DE102009008008B4

DE102009008008B4 - Fluid dynamic bearing for a spindle motor

Info

Publication number: DE102009008008B4
Application number: DE102009008008.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kull; Jens Tanneberg; Matthias Wildpreth
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2009-02-07
Filing date: 2009-02-07
Publication date: 2021-10-21
Anticipated expiration: 2029-02-08
Also published as: DE102009008008A1

Abstract

Fluiddynamisches Lager, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, welches umfasst:ein erstes, feststehendes Lagerbauteil (14) mit einer im Wesentlichen zylindrischen Lagerbohrung,ein zweites Lagerbauteil (16, 26) mit einer zylindrischen, drehbaren Welle (16) mit einer Länge SL und einem Außendurchmesser SOD, die in der Lagerbohrung des ersten Lagerbauteils (14) angeordnet und relativ zu diesem um eine Drehachse (20) drehbar gelagert ist, undeinen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (18), der einander zugewandte Oberflächen der beiden Lagerbauteile (14; 16, 26) voneinander trennt,wobei die Lagerbauteile (14; 16, 26) entlang des Lagerspalts (18) angeordnete und einander zugeordnete Lagerflächen aufweisen, die mindestens zwei fluiddynamische Radiallager (22, 24) und mindestens ein fluiddynamisches Axiallager (30) ausbilden, wobei die Radiallager (22, 24) in einem Lagerabstand BS voneinander angeordnet sind, wobei zwischen den Radiallagern (22, 24) ein mit Lagerfluid gefüllter Separatorspalt (32) angeordnet ist, und der Lagerabstand BS der Radiallager (22, 24) mindestens 70% der innerhalb der Lagerbuchse befindlichen Länge SL der Welle beträgt, dadurch gekennzeichnet,dass der Außendurchmesser SOD der zylindrischen Welle (16) innerhalb der Lagerbuchse zwischen 2,3 und 2,7 mm beträgt, unddass der Lagerabstand BS mindestens 2,5 mal so groß ist wie der Außendurchmesser SOD der Welle (16), wobei der Separatorspalt (32) eine Länge SEP aufweist, die mindestens doppelt so groß ist wie der Außendurchmesser SOD der Welle (16).Fluid dynamic bearing, in particular for the rotary bearing of a spindle motor, which comprises: a first, stationary bearing component (14) with an essentially cylindrical bearing bore, a second bearing component (16, 26) with a cylindrical, rotatable shaft (16) with a length SL and a Outer diameter SOD, which is arranged in the bearing bore of the first bearing component (14) and is mounted rotatably relative to this about an axis of rotation (20), and a bearing gap (18) filled with a bearing fluid and which has mutually facing surfaces of the two bearing components (14; 16, 26) separates from one another, the bearing components (14; 16, 26) having bearing surfaces arranged along the bearing gap (18) and assigned to one another, which form at least two fluid dynamic radial bearings (22, 24) and at least one fluid dynamic axial bearing (30), the Radial bearings (22, 24) are arranged at a bearing distance BS from one another, with a filled with bearing fluid between the radial bearings (22, 24) he separator gap (32) is arranged, and the bearing spacing BS of the radial bearings (22, 24) is at least 70% of the length SL of the shaft located within the bearing bush, characterized in that the outer diameter SOD of the cylindrical shaft (16) within the bearing bush between 2.3 and 2.7 mm, and that the bearing distance BS is at least 2.5 times as large as the outer diameter SOD of the shaft (16), the separator gap (32) having a length SEP which is at least twice as large as the outer diameter SOD of the shaft (16).

Description

Gebiet der ErfindungField of invention

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Fluiddynamisch gelagerte Spindelmotoren werden vorzugsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken oder Lüftern verwendet.The invention relates to a fluid dynamic bearing, in particular for the rotary bearing of a spindle motor according to the preamble of claim 1. Fluid dynamic bearing spindle motors are preferably used to drive storage disk drives or fans.

Stand der TechnikState of the art

Fluiddynamische Lager umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Luft oder Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Oberflächenstrukturen in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Oberflächenstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige Oberflächenstrukturen verwendet, die senkrecht zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralförmige Oberflächenstrukturen verwendet, die meist senkrecht um eine Rotationsachse angeordnet werden. Bei einem fluiddynamischen Lager eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken ist meist eine Welle drehbar in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse gelagert. Die Welle hat einen Durchmesser von beispielsweise wenigen Millimetern.Fluid dynamic bearings usually comprise at least two bearing components which are rotatable relative to one another and which have a bearing fluid between them associated with one another with a bearing fluid, e.g. B. form air or bearing oil, filled bearing gap. In a known manner, surface structures that are assigned to the bearing surfaces and act on the bearing fluid are provided. In fluid dynamic bearings, the surface structures in the form of depressions or elevations are usually applied to individual or both bearing surfaces. These surface structures, which are arranged on corresponding bearing surfaces of the bearing partners, serve as bearing and / or pumping structures which, when the bearing components rotate relative to each other, generate a hydrodynamic pressure within the bearing gap. In radial bearings, for example, sinusoidal, parabolic or herringbone-like surface structures are used which are arranged perpendicular to the axis of rotation of the bearing components and distributed over the circumference of at least one bearing component. In the case of axial bearings, for example, spiral-shaped surface structures are used, which are usually arranged perpendicularly around an axis of rotation. In the case of a fluid dynamic bearing of a spindle motor for driving hard disk drives, a shaft is usually rotatably mounted in a bearing bore of a bearing bush. The shaft has a diameter of a few millimeters, for example.

Die DE 10 2007 008 860 A1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem nach dem Stand der Technik. Das Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse, die eine zentrale Bohrung aufweist. In die Bohrung der Lagerbuchse ist eine Welle eingesetzt, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle verbleibt ein Lagerspalt, der zwei fluiddynamische Radiallager umfasst, mittels denen die Welle um eine Rotationsachse drehbar in der Bohrung der Lagerbuchse gelagert ist. Die Radiallager sind durch Oberflächenstrukturen gekennzeichnet. Der Lagerspalt ist mit einem Lagerfluid gefüllt. Ein freies Ende der Welle ist mit einer topfförmigen Nabe verbunden, deren untere Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet, sogenanntes Top-Thrust Design. Hierzu ist eine der Oberflächen des Axiallagers mit Oberflächenstrukturen versehen, die bei Rotation der Welle eine Pumpwirkung auf das zwischen Nabe und Stirnseite der Lagerbuchse befindliche Lagerfluid ausübt, so dass das Axiallager tragfähig wird. Zwischen dem äußeren Rand des Axiallagers und dem Bereich des unteren Radiallagers kann ein Rezirkulationskanal vorgesehen sein, der bestimmte Bereiche des Lagerspalts miteinander verbindet und eine Zirkulation des Lagerfluids im Lager unterstützt. Es ist ein elektromagnetisches Antriebssystem vorhanden, das aus einer am feststehenden Teil des Motors angeordneten Statoranordnung und einem an der Nabe angeordneten Permanentmagneten besteht.the DE 10 2007 008 860 A1 shows a spindle motor with a fluid dynamic bearing system according to the prior art. The bearing system comprises a fixed bearing bush which has a central bore. A shaft is inserted into the bore of the bearing bush, the diameter of which is slightly smaller than the diameter of the bore. Between the surfaces of the bearing bush and the shaft there remains a bearing gap which comprises two fluid dynamic radial bearings, by means of which the shaft is rotatably mounted in the bore of the bearing bush about an axis of rotation. The radial bearings are characterized by surface structures. The bearing gap is filled with a bearing fluid. A free end of the shaft is connected to a cup-shaped hub, the lower surface of which, together with an end face of the bearing bush, forms a fluid dynamic axial bearing, a so-called top-thrust design. For this purpose, one of the surfaces of the axial bearing is provided with surface structures which, when the shaft rotates, exerts a pumping effect on the bearing fluid located between the hub and the end face of the bearing bush, so that the axial bearing becomes stable. A recirculation channel can be provided between the outer edge of the axial bearing and the area of the lower radial bearing, which connects certain areas of the bearing gap to one another and supports the circulation of the bearing fluid in the bearing. There is an electromagnetic drive system which consists of a stator arrangement arranged on the stationary part of the motor and a permanent magnet arranged on the hub.

Für den Einsatz in einem Festplattenlaufwerk ist die Nabe des Spindelmotors zur Befestigung einer Speicherplatte vorbereitet. Bei den meisten herkömmlichen Festplattenlaufwerken trägt die Nabe eine oder zwei Speicherplatten. Für Festplattenlaufwerke mit höherer Speicherkapazität, z.B. für den Einsatz in Servern, ist es notwendig die Anzahl der Speicherplatten zu erhöhen, z.B. auf vier oder mehr Speicherplatten. Derartige Serverlaufwerke haben also insgesamt eine höhere Rotormasse. Für die letztgenannten Arten von Festplattenlaufwerken, sowie allgemein aufgrund der höheren Datendichten steigen die Anforderungen an Präzision und Laufruhe des Speichersystems. Daher ist es notwendig, die Steifigkeit des gesamten Motorsystems zu vergrößern.The hub of the spindle motor is prepared for the attachment of a storage disk for use in a hard disk drive. Most conventional hard disk drives have one or two storage disks in the hub. For hard disk drives with a higher storage capacity, e.g. for use in servers, it is necessary to increase the number of storage disks, e.g. to four or more storage disks. Server drives of this type therefore have a higher rotor mass overall. For the last-mentioned types of hard disk drives, as well as generally because of the higher data densities, the requirements for precision and smoothness of the storage system are increasing. Therefore, it is necessary to increase the rigidity of the entire engine system.

In der US 2003 / 0 231 813 A1 ist ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 offenbart.US 2003/0 231 813 A1 discloses a fluid dynamic bearing system, in particular for the rotary bearing of a spindle motor, according to the features of the preamble of claim 1.

Die US 7 459 416 B2 offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem mit zwei Radiallagern und einem Wellendurchmesser von 2 mm bis 4 mm.the US 7 459 416 B2 discloses a fluid dynamic bearing system with two radial bearings and a shaft diameter of 2 mm to 4 mm.

Die DE 10 2005 005 414 B3 offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem mit zwei Radiallagern, die in axialer Richtung durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.the DE 10 2005 005 414 B3 discloses a fluid dynamic bearing system with two radial bearings which are separated from one another in the axial direction by an air gap.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Steifigkeit eines eingangs beschriebenen Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem zu verbessern, ohne die Grundkonstruktion des Top-Thrust Designs zu ändern. Die Erfindung findet vor allem Anwendung in Festplattenlaufwerk mit einem kleinen Formfaktor, von beispielsweise 2,5 Zoll.It is the object of the invention to improve the rigidity of a spindle motor with a fluid dynamic bearing system described above without changing the basic construction of the top-thrust design. The invention has particular application in hard disk drives with a small form factor, for example 2.5 inches.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a storage system according to the features of claim 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments and further advantageous features of the invention are specified in the dependent claims.

Es wird ein im Vergleich zum Stand der Technik stark vergrößerter Lagerabstand BS zwischen den Radiallagern vorgeschlagen. Dadurch erhöht sich die Steifigkeit des Lagersystems deutlich. Bei den bisher bekannten Lagern war der Lagerabstand wesentlich kleiner als 70 % der Länge der Welle.A greatly increased bearing spacing BS between the radial bearings is proposed compared to the prior art. This significantly increases the rigidity of the bearing system. In the previously known bearings, the bearing spacing was significantly less than 70% of the length of the shaft.

Wichtig ist, dass vorzugsweise nur der Lagerabstand gegenüber einem Motor des bisherigen Standes der Technik erhöht wird. Die Länge bzw. die Gesamtfläche der Radiallager wird vorzugsweise nicht verändert. Die Länge bzw. Fläche der Radiallager kann jedoch ebenfalls vergrößert werden, je nach Anwendung und geforderten Spezifikationen. Aufgrund des größeren Lagerabstandes erhöht sich die Kippsteifigkeit des Lagers, ohne dass sich die Reibung und damit auch der Stromverbrauch des damit drehgelagerten Motors (wesentlich) erhöhen. Durch die Verlängerung des Lagerabstandes vergrößern sich insgesamt auch die Länge der Welle und die Länge des ersten, vorzugsweise feststehenden Lagerbauteils. Da das erste Lagerbauteil mit der Basisplatte des Spindelmotors verbunden ist, lässt sich eine größere Verbindungslänge und damit eine höhere Auspresskraft realisieren, wodurch die strukturelle Steifigkeit des Motor-Lagersystems ebenfalls erhöht wird. Die größere Verbindungslänge zwischen dem Lagerbauteil und der Basisplatte wirkt sich auch auf die Schockfestigkeit des Lagers aus, die dadurch ebenfalls steigt.It is important that preferably only the bearing spacing is increased compared to a motor of the prior art. The length or the total area of the radial bearings is preferably not changed. The length or area of the radial bearings can, however, also be increased, depending on the application and the required specifications. Due to the greater distance between the bearings, the tilting rigidity of the bearing increases without the friction and thus also the power consumption of the motor with rotating bearings increasing (significantly). As a result of the lengthening of the bearing spacing, the length of the shaft and the length of the first, preferably stationary bearing component are also increased overall. Since the first bearing component is connected to the base plate of the spindle motor, a greater connection length and thus a higher extrusion force can be achieved, whereby the structural rigidity of the motor-bearing system is also increased. The longer connection length between the bearing component and the base plate also has an effect on the shock resistance of the bearing, which also increases as a result.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Radiallager durch axial verlaufende und einander zugewandte Lagerflächen des ersten Lagerbauteils und des zweiten Lagerbauteils gebildet, wobei die Lagerflächen durch einen axial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes voneinander getrennt sind. In entsprechender Weise wird das Axiallager durch radial verlaufende und einander zugewandte Lagerflächen des ersten Lagerbauteils und des zweiten Lagerbauteils gebildet, wobei diese Lagerflächen durch einen radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspaltes voneinander getrennt sind.According to a preferred embodiment of the invention, the radial bearings are formed by axially extending and facing bearing surfaces of the first bearing component and the second bearing component, the bearing surfaces being separated from one another by an axially extending section of the bearing gap. In a corresponding manner, the axial bearing is formed by radially extending and mutually facing bearing surfaces of the first bearing component and the second bearing component, these bearing surfaces being separated from one another by a radially extending section of the bearing gap.

Um eine bestmögliche Lagersteifigkeit zu erzielen, ist der Lagerabstand BS mindestens 2,5-mal so groß, wie der Außendurchmesser SOD der Welle.In order to achieve the best possible bearing rigidity, the bearing spacing BS is at least 2.5 times as large as the outside diameter SOD the wave.

Ferner weist ein Abschnitt mit vergrößerter Spaltbreite, der sogenannte Separatorspalt, der die Radiallager voneinander trennt, eine Länge SEP auf, die mindestens doppelt so groß ist, wie der Außendurchmesser SOD der Welle.Furthermore, a section with an enlarged gap width, the so-called separator gap, which separates the radial bearings from one another, has a length SEP that is at least twice as large as the outer diameter SOD the wave.

Um einen guten Kompromiss zwischen Lagerreibung und Lagereffektivität zu finden ist die gesamte Lagerfläche der Radiallager kleiner als die Hälfte der gesamten Oberfläche der Welle, die sich innerhalb der Lagerbuchse befindet.In order to find a good compromise between bearing friction and bearing effectiveness, the total bearing surface of the radial bearing is less than half of the total surface of the shaft that is located inside the bearing bush.

An einem Ende der Welle ist ein Stopperring befestigt, der in einer Aussparung des ersten Lagerbauteils angeordnet ist. Vorzugsweise weist der Stopperring einen Durchmesser STOD auf, der kleiner ist als die halbe Länge SL der Welle.A stopper ring, which is arranged in a recess in the first bearing component, is attached to one end of the shaft. The stop ring preferably has a diameter STOD that is less than half the length SL the wave.

Das zweite Lagerbauteil umfasst eine ringförmige Nabe, die einen Innenumfang aufweist, der gemeinsam mit einem Außenumfang des ersten Lagerbauteils einen Dichtungsspalt ausbildet. Vorzugsweise verläuft der Dichtungsspalt im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Lagers und ist direkt oder indirekt mit dem Lagerspalt verbunden.The second bearing component comprises an annular hub which has an inner circumference which, together with an outer circumference of the first bearing component, forms a sealing gap. The sealing gap preferably runs essentially parallel to the axis of rotation of the bearing and is connected directly or indirectly to the bearing gap.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann im ersten Lagerbauteil ein Rezirkulationskanal angeordnet sein, der ein geschlossenes Ende des Lagerspalts direkt oder indirekt mit einem offenen Ende des Lagerspalts verbindet. Dadurch wird eine ausreichende Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt sichergestellt. Das fluiddynamische Lager kann erfindungsgemäß zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet werden. Ein derartiger Spindelmotor kann beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes dienen.In a further development of the invention, a recirculation channel can be arranged in the first bearing component, which channel connects a closed end of the bearing gap directly or indirectly to an open end of the bearing gap. This ensures sufficient circulation of the bearing fluid in the bearing gap. According to the invention, the fluid dynamic bearing can be used for the rotary bearing of a spindle motor. Such a spindle motor can be used, for example, to drive a hard disk drive.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für Spindelmotoren relativ kleiner Baugröße geeignet, bei denen der Wellendurchmesser ca. 2,5 mm beträgt und die in Festplattenlaufwerken mit einem Formfaktor von 2,5 Zoll eingesetzt werden.The invention is particularly advantageously suitable for relatively small-sized spindle motors in which the shaft diameter is approximately 2.5 mm and which are used in hard disk drives with a form factor of 2.5 inches.

FigurenlisteFigure list

1 shows a section through a spindle motor with a fluid dynamic bearing according to the invention.
2 shows a representation of two radial transfer functions, on the one hand for a storage system according to the prior art and on the other hand for a storage system according to the invention.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der ErfindungDescription of a preferred embodiment of the invention

In 1 ist ein Schnitt durch einen Spindelmotor 10 mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager dargestellt. Der Spindelmotor 10 umfasst eine Basisplatte 12 mit einem hülsenförmigen Ansatz mit zentraler Bohrung, in welcher eine Lagerbuchse 14 beispielsweise im eingeklebt ist. Die Lagerbuchse 14 weist eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer Welle 16 auf, wobei zwischen dem Innendurchmesser der Bohrung und dem Außendurchmesser der Welle 16 ein ringförmiger konzentrischer Lagerspalt 18 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, beispielweise einem Lageröl, gefüllt ist. Die Welle 16 kann frei in der feststehenden Lagerbuchse 14 um eine Drehachse 20 rotieren und bildet zusammen mit dieser in bekannter Weise ein hydrodynamisches Radiallagersystem aus, das zwei in einem axialen Lagerabstand BS zueinander angeordnete Radiallager 22, 24 umfasst. Die hydrodynamischen Radiallager 22, 24 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Welle 16 und/oder der Lagerbuchse 14 angeordnet sind. Am freien Ende der Welle 16 ist eine Nabe 26 befestigt, auf der z. B. eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) eines Festplattenlaufwerks angeordnet werden können. Eine axiale Verschiebung der Lageranordnung entlang der Drehachse 20 wird durch ein entsprechend ausgestaltetes hydrodynamisches Axiallager 30 verhindert. Das Axiallager 30 wird gebildet durch eine untere ebene Fläche der Nabe 26 und eine gegenüberliegende Stirnfläche der Lagerbuchse 14. Eine der Lagerflächen des Axiallagers 30 ist mit Lagerrillenstrukturen versehen, die bei Rotation der Nabe 26 relativ zur Lagerbuchse 14 eine Pumpwirkung auf das zwischen Nabe 26 und Stirnseite der Lagerbuchse 14 befindliche Lagerfluid ausüben, so dass das Axiallager 30 tragfähig wird.In 1 is a section through a spindle motor 10 shown with a fluid dynamic bearing according to the invention. The spindle motor 10 includes a base plate 12th with a sleeve-shaped approach with a central bore in which a Bearing bush 14th for example is glued in. The bearing bush 14th has an axial bore for receiving a shaft 16 on, being between the inside diameter of the bore and the outside diameter of the shaft 16 an annular concentric bearing gap 18th remains, which is filled with a bearing fluid, for example a bearing oil. The wave 16 can freely in the fixed bearing bush 14th around an axis of rotation 20th rotate and together with this forms a hydrodynamic radial bearing system in a known manner, the two radial bearings arranged at an axial bearing spacing BS from one another 22nd , 24 includes. The hydrodynamic radial bearings 22nd , 24 are characterized by bearing groove structures on the surface of the shaft 16 and / or the bearing bush 14th are arranged. At the free end of the shaft 16 is a hub 26th attached, on the z. B. one or more storage disks (not shown) of a hard disk drive can be arranged. An axial displacement of the bearing arrangement along the axis of rotation 20th is made possible by an appropriately designed hydrodynamic axial bearing 30th prevented. The thrust bearing 30th is formed by a lower flat surface of the hub 26th and an opposite end face of the bearing bush 14th . One of the bearing surfaces of the thrust bearing 30th is provided with bearing groove structures that when the hub rotates 26th relative to the bearing bush 14th a pumping action on that between hub 26th and face of the bearing bush 14th Exercise located bearing fluid, so that the thrust bearing 30th becomes sustainable.

An einem Ende der Welle 16 ist ein Stopperring 28 vorgesehen, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Wellendurchmesser aufweist. Der Stopperring 28 ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 14 angeordnet. Der Stopperring verhindert eine übermäßige axiale Bewegung der Welle 16 innerhalb der Lagerbuchse 14 und ein „Herausfallen“ der Welle aus der Lagerbuchse. Eine Abdeckplatte 34 verschließt die dem Stopperring 28 zugewandte Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 18 eindringt oder Lagerfluid austritt.At one end of the shaft 16 is a stopper ring 28 provided, which has an enlarged outer diameter compared to the shaft diameter. The stopper ring 28 is in a recess of the bearing bush 14th arranged. The stop ring prevents excessive axial movement of the shaft 16 inside the bearing bush 14th and the shaft “falling out” of the bearing bush. A cover plate 34 closes the stopper ring 28 facing side of the bearing system and prevents air from entering the bearing gap filled with bearing fluid 18th penetrates or bearing fluid escapes.

Am Außendurchmesser eines hülsenförmigen Ansatzes der Basisplatte 12 ist eine Statoranordnung 36 angeordnet, welche aus einem ferromagnetischen Stator-Blechpaket sowie aus entsprechenden Phasenwicklungen besteht. Radial außerhalb der Statoranordnung 36 ist ein Rotormagnet 38 vorgesehen, welcher an der Nabe 26 befestigt ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden. Die Mitte des Rotormagneten 38, in Richtung der Drehachse 20 gesehen, ist leicht oberhalb der Mitte des Stator-Blechpakets angeordnet, wodurch sich eine nach unten in Richtung der Basisplatte 12 gerichtete Kraft ergibt. Außerdem ist ein ferromagnetischer Ring 40 unterhalb des Rotormagneten 38 an der Basisplatte 12 angeordnet, welcher eine Kraft in dieselbe Richtung bewirkt. Diese in Richtung der Basisplatte 12 gerichteten axialen Kräfte bilden eine Vorspannung für das Axiallager 30.On the outer diameter of a sleeve-shaped extension of the base plate 12th is a stator assembly 36 arranged, which consists of a ferromagnetic stator laminated core and corresponding phase windings. Radially outside the stator assembly 36 is a rotor magnet 38 provided which on the hub 26th is attached. An external rotor motor is shown. Alternatively, an internal rotor motor can of course be used. The center of the rotor magnet 38 , in the direction of the axis of rotation 20th seen, is arranged slightly above the center of the laminated stator, causing a downward direction towards the base plate 12th directed force results. Also is a ferromagnetic ring 40 below the rotor magnet 38 on the base plate 12th arranged, which causes a force in the same direction. This in the direction of the base plate 12th Directed axial forces form a preload for the axial bearing 30th .

Das offene Ende des Lagerspalts 18, nahe der Nabe 26, ist durch einen konischen Dichtungsspalt 42 abgedichtet. Der Dichtungsspalt 42 bildet eine Kapillardichtung und wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 14 und eine innere Umfangsfläche eines Teils der Nabe 26. Der Dichtungsspalt 42 verläuft im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse und ist radial außerhalb des Axiallagers 30 mit dem Lagerspalt 18 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Der Dichtungsspalt 42 wirkt außerdem als Ausgleichsvolumen und Reservoir für das Lagerfluid.The open end of the bearing gap 18th , near the hub 26th , is through a conical sealing gap 42 sealed. The sealing gap 42 forms a capillary seal and is delimited by an outer circumferential surface of the bearing bush 14th and an inner peripheral surface of a portion of the hub 26th . The sealing gap 42 runs essentially parallel to the axis of rotation and is radially outside the axial bearing 30th with the bearing gap 18th connected and partially filled with bearing fluid. The sealing gap 42 also acts as a compensation volume and reservoir for the bearing fluid.

Zur Verbesserung der Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 18 ist vorzugsweise ein Rezirkulationskanal 44 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 44 erstreckt sich in der Lagerbuchse 14 in wesentlichen in axialer Richtung und verbindet einen an den Außendurchmesser des Stopperrings 28 angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts 18 mit dem Lagerspalt im Bereich des Außendurchmessers des Axiallagers 30 unterhalb der Nabe 26.To improve the circulation of the bearing fluid in the bearing gap 18th is preferably a recirculation channel 44 intended. The recirculation channel 44 extends in the bearing bush 14th essentially in the axial direction and connects one to the outer diameter of the stopper ring 28 adjacent section of the bearing gap 18th with the bearing gap in the area of the outer diameter of the axial bearing 30th below the hub 26th .

Erfindungsgemäß besitzen nun die beiden Radiallager 22, 24 einen besonders großen Lagerabstand BS und sind durch einen besonders langen Separatorspalt 32 mit der Länge SEP voneinander getrennt. Die Lagerflächen der Radiallager 22 und 24 müssen hierbei im Vergleich zum Stand der Technik nicht vergrößert werden, d. h. die axiale Länge URB der oberen Lagerfläche sowie die axiale Länge der LRB der unteren Lagerfläche bleibt unverändert, während sich vorzugsweise nur der Lagerabstand BS ändert. Aufgrund des größeren Lagerabstandes BS erhöht sich die Kippsteifigkeit des Lagers, ohne dass sich die Lagerreibung wesentlich erhöht, da die Flächen der Radiallager 22, 24 an sich unverändert bleiben.According to the invention, the two radial bearings now have 22nd , 24 a particularly large bearing distance BS and are due to a particularly long separator gap 32 with length SEP separated from each other. The bearing surfaces of the radial bearings 22nd and 24 do not have to be increased in comparison to the prior art, ie the axial length URB of the upper bearing surface and the axial length of the LRB the lower bearing surface remains unchanged, while preferably only the bearing spacing BS changes. Due to the larger bearing spacing BS, the tilting rigidity of the bearing increases without the bearing friction increasing significantly, since the surfaces of the radial bearings 22nd , 24 remain unchanged in themselves.

2 zeigt ein Diagramm der radialen Übertragungsfunktionen eines Lagers gemäß dem Stand der Technik und im Vergleich dazu eines erfindungsgemäßen Lagers. Die Kurve 50 zeigt die radiale Übertragungsfunktion eines Lagers gemäß dem Stand der Technik, wobei insbesondere in den Frequenzbereichen 0 bis 800 Hz und größer 2000 Hz die Werte der Übertragungsfunktion der Kurve 50 deutlich größer sind, als die Werte der Übertragungsfunktion der Kurve 52, die dem erfindungsgemäßen Lager entspricht. Das bedeutet, dass die Schwingungsneigung beim erfindungsgemäßen Lager gemäß Kurve 52 insbesondere bei einer Frequenz bis 800 Hz geringer ist, als die Schwingungsneigung eines herkömmlichen Lagers gemäß Kurve 50. Daraus ergibt sich eine Erhöhung der Steifigkeit des Lagers und eine damit verbundene Reduktion der Schwingungen des gesamten Festplattenlaufwerks. 2 shows a diagram of the radial transfer functions of a bearing according to the prior art and, in comparison, a bearing according to the invention. The curve 50 shows the radial transfer function of a bearing according to the prior art, the values of the transfer function of the curve in particular in the frequency ranges from 0 to 800 Hz and greater than 2000 Hz 50 are significantly larger than the values of the transfer function of the curve 52 , which corresponds to the bearing according to the invention. This means that the tendency to vibrate in the bearing according to the invention is in accordance with the curve 52 in particular at a frequency of up to 800 Hz is lower than the tendency of a conventional bearing to vibrate according to the curve 50 . This results in an increase in the rigidity of the bearing and an associated reduction in the vibrations of the entire hard disk drive.

Aufgrund des größeren Lagerabstandes BS ergibt sich insgesamt auch eine größere Lagerlänge. Dadurch ist auch die Länge der Lagerbuchse 14 vergrößert und der Verbindungsbereich zwischen Lagerbuchse und Basisplatte 12 wird ebenfalls größer. Dadurch erhöht sich die strukturelle Steifigkeit des Systems insbesondere des ganzen Motors sowie die Auspresskraft der Verbindung zwischen Lagerbuchse 14 und Basisplatte 12. Die höhere strukturelle Steifigkeit des Systems ist wiederum aus den Kurven 50 und 52 ersichtlich und insbesondere in einem Frequenzbereich um 2,4 kHz deutlich sichtbar. Der Wert der Übertragungsfunktion der Kurve 52 ist im Frequenzbereich um 2,4 kHz deutlich kleiner als der Wert der Kurve 50. Die höhere Auspresskraft zwischen Lagerbuchse 14 und Basisplatte 12 ist erforderlich, da das Lager mit einer vergleichsweise hohen Last betrieben werden soll, beispielsweise in einem Festplattenlaufwerk mit drei oder vier Speicherplatten.Because of the greater bearing spacing BS, there is also a greater overall bearing length. This also increases the length of the bearing bush 14th enlarged and the connection area between the bearing bush and the base plate 12th also gets bigger. This increases the structural rigidity of the system, in particular of the entire motor, as well as the extrusion force of the connection between the bearing bush 14th and base plate 12th . The higher structural rigidity of the system is in turn from the curves 50 and 52 visible and particularly clearly visible in a frequency range around 2.4 kHz. The value of the transfer function of the curve 52 is significantly smaller than the value of the curve in the frequency range around 2.4 kHz 50 . The higher extrusion force between the bearing bush 14th and base plate 12th is necessary because the bearing is to be operated with a comparatively high load, for example in a hard disk drive with three or four storage disks.

Ein typisches Lagersystem gemäß der Erfindung für einen Spindelmotor zum Antrieb eines 2,5 Zoll-Festplattenlaufwerkes besitzt beispielsweise folgende Abmessungen:

Länge der Welle SL = 9,43 mm
Länge des Separatorspalts SEP = 5,96 mm
Länge des oberen Radiallagers URB = 2,2 mm
Länge des unteren Radiallagers LRB = 1,27 mm
Lagerabstand BS = 7,64 mm
Durchmesser der Welle SOD = 2,5 mm
Durchmesser des Stopperrings STOD = 3,38 mm
Dicke des Stopperrings STW = 0,4 mm

A typical storage system according to the invention for a spindle motor for driving a 2.5 inch hard disk drive has, for example, the following dimensions:

Length of the shaft SL = 9.43 mm
Length of the separator gap SEP = 5.96 mm
Length of the upper radial bearing URB = 2.2 mm
Length of the lower radial bearing LRB = 1.27 mm
Bearing distance BS = 7.64 mm
Shaft diameter SOD = 2.5 mm
Stop ring diameter STOD = 3.38 mm
Thickness of the stopper ring STW = 0.4 mm

Diese Werte sind nicht beschränkend für die Erfindung aufzufassen, sondern stellen nur die Abmessungen einer möglichen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems dar.These values are not to be understood as limiting the invention, but only represent the dimensions of a possible configuration of a storage system according to the invention.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: SpindelmotorSpindle motor
1212th: BasisplatteBase plate
1414th: LagerbuchseBearing bush
1616: Wellewave
1818th: LagerspaltBearing gap
2020th: DrehachseAxis of rotation
2222nd: hydrodynamisches Radiallagerhydrodynamic radial bearing
2424: hydrodynamisches Radiallagerhydrodynamic radial bearing
2626th: Nabehub
2828: StopperringStop ring
3030th: hydrodynamisches Axiallagerhydrodynamic thrust bearing
3232: SeparatorspaltSeparator gap
3434: AbdeckplatteCover plate
3636: StatoranordnungStator assembly
3838: RotormagnetRotor magnet
4040: ferromagnetischer Ringferromagnetic ring
4242: DichtungsspaltSealing gap
4444: RezirkulationskanalRecirculation channel
5050: Kurve (Stand d. Technik)Curve (state of the art)
5252: Kurve (Erfindung)Curve (invention)
SLSL: Länge der Welle (innerhalb der Lagerbuchse)Length of the shaft (inside the bearing bush)
SODSOD: Durchmesser der Welle (innerhalb der Lagerbuchse)BS Lagerabstand der RadiallagerDiameter of the shaft (inside the bearing bush) BS Bearing distance of the radial bearings
SEPSEP: Länge des SeparatorspaltsLength of the separator gap
BABA: Lagerflächestorage area
SASA: Oberfläche der WelleSurface of the shaft
STODSTOD: Durchmesser des StopperringsStop ring diameter
STWSTW: Dicke des StopperringsThickness of the stopper ring
URBURB: Länge des oberen RadiallagersLength of the upper radial bearing
LRBLRB: Länge des unteren RadiallagersLength of the lower radial bearing

Claims

Fluid dynamic bearing, in particular for the rotary bearing of a spindle motor, which comprises: a first, fixed bearing component (14) with an essentially cylindrical bearing bore, a second bearing component (16, 26) with a cylindrical, rotatable shaft (16) with a length SL and a Outer diameter SOD, which is arranged in the bearing bore of the first bearing component (14) and is rotatably mounted relative to this about an axis of rotation (20), and a bearing gap (18) filled with a bearing fluid, the surfaces of the two bearing components (14; 16) facing each other , 26) separates from one another, the bearing components (14; 16, 26) having bearing surfaces arranged along the bearing gap (18) and associated with one another, which form at least two fluid dynamic radial bearings (22, 24) and at least one fluid dynamic axial bearing (30), wherein the radial bearings (22, 24) are arranged at a bearing spacing BS from one another, wherein between the radial bearings (22, 24) is a with bearing fluid üllter separator gap (32) is arranged, and the Bearing distance BS of the radial bearings (22, 24) is at least 70% of the length SL of the shaft located within the bearing bush, characterized in that the outer diameter SOD of the cylindrical shaft (16) within the bearing bush is between 2.3 and 2.7 mm, and that the bearing spacing BS is at least 2.5 times as large as the outer diameter SOD of the shaft (16), the separator gap (32) having a length SEP which is at least twice as large as the outer diameter SOD of the shaft (16).

Fluid dynamic bearing according to Claim 1 , characterized in that the radial bearings (22, 24) are formed by axially extending and facing bearing surfaces of the first bearing component (14) and the shaft (16) of the second bearing component, the bearing surfaces being formed by an axially extending section of the bearing gap (18) are separated from each other.

Fluid dynamic bearing according to Claim 1 or 2 , characterized in that the axial bearing (30) is formed by radially extending and facing bearing surfaces of the first bearing component (14) and a part (26) of the second bearing component, these bearing surfaces being separated from one another by a radially extending section of the bearing gap (18) are.

Fluid dynamic bearing according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the radial bearings (22, 24) have a total bearing surface BA which is smaller than half of the total surface SA of the shaft (16).

Fluid dynamic bearing according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that a stopper ring (28) is attached to one end of the shaft (16) and is arranged in a recess of the first bearing component (14).

Fluid dynamic bearing according to Claim 5 , characterized in that the stopper ring (28) has a diameter STOD which is smaller than half the length SL of the shaft (16).

Fluid dynamic bearing according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the second bearing component comprises an annular hub (26) which has an inner circumference which, together with an outer circumference of the first bearing component (14), forms a sealing gap (42).

Fluid dynamic bearing according to Claim 7 , characterized in that the sealing gap (42) runs essentially parallel to the axis of rotation (20) and is connected directly or indirectly to the bearing gap (18).

Fluid dynamic bearing according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that a recirculation channel (44) is arranged in the first bearing component (14) which connects a closed end of the bearing gap (18) directly or indirectly to an open end of the bearing gap (18).

Fluid dynamic bearing according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that it is used for the rotary bearing of a spindle motor.

Fluid dynamic bearing according to one of the Claims 1 until 10 , characterized in that it is used for the rotary bearing of a spindle motor for driving a hard disk drive.

Spindle motor with a stator component and a rotor component, the rotor component by means of a fluid dynamic bearing according to FIGS Claims 1 until 11 is rotatably mounted relative to the stator component and is driven by an electromagnetic drive system.

Hard disk drive with at least one storage disk, which is driven by a spindle motor according to Claim 12 is driven in rotation, wherein a write-read device for writing data to and reading data from the storage disk is provided.