CN118173131A - 用于减小硬盘驱动器中致动器线圈的扭转振动的枢轴至壳体紧固 - Google Patents

Abstract

一种硬盘驱动器，该硬盘驱动器包括：旋转致动器，该旋转致动器围绕枢轴安装，该枢轴具有中空枢转轴，该中空枢转轴具有枢转轴长度；底座，该底座具有枢转凸台轴，该枢转凸台轴包括内螺纹部分并且设置在枢转轴内；和螺钉，该螺钉通过盖与枢转凸台轴的螺纹部分联接，其中螺钉具有紧固深度，在该紧固深度处，枢转凸台轴的螺纹部分的中心螺纹与螺钉螺纹联接，处于枢转轴长度的66％或更多处。因此，抑制了枢转凸台轴在高温下的热膨胀，并且维持了螺钉的对应轴向紧固力，从而抑制了线圈扭转模式增益的增加和致动器主共振频率的降低，并且因此抑制了在高温下与线圈扭转模式的更紧密联接。

Description

用于减小硬盘驱动器中致动器线圈的扭转振动的枢轴至壳体 紧固

相关申请的交叉引用

本申请要求于2022年12月9日提交的共同拥有的未决美国临时专利申请63/431,553号的优先权的权益，该美国临时专利申请的全部内容出于所有目的以引用方式并入本文，就如同在本文中完全阐述一样。

技术领域

本发明的实施方案可整体涉及数据存储设备，诸如硬盘驱动器，并且具体地涉及用于改进致动器的结构动力学的方法。

背景技术

硬盘驱动器(HDD)是非易失性存储设备，其容纳在保护壳体中并将数字编码数据存储在具有磁性表面的一个或多个圆盘上。当HDD在操作中时，由主轴系统快速旋转每个磁记录盘。使用由致动器定位在磁盘的特定位置上方的读写传感器(或读写“磁头”)从磁记录盘读取数据并且将数据写入到磁记录盘。读写磁头利用磁场将数据写入磁记录盘的表面并从磁记录盘的表面读取数据。写磁头利用流过其线圈的电流工作，由此产生磁场。以正电流和负电流的不同模式将电脉冲发送到写磁头。写磁头的线圈中的电流在磁头与磁盘之间的间隙中产生局部磁场，继而磁化记录介质上的小区域。读磁头继而感测磁盘上的那些区域的磁化以形成随后被处理和解释的读信号。HDD的大多数部件被封装在底座和盖中，该底座和盖包含磁记录盘、主轴马达、具有附接到其尖端的磁读写头的致动器以及音圈马达致动器(“VCM”或“VCMA”)。致动器由具有作为旋转轴线的枢转轴(或简称为“枢转轴”)的VCM驱动。

本节中可能描述的任何方法是可以实行的方法，但不一定是先前已经设想到或实行过的方法。因此，除非另有说明，否则不应认为本节所述的任何方法仅仅因为包含在本节中而成为现有技术。

附图说明

实施方案通过示例而非限制的方式在附图中示出，在附图中相同的附图标记指代相似的元件并且其中：

图1是根据一个实施方案的示出硬盘驱动器(HDD)的平面图；

图2是总体描绘HDD致动器的频率响应的曲线图；

图3是示出根据一个实施方案的HDD致动器枢转组件的横截面侧视图；

图4是示出根据一个实施方案的改进HDD致动器枢转组件的横截面侧视图；并且

图5是示出根据一个实施方案的组装硬盘驱动器的方法的流程图。

具体实施方式

一般来讲，描述了用于减小HDD中线圈的扭转振动的枢轴至壳体紧固改进的方法。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对本文所述的本发明实施方案的透彻理解。然而，将显而易见的是，本文所述的本发明的实施方案可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，熟知的结构和设备可能以框图的形式示出，以便避免不必要地模糊本文所述的本发明的实施方案。

引言

术语

本文对“实施方案”，“一个实施方案”等的引用旨在意味着所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。然而，此类短语的实例不一定都指的是同一实施方案。

术语“基本上”应当理解为描述大部分或差不多被结构化、构造、定尺寸等的特征，但在实践中制造公差等引起结构、构型、尺寸等并不总是或一定如所述的那样精确的情形。例如，将结构描述为“基本上竖直的”将为该术语赋予其普通含义，使得侧壁对于所有实用目的均为竖直的，但可能不会通篇精确地处于90度。

虽然诸如“最佳”、“优化”、“最小”、“最小化”、“最大”、“最大化”等术语可能不具有与其相关联的某些值，但是如果这些术语在本文中使用，则意图是本领域普通技术人员将理解此类术语将包括在与本公开的整体一致的有益方向上影响值、参数、度量等。例如，将某事物的值描述为“最小”并不要求该值实际上等于某个理论最小值(例如，零)，但应在实际意义上理解为对应的目标是在有益方向上朝向理论最小值移动该值。

情境

硬盘驱动器(HDD)广泛用于数据中心，不断要求增加容量和改进性能。为了提高磁头的定位精度，可考虑提高伺服控制的带宽，并且基于温度变化对致动器频率响应变化的减小被认为对该目的是有益的。

图2是描绘HDD致动器的示例性频率响应的曲线图。图2表示从致动器线圈中的电流到磁头位移的频率响应的示例。除了表征致动器绕枢转轴旋转的刚体模式之外，在致动器的频率响应中还看到表征致动器以弓形形状变形的主共振模式202和线圈扭转模式204。线圈扭转模式是频率响应函数中的最低频率振动模式，其中增益由于外部温度和制造变化而变化很大。因此，伺服控制器设计必须维持一定裕度以确保控制稳定性，这是改进控制带宽的约束条件。因此，线圈扭转模式中的面内力的激励因子，诸如在致动器系统刚度变化的情况下，是可进行改进的领域。

用于减小线圈扭转振动的枢轴-壳体紧固改进

HDD的使用研究发现，环境温度在40摄氏度-60摄氏度(℃)的范围内，并且随着温度升高，线圈扭转模式会受到更多的激励。因此，在高温下减小线圈扭转模式增益是令人感兴趣的领域。

图3是示出根据一个实施方案的HDD致动器枢转组件的横截面侧视图。枢转组件300是HDD旋转致动器组件围绕其旋转或枢转的机构(参见例如图1的具有插置的枢转轴承组件152的枢转轴148)。因为底座枢转凸台轴302具有比枢转轴304更高的热膨胀系数(“CTE”)，所以枢转螺钉306的轴向力会由于枢转凸台轴302在高温下相对于枢转轴304的膨胀而减小，螺钉306与该枢转凸台轴机械地联接/紧固/螺纹连接。螺钉306的轴向力的这种减小会降低主共振的频率(参见例如图2的主共振模式202)。致动器组件被设计为在垂直方向上关于线圈对称(参见例如图1的音圈140)，并且因此线圈上的面内力在正常条件下不会引起线圈扭转模式的振动。然而，当围绕枢转轴304的底座308(也参见例如图1的外壳168)和盖310的刚度不同时，螺钉306的轴向力的减小会导致枢转轴304的支撑条件不对称，并且因此线圈扭转模式(参见例如图2的线圈扭转模式204)变得与主共振模式202更紧密地联接(例如在频率上更接近)。

图4是示出根据一个实施方案的改进HDD致动器枢转组件的横截面侧视图。注意，相对于下文更详细描述的相对长度和深度以及百分比，图4可能未被绘制成精确的比例。如上所述，枢转组件(诸如枢转组件400)是HDD旋转致动器组件围绕其旋转或枢转的机构(通常称为“枢轴”)(参见例如图1的具有插置的枢转轴承组件152的枢转轴148)。根据一个实施方案，枢转组件400的“枢轴”包括中空(至少部分地在长度上为中空)轴404，该中空轴具有标记为“L”的对应枢转轴长度。根据一个实施方案，枢转组件400还包括围绕枢转轴404设置或定位的对应的一个或多个轴承环405(例如，滚珠轴承环)。枢转组件400还包括至少部分地设置在枢转轴404内的枢转凸台轴402，如图所示。根据一个实施方案，枢转凸台轴402与壳体底座408一体地形成(也参见例如图1的外壳168或“底座”)。

枢转凸台轴402包括内螺纹部分402a和非螺纹部分402b。根据一个实施方案，枢转凸台轴402还包括：通向中空部分的近侧开口(参见例如如图所示的枢转凸台轴402的顶部)，该近侧开口被构造成接纳对应的螺纹紧固件(参见例如螺钉406)；以及相对的远侧端部(参见例如如图所示的枢转凸台轴402的底部)，该相对的远侧端部形成枢转凸台轴长度。根据一个实施方案，螺纹部分402a仅定位在枢转凸台轴402的远侧半部中，这更好地确保了下文更详细描述的期望的紧固深度。根据相关实施方案，内螺纹部分402a被定位成使得基本上中心的螺纹定位在枢转凸台轴402长度的64％(百分之六十四)或更多处或附近。根据一个实施方案，枢转凸台轴402还包括从螺纹部分朝向远侧端部延伸的沉孔402c，从而提供期望的紧固深度加上附加的枢转凸台轴402长度，以防止在HSA(头堆组件)安装之后倾斜。

枢转组件400通过螺钉406固定/紧固到底座408上，该螺钉通过盖410与枢转凸台轴402的螺纹部分402a联接，该盖以其他方式与底座408联接。螺钉406被构造成具有相关联的螺钉紧固深度，标记为“FD”或“紧固深度”，该紧固深度由枢转轴404的顶部与枢转凸台轴402的螺纹部分402a的基本上中心的螺纹与螺钉406的螺纹联接的位置之间的距离限定。螺纹部分402a的中心被示出并标记为402ac。值得注意地并且根据一个实施方案，在此螺钉406的螺钉紧固深度FD被构造成处于枢转轴404的枢转轴长度L的66％(百分之六十六)或更多处。因此，FD比枢转组件300(图3)更深，从而减小枢转凸台轴402在相对高温下(对于非限制性示例，在30℃至60℃的范围内)的热膨胀，这至少部分地是因为螺钉406比螺钉306(图3)更长并且对应的紧固位置通常在枢转组件400内并且特别地在枢转凸台轴402和枢转轴404内更低。同样，在高温下，与螺钉406相对应的轴向紧固力比与螺钉306相对应的轴向紧固力大，即，维持枢转组件400与盖410之间的螺钉紧固力并且不像枢转组件300那样多地减小。

根据相关实施方案，螺钉紧固深度FD被构造在枢转轴长度L的66％-100％的范围内(刚好在百分之一百以下)，从而消除或至少抑制空气或气体(例如，氦)从壳体内部的泄漏，诸如螺钉可更深地延伸到底座铸件/部件的外表面中和/或延伸超过底座铸件/部件的外表面。注意，所描述的66％的FD以及可导出和/或实施的任何其他FD是基于构成枢转凸台轴402、枢转轴404以及螺钉406的具体材料。对于非限制性示例，66％的FD是基于由铝合金(例如，具有大约21e-6/K的CTE的ADC12铝)构成的枢转凸台轴402、由不锈钢(例如，具有大约10.4e-6/K的CTE的DHS-1B钢)构成的枢转轴404以及由碳钢(例如，SWCH16A碳钢)构成的螺钉406。然而，用于枢转凸台轴402、枢转轴404和螺钉406的材料可随具体实施而变化，例如，基于结构需要、设计目标、材料可用性等。同样，螺钉紧固深度FD也可随具体实施而变化，例如，基于用于各个部件及其对应CTE的材料。注意，在枢转凸台轴402和枢转轴404的材料具有比上文针对ADC12铝和DHS-1B钢材料所示的更大的CTE差异的情况下，则预期螺钉紧固深度将相应地超过66％。

继续，因为枢转螺钉406的轴向力由于底座凸台轴402和对应枢转轴404在较高温度下的CTE差异而减小得较小或最小，所以频率响应函数中的线圈扭转模式增益减小，并且与枢转组件300相比，在较高温度下，主共振频率(参见例如图2的主共振模式202)的变化(降低)被抑制和减小。因此，线圈扭转模式(参见例如图2的线圈扭转模式204)不与主共振模式202更紧密地联接(例如，在频率上更接近)并且因此在较高温度下不像枢转组件300那样受到主共振模式的不利影响。

用于组装硬盘驱动器的方法

图5是示出根据一个实施方案的组装硬盘驱动器的方法的流程图。

在框502处，围绕枢转凸台轴定位包括中空枢转轴的旋转致动器组件，该中空枢转轴具有枢转轴长度。例如，围绕底座408的枢转凸台轴402(图4)定位图1的HSA，该HSA包括枢转轴404(图4)，该枢转轴具有枢转轴长度L(图4)。

在框504处，通过盖将螺钉紧固到枢转凸台轴的螺纹部分，使得螺钉具有螺钉紧固深度，在该螺钉紧固深度处，枢转凸台轴的螺纹部分的中心螺纹与螺钉螺纹联接，处于枢转轴长度的66％-100％处。例如，螺钉406(图4)插入穿过盖410(图4)并且进入枢转凸台轴402的近侧开口中，使得螺钉406的螺纹到达螺纹部分402a的中心402ac，该螺纹部分定位在枢转凸台轴402的远侧半部中，其紧固深度FD(图4)为枢转轴404长度L的至少66％，多达近100％。

示例性操作情境的物理描述

实施方案可以在诸如硬盘驱动器(HDD)的数字数据存储设备(DSD)的情境下使用。因此，根据一个实施方案，图1示出例示常规HDD 100的平面图，以有助于描述常规HDD通常如何操作。

图1示出了包括滑块110b的HDD 100的部件的功能布置，滑块110b包括磁性读写磁头110a。滑块110b和磁头110a可统称为磁头滑块。HDD 100包括具有磁头滑块的至少一个磁头万向节组件(HGA)110、通常经由弯曲部附接到磁头滑块的引线悬架110c，以及附接到引线悬架110c的负载梁110d。HDD 100还包括能够旋转地安装在主轴124上的至少一个记录介质120(但通常是多个记录介质120)和附接到主轴124用于旋转介质120的驱动马达(不可见)。读写磁头110a(也可以称为换能器)包括写元件和读元件，用于分别写入和读取存储在HDD 100的介质120上的信息。可使用磁盘夹128将介质120或多个磁盘介质附连到主轴124。

HDD 100还包括附接到HGA 110的臂132、滑架134、音圈马达(VCM)，该VCM包括包含附接到滑架134的音圈140的电枢136和包含音圈磁体(不可见)的定子144。VCM的电枢136附接到滑架134并且被构造为移动臂132和HGA 110以访问介质120的部分，它们共同安装在具有插置的枢转轴承组件152的枢转轴148上。就具有多个磁盘的HDD而言，滑架134可称为“E形块”或梳齿，因为滑架被布置为承载联动的臂阵列，从而使之呈现梳齿的外观。

包括具有磁头滑块联接至的弯曲部的磁头万向节组件(例如，HGA 110)、弯曲部联接至的致动器臂(例如，臂132)和/或负载梁以及致动器臂联接至的致动器(例如，VCM)的组件可以统称为磁头堆叠组件(HSA)。然而，HSA可包括比所述的那些更多或更少的部件。例如，HSA可指还包括电互连部件的组件。一般来讲，HSA是被构造为移动磁头滑块以访问介质120的部分以进行读和写操作的组件。HSA被构造成与装载/卸载(LUL)坡道190机械地相互作用，以将包括读写磁头滑块的磁头堆叠组件(HSA)移离并移开磁盘并且将它们安全地定位到LUL坡道的支撑结构上。

进一步参考图1，包括至磁头110a的写信号和来自磁头110a的读信号的电信号(例如，到VCM的音圈140的电流)由柔性电缆组件(FCA)156(或“柔性电缆”、或“柔性印刷电路”(FPC))传输。柔性电缆156与磁头110a之间的互连件可包括臂电子(AE)模块160，该AE模块可具有读信号的板载前置放大器以及其他读通道和写通道电子部件。AE模块160可附接到滑架134，如图所示。柔性电缆156可以联接到电连接器块164，该电连接器块在一些构造中通过由HDD外壳168提供的电馈通提供电气连通。HDD外壳168(或“壳体底座”或“基板”或简称“底座”)与HDD盖一起为HDD 100的信息存储组件提供半密封(或气密密封，在一些构造中)的保护壳体。

其他电子部件，包括磁盘控制器和包括数字信号处理器(DSP)的伺服电子器件，向驱动马达、VCM的音圈140和HGA 110的磁头110a提供电信号。提供给驱动马达的电信号使驱动马达旋转，从而向主轴124提供扭矩，该扭矩继而传输到附连到主轴124的介质120。因此，介质120沿方向172旋转。旋转的介质120形成空气垫，该空气垫充当滑块110b的空气轴承表面(ABS)搭载于其上的空气轴承，以使得滑块110b在介质120的表面上方飞行，而不与记录信息的薄磁记录层形成接触。类似地，在利用轻于空气的气体(诸如用于非限制性示例的氦气)的HDD中，旋转的介质120形成气垫，该气垫充当滑块110b搭载于其上的气体或流体轴承。

向VCM的音圈140提供的电信号使HGA 110的磁头110a能够访问上面记录有信息的磁道176。因此，VCM的电枢136摆动经过圆弧180，这使HGA 110的磁头110a能够访问介质120上的各个磁道。信息存储在介质120上的多个径向嵌套的磁道中，这些磁道被布置在介质120上的扇区(诸如扇区184)中。相应地，每个磁道由多个扇区化磁道部分(或“磁道扇区”)诸如扇区化磁道部分188构成。每个扇区化磁道部分188可包括记录的信息和数据头，该数据头包含纠错码信息和伺服突发信号图案，诸如ABCD-伺服突发信号图案(其是识别磁道176的信息)。在访问磁道176时，HGA 110的磁头110a的读元件读取伺服突发信号图案，该伺服突发信号图案向伺服电子器件提供定位错误信号(PES)，这会控制向VCM的音圈140提供的电信号，从而使磁头110a能够跟随磁道176。在找到磁道176并识别特定的扇区化磁道部分188时，磁头110a或者从磁道176读取信息或者根据磁盘控制器从外部代理(例如计算机系统的微处理器)接收的指令将信息写入磁道176。

HDD的电子架构包括用于执行其各自的HDD操作功能的多个电子部件，诸如硬盘控制器(“HDC”)、接口控制器、臂电子模块、数据通道、马达驱动器、伺服处理器、缓冲存储器等。两个或更多个此类部件可以组合在称为“片上系统”(“SOC”)的单个集成电路板上。此类电子部件中的若干个(如果不是全部的话)通常布置在印刷电路板上，该印刷电路板联接到HDD的底侧，诸如联接到HDD外壳168。

本文参考硬盘驱动器，诸如参考图1所示和所述的HDD 100，可以包括有时被称为“混合驱动器”的信息存储设备。混合驱动器通常指的是具有常规HDD(参见例如HDD 100)与使用非易失性存储器(诸如闪存或其他固态(例如，集成电路)存储器)的固态存储设备(SSD)(其为电可擦除和可编程的)组合的功能的存储设备。由于不同类型的存储介质的操作、管理和控制通常不同，因此混合驱动器的固态部分可包括其自身对应的控制器功能，该控制器功能可与HDD功能一起集成到单个控制器中。混合驱动器可被构建和被构造为以多种方式操作并利用固态部分，诸如作为非限制性示例，将固态存储器用作高速缓存存储器，用于存储频繁访问的数据，用于存储I/O密集数据等。另外，混合驱动器可以被构建和被构造为基本上作为单个壳体中的两个存储设备，即常规的HDD和SSD，具有用于主机连接的一个或多个接口。

扩展和替代

在前述说明中，已经参照大量的具体细节描述了本发明的实施方案，这些细节可根据不同的具体实施而变化。因此，可以在不脱离实施方案较宽的实质和范围的情况下对其进行各种修改和改变。因此，本发明以及申请人旨在成为本发明的唯一且排他性的指示物的是由本专利申请以此类权利要求发出的具体形式发出的一组权利要求，包括任何后续的更正。本文明确阐述的对包含在这些权利要求中的术语的任何定义应当决定如权利要求中使用的这些术语的含义。从而，未在权利要求中明确引述的限制、元件、特性、特征、优点或属性不应以任何方式限制此权利要求的范围。因此，本说明书和附图被认为是示例性意义的而不是限制性意义的。

此外，在该描述中，某些过程步骤可按特定顺序示出，并且字母和字母数字标签可用于识别某些步骤。除非在说明书中明确指明，否则实施方案不一定限于执行此类步骤的任何特定顺序。具体地讲，这些标号仅用于方便步骤的识别，并非旨在指定或要求执行此类步骤的特定顺序。

Claims (11)

1.一种数据存储设备，所述数据存储设备包括：

多个磁盘介质，所述多个磁盘介质能够旋转地安装在主轴上；

磁头滑块，所述磁头滑块包括读写磁头，所述读写磁头被构造为对所述多个磁盘介质中的至少一个磁盘介质进行写入和读取；

旋转致动器组件，所述旋转致动器组件被构造为经由音圈马达致动器(VCMA)的致动使所述磁头滑块绕着枢轴移动以访问所述磁盘介质的各部分，所述枢轴包括具有枢转轴长度的至少部分中空的枢转轴；

壳体底座，所述壳体底座包括枢转凸台轴，所述枢转凸台轴包括内螺纹部分并且至少部分地设置在所述枢转轴内；

盖，所述盖与所述底座联接以形成壳体；和

螺钉，所述螺钉通过所述盖与所述枢转凸台轴的所述螺纹部分联接，所述螺钉具有螺钉紧固深度，在所述螺钉紧固深度处，所述枢转凸台轴的所述螺纹部分的中心螺纹与螺钉螺纹联接，处于所述枢转轴长度的66％或更多处。

2.根据权利要求1所述的数据存储设备，其中所述螺钉紧固深度小于所述枢转轴长度的100％。

3.根据权利要求1所述的数据存储设备，其中：

所述枢转凸台轴包括通向中空部分的近侧开口以及相对的远侧端部；并且

所述枢转凸台轴的所述螺纹部分仅定位在所述枢转凸台轴的远侧半部中。

4.根据权利要求1所述的数据存储设备，其中所述枢轴还包括围绕所述枢转轴定位的至少一个轴承环。

5.根据权利要求1所述的数据存储设备，其中所述壳体底座和所述枢转凸台轴是一体形成的部件。

6.根据权利要求1所述的数据存储设备，其中所述枢转凸台轴具有比所述枢转轴的热膨胀系数更高的热膨胀系数。

7.一种硬盘驱动器(HDD)壳体底座，所述HDD壳体底座包括：

中空枢转凸台轴，所述中空枢转凸台轴包括：

近侧顶部开口，所述近侧顶部开口被构造成接纳螺纹紧固件；

远侧端部，所述远侧端部与所述近侧顶部开口相对并且形成枢转凸台轴长度，所述枢转凸台轴长度被限定为所述近侧顶部与所述远侧端部之间的距离；和

内螺纹部分，所述内螺纹部分具有定位在所述枢转凸台轴长度的64％或更多处的中心。

8.根据权利要求7所述的HDD壳体底座，其中所述枢转凸台轴还包括从所述螺纹部分朝向所述远侧端部延伸的沉孔。

9.根据权利要求7所述的HDD壳体底座，其中所述枢转凸台轴与所述壳体底座形成为整体部分。

10.一种组装硬盘驱动器的方法，所述方法包括：

围绕枢转凸台轴定位旋转致动器组件，所述旋转致动器组件包括具有枢转轴长度的中空枢转轴和围绕所述枢转轴定位的一个或多个轴承环；以及

通过盖将螺钉紧固到所述枢转凸台轴的螺纹部分，使得所述螺钉具有螺钉紧固深度，在所述螺钉紧固深度处，所述枢转凸台轴的所述螺纹部分的中心螺纹与螺钉螺纹联接，处于所述枢转轴长度的66％-100％处。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

所述枢转凸台轴包括近侧开口和相对的远侧端部，并且所述枢转凸台轴的所述螺纹部分仅定位在所述枢转凸台轴的远侧半部中。