DE69700446T2

DE69700446T2 - Drehantriebsverriegelung mit Gewichtsausgleich und Luftschleuse für Plattenantrieb

Info

Publication number: DE69700446T2
Application number: DE69700446T
Authority: DE
Inventors: Thomas R. Stone
Original assignee: Quantum Corp
Current assignee: Quantum Corp
Priority date: 1996-05-07
Filing date: 1997-05-06
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2017-05-07
Also published as: US5668683A; CN1170933A; EP0806764A2; DE69700446D1; SG50826A1; EP0806764B1; KR970075431A; JPH1050010A; CA2204567A1; AU2005397A; EP0806764A3

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Betätiger- bzw. Aktuator-Verriegelungen in Festplattenlaufwerken. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine drehbare Betätigerverriegelung mit Luftsperre, die ein Gegendrehungs-Trägheitselement (counter rotational inertia member) aufweist, welches ermöglicht, daß eine Betätiger- bzw. Aktuatoranordnung durch die Betätigerverriegelung festgehalten wird, wenn das Plattenlaufwerk einer Drehstoßkraft ausgesetzt ist.

Hintergrund der Erfindung

In herkömmlichen Winchester-Plattenlaufwerken schwebt ein Schreib-/Lesekopf oder eine Wandleranordnung auf einem Luftlager oder -kissen in unmittelbarer Nähe zur sich drehenden Oberfläche der Datenspeicherplatte. Die Plattenoberfläche trägt ein magnetisches Dünnfilmmaterial mit einer Vielzahl magnetischer Speicherdomänen bzw. -bereiche, auf denen durch den Kopf aufgezeichnet und ausgelesen werden kann. Die Wandleranordnung, die irgendeine herkömmliche Kombination von Wandlern, Gleitstücken und Lastarmen (transducer, sliders and load beams) sein kann, wird unter Verwendung eines Betätigers bzw. Aktuators nahe der Oberfläche der Datenspeicherplatte positioniert und getragen. Die Kombination der Wandleranordnung und des Betätigers ist als Wandlerbetätiger oder als Betätiger- bzw. Aktuatoranordnung bekannt. Der Betätiger bzw. Aktuator trägt bzw. haltert die Lastarme und Gleitstücke und positioniert die Wandler genau über der Oberfläche der Platte innerhalb eines "Datenbereichs" ("data area"), um Daten aus der Platte auszulesen und in sie einzuschreiben. Wenn die Betätigeranordnung nicht in Betrieb ist, bleibt sie stationär in einer "Landezone" ("landing zone") längs des Innendurchmessers der Platte, wobei der Wandler auf der Oberfläche der Platte ruht. Eine Betätigerverriegelung hindert die Betätiger- bzw. Aktuatoranordnung an einer Bewegung in den Datenbereich während des Stillstands. Die Verriegelung kann einen Luftflügelabschnitt (air vane portion) aufweisen, der sich über die Oberfläche der Platte erstreckt und sich um eine Drehachse dreht/schwenkt. Wenn eine durch die sich drehende Platte erzeugte Luftströmung eine Vorbelastungskraft, beispielsweise eines Magneten, überwindet, bewegt sich die Verriegelung, um die Betätigeranordnung freizugeben. Solche Betätigerverriegelungen sind als "Luftsperren" ("airlocks") bekannt.
Festplattenlaufwerke (Hard disk drives = HDD) weisen typischerweise strukturierte Medien mit einem geringen Reibungskoeffizienten von weniger als 1,0 zwischen den Lese- /Schreibköpfen und den Platten auf. Falls die Betätigerverriegelung an einem solchen HDD ausfallen sollte, was dazu führte, daß der Kopf in Kontakt mit dem Datenbereich auf einer stillstehenden Platte wäre, wäre dieser geringe Reibungskoeffizient niedrig genug, daß der Spindelmotor typischerweise starten könnte. Obwohl der Ausfall der Verriegelung zu einer Beschädigung der Medien und möglicherweise einem bestimmten Datenverlust führen könnte, käme es somit typischerweise nicht zu einem katastrophalen Treibwerkfehler, wie z. B. der Unfähigkeit, anzulaufen.
In dem Bestreben nach immer höheren Flächendichten wendet die Industrie in zunehmendem Maße "zonenstrukturierte" Medien an. Bei diesen Medien ist nur die Landezone strukturiert und weist einen Reibungskoeffizienten von typischerweise weniger als 1,0 auf. Der Datenbereich ist glatt poliert und der Reibungskoeffizient kann darin das Zehnfache oder mehr als der in der Landezone betragen. Ein Ausfall der Betätigerverriegelung in einem Laufwerk, das solche Medien anwendet, würde wahrscheinlich in einem katastrophalen Laufwerkfehler resultieren. Damit hat das Aufkommen von zonenstrukturierten Medien die Zuverlässigkeit von Betätigerverriegelungen wesentlich wichtiger werden lassen als es in der Vergangenheit der Fall war.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein etwas vereinfachtes Plattenlaufwerk 10 mit einer Luftsperren- Betätigerverriegelung (airlock actuator latch) 11. Die Luftsperren-Betätigerverriegelung 11 umfaßt einen Luftflügelabschnitt 12, der in einer verriegelten Position abgebildet ist, wobei der Wandler 4 auf einer Platte 13 in einer Landezone 2 ruht. Damit gemäß Fig. 1 ein Wandler 4 in einen Datenbereich 3 der Platte 13 eintritt, muß sich die Luftsperren-Betätigerverriegelung 11 im Uhrzeigersinn drehen, um sich von einer Betätigeranordnung 17 zu lösen, worauf eine Drehung im Uhrzeigersinn der Betätigeranordnung 17 folgt.
Die Verriegelung 11 ist spezifisch gestaltet, um um ihre Drehachse in der Masse ausgeglichen zu sein, so daß lineare Stöße bzw. Schläge nicht bewirken, daß sie sich dreht und möglicherweise ein Entweichen der Betätigeranordnung 17 aus ihrer verriegelten Position erlaubt. In der Praxis haben sich herkömmliche drehbare Luftsperren-Betätigerverriegelungen als in vernünftigem Maß zuverlässig beim Verriegelthalten der Betätigeranordnung 17 herausgestellt, vorausgesetzt, daß der auftreffende Stoß bzw. Schlag linearer Art war.
In der US 45 830 193 ist eine Luftsperren- Betätigerverriegelung offenbart, gemäß der die Ansprüche 1 und 12 in die zweigeteilte Form gebracht worden sind.
Herkömmliche Luftflügel-Betätigerverriegelungsmechanismen (air vane actuator latching mechanisms) wie die der Fig. 1 bieten jedoch weniger Schutz gegen Drehstoßkräfte. Wenn sie einem Drehstoß ausgesetzt sind, der als eine plötzliche und schnelle Drehbewegung des Plattenlaufwerks 10 beschrieben werden kann, bewirken die jeweiligen Trägheitsmomente der Luftflügelverriegelung 11 und der Betätigeranordnung 17, daß sie ihre relative Winkelausrichtung beibehalten, anstatt sich mit der Plattenlaufwerkbasis 18 zu drehen. Falls die Basis 18 plötzlich in Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, tendieren somit die Luftflügelverriegelung 11 und der Betätiger 17 dazu, sich nicht mit der Basis 18 zu drehen. In der Tat erfahren die Verriegelung 11 und der Betätiger 17 eine Drehung im Uhrzeigersinn in bezug auf die Basis 18, was in der in Fig. 2 gezeigten Orientierung und einer unerwünschten Freigabe bzw. Entriegelung der Betätigeranordnung 17 resultiert. Wenn sich die Platte 13 nicht dreht, bewirkt die Freigabe des Betätigers bzw. Aktuators 17 einen unerwünschten Kontakt zwischen dem Gleitstück und dem Datenspeicherbereich 3. (Fig. 2 zeigt dieses Problem). In der Praxis ist es ziemlich leicht, einen Ausfall der vorbekannten Luftflügelverriegelung in Reaktion auf bestimmte Drehstoßkräfte zu verursachen, wobei dies häufiger speziell bei tragbaren und bei Laptop- Computern vorkommt.
Somit besteht ein bisher ungelöster Bedarf an einer verbesserten, einfachen und kostengünstigen Verriegelungsvorrichtung, die wirksam gegen Dreh- ebenso wie gegen lineare Stoßkräfte schützen kann.

Abriß der Erfindung mit Aufgaben

Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Plattenlaufwerk-Luftsperren- Betätigerverriegelungsanordnung bereitzustellen, welche die Einschränkungen und Nachteile des Standes der Technik überwindet, indem sie Drehstoßkräften ebenso wie Linearstoßkräften widersteht.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ausgewuchtete Luftsperren- Betätigerverriegelungsanordnung bereitzustellen, welche einer Drehung widersteht, wenn das Plattenlaufwerk einer plötzlichen linearen Beschleunigung ausgesetzt ist.
Gegenstand der Erfindung ist eine Betätiger- Verriegelungsanordnung mit Luftsperre gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Herstellung eines Plattenlaufwerks gemäß Anspruch 12 und ein Verfahren zum Widerstehen von Rotationsstoßkräften in einem Plattenlaufwerk gemäß Anspruch 16.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Luftsperren-Betätiger-Verriegelungsanordnung ein Verriegelungselement und ein Gegen-Trägheitselement. Das Verriegelungselement funktioniert weitgehend wie herkömmliche Luftsperren-Betätigerverriegelungen, wobei die Kraft eines durch die sich drehenden Platten erzeugten Luftstroms, der auf den Luftflügel auftrifft, das Verriegelungselement in eine Entriegelungsposition dreht, was der Betätiger- bzw. Aktuatoranordnung ermöglicht, sich in die Datenzone zu bewegen. Das Verriegelungselement und das Gegen- Trägheitselement sind drehbar an der Plattenlaufwerkbasis angebracht und miteinander gekoppelt, so daß, wenn ein Element dazu tendiert, sich in einer Richtung zu drehen, das andere Element dazu tendiert, sich in einer entgegengesetzten Richtung gegenzudrehen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Stirnradsegmente verwendet, um die Elemente kreuzweise miteinander zu koppeln. Die beiden Elemente sind jeweils durch Trägheitsmomente um ihre jeweiligen Drehachsen gekennzeichnet, und zwar so, daß das Trägheitsverhältnis zwischen dem Gegen-Trägheitselement und dem Verriegelungselement das Inverse des durch die Zahnräder zwischen diesen festgelegten Übersetzungsverhältnissen ist. Außerdem sind das Verriegelungselement und das Gegen- Trägheitselement jeweils in der Masse um ihre jeweiligen Drehachsen ausgeglichen, so daß die Verriegelungsanordnung gegen die Betätigeranordnung verriegelt bleibt, wenn das Plattenlaufwerk einer linearen Stoßkraft ausgesetzt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Kopf- und Plattenanordnung für ein Festplattenlaufwerk mit einem Luftsperren-Betätigerverriegelungsmechanismus nach dem Stand der Technik, der in seiner verriegelten Position dargestellt ist,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf das Plattenlaufwerk von Fig. 1, die eine Betätiger- Freigabeorientierung des Luftsperren- Betätigerverriegelungsmechanismus nach dem Stand der Technik zeigt, nachdem das Plattenlaufwerk einer Rotationsstoßkraft ausgesetzt worden ist,
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine Kopf- und Plattenanordnung eines Festplattenlaufwerks gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung mit einer Luftsperren-Betätigerverriegelungsanordnung, die in ihrer verriegelten Position gezeigt ist,
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf die Luftsperren- Betätigerverriegelungsanordnung von Fig. 3, die in einer unverriegelten Position gezeigt ist,
Fig. 5A bis 5C mathematische Modelle der Gegenträgheits- Betätigerverriegelung der vorliegenden Erfindung, die zu erklären helfen, wie die Gegenträgheits- Betätigerverriegelung einer Drehung widersteht, wenn das Plattenlaufwerk einer plötzlichen Drehung ausgesetzt ist,
Fig. 6A eine perspektivische Draufsicht auf das Verriegelungselement gemäß Fig. 3,
Fig. 6B eine perspektivische Aufsicht auf das Verriegelungselement von Fig. 3,
Fig. 7A eine perspektivische Draufsicht auf das Gegen- Trägheitselement gemäß Fig. 3, und
Fig. 7B eine perspektivische Aufsicht auf das Gegen- Trägheitselement gemäß Fig. 3.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein etwas vereinfachtes Plattenlaufwerk 100 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Das Plattenlaufwerk 100 umfaßt eine Basis 44, eine Spindel oder Nabe 46 mit einer Drehachse, eine Plattenspeicherplatte 45, die drehbar auf der Spindel 46 angebracht ist, eine drehbare Wandler-Betätigeranordnung 27 sowie eine Luftsperren-Betätigerverriegelungsanordnung 20. Der Einfachheit halber beschreibt die folgende Darstellung den Betrieb eines Plattenlaufwerks 100 mit einer einzelnen Datenspeicherplatte 45. Wie dem Fachmann jedoch ersichtlich ist, ist die vorliegende Erfindung in der Lage, in einem Plattenlaufwerk angewandt zu werden, das eine Mehrzahl von Datenspeicherplatten verwendet, die auf einer gemeinsamen Spindel im Stapel angebracht sind. Typischerweise ist ein bürstenloser Spindelmotor (nicht dargestellt) mit der Spindel 46 gekoppelt oder in dieser enthalten, um die Datenspeicherplatte 45 mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit zu drehen. Der Spindelmotor ist vorzugsweise in die Nabe 46 integriert, welche die Datenspeicherplatte 45 trägt, so daß der Spindelmotor die Datenspeicherplatte 45 trägt und direkt dreht. Die Datenspeicherplatte 45 wird im Gegenuhrzeigersinn, wie durch Pfeil B angedeutet ist, um ihre Drehachse gedreht.
Die Datenspeicherplatte 45 kann eine einzige Oberfläche oder sowohl eine obere als auch eine untere Oberfläche aufweisen, auf denen Daten gespeichert sind. Typischerweise ist die Oberfläche der Platte 45 sehr glatt gestaltet und mit einem geeigneten magnetischen Material, beispielsweise einer Kobaltlegierung, beschichtet, plattiert oder überzogen. Die Speicherplatte kann jedoch auch eine optische, magnetooptische o. dgl. sein.
Die Wandler-Betätiger- bzw. -Aktuatoranordnung 27 ist bidirektional drehbar an der Basis 44 um eine Drehachse 48 gelagert. Die Wandler-Betätigeranordnung 27 kann sich bidirektional längs einer Bahn von z. B. etwa 30º, wie durch Pfeil R in Fig. 4 angedeutet ist, drehen. Die Wandler- Betätigeranordnung 27 umfaßt eine Wandleranordnung 31 mit einem Gleitstück-Wandler 31a, einem Lastarm 31b und einer Stauchplatte (swage plate) 31c. Die Wandleranordnung 31 ist typischerweise stauchbar an einem Strukturelement 32 angebracht, das allgemein als C-Block oder E-Block bekannt ist. Am Element 32 ist ein Betätiger-Schwingspulenmotor bzw. -Voice-Coil-Motor 49 angebracht. Die Wandler- Betätigeranordnung kann entweder eine Anordnung vom Rotationstyp oder vom linearen Typ sein, obwohl eine Rotationsanordnung gegenwärtig bevorzugt wird.
Der Betätiger-Voice-Coil-Motor 49 umfaßt eine flache, trapezoidförmige Spule 49a aus sehr feinem, isolierten Kupferdraht. Die Seitenschenkel 49b der Spule 49a sind in Magnetfeldern hoher Intensität positioniert. Die Magnetfelder werden beispielsweise durch mehrere Permanentmagnete 26a und 26b von hoher Flußintensität (klarer in Fig. 4 dargestellt) erzeugt, die an einer unteren Flußrückführplatte 56 hoher magnetischer Permeabilität, z. B. aus kohlenstoffarmen Stahl, und an einer oberen Magnetplattenanordnung (nicht dargestellt) mit zwei ähnlichen Permanentmagneten und einer oberen Flußrückführplatte befestigt sind.
Einstückig mit dem Voice-Coil-Motor 41 ist ein Aufprallanschlag (crash stop) 51 gemäß Fig. 4 ausgebildet, der die Drehbewegung der Betätigeranordnung 27 durch Kontaktieren äußerer Grenzanschläge 50a und eines inneren Grenzanschlages 50b begrenzt, wobei er die Betätigeranordnung 27 sowohl daran hindert, über den Außenumfang der Platte 45 hinauszugehen als auch auf die Spindel 46 aufzuprallen.
Die beiden Magnete 26a und 26b weisen Polflächen entgegengesetzter Polarität auf, die direkt gegenüberliegenden Schenkeln der Spulen 40a gegenüberliegen. Die sich ergebenden Magnetfelder sind derart, daß ein durch die Spule 49a in einer Richtung fließender Strom eine Drehung der Betätigeranordnung 27 in einer Radialrichtung relativ zur Platte bewirkt, wie z. B. in die radial äußere, "unverriegelte" Richtung, während ein umgekehrter Strom eine Bewegung in umgekehrter Richtung bewirkt, wie z. B. in die radial innere, "verriegelte" Richtung.
Die Wandleranordnung 31 ist an einem Ende an einem C- Block 32 auf herkömmliche Art und Weise befestigt, und der Voice-Coil-Motor 49 ist am anderen Ende des C-Blocks 32 durch ein Klebemittel oder durch einstückiges Formen an diesen befestigt. Die Wandler-Betätigeranordnung 27 ist an der Basis 44 über ein Lager 60 angebracht, um das sich die Wandler- Betätigeranordnung 27 dreht. Das Lager 60 ist angrenzend an eine Umfangskante der Datenspeicherplatte 45 so angeordnet, daß der C-Block 32 und die Wandleranordnungen sich über die Oberfläche der Platte 45 erstrecken. Eine Aktivierung des Betätiger-Voice-Coil-Motors 49 dreht die Wandler- Betätigeranordnung um das Lager 60 und positioniert die Wandleranordnung 31 genau über konzentrischen Datenspuren auf der Oberfläche der Datenspeicherplatte 45, um den Lese- /Schreibwandlern einen Zugriff auf gespeicherte Daten zu ermöglichen.
Während des Betriebs des Plattenlaufwerks dreht sich die Wandler-Betätigeranordnung 27 relativ zur Oberfläche der Platte 45, wie durch Pfeil R angegeben ist, um den Wandler über den gewünschten Datenspuren zu positionieren. Wenn der Betätiger-Voice-Coil-Motor 49 deaktiviert ist, muß die Wandleranordnung 31 in einer Park- oder Landezone 62 auf der Platte 45 positioniert werden, in der die Wandleranordnung 31 die Plattenoberfläche 45 nicht beschädigt. Typischerweise ist die Landezone 62 ein innerer, ringförmiger Bereich der Platte 45 nächst der Spindel 46, und ist strukturiert, um Kontakt- Start/Stop-Operationen des Plattenlaufwerks zu erleichtern. Die Luftsperren-Betätiger-Verriegelungsanordnung 20 der vorliegenden Erfindung verriegelt die Wandler- Betätigeranordnung 27, wenn die Wandleranordnung in ihre Ruhestellung in der Landezone 62 zurückkehrt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die- Luftsperren-Betätiger-Verriegelungsanordnung 20 unterhalb der Platte 45 angeordnet und umfaßt ein Verriegelungselement 21 und ein Gegen-Trägheitselement 28. Das Verriegelungselement 21, das im einzelnen in den Fig. 6A und 6B dargestellt ist, umfaßt ferner einen einstückigen Luftflügelabschnitt 21a und einen einstückigen Verriegelungsabschnitt 21b und ist drehbar auf einer an der Basis 44 befestigten Welle 22 angebracht. Das Verriegelungselement 21 wird auf der Welle 22 durch einen Vorsprungsabschnitt der oberen Magnetplatte (nicht dargestellt) oder durch andere geeignete Mittel, wie z. B. eine Feststellscheibe, festgehalten. Wie die meisten herkömmlichen Luftsperren-Verriegelungselemente ist das vorliegende Verriegelungselement 21 so konfiguriert, daß es um seine eigene Drehachse in der Masse ausgeglichen ist. Außerdem erstreckt sich der Luftflügelabschnitt 21a unter der unteren Oberfläche der Platte 45 in unmittelbarer Nähe zur Plattenoberfläche nach außen.
Das Verriegelungselement 21 kann auch vorteilhafterweise mit einer Ausnehmung 35 konfiguriert sein, in der ein Luftfilter (nicht dargestellt) angebracht sein kann. Das Luftfilter dient dazu, jegliche Partikel, die innerhalb der Plattenlaufwerkanordnung vorhanden sein oder darin erzeugt werden können, aufzufangen, wodurch es verhindert, daß Partikel die Plattenoberfläche kontaminieren.
Eine Bewegung des Verriegelungselements 21 im Gegenuhrzeigersinn ist durch den Kontakt eines Anschlagstifts bzw. -zapfens 23 mit einem bestimmten Teil der Basis 44, vorzugsweise an der oberen Magnetplatte (nicht dargestellt) begrenzt. Eine Bewegung im Uhrzeigersinn des Verriegelungselements 21 ist durch den Kontakt eines Aufprallanschlags 47, der sich von der Seite des Verriegelungsabschnitts 21b erstreckt, mit der eitenwand der Basis 44 begrenzt. Das Verriegelungselement 21 umfaßt auch eine magnetische Rückholfeder des in dem allgemein zugeteilten US-Patent Nr. 5 319 511 beschriebenen Typs, auf dessen Offenbarung hiermit Bezug genommen wird. Die magnetische Rückholfeder belastet den Verriegelungsabschnitt 21b gegen die Betätigeranordnung 27 in der verriegelten Position vor, wenn sich die Platte 45 nicht dreht. Die Feder umfaßt einen kleinen Stahlstift oder eine Kugel 24, die an einem vom Verriegelungsabschnitt 21b weg verlaufenden, vorspringenden Arm 25 angebracht ist, wobei die Stahlkugel 24 dem durch einen Magneten 26a erzeugten Magnetfeld ausgesetzt ist. Die Rückholfeder ist so gestaltet, daß die Luftströmungskraft, die durch die sich drehende Platte erzeugt wird und auf den Luftflügelabschnitt 21a auftrifft, ausreichend ist, um die Magnetfeld-Vormagnetisierung des Verriegelungselements 21 zu der verriegelten Position hin zu überwinden. Dem Fachmann ist es ersichtlich, daß andere Arten von Rückholfedern verwendet werden können, z. B. eine mechanische Spiral-Torsionsfeder, um das selbe funktionelle Ergebnis zu erzielen.
Das Gegen-Trägheitselement 28 ist drehbar um eine Welle 29 angeordnet, die an der Basis 44 angebracht ist. Das Gegen- Trägheitselement 28 ist auf der Welle 29 durch eine Feststellscheibe (nicht dargestellt) festgehalten. Als eine Erleichterung für den manuellen oder automatisierten Zusammenbau weist das Gegen-Trägheitselement 28 Begrenzungsanschläge 42 auf, welche die Drehbewegung des Gegen-Trägheitselements 28 durch Kontakt z. B. eines durch Druckguß hergestellten Zapfens, der sich von der Basis 44 erstreckt, begrenzt. In der in den Fig. 7a und 7b dargestellten Ausführungsform ist das Gegen-Trägheitselement 28 plattenförmig, wie ein Platter, und ist unter der unteren Fläche der Platte 45 gelegen. Wie das Verriegelungselement 21 ist das Gegen-Trägheitselement 28 so konfiguriert, daß es um seine Drehachse in der Masse ausgeglichen ist. Sowohl das Verriegelungselement 21 als auch das Gegen-Trägheitselement 28 können leicht als Spritzguß-Kunststoffteile hergestellt werden.
Das Gegen-Trägheitselement 28 weist vorzugsweise ein Stirnradsegment auf, das mehrere an seiner Peripherie angeordnete Zahnradzähne 40 umfaßt, die mit einem Stirnradsegment entsprechender Zähne 41, die einstückig mit dem Verriegelungselement 21 ausgebildet sind, kämmend in Eingriff steht. Wie in Fig. 6 dargestellt, sind die Zahnradzähne 41 des Verriegelungselements 21 in planarer Ausrichtung mit den Zahnradzähnen 40 des Gegen- Trägheitselements 28 festgelegt. Entsprechend greifen die Zahnradzähne 40 und 41 kämmend ineinander und ermöglichen es dem Verriegelungselement 21 und dem Gegen-Trägheitselement 28, sich jeweils in einer Richtung in Reaktion auf die Drehung des anderen Elements in der entgegengesetzten Richtung zu drehen. Vorzugsweise ist eine ausreichende Anzahl von Zähnen an dem Gegenträgheitselement 28 ebenso wie an dem Verriegelungselement 21 vorzusehen, damit die beiden Elemente in kämmendem Eingriff bleiben, wenn sich das Verriegelungselement 21 über seine volle Wegstrecke von vollständig geöffnet (entriegelt) zu vollständig geschlossen (verriegelt), dreht.
Aus den Prinzipien der Zahnradgestaltung ist ersichtlich, daß ein Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Zahnrädern als das Verhältnis zwischen der Winkelbewegung eines getriebenen Zahnrads zu der Winkelbewegung eines antreibenden Zahnrads definiert ist. Es versteht sich auch, daß das Übersetzungsverhältnis proportional einem Verhältnis eines Teilungsdurchmessers des Antriebsrads zu einem Teilungsdurchmesser des angetriebenen Rads ist. Zu Zwecken der Konsistenz wird in der folgenden Diskussion das Verriegelungselement als das Antriebselement und das Gegen-Trägheitselement als das angetriebene Element betrachtet. Somit ist das Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Elementen 21 und 28 als das Verhältnis des Teilungsdurchmessers des Zahnradsegments am Verriegelungselement 21 und des Teilungsdurchmessers des Zahnradsegments am Gegenträgheitselement 28 definiert. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Zahnradsegment am Verriegelungselement 21 einen Teilungsdurchmesser von 15,0 mm und das Zahnradsegment am Trägheitselement 28 einen Teilungsdurchmesser von 27,5 mm auf. Daher beträgt, wie oben definiert, das Übersetzungsverhältnis zwischen den Elementen 15,0/27,5 oder 1,000 : 1,833, d. h., falls das Verriegelungselement 21 sich um einen Winkel β dreht, dreht sich das Gegen-Trägheitselement 28 um einen Winkel (1/1,833)* β in der entgegengesetzten Richtung.
Um zu verstehen, wie der Gegenstand der vorliegenden Erfindung Drehstoßkräften widersteht, wird nun die Dynamik der Betätiger-Verriegelungsanordnung unter Bezugnahme auf die Fig. 5A bis 5C erläutert. Wie in Fig. 5A dargestellt ist, können die Basis 44, das Verriegelungselement 21 und das Gegenträgheitselement 28 von Fig. 3 auf abstrakte Art und Weise als Basis 90 und als Körper 91 bzw. 92 aufgefaßt werden. Wie in Fig. 5A dargestellt, ist jeder Körper, 91 und 92, frei in der Drehung in bezug auf den Körper 90, aber beide sind so miteinander "verzahnt", daß sie sich gegeneinander drehen müssen. Die Körper 91 und 92 sind ferner ausgewuchtet und weisen jeweils Trägheitsmomente J1 und J2 um ihre jeweiligen Rotationsachsen auf. R1 und R2 stellen die Abstände von den jeweiligen Rotationszentren zum Eingriffspunkt A dar. Wenn die Basis 90 einer Winkelbeschleunigung AA um die Achse O unterworfen ist, muß eine Winkelbeschleunigung von gleicher Größe jedem der Körper 91 und 92 erteilt werden, um zu gewährleisten, daß die Körper einer Drehung in bezug auf die Basis 90 widerstehen.
Aus dem Studium der Fig. 5A geht hervor, daß es zwei Quellen geben kann, welche ein ausreichendes Drehmoment liefern können, um den Körpern 91 und 92 eine Winkelbeschleunigung zu erteilen. Zunächst kann davon ausgegangen werden, daß die Drehverbindung zwischen jedem Körper 91 und 92 und der Basis 90 unter sehr geringer Reibung und mit einem sehr geringen Radius stattfindet, so daß damit jedes erzeugte Drehmoment als vernachlässigbar angenommen werden kann. Daher wäre die einzige Quelle zum Erzeugen eines ausreichenden Drehmoments der Zahnradeingriffspunkt A. Wie in Fig. 5B gezeigt ist, stellt F1 eine Kraft dar, die an diesem Punkt angreift. Nach den Prinzipien der Zahnradgestaltung ist F1 eine Tangente zum Grundkreis des Radius R1 des Zahnrads. Die an einem Momentarm von R1 angreifende Kraft F1 erteilt dem Körper 91 ein Drehmoment T1. Das Drehmoment T1 muß genau ausreichen, um dem Körper 91 eine Winkelbeschleunigung AA zu vermitteln, um den Körper 91 davon abzuhalten, sich in bezug auf die Basis 90 zu drehen. Damit kann das Drehmoment T1 mathematisch wie folgt dargestellt werden:
(1) T1 = F1*R1 = J1*AA
oder
(2) F1 = (J1*AA) /R1
Gemäß Fig. 5C kann eine Kraft 2, die am Zahnradeingriffspunkt AA wirkt, auf ähnliche Weise wie folgt dargestellt werden:
(3) T2 = F2*R2 = J2*AA
oder
(4) F2 = (J2 *AA) /R2
Da F1 und F2 gleiche und einander entgegengesetzte Reaktionskräfte sind, können wir ihre Größen in folgender Gleichung festhalten:
(5) (J1*AA)/R1 = (J2*AA)/R2
so daß
(6) J2 = (R2 /R1) *J1
Daher ist das Verhältnis der jeweiligen Trägheiten der zwei Körper 91 und 92 gleich dem Verhältnis der jeweiligen Radii der zwei Körper. Basierend auf den Prinzipien der Zahnradgestaltung ist das Verhältnis der Radii der beiden Zahnräder, z. B. R2/R1, umgekehrt proportional zum Übersetzungsverhältnis dieser beiden Zahnräder. Damit kann unter Anwendung dieser Prinzipien der vorliegenden Erfindung das Verhältnis der Trägheit des Verriegelungselements 21 und des Gegenträgheitselements 28 als
(7) JC = NC/NL) *JL
dargestellt werden,
wobei JC die Trägheit des Gegen-Trägheitselements 28, JL die Trägheit des Verriegelungselements 21 und NC/NL die Umkehrung des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Verriegelungselement 21 und dem Gegen-Trägheitselement 28 ist.
In der Praxis ist das tatsächliche Konfigurieren der Luftsperren-Betätiger-Verriegelungsanordnung 20 ein schrittweiser Prozeß. Zunächst wird das Verriegelungselement 21 entworfen. Wenn ein optimaler Entwurf festgelegt ist, wird dann seine Trägheit JL berechnet. Sodann wird ein numerisches Übersetzungsverhältnis zwischen dem Verriegelungselement und dem Gegenträgheitselement versuchsweise gewählt, das, wie oben beschrieben, das notwendige Trägheitsmoment definiert, welches das Gegen-Trägheitselement aufweisen muß. Daraufhin wird ein vorläufiger Entwurf des Gegen-Trägheitselements erzeugt, welches in den verfügbaren Raum hineinpaßt, und sein Trägheitsmoment dann geprüft. Falls das Trägheitsmoment bedeutend größer als der gewünschte Wert ist, war die anfängliche Wahl des Übersetzungsverhältnisses zu niedrig und umgekehrt. In jedem Fall wird ein neues, korrekteres Übersetzungsverhältnis und damit Trägheitsverhältnis gewählt, und der Vorgang wird wiederholt. Schließlich wird sich das Trägheitsmoment des Gegenträgheitselements dem gewünschten Wert stark annähern und kann durch geringes Hinzufügen oder Wegnehmen von Masse angeglichen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verriegelungselement eine Trägheit von 46,2 g-mm² auf, und das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Verriegelungselement 21 und dem Gegen-Trägheitselement 28 beträgt 1,000 : 1,833. Dementsprechend wird das Gegen- Trägheitselement so gestaltet, daß es eine Trägheit von 1,833*46,2 oder 84,7 g-mm² aufweist.
Während des normalen Betriebs funktioniert die vorliegende Erfindung weitgehend wie der herkömmliche Luftsperren-Verriegelungsmechanismus. Fig. 4 stellt das Plattenlaufwerk 100 von Fig. 3 mit dem Verriegelungselement 21 in der unverriegelten Position bei sich drehender Platte dar. In dieser Position trifft der durch die sich drehende Platte erzeugte Luftstrom auf einen Luftflügelabschnitt 21 auf. Das Auftriebs-Drehmoment (windage torque) übersteigt schließlich das Drehmoment der Rückholfeder und bewirkt, daß sich das Verriegelungselement 21 in einer Uhrzeigerrichtung dreht, bis ein mechanischer Anschlag 47 mit einer Seitenwand der Basis 44 in Kontakt kommt. Mittlerweile vollführt unter der Wirkung der in kämmendem Eingriff stehenden Zahnräder 40 und 41 das Gegenträgheitselement 28 eine komplementäre Drehung im Gegenuhrzeigersinn. In dieser unverriegelten Position kann sich die Wandler-Betätigeranordnung 27 frei drehen und ermöglicht es der Wandleranordnung 31, sich aus der Landezone 62 weg und in die Datenzone 3 der Platte 45 hinein zu bewegen, wie Fig. 4 zeigt. Wenn der Spindelmotor 46 abgeschaltet wird, wird die elektromotorische Gegenkraft (back EMF = electromotive force) des Motors 46 dem Betätiger- Voice-Coil-Motor 49 zugeführt, was die Wandler- Betätigeranordnung 27 veranlaßt, sich im Gegenuhrzeigersinn zu drehen, bis der innere Anschlag 50 erreicht ist. Während sich die Platte 45 verlangsamt, nimmt mittlerweile die aerodynamische Kraft auf den Luftflügelabschnitt 21a ab. An einem bestimmten Punkt wird das Drehmoment der Rückholfeder größer als das Auftriebsdrehmoment und veranlaßt das Verriegelungselement 21, sich in einer Richtung im Gegenuhrzeigersinn in die Verriegelungsposition zu drehen, wie in Fig. 3 dargestellt ist.
Während die kämmenden Zahnradsegmente vorzugsweise verwendet werden, um das Gegen-Trägheitselement 28 und das Verriegelungselement 21 miteinander zu koppeln, können auch andere Gegenrotations-Kopplungsanordnungen nutzbringend angewandt werden, wie z. B. ein Gestänge mit vier Stangen (four-bar linkage), eine gekreuzte Riementriebanordnung etc.
Es ist auch ersichtlich, daß lineare Beschleunigungen, die auf das Plattenlaufwerk einwirken, keine Drehbewegung in einem ausgewuchteten Körper hervorrufen können. Da sowohl das Verriegelungselement als auch das Gegenträgheitselement um ihre jeweiligen Drehachsen ausgewuchtet sind, wie oben erläutert wurde, sind die Elemente auch gegenüber rein linearen Stößen sehr widerstandsfähig. Damit können jegliche linearen Komponenten einer Drehstoßkraft ignoriert werden.
Die Luftsperren-Betätigerverriegelungsanordnung 20 bietet gegenüber den Betätiger-Verriegelungsmechanismen nach dem Stand der Technik verschiedene Vorteile. Zunächst bietet die Verriegelungsanordnung 20 einen Trägheitswiderstand sowohl gegenüber auf das Plattenlaufwerk einwirkende Dreh- als auch lineare Stoßkräfte, was ermöglicht, daß die Wandler- Betätigeranordnung verriegelt bleibt, wenn sich die Platte nicht dreht. Zweitens besteht kein Bedarf an äußeren elektronischen Steuerungen, da die Verriegelungsanordnung auf dynamischen Prinzipien beruht, welche inhärent innerhalb der Plattenlaufwerkanordnung bestehen. Damit kann die vorliegende Erfindung eine einfache und kostengünstige Plattenlaufwerkanordnung bereitstellen.
Dem Fachmann sind viele Änderungen und Modifikationen aus der vorangehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform leicht ersichtlich, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist, abzuweichen. Die Beschreibungen bevorzugter Ausführungsformen und deren Offenbarung dienen hier nur Veranschaulichungszwecken.

Claims

1. Betätiger-Verriegelungsanordnung mit Luftsperre zum Festhalten einer Wandler-Betätigeranordnung in einem Plattenlaufwerk mit mindestens einer drehbaren Platte, wobei die Verriegelungsanordnung umfaßt:

ein Verriegelungselement mit einer ersten Trägheit, das um eine Basis dreh-/schwenkbar im Plattenlaufwerk angebracht ist, wobei das Verriegelungselement zum Eingriff mit der Wandler-Betätigeranordnung vorgesehen ist, wenn sich die Platte nicht dreht, und das Verriegelungselement dazu tendiert, den Eingriff mit der Betätigeranordnung zu lösen, wenn auf das Plattenlaufwerk eine Rotationsstoßkraft einwirkt,

gekennzeichnet durch

ein Gegen-Trägheitselement, das um die Basis dreh- /schwenkbar angebracht ist und mit dem Verriegelungselement gekoppelt ist und eine zweite Trägheit aufweist, welche durch seine Trägheit der ersten Trägheit des Verriegelungselements entgegenwirkt, wenn die Rotationsstoßkraft auf das Plattenlaufwerk einwirkt, wodurch die Tendenz des Verriegelungselements, den Eingriff mit der Betätigeranordnung zu lösen, negiert bzw. aufgehoben wird.

2. Verriegelungsanordnung mit Luftsperre gemäß Anspruch 1, wobei sich das Gegen-Trägheitselement nur dann in einer ersten Richtung dreht, wenn sich das Verriegelungselement in einer relativ zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung dreht.

3. Verriegelungsanordnung mit Luftsperre gemäß Anspruch 2, wobei das Verriegelungselement zwei oder mehr Zahnradzähne aufweist, welche in zwei oder mehr in dem Gegen- Trägheitselement enthaltene Zahnradzähne kämmend eingreifen, wodurch das Gegen-Trägheitselement mit dem Verriegelungselement drehbar gekoppelt wird.

4. Verriegelungsanordnung mit Luftsperre gemäß Anspruch 3, wobei ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Verriegelungselement und dem Gegen-Trägheitselement ungefähr 1,000 : 1,833 beträgt.

5. Verriegelungsanordnung mit Luftsperre gemäß Anspruch 4, wobei ein Trägheitsverhältnis zwischen dem Gegen- Trägheitselement und dem Verriegelungselement umgekehrt proportional zum Übersetzungsverhältnis ist.

6. Verriegelungsanordnung mit Luftsperre gemäß Anspruch 1, wobei das Verriegelungselement und das Gegen-Trägheitselement um ihre jeweiligen Drehachsen so in der Masse ausgeglichen sind, daß die Wandler-Betätigeranordnung festgehalten bleibt, wenn das Plattenlaufwerk einer linearen Stoßkraft ausgesetzt wird.

7. Verriegelungsanordnung mit Luftsperre gemäß Anspruch 2, wobei das Gegen-Trägheitselement ein Begrenzungsmittel zum Begrenzen eines Drehbewegungsbereichs des Gegen- Trägheitselements aufweist.

8. Verriegelungsanordnung mit Luftsperre gemäß Anspruch 1, wobei das Verriegelungselement ferner einen Verriegelungsabschnitt zum Eingriff mit der Wandler- Betätigeranordnung sowie einen integralen Luftflügelabschnitt aufweist, der durch eine durch die Plattendrehung erzeugte Luftströmungskraft ausgelenkt wird.

9. Verriegelungsanordnung mit Luftsperre gemäß Anspruch 8, wobei sich der Verriegelungsabschnitt von der Wandler- Betätigeranordnung löst, wenn der Luftflügelabschnitt durch die Kraft der Luftströmung ausgelenkt wird.

10. Verriegelungsanordnung mit Luftsperre gemäß Anspruch 1, die ferner (ein) Mittel zum Vorbelasten des Verriegelungselements zum Eingreifen an dem Betätiger während der Nicht-Drehung der Platte aufweist.

11. Verriegelungsanordnung mit Luftsperre gemäß Anspruch 1, wobei die Wandler-Betätigeranordnung einen drehbaren Schwingspulen-Betätiger (Voice Coil-Betätiger) aufweist, der an der Basis zur Drehung über einen begrenzten Drehbewegungsbereich gelagert ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Plattenlaufwerks, um eine Wandler-Betätigeranordnung in einer Landungszone auf einer Oberfläche einer Datenspeicherplatte zu halten, wenn sich die Datenspeicherplatte nicht dreht und das Plattenlaufwerk einer Rotationsstoßkraft ausgesetzt ist, wobei das Verfahren den Schritt des

Anbringens eines drehbaren Verriegelungselements an einer Basis des Plattenlaufwerks in einem ersten, vorbestimmten Abstand von einem Rand der Datenspeicherplatte umfaßt, woher das Verriegelungselement eine erste Trägheit besitzt und mit der Wandler-Betätigeranordnung in Eingriff ist,

gekennzeichnet durch den Schritt des

Koppelns des Verriegelungselements mit einem Gegen- Trägheitselement, das in einem zweiten, vorbestimmten Abstand vom Verriegelungselement drehbar an der Basis angebracht ist, wobei das Gegen-Trägheitselement eine zweite Trägheit aufweist, die trägheitsmäßig der ersten Trägheit des Verriegelungselements entgegenwirkt, wenn das Plattenlaufwerk der Rotationsstoßkraft so ausgesetzt wird, daß das Verriegelungselement mit der Wandler-Betätigeranordnung in Eingriff bleibt und die Betätigeranordnung innnerhalb der Landezone festgehalten wird.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, das ferner folgende Schritte umfaßt:

Anordnen von einem oder mehr Zahnradzähnen an einem ersten, vorbestimmten Teilkreisdurchmesser um das Verriegelungselement,

Anordnen von einem oder mehr Zahnradzähnen an einem zweiten, vorbestimmten Teilkreisdurchmesser um das Gegen- Trägheitselement, zum Eingriff mit den Zahnradzähnen des Verriegelungselements derart, daß ein Verhältnis des ersten vorbestimmten Teilkreisdurchmessers zum zweiten vorbestimmten Teilkreisdurchmesser ungefähr äquivalent einem Verhältnis der ersten Trägheit zu der zweiten Trägheit ist.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Verhältnis der ersten Trägheit zu der zweiten Trägheit ungefähr 1,000 : 1,833 beträgt.

15. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Verriegelungselement einen Verriegelungsabschnitt zum Eingriff mit der Wandler-Betätigeranordnung sowie einen integralen Luftflügelabschnitt aufweist, der durch eine durch die Plattendrehung erzeugte Luftströmungskraft ausgelenkt wird.

16. Verfahren zum Widerstehen von Rotationsstoßkräften in einem Plattenlaufwerk mit einer an einer Basis gelagerten, drehbaren Platte, einer an einer Basis angebrachten Schwingspulen(Voice Coil)-Kopf-Wandler-Betätigerstruktur, einer drehbaren Luftsperre, die an der Basis gelagert und um eine Drehachse in ihrer Masse ausgeglichen ist, um bei Abwesenheit eines durch Plattendrehung erzeugten Luftstroms die Schwingspulen-Betätigerstruktur an einer festen Position relativ zur Platte festzuhalten bzw. zu verriegeln, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

Vorsehen eines Gegen-Trägheitskörpers, der an der Basis gelagert und in seiner Masse um eine Drehachse ausgeglichen ist,

funktionsmäßiges Koppeln des Gegendrehungs- Trägheitskörpers mit der drehbaren Luftsperre so, daß einer Reaktion auf eine Rotationsstoßkraft in der drehbaren Luftsperre durch eine Reaktion auf die Rotationsstoßkraft in dem Gegen-Trägheitskörper entgegengewirkt wird, wodurch die drehbare Luftsperre in Verriegelungseingriff mit der Schwingspulen-Betätigerstruktur gehalten wird.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei der Schritt des funktionsmäßigen Koppelns des Gegen-Trägheitskörpers mit der drehbaren Luftsperre den Schritt des Eingreifenlassens eines sich von der drehbaren Luftsperre erstreckenden Stirnradsegments mit einem sich von dem Gegen-Trägheitskörper erstreckenden Stirnradsegment umfaßt.