具有锥形轴的用于改进抽吸效率的流体动力轴承电机的制作方法

专利名称：具有锥形轴的用于改进抽吸效率的流体动力轴承电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及在流体动力轴承(FDB)电机中的有槽区域，例如抽吸密封区域，并且尤其涉及在FDB电机的有槽区域附近增加抽吸效率和/或减小元件磨损。
背景技术：
槽区域，例如有槽抽吸密封区域，已经被用于FDB电机中。一些这样的FDB电机具有非常直的轴颈轴承，该轴承通过使相对旋转元件的内部和外部表面相对形成。例如，轴颈轴承可以形成在轴承套的内表面和轴的外表面之间。这样的轴颈轴承用于保持内表面和外表面之间的间隙。润滑液可以位于该间隙内。
有槽区域，例如有槽抽吸密封区域，通常被设置在相对旋转元件的一端或者两端上。有槽区域可以用于从开口抽吸出润滑液，其中润滑液从该开口中漏出和/或蒸发。有槽区域也可以用于在电机的一部分内形成最小的润滑液的流量。有槽区域可以用于从轴颈的一部分排出润滑液，因此具有一些危险，即，如果在操作期间摇晃或者震动(工作震动情况)，相对旋转元件会相互接触。这个接触会导致元件的磨损，并且会增加过早驱动失败的危险。

发明内容
在示例性的方面，FEDB电机的轴包括具有从第一端延伸到第二端的外部径向表面的细长部件，以及位于该部件的外部径向表面上的涂层。在一个例子中，轴从轴的第一和第二端上的相对宽的直径锥形化为轴的第一和第二端之间的相对窄的直径。具有这样的双锥形区域的轴可以增加FDB电机内的流体动力轴承的抽吸效率。
在一个例子中，通过应用耐磨涂层来实现该锥形。该涂层可以从第一端附近开始设置，并向该部件的中间部分延伸。该涂层还可以从第二端附近开始设置，并向该部件的中间部分延伸。该涂层在第一端和第二端附近的厚度比与该部件的中间部分附近的厚度大。该涂层可以是DLC涂层，陶瓷涂层，或者其它耐磨涂层，这些耐磨涂层可以通过例如化学蒸发沉积过程和物理蒸发沉积过程的合适过程来沉淀。
在涂层位于其上时，外部径向表面基本上是圆柱形的，并且在涂层的沉积之后，被涂层的外部径向表面从该部件的第一端到中间部分、以及从该部件的第二端到中间部分的尺寸锥形化。轴的部分，例如第一端面和第二端面可以基本免于被涂层。
通过从外部径向表面上倾斜的第一端提供第一涂层材料，以及从外部径向表面上倾斜的第二端提供第二涂层材料，可以在外部径向表面上涂上涂层。
其它示例性方面包括，一种电机，其包括具有轴颈的轴承套。该轴颈具有顶端、底端、位于轴颈内表面的第一槽、以及位于内表面上的第二槽。该电机还包括位于轴颈中的轴。该轴包括具有第一端、第二端以及外部径向表面的细长部件。第一涂层可以至少在相对于第一槽的外部径向表面的那部分上形成。第一涂层的厚度可以从该部件的第一端向该部件的第二端锥形化。第二涂层还可至少形成在相对于第二槽的外部径向表面的那部分上的外部径向表面上。第二涂层的厚度可以从该部分的第二端向该部件的第一端锥形化。
根据本发明的各个方面，用于在相对旋转电机部件上形成涂层的方法可包括，提供一个关于至少一个旋转轴对称的细长部件。该部件可具有第一端、第二端、以及从第一端延伸到第二端的外部径向表面。该方法还可包括，在该外部径向表面上形成第一涂层，其中第一涂层的厚度从第一端附近开始向第二端锥形化，还包括，在该外部径向表面上形成第二涂层，其中第二涂层的厚度从第二端附近开始向第一端锥形化。


为了在此描述各个方面和例子，在下面的描述中参照附图。
图1示出一个示例性盘驱动的平面图；图2示出一种电机的横截面，其中该电机具有一个关于轴承套的轴颈相对旋转的轴；图3示意性示出该轴的垂直横截面；
图4a-d示意性示出该涂层轴的多个部分；以及图5示出用于在该轴上形成涂层的方法的示例性步骤。
具体实施例方式
进行下面的描述以使得本领域技术人员能够制造并使用本发明的多个方面。具体材料、技术以及应用的描述仅作为示例。对于本领域技术人员而言，对这里所描述的各个例子进行多种变型是非常容易的，这里所定义的基本原理可适用于其它例子和应用，而不会脱离本发明的精神和范围。例如，各个方面和例子可应用于多种电机，包括用于盘存储驱动的电机。用于盘存储驱动的电机可以多种方式设计，并可以多种方式操作。这里提供的示例性标的物是用于阐述多个创造性方面，而不是用于限制采用了这些示例性标的物的电机和设备的范围。
直接回到图1，示出了-种示例性磁盘驱动存储系统的平面图。在该例子中，存储系统10包括一个具有主轴电机14的外壳基座12，该主轴电机可旋转承载存储盘16。电枢部件18移动转换器20穿过盘16的表面。盘16旋转的空间可通过密封22和盖子24密封。在运行中，盘16高速旋转，而转换器20位于盘16的表面上的任意一个径向区分轨道。这允许转换器20在选定位置上磁式读写盘16的表面上的编码信息。盘16可以以数千RPM的速度旋转。
为产生盘16的旋转，主轴电机14通常包括至少一个可旋转部分。该至少一个可旋转部分转而通常由一个或多个轴承表面支承，该轴承表面提供了和相对未旋转表面之间的小摩擦界面。在一些示例性电机中，轴可在固定轴承套的轴颈内旋转，而在其它示例性电机中，轴可以是固定的，轴承套可以关于该轴旋转。这里所描述的各个方面可应用于任意这样的电机类型，即使参照了这些电机类型中的仅仅一个来进行描述。
现在转到图2，示出了一种示例性主轴电机14的横截面。电机14包括轴承套205，其中轴颈210由内表面(未单独示出)定义。如图所示，示例性轴颈210从轴承套205的顶部206延伸到轴承套205的底部207。轴颈210包括在定义了轴颈210的内表面上周向设置的槽区域215和槽区域216。槽区域215和/或槽区域216可以是不对称的，并且可以作为抽吸密封和域用于经电机14的一部分再循环润滑剂。轴220位于轴颈210内。轴220包括一个外部径向表面221(在图3中示出)，其径向面向轴颈210的内表面，从而形成一个间隙(未单独示出)，在该间隙中，水力轴承区域在轴颈210中为轴220提供低摩擦旋转。在电机设计中，内表面和轴220之间的间隙可在尺寸和形状上改变。
轴220通常可以是具有外部径向表面221的细长部件，其中该表面从第一端222延伸到第二端224。在一些方面中，轴220可以是大致圆柱形的，第一端222可以具有一个大致圆形的第一端面225。类似的，第二端224可以具有大致圆形的第二端面226。如果需要，轴220可以是有冠的或圆锥形的(例如，在一端具有更大直径)，以用于对应形状的轴颈。
通过对具有第一涂层区域235的外部径向表面221的一部分进行划界(通过起始和终止箭头)，在图2中示出轴220的第一端222，第一涂层区域235。在各个方面中，涂层区域235在至少外部径向表面221相对槽区域215的地方(也就是，涂层区域235至少径向相对槽区域215)，沿外部径向表面221延伸。涂层区域235还可以额外的更加接近第一端222以及更加接近第二端224。在一些方面中，涂层区域235大致延伸到但不整个延伸到第一端222；其余的第一端面225可以不被涂层。
类似于涂层区域235，第二涂层区域240在至少外部径向表面221相对槽区域216的地方(也就是，涂层区域240至少径向相对槽区域216)，沿外部径向表面221延伸。进一步阐述，涂层区域240可以向第一端222和第二端224更广泛的延伸。在各个方面中，涂层区域240大致延伸到第二端224但不整个延伸到第二端224。在一些方面中，第二端面226可以不被涂层。轴220、涂层区域235以及涂层区域240参照图3进一步描述。
图3示出轴220的示例性示意垂直横截面。该示例性横截面并未按照规定比例画出，以使得这些部件可以更好示出。如上所述，轴220包括第一端222和第二端224。外部径向表面221从第一端222延伸到第二端224(反之亦然)。
涂层区域235可以位于靠近第一端222的外部径向表面221上。如上所述，比涂层区域235更靠近第一端222的外部径向表面221的一部分302可以保持不被涂层。示例性涂层区域235通常越接近末梢第一端222则越厚(也就是，涂层区域235越靠近第二端224就越厚)。在各个方面中，涂层235从第一端222附近到第二端224单调性锥形化。涂层235的最大厚度可以在各个设计中改变。靠近外部径向表面221的中间部分309的涂层区域235的厚度相比于中间部分309的间隙的尺寸，可以是可以忽略的或不存在的(也就是，涂层可以非常薄或不存在)。中间部分309可以被覆盖，以防止涂层形成其上。涂层区域235可以在第一端222附近，如肩部305所示，突然终止。涂层区域235可认为是具有类似于三维锥形环面的形状(如果脱离轴220的外部径向表面221考虑，其中涂层区域235施加到该表面)。
类似于涂层区域235，除了涂层240可位于靠近第二端224之外，涂层区域240可位于外部径向表面221。比涂层区域240更靠近第二端224的外部径向表面221的一部分303可以不被涂层。示例性涂层区域240通常越接近末梢第二端224则越厚(也就是，涂层区域240越靠近第一端222就越厚)。在各个方面中，涂层240从第二端224附近到第一端222单调性锥形化。涂层240的最大厚度可以在各个设计中改变。靠近外部径向表面220的中间部分309的厚度相比于中间部分309的间隙的尺寸，可以是可以忽略的或不存在的。涂层区域235可以在第二端224附近突然终止，从而涂层区域240可具有类似于锥形环面的形状(如果脱离轴220的外部径向表面221考虑，其中涂层区域235施加到该表面)。
轴220和设置其上的涂层区域235的示例性横截面在图4a-d示出。图4a-d未按照规定比例画出，而是被画出用于阐述下列各个方面。图4a输出接近第一端222并基本没有涂层的轴220的一部分。在各方面中，可以设置涂层区域235和涂层区域240，以使得轴220大致关于轴中心对称(也就是，每一个涂层区域从轴的各个端开始的距离大致周向相等)。涂层区域235还可在从第一端222开始的给定距离上厚度径向对称(类似的适用于涂层区域240从第二端224开始)。
图4b输出涂层区域235的一个较厚部分，其表示为图3中的肩部305(还可示出涂层区域240的较厚部分，为图3中的肩部310)。在图4b中，涂层区域235和涂层区域240的每一个横截面的大致环形形状在轴220上非常明显，其中涂层区域235和涂层区域240设置在该轴附近。
图4c示出涂层区域235的中心部分，其由图3中的307表示。如图所示，307表示的涂层厚度比图4b中示出的305表示的厚度薄。图4d示出靠近轴中心309的涂层区域235的较薄部分(大致表示)。如图所示，309表示的涂层区域235的厚度相比于轴220的半径(直径)是微不足道的。如上所述，中间部分309可以在涂层沉积期间被遮蔽，从而使得中间部分309基本免于被涂层。图4c和4d还可示出涂层区域240的相应部分，这对于本领域技术人员来说是可以理解的。
涂层区域235和涂层区域240可由合适的涂层材料沉积在外部径向表面221上而形成(并当涂层区域增加厚度时，涂层在已经沉积的涂层材料上)。低温化学和/或蒸气沉积工艺，以及其它沉积工艺都可以用于提供该涂层材料。
涂层材料可包括任意种类的金刚石似的涂层材料，以及陶瓷型材料。在各方面中，涂层区域235和涂层区域240可包括多个单独的涂层，其中每一个单独的涂层可以是，或包括，不同的材料。例如，涂层区域235的第一层可以是设计成改善后面设置的碳富层和外部径向表面221之间的粘接性的层。根据所需的涂层厚度和用于形成该涂层的设备(例如，一些机器在每时间段增长率上有所限制，或轴220在涂层沉积期间可以被检测)，涂层材料可设置到许多涂层中。
在示例性方面，涂层区域235和涂层区域240在最厚的各个点的厚度大约0.5-3.0μm厚度，并向轴中央309均匀锥形化。在示例性方面，靠近轴中心309的涂层区域235和／或涂层区域240可以是非常小的厚度，例如，小于0.5μm，在一些例子中可以不涂层外部径向表面221靠近轴中心309的整个表面(也就是，涂层材料可以在轴中心309设置，但是涂层材料不形成一个连续的涂层区域)。在其它相关涂层的背景技术中，参考2001年12月13日提交的美国专利US6,664,685，标题为“用于盘驱动/存储设备中的主轴电机的高粘接性、耐磨涂层”，其在此整个作为参考。
用于实现这些工艺过程的设备被配置，以使得涂层材料提供在外部径向表面221周围。在各个方面中，当形成涂层区域235时，涂层材料在靠近第一端222的厚度可以大于朝向第二端224的厚度，并在从第一端222开始的给定距离上，在外部径向表面221周围具有周向设置的恒定厚度。涂层区域240可在各自类似的条件下形成。
一种用于形成上述涂层材料厚度的示例性方法是，从第一端222附近开始提供涂层材料以用于形成涂层区域235。类似的，涂层材料可从第二端224附近开始被提供，以用于形成涂层区域240。在这个过程中，可通过沿外部径向表面221散播涂层材料源，来形成所需的不同厚度。本领域技术人员可以理解的一个方面是，被涂层的表面(外部径向表面221)基本平行于涂层材料源方向。相反，利用DLC材料或类似物涂层的总体表面，通过从基本垂直于该被涂层表面的方向提供的材料来涂层。有利地，以这种方式提供涂层材料可以更容易的为涂层区域235和涂层区域240均形成所需的锥形形状。
图5示出用于在轴220上形成涂层区域235和涂层区域240的方法的示例性步骤。步骤505包括遮蔽第一端面225和第二端面226；该遮蔽可以沿靠近各个第一端222和/或第二端224的外部径向表面221的部分延伸。大量所覆盖的外部径向表面221可以补偿由遮蔽引起的阴影效应，从而涂层区域235基本在外部径向表面221的所需点(也就是，图3中的肩部305)开始，被涂层为合适的厚度(由具体设计所选)。当然，如果对于特定应用是需要的话，第一端面225和第二端面226的一个或两个可以被覆盖，以防止涂层形成其上。
步骤510包括相对设置第一材料源和轴220，从而第一端面225和第二端面226中的一个相对第一涂层材料源。步骤515包括发散来自第一源的涂层材料到包围外部径向表面221的区域(也就是，进入轴220周围紧靠的容积)。步骤520包括在预定时间过去之后中止发散来自第一源的涂层材料。步骤525包括再次散播轴220，从而第一端面225和第二端面226的另一个(510表示的远离该源的那一个)可以面对第一源。步骤530包括开始发散来自第一源的涂层材料。步骤535包括在预定时间过去之后中止发散来自第一源的涂层材料。
第一端面225和第二端面226均可以基本垂直于该源而设置，从而外部径向表面大致平行于该源。在该相对配置中，涂层材料可以倾斜接触外部径向表面221。第一端面225和第二端面226还可以相对于该源成某些角度设置。通过频繁旋转轴220，可以获得基本均匀的横截面涂层厚度(也就是，每一个横截面在外部径向表面221附近具有基本恒定的厚度)。如果必要可以进行其它调整，以在距离该源的给定距离上沿外部径向表面221形成均匀的涂层增长率。
在图5的方法的一种改进中，第二材料源可以相对于轴220设置，以面向第一端面225和第二端面226的另一个表面。进一步改进可以包括，在步骤515中，开始发出来自第二源的涂层材料，并在步骤520中，在预定时间过去之后，中止发出来自第二源的涂层材料。在这样的改进中，步骤525可以去除，这是由于当涂层区域235和涂层区域240可以一起形成时，不必再次设置轴220。
其它改进可以包括在轴220的中间部分309附近设置遮蔽。其它改进可包括遮蔽轴220的部分达预定时间的一部分，并在余下的时间暴露这些部分。进一步改进可包括从每一个源发出材料达不同的时间，以形成不对称的涂层。进一步的改进可包括在沉积期间测量涂层厚度，并当所需厚度达到时停止提供材料(除了或代替发出涂层材料达预定时间)。还可以在许多离散的时间间隔进行沉积，而不是在一个单独的时间内提供材料。轴220可以设置在一个固定的保持体或传送器上，其中该传送器平行于第一和/或第二材料源而移动。本领域技术人员将理解，涂层区域240可以在涂层区域235之前、之后或同时形成。其它改进和变型对于本领域技术人员而言是非常明显的。
为概况本发明的某些方面，涂层材料的厚度梯度可以从第一端222开始形成，并向中间部分309延伸。该厚度梯度可在第一端222附近提供相对大的厚度，并在第一端222末梢减小厚度。通过单独的涂层材料源或通过相同的源，在涂层区域235形成之后(如果涂层区域240先形成，则反之亦然)，类似的厚度梯度可以从第二端224开始形成。
这里阐述和描述了多种电机和FDB方面。本领域技术人员将理解，关于每一个的教义可适用于其它设计。以及，可以理解，这里单独示出了某些部件，但是这种示出并不暗示着这些部件必须单独由其它部件形成。类似的，这里示出的部件在其它设计中可以再分为子部件。此外，阐述的特性，比如再循环通道、轴承表面、抽吸槽等等，可以额外的或者不同于这里示出的方面。
对于本领域技术人员而言，通过示出的示例性方面，进行其它改进和变型是非常明显的。例如，这里示出的多种示例性方法和系统可以单独使用，或者可以结合多种流体动力支承以及毛细管密封系统和方法。此外，已经讨论了特定的例子，这些例子被认为克服了现有技术中的某些缺陷。然而，这种讨论并不是用于限制这些例子为实际上克服或解决这些缺陷的方法和/或系统。
权利要求
1.一种用于流体动力电机的双锥形轴，包括具有从第一端延伸到第二端的外部径向表面的细长部件，其中，外部径向表面的直径的厚度从第一端附近向中间部分锥形化，并且该直径的厚度从第二端附近向中间部分锥形化。
2.权利要求1的轴，其中细长部件包括位于外部径向表面上的涂层，该涂层从第一端附近向该部件的中间部分延伸，还从第二端附近向该部件的中间部分延伸，该涂层在第一端和第二端附近的厚度比在该部件的中间部分附近的厚度大。
3.权利要求2的轴，其中第一端包括第一端面，第二端包括第二端面，第一端面和第二端面基本免于被涂层。
4.权利要求2的轴，其中外部径向表面包括最靠近第一端的基本免于被涂层的部分，以及最靠近第二端的基本免于被涂层的部分。
5.权利要求2的轴，其中靠近第一端的涂层最厚点具有大约在0.5μm和3.0μm之间的厚度，靠近第二端的涂层最厚点具有大约在0.5μm和3.0μm之间的厚度。
6.权利要求5的轴，其中靠近该部件的中间部分的外部径向表面上的涂层厚度小于0.5μm。
7.一种电机，包括具有轴颈的轴承套，该轴颈具有顶端、底端、位于轴颈内表面的第一槽、以及位于内表面上的第二槽；以及位于轴颈中的轴，该轴包括具有第一端、第二端以及外部径向表面的细长部件，其中外部径向表面的直径的厚度从第一端附近向中间部分锥形化，并且该直径的厚度从第二端附近向中间部分锥形化。
8.权利要求7的电机，其中该轴包括圆柱形部件，它具有厚度改变的涂层。
9.一种方法，包括提供关于至少一个旋转轴对称的细长部件，该部件具有第一端、第二端、以及从第一端延伸到第二端的外部径向表面；在该外部径向表面上形成第一涂层，该第一涂层的厚度从第一端附近向第二端锥形化；以及在该外部径向表面上形成第二涂层，该第二涂层的厚度从第二端附近向第一端锥形化。
10.权利要求9的方法，其中第一涂层在第二端附近具有非常小的厚度，第二涂层在第一端附近具有非常小的厚度。
11.权利要求9的方法，其中第一涂层在靠近第一端的涂层最厚点具有大约在0.5μm和3.0μm之间的厚度，第二涂层在靠近第二端的涂层最厚点具有大约在0.5μm和3.0μm之间的厚度。
12.权利要求9的方法，其中第一涂层从第一端附近提供，并向外部径向表面倾斜；以及第二材料从第二端附近提供，并向外部径向表面倾斜。
13.权利要求9的方法，还包括将第一端设置成与用于形成第一涂层的涂层材料源相对；以及将第二端设置成与用于形成第二涂层的涂层材料源相对。
14.权利要求13的方法，还包括在开始提供第二涂层材料之前，停止提供第一涂层材料。
15.权利要求9的方法，还包括当形成第一和第二涂层时，遮蔽靠近第一端的一部分外部径向表面以及靠近第二端的一部分外部径向表面。
16.权利要求9的方法，其中所提供的该部件是大致圆柱形的电机轴。
17.权利要求9的方法，其中第一涂层和第二涂层源于以下工艺类型中的一种化学蒸气沉积和物理蒸气沉积。
18.权利要求9的方法，其中第一涂层和第二涂层包括金刚石类的涂层材料。
19.一种通过权利要求9的方法制造的轴。
全文摘要
对于带有一个或多个槽区域的轴颈以及用于在轴颈中相对旋转的电机，方面包括提供一种双锥形轴。该轴在至少相对槽区域的位置应用耐磨涂层而锥形化。该涂层引入了从顶端附近开始以及从顶端附近开始向轴中间部分的轴锥形。该轴锥形可用于改进抽吸效率。该涂层可在多种工艺中施加，例如化学蒸气沉积或物理蒸气沉积，以形成从顶端附近开始以及从顶端附近开始向轴中间部分的涂层材料厚度梯度。在一个例子中，该涂层包括DLC涂层。此外，轴部分可被遮蔽以防止涂层其上。
文档编号F16C33/10GK1721715SQ20051008780
公开日2006年1月18日 申请日期2005年3月21日 优先权日2004年3月19日
发明者J·A·勒布兰克, T·M·赫恩顿, M·M·阿明, R·U·汗 申请人:西加特技术有限责任公司