DE3743088A1 - Festplatten-kopfpositionieranordnung, sowie verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein digitales In­ formationsspeichersystem. Insbesondere betrifft die Er­ findung eine Festplatten-Kopfpositionieranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 6, sowie ein Ver­ fahren zu ihrer Herstellung, nach dem Oberbegriff des Anspruches 13.

Digitale Daten können auf einer flexiblen oder "Flop­ py"-Disk oder auf einer Fest- oder Winchester-Platte durch Magnetisierung von aufeinanderfolgenden kleinen Bereichen der magnetischen Oberfläche der Platte mittels eines Magnetkopfes oder "sliders" gespeichert werden, während sich die Platten drehen. Die Dichte der digita­ len Speicherung in einem Festplattenspeicherungssystem ist in der Größenordnung von 10 bis 20mal der Dichte, die mit floppy-disk-Speichersystemen erreicht werden kann. In Festplattensystemen sind die Platten normaler­ weise aus Aluminium und haben einen magnetisierbaren Überzug auf ihrer oberen und unteren Oberfläche.

Um effektiv Informationen auf die bzw. von den magneti­ sierbaren Oberflächen der Festplatten zu schreiben bzw. zu lesen, ist ein Kopfpositionierer typischerweise inner­ halb des Antriebs vorgesehen, wobei eine Mehrzahl von festen, verschachtelten Kopfpositionierarmen, von denen jeder einen oder mehrere auf ihnen montierte Magnetköpfe hat, welcher tandemartig in einem Abstand zueinander in­ nerhalb eines Arm-Positionierkörpers angeordnet sind, welche eine elektromagnetische Spule enthält. Der Arm- Positionierkörper ist des weiteren mittels einer Stahl­ lageranordnung drehbar um eine feste Schaftanordnung koaxial montiert, wobei die Stahllageranordnung zwischen einer inneren Oberfläche des Arm-Positionierkörpers und einer äußeren Oberfläche des starren, festen Schaftes oder Welle befestigt ist. Eine separate aber eng mon­ tierte Permanentmagnetstruktur stellt einen magnetischen Fluß zur Verfügung, der vereint mit der elektromagneti­ schen Spule wirkt, um eine Drehmomenterzeugung zu errei­ chen. Ein Gleichstrom, der an die Spule angelegt wird, ermöglicht die Steuerung des Arm-Positionierkörpers mit­ tels einer Rückkopplungssteuerschleife, innerhalb der eine Oberfläche von einer der Festplatten für die Kopf­ nachführung und Positionssteuerung ausgewählt wird.

Die Ausrichtung des Nachführkopfes mit der Steuerplatte innerhalb der Steuerschleife ist dementsprechend kritisch im Hinblick auf die Genauigkeit der Kopf-Positionier­ steuerung insgesamt. Eine Fehlausrichtung innerhalb der mechanischen Kette von nur wenigen Micrometern kann eine Lese- oder Schreibstörung verursachen. Diese Störquelle ist insbesondere vorherrschend, wenn die Unteranordnung, die den Arm-Positionierkörper enthält, der längs des Schaftes und der vorgespannten Lager angeordnet ist, in­ nerhalb der Festplattenanordnung eingebaut wird. Die Be­ festigungskräfte in Verbindung mit der Befestigung des Schaftes an der Festplattenanordnung kann die Lagervor­ spannung ungünstig beeinflussen und kann eine Schaftfehl­ ausrichtung und/oder mechanische Resonanzen verursachen, welche verhindern, daß der Positionier-Steuermechanismus einwandfrei funktioniert.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine magnetische Festplattenpositioniervorrichtung zu schaf­ fe, welche unempfindlich gegen die Einführung von Nach­ führungsfehlern ist, welche durch die Installation der Positioniereinrichtung innerhalb der gesamten Treiberan­ ordnung auftreten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 6 bzw. 13.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Die Aufgabe wird vorzugsweise erfüllt durch die Bereit­ stellung eines Festplattenantriebs einer Magnetkopfposi­ tioniereinrichtung, innerhalb der der Arm-Positionier­ körper mittels Lagereinrichtungen drehbar um eine zwei­ teilige Schaftanordnung angeordnet ist, die eine Befe­ stigungshülse enthält, die thermisch geschrumpft um einen Zentralbereich eines starren zylindrishen Schaftes mit festen Enden und einem Paar von Endbereichen mit einem relativ zu dem Zentralbereich reduzierten Durchmesser befestigt ist, wobei die Lager mit der Schaftanordnung in Bereichen außerhalb des Schrumpfbefestigungszentralbe­ reichs befestigt sind, so daß eine lichte Höhe zwischen dem Schaft und der Hülse im Bereich der Lagermontage be­ steht und dabei die Lager von Störungen im Schaft ent­ koppelt werden, die durch die Befestigung der Enden des Schaftes innerhalb des Antriebs verursacht werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Winchester- oder Festplattenantriebs, wobei die obere Abdec­ kung entfernt ist;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch einen Festplatten­ antrieb, der eine Arm-Positioniervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt; und

Fig. 3 eine Detail-Querschnittsansicht durch die Zen­ tralnabe der Armpositioniervorrichtung von Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Plattenantriebseinheit 1 einer Type entsprechend der vorliegenden Erfindung. Die Plattenan­ triebseinheit 1 weist typischerweise ein starres Gußge­ häuse 2 (Fig. 3) und eine Grundplatte 3 auf. In der Dar­ stellung in Fig. 1 ist das Gehäuse 2 entfernt, um die enthaltenen Einheiten zu zeigen.

Der Inhalt der Einheit weist typischerweise eine Spei­ cherplatteneinheit 4 auf, welche mit einer Magnetkopf- Positionieranordnung 10 zusammenwirkt.

Die Speicherplatteneinheit 4 enthält eine Mehrzahl von starren Speicherplatten 5, die eine magnetisierbare Oberfläche haben und koaxial tandemartig in einem Abstand zueinander gestapelt sind und sich mittels eines elek­ trischen Motors, der einen Stator enthält, sich um eine gemeinsame Achse drehen, relativ zur Kopfpositionieran­ ordnung 10, welche eine Mehrzahl von beweglichen mitei­ nander verschachtelten Kopfpositionierarmen 12 enthält, von denen jeder einen oder mehrere Magnetköpfe 13 auf­ montiert hat, zum Lesen und Schreiben von Informationen magnetisch auf die Platten 5, wenn die Arme 12 ver­ schachtelt in die Plattenspeichereinheit 4 hinein und heraus gedreht werden (s. Fig. 2).

Eine Rückkopplungs-Steuerschleife oder Servoschleife ist innerhalb der Armpositioniervorrichtung 10 enthalten, mit der eine Oberfläche von einer der Festplatten 5 für eine Kopfnachführung und Positioniersteuerung ausgewählt wird. Ein gewöhnliches Problem, welches in herkömmlichen An­ trieben auftritt, ist die mechanische Resonanz, die in­ nerhalb der Servoschleife auftritt, welche schließlich die Leistung des Antriebs bezüglich der Zeit, die benö­ tigt wird, um Informationen von der Platte 5 zu erhalten, beschränkt, da die Resonanzen durch eine Reduzierung der Servobandbreite kompensiert werden müssen.

Ein Bereich, der Resonanzen verursachen kann, hängt zu­ sammen mit der Steifheit der Lager, in denen die Kopf- Positionieranordnung 10 sich dreht. Die radiale Steifheit von diesen Lagern ist empfindlich gegen den Betrag der axialen Last, mit der die Anordnung vorgespannt ist. Un­ terschiedliche Betriebserfordernisse verursachen die Er­ fordernis beide, die innere und äußere Lagerfläche mit dem Schaft bzw. dem Gehäuse zu verbinden, um die Vor­ spannung bei Schlag, Vibration und thermischer Belastung aufrechterzuhalten. Der Betrag der axialen Vorspannung, die typischerweise gebraucht wird, ist ungefähr 2,3 kg (5 lbs) und wird erhalten durch lediglich 7,6 micrometer (300 microinches) bis 12,7 micrometer (500 microinches) axialer Durchbiegung.

Da die gesamte Durchbiegung so gering ist, können die Lasten, die während des Zusammenbaus oder des Betriebes an den Schaft angelegt werden, verursachen, daß das Lager stellenweise unbelastet wird. Dieser Zustand verursacht, daß unerwünschte Resonanzen als Ergebnis einer reduzier­ ten radialen Steifheit auftreten.

Es ist festgestellt worden, daß ein zweiteiliger Schaft den Betrag der Durchbiegung, die an der Lagerfläche ge­ sehen wird, reduzieren kann, durch Bereitstellen eines inneren Bauteils, welches in Abhängigkeit der externen Lasten, die durch unterschiedliche Montagetoleranzzu­ ständen erzeugt werden, durchbiegen kann, das aber nur einen Teil dieser Durchbiegungen zu der äußeren Hülse, die die Lager trägt, übertragen kann. Dementsprechend wird die übertragene Durchbiegung durch Verwenden nur eines Teils des inneren Schaftes zum Halten der äußeren Hülse an ihrem Platz reduziert.

Die Kopf-Positionieranordnung 10 entsprechend der vor­ liegenden Erfindung wird im Detail im Querschnitt in Fig. 3 gezeigt. Die Kopf-Posiionieranordnung 10 enthält einen zentralen Zusammenbau, welcher einen zylindrischen Schaft 14 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweist mit einer Länge, welche im allgemeinen von gleicher Aus­ dehnung, wie der Stapel der Platten 5 ist, eine Längsach­ se, welche im allgemeinen parallel zu der Festplatte ge­ meinsamen Achse ist, ein Paar von Enden 16, von denen wenigstens eines gegen Drehung befestigt ist, einen Zen­ tralbereich 18 eines gegebenen Durchmessers und ein Paar von Endbereichen 20, welche in ihrem Durchmesser relativ zum Zentralbereich 18 verringert sind.

Eine Haltehülse 22 aus Aluminium oder einem anderen me­ tallisches Material wie rostfreiem Stahl hat eine Länge, die im wesentlichen die gleiche Ausdehnung wie der Schaft 14 längs des Zentralbereichs 18 hat, so daß ein diame­ trales Spiel zwischen einem inneren Durchmesser der Hal­ tehülse 22 und den Schaftendbereichen 20 besteht. In der beispielsweise gezeigten, bevorzugten Ausführungsform, die auf einen Winchester-Festplattenantrieb gerichtet ist, haben der Schaft 14 und die Hülse 22 eine Länge über alles von ungefähr 61,4 mm (2,4″), der Zentralbereich 18 vom Schaft 14 hat eine Länge von ungefähr 30,7 mm (1,2″) und die Endbereiche 20 haben jede eine Länge von ungefähr 15,3 mm (0,6″). Der Zentralbereich 18 hat einen äußeren Durchmesser von ungefähr 9,6 mm (0,376″) und die Hülse 22 ist so dimensioniert, daß bei Raumtemperatur zwischen den beiden Teilen ein nominaler diametraler Eingriff von un­ gefähr 0,015 mm (0,0006″) besteht. Die Endbereiche 20 sind in ihrem Durchmesser relativ zum Zentralbereich 18 reduziert, um bei Raumtemperatur zwischen den Endberei­ chen 20 und dem inneren Durchmesser der Haltehülse 22 ein nominales diametrales Spiel von ungefähr 0,15 mm (0,006″) bereitzustellen. Somit sind der Eingriff zwischen dem Schaftzentralbereich 18 und der Hülse 22 und das Spiel zwischen den Schaftendbereichen 20 und der Hülse 22 Funktionen der Schaftlänge, des Schaft- und Hülsendurch­ messers, der Schaftendbereichsherstellung und der Schrumpfbefestigung der Hülse 22 um den Schaft 14. Die Hülse 22 wird normalerweise über dem Schaft 14 befestigt, durch Erhitzen der Hülse 22 und/oder Kühlen des Schaftes 14, um eine minimale Temperaturdifferenz zwischen den beiden Teilen von ungefähr 149 bis 177°C (300 bis 350° F) unmittelbar vor dem Zusammenbau zu erhalten, so daß ein Spiel zwischen dem Schaft 14 und der Hülse 22 auf­ tritt, um den Zusammenbau zu erleichtern.

Die Kopf-Positionieranordnung 10 enthält weiterhin einen hohlen Aluminiumzylinder, der eine interne zylindrische Oberfläche und eine äußere zylindrische Oberfläche hat, von der die im wesentlichen planaren Kopf-Positionierarme 12 überstehen. Eine "Schwingspule" ist mit der internen zylindrischen Oberfläche eines Aluminiumzylinders 30 verbunden und arbeitet in Verbindung mit befestigten Permanentmagneten (nicht gezeigt) mittels eines variablen Gleichstroms, der an der Spule angelegt ist, um die Drehposition des Arm-Positionierzylinders 30 zu ermögli­ chen, der mittels der Rückkopplungssteuerschleife ge­ steuert wird. Um den Arm-Positionierzylinder 30 zu mon­ tieren, ist zur Drehbewegung um den Stator ein Paar von ringförmigen Stahlkugellageranordnungen 34 an den entge­ gengesetzten Enden der Haltehülse 22 und dem inneren Durchmesser des Arm-Positionierzylinders 30 bereitge­ stellt. Die Lageranordnungen 34 sind an einer Stelle an ihren inneren Durchmessern in einem Bereich 36 inklusive der Endbereiche 20 des Schaftes 14 und exklusive des Zentralbereichs 18 des Schaftes 14 mittels eines anaero­ ben Einkomponentenklebstoffes, der als Loctite (einge­ tragenes Warenzeichen) bekannt ist, befestigt, der eben­ falls gebraucht wird, um die äußere zylindrische Ober­ fläche der Lager 34 an die innere zylindrische Oberfläche 38 des Arm-Positionierzylinders 30 zu befestigen.

Der Fachmann wird erkennen, daß die speziellen Dimensio­ nen der Teile der Schaftanordnung ausgelegt sind, um die Verringerung der übertragenen Durchbiegung gegen eine Verringerung in den Resonanzfrequenzen, die mit den Durchbiegungsmoden der Schaftanordnung während des Zu­ sammenbaus oder des Betriebs verbunden sind, auszutau­ schen. Dementsprechend sollten die Dimensionen, Materia­ lien und Verfahren der Herstellung und des Zusammenbaus die hierin diskutiert und dargestellt wurden, als ein Beispiel betrachtet werden.

Claims (16)

1. Magnetkopfpositioniervorrichtung für ein Festplat­ tenspeichersystem des Typs, bei dem eine Mehrzahl von starren Speicherplatten, welche eine magneti­ sierbare Oberfläche haben, koaxial tandemförmig in einem Abstand zueinander gestapelt sind und relativ zu einer Mehrzahl von beweglichen verschachtelten Kopf-Positionierarmen um eine gemeinsame Achse drehbar sind, wobei jeder der Arme einen oder meh­ rere Magnetköpfe aufmontiert hat, zum Lesen und Schreiben von Informationen magnetisch auf die Platten, gekennzeichnet durch
eine sich um einen Zapfen drehende Lageranordnung, welche aufweist:
einen zylindrischen Aluminiumschaft, welcher eine Länge hat, die im wesentlichen die gleichen Ausmaße hat wie die gestapelten Platten, eine Längsachse, die im wesentlichen parallel zu der den Platten ge­ meinsamen Achse ist, ein Paar von Enden, von denen wenigstens eins gegen Drehung befestigt ist, einen Zentralbereich eines gegebenen Durchmessers und ein Paar von Endbereichen, deren Durchmesser relativ zu dem Zentralbereich verringert sind;
eine Aluminiumhaltehülse, welche eine Längsachse hat, eine Länge, welche im wesentlichen die gleichen Ausmaße wie der Schaft hat, und wobei die Hülse und der Schaft einen koaxialen thermischen Schrumpfbe­ festigungseingriff zwischen ihnen längs des Zen­ tralbereichs des Schaftes und außerhalb des verrin­ gerten Durchmesserendbereichs haben;
eine Spulenvorrichtung, die um einen Spulenkörper gewickelt ist, wobei die Spule an der Kopfpositio­ niervorrichtung befestigt ist und Magnete, die in einer separaten Anordnung von der Hülse angeordnet sind;
eine Arm-Anordnung, welche aufweist;
einen Arm-Haltezylinder aus Aluminium, welcher eine Längsachse hat, eine Länge, welche im wesentlichen die gleichen Ausmaße wie die der Schaftanordnung hat, einen inneren Durchmesser, und wobei die Mehr­ zahl der Kopfpositionierarme in einem tandemartigen Abstand zueinander radial nach außen überstehen, um zwischen die Platten einzugreifen;
eine elektromagnetische Spule, die so angeordnet ist, um elektromagnetisch mit der Permanentmagnet­ vorrichtung in Wechselwirkung zu stehen und die Armanordnung relativ zu der Schaft­ anordnung zu drehen; und
Lagervorrichtungen, welche an beiden Enden der Schaftanordnung angebracht sind, zum koaxialen Hal­ ten des Arm-Haltezylinders drehbar in Bereichen au­ ßerhalb des Schrumpfbefestigungszentralbereichs.

2. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schaft und die Hülse bei Raumtemperatur längs des Zentralbereichs einen diametralen Eingriff mit­ einander von ungefähr 0,015 mm (0,0006″) haben.

3. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
der Schaft und die Hülse bei Raumtemperatur an den Endbereichen ein diametrales Spiel von ungefähr 0,15 mm (0,006″) miteinander haben.

4. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
der Zentralbereich eine Länge von ungefähr 30,5 mm (1,2″) hat und jeder der Endbereiche eine Länge von ungefähr 15,3 mm (0,6″) hat.

5. Positioniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
die Lagervorrichtungen mit Klebstoff zwischen einer äußeren radialen Oberfläche der Haltehülse und einer inneren radialen Oberfläche des Arm-Haltezylinders befestigt sind.

6. Kopf-Positioniervorrichtung für einen Festplattenan­ trieb, welche in einer koaxialen Nebeneinanderstel­ lung um eine gemeinsame Achse aufweist:
einen festen zylindrischen Schaft mit einem Mittel­ bereich und zwei Endbereichen:
eine zylindrische Haltehülse mit einer Länge, die im wesentlichen die gleichen Ausmaße hat wie der Schaft, wobei der Schaft und die Hülse bei Raumtem­ peratur längs des Schaftmittenbereiches einen schrumpfbefestigten diametralen Eingriff und längs der Schaftendbereiche ein diametrales Spiel haben;
ein Paar von ringförmigen Stahlkugellageranordnun­ gen, welche an entgegengesetzten Enden in Bereichen außerhalb der Eingriffbefestigung angeordnet sind, zum drehbaren Befestigen des Rotorbereichs der Kopfpositioniervorrichtung;
eine Spulenvorrichtung, die um einen Spulenkörper gewickelt ist, welcher an dem Rotorbereich der Kopfpositioniervorrichtung befestigt ist;
wobei der Rotorbereich eine im wesentlichen äußere zylindrische Oberfläche und eine Mehrzahl von star­ ren, im wesentlichen planare Kopf-Positionierarme hat, welche sich radial hiervon nach außen erstrec­ ken, wobei jeder Arm ein Paar von sich gegenüber­ stehenden Oberflächen hat, die senkrecht zu der ge­ meinsamen Achse sind; und
eine Mehrzahl von Magnetköpfen, von denen wenigstens einer auf jeder der Armoberflächen an einer radial auswärtigen Stelle angeordnet ist.

7. Positioniervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
der Schaft und die Hülse aus einer Aluminiumlegie­ rung sind und bei Raumtemperatur längs des Zentral­ bereichs einen diametralen Eingriff von ungefähr 0,015 mm (0,0006″) haben.

8. Positioniervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaft und die Hülse aus einer Aluminiumlegierung sind und bei Raumtemperatur längs der Endbereiche ein diametrales Spiel von ungefähr 0,15 mm (0,006″) haben.

9. Positioniervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
der Zentralbereich eine Länge von ungefähr 30,5 mm (1,2″) und jeder der Endbereiche eine Länge von ungefähr 15,3 mm (0,6″) hat.

10. Positioniervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
die Lagervorrichtungen zwischen einer äußeren radi­ alen Oberfläche von der Haltehülse und einer inneren radialen Oberfläche von dem Armhaltezylinder fest­ geklebt sind.

11. Positioniervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schaft und die Hülse aus einer rostfreien stahl-metallischen Legierung sind.

12. Positioniervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
zwischen den Endbereichen des Schaftes und dem inneren Durchmesser der Hülse ein nominales diame­ trales Spiel aufrechterhalten wird, während der Zentralbereich der Hülse und des Schaftes einen nominalen Eingriff beibehalten, wobei der Eingriff und das Spiel eine Funktion von der Schrumpfbefe­ stigung und der Schaftendbereichsherstellung sind und der Eingriff und das Spiel als eine Funktion der Schaftlänge und der Schaft- und Hülsendurchmesser ausgebildet sind.

13. Verfahren zum Herstellen einer Magnetkopfpositio­ niervorrichtung für ein Festplattenspeichersystem mit zwei konzentrischen Bauteilen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Herstellen von einem der Bauteile als einen zylin­ drischen Schaft mit einer Länge, die die gleichen Ausmaße wie ein Stapel von Festplatten hat, wobei der Schaft ausgebildet wird, um wenigstens ein Ende mit einem Durchmesser der größer ist als der Zen­ tralbereich des Schaftes zur Verfügung zu stellen, um den Schaft gegen Drehung zu befestigen;
Herstellen eines Paars von Endbereichen des Schaf­ tes, die ein Durchmesser haben, der relativ zum Zentralbereich verringert ist;
Herstellen eines zweiten von den Bauteilen als eine metallische Haltehülse zum Anordnungen um den Schaft;
Verändern der Temperatur von einem der Bauteile re­ lativ zu dem anderen, so daß ein Spiel zwischen der Hülse und dem Schaft entsteht; und
Schrumpfbefestigen der beiden Bauteile mit der Hülse koaxial um den Schaft, so daß, wenn beide, die Hülse und der Schaft, auf der gleichen Umgebungstemperatur sind, ein diametraler Eingriff zwischen der Hülse und dem Schaft erzeugt wird;
wobei die Kopf-Positioniervorrichtung so hergestellt wird, daß der Schaft und die Hülse eng schrumpfbe­ festigt sind und dennoch die verringerten Durchmes­ ser der Endbereiche des Schaftes zwischen dem Schaft und der Hülse an den Schaftmontageenden ein Spiel bereitstellen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Hülse zum Anordnen und Schrumpfbefestigen und um den Schaft herum erhitzt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schaft gekühlt wird, um zu ermöglichen, daß die Hülse rund um den Schaft schrumpfbefestigt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
für die beiden Bauteile ein Temperaturunterschied im Bereich von 149° bis 177°C (300°-350°F) erzeugt wird, so daß die Hülse mit dem Schaft während der Montage ein Spiel aufweist.