DE69106403T2

DE69106403T2 - Plattenspeicher mit Isolierungslager.

Info

Publication number: DE69106403T2
Application number: DE69106403T
Authority: DE
Inventors: Graham Nigel Dew; Michael William Hall; Michael Robert Hatchett; Anthony Roger Hearn; Michael George Taylor
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-02-15
Filing date: 1991-02-04
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2011-02-05
Also published as: KR950002399B1; GB9003470D0; JPH0664902B2; EP0442641B1; GB2241370A; US5124855A; EP0442641A3; EP0442641A2; KR920000055A; JPH04216389A; DE69106403D1

Description

Fachgebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Plattenspeicher und im einzelnen auf ein Isolierungslager für eine Kopf-Platten-Gehäuseeinheit in einem Plattenspeicher.

Hintergrund der Erfindung

Empfindliche elektrische Geräte, wie zum Beispiel Plattenlaufwerke für Computer, werden üblicherweise in einem Gehäuse schwingungsfrei montiert. Eine solche schwingungsfreie Montage verringert eine mögliche Beschädigung durch plötzlich auftretende Stöße, zum Beispiel wenn das Gerät auf eine harte Oberfläche fällt. Bei einigen Geräten sind Isolierungslager erforderlich, die nicht nur gegen Stöße und andere Hochfrequenzschwingungen schützen, sondern auch gegen Schwingungen bei niedriger Frequenz. Diese Lager müssen außerdem im Inneren erzeugte Schwingungen auffangen können, zum Beispiel Schwingungen, die durch die Zugriffsbewegung eines Plattenspeicher-Zugriffsarms entstehen.
Einem Schwingungsdämpfungs- oder Isolierungslager ist eine Lagerfrequenz zugeordnet, bei der es sich um die natürliche Schwingungsfrequenz des gelagerten Geräts aufgrund der elastischen Rückstellkraft der Lager handelt. Bei einem Gerät, das durch Eingangsschwingungen einer gegebenen Frequenz und Amplitude angetrieben wird, bezeichnet man das Verhältnis der Amplitude der Ausgangsansprechschwingungen zur Amplitude der Eingangsschwingungen als Verstärkungsfaktor. Die allgemeine Veränderung des Verstärkungsfaktors mit der Frequenz (genannt Transferfunktion) ist bei solchen Systemen gut bekannt. Liegen die Eingangsschwingungen wesentlich unter der Eigenfrequenz (in unserem Fall der Lagerfrequenz), beträgt der Verstärkungsfaktor ungefähr Eins - das heißt, das System verhält sich so, als ob es sich bei dem Lager einfach um eine starre Verbindung handelte. Wird dann die Antriebseingangsfrequenz der Lagerfrequenz vergleichbar, kommt es zur Resonanz und der Verstärkungsfaktor wird größer. Schließlich fällt der Verstärkungsfaktor oberhalb der Lagerfrequenz-Resonanz unter Eins und nimmt danach mit zunehmender Frequenz weiter ab.
Beim Entwurf eines Schwingungsdämpfungs- oder Isolierungslagers kann die Anpassung der Lagerfrequenz zur Kontrolle von Schwingungen verschiedener Frequenzen verwendet werden. Typischerweise enthalten solche Lager eine Dämpfungsvorrichtung, um die Bewegung weiter zu reduzieren, wovon auch die Höhe, die Weite und die genaue Lage der Lagerfrequenz-Resonanz betroffen sein können.
Ein Typ von Schwingungsdämpfungslager, wie es nach dem bisherigen Stand der Technik üblich ist, wird in der PCT-Anwendung WO 88/09551 beschrieben. Bei diesem Entwurf wird um einen zylindrischen Vorsprung an der Kopf-Platten-Gehäuseeinheit (oder alternativ um einen Bolzen, der ein Stück in die Kopf- Platten-Gehäuseeinheit eingeschraubt wird) eine Gummidichtung angeordnet. Die Dichtung wird dann in dem Tragrahmen gehalten und bildet ein Schwingungsdämpfungslager für die Kopf-Platten-Gehäuseeinheit. Typischerweise sind drei oder vier solcher Schwingundämpfungslager vorhanden, die die Kopf-Platten- Gehäuseeinheit mit dem Tragrahmen verbinden. Eine Variation dieser Methode wird mit leichten Veränderungen in US 4812932 beschrieben; es handelt sich hier um eine Dichtung mit einer Federkonstanten, die so angeordnet ist, daß sie sich bei Verschiebung stark verändert. In US 4683520 wird ein Schwingungsdämpfungslager beschrieben, bei dem zwar auch eine Dichtung verwendet wird, wobei diese jedoch nicht direkt durch den Rahmen, sondern an einer freitragenden Verlängerung des Rahmens gehalten wird.
Ein etwas anderes Lagerungssystem für eine nicht einzeln angegebene elektrische Ausrüstung wird in der kanadischen Patentschrift 788873 beschrieben. Hier wird als Tragkonstruktion für ein Gerät eine Platte aus Schichtmaterial mit einer Dämpfungsschicht verwendet. Elastische Dichtungen dienen zur Befestigung der Platte an einem Rahmen und zur Befestigung des Geräts an der Platte. Die Platte verbessert die Isoliereigenschaften des Lagers.

Beschreibung der Erfindung

Mit den Schwingungsdämpfungslagern nach dem bisherigen Stand der Technik konnte man keine Kompaktheit und keine konsistent niedrigen Lagerfrequenzen, die relativ unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen sind, erreichen.
Dementsprechend stellt die Erfindung einen magnetischen Plattenspeicher bereit, der folgendes umfaßt: einen Rahmen; eine Kopf-Platten-Gehäuseeinheit, die einen Plattenstapel und einen Zugriffsarm enthält; und eine Vielzahl von Isolierungslagern zur Abstützung der genannten Kopf-Platten-Gehäuseeinheit in dem genannten Rahmen; der genannte magnetische Plattenspeicher ist hierbei dadurch gekennzeichnet, daß jedes der genannten Isolierungslager ein flexibles Element mit einer eingespannten Schicht enthält, wobei das genannte flexible Element mit der eingespannten Schicht im wesentlichen eine planare Form aufweist und eine Dämpfungsschicht enthält, die sandwichartig zwischen zwei festen Schichten eingespannt ist, die im wesentlichen über eine größere Steifigkeit als die Dämpfungsschicht verfügen.
Die Verwendung eines flexiblen Elements mit einer eingespannten Schicht bietet ein kompaktes Isolierungslager mit einer sehr niedrigen Lagerfrequenz für die Kopf-Platten-Gehäuseeinheit in einem Plattenspeicher. Die niedrige Lagerfrequenz bietet einen guten Schutz gegen Hochfrequenzschwingungen, sowohl gegen die intern, zum Beispiel durch die Bewegung des Zugriffsarms erzeugten, als auch gegen die extern erzeugten. Desweiteren ist dieses Lager gegenüber Temperaturschwankungen relativ unempfindlich.
Ist der Zugriffsarm ein linearer Zugriffsarm, soll sich das flexible Element mit der eingespannten Schicht nicht parallel zur Zugriffsrichtung des Zugriffsarms durchbiegen. Wird ein Zugriffsarm von einem geschlossenen Servo-System gesteuert, muß außerdem die Lagerfrequenz in Zugriffsrichtung der Kopf- Platten-Gehäuseeinheit niedrig genug sein, um Schwingungen bei Frequenzen außerhalb der Bandbreite des geschlossenen Servo-Systems durch das Isolierungslager zu dämpfen. Die Lagerfrequenz kann in der Ebene orthogonal zur Zugriffsrichtung viel höher sein, wodurch die Notwendigkeit eines Schwenkraums in dieser Ebene reduziert wird. Obwohl flexible Elemente mit eingespannter Schicht in einem Plattenspeicher mit linearem Zugriffsarm besonders nützlich sind, gibt es keinen Grund, sie nicht auch in einem Plattenspeicher mit rotierendem Zugriffsarm zu verwenden; in diesem Fall sind dann eventuell andere Lagerausrichtungen und möglicherweise mehr als ein Lagertyp wünschenswert.
Das flexible Element hat vorzugsweise eine längliche Form und kann mit Hilfe eines Niets an jedem Rahmenende befestigt werden. Die bevorzugte Konstruktion eines flexiblen Elements umfaßt eine Schicht aus viskoelastischem Gummi, die sandwichartig zwischen zwei Stahlschichten eingelegt ist, obwohl auch andere Materialien verwendet werden können. Das flexible Element hat vorzugsweise einen H-förmigen Rahmen, wobei in dem mittleren Kreuzstück eine Apertur angeordnet ist. Der genannte H-förmige Rahmen hat zusätzliche Kreuzstücke oben und unten, wobei jedes Kreuzstück ein nach innen gedrehtes Ansatzstück hat, welches die Niete aufnimmt, mit denen das flexible Element am Rahmen befestigt ist Hierdurch wird das flexible Element wirksam verlängert und man erreicht eine niedrigere Lagerfrequenz. Flexible Elemente mit unterschiedlicher Form, wie zum Beispiel eine plattenförmige Membrane, können ebenfalls verwendet werden.
Es wird außerdem bevorzugt, daß das Isolierungslager desweiteren eine elastische Dichtung enthält, die in der Apertur in dem zentralen Kreuzstück des flexiblen Elements angeordnet ist. Die Kopf-Platten-Gehäuseeinheit wird von einem Bolzen abgestützt, der durch die Dichtung hindurchgeführt ist; die Dichtung umfaßt einen Flansch, der zwischen dem flexiblen Element und dem Rahmen liegt, so daß zwischen dem flexiblen Element und dem Rahmen kein Kontakt entstehen kann, wenn sich die Kopf-Platten-Gehäuseeinheit zu weit verschiebt.
Im typischen Fall würde die Dichtung jedes Isolierungslagers aus Gummi gefertigt. Die Dichtungen machen das Lager widerstandsfähiger gegenüber Stößen, insbesondere in einer orthogonal zur Zugriffsrichtung liegenden Ebene, und wirken außerdem als Dämpfer, der bei einer zu starken Bewegung in Zugriffsrichtung ein Knicken verhindert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine in Einzelteile aufgelöste Darstellung eines Plattenspeichers gemäß der Erfindung, mit einer Kopf- Platten-Gehäuseeinheit, einem Tragrahmen und Isolierungslagern;
Figur 2 zeigt eine in Einzelteile aufgelöste Darstellung der Kopf-Platten-Gehäuseeinheit der Figur 1;
Figur 3 zeigt eine in Einzelteile aufgelöste Detailansicht eines der Isolierungslager der Figur 1 in Relation zu den angrenzenden Abschnitten der Kopf-Platten-Gehäuseeinheit und des Tragrahmens;
Figur 4 zeigt einen detaillierten Querschnitt durch das Isolierungslager der Figur 3;
Figur 5 vergleicht die Lager-Entwurfsspezifikationen für einen maximalen Verstärkungsfaktor im Verhältnis zur Frequenz, mit dem Verstärkungsfaktor eines Isolierungslagers, das die Erfindung ausgestaltet, und einem Isolierungslager mit Gummidichtung nach dem bisherigen Stand der Technik.

Beschreibung

Figur 1 zeigt eine Kopf-Platten-Gehäuseeinheit 1 eines Computer-Plattenlaufwerks. Die Kopf-Platten-Gehäuseeinheit wird im Rahmen 2 durch vier Isolierungslager 3 abgestützt. Der Inhalt der Kopf-Platten-Gehäuseeinheit ist in vereinfachter Form in Figur 2 dargestellt und besteht aus den drehbaren Datenspeicherplatten 13, den Lese-/Schreibköpfen 14 zur Übertragung von Daten zu und von den Platten, und einem Zugriffsarm-Mechanismus 15, der die Köpfe über die Platten bewegt. Mit Hilfe eines Servo-Steuersystems werden die Köpfe über den Platten exakt positioniert. Die Platten werden von einem in die Nabe integrierten Motor (nicht dargestellt) um die Spindel 12 gedreht. Der Zugriffsarm der Figuren 1 und 2 ist ein linearer Zugriffsarm; das heißt, die Lese-/Schreibköpfe werden linear über einem Plattenradius ein- und ausgefahren. Die Richtung dieser Bewegung, bezogen auf die Zugriffsrichtung, ist durch den Pfeil A angegeben.
Die Figuren 3 und 4 zeigen die Isolierungslager der Figur 1 im Detail. Die Konsole 25, die Teil des Rahmens 2 ist, verfügt über drei Öffnungen. Die obere und die untere Öffnung dienen zur Anbringung eines flexiblen Elements mit eingespannter Schicht, 23, an der Konsole 25, mit Hilfe der Niete 28. Das flexible Element mit eingespannter Schicht liegt im wesentlichen parallel zur Konsole und umfaßt eine Öffnung 30, die mit der mittleren Öffnung 31 in der Konsole 25 axial ausgerichtet ist. In der Öffnung 30 ist eine Gummidichtung oder Buchse 24 angeordnet. Die Buchse hat die Form eines Hohlzylinders mit zwei Flanschen 41, 43 und einer dazwischenliegenden Nut 42. Der innere Rand der Öffnung 30 wird in der Nut 42 aufgenommen. Zwei Metallbuchsen 22, 26 werden jeweils von einem Ende in die Gummidichtung eingeführt. Jede Metallbuchse hat einen Flansch, der das vollständige Einführen der Buchsen in die Dichtung verhindert; dadurch entsteht innerhalb der Dichtung zwischen den Enden der beiden Buchsen ein dünner Spalt. Die Metallbuchsen sind in erster Linie aus montagetechnischen Gründen vorhanden und um die Lagerung zu verstärken. Durch die Gummi- und Metallbuchsen wird ein Bolzen 27 bis in die Bohrung 21 in dem Gußgehäuse der Kopf-Platten-Baugruppe geführt. Die Zugriffsrichtung liegt orthogonal zur Ebene der flexiblen Elemente - das heißt, parallel zu der Richtung, in die die flexiblen Elemente am stärksten nachgeben.
Eine der ursprünglichen Entwurfsanforderungen für das Lager wird in Kurve A in Figur 5 skizziert. Hier wird der zulässige Verstärkungsfaktor bei Lagerfrequenz gezeigt, wenn verhindert werden soll, daß durch externe Schwingungen bei der Spurverfolgung Kopf-Positionierungsfehler entstehen. Das geschlossene Servo-System zur Steuerung des Zugriffsarms enthält einen Integrator mit einer Eckfrequenz von etwa 50 Hz. Hierdurch wird die Gesamtbandbreite des geschlossenen Servo- Systems wirksam begrenzt, was erklärt, warum die Schwingungstoleranz unterhalb dieser Frequenz schnell zunimmt. Zunächst wurden relativ starre Gummidichtungen zur Lagerung der Kopf- Platten-Gehäuseeinheit verwendet, wodurch man eine Lagerfrequenz von über 100 Hz erhielt. Es stellte sich jedoch heraus, daß die Spurverfolgungsleistung bei diesen Lagern nicht zufriedenstellend war, da externe Schwingungen mit Frequenzen außerhalb der Servo-Bandbreite, jedoch unterhalb der Lagerfrequenz (das heißt, typischerweise im Bereich 50-100 Hz) durch die Lager nicht gedämpft wurden, jedoch bei Verwendung der Servo-Steuerung nicht verfolgt werden konnten. Desweiteren erreichte man durch eine starre Montage eine unzureichende Dämpfung bei bestimmten Temperaturen, und außerdem lag die Torsions-Resonanz bei hohen Temperaturen zu nahe an der Platten-Drehgeschwindigkeit, was für das Servo-Steuersystem des Spindelmotors Probleme aufwarf.
Man probierte dann eine Lagerung mit Dichtung mit einer Lagerfrequenz unterhalb der Servo-Bandbreite aus, um die Empfindlichkeit gegenüber externen Schwingungen zu senken, indem man sich unter den toleranteren Bereich der Kurve A bewegte Gummidichtungslager mit einer Lagerfrequenz von etwa 40 Hz und einer Transferfunktion entsprechend Kurve B wurden erreicht Obwohl diese die Voraussetzungen bezüglich der externen Schwingungen der Kurve A erfüllen konnten, blieben schwerwiegende Probleme bestehen. Die erforderliche Dämpfung konnte man nur mit Lagern erreichen, deren Steifigkeit bzw. Lagerfrequenz beträchtlich über dem Betriebstemperaturbereich des Plattenlaufwerks lagen. Desweiteren hatten die Dichtungen eine niedrige Seitensteifigkeit (das heißt, senkrecht zur Zugriffsrichtung) und erforderten mehr Schwenkraum in dieser Ebene, als verfügbar war. Eine weitere Schwierigkeit war die niedrige Rotationsfrequenz des Lagers, die aufgrund der niedrigen Bandbreite des Plattenlaufwerksmotors problematisch war. Schließlich wurde festgestellt, daß sich das Gußstück der Kopf-Platten-Gehäuseeinheit während einer Suchoperation in Reaktion auf die Bewegung des Zugriffsarms bewegte, wodurch eine schnelle und präzise Positionierung der Köpfe schwierig wurde.
Es konnte kein Lager mit Gummidichtung gefunden werden, mit dem alle obengenannten Probleme beseitigt werden konnten; die Probleme konnten jedoch mit dem Isolierungslager mit flexiblen Elementen der Figuren 3 und 4 erfolgreich überwunden werden. Die Transferfunktion in Zugriffsrichtung für dieses Lager ist als Kurve C in Figur 5 gezeigt und man kann hier feststellen, daß die Anforderungen bezüglich der externen Schwingungen voll erfüllt sind. Die niedrige Lagerfrequenz des Lagers mit flexiblen Elementen von etwa 20 Hz bedeutet auch, daß die Servo-Steuerung wesentlich besser in der Lage ist, Bewegungen der Kopf-Platten-Gehäuseeinheit in Reaktion auf Suchoperationen des Zugriffsarms auszugleichen.
Die flexiblen Elemente mit den eingespannten Schichten, 23, umfassen zwei Schichten aus Stahl mit einer dazwischenliegenden Schicht aus viskoelastischem Gummi. Die mittlere Gummischicht wirkt als Dämpfungsschicht und leitet die Energie von Schwingungen ab. Jedes flexible Element wird oben und unten an der Konsole 25 im Tragrahmen mit Nieten befestigt. Zur Erzielung der niedrigen Lagerfrequenz haben die flexiblen Elemente eine längliche Form. Indem man jedes flexible Element auf sich selbst zurückbiegt, konnte die wirksame Dehnung tatsächlich künstlich erhöht werden, wodurch die Lagerfrequenz noch weiter gesenkt wird. Die Lagerfrequenz ist jedoch orthogonal zur Zugriffsrichtung und bei Rotationsschwingungen noch viel höher, wodurch der notwendige Schwenkraum reduziert wird und Probleme mit dem Plattenlaufwerksmotor vermieden werden.
Die Gummidichtungen 24 sind in erster Linie wegen ihrer guten Eignung hinsichtlich der Zerbrechlichkeit nützlich; man erreicht durch sie eine Flexibilität für Bewegungen senkrecht zur Zugriffsrichtung und die Dichtungen funktionieren so im wesentlichen als Schwingungsdämpfungslager. Sie erhöhen zum einen die Knickbeanspruchung des flexiblen Elements und stellen außerdem sicher, daß die Knickbeanspruchungsgrenze nicht erreicht wird. Außerdem sind die Dichtungen von großem Nutzen, um zu verhindern, daß das flexible Element zu weit durchgebogen wird und mit der Tragkonsole einen direkten Kontakt hat. Vielmehr wirkt der Flansch 43 als Dämpfer, und zwar so, daß er, wenn das flexible Element in Figur 4 zu weit nach rechts nachgibt, zwischen dem flexiblen Element und der Konsole sandwichartig eingelegt wird, wodurch man eine höhere Steifigkeit erreicht, jedoch keine Schwierigkeiten hinsichlich der Zerbrechlichkeit auftreten, die entstehen würden, wenn das flexible Element in direkten Kontakt mit der Konsole kommen würde.

Claims

1. Ein Magnetplattenspeicher, der folgendes aufweist:

einen Rahmen (2); eine Kopf-Platten-Gehäuseeinheit (1) mit einem Plattenstapel (13) und einem Zugriffsarm (15); und einer Vielzahl von Isolierungslagern (3), die die genannte Kopf-Platten-Gehäuseeinheit in dem genannten Rahmen abstützen;

der genannte Magnetplattenspeicher ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes der genannten Isolierungslager ein flexibles Element mit eingespannter Schicht (23) umfaßt, wobei das genannte flexible Element mit eingespannter Schicht im wesentlichen eine planare Form hat, und eine Dämpfungsschicht enthält, die sandwichartig zwischen zwei Schichten von im wesentlichen größerer Steifigkeit als die genannte Dämpfungsschicht eingespannt ist.

2. Ein Magnetplattenspeicher nach Anspruch 1, bei dem der genannte Zugriffsarm ein linearer Zugriffsarm ist und das genannte flexible Element sich am stärksten in einer Richtung parallel zur Zugriffsrichtung des genannten linearen Zugriffsarms durchbiegt.

3. Ein Magnetplattenspeicher nach Anspruch 2, bei dem der genannte Zugriffsarm von einem geschlossenen Servo-System gesteuert wird, und bei dem die Lagerfrequenz in Zugriffsrichtung der genannten Kopf-Platten-Gehäuseeinheit niedrig genug ist, um Schwingungen bei Frequenzen außerhalb der Bandbreite des genannten geschlossenen Servo-Systems durch die genannten Isolierungslager zu dämpfen.

4. Ein Magnetplattenspeicher nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das genannte flexible Element eine längliche Form hat und an dem genannten Rahmen durch Niete (28) an jedem Ende der genannten länglichen Form befestigt ist.

5. Ein Magnetplattenspeicher nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem jedes der genannten flexiblen Elemente mit eingespannter Schicht eine Schicht aus viskoelastischem Gummi umfaßt, die zwischen zwei Schichten aus Stahl sandwichartig eingelegt ist.

6. Ein Magnetplattenspeicher nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das genannte Isolierungslager desweiteren eine elastische Dichtung (24) umfaßt, die in einer Apertur (30) in dem genannten flexiblen Element angeordnet ist, wobei die genannte Kopf-Platten-Gehäuseeinheit durch einen Bolzen (27) abgestützt ist, der durch die genannte Dichtung hindurchgeführt wird.

7. Ein Magnetplattenspeicher nach Anspruch 6, bei dem die genannte elastische Dichtung einen Flansch (43) umfaßt, der zwischen dem genannten flexiblen Element und dem genannten Rahmen liegt, um zu verhindern, daß der genannte Rahmen und das genannte flexible Element bei zu starker Verschiebung der Kopf-Platten-Gehäuseeinheit in Kontakt kommen.

8. Ein Magnetplattenspeicher nach Anspruch 7, bei dem das genannte flexible Element einen H-förmigen Rahmen aufweist, wobei die genannte Apertur für die Dichtung in dem zentralen Kreuzstück des genannten H-förmigen Rahmens angeordnet ist; der genannte H-förmige Rahmen zusätzliche obere und untere Kreuzstücke aufweist, wobei jedes Kreuzstück über ein nach innen gedrehtes Ansatzstück zur Anbringung an dem genannten Rahmen verfügt.

9. Ein Magnetplattenspeicher nach jedem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die genannte Kopf-Platten-Gehäuseeinheit in dem genannten Rahmen durch vier der genannten Isolierungslager abgestützt wird.