专利名称：流体动压力轴承、具有该流体动压力轴承的主轴马达和存储磁盘驱动设备及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于存储磁盘驱动设备中的主轴马达中使用的流体动压力轴承(也一般称为“流体动力轴承”)。本发明还涉及这些流体动力轴承的制造方法。更具体地，本发明涉及钢或不锈钢材质的流体动力轴承的动压力性能的技术改进。另外，本发明涉及精确且高精度流体动力轴承的轴承表面结构的显著改进。此外，本发明涉及使用改进流体动力轴承的主轴马达和存储磁盘驱动设备。
背景技术：
图17示出了现有流体动力轴承的一个例子。该图中所示的流体动压力轴承设备具有可旋转地支撑在轴承套筒1的圆柱形通孔内的旋转轴2。轴承套筒1的圆柱形通孔的底部开口由反板3封闭从而将旋转轴封闭在轴承套筒内。盘片形止推板4固定在旋转轴2的底端。多个弓形螺旋状或人字状动压力槽(图中未示出)形成于止推板4上与反板3相对的下表面上。而且，多个动压力槽(图中未示出)类似地形成在形成于轴承套筒内且高于止推板的台阶的下表面上。而且，多个螺旋状或人字状动压力槽18形成于轴承套筒1的内周面上。形成于连同反板的固定轴承套筒和连同止推板的旋转轴之间的轴承缝隙中填充有润滑油。
近年来，已经急剧要求硬盘驱动器(典型的磁盘驱动存储设备)小型化、重量减轻并且轮廓更薄的趋势。与此同时，由于硬盘存储容量已经增大，对于增大表面密度有着增大的要求。因此，对广泛使用的流体动力轴承已经进行了大量的研究，这使得流体动力轴承在硬盘驱动器中的主轴马达中的应用显著增多。研究集中于形成更准确和高精度的动压力槽这方面以便准确且有效地产生动压力。
电化学加工目前已知为用于形成动压力槽的方法。然而，在这种方法用于由具有良好加工性质的含硫易切削合金钢制成的轴承套筒时，难以使用电化学加工来分解(dissolve)和形成多个动压力槽。还难以在动压力槽之间留下的脊部的形状方面获得希望程度的准确度和高精度。图3A示出了，当在横截面上观察每个动压力槽的表面时，连接每个脊部的顶部22和倾斜壁23的角部24是圆化的。这是电化学加工期间包含易切削成分的硫化物夹杂(包含在含硫易切削合金钢中)的分解特点和Fe(其是金属的主要成分)的分解特点之间的不均匀性所导致的结果。另外，角部的圆化是暴露在电化学加工出的表面上的硫化物夹杂脱落(dislodging)和破裂的结果。
重要的是优化动压力效率(动压力/轴向损失)，以便更准确和有效地形成动压力。在图3B中，优选地脊部-槽比率如下(1)(动压力槽宽度，Bv)/(顶部宽度，B1)＝1.0～1.3另外，还优选地槽深度比率如下(2)(从与动压力槽相对的表面至槽底部的距离，h0)/(槽深度，hg)＝2.1～2.3然而由于上述原因难以在批量生产中实现(1)和(2)。
由于硫化物夹杂的不可解性和脱落还导致了其它问题。通过研磨而修整的表面和通过电化学加工而修整的表面由于脱落和不可解性而存在着不规则表面的问题，因而恶化了表面粗糙度。当暴露于加工表面上或者从表面上脱落的硫化物夹杂形成并卡在轴体和轴承部件之间时，还导致了其它问题。
由于存在着这些问题，流体动力轴承中的轴承刚度降低并且轴向转矩损失增大以致于用于存储磁盘驱动设备的主轴马达的旋转精度和使用寿命下降、动力消耗和启动时间增大，导致了存储磁盘驱动设备的显著问题，尤其是在其小型化和更薄轮廓的趋势下。
已经利用例如日本专利公开说明书2001-298899和日本专利公开说明书2002-119584中所公开的方法来防止硫化物夹杂的脱落。上述文献建议在加工部件之后利用酸和碱去除硫化物夹杂。然而，这些去除方法不利于制造成本的降低，因为增加了制造工艺的复杂性。酸和碱的处理是危险的并且给环境带来危害。另外，所公开的方法没有在流体动力轴承表面结构准确度和高精度的改进方面提供任何解决方案。此外，使用酸和碱来去除硫化物夹杂还最终分解了基体，并且还具有圆化脊部的角部的缺陷。
发明内容
考虑到上述现有技术的问题，本发明的一个目标是提供一种流体动力轴承，其通过具有很小表面粗糙度的准确且高精度表面结构来优化动压力效率。本发明的另一目标是防止硫化物夹杂的脱落，使得在长时间之后能一直维持高的轴承刚度和小的轴向转矩损失，同时无需制造中的复杂步骤，避免了处理酸和碱的危险，并且减少了对于环境的危害。
在其一个主要方面，本发明是一种流动动力轴承，其具有相对彼此可旋转地支撑的轴和轴承套筒。根据本发明，轴和轴承套筒中的至少一个由包括以下重量百分比成分的钢或不锈钢制成C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe。保留在通过电化学加工形成的多个动压力槽之间的脊部包括动压力轴承表面。
由于在本发明中具有动压力槽的部件的材料中的硫含量保持在0.03％或更少并且硫化物夹杂非常少，通过研磨修整的表面或通过电化学加工而修整的表面中就没有不平度。因此，不仅可以改善表面粗糙度且易于高精度地准确成形动压力轴承表面，而且还提供了长时间使用之后维持稳定性和高轴承刚度的流体动压力轴承以及维持低的轴向转矩损失。另外，无需涉及使用酸或碱的复杂、有害且环境上不健康的工作以清洁具有动压力轴承表面的部件，从而有利于制造。此外，本发明不存在着现有技术中移除硫化物夹杂时使用酸或碱所导致的基体分解从而圆化脊部的角部的问题。
以上方面、优点和特点仅仅是代表性实施例的。应当理解到，它们并不视为是对由权利要求所限定的本发明的限制。在下面的描述、附图以及权利要求中，本发明的其它特点和优点将会变得很明显。
本发明借助于非限制性的例子示出，在附图中同样的附图标记标识同样或相应的部件，并且其中图1示出了根据本发明的流体动力轴承的一个实施例的横截视图。
图2示出了用于图1所示实施例中的端板13的平面图。
图3A和3B示出了动压力产生槽的局部横截视图。
图4A示出了根据本发明第一实施例制造的动压力产生槽的轮廓。
图4B示出了根据本发明第二实施例制造的动压力产生槽的轮廓。
图4C示出了根据对照例制造的动压力产生槽的轮廓。
图5A示出了根据本发明第一实施例制造的动压力产生槽的照片。
图5B示出了根据本发明第二实施例制造的动压力产生槽的照片。
图5C示出了根据对照例制造的动压力产生槽的照片。
图6A和6B示出了本发明第一实施例的动压力产生槽的放大照片。
图7A和7B示出了本发明第二实施例的动压力产生槽的放大照片。
图8A和8B示出了对照例的动压力产生槽的放大照片。
图9A和9B分别示出了对照例和本发明第二实施例的动压力产生槽的顶面脊部的电子显微照片。
图10示出了电化学加工中硫化物和铅成分情况的示意图。
图11示出了根据本发明一个实施例构造的主轴马达的横截视图。
图12示出了根据本发明构造的硬盘驱动设备的横截视图。
图13示出了根据本发明另一实施例构造的主轴马达的横截视图。
图14示出了根据本发明第三实施例电化学加工之前试样表面状况的照片。具体地，(从照片左上角开始顺时针)其中示出了DD材料回火之前的照片、DD材料回火之后的照片、SF20T材料(原材料)的照片、和DHS-1材料(原材料)的照片。
图15A示出了利用DD材料的第三实施例的动压力产生槽的轮廓。
图15B示出了利用SF20T材料的动压力产生槽的轮廓(对照例)。
图15C示出了利用DHS-1材料的动压力产生槽的轮廓(对照例)。
图16A示出了位于根据第三实施例用DD材料制成的脊部的顶部和槽的底部之间的边界附近的放大表面的电子显微照片。
图16B示出了位于用SF20T制成的脊部的顶部和槽的底部之间的边界附近的放大表面的电子显微照片。
图16C示出了位于用DHS-1制成的脊部的顶部和槽的底部之间的边界附近的放大表面的电子显微照片。
图17示出了现有技术的流体动力轴承的一个例子的横截视图。
具体实施例方式
下面是对本发明优选实施例的描述。在本发明中，轴或者轴承部件中至少一个优选地具有重量百分比低于0.001％的Pb。其原因如下。
尽管已经讨论了由于硫化物夹杂的不可解性和脱落所引起的问题，但是可分解的成分也会引起显著的问题。因为电化学加工中不同类型金属洗提的容易程度不同导致了加工速度出现变化，因此就不能均匀地去除材料。利用如下面公式1所示的法拉第定律来计算电加工所去除的材料数量。
公式1M＝ηZIt其中M是通过电解去除的材料数量，以克计；Z是电化学当量(g/C)；I是通过电流(A)；t是通过时间(s)；
η是电流效率。
公式2用来计算通过电化学加工去除的金属材料的体积，密度为ρ。
公式2V＝M/ρ因此V＝ηZIt/ρ因此，每单位时间去除的材料体积，即电化学加工的速度，由下面的公式3表示。在公式3中，K＝Z/ρ是电解常量，并且当加工参数(通过电流和电流效率)恒定时体积加工速度与电解常量成正比。
公式3v＝V/tv＝ηZI/ρv＝ηKI表1示出了用于不锈钢中所含主要化学元素的电解常量。电解常量越大，电化学加工中的体积加工速度越高。如下面的表1所示，金属中的铅(Pb)成分具有最大的电解常量。铅成分的分解和去除快于其它金属。相反，负电荷的硫(S)成分不分解，并且在周围基体分解时，硫成分脱落和去除。铅成分的加工速度是其它金属的两倍或更大，并且因此铅成分被更快地加工，在其已经分解的表面中留下凹坑。另一方面，不脱落的硫成分在表面上留下凸块，其形式为从表面上突出的硫化物夹杂。图10是示出这种情况的示意图。如图10所示，在电化学加工之前已经被弄平的表面在电化学加工之后出现凹坑，导致了已加工表面的表面粗糙度恶化。在本发明的优选实施例中，为此原因铅含量的重量百分比小于0.001％，并且这是确保表面粗糙度为Ra0.1μm或更小所必须的条件之一。
表1
注1在电化学加工中不分解，因为硫具有负电荷。
接着，在具有相对彼此可旋转地支撑的轴和轴承部件的流体动力轴承中，本发明提供了流体动力轴承的制造方法，其中轴和轴承部件中至少一个由钢或不锈钢制成，所述钢或不锈钢包括(重量百分比)C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；Pb少于0.001％，和Fe。在钢中，共晶碳颗粒的直径为10μm或更小，并且钢或不锈钢经受热处理，包括回火和退火。电化学加工在磨光之后进行以使得在通过电化学加工形成介于多个动压力槽之间的轴承面时顶面脊部仍然保持原样。
由本发明人进行的研究已经确认，表面在加工之前的表面粗糙度越好，加工表面在电化学加工之后的表面粗糙度也越好。在通过本发明的流体动力轴承的制造方法所限定的钢或不锈钢中存在着非常少量的硫化物夹杂，因为这些钢具有小直径的共晶碳化物，并且硫含量限制在非常低的水平。另外，因为几乎没有铅，通过硬化热处理，金属结构就变得更加细小并且更加均匀。因而，在热处理之后的研磨和磨光期间就防止了材料的撕裂或者某些成分从材料表面上脱落，并且显著地提高电化学加工之前的表面粗糙度。例如，电化学加工之后获得的顶面脊部的表面粗糙度为Ra 0.1μm或更小。
当观察所得到的轴承表面的横截面时，很清楚地看出，所得到的动压力产生槽由基本上平直的顶面脊部、基本上平直的倾斜壁和基本上平直的底部所形成。顶面脊部和倾斜壁由大致弓形的角部所连接。角部在与基本上平直的顶面脊部相平行的方向上的长度，即图3B中的长度M，优选地为20μm或更小，并且角部在与基本上平直的倾斜壁相平行的方向上的长度，即图3B中的长度L，优选地为1.0μm或更小，另外，当在横截面上观察轴承表面时，每个倾斜壁的长度优选地为一根虚拟线段长度的75-90％，该虚拟线段通过用与平直顶面脊部相切的直线和与底面槽部的最低点相切的平行直线切割与倾斜壁相切的直线而获得。
在本发明的优选实施例中，顶面脊部的表面粗糙度为Ra1.0μm或更小。另外，动压力产生槽的深度变化优选地为0.4μm或更小。
下面参照附图描述本发明的流体动力轴承的适合构造。
图1是本发明的流体动力轴承的一个实施例的横截视图。如图1所示，流体动力轴承具有轴12、圆柱形壳体10以及沿着圆柱形内表面17安装入圆柱形壳体10的管状轴承套筒11。轴12和轴承套筒11相对彼此可旋转地支撑。止推板14固定地安装到轴12的一端(图1中的底部)上。盘片状端板13封闭壳体10的底端以使得止推板14被定位在端板的顶面16和轴承套筒11的底面15之间。
径向动压力轴承表面11a、11b与轴12的外周面19相对地形成于轴承套筒11的内周面18上。径向轴承表面11a和11b承受径向上的负荷。轴向动压力轴承表面31与止推板14的顶面30相对地形成于轴承套筒11的底面15处以产生动压力和承受轴向上的负荷。另外的轴向动压力轴承表面20与止推板14的底面32相对地形成于端板13的顶面16处以产生另外的动压力和承受轴向上的另外负荷。这些动压力轴承表面11a、11b、20和31不必限于人字形的动压力槽。它们可以是以螺旋形、弓形、直线形或其它形状形成的动压力槽。形成于动压力轴承表面11a、11b、20和31及其相对表面之间的微小缝隙填充有润滑油。
用于轴承套筒11和端板13的材料为钢或不锈钢，所述钢或不锈钢包括(重量百分比)C0.6-1.2％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe。在材料被热处理和磨光之后，通过电化学加工形成动压力产生轴承表面以使得每个表面包括多个位于多个人字形动压力槽之间的顶面脊部，例如如图2所示。
如图3中的横截视图所示，顶面脊部22基本上平直地形成。每个动压力槽21具有两个基本上平直的倾斜壁23和一个底部。倾斜壁23和顶面脊部22由大致弓形的角部24连接。角部24在与基本上平直的预面脊部22相平行的方向上的长度M为20μm或更小。角部24在与基本上平直的倾斜壁23相平行的方向上的长度L为1.0μm或更小。每个倾斜壁23的长度B优选地为一根虚拟线段A长度的75-90％，该虚拟线段通过用与平直的顶面脊部22相切以及与动压力槽的底面的最低部分相切的平行直线切割与倾斜壁23相切的直线而获得。
利用电化学加工在精磨的轴承表面上形成动压力槽，以使得顶面脊部的表面粗糙度为Ra0.1μm或更小，并且槽之间的动压力槽的深度变化为0.4μm或更小。这样，就获得了具有期望效率的动压力性能以及稳定长期可靠性的流体动力轴承。
根据上述方法用钢或不锈钢制造的轴承套筒11和端板13具有非常少的从加工表面暴露或突出的硫化物夹杂。因此，无需利用酸或碱去除这种夹杂，因而使得能降低制造成本并且避免与酸或碱相关的危害和环境危险。另外，热处理的回火温度选择为使得轴承部件被回火到高硬度。因此，轴承部件在装配工序期间不大可能由于刮擦或变形而出现缺陷。这些部件也不大可能由于在轴承设备使用时经受的启动、停止、振动或冲击而产生的负荷所导致的磨损而受损。而且，虽然现有技术存在着由于用酸和碱去除硫化物夹杂的技术而圆化角部的缺陷，但是在上述的流体动压力轴承设备中不会出现这个问题。
图11是示出利用图1所示热处理方案的流体动力轴承A的主轴马达200的示意性结构的横截视图，所述流体动力轴承根据下面实施例2中所述的工序进行热处理。流体动力轴承A如下面的实施例2那样制造。注意到，主轴马达200并不限于实施例2的流体动力轴承，并且在本发明的范围内能应用于很多的轴承实施例。
主轴马达200具有基部210，基部210也是硬盘驱动器的壳体的一部分。轮毂部302形成于基部210的底部处并突出在基部之上。由定子芯部221和缠绕在芯部周围的线圈222所组成的定子220固定至轮毂部的外表面。流体动力轴承A(等同于图1所示的那个)安装入轮毂部302的内周面。转子230由流体动力轴承A支撑为使得其能相对于定子220可旋转地移动。转子230具有转子毂231，其安装至轴12的上端；以及转子磁体232，其通过轭233安装至转子毂231的管状内周面。转子磁体232与定子220一起来产生旋转磁场。在流体动力轴承A安装至轮毂部302的内周面时，优选地使用热塑性或其他类型的胶粘剂来固定以使得这两个部件之间没有缝隙。上述主轴马达无需限制于上述的外转子型马达结构，而是也可以使用内转子型马达。
轴向地朝向的螺纹孔(图中未示出)形成于轴12的上表面的中心处，并且利用这个螺纹孔安装夹具(图中未示出)以固定硬盘。柔性电路板240安装在基部210的底面上，并且通过将控制电流从这个柔性电路板240的输出端供应至定子220，包括转子磁体232和轴12的转子组件相对于定子220旋转。
在具有如实施例2那样的流体动力轴承A的主轴马达200中，在轴旋转时，通过在上下方向上平衡由流体动力轴承A的止推动压力产生槽所产生的轴向动压力，转子230被保持在稳定位置而不会浮起或下沉。
在上述实施例的主轴马达200中，高精度的轴承表面结构使得可能得到高的轴承刚度，尽管其尺寸很小且轮廓很薄。而且，优选的结构导致了低的轴向转矩损失，这就导致了低的动力消耗。另外，能降低制造成本。另外，使用很长时间之后还能保持可靠性，因为主轴马达200的轴承表面具有非常少的暴露或突出硫化物夹杂并且通过适当的热处理提供了高等级的硬度。
图12是利用如图11所示主轴马达200的硬盘驱动设备(存储磁盘驱动设备)300的示意性结构的横截视图。盖301在这个硬盘驱动设备300中提供来密封图1所示主轴马达200的基部210的内部，形成具有极少污物或灰尘的清洁腔室。硬盘驱动设备300的壳体包括盖301和基部210。因此，基部210构成主轴马达200的一部分并且还用作硬盘驱动设备300的壳体的一部分。这样，主轴马达的主要部件(包括主轴马达定子和转子)就容纳在硬盘驱动设备300的壳体内。
一层硬盘(存储磁盘)304安装在转子毂231的外周面上。通过安装夹具303并且借助于将中心销305螺旋入旋转轴上端的螺纹孔来紧固夹具，将硬盘304固定至转子毂231。因此，硬盘304与转子毂231作为一个整体部件而旋转。在本实施例中，一个硬盘304安装在转子毂231上，然而，能安装在转子毂上的硬盘的数目并没有限制。
硬盘驱动设备300设有磁头306，其将数据写入硬盘304和从硬盘304读取数据。磁头由臂307支撑并且设有音圈马达308，音圈马达308将磁头306和臂307移动到希望位置。音圈马达308具有线圈309以及与线圈309相对地布置的磁体310。
磁头306安装在磁头组组件311的端部，磁头组组件311被支撑为允许其从基部210上适当的位置自由地枢轴转动。磁头306通常构造为一对头部，其中一个置于磁盘304之上而另一个置于硬盘之下。因而，硬盘定位在能从硬盘304的两面读写数据的两个头部之间。注意到，本实施例构造为一单个硬盘304，因此只有一个磁头组306。然而，对于硬盘304的层数以及为每个组成的磁盘层提供的磁头对的数目没有限制。
因而，通过使用如图11所示的主轴马达，本实施例的硬盘驱动设备300由于使用了高精度的轴承表面结构而在小且薄的轮廓中提供高的轴承刚度，并且提供了小的轴向转矩损失和较低的动力消耗，而且还降低了制造成本。尽管本发明的这个实施例描述为应用于硬盘驱动设备，但是其还可以应用于具有光学头的、处理CD、DVD等的存储磁盘驱动设备。
另外，尽管前述实施例描述了具有旋转轴型流体动力轴承A以及为该流体动力轴承A提供的主轴马达200的存储磁盘驱动设备300的一个例子，但是本发明的流体动力轴承也可应用于固定轴型主轴马达。
图13示出了用于硬盘驱动设备301的固定轴型主轴马达的主要部件。在下面的描述中，主轴马达具有与主轴马达200以及图11和12所示结构元件相同的结构元件，因此省略对于相同附图标记的描述。如图13所示，流体动力轴承A的轴12被压配合入形成于基部210中的安装孔211。流体动力轴承A的圆柱形壳体10被压配合入形成于转子毂231中的安装孔231a。夹具303借助于中心销305安装在转子毂231的顶面上，并且硬盘304通过夹具303紧固在转子毂231上。这样构成的硬盘驱动设备301如图12所示的硬盘驱动设备300那样操作并且具有相同的效果。注意到，在本实施例中，转子的布置为与图12所示相同的外型，但是内型也是可能的。
实施例1通过车削生产出马氏体不锈钢盘片坯料，其包括(重量百分比)C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe。接着，在两侧和外周边上磨光坯料之后，在坯料的一侧上进行电化学加工以形成动压力轴承表面20，如图2所示，所述动压力轴承表面20包括人字形动压力产生槽21和保留在槽之间的顶面脊部22。于是，就产生了具有动力轴承表面20的端板13。
类似地，车削出前述马氏体不锈钢的管状坯料，然后在两端、外周面和内周面进行磨光。接着，在该坯料的一个侧面上进行电化学加工以形成动压力轴承表面20，如图2所示，所述动压力轴承表面20包括多个人字形动压力槽21和保留在槽之间的顶面脊部22。而且，在管状坯料的部分内周面上进行电化学加工以形成动压力轴承表面11a和11b(参见图1)，其类似地包括多个人字形动压力槽和保留在槽之间的平直顶面脊部。
实施例2根据本发明的第二实施例，首先在与实施例1相同的条件下生产出端板和轴承套筒。然而，在车削之后，在磨光和电化学加工坯料以形成动压力产生槽21之前对坯料进行硬化和退火至HRC58-62的洛氏硬度。
对照例利用上述实施例1所述的工艺，使用含硫易切削合金钢(SUS430F)生产端板和轴承套筒，所述合金钢的成分为(重量百分比)C0.05％或更少；Si1.0％或更少；Mn2.0％或更少，Cr19～21％；Mo1.5～2.5％；P0.05％；S0.1 0％-0.15％；Pb0.1-0.3％；余量为Fe和不可避免的杂质。
评估1.总体观察图5A-5C是示出实施例1、2和对照例的动压力轴承表面的照片。图6A、图7A和图8A是这些动压力产生槽的放大视图。还有，图6B、图7B和图8B是这些动压力表面的斜视图的放大照片。图6、7和8中的照片分别相应于实施例1、2和对照例。
图9A和9B分别是对照例和实施例2中形成于轴承套筒的端面上的动压力轴承表面的顶面脊部的电子照片。
2.动压力槽轮廓利用表面测量设备(Ryoka Systems Inc.制造的表面探索器)，在实施例1、2和对照例的流体动力轴承表面20上与动压力产生槽方向垂直地截取轮廓。结果分别在图4A-4C中示出。
3.在图4A-4C中，测量连接顶面脊部和倾斜壁的角部的圆化尺寸，以及图3B中水平方向(M)和垂直方向(L)上的最大圆化尺寸。
4.表面粗糙度测量顶面脊部的表面粗糙度Ra和动压力槽的底部的表面粗糙度Ra，并且计算动压力产生槽深度的最大和最小值之间的变化。
5.动压力槽等的形状观察动压力槽的形状、角部的形状、以及动压力槽的底部不规则程度。结果在表2中示出。
6.动压力槽的倾斜壁。
计算动压力槽的每个倾斜侧面的平直部分和整个长度之间的比值，即图3A中的B/A(％)。结果在表3中示出。
表2
表3
从图6A和图7A中很明显，在实施例1中，如图6A所示，以及在实施例2中，如图7A所示，根据本发明通过电化学加工形成的动压力槽的底部是平的并且具有几乎无不规则的形状。作为流体轴承设备中润滑油流路的这种底部结构降低了流阻和湍流，从而使得能降低轴向转矩损失和有效地产生动压力。另一方面，图8A(对照例)所示形状中具有显著程度的不规则性，并且在作为流体轴承设备中润滑油的流路时这样将容易导致流阻和产生湍流，并且还倾向于增大轴向转矩损失。
图9A和9B分别是对照例和实施例2的顶面脊部的电子照片。如图9A所示，存在着较大的硫化物夹杂(外径超过10μm)，这会导致留下突起或脱落，在表面上留下凹坑。另一方面，在图9B中只有非常少的小硫化物夹杂(外径小于1μm)，并且基体是非常细的晶粒并且是均匀的以致于不管是尺寸还是形状都毫无问题。这些观察结果与表2所示的动压力槽底面粗糙度的数值相互关联。
从图4中很明显，尽管实施例1和2的动压力槽的底部中都没有不规则性，但是对照例中存在着相当的不规则性。如上所述，润滑油流路中的不规则性易于导致流阻或湍流，并且还会导致轴向转矩损失的增加。而且，在实施例1和2中圆化的角部很小并且形成尖锐边缘，而在对照例中圆化的角部很大。于是，通过利用本发明，动压力槽的平直顶面脊部被形成为使得它们非常接近其最大可能尺寸，如表3所示，同时在脊部和槽之间获得希望的比值。另一方面，在对照例中，顶面脊部的尺寸很小并且于是，脊部和槽之间的比值明显小于希望的数值。因此，可以确定在本发明中获得了具有希望脊部-槽比值的极好动压力槽形状。
如表2所示，顶面脊部的表面粗糙度、角部(边缘)、动压力槽底部的表面粗糙度以及动压力槽深度变化的数值都很小。因此，磨光和电化学加工之后的轴承表面结构就准确且高精度，获得了希望的脊部-槽比值，并且获得了有效地产生动压力的较好流体动力轴承。
实施例3生产出表4所示三种成分的不锈钢盘片并且通过电化学加工生产出人字形动压力槽以制出图2所示的盘片试样。进行动压力槽磨光的对比。为方便起见，表4所示的三种不锈钢称为“DD”、“SF20T”和“DHS-1”。对由DD材料制成的盘片形试样进行硬化、磨光以提高表面粗糙度，并且然后进行电化学加工。对DHS-1和SF20T盘片试样进行研磨然后进行电化学加工。
表4
*无测量值
DD材料是一种马氏体不锈钢，其由于与典型的SUS440C马氏体不锈钢材料相比硫含量很小且共晶碳化物尺寸很小，因此具有改进的易切削性，并且其能通过回火来硬化，并且材料等同于本专利申请以及发明人与本申请相同的日本专利No.3613534的方法权利要求中规定的材料。DHS-1和SF20T是铁素体不锈钢，其与不能通过回火来硬化的典型SUS430F铁素体不锈钢材料相比具有改进的易切削性。为了参考，表4包括了SUS440C材料的化学成分的标准值。
如表4所示，与DHS-1材料和SF20T材料相比，本实施例所用的DD材料具有非常低的硫和铅含量。SF20T材料和DHS-1材料具有大约0.2％的硫含量和大约0.09％的铅含量。相比而言，DD材料具有几乎为零的铅含量和非常低的硫含量(小于SF20T和DHS-1材料的十分之一)。因此，在电化学加工之后实际上没有硫成分从表面上脱落并且几乎没有铅含量的分解，从而使得在表面粗糙度上得到改进。
图14是各种不锈钢表面的x100倍的放大照片。从图14中很明显，DD材料在回火之后具有最高等级的细晶粒金属结构。另一方面，由于SF20T和DHS-1材料不能通过回火来硬化，它们就以原始状态使用。在原始状况下，不能加载磨石和通过磨光而修整，其结果是电化学加工之前的坯料表面不能被磨光，并且不可能在电化学加工之前改善表面粗糙度。
图15A-C示出了形成于盘片形试样上的人字形动压力槽的横截面(轮廓)。图15A示出了由DD材料制成的试样，图15B示出了由SF20T材料制成的试样，图15C示出了由DHS-1材料制成的试样。从图15A-C中能看出，由于在DD材料试样中是在热处理和磨光之后获得极好的表面粗糙度之后进行电化学加工而形成动压力槽，所以与其他试样相比角部的圆化很小，并且确认形成了准确的横截面。另外，限定顶面脊部和槽部形状的曲线与其他试样相比更加平滑，表示最终表面的表面粗糙度非常好。
DD材料中动压力槽形状的圆化很小的原因解释如下(1)因为铅或硫含量极小，形状就不大可能由于铅成分的优先分解或硫成分的突出和脱落而变坏。
(2)由于铅含量极小，就抑制了顶面脊部和底部之间的边界选择性洗提的倾向，使得动压力槽的形状具有很好的精度。
在电化学加工中，直接位于电极工具的导电图案表面之下的洗提区域中的电流密度最大并且恒定。移除试样表面相应于导电图案的所有成分，从而形成动压力槽的底部。在距电极工具的导电图案足够远的未洗提区域中，电流密度接近零并且没有组分的分解，从而在试样表面上留在顶面脊部。在洗提和未洗提区域之间存在着选择性洗提区域，其中电流密度从其最大值降低到零。在选择性洗提区域，具有高电解常量的成分被选择性地洗提。于是，我们观察到底部和顶面脊部之间的边界角部恶化(圆化)的现象。因为DD材料的铅含量实际上为零，这种现象不会出现到其它材料中的那种程度。
图16A-C是示出试样各种动压力槽平面图的电子显微照片。图16A示出了由DD材料制成的试样，图16B示出了由SF20T材料制成的试样，图16C示出了由DHS-1材料制成的试样。这些照片是顶面脊部和底部之间的边界附近(相当于图6中的弯曲V形部分)的表面放大图。在所有这些照片中，动压力槽的底部示出在下面，顶面脊部的表面示出在上面，而弓形边界部分示出在大致中间。DD材料试样的表面没有显示出其它试样中出现的夹杂或凹坑，并且没有观察到边界部分形状的显著恶化。很显然形成了准确成形的动压力槽。
本发明的优点如下(1)由于硫含量很低(0.03％重量或更少)，在电化学加工之后由于硫成分脱落而留下的凹坑或由于硫化物夹杂而留下的突起就很少。
(2)由于铅含量很少(0.001％重量之下)，就能抑制电化学加工期间由于铅含量的优先分解而形成凹坑。
(3)由于上述(1)和(2)而改善了电化学加工过的表面上的表面粗糙度质量。
(4)由于(2)的少量选择性洗提有助于改善动压力槽结构的精度。
(5)通过在电化学加工之前回火和磨光该材料以改善将要被电化学加工的表面上的表面粗糙度，改善了电化学加工之后的表面粗糙度。
为了方便读者，上述描述集中于所有可能实施例的一个代表性例子，该例子教导了本发明的原理并给出了被视为执行本发明的最佳模式。本描述并未试图穷尽地列举所有可能的变化。其它未描述的变化或变型也是可能的。例如，虽然描述了多个可选实施例，但是在很多情况下可以将不同实施例的要素组合起来，或者将这里所述的实施例的要素与其它没有特别描述的变型或变化组合起来。很多未描述的变化、变型和变化都在权利要求的字面范围内，并且其它是等同的。
权利要求
1.一种流体动力轴承，包括轴部件；和轴承套筒部件，所述轴承套筒部件和所述轴部件相对彼此可旋转地支撑；其中至少一个所述部件由包括以下重量百分比成分的钢制成C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe，并且其中所述的至少一个所述部件还包括流体动力轴承表面，该流体动力轴承表面具有多个电化学加工出的流体动压力产生槽，并且在所述槽之间存在着升高的顶面脊部。
2.根据权利要求1的流体动力轴承，其中所述钢是不锈钢。
3.根据权利要求1的流体动力轴承，其中在所述流体动压力产生槽的电化学加工之前，对所述钢进行热处理。
4.根据权利要求3的流体动力轴承，其中在所述流体动压力产生槽的电化学加工之前，对所述钢进行磨光。
5.根据权利要求1的流体动力轴承，其中在垂直的横截面上看，所述流体动力轴承表面还包括基本上平直的顶面脊部、基本上平直的倾斜壁和底部。
6.根据权利要求5的流体动力轴承，其中所述基本上平直的顶面脊部通过基本上弓形的部分连接至所述基本上平直的倾斜壁，并且其中每个所述基本上弓形的部分在与所述基本上平直的顶面脊部平行的方向上的长度为20μm或更小，并且每个所述基本上弓形的部分在与所述基本上平直的倾斜壁平行的方向上的长度为1.0μm或更小。
7.根据权利要求5的流体动力轴承，其中每个所述基本上平直的倾斜壁具有一个长度，所述长度为一个与所述基本上平直的倾斜壁相切的线段长度的75％-90％，该线段由与所述基本上平直的顶面脊部相切的直线以及与相应槽的最低点相切的直线所切割。
8.根据权利要求1的流体动力轴承，其中所述升高的顶面脊部的表面粗糙度为Ra 0.1μm或更小。
9.根据权利要求1的流体动力轴承，其中所述压力产生槽的深度变化为0.4μm或更小。
10.根据权利要求1的流体动力轴承，其中所述钢还包括重量百分比为0.001％或更少的Pb，作为不可避免的杂质。
11.一种具有流体动力轴承的主轴马达，所述主轴马达包括马达基部；固定地紧固至所述马达基部的轴承套筒；紧固至所述马达基部的定子；旋转轴，所述旋转轴相对于所述轴承套筒可旋转地支撑；安装在所述旋转轴上的转子毂；和紧固至所述转子毂的转子磁体，所述转子磁体与所述定子一起产生旋转磁场；其中所述旋转轴和所述轴承套筒中的至少一个由包括以下重量百分比成分的钢制成C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe，并且其中所述旋转轴和所述轴承套筒中的所述至少一个还包括流体动力轴承表面，该流体动力轴承表面具有多个电化学加工出的流体动压力产生槽，并且在所述槽之间存在着升高的顶面脊部。
12.根据权利要求11的主轴马达，其中所述钢是不锈钢。
13.根据权利要求11的主轴马达，其中在所述流体动压力产生槽的电化学加工之前，对所述钢进行热处理。
14.根据权利要求13的主轴马达，其中在所述流体动压力产生槽的电化学加工之前，对所述钢进行磨光。
15.根据权利要求11的主轴马达，其中在垂直的横截面上看，所述流体动力轴承表面还包括基本上平直的顶面脊部、基本上平直的倾斜壁和底部。
16.根据权利要求15的主轴马达，其中所述基本上平直的顶面脊部通过基本上弓形的部分连接至所述基本上平直的倾斜壁，并且其中与所述基本上平直的倾斜壁相切的线段由与所述基本上平直的顶面脊部相切的直线以及与相应槽的最低点相切的直线所切割。
17.根据权利要求15的主轴马达，其中每个所述基本上平直的倾斜壁具有一个长度，所述长度为一个与所述基本上平直的倾斜壁相切的线段长度的75％-90％，该线段由与所述基本上平直的顶面脊部相切的直线以及与相应槽的最低点相切的直线所切割。
18.根据权利要求11的主轴马达，其中所述升高的顶面脊部的表面粗糙度为Ra 0.1μm或更小。
19.根据权利要求11的主轴马达，其中所述动压力产生槽的深度变化为0.4μm或更小。
20.根据权利要求11的主轴马达，其中所述钢还包括重量百分比为0.001％或更少的Pb，作为不可避免的杂质。
21.一种具有流体动力轴承的主轴马达，所述主轴马达包括马达基部；安装在所述马达基部上的固定轴；紧固至所述马达基部的定子；旋转轴承套筒，所述旋转轴承套筒相对于所述固定轴可旋转地支撑；安装在所述旋转轴承套筒上的转子毂；和紧固至所述转子毂的转子磁体，所述转子磁体与所述定子一起产生旋转磁场，其中所述固定轴和所述旋转轴承套筒中的至少一个由包括以下重量百分比成分的钢制成C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe，并且其中所述固定轴和所述旋转轴承套筒中的所述至少一个还包括流体动力轴承表面，该流体动力轴承表面具有多个电化学加工出的流体动压力产生槽，并且在所述槽之间存在着升高的顶面脊部。
22.根据权利要求21的主轴马达，其中所述钢是不锈钢。
23.根据权利要求21的主轴马达，其中在所述流体动压力产生槽的电化学加工之前，对所述钢进行热处理。
24.根据权利要求23的主轴马达，其中在所述流体动压力产生槽的电化学加工之前，对所述钢进行磨光。
25.根据权利要求21的主轴马达，其中在垂直的横截面上看，所述流体动力轴承表面还包括基本上平直的顶面脊部、基本上平直的倾斜壁和底部。
26.根据权利要求25的主轴马达，其中所述基本上平直的顶面脊部通过基本上弓形的部分连接至所述基本上平直的倾斜壁，并且其中与所述基本上平直的倾斜壁相切的线段由与所述基本上平直的顶面脊部相切的直线以及与相应槽的最低点相切的直线所切割。
27.根据权利要求25的主轴马达，其中每个所述基本上平直的倾斜壁具有一个长度，所述长度为与所述基本上平直的倾斜壁相切的线段长度的75％-90％，该线段由与所述基本上平直的顶面脊部相切的直线以及与相应槽的最低点相切的直线所切割。
28.根据权利要求21的主轴马达，其中所述升高的顶面脊部的表面粗糙度为Ra 0.1μm或更小。
29.根据权利要求21的主轴马达，其中所述压力产生槽的深度变化为0.4μm或更小。
30.根据权利要求21的主轴马达，其中所述钢还包括重量百分比为0.001％或更少的Pb，作为不可避免的杂质。
31.一种磁盘驱动存储设备，包括具有流体动力轴承的主轴马达，所述主轴马达包括马达基部；安装在所述马达基部上的固定轴；紧固至所述马达基部的定子；旋转轴承套筒，所述旋转轴承套筒相对于所述固定轴可旋转地支撑；安装在所述旋转轴承套筒上的转子毂；和紧固至所述转子毂的转子磁体，所述转子磁体与所述定子一起产生旋转磁场；安装来在所述主轴马达的所述转子毂上旋转的储存磁盘；和在所述存储磁盘上进行读/写操作的数据头，其中所述固定轴和所述旋转轴承套筒中的至少一个由包括以下重量百分比成分的钢制成C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe，并且其中所述固定轴和所述旋转轴承套筒中的所述至少一个还包括流体动力轴承表面，该流体动力轴承表面具有多个电化学加工出的流体动压力产生槽，并且在所述槽之间存在着升高的顶面脊部。
32.一种磁盘驱动存储设备，包括具有流体动力轴承的主轴马达，所述主轴马达包括马达基部；固定地紧固至所述马达基部的轴承套筒；紧固至所述马达基部的定子；旋转轴，所述旋转轴相对于所述轴承套筒可旋转地支撑；安装在所述旋转轴上的转子毂；和紧固至所述转子毂的转子磁体，所述转子磁体与所述定子一起产生旋转磁场，安装来在所述主轴马达的所述转子毂上旋转的储存磁盘；和在所述存储磁盘上进行读/写操作的数据头，其中所述旋转轴和所述轴承套筒中的至少一个由包括以下重量百分比成分的钢制成C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe，并且其中所述旋转轴和所述轴承套筒中的所述至少一个还包括流体动力轴承表面，该流体动力轴承表面具有多个电化学加工出的流体动压力产生槽，并且在所述槽之间存在着升高的顶面脊部。
33.根据权利要求1的流体动力轴承，还包括封闭所述轴承套筒部件的端板，所述端板具有流体动力轴承表面，所述流体动力轴承表面具有多个电化学加工出的流体动压力产生槽，并且所述槽之间具有升高的顶面脊部。
34.根据权利要求33的流体动力轴承，其中所述端板由包括以下重量百分比成分的钢制成C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe，
35.根据权利要求34的流体动力轴承，其中所述钢还包括重量百分比为0.001％或更少的Pb，作为不可避免的杂质。
36.根据权利要求11的主轴马达，还包括封闭所述轴承套筒部件的端板，所述端板具有流体动力轴承表面，所述流体动力轴承表面具有多个电化学加工出的流体动压力产生槽，并且所述槽之间具有升高的顶面脊部。
37.根据权利要求36的主轴马达，其中所述端板由包括以下重量百分比成分的钢制成C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe，
38.根据权利要求37的主轴马达，其中所述钢还包括重量百分比为0.001％或更少的Pb，作为不可避免的杂质。
39.根据权利要求21的主轴马达，还包括封闭所述轴承套筒部件的端板，所述端板具有流体动力轴承表面，所述流体动力轴承表面具有多个电化学加工出的流体动压力产生槽，并且所述槽之间具有升高的顶面脊部。
40.根据权利要求39的主轴马达，其中所述端板由包括以下重量百分比成分的钢制成C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe，
41.根据权利要求40的主轴马达，其中所述钢还包括重量百分比为0.001％或更少的Pb，作为不可避免的杂质。
42.根据权利要求31的磁盘驱动存储设备，其中所述钢是不锈钢。
43.根据权利要求31的磁盘驱动存储设备，其中在所述流体动压力产生槽的电化学加工之前，对所述钢进行热处理。
44.根据权利要求43的磁盘驱动存储设备，其中在所述流体动压力产生槽的电化学加工之前，对所述钢进行磨光。
45.根据权利要求31的磁盘驱动存储设备，其中在垂直的横截面上看，所述流体动力轴承表面还包括基本上平直的顶面脊部、基本上平直的倾斜壁和底部。
46.根据权利要求45的磁盘驱动存储设备，其中所述基本上平直的顶面脊部通过基本上弓形的部分连接至所述基本上平直的倾斜壁，并且其中与所述基本上平直的倾斜壁相切的线段由与所述基本上平直的顶面脊部相切的直线以及与相应槽的最低点相切的直线所切割。
47.根据权利要求45的磁盘驱动存储设备，其中每个所述基本上平直的倾斜壁具有一个长度，所述长度为与所述基本上平直的倾斜壁相切的线段长度的75％-90％，该线段由与所述基本上平直的顶面脊部相切的直线以及与相应槽的最低点相切的直线所切割。
48.根据权利要求31的磁盘驱动存储设备，其中所述升高的顶面脊部的表面粗糙度为Ra 0.1μm或更小。
49.根据权利要求31的磁盘驱动存储设备，其中所述压力产生槽的深度变化为0.4μm或更小。
50.根据权利要求31的磁盘驱动存储设备，其中所述钢还包括重量百分比为0.001％或更少的Pb，作为不可避免的杂质。
51.根据权利要求31的磁盘驱动存储设备，其中所述主轴马达还包括封闭所述轴承套筒部件的端板，所述端板具有流体动力轴承表面，所述流体动力轴承表面具有多个电化学加工出的流体动压力产生槽，并且所述槽之间具有升高的顶面脊部。
52.根据权利要求51的磁盘驱动存储设备，其中所述端板由包括以下重量百分比成分的钢制成C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe，
53.根据权利要求52的磁盘驱动存储设备，其中所述钢还包括重量百分比为0.001％或更少的Pb，作为不可避免的杂质。
54.根据权利要求32的磁盘驱动存储设备，其中所述钢是不锈钢。
55.根据权利要求32的磁盘驱动存储设备，其中在所述流体动压力产生槽的电化学加工之前，对所述钢进行热处理。
56.根据权利要求55的磁盘驱动存储设备，其中在所述流体动压力产生槽的电化学加工之前，对所述钢进行磨光。
57.根据权利要求32的磁盘驱动存储设备，其中在垂直的横截面上看，所述流体动力轴承表面还包括基本上平直的顶面脊部、基本上平直的倾斜壁和底部。
58.根据权利要求57的磁盘驱动存储设备，其中所述基本上平直的顶面脊部通过基本上弓形的部分连接至所述基本上平直的倾斜壁，并且其中与所述基本上平直的倾斜壁相切的线段由与所述基本上平直的顶面脊部相切的直线以及与相应槽的最低点相切的直线所切割。
59.根据权利要求57的磁盘驱动存储设备，其中每个所述基本上平直的倾斜壁具有一个长度，所述长度为与所述基本上平直的倾斜壁相切的线段长度的75％-90％，该线段由与所述基本上平直的顶面脊部相切的直线以及与相应槽的最低点相切的直线所切割。
60.根据权利要求32的磁盘驱动存储设备，其中所述升高的顶面脊部的表面粗糙度为Ra 0.1μm或更小。
61.根据权利要求32的磁盘驱动存储设备，其中所述压力产生槽的深度变化为0.4μm或更小。
62.根据权利要求32的磁盘驱动存储设备，其中所述钢还包括重量百分比为0.001％或更少的Pb，作为不可避免的杂质。
63.根据权利要求32的磁盘驱动存储设备，其中所述主轴马达还包括封闭所述轴承套筒部件的端板，所述端板具有流体动力轴承表面，所述流体动力轴承表面具有多个电化学加工出的流体动压力产生槽，并且所述槽之间具有升高的顶面脊部。
64.根据权利要求63的磁盘驱动存储设备，其中所述端板由包括以下重量百分比成分的钢制成C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe，
65.根据权利要求64的磁盘驱动存储设备，其中所述钢还包括重量百分比为0.001％或更少的Pb，作为不可避免的杂质。
66.一种制造具有轴部件和轴承套筒部件的流体动力轴承的方法，所述方法包括步骤用钢形成所述流体动力轴承的至少一个部件，所述钢按重量百分比包括C0.6-1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5-18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe，所述钢还具有直径为10μm或更小的共晶碳颗粒；通过回火和退火来热处理所述至少一个部件；磨光所述热处理过的部件；和电化学加工所述热处理过和磨光过的部件以形成多个流体动压力产生槽，并且所述槽之间具有升高的顶面脊部。
67.根据权利要求66的制造流体动力轴承的方法，其中所述钢还包括重量百分比为0.001％或更少的Pb，作为不可避免的杂质。
全文摘要
一种流动动力轴承具有相对彼此可旋转地支撑的轴和轴承套筒。轴和轴承套筒中的至少一个由包括以下重量百分比成分的钢或不锈钢制成C0.6－1.20％；Si1.0％或更少；Mn1.0％或更少；Cr10.5－18.0％；Mo1.0％或更少；S0.03％或更少；和Fe。动压力轴承表面由位于通过电化学加工形成的多个动压力槽之间的脊部构成。
文档编号G11B17/02GK1957408SQ200580016141
公开日2007年5月2日 申请日期2005年5月13日 优先权日2004年5月20日
发明者小原陆郎, 吉川浩 申请人:美蓓亚株式会社