用于盘驱动/存储应用中的主轴电动机的高附着力且耐磨损的涂层

摘要

描述了一种盘驱动数据存储系统，它包括具有一中心轴线的一壳体、相对壳体固定并与中心轴线共轴的一固定件以及可相对固定件绕中心轴线旋转的一可转动件。一流体动力轴承将固定件联接至可转动件，并包括至少一个其上带有耐磨损涂层的工作表面。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提出于2001年11月16日的美国临时专利申请序列号第60/332,490号的优先权，该申请援引于此，以供参考。

技术领域

本发明涉及用于盘驱动数据存储设备的流体动力电动机的领域，更具体地说，本发明涉及一种其一个或多个支承表面上具有耐磨损涂层的主轴电动机。

背景技术

在工业中，诸如被称为“温彻斯特(Winchester)”型的盘驱动器之类的盘驱动器是为人们所熟知的。在一温彻斯特盘驱动器中，将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一浮动块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，通常来说，各盘片表面与单个磁头相关联。磁头在电子电路的控制下，由一致动器装置选择地移动至盘片表面上的多根圆形的同心磁道中的任一根。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。盘片自身通常是以“叠”的形式安置在一无刷直流主轴电动机的轴毂结构上的。主轴电动机的转速由电动机驱动电路来加以精确的控制，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能大小。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、15,000转/分以及更快的速度。

在盘驱动数据存储设备中的一个主要的噪音源是主轴电动机。盘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，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。流体动力轴承中的支承表面之间的相对移动产生一剪切分量，该剪切分量整个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，润滑流体或气体在例如一壳体的固定件与盘片轴毂的一转动件之间提供一支承表面。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，流体动力轴承将支承表面分布在一更大的区域上。这是人们所希望的，因为支承表面的增加减少了转动件与固定件之间的摇晃或跳动。

尽管在传统的流体动力轴承的主动电动机中采用了润滑流体，但是，支承表面仍会发生连续地磨损。结果是，支承表面之间的间隙随着设备使用时间的过去而逐渐改变，并通常是以横过支承表面不均匀的方式发生改变。此外，对于气体润滑的流体动力轴承，也需要支承表面有较低的摩擦特性。

因此，本技术领域需要一种流体动力流体支承表面，它的耐磨损性能改善，并具有较低的摩擦特性。

发明内容

本发明的盘驱动数据存储系统包括：具有一中心轴线的一壳体，相对壳体固定并与中心轴线共轴的一固定件，以及可相对固定件绕中心轴线旋转的一可转动件。一定子相对壳体固定。一转子由可转动件支承，并磁性地联接至定子。至少一个数据存储盘片附接至可转动件，并与之共轴。一流体动力轴承将固定件联接至可转动件。流体动力轴承包括至少一个其上带有耐磨损涂层的工作表面。

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，由此可获得了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，本发明可易于作出其它同样有效的

实施例。

图1是根据本发明的一盘驱动数据存储设备的平面图；

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截取的该流体动力轴承主轴电动机的示意性剖视图，且为了表示得清楚而去除了一些部分；

图4是图3的放大图，示出了形成在流体动力轴承的一个或多个工作表面上的耐磨损涂层；以及

图5是带有圆锥形支承表面的一流体动力轴承的剖视图。

具体实施方式

本发明是一种具有一流体动力轴承主轴电动机的盘驱动数据存储设备，在该流体动力轴承主轴电动机中，一个或多个支承表面上具有耐磨损涂层。图1是可以使用本发明的一盘驱动器10的平面图。盘驱动器10包括一壳体底座12，它与顶盖14组合以形成一密封的环境，用于保护内部元件免受该密封环境之外的零件的污染。

盘驱动器10包括一盘片组16，该盘片组通过一盘片夹具18安装在一主轴电动机上以旋转。盘片组16包括多个单个的盘片，它们安装成绕一中心轴线共同旋转。各盘片表面具有一相关联的磁头20，所述磁头20安装在盘驱动10上，用于与盘片表面进行通讯。在图1所示的例子中，磁头20由弯曲件22支承，而弯曲件22又附接至一致动器本体26的磁头安装臂24上。如图1中所示的致动器属于被称为旋转式动圈致动器的类型，并包括一音圈电动机(VCM)，该音圈电动机总的标示为标号28。音圈电动机28绕一枢转轴30旋转致动器本体26及其所附接的磁头20，以沿着一弧形路径将磁头20定位在一所想要的数据磁道的上方。尽管在图1中示出了一旋转式致动器，但本发明也可以用于具有诸如直线致动器之类的其它类型致动器的盘驱动器中。

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包括一固定件34、一轴毂36以及一定子38。在图2所示的实施例中，固定件是一通过螺母40和垫圈42固定和附接至底座12的轴。轴毂36通过一流体动力轴承37与轴34互连，以绕轴34旋转。轴承37包括径向工作表面44和46、以及轴向工作表面48和50。轴34包括流体通道54、56以及58，这些流体通道供应流体60，并协助沿着轴承的工作表面循环流体。采用以已知方式联接至轴34的内部的流体源(未示出)来给轴34提供润滑流体60。

主轴电动机32还包括一推力轴承45，该推力轴承45形成流体动力轴承37的轴向工作表面48和50。一对面板62支靠在工作表面48上，以为流体动力轴承提供轴向的稳定性，并将轴毂36定位在主轴电动机32内。在对面板62和轴毂36之间设置一O形圈64，以密封该流体动力轴承。这样的密封防止流体动力流体60从对面板62与轴毂36之间逃逸出来。

轴毂36包括一中央芯子65和一盘片载带件66，后者支承盘片组16(如图1)以绕轴34旋转。由盘片夹具18(也如图1中所示)将盘片组16保持在盘载带件66上。一永久磁体70附接至轴毂36的外径，它用作主轴电动机32的一转子。芯子65用磁性材料制成，并用作磁体70的护铁。转子磁体70可以形成为一个一体的圆环，或者可以形成为绕轴毂36的周缘间隔开的多个单独磁体。转子磁体70被磁化，以形成一个或多个磁极。

定子38附接至底座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74与转子磁体70径向地间隔开，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底座12，所述方式如通过螺栓78固定至底座的一个或多个C-夹具76。

施加至定子绕组74的通讯脉冲产生一与转子磁体70相通讯的旋转磁场，并致使轴毂在轴承37上绕中心轴线80旋转。通讯脉冲是定时的、极性选择的直流电流，该电流被引导至相继选择的定子绕组，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是一种“轴毂下”类型的电动机，其中定子38具有一在轴毂36下方的轴向位置。定子38还具有一在轴毂36外部的径向位置，以使定子绕组74固定至叠片72的一内径表面82(图3)。在另一个实施例中，定子位于轴毂内，这与在轴毂下的反向。定子可以具有在轴毂内部或轴毂外部的一径向位置。此外，尽管图2示出了带有一固定的轴的主轴电动机，但是，主轴电动机可以具有一旋转的轴。在这种情况下，轴承位于旋转轴和一与该旋转轴共轴的固定套筒之间。

图3是沿着图2的线3-3截取的流体动力主轴电动机32的示意性剖视图，且为了表示得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和中央芯子65共轴。定子绕组74包括相位绕组W1、V1、U1、W2、V2以及U2，它们绕叠片72中的齿卷绕。相位绕组由其线圈轴线垂直于中心轴线80并与之相交的线圈形成。例如，相位绕组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的外径和中央芯子65的内径表面形成。轴34和中央芯子65可以用例如为钢或铝之类的金属构成。径向工作表面44和46被一润滑液体分隔开，该润滑液体在正常运作的过程中保持一间隙c。

图4示出了图3所示的流体动力主轴电动机32的放大的剖视图。流体动力轴承37的径向工作表面44和46之一或两者处理成带有一耐磨损、低摩擦涂层44c和46c。耐磨损涂层44c和46c通过使工作表面44和46在物理上更加耐用，而改善它们的耐磨损性能。由于磨损而产生的金属颗粒减少，致使工作表面44和46的机械失效大大减少。耐磨损和低摩擦涂层44c和46c使耐磨损性能得以改善，并通常会使间隙c在主轴电动机的整个使用寿命中保持恒定。

耐磨损涂层44c和46c可以包括，例如非晶质碳、金刚石样的碳或它们的组合。耐磨损涂层的厚度可以在约100纳米至约5微米之间的范围中。耐磨损涂层44c和46c的较佳厚度取决于诸如轴34的外径和中央芯子65的内径的组合、间隙c的量值、表面粗糙度、荷载等诸多因素。

在一个实施例中，耐磨损的低摩擦涂层44c和46c是通过诸如阴极溅镀工艺之类的一物理汽相沉积(PVD)来沉积成的。在另一实施例中，耐磨损涂层44c和46c是通过诸如等离子加强的化学汽相沉积(PECVD)之类的一化学汽相沉积(CVD)来沉积成的。在另一实施例中，耐磨损涂层44c和46c是通过离子束沉积来沉积成的。耐磨损涂层也可以是在例如存在氢气(H2)或氮气(N2)以加强其耐磨损和低摩擦性能的情况下进行溅镀的。

尽管图4示出了仅由一层构成的耐磨损涂层44c和46c，但耐磨损涂层44c和46c由多层涂层构成也落入本发明的保护范围之内。人们通常希望耐磨损涂层44c和46c由多层涂层构成，以提供最佳的附着力，减少裂缝的产生，并改善轴34和中央芯子65的耐腐蚀性。在一个实施例中，耐磨损涂层44c和46c包括两层或多层碳。在一个实施例中，耐磨损涂层44c和46c包括一层碳化硅。

在一个实施例中，在沉积耐磨损涂层44c和46c之前，分别在轴34的外径和中央芯子65的内径上沉积一层或多层粘结剂44i和46i。粘结层44i和46i为涂覆至轴34的外径和中央芯子65的内径的耐磨损涂层44c和46c提供了更好的附着力和机械性能。粘结层例如可以包括铬、硅、钛、锆、碳化硅以及其它的组合。

在一个实施例中，可以与一层或多层耐磨损涂层44c和46c结合地使用一层或多层粘结剂层44i和46i。例如，可以与一耐磨损层和一耐摩擦且低摩擦层结合起来而使用一粘结剂层。

粘结剂层44i和46i的厚度可以在约1纳米至约1微米的范围之内。粘结层44i和46i的较佳厚度取决于与为耐磨损涂层44c和46c所列举的那些因素相似的因素。在一个实施例中，在沉积粘结层44i和46i或耐磨损层44c和46c之前，用镍或磷化镍电镀液处理轴34的外径表面和中央芯子65的内径表面中的任一个或两者。也可以使用无电解镍电镀液。

在一个实施例中，粘结层44i和46i是通过诸如阴极溅镀工艺之类的一物理汽相沉积(PVD)来沉积成。在另一实施例中，粘结层44i和46i是通过诸如等离子加强的化学汽相沉积(PECVD)之类的一化学汽相沉积(CVD)来沉积成的。在另一实施例中，粘结层44i和46i是通过离子束沉积来沉积成的。

在一个实施例中，在沉积粘结层和耐磨损涂层之前对基片进行蚀刻。在不沉积粘结层的情况中，可以在沉积耐磨损层之前对基片进行蚀刻。例如，可以通过等离子蚀刻工艺来对基片进行蚀刻。等离子蚀刻工艺可以包括用例如氩气之类的一惰性气体的离子轰击基片。

替代或附加于沉积在轴34的外径和中央芯子65的内径上的耐磨损涂层44c和46c，可以在主轴电动机的其它工作表面(例如，推力轴承45上或者对面板62的下表面69上的轴向工作表面48，如图2所示)上沉积耐磨损涂层。也可选择在沉积耐磨损的低摩擦涂层之前沉积诸如那些上述的粘结层。

例1

在一钢基片上沉积一粘结层。该粘结层由铬制成。通过阴极溅镀工艺沉积该粘结层，在所述工艺中，一惰性气体从铬靶溅射材料。沉积一厚度约为0.3微米至约0.5微米的粘结层。

在铬粘结层上沉积一耐磨损的低摩擦涂层。该耐磨损涂层由碳制成。通过阴极溅镀工艺来沉积耐磨损涂层，在所述工艺中，一惰性气体从碳靶溅射材料。沉积一厚度约为1.5微米至2微米的耐磨损涂层。该耐磨损涂层表现出对基片出色的附着力。

例2

在一钢基片上沉积一粘结层。该粘结层由硅制成。通过阴极溅镀工艺沉积该粘结层，在所述工艺中，一惰性气体从硅靶溅射材料。沉积一厚度约为0.3微米至约0.5微米的粘结层。

在硅粘结层上沉积一耐磨损的低摩擦涂层。该耐磨损涂层由碳制成。通过阴极溅镀工艺来沉积耐磨损涂层，在所述工艺中，一惰性气体从碳靶溅射材料。沉积一厚度约为1.5微米至2微米的耐磨损涂层。该耐磨损涂层表现出对基片出色的附着力。

为了获得改善的耐磨损性能而使用的耐磨损和粘结层并不局限于上述的推力轴承设计。耐磨损和粘结涂层例如可以与本技术领域已知的具有其它几何形状的轴承表面的主轴电动机一起使用。可以将圆锥形和球形的轴承表面涂覆上根据本发明的耐磨损涂层，以减少轴承表面上的磨损。

请参见图5，一流体动力轴承所示为带有圆锥形的轴承表面，该流体动力轴承可用于驱动图1所示的盘驱动器10。该流体动力轴承所示为结合在一主轴电动机150中。该设计包括可转动地联接至一轴152的一驱动转子或轴毂114。轴152包括接纳在向着轴旋转的一套筒58中的一上半球或凸状部分154和一下半球或凸状部分156。轴固定地附接至一底座160，该底座可以结合在参照图1所述的壳体底座12中或由其支承。套筒158接纳轴152的轴颈162，并具有上半球形状的凹状承座164和下半球形状的凹状承座166。还设置一充注孔168，以通至(如所图示，该上端)固定件152中的一贮槽159，以将支承流体供应至流体动力轴承。转子114包括一对面板170，它用来将流体动力轴承的一端封闭于环境大气。在运作中，在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循环穿过固定件(就是轴)与转动件(在该情况下就是套筒)之间的间隙。这些轴承表面中的一个或多个可以涂覆上本发明的耐磨损涂层。

尽管前文是针对本发明的较佳实施例的，但还设计出本发明的其它和更多的实施例而可以不超出本发明的基本保护范围。本发明的保护范围由以下权利要求书来确定。