CN106595921A - 用于测量俯仰力矩和滚转力矩的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种用于测量俯仰力矩和滚转力矩的装置。所述装置包括：传感器板，所述传感器板具有水平交叉构件、垂直交叉构件以及连接所述水平交叉构件及所述垂直交叉构件的末端的环绕构件，其中，所述水平交叉构件和所述垂直交叉构件在所述传感器板的中心区域彼此相交；VCM线圈，所述VCM线圈连接到所述传感器板并配置为在向所述VCM线圈施加电流时产生俯仰力矩和滚转力矩；第一应变仪，所述第一应变仪连接到所述水平交叉构件的表面并配置为检测由所述俯仰力矩和滚转力矩引起的水平应变；第二应变仪，所述第二应变仪连接到所述垂直交叉构件的表面并配置为检测由所述俯仰力矩和滚转力矩引起的垂直应变。

Description

用于测量俯仰力矩和滚转力矩的装置及方法
技术领域
本发明总体涉及用于测量硬盘驱动器(HDD)音圈马达(VCM)的俯仰力矩和滚转力矩的装置及方法。
背景技术
如图1所示，HDD(硬盘驱动器)VCM(音圈马达)中有三种力矩产生，即摆动力矩、俯仰力矩和滚转力矩。摆动力矩产生有用功并且是VCM所期望的机械输出，而俯仰力矩和滚转力矩是不期望的副产品，它们会导致严重的共振问题。这些共振会导致HDD故障。
为了限制共振的数量和大小，量化俯仰力矩和滚转力矩是有用的。市售的三轴测力传感器(load cell)，虽然在概念上是可行的，但还未成功测量出HDD VCM的俯仰力矩和滚转力矩。两个问题妨碍了它的使用。首先，分辨率不足以精确地测量这些小的俯仰力矩和滚转力矩。其次，三轴测力传感器所用的传感器要求摆动力矩不超过俯仰力矩和滚转力矩的若干倍。如果该条件不满足，高的摆动力矩将破坏低的俯仰力矩和滚动力矩，从而导致俯仰力矩和滚转力矩的测量不精确。
发明内容
本发明实施例提供了用于精确测量俯仰力矩和滚转力矩的方案。
根据本发明的一方面，提供了一种用于测量硬盘驱动器(HDD)音圈马达(VCM)的俯仰力矩和滚转力矩的装置，所述装置包括：
传感器板，所述传感器板具有水平交叉构件、垂直交叉构件、连接所述水平交叉构件及所述垂直交叉构件的末端的环绕构件，其中，所述水平交叉构件和所述垂直交叉构件在所述传感器板的中心区域彼此相交；
VCM线圈，所述VCM线圈连接到所述传感器板并配置为在向所述VCM线圈施加电流时产生俯仰力矩和滚转力矩；
第一应变仪，所述第一应变仪连接到所述水平交叉构件的表面并配置为检测由所述VCM线圈产生的俯仰力矩和滚转力矩所引起的水平应变；
第二应变仪，所述第二应变仪连接到所述垂直交叉构件的表面并配置为检测由所述VCM线圈产生的俯仰力矩和滚转力矩所引起的垂直应变。
在一个实施例中，由所述VCM线圈产生的俯仰力矩和滚转力矩能够基于所检测到的水平应变的读数和垂直应变的读数进行计算，所述水平应变的读数取自所述第一应变仪，所述垂直应变的读数取自所述第二应变仪。
在一个实施例中，所述装置进一步包括第一校正元件，所述第一校正元件配置为确定定义水平应变与俯仰力之比的第一常数值，以及定义垂直应变与俯仰力之比的第二常数值；
第二校正元件，所述第二校正元件配置为确定定义水平应变与滚转力之比的第三常数值，以及定义垂直应变与滚转力之比的第四常数值；
其中，所述俯仰力矩和所述滚转力矩进一步基于所述第一常数值、第二常数值、第三常数值以及第四常数值进行计算。
根据一个实施例，为了确定所述第一常数值和第二常数值，将负荷传感器连接到所述VCM线圈以向所述传感器板施加预定俯仰负荷。
根据一个实施例为了确定所述第三常数值和第四常数值，将两个负荷传感器连接到所述传感器板以向所述传感器板施加预定滚转负荷。
为了精确测量应变仪的输出信号，优选地，所述第一应变仪和第二应变仪中的每一个线连到惠斯顿电桥电路。
在本发明实施例中，所述传感器板的环绕构件可具有椭圆形形状、圆形形状和矩形形状中的一种形状。
根据本发明的第二方面，提供一种用于测量硬盘驱动器(HDD)音圈马达(VCM)的俯仰力矩和滚转力矩的方法，所述方法包括：
提供传感器板，所述传感器板具有水平交叉构件、垂直交叉构件以及连接所述水平交叉构件及所述垂直交叉构件的末端的环绕构件，其中，所述水平交叉构件和所述垂直交叉构件在所述传感器板的中心区域彼此相交；其中，将VCM线圈连接到所述传感器板，将第一应变仪连接到所述水平交叉构件的表面，将第二应变仪连接到所述垂直交叉构件的表面；
使用所述VCM线圈产生俯仰力矩和滚转力矩；
使用所述第一应变仪检测所述水平交叉构件的水平应变，所述水平应变由所述VCM线圈产生的俯仰力矩和滚转力矩引起；
使用所述第二应变仪检测所述垂直交叉构件的垂直应变，所述垂直应变由所述VCM线圈产生的俯仰力矩和滚转力矩引起。
在一个实施例中，基于所检测到的水平应变的读数和垂直应变的读数计算所述俯仰力矩和所述滚转力矩，所述水平应变的读数取自所述第一应变仪，所述垂直应变的读数取自所述第二应变仪。
在一个实施例中，所述方法进一步包括下述校正步骤：
通过第一校正元件校正所述传感器板以确定定义水平应变与俯仰力之比的第一常数值以及定义垂直应变与俯仰力之比的第二常数值；
通过第二校正元件校正所述传感器板以确定定义水平应变与滚转力之比的第三常数值以及定义垂直应变与滚转力之比的第四常数值；
其中，基于所检测到的俯仰应变和滚转应变、所述第一常数值、第二常数值、第三常数值以及第四常数值计算所述俯仰力矩和所述滚转力矩。
为了确定所述第一常数值和第二常数值，在一个例子中，所述第一校正元件包括预定的负荷传感器，其中，通过第一校正元件校正所述传感器板以确定第一常数值和第二常数值的步骤包括：
将所述负荷传感器连接到所述VCM线圈，并向所述传感器板施加预定的俯仰负荷；
垂直于所述传感器板移动所述负荷传感器的位置以获得多对垂直应变值和水平应变值，所述多对垂直应变值和水平应变值对应于多个俯仰力值，其中，从所述第二应变仪读取所述垂直应变值，从所述第一应变仪读取水平应变值；
基于所述多个俯仰力值及多对垂直应变值和水平应变值确定所述第一常数值和所述第二常数值。
为了确定所述第三常数值和第四常数值，在一个例子中，所述第二校正元件包括两个连接到所述传感器板的负荷传感器，
其中，通过第二校正元件校正所述传感器板以确定第三常数值和第四常数值的步骤包括：
将所述的两个负荷传感器连接到所述传感器板，并向所述传感器板施加预定滚转负荷；
相对于所述传感器板移动所述的两个负荷传感器的位置以获得多对垂直应变值和水平应变值，所述多对垂直应变值和水平应变值对应于多个滚转力值，其中，从所述第二应变仪读取所述垂直应变值，从所述第一应变仪读取水平应变值；
基于所述多个滚转力值及多对垂直应变值和水平应变值确定所述第三常数值和所述第四常数值。
本发明实施例所公开的用于测量俯仰力矩和滚转力矩的装置具有独特的半刚性结构，这种结构是稳性非常大的，且对摆动力矩不敏感，但对俯仰力矩和滚转力矩敏感。这种独特的半刚性结构消除了摆动/俯仰信号以及摆动/滚转信号之间的串扰，如前所述，如果超出了一定的负荷比，则传统的三轴测力传感器易于产生串扰。该装置的制造成本低，因为它可以用普通的材料和常规的制造技术来生产。这些特性使得设计是非常可取的和独特的，超过了业界的任一解决方案。
附图说明
图1示出了HDD VCM中产生的摆动力矩、俯仰力矩、滚转力矩。
图2是根据本发明一实施例的用于测量俯仰力矩和滚转力矩的装置的主视图。
图3(a)是使用图2中的装置测量俯仰力矩和滚转力矩的系统的俯视图。
图3(b)示出在图3(a)中所示系统中传感器板的线圈与VCM的磁体之间的位置关系。
图4是用于校正图2所示装置以确定与俯仰力矩的计算有关的常数的系统的立体图。
图5示出通过使用图4所示的系统所获得的校正曲线。
图6是用于校正图2所示装置以确定与滚转力矩的计算有关的常数的系统的立体图。
图7示出通过使用图6所示的系统所获得的校正曲线。
具体实施方式
在下面的描述中，列出了许多具体的细节以便提供对本发明的各种说明性实施例的透彻理解。然而，应当理解的是，对于本领域技术人员而言，本发明实施例可以在没有一些或全部这些具体细节的情况下实施。应该理解，本文所使用的术语仅用于描述具体实施例，并且不意在限制本发明的范围。在附图中，这几个视图中相同的参考数字表示相同或相似的功能或特征。
根据本发明的一个实施例，参照图2，用于测量俯仰力矩和滚转力矩的装置100包括传感器板110，连接到传感器板110的水平应变仪130、垂直应变仪132，以及连接到传感器板110的VCM线圈140。
典型地，该传感器板110由金属制成。参照图2，传感器板110具有水平交叉构件112和垂直交叉构件114，以及连接水平交叉构件112和垂直交叉构件114的末端的环绕构件120。水平交叉构件112与垂直交叉构件114在传感器板110的中心区域彼此相交。在该实施例中，环绕构件120具有椭圆形形状。应当理解的是，环绕构件可具有任何形状，例如在其它实施例中为圆形或矩形。水平交叉构件112和垂直交叉构件114被构造为分别通过直接将应变仪130、132粘接在构件112、114的表面上来检测滚转应变和俯仰应变。应变仪130、132为机械传感器，当材料中存在机械形变时它们输出电压。在该例子中，一个应变仪130设置于水平构件112上，另一应变仪132设置于垂直构件114上。此外，为了精确测量输出信号，应变仪130、132中的每一个线连到惠斯顿电桥电路(图2未示出)。惠斯顿电桥电路将不会在这里详细描述，因为这在应变仪应用中是常见的做法且是本领域技术人员所公知的。在该实施例中，描述了四分之一惠斯顿电桥，然而也可以通过将额外的应变仪合并到水平构件和垂直构件而使用半桥和全桥配置。根据用户的需要决定使用四分之一桥、半桥或全桥惠斯顿电桥，且惠斯顿电桥不是本发明的必要元件。在该实施例中，应变仪130、132可以通过粘接(如胶合物)或者任何其它合适的方法连接到交叉构件112、114的表面。
VCM线圈140通过如环氧树脂等粘合剂连接到传感器板110。VCM线圈140生成用于产生俯仰力矩、滚转力矩和摆动力矩的力。当VCM线圈140被插入到VCM磁场中并施加电流时产生力矩。在该实施例中，水平应变仪130几乎仅响应滚转力矩，因此水平应变仪130不会受摆动力矩和俯仰力矩的显著影响。类似地，垂直应变仪132几乎仅响应俯仰力矩，因此垂直应变仪132不被受摆动力矩和滚转力矩的显著影响。这有助于简化计算并减少信号串扰的可能性。
根据本发明的一个实施例，当用装置100测量俯仰力矩和滚转力矩时，应变仪130、132分别连接到传感器板110的水平交叉构件112和垂直交叉构件114的表面。然后，传感器板110在其中心区域通过夹具固定到静止定位块150，如图3(a)所示。VCM 160连接到旋转电机170上的固定件上。该旋转电机170允许VCM160在传感器板110保持静止时旋转，以便俯仰力矩和滚转力矩可以如其在运行的HDD中的整个正常操作范围内得以测量。参照图3(b)，传感器板110和VCM 160被定位成使得VCM线圈140和VCM 160的磁体共享共同的旋转点或轴，就像它们在运行的HDD的正常操作下一样。
当电流施加到VCM线圈140时，将产生俯仰力矩和滚转力矩。可以基于分别取自应变仪130和132的读数计算所产生的俯仰力矩和滚转力矩。具体地，通过使用水平应变仪130，检测和确定水平交叉构件中由产生的俯仰力矩和滚转力矩所引起的水平应变；通过使用垂直应变仪132，检测和确定垂直交叉构件中由产生的俯仰力矩和滚转力矩所引起的垂直应变。
根据本发明的一个实施例，在使用装置100测量俯仰力矩和滚转力矩之前，校正传感器板110以确定用于计算俯仰力矩和滚转力矩的参数。这些参数可以包括：定义水平应变与俯仰力之比的第一常数值、定义垂直应变与俯仰力之比的第二常数值、定义水平应变与滚转力之比的第三常数值、以及定义垂直应变值与滚转力之比的第四常数值。相应地，基于所检测到的俯仰应变值和滚转应变值，以及第一、第二、第三、第四常数值计算出俯仰力矩和滚转力矩。
为了校正传感器板110，分别将预定的俯仰负荷和滚转负荷施加到传感器板110，并通过应变仪130、132记录相应的应变。在这个过程中，VCM160被从装置100中移除。在一个例子中，如图4所示，为了校正传感器板110的俯仰力矩，将包括负荷传感器180的第一校正元件连接到VCM线圈140以将已知/预定的俯仰负荷施加到传感器板110上。通过垂直于传感器板110移动负荷传感器180的位置(见图4)，可以改变施加到VCM线圈140上的俯仰力，并且通过垂直应变仪132和水平应变仪130可以记录相应的应变。通过绘制俯仰负荷/俯仰力与水平应变之间的关系以及俯仰负荷/俯仰力与垂直应变之间的关系，可以建立两条线性校正线。(通过线性回归，可以得到两条最优拟合线(见图5所示垂直应变＿俯仰和水平应变＿俯仰))。下述等式中的第一常数值Kph和第二常数值Kpv为两条最优拟合线的斜率。因此两个等式可写为如下所示。
水平应变＿俯仰＝Kph*俯仰力 (1)
垂直应变＿俯仰＝Kpv*俯仰力 (2)
类似地，需要为滚转力矩建立校正曲线。差异在于第二校正元件包括两个负荷传感器190和192，且需要产生已知/预定的滚转负荷，如图6所示。通过相似的过程，将已知的滚转负荷施加到传感器板110上，并通过垂直应变仪132和水平应变仪130记录相应的应变。通过绘制滚转负荷/滚转力与水平应变之间的关系以及滚转负荷/滚转力与垂直应变之间的关系，可以建立两条线性校正线。通过线性回归，可以得到两条最优拟合线(见图7所示垂直应变＿滚转和水平应变＿滚转)。下述等式中的第三常数值Krh和第四常数值Krv为两条最优拟合线的斜率。因此两个等式写为如下所示。
水平应变＿滚转＝Krh*滚转力 (3)
垂直应变＿滚转＝Krv*滚转力 (4)
总应变由俯仰力矩和滚转力矩而来，其中，适用以下等式：
垂直总应变＝垂直应变＿俯仰+垂直应变＿滚转
＝Kpv*俯仰力+Krv*滚转力 (5)
水平总应变＝水平应变＿俯仰+水平应变＿滚转
＝Kph*俯仰力+Krh*滚转力 (6)
当用装置100测量俯仰力矩和滚转力矩时，通过垂直应变仪132的读数可以获得垂直总应变，通过水平应变仪130的读数可以获得水平总应变，然后可基于两个等式(5)和(6)计算俯仰力和滚转力。相应地，可以基于俯仰力和滚转力以及相应的力臂长度计算俯仰力矩和滚转力矩。
由于传感器板是对称的，因此对于俯仰和滚转校正过程都只需要进行一次。这极大地简化了确定俯仰力矩和滚转力矩的计算。
通过考虑本发明的说明书和实践，其它实施例对本领域技术人员是显然的。此外，出于描述清楚的目的，使用了一些特定术语，但不旨在限制本发明公开的实施例。上面描述的实施例和特征应当被认为是示例性的。

Claims (18)

1.一种用于测量硬盘驱动器HDD音圈马达VCM的俯仰力矩和滚转力矩的装置，所述装置包括：
传感器板，所述传感器板具有水平交叉构件、垂直交叉构件以及连接所述水平交叉构件及所述垂直交叉构件的末端的环绕构件，其中，所述水平交叉构件和所述垂直交叉构件在所述传感器板的中心区域彼此相交；
VCM线圈，所述VCM线圈连接到所述传感器板并配置为在向所述VCM线圈施加电流时产生俯仰力矩和滚转力矩；
第一应变仪，所述第一应变仪连接到所述水平交叉构件的表面并配置为检测由所述VCM线圈产生的俯仰力矩和滚转力矩所引起的水平应变；
第二应变仪，所述第二应变仪连接到所述垂直交叉构件的表面并配置为检测由所述VCM线圈产生的俯仰力矩和滚转力矩所引起的垂直应变。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述俯仰力矩和所述滚转力矩是基于所检测到的水平应变的读数和垂直应变的读数进行计算的，所述水平应变的读数取自所述第一应变仪，所述垂直应变的读数取自所述第二应变仪。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：
第一校正元件，所述第一校正元件配置为确定定义水平应变与俯仰力之比的第一常数值，以及定义垂直应变与俯仰力之比的第二常数值；
第二校正元件，所述第二校正元件配置为确定定义水平应变与滚转力之比的第三常数值，以及定义垂直应变与滚转力之比的第四常数值；
其中，所述俯仰力矩和所述滚转力矩进一步基于所述第一常数值、第二常数值、第三常数值以及第四常数值进行计算。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一校正元件包括：
负荷传感器，所述负荷传感器连接到所述VCM线圈并配置为将预定俯仰负荷施加到所述传感器板以确定所述第一常数值和所述第二常数值。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述第二校正元件包括：
两个负荷传感器，所述两个负荷传感器连接到所述传感器板并配置为将预定滚转负荷施加到所述传感器板以确定所述第三常数值和所述第四常数值。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一应变仪和所述第二应变仪中的每一个线连到惠斯顿电桥电路。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器板的环绕构件具有椭圆形形状、圆形形状和矩形形状中的一种形状。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一应变仪和所述第二应变仪通过粘接连接到所述传感器板。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述VCM线圈用粘合剂连接到所述传感器板。
10.一种用于测量硬盘驱动器HDD音圈马达VCM的俯仰力矩和滚转力矩的方法，所述方法包括：
提供传感器板，所述传感器板具有水平交叉构件、垂直交叉构件以及连接所述水平交叉构件及所述垂直交叉构件的末端的环绕构件，其中，所述水平交叉构件和所述垂直交叉构件在所述传感器板的中心区域彼此相交；其中，将VCM线圈连接到所述传感器板，将第一应变仪连接到所述水平交叉构件的表面，将第二应变仪连接到所述垂直交叉构件的表面；
使用所述VCM线圈产生俯仰力矩和滚转力矩；
使用所述第一应变仪检测所述水平交叉构件的水平应变，所述水平应变由所述VCM线圈产生的俯仰力矩和滚转力矩引起；
使用所述第二应变仪检测所述垂直交叉构件的垂直应变，所述垂直应变由所述VCM线圈产生的俯仰力矩和滚转力矩引起。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
基于所检测到的水平应变的读数和垂直应变的读数计算所述俯仰力矩和所述滚转力矩，所述水平应变的读数取自所述第一应变仪，所述垂直应变的读数取自所述第二应变仪。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
通过第一校正元件校正所述传感器板以确定定义水平应变与俯仰力之比的第一常数值以及定义垂直应变与俯仰力之比的第二常数值；
通过第二校正元件校正所述传感器板以确定定义水平应变与滚转力之比的第三常数值以及定义垂直应变与滚转力之比的第四常数值；
其中，计算所述俯仰力矩和所述滚转力矩进一步包括：
进一步基于所述第一常数值、第二常数值、第三常数值以及第四常数值计算所述俯仰力矩和所述滚转力矩。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
所述第一校正元件包括负荷传感器，
其中，通过第一校正元件校正所述传感器板以确定第一常数值和第二常数值的步骤包括：
将所述负荷传感器连接到所述VCM线圈，并向所述传感器板施加预定俯仰负荷；
垂直于所述传感器板移动所述负荷传感器的位置以获得对应于多个俯仰力值的多对垂直应变值和水平应变值，其中，从所述第二应变仪读取所述垂直应变值，从所述第一应变仪读取水平应变值；
基于所述多个俯仰力值及多对垂直应变值和水平应变值确定所述第一常数值和所述第二常数值。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
所述第二校正元件包括两个连接到所述传感器板的负荷传感器，
其中，通过第二校正元件校正所述传感器板以确定第三常数值和第四常数值的步骤包括：
将所述的两个负荷传感器连接到所述传感器板，并向所述传感器板施加预定滚转负荷；
相对于所述传感器板移动所述的两个负荷传感器的位置以获得对应于多个滚转力值的多对垂直应变值和水平应变值，其中，从所述第二应变仪读取所述垂直应变值，从第一应变仪读取水平应变值；
基于所述多个滚转力值及多对垂直应变值和水平应变值确定所述第三常数值和所述第四常数值。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一应变仪和第二应变仪中的每一个线连到惠斯顿电桥电路。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述传感器板的环绕构件具有椭圆形形状、圆形形状和矩形形状中的一种形状。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一应变仪和所述第二应变仪通过粘接连接到所述传感器板。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述VCM线圈用粘合剂连接到所述传感器板。
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