KR100420061B1 - 윤활제점성도가최적화된유압베어링을구비한스핀들모터를갖는디스크드라이브데이터저장시스템 - Google Patents

윤활제점성도가최적화된유압베어링을구비한스핀들모터를갖는디스크드라이브데이터저장시스템 Download PDF

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유. 칸 라퀴브
로이트홀드 한스
제이. 제닝스 데이비드
아이. 루드 그레고리
케이. 하이네 군터
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시게이트 테크놀로지 엘엘씨
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Abstract

디스크 드라이브(10)는 하우징(12), 중심축(80), 상기 하우징에 대해 고정되고 상기 중심축과 동축을 이루는 고정 부재와(34), 상기 고정 부재에 대해 상기 중심축을 중심으로 회전가능한 회전가능한 부재(36)를 포함한다. 고정자(38)는 상기 하우징에 고정된다. 회전자(70)는 상기 회전가능한 부재에 의해 지지되고 상기 고정자에 자기적으로 결합된다. 데이터 저장 디스크(16)는 상기 회전가능한 부재에 부착되고 상기 회전가능한 부재와 동축을 이룬다. 유압 베어링(37)는 상기 고정 부재와 상기 회전가능한 부재를 상호접속시키며, 기본 유체(84)의 혼성물을 포함한다. 기본 유체는 기본 유체중의 한 유체가 디스크에 대한 요구된 점성도보다 큰 점성도를 갖고 다른 유체가 요구된 점성도보다 작은 점성도를 가지며 이 혼성물이 요구된 점성도의 선택된 범위 이내에 있는 점성도를 갖도록 선택된다.

Description

윤활제 점성도가 최적화된 유압 베어링을 구비한 스핀들 모터를 갖는 디스크 드라이브 데이터 저장 시스템 {DISK DRIVE DATA STORAGE SYSTEM WITH SPINDLE MOTOR HAVING HYDRO BEARING WITH OPTIMIZED LUBRICANT VISCOSITY}
본 기술분야에서는 "윈체스터"형 디스크 드라이브로서 공지된 디스크 드라이브 데이터 저장 장치가 널리 알려져 있다. 윈체스터 디스크 드라이브에서, 디지털 데이터는 회전 디스크의 표면상의 박막의 자화가능한 물질층에 기입되고 이 물질층으로부터 판독된다. 기록 및 판독 동작은 슬라이더 본체내에서 운반되는 트랜스듀서를 통해 수행된다. 이 슬라이더 및 트랜스듀서는 간혹 일괄적으로 헤드로 지칭되기도 하며, 통상적으로 각각의 디스크 표면에 대해 하나의 헤드가 관련된다. 헤드는 전자 회로의 제어 하에서 액추에이터 장치에 의해 디스크 표면상에 원형을 이루고 있는 복수의 동심 데이터 트랙중 한 트랙으로 이동된다. 각각의 슬라이더 본체는 자체동작 공기 베어링 표면(self-acting air bearing surface)을 포함한다. 디스크가 회전할 때, 이 디스크는 공기를 공기 베어링 표면 아래로 잡아당기며, 이로써 슬라이더를 부양(lift)하여 이 슬라이더가 디스크 표면 위로 수 마이크로인치 위를 활공하도록 하는 부양력(lifting force)이 발생된다.
현재 생산되고 있는 디스크 드라이브 장치에서 가장 흔히 사용되는 유형의 액추에이터는 로터리 가동 코일 액추에이터이다. 디스크 자체는 통상적으로 무브러시 DC 스핀들 모터의 허브 구조체상에 "스택"으로 장착된다. 스핀들 모터의 회전 속도는 모터의 고정자 권선으로 향하는 정류(commutation) 신호의 타이밍 및 파워를 제어하는 모터 구동 회로에 의해 정밀하게 제어된다. 통상적인 스핀들 모터는 3600rpm의 속도를 갖는다. 현재의 기술로는 스핀들 모터 회전 속도를 7200rpm, 10,000rpm 및 그 이상으로 증가시킬 수 있다.
디스크 구동 데이터 저장 장치에서 잡음을 발생시키는 주요한 요소로는 스핀들 모터를 들 수 있다. 디스크 드라이브 제조업체는 최근에 스핀들 모터 내의 종래의 볼 베어링 또는 롤러 베어링을 유체 동압 베어링(hydrodynamic bearing) 또는 유체 정압 베어링(hydrostatic bearing) 등의 "유압" 베어링("hydro" bearing)으로 대체하는 방안을 강구하고 있다. 유압 베어링은 베어링 표면을 분리시키는 유막에 의존하여 훨씬 더 조용하고 대체로 종래의 본 베어링보다 진동이 더 낮다. 유체 동압 베어링은 유막 분리를 유지하기 위해 내부적으로 압력을 발생시키는 자체 펌핑 베어링(self-pumping bearing)이다. 유체 정압 베어링은 유체 분리를 유지하기 위해 외부의 가압된 유체 소스(external pressurized fluid source)를 필요로 한다. 유압 베어링에서의 베어링 표면간의 상대적인 운동에 의해, 유막에서 전체적으로 발생하는 전단 요소(shear element)가 베어링 표면간에 접촉이 발생되지 않도록 한다.
이러한 현상은 고체 베어링 표면이 종종 서로 접촉하여 그 계면에서 전단 응력이 발생하는 롤러 베어링, 볼 베어링 및 슬라이딩 베어링 등과 같은 통상적인 경계 윤활 응용장치(boundary lubrication application) 혹은 탄성유체동압 윤활 응용 장치(elastohydrodynamic lubrication application)와는 다르다. 이러한 경계 응용장치에서, 윤활제의 일차적인 용도는 마모 및 마찰을 감소시키기 위해 계면을 개질시키는 것이다. 윤활제의 계면 화학적 성질이 가장 중요한 요소가 된다.
유압 베어링 응용장치에서, 베어링의 기능에 대해서는 완전히 상이한 유체 성질이 중요한 요소가 된다. 경계 성질은 디스크 회전을 개시 및 정지시키는 동안만 중요한 요소가 된다. 정상 동작 동안에는 벌크 성질이 가장 중요한 요소가 된다. 디스크 드라이브 장치에 사용하도록 고려되는 유압 베어링은 소비 전력(power dissipation)이 작고 베어링에서 누출되지 않고 베어링의 긴 수명을 위해 적합해야 하는 제한된 오일 공급을 필요로 하는 소형의 장치이다. 상업적으로 이용가능한 윤활제는 대부분 디스크 드라이브 내의 소형 유압 베어링에 적용하는데는 부적합하다.
제어되어야 하는 윤활제 성질 및 달성되어야 하는 제어의 정도는 디스크 드라이브용의 소형의 유압 베어링마다 상이하다. 이러한 성질은 소비 전력, 점성도와 이 점성도의 온도 의존성, 이동도(migration), 증기압과 증발율, 산화와 부식에 대한 저항성, 유동성, 경계 성질, 및 시스템 양립성을 포함한다. 점성도는 소비 전력 및 베어링 강성(bearing stiffness)을 결정하고, 여러 동작 조건에서 비교적일정해야 한다. 윤활제는 베어링에서 누출되지 않도록 낮은 이동도를 가져야만 한다. 윤활제는 베어링의 수명을 연장시킬 수 있도록 산화 및 반응성에 대해 높은 저항성을 가져야만 한다. 유동성(rheology)은 전단에 대한 변형 및 흐름 응답이다.
윤활제는 디스크 드라이브의 다른 물질과 양립될 수 있어야만 한다. 예를 들어, 윤활제의 이동 또는 누출은 헤드와 디스크간의 스티킹(sticking) 마찰 증가 또는 헤드 구조 또는 헤드 동작의 저하 등의 요인에 의해 헤드와 디스크간의 인터페이스에 손상을 입히지 않아야만 한다. 적합한 유압 베어링 성질을 위한 유체의 조성은 일반적인 용도의 윤활제로 사용되는 유체와 달리 여러 가지를 고려하여야 한다. 상업적으로 이용가능한 윤활제의 다른 단점은 윤활제의 정확한 조성이 제조업자에 의해 제공되지 않아 디스크 드라이브의 민감한 동작과 양립할 수 없는 하나 또는 그 이상의 첨가제를 포함할 수 있다는 점이다.
본 발명은 디스크 드라이브 데이터 저장 장치용의 스핀들 모터에 관한 것으로, 특히 스핀들 모터 내의 유체 동압 베어링에 대한 최적화된 윤활 유체에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 디스크 드라이브 데이터 저장 장치의 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유체 동압 스핀들 모터의 단면도이다.
도 3은 도 2의 라인 3-3을 따라 절취하고 명료하게 도시하기 위해 일부분이 생략되어 있는 유체 동압 스핀들 모터의 단면도이다.
본 발명의 디스크 드라이브 데이터 저장 장치는 하우징, 중심축, 상기 하우징에 대해 고정되고 상기 중심축과 동축을 이루는 고정 부재, 및 상기 고정 부재에 대해 중심축을 중심으로 회전가능한 부재를 포함한다. 고정자는 하우징에 대해 고정된다. 회전자는 회전가능한 부재에 의해 지지되고, 고정자에 자기적으로 접속된다. 적어도 하나의 데이터 저장 디스크가 회전가능한 부재에 부착되고 이 회전가능한 부재와 동축을 이룬다. 유압 베어링은 고정 부재 및 회전가능한 부재와 상호접속하고, 요구된 점성도의 선택된 범위 내에 있는 점성도를 갖는 기본 유체의 혼합물을 포함하여 기본 유체의 혼합물이 유압 베어링에 요구된 소비 전력 및 강성을 제공하도록 한다. 기본 유체의 혼합물은 요구된 점성도보다 큰 제 1 점성도를 갖는 제 1 기본 유체 및 요구된 점성도보다 작은 제 2 점성도를 갖는 제 2 기본 유체를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 요구된 점성도는 70℃에서 4∼10센티푸아즈(cP)의 정밀한 점성도이다. 기본 유체는 요구된 점성도의 10% 이내, 가장 바람직하게는 2∼5%이내인 전체적인 점성도를 획득하도록 혼합된다. 또한, 기본 유체의 혼합물은 약 1.9∼2.0㎜의 부피대 표면적(V/A) 비율을 기초로 최소 110의 점성지수 및 1.0×10-3㎎/day-㎟ 미만의 증발 범위를 갖는다.
바람직한 기본 유체는 과플루오르폴리에테르, 에스테르, 합성 하이드로카본 및 고순도로 정제된 미네랄 하이드로카본을 포함한다. 가장 바람직한 기본 유체는 디에스테르, 폴리올 에스테르 및 폴리알파올레핀을 포함한다. 이들 기본 유체는 에스테르만의 조합, 폴리알파올레핀만의 조합, 또는 적어도 하나의 에스테르와 적어도 하나의 폴리알파올레핀만의 조합 등과 같이 여러 가지 조합으로 혼합될 수 있다.
바람직한 기본 유체는 표준 유체 윤활제인 통상의 석유계 하이드로카본에 비해, 향상된 점성도-온도 관계, 낮은 증발과 낮은 증기압, 낮은 이동도, 향상된 산화 저항성, 첨가제로 용이하게 향상되는 유사 경계 성능, 디스크 드라이브 내의 다른 물질과의 우수한 양립성, 및 공지된 화학적 순도 조성에 기인한 모든 성질의 우수한 제어 등의 여러 장점을 제공하는 것으로 판명되었다.
본 발명에 따라, 디스크 드라이브의 고유의 요건에 최적화된 윤활 유체 조성물을 갖는 유체 동압 또는 유체 정압 베어링 스핀들 모터를 포함하는 디스크 드라이브 데이터 저장 장치가 제공된다. 도 1은 본 발명을 적용할 수 있는 통상적인 디스크 드라이브(10)의 평면도이다. 디스크 드라이브(10)는 하우징 베이스(12) 및 상부 커버(14)를 포함한다. 하우징 베이스(12)는 상부 커버(14)와 결합하여 밀봉된 환경을 형성함으로써 내부 구성요소가 이 밀봉 환경 외부의 요소에 의한 오염으로부터 보호될 수 있도록 한다.
디스크 드라이브(10)는 회전을 위해 디스크 클램프(18)에 의해 스핀들 모터(도시되지 않음) 상에 장착되는 디스크 팩(16)을 추가로 포함한다. 디스크 팩(16)은 중심축에 대한 공동회전을 위해 장착되는 복수의 개별적인 디스크를 포함한다. 각각의 디스크 표면은 디스크 표면과 소통하기 위해 디스크 드라이브(10)에 장착되는 관련 헤드(20)를 갖는다. 도 1에 도시된 예에서, 헤드(20)는 플렉셔(22)에 의해 지지되고, 액추에이터 본체(26)의 헤드 장착 아암(24)에 부착된다. 도 1에 도시된 액추에이터는 로터리 가동 코일 액추에이터로 공지된 유형의 것이고, 도면 부호 28로 도시된 보이스 코일 모터(VCM)를 포함한다. 보이스 코일 모터(28)는 피봇 샤프트(30)를 중심으로 액추에이터 본체(26)와 이 액추에이터 본체에 부착된 헤드(20)를 회전시켜 아치형 경로를 따라 요구된 데이터 트랙 상에 헤드(20)를 위치시킨다. 도 1에 로터리 액추에이터가 도시되어 있지만, 본 발명은 선형 액추에이터와 같은 다른 유형의 액추에이터를 갖는 디스크 드라이브에도 유용하다.
도 2는 본 발명에 따른 유체 동압 베어링 스핀들 모터(32)의 단면도이다. 스핀들 모터(32)는 고정 부재(34), 허브(36) 및 고정자(38)를 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 고정 부재는 너트(40)와 와셔(42)를 통해 베이스(12)에 고정 및 부착되는 샤프트이다. 허브(36)는 샤프트(34)를 중심으로 한 회전을 위해 유체 동압 베어링(37)을 통해 샤프트(34)와 상호접속된다. 베어링(37)은 방사상의 작업 표면(working surface)(44, 46) 및 축상의 작업 표면(48, 50)을 포함한다. 샤프트(34)는 윤활 유체(lubricating fluid)(60)를 공급하고 베어링의 작업 표면을 따라 유체를 순환시키는데 도움을 주는 유체 포트(54, 56, 58)를 포함한다. 윤활 유체(60)는 공지된 방법으로 샤프트(34)의 내부에 연결되는 유체 소스(도시되지 않음)에 의해 샤프트(34)에 공급된다.
스핀들 모터(32)는 유체 동압 베어링(37)의 동축의 작업 표면(48, 50)을 형성하는 나사 베어링(45)을 추가로 포함한다. 카운터플레이트(62)는 유체 동압 베어링에 축 방향의 안정성을 제공하고 스핀들 모터(32)에 허브(36)를 위치시키기 위해 작업 표면(48)에 맞대어 진다. O-링(64)은 유체 동압 베어링을 밀봉하기 위해카운터플레이트(62)와 허브(36)의 사이에 설치된다. 이러한 밀봉에 의해 동압 유체(60)가 카운터플레이트(62)와 허브(36) 사이에서 누출되지 않게 된다.
허브(36)는 샤프트(34)를 중심으로 한 회전을 위해 디스크 팩(16)(도 1을 참조)을 지지하는 디스크 캐리어 부재(66)와 중심 코어(65)를 포함한다. 디스크 팩(16)은 디스크 클램프(18)(도 1을 참조)에 의해 디스크 캐리어 부재(66) 상에 고정된다. 스핀들 모터(32)에 대한 회전자로서 동작하는 영구 자석(70)이 허브(36)의 외경에 부착된다. 코어(65)는 자기 물질로 구성되고, 자석(70)에 대한 백-아이론(back-iron)으로서 동작한다. 회전자 자석(70)은 단일체의 환형 링으로서 구성되거나 허브(36)의 원주에 대해 이격되어 있는 복수의 개별 자석으로 구성될 수 있다. 회전자 자석(70)은 하나 또는 그 이상의 자극을 형성하기 위해 자화된다.
고정자(38)는 베이스(12)에 부착되고, 고정자 적층체(72) 및 고정자 권선(74)을 포함한다. 고정자 권선(74)은 적층체(72)에 부착된다. 고정자 권선(74)은 회전자 자석(70) 및 허브(36)가 중심축(80)을 중심으로 회전할 수 있도록 회전자 자석(70)으로부터 방사상으로 이격된다. 고정자(38)는 볼트(78)를 통해 베이스에 고정되는 하나 또는 그 이상의 C-클램프(76)와 같은 공지된 방법을 통해 베이스(12)에 부착된다.
고정자 권선(74)에 인가된 정류 펄스는 회전자 자석(70)과 소통하고 허브(36)로 하여금 베어링(37) 상의 중심축(80)에 대해 회전될 수 있도록 하는 회전 자장을 생성한다. 정류 펄스는 회전자 자석을 구동하고 그 속도를 제어하기 위해 순차적으로 선택된 고정자 권선으로 지향되는 시간적으로 간격이 정해진 극성-선택된 DC 전류 펄스(timed polarization-selected DC current pulse)이다.
도 2에 도시된 실시예에서, 스핀들 모터(32)는 고정자(38)가 허브(36) 아래에 축 위치를 갖는 "허브 하위"형 모터(below-hub type motor)이다. 고정자(38)는 허브(36) 외부에 있는 방사상 위치를 가지고 있어, 고정자 권선(74)이 적층체(72)의 내경 표면(82)에 고정되도록 한다. 다른 실시예에서, 고정자는 허브 하부와 대향하여 허브 내부에 배치된다. 고정자는 허브 내부 또는 허브 외부의 방사상 위치를 가질 수 있다. 또한, 스핀들 모터는 도 2에 도시된 바와 같이 고정된 샤프트 또는 회전 샤프트를 가질 수 있다. 회전 샤프트 스핀들 모터에서, 베어링은 회전 샤프트와 이 회전 샤프트와 동축을 이루는 외곽 고정 슬리브 사이에 위치된다.
도 3은 도 2의 라인 3-3을 따라 절취되고 도시의 명료화를 위해 일부가 생략되어 있는 유체 동압 스핀들 모터(32)의 단면도이다. 고정자(38)는 회전자 자석(70) 및 중심 코어(65)와 동축을 이루고 있는 적층체(72) 및 고정자 권선(74)을 포함한다. 고정자 권선(74)은 적층체(72) 내의 치부(tooth) 둘레에 감긴 위상 권선(phase windings) W1, V1, U1, W2, V2 및 U2를 포함한다. 위상 권선은 중심축(80)에 수직하여 이 중심축을 교차하는 코일 축을 갖는 코일로 구성된다. 예를 들어, 위상 권선 W1은 중심축(80)에 수직을 이루는 코일 축(83)을 갖는다. 유체 동압 베어링(37)의 방사상의 작업 표면(44, 46)은 샤프트(34)의 외경 표면 및 중심 코어(65)의 내경 표면에 의해 형성된다. 방사상의 작업 표면(44, 46)은 윤활 유체(84)에 의해 분리되어 정상 동작 동안 간격 c를 유지한다.
1.윤활제 점성도의 최적화
본 발명의 일 특징에 의하면, 윤활 유체는 유체 점성도를 정밀하게 결정하여 유체가 사용되는 특별한 유체 동압 베어링 설계를 위해 소비 전력 및 베어링 부하 수용력(즉, 베어링 강성)을 최적화시키도록 선택되는 기본 유체의 혼합물을 포함한다.
소비 전력(P) 및 베어링 강성(K)은 다음의 관계에 따라 유체 점성도에 비례한다.
RM P∝ {μ_B ω^2 R^4} OVER {c}
RM K∝ {μ_B ω R^4} OVER {c^3}
여기서, μB는 유체의 혼합물의 절대 점성도이고, ω는 허브의 상대 점성도이며, c는 방사상의 작업 표면(44, 46)(또는, 축 작업 표면(48, 50)) 사이의 갭 또는 간격이며, R은 방사상의 작업 표면 및/또는 축 작업 표면의 특성 길이(characteristic length)이다.
소형의 유체 동압 베어링을 갖는 디스크 드라이브 장치에서, 전력 및 부하 수용력은 중요한 요소이다. 따라서, 윤활 유체에 대해 어떠한 특정 온도에서도 정확한 점성도를 명시하는 것이 바람직하며, 요구된 점성도는 스핀들 모터의 크기 및 구조에 따라 변화된다. 상업적인 윤활제는 임의의 점성도값으로 이용될 수 없다. 본 발명의 윤활 유체는 각각의 기본 유체가 유사한 화학적 조성을 갖지만 상이한 점성도를 갖는 기본 유체의 혼합물을 포함한다. 기본 유체는 요구된 점성도의 바람직하게는 10% 이내, 가장 바람직하게는 2∼5% 이내인 전체적인 점성도를 얻기 위해 정밀하게 혼성된다. 기본 유체는 다음의 관계에 따라 혼성된다.
μBacT-Tc= υ1×ρ1×χ1+υ2×ρ2×χ2+ ... + υn×ρn×χn
여기서, μB는 온도 Tc에서의 기본 유체의 혼합물의 절대 점성도이고, Tc는 점성도가 요구되는 온도이며, υn은 기본 유체 n의 운동 점성도이고, n은 1보다 큰 정수이며, ρn은 기본 유체 n의 밀도이고, χn은 기본 유체 n의 중량퍼센트 비율이며, χ1+χ2···+χn= 1이다.
예를 들어, n=2이고 혼합물의 요구된 운동 점성도가 υ인 경우, υ1> υ>υ2이 되도록 υ1과 υ2를 적절하게 선택하면 요구된 점성도의 윤활 유체를 얻을 수 있다.
바람직한 기본 유체는 과플루오로폴리에테르, 에스테르, 합성 하이드로카본 및 고순도로 정제된 미네랄 하이드로카본을 포함한다. 가장 바람직한 기본 유체는 디에스테르, 폴리올 에스테르 및 폴리알파올레핀(PAO)을 포함한다. 이들 기본 유체는 각종의 조합으로 혼성될 수 있지만, 바람직한 혼합물은 에스테르만의 조합, 폴리알파올레핀만의 조합, 및 적어도 하나의 에스테르와 적어도 하나의 폴리알파올레핀만의 조합을 포함한다. 유체가 요구된 점성도를 갖고 다른 요구된 성질을 충족한다면, 본 발명의 다른 실시예에서는 단일의 에스테르 또는 폴리알파올레핀이 사용될 수도 있다.
이러한 가장 바람직한 기본 유체는 표준 유체 윤활제에 존재하는 종래의 석유계 하이드로카본(petroleum-based hydrocarbon)에 비해 디스크 드라이브 장치에 여러 장점을 제공하는 것으로 판명되었다. 이들 기본 유체는 온도에 대해 의존성이 적은 점성도, 낮은 증발, 낮은 증기압, 낮은 이동도, 향상된 산화 저항성, 첨가제로 용이하게 향상될 수 있는 유사 경계 성능, 디스크 드라이브 내의 다른 물질과의 우수한 양립성, 및 공지된 순수한 화학적 조성으로 인한 모든 성질의 우수한 제어를 갖는다. 따라서, 이들 유체는 헤드와 디스크의 인터페이스의 저하를 최소화시키고, 베어링과 디스크 드라이브에 긴 수명을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 기본 유체는 약 1.9∼2.0㎜의 부피대 표면적(V/A) 비율을 기초로 약 70℃의 온도에서 4∼10센티푸아즈(cP)의 정밀한 절대 점성도, 최소 110의 점성지수 및 1.0×10-3㎎/day-㎟ 미만의 증발 범위를 획득하기 위해 혼성된다.
또한, 기본 유체는 베어링에서 디스크로의 유체의 누출로 인한 헤드와 디스크간의 스티킹 마찰("점착")에 대한 기본 유체의 기여가 고온 상태나 다습한 상태와 같은 각종의 상태하에서 디스크 드라이브에 사용된 기존의 화학물 혹은 윤활제의 기여와 유사하거나 적게 되도록 선택된다. 이들 화학물 및 윤활제는 예를 들어 그리스 및 강자성유체 밀봉제(ferrofluidic seals)를 포함한다.
2.윤활 유체와 선택된 첨가제의 혼성
본 발명의 다른 특징에서, 윤활 유체는 높은 점성지수의 기본 유체(또는, 기본 유체의 혼합물)와, 그 혼합물이 헤드-디스크 인터페이스와 양립할 수 있으면서접촉성 저하를 방지하는데 효과적이 되도록 선택되는 첨가제와의 혼합물을 포함한다.
유체 동압 베어링에서의 윤활 유체의 점성도는 온도의 증가로 강하된다. 이러한 점성도의 강하로 인해 소비 전력 및 소정 두께를 갖는 유체에 대한 베어링 부하 수용력이 강하된다. 소형의 유체 동압 베어링을 갖는 디스크 드라이브 장치에서, 소비 전력과 베어링 부하 수용력에서의 커다란 변동은 허용될 수 없다.
점성지수(Ⅵ)은 윤활 유체의 점성도-온도 민감도를 표현하는 임의적인 방법이고, 종종 점성도의 온도 의존성으로서 해석된다. 소정 점성도를 갖는 유체에 대한 더 높은 점성지수은 유체의 점성도가 온도에 따라 덜 변화된다는 것을 나타낸다. 소형의 디스크 드라이브내의 유체 동압 베어링에 대해 소비 전력은 중요한 파라미터이므로, 높은 점성지수가 요구된다. 여러 부류에 대한 통상적인 점성지수들이 다음의 표 1에 나타내어져 있다.
유체의 화학적 분류 이용가능한 Ⅵ 범위
정제된 파라핀 광물 90∼110
합성 하이드로카본(폴리알파올레핀) 120∼170
합성 에스테르(디에스테르) 120∼200
합성 에스테르(폴리올) 115∼200
과플루오로폴리에테르 90∼320
에스테르 유체는 수소 및 탄소뿐만 아니라 산소를 포함하며, 일부 에스테르 유체는 천연 하이드로카본 유체 및 합성 하이드로카본 유체에 비해 디스크 드라이브 장치에 고유의 장점을 제공한다. 이러한 장점은 더 높은 점성지수, 더 높은 산화 저항성, 향상된 경계 윤활 성질, 합성 하이드로카본에 비해 더 낮은 이동도 및더 낮은 증발을 포함한다.
예를 들어, 상업적으로 이용가능한 디에스테르 유체는 높은 점성지수 및 우수한 산화 저항성을 갖지만 금속대 금속 접촉시에 촉매 분해(catalytic degradation)에 대해 열악한 저항성을 갖는다. 이러한 이유로 오일의 부피가 매우 작아 사소한 브레이크 다운조차도 베어링 성질에 악영향을 미치는 소형의 유체 동압 베어링에 상업적으로 이용가능한 디에스테르 유체를 사용할 수 없게 된다.
상업적으로 이용가능한 유체는 베어링의 수명을 연장시키기 위한 적당한 금속 비활성 첨가제를 포함하고 있지 못하다. 또한, 대부분의 상업적으로 이용가능한 유체는 헤드-디스크 인터페이스와 양립할 수 없는 성분을 갖는다. 흔히 상업적으로 이용가능한 유체의 정확한 조성이 제조업체에 의해 제어되지 않기도 한다. 따라서, 이러한 유체를 사용함으로써 예기치 않은 디스크 드라이브 성능의 저하가 야기될 수 있다.
본 발명의 윤활 유체는 디에스테르 유체 또는 폴리알파올레핀 등의 높은 점성지수의 기본 유체의 혼합물과, 유체가 헤드-디스크 인터페이스와 양립될 수 있으면서 상업적으로 이용가능한 에스테르 및/또는 합성 하이드로카본 혼합물보다 더 우수한 촉매 분해에 대한 저항성을 갖도록 이 유체에 산화방지, 부식방지 및 금속 비활성화 성질을 제공하기 위해 선택되는 첨가제의 조성물을 포함한다.
바람직한 유형의 산화 방지제로는 아민(아릴아민), 페놀 또는 이들의 혼합물 등의 질소와 산소 함유 억제물이 있다. 가장 바람직한 유형의 산화 방지제로는 부탄산염화된 히드록시톨루엔(액상 부자유 페놀), 알킬산염화된 디페닐 아민, 페닐알파 나프틸아민 또는 이들 산화 방지제의 둘 또는 그 이상의 조성물이 있다. 윤활 기본 유체에서의 이러한 첨가제의 바람직한 처리 레벨은 0.25∼3질량%이다.
바람직한 유형의 녹 및 부식 억제물 또는 금속 부동체(metal passivators)로는 금속성 술폰산염과, 긴사슬 아민과, 카르복실산 유도체와, 트리아디아졸 유도체와, 트리아졸 유도체와, 아민 인산염이 있다. 가장 바람직한 유형의 녹 및 산화 억제제 또는 금속 부동제로는 합성 또는 광물 칼슘 술폰산염, 합성 또는 광물 바륨 술폰산염, 알케닐 숙신산 유도체 및 트리아졸 유도체가 있다. 윤활 기본 유체에서의 이들 첨가제의 바람직한 처리 레벨은 0.02∼0.5질량%이다.
본 발명의 윤활 유체는 마모방지 성질, 고압 금속 접촉 성질 및 마찰 성질을 향상시키기 위한 첨가제를 추가로 포함한다. 이러한 유형의 바람직한 첨가제로는 디알킬 디티오인산염, 알킬 디설파이드, 알킬 폴리설파이드, 아릴 디설파이드, 아릴 폴리설파이드, 디티오카르바메이트, 알킬인산염의 염, 몰리브덴 복합체, 트리페닐 인산염 등의 중성 인산염 에스테르(트리아릴 및 트리알킬), 또는 이들 첨가제의 하나 또는 그 이상의 조성물이 있다. 가장 바람직한 산화방지 첨가제는 아연 디알킬 디티오인산염, 몰리브덴 디설파이드, 액상 아민 인산염, 프로필염화된 트리페닐 인산염, 및 부탄산염화된 트리페닐 인산염이 있다. 윤활 기본 유체에서의 이들 첨가제의 바람직한 처리 레벨은 4질량%이다.
상기의 첨가제를 선택하여 높은 점성지수의 디에스테르계 오일 및/또는 합성 하이드로카본을 혼성하면 상업적으로 이용가능한 에스테르 또는 합성 하이드로카본 혼합물보다 촉매 분해에 대해 더욱 현저한 저항성을 갖는 유체 동압 유체를 얻을수 있다. 각종의 혼합물을 테스트하면, 헤드-디스크 인터페이스와 양립할 수 있음을 알 수 있다. 이들 혼합물은 헤드와 디스크간의 점착성 마찰의 현저한 증가를 초래하지 않으며, 헤드-디스크 인터페이스와의 다른 간섭을 초래하지 않는다. 혼합물은 또한 과도한 부하와 상승 온도 하에서 수명과 소비 전력면에서 정제된 파라핀 석유계 유체에 비해 우수한 것으로 판명되었다.
3.높은 전단 강도의 점성지수 향상 유체의 응용
본 발명의 다른 특징에서, 윤활 유체는 기본 유체와 전단-저항성 점성도 변형제("점성지수 향상제")의 혼합물을 포함한다. 점성지수 향상제는 기본 유체의 점성도의 온도 의존성을 감소시킨다. 점성도의 온도 의존성은 매우 중요한 요소이며, 높은 온도 의존성은 스핀들 모터에 대한 소형 베어링의 기능에 항상 바람직하지 않다. 이 영향을 최소화시키기 위해, 선택된 상업적으로 이용가능한 중합체가 본 발명에 따른 기본 유체와 혼성되어 스핀들 모터에서 측정된 온도-소비 전력 곡선을 향상시킨다. 온도에 대한 소비 전력의 의존성이 감소되는 것으로 관찰되었다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 부적당한 온도-점성도 동작을 갖는 다른 적합한 기본 유체가 제공되었다면, 고분자량의 용해가능한 중합체가 기본 유체에 5∼50중량%로 첨가된다. 이 중합체의 분자량은 10,000∼1,000,000 달톤이 바람직하다. 바람직한 중합체 점성지수 향상제는 폴리아크릴산염, 폴리이소프렌 및 폴리스티렌을 포함하는데, 반드시 이들 물질로만 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 소형의 유체 동압 베어링이 직면하게 되는 상태하에서, 전단율(shear rate)은 초당 106이상이 된다. 전단율은 베어링내의 갭의 폭(도 3에 도시된 간격 c)에 대한 베어링 작업 표면의 점성도 변화율로서 정의된다. 베어링 표면간의 전단 상태는 중합체를 브레이킹 다운함으로써 점성지수 향상제의 수명을 제한한다. 점성지수 영향이 다른 요소중에서도 중합체 사슬의 길이에 좌우되므로, 점성지수 향상제의 유효도는 전단 브레이크 다운에 의해 감소된다.
본 발명의 더욱 바람직한 실시예에서, 선택된 중합체 점성지수 향상제는 고체 중합체의 신장 강도가 적어도 10,000psi이고 적어도 250℉의 열 분해에 대한 저항성을 갖고 전단 브레이크 다운에 대해 높은 저항성을 갖는 부류의 중합체에 속한다. 그러므로, 중합체는 전단 강도를 갖는다. 이러한 부류의 중합체는 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리에테르이미드 등의 물질의 용해가능한 형태를 포함하는데, 반드시 이러한 물질로만 제한되지는 않는다.
본 발명의 더욱 바람직한 실시예에서, 고체 중합체는 적어도 14,000psi의 신장 강도 및 500℉이상의 열 분해에 대한 저항성을 갖는다. 이러한 부류의 중합체는 폴리아미드-이미드, 폴리이미드, 포릴벤지미다졸 및 액체 결정 중합체를 포함하는데, 반드시 이들 물질로만 제한되지는 않는다. 더욱 바람직한 실시예에서, 고체 중합체는 적어도 20,000psi의 신장 강도 및 700℉ 이상의 열 분해에 대한 저항성을 갖는다. 이러한 부류의 중합체는 버키튜브(buckytube) 및 다른 벅민스테르풀레르엔(buckminsterfullerene) 카본 형태를 포함하며, 반드시 이러한 물질로만 제한되지는 않는다.
가장 바람직한 실시예에서, 중합체 점성지수 향상제는 이전 그룹의 성질을 가지며, 전술된 바와 같이 유체에 산화방지 및 금속 비활성화 보호를 제공하도록 기능화되거나 또는 화학적으로 변형된다.
본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 설명하였지만, 본 기술분야의 당업자라면 본 발명의 기술적 사상으로부터 일탈함이 없이 형태 및 세부사항에 대해 변경을 가할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 디스크 드라이브 데이터 저장 시스템에 있어서,
    하우징과;
    중심축과;
    상기 하우징에 대해 고정되고 상기 중심축과 동축을 이루는 고정 부재(stationary member)와;
    상기 하우징에 대해 고정된 고정자와;
    상기 고정 부재에 대해 상기 중심축을 중심으로 회전가능한 부재와;
    상기 회전가능한 부재에 의해 지지되고 상기 고정자에 자기적으로 결합된 회전자와;
    상기 회전가능한 부재에 부착되고 상기 회전가능한 부재와 동축을 이루는 적어도 하나의 데이터 저장 디스크와;
    상기 고정 부재와 상기 회전가능한 부재를 상호접속시키는 유압 베어링을 포함하며,
    상기 유압 베어링은 상기 유압 베어링의 작업 표면사이에서 순환하는 윤활제를 포함하며, 상기 윤활제는 기본 유체의 혼합물을 포함하며, 상기 혼합물 내의 기본 유체중 하나는 선택된 점성도보다 큰 점성도를 갖고 상기 기본 유체의 다른 유체는 상기 선택된 점성도보다 작은 점성도를 가지며, 상기 기본 유체의 혼합물은 70℃에서 4 내지 10센티푸아즈(cP)인 절대 점성도를 갖고 적어도 110의 점성지수를가지는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브 데이터 저장 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기본 유체의 혼합물은 약 1.9∼2.0㎜의 부피대 표면적 비율을 기초로 1.0×10-3㎎/day-㎟ 미만의 증발 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브 데이터 저장 시스템.
  3. 디스크 드라이브 데이터 저장 시스템에 있어서,
    하우징과;
    중심축과;
    상기 하우징에 대해 고정되고 상기 중심축과 동축을 이루는 고정 부재와;
    상기 하우징에 대해 고정된 고정자와;
    상기 고정 부재에 대해 상기 중심축을 중심으로 회전가능한 부재와;
    상기 회전가능한 부재에 의해 지지되고 상기 고정자에 자기적으로 결합된 회전자와;
    상기 회전가능한 부재에 부착되고 상기 회전가능한 부재와 동축을 이루는 적어도 하나의 데이터 저장 디스크와;
    상기 고정 부재와 상기 회전가능한 부재를 상호접속시키는 유압 베어링을 포함하며,
    상기 유압 베어링은 상기 유압 베어링의 작업 표면사이에서 순환하는 윤활제를 포함하며, 상기 윤활제는 기본 유체의 혼합물을 포함하며, 상기 기본 유체의 혼합물은 적어도 110의 점성지수 및 약 1.9∼2.0㎜의 부피대 표면적 비율을 기초로 1.0×10-3㎎/day-㎟ 미만의 증발 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브 데이터 저장 시스템.
KR10-1998-0703172A 1995-10-30 1996-10-25 윤활제점성도가최적화된유압베어링을구비한스핀들모터를갖는디스크드라이브데이터저장시스템 KR100420061B1 (ko)

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