DE102014200017A1

DE102014200017A1 - Spindelkraftaktuator

Info

Publication number: DE102014200017A1
Application number: DE201410200017
Authority: DE
Inventors: Hans Leuthold
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 2013-01-03
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2014-07-03
Also published as: SG2014000368A; JP2014132509A

Abstract

Eine Vorrichtung umfasst eine Schaltung, einen Codemodulator und einen Aktuator. Die Schaltung ist betreibbar, um Versätze eines sich drehenden Objekts während seiner Bewegung zu erfassen. Die Schaltung ist betreibbar, um eine Position der Versätze zu erfassen und ein dieser zugeordnetes Signal zu erzeugen. Der Codemodulator ist betreibbar, um basierend auf der Position und den Versätzen ein moduliertes Signal zu erzeugen. Der Aktuator ist betreibbar, um eine Kraft auf das sich drehende Objekt auszuüben, wobei die Kraft auf dem modulierten Signal basiert.

Description

Verwandte US-Patentanmeldung
Die vorliegende Anmeldung ist eine Continuation-in-part-Anmeldung der am 1. Februar 2012 von Leuthold et al. eingereichten, mitanhängigen gemeinsamen US-Patentanmeldung mit dem Titel ”Electric Field Measurement Apparatus”, die an den gleichen Bevollmächtigten abgetreten und hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Hintergrund
In magnetischen Speichermedien wie sie in Festplattenspeichergeräten verwendet werden, wird Information auf digitale Bits darstellende magnetische Elemente geschrieben und davon gelesen. Zum Erhöhen der in einem vorgegebenen Bereich speicherbaren Informationsmenge können die Größe und der Abstand zwischen diesen magnetischen Elementen vermindert werden, so dass sie dichter angeordnet sind. Gleichzeitig kann die Geschwindigkeit, mit der Platten beschrieben und gelesen werden, wenn die Platten für eine Verwendung durch einen Endbenutzer vorbereitet werden, erhöht werden, um das Produktionsvolumen zu erhöhen und die Produktionskosten zu senken. Die exakte Positionsinformation der Drehachse der Platten als eine Funktion der Zeit ist zweckmäßig.
Ein Verfahren zum Erhöhen des Plattenproduktionsvolumens und zum Senken der Produktionskosten besteht darin, die Drehgeschwindigkeit der Platten zu erhöhen. Daher kann innerhalb einer bestimmten Zeitdauer auf mehr magnetische Elemente zugegriffen werden, wodurch innerhalb der gleichen Zeitdauer mehr fertiggestellte Platten erhalten werden. Ein anderes Verfahren zum Erhöhen des Plattenproduktionsvolumens und zum Senken der Produktionskosten besteht darin, die gleichen Verarbeitungsschritte bezüglich mehr Platten gleichzeitig auszuführen, wodurch weniger Betriebsmittel erforderlich sind.
Kurzbeschreibung
Eine Vorrichtung beinhaltet eine Schaltung, einen Codemodulator und einen Aktuator. Die Schaltung kann betreibbar sein, um Versätze eines sich drehenden Objekts während seiner Bewegung zu erfassen. Die Schaltung kann ferner betreibbar sein, um eine Position der Versätze zu erfassen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltung ferner betreibbar, um ein der Position und den Versätzen zugeordnetes Signal zu erzeugen. Der Codemodulator kann betreibbar sein, um basierend auf der Position und den Versätzen ein moduliertes Signal zu erzeugen. Der Aktuator kann betreibbar sein, um eine Kraft auf das sich drehende Objekt auszuüben. Die Kraft kann auf dem modulierten Signal basieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand eines nicht einschränkenden Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Korrigieren einer Versatzbewegung eines sich drehenden Objekts gemäß einer Ausführungsform;
2 zeigt eine Schaltung zum Bestimmen des Versatzes eines sich drehenden Objekts basierend auf durch Versatzsensoren bereitgestellter Information gemäß einer Ausführungsform;
3 zeigt einen exemplarischen Codemodulator gemäß einer Ausführungsform;
4 zeigt einen Aktuator gemäß einer Ausführungsform;
5 zeigt einen Aktuator gemäß einer Ausführungsform in größerem Detail;
6 zeigt ein exemplarisches Diagramm der Versatzkraft und der Einstellkraft gemäß einer Ausführungsform;
7 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform; und
8 zeigt ein exemplarisches Ablaufdiagramm gemäß einer Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung
Nachstehend wird ausführlich auf Ausführungsformen Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Obwohl die Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben werden, ist klar, dass die Ausführungsformen dadurch nicht eingeschränkt werden sollen. Ganz im Gegenteil, die Ausführungsformen sollen Alternativen, Modifikationen und äquivalente Ausgestaltungen umfassen. Außerdem werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung für ein umfassendes Verständnis zahlreiche spezifische Details dargestellt. Für Fachleute ist jedoch offensichtlich, dass die Ausführungsformen auch ohne diese spezifischen Details realisierbar sind. In anderen Fällen sind bekannte Verfahren, Prozeduren, Komponenten und Schaltungen nicht ausführlich beschrieben worden, um Aspekte der Ausführungsformen nicht unnötig zu verdecken.
Zur Erläuterung bezeichnen die Ausdrücke ”axial” oder ”axiale Richtung” eine Richtung entlang einer Mittellinienachsenlänge einer Welle und ”radial” oder ”radiale Richtung” eine Richtung senkrecht zur Mittellinienachse. Der hierin verwendete Ausdruck ”horizontal” bezeichnet eine Ebene, die sich parallel zur Ebene oder Oberfläche eines Objekts erstreckt, unabhängig von dessen Orientierung. Der Ausdruck ”vertikal” bezeichnet eine sich senkrecht zur gerade definierten horizontalen Ebene erstreckende Richtung. Ausdrücke wie ”über”, ”unter”, ”Unterseite”, ”Oberseite”, ”Seite”, ”höher”, ”tiefer”, ”obere”, ”darüber”, und ”darunter” beziehen sich auf die horizontale Ebene.
Allgemein erfordert eine Erhöhung der Geschwindigkeit, mit der sich die Platten drehen, oder das gleichzeitige Ausführen der gleichen Operationen für mehrere Platten mehr Energie, wodurch Geräusche und Schwingungen in der Umgebung der Platte zunehmen. Die durch eine schnelle Plattendrehbewegung verursachten Störungen und andere Störungen können einen zufälligen radialen Versatz oder eine Exzentrizität der sich drehenden Platte verursachen, was zu einer unvorhersagbaren Rundlaufabweichung führt. Infolgedessen kann in Kombination mit der immer kleineren Größe und den eng benachbarten Positionen der magnetischen Elemente die unvorhersagbare Rundlaufabweichung den exakten Schreibvorgang zum Schreiben von Information auf und den exakten Lesevorgang zum Lesen von Information von den Platten während ihrer verschiedenen Fertigungsprozesse beeinträchtigen. Zum Verbessern der Leistungsfähigkeit sollte die Amplitude von Bewegungsfehlern, z. B. die unvorhersagbare Rundlaufabweichung, vermindert werden.
Sich drehende Spindeln können eine Vielzahl verschiedener Resonanzmoden haben, z. B. 8 Moden. Eine Resonanzmode kann als eine Antwort eines sich drehenden Objekts, z. B. eines Spindelmotors, charakterisiert als eine Form einer Bewegung, z. B. Schwenkbewegung seitwärts, Aufwärts-/Abwärtsbewegungen, Präzessionsbewegung, usw. bei einer vorgegebenen Frequenz definiert werden. Resonanz ist die Neigung eines Systems, bei einigen Frequenzen mit einer größeren Amplitude zu schwingen als bei anderen. Diese sind als die Resonanzfrequenzen des Systems bekannt. Bei diesen Frequenzen können schon kleine periodische Antriebskräfte Schwingungen mit einer großen Amplitude erzeugen, weil das System Schwingungsenergie speichert. Verschiedene physikalische Bedingungen können jedoch die Anzahl und die Eigenschaften der Resonanzmoden ändern. Beispielsweise können durch Hinzufügen eines Plattenstapels mindestens zwei weitere Moden hinzukommen.
Zum Verbessern der Leistungsfähigkeit können die stärksten Moden (z. B. die dominanten Moden), die den größten Teil der Schwingungsenergie des Systems speichern, die zu einer unvorhersagbaren Rundlaufabweichung führt, z. B. das Spektrum des durch das freie Ende der freitragenden Drehachse zurückgelegten Weges, durch Erhöhen der Dämpfungskraft abgeschwächt werden. Ein Dämpfungselement verbraucht die Bewegungsenergie und übt eine Kraft zu einem korrekten Zeitpunkt aus, um den Versatz zu korrigieren, wodurch die im System über die Zeit gespeicherte Schwingungsenergie reduziert wird. Außerdem wird durch Erhöhen der Dämpfung, anders als bei einem aktiven Lagerelement, die Amplitude abgeschwächt und die Phasenänderung der Antwort verbreitert.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die unvorhersagbare Rundlaufabweichung zwei dominante Moden aufweisen. Es wird darauf hingewiesen, dass das Unterdrücken der beiden dominanten Moden, wie es hierin unter Bezug auf Ausführungsformen beschrieben wird, exemplarisch ist und den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken soll. Beispielsweise können gegebenenfalls ein, drei, vier, fünf oder mehr dominante Moden unterdrückt werden.
Kraft kann dargestellt werden durch: F = Ẅ·m + Ẇ·C + W·k, Gleichung (1) wobei der erste Ausdruck mit der mit der Masse in Beziehung stehenden Kraft, der zweite Ausdruck mit der Dämpfungskraft und der dritte Ausdruck mit der Lagerkraft in Beziehung stehen. Daher kann die Leistungsfähigkeit eines Systems in verschiedenen Ausführungsformen durch Ändern der verschiedenen Ausdrücke der vorstehenden Kraftgleichung (1) verbessert werden. In einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen kann die Systemleistungsfähigkeit jedoch durch Herausnehmen von Schwingungsenergie vom System durch Erhöhen der Dämpfungskraft (z. B. Ẇ·C in Gleichung (1)) verbessert werden. Die zwei stärksten Moden, die zu einer unvorhersagbaren Rundlaufabweichung in der X- und Y-Richtung mit oder ohne Winkelbewegung beitragen, können dargestellt werden durch: W(t) = x(t) + jy(t) Gleichung (2)
Eine Winkelbewegung kann auf eine analoge Weise als Drehbewegung um die X- und/oder die Y-Achse definiert werden. Zum Bestimmen der Dämpfungskraft wird die Geschwindigkeit, z. B. Ẇ, bestimmt, bei der ein Versatz auftritt. Daher werden durch Reduzieren oder Minimieren der durch Gleichung (2) definierten Fläche die in dieser Fläche enthaltenen zwei stärksten Moden in der X- und Y-Richtung abgeschwächt, die zu unvorhersagbaren Rundlaufabweichungen beitragen. Um zu bestimmen, wo die beiden stärksten Moden auftreten, kann man die Frequenzen bestimmen, bei denen sie auftreten, z. B. die den beiden stärksten Moden entsprechenden Frequenzen. Nachdem die Frequenzen bestimmt sind, kann die durch Gleichung (2) definierte Fläche reduziert werden, um die zu unvorhersagbaren Rundlaufabweichungen beitragenden stärksten Moden abzuschwächen. Eine Fouriertransformation von Gleichung (2) kann dargestellt werden durch: Fourier(x(t) + jy(t)) → W(f) Gleichung (3) wodurch Frequenzen von W(f) bestimmbar sind, bei denen die beiden stärksten Moden auftreten, wie durch Gleichung (3) definiert ist.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Korrigieren der Versatzbewegung eines sich drehenden Objekts gemäß einer Ausführungsform. Gemäß einer Ausführungsform ist das sich drehende Objekt eine Spindel, verschiedene Ausführungsformen können jedoch ein beliebiges anderes sich drehendes Objekt aufweisen. Die Vorrichtung 100 kann eine Sensorplatine 110, einen Wandler 120, ein Filter 130 und einen Aktuator 140 aufweisen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibung einer Spindel in den hierin dargestellten Ausführungsformen lediglich exemplarisch ist und den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken soll. Beispielsweise sind die hierin beschriebenen Ausführungsformen gleichermaßen auf andere sich drehende Objekte anwendbar, wie beispielsweise einen Rotor, einen Motor, ein Gyroskop usw.
In einer Ausführungsform erfasst die Sensorplatine 110 einen Versatz der Spindel. Die Sensorplatine 110 kann beispielsweise einen Versatz der Spindel in der X-Y-Richtung erfassen, während die Spindel in Bewegung ist. Die Sensorplatine 110 gibt diese Information als einen Bitstrom aus. Die Sensorplatine 110 kann außerdem die Position der Drehachse der Spindel bestimmen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Sensorplatine 110 Druck und Strömung, z. B. unter Verwendung eines Mikrofons, ein Magnetfeld zum Detektieren, z. B. unter Verwendung eines Hall-Sensors, ein elektrisches Feld, z. B. unter Verwendung einer Ladungskopplung, verwenden kann oder optische Elemente wie beispielsweise Optonik oder einen Laser nutzen kann, um nur einige zu nennen. In den beschriebenen Ausführungsformen wird jedoch ein rotierendes elektrisches Feld zum Bestimmen der Position der Drehachse der Spindel verwendet.
Der Wandler 120 kann die mit dem Versatz der Spindel und mit der Drehposition des elektrischen Feldes in Beziehung stehende Information empfangen, die durch die Sensorplatine 110 bestimmt wird. Außerdem kann der Wandler 120 mit der Spindel in Beziehung stehende Information empfangen, z. B. die Drehposition der Spindel. Daher erzeugt der Wandler 120 ein Rückkopplungssignal, das mit der Form des elektrischen Feldes und der Form der Spindel in Beziehung stehende Information enthält, die stationär ist. Infolgedessen kann die Sensorplatine 110 das Rückkopplungssignal nutzen, um stationäre Information herauszufiltern und dadurch einen Bitstrom auszugeben, der nur den Änderungsanteil des Signals enthält. Der erzeugte Bitstrom enthält den Versatz der Spindel. Die Funktionsweisen der Sensorplatine 110 und des Wandlers 120 werden unter Bezug auf 2 ausführlicher beschrieben.
Das Filter 130 kann mit dem Versatz und mit der Position des sich drehenden elektrischen Feldes in Beziehung stehende Information empfangen. Das Filter 130 kann die momentane Geschwindigkeit einer unvorhersagbaren Rundlaufabweichung der Spindel bestimmen. Das Filter 130 kann mit der momentanen Geschwindigkeit in Beziehung stehende Information übertragen. Beispielsweise kann das Filter 130 ein Kraftpulscodemodulationssignal übertragen. Die Kraftpulscodemodulation kann Information enthalten, die mit der Position, an der eine Kraft auf die Spindel ausgeübt werden soll, mit der Größe der Kraft, welche Spulenwicklungen des Aktuators 140 aktiviert werden sollen, ob eine geradzahlige oder eine ungeradzahlige Wicklung durch den Aktuator verwendet werden soll, usw in Beziehung steht. Alternativ kann die Kraftpulscodemodulation Information enthalten, die mit der Position, an der eine Kraft auf die Spindel ausgeübt wird, die die zwei dominanten Moden erzeugt, mit der Größe der Kraft, usw. in Beziehung steht.
Der Aktuator 140 erzeugt eine Kraft gemäß der Kraftpulscodemodulation und ferner basierend auf der Wicklungsinformation, z. B. ob ungeradzahlige oder geradzahlige Wicklungen verwendet werden sollen, um die Dämpfungskraft zu erhöhen und die Systemschwingung zu reduzieren. Daher übt der Aktuator 140 eine Kraft an einer bestimmten Position des Aktuators 140 auf die Spindel aus, um den Versatz der Spindel zu korrigieren und dadurch die geeignete Dämpfungskraft auszuüben. In der vorliegenden Ausführungsform verwendet der Aktuator 140 ein Magnetfeld, z. B. eine elektromagnetische Kraft. In anderen Ausführungsformen kann der Aktuator 140 jedoch Druck und Strömung verwenden, z. B. Luftstrahlen, oder kann ein elektrisches Feld verwenden, z. B. ein Piezoelement, um nur einige zu nennen.
2 zeigt ein schematisches Diagramm einer Schaltung 200, die zum Bestimmen des Versatzes einer sich drehenden Platte basierend auf durch Versatzsensoren bereitgestellter Information verwendbar ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung 200 weist elektrische Erdungsknoten 204 und Schalter 201, 202 und 203 auf. Die Schaltung 200 weist ferner Elektroden 205–207, Kondensatoren 208 und 210, einen Sigma-Delta-Wandler 214, einen Integrator 212, eine Steuereinheit 211 und einen 1/rev-Block 216 auf.
Wenn ein Taktsignal, z. B. ϕ1, ϕ2, ϕ3 oder ϕ4 auf einen hohen Pegel übergeht, kann der diesem Takt entsprechende Schalter schließen, d. h. die Verbindung kann kurzgeschlossen werden. Wenn dagegen ein Taktsignal auf einen niedrigen Pegel übergeht, kann der diesem Takt entsprechende Schalter öffnen.
Die Elektroden 205 können Vorspannelektroden 205 aufweisen, und die Elektroden 206 können Erfassungselektroden 206 aufweisen. Die Erfassungselektroden 206 können einem ersten Erfassungsring und einem zweiten Erfassungsring (nicht dargestellt) zugeordnet oder damit gekoppelt sein. Die Elektroden 207 können potentialfreie Elektroden 207 aufweisen, die einem potentialfreien Ring (nicht dargestellt) zugeordnet oder damit gekoppelt sein können. Daher kann der Kondensator 209 einer zwischen dem ersten Erfassungsring, dem zweiten Erfassungsring, den Vorspannelektroden 205 und den potentialfreien Elektroden 207 gebildeten Kondensatoranordnung entsprechen. Weitere kapazitive Komponenten zwischen dem ersten Erfassungsring, dem zweiten Erfassungsring, den Vorspannelektroden 205 und den potentialfreien Elektroden 207 sind zum Verdeutlichen der Figur nicht dargestellt.
Die Schalter 203 öffnen, wenn das Signal ϕ3 auf einen niedrigen Pegel übergeht. Infolgedessen wird veranlasst, dass die Vorspannelektroden 205 potentialfrei sind. Ungefähr zu diesem Zeitpunkt geht das Signal ϕ4 in Vorbereitung auf seine nächste Anstiegsflanke auf einen niedrigen Pegel über. Wenn das Signal ϕ2 auf einen niedrigen Pegel übergeht, können die Schalter 202 öffnen. Dadurch wird veranlasst, dass die Kondensatoren 208 und 210 auf einen potentialfreien Zustand eingestellt werden, so dass die Kondensatoren 208 und 210 die durch die Vorspannelektroden 205 erzeugte und durch den Versatz eines Objekts im elektrischen Feld geänderte nächste elektrische Ladung abtasten können. Die Steuereinheit 211 kann die Drehposition des elektrischen Feldes steuern, das den zum Abtasten einer elektrischen Ladung verwendeten Steuerelektroden zugeordnet ist, und der 1/rev-Block 216 erzeugt ein stationäres Signal, das einem elektrischen Feld zugeordnet ist, das die Form der Spindel widerspiegelt, und einer Steuereinheit 211.
Wenn das Signal ϕ1 auf einen hohen Pegel übergeht, kann der Schalter 201 schließen. Infolgedessen werden die Vorspannelektroden 205 und die Erfassungselektroden 206 zu den Erdungsknoten 204 kurzgeschlossen. Gleichzeitig wird die Vorspannung gesetzt, was zu einem Ladungsübergang über die potentialfreien Kondensatoren 209 führt, der durch die Kondensatoren 208 und 210 abgetastet wird.
Wenn das Signal ϕ4 auf einen hohen Pegel übergeht, kann der Sigma-Delta-Wandler 214 das Vorzeichen der erhaltenen Ladung auf dem Integrator 212 für eine Weiterverarbeitung erfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Integrator 212 ein Transkonduktanz-Operationsverstärker mit Ein- und Ausgangsanschlüssen sein, die durch Kondensatoren 208 und 210 verbunden sind. Der Integrator 212 kann einen zuvor im Sigma-Delta-Wandler 214 gespeicherten Wert mit einem aktuellen Messwert kombinieren und den kombinierten Wert im Sigma-Delta-Wandler 214 speichern. Das Signal ϕ2 kann auf einen hohen Pegel übergehen und veranlassen, dass die Schalter 202 schließen. Daher werden die Ladungspegel auf den Abtasthaltekondensatoren 208 und 210 als Ergebnis des Kurzschlusses zurückgesetzt.
Wenn das Signal ϕ1 auf einen niedrigen Pegel übergeht, können die Schalter 201 öffnen, und wenn das Signal ϕ3 auf einen hohen Pegel übergeht, können die Schalter 203 schließen. Dadurch werden die Vorspannpotentiale der Vorspannelektroden 205 und der Erfassungselektroden 206 gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt können die Vorspannelektroden 205 vorgespannt werden, um das elektrische Feld auf die nächste Drehposition des elektrischen Feldes zu drehen. Die Steuereinheit 211 kann die Drehposition des den Vorspannelektroden 205 zugeordneten elektrischen Feldes steuern, und der 1/rev-Block 216 erzeugt ein dem elektrischen Feld zugeordnetes stationäres Signal, das die Form der Spindel widerspiegelt und zu den Erfassungselektroden 206 zurückgeführt wird.
Wenn das Signal ϕ3 erneut auf einen niedrigen Pegel übergeht, wird veranlasst, dass die Schalter 203 öffnen. Daher werden die Vorspannelektroden 205 erneut potentialfrei geschaltet, wodurch der vorangehende Taktzyklus 230 endet und der nächste Taktzyklus eingeleitet wird.
In einer anderen Ausführungsform können, wenn das Signal ϕ2 auf einen niedrigen Pegel übergeht, die Schalter 202 öffnen. Dadurch wird veranlasst, dass die Kondensatoren 208 und 210 potentialfrei geschaltet werden, so dass die Kondensatoren 208 und 210 die nächste elektrische Feldladung abtasten können, die durch die Vorspannelektroden 205 erzeugt und durch den Versatz eines Objekts innerhalb des elektrischen Feldes geändert wird. Wenn das Signal ϕ3 auf einen niedrigen Pegel übergeht, können die Schalter 203 öffnen. Dadurch wird veranlasst, dass die Vorspannelektroden 205 und die Erfassungselektroden 206 potentialfrei geschaltet werden. Ungefähr zu diesem Zeitpunkt geht das Signal ϕ4 in Vorbereitung auf seine nächste Anstiegsflanke auf einen niedrigen Pegel über.
Gemäß einer Ausführungsform können, wenn das Signal ϕ1 auf einen hohen Pegel übergeht, die Schalter 201 schließen. Dadurch werden die Vorspannelektroden 205 und die Erfassungselektroden 206 zu den Erdungskonten 204 kurzgeschlossen. Dieser Kurzschluss zur Masse ändert das Potential der Vorspannelektroden 205 und der Erfassungselektroden 206, was zu einem Ladungsübergang über die potentialfreien Kondensatoren 209 führt, der durch die Kondensatoren 208 und 210 abgetastet wird.
In einer Ausführungsform, wenn das Signal ϕ4 auf einen hohen Pegel übergeht, kann ein Sigma-Delta-Wandler 214 das Vorzeichen der erhaltenen Ladung auf einem Integrator 212 für eine Weiterverarbeitung erfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Integrator 212 ein Transkonduktanz-Operationsverstärker mit Ein- und Ausgangsanschlüssen sein, die durch Kondensatoren 208 und 210 verbunden sind. Der Integrator 212 kann einen zuvor im Sigma-Delta-Wandler 214 gespeicherten Wert mit einem aktuellen Messwert integrieren und den integrierten Wert im Sigma-Delta-Wandler 214 speichern. Wenn das Signal ϕ2 auf einen hohen Pegel übergeht, können die Schalter 202 schließen. Daher werden die Ladungspegel auf den Abtasthaltekondensatoren 208 und 210 als Ergebnis des Kurzschlusses zurückgesetzt.
Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn das Signal ϕ1 auf einen niedrigen Pegel übergeht, die Schalter 201 öffnen können, und wenn das Signal ϕ3 auf einen hohen Pegel übergeht, die Schalter 203 schließen können. Dadurch werden die Vorspannpotentiale der Vorspannelektroden 205 und der Erfassungselektroden 206 gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt können die Vorspannelektroden 205 vorgespannt werden, um das elektrische Feld auf die nächste Drehposition des elektrischen Feldes zu drehen.
Wenn das Signal ϕ2 im nächsten Taktzyklus erneut auf einen niedrigen Pegel übergeht, wird veranlasst, dass die Schalter 202 öffnen. Dadurch wird veranlasst, dass die Kondensatoren 208 und 210 erneut auf einen potentialfreien Zustand geschaltet werden, wodurch der vorangehende Taktzyklus beendet und der nächste Taktzyklus eingeleitet wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass 32 Vorspannelektroden 205 verwendet werden können, um 32 Positionen des elektrischen Feldes zu erzeugen. Für jede Position des elektrischen Feldes kann die Schaltung einen Taktzyklus abschließen. Dadurch kann für jede der 32 Positionen ein elektrisches Feld erzeugt werden, und das elektrische Feld kann für jede der 32 Positionen abgetastet werden.
In einigen Ausführungsformen kann der Sigma-Delta-Wandler 214 mehrere Register zum Speichern eines Wertes aufweisen, der einer jeweiligen Position des elektrischen Feldes zugeordnet ist. Beispielsweise kann, wenn 32 Positionen des elektrischen Feldes vorhanden sind, der Sigma-Delta-Wandler 214 32 Register zum Speichern elektrischer Feldstärkewerte aufweisen, die den jeweiligen Positionen entsprechen. In verschiedenen Ausführungsformen können, wenn das elektrische Feld eine volle Umdrehung abgeschlossen hat und die nächste Umdrehung beginnt, die Werte im Sigma-Delta-Wandler mit dem Mittelwert aus dem vorangehend gespeicherten Messwert und dem aktuellen Messwert überschrieben werden. Dadurch kann der Messwert für jede Position eines Objekts überabgetastet werden.
Daher können die Sensoren zusammen mit dem Wandler bestimmen, ob ein Spindelversatz aufgetreten ist. Außerdem können die Sensoren und der Wandler die Versatzposition und -amplitude bestimmen. Die bestimmte Information kann an das Filter, z. B. das Filter 130, übertragen werden. Gemäß einer Ausführungsform kann das Filter ein unter Bezug auf 3 beschriebener Codemodulator sein.
3 zeigt einen exemplarischen Codemodulator gemäß einer Ausführungsform. Gemäß einer Ausführungsform empfängt ein Dezimationsfilter 302 des Codemodulators 300 einen dem Versatzmaß zugeordneten Bitstrom und empfängt ferner eine Position des der Versatzposition zugeordneten elektrischen Feldes. Das Dezimationsfilter 302 vermindert die Anzahl der Abtastwerte und filtert Rauschen heraus. Die momentanen Geschwindigkeiten in der X- und in der Y-Richtung werden unter Verwendung der Kosinus- bzw. der Sinusfunktion berechnet. Der Codemodulator 300 gibt in diesem Fall zwei Signale aus, z. B. ein Signal F1 und ein Signal F2, die jeweils einer dominanten Mode zugeordnet sind. Daher wird darauf hingewiesen, dass, wenn drei dominante Moden eliminiert werden sollen, der Codemodulator 300 drei Signale ausgibt. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Codemodulator 300 eine beliebige Anzahl von Signalen ausgeben, die einer beliebigen Anzahl gewünschter Moden entspricht. In weiteren Ausführungsformen können die gewünschten Moden von dominanten Moden verschiedene Moden aufweisen, z. B. Nebenmoden. Das Ausgangssignal des Codemodulators 300 wird an den Aktuator 140 übertragen.
4 zeigt einen Aktuator 400 gemäß einer Ausführungsform. Der Aktuator 400 kann mehrere Statorzähne 406 aufweisen. Der Spalt zwischen den Zähnen 406 und dem Rotor kann gemäß einer Ausführungsform im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,0 mm liegen.
Um jeden Zahn können Wicklungen 402 und 404 gewickelt sein, um jeweils eine entsprechende Spule zu bilden. Es wird darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Ausführungsform die Spule 402 geradzahlig und die Spule 404 ungeradzahlig ist. Geradzahlig und ungeradzahlig bezeichnen die Richtung des Magnetfeldes oder des magnetischen Flusses, der durch einen in den Wicklungen der jeweiligen Spule fließenden Strom erzeugt wird. Andere Spulen, die anderen Zähnen zugeordnet sind, können ebenfalls entweder ungeradzahlig oder geradzahlig sein, und die Anzahl der Wicklungen jeder Spule kann derjenigen der Spule 402 oder der Spule 404 gleichen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass es nicht notwendig ist, dass alle geradzahligen Spulen die gleiche Wicklungszahl haben, und es wird ferner darauf hingewiesen, dass es nicht notwendig ist, dass alle ungeradzahligen Spulen die gleiche Wicklungszahl haben. Beispielsweise kann eine geradzahlige Spule 10 Wicklungen haben, während eine andere geradzahlige Wicklung 12 Wicklungen haben kann. Daher sind die Anzahl der geradzahligen oder ungeradzahligen Spulen sowie die Wicklungszahl jeder dieser hierin beschriebenen Spulen lediglich exemplarisch und sollen den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Aktuator 400 eine 2×5-Phasen-Spule, wobei 2 ungeradzahlige/geradzahlige Spulen bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform sind die geradzahligen Spulen im Uhrzeigersinn gewickelt, während die ungeradzahligen Spulen im Gegenuhrzeigersinn gewickelt sind. Es wird darauf hingewiesen, dass die Richtung der hierin beschriebenen Wicklung exemplarisch ist und den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken soll. Signale F1 und F2 bezeichnen die beiden Kraftsignale, die durch den Aktuator auf die Spindel ausgeübt werden, um den gemessenen Versatz zu korrigieren und die Kraft zu dämpfen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Kraftsignale F1 und F2 Momentanwerte in der Zeit sind, und dass sie sich mit der Zeit ändern, wenn der Versatz sich während der Drehbewegung der Spindel ändert. Beispielsweise sind mögliche zukünftige Signale F1 und F2 durch gestrichelte Pfeile dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Signale F1 und F2 exemplarisch sind und die Position und die Größe der Signale F1 und F2 sich in Abhängigkeit vom gemessenen Versatz und dergleichen ändern können. Es wird darauf hingewiesen, dass die Signale F1 und F2 Pulsbreitenmodulationssignale sein können.
5 zeigt einen Aktuator 500 gemäß einer Ausführungsform in größerem Detail. Der Aktuator 500 kann mehrere Zähne aufweisen, von denen zwei 510 und 512 gezeigt sind. Jeder Zahn kann eine entsprechende, ihm zugeordnete Spulenwicklung aufweisen, z. B. die dem Zahn 512 zugeordnete Wicklung 506 und die dem Zahn 510 zugeordnete Wicklung 508. Es wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Wicklungen ungeradzahlig oder geradzahlig sein können. Für Darstellungszwecke wird jedoch angenommen, dass die Spulenwicklung 506 geradzahlig und im Uhrzeigersinn gewickelt ist, und die Spulenwicklung 508 ungeradzahlig und im Gegenuhrzeigersinn gewickelt ist. Eine Seite jeder Spulenwicklung kann mit einem Schalter verbunden sein. Beispielsweise kann die Spulenwicklung 506 mit dem Schalter 502 und die Spulenwicklung 508 mit dem Schalter 504 verbunden sein. Die andere Seite der Spulenwicklung kann mit einer Spannungssignalquelle, z. B. V_M, verbunden sein.
Es wird darauf hingewiesen, dass, auch wenn in der Darstellung die gleiche Spannungssignalquelle mit diesen Spulenwicklungen verbunden ist, verschiedene Spannungssignalquellen verbunden sein können, z. B. V_M für eine und –V_M für eine andere. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass die Wicklung, z. B. im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn, geradzahlige oder ungeradzahlige Spulenwicklungen, lediglich exemplarisch sind und den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken sollen.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Gate-Anschluss jedes Schalters, z. B. der Gate-Anschluss der Schalter 502 und 504, mit dem vom Modulator empfangenen Signal verbunden sein kann, z. B. mit dem Signal F1 und dem Signal F2. Es wird darauf hingewiesen, dass die empfangenen Signale Pulsbreitenmodulationssignale sein können, so dass die Spulen des Aktuators eine Mikroschritt-Pulsbreitenmodulation von Spule zu Spule ausführen. In Antwort darauf, dass die empfangen Signale F1 und F2 einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten, schließen die Schalter 502 und 504, wodurch veranlasst wird, dass V_M verbunden wird, wodurch veranlasst wird, dass ein Strom durch die Spulenwicklungen fließt. Der Stromfluss erzeugt ein elektrisches Feld und damit eine auf die Spindel ausgeübte Kraft. Die ausgeübte Kraft korrigiert die gemessenen Versätze und gleicht sie aus und führt zu einer Dämpfung, wodurch unvorhersagbare Rundlaufabweichungen vermindert werden.
6 zeigt ein exemplarisches Draufsichtdiagramm der Versatzkraft und der Korrekturkraft gemäß einer Ausführungsform. In diesem Beispiel sind zwei dominante Kräfte, die zu unvorhersagbaren Rundlaufabweichungen beitragen, durch nrro1 610 und nrro2 620 dargestellt. In einer Ausführungsform erstrecken sich die Kräfte 630 und 640, die auf die Spindel ausgeübt werden sollen, um Versätze und unvorhersagbare Rundlaufabweichungen zu korrigieren und auszugleichen, senkrecht zu nrro1 und nrro2. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass in verschiedenen Ausführungsformen die Kräfte 630 und 640 sich nicht notwendigerweise senkrecht zu der urvorhersagbaren Rundlaufabweichung (wie dargestellt) erstrecken müssen. Die Korrekturkräfte 630 und 640 können in diesem Fall zum Dämpfen der beiden dominanten Moden verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Korrekturkräfte variiert, wenn die Anzahl zu dämpfender dominanter Moden variiert. Beispielsweise kann, wenn drei dominante Moden gedämpft werden sollen, die Anzahl ausgeübter Kräfte ebenfalls drei betragen.
7 zeigt ein System 700 gemäß einer Ausführungsform. Das System 700 weist einen Motor und Resolver 710, ein Querlager 720, ein Axiallager 730, eine Sensorplatine 740, optionale Sensorplatinen 750–760 und eine Aktuatoreinheit 770 auf. Gemäß einer Ausführungsform kann ein Rotor/Payload-Plattenstapel mit der Spindel verbunden sein. Der Motor und Resolver 710 dreht sich, wodurch die Spindel sich dreht. Dadurch kann die Payload oder der Plattenstapel eine Strömungsanregung erfahren. Das Querlager 720 und das Axiallager 730 können zum Vermindern der Strömungsanregung und von unvorhersagbaren Rundlaufabweichungen verwendet werden. Die Sensorplatine 740 ist der vorstehend beschriebenen Sensorplatine 110, 200 ähnlich. Die Sensorplatine 740 kann die Sigma-Delta-Komponente aufweisen, wie vorstehend beschrieben wurde.
Das System 700 kann eine Filterplatine (nicht dargestellt) aufweisen. Die Filterplatine kann in einer Ausführungsform in der Sensorplatine 740 integriert sein oder in einer anderen Ausführungsform in der Aktuatoreinheit 770 integriert sein. Gemäß einer Ausführungsform ist die Filterplatine eine separate Platine und weder in der Sensorplatine 740 noch in der Aktuatorplatine 770 integriert. Die Filterplatine arbeitet ähnlich wie das Filter 130 oder der Codemodulator 300.
Die Aktuatoreinheit 770 arbeitet ähnlich wie der vorstehend beschriebene Aktuator 140, 400 oder 500. Die Aktuatoreinheit 770 verwendet die Information von der Sensorplatine 740 und von der Filterplatine und übt eine geeignete Kraft an einer geeigneten Position aus, um die gemessenen Versätze zu korrigieren. Dadurch werden unvorhersagbare Rundlaufabweichungen vermindert und wird eine stärkere Dämpfung erzielt.
Es wird darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden exemplarischen Ausführungsform auch weitere Sensorplatinen 750 und 760 zum Messen von Versätzen und dergleichen für die verschiedenen Abschnitte des sich drehenden Körpers und für eine exaktere Messung verwendbar sind. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der zusätzlichen Sensorplatinen 750 und 760 optional ist. Die zusätzlichen Sensorplatinen 750 und 760 können ähnlich funktionieren wie die Sensorplatine 740.
8 zeigt ein exemplarisches Ablaufdiagramm 800 gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 810 werden Versätze eines sich drehenden Objekts, z. B. einer Spindel, bestimmt. Beispielsweise kann eine Sensorplatine verwendet werden wie sie vorstehend beschrieben wurde. In Schritt 820 wird eine Position bestimmt, bei der die erfassten Versätze auftreten. Gemäß einer Ausführungsform kann eine Sigma-Delta-Schaltung verwendet werden.
In Schritt 830 wird die der Position der Versätze zugeordnete momentane Geschwindigkeit bestimmt. Gemäß einer Ausführungsform können eine Filterplatine oder ein Codemodulator, wie sie vorstehend beschrieben wurden, verwendet werden. In Schritt 840 kann ein auf der momentanen Geschwindigkeit basierendes Signal erzeugt werden. Das Signal kann durch die Filterplatine oder einen Codemodulator erzeugt werden, wie vorstehend beschrieben wurde. Das Signal kann ein Pulsbreitenmodulationssignal sein.
In Schritt 850 empfängt eine Aktuatoreinrichtung das erzeugte Signal. Das erzeugte Signal wird verwendet, um die der Aktuatoreinrichtung zugeordneten Schalter ein-/auszuschalten. Durch Ein-/Ausschalten der Schalter wird veranlasst, dass der Strom durch den geeigneten Zahn (die geeigneten Zähne) des Aktuators fließt, z. B. durch eine geeignete Spulenwicklung. In Schritt 860 erzeugt der durch den geeigneten Zahn des Aktuators fließende Strom ein elektrisches Feld und eine daraus resultierende Kraft. Die erzeugte Kraft wird auf das sich drehende Objekt, z. B. eine Spindel, ausgeübt, wodurch die gemessenen Versätze korrigiert und das System gedämpft wird.
Die vorstehende Beschreibung ist zur Erläuterung unter Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden. Die vorstehenden, zur Darstellung dienenden Diskussionen sollen jedoch nicht umfassend sein oder die Erfindung auf die dargestellten präzisen Ausgestaltungen beschränken. Hinsichtlich der vorstehenden Lehren sind viele Modifikationen und Änderungen möglich.

Claims

Vorrichtung mit: mehreren Sensoren, die betreibbar sind, um Versätze einer sich bewegenden Spindel zu erfassen; einem mit den mehreren Sensoren verbundenen Wandler, wobei der Wandler betreibbar ist, um jeweilige Positionen der Versätze zu bestimmen; einem Filter, der betreibbar ist, um den Positionen der Versätze zugeordnete momentane Geschwindigkeiten zu bestimmen, und ferner betreibbar ist, um eine erste Kraft basierend auf der momentanen Geschwindigkeit zu bestimmen; und einem Aktuator, der betreibbar ist, um eine zweite Kraft auf die Spindel auszuüben, wobei die zweite Kraft der ersten Kraft und den Versätzen im Wesentlichen entgegenwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Sensoren aus der Gruppe bestehend aus einem Hall-Sensor, einem Ladungskopplungssensor und einem Mikrophon ausgewählt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aktuator aus der Gruppe bestehend aus einem Luftstrom, einem Piezoelement und einem Elektromagnet ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aktuator ein elektromagnetischer Aktuator ist und ungeradzahlige und geradzahlige Spulen aufweist, die im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn gewickelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Spaltgröße zwischen dem Aktuator und den mehreren Sensoren im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,0 mm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mehreren Sensoren mindestens 32 Sensoren aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Filter ein Dezimationsfilter aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner mit: mehreren Schaltern, wobei jedem Schalter der mehreren Schalter eine Spulenwicklung zugeordnet ist, die einem Zahn des Aktuators zugeordnet ist, und wobei Schalter der mehreren Schalter in Antwort auf die erste Kraft ein- und ausgeschaltet werden, um die zweite Kraft zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wandler eine Sigma-Delta-Komponente aufweist.
Vorrichtung mit: einer Schaltung, die betreibbar ist, um Versätze eines sich drehenden Objekts zu erfassen, wobei die Schaltung betreibbar ist, um Positionen der Versätze zu erfassen, und wobei die Schaltung ferner betreibbar ist, um ein der Position und den Versätzen zugeordnetes Signal zu erzeugen; einem Codemodulator, der betreibbar ist, um ein moduliertes Signal basierend auf der Position und den Versätzen zu erzeugen; und einem Aktuator, der betreibbar ist, um eine Kraft auf das sich drehende Objekt auszuüben, wobei die Kraft auf dem modulierten Signal basiert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das modulierte Signal ein Kraftpulscodemodulationssignal aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Kraft die Versätze im Wesentlichen ausgleicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Schaltung mehrere Sensoren und eine Sigma-Delta-Komponente aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Aktuator ein elektromagnetischer Aktuator ist und ungeradzahlige und geradzahlige Spulen aufweist, die im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn gewickelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei eine Spaltgröße zwischen dem Aktuator und der Schaltungen im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,0 mm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, ferner mit: mehreren Schaltern, wobei jedem Schalter der mehreren Schalter eine Spulenwicklung zugeordnet ist, die einem Zahn des Aktuators zugeordnet ist, und wobei Schalter der mehreren Schalter in Antwort auf das modulierte Signal ein und ausgeschaltet werden.
Vorrichtung mit: einer ersten Vielzahl von Zähnen mit einer ersten Vielzahl von Spulenwicklungen; einer zweiten Vielzahl von Zähnen mit einer zweiten Vielzahl von Spulenwicklungen; und mehreren Schaltern, wobei jedem der mehreren Schalter ein Zahn der ersten Vielzahl von Zähnen oder ein Zahn der zweiten Vielzahl von Zähnen zugeordnet ist, mindestens ein Schalter der mehreren Schalter, die der ersten Vielzahl von Zähnen zugeordnet sind, und mindestens ein Schalter der Vielzahl von Schaltern, die der zweiten Vielzahl von Zähnen zugeordnet sind, dazu geeignet sind, in Antwort auf ein Signal eingeschaltet zu werden, das Signal einer Kraft, einer Versatzposition eines sich drehenden Objekts und einer momentanen Geschwindigkeit an der Versatzposition zugeordnet ist, und durch Einschalten der Schalter eine Korrekturkraft auf das sich drehende Objekt ausgeübt wird, um den Versatz im Wesentlichen auszugleichen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die erste Vielzahl von Spulen eine ungeradzahlige Spulenwicklung im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn um die erste Vielzahl von Zähnen sind, die zweite Vielzahl von Spulen eine geradzahlige Spulenwicklung um die zweite Vielzahl von Zähnen sind, und die zweite Vielzahl von Spulen im Uhrzeigersinn gewickelt sind, wenn die erste Vielzahl von Spulen im Gegenuhrzeigersinn gewickelt sind, oder im Gegenuhrzeigersinn, wenn die erste Vielzahl von Spulen im Uhrzeigersinn gewickelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Korrekturkraft eine elektromagnetische Kraft ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Signal ein Kraftpulscodemodulationssignal aufweist.