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TECHNISCHES GEBIET
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Ausführungsformen der Erfindung können allgemein Fluiddynamiklager und insbesondere eine Fluiddynamiklager-Rillenkonfiguration betreffen.
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STAND DER TECHNIK
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Eine Festplatte (HDD) ist eine nichtflüchtige Speichervorrichtung, die in einem schützenden Gehäuse untergebracht ist und digital codierte Daten auf einer oder mehreren kreisförmigen Platten mit magnetischen Oberflächen speichert. Wenn eine HDD im Betrieb ist, wird jede Magnetaufzeichnungsplatte schnell durch ein Spindelsystem gedreht. Unter Verwendung eines Lese-/Schreibkopfs, der durch ein Stellglied über einem spezifischen Ort einer Platte positioniert wird, werden Daten aus einer Magnetaufzeichnungsplatte gelesen und darauf geschrieben. Ein Lese-/Schreibkopf verwendet ein Magnetfeld zum Lesen von Daten aus der Oberfläche einer Magnetaufzeichnungsplatte und zum Schreiben von Daten auf diese. Schreibköpfe benutzen die durch eine Spule, die ein Magnetfeld produziert, fließende Elektrizität. Es werden elektrische Impulse zu dem Schreibkopf mit verschiedenen Mustern positiver und negativer Ströme gesendet. Der Strom in der Spule des Schreibkopfs induziert um die Lücke zwischen dem Kopf und der Magnetplatte herum ein Magnetfeld, das seinerseits einen kleinen Bereich auf dem Aufzeichnungsmedium magnetisiert.
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Das Spindelsystem zum Drehen der einen oder mehreren Platten umfasst typischerweise eine Motorbaugruppe (die manchmal als Spindelmotorbaugruppe bezeichnet wird), die eine Lagerbaugruppe umfasst. Ein Ansatz für eine Lagerbaugruppe ist die Verwendung eines Fluiddynamiklagers (FDB – Fluid Dynamic Bearing), das im Allgemeinen eine längere Lebensdauer als ein Kugellager aufweisen kann und für Umgebungen mit relativ starker Vibration und/oder rauscharmen Anforderungen besser geeignet ist. Wie bei vielen oder sogar allen dynamischen Systemen sind die Motorbaugruppe und ihrerseits die zugeordnete Lagerbaugruppe Vibrationskräften ausgesetzt und weisen deshalb einzigartige Vibrationskraftantworten auf. Im Kontext von HDDs können schlechte Vibrationsantworteigenschaften zum Beispiel bewirken, dass sich eine Aufzeichnungsplatte biegt und/oder ein Plattenstapel neigt und dergleichen. Diese Effekte können ihrerseits Spurfehlregistration (TMR) verursachen, wie etwa nichtwiederholbares Auslaufen (NRRO). Ferner verlangen Kunden die Erfüllung strenger Leistungsfähigkeitsanforderungen, zu denen Geräuschanforderungen wie auch Vibrationsanforderungen gehören können, die im Allgemeinen den Betriebswiderstand in Bezug auf oder Betriebstoleranz von Vibrationskräften einer HDD betreffen. Verbesserungen der Vibrationskraftantworten sind somit ein häufiges Problem, dem sich Ingenieure und Entwickler von dynamischen Systemen, Systemen, die durch äußere Vibrationen beeinflusst werden, und dergleichen gegenüber sehen.
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Jegliche in diesem Abschnitt beschriebene Ansätze sind Ansätze, die verfolgt werden könnten, aber nicht unbedingt Ansätze, die zuvor erdacht oder verfolgt wurden. Sofern es nicht anders angegeben ist, sollte deshalb nicht angenommen werden, dass sich irgendwelche der in diesem Abschnitt beschriebenen Ansätze lediglich mittels ihrer Aufnahme in diesen Abschnitt als Stand der Technik qualifizieren.
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KURZFASSUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein Fluiddynamiklager (FDB), eine Festplatte, die ein solches FDB umfasst, und zugeordnete Verfahren zur Dämpfung eines FDB-Stützlagers. Ein FDB gemäß Ausführungsformen umfasst eine Rillenkonfiguration mit einem druckerzeugenden Rillenmuster und umfasst zusätzlich eine an das druckerzeugende Rillenmuster angrenzende Umfangsrille und ein an die Umfangsrille angrenzendes Pumprillenmuster. Die Rillenkonfiguration kann an der Lagerachse oder der Lagerbuchse implementiert werden, gleichgültig, ob sich jede jeweilige Komponente dreht oder statisch ist. Eine solche FDB-Rillenkonfiguration für ein Stützlager stellt wahrscheinlich zum Beispiel verbesserte Dämpfungseigenschaften bereit, während relative Steifigkeit aufrechterhalten wird, um dadurch die Vibrationsantwort zu verbessern.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen erstreckt sich die Umfangsrille über 360 Grad, und die Pumprille ist an oder nahe dem Eingang in einen Lagerstützbereich, d. h. dem Rillenkonfigurationsbereich, positioniert. Ferner sind bei anderen Ausführungsformen die jeweiligen Tiefen jeder der Rillen beteiligt, aus denen die Rillenkonfiguration besteht, wobei die Umfangsrille tiefer als die zugeordneten Pump- und Druckerzeugungsrillenmuster ist.
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In dem Abschnitt der Kurzfassung von Ausführungsformen besprochene Ausführungsformen sollen nicht alle besprochenen Ausführungsformen nahelegen, beschreiben oder lehren. Somit können Ausführungsformen der Erfindung zusätzliche oder andere Merkmale als die in diesem Abschnitt besprochenen enthalten. Ferner ist keine Beschränkung, kein Element, keine Eigenschaft, kein Merkmal, kein Vorteil, kein Attribut oder dergleichen, die in diesem Abschnitt ausgedrückt werden, die nicht ausdrücklich in einem Anspruch angeführt werden, auf irgendeine Weise eine Beschränkung des Schutzumfangs irgendeines Anspruchs.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen werden anhand von Beispielen und nicht zur Beschränkung in den Figuren der beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen sich gleiche Bezugszahlen auf ähnliche Elemente beziehen. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht einer Festplatte gemäß einer Ausführungsform;
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2 eine perspektivische Explosionsansicht eines Fluiddynamiklagers gemäß einer Ausführungsform;
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3 eine Querschnittsansicht einer Spindelmotorbaugruppe gemäß einer Ausführungsform;
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4A eine Darstellung eines Druckerzeugungs-Rillenmusters, das einem Fluiddynamiklager zugeordnet ist;
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4B eine Darstellung einer Rillenkonfiguration, die einem Fluiddynamiklager zugeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform;
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4C eine Darstellung der relativen Tiefen entsprechend der Rillenkonfiguration von 4B gemäß einer Ausführungsform; und
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5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Dämpfung eines Fluiddynamik-Stützlagers gemäß einer Ausführungsform.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es werden Verbesserungen eines Fluiddynamiklagers (FDB) beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zur Erläuterung zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung zu gewährleisten. Es versteht sich jedoch, dass die Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten praktiziert werden können. In anderen Fällen sind wohlbekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdarstellungsform gezeigt, um eine unnötige Verschleierung der Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung zu vermeiden.
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PHYSISCHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER BETRIEBSUMGEBUNGEN
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Ausführungsformen können, aber ohne Beschränkung darauf, für eine Spindelmotorbaugruppe für eine Festplatten- bzw. HDD-Speichervorrichtung verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform ist somit in 1 eine Draufsicht einer HDD 100 gezeigt, um eine beispielhafte Betriebsumgebung darzustellen.
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1 zeigt die Funktionsanordnung von Komponenten der HDD 100 einschließlich eines Gleiters 110b, der einen magnetischen Lese-/Aufzeichnungskopf 110a umfasst. Zusammen können der Gleiter 110b und der Kopf 110a als Kopfgleiter bezeichnet werden. Die HDD 100 umfasst mindestens eine Kopfkragträgerbaugruppe (HDA) 110, die den Kopfgleiter, eine Führungsaufhängung 110c, die in der Regel über eine Flexur an dem Kopfgleiter angebracht ist, und einen an der Führungsaufhängung 110c angebrachten Anspannungsbalken 110d umfasst. Die HDD 100 umfasst außerdem mindestens ein Magnetaufzeichnungsmedium 120, das drehbar auf einer Spindel 124 angebracht ist, und einen an der Spindel 124 angebrachten Antriebsmotor (nicht sichtbar) zum Drehen des Mediums 120. Der Kopf 110a umfasst ein Schreibelement und ein Leseelement zum Schreiben bzw. Lesen von Informationen, die auf dem Medium 120 der HDD 100 gespeichert werden. Das Medium 120 oder mehrere Plattenmedien können mit einer Plattenklemme 128 an der Spindel 124 befestigt werden.
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Das HDD 100 umfasst ferner einen an der HGA 110 angebrachten Arm 132, einen Wagen 134, einen Schwingspulenmotor (VCM) mit einer Armatur 136 mit einer an dem Wagen 134 angebrachten Schwingspule 140; und einen Stator 144 mit einem (nicht gezeigten) Schwingspulenmagneten. Die Armatur 136 des VCM ist an dem Wagen 134 angebracht und dafür ausgelegt, den Arm 132 und die HGA 110 zu Zugriffsteilen der Platte 120 zu bewegen, die an einem Schwenkschaft 148 mit dazwischen gestellter Schwenklagerbaugruppe 152 angebracht sind. Im Fall eines HDD mit mehreren Platten oder Disks nennt man den Wagen 134 einen „E-Block” oder Kamm, weil der Wagen dafür ausgelegt ist, eine verbundene Gruppe von Armen zu tragen, die ihm das Aussehen eines Kamms gibt.
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Eine Baugruppe, die eine Kopfkragträgerbaugruppe (z. B. HDA 110) umfasst, einschließlich einer Flexur, mit der der Kopfgleiter gekoppelt ist, eines Stellarms (z. B. Arm 132) und/oder Anspannungsbalkens, mit dem die Flexur gekoppelt ist, und eines Stellgliedes (z. B. VCM), mit dem der Stellarm gekoppelt ist, kann zusammen als Kopfstapelbaugruppe (HSA) bezeichnet werden. Eine HSA kann jedoch mehr oder weniger Komponenten als die beschriebenen umfassen. Zum Beispiel kann sich eine HSA auf eine Baugruppe beziehen, die ferner elektrische Verbindungskomponenten umfasst. Im Allgemeinen ist eine HSA die Baugruppe, die dafür ausgelegt ist, den Kopfgleiter zu bewegen, um auf Teile des Mediums 120 für Lese- und Schreiboperationen zuzugreifen.
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Mit weiterem Bezug auf 1 werden elektrische Signale, zum Beispiel Strom für die Schwingspule 140 des VCM, die ein Schreibsignal zu oder ein Lesesignal aus dem Kopf 110a umfassen, durch ein flexibles Verbindungskabel 156 („Flex-Kabel”) bereitgestellt. Die Verbindung zwischen dem Flex-Kabel 156 und dem Kopf 110a kann durch ein Armelektronik- bzw. AE-Modul 160 bereitgestellt werden, das einen Onboard-Vorverstärker für das Lesesignal sowie andere Lesekanal- und Schreibkanal-Elektronikkomponenten aufweisen kann. Das AE 160 kann wie gezeigt an dem Wagen 134 angebracht sein. Das Flex-Kabel 156 ist mit einem elektrischen Verbinderblock 164 gekoppelt, der elektrische Kommunikation durch durch ein HDD-Gehäuse 168 bereitgestellte elektrische Durchführungen bereitstellt. Das HDD-Gehäuse 168, das auch als Basis bezeichnet wird, in Verbindung mit einer HDD-Abdeckung stellt ein versiegeltes schützendes Gehäuse für die Informationsspeicherkomponenten des HDD 100 bereit.
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Andere elektronische Komponenten, darunter ein Plattencontroller und Servoelektronik, einschließlich eines digitalen Signalprozessors (DSP), führen dem Antriebsmotor, der Schwingspule 140 des VCM und dem Kopf 110a der HGA 110 elektrische Signale zu. Das dem Antriebsmotor zugeführte elektrische Signal ermöglicht dem Antriebsmotor, sich zu drehen, wodurch der Spindel 124 ein Drehmoment vermittelt wird, das seinerseits auf die Platte 120 übertragen wird, die an der Spindel 124 befestigt ist. Als Ergebnis dreht sich die Platte 120 in einer Richtung 172. Die sich drehende Platte 120 erzeugt ein Luftkissen, das als Luftlager wirkt, worauf die Luftlager-Oberfläche (ABS) des Gleiters 110b reitet, so dass der Gleiter 110b über der Oberfläche der Platte 120 fliegt, ohne mit einer dünnen Magnetaufzeichnungsschicht, in dem Informationen aufgezeichnet werden, in Kontakt zu kommen.
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Das der Schwingspule 140 des VCM zugeführte elektrische Signal ermöglicht dem Kopf 110a der HGA 110, auf eine Spur 176 zuzugreifen, auf der Informationen aufgezeichnet sind. Die Armatur 136 des VCM schwingt somit durch einen Bogen 180, wodurch dem Kopf 110a an der HGA 110 ermöglicht wird, auf verschiedene Spuren auf der Platte 120 zuzugreifen. Informationen werden auf der Platte 120 in mehreren radial vernesteten konzentrischen Spuren gespeichert, die in Sektoren auf der Platte 120, zum Beispiel Sektor 184, angeordnet sind. Entsprechend besteht jede Spur aus mehreren sektorisierten Spurteilen zusammengesetzt, zum Beispiel dem sektorisierten Spurteil 188. Jeder sektorisierte Spurteil 188 kann aus aufgezeichneten Daten und einem Kopfteil bestehen, der ein Servo-Burstsignalmuster, zum Beispiel ein ABCD-Servo-Burstsignalmuster, Informationen, die die Spur 176 identifizieren, und Fehlerkorrekturcodeinformationen enthält. Beim Zugreifen auf die Spur 176 liest das Leseelement des Kopfs 110a der HGA 110 das Servo-Burstsignalmuster, das ein Positionsfehlersignal (PES) der Servoelektronik zuführt, die das der Schwingspule 140 des VCM zugeführte elektrische Signal steuert, wodurch es dem Kopf 110a ermöglicht wird, der Spur 176 zu folgen. Wenn die Spur 176 gefunden und ein bestimmter sektorisierter Spurteil 188 identifiziert wird, liest der Kopf 110a entweder Daten aus der Spur 176 oder schreibt Daten in die Spur 176, abhängig von Anweisungen, die der Plattencontroller von einem externen Agenten, zum Beispiel einem Mikroprozessor eines Computersystems, erhält.
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Die elektronische Architektur einer HDD umfasst zahlreiche elektronische Komponenten zum Ausführen ihrer jeweiligen Funktionen zum Betrieb einer HDD, wie etwa einen Festplattencontroller („HDC”), einen Schnittstellencontroller, ein Armelektronikmodul, einen Datenkanal, einen Motortreiber, einen Servoprozessor, Pufferspeicher usw. Zwei oder mehr solcher Komponenten können auf einer einzigen integrierten Schaltungsleiterplatte kombiniert werden, die als „System auf einem Chip” („SOC”) bezeichnet wird. Mehrere, wenn nicht alle dieser elektronischen Komponenten werden typischerweise auf einer Leiterplatte angeordnet, die mit der Unterseite einer HDD gekoppelt ist, wie etwa dem HDD-Gehäuse 168.
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Vorliegende Erwähnungen einer Festplatte, wie etwa der in Bezug auf 1 dargestellten und beschriebenen HDD 100, können eine Datenspeichervorrichtung einschließen, die manchmal als „Hybridlaufwerk” bezeichnet wird. Ein Hybridlaufwerk bezieht sich im Allgemeinen auf eine Speichervorrichtung, die Funktionalität sowohl einer traditionellen HDD (siehe z. B. die HDD 100) aufweist, kombiniert mit einer Halbleiterspeichervorrichtung (SSD), die nichtflüchtigen Speicher, wie etwa Flash- oder anderen Halbleiterspeicher (z. B. integrierte Schaltungen) verwendet, der elektrisch löschbar und programmierbar ist. Da Betrieb, Verwaltung und Steuerung der verschiedenen Arten von Speichermedien typischerweise unterschiedlich sind, kann der Halbleiterteil eines Hybridlaufwerks seine eigene entsprechende Controllerfunktionionalität umfassen, die zusammen mit der HDD-Funktionalität in einen einzigen Controller integriert werden kann. Ein Hybridlaufwerk kann dafür konstruiert und ausgelegt werden, den Halbleiterteil auf eine Anzahl von Weisen zu betreiben und zu benutzen, wie etwa, als nichteinschränkende Beispiele, durch Verwendung des Halbleiterspeichers als Cache-Speicher zum Speichern von Daten, auf die häufig zugegriffen wird, zum Speichern von E/A-intensiven Daten und dergleichen. Ferner kann ein Hybridlaufwerk im Wesentlichen als zwei Speichervorrichtungen in einem einzigen Gehäuse, d. h. eine traditionelle HDD und ein SSD, konstruiert und ausgelegt werden, mit entweder einer oder mehreren Schnittstellen zur Hostverbindung.
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EINLEITUNG
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Der achsenverbundene Fluiddynamiklager- bzw. FDB-Entwurf wird oft für hochbelastete Festplatten (HDD) verwendet, um Strukturstarre zu verbessern. Es sind zwei Arten von achsenverbundenen FDB-Entwürfen populär, wobei einer eine konische Form aufweist und der andere ein Spulentyp ist. Bei einem FDB konischer Form weisen die obere und untere Konusoberfläche beide größere Durchmesser auf, die höhere strukturelle Steifigkeit, höhere FDB-Steifigkeit und höheren Betriebsstrom gewährleisten. Die höhere strukturelle Steifigkeit kann die Vibrationsantwort, insbesondere im Frequenzbereich über 1500 Hz verringern. Der höhere Betriebsstrom kann Implementierungen des konischen FDB-Entwurfs bei HDDs mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit (> 15000 rpm) und relativ hohem Plattenzählwert jedoch begrenzen.
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Im Gegensatz dazu verbrauchen achsenverbundene FDB-Entwürfe des Spulentyps signifikant weniger Betriebsstrom und sind ein besserer Kandidat für HDD-Anwendungen mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit. Die strukturelle Steifigkeit eines achsenverbundenen Entwurfs des Spulentyps ist jedoch geringer als bei einem konischen FDB-Entwurf und kann ihn deshalb höheren Vibrationsantworten aussetzen, insbesondere im Hochfrequenzbereich, wie etwa in einem FDB-Radialmodus (z. B. etwa 3 kHz). Neben dem Vergrößern der strukturellen Steifigkeit der HDD ist ein Ansatz zur Verbesserung der FDB- und HDD-Plattenpack-Vibrationsantwort im FDB-Radialmodus die Verringerung von FDB-Dämpfungskoeffizienten. Die Verringerung der FDB-Dämpfung erfolgt jedoch oft auf Kosten verringerter FDB-Steifigkeit. Darin liegt mindestens eines der Probleme, die der Verbesserung der Vibrationsantwort einer HDD zugeordnet sind, das heißt, Verringerung der Dämpfung und der Aufrechterhaltung der Steifigkeit.
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Ein typischer achsenverbundener FDB-Entwurf des Spulentyps umfasst zwei Stützlager, und der Fischgräten-Rillenentwurf ist der üblichste Entwurf, der hohe Lagersteifigkeit und -stabilität gewährleistet. Die Steifigkeit und Dämpfungskoeffizienten eines FDB werden bestimmt durch (1) Lagergeometrie wie Durchmesser, Lagerradiallücke, Lagerlänge; (2) Lagerrillenmuster, wie Rillenwinkel, Rillentiefe, Rillenbreite; und (3) Betriebsgeschwindigkeit, Temperatur und Schmiermitteleigenschaften. Ein unkomplizierter Ansatz zur Verringerung der FDB-Dämpfung ist die Vergrößerung der Lagerradiallücke, aber gleichzeitig wird die FDB-Steifigkeit proportional verringert. Zu anderen Ansätzen zur Verringerung der FDB-Dämpfung kann Optimierung von Rillenmustern gehören, die FDB-Steifigkeit sollte jedoch weiterhin auf demselben Niveau gehalten werden.
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Weiterhin ist ein typisches Druckerzeugungs-Rillenmuster dafür ausgelegt, Fluid aus beiden Richtungen einzusaugen. Ein derartiges Rillenmuster kann jedoch Schwierigkeiten erfahren, der Lagerstützregion genug Fluid zuzuführen und es schnell genug zuzuführen, um die Achse so zu stützen, wie es erwünscht sein kann. Ein typisches Druckerzeugungs-Rillenmuster kann zum Beispiel an jedem Ende (d. h. an jeder „Eintrittsregion”) geringen Druck erfahren, tatsächlich manchmal weniger als Umgebungsdruck, was der Lagerleistungsfähigkeit abträglich ist. Eine Erhöhung des Drucks in der Eintrittsregion ist deshalb wünschenswert, um die Dämpfungseigenschaften des FDB unter Aufrechterhaltung der Steifigkeit zu verringern.
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FLUIDDYNAMIKLAGER
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2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Fluiddynamiklagers gemäß einer Ausführungsform. Eine übliche Konfiguration für ein Fluiddynamiklager (FDB) wie das FDB 200 umfasst ein Gehäuse 202, das eine Buchse 204 einschließt, in der eine Achse 206 angeordnet ist. In einer Lücke zwischen der Achse 206 und der Buchse 204 ist ein Fluid eingeschlossen. Das Fluid wird durch die Drehbewegung der Achse oder der Buchse, je nachdem wie es der Fall ist, im Stützbereich, d. h. dem Teil der Achse 206, der auf dem Lagerfluid ruht, unter Druck gesetzt. Es ist üblich, Rillenmuster in der Lücke zu verwenden, um beim Unterdrucksetzen und Lenken des Lagerfluids zu helfen, so wie es hier ausführlicher erläutert wird. Ferner kann ein Fluiddynamiklager auch ein Axiallager 208 am Boden und in Kontakt mit der Achse 206 umfassen, wobei das FDB 200 in diesem Fall sowohl eine vorherrschend radiale Lagerung der Achse, die im Stützbereich bzw. den Stützbereichen großteils mittels der Achse 206 und der Buchse 204 angewandt wird, als auch vorherrschend axiale (oder Axialdruck-)Lagerung der Achse großenteils mittels der Komponente des Axiallagers 208 des FDB 200 bereitstellt.
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3 ist eine Querschnittsansicht einer Spindelmotorbaugruppe gemäß einer Ausführungsform. Insbesondere ist die in 3 dargestellte Spindelmotorbaugruppe 300 im Kontext einer Festplatte (HDD) abgebildet, die eine oder mehrere Aufzeichnungsplatten 312 (oder im Allgemeinen „Aufzeichnungsmedien”) umfasst, die drehbar mit einer Spindelmotorbaugruppe gekoppelt sind, die typischerweise an einer HDD-Basis 314 angebracht ist. In der Mitte der Spindelmotorbaugruppe 300 ist ein FDB abgebildet und stellt die Drehachse für die eine oder mehreren Aufzeichnungsplatten 312 bereit.
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Ähnlich wie bei dem FDB 200 von 2 umfasst das in 3 abgebildete FDB Fluid und eine Achse 306 in einer Buchse 304 angeordnet, in einem Gehäuse 306 untergebracht und durch eine Versiegelung 310 versiegelt. 3(a) zeigt ein Druckerzeugungs-Rillenmuster (303), das auf der innere Oberfläche der Buchse 304 gebildet ist, wobei das abgebildete Rillenmuster 303 gewöhnlich als Fischgräten-Rillenmuster bezeichnet wird. Das Rillenmuster 303 wirkt zum Erzeugen von Fluiddruck und Sammeln des Fluids (z. B. im Fall eines Fischgräten-Rillenmusters am spitzen Ende der zwei Flügel des Fischgrätenmusters), um dadurch eine fokussierte oder lokalisierte Lagerkraft bereitzustellen. Die Form des Druckerzeugungs-Rillenmusters für ein FDB kann von Implementierung zu Implementierung unterschiedlich sein und das Fischgräten-Rillenmuster wird deshalb hier für Beispielzwecke abgebildet und basiert auf seiner relativ häufigen Verwendung.
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Außerdem ist in 3 ein Axiallager 308 gezeigt, das ein Spiralrillenmuster wie in 3(b) abgebildet aufweist. Spiralrillen-Axiallager dienen zum Verringern von Reibung und Abnutzung ohne Benutzung von unter Druck gesetzten Schmiermitteln. Hauptsächlich aufgrund des Rillenmusters eines Axiallagers erzeugt die Lagerdrehung den zum Trennen der Lageroberflächen benötigten Druck. Der Gebrauch eines Axiallagers kann von Implementierung zu Implementierung unterschiedlich sein, und deshalb erfordern Ausführungsformen nicht unbedingt ein Axiallager, sofern es nicht spezifisch in einem Anspruch angeführt wird. Wie beim FDB kann die Form des Druckerzeugungs-Rillenmusters für ein Axiallager von Implementierung zu Implementierung zu Implementierung unterschiedlich sein, und deshalb ist das Spiralrillenmuster hier für Beispielzwecke abgebildet und auf der Basis seiner relativ häufigen Verwendung.
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Fluiddynamiklager-Rillenkonfiguration
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4A ist eine Darstellung eines Druckerzeugungs-Rillenmusters, das einem Fluiddynamiklager (FDB) zugeordnet ist. Jedes Druckerzeungs-Rillenmuster 303a und Druckerzeugungs-Rillenmuster 303b wirkt zum Erzeugen von Fluiddruck und Sammeln des Fluids, um dadurch eine fokussierte oder lokalisierte Lagerkraft bereitzustellen. Die Form der Druckerzeugungsrillenmuster 303a, 303b ähnelt dem üblicherweise als Fischgräten-Rillenmuster bezeichneten, einem üblichen im HDD-Gebiet bekannten Rillenmuster.
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4B ist eine Darstellung einer Rillenkonfiguration, die einem Fluiddynamiklager (FDB) zugeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform. 4B zeigt zwei Rillenkonfigurationen, die Rillenkonfiguration 403a und die Rillenkonfiguration 403b. Zum Beispiel kann eine Rillenkonfiguration 403a als Teil eines fluiddynamischen Stützlagers (z. B. eines oberen Lagers) und die andere Rillenkonfiguration 403b als Teil eines anderen fluiddynamischen Stützlagers (z. B. eines unteren Lagers) verwendet werden. Die Anzahl der verwendeten FDB kann jedoch von Implementierung zu Implementierung unterschiedlich sein, und dementsprechend kann eine zugeordnete Spindelmotorbaugruppe oder eine zugeordnete Festplatte zum Beispiel mit nur einem einzigen FDB konfiguriert sein.
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Jedes Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a und Druckerzeugungs-Rillenmuster 403b wirkt zum Erzeugen von Fluiddruck und Sammeln des Fluids, um dadurch eine fokussierte oder lokalisierte Lagerkraft bereitzustellen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Rillenkonfiguration 403a ein Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1, eine an das Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1 angrenzende Umfangsrille 403a-2 und ein an die Umfangsrille 403a-2 angrenzendes Pumprillenmuster 403a-3. Die Form der Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1 kann von Implementierung zu Implementierung unterschiedlich sein. Gemäß einer Ausführungsform ähnelt das Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1 dem üblicherweise als Fischgräten-Rillenmuster bezeichneten. Wie besprochen wirkt ein Fischgräten-Rillenmuster zum Pumpen von Öl oder anderem Fluid zur Spitze des Rillenmusters, um dadurch in diesem lokalisierten Bereich eine Druckspitze zu erzeugen, die ihrerseits die Lastkapazität des entsprechenden FDB vergrößert.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Umfangsrille 403a-2 über 360 Grad. Zum Beispiel würde sich bei einer Rillenkonfiguration 403a, die auf einer FDB-Buchse konfiguriert ist, die Umfangsrille 403a-2 über 360 Grad erstrecken, oder über den gesamten Umfang der Buchse. Ähnlich würde sich bei einer Rillenkonfiguration 403a, die an einer FDB-Achse konfiguriert ist, die Umfangsrille 403a-2 über 360 Grad erstrecken, oder ganz um den Umfang der Achse. Die Verwendung einer Rille, wie etwa der Umfangsrille 403a-2 in einem FDB hat sich als die Dämpfung des FDB auf die Größenordnung von etwa 25% als nichteinschränkendes Beispiel reduzierend gezeigt, verglichen mit einem ähnlichen FDB-Entwurf, der keine solche Rille umfasst. Die Verwendung einer Rille wie etwa der Umfangsrille 403a-2 in einem FDB hat sich ferner als die Dämpfung des FDB verringernd gezeigt, ohne die Steifigkeit des FDB zu verringern, d. h. unter Aufrechterhaltung der Steifigkeit des FDB, wieder im Vergleich mit einem ähnlichen FDB-Entwurf, der keine solche Rille umfasst. Mindestens ein Teil des Grundes für den obigen Effekt der Umfangsrille 403a-2 basiert auf der relativen Tiefe der verschiedenen Komponenten der Rillenkonfiguration 403a, die mit Bezug auf 4C ausführlicher beschrieben wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Pumprillenmuster 403a-3 an oder in der Nähe der Eintrittsregion des FDB positioniert, d. h. am Eingang in die Rillenregion, wie gezeigt. Gemäß einer Ausführungsform ähnelt das Pumprillenmuster 403a-3 einer Verlängerung des Druckerzeugungs-Rillenmusters 403a-1. Wenn zum Beispiel das Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1 als ein Fischgräten-Rillenmuster implementiert wird, ähnelt das Pumprillenmuster 403a-3 einer Verlängerung dieses Fischgräten-Rillenmusters, bis auf die Unterbrechung des Musters entsprechend der Umfangsrille 403a-2, wie in 4B abgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Pumprillenmuster 403a-3 dafür ausgelegt, den Fluss des Fluids (z. B. Öl oder ein anderes Schmiermittel), das in dem FDB eingeschlossen ist, in einer bestimmten Richtung oder bei oder über einem bestimmten Mindestdruck zu halten, wobei die Einzelheiten von beidem von Implementierung zu Implementierung unterschiedlich sein können. Zum Beispiel kann das Pumprillenmuster 403a-3 beim Aufrechterhalten des Flusses des Fluids über die Umfangsrille 403a-2 und in die Region des Druckerzeugungs-Rillenmusters 403a-1 und letztendlich in die gewünschte Region des Druckerzeugungs-Rillenmusters 403a-1 (z. B. die Spitze eines Fischgrätenmusters) helfen und auch dabei helfen, den Fluiddruck hoch genug zu halten, um den Druckabfall oder die Druckstagnation zu überwinden, die andernfalls einer Auswirkung der Umfangsrille 403a-2 entsprechen könnten.
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Mit diesen zusätzlichen Rillen an der Eingangsregion kann die FDB-Steifigkeit etwa gleich gehalten werden, während die FDB-Dämpfung verringert wird und deshalb die Vibrationskraftantworten verbessert werden. Diese zusätzlichen Rillen an der Eingangsregion können auch die FDB-Zuverlässigkeit verbessern. Während Start-Stopp-Operationen müssen die sich drehenden Teile auf die stationären Teile herunterkommen, so dass die zwei Eintrittsregionen des oberen und unteren Stützlagers einem Start-Stopp-Herunterkommen ausgesetzt sind. Nach tausenden Start-Stopp-Zyklen zeigen die beiden Eintrittsregionen gewöhnlich Abnutzung, z. B. kann das Rillenmuster abgenutzt werden. Die zusätzlichen Rillen an der Eintrittsregion können die Zuverlässigkeit z. B. des Druckerzeugungs-Rillenmusters über die sich wiederholenden Zyklen von FDB-Start-Stopp-Operationen jedoch verbessern.
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Ähnlich wie bei der Rillenkonfiguration 403a kann gemäß einer Ausführungsform ein FDB eine andere Rillenkonfiguration 403b aufweisen, die in 4B einfach als eine Spiegelkonfiguration der Rillenkonfiguration 403a gezeigt ist. Somit umfasst die Rillenkonfiguration 403b ein Druckerzeugungs-Rillenmuster 403b-1, eine Umfangsrille 403b-2 und ein Pumprillenmuster 403-3. Die obige Beschreibung, die der Rillenkonfiguration 403a entspricht, gilt ferner für die Rillenkonfiguration 403b und wird deshalb der Kürze und Klarheit halber hier nicht wiederholt. Man beziehe sich somit auf die Beschreibung, die dem Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1, der Umfangsrille 403a-2 und dem Pumprillenmuster 403a-3 zugeordnet ist, für Informationen über das ähnliche Druckerzeugungs-Rillenmuster 403b-1, die ähnliche Umfangsrille 403b-2 und das ähnliche Pumprillenmuster 403b. Man beachte jedoch, dass die Rillenkonfiguration 403a und die Rillenkonfiguration 403b nicht gleich oder ähnlich konfiguriert sein müssen und dass die Anzahl der FDB von Implementierung zu Implementierung unterschiedlich sein kann.
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4C ist ein Diagramm der relativen Tiefen entsprechend der Rillenkonfiguration von 4B gemäß einer Ausführungsform. In der Mittenregion zwischen den Rillenkonfigurationen 403a, 403b entsprechend oberen und unteren FDB repräsentiert die Tiefe 410 die Stützlager-Radiallücke zwischen der FDB-Achse und der Buchse, z. B. die Lücke zwischen der Achse 206 und der Buchse 204 (2) in der ungerillten Region. Dies ist eine Reservoirregion und weist deshalb eine durch die Tiefe 410 dargestellte relativ signifikante Lücke auf.
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Die Druckerzeugungs-Rillentiefe 408 ist als signifikant weniger tief als die durch die Tiefe 410 abgebildete Reservoirradiallücke abgebildet, wodurch dargestellt wird, dass die Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1, 403b-1 Rillen umfassen, die um eine bestimmte Distanz in dem Material der Buchse 204 oder Achse 206 (2) ausgespart (für ein nichteinschränkendes Beispiel maschinenbearbeitet) sind. Für ein nichteinschränkendes Beispiel kann die Stützlager-Reservoiraussparungstiefe 410 etwa 20–50 Mikrometer betragen, während die Druckerzeugungs-Rillentiefe 408 etwa 2–9 Mikrometer betragen kann. An diesem Punkt ist zu beachten, dass 4C nicht dafür gedacht ist, als genauer Maßstab gezeichnet zu sein, stattdessen soll 4C eine allgemeine Visualisierung und Konzeptualisierung relativer Tiefen bereitstellen, die den hier beschriebenen Rillenkonfigurationen 403a, 403b zugeordnet sind.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 4C ist gemäß einer Ausführungsform die Umfangsrillentiefe 406 tiefer als die Druckerzeugungsrillentiefe 408 abgebildet, um dadurch zu veranschaulichen, dass die Umfangsrillen 403a-2, 403b-2 relativ und im Wesentlichen tiefe Rillen sind, die um eine bestimmte Distanz tiefer in dem Material der Buchse 204 oder der Achse 206 (2) ausgespart (für ein nichteinschränkendes Beispiel maschinenbearbeitet) sind als die jeweiligen Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1, 403b-1, wie durch die Druckerzeugungs-Rillentiefe 408 repräsentiert. Man beachte ferner auch, dass gemäß einer Ausführungsform die Umfangsrillentiefe 406 tiefer als die Pumprillentiefe 404 abgebildet ist, um dadurch zu veranschaulichen, dass die Umfangsrillen 403a-2, 403b-2 relativ und im Wesentlichen tiefe Rillen sind, die um eine bestimmte Distanz tiefer in dem Material der Buchse 204 oder Achse 206 (2) ausgespart sind als die jeweiligen Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1, 403b-1 und die jeweiligen Pumprillenmuster 403a-3, 403b-3. Der tatsächliche Wert der Tiefe 406 kann von Implementierung zu Implementierung unterschiedlich sein, aber es ist mindestens teilweise die Konfiguration der Umfangsrillentiefe 406, die sich auf die Dämpfung oder Dämpfungsfähigkeit des entsprechenden FDB auswirkt.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 4C ist gemäß einer Ausführungsform die Pumprillentiefe 404 tiefer als die Druckerzeugungs-Rillentiefe 408 abgebildet, um dadurch zu veranschaulichen, dass die Pumprillenmuster 403a-3, 403b-3 relativ tiefere Rillen sind, die eine bestimmte Distanz tiefer in dem Material der Buchse 204 oder Achse 206 (2) ausgespart (für ein nichteinschränkendes Beispiel maschinenbearbeitet) sind als die jeweiligen Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1, 403b-1, aber nicht so tief wie die jeweiligen Umfangsrillenmuster 403a-2, 403b-2, wie durch die Umfangsrillentiefe 406 repräsentiert. Der tatsächliche Wert der Tiefe 404 kann von Implementierung zu Implementierung unterschiedlich sein, es ist aber mindestens teilweise die Konfiguration der Pumprillentiefe 404 sowie ihre Form und Gestalt, die sich auf die entsprechende FDB-Fluidflussrichtung und den entsprechenden FDB-Fluidflussdruck auswirkt, um zumindest teilweise einige der unerwünschten Effekte der Umfangsrille 403a-2, 403b-2 effektiv auszugleichen. Vorzugsweise und als nichteinschränkendes Beispiel ist die effektive „Stärke” des Pumprillenmusters (z. B. 403a-3) kleiner als die des Druckerzeugungs-Rillenmusters (z. B. 403a-1), um dadurch eine kleinere Flussrate und einen kleineren Druck als das Druckerzeugungs-Rillenmuster zu erzeugen, mindestens teilweise auf der Basis der relativen Tiefen der Pumprillentiefe 404 und der Druckerzeugungs-Rillentiefe 408.
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Als letztes ist gemäß einer Ausführungsform eine Eintrittsregionentiefe 402 tiefer als die Druckerzeugungs-Rillentiefe 408 abgebildet, um dadurch zu veranschaulichen, dass die Eintrittsregion relativ tiefer in dem Material der Buchse 204 oder Buchse 206 (2) ist als die jeweiligen Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1, 403b-1, aber nicht so tief wie die jeweiligen Umfangsrillenmuster 403a-2, 403b-2. Der tatsächliche Wert der Tiefe 404 kann von Implementierung zu Implementierung unterschiedlich sein und ist für beispielhafte Zwecke als etwa dieselbe Tiefe wie Pumprillentiefe 404 abgebildet.
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Gemäß Ausführungsformen können die Rillenkonfiguration 403a und/oder die Rillenkonfiguration 403b auf einer FDB-Buchse (z. B. der Buchse 204 von 2 und der Buchse 304 von 3) gebildet werden, gleichgültig, ob die Buchse ein sich drehender Teil (ein Rotor) oder ein statischer Teil (ein Stator) ist. Gemäß Ausführungsformen können die Rillenkonfiguration 403a und/oder die Rillenkonfiguration 403b auf einer FDB-Achse (z. B. der Achse 206 von 2 und der Achse 306 von 3) gebildet werden, gleichgültig, ob die Achse ein sich drehender Teil (ein Rotor) oder ein statischer Teil (ein Stator) ist, wie etwa in einem HDD-Achsenverbindungs-FDB-Spindelmotorentwurf.
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Verfahren zur Dämpfung eines Fluiddynamiklager-Stützlagers
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5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Dämpfen eines Fluiddynamik-Stützlagers gemäß einer Ausführungsform.
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In Block 502 wird auf einer Achse oder einer Buchse eines Fluiddynamik-Stützlagers ein Pumprillenmuster gebildet, das in oder in der Nähe der Eintrittsregion des Stützlagers positioniert ist. Zum Beispiel wird das Pumprillenmuster 403a-3 (4B) auf einer FDB-Buchse (z. B. der Buchse 204 von 2 oder der Buchse 304 von 3) oder auf einer FDB-Achse (z. B. der Buchse 206 von 2 oder der Buchse 306 von 3) in oder in der Nähe der Eintrittsregion des Stützlagers maschinenbearbeitet oder anderweitig gebildet, z. B. in der Nähe, wo das Rillenmuster 403a (4B) für das obere Stützlager beginnt. Wie besprochen, ist die Stützlagerregion die Region, in der Stützkräfte an die Achse angelegt werden, die dafür ausgelegt ist, im Allgemeinen die Rillenkonfigurationsregion zu sein, und insbesondere ein Bereich, der mit dem Druckerzeugungs-Rillenmuster (z. B. 403a-1 von 4B) korrespondiert. Dementsprechend wird das Pumprillenmuster vorzugsweise in der Nähe des Druckerzeugungs-Rillenmusters gebildet. Wie besprochen, wirkt das Pumprillenmuster durch Einflussnahme auf die entsprechende FDB-Fluidflussrichtung und den Druck, um einige der unerwünschten Effekte der Umfangsrille mindestens teilweise effektiv auszugleichen.
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In Block 504 wird eine Umfangsrille gebildet, die an das Pumprillenmuster angrenzt und sich über 360 Grad erstreckt. Zum Beispiel wird die Umfangsrille 403a-2 (4B) auf der FDB-Buchse oder auf der FDB-Achse angrenzend an das Pumprillenmuster 403a-3 (z. B. in Block 502 gebildet) und sich gänzlich um die Buchse oder Achse erstreckend, je nachdem, was der Fall ist, maschinenbearbeitet oder anderweitig gebildet. Wie besprochen, wirkt die Umfangsrille durch Einflussnahme auf die Dämpfung oder Dämpfungsfähigkeit des entsprechenden FDB.
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In Block 506 wird angrenzend an die Umfangsrille ein Druckerzeugungs-Rillenmuster gebildet. Zum Beispiel wird das Druckerzeugungs-Rillenmuster 403a-1 (4B), wie etwa ein Fischgräten-Rillenmuster, auf der FDB-Buchse oder auf der FDB-Achse angrenzend an die Umfangsrille 403a-2 maschinenbearbeitet oder anderweitig gebildet (z. B. in Block 504 gebildet). Wie besprochen, wirkt ein Druckerzeugungs-Rillenmuster zum Pumpen des Öls oder anderen Fluids zu einer bestimmten lokalisierten Region des Rillenmusters (z. B. zur Spitze eines Fischgräten-Rillenmusters), um dadurch eine Druckspitze in dieser lokalisierten Region zu erzeugen, wodurch wiederum die Lastkapazität des entsprechenden FDB vergrößert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Tiefe des in Block 502 gebildeten Pumprillenmusters (z. B. Pumprillentiefe 404 von 4C) größer als die Tiefe des in Block 506 erzeugten Druckerzeugungs-Rillenmusters (z. B. Druckerzeugungs-Rillentiefe 408 von 4C), und die Tiefe der in Block 504 gebildeten Umfangsrille (z. B. Umfangsrillentiefe 406 von 4C) ist größer als die Tiefe des Pumprillenmusters (Pumprillentiefe 404).
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Obwohl das in Bezug auf 5 beschriebene Verfahren bestimmte Schritte in einer konkreten Reihenfolge beschreibt, sind Ausführungsformen nicht unbedingt auf irgendeine konkrete Reihenfolge des Ausführens solcher Schritte beschränkt. Das Bilden des Pumprillenmusters, der Umfangsrille und des Druckerzeugungs-Rillenmusters kann deshalb in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden, die von einem bestimmten Herstellungsprozess erfordert wird oder für diesen geeignet ist. Als nichteinschränkendes Beispiel können die Pumprillen- und Druckerzeugungs-Rillenmuster in einem einzigen Prozess gebildet werden, worauf Bilden der tieferen Umfangsrille dazwischen folgt.
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Weitere Ausgestaltungen und Alternativen
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In der obigen Beschreibung wurden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf zahlreiche spezifische Einzelheiten beschrieben, die von Implementierung zu Implementierung unterschiedlich sein können. Deshalb können verschiedene Modifikationen und Änderungen daran vorgenommen werden, ohne von dem allgemeineren Gedanken und Schutzumfang der Ausführungsformen abzuweichen. Somit ist der einzige und ausschließliche Indikator dessen, worin die Erfindung besteht und was die Anmelder als die Erfindung beabsichtigen, die Menge von Ansprüchen, die aus der vorliegenden Anmeldung hervorgehen, in der spezifischen Form, in der diese Ansprüche ausgegeben werden, einschließlich etwaiger nachfolgender Korrekturen. Jegliche hierfür in solchen Ansprüchen enthaltenen Ausdrücke ausdrücklich dargelegten Definitionen sollen die Bedeutung von Ausdrücken, wie sie in den Ansprüchen verwendet werden, bestimmen. Daher soll keine Beschränkung, kein Element, keine Eigenschaft, kein Merkmal, kein Vorteil oder Attribut, die in einem Anspruch angeführt werden, den Schutzumfang eines solchen Anspruchs auf irgendeine Weise beschränken. Die Beschreibung und Zeichnungen sind dementsprechend nicht in einem einschränkenden, sondern in einem veranschaulichenden Sinne aufzufassen.
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Zusätzlich können in der vorliegenden Beschreibung bestimmte Prozessschritte in einer konkreten Reihenfolge dargelegt werden und alphabetische und alphanumerische Bezeichnungen können verwendet werden, um bestimmte Schritte zu identifizieren. Sofern es nicht spezifisch in der Beschreibung angegeben wird, sind Ausführungsformen nicht unbedingt auf irgendeine konkrete Reihenfolge des Ausführens solcher Schritte beschränkt. Insbesondere dienen die Bezeichnungen lediglich zur zweckmäßigen Identifikation von Schritten und sollen nicht eine konkrete Reihenfolge des Ausführens solcher Schritte spezifizieren oder erfordern.
