CN103377667B - 具有均匀夹紧负荷和索引标志的磁盘夹 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有均匀夹紧负荷和索引标志的磁盘夹。其中，用于夹紧磁盘驱动器内的几个磁性硬盘的磁盘夹具有多个平衡配重孔和压花索引标志，所述压花索引标志在装配后作为平衡所述硬盘的基准使用。所述磁盘夹也具有压花外形，该压花外形位于所述平衡配重孔附近或围绕所述平衡配重孔，以便通过所述磁盘夹提供均匀的周向夹紧力。所述磁盘夹具有一种外形，所述外形使所述磁盘夹的所述内部区域在所述磁盘夹中心的特定指定夹紧力下成为塑性变形区。

Description

具有均匀夹紧负荷和索引标志的磁盘夹

技术领域

本发明涉及磁盘驱动器，更具体地，涉及一种用于磁盘驱动器的磁盘夹，该磁盘夹提供均匀的夹紧负荷。

背景技术

工作站、个人计算机和笔记本电脑均需要磁盘驱动器，磁盘驱动器在最小物理区域中提供大量数据存储。磁盘驱动器通常包括一个或更多硬盘，所述硬盘通过主轴马达以恒定高速旋转。通常，磁盘驱动器通过将换能器或读/写磁头放置在磁盘上的各个磁道上来进行操作。通过使用致动器组件，将信息写入磁盘上的磁道并且从磁道读取信息，所述致动器组件在寻道操作期间旋转。致动器联接至控制电子装置，所述控制电子装置控制致动器的定位和换能器的读/写功能。典型的致动器组件包括多个朝着磁盘延伸的致动器臂，一个或更多弯曲部从每个致动器臂延伸。磁头安装在每个弯曲部远端，该磁头起空气支承的作用，使得磁头能够在关联磁盘的相应表面上非常接近地飞行。由于多种原因，提高存储在这些磁盘上的信息密度的需求变得越来越大。下列原因都促成该结果，其包括：多用户和多任务操作系统工作站的增加，这些工作站提供一种需要将大量数据传输至硬盘并从硬盘传输大量数据的操作环境；大型应用程序；笔记本计算机和笔记本电脑的普及；和继续朝着更高性能微处理器进步的趋势。这些系统的结构性设计同样在不断地缩小，从而需要使硬盘驱动器具有高容量存储能力，同时在该系统中占用最少量的空间。

为了满足这些需求，存在一种对具有较大存储能力的较小硬盘驱动器的需求。为了读取这种更密集存储的信息，工程师已降低磁头和磁盘之间的间隙飞行高度。在磁盘驱动器运行期间，降低间隙飞行高度导致磁头和磁盘的数据部之间的更多接触。然而，存在这样一种广泛的行业推动力，即在实际上不接触磁盘表面的情况下，降低换能器在磁盘上所保持的高度。

当换能器在旋转的磁盘上飞行时，由于磁盘表面本身不平，所以飞行高度趋向于稍微在正常飞行高度上和下波动。在较低飞行高度处，飞行高度的变化可导致换能器接触磁盘表面。如果重复，该断续接触能够损伤换能器或磁盘，并且可能导致驱动器故障。

在传统的磁盘驱动器中，磁盘堆被设置在主轴马达的圆柱形毂套上。磁盘夹被设置在毂套上的该磁盘堆的顶部。该磁盘夹具有比毂套大的半径，使得磁盘夹的外径接触顶部磁盘。通过位于磁盘夹中的孔安装多个螺丝，或单根螺丝。将这些螺丝螺纹拧入毂套中的钻孔中。当拧紧螺丝时，施加至磁盘夹中间段的力被传递至磁盘夹的外周，该外周接触磁盘表面。该力将磁盘固定至主轴马达毂套。必须以相当大的力固定磁盘，以便防止出现机械振动时一个或更多磁盘的任何滑动。即使在驱动器中的磁盘的非常轻微滑动，也能够导致换能器的机械不重合，这能够导致数据传送误差或故障。

在高性能磁盘驱动器中，磁盘夹设计相当关键。理想地，磁盘夹沿其夹紧表面提供均匀夹紧力，以避免磁盘扭曲。磁盘夹必须被设计为缩小整体夹紧力变化。部件公差和不均匀热膨胀导致的最小化高度变化将产生较小的整体夹紧力变化。

主轴马达组件通常利用一种旋转主轴毂套，其轴颈连接至不可旋转主轴轴。通常将磁盘夹固定至旋转主轴毂套，以在所安装的磁盘和磁盘间隔件上施加向下的轴向力。通常，磁盘夹通过一系列径向安置的、拧入心轴毂套的螺丝施加向下的力。更紧密接近所安装的信息存储磁盘和磁盘间隔件地，螺丝的径向定位在主轴上磁盘夹的外围施加夹紧力。磁盘夹中的螺丝定位导致以不均匀方式施加向下的力。不均匀夹紧力导致负荷力中的变化，因此导致至少安装在顶部的信息储存磁盘被物理扭曲。在信息存储磁盘上记录和再现数据期间，即使以40微英寸这样小的扭曲也能够导致顶部磁盘操作错误。

在第二种主轴马达组件中，主轴轴和主轴毂套部两者都绕轴承套筒旋转。在该布置中，使用单根螺丝将磁盘夹固定至旋转的主轴轴。为了用单根螺丝产生一种与通过围绕不可旋转轴的多个螺丝产生的力类似的夹紧力，必需向单根螺丝施加高很多的扭矩。该相对高的扭矩导致许多问题，包括使主轴轴承过应力。这些高扭矩相关问题能够损坏轴承和导致主轴马达故障。

尽管有上述尝试，但是仍需要通过提供一种在由主轴马达的毂套支撑的存储磁盘上产生均匀夹紧负荷的磁盘夹，来克服传统的单根螺丝磁盘驱动器主轴马达组件，以及多根螺丝主轴轴主轴马达组件的缺陷。

发明内容

通过在磁盘夹上使用压花索引标志代替额外的基准孔，大体提高了具有平衡配重孔的磁盘夹的扁平性和均匀的周向夹紧力。通过在配重孔附近或在配重孔周围添加成型或压花外形，因此使在每个配重孔的区域的磁盘夹变硬，或者使在配重孔之间的区域的磁盘夹变软，从而将由多个平衡配重孔导致的周向夹紧力变化降为最小。磁盘夹在磁盘夹的最内段包含圆化的压花外形，该压花外形导致该最内段在特定的夹紧力下处于磁盘夹的应力应变曲线的塑性变形区中。

附图说明

结合附图，通过考虑下文说明，本发明的精确特性及其目标和优点将显而易见，其中，在以下附图中，相同附图标记表示相同部分，并且其中：

图1是磁盘驱动器组件的顶部剖视图；

图2是磁盘驱动器中磁盘堆的顶部剖视图；

图3是磁盘夹和驱动器马达毂套组件的横截面图；

图4是磁盘夹的透视图；

图5是示出本发明一个实施例的一段磁盘夹的顶视图；

图6是一部分图5的磁盘夹的近视图；

图7是反映图6中所示表面的功能的图；

图8是根据本发明一个实施例的磁盘夹的顶视图；

图9是图8的磁盘夹的底视图；

图10是图8中所示的一部分磁盘夹的截面图；

图11是示出本发明替代实施例的磁盘夹的顶部透视图；

图12是示出本发明又一个实施例的磁盘夹的顶部透视图；

图13是示出本发明又一个实施例的磁盘夹的顶部透视图；

图14是示出不同磁盘夹构造的磁盘位移曲线图；

图15是示出本发明另一个实施例的磁盘夹的局部横截面图；

图16是示出本发明替代实施例的磁盘夹的局部横截面图；

图17是示出本发明又一个替代的磁盘夹的局部横截面图；

图18是示出本发明另一个替代的磁盘夹的局部横截面图；

图19是示出本发明又一个替代的磁盘夹的局部横截面图；和

图20是示出图15-19中所示实施例特征的曲线图。

具体实施方式

图1表示磁盘驱动器11的剖视顶视图，该磁盘驱动器11具有一个或更多硬盘13，每个硬盘都具有写在硬盘上的一系列数据磁道中的信息。磁盘驱动器11利用至少一个换能器15，用于读取硬盘13和将信息写入硬盘13。换能器15例如可能是传统的传导元件，或者为磁阻元件。换能器15连接至致动器臂17。致动器臂17的运动由音圈马达21控制，音圈马达21导致致动器臂绕枢轴接点19枢轴旋转。使用控制电路23以控制磁盘驱动器11内的致动器臂17和其他部件（未示出）的操作。

在寻道操作期间，例如，在硬盘13的表面上移动磁头15的磁道位置。通过弯曲部51将磁头15连接至致动器臂17。

硬盘13可能为单张磁盘或磁盘堆。通过磁盘夹25将硬盘13连接至主轴马达（未示出）。根据本发明，磁盘夹通过单根螺丝29将硬盘13附接至主轴马达的毂套。多个平衡配重孔27以围绕紧固螺丝29周向间隔开的方式位于磁盘夹25中。

通过紧固螺丝29施加的力，磁盘夹25将硬盘13加接至马达的毂套。在磁盘驱动器11运行期间，由马达旋转硬盘13，并且致动器臂17使换能器15横跨硬盘13的表面移动，从而在换能器15和硬盘13之间传送数据。

参考图2、3和4，主轴马达（未示出）带有大致圆柱形毂套35，其具有圆柱形底部凸缘39和从凸缘39向上延伸的圆柱形头部37。毂套头部37限定位于中心的紧固件钻孔30。优选地，凸缘39、毂套头部37和紧固件钻孔30大体同心。然而，应注意，根据本发明，毂套可具有许多不同构造。例如，毂套能够包括几个周向间隔开的坚固件钻孔，而非单一位于中心的紧固件钻孔30。通过硬盘13示出的磁盘组件包括环状间隔件41，其放置在毂套35上，以便间隔件41绕毂套头部37延伸和放置在凸缘39上。应注意，能够在没有间隔件41的情况下使用本发明。在磁盘驱动器包括多个磁盘的实施例中，同样使用多个间隔件41分离每个硬盘13。硬盘13放置在毂套35上，以便硬盘13绕毂套头部37延伸和放置在间隔件41上。硬盘13具有下部数据表面33和上部数据表面31。

图3中所示的磁盘组件包括磁盘夹25。在图4中也单独示出磁盘夹25。磁盘夹25位于硬盘13上部表面31的中心。垫环49形成磁盘夹25的外围或外径。磁盘夹中同心定位的紧固孔45限定位于中心的孔，其用于插入紧固螺丝29。

应注意，可利用多个周向间隔开的紧固件孔45与毂套头部37中的多个紧固件钻孔30匹配。优选地，磁盘夹25由不锈钢制成，但是磁盘夹25也能够由具有类似期望特性的铝或其他材料或合金制成。

紧固螺丝29通过磁盘夹25的紧固件孔45延伸，和延伸到毂套35中的紧固件钻孔30中。紧固螺丝29与毂套35接合，和将磁盘夹25的中间段43向下拉超过其正常倚靠位置，因此在垫环49产生应力和向下的压力。继而，垫环49在硬盘13的上表面31上施加向下的压力，因此将硬盘13稳固地保持在毂套35上的适当位置。

参考图4，紧固孔45位于磁盘夹25的中心，磁盘夹25优选形成为圆形构件。多个通孔27围绕磁盘夹25主体中的同心定位紧固孔45的圆周定位。中间段43围绕平衡孔27里侧的紧固孔45。加工孔51、53位于磁盘夹的本体中，其处于磁盘夹的中间段和外径之间的表面44中。利用这些孔作为标志，以在磁盘夹的平衡配重孔27中建立用于安置配重的基准，用于在装配后平衡该磁盘部件。

如下文更详细解释，每次将孔安置在磁盘夹25的主体中，诸如配重孔27和标志孔53、51，磁盘夹25的夹紧负荷特性都改变。

期望减少磁盘夹25的本体中的孔数目。如果利用图5、6和7中所示的基准标志，就能够消除孔53和51。代替定位孔，能够在平衡配重孔27的区域中，将开口图案55金属成型（压花）到磁盘夹的表面中。在不影响磁盘夹的平面性或其夹紧负荷的结构均匀性的情况下，能够将开口图案55压花到磁盘夹表面中。如图6和7中所示，通过以与磁盘夹的上表面44成一定角度地稍微刻出小表面部57而形成开口图案55。虽然眼睛基本看不见该图案本身，但在顶表面44上经过的光束（例如光束59）在反射光信号61中产生明显变化。

开口图案55的整个外形可以是任何期望形状，但优选是圆形，诸如椭圆形或圆形。优选，在对磁盘夹热处理之前，将倾斜表面57在磁盘夹表面44中压花至一定深度，该深度小于或等于总磁盘夹厚度的10%。

利用开口图案55代替上文使用的通孔，以定位平衡配重的安置提高了磁盘的夹紧力均匀性。安置在磁盘表面中的每个孔都导致磁盘夹中的硬度损失。

开口图案55利用光束的探测能力显著。以6000rpm进行的测试示出下列结果。对于18毫伏基线信号的一次完整旋转，在近似脉冲中心测量的，在开口图案55上产生的信号为-177毫伏。在0.5毫秒（msec）的近似脉冲宽度的情况下，总信号变化等于-195毫伏。

在不影响磁盘夹的平面性或结构均匀性的情况下，易于改变开口图案表面区域位置和其详细几何形状。这是对使用通孔的显著改进。

如图8和9对磁盘夹65所示，已经在磁盘夹25中消除定位孔51、53，在磁盘夹25中仍存在平衡配重孔27，并且表现出对从磁盘夹获得均匀夹紧负荷的相当大障碍。在不损失平衡性的情况下不能去除平衡配重孔27。

参考图8、9和10，其中示出本发明的优选实施例，在存在平衡配重孔71时，该实施例使磁盘夹的周向力平均。

根据磁盘夹的高度要求和间隙要求，在顶表面或底表面中围绕每个平衡配重孔71金属加工出各个压花部75。这些压花部形成在磁盘夹制造工艺的早期，从而产生不连续外形。如下文进一步解释，压花部围绕每个平衡配重孔71产生一定刚度，从而使磁盘夹的周向力平均。

优选地，各个压花部的每一边都与从磁盘夹65的中心73延伸的径向延伸共线。压花部75的顶边都指向径向中心，压花部75的底边也都指向径向中心。

优选地，每个压花部75的形成深度均为磁盘夹65的厚度的10%-30%，从而提供了0.01-0.15英寸的偏移。

示出磁盘夹65的顶表面的图8示出了在顶表面中形成的压花部75。示出磁盘夹65的底表面的图9示出了压花部75的底部77。

图10是图8中所示的沿A-A截取的磁盘夹65的局部横截面图，其指示了在顶表面中形成的凹陷压花部75以及在底表面中形成的压花表面77。

现在参考图11，其中示出用于使磁盘夹周向力平均的替代实施例。磁盘夹79具有多个平衡配重孔81，这些平衡配重孔81周向包围位于中心的紧固孔83。外形85在磁盘夹表面形成或在该表面突出。这些外形85沿平衡配重孔的相同径向路径定位，但是不围绕平衡配重孔。取决于所需间隙，这些外形可位于磁盘夹的顶表面或底表面上。

图12示出磁盘夹89，其具有沿着与平衡配重孔91相同的径向路径定位的、不同形状的成形或突出外形95。

图13示出又一个实施例，其用于使具有平衡配重孔101的磁盘夹99中的磁盘夹周向力平均。在该实施例中，在磁盘夹的表面中，在平衡配重孔101之间的区域中切出多个孔口105。这些孔口的定位实际弱化了配重孔之间的径向区域，因此使磁盘夹99的周向夹紧力平均。

现在参考图14，其示出利用多种磁盘夹的顶部磁盘的相对边缘位移。在本发明的发明人进行相当多的测试和计算机模拟后产生这些曲线图。曲线图109示出在磁盘夹中具有标准的八个配重孔的磁盘夹。如曲线图109所示，顶部磁盘通过其半次旋转的相对位移变化相当大。这是产生磁盘夹的不均匀周向力的迹象。

曲线图111示出当利用不含有任何孔和不由各向异性材料制成的实心磁盘夹时，顶部磁盘的最佳相对位移。相对位移恒定。

用于形成磁盘夹的不锈钢材料通常为条形并作为一大卷运送。为了产生期望厚度的条形材料，使该不锈钢穿过一系列轧辊。该轧制工艺趋向于使材料拉长比其宽度增加更大，因而导致在条形的长度方向应变硬化加重。这继而导致在轧制方向和与轧制方向垂直的方向上的不同机械特性。材料的该各向异性影响了所完成的磁盘夹的性能。

当圆形磁盘夹由该材料形成时，当安装磁盘夹时，磁盘夹在下部磁盘表面上产生的负荷取决于制作磁盘夹的材料的弹性模量。理想地，绕磁盘夹接触磁盘的外围，夹紧力将是均匀的。由于上述材料各向异性，在安装后条件下的夹紧力不均匀。这产生了磁盘的不良弯曲。

本发明涉及在磁盘夹中精确成形的特征，以补偿磁盘夹外周的刚度变化。能够定制这些特征，以通过补偿材料各向异性的方式来改变几何刚度，从而产生均匀的周向夹紧力和平坦的磁盘。

曲线图113示出顶部磁盘的相对位移，该磁盘利用含有八个平衡配重孔的磁盘夹，已经通过图8-13中所示的成型结构中的一种结构补偿了该平衡配重孔。虽然顶部磁盘的相对位移不水平，但它比具有八个孔的现有技术磁盘夹有了相当大的改进。

图20示出诸如不锈钢或铝材料的标准应力/应变曲线。随着应变从0增大，材料中的应力快速升高至处于曲线上点143的其屈服强度。如果应变升高超过点143，则应力以较低速度升高，直到其进入塑性变形区。在特定应变151处，存在最大应力点145。最大应力点145大约在塑性变形区153的正中间。在最大应力点145之后，应变的增大不再使应力增大。在塑性区之后，即应力区域153之后，应力将随着应变的增大而下降（即141）至断裂点147。

本发明提供一种磁盘夹，使其常规的夹紧力在塑性区153中约处于最大应力点145。在该点145附近拧紧紧固螺丝将不增大磁盘夹中的应力，并且将缩小总体夹紧力变化。

为了提供在应力/应变曲线的塑性区153中操作的磁盘夹，已产生一种用于磁盘夹的独特压花外形。该压花外形可如图15-19所示变化。图15-19示出被压花到磁盘夹115中的外形横截面。然而，应记住，在所有情况下示出的压花外形都是圆形的，其完全围绕磁盘夹115中位于中心的夹紧孔119，或者当使用多个螺丝孔时，其完全围绕该多个螺丝孔。图15-19示出形成该外形时可能的变化，其将向处于塑性区的磁盘夹提供用于紧固螺丝的常规夹紧力。

图15示出了使用V形外形，该V形外形形成在磁盘夹115的顶表面和底表面中。顶部外形121和底部外形122共线。

图16示出顶部压花、V形125不需要与底部V形127共线。

图17示出顶部中压花V形外形129的位置不需要与底部中的V形外形131共线，并且离中心紧固件孔119的距离都比图15和16中所示的大。

图18示出使用顶部中的U形压花外形135和底部中的U形压花外形137。两种外形都共线。两种外形都位于离中心紧固孔119更远的距离。

图19示出使用顶部中的单一压花V形外形139，该外形139可能足够深，以导致磁盘夹以目标夹紧力在塑性区中操作。

应理解，上述公开仅描述了本发明的优选实施例。在不偏离权利要求中提出的本发明的精神和范围的情况下，可在其中做出各种变型，以提供一种磁盘夹，其具有均匀夹紧负荷，如果在读/写磁盘上存在任何扭曲，则该磁盘夹产生最小的夹紧力变化并且缩小夹紧力变化。

Claims (14)

1.一种用于磁盘驱动器的磁盘夹，所述磁盘驱动器包括至少一个存储磁盘，所述存储磁盘被支撑在马达的毂套上，所述磁盘夹包括：

圆形构件，所述圆形构件具有中心、顶表面、底表面和外径；

位于所述圆形构件的中心处的至少一个紧固孔；

位于所述圆形构件中的沿着所述圆形构件的半径包围所述紧固孔的多个平衡配重孔，每个所述平衡配重孔均被形成到所述圆形构件的表面中的压花部包围，从而使所述圆形构件的周向夹紧力平均，所述压花部形成围绕每个所述平衡配重孔的凹陷部。

2.根据权利要求1所述的磁盘夹，其中，进行包围的每个所述压花部具有四个边。

3.根据权利要求2所述的磁盘夹，其中，每个压花部的顶边都指向径向中心。

4.根据权利要求2所述的磁盘夹，其中，每个压花部的底边都指向径向中心。

5.根据权利要求2所述的磁盘夹，其中，每个压花部的各个边都与从所述圆形构件的所述中心延伸的径向延伸共线。

6.根据权利要求1所述的磁盘夹，其中，形成到所述圆形构件中的每个压花部的所述凹陷部的深度均为所述圆形构件的厚度10％-30％。

7.根据权利要求1所述的磁盘夹，其中，形成到所述圆形构件中的每个压花部的所述凹陷部都离所述圆形构件的表面有0.01-0.015英寸的偏移。

8.根据权利要求1所述的磁盘夹，其中，每个压花部都形成在所述圆形构件的顶表面中。

9.根据权利要求1所述的磁盘夹，其中，每个压花部都形成在所述圆形构件的底表面中。

10.根据权利要求1所述的磁盘夹，其中，每个平衡配重孔都具有沿着与所述配重孔相同的径向路径而与所述配重孔相关联的压花部。

11.根据权利要求10所述的磁盘夹，其中，每个压花部都形成在所述圆形构件的顶表面或底表面上。

12.根据权利要求11所述的磁盘夹，其中，每个压花部都具有圆化的形状。

13.根据权利要求11所述的磁盘夹，其中，每个压花部都为长圆形。

14.根据权利要求1所述的磁盘夹，其中，在每两个平衡配重孔之间设有孔口，由此使所述配重孔之间的区域弱化。