DE20218170U1

DE20218170U1 - Hydrodynamisches Lager, Spindelmotor und Festplattenlaufwerk

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BOEHMERT & BOEHMERT

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Boehmert &Boehmert · P.O.B. 15 03 08 · D-80043 München

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M30260(L)

22. November 2002

Minebea Co., Ltd., a Japanese Corporation

F Arco Tower 1-8-1 Shimo-Meguro

Meguro-ku

153-0064 Tokyo

Japan

Hydrodynamisches Lager, Spindelmotor und Festplattenlaufwerk

Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Lager, einen Spindelmotor und ein Festplattenlaufwerk.

Üblicherweise besteht ein Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk aus einem drehenden Bauteil, dem Rotor, dem ein ringförmiger Permanentmagnet zugeordnet ist, und einem ste-

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Pettenkoferstraße20-22 · D_;8,Q336,lynchen.-.P-O₄IJ. 15.0.3 08 · p-800,4.3 München, .-.&Tgr;,&egr;&Igr;&egr;&Ggr;&phgr;&ogr;&eegr; +4^-8^-559.680· Telefax+49-89-347010

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henden Bauteil, dem Stator, dem ein mit Spulen bewickeltes Blechpaket zugeordnet ist, wobei der Rotor gegenüber dem Stator mittels eines geeigneten Lagersystems drehgelagert ist.

Dabei kommen neben den seit langem verwendeten Wälzlagern zunehmend hydrodynamische Lager zur Anwendung. Ein hydrodynamisches Lager ist ein weiterentwickeltes Gleitlager, das aus einer Lagerhülse mit zylindrischer Lagerinnenfläche und einer in die Hülse eingesetzten Welle mit zylindrischer Lageraussenfläche gebildet ist. Der Durchmesser der Welle ist geringfügig kleiner als der Hülseninnendurchmesser, wobei der zwischen den beiden Lagerflächen entstehende Lagerspalt unter Bildung eines zusammenhängenden Kapillarfilms mit einem Schmiermittel, vorzugsweise mit Öl, gefüllt ist.

&iacgr;&ogr; Um zu verhindern, dass Lageröl aus dem hydrodynamischen Lager austritt wird das eine stirnseitige Ende der Lagerhülse luftdicht verschlossen. Am gegenüberliegenden offenen Ende zwischen Motorwelle und Lagerinnenfläche kann ein konzentrischer Freiraum mit einer beispielsweise konischen Begrenzungsfläche ausgebildet sein, der gleichermaßen als Schmiermittelreservoir und als Ausdehnungvolumen dient. Dieser Freiraum übernimmt auch die Funktion der Abdichtung des Lagers.

Das in dem Freiraum zwischen Motorwelle und konischer Austrittsöffnung der Lagerhülse befindliche Öl bildet unter dem Einfluß der Kapillarkräfte einen stabilen, zusammenhängenden Flüssigkeitsfilm, weshalb diese Art der Dichtung auch als Kapillardichtung bezeichnet wird.

Eine derartige Lösung ist in dem US Patent 5,667,309 beschrieben. Dort wird eine Lagerhülse offenbart, die am offenen, stirnseitigen Ende einen konischen Bereich aufweist, wodurch zwischen Welle und Lagerhülse ein konzentrischer Freiraum mit rotationssymetrischem Querschnitt entsteht. Im unteren Teil diese Freiraums, also in direkter Verlängerung des Lagerspaltes befindet sich Lageröl, dessen Menge so bemessen ist, dass der Lagerspalt trotz des Abdampfens von Lageröl stets ausreichend mit Lageröl gefüllt ist, und ein durch Trockenlau-

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fen verursachtes Fressen des Lagers vermieden wird. Das ,freie' also nicht mit Lagerfluid gefüllte Volumen des Freiraums dient als Ausdehnungsvolumen, das durch aus dem Lagerspalt austretendes Lagerfluid zumindest teilweise aufgefüllt werden kann, wenn der Flüssigkeitsspiegel mit zunehmender Temperatur ansteigt. Der konzentrische Freiraum kann also als eine Art ,Überlaufvolumen' bezeichnet werden, das zugleich Schmiermittelreservoir ist. Nachteilig bei dieser an sich sehr einfachen Lösung ist, dass die Dichtwirkung dieses Freiraums wegen des nach aussen anwachsenden Querschnitts und damit auch das Rückhaltevermögen in Bezug auf das Lageröl abnimmt, wodurch wiederum das potentielle Risiko ansteigt, dass bei axialer Schockbelastung Öl abgeschleudert wird.

&iacgr;&ogr; Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Lösung ist, daß die nutzbare Länge des Lagers und damit die Lagersteifigkeit durch die axiale Baulänge des als &ldquor;Kapillardichtung" konzipierten konzentrischen Freiraums reduziert wird. Dabei sind die axiale Bauhöhe des &ldquor;Dichtungs"-Konus und der zugehörige Neigungswinkel dem Füllvolumen und der Viskosität des Lageröls anzupassen. Dabei gilt, dass niedrigviskose Lageröle einen kleineren spitzen Winkel benötigen und somit bei gleichem Füllvolumen eine größere Baulänge.

Da aber eines der wichtigsten Kriterien für die Eignung von hydrodynamischen Lagern in Festplattenlaufwerken eine möglichst geringe Lagerverlustleistung ist, insbesondere beim Einsatz in tragbaren Geräten, ist man bestrebt, möglichst niedrigviskose Lageröle zu verwenden. Eine der geringen Viskosität angepaßte ,Kapillardichtung' der beschriebenen Art würde folglich eine größere Baulänge benötigen, was sich dementsprechend nachteilig auf die effektive Lagerlänge auswirken würde. Die Dimensionierung eines hydrodynamischen Radiallagers mit ausreichender Steifigkeit ist dadurch stark eingeschränkt und bei sehr klein bauenden Spindelmotoren unter Umständen nicht mehr möglich.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein hydrodynamisches Lager mit einer geeigneten, berührungslosen Dichtung anzugeben, das eine möglichst geringe Verlustleistung, eine hohe Lagersteifigkeit und eine lange Lebensdauer hat.

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Diese Aufgabe wird durch ein hydrodynamisches Lager mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung sieht auch einen Spindelmotor gemäß Anspruch 23 sowie ein Festplattenlaufwerk gemäß Anspruch 24 vor.

Die Erfindung sieht ein hydrodynamisches Lager für einen Spindelmotor vor, mit einer Welle, deren eines Wellenende vorzugsweise mit dem Rotor des Motors fest verbunden ist, und einer Lagerhülse, welche das andere Wellenende in geringem radialem Abstand umgreift. Durch die geringe Durchmesserdifferenz zwischen Welle und Lagerhülse wird ein konzentrischer Lagerspalt ausgebildet, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Im Bereich des Lagerspalts ist auf der Welle und/oder auf der zylindrischen Innenseite der Lagerhülse wenigstens ein Radiallagerabschnitt ausgebildet. Dieser wird, wie im Stand der Technik bekannt, durch Strukturieren vorzugsweise der Innenseite der Lagerhülse mit einem Rillenmuster gebildet. In dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen Lager ist insbesondere ein von der Lagerspaltlänge des hydrodynamischen Lagers unabhängiges Ausgleichsvolumen für das Lagerfluid vorgesehen, das gleichermaßen als Schmiermittelreservoir für abdampfendes Lagerfluid dient und als eine Art &ldquor;Überlauf- bzw. Ausdehnungsvolumen, in das hinein sich das Lagerfluid ausdehnen kann, wenn sein Volumen mit zunehmender Temperatur infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten anwächst und der Fluidpegel ansteigt. Dieses Ausgleichsvolumen ist erfindungsgemäß über wenigstens einen Verbindungskanal, insbesondere einen Mikrokanal, mit dem Lagerspalt verbunden, welcher sich unter einem Winkel zur Drehachse radial auswärts erstreckt.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß das Ausgleichsvolumen nicht entlang der nutzbaren Lagerlänge am äußeren Ende des Lagerspalts angeordnet ist, sondern radial nach außen verlegt und mit dem Lagerspalt über den Mikrokanal verbunden wird. Dadurch kann die Lagerhülse mit über die gesamte Lagerlänge unverändertem Durchmesser ausgebildet werden, so dass sich ein Lagerspalt mit maximaler nutzbarer Länge ergibt. Wenigstens ein Radiallagerabschnitt kann deshalb unmittelbar angrenzend an das offene Stirnende der Lagerhülse vorgesehen werden, so dass, bei paarweiser Anordnung, ein der größtmögliche Abstand zwischen den

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beiden hydrodynamischen Radiallagern nutzbar ist und so eine maximale Lagersteifigkeit ermöglicht wird.

Dadurch, dass das Ausgleichsvolumen außerhalb des Lagerspaltes angeordnet und mit diesem über einen Mikrokanal verbunden wird, kann das Risiko, dass Lageröl bei axialer Schockbelastung abgeschleudert wird, erheblich verringert werden, wodurch sowohl die Funktionssicherheit als auch die Lebensdauer signifikant erhöht wird.

Bei einer Ausfuhrungsform der Erfindung grenzt der Mikrokanal unmittelbar an den Radiallagerabschnitt im Lagerspalt an, während bei einer anderen Ausfuhrungsform der Erfindung der Mikrokanal über ein axiales Teilstück des Lagerspalts mittelbar mit dem Radiallagerabschnitt verbunden ist. Wesentlich ist bei beiden Ausfuhrungsformen, daß zwischen dem Radiallagerabschnitt und dem Mikrokanal eine Kapillarverbindung besteht, so daß das Lagerfluid einen zusammenhängenden Kapillarfilm von dem Radiallagerabschnitt im Lagerspalt über den Mikrokanal bis in das Ausgleichsvolumen bildet.

Mikrokanal und angrenzendes Ausgleichsvolumen sind vorzugsweise ganz oder teilweise in der Lagerhülse ausgebildet wobei der Mikrokanal vom Innendurchmesser der Lagerhülse ausgehend in das Ausgleichsvolumen mündet. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Mikrokanal als ein am Innendurchmesser der Lagerhülse umlaufender, kapillarer Kreisringspalt ausgebildet, der den Radiallagerabschnitt mit dem Ausgleichsvolumen verbindet dessen radiale Erstreckung im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse des Lagers verläuft. Der Mikrospalt kann mit der Rotationsachse einen Winkel von etwa 30° bis 90° und insbesondere einen Winkel von ungefähr 90° einschließen.

Das Ausgleichsvolumen ist teilweise, im Stirnbereich der Lagerhülse ausgebildet; vorzugsweise als rotationssymetrischer Spalt, dessen Dicke sich mit zunehmendem Abstand zur Rotationsachse vergrößert, wobei der innenliegende engste Querschnittsbereich über den angrenzenden Mikrokanal direkt mit dem Lagerspalt verbunden ist, wobei der aufgeweitete

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Querschnittsbereich vom Lagerspalt abgewandt im Randbereich der Lagerhülse angeordnet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Ausgleichsvolumen kann der Mikrokanal durch einen sich verjüngenden Abschnitt am radial inneren Ende des Ausgleichsvolumens gebildet sein, unmittelbar angrenzend an den Lagerspalt.

Für einen störungsfreien Betrieb ist das Ausgleichsvolumen vorzugsweise über eine Belüftungsöffhung mit der Umgebung verbunden, wobei die Belüftungsöffhung beispielsweise als Teil eines zusammenhängenden Gewindeganges ausgebildet ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung entsteht der als Ausgleichsvolumen vorgesehene Spalt dadurch, dass die Stirnfläche der Lagerhülse kegelstumpfförmig

&iacgr;&ogr; ausgebildet und mit einer ringförmigen Deckplatte oder einer entsprechend gestalteten Kappe abgedeckt ist, so daß sich zwischen der Deckplatte und dem abgeschrägten Stirnende ein Ausgleichsvolumen mit der gewünschten Form ergibt. In dem Stirnende der Lagerhülse kann auch eine anders geartete Vertiefung mit geeigneter Form ausgebildet sein, die zusammen mit der Deckplatte das Ausgleichsvolumen bildet. Der Mikrokanal an demselben Stirnende der Lagerhülse entsteht dadurch, dass zwischen der Deckplatte oder dem Topfboden und dem gegenüberliegenden Stirnende der Lagerhülse wenigstens bereichsweise ein sehr kleiner Abstand im Mikrometerbereich vorgesehen ist.

Wird auf der Welle im Bereich des Stirnendes der Lagerhülse ein Wellenabsatz vorgesehen, so kann dieser von der Lagerhülse selbst oder einer entsprechend ausgebildeten Deckplatte zumindest teilweise radial überlappt werden, so dass eine Art Labyrinthdichtung mit zusätzlichem Dichtungseffekt entsteht.

Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:

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Fig. la eine schematische Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung;

Fig. Ib zeigt eine geschnittene Teilansicht einer abgewandelten Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers der Fig. la;

Fig. Ic zeigt eine geschnittene Teilansicht von zwei weiteren Abwandlungen jeweils im Halbschnitt, in der Figur rechts bzw. links der Rotationsachse dargestellt, der Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers der Fig. la;

Fig. 2a zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung;

&iacgr;&ogr; Fig. 2b zeigt eine Längsschnittdarstellung einer abgewandelten Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers der Fig. 2a;

Fig. 3 a zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung;

Fig. 3b zeigt eine geschnittene Längsansicht einer Abwandlung der Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers der Fig. 3 a;

Fig. 3 c zeigt eine geschnittene Teilansicht einer nochmals weiteren Abwandlung der Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers der Fig. 3 a;

Fig. 4a zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung;

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Fig. 4b zeigt eine geschnittene Teilansicht einer Abwandlung der Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers der Fig. 4a;

Fig. 4c zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer nochmaligen Abwandlung der Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers der Fig. 4a;

Fig. 5 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung.

In den Figuren sind entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. la zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung durch ein hydrodynamischen Lager gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

&iacgr;&ogr; Das in Fig. la gezeigte hydrodynamische Lager umfaßt eine Welle 10, die in einer zylindrischen Lagerhülse 12 aufgenommen ist. Die Welle 10 weist an ihrem von der Lagerhülse umschlossenen Ende eine Druckplatte (thrust plate) 14 auf, wobei die Lagerhülse 12 an diesem Ende durch ein Widerlager (counter plate) 16 abgeschlossen ist, das die axiale Lagerkraft, welche auf die Welle 10 wirkt, über die Druckplatte 14 aufnimmt.

Die Welle 10 ist an ihrem anderen Wellenende 10' aus der Lagerhülse 12 herausgeführt. Die Lagerhülse 12 ist an diesem Ende durch eine Art Kappe oder Topf 18 abgeschlossen, der über einen Absatz 10"der Lagerwelle 10 greift und durch die radiale Überlappung mit der Welle eine Labyrinthdichtung bildet.

Die Lagerhülse 12 ist an ihrem einen Stirnende 12' derart geformt, bei der gezeigten Ausführungsform konisch abgeschrägt, daß zwischen dem die Hülse umgebenden Topf 18 und dem Stirnende 12' der Lagerhülse 12 ein Ausgleichsvolumen 20 gebildet wird, das in einer zur

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Rotationsachse 22 des hydrodynamischen Lagers im wesentlichen senkrecht angeordneten Ebene verläuft und das radial nach außen aufgeweitet ist.

Zwischen der Welle 10 und der Lagerhülse 12 ist ein Lagerspalt 24 gebildet, der über einen Verbindungskanal, insbesondere einen Mikrokanal 26 an der Stirnseite der Lagerhülse 12 mit dem Ausgleichsvolumen 20 verbunden ist. Der Mikrokanal 26, der die kapillare Verbindung zwischen dem Lagerspalt 24 und dem Ausgleichsvolumen 20 aufrechterhält, ist als rotationssymmetrischer Ringspalt ausgebildet und entsteht dadurch, dass der innenliegende Boden des Topfes 18 abstandslos auf dem erhabenen Ringbereich der Stirnseite 12' der Lagerhülse 12 aufliegt oder im Mikrometerbereich beabstandet ist.

&iacgr;&ogr; Das Ausgleichsvolumen 20 ist über eine Belüftungsöffnung 28 mit der Umgebung verbunden, wobei bei der in Fig. la gezeigten Ausführungsform die Belüftungsöffnung 28 durch einen schraubenförmigen Gewindegang gebildet ist.

Bei der gezeigten Ausführungsform sind vorzugsweise auf dem Innendurchmesser der Lagerhülse 12 Radiallagerabschnitte (nicht gezeigt) durch eine Rillenstruktur am Innendurchmesser der Lagerhülse 12 ausgebildet. Zusätzlich können im Bereich der Druckplatte 14 und des Widerlagers 16 auf an sich bekannte Weise Axiallagerabschnitte ausgebildet sein. Da das Ausgleichsvolumen 20 und der den Lagerspalt 24 mit dem Ausgleichsvolumen 20 verbindende Mikrokanal 26 am Stirnende 12' der Lagerhülse 12 ausgebildet sind, steht die gesamte Länge der Lagerhülse 12 für die Ausbildung von einem oder mehreren Radiallagerabschnitten zur Verfügung. Insbesondere können zwei Radiallagerabschnitte an den jeweiligen Endabschnitten der Lagerhülse 12 mit maximalem Abstand zueinander ausgebildet werden, so daß eine maximale Lagersteifigkeit erzielt wird.

Nach der Montage des hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung wird der Lagerspalt 24 und ein Teil des Ausgleichsvolumens 20 mit Lagerfluid, vorzugsweise mit einem Lageröl, gefüllt. Der Füllgrad des Ausgleichsvolumens 20 mit Fluid ist so gewählt, dass einerseits aus-

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reichend Schmiermittel eingebracht werden kann, um Dauerschmierung des hydrodynamischen Lagers über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten. Andererseits muss im ungefüllten Teil des Ausgleichsvolumens 20 genügend Raum verbleiben, in den hinein sich das Lagerfluid ausdehnen kann, wenn bei einem Temperaturanstieg während des Betriebes das Gesamtvolumen des Fluids, bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, anwächst. Dieser Raum wird sich infolge der Verdampfungsrate des Lagerfluids mit gasförmigem Fluid anreichern, wobei mit ansteigendem Sättigungsgrad der Abdampfungsprozess zunehmend verzögert wird. Damit sich im Ausgleichsvolumen keine Druckdifferenz aufbaut, die zum Abreißen des Kapillarfilms fuhren könnte, ist das Ausgleichsvolumen über eine Belüftungsöffnung 28 mit der Umgebungsluft bzw. mit dem umgebenden Luftdruck verbunden. Der Spalt zwischen dem Wellenabsatz 10" und dem Halterungsbecher 18 bildet eine zusätzliche Labyrinthdichtung.

Der den Wellenabsatz 10" übergreifende Rand des Halterungsbechers 18 stellt ferner eine zusätzliche Sicherung des hydrodynamischen Lagers gegen Austreten von Lagerfluid bei Stoßbelastungen dar. Bei der Ausführungsform der Fig. la ist vorgesehen, daß das Lagerfluid den Lagerspalt 24 vollständig und einen Teil des Ausgleichsvolumen 20 füllt, jedoch nicht in den Belüftungskanal 28, d.h. in den Gewindegang eintritt. Bei anderen Ausfuhrungsformen kann eine entsprechend gestaltete Belüftungsöffnung, auch in Form eines Gewindes oder Gewindeganges, wenigstens teilweise auch als ein zusätzliches Reservoir und Ausgleichsvolumen dienen.

Bei der gezeigten Ausführungsform können die Welle 10 und die Lagerhülse 12 aus Stahl und der Halterungsbecher 18 aus Aluminium oder Stahl hergestellt sein, wobei der Fachmann je nach den speziellen Anforderungen auch andere geeignete Materialien wählen kann.

Fig. Ib zeigt eine geschnittene Teilansicht einer Abwandlung der Fig. la, wobei entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Ausführungsform der Fig. Ib unterscheidet sich von Fig. la dadurch, daß der Halterungsbecher oder Topf 30 kleiner ist und

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nicht die gesamte Lagerhülse 12 umgreift. Diese Abwandlung kann aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft sein.

Ferner ist bei der Ausgestaltung der Fig. Ib das Stirnende 12' der Lagerhülse 12 nicht als eine einfache Schräge geformt, sondern weist einen etwas längeren Mikrokanal 26 auf, an den sich eine Stufe anschließt, die zu dem aufgeweiteten Reservoir 20 führt, das an seinem äußeren Ende in eine konzentrisch umlaufende Schräge 20' übergeht.

Fig. Ic zeigt eine weitere Abwandlung der Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers der Fig. la. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. la ebenfalls dadurch, daß der Halterungsbecher oder Topf 32, 32' eine kürzere Seitenwand hat &iacgr;&ogr; und die Lagerhülse 12 nicht über ihre gesamte Länge umgreift. Dadurch ergibt sich ein kürzerer Belüftungskanal 28.

Zusätzlich unterscheidet sich die Ausführungsform der Fig. Ic von den Ausführungsformen der Fig. la und Ib dadurch, daß der Wellenabsatz an dem Wellenende 10' der Welle 10 abgeschrägt ist und daß zwischen dem abgeschrägten Wellenende 10' der Welle 10 und dem offenen Ende 34, 34' des Halterungsbechers 32 ein konzentrischer Ringspalt 36 mit kegeligen Begrenzungsflächen gebildet ist. Dieser Ringspalt 36 ist kein Reservoir für das Lagerfluid, sondern kann als kleines zusätzliches Ausgleichsvolumen dienen und hat insbesondere die Funktion, daß eventuell nach oben aufsteigendes Lagerfluid infolge der Fliehkräfte, welche durch die Rotation der Welle 10 entstehen, nach unten und außen gedrückt wird und so in das Ausgleichsvolumen 20 zurückströmt.

Fig. 2a zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung. Entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet.

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Die Ausführungsform der Fig. 2a entspricht weitgehend der Fig. la in bezug auf die Gestaltung der Welle 10, Lagerhülse 12, Druckplatte 14 und Widerlager 16. Zwischen Welle 10 und Lagerhülse 12 ist ein Lagerspalt 24 gebildet, in dem auf an sich bekannter Art Radiallagerabschnitte (nicht gezeigt) ausgebildet sind. Axiallager sind im Bereich der Druckplatte 14 und des Widerlagers 16 vorgesehen.

Bei der Ausführungsform der Fig. 2a ist ein Halterungsbecher oder Topf 38 nach Art eines Lagergehäuses ausgebildet, welches die Lagerhülse 12 von der Seite des Widerlagers 16 her umschließt und in dem das Lager aufgebaut werden kann. An seinem offenen Ende, das dem Wellenende 10' der Welle 10 zugeordnet ist, ist der Halterungsbecher 38 durch eine Deckplatte oder Deckel 40 verschlossen. Diese Deckplatte 40 hat im wesentlichen dieselbe Funktion wie der Boden des Halterungsbechers 18 der Fig. la. Zwischen der Deckplatte 40 und dem abgeschrägten Stirnende 12' der Lagerhülse 12 ist das Ausgleichsvolumen 20 gebildet. Dieses kann durch eine axiale Aussparung bzw. Bohrung 42 und/oder eine radiale Bohrung 44, welche als Belüftungsöffnung dienen, mit der Umgebung verbunden sein.

Die Funktion des hydrodynamischen Lagers der Fig. 2a entspricht im wesentlichen der der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Aus fertigungstechnischen Gründen kann es vorteilhaft sein, den Halterungsbecher 38, wie in Fig. 2a gezeigt, als eine Art Lagergehäuse auszubilden, in dem das Lager aufgebaut wird. Das Lagergehäuse 38 wird dann durch die Deckplatte 40 verschlossen, die mit diesem durch Einpressen, Kleben, Einschrauben oder dergleichen verbunden werden kann. Die axialen und/oder radialen Bohrungen 42, 44 die zur Belüftung des Ausgleichsvolumen 20 dienen, erfüllen im wesentlichen dieselbe Funktion wie die Belüftungsöffnung 28 der Fig. 1. Im übrigen gilt das in bezug auf Fig. 1 erläuterte.

Fig. 2b zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Abwandlung des hydrodynamischen Lagers gemäß der Ausführungsform der Fig. 2a. Ahnlich wie in Fig. 2a sind die Welle 10 und die Lagerhülse 12 in einem als Lagergehäuse dienenden Halterungsbecher 38 angeordnet. Bei der Ausführungsform der Fig. 2b ist die Welle 10 an ihrem von dem Halterungsbecher 38 um-

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schlossenen Ende mit einer Druckplatte 14 versehen. Ein eigenes Widerlager fehlt bei dieser Ausführungsform, da die Funktion des Widerlagers durch den Boden des Halterungsbechers 38 übernommen wird. Welle 10 und Druckplatte 14 können über die gesamte axiale Länge des hydrodynamischen Lagers von der Lagerhülse 12 umschlossen sein, wie in der Fig. 2b auf der linken Seite der Rotationsachse 22 zeigt; alternativ kann die Hülse 12 auch unter Zwischenschaltung eines Abstandsrings 46 in den Halterungsbecher 38 eingesetzt sein, so daß sich die Struktur auf der rechten Seite der Rotationsachse 22 in Fig. 2b ergibt. Dies kann fertigungstechnische Vorteile haben, weil dadurch die Herstellung der Lagerhülse 12 weniger aufwendig ist. Außerdem kann der Lagerspalt 24 im Bereich der Axiallager durch geeignete &iacgr;&ogr; Auswahl bzw. Paarung von Druckplatte 14 und Abstandsring 46 gezielt eingestellt werden. Die auf der rechten Seite der Rotationsachse 22 in Fig. 2b gezeigte Abwandlung ist selbstverständlich ebenso auf die weiteren Ausführungsformen der Erfindung, die bereits beschrieben wurden oder noch beschrieben werden, anwendbar.

Ein weiterer Unterschied zwischen den Ausführungsformen der Fig. 2a und 2b ist, daß die Welle 10 in der Ausführungsform der Fig. 2b keinen Absatz aufweist, so daß die zusätzliche Labyrinthdichtung entfällt. Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen der Fig. 2a und 2b ist, daß die Deckplatte 40 bei der Ausführungsform der Fig. 2b bei ihrer mittigen Durchlaßöffnung 46' für die Welle 10 so abgeschrägt ist, daß sich zwischen der Welle 10 und der Durchlaßöffnung 46' ein konzentrischer Ringspalt 36 bildet. Die Funktion des konischen Ringspalts 36 entspricht im wesentlichen der Funktion des Ringspalts 36 in Fig. Ic.

Auch bei der Ausführungsform der Fig. 2b sind axiale und radiale Bohrungen 42, 44 als Belüftungsöffnungen vorgesehen. Zwischen der Deckplatte 40 und der Stirnseite 12' der Lagerhülse sind ein Ausgleichsvolumen 20 und ein Mikrokanal 26 gebildet. Die Funktion des Ausgleichsvolumen 20 und des Mikrokanals 26 sind wie mit Bezug auf Fig. 2a und die vorhergehenden Figuren beschrieben.

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Wenn der Halterungsbecher 38 beispielsweise aus Aluminium und die Welle 10 und die Lagerhülse 12 aus Stahl hergestellt sind, ist es bei den Austuhrungsformen der Fig. 2a und 2b möglich, das hydrodynamische Lager in erwärmten Zustand in dem Halterungsbecher 38 aufzubauen, wobei sich der Halterungsbecher 38 nach dem Abkühlen stärker zusammenzieht als die übrigen Bauteile des Lagers, derart, dass das hydrodynamische Lager in einer Art Schrumpfverbindung in dem Halterungsbecher 38 gehalten ist.

Fig. 3 a zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung. Das hydrodynamische Lager gemäß Fig. 3 a umfaßt eine Welle 10, die in einer Druckplatte 14 endet, der ein Widerlager 16 gegenüber

&iacgr;&ogr; liegt. Welle 10, Druckplatte 14 und Widerlager 16 sind von einer Lagerhülse 12 umschlossen, wobei die Lagerhülse 12 an ihrem unteren Ende eine Aussparung zur Aufnahme von Druckplatte 14, Abstandsring 46 und Widerlager 16 aufweist. Auch hier dient der Abstandsring 46, wie bereits bei Fig. 2b beschrieben zur axialen Einstellung des Lagerspaltes 24 im Bereich des Axiallagers. An ihrem dem Wellenende 10' der Welle zugeordneten offenen Stirnende 12' der Lagerhülse ist eine Aussparung in der Lagerhülse vorgesehen, in welche eine Deckplatte oder ein Deckel 48 eingelegt ist, der zusammen mit dem Stirnende 12' der Lagerhülse 12 das Ausgleichsvolumen 20 einschließt. Eine Belüftungsöffnung 28 für das Ausgleichsvolumen 20 wird eine gewindeartige Ausbildung des Außendurchmessers des Deckels 48 gebildet. Eine Belüftungsöffnung 28 in Form eines solchen Gewindes erhöht die Sicherheit gegen das Austreten von Lagerfluid bei Stoßbelastungen im Vergleich zu einer einfachen axialen Bohrung, wie sie in den Ausführungsformen der Fig. 2a und 2b vorgesehen ist. An der radial innenliegenden Durchlaßöffnung 46" des Deckels 48 ist ähnlich wie bei der Ausführungsform der Fig. 2b eine Schräge vorgesehen, die zusammen mit der Welle 10 einen konzentrischen Ringspalt 36 eingrenzt, der bedarfsweise als zusätzliches Ausgleichsvolumen dienen kann, jedoch keinesfalls als Schmiermittelreservoir vorgesehen ist. Die Schräge an der Innenseite der Durchlaßöffnung 46" beträgt vorzugsweise > 45°.

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Die Fig. 3b und 3 c zeigen weitere Abwandlungen des hydrodynamischen Lagers nach Fig. 3 a. Die Ausführungsform der Fig. 3b unterscheidet sich von Fig. 3a dadurch, daß die Welle 10 einen Absatz 10" aufweist, über welchen der Deckel 48 greift. Anstelle eines Gewindes bzw. Gewindeganges ist bei der Ausfuhrungsform der Fig. 3b eine einfache axiale Bohrung 42 zur Belüftung des Ausgleichsvolumens 20 vorgesehen. Ferner ist der Deckel 48 benachbart seiner radial innenliegenden Durchlaßöffhung 46" auf der dem Lager zugewandten Innenseite nochmals leicht abgeschrägt, um die Rückführung von eventuell nach oben durch die Durchlaßöffhung 46" austretendem Lagerfluid zu unterstützen. Insbesondere unterstützt die dadurch gebildete kleine Fase 50 die durch die Rotation der Welle 10 auf das Lagerfluid übertragenen

&iacgr;&ogr; Fliehkräfte und somit die Rückströmung von Lagerfluid in das Ausgleichsvolumen 20.

Die Ausführungsform der Fig. 3 c unterscheidet sich von Fig. 3b durch die gewindeförmige Gestaltung der Belüftungsöffnung 28 und durch den konzentrischen Ringspalt 36, welche beide bereits mit Bezug auf Fig. 3 a beschrieben wurden.

Eine weitere Gruppe von Ausführungsformen des hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung sind in den Figuren 4a, 4b und 4c dargestellt.

Wie in Fig. 4a gezeigt, umfaßt das hydrodynamische Lager eine Welle 10 mit einer Druckplatte 14 und einem Widerlager 16, die von einer Lagerhülse 12 umgeben sind. Insofern entspricht die Ausführungsform der Fig. 4a im wesentlichen der Fig. 3a, wobei jedoch die Funktion des Abstandsrings durch eine entsprechende Gestaltung der Lagerhülse 12 übernommen wird. An ihrer Stirnseite 12' ist die Lagerhülse mit Vertiefungen zur Ausbildung des Ausgleichsvolumens 20 versehen und mit einer Deckplatte oder einem Deckel 52 verschlossen, wobei das Ausgleichsvolumens 20 zwischen der Ausnehmung an der Stirnseite 12' der Lagerhülse 12 und der Deckplatte 52 gebildet wird. Die Deckplatte 52 wird mittels Schrauben 54, durch Kleben oder auf andere geeignete Weise mit der Lagerhülse 12 verbunden. In der Deckplatte 52 ist bei der Ausführungsform der Fig. 4a eine axiale Bohrung 42 vorgesehen, die der Belüftung des Ausgleichsvolumens dient.

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Die Funktion des hydrodynamischen Lagers der Fig. 4a ist im wesentlichen wie mit Bezug auf Fig. la und die übrigen Figuren beschrieben. Aus fertigungstechnischen Gründen kann die Ausführungsform der Fig. 4a jedoch besonders vorteilhaft sein, weil diese ein konstruktiv einfaches, leicht zu realisierendes hydrodynamisches Lager angibt, das ohne ein Halterungsbecher auskommt und bei dem eine Deckplatte 52 in Form einer einfachen Scheibe auf die Stirnseite 12' der Lagerhülse 12 aufgesetzt werden kann, um das Ausgleichsvolumen 20 und den Mikrokanal 26 zu bilden.

Eine Abwandlung ist in Fig. 4b gezeigt. Diese Abwandlung unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 4a dadurch, daß die Welle 10 einen Wellenabsatz 10" aufweist, über &iacgr;&ogr; welchen die Deckplatte 52 greift, so dass eine zusätzliche Labyrinthdichtung gebildet wird.

Fig. 4c zeigt eine Weiterbildung des hydrodynamischen Lagers gemäß Fig. 4b, bei welcher das axiale Lager am eingeschlossenen Ende der Welle 10, welches dem Widerlager 16 gegenüberliegt, als Spurkuppenlager (pivot type bearing) 56 ausgebildet ist. Ein Spurkuppenlager, wie das in Fig. 4c gezeigte, sowie andere Ausführungsformen solcher axialen Lagertypen können selbstverständlich auch bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des hydrodynamischen Lagers anstelle der Druckplatte 14 vorgesehen werden.

Die Funktion von Ausgleichsvolumen 20, Mikrokanal 26 und Belüftungskanal 28, 42 ist bei den verschiedenen dargestellten Ausführungsformen im wesentlichen gleich. Aus fertigungstechnischen Gründen oder zur Erzielung der bereits beschriebenen zusätzlichen Funktionen kann es jedoch vorteilhafter sein, die eine oder andere Ausführungsform der Erfindung abzuwandeln.

Schließlich ist noch eine Ausführungsform des hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung in Fig. 5 gezeigt. Die Längsschnittdarstellung der Fig. 5 zeigt eine Welle 10 mit einer Druckplatte 14 an ihrem eingeschlossenen Ende und einem Widerlager 16, welche von einer Lagerhülse 12 umschlossen und gehalten sind. Zwischen Lagerhülse 12 und Welle 10 ist ein

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Lagerspalt 24 gebildet. Der als Ringspalt ausgebildete Mikrokanal 58 verbindet den Lagerspalt 24 mit einem konzentrisch angeordneten v-förmigen Ausgleichsvolumen 60. Der Mikrokanal 58 und das Ausgleichsvolumen 60 sind dadurch gebildet, daß die Lagerhülse 12 an ihrem offenen Ende eine Ausnehmung 62 aufweist, in welche ein Ring 64 eingefügt, bzw. eingesetzt oder eingeschraubt ist.

Die Erfindung wurde in der vorstehenden Beschreibung und in den Figuren in verschiedenen Ausführungsformen und Abwandlungen dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann je nach Anwendung und Anforderung an das hydrodynamische Lager weitere Abwandlungen erfahren, sowie unterschiedliche Kombinationen der dargestellten Abwandlungen realisieren. Das erfindungsgemäße hydrodynamische Lager eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Spindelmotor und noch spezieller in einem Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk, der mit hoher Drehzahl und niedriger Leistung arbeitet.

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Minebea Co., Ltd, a Japanese Corporation M30260 (L)

Bezugszeichensliste

10	Welle
10'	Wellenende
10"	Wellenabsatz
12	Lagerhülse
12'	Stirnende der Lagerhülse
14	Druckplatte (thrust plate)
16	Widerlager
18, 30, 32,32', 38	Halterungsbecher, Topf
20,60	Ausgleichsvolumen
22	Rotationsachse
24	Lagerspalt
26,58	Mikrokanal, Mikrospalt
28	Belüftungsöffhung, Belüftungskanal
34, 34'	Offenes Ende
36	Ringspalt mit konusförmigen Begrenzungsflächen
40, 48, 52	Deckplatte, Deckel, Scheibe
42,44	(axiale/radiale) Bohrung
46	Abstandsring
46', 46"	Durchlassöffnung, Öffnung
50	Fase
54	Schraube
56	Spurkuppenlager
62	Ausnehmung
63	Ring
20'	Schräge

Claims

1. Hydrodynamisches Lager mit
einer Welle (10),
die an ihrem einen Ende fest mit einem drehenden Bauteil verbunden ist,
einer Lagerhülse (12), welche die Welle an dem anderen freien Wellenende mit geringem radialen Abstand unter Bildung eines konzentrischen Lagerspalts (24) umgreift, wobei die
Welle und/oder die Lagerhülse (12) mit wenigstens einem Rillenmuster versehen ist, welches mindestens einen Radiallagerabschnitt bildet;
einer Rotationsachse (22), um die sich die Welle (10) und die Lagerhülse (12) relativ zueinander drehen;
einem Ausgleichsvolumen (20; 60), das mit Abstand zum Außendurchmesser der Welle angeordnet ist und sich in einer Richtung erstreckt, die zu der Rotationsachse (22) nicht parallel ist; und
wenigstens einem Verbindungskanal (26, 58), der als ein Mikrokanal ausgebildet ist und der den Lagerspalt (24) mit dem Ausgleichsvolumen (20; 60) verbindet und sich in einer Richtung erstreckt, die nicht parallel zu der Rotationsachse (22) ist.

2. Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (26, 58) mittelbar oder unmittelbar an den Lagerspalt (24) und/oder den Radiallagerabschnitt angrenzt.

3. Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Lagerfluid, das den Lagerspalt (24) und den wenigstens einen Verbindungskanal (26, 58) vollständig und das Ausgleichsvolumen (20, 60) wenigstens teilweise ausfüllt, wobei das Lagerfluid einen zusammenhängenden Kapillarfilm zwischen dem Lagerspalt (24) und dem Ausgleichsvolumen (20, 60) bildet.

4. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (26, 58) wenigstens teilweise in der Lagerhülse (12) ausgebildet ist.

5. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Begrenzungsflächen des Verbindungskanals (26) durch eine sich im wesentlichenin radialer Richtung erstreckende Stirnfläche der Lagerhülse (12) gebildet ist.

6. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Begrenzungsflächen des Verbindungsspaltes (58) durch eine sich in axialer und/oder radialer Richtung erstreckende Oberfläche im Stirnbereich der Lagerhülse (12) gebildet ist.

7. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Begrenzungsflächen des Verbindungskanals durch die Stirnfläche eines zusätzlichen ringförmigen Bauteils gebildet wird.

8. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Begrenzungsflächen des Verbindungskanals (26) durch den Boden eins zusätzlichen topfförmigen Bauteils gebildet ist.

9. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Begrenzungsflächen des Verbindungskanals durch die äußere Mantelfläche eines zusätzlichen ringförmigen Bauteils gebildet wird.

10. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verbindungskanal (26, 58) vom Innendurchmesser der Lagerhülse (12) zum Ausgleichsvolumen (20) erstreckt.

11. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (26) zirkular an den Innendurchmesser der Lagerhülse (12) angrenzt und einen kapillaren Ringspalt bildet.

12. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verbindungskanal (26, 58) radial auswärts erstreckt und wenigstens eine seiner Begrenzungsflächen mit der Rotationsachse (22) des Lagers einen Winkel α einschließt, der größer oder gleich Null ist.

13. Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α im Bereich von 90°± 60° liegt und vorzugsweise ungefähr 90° beträgt.

14. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsvolumen (20) zumindest teilweise in der Lagerhülse (12) ausgebildet ist.

15. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsvolumen (20) als ein rotationssymetrischer Hohlraum mit v-förmigen Querschnitt ausgebildet ist, der über den Verbindungskanal (26) mit dem Lagerspalt (24) verbunden ist.

16. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsvolumen (20) als ringförmiger, einseitig offener Freiraum mit v-förmigem Querschnitt ausgebildet ist, der konzentrisch zur Welle (10) mit radialen Abstand zu dieser angeordnet ist.

17. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Ausgleichsvolumen (20) im wesentlichen in radialer Richtung erstreckt und von innen nach außen divergierende Begrenzungsflächen aufweist.

18. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (26) durch einen sich verjüngenden Abschnitt des Ausgleichsvolumens (20) gebildet ist, der an den Lagerspalt (24) angrenzt.

19. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsvolumen (20) über einen Belüftungskanal (28) mit der Umgebung verbunden ist.

20. Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Belüftungskanal (28) als schraubenförmiger Gewindegang ausgebildet ist.

21. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stirnende (12') der Lagerhülse (12) abgeschrägt ist und das Ausgleichsvolumen (20) zwischen diesem abgeschrägten Stirnende (12') und einer sich an das Stirnende anschließenden Deckplatte (40; 48; 52) gebildet ist.

22. Hydrodynamisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (10) im Bereich eines Stirnendes (12') der Lagerhülse (12) einen Absatz (10") aufweist, der von einer dem Stirnende (12') zugeordneten Deckplatte (40; 48; 52) zumindest teilweise überdeckt ist.

23. Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche.

24. Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor nach Anspruch 23.