專利名稱：磁盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)，更具體地，本發(fā)明涉及用于磁盤驅(qū)動(dòng)器的帶有軸承的主軸馬達(dá)，該軸承使用空氣動(dòng)壓力以非接觸的方式在軸向和徑向兩個(gè)方向上支承一轉(zhuǎn)動(dòng)體。
背景技術(shù)：
主軸馬達(dá)被廣泛地應(yīng)用于激光打印機(jī)的激光掃描器、硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDDs)、便攜式光盤驅(qū)動(dòng)器(CDs)或數(shù)字式多用盤(DVDs)，中作為其中的馬達(dá)。硬盤驅(qū)動(dòng)器是計(jì)算機(jī)中的一個(gè)輔助存儲(chǔ)裝置，它使用一個(gè)磁頭復(fù)制了存儲(chǔ)在磁盤上的信息，或者將信息記錄在磁盤上。硬盤驅(qū)動(dòng)器技術(shù)一直在發(fā)展，以適應(yīng)更高速、更大容量和更小振動(dòng)等最新的要求。為了滿足這些要求，各種研究和發(fā)展目前正在進(jìn)行中，特別是為了實(shí)現(xiàn)高速和低振動(dòng)，在以非接觸方式支承主軸馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)體的流體動(dòng)力軸承方面進(jìn)行了廣泛的研究。此外，對(duì)于移動(dòng)式和超高速硬盤驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用場合，如何選用一種流體動(dòng)力軸承，它能夠減小摩擦力和啟動(dòng)力矩、以及軸承性能相對(duì)于溫度的變化減至最小，在這方面也進(jìn)行了廣泛的研究。
軸承裝置通常包括一個(gè)承受徑向載荷的徑向軸承和一個(gè)承受軸向載荷的推力軸承。為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)體的振動(dòng)，徑向軸承和推力軸承之間的相對(duì)位置是很重要的。也就是說，當(dāng)徑向軸承和推力軸承相互分隔開時(shí)，這兩個(gè)軸承之間的相對(duì)位置需設(shè)置在一個(gè)合乎要求的限度內(nèi)。
圖1表示了一個(gè)采用動(dòng)壓軸承的傳統(tǒng)的主軸馬達(dá)。參見圖1，主軸馬達(dá)包括底座11和套筒13。軸15固定在底座11的中央。軸15所插入的一個(gè)中心孔成形在套筒13中。在底座11上設(shè)有用來產(chǎn)生電磁力的線圈12。在套筒13上設(shè)有與線圈12相對(duì)應(yīng)的永磁體14。在軸15的環(huán)形外周面和套筒13的環(huán)形內(nèi)周面之間形成了一個(gè)軸承間隙。軸承間隙中充滿了流體，例如潤滑劑或者油脂。
多個(gè)槽20以人字形方式成形在套筒13的內(nèi)周面上。在套筒13轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，槽20產(chǎn)生出流體動(dòng)壓力以便在軸15的徑向上支承著套筒13。槽20成形在套筒13內(nèi)周面的上部和下部。
盡管在圖中沒有示出，多個(gè)槽成形在套筒13的環(huán)形內(nèi)周面上，面對(duì)著軸15上部的凸緣25的上表面和下表面。在套筒13轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這些槽也通過產(chǎn)生出流體動(dòng)壓力而在軸15的軸向上支承著套筒13。
當(dāng)主軸馬達(dá)應(yīng)用于硬盤驅(qū)動(dòng)器時(shí)，由于為了防止軸承中所用的流體產(chǎn)生泄漏而進(jìn)行的密封設(shè)計(jì)使得硬盤驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。而且，由于粘滯摩擦力所造成的摩擦損失也增加了動(dòng)力消耗和啟動(dòng)力矩。此外，由于流體動(dòng)力軸承中使用的流體的黏度因受熱而有很大的變化，所以軸承的性能也隨著熱量而有很大改變，這使得硬盤驅(qū)動(dòng)器的性能隨著熱量而變得不穩(wěn)定。實(shí)際上，硬盤驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量可以使硬盤驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部溫度從室溫上升到80℃。反之，在低溫時(shí)，由于流體黏度的增加，難以產(chǎn)生出馬達(dá)所需的啟動(dòng)扭矩，結(jié)果馬達(dá)可能不能啟動(dòng)。
主軸馬達(dá)使用徑向軸承和推力軸承以分別承受徑向的和軸向的載荷。在這種情況下，為了高精度地轉(zhuǎn)動(dòng)，徑向軸承和推力軸承之間的相對(duì)位置需要精確地加以設(shè)定。然而，這種設(shè)定需要大量的時(shí)間進(jìn)行加工和裝配，因而降低了生產(chǎn)率。
圖2表示了一種能夠解決上述問題的軸承結(jié)構(gòu)。圖3是圖2軸承結(jié)構(gòu)的分解圖。圖4A至圖4C表示了圖2軸承結(jié)構(gòu)的裝配過程。
參見圖2，該軸承結(jié)構(gòu)包括一個(gè)帶有上下錐形軸30a，30b的旋轉(zhuǎn)軸30，以及包圍著旋轉(zhuǎn)軸30的側(cè)面和底面的套筒32a，32b。旋轉(zhuǎn)軸30的截面直徑從旋轉(zhuǎn)軸30的中部沿著長度方向朝著其相反的兩端而逐漸增大。上述構(gòu)造的軸承結(jié)構(gòu)具有能夠同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷的優(yōu)點(diǎn)。然而，如圖3所示，為了裝配上述的軸承結(jié)構(gòu)，需要將套筒32加工成至少兩部分32a，32b；旋轉(zhuǎn)軸30也必須至少分成兩部分30a，30b。如圖4A至4C所示，在組裝過程中，由于組裝過程需要至少三個(gè)步驟，所以這種軸承結(jié)構(gòu)的加工和組裝都存在許多問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的和/或其它的問題，本發(fā)明提供了一種用于磁盤驅(qū)動(dòng)器的帶有軸承的主軸馬達(dá)，其軸承通過使用空氣動(dòng)壓力而能夠以非接觸方式在軸向和徑向上同時(shí)支承著一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于磁盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)包括一個(gè)底座，一個(gè)固定在底座上并且具有中空部分的套筒，以及一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在套筒的中空部分中的主軸，主軸具有這樣的形狀，即它的直徑從主軸的中部沿著長度方向朝著其兩端逐漸減小。
主軸通過連接帶有錐形斜面的第一和第二錐形軸所構(gòu)成；主軸也可以整體成形。
套筒由第一套筒和第二套筒所構(gòu)成；第一套筒中的第一中空部分的形狀與第一錐形軸的形狀對(duì)應(yīng)，第二套筒中的第二中空部分的形狀與第二錐形軸的形狀相對(duì)應(yīng)。
在主軸外周面和套筒內(nèi)周面之間形成的軸承間隙中充滿空氣。
多個(gè)槽以人字形的形式成形在主軸的外周面上或者套筒的內(nèi)周面上。每個(gè)槽的截面形狀是矩形。每個(gè)槽的截面形狀也可以是錐-平(taper-flat)形，從而其一個(gè)側(cè)面從下表面部分開始傾斜。
套筒由氧化鋁或氧化鋯等陶瓷所制成。
主軸由氧化鋁或氧化鋯等陶瓷所制成。


通過下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，其中圖1表示了傳統(tǒng)的用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)；圖2表示了傳統(tǒng)的軸承結(jié)構(gòu)；圖3是傳統(tǒng)軸承結(jié)構(gòu)的分解圖；圖4A至圖4C表示了圖2軸承結(jié)構(gòu)的組裝過程；圖5是表示按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)；圖6A和圖6B分別是一個(gè)視圖和一個(gè)曲線圖，表示了根據(jù)主軸外周面傾斜角的變化而產(chǎn)生的空氣動(dòng)力軸承徑向和軸向的承載能力方面的變化；圖7是截面圖，表示了成形在主軸外周面上的槽；圖8是截面圖，表示了成形在套筒內(nèi)周面上的槽；
圖9是截面圖，表示了成形在主軸外周面上的具有不同截面形狀的槽；圖10是圖9中的局部區(qū)域A的放大的截面圖；圖11是截面圖，表示了成形在套筒內(nèi)周面上的具有不同形狀的槽；；圖12A和圖12B是曲線圖，表示了空氣動(dòng)力軸承的槽分別具有矩形截面和錐-平形截面時(shí)在承載能力方面的比較結(jié)果；圖13是曲線圖，表示了空氣動(dòng)力軸承的槽分別具有矩形截面和錐-平形截面時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)速而在剛性方面的比較結(jié)果；圖14是圖5所示的用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)的分解圖；以及圖15A和圖15B表示了圖5中的用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)其中的套筒和主軸的組裝步驟。
具體實(shí)施例方式
在說明書的下文中，相同的參考標(biāo)記表示相同的結(jié)構(gòu)元件。參見圖5，按照本發(fā)明實(shí)施例的用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)包括底座100，套筒102和主軸110。具有鐵芯和線圈的定子104設(shè)在底座100的兩側(cè)。套筒102固定地安裝在底座100上，主軸110插入其中的中心孔部分202成形在套筒102的中央部分。套筒102包括第一套筒102a和第二套筒102b，它們?cè)诖怪狈较蛏线B接到一起。套筒102最好由陶瓷制成以進(jìn)行支承，例如，采用呈現(xiàn)出高耐磨性和耐沖擊性的氧化鋁、氧化鋯。
主軸110轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在套筒102的中心孔部分202中，并且具有這樣的形狀，即它的直徑從主軸110的中部沿著長度方向朝著其兩端逐漸減小。主軸110包括在垂直方向上連接到一起的、具有錐形斜面的第一錐形軸110a和第二錐形軸110b。主軸110也可以整體成形。主軸110也最好由陶瓷制成以進(jìn)行支承，例如，采用呈現(xiàn)出高耐磨性和耐沖擊性的氧化鋁、氧化鋯。其形狀與第一錐形軸110a的形狀相一致的第一中心孔部分202a成形在第一套筒102a的中央部分；其形狀與第二錐形軸110b的形狀相一致的第二中心孔202b部分成形在第二套筒102b的中央部分。
在主軸110的外周面與套筒102的內(nèi)周面之間形成一個(gè)軸承間隙，以防止主軸110在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與套筒102產(chǎn)生摩擦。軸承間隙中充滿了潤滑流體。軸承間隙的尺寸為1-2μm。潤滑流體使主軸110與套筒102隔開，這樣主軸110就可以與套筒102不接觸地進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，就不會(huì)產(chǎn)生對(duì)硬盤的記錄和復(fù)制有著不良作用的“不可重復(fù)偏離(NRRO)”。在這個(gè)實(shí)施例中，使用空氣作為潤滑流體，它可以減小摩擦損失和啟動(dòng)扭矩，并且可以使相對(duì)于溫度的軸承性能變化降至最小。
這樣，由于主軸110具有這樣的形狀，即它的直徑從主軸110的中部沿著長度方向朝著其兩端逐漸減小，于是由主軸110和套筒102所構(gòu)成的空氣動(dòng)壓軸承就可以同時(shí)承受徑向的和軸向的載荷。圖6A和圖6B表示了按照本發(fā)明實(shí)施例的、用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)中的主軸110，因其外周表面傾斜角θ的變化所引起的空氣動(dòng)力軸承承載能力在軸向和徑向的變化。
一個(gè)安置磁盤的轂盤120連接至主軸110的上端。帶有永磁體和軛架的轉(zhuǎn)子122設(shè)置在轂盤120下端的兩側(cè)，以便對(duì)應(yīng)著定子104。定子104和轉(zhuǎn)子102通過兩者間的相互作用而產(chǎn)生出電磁力，以轉(zhuǎn)動(dòng)主軸110。
用于產(chǎn)生空氣動(dòng)壓力的多個(gè)槽130以人字形方式成形在主軸110的外周面上。圖7表示了成形在主軸110外周面上的槽130的截面形式。參見圖7，每個(gè)槽130的截面是矩形。當(dāng)成形在主軸110的外周面上的槽130是人字形時(shí)，由于潤滑流體的泵吸作用，在高速的工作范圍內(nèi)就可以獲得高剛性和大承載能力，還可以獲得轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性。如圖8所示，人字形的槽130也可以成形在套筒102的內(nèi)周面上。
圖9表示的槽具有與圖7中的槽130不同的截面形狀，這些槽也成形在主軸的外周面上。圖10是圖9中的局部區(qū)域A的放大的截面圖。參見圖9和圖10，多個(gè)槽230成形為錐-平的截面形狀，其中，每個(gè)槽230的截面具有一個(gè)傾斜部分230b，它從將要傾斜的底部230a處開始延伸。當(dāng)槽230成形為錐-平截面形狀時(shí)，流體的泵吸作用不僅僅可以通過人字形槽230而獲得，也可以通過槽230的傾斜部分230b的楔形作用而獲得。因此，從低速到高速的整個(gè)工作范圍內(nèi)都可以獲得高剛性和大承載能力，還可以獲得很高的轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性。如圖11所示，錐-平截面形狀的槽230也可以成形在套筒102的內(nèi)周面上。
圖12A和圖12B是曲線圖，分別表示了矩形截面和錐-平截面的空氣動(dòng)力軸承的承載能力與偏心度之間的關(guān)系。這些結(jié)果是通過計(jì)算雷諾方程而獲得的，所說的雷諾方程是針對(duì)每個(gè)軸承的以有限差分法(FDM)進(jìn)行的潤滑方程。在圖12A中，轉(zhuǎn)速是10,000轉(zhuǎn)/分，軸承間隙是2μm；而在圖12B中，轉(zhuǎn)速是15,000轉(zhuǎn)/分，軸承間隙是1μm。參見圖12A和圖12B，在不超過15,000轉(zhuǎn)/分的整個(gè)區(qū)域內(nèi)，帶有錐-平截面形狀的空氣動(dòng)力軸承具有較大的承載能力，而15,000轉(zhuǎn)/分則是典型的硬盤驅(qū)動(dòng)器的工作范圍。
圖13是曲線圖，表示了分別具有矩形截面和錐-平截面的空氣動(dòng)力軸承其剛性隨轉(zhuǎn)速而變化的比較結(jié)果。這些結(jié)果是通過計(jì)算雷諾方程而獲得的，所說的雷諾方程是針對(duì)每個(gè)軸承的以有限差分法(FDM)進(jìn)行的潤滑方程。這里的軸承間隙是1μm。參見圖13，具有錐-平截面的空氣動(dòng)力軸承呈現(xiàn)出更高的剛性。
表1表示了傳統(tǒng)的流體動(dòng)力軸承和本發(fā)明的帶有錐-平截面的空氣動(dòng)力軸承其徑向剛性隨工作溫度而變化的情形。表2表示了傳統(tǒng)的流體動(dòng)力軸承和本發(fā)明的帶有錐-平截面的空氣動(dòng)力軸承其摩擦損失隨工作溫度而變化的情形。表1和表2都是雷諾方程的計(jì)算結(jié)果，所說的雷諾方程是針對(duì)每個(gè)軸承的以有限差分法(FDM)進(jìn)行的潤滑方程。
表1

表2

首先，參見表1，隨著工作溫度從20℃上升到60℃，傳統(tǒng)流體動(dòng)力軸承的剛性降低了67.8％；而本發(fā)明的空氣動(dòng)力軸承的剛性則增加了11.6％。因此，由于本發(fā)明的空氣動(dòng)力軸承的剛性表現(xiàn)出隨溫度的較小變化，所以馬達(dá)的固有頻率隨溫度的變化也很小。因此，與采用傳統(tǒng)流體動(dòng)力軸承的主軸馬達(dá)相比，采用本發(fā)明空氣動(dòng)力軸承的主軸馬達(dá)于工作溫度變化時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)精度方面表現(xiàn)出極高的可靠性。
然后，參見表2，在20℃時(shí)本發(fā)明空氣動(dòng)力軸承的摩擦損失是傳統(tǒng)流體動(dòng)力軸承摩擦損失的0.252％；在60℃時(shí)本發(fā)明空氣動(dòng)力軸承的摩擦損失是傳統(tǒng)流體動(dòng)力軸承摩擦損失的0.810％。因此，由于本發(fā)明空氣動(dòng)力軸承的摩擦損失大大低于傳統(tǒng)流體動(dòng)力軸承的摩擦損失，因而也就極大地減小了功率損耗和啟動(dòng)扭矩。
圖14是分解圖，表示了圖5的用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)中的套筒和主軸。參見圖14，主軸110包括帶有錐形斜面的第一和第二錐形軸110a，110b，它們上下連接到一起。主軸110也可以整體地成形和加工。第一和第二套筒102a和102b相對(duì)主軸110上下組裝。在第一套筒102a中成形有其形狀與第一錐形軸110a相同的第一中空部202a；在第二套筒102b中成形有其形狀與第二錐形軸110b相同的第二中空部202b；于是，在本發(fā)明實(shí)施例的用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)中，套筒102可以包括至少兩個(gè)部件，而主軸可以包括至少一個(gè)部件。
圖15A和圖15B表示了圖5的用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)中的套筒和主軸的組裝步驟。為了組裝主軸110和套筒102，首先，如圖15A所示，沿著圖中箭頭所示的方向，將主軸110的第一錐形軸110a插入到設(shè)有第一中空部分202a的第一套筒102a中；然后，如圖15B所示，沿著箭頭所示的方向?qū)⒌诙淄?02b組裝到第一套筒102a上，從而使主軸110的第二錐形軸110b插入到第二中空部分202b中。這樣，在本發(fā)明實(shí)施例的用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)中，最多用兩個(gè)組裝步驟就可以安裝好主軸110和套筒102。
如上所述，本發(fā)明實(shí)施例的用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)有以下優(yōu)點(diǎn)；首先，由于主軸具有這樣的形狀，即它的直徑從主軸110的中部沿著長度方向朝著其兩端逐漸減小，因此，由主軸和套筒所構(gòu)成的軸承可以同時(shí)承受徑向的和軸向的載荷；第二，由于使用了空氣動(dòng)力軸承，就可以減小摩擦損失和啟動(dòng)扭矩。而且也可以使隨著溫度而發(fā)生的軸承性能的變化減至最小；第三，由于多個(gè)人字形的槽成形在主軸的外周面上，因此在從低速到高速的整個(gè)工作范圍內(nèi)都可以獲得高剛性和大承載能力，而且還可以獲得很高的轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性；第四，由于主軸可以整體成形，這就改善了加工和裝配性能。
盡管前面結(jié)合較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了特定的表示和描述，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員都將能夠理解，在由權(quán)利要求書所確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以作出形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種用于磁盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)，它包括一底座；一固定在底座上并且具有中空部分的套筒；以及一可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在套筒的中空部分中的主軸，主軸具有這樣的形狀，即它的直徑從主軸的中部沿著長度方向朝著其兩端逐漸減小。
2.如權(quán)利要求1所述的主軸馬達(dá)，其中主軸通過連接帶有錐形斜面的第一和第二錐形軸所構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的主軸馬達(dá)，其中主軸整體成形。
4.如權(quán)利要求2所述的主軸馬達(dá)，其中套筒包括第一套筒和第二套筒；第一套筒中的第一中空部分的形狀與第一錐形軸的形狀相對(duì)應(yīng)，第二套筒中的第二中空部分的形狀與第二錐形軸的形狀相對(duì)應(yīng)。
5.如權(quán)利要求1所述的主軸馬達(dá)，其中在主軸外周面和套筒內(nèi)周面之間形成的支承間隙中充填空氣。
6.如權(quán)利要求1所述的主軸馬達(dá)，其中多個(gè)槽以人字形的形式成形在主軸的外周面上或者套筒的內(nèi)周面上。
7.如權(quán)利要求6所述的主軸馬達(dá)，其中每個(gè)槽的截面形狀是矩形。
8.如權(quán)利要求6所述的主軸馬達(dá)，其中每個(gè)槽的截面形狀是錐-平形，從而其一個(gè)側(cè)面從下表面部分傾斜。
9.如權(quán)利要求1所述的主軸馬達(dá)，其中套筒由陶瓷所制成。
10.如權(quán)利要求9所述的主軸馬達(dá)，其中陶瓷是氧化鋁或氧化鋯。
11.如權(quán)利要求1所述的主軸馬達(dá)，其中主軸由陶瓷所制成。
12.如權(quán)利要求11所述的主軸馬達(dá)，其中陶瓷是氧化鋁或氧化鋯。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于磁盤驅(qū)動(dòng)器的主軸馬達(dá)，包括一個(gè)底座，一個(gè)固定在底座上并且具有中空部分的套筒，以及一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在套筒的中空部分中的主軸，主軸具有這樣的形狀，即它的直徑從主軸的中部沿著長度方向朝著其兩端逐漸減小。
文檔編號(hào)F16C17/00GK1641974SQ20041004926
公開日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2004年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月14日
發(fā)明者柳震奎 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社