用于磁盘驱动系统的低介电常数润滑剂的制作方法

专利名称：用于磁盘驱动系统的低介电常数润滑剂的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及使用具有低相对介电常数(low permittivity)的润滑剂的盘驱动系统。本发明也涉及使用电荷控制添加剂来减少润滑剂的电荷。
背景技术：
诸如硬盘驱动器的计算机盘驱动器使用电机高速旋转至少一个磁盘。典型地，该磁盘连接到转子，该转子连接到电机，该电机通过该转子旋转磁盘。还设置用来保持转子的定子。轴承用作定子和转子之间的介面。在操作过程中，通常需要润滑剂，而且可将其设置在轴承中。诸如，该轴承可包括一对磁流密封件、若干个毛细孔或通道以及在毛细通道中流动的润滑剂，该润滑剂由阻挡薄膜保持到位。
盘驱动系统还包括至少一个读/写传感器(read/write transducer)或“头”，用于从磁盘上读出数据和向磁盘写入数据。该传感器可以由空气承载滑块支承，该滑块具有顶部表面，其经由悬架连接到致动器组件；以及，底部表面，其具有所希望结构的空气承载设计，以便提供有利的飞行高度(flyingheight)特性。随着盘开始旋转，空气进入滑块的引导边缘，并且沿着滑块的后缘(trailing edge)方向流动。空气的流动在滑块的空气承载表面上产生正压力，从而将滑块提升到记录表面上。当主轴电机到达操作速度时，该滑块利用空气垫保持在记录表面上的标称飞行高度处。然后，当主轴电机转速下降时，滑块的飞行高度下降。
对许多盘驱动系统来说，其共同问题涉及到该系统趋于积累静电荷。这种电荷可以累积、不受控地释放并且破坏盘驱动器的各种元件。诸如，头部和盘之间的电压差可以形成电势能量释放，其可以对头部和盘介质本身造成伤害。尽管盘驱动系统元件之间的初始电压差可以保持接近为零，可是在操作过程中静电荷通常累积在盘驱动系统中，因此在盘驱动系统元件之间积累形成电压差。这种电压差发生在移动元件之间，诸如头部和盘之间和/或定子和转子之间。
有许多原因促使静电积累。当轴承中的表面彼此抵靠磨擦时，会发生电子和离子交换或电荷分离，从而导致摩擦放电。甚至头部和盘上的凸凹不平(asperity)的偶尔接触也能产生摩擦放电。由于在盘驱动件(platter)中表面非常靠近，甚至一个很小的电荷不平衡就可以形成伏特级的势能差异。另外，因为在邻近旋转表面的边缘层中的空气分子剪切，也可能发生电荷累积。由于电机轴承润滑剂的剪切流，也会发生放电。另外，使用在轴承中的润滑剂在本质上可以是绝缘体。绝缘润滑剂通常缺少消散积累电荷的功能。因为剪切力可以破碎润滑剂中的化学键，所以被释放的电子和离子可进一步促进静电的积累。
一种已知的缓解过量静电荷的方法是提供具有足够高的电导率的润滑剂，从而消散积累在盘驱动电荷中的电荷。许多专利公开了用于增加润滑剂电导率的添加剂。诸如，授予Diaz等人的美国专利Nos.5,641,841、5,744,431和5,886,854公开了各种导电性聚苯胺衍生物，其可以用于使润滑剂具有导电性。其他公开导电性润滑剂的专利包括授予Wan等人的美国专利Nos.5,773,394，授予Khan等人的美国专利Nos.5,940,246，授予Ichiyama的美国专利Nos.6,250,808。通常认为，轴承中的高导电性润滑剂会减少积累形成在转子和定子之间的任何可能电势差。
但是，已经发现，润滑剂的导电率仅是许多影响盘驱动系统的静电放电行为的因素中的一个。特别地，已经发现由于润滑剂自身可能积累过量的静电荷，使用高导电性润滑剂的盘驱动器可能经历异常高的峰值放电电流。因此，需要一种不易于积累过量静电荷的盘驱动润滑剂。这种润滑剂典型地具有低相对介电常数，并且可以通过诸如在普通润滑介质中加入用于减少电荷积累的电荷控制添加剂来配制这种润滑剂。

发明内容
本发明的一方面涉及一种盘驱动系统，其使用包括润滑介质和用于减少电荷积累的电荷控制添加剂的润滑剂。
本发明的另一方面涉及一种盘驱动系统，其使用相对介电常数在50℃时不大于约25,000的润滑剂。
一方面，本发明的其他方面、优点和新颖特征将部分地在以下的说明中得到描述，另一方面，对本领域技术人员来说，通过对随后描述的审阅或者通过常规实验实践本发明，本发明的其他方面、优点和新颖特征是显然的。
在第一实施例中，本发明提供一种盘驱动系统。旋转安装的磁盘被连接到转子上，该转子由定子可旋转地保持。形成作为定子和转子之间的介面的轴承。设置连接到转子上的电机，用于经由转子旋转磁盘。轴承中的是具有低相对介电常数的润滑剂。
在另一个实施例中，本发明提供一种类似上述盘驱动系统的盘驱动系统，不同之处在于，上述系统倾向于在磁盘和与磁盘操作相关的滑块之间经历静电放电。与上述系统类似，盘连接到转子上，转子又连接到电机上。还设置用于旋转保持地转子的定子。通过用具有低相对介电常数的润滑剂来代替轴承中的润滑剂来减少静电放电。例如，磁盘和滑块之间的峰值静电放电可以从至少约200nA减少到不大于约50nA。
典型地，该润滑剂的DC相对介电常数在50℃时不大于约25,000。优选地，该DC相对介电常数在50℃时不大于大约10,000。可以通过将润滑剂配制成包括润滑介质和用于减少轴承中的电荷积累的电荷控制添加剂而获得该低相对介电常数。例如，该润滑介质可包括油，并且该电荷控制添加剂可以溶液化(solubilized)或溶解(dissolved)在该润滑介质中。代表性的电荷控制添加剂包括芳胺、烷基化的芳胺、其低聚体及前述物质的混合物。更具体地，优选的电荷控制添加剂包括二辛基二苯基胺，苯基萘基胺，其低聚体，或前述物质的混合物。一种特别优选的电荷控制添加剂包括苯基萘基胺和的二辛基二苯基胺低聚体。
另外，该润滑剂可能还包括在该润滑剂中可溶液化或溶解的导电率增强添加剂。例如，该导电率增强添加剂可包括苯胺、其低聚体、其聚合体或上述物质的组合。


图1示例性地示出与本发明一起使用的经简化的盘驱动主轴(drivespindle)的剖视图；图2是与本发明一起使用的示例性盘驱动系统的分解视图；图3是根据本发明的示例性盘驱动主轴电机组件的剖视图；图4A和4B，共同构成图4，是示出各种润滑剂配方的绝缘特性的视图；图4A是示出功耗因子作为频率函数的视图；图4B是示出相对介电常数作为频率函数的视图；图5A-5C，共同构成图5，该图示出，在使用三种不同的油的情况下，从能以每分钟15,000转(15kRPM)旋转的流体轴承电机A测得的典型放电电流，所述三种不同的油是A-NPG基础油，B-油V，以及C-油C；图6示出电机放电瞬间的串联RC等效电路模型，其中，在t＝0时刻，开关突然被关闭，初始值v＝v0；图7是曲线图，示出从使用不同油配方的15kRPM流体动力轴承电机测得的、峰值电机放电电导系数相对特定油的导电性的关系；其中，经过数据点画出光滑曲线，直线来自于通过RC模型对油S数据点的拟合(fit)。
具体实施例方式
在详细描述本发明之前，应该理解，本发明不受限于处理条件、制造设备等，这些条件可以发生变化。而且还应该认识到，在这里所使用的术语只是用于说明具体实施例并不是限制。
必须注意的是，如在说明书和所附权利要求书中所用的，除非在文中特别说明，单数形式“一个”包括复数指代物。因此，诸如，涉及到“一个盘”时，既包括单个盘也包括多个盘，涉及到“添加剂”时，既包括一种添加剂也包括多种添加剂，涉及到“一个低聚体”时，既包括单个低聚体也包括多个低聚体，等等。
在描述本发明和说明本发明请求保护的范围时，根据如下定义使用下列术语。
按照普通意义使用术语“润滑剂”，其指代当应用在两平面之间时减少摩擦的物质。与本发明结合使用的润滑剂通常是流体，其包括液体和至少、部分或完全溶剂化(solvated)、分散或悬浮在液体中的可选的固体或气体。诸如，润滑剂可以包括油基润滑介质(oil-based lubricating medium)和溶剂化在所述介质中的可选的单体、低聚体和/或聚合体的添加剂。
“可选”或“可选地”意指随后描述的情况可能或不可能发生，从而使本说明包括所述情况可能发生的状态以及所述情况不会发生的状态。
按照普通意思使用术语“相对介电常数”，其指代对诸如润滑剂的材料如下能力的衡量从所施加的电场储存电荷而不导电的能力。有时还指代现有技术中的“绝缘常数(dielectric constant)”，一种材料的“相对介电常数”是大于1的无量纲数量，当与自由空间的介电常数相乘时，得到材料的绝对介电常数。
术语“转子”、“定子”和“轴承”分别是指电气和/或机械设备中的旋转元件、静止元件以及元件之间的介面。典型地，该转子绕定子或在定子中旋转。诸如，主轴的轴可以用作在主轴套管中旋转的转子，该套管用作从外部保持转子的定子。
按普通意思使用术语“滑块”，其指代支撑读/写传感器或“头”的、盘驱动系统的元件，并且其具有用以提供适合的飞行高度特性的空气承载表面。术语“滑块”通常还包括放电电流可以通过的、头部组件的任何部分。
大体上，本发明涉及使用在盘驱动系统中的润滑剂。为了清楚地说明本发明，在图1中示出一种用于具有单个磁盘的盘驱动器的简化主轴组件。与这里所参考的所有视图一样，相同的元件由相同的附图标记来指示，并且图1不是依比例绘制的，为了表示清楚起见某些尺寸可能被夸大了。该主轴组件50包括呈轴向对称杆形式的转子40，该转子设置在定子58的长孔中。该转子40能够绕其中心轴线旋转，并且被定子58保持在所述孔中。轴承60形成转子40和定子58之间的介面。依据主轴组件的具体设计，所述轴承可展现出任何多种不同的结构。诸如，该轴承可以是轴颈轴承、止推轴承、螺旋槽轴承(spiral groove bearing)或人字形槽轴承(herringbone groove bearing)。另外，可以通过浮雕有槽的表面形成所述轴承，从而在润滑剂中产生内部压力。
在任何情况下，润滑剂都被设置在轴承60中。在高性能驱动器中，该轴承可以包括厚度不大于10微米的润滑剂层。电机52固定到转子40下部终端。单个磁盘42被对心地设置在转子40的上部终端处。在操作过程中，电机52旋转盘42，并且润滑剂有助于转子40相对于定子58的自由旋转。
通过对图1的审阅，明显看出，设置在轴承60中的、具有不希望的静电特性的润滑剂可用于将转子40与定子58隔离。结果，转子40和定子58具有不同的电势。由于磁盘42被描述成和转子电连接，所以该盘42处于基本上与转子相同的电势。因此，如果盘驱动系统中与定子58电接触的元件靠近盘42，可能在盘和靠近的元件之间发生非受控的静电放电，从而损坏盘42。
图2以详细和分解的视图示出典型的盘驱动系统或盘驱动器10。该盘驱动器10包括壳体12和壳盖14。当组装盘驱动器时，将壳盖安装在框架16中。致动器组件20在壳体12中旋转地连接到致动器轴18上。致动器组件20在其一端包括具有多个径向延伸致动臂24的e形块(e-block)或致动器转子22。头万向节组件(head gimbal assemblies)26连接到转子22的分开的致动臂24上。每个头万向节组件26包括连接到致动臂24上的安装板28。一个或两个梁30连接到安装板28的端部。滑块32连接在各承载梁30的端部，该滑块带有一对磁性传感器(magnetic transducer)或读/写头34。旋转装置位于与承载梁30和滑块32相对的、致动器组件20的另一端上，该装置用于旋转转子22。所示旋转装置为音圈(voice coil)35，该音圈连接到致动器转子22和磁体38上，而转子22和磁体38连接到壳体12中。磁体38和音圈35是音圈电机的关键元件，该电机向致动器组件20施加作用力，从而使致动器组件绕致动器轴18旋转。
转子安装在壳体12中，其具有主轴的轴40的形式。旋转连接到主轴40上的是多个垂直间隔开的磁盘42。该垂直间隔开并对齐的磁盘42定义出盘组(disk stack)44。内部电机52(图3示出)旋转盘42。该盘驱动器组件10还具有控制电路，其用于控制电机和音圈电机，从而允许在盘42上有选择地定位读/写头34。
图3详细地示出包括内部电机52和主轴的轴40的盘组驱动组件的一部分。该驱动电机52被毂54包围。止推轴承56装配到主轴的轴40上，以提供轴向负载支承和刚度。该主轴的轴40还装配到主轴套管58形式的定子中，该主轴套管进一步包围电机52。在操作过程中，驱动电机52使主轴40以特别高的速度旋转。例如，该主轴的轴能够以至少约每分钟3600转(RPM)的速度旋转。在某些情况下，可以实现至少约每分钟15000至20000转或更高的转速。因此，需要一种润滑剂，以允许轴40相对于套管58自由旋转。相应地，提供轴颈轴承60，在该轴承中，润滑剂从润滑毛细管62中弥散出来，在轴颈轴承60中提供润滑，从而减少了轴40和套管58之间的摩擦。
从图2和图3中可以明显看出，滑块32可以电连接到主轴套管58上。另外，磁盘42可以电连接到主轴的轴上。由于滑块32必须在盘旋转的同时定位于盘42的附近、以便操作，所以，主轴的轴40和主轴套管58之间的任何电势差会导致不受控的静电放电。
因此，本发明克服与公知的盘驱动器润滑剂有关的问题。随着高端服务器盘驱动器工业从使用球轴承过渡到使用流体轴承主轴电机，磁性记录滑块和盘之间的间隙从大于10nm减少到5nmn或更少。因此，跨过流体轴承的较小电势转变成跨过空气间隙的较高电场。正如下面所论述的那样，实验结果表明，在润滑剂具有相同电导率的前提下，考虑到减少盘驱动器中所不希望的静电放电，那些具有低相对介电常数的润滑剂要优于那些具有高相对介电常数的润滑剂。
典型地，该润滑剂的DC相对介电常数在50℃时不大于约25000。优选地，该DC相对介电常数在50℃时不大于约10000。可以通过将该润滑剂配制成包括至少一种润滑介质和用于减少轴承中的电荷积累的电荷控制添加剂来得到低相对介电常数。
例如，可以将具有所希望粘度的油作为润滑介质。适合作为润滑介质的化合物的实例包括全氟聚醚、酯、合成烃和烃。另外，也可以使用双酯、多元醇酯和聚α-烯烃。在某些情况下，单中的化合物会显现出适合的粘性。但是，不同基流体(base fluid)的混合物在其它情况下更有优越性。
电荷控制添加剂可溶液化或溶解在润滑介质中。代表性的电荷控制添加剂包括芳胺、烷基化的芳胺、其低聚物及它们的混合物。更具体地，优选的电荷控制添加剂包括二辛基二苯基胺、苯基萘基胺、其低聚物，或它们的混合物。特别优选的电荷控制添加剂包括苯基萘基胺和二辛基二苯基胺的低聚物。
另外，该润滑剂可进一步包括可溶液化或溶解于润滑剂介质的增强导电性添加剂。例如，该增强导电性添加剂可包括苯胺、其低聚体、其聚合体，或前述物质的组合。这种增强导电性添加剂在现有技术中是公知的，它们公开在授予Diaz等人的美国专利Nos.5,641,841，5,744,431和5,886,854中。
下面所提供的示例将会就本领域技术人员如何实施本发明做出完整的公开和说明，并且该公开和说明不用以限制本发明人认定的、其发明的范围。
示例为了确定各种润滑剂在这种经改进盘驱动器中的性能，配制了不同的润滑剂来进行实验评测。特别地，将润滑剂的绝缘特性作为特征标出。制造电机时使用所配制的润滑剂，并且测量电机的运行电压和峰值放电电流。开发出一个串联RC等效电路模型，其将润滑剂的绝缘特性与峰值放电电流关联起来，并与和积累在轴承中的电荷相关的电能关联起来。
所有配制的润滑剂由包括具有一种或多种添加剂的基础油的润滑介质制成。所用基础油是新戊二醇二癸酸酯(NPG)。NPG也称为2，2-二甲基-1，3-丙二醇二癸酸酯(CAS27841-06-1)。根据所使用的油组别的不同，利用核磁共振光谱法检测到微量的丁基化的羟基甲苯(BHT)稳定剂。配制油S，使其包含大约0.5wt％的由Octel-Starreon LLC(Littleton，Colorado)以STADIS450商标出售的商用导电性添加剂。配制称为油V的油，使其包含以商标VANLUBE9317出售的寡聚抗氧化剂，该抗氧剂包含50wt％的二辛基二苯基胺和苯基萘基胺于四酯油载体中的反应混合物，并且得自R.T.VanderbiltCompany，Inc(Norwalk，Connecticut)。配制出各种不同的油，分别以组1、组2、批Amber和批Red加以表示。
将其它的添加剂加到基础油中用于测评。这些添加剂包括CibaSpecialty Chemicals(Tarrytown，New York)出售的、商标为IRGANOXL57的二烃基二苯基胺；商用试剂级BHT；及商用试剂级苯并三唑(BTA)；以及具有未取代的苯基环且R＝CH3(OAN)的翠绿亚胺形式的寡聚聚苯胺。这些添加剂包含在油A、B和C中。油A、B和C中的添加剂水平为0.1～1wt％。油A包括对烷基酯取代的BHT，其类似于Ciba Specialty Chemicals的IRGANOX1076或L135；及摹仿二辛基二苯基胺的二级芳胺，其类似于CibaSpecialty Chemicals的IRGANOXL57。油B包含油A，且添加了烷基化的BTA，该烷基化的BTA类似于得自Johoku Chemical Co.Ltd(东京，日本)的BT-LK。油C包含油B，且具有更高的芳胺含量。
通过搅拌、超声处理和利用加热枪轻度加热的结合将添加剂混合到基础油中。通过摇晃或用Vortex搅拌器执行搅拌。通过用0.01摩尔的十二烷基苯磺酸中和2克的翠绿亚胺基，得到导电形式的OAN。出于实验评估的目的，在混合后，通过使用具有1微米聚四氟乙烯薄膜(VWR Scientific，P/N4226，28143-928)的Pall Gelman Laboratory Acrodisc CR 25mm Syringe的过滤器，将所得OAN的不能溶解部分过滤出来。
为流体轴承盘驱动器的主轴电机配制一些上面所述的润滑剂。这些电机是用于高端服务器磁记录盘驱动器的固定定子类型。
油介电常数的测量在50℃的条件下，使用具有陶瓷单表面感应器(sensor)的TA InstrumentDielectric Analyzer(DEA)模型2970在氮气中对绝缘特性(相对介电常数和功耗因子)测量一个小时。每个感应器包括金制电极，其有125微米的宽度和12.5微米的厚度。各电极之间有1毫米的间隔。对每个感应器进行测量，以标定(calibrate)线性变化的传感器、使力传感器归零并且确定感应器的反应(几何和电阻温度的检测)。
将各试样分布在感应器表面，并且将感应器定位在炉(oven)的底部。通过撞击件施压，从而使样本嵌入感应器表面。这样迫使流体流入电极间的空间。连接到撞击件的弹簧加载电探针与感应器衬垫接触，从而构成信号电路。
通常，DEA的测量是在50℃和80℃的绝热温度下进行的。在每一温度下，在0.1到10000Hz之间执行6次正弦震荡频率扫描，每隔10个用5个点。执行多次频率扫描是为了确定测量的稳定性。从第二次完整频率扫描选出的数据用于进行进一步的分析。
当在几个不同温度下执行DEA测量时，相对于50℃时的数据，通过沿频率轴移位，使用时间温度叠加来扩展测量的频率范围(时间-温度叠加)。
通常，通过利用功耗因子方程的极限(limiting)低频形式进行拟合，可以从功耗因子数据得到油的特定导电率，一些功耗因子数据示出在图4A中ϵ′′=σ2πϵ0f]]>其中ε″是功耗因子，σ是特定导电率，ε0是自由空间的绝对介电常数，以及f是激励频率。在某些情况下，根据在1Hz下测到的功耗因子计算得到导电率的单点数值，该数值差不多与在整个频率范围内对数据的拟合而计算出的特定导电率相同。
相对介电常数导致油中的电荷。作为频率函数的相对介电常数ε′的典型数值示出在图4B中。通过利用四个松弛时间(four relaxation times)对离散松弛时间序列进行手工拟合，可以得到这些光滑曲线，其中ϵ′=ϵu+Σiϵr,i-ϵu1+(2πτif)2]]>其中，εu是高频相对介电常数(经常称作绝缘常数)，对于诸如n-十二烷的非极性烃来说，εu大约为2，εr，i是第i松弛级数，τi是第i松弛时间。三个松弛时间足够用来对所配制的油的相对介电常数数据进行拟合，如图4B中通过数据点的光滑曲线所示。
DC相对介电常数基本上是光滑曲线与图4B中纵轴相交的点。在稳定状态的电机电压下，存储在流体轴承油整体中的电荷与DC相对介电常数成比例ϵ′(0)=Σiϵr,i]]>设置测试台，当盘驱动器主轴电机以10或15kRPM旋转时，对稳定状态电压和峰值放电电流进行测量。将定子安装在导电金属基座上。利用导电纤维电刷或小电缆与旋转电机电接触。使用高阻抗静电计(Keithley 617样式)执行测量。测量运行电压时，在接触电机毂的同时读取电压读数，且定子接地。测量峰值放电电流时，将静电计设置成电流检测模式。利用具有模数转换卡的个人电脑得到静电计的模拟电压输出，以用于分析。当定子和毂接触时，将初始放电瞬间的最高电流记录下来，作为峰值放电电流。在图5中示出放电电流瞬态的典型视图。运行电压v0和峰值放电电流ip是至少五个电机上测得数值的平均值。
图7示出各种润滑剂的绝缘功耗因子和相对介电常数。在NPG基础油、包括2％VANLUBE9317的油V和油S(包括STADIS-450)之间有数量级的差别。在50℃时测量这些润滑剂的特定导电率、1Hz的相对介电常数ε′(1Hz)、DC相对介电常数ε′(0)，并将测得数值在表1中列出。
表1


在基本相同的油组、初始油V、以及油V组1和2之间的电特性变化归因于基础油中杂质的非受控低水平。这些杂质的量非常小，以至于它们无法通过在对油进行NMR波谱测量时检测到。
通过DEA对所配制的包括各种不同添加剂的油的特征加以区别。这些油的绝缘特性被列出在表2中，其中单点数值是在1Hz、50℃时获得的。
表2

对于这些油，没有测量计算ε′(0)所需的低频数据。列出在表2中的特定导电率和相对介电常数来自于在1Hz时测量的DEA数据点。对大约0.1到10,000Hz之间的整个频率范围内或在1Hz测量的单个点使用功耗因子数据，几乎得到相同的导电率值。对于初始油V，使用所有功耗因子数据，得出表1中的11.0nS/m，而对于相同的油，仅使用在1Hz的点数据，得出表2中的11.5nS/m。对于相对介电常数，相同的情况也成立。对于初始油V，对相对介电常数数据的三次松弛时间曲线拟合所得的介电常数对应于表1中的9.7，并且对于相同的油，该点数值对应于表2中的9.2。
寡苯胺存在于各种被测试的添加剂中。包括这种添加剂的过滤油呈绿色，这是由于在其翠绿亚胺形式中的寡苯胺的导电波段的光学吸收所造成的。但是，即使在过滤后，还是会有沉淀的趋势。包括OAN的油在100℃度下被保持几百个小时，可以观察到沉淀和导电率损失。通过NMR波谱测量，显然可知，寡苯胺与二酯基础油发生化学反应。
所有添加剂都导致特定导电率和导电率某种程度的增加，并且所有油的相对介电常数保持至少要比油S的相对介电常数低两个数量级。
表3示出NPG基础油中的VANLUBE9317的绝缘特性，该基础油的添加剂浓度为0.5到4.0wt％。从一组NPG基础油中制备Amber和Red试样，并且油V试样是从表3中不同组的NPG基础油配制。同样，在1Hz和50℃的条件下测量相对介电常数的单点数值。
表3


随着浓度增加4翻(4-fold)，VANLUBE9317的特定导电率增加3翻到4翻，并且1Hz时的相对介电常数增加小于其初始值的1.7倍。
电机放电电流图5示出制造时使用三种不同油的流体轴承电机的典型峰值放电电流图(A是NPG，B是具有2％Vanlube9317的油V，C是油C)。该电流有三种主要分量在200至500毫秒内衰减的初始瞬态、稳态(运行)电流、高频噪声分量。该高频噪声可能由于导电刷和旋转电机毂之间的滑动接触而造成。所述稳态电流归因于油剪切流中的电荷分离。这里仅考虑放电电流瞬态的峰值ip。该稳态运行电压v0也被记录下来。表4列出该稳态运行电压和该峰值放电电流，其中电机运行电压是v0，运行电机峰值放电电流是ip，电机峰值放电电导率的值是|ip/v0|，油中的特定电荷是|v0ε′(0)ε0|。
表4



在具有各种添加剂的情况下，运行电机的电压介于-400和+140毫伏之间。该运行电压的极性是负的(相对于定子)，除了制造时使用油V的电机，其极性是正的。注意，该电机电压不完全取决于油的导电率和介电常数。与之相反，峰值放电电流很大程度上取决于所配制的添加剂。到目前为止，所配制的油S中出现最高的峰值电流。表4中的峰值电流和表3中的油的特定导电率之间存在某种关系。
应用原理开发出一种模型，将油的绝缘特性与峰值放电电流关联起来。在图6中示出一个RC等效电路，该电路是用于描述放电现象的合理的第一逼近(approximation)。在峰值放电电流测量过程中，电机自充电到电压v0，该电压在转子和定子之间发生短路之前一直存在。随着开关闭合，瞬态电流是i(t)=v0Re-t/RC,]]>其中R是主轴电阻，C是主轴电容，以及t是时间。流体轴承油中的总电荷和能量与DC相对介电常数ε′(0)成比例，根据如下等式电荷＝v0C＝Kv0ε′(0)ε0，以及电能＝1/2v02C＝1/2Kv02ε′(0)ε0，其中ε0＝8.85×10-12F/m，是自由空间的绝对介电常数，以及K是比例常数。峰值放电电流ip与油的特定导电率σ成比例峰值放电电流＝ip＝v0/R＝Kv0σ
根据RC模型，可以得出，峰值放电电流与电机电压比值的大小、即|ip/v0|与油的特定导电率成比例。换句话说，存储在油整体中的电荷会通过具有较高导电率的油更快地释放出来。因此，|ip/v0|对σ的对数图理想地是具有斜率为1的直线。
下面将峰值放电电流与油的绝缘特性相比较。根据上面的RC模型，峰值放电电流与电机电压的比值的绝对值与油的导电率成比例，并且与电荷无关。数值|ip/v0|在此被称作峰值放电电导系数。表4中列出制造时使用所配制的各种油的电机的峰值放电电导系数。图7示出峰值放电电导系数对油导电率的对数图。RC模型预期的比例特性由直线示出，该线是通过油S数据点的拟合。随着特定导电率的减少，相对于成比例的反应的偏差增加。对于NPG基础油，峰值放电电导系数在低电导率时增加，而对其它具有低于油V导电率的油，其保持稳定(除了油A，其具有非常高的峰值放电电流；以及，Red批0.5％，其具有非常低的电机电压)。
图7所示光滑曲线表示峰值放电电导系数似乎趋于最小大约为8nS/m。这一点在下面进行解释。对于高于大约10nS/m的特定导电率，通过整体电荷存储和电荷经过油整体的逸散控制峰值放电电导系数。当导电率下降到10nS/m以下时，相对RC模型曲线的偏差增加，并且对于非常低导电率的NPG基础油来说，峰值放电电流甚至会增加。这种类型的偏差暗示存在另一种充电/放电机制，其在低导电率的限度内相对于由RC模型所描述的充电/放电机制更显重要。这可能是静电电荷由于空气的剪切而形成在带有低导电率油的电机毂上。然后，仅通过外部电路消散静电电荷，而不是通过油的整体，这样，放电和油的整体的导电率之间没有关系。除了该机制的细节外，具有图7中最小值的光滑曲线暗示，当油的特定电导系数在2至20nS/m之间时，峰值放电电导系数中有浅度最小值(shallow minimum)。
对于高导电率的油，峰值放电电导系数是由下面的公式给出的|ipv0|=(Ad)σ]]>其中，几何因子A/d是面积A与等效平行板电容的平板间隙d的比值。根据对油S电机数据点的RC模型拟合(图7中的实线)，A/d＝13.3m。等效平行板电容的几何因子会根据实际使用的流体轴承而具有某种程度的不同。这是因为，实际使用的流体轴承具有圆柱形的平行盘或者圆锥形区域，其提供径向和轴向刚度。等效几何因子A/d被用于计算流体轴承阻力R＝1/(σ(A/d))，以及电容C＝ε′(0)ε0(A/d)。对于制造时使用油V的流体轴承电机(表1)6.8＜R＜13.7MΩ以及0.38＜C＜0.94μF。使用Red批的油(表3)的电机1.7＜R＜13.5MΩ。
油中的电荷和油的导电率可能源于油中相同的电荷载体。流体轴承中的特定电荷|v0ε’(0)ε0|相对特定导电率中的功率定律斜率(power law slope)是1.4。这暗示者，对于轴承中的特定电荷来说，存在着下面的大致关系|v0ε’(0)ε0|＝Kσ3/2。功率定律斜率3/2与体积和表面积的映射(mapping)一致，就象大量电荷载体积累在电极(定子和转子)的表面上。
尽管它们一般彼此独立，但是相对介电常数确实呈现出随着特定导电率几乎线性增加。对于多种分开配制的试样和NPG基础油中VANLUBE9317的不同浓度，相对介电常数对特定导电率的线性回归拟合是，ε′(1Hz)＝2.5+0.5σ，σ以nS/m为单位在100℃下以不同的时间将某些试样保持在炉中，最高至1400个小时，其导电率和介电常数会稍稍增加。
防止电火花腐蚀破坏一种可能就是，在将旋转电机毂接地到定子后所测到的峰值放电电流可能流经在磁性记录滑块和盘之间不平接触的碳覆层。这没有考虑到不平接触的电阻。该不平接触的电阻是Rc＝2/(σc(Ac/lc))，其中参数2是头的覆层的电阻，并假设该覆层具有与盘覆层相同的厚度和导电率。典型地，σc≈10-10S/m，Ac≈10-12m2，以及lc≈5×10-9m，然后Rc≈1017Ω。因此，流经不平接触的覆层的电流小到可以忽略。
磁性记录盘表面偶尔会出现分离的缺陷部位，这是局部熔化和汽化的结果。磁性记录滑块有时可以将颗粒状的陶瓷结块从陶瓷滑块主体蚀损移除(pitting removal)，这通常发生在滑块的后边缘和角的附近。这些颗粒通常被发现嵌在盘覆层和磁性层的划痕中。随着盘驱动器工业的发展，电机电荷被认作是那些缺陷形成的因素。造成这些缺陷最可能的解释就是在盘驱动元件制造和组装过程中的微粒污染。
有可能的是，在跨过磁性记录盘和滑块之间的空气间隔电弧放电的过程中，形成这些缺陷中的一些。简单地说，在某些临界电场中，发射的电子开始电离从阴极蒸发的材料，形成高导电率的等离子。这种可能只有几纳秒寿命的电弧在阴极上留下熔屑和熔坑。
磁性记录盘上的、氮化的碳覆层典型地包括10至15atm％的氮。对于类似的氮化的碳薄膜来说，该临界电场是12至17×106V/m，用于在真空中的钢球上形成电弧。对于以10nm飞行的滑块来说，临界电压的范围会在120至170mV之间。这一临界电压的范围处于电机运行电压的范围内，该电机运行电压的范围是从制造时使用表4所示各种配制的油的电机测到的。在盘和滑块之间形成空气承载的、增加的压力能够增加该临界电压。因为滑块和盘表面之间的间隙要少于空气的平均自由路径，因此，甚至在大气压力下，离子可能会在与另一个气体分子碰撞前与其中一个表面碰撞。滑块和盘的表面都涂覆有碳，而不是像真空电弧放电测量中那样一个被涂覆、另一个是不锈钢的。通过电离利用电子从表面解吸附的一部分(moieties)，产生用于电弧的等离子，电弧应该对盘润滑剂的类型、表面层成份、被吸附物和其它类型的污染物敏感。
也许因为只有很少的电子被释放出来以启动电弧，所以用于放电的临界电场随着氮化的碳的导电率的下降而增加。另外，熔坑的位置可以位于滑块或盘表面上，这取决于v0的极性。
在盘和滑块之间发生电弧放电的条件对于表4列出的大多数的油来说都是潜在存在的。如果流体轴承在电弧中完全放电，在表面材料体积V中的最大的绝热温度上升ΔT是ΔT=12v02CCpV]]>其中v02C/2是轴承中的电能，以及Cp是表面材料的热容。实际的温度上升相比最大值小很多，因为不平接触不会持续足够的长以消散所有的电荷。由于Cp和V是未知的，无法定量地预测ΔT。但是，预计ΔT会随着总电能增加。在流体轴承中的总电能，即v02C/2＝v02ε’(0)ε0(A/d)/2，可以认为是特定导电率的函数。在低σ的限度内，v02C/2接近于与σ2成比例，并且在高σ的限度内，v02C/2接近与σ成比例。正如所看到的|ip/v0|根据σ变化的两个区域，这种根据σ的函数变化表示在低导电率的限度内的主静电表面电荷到高导电率的限度内的整体电荷之间的过渡。
简而言之，上面所提供的实验数据示出峰值放电电导系数在8nS/m的特定导电率附近具有最小值。其原因可能是从具有非常低导电率油的主静电表面电荷到较高导电率油中的整体电荷的过渡。该电荷随着特定导电率增加到1.4个功率。在油的较宽范围内，在1Hz测量的相对介电常数几乎随着特定导电率线性增加。
不平接触的电阻非常大，以至于可忽略的电荷能通过这个路径流动。但是，在观测到的电机运行电压范围内，跨过低飞滑块的空气轴承的电场接近用以从氮化的碳覆层进行电弧放电的临界场。能量足够高的电弧放电可能引发蚀损斑和碎片的产生。因此，显然可知，在流体轴承电机中用于控制的最佳添加剂提供足够的导电率，以消散具有存储在流体轴承中的最小量的可能电能的静电荷。
对本领域技术人员来说，本发明的变化是显而易见的。例如，尽管上述可溶的添加剂可以包括在润滑剂中，但是部分可溶和不可溶的添加剂也可以应用于某些情况下。例如，高导电率的多壁碳纳米管(multiwall carbonnanotubes)可以用作增强导电率的润滑剂，只要该纳米管被充分地分散以避免沉淀即可。
应该理解的是，虽然已经结合优选的具体实施例说明了本发明，可是上述说明只是用于示例而不是用于限制本发明的范围。本发明其它的方面、优势和修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
在这里引述的所有专利、专利应用以及出版公开的全部内容在此引用作为参考。
权利要求
1.一种盘驱动系统，包括旋转安装的磁盘；连接到磁盘上的转子；旋转地保持转子的定子；作为定子和转子之间的介面的轴承；连接到转子的电机，用于经由转子旋转磁盘；以及设置在轴承中的润滑剂，其中，该润滑剂包括润滑介质和用于减少轴承中电荷积累的电荷控制添加剂。
2.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，其包括旋转安装在转子上并且间隔开的多个磁盘，从而使电机经由转子旋转磁盘。
3.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，电机被构造成以大于每分钟3500转的速度旋转转子。
4.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，所述轴承是轴颈轴承。
5.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，所述轴承是止推轴承。
6.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，所述轴承是螺旋槽轴承。
7.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，所述轴承是人字形槽轴承。
8.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，所述轴承由浮雕有槽的表面形成，从而在润滑剂中形成内部压力。
9.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，润滑介质包括油。
10.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，电荷控制添加剂可溶液化或溶解到润滑介质中。
11.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，电荷控制添加剂包括二辛基二苯基胺，其低聚体，或前述物质的混合物。
12.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，电荷控制添加剂包括苯基萘基胺，其低聚体，或前述物质的混合物。
13.如权利要求12所述的盘驱动系统，其特征在于，电荷控制添加剂还包括二辛基二苯基胺，其低聚体，或前述物质的混合物。
14.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，电荷控制添加剂包括二辛基二苯基胺和苯基萘基胺的低聚体。
15.如权利要求1所述的盘驱动系统，其特征在于，润滑剂还包括用于增强润滑剂导电率的导电率增强添加剂。
16.如权利要求15所述的盘驱动系统，其特征在于，导电率增强添加剂可以溶液化或溶解到润滑介质中。
17.如权利要求15所述的盘驱动系统，其特征在于，导电率增强添加剂包括苯胺，其低聚体，其聚合体，或前述物质的混合物。
18.一种盘驱动系统，该盘驱动系统包括旋转安装的磁盘；连接到磁盘的转子；连接到转子的电机，用于经由转子旋转磁盘；旋转保持转子的定子；作为定子和转子之间的介面的轴承；轴承中的可替换的润滑剂，以及与磁盘操作相关的滑块，其中，该系统倾向于在磁盘和滑块之间发生静电放电，改进之处包括用具有较低相对介电常数的替换润滑剂来代替可替换的润滑剂。
19.如权利要求18所述的盘驱动系统，其特征在于，所述替换润滑剂的导电率等于或大于所述可替换润滑剂的导电率。
20.如权利要求18所述的盘驱动系统，其特征在于，所述替换润滑剂包括润滑介质和用于减少轴承中的电荷积累的电荷控制添加剂。
21.如权利要求20所述的盘驱动系统，其特征在于，所述电荷控制添加剂包括二辛基二苯基胺和苯基萘基胺的低聚体。
22.如权利要求18所述的盘驱动系统，其特征在于，所述替换润滑剂还包括用于增强替换润滑剂的导电率的导电率增强添加剂。
23.如权利要求22所述的盘驱动系统，其特征在于，导电率增强添加剂包括苯胺，其低聚体，或前述物质的混合物。
24.如权利要求18所述的盘驱动系统，其特征在于，替换润滑剂将磁盘和滑块间的静电放电从至少大约200nA减少到不大于大约50nA。
25.一种盘驱动系统，包括旋转安装的磁盘；连接到磁盘的转子；旋转地保持转子的定子；作为定子和转子之间的介面的轴承；连接到转子的电机，用于经由转子旋转磁盘；以及轴承中的润滑剂，其中，该润滑剂在50℃时的DC相对介电常数不大于大约25,000。
26.如权利要求25所述的盘驱动系统，其特征在于，所述DC相对介电常数在50℃时不大于大约10,000。
27.如权利要求25所述的盘驱动系统，其特征在于，所述润滑剂包括润滑介质和用于减少轴承上电荷的电荷控制添加剂。
28.如权利要求27所述的盘驱动系统，其特征在于，所述电荷控制添加剂包括芳胺的低聚体，烷基化的芳胺，或前述物质的任何组合。
29.如权利要求28所述的盘驱动系统，其特征在于，电荷控制添加剂包括苯基萘基胺和二辛基二苯基胺的低聚体。
30.如权利要求25所述的盘驱动系统，其特征在于，所述润滑剂还包括用于增强润滑剂的导电率的导电率增强添加剂。
31.如权利要求29所述的盘驱动系统，其特征在于，所述导电率增强添加剂包括苯胺，其低聚体，其聚合体，或前述物质的混合物。
全文摘要
本发明公开了一种使用能够改善电荷控制的润滑剂的改进盘驱动系统。所述盘驱动系统包括旋转安装的磁盘。转子被连接到所述盘上并且由定子旋转地保持。轴承作为定子和转子之间的介面。连接到转子的电机经由转子旋转磁盘。位于轴承中的润滑剂具有较低的相对介电常数。
文档编号C10N30/00GK1601640SQ20041008268
公开日2005年3月30日 申请日期2004年9月27日 优先权日2003年9月26日
发明者约翰·M·伯恩斯, 傅大章, 安德鲁·K·汉隆, 查尔斯·希格尼特, 托马斯·E·卡里斯, 理查德·M·克罗克, 斯坦利·Y·旺 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司