CN1129721C - 包含流体动力轴承的磁盘存储器 - Google Patents

Abstract

一种用在磁盘存储器系统内、对载荷和旋转速度的变化不敏感的流体动力轴承。这种轴承包括一位于一轴套(102)内的轴(100)，所述轴和所述轴套由一流体间隙(104)隔开，所述轴套具有沿其轴向长度设置的一轴颈支承部分(1，2，8，7)；一圆锥形支承部分(200)和一止推支承部分(202)。

Description

包含流体动力轴承的磁盘存储器

供参照的相关申请

本申请是以转让给本申请受让人的、于1997年4月23日提交的美国分案申请No.60/044,100为基础的，该分案申请在这里援引供参考之用。

本申请还涉及参阅申请号为No.08/944,100并于1997年12月19日提交的美国专利申请、专利申请号为No.09/043,065并于1997年12月19日提交的美国专利No.6,069,767和申请号为No.08/981,548并于1997年12月19日提交的美国专利申请。所有这些专利申请均已转让给本申请的受让人，在此援引以供参考。

本发明的技术领域

本发明涉及磁盘驱动器存储器系统，具体地说，本发明涉及一种用在磁盘驱动器存储器系统中的流体动力轴承。

本发明的技术背景

磁盘驱动器是供磁性存储信息之用的。在一种磁盘驱动器内，磁盘高速旋转，而传感头则是在所述磁盘的一表面上“飞行”。该传感头通过在磁盘上施加一磁场而将信息记录在磁盘表面上。利用传感头探测磁盘表面的磁化强度可读出信息。所述传感头在磁盘表面上径向移动，从而可读出不同的数据磁道。

近几年来，存储密度趋于日益增大，而存储系统的尺寸趋于日益减小。这种趋势已导致在制造和操作磁性存储盘时需要更高的精度和更小的公差。例如，为了提高存储密度，传感头必须位于非常靠近存储盘表面的地方。这种接近要求磁盘基本上在一个平面上旋转。磁盘旋转时的略微晃动或偏斜将有可能使磁盘的表面与传感头接触。这种现象称为“撞击”，它会损坏传感头和磁盘的表面，从而导致数据的丧失。

从上面的讨论可看到，支承存储盘的轴承组件是特别重要的。一种传统的轴承组件包括由一对座圈支承的滚珠轴承，它能使存储盘的毂盘相对一固定件旋转。然而，滚珠轴承组件具有许多机械上的问题，诸如滚珠或滚道发生磨损、凹进、摆动和制造困难等等。此外，由于阻尼较小，耐工作冲击和振动的能力较弱。因此，人们一直在研究用其它的轴承组件来与高密度磁盘一起使用。

已作过研究的另一种轴承结构是流体动力轴承。在一种流体动力轴承里，诸如空气和液体之类的润滑流体在壳体的固定件和磁盘毂的旋转件之间提供一支承表面。除了空气之外，常用的润滑剂还包括油或铁磁性流体。与包括一系列点接触的滚珠轴承组件相比，流体动力轴承能将支承界面分布在很大的表面上。这是十分理想的，因为支承表面的增大，可减少在旋转件和固定件之间的晃动或偏斜。此外，在界面区域采用流体可给予支承件以阻尼效应，有助于减少非重复的偏斜。

然而，流体动力轴承本身存在着很多缺陷。这些缺陷包括刚度-功率比较低。

本发明的概述

因此，本发明的一目的在于提供一种改进型的流体动力轴承，它对于冲击、振动、载荷和旋转速度的变化不太敏感，但从动力学上说更为稳定。

本发明的另一目的在于提供一种两端均开口的流体动力轴承，它可以保持住轴承内部的流体流动平衡。

本发明的又一目的在于提供一种装配更为方便且易于调整间隙的流体动力轴承组件。

本发明的再一目的在于提供一种可以最大程度地减小各构件的装配公差，即，可以减小对很多间隙的公差要求的流体动力轴承。

本发明的另一目的在于提供一种在主轴电动机或其它类似物中较有用的流体动力轴承，它比已知的那些仅在一端被支承的普通主轴电动机要刚硬。

本发明的这些和其它目的是由一种在轴承座内有用的流体动力轴承来实现的，所述轴承座可以装入一个主轴电动机等内，所述轴承包括一轴、一支承在该轴上的圆锥形支承部分、以及一至少位于一侧且通常在圆锥形支承部分上方和下方的轴颈支承部分。一轴套安装成能相对于所述轴旋转，并与该轴协作而形成圆锥形流体动力轴承和轴向的轴颈支承部分所必需的间隙。在轴的端部，在轴套和轴之间形成了毛细管密封件，从而使流体不会从流体动力轴承内泄漏。轴本身包括一中心孔，且具有与圆锥形支承部分和轴颈支承部分连通的小孔。

另一个人们所希望的特征是，在一些实施例中，将轴的一端做得比轴的另一端大。这样就使得轴和轴套或轴颈之间的间隙在静止轴直径较大的地方是较大的，从而降低了在所述流体动力轴承的至少一部分内的对公差的高的要求的需要。较佳的是，轴的顶端(即，轴的靠近圆锥形支承部分的较大端部的那一端)具有直径较大的轴颈支承部分。

另外，采用圆锥形支承部分可支承轴向和径向两个方向的载荷。这对诸如用于磁盘驱动器的主轴电动机，即需要支承多个磁盘以进行旋转的电动机而言特别有用，它可改善施加在某一电动机上的轴向和径向载荷。

这种设计的另一个优点是，由于将该设计做得比单板流体动力轴承的刚度强，所以能增强对工作时的冲击和轴承振动的抵抗力。

本发明的另一个特征是，由于只设置了一个圆锥形支承部分，轴向的轴颈支承部分设置在该圆锥形支承部分的上方和下方，因此可以更为方便地装配轴承和它周围的轴套。

对于本技术领域的熟练人员来说，在研究了结合以下附图给出的本发明公开内容之后，本发明的其它特征和优点将变得更为清楚。

附图简要说明

图1是一磁盘存储器系统的立体图，它可以采用本发明的流体动力轴承座和主轴电动机。

图2是一装在一主轴电动机组件内的已有技术的流体动力轴承座的纵剖视图。

图3是一装在一主轴电动机内的本发明流体动力轴承座的纵剖视图。

图4A和图4B是一采用本发明的主轴电动机的纵剖视图，所述主轴电动机包括诸个在组装电动机时较为有用的种种特征。

图5是图3所示设计的另一实施例的示意图。

较佳实施例的具体描述

图1是一可采用本发明流体动力轴承座的磁盘驱动器存储器系统的立体分解图。在以下将要描述的例子中，图中所示的流体动方轴承和相连的套筒是与一主轴电动机一起使用的。显然，这种轴承座并不限于与这种特定设计的磁盘驱动器一起使用，图中示出的磁盘驱动器只是为了清楚地说明该例子。由于本发明具有它所能实现的许多优点，它完全可以用来支承旋转运动的致动器。所述轴承座还可以用在除磁盘驱动器之外的许多其它种种领域内。

而且，本文所揭示的流体轴承具有一静止轴和旋转环绕的轴套。但是，这种设计在所述轴套是固定的而所述轴是旋转的情况中也是较为有用的，只要将它自图3所示的状态倒置过来即可。

在这一具体的例子中，存储器系统10包括一具有主轴电动机14的壳体底座12，所述主轴电动机可旋转地携带有诸存储器磁盘16。一电枢组件18可使各传感器(transducer)20移动经过各磁盘16的表面。磁盘16的四周被密封件22和盖板24所密封。在工作中，磁盘16以高速旋转，而传感器20则位于磁盘16表面上径向不同磁道中的任一磁道上。这样可使传感器20在选定位置利用磁性来读、写各磁盘16各表面上的编码信息。各磁盘以高达几千RPM的极高速度旋转，以使传感器保持在磁盘表面上浮动。在当前技术中，传感器和旋转磁盘表面之间的间距是以微米计的；因此，绝对必要的是磁盘不能倾斜或有所摇晃。

图2是一个已有技术的单止推板流体动力轴承电动机的纵剖视图。这种电动机在此技术领域内已为人所熟知。图中所示电动机的基本结构包括：一静止轴10和一由轴套13支承用来围绕所述轴旋转的毂12。轴10的一端具有一止推板14，其另一端为一台肩16。轴套13在其一端支承住一用来在止推板14上旋转的对向板19。对向板19和止推板14由一足够大的间隙22隔开，以使润滑流体能循环流通，从贮存腔20流出，通过间隙22、通过形成在止推板14的端部和轴套13的内表面27之间、形成在止推板14的下表面24和轴套13的上表面25之间、形成在轴套的内表面28和静止轴的外表面29之间的贮存腔26对流体动力轴承进行润滑。流体主要是通过一中心孔21回到贮存腔的。为了促进流体在那些形成在止推板14和对向板19之间、形成在止推板14和轴套13之间以及形成在轴10和轴套13之间的支承表面上流动，在该技术领域中，众所周知的是通常使每一这样的组件的两个对置表面其中之一形成一些凹槽部分。

流体自贮存腔20而供送至所有的润滑表面，以在各支承表面上流动并通过中心孔21流回到所述贮存腔内。其它有关于用来完成电动机设计的结构主要包括：轴延伸部30在延伸部30的端部为一有螺纹的区域31，所述螺纹区旋入底座44的一部分内。定子42与由轴套13支承的诸磁体40协同工作，定子绕组42通电后将使轴套13和毂12围绕所述静止轴旋转。

当用在一磁盘驱动电动机中时，该系统支承一个或多个磁盘44以进行旋转。由于各传感器和磁盘在磁盘驱动器表面上方以极低的高度浮动，因此，当磁盘旋转时毂和磁盘不能摇晃或振动是很关键的。而且，如果发生这种摇晃，止推板14的各表面与对向板19和轴套13的对置表面之间不得发生接触也是很重要的。但是，正如以上所描述的，在如图2所示的悬臂型支承部分中，在其承载面即止推板14远离发生振动或摇晃将绕其作枢转运动的中心点的情况下，各对向表面之间发生碰撞或接触的机率将很大，这样就会导致在经过长时间使用后各表面出现磨损，并且可能有残渣形成，使功率消耗量增大，降低轴承使用寿命，并且使得磁盘的旋转速度在短期使用后就会减速。

为此，采用了以下各附图所示的设计。由于采用这种设计，无论是止推型还是圆锥型支承部分，承载面都是离整个流体动力轴承的中间部分较接近的。轴承产生摇摆运动时所围绕的枢转点也离轴承的中间部分较近。由于这种措施，通过使各承载面尽可能地靠近磁盘中心，磁盘的摇晃或振动就不太有机会让轴承两端出现碰撞接触的现象。

这样结合图3、图4A和图4B进行描述的本发明提供了一种刚度较高、更抗震的设计。在采用本发明的电动机中，轴的上端和下端均具有诸个形成在其上的轴颈支承部分，并具有一将各轴颈支承部分分隔开的圆锥形支承部分/止推支承部分组合件，从而可以增强和保持所述电动机的刚性和其抗震性以及与所述系统的其余部分相对齐的性能。

现请参阅图3、图4A和图4B，图中示出了用在本发明中的轴以及它与环绕其周围的旋转轴套之间的相互关系。它对于本技术领域中的熟练人员来说，在研究了本文并看了图中所示的这种轴是如何装入图2所示的轴座以代替其中的轴之后就可以立刻很清楚了。

图3是一种用于流体动力轴承的设计的剖视图，它包括一轴100，所述轴具有一环绕所述轴100的轴套102，所述轴和轴套可彼此相对旋转。在轴套102的内壁和轴100的外壁之间的间隙104内有流体动力流体。所述流体将轴承的旋转部分和固定部分分隔开，并在其间提供一支承面。为了防止流体流离间隙104，通过采用转向的壁面而形成一毛细管密封件106；如图所示，所述轴套的壁面107从所述轴的对向壁面109转向，尽管也可以采用相反的设置情况。事实上，只要不背离本发明的精神，其他种种毛细管密封件设计也是可以使用的。

为了使流体保持并运动在间隙104内部和通过间隙，最好是沿着轴100的中心线112设置一贮存腔或内狭槽110。这里的“贮存腔”指的是所述轴内的、流体不起支承作用的一区域或孔。该贮存腔或狭槽可为轴承流体提供一通道，从而使它通过轴承部分2-8和孔116、118和间隙114循环流动，而不会在毛细管密封件106上形成残余流体压力。如成对的箭头122、124、126所示的那样，沿两个方向都可以进行有效的循环流动，流动方向由该方向内的净压力来决定。因此，径向孔116之一与圆锥形支承部分200的一端部附近的轴承间隙以及止推支承部分的一侧205相连。事实上，在所示的实施例中，壁面205、207之间的止推支承部分间隙直接延伸入径向孔116内。

可以将在轴的外表面上或在旋转轴套的内表面上的、所述间隙内的各槽形成八个不同部分，在本文中以1-8予以标示。一般来说，顶间隙部分和底间隙部分8、7和1、2包括分别由轴100和轴套102的平行轴向壁面150、152和154和156形成的轴颈支承部分。轴承2、7和8大体上是对称的，即，它们没有被设计成能产生朝着某一方向的净流或净压。但是，支承部分1是不对称的，即，各槽被形成得能产生一朝着离开密封件106和形成在其内的所述间隙的净压，以降低流体从所述间隙中泄漏出来的可能性。

一由所述轴的径向壁204、205和轴套102的对向板206、207形成的止推支承部分202设置在一个轴颈支承部分7、8的附近。一圆锥形支承部分200由位于另一轴颈支承部分1、2附近的锐角壁面208、210形成。止推支承部分4、6通常具有诸个不会产生净泵送作用的槽。部分5通常也是没有槽的；其用途通常是作为一贮存腔，尽管也可以加设一些槽，以获得一定的性能。事实上，部分5可予以全部省略，如图4A和图4B所示。

最后，在该实施例中，还形成有一部分9，它包括：与轴100的端面114相面对、在间隙162的另一端的止推板162的一板段160，所述间隙162是流体动力轴承间隙104的一部分。从图中可以看出，贮存腔110通向该间隙162，以使轴承间隙104内的流体能连续地循环流动。为了增强这种循环流动作用，表面160或者表面114均可根据已有技术设置诸槽。

沿轴承部分1-8的各槽可以是人字形的、螺旋形的、正弦形的、半正弦形的、或其它形式，这些是产生流体压力和将流体保持在所述间隙的各表面上所需要的。部分2、3、4、6、7、8上的各槽可以被制造得稍稍有些不平衡，以在轴承内提供再循环作用(但是，由于很多原因，当轴承运转时，可能会在轴承内部产生轻度的压力的不平衡随它在哪一个方向上旋转而定)。通过采用这种装置，流体可通过两个共有中轴向孔116的循环路径而流动。上回路250包括：间隙162、贮存腔110的上部、孔116和轴承间隙部分4、5、6和7。下回路包括：中心孔110的下部、轴向孔118、轴承间隙部分2、3，以及轴向孔116。所述两个回路内的流动可以沿箭头122、126所示的任一方向进行；但是，显然，如果上回路250内的流动是顺时针的，则下回路内的流动将是逆时针的，以避免在轴向孔116内发生流动冲突现象。通过采用这种装置，流体可通过所述两个循环路径进行流动，一个路径是朝着箭头120、122的方向流过孔118，另一条路径是朝着箭头124。126的方向流过孔114，但这两种流动都将按照箭头128所示的方向、通过中心孔116而流回到贮存腔。槽1是不对称的，它被设计成能朝着轴承的内部产生净泵送作用。这样就使得所述轴承具有自密封作用。

图3所述的流体动力轴承系统的方向是很重要的，因为它决定了哪一些构件需承受载荷。例如，在所示的实施例中，在所图示的附图中，止推板6是主承载面。其余部分则有助于保持所述系统的平衡和总体刚性和阻尼。止推板6与圆锥形支承部分3起着沿轴向预加载的作用。

总之，在部分3处示出的圆锥形支承部分和在部分6处示出的止推支承部分的组合提供了必需的刚性和硬度，以支承住若干个在一磁盘驱动器内旋转的磁盘，而不会在所述系统内发生倾斜或摇晃现象。

如果将所述轴和所述轴套倒置(参见图5所示的简易示意图)，所述系统也可以等效地工作，这样圆锥形支承部分200就位于止推支承部分202的上方。在这种情况中，主要的承载面就变为以3示出的圆锥形支承部分200。但是，所述整个系统的设计思路还是一样的；而且间隙250、252可保持住所述系统的稳定性和刚性和阻尼(尽管在图5中未予以示出)。应予注意的是，当将所述系统倒置时，由套筒102支承的止推板162通常仍保持在轴承/电动机的顶部。

还应予特别注意的是所述系统的轴颈支承部分的一些相对尺寸。也就是，形成上轴颈支承部分的所述静止轴的上部220的宽度D₀可以大于形成下轴颈支承部分的所述静止轴的部分222的宽度D₁。这样相对于形成下轴颈支承部分的间隙226的宽度来说，可以对形成上轴颈支承部分的上间隙224提供较大的公差。还应予注意的是，自止推支承部分202至所述轴端的上轴颈支承部分7、8的长度L₀小于自圆锥形支承部分200的端部至所述轴的端部延伸的下轴颈支承部分1、2的长度L₁。

图4A和图4B是本发明轴承的另一种装配方法的局部剖视图。每一种装配方法在以下这样一种设计中均是特别有用的，即，采用了有由轴段220形成的较短的、直径较大的轴颈支承部分7、8，它所具有的临界间隙的宽度要小于由轴段222形成的较长的、较窄的轴颈支承部分1、2。假定在该例子中，顶部具有一较短、较宽的轴颈支承部分；轴套102可被保持在位，并且较长的轴颈支承部分被插入其内。在这种方法中，轴套102除了具有一锥形壁210以形成所述圆锥形支承部分的间隙的一侧面之外，它的末端还有一轴向延伸壁400，所述轴向延伸壁终止在一阶形部410处。一互补凹口412设置在一块状填塞体414内，所述块状填塞体可进入或填塞轴套102的侧壁416和上轴颈支承部分220的外壁418之间的间隙。互补的阶形部410和凹口412可确定块状填塞体414的位置，从而可以使所设定的间隙210、422具有合理的精度。

另外，轴套210的圆锥形侧壁(图4B)的端部可以是一相对较短的垂直壁440处终止，然后逐渐成为一角形的壁部442。然后将可填塞止推支承部分202上方空间并为所述轴颈支承部分提供互补壁的填塞块状体444插入就位，并使所述填塞块状体具有一可靠地紧抵所述轴套内角形壁442的外角形壁446。提供设置这些角形互补壁面，可以使所述填塞块状体精确就位，从而可以分别为止推支承部分202的间隙422、上轴颈支承部分和圆锥形支承部分的间隙424、210确定宽度。

对于本技术领域的熟练人员来说，在研究了本发明公开的内容之后，本发明的其它特征和优点可变得更为清楚。业已发现，本发明可将一圆锥形支承部分和止推支承部分的诸多优点有效地结合起来。与已有技术设计相比，所述流体动力轴承和环绕轴套的界面能在一较大的区域上延伸，从而可提高轴承刚度和稳定性。圆锥形支承部分的锐角形表面还有助于顺畅地工作，装配方便，而且可降低不同热变形效应。应予注意的是，在这种应用中，被称为圆锥形的表面可以是平整的或者稍稍弯曲的。

尤其是由于所述设计提供了能在止推支承部分和圆锥形支承部分结合体的每一侧上形成轴的轴延伸部220、222，因此，作用在所述流体动力轴承上的作用力通常可导致所述圆锥体在协作部分内部旋转，显然，与驱动轴或环绕轴套的较小倾斜将导致所述止推板和环绕轴套之间发生倾斜接触或者导致止推板移动较长距离的已有技术/止推板设计相比，这种设计受到损坏的可能性是很小的。

正如以上指出的那样，上述实施例是一种静止轴设计；但是，这种设计也可以很方便地将一旋转轴/静止轴套结合起来。

对于本技术领域的熟练人员来说，在研究了本发明公开的内容之后，本发明的其它特征和优点将是显见的。因此，因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求书来限定。

Claims (15)

1.一种磁盘存储器系统，它包括：一底座；一具有旋转轴的可旋转的磁存储盘；

一用来在所述磁盘上读取和写入信息的传感器；

一固定于所述底座的盖板；

以及一流体动力轴承系统，它包括：一具有第一和第二端部、与一连接于所述磁盘的旋转轴套一起协作的静止轴，所述轴套可相对于所述静止轴、在一与所述轴的中心轴线相重合的旋转轴线上旋转，所述旋转轴套与所述静止轴共同协作，以形成：自第一端至第二端的第一轴颈支承部分；位于所述第一轴颈支承部分附近的第一圆锥形支承部分；第一止推支承部分；以及一位于所述第一止推支承部分附近的第二轴颈支承部分，所述轴套和所述静止轴共同协作以建立起一保持流体的间隙，以对上述每一支承部分进行润滑，并且所述间隙内的润滑流体将所述轴和所述轴套分隔开。

2.如权利要求1所述的磁盘存储器系统，其特征在于，所述圆锥形支承部分由一与所述轴套的一凹面共同协作的、所述轴的凸面形成，所述凸面的一窄端靠近所述底座。

3.如权利要求2所述的磁盘存储器系统，其特征在于，所述第一和第二轴颈支承部分均包括一位于所述静止轴和作相对旋转的所述轴套之间的间隙，位于所述第一轴颈支承部分附近的所述间隙第一端端部为一毛细管密封件，以防止所述润滑流体从所述间隙流出去，所述间隙的端部面朝着一对向板终止，该对向板安装在面对着所述轴端部的所述轴套上，所述间隙的所述第二端与所述对向板和所述轴的所述轴端部之间的间隙相连，以提供流体循环作用。

4.如权利要求1所述的磁盘存储器系统，其特征在于，包括在所述第二轴颈支承部分内的所述轴所具有的直径大于包括在所述第一轴颈支承部分内的所述轴，所述第一轴颈支承部分紧靠所述圆锥形支承部分的所述凸端，从而可以提高所述流体动力轴承流体轴承系统的稳定性。

5.如权利要求1所述的磁盘存储器系统，其特征在于，它包括诸槽，它们位于所述轴的所述各表面之一上或者位于所述第一轴颈支承部分附近的相对旋转的轴套上，所述各槽具有一净泵作用，这种净泵作用具有从所述轴颈的所述端部处的所述毛细管密封件朝着所述圆锥形支承部分泵离的作用，使轴承具有自密封作用。

6.如权利要求2所述的磁盘存储器系统，其特征在于，所述第一轴颈支承部分附近的所述间隙的第二端处为一毛细管密封件，用以防止润滑流体从所述间隙流失，所述间隙的端部面朝着一对向板终止，该对向板安装在面对着所述轴端部的所述轴套上，所述间隙的第二端与在所述轴的端部和所述对面板之间的间隙相连，以提供流体的循环。

7.如权利要求6所述的磁盘存储器系统，其特征在于，所述第二轴颈支承部分的轴向长度小于所述第一轴颈支承部分的轴向长度。

8.如权利要求7所述的磁盘存储器系统，其特征在于，形成所述圆锥形支承部分的至少一个表面上是设有槽的。

9.如权利要求8所述的磁盘存储器系统，其特征在于，所述止推支承部分包括径向延伸伸过所述圆锥形支承部分之外并由一垂直表面连接的第一和第二平面。

10.如权利要求9所述的磁盘存储器系统，其特征在于，它包括一径向延伸穿过所述轴并由所述一个或多个径向孔连接于所述轴和所述轴套之间的间隙的贮存腔。

11.如权利要求10所述的磁盘存储器系统，其特征在于，所述贮存腔延伸伸入所述轴端部和所述对向板之间的所述间隙内。

12.如权利要求11所述的磁盘存储器系统，其特征在于，所述各径向孔之一与所述止推支承部分和所述圆锥形支承部分附近的所述间隙相连。

13.如权利要求11所述的磁盘存储器系统，其特征在于，所述各径向孔之一与所述圆锥形支承部分附近的所述间隙相连。

14.如权利要求11所述的磁盘存储器系统，其特征在于，所述径向孔之一以这样一种方式与所述止推支承部分附近的所述间隙相连接：所述径向孔使所述间隙在所述止推板和所述对向板之间延伸。

15.如权利要求11所述的磁盘存储器系统，其特征在于，所述流体是可被用来润滑轴承的气体和液体的混合物，或者仅仅是气体或液体。

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