DE10210231A1

DE10210231A1 - Spindelmotor und Festplattenlaufwerk

Info

Publication number: DE10210231A1
Application number: DE10210231A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kull; Joerg Hoffmann; Olaf Winterhalter
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-25
Also published as: JP2004248481A; US20030174637A1; US6943985B2

Abstract

Bei einem Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk, der ein erstes Bauteil mit einer Lagerfläche und ein gegenüber dem ersten Bauteil drehbar angeordnetes zweites Bauteil mit einer Lagerfläche aufweist, wobei sich die Lagerflächen gegenüberliegen und einen Lagerspalt bilden, in dem sich zur Bildung einer hydrodynamischen Lagerung ein Lagerfluid befindet, ist vorgesehen, daß das erste und das zweite Bauteil jeweils eine Dichtfläche aufweisen, wobei die Dichtflächen sich berührungslos gegenüberliegen und derart ausgeführt sind, daß eine Labyrinthdichtung zum Abdichten des Lagerspalts gegenüber dem lagerfluidfreien Raum des Spindelmotors gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Festplattenlaufwerk.
Üblicherweise besteht ein Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk aus einem drehenden Bauteil, dem Rotor, dem ein ringförmiger Permanentmagnet zugeordnet ist, und einem stehenden 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 sein kann. 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.
Ein Austreten von Lageröl aus dem hydrodynamischen Lager kann dadurch verhindert werden, dass das eine stirnseitige Ende der Lagerhülse luftdicht verschlossen ist. Am gegenüberliegenden offenen Ende zwischen Motorwelle und Lagerinnenfläche kann ein konischer Freiraum ausgebildet sein, der sowohl als Schmiermittelreservoir als auch als Ausdehnungvolumen dient. Dieser konische 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 eine derartige Dichtung auch als Kapillardichtung bezeichnet wird.
Die Lebensdauer eines Spindelmotors mit hydrodynamischer Lagerung ist hauptsächlich dadurch begrenzt, dass die Menge des Schmiermittels im Laufe der Zeit abnimmt, weil ein Teil des Lageröls infolge des Dampfdrucks in den gasförmigen Zustand übergeht. Dabei ist die Verdampfungsrate der Temperatur direkt und dem Druck an der Grenzfläche zur umgebenden Luft umgekehrt proportional.
Mit der Abnahme des Schmiermittels wächst die Gefahr einer metallischen Berührung der Lagerflächen beim An- und Auslaufen des Motors. Dabei entstehen Abriebpartikel, die größer als die Lagerspaltdicke sein können. Es kommt zum Trockenlaufen und Fressen der Lagerflächen und dadurch zum Blockieren des Spindelmotors.
Zudem lagern sich die Verdampfungsprodukte unter anderem auch auf den Datenplatten des Festplattenlaufwerks ab, wodurch es zum 1 "Kleben" des Schreib-Lesekopfes auf der Datenträgerplatte kommen kann, was ebenfalls einen Totalausfall des Festplattenlaufwerks zur Folge hat.
Bei einer Kapillardichtung mit konischen 1 Freiraum wird der Verdampfungsvorgang insofern begünstigt, als das Lageröl an der Grenzfläche zur Luft einen Meniskus bildet und mit einer relativ großen Fläche an der angeschrägten Innenkante der Lagerhülse der umgebenden Luft ausgesetzt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Spindelmotor mit hydrodynamisch gelagertem Rotor für ein Festplattenlaufwerk zu schaffen, dessen Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Lagerfluidverlust erheblich reduziert und dessen Lebensdauer deutlich erhöht ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach weisen sowohl das drehende als auch das stehende Bauteil Dichtflächen auf, die sich berührungslos gegenüberliegen, und eine Art Labyrinthdichtung bilden. Auf diese Weise wird die Grenzfläche zwischen Umgebungsluft und Lagerfluid gegen den direkten Kontakt der umgebenden Luft und somit gegen Verdampfen oder Verdunsten geschützt.
Vorzugsweise ist wenigstens eine der Dichtflächen mit einer Rille, insbesondere mit einem Rillenmuster oder einer Rillenstruktur, versehen. Diese Rillen bzw. dieses Rillenmuster können so ausgelegt sein, dass bei Rotation des drehenden Bauteils in der "Labyrinthdichtung" infolge der Relativbewegung der paarweise angeordneten, zueinander beabstandeten Dichtflächen eine Art Pumpeffekt entsteht, der einen leichten Überdruck an der Grenzfläche zwischen Luft und Fluid aufbaut und den durch Luftzirkulation verursachten Luftaustausch verhindert.
Die Luft im Grenzflächenbereich kann sich wesentlich leichter mit abdampfendem Lagerfluid anreichern, wodurch die Ausgasungsrate deutlich reduziert, der Lagerölverlust erheblich eingeschränkt und deshalb die Lebensdauer des hydrodynamischen Lagers signifikant erhöht wird.
Durch die rotatorische Relativbewegung der zueinander beabstandeten Dichtflächen werden den Luftteilchen im Dichtspalt Beschleunigungskräfte mitgeteilt, deren Richtungskomponente(n) durch die Ausgestaltung der Rille(n) beeinflußt wird (werden), was dazu führt, dass die Luft komprimiert wird und sich ein von außen nach innen ansteigendes "quasi-statisches", zur Rotationsachse konzentrisches Druckpolster ausbildet.
Dieser Effekt läßt sich dadurch verstärken, dass die wirksame Länge der Rille(n) durch bogen- oder spiralförmige Formgebung vergrößert und die Rillenbreite von außen nach innen in Richtung der Drehachse stetig abnehmend verkleinert wird.
Eine andere Rillenstruktur kann vorzugsweise im Dichtflächenpaar am Außenumfang der Lagerhülse vorgesehen sein. Diese Rillenstruktur wird durch mehrere parallel nebeneinander liegende Rillen gebildet, deren Breite konstant ist und die schräg zur Längsrichtung der Lagerhülse angeordnet sind.
Um die Dichtwirkung der Labyrinthdichtung, die ja der wirksamen Spaltlänge direkt und der Spaltdicke umgekehrt proportional ist, zu erhöhen, kann ein weiteres Dichtflächenpaar im Stirnbereich eines flanschseitigen Vorsprungs, der zur drehfesten Aufnahme der Lagerhülse dient, vorgesehen sein. Dieses Dichtflächenpaar, dessen eine Dichtfläche auf der Stirnseite des Vorsprungs mit einer entsprechenden Dichtfläche an der Nabe zusammenwirkt, kann zusätzlich oder ausschließlich zur Anwendung kommen. Der Flansch ermöglicht eine einfache Montage des Spindelmotors an einer das Festplattenlaufwerk aufnehmenden Tragplatte.
Weitere Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Spindelmotors in der bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 eine Stirnansicht der Lagerhülse gemäß Fig. 2; und
Fig. 3 eine teilweise aufgeschnittene Lagerhülse in Seitenansicht.
Der in Fig. 1 gezeigte Spindelmotor 1 umfaßt ein stehendes Bauteil 3 und ein sich um eine Rotationsachse R drehendes Bauteil 5. Das stehende Bauteil 3 weist einen Flansch 7 auf, der an einer nicht dargestellten Tragplatte befestigt ist. Im wesentlichen in der Mitte des Flansches 7 ist eine Bohrung 9 vorgesehen, in die eine Lagerhülse 11 eingesetzt ist. In einer Lagerbohrung 13 der Lagerhülse 11 befindet sich drehbar eine Motorwelle 15, wobei zwischen einer Lagerinnenfläche 17 der Lagerhülse 11 und einer Lagerfläche 19 der Motorwelle 15 ein nicht näher dargestellter Spalt vorgesehen ist. Zur hydrodynamischen Lagerung der Motorwelle 15 ist in den Lagerspalt zwischen Motorwelle und Lagerbohrung 17 ein Schmiermittel, vorzugsweise Öl eingebracht.
Die Lagerhülse ist an ihrem einen Ende 21 von einer Konterscheibe 23 dichtend verschlossen, die in eine Aussparung 25 eingesetzt ist. In einer radial nach innen gestuften, weiteren Aussparung 27 befindet sich ein Axialring 29 der drehfest mit dem Wellenende der Welle 15 verbunden ist. Die Konterscheibe 23 und der Axialring 29 können durch an sich bekannte Mittel, wie kleben, schrauben, schweißen oder verstemmen, zusätzlich gesichert sein.
An dem anderen Ende 31 der Lagerhülse 11 ist die Lagerinnenfläche 17 leicht angeschrägt, damit in dem dadurch erweiterten Bereich zwischen der Motorwelle 15 und der Lagerhülse 11 eine sogenannte Kapillardichtung 32 entsteht, die zudem als Schmiermittelreservoir und Ausgleichsvolumen dient. Dabei ist durch die Oberflächenspannung des Lageröls bei entsprechender Dimensionierung des Kapillardichtungsbereichs sichergestellt, dass unter normalen Betriebsbedingungen kein Öl aus dem Lagerspalt austritt, auch nicht bei axialer Stoßbelastung.
An dem zum Ende 31 der Lagerhülse 11 benachbarten Bereich der Motorwelle 15 ist eine Nabe 33 an der Motorwelle 15 befestigt. Der der Lagerhülse 11 gegenüberliegende Seitenbereich der Nabe 33 ist an die Form der Lagerhülse 11 angepaßt und weist zwei zueinander senkrechte Dichtungsflächenabschnitte 35, 37 auf. Über die gesamte Stirnseite 12 der Lagerhülse 11 erstreckt sich ein kreisringförmiger Dichtflächenabschnitt 39, an den sich am Außenumfang 14 ein weiterer zylindrischer Dichtflächenabschnitt 41 anschließt.
Die Nabe 33 ist mittels einer passgenauen Bohrung an dem aus der Lagerhülse 11 austretenden dem Axialring 29 gegenüberliegenden freien Ende der Motorwelle 15 drehsicher befestigt. Der Zentralbereich der Nabe 33 ist durch einen Vorsprung mit zylindrischer Ausnehmung dem stirnseitigen Ende der Lagerhülse angepaßt, derart, dass ein Teil der Lagerhülse in die Ausnehmung eintaucht, wobei die zueinander senkrechten Dichtflächen 35, 37 gebildet werden.
Somit erstreckt sich über die gesamte Stirnseite 12 der Lagerhülse 11 ein erstes Paar Dichtflächen 35, 39, dessen (ruhende) Dichtfläche 39 mit der entsprechenden Dichtfläche 35 am Grund der nabenseitigen Aussparung zusammenwirkt, während sich im axialen Überlappungsbereich am Außenumfang 14 ein weiteres Paar Dichtflächen 37, 41 anschließt.
Ein weiterer Dichtflächenabschnitt wird durch das Paar Dichtflächen 43, 45 gebildet, wobei sich die nabenseitige Dichtfläche 43 in einer zur Dichtfläche 35 parallelen, jedoch axial versetzten Ebene radial auswärts erstreckt, und die gegenüberliegende Dichtfläche 45 unter Bildung eines im wesentlichen gleich dimensionierten Dichtspaltes auf der Stirnseite eines flanschseitigen Vorsprungs in einem zur Lagerhülse 11 benachbarten Bereich angeordnet ist.
Somit wird eine stufenförmige Dichtanordnung geschaffen, die für eine aus einzelnen Dichtspalten gebildeten Labyrinthdichtung besonders geeignet ist. Der durch die Dichtflächen 35 bis 45 begrenzte, stufenförmige Dichtspalt ist so dimensioniert, dass sich insbesondere bei Drehung des angetriebenen Bauteils 5 um die Rotationsachse R ein Dichtungseffekt einstellt, der dem einer Labyrinthdichtung entspricht.
Konzentrisch zur Rotationsachse R umgibt ein in einer ringförmigen Aussparung 46 des Flansches befestigtes mit Spulen versehenes Wickelpaket 47 die Lagerhülse 11. Ein dem Wickelpaket 47 zugeordneter Rotormagnet 51 ist an der Innenfläche eines radial außen liegenden Ringabschnitts mit der Nabe 33 fest verbunden.
Sowohl der Flansch 7 als auch die Nabe 33 begrenzen einen die elektromotorische Antriebseinrichtung aufnehmenden Raum 48, wobei die die Labyrinthdichtung bildenden Dichtflächenabschnitte 35 bis 45 den von den Lagerflächen 17, 19 begrenzten Lagerspalt der hydrodynamischen Lagerung gegenüber dem lagerölfreien Raum 48 abdichten.
In Fig. 2 ist detaillierter der Dichtflächenabschnitt 35 an der Stirnseite 12 der Lagerhülse 11 dargestellt. In die Dichtfläche 35 ist eine aus mehreren Rillen 53 bestehende Rillenstruktur eingearbeitet, die im wesentlichen die Form einer Turbinenschaufelanordnung aufweist. Die Rillen 53 sind bogenförmig gekrümmt. Ferner sind die Rillen 53 in einem gleichmäßigen Abstand zueinander angeordnet, wobei die Rillenbreite radial nach außen zunimmt. Mit dieser Rillenstruktur wird einerseits gewährleistet, daß ein Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck im Bereich der Kapillardichtung 32 aufgebaut wird und ein Luftaustausch an der Lageröloberfläche der Kapillardichtung 32 weitestgehend verhindert wird. Auf diese Weise wird das Phänomen der die Lebensdauer des Spindelmotors begrenzenden Lagerölverdampfung weitgehend unterbunden.
Die teilweise in Fig. 3 im Schnitt gezeichnete Lagerhülse 11 weist eine zusätzliche aus mehreren Rillen 55 bestehende Rillenstruktur an dem Dichtflächenabschnitt 41 auf. Die Rillen 55sind geradlinig mit einer konstanten Breite und in einem konstanten Abstand zueinander angeordnet. Um den Luftdruckaufbau im Bereich der Kapillardichtung des hydrodynamischen Lagers zu unterstützen, sind die Rillen 55 schräg zur Längsrichtung der Lagerhülse angeordnet.
An dem Dichtflächenabschnitt 45 (siehe Fig. 1) des Flansches 7 kann eine Rillenstruktur gemäß der in Fig. 2 dargestellten vorgesehen sein. Selbstverständlich können die einzelnen Rillenstrukturen an jeder der Dichtflächenabschnitte 35 bis 45 vorgesehen sein.
Die in der obigen Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein. Bezugszeichenliste 1 Spindelmotor
3 Stehendes Bauteil
5 Drehendes Bauteil
7 Flansch
9 Montagebohrung
11 Lagerhülse
12 Stirnseite
13 Lagerbohrung
14 Außenumfang
15 Motorwelle
17 Lagerinnenfläche
19 Lagerfläche
21 Ende von 11
23 Konterscheibe
25 Innenabsatz
27 Absatz
29 Axialring
31 Ende von 11
32 Kapillardichtung
33 Nabe
35-45 Dichtflächen/Dichtflächenabschnitte
46 Aussparung
47 Statorbauteil, Blechpaket
48 lagerfluidfreier Raum
49 Radiales Ende
51 Rotorbauteil, Magnet und Rückschluß
53 Rillen
55 Rillen
R Rotationsachse

Claims

1. Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk, der ein erstes Bauteil (3) mit einer Lagerfläche (17) und ein gegenüber dem ersten Bauteil (3) drehbar angeordnetes, zweites Bauteil (5) mit einer Lagerfläche (19) aufweist, wobei sich die Lagerflächen (17, 19) gegenüberliegen und einen Lagerspalt bilden, in dem sich zur Bildung einer hydrodynamischen Lagerung ein Lagerfluid befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Bauteil (3, 5) jeweils eine Dichtfläche (35, 37, 39, 41, 43, 45) aufweisen, wobei die Dichtflächen (35, 37, 39, 41, 43, 45) sich berührungslos gegenüberliegen und derart ausgeführt sind, daß eine Labyrinthdichtung zum Abdichten des Lagerspalts gegenüber einem lagerfluidfreien Raum (48) des Spindelmotors (1) gebildet ist.

2. Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der Bauteile (3, 5) eine Motorwelle (15) und eine mit der Motorwelle (15) fest verbundene Nabe (33) umfaßt, die einen Dichtflächenabschnitt (35) aufweist, und das andere der Bauteile (3, 5) eine Lagerhülse (11) ist, an deren Stirnseite (12) ein Dichtflächenabschnitt (39) vorgesehen ist, wobei sich die Dichtflächenabschnitte (35, 39) der Nabe (33) und der Lagerhülse (11) zur Bildung der Labyrinthdichtung gegenüberliegen.

3. Spindelmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtflächen (35, 39) an die Lagerflächen (17, 19) anschließen.

4. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der Bauteile (3, 5) eine Lagerhülse (11) umfaßt, die einen Dichtflächenabschnitt (41) zumindest teilweise am Außenumfang (14) der Lagerhülse (11) aufweist, und das andere der Bauteile (3, 5) eine mit einer Motorwelle (15) fest verbundene Nabe (33) mit einem Dichtflächenabschnitt (37) aufweist, der dem Dichtflächenabschnitt (41) der Lagerhülse (11) zur Bildung der Labyrinthdichtung gegenüberliegt.

5. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der Bauteile eine Lagerhülse (11) umfaßt, an deren Außenumfang (14) ein Flansch (7) für die Montage des Spindelmotors (1) drehfest angebracht ist, wobei der Flansch (7) einen insbesondere zur Lagerhülse (11) benachbarten Dichtflächenabschnitt (45) aufweist, und das andere Bauteil eine mit einer Motorwelle (15) fest verbundene Nabe (33) mit einem Dichtflächenabschnitt (43) umfaßt, die dem Dichtflächenabschnitt (45) des Flansches (7) zur Bildung einer Labyrinthdichtung gegenüberliegt.

6. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einer der Dichtflächen (35, 37, 39, 41, 43, 45) wenigstens eine Rille (53, 55), insbesondere eine aus mehreren Rillen (53, 55) bestehende Rillenstruktur, vorgesehen ist.

7. Spindelmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Rille (53, 55), insbesondere eine aus mehreren Rillen (53, 55) bestehende Rillenstruktur, derart ausgeführt ist, daß ein entlang den Dichtflächen (35, 39) zu den Lagerflächen (17, 19) hin zunehmender Luftüberdruck gegenüber dem Atmosphärendruck aufgebaut wird.

8. Spindelmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus mehreren Rillen (53) bestehende Rillenstruktur an der Dichtfläche (35) die Form einer Turbinenschaufelanordnung aufweist.

9. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (53) gekrümmt sind, wobei die Rillenbreite radial nach innen abnimmt.

10. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus mehreren Rillen (55) bestehendes Rillenmuster an zumindest einer der Dichtflächen geradlinige, zueinander parallele und zur Längsrichtung der Lagerhülse schräge Rillen (55) aufweist.

11. Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einer Dichtfläche (35, 37, 39, 41, 43, 54) eine definierte Oberflächenrauhigkeit vorgesehen ist.

12. Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12.