Most hard disk spindles currently used are supported by oil lubricated hydrodynamic bearings. However, in the trend of increasing spindle speed and reducing size and cost, dynamic behaviors of the bearing such as RRO and NRRO are more important. A novel system evaluating dynamic behavior of hydrodynamic bearings in had disk drive was developed to analyze the effect of groove shapes and parameters.
In order to meet the growing demands for higher storage density as well as lower noise level, the spindles in hard disk drives are to be supported by hydrodynamic bearings in place of conventional ball-type ones. However, the existing models are inappropriate to apply to accurate prediction of vibration characteristics because the HDD spindle tends to take quite a complex shape to secure its performance and cost-effectiveness. In this context, this paper treats analysis of free and forced vibrations of such-designed HDD spindles based on more sophisticated models and validations via experiments. Remarkably, to this end all the components in the system are modeled as elastic adopting the finite element method.
Sintered oilless bearing using fluid-dynamic mechanism for high revolution of over 10,000 rpm was developed by Powder metallurgy Process. Developed bearing was composed of Fe-40-60%Cu of which inner face consisted of six-regular-prominence-and-depression. Inner face has controlled pore size and amount according to application. Jitter and friction properties were tested under assembled conditions with housing and motor. Bearing-own properties and precision were also tested because of demanding for assembled properties. Measurement-skill as well as mould-production-skill were investigated for the precision of bearing. Final precision reached 2 ${\mu}m$ in inner diameter tolerance and 5 ${\mu}m$ in coaxiality under assembled conditions.
This paper investigates the whirling, tilting and flying motion of a HDD spindle system supported by FDB experimentally. Experimental setup is built to measure the flying, whirling and tilting motion of the HDD spindle system, and three capacitance probes fixed on the xyz-micrometers measure the displacement of a HDD spindle system in the xyz-directions. This research shows that the tilting and whirling motion is mostly dependent on the centrifugal force and the gyroscopic moment due to the unbalanced mass of a HDD spindle. It also shows that the rotating HDD spindle starts to float to the equilibrium position in the z-direction until the weight of the rotating spindle is equal to the supporting pressure generated in the upper and lower thrust bearing.
In order to meet the growing demands for higher storage density as well as lower noise level, the spindles In hard disk drives are to be supported by hydrodynamic bearings in place of conventional ones. However, the existing models are inappropriate to apply to accurate Prediction or vibration characteristics because the Inn spindle tends to take quite a complex shape to secure the performance of the new type bearings. In this context, this paper treats analysis of free and forced vibrations of such-designed HDD spindles based on more sophisticated models and validation by means of experiments. Remarkably, to this end each component in the system is modeled as elastic adopting the finite element method.
This paper introduces the mechanism of the ESD(electrostatic discharge) in the HDD spindle system using FDBs(fluid dynamic bearings). When a HDD(hard disk drive) spindle system is rotating, triboelectric charging occurs in the FDBs through the friction between the lubricant and the rotating shaft or between the lubricant and stationary sleeve. And this electrostatic charge is accumulated in the rotating parts of the HDD spindle system because they are insulated from the ground by the lubricant. This research shows experimentally that the behavior of electric charge and discharge in the FDB spindle system is the same as that of a capacitor. It also measures the electrostatic voltage difference between the rotating and stationary parts in the FDB spindle system due to the change of humidity, supporting load and motor speed. This research shows that the control of ESD is required in the HDD spindle system using FDBs, because the electrostatic charge accumulated in the FDB spindle system may cause the breakdown damage of the GMR head and data loss consequently.
This paper introduces the mechanism of the ESD (Electrostatic discharge) in the HDD spindle system using FDBs (Fluid Dynamic Bearings). When a HDD (Hard Disk Drive) spindle system is rotating, triboelectric charging occurs in the FDBs through the friction of the lubricant between the rotating shaft and stationary sleeve. And this electrostatic charge is accumulated in the rotating part of the HDD spindle system because it is insulated from the ground by the lubricant. This research shows experimentally that the behavior of electric charge and discharge in the FDB spindle system is the same as that of a capacitor. It also measures the electrostatic charge and discharge of the FDB spindle system due to the chanse of humidity, supporting load and motor speed. This research shows that the control of ESD is required in the HDD spindle system using FDBs, because the electrostatic charge accumulated in the FDB spindle system may cause the breakdown damage of the GMR head and data loss consequently.
This research develops an experimental method to measure the motion of a FDB spindle system with a 3.5' disk by using three capacitance probes fixed on the xyz-micrometers, and it shows that a FDB spindle system has the whirling, flying and tilting motion. It also shows that the whirling, flying and tilting motion converge very quickly to the steady state at the same time when the rotor reaches the steady-state speed. However, they are quite large even at the steady state when they are compared with the 10nm flying height of a magnetic head. For the FDB spindle system used in this experiment, the whirl radius and the peak-to-peak variation of flying height and tilting angle at the steady-state speed of 7,200rpm are 0.675m, 30nm and $5.758\times10^{-3^{\circ}}$, respectively, so that the radial motion of the FDB spindle system exceeds a track pitch of a 3.5' HDD with 90,000 TPI.
This paper investigates the dynamic behavior of a HDD spindle system due to the imperfect roundness of a rotating shaft. The shaft of a spindle motor rotates with eccentricity by the unbalanced mass of the rotating part. The eccentricity generates the run-out of a spindle motor which results in the eccentric motion of a rotating part. Roundness of a shaft affects this motion which limits the memory capacity of a HDD. This research proposes a modified Reynolds equation for the coupled journal and thrust FDBs to include the variable film thickness due to the roundness. Finite element method is used to solve the Reynolds equation for the pressure distribution. Reaction forces and friction torque are obtained by integrating the pressure and shear stress, respectively. The dynamic behavior is determined by solving the equations of a motion of a HDD spindle system in six degrees of freedom with the Runge-Kutta method to characterize the motion of a rotating part. This research shows that the roundness of a rotating shaft causes the excitation frequency with integer multiple of a rotating frequency.
This paper investigates the dynamic characteristics of a tilted HDD spindle system with fluid dynamic bearings (FDBs). Tilting motion of a HDD spindle system may be caused by improper manufacturing tolerance, such as imperfect cylindricity between shaft and sleeve of FDBs, imperfect perpendicularity between shaft and thrust as well as the gyroscopic moment of the unbalanced mass of the rotating part. Tilting motion may result in the instability of the HDD spindle system and it may increase the disk run-out to limit memory capacity. This research proposes a modified Reynolds equation for the coupled journal and thrust FDBs to include the variable film thickness due to the cylindricity and the perpendicularity. Finite element method is used to solve the Reynolds equation for the pressure distribution. Reaction forces and friction torque are obtained by integrating the pressure and shear stress, respectively. The dynamic behavior is determined by solving the equations of a motion of a HDD spindle system in six degrees of freedom with the Runge-Kutta method to study whirling and tilting motions. This research shows that the cylindricity and the perpendicularity increase the tilting angle and whirl radius of the rotor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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