專利名稱：樞軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于支承可旋轉(zhuǎn)組件的軸承，并且尤其涉及盤驅(qū)動器的致動器和主軸所使用的軸承。
現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲需要大容量的海量數(shù)據(jù)存儲器。一種常用的存儲設(shè)備是旋轉(zhuǎn)磁盤機。
一個盤驅(qū)動器通常包含一個或多個剛性連接在公用主軸上的光滑平盤。各盤互相平行地堆疊在該主軸上，并且留有間隔從而它們不會接觸。通過主軸馬達(dá)各盤和主軸按恒速一同旋轉(zhuǎn)。
每片盤是由在中心具有一個為主軸準(zhǔn)備的孔的固體盤狀基底或基片構(gòu)成的。盡管基片可能是玻璃、陶瓷、塑料或其它材料，但通?；卿X制的?；繌?fù)著一薄層能磁化的材料，并且可能另外還涂復(fù)著保護(hù)層。
數(shù)據(jù)記錄在各磁盤表面上的可磁化層中。為了做到這一點，在該可磁化層中形成表示數(shù)據(jù)的微小磁化模式。通常把數(shù)據(jù)模式排列在環(huán)狀同心道上。各條道進(jìn)一步劃分成為一些扇區(qū)。從而每個扇區(qū)構(gòu)成一段圓弧，一個道上的所有扇區(qū)組成一個圓。
可移動致動器把傳感器頭定位在表面上的數(shù)據(jù)附近以讀寫數(shù)據(jù)。盡管較早的磁盤機設(shè)計采用沿直線軌跡前后移動的線性致動器，現(xiàn)在生產(chǎn)的大多數(shù)磁盤機采用沿一條軸轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)式致動器。旋轉(zhuǎn)式致動器好比唱機的(phonograph player)的拾音器臂，而磁頭好比唱針一樣。
對每個含有數(shù)據(jù)的盤表面存在一個傳感器頭。傳感器頭是一個在其上安裝著磁性讀/寫傳感器的空氣動力形材料(通常是陶瓷)塊。該快，或浮動塊，當(dāng)磁盤旋轉(zhuǎn)時在離盤表面距離很近的上方飛行。為使傳感器能對可磁化材料的數(shù)據(jù)模式進(jìn)行讀或?qū)?，對盤表面的精細(xì)靠近度是關(guān)鍵性的。存在著對傳感器的幾種不同設(shè)計，并且在某些情況下讀傳感器是和寫傳感器分開的。
典型地一個旋轉(zhuǎn)致動器包括一個靠近帶有朝著磁盤延伸的多個梳狀臂的軸的固體塊，一組連接在各臂上的懸架以及在軸的相反側(cè)上的電磁馬達(dá)。傳感器頭附著在懸架上，每個懸架帶有一個磁頭。致動器馬達(dá)轉(zhuǎn)動致動器，以把磁頭定位在所要求的數(shù)據(jù)磁道上。一旦把磁頭定位在該磁道上，磁盤的等速旋轉(zhuǎn)最終將使所要求的扇區(qū)與磁頭相鄰，從而可以讀或?qū)憯?shù)據(jù)。
隨著計算機系統(tǒng)變得更強大、更快和更可靠，相應(yīng)地增加了對改進(jìn)型存儲設(shè)備的需求。這些所需的改進(jìn)有幾種形式。所需的是降低成本、增大數(shù)據(jù)容量、提高驅(qū)動器運行的速度、減少電功率消耗并且提高機械沖擊下和其它干擾下的磁盤機的彈性。
尤其，要求減小磁盤機的物理尺寸。在某種程度上，尺寸的減小可能對上述目標(biāo)中的一部分有作用。但是同時，減小磁盤機的尺寸是它自身的要求。減小的尺寸使得把磁盤機包含在可移動應(yīng)用范圍內(nèi)，如膝上計算機、便攜尋呼機和智能卡，是切實可行的。
尺寸減小的一個例子是對磁盤機應(yīng)用PCMCIA Type II標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)最初是用于半導(dǎo)體插入設(shè)備的。隨著小型化技術(shù)的改進(jìn)，將有可能在符合PCMCIA Type II標(biāo)準(zhǔn)下構(gòu)造磁盤機。
為了縮小磁盤機的尺寸，必須盡可能地減小各部件的尺寸。此外，由于PCMCIA Type II標(biāo)準(zhǔn)以及許多其它小形狀因素機構(gòu)是用于可移動應(yīng)用的，必須使得這些機構(gòu)能夠忍受比如磁盤機落到硬地板上時可能出現(xiàn)的強機械沖擊。設(shè)計成應(yīng)用于桌上的常規(guī)磁盤機對沖擊損害是敏感的。隨著可移動應(yīng)用變?yōu)楦匾枰獙で笮碌脑O(shè)計技術(shù)，以便得到尺寸和功能的減小、使小型化部件的組合件切實可行并且當(dāng)遭受機械沖擊時保護(hù)磁盤機免受損害。
常規(guī)地，可旋轉(zhuǎn)磁盤的主軸組件和旋轉(zhuǎn)致動器組件是由多組安裝在環(huán)形軸承圈內(nèi)的球軸承支承的。典型地，兩組軸承用于盤主軸并且兩組軸承用于旋轉(zhuǎn)致動器。為了提供更大的穩(wěn)定性支承某特定組件的兩組軸承在軸向是分離的。零件的數(shù)量增加了縮小軸承組件尺寸的難度。此外，當(dāng)為小形狀因素磁盤進(jìn)行小型化設(shè)計時，各個滾珠變得特別小并且變得對機械沖擊是敏感的。最后，多個滾球造成明顯的軸承阻力和機械滯后，后者對于經(jīng)常改變方向的旋轉(zhuǎn)致動器尤其是很麻煩的。
已經(jīng)提出通過采用液體或流體軸承來處理主軸的軸承的小型化問題。這種軸承設(shè)計可潛在地減少零件，允許更大的速度和保證主軸軸承的抗沖擊性。但是，在這種受限的空間中油的容器是一個主要問題，并且尚未完全克服。此外，液體軸承的正常運行需要連續(xù)高速旋轉(zhuǎn)。典型地按高恒速旋轉(zhuǎn)的磁盤主軸可能成為合適的應(yīng)用對象。但是旋轉(zhuǎn)磁盤的致動器通常沿短弧線來回移動。磁盤致動器的運動通常不能產(chǎn)生支持液體軸承的足夠液壓，從而液體軸承不適用于磁盤致動器組件。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種支承可轉(zhuǎn)動組件的增強型軸承。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種增強型盤驅(qū)動器存儲設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是降低盤驅(qū)動器存儲設(shè)備的成本。
本發(fā)明的另一個目的是減少軸承組件中尤其是驅(qū)動器存儲設(shè)備的軸承組件中的零件數(shù)量。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種更容易生產(chǎn)和裝配的驅(qū)動器存儲設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是減小軸承和可轉(zhuǎn)動組件的體積。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有更大抗機械沖擊性的軸承組件。
本發(fā)明的另一個目的是減小驅(qū)動器存儲設(shè)備的尺寸。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有更大抗機械沖擊性的驅(qū)動器存儲設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是減小運行可轉(zhuǎn)動組件，尤其是盤驅(qū)動器存儲設(shè)備的可轉(zhuǎn)動組件，所需的功耗量。
用于可轉(zhuǎn)動組件的軸承設(shè)計包括兩個在該組件的轉(zhuǎn)動軸上安裝的并且彼此軸向上分開的自由轉(zhuǎn)動滾珠，滾珠各位于組件的轉(zhuǎn)動軸的兩端附近。每個滾珠由一個該可轉(zhuǎn)動組件的活動凹形軸承面以及一個對應(yīng)支架的固定凹形軸承表面所限制，該支架附著在框架、機架或類似的不轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)上。
在本最佳實施方式中，可轉(zhuǎn)動組件是盤驅(qū)動器的轉(zhuǎn)動致動器組件。軸承支承面最好是一個凹面，該凹面定義一個以轉(zhuǎn)動軸為中心的圓錐體形或平截頭圓錐體形的內(nèi)空間。最好為球形的滾珠占據(jù)由凹形軸承支承面定義的部分空間。固定支架中的一個和一個可壓縮彈簧相連以對組件提供受控的軸向預(yù)加載。安裝在機架上的致動器組件和致動器相嚙合以便實際上包圍著滾珠。在該封閉空間中配有潤滑油。該空間由O形環(huán)密封。
與用于致動器和主軸的常規(guī)滾珠軸承設(shè)計相比，本發(fā)明具備幾個優(yōu)點。本發(fā)明減少了零件數(shù)量并且減小了軸承所占空間的體積。滾珠數(shù)量的減少將減小滯后和軸承阻力，從而減少致動器馬達(dá)所需的功耗。同時，滾珠本身以及滾珠和軸承支承面之間的接觸區(qū)域要大得多，使得軸承更加抗沖擊。
本發(fā)明的不同可選實施方式是可能的。例如，該軸承可以用于支承磁盤機的主軸馬達(dá)。本發(fā)明可能應(yīng)用于任何一種把減小組件的尺寸作為重要的考慮的應(yīng)用之中，包括微電機(微米尺寸)應(yīng)用中。


圖1表示按照最佳實施方式的磁盤機存儲設(shè)備；圖2是該磁盤機的部分剖視圖，表示按照最佳實施方式的致動器組件；圖3是最佳實施方式的預(yù)加載彈簧的頂視圖；圖4是按照最佳實施方式的單個滾珠和對應(yīng)錐形軸承支承面放大后的剖面圖；圖5是一個滾珠和對應(yīng)的軸承支承面的第一可選實施方式的剖面圖，圖中表示拱形軸承支承面；圖6是一個滾珠和對應(yīng)的軸承面的第二可選實施方式的剖面圖，圖中表示球形軸承支承面。
圖7是一個滾珠和對應(yīng)的軸承支承面的第三可選實施方式的剖面圖，圖中表示錐形和球形相結(jié)合的軸承面；
圖8是馬達(dá)組件的剖面圖，該馬達(dá)組件采用按照一種可選實施方式的軸承組件。
圖1是按照最佳實施方式的磁盤機存儲設(shè)備100的部分分解圖。磁盤設(shè)備100包括剛性連接在輪轂103上的可旋轉(zhuǎn)磁盤101。輪轂103可轉(zhuǎn)動地安裝在磁盤機基座104上。輪轂103和盤101由驅(qū)動馬達(dá)驅(qū)動以恒轉(zhuǎn)速驅(qū)動。該驅(qū)動馬達(dá)包含在輪轂103之中。致動器組件105位于盤101的一側(cè)。致動器105繞與主軸的軸平行的軸106沿一條圓弧旋轉(zhuǎn)以便定位傳感器頭。致動器105由一個電磁馬達(dá)驅(qū)動，該電磁馬達(dá)包括一組和基座104剛性連接的永久恒定磁鐵110并包括和該致動器連接的電磁線圈111。罩115和基座104相配合形成完整的機殼或外罩，以保護(hù)磁盤和致動器組件。在由基座104和罩115構(gòu)成的磁頭/磁盤機殼內(nèi)，在電路卡112上安裝首用于控制磁盤機運行的以及和其它設(shè)備比如主機通信的電子模塊。在本實施方式中，電路卡112安裝在機殼內(nèi)，并且成形成占據(jù)磁盤附近未使用的空間以便節(jié)省空間和遵照PCMCIA Type II形狀因素。但是，卡112也可以安裝在磁頭/磁盤機殼的外面，或者可把基座本身做成電路卡并直接把電子模塊安裝在它的上面。多個磁頭/懸架組件108剛性地和致動器105的叉形支架連接?？諝鈩恿π巫x/寫傳感器頭109定位在各磁頭/懸架組件108的末端，緊靠磁盤表面。
致動器105在一對球形滾珠上旋轉(zhuǎn)，其中之一在圖1中用零件201表示。滾珠受各自的支架(其中之一在圖1中用零件220表示)和致動器凹形表面的限制。支架220和可壓縮彈簧224連接，彈簧按釋放狀態(tài)定位在罩115的內(nèi)表面里。
盡管在最佳實施(其應(yīng)該是一個典型的PCMCIA Type II形狀因素磁盤機)中只顯示了單個磁盤，應(yīng)該理解安裝在輪轂103上的磁盤數(shù)量可以變化。
圖2是沿致動器軸106的平面得到的磁盤機100的部分剖視圖，以更清楚地顯示致動器軸承組件的某些部件。為了容易定向，致動器105是和相連接的懸架108以及訪向磁盤101上的數(shù)據(jù)的傳感器頭109一起顯示在軸106的一側(cè)上的，在軸106的另一側(cè)是由連接在其座104上的固定磁鐵110和連接在致動器105上的線圈111構(gòu)成的致動器馬達(dá)。
致動器軸承組件包括兩個以致動器軸106為中心的軸向上分開的自由轉(zhuǎn)動球形滾珠201、202。每個滾珠201、202由各自的一對凹形軸承支承而所限制。軸承支承面210、211限制滾珠201，軸承支承面212、213限制滾珠202。最好各個軸承支承面210一213的形狀是圓錐體或平截頭圓錐體，圓錐以軸106為中心。
軸承支承面210、212最好是各個圓柱形支架塊220、222的加工后內(nèi)表面。相對于盤基座104支架220、222是靜止的，即它們不隨致動器轉(zhuǎn)動。在本最佳實施方式里，下支架塊222通過壓力安裝到對應(yīng)的卸荷空腔中或通過借助粘合劑、螺絲或其它合適的方法和基座104剛性連接?？蛇x擇地，固定塊222可以是基座鑄件的整體上的一部分，在這部分上通過機加工或其它方式形成支承面212。上支架220最好利用適當(dāng)?shù)恼澈蟿┖涂蓧嚎s預(yù)加載彈簧224連接。進(jìn)而用粘合劑或通過壓力壓入罩上的卸荷空腔使彈簧224和罩115連接。
支架220、222最好分別包括空心圓柱形護(hù)罩部分226、227，它們延伸到并包圍致動器105的嚙合部分。在致動器和護(hù)罩部分的環(huán)形槽內(nèi)，定位一對包圍軸106的O形環(huán)228、229。O形環(huán)228、229密封安放著滾珠201、202的空腔。為了減小摩擦力，O形環(huán)228、229最好應(yīng)該不和護(hù)罩部分226、227相接觸，但是它們對護(hù)罩的緊密接近形成該空腔的迷宮式密封。在密封之前在空腔中放入潤滑油(未示出)。
軸承支承面211、213最好是軸部件225的加工后內(nèi)表面。軸部件225包括具有用于和滾珠201接觸的軸承支承面211的上支架部分221和具有用于和滾珠202接觸的軸承支承面213的下支架部分223。在本最佳實施方式中，軸部件225是一個和致動器105剛性連接的分離部件，允許用不同于致動器105的材料構(gòu)成軸225。致動器105最好是鋁，而軸225最好是鋼。但是，軸225和致動器105可以是整體構(gòu)成的，或者支架部分221、223可以是分離部件并且分別和致動器105或軸225連接。
在磁盤機中，為了適應(yīng)典型磁盤機的高磁道密度，高度希望得到致動器的精確定位。出于這個原因，應(yīng)該對軸承預(yù)加載以限制致動器的擺動。在本實施方式中，軸承的預(yù)加載是通過借助可壓縮預(yù)加載彈簧224把軸向力賦于支架220來實現(xiàn)的。因為致動器自由地浮動在滾珠201、202之間，該軸向力經(jīng)過滾珠201、致動器105和滾珠202傳送到支架222上。該預(yù)加載力迫使?jié)L珠201靠著圓錐形軸承支承面210、211，并且迫使?jié)L珠202靠著圓錐形軸承支承面212、213，從而嚴(yán)格地使致動器105定位在軸106的中心上。
圖3是預(yù)加載彈簧224的頂視圖。彈簧224最好是由具有適當(dāng)厚度的不銹鋼板經(jīng)沖壓形成的徑向?qū)ΨQ部件。彈簧224包括用于和支架220連接的實心中央部分和多個從中央部分向外周邊303徑向延伸的彎曲葉臂302。外圓周303和罩115連接。葉臂是在沖壓過程中被永久性地變形的，從而中央部分301和外圓周303處于彼此偏離的平行平面中。這種設(shè)計提供了一種具有很小垂直尺寸的可壓縮彈簧。
沿著支承面及滾珠的環(huán)形部分滾珠201、202和軸承支承面210-213接觸。圓錐體形表面210-213相對垂直于致動器軸106的平面形成一個角度。在圖4中為軸承支承面210顯示了這個角并用α表示，對α角的適當(dāng)選擇將涉及不同的工程決策。當(dāng)該角變鈍時徑向上滾珠接觸的環(huán)形區(qū)減??；當(dāng)該角變銳時徑向上的接觸環(huán)形區(qū)增大。其結(jié)果是較銳的軸承支承面角增加穩(wěn)定性，但同時增加摩擦力。作為高穩(wěn)定性和低摩擦力之間的一種合理折衷約為45度的角是最佳的。在本最佳實施方式中，所有的軸承支承面構(gòu)成相同的角度。但是，應(yīng)該有可能把本發(fā)明的軸承組件按不同的角度構(gòu)造，或者其中軸承支承面不是具有不同半徑字弧形或球形的。滾珠的轉(zhuǎn)動速度通常在零和致動器或其它轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動速度之間的某個速度上。該轉(zhuǎn)動速度也可以通過改變軸承支承面的相對接觸角來調(diào)節(jié)。
當(dāng)和常規(guī)的把多個滾珠安放在繞軸的環(huán)形滾道的致動器設(shè)計相比較時，本設(shè)計明顯地改進(jìn)了抗沖擊性。在常規(guī)設(shè)計中，各滾珠和滾道之間的唯一接觸區(qū)是每個滾珠上的小點。在大沖擊的情況下，所有的沖擊載荷徑這些小的接觸點傳遞。這樣可以在這些點上產(chǎn)生高應(yīng)力，并且可能造成滾道和/或滾珠的永久性損害。通過明顯地增加接觸面，本設(shè)計改善了抗沖擊性。和各個滾珠上的多個小的不連續(xù)區(qū)不同，本設(shè)計的接觸區(qū)是一個繞軸的軸承支承面上的連續(xù)環(huán)形區(qū)。在沖擊情況下的表面輕微變形使得接觸面增加很大以減小應(yīng)力，從而避免了該表面的永久性損害。
因為和采用環(huán)形滾道上的多個滾珠的常規(guī)設(shè)計相比，本發(fā)明的軸承設(shè)計增加了接觸面，從而當(dāng)閑置一段時間時可能增加材料全接觸面粘合的趨勢。因此最好用不同于支架材料的材料來制造滾珠201、202。具體地，滾珠201、202最好是用陶瓷或不銹鋼J2100中的一種構(gòu)成。在不必形成從致動器到基座的電氣接地通路的情況下陶瓷是最佳材料；在需要接地通路的情況下不銹鋼是最佳的。各支架最好用淬硬普通鋼440C構(gòu)成。
滾珠和各支架的材料可有許多可能的可選組合。例如，青銅經(jīng)常是支架的一種合適材料，盡管對于大多數(shù)磁盤機聚合物可能是不合適的，在某些應(yīng)用中甚至可能采用聚合物材料。應(yīng)該可能用相同的材料制造滾珠和支架，盡管一般最好滾珠材料是不同于支架的并且是更硬的材料。
靜止的各支架和致動器上的各支架都可以如圖2所示是分離部件，或者可以和基座，罩或致動器是整體的。典型的致動器是由鋁和鎂構(gòu)成的，并且有可能在以致動器的轉(zhuǎn)動軸為中心的、致動器機體的對應(yīng)整體圓柱形凸出物上加工軸承支承面?；湫偷厥卿X制的，并且類似地可從基座或罩的相應(yīng)凸出物上加工軸承支承面。在這里所謂的“支架”指的是包含著軸承支承面的那個組件部分，并且包括整體式的支架和通過粘合劑、壓配合或其它方式連接起來的分離部件的支架兩種。
如能從上述說明中所觀察的那樣，本最佳實施方式的軸承把兩個自由地以軸為中心運動的滾珠限制在相應(yīng)的凹形軸承支承面內(nèi)。在本最佳實施方式里，凹形支承面是圓錐體形的或平截頭圓錐體形的，以為滾珠提供各自的環(huán)形接觸面。但是，在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)可能有許多不同形狀的軸承支承面。
圖4表示本實施方式所采用的單個滾珠201及對應(yīng)的圓錐體軸承支承面210-211的放大后的在致動器軸的平面中的剖面圖。在該剖面圖中，可以觀察到滾珠和軸承支承面之間的四個接觸點401A、401B、402A、402B。實際上，它們不是分離的點“點”401A、401B實際上是剖面上所看到的環(huán)形接觸區(qū)的相對的側(cè)邊(同樣402A、402B也是類似的)。兩個環(huán)形接觸區(qū)是繞軸的并以該軸為中心。當(dāng)假定為完美的球形滾珠和完美的圓錐體軸承支承面時，環(huán)形接觸區(qū)的徑向?qū)挾葹榱?。但是，由于預(yù)加載力、組件重量、動態(tài)載荷等造成滾珠和軸承支承面非常輕微的變形，總環(huán)形接觸區(qū)總是存在著一定的寬度。
圖5表示滾珠501和對應(yīng)的軸承支承面510-511的一種可選實施方式。在圖5的可選實施方式中，在和滾珠接觸的點處軸承支承面是弧形的。這種曲率趨于增大接觸區(qū)，尤其當(dāng)軸承組件承受使?jié)L珠和支架彈性變形的惡劣載荷時。即在載荷下形成接觸區(qū)的環(huán)形徑向?qū)挾葘⒈葓D4的實施方式增加得更快。從而圖5的可選實施方式將比圖4的實施方式具有更大的抗機械沖擊性。但是，和圖4的實施方式相比圖5的實施方式會有某些缺點。尤其是，增大的接觸區(qū)可能會增大初始運動時克服靜摩擦的所需力，并且同樣，可能增大運行期間的阻力。
圖6表示另一種可選實施方式的滾珠601和對應(yīng)的軸承支承面610-611。在圖6的實施方式中，軸承支承面610-611形成一個球的部分內(nèi)表面，定義該軸承支承面的球的半徑大于滾珠的半徑。結(jié)果，滾珠601在各個以軸為中心的圓形區(qū)和軸承支承面接觸，而不是在環(huán)形區(qū)上接觸。在低的軸向壓力的狀況下，這些圓形區(qū)變得非常小(幾乎是點)，產(chǎn)生很低的摩擦及阻力。當(dāng)組件承受沖擊載荷時，接觸區(qū)的大小增大。但是，因為接觸區(qū)離軸近得多，圖6的實施方式大概不會具有和圖4或圖5的實施方式等同的抗沖擊性。此外，比起圖4或圖5的實施方式圖6的實施方式將具有較低的可轉(zhuǎn)動組件的對準(zhǔn)精度，并且可能具有更大的搖擺趨勢。
圖7表示再一可選實施方式的滾珠701和對應(yīng)的軸承支承面。圖7的實施方式是圖4和圖6實施方式的混合。軸承支承面的其中之一711是如圖4中的一個圓錐體，構(gòu)成對滾珠701的環(huán)形接觸區(qū)。另一個軸承支承面是如圖6中的球形構(gòu)成軸向上的圓形接觸區(qū)。圖7的實施方式是兩種組成實施方式的特點之間的一種折衷。它將比圖4的實施方式具有更小的靜摩擦和阻力，盡管不比圖6中的靜摩擦和阻力低。并且它比圖6的實施方式具有更準(zhǔn)確的對準(zhǔn)和更高的抗沖擊性，盡管不如圖4中的好。
正如可能通過改變軸承支承面的角度改變最佳實施方式的某些運行參數(shù)，通過改變軸承支承面的半徑可以改變圖6和圖7的實施方式的某些參數(shù)。具體地，較長的半徑將趨于減小接觸區(qū)、降低阻力和對準(zhǔn)精度。較短的半徑將趨于增大接觸區(qū)、改善對準(zhǔn)精度但加大阻力。
在本最佳實施方式中，樞軸承用于支承磁盤機的致動器。因為致動器往返地轉(zhuǎn)動，該軸承特別好地適用于致動器。由于多個滾珠和潤滑劑的交互作用，具有常規(guī)軸承組和潤滑劑的致動器的機械阻尼顯示出某些滯后。當(dāng)磁盤機(和致動器)的尺寸減小時滯后變?yōu)楦用黠@。這里公開的設(shè)計減小了這種滯后效應(yīng)，因為各個軸承只有單個滾珠。但是，這種軸承也能夠用來支承磁盤主軸和磁盤機的轉(zhuǎn)子部分，尤其可用于小形狀因素的磁盤機，即使主軸只在一個方向上旋轉(zhuǎn)。尺寸的減少零件的減少以及對機械沖擊敏感度的降低等優(yōu)點可等同地應(yīng)用于致動器軸承和磁盤主軸軸承。
圖8是一種馬達(dá)組件的剖面圖，這種馬達(dá)組件采用按照一種可選實施方式的軸承組件。盡管圖8中所示的馬達(dá)被用作為磁盤存儲設(shè)備的主軸驅(qū)動馬達(dá)，應(yīng)該理解采用本發(fā)明這種軸承組件的類似馬達(dá)可用于其它應(yīng)用中。圖8的剖面圖是從磁盤的轉(zhuǎn)動軸803的平面中剖取的。一對球形滾珠801、802的中心定位于軸803上并且軸向上旋轉(zhuǎn)806隔開。下固定支架822通過粘合劑或壓配合剛性地和基座804連接。上固定支架820借助適當(dāng)?shù)恼澈蟿┖皖A(yù)加載彈簧824連接，預(yù)加載彈簧824進(jìn)而和罩805連接。
機箱806包括在軸803的相對兩側(cè)處的整體支架部分821、823，它們各具有和滾珠801、802相接觸的軸承支承面811、813。盡管在圖8的實施方式中支架部分821、823和機箱是整體的，但是應(yīng)該理解支架可以是和機箱相連接的分離部件。固定支架820、822的相應(yīng)軸承支承面810、812從相反的方向和滾珠801、802接觸。預(yù)加載彈簧824通過上支架820、滾珠801、機箱806和滾珠802傳遞受控的軸向預(yù)加載力。該預(yù)加載力和凹形軸承支承面一起使?jié)L珠801、802以軸803為中心。
滾珠801、802最好是不銹鋼JZ100，機箱806和支架220、222最好是普通鋼。但是，如最佳實施方式下致動器的情況中，可以采用不同的可選材料。
旋轉(zhuǎn)機箱806大致上是一個空心圓柱體，在一端上是封閉的，其具有用于嵌入滾珠801、802的中央軸部分和用于從下方支承磁盤807的凸緣。旋轉(zhuǎn)機箱最好是鋼制的以便為永久磁鐵提供可透磁背鐵。但是也可能使用帶有或不帶有分離背鐵部件的其它材料如塑料或鋁。夾緊裝置831把向下的軸向力施加在磁盤807上，把磁盤807壓在凸緣上使它保持在位置上。當(dāng)使用多個磁盤時，在各盤之間加入隔片，并且夾緊裝置把整個磁盤疊組壓在凸緣上。在已知技術(shù)中有不同的夾緊裝置和隔片。
為了安放馬達(dá)部件機箱806是中空的，一組永久磁鐵832緊固在旋轉(zhuǎn)機箱806的內(nèi)部。由磁心834和導(dǎo)線繞組835組成的電磁定子在機箱806所構(gòu)成的空間內(nèi)定位為環(huán)繞著軸803。馬達(dá)磁心最好包含由如硅鋼等透磁材料構(gòu)成的一串疊層。馬達(dá)線圈或繞組835圍繞著磁心以便形成定子電磁鐵。如已知技術(shù)該定子劃分成多個圓周上相隔的磁板，如已知技術(shù)，把永久磁鐵832排列成圍繞該定子的多個極性變化的磁極。
盡管圖8中的電動馬達(dá)如在磁盤機和其它小電動馬達(dá)中常規(guī)使用的那樣采用了用交變電流驅(qū)動的電磁定子線圈和永久磁鐵轉(zhuǎn)子，熟練的技術(shù)人員應(yīng)該理解電動馬達(dá)可以采用任何一種不同的裝置以便響應(yīng)電磁場把力矩傳送到轉(zhuǎn)子上。例如，轉(zhuǎn)子可以包含一組如在“感應(yīng)”馬達(dá)中普遍采用的一組閉環(huán)線圈。
本發(fā)明的軸承組件也可以應(yīng)用于不同于磁盤機的其它把小型化、抗沖擊性和降低本作為重要目標(biāo)的應(yīng)用之中。其它這樣應(yīng)用的一個例子是把這種軸承組件應(yīng)用于支承小型盒式磁帶機的旋轉(zhuǎn)卷盤。
由于減小的零件數(shù)和設(shè)計的簡化，本發(fā)明的軸承設(shè)計可應(yīng)用于微機械應(yīng)用中，即應(yīng)用于其移動零件的尺寸是用微米量度的情況中。在現(xiàn)有的微機械應(yīng)用中，通常避免使用任何類型的滾珠或滾子軸承，以允許旋轉(zhuǎn)表面直接和靜止表面相接觸。結(jié)果，這些零件的壽命是有限的。在這些應(yīng)用中采用由凹形表面限制的單個滾珠可以顯著地提高壽命和減小阻力。典型地，在這些應(yīng)用中軸承支承面應(yīng)該是蝕刻出的而不是機加工形成的。
在最佳實施方式中，沖壓成形的鋼預(yù)加載彈簧用于把受控的軸向預(yù)加載力傳遞到軸承上。但是，應(yīng)該理解可以通過任何不同的替代置來得到預(yù)加載，彈簧可以是由螺旋線或圓錐線構(gòu)成的?？蛇x地，可以用可壓縮材料如泡沫橡膠代替彈簧。彈簧還可以安裝在其它位置上，如轉(zhuǎn)子上。作為另一種替代。機箱本身可以是足夠彈性的以便在不使用任何彈簧或輔助可壓縮材料的情況下提供可接收范圍內(nèi)的預(yù)加載。
通常認(rèn)為為了使軸承有剛性并且加強它們的精度軸承預(yù)加載是必須的。如果載承未被預(yù)加載，則轉(zhuǎn)動組件的不可重復(fù)滑動可能是很大的，即轉(zhuǎn)動組件可能趨于按不可預(yù)料的方式擺動。由于為跟蹤非常窄的數(shù)據(jù)磁道需要高精度，這種擺動有可能使不具有預(yù)加載的軸承不適宜應(yīng)用于磁盤的致動器或主軸上。但是，可能存在一些不需要或不要求軸承預(yù)加載的應(yīng)用。未預(yù)加載的軸承可能具有降低的對準(zhǔn)精度和減弱的剛性。但同時可能更便宜、需要更少的空間并具有減小的靜摩擦。從而在本發(fā)明的一種可選實施方式里軸承可能不預(yù)加載。
在上面的說明，某些特征涉及到致動器的“上方”或“下方”，或者說明為“上”或“下”。這些術(shù)語僅用來易于參照并和附圖相一致，并且和技術(shù)上標(biāo)準(zhǔn)的定向相一致。但是，使用這些術(shù)語決不意味著本發(fā)明需要任何特殊的定向，比如要把預(yù)加載彈簧放在致動器的上方。本發(fā)明的磁盤機可以正由于易于構(gòu)造而把預(yù)加載彈簧安放在致動器的下方，或者把轉(zhuǎn)動軸定向在水平方向上。此外，“旋轉(zhuǎn)”和“轉(zhuǎn)動”這兩個詞是可互換地使用的，它所用來描述繞一個軸的轉(zhuǎn)動運動或旋轉(zhuǎn)運動；除了由上下文限制之外，應(yīng)該把這些詞理解為既包括物體轉(zhuǎn)足了360度的運動也包括物體僅沿圓弧未轉(zhuǎn)足360度的運動。
盡管公開了本發(fā)明的特定實施方式以及某些可選擇方式，熟練的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到在下述權(quán)利要求書的范圍內(nèi)可能作出形式上的和細(xì)節(jié)上的另外改變。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)盤數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，包括一個盤驅(qū)動基座；至少一個用于記錄數(shù)據(jù)的盤，所述盤可旋轉(zhuǎn)地安裝在所述基座上以繞盤軸旋轉(zhuǎn)；一個用于可轉(zhuǎn)動致動器的軸承組件，所述可轉(zhuǎn)動致動器繞致動器軸轉(zhuǎn)動，所述軸承組件包括(a)第一自由旋轉(zhuǎn)的滾珠和第二自由旋轉(zhuǎn)的滾珠，所述滾珠以所述致動器軸為中心并且在軸向上是分離的。(b)第一固定的致動器支架，所述第一支架具有以所述致動器軸為中心并和所述第一滾珠接觸的第一凹形軸承支承面；(c)第二固定的致動器支架，所述第二支架具有以所述致動器軸為中心并和所述第二滾珠接觸的第二凹形軸承支承面；一個可轉(zhuǎn)動致動器，包括(a)至少一個由懸架支承的傳感器頭，(b)一個馬達(dá)，用于繞所述致動器軸轉(zhuǎn)動所述致動器組件以定位所述傳感器頭，(c)第三凹形軸承支承面，其以所述致動器軸為中心并且和所述第一滾珠接觸，在所述致動器軸上所述第三凹形軸承支承面和所述的第一凹形軸承支承面相對，所述第一和第三凹形軸承支承面限制所述第一滾珠，以及(d)第四凹形軸承支承面，其以所述致動器軸為中心并且和所述第二滾珠接觸，在所述致動器軸上所述第四凹形軸承支承面和所述第二凹形軸承支承面相對，所述第二和第四凹形軸承支承面限制所述第二滾珠。
2.權(quán)利要求1的旋轉(zhuǎn)盤數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于所述第一和所述第二滾珠是球形的。
3.權(quán)利要求1的旋轉(zhuǎn)盤數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于各個所述軸承支承面在對應(yīng)的所述軸承支承面的環(huán)形部分上和一個滾珠接觸。
4.權(quán)利要求3的旋轉(zhuǎn)盤數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于和所述各滾珠接觸的各所述軸承支承面的所述環(huán)形部分是錐體形的。
5.權(quán)利要求1的旋轉(zhuǎn)盤數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于進(jìn)而包括把受控的軸向預(yù)加載傳遞到所述第一和所述第二滾珠上的裝置。
6.權(quán)利要求5的旋轉(zhuǎn)盤數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于用于傳遞受控軸向預(yù)加載的所述裝置包括支持所述第二致動器支架的一個可壓縮彈簧，所述可壓縮彈簧由所述機箱壓縮以把受控預(yù)加載傳遞給所述第一及第二滾珠。
7.權(quán)利要求1的旋轉(zhuǎn)盤數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其特征在于進(jìn)而包括用于旋轉(zhuǎn)所述至少一個盤的一個電氣馬達(dá)及軸承組件，所述電氣馬達(dá)及軸承組件包括和所述盤驅(qū)動基座連接的一個電磁定子；用于支承一個轉(zhuǎn)子的軸承組件，所述轉(zhuǎn)子繞所述盤軸旋轉(zhuǎn)并且支承所述盤，所述軸承組件包括(a)第三自由旋轉(zhuǎn)滾珠和第四自由旋轉(zhuǎn)滾珠，所述這兩個滾珠以所述盤軸為中心并且在軸向上是分離的；(b)第一固定轉(zhuǎn)子支架，所述第一轉(zhuǎn)子支架具有以所述盤軸為中心并和所述第三滾珠接觸的第五凹形軸承支承面；(c)第二固定轉(zhuǎn)子支架，所述第二轉(zhuǎn)子支架具有以所述盤軸為中心并和所述第四滾珠接觸的第六凹形軸承支承面；以及一個轉(zhuǎn)子，其包括(a)一個轉(zhuǎn)子機架；(b)一種裝置，其響應(yīng)由所述定子產(chǎn)生的電磁場把力矩傳遞到所述轉(zhuǎn)子上；(c)第七凹形軸承支承面，其以所述盤軸為中心并和所述第三滾珠接觸，所述第七凹形軸承支承面沿所述盤軸和所述第五凹形軸承支承面相對，所述第六和第七凹形軸承支承面限制所述第三滾珠，以及(d)第八凹形軸承支承面，其以所述盤軸為中心并和所述第四滾珠接觸，所述第八凹形軸承支承面沿所述盤軸和所述第六凹形軸承支承面相對，所述第六和第八凹形軸承支承面限制所述第四滾珠。
8.一種用于可旋轉(zhuǎn)安裝物體的軸承組件，所述可旋轉(zhuǎn)安裝物體具有一個旋轉(zhuǎn)軸，所述軸承組件包括(a)第一自由旋轉(zhuǎn)滾珠和第二自由旋轉(zhuǎn)滾珠，所述各滾珠以所述軸為中心并在軸向上是分離的；(b)第一固定支架，所述第一支架具有以所述軸為中心的并且和所述第一滾珠接觸的第一凹形軸承支承面；(c)第二固定支架，所述第二支架具有以所述軸為中心的并且和所述第二滾珠接觸的第二凹形軸承支承面；可旋轉(zhuǎn)物體包括(a)第三凹形軸承支承面，其以所述軸為中心并且和所述第一滾珠接觸，沿所述軸所述第三凹形軸承支承面和所述第一凹形軸承支承面相對，所述第一和第三凹形軸承支承面限制所述第一滾珠，以及(b)第四凹形軸承支承面，其以所述軸為中心并且和所述第二滾珠接觸，沿所述軸所述第四凹形軸承支承面和所述第二凹形軸承支承面相對，所述第二和第四凹形軸承支承面限制所述第二滾珠。
9.權(quán)利要求8的軸承組件，其特征在于所述第三凹形軸承支承面和所述第四凹形軸承支承面定位在所述第一凹形軸承支承面和所述第二凹形軸承支承面之間。
10.權(quán)利要求8的軸承組件，其特征在于各個所述軸承支承面在對應(yīng)的所述軸承支承面的環(huán)形部分上和一個滾珠接觸。
11.權(quán)利要求8的軸承組件，其特征在于進(jìn)而包括把受控軸向預(yù)加載傳遞到所述第一和第二滾珠的裝置。
12.權(quán)利要求11的軸承組件，其特征在于傳遞受控軸向預(yù)加載的所述裝置包括支承所述第二固定支架的一個可壓縮彈簧，所述可壓縮彈簧把受控預(yù)加載傳遞到所述第一及第二滾珠上。
13.一種電氣馬達(dá)，包括一個靜止基座；一個與所述基座連接的電磁定子；一個用于支承一個轉(zhuǎn)子的軸承組件，所述轉(zhuǎn)子繞一個軸旋轉(zhuǎn)，所述軸承組件包括(a)第一自由旋轉(zhuǎn)滾珠和第二自由旋轉(zhuǎn)滾珠，所述各滾珠以所述軸為中心并在軸向上是分離的；(b)第一固定轉(zhuǎn)子支架，所述第一支架具有以所述軸為中心的并和所述第一滾珠接觸的第一凹形軸承支承面；(c)第二固定轉(zhuǎn)子支架，所述第二支架具有以所述軸為中心的并和所述第二滾珠接觸的第二凹形軸承支承面；一個轉(zhuǎn)子，其包括(a)一個轉(zhuǎn)子機架；(b)一種裝置，其響應(yīng)由所述定子產(chǎn)生的電磁場把力矩傳遞到所述轉(zhuǎn)子上；(c)第三凹形軸承支承面，其以所述軸為中心并和所述第一滾珠接觸，沿所述軸所述第三凹形軸承支承面和所述第一凹形軸承支承面相對，所述第一和第三凹形軸承支承面限制所述第一滾珠，以及(d)第四凹形軸承支承面，其以所述軸為中心并和所述第二滾珠接觸，沿所述軸所述第四凹形軸承支承面和所述第二凹形軸承支承面相對，所述第二和第四凹形軸承支承面限制所述第二滾珠。
14.權(quán)利要求13的電氣馬達(dá)，其特征在于所述第三凹形軸承支承面和所述第四凹形軸承支承面定位在所述第一凹形軸承支承面和所述第二凹形軸承支承面之間。
15.權(quán)利要求13的電氣馬達(dá)，其特征在于進(jìn)而包括用于把受控軸向預(yù)加載傳遞到所述第一及第二滾珠上的裝置。
16.權(quán)利要求15的電氣馬達(dá)，其特征在于用于傳遞受控軸向預(yù)加載的裝置包括支承所述第二固定支架的一個可壓縮彈簧，所述可壓縮彈簧把受控預(yù)加載傳遞到所述第一和第二滾珠。
17.權(quán)利要求13的電氣馬達(dá)，其特征在于用于響應(yīng)電磁場以把力矩傳遞到所述轉(zhuǎn)子的所述裝置包括一組和所述轉(zhuǎn)子機箱連接的永久磁鐵。
全文摘要
一種用于包括兩個自由旋轉(zhuǎn)滾珠的可旋轉(zhuǎn)組件的軸承設(shè)計方法，這兩個滾珠安裝在該組件的轉(zhuǎn)動軸上并且在軸向上是分離的，在該組件的軸端附近各有一個滾珠。每個滾珠由可旋轉(zhuǎn)組件的可動凹形(最好是圓錐體或平截頭圓錐體)軸承支承面和對應(yīng)的與框架、機架或類似不轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)連接的支架上的固定凹形軸承支承面所限制。固定支架中的一個最好和一個可壓縮彈簧連接以對組件提供受控的軸向預(yù)加載。
文檔編號G11B5/48GK1140876SQ96104478
公開日1997年1月22日 申請日期1996年4月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月22日
發(fā)明者波塔豪·金-艾德因 申請人:國際商業(yè)機器公司