DE102004013577A1

DE102004013577A1 - Verfahren und System zum Widerstehen von Stößen in einem Spindelmotorlager

Info

Publication number: DE102004013577A1
Application number: DE102004013577A
Authority: DE
Inventors: Lynn San Jose Bich-Quy Le; Alan Lyndon Aptos Grantz
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2004-11-25
Also published as: CN1314909C; US8534919B2; JP2004286212A; US20040184688A1; KR20040083382A; US7407327B2; KR100581458B1; US20080273822A1; US20130064485A1; CN1580594A; SG119212A1; JP3978434B2; US20110285232A1

Abstract

Ein System, ein Verfahren und ein Mittel ist zum Einsatz bei fluiddynamischen Lagern vorgesehen, um einem mechanischen Stoß zu widerstehen. Es ist ein Dichtungssystem vorgesehen, das Stößen von 1000 G widersteht. Nach einem Aspekt erzeugen eine Pumprillenrichtung, die zwischen einer Axialdruckplatte und einer Abschirmung eingesetzt wird, eine Axialdruckplatte mit Spiralrillen, ein Fluidrezirkulations-Durchgangsweg und ein Reservoir einen asymmetrischen Druckgradienten. Nach einem Aspekt wird unter Verwendung eines vergrößerten Fluidreservoirs, axialer Kanäle und eines abgewinkelten Befülllochs Fluid zurückgehalten und Luft ausgetrieben. Nach einem Aspekt ist eine Achse an einer oberen Abdeckung angebracht und liefert radiale Steifigkeit, und eine vergrößerte einseitige Axialplatte verbessert eine dynamische Parallelität.

Description

Diese Anmeldung basiert auf einer "Provisional"-Anmeldung, Seriennummer 60/456.896 vom 21. März 2003, Anwalts-Registernummer STL 3333.01 mit dem Titel "Top Cover Attach FDB With Inverted Sealing", die dem Anmelder dieser Anmeldung übertragen ist und hier durch Bezugnahme einbezogen ist.
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Spindelmotoren und insbesondere auf ein mechanischen Stößen widerstehendes Dichtungssystem zur Verwendung bei fluiddynamischen Lagern in Plattenlaufwerk-Datenspeichersystemen.
Plattenlaufwerk-Speichersysteme sind heutzutage auf der ganzen Welt weitverbreitet. Diese Systeme werden durch Computer und Vorrichtungen wie beispielsweise Digitalkameras, Digital-Videorecorder, Laserdrucker, Fotokopierer und Personal-Musikabspielgeräte verwendet. Plattenlaufwerk-Speichersysteme speichern digitale Information, die auf konzentrischen Spuren eines magnetischen Plattenmediums aufgezeichnet ist. Mehrere Platten sind drehbar auf/an einer Spindel angebracht, und auf die Information, die in der Form magnetischer Übergänge in den Platten gespeichert werden kann, wird mittels Lese-/Schreibköpfen oder Wandlern zugegriffen. Die Lese-/Schreibköpfe befinden sich an einem Dreh-/Schwenkarm, der sich radial über die Oberfläche der Platte bewegt. Die Platten werden mit hohen Geschwindigkeiten während des Betriebs unter Verwendung eines innerhalb einer Nabe oder unter den Platten befindlichen Elektromotors gedreht. Magnete an der Nabe stehen in Interaktion mit einem Stator, um eine Drehung der Nabe in Bezug auf die Achse zu bewirken. Eine Motorart ist als Motor-in-der-Nabe (in-hub motor) oder Motor-in-der-Spindel (in-spindle motor) bekannt, der typischerweise eine mittels eines Lagersystems an einer in der Mitte der Nabe angebrachte Spindel aufweist. Die Lager ermöglichen eine Drehbewegung zwischen der Achse und der Nabe, während sie die Spindel gegenüber der Achse ausgerichtet halten. Die Lese-/Schreibköpfe müssen mit den Speicherspuren auf der Platte genau ausgerichtet sein, um das korrekte Lesen und Schreiben von Information sicherzustellen.
Bei Spindelmotoren wurden in der Vergangenheit herkömmliche Wälz- bzw. Kugellager zwischen der Nabe und der Achse verwendet. Die Nachfrage nach erhöhter Speicherkapazität und kleineren Plattenlaufwerken hat jedoch zu einer zunehmend näheren Platzierung des Lese-/Schreibkopfs an der Plattenoberfläche geführt. Die unmittelbare Nähe erfordert, dass sich die Platte im wesentlichen in einer einzigen Ebene dreht. Ein geringfügiges Schlingern (wobble) oder ein sog. Run-out in der Plattendrehung kann bewirken, dass die Platte den Lese-/Schreibkopf streift, was möglicherweise das Plattenlaufwerk beschädigt und zu einem Datenverlust führt. Ferner ist im Fall von Wälzlagern die Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischem Stoß und Vibration wegen geringer Dämpfung unzureichend. Da diese Drehgenauigkeit bei Verwendung von Wälzlagern nicht erzielt werden kann, besitzen Plattenlaufwerke derzeit einen Spindelmotor mit fluiddynamischen Lagern an bzw. auf der Achse und einer Axiallast- bzw. Druckplatte zur Lagerung einer Nabe und der Platte für die Drehung. Eine alternative Lagergestaltung ist ein hydrodynamisches Lager.
In einem hydrodynamischen Lager liefert ein Schmierfluid wie Gas oder Flüssigkeit oder Luft eine Lagerfläche zwischen einem feststehenden Element und einem sich drehenden Element des Plattenlaufwerks. Dynamische, druckerzeugende Nuten bzw. Rillen, die an einer Oberfläche des feststehenden Elements oder des sich drehenden Elements ausgebildet sind, erzeugen einen lokalen Hochdruckbereich und stellen einen Transportmechanismus für Fluid oder Luft bereit, um den Fluiddruck innerhalb des Lagers und zwischen den Drehflächen gleichmäßiger zu verteilen, wodurch eine genauere Drehung der Spindel ermöglicht wird. Hydrodynamische Lager weisen jedoch Nachteile auf, beispielsweise ein geringes Steifigkeits-Leistungsverhältnis (stiffness-to-power ratio) und eine erhöhte Empfindlichkeit des Lagers gegenüber externen Belastungen oder mechanischen Stoßereignissen.
Um die Steifigkeit zu erhöhen, sind Spindelmotoren sowohl an der Basis als auch an der oberen Abdeckung des Plattenlaufwerkgehäuses angebracht worden. Um jedoch eine Anbringung an der oberen Abdeckung einzusetzen, ist der Motor an beiden Enden offen, was das Risiko eines Entweichens von Öl erhöht. Dieses Lecken wird unter anderem durch Unterschiede in der Nettoströmungsrate bewirkt, die durch unterschiedliche Pumprillen in dem Lager erzeugt wird. Falls die Strömungsraten im Lager nicht sorgfältig ausgeglichen werden, kann ein Nettodruckanstieg zu einem oder beiden Enden Fluid durch eine Dichtung nach außen zwingen. Ein Ausgleichen der Strömungsraten ist schwierig, da die von den Pumprillen erzeugten Strömungsraten eine Funktion der im hydrodynamischen Lager festgelegten Spalte bzw. Zwischenräume ist, und die Zwischenräume ihrerseits eine Funktion von Teiletoleranzen sind. Eine geeignete Abdichtung ist ebenfalls problematisch. Lagerfluide geben dampfförmige Komponenten ab, die sich in eine Plattenkammer diffundieren könnten. Dieser Dampf kann Teilchen, wie von den Lagern oder anderen Komponenten abgetragenes Material transportieren. Diese Teilchen können sich an den Lese-/Schreibköpfen und den Oberflächen der Platten absetzen und eine Beschädigung der Platten und der Lese-/Schreibköpfe verursachen, wenn sich diese über die Platten bewegen.
Zur Lösung dieser Probleme sind Anstrengungen unternommen worden. Eine Gestaltung besteht in einem konischen Lager mit Anbringung an der oberen Abdeckung, das zwei unabhängige Strömungswege aufweist. Diese Gestaltung verwendet eine asymmetrische Abdichtung und weist eine Zentrifugaldichtung und eine Pumprillendichtung auf. Eine weitere existierende Gestaltung, die Exklusionsdichtung (X-Dichtung), wird zum Abdichten von Grenzflächenräumen zwischen der Nabe und der Achse verwendet (in 4 gezeigt). Die X- Dichtung umfasst eine asymmetrische Dichtungsgestaltung mit einer einzelnen Axiallast- bzw. Druckplatte, wobei ein Ende innen mit Druck-Spiralnuten und das andere Ende mit einer Pumprillendichtung (groove pumping seal) versehen ist. An dem Axiallagerende hält eine Zentrifugaldichtung eine Ölpegeländerung in dem Kapillarreservoir während eines statischen bis dynamischen Stadiums und eines außerbetrieblichen Stoßes aufrecht. Tests haben aber ergeben, dass die Zentrifugaldichtung bei einem Stoß von etwa 500 G fehlschlägt und bei einem Stoß von etwa 500 G Öl durch die Auffülllöcher entweicht.
Mobile Anwendungen erfordern einen höheren außerbetrieblichen Stoßwiderstand als Desktop- oder Büroerzeugnisse. Laptop-Computer können starken mechanischen Stößen infolge der Handhabung ausgesetzt sein. Es ist in der Industrie unerlässlich geworden, dass Plattenlaufwerke einem erheblichen mechanischen Stoß widerstehen können. Ein ausreichendes Dichtungssystem, das einem Stoß von 1000 G widerstehen kann, wird für mobile Anwendungen benötigt. Ferner besteht eine Notwendigkeit, die Steifigkeit der Achse und den dynamischen Parallelismus (Ausrichtung der Plattenoberflächen auf die Ebene der Betätigerarmbewegung) zu erhöhen, während gleichzeitig die Lagerenergie gesenkt wird.
Es wird ein verbessertes Dichtungssystem, das einem mechanischen Stoß während des Betriebs und im Ruhezustand widersteht, zur Verwendung bei fluiddynamischen Lagern bereitgestellt, das bzw. die ihrerseits in einem Spindelmotor oder dergleichen aufgenommen sein können. In einer Ausführungsform widersteht das Dichtungssystem einem Stoß von mindestens 1000 G. Die Erfindung stellt ein asymmetrisches Dichtungsverfahren und -system sowie eine aktive Rezirkulation innerhalb eines hydrodynamischen Lagers bereit, um Fluid zurückzuhalten und Luft auszustoßen.
Es wird auch ein System zum Befüllen des Lagers mit Fluid bereitgestellt, das einem Stoß widersteht. Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren für geringeren Energieverbrauch in einem Spindelmotor sowie einen Spindelmotor, der kleiner dimensionierte Komponenten aufweist und doch die notwendige Stabilität beibehält, bereit. Ferner wird ein Verfahren zur Erzielung einer längeren Nutzungsdauer eines Spindelmotors bereitgestellt. Des weiteren wird ein Verfahren und ein System zum Erzeugen radialer Steifigkeit in dem Lager bereitgestellt. Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren und ein System zur Verbesserung eines dynamischen Parallelismus und einer Festigkeit der Verbindung zwischen Achse und Axialplatte bereit.
Merkmale der Erfindung werden in einer Ausführungsform teilweise durch Verwendung eines asymmetrischen Dichtungssystems erzielt. Ein vergrößertes Fluidreservoir, das zwischen einer Abschirmung und einer Hülse bzw. Buchse festgelegt ist, und das einen Bereich mit niedrigerem Druck als andere, fluidenthaltende Bereiche aufweist, wird verwendet. Die Erfindung setzt einen in Fluidverbindung mit dem vergrößerten Reservoir stehenden Fluidrezirkulations-Durchgangsweg ein, um den Druck infolge der Asymmetrie in dem Drucklager angrenzend an die Axialplatte sicherzustellen, wobei ein Pumpdruck einwärts von der Axialplatte annähernd auf atmosphärischen Druck reduziert wird. Eine Zentrifugal-Kapillardichtung wird an einem Ende des Reservoirs eingesetzt. Wenn sich der Motor dreht, wirkt die Zentrifugalkraft auf das Fluid im Reservoir und zwingt es in das Lager, wobei Luft ausgetrieben wird. In einer Ausführungsform sind Kanäle nahe dem Reservoir an einer Abschirmung enthalten, die bei einem Stoßereignis das Fluid zurückhalten, statt es entweichen zu lassen. Infolge eines Druckunterschieds in dem Reservoir zwischen einem engen Spalt bzw. Zwischenraum (Nicht-Kanal-Abschnitt) und einem breiteren Spalt bzw. Zwischenraum (Kanal-Abschnitt) wird Fluid in dem Reservoir während Stößen festgehalten. Die Kanäle gestatten es ferner, dass Luft in dem Fluid entlang dem Kanal wandert und aus dem Lagerfluid ausgestoßen wird. Ein abgewinkeltes Befüllloch ist an einem Ende des Reservoirs zum Füllen von Fluid in das Lager vorgesehen und dient auch als Stelle zum Ausstoßen von Luft.
Eine schräg verlaufender bzw. sich verjüngender Lagerspalt liefert ferner einen asymmetrischen Druck und verringert den Energieverbrauch an einer Lagerkammer (Journal plenum). In einer Ausführungsform ist eine Pumprillendichtung (GPS = grooved pumping seal), die zwischen einer Abschirmung und einem Außendurchmesser einer Axialplatte festgelegt ist, vorgesehen. Die Abschirmung ist selbstausrichtend (konzentrisch zum Naben-AD) und wirkt als Hubbegrenzer der Nabe. Das asymmetrische Dichtungsverfahren und -system umfasst ferner Spiralrillen bzw. -nuten. Die Spiralrillen sind an der Axialplatte zum aktiven Erzeugen eines Pumpdrucks festgelegt, um eine Fluidrezirkulation anzutreiben, und um Fluid von dem Axialplattenlager zur Achse hin in das Dreh- bzw. Radiallager hinein und über einen Radiallager-Rillenscheitelpunkt hinaus zu pumpen, wenn die Achse und die Buchse sich in einer relativen Drehbewegung befinden. Es wird ein einseitiges Axialplattenlager eingesetzt. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Rillenpumpvorgang in dem Radiallager genutzt, um eine radiale Steifigkeit zu liefern, die im wesentlichen auf einen Scheitelpunkt des Rillenmusters fokussiert ist. Ferner liefert in einer Ausführungsform ein unausgeglichenes und asymmetrisches Rillenmuster an einem Ende des Lagers einen Druckgradienten und stellt eine Dichtung her.
Eine dynamische Parallelität wird infolge eines größeren Oberflächenkontakts zwischen der Grenzfläche des Axialplatten-AD und der Basis verbessert. Eine größere Axialplatte verbessert die Stärke bzw. Festigkeit der Verbindung an der Grenzfläche der Axialplatte und der Achse.
Eine Verringerung des Energieverbrauchs wird teilweise durch Einsatz kleiner dimensionierter Komponenten, beispielsweise einer Achse kleineren Durchmessers erzielt. Die Stabilität des Motors wird jedoch durch Anbringen der Achse an der oberen Abdeckung beibehalten. Eine Verringerung des Energieverbrauchs wird des weiteren teilweise durch Anwenden von Pumprillen an dem Axialplatten-AD und durch Verwendung eines dünneren Fluids erzielt. Ein größeres Reservoir wird vorgesehen, so dass ein dünneres Fluid verwendet werden kann, wobei das dünnere Fluid typischerweise eine höhere Verdampfungsrate als dickere Fluide aufweist. Das dünnere Fluid ergibt weniger Reibung und reduziert den Energieverbrauch durch den Motor. Ferner wird in einer Ausführungsform eine einseitige Axialplatte mit magnetischer Vorbelastung verwendet, um Energieverluste in dem Axialdruck- bzw. Schublastbereich weiter zu verringern, wobei Lagerverluste nur auf einer Seite der Axialplatte auftreten.
Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind einem Fachmann, der die Offenbarung der Erfindung studiert, ersichtlich. Daher ist der Schutzumfang der Erfindung durch Bezugnahme auf ein Beispiel einer Ausführungsform, die in Bezug auf die folgenden Figuren gegeben wird, besser verständlich.
Die vorangehenden Aspekte und viele der damit verbundenen Vorteile dieser Erfindung gehen durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser hervor, in denen zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Plattenlaufwerk-Datenspeichersystem, in dem die Erfindung von Nutzen ist,
2 eine Seiten-Schnittansicht eines Spindelmotors mit hydrodynamischem Lager, welche Merkmale einschließlich einem Fluidrezirkulations-Durchgangsweg, einer Abschirmung, eines Reservoirs und eines Befülllochs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt,
3 eine weitere Seiten-Schnittansicht eines Spindelmotors mit hydrodynamischem Lager zur Darstellung einer näheren und detaillierteren Ansicht von Merkmalen einschließlich einem Fluidrezirkulations-Durchgangsweg, einer Abschirmung, eines Reservoirs, eines Befülllochs, von Axialplatten-Pumprillen, Beispiel-Drücken, Fluidströmungsrichtung und Pumprichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
4 eine Seiten-Schnittansicht einer bekannten Spindelmotorgestaltung,
5 eine perspektivische Schnittansicht einer Abschirmung zur Darstellung von Kanälen und eines abgewinkelten Befülllochs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
6 eine weitere perspektivische Ansicht einer Abschirmung zur Darstellung von Kanälen und eines abgewinkelten Befülllochs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
7 eine Seiten-Schnittansicht eines Abschnitts eines Spindelmotors mit hydrodynamischem Lager zur Darstellung von Merkmalen einschließlich eines Fluidrezirkulations-Durchgangswegs, einer an einer Axialplatte angebrachten Abschirmung, eines Reservoirs und eines Befülllochs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Exemplarische Ausführungsformen werden im folgenden unter Bezugnahme auf spezifische Konfigurationen beschrieben. Fachleuten ist ersichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden können. Außerdem können bekannte Elemente, Vorrichtungen, Komponenten, Verfahren, Prozessschritte und dergleichen nicht detailliert dargelegt sein, um eine unklare Darstellung der Erfindung zu vermeiden.
Im folgenden wird ein Verfahren, ein System und ein Mittel zum Dichten, welches einem mechanischen Stoß im Betriebsmodus und im Außer-Betriebs- bzw. Ruhemodus widersteht, zur Verwendung mit dynamischen Fluidlagern beschrieben. In einer Ausführungsform widersteht das Dichtungssystem einem Stoß von 1000 G mittels einer asymmetrischen Dichtung und eines Druckgradienten. Wie nachstehend erläutert wird, stellen ein Fluidrezirkulations-Durchgangsweg, ein zwischen einer Abschirmung und einer Hülse bzw. Buchse festgelegter vergrößerter Fluidreservoir, Reservoirkanäle, Pumprillen, ein schräg verlaufender (Radial-)Lagerspalt und asymmetrische (Radial-)Lagerrillen teilweise ein System und ein Verfahren zur Anwendung eines asymmetrischen Druckgradienten bereit. Wie nachstehend ebenfalls erläutert wird, verwendet in einer Ausführungsform die Erfindung ferner die Eigenschaften einer Pumprillendichtung (geringes Volumen, hohe Steifigkeit) und einer zentrifugalen Kapillardichtung (hohes Volumen, geringe Steifigkeit) bei der Gestaltung des Verfahrens und des Systems, um einem Stoß zu widerstehen. Ferner vermeidet ein abgewinkeltes Fluidbefüllloch ein Entweichen von Fluid bei einem Stoß und befindet sich an einem Ende des Reservoirs.
Es wird auf die Zeichnungen eingegangen, in denen identische Bezugsziffern die gleichen Elemente in den verschiedenen Ansichten bezeichnen. 1 stellt eine typische Plattenlaufwerk-Datenspeichervorrichtung 110 dar, bei der die vorliegende Erfindung von Nutzen ist. Natürlich sind Merkmale der Erläuterung und der Ansprüche nicht auf diese spezielle Gestaltung beschränkt, die nur zu Beispielszwecken dargestellt ist. Es ist klar ersichtlich, dass die Erfindung auf Plattenlaufwerke, Spindelmotoren und andere Motoren mit einer stationären und einer drehbaren Komponente anwendbar ist. In der Tat können die nachstehend erläuterten Gestaltungen in Systemen angewandt werden, bei denen eine Drehung zwischen Komponenten besteht, selbst wenn die Komponenten sich in der gleichen Richtung drehen.
Ein Plattenlaufwerk 110 umfasst eine Gehäusebasis 112, die mit einer Abdeckung 114 kombiniert ist, um eine abgedichtete Umgebung zu bilden. Das Plattenlaufwerk 110 umfasst ferner einen Plattenstapel 116, der über eine Plattenklemme 118 zur Drehung an einem Spindelmotor (nicht dargestellt) angebracht ist. Der Plattenstapel 116 weist mehrere einzelne Platten auf, die zur gemeinsamen Drehung um eine Mittelachse angebracht sind. Jede Plattenoberfläche hat einen zugeordneten Kopf 120 (Lesekopf und Schreibkopf), der am Plattenlaufwerk 110 zur Kommunikation mit der Plattenoberfläche angebracht ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind Köpfe 120 durch Biegeelemente (flexures) 122 gehaltert, die ihrerseits an Kopfmontagearmen 124 eines Betätigerkörpers 126 angebracht sind. Der in 1 gezeigte Betätiger bzw. Aktuator ist ein Drehspulenaktuator und umfasst einen Schwingspulenmotor bzw. Voice-Coil-Motor, der allgemein bei 128 dargestellt ist. Der Voice-Coil-Motor 128 dreht einen Betätigerkörper 126 mit seinen daran angebrachten Köpfen 120 um eine Dreh-/Schwenkachse 130, um die Köpfe 120 über einer gewünschten Datenspur entlang einer bogenförmigen Bahn 132 zu positionieren. Dies ermöglicht es den Köpfen 120, magnetisch codierte Information auf den Oberflächen der Platten 116 an ausgewählten Stellen zu lesen und zu schreiben.
2 ist eine Seiten-Schnittansicht eines Spindelmotors 255 mit hydrodynamischem Lager, der in Plattenlaufwerken 110 eingesetzt wird, bei denen die vorliegende Erfindung von Nutzen ist. Typischerweise umfasst der Spindelmotor 255 eine stationäre Komponente und eine drehbare Komponente. Die stationäre Komponente umfasst eine Achse 275, die an der Basis 210 angebracht und befestigt ist. Es ist anzumerken, dass der Spindelmotor 255 eine feststehende Achse, wie sie in 2 gezeigt ist, oder eine drehbare Achse verwenden kann. Ferner ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Achse 275 an einer oberen Abdeckung 256 angebracht, wodurch der Achse 275 Stabilität verliehen wird und die dynamische Leistung verbessert wird. So kann bei einem Motor mit feststehender Achse sowohl das obere als auch das untere Ende der Achse 275 an der Basis 210 und an der oberen Abdeckung 256 des Gehäuses befestigt sein, so dass die Steifigkeit des Motors und seine Stoßfestigkeit sowie seine Ausrichtung gegenüber dem Rest des Systems verbessert wird.
Die drehbare Komponente umfasst eine Nabe 260 mit einem oder mehreren Magneten 265, die an deren Umfang angebracht sind. Die Magnete 265 stehen in Interaktion mit einer Statorwicklung 270, die an der Basis 210 angebracht ist, um eine Drehung der Nabe 260 zu bewirken. Der Magnet 265 kann als einheitlicher Ring ausgebildet sein, oder er kann aus mehreren einzelnen Magneten gebildet sein, die um den Umfang der Nabe 260 herum beabstandet sind. Der Magnet 265 ist so magnetisiert, dass er einen oder mehrere Magnetpole bildet.
Die Nabe 260 ist an der Achse 275 mit einer Axialdruck- bzw. Axial(lager)platte 283 an einem Ende gelagert. Die Axialplatte 283 kann integraler Teil der Achse 275 sein, oder sie kann ein separates Teil sein, das an der Achse beispielsweise über einen Presssitz angebracht ist. Ferner steht die Axialplatte 283 mit der Basis 210 an einer Schnittstelle bzw. Grenzfläche 290 in Eingriff. Die Erfindung sieht eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen der Axialplatte 283 und der Basis 210 vor, nämlich an der Grenzfläche bzw. Schnittstelle 290. In einer Ausführungsform ist die Schnittstelle 290 (der Durchmesser der Axialplatte 283 in Kontakt mit der Basis 210) 4,5 mm. Es ist anzumerken, dass die Länge der Schnittstelle 290 variieren kann und in einigen Fällen die Schnittstelle 290 von 3 Millimetern bis 5 Millimetern reicht. Dies wird durch eine vergrößerte Kontaktfläche des Axialplatten-AD erzielt. Es ergibt sich eine Verbesserung im dynamischen Parallelismus, wobei der dynamische Parallelismus als der Parallelismus zwischen der sich drehenden Platte und Bezugsmerkmalen an der Basis 210, die eine Ebene festlegen, definiert ist. Eine Dreipunkt-Messung an der Basis 210 wird mit der senkrechten Ausrichtung der Drehachse verglichen. Die Erfindung liefert eine vergrößerte Basisfläche (footprint), was den dynamischen Parallelismus der Komponenten verbessert.
Ferner wird infolge des verlängerten Eingriffs zwischen der Axialplatte 283 und der Achse 275 eine Verbindungsfestigkeit an der Schnittstelle zwischen der Axialplatte 283 und der Achse 275 verbessert. In einer Ausführungsform beträgt der Eingriff zwischen der Axialplatte 283 und der Achse 275 das Doppelte des Eingriffs im Vergleich mit herkömmlichen Motoren (z.B. verglichen mit der X-Dichtung).
Die Achse 275 und die Axialplatte 283 passen in eine Hülse bzw. Buchse 280 in der Nabe 260. Die Nabe 260 weist ein Plattenträgerelement 214 auf, welches den Plattenstapel 116 (in 1 dargestellt) zur Drehung um die Achse 275 trägt.
Der Plattenstapel 116 wird an einem Plattenträgerelement 214 durch eine Plattenklemme 118 gehalten (ebenfalls in 1 dargestellt). Die Nabe 260 ist mit der Achse 275 über ein hydrodynamisches Lager 217 zur Drehung um die Achse 275 verbunden.
Ein Fluid, beispielsweise ein Schmieröl oder ein ferromagnetisches Fluid, füllt die Schnittstellenbereiche zwischen der Achse 275 und der Hülse bzw. Buchse 280, der Axialplatte 283 und der Buchse 280, der Axialplatte 283 und der Abschirmung 282 und zwischen der Abschirmung 282 und der Hülse bzw. Buchse 280. In einer Ausführungsform ist ein abgewinkeltes Befüllloch 285 so positioniert, dass es einen Winkel von 30 Grad (oder einen alternativen Winkel, wie nachstehend erläutert wird) mit einer Oberfläche der Abschirmung 282 bildet. Die vorliegende Figur wird hier zwar mit einem Schmierfluid beschrieben, Fachleuten ist jedoch ersichtlich, dass auch ein Schmiergas eingesetzt werden kann.
Typischerweise umfasst entweder die Achse 275 oder die Hülse 280 Abschnitte von druckerzeugenden Rillen bzw. Nuten, beispielsweise asymmetrischen Rillen 240 und symmetrischen Rillen 244. Das Rillenmuster umfasst entweder ein Fischgrätenmuster oder ein sinusförmiges Muster. Wie gezeigt ist, sind asymmetrische Rillen 240 an einem Ende des Radial-Lagers und symmetrische Rillen 244 an einem entgegengesetzten Ende des Radial-Lagers angeordnet. Die asymmetrischen Rillen 240 und symmetrischen Rillen 244 induzieren eine Fluidströmung in dem Schnittstellenbereich und erzeugen einen lokalen Bereich eines dynamischen Hochdrucks und radialer Steifigkeit. Die Drücke sind am Scheitelpunkt der symmetrischen Rillen 246 und am Scheitelpunkt der asymmetrischen Rillen 242 fokussiert bzw. zentriert. Wenn sich die Hülse bzw. Buchse 280 dreht, wird in jedem ihrer Rillenbereiche Druck aufgebaut. Auf diese Weise wird die Nabe 260 einfach durch die Achse 275 für eine konstante Hochgeschwindigkeitsdrehung gelagert. In einem Beispiel sind die Rillen durch erhabene Stege oder Rippen getrennt und haben eine geringe Tiefe. In einer Ausführungsform wird eine Beschichtung aus diamantartigem Kohlenstoff (DLC = diamondlike carbon) an der Achse 275 in dem Bereich der asymmetrischen Rillen 240 verwendet, um eine Partikelerzeugung bei einem etwaigen Kontakt zwischen der Achse 275 und der Hülse bzw. Buchse 280 zu verhindern oder zu minimieren.
Zusätzlich zu oder als Alternative zu den druckerzeugenden Rillen, wie sie im vorhergehenden Absatz erläutert wurden, stellt eine Ausführungsform der Erfindung eine Fluidströmung durch andere Verfahren bereit (wie sie nachstehend erläutert werden). Die anderen Verfahren umfassen einen schräg verlaufenden bzw. sich verjüngenden oder aufgeweiteten Lagerbereich 262, einen asymmetrischen Druckgradienten, einen Niederdruckbereich im Reservoir 284, der zwischen der Abschirmung 282 und der Buchse 280 festgelegt ist, einen Buchsendurchgang 286, eine Pumprillendichtung zwischen der Abschirmung 282 und der Axialplatte 283 sowie Spiralrillen an der Axialplatte 283.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Buchsen-Durchgangsweg 286 an einem Punkt zwischen asymmetrischen Rillen 240 und symmetrischen Rillen 244 gelegen. Der Buchsen-Durchgangsweg 286 ist allgemein an einem mittleren Punkt entlang der Achse 275 positioniert und liefert einen Niederdruckbereich. Ein Niederdruckbereich im Zentrum des Motors ist akzeptabel, da ein Lager im Zentrum des Motors wenig radiale Steifigkeit bietet. Ferner ermöglicht die Positionierung des Buchsen-Durchgangswegs 286 in abgewinkelt verlaufender Weise die maschinelle Herstellung einer einstückigen Nabe.
Die Erfindung stellt ferner eine Abschirmung 282 bereit, welche sich radial selbst in die Buchse bzw. Hülse 280 hineinausrichtet. Ein geringfügiger radialer Interferenzsitz (leichter Presssitz) wird zwischen der Abschirmung 282 und der Buchse 280 für eine Selbstausrichtung angewandt. An einem Ende (angrenzend an die Axialplatte 283) positioniert die Buchse 280 die Abschirmung 282 radial, und am anderen Ende ist die Abschirmung 282 an der Nabe 260 (z.B. lasergeschweißt) angebracht. Die Erfindung stellt daher in einer Ausführungsform einen konstanten Spalt bzw. Zwischenraum von etwa 20 bis 30 Mikron zwischen der Axialplatte 283 und der Abschirmung 282 bereit.
Da die Axialplatte 283 einseitig ist, weist die Nabe 260 Bewegungsfreiheit in einer Axialrichtung auf. Die Abschirmung 282 ist daher durch die Erfindung als Wegbegrenzer bzw. Hubbegrenzer der Nabe 260 vorgesehen, wobei sie ein radiales Bewegungslimit der Nabe 260 festlegt. Die Abschirmung 282 dient auch als Dämpfer der Nabe 260, um durch einen mechanischen Stoß erzeugte Energie zu zerstreuen bzw. abzuleiten.
3 stellt ein fluiddynamisches Lagersystem dar, das in einer Ausführungsform der Erfindung eine Fluidpumprichtung, eine Fluidrichtung und beispielhafte Drücke darstellt. In einer Ausführungsform wird eine umgekehrte Abschirmung eingesetzt. Die Abschirmung 282 wird als umgekehrt beschrieben, da eine Kapillardichtung 316 im Vergleich zu einer X-Abschirmungsgestaltung (X-Abschirmung gemäß 4) umgekehrt ist. Durch die Erfindung wird ein asymmetrischer Druckgradient erzeugt. Der asymmetrische Druck wird durch Merkmale wie beispielsweise einen Fluidrezirkulations-Durchgangsweg, ein zwischen einer Abschirmung und einer Hülse bzw. Buchse festgelegtes vergrößertes Fluidreservoir, Reservoirkanäle, Pumprillen, einen schräg verlaufenden bzw. sich verjüngenden Lagerspalt und asymmetrische Radiallagerrillen erzeugt.
DRUCKGRADIENTEN
In einer Ausführungsform beträgt die Fluidkapazität des Reservoirs 284 2,5 mg. Es ist anzumerken, dass diese Kapazität nicht festgelegt ist. Das vergrößerte Fluidreservoir 284 mit Kanälen 510 trägt zu dem asymmetrischen Druckgradienten bei (Kanäle 510 gemäß 5). Infolge eines geringeren Strömungswiderstands und eines niedrigeren Drucks in dem vergrößerten Reservoir 284 wird im Vergleich mit anderen Fluid enthaltenden Bereichen in dem Reservoir 284 bei Stoßereignissen während des Betriebs oder im Ruhezustand Fluid aufgenommen und zurückgehalten. Als Beispiel sind in 3 exemplarische Solldrücke dargestellt. Wie gezeigt ist, zeigt das Reservoir 284 einen Druck von 0,0 psi, während das Radiallager Drücke von 0,06 psi bis 135 psi zeigt. Wenn der Motor sich dreht und Fluid durch Zentrifugalkraft aus dem Reservoir 284 zwingt, erzeugen die Pumprillen 324 einen Pumpdruck und treiben eine Fluidrezirkulation durch den Motor an. Wenn jedoch der Motor sich nicht dreht und die Zentrifugalkraft aufhört, oder bei Stoßereignissen, kann das Reservoir 284 aus Bereichen wie beispielsweise dem Spalt 346 am Außendurchmesser der Axialplatte 283 und aus dem Radiallager zwischen der Achse 275 und der Buchse 280 Fluid aufnehmen.
STRÖMUNGSRICHTUNG
Ein Rillenpumpvorgang wird entlang des Innendurchmessers (ID) und des Außendurchmessers (AD) der Axialplatte 330 angeordnet. Pumprillen sind an der Axialplatte 283 für eine aktive Rezirkulation ausgebildet. Im Fall des ID erzeugen Spiralpumprillen 324 einen ausreichenden Pumpdruck, um eine Fluidrezirkulation anzutreiben und um Fluid aus dem Axialplattenlager-Durchgangsweg (angrenzend an den Axialplatten-ID) zur Achse 275 in das Radiallager und über den Scheitelpunkt 246 der symmetrischen Rillen des unteren Radiallagers hinaus zu pumpen, wenn sich die Achse 275 und die Buchse 280 in einer relativen Drehbewegung befinden. Die asymmetrischen Rillen 242 und die symmetrischen Rillen 244 erzeugen auch einen Druck in dem Radiallager und erzwingen eine Fluidbewegung zu einem Rillenscheitelpunkt (wie oben bezüglich 2 beschrieben wurde). In einer Ausführungsform ist die Fluidströmungsrichtung, wenn sich der Motor dreht, einwärts von dem Radiallager des Axialplatten-ID 330 entlang dem Radiallager zur Radiallagerkammer 312 über den Buchsen-Durchgangsweg 286 zur Rezirkulationskammer 332 und dann zurück zum Lager des Axialplatten-ID 330. Die Fluidströmungsrichtung in einem Beispiel wird durch durchgezogene Linien in 3 dargestellt. Es ist anzumerken, dass in anderen Ausführungsformen die Fluidströmungsrichtung eine andere Richtung nehmen kann. Die Pumprillenrichtung ist in einem Beispiel durch gestrichelte Linien wie in 3 dargestellt. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Axialplatte 283 ohne Pumprillen 324 strukturiert.
REZIRKULATION
Ein Fluidrezirkulations-Durchgangsweg umfasst einen Buchsen-Durchgangsweg 286 und ein Radiallager zwischen dem Axialplatten-ID 330 und der Buchse 280. Der Buchsen-Durchgangsweg 286 ist so positioniert, dass ein Ende allgemein an einem mittleren Punkt entlang der Achse 275 platziert ist, und ein zweites Ende mit der Rezirkulationskammer 332 so verbunden ist, dass bei einer Situation Fluid und Luft entlang der Kanäle 510 (5) wandern können. Die Rezirkulationskammer 332 ist durch eine Verbindungsstelle festgelegt, welche das Reservoir 284, den Buchsen-Durchgangsweg 286, den Axialplatten-ID 330 und den Spalt 346 am Axialplatten-Außendurchmesser verbindet. Der Buchsen-Durchgangsweg 286 liefert im Vergleich zum Radiallager einen Niederdruckbereich. Ein Niederdruckbereich im Zentrum des Motors ist aus dem Grund herstellbar, dass ein Radiallager im Zentrum des Motors eine geringe radiale Steifigkeit bietet. Der Niederdruckbereich reduziert auch vorteilhafterweise den Energieverbrauch durch die Radiallagerkammer 312. In einem Beispiel gemäß 3 tritt ein Druck von 0,06 psi an der Radiallagerkammer 312 auf, während ein höherer Druck auf beiden Seiten der Radiallagerkammer 312 herrscht. Ein breiterer oder variabler Radiallagerspalt ist auch angrenzend an die Radiallagerkammer 312 zur Schaffung eines Niederdruckbereichs vorgesehen. Der breitere oder variable Radiallagerspalt angrenzend an die Radiallagerkammer 312 divergiert zur Radiallagerkammer 312 hin.
Ein Rezirkulations-Durchgangsweg stellt den Druck infolge der Asymmetrie in dem unteren Radiallager 326 nahe der Axialplatte sicher, und ein nach innen gerichteter Pumpdruck aus den Pumprillen 324 der Axialplatte 283 wird auf einen atmosphärischen Druck reduziert. Der Strömungswiderstand des Buchsen-Durchgangswegs 286 ist erheblich geringer als der Strömungswiderstand des oberen Radiallagers 310 und des unteren Radiallagers 326, so dass es zu einem Druckabfall über dem Radiallager kommt.
Der Fluidrezirkulations-Durchgangsweg ist zur Erzeugung eines asymmetrischen Druckgradienten und zum wesentlichen Zirkulieren von Fluid von dem Radiallager zum Buchsen-Durchgangsweg 286 und dann zum Lager des Axialplatten-ID 330 und zum anschließenden Zurückleiten zum Radiallager vorbelastet. Eine Kapillaranziehung füllt den Radiallagerbereich, und die Rezirkulation des Fluids treibt etwaige Luft im Radiallager aus.
DICHTUNG
In einer Ausführungsform verwendet und nutzt die Erfindung die Eigenschaften einer Pumprillendichtung (niedriges Volumen, hohe Steifigkeit) und einer zentrifugalen Kapillardichtung (hohes Volumen, geringe Steifigkeit), um einem mechanischen Stoß zu widerstehen.
In 3 wird eine Pumprillen-Dichtung (GPS = grooved pumping seal) 318 in einem Außendurchmesserspalt 346, der zwischen der Abschirmung 282 und einem AD der Axialplatte 283 festgelegt ist, angewandt. Mittels der Pumprillen 324 stellt die GPS 318 eine Außendurchmesserspalt-Dichtungssteifigkeit her und erzeugt einen Druck, der im wesentlichen äquivalent mit dem an der Rezirkulationskammer 332 herrschenden Druck ist, wenn sich die Achse 275 und die Hülse bzw. Buchse 280 in einer Relativdrehbewegung bewegen. Die GPS 318 ist eine Dichtung mit hoher Steifigkeit, und in einer Ausführungsform nutzt die Erfindung diese Eigenschaft durch Verwendung der GPS 318 gegenüber einem Ende des Außendurchmesserspalts 346. Die GPS 318 pumpt Fluid von dem Außendurchmesserspalt 346, was dazu dient, ein Entweichen von Fluid aus dem Fluid-Grenzbereich 322 zu verhindern. Die GPS 318 ist eine Dichtung mit geringem Volumen, und die Erfindung nutzt diese Eigenschaft. Pumpen von Fluid aus dem Außendurchmesserspalt 346 dient zur Reduzierung des Energieverbrauchs durch Einbringen von Luft in den Außendurchmesserspalt 346, wodurch eine Reibung verringert wird, da Luft zwischen dem AD der Axialplatte 283 und der Abschirmung 282 vorhanden ist.
Eine Zentrifugal-Kapillardichtung (CCS = centrifugal capillary seal) 316 ist zwischen der Abschirmung 282 und der Hülse bzw. Buchse 280 festgelegt. In einer Ausführungsform haben die angrenzenden Oberflächen der Abschirmung 282 und der Buchse 280 relativ abgeschrägte Oberflächen, die zu der Rezirkulationskammer 332 hin konvergieren. Zwischen den schräg verlaufenden Oberflächen ist ein Meniskus ausgebildet, und Fluid im Reservoir 284 wird zu der Rezirkulationskammer 332 durch Zentrifugalkraft gezwungen, wenn sich die Achse 275 und die Buchse 280 in einer Relativdrehbewegung befinden. Die CCS 316 ist eine Dichtung geringer Steifigkeit, wobei in einer Ausführungsform die Erfindung diese Eigenschaft durch Anbringen der Abschirmung 282 an der Nabe 260 durch Schweißen oder andere Mittel nutzt, indem eine Fluidsperre über dem Fluidmeniskus hergestellt wird. Die CCS 316 ist eine Dichtung mit hohem Volumen, und die Erfindung nutzt diese Eigenschaft durch Einsatz der CCS 316 mit einem vergrößerten Reservoir 284.
Eine asymmetrische Dichtung wird auch am oberen Radiallager 310 eingesetzt. Asymmetrische Rillen 242 erzeugen einen Druck im oberen Radiallager 310, der im wesentlichen dem in der Radiallagerkammer 312 herrschenden Druck äquivalent ist. Vom oberen Radiallager 310 wird Fluid allgemein zum Rillen-Scheitelpunkt 242 gezwungen (wie oben bezüglich 2 beschrieben wurde).
4 stellt ein Beispiel eines fluiddynamischen Lagers dar, das eine herkömmliche X-Dichtung besitzt. Ein Motor 450 umfasst eine Achse 475, eine Hülse bzw. Buchse 455, einen Pfad 484, eine Axialdruck- bzw. Axialplatte 480, eine Abschirmung 482, ein Befüllloch 485 und eine Kapillardichtung 420. Wie zu erkennen ist, hält ein Spalt bzw. Zwischenraum 425 Fluid (etwa 0,5 mg Fluid) teilweise mittels der Kapillardichtung 420. Ferner ist das Befüllloch unter der Kapillardichtung 420 positioniert. In einer Ausführungsform verwendet die Erfindung einen vergrößerten Reservoir 284, Kanäle 510, eine Pumprillendichtung 318 und ein abgewinkeltes Befüllloch 285, wodurch bei weniger Energieverbrauch und längerer Lebensdauer des Motors einem stärkeren Stoß widerstanden wird als bei der X-Dichtungsgestaltung. Ferner stellt die Erfindung eine Schnittstelle bzw. Grenzfläche 290 bereit, die in einer Ausführungsform einen größeren Oberflächenbereich wie die Grenzfläche 440 der X-Dichtungsgestaltung aufweist und einen größeren dynamischen Parallelismus sowie eine höhere Verbindungsfestigkeit der Achse zur Axialplatte (shaft to thrust plate bond strength) bewirkt.
Gemäß 5 umfasst in einer Ausführungsform das Reservoir 284 Kanäle 510. Die Kanäle 510 verlaufen in einer allgemein axialen Richtung entlang den Wänden der Abschirmung 282. Die Kanäle 510 erstrecken sich von der Rezirkulationskammer 332 und entlang dem Reservoir 284. In einigen Fällen sind die Kanäle 510 in-line mit einem Buchsen-Durchgangsweg 286. In einer Ausführungsform werden sechs Kanäle verwendet, und in einer anderen Ausführungsform werden zwei breitere Kanäle verwendet. Es ist anzumerken, dass die Anzahl, Länge, Breite und Positionierung der Kanäle 510 variieren kann und durch Radiallageranforderungen bestimmt wird.
Die Kanäle 510 gestatten es, dass Luft in dem Fluid entlang der Kanäle 510 wandert und aus dem Fluid ausgetrieben wird. Die Kanäle 510 bieten des weiterenm ein Mittel zum Zurückhalten des Fluids in dem Reservoir 284. Bei Stoßereignissen wird das Fluid infolge eines Druckunterschieds zwischen einem Abschnitt des Reservoirs 284 mit Kanälen und einem Abschnitt des Reservoirs 284 ohne Kanäle im Reservoir 284 zurückgehalten. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dient das Reservoir 284 als Niederdruckbereich, ohne Kanäle 510 aufzuweisen.
6 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, die ein abgewinkeltes Befüllloch 285 aufweist. Das abgewinkelte Befüllloch 285 (oder Be-/Entlüftungsloch) bietet ein Mittel zum Auffüllen eines fluiddynamischen Lagers mit Fluid. Eine vorbestimmte Fluidmenge wird oberhalb der Kapillardichtung 316 in das abgewinkelte Befüllloch 285 eingespritzt. Das abgewinkelte Befüllloch 285 ist so positioniert, dass es mit einer Oberfläche der Abschirmung 282 einen Winkel von 30 Grad oder einen alternativen Winkel (z.B. 45 Grad) bildet. Es ist anzumerken, dass auch andere Winkel außer 30 Grad verwendet werden können. Ferner werden in einer Ausführungsform zwei abgewinkelte Auffülllöcher verwendet. Es ist anzumerken, dass andere Anzahlen abgewinkelter Auffülllöcher benutzt werden können. In 6 ist auch eine Befestigungsstelle 520 gezeigt, an der die Abschirmung 282 an der Buchse bzw. Hülse in einer Ausführungsform der Erfindung angebracht ist. Das Befüllloch 285 ist angrenzend an eine abgedichtete Wand an der Befestigungsstelle 520 positioniert. In einer Ausführungsform ist das Befüllloch 285 zwischen Kanälen 510 positioniert. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Befüllloch so positioniert, dass es keinen Winkel mit einer Oberfläche der Abschirmung 282 bildet und an einem anderen Abschnitt der Abschirmung 282 positioniert ist.
Bei einem Stoß kann sich Fluid entlang den Kanälen 510 bewegen und mit der Hülse bzw. Buchse 280 kollidieren, wobei das sich bewegende Fluid verzögert wird. Ein Reibungssog (frictional drag) verlangsamt das Fluid im Reservoir 284 und entlang den Kanälen 510 infolge der Viskosität des Fluids. Die Bewegung des Fluids wird daher so verzögert, dass Fluid einen Poolbereich 530 erreichen und sich darin sammeln kann, ohne aus dem Befüllloch 285 zu entweichen. In einigen Fällen füllt sich der Poolbereich 530 langsamer mit Fluid als ein Stoßereignis andauert. Ferner widersetzt sich das abgewinkelte Befüllloch 285 einem Entweichen von Fluid bei einem Stoß, da das Fluid einem Pfad geringsten Widerstands folgt und ein abgewinkeltes Befüllloch einen größeren Widerstand im Vergleich zu Kapillarkraftgradienten aufweist.
In 7 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Ähnlich den vorher beschriebenen Ausführungsformen wird eine umgekehrte Abschirmung mit dem Spindelmotor 700 verwendet. Ähnlich den vorher beschriebenen Ausführungsformen tragen ein vergrößertes Reservoir 724 und ein Buchsen-Durchgangsweg 726 zu dem asymmetrischen Druckgradienten (wie er oben beschrieben wurde) bei, um Stößen zu widerstehen. Eine Axialdruck- bzw. Axialplatte 752 stellt eine vergrößerte Grenzfläche 762 mit der Basis 750 her.
In dieser Ausführungsform der Erfindung ist jedoch die Abschirmung 720 an der Axialplatte 752 an der Abschirmungsbefestigung 722 angebracht, und die Nabe 754 dreht sich relativ zur Abschirmung 720. Eine DLC-Beschichtung wird an einer der sich relativ drehenden aneinandergrenzenden Oberflächen, nämlich der Buchse 756 und der Abschirmung 720 eingesetzt, um eine Teilchenerzeugung bei einem etwaigen Kontakt zu verhindern oder zu minimieren. Ferner ist in dieser Ausführungsform das Befüllloch 760 so positioniert, dass es keinen Winkel mit einer Oberfläche der Abschirmung 720 bildet.
VERSUCHSTESTS
Das folgende spezifische Beispiel dient Veranschaulichungszwecken und soll nicht einschränkend sein. Ergebnisse aus durchgeführten Experimenten zeigten bei einer Ausführungsform, dass die in einem Spindelmotor eingesetzte Erfindung einem Stoß von 1000 G hinreichend widersteht. Der Stoß war über sechs Achsen mit einer Pulsdauer von zwei Millisekunden mit Halbsinuswelle gerichtet. Bei einem weiteren Test wurden eine Vielzahl von Stößen mit den gleichen Testbedingungen auf einen Spindelmotor gerichtet, der eine Ausführungsform der Erfindung verkörperte, wobei der Spindelmotor den Stößen widerstand.
An den offenbarten exemplarischen Ausführungsformen können Modifikationen und Variationen innerhalb des Geistes und Schutzumfangs der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, vorgenommen werden. Die Erfindung wurde zwar mit Bezug auf ein Dichtungssystem für ein Plattenlaufwerk-Speichersystem und eine Spindelmotoranordnung beschrieben, Fachleute werden jedoch erkennen, dass beispielsweise Merkmale der Erläuterung und der Ansprüche mit anderen Systemen, die eine stationäre und eine drehbare Komponente aufweisen, in die Praxis umgesetzt werden können. Die Komponenten können sich sogar in der gleichen Richtung drehen. Ferner ist die Erfindung in vielen zusätzlichen Systemen, die eine Stoßtoleranz erfordern, von Nutzen.

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem mit: einem zwischen einer Achse und einer Buchse festgelegten Radiallager, wobei die Achse und die Buchse für eine Relativdrehung positioniert sind, einem Fluidrezirkulations-Durchgangsweg mit einem Buchsen-Durchgangsweg, der in der Buchse festgelegt ist und einen Axialplattenlager-Durchgangsweg aufweist, der zwischen der Buchse und einer Axialplatte festgelegt ist, wobei sich der Buchsen-Durchgangsweg in Fluidverbindung mit dem Axialplattenlager-Durchgangsweg befindet und sich die Axialplatte radial von der Achse erstreckt, wobei der Buchsen-Durchgangsweg und der Axialplattenlager-Durchgangsweg in Fluidverbindung mit dem Radiallager an separaten Stellen stehen, der Buchsen-Durchgangsweg mit dem Radiallager an einer eine Radiallagerkammer festlegenden Stelle verbunden ist, wobei der Fluidrezirkulations-Durchgangsweg zum Erzeugen eines asymmetrischen Druckgradienten vorbelastet ist und das Fluid im wesentlichen um das Radiallager, den Buchsen-Durchgangsweg und den Axialplattenlager-Durchgangsweg herum zirkuliert, wobei Luft aus dem Fluid ausgetrieben wird, und einer an einer stationären Komponente oder einer drehbaren Komponente befestigten Abschirmung, die ein Reservoir mit der Buchse festlegt, wobei eine Rezirkulationskammer durch eine das Reservoir, den Buchsen-Durchgangsweg und den Axialplattenlager-Durchgangsweg verbindende Verbindungsstelle festgelegt ist, wobei das Reservoir eine Fluiddichtung aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, ferner mit Spiralrillen bzw. -nuten, die an bzw. auf der Axialplatte zum Erzeugen eines Pumpdrucks zum Anntrieb einer Fluidrezirkulation und zum Pumpen von Fluid von dem Axialplattenlager-Durchgangsweg zu der Achse, in das Radiallager und über einen Radiallagerrillen-Scheitelpunkt hinaus, wenn sich die Achse und die Buchse in einer relativen Drehbewegung befinden, festgelegt sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem Außendurchmesserspalt, der zwischen der Abschirmung und einem Außendurchmesser der Axialplatte festgelegt ist, wobei der Außendurchmesserspalt mit der Verbindungsstelle der Rezirkulationskammer verbunden ist, wobei der Außendurchmesserspalt eine Pumprillendichtung (GPS = grooved pumping seal) zur Herstellung einer Außendurchmesserspalt-Dichtungssteifigkeit und zum Erzeugen eines Drucks, der im wesentlichen äquivalent zu dem an der Rezirkulationskammer herrschenden Druck ist, wenn sich die Achse und die Buchse in einer relativen Drehbewegung befinden, aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Fluiddichtung eine zwischen der Abschirmung und der Buchse festgelegte zentrifugale Kapillardichtung umfasst, wobei die Abschirmung und die Buchse Oberflächen aufweisen, die jeweils schräg zueinander verlaufen und zu der Rezirkulationskammer hin konvergieren, wobei ein Meniskus zwischen den schräg verlaufenden Oberflächen ausgebildet ist, und wobei das Fluid in dem Reservoir durch Zentrifugalkraft zu der Rezirkulationskammer gezwungen wird, wenn sich die Achse und die Buchse in relativer Drehbewegung befinden.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Reservoir zur Aufnahme von bis zu 2,5 mg Fluid strukturiert ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit axialen Kanälen an mindestens einem Abschnitt einer Innenfläche der Abschirmung, die sich im wesentlichen von der Rezirkulationskammer und entlang dem Reservoir erstrecken, um zu gestatten, dass Luft in dem Fluid sich entlang den Kanälen bewegt und aus dem Fluid ausgetrieben wird, sowie zum Zurückhalten von Fluid.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit einem innerhalb der Abschirmung festgelegten Befüllloch, wobei ein Meniskus zwischen das Befüllloch und dem Fluid in dem Reservoir positioniert ist, wobei das Befüllloch einen Winkel mit einer Oberfläche der Abschirmung bildet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Achse an einer Basis und einer oberen Abdeckplatte befestigt ist und die Buchse sich relativ zur Achse dreht.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Eingriffs-Schnittstelle bzw. -Grenzfläche der Axialplatte mit einer Basis von 3 Millimeter bis 5 Millimeter reicht, um eine dynamische Parallelität zu erreichen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Abschirmung so positioniert ist, dass sie als Wegbegrenzer für die Buchse dient.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner mit einem symmetrischen Rillenmuster, das sich an einem Abschnitt der Buchse angrenzend an die Achse befindet und entweder ein Fischgrätenmuster oder ein sinusförmiges Muster zum Erzeugen einer radialen Steifigkeit umfasst, die im wesentlichen auf einen Scheitelpunkt des Rillenmusters im Radiallager fokussiert ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner mit einem asymmetrischen Rillenmuster an einem Ende der Achse, wobei die Radiallagerkammer zwischen dem asymmetrischen Rillenmuster und der Axialplatte positioniert ist, um eine radiale Steifigkeit zu erzeugen, die im wesentlichen auf den Scheitelpunkt des asymmetrischen Rillenmusters fokussiert ist, und zum Erzeugen eines Drucks, der im wesentlichen äquivalent mit dem an der Radiallagerkammer herrschenden Druck ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner mit einem variablen Radiallagerspalt, der einen größeren Lagerspalt im wesentlichen angrenzend an die Radiallagerkammer zum Liefern einer asymmetrischen Radiallager-Druckverteilung aufweist, wobei an der Radiallagerkammer und angrenzend an die Radiallagerkammer ein niedrigerer Druck herrscht, und zum Reduzieren eines Energieverbrauchs an der Radiallagerkammer.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner mit einem diamantartigen Kohlenstoffstreifen (DLC = diamant-like carbon) an mindestens einem Ende der Achse, wobei die Radiallagerkammer zwischen dem DLC-Streifen und der Axialplatte positioniert ist, und einer Buchse angrenzend an eine sich relativ drehende Abschirmung zum Minimieren einer Partikelerzeugung während eines etwaigen Kontakts, wenn sich die Achse und die Buchse in einer relativen Drehbewegung befinden.
Gegenüber einem Stoß widerstandsfähiger Spindelmotor mit: einem zwischen einer inneren Komponente und einer äußeren Komponente festgelegten Radiallager, wobei die innere Komponente und die äußere Komponente für eine relative Drehung positioniert sind, einem Fluidrezirkulations-Durchgangsweg mit einem ersten Fluid-Durchgangsweg, der in der äußeren Komponente festgelegt ist, wobei der erste Fluid-Durchgangsweg sich in Fluidverbindung mit einem zweiten Fluid-Durchgangsweg befindet, und der zweite Fluid-Durchgangsweg zwischen der äußeren Komponente und einem radialen Element festgelegt ist, das sich radial von der inneren Komponente erstreckt, wobei der erste Fluid-Durchgangsweg und der zweite Fluid-Durchgangsweg sich an separaten Stellen in Fluidverbindung mit dem Radiallager befinden, einem Mittel zum Erzeugen eines asymmetrischen Druckgradienten, um Fluid zu zirkulieren und um Luft in dem Fluid auszutreiben, wobei das Fluid im wesentlichen um das Radiallager, den ersten Fluid-Durchgangsweg und den zweiten Fluid-Durchgangsweg herum zirkuliert, einer Abschirmung, die entweder an einer stationären Komponente oder einer drehbaren Komponente befestigt ist und ein Reservoir mit der äußeren Komponente festlegt, wobei eine Rezirkulationskammer durch eine das Reservoir, den ersten Fluid-Durchgangsweg und den zweiten Fluid-Durchgangsweg verbindende Verbindungsstelle festgelegt ist, und einem Mittel zum Abdichten des Reservoirs.
Spindelmotor nach Anspruch 15, wobei: das Mittel zum Erzeugen des asymmetrischen Druckgradienten Spiralrillen umfasst, die an bzw. auf dem radialen Element festgelegt sind, um einen Pumpdruck zum Antreiben einer Fluidrezirkulation und zum Pumpen von Fluid aus dem zweiten Fluid-Durchgangsweg zu der inneren Komponente und in das Radiallager hinein zu erzeugen, wenn sich die innere Komponente und die äußere Komponente in einer relativen Drehbewegung befinden, und das Mittel zum Abdichten des Reservoirs eine zwischen der Abschirmung und der äußeren Komponente festgelegte Kapillardichtung und/oder Spiralrillen an bzw. auf dem radialen Element angrenzend an einen Außendurchmesserspalt, der zwischen der Abschirmung und einem Außendurchmesser des radialen Elements festgelegt ist, umfasst, wobei der Außendurchmesserspalt mit der Verbindungsstelle der Rezirkulationskammer in Verbindung steht.
Spindelmotor nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Reservoir so strukturiert ist, dass es bis zu 2,5 mg Fluid aufnimmt.
Spindelmotor nach Anspruch 15 16 oder 17, ferner mit axialen Kanälen an mindestens einem Abschnitt einer Innenfläche der Abschirmung, die sich im wesentlichen von der Rezirkulationskammer und entlang dem Reservoir erstrecken, um zu gestatten, dass sich Luft in dem Fluid entlang den Kanälen bewegt und aus dem Fluid ausgetrieben wird, sowie um Fluid zurückzuhalten.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, ferner mit einem in der Abschirmung festgelegten Befüllloch, wobei ein Meniskus zwischen dem Befüllloch und dem Fluid im Reservoir positioniert ist, und das Befüllloch einen Winkel mit einer Oberfläche der Abschirmung bildet.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die innere Komponente an einer Basis und einer oberen Abdeckplatte befestigt ist, wobei sich die äußere Komponente relativ zu der inneren Komponente dreht.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei eine Eingriffs-Schnittstelle bzw. -Grenzfläche des radialen Elements mit einer Basis von 3 Millimeter bis 5 Millimeter reicht, um eine dynamische Parallelität herzustellen.
Verfahren, um einen Spindelmotor mit einem Radiallager, das zwischen einer inneren Komponente und einer äußeren Komponente festgelegt ist, wobei die innere Komponente und die äußere Komponente für eine relative Drehung positioniert sind, gegenüber einem Stoß widerstandsfähig zu machen, wobei das Verfahren umfasst: Festlegen eines ersten Fluid-Durchgangswegs in der äußeren Komponente, wobei sich der erste Fluid-Durchgangsweg in Fluidverbindung mit einem zweiten Fluid-Durchgangsweg befindet, der zweite Fluid-Durchgangsweg zwischen der äußeren Komponente und einem radialen Element, das sich radial von der inneren Komponente erstreckt, festgelegt ist, wobei sich der erste Fluid-Durchgangsweg und der zweite Fluid-Durchgangsweg an separaten Stellen in Fluidverbindung mit dem Radiallager befinden, Erzeugen eines asymmetrischen Druckgradienten, um Fluid im wesentlichen um das Radiallager, den ersten Fluid-Durchgangsweg und den zweiten Fluid-Durchgangsweg herum zirkulieren zu lassen und um Luft aus dem Fluid auszutreiben, Bilden eines Reservoirs, das zwischen einer Abschirmung und der äußeren Komponente festgelegt ist, und Abdichten des Reservoirs, wobei eine Rezirkulationskammer durch eine das Reservoir, den ersten Fluid-Durchgangsweg und den zweiten Fluid-Durchgangsweg verbindende Verbindungsstelle festgelegt ist, und Befestigen der Abschirmung an einer stationären Komponente oder einer drehbaren Komponente.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Erzeugen eines asymmetrischen Druckgradienten das Ausbilden von Spiralrillen an dem radialen Element zur Erzeugung eines Pumpdrucks zum Antrieb einer Fluidrezirkulation und zum Pumpen von Fluid von dem zweiten Fluid-Durchgangsweg zu der inneren Komponente und in das Radiallager umfasst, wenn sich die innere Komponente und äußere Komponente in einer relativen Drehbewegung befinden.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, ferner umfassend das Festlegen eines Außendurchmesserspalts zwischen der Abschirmung und einem Außendurchmesser des radialen Elements, wobei der Außendurchmesserspalt mit der Rezirkulationskammer-Verbindungsstelle verbunden ist und der Außendurchmesserspalt durch Anwenden von Spiralrillen an dem radialen Element angrenzend an den Außendurchmesserspalt abgedichtet wird, um eine Außendurchmesserspalt-Dichtungssteifigkeit herzustellen, wenn sich die innere Komponente und die äußere Komponente in einer relativen Drehbewegung befinden.
Verfahren nach Anspruch 22, 23 oder 24, wobei das Abdichten des Reservoirs die Anwendung einer zentrifugalen Kapillardichtung umfasst, die zwischen der Abschirmung und der äußeren Komponente festgelegt ist, wobei die Abschirmung und die äußere Komponente relativ zueinander schräg verlaufende und zu der Rezirkulationskammer hin konvergierende Oberflächen aufweisen, wobei Fluid teilweise durch einen zwischen den schräg verlaufenden Oberflächen gebildeten Meniskus zurückgehalten wird, und das Fluid in dem Reservoir durch Zentrifugalkraft zu der Rezirkulationskammer gezwungen wird, wenn sich die innere Komponente und die äußere Komponente in einer relativen Drehbewegung befinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, ferner das Strukturieren des Reservoirs, damit dieses 2,5 mg Fluid aufnimmt, umfassend.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, ferner das Bilden von axialen Kanälen an mindestens einem Abschnitt einer Innenfläche der Abschirmung umfassend, die sich im wesentlichen von der Rezirkulationskammer und entlang dem Reservoir erstrecken, so dass sich Luft in dem Fluid entlang den Kanälen bewegen kann und aus dem Fluid ausgetrieben wird, sowie um Fluid zurückzuhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, ferner das Festlegen eines Befülllochs in der Abschirmung umfassend, wobei ein Meniskus zwischen dem Befüllloch und dem Fluid in dem Reservoir positioniert wird, und das Befüllloch einen Winkel mit einer Oberfläche der Abschirmung bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, ferner das Befestigen der inneren Komponente an einer Basis und einer oberen Abdeckplatte umfassend, wobei die äußere Komponente sich relativ zur inneren Komponente dreht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, ferner das Ineingriffbringen des radialen Elements mit einer Basis umfassend, wobei die Eingriffs-Grenzfläche zur Erzielung einer dynamischen Parallelität von 3 Millimeter bis 5 Millimeter reicht.