專利名稱：用于盤驅動/存儲應用中的主軸電動機的高附著力且耐磨損的涂層的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于盤驅動數據存儲設備的流體動力電動機的領域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種其一個或多個支承表面上具有耐磨損涂層的主軸電動機。
背景技術：
在工業(yè)中，諸如被稱為“溫徹斯特(Winchester)”型的盤驅動器之類的盤驅動器是為人們所熟知的。在一溫徹斯特盤驅動器中，將數據寫入旋轉盤片表面上的可磁化材料薄層，或從該薄層讀取數據。寫入和讀取操作是通過載帶在一浮動塊中的一換能器來實現(xiàn)的。浮動塊和換能器有時被一起稱作一磁頭，并且，通常來說，各盤片表面與單個磁頭相關聯(lián)。磁頭在電子電路的控制下，由一致動器裝置選擇地移動至盤片表面上的多根圓形的同心磁道中的任一根。各浮動塊本體包括一自作用的空氣支承表面。當磁盤旋轉時，盤片拖曳空氣支承表面下方的空氣，這就產生一升舉力，該升舉力使浮動塊抬起，并在盤片表面上方幾個微英寸的高度處飛行。
在目前一代的盤驅動器產品中，最為普遍使用的致動器類型是旋轉式動圈致動器。盤片自身通常是以“疊”的形式安置在一無刷直流主軸電動機的軸轂結構上的。主軸電動機的轉速由電動機驅動電路來加以精確的控制，所述電動機驅動電路同時控制引導向電動機的定子繞組的通訊信號的時間設置和電能大小。典型的主軸電動機的速度在3600轉/分的范圍之內。盡管如此，現(xiàn)有技術已經將主軸電動機的速度增加至7200轉/分、10,000轉/分、15,000轉/分以及更快的速度。
在盤驅動數據存儲設備中的一個主要的噪音源是主軸電動機。盤驅動器的制造廠商最近已開始考慮用“液力”軸承(如流體動力或流體靜力軸承)來替代傳統(tǒng)的滾珠或滾柱軸承。流體動力軸承依靠的是分隔諸支承表面的一流體薄膜，因而要比傳統(tǒng)的滾珠軸承安靜得多，一般振動也較小。流體動力軸承是一種自泵送軸承，它在內部產生壓力，以保持流體薄膜的分隔作用。流體動力軸承需要一外部的加壓流體源，以保持流體的分隔作用。流體動力軸承中的支承表面之間的相對移動產生一剪切分量，該剪切分量整個地發(fā)生在流體薄膜內，以致軸承表面之間不會發(fā)生接觸。
在一流體動力軸承中，潤滑流體或氣體在例如一殼體的固定件與盤片軸轂的一轉動件之間提供一支承表面。典型的潤滑劑包括油或鐵磁性流體。與包括一系列點狀接觸面的滾珠軸承相比，流體動力軸承將支承表面分布在一更大的區(qū)域上。這是人們所希望的，因為支承表面的增加減少了轉動件與固定件之間的搖晃或跳動。
盡管在傳統(tǒng)的流體動力軸承的主動電動機中采用了潤滑流體，但是，支承表面仍會發(fā)生連續(xù)地磨損。結果是，支承表面之間的間隙隨著設備使用時間的過去而逐漸改變，并通常是以橫過支承表面不均勻的方式發(fā)生改變。此外，對于氣體潤滑的流體動力軸承，也需要支承表面有較低的摩擦特性。
因此，本技術領域需要一種流體動力流體支承表面，它的耐磨損性能改善，并具有較低的摩擦特性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的盤驅動數據存儲系統(tǒng)包括具有一中心軸線的一殼體，相對殼體固定并與中心軸線共軸的一固定件，以及可相對固定件繞中心軸線旋轉的一可轉動件。一定子相對殼體固定。一轉子由可轉動件支承，并磁性地聯(lián)接至定子。至少一個數據存儲盤片附接至可轉動件，并與之共軸。一流體動力軸承將固定件聯(lián)接至可轉動件。流體動力軸承包括至少一個其上帶有耐磨損涂層的工作表面。
附圖簡述參照在附圖中所示的本發(fā)明的實施例，就可對上面所簡要介紹的本發(fā)明作出更為具體的說明，由此可獲得了實現(xiàn)上面所引述的本發(fā)明特征的方式，并能詳細地理解它們。
不過，需注意的是，附圖僅示出了本發(fā)明的典型實施例，因此不應被認為是限制了本發(fā)明的保護范圍，這是因為，本發(fā)明可易于作出其它同樣有效的

圖1是根據本發(fā)明的一盤驅動數據存儲設備的平面圖；圖2是根據本發(fā)明的一流體動力軸承主軸電動機的剖視圖；圖3是沿著圖2的線3-3截取的該流體動力軸承主軸電動機的示意性剖視圖，且為了表示得清楚而去除了一些部分；圖4是圖3的放大圖，示出了形成在流體動力軸承的一個或多個工作表面上的耐磨損涂層；以及圖5是帶有圓錐形支承表面的一流體動力軸承的剖視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明是一種具有一流體動力軸承主軸電動機的盤驅動數據存儲設備，在該流體動力軸承主軸電動機中，一個或多個支承表面上具有耐磨損涂層。圖1是可以使用本發(fā)明的一盤驅動器10的平面圖。盤驅動器10包括一殼體底座12，它與頂蓋14組合以形成一密封的環(huán)境，用于保護內部元件免受該密封環(huán)境之外的零件的污染。
盤驅動器10包括一盤片組16，該盤片組通過一盤片夾具18安裝在一主軸電動機上以旋轉。盤片組16包括多個單個的盤片，它們安裝成繞一中心軸線共同旋轉。各盤片表面具有一相關聯(lián)的磁頭20，所述磁頭20安裝在盤驅動10上，用于與盤片表面進行通訊。在圖1所示的例子中，磁頭20由彎曲件22支承，而彎曲件22又附接至一致動器本體26的磁頭安裝臂24上。如圖1中所示的致動器屬于被稱為旋轉式動圈致動器的類型，并包括一音圈電動機(VCM)，該音圈電動機總的標示為標號28。音圈電動機28繞一樞轉軸30旋轉致動器本體26及其所附接的磁頭20，以沿著一弧形路徑將磁頭20定位在一所想要的數據磁道的上方。盡管在圖1中示出了一旋轉式致動器，但本發(fā)明也可以用于具有諸如直線致動器之類的其它類型致動器的盤驅動器中。
圖2是根據本發(fā)明的一流體動力軸承主軸電動機32的剖視圖。主軸電動機32包括一固定件34、一軸轂36以及一定子38。在圖2所示的實施例中，固定件是一通過螺母40和墊圈42固定和附接至底座12的軸。軸轂36通過一流體動力軸承37與軸34互連，以繞軸34旋轉。軸承37包括徑向工作表面44和46、以及軸向工作表面48和50。軸34包括流體通道54、56以及58，這些流體通道供應流體60，并協(xié)助沿著軸承的工作表面循環(huán)流體。采用以已知方式聯(lián)接至軸34的內部的流體源(未示出)來給軸34提供潤滑流體60。
主軸電動機32還包括一推力軸承45，該推力軸承45形成流體動力軸承37的軸向工作表面48和50。一對面板62支靠在工作表面48上，以為流體動力軸承提供軸向的穩(wěn)定性，并將軸轂36定位在主軸電動機32內。在對面板62和軸轂36之間設置一O形圈64，以密封該流體動力軸承。這樣的密封防止流體動力流體60從對面板62與軸轂36之間逃逸出來。
軸轂36包括一中央芯子65和一盤片載帶件66，后者支承盤片組16(如圖1)以繞軸34旋轉。由盤片夾具18(也如圖1中所示)將盤片組16保持在盤載帶件66上。一永久磁體70附接至軸轂36的外徑，它用作主軸電動機32的一轉子。芯子65用磁性材料制成，并用作磁體70的護鐵。轉子磁體70可以形成為一個一體的圓環(huán)，或者可以形成為繞軸轂36的周緣間隔開的多個單獨磁體。轉子磁體70被磁化，以形成一個或多個磁極。
定子38附接至底座12，并包括定子疊片72和定子繞組74。定子繞組74附接至疊片72。定子繞組74與轉子磁體70徑向地間隔開，以使轉子磁體70和軸轂36能繞一中心軸線80旋轉。定子38通過已知的方式附接至底座12，所述方式如通過螺栓78固定至底座的一個或多個C-夾具76。
施加至定子繞組74的通訊脈沖產生一與轉子磁體70相通訊的旋轉磁場，并致使軸轂在軸承37上繞中心軸線80旋轉。通訊脈沖是定時的、極性選擇的直流電流，該電流被引導至相繼選擇的定子繞組，以驅動轉子磁體并控制其速度。
在圖2所示的實施例中，主軸電動機32是一種“軸轂下”類型的電動機，其中定子38具有一在軸轂36下方的軸向位置。定子38還具有一在軸轂36外部的徑向位置，以使定子繞組74固定至疊片72的一內徑表面82(圖3)。在另一個實施例中，定子位于軸轂內，這與在軸轂下的反向。定子可以具有在軸轂內部或軸轂外部的一徑向位置。此外，盡管圖2示出了帶有一固定的軸的主軸電動機，但是，主軸電動機可以具有一旋轉的軸。在這種情況下，軸承位于旋轉軸和一與該旋轉軸共軸的固定套筒之間。
圖3是沿著圖2的線3-3截取的流體動力主軸電動機32的示意性剖視圖，且為了表示得清楚而去除了一些部分。定子38包括疊片72和定子繞組74，它們與轉子磁體70和中央芯子65共軸。定子繞組74包括相位繞組W1、V1、U1、W2、V2以及U2，它們繞疊片72中的齒卷繞。相位繞組由其線圈軸線垂直于中心軸線80并與之相交的線圈形成。例如，相位繞組W1的線圈軸線83垂直于中心軸線80。流體動力軸承37的徑向工作表面44和46由軸34的外徑和中央芯子65的內徑表面形成。軸34和中央芯子65可以用例如為鋼或鋁之類的金屬構成。徑向工作表面44和46被一潤滑液體分隔開，該潤滑液體在正常運作的過程中保持一間隙c。
圖4示出了圖3所示的流體動力主軸電動機32的放大的剖視圖。流體動力軸承37的徑向工作表面44和46之一或兩者處理成帶有一耐磨損、低摩擦涂層44c和46c。耐磨損涂層44c和46c通過使工作表面44和46在物理上更加耐用，而改善它們的耐磨損性能。由于磨損而產生的金屬顆粒減少，致使工作表面44和46的機械失效大大減少。耐磨損和低摩擦涂層44c和46c使耐磨損性能得以改善，并通常會使間隙c在主軸電動機的整個使用壽命中保持恒定。
耐磨損涂層44c和46c可以包括，例如非晶質碳、金剛石樣的碳或它們的組合。耐磨損涂層的厚度可以在約100納米至約5微米之間的范圍中。耐磨損涂層44c和46c的較佳厚度取決于諸如軸34的外徑和中央芯子65的內徑的組合、間隙c的量值、表面粗糙度、荷載等諸多因素。
在一個實施例中，耐磨損的低摩擦涂層44c和46c是通過諸如陰極濺鍍工藝之類的一物理汽相沉積(PVD)來沉積成的。在另一實施例中，耐磨損涂層44c和46c是通過諸如等離子加強的化學汽相沉積(PECVD)之類的一化學汽相沉積(CVD)來沉積成的。在另一實施例中，耐磨損涂層44c和46c是通過離子束沉積來沉積成的。耐磨損涂層也可以是在例如存在氫氣(H2)或氮氣(N2)以加強其耐磨損和低摩擦性能的情況下進行濺鍍的。
盡管圖4示出了僅由一層構成的耐磨損涂層44c和46c，但耐磨損涂層44c和46c由多層涂層構成也落入本發(fā)明的保護范圍之內。人們通常希望耐磨損涂層44c和46c由多層涂層構成，以提供最佳的附著力，減少裂縫的產生，并改善軸34和中央芯子65的耐腐蝕性。在一個實施例中，耐磨損涂層44c和46c包括兩層或多層碳。在一個實施例中，耐磨損涂層44c和46c包括一層碳化硅。
在一個實施例中，在沉積耐磨損涂層44c和46c之前，分別在軸34的外徑和中央芯子65的內徑上沉積一層或多層粘結劑44i和46i。粘結層44i和46i為涂覆至軸34的外徑和中央芯子65的內徑的耐磨損涂層44c和46c提供了更好的附著力和機械性能。粘結層例如可以包括鉻、硅、鈦、鋯、碳化硅以及其它的組合。
在一個實施例中，可以與一層或多層耐磨損涂層44c和46c結合地使用一層或多層粘結劑層44i和46i。例如，可以與一耐磨損層和一耐摩擦且低摩擦層結合起來而使用一粘結劑層。
粘結劑層44i和46i的厚度可以在約1納米至約1微米的范圍之內。粘結層44i和46i的較佳厚度取決于與為耐磨損涂層44c和46c所列舉的那些因素相似的因素。在一個實施例中，在沉積粘結層44i和46i或耐磨損層44c和46c之前，用鎳或磷化鎳電鍍液處理軸34的外徑表面和中央芯子65的內徑表面中的任一個或兩者。也可以使用無電解鎳電鍍液。
在一個實施例中，粘結層44i和46i是通過諸如陰極濺鍍工藝之類的一物理汽相沉積(PVD)來沉積成。在另一實施例中，粘結層44i和46i是通過諸如等離子加強的化學汽相沉積(PECVD)之類的一化學汽相沉積(CVD)來沉積成的。在另一實施例中，粘結層44i和46i是通過離子束沉積來沉積成的。
在一個實施例中，在沉積粘結層和耐磨損涂層之前對基片進行蝕刻。在不沉積粘結層的情況中，可以在沉積耐磨損層之前對基片進行蝕刻。例如，可以通過等離子蝕刻工藝來對基片進行蝕刻。等離子蝕刻工藝可以包括用例如氬氣之類的一惰性氣體的離子轟擊基片。
替代或附加于沉積在軸34的外徑和中央芯子65的內徑上的耐磨損涂層44c和46c，可以在主軸電動機的其它工作表面(例如，推力軸承45上或者對面板62的下表面69上的軸向工作表面48，如圖2所示)上沉積耐磨損涂層。也可選擇在沉積耐磨損的低摩擦涂層之前沉積諸如那些上述的粘結層。
例1在一鋼基片上沉積一粘結層。該粘結層由鉻制成。通過陰極濺鍍工藝沉積該粘結層，在所述工藝中，一惰性氣體從鉻靶濺射材料。沉積一厚度約為0.3微米至約0.5微米的粘結層。
在鉻粘結層上沉積一耐磨損的低摩擦涂層。該耐磨損涂層由碳制成。通過陰極濺鍍工藝來沉積耐磨損涂層，在所述工藝中，一惰性氣體從碳靶濺射材料。沉積一厚度約為1.5微米至2微米的耐磨損涂層。該耐磨損涂層表現(xiàn)出對基片出色的附著力。
例2在一鋼基片上沉積一粘結層。該粘結層由硅制成。通過陰極濺鍍工藝沉積該粘結層，在所述工藝中，一惰性氣體從硅靶濺射材料。沉積一厚度約為0.3微米至約0.5微米的粘結層。
在硅粘結層上沉積一耐磨損的低摩擦涂層。該耐磨損涂層由碳制成。通過陰極濺鍍工藝來沉積耐磨損涂層，在所述工藝中，一惰性氣體從碳靶濺射材料。沉積一厚度約為1.5微米至2微米的耐磨損涂層。該耐磨損涂層表現(xiàn)出對基片出色的附著力。
為了獲得改善的耐磨損性能而使用的耐磨損和粘結層并不局限于上述的推力軸承設計。耐磨損和粘結涂層例如可以與本技術領域已知的具有其它幾何形狀的軸承表面的主軸電動機一起使用?？梢詫A錐形和球形的軸承表面涂覆上根據本發(fā)明的耐磨損涂層，以減少軸承表面上的磨損。
請參見圖5，一流體動力軸承所示為帶有圓錐形的軸承表面，該流體動力軸承可用于驅動圖1所示的盤驅動器10。該流體動力軸承所示為結合在一主軸電動機150中。該設計包括可轉動地聯(lián)接至一軸152的一驅動轉子或軸轂114。軸152包括接納在向著軸旋轉的一套筒58中的一上半球或凸狀部分154和一下半球或凸狀部分156。軸固定地附接至一底座160，該底座可以結合在參照圖1所述的殼體底座12中或由其支承。套筒158接納軸152的軸頸162，并具有上半球形狀的凹狀承座164和下半球形狀的凹狀承座166。還設置一充注孔168，以通至(如所圖示，該上端)固定件152中的一貯槽159，以將支承流體供應至流體動力軸承。轉子114包括一對面板170，它用來將流體動力軸承的一端封閉于環(huán)境大氣。在運作中，在該圖中所示的軸承包括流體動力軸承，其中諸如油之類的流體循環(huán)穿過固定件(就是軸)與轉動件(在該情況下就是套筒)之間的間隙。這些軸承表面中的一個或多個可以涂覆上本發(fā)明的耐磨損涂層。
盡管前文是針對本發(fā)明的較佳實施例的，但還設計出本發(fā)明的其它和更多的實施例而可以不超出本發(fā)明的基本保護范圍。本發(fā)明的保護范圍由以下權利要求書來確定。
權利要求
1.一種盤驅動存儲系統(tǒng)，它包括具有一中心軸線的一殼體；相對殼體固定并與中心軸線共軸的一固定件；相對殼體固定的一定子；可相對固定件繞中心軸線旋轉的一可轉動件；由可轉動件支承并磁性地聯(lián)接至定子的一轉子；附接至可轉動件并與之共軸的至少一個數據存儲盤片；將一磁頭支承在數據存儲盤片附近以與盤片進行通訊的一致動器；以及將固定件和可轉動件互連的一流體動力軸承，該軸承具有至少一個包括耐磨損的低摩擦涂層的工作表面。
2.如權利要求1所述的盤驅動存儲系統(tǒng)，其特征在于，耐磨損的低摩擦涂層包括非晶質碳、金剛石樣的碳、氫化的非晶質碳、氮化的的非晶質碳、氫化的金剛石樣的碳、氮化的金剛石樣的碳以及它們的組合。
3.如權利要求1所述的盤驅動存儲系統(tǒng)，其特征在于，耐磨損的低摩擦涂層包括兩層或多層。
4.如權利要求1所述的盤驅動存儲系統(tǒng)，其特征在于，耐磨損的低摩擦涂層的厚度在約100納米至約5微米之間的范圍中。
5.如權利要求1所述的盤驅動存儲系統(tǒng)，其特征在于，耐磨損的低摩擦涂層是通過物理汽相沉積(PVD)、化學汽相沉積(CVD)以及等離子加強的化學汽相沉積(PECVD)中的至少一種來沉積的。
6.如權利要求1所述的盤驅動存儲系統(tǒng)，其特征在于，耐磨損涂層形成在一粘結層上。
7.如權利要求6所述的盤驅動存儲系統(tǒng)，其特征在于，粘結層包括鉻、硅、鈦、鋯、碳化硅以及它們的組合。
8.如權利要求6所述的盤驅動存儲系統(tǒng)，其特征在于，粘結層的厚度在約1納米至約1微米的范圍之內。
9.如權利要求6所述的盤驅動存儲系統(tǒng)，其特征在于，粘結層是通過物理汽相沉積(PVD)、化學汽相沉積(CVD)以及等離子加強的化學汽相沉積(PECVD)中的至少一種來沉積的。
10.一種電動機，它包括具有一中心軸線的一殼體；相對殼體固定并與中心軸線共軸的一固定件；相對殼體固定的一定子；可相對固定件繞中心軸線旋轉的一可轉動件；由可轉動件支承并磁性地聯(lián)接至定子的一轉子；以及將固定件和可轉動件互連的一流體動力軸承，該軸承具有至少一個包括耐磨損的低摩擦涂層的工作表面。
11.如權利要求1所述的電動機，其特征在于，耐磨損的低摩擦涂層包括非晶質碳、金剛石樣的碳、氫化的非晶質碳、氮化的的非晶質碳、氫化的金剛石樣的碳、氮化的金剛石樣的碳以及它們的組合。
12.如權利要求10所述的電動機，其特征在于，耐磨損的低摩擦涂層的厚度在約100納米至約5微米之間的范圍中。
13.如權利要求10所述的電動機，其特征在于，耐磨損的低摩擦涂層包括兩層或多層。
14.如權利要求10所述的電動機，其特征在于，耐磨損的低摩擦涂層是通過物理汽相沉積(PVD)、化學汽相沉積(CVD)以及等離子加強的化學汽相沉積(PECVD)中的至少一種來沉積的。
15.如權利要求10所述的電動機，其特征在于，耐磨損涂層形成在一粘結層上。
16.如權利要求15所述的電動機，其特征在于，粘結層包括鉻、硅、鈦、鋯、碳化硅以及它們的組合。
17.如權利要求15所述的電動機，其特征在于，粘結層的厚度在約1納米至約1微米的范圍之內。
18.如權利要求15所述的電動機，其特征在于，粘結層是通過物理汽相沉積(PVD)、化學汽相沉積(CVD)以及等離子加強的化學汽相沉積(PECVD)中的至少一種來沉積的。
19.一種電動機，它包括將一固定件和一可轉動件互連的一流體動力軸承，其中，該流體動力軸承具有至少一個工作表面；以及所述的至少一個工作表面上具有一減少磨損的結構。
20.如權利要求19所述的電動機，其特征在于，所述減少磨損的結構形成在一粘結層上。
全文摘要
描述了一種盤驅動數據存儲系統(tǒng)，它包括具有一中心軸線的一殼體、相對殼體固定并與中心軸線共軸的一固定件以及可相對固定件繞中心軸線旋轉的一可轉動件。一流體動力軸承將固定件聯(lián)接至可轉動件，并包括至少一個其上帶有耐磨損涂層的工作表面。
文檔編號F16C33/24GK1589471SQ02822751
公開日2005年3月2日 申請日期2002年11月15日 優(yōu)先權日2001年11月16日
發(fā)明者M·M·埃米恩, R·U·坎 申請人:西加特技術有限責任公司