DE10226016A1

DE10226016A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Schwingungsdämpfung einer rotierenden Speicherplatte einer Datenspeichereinrichtung

Info

Publication number: DE10226016A1
Application number: DE10226016A
Authority: DE
Inventors: Olaf Winterhalter
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2004-01-08
Also published as: US20040032821A1; JP2004092905A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung einer rotierenden Speicherplatte einer Datenspeichereinrichtung, mit mindestens einer Schreib-/Leseeinrichtung zum Schreiben und Lesen der Daten auf die bzw. von der Speicherplatte und einer Antriebseinheit, umfassend einen Stator und einen die Speicherplatte tragenden Rotor, wobei Stator und Rotor über eine Lageranordnung relativ zueinander drehbar gelagert sind. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Seite der Speicherplatte eine Lauffläche ausbildet, die einer feststehenden Lauffläche direkt gegenüberliegt, wobei mindestens eine der beiden Laufflächen ein Rillenmuster aufweist, das derart ausgebildet ist, dass aufgrund der Rotation auftretende Schwingungen der Speicherplatte gedämpft oder kompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung einer rotierenden Speicherplatte einer Datenspeichereinrichtung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Derartige Speichervorrichtungen sind z.B. in Form von Festplattenlaufwerken bekannt und enthalten einen Spindelmotor zum rotatorischen Antrieb der mindestens einen magnetisierbaren Speicherplatte. Die Speichervorrichtung kann aber ebenso eine optische Speichervorrichtung in Form eines CD- oder DVD-Laufwerks sein. Die Lageranordnung des Motors wird heute überwiegend durch Kugellager oder hydrodynamische Fluidlager gebildet.
Die US 3 855 624 offenbart eine magnetische Speichervorrichtung, bei der auf eine herkömmliche Lageranordnung verzichtet und statt dessen ein Spiralrillen-Luftlager verwendet wird, das durch die Speicherplatte und eine zu dieser parallele Lauffläche des Gehäuses gebildet wird. Das vorgeschlagene Spiralrillenlager kann axiale Belastungen in zwei entgegengesetzten Richtungen aufnehmen, ohne dass eine äußere Vorspannung benötigt wird, und wird als sogenanntes Zug-Druck-Lager bezeichnet. Bekanntlich treiben die Rillen in einem Spiralrillenlager die als Schmiermittel wirkende Umgebungsluft zwischen die Laufflächen, so dass ein Überdruck entsteht und das Lager tragfähig wird. Dabei entfernen sich die Laufflächen so weit voneinander, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der erzeugten Tragkraft und der herrschenden Belastung einstellt. Die Belastbarkeit des Lagers nimmt zu, wenn man die Drehzahl der Speicherplatte erhöht. Bei einem Zug-Drucklager besitzen die Laufflächen zwei Rillenmuster mit unterschiedlicher Krümmung. Diese Muster sind einander entgegengesetzt orientiert und unterschiedlich dimensioniert. Durch die entgegengesetzte Orientierung übt das Schmiermittel in einem bestimmten Gebiet des Lagers einen Überdruck und in einem anderen Gebiet einen Unterdruck aus. Vorteilhaft wird am Rand der Platte ein Überdruck und in deren Zentrum ein Unterdruck erzeugt. Letzterer stellt eine innere Belastung dar, die bei bestimmtem Abstand der Laufflächen die Tragkraft kompensiert und die Vorspannung des Lagers liefert. Durch entsprechende Wahl des Dimensionierungsunterschiedes der beiden Rillenmuster lässt sich die Steifigkeit des Lagers beeinflussen.
Ein solches Zug-Drucklager ist aus der US 3 870 382 bekannt.
Mit der fortschreitenden Miniaturisierung und Kapazitätsvergrößerung der Festplattenlaufwerke werden die verwendeten Speicherplatten immer kleiner und deren Drehzahlen immer höher. Bei hohen Drehzahlen über 10.000 U/Min stellen die entstehenden Eigenschwingungen der Speicherplatten ein erhebliches Problem dar. Die Speicherplatten schwingen in verschiedenen Modi, z.B. wellenartig in Umfangsrichtung oder im sogenannten Butterfly-Modus, bei dem die Platte flügelartig nach oben und unten schwingt. Diese Schwingungen, insbesondere bei Frequenzen nahe der Eigenfrequenzen des Systems, können zu Fehlern beim Lesen und Schreiben der Daten und im schlimmsten Fall zu einer Berührung des Schreib/Lesekopfes mit der Speicherplatte führen, wodurch das Festplattenlaufwerk zerstört wird.
Man hat deshalb versucht, die Schwingungsausschläge zu minimieren und die Eigenfrequenzen) der Speicherplatte(n) durch Erhöhung der Materialstärke sowie durch die Verwendung von Werkstoffen mit hohem Elastizitätsmodul in einen höheren Frequenzbereich zu verlagern.
Dem steht entgegen, dass dickere Speicherplatten auch mehr Masse, höheres Trägheitsmoment und dadurch längere Hochlaufzeiten des Speicherlaufwerks zur Folge haben. Außerdem bestimmt die Plattenstärke maßgeblich die Gesamtbauhöhe des Festplattenlaufwerks, weshalb man andererseits bestrebt ist, die Plattenstärke so klein wie möglich zu halten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung einer rotierenden Speicherplatte einer Datenspeichereinrichtung anzugeben, durch welche Eigenschwingungen der Speicherplatte erheblich reduziert oder vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß bildet eine Seite der Speicherplatte eine Lauffläche aus, die einer feststehenden Lauffläche direkt gegenüberliegt, wobei mindestens eine der Laufflächen ein Rillenmuster aufweist, das derart ausgebildet ist, dass aufgrund der Rotation auftretende Schwingungen der Speicherplatte gedämpft oder kompensiert werden.
Aufgrund des Rillenmusters werden zueinander konzentrische, ringförmige Bereiche der Speicherplatte einem unterschiedlichen, hydrodynamisch erzeugten, positiven und/oder negativen Druck ausgesetzt, wodurch die Schwingungsneigung der Speicherplatte und die Amplitude der Schwingung verringert wird.
Der Vorteil dieser Art der Schwingungskompensation besteht darin, dass die Speicherplatte sehr dünn gehalten werden und bisher nicht verwendbare Materialien zur Herstellung der Speicherplatte verwendet werden können.
Weiterhin können die Schwingungen der Speicherplatte auch bei sehr hohen Drehzahlen weit über 15.000 U/Min wirkungsvoll gedämpft werden. Die Formgebung des Rillenmusters muss individuell auf das Material, die Dicke und die Normdrehzahl der Speicherplatte abgestimmt werden. Die Speicherplatte rotiert auch bei sehr hohen Drehzahlen äußerst ruhig, so dass ein geringer gegenseitiger Abstand der Aufzeichnungsspuren und ein geringer Abstand zwischen Schreib-/Lesevorrichtung und Oberfläche der Speicherplatte als Voraussetzung zur Erzielung höherer Speicherdichten.
Vorzugsweise besteht das Rillenmuster aus mindestens zwei ringförmigen, konzentrisch verlaufenden Rillenmusterbereichen, wobei ein Rillenmusterbereich derart ausgebildet ist, dass im verbleibenden Luftspalt zwischen den Laufflächen ein Unterdruck entsteht, während der andere Rillenmusterbereich derart ausgebildet ist, dass zwischen den Laufflächen ein Überdruck entsteht.
Aufgrund der entgegengesetzten Druckzonen, vorzugsweise ein Unterdruck im Zentrum und ein Überdruck am Rand der Speicherplatte, wird die Steifigkeit der Speicherplatte erhöht und die Schwingungsneigung herabgesetzt bzw. in unkritische, höhere Frequenzbereiche weit ab von den Eigenfrequenzen des Systems verlagert.
Die Druckzonen werden durch spiralförmig verlaufende Rillen erzeugt, wobei die Krümmung der Rillen des einen Rillenmusterbereichs entgegengesetzt zur Krümmung der Rillen des anderen Rillenmusterbereichs verlaufen, so dass sich der beschriebene, entgegengesetzte Druckverlauf ergibt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das Rillenmuster nicht nur zur Verringerung der Schwingungen der Speicherplatte zu verwenden, sondern gleichzeitig als Zug-Druck-Lageranordnung zur axialen Lagerung des Rotors. Diese Doppelfunktion des Rillenmusters als Schwingungsdämpfung und Axiallager wirkt sich positiv auf die Baugröße, erzielbare Speicherdichte und Zuverlässigkeit der Speichervorrichtung aus.
Es hat sich herausgestellt, dass Glas ein geeigneter Werkstoff zur Herstellung der Speicherplatte ist. Einerseits ist die Steifigkeit auch bei geringen Dicken ausreichend hoch, andererseits lässt sich das Rillenmuster z.B. mittels geeigneter Ätzverfahren relativ einfach in die Glasplatte einbringen.
Jedoch kann das Rillenmuster genauso gut auf der feststehenden Lauffläche ausgebildet sein, die z.B. auf einer zusätzlichen Scheibe oder auf einem Teil des Gehäuses, z.B. auf der Innenseite der Basisplatte selbst.
Besondere Vorteile der Erfindung stellen sich dar, wenn es sich um eine Speichervorrichtung mit nur einer Speicherplatte handelt. Dabei wird eine Seite der Speicherplatte als Lager beziehungsweise Schwingungsdämpfer verwendet, während die andere Seite als magnetisches oder optisches Speichermedium dient. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung ist die nicht mechanisch umschlossene Bauform. Bauartbedingte Füge- und Herstelltoleranzen werden reduziert auf die Herstellung lediglich einer zusätzlichen planen Lauffläche. Dies ermöglicht ein Maximum an geometrischer Präzision.
Für das Starten der Anordnung von Motor und Speicherplatte sind besondere Vorkehrungen zu treffen, die ein Anhaften der Speicherplatte auf der Lauffläche aufgrund der Ebenheit der beiden Teile verhindert. Eine mögliche Ausführungsform ist, dass die Speicherplatte im Stillstand, also bei Drehzahl Null, nicht flächig auf der Lauffläche aufliegt, sondern nur eine kleine Kontaktfläche aufweist. Erst durch die Rotation der Speicherplatte entsteht die stabilisierende Zug-Druck-Verteilung zwischen den beiden ebenen Laufflächen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert.
Es zeigen:
1: einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Speichervorrichtung in Form eines Festplattenlaufwerks;
2: eine Draufsicht auf die Lauffläche der Speicherplatte mit aufgebrachtem Rillenmuster;
3: einen Schnitt durch die Speicherplatte;
4: ein Beispiel für eine Druckverteilung im Spalt zwischen den Laufflächen;
5: eine Explosionsdarstellung der Speichervorrichtung von unten gesehen.
Das Festplattenlaufwerk 1 nach 1 umfasst eine feststehende Basisplatte 2, die durch einem Deckel 3 verschlossen ist und mindestens eine Speicherplatte 8 beherbergt. In der Basisplatte 2 ist ein Lagerstift 4 aufgenommen, der ein Auflager für den Rotor 5 des Antriebsmotors bildet. Der Antriebsmotor umfasst ein auf der Basisplatte angeordnetes Statorpaket 6, das in bekannter Weise am Innenumfang des Rotors angeordnete Permanentmagnete 7 mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt und den Rotor 5 in Drehung versetzt.
Die Speicherplatte 8 ist auf dem Rotor 5 angeordnet und wird zusammen mit diesem in Drehung versetzt. Mittels einer Schreib-/Lesevorrichtung 11, deren Aufbau nicht näher beschrieben werden soll, können Daten auf die Speicherplatte 8 geschrieben und von dieser gelesen werden.
Die Unterseite der Speicherplatte 8 bildet eine Lauffläche 9 aus, die direkt gegenüber und parallel zu einer von der Basisplatte 2 gebildeten Lauffläche 10 liegt. Zwischen den Laufflächen 9, 10 verbleibt ein Luftspalt.
Aus den 2 und 3 ist ersichtlich, dass die Speicherplatte 8 eine Aufnahmeöffnung 12 zur Lagerung auf dem Rotor 5 aufweist. Die Lauffläche 9 der Speicherplatte 8 ist mit einem Rillenmuster 13 versehen, das mindestens zwei Rillenmusterbereiche 14, 16 umfasst, die jeweils eine Vielzahl von spiralförmig um die Aufnahmeöffnung 12 angeordneten Rillen 15, 17 aufweisen. Die Tiefe der Rillen beträgt nur einige μm. Im gezeigten Beispiel umfasst jeder Rillenmusterbereich 14, 16 jeweils achtzehn regelmäßig voneinander beabstandete Rillen 15 bzw. 17.
Die Rillen 15 des inneren Rillenmusterbereichs 14 sind derart angeordnet, dass sie bei Rotation der Speicherplatte 8 im Luftspalt zwischen den Lagerflächen einen Unterdruck erzeugen. Die Rillen 17 des Rillenmusterbereichs 16 verlaufen in Bezug auf die Rillen 15 entgegengesetzt und erzeugen einen Überdruck. Ein typischer, durch das Rillenmuster im Luftspalt erzeugter Druckverlauf 18 ist in 4 dargestellt. Dieser Druckverlauf führt zu einer Art Belastung oder Vorspannung der Speicherplatte, wodurch die Eigenschwingungen der Speicherplatte erheblich gedämpft werden. Das Rillenmuster 13 ist derart ausgelegt, dass die Schwingungen der Speicherplatte insbesondere im Bereich der Eigenfrequenzen des ganzen Systems verringert werden und die Speicherplatte ruhiger dreht.
Selbstverständlich kann das Rillenmuster 14 anstatt auf der Lauffläche 9 der Speicherplatte 8 auf der feststehenden Lauffläche 10 der Basisplatte 2 angeordnet sein. Es ist auch denkbar, auf beiden Laufflächen 9, 10 ein Rillenmuster vorzusehen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, das Rillenmuster 13 auf den Laufflächen 9, 10 derart auszubilden, dass zusätzlich zum Schwingungsdämpfungseffekt eine Zug-Druck-Lageranordnung zur axialen und radialen Lagerung des Rotors 5 ausgebildet wird. Das Rillenmuster 13 erzeugt einerseits einen Überdruck, der die Tragkraft des Lagers bestimmt, und andererseits einen Unterdruck, der eine innere Vorspannung bildet, die der Tragkraft entgegenwirkt. Insbesondere diese Ausgestaltung macht sehr kompakte Speicherlaufwerke möglich, da durch die Schwingungsdämpfung eine hohe Speicherdichte realisiert werden kann, ohne dass eine zusätzliche Axiallageranordnung benötigt wird.
5 zeigt schließlich eine Explosionsdarstellung des Festplattenlaufwerks 1 mit seinen wesentlichen Komponenten: Basisplatte 2, Lagerstift 4, Statorpaket 6, Speicherplatte 8, Ringmagnet 7 und Rotor 5. Man erkennt deutlich das an der Unterseite der Speicherplatte 8, d.h. an der der Basisplatte direkt gegenüberliegenden Seite, vorgesehene Rillenmuster 13.

1: Festplattenlaufwerk
2: Basisplatte
3: Deckel
4: Lagerstift
5: Rotor
6: Statorpaket
7: Permanentmagnet
8: Speicherplatte
9: Lauffläche (Platte)
10: Lauffläche (fest)
11: Schreib-/Lesevorrichtung
12: Aufnahmeöffnung
13: Rillenmuster
14: Rillenmusterbereich
15: Rillen
16: Rillenmusterbereich
17: Rillen
18: Druckverlauf

Claims

Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung einer rotierenden Speicherplatte (8) einer Datenspeichereinrichtung (1), mit einer Antriebseinheit umfassend einen Stator (2; 6) und einen die Speicherplatte tragenden Rotor (5), wobei Stator und Rotor über eine Lageranordnung relativ zueinander drehbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seite der Speicherplatte (8) eine Lauffläche (9) ausbildet, die einer feststehenden Lauffläche (10) direkt gegenüberliegt, wobei mindestens eine der beiden Laufflächen (9; 10) ein Rillenmuster (13) aufweist, das derart ausgebildet ist, dass aufgrund der Rotation auftretende Schwingungen der Speicherplatte gedämpft oder kompensiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rillenmuster (13) aus mindestens zwei ringförmigen, konzentrisch zueinander angeordneten Rillenmusterbereichen (14, 16) besteht, wobei ein Rillenmusterbereich (14) derart ausgebildet ist, dass in einem Luftspalt zwischen den Laufflächen (9; 10) ein Unterdruck entsteht, während der andere Rillenmusterbereich (16) derart ausgebildet ist, dass im Luftspalt ein Überdruck entsteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rillenmusterbereich (14; 16) spiralförmig verlaufende Rillen (15; 17) aufweist, wobei die Krümmung der Rillen (15) des einen Rillenmusterbereichs entgegengesetzt zu der Krümmung der Rillen (17) des anderen Rillenmusterbereichs verlaufen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rillenmuster (13) derart ausgestaltet ist, dass die Laufflächen (9; 10) eine Zug-Druck-Lageranordnung zur axialen und radialen Lagerung des Rotors (5) ausbilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherplatte (9) eine magnetische, magneto-optische oder optische Speicherplatte ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherplatte (8) aus einem Glaswerkstoff besteht.
Verfahren zur Schwingungsdämpfung einer rotierenden Speicherplatte (8) einer Datenspeichereinrichtung (1), wobei die Speicherplatte mittels einer Antriebseinheit in Rotation versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei zueinander konzentrische, ringförmige Bereiche (14; 16) der Speicherplatte (8) einem unterschiedlichen, hydrodynamisch erzeugten Druck ausgesetzt werden, derart, dass aufgrund der Rotation auftretende Schwingungen der Speicherplatte gedämpft oder kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der hydrodynamische Druck durch ein auf einer Lauffläche (9) der Speicherplatte (8) aufgebrachtes Rillenmuster (13) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der hydrodynamische Druck durch ein auf einer, einer Lauffläche (9) der Speicherplatte (8) gegenüberliegenden, feststehenden Lauffläche (10) aufgebrachtes Rillenmuster (13) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Lauffläche (9) der Speicherplatte (8) als auch eine gegenüberliegende, feststehende Lauffläche (10) mit einem Rillenmuster (13) versehen wird.