KR100196925B1 - 유체베어링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축의 드러스트 하중을 지지하는 드러스트 베어링과 회전축 사이의 간극을 가변시킴으로서 회전축의 중심에 집중되던 압력을 분산시켜, 압력 집중에 의해 회전축이 편심된 상태로 회전시 발생하던 축 떨림 및 축 진동을 방지한 유체베어링 장치에 관한 것이다.

본 발명의 구성은 회전체가 설치되어 있는 축과, 상기 축이 끼워져 있는 슬리이브와, 상기 슬리이브를 고정 시키기 위한 베어링 브라켓과, 상기 슬리이브에 고정되어 상기 축을 부상시키도록 제 1 동압 발생홈이 형성되어 있는 드러스트 베어링과, 상기 슬리이브, 슬리이브에 끼워져 있는 상기 축의 어느 일측면에 형성되어 상기 슬리이브와 상기 축을 무접촉 회전시키기 위한 제 2 동압 발생홈을 포함하고 있는 유체베어링 장치에 있어서, 상기 드러스트 베어링은 상기 드러스트 베어링의 중심부가 상기 드러스트 베어링의 원주보다 오목한 것을 특징으로 하며 본 발명에 의한 효과는 드러스트 베어링과 회전축 사이의 간극을 가변시켜 회전축의 중심에 집중되던 압력을 분산시키고 압력 분산에 의해 회전축이 편심된 상태로 회전시 발생하던 축 떨림 및 축 진동을 방지하여 고속 회전하는 축의 회전 정밀도와 회전 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

유체베어링 장치

본 발명은 유체베어링 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 회전축의 드러스트 하중을 지지하는 드러스트 베어링과 회전축 사이의 간극을 가변시킴으로서 회전축의 중심에 집중되던 압력을 분산시켜, 압력 집중에 의해 회전축이 편심된 상태로 회전시 발생하던 축 떨림 및 축 진동을 방지한 유체베어링 장치에 관한 것이다.

최근들어 컴퓨터, 오디오 시스템, 영상 기기 등과 같은 정보, 매체 산업의 기술력이 증가되면서 기 언급한 각종 기기의 크기는 소형화되고, 소형화에 따라 더욱 미세하고 정밀한 성능을 갖는 기기의 부품을 요구하고 있는 실정이며, 특히 컴퓨터의 경우 기억장치의 하나인 하드 디스크(HDD)의 스핀들 모터 구동장치 및 레이져 프린터의 폴리건 미러 구동장치, 오디오 시스템의 경우 레이저 디스크 및 컴팩트 디스크 구동 장치, 영상 기기의 경우 VCR 헤드 및 캠코더의 구동 장치등은 공통적으로 구동장치에 결합되어 있는 회전축과 회전체를 고속회전 시킴으로서 원하는 데이터의 저장 및 탐색, 데이터 재생 등의 작업을 하게 되는데, 이때 회전축은 고속으로 회전하게 됨으로 고속 회전에 의한 축 떨림 및 축 흔들림, 축 진동 등은 고속회전시 제품의 성능에 치명적인 결과를 가져오게 됨으로 이와 같은 기기들에는 모두 고속회전에 의한 문제점들을 보안하기 위해 베어링이 공통적으로 사용되고 있으며 특히 회전축에 최소의 마찰력이 작용하도록 하는 여러 가지 베어링 종류들중 유체베어링 장치가 널리 사용되고 있다.

이와 같은 종래의 유체베어링 장치를 구비하고 있는 구동장치중 레이져 프린터의 감광드럼에 레이져 빔을 조사하는 폴리건 미러 구동장치를 일례로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 레이져 프린터의 폴리건 미러 구동장치를 도시한 도면으로, 베어링 브라켓(10)에는 소정 직경을 갖는 관통공이 형성되어 있으며, 관통공에는 도시된 바와 같은 슬리이브(sleeve;20)가 끼워진 후, 고정 나사 등에 의해 베어링 브라켓(10)과 체결되어 고정되어 있으며, 슬리이브(20)에는 축(30)이 회전 가능하게 삽입되어 있다.

축(30)의 하단부(30b)는 축(30)의 수직 드러스트 하중을 받치고 있는 드러스트 베어링(50)과 면접하고 있으며, 드러스트 베어링(50)의 상면에는 제 1 동압 발생홈(50a)이 형성되어 있는 바, 제 1 동압 발생홈(50a)은 드러스트 베어링(50) 상면의 원주면으로 부터 시작하여 상면 중심부까지 소정 면적과 소정 깊이로 형성되어 있으며, 제 1 동압 발생홈은 에칭 등에 의해 수 ㎛의 깊이로 정밀 가공되어 있다.

이와 같이 제 1 동압 발생홈(50a)이 형성되어 있는 드러스트 베어링(50)은 슬리이브(20)와 나사 등에 의해 체결되어 있고, 축(30)의 상단부(30c) 근처에는 허브(70)가 압입되어 축(30)과 고정되어 있으며, 허브(70)에는 일부분만 도시된 모터(60)가 접합되어 축(30)은 모터(60)와 함께 회전하며, 허브(70)에는 폴리건 미러(80)가 부착된다.

또한, 슬리이브(20)에는 드러스트 베어링(50)과 축(30)이 면접하고 있는 부분에 통기공(20a)이 형성되어 있고, 슬리이브(20)의 구멍에 삽입되는 축(30)과 상기 슬리이브(20)의 내경이 대향하는 면의 축(30) 또는 슬리이브(20)에는 헤링본 형상의 제 2 동압발생홈(30a)이 형성되어 있는 바, 제 2 동압발생홈(30a)의 홈각은 일반적으로 약 30°이며, 제 2 동압발생홈(30a)의 깊이는 수 ㎛ 정도이다.

이와 같이 구성되어 있는 종래의 유체베어링 장치가 구비되어 있는 레이져 프린터의 폴리건 미러 구동장치의 작용을 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 일부분만 도시된 모터(60)에 전원이 인가되면 모터(60)는 각속도가 0인 상태에서 점차 각속도가 증가하여 소정 시간이 지난후 최고각속도에 도달 후, 각속도는 일정해지는데 이때 축(30) 또한 모터와 동일한 각속도로 회전하게 된다.

수학식 1은 유체압과, 축의 자중 및 축의 하중, 간극 면적의 관계를 나타내고 있다.

[수학식 1]

P =

P: 축을 부상시키는 유체압

F: 중력 방향의 축 자중 및 축 하중(kg_f)

A: 드러스트 베어링과 축 사이의 간극 면적

수학식 1을 도 2에 적용하여 살펴보면 축(30)의 회전에 의해 유체는 드러스트 베어링(50)의 제 1 동압 발생홈(50a)의 시작 부분인 A ,C 부분으로 유입된 후, 제 1 동압 발생홈(50a)의 중심부인 B 부분으로 선회하면서 유입되어 제 1 동압 발생홈의 중심부에서는 축(30)을 부상시키는 유체압(P)이 형성되는데, 드러스트 베어링(50)과 축의 하단부(30b)의 간극 면적(A)과, 중력 방향을 갖는 축자중 및 축하중(F)에는 변화가 없음으로, 유체압(P)은 축(30)의 각속도에 비례하여 커지다가, 축(30)이 소정 분당 회전수에 도달해 축의 자중 및 축 하중(F) 보다 유체압(P)이 커지게 되면 축(30)은 제 1 동압 발생홈으로부터 일정한 간극을 형성하면서 제 1 동압 발생홈의 상부로 부상 후, 평형상태를 이루게 된다.

이때, 축(30)이 부상하는데까지 걸리는 시간은 이미 언급한 바 있듯이 제 1 동압 발생홈 및 축 하단부(30b)가 이루고 있는 간극 면적 및 축(30)의 회전 속도에 의해 결정된다.

그러나 도 3에 도시된 바와 같이 축이 정지되어 있을 때 , 축은 축과 슬리이브 사이에 형성되어 있는 간극으로 인하여 축이 제 1 동압 발생홈의 중심에 놓여져 있는 경우는 매우 드물고 대부분의 경우 축 중심은 제 1 동압 발생홈의 일측으로 편심되어 제 1 동압 발생홈의 중심부에 대하여 편심(ΔL)이 발생하게 됨으로 이와 같이 축이 편심되어 있는 상태에서 회전을 시작하면 제 1 동압 발생홈의 중심에서 발생한 최대 유체압 부분과 축 중심은 어긋난 상태에서 회전하게 되어 축을 부상시키는 힘의 불균형이 발생함으로 축은 매우 불안정한 상태에서 회전하게 되고, 제 1 동압 발생홈에 의해 발생한 유체압에 의해 축 중심과 제 1 동압 발생홈의 최대 유체압 부분이 일치하게 되기까지는 소정 시간이 소요됨으로 소정 시간이 경과하기까지 축은 매우 불안정한 상태에서 회전하여 축 초기 회전시 제품 성능이 현저히 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 축 중심과 제 1 동압 발생홈의 중심부에서 발생하는 유체압 작용점에 편심이 발생하여도 안정적으로 축이 회전할 수 있도록 제 1 동압 발생홈의 중심 부분에서 집중되는 유체압을 균일하게 분산시켜 축의 회전 안정성을 높인 유체베어링 장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 유체 베어링이 사용된 레이져 프린터의 폴리건 미러 구동 장치를 도시한 단면도.

도 2는 종래의 드러스트 베어링에 의해 회전축에 발생한 유체압을 나타낸 그래프.

도 3은 종래의 회전축이 정지하고 있을 때 슬리이브의 일측으로 편심되어 있는 회전축를 도시한 단면도.

도 4A는 본 발명에 의한 유체 베어링이 사용된 레이져 프린터의 폴리건 미러 구동 장치의 일부분을 도시한 단면도.

도 4B는 본 발명에 의한 드러스트 베어링에 의해 회전축에 발생한 유체압을 그래프.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

20: 슬리이브30: 회전축

50: 드러스트 베어링

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 유체베어링 장치는 회전체가 설치되어 있는 축과, 상기 축이 끼워져 있는 슬리이브와, 상기 슬리이브를 고정 시키기 위한 베어링 브라켓과, 상기 슬리이브에 고정되어 상기 축을 부상시키도록 제 1 동압 발생홈이 형성되어 있는 드러스트 베어링과, 상기 슬리이브에 끼워져 있는 상기 축의 측면에 형성되어 상기 슬리이브와 상기 축을 무접촉 회전시키기 위한 제 2 동압 발생홈을 포함하고 있는 유체베어링 장치에 있어서, 상기 드러스트 베어링은 상기 드러스트 베어링의 중심부가 상기 드러스트 베어링의 원주보다 오목한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명 유체베어링 장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같으며, 종래의 구성과 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호와 동일한 명칭을 사용하기로 한다.

도 4A는 본 발명에 의한 가변 간극을 갖는 유체베어링 장치가 사용된 레이져 프린터의 폴리건 미러 구동장치중 일부분을 도시한 단면도로, 도면에 도시되지 않은 부분은 종래의 구성과 동일함으로 그 설명을 생략하기로 한다.

하부 베어링 브라켓(10)에는 소정 직경을 갖는 관통공이 형성되어 있으며, 관통공에는 도시된 바와 같은 슬리이브(sleeve;20)가 끼워진 후, 고정 나사 등에 의해 베어링 브라켓(10)과 체결되어 고정되어 있으며, 슬리이브(20)에는 축(30)이 회전 가능하게 삽입되어 있다.

또한, 슬리이브(20)에 삽입되어 있는 축(30)의 측면에는 슬리이브(20)와 축(30)이 무접촉으로 회전할 수 있도록 헤링본 형상의 제 2 동압 발생홈(30a)이 형성되어 있으며, 슬리이브(20)와 축(30) 사이의 간극은 수 ㎛로 매우 미세하게 가공되어 있다.

축(30)의 하단면(30b)과 대향하여 축 자중 및 축 하중을 지지하며 축(30)을 부상시키는 드러스트 베어링(50)이 설치되어 있고, 드러스트 베어링(50)은 다시 슬리이브(20)와 나사 등에 의해 고정되어 있으며, 드러스트 베어링(50)의 상부면에는 제 1 동압 발생홈(50a)가 형성되어 있다.

도 4B는 본 발명에 의한 드러스트 베어링과 회전축에 형성된 압력 분포 곡선을 도시한 도면으로서, 축(30)의 하단면(30b)과 드러스트 베어링(50)은 축(30)이 정지되어 있는 상태에서 다음의 관계를 이루고 있다.

즉, 축(30)이 회전하고 있지 않을 때 축의 하단면(30b)과 드러스트 베어링(50)의 원주면인 A', C'의 간극은 CL₂및 CL₁로 정의하고 축의 하단면(30b)과 드러스트 베어링(50)의 제 1 동압 발생홈 중심부인 B' 사이의 간극은 CL₃라 정의하기로 하면, B' 부분에서의 축의 하단면(30b)과의 간극은 0 CL₃수 ㎛ 가 되고, 드러스트 베어링(50)의 A'와 C' 부분과 축의 하단면(30b) 사이의 간극인 CL₁, CL₂는 0(zero)가 되어 간극 CL₁, CL₂, CL₃의 관계는 CL₁,CL₂CL3 ≤ 수 ㎛ 가 되어 도시된 도 4A의 드러스트 베어링(50) 상부면의 단면 형상은 A',B',C' 세점을 지나는 호(arc)의 형상으로 호(arc)가 이루고 있는 곡률의 크기는 CL₁, CL₂를 기준으로 CL₃에 의해 결정된다.

이와 같은 본 발명에 의한 유체베어링 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 모터(미도시)에 전원이 인가되어 모터가 회전하기 시작하면 모터에 결합되어 있는 축(30) 또한 모터와 동일 각속도로 회전하게 되는데 이때 축(30)의 회전 속도에 대응하여 축의 하단부(30b)에는 와류가 형성되고 형성된 와류는 축의 하단부(30b)와 대향하고 있는 드러스트 베어링(50)의 상부면 제 1 동압 발생홈 중 A', C' 부분을 통해 제 1 동압 발생홈을 따라 B' 부분으로 선회하면서 유입되어 B' 부분에서는 제 1 동압 발생홈들을 통해 유입된 유체들이 모이면서 소정 유체압(Pressure; P)을 발생시킨다.

이때, 유체압(P)은 축 자중 및 축 하중에 의해 축(30)을 중력 방향으로 누르는 힘(kg_f,F)과, 축의 하단부(30b)와 드러스트 베어링(50)의 제 1 동압 발생홈 사이의 이격공간인 간극 면적(A)의 크고 작음에 의해 결정된다.

한편, 축 자중 및 축 하중을 이미 결정되어 있음으로 간극 면적(A) 및 축(30)의 회전속도에 의해 유체압(P)가 결정됨으로 모터가 정지 상태에서 구동하기 시작하면 드러스트 베어링(50)의 제 1 동압 발생홈의 원주면 부분인 A',C'와 축의 하단부(30b)의 간극 면적은 작음으로 발생 유체압(P)은 크게 발생하고, A'에서 B'로, C'에서 B'로 유체가 유입 될수록 간극 면적은 점차 증가하게 되어 유체압(P)은 간극 면적(A)의 증가에 대응하여 감소하지만 복수개의 제 1 동압 발생홈에 의해 유체가 드러스트 베어링의 중심부분에서 모이게 됨으로 B' 부분에서 압력이 가감되어 축에 작용하는 유체압은 A',B',C' 부분에서 거의 균일하게 되어 축의 초기 회전시 축이 슬리이브 내부에서 편심되어 있어도 안정적으로 축이 회전할 수 있게 된다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이, 드러스트 베어링과 회전축 사이의 간극을 가변시켜 회전축의 중심에 집중되던 압력을 분산시키고 압력 분산에 의해 회전축이 편심된 상태로 회전시 발생하던 축 떨림 및 축 진동을 방지하여 고속 회전하는 축의 회전 정밀도와 회전 안정성을 향상시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 회전체가 설치되어 있는 축과, 상기 축이 끼워져 있는 슬리이브와, 상기 슬리이브를 고정 시키기 위한 베어링 브라켓과, 상기 슬리이브, 상기 슬리이브에 고정되어 상기 축중 어느 일측에 형성되어 상기 축을 부상시키도록 제 1 동압 발생홈이 형성되어 있는 드러스트 베어링과, 상기 슬리이브에 끼워져 있는 상기 축의 측면에 형성되어 상기 슬리이브와 상기 축을 무접촉 회전시키기 위한 제 2 동압 발생홈을 포함하고 있는 유체베어링 장치에 있어서,

   상기 드러스트 베어링은 상기 드러스트 베어링의 중심부가 상기 드러스트 베어링의 원주보다 오목한 것을 특징으로 하는 유체베어링 장치.