CN1075656C - 用于盘驱动器存储装置的整体式轴毂和盘卡具 - Google Patents

Abstract

盘驱动器，包括一个整体成形的整体式轴毂、卡具和转子壳，它最佳地是喷射成形的塑料。该轴毂包括一个中空的圆柱形部分和一个凸缘部分。在安装盘时，凸缘上表面沿周向分隔开的柔性卡手将变形以使盘的内孔边滑过其末端的卡爪，而后恢复接近其原形从而将盘锁住并将它中心定位于轴毂中轴。该轴毂也用作转子壳。护铁环与永久转子磁铁装在凸缘外周边下面，静子组件位于凸缘下面，轴毂圆柱体外、永久转子磁铁和扩铁环内的环形空间。

Description

用于盘驱动器存储装置的整体式轴毂和盘卡具

本发明涉及盘驱动器数据存储装置，尤其涉及用于盘驱动器存储装置的盘和轴毂组件。

现代计算机系统的大量数据存储需要要求有大容量海量数据存储装置。一般的存储装置是旋转磁盘驱动器。

盘驱动器通常包括一片或多片刚性安装到公用轴上的光滑、扁平的盘。盘彼此平行地叠在轴上，并被分隔开，使得它们不相接触。通过轴电机，盘与轴一起以恒速转动。

每个盘由一片盘形状的固体基片或底片制成，在中间有个轴孔。虽然玻璃、陶瓷、塑料或其它材料是可行的，但是基片通常是铝的。基片上覆盖一层薄的可磁化材料，并可附加一层保护层。

数据记录在盘表面的可磁化层上。为此，表示数据的微小磁化模式在可磁化层中形成。数据模式(pattern)通常布置在同心的圆形道内。每一道进一步分成若干扇区。这样，每一扇区成圆弧形，道的所有扇区形成一个圆。

一个可移动的致动器定位传感器头使之接近盘表面的数据以读或写数据。该致动器可能象电唱机的唱臂，头则象唱针。

每个带有数据的盘表面有一个传感器头。该传感器头是个气动力形状、一定材料(通常陶瓷)制成的、其上装有磁性读/写传感器的块状物。当盘旋转时，该块状物，或滑块在距盘面极近距离处下移。距盘表面这个很近的距离对于使传感器能在可磁化层中读取或写入数据模式是至关重要的。可采用几种不同的设计，而且在某些情况下，读传感器与写传感器分开。

致动器通常以一个轴为中心转动来定位头。它通常包括：一个在转轴附近的固体块，该转轴具有伸向盘的梳状臂。一套装到臂上的薄型悬臂；和一个在该转轴相反一侧的电磁电机。传感器头装到悬臂上，一个悬臂一个头。致动器电机旋转该致动器以将头定位于所需数据道上。一旦头定位于道上方，盘的恒速旋转将最终使所需的扇区紧邻头，于是便可读或写数据。

随着计算机系统变得功能更强、更快且更可靠，对改进的存储装置的需求相应增大了。这些所希望的改进采取了几种方式。希望降低成本，增加数据储量，加快驱动器工作速度，减少驱动器所耗电能，并增强驱动器在机械冲击或其它干扰下的可恢复性。

特别是，希望缩小盘驱动器的物理尺寸。在某种程度上，尺寸缩小可起到进一步实现一些上述目标的作用。但是与此同时，盘驱动器尺寸的减小就其自身来讲也是所希望的。尺寸缩小使得在可移动应用范围内(例如，膝上计算机、移动寻呼机和“智能卡”)使用盘驱动器是可行的。

尺寸缩小的实例是把第二类PCMCIA TypeⅡ标准应用到盘驱动器上。该标准最初计划用于半导体插件。但是，随着微型化技术的改进，就可能制造出符合PCMCIA TypeⅡ标准的盘驱动器。

为了减小盘驱动器的尺寸，每一元件都必须尽可能地减小尺寸。另外，必须开发现有元件的新设计以允许减小尺寸并且必须使微型化元件的组装可行。

盘驱动器可缩小尺寸程度的一个限制是盘/轴毂组件。常规的盘/轴毂组件包括一个圆柱形轴毂，其底部有一个用于支持盘组的凸缘。用于旋转盘的电机置于轴毂之中。盘组保持在凸缘上表面，轴毂安装在相应的盘孔内。每片盘间由环绕并紧靠轴毂的垫片环分开。夹紧装置装在轴毂顶上，并向盘组施加向下的作用力，从而使底层的盘压到凸缘上并将盘组保持在适当位置。当盘驱动器只有一片盘时，采用基本相同的设计，但是夹紧装置只夹紧一片盘，而不是盘组。夹紧装置通常是一个扁平的钢环，靠近其外周边有一成形的环形凸脊。环的扁平部分用螺丝拧在轴毂的顶部，用凸脊部分向盘组或单片盘施加压力。存在几种供选择的夹具设计，但是所有设计都包括多个部件。

常规盘驱动器盘/轴毂的设计没有很好地适合有很小形状系数的磁盘，例如PCMCIA TypeⅡ形状系数。轴毂必须足够大以装下螺丝。即使使用很小的螺丝，这一要求也增加了轴毂的尺寸和重量。太小的部件使组装困难，而且，在可移动应用中承受高机械冲击时也有困难。当以过大的夹力去夹时，相对薄的盘易弯曲；在道宽度减小时，即使小的弯曲也是严重的。最后，即使驱动器较小，传统部件的简单比例缩小也不会产生任何显著的成本降低。实际上，这可能增加成本。希望开发一种供选择的轴毂/盘组件，它可降低成本并更适于小形状系数盘驱动器的设计要求。

因此，本发明的第一目的是提供一种增强的盘驱动器存储装置。

本发明的另一目的是降低盘驱动器存储装置的成本。

本发明的另一目的是提供一种用于小形状系数盘驱动器存储装置的增强的轴毂/盘组件。

本发明的另一目的是提供一种用于小形状系数盘驱动器存储装置的成本降低的轴毂/磁盘组件。

本发明的另一目的是提供一种有较少部件的轴毂/盘组件。

本发明的另一目的是提供一种易于制造和安装轴毂/盘组件。

本发明的另一目的是提供一种有更大抗机械冲击的轴毂/盘组件。

本发明的另一目的是提供一种降低了盘变形可能性的轴毂/盘组件。

盘驱动器的盘装在整体成形的整体式轴毂、卡具和转子外壳上。轴毂最好由注塑成形。在最佳实施方式中，轴毂包括：一个基本上中空的圆柱部分，它用于围住装在中央柱杆上的一套轴承；以及一个从靠近圆柱体中部的圆柱部分向外伸出的凸缘部分。该凸缘支撑住一个放在其上表面的单片盘。多个在圆周方向分开放置的柔性卡手从凸缘的上表面向上伸出，以通过盘中心孔来卡住盘。卡手微向外倾，并在每个卡手未端包括一个卡爪以卡住盘。盘中孔的周边最好切成斜面，以提高与卡手的结合度并将盘定位在中央。为了将盘装到轴毂上，简单地将盘用力压过卡手的卡爪，直到与斜边卡在一起。备有弹性的卡手将向内弯曲以允许盘滑过卡爪，随后将向外复原以将盘锁在适当位置。无需中心定位装置，卡手自动将盘中心定位在轴毂的中轴。

轴毂也用作旋转盘的轴电机的转子壳。在最佳实施方式中，无刷直流电机装在凸缘下面。护铁环(back iron ring)和永磁铁装在凸缘的外周边下面以形成电机转子部分。电磁定子组件在由凸缘限定的环形空间内围绕盘轴，永磁铁和护铁环在其外边，轴毂的圆柱部分在其里边。

图1是根据最佳实施方式的磁盘驱动器存储装置。

图2是根据最佳实施方式的整体式轴毂、卡具和转子壳的等视图。

图3是根据最佳实施方式的整体式轴毂、卡具和转子壳的剖视图。

图4是根据可选择实施方式的整体式轴毂、卡具和转子壳的俯视图。

图5是依据最佳实施方式的轴毂和盘组件的半剖图。

图6是依据最佳实施方式的整体式轴毂、卡具和转子壳的卡手部分的剖视图。

图7是依据最佳实施方式的卡手的剖视图，该图显示了该卡手如何将盘夹紧在适当位置。

图8是卡手和磁盘一个可选择性设计的剖视图。

图1显示了依照最佳实施方式的磁盘驱动器存储设备100。磁盘设备100包括一个刚性装在轴毂103的可旋转磁盘101，该轴毂装在磁盘驱动器底座或外壳104上。轴毂103与磁盘101由驱动器电机以恒定转速驱动。驱动器电机包含在轴毂103内。致动器组件105位于磁盘101的一面。致动器105由电磁电机107驱动，在围绕平行于磁盘101中轴的杆106的弧形范围内转动以定位传感器头。一个盖(未画出)与底座104配合以包围并保护磁盘和致动器组件。用于控制磁盘操作并与其它设备(如主机)通信的电子模块装在底座104和盖子围成的磁头/磁盘外壳内的电路卡112上。在这个实施方式中，电路卡112装在该外壳内并形成利用磁盘周围未占用的空间的形状，以节省空间，如为了适于PCMCIA TypeⅡ形状系数而被使用的那样。但是，卡112也可装在磁头/磁盘外壳的外边，或者，底座本身也可做成电路卡以把电子模块直接装到它上面。多个磁头/悬臂组件108刚性装在致动器的臂上。气动力读/写传感器头109位于紧邻磁盘表面的每个磁头/悬臂组件108的末端。

轴毂103是整体式整体成形的部件，它也包括用于将磁盘锁在适当位置的装置，而且起到驱动器电机转子壳的功能。通过“整体成形”，可知轴毂103是一种用相同材料，通过模塑、浇铸、挤出或其它方式形成单个固体块，也可照要求尺寸所需由机械加工、蚀刻来成形；轴毂103并非多个分立元件拼在一起来装配。在最佳实施方式中，轴毂103是喷射成形的聚合物零件。具体地说，聚合物优选聚醚亚胺〔Polyetherimide(PEI)〕，特别是在市场上可从通用电气(GE)公司买到的Ultem7201。优选Ultem7201，是因为其热膨胀系数与磁盘101的最佳材料铝的热胀系数相近。但是，也可使用其它合适的聚合物。供选择的是，可以使用非聚合物质，如铝或陶瓷。

图2是根据最佳实施方式的整体式轴毂、卡具和转子壳103的等视图。轴毂103最佳地包括：一个中空的圆柱形基本部分201，一个从基本部分201伸出、相对扁的圆柱形凸缘部分202，和多个沿圆周向分隔开、用于卡住磁盘101并用作夹紧装置的卡手203。

图3是根据最佳实施方式的整体式轴毂、卡具和转子壳103在磁盘转轴平面上的剖视图。从图3的剖视图中可看得更清楚，中空的圆柱形基本部分2d界定了一个位于中心的、用于磁盘杆柱和轴承的圆柱形孔301。凸缘部分202从大约基本部分201的中部伸出。圆周边齿302从凸缘202靠近其外周边的下表面向下伸出。边齿302提供了一个结合面和用于转子护铁及永磁铁的支架。

图4是根据最佳实施方式的整体式轴毂、卡具和转子壳103的俯视图。在最佳实施方式中，如图所示轴毂103包括8个等间距分布的卡手203。可以理解，卡手的个数和大小可以变化，而且在本发明的精神与范围内可使用其它整体式夹紧装置。

图5更详细地显示了根据最佳实施方式的轴毂103和相关硬件，包括装配时的轴电机元件。图5是过磁盘转轴平面的半剖图。尽管在图5中只画出了在轴一边的轴毂103和相关硬件，应该懂得它们以轴对称。

磁盘轴杆502刚性装配到磁盘驱动器的底座104上。轴杆502优选钢。磁盘轴501穿过轴杆502的中心。轴毂圆柱形部分201装在轴承组件504上以绕轴501旋转。轴承组件在密封的轴承座圈内最佳地包含两套预紧的滚珠轴承。但是，轴承组件也可是液体(流体动力)或其它类型的轴承。在另一个可选择的方式中，轴承组件504这部分可与轴毂103整体成形，例如，可在轴毂圆柱形部分201的内表面上形成液体轴承面。

轴毂103的凸缘部分202从圆柱形基本部分201上、在大约其长度的中间处向外伸出。磁盘101放在凸缘202的上表面，凸缘从下面支撑住磁盘101。多个相同圆周间隔的卡手203从凸缘202的上表面向上伸出以卡住磁盘并将它锁定在适当位置，这样用作夹紧装置并避免了对由分立元件组装成卡具的需求。

用于无刷直流轴电机的护铁505和永久转子磁铁506套件装在凸缘部分202外周边下面。护铁505是个导磁材料的圆环，优选铁-铅合金。护铁505也可是许多片层卷在一起而形成的圆环。磁铁506最好是合适可磁化材料的实心铁环，其中，连续的弧形块段被磁化成交变的磁极。磁铁506于是形成了一组永久弧形磁铁，它沿圆周围绕磁盘轴布置以完整包围该轴，并具有交变极性。

圆周边齿302提供了对护铁505和磁铁506的支撑。护铁505使用了最佳地合适的粘接剂，在边齿32处和凸缘202的下表面粘接到轴毂103上。可选择的是，在喷射成形过程中，通过将护铁505放入模穴然后在护铁505上模塑轴毂103，这样把护铁连到轴毂上。永磁铁506最佳地使用合适的粘接剂直接粘接到护铁505。

轴电机电磁定子508装到底座104，置于凸缘202下面，并处在内径由圆柱形基本部分201界定，外径由护铁505和磁铁506界定的环形空间内。定子508包括一组围绕磁盘轴圆周分隔开的电磁铁(极)，每个极包括一个绕导磁心缠绕的线圈。定子508与电路板112上的电机驱动电子线路(未画出)相连。如本技术领域所述，在操作中，电机驱动电子线路连续对定子508的不同极发出脉冲以产生一个旋转磁场。在最佳实施方式中，定子508是一个三相定子，每一相有3极(共9极)，而转子磁铁组506包括十二个磁性弧段。但是，转子和定子极的数目可以改变。

图6是卡手203过磁盘轴平面的剖视图，它更详细地显示了该卡手。卡手203模塑成微向外倾斜以对磁盘101的内孔施加轻微的径向力。倾角优选大约3度，即图6中的角θ接近87度。可以理解，最佳角度随卡手的厚度和所选材料类型变化。靠近卡手203的末端是用于卡住磁盘101的卡爪601。卡爪601包括一个切斜的顶边603以使磁盘可以安装。

图7是卡手203的剖面图，显示了它如何将磁盘101卡在适当位置。还画出了磁盘101和卡手203在过磁盘轴的平面内的横截面图。

磁盘101最佳地包括切成接近45度角的斜内边711,712。该斜边使得将磁盘101安装到轴毂103上更容易，还提供了一个承受来自卡爪601的作用力的平面，并且有助于将磁盘中心定位。

通过把磁盘101定位到卡手上并直接向下压使磁盘101最佳地安装到轴毂103上当下压时，磁盘101底面的斜边712靠着卡爪601上表面的斜边603滑动。因为卡手203由弹性材料制成，在磁盘101向下压到它时，卡手203(向磁盘轴)内弯，从而使得磁盘中心孔最窄的部位越过卡爪。在磁盘中心孔最窄部位越过卡爪后，由于材料的自然弹性，卡手恢复到其原来的位置附近。当磁盘底面放到凸缘202上时，卡爪601被放置成如图7所示，并对斜边711施加一个力。

卡爪601对斜边711既施加一个向下的轴向力，也施加一个径向力。向下的轴向力将磁盘101推靠在凸缘部分202的上表面，紧紧地将磁盘101卡在适当位置。

因为在距磁盘轴相同半径上的多个沿圆周分隔放置的卡手对磁盘中心孔的斜内边711施加了相同的径向力，因此当磁盘被用力移过卡手并进入在凸缘上的安装位置时，磁盘自动定位于转轴的中心。这样，就无需中心定位工具。

卡手203最佳地与磁盘101孔的内边的非倾斜部分相接触以施加一个轻微径向力。卡手203起到非线性杆式弹簧的作用。磁盘处于适当位置不动时，该径向力对于避免磁盘翘曲是微小的。但是，如果卡手向后弯(向磁盘方向)，那么卡手产生的径向力将以大于线性的速率增长。这样，一个大得多的力将阻止磁盘任何偏离其适当位置的移动。因此，靠这个极低成本的简单设计，轴毂获得了高的抗机械冲击性能。

在坠落测试中，发现柔性卡手吸收了从磁盘101传向轴毂1-3的大部分能量，因此防止了对轴承系统的损害。这一特征对于便携媒体技术很可取。

磁盘的翘曲是磁盘驱动器技术中为人熟知的问题。常规卡具必须对被夹卡的磁盘施以相当大的轴向力以保证磁盘不移动。这个力往往会使磁盘翘曲。已经观测到本发明的柔性夹卡机构得到了对磁盘牢固的夹卡，而且基本无翘曲。不像通常使用金属夹卡的常规卡具设计，本发明的轴毂最佳地使用比磁盘本身软得多的柔性材料制成。柔性材料的表面在与磁盘的接触点处变形(即凸缘部分202的上表面和卡手(203)。这提供了比常规磁盘卡具中金属-金属接触所产生的静磨擦系数大得多的静磨擦系数。由于较高的磨擦系数，使用较小的轴向力，磁盘就可被夹紧。另外，因为磁盘材料比轴毂材料硬得多，轴毂表面而不是磁盘表面在接触点变形。因此，在靠近内径处，磁盘经受非常小的局部张力，其结果是，与常规磁盘相比有非常小的翘曲。

必须按照所选的磁盘材料选择卡手203的尺寸以提供合适的卡手顺从性，同时当磁盘处于合适位置时提供足够的夹紧力。在最佳实施方式中，卡手203径向尺寸约为0.25mm宽，圆周方向1mm宽。卡手的总高约1mm。熟练的技术人员可以理解最佳的卡手尺寸依材料品质而变化。较硬的轴毂材料可能需要较薄的卡手，反之亦然。而且可理解尺寸也依照磁盘本身的大小和材料而变化。上述为最佳实施方式给定的尺寸旨在用于一种1.8英寸磁盘，该盘由大约0.635mm厚的铝质基底构成，如用于PCMCIA TypeⅡ形状系数的那样。

图8是夹紧卡手801和磁盘的一个可选择设计的剖面图。除去加上了从面向磁盘轴的卡手边上伸出的突起802之外，图8中的供选择的夹紧卡手801与上述的并在图1-7中示出的夹紧卡手203一样。突起802提供了一个用于与磁盘移走工具(未画出)配合的表面。为了移走磁盘101，该工具对突起802施加一个向下的力，这样易于将卡手801向后弯。与此同时，磁盘101从轴毂103的凸缘部分移走。当磁盘驱动器在作为制造和测试过程部分的再工作期间，磁盘的移走有时是必须的。

在最佳实施方式中，夹卡装置是从凸缘上表面伸出并卡住磁盘的多个卡手。但是，在本发明的精神与范围内可使用任何与轴毂整体成形的夹卡装置。例如，卡手可从轴毂的其它部分(如中空的圆柱形基本部分201)伸出。从其它一些地方(如圆柱形部分)伸出的卡手可以从上向下压磁盘。可供选择的是，夹卡工具可以是一个从凸缘上表面或从中空的圆柱体部分伸出的可变形环，或者一个在圆周方向以一定间隔断开的可变形环，这个环用于应力解除。

在以上描述中，一些特征被指称为在凸缘“上面”或“下面”，而表面被描述成“上”或“下”。使用这些术语仅用于指称方便并与技术中所用的图样和常规方向选取相一致。但是，使用这些术语并不意味着表明本发明需要凸缘位于磁盘下和电机上。使凸缘位于磁盘上面，或把电机转抽水平取向，本发明的磁盘和电机也同样很容易构造。

即使已经公开了本发明的一个具体实施方式以及一些可选择的方案，熟练的技术人员可认识到在下述的权利要求范围内可得到形状和细节的其它变化。

Claims (12)

1．一种旋转盘数据存储装置，包括：

一个盘驱动器底座；

一个用于记录数据并可旋转安装的盘，所述盘有一转轴以及与所述转轴垂直的第一和第二表面，而且有一位于其中心的圆形通孔；

一个用于安装所述盘的可旋转的轴毂；

一个用于将所述盘夹卡到所述可旋转轴毂上的夹卡结构，所述夹卡结构包括一个与所述可旋转安装的盘的所述第一表面相接触的支撑面，以及多个沿圆周分隔放置的卡手，每个所述卡手在其一端有一个卡爪，所述卡手伸过所述盘的所述圆形通孔，所述卡爪将盘卡住并对所述盘施加一个轴向力，将所述盘的所述第一表面压靠到所述支撑面；

一个用于旋转所述盘的轴电机；

至少一个用于读取所述盘存储数据的传感器头；以及

一个装在所述盘驱动器底座用于定位所述传感器头以读取所述盘记录数据的致动器。

2．根据权利要求1的旋转盘数据存储装置，其特征在于：所述盘的所述通孔形成了一个围绕所述转轴的内表面，并且所述卡手与所述内表面相接触，从而每一卡手对所述盘施加一个径向力。

3．根据权利要求2的旋转盘数据存储装置，其特征在于：卡爪沿围绕所述圆形通孔的斜边将所述盘卡住。

4．根据权利要求1的旋转盘数据存储装置，其特征在于：每个所述卡爪包括一个用于与盘移走工具配合的突起，所述突起从面向所述盘轴的所述卡手的一边突出。

5．根据权利要求1的旋转盘数据存储装置，其特征在于：所述支撑面与所述卡手由一种柔性材料制成，所述柔性材料比所述盘更具顺从性。

6．根据权利要求1的旋转盘数据存储装置，其特征在于：所述卡夹结构还包括用于容纳轴电机转子的转子壳；

所述轴电机的转子磁铁被安装在所述转子壳中；以及

所述轴电机的定子被安装在所述底座上。

7．根据权利要求6的旋转盘数据存储装置，其特征在于：所述卡夹结构包括：

具有一个与所述盘的所述转轴相重合的轴的中空的圆柱形部分，所述中空的圆柱形部分包住盘轴杆并安装在所述盘的所述圆形通孔内；以及

从所述中空的圆柱形部分向外伸出一个凸缘部分，所述多个卡手从所述凸缘部分伸出。

8．根据权利要求7的旋转盘数据存储装置，其特征在于：所述中空的圆柱形部分包围着一个用于将所述夹卡结构安装到盘轴杆的轴承。

9．根据权利要求6的旋转盘数据存储装置，其特征在于：所述转子磁铁被安装到所述凸缘部分靠近其外周边处，并且所述定子被设置在使其围绕所述盘轴杆并处于所述盘轴杆与所述转子磁铁之间。

10．根据前述任一权利要求的旋转盘数据存储装置，其特征在于：所述夹卡结构是单件整体形成的。

11．根据权利要求10的旋转盘数据存储装置，其特征在于：所述夹卡结构是喷射成型的聚合物部件。

12．根据权利要求11的旋转盘数据存储装置，其特征在于：所述盘自身定位于所述夹卡结构的中心。

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