專利名稱：對小角度擺動應用中軸承的密封的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到對小角度應用的密封軸，并特別關系到用于硬盤式磁性數據存貯裝置的旋轉傳動機構上的改進軸密封。
本發(fā)明的主要目的是要提供一種改進的用于硬盤式磁性數據存貯裝置的旋轉傳動機構上的軸密封。
硬盤存貯裝置有一磁頭接觸到磁盤表面，它非常精密，決不允許有沾污物。這種存貯裝置具有可動部分，例如傳動裝置和安裝在加了潤滑油的滾珠或滾柱軸承上的臂。當存貯裝置內的壓力和溫度改變時，引起空氣流經軸承。該氣流吸附著并載著潤滑脂小微粒以及揮發(fā)的有機物微粒，這些微?？梢缘竭_記錄磁盤表面并附著在那里。這些沾污物會影響那里所使用的精心設計的潤滑劑的性能。
根據現有的工藝情況，采用側邊防護或橡膠密封圈來防止?jié)櫥粠С鲚S承套外。然而，為了使主軸能夠轉動，在防護圈(或橡膠密封圈)的內徑邊與軸承內座圈的外邊緣之間總是留有空隙，這就使沾污物有三種路徑通過1.潤滑脂氣化物不斷地從這個間隙擴散滲出。
2.高速存取數據所引起的擾動使氣化物以及懸浮微粒經過該間隙對流循環(huán)。
3.軸承套上、下端之間的壓差引起軸向流動，該軸向流動帶有懸浮微粒和潤滑脂氣化物。
磁盤驅動器的形狀因素對密封圈容許的軸向長度有如此嚴格的約束，以致于沒有能夠使用的已知的密封圈。例如，在不把間隙作為形狀因素考慮的某些應用下，使用了波紋管型密封圈。可參見美國專利No.3,700,297(1972，10，24公開，Fickenwirth等人)，用于飛機控制翼面?，F有技術的其他一些例子在以下幾個專利中有詳細說明美國專利No.4,208,060(1980，6，17，St.Lauret，Jr)；美國專利No.3,489,019(1970，1，13 Giegerich)，美國專利No.2,469,114(1949，5，3 Hofst)。
因此，最好是能得到允許小角度擺動的高度有效的密封圈。
根據本發(fā)明的主要特征，環(huán)狀薄膜密封圈卡緊在軸承組件的內座圈和外座圈之間，該密封圈能從中間位置作具有最小扭矩和最小軸向位移的小角度旋轉。有一種具體實施例中，薄膜受到預先拉伸，以消除運動范圍內的軸向變形。在另一種具體實施例中，將波狀物模壓成薄膜以便在期望的運動范圍內使薄膜的彎曲具有最小的拉伸。
本發(fā)明的上述和其他的目的及其優(yōu)點在結合附圖閱讀了下列描述后就變得清楚了。
圖1是表現本發(fā)明最佳實施例的磁盤驅動器的部件分解透視圖；圖2是本發(fā)明提出的一個實施例的透視圖；圖3是局部斷面詳圖，顯示了軸承和密封圈組件的詳圖；圖4是圖3中密封圈部分的放大的詳圖；圖5是透視圖，說明環(huán)狀扁平薄膜密封圈在扭轉時的變形；圖6是圖5中取線6—6的剖面圖；圖7是本發(fā)明的一種實施例的薄膜密封圈的仰視圖(組裝的第一步)；圖8是圖7所示實施例的透視圖；圖9是按本發(fā)明另一種實施例的薄膜密封圈的透視圖；圖10是圖9中取直線10—10的剖視圖；圖11是按本發(fā)明又一個實施例的薄膜密封圈的透視圖；圖12是按本發(fā)明再一個實施例的薄膜密封圈的俯視圖；圖13是根據本發(fā)明的又一實施例的薄膜密封圈的截面圖。
參考附圖，圖一為一剛性盤或硬盤式磁性數據存貯裝置，用數字10表示。硬盤存貯裝置包括內罩殼12和14，多層剛性磁盤的磁盤組件安裝在里面，再裝在外罩殼或底盤16上。轉臂組件裝好后能借助于軸承封殼(bearing capsule)20繞轉軸18作小角度擺動，該轉臂組件包括向外伸展的多層臂22，在其最外端為讀寫頭24。轉軸18用螺釘組件裝在罩殼12上的孔26里。在罩殼12內，音圈與磁鐵30相配合。臂22架在中間并控制讀寫頭24相對于磁盤組的多層磁盤的位置，磁盤組可以轉動地裝在兩個罩殼12和14的接合處。
圖2說明了基于本發(fā)明的軸承和密封圈組件。如圖示說明，軸承組件45包括內軸承圈44和外軸承圈46以及連結在它們之間的密封膜52。密封膜52的內徑邊與內軸承圈44的端面連接，其外徑邊與外軸承圈46的端面連接。
參見圖3，轉動臂組件22裝在罩殼12的極狹窄的空間內，安在轉軸18的軸承封殼組件20上，轉軸18通常伸到并連接在罩殼的上壁板12A和12B之間。罩殼12有一定的尺寸和構造以符合規(guī)定的形狀因數范圍，轉臂組件22也必須適合并工作在上罩殼壁板12A和下罩殼壁板12b之間所限定的空間內，正如從圖1所看到的那樣，轉臂組件22相對于中心位置來回旋轉或擺動以保持讀/寫頭24與磁盤組32的磁盤34上的磁道在一條線上。
轉臂組件靠滾柱軸承封殼20裝在定轉軸18上，轉軸18安裝在上壁板12A和12B之間。這里采用滾柱軸承一詞，意在表示它既包括珠型滾軸亦包括柱型滾軸。轉軸18安裝在罩殼12的上壁板12A上的孔26和下壁板12B上的孔36內。固定的方法是采用如38那樣的合適的內六角螺釘以及伸縮夾緊環(huán)40向外擴張并分別夾緊孔26和孔36所在的壁板。
主動轉臂組件22借助于滾柱軸承封殼20固定，以便能繞轉軸18的軸心轉動或擺動。滾柱軸承封殼包括完全相同的上、下滾柱軸承按軸向隔開的關系支承在空心套筒42的相對的兩個軸端面上。上滾柱軸承件包括內軸承圈44和外軸承圈46，如圖所示，在槽中有許多滾珠軸承的滾珠(roller)排列在那中間。內軸承圈44壓配合在轉軸18的外圓柱表面，外軸承圈46則壓配合在，例如，主動轉臂組件內部的孔50內。滾柱軸承放在主動轉臂的孔50內的最外邊的位置或末端，以便對轉臂提供最大的穩(wěn)定支承。
各個滾柱軸承的外端都與各自的罩殼壁板隔開一段距離d，在通常的設計中這段距離大約為2.2毫米即0.086英寸的數量級。每個軸承座圈的高度大約為6毫米的數量級。這樣，軸承端面與罩殼之間有2.2毫米的間隔為軸承密封圈提供了可用的間隙或間隔。
如前所述，環(huán)狀密封膜52的內邊緣通過合適的粘接裝置54固定在內軸承圈44上，外邊緣通過粘接裝置56固定在外座圈46上。正如將要談到的，該密封件52可以具有許多物理及結構上的特點。但最可取的特點是抗?jié)B、有彈性和被卡緊，以便在轉臂組件的原始位置或中間位置時，密封件上不存在扭轉應力。在典型的實施例中，轉臂組件22轉動的角度相對中間位置或原始位置而言每邊都大約有7至10度。但在某些應用中，轉壁從中間位置向兩邊均可以轉到15度。密封件52的結構使其能以最小的扭矩在規(guī)定的間隙空間內轉動，而不會偏轉與罩殼壁相接觸。轉向與罩殼壁相接觸將導致密封膜的過度磨損和過早失效。因此，密封圈的厚度相對其半徑或直徑來說必須是很小的。
在軸承端面與罩殼之間存在的很有限的密封圈間隙空間58之處，最好采用具有最小軸向偏轉的扁平型密封膜。如圖5所示，扁平膜受到旋轉扭矩時翹曲成圖中所示的平面扭曲的形狀。在施加張力的狀態(tài)下，此翹曲產生沿軸向向外偏轉的隆起或波紋60。這些隆起部分大致沿內徑邊的切線與徑向成一定角度向外延伸至外徑邊處。翹曲發(fā)生前需要的旋轉度數取決于密封膜的初始張力。如果拉伸密封膜以致于其平面張力有很高的各向同性，那么，在所考慮的旋轉范圍內可避免翹曲。對本申請來說，密封薄膜必須具有兩個所需的特性。這兩個特性是指能以最小的扭矩和最小的軸向位移或變形得到所希望的旋轉角度。圖示的應用中的最大軸向尺寸不大于密封薄膜半徑的四分之一。
當密封膜旋轉時，在其被粘結的邊緣處產生高的應力集中。這會引起其邊緣處發(fā)生較大的變形和位移。利用彈性粘結劑例如粘結劑54和56將密封膜粘結到軸承上可以減小變形和位移。通過將密封膜的邊緣做厚些而中心薄些(如科6所地泊密封膜52)，也可以降低高的應力集中。
現在參看圖7、圖8，


了預加應力密封膜的一種典型實施例及其制造方法。在該實施例中，選用了彈性膜66，并將其拉展開蓋在第一個環(huán)狀圈68上(圖7)，再借助第二個環(huán)狀圈70將其卡緊在那里(圖8)。把被拉伸的密封膜放在軸承組件的端面上，如圖8所示。在那里外圈72有一圈粘結劑74而內圈76有一圈粘結劑78。然后將預加應力的密封膜貼在粘結劑的表面上使其與粘結劑相粘結。一旦粘結好，就把膜66上多余的材料去掉，形成一個孔以便把轉軸18安裝在軸承組件或封殼內。預拉伸的密封膜可以使向中心位置兩側的滿偏轉達8至10度而沒有軸向偏移或變形。最佳情況是密封膜被拉伸到剛好足以達到的全程沒有變形，而且密封膜沒有被過度拉伸。過拉伸將給密封膜增加不必要的扭矩。對不容許有任何偏差的、很有限的密封圈間隙空間來說，這是一個理想的結構。但該結構有一個缺點就是需要有較大的扭矩才能旋轉控制臂。
在可以得到足夠大小的間隙時，可將薄膜模壓成某些外形以滿足旋轉和應力的條件而沒有過分的軸向移動。可以把這些外形模壓成在希望的運動范圍內提供最小應力扭矩的形式。具體參見圖9、圖10，模壓成形的薄膜80在部件間隙所允許的最大距離范圍內具有垂直的正弦曲線形狀的波紋。模壓成形的薄膜80有許多從薄膜表面沿軸向突出的波形82。這些波紋最好是在軸和沿軸的方向伸展。該薄膜需要的扭矩很低因為薄膜可以通過彎曲而不用通過拉伸來滿足部件旋轉的條件。薄膜的表面在受力狀態(tài)下趨于變平。薄膜在彎曲狀態(tài)比在拉伸狀態(tài)下硬度要小得多。對附加的扭矩要求所關心的旋轉范圍就變得完全可以忽略不計了。
參見圖11，薄膜84上沿徑向有螺旋狀的人字型脊峰或波紋86，它的延伸始終與圖5中所示的拉伸應力線相垂直。人字型脊峰或波紋的始端大體與薄膜的內徑邊緣相垂直。這種結構使得在以其內端順時針旋轉時具有最小的拉伸應力或扭矩。薄膜可以主要通過彎曲調節(jié)旋轉。這樣需要的扭矩就比通過拉伸的方法要小得多。對軸承外座圈從原始位置開始只作順時針旋轉的應用情況下，這種結構被確定為最佳結構。其它情況下變化將是明顯的。
參見圖12，薄膜88相對圖11所示的樣式增加了鏡象圖型。在該實施例中，薄膜88有兩條螺旋狀、人字形脊峰90和92，它們沿兩個方向從內徑邊向外延伸到外邊緣或外徑邊。這種結構可以調節(jié)從中心位置或中間位置向兩個方向的旋轉使它們都具有最小的扭矩。此外，在空間可以用來調節(jié)其標定軸向尺寸時這些薄膜也是有用的。它們設計成可安裝并工作在很小的軸向空間內，一般小于密封薄膜外徑的四分之一，最好小于外半徑的十分之一。它們在旋轉范圍內需要的扭矩也很小。
圖13說明的是一種將密封膜附著到滾柱軸承座圈上的替代裝置。在該實施例中，密封圈94利用卡環(huán)96將其內邊緣固定到軸承內圈98。密封圈的外邊緣是利用外卡環(huán)100固定到軸承外圈102上的。卡環(huán)與徑向伸展的凸緣相重疊，下垂的側緣緊貼在各軸承座圈的外圓表面上覆蓋密封膜的各個周緣。這樣就將密封膜緊緊卡在軸承組件的軸承座圈上。
可以實現各種結構的密封薄膜的不同組合。例如，薄膜的結構可以是完全不可滲透的，或者有不同程度的可滲透性。薄膜的結構還可以具有不同程度的彈性及不同程度的加厚部分，例如借助于纖維材料。這提供了適合安裝在很窄的空間內、并且可滿足旋轉及軸向位移的密封薄膜。
例1上述薄膜可以成對使用，在軸承組件或封殼的兩端各用一個，如圖3所示。這兩個密封圈可以是一樣的，也可以是不同的。例如，圖3所示的密封膜104整個覆蓋伸展開并用粘結劑或其它合適的粘結物106及108將其粘附在下軸承組件的外軸圈110和內軸圈112上。這種有兩個相同的不可滲透密封膜的配置保證了軸承封殼上下兩端均為不可滲透薄膜密封。這種結構可以避免所有由軸承的潤滑成分造成的污染。然而，當溫度變化時，軸承封殼內的氣壓將改變，軸承封殼內、外的氣壓差會引起密封膜膨脹或凸出。這一點可以通過提供一個很小的擴散通道得以解決，例如提供一空心槽或孔將軸承封殼的內部與外部環(huán)境空氣連接起來。硬磁盤部件內完全升溫或涼下來所需要的時間通常在大約45分鐘的量級。正如圖3說明的那樣，很有限的擴散管道114可以在上述的時間間隔內將所要求的空氣量從軸承封殼內引導到傳動機構之外。在恒溫條件下，對通道的擴散將可忽略不計。
例2可以采取將單個密封膜放在軸承封殼的一端而另一端敞開或僅有防護罩的構成形式。這種配置消除了流經軸承封殼的軸向氣流，由于它消除了一端的空隙，所以可以將軸承封殼的兩端因振動和擴散引起的污染率降低大約一半。
例3還可以取另一種構成形式軸承封殼的一端為半滲透性薄膜，另一端為不可滲透性薄膜。這種組成允許氣體(諸如氧氣和氮氣等)從半滲透性膜向外擴散，但可防止有機潤滑劑大微粒的通過。這就使得在軸承封殼結構中不再需要有擴散通道。
例4可以在軸承封殼的兩個端面上裝有過濾膜。過濾膜減少但不能消除軸向氣流擴散和紊流。它將阻擋懸浮微粒及較大微粒流過。這種過濾膜(例如Gore公司用長絲聚四氟乙烯制造的那種)的優(yōu)點在于在受拉時它具有極低的受力常數。這在需要很低扭轉阻力的地方就可能是理想的結構。
我們已經通過許多實施例說明和介紹了我們的發(fā)明，不用說對此所做的變化或改進并未脫離這里所說的發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.用于一擺動傳動裝置的軸承密封組件，其特征在于包括一外軸承座圈；一與上述外座圈同圓心安裝的內軸承座圈；一具有內周邊緣和外周邊緣的可變形的環(huán)狀薄膜，第一粘接裝置將內周邊緣密封地卡緊在上述內軸承座圈上，第二粘接裝置將該外周邊緣密封地卡緊在上述外軸承座圈上，使該薄膜可以在上述內軸承座圈和上述外軸承座圈之間作有限的相對旋轉。
2.根據權利要求1的軸承密封組件，其特征在于上述軸承組件的兩個端面都用薄膜覆蓋著。
3.根據權利要求2的軸承密封組件，其特征在于上述軸承組件開有擴散通路孔。
4.根據權利要求1的軸承密封組件，其特征在于該薄膜在其運動范圍的中心位置處處于無扭轉應力的狀態(tài)。
5.根據權利要求1的軸承密封組件，其特征在于薄膜被模壓成具有垂直的正弦曲線型波紋。
6.根據權利要求1的軸承密封組件，其特征在于該薄膜被模壓成螺旋狀花紋，與平面薄膜上在扭轉應力下形成的扭曲花紋相垂直。
7.根據權利要求6的軸承密封組件，其特征在于該薄膜被模壓成既有順時針螺旋狀花紋又有逆時針螺旋狀花紋。
8.根據權利要求1的軸承密封組件，其特征在于有機氣化物基本上不可滲透該薄膜，而對于大氣壓氣體(包括氮和氧)該薄膜是顯著地可滲透的。
9.根據權利要求1的軸承密封組件，其特征在于該薄膜用粘接劑粘接的方法附著到上述內、外軸承座圈上。
10.根據權利要求9的軸承密封組件，其特征在于該薄膜在附著到上述內、外軸承座圈上之前被各向同性地拉伸。
全文摘要
用于往復擺動執(zhí)行機構的軸承密封組件包括外軸承座圈，與外座圈同心安裝的內軸承座圈，液體不可滲透的可變形環(huán)狀薄膜，薄膜的軸向長度不大于其半徑的十分之一，內周邊緣密封地固定到內軸承座圈上，外周邊緣密封地固定到外軸承座圈上，以使內座圈和外座圈之間相對旋轉時，該薄膜具有最小的軸向變形。在一種實施例中，薄膜被拉伸以消除在扭轉應力下的表面變形。另一種實施例將波狀物模壓成薄膜以減少扭轉力。
文檔編號G11B25/04GK1122418SQ9310764
公開日1996年5月15日 申請日期1993年6月30日 優(yōu)先權日1992年7月30日
發(fā)明者約翰·洛厄爾·貝克, 托馬斯·艾倫·格雷戈里, 克里斯托弗·吉爾德·凱勒 申請人:國際商業(yè)機器公司