、第３位置検出器１２３と定義し、このような第１、第２、第３位置検出器１２１、１２２、１２３と対応する位置の多方向反射体１１０の鏡面をそれぞれＭａ、Ｍｂ、Ｍｃと定義する。
【００４２】
図７では鏡面Ｍａから反射されて第１位置検出器１２１に集束されるレーザービームの経路を計算するための変数が表示されている。この時、基準座標系において多方向反射体１１０の位置と姿勢がわかっているのならば、簡単な解析幾何学を通じて多方向反射体１１０の鏡面Ｍａの表面法線ベクトルを求められる。また、鏡面Ｍａの表面法線ベクトルを［ｌaｍaｎa］Tとすれば、Ｍａの光反射行列は数式２のように示せる。
【００４３】
【数２】
そして、多方向反射体１１０の頂点に入射するレーザービームの方向ベクトルを【外３】
【００４５】
【数３】
ここで、【外４】
【００４７】
【数４】
ここで、【外５】
【００４９】
【数５】
ここで、【外９】
【００５１】
【数６】
このような順番で【外１２】
【００５３】
【数７】
第２位置検出器１２２と第３位置検出器１２３のレーザー光点の座標は前述した第１位置検出器１２１に集束されたレーザー光点の座標を求める場合と同じ手順で求める。このような第２位置検出器１２２と第３位置検出器１２３の表面上に集束されたレーザー光点の座標はそれぞれ【外１５】
【００５５】
続いて、レーザービームがガウス分布を有するという仮定下に行った測定について詳しく説明する。
【００５６】
図９は直径φlのレーザービームが多方向反射体１１０を通じて位置検出器１２１、１２２、１２３に検出される実際に近い現象を示している。
【００５７】
前記計算された第１、第２、第３位置検出器１２１、１２２、１２３の出力【外１７】
【００５８】
図９に示されたように、レーザービームは多方向反射体１１０の上部頂点に入射すれば、多方向反射体１１０の鏡面により３本に分岐される。また、分岐されて反射された各レーザービームは図９のように、扇形の断面を示す。これは多方向反射体１１０の頂点をなす３つの鏡面が三角形であるからである。
【００５９】
このような扇形の断面を有するレーザービームが位置検出器１２１、１２２、１２３に入射されると位置検出器１２１、１２２、１２３はこの扇形の断面を構成するレーザー光分布の中心強度を電気的な信号として出力する。図９では第１位置検出器１２１の表面に集束されるレーザー光点の強度中心の位置が（ψa，ζa）で表されている。
【００６０】
一方、実際のレーザー光点の強度中心の位置（ψa，ζa）は、理想的なレーザービームと仮定して計算された第１位置検出器１２１に集束されたレーザー光点の座標【外１８】
【００６１】
続いて、レーザー強度分布を考慮して位置検出器１２１、１２２、１２３の出力を求める手順について詳しく説明する。
【００６２】
本実施形態例においてレーザービームは円形断面を有するガウスビームであると仮定すると、ガウスビームはレーザービームの出力Ｐ、直径φlの場合、内部の強度は数式８のようなガウス関数の分布で示せる。
【００６３】
【数８】
ここで、ｒはレーザービームの中心からの距離を示し、Ｉ（ｒ）は単位面積当りのレーザービームの強度を意味する。
【００６５】
このような強度分布を有するレーザービームは多方向反射体１１０から３本に分けられて第１位置検出器１２１の表面上に図１０のように点で形成され、このような点の密度はレーザー光の強度を意味する。
【００６６】
レーザー光の強度は位置検出器１２１、１２２、１２３に入射するレーザービームの入射角度とレーザー光源１３０から出射されるレーザービームの直径φlによって変わる。図１０は多方向反射体１１０から反射されて第１位置検出器１２１に入射するレーザービームが第１位置検出器１２１の表面に垂直で、レーザービームの直径φlが４６０μｍの場合である。
【００６７】
ここで、第１位置検出器１２１に集束されたレーザービームの扇形断面をＰaとし、Ｐａを構成する両辺を【外１９】
【００６８】
【数９】
ここで、ｒaとＩa（ｒa）は各々数式１０のように示せる。
【００７０】
【数１０】
第２位置検出器１２２と第３位置検出器１２３の場合にも同じ手順でガウス関数分布のレーザービームを考慮して第２、第３位置検出器１２２、１２３の光分布重心（ψb，ζb），（ψc，ζc）が求められる。これにより、多方向反射体１１０の６自由度変位ｔｘ、ｔｙ、ｔｚ、γ、β、αとして、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力値（ψa，ζa），（ψb，ζb），（ψc，ζc）を求める。
【００７２】
次に、数値解析を用いた６自由度変位測定について詳しく説明する。
【００７３】
今まで多方向反射体１１０の６自由度変位ｔX、ｔY、ｔZ、γ、β、αとして、３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力値（ψa，ζa），（ψb，ζb），（ψc，ζc）を求める手順を説明した。しかし、実際に測定する時は３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力値（ψa，ζa），（ψb，ζb），（ψc，ζc）が与えられた状態で多方向反射体１１０の６自由度変位を求めなければならない。
【００７４】
本実施形態例ではこのような作業を多変数関数の解法を提供するニュートン法を用いて解析する。
【００７５】
図１１はこのような数値解析方法の手順を示している。図１１に示されたように、多方向反射体１１０の６自由度変位で構成されたベクトルを【外２１】
【００７６】
このような両ベクトル間のベクトル関数の関係は数式１１で示せる。
【００７７】
【数１１】
数式１１から分かるように、多方向反射体１１０の６自由度変位【外２３】
【００７９】
もし、実際の測定作業を行う過程で３つの位置検出器１２１、１２２、１２３の出力値【外２４】
【００８０】
このために初期の推定値【外２９】
【００８１】
次に、多方向反射体とレーザー光源との間の追従関係について詳しく説明する。
【００８２】
本実施形態例の測定原理を用いて測定対象物１の６自由度変位を測定するためには、測定対象物１に装着された多方向反射体１１０の頂点にレーザービームを入射させなければならない。この時、レーザービームの中心が多方向反射体１１０の頂点に正確に一致することで正確な測定値を求められる。
【００８３】
このために本実施形態例では多方向反射体１１０の運動とレーザービームが同期されて共に運動しなければならない。このために図６の上段に示したようにレーザー光源１３０を２次元に移送可能にする。
【００８４】
レーザービームが多方向反射体１１０に入射される時、レーザービームの中心と多方向反射体１１０の頂点とが一致しない場合には、３本に反射されるレーザービームの強度がそれぞれ他の値を示す。しかし、レーザービームの中心と多方向反射体１１０の頂点とが一致する場合には、３本のレーザー反射光は同じ強度を示すことになる。それぞれの位置検出器１２１、１２２、１２３はレーザービームの位置だけでなく強度を測定する機能を有している。
【００８５】
本実施形態例では３つの位置検出器１２１、１２２、１２３に入射されたレーザービームの強度を比較することによって、レーザービームの中心と多方向反射体１１０の頂点とを正確に一致させることが可能である。このような方法を通じて多方向反射体１１０が移動しても連続的に３つの位置検出器１２１、１２２、１２３に入射されたレーザービームの強度を比較することによって、多方向反射体１１０の頂点を正確に追従できるものである。
【００８６】
このような追従システムの制御方法が図６に示している。多方向反射体１１０の運動速度が速い場合には、モーターのような自動化された追従システムが要求され、多方向反射体１１０の運動速度が遅い場合には、手作業による追従でも測定作業ができる。
【００８７】
（実施例）
［スイングアーム光学系への適用］
前記したような第１実施形態例の測定方式は、本発明に係る、ディスク型情報記録媒体中の１つであるＨＤＤの作動時に発生するスライダーの運動を測定する光学系に適用される。
【００８８】
まず、ＨＤＤにおいてスライダーの運動について説明する。
【００８９】
図１２はＨＤＤの磁気ディスク表面上で運動するスライダーの運動を説明する概略図である。図１２に示すように、ＨＤＤ２１０の磁気ディスク２１１の上部にはスライダー２２０が位置し、スライダー２２０はスイングアーム２１５の先端部に固定される。
【００９０】
スライダー２２０を駆動するアクチュエータはボイスコイルモータ２１２であってスイングアーム２１５の後端部に設けられ、スイングアーム１５は高剛性構造のＥ−ブロック２１６と、弾性体のサスペンション２１８及びフレキシャー２１９よりなる。Ｅ−ブロック２１６はピボット２１４の上部から磁気ディスク２１１方向に連結され、Ｅ−ブロック２１６の先端にはサスペンション２１８が連結され、サスペンション２１８の先端にはフレキシャー２１９が連結され、このようなフレキシャー２１９の底面にはスライダー２２０が固定される。
【００９１】
一方、このような構造を有するＨＤＤ２１０で磁気ディスク２１１が回転すれば磁気ディスク２１１とスライダー２２０との間に空気軸受効果が発生し、空気軸受効果によりスライダー２２０は磁気ディスク２１１の表面上に浮き上がることになる。この時、スライダー２２０はアクチュエータにより一定の位置を保ち、磁気ディスク２１１の回転速度が一定した定常状態では磁気ディスク２１１とスライダー２２０との間隔が一定に保たれる。
【００９２】
一方、ＨＤＤ２１０においてデータを書込/読出する過程でスライダー２２０は一定のトラックを追従するトラック追従状態を保つか、あるいは一定のトラックから他のトラックに移動するトラック探索運動を行う。トラック追従状態では磁気ディスク２１１とスライダー２２０との間隔が一定に保たれ、スライダー２２０の姿勢も一定に保たれる。
【００９３】
しかし、トラック探索運動はスイングアーム２１５がピボット２１４軸を中心として旋回することでなされるので、スライダー２２０はスイングアーム２１５の旋回によって円弧状の軌跡に沿って移動する。したがって、トラック探索運動時にはアクチュエータにより急激な加速と減速がなされ、これによりサスペンション２１８とフレキシャー２１９が変形され、スライダー２２０の姿勢が変わる。
【００９４】
一方、ＨＤＤ２１０のデータ記録密度を高めるためにスライダー２２０と磁気ディスク２１１との間隔を最小化することが望ましい。そして、ＨＤＤの作動速度を高めるためにはスイングアーム２１５を速く駆動してスライダー２２０が磁気ディスク２１１の表面上で高速飛行を可能にすべきである。
【００９５】
しかし、スライダー２２０と磁気ディスク２１１との間隔が狭いほどスライダー２２０と磁気ディスク２１１との衝突の可能性が高まり、また、スライダー２２０の駆動速度が速くなるほど衝突の可能性が高まる。高速大容量のＨＤＤの開発において、このような現象を克服するために数多くの研究開発が進行し、多くの試行錯誤を試みられてきた。
【００９６】
しかし、前記スライダーと磁気ディスクとの間隔を保つためには、アクチュエータ、スイングアーム及び空気軸受の影響によるスライダーの動的特性を定量的に究明してこれを設計に反映する作業が要求されている。
【００９７】
このように、スライダーの動的特性を定量的に究明するための多様な論文が紹介されている。
【００９８】
図１３は従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さ測定システムの概略的な概念図である。図１３に示されたように、ＨＤＤスライダーの浮上り高さ測定システムは磁気ディスク２１１とスライダー２２５との間隔を測定するための装置であって、静電容量性物質よりなるレールが装置されたスライダー２２５と静電容量性物質が所定のパターンでその表面に印刷されている磁気ディスク２１１との間隔を静電容量センサーで測定する装置である。
【００９９】
一方、図１４は従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さとｘ軸を中心に測定対象物が回転した角度前記γ及びｙ軸を中心に測定対象物が回転した角度前記βの測定のためのシステムを示す概略図である。図１４に示されたように、ＨＤＤスライダー２２０の浮上り高さと前記γ及び前記βの測定のためのシステムは、レーザードップラー振動計２３０から出力される２本のレーザービームを用いて磁気ディスク２１１とスライダー２２０との間隔と、前記γ及び前記βを測定する。
【０１００】
また、図１５は従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さをフォトセンサーで測定するシステムの概略図である。図１５に示されたスライダーの浮上り高さ測定システムは、レーザー干渉を用いて磁気ディスクとスライダー２２０との間の浮上り高さを測定するためのものである。図１５に示されたように、磁気ディスクの代わりに透明なガラスディスクを使用することによってディスクの背面を通じて測定が可能となる。
【０１０１】
しかし、前記ＨＤＤスライダー運動測定装置及びシステムは、スライダーのトラック追従状態に対してのみ具現し、スライダーの運動測定対象もスライダーと磁気ディスクとの間隔と前記γ及び前記βに限定した。したがって、スライダーのトラック探索運動によるスライダーの急速な変位を測定するための装置及びシステムについては言及していない。
【０１０２】
このような従来の技術の問題点は、前記した６自由度運動の測定方式を適用することにより解決される。すなわち、ＨＤＤスライダーのトラック追従状態及びトラック探索運動によるスライダーの動的特性を正確に測定でき、簡単な構造を有するＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系が本発明により提供される。
【０１０３】
本発明によるＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のための上下部スイングアーム光学系の実施例を、図を用いて詳しく説明する前に、多方向反射体を用いた６自由度運動の測定装置について説明する。
【０１０４】
図１６は多方向反射体を用いて測定対象物の６自由度運動を測定するシステムの概念図を示し、図１７はスイングアーム光学系のスライダーの６自由度運動を、座標系を用いて示す概略図を示し、図１８はスライダーの６自由度運動を測定するために図１６に示された６自由度運動の測定システムをスイングアーム光学系に適用させた状態を示す概念図である。
【０１０５】
図１６に示されたように、６自由度運動を測定しようとする測定対象物３０１の上面に多方向反射体３１０を固定する。ここで、前述したように、前記多方向反射体３１０は少なくとも３つの反射面を有する本発明の多方向反射体の一実施例によるものである。
【０１０６】
すなわち、本発明によれば、３つまたはそれ以上の反射面を含む多方向反射体が用いられ、この時、反射体から反射される３本またはそれ以上の反射光線のうち、異なる方向に反射される３つの反射光線が６自由度変位測定に使われる。
【０１０７】
また、前記多方向反射体または３面反射体３１０は別の部品で製作された後、測定対象物３０１または後述するスライダー２２０、フレキシャー２１８などを設けてもよく、測定対象物３０１または後述するスライダー２２０、フレキシャー２１８にそれ自体を形成しても良い。この時、前記多方向反射体または３面反射体と前記スライダー間の相対的な位置が固定される。
【０１０８】
このような多方向反射体または３面反射体のスライダーに係る設置または形成状態は本発明の技術的範囲を制限しないものである。
【０１０９】
一方、レーザービームを前記多方向反射体または多方向反射体３１０から３つの反射面が集まる上部頂点に入射すると、１２０゜の角度をなしつつ３本の反射光線が発生する。このように３本に反射されたレーザービームを３つの位置検出器３３１、３３２、３３３で検査され、所定の幾何光学の数式を用いて測定対象物３１０に装着された多方向反射体３１０の６自由度運動（x、y、z、γ、β、α）を求める。
【０１１０】
このように求められた多方向反射体３１０の６自由度運動を通じて測定対象物３０１の６自由度運動を測定する。
【０１１１】
図１７に示すように、座標系によりスライダーの運動を示す。６自由度運動のうち、スイングアーム２４０（図１８）に連結したフレキシャー２１８の縦軸(Ｘｓ軸)を中心に発生したスライダー２２０の回転量(前記γ回転運動)とフレキシャー２１８の横軸(Ｙｓ軸)を中心に発生した回転量(前記β回転運動)、そして上下方向(Ｚｓ軸)への高さの変化が最も重要な運動である。
【０１１２】
一方、図１８に示されたように、スライダー２２０がトラック探索運動をする時に、スライダー２２０はスイングアーム２４０のピボット２１４軸を中心に円弧軌跡に沿って旋回する。この時、レーザービーム走査装置３２０がサスペンション２１８の先端部に備えられたスライダー２２０の円弧運動を追従してレーザービームがスライダー２２０上に設けられた多方向反射体３１０の上部頂点に正確に入射させなければならない。
【０１１３】
すなわち、スライダー２２０の運動速度が遅い場合にはレーザービームの正確な入射のためにガルバノメータスキャナー、または精密移送機構を用いて行えるが、高速運動のＨＤＤスライダーにおいて、レーザービームを多方向反射体の上部頂点に正確に入射させるのはかなり難しい。
【０１１４】
図１９は本発明の一実施例に係るＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系の概念図を示し、図２０は図１９に示されたスイングアーム光学系の断面図を示し、図２１は図１９に示されたスイングアームの先端部に設けられた第２反射体を示す詳細図を示し、図２２は図１９に示されたスイングアーム光学系の第２反射体の他の実施例である。
【０１１５】
図１９に示されたように、スイングアーム３４０は上下部が相互平行に形成されており、このような上下部スイングアーム３４０の後端部にはピボット２１４が連結される。したがって、上下部スイングアーム３４０はピボット２１４軸を中心に旋回できる。
【０１１６】
下部スイングアームはＥ-ブロック２１６とサスペンション２１８及びフレキシャー２１９に連結されてなされ、フレキシャー２１９の底面にはスライダー２２０が固定される。
【０１１７】
一方、スライダー２２０を駆動するアクチュエータはボイスコイルモータ２１２として上下部スイングアーム３４０の後端部に設けられる。そして、上部スイングアームは弾性変形のほとんどない剛体より構成される。
【０１１８】
一方、スライダー２２０の上面には多方向反射体３１０が固定され、多方向反射体３１０の上部頂点に対応して上部スイングアームの先端部には貫通孔３４３が形成される。そして、上部スイングアームの上面には第１反射体３５１と第２反射体３５２が固定される。
【０１１９】
このような第１、第２反射体３５１、３５２は４５゜の傾斜面を有する四面体形状を有し、第１反射体１５１はピボット１４軸の中心上面に位置するが、第１反射体１５１の４５゜傾斜面が上部スイングアームの先端部に向かう。そして、第２反射体３５２は上部スイングアームの先端部に位置し、第２反射体３５２の４５゜傾斜面は第１反射体３５１の傾斜面と対向して位置し、第２反射体３５２により反射されたレーザービームが上部スイングアームに形成された貫通孔３４３を通じて下部に位置した多方向反射体３１０の上部頂点に入射されるように位置する。
【０１２０】
したがって、図２０及び図２１に示されたように、レーザービーム走査装置３２０から走査されたレーザービームはピボット２１４軸の中心上部に位置した第１反射体３５１の傾斜面に入射され、第１反射体３５１により反射されたレーザービームは第２反射体３５２の傾斜面に進行される。そして、第２反射体３５２により反射されたレーザービームは上部スイングアームの貫通孔３４３を貫通して多方向反射体３１０の上部頂点に入射される。多方向反射体３１０の上部頂点に入射されたレーザービームは再び１２０゜で３方向に反射される。
【０１２１】
一方、図１８に示されたように、３方向に反射されたレーザービームの進行方向には３つの位置検出器３３１、３３２、３３３が設けられており、それぞれの位置検出器３３１、３３２、３３３に入射されたレーザービームは電圧信号として制御部３６０に入力される。
【０１２２】
制御部３６０ではそれぞれの位置検出器３３１、３３２、３３３に入力された電圧信号でレーザービームの重心を求め、入射されたレーザービームの強度を求めてそれぞれの位置検出器３３１、３３２、３３３で測定されたレーザービームの重心と強度を比較分析して多方向反射体３１０の６自由度を測定する。
【０１２３】
本発明においてトラック追従はもちろん、トラック探索時にスライダー２２０が実装された上下部スイングアーム３４０の急速な変位が発生しても、レーザービーム走査装置３２０から走査されたレーザービームが上下部スイングアーム３４０と共に変位される第１、第２反射体３５１、３５２及び多方向反射体３１０によりレーザービームは多方向反射体３１０の上部頂点に正確に入射される。
【０１２４】
したがって、多方向反射体３１０から反射された３本のレーザービームを受けて電圧信号を発生させる位置検出器３３１、３３２、３３３の信頼度も高まってスライダー２２０の６自由度運動を正確に測定できる。
【０１２５】
ここで、第１、第２反射体３５１、３５２の傾斜面はアルミニウムなどの金属材が蒸着されたミラーである。
【０１２６】
一方、図２２に示されたように、第２反射体３５２を透明なプリズムとして使用してもよい。この場合、図２２に示された第２反射体３５２は上下部スイングアームの貫通孔３４３を覆った状態に固定され、第１反射体３５１から反射されたレーザービームは第２反射体３５２の内部に入射され、第２反射体３５２の傾斜面の内側面で反射されて下部方向に反射される。
【０１２７】
このように反射されたレーザービームは貫通孔３４３を通じて多方向反射体３１０の上部頂点に入射される。この際、第２反射体３５２の傾斜面内側ではプリズムの屈折率が外部空気の屈折率より大きな状態となり、４５゜の入射角により入射されたレーザービームは全反射される。そして、反射されて下部方向に進行するレーザービームは第２反射体３５２の下面に全反射角より大きな垂直角として入射されて反射なく透過することになる。
【０１２８】
【発明の効果】
前記したように、本発明のＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のための上下部スイングアームの光学系は、スライダーのトラック追従状態及びトラック探索運動時にスライダーの６自由度運動を正確に測定できる。
【０１２９】
また、スライダーのトラック探索運動により発生する急速な変位に対してレーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが、スライダーに装着された多方向反射体を正確に追従できるので６自由度運動の測定の信頼度を向上させる。
【０１３０】
以上、本発明の多方向反射体を用いたＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系についての実施例を図に基づいて説明したが、これは本発明の実施例は例示的に説明したものであって本発明を限定するものではない。
【０１３１】
また、当業者ならば本発明の技術思想の範囲を離脱しない範囲内で多様な変形及び摸倣が可能なのは明白な事実である。
【０１３２】
【図面の簡単な説明】
【図１】６自由度運動関係及び記号を定義するための概念図である。
【図２】従来の技術による静電容量型の近接センサーを用いて２次元平面上の座標と姿勢を求めるための概念図である。
【図３】従来の技術による１軸方向の変位を測定するために使用するマイケルソン干渉系の概念図である。
【図４】従来の技術による４つの位置検出器を用いて測定対象物の６自由度変位を測定するための概念図である。
【図５】従来の技術による光センサー組立体を測定対象物に付着して６自由度変位を測定するための概念図である。
【図６】実施形態例による多方向反射体を用いた６自由度運動の測定装置の基本概念図である。
【図７】図６に示された６自由度運動の測定装置においてレーザービームを単純直線で摸写した場合の光学的現象を説明するための概念図である。
【図８】図６に示された６自由度運動の測定装置の数学的な展開のために各構成要素の相対的な位置と姿勢を数学的記号で表した概念図である。
【図９】実施形態例の測定原理でレーザービームをガウス関数の強度分布で示した場合の光学的現象を説明するための概念図である。
【図１０】図９に示された第１位置検出器に集束されたレーザー光点の強度分布を示すための例示図である。
【図１１】実施形態例において位置検出器の出力を用いて多方向反射体の６自由度変位を追従するための数値解析方法のフローチャートである。
【図１２】ＨＤＤの磁気ディスクの表面上で運動するスライダーの運動を説明するための概略図である。
【図１３】従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さ測定システムの概略的な概念図である。
【図１４】従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さとγ及びβの角度を測定するためのシステムを示す概略図である。
【図１５】従来のＨＤＤスライダーの浮上り高さをフォトセンサーで測定するシステムの概略図である。
【図１６】多方向反射体を用いて測定対象物の６自由度運動を測定するシステムの概念図である。
【図１７】スイングアーム光学系のスライダーの６自由度運動を、座標系を用いて示す概略図である。
【図１８】スライダーの６自由度運動を測定するために図１６に示された６自由度運動の測定システムをスイングアーム光学系に適用させた状態を表した概念図である。
【図１９】本発明の一実施例によるＨＤＤスライダーの６自由度運動の測定のためのスイングアーム光学系の概念図である。
【図２０】図１９に示されたスイングアーム光学系の断面図である。
【図２１】図１９に示されたスイングアームの先端部に設けられた第２反射体を示す詳細図である。
【図２２】図１９に示されたスイングアーム光学系の第２反射体の他の実施例である。
【符号の説明】
１１０ 多方向反射体
１２１、１２２、１２３ 位置検出器
１３０ レーザー光源
１３５ Ａ／Ｄ変換器
１３８ 制御部
Claims (12)
- レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームを用いてハードディスクドライブのスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系において、前記スライダーまたはこれに隣接するように備えられ、スライダーとの相対的な位置が固定されたもので前記レーザービームが共に入射する３つの反射面を含む多方向反射体と、前記レーザービームが前記多方向反射体の反射面が集束される頂点に入射されるようにレーザービームの光路を形成する少なくとも１つ以上の光路決定反射体と、前記多方向反射体から反射された３方向のレーザービームの進行方向に各々設けられる３つの位置検出器と、前記３つの位置検出器から検出されたレーザービームの強度分布の重心を分析して前記多方向反射体の６自由度を測定する制御部と、前記スライダーを支持し、長手方向に沿って前記レーザービームの光路が形成される複数のスイングアームを含むことを特徴とするスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
- 前記複数のスイングアームの後端部はピボットに連結されて前記ピボットを中心に旋回することを特徴とする請求項１に記載のスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
- 前記複数のスイングアームは２つの上下部スイングアームで構成され、上部スイングアームの先端部には貫通孔が形成され、前記レーザービームが前記上部スイングアームの長手方向に沿って進行して前記貫通孔を通じて前記多方向反射体の頂点に入射されることを特徴とする請求項１に記載のスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
- 前記複数のスイングアームは２つの上下部スイングアームで構成され、上部スイングアームの先端部には貫通孔が形成されて前記スイングアームの長手方向に沿って形成された前記レーザービームが前記貫通孔を通じて前記多方向反射体の頂点に入射されることを特徴とする請求項２に記載のスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
- 前記複数のスイングアームは２つの上下部スイングアームで構成され、上部スイングアームは剛体よりなり、前記下部スイングアームはサスペンションとフレキシャーとが連結され、前記フレキシャーの底部には前記スライダーが装着されることを特徴とする請求項１に記載のスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
- 前記複数のスイングアームは２つの上下部スイングアームで構成され、上部スイングアームは剛体よりなり、前記下部スイングアームはサスペンションとフレキシャーとが連結され、前記フレキシャーの底部には前記スライダーが装着されることを特徴とする請求項２に記載のスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
- 前記光路決定反射体は前記上下部スイングアームの旋回中心点の前記ピボットの上端に設けられる第１反射体と、前記上部スイングアームに形成された貫通孔に設けられる第２反射体とを含み、前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体と前記第２反射体により反射されて前記多方向反射体の頂点に入射されることを特徴とする請求項３に記載のスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
- 前記光路決定反射体は前記上下部スイングアームの旋回中心点の前記ピボットの上端に設けられる第１反射体と、前記上部スイングアームに形成された貫通孔に設けられる第２反射体とを含み、前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体と前記第２反射体により反射されて前記多方向反射体の頂点に入射されることを特徴とする請求項４に記載のスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
- 前記第１、第２反射体は４５゜の傾斜面を有する四面体形であり、前記第１、第２反射体の傾斜面は相互対向して設けられて前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体の傾斜面で反射されて前記第２反射体の傾斜面に進み込み、前記第２反射体の傾斜面では前記第１反射体から反射されたレーザービームが前記貫通孔を通過して前記多方向反射体の頂点に入射されるように反射することを特徴とする請求項５に記載のスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
- 前記第１、第２反射体は４５゜の傾斜面を有する四面体形であり、前記第１、第２反射体の傾斜面は相互対向して設けられて前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体の傾斜面で反射されて前記第２反射体の傾斜面に進行し、前記第２反射体の傾斜面では前記第１反射体から反射されたレーザービームが前記貫通孔を通過して前記多方向反射体の頂点に入射されるように反射することを特徴とする請求項６に記載のスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
- 前記第１、第２反射体は４５゜の傾斜面を有する四面体形であり、前記第１、第２反射体の傾斜面は前記上部スイングアームに向かわせて並んで設けられて前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体の傾斜面で反射されて前記第２反射体の傾斜面に進み込み、前記第１反射体から反射されたレーザービームが前記第２反射体の傾斜面に入射されて前記第２反射体の傾斜面から前記貫通孔を通過して前記多方向反射体の頂点に入射されるように反射することを特徴とする請求項７に記載のスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
- 前記第１、第２反射体は４５゜の傾斜面を有する四面体形であり、前記第１、第２反射体の傾斜面は前記上部スイングアームに向かわせて並んで設けられて前記レーザービーム走査装置から走査されたレーザービームが前記第１反射体の傾斜面で反射されて前記第２反射体の傾斜面に進み込み、前記第１反射体から反射されたレーザービームが前記第２反射体の傾斜面に入射されて前記第２反射体の傾斜面から前記貫通孔を通過して前記多方向反射体の頂点に入射されるように反射することを特徴とする請求項８に記載のスライダーの６自由度運動を測定するためのスイングアーム光学系。
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