用于平衡硬盘驱动器中的轴的方法和装置 相关申请
本申请要求1999年4月29日提出的临时专利申请No.60/131,554的优先权。技术领域
本发明涉及一种用于平衡轴上的基本为圆形的盘的方法和装置。更具体地说，本发明涉及一种平衡计算机的硬盘驱动器所使用的在轴上的一或多个磁记录盘和间隔环的方法和装置。背景技术
叠式磁盘组件(disk stack assembly)(DSA)是许多计算机硬盘驱动器的主要部件。一DSA通常包括多个交替安装在轴上的磁记录盘和间隔环。一驱动电动机通常会使DSA围绕旋转轴高速旋转(通常以每分钟的转数或“RPM”表示)。如果DSA的重心不在其旋转轴上，则会导致一种不平衡的状态。该状态将产生无法使人接受的振动和噪声，它们会使电动机地轴承过早失效，并降低用户的满意度。
一种部分地解决不平衡问题的方法包括使用平衡块。这些平衡块可在关键部位增加或减少DSA的重量，以矫正不平衡的状态。该方法产生的问题是平衡块会占据驱动器所封装的内部空间。由于磁盘驱动器的制造商一直力求在增加磁盘的数据存储容量时不增加驱动器的尺寸，因此该问题是相当重要的。所以，需要一种无需分散平衡块的平衡方法，藉此使设计者更有效地使用可供使用的封装体积。
用平衡块平衡DSA产生的另一问题是该方法需要复杂且冗长的安装过程。平衡块的应用通常需要制造商：(1)尽可能精确地用机械止动件对中环和磁盘；(2)将间隔环和磁盘夹紧在轴上；(3)对任何不平衡的状态进行测试；(4)增加必要的平衡块；以及(5)再次测试DSA，以检验驱动器是否在其规定之内。因此，需要一种更快、更简单的平衡DSA的方法。
另一种部分地解决方法是设法使DSA的外径(OD)成为与旋转轴同心的圆筒形。对于每一磁盘和间隔环，该方法通常使用两只刚性的止动件和一只弹性负荷的止动件。刚性止动件相互之间的位置大致为120度，并且用标称OD的尺寸进行机械定位。该方法产生的问题是当DSA中的所有磁盘具有相同的OD时才能良好地运转。该方法产生的另一问题是磁盘OD的尺寸公差通常大于平衡技术规范所允许的范围。结果，OD的公差妨碍了精确地对中和平衡。当驱动器产业增加其运转速度时，该问题将变得更为尖锐。
显然，需要一种廉价的、通用的对中和平衡装置，该装置可消除一些现有系统的不当之处，产生精确的结果，并且具有较低的周转时间(“TAT”)。发明内容
本发明涉及一种用于平衡磁盘驱动器的叠式磁盘组件的方法和装置，该方法和装置用磁记录盘的少量偏移来补偿位于旋转轴附近的不平衡质量。这些实施例所利用的事实是与磁盘的内径(“ID”)相比，大多数磁盘质量的位置更靠近其外径(“OD”) ，还利用了任何特定的不平衡质量都与它和旋转轴的径向距离直接成比例的重要事实。
因此，本发明的一实施例包括一产生信号的传感器，该信号表示至少一个磁盘与理想尺寸的偏差，该实施例还包括一移动式基准面，该移动式基准面响应于传感器产生的信号，对至少一个磁盘进行移动。该实施例可包括一与平衡分析仪、传感器和移动式基准面相连的微处理器。平衡分析仪的反馈可用于对未对中的间隔环或其它装置误差、不平衡的驱动电动机以及磨损或其它时变误差进行补偿。
本发明的一些实施例可用于平衡叠式磁盘组件中装配的多个磁盘和间隔环。这种实施例至少将叠式磁盘组件分成两组。该实施例根据磁盘与理想或标称尺寸的偏差，对每组中的磁盘进行移动。该实施例可用于获得单面(“静态”)平衡或双面(“耦合”或“动态”)平衡。
本发明的另一实施例包括一施压件，该施压件适于向多个磁盘中的至少一个磁盘施力，使之抵靠于磁盘基准面；一用于产生信号的传感器，该信号表示每一磁盘与理想尺寸的偏差；以及一定位件，该定位件响应于传感器产生的信号，对磁盘基准面进行移动，藉此平衡叠式磁盘组件。
本发明的另一方面是一种平衡轴上的磁盘的方法。该方法的一实施例包括：产生一种信号，该信号表示磁盘与理想尺寸的偏差，以及响应于所述信号，对磁盘进行移动。该方法还可包括设置一移动式基准面，以及向磁盘施力，使之抵靠于移动式基准面。
本发明的另一方面是一种平衡与磁盘构件的外径变化无关的叠式磁盘组件的方法。该方法的一实施例包括设置多个移动式基准面，向多个磁盘施力，使之抵靠于多个移动式基准面，产生一种表示多个磁盘与标称尺寸的偏差的信号，以及响应于所述信号，对多个磁盘进行移动。
本发明的两个附加方面是对中一轴上的磁盘的方法以及具有至少一不平衡处的叠式磁盘组件。对中磁盘的方法的实施例包括设置一移动式基准面，向磁盘施力，使之抵靠于移动式基准面，产生一种表示磁盘与理想尺寸的偏差的信号，以及响应于所述信号，对磁盘进行移动。叠式磁盘组件的实施例包括轴以及旋转连接于轴的偏移磁盘。本实施例中的偏移磁盘可以对至少一不平衡处进行补偿。
本发明的另一方面是对中一轴上的磁盘的方法，其一个实施例包括设置一移动式基准面，向磁盘施力，使之抵靠于移动式基准面，产生一种表示磁盘与理想尺寸的偏差的信号，以及响应于所述信号，对磁盘进行移动。
本发明的特征和优点之一是移动磁记录盘来平衡DSA，不再需要设计安装平衡块的位置，可节省封装的驱动器内部的容量空间。本发明的另一特征是可以对装置误差和磨损进行补偿。该特征将增加平衡过程的精确度。结合下面的说明书、权利要求书和附图，将更好地理解本发明的这些及其它的特征、方面和优点。附图说明
图1是本发明用于磁盘对中的一实施例的俯视图；
图2A是带有标称磁盘的图1中的实施例的俯视图；
图2B是带有实际磁盘的图1中的实施例的俯视图；
图3A是本发明用于平衡叠式磁盘组件的一实施例的俯视图；
图3B是图3A中的实施例的侧视图，示出了多个平面施压件；
图3C是图3A中的实施例的主视图。具体实施方式
图1示出了用于平衡旋转轴13周围的一或多个磁盘12的装置10的实施例。每一磁盘12具有大致呈圆筒形的内表面14，该内表面形成一中心开口15；大致呈平面的两表面，每一表面(至少是部分地)形成一磁记录面16；以及一大致呈圆筒形的外缘20。外缘20形成一具有外径(OD)的周长，该外径不同于所需或指定的(例如标称的)值。装置10包括两移动式圆柱形基准面24和26以及一移动式施压件28，它们中的每一个都分别固附于滑动式底座30、32和34。装置10还包括一位置传感器36，该位置传感器包括一传感元件38，一安装支架40将所述传感器附连于滑动式底座34。一电气接插件42使位置传感器36与微处理器41相连。
施压件28可以是任何在运转期间能够使磁盘12保持抵靠在基准面24和26上的装置。一适当的施压件28是一扁平的弹簧。由于扁平的弹簧相对较廉价而且能够对初始时未对准的磁盘12进行若干补偿，因此它们是较为理想的。然而，任何能够帮助磁盘12抵靠于基准面24和26的施压件28都处于本发明的范围之内。例如，施压件28可以是一由受压弹簧或气缸进行施压的、大致呈平面的构件。
位置传感器36可以是任何能够测量实际磁盘OD和理想(或标称)磁盘OD之间的偏差的装置。该偏差可以直接或间接地进行测量。例如，可以通过测量至磁盘12的外缘20的距离来实现直接测量。可以通过测量至施压件28的背面44的距离来实现间接测量。位置传感器36能够在相对简短的取样阶段中提供精确且精密的结果。适合的传感元件38包括且不局限于：非接触式传感器(例如激光干涉仪、二极管阵列或涡流传感器)和接触式传感器(例如线性差动变换器(“LVDT”))。
在测量和定位磁盘12时，移动式基准面24和26以及施压件28将磁盘固定。基准面24和26应当由硬度相对较大的材料制成，这种材料具有较好的耐磨损性、抗腐蚀性和较低的热膨胀系数。适当的基准面24和26的示例是一由镀镍钢制成的圆柱。由于它能够在夹紧期间将磁盘和间隔环固定在适当的位置上，因此该实施例是较为理想的。也就是说，在用一经过预热的轴环、一带螺纹的轴环或其它适当的方法将磁盘和间隔环夹紧于电动机的轮毂时，这些磁盘和间隔环可少量地轴向移动。所以，由于圆柱形的基准面24和26以及平面的施压件28允许磁盘和间隔环轴向移动，而且不会改变它们的中心位置，因此所述基准面和施压件是较为理想的。然而，由其它材料制成或具有其它形状和方向的基准面24和26都处于本发明的范围之内。
滑动式底座30、32和34可以是任何能够以可控制的方式移动基准面24和26以及施压件28的装置。底座30、32和34包括一致动装置(图中未示出)，该致动装置可使诸底座单独地或共同地沿X方向滑动。适当的致动装置包括但不局限于：电动机械的致动器；液压装置；或由电动机提供动力并由适当的装置(例如线性编码器或LVDT)控制的凸轮、齿轮或螺钉。
参见图2A-2B，下面将要阐述使用本发明的实施例将磁盘12的OD对中于DSA的旋转轴13的方法。图2A示出了半径为R0的标称磁盘，它的OD中心52对准旋转轴13。当施压件28将标称磁盘12推至基准面24和26时，位置传感器36可测量传感元件38和磁盘12的外缘20(或者是施压件28的背面40)之间的距离X0。图2B示出了半径为R的磁盘12，该半径略大于理想半径R0。当施压件28将磁盘12推至基准面24和26时，其实际OD中心50将从旋转轴13处移动一段距离“d”。本实施例中的位移量“d”可使用公式d＝2×s/3进行计算，其中的“s”是位置传感器36测量出的实际磁盘和标称磁盘之间的距离变化。然而，当柱24和26以及施压件28的间隔不是120度时，应当使用其它公式。两基准面24和26以及施压面38因而可以沿“X”轴移动，以便消除位移量“d”。也就是说，可以移动磁盘12直至其实际OD中心50定位在沿旋转轴13的位置上。
目前，一些硬盘被设计成：叠式磁盘组件中设有若干磁盘，并且用间隔环隔开。叠式磁盘集体地进行平衡和对中。可以采用几种方法来实现该过程。一种适当的方法是使用图2A-2B所述的过程将每一磁盘定位在叠式磁盘中。由于要分别地对每一磁盘进行移动，因此该方法十分有效，但较为复杂且费时。第二种方法是根据平均计算的位移量d，对叠式磁盘中的所有磁盘12进行移动。当磁盘组的轴向高度小于磁盘半径(即“高宽比较低”)时，该方法将形成单面(或“静态”)平衡，并成为一种实际的解决方法。第三种方法如图3A-3C所示，将使用于高宽比较大的磁盘组(例如具有四个或更多磁盘12的组)。在这种方法中，沿旋转轴的全长适当地定位多组磁记录盘，进行平衡和对中的过程。这种惯性(质量)轴的对中和定位过程与旋转轴平行且一致，它被称为耦合(或“动态”)平衡。
图3A-3C是用于平衡具有二或多个单独磁盘12的DSA的一实施例的俯、侧和主视图。装置10包括用于每一磁盘12的一传感元件38和一联合施压件28。磁盘12被分成一“顶部组”60和一“底部组”62。每一组60和62自身的基准面24和26附连于其自身的滑动式底座30和32。如上所述，第二种方法被用来平衡每一组60和62，使它们获得耦合平衡。在电动机和/或间隔环自身的充分平衡使整个DSA获得理想平衡的情况下，沿X方向移动止动件，使每一组中的磁盘12以旋转轴13为中心，所述止动件的移动量为该组中的磁盘12的平均位移量d。
该实施例中的每一组60和62具有相同数量的磁盘12，或比另一组多一磁盘以适应具有各种数目磁盘的情况。每一组60和62的位移量计算包括该组中的所有磁盘12。尽管本实施例使用两组磁盘，然而本技术领域中的熟练人士将认识到：将叠式磁盘分成任意数量的组都处于本发明的范围之内。大量的组会产生更精确的结果，但需要额外的硬件并使复杂程度增加。本技术领域中的熟练人士还将认识到该方法可用于平衡包括任何数量的磁盘12的磁盘组。
本发明还可通过使磁记录盘12从旋转轴13处进行适当数量的偏移，来补偿周期性不平衡(例如未对准的间隔环)。由于间隔环的重量仅为硬盘重量的十分之一左右，因此可以用偏移磁盘12的方法方便地平衡未对中的间隔环。也就是说，如果某一构件与相邻构件中的间隔环所处的距离和旋转角度相同，就不需要对间隔环进行精确地对中。间隔环相对于旋转轴的这种恒定的、但可以重复的不对中可通过使硬盘在不平衡处的180度作一恒定的、但较小的偏移来补偿掉。因此，实施例首先将使用一平衡分析器(图中未示出)来测量不平衡的角度和数量，例如Bowenet al.(“Bowen”)在2000年2月16日提出的美国专利申请09/505,033中所揭示的那样，在此将结合其全文作为参考。装置10于是将使用平衡分析仪所收集的信息以及众所周知的数学公式来计算适当的磁盘偏移量，并据此对磁盘进行偏移。例如，在93度处对50gm的磁盘进行0.01mm的偏移可矫正273度处0.5gm-mm的不平衡度。见图2A-2B，如先前所述，另一实施例将采用相同的方式测量间隔环的OD。于是可以计算出间隔环的平均半径d。计及间隔环的d和它们的联合质量，而对磁盘和/或环进行偏移。
在某些要求较高的应用中，电动机的不平衡性也可能成为驱动器总体不平衡性的一个重要的、经常发生的因素。象对付未对中的间隔环那样，本发明可以在不平衡处的180度处对磁盘12进行适当数量的偏移，来弥补已知的电动机的不平衡性(幅度和角度)。在一实施例中，使用一标准平衡分析仪，诸如一对能检测电动机运行时所产生的振动的校准信号换能器，或在前述“Bowen”的专利中所述的平衡分析仪，相对于永久性地定位在轴上的一可读标记(“Index mark”)来测定电动机不平衡性的幅度和角度。在装配过程中(通常在安装磁盘和环之前)，可将该平衡分析仪放置在任何方便的地方。将平衡分析仪得到的数据提供给微处理器41，并使用众所周知的数学公式来计算磁盘的偏移量。
提供电动机的公司通常使用平衡分析仪得到其电动机本身的平衡技术条件。因此，如果电动机制造商提供每一电动机的平衡数据，就可以免除在DSA装配线上安装电动机平衡分析仪的费用。因此，一实施例用一种机器式可读标签(例如条形码)以使每一特定电动机关联于其对应的不平衡数据。由于免除了DSA装配线中的平衡过程，因此该实施例是较为理想的。
本发明也可弥补时变误差，例如磨损和热漂移。一实施例将平衡分析仪得到的数据记录在计算机可读的介质中，来对时变进行检测。然后，该实施例对一些最近制造的磁盘组的平均位移量与一些先前制造的磁盘组的平均位移量进行比较。然而，其它实施例可以使用更复杂的统计技术对数据的变化进行识别和量化。一旦变化得以识别，微处理器41可计算出适当的磁盘偏移，所述偏移将对变化进行弥补。由于可减少更换部件和/或重新校准装置10所产生的“停机时间”，因此该特征较为理想，可使制造过程更为简单可靠。
本发明提供了许多超过已知的磁盘平衡和对中装置的优点。例如，所揭示的装置10可以在对中之前测量磁盘组中每一单独磁盘12的OD尺寸。该方法可得到一磁盘组中的OD尺寸的全部范围，还可以获得高度的平衡。另外，由于将磁记录盘作为平衡块使用，因此本发明不再需要加入(或移出)平衡块的工具。该优点减少了资金、劳动成本和TAT。此外，所揭示的对中装置只需要装配线中的单个平衡工具的反馈。因而不再需要第二平衡仪并可节省额外的资金成本、劳动力和生产能力。
尽管本发明结合其特定实施例进行了详细的叙述，但是仍然会有一些变型。例如，尽管图1-3所示的实施例只是沿“X”方向移动磁盘12，但是本技术领域中的熟练人士应该认识到：可以将该揭示所述的原理应用于沿多根任意轴移动磁盘12。基准面24和26也可以其它角度交错排列，也可增加辅助的基准面。另外，本发明可应用于除计算机硬盘以外的多种对中和平衡过程中。
因此，本技术领域中的熟练人士应该认识到：附图和说明书所描述并说明了本发明的实施例、特征及其构件。用于紧固、安装、附连或连接形成总体机构的本发明的构件的相关装置，除非有明确的描述，否则这些装置将包括传统的紧固件，例如机用螺钉、螺母和螺栓连接件、机用螺纹接头、开口环、螺丝夹、铆钉、螺母和螺栓、肘节、销及类似装置。如果合适的话，也可用焊接、软焊、硬焊、摩擦力装配、粘合或变形的方法连接构件。除非有明确的揭示或指示，否则制作本发明的构件的材料可从适当的材料中选择，例如金属、金属合金、纤维、聚合体及类似材料；以及可使用适当的制造或生产方法，包括铸造、挤压、模压和机械加工。另外，为了便于叙述，可以将主视图和后视图、右视图和左视图、俯视图和仰视图以及顶视图和底视图作为参考，而且不局限于本发明或其构件的任何位置或空间方向的视图。因此，需要对这里所述的实施例进行全方面的考虑，而不是限制，还需要参照所附的权利要求来确定本发明的范围。