Brevet FR2817632A1 — publié le 20020607

La présente invention se rapporte à un dispositif d'amélioration des caractéristiques d'un disque du standard soumis à un environnement hostile. Lorsque des matériels sont destinés à fonctionner dans des environnements sévères, tels que ceux auxquels sont soumis des matériels militaires, aéronautiques ou spatiaux, on réalise ces matériels selon des normes bien plus strictes que celles relatives à des matériels standard (matériels grand public ou"COTS", c'est-à-dire Commercial off the Shelf), ce qui fait que ces matériels spéciaux sont bien plus onéreux que les matériels standard. La tendance actuelle est de réduire le coût de ces matériels spéciaux, en utilisant des matériels "COTS", sélectionnés et éventuellement adaptés à des normes plus strictes. Ces matériels destinés à fonctionner en environnements sévères doivent, en particulier, pouvoir fonctionner correctement à des températures négatives pouvant attendre-300 C par exemple, et, pouvoir résister à des contraintes vibratoires élevées, ce qui est en particulier le cas des matériels montés sur des véhicules militaires (véhicules à chenilles, hélicoptères...), ce qui n'est pas le cas de beaucoup de matériels"COTS". Parmi ces matériels standard ne supportant pas de telles contraintes on citera les disques durs d'ordinateurs. Leur fonctionnement n'est en général garanti qu'audessus de 0 C, et leurs caractéristiques techniques publiées ne font pas état de leur comportement en dessous de 00 C. De même, leur fonctionnement sous contraintes vibratoires n'est en général, pas spécifié, ou s'il est spécifié, leurs limites de fonctionnement pour de telles contraintes sont bien plus faibles que celles que doivent supporter les matériels militaires. La présente invention a pour objet un dispositif simple, peu onéreux et facile à mettre en oeuvre, qui permette à des disques durs de type"COTS"de supporter sans dommages les contraintes de température et vibratoires précitées spécifiées pour les matériels spéciaux en particulier les matériels militaires. Le dispositif conforme à l'invention comporte un"berceau" métallique chauffant, fixé au disque dur par des liaisons thermiquement conductrices, et relié par des dispositifs amortisseurs au chassis supportant le disque dur, ce berceau étant rigidement relié au disque dur. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : - les figures 1 et 2 sont des diagrammes illustrant le comportement d'un disque dur standard en fonction de la température et des accélérations qu'il subit, et sur lesquels sont représentées ses limites de fonctionnement et - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe simplifiées d'un disque dur muni d'un berceau, conforme à l'invention, et de ce même disque dur avec son berceau et le dispositif de suspension de ce berceau, respectivement. Pour pouvoir mettre en oeuvre l'invention, le Demandeur a caractérisé les limites de fonctionnement des disques durs standard en fonction de la température et en fonction des vibrations. Cette caractérisation a consisté à évaluer expérimentalement l'évolution des performances des disques durs et leur résistance à la fatigue. Pour effectuer les caractérisations, des disques durs ont été prélevés parmi des séries de différents types (IDE, SCSI, UDMA, et SCSI-UW) de différentes dimensions classiques (2 pouces à 51/4 pouces). Les mesures relatives à l'influence de la température ont été faites en plaçant ces disques durs dans une enceinte climatique, en environnement normal (reliés à leur ordinateur habituel), et à température ambiante au début de mesures, qui ont été réalisées en utilisant des logiciels du commerce ou spécifiques, selon la destination finale de ces disques durs. On a d'abord fait varier la température dans l'enceinte sans soumettre les disques durs à des vibrations, puis on les a soumis à des vibrations à accélération variable, à une température de 20 C+/-5 C. On a reporté en figure 1 la courbe d'évolution typique de la température d'un disque dur, lorsque l'on fait varier au cours du temps la température dans l'enceinte dans laquelle il est enfermé. Au départ, entre TO et Tl, on suppose qu'il règne dans l'enceinte une température -#0 fortement négative (par exemple - 30 C), et que le disque dur, non encore alimenté a suffisamment séjourné dans cette enceinte pour que tous ses composants soient également à la température -#0. Cette température -#0 est nettement inférieure à la température-81 (81 =-250 C environ par exemple) en dessous de laquelle le fonctionnement du disque dur est impossible ou dégradé de façon rédhibitoire. A l'instant Tl, on alimente le disque dur et on réchauffe l'enceinte. Lorsque la température du disque dur passe au-dessus de -01, ses performances, quoique dégradées (temps d'accès supérieur à sa valeur nominale,...) deviennent acceptables. De plus, son endurance (aux chocs, à l'usure...) est limitée. Au-dessus d'une température-02 (qui est par exemple de-10 C environ), on constate que les dégradations des performances du disque dur sont négligeables et que sa tenue en endurance est compatible avec des normes sévères (normes militaires par exemple). Pour s'assurer que dans toute la zone de températures comprise entre 0 C et -#2 le fonctionnement du disque dur est correct, même si sa température n'est pas stabilisée, on fait redescendre la température dans l'enceinte, à partir d'un instant T2 où cette température a atteint une valeur-03, proche de 0 C (par exempte-5 C environ), jusqu'à la valeur-82, puis on la fait remonter, etc.,,, tout en ne la faisant pas sortir de la zone comprise entre 0 C et- 02, et on constate que le fonctionnement du disque dur reste satisfaisant. On a représenté en figure 2 l'évolution des limites de fonctionnement en régime vibratoire, en fonction de la fréquence de ces vibrations, d'un disque dur standard. La limite la plus haute 1 indique les accélérations maximales supportables par ce disque dur (dégradation tolérable de ses performances) en régime vibratoire sinusoïdal ou aléatoire pour un balayage de bandes de fréquences étroites (de l'ordre de 10 à 20 % de la plage totale de fréquences vibratoires envisageables), On constate que la limite d'accélération supportable décroît généralement lorsque la fréquence centrale de chaque bande étroite augmente, avec quelques exceptions (1 A, 1 B) pour lesquelles cette limite remonte légèrement. La limite la moins haute 2 indique les accélérations maximales supportables en régime vibratoire sinusoïdal ou aléatoire pour des essais réalisés pour un balayage de toute la bande de fréquences envisageable, et ce, pour des essais de longue durée, par exemple 1 à 4 h par axe afin de tester l'endurance des disques durs. On constate que la courbe représentative 2 est sensiblement décroissante lorsque la fréquence des vibrations augmente, avec un court palier 2A à peu près au milieu de la bande balayée, et une faible remontée 2B aux fréquences les plus élevées. Au-dessus de cette limite 2, le fonctionnement du disque dur est trop dégradé et il peut même être détruit à cause de dommages dus à la fatigue en endurance, On a également représenté sur la figure 2 la courbe 3 qui est la limite généralement indiquée par les fabricants de disques durs, pour des essais avec balayage de toute la bande de fréquences envisageables. Cette limite 3, décroissante par paliers, est nettement inférieure à la limite 2 et, bien sûr, encore plus par rapport à la limite 1. Le demandeur a déterminé que les problèmes créés par les vibrations ont les origines suivantes : - En basses fréquences (5 à 200Hz environ) il se produit des résonances des plateaux du disque dur et/ou du moteur entraînant ces plateaux. - En hautes fréquences (200 à 2000 Hz environ), il se produit des résonances des têtes de lecture et/ou de la structure mécanique du disque dur. - Les mises en résonance des plateaux et des têtes de lecture entraînent leurs déformations, qui, à leur tour, entraînent d'abord des baisses de performances, puis la rupture des plateaux et/ou des têtes lorsque ces dernières"atterrissent"sur ies ptateaux. Les problèmes dus aux basses températures ont les origines suivantes : - lorsque la température ambiante varie, dans le domaine des basses températures (en particulier en-dessous de 02, voir figure 1) il se produit une dilatation différentielle des matériaux constituant les plateaux et les têtes de lecture, ce qui entraîne des mauvais positionnements entre les têtes de lecture et les plateaux correspondants ; - pour lesdites basses températures, le moteur d'entraînement des plateaux et ses paliers ont un fonctionnement dégradé, de même que les composants électroniques inclus dans le disque dur (ou supportés par celui-ci). Pour garantir le fonctionnement aux basses températures ambiantes d'un disque dur standard, de quelque type qu'il soit, l'invention prévoit un dispositif de chauffage universel, c'est-à-dire utilisable pour des disques durs de types différents (IDE, SCSI, UDMA,..), de diamètres différents, et permettant de changer le disque dur d'origine pour un modèle récent s'il devient obsolète ou s'abîme. Pour expliquer facilement la mise en oeuvre du dispositif de l'invention, on a représenté en figure 3 un disque dur seul. Ce disque dur 4 comporte essentiellement dans un boîtier 5 fermé par un capot 6, un moteur 7 entraînant plusieurs plateaux 8 à revêtement magnétique, lus par des têtes de lecture correspondantes 9. Sous le boîtier 5 est fixée une carte électronique 4A d'interface et de commande du disque dur. On a représenté en figure 4 un exemple de réalisation d'un dispositif 10 conforme à l'invention. Ce dispositif 10 comporte essentiellement un berceau 11, par exemple en aluminium, dans lequel est fixé le disque dur. Ce berceau 11 entoure à distance, latéralement et par-dessous, le disque dur auquel il est fixé par plusieurs vis de fixation 12. A cet effet, on se sert avantageusement des trous taraudés existants du disque dur qui servent habituellement à sa fixation classique dans un ordinateur ou dans une baie. On dépose sur les faces internes du berceau 11 (celles en vis-à-vis du disque dur) une couche 13 de peinture émissive, par exemple une peinture noire mate du type"noir optique", D'autre part, on fixe sur la surface externe du berceau 11 (sur la totalité de cette surface ou sur une partie) un circuit chauffant laminaire 14. Ce circuit chauffant est, par exemple, un fil résistif disposé en méandres sur un support isolant électriquement, ce support étant fixé de façon appropriée au berceau. Ce support comporte également, de façon avantageuse, les circuits électroniques 15 de régulation de la puissance de chauffage du circuit 14. Le circuit de chauffage 14, lorsqu'il est alimenté en énergie, transmet la chaleur qu'il produit au berceau 11, qui la répartit sensiblement uniformément autour du disque dur 4. Cette chaleur est transmise de trois façons différentes : - Par conduction, par l'intermédiaire des vis de fixation 12 ; - par conduction à travers la lame d'air existant ente le berceau et le disque dur, - par rayonnement de la peinture émissive 13. Ce triple mode de transfert de la chaleur permet au système de chauffage de garder une efficacité quasi constante quel que soit le type de disque dur, Bien entendu, on adopte toutes les mesures nécessaires pour éviter toute déperdition de chaleur. Par exemple, le berceau est fixé à la structure mécanique du matériel incluant le disque dur par l'intermédiaire d'une interface thermiquement isolante : soit à l'aide des amortisseurs décrits cidessous, qui peuvent être en matière thermiquement isolante, si le disque dur risque d'être soumis à des vibrations, soit à l'aide de vis non métalliques ou dispositifs similaires. De façon avantageuse, on fixe un isolant thermique sur le berceau pour limiter les pertes thermiques. Le dispositif de régulation 15 comporte des capteurs de température et un microcontrôleur commandant le chauffage. Cette commande peut par exemple consister, lorsque le disque dur se trouve à une très basse température (inférieure a-02, telle qu'indiquée en figure 1), à la chauffer à forte puissance, puis lorsque sa température dépasse-8, 2, à le chauffer à puissance moins élevée (phase de maintien en fonctionnement permanent en ambiance froide) puis à arrêter le chauffage lorsque la température est proche de 0 C par exemple, et à remettre en route le chauffage à puissance moins élevée lorsque la température redescend (par exemple à environ à-02). Le chauffage à deux puissances différentes peut être obtenu soit en diminuant la tension aux bornes de la resistance de chauffage, soit en hachant la tension de chauffage selon la technique PWR (modulation en largeur d'impulsions). Bien entendu, le microcontrôleur peut aussi commander un ou plusieurs ventilateurs de refroidissement du disque dur. On a également représenté en figure 4 le dispositif qui permet au disque dur 4 de supporter de fortes contraintes vibratoires. Ce dispositif comporte plusieurs amortisseurs 16, par exemple quatre, reliant le berceau 11 à la structure mécanique 17 du matériel incluant le disque dur, et une plaque viscoélastique 18. Les amortisseurs, au nombre de quatre pour le mode de réalisation préféré, permettent de filtrer les vibrations et donc de protéger le disque dur. Le type de ces amortisseurs est choisi de façon connue en soi, en fonction de la nature et de l'amplitude des contraintes vibratoires, de la place disponible et de l'endurance recherchée, et ce, au moindre coût. Ces amortisseurs peuvent être à câbles et/ou à élastomères, ou d'un autre type connu. Afin d'obtenir un comportement dynamique optimal, les quatre amortisseurs sont avantageusement montés à 45 par rapport à un plan parallèle au plateau du disque durs, et reliés aux coins du berceau (supposé être de forme parallélépipédique). Ces amortisseurs assurent également la fonction d'isolation thermique entre le berceau et la structure mécanique 17, fonction mentionnée ci-dessus. La plaque 18 de matériau viscoélastique est montée sur le capot 6. Elle permet d'atténuer considérablement, par dissipation, les résonances mécaniques du disque dur lui-même et en particulier celles du capot 6, qui sont à l'origine de certaines limitations fonctionnelles en régime vibratoire. Ainsi, grâce à la combinaison des amortisseurs, filtrant les vibrations et du matériau viscoélastique dissipant les résonances, le niveau des vibrations résiduelles subies par le disque dur est très faible même si celui des vibrations appliquées à la structure 17 est très élevé, ce qui assure au disque dur une tenue en endurance sous contraintes vibratoires compatible avec les normes les plus sévères (normes militaires par exemple). Selon un mode de réalisation avantageuse de l'invention, on dispose sur la structure 18 des butées 19 en matériau élastomère de part et d'autre de l'ensemble formé par le disque dur 4, son berceau 11 et son revêtement viscoélastique 18, afin d'en limiter le débattement lors de chocs violents subis par le matériel et d'éviter la détérioration des amortisseurs 16 et les chocs directs entre ledit ensemble 4-11-18 et la structure 17. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'amélioration des caractéristiques d'un disque dur standard soumis à un environnement hostile, caractérisé en ce qu'il comporte un berceau métallique (11) chauffant fixé au disque dur par des liaisons thermiquement conductrices (12) et relié de façon thermiquement isolante par des dispositifs amortisseurs (16) à la structure (17) de l'appareil incluant le disque dur (4) 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le berceau est recouvert d'une peinture émissive (13) sur sa surface en vis-à-vis du disque dur. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le berceau chauffant est chauffé par un dispositif de chauffage laminaire (14) fixé sur une grande partie de sa surface. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le capot du disque dur (6) est recouvert d'une plaque (18) de matériau viscoélastique. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure mécanique (17) dans laquelle est disposé le disque dur comporte des butées en élastomère (19) limitant le débattement du disque dur en cas de chocs violents.