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Die Erfindung betrifft ein Festplattenlaufwerk nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Neben sogenannten SSD-Festplatten, bei denen elektronische Daten in Halbleiterspeichern gespeichert werden, sind herkömmliche Festplattenlaufwerke mit magnetischen Speicherplatten nach wie vor die erste Wahl, wenn es um günstigen Speicherplatz mit hoher Speicherkapazität geht. Insbesondere werden Festplattenlaufwerke mit magnetischen Speicherplatten in fest installierten Computersystemen und Servern eingesetzt.
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Als Standard hat sich ein Formfaktor von 2,5 Zoll bzw. 3,5 Zoll etabliert, wobei die Maßangabe von beispielsweise 3,5 Zoll sich auf den Außendurchmesser der verwendeten magnetischen Speicherplatten bezieht.
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Aktuell sind Festplattenlaufwerke mit Formfaktor von 2,5 Zoll bekannt, die fünf übereinanderliegende Speicherplatten aufweisen und dadurch Speicherkapazitäten bis zu 2 TB erlauben. Bei 3,5 Zoll-Festplattenlaufwerken weisen die Laufwerke bis zu zehn übereinanderliegende Speicherplatten und eine Speicherkapazität bis zu 18 TB auf. Die Gehäuse der 3,5 Zoll-Festplattenlaufwerke sind hermetisch verschlossen und oftmals mit Heliumgas gefüllt, um den Strömungswiderstand der sich darin drehenden Speicherplatten und damit den Energieverbrauch des Festplattenlaufwerks zu reduzieren.
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Speicherplattenlaufwerke mit dem Formfaktor von 2,5 Zoll weisen üblicherweise eine Höhe von 15 mm auf, während Speicherplattenlaufwerke von 3,5 Zoll etwa 26,1 mm hoch sind.
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Zum Antrieb solcher Festplattenlaufwerke werden Spindelmotoren mit vorzugsweise fluiddynamischem Lagersystem eingesetzt. Diese Spindelmotoren werden elektronisch kommutiert.
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Der Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Festplattenlaufwerkes sind allgemein in der
DE 198 06 597 C2 beschrieben.
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Ein Gehäuse für ein Festplattenlaufwerk mit Heliumfüllung ist in der
US 10 870 167 B2 offenbart.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Speicherkapazität eines Festplattenlaufwerkes zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Festplattenlaufwerk mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere Merkmale sind in den abhängigen Patentansprüchen offenbart.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Festplattenlaufwerk beschrieben, das von einem Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem angetrieben wird, wobei auf einem drehbaren Rotorbauteil des Spindelmotors mehrere Speicherplatten übereinander angeordnet sind.
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Das Festplattenlaufwerk weist einen Formfaktor von 3,5 Zoll auf, wobei das fluiddynamische Lagersystem mindestens ein konisches fluiddynamisches Lager aufweist, das einen auf einer feststehenden Welle angeordneten Lagerkonus umfasst, der in einer Lagerschale des Rotorbauteils gelagert ist, wobei das Verhältnis zwischen dem größten Durchmesser des Lagerkonus' und dem größten Durchmesser der Welle kleiner ist als 1,65.
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Die Erfindung schlägt insbesondere vor, die Anzahl der Speicherplatten im Festplattenlaufwerk zu erhöhen, nämlich von bisher höchstens zehn Speicherplatten auf 11 bis 15 Speicherplatten bzw. 20 Speicherplatten.
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Da die Dicke der Speicherplatten nicht beliebig klein gewählt werden kann und zwischen den Speicherplatten ausreichend Platz für die Bewegung der Schreib-/ Leseköpfe des Speicherplattenlaufwerkes benötigt wird, führt eine Erhöhung der Anzahl der Speicherplatten zu einer Vergrößerung der axialen Bauhöhe des Speicherplattenlaufwerkes über die üblichen 26,1 mm hinaus.
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Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäßes Speicherplattenlaufwerk mit 15 Speicherplatten eine Bauhöhe von beispielsweise 35 mm auf, das entspricht der 1,5-fachen Standardbauhöhe von 26,1 mm, sodass in einem Einschubfach für bisher drei Speicherplatten nun zwei Speicherplatten mit vergrößerter Bauhöhe installiert werden können, bzw. weist ein erfindungsgemäßes Speicherplattenlaufwerk mit 20 Speicherplatten eine Bauhöhe von beispielsweise 52 mm auf, das entspricht der 2-fachen Standardbauhöhe von 26,1 mm, sodass in einem Einschubfach für bisher zwei Speicherplatten nun eine Speicherplatte mit vergrößerter Bauhöhe installiert werden kann.
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Um die größere Masse der verwendeten Anzahl von Speicherplatten antreiben und lagern zu können, ist beim verwendeten Lagersystem vorgesehen, eine Welle mit einem Außendurchmesser von größer als 4 mm, vorzugsweise größer als 4,4 mm, zu verwenden und bei dem konischen Lager einen Lagerkonus mit einem Außendurchmesser von größer als 6,8 mm zu verwenden, um die benötigte Lagersteifigkeit und Rotationsgenauigkeit zu erhalten.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen dem maximalen Durchmesser des Lagerkonus' und dem maximalen Durchmesser der Welle kleiner ist als 1,65 und besonders bevorzugt kleiner ist als 1,55.
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Der Durchmesser des Lagerkonus ist, wie gesagt, vorzugsweise größer als 6,8 mm und kann bis zu 7,7 mm betragen.
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In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Festplattenlaufwerk mit dem Formfaktor 2,5 Zoll vorgesehen, welches insbesondere eine Anzahl von Speicherplatten größer als fünf aufweist. Vorzugsweise sind sechs Speicherplatten verbaut.
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Die Dicke der Speicherplatte ist hierbei kleiner als 0,7 mm. Die Bauhöhe des Festplattenlaufwerkes vergrößert sich von 15 mm auf vorzugsweise 16,2 mm oder größer. Es werden vorzugsweise Speicherplatten aus einem Glassubstrat verwendet.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt einen Schnitt durch ein Festplattenlaufwerk gemäß der Erfindung mit einem Formfaktor von 3,5 Zoll.
- 2 zeigt einen Teilschnitt durch ein Festplattenlaufwerk gemäß der Erfindung mit einem Formfaktor von 2,5 Zoll.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein Festplattenlaufwerk mit einem Formfaktor von 3,5 Zoll, welches durch einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem angetrieben wird.
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Das Festplattenlaufwerk 10 umfasst eine Basisplatte 12, auf welcher alle Komponenten des Laufwerkes aufgebaut sind. Die Basisplatte 12 hat einen verstärkten Bereich mit einer Öffnung, in welcher eine Welle 14 befestigt ist.
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An einem freien Abschnitt der Welle 14 sind in einem gegenseitigen Abstand zwei Lagerkonusse 16 befestigt, deren konische Flächen zueinander weisen. Die Welle 14 und die Lagerkonusse 16 bilden die feststehenden Bauteile des fluiddynamischen Lagersystems.
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Ein Rotorbauteil 18 ist drehbar auf der Welle 14 und den Lagerkonussen 16 gelagert und weist Lagerflächen auf, welche den Lagerflächen der Lagerkonusse 16 gegenüberliegen und von diesen durch einen Lagerspalt 20 getrennt sind. Der Lagerspalt 20 ist mit einem Lagerfluid gefüllt und nach außen durch einen kapillaren Dichtungsspalt 22 abgedichtet, der sich zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Lagerkonusse 16 und einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 18 befindet.
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Die Lagerfläche jedes Lagerkonus 16 bildet mit der gegenüberliegenden Lagerfläche des Rotorbauteil 18 ein fluiddynamisches konisches Lager aus. Die beiden konischen Lager sind durch einen Freiraum 24 voneinander getrennt und weisen jeweils einen eigenen Fluidkreislauf auf. Am inneren Ende in Richtung des Freiraums ist der Lagerspalt jedes konischen Lagers ebenfalls durch einen Dichtungsspalt 23 abgedichtet.
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Die Lagerflächen der Lagerkonusse 16 oder die Lagerflächen des Rotorbauteils 18 oder jeweils beide Flächen weisen Rillenstrukturen auf, die bei Rotation des Rotorbauteils 18 um die Drehachse 40 im Lagerspalt 20 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid und dadurch einen fluiddynamischen Druck im Lagerspalt erzeugen, der die konischen Lager tragfähig macht. Die Lagerkräfte der beiden konischen Lager wirken entgegengesetzt, sodass das Lagersystem radial und axial stabilisiert ist.
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Das Rotorbauteil 18 wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend angetrieben, welches eine Statoranordnung 26 umfasst, die an der Basisplatte 12 befestigt ist. Der Statoranordnung 26 liegt radial ein ringförmiger Rotormagnet 28 gegenüber, der an dem Rotorbauteil 18 befestigt ist und durch ein von der Statoranordnung 26 erzeugtes elektromagnetisches Feld drehend angetrieben wird.
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Das Rotorbauteil 18 weist eine horizontale Auflagefläche 18a auf, auf welcher mehrere magnetische Speicherplatten 32 übereinanderliegend angeordnet sind. Die Speicherplatten 32 sind vertikal übereinandergestapelt und jeweils durch Abstandhalter 34 axial voneinander getrennt. Erfindungsgemäß weist das Festplattenlaufwerk mehr als zehn Speicherplatten 32, vorzugsweise fünfzehn oder zwanzig Speicherplatten 32 auf, die übereinander gestapelt auf dem Rotorbauteil 18 gelagert sind. Der Stapel von Speicherplatten 32 und Abstandhaltern 34 wird durch eine Halteklammer 30 auf dem Rotorbauteil 18 gehalten, welche im radialen Abstand der Abstandhalter 34 auf die obere Speicherplatte 32 drückt und durch Schrauben am Rotorbauteil 18 befestigt ist.
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In einem neben dem Speicherplattenstapel angeordneten Hohlraum 38 des Festplattenlaufwerks sind weitere mechanische und elektronische Komponenten angeordnet, die zum Auslesen und Beschreiben von Daten auf die Speicherplatten 32 notwendig sind. Diese Komponenten sind in 1 nicht dargestellt.
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Das Festplattenlaufwerk 10 ist durch einen Gehäusedeckel 36 fest verschlossen, welcher hermetisch dicht an der Basisplatte 12 befestigt ist. Das Innere des Gehäuses des Festplattenlaufwerkes 10 ist vorzugsweise mit Heliumgas gefüllt.
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Heliumgas hat eine wesentlich geringere Dichte als Luft und reduziert den Strömungswiderstand der sich im Gehäuse drehenden Speicherplatten 32 erheblich. Somit wird weniger Antriebsenergie zum Rotieren der Speicherplatten 32 benötigt, und der Stromverbrauch des Festplattenlaufwerks reduziert.
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Erfindungsgemäß ist der größte Durchmesser Dw der Welle 14 größer als 4 mm, vorzugsweise sogar größer als 4,4 mm. Der größte Durchmesser DL der Lagerkonusse 16 ist vorzugsweise größer als 6,8 mm.
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Hierbei ergibt es sich, dass das Verhältnis zwischen dem größten Durchmesser der Lagerkonusse 16 und dem größten Durchmesser der Welle 14 kleiner ist als 1,65, vorzugsweise sogar kleiner als 1,55.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Festplattenlaufwerkes mit dem Formfaktor von 2,5 Zoll. Dieses Festplattenlaufwerk 110 weist ebenfalls eine Basisplatte 112 auf, die eine Öffnung aufweist, in welcher eine Lagerbuchse 116 befestigt ist. In einer Lagerbohrung der Lagerbuchse 116 ist eine Welle 114 drehbar gelagert. An einem freien Ende der Welle 114 ist ein Rotorbauteil 118 befestigt.
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Das fluiddynamische Lagersystem zur Drehlagerung des Spindelmotors umfasst zwei fluiddynamische Radiallager 142, 144, die in einem axialen Abstand angeordnet und durch zugeordnete Lagerflächen der Welle 114 und der Lagerbuchse 116 gebildet sind. Zwischen der Oberfläche der Welle 114 und der Oberfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 116 ist ein Lagerspalt 120 vorgesehen, der mit Lagerfluid gefüllt ist. Die Lagerflächen der fluiddynamischen Radiallager 142, 144 weisen Rillenstrukturen auf, die bei Drehung der Welle 114 um die Drehachse 140 in der Lagerbuchse 116 einen fluiddynamischen Druck im Lagerspalt 120 erzeugen.
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Ein fluiddynamisches Axiallager 146 wird durch eine obere Stirnfläche der Lagerbuchse 116 und eine untere Lagerfläche des Rotorbauteils 118 gebildet, wobei diese beiden Lagerflächen durch den Lagerspalt 120 voneinander getrennt sind. Auch die Lagerflächen des fluiddynamischen Axiallagers 146 weisen Rillenstrukturen auf, die bei Rotation des Rotorbauteils 118 einen fluiddynamischen Druck im Lagerspalt 120 erzeugen.
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Am Ende des Lagerspalts 120 radial außerhalb des Axiallagers 146 ist ein kapillarer Dichtungsspalt 122 angeordnet, der den Lagerspalt 120 abdichtet.
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Das Rotorbauteil 118 wird durch eine elektromagnetische Antriebseinheit, bestehend aus einer an der Basisplatte 112 befestigten Statoranordnung 126 und einem radial gegenüberliegend der Statoranordnung 126, am Rotorbauteil 118 angeordneten Rotormagneten 128, gebildet.
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Das Rotorbauteil 118 weist eine horizontale Auflagefläche 118a auf, auf welcher ein Stapel aus mehreren magnetischen Speicherplatten 132 angeordnet ist. Die Speicherplatten 132 sind jeweils durch einen Abstandhalter 134 axial voneinander beabstandet. Der Stapel von Speicherplatten 132 und den Abstandhaltern 134 ist durch eine Halteklammer 130 auf dem Rotorbauteil 18 gehalten, welche im radialen Abstand der Abstandhalter 134 auf die obere Speicherplatte 132 drückt und durch eine in eine Bohrung der Welle 114 eingreifende Schraube befestigt ist
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Erfindungsgemäß weist das Festplattenlaufwerk 110 mehr als fünf Speicherplatten 132 auf, vorzugsweise sechs Speicherplatten 132. Die Speicherplatten 132 bestehen vorzugsweise aus einem Glassubstrat und haben eine Dicke von weniger als 0,7 mm, vorzugsweise 0,635 mm. Die Speicherplatten 132 sind jeweils um einen axialen Betrag von 1,7 mm voneinander beabstandet. Die Höhe des Festplattenlaufwerks 110 beträgt vorzugsweise mehr als 15,5 mm, insbesondere mehr als 16,2 mm.
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Das Festplattenlaufwerk 110 ist durch einen Deckel 136 verschlossen, der hermetisch dicht mit der Basisplatte 112 verbunden ist. Das Festplattenlaufwerk kann mit Heliumgas gefüllt sein, um den Strömungswiderstand der sich darin drehenden Speicherplatten 132 zu verringern.
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Liste der Bezugszeichen
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- 10
- Festplattenlaufwerk
- 12
- Basisplatte
- 14
- Welle
- 16
- Lagerkonus
- 18
- Rotorbauteil
- 18a
- Auflagefläche
- 20
- Lagerspalt
- 22
- Dichtungsspalt
- 23
- Dichtungsspalt
- 24
- Freiraum
- 26
- Statoranordnung
- 28
- Rotormagnet
- 30
- Halteklammer
- 32
- Speicherplatte
- 34
- Abstandhalter
- 36
- Gehäusedeckel
- 38
- Hohlraum
- 40
- Drehachse
- Dw
- größter Durchmesser der Welle
- DL
- größter Durchmesser des Lagerkonus'
- 110
- Festplattenlaufwerk
- 112
- Basisplatte
- 114
- Welle
- 116
- Lagerbuchse
- 118
- Rotorbauteil
- 118a
- Auflagefläche
- 120
- Lagerspalt
- 122
- Dichtungsspalt
- 126
- Statoranordnung
- 128
- Rotormagnet
- 130
- Halteklammer
- 132
- Speicherplatte
- 134
- Abstandhalter
- 136
- Gehäusedeckel
- 140
- Drehachse
- 142
- Radiallager
- 144
- Radiallager
- 146
- Axiallager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19806597 C2 [0007]
- US 10870167 B2 [0008]