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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Glätten von Lade-/Entlade-Hebelappen
in einem Plattenlaufwerk, wobei derartige Hebelappen typischerweise mit
einer Lade/Entladerampe im Laufwerk wechselwirken, um die Lese-/Schreibköpfe von
der Plattenoberfläche
zu heben.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Computerfestplatten
verwenden typischerweise eine Vielzahl schnell rotierender Platten
mit einer Beschichtung aus einem magnetischen Datenspeichermaterial.
Jeder Platte ist ein magnetischer Lese-/Schreibkopf zugeordnet,
der sehr nahe der Plattenoberfläche
gehalten wird. Der Lese-/Schreib-Magnetkopf kann Daten auf der magnetischen
Platte lesen und schreiben, wenn diese sich bewegt.
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Einige
Festplattenlaufwerke verfügen über Platten
mit nichtklebenden Abschnitten, die die Magnetköpfe nicht beschädigen, wenn
die Köpfe über einen
längeren
Zeitraum hinweg auf diesen nichtklebenden Abschnitten aufliegen.
Derartige Festplattenlaufwerke sind als Contact-Start/Stop (CSS)-Laufwerke
bekannt. Ein CSS-Festplattenlaufwerk
benötigt
keinen Hebelappen und keine Lade-/Entladerampe.
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Ein
Luftpolster, das sich mit der Platte bewegt, verhindert den Kantakt
des Magnetkopfs mit der Plattenoberfläche. Typischerweise ist der
Magnetkopf während
der Bewegung der Platte etwa 0,02 Mikrometer von der Platte entfernt.
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Aufgrund
des notwendigen geringen Abstands zwischen Kopf und Platte während des
Betriebs müssen
der Kopf und die Plattenoberfläche sehr
glatt sein. Bei einem Nicht-CSS-Festplattenlaufwerk ist es von größter Wichtigkeit,
dass der Magnetkopf und die Plattenoberfläche nicht in Kontakt zueinander
geraten, wenn sich die Platten nicht drehen (d.h, wenn das Festplattenlaufwerk
nicht mit Strom gespeist wird). Stehen die Platte und der Magnetkopf still
und kontaktieren sich dabei über
einen längeren Zeitraum
hinweg, so können
der Kopf und die Plattenoberfläche
miteinan der verkleben, was zu einer Beschädigung der Plattenoberfläche führt, sobald
die Platten die Rotationsbewegung wieder aufnehmen. In einigen Fällen kann
die Haftung so stark sein, dass eine Drehung der Platten zur Gänze verhindert
wird. Zudem muss eine Platte vom Stillstand aus mit der Rotation
beginnen, und es bedarf einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit
für den
Magnetkopf, um oberhalb der Plattenoberfläche schweben zu können. Deshalb
kann jedes In-Gang-Setzen des Festplattenlaufwerks dazu führen, dass
der Magnetkopf und die Plattenoberfläche über eine bestimmte Distanz
hinweg aneinander reiben, bis die Platte ausreichend Geschwindigkeit
aufgenommen hat, um das Luftkissen zu bilden.
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Aus
diesen Gründen
wurden in einigen Festplattenlaufwerken Lade-/Entladestrukturen
eingesetzt, um die Magnetköpfe
von den Plattenoberflächen
beabstandet zu halten, solange die Festplatte nicht in Betrieb ist.
Die Magnetköpfe
werden von der Rampenstruktur dann freigegeben, wenn die Platten die
nötige
Mindestgeschwindigkeit erreicht haben, um das Schweben der Magnetköpfe oberhalb
der Plattenoberfläche
zu verursachen. CSS-Festplatten verfügen weder über Lade-/Entladerampen noch über Hebelappen.
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1 (Stand
der Technik) zeigt ein typisches Festplattenlaufwerk vom Lade/Entlade-Typ
nach dem Stand der Technik mit drei Platten 2. Ein Aktuatorarm 3 trägt eine
Aufhängung 4,
ein Gleitstück 5 und
einen Hebelappen 6. Ein magnetischer Lese-/Schreibkopf
(nicht dargestellt) befindet sich an der Bodenfläche des Gleitstücks 5.
Die Aufhängung 4 und
das Gleitstück 5 umfassen
gemeinsam eine Kopfkardananordnung. Der Aktuatorarm 3 ist
um eine Schwenksäule 9 verschwenkbar.
Der Hebelappen 6 ist auf der Aufhängung 4 so angeordnet,
dass er in eine Rampe 8 auf einer Rampenstruktur 10 eingreift.
Die Rampe 8 übermittelt
eine nach oben gerichtete Kraft an den Hebelappen 6, der
das Gleitstück 5 und
den Magnetkopf von der Platte 2 nach oben wegbewegt. Der
Magnetkopf ist dabei, wenn der Hebelappen 6 auf die Rampe 8 bewegt
wird, nicht mit der Platte 2 in Kontakt. Damit der Hebelappen 6 das
Gleitstück
von der Platte heben kann, reibt der Hebelappen 6 gezwungenermaßen an der
Rampe 8.
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Obwohl
dies in 1 nicht dargestellt ist, verfügt das Festplattenlaufwerk über zusätzliche
Arme, Aufhängungen
und Gleitstücke,
sodass zumindest eine Aufhängung
und ein Gleitstück
pro Plattenoberfläche
zur Verfügung
stehen.
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2 (Stand
der Technik) stellt eine Nahansicht der Seite eines Hebelappens 6 dar,
der in die Rampe 8 eingreift. Es sind verschiedene Stellungen des
Hebelappens 6 gezeigt. Eine abgerundete Unterfläche 12 des
Hebelappens 6 ist zur Reibung an der Rampe 8 gezwungen,
um das Gleitstück
von der Platte 2 zu heben. Das Gleitstück 5 wird von der
Platte weg "entladen", wenn sich der Hebelappen
von links nach rechts bewegt, und wird auf die Platte 2 "geladen", wenn sich der Hebelappen
von rechts nach links bewegt.
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Typischerweise
ist die Rampenstruktur 10 aus reibungsarmen Polymermaterialien
hergestellt. Reibungsarme Rampen 8 reduzieren die zum Entladen
der Magnetköpfe
benötigte
Energiemenge (was beim stromlosen Entladen von Bedeutung ist).
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Hebelappen
sind typischerweise aus einem Metall gefertigt, wie beispielsweise
aus Edelstahl. Da sie härter
als die (aus Kunststoff hergestellte) Rampenstruktur sind, kann
der Lappen während
des Ladens und Entladens die Rampe abschaben. Durch diesen Abrieb
entstehen Schmutzpartikel im Inneren des Festplattenlaufwerks, die
die empfindliche Schnittstelle von Gleitstück und Platte beschädigen können. Es
ist deshalb notwendig, dass die Unterseite des Hebelappens (welche
die Rampe kontaktiert) so glatt wie möglich ist. Eine glatte Hebelappenfläche erzeugt
weniger Teilchen, wenn sie an der Oberfläche der Rampe reibt.
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Besonders
bedenklich sind Hebelappen, die aus Metallplatten gestanzt werden,
und zwar deshalb, weil sich durch das Verfahren zur Herstellung von
Metallplatten und den Stanzvorgang relativ rauhe Oberflächen ergeben.
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Ein
Verfahren zum Glätten
des Hebelappens, das für
einige IBM-Produkte eingesetzt wurde, besteht darin, den Hebelappen
gegen eine sehr glatte und harte Form zu drücken. Dieser "Präge"-Vorgang glättet die
Oberfläche
durch Verschließen
von Sprüngen
in der Hebelappenoberfläche
und Abflachen von Vorsprüngen.
Die Glattheit ist durch die Oberflächeneigenschaft der Form und
dem verwendeten Druck beschränkt.
Hebelappen, die durch ein Prägeverfahren
geglättet
wurden, erzeugen noch immer eher große Mengen an Teilchen, wenn
sie an einer Rampe reiben, was zu einer Verschmutzung des Inneren
des Festplattenlaufwerks mit Teilchen und somit zu geringerer Verlässlichkeit
führt.
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Die
U.S.-A Nr. 5.644.451 offenbart eine Rampe, die zur Glättung mit
Nickel plattiert ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt dementsprechend ein Verfahren zum Glätten eines
Oberflächenbereichs
eines Hebelappens aus Metall zur Verwendung in einem Datenspeicher-Festplattenlaufwerk
bereit, worin der Hebelappen Oberflächenrauheitsmerkmale mit einer
charakteristischen Tiefe aufweist, wobei das Verfahren folgende
Schritte umfasst: a) das Erwärmen
des Bereichs durch einen Energieimpuls mit einer Leistungsdichte,
die ausreicht, um die Hebelappenoberfläche zum Schmelzen zu bringen,
worin das Erwärmen über einen
ausreichenden Zeitraum durchgeführt
wird, um den Hebelappen bis zu einer Tiefe zu schmelzen, die größer ist
als die charakteristische Tiefe der Oberflächenrauheitsmerkmale, und worin
der Bereich bis zu einer Tiefe von weniger als 10 Mikron geschmolzen
wird; und b) das Abkühlen des
Bereichs, so dass der Bereich gefriert.
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Ein
derartiges Verfahren zum Glätten
des Hebelappens ergibt im Allgemeinen sehr glatte Hebelappenoberflächen, ist
relativ kostengünstig,
ist auf die Produktion großer
Volumen an glatten Hebeplatten anwendbar, ist mit einer Vielzahl
von Hebelappenstrukturen und -formen kompatibel und kann auf Hebelappen
aus Edelstahl angewendet werden.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung zudem einen dem obigen
Verfahren gemäß hergestellten
Hebelappen bereit. Der Hebelappen wird typischerweise für ein Datenspeicher-Festplattenlaufwerk
mit einer Lade-/Entladerampe verwendet und umfasst Folgendes: a)
eine Oberfläche
zum Kontaktieren der Lade-/Entladerampe und b) eine geschmolzene
und wieder eingefrorene Stelle auf der Oberfläche.
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Ein
derartiger Hebelappen für
Kopfkardananordnungen in einem Nicht-CSS-Festplattenlaufwerk weist
eine sehr flache Oberfläche
zum Kontaktieren der Rampenstruktur auf und erzeugt bei der Reibung mit
der Rampenstruktur im Vergleich zu Hebelappen nach dem Stand der
Technik weniger Partikel.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Oberfläche
des Hebelappens zum Kontaktieren der Lade-/Entladerampe gekrümmt, wobei
ein Bereich der gekrümmten
Oberfläche
durch Schmelzen und wieder Einfrieren geglättet wurde. Der geschmolzene und
wieder eingefrorene Bereich umfasst gegebenenfalls mehrere geschmolzene
und wieder eingefrorene Stellen. Die geschmolzenen und wieder eingefrorenen
Stellen sind gegebenenfalls von Rippen umgeben. Die Hebelappenoberflächen sind
geglättet, um
beim Eingreifen des Hebelappens in die Rampe weniger Teilchen zu
erzeugen. Das Glätten
wird durch rasches Schmelzen der Oberfläche des Hebelappens durchgeführt. Der
geschmolzene Bereich friert wieder ein und ergibt eine glatte Oberflächenpolitur.
Die zum Schmelzen benötigte
Energie wird vorzugsweise von einem Impulslaserstrahl erzeugt, obwohl
auch andere Energiequellen eingesetzt werden können. Dies sorgt für eine geringere
Teilchenverschmutzung im Inneren eines Datenspeicher-Festplattenlaufwerks
und sorgt so für
höhere
Zuverlässigkeit.
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Die
vorliegende Erfindung stellt weiters eine Kopfkardananordnung zur
Verwendung in einem Datenspeicher-Festplattenlaufwerk vom Lade-/Entlade-Typ
bereit. Die Kopfkardananordnung verfügt über einen Montageabschnitt
zur Befestigung an einen Drehaktuator, einen feststehenden, sich
vom Montageabschnitt aus erstreckenden Arm, eine am feststehenden
Arm befestigte flexible Aufhängung und
einen an der flexiblen Aufhängung
befestigten Hebelappen. Der oben beschriebene Hebelappen verfügt über eine
Oberfläche
zum Kontaktieren der Rampe und über
geschmolzene und wieder eingefrorene Stellen auf der Oberfläche.
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In
einem anderen Aspekt stellt die Erfindung eine Datenspeichervorrichtung
bereit, die Folgendes umfasst: a) eine Datenspeicherplatte, b) eine
Lade/Entladerampe, die nahe der Datenspeicherplatte angeordnet ist,
c) eine Kopfkardananordnung, d) einen Hebelappen zum Kontaktieren
der Lade-/Entladerampe, wobei der Hebelappen eine geschmolzene und
wieder eingefrorene Stelle umfasst, die auf dem Hebelappen so angeordnet
ist, dass die Stelle die Lade-/Entladerampe berührt, und e) einen Drehaktuator zum
Drehen der Kopfkardananordnung in Bezug auf die Datenspeicherplatte,
so dass der Hebelappen die Lade/Entladerampe berührt.
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Es
kann demzufolge die Oberfläche
eines Hebelappens mit Oberflächenrauheitsmerkmalen von
charakteristischer Tiefe (z.B. eine Rauhtiefe oder Spaltentiefe)
durch Erhitzen der Hebelappenoberfläche mit einem Energieimpuls
mit einer Leistungsdichte, die ausreicht, um die Hebelappenoberfläche zum
Schmelzen zu bringen, geglättet
werden. Der Energieimpuls trifft die Oberfläche für einen ausreichend langen
Zeitraum, um die Hebelappenoberfläche bis zu einer Tiefe zu schmelzen,
die größer als die
charakteristische Tiefe und kleiner als 10 Mikron ist. Nach dem
Schmelzen der Oberfläche
wird die Oberfläche
abkühlen
gelassen, wodurch eine glatte, geschmolzene und wieder eingefrorene
Stelle entsteht. Der Energieimpuls stammt vorzugsweise von einem
Laser mit Güteschaltung
oder dergleichen. Der Energieimpuls kann auch von einem CW- (Dauerstrich-)
Laser oder einer anderen kontinuierlichen Energiequelle stammen,
die die Hebelappenoberfläche
abtastet. Auch andere Arten von Impulsenergiequellen können eingesetzt
werden.
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Vorzugsweise
weist der Energieimpuls eine Leistungsdichte in einem Bereich von
50 – 150 MW/cm2 auf. Der Energieimpuls kann die Oberfläche für einen
Zeitraum im Bereich von 10 – 500
Nanosekunden treffen, noch bevorzugter im Bereich von 150 – 250 Nanosekunden.
Vorzugsweise wird die Oberfläche
bis zu einer Tiefe im Bereich von 0,2 bis 10 Mikron, noch bevorzugter
im Bereich von 1,0 bis 3,0 Mikron geschmolzen.
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BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 zeigt
die inneren Bestandteile eines Datenspeicher-Festplattenlaufwerks
nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt
eine Nahansicht von der Seite, die veranschaulicht, wie ein Hebelappen
nach dem Stand der Technik arbeitet, um ein Gleitstück von einer
Oberfläche
einer Magnetspeicherplatte zu heben.
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3 zeigt
einen Hebelappen gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
eine Seitenansicht im Querschnitt des Hebelappens aus 1.
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5 stellt
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Glätten eines Hebelappens gemäß dem Verfahren
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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6 ist
eine theoretisch berechnete graphische Darstellung der Laserimpulsdauer über Hitzediffusionstiefe
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform.
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7 zeigt
eine mikroskopische Nahansicht einer Hebelappenoberfläche vor
dem Glätten
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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8 ist
eine perspektivische Ansicht einer Kopfkardananordnung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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9 ist
eine perspektivische Ansicht eines Datenspeicher-Festplattenlaufwerks
gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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3 zeigt
einen Hebelappen 20, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung geglättet
wurde. Der Hebelappen 20 verfügt auf beiden Seiten eines
zylindrischen Abschnitts 24 über flache Flansche 22.
Der zylindrische Abschnitt 24 ist der Bestandteil des Hebelappens 20,
der in die Lade-/Entladerampe (in den 1 und 2 als
Rampe 8 dargestellt) im Inneren eines Festplattenlaufwerks
eingreift. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf Hebelappen
eingeschränkt,
die die beschriebene Form aufweisen, sondern auch auf solche mit
anderen Formen anwendbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Hebelappen 20 aus Edelstahl (z.B. Edelstahl 305)hergestellt,
doch können
Beryllium-Kupferlegierungen oder Federstahl oder andere geeignete
Materialien ebenfalls verwendet werden. Der Hebelappen wird durch
Stanzen eines Stücks
einer Metallplatte hergestellt. Der Hebelappen weist eine Dicke 26 von
etwa 20 – 100
Mikron auf. Die Gesamtgröße des Hebelappens
beträgt
in etwa 1 mm × 2
mm. Der zylindrische Abschnitt 24 kann einen Linienkontakt,
einen Punktkontakt oder einen Flächenkontakt
mit der Lade/Entladerampe des Datenspeicher-Festplattenlaufwerks
ergeben.
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Der
zylindrische Abschnitt 24 weist geschmolzene und wieder
eingefrorene Stellen 28 (hierin in Folge als geschmolzene
Stellen bezeichnet) entlang seiner Länge auf. Die geschmolzenen Stellen 28 sind
glatter als der Rest des Hebelappens 20 (d.h. glatter als
die Flansche 22 und glatter als die Bereiche des zylindrischen
Abschnitts, die außerhalb der
Stellen 28 liegen). Die geschmolzenen Stellen 28 überlappen
sich vorzugsweise leicht in den Überlappungsbereichen 30).
Das Ausmaß der Überlappung kann
beispielsweise etwa 10 – 20
% betragen. Jede geschmolzene Stelle 28 verfügt über eine
Grenzlinie 32.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform beträgt die Größe der geschmolzenen
Stellen 28 70 × 300
Mikron. Die geschmolzenen Stellen können jedoch auch eine Größe von nur
10 Mikron oder sogar von 1.000 Mikron oder mehr aufweisen. Die Größe der geschmolzenen
Stellen hängt
von den Fähigkeiten
des zur Erzeugung der geschmolzenen Stellen verwendeten Geräts und von
den gewünschten
Eigen schaften der geschmolzenen Stellen ab. Die geschmolzenen Stellen 28 können rund,
elliptisch oder anders geformt sein.
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4 zeigt
eine Seitenansicht – im
Querschnitt entlang der Linie 34 geschnitten – einer
einzelnen geschmolzenen Stelle 28 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
Die Grenzlinie 32 einer jeden geschmolzenen Stelle 28 kann
kleine Rippen 26 aufweisen, die die geschmolzene Stelle 28 umgeben. Ein
Mittelbereich 38 einer jeden geschmolzenen Stelle ist außergewöhnlich glatt.
Die Rippen 36 sind dort, wo sich die geschmolzenen Stellen überlappen,
kleiner und sind gegebenenfalls in den Überlappungsbereichen 30 nicht
zu sehen. Jede geschmolzene Stelle 28 erstreckt sich bis
zu einer bestimmten Tiefe 42 in das Material hinein. Die
Tiefe 42 ist Indikator für das Volumen an im Glättungsvorgang
geschmolzenem Material. Vorzugsweise liegt die Tiefe 42 der
geschmolzenen Stelle in einem Bereich von etwa 0,2 bis 10 Mikron.
Noch bevorzugter liegt die Tiefe 42 in einem Bereich von
1,0 bis 3,0 Mikron. Die Tiefe 42 kann sogar 10 Mikron tief
sein.
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Die
geschmolzene Stelle 28 ist aus im Wesentlichen demselben
Material wie der Hauptteil des Hebelappens 20 hergestellt.
Die geschmolzene Stelle weist jedoch aufgrund des zur Erzeugung
der geschmolzenen Stelle 28 durchgeführten Schmelz- und Wiedereinfrierungsvorgangs
andere physikalische Eigenschaften auf. Die geschmolzene Stelle 28 weist beispielsweise,
falls überhaupt,
nur wenige Risse auf. Der Schmelz- und Wiedereinfrierungsvorgang füllt Mikrorisse
in der Oberfläche
auf. Auch weist die geschmolzene Stelle 28 im Vergleich
zum Hauptteil des Hebelappens 20 gegebenenfalls eine andere Kristallkornstruktur
auf. Zudem hat die geschmolzene Stelle 28 im Vergleich
zum Hauptteil des Hebelappens 20 andere Kontrastmerkmale,
wenn sie durch ein Rasterelektronenmikroskop (REM) oder ein Lichtmikroskop
betrachtet wird.
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5 zeigt
eine bevorzugte Einrichtung zur Erzeugung der geschmolzenen Stellen 28 gemäß einem
bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung. Die Einrichtung
verfügt über einen
Laser 44, einen Scan-Spiegel 46 und eine Linse 48.
Der Scan-Spiegel 46 lenkt
einen Laserstrahl 50 auf Bereiche des Hebelappens, an denen
ein Glätten
erwünscht
ist. Die Linse 48 bündelt
den Laserstrahl 50 auf eine kleine Stelle, der den Hebelappen
abtastet. Der Laserstrahl kann entlang einer Zickzacklinie auf dem
Hebelappen bewegt werden, falls die zu glättende Fläche im Vergleich zur Laserpunktgröße groß ist. Der
Laser 44 ist vorzugsweise ein Impulslaser, wie beispielsweise
ein Einfachmoden- oder Multimoden-Nd:YAG- oder Nd:YLF-Impulslaser.
Der Laser 44 erzeugt Energieimpulse, die nur eine dünne Oberflächenschicht
des Hebelappens 20 zum Schmelzen bringen. Die geschmolzene
Schicht fließt
unter der Einwirkung der Oberflächenspannungskräfte und
füllt so
Mikrorisse auf und ebnet Unebenheiten in der Oberfläche ab.
Die geschmolzene Schicht gefriert aufgrund der Wärmeableitung durch den Lappen sehr
rasch wieder, wodurch eine glatte Oberfläche erhalten wird. Während der
Laser entlang der Oberfläche
des Hebelappens 20 bewegt wird, können zahlreiche Impulse relativ
große
Bereiche (im Vergleich zu einer einzigen Stelle) glätten. Jeder
Laserimpuls erzeugt eine einzelne geschmolzene Stelle 28.
Die Größe der geschmolzenen
Stelle 28 wird von der Größe des gebündelten Punkts des Laserstrahls 50 bestimmt.
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Vorzugsweise
erzeugt der Laser 44 Licht im sichtbaren oder ultravioletten
Bereich, da die für
den Hebelappen verwendeten Metalle im Allgemeinen bei diesen Wellenlängen mehr
absorbieren. Der Nd:YAG- oder Nd:YLF-Laser kann beispielsweise auf 523
nm oder 527 nm frequenzverdoppelnd sein. Optische Fasern können ebenfalls
zum Lenken des Laserimpulses hin zum Hebelappen verwendet werden.
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Obwohl
Impulslaser bevorzugt werden, können
auch andere Energiequellen, wie beispielsweise Elektronenstrahlen,
Plasmastrahlen oder konzentrierte Flammen, eingesetzt werden. Es
können
dies CW- oder Impulsquellen sein. Werden CW-Quellen eingesetzt,
dann muss die Quelle oberhalb der Hebelappenoberfläche bewegt
werden. CW-Laser können
ebenfalls verwendet werden.
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Die
Tiefe 42 der geschmolzenen Stelle 28 wird von
der Dauer dieser Energieimpulse bestimmt. Eine lange Dauer der Energieimpulse
sorgt für
tiefe geschmolzene Stellen. Kurze Impulse hingegen führen zu
flachen geschmolzenen Stellen. Bei sehr flach geschmolzenen Stellen
(z.B. weniger als 0,5 Mikron) werden gegebenenfalls die Risse nicht
aufgefüllt
und Unebenheiten nicht abgeflacht, wenn diese größer als 0,5 Mikron sind. Andererseits
beanspruchen sehr tief geschmolzene Stellen (z.B. über 5 Mikron)
den Hebelappen gegebenenfalls übermäßig und
verursachen Verformungen. Selbstverständlich sind diese Grenzwerte
für die
Tiefe der geschmolzenen Stellen von den physikalischen Eigenschaften
des Hebelappens abhängig.
Bei dicken, robusten Hebelappen mit groben Oberflächenrauheitsmerkmalen
sind tief geschmolzene Stellen zum Glätten notwendig; ein dünner, empfindlicher
Hebelappen mit kleinen Oberflächenrauheitsmerkmalen
benötigt
hingegen flach geschmolzene Stellen. Demzufolge gibt es für jeden Hebelappen
einen optimalen Tiefenbereich für
die geschmolzene Stelle. Die Tiefe der geschmolzenen Stelle ist
durch Regeln der Dauer der Energieimpulse und in geringerem Ausmaß auch durch
Regeln der Leistungsdichte der Energieimpulse steuerbar.
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Ein
spezifisches Beispiel mit Edelstahl unter Verwendung von 527-nm-Laserlicht
erzeugt bei einer Energieimpulsdauer von 10 Nanosekunden bei etwa 130
MW/cm2 geschmolzene Stellen mit einer Schmelztiefe
von etwa 0,7 Mikron. Mit einer Impulsdauer von 200 Nanosekunden
bei etwa 70 MW/cm2 werden geschmolzene Stellen
mit einer Schmelztiefe von etwa 2 – 3 Mikron erzeugt.
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6 zeigt
eine theoretische graphische Darstellung der Hitzediffusionstiefe über Energieimpulsdauer
für geschmolzene
Stellen, die auf Edelstahl 305 erzeugt wurden. In der Darstellung
wird eine Leistungsdichte von etwa 100 MW/cm2 der
Energieimpulse angenommen. Die Hitzediffusionstiefe ist eine starke
Annäherung
an die Tiefe der geschmolzenen Stelle. Deshalb gibt der Graph aus 6 Informationen
darüber,
wie lange die Energieimpulsdauer für eine gewünschte geschmolzene Stelle
in Edelstahl 305 sein sollte. Der Graph in 6 veranschaulicht,
dass die Tiefe der geschmolzenen Stelle durch Anpassen der Energieimpulsdauer
gesteuert werden kann. Verschiedene Materialien weisen unterschiedliche
Verhältnisse
zwischen der Tiefe der geschmolzenen Stelle und der Impulsdauer
auf. Bei unterschiedlichen Materialien kann beispielsweise die Kurve
des Graphen anders gekrümmt
verlaufen. Die theoretische graphische Darstellung zeigt, dass die
Tiefe der geschmolzenen Stelle annähernd proportional zur Wurzel
aus der Energieimpulsdauer ist.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
zeigt die Energieimpulsdauer in einem Bereich von 10 ns bis etwa
500 ns. Dies ist deshalb so, weil Impulse mit einer Dauer in diesem
Bereich im Allgemeinen geschmolzene Stellen mit der gewünschten
Tiefe erzeugen (z.B. im Allgemeinen im Bereich von 0,2 bis 10 Mikron).
Noch bevorzugter liegt die Dauer der Energieimpulse in einem Bereich
von 150 ns bis 250 ns. Energieimpulse mit einer Dauer von etwa 200
ns erzeugen in Edelstahl geschmolzene Stellen mit einer Tiefe von
etwa 2 Mikron. Dies wird deshalb besonders bevorzugt, weil viele
Hebelappen Oberflächenrauheitsmerkmale
mit einer Tiefe von etwa 2 Mikron aufweisen. Eine 2-Mikron-tief
geschmolzene Stelle glättet
derartige Oberflächenrauheitsmerkmale
aus. Verschiedene Impulszeiten können
für unterschiedliche
Materialien optimiert werden, je nach gewünschter Schmelztiefe der Stellen
und physikalischen Eigenschaften des Hebelappenmaterials.
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7 ist
eine mikroskopische Nahansicht einer zu glättenden Hebelappenoberfläche 80.
Die Oberfläche
weist Rauheitsmerkmale mit einer charakteristischen Tiefe 82 auf,
die die Rauhtiefe der Oberflächenmerkmale
oder die Tiefe der Oberflächenrisse
darstellt. Der Hebelappen wird bis zu einer Tiefe geschmolzen, die
gleich wie oder größer als
die charakteristische Tiefe 82 der Oberflächenrauheitsmerkmale
ist. Deshalb hängt
die gewünschte
Tiefe der geschmolzenen Stelle von den Rauheitsmerkmalen der Hebelappenoberfläche ab.
Vorzugsweise ist die Tiefe 42 der geschmolzenen Stelle
etwas größer als
die charakteristische Tiefe 82 der Oberflächenrauheitsmerkmale.
Im Allgemeinen wird dies durch Schmelzen der Oberfläche mit
einem Energieimpuls durchgeführt,
der ausreichend lang andauert, um zumindest die charakteristische
Tiefe zu schmelzen. Die Tiefe der geschmolzenen Stelle kann durch
Anpassen der Dauer der angelegten Energieimpulse gesteuert werden.
Beträgt
beispielsweise die charakteristische Tiefe 82 2 Mikron
(eine für
Oberflächenrauheitsmerkmale
auf Hebelappen typische charakteristische Tiefe), so ist ein 200-ns-Energieimpuls
angemessen, da dieser die Oberfläche
bis zu einer Tiefe von etwa 2 Mikron zum Schmelzen bringt.
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Um
die Teilchenbildung und die Abnutzung der Lade-/Entladerampe zu
reduzieren ist es wichtig, die scharfen Oberflächenmerkmale des Hebelappens
zu entfernen. Scharfe Oberflächenmerkmale verursachen
eine starke Hertzsche Pressung in der Lade-/Entladerampe und erzeugen
deshalb unerwünschte
Partikel. Scharfe Oberflächenmerkmale sind
typischerweise in ihrer Länge
unter etwa 50 Mikron groß.
Merkmale mit großer
Länge (z.B.
länger als
100 Mikron) und eine allgemeine Welligkeit der Hebelappenoberfläche verursachen
keine Teilchenbildung und müssen
demzufolge im Allgemeinen nicht geglättet werden. In einer bevorzugten
Ausführungsform
werden deshalb Merkmale mit kurzen Längen geglättet. Dies wird vorzugsweise
durch Einsatz von Energieimpulsen durchgeführt, die eine Fläche mit
den zumindest gleich großen
Maßen
wie die längsten
tolerierbaren Merkmale zum Schmelzen bringen. Sind beispielsweise
Merkmale mit einer Länge
von unter 50 Mikron nicht akzeptabel, dann sollten die Energieimpulse
eine Fläche
mit einem 50 Mikron Durchmesser von 50 Mikron schmelzen.
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Die
Leistungsdichte der Energieimpulse muss selbstverständlich ausreichend
sein, um die Oberfläche
zum Schmelzen zu bringen. In der bevorzugten Ausführungsform
liegt die Leistungsdichte eines jeden Energieimpulses (am Hebelappen)
bei etwa 100 MW/cm2. Allgemeiner kann die
Leistungsdichte in einem Bereich von 50 – 100 MW/cm2 liegen. Die
notwendige Leistungsdichte hängt,
wie sich von selbst versteht, von den physikalischen Eigenschaften
des Materials des Hebelappens ab. Relevante Eigenschaften umfassen
beispielsweise die Absorptionsfähigkeit
bei der verwendeten Wellenlänge
(wenn ein Laser eingesetzt wird), die spezifische Wärme, der
Schmelzpunkt und die latente Schmelzwärme. Die notwendige Leistungsdichte
hängt teilweise
auch von der Impulsdauer ab. Werden beispielsweise Impulse mit einer
Dauer von etwa 300 – 500
ns verwendet, so kann die Leistungsdichte unter 50 MW/cm2 betragen, und die geschmolzenen Stellen
werden trotzdem erzeugt. Werden Impulse mit einer Dauer von 10 – 30 ns
verwendet, so muss die Leistungsdichte gegebenenfalls über 150
MW betragen, um geschmolzene Stellen zu ergeben.
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Wenn
alle anderen Faktoren gleich sind, so tendieren die Eigenschaften
einer hohen spezifischen Wärme,
eines hohen Schmelzpunkts, einer hohen latenten Schmelzwärme und
einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit
in den meisten Fällen
dazu, geschmolzene Stellen mit geringer Tiefe auszubilden.
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Trifft
der Energieimpuls auf die Oberfläche des
Hebelappens auf, so fließt
das geschmolzene Material aufgrund der Wärmeausdehnung von der geschmolzenen
Stelle weg. Das geschmolzene Material gefriert aufgrund der schnellen
Wärmeableitung sehr
rasch wieder. Dies erzeugt eine Rauheit mit einer Längengröße, die
mit der Größe der Stelle
vergleichbar ist (und die in 4 dargestellten
Rippen). Es ist deshalb wünschenswert,
dass jede Stelle 28 so groß wie praktisch möglich ist.
Ist die geschmolzene Stelle klein, so herrschen die Rippen auf der
Oberfläche
vor und die Oberfläche
wird relativ rauh; ist die geschmolzene Stelle hingegen groß, so ist
nur ein kleiner Bruchteil der Oberfläche mit Rippen bedeckt und
die Oberfläche
ist relativ glatt. Vorzugsweise ist der Laser auf eine Stelle fokussiert,
die eine Größe von zumindest
mehreren Mikron aufweist.
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Die
Größe einer
jeden geschmolzenen Stelle 28 wird ausschließlich durch
die Energiekapazität
pro Impuls der verwendeten Energieimpulsquelle (z.B. des Lasers)
eingeschränkt.
Verteilt sich der Energieimpuls über
eine zu große
Fläche,
so reicht die Leistungsdichte zum Schmelzen nicht mehr aus. Beispielsweise
wird vorausgeschickt, dass idealerweise der gesamte zylindrische
Abschnitt 24 mit einem einzigen Laserimpuls geglättet würde, da
so gar keine Rippen auf dem zylindrischen Abschnitt entstünden. Ein
Laser oder eine andere Vorrichtung, die zum Glätten einer solch großen Fläche fähig ist,
muss jedoch außergewöhnlich starke
Energieimpulse erzeugen. Ein derartiger Laser wäre sehr groß und äußerst kostspielig, wodurch
er als Herstellungsinstrument nicht praktisch wäre.
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Ein
Verfahren zur Minderung der Größe der Rippen
besteht darin, den Laserstrahl 50 so zu bündeln, dass
die Intensitätsverteilung
des fokussierten Lasers stufenweise vom Mittelpunkt aus bis zum Rand
hin abnimmt. Mit anderen Worten auf eine Weise, in der das Energieprofil
des Laserstrahls 50 keine definierte Grenzlinie aufweist.
Dies kann unter Verwendung eines CW-gepumpten, gütegesteuerten Lasers erzielt
werden.
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In
einem Verfahren der bevorzugten Ausführungsform ist es von Bedeutung,
dass das Ausmaß der
Erwärmung
des Hebelappens 20 minimiert wird, weil eine übermäßige Erhitzung
eine Verformung des Hebelappens verursachen kann. Die Erwärmung kann
durch Regeln der Bewegungsgeschwindigkeit und der Impulsfolgefrequenz
eingeschränkt
werden, sodass sich die geschmolzenen Stellen nur leicht überlappen
(d.h. unter 20 %). Ein geringes Ausmaß des Überlappens gewährleistet,
dass der Großteil der
Oberfläche
von nur einem Laserimpuls getroffen wird.
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Einer
bevorzugten Ausführungsform
gemäß wird ein
frequenzverdoppelnder Multimoden-Nd:YLF- Laser (527 nm) verwendet.
Die Impulsdauer beträgt
200 ns bei einer Wiederholrate von 100 Hz. Die Laserimpulse werden
auf eine Stelle mit einer Größe 300 Mikron × 70 Mikron
fokussiert. Die auf den Hebelappen einfallende Impulsenergie beträgt 2,8 Millijoule
pro Impuls. Der Laserstahl wird entlang dem Hebelappen mit einer
Rate von etwa 5 mm/s bewegt. Die Bewegungsrichtung steht senkrecht
zur Längsachse
des Laserstrahls. Mit diesen Parametern werden einander leicht überlappende
geschmolzene Stellen mit sehr glatten Oberflächen erzeugt.
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8 zeigt
eine Kopfkardananordnung 54, wobei der Hebelappen 20 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung geglättet
wurde. Die Kopfkardananordnung umfasst einen Montageabschnitt 56 zur
Befestigung an einem Drehaktuator (nicht dargestellt) im Inneren
eines Datenspeicher-Festplattenlaufwerks. Ein starrer Arm 58 und
eine flexible Aufhängung 60 sind
am Montageabschnitt 56 angebracht. Die flexible Aufhängung 60 trägt ein Gleitstück 62,
das einen magnetischen Lese-/Schreibkopf (nicht dargestellt) umfasst.
Der Hebelappen 20 ist so an der flexiblen Aufhängung 60 angebracht,
dass der Hebelappen die flexible Anordnung zu einer leichten Biegung
veranlassen kann, wenn eine Kraft angelegt wird. Der Hebelappen
weist eine glatte Oberfläche 64 auf,
die dem Verfahren der bevorzugten Ausführungsform gemäß (schnelles Schmelzen
und wieder Einfrieren) geglättet
wurde. Die glatte Oberfläche 64 ist
jener Abschnitt des Hebelappens, der eine Lade/-Entladerampe kontaktieren soll.
Die glatte Oberfläche 64 weist
geschmolzene Stellen 28 auf, die durch rasches Schmelzen
und Abkühlen
erzeugt wurden. Vorzugsweise weisen die geschmolzenen Stellen 28 eine
Tiefe im Bereich von 1,0 bis 3,0 Mikron auf.
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9 zeigt
die internen Bestandteile eines Datenspeicher-Festplattenlaufwerks
vom Lade-/Entlade-Typ gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Das Laufwerk verfügt über einen Drehaktuator 70.
Die Kopfkardananordnung 54 ist am Drehaktuator 70 befestigt.
Zum Zwecke der Klarheit ist nur eine Kopfkardananordnung 54 dargestellt.
Das Laufwerk verfügt
weiters über
Magnetspeicherplatten 72 und eine Lade-/Entladerampe 74.
Die Magnetplatte 72 weist eine Oberfläche mit magnetisch gespeicherten
Daten auf, die vom Gleitstück 62 gelesen
werden können.
Die Lade-/Entladerampe 74 sorgt für das Laden und Entladen des
Gleitstücks 62 auf
und von den Magnetplatten 72. Der Drehaktuator 70 kann
die Kopfkardananordnung 54 um eine vertikale Achse 76 drehen.
Die Kopfkardananordnung ist so ausgerichtet, dass der Hebelappen 20 die
Rampe berührt,
wenn der Drehaktuator 70 die Kopfkardananordnung zu deren äußersten
Stellung hin bewegt. Die Unterseite des Hebelappens 20 weist geschmolzene
Stellen 28 (in 8 nicht sichtbar) auf, die für eine abriebfreie
Reibung des Hebelappens 20 an der Lade/Entladerampe 74 sorgen.
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Gemäß dem hierin
beschriebenen Verfahren geglättete
Hebelappen weisen außergewöhnlich glatte
Oberflächen
auf und erzeugen deshalb bei der Reibung an einer Lade-/Entladerampe
keine Teilchen. Derartige Hebelappen sind insbesondere zur Verwendung
mit aus Polymermaterialien hergestellten Lade-/Entladerampen geeignet.
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Obwohl
das Verfahren der vorliegenden Erfindung in erster Linie als einen
Impulslaser verwendend beschrieben wurde, kann jede Energiequelle, die
zum Schmelzen der Hebelappenoberfläche fähig ist, eingesetzt werden.
Alles, was von der Energiequelle abverlangt werden muss, ist die
Fähigkeit,
für einen
kurzen Zeitraum aus reichend Energie für jede zu glättende Stelle
auf der Hebelappenoberfläche bereitzustellen,
sodass nur eine dünne
obere Schicht (d.h. weniger als 10 Mikron dick) des Hebelappens zum
Schmelzen gebracht wird. Es ist beispielsweise möglich, eine CW-Laserquelle
zu verwenden, bei der der CW-Strahl mit hoher Geschwindigkeit über die Hebelappenoberfläche bewegt
wird. Auf diese Weise kann eine CW-Quelle eine Impulsquelle simulieren (jeder
Punkt auf dem Lappen erhält
einen Energieimpuls). CW- oder Impulselektronenstrahlen können ebenfalls
zur Erzeugung der geschmolzenen Stellen herangezogen werden. Weiters
können
auch Impuls- oder CW-Plasmastrahlen, Warmluftstrahlen oder Flammenbrenner
verwendet werden. Werden CW-Quellen eingesetzt, so müssen sie
mit ausreichend hoher Geschwindigkeit über den Hebelappen bewegt werden,
sodass der Hebelappen bis zu einer Tiefe von weniger als 10 Mikron
zum Schmelzen gebracht wird. Die Abtastgeschwindigkeit hängt natürlich von
der durch die Energiequelle erhitzten Fläche ab. Beispielsweise muss
eine Energiequelle, die eine große Fläche erhitzt, mit hoher Geschwindigkeit
abgetastet werden. Eine Energiequelle, die eine kleine Fläche erhitzt,
kann hingegen mit langsamerer Geschwindigkeit bewegt werden.