带有抗冲击转动执行器的盘驱动器 本发明一般地涉及数据记录盘驱动器，并更具体地涉及带有转动驱动器执行器的磁记录硬磁盘器，其具有在磁盘机不运行时锁定转动执行器的装置。
盘驱动器，也叫作盘文件，是信息存储设备，它们利用带有同心数据道的可旋转盘贮存信息，利用头或传感器向不同的道上读和/或写数据，并利用与头支架相连的执行器在读操作或写操作期间把头移动到所要求的道并且把头保持在道中心线上。通常有多个盘，它们由隔离环分开并叠加在由驱动器马达转动的轮毂上。一个机壳支承驱动器马达和头执行器并且包围着头和盘以为头一盘表面提供非常好的密封环境。
在常规磁记录盘驱动器里，磁头支架是一个气浮滑动器，当磁盘以其运行速度旋转时，滑动器悬浮在磁盘表面之上的空气轴承上。借助一个把滑动器和旋转执行器相连接的相对易损的悬架，滑动器保持在磁盘表面的附近。滑动器或者通过悬架的小弹力偏置到磁盘表面，或者通过气浮表面对滑动器的“负压”作用“自动装载，，到磁盘表面。
为了提高磁盘的抗磨力，以及为了一致的磁性能，要求把磁盘表面做得尽可能平滑。但是，非常光滑的磁盘表面造成一种称之为“粘贴”的问题。这指地是滑动器静止地和磁盘接触过一段时间之后，滑动器趋向反抗平移运动或者“粘”在磁盘表面上。粘贴是由多种因素造成的，包括静摩擦力和由磁盘上润滑剂造成的磁盘和滑动器之间的附着力。当启动磁盘的旋转使滑动器突然脱离磁盘表面时，磁盘机里的粘贴可以造成磁头、磁盘或悬架的损坏。在某些盘驱动器里，例如用于膝上计算机和笔记本计算机里的低功率盘驱动器里，由于附着力粘住滑动器或造成过大阻力，驱动器马达可能简直不能起动旋转或者不能达到运行速度。
为了防止滑动器静止在磁盘表面上所出现的粘贴问题，常规的磁盘机把执行器停放在它的两个“保护挡”(crash stop)中的一个上，这样当磁盘机不运行时滑动器保持在磁盘的数据区域之外。接触起动/停止型(CSS)磁盘机，即在起动和停止期间使得滑动器和磁盘表面接触的磁盘机，采用一个专用的着陆区，当磁盘机不运行时把滑动器停放在上面。通常，该着陆区是一个靠近磁盘内径(ID)处的特别构造成的非数据区。和CSS磁盘机相反，“装载/卸载”型磁盘机通过在电源被关掉时从机械上把滑动器从磁盘上卸载掉，然后当磁盘达到足以产生空气轴承的速度时再把滑动器装载到磁盘上的方法，处理该粘贴问题。装载和卸载通常是当执行器从磁盘的数据区移出后通过一个与悬架相接触的斜台来完成的。这样滑动器脱离磁盘表面停放着，同时悬架由斜台的一个凹座所支持。
当磁盘机不运行时单独停放执行器的原因是磁头、磁盘或悬架可能会被把滑动器驱动到磁盘上的突然的外力所损坏。在膝上计算机的情况下这是尤其可能发生的。
和常规的气浮磁盘机相反，已经提出接触式或近接触式磁盘机，在读和写操作期间这种磁盘机把磁头支架置于和磁盘或者磁盘上的液体薄膜恒定接触或者偶尔接触的状态。这种类型的磁盘机的例子描述在IBM的美国专利5,202,803和在已公开的欧洲申请EP367510里，和转让给Conner Peripherals公司的美国专利5,097,368里及转让给Censtor Corporation的美国专利5,041,932里。这种类型的磁盘机也可以是在磁盘机不运行时把带有磁头支架的执持器停放在磁盘的数据区之外的类型。
由于磁头支架接触或碰撞磁盘数据区时的作用，停放执行器的磁盘机通常带有某种类型的执行器锁定器，以防止在外部冲击的情况下执行器把支架移至磁盘的数据区，负磁力锁定器或负弹簧锁定器施加约束力，当接通磁盘机和启动执行器时这些约束力被克服。螺线管锁定器在关掉电源时啮合执行器而在施加电流脉冲时释放执行器。如在转让给Integral Peripherals公司的美国专利5,189,596中所描述的转动惯性锁定器存在的使得停放着的执行器从它的保护挡上移向磁盘的数据区的外力时锁住转动执行器。在突然的外力的情况下负锁定器容易发生失败，螺线管锁定器是不可靠的，并且发现在存在使得停放着的执行器移向其保护挡的外力的情况下惯性转动锁定器是不能工作的。
所需要的一种具有用在停放着的执行器上的可靠锁定器的盘驱动器，这种可靠的锁定器可在无需考虑外力的方向下工作。
本发明是一种采用双向转动惯性锁定器以把执行器可靠地锁定在停放位置上的盘驱动器。即使存在着趋向于把执行器驱动向保护挡的转动加速度，该锁定器仍啮合执行器。在最佳实施方式里，这种转动惯性锁定器包括一个挠性卡锁臂，在相同的加速度下这个挠性卡锁臂也被驱向一个挡，但是它回弹以和从保护挡回弹的执行器啮合。
为了更全面地了解本发明的特性和优点，应该参考下面的详细说明及相应附图。
图1是带有现有技术转动惯性锁定器的盘驱动器在打开位置下的示意图。
图2是带有现有技术转动惯性锁定器的盘驱动器在锁定位置下的示意图。
图3是带有现有技术转动惯性锁定器的盘驱动器的示意图，说明当执行器从其保护挡回弹时该锁定器不能锁住执行器。
图4是带有本发明的转动惯性锁定器的盘驱动器的示意图，说明在其回弹(虚线)后对执行器的回弹锁定(虚线)。
图5是带有本发明的替代实施方式的转动惯性锁定器的盘驱动器在打开位置下的示意图。
图6是带有本发明的替代实施方式的转动惯性锁定器的盘驱动器在锁定位置下的示意图。
首先参考图1，其中表示机罩移去后现有技术盘驱动器内部的顶视图。为了便于图示和说明，图1中画出的盘驱动器被表示为具有单个记录头和相应的盘表面，虽然常规的盘驱动器通常具有多个头和盘。盘驱动器包括机壳机座10，带有附属盘12的盘驱动器或主轴马达紧固在机座10上，包括转动执行器14，装载/卸载斜台30和转动惯性锁定器50。机座10和外罩(未示出)为盘驱动器提供了充分密封的机壳。
盘12具有数据区13并且在表面上包括常规全氟聚醚(PFPE)润滑材料薄膜。
转动执行器14绕安装在基座10上的枢轴15转动。执行器14通常是一个平衡转动音圈马达(VCM)执行器，带有一个通常由安装在基座10上的磁铁组件(未示出)产生的固定磁场移动的线圈17。在基座10上安装着一个外径(OD)保护挡40和一个内径(ID)保护挡42，以限制转动执行器14的行程。保护挡可以是带有弹性材料O型环的刚体柱，比如分别在保护挡40、42处的O型环41、43。替代的，保护挡可以是橡胶防冲挡或是弹性悬臂梁。执行器14带有在与线圈17相对的一端上的刚性吊臂24。悬架26安装在执行器吊臂24的一端上。悬架26可以是常规类型的悬架，诸如公知的Watrous悬架，如转让给IBM的美国专利4,167,765中所述。悬架26支持磁头支架或气浮滑动器22并包括一个延伸到滑动器22之外的薄片28。读/写头或传感器20在滑动器22的后沿端上形成。传感器20可以是用众所周知的薄膜淀积技术形成的一个感应读和写传感器或者一个带有磁阻(MR)读传感器的感应写传感器。
带有斜面部分32的凹座34的装载/卸载斜台30安装在基座10上。斜台30在它的凹座34上支承悬架薄片28；从而作为执行器14在磁盘机不工作时的停放位置。图1表示执行器14停放着，即悬架薄片28驻留在斜台凹座34里，并且执行器14压着OD保护挡40的O型环41。如果磁盘机为CSS磁盘机，则执行器14应该停放在ID保护挡42的O型环43上并且滑动器22应该静止在磁盘12ID区的一个特别构成的非数据着陆带上。可能采用负执行器锁定器或螺线管锁定器，以保持执行器14和滑动器22一起停放在着陆带上。
转动惯性锁定器50也安装在基座10上，它包括具有尖头52的臂51，卡锁挡53，配重54和扭转弹簧55。惯性锁定器50是一个刚体，在旋转上是平衡的，并绕安装在基座10上的枢轴56转动。枢轴56和执行器14的枢轴15平行。扭转弹簧55(或其它装置)促使臂51靠着卡锁挡53以把锁定器保持在打开位置上，打开位置允许执行器14自由地转动，如图1中所示。
当转动锁定器处于锁定位置(见图2)时，尖头52啮合执行器14上的配合面57，这样防止执行器14把悬架薄片28从斜台凹座34上移开。图2表示在想象的啮合点59处的卡锁尖头52和执行器的配合面57，想象的啮合点59是由尖头52以及配合面57形成的圆弧的相交点。如果磁盘机是CSS磁盘机，转动锁定器50应该设计为绕和图1所示的方向相反的方向转动并且应该位于靠近保护挡42的执行器14的另一侧上。
在磁盘机和读/写操作期间，磁盘机马达以恒速旋转磁盘12，并且执行器14绕枢轴15转动，以通常径向地沿磁盘12的表面移动滑动器22，使得读/写传感器20可以访问数据区13上的不同数据磁道。转动锁定器50的臂51通过弹簧55偏移到卡锁档53以使执行器14可自由地绕枢轴15转动。悬架26向滑动器22提供负载力，迫使滑动器22朝向磁盘12的表面。由传感器20从磁盘12上检测出的数据经信号放大和处理电路(未示出)处理成数据回读信号。当磁盘机被关掉电源时，在磁盘12仍在旋转期间执行器14被驱向斜台30。悬架薄片28和斜台部分32接触，向斜台部分32移动并脱离磁盘12，并且静止在斜台凹座34里。在这时，执行器14被停放并且紧压着保护挡40的O型环41。
图2显示当磁盘机不运行时常规的转动惯性锁定器50是怎样工作以把执行器保持在停放位置上的。当磁盘机经受一个顺时针方向的转动加速度时(例如当磁盘机偶然地落下或者遭受突然的冲击时)，磁盘机内的所有物体都承受一个由箭头60指明方向，即相对于磁盘机逆时针方向的力矩。如果不存在锁定器，转动执行器14可能转动离开OD保护挡40并使悬架薄片移出斜台30，从而让滑动器22进入磁盘12的数据区13。如上面所说明的那样，这样可能损害磁头，磁盘或悬架。或者使滑动器悬架静止在磁盘上，从而出现粘贴问题。但是，转动惯性锁定器50也承受和执行器14一样的力矩而且同样可在相同方向上自由转动。通过对锁定器50的适当设计，则臂51将绕枢轴56转动，离开卡锁挡53(按箭头61指明的方向)并且到达在配合面57前面的啮合点59。然后转动的执行器14将被阻止离开它的停放位置，因为在它开始转动后不久，配合面57将在啮合点59附近和卡锁尖头52相交。
现有技术的转动卡锁50仅当外部力矩处于趋使执行器14离开OD保护挡40的方向时才起作用。但是，如果磁盘机遭受到促使执行器14向保护挡40方向移动(即图3中用虚线表示的执行器14按箭头62所示顺时针转动)的外力矩，卡锁臂51驱入卡锁挡53(沿箭头64指示的方向)。保护挡40具有弹性O型环41，后者设计成能在执行器14到达它沿OD方向所允许行程的尽头时缓冲冲击。执行器14将弹离保护挡40并沿返回磁盘12的方向移动，如箭头65所示。但是，转动惯性锁定器50，本质上是一非弹性系统，将不能动作以啮合执行器14。这样，在没有来自锁定器50的响应的情况下执行器14可以回弹到磁盘12上。由外力矩造成的加速度只起使卡锁臂51保持打开的作用，同时执行器14从它的保护挡40弹到磁盘12上。
在本发明里，双向转动惯性锁定器与外力方向无关地啮合执行器。锁定器70的最佳实施方式显示在图4中。卡锁臂71做成是挠性的并且/或者卡锁挡73是用弹性材料作成的。通过对卡锁臂71、卡锁挡73和带有O型环81的保护挡80进行适当的设计和适当地选择材料，可以制定锁臂/锁挡系统和保护挡系统的阻尼和弹性，从而在双方向下和在从保护挡80的回弹情况下能使卡锁尖头72与配合面57相交。
在图4的实施方式中，臂71是用聚酰亚胺弹性材料做成的并且设计成规定的厚度，从而在本质上形成一个悬臂弹簧。此外，或替代地，通过利用一个O型环77以用和执行器保护挡相类似的方法，卡锁挡73也可以做成是弹性的。当磁盘机遭受一个逆时针方向的加速度而使执行器14沿箭头66的方向驱入其保护挡80时(由执行器14的虚线轮廓图所示)，执行器14和卡锁臂71两者都从它们各自的挡80，73弹开。卡锁臂71按箭头67的方向驱入其弹性保护挡73(由惯性锁定器70的虚线轮廓图所示)并且按箭头68指示的方向弹向在执行器14的配合面57前面的啮合点59。结果是这样的，即使外力矩处于通常认为不造成问题的方向上，即在把执行器14驱向保护挡80的方向上，执行器14在由箭头69指示方向上的不希望的回弹不会造成滑动器22接触或冲击磁盘12的数据区13。锁定器70在存在趋于使执行器14正好离开保护挡板80的外力矩的情况下仍然以常规的方式起作用。
为了使卡锁臂71成功地和执行器相交，臂71必须转动足够多以在执行器逃逸之前啮合执行器，也就是说，在卡锁尖头72到达点59之前执行器14的配合面57逆时针方向上的前进不能超出啮合点59。在有磁盘机的顺时转动加速度的情况下(该加速度趋向于分别按箭头66、67的方向转动执行器14和卡锁臂71)执行器14以及转动锁定器70的动态响应是由执行器和卡锁系统的某些特性控制的。出于说明的目的，令IA和IL分别为执行器14和锁定器70的转动惯量；KA和KL分别为执行器/保护挡系统和卡臂/卡锁挡系统的扭转刚度；以及QA和QL分别为执行器14和卡锁臂71从它们的静止位置到达啮合点59必须转动的角度。在磁盘机遭受一个短持续脉冲的逆时针方向旋转加速度的情况下，卡锁臂71和执行器14两者都将突然相对于磁盘机顺时针转动，把每一个推压到各自的挡上，并且使得每一个接着从它们的挡上回弹。在每一个靠在各自的挡的期间里，每个系统可以被描述为一个扭转谐振振荡器，而回弹可被描述为单个半周期的振荡器。执行器/保护挡系统和卡锁臂/卡锁挡系统各自具有特征频率WA和WL，由下列等式给出：WA=KAIA----------(1)]]>WL=KLIL------------(2)]]>
每个系统的半周期持续时间(总回弹时间)由π/WA和π/WL给出。从保护挡回弹后到达啮合点59的附加时间由QA/aT和QL/aT(秒)给出，其中a是转动加速度的振幅而T是加速度的持续时间。这样，在完成各次回弹后(也就是，执行器14和卡锁臂71脱离它们各自挡的时刻)，执行器14和卡锁臂71移动到啮合点59所需的时间和它们从静止位置到点59必须转动的角度成反比。从而，对于短持续加速度脉中(即为半周期的一小部分或为较快反应的执行器和卡锁系统总回弹时间的一小部分)，成功的锁住需要满足下述关系。
π/WA＋QA/aT＞π/WL＋QL/aT (3)
上述分析忽略了各个系统中阻尼的作用。有阻尼弹性系统的响应是得到很好了解的。但是，总的来讲，各个系统中阻尼的作用是使它变慢。阻尼系统的特征频率随阻尼的增加而下降，而且回弹后的出射速度也随阻尼的增加而降低。阻尼的这两种作用都增加到达啮合点59所需的时间。当两个系统中任何一个的阻尼达到或超过周知的“临界阻尼”标准时，在挡上不会有回弹。执行器/保护挡系统通常是欠阻尼的，即是能回弹的。对这样的系统，为了挡住执行器卡锁必须同样能回弹。
对于比上述短脉冲长的加速度，动态分析要更复杂一些。在这样的情况下，结束回弹时的逃逸速度发生变化，由加速的持续时间和振幅所决定。在某些情况下，一个系统的或另一个系统的逃逸速度可能非常低或是零。如果锁臂角速度与执行器角速度相比太慢，可能产生锁定失败。但是，如果执行器和卡锁的特性频率WA和WL匹配，则各个系统的逃逸速度保持互等(即使两个速度随加速度的性质变化)，而且两个系统的回弹时刻是相同的。这样，成功锁定的条件简化为QA>QL。
在一个具有下列参数的磁盘机上显示了图4所描述和表示的转动锁定器的成功回弹锁定。
IA＝7克－厘米 IL0.5克－厘米KA＝1×107达因－厘米/弧度 KA＝7.7×105达因－厘米/弧度WA＝1200弧度/秒 WL＝1200弧度/秒QA＝1.2度 QL＝0.8度
在执行器/保护挡系统里的弹性元件是一个橡胶O型环81，而在卡锁臂/卡锁挡系统里的弹性元件是一个挠性卡锁臂71(图4)。卡锁臂71看起来为一个尺寸是2.5厘米长×0.1厘米厚×0.25厘米宽的悬臂架。包括臂71的转动锁定器70是由弹性模数为3.1×1010达因/厘米2的聚酰亚胺做成的。因为KL是根据悬臂梁已知关系从梁的尺寸和弹性模数中计算出来的，所以通过选择梁的材料和尺寸得出匹配的特征频率WA和WL。对于任意方向的并具有任意持续时间的任意转动加速度，这种转动锁定器的失败率测为小于1％。
类似系统，其在卡锁上具有较厚的悬臂(0.25厘米厚)，在相似的冲击条件下测出在时间上失败次数约为10％。当特地把在某阈值之上的逆时针方向冲击施加给该系统时，失败率达到100％。对于较厚的悬臂，出现两个不利的结果：频率WA和WL不再相匹配，并且更重要地，卡锁的物理性质使得系统是过阻尼的从而完全不回弹。这样，在磁盘机遭受逆时针方向转动加速度的情况下，卡锁尖头完全不能啮合执行器。这种过阻尼情况在现有技术惯性转动锁定器里是典型的；它们不能适当地回弹而且不能捕获回弹的执行器。
在图5和图6中表示双方向转动惯性锁定器的一种替换的实施方式。这个双向锁定器90能够绕枢轴96双方向地转动。锁定器90有一个带着槽92的末端91。在相对的末端上，锁定器90有一个磁铁93。在基座10上安装着一个铁磁柱94。执行器14有一个销95，代替图3实施方式里存在的配合面57。在没有外力的情况下，随着磁铁93对准铁磁柱94，锁定器90将保持在中立位置上。在这个开放位置上，和执行器14刚性连接的执行器啮合销95可以自由地通过锁定器末端91上的逃逸槽92。这允许执行器自由地转动并把滑动器22沿磁盘12的数据区13移动。但是，在磁盘机遭受顺时针或逆时针方向的转动加速度的情况下，锁定器末端91将摆动离开它的开放中立位置，把执行器14截获在其停放位置上。如果锁定器末端91可以摆动的总角度大于逃逸槽开口的角度，由执行器回弹或随机弹跳造成的失败率可为最小。在图6里所示的锁定位置上，锁定器91大约转动了10度，并还剩余着许多空间，而执行器14被锁定在仅仅几度的转动范围内。从而，在执行器14转向保护挡80(沿箭头100的方向)、回弹出保护挡80并且企图向磁盘12上的数据区13移动(沿箭头101的方向)的时间内，锁定器末端91在闭锁状态下可自由地继续摆动(沿箭头102的方向)。
尽管为把锁定器90保持在中立位置上磁铁93和柱94是最佳的装置，但可用一个扭转弹簧来代替。
尽管本发明的最佳实施方式已被详细说明，很明显在不违背下述权利要求书中本发明的精神和范围的前提下可对本发明进行修正和改进。