KR910000208B1 - 정밀 스핀들 조립체 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

정밀 스핀들 조립체

도면을 베어링 조립체 내에 설치된 정밀 스핀들 조립체의 축방향 수직 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 디스크 구동 조립체 12 : 스핀들 조립체

14 : 스핀들 축 20 : 제1원추형 단면

25 : 고정 스쿠루 30,32 : 베어링 조립체

34,36 : 내부 레이스 38,40 : 외부 레이스

50 : 베이스 캐스팅 70 : 데이터 디스크

본 발명은 정밀 스핀들 조립체와, 특히 베어링 조립체에 커플링 하는 스핀들 축에 관한 것이다.

데이터 디스크 구동장치용 스핀들 조립체는 데이터 디스크가 부착되어 있고 데이터 독출 및 서입 양용으로 상당히 고속으로 디스크를 회전시켜서 데이터 처리 시간을 단축한다. 정밀 스핀들 조립체는 데이터 트랙이 상당한 고밀도이고 선형 비트 밀도가 크기 때문에 디스크를 정밀하게 회전시키는데 필요하다. 이 데이터 밀도가 계속 증가함에 따라 반복가능한 반경방향 돌출량으로 측정된 스핀들 성능이 중요한 문제로 된다. 돌출량이 높으면, 데이터 독출 및 서입 헤드는 반경 방향으로 이동시켜 디스크가 회전함에 따라 데이터 트랙을 따르도록 할 필요가 있다. 데이터 밀도가 증가될수록 더욱 높은 정밀도가 요구되기 때문에, 데이터 트랙을 추적하는 헤드의 운동은 점점 더 복잡해지게 된다. 돌출하는 가장 큰 동기중 하나는 스핀들 축의 외경과 베어링 조립체 내부 레이스 사이의 간극이다.

돌출량을 감소시키는 선행 기술로는 베어링 조립체와 축 사이에 끼움쇠 등의 억지끼움을 사용하거나 정밀 고정구에 설치된 축에 베어링을 접착시키는 접착제르 사용하는 방법 등이 있다. 그리고는 그후에 데이터 디스크가 포맷된다. 돌출량을감소시키는 또다른 기술로는 베어링 조립체 결합쌍을 사용한 등 선택적 조립기술을 들 수 있다. 이 방법은 비용과 시간이 많이 소요된다.

영국 특허 제548,690호, 피터 외 몇 명의 미합중국 특허 제3,776,651, 그리고 코크의 미합중국 특허 제608,178호에서는 공작물, 즉 허브 및 레일을 파지하기 위한 슬리이브의 팽창방법을 설명하고 있다. 포울러의 미합중국 특허 제3,670,15호에서는 스핀들에 부착된 팽창가능한 컬릿이 팽창되어 메모리 디스크 조립체를 스핀들에 파지시킨다. 팽창시키는 방법은 베어링 조립체의 내부 레이스에 스핀들 축을 고정시키기 위해 사용된 적이 없다.

정밀 스핀들 조립체는 두 개의 멀리 떨어진 베어링 조립체 사이에 배치되는 스핀들 축을 갖는다. 스핀들 축은 베어링 조립체의 내부 레이스 직경보다 약간 적은 지경을 갖는다. 스핀들 축은 조립될 때 스핀들 축이 베어링 조립체 내부 레이스와 접촉하는 곳에 위치된 반경방향으로 팽창 가능한 부분을 갖는다.

스핀들 축의 팽창가능한 부분은 베어링 조립체의 내부 레이스와 마찰 접촉하도록 탄성한계내에서 균일하게 팽창된다. 스핀들 축이 균일하고 반복 가능하게 팽창되면 내부 레이스 공유면적에 대한 스핀들 축의 반경방향 돌출량이 0이 된다.

스핀들 축의 팽창가능한 부분은 축을 관통하는 구멍의 일부분이며 원추형이다. 팽창가능한 부분은 스핀들 축의 외표면과 거의 동심으로 하고 스핀들들 축의 각 단부를 향해 구멍으로부터 외향 개방되게 하면 좋다. 저렴한 볼 베어링 같은 구면체를 구멍각 단부에 형성된 구멍의 나사부와 결합하는 나사부를 갖는 고정 스크루 등의 수단에 의해 원추형 부분으로 압입한다. 고정 스크루는 각각 볼 상에 작용하는 평면을 갖고 있어서 스크루에서 볼로 회전력이 전달되는 것을 최소화 한다. 원추형 부분에 볼을 압입하면 스핀들 축은 베어링 조립체 내부 레이스와 접촉하도록 균일하게 팽창된다. 고정 스크루에 가해진 토오크는 팽창된 스핀들 축 및 베어링 조립체 내부 레이스 사이에 축방향 및 반경방형 보유력을 제공하기에 충분하다. 이 보유력은 스핀들 축을 베어링 조립체내에 예정 위치에 유지하는데 충분하다.

적합한 실시예에서, 데이터 디스크는 스핀들 조립체에 결합한다. 그후 스핀들 조립체는 스핀들 축의 팽창 가능한 부분을 통하여 베어링 조립체에 결합된다. 스핀들 축은 회전축의 축에 대해 균일하게 팽창되고 축에 의해 내부 레이스 공유면적으로의 반경방향 돌출이 전혀 없게 되기 때문에, 데이터 디스크는 베어링 조립체에 스핀들 조립체를 조립하기 전에 포맷되고 균형 잡혀진다. 베어링 조립체는 포맷 활동을 위해 사용되는 독출 및 서입 헤드를 포함하는 베이스 캐스팅에 결합된다. 포맷 활동은 독출 및 서입 헤드 및 헤드를 이동시키는 아암이 조작하기에 적합하기 때문에 디스크 구동체 제조중에 가장 시간을 많이 소비하는 것이지만 생산용으로 이를 단축시킬 수 있다. 스핀들 조립체를 베이스 캐스팅에 조립하기 전에 더욱 빠른 서입장치를 사용하여 주 제조라인에 평행하게 스핀들 조립체에 디스크를 포맷하면, 디스크 구동체 제조시간은 크게 단축되며 라인의 용량이 증가된다.

반경 방향으로의 반복가능한 돌출량이 상당히 감소되는 것 이외에도, 스핀들 축의 균일하고 반복 가능한 팽창은 스핀들 축을 베어링에 고정해서 일어나는 불평형 상태를 제거하여 스핀들 조립체내의 회전불평형을 감소시킨다. 축의 팽창 균일화는 스핀들 축의 팽창된 외표면과 동심인 회전축을 유지하게 한다. 이리하여 진동 감소 효과를 내게 되고, 디스크 평형 등은 베이스 캐스팅에 스핀들 조립체를 조립하기 전에 이루어지며 달성하기도 쉽다.

스핀들 축 팽창으로 발생하는 또다른 장점은 베어링 조립체 내에서 작동하는 베어링 편의 스프링을 생략할 수 있다는 것이다. 원통형 스페이서는 베어링 조립체 외부 레이스 사이에 위치되며 예비 하중력은 내부 레이스에 가해진다. 축의 팽창가능한 부분은 그후에 팽창되어 베어링 조립체 내부 레이스와 보유 접촉하게 된다. 이는 스프링을 사용치 않고 베어링 조립체 내에서 효과적으로 작동된다.

도면은 베어링 조립체내의 정밀 스핀들 축의 수직축 방향단면도이며, 상기 스핀들 축은 베어링 조립체에 연결되는 축방향으로 격리된 팽창가능한 부분을 갖는다.

디스크 구동 조립체는 도면에 부호 10으로 표시되어 있다. 디스크 구동 조립체 내에 배치된 스핀들 조립체(12)는 제1단부(15) 및 제2단부(16)를 갖는 스핀들 축(14)을 갖는다. 스핀들 축(14)은 제2원추형 부분(22)에서 축방향으로 격리된 제1원추형 부분(20)과 함께 그를 관통하는 구멍(18)을 갖는다. 원추형 부분(20,22)은 구멍(18)으로부터 제1단부(15) 및 제2단부(16)쪽으로 각각 개방되어 있다.

고정스크루(25)와 관련되어 작동하는 볼(24) 같은 제1축팽창수단은 원추형 부분(20) 주변의 축 외표면의 팽창을 일으키는 제1원추형 부분(20)내에 위치되어 있다 .고정스크루(27)와 관련되어 작동하는 볼(26) 같은 제2축팽창수단은 원추형 부분(22) 주변의 축 외표면의 팽창을 일으키는 제2원추형 부분(22)내에 위치되어 있다. 제1 및 제2고정 스크루(25,27)는 축(14)의 각 단부 근처의 구멍(18)내에서 대응 나사(29,31)와 상호 결합하는 나사를 갖는다. 제1 및 제2 고정 스크루(25,27)는 제1 및 제2볼(24,26)로부터 축(14)의 제1 및 제2단부(15,16)를 향해 위치된다.알렌 렌치로 고정 스크루(25,27)를 조이면 제1 및 제2볼(24,26)은 축방향으로 밀려서 각 원추형 부분(20,22)의 좁은 부분으로 인도되어 스핀들 축(14)을 축의 탄성범위 내에서 원추형 부분에 대해 균일하게 반경 방향으로 팽창시킨다. 억지밸브로서 작용하는 볼(24,26)은 공기가 구멍(18)을 통하여 이동하는 것을 방지한다.

스핀들 축(14)은 제1베어링 조립체(30)와 그에 축방향으로 격리된 제2베어링 조립체(32)내에 삽입된다. 제1 및 제2베어링 조립체(30,32)는 각각 제1내부 레이스(34)와 제2내부 레이스(36)를 포함한다. 원추형 부분(20,22)은 팽창되어 제1 및 제2내부 레이스(34,36)와 마찰 접촉하게 된다. 이런 팽창은 고정 스크루(25,27)를 적당한 방향으로 돌려 볼(24,26)을 원추형 부분(20,22)내로 밀어 넣으면 일어난다. 내부 레이스(34,36)는 주위방향에서 그 팽창부에 대해 스핀들 축(14)과 직접 접촉한다. 스핀들 축(14)은 그 탄성한계 내에서 팽창될 때 축방향 및 반경 방향 보유력을 유지한다. 스터트(37)는 나사부(31)를 경유하여 축(14)에 고정되어 스핀들 조립체(12)에 회전력을 전달하는 모터에 공유 영역을 제공한다.

베어링 조립체는 스핀들 축(14)을 삽입하기 전에 베이스 캐스팅(50)에 접착 또는 억지 끼워맞춤으로 결합된 제1 및 제2외부 레이스(38,40)를 갖는다. 베어링 조립체(30,32)는 베어링 조립체 내외부 레이스 사이에 연장되는 베이스 캐스팅 탑(52)의 내표면상에서 베이스 캐스팅(50)에 결합되어 있다. 원통형 스페이서(54)는 베이스 캐스팅 탑(52)의 내표면 부근에 그리고 베어링 조립체(30,32)의 외부 레이스(38,40) 사이에 위치되어 베어링 조립체(30,32) 사이에 예정간격 및 평행 상태를 유지하게 한다.

스핀들 축(14)이 팽창하는 동안, 제2베어링 조립체(32)의 내부 레이스(36) 제1단부에는 같은 힘이 적용되면서 스핀들 축(14)은 나사부(31)에 의해 제2단부(16)쪽으로 견인된다. 이 힘은 나사부(31)와 결합하는 외부 나사를 갖는 제1중공 실린더(도시않음)와, 이 제1실린더와 동심이며 내부 레이스(36)와 결합하는 단부를 갖는 제2대형 중공 실린더에 의해 적용된다. 이 두 실린더는 스프링에 의해 결합되어 내부 실린더가 나사부에 나사 결합하면 제2실린더가 일정량의 힘을 제2베어링(32) 상의 축(14)의 제1단부쪽으로 가한다.

스핀들 축(14)은 환형 스페이서(62)를 통해 제1베어링 조립체(30)의 내부 레이스(34)와 접촉하는 립(60)을 갖는다. 제2베어링 조립체(32)를 제1단부(15)쪽으로 밀면서 스핀들 축(14)을 제2단부(16)쪽으로 당기면 제1베어링 조립체(30) 및 제2베어링 조립체(32)가 서로 끼이게 된다. 스핀들 축(14)이 팽창하여 내부 레이스(34,36)와 축방향 및 반경 방향으로 유지접촉되면, 베어링 조립체(30,32)는 예비 하중 조건하에 있게되고 베어링 조립체 내에 이완이 발생하여 스프링을 사용하지 않고도 축방향 돌출량이 감소된다.

내부 레이스(34,36)에 대향한 베어링 조립체(30,32) 외부 레이스(38,40)에 작용하는 스페이서를 구비하면, 베어링 조립체(30,32)의 직각도는 향상된다. 스페이서가 내부 레이스와 접촉하면 스페이서의 크기의 정상적인 것과의 차이는 거의 외부 레이스에서의 차이의 두배에 달하게 된다. 스페이서를 외부 레이스(38,40)와 접촉하도록 이동시키면 스페이서(54)의 크기의 정상적인 것과의 차이가 1대 1대응이 되게 할 수 있다. 베어링 조립체(30,32)의 직각 정밀도는 돌출량을 더욱 감소시킨다.

적합한 실시에에서, 스핀들 조립체(12)는 스페이서(72)에 의해 격리된 복수개의 데이터 디스크(70)를 지지한다. 디스크(70)와 스페이서(72)는 파지링(74)에 의해 스핀들 조립체(12)에 고정된다. 디스크 표면은 베어링 조립체(30,32)에 의해 베이스 캐스팅(50)에 스핀들 조립체(12)를 결합하기 전에 미리 포맷해 두면 좋다. 스핀들 조립체(12)를 베이스 캐스팅(50)에 조립하기 전에 디스크(70)를 포맷하는 것은 베어링 조립체(30,32)의 내부 레이스(34,36)로 스핀들 축(14)이 팽창되는 것이 균일하기 때문에 가능하다. 정밀 구멍을 위한 참고 및 데이터용으로 스핀들 축(14)의 외측 단부를 사용하면, 디스크(70)의 포맷은 고속 데이터 변환기 및 헤드를 사용하여 수행할 수 있다. 디스크(70)를 포맷용 자료로서 구멍(18)이 지역(76,78)에서 모떼기 되는 스핀들 축(14)의 양단에 구멍(18)을 사용하는 것도 가능하다. 이 경우에, 단부에서 구멍(18)보다 직경이 큰 정밀 공기 베어링이 모떼기부(76,78)에 부분적으로 삽입되어 디스크(70)와 함께 스핀들 조립체(12)를 스핀들 축 외표면과 거의 동심인 구멍(18)축에 대해 회전시킨다.

제1원추형 부분(20)은 볼(24)을 위치에 고정시키지 않는 총 내각을 갖는 것이 좋다. 30°정도의 총 내각이면 로킹하지 않고, 고정 스크루(25)에 의해 볼(24)에 가해지는 힘을 반경 방향으로 충분히 증폭시킬 수 있다.

제2원추형 부분(22)은 볼(26)을 위치에 고정시키기에 충분한 총 내각을 갖는다. 약 10°정도의 총 내각이면 로킹이 되고 고정 스크루(27)에 의해 볼(26)에 가해진 축방향의 힘을 반경 방향으로 충분히 증폭시킨다. 볼(24,26)에 의해 발생되는 반경 방향 팽창은 고정 스크루(25,27)에 적용되는 허용 가능한 토오크 레벨로 발생한다. 제2원추형 단부(22)에서 더 큰 보유력이 립(60)에 작용하여 베어링 조립체의 예비 하중 조건을 유지한다. 팽창력 제공에 필요한 힘이 적으면 적을수록 좋은데, 그 이유는 토오크의 일부는 축에 전달되어 축이 반경방향 돌출되는 비틀림을 축에 가하기 때문이다.

스핀들 축에 실제로 전달되는 토오크는 고정 스크루(25,27)와 볼(24,26)의 형태에 의해 최소화 될 수 있다. 고정 스크루(25,27)는 볼(24,26)에 대해 작용하는 평면을 갖고 있다. 고정 스크루의 평면은 아주 작은 회전력 또는 토오크를 볼의 곡면에 전달하게 되는데, 그는 이 평면이 볼에 아주 작은 표면적, 심지어는 점에서 평면과 평면이 마찰력을 촉진하는 공유면적에 해당하기 때문이다. 볼의 원추형 부분 측면과의 상호작용은 결합 플러그에서 보다 적은 축방향 마찰력을 제공하게 된다. 볼(24,26)은 원추형 부분(20,22)의 측면과 접촉하는 작은 환상 단면을 갖고 있기 때문에, 볼(24,26)을 원추형 부분(20,22)에 더욱 가압하면 스핀들 축(14)의 국부적 환상 팽창이 일어난다. 따라서, 볼(24,26)에 의해 제공되는 스핀들 축(14)의 국부적 팽창 및 예정 반경 외향력을 발생시키는 데는 더 적은 축방향의 힘과 더 적은 토오크가 요구된다.

스핀들 축(14)은 축응력이 높은 상태이거나 불균일한 반경방형 응력상태에 놓이지 않기 때문에, 스핀들 축의 굽힘은 최소화된다. 굽혀진 축은 디스크 표면에서 확대되는 반복가능한 돌출량이 높아진다.

팽창된 스핀들 축(14)을 베어링 조립체(30,32)로부터 제거하기 위해서, 제1고정 스크루(25)는 헐겁게 되고 해제되며 로크되지 않은 볼(24)은 떨어지고 약한 진공상태로 견인된다. 이때 제2고정 스크루(27)가 헐겁게 되어 구멍(18)을 통하여 축(14)의 제1단부(15)로부터 삽입되고 이를 제거하기 위해 볼(26)에 가압한다. 로드는 베어링 조립체에 손상을 입히지 않으면서 볼(26)에 축방향 힘을 발생시키기 위해 나사(29)를 사용한다. 축(14)은 300 시리즈 스텐레스강에 약 0.2%인 탄성한게내에서 팽창되기 때문에, 축은 원래 크기로 복귀되며 베어링 조립체로부터 제거된다.

베어링 조립체(30,32)의 내부 레이스와 축(14) 외면 사이의 간극을 축(14)을 용이하게 삽입, 해제할 수 있는 크기로 하면서 그 크기를 작게하여 축이 그 탄성한계 내에서 잘 팽창되어 예정된 축방향 및 반경방향 보유력을 얻게하는 것이 좋다. 적합한 실시에에서는 필요한 최대 팽창은 0.16%이다.

적합한 실시예에서, 베어링 조립체(30,32)는 반경방향으로 최대 약 100마이크로 인치 정도의 돌출이 되는 ABEC 7등급의 베어링 조립체로 구성된다. 베어링 조립체 자체에 의한 실측 돌출량은 약 20 내지 80마이크로 인치 정도였다. 베어링 조립체(30,32)에 조립된 축(14)의 돌출량을 측정하는 동안, 더 이상의 비대칭은 인정되지 않는다. 측정은 축(14)의 제2단부(16)를 향해 100만분의 5인치 정밀도하에서 수행된다. 감지된 축(14)의 돌출량은 베어링 조립체의 돌출량과 마찬가지로 20 내지 80 마이크로 인치였는데, 이는 축이 베어링 내부 레이스와 연결된 때문에 돌출량이 감지되지 않은 것으로 볼 수 있다.

본 발명의 다른 장점은 축(14)이 일정하게 팽창된다는 점이다. 축(14)을 균일하게 팽창시키면 스핀들 조립체를 베이스 캐스팅(50)에 조립할 때 불균형을 조장하는 일이 최소로 된다. 이리하여, 고속 회전시에 진동은 베어링 공유면적에 스핀들 조립체에 의해 거의 분배되지 않는다.

스핀들 조립체(12)가 디스크에 대한 접근이 제한되는 베이스 캐스팅(50)에 일단 조립되면 스핀들 조립체(12)는 균형잡을 필요가 없어진다. 현재 게류중이며 본원의 양수인에게 양도인 출원인 1984년 12월 24일자 미합중국 특허원 제685,433호 "교차 조심 디스크 팩 조립체 및 그 방법"에 기재된 바와같이 디스크 및 스페이서를 교차 기입하는 디스크 포맷 가공과 균형잡기는 베이스 캐스팅(50)내에 조립하기 전에 행해진다. 이렇게 하는데 따른 몇가지 장점으로는 결합 부분 조기감지, 자동화 용이, 포맷 가공시 베이스 캐스팅 공명 현상 제거, 디스크 구동모터가 필요없게 되는데 따른 저 자기화 노출, 그리고 공정 포맷 또는 보조 기입하는 새로운 디스크 파일의 채택 용이 등을 들 수 있다.

스핀들 조립체(12)를 베이스 캐스팅(50)에 조립한 후 디스크를 포맷하려면 디스크 구동 조립체의 서입능력을 사용할 필요가 있다. 이리하여 대부분의 시간을 디스크 구동 조립체의 제작의 효유적인 작동상태에 있게 한다. 이런 서입능력은 진보되고 더욱 고가의 서입장치에 비해 느리다. 스핀들 조립체(12)를 베이스 캐스팅(50)에 조립하기 전에 스핀들 조립체상에 디스크를 포맷하는 것은 본 발명에 따라 축(14)의 팽창 반복성 및 균일성에 의해 수행되고 있으므로, 포맷 가공은 조립 라인에서 다른 조립 공정과 함께 행해진다. 더욱 진보된 서입장치의 더욱 신속한 판독, 서입 능력을 사용하면 디스크(70) 포맷에 걸리는 시간을 크게 줄여서 제작 라인의 생산성을 크게 증가시킨다. 이는 또 주 디스크 구동(10) 조립 라인으로부터 원격으로 디스크 포맷 가공 및 스핀들 조립체(12) 제조를 가능하게 한다.

이제까지는 적합한 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였으나, 기술분야에서 숙련된 자라면 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 여러 가지 변형예가 있을 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (6)

1. 축선 방향으로 격리된 베어링 조립체(30,32)의 내부 레이스(34,36)에 의해 회전 가능하게 지지되는 스핀들 조립체에 있어서, 축내에 원추형 공동부를 형성하도록 데이퍼진 내부면을 갖는 팽창 가능한 축으로서, 베어링 내부 레이스 부근에 배치된 팽창 가능한 원추형 부분(20,22)을 갖는 축(14)과, 원추형 부분의 개별 내부면과 접하도록 배치된 구형 수단인 볼(24,26)과, 팽창 가능한 원추형 부분(20,22)의 반경방향 팽창이 베어링 조립체의 내부 레이스와의 접촉을 일으키도록 팽창 가능한 원추형 부분의 내부면으로 개별 구형 수단인 볼(24,26)을 압압시키기 위한 축선 방향 압압 수단인 고정 스크루(25,27)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 팽창 가능한 축부분이, 그 탄성 영역내에서 구형 수단에 의해 팽창 가능한 축 부분을 팽창시키면 예정 보유력을 제공하도록, 베어링 졸비체 내부 레이스의 직경보다 약간 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 스핀들 조립체.
3. 제1항에 있어서, 축과 함께 회전하도록 축에 결합된 적어도 하나의 데이터 디스크도 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 조립체.
4. 제3항에 있어서, 상기 데이터 디스크가, 팽창 가능한 축부분을 베어링 조립체 내부 레이스와 접촉하도록 팽창시키기 전에 포맷되는 것을 특징으로 하는 스핀들 조립체.
5. 제1항에 있어서, 축이 그를 관통하는 구멍(18)을 갖는 것을 특징으로 하는 스핀들 조립체.
6. 제1항에 있어서, 축이 그 단부에 인접한 내부 나사된 대응나사(29,31)를 갖으며, 각각의 축선 방향 압압 수단인 고정 스크루(25,27)가 상기 볼에 대응하여 작용하는 평탄면과 축의 내부 대응 나사와 대응하여 맞물리는 나사 부분을 가진 세트 나사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 조립체.

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