KR100213925B1 - 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성방법 - Google Patents

Abstract

유체 베어링 장치의 동압발생홈을 형성하는 방법이 개시되어 있다.

회전체와 회전체 지지부재의 사이에 발생하는 마찰력을 최소화하는 유체 베어링 장치중 경계마찰을 발생시키는 소정 유체압을 발생시키는 동압발생홈은 소정 형상으로 가공된 거친 동압발생부재의 표면에 동압발생홈의 깊이와 동일한 두께로 마모에 강한 마모 방지층을 증착하고 이 마모 방지층에 동압발생홈을 형성하여 동압발생홈을 형성하기 위한 공정 수순을 감소시키고 불량이 발생한 동압발생홈을 다시 재가공할 수 있게 됨으로써 생산원가를 감소시킬수 있다.

Description

유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성방법

본 발명은 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체 베어링 장치중 동압을 발생시키는 동압발생부재의 표면에 소정 두께로 TiN(질화티타늄)과 같은 마모에 강한 마모방지층을 동압발생홈의 두께만큼 코팅하고 이 TiN 코팅층중 동압발생홈 부분만을 에칭(etching)하여 동압발생홈을 형성함으로써, 동압발생홈의 형성 공정을 간소화시키고 생산비용을 절감시킨 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성방법에 관한 것이다.

최근들어 널리 공지된 바와 같이, 전기전자 및 기계산업의 급격한 발달로 초고속 회전 성능을 필요로 하는 구동 장치중 대표적인 구동 모터들, 예를 들면, 레이저 프린터의 스캐닝 모터, 하드 디스크 드라이버(HDD)의 스핀들 모터, VCR의 헤드 구동 모터 등은 기기의 특성상 보다 많은 데이터의 검색 및 저장, 재생을 단축된 시간에 수행하기 위해 축 흔들림이나 축 떨림없는 고정밀, 초고속 회전 성능을 요구하고 있는 실정이다.

이에 따라서, 구동모터의 축 흔들림이나 축 진동을 억제하며 안정적으로 고속 회전하는 구동 모터의 개발과 함께 이와 같은 모터의 회전 성능 향상을 가능케 하는 베어링 장치의 다양한 형태에 대하여서도 활발한 연구 개발이 진행되고 있다.

이와 같은 베어링 장치의 종류로는 고체 마찰에 의해 마찰력을 감소시키는 볼 베어링보다 뛰어난 성능을 갖고 초고속, 고정밀 안정성이 입증된 바 있는 유체 베어링 장치가 널리 사용되고 있는 바, 유체 베어링 장치는 윤활성능이 뛰어난 유체와 고체 사이의 경계마찰 원리가 적용된다.

이와 같은 유체 베어링 장치 또한 기기의 독특한 특성에 따라서 여러 가지 종류가 사용될 수 있지만 특히, 초고속, 고정밀 회전에 적합하고 회전대상물체의 레이디얼 하중과 드러스트 하중을 동시에 지지하는 반구 베어링 장치 및 원추 베어링 장치가 널리 사용되고 있다.

이와 같은 반구 베어링 장치에는 회전체와 회전체를 지지하는 회전체 지지부재 사이에서 경계마찰이 작용하도록 회전체와 회전체 지지부재중 어느 일측에 소정 유체압을 발생시키는 스파이럴 형상의 동압발생홈이 형성되어 있다.

이 유체 베어링 장치중 하나인 반구 베어링 장치는 반구 형상으로 동압을 발생시키는 동압발생홈이 형성되어 있는 동압발생부재인 회전체 지지부재와, 이 동압발생부재를 감싼 상태에서 회전하는 반구홈이 형성되어 있는 부싱의 정밀도, 즉 동압발생홈의 위치 및 동압발생홈면적에 따라서 성능에 큰 차이를 발생시키는 것으로 알려져 있다.

이와 같은 유체 베어링 장치중 하나인 반구 베어링 장치중 동압을 발생시키는 반구 형상의 동압발생부재를 형성하는 방법을 일례로 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 반구 베어링 장치중 하나의 구성 요소인 반구 형상의 동압발생부재를 형성하기 위해 기계 가공 또는 단조 가공을 통해 속이 찬 구를 제작한다.

이후, 이 구를 이등분하여 속이찬 반구 형상을 제작한 후, 반구면중 상부를 소정 높이만큼 절단하고, 반구 형상중 회전 중심이 되는 부분에 소정 직경을 갖는 관통공(110)을 형성하여 도 1a와 같은 거칠고 동압발생홈이 형성되지 않은 반구 형상의 동압발생부재(100)를 형성한다.

이와 같이 형성된 동압발생부재(100)의 거칠고 정밀하지 못한 표면을 진구도 높게 형성하기 위하여 래핑 기계에 의한 래핑 공정과, 미세하게 표면을 형성하는 폴리싱 공정을 거쳐 동압발생부재(100)의 표면 거칠기 및 진구도를 허용 공차 내에 있도록 예비 가공 공정을 진행한다.

이와 같이 예비 가공 공정이 종료된 동압발생부재(100)의 표면에 도 1b에 도시된 바와 같이 박층 포토레지스트(도트 해칭 부분;120)를 균일하게 전표면에 걸쳐 도포하고, 박층 포토레지스트(120)중 동압발생홈 예정부(130)에 도포되어 있는 포토레지스트(120)를 노광, 현상 공정을 거쳐 동압발생홈 예정부(130) 부분의 동압발생부재(100)가 외부로 노출되도록 한다.

이와 같이 동압발생홈 예정부(130) 부분이 노출된 동압발생부재(100)를 식각하기 위해 용제(etchant)에 넣어 이 노출된 부분이 도 1c에 도시한 바와 같이 식각(etching)되도록 한다.

이때, 동압발생홈 예정부(130)의 깊이 및 동압발생홈 예정부(130)의 폭에 의해 생성되는 동압발생홈(130a)의 면적은 동압의 크기와 밀접한 관련이 있는 바, 설계치와 대등한 동압발생홈(130a) 면적을 얻기 위해서는 용제의 조성비, 에칭 시간 등에 세심한 주의한다.

이후, 도 1d에 도시된 바와 같이 정해진 식각 시간이 경과되면 동압발생부재(100)를 세척한 후, 동압발생부재(100)의 표면을 덮고 있는 박층 포토레지스트(120)를 제거한다.

이어서, 도 1e에 도시된 바와 같이 동압발생부재(100)에 동압발생홈(130a)이 형성되면 주로 알루미늄 합금과 같은 경합금 재질의 동압발생부재(100)의 표면이 앞서 언급한 부싱의 반구홈과 접촉하여 마모되는 것을 방지하기 위해 마모에 강하고 표면 매끈함을 증대시켜주는 마모 방지층인 TiN(질화 티타늄;140)을 동압발생부재(100)에 화학적 기상 증착 방식인 CVD 등을 이용하여 동압발생부재(100) 전체 면적에 걸쳐 코팅한다.

마지막으로, 도 1f에 도시된 바와 같이 마찰계수를 감소시키는 DLC(Diamond-Like-Carbon;150)를 TiN(140)의 상면에 수 ㎛의 두께로 코팅하여 완전한 동압발생부재(100)를 형성한다.

그러나, 이와 같은 종래의 스캐닝 모터에 적용된 유체 베어링 장치중 동압을 발생시키는 동압발생부재를 제작하기 위해서는 첫 번째로, 앞서 언급한 바와 같이 번거롭고 복잡한 다수개의 과정을 반복하여야 하는 즉, 가공 공정수가 많은 결함이 있었으며, 두 번째로는, 최초 가공에 의해 형성된 거친 동압발생부재의 표면을 래핑, 폴리싱등의 가공을 통해 정밀하게 가공된 후, 다시 마모 방지를 위한 TiN, DLC 등의 코팅 공정을 진행하게 되지만 실제 코팅이 진행되는 면은 반구면이기 때문에 코팅 두께가 일정하게 되지 않음으로써 코팅 후, 다시 표면을 재가공해야하는 문제점이 있었고, 세 번째로는 동압발생홈의 면적을 정확히 형성하기 위해서는 절대적으로 용제의 조성비와 시간을 준수해야 함으로써 미세한 시간과 조성비의 차이로 인해 동압발생홈의 면적과 크기가 달라지게 된다.

또한, 또다른 문제점으로는 동압발생부재에 직접 식각이 진행되기 때문에 일단 식각이 진행된 후 불량이 발생한 동압발생부재는 다시 재 가공이 불가능하여 생산단가의 상승요인이 되는 문제점이 있어 이와 같으 다수의 문제점에 의해 생산 비용이 증대되고 생산 공정이 증가하게 되는 결함이 있었다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 다양한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 동압발생부재의 동압발생홈을 형성함에 있어서, 최초 거친 표면처리가 끝난 동압발생부재의 표면에 마모방지층인 TiN 코팅을 수 ㎛의 두께로 진행한 후, TiN 코팅층에 박층 포토레지스트를 도포하고 동압발생홈이 형성될 부분의 포토레지스트를 휘발시켜 제거한 후, TiN만을 용해시키는 용제를 사용하여 TiN 박층을 에칭한 후, DLC 코팅을 수행함으로써 가공 공정 수순이 단축되고 정밀한 동압발생부재를 얻을 수 있는 유체 베어링 장치의 동압발생부재 형성방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 동압발생홈을 형성하기 위해 소정 깊이로 에칭 공정이 진행된 후라도 불량이 발생하였을 때 동압발생부재에 다시 동압발생홈을 형성할 수 있는 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래의 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성방법을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 의한 유체 베어링 장치중 반구 베어링 장치를 일실시예로 도시한 단면도.

도 3은 본 발명에의한 유체 베어링 장치중 반구 베어링 장치의 반구형 동압발생부재의 동압발생홈을 형성하는 방법을 도시한 도면.

도면 주요부분에 대한 부호의 설명

200: 동압발생부재 220: 마모 방지층(TiN 코팅층)

230: 포토레지스트 240: 동압발생홈

250: DLC (Diamond-Like-Carbon)층

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성방법은 유체 베어링 장치의 동압발생부재에 동압발생홈을 형성하는 방법에 있어서;

동압발생부재를 소정의 형상으로 가공하는 단계와;

동압발생부재의 표면에 마모방지층을 형성하는 단계와;

마모방지층을 소정의 패턴으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 마모방지층을 형성한 후에 마모방지층의 두께가 원하는 동압발생홈의 두께와 동일하도록 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

마모방지층을 식각하는 단계에는 상기 마모방지층의 상면에 임의의 용제와 화학반응하는 포토레지스트막이 전체적으로 도포하는 단계와, 도포된 상기 포토레지스트막에 동압발생홈의 패턴과 동일하게 마스크를 형성하는 단계와, 상기 마스크를 노광하는 단계와, 노광된 동압발생부재를 식각하는 단계를 포함하고 있다.

바람직하게, 상기 마모 방지층은 TiN(질화티타늄)코팅층 및 DLC 코팅층인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성방법을 첨부된 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 동압발생홈이 형성되어 있는 동압발생부재가 적용된 스캐닝 모터의 반구 베어링 장치를 일실시예로 살펴보기로 한다.

스캐닝 모터는 전체적으로 보아 폴리건 미러(10)의 회전 중심인 고정축(20)과, 고정축(20)에 억지끼워맞춤되어 있는 반구 형상의 동압발생부재(30)(35) 및 동압발생부재(200)의 레이디얼 하중 및 드러스트 하중을 동시에 지지하기 위해 반구홈(30a)(30b)이 양단에 형성되어 있는 원통 형상의 부싱(40)과, 구동장치인 로우터(50) 및 스테이터(55)와, 폴리건 미러가 장착되는 안착면이 형성되어 있는 형상의 허브(60) 및 고정축(20)이 억지끼워맞춤되어 고정되는 하부 베어링 브라켓(70) 등으로 구성되어 있다.

또한, 부싱(40)의 외주면에는 폴리건 미러(10) 및 로우터(50)가 설치되도록 기 언급한 허브(60)가 압입되어 있다.

이와 같은 부싱(40)은 소정 직경을 갖는 속이 찬 원통 형상으로 그 원통의 양단 회전 중심에 고정축(20) 보다 큰 직경으로 관통공을 형성한 다음, 부싱(40)의 양단의 표면에는 기 형성되어 있는 동압발생부재(200)의 곡률과 동일한 형상의 반구홈(30a)(30b)를 형성하고, 부싱(40)의 관통공에는 동압발생부재(200)와 반구홈(30a)(30b) 사이의 간극 간격을 조정하기 위한 스페이서(40a)가 삽입된다.

이와 같이 구성된 반구 베어링 장치가 적용된 스캐닝 모터의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 로우터(50) 및 스테이터(55)에 전원이 인가되어 부싱(40)이 회전하기 시작할 때, 부싱(40)의 하부 반구홈(30a)은 부싱(40)에 걸리는 하중에 의해 중력 방향으로 내려가 하부 동압발생부재(30)와 간극없이 밀착되어 있다.

이와 같이 하부 동압발생부재가 하부 반구홈(30a)과 밀착되어 있고, 상부 동압발생부재는 상부 반구홈(30b)과 수 ㎛의 간극이 형성되어 있음으로 부싱(40)이 회전할 때, 상하부 동압발생부재(200)에 기 형성되어 있는 스파이럴 동압발생홈(미도시)으로 유입되는 유체에 의해 발생한 동압은 상부 반구홈(30b)과, 상부 동압발생부재(35)가 이루고 있는 간극 간격이 하부 동압발생부재(30)와 하부 반구홈(30a)의 간극보다 더 크기 때문에 하부에서 발생한 동압이 더 크게 되어 하부 반구홈(30a)은 상기 발생한 동압에 의해 하부 동압발생부재로부터 부상하게 된다.

이와 같은 작용을하는 본 발명에 의한 스캐닝 모터에 적용된 반구 베어링 장치의 동압발생부재에 동압발생홈을 형성하는 방법을 일실시예로 도 3에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 동압발생부재(200)의 재료가 되는 금속(예를 들면, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금계열)을 단조, 기계가공을 통하여 진구도가 높은 구를 제작하고, 구의 제작이 끝나면 이 구를 이등분하여 반구 형상의 거친 동압발생부재(200)를 제작하고, 이어서 기 언급한 스페이서(40a)와 맞닿는 반구면의 상면 부분을 도 3a에 도시된 바와 같이 소정 높이로 절단한다.

이와 같이 가공된 거친 동압발생부재(200)는 래핑(lapping) 머신에 의한 래핑 가공, 폴리싱 가공을 거친 후, 고정축이 결합되는 관통공(210)을 형성하여 표면 거칠기가 낮도록 정밀하게 동압발생부재(200)로 재 가공된다.

이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이 표면 거칠기가 낮게 가공된 동압발생부재(200)의 반구 표면에는 화학적 기상 증착(CVD) 또는 금속 증착 공정인 스퍼터링(sputtering)과 같은 공정을 통해 동압발생부재(200)의 상면에 TiN(질화티타늄;220)과 같은 마모방지층을 수 ㎛의 두께로 증착한 후, 원하는 동압발생홈의 깊이로 마모방지층의 두께를 래핑, 폴리싱의 가공을 통해 재가공한다.

계속하여, 도 3c에 도시된 바와 같이 동압발생홈의 깊이와 동일하게 형성된 TiN 코팅층(220)의 상면에 박층 포토레지스트(230)를 도포한다.

이후, 도 3d에 도시된 바와 같이 박층 포토레지스트(230)중 동압발생홈 예정부(240)이 형성될 위치에 동압발생홈의 패턴이 형성된 패턴 마스크(미도시)를 형성한 다음 노광을 진행한 후, 노광이 완료되어 TiN 코팅층(220)이 노출되면, TiN 코팅층(220)만 식각하는 용제(etchant)에 동압발생부재(200)를 넣어 TiN 코팅(220) 에칭을 시작한다.

이때, 이와 같은 동압발생부재(200)중 박층 포토레지스트(230)에 노광이 진행된 부분의 TiN 코팅층(220)은 용제에 의해 식각되어 점차 그 두께는 감소하게 되고 소정 시간이 경과되면 용제에 노출된 부분의 TiN 코팅층(220)은 완전히 제거된다.

또한, 동압발생부재(200)의 표면은 이 용제에 노출되지만 용제에 의해 동압발생부재(200)는 화학적으로 반응하지 않는 이유로 식각되지 않음으로 더 이상의 식각은 진행되지 않는다.(이때 TiN 코팅층이 식각될 때, 등방성 또는 이방성 식각이 발생하지 않도록 하는 것이 중요하며 이는 공지 기술로 극복이 가능하다)

이후, 도 4e에 도시된 바와 같이 TiN 코팅층(220)의 상면에 도포된 박층 포토레지스트(230) 전체에 걸쳐 노광을 진행하여 박층 포토레지스트(230)가 완전히 제거되면 TiN 코팅층(220)과 동일한 홈 깊이를 갖는 동압발생홈(240)이 형성되고 이와 같은 TiN 코팅층(220)의 상면에 다시 마찰계수를 감소시키는 역할을 하는 DLC 코팅층(250)을 다시 도포하여 완전한 동압발생부재(200)를 제작한다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이, 표면 거칠기가 낮게 형성된 동압발생부재의 상면에 곧바로 TiN(질화 티타늄)을 동압발생홈의 높이만큼 증착하고 이 TiN의 상면에 포토레지스트막을 도포하고, 도포된 포토레지스트막을 동압발생홈의 형성 위치 및 동압발생홈과 동일한 형상으로 휘발시켜 외부와 노출시킨 상태에서 이 노출 부위를 TiN만 식각하는 용제에 넣어 TiN 코팅층에 동압발생홈이 형성되도록 하여 용제의 조성비 및 농도, 시간등을 고려할 필요가 없을 뿐만아니라, 형성 수순이 단순해지며, 불량이 발생한 동압발생부재를 재 가공하여 생산성이 높아지고, 아울러 가공 수순과 불량 발생률이 크게 저하되어 전체적인 생산효율이 상승되는 효과가 있을 것이다.

Claims (5)

1. 유체 베어링 장치의 동압발생부재에 동압발생홈을 형성하는 방법에 있어서;

   상기 동압발생부재를 소정의 형상으로 가공하는 단계와;

   상기 동압발생부재의 표면에 마모방지층을 형성하는 단계와;

   상기 마모방지층을 소정의 패턴으로 식각하는 단계를 포함하는 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 마모방지층을 형성한 후에 상기 마모방지층의 두께가 원하는 동압발생홈의 두께와 동일하도록 가공하는 단계를 더 포함하는 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 마모방지층을 식각하는 단계에는 상기 마모방지층의 상면에 임의의 용제와 화학반응하는 포토레지스트막이 전체적으로 도포하는 단계와, 도포된 상기 포토레지스트막에 동압발생홈의 패턴과 동일하게 마스크를 형성하는 단계와, 상기 마스크를 노광하는 단계와, 노광된 동압발생부재를 식각하는 단계를 포함하는 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 마모 방지층은 TiN(질화티타늄)코팅층인 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 마모 방지층은 DLC 코팅층인 유체 베어링 장치의 동압발생홈 형성 방법.

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