磁盘驱动器磁致动器锁闩机构 本发明一般涉及磁盘驱动器，并且尤其涉及一种用于硬盘驱动器的改进的磁致动器锁闩。
移动的磁存储设备，特别是磁盘驱动器，是存储器设备的选择。这是由于它们的扩展的永久存储器存储能力和相对低的价格。从这些设备准确恢复所存储的信息变得很严格，要求磁换能器距离存储介质尽可能近。最好，该换能器可以实际接触到该介质。
磁盘驱动器是信息存储设备，它利用具有为存储数据定义的同心数据磁道的至少一个旋转磁介质盘，一个用于从不同的数据磁道读数据和/或向数据磁道写数据的磁记录头或换能器，一个用于支撑换能器在存储介质上方的滑块，该换能器与典型地处于浮动状态的数据磁道相邻，一个用于弹性地支撑数据磁道上方地滑块和换能器的悬架组件，以及一个与换能器/滑块/悬架组合连接的位置致动器，用于在读或写操作过程中移动换能器通过介质到所需的数据磁道并且保持换能器在数据磁道中心线的上方。换能器与滑块连接或与滑块成为一体，该滑块通过一个由旋转的磁盘产生的空气垫，称为气垫，支撑存储磁盘数据表面上方的换能器。
或者，换能器可以与磁盘表面接触着工作。这样悬架提供所需的滑块负载以及滑块和致动器臂间的尺寸稳定性，该致动器臂将换能器/滑块/悬架组件连接到致动器。要求悬架以尽可能低的负载力保持换能器和滑块靠近磁盘的数据表面。致动器根据读操作中所需的数据将换能器定位在正确的磁道上方，或者在写操作过程中将换能器定位到用于数据的放置的正确的磁道。通过以与数据磁道大体横向的方向移动该复合组件穿过磁盘的表面，来控制致动器，以将换能器定位在所需数据磁道的上方。一个旋转的音圈电机(vcm)连接到致动器臂的后部以电力驱动磁盘上方的致动器运动。
任何时候，当磁盘驱动器系统的旋转的磁盘进入停止状态时，在该表面的上方没有可用的气动力垫以悬浮或浮动滑块。为了在任何不旋转的时候使磁盘的表面免受损害，通常使换能器/滑块停在不含有数据的着陆区，使得滑块和磁盘的接触将不会造成任何明显的损害，并且也将不会破坏磁记录的数据。然而，简单地停止滑块不能排除磁盘驱动器可能被一个足够大的力撞击，以使致动器从其停止位置坠落的可能性，并且这样会使滑块移动到磁盘的记录表面。因此，以下这一点很重要，定位滑块的致动器必须被限制或保持在其停止位置，以避免在没有中间气动力膜的情况下由滑块在表面上方的运动对磁盘表面的数据记录区的任何损害，并且将如下所述，通过保持滑块在着陆区使滑块和磁盘之间的静摩擦力最小。
在磁盘表面和连接到致动器的负载臂的滑块的磁记录面上都有极其光滑的表面。这些极其光滑的表面对于支撑与高密度记录有关的低浮动高度来说是必需的。在滑块和磁盘表面之间没有气动力垫的情况下，滑块将与磁盘表面相接触并且将产生静摩擦力。当两个很光滑的表面彼此粘合时产生静摩擦力并且静摩擦力有效地阻止一个表面从另一个表面上移动。该静摩擦力可以足够阻止磁盘的旋转；但是如果磁盘能旋转，则当磁盘相对滑块移动时，由于滑块与磁盘表面相接触并粘到磁盘表面上，磁盘或滑块的表面几乎必然将发生损害。通过在磁盘的着陆区具有足够的纹理化表面，在该区避免了静摩擦力。
换能器/滑块能停在着陆区内或停在一个能从磁盘表面完全移开磁头的卸载装置上。移动滑块的致动器必须被锁定，以防止滑块移出停止位置，移到磁盘的数据记录区。
锁定装置通常被用来保持致动器以及相应地保持滑块在一个不在磁盘数据区上方的位置，由此滑块和磁盘表面的接触将不会造成损害；或者，这些装置保持滑块在一个从磁盘表面卸载的位置。
使用的锁闩装置或锁定装置典型地包括机械锁闩、机电锁闩、电磁铁起动的锁定装置和磁锁闩。机械锁闩典型地很复杂并且需要释放机构；而机电锁闩需要基本的电力来工作；在电池工作的计算机中，电力消耗可以严重缩短电池的寿命。电磁铁锁定系统也要消耗相对多的电力并且尺寸较大并且这样需要与费用和可靠性考虑有关的大量零件。
磁锁闩提供了对现有方法的改进，通过取消用于致动器锁闩的分离的电路和基本电力消耗，以及应用磁力保持锁闩在一个锁定或解锁位置，由此取消复杂的机械和消耗电力的电子元件。在Eckberg等人的美国专利No.5,363,261中描述了磁锁闩的一个例子，讲授了一种用于锁定磁盘驱动器的致动器到一个停止位置的磁双稳态锁闩机构。该锁闩包括一个具有锁闩板的磁制动的锁闩杆，通过将锁闩杆吸引到一个位于连接到磁头堆组件的基板的锁闩磁铁外罩中的分离的锁闩磁铁，该锁闩板接合并且锁定锁闩臂在停止位置。磁吸引力使锁闩臂保持在锁定或解锁位置。通过对音圈加电流，致动器相对锁闩杆旋转，使该杆从一个位置移动到另一个位置。该系统的设计使得锁定致动器所需的力很小，并且解锁致动器所需的力很大。磁锁闩的其它例子在Cheng的美国专利No.5,381,290中以及McFadden发表的PCT国际公开号WO 93/19460中找到。
虽然磁锁闩机构相对其它的方法有改进，但是目前的设计受到几点限制。例如，当致动器位于锁闩旁边，仍旧在数据磁道的上方时，很多具有开放磁路的磁锁闩施加相当大的力(通常称作偏置力)。这导致能量消耗增加并且能限制由锁闩产生的最大的保持力。仍旧有其它的磁锁闩机构应用一个要求有第二音圈的分离的磁路，该第二音圈为锁定和解锁致动器提供能量。由于增加了可靠性的暴露，该方法费用高，并且需要附加的电路来工作。还有包括几个分离元件的其它的锁闩机构，通常安装在磁盘驱动器的不同的地方。这导致了误差的积累并且需要一个用于换能器/滑块的较大的着陆区。较大的着陆区以数据磁道的占用为代价并且减少了驱动器的总存储能力。进而，因为锁闩通常直到驱动器部分或全部组装好才是完整的，所以，锁闩功能的测试更困难、更昂贵并且要在文件建立过程的较后阶段进行。
在目前磁锁闩设计中遇到的另一个限制是某种类型的磁锁闩的装在致动器组件中以提供用于锁定和解锁力所需的磁吸引力的分离的永久磁铁的磁性能发生变化，这些变化归因于磁铁制造的工艺条件或温度效应。可以理解，类似这样的变化能使锁闩的设计进行折衷处理。
随着用户要求增长的振动性能，特别是在膝上型或笔记本市场中，对于锁闩机构提供增长的防振性的要求也持续增长。对锁闩设计者的挑战是在给予的重要设计约束条件下创造高性能、高可靠性、低价格的致动器锁闩机构。
前述的考虑对磁盘驱动器设计者提出了一个极大的挑战。需要提供一种特别满足硬盘驱动器要求的可靠的致动器锁闩机构。
为了克服上述的现有技术的限制，以及克服在阅读和理解本说明书时将很明显的其它限制，本发明公开了适用于小磁盘驱动器的一个改进的致动器锁闩机构。本发明的一个方面是无需附加费用提供一种具有较高振动性能的改进的致动器。本发明的进一步的目的是提供一种可自补偿音圈电机磁场强度的变化的致动器锁闩机构。本发明的其它目的包括提供一种有较少元件的锁闩，由此在费用的显著减少情况下提高可靠性，以及提高在子组件级全面测试致动器的能力。
为了达到本发明的目的，提供一个锁闩机构，它应用vcm磁场产生用于致动器的锁定和解锁力，由此取消安装在vcm组件外面的分离磁元件。锁闩机构包括一个绕轴安装在磁盘驱动器组件中的vcm磁铁的两板间的锁闩杆。锁闩杆实质上是支撑线圈的致动器的部分的扩展，该线圈用于控制致动器装置和悬架/滑块组件的位置。锁闩杆包括一对从枢轴伸出的臂，其中一个枢轴支撑用于在vcm组件中的板间的空气间隙内从锁定位置到解锁位置的旋转运动的锁闩杆。锁闩杆进而包括一个形成于或连接到锁闩杆前臂的第一软磁性构件，以及一个形成于或连接到锁闩杆尾臂的第二软磁性构件。
锁定力由vcm磁铁的边缘场对在前臂上的第一软磁性构件的吸引提供。锁定力由物体的尺寸和形状、它距锁闩枢轴的距离以及它对vcm磁铁和板表面的边缘的相对位置决定。
解锁力由vcm磁间隙中的杆的尾臂上的第二软磁性构件提供；当该机构处于锁定状态时，杆的尾臂，以及相应的第二软磁性构件被旋转定位于vcm磁铁之间。第二软磁性构件在间隙场中的吸引阻止锁闩杆的旋转。解锁力能够通过控制磁性构件的尺寸和形状、方向、在vcm间隙中的相对位置，以及距锁闩枢轴的距离得到优化。无需附加费用，通过改变这些变量解锁力能被增加到伺服系统容量的极限以可靠地解锁。
根据本发明的锁闩机构从磁盘驱动器的致动器伸出并且随它一起运动。当锁闩机构位于解锁位置时，致动器自由定位悬架/滑块组件在旋转的磁盘的所需数据磁道的上方。当悬架/滑块组件向着着陆位置移动时，锁闩杆枢轴使得杆的前臂向远离vcm磁铁的方向移动而尾臂移入vcm磁铁间的空气间隙内。当vcm锁闩杆旋转时，第二磁性构件的吸引迅速克服第一物体的吸引，并且拖动杆的尾臂进入间隙直到尾臂上的一个小定位销接触到vcm组件中的一个磁铁。由于第二物体在间隙场中的吸引，锁闩杆阻止旋转并且相应地，致动器被有效地锁定直到施加解锁力。当致动器臂和致动器锁闩杆位于锁定位置时，磁吸引保持锁闩杆以阻止致动器臂和相连的致动器的移动。本发明的致动器锁闩要求很少的零件并且不需要电力来保持致动器在锁定或解锁位置。
为了解锁致动器锁闩，致动器使用电力移动滑块和负载杆从磁盘的停止区到记录表面。当滑块和负载杆移到磁盘的记录区时，致动器臂和锁闩杆中的槽壁相接合，这样迫使锁闩杆到它的解锁位置。解锁致动器锁闩和引起锁闩杆从锁定到解锁位置移动的力由驱动致动器的音圈电机的线圈短电力提供。音圈电机需要的电力仅仅是线圈内的一个短脉冲、电流脉冲或波动串，足以克服保持锁闩杆在锁定或解锁位置的磁制动力。
根据本发明的锁闩机构提供比现有技术的机构更均衡的设计，其中锁闩板可以用更小的零件代替并且距vcm磁铁更近，因为这个物体仅用来减小锁定力，而不是使锁定力和解锁力都减小。此外，提供解锁力的第二软磁性构件位于轴的反面，并且平衡第一物体。最终结果是具有较大振动性能的锁闩。
根据本发明的锁闩机构的另一个特点是解锁力现在与致动器扭矩常数成比例，意味着解锁力是vcm磁场强度的函数，正如扭矩常数一样。因此，由不同的vcm的磁场强度的差异造成的解锁力的任何变化，都是由以类似方式响应的扭矩常数部分提供的。例如，考虑鉴于磁场强度在频率范围上端具有vcm磁铁的一个磁盘驱动器，组件将具有一个比通常高的解锁力，但也具有一个比通常高的扭矩常数，提供需要解锁致动器的额外力。
根据本发明的锁闩机构还提供可观的开支节省，因为从Eckberg等人的方法中去掉了两个元件和两个组件操作。例如，通过去掉锁闩磁铁、塑料磁铁外罩、磁铁在外罩中的装配以及磁铁在基座中的安装，在外存储器建立过程中获得可观的开支削减。
本发明的另外一个特点包括在元件级有测试设备的能力而不是如现有方法在外存储器建立时测试。由于锁闩机构自含在vcm组件中，现在元件级测试是可能的。另外，由于不再有任何永久磁铁安装在音圈电机外面的基座里，清洁基座的能力简化了。通过去掉在基座上安装永久磁铁外罩这个以往显示会产生微粒污染的步骤，暴露于外存储器的污染减少了。
赋予本发明特征的这些和各种其它新型优点和特点，在附加的权利要求中被特别指出并且形成其中的一部分。然而，为了对本发明、其优点以及使用它达到的目的有更好的理解，应该参考附图，附图形成其进一步的一部分，并且参考附加描述，其中说明和描述了根据本发明的装置的特殊例子。
现在参考附图，其中相同的参考数字始终代表相应的部分：
图1显示根据本发明的磁存储系统；
图2显示根据本发明的磁存储系统的顶视图；
图3显示根据本发明的锁闩机构的分解图；
图4a和4b是用于根据本发明的锁闩机构的改进的锁闩杆的等角图；
图5是根据本发明的磁盘驱动器磁致动器锁闩机构的顶视图，致动器锁闩显示在解锁位置；
图6是显示在解锁位置的磁致动器锁闩的剖视图；
图7是根据本发明的磁盘驱动器磁致动器锁闩机构的顶视图，致动器锁闩显示在锁定位置；
图6是显示在锁定位置的磁致动器锁闩的剖视图；以及
图9是一个曲线图，显示vcm磁场强度与归一化致动器扭矩和归一化解锁力之间的对比。
本发明参考附图在以下描述中用一个理想实施例描述，图中相同的数字代表相同或类似的元件。当为达到本发明的目的用最好的方式描述该发明时，那些熟练的技术人员将会意识到，鉴于这些指导，可以在不偏离本发明的精神或范围的情况下完成各种变型。
图1显示用总体参考数字110指示的磁盘驱动系统。该磁盘驱动系统110包括安装在主轴114上的多个堆叠的磁记录盘112。盘112可以是常规微粒或薄膜记录盘。主轴114连接到旋转主轴114和盘112的主轴电机116上。底座120提供磁盘驱动系统110的外罩。主轴电机116和致动器轴130连接到底座120上。毂组件132绕致动器轴130旋转并且支撑多个致动器臂134。致动器臂134堆有时称作“梳子”。旋转音圈电机140(vcm组件)连接到底座120上并且连接到致动器臂134的后部。
多个悬架组件150连接到致动器臂134上。多个换能器头，或滑块152分别连接到悬架组件150上。滑块152位于盘112旁边，使得在工作中它们与盘112电磁联系用于读和写。vcm组件140绕致动器轴130旋转致动器臂134，使悬架组件150移到盘112上的所需径向位置。轴130、毂132、臂134和vcm组件140可以一起称作旋转致动器组件。
控制器单元160提供对系统110的所有控制。控制器单元160典型地包括(没有显示)一个中央处理单元(CPU)、一个存储单元和其它数字电路，尽管将很明显，一个对计算机技术熟练的人也可以将这些方面作为硬件逻辑。控制器单元160连接到致动器控制/驱动单元166，相应连接到vcm 140。这种配置允许控制器160控制盘112的旋转。主机系统180，典型的是一个计算机系统，连接到控制器单元160。主机系统180可以向控制器160传送数字数据，以存储在盘112上，或者它可以请求在特定位置的数字数据被从盘112读取并且传送到系统180。DASD单元的基本操作在技术上被熟知并且在The Magnetic Recording Handbook，C.Dennis Meeand Eric D.Danie1，McGraw-Hill Book Company，1990中有更详细的描述。
图2-8显示本发明的锁闩机构的理想实施例。特别是，图3显示本发明的锁闩组件的分解图；图4a和4b显示根据本发明的锁闩杆的等角图；图5和6显示位于解锁位置的本发明的锁闩组件；并且图7和8显示位于锁定位置的本发明的锁闩组件。
参考图2，它显示根据本发明的磁存储系统的顶视图，可以看到滑块152和悬架组件150可以被移到盘112的所需径向位置。在图2中，致动器臂134被锁定使得滑块152停在盘112的内径(ID)200(或着陆区)上方。当致动器臂134未被锁定时，滑块152可以位于盘的外径202(或工作区)的任意处。理解到着陆区200不包含数据而工作区202则包含数据。
现在参考图3，它是根据本发明的vcm和致动器锁闩300的分解图，可以看到，锁闩机构300包括位于顶板314和底板316之间，包容在vcm组件140内的一个锁闩杆304。在顶板314的下表面是第一vcm磁铁318，并且在底板316的上表面是第二vcm磁铁320。当完全装配以后，vcm组件140的板间保留一个空气间隙350。杆304绕轴地安装在枢轴322上使得杆304能够绕vcm磁铁318、320之间的轴点302在其间的间隙350中旋转。通过使用vcm磁铁318、320来提供锁定力和解锁力，现有技术设计的vcm组件140外面的锁闩磁铁和磁铁外罩就去掉了。本发明的锁闩杆304包括：一对从轴点302伸出的臂；一个前臂308和一个尾臂310。第一软磁性构件306连接到或形成在锁闩杆304的前臂308上，以及第二软磁性构件312连接到或形成在锁闩杆304的尾臂310上。在分解图中，可以看到，尾臂310上的第二软磁性构件312被定位用于在锁定位置的第一vcm磁铁318和第二vcm磁铁320之间的运动。
现在参考图4a和图4b，本发明的锁闩机构300包括杆304，具有从轴点302向外伸出的一个前臂308和尾臂310。参考图4a，第一软磁性构件306位于杆304的前臂308的后端附近，并且第二软磁性构件312位于杆304的尾臂310的后端附近。如图4b中所见，为了装配起见，第一306和第二312软磁性构件能被铸造插入位置，并且可以是任意所需大小形状。在说明的实施例中，不锈钢球因其低成本和无方向性要求被选中。图4a和4b中所示的磁性构件306、312，直径为2mm并且第二软磁性构件312位于距锁闩轴点302的15mm处，与vcm磁铁边缘一致并且位于vcm空气间隙350中心(如图3中所示)。
仍旧参考图4a和4b，能够看到锁闩杆的尾臂310在靠近轴点302端较厚，并且末端356较薄。尾臂的较厚部分与较薄部分的汇合点定义一个定位销352，其上形成一个限位378，当位于锁定位置时，与下vcm磁铁320的边缘接触，由此将锁闩杆304定位在锁定位置。尽管图4a和4b显示了位于杆304下侧以与下vcm磁铁320的边缘接触的限位378，然而那些熟练的技术人员可以意识到，限位378可以位于杆304的上侧并且与上vcm磁铁318接触。
杆304的结构是典型的质量较轻的塑料材料。材料的强度要求在普通塑料中是好的，并且因此，锁闩杆304的结构强度不是一个重点的考虑。
锁闩机构300的操作在分别显示解锁状态和锁定状态的锁闩组件300的图5到图8中被很好地说明。首先参考图5和6，为了锁定致动器锁闩300，音圈通电，将致动器/滑块组件从盘112的数据区202移到停止区200。当滑块152和悬架组件150移到磁盘112的停止区200时，致动器134的后部延伸374与致动器锁闩杆304的槽382的壁接合，这样迫使锁闩杆304到达其锁定位置。需要用来锁定的力通过vcm磁铁320的边缘场对第一磁性构件306的吸引力产生。锁闩的设计使得锁定力较小，由此保证系统能够可靠地将致动器134锁定在停止区200。这在意外断电情况下，在加电vcm的可用电流有限处是尤其重要的，并且致动器必须在盘停止转动并且损害发生之前与锁闩杆充分接合并锁定在停止区。
现在参考图7和8，为了解锁致动器锁闩300，致动器臂134被加电以将滑块和负载杆从盘112的停止区200移到记录表面202。当滑块152和悬架组件150移到磁盘112的记录区202时，致动器臂134的后部延伸374与致动器锁闩杆304的槽382的壁接合，这样迫使锁闩杆304到达其解锁位置。解锁致动器锁闩300并且导致锁闩杆304从锁定到解锁位置的运动的力，通过对驱动致动器臂134的音圈电机140的线圈短时间通电提供。音圈电机140的通电请求仅为线圈内的一个短脉冲、电流脉冲或波动串，足以克服将锁闩杆304保持在锁定或解锁位置的磁性制动力。如果需要，致动器臂134可以在锁闩方向通电并且然后电流反转以获得最大的冲量，以撞击锁闩杆304，有效地解锁锁闩杆304。随着仅为非常短期的增长电流流动，锁定或解锁致动器臂134所需的电能损耗减到最低限度。
当致动器臂134和致动器锁闩杆304位于锁定位置时，磁吸引力保持锁闩杆304以阻止尾锁闩臂310和相连的致动器臂134的运动。致动器锁闩机构300要求很少的零件并且不需要电力来保持致动器臂在锁定位置。
重新参考显示锁定状态的锁闩的图7和8。能够看到，尾臂310上的第二软磁性构件312被定位用于处于锁定位置的第一vcm磁铁318和第二vcm磁铁320之间的运动。当第二软磁性构件312的吸引力阻止锁闩杆304的旋转时，解锁力由vcm磁铁间隙350中的第二磁性构件312提供。作用在物体312上的力由vcm的非均匀磁场产生。那些熟练的技术人员非常了解位于非均匀磁场中的含铁物体具有施加在其上的力，使得它被吸引到最大磁通量梯度的区域。进而，含铁物体上的合力与所加场的梯度成比例。对于一个典型的磁盘驱动器vcm设计，直觉的，最高通量梯度的区域位于磁铁边缘附近。物体312的理想位置是那个最有效的(具有最大力每单位材料体积)，以及对位置的细小变化适度地不敏感的位置。由于不可避免的制造误差，不需要具有这样一个工作点，在此处物体312的位置的细小变化会产生相对大的力变化。显然，物体312的最佳位置是总磁路的函数，并且这样对于每个vcm设计来说是唯一的。物体312的实际位置通过有限元磁性分析和经验方法决定。
由本发明的锁闩机构提供的另外一个特点通过图9显示的曲线图说明，它是致动器解锁力与致动器扭矩常数的对比。如图9中所见，本发明的理想的实施例提供了一种锁闩机构，其中解锁力现在与致动器扭矩常数成比例，意味着解锁力是vcm磁场强度的函数，正如扭矩常数一样。图9的曲线图中显示的归一化数据是通过使用一个距锁闩杆的尾臂的末端15mm的2mm不锈钢球获得的。该杆自含于用于3.5″磁盘外存储器系统的vcm组件中。能够通过所示数据意识到，由不同的vcm的磁场强度的差异造成的解锁力的任何变化，都是由以类似方式响应的扭矩常数部分提供的。
尽管这里所述的本发明以发明者现在所知道的最好的方式被描述，然而应该理解，对这里描述的目前理想的实施例进行各种改变和改进，对于那些熟练的技术人员来说，是显然的。可以实现这些改变和改进，而不会偏离本发明的精神和范围，并且不会减少其附带的优点。因此，试图在附加的权利要求中覆盖这些改变和改进。