DE102013014229A1

DE102013014229A1 - Spindelmotor

Info

Publication number: DE102013014229A1
Application number: DE201310014229
Authority: DE
Inventors: Martin Hafen; Matthias Wildpreth; Jörg Hoffmann; Jens Tanneberg; Tobias Kirchmeier; Masahiro Tsukada; Osamu Takahashi; Tomofumi Yabe
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2014-03-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks, mit einem feststehenden Motorbauteil und einem mittels eines fluiddynamischen Lagersystems gegenüber dem feststehenden Motorbauteil drehbar gelagerten drehbeweglichen Motorbauteil, und einem elektromagnetischen Antriebssystem zur Antrieb des drehbeweglichen Motorbauteils, wobei ein Motorflansch (12) an einer Basisplatte (10) befestigt ist, und der Spindelmotor auf dem Motorflansch (12) aufgebaut ist.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, insbesondere einen Spindelmotor mit niedriger Bauhöhe, wie er zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes verwendet werden kann.
Stand der Technik
Spindelmotoren, wie sie zum Antrieb von modernen Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, sind Miniaturmotoren, die mittels eines fluiddynamischen Lagersystems (FDB, fluid dynamic bearing) drehgelagert sind. Ein solcher Spindelmotor umfasst ein feststehendes Motorbauteil sowie ein drehbares Motorbauteil, welches mittels des fluiddynamischen Lagersystems relativ zum feststehenden Motorbauteil um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Das drehbare Motorbauteil wird in bekannter Weise durch ein elektromagnetisches Antriebssystem drehend angetrieben. Ein derartiger Spindelmotor ist in der Regel auf einer Basisplatte aufgebaut, welche gleichzeitig ein unteres Gehäusebauteil darstellt, das mittels eines Gehäusedeckels verschließbar ist. In der Regel sind entsprechende Bauelemente des feststehenden und des drehbaren Motorbauteils gleichzeitig als Lagerbauteile ausgebildet, welche einander zugeordnete Lagerflächen aufweisen, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind.
Es sind sowohl fluiddynamische Radiallager als auch fluiddynamische Axiallager vorgesehen, die in bekannter Weise den Lagerflächen zugeordnete Lagerrillenstrukturen aufweisen, welche bei einer Relativbewegung der Lagerbauteile eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt angeordnete Lagerfluid ausüben. Durch die Pumpwirkung der Lagerrillenstrukturen wird innerhalb des Lagerspaltes ein hydrodynamischer Druck erzeugt, der die Lagerfläche nahezu reibungsfrei voneinander trennt und die Lager tragfähig macht. Für die Radiallager werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen verwendet, die auf parallel zur Rotationsachse des Lagersystems angeordneten Lagerflächen eines feststehenden oder drehbaren Lagerbauteils angeordnet sind. Für die Axiallager werden beispielsweise spiralförmige oder fischgrätenförmige Lagerrillenstrukturen verwendet, die auf senkrecht zur Rotationsachse stehenden Lagerflächen eines feststehenden oder drehbaren Lagerbauteils angeordnet sind.
Bei Spindelmotoren werden grundsätzlich zwei Bauarten unterschieden: Spindelmotoren mit feststehender Welle und Spindelmotoren mit drehbarer Welle.
Die DE 10 2008 031 618 A1 zeigt einen Spindelmotor mit feststehender Welle, wobei der Spindelmotor eine Basisplatte aufweist, in welcher ein erstes etwa U-förmiges Lagerbauteil aufgenommen ist. In einer zentralen Öffnung dieses Lagerbauteils ist eine Welle befestigt. An dem freien Ende der Welle ist ein sogenanntes Stopperbauteil angeordnet. In dem Zwischenraum zwischen dem Lagerbauteil, der Welle und dem Stopperbauteil rotiert ein Rotorbauteil des Spindelmotors, welches durch einen Lagerspalt von den feststehenden Motorbauteilen, d. h. dem Lagerbauteil, der Welle und dem Stopperbauteil getrennt ist. Der Lagerspalt ist mit einem Lagerfluid gefüllt und entsprechende fluiddynamische Radiallager und Axiallager sind entlang dieses Lagerspalts angeordnet. Der Lagerspalt weist zwei offene Enden auf, die jeweils durch Dichtungsanordnungen, vorzugsweise kapillare Dichtungsanordnungen, abgedichtet sind. An ihrem oberen Ende weist die Welle eine Gewindebohrung auf, durch welche sie mittels einer zugeordneten Schraube an einem Gehäusedeckel des Spindemotors bzw. des Festplattenlaufwerkes befestigt wird. Das Rotorbauteil wird durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben, welches eine Statoranordnung aufweist, die an der Basisplatte angeordnet ist, sowie einen Rotormagneten, der gegenüberliegend der Statoranordnung an einem Innenumfang des Rotorbauteils befestigt ist.
Die DE 10 2010 021 238 A1 zeigt Ausgestaltungen von Spindelmotoren mit drehender Welle.
Bisher ist es bekannt, Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken auf einer sogenannten Basisplatte aufzubauen, welche die notwendigen Lagerkomponenten als auch die elektrischen Antriebskomponenten trägt. Auf der Basisplatte werden außerdem die Komponenten des Festplattenlaufwerks angeordnet, nachdem die sogeannten Datumspositionen zur Anordnung dieser Festplattenkomponenten relativ zur Einbauposition des Lagersystems maschiniert wurden. Die Basisplatte besteht aus Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium oder aus einer Aluminium-Legierung.
Mobile elektronische Geräte, die üblicherweise Speichermedien aufweisen, wie beispielsweise Laptops, Notebooks, Netbooks, Notepads, Tablet-PCs und andere Geräte, werden immer kleiner und flacher aufgebaut, so dass auch entsprechende Festplattenlaufwerke und Spindelmotoren mit entsprechend geringer Bauhöhe entwickelt werden müssen, um in diese Geräte eingebaut werden zu können. Die Spindelmotoren müssen daher mit der Entwicklung der mobilen Geräte mithalten, wobei zukünftig eine Bauhöhe des Spindelmotors von ca. 5 mm bis 7 mm angestrebt wird. Um dies zu erreichen, sind ausgehend von der oben beschriebenen herkömmlichen Bauweise erhebliche konstruktive Änderungen notwendig. Insbesondere die Höhe der Basisplatte, typischerweise 0,7–1,0 mm, trägt zur Gesamthöhe des Spindelmotors bei. Eine Verringerung der Bauhöhe der Basisplatte ist aus Stabilitätsgründen nicht möglich.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor vorzuschlagen der trotz seiner niedrigen Bauhöhe die seitens der Funktionalität der Festplatte notwendigen Anforderungen hinsichtlich Steifigkeit, Drehmoment, Akustik und Laufgenauigkeit erfüllt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks, wobei der Motor an einer Basisplatte angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist der Motor auf einem Motorflansch aufgebaut, und der Motorflansch ist mit der Basisplatte verbunden.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorzugsweise besteht der Motorflansch aus Stahl und kann daher bei ausreichender Stabilität sehr flach mit niedriger Bauhöhe ausgeführt werden.
Der Motorflansch aus Stahl wird dann vorzugsweise in eine Öffnung der Basisplatte eingesetzt. Die Basisplatte besteht hierbei aus Aluminium beziehungsweise aus einer Aluminium-Legierung, insbesondere aus einem Aluminium-Druckgussteil.
Auf diesem Stahlflansch wird vorzugsweise zunächst der gesamte Spindelmotor mitsamt dem fluiddynamischen Lager aufgebaut und kann dann in diesem aufgebauten Zustand getestet werden, ohne dass der Spindelmotor zuvor in die Basisplatte eingebaut werden muss.
Eine andere vorzugsweise Vorgehensweise sieht vor, zunächst einen fertig maschinierten Stahlflansch mit einer Basisplatte zu verbinden, sei es mittels Einlege-Druckguss (Insert-Moulding), mittels Einpressen, Einschrauben, Verstemmen, Aufschrumpfen (heat shrink), Kleben oder Einspritzen. Dabei kann die Basisplatte zuvor bereits fertig maschiniert sein oder – wie im Falle des Verfahrens des Einlege-Druckgusses – erst nach dem Verbinden von Basisplatte und Motorflansch fertig maschiniert werden. Hierbei werden Referenzflächen, sogenannte Datumspositionen, der Basisplatte, wie etwa die Lageraufnahme des Schreib-Lesekopfes eines Festplatten-Laufwerkes, der Sitz der „Ramp” welche im HDD Stillstand die Köpfe von der Platte hebt oder der Sitz der VCMs (Voice Coil Magnets) welche für das Schwenken der Schreib-Leseeinheit verantwortlich sind., relativ zu Flächen des in die Basisplatte eingefügten Motorflansches spanend bearbeitet. Insbesondere ist es möglich, die Basisplatte aus Aluminium und ein Motorflansch miteinander zu verbinden, beide Bauteile mit einem elektrisch isolierenden Überzug (ED-coating) zu versehen und anschließend die Referenzpositionen zu maschinieren. Ferner kann es sinnvoll sein, den Motorflansch vor der Verbindung mit der Basisplatte mit einer Nickel- oder DLC-Schicht zu beschichten.
Beim Fügeverfahren mittels Aufschrumpfen wird die Basisplatte erhitzt und/oder der Motorflansch gekühlt und beide Bauteile miteinander verbunden. Während der anschließenden Temperierung beider Bauteile auf dasselbe Temperaturniveau, das sich unterhalb der Erhitzungs-Temperatur bzw. oberhalb der Kühl-Temperatur befindet, dehnt sich der Motorflansch aus bzw. zieht sich die Basisplatte zusammen, so dass sich bei einer entsprechenden Dimensionierung beider Bauteile eine feste Verbindung von Basisplatte und Motorflansch ergibt.
Durch die Verwendung eines Stahlflansches können ferner die Akustikeigenschaften und insgesamt die Lagertoleranzen des Spindelmotors optimiert bzw. minimiert werden. Auch das elektromagnetische Antriebssystem und die Anordnung der Komponenten wie Statoranordnung, Rotormagnet oder ein ferromagnetischer Zugring zur Erzeugung einer magnetischen Vorspannung für das axiale fluiddynamische Lager können optimiert werden.
Erfindungsgemäß kann nämlich dieser ferromagnetische Zugring entfallen, da der stählerne Motorflansch selbst, der sich unterhalb der des Rotormagneten befindet, vom Rotormagneten magnetisch angezogen wird und die magnetische Vorspannung für das Lager bildet.
Dabei können alle benötigten Flächen, beispielsweise der Sitz der Statoranordnung, der Lageranordnung und die Flächen für die magnetische Vorspannung, sehr genau bearbeitet werden, da sie sich alle Flächen an dem Motorflansch befinden. Zudem entfallen die Toleranzen des Zugrings und die zusätzlichen Höhentoleranzen, welche durch das Einkleben des Zugringes entstehen.
Dadurch, dass kein separater Zugring mehr notwendig ist, entfallen zum einen das bislang separat ausgebildete Bauteil des Zugrings und zum anderen die schwierige Befestigung des Zugringes an der Basisplatte aus Aluminium.
Bisher wurde der Zugring an der Aluminiumbasisplatte festgeklebt, was sehr präzise erfolgen musste. Ferner bestand die Gefahr, dass sich die Klebeverbindung aufgrund der kleinen Klebefläche unter Umständen z. B. im Schockfall lösen konnte. Diese Nachteile entfallen nun. Ferner spart man sich die durch den Zugring benötigte axiale Bauhöhe, da der Motorflansch selbst nun den Zugring für die magnetische Vorspannung bildet.
Bei den herkömmlichen Spindelmotoren mit einer Aluminiumbasisplatte wurde die Aufnahme für den Motor bzw. das Lagersystem zusammen mit allen anderen benötigten Referenzflächen und Aufnahmen der Basisplatte maschiniert. Die Basisplatte besteht aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung und wurde beispielsweise durch Aluminiumdruckguss gefertigt.
Bisher wurde durch die gemeinsame Maschinierung aller Flächen der Basisplatte nach dem Druckguss die erforderliche Positionsgenauigkeit erreicht. Da Aluminiumdruckguss ein relativ weiches Material ist, konnten die entsprechenden Bearbeitungsschritte sehr einfach und mit guter Genauigkeit durchgeführt werden.
Die modernen elektronischen Geräte, in welche die Festplatten mit diesen entsprechenden Spindelmotoren eingebaut werden, werden zunehmend flacher. Daher werden Spindelmotoren bzw. Festplattenlaufwerke mit Bauhöhen von 7 mm oder weniger, vorzugsweise 5 mm, benötigt. Durch eine Basisplatte aus Aluminium ist jedoch die benötigte Strukturstärke limitiert, da der zur Verfügung stehende Raum zur Ausbildung der Wandstärke der Basisplatte durch die niedrige Gesamthöhe des Festplattenlaufwerks sehr gering ist. Hier setzt die Erfindung ein, bei der der Motor komplett auf einem Motorflansch aus Stahl aufgebaut wird, der gegenüber der Basisplatte aus Aluminium sehr viel dünner mit einer niedrigen Bauhöhe von beispielsweise 0,3 mm im Gegensatz zu 1 mm bei Aluminium ausgebildet werden kann und dennoch ausreichend Steifigkeit zur Verfügung stellt. Aus Gewichts- und Kostengründen wird nicht die gesamte Basisplatte aus beispielsweise tiefgezogenem Stahl gefertigt.
Allerdings muss der Motorflansch in die Basisplatte eingesetzt werden, wobei hier sehr enge Toleranzen bezüglich der Lage von verschiedenen Datumspositionen der Basisplatte und dem Spindelmotor bzw. der Drehachse des Spindelmotors eingehalten werden müssen.
Da der Motorflansch aus Stahl besteht, ist es sehr schwierig, den Motorflansch aus Stahl zusammen mit der Aluminiumbasisplatte in einem Arbeitsgang zu maschinieren. Beim Aufbau des Motors muss daher der Motorflansch vorzugsweise bereits fertig maschiniert sein, bevor er in die Basisplatte eingebaut wird. Vorzugsweise ist darüber hinaus auch die Basisplatte aus Aluminium fertig maschiniert. Die beiden fertig maschinierten Teile werden nun etwa mittels Einpressen und/oder Einkleben zusammengefügt, was mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen muss, damit die gegenseitigen Datumsmaßpunkte und die entsprechenden Drehachsen die Toleranzen einhalten.
Alternativ wird der fertig maschinierte Motorflansch aus Stahl in eine noch nicht maschinierte Basisplatte aus Aluminium eingebaut, wobei es hier verschiedene Verfahren, wie z. B. Einpressen und/oder Einkleben, Umspritzen usw. gibt. Anschließend wird die Basisplatte mitsamt dem stählernen Motorflansch sehr genau in einer Bearbeitungsmaschine eingespannt und am Motorflansch ausgerichtet, anschließend können dann alle relevanten Flächen, insbesondere die Datumsflächen und Bohrungen in der Basisplatte relativ zu den Referenzflächen des Motorflansches bearbeiten werden.
Durch beide obigen Verfahren kann der Motorflansch bereits fertig bearbeitet werden, bevor er in die Basisplatte eingebaut wird, wobei dennoch die engen Toleranzen zwischen der Motoraufnahme, d. h. der Motordrehachse und anderen Referenzflächen auf der Basisplatte eingehalten werden können. Dieses sind sehr kostengünstige und sehr genaue Lösungen.
Ein anderer Aspekt der Erfindung beschäftigt sich mit der Verbindung zwischen dem Motorflansch und der Basisplatte, insbesondere auch mit der Abdichtung der Verbindung zwischen Motorflansch und Basisplatte, welche vorzugsweise gasdicht, insbesondere Helium-dicht ausgebildet sein muss.
Die Verbindung zwischen dem Motorflansch und der Basisplatte kann insbesondere eine Klebeverbindung sein. Der Motorflansch wird mittels einer Übergangspassung oder Losepassung in eine Öffnung der Basisplatte eingesetzt und mit Klebstoff verbunden. Neben der Verbindung von Motorflansch und Basisplatte dient der Klebstoff darüber hinaus der Abdichtung zwischen dem Motorflansch und der Basisplatte. Der Klebstoff bildet dabei einen Klebefilm aus und wird zumindest auf einer Seite im Verbindungsbereich zwischen Basisplatte und Motorflansch flächig aufgebracht.
Die Verbindung zwischen dem Motorflansch und der Basisplatte kann ferner durch ein zusätzliches Kunststoffteil oder eine Kunststoff-Umspritzung oder -Einspritzung erfolgen. Hierbei wird die Abdichtung durch den Kunststoff erreicht.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Motorflansch mit dem Aluminium der Basisplatte umgossen werden, d. h. im Aluminium-Druckgussverfahren wird der Motorflansch als Einlegeteil in eine Druckgussform eingelegt und mit der Basisplatte aus Aluminium umgossen.
Eine Abdichtung der Verbindung kann bei allen oben beschriebenen Verbindungsverfahren in Alleinstellung oder zusätzlich durch eine Beschichtung oder Lackierung der Bauteile zumindest im Bereich der Verbindungsstelle erfolgen.
Beim Stand der Technik wird die Verbindung zwischen einer Lagerbuchse (im Falle einer drehenden Welle) bzw. einem Wellenbauteil (im Falle der Verwendung einer stehenden Welle) und der Basisplatte mittels eines leitfähigen Klebers elektrisch leitend verbunden, um eine elektrostatische Aufladung der drehenden Speicherplatten zu vermeiden. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn bei der Erfindung zur Sicherstellung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Motorflansch und der Basisplatte elektrisch leitfähiger Kleber vorgesehen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit drehender Welle, der an einer Basisplatte aufgebaut ist.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit drehender Welle, der erfindungsgemäß an einem Motorflansch aufgebaut ist.
3 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors von 2.
4 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit stehender Welle, der erfindungsgemäß an einem Motorflansch aufgebaut ist.
5 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors von 4.
6A zeigt eine weitere abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors von 4.
6B zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors von 5.
7 zeigt einen Querschnitt durch eine Basisplatte und einem darin befestigten Motorflansch.
8 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Motorflansches von 7.
9 zeigt eine Unteransicht der Basisplatte von 7.
10 zeigt eine Aufsicht der Basisplatte von 7.
11 zeigt einen Schnitt durch die Basisplatte mit eingesetztem Motorflansch unter Bearbeitung.
12–21B zeigen bevorzugte Möglichkeiten für eine Verbindung zwischen Motorflansch und Basisplatte.
22–30 zeigen vergrößerte Schnitte durch den Verbindungsbereich zwischen der Basisplatte und dem Motorflansch in unterschiedlichen Ausgestaltungen der Erfindung.
31 zeigt eine Aufsicht auf den Bereich der Verbindung von 30.
32–34 zeigen verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung einer Verdrehsicherung des Motorflansches.
Mögliche Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einer drehenden Welle 16., der in bekannter Weise auf einer Basisplatte 10 aufgebaut ist. Der Motor und die Lagerkomponenten sind an der Basisplatte 10 angeordnet. Die Basisplatte 10 besteht dabei aus einem Aluminium-Druckgussteil. Ein Rotorbauteil 15 ist relativ zur Basisplatte 10 um eine Rotationsachse 64 drehbar gelagert ist. Die Drehlagerung des Rotorbauteils 15 erfolgt durch ein fluiddynamisches Lagersystem. In einer Öffnung der Basisplatte 10 ist eine Lagerbuchse 14 des Lagersystems drehfest angeordnet. Diese Lagerbuchse 14 weist eine zentrale Lagerbohrung auf und bildet zusammen mit der Basisplatte 10 und der Statoranordnung 44 das feststehende Bauteil des Spindelmotors. In die Lagerbohrung der Lagerbuchse 14 ist eine Welle 16 eingesetzt, an deren Ende ein Stopperring 16a angeordnet ist, der ein Haerausfallen der Welle aus der Lagerbuchse verhindert. Ferner ist der Durchmesser der Welle geringfügig, d. h. nur um einige Mikrometer, kleiner als der Durchmesser der Lagerbohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse 14 und der Welle 16 verbleibt daher ein Lagerspalt 17 von wenigen Mikrometern Breite. Der Lagerspalt 17 ist mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle 16 und der Lagerbuchse 14 bilden entlang eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspaltes 17 vorzugsweise zwei fluiddynamische Radiallager 52, 54 aus. Die beiden fluiddynamischen Radiallager 52, 54 haben einen geringen axialen Abstand voneinander. Die fluiddynamischen Radiallager 52, 54 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf die Oberfläche der Welle 16 und/oder der Lagerbuchse 14 aufgebracht sind. Die Lagerrillenstrukturen üben während der Rotation der Welle 16 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 17 zwischen der Welle 16 und der Lagerbuchse 14 befindliche Lagerfluid aus, so dass im Lagerspalt 17 ein hydrodynamischer Druck entsteht, der die Radiallager 52, 54 tragfähig macht. Das obere Radiallager 52 hat vorzugsweise leicht asymmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen, die das im Lagerspalt 17 befindliche Lagerfluid überwiegend in Richtung des unteren Radiallagers 54 pumpen, so dass unterhalb des oberen Radiallagers, insbesondere in einem Separatorbereich, der zwischen beiden Radiallagern angeordnet ist, sowie im Bereich des Stopperrings 16a, ein gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhter Druck herrscht, wodurch ein Ausgasen von Luft aus dem Lagerfluid zuverlässig vermieden wird. Das untere Radiallager 54 umfasst vorzugsweise symmetrisch ausgebildete Lagerrillenstrukturen, die eine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des Lagerspalts 22 erzeugen.
Ein freies Ende der Welle 16 ist mit dem Rotorbauteil 15 verbunden, das zusammen mit der Welle 16 rotiert und einen inneren Rand aufweist, der die Lagerbuchse 14 unter Bildung eines Dichtungsspalts 19 teilweise umgibt. Eine untere, ebene Fläche des Rotorbauteils 15 bildet zusammen mit einer angrenzenden Stirnfläche der Lagerbuchse 14 ein fluiddynamisches Axiallager 50 aus. Hierbei sind die entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse 14 und/oder die gegenüberliegende ebene Fläche des Rotorbauteils 15 mit vorzugsweise spiralförmigen Lagerrillenstrukturen versehen. Die Lagerrillenstrukturen des Axiallagers 50 üben bei einer Rotation des Rotorbauteils 15 eine radial nach innen in Richtung des oberen Radiallagers 52 gerichtete Pumpwirkung auf das in einem radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 17 befindliche Lagerfluid aus. Dadurch entsteht im radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 17, zwischen dem Rotorbauteil 15 und der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 14, ein hydrodynamischer Druck, der das Axiallager 50 tragfähig macht.
In der Lagerbuchse 14 kann ein Rezirkulationskanal 46 vorgesehen sein, der einen am radial äußeren Rand des Axiallagers 50 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 17 mit einem unterhalb des unteren Radiallagers 54 befindlichen Abschnitt des Lagerspalts 17 im Bereich des mit der Welle verbundenen Stopperrings 16a miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt.
An ihrer in der Basisplatte 10 befestigten Stirnseite weist die Lagerbuchse 14 eine zur Lagerbohrung konzentrische Aussparung auf, deren Durchmesser deutlich größer ist als der Durchmesser der Lagerbohrung. Die Lagerbuchse 14 ist an dieser Seite durch eine Abdeckung 48 verschlossen. Innerhalb der Aussparung der Lagerbuchse 14 ist der an einem Ende der Welle 16 befestigter Stopperring 16a angeordnet, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Durchmesser der Welle 16 aufweist. Die Aussparung, in welcher der Stopperring 16a angeordnet ist, ist mit dem Lagerspalt 17 sowie dem Rezirkulationskanal 46 verbunden und vollständig mit Lagerfluid gefüllt. Bei einer übermäßigen axialen Bewegung der Welle 16 stößt der Stopperring 16a an einer Stufe der Lagerbuchse 14 an, die durch den Übergang zwischen der Lagerbohrung und der Aussparung gebildet wird. Der Stopperring 16a verhindert dadurch ein Herausfallen der Welle 16 aus der Lagerbuchse 14.
Am radial äußeren Ende seines radialen Abschnitts geht der Lagerspalt 17 in einen Spalt mit größerem Spaltabstand über, welcher den Dichtungsspalt 19 bildet und anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist. Der Dichtungsspalt 19 erstreckt sich anfänglich ausgehend vom Lagerspalt 17 radial nach außen und geht in einen weitgehend axialen Abschnitt über, der sich entlang der äußeren Mantelfläche der Lagerbuchse 14 zwischen der Lagerbuchse 14 und dem inneren Rand des Rotorbauteils 15 erstreckt. Die äußere Mantelfläche der Lagerbuchse 14 sowie die innere Mantelfläche des inneren Randes des Rotorbauteils 15 sind weitgehend zylindrisch, jedoch vorzugsweise leicht konisch geneigt, und bilden die Begrenzung des Dichtungsspaltes 19, der somit als Kapillardichtung ausgebildet ist. Die begrenzenden Flächen der Kapillardichtung sind dabei im Verlauf vom Lagerinneren zum Lageräußeren in Richtung zur Drehachse geneigt, wobei der zur Drehachse gemessene Neigungswinkel des inneren Randes des Rotorbauteils 15 geringer ist als der Neigungswinkel der äußeren Mantelfläche der Lagerbuchse 14. Dadurch, dass die obere Öffnung des Rezirkulationskanals 46 sehr nahe an der Übergangszone zwischen Lagerfluid und Atmosphäre angeordnet ist, können im Lagerfluid gelöste Luftblasen relativ leicht in die Atmosphäre entweichen.
An der Basisplatte 10 ist radial außerhalb der Position der Lagerbuchse 14 eine Statoranordnung 44 befestigt. Die Statoranordnung 44 umfasst ein ferromagnetisches Statorblechpaket, welches mehrere Statorwicklungen trägt. Die Statoranordnung 44 ist umgeben von einem äußeren Rand des Rotorbauteils 15, an dessen Innenseite ein ringförmiger Rotormagnet 40 angeordnet ist. Der Rotormagnet 40 umgibt die Statoranordnung 44 in radialer Richtung unter Bildung eines Luftspalts. In 1 ist ein Außenläufermotor dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf einen Außenläufermotor beschränkt, sondern es kann erfindungsgemäß auch ein Innenläufermotor Verwendung finden. Durch entsprechende Versorgung der Statoranordnung 44 mit Strom wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das auf den Rotormagneten 40 wirkt und das Rotorbauteil 15 drehend antreibt.
Unterhalb des Rotormagneten 40 ist vorzugsweise ein ferromagnetischer Metallring 42 angeordnet, der vom Rotormagneten 44 in axialer Richtung magnetisch angezogen wird, wodurch sich eine nach unten zur Basisplatte 10 hin gerichtete magnetische Kraft ergibt. Diese magnetische Kraft wirkt der axialen Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 50 entgegen und dient der axialen Vorspannung des Lagersystems. Zusätzlich oder alternativ dazu wird die magnetische Mitte des Rotormagneten 40 axial nach oben relativ zur magnetischen Mitte der Statoranordnung 44 versetzt angeordnet, wodurch ebenfalls eine nach unten gerichtete axiale magnetische Lagerkraft entsteht, welche ebenfalls der Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 50 entgegenwirkt.
Der Spindelmotor ist vorzugsweise Teil eines Festplattenlaufwerks, wobei mindestens eine auf dem Rotorbauteil 15 angeordnete Speicherplatte 66 durch den Spindelmotor drehend angetrieben ist. Das Festplattenlaufwerk weist in bekannter Weise eine Schreib- und Leseeinrichtung (nicht dargestellt) zum Schreiben und Lesen von Daten auf die bzw. von der Speicherplatte 66 auf, sowie ein Gehäuse zur Aufnahme des Spindelmotors, der Speicherplatte und der Schreib- und Leseeinrichtung, wobei die Basisplatte 10 des Spindelmotors vorzugsweise ein Teil des Gehäuses des Festplattenlaufwerkes ist. Die Speicherplatte 66 wird vorzugsweise durch eine Klammer 68 auf einem Sitz des Rotorbauteils 15 gehalten. Diese Klammer 68 ist mittels einer Schraube 70 an der Welle 16 befestigt.
2 zeigt eine Ausgestaltung eines Spindelmotors gemäß der Erfindung, bei dem der Spindelmotor und alle Lagerkomponenten an einem Motorflansch 12 aufgebaut sind, der vorzugsweise aus einem Stahlteil besteht. Der Aufbau und die Funktionsweise dieses Spindelmotors entspricht dem Spindelmotor von 1. Gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Der Motorflansch 12 aus Stahl wird dann vorzugsweise an seinem Außenumfang in eine Öffnung der Basisplatte 10 eingesetzt und mit der Basisplatte 10 verbunden. Da der Motorflansch aus ferromagnetischem Stahl besteht, kann er die Funktion des ferromagnetischen Metallrings 42 in 1 übernehmen. Der ferromagnetische Metallring 42 kann daher entfallen. Der Motorflansch 12 wird vom Rotormagneten 40 magnetisch angezogen und erzeugt eine Vorspannung für das fluiddynamische Axiallager 50. Die Lagerbuchse 14 des fluiddynamischen Lagersystems ist als separates Bauteil zum Motorflansch 12 ausgebildet; da beide Bauteile aus Stahl bestehen, können diese optional jedoch auch einteilig ausgebildet sein. Dieser Spindelmotor ist zum Antrieb von zwei übereinander angeordneten Speicherplatten 66 ausgebildet, die durch einen Abstandshalter getrennt und mittels der Klammer 68 befestigt sind. Der Durchmesser des Motorflansches 12 ist mindestens so groß wie der Durchmesser des Rotorbauteils 15, so dass der Spindelmotor komplett auf dem Motorflansch 12 aufgebaut und getestet werden kann.
3 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Spindelmotors von 2, bei dem der Motorflansch 12 und die Lagerbuchse 14 einteilig ausgebildet sind.
4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spindelmotors mit stehender Welle 116. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 110, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher erfindungsgemäß ein Motorflansch 112 aufgenommen ist. Am Motorflansch 112 ist eine zylindrische Welle 116 angeordnet, die vorzugsweise einteilig mit dem Motorflansch 112 ausgebildet ist, wobei das gesamte Bauteil 112, 116 aus Stahl besteht.
An dem freien Ende der Welle 116 ist ein ringförmiges Stopperbauteil 116a angeordnet, dessen Durchmesser wesentlich größer als der Durchmesser der Welle 116 im Bereich der Radiallager ist und das als separates Bauteil vorzugsweise kraftschlüssig oder stoffschlüssig an der Welle 116 befestigt ist. Insbesondere weist die Welle 116 an dem freien Ende einen verringerten Durchmesser auf, so dass sich eine Stufe bildet. Die Stufe definiert einen Anschlag, auf dem das Stopperbauteil 116a aufliegt. Dadurch ist das Stopperbauteil 116a exakt an der Welle 116 angeordnet und ausgerichtet und es ist eine Haltekraft in axialer Richtung nach unten gewährleistet. Ferner wird durch diese Stufe der Welle 116 ein axialer Zwischenraum zur Aufnahme einer Lagerbuchse 114 definiert, die vorzugsweise einteilig mit einem Rotorbauteil 115 ausgebildet ist und zusammen mit diesem das rotierende Motorbauteil darstellt. Die Lagerbuchse 114 ist dabei in einem durch den Motorflansch 112, die Welle 116 und das Stopperbauteil 116a gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen 112, 116, 116a drehbar um eine Drehachse 164 angeordnet. Das Stopperbauteil 116a ist zumindest teilweise in einer ringförmigen Aussparung des Rotorbauteils 115 angeordnet.
Flächen des Motorflansches 112, der Welle 116, und des Stopperbauteils 116a bilden mit angrenzenden Flächen der Lagerbuchse 114 einen beidseitig offenen Lagerspalt 117, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.
Die am Rotorbauteil 115 angeordnete, vorzugsweise einteilig ausgebildete Lagerbuchse 114 hat eine zylindrische Lagerbohrung, an deren Innenumfang zwei zylindrische Radiallagerflächen ausbildet sind. Die Radiallagerflächen umschließen die feststehende Welle 116 in einem geringen Abstand von wenigen Mikrometer unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 117 und bilden mit jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 116 zwei fluiddynamische Radiallager 152, 154 aus. Die Lagerflächen der beiden Radiallager 152, 154 sind beispielsweise mit sinus- oder parabelförmigen (herringbone) Lagerrillenstrukturen versehen. Das obere Radiallager 152 ist dabei weitgehend symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass der Teil der Lagerrillenstrukturen, der oberhalb des Apex angeordnet ist, etwa genauso lang ausgebildet ist, wie der untere Teil der Lagerrillen. Die Pumpwirkung beider Teile der Radiallagerrillen des oberen Radiallagers 152 weist in Richtung zum Apex, d. h. zur Lagermitte, wordurch ebendort ein Lagerdruck entsteht, der das Radiallager tragfähig macht. Aufgrund der symmetrischen Ausbildung der Radiallagerrillen des oberen Radiallagers 152 trägt das obere Radiallager 152 nicht dazu bei, eine definierte Flussrichtung des Lagerfluids innerhalb des Lagerspalts 117 zu bewirken. Demgegenüber ist das untere Radiallager 154 asymmetrisch ausgebildet insofern, als dass der Teil der Lagerrillenstrukturen, der unterhalb des Apex angeordnet ist, länger ausgebildet als der obere Teil der Radiallagerrillen. Hierdurch entsteht einerseits eine Drucksteigerung innerhalb des Lagerfluids in Richtung zum Apex des Radiallagers 154, wodurch das Radiallager tragfähig wird, andererseits wird eine definierte Pumpwirkung auf das in Lagerspalt 117 befindliche Lagerfluid ausgeübt, welche das Lagerfluid axial nach oben in Richtung des oberen Radiallagers 152 befördert.
Unterhalb des unteren Radiallagers 154 geht der axial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 117 in einen radial verlaufenden Abschnitt über, entlang dessen ein fluiddynamisches Axiallager 150 angeordnet ist. Das Axiallager 150 ist durch radial verlaufende Lagerflächen auf der Stirnseite der Lagerbuchse 114 und auf entsprechend gegenüber liegenden Lagerflächen des Motorflansches 112 gebildet. Die Lagerflächen des Axiallagers 150 sind als zur Drehachse 164 senkrechte Kreisringe ausgebildet. Das fluiddynamische Axiallager 150 ist in bekannter Weise durch beispielsweise spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbuchse 114, auf der Stirnseite des Motorflanschs 112 oder auf beiden Teilen angebracht werden können.
In vorteilhafter Weise sind alle für die Radiallager 152, 154 und das Axiallager 150 notwendigen Lagerrillenstrukturen an entsprechenden Lagerflächen der Lagerbuchse 114 angeordnet, was die Herstellung des Lagers, insbesondere der hochgenauen Lagerflächen an der Welle 12 und an dem Flansch 12a vereinfacht.
An den radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 117 im Bereich des Axiallagers 150 schließt sich ein etwa axial verlaufender und anteilig mit Lagerfluid gefüllter erster kapillarer Dichtungsspalt 119 an. Der Dichtungsspalt 119 ist durch einander gegenüberliegende im Wesentlichen axial verlaufende Flächen der Lagerbuchse 114 und des Motorflansches 112 gebildet und dichtet den Lagerspalt 117 an dieser Seite ab. Der Dichtungsspalt 119 weitet sich vorzugsweise konisch auf. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 119 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Fluidmenge bereit. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden. Darüber hinaus wird innnerhalb des Dichtungsspalts 119 bei Umdrehung des Lagers eine zusätzliche Menge an Lagerfluid aufgenommen, da eine zwischen dem Stopperring 116a und der Lagerbuchse 114 angeordnete dynamische Pumpdichtung während der Umdrehung des Lagers einen dort angeordneten oberen Dichtungsspalt 147 nahezu leer pumpt. Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 119 bildenden Flächen der Lagerbuchse 114 und des Motorflansches 112 können beide jeweils im Verlauf des Dichtungsspalts zum Lageräußeren hin relativ zur Rotationsachse 164 nach innen geneigt sein. Der Neigungswinkel beträgt vorzugsweise zwischen 0 Grad und 5 Grad. Dabei ist der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche des Rotorbauteils 114 größer ist als der Neigungswinkel der inneren Umfangsfläche des Motorflansches 112, wodurch sich eine konische Erweiterung der Kapillardichtung ergibt. Dadurch wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung des Lagerspalts 117 gedrückt.
Auf der anderen Seite des Lagersystems ist die Lagerbuchse 114 bzw. das Rotorbauteil 115 im Anschluss an das obere Radiallager 152 so gestaltet, dass es eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperbauteils 116a einen radial verlaufenden Spalt bildet. An diesen radial verlaufenden Spalt schließt sich ein axial verlaufender zweiter Dichtungsspalt 147 an, der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist und den Lagerspalt 117 an diesem Ende abdichtet. Der zweite Dichtungsspalt 147 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen des Rotorbauteils 114 und des Stopperbauteils 116a begrenzt und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Dabei ist die äußere Umfangsfläche des Stopperbauteils 116a im Verlauf zum Lageräußeren um einen Winkel von mehr als 45° (zur Drehachse gemessen) nach innen in Richtung zur Drehachse 164 geneigt. Die gegenüber liegende innere Umfangsfläche des Rotorbauteils 114 verläuft entweder parallel zur Drehachse 164 oder ist ebenfalls leicht nach innen geneigt, wobei der Neigungswinkel allerdings deutlich kleiner ist, als der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche des Stopperbauteils 116a, so dass sich eine konische Kapillardichtung 147 ergibt. Der zweite Dichtungsspalt 147 kann vorzugsweise durch eine dynamische Pumpdichtung 149 ergänzt sein, die unterhalb der Kapillardichtung angeordnet ist. Die Pumpdichtung 149 ist vorzugsweise zwischen dem Außenumfang des Stopperbauteils 116a und einem Innenumfang des Rotorbauteils 114 gebildet. Die Pumpdichtung 149 umfasst Rillenstrukturen, die auf der Oberfläche des Stopperbauteils 116a oder vorzugsweise des Rotorbauteils 114 angeordnet sind. Während sich das Lager dreht, erzeugen die Rillenstrukturen der Pumpdichtung 149 eine Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt 147 befindliche Lagerfluid. Diese Pumpwirkung ist in das Innere des Lagerspalts 117, also in Richtung des oberen Radiallagers 152 gerichtet. Dabei reichen die Pumprillenstrukturen der Pumpdichtung 149 vorzugsweise nicht bis in den unteren Bereich der Kapillardichtung 147 hinein, um im Schockfall ein Austritt von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 147 zu vermeiden.
Der zweite Dichtungsspalt 147 ist von einer ringförmig profilierten Abdeckung 148 abgedeckt. Die Abdeckung 148 ist auf einen Rand des Rotorbauteils 115 aufgesteckt und dort beispielsweise angeklebt, geklemmt oder (Laser-)verschweißt, wobei die Abdeckung 148 auf einem umlaufenden Rand des Rotorbauteils 115 aufliegt. Ein innerer Rand der Abdeckung 148 bildet zusammen mit dem Außenumfang des Stopperbauteils 116a einen Luftspalt als Spaltdichtung. Diese Spaltdichtung erhöht die Sicherheit gegen ein Austreten von Lagerfluid aus dem Dichtungsspalt 147 bzw. verringert ein Abdampfen des Lagerfluids und erhöht somit die Lebensdauer des Fluidlagers.
Am axial äußeren Ende weitet sich der Dichtungsspalt 147 in einen Freiraum 145 auf, der vorzugsweise so groß ist, dass er das gesamte im Lager befindliche Volumen an Lagerfluid aufnehmen kann. Dieser Freiraum 145 dient insbesondere zum Befüllen des Lagers mit Lagerfluid. Hierbei wird der Lagerspalt und die Dichtungsspalte vorzugsweise evakuiert und das Gesamtvolumen an Lagerfluid in den Freiraum 145 gefüllt. Danach wird der Lagerspalt wieder belüftet, wodurch das Volumen an Lagerfluid aus dem Freiraum 145 in das Lager und in die Dichtungsspalte gedrückt wird.
Ein Rezirkulationskanal 146 verläuft ausgehend von dem Spalt zwischen der Stirnfläche der Lagerbuchse 114 und einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Stopperbauteils 116a schräg nach unten durch die Lagerbuchse 114 und mündet radial außerhalb des Axiallagers 150 oder im radial äußeren Bereich des Axiallagers in den radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 117.
Der Spindelmotor weist ein elektromagnetisches Antriebssystem auf, das in bekannter Weise gebildet ist durch eine am Motorflansch 112 angeordnete Statoranordnung 144 und einem die Statoranordnung in einem Abstand konzentrisch umgebenden, ringförmigen Permanentmagneten 140, der an einer inneren Umfangsfläche des Rotorbauteils 115 angeordnet ist. Dargestellt ist somit ein Außenläufermotor, jedoch kann ohne Einschränkung alternativ ein Innenläufermotor verwendet werden, bei welchem die Statoranordnung dann radial außerhalb des Rotormagneten angeordnet sein würde.
Da der Spindelmotor vorzugsweise lediglich ein einziges fluiddynamisches Axiallager 150 aufweist, das auf das Rotorbauteil 115 eine Kraft in Richtung des Stopperbauteils 116a erzeugt, ist eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft notwendig, die das Rotorbauteil 115 axial im Kräftegleichgewicht hält. Zum einen sind die Statoranordnung 144 und der Rotormagnet 140 axial zueinander versetzt angeordnet, und zwar so, dass die magnetische Mitte des Rotormagneten 140 axial weiter entfernt vom Motorflansch 112 angeordnet ist als die magnetische Mitte der Statoranordnung 144. Dadurch wird vom Magnetsystem des Motors eine axiale Kraft auf das Rotorbauteil 115 ausgeübt, die entgegengesetzt zur Lagerkraft des Axiallagers 150 im Betrieb desselben wirkt. Ferner kann alternativ oder zusätzlich zum Versatz des Antriebssystems unterhalb des Rotormagneten 140 ein an der Basisplatte befestigter ferromagnetischer Metallring 142 vorgesehen sein. Der Metallring 142 wird vom Rotormagneten 140 magnetisch angezogen, so dass eine auf das Rotorbauteil 115 wirkende axiale magnetische Kraft erzeugt wird, die der Lagerkraft des fluiddynamischen Axiallagers 150 ebenfalls entgegenwirkt.
Der Spindelmotor kann vorzugsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes eingesetzt werden, wobei auf dem Rotorbauteil 115 eine oder mehrere Speicherplatten 166 befestigt werden können. Die Speicherplatten 166 werden auf einen äußeren Flansch des Rotorbauteils 115 aufgelegt. Mittels eines Gewinderinges 168, der auf ein Gewinde am Außenumfang des Rotorbauteils 115 aufgeschraubt wird, werden die Speicherplatten 166 am Rotorbauteil 115 befestigt.
5 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung von 4, bei dem ein Wellenbauteil 118, bestehend aus einer zylindrischen Welle und einem im Querschnitt etwa U-förmigen Wellenflansch vorgesehen ist, die einteilig ausgebildet sind. Dieses Wellenbauteil 18 ist in dem Motorflansch 112 eingesetzt, welcher wiederum mit der Basisplatte 110 verbunden ist. Mit Hilfe des Wellenbauteils 118, insbesondere des Wellenflansches kann das fluiddynamische Lagersystem unabhängig vom Motorflansch 112 aufgebaut und getestet werden.
6A zeigt eine Ausgestaltung ähnlich wie 4, mit einem stehenden, im Querschnitt etwa T-förmigen Wellenbauteil 120, welches direkt mit dem Motorflansch 112 verbunden ist, der wiederum in einer Basisplatte 110 angeordnet ist.
In der 6B ist das Wellenbauteil 120 innerhalb eines separaten Lagerbauteils 121 angeordnet, so dass das fluiddynamische Lager separat vom Motorflansch 112 aufgebaut und mit Lagerfluid befüllt werden kann.
7 zeigt einen Querschnitt durch eine Basisplatte 10 und einem darin befestigten Motorflansch 12, beispielsweise in einer Ausgestaltung gemäß 2. Die Basisplatte 10 besteht aus Druckguss, vorzugsweise Aluminiumdruckguss, und der Motorflansch aus einem maschinierten Stahlteil.
Auf dem Motorflansch 12 sind alle Bauteile des Spindelmotors gemäß 2 angeordnet, während die Basisplatte 10 Teil eines Gehäuses des Festplattenlaufwerks ist und Bauteile eines Festplattenlaufwerks aufnimmt, wie etwa den Schreib-Lesearm mit entsprechendem Aktuator (voice coil actuator), wobei das Festplattenlaufwerk vom Spindelmotor angetrieben wird.
8 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Motorflansches 12 von 7. Der Motorflansch kann separat und daher sehr genau bearbeitet werden, so dass die entsprechenden Maße, beispielsweise zur Aufnahme der Lagerbuchse, die Flächen zur Befestigung der Statoranordnung und weitere relevante Flächen sehr genau bearbeitet und zueinander ausgerichtet werden können. Hierbei sind insbesondere von besonderer Relevanz der Durchmesser sowie die Konzentrizität sowie die Rechtwinkligkeit des Lagersitzes 25 (bearing tube) des fluiddynamischen Lagers relativ zu Referenzflächen der Basisplatte 10, die insbesondere den Lagersitz 24 (10) des Schreib-/Lesearms (pivot seat area) eines Festplatten-Laufwerkes beinhalten. Als weitere relevante zu bearbeitende Flächen des Motorflansches 12 ist der Sitz 23 der Statoranordnung 44 (stack seat) hinsichtlich seiner Rechtwinkligkeit zum Lagersitz 25 sowie seiner Höhenlage und Parallelität von besonderer Bedeutung.
9 zeigt eine Ansicht der Basisplatte 10 von unten und den in der Basisplatte 10 eingesetzten Motorflansch 12 (steel flange) zur Aufnahme der Komponenten des Spindelmotors. Der Spindelmotor kann komplett auf den Motorflansch 12 aufgebaut werden und erst dann in die Basisplatte 10 eingesetzt werden oder alternativ kann der Motorflansch 12 zunächst mit der Basisplatte 10 verbunden und anschließend die Motor- und Lagerkomponenten mit dem Motorflansch verbunden werden. Nach der Verbindung zwischen Motorflansch 12 und Basisplatte 10 können dann relativ zur Position des Motorflansches 12 entsprechende Datumspunkte oder Datumsflächen 22 (Baseplate datums) auf der Basisplatte 10, wie etwa der Lagersitz des Schreib-/Lesearms (Pivot Seat) 24 mit großer Genauigkeit bearbeitet werden.
10 zeigt eine Ansicht der Basisplatte 10 von oben mit eingesetztem Motorflansch 12, wobei insbesondere eine genaue Bearbeitung des Lagersitzes 24 des Schreib-/Lesearms des Festplattenlaufwerkes relativ zum Motorflansch 12 durchgeführt wird.
11 zeigt einen Schnitt durch die Basisplatte 10 mit eingesetztem Motorflansch 12 und die entsprechende Bearbeitung der Basisplatte 10. Die mit dem Motorflansch 12 verbundene Basisplatte 10 wird am Motorflansch 12 mit einer Spanneinrichtung 26 (chucking device) exakt eingespannt, wobei die Datumsflächen 22 (base plate datums) oder der Lagersitz 24 des Schreib-/Lesearms dann relativ zum Spannwerkzeug 26 mittels Bearbeitungswerkzeugen 28 exakt bearbeitet werden können. Die Datumspunkte befinden sich dabei auf der Basisplatte 10.
12 zeigt einen Schnitt durch die Basisplatte 10 und den darin eingesetzten Motorflansch 12. Die Verbindung zwischen Motorflansch 12 und Basisplatte 10 kann eine Fügeverbindung, etwa eine Press-, Übergangs- oder lose Passung sein, die mittels zusätzlicher Klebeverbindung 30 gesichert und Gas-dicht abgedichtet wird.
13 zeigt einen Schnitt durch die Basisplatte 10 und einem eingesetzten Motorflansch 12, wobei hier die Verbindung ebenfalls eine Fügeverbindung ist und zusätzlich durch eine Klebeverbindung ergänzt und abgedichtet wird. Dabei können die Basisplatte 10 und der Motorflansch 12 im Verbindungsbereich Aussparungen (Kleberillen) aufweisen, in welche der Klebstoff 32 eingebracht wird, um sowohl eine stoffschlüssige als auch eine formschlüssige Verbindung zu erreichen.
14 zeigt eine Basisplatte 10, in welche der Motorflansch 12 mittels einer reinen Fügeverbindung eingefügt ist. Die Abdichtung der Verbindungsstelle kann über eine Klebefolie 34, etwa in Form eines Etiketts, Labels oder ähnlichem erfolgen, die über den Verbindungsbereich zwischen Basisplatte 10 und Motorflansch 12 geklebt wird.
Die 15 bis 17 zeigen stoffschlüssige und formschlüssige Verbindungs-Varianten zwischen der Basisplatte 10 und dem Motorflansch 12, die mittels eines zusätzlichen eingesetzten Plastikteils 36 oder mittels Kunststoffspritzguss erfolgen. Durch das Einspritzen bzw. Einsetzen des Plastikteils 36 kann eine stoffschlüssige und vorzugsweise auch formschlüssige Verbindung zwischen Basisplatte 10 und Motorflansch 12 erreicht werden. Hierbei werden die Basisplatte 10 und der Motorflansch beispielsweise mittels Übergangspassung oder Losepassung zueinander ausgerichtet und dann der Kunststoff 36 in den Verbindungsbereich eingespritzt. Nach dem Aushärten des Kunststoffes entsteht eine stoffschlüssige, vorzugsweise auch formschlüssige und Gasdichte Verbindung.
Die 18 bis 20 zeigen Verbindungen zwischen der Basisplatte 10 und dem Motorflansch, wobei der Motorflansch 12 bei der Druckgussherstellung der Aluminiumbasisplatte 10 als Einlegeteil in die Basisplatte 10 eingegossen wird. Im Gegensatz zu beispielsweise 12 kann der obere Rand des Motorflansches eben mit der Oberfläche der Basisplatte 10 abschließen (19A). In 12 steht der obere Rand des Motorflansches 12 geringfügig über die Oberfläche der Basisplatte 10 hinaus.
Hierzu wird der Motorflansch 12 in die Druckgussform eingelegt und dann mit der Aluminium-Basisplatte 10 umgossen. An ihrem Außenumfang kann der Motorflansch 12 entsprechende Vorsprünge, Hinterschneidungen oder Nuten aufweisen, die eine formschlüssige und stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Motorflansch 12 und der Basisplatte gewährleisten. Bevorzugt wird hierdurch ein Trennen des Motorflansches 12 aus der Basisplatte 10 infolge von äußeren Schock- und Stosseinwirkungen verhindert.
Die 12, 13 und 21 zeigen einen Schnitt durch die Basisplatte 10 und den darin eingesetzten Motorflansch 12, wobei die Verbindung in diesen Beispielen mittels einer Klebeverbindung durchgeführt ist.
21 zeigt die Verbindung zwischen Basisplatte 10 und Motorflansch 12 mittels Übergangspassung oder Losepassung, wobei im Verbindungsbereich eine Klebeverbindung 38 angeordnet ist. Die Verbindungsflächen zwischen Basisplatte 10 und Motorflansch können glatt ausgebildet sein, wie es z. B. in 12 dargestellt ist, oder zumindest eine Verbindungsfläche kann eine oder mehrere Klebenuten aufweisen, wie es in 21 gezeigt ist.
21A zeigt eine im Verbindungsbereich abgestuft ausgebildete Basisplatte 10 und einen abgestuft ausgebildeten Motorflansch 12, wobei zwischen den Bauteilen 10, 12 sowohl eine Fügeverbindung entlang eines axial verlaufenden Fügespalts 55 als auch eine Klebeverbindung entlang eines radial und axial verlaufenden Klebespalts 56 besteht. Durch die Kombination von Fügeverbindung und Klebeverbindung wird eine große Festigkeit der Verbindung gewährleistet. Ferner können die Bauteile 10, 12 durch die Abstufungen in der Basisplatte 10 und dem Motorflansch 12 während der Verbindung genau zueinander ausgerichtet werden. Die Fügeverbindung kann als Presspassung oder als Übergangspassung ausgebildet sein.
Die bereits oben beschriebene 12 zeigt ebenfalls eine Klebeverbindung mit einem vergrößerten Klebevolumen 30.
Die bereits oben beschriebene 13 zeigt eine Klebeverbindung, wobei die Basisplatte 10 und der Motorflansch 12 Aussparungen 32 aufweisen, um sowohl eine stoffschlüssige als auch formschlüssige Verbindung zu erreichen.
Die 22 bis 25 zeigen einen vergrößerten Schnitt durch den Verbindungsbereich zwischen der Basisplatte 10 und dem Motorflansch 12. Die Verbindung der Basisplatte 10 und des Motorflansches 12 erfolgt bevorzugt mittels einer Klebeverbindung, die entlang eines Klebespaltes 56 vorgesehen ist. Im Verbindungsbereich weisen die Basisplatte 10 und der Motorflansch 12 zueinander passende Stufen oder Abschrägungen, d. h. zumindest partiell konisch verlaufende Flächen auf, durch welche die Verbindungslänge, also die Länge des Füge- beziehungsweise des Klebespaltes 56 vergrößert wird, so dass eine größere Klebefläche erzielt wird. Der Klebespalt ist relativ breit, so dass eine ausreichende Menge an Klebstoff verwendet werden kann und eine genaue Ausrichtung der Bauteile 10, 12 vor dem Aushärten der Klebeverbindung möglich ist. Zum Ausrichten werden die Bauteile 10, 12 in eine entsprechende Vorrichtung eingespannt so lange, bis der Klebstoff ausgehärtet oder zumindest angehärtet, d. h. partiell ausgehärtet ist. Zur Verbesserung des Formschlusses der Klebeverbindung können entlang des Klebespaltes 56 sowohl in der Basisplatte 10 als auch im Motorflansch 12 Aussparungen 58 oder dergleichen angeordnet sein, die als Kleberille zur Aufnahme von überschüssigem Klebstoff dienen.
Die 26 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung wie 22. Zwischen einer inneren Umfangsfläche der Basisplatte 10 und einer äußeren Umfangsfläche des Motorflansches 12 ist eine Verengung 60 des Klebespaltes vorgesehen. Diese Verengung dient zur gegenseitigen radialen Ausrichtung der beiden Bauteile 10 und 12. In 26 ist die Verengung am Motorflansch unterhalb der Stufe angeordnet.
27 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung wie 26, wobei die Verengung 60 an der Basisplatte 10 oberhalb der Stufe angeordnet ist.
28 zeigt eine Ausgestaltung bei der die Verengung 60 an der Basisplatte 10 unterhalb der Stufe angeordnet ist. Die Verengung 60 ist jeweils so positioniert, dass sie erst am Ende des Zusammenfügens der beiden Bauteile 10, 12 erreicht wird. Dadurch wird das Fügen und Zentrieren erleichtert.
Die 29 zeigt eine Verbindungsanordnung von Basisplatte 10 und Motorflansch 12 mit einem abgestuften Klebespalt 56. An den oberen Flächen der Bauteile 10 und 12 ist eine Abschrägung in Form einer Aussparung 62 vorgesehen. Es können eine oder mehrere solcher Aussparungen 62 vorgesehen sein. Nach dem Aushärten der Klebeverbindung zwischen dem Motorflansch 12 und der Basisplatte wird diese Aussparung 62 mit einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. einem leitfähigen Klebstoff, gefüllt, um eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen der Basisplatte 10 und dem Motorflansch herzustellen.
Die 31 zeigt eine Aufsicht auf den Bereich der Verbindung von 29 mit der Aussparung 62.
30 zeigt eine zu 29 analoge Ausführung, bei der die Aussparung 62 an den unteren Flächen der beiden Bauteile 10 und 12 angeordnet ist. Ist die Aussparung 62 umlaufend, so dient sie als Einführfase.
Um ein Verdrehen des Motorflansches 12 in der Basisplatte 10 zu verhindern, sind vorzugsweise verschiedene Ausgestaltungen einer Verdrehsicherung realisiert.
32 zeigt einen Motorflansch 12, der an seinem Außenumfang, also im späteren Verbindungsbereich mit der Basisplatte 10, mehrere Vorsprünge beispielsweise in Form von halbkreisförmigen Nasen 72 aufweist. Die Nasen 72 greifen in entsprechende Aussparungen der Basisplatte ein und gewährleisten eine verdrehsichere Verbindung zwischen Basisplatte 10 und Motorflansch 12.
33 zeigt einen Motorflansch 12, der an seinem Außenumfang eine Abflachung 74 aufweist. Die Abflachung 74 greift in eine entsprechende Abflachung der Basisplatte ein und bildet eine Verdrehsicherung.
34 zeigt einen Motorflansch 12, der an seinem Außenumfang, also im späteren Verbindungsbereich mit der Basisplatte 10, mehrere Aussparungen 76 aufweist. In diese Aussparungen 76 greifen entsprechende Vorsprünge der Basisplatte ein und gewährleisten eine verdrehsichere Verbindung zwischen Basisplatte 10 und Motorflansch 12.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

10, 110: Basisplatte
12, 112: Motorflansch
14, 114: Lagerbuchse
15, 115: Rotorbauteil
16, 116: Welle
16a, 116a: Stopperring
17, 117: Lagerspalt
118: Wellenbauteil
19, 119: Dichtungsspalt
120: Welle (T-förmig)
121: Lagerbauteil
22: Datumsfläche
23: Sitz Stator
24: Lagersitz (pivot)
25: Lagersitz (FDB)
26: Spannwerkzeug
28: Bearbeitungswerkzeug
30: Klebeverbindung
32: Klebeverbindung
34: Klebefolie
36: Kunststoff
38: Klebeverbindung
40, 140: Rotormagnet
42, 142: Zugring
44, 144: Statoranordnung
145: Freiraum
46, 146: Rezirkulationskanal
147: Dichtungsspalt
48, 148: Abdeckung
149: Pumpdichtung
50, 150: Axiallager
52 152: Radiallager
54, 154: Radiallager
55: Fügespalt
56: Klebespalt
58: Aussparung
60: Verengung
62: Aussparung
64, 164: Rotationsachse
66, 166: Speicherplatte
68: Klammer
168: Gewindering
70, 170: Schraube
72: Nase
74: Abflachung
76: Aussparung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008031618 A1 [0005]
DE 102010021238 A1 [0006]

Claims

Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks, mit einem feststehenden Motorbauteil (12, 14; 112, 116; 112, 118; 112, 120, 121) und einem mittels des fluiddynamischen Lagersystems gegenüber dem feststehenden Motorbauteil drehbar gelagerten drehbeweglichen Motorbauteil (15, 16; 114, 115)), und einem elektromagnetischen Antriebssystem (40, 44, 140, 144) zur Antrieb des drehbeweglichen Motorbauteils, wobei ein Motorflansch (12, 112) an einer Basisplatte (10, 110) befestigt ist, und der Spindelmotor auf dem Motorflansch (12, 112) aufgebaut ist.
Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorflansch (12, 112) aus Stahl besteht.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte (10, 110) aus Leichtmetall besteht.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorflansch (12, 112) stoffschlüssig mit der Basisplatte (10, 110) verbunden ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorflansch (12, 112) formschlüssig mit der Basisplatte (10, 110) verbunden ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorflansch (12, 112) kraftschlüssig mit der Basisplatte (10, 110) verbunden ist.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorflansch (12, 112) ein Einlegeteil der Basisplatte (10, 110) darstellt.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Motorbauteil den Motorflansch (12) und eine am Motorflansch angeordnete Lagerbuchse (14) umfasst.
Spindelmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorflansch (12) und die Lagerbuchse (14) einteilig ausgebildet sind.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Motorbauteil den Motorflansch (112) und eine am Motorflansch angeordnete Welle (116, 118, 120) umfasst.
Spindelmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorflansch (112) und die Welle (116) einteilig ausgebildet sind.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Motorbauteil den Motorflansch (112), ein am Motorflansch angeordnetes Lagerbauteil (121) und eine am Lagerbauteil angeordnete Welle (116) umfasst.
Spindelmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorflansch (112) und das Lagerbauteil (121) oder das Lagerbauteil (118) und die Welle (118) oder der Motorflansch, das Lagerbauteil und die Welle einteilig ausgebildet sind.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der fertig maschinierte Motorflansch (12, 112) mit der nicht fertig maschinierten Basisplatte (10, 110) verbunden wird, und die Basisplatte (10, 112) erst nach der Verbindung mit dem Motorflansch (12, 112) fertig maschiniert wird.
Spindelmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte (10, 110) relativ zur Position des mit der Basisplatte verbundenen Motorflansches (12, 112) fertig maschiniert wird.
Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (50, 150) und Mittel zur Erzeugung einer magnetischen Vorspannung für das Axiallager aufweist, wobei die Mittel zur Erzeugung der magnetischen Vorspannung den Motorflansch (12, 112) und einen Rotormagneten (40, 140) des elektromagnetischen Antriebssystems umfassen.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.