KR100196928B1 - 유체 베어링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하드 디스크 구동장치, 카세트 테이프 레코더 등에 사용되어 드러스트 하중의 방향이 가변되어도 축 흔들림 및 축의 진동을 최소로 하여 축의 고속회전성능을 저하시키지 않는 유체 베어링에 관한 것이다.
발명의 목적은 회전체가 결합되어 있는 축의 양단을 드러스트 베어링에 대하여 회전 가능하도록 하여 축에 작용하고 있는 드러스트 베어링의 하중 방향에 관계없이 축이 안정되게 회전할 수 있도록 한 유체 베어링 장치을 제공함에 있다.
본 발명의 효과는 축에 가해지는 하중의 방향이 수시로 변경되어도 축의 양단을 회전 가능하게 지지하도록 유체베어링을 설치하여 가변하는 축 하중에 의해 발생하는 축의 떨림 및 진동을 방지하여 초정밀도를 요구하는 기기의 정밀도를 향상시켜 기기의 제품성능을 향상시키는 효과가 있다.

Description

유체 베어링 장치
본 발명은 유체베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하드 디스크 구동장치, 카세트 테이프 레코더 등에 사용되어 드러스트 하중의 방향이 가변되어도 축 흔들림 및 축의 진동을 최소로 하여 축의 고속회전성능을 저하시키지 않는 유체베어링에 관한 것이다.
최근들어 정보매체, 멀티미디어 산업의 급속한 발달로 인해 컴퓨터, 카세트 테이프 레코더, 캠코더 등의 보급이 꾸준히 증가하고 있는 추세이다.
특히 컴퓨터의 보조 기억장치인 하드 디스크장치등은 회전 디스크와 회전 디스크의 섹터를 검색하는 헤드 사이의 간극이 매우 미세하기 때문에 특히 회전 디스크를 구동시키는 구동장치의 축 흔들림은 각종 중요 데이터가 저장되어 있는 회전 디스크에 치명적인 역할을 할 수 있음으로 고정밀도와, 축 흔들림이 매우 적은 구동장치가 요구되어 이와 같은 구동장치에는 회전 주축부에 고정밀도로 회전할 수 있는 베어링이 필요로 하여 이와 같은 필요성을 인해 고속 회전시에도 축 흔들림과 축의 떨림을 최소로 하는 유체베어링이 사용되고 있다.
이하, 도면을 참조하여 유체 베어링의 일례를 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 하드 디스크(HDD)의 회전 디스크의 회전축에 사용된 유체 베어링을 일실시예로 도시한 단면도로서 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
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 하부 기저면(30b)은 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)의 상면 원주면으로 부터 시작하여 드러스트 베어링(50)의 상면 중심부까지 소정 면적과 소정 깊이를 갖는 나선홈을 이루면서 형성되어 있으며, 나선홈은 에칭 등에 의해 수 ㎛의 깊이로 정밀 가공되어 있다.
이와 같이 제 1 동압 발생홈(50a)이 형성되어 있는 드러스트 베어링(50)은 다시 드러스트 받침대(40)에 의해 지지되는데, 드러스트 받침대(40)는 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 회전하게 된다.
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 헤링보운동의 제 2 동압발생홈(30a)이 형성되어 있는 바, 제 2 동압발생홈(20a)의 홈각은 일반적으로 약 30°이며, 제 2 동압발생홈(30a)의 깊이는 수 ㎛ 정도이다.
한편, 상기 허브(70)에는 회전 디스크(80)가 장착되며, 상기 통기공(20a)은 축(30)을 슬리이브(20)에 삽입할 때 축(30)과 드러스트 베어링(50) 사이의 공기를 빼내주는 역할을 하며 또한, 각 부재의 온도 변화에 따른 공기의 체적 팽창으로 인한 압력 변화를 방지하기 위한 것이다.
이와 같이 구성된 종래의 유체베어링 장치의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 일부분만이 도시된 모터(60)에 전원이 인가되면 모터(60)의 회전에 의해 허브(70)가 회전을 하여 허브(70)에 정착되어 있는 축(30)이 회전하기 시작하면, 윤활제는 제 1 동압 발생홈(50a)과 제 2 동압 발생홈(30a)으로 유입되어 제 1 동압 발생홈(50a)이 나선형을 그리며 모여드는 축(30)의 중심부에서 가장 큰 동압이 발생하고, 제 2 동압 발생홈(30a)의 첨두 부분 또한 가장 큰 동압이 발생하여, 축(30)은 드러스트 베어링(50)과 슬리이브(20)로부터 수 ㎛ 이격된 상태 즉, 무 접촉 회전한다.
그러나 이와 같은 종래의 축이 수직 드러스트 하중을 받고 있는 경우에 범용적으로 사용되는 유체베어링은 축의 떨림이나 축의 흔들림을 방지하기 위해 축의 일단에만 유체베어링을 사용함으로 인해, 축이 수직 드러스트 하중을 받고 있지 않을 경우, 일례로 첫째, 수평 상태로 설치되어 있는 하드 디스크(HDD)가 수직으로 놓일 경우 둘째, 캠코더 및 소형 테이프 레코더와 같이 자유로이 움직이는 기기의 구장장치 등과 같이 축의 드러스트 하중이 수직에서 수평으로, 또는 수평에서 수직으로 가변되는 경우에는 축의 하중도 가변되게 되어 축이 슬리이브 내부에서 상하 또는 좌우로 이동하여 축에 정착되어 있는 회전체 또한 흔들리게 되어 하드 디스크등과 같은 초정밀도를 요구하는 기기에 있어서는 회전 디스크와 회전 디스크와 미세 간격으로 이격된 상태에서 움직이는 헤드의 접촉에 의해 회전 디스크의 상면이 긁히거나 파손되는 치명적인 결과가 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서,본 발명의 목적은 회전체가 결합되어 있는 축의 양단을 드러스트 베어링에 대하여 회전 가능하도록 하여 축에 작용하고 있는 드러스트 베어링의 하중 방향에 관계없이 축이 안정되게 회전할 수 있도록 한 유체 베어링 장치을 제공함에 있다.
도 1은 종래의 기술에 의한 유체 베어링이 사용된 하드 디스크의 주축부를 도시한 도면이고,
도 2는 종래의 기술에 의한 제 1 동압 발생홈을 도시한 사시도이고,
도 3은 본 발명에 의한 유체 베어링이 사용된 하드 디스크의 주축부를 도시한 도면이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10,10a: 상하 베어링 브라켓 30b,30c: 축의 양단부
30a,30d: 제 2 동압 발생홈 20: 슬리이브
20a,20b: 제 1 통기공, 제 2 통기공 40,40a: 드러스트 받침대
50a: 제 1 동압 발생홈 50: 드러스트 베어링
80: 회전디스크
이와 같은 본 발명 유체 베어링 장치는 소정 직경의 회전축과, 상기 회전축의 양단이 끼워지도록 형성되어 있는 제 1, 제 2 슬리이브와, 상기 회전축의 양단과 소정 간격 이격되어 상기 회전축과 무접촉 회전 가능하도록 형성되어 있는 제 1, 제 2드러스트 베어링과, 상기 제 1, 제 2 슬리이브와 상기 제 1, 제 2 드러스트 베어링 각각이 고정되는 상하 베어링 브라켓을 포함하며 상기 제 1, 제 2 슬리이브와, 상기 제 1, 제 2 슬리이브와 대향하고 있는 상기 회전축중 어느 일측에는 상기 제 1, 제 2 슬리이브와 회전축을 이격시키기 위한 제 2 동압 발생홈을 갖고 상기 제 1, 제 2 드러스트 베어링면과, 상기 회전축의 단부중 어느 일측에 상기 제 1, 제 2 드러스트 베어링으로부터 상기 회전축을 이격시키기 위한 제 1 동압 발생홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명 유체 베어링 장치를 도 3 을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 설명의 편의를 위해서 종래기술에서 사용되었던 구성부재와 동일한 작용을 하는 구성부재에 대해서는 같은 부재번호를 사용하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 하드 디스크(HDD)의 회전 디스크의 회전축에 사용된 유체 베어링 장치를 도시한 단면도로서 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
하드 디스크의 하부 베어링 브라켓(10)에는 소정 직경을 갖는 관통공이 형성되어 있으며, 관통공에는 도시된 바와 같이 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 하부 기저면(30b)은 축(30)의 수직 드러스트 하중을 받치고 있는 하부 제 1 드러스트 베어링(50)과 면접하고 있으며, 하부 제 1 드러스트 베어링(50)의 상면과 회전축(30)중 어느 일측에는 제 1 동압 발생홈(50a)이 형성되어 있는 바, 제 1 동압 발생홈(50a)은 상부 제 1 드러스트 베어링(50)의 원주면으로 부터 시작하여 하부 제 1 드러스트 베어링(50)의 중심부까지 소정 면적의 나선홈을 이루면서 형성되어 있으며, 나선홈은 에칭 등에 의해 수 ㎛의 깊이로 정밀 가공되어 있다.
이와 같이 제 1 동압 발생홈(50a)이 형성되어 있는 하부 제 1 드러스트 베어링(50)은 다시 드러스트 받침대(40)에 의해 지지되는데, 드러스트 받침대(40)는 제 1 슬리이브(20)와 나사 등에 의해 체결되어 있고, 축(30)의 중간부에는 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 회전하게 된다.
또한, 축 상단부(30c)를 지지하기 위한 상부 베어링 브라켓(10a)에는 소정 면적의 관통공이 형성되어 있으며, 관통공에는 슬리이브(20)가 끼워지고 슬리이브(20)의 구멍에는 상기 축(30)의 상단부(30c)가 끼워지게 된다.
슬리이브(20)에 끼워진 축(30)의 꼭대기부(30c)와 상부 제 2 드러스트 베어링(50)의 제 1 동압 발생홈(50a) 사이에는 수 ㎛가 이격되도록 형성되어 있으며, 상부 제 2 드러스트 베어링(50)은 다시 드러스트 받침대(40a)에 의해 지지되는데, 드러스트 받침대(40a)는 슬리이브(20)와 나사 등에 의해 체결되어 있다.
또한, 슬리이브(20)의 하부 제 1 드러스트 베어링(50)와 상부 제 2 드러스트 베어링(50) 및 축(30)이 면접하고 있는 부분에는 제 1 통기공(20a) 및 제 2 통기공(20b)이 형성되고, 상부 베어링 브라켓(10a)과 하부 베어링 브라켓(10)에 설치되어 있는 슬리이브(20)의 구멍에 삽입되는 축(30)과 상기 슬리이브(20)의 내경이 대향하는 면중 어느 일측에는 헤링보운동의 제 2 동압발생홈(30a)(30d)이 형성되어 있는 바, 제 2 동압발생홈(30a)(30d)과 수평이 이루는 홈각은 일반적으로 약 30°이며, 홈의 깊이는 수 ㎛ 정도이다.
한편, 슬리이브(20), 축(30), 제 1, 제 2 드러스트 베어링(50)에는 통상 광유 등의 유성 작동유체나, 공기 등의 윤활제가 주입되고, 상기 허브(70)에는 회전시키고자 하는 회전체인 회전 디스크(80)가 정착되며, 상기 제 1 통기공(20a),제 2 통기공(20b)은 축(30)을 슬리이브(20)에 삽입할 때 축과 하부 제 1 드러스트 베어링(50)과 상부 제 2 드러스트 베어링(50) 사이의 공기를 빼내주는 역할을 하며 또한, 각 부재의 온도 변화에 따른 공기의 체적 팽창으로 인한 압력 변화를 방지하기 위한 것이다.
이와 같이 구성되어 있는 본 발명에 의한 유체베어링의 작용을 축이 드러스트 하중을 지지할 때와, 레이디얼 하중을 지지할 때와, 드러스트 하중과 레이디얼 하중을 동시에 지지할때로 나누어 설명하면 다음과 같다.
첫 번째로 축(30)이 드러스트 하중만 받을때를 설명하면 먼저, 일부분만 도시된 모터(60)에 전원이 인가되면 모터(60)는 회전하게 되고, 모터(60)의 회전에 의해 허브(70)와 허브(70)에 정착되어 있는 수직 드러스트 하중을 받는 축(30)은 회전하게 된다.
이때 축(30)의 상하 단부(30b)(30c)와 면접하고 있는 상하 제 1 ,제 2 드러스트 베어링(50)의 제 1 동압 발생홈(50a)과 상기 제 2 동압 발생홈(30a)(30d)으로 작동 유체가 홈을 따라 유입 되는데, 제 2 동압 발생홈(30a)(30d)의 첨두 부분에서는 가장 큰 유체압이 형성되어 축(30)과 슬리이브(20)는 접촉하지 않고 회전하게 되며, 축(30)의 상하 단부(30b)(30c)와 면접하고 있는 제 1 동압 발생홈(50a)으로도 유체가 유입되어 유체압을 형성한다.
축 하중 및 축 자중에 의해 축(30) 하부의 제 1 동압 발생홈(50a)과 축(30)은 직접 접촉하고 있고, 축(30) 상부의 제 1 동압 발생홈(50a)은 축(30)과 수 ㎛ 이격되어 있음으로, 하부의 제 1 동압 발생홈(50a)에 의해 축(30)을 상부로 밀어올리는 유체압이 상부의 제 1 동압 발생홈(50a)에서 축(30)을 하부로 밀어내리는 유체압보다 크게 되어 축(30)은 하부의 제 1 동압 발생홈(50a)으로부터 이격된다.
그러나, 하부의 제 1 동압 발생홈(50a)과 축(30)의 이격 간극이 커질수록 하부의 제 1 동압 발생홈(50a)으로부터 축(30)에 작용하는 유체압은 점차 작아지고 이와 반대로 상부의 제 1 동압 발생홈(50a)과 축(30)의 간극은 점차 작아짐으로 인해 축(30)과 상부의 제 1 동압 발생홈(50a) 사이에 작용하는 유체압은 점차 커져서 시간이 지남에 따라 상부의 제 1 동압 발생홈(50a)과 하부의 제 1 동압 발생홈(50a)에 적용되는 유체압은 평형을 이루게되어 축(30)은 슬리이브(20)와 상하 드러스트 베어링(50)으로부터 이격된 상태에서 축 흔들림이나 축 떨림 없이 무접촉 회전하게 된다.
두 번째로 드러스트 하중을 받게 설계되어 있는 축이 사용 환경에 의해 레이디얼 하중을 지지할때를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 일부분만 도시된 모터(60)가 회전하지 않을 때 축(30)은 상하 드러스트 베어링(50)의 상면에 형성되어 있는 제 1 동압 발생홈들(50a)중 하나와 접촉하고 있거나 어느쪽 제 1 동압 발생홈(50a)과도 접촉하고 있지 않을 수 있다.
이와 같은 상태에서 모터(60)에 전원이 인가되어 허브(70)의 회전과 동시에 축(30)이 회전하기 시작한다.
축(30)이 회전을 시작할 때 축(30)이 상기 상하 드러스트 베어링(50)의 양쪽중 어느 일측과 접촉하고 있으면 첫 번째의 경우와 마찬가지의 작용을 하게 되고 축(30)이 상하 드러스트 베어링(50)과도 접촉하고 있지 않으면 축(30)과 상하 드러스트 베어링(50)중 축(30)과의 간극 사이가 좁은 드러스트 베어링(50)쪽에 더 큰 유체압을 발생시켜, 드러스트 베어링(50)에 의해 발생한 유체압은 축(30)을 밀고, 밀어내는 과정을 반복시켜 드러스트 베어링(50)들과 축(30)의 간극이 동일한 곳에서 축(30)은 유동없는 평형상태가 되어 축(30)과 슬리이브(20)와, 드러스트 베어링(50)은 무접촉 상태로 회전한다.
세 번쩨로 축(30)이 드러스트 하중과 레이디얼 하중을 동시에 받게 될 때에도 축(30)은 첫 번째와 두 번째의 과정을 반복하면서 평형상태를 이루어 기기의 회전 및 기기의 흔들림에 의해 축의 하중 방향이 수시로 변경되는 캠코더, 테이프 레코더, 휴대용 컴팩트 디스크 등과 같은 기기의 회전 안정성을 높일 수 있다.
이상에서 상세히 살펴본 바와 같이, 축에 가해지는 하중의 방향이 수시로 변경되어도 축의 양단을 회전 가능하게 지지하도록 유체베어링을 설치하여 가변하는 축 하중에 의해 발생하는 축의 떨림 및 진동을 방지하여 초정밀도를 요구하는 기기의 정밀도를 향상시켜 기기의 제품성능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 소정 직경의 회전축과, 상기 회전축의 양단이 끼워지도록 형성되어 있는 제 1, 제 2 슬리이브와, 상기 회전축의 양단과 소정 간격 이격되어 상기 회전축과 무접촉 회전 가능하도록 형성되어 있는 제 1, 제 2드러스트 베어링과, 상기 제 1, 제 2 슬리이브와 상기 제 1, 제 2 드러스트 베어링 각각이 고정되는 상하 베어링 브라켓을 포함하며;
    상기 제 1, 제 2 슬리이브와, 상기 제 1, 제 2 슬리이브와 대향하고 있는 상기 회전축중 어느 일측에는 상기 제 1, 제 2 슬리이브와 회전축을 이격시키기 위한 제 2 동압 발생홈을 갖고 상기 제 1, 제 2 드러스트 베어링면과, 상기 회전축의 단부중 어느 일측에 상기 제 1, 제 2 드러스트 베어링으로부터 상기 회전축을 이격시키기 위한 제 1 동압 발생홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체베어링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 동압 발생홈은 소정 유체를 상기 제 1 동압 발생홈의 중심부분으로 유입시키기 위한 소정 패턴과 소정 면적을 갖는 나선형 홈인 것을 특징으로 하는 유체베어링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 동압 발생홈은 적어도 2조 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체베어링 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 동압 발생홈은 회전축에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체베어링 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 동압 발생홈은 제 1, 제 2 드러스트 베어링에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체베어링.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 동압 발생홈은 회전축에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체베어링.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 동압 발생홈은 제 1, 제 2 슬리이브에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체베어링.
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