專利名稱：納米級(jí)加工電極和工件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米級(jí)加工電極和諸如磁盤驅(qū)動(dòng)器推力和軸頸電動(dòng)機(jī)等工件。
背景技術(shù)：
在大多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，具有可磁化介質(zhì)的磁盤被用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。當(dāng)前的磁硬盤驅(qū)動(dòng)器使用僅在磁盤表面上方幾納米的讀-寫頭、并以通常為每秒幾米的相當(dāng)高的速度來工作。
通常，磁盤被安裝在通過主軸電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的主軸上，以在讀/寫頭下移過磁盤表面。主軸電動(dòng)機(jī)通常包括固定到底板的軸和連接到主軸、并具有其中插入該軸的軸套的輪轂。連接到輪轂的永久磁鐵與底板上的定子繞組相互作用，以使輪轂相對(duì)于軸旋轉(zhuǎn)。為了便于旋轉(zhuǎn)，通常在輪轂與軸之間設(shè)置一個(gè)或多個(gè)軸承。另一設(shè)計(jì)使用了旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)造。此處，軸套被連接到底板。
圖1示出了一磁盤驅(qū)動(dòng)器的示意圖，其中具有通過本發(fā)明的方法和裝置制造的流體動(dòng)力軸承的主軸電動(dòng)機(jī)對(duì)于該磁盤驅(qū)動(dòng)器特別有用。參看圖1，磁盤驅(qū)動(dòng)器100通常包括具有通過密封件120與蓋子115密封的底座110的外殼105。磁盤驅(qū)動(dòng)器100具有主軸130，其中具有覆蓋有用于磁性地存儲(chǔ)信息的磁性介質(zhì)(未示出)的表面140的多個(gè)磁盤135被連接到該主軸130。主軸電動(dòng)機(jī)(未在此圖中示出)旋轉(zhuǎn)磁盤135使其通過讀/寫頭，該讀/寫頭通過懸臂組件150懸掛于磁盤表面140之上。在工作中，主軸電動(dòng)機(jī)以高速旋轉(zhuǎn)磁盤135使其通過讀/寫頭145，同時(shí)懸臂組件150在多個(gè)徑向隔開的磁道(未示出)之一上移動(dòng)和定位讀/寫頭。這允許讀/寫頭145在磁盤135的表面140的選定位置上向磁性介質(zhì)讀和寫磁編碼信息。
近年來，存儲(chǔ)密度傾向于增加，而存儲(chǔ)系統(tǒng)的尺寸傾向于減小。這種傾向?qū)е麓判源鎯?chǔ)盤的制造和工作中的更高的精度和更低的容限。例如，為了實(shí)現(xiàn)增加的存儲(chǔ)密度，讀/寫頭必須被放置得愈加靠近存儲(chǔ)盤的表面。這種接近度要求磁盤基本上在單一平面中旋轉(zhuǎn)。磁盤旋轉(zhuǎn)時(shí)的輕微搖晃或振擺都會(huì)導(dǎo)致磁盤的表面接觸到讀/寫頭。這被稱為“崩潰”，并可能會(huì)損壞讀/寫頭和存儲(chǔ)盤的表面，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。
根據(jù)以上討論，可以看到，支承存儲(chǔ)盤的軸承組件相當(dāng)重要。一種典型的軸承組件包括支承在允許存儲(chǔ)盤的輪轂相對(duì)于一固定件旋轉(zhuǎn)的一對(duì)滾道之間的滾珠軸承。然而，滾珠軸承組件具有諸如磨損、振擺和制造困難等許多機(jī)械問題。此外，由于低阻尼，對(duì)工作沖擊和振動(dòng)的抵抗力很差。
另一種軸承設(shè)計(jì)是流體動(dòng)力軸承。在流體動(dòng)力軸承中，諸如空氣或液體等潤(rùn)滑流體在外殼的固定件與磁盤輪轂的旋轉(zhuǎn)件之間提供一軸承面。除空氣之外，典型的潤(rùn)滑劑還包括石油或其它流體。與包括一系列點(diǎn)接觸面的滾珠軸承組件相比，流體動(dòng)力軸承將軸承接觸面擴(kuò)展到大表面積。因?yàn)樵龃蟮妮S承面減少了旋轉(zhuǎn)件與固定件之間的搖晃和振擺，所以這是合乎需要的。此外，在接觸面區(qū)域中使用流體對(duì)軸承賦予了阻尼效應(yīng)，這有助于減小非重復(fù)的振擺。
設(shè)置于軸頸、推力和錐形流體動(dòng)力軸承上的動(dòng)壓發(fā)生凹槽(即流體動(dòng)力凹槽)生成局部的高流體壓力區(qū)，并為傳送機(jī)構(gòu)提供流體或空氣，以在軸承內(nèi)和旋轉(zhuǎn)表面之間均勻地分配流體壓力。
圖2A是對(duì)磁盤驅(qū)動(dòng)器100有用的一類主軸電動(dòng)機(jī)155的橫截面?zhèn)纫晥D。主軸電動(dòng)機(jī)155通常包括具有連接到其外圍的一個(gè)或多個(gè)磁鐵165的可旋轉(zhuǎn)輪轂160。磁鐵165與連接到底座110的定子繞組170相互作用以使輪轂旋轉(zhuǎn)。輪轂160支承在一端具有止推板180的軸175上。止推板180可以是樞軸175的一組成部分，或者可以是例如通過壓配合連接到主軸的獨(dú)立的零件。軸175和止推板180配合到輪轂160內(nèi)的軸套185和止推板腔體190中。對(duì)面板195設(shè)置在置于從輪轂160中延伸出的環(huán)形圈205上的止推板180上5輪轂。O形圈210將對(duì)面板195與輪轂160密封。圖2A是主軸電動(dòng)機(jī)的一種可能的構(gòu)造。另一種可能的構(gòu)造包括具有諸如圖2D所示的錐形軸承的主軸電動(dòng)機(jī)。
諸如潤(rùn)滑油或鐵磁流體等流體填充軸175與軸套185之間、以及止推板180與止推板腔體190及對(duì)面板195之間的界面區(qū)域。止推板180、止推板腔體190、軸175、軸套185或?qū)γ姘?95中的一個(gè)或多個(gè)具有根據(jù)本發(fā)明形成的壓力發(fā)生凹槽(未在此圖中示出)以構(gòu)成流體動(dòng)力軸承220、225。凹槽可形成于軸175的外表面或軸套185上。更佳地，軸175的外表面215中的凹槽形成具有在徑向方向上可旋轉(zhuǎn)地支承輪轂160的動(dòng)力緩沖墊的一個(gè)或多個(gè)流體動(dòng)力軸頸軸承225。軸頸軸承也可在軸或軸套或者兩者上具有凹槽。
圖2B和2C分別是輪轂和軸套的組合的垂直橫截面圖和俯視圖，它們示出了構(gòu)建用于支承軸套和輪轂以相對(duì)于軸175旋轉(zhuǎn)的流體動(dòng)力軸承的凹槽。根據(jù)本領(lǐng)域中眾所周知的設(shè)計(jì)原理，軸套185在其外表面上支承輪轂160，而輪轂160進(jìn)而將支承一個(gè)或多個(gè)磁盤(未示出)以便旋轉(zhuǎn)。軸套185的主腔的內(nèi)表面包括一對(duì)凹槽組212、214，該凹槽組212、214與軸表面以及介于其間的流體(未示出)一起形成用于支承輪轂160以便繞軸175旋轉(zhuǎn)的軸頸軸承。
這種設(shè)計(jì)通常還包括支承于軸的一端上的止推板(圖2A中示出為180)。對(duì)止推板180設(shè)置凹口216；對(duì)對(duì)面板195設(shè)置第二凹口218，該第二凹口在組裝的電動(dòng)機(jī)中重疊在止推板上，并被用來與止推板的上表面一起限定流體動(dòng)力軸承間隙。對(duì)面板195的下表面219面向止推板180的軸向外表面221。止推板180的表面或者對(duì)面板195的表面中的任一個(gè)還包括一組凹槽222(圖2B)，該組凹槽在這一情況下為連續(xù)的人字形，它們與止推板150的外表面221一起形成支承止推板180和對(duì)面板195以便平滑地相對(duì)旋轉(zhuǎn)的壓力梯度。這也防止輪轂160和軸套105相對(duì)于止推板180及止推板固定于其上的軸175傾斜，從而輪轂160繞著軸175以極好的穩(wěn)定性旋轉(zhuǎn)。
圖2D是由雙錐形軸頸軸承支承以繞著軸(未示出)旋轉(zhuǎn)的輪轂200的垂直橫截面圖。輪轂200與軸套形成整體，該軸套的內(nèi)表面限定了形成支承輪轂200以便旋轉(zhuǎn)的流體動(dòng)力軸承的凹槽。如本技術(shù)中所公知的，軸(未示出)被插入到輪轂200中并具有面向軸承區(qū)域的上端和下端的錐形區(qū)域210、212的雙錐形表面。軸還可包括與由凹槽區(qū)域214、216限定的軸頸軸承共同配合的平滑中心部分。如流體動(dòng)力軸承領(lǐng)域中所公知的，流體將填充固定軸與軸套的內(nèi)部凹槽表面之間的間隙。當(dāng)軸套旋轉(zhuǎn)時(shí)，在安裝于輪轂內(nèi)表面上的與其輪轂底座所支承的繞組共同配合的磁鐵之間的相互作用的推動(dòng)力之下，每一凹槽區(qū)域中的壓力增大。這樣，軸易于支承輪轂200和磁盤202以便恒定的高速旋轉(zhuǎn)。圖2D中可容易地看到軸套內(nèi)表面上的壓力發(fā)生凹槽。在該較佳示例中，壓力發(fā)生凹槽包括兩組凹槽用于上錐形的凹槽組230、232和用于下錐形的對(duì)應(yīng)組234、236。這種特定的設(shè)計(jì)還利用了兩個(gè)軸頸軸承240、242來進(jìn)一步穩(wěn)定軸。
考慮流體動(dòng)力軸承，凹槽精度的重要性在于流體動(dòng)力軸承通常包括具有并列表面的兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件，在該并列表面之間保持有層、薄膜或流體以形成減摩介質(zhì)的動(dòng)力緩沖墊。為了形成動(dòng)力緩沖墊，表面的至少之一(在此例中為輪轂和軸套的內(nèi)表面)設(shè)有凹槽，該凹槽在分界面區(qū)域中引入流體流動(dòng)并生成局部的高流體壓力區(qū)。凹槽由凸起的槽脊或肋條隔開?？梢匀菀椎孛靼?，形成在表面上相對(duì)緊密地壓擠在一起的這些小尺寸的凹槽是極其困難的。為此，在此例中為圖2D的輪轂的工件被置入開槽設(shè)備中以在工件中形成凹槽。
流體動(dòng)力凹槽的形狀取決于所需的壓力均勻度。因此，流體位移以及由此產(chǎn)生的壓力均勻度的質(zhì)量通常取決于凹槽深度和尺寸的均勻度。凹槽深度中的可控梯度與凹槽寬度梯度相結(jié)合可在軸承表面提供所需的壓力分布。
作為上述問題的結(jié)果，已開發(fā)出流體動(dòng)力軸承中的凹槽的電化加工(ECM)。一般而言，ECM是在不使用機(jī)械或熱能的情況下去除材料金屬的工藝。基本上，電能與化學(xué)相結(jié)合以形成蝕刻反映，以便從流體動(dòng)力軸承中去除材料從而在其上形成流體動(dòng)力凹槽。為了實(shí)現(xiàn)這種方法，使直流電在用作陽極的工件(例如對(duì)面板、軸套、軸頸或錐形軸承)與通常帶有要形成的圖案并用作陰極的電極之間傳遞，并且該電流通過位于兩個(gè)表面之間的導(dǎo)電電解液。在陽極表面，電子通過電流來去除，并且破壞表面上的分子結(jié)構(gòu)的金屬鍵。這些原子進(jìn)入到溶液中，且電解液作為金屬離子并形成金屬氫氧化物。這些金屬氫氧化物(MOH)分子被攜帶走以便過濾出。然而，該工藝引發(fā)了對(duì)精確并同時(shí)地跨間隙在表面上設(shè)置凹槽的需求，必須十分精確地測(cè)量該間隙，因?yàn)殚g隙的設(shè)定將決定金屬離子被攜帶走的速率和數(shù)量。即使在簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)中也難以解決這個(gè)問題。當(dāng)結(jié)構(gòu)為錐形軸承的內(nèi)表面時(shí)，間隙寬度的設(shè)定可能極為困難。與錐形部分相關(guān)聯(lián)的可制造性問題通常使得難以控制錐體的直徑。由于機(jī)械容限，工件可能不與電極對(duì)齊，從而導(dǎo)致不均勻的間隙以及相應(yīng)的不均勻深度的流體動(dòng)力凹槽。因此，難以制造具有將確保工件持續(xù)與電極間隙一致以形成尺寸上一致的流體動(dòng)力凹槽的固定電極的工具。
目前通過ECM工藝來制造推力和軸頸軸承上的高級(jí)凹槽圖案。ECM工藝中所使用的電極由高導(dǎo)電性材料制成并通常具有圓柱形，并且工件表面被加工成反映特定形狀和深度的3D圖案。
ECM工藝使用有形狀的電極來通過電解質(zhì)提供電通量場(chǎng)，以便在被這些場(chǎng)影響的區(qū)域中從工件上去除金屬。電極具有由絕緣材料區(qū)隔開的導(dǎo)電材料區(qū)。這些區(qū)域的形狀和圖案通常與要通過電化作用來加工的區(qū)域形成反向的圖像。加工通常發(fā)生在導(dǎo)電區(qū)域范圍內(nèi)，并且在絕緣材料范圍受到限制。這些電極的形狀可能是復(fù)雜且多維的。
這些電極的制造取決于允許構(gòu)造交替的導(dǎo)電和絕緣材料區(qū)的技術(shù)。制造能力中的典型限制包括傳統(tǒng)機(jī)器切削工具的有限尺寸和形成單個(gè)多維結(jié)構(gòu)的能力。其它制造方法可包括光刻，該光刻可能具有結(jié)構(gòu)形狀上的限制，或者由于所涉及的大量步驟而可能具有較低的成本效率。
當(dāng)前的FDB電動(dòng)機(jī)使用ECM工藝在推力和軸頸軸承上設(shè)置凹槽。通常，使用銑削工藝在電極上加工凹槽。通過在電極中銑削凹槽的常規(guī)工藝，往往難以控制凹槽寬度、深度以及凹槽之間的間隔。
此外，目前的FDB電動(dòng)機(jī)使用ECM工藝，通過在電極上加工凹槽以在軸頸軸承上設(shè)置凹槽。然后，使用環(huán)氧樹脂來填充凹槽。經(jīng)填充的電極需要后續(xù)的加工或研磨操作來去除多余的絕緣材料(圖9)。
需要一種改進(jìn)的電極及其制造方法，以提供用于形成精確且成本有效的流體動(dòng)力凹槽的可靠方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例涉及以下具有大凹槽間距的流體動(dòng)力軸承電動(dòng)機(jī)的元件(工件)。小于100微米且特性寬度小于10微米的間距是可行的。
通常使用電極和/或ECM工藝來開槽的工件。本發(fā)明的其它實(shí)施例可被用于直接在工件上設(shè)置凹槽。
在電極上形成可以為凸面的導(dǎo)電部分(槽脊)，以形成通向工件上較平坦的槽脊和較尖銳的溝道壁的均勻的電流流動(dòng)/密度(圖8)。
電極上可被成形的導(dǎo)電部分(槽脊)，以由此在工件上形成任意期望的槽脊或凹槽幾何形狀。這在三維中是可行的，其中可在三維中選擇性地改變工件的徑向剖面、凹槽深度和其它特性。
ECM工藝，用于任意形狀的電極或工件，包括用于諸如推力、軸頸和錐形的軸承表面，或者用于非軸承表面或工件。
最優(yōu)化的電極幾何形狀--在ECM加工期間對(duì)與工件和電極之間較緊密的加工間隙、超短脈沖(時(shí)間)有關(guān)的電因子、電解質(zhì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)以及電解質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)最優(yōu)化，以有助于在工件上形成精確且最優(yōu)化的幾何形狀。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及包括導(dǎo)電塊的電極，該導(dǎo)電塊具有穿過該導(dǎo)電塊的第一開口和穿過該導(dǎo)電塊的第二開口，并且第二開口從第一開口橫穿到導(dǎo)電塊的表面。第一開口較佳地不包含實(shí)心塞，并且第二開口被構(gòu)造成允許流體流過第二開口。第一開口較佳地包含由非導(dǎo)電材料構(gòu)成的實(shí)心塞。電極較佳地被構(gòu)造成通過電化加工工藝在工件上形成凹槽圖案。導(dǎo)電塊的表面較佳地包括由具有25微米或更小的特征寬度的凹槽構(gòu)成的凹槽圖案。導(dǎo)電塊的表面較佳地包括由具有12微米或更小的特征寬度的凹槽構(gòu)成的凹槽圖案。第一開口和第二開口較佳地不包含介電材料。電極較佳地被構(gòu)造成以基本上為零且不產(chǎn)生電弧的加工間隙在工件中形成的凹槽圖案。電極較佳地是對(duì)面板電極、軸套軸頸電極或錐形軸承電極。導(dǎo)電塊的表面較佳地包括由凹槽和凹槽之間的平面或剖面的非平面槽脊構(gòu)成的凹槽圖案。
另一個(gè)實(shí)施例涉及一種制造電極的方法，包括用具有納秒或更小的脈沖時(shí)間的激光或聚焦的能量束燒蝕介電層部分以在導(dǎo)電塊上的電介層中形成凹槽圖案。介電層較佳地具有比導(dǎo)電塊的導(dǎo)電材料低的燒蝕閾值。激光燒蝕較佳地基本上不燒蝕導(dǎo)電塊的導(dǎo)電材料而執(zhí)行。介電層較佳地具有比導(dǎo)電塊的導(dǎo)電材料高的燒蝕閾值。激光燒蝕較佳地通過導(dǎo)電塊的導(dǎo)電材料的爆發(fā)或去除來執(zhí)行，從而導(dǎo)致導(dǎo)電材料和覆蓋凹槽圖案區(qū)域的介電層的介電材料的同時(shí)去除。另一實(shí)施例還可包括聚合單體以形成介電層，其中單體是光敏單體。激光或聚焦的能量束較佳地激活絕緣材料并使該絕緣材料在電極的導(dǎo)電部分上方或之上膨脹，從而形成絕緣支座。
又一實(shí)施例涉及一種電極的制造方法，該方法包括通過對(duì)空心導(dǎo)電塊的部分的激光燒蝕而在導(dǎo)電塊表面上形成凹槽圖案，以及在該凹槽圖案中形成介電材料。凹槽較佳地具有20微米或更小的特征寬度。凹槽圖案中的介電材料或者凹槽之間的非平面槽脊較佳地具有曲面。另一變化方案還可包括在凹槽圖案中沉積金屬。脈沖時(shí)間較佳地小于100皮秒。脈沖時(shí)間更佳地在1皮秒到1飛秒之間。
本發(fā)明的再一實(shí)施例涉及一種包括凹槽圖案的工件，該凹槽圖案包括用于流體動(dòng)力軸承的凹槽，該凹槽圖案具有小于100微米的間距，而且該凹槽圖案具有由帶有凸面槽脊的電極形成的基本上垂直的壁。凹槽圖案較佳地具有10微米或更小的特征寬度。凹槽圖案較佳地具有以5微米或更小為間隙的20微米或更小的特征寬度。工件較佳地是對(duì)面板、軸套軸頸或錐形軸承。
本領(lǐng)域技術(shù)人員從以下的詳細(xì)描述中可以容易地明白本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)，以下詳細(xì)描述中僅作為對(duì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所構(gòu)想的最佳方式的說明僅示出并描述本發(fā)明的較佳實(shí)施例。如將認(rèn)識(shí)到的，本發(fā)明包括其它不同實(shí)施例的特性，并且其細(xì)節(jié)能在各個(gè)明顯的方面中進(jìn)行更改而都不背離本發(fā)明。因此，附圖和說明書本職上被認(rèn)為是說明性的而非作為限制。


當(dāng)結(jié)合附圖參考本發(fā)明的詳細(xì)描述時(shí)，將更好地理解本發(fā)明，附圖中圖1示出了磁盤驅(qū)動(dòng)器的示意圖。
圖2是圖1的主軸電動(dòng)機(jī)的垂直剖面。圖2B和2C是電動(dòng)機(jī)的一部分，特別是軸和止推板的垂直和水平截面圖，它們示出了可利用本發(fā)明形成的凹槽。圖2D是在圖1的磁盤驅(qū)動(dòng)器的主軸電動(dòng)機(jī)中使用的輪轂的垂直截面圖，它示出了可通過本發(fā)明有效地形成的一類雙錐形軸承。
圖3是空心芯的示意圖。
圖4是填充芯的示意圖。
圖5是用于使用本發(fā)明的ECM電極在工件中形成凹槽的裝置的示意圖。
圖6示出了通過本發(fā)明的實(shí)施例在電極中實(shí)現(xiàn)的良好的特征寬度。
圖7示出了推力電極。
圖8是電極上的有形狀槽脊及其對(duì)過燒和凹槽幾何形狀的影響的示意圖。
圖9是按照常規(guī)制造的電極的示意圖。
圖10是通過使用激光直接燒蝕介電材料制成的電極的示意圖。
圖11是通過選擇性地固化液態(tài)光敏單體制成的凹陷式電極的示意圖。
圖12是通過選擇性地固化溝道中的液態(tài)光敏單體制成的電極(凹陷式或水平式)的示意圖。
圖13是通過使用激光選擇性地固化液態(tài)光敏單體、接著在凹槽中進(jìn)行金屬電鍍而制成的電極(凹陷式或水平式)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的基礎(chǔ)是發(fā)明人對(duì)將多維變化應(yīng)用于諸如軸、軸套、錐體、平面止推表面等電動(dòng)機(jī)軸承元件上的槽脊和凹槽剖面的認(rèn)識(shí)和演示。本發(fā)明的實(shí)施例允許在電極上制造精確的對(duì)應(yīng)幾何形狀。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，飛秒脈沖激光加工方法允許在電極上制造細(xì)微特征。它與當(dāng)前填充工藝(將介電材料澆注到預(yù)加工的凹槽中，接著通過表面研磨使介電表面與導(dǎo)電元件齊平)兼容，并且是用于在電極上實(shí)現(xiàn)細(xì)微特征和復(fù)雜幾何形狀的深入解決方案。這種電極與傳統(tǒng)的ECM工藝兼容。在本發(fā)明的此實(shí)施例中，構(gòu)造電極時(shí)所使用的材料可具有任意密度和硬度。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，流體動(dòng)力軸承電動(dòng)機(jī)的凹槽部分可通過電化加工工藝(ECM)來制造。凹槽形狀和寬度以及凹槽密度可被加工成使軸承性能最優(yōu)化。在某些實(shí)施例中，凹槽可提供以下功能-作為用于流體輸送和分配的微米溝道；
-通過在電極上形成槽脊以降低過燒(圖8)；-凈化空氣并防止氣穴現(xiàn)象；-最優(yōu)化能量消耗；以及-最優(yōu)化軸承剛度和阻尼特性。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，電化加工是一種可被用來在各種幾何結(jié)構(gòu)的流體動(dòng)力軸承工件零件上制造凹槽的制造技術(shù)。如上所述，ECM裝置由電極、電解槽、工件零件和在電極與工件之間設(shè)置特定間隙的固定件構(gòu)成。以通過間隙的高電流施加電位允許將圖案從電極轉(zhuǎn)移到工件零件的表面。所得的凹槽的深度主要取決于加工間隙、電流、ECM處理時(shí)間、由電極上的槽脊剖面所產(chǎn)生的通量場(chǎng)的形狀和分布。凹槽的寬度以及它們的形狀和密度(零件的每一單元面積的凹槽數(shù)量)都由ECM電極(ECM裝置)與工件之間的加工間隙、電解液通過該加工間隙的流速和ECM電極的特征幾何形狀來限定。這些因素可決定零件上的凹槽幾何形狀的寬度和壁平直度(垂直度)。
由于所謂的過燒(overburn)現(xiàn)象，工件零件上電化加工的凹槽的寬度通常大于電極上的原始特性。影響工件零件的凹槽寬度的主要因素之一是電極圖案的特征寬度。
本發(fā)明的實(shí)施例的電極具有在1到100微米、較佳地在5到50微米、更佳地在10到20微米范圍內(nèi)的電極特征寬度，在一實(shí)施例中，電極的特征寬度是11微米。通過使用ECM工藝和本發(fā)明的實(shí)施例的電極，可制造高密度凹槽，其凹槽的密度是由允許開槽部分上100微米的最小凹槽寬度和有限的凹槽密度的常規(guī)電極所產(chǎn)生的凹槽密度的三倍到五倍。例如，本發(fā)明的實(shí)施例在工件上產(chǎn)生具有在10到150微米、較佳地在50到100微米范圍內(nèi)的間距的凹槽，并且工件的特征寬度在2到150微米、較佳地在5到100微米、更佳地在10到30微米的范圍內(nèi)。在一實(shí)施例中，工件上的凹槽的間距為80微米(與常規(guī)工件的凹槽的200微米的間隔密度相比)，且工件的特征寬度為20微米。
ECM電極的特征幾何形狀(特征寬度、深度和壁平直度(垂直度))由其制造工藝來限定。ECM電極當(dāng)前是通過端銑工藝來制造的，該端銑工藝將電極特征寬度限定為35微米(由于端銑切削負(fù)載，以及如果過薄以致不能承受切削負(fù)載而導(dǎo)致的槽脊變形)。通過端銑制成的電極凹槽受限于通常為125um的最小端銑直徑。這限制了最終的ECM零件上的結(jié)果凹槽特征寬度和凹槽密度。
在本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)新一代的高性能電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品需要將凹槽寬度顯著減至到20微米并顯著增加工件零件上單位面積的凹槽密度(保持凹槽間距比為0.5)以及工件零件上的壁平直度(垂直度)。為了在零件上實(shí)現(xiàn)這些特性，發(fā)明人認(rèn)識(shí)到將需要減小加工間隙。經(jīng)減小的加工間隙結(jié)合良好特征寬度的電極可在ECM零件上產(chǎn)生細(xì)微特征。
為了不久常規(guī)電極設(shè)計(jì)和制造工藝的缺點(diǎn)，發(fā)明人獲得了適于改進(jìn)常規(guī)電極效率的設(shè)計(jì)和制造工藝，以及其中電極由導(dǎo)電材料的空心圓柱體制成的新ECM電極設(shè)計(jì)。加工于電極上的凹槽圖案將切穿導(dǎo)電材料的厚度。以下描述了兩種可能的構(gòu)造(1)具有空心芯的電極(圖3)凹槽圖案被加工成穿過導(dǎo)電體表面。圓柱體的內(nèi)部通路向左敞開，并且可被用來抽運(yùn)電解液使其通過暴露的凹槽。這與其中在軸頸或錐形電極中設(shè)置徑向電解液通孔的現(xiàn)有電極設(shè)計(jì)不同。
(2)具有填充芯的電極(圖4)由絕緣材料制成的軸被澆注、連接或插入到諸如黃銅等導(dǎo)電材料的空心圓柱的內(nèi)部。諸如水力噴射等微加工方法、或控制能量閾值和峰值能量以選擇性地去除或燒蝕導(dǎo)電圓柱的頂層的激光加工工藝可被用來從導(dǎo)電層切削出凹槽圖案。導(dǎo)電圓柱中的凹槽較佳地完全穿透導(dǎo)電圓柱的導(dǎo)電層直至絕緣塞內(nèi)部。絕緣塞可被用于向電極提供結(jié)構(gòu)上的剛度。
在本發(fā)明的電極的實(shí)施例中，因?yàn)榘疾蹨系垒^佳地從外表面“穿過”凹槽直至導(dǎo)電空心圓柱的內(nèi)部，所以不需要使用絕緣材料填滿凹槽以防止導(dǎo)電空心圓柱的導(dǎo)電槽脊區(qū)域之間的短路。
本發(fā)明的電極的某些優(yōu)點(diǎn)包括1.電極可具有非平面的槽脊。
2.可以在沒有諸如填充層的研磨等后處理步驟的情況下制成電極。
3.在ECM處理期間，電極中的凹槽可為電解液流過電極提供附加路徑。
即使圖4和5示出了圓柱形的電極，但本發(fā)明的實(shí)施例的電極也可具有其它形狀，諸如板形、盤形、錐形、橢圓形橫截面和其它可能的形狀。本發(fā)明的電極也可以是用于對(duì)面板、軸套軸頸或錐形軸承的電極。
本發(fā)明的電極的某些實(shí)施例具有位于電極的外部介電(非導(dǎo)電)表面之下的電極導(dǎo)電表面。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)相對(duì)于工件零件制造，本發(fā)明的實(shí)施例的電極具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。它允許外部電極表面與工件零件之間的加工間隙減至零。加工間隙的減小導(dǎo)致零件上的最終凹槽寬度的減小。加工間隙的減小進(jìn)而允許在ECM處理期間增加工件零件上單位面積的凹槽密度并增加凹槽壁的平直度，它們都是良好軸承性能所需的參數(shù)。
本發(fā)明的實(shí)施例的電極可通過用于制造EMC電極的精確特征的加工的微米級(jí)或納米級(jí)方法、或者通過使用激光或可選擇性地聚焦于所需特征或區(qū)域的其它電磁輻射的直接材料積累(buildup)(圖12)或去除(圖9、10)來制造，如下選擇1使用高能量超細(xì)液體噴射的機(jī)械加工工藝可被用來加工凹槽區(qū)域中的材料?？煽刂茋娚渲睆胶图庸ぼ壽E以獲得相應(yīng)的特征寬度。
選擇2使用超快激光的納米級(jí)加工能以極高的強(qiáng)度使用超短脈沖激光以選擇性地將特征燒蝕成小至20納米(圖6)。
選擇3直接材料積累該方法通過涂覆可使用該聚焦的能量束來接合、電鍍、固化或活性催化的各種絕緣層(圖10、11)或?qū)щ妼?圖13)開始。這些材料特性僅在暴露于變化閾值之上的能級(jí)的區(qū)域中變化。因?yàn)檫@種能量可被聚焦、引導(dǎo)、以及在多維中在強(qiáng)度上改變的能力，并且具有非常高的精確度和分辨率，所以可形成高復(fù)雜性和精度的單個(gè)或多個(gè)電極結(jié)構(gòu)。所使用的材料可以是光敏激活的聚合物、單體或最初作為液體、粉末(固體)或氣體來涂覆的其它材料。通過涂覆并激活連續(xù)薄層內(nèi)的這些材料，并且每一層集成或接合到每一底層中，所得的結(jié)構(gòu)可以在多維中改變并具有多個(gè)特性。
選擇4直接材料去除(燒蝕)激光或電磁能量源可被用來直接去除(燒蝕)材料。它可被用來在材料積累(參見選擇3)之前準(zhǔn)備或加工表面或結(jié)構(gòu)，或者在材料積累(圖8)之后的精加工或材料去除。
這些方法也可被應(yīng)用來加工諸如回流孔和凹槽等精確特征。這些方法的某些優(yōu)點(diǎn)包括1.這些工藝可加工50nm寬度的范圍內(nèi)的極其細(xì)微的特征。這允許更高的溝槽密度。
2.這些工藝相對(duì)清潔。
3.與用于制造電極的現(xiàn)有工藝相比，這些工藝可更具可再現(xiàn)性。
4.這些工藝與光刻掩模和化學(xué)或活性蝕刻的不同之處在于與光刻掩模工藝相比，它減少了工藝步驟數(shù)。
5.這些工藝允許制造用其它技術(shù)難以或不可能制成的多維結(jié)構(gòu)形狀。例如，頂部的更細(xì)微的槽脊寬度，以及朝向底部增加的特征寬度。在此，槽脊根部可被制成基本上比槽脊頂部寬。這為暴露于頂部的窄槽脊提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。這不能通過常規(guī)的銑削工藝來實(shí)現(xiàn)。
6.這些工藝允許在電極、電動(dòng)機(jī)元件或任何其它元件中制造微米或納米級(jí)特征。
發(fā)明人已成功地將本發(fā)明的實(shí)施例的電極制造成具有約為10到12微米的最小電極特征尺寸，并在ECM工藝中測(cè)試以在約為20到50微米的工件零件上以約為5到20微米的間隙制造最小凹槽寬度。
例如，各實(shí)施例的電極也可如下所述地制造步驟1在空心導(dǎo)電塊上的介電層中的形成凹槽圖案。
選擇(a)在導(dǎo)電塊上涂覆介電層。通過激光燒蝕介電層的部分以形成高達(dá)導(dǎo)體塊表面或凹陷于導(dǎo)體塊內(nèi)的凹槽。如果介電層具有比導(dǎo)電塊低的燒蝕閾值，則對(duì)導(dǎo)體塊以最小位移燒蝕介電層。如果介電層具有比導(dǎo)電塊高的燒蝕閾值，則凹槽形成可通過使用聚焦的激光束對(duì)導(dǎo)體塊的導(dǎo)體材料的爆破或去除來完成，從而在凹槽圖案區(qū)域中同時(shí)去除導(dǎo)電材料及其上的介電材料。
選擇(b)在導(dǎo)電塊上涂覆光敏單體或者可通過激光或日光或其它聚焦的能量源來固化的任何材料。聚合光敏單體或其它材料以在導(dǎo)體塊上形成介電層。通過激光燒蝕介電層的部分以形成高達(dá)導(dǎo)體塊表面或凹陷于導(dǎo)體塊內(nèi)的凹槽。如果介電層具有比導(dǎo)電塊低的燒蝕閾值，則對(duì)導(dǎo)體塊以最小位移燒蝕介電層。如果介電層的介電材料具有比導(dǎo)電塊高的燒蝕閾值，則凹槽形成可通過使用聚焦的激光束對(duì)導(dǎo)電塊的導(dǎo)電材料的爆破或去除來完成，從而在凹槽圖案區(qū)域中同時(shí)移除導(dǎo)電材料及其上的介電材料。
步驟2在凹槽圖案中沉積金屬。使用介電層來用作電鍍掩模，通過電解或化學(xué)方法電鍍凹槽圖案中的凹槽，以用導(dǎo)電材料填充凹槽并在電極上形成齊平表面(圖13)。
例如，各實(shí)施例的電極也可如下所述地制造步驟1在空心導(dǎo)電塊中形成凹槽圖案。在導(dǎo)體塊的表面上對(duì)凹槽進(jìn)行激光加工。
步驟2在凹槽圖案中形成介電材料。在具有空心芯的導(dǎo)電塊上涂覆光敏單體或者可通過激光或日光固化的任何材料，以便填充凹槽圖案的凹槽。聚合光敏單體或其它材料以固化介電材料并在電極上形成齊平表面。
通過本發(fā)明的實(shí)施例的這些方法，電極可具有20微米或更小、更佳地為11微米或更小的特征寬度的凹槽。凹槽圖案中的介電材料或凹槽之間的槽脊區(qū)(圖8)也可具有曲面以ECM處理期間在通過在工件中聚焦或形成電場(chǎng)而在工件中形成凹槽期間防止過燒。
圖5特別示出了用于使用本發(fā)明的實(shí)施例的ECM電極在工件中形成凹槽的裝置。諸如圖2D所示的工件放置于機(jī)架300內(nèi)；如可以見到的，機(jī)架300被構(gòu)造成限定具有貫穿其中心的一對(duì)電極304的腔體302。當(dāng)工件200放被置于腔體302中時(shí)，它通常牢固地適當(dāng)夾持在構(gòu)架件306的邊緣內(nèi)?？裳剌S310軸向移動(dòng)的電極304各自包括與輪轂200的內(nèi)部錐體210和212配合的錐形區(qū)312；以及從錐形區(qū)的窄端延伸出、與內(nèi)部輪轂軸頸214和242分別配合的軸頸區(qū)314。
當(dāng)工件200被放置于機(jī)架300中時(shí)，電極304沿軸310來回移動(dòng)，直到形成了每一電極與工件的刮削面之間的間隙。如在圖中概括性地示出的，可以看到，電極304的每一個(gè)都帶有將施加于工件200的錐形區(qū)201、212和軸頸區(qū)214、216的內(nèi)表面上的圖案。也可容易地明白，剩余的問題是精確地設(shè)定可移動(dòng)電極與被適當(dāng)夾持在機(jī)架中的工件200之間的、必須以微米來測(cè)量的間隙，并且在高速的基礎(chǔ)上快速并重復(fù)地完成這一過程。
在本發(fā)明的其它變體中，使用相反的ECM極性將改變電荷流經(jīng)電解液的方向。因此，可侵蝕導(dǎo)電塊上的槽脊。這種工藝可被控制成使槽脊以所需量凹陷于絕緣表面之下。能以緊密的加工間隙使用這種電極，以便最小化過燒。
在本申請(qǐng)中，詞“包含”表示一材料包括在詞“包含”之前的元素或化合物，但是該材料仍可包括其它元素或化合物。本申請(qǐng)?jiān)谖谋竞透綀D中公開了若干數(shù)值范圍。即使本說明書中并未逐字陳述精確的范圍限制，但所公開的數(shù)值范圍本質(zhì)上支持落在所公開的數(shù)值范圍內(nèi)的任意范圍或值，因?yàn)楸景l(fā)明可在所公開的全部數(shù)值范圍中實(shí)現(xiàn)。
以上所提供的描述使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可進(jìn)行或使用本發(fā)明，并且是在特定應(yīng)用及其要求的上下文中提供的。對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的各種修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的，并且本文所定義的一般原理可應(yīng)用于其它實(shí)施例和應(yīng)用中而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因而，本發(fā)明并不旨在限于所示的實(shí)施例，而是依照與本文所公開的原理和特征相一致的最寬泛的范圍。最后，本申請(qǐng)中所涉及的專利公開和出版物的全部?jī)?nèi)容通過引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種包括導(dǎo)電塊的電極，所述導(dǎo)電塊具有穿過所述導(dǎo)電塊的第一開口和穿過所述導(dǎo)電塊的第二開口，所述第二開口從所述第一開口橫穿到所述導(dǎo)電塊的表面。
2.如權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，所述第一開口不包含實(shí)心塞，并且所述第二開口被構(gòu)造成允許流體流過所述第二開口。
3.如權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，所述第一開口包含由非導(dǎo)電材料構(gòu)成的實(shí)心塞。
4.如權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，所述電極被構(gòu)造成通過電化加工工藝在工件上形成凹槽圖案。
5.如權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，所述導(dǎo)電塊的表面包括由具有25微米或更小的特征寬度的凹槽構(gòu)成的凹槽圖案。
6.如權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，所述導(dǎo)電塊的表面包括由具有12微米或更小的特征寬度的凹槽構(gòu)成的凹槽圖案。
7.如權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，所述第一開口和所述第二開口不包含介電材料。
8.如權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，所述電極被構(gòu)造成以基本上為零且不產(chǎn)生電弧的加工間隙在工件中形成凹槽圖案。
9.如權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，所述電極是對(duì)面板電極、軸套軸頸電極或錐形軸承電極。
10.如權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于，所述導(dǎo)體塊的表面包括由凹槽和凹槽之間的平面或刨面的非平面槽脊構(gòu)成的凹槽圖案。
11.一種制造電極的方法，包括通過具有納秒或更少的脈沖時(shí)間的激光或聚焦的能量束燒蝕所述導(dǎo)電塊上的介電層的部分來在所述介電層中形成凹槽圖案。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述介電層具有比所述導(dǎo)電塊的導(dǎo)電材料低的燒蝕閾值。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述激光燒蝕是在基本上不燒蝕所述導(dǎo)電塊的導(dǎo)電材料的情況下執(zhí)行的。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述介電層具有比所述導(dǎo)電塊的導(dǎo)電材料高的燒蝕閾值。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述激光燒蝕是通過所述導(dǎo)電塊的導(dǎo)電材料的爆破和去除來執(zhí)行的，使得同時(shí)去除所述導(dǎo)電材料和覆蓋所述凹槽圖案區(qū)域的介電層的介電材料。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括聚合單體以形成所述介電層，其中所述單體是光敏單體。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光或聚焦的能量束激活絕緣材料并使所述絕緣材料在所述電極的導(dǎo)電部分上方或之上膨脹，從而形成絕緣支座。
18.一種制造電極的方法，包括通過燒蝕導(dǎo)電塊的部分而在所述導(dǎo)電塊的表面上形成凹槽圖案；以及在所述凹槽圖案中形成介電材料。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述凹槽具有20微米或更小的特征寬度。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述凹槽圖案中的介電材料或凹槽之間的非平面槽脊具有曲面。
21.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括在所述凹槽圖案中沉積金屬。
22.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述燒蝕是用具有小于100皮秒的脈沖時(shí)間的激光進(jìn)行的。
23.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述燒蝕是用具有在1皮秒到1飛秒之間的脈沖時(shí)間的激光進(jìn)行的。
24.一種包括包含用于流體動(dòng)力軸承的凹槽的凹槽圖案的工件，所述凹槽圖案具有小于100微米的間距，并且所述凹槽具有基本上垂直的壁。
25.如權(quán)利要求24所述的工件，其特征在于，所述凹槽圖案具有10微米或更小的特征寬度。
26.如權(quán)利要求24所述的工件，其特征在于，所述凹槽圖案具有以5微米或更小為間隔的20微米或更小的特征寬度。
27.如權(quán)利要求24所述的工件，其特征在于，所述工件是對(duì)面板、軸套軸頸或錐形軸承。
28.如權(quán)利要求24所述的工件，其特征在于，所述基本上垂直的壁是由具有凸面槽脊的電極來形成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有諸如細(xì)微凹槽間距(＜100微米)、細(xì)微特征寬度(＜25微米)、變化的凹槽深度和3D表面剖面等用于最優(yōu)軸承性能的特征的電動(dòng)機(jī)軸承元件。公開了用于制造該工件的方法、用于制造最終部分的電極設(shè)計(jì)、以及用于制造這一電極的方法。公開了一種包括具有期望剖面的導(dǎo)電塊的電極。本發(fā)明的實(shí)施例的電極可由包括極難或難以加工的材料在內(nèi)的各種各樣材料制成。電極可由固體、具有空心芯的軸套或具有填充芯的軸套制成。這一電極可被用來在工件上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的凹槽幾何形狀。本發(fā)明的實(shí)施例的電極還通過一種制造方法制成，該方法包括通過激光燒蝕空心導(dǎo)電塊的部分在該空心導(dǎo)電塊的表面上形成凹槽圖案，且在該凹槽圖案中形成或不形成介電材料。公開了涉及光聚合、選擇性燒蝕、電鍍和用于凹陷槽脊的反ECM的其它方法。
文檔編號(hào)G11B5/58GK101064119SQ200710088669
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月15日
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