CN1080762A - 磁记录磁盘润滑剂的衬垫式环形仓 - Google Patents

Abstract

一种适用于磁盘近接触数据存贮装置的润滑剂 储存系统，它随磁盘组件一起旋转，能够补充设备寿 命期内从磁盘表面消耗的润滑剂。该储存系统包括 设在磁盘衬垫中的仓室腔，从仓室腔沿径向向外延伸 的限流通道或者有纹理的表面提供润滑剂限流作用， 而通气通道沿径向向内延伸以替代消耗掉的润滑 剂。被限流的润滑剂在毗邻磁盘的表面与磁盘表面 贴合处被送至磁盘表面，该相邻表面被弯曲成与磁盘 表面形成一个大于90°的角度，以防止润滑剂脱离 磁盘。在限流通道、空气通道及一些倾斜面上还可使 用不可润湿的表面，以进一步控制润滑剂的限流。

Description

本发明属于近接触磁记录磁盘驱动器领域，在这类磁盘驱动器中，利用润滑剂薄膜层将滑动器与旋转的磁盘表面隔开，提供了通过从衬垫式环形仓定量输出润滑剂并保持该润滑剂膜以利于设备寿命的装置，其中润滑剂的输出速率等于在设备操作期间因离心力而从旋转的磁盘表面损失润滑剂的速率。

随着磁盘驱动器的磁存贮密度的增加，需要减薄存贮媒体的磁记录层，并减小在相对运动期间磁记录层与传感器之间的间隔。不久将有必要在旋转的磁盘媒体与传感器之间保持一微英寸或更小的间隔，避免能够快速促使损耗的磁头与磁盘或者固体与固体的接触。为此一种方法是在磁盘表面保持一薄层润滑剂（在5至500唉范围之内），它具有足够的厚度以防止磁头与磁盘的接触，但又足够薄以确保磁头与磁盘之间的紧密间隔。对于这种系统，在设备组装之前润滑磁盘（一般利用浸渍或旋转施加）。润滑剂足够粘稠以保证在设备操作期间其能极缓慢地飞离磁盘。然而，还没有一种润滑剂仅靠一次施用便能够持续到设备的预期寿命结束。因此，需要某些用于补充磁盘表面润滑剂膜的系统。

为获得磁盘记录表面润滑剂膜的成功及满意的补充，需要达到几项目的。存贮的润滑剂必须在所有预计能够影响磁盘驱动器的工作条件下以一定理想范围之内的速率定量地输出。所有从仓室流出或释放的润滑剂必须流向磁盘表面。这样是为保证存贮的润滑剂的有效利用并防止由仓室可能释放的润滑剂液滴未施用到磁盘表面所造成的浪费。再有，润滑剂的环形分配必须一致，并且在设备不旋转时润滑剂的流动必须能有效停止。

本发明利用一个衬垫环实现，该环放置在记录磁盘表面内径的邻近处并沿径向介于用于记录数据或其他信息的磁道区之间。仓室必须具有足够的内部容积以存贮所需量的润滑剂，用来补充其所接触的磁盘表面上的润滑剂膜，以延长磁盘驱动器的寿命。仓室一衬垫结构包括多个环形区域，它们提供在驱动器内部适当磁盘间隔所需的刚度并提供存贮润滑剂的仓室容量以及一个限流结构;通过这个结构润滑剂以可控的方式释放。还有一个环形表面，该表面要与磁盘表面精确对准。环形柔性衬垫环表面延伸到磁盘表面上允许的正常制造缺陷之处的半径之外。衬垫环在磁盘表面具有一个局部最大直径，以限制由仓室释放到磁盘表面的润滑剂。在环的内径提供了一个孔，以允许间隔环的外部与仓室区域间的空气流通。

使用能转动并从其外径散发液体润滑剂的环形仓，在操作期间提供了一个高G力，它导致润滑剂在设备寿命内低速散发，并提供了非操作条件，其间小的限流通道有效地封闭了仓室内部的润滑剂。另外，G力随半径的增加而增大的事实使润滑剂从仓室的供给在产品的寿命期内大致一致。

可以选择多孔的、有吸收能力的物质放置在仓室中以提高润滑剂保持能力。尽管这种物质将减小仓室的容积，但是当驱动器未操作时，毛细作用将完全防止流体润滑剂的泄漏。在操作期间，离心力将使润滑剂很快流向邻近仓室最大内径的空间，在那里产生前述的限流流动。当转动停止时，润滑剂的毛细抑制重新建立。选用有吸收能力的物质在下面几种方式中尤显重要：1）高限流速率;2）使用低粘性的润滑剂;3）使用低离心的场合（例，低RPM（转/分）和/或在小半径使用限流）。

图1为一个去掉封盖的典型磁盘驱动器的示意部分平视图。图2为图1中磁盘驱动器的部分剖视侧视图。图3所示为一磁盘驱动器的间隔器及典型的磁盘。图4是示意性地表示了本发明的一个磁盘衬垫的剖视图。图5A是表示出润滑剂沿圆形表面移动的趋势的磁盘衬垫剖视图。图5B是表示润滑剂相对于非挠性（non-compliant）表面的移动的磁盘及其衬垫部分的放大视图。图6A示出了与精加工的磁盘表面相接触的一个有纹理的衬垫面的放大示意图。图6B示出了二个相接触的有纹理表面。图7、8、9、10、11、12和13则分别显示适用于各种不同环境的本发明的几个实施例。

图1及图2示出了一个典型的硬盘数据存贮装置。数据存贮在多个硬盘11上，这些硬盘被一起固定在一个可绕一根轴3旋转的组件中。该磁盘组件中包括由插座3所支撑的多个磁盘11，插座3由衬垫13分隔并由一个夹紧装置15加以固定，从而使整个组件能一起旋转。

典型的启动组件14具有一系列刚性臂16，每个刚性臂16上都承载了一个能支撑一个传感器承载头12的挠性部件17。上述的传感器则分别与磁盘的数据表面相对，以将数据写在该磁盘表面上的磁记录层中同心圆磁道中或者从中读出数据。启动组件14最常见的是在一个音圈电机（未示出）的带动下绕一个轴转动，从而将传感器从一个同心磁道移至另一个同心磁道。对这种典型的由音圈电机驱动的旋转启动器的更详细描述可以从美国专利第5，060，095号中得到。上述的主轴及启动组件被装在一个由基座部件19和盖子20构成的一个机壳中，该机壳能基本上把上述的头、盘组件与周围的空气隔绝开来。驱动器单元或者做成密封状态，或者装有一个通气滤网，以确保进入机壳内的空气不含悬浮污染物。

本发明适用的驱动器环境是近接触磁盘驱动器，在这种驱动器中，传感器通过一层在磁盘驱动器的寿命内能补充的液体润滑剂-更具体地说是一层高粘度润滑剂-而与媒体表面隔开。对硬盘所述的液体润滑剂是高粘度润滑剂，可以是过氟化润滑剂或者是碳氢润滑剂，体积粘度约为1厘泊或更大些。

图3中示意性地示出了一个分隔相对的盘表面21的衬垫环22，且该衬垫环与每个其上面需要维持一层润滑剂膜的记录表面相邻。

图4示出了本发明的一个实施例。磁盘11之间间隔着一个衬垫组件23，该衬垫组件23也提供了润滑剂仓的功能，从而向相对的磁盘表面24提供润滑剂，以取代因磁盘旋转而消耗掉的那些润滑剂。衬垫部分25是刚性的，并起到将相邻磁盘表面24间的间距维持在固定值上的作用。无论磁盘衬垫执行的其他功能是什么，它必须实现的首要目的是精确地维护相邻磁盘表面之间的间隔及平行。环形物25、26可以是分离的部件，也可以是带有径向联接肋或其他能简化磁盘组的安装的结构的单独部件。中间的环形空间27中包含多孔材料28，这种多孔材料中用润滑剂浸透过，形成一个润滑剂仓。使用多孔的固体保存物或者吸液海绵之类的材料能够给处理及安装提供最大的方便。然而，将润滑剂保存在能允许液体流动的膜内却是一种能最有效地利用存贮容积的技术。从环形仓室的圆筒形外环壁表面延伸至相邻于相应盘表面24的出口的通道30，具有能完成将润滑剂以预定的速率释放至磁盘表面的限流功能的直径或者节流机制。在润滑剂仓周边有多个通路30，从而能使液体润滑剂均匀地施加到磁盘表面。挠性清洗器（Compliant    Washer）33具有一个径向内隙34，用于截获在清洗器33和相邻的磁盘表面24之间从通路泄出的润滑剂。清洗器和磁盘的相邻的表面部分中的一方或者双方被做成不规则状，从而足以使润滑剂在它们之间流动。如果上述的有纹理槽具有径向部分的话，则磁盘的不规则也可以是磁盘的纹理。清洗器33的径向外端35被弯曲成一个大于90°的角度。这将使任何润滑剂液滴或者润滑剂液球流向磁盘表面，而不致于被飞溅至机壳表面浪费掉或者实际上成为一种危害物。设置了一个可压缩的近似环形偏置部件36（附图中示意性地画成了一个伸缩软管状的偏置部件），以将挠性清洗器推向相邻的磁盘表面。通气孔37允许空气进入环形仓区空间27，以消除内部润滑剂仓和周围环境之间的压力差。这样就能适应温度变化，同时允许空气去取代已送往磁盘表面的润滑剂。

当驱动器不工作即磁盘组件不旋转时，该组件只处于周围大气的影响之下。在这样的状态下，衬垫与相邻的磁盘之间的间隙不足于使润滑剂发生较大的泄漏，且定量供给通道30的小尺寸也不致于使润滑剂从仓室27中流出而产生任何后果。当驱动器工作而主轴组件以一般为4000转/分的速度旋转时，在半径为18毫米处推动润滑剂通过定量供给通道30的离心力为725个G。这样，非操作期间润滑剂不能流出的要求就能满足。

如果衬垫环外径处的壁42呈圆柱面而不是倾斜面（如图5A所示），则会有一部分润滑剂44（如虚线所示的那样）爬离磁盘，并以液滴45的形式飞溅入空气中。另一个不希望出现的状况示于图5B中，图中，衬垫是非柔性的，从而造成在磁盘表面24和磁盘衬垫的表面40上形成成分离的润滑剂膜44，如图中的虚线所示。下面的膜追随磁盘的表面，上面的膜追随非柔性衬垫的表面，它们在衬垫面和倾斜面41的尖锐处聚集，并以液滴45形式飞入空气中。

图6A示出了一个与平坦的精加工表面49配合的有纹理表面48，该表面上的深度为0.1至3微米的纹理槽或凹槽提供了限制润滑剂流量的通道。图6B中示出了使用二个相配合的有纹理表面48、52时的情形，如在第二个表面有相同的纹理深度，则能提供更大的限流能力。纹理槽要产生作用的话必须具有一个径向部分。最佳的结构是以一系列不连续的、深度可控的槽的形式形成的交叉开口的纹理图案，其中纹理槽相互之间形成几度至约45°的角度。

在图7中的实施例中，一对硬磁盘11由一个衬垫51隔开。衬垫51是刚性的，它包括既可以是分离或是互联的环形凹槽的多个润滑剂仓53。该润滑剂仓中可以装入一种多孔的吸液材料。该材料浸透了液体润滑剂，从而能使润滑剂在磁盘驱动单元的寿命内逐渐地释放至相对的磁盘表面24上。

从润滑剂仓部分径向向内和径向向外的表面上具有可控制的粗糙度。从仓室径向向外延伸的粗糙表面54提供了润滑剂的限流界面，而自仓室凹槽53沿径向向内的粗糙面55则使空气能进入仓室中，以取代已流向磁盘表面的那些润滑剂。限流面54及通气表面55的表面粗糙度应足够小，以防止磁盘组件不旋转时液体润滑剂或者空气产生流动。当驱动器工作，磁盘组件旋转时，直径为31/2英寸的磁盘驱动器在以4000转/分的速度旋转时在半径为18毫米处的离心力一般可达700个G。

衬垫的外周表面56被制成在轴线的中点处并具有较小的半径，这样，这些呈截头圆锥状的表面与磁盘表面24构成一个大于90°的角。这样就避免了参照图5A描述过的问题，即润滑剂聚集在邻近磁盘表面的边缘处，而不是沿着圆筒形表面流动并释放至磁盘表面而形成一层表面薄膜。相对于磁盘的精加工的表面层而言，衬垫对粗糙匹配面是充分柔性的，以防止液滴排向空气中而不是形成磁盘表面润滑剂膜的一部分。本实施例最适用于那些足够平整以使系统中只需要少量柔性便可实现贴合（compliance）的磁盘。

图8中的实施例与图7中的相似，只是使用的衬垫51的外直径上的法兰部分58被做成在组装入磁盘组之前呈轴向扩张状态，如虚线部分59以夸张方式所示的那样。当磁盘组安装时被夹紧在一起，使得有纹理的限流连接面与相邻的磁盘实理形成紧密的固体对固体的贴合。此时，法兰59被压迫成一种基本呈径向的状态，如实线的结构58所示。衬垫的两个轴线端处的有纹理表面54、55分别实现润滑剂的限流作用以及构成轴向通气路径，以使空气取代从仓室中消散掉的润滑剂。

图9中示出的实施例与图8中的相似，其中使用了一个处于压缩状态的高韧性弹性环62来压紧法兰的柔性表面61。使之与相邻的磁盘表面24实现紧密接触。如果弹性环缺乏足够的韧性，则旋转时施加在其上的高G力将引起径向拉伸，从而导致一个不适应的轴向力的产生。这将使环丧失使法兰与磁盘表面实现柔性配合的偏置能力。在图8和图9的实施例中，法兰的端面60均是倾斜的，从而在邻近磁盘表面24处形成了一个截头圆锥面，从而使二个表面构成了一个大于90°的角度。倾斜的表面能防止定量供给的润滑剂跟随表面60而离开磁盘表面。图8和图9中所示的实施例最适用于磁盘表面上无凹坑及划痕之类的缺陷因而能被用作限流界面的场合，但波纹度和曲率大到需要在衬垫上设置一个柔性区域。

图10中的实施例在相邻的磁盘11的相邻表面24之间使用了一个三件衬垫。润滑剂仓中保存着通常是保存在一个多孔材料圆环中的润滑剂。中间的环形衬垫部件66和其外侧的环形衬垫67之间的粗糙界面64、65起到对从仓室53流向环形表面69的润滑剂限流并允许内直径附近的空气进入仓室取代消耗掉的润滑剂的作用。限流界面64终止于略小于截头圆锥表面69的半径的一个半径处。由旋转着的磁盘组件施加的离心力将使润滑剂沿着表面69流动，进而聚集在小沟68中，再进入能把润滑剂送向磁盘表面24的润滑剂排放通道70中。倾斜面69确保润滑剂被导向排放通道。法兰部分提供构成挠性区域的表面，这一部分象图8中的实施例那样被做得有点向外扩张，这样磁盘组被安装并夹紧在一起时，就能使法兰面紧压在相邻的磁盘表面上。挠性表面的粗糙度大至足以提供一个限流作用比限流界面弱的通道，从而确保在这样的限流表面上对润滑剂的从仓室至磁盘的施用过程进行控制。将润滑剂释放至磁盘表面的那些表面被做成倾斜面，以形成一个大于90°的角度，从而确保润滑剂流向磁盘表面并构成薄膜的一部分，而不是沿着衬垫的外径表面飞离磁盘表面。

与图10中的实施例相似，图11中的实施例包括一个具有润滑剂限流界面64和通气界面65的三件衬垫结构。被限流的润滑剂沿着衬垫外径处的圆锥面75流向每一个磁盘表面24。一个弹性带73围绕着衬垫的中间部分66，弹性环77包括与相邻的磁盘表面24毗邻的金属饰面78，从而提供了粗糙的挠性金属与磁盘界面表面，使限流的润滑剂沿着磁盘表面流动，并在倾斜表面79的外径处释放，在磁盘表面形成一个薄膜。弹性环77可以由弹性塑料或者软金属制成，且其轴向尺寸略大一些并具有足够的可压缩性，使得金属饰面78与磁盘表面实现挠性接触，同时又不危及为限流的润滑剂提供通道的纹理或者粗糙度。图10和11中所示结构可以使用在磁盘表面不够平整而使之不能用作一部分限流界面的那些装置中。

图12和13中显示的衬垫环把仓室部分27，53设置在比环67的刚性部分半径要小的地方。润滑剂从仓室经过一个管状通道82流至一个环形增压室83。润滑剂由该增压室进入限流界面30和64。这一配置在装置的寿命期间在限流界面上提供更稳定的液压。

图7至图13中的每个实施例中都示出了一个紧靠着磁盘表面的衬垫。在一个磁盘组的每一轴向端部或者单磁盘驱动器的每一侧，都必须有能使润滑剂分配至每个单独的表面上的装置。在起支撑作用的主轴结构的一端及其相反的一端设有一个改进了的衬垫或者夹紧单元，用来包括用在磁盘之间的各个衬垫的轴向上的一半。

图7至图13中所示的各个实施例中的润滑剂仓在仓室组件（如图中示出的各个衬垫）装入磁盘/主轴组件中之前先被填充。图7、8和9中所示的仓室可以通过将一种吸液填料插入含有所期望效果的润滑剂的仓室腔中来完成填充。在图10和11所示的实施例中，设置了一个可插入的填充孔57。在衬垫部分66、67装好之后，润滑剂通过上述的填充孔注入仓室腔53中。当仓室填充之后，填充孔57被填入一种可用紫外光固化的环氧树脂63，其填入的方式是使固化后的环氧材料不致于凸出衬垫的表面68。

为了进一步增强衬垫仓室系统的工作性能，衬垫上的限流通道或限流面以及倾斜表面还可包括一个不可润湿的覆层，以进一步阻止在磁盘主轴组件不转动时润滑剂的流动。在阻止润滑剂在限流表面或挠性表面的出口处飞离磁盘表面的运动的倾斜表面上，也加工上述的不可润湿覆层，不可润湿的材料被形成为5-30

的薄层，再加热使之与表面结合。当装置不受因旋转而加大的G力作用时，上述的覆层能阻止润滑剂的流动，并借助于润滑剂的表面张力将润滑剂保存在仓室中。这些覆层可以根据装置中使用的润滑剂为两种（过氟化或碳氢润滑剂）中的哪一种来选定。将要进行上述处理的表面有：图4中的通道30、33和37，图7、8、9中的表面54、55、56和60，以及图10和11中的表面64、65、71、72和79。

在运行中，当磁盘驱动器不工作即磁盘组件不旋转时，限流通道及限流界面的限制作用是如此之强，以致于不会产生值得注意的润滑剂流动，这样，润滑剂仓就被有效地密封起来了，与周围的空气实现了隔绝。当主轴组件旋转时会产生高G力，推动润滑剂流过限流通道或限流界面，在设备的寿命期间补充磁盘表面上的润滑剂膜。上述的限流界面或限流通道的制造尺寸能完成长期的输送并在输送时能够与选用的润滑剂的粘度特性相适应。由于润滑剂是从环形仓室的外径开始限流的，且由旋转产生的G力也由半径增大而增大，因此，不管在新设备仓室为满时，还是在产品的预期寿命期间仓室中已显著用空时，润滑剂的输送速率总是处于一个可接受的范围之内。在上面示出的多种实施例中选择衬垫设计时主要是根据使用本发明的磁盘的表面质量。从根本上来说，盘片表面的质量越好，就可使用越简单的衬垫设计。在任何设计中，衬垫的侧壁都可以用一层低表面能的覆层（如含氟聚合物）进行处理，以防止润滑剂爬离磁盘表面。

虽然本发明是参照几个最佳实施例进行具体指示和描述的，本技术领域内的熟练人员应当理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可对本发明作多种形式上和细节上的其他变动。

Claims (16)

1、一种磁盘数据存贮装置，其特征在于：

包括至少一个磁性数据存贮盘的盘组件，上述的磁性数据存贮盘具有一个内直径和一个外直径，并包括覆盖在该数据存贮盘表面上的一层液体润滑剂膜，

一个润滑剂仓室系统，它邻近所述的盘内径处并沿径向位于所述的数据存贮表面上的数据存贮磁道的内侧，

所述的仓室系统包括一个在装置工作期间能以基本上与旋转造成的润滑剂膜消耗速率相等的速率从所述的仓室释放润滑剂的限流装置，以及

将由所述的仓室限量供给的润滑剂分送至所述的盘数据存贮表面的装置。

2、如权利要求1所述的磁盘数据存贮装置，其特征在于所述的仓室系统中包括一个润滑剂仓且所述的限流装置在径向上位于所述的润滑剂仓的外侧。

3、根据权利要求2的磁盘数据存贮装置，其特征在于：所述的限流装置包括一个压在盘表面上的挠性单元，且限流作用由所述的盘和挠性单元的相对表面中的至少一个上的表面不平整提供。

4、根据权利要求2的磁盘数据存贮装置，其特征在于：所述的润滑剂仓室系统由多个部件构成，且所述的限流装置包括所述的多个部件的相邻表面，所述的相邻表面具有可控的粗糙度并在径向上自仓室腔向外延伸。

5、根据权利要求4的磁盘数据存贮装置，其特征在于被偏置成在其径向外端与所述盘的表面相贴合并提供限流作用比所述的限流装置小的润滑剂通道的一个挠性部件。

6、根据权利要求5的磁盘数据存贮装置，其特征在于得到适当设置以将润滑剂从所述的限流装置导向所述的挠性部件通道装置的一条槽沟。

7、一种磁盘数据存贮装置，其特征在于：

一个包括至少一个磁盘的磁盘组件，所述磁盘具有一个内径和一个外径，并且该组件在其记录表面上包括一层粘度大于1厘泊的润滑剂薄膜;

构成所述的磁盘组件的一部分的一个润滑剂仓，它被设置在与磁盘组件一起旋转的磁盘的相邻表面上的数据存贮磁道的径向内侧，并含有大量润滑剂，以及

限流装置，用来从所述的仓室中可控地释放出润滑剂以补充所述的润滑剂膜，并取代因磁盘组件旋转而从所述薄膜中消耗掉的润滑剂。

8、根据权利要求7的磁盘数据存贮装置，其特征在于一个相邻于相邻盘表面的内直径的盘衬垫，且其中所述的润滑剂仓被制成所述的衬垫内的一个环形空间。

9、根据权利要求8的磁盘数据存贮装置，其特征在于：所述的限流装置包括自所述的润滑剂仓的外直径延伸至邻近所述盘衬垫的外直径的盘表面的通道装置。

10、根据权利要求9的磁盘数据存贮装置，其特征在于，所述的盘衬垫提供了一个在所述的润滑剂仓和所述的盘表面之间径向伸展的挠性环状界面，且所述的限流装置由所述的环形界面上的相邻表面的可控粗糙度来提供。

11、根据权利要求9的磁盘数据存贮装置，其特征在于限制空气通道，该通道从所述的润滑剂仓伸展至所述盘衬垫的内直径处，从而允许空气进入所述的仓室以替代从该仓室送出的润滑剂或者补偿热变化或者气压变化。

12、根据权利要求10的磁盘数据存贮装置，其特征在于：位于所述盘衬垫的外直径处的环形界面终点处，与盘表面相邻的衬垫外周表面被弯曲而与盘表面构成一个大于90°的角度，从而从所述的界面终点处限流供给的润滑剂不会沿着衬垫的外周表面脱离所述的磁盘。

13、根据权利要求7的磁盘数据存贮装置，其特征在于：所述的润滑剂仓包括一个环形空腔，且所述的限流装置包括从所述的环形空腔沿径向向外延伸的通道装置。

14、根据权利要求13的磁盘数据存贮装置，其特征在于：所述的通道装置被用一层不会被所述润滑剂所润湿的涂层进行了处理。

15、根据权利要求14的磁盘数据存贮装置，其特征在于一个空气通道，该通道从仓室的环形空腔径向向内伸展，所述的空气通道被用一层不会被所述的润滑剂润湿的涂层进行了处理。

16、根据权利要求15的磁盘数据存贮装置，其特征在于设置在保存所述润滑剂的所述环形空腔内的一种吸液填充材料。

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