-
Die Erfindung betrifft ein Positioniergerät gemäß dem Anspruch 1, welches insbesondere zur präzisen Bewegung eines Schwenkarmes für einen Servo-Track-Writer geeignet ist.
-
Derartige Positioniergeräte werden, wie oben erwähnt, häufig in Servo-Track-Writern (STW) eingesetzt, wo die Spuren oder Tracks für magnetisierbare Festplatten eingerichtet, beziehungsweise geschrieben werden. Dabei wird im STW durch ein Positioniergerät eine Welle geschwenkt, an der ein Schwenkarm befestigt ist. An dessen Ende ist ein Schreibkopf vorgesehen der letztlich durch die Schwenkbewegung der Welle bewegt und hochpräzise positioniert wird, so dass möglichst viele Spuren pro Flächeneinheit der Festplatte konfiguriert werden können. Die Anzahl der Spuren, die pro Flächen- beziehungsweise Durchmessereinheit (Tracks per Inch) eingerichtet sind, ist ein Maß für die Speicherkapazität von Festplatten. Aus diesem Grund werden permanent Anstrengungen unternommen, eine möglichst enge Spureneinteilung zu erreichen. Damit eine Konfiguration von Festplatten mit enger Spureneinteilung beim Festplattenhersteller wirtschaftlich vorgenommen werden kann, muss eine exakte Positionierung des Schwenkarmes des STW in sehr kurzer Zeit möglich sein (Seek and Settle Time).
-
Aus der Publikation ”Servo Track Writing Technology” (Fujitsu Sci. Tech. J., 37,2, p. 220–226) vom Dezember 2001 sind Positioniergeräte bekannt, bei denen durch eine separate Abtasteinheit die Position des Schwenkarmes abgetastet wird. Der Aufwand zur relativen Positionierung der Abtasteinheit zur Mechanik des Schwenkarmes ist dabei nicht unerheblich.
-
Aus der Offenlegungsschrift
EP 0 384 495 A2 ist eine Vorrichtung mit einem Antrieb und einer Positionsmesseinrichtung zum positionsgenauen Drehen einer Welle bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist der Rotor des Antriebs axial zwischen einer zur Positionsmesseinrichtung gehörenden Codescheibe und einem Lager angeordnet.
-
Darüber hinaus sind auch Positioniergeräte bekannt, bei denen die Abtasteinheit beziehungsweise die gesamte Positionsmesseinrichtung zur Messung der Winkelstellung der zu schwenkenden Welle, innerhalb eines Gehäuses untergebracht ist. Damit eine steife Lagerung erreicht wird, sind bei den Positioniergeräten dieser Bauart Wälzlagereinheiten mit möglichst weitem Abstand im Gehäuse der Positioniergeräte angeordnet, so dass sich die Positionsmesseinrichtung und der Antrieb zum Bewegen der Welle zwischen den zwei Wälzlagereinheiten befinden.
-
Die bekannten Positioniergeräte haben den Nachteil, dass sie entweder vergleichsweise aufwändig und nicht kompakt aufgebaut sind und/oder bezüglich der Genauigkeit und der Seek and Settle Time nicht mehr verbesserbar sind.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Positioniergerät zu schaffen welches eine kompakte Bauweise aufweist und eine überaus genaue Positionierung sowie eine sehr kurze Seek and Settle Zeiten ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaffung eines Positioniergerätes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Wichtig für das gute Funktionieren des Positioniergerätes ist demnach die Reihenfolge in welcher, ausgehend vom Wellenende an dem der Schwenkarm angebracht werden kann, der Schwenkantrieb, die Lagereinheit, die Positionsmesseinrichtung, entlang der Welle angeordnet sind.
-
Das erfindungsgemäße Positioniergerät hat den Vorteil, dass es eine einfache und wirtschaftlich günstige Bauweise und eine genaue und schnelle Positionierung ermöglicht.
-
Es hat sich nun gezeigt, dass Ungenauigkeiten bei der Positionierung eines Schwenkarmes an einer schwenkbaren Welle in nicht zu vernachlässigbarem Maße durch die Anordnung der Wälzlager an der Welle zwischen der Positionsmesseinrichtung und dem Schwenkarm, beziehungsweise dem Wellenende an dem der Schwenkarm angebracht wird, herrühren. Überraschenderweise stellte sich heraus, dass das Gesamtverhalten des Positioniergerätes bezüglich Positioniergenauigkeit und Seek and Settle Time verbessert wird, wenn eine zentrale Lagereinheit etwa in der Mitte der Welle angeordnet ist. Vermeintliche Einbußen im Bereich der Steifigkeit und Schwingungsunempfindlichkeit des Systems spielen folglich im Gesamtverhalten des Positioniergerätes nur eine untergeordnete Rolle. Zwischen der Positionsmesseinrichtung und dem Wellenende, an dem der Schwenkarm befestigbar ist, ist also kein Wälzlager vorgesehen werden, so dass hier praktisch keine Reibungskräfte auftreten, die eine torsionsbedingte Verformung der Welle verursachen würden.
-
Die Steifigkeit der Lagerung kann weiterhin erhöht werden, wenn eine Lagereinheit aus zwei Wälzlagern verwendet wird, die gemäß einer O-Anordnung eingebaut und mit Vorteil vorgespannt sind.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Positioniergerät ein Gehäuse auf, in welchem alle Komponenten des Positioniergeräts untergebracht sind, wobei das Wellenende, an dem ein Schwenkarm befestigbar ist, aus dem Gehäuse ragt. Der Durchtritt der Welle durch das Gehäuse ist vorteilhafterweise mit einer Dichtung versehen, so dass keine Verschmutzungen in das Gehäuse eindringen können. Zwischen Dichtung und Welle treten praktisch keine Reibungskräfte auf, weil hier ein minimaler Luftspalt einen berührungslosen Betrieb ermöglicht, so dass bei dieser Bauweise keine torsionsbedingten Verformungen der Welle entstehen können.
-
Die neuartige Anordnung der entsprechendenden Bauteile wird vorzugsweise mit einer hochgenauen Positionsmesseinrichtung kombiniert, um die Vorteile des mechanischen Ausbaus in vollem Maße zur Geltung zu bringen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher eine fotoelektrische Abtastung nach dem interferentiellen Messprinzip verwendet.
-
Weitere Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer Figur deutlich werden.
-
Es zeigt die 1 eine Schnittdarstellung durch das erfindungsgemäße Positioniergerät.
-
In der 1 ist ein Positioniergerät dargestellt, wie es im Zusammenhang mit STMs eingesetzt wird. Die Welle 1 ist um die Achse A1 schwenkbar und weist ein Wellenende 1.1 auf, an dem ein, in der 1 nicht dargestellter, Schwenkarm zum Beschreiben einer Festplatte befestigt werden kann.
-
Die Schwenkbewegung, im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Schwenkbereich von ±25° möglich, wird durch einen sogenannten Voice Coil Motor 2, einem elektrischen Direktantrieb, eingeleitet. Das Primärteil 2.1 des Voice Coil Motors 2, welches im gezeigten Beispiel als Rotor innerhalb des Schwenkbereiches arbeitet, besteht aus einer Kupferspule 2.1, die einen ferromagnetischen Kern 2.2 umschließt. Der ferromagnetische Kern 2.2 erstreckt sich, entsprechend dem Schwenkbereich, entlang einer Teilkreislinie. Die Windungen der Kupferspule 2.1 sind dabei so ausgeführt, dass sie parallel zur Zeichenebene in der 1 zu liegen kommen. Im Betrieb des Voice Coil Motors 2 bleibt der ferromagnetische Kern 2.2 ortsfest, während die Kupferspule 2.1 eine Schwenkbewegung entlang der Teilkreislinie ausführt. An der Kupferspule 2.1 ist ein Zwischenstück 2.5 befestigt, das mit der Welle 1 drehfest verbunden ist. Auf diese Weise wird das Drehmoment des Voice Coil Motors 2 für die Schwenkewegung in die Welle 1 eingeleitet. Die Kupferspule 2.1 und das Zwischenstück 2.5 können somit dem Primärteil beziehungsweise dem Rotor des Voice Coil Motors 2 zugeordnet werden.
-
Das Sekundärteil besteht aus Permanentmagneten 2.4, welche auf Magnetträgern 2.3 aus ferromagnetischem Werkstoff entlang der Teilkreislinie befestigt sind. Das Sekundärteil wirkt im Betrieb des Positioniergerätes wie eine Drehmomentstütze und nimmt nicht an der Schwenkbewegung der Welle 1 teil, und kann daher im gezeigten Ausführungsbeispiel auch als Stator bezeichnet werden.
-
Der Schwenkwinkel der Welle
1 wird von einer Positionsmesseinrichtung
3 gemessen, die nach einem ähnlichen Wirkprinzip arbeitet, wie es in der Offenlegungsschrift
EP 0 978 708 A1 der Anmelderin beschrieben ist. Die Positionsmesseinrichtung
3 besteht demnach aus einem transparenten Phasengitter
3.1, welches die Form eines Segments einer Ringscheibe hat, so dass der gesamte Schwenkbereich abgetastet werden kann. Das transparente Phasengitter
3.1 ist dabei drehfest mit der Welle
1 verbunden, so dass diese an den Schwenkbewegungen der Welle
1 teilnimmt.
-
Demgegenüber liegt die nicht-drehbare Abtasteinheit 3.2 der Positionsmesseinrichtung 3. Die Abtasteinheit 3.2 besteht aus einer LED 3.21, einer Kondensorlinse 3.22 und einem Maßstabssegment 3.23, sowie (in der 1 nicht-dargestellten) Fotodetektoren zum Empfangen der modulierten Lichtstrahlen. Das Maßstabssegment 3.23 ist als Reflexionsphasengitter beziehungsweise als Stufengitter ausgebildet. Das heißt, dass auf einer reflektierenden Oberfläche reflektierende Striche aufgebracht sind, im gezeigten Beispiel, mit einer Höhe von 0,2 μm. Dadurch, dass das Maßstabssegment 3.23 nicht an der Schwenkbewegung teilnimmt und so stets der LED 3.21 gegenüber liegt, kann dieses verglichen mit dem schwenkbaren Phasengitter 3.1 klein ausgeführt werden.
-
Das von der LED 3.21 erzeugte Licht tritt im Betrieb des Positioniergerätes zunächst durch die Kondensorlinse 3.22 und danach durch das transparente Phasengitter 3.1, welches gebeugte Strahlenanteile erzeugt und eine Phasenänderung der Lichtwellen verursacht. Die derart veränderten Lichtstrahlen gelangen sodann auf das Maßstabssegment 3.23 in Form des Reflexionsphasengitters. Dort werden sie erneut gebeugt und es tritt eine weitere Phasenänderung der Lichtwellen auf. Die reflektierten und gebeugten Lichtstrahlen treten dann wieder durch das transparente Phasengitter 3.1 und werden erneut gebeugt und interferieren. Die derart modulierten Lichtbündel treffen dann auf Fotodetektoren, die sich im Bereich der LED 3.21 befinden, und in der Schnittdarstellung der 1 nicht sichtbar sind. Die Fotodetektoren wandeln die Lichtsignale in elektrische Signale um, welche danach zur Gewinnung der Lageinformationen entsprechend weiterverarbeitet werden.
-
Die Verwendung des vergleichsweise kleinen Maßstabssegments 3.23 als nicht rotierendes Bauteil hat insbesondere den Vorteil, dass die Toleranzen bezüglich des Planschlages des Maßstabssegments 3.23 nicht so eng gewählt werden müssen als dies der Fall wäre, wenn das Maßstabssegment 3.23 im Betrieb rotieren würde.
-
Gerade bei der Verwendung einer derartig hochauflösenden interferentiellen Positionsmessseinrichtung 3 ist die optimierte geometrische Anordnung der mechanisch wirkenden Bauteile von besonderem Vorteil, um eine möglichst hohe Steigerung der Genauigkeit und der Schnelligkeit des Positioniergerätes in seiner Gesamtheit zu erreichen.
-
An der Welle 1 befindet sich zwischen dem Voice Coil Motor 2 und der Positionsmessseinrichtung 3 die Lagereinheit 4, welche ihrerseits aus zwei vorgespannten in O-Anordnung eingebauten Kugellagern besteht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden Kugellager mit Keramikkugeln und Gewebekugelkäfig eingesetzt. Mit dieser Anordnung, beziehungsweise Reihenfolge, der Bauteile ist es also möglich, dass die Reibungskräfte, ausgehend von der Lagereinheit 4, keine Torsion der Welle 1 im Bereich zwischen dem transparenten Phasengitter 3.1 (und damit der Positionsmesseinrichtung 3) und dem Wellenende 1.1 verursachen können. Dennoch ist die gezeigte Lagereinheit 4 so steif, dass die Schwingungsanfälligkeit des Gesamtsystems klein ist, so dass sehr genaue und rasche Positioniervorgänge möglich sind.
-
Der Großteil der Welle 1, der Voice Coil Motor 2, die Positionsmesseinrichtung 3 und die Lagereinheit 4 befinden sich innerhalb eines Gehäuses 5. Auf diese Weise wurde eine Einheit geschaffen, die kompakt und für sich abgeschlossen ist und die, durch die konstruktiven Vorgaben und den genauen Einbau der Komponenten, ohne weitere Justiermaßnahmen präzise arbeiten kann.
-
Am Durchtritt der Welle 1 durch das Gehäuse 5 ist eine Dichtung 6 angebracht. Die Dichtung 6 erzeugt praktisch keine Reibungskräfte bei den Schwenkbewegungen der Welle 1, so dass an dieser Stelle keine Beeinflussung der Positionierung erfolgt.
-
Die Erfindung schließt auch eine Bauweise eines Positioniergerätes mit ein, bei der eine weitere Lagereinheit im Bereich desjenigen Wellenendes angeordnet ist, welches dem Wellenende 1.1, an dem der Schwenkarm befestigbar ist, gegenüberliegt, so dass das Zwischenstück 2.5. zwischen der Lagereinheit 4 und dem Zusatzlager liegt.
