CN1487504A - 用于磁盘驱动器的基于旋转振动速度的传感器 - Google Patents

Abstract

一种受到线性振动和旋转振动的磁盘驱动器(HDD)，包括一个独立传感装置，用于感应预先确定的频率范围内的HDD旋转振动的旋转速度分量。

Description

用于磁盘驱动器的基于旋转振动速度的传感器

相关申请的交叉引用

本申请涉及美国专利申请No.10/153,687，与本申请同时递交的Sri M.Sri-Jayantha等人的题为“METHOD AND SYSTEM FORROTATIONAL VELOCITY-BASED ALGORITHM FORVIBRATION COMPENSATION IN DISK DRIVES”(用于基于旋转速度计算磁盘驱动器中的振动补偿的方法和系统)的申请被委托给本委托人，其IBM卷号为YOR920010081 US 1，这里对该申请进行了引用。

技术领域

一般来说，本发明涉及一种磁盘驱动器，具体来说，涉及一种通过基于旋转振动速度传感器将θ动力产生的磁道位置错误(TMR)减到最少的磁盘驱动器。

背景技术

在计算机支架系统存在旋转振动的情况下，硬盘驱动器(HDD)的持续的数据速率通常会降低。旋转振动(RV)可能由一组HDD中的随机寻道活动产生，消费者越来越关心性能下降的潜力。

在每英寸的磁道数(TPI)高时，磁盘驱动器的被称为“θ动力”的平面旋转振动(θ坐标)会直接影响磁头定位精度。从多个方面开发了对这种振动的解决方案，从新的支架系统到复杂的传感器和伺服算法。然而，如何找到旋转振动(RV)速度或加速度的经济合算的感应方法是一个问题，传统的结构也没有发现解决该问题的解决方案。

磁盘驱动器的基板会沿着三个线性(X、Y、Z)和三个角(Ф、Ψ、θ)坐标发生刚体运动。

当前一代1.0”、2.5”和3.5”硬盘驱动器(HDD)是分别为在便携和桌面/服务器环境中操作而设计的。为降低计算机系统的成本和重量，制造商通常利用薄的构件制造HDD支架。因此，计算机机身是一种容易受振动影响的目标。这样的支架配置使磁盘驱动器易受内部或外部源引起的振动的影响。带有旋转式传动器系统的HDD对其基板的平面旋转振动(RV)高度灵敏。

此外，HDD还包括一个执行三个关键任务的磁头定位伺服系统。

首先，伺服系统在寻道模式下使用速度伺服系统在最短的时间内将磁头向目标的附近移动。然后，它使用位置控制器以最少的稳定时间将磁头定位在目标磁道上，而没有积分项(例如，电容)。最后，伺服系统以比例--积分--微分型(PID)位置控制器进入磁道跟踪模式。

然而，在寻道模式下，减速扭矩前面的最大旋转加速度扭矩是由基于音圈电机(VCM)的传动器给予的。基板上的对应的反扭矩导致瞬时的旋转振动，可能会对读写磁头的定位精度有害。然而，随机振动的存在会影响磁道跟踪精度(对稳定性能也会稍微产生一些影响)。

在本发明之前，一直没有合适的解决随机振动问题的方法，因此它对HDD传动器系统的磁道跟踪精度产生重大的影响。

当前的3.5”磁盘驱动器已经达到了40kTPI，在2001年之后，它预计会超过50kTPI。在存在振动干扰的情况下，提高磁道密度的主要障碍是磁头定位精度不足。由于TPI呈指数速度增长，在磁道上定位读取/写入元件已经成为主要挑战。传统的伺服控制系统要求连续的创新，以在越来越困难的工作条件下运转正常。

诸如主轴电机组件之类的机械部件不能达到很好的质量平衡，在操作期间它们会产生谐波振动。谐波振动激励会使整个HDD系统产生线性和旋转振动。当没有补偿时，磁道间距的15％的磁道跟踪误差可能会磁盘驱动器的“软”和“硬”误差率性能有害。由于这种内部产生的周期振动导致的定位误差可以使用这里引用的美国专利No.5,608,586中说明的伺服方法加以解决。

通过使用特殊的冲击与振动隔离支架设计，由于内部主轴强制产生的旋转振动部件可以按照这里引用的美国专利No.5,400,196讲述的方法减到最少。然而，如美国专利No.5,400,196所述的用于消除内部主轴振动的影响的支架设计仍会容易受到外部输入振动的影响。通过沿着满足由日本专利No.2,565,637定义的特定条件集的多边形配置隔离机架，在HDD上产生旋转振动的外振动输入可以减到最少。

在这里引用的美国专利No.6,122,139中，提出了使用辅助传动器通过产生反扭矩抵消该反力的方法。利用新颖的感应和控制解决方案的HDD可以提供一种对随机振动问题的增强的解决方法。

如图1A-1C所示，这里引用的美国专利No.5,721,457，显示了磁盘驱动器中的PZT配置101、102，其中利用磁盘驱动器的质量和惯性作为振动体以很大的灵敏度测量角加速度和线性加速度。

即，图1(a)说明了磁头磁盘组件100，图1(b)比较详细地说明了用于测量加速度的压电应变传感器101、102，图1(c)说明了遭受冲击和振动的用户框架104上的磁头磁盘组件100，具有PZT101、102，向组件105提供角加速度和线性加速度输入，从而产生禁止写入信号。

使用PZT的一个主要挑战是它们对沿着多个轴的应力敏感，因此，它们还响应除θ动力之外的振动输入。

为产生100-1000Hz范围内的高保真度信号，PZT配置的大小必须比较大，这样的设计不与磁盘驱动器中的电卡高度和制造要求兼容。另一方面，减少PZT量会产生比较差的信号质量(即，特别是低频范围(～100Hz)内的信号漂移不容易得到稳定)。

本发明的发明人的基于测量的体验是信号稳定性和噪声在使用小型PZT配置中的主要问题。PZT信号中的突然漂移可能导致人们所不希望的写入中止状况。使用PZT进一步使匹配单独的PZT增益和热敏度的问题复杂化。通过提供新型机械结构，可以沿着期望的方向提高，沿着其余的方向最大限度地减少PZT的灵敏度。然而，严格的消除动力的影响的要求使应用于磁盘驱动器的PZT传感器的成本非常昂贵。

通过配置PZT传感器201、202，如图2所示，和信号调节算法，传统的系统200(例如，参见这里引用的A.Jinzenji et al.＂Acceleration feedforward control against rotational disturbance inhard disk drives，＂APMRC-Nov.6-8 2000，TA6-01-TA6-02；授予Sidman等人的美国专利No.5,426,545)显示了对随机振动的前馈解决方案。没有其他创新，PZT传感器201、202本身不会产生高质量输出。图1还说明了前馈补偿器203和传统的伺服204。

另一种方法使用电容感应微型机械设备(例如，参见C.Hemden，“Vibration cancellation using rotational accelerometer feedforwardin HDDs，”Data Storage，November，2000，pp.22-28)，该方法试图产生质量θ加速度传感器。然而，传感器大小、带宽和成本被认为是微型电动机械传感器(MEMS)的局限性。

如此，传统的传感器没有能力适当地处理随机振动问题，因此它对HDD传动器系统的磁道跟踪精度产生重大的影响，一直也没有产生经济合算的用于感应旋转振动(RV)速度或加速度的传感器。

发明内容

鉴于传统的方法和结构的上述及其他问题、缺点和缺陷，本发明的一个目标是提供一种方法和结构，以便解决随机振动问题，消除它对HDD传动器系统的磁道跟踪精度产生的重大影响。

本发明的另一个目标是使用基于旋转振动速度的传感器最大限度地降低θ动力产生的TMR误差。

在第一方面，一种容易受到线性振动和旋转振动的磁盘驱动器(HDD)，包括一个独立传感装置，用于感应预先确定的频率范围内的HDD旋转振动的旋转速度分量。

在本发明的第二方面，一种磁盘驱动系统，包括主音圈电机(VCM)，以及反-电动势(EMF)传感器，该传感器可围绕一个点旋转，基本上对线性振动不敏感，有选择地共享主VCM的磁通。

如此，发明人已经认识到，磁盘板的平面中的基板的旋转振动由于有限的伺服反馈增益导致跟踪误差。开发了一种具有惯性占支配地位的“枢轴-横梁”结构的传感器，以由单个磁性EMF(电动势)发生器测量基板的角速度。

如此，传统的结构使用基于双压电(PZT)传感器的加速度前馈解决方案。这样的PZT传感器系统易于将线性振动的一部分注册为旋转振动信号。相反，本发明的基于EMF的速度感应不容易产生人们所不希望的线性振动拾振。

由于EMF-传感器是在几乎无电需要放大的电压感应模式下操作的，因此信号调节要求不十分严格，也不容易受热诱导阻力变化的影响，与基于电荷发生的PZT传感器方法相比，价格也不是十分昂贵。检测RV运动所要求的角位移只是很小的度数，因此基于挠性构件的枢轴系统比较适于这种传感器。

此外，传感器的几何形状也经过优化，以沿着所有其他坐标为角运动提供最高灵敏度，给振动提供最小的灵敏度。通过共享主VCM的磁气隙磁通，传感器的成本被最大限度地降低。通过由弯曲轴承支持传感器，枢轴功能的成本被进一步降低。通过修改惯性闩的杠杆臂，可以以最少的成本实现传感器功能。

如此，本发明的基于旋转振动(RV)速度的伺服补偿传感器系统优于传统的配置。

附图说明

通过参考附图，从下面对本发明的优选的实施例的详细说明中可以更好地理解上述及其他目的、方面和优点，其中：

图1(a)-1(c)说明了在传统的配置中使用双PZT传感器101、102检测角加速度；

图2说明了传统的配置中的使用PZT传感器201、202的加速度前馈控制；

图3(a)说明集成了反EMF传感器302的磁盘驱动器300中的前馈回路，图3(b)比较详细地说明了图3(a)的反电动势(EMF)传感器302；

图4(a)-4(c)说明了反EMF传感器400的元件；

图5(a)-5(d)说明了反EMF传感器500的弯曲枢轴；

图6说明了共享VCM的共用的气隙磁通的反EMF传感器的位置；

图7说明了具有枢轴点的独立的支持的反EMF传感器的另一个位置；

图8说明了主VCM的轭系统提供的反EMF传感器的枢轴点；

图9(a)-9(b)说明了支持由闩系统组件共享的反EMF线圈的臂；

图10(a)-10(c)说明了具有最大惯性臂的在驱动器组件外部配置的反EMF传感器；

图11(a)-11(b)说明了位于电路卡组件附近的反EMF传感器；

图12(a)-12(b)说明了根据本发明的反EMF传感器的测量的传输函数(输入＝RV加速度，输出＝反EMF；角速度/角加速度)；

图13(a)和13(b)分别说明了与同一输入振动的反EMF传感器相比的PZT传感器的时间域输出；

图14(a)和14(b)说明了反EMF传感器的前馈控制传输函数；

图15说明了旋转振动(RV)对三种配置的位置误差信号(PES)的影响，具体来说，在各种控制条件下与PES的输入-RV加速度的测量的传输函数；

图16说明了在200Hz正弦激励下PZT和反EMF传感器的功率谱；

图17(a)-17(c)说明了与PZT传感器相比两种不同的形状因数反EMF传感器的输出；

图18(a)-18(b)说明了两种形状因数反EMF传感器的传输函数特征；

图19说明了旋转振动对四种配置的位置误差信号的影响；

图20(a)-20(b)说明了旋转随机振动对位置误差信号的影响；

图21(a)-21(b)说明了在旋转随机振动下位置误差信号的功率谱；

图22说明了反EMF传感器位于磁盘驱动器内部的结构2200的等距视图；

图23说明了不连续的反EMF传感器2300的分解图；

图24说明了包括铸造金属或塑料模制体的低成本传感器体组件2400；

图25说明了一种低成本传感器体组件2500，其特征在于，金属弯曲元件整体地浇铸或模制到传感器体中；

图26说明了传感器体组件2600的低成本实施例，其特征在于，弯曲元件是注射模制塑料部件的组成部分；以及

图27(a)和图27(b)说明了瞬时振动模式对传统的PZT传感器的响应的影响(图27(a))以及对根据本发明的速度传感器的影响(图27(b))

具体实施方式

现在请参看附图，具体来说参看图3(a)-27(b)，它们显示了根据本发明的方法和结构的优选的实施例。

优选的实施例

请看图3(a)和3(b)，磁盘驱动器300的传动器在寻道期间产生反扭矩。在有多个以阵列形式排列的驱动器的计算机配置中，驱动器产生的多个反力产生了振动谱。

振动(例如，线性和旋转)谱的形式和大小是系统特定的，但它倾向于是限带功率谱，与有限数量的谐波交替。基板振动，特别是沿着X、Y和Z附近(例如，坐标θ)的振动可能会产生TMR。

如上所述，对TMR的主要影响来自θ动力。传动器质量不平衡通过由传动器枢轴的线性振动产生的扭矩干扰对TMR产生影响，但名义上不平衡量是微不足道的。

主轴电机轴承的适应性还可能会由于其旋转轴的X、Y振动产生人们所不希望的TMR。主轴轴承组件预计在流体动力轴承而不是滚珠轴承的情况下变得更坏。

本发明力图使用基于旋转振动速度的传感器最大限度地降低θ动力产生的TMR误差。如图3(a)所示，磁盘驱动器300包括对旋转敏感的反EMF传感器302，用于开发和显示这里引用的上述待审批的美国专利申请No.10/_,_中的算法的有效性。

术语“反馈”和“前馈”指的是在控制系统领域已知的一般原理。传统的系统(例如，如美国专利No.5,400,196和日本专利No.2,565,637中说明的)使用了一种前馈方法，在该方法中，测量基板的角加速度，并将同一角加速度应用于传动器臂，以减少或消除对应的TMR分量。测量的RV加速度由增益参数修改(并借助于噪声消减过程)，并应用于VCM传动器。

如此，为实现一种解决方案，需要一种优质RV加速度感应技术，如下文所说明的。所使用的算法本身只不过是一种增益调整操作。尽管如此，由于信号调节需要，可以进行一些创新，以增强前馈算法，例如，在信号噪声减少领域。

优选情况下，本发明使用基于反EMF的RV速度传感器，这种传感器易于开发，并且制造起来价格也不是十分昂贵。本发明的发明人认识到，如果可以发现一种采用RV速度传感器的算法(例如，方法)，加速度传感器引起的任何局限性都可以消除。下文将说明这样的传感器。

可以使用在设计磁盘驱动器主VCM传动器方面的经验设计只对沿着θ坐标的角运动敏感的速度传感器。因此，在本发明中追求一种新型的反EMF传感器。

工业级的计算机外壳在大约100到大约1000Hz范围内常常具有产生共振的TMR。存储器工业的趋势是生产具有不超过10ms的完全寻道时间和小于5ms 1/3寻道时间的磁盘驱动器。这种特征趋势暗示，随机激励频率预计不会低于100Hz。在最高频谱上，1ms的单磁道寻道对应于1kHz(寻道脉冲的强度没有完全寻道的寻道脉冲强度大。)

因此，计算机机身上的任一点上的随机振动激励被限制在大约100Hz到大约1kHz之间。诸如风扇之类的冷却系统会产生60Hz振动，该振动由传统的伺服环路处理。因此，最坏情况的激励可能在100-1000Hz范围之内，由于1/3或较短的寻道长度很可能事件在大约200-800Hz范围内发生。

因此，本发明的目的在于开发一种传感器，供在其前馈模式中有效的方法使用(例如，优选情况下在100-1000Hz范围内)。方法/传感器不必在较低的(＜100Hz)和较高频率(＞1000Hz)范围内有效的实现使基于RV速度的传感器解决方案在HDD的情况下可行。这种非明显的要求促进了在现实中可实现的解决方案。对本发明中的中间频带的任何引用都对应于100-1000Hz。

如此，发明人已经认识到，通过使用惯性占支配地位的可旋转的构件，传送线圈绕组持有的气隙磁通，可以通过反EMF电压检测磁通相对于线圈的相对角振动。

现在回到图3(a)-3(b)，图3(a)显示了一个磁盘驱动器300，用于包括传感器302，该传感器提供与磁盘驱动器的基板的旋转速度成正比的反EMF电压。在上述待审批的申请中最佳地设计了一种算法，产生了前馈信号，以添加到传统的伺服信号中，以驱动主VCM。图3(b)显示了反-EMF传感器302的详细信息。

如图3(a)的磁盘系统300所示，基板301的RV速度由反EMF传感器302进行测量(图3(b)比较详细地显示)，传感器302产生的电压可以放大(例如，通过高增益放大器)(未显示)和数字化(例如，通过前馈控制器352)，以便内部算法可以对其进行操作。还显示了传统的伺服353，用于从磁头306接收位置误差信号(PES)，并耦合以向放大器(积分器)354提供输入。

现在回到图3(b)，反-EMF传感器302可以包括线圈3021，用于反EMF感应，磁铁3022，用于产生气隙磁通，低摩擦枢轴3023，用于促进运动构件的好的动力(例如，下面将详细讨论的惯性横梁3026)在充分低的频率范围而不会被摩擦损坏，平衡块3024，用于使移动系统的重心与低摩擦枢轴点3023接合，覆盖物3025，用于防止气流导致的振动和电磁干扰，以及运动构件(例如，惯性横梁)3026。值得注意的是，惯性横梁可能需要防止气动力和电磁干扰，以最大限度地降低其信号质量真实的旋转振动之外的假象产生的信号质量的不希望的退化，因此提供了覆盖物3024。

值得注意的是，图3(b)的传感器配置的结构仅仅是示范性的，本发明不仅限制此。

如此，图3(a)和3(b)的结构考虑了(并试图克服)测量/感应角加速度可能会十分昂贵，并且有时不适当，因为运动可能不仅采取平面运动的形式，而且可能同时采取沿着许多坐标进行线性振动的形式。因此，使用传统的PZT传感器可能会发生交互耦合。

发明人已经认识到，传统的PZT传感器具有这样的问题，并用反-EMF传感器开发了这里说明的方法，该传感器采用与PZT传感器不同的工作原理进行工作。

值得注意的是，虽然反-EMF传感器的结构和在磁场中移动线圈以及拾取反-EMF(例如，基本物理学原理)是人所共知的，但是一直没有已知的使用反-EMF传感器检测磁盘驱动器中的角运动/加速度的方法。

如此，对于本申请/问题(例如，检测磁盘驱动器中的旋转角运动)应用反-EMF是新颖而独特的。实际上，传动器本身围绕一个点旋转，如果一个人移动传动器，并使用电压表，将会产生电压信号。然而，从传动器的固定点在这样的模式下没有使用这样的配置(或以前使用)。

如此，本发明使用横穿线圈的磁通(或横穿磁通的移动线圈)获得与磁通的变化率成正比的反EMF。同样，本发明直接感应旋转速度作为传输函数过程。这是优于传统的传感器的重要区别。

即，值得注意的是，可以获得加速度并集成一次以获得速度，正如已知的。然而，当集成加速度以获得用数字表示的速度时，那么将产生剩余的偏压，该偏压随着时间的推移而增大。用诸如本发明的传感器之类的传感器进行直接感应可以避免这样的问题发生(例如，由于没有加速度术语的集成)。如此，基本的传输函数过程在这些传感系统中的每一个系统中都非常重要。因此，传统的系统使用许多分散的压电传感器获得角旋转(例如，如图1(a)-2(b)所示)，与之不同的是，本发明使用直接感应感觉，因此由于使用磁通变化率更加健壮。

图4(a)-4(c)显示了类似于图3(b)的反EMF传感器400，用于检测围绕低摩擦枢轴线410的旋转运动。

为了清楚起见，图4(a)未显示上轭。当线圈420的两侧(包括多转薄横截面线路)参与反EMF生成过程时，达到传感器400的最高灵敏度(例如，每单位角加速度的电压)。如此，通过提供一对具有相应的极性的永磁铁，可以产生气隙磁通，如图4(a)所示。传感器400还包括块430用于进行重心平衡，传感器横梁440和反EMF检测器450。

图4(b)说明了图4(a)的结构的沿着图4(a)的IV-IV′的剖视图，并显示了上轭460以及磁通线470。

值得注意的是，在许多方面可以达到枢轴设计。例如，图4(c)显示了一对弯曲组件480提供旋转(侧转)自由同时限制线性X-Y运动以及螺距和辊运动的情况。

具体来说，弯曲枢轴内部毂连接到轴490，外环连接到轭。两个弯曲组件480可以从线圈传送电链接。轴490优选情况下是一个预装入的轴，并带有一个提供Z-刚性的点接触(绝缘体)。值得注意的是，如果Z-模式振动的线圈绕组的磁链微不足道，则增强的Z-刚性，因此用于防止硬面的预装入的轴可能不是必需的。

通过两个弯曲组件480可以获得反EMF线圈的电连接，如图4(c)所示，而在这样情况下支持弯曲组件480的轴必须不导电。

由于旋转振动被限制在大约50rad/s²，大多数扭转振动应该在100到1000Hz的范围内测量，惯性横梁的最大角偏移预计小于0.01度。另一方面，由于寻道导致的稳定动力，基板偏移可以高达大约0.1度。因此，大的角位移枢轴不是必需的。弯曲系统可以提供低成本、无摩擦的枢轴组件。

图5(a)-5(c)显示了这样的弯曲系统的各种视图，具有传感器500的弯曲枢轴510，具有多转薄截面线路(线圈)515、传感器横梁520，以及用于进行重心平衡的块530。

如图5(b)所示，枢轴材料510可以由具有粘滞-弹性阻尼的金属片组件制成，或整体枢轴510本身可以由具有固有阻尼性质的塑料制成。例如，枢轴可以包括耦合到连接到轭/基板组件(未显示)的内部毂5102的许多挠性构件5101。

图5(c)说明了图5(b)的一个薄挠性构件5101的侧视图。优选情况下，在选择相应的弯曲枢轴材料时，要兼顾考虑传感器的温度灵敏度和组件的成本。

图5(d)显示了装配到内部毂上的挠性构件5101和线圈的电连接和从线圈的电链接5103的路线的示例。

如此，图5(a)-5(c)的结构提供了低成本的弯曲系统，该系统在五个(5)坐标是刚性的，并在平面旋转中最大限度地自由。

由于反EMF传感器功能要求气隙磁通，已经存在于主VCM传动器中的磁通量可以由传感器组件共享，如此降低了单独的磁路的成本。如此，通过共享主VCM的磁铁，传感器的磁铁的成本包括制造的成本可以降低。此外，还可以节省空间。

图6-8显示了定位惯性横梁的各种位置，取决于磁盘驱动器内是否有空间。

例如，图6说明了反EMF线圈605可以共享主传动器臂和线圈610的气隙的情况。提供了一个传统的磁铁对620，以便构成主传动器的气隙。可以伸展VCM磁铁(例如，参见引用数字630)，如图所示。提供了覆盖物640，以防止气流导致的振动和电磁干扰(EMI)。如此，反EMF传感器在主VCM的磁铁后面形成。

图7说明了反EMF线圈705可以共享主传动器臂和线圈710的气隙的配置。提供了一个传统的磁铁对720，以便构成主传动器的气隙。可以伸展VCM磁铁(例如，参见引用数字730)，如图所示。提供了覆盖物740，以防止气流导致的振动和电磁干扰(EMI)。

如此，反EMF传感器的位置这样安排，以便构成一个具有主线圈的电感耦合，具体来说，在主VCM的磁铁的侧面构成。这种配置可以在主VCM线圈的侧面有空间的地方使用，在其后面与其相对(如图6所示)。如此，本发明的可制造性也得到增强。

图8说明了反EMF线圈805，该线圈可以共享主传动器臂和线圈810的气隙。提供了一个传统的磁铁对820，以便构成主传动器的气隙。可以伸展VCM磁铁(例如，参见引用数字830)，如图所示。提供了覆盖物840，以防止气流导致的振动和电磁干扰(EMI)。如此，反EMF传感器在主VCM的磁铁820的侧面构成。

图8进一步示范性地显示了如何支持枢轴，具体来说，可以使用伸展的轭来支持枢轴组件。这种集成结构防止了在磁铁和枢轴点之间的Z轴方向上产生对准问题。如此，该结构与主VCM集成，从而提供了许多制造优点。

在基于强电流的寻道期间，可以预期通过气隙磁通的一定量磁相互作用，如此导致寄生组件在感应的反EMF电压中。由于在磁道跟踪操作期间主要要求RV健壮性，在寻道操作期间可以临时中止传感器前馈。这可以通过持续使传感器驱动前馈算法来达到，但可以从主VCM驱动器禁用算法的输出，如此在激活前馈时防止人为的瞬变电流。

许多较新的HDD包括惯性系统闩900，如图9(a)所示，以便在切断电源时限制冲击导致的传动器运动。如此，例如，这样的闩(例如，所谓的“双向闩”)将防止HDD发生事故，如当用户将包含HDD的笔记本电脑摔掉时。这样的闩系统包括耦合了一个弹簧920的闩910。闩910通过接触点940耦合到杆930。闩910闩上传动器线圈950，如图所示，靠近传动器磁铁960，并由突然加速度激活。杆930由于惯性比闩910重，当发生事故时，杆930将闩910推向独立于旋转方向(例如，双向闩)的闩锁位置(例如，锁定位置)。

然而，反EMF感应功能的成本可以通过结构970进一步地减少，该结构利用惯性闩910的先前存在的一个臂来支持线圈绕组，如图9(b)所示。

图9(b)显示了静止点975，其中，在接触点940没有接触。然而，惯性横梁必须自由地保持在一个中立位置，以感应敏感的旋转振动，而不是靠住一个停止位预装入。这一要求可以通过设立第二软弹簧980来满足，如图9(b)所示。如此，弹簧980用于保持无触点的杆930的中立位置。图9(b)还显示了一个传动器磁铁，并带有传感器气隙磁通的扩展，以及一个低摩擦枢轴995。

在惯性锁闩机构的冲击激活的性能被将线圈传送横梁保持在中立位置而妨碍的情况下，可以预见两种模式的操作。即，通过将温和的偏压电流应用到反EMF线圈985，则可以产生偏压力，以将横梁从接触静止位置975(例如，在停电状态)移到相对于第二个弹簧980的自由无接触中立位置(例如，在接通电源状态)。

如此，与图9(a)中的预装入的结构相比，图9(b)的结构/横梁不是预装入的，但它用第二个弹簧保持浮动，如此它是一个借助于惯性的高质量设备(例如，小振动)。因此，对于小振动，结构/横梁只能由低摩擦枢轴支持，而对于大振动(例如，诸如冲击等等大的运动)，它的工作方式将与图9(a)中显示的传统的杆/闩设备类似。因此，通过向图9(b)的结构添加一个线圈，可以获得一种小型、低成本反EMF传感器配置。

请参看图10(a)-10(c)，对于必须增大运动构件的惯性质量以便增大较低频率时的灵敏度的应用，可以使用基板的主轴电机底区周围的未使用的外部空间。

即，图10(a)和10(b)显示了基板1000和主轴电机区域(未引用)的分解图和装配图，包括磁通路径的上轭1010、转动元件1020、传送磁铁1030、嵌入在电路卡上的反EMF线圈1040以及用于磁通返回的下轭1050。图10(b)再次显示了包括低摩擦枢轴1060和主电路卡1070的完整的组件。图10(c)说明了转动元件1080传送线圈的位置。

上述每一种情况显示了一种移动磁铁和基于移动线圈传感器配置。然而，请参看图11(a)，该图显示了一种结构1100，其中期望接近于磁盘驱动器(磁头磁盘组件)1120的电卡1110，可以按如图所示的方法定位和连接小型反EMF传感器1130。在引用数字1140显示了到卡的最短的电连接。

图11(b)说明，在最后应用中，可以使用薄的形状因数传感器设计，并且同一传感器组件1120直接添加到电卡1110上。如此，反-EMF传感器1130可以安装在卡的附近(例如，安装在基板的背面，并连接到卡)，直接安装在卡上，或者就那点而论可以整体安装在卡1110中。

在反EMF传感器由2.5”形状因数驱动器组件制成的情况下，可以显示概念的可行性。即，图12(a)和12(b)中显示了反EMF传感器的测量的频率传输函数(TF)。

在图12(a)中，TF的输入是扭转振动激励，输出是来自绕组(由增益因子1000放大)的感应电压。已经观察到，这种传感器设计的共振频率大约为45Hz。已知，传统的球轴承枢轴在小的位移时表现了类似于弹簧的行为，产生了45Hz的共振。

在从100到1000Hz的频率范围内，传输函数的-20dB十进制的下降确认了积分效应，其中，旋转加速度输入被转换到旋转速度输出，如反EMF电压反映的。枢轴组件中存在的阻尼使TF的相渐近地接近-90度。这种靠近-90度纵坐标的逐渐的相变可以建设性地用于通过平衡算法的数字实现中所固有的相滞改善前馈有效性。值得注意的是，对于传感器的阻尼特性，传感器的如图12(b)所示的相位增益(上升)是有利和有益的，并可以利用。

当使用传统的球轴承枢轴来达到传感器的角惯性自由时，轴承可以由于延长的切断电源状态仍处于“粘着”位置。很清楚，枢轴必须通过短时间激活感应线圈来使用。通过将振荡电流驱动到感应线圈中，在使传感器可用于RV测量之前可以将轴承空出来。

图13(a)和13(b)显示了PZT传感器和传感器A(例如，具有某种形状因数的反EMF传感器，如下文进一步描述)的时间域输出。

即，图13(a)对应于距离旋转中心大约10.5cm的PZT传感器(例如，作为时间函数显示角加速度)，图13(b)对应于安装在同一个振动台的反EMF传感器电压(x1000增益)(并作为时间函数显示速度)。时间踪迹显示，信号是可定性比较的。即使在传感器输出用于信号处理算法之前将其放大，不会由于噪声拾取而产生明显的退化。

图14(a)和14(b)显示了前馈算法的TF，该算法包括以数字信号处理装置实现的高通、低通和相位超前滤波器。

如果可编程性不是十分关键，那么，滤波器还可以使用模拟电子模块或模拟和数字组件的组合来实现。已经观察到，滤波器需要理想的相是+90度，以模拟微分器的功能，但分别通过高低通滤波器抑制不需要的低和高频信号的需要导致相位失真并与理想目标相比产生相滞。

图15显示了与传统的伺服相比的基于传感器的前馈解决方案的影响。它还比较了两个不同的感应方法(例如，PZT传感器和反EMF传感器)的有效性。

可以看出，有一种最佳频率可以用来达到最大误差拒绝。当被注入到的传动器驱动器的前馈信号和真实的角加速度靠近0度的前馈信号之间的净相差(在考虑滤波操作和基于传感器的相变之后)达到最大误差拒绝。

如此，图15显示了在三种条件下RV对PES的影响。即，图15显示了输出PES与输入RV的比率。

传统的情况1501是没有用于控制补偿的RV加速度或速度感应(例如，没有前馈)的波形。如此，对于一个单位输入G(例如，在100Hz、40dB)，位置误差信号(PES)中的一个磁道宽度误差等于256位。因此，100位大约等于磁道宽度的一半。如此，40dB(1G)等于传统情况下的100位，传统的伺服环路结构不能补救该问题。

下一种情况1502建立了具有高灵敏度PZT(例如，高成本、双PZT传感器)的最佳配置，其中PZT信号被LP和HP滤波并前馈到传动器。如此，性能比较好，如PZT-加速度解决方案所示，但成本很高，并且尺寸也增大。

如波形1502所示的一种有趣的情况是基于RV速度的控制。可以观察到，两个传感器产生了类似的振动拒绝特性，但反-EMF传感器(例如，如曲线1503显示)比基于PZT的控制产生较少的衰减(～8-10dB)。此外，反-EMF传感器便宜得多，尺寸也小于PZT解决方案，并可以利用磁盘驱动器的机械部件内的可用空间。

已发现，反-EMF传感器设计可以经过优化，以产生可比得上最好的PZT系统的性能。事实上，基于反-EMF的配置在从150Hz向下的较低频率产生增强的补偿。根本上不同的感应和控制结构导致传输函数(TF)产生变化。TF可以使用摆动正弦法获得。

图16比较了PZT信号1601的功率谱和对应于图13的反-EMF信号1602。反EMF传感器显示了此示例中的高于600Hz的附加噪声振幅，但此噪声的净效果不会对前馈配置的精度产生显著影响。

图17(a)-17(c)比较了两个不同的形状因数反-EMF传感器设计以及PZT加速度感应的影响，并显示了在振动频率为200Hz时时间域信号。

图17(a)显示了传统的PZT加速度感应。图17(b)说明了基于1.8”形状因数HDD组件的传感器-A速度感应，图17(c)显示了基于2.5”HDD的传感器-B速度感应。两个信号都放大增益1000。传感器-B显示了稍微改善的噪声特性。

图18(a)-18(b)比较了两个传感器A、B的TF(符号改变将相分隔180度)。传感器-A的灵敏度比传感器-B的灵敏度高。每个枢轴中存在的固有阻尼会影响相位下降，如图18(b)所示。已知，请看图18(a)-18(b)中的200Hz点，该数据点对应于图17(a)-17(c)的时间域。

图19是图15的扩展版本，其中比较了两个基于反EMF的RV传感器性能(例如，传感器A、传感器B)1910、1920，以及传统的控制器1930和PZT加速度传感器1940。

从图19中可以清楚地看出，当使用相同的前馈算法时，对于传感器-B，大约在250Hz发生最大拒绝的频率，而对于传感器-A，大约在150Hz。通过优化传感器减振特性和算法的相，对于给定的振动谱，可以最佳地定位最大拒绝点。

如此，在相位特性等等方面，即使是相同的算法，在某些频率范围内一个传感器可以比另一个传感器更有利。例如，速度感应传感器B看来似乎要执行好的拒绝，好象比传感器A更好，如图19所示。此外，对于手头的情况，请看图18(b)中的200Hz左右，与1.8″FF传感器的似乎在下降的相相比，图18(b)中的2.5″FF传感器的相相当平坦。已知，靠近90度的平坦相比下降的相更好(对于补偿平均量)。

很清楚，传感器/算法组合的净相必须等于零度才能达到最大振动拒绝。然而，在实践中，由于有限的前馈采样率而出现固有的相滞，在期望的频率范围(100-1000Hz)不可能获得零度相。对于每个传感器技术，仍可以达到达到次-最优的拒绝，如图17(a)-17(c)所示。

图20(a)显示了在服务器产品中见到的典型的RV频谱。图20(b)显示了这种RV对每个伺服补偿方案的影响。频谱特性是使用特别的可编程波形发生器产生的，它模仿了在服务器系统中观察到的典型的RV特性。如图2(a)所示，振动谱在大约300到大约600Hz之间具有隆起，是在实验室中激励一个台产生的。

图20(b)显示了由于随机旋转振动的性能，具体来说，显示了输入RV值为22.8r/s²的对应的PES(1-σ)值。可以表明，在传统的控制下，PES值四倍于21或22位(1-σ)。

对于基于RV速度-传感器的控制，它下降到12或13-位(13dB)，对于靠近理想PZT(例如，对于高质量、高成本PZT传感器配置)，它进一步改善到11位(11dB)。在没有振动的情况下，将观察到6位(例如，在使用传统的伺服配置的静止状态下)。

如此，从图20(b)中可以明显地看出，与没有RV(静止)的情况相比，传统的伺服降低一个因子4。

如此，这些图对应于应用在有多个驱动器功能的服务器计算机中见到的预期的随机振动。通过使用基于速度前馈补偿，误差可以减少大约50％。从此数据集中基于PZT的感应的优点不明显。

然而，图21(a)和21(b)显示了图20(a)的随机RV输入的PES的功率谱。通过前馈解决方案可以达到从100到400Hz的范围的频谱大小的减少。

在使用反-EMF传感器增强RV健壮性的同时，同一传感器输出可用于检测由于用户执行的“热交换”产生的操作冲击。由冲击事件产生的传感器信号可用于禁止写入过程，以防止相邻磁道中的数据被擦除。另一方面，当RV振动级低于预选的阈值时，可以禁用传感器前馈，以最大限度地降低噪声导致的TMR。

图22说明了一个实际设备，具体来说，反EMF传感器2210位于磁盘驱动器外壳2220内部的结构2200的等距视图。

在图22中，集成的反EMF传感器2210耦合到VCM的磁轭(例如，显示了下轭2230，但是为了清楚起见，删除了上轭)，并由VCM磁铁2240的扩展共享磁通量。图22显示了安装在驱动器外壳2220内的与当前的驱动器元件没有干扰的传感器2210。从缠绕电感应线圈用分散的线路对或者通过将主传动器VCM软电缆集成到进位信号与主电卡进行电连接(未显示)。

图23说明了不连续的反EMF传感器2210的分解图。图23显示了安装在磁盘驱动器外壳2220内的与当前的驱动器元件没有干扰的传感器2210。通过安装到传感器组件2210的接口卡(未显示)和现有的接口电子电缆2310之间的压力触点进行电连接。为完成传感器的结构，进一步显示上下遮盖2320、2330、磁铁2340和上下轭2350、2230。上下遮盖封装了传感器2210。这种结构的一个重要特征是，当传感器进入磁盘驱动器时，它自动与电子接口插头2310进行连接，从而避免了更多的连线以及其附带的问题。如此，传感器提供了低成本、插入式的模块化解决方案。

图24说明了包括铸造金属或塑料模制体2410的低成本传感器体组件2400。塑料模制、蚀刻和压制金属挠性构件2420可以由金属枢轴元件2430装配。优选情况下，上下挠性构件是双片薄构件，带有薄链接，类似于图5(a)-5(d)中所示的。感应线圈2440位于在适当位置，组件被预先确定的平衡块2450围绕旋转的枢轴线进行质量平衡。

图25说明了一种低成本传感器体组件2500，其特征在于，(不同于图24的双片结构)金属弯曲元件2520整体地浇铸或模制到传感器体2510中，并具有刀刃一样的形状，具有一定的高度。感应线圈2540位于在适当位置，组件被预先确定的平衡块2550围绕旋转的枢轴线进行质量平衡。

图26说明了传感器体组件2600的优选低成本实施例，其特征在于，弯曲元件是注射模制塑料部件的组成部分。提供了一种传感器体2610，其中金属枢轴2620、缠绕电感应线圈2630，以及预先确定的平衡块2640作为注射模制部件的一部分被模制在一起。(如有必要)添加一个惯性质量2650，以优化惯性，并添加适当大小的平衡块2640以对组件进行质量平衡，如前面所描述。

传感器体2610提供了许多孔2660A、2660B，以便机械工具访问枢轴挠性构件2670，以便可以最大限度地降低枢轴的刚性以达到低旋转共振。此外，金属挠性构件2670还具有孔2671A、2671B。如此，图26的组件2600是有利的，并显示了通过在模制过程之后钻许多孔在平面旋转中达到低刚性的实际方法。

图27(a)和图27(b)说明了瞬时振动模式对传统的PZT传感器的响应的影响(图27(a))以及对用于本发明的速度传感器的影响(图27(b))。传感器处于瞬变条件下，具有200HZ和49rad/s²的输入正弦角脉冲。

虽然是以多个优选的实施例来对本发明进行描述的，那些精通本技术的人可以认识到，在所附的权利要求的精神和范围内，可以对本发明进行修改。

Claims (45)

1.一个受到线性振动和旋转振动的磁盘驱动器(HDD)，包括：

一个独立传感装置，用于感应预先确定的频率范围内的HDD旋转振动的旋转速度分量。

2.根据权利要求1所述的磁盘驱动器，进一步包括：

耦合到所述传感装置的旋转振动(RV)速度控制器，所述传感装置包括反-电动势(EMF)传感装置。

3.根据权利要求2所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述RV控制器至少包括一个完整的数字电路和一个完整的模拟电路中的一个。

4.根据权利要求1所述的磁盘驱动器，进一步包括基板，所述传感器感应基板的旋转振动的旋转速度分量。

5.根据权利要求2所述的磁盘驱动器，其特征在于，只有在振动级超过预先确定的限制的情况下才激活所述RV控制器，从而降低通过所述传感器注入的不必要的电噪声的电势。

6.根据权利要求1所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器包括旋转振动(RV)速度传感器，

其中，RV速度传感器的灵敏度相对于线性振动减到最少，所述RV速度传感器的所有输出信号都被当做是由RV激励产生的。

7.根据权利要求1所述的磁盘驱动器，进一步包括主音圈电机(VCM)，其特征在于，所述主音圈电机(VCM)的反电动势(EMF)被直接由所述传感器感应。

8.根据权利要求1所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述独立传感装置包括独立的反-电动势(EMF)传感装置。

9.一个磁盘驱动，包括：

用于直接感应磁盘驱动器的旋转振动速度分量的传感器。

10.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器包括反电动势(EMF)传感器，以检测所述旋转振动速度分量。

11.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述磁盘驱动器进一步包括主音圈电机(VCM)，以及

其中，所述传感器被构造为共享所述主VCM的磁通量。

12.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，进一步包括惯性闩的臂，所述惯性闩包括第一种和第二种激活模式，

其中，所述传感器安装在所述臂附近。

13.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，所述传感器包括由挠性构件构成的枢轴，所述挠性构件由具有预先确定的阻尼级别的材料制成。

14.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器包括一个线圈和许多枢轴挠性构件，用于向线圈提供电连接。

15.根据权利要求14所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器包括反电动势(EMF)传感器，所述线圈包括反EMF线圈。

16.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，传感器传输函数经过优化，以满足100-1000HzRV的性能范围。

17.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器为前馈补偿提供输出。

18.根据权利要求17所述的磁盘驱动器，其特征在于，在对所述磁盘驱动器进行寻道期间用于前馈补偿的所述传感器的所述输出被禁用，并在所述磁盘驱动器的稳定阶段之后被激活。

19.根据权利要求17所述的磁盘驱动器，其特征在于，在没有达到阈级旋转速度的情况下，在所述磁盘驱动器的磁道跟踪模式期间用于前馈补偿的所述传感器的所述输出被禁用。

20.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器的阻尼用于优化前馈补偿。

21.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器在“热交换”冲击事件期间提供禁止写入功能。

22.一个磁盘驱动系统，包括：

主音圈电机；以及

反-电动势(EMF)传感器，该传感器可围绕一个点旋转，基本上对线性振动不敏感，有选择地共享所述主音圈电机(VCM)的磁通。

23.用于磁盘驱动器的传感器，包括：

反电动势(EMF)传感器，用于直接感应所述磁盘驱动器的旋转振动速度。

24.根据权利要求23所述的传感器，其特征在于，所述反EMF传感器包括：

许多挠性构件；以及

线圈，附近的所述挠性构件，共享所述磁盘驱动器的主音圈电机的磁通量。

25.根据权利要求23所述的传感器，其特征在于，所述反EMF传感器对其他坐标中的线性振动和扭转振动不敏感。

26.根据权利要求23所述的传感器，其特征在于，所述反EMF传感器包括离散传感器。

27.根据权利要求23所述的传感器，其特征在于，所述反EMF传感器包括：

用于反EMF感应的线圈；

用于产生气隙磁通的磁铁；

预先确定的低摩擦枢轴；

平衡块，用于使所述驱动器的移动部件的重心与低摩擦枢轴接合；

一个覆盖物，用于防止气流导致的振动和电磁干扰；以及

被所述覆盖物覆盖的运动构件。

28.根据权利要求23所述的传感器，其特征在于，所述反EMF传感器包括一个线圈、用于产生气隙磁通的一对磁铁、一个用于进行重心平衡的块、一个传感器横梁，以及反EMF检测器。

29.根据权利要求27所述的传感器，其特征在于，所述反EMF传感器进一步包括连接到轴的弯曲枢轴内部毂和连接到轭的外环，其特征在于，所述挠性构件具有线圈的电链接，

其中，轴包括预装入的轴，并带有提供Z刚性的点接触。

30.根据权利要求23所述的传感器，其特征在于，所述反EMF传感器包括弯曲系统，该系统包括具有多转截面线圈的弯曲枢轴，传感器横梁和用于进行重心平衡的块，

其中，弯曲枢轴包括具有粘滞-弹性阻尼的金属片组件，以及具有固有阻尼性质的塑料中的一个。

31.根据权利要求29所述的传感器，其特征在于，所述弯曲枢轴包括耦合到连接的内部毂的许多挠性构件。

32.根据权利要求23所述的传感器，其特征在于，所述反EMF传感器包括共享主音圈传动器的气隙的线圈，所述VCM包括磁铁，

反EMF传感器在主VCM的磁铁后面形成。

33.根据权利要求23所述的传感器，其特征在于，所述驱动器包括主VCM线圈和许多磁铁，所述反EMF传感器包括在所述磁铁的一个侧形成的线圈。

34.根据权利要求32所述的传感器，其特征在于，所述磁铁包括伸展的音圈磁铁，所述传感器的所述线圈被所述伸展的音圈磁铁支持。

35.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，进一步包括：

用于在冲击环境中保护所述驱动器的闩系统，所述闩系统包括一个具有与此耦合的弹簧的闩，所述闩通过接触点进一步耦合到一个杆，

其中，所述闩闩住所述驱动器的主传动器线圈，并由加速度激活，

其特征在于，所述反EMF传感器的线圈被所述杆支持。

36.根据权利要求34所述的磁盘驱动器，进一步包括：

第二个弹簧，用于保持无触点的杆的中立位置，所述驱动器具有一个传动器磁铁，并带有传感器气隙磁通的扩展，并且所述杆安装了一个低摩擦枢轴。

37.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器安装到下述其中之一，所述驱动器的一个电卡中，所述驱动器的电卡上以及所述驱动器的基板上。

38.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述驱动器包括主音圈电机(VCM)，该电机包括许多具有扩展的磁铁，以及

其中，所述反EMF传感器耦合到所述VCM的磁轭，并由VCM磁铁的所述扩展共享磁通量。

39.根据权利要求37所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述反EMF传感器与一个电插头接触，以使所述传感器安装到磁盘驱动器，所述传感器自动与电插头进行连接。

40.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器包括一个体组件，该体组件包括铸造金属和模制塑料中的一个。

41.根据权利要求39所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器进一步包括挠性构件，所述挠性构件包括装配到金属枢轴元件上的塑料模制、蚀刻和压制金属挠性构件中的一个。

42.根据权利要求40所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述挠性构件包含具有链接的双片构件。

43.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器包括整体地浇铸或模制到传感器体中的金属弯曲元件。

44.根据权利要求9所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器包括用注射模制塑料部件整体地构成的弯曲元件以构成传感器体。

45.根据权利要求43所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述传感器体包括许多构成的孔，所述弯曲元件具有许多孔，以便最大限度地降低刚性以达到预先确定的低旋转共振。

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