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Die
Erfindung betrifft ein Positioniergerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, welches insbesondere zur präzisen
Bewegung eines Schwenkarmes für
einen Servo-Track-Writer geeignet ist.
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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).
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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.
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In
der Patentschrift
US 5796 542 eine
zur Erhöhung
der Laufruhe, bzw. zur Reduzierung der Seek and Settle Time in einem
Servo-Track-Writer ein Luftlager verwendet. Derartige Luftlager
erfordern eine hochpräzise
und aufwändige
Fertigung und eine permanente Druckluftversorgung.
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Die
bekannten Positioniergeräte
haben den Nachteil, dass sie entweder vergleichsweise aufwändig aufgebaut
sind und/oder bezüglich
der Genauigkeit und der Seek and Settle Time ungünstig sind.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Positioniergerät zu schaffen
welches eine überaus
genaue Positionierung sowie sehr kurze Seek and Settle Zeiten ermöglicht,
bei vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand bzw. einfachem Betrieb.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Schaffung eines Positioniergerätes
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Wichtig
für das
gute Funktionieren, insbesondere zur Reduzierung der Seek and Settle
Time des Positioniergerätes
ist demnach die Auswahl der Wälzkörper.
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Das
erfindungsgemäße Positioniergerät hat den
Vorteil, dass es eine technisch einfache und wirtschaftlich günstige Bauweise
und eine überaus
genaue und schnelle Positionierung ermöglicht.
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Es
hat sich nunmehr gezeigt, dass Ungenauigkeiten bei der Positionierung
eines Schwenkarmes an einer schwenkbaren Welle in nicht zu vernachlässigbarem
Maße durch
die Elastizität
der Wälzkörper der
Lagerung herrühren.
Diese Elastizität
bei herkömmlich
verwendeten Lagerungen begründet
ein vergleichsweise vibrationsempfindliches bzw. schwingungsanfälliges Verhaltens
des kompletten Positioniergerätes. Überraschenderweise
stellte sich heraus, dass das Gesamtverhalten des Positioniergerätes bezüglich Positioniergenauigkeit
und Seek and Settle Time in außerordentlichem
Maße verbessert
wird, wenn die in der Lagerung verwendeten Wälzkörper aus einem keramischen
Material hergestellt sind. Somit kann etwa auf ein Luftlager verzichtet
werden, wenn die Wälzkörper aus
einem keramischen Material hergestellt sind.
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Die
Steifigkeit der Lagerung kann weiterhin erhöht werden, wenn viele vergleichsweise
kleine, keramische Wälzkörper in
den Wälzlagern
verwendet werden. Die Massenschwerpunkte der Wälzkörper sind im Wälzlager
entlang einer Kreislinie angeordnet. Mit Vorteil ist in diesem Zusammenhang
das Verhältnis
der Umfangslänge
der Kreislinie zur Anzahl der Wälzkörper, welche
entlang dieser Kreislinie angeordnet sind, kleiner ist als 5 mm.
Vorzugsweise beträgt
dieses Verhältnis
einen Wert von weniger als 3 mm.
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Die
keramischen Wälzkörper sind
vorteilhaft zwischen zwei Lagerringen angeordnet. Auf diese Weise
kann eine vergleichsweise kurze Seek and Settle Time erreicht werden
und gleichzeitig die Kosten für
die Lagerung gering gehalten werden. Die Lagerringe sind in einer
kostengünstigen
Ausführungsform
als Stahlringe ausgebildet.
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Alternativ
dazu können
die Wälzkörper aber auch
mit Vorteil zwischen zwei keramischen Ringen angeordnet sein. Mit
Vorteil kann eine derart gelagerte Welle selbst aus einem keramischem
Material bestehen. Dabei können
die Laufrillen, entlang welcher die Wälzkörper angeordnet sind, alternativ
auch integraler Bestandteil der Welle und/oder eines Gehäuses des
Positioniergerätes
sein. Das heißt,
dass die Laufrillen in die Welle und/oder das Gehäuse eingearbeitet
sein können.
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Die
keramischen Wälzkörper haben überdies
den Vorteil, dass diese auch bei minimalen Schmiermittelmengen noch
hervorragende tribologische Eigenschaften der Lagerung gewährleisten. Gerade
beim Betrieb eines Positioniergerätes, dessen schwenkbare Welle
durch den Schwenkantrieb in einem Schwenkbereich kleiner als ±180°, insbesondere
kleiner als ±90° schwenkbar
ist, ist diese Eigenschaft der keramischen Wälzkörper von besonderem Vorteil,
zumal eine Schmiermittelverteilung bei nicht über mehrere Umdrehungen betriebenen
Lagern im Allgemeinen nicht unproblematisch ist. Dabei ist auch
zu berücksichtigen,
dass in diesen Geräten eine
Minimierung der Schmiermittel geboten ist, um Verunreinigungen beispielsweise
der Komponenten der Positionsmesseinrichtung zu vermeiden.
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Die
Lagerung mit den Wälzkörpern aus
keramischen Material wird im Positioniergerät 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.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
anhand einer Figuren deutlich werden.
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Es
zeigen die
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1 eine
Schnittdarstellung durch das erfindungsgemäße Positioniergerät.
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2 eine
Detailansicht auf ein im Gehäuse eingebautes
Wälzlager.
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In
der 1 ist ein Positioniergerät dargestellt, wie es im Zusammenhang
mit STWs eingesetzt wird. Eine Welle 1 ist demnach um eine
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. Am Durchtritt
der Welle 1, die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus Stahl gefertigt
ist, durch ein Gehäuse 5 ist
eine Dichtung 6 angebracht.
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Die
Schwenkbewegung, im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Schwenkbereich
von ± 25° möglich, wird
durch einen sogenannten Voice Coil Motor2, 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.
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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 Voice Coil Motor 2 arbeitet
demnach nach dem Prinzip eines synchronen Direktantriebs.
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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.
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Dem
gegenüber
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 Licht- 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.
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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.
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Gerade
bei der Verwendung einer derartig hochauflösenden interferentiellen Positionsmessseinrichtung 3 ist
eine Optimierung der mechanisch wirkenden Bauteile von besonderem
Vorteil, um eine möglichst
hohe Steigerung der Genauigkeit und der Schnelligkeit des Positioniergerätes in seiner
Gesamtheit zu erreichen.
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An
der Welle 1 befinden sich innerhalb des Gehäuses 5 vier
Wälzlager,
im gezeigten Ausführungsbeispiel
vier identische Kugellager 4, welche jeweils zu zwei Lagereinheiten
mit jeweils zwei Kugellagern 4 zusammengefasst sind. Die
Kugellager 4 bestehen ihrerseits unter anderem jeweils
aus einem Innenring 4.2 und einem Außenring 4.2. Der Innenring 4.2 und
der Außenring 4.2 sind
aus Lagerstahl gefertigt. Darüber
hinaus umfasst jedes Kugellager 4 als Wälzkörper Kugeln 4.1, welche
aus keramischen Material, im gezeigten Ausführungsbeispiel aus Si3N4, bestehen. Die
Kugeln 4.1 haben einen Durchmesser von lediglich 1,588
mm (1/16 inch).
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Gemäß der 2 ist
jede zweite Kugel 4.1 von einem Ringkörper 4.4 umgeben.
Die Ringkörper 4.4 erfüllen im
Kugellager 4 die Aufgabe eines Kugelkäfigs und sind zur Minimierung
er Reibungsverluste aus PTFE hergestellt. Naturgemäß weisen
die Kugeln 4.1 einen Massenschwerpunkt auf, der in deren geometrischem
Mittelpunkt zu liegen kommt. Wenn die Massenschwerpunkte der Kugeln 4.1 im
Kugellager 4 verbunden werden, entsteht eine Kreislinie
L. Infolge des überaus
kleinen Durchmessers der Kugeln 4.1 können sehr viele Kugeln 4.1 entlang
der Kreislinie L angeordnet bzw. aneinandergereiht werden, was die
Steifigkeit der Lagerung erhöht
und die Seek and Settle Time des Servo-Track-Writers überraschend
stark reduziert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser
D der Kreislinie L 27,7 mm, so dass der Umfang, bzw. die Umfangslänge der
Kreislinie L etwa 87,0 mm misst. Jedes Kugellager 4, wie
im Beispiel vorgestellt, weist eine Anzahl n von vierzig Kugeln 4.1 auf.
Entsprechend ist das Verhältnis
V der Umfangslänge
der Kreislinie L zur Anzahl n der Kugeln 4.1 folgendermaßen zu berechnen: V = L/n = 87 mm/40 = 2,175 mm
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die beiden Lagereinheiten, die wie bereits oben beschrieben
aus jeweils zwei Kugellagern 4 bestehen, vergleichsweise
weit voneinander beabstandet im Gehäuse 5 angeordnet.
An der Welle 1 befindet sich die erste (in der Figur die
obere) Lagereinheit zwischen der Positionsmessseinrichtung 3 und
dem Wellenende 1.1. Mit anderen Worten sind ausgehend von
dem Wellenende 1.1 entlang der Welle (1) zunächst die
Kugellager 4 der ersten Lagereinheit, dann das Phasengitter 3.1 der
Positionsmesseinrichtung 3 angeordnet. Die Kugellager 4 der
ersten Lagereinheit befinden sich als zwischen dem Wellenende 1.1 und
dem Phasengitter 3.1 der Positionsmesseinrichtung 3.
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Alternativ
dazu umfasst die Erfindung auch Anordnungen, bei denen die Kupferspule 2.1 und
das Phasengitter 3.1 bezüglich ihrer Anordnung entlang der
Welle 1 vertauscht sind. In diesem Fall liegen dann die
entsprechenden Kugellager 4 der ersten Lagereinheit zwischen
dem Wellenende 1.1 und der Kupferspule 2.1.
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Die
zweite Lagereinheit (in der Figur die untere) ist an dem Ende der
Welle 1 im Gehäuse 5 angebracht,
das dem Wellenende 1.1 an dem ein Schwenkarm befestigt
werden kann, gegenüber
liegt.