ПОВОРОТНЫЙ ПОДШИПНИК Российский патент 1999 года по МПК G11B5/55 F16C19/50 

Изобретение относится к подшипникам, используемым для поддержки вращающихся узлов и, в частности, к подшипникам, используемым в приводах и шпинделях накопителя на дисках.

Широкие потребности современных компьютерных систем в хранении данных требуют массовых запоминающих устройств данных большой емкости. Обычным запоминающим устройством является вращающийся накопитель на магнитных дисках.

Накопитель на дисках обычно содержит один или более гладких, плоских дисков, которые жестко прикреплены к общему шпинделю. Диски собраны в пачку на шпинделе параллельно друг к другу и разделены зазором так, что они не касаются. Диски и шпиндель вращаются одновременно с постоянной скоростью шпиндельным мотором.

Каждый диск формируется из твердой дискообразной основы или подложки, имеющей отверстие в середине для шпинделя. Подложка обычно алюминиевая, хотя возможны стекло, керамика, пластмасса или другие материалы. Подложка покрыта тонким слоем намагничиваемого материала и может быть дополнительно покрыта защитным слоем.

Данные записываются на поверхности дисков в намагничиваемом слое. Для выполнения этого мельчайшие намагниченные рисунки, представляющие данные, формируются в намагничиваемом слое. Эти рисунки данных обычно расположены в круговых концентрических дорожках. Каждая дорожка, кроме того, разделяется на ряд секторов. Каждый сектор, таким образом, образует дугу, причем все секторы-дорожки составляют окружность.

Подвижный привод устанавливает преобразующую головку вблизи данных на поверхности для считывания или записи данных. Хотя ранние конструкции накопителей на дисках использовали линейные приводы, которые перемещались вперед и назад на прямых направляющих, большинство накопителей на дисках, выпускаемых теперь, используют вращательный привод, который вращается вокруг оси. Вращательный привод можно сравнить со звукоснимателем электропроигрывателя, а головку с проигрывающей иглой. Для каждой поверхности диска, содержащей данные, имеется одна преобразующая головка. Преобразующая головка представляет собой узел аэродинамической формы из материала (обычно керамики), на котором установлен магнитный преобразователь считывания/записи. Узел или ползун проходит над поверхностью диска на очень малом расстоянии, когда диск вращается. Непосредственная близость к поверхности диска является критичной в обеспечении возможности преобразователя считывать или записывать рисунки данных в намагничиваемом слое. Используются несколько различных конструкций преобразователя, а в некоторых случаях считывающий преобразователь отделяется от записывающего преобразователя.

Вращательный привод обычно включает цельный узел около оси, имеющий гребенчатые кронштейны, протягивающиеся к диску, набор тонких подвесов, прикрепленных к кронштейнам, и электромагнитный мотор на противоположной стороне оси. Преобразующие головки прикреплены к подвесам: по одной головке на каждый подвес. Мотор привода поворачивает привод в позицию расположения головки над требуемой дорожкой данных. Когда головка расположена над дорожкой, постоянное вращение диска в конечном счете доставит требуемый сектор близко к головке, и затем данные могут быть считаны или записаны.

Так как компьютерные системы стали более мощными, быстродействующими и более надежными, соответственно возросли требования к усовершенствованию устройств памяти. Эти требуемые усовершенствования имеют несколько видов. Требуется снизить стоимость, увеличить емкость данных, увеличить скорость работы дисковода, снизить электрическую мощность, потребляемую дисководами, и увеличить стойкость дисководов при наличии механических ударов и других воздействий.

В частности, требуется уменьшить физический размер накопителей на дисках. До некоторой степени уменьшение размера может быть полезным для содействия некоторым из вышеприведенных целей. Но в то же время уменьшенный размер накопителей на дисках желателен и сам по себе. Уменьшенный размер делает удобным включить накопители на магнитных дисках в сферу портативных применений, как, например, портативных компьютеров, мобильных пейджеров и "интеллектуальных карточек".

Примером уменьшения размера является применение стандарта PCMCIA тип 11 к накопителям на дисках. Этот стандарт первоначально предназначался для полупроводниковых сменных устройств.

С усовершенствованием технологии миниатюризации будет возможно создавать накопители на дисках, соответствующие стандарту PCMCIA тип 11.

Для того чтобы сократить размер накопителей на дисках, размер каждой компоненты должен быть уменьшен, как только возможно. Кроме того, так как стандарт PCMCIA тип 11, так же, как многие другие дисководы с малым коэффициентом формы, предназначены для портативного использования, необходимо, чтобы эти устройства были способны выдерживать сильный механический удар, который может возникнуть, когда накопитель на дисках роняется на жесткий пол.

Обычные дисководы, сконструированные для настольных применений, чувствительны к ударному повреждению. Так как портативные применения становятся более важными, необходимо найти новые способы конструирования для того, чтобы позволить уменьшить размеры и потребление мощности, для того, чтобы сделать узел из миниатюризированных компонент удобным и предохранить дисковод от повреждения, когда он подвергается механическому удару.

Обычно узел вращающегося от шпинделя диска и узел вращательного привода поддерживаются наборами шарикоподшипников, помещенных в кольцевые вырезы. Типично наличие двух наборов подшипников для шпинделя диска и двух наборов для вращательного привода, причем два набора, поддерживающие конкретный узел, разделены вдоль оси для обеспечения большей устойчивости. Количество деталей дополнительно затрудняет сокращение размера узла подшипника. Кроме того, когда эта конструкция миниатюризируется для диска с малым коэффициентом формы, отдельные шарики становятся очень маленькими и чувствительными к механическому удару. Наконец, многочисленные шарики вызывают значительное сопротивление подшипника и механический гистерезис, причем последний особенно причиняет беспокойство для вращательных приводов, которые часто изменяют направление.

Было предложено обратиться к проблемам миниатюризации шпиндельных подшипников с использованием жидкостных или гидродинамических подшипников. Такие конструкции подшипников могли бы потенциально уменьшить детали, позволить большие скорости и повысить сопротивление удару шпиндельных подшипников. Однако локализация масла в таком ограниченном пространстве является главной проблемой, которая еще полностью не преодолена. Кроме того, для правильной работы жидкостного подшипника требуется постоянное вращение с высокой скоростью. Шпиндели дисков, которые типично вращаются с высокой постоянной скоростью, могут стать подходящими применениями. Но вращательный привод диска типично перемещается вперед и назад по короткой дуге. Перемещение привода диска не может как правило создать достаточное давление жидкости для поддержки жидкостного подшипника, и поэтому жидкостные подшипники не подходят для узлов привода диска.

Целью настоящего изобретения является предоставление усовершенствованного подшипника для поддержки вращающихся узлов.

Другой целью настоящего изобретения является предоставление усовершенствованного дискового запоминающего устройства.

Другой целью настоящего изобретения является снижение стоимости дискового запоминающего устройства.

Другой целью настоящего изобретения является уменьшение числа деталей в узле подшипника, в частности в узле подшипника дискового запоминающего устройства.

Другой целью настоящего изобретения является предоставление дискового запоминающего устройства, которое легче изготовить и собрать.

Другой целью настоящего изобретения является уменьшение объема подшипника и вращающегося узла.

Другой целью настоящего изобретения является предоставление узла подшипника, имеющего большее сопротивление механическому удару.

Другой целью настоящего изобретения является уменьшение размера дискового запоминающего устройства.

Другой целью настоящего изобретения является предоставление дискового запоминающего устройства, имеющего большее сопротивление механическому удару.

Другой целью настоящего изобретения является уменьшение количества энергии, требуемой для приведения в действие вращающегося узла, в частности вращающегося узла дискового запоминающего устройства.

Конструкция подшипника для вращающегося узла включает два свободно вращающихся шарика, установленных на оси вращения узла и разделенных вдоль оси, по одному около каждого конца оси узла. Каждый шарик удерживается движущейся вогнутой поверхностью подшипника вращающегося узла и соответствующей фиксированной вогнутой поверхностью подшипника опоры, прикрепленной к раме, корпусу или подобной невращающейся конструкции.

В предпочтительном воплощении вращающийся узел является узлом вращательного привода накопителя на дисках. Поверхности подшипника являются предпочтительно вогнутыми поверхностями, определяющими внутреннее пространство в форме конуса или усеченного конуса, которое расположено в центре вокруг оси вращения. Шарик, который предпочтительно является сферическим, занимает часть пространств, определенных вогнутыми поверхностями подшипника. Одна из фиксированных опор прикреплена к сжимающейся пружине для обеспечения управляемой осевой предварительной нагрузки на узел. Узел привода и привод, прикрепленный на корпусе, пригнаны для того, чтобы прочно вложить шарик. Во вложенном пространстве обеспечена смазка. Пространство изолируется круглым кольцом.

По сравнению с обычными конструкциями шарикоподшипников для приводов и шпинделей настоящее изобретение предоставляет многочисленные преимущества. Оно сокращает число деталей и объем пространства, занимаемого подшипниками. Уменьшение количества шариков уменьшит гистерезис и сопротивление подшипника, уменьшая требования к мощности мотора привода. В то же время сами шарики и контактная область между шариками и поверхностями подшипника значительно больше, что делает подшипник более сопротивляемым к удару.

Возможны различные альтернативные воплощения настоящего изобретения. Например, подшипник может быть использован для поддержки мотора шпинделя накопителя на дисках. Он может быть использован в любых многочисленных применениях, где важное внимание уделяется уменьшенному размеру узла, включая микромоторы (размер в микронах).

Фиг. 1 изображает блок накопителя на магнитном диске в соответствии с предпочтительным воплощением;
фиг. 2 представляет частичный вид в разрезе накопителя на магнитном диске, изображая узел привода в соответствии с предпочтительным воплощением;
фиг. 3 представляет вид сверху пружины предварительной нагрузки предпочтительного воплощения;
фиг. 4 представляет увеличенный вид в разрезе одного шарика и соответствующих конических поверхностей подшипника в соответствии с предпочтительным воплощением;
фиг. 5 представляет вид в разрезе первого альтернативного воплощения шарика и соответствующих поверхностей подшипника, изображая дуговые поверхности подшипника;
фиг. 6 представляет вид в разрезе второго альтернативного воплощения шарика и соответствующих поверхностей подшипника, изображая сферические поверхности подшипника;
фиг. 7 представляет вид в разрезе третьего альтернативного воплощения шарика и соответствующих поверхностей подшипника, изображая комбинацию конической и сферической поверхностей подшипника;
фиг. 8 представляет вид в разрезе узла мотора, использующего узел подшипника в соответствии с альтернативным воплощением.

Фиг. 1 представляет частично увеличенный блок накопителя на магнитном диске 100 в соответствии с предпочтительным воплощением. Блок диска 100 содержит вращающийся диск 101, который жестко прикреплен к ступице 103. Ступица 103 вращательно установлена на основании накопителя на диске. Ступица 103 и диск 101 приводятся в движение приводным мотором с постоянной скоростью вращения. Приводной мотор содержится внутри ступицы 103. Узел привода 105 расположен с одной стороны диска 101. Привод 105 вращается по дуге около оси 106, параллельной оси шпинделя для расположения преобразовательных головок. Привод 105 приводится в движение электромагнитным мотором, содержащим набор постоянных неподвижных магнитов 110, жестко прикрепленных к основанию 104, и электромагнитную катушку 110, прикрепленную к приводу. Крышка 115 сопряжена с основанием 104 для образования завершенного корпуса или футляра для защиты узлов диска и привода. Электронные модули для управления работой дисковода и связанные с другим устройством, как, например, главным компьютером, установлены на схемной плате 112 внутри корпуса головки/диска, образованного основанием 104 и крышкой 115. В этом воплощении схемная плата 112 установлена внутри корпуса и сформирована так, чтобы занять неиспользованное пространство вокруг диска для того, чтобы сберечь пространство, которое могло бы быть использовано для коэффициента формы PCMCIA тип 11. Однако плата 112 могла бы быть также установлена вне корпуса головки/диска, или само основание могло бы быть выполнено, как схемная плата для установки электронных модулей непосредственно на нем. Множество узлов головки/подвеса 108 жестко прикреплены к выступам привода 105. Аэродинамическая преобразующая головка считывания/записи 109 расположена на конце каждого узла головки/подвеса 108 вблизи поверхности диска.

Привод 105 вращается на паре сферических шариков, один из которых показан на фиг. 1 как элемент 201. Шарики удерживаются соответствующей опорой (одна показана на фиг. 1 как элемент 220) и вогнутыми поверхностями привода. Опора 220 прикреплена к сжимающейся пружине 224, которая расположена внутри рельефа во внутренней поверхности крышки 115. Несмотря на то, что в предпочтительном воплощении показан только единственный диск (как было бы типично для накопителя на диске коэффициента формы PCMCIA тип 11), следует понимать, что число дисков, установленных на ступице 103, может меняться.

Фиг. 2 представляет частичный вид в разрезе накопителя на диске 100, взятый в плоскости оси привода 106, показывающий более ясно определенные компоненты узла подшипника привода. Для простоты ориентации привод 105 показан с прикрепленными подвесами 108 и преобразующими головками 109, которые выбирают данные на диске 101 с одной стороны оси 106. С другой стороны оси 106 находится мотор привода, содержащий неподвижные магниты 110, прикрепленные к основанию 104, и катушку 111, прикрепленную к приводу 105.

Узел подшипника привода содержит два свободно вращающихся сферических шарика 201, 202, которые расположены с центром на оси 106 привода и разделены вдоль оси. Каждый шарик 201, 202 удерживается соответствующей парой вогнутых поверхностей подшипника. Поверхности подшипника 201, 211 удерживают шарик 201, а поверхности подшипника 212, 213 удерживают шарик 202. Предпочтительно, каждая поверхность подшипника 210-213 является конической или усеченно-конической по форме, причем конусы расположены с центром на оси 106. Поверхности подшипника 210, 212 предпочтительно являются обработанными на станке внутренними поверхностями соответствующих цилиндрических опорных блоков 220, 222. Опоры 220, 222 неподвижны по отношению к основанию диска 104, то есть они не вращаются вместе с приводом. В предпочтительном воплощении нижний опорный блок 222 жестко прикреплен к основанию 104 путем запрессовки в соответствующую рельефную полость или прикреплен клеем, болтами или другими подходящими средствами. Альтернативно блок 222 мог бы быть составной частью отливки основания, в которой поверхность 212 обработана на станке или сформирована другим способом. Верхняя опора 220 предпочтительно прикреплена к сжимающейся пружине предварительной нагрузки 224 с помощью подходящего клея. Пружина 224 в свою очередь прикреплена к крышке 115 с помощью клея или запрессовки в рельефную полость в крышке.

Опоры 220, 222 предпочтительно включают соответствующие полые цилиндрические части кожуха 226, 227, которые простираются над сопряженными частями привода 105 и окружают их. Пара круглых колец 228, 229 установлена вокруг оси 106 внутри окружностных пазов привода и частей кожуха. Круглые кольца 228, 229 изолируют полости, в которых расположены шарики 201, 202. Для уменьшения трения круглые кольца 228, 229 предпочтительно не должны контактировать с частями кожуха 226, 227, но их непосредственная близость к кожухам образует лабиринтное уплотнение полостей. Смазка (не показана) помещается в полости перед изоляцией.

Поверхности подшипника 211, 213 предпочтительно являются обработанными на станке внутренними поверхностями детали-вала 225. Деталь-вал 225 содержит верхнюю опорную часть 221, имеющую поверхность подшипника 211 для контактирования с шариком 201 и нижнюю опорную часть 223, имеющую поверхность подшипника 213 для контактирования с шариком 202. В предпочтительном воплощении деталь-вал 225 является отдельной деталью, которая жестко прикреплена к приводу 105, позволяя формировать вал 225 из других материалов, отличных от используемых в приводе. Привод 105 предпочтительно является алюминиевым в то время, как вал предпочтительно стальной. Однако вал 225 и привод 105 могли бы быть сформированы как единое целое, или опорные части 221, 223 могли бы быть отдельными деталями, которые индивидуально прикреплены к приводу 105 или валу 225.

В накопителе на дисках весьма желательно получить точную ориентацию привода для того, чтобы согласовать с высокими плотностями дорожек типичных дисководов. Для этой цели подшипники должны быть предварительно нагружены для ограничения колебания привода. В предпочтительном воплощении предварительная нагрузка подшипников выполняется путем приложения осевой силы к подшипнику 220 с помощью сжимающейся пружины предварительной нагрузки 224. Так как привод 105 свободно плавает между шариками 201, 202, осевая сила передается через шарик 201, привод 105 и шарик 202 в подшипник 222. Предварительная нагрузка прижимает шарик 201 к коническим поверхностям подшипника 210, 211 и прижимает шарик 202 к коническим поверхностям подшипника 212, 213, устойчиво центрируя привод 105 на оси 106.

Фиг. 3 представляет вид сверху пружины предварительной нагрузки 224. Пружина 224 предпочтительно является радиально симметричной деталью, сформированной штамповкой из листа нержавеющей стали, имеющего подходящую толщину. Пружина 224 включает твердую центральную часть 301 для крепления к опорному блоку 220 и множество изогнутых лопастей, радиально распространяющихся от центральной части к внешнему периметру 303. Внешний периметр 303 крепится к крышке 115. Лопасти постоянно деформированы в процессе штамповки так, что центральная часть 301 и внешний периметр 303 лежат в параллельных плоскостях, смещенных относительно друг друга. Эта конструкция обеспечивает сжимающуюся пружину, имеющую очень малый вертикальный размер.

Шарики 201, 202 контактируют с поверхностями подшипников 210-213 вдоль кольцевых частей поверхности и шариков. Конические поверхности 210-213 образуют угол по отношению к плоскости, перпендикулярной к оси привода 106. Этот угол показан на фиг. 4 для поверхности 210 подшипника и обозначен α. Выбор подходящего угла α будет вызывать различные инженерные решения. Когда угол становится меньше, радиус кольцевой контактной области шарика уменьшается; когда угол становится круче, радиус кольцевой контактной области увеличивается. Следствием этого является, что более крутой угол поверхности подшипника увеличивает устойчивость, но при этом увеличивает трение. Предпочтительным является угол приблизительно в 45^o как разумный компромисс между высокой устойчивостью и низким трением. В предпочтительном воплощении все поверхности подшипника образуют одинаковый угол. Однако, было бы возможно сконструировать узел подшипника настоящего изобретения с различными углами или такой, где поверхности подшипника представляют дугу или являются сферическими с различными радиусами. Скорость вращения шариков будет, как правило, где-то между нулем и скоростью вращения привода или другой вращающейся детали. Эта скорость вращения может также регулироваться изменением относительных углов контакта поверхностей подшипника.

По сравнению с обычной конструкцией привода, в которой множество шариков расположены в кольцевом вырезе, окружающем вал, настоящая конструкция значительно улучшает сопротивление удару. В обычной конструкции областью контакта между шариками и вырезом является только небольшая точка на каждом отдельном шарике. В случае значительного удара вся ударная нагрузка передается через эти небольшие точки контакта. Это может вызвать очень высокие нагрузки в этих точках и может привести к постоянной деформации выреза и/или шарика. Настоящая конструкция улучшает сопротивление удару с помощью существенного увеличения области контакта. Область контакта в настоящей конструкции является непрерывной кольцевой областью на поверхности подшипника, окружающей ось, скорее, чем множество маленьких дискретных областей на каждом шарике. Незначительная упругая деформация поверхности в случае удара вызывает очень большое увеличение контактной области для уменьшения напряжения и таким образом исключает постоянную деформацию поверхности.

Так как конструкция подшипника настоящего изобретения увеличивает контактную область по сравнению с обычной конструкцией, использующей множество шариков в кольцевом вырезе, может быть тенденция диффузии материалов на контактных поверхностях, когда они находятся в нерабочем состоянии длительное время. Соответственно предпочтительно, чтобы шарики 201, 202 были изготовлены из материалов отличных от материалов, используемых в опорах. Конкретно, шарики 201, 202 предпочтительно формируются либо из керамики, либо из нержавеющей стали J 2100. Керамика является предпочтительным материалом, где нет необходимости образовывать электрическое заземление от привода к основанию; там, где требуется заземление, предпочтительной является нержавеющая сталь. Опоры предпочтительно формируются из закаленной обычной стали 440С. Возможны многие допустимые альтернативные комбинации материалов для шариков и опор, например, бронза является часто подходящим материалом для опоры. Даже было бы возможно использовать полимерные материалы в некоторых применениях, хотя полимеры были бы вероятно непригодными для большинства накопителей на дисках. Было бы возможно изготовить шарики и опоры из одинаковых материалов, хотя в большинстве случаев предпочтительно, чтобы шарики были из отличного и более твердого материала, чем опоры.

Как неподвижные опоры, так и опоры на приводе могли бы быть отдельными частями, как показано на фиг. 2, или могли бы быть объединены с основанием, крышкой или приводом. Привод типично формируется из алюминия или магния и желательно обработать на станке поверхности подшипника в соответственных объединенных цилиндрических проекциях корпуса привода с центром на оси вращения привода. Основание является типично алюминиевым, а поверхности подшипника желательно аналогично обработать на станке в соответственных проекциях от основания или крышки. Как использовано здесь, "опора" относится к той части узла, которая содержит поверхности подшипника и включает как объединенные опоры, так и опоры, которые являются отдельными изделиями, скрепленными клеем, прессованием или другими средствами.

Как следует из вышеприведенного описания, подшипник предпочтительного воплощения удерживает два свободно перемещающихся с центром на оси шарика внутри соответственных вогнутых поверхностей подшипника. В предпочтительном воплощении вогнутые поверхности являются коническими или усеченно-коническими, обеспечивая кольцевые контактные поверхности с шариками. Однако возможны многие варианты поверхностей подшипника в пределах сущности и границ настоящего изобретения.

Фиг. 4 изображает увеличенный вид в разрезе единственного шарика 201 и соответственных конических поверхностей подшипника 210-211, как использованных в предпочтительном воплощении, в плоскости оси привода. В виде в разрезе видно четыре контактные точки 401A, 401B, 402A, 402B между шариками и поверхностями подшипника. На самом деле они не являются дискретными точками. "Точки" 401A, 401B действительно являются противоположными концами кольцевой контактной области, видимой в разрезе (и аналогично 402A, 402B). Две кольцевые области окружают ось и имеют центр на оси. Если предположить совершенно сферический шарик и совершенно конические поверхности подшипника, то кольцевые контактные области имеют нулевую радиальную ширину. Однако, всегда будет некоторая ширина кольцевой контактной области, так как шарик и поверхности подшипника очень незначительно деформируются в результате силы предварительной нагрузки, веса узла, динамической нагрузки и т.д.

Фиг. 5 изображает альтернативное воплощение шарика 501 и соответственных поверхностей подшипника 510-511. В альтернативном воплощении фиг. 5 поверхности подшипника изогнуты в контактной точке с шариком. Этот изгиб имеет тенденцию увеличить контактную область, в частности, когда узел подшипника подвергается сильной нагрузке, которая упруго деформирует шарик и опоры. То есть радиальная ширина кольца, которое образует контактную область, будет увеличиваться под нагрузкой быстрее, чем в воплощении фиг. 4. Поэтому альтернативное воплощение фиг. 5 будет иметь большее сопротивление механическому удару, чем воплощение фиг. 4. Однако, воплощение фиг. 5 будет иметь определенные недостатки по сравнению с фиг. 4, в частности увеличенная контактная область будет, вероятно, увеличивать усилие для преодоления статического трения (прилипания) при первоначальном движении и может также увеличить сопротивление во время работы.

Фиг. 6 изображает другое альтернативное воплощение шарика 601 и соответственно поверхности подшипника 610-611. В воплощении фиг. 6 поверхности подшипника 610-611 образуют часть внутренней поверхности сферы, причем радиус сферы, определяющий поверхности подшипника, больше радиуса шарика. В результате шарик 601 контактирует с поверхностями 610-611 в соответственных круговых областях с центром на осях лучше, чем в кольцевой области. При условии малой осевой силы сжатия эти круговые области становятся очень маленькими (почти точки), имея результатом очень малое прилипание и сопротивление. Контактные области увеличиваются в размере, когда узел подвергается ударной нагрузке. Однако, воплощение фиг. 6 вряд ли должно иметь одинаковое сопротивление удару с сопротивлениями удару воплощений фиг. 4 или 5, так как контактная область находится значительно ближе к оси. Кроме того, воплощение фиг. 6 будет иметь более низкую точность центрирования вращающегося узла по сравнению с фиг. 4 или 5 и может иметь тенденцию колебаться.

Фиг. 7 изображает еще одно альтернативное воплощение шарика 701 и соответственные поверхности подшипника 710-711. Воплощение фиг. 7 является гибридом воплощений фиг. 4 и 6. Одна из поверхностей 711 является конической, как на фиг. 4, образующая кольцевую контактную область с шариком 701. Другая поверхность подшипника 710 является сферической, как на фиг. 5, образующая кольцевую контактную область на оси. Воплощение фиг. 7 является компромиссом между характеристиками двух составляющих воплощений. Оно будет иметь более слабое прилипание и сопротивление, чем воплощение фиг. 4, хотя не такое слабое, как воплощение фиг. 6. Также оно будет иметь более точное центрирование, более высокое сопротивление удару, чем воплощение фиг. 6, хотя не такое хорошее, как воплощение фиг. 4. Также, как определенные рабочие параметры предпочтительного воплощения могут изменяться с изменением углов поверхностей подшипника, определенные параметры воплощений фиг .6 и 7 могут изменяться с изменением радиуса поверхностей подшипника. Конкретно, больший радиус будет иметь тенденцию уменьшить контактную область, снижая сопротивление и точность центрирования. Меньший радиус будет иметь тенденцию увеличить контактную область, улучшая точность центрирования, но повышая сопротивление.

В предпочтительном воплощении поворотный подшипник используется для поддержки привода для накопителя на дисках. Подшипник особенно хорошо подходит к приводам, так как приводы вращаются вперед и назад. Механическое сопротивление привода, имеющего обычный набор подшипников и смазку, проявляет некоторый гистерезис, обусловленный взаимодействием множества шариков и смазки. Это становится более значительным, когда размер накопителя на дисках (и привода) уменьшается. Конструкция, раскрытая здесь, уменьшает этот гистерезисный эффект, так как каждый подшипник имеет только единственный шарик. Однако, такой подшипник мог бы также быть использован для поддержки шпинделя диска и ротора накопителя на дисках с малым коэффициентом формы, даже несмотря на то, что шпиндель вращается только в одном направлении. Преимущества уменьшенного размера, количества деталей и чувствительности к механическому удару одинаково применимы к подшипникам привода и к подшипникам шпинделя диска.

Фиг. 8 представляет частичный вид в разрезе узла мотора, использующего узел подшипника, соответствующий такому альтернативному воплощению. Несмотря на то, что мотор, изображенный на фиг. 8, используется как приводной мотор шпинделя дискового запоминающего устройства, следует понять, что подобные моторы, которые могли бы использовать узел подшипника настоящего изобретения, могли бы быть использованы в других применениях. Частичный вид фиг. 8 взят в плоскости оси вращения 803 диска. Пара сферических шариков 801, 802 расположена с центром на оси 803 и разделена вдоль оси вращающимся корпусом 806. Нижняя неподвижная опора 822 жестко прикреплена к основанию 804 клеем или прессовкой. Верхняя неподвижная опора 820 прикреплена к пружине предварительной нагрузки 824 подходящим клеем, которая в свою очередь прикреплена к крышке 805.

Корпус 806 включает объединенные части опоры 821, 823 на противоположных концах оси 803, имеющие соответственные поверхности подшипника 811, 813 в контакте с шариками 801, 802. Несмотря на то, что части опоры 821, 823 являются единым целым с корпусом в воплощении фиг. 8, следует понять, что опоры могли бы быть отдельными деталями, прикрепленными к корпусу. Соответственные поверхности подшипника 810, 812 неподвижных опор контактируют с шариками 801, 802 с противоположных сторон. Пружина предварительной нагрузки 824 передает управляемую осевую силу предварительной нагрузки через верхнюю опору 820, шарик 801, корпус 806 и шарик 802. Сила предварительной нагрузки в сочетании с вогнутыми поверхностями подшипника располагает шарики 801, 802 с центром на оси 803.

Шарики 801, 802 предпочтительно из нержавеющей стали J 2100, а корпус 806 и опоры 220 и 222 предпочтительно из обычной стали. Однако, могли бы быть использованы различные альтернативные материалы, как в случае привода предпочтительного воплощения.

Корпус ротора 806 приблизительно представляет полый цилиндр, закрытый на одном конце, имеющий часть центрального вала для размещения шариков 801, 802 и фланец для поддержки диска 807 снизу. Корпус ротора предпочтительно стальной для предоставления магнитопроницаемого черного железа для постоянных магнитов. Однако, могут также быть использованы другие материалы, как, например, пластик или алюминий вместе или без отдельного элемента из черного железа. Прижимное устройство 831 прикладывает осевую силу вниз к диску 807, прижимая его к фланцу и удерживая его на месте. Где используется множество дисков, между каждым диском вставляются распорки, и прижимное устройство прижимает весь пакет дисков к фланцу. В данной области известны различные прижимные устройства и распорки.

Корпус 806 является полым для размещения компонентов мотора. Набор постоянных магнитов 832 прикреплен к внутренней стороне корпуса ротора 806. Электромагнитный статор, содержащий катушку 834, проволочные обмотки 835, расположен вокруг оси 803 внутри пространства, образованного корпусом 806. Сердечник 834 мотора предпочтительно содержит ряд слоев магнитопроницаемого материала, как, например, кремнистая сталь. Катушки мотора или обмотки 835 окружают сердечник 834 для формирования электромагнита статора. Статор разделен на множество окружных полюсов, как известно в данной области.

Постоянные магниты 832 устроены, как множество полюсов переменной полярности, окружающих статор, как известно в данной области. Несмотря на то, что электрический мотор фиг. 8 использует катушки электромагнитного статора, возбуждаемые переменным электрическим полем, и постоянные магнитные роторы, как обычно используется в накопителях на дисках и других малых электрических моторах, специалистам в данной области будет понятно, что электрический мотор мог бы использовать любое из различных средств для передачи крутящего момента ротору в ответ на электромагнитное поле. Например, ротор мог бы содержать набор катушек с замкнутыми витками, как обычно используется в "индуктивных" моторах.

Узел подшипника настоящего изобретения мог бы быть также использован в применениях, отличных от накопителей на дисках, где миниатюризация, сопротивление удару и снижение стоимости являются важными целями. Примером другого такого возможного применения является использование узла подшипника для поддержки магнитофонных катушек в миниатюрных магнитофонных кассетах.

Благодаря уменьшенному количеству деталей и простоте конструкции, конструкция подшипника настоящего изобретения могла бы быть использована в микромеханике, то есть там, где размеры движущихся деталей измеряются в микронах. В современных микромеханических устройствах обычно избегают использования любого типа шариковых или роликовых подшипников, позволяя вращающимся поверхностям непосредственно контактировать с неподвижными поверхностями. В результате долговечность таких деталей очень ограничена. Использование простого шарика, удерживаемого вогнутыми поверхностями, могло бы значительно увеличить долговечность и снизить сопротивление. Типично, что поверхности подшипника в таких устройствах могли бы быть обработаны травлением лучше, чем обработаны на станке.

В предпочтительном воплощении стальная пружина предварительной нагрузки используется для передачи управляемой осевой силы предварительной нагрузки подшипникам. Однако очевидно, что предварительная нагрузка может быть получена посредством любого из различных альтернативных средств. Пружина может быть сконструирована из спиральной или конической проволоки. Альтернативно сжимающийся материал, как, например, пенорезина, мог бы быть использован вместо пружины. Пружина может также быть установлена в других местах, например, на роторе.

Предварительная нагрузка подшипника обычно считается желательной для придания жесткости подшипникам и повышения их точности. Если подшипники предварительно не нагружены, то непериодичное биение вращающегося узла будет очень сильным, то есть вращающийся узел будет иметь тенденцию колебаться непредсказуемым образом. Это колебание, вероятно, сделало бы подшипник без пружины предварительной нагрузки непригодным для применения в приводе или шпинделе мотора накопителя на дисках из-за необходимости отслеживать очень узкие дорожки данных с высокой степенью точности. Однако, могут быть устройства, в которых предварительная нагрузка подшипника не требуется или является нежелательной. Подшипники, которые предварительно не нагружены, имели бы уменьшенную точность центрирования и уменьшенную жесткость, но также могли бы быть дешевле, требуют меньшего пространства и имеют уменьшенное прилипание. Поэтому в альтернативном воплощении настоящего изобретения подшипники были бы предварительно не нагружены.

В вышеприведенном описании определенные детали упомянуты как "над" или "под" приводом или описаны как "верхняя" или "нижняя", - эти термины используются только для простоты ссылки и согласуются с рисунками и обычной ориентацией, используемой в данной области. Однако использование этих терминов не означает предположения, что настоящее изобретение требует какой-либо конкретной ориентации, например, пружина предварительной нагрузки должна быть расположена над приводом. Накопитель на дисках настоящего изобретения может также легко быть сконструирован с пружиной предварительной нагрузки, расположенной под приводом или с горизонтальной ориентацией оси вращения. Кроме того, слова "поворачивать" и "вращать" использованы взаимозаменяемо для описания поворотного или вращательного движения вокруг оси до тех пор, пока не ограничены контекстом, эти слова следует понимать, как включающие движение, в котором объект поворачивается на полные 360^o, так же, как движение, в котором объект поворачивается только по дуге меньшей, чем 360^o.

Несмотря на то, что раскрыто специфическое воплощение изобретения с определенными альтернативами, специалистам в данной области будет понятно, что могут быть сделаны дополнительные изменения в форме и деталях в рамках формулы изобретения.

Изобретение относится к подшипникам, используемым для поддержки вращающихся узлов. Подшипник включает два свободно вращающихся шарика, расположенных по оси вращения узла и разделенных вдоль нее, каждый около каждого конца оси узла. Каждый шарик удерживается движущейся вогнутой (предпочтительно конической или усеченно-конической) поверхностью подшипника вращающегося узла и соответственной вогнутой поверхностью подшипника, выполненной на неподвижной опоре. Одна из неподвижных опор прикреплена к снижающейся пружине для создания управляемой осевой предварительной нагрузки узлу. В предпочтительном воплощении вращающимся узлом является узел вращательного привода накопителя на дисках. По сравнению с обычными конструкциями шарикоподшипника настоящая конструкция уменьшает число деталей и объем пространства, занимаемого подшипниками, уменьшает гистерезис и улучшает сопротивление удару. 3 с. и 7 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Устройство хранения данных на вращающемся диске, содержащее основание накопителя на дисках, крышку, по меньшей мере один диск для записи данных, установленный на основании с возможностью вращения вокруг своей оси, привод, вращающийся вокруг своей оси и связанный по меньшей мере с одной преобразующей головкой, поддерживаемой подвесом, и содержащий мотор, приводящий во вращение привод для расположения преобразующей головки, узел подшипника, отличающееся тем, что узел подшипника привода выполнен содержащим два свободно вращающихся шарика, расположенных с центром по оси вращения привода и разделенных вдоль нее, две неподвижные опоры, каждая из которых имеет вогнутую поверхность, расположенную вокруг оси привода и контактирующую с одним из шариков, вал с двумя опорными частями, каждая из которых имеет вогнутую поверхность, расположенную вокруг оси вращения привода противоположно вогнутой поверхности соответствующей неподвижной опоры и контактирующую с одним из шариков, причем вогнутые поверхности одной из неподвижных опор и соответствующей ей опорной части вала удерживают первый шарик, а вогнутые поверхности другой неподвижной опоры и соответствующей ей опорной части вала удерживают второй шарик. 2. Устройство хранения данных на вращающемся диске по п. 1, отличающееся тем, что неподвижные опоры и опорные части вала имеют поверхности, выполненные с возможностью контакта с шариками по соответствующим кольцевым областям. 3. Устройство хранения данных на вращающемся диске по п. 1, отличающееся тем, что его узел привода снабжен средством для передачи управляемой осевой предварительной нагрузки от корпуса шарикам, которое выполнено в виде пружины, поддерживающей одну из неподвижных опор привода. 4. Устройство хранения данных на вращающемся диске по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено мотором для вращения по меньшей мере одного диска, включающим электромагнитный статор, прикрепленный к основанию накопителя на дисках, корпус ротора, поддерживающего диск, сам ротор, вращающийся вокруг оси вращения диска, средство для передачи вращательного момента ротору посредством электромагнитного поля, генерируемого статором, узел подшипника, поддерживающий ротор и содержащий два свободно вращающихся шарика, расположенных с центром по оси вращения диска и разделенных вдоль нее, две неподвижные опоры, каждая из которых имеет вогнутую поверхность, расположенную в центре вокруг оси вращения диска и контактирующую с одним из шариков, причем корпус ротора выполнен с опорами, каждая из которых имеет вогнутую поверхность, расположенную в центре вокруг оси вращения диска противоположно вогнутой поверхности соответствующей неподвижной опоры и контактирующую с одним из шариков, при этом каждый шарик расположен между соответствующими вогнутыми поверхностями неподвижных опор и опор корпуса ротора. 5. Узел подшипника для объекта, установленного с возможностью вращения и имеющего ось вращения, отличающийся тем, что он содержит вращающийся объект, два свободно вращающихся шарика, расположенных с центром по оси вращения объекта и разделенных вдоль нее, две неподвижные опоры, каждая из которых имеет вогнутую поверхность, расположенную в центре вокруг указанной оси и контактирующую с одним из шариков, а вращающийся объект выполнен с опорными частями, каждая из которых имеет вогнутую поверхность, расположенную в центре вокруг оси вращения объекта противоположно вогнутой поверхности соответствующей неподвижной опоры и контактирующую с одним из шариков, при этом каждый шарик расположен между вогнутыми поверхностями одной из неподвижных опор и одной из опорных частей вращающегося объекта. 6. Узел подшипника по п. 5, отличающийся тем, что опорные части вращающегося объекта, содержащие вогнутые поверхности, расположены между неподвижными опорами, при этом вогнутые поверхности неподвижных опор и опорных частей вращающегося объекта выполнены с возможностью контакта с шариками по соответствующим кольцевым областям. 7. Узел подшипника по п. 5, отличающийся тем, что снабжен средством для передачи управляемой осевой предварительной нагрузки на шарики, представляющим собой пружину, которая поддерживает одну из неподвижных опор. 8. Электрический мотор, содержащий неподвижное основание, прикрепленный к нему электромагнитный статор, ротор, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси, корпус ротора, средство для передачи вращательного момента ротору в ответ на электромагнитное поле, генерируемое статором, узел подшипника для поддержки ротора, отличающийся тем, что узел подшипника для поддержки ротора выполнен содержащим два свободно вращающихся шарика, расположенных с центром по оси вращения ротора и разделенных вдоль нее, две неподвижные опоры, каждая из которых имеет вогнутую поверхность, расположенную в центре вокруг указанной оси и контактирующую с одним из шариков, корпус ротора выполнен с опорами, расположенными на противоположных концах, каждая из которых имеет вогнутую поверхность, расположенную в центре вокруг оси вращения ротора противоположно вогнутой поверхности соответствующей неподвижной опоры и контактирующую с одним из шариков, при этом каждый шарик расположен между вогнутыми поверхностями одной из неподвижных опор и одной из опор корпуса ротора. 9. Электрический мотор по п. 8, отличающийся тем, что опоры корпуса ротора с вогнутыми поверхностями расположены между неподвижными опорами с вогнутыми поверхностями. 10. Электрический мотор по п. 8, отличающийся тем, что он снабжен средством для передачи управляемой осевой предварительной нагрузки на шарики, представляющим собой пружину, поддерживающую одну из неподвижных опор, а средство для передачи крутящего момента ротору посредством электромагнитного поля выполнено содержащим набор постоянных магнитов, прикрепленных к корпусу ротора.