CN1613112A - 用于盘片驱动器的、所含润滑剂的气泡形成趋势减小的流体动力轴承 - Google Patents

用于盘片驱动器的、所含润滑剂的气泡形成趋势减小的流体动力轴承 Download PDF

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Abstract

一种盘片驱动器数据存储系统，它包括具有一中心轴线的壳体、相对壳体固定并与中心轴线共轴心的一静止件、以及可相对静止件绕中心轴线旋转的一转动件。一液力轴承互连静止件和转动件，并包括一润滑液，所述润滑液包括一基液和一用于减弱润滑液中产生气泡的趋势的添加剂。

Description

用于盘片驱动器的、所含润滑剂的气泡形成趋势减小的流体动力轴承
相关申请的交叉引用
本申请要求提出于2001年11月8日的美国临时专利申请序列号第60/338,216号的优先权，该申请援引于此，以供参考。
技术领域
本发明涉及用于盘片驱动器数据存储装置的流体动力轴承主轴电动机的领域，更具体地说，本发明涉及一种其润滑剂的气泡形成趋势减小的电动机。
背景技术
在工业中，诸如被称为“温彻斯特(Winchester)”型的盘片驱动器之类的盘片驱动器数据存储装置是为人们所熟知的。在温彻斯特盘片驱动器中，将数字数据写入旋转盘片表面上的可磁化材料薄层，或从该薄层读取数据。写入和读取操作是通过载带在浮动块本体中的一换能器来实现的。浮动块和换能器有时被一起称作一磁头，并且，通常各盘片表面与单个磁头相关联。磁头在电子电路的控制下，由一致动器装置可选择地移动至盘片表面上的多条圆形的同心磁道中的任一条之上。各浮动块本体包括一自作用的空气支承表面。当磁盘旋转时，盘片拖曳空气支承表面下方的空气，这就产生一升举力，该升举力使浮动块抬起，并在盘片表面上方几个微英寸的高度处飞行。
在目前一代的盘片驱动器产品中，最为普遍使用的致动器类型是旋转式动圈致动器。盘片自身通常以“堆叠”的形式安置在一无刷直流主轴电动机的轴毂结构上。主轴电动机的转速由电动机驱动电路来加以精确控制，所述电动机驱动电路同时控制引导向电动机的定子绕组的通讯信号的时间设置和电功率的大小。典型的主轴电动机的速度在3600转/分的范围之内。尽管如此，现有技术已经将主轴电动机的速度增加至7200转/分、10,000转/分以及更快的速度。
在盘片驱动器数据存储设备中的一个主要的噪音源是主轴电动机。盘片驱动器的制造厂商最近已开始考虑用“液力”轴承(如流体动力或流体静力轴承)来替代传统的滚珠或滚柱轴承。流体动力轴承依靠的是分隔诸支承表面的一流体薄膜，因而要比传统的滚珠轴承安静得多，且一般振动也较小。流体动力轴承是一种自泵送轴承，它在内部产生压力，以保持流体薄膜的分隔作用。流体动力轴承需要一外部的加压流体源，以保持流体的分隔作用。流体动力轴承中的轴承表面之间的相对移动产生一剪切分量，该剪切分量完全地发生在流体薄膜内，以致轴承表面之间不会发生接触。
在一流体动力轴承中，诸如流体或气体之类的一润滑剂在壳体的静止件与盘片轴毂的一转动件之间提供一轴承表面。典型的润滑剂包括油或铁磁性流体。与包括一系列点状接触面的滚珠轴承相比，流体动力轴承将轴承表面分布在一更大的区域上。这是人们所希望的，因为轴承表面的增加减少了转动件与固定件之间的摇晃或跳动。
在流体动力轴承中，一个主要的设计问题是在工作过程中防止润滑液从轴承中泄漏出来。泄漏可能是由于主轴电动机的启动一停止过程中的连续压力循环而导致的。在高压力时，空气被捕获在润滑液中，并且当压力减小时，被捕获的空气在流体中形成气泡和/或泡沫。这样的气泡形成使轴承发生过早损坏或者润滑液的泄漏。此外，泡沫和/或气泡的形成减小了流体动力轴承的刚度，增加了响应时间，减小了热传递，并导致更高的工作温度——所有这些都是在流体动力轴承的工作中所不希望发生的。
因此，在本技术中需要一种其润滑剂的气泡形成趋势减小的流体动力轴承。
发明内容
本发明的盘片驱动器数据存储系统包括：具有一中心轴线的壳体、相对壳体固定并与中心轴线共轴心的一静止件、以及可相对静止件绕中心轴线旋转的一转动件。一定子相对壳体固定。一转子由转动件支承，并与定子磁性耦连。至少一个数据存储盘片附接至转动件，并与之同轴心。一液力轴承互连静止件和转动件，并包括一润滑液，所述润滑液包括一基液和一用于减弱由于突然的压力波动而在润滑液中产生气泡的趋势的添加剂。
附图简述
参照在附图中所示的本发明的实施例，就可对上面所简要介绍的本发明作出更为具体的说明，由此可获得实现上面所引述的本发明特征的方式，并能详细地理解它们。
不过，需注意的是，附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被认为是限制了本发明的保护范围，这是因为，本发明可容许其它同样有效的实施例。
图1是根据本发明的盘片驱动器数据存储装置的俯视图；
图2是根据本发明的一流体动力轴承主轴电动机的剖视图；
图3是沿着图2的线3-3截取的流体动力主轴电动机的示意性剖视图，且为了清楚而去除了一些部分；以及
图4是带有圆锥轴承表面的一流体动力轴承的剖视图。
具体实施方式
本发明是一种盘片驱动器数据存储装置，且它具有一流体动力或流体静力轴承主轴电动机，其润滑液组分对于特定的盘片驱动器需求呈现出较少气泡形成趋势。图1是本发明可用于的一典型的盘片驱动器10的俯视图。盘片驱动器10包括一壳体基底12，该壳体基底与顶盖14结合，形成一密封的环境，以保护内部元件免受该密封环境外部的物质影响。
盘片驱动器10还包括一盘片叠16，它通过一盘片夹具18安装在主轴电动机(未示出)上以进行旋转。盘片叠16包括多个单片盘片，它们安装成绕一中心轴线同步旋转。各盘片表面有一相关的头部20，该头部安装在盘片驱动器1 0以与盘片表面相通讯。在图1所示的例子中，头部20由柔性件22支承，柔性件22又附接至一致动器本体26的头部安装臂24。如图1中所示的致动器属于被称为旋转动圈致动器的类型，并包括一音圈电动机(VCM)，后者总的标示为28。音圈电动机28绕一枢轴30旋转致动器本体26及其附接的头部20，以将头部20定位在沿着弧形路径31的一所想要的数据轨道上。尽管在图1中所示为一旋转致动器，但本发明也可用于具有诸如直线致动器之类的其它类型致动器的盘片驱动器中。
图2是根据本发明的一流体动力轴承主轴电动机32的剖视图。主轴电动机32包括一静止件34、一轴毂36和一定子38。在图2所示的实施例中，静止件是通过一螺母40和一垫片42固定和附接于基底12的一轴。轴毂36与轴34通过一流体动力轴承37互连，以绕轴34旋转。轴承37包括径向的工作表面44和46，以及轴向工作表面48和50。轴34包括流体口54、56及58，这些口用来供应流体60和帮助流体沿着轴承的工作表面循环。由一流体源(未示出)向轴34供应润滑液60，该流体源以已知的方式联接至轴34的内部。
主轴电动机32还包括一推力轴承45，该推力轴承形成流体动力轴承37的轴向工作表面46和50。一挡板62支承在工作表面48上，以为流体动力轴承提供轴向稳定性，并使轴毂36定位在主轴电动机32内。一O形密封圈64设置在挡板62和轴毂36之间，以密封流体动力轴承。该密封件防止流体动力流体60从挡板62与轴毂36之间漏出。
轴毂36包括一中心芯子65和一盘片装载件66，该盘片装载件66支承盘片叠16(如图1所示)，以使其可绕轴线34旋转。盘片叠16通过盘片夹具18(也如图1所示)保持在盘片夹具上。一永久磁体70附接至轴毂36的外径，用作主轴电动机32的转子。芯子65由磁性材料形成，并用作磁体70的一护铁。转子磁体70可以形成为一个一体的圆形环，或者可由围绕轴毂36的周缘间隔开的多个独立的磁体形成。磁化转子磁体70，以形成一个或多个磁极。
定子38附接至基底12，并包括定子叠片72和定子绕组74。定子绕组74附接至叠片72。定子绕组72与转子磁体70径向间隔开，以使转子磁体70和轴毂36能绕一中心轴线80旋转。定子38通过已知的方式附接至基底12，如通过螺栓78固定于基底的一个或多个C形夹76。
施加于定子绕组74的通讯脉冲产生一旋转磁场，该磁场与转子磁体70的磁场相通，并致使轴毂36绕轴承37上的中心轴线80旋转。通讯脉冲是引导至依次选择的定子绕组的定时的、极性选择的直流脉冲，以驱动转子磁体并控制其速度。
在图2所示的实施例中，主轴电动机32是一“轴毂下方”型的电动机，其中定子38的轴向位置在轴毂36下方。定子38还具有在轴毂36外侧的一径向位置，以使定子绕组74固定在叠片72的内径表面82(图3)。在另一实施例中，定子定位在轴毂内，而不是轴毂下方。定子的径向位置可以在轴毂内或者轴毂外。此外，主轴电动机可具有一固定的轴(如图2所示)，或者具有一转动的轴。在轴转动的主轴电动机中，轴承位于转动轴与静止的、与转动轴共轴心的外套筒之间。
图3是流体动力主轴电动机32沿着图2的线3-3截取的示意性剖视图，且为了清楚而去除了一些部分。定子38包括叠片72和定子绕组74，它们与转子磁体70和中心芯子65共轴心。定子绕组74包括相绕组W1、V1、U1、W2，V2及U2，诸相绕组围绕叠片72的齿卷绕。诸相绕组由线圈轴线垂直中心轴线80并与之相交的线圈形成。例如，相绕组W1的线圈轴线83垂直于中心轴线80。流体动力轴承37的径向工作表面44和46由轴34的外径表面和中心芯子65的内径表面形成。一润滑液60将径向工作表面44和46间隔开，且在正常工作的过程中保持一游隙。
如上所述，当流体动力轴承37内的压力连续地增加并然后减小时，由于突然的压力波动，溶解的气体分离出来，并在润滑液60中形成泡沫和/或气泡。根据本发明，润滑液60包括一基液和至少一种用于减弱流体60形成气泡和/或泡沫的趋势的添加剂。较佳的基液包括全氟聚醚(PFPFE)、酯、合成烃以及高纯的矿物烃。最佳的基液包括二酯、短链醇酯、多元醇酯以及多元α烯烃(PAO)。这些基液也可以混合在各种化合物中。
选择添加剂以改变润滑液60的气体-润滑剂分界面处的表面张力值。添加剂至少部分地溶解在基液中，并且与基液相比具有一较低的表面张力值。添加剂使润滑液60的表面张力到达一程度，使形成于其中的任何气泡会破裂或打开以直至使气体能逃逸。因此，本发明有利地减小了在润滑液60中形成气泡的趋势，从而保持了流体动力轴承37的足够的刚度、响应时间、热交换以及工作温度。
本发明可使用的添加剂包括聚硅氧烷(硅酮)、聚丙烯酸酯(polyacrelate)、有机共聚物以及诸如PFPE之类的碳氟化合物。本发明可使用的特定PFPE包括FOMBLIN Z-DOL和FOMBLIN AM-200，它们都可从位于新泽西州莫里森镇的Ausimont购得。Z-DOL是全氟环氧乙烷和全氟甲醛。AM-2000是双官能芳族封端的全氟聚醚。本发明可使用的另一添加剂是VANLUBE DF 283，它可从位于康涅狄格州诺沃克的RT Vanderbilt购得。
在本发明的实施例中，润滑液60所希望的表面张力为小于35达因/厘米，较佳的是在12至35达因/厘米的范围内。该添加剂较佳地使润滑液60的表面张力小于基液的表面张力。例如，典型的基液(例如酯油)的表面张力在28至35达因/厘米之间。添加剂占润滑液60体积的0.02％至0.5％。这样的一个添加剂对基液的比值将润滑液60的表面张力减小至所希望的范围。此外，添加剂对基液的比值选择成不会牺牲所希望的润滑特性，如抗养氧化性、抗腐蚀性以及抗磨损性，或者它不会与润滑液60中所存在的其它有益的添加剂的作用相互抵消。
在一个例子中，基液包括TMP酯或二-2-2-乙基已基癸二酸酯(di-2-ethylhexlsebacic acid ester)，其表面张力在27至33达因/厘米之间；添加剂包括硅酮流体，其表面张力在20至22达因/厘米之间。在另一例子中，基液包括TMP酯或二-2-2-乙基已基癸二酸酯，其表面张力在27至33达因/厘米之间；添加剂包括PFPE，其表面张力在15至20达因/厘米之间。在上述两个例子中，本发明都可减弱润滑液60在突然的压力波动下形成气泡的趋势。
在本发明的另一实施例中，包括上述基液和添加剂润滑剂60在低压环境中存储。在低压环境中存储润滑液60将减小润滑液60在用于流体动力轴承37中时形成气泡和/或泡沫的趋势。润滑液60可以存储在压力比大气压力低的一环境中，例如存储在压力在1至750托之间的一环境中。
请参见图4，所示的流体动力轴承具有半球形的轴承表面，该流体动力轴承可用于在图1所示的盘片驱动器10中驱动盘片。流体动力轴承所示为被用在一主轴电动机150中。该设计方案包括可联接至一152轴的一驱动转子或轴毂114。轴152包括接纳在套筒158中的一上半球形或凸出部分154和一下半球形或凸出部分156，该套筒相对轴旋转。轴固定地附接至一基底160，该基底160可以结合在或者支承于参照图1所述的壳体基底12中。套筒158接纳轴152的轴颈162，并具有一上半球形、凹入的座部164和一下半球形、凹入的座部166。固定件152的中的一贮槽159(如图所示，上端)还设置一充注孔168，以向流体动力轴承供应轴承流体。转子114包括一挡板170，它用来对大气封闭流体动力轴承的一端。在工作中，该图中所示的轴承包括流体动力轴承，其中，诸如油之类的流体通过固定件与转动件(在本实施例中为轴与套筒)之间的间隙循环。根据本发明，如上所述，可以向流体添加至少一种添加剂，以减弱其中的泡沫和/或气泡形成。
尽管前述内容针对本发明的较佳实施例，但也可以设想出本发明的其它实施例，而不背离本发明的基本范围。本发明的保护范围由下面的权利要求书来确定。

Claims (20)

1.一种盘片驱动器数据存储系统，该系统包括：
具有一中心轴线的壳体；
相对壳体固定并与中心轴线共轴心的一静止件；
相对壳体固定的一定子；
可相对静止件绕中心轴线旋转的一转动件；
由转动件支承并与定子磁性耦连的一转子；
附接至转动件并与之同轴心的、至少一个数据存储盘片；
将一头部支承在数据存储盘片附近以与盘片进行通讯的一致动器；以及
互连静止件和转动件的一液力轴承，它包括由润滑液分隔开的工作表面，且所述润滑液包括一基液和一用于减弱润滑液中产生气泡的趋势的添加剂。
2.如权利要求1所述的盘片驱动器数据存储系统，其特征在于，添加剂减小基液的表面张力。
3.如权利要求2所述的盘片驱动器数据存储系统，其特征在于，润滑液的表面张力在室温下为12至35达因/厘米之间。
4.如权利要求3所述的盘片驱动器数据存储系统，其特征在于，添加剂选自以下材料组：聚硅氧烷、聚丙烯酸酯、有机共聚物以及全氟聚醚。
5.如权利要求4所述的盘片驱动器数据存储系统，其特征在于，添加剂选自以下材料组：FOMBLIN Z-DOL，FOMBLIN AM-200以及VANLUBE DF283。
6.如权利要求2所述的盘片驱动器数据存储系统，其特征在于，添加剂占润滑液体积的0.02％至0.5％之间。
7.如权利要求1所述的盘片驱动器数据存储系统，其特征在于，润滑液存储在其压力比大气压力低的一环境中。
8.如权利要求7所述的盘片驱动器数据存储系统，其特征在于，压力在1至750托之间。
9.一种电动机，它包括：
具有一中心轴线的壳体；
相对壳体固定并与中心轴线共轴心的一静止件；
相对壳体固定的一定子；
可相对静止件绕中心轴线旋转的一转动件；
由转动件支承并与定子磁性耦连的一转子；以及
互连静止件和转动件的一液力轴承，它包括由润滑液分隔开的工作表面，且所述润滑液包括一基液和一用于减弱润滑液中产生气泡的趋势的添加剂。
10.如权利要求9所述的电动机，其特征在于，添加剂减小基液的表面张力。
11.如权利要求10所述的电动机，其特征在于，润滑液的表面张力在室温下为12至35达因/厘米之间。
12.如权利要求11所述的电动机，其特征在于，添加剂选自以下材料组：聚硅氧烷、聚丙烯酸酯、有机共聚物以及全氟聚醚。
13.如权利要求12所述的电动机，其特征在于，添加剂选自以下材料组：FOMBLIN Z-DOL，FOMBLIN AM-200以及VANLUBE DF 283。
14.如权利要求10所述的电动机，其特征在于，添加剂占润滑液体积的0.02％至0.5％之间。
15.如权利要求9所述的电动机，其特征在于，润滑液存储在其压力比大气压力低的一环境中。
16.如权利要求15所述的电动机，其特征在于，压力在1至750托之间。
17.一种电动机，它包括：
具有一中心轴线的壳体；
相对壳体固定并与中心轴线共轴心的一静止件；
相对壳体固定的一定子；
可相对静止件绕中心轴线旋转的一转动件；
由转动件支承并与定子磁性耦连的一转子；
互连静止件和转动件的一液力轴承，它包括由润滑液分隔开的工作表面；以及
用于减弱润滑液中产生气泡的趋势的措施。
18.如权利要求7所述的电动机，其特征在于，用于减弱润滑液中产生气泡的趋势的措施是添加于润滑液基液的一添加剂，该添加剂减小了基液的表面张力。
19.如权利要求18所述的电动机，其特征在于，润滑液的表面张力在室温下为12至35达因/厘米之间。
20.如权利要求18所述的电动机，其特征在于，添加剂占润滑液体积的0.02％至0.5％之间。
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