专利名称：用于改进流体动力学轴承中的润滑的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及直接存取存储装置领域，更具体地说，涉及解决与磁盘 驱动器的启动和停止有关的、以及与高低操作温度有关的边界润滑问题。
背景技术：
直接存取存储装置(Direct access storage devices ) ( DASD )已经变成曰 常生活的一部分，因而，对更快速度地操纵数据以及支持更大量的数据的期 望和需求不断增加。为了满足这些提升性能的需求，DASD装置特别是硬盘 驱动器(HDD)中的机械装配已经经历了许多改变。附图1A中表示的是HDD110的构件和局部装配的关系，以及记录在磁 盘表面135上的数据石兹道136的代表。拆去盖并且未将其表示，以便HDDllO 的内部可见。附图IB表示类似的HDDllO，但是其全部构件处于等比例拆 开的视图中。将构件装配到底座铸件113中，该底座铸件提供构件和局部装 配的附着和配准点。将数据记录到;兹盘表面135上被称为数据磁道136的同 心环式样上。通过马达毂组件130将磁盘表面135高速旋转。通过磁头将数 据磁道136记录在磁盘表面135上，该磁头典型地位于浮动块的一端。附图 1A是平面图，其仅表示一个磁头和一个磁盘表面的组合。本领域的技术人 员应当理解，可以将一个磁头-》兹盘组合的描述应用于多个^兹头-石兹盘的组 合。本具体化的发明不依赖于磁头-磁盘组合的数量。HDDllO的动力性能是实现更大的数据容量以及更快地操纵该数据的主 要机械因素。在磁盘表面135上记录的数据磁道136的数量可以部分地通过 磁头156和所需的数据磁道136彼此定位，以及使其以稳定且可控的方式彼 此跟随的程度确定。许多因素都会影响HDDllO执行定位磁头156并且通过 磁头156跟随数据磁道136的功能的能力。通常，可以将这些因素分成两类 影响磁头156运动的因素；以及影响数据磁道136运动的因素。不合需要的 运动会通过不希望有的振动和构件不合需要的公差出现。在此，注意附着于 底座铸件113的马达毂组件130,特别注意马达毂组件130内部的流体动力 学轴承(fluid dynamic bearing )。市场需要更高性能的HDD,这导致马达毂组件技术的进步。特别重要 的是引入流体动力学轴承(FDB)。通过在HDD中使用FDB，磁盘表面135 可以以更快的速度旋转，并且具有比传统的滚珠轴承经历的更少的不希望有 的振动。由于移动部件之间具有最小的接触，因而FDB不会像传统的滚珠 轴承一样快地磨损。流体动力学轴承是在两个并列表面之间移动，由此在该两个表面之间产生防止其接触的屏障的流体如油的薄层的产物。已经改变了移动流体以产生 FDB的方法。 一种早期的移动流体的方法是使用该并列表面外部的泵。这对 HDD应用来说是很昂贵的。更广泛-使用的移动流体的方法是在该并列表面 上产生一种凹槽式样，其当该表面彼此相对移动时在该流体上产生内压力。 一个问题在于在HDD的启动和停止时，金属表面会以极低或高的操作 温度接触，这导致加速的磨损。这种接触会导致润滑流体的微粒污染，并且 极大地减少该轴承的寿命。发明内容在此描述一种用于改进流体动力学轴承中的润滑的系统和方法。在一个 实施方式中，形成包括转子部分和定子部分的流体动力学轴承。此外，在该 流体动力学轴承的转子部分和定子部分之间提供包括高压润滑齐'J的润滑流 体，其中该高压润滑剂提供对该流体动力学轴承的转子部分和定子部分的极 限压力保护。
将附图合并本说明书中并形成本说明书的一部分，附图表示本发明的实 施方式，并且与该描述一起用于解释本发明的原理附图1A是根据本发明的一个实施方式的拆去了盖和顶部磁铁的HDD 的平面图。附图IB是根据本发明的一个实施方式的HDD的等轴分解视图。 附图2是根据本发明的 一个实施方式的马达毂组件的截面图。 附图3是根据本发明的一个实施方式的示范性人字形凹槽式样。
附图4是根据本发明的一个实施方式的示范性螺旋形凹槽式样。 附图5是说明根据本发明的 一个实施方式的用于改进流体动力学轴承中 的高压润滑的方法的步骤流程图。
具体实施方式
现在详细介绍本发明的可选实施方式。虽然是连同该可选实施方式描述 本发明，但是应当理解，这不是为了将本发明限制于这些实施方式。相反， 本发明覆盖包括在由附加的权利要求限定的本发明的精神和范围内的可选 方案、变型及其等价物。而且，在本发明下面详细的描述中，阐述了许多特定的细节，以便提供对本发明全面的理解。然而，本领域的普通技术人员应当认识到本发明可 以在没有这些特定细节的情况下实践。在其他情况下，未详细描述公知的方 法、程序和构件，以便不会不必要地混淆本发明的各个方面。该论述从对硬盘驱动器及与其连接的构件的综述开始。然后该论述集中 在用于改进FDB中的润滑的系统和方法的实施方式。虽然所示的FDB位于 硬盘驱动器中，但是应当理解，无论该FDB是否是硬盘驱动器的一部分， 在此描述的实施方式在FDB中都是有用的硬盘。在HDD内使用FDB仅是 一个实施方式，并且在此仅仅是为了筒洁和清楚的目的而提供。硬盘驱动器流体轴承主轴马达、特别是用于以10000或更多RPMs操作 的服务器驱动器的高性能马达严格需要小于10mg的油。将厚度近似IO微米 或者更少的油膜夹在转子和定子之间。轴承刚度由一个表面上的凹槽式样提 供。设计压力的向量分量，以便在以最高设计速度操作期间提供径向和轴向 刚度。如所设计的，金属表面处于边界润滑状态的唯一时间就是短暂的启动和 停止操作的期间。边界润滑发生在润滑流体的厚度接近一个或多个表面的表 面粗糙度时。例如，假定一个金属表面的表面粗糙度是0.2微米。当润滑流 体厚度接近0.2微米或者更少时出现边界润滑。在以正常温度操作期间，将适当的安全限度构成到设计中，以便在制造 公差限制内的任何地方，旋转金属表面之间的间隙超过最大表面粗糙度高 度。在本发明的一个实施方式中，高低温抗氧化剂(例如，苯酚和胺)的组 合为油提供了充足的氧化稳定性。
本发明的实施方式提高了马达的可靠性，通过沿抗氧化剂将边界润滑或 极限压力润滑添加剂合并到油中，以便在边界润滑过程中(例如，启动和停 止操作时)保护轴承的旋转分量。在边界滑动期间，特别是在启动停止期间， 而且在超过沖击载荷的正常限制的加压操作时，或者在金属微粒污染的情况 下，高压润滑剂阻止接触焊接和粗糙磨损。物理描述现在参照附图IB和2，表示根据本发明的一个实施方式的马达毂组件130的截面图200。通常，马达毂组件130支撑磁盘组138,以便磁盘表面 135可以邻近浮动块155旋转，从而允许石兹头156读耳又和写入^兹盘表面135 上的数据磁道136。沿剖面线100截开的(附图IB)的附图2中的截面图 200揭示了马达毂组件130和FDB的内部结构。为了清楚，仅一半的截面图 200以交叉线做出阴影。将几个组件连接在一起以形成转子230和定子240。 为了清楚，未将连接到转子230的马达J兹铁235和连接到定子240的马达绕 组245以交叉线做出阴影，而是将其认为是转子230和定子240的一部分。 转子230和定子240之间的缝隙220也未以交叉线做出阴影。应当理解，截 面200中表示的特征是圓形的，并且绕轴210对称。因此，在截面200中在 轴210的一侧上表示或者高亮显示的特征与轴210另一侧上的特征相同。参照附图2，轴210是对称轴，并且是马达毂组件130和磁盘组138的 旋转轴。由于转子230和定子240是马达毂组件130的主要结构组件，因而 转子230和定子240还分享相同的对称轴，并且与轴210 —致。转子230由 其几何形状保持以绕定子240旋转。缝隙220由转子230的外表面和定子240的内表面组成。在附图2中包 围缝隙220的四个区域。两个表示为区域250,两个区域表示为区域260。 区域250产生FDB的径向刚度。区域260产生FDB的轴向刚度。每个表面 的式样有助于支撑流体膜，并且将运动给予放置在缝隙220中的流体。移动 流体产生抗断裂的膜，因而阻止并列表面接触。该膜将转子230连接到定子 240，以便转子230与定子240保持恒定的间隔(缝隙220 )，同时允许转子 230自由旋转。根据本发明的实施方式，认为HDD处于边界润滑，当缝隙 220接近一个或多个形成缝隙220的表面的粗糙度(未示出)。现在参照附图3,表示根据本发明的实施方式的制造到缝隙220的表面 中的人字形式样。通常，人字形式样300是一 系列在区域250制造到缝隙220 的表面中的凹槽。典型地，将人字形式样300制造到区域250中定子240的 内表面上，并且转子230的并列表面是抛光表面。本发明的实施方式不依赖 于哪个表面包含人字形面(land)和凹槽式样300、是否两个表面都包含人 字形式样300、或者几何形状的式样类型。现在参照附图4，表示根据本发明的实施方式的制造到缝隙220的表面 中的螺旋形式样。通常，螺旋形式样400是一 系列在区域260制造到缝隙220 的表面中的凹槽。典型地，将螺旋形式样400制造到区域260中定子240的 表面上，并且转子230的并列表面是抛光表面。本发明的实施方式不依赖于 哪个表面包含螺旋形式样400或任何其它式样、哪个表面是抛光的、或者是 否一个或两个表面包含具有任意类型的几何形状的陆面和凹槽式样。'操作从附图2、 3和4应当理解，转子230和定子240需要技巧和灵巧的制 造技术。选择制造包括转子230和定子240的组件的金属，以便释放它们的 机械加工性能；适应它们的制造技术；以及适合在FDB中应用。 一个金属 选择是青铜。黄铜是另 一个选择用于制造错综的人字形式样300和螺旋形式 样400的金属。这些金属由于它们的黄颜色而被归类为黄色金属。将任何包 含铜作为其主要元素的金属归类为黄色金属。包括流体动力学轴承的移动流体也是润滑流体或油。该移动流体的润滑 性能是转子230和定子240的并列表面接触时所需要的。在马达毂组件130 的启动和停止时首先出现接触。在启动的操作条件下，缝隙220中的流体未 移动，并且未建立FDB。在停止的操作条件下，缝隙220中的移动流体中止 移动，并且FDB不再建立。然而，在本发明的一个实施方式中，将极限压 力润滑添加剂包括在FDB的润滑流体中，以便阻止金属进行金属接触，特 别是在启动和停止操作期间。移动流体的润滑特性如粘性和传导性在马达毂组件130的寿命自始至终 都不会改变(为了清楚和简洁，此后将该移动流体也就是润滑流体称作油)。 在本发明的一个实施方式中，该油是有机油，其中有机油包含碳、氢和氧原 子。由于油是碳氢化合物，几乎普遍地是碳氢化合物酯，因而受到热氧化。 当通过从油分子分离的质子(氢原子)产生碳基时开始氧化。这是一种热活 化过程，因而速度随着温度以指数增加。碳基与氧结合以形成过氧化物然后 形成过氧化氢化物，其通过有限的过渡状态分解成至少两个基。该基最终重 新结合，或者在原始的油分子上造成极性产品如乙醇和酸。极性基通过氢键 合将油分子联合在一起，因而增加了油的粘性。在增加油的粘性的尝试中，将抗氧化剂添加到油中以截取碳基。每个淬 火的基消耗抗氧化剂的有限增量。不是将所有的基都在氧化链有机会繁殖以在一些油分子上形成羟基和羧基之前淬火。羧基侵蚀FDB的并列表面。FDB 中的铁和铜催化过氧化氢化物的分解。该催化的效果是抗氧化剂从该油耗 尽。油中溶解的金属离子在催化期间在氧化状态之间保持往复运动，同时不 断耗尽抗氧化剂。抗氧化剂仅阻止增加油的粘性，直到其通过催化消耗。FDB 会通过FDB并列表面的腐蚀或者通过油粘性的改变失效。在本发明的一个实施方式中，润滑流体包括主抗氧化剂和高压润滑剂。 在本发明的一个实施方式中，该高压润滑剂包括有机锌化合物。可以理解， 根据本发明的实施方式，该高压润滑剂还可以包括锡、锑、钼、不同的碳氢 化合物链或者任何其它适于高压润滑的材料。主抗氧化剂清除通过端链反应抑制氧化的自由基。典型地，主抗氧化剂 具有OH (受阻酚)和NH (第二芳族胺)基。在本发明的一个实施方式中， 高压润滑剂是第二抗氧化剂。第二抗氧化剂有时与主抗氧化剂协同作用。在 本发明的一个实施方式中，第二抗氧化剂(例如，高压润滑剂)与润滑流体 中的过氧化氢化物反应，以便在边界润滑膜的粗糙面接触中，形成从油沉淀 到金属表面上的惰性产品，该边界润滑膜抑制金属腐蚀并且减少摩擦。该膜 特别在启动和停止操作期间保护金属组件。在本发明的一个实施方式中，高压润滑剂包括具有氨基甲酸烷基酯的过 氧化氢化物分解剂。产生抑制抗磨损边界膜的过氧化氢化物分解剂例如是锌 二烃基二硫代氨基曱酸盐。特别地，两个是锌二丁基二硫代氨基曱酸盐或锌 二戊基二硫代氨基曱酸盐。多种多样的其它类型在其它类型的金属如Sn或 Sb或Mo，以及包含不同烷基的金属中也是可能的盐基。也可以将抗磨损膜从锌二烃基二硫代氨基曱酸盐、碱金属磺酸盐，磷酸 芳基酯获得，但是这些没有氨基曱酸盐有效，这是因为氨基曱酸盐直到需要 时都是保持可溶解的。不是立即沉积在所有金属表面上，氨基曱酸盐保持溶 解，直到边界润滑中的高温粗糙面接触引进氧化和过氧化氢化物。氧化反应
引进金属氨基曱酸盐的分解，然后形成在粗糙面上沉积的产品，直到不再产 生高温。剩余的氨基曱酸盐在溶液中保持完好，直到进一步的粗糙面接触等。附图5是方法500的流程图，其中根据本发明的实施方式，执行改进流 体动力学轴承中的润滑的特定步骤。附图5包括本发明的方法，在一个实施 方式中，其通过在计算机可读取和计算机可执行的指令控制下的处理器，电 气部件和装配机构实现。该计算机可读取和计算机可执行的指令例如存在于 数据存储特征如计算机可用的非永久性存储器和/或计算机可用的永久性存 储器和/或数据存储装置。然而，该计算机可读取和计算机可执行的指令可以 存在于任何类型的计算机可读介质中。虽然在方法500中公开了特定的步骤， 但是这种步骤是示范性的。也就是说，本发明充分适于执行不同的其它步骤， 或者附图5中叙述的步骤的变化。在本发明内，应当理解，方法500的步骤 可以通过软件、硬件、装配机构、人的交互作用，或者通过软件、硬件、装 配机构和人的交互作用的任意组合完成。在方法500的步骤501中，在根据本发明的实施方式中，引进用于减少 流体动力学轴承中的腐蚀的方法。在方法500的步骤510中，在根据本发明的实施方式中，接收转子部分 并且将其引入流体动力学轴承。在方法500的步骤520中，在根据本发明的实施方式中，接收定子部分 并且将其引入流体动力学轴承。在方法500的步骤530中，在才艮据本发明的实施方式中，接收流体动力 学轴承。在方法500的步骤540中，润滑流体包括第一抗氧化剂和第二抗氧化剂， 其中第二抗氧化剂包括在根据本发明的实施方式中提供的高压润滑剂。在方法500的步骤550中，该方法结束。在本发明的实施方式中，方法 500的最终结构是改进了流体动力学轴承中的润滑，特别是在边界润滑(例 如，启动停止操作)期间。在本发明的一个实施方式中，该润滑流体包括酯油，然而，可以理解， 根据本发明的实施方式，该润滑油可以是^f壬何油。根据本发明的一个实施方式，在根据本发明的实施方式中，该第二抗氧 化剂包括磺酸盐、氨基曱酸盐或环烷酸盐。在本发明的一个实施方式中，该第一和第二抗氧化剂都是主抗氧化剂(例如，都是清除自由基)。然而，可以理解，该第一或第二抗氧化剂的至 少一个是根据本发明的实施方式的高压润滑剂。在本发明的一个实施方式 中，该高压润滑剂包括有机锌化合物。在一个实施方式中，该高压润滑剂包括第 一和第二抗氧化剂以及包含钼 的分散剂如改良的聚异丁烯丁 二酸酐/多胺。包含钼的分散剂提高了该高压润 滑剂的抗磨损膜的特性。可以通过其它类型的有机分散剂在润滑流体中分散 其它类型的金属。这样，在此描述的实施方式解决了转子230和定子240不曾预料到的磨损和接触问题，特别是在启动和停止操作期间，通过在流体动力学轴承润滑 油中合并高压润滑剂。有利地，在不同的实施方式中，本发明进一步提供了FDB的可靠性和耐久性。可靠性和耐久性通过由高压润滑剂保护组件从而改 进边界润滑而获得。为了说明和描述，已经给出了本发明特定实施方式的前述描述。它们不 是穷举的，或者将本发明限制到公开的精确形式，显然，根据上述教导，许 多修改和变化都是可能的。选择和描述实施方式是为了最好地解释本发明的 原理及其实际应用，由此能够使本领域的技术人员最好地使用本发明，并且具有不同变化的不同实施方式适于预期的特殊使用。可以预期，本发明的范 围由附加的权利要求及其等价物限定。
权利要求
1.一种用于改进流体动力学轴承中的润滑的方法，其包括接收流体动力学轴承，包括接收转子部分；以及接收定子部分；以及在所述转子部分和定子部分之间提供润滑流体，其中所述润滑流体包括第一抗氧化剂和第二抗氧化剂，所述第二抗氧化剂提供对所述流体动力学轴承的所述转子部分和所述定子部分的极限压力保护。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，还包括 在所述润滑流体中使用酯油。 3如权利要求1所述的方法，其中，还包括 在所述第二抗氧化剂中使用磺酸盐、氨基曱酸盐或环烷酸盐。
3.
4. 如权利要求1所述的流体动力学轴承，其中，所述第一抗氧化剂和 所述第二抗氧化剂是主抗氧化剂。
5. 如权利要求1所述的流体动力学轴承，其中，所述第二抗氧化剂是 有机锌化合物。
6. —种流体动力学轴承，其包括 包括有机油的润滑流体；转子，其具有 旋转轴；以及有助于支撑所迷润滑流体膜的表面；以及 定子，具有与所述旋转轴一致的轴；以及与所述转子并列的互补表面，所述互补表面有助于支撑所述润滑流 体，以便将所述转子可旋转地保持；其中所述润滑流体包括用于保护所述转子表面和与所述转子并列的所 述定子互补表面的抗氧化剂和高压润滑剂。
7. 如权利要求6所述的流体动力学轴承，其中，所述润滑流体包括酯油。
8. 如权利要求6所述的流体动力学轴承，其中，所述高压润滑剂包括 磺酸盐、氨基曱酸盐或环烷酸盐。
9. 如权利要求6所述的流体动力学轴承，其中，所述第一抗氧化剂和 所述高压润滑剂是主抗氧化剂。
10. 如权利要求6所述的流体动力学轴承，其中，所述高压润滑剂包括 有机锌化合物。
11. 如权利要求6所述的流体动力学轴承，其中，所述润滑流体包括烷 基化苯酚、二辛基二苯基胺、辛基化苯基萘胺、烷基-芳基胺低聚物、锌二 戊基二硫代氨基曱酸盐或锌二 丁基二硫代氨基曱酸盐。
12. —种磁盘驱动系统，其包括 可旋转地安装的磁盘； 连接到所述磁盘的转子； 可旋转地保持所述转子的定子；连接到所述转子的马达，用以经由所述转子旋转所述^f兹盘； 将所述定子连接到所述转子的流体动力学轴承；以及 在所述流体动力学轴承中使用的润滑流体，其中，所述润滑流体包括第 一抗氧化剂和第二抗氧化剂，其中，所述第二抗氧化剂包括用于在所述磁盘 驱动系统的启动和停止期间保护所述流体动力学轴承的高压润滑剂。
13. 如权利要求12所述的磁盘驱动系统，其中，所述润滑流体包括有 机油。
14. 如权利要求12所述的磁盘驱动系统，其中，所述高压润滑剂包括 磺酸盐、氨基甲酸盐或环烷酸盐。
15. 如权利要求12所述的磁盘驱动系统，其中，所述第一抗氧化剂和 所述高压润滑剂是主抗氧化剂。
16. 如权利要求12所述的磁盘驱动系统，其中，所述高压润滑剂包括 有机锌化合物。
17. 如权利要求12所述的磁盘驱动系统，其中，所述润滑流体包括烷 基化苯酚、二辛基二苯基胺、辛基化苯基萘胺、烷基-芳基胺低聚物、锌二 戊基二硫代氨基曱酸盐或锌二丁基二硫代氨基曱酸盐。
18. 如权利要求12所述的磁盘驱动系统，其中，当在所述定子和所述 转子之间具有小于l微米的所述润滑流体时，所述高压润滑剂保护所述流体 动力学轴承。
全文摘要
本发明提供一种改进流体动力学轴承中的润滑的系统和方法。形成包括转子部分和定子部分的流体动力学轴承。此外，在该流体动力学轴承的转子部分和定子部分之间提供包括高压润滑剂的润滑流体，其中该高压润滑剂提供对该流体动力学轴承的转子部分和定子部分的极限压力保护。
文档编号C10M129/46GK101113761SQ20071013719
公开日2008年1月30日 申请日期2007年7月30日 优先权日2006年7月28日
发明者志田州弘, 托马斯·E·凯里斯 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司