KR100220149B1 - 홈 저어널 베어링의 정현형상의 홈 패턴 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동압 베어링에 관한 것으로, 서로 에 대해서 상대 회전할수 있는 2개의 표면, 상기 베어링이 회전하는 동안 2개의 표면사이의 갭내에 위치된 윤활 매질, 상기 베어링 표면위로 상기 윤활 매질을 분배하고 강성의 동압 베어링을 생성하기위한 상기 베어링내에 압력 분포를 생성하도록 상기 2개의 표면중 하나에 형성된 정현 형상의 홈 패턴을 갖추고 있다.

Description

홈 저어널 베어링의 정현형상의 홈 패턴

관련 출원

본 출원은 대리인 일련번호 제 A59757호로 발명자가 에이치. 루쏠드(H. Leuthold) 등인 일체형 공기 베어링을 갖는 허브 디스크 조립체 발명뿐만 아니라 대리인 일련번호 제 A59756호로 발명자가 한스 루쏠드(Hans Leuthold) 등인 자동 수위 조절식 단일판 동압베어링 및 유체회로 발명, 및 대리인 일련번호 제 A59715호로 발명자가 클라크(Clark) 등인 슬리브 홈 공구 발명과 관련이 있고 이들 발명과 같이 사용되어지며, 상기 모든 출원들은 본 발명의 양수인에게 양도되어져서 참증된다.

발명의 기술적 배경

디스크 구동 메모리 시스템은 컴퓨터에서 디지털 정보의 저장을 위해 수 년전부터 사용되고 있다. 이러한 정보는 자기 디스크 매체의 동심 메모리 트랙상에 기록되고, 실제 정보는 매체내에서 자성 변형의 형태로 기록되어진다. 디스크 자체는 스핀들상에서 회전가능하게 설치되어 있고, 정보는 디스크 표면상에서 반경방향으로 움직일 수 있도록 피봇팅 아암에 의하여 지지되는 기록 재생 헤드에 의하여 접근되어진다. 정보의 적절한 기록 및 재생을 보장하기 위하여 기록 재생 헤드 또는 변환기는 디스크상의 저장 트랙과 정확하게 정렬되어져야만 한다.

동작하는 동안, 일반적으로 디스크는 주위의 하우징내에서 허브의 내부 또는 디스크의 아래쪽에 위치한 전기모터에 의하여 매우 고속으로 회전되어진다. 일반적으로 사용되는 모터의 형태는 허브 또는 스핀들 모터로 알려져 있다. 이러한 스핀들모터는 전형적으로 볼 베어링 시스템에 의하여 지지되고 허브의 중심에 구비된 모터축까지 이르는 스핀들을 갖추고 있다. 그러나, 정보 저장 시스템의 크기 감소에 따라 동압베어링을 포함한 다른 형태의 베어링들이 개발되었다.

이러한 형태의 베어링들에서, 윤활 유체는 고정베이스 또는 하우징과 회전 스핀들 또는 허브와 모터의 주변 고정부사이에서 실질적인 베어링면과 같은 기능을 한다. 가스 또는 액체인 이러한 유체들은 베어링 부하능력을 감소시키는 윤활제의 손실을 피하기 위하여 베어링내에서 밀봉되어 있어야만 한다. 그렇지 않으면, 스핀들과 하우징의 물리적 표면이 서로 접촉하여 마멸을 증가시키게 되고 결국에는 베어링 시스템을 고장나게 한다. 그와 동시에 심각하게는 베어링 시스템내의 윤활제 수위를 제어할 수 없거나 밀봉이 손상되어 윤활제 입자 및 작은 유체방울 또는 가스누출에 의해 하드 디스크 드라이브의 오염을 초래할 수 있다.

더욱 첨예한 문제는 동압베어링의 강성 유지의 필요성이다. 베어링의 강성이 높을수록 반경방향과 축방향의 고유진동수가 높아져서 기록과 재생이 일어날 때 스핀들에 의해 회전하는 디스크의 트랙이 더욱 안정해진다. 따라서, 회전하중이 떨림이나 기울어짐 없이 스핀들을 안정하고 정확하게 지지할 수 있도록 하기 위하여 회전부품들 사이에 어떠한 기계적인 접촉없는 상태의 베어링의 강성은 베어링의 설계시 중요점이 된다.

통상적인 종래 기술의 홈파기 패턴은 도 1에 도시되어 있다. 이러한 패턴은 홈과 일정한 각인 원통형 표면 주위에 의해 형성된 각인 일정한 홈파기 각(α)을 갖도록 채택된다. 상기 패턴은 유체 유출의 가능성을 최소화하고, 유체에 덮힌 윤활면을 유지하도록 윤활제의 소정의 펌핑 작용을 제공하는 한편, 베어링의 강성을 최대한 활용하기 위하여 고압점(10)을 제공한다. 그러나, 모서리에서의 날카로운 각 때문에, 홈이 형성되기 어렵고 홈의 형성에 사용되는 기구가 빨리 소모된다.

본 발명은 스핀들부재가 고속으로 회전하는 동안 지지되는 동압 베어링 조립체(Hydrodynamic Bearing)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 정보 기록 시스템내에서 사용하기 위한 동압 베어링에 관한 것이다.

본 발명은 도면에 대한 하기의 설명에서 자세하게 설명된다.

도 1은 동압 베어링에 사용되는 통상적인 홈파기 패턴을 도시한다.

도 2는 본 발명의 정현 형상의 홈파기 패턴을 도시한다.

도 3은 양호한 본 발명의 홈파기 패턴인 동압 베어링과 결합하는 모터부의 종단면도이다.

도 4는 도 3의 모터 구조에 관한 정현 형상의 홈파기 패턴의 관련 이동을 도시한다.

도 1에 대해 먼저 언급하면, 샤프트의 회전 축을 따르는 통상적인 홈파기 패턴을 도시한다. 각각의 홈(12)에 의해 형성되는 홈파기 각(α)과 원통형 표면의 회전 축(14)이 일정함은 이미 전술된 바에 의해 알 수 있다. 홈의 방향이 바뀔 때 모서리가 날카로와지고 공지된 홈파기 기구에 의해 형성되기 어려운 것 또한 전술된 바에 의해 알 수 있다.

대비하여, 본 발명의 정현 형상의 홈파기 패턴이 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 홈(20)과 동압 베어링의 회전 축(14)사이의 각인 홈파기 각(α)은 (정현 형상의 절대값과 동일한) 사인 반 주기에 따르는 홈의 중앙선과 같이 변한다.

본 발명의 목적은 디자인 및 제조가 쉽고 사용시 높은 신뢰성을 갖는 동압 베어링을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 베어링의 최대한도의 강성을 위하여 베어링의 표면을 따라 압력 분배가 최대한 활용될 수 있는 동압 베어링을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 시스템 등에 저장되는 디스크 정보의 회전에서 정보에 특히 유용한 강성 동압 베어링을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 형성이 쉽고 홈파기 기구의 과도한 사용없이 베어링 표면상에 확실하게 여러차례 형성될 수 있는 베어링 상의 홈파기 패턴을 제공하는 것이다.

요약하면, 본 발명은 회전 축을 따라 연속적인 홈파기 패턴이 베어링 경계에서 최대 펌핑 효과를 갖고, 저어널 길이 및 반경에 독립적으로 전체에 걸쳐 최대한 활용되는 로드 지지 능력을 갖도록 고안되는 특징을 갖는 동압 베어링을 제공한다. 이것은 사인 반 주기에 따르는 홈의 중앙선과 같이 변하는 홈파기 각을 갖는 정현 형상의 홈파기 패턴을 제공함으로써 달성된다. 다시 말하면, 정현 형상의 패턴에 의해, 홈의 방향이 바뀔 때는 날카로운 피크 또는 점이 없지만, 홈의 방향이 바뀔 때 표면 홈이 정현 형상을 형성하도록 원형 세그먼트가 형성된다. 그러한 패턴을 채택한 결과로 홈이 실제로 존재하는 표면의 전체 양을 감소시키는 한편 회전 축을 따라 보다 큰 압력 분포를 감당한다.

이 실시예에서, 단지 중앙부분의 패턴은 정현 형상이다. 이것은 유체 분배를 유지하는 동안 홈에 의해 점유된 표면적이 감소하기 때문에 베어링에서의 양력이 증가하는 장점을 제공한다. 이러한 표면적의 감소는 명확하게 예시하였다. 이 실시예에서, 단부 부분들의 홈 패턴은 실질적으로 선형이다.

더 주목하여야 할 것은 홈 표면은 샤프트 상에 또는 이 샤프트와 면하는 표면상에 있을수 있고 그리고 샤프트 또는 이것을 에워싸는 베어링 표면이 회전 표면이 될 수 있다는 것이다. 표면들사이에 압력을 생성하고 그리고 동압 베어링의 강성도 및 하중 운반 용량을 이루도록 2개 표면들사이에 윤활유를 분배하는 펌핑작용을 생성하는 2개 표면이 상관되어 회전되게 한다.

도 3은 본 발명의 홈 디자인을 사용할수 도 있는 모터를 예시하고 있다. 명백하게는, 이러한 디자인을 사용하는 것은 도 3에 도시된 타입의 모터에 제한되는 것은 아니다.

도 3은 고정된 부싱(70)을 지나 회전하는 샤프트(52)를 구비한다. 회전 샤프트(52)는 유체를 홈(56)를 통해 동압 베어링의 표면에 공급하는 저장부(54)를 구비한다. 상기 동압 베어링은 2개의 상관 회전 표면(60, 72)사이에 형성된다. 베어링의 상부 단부는 경사 표면(82)이 베어링내의 유체를 유지할 메니스커스를 형성하도록 표면(60)의 리세스(84)로부터 기울어지는 (80)으로 지시되는 영역의 경계이다. 베어링의 하부 단부는 회전 샤프트는 쓰러스트 플레이트를 회전 샤프트에 결합할수 있도록 하는 리세스(76)를 구비한 표면(60)을 쓰러스트 플레이트(74)를 결합하는 영역(90)의 경계이다.

도 4는 샤프트(52)와 면하는 부싱(70)에 대한 본 발명의 정현 형상의 그룹 패턴을 사용한 실시예를 예시한 것이다. 회전 샤프트(52)와 쓰러스트 플레이트(70)의 중요 부분이 구별되고, 특히 각이진 표면(82)은 리세스(84)와 함께 베어링의 폐쇄된 단부를 나타내는 쓰러스트 플레이트(74)와 리세스(75)에 의해 형성된 영역(90) 및 유체 베어링의 개방단부를 형성한다. 이 경우의 부싱(70)의 표면을 교차한 정현 형상으로 만곡된 홈 패턴의 분포는 윤활 제공 홈(56)에 바로 인접하게 위치되어 있고 그리고 유체 베어링내에서 최저압 영역에 의해 형성된 하부 원형 부분(102)을 갖춘 도 4의 정현 형상에 의해 설명된다. 최고압 영역은 도 (104, 106)에 의해 지시된 곡선의 고 지점인 곡선 부분일 것 이다. 정현 형상의 패턴의 단부 지점은 쓰러스트 베어링 단부(108) 및 허브 지지 단부(110)로 지시된다. 베어링 단부에서의 패턴들사이의 차이는 개방 지지체 단부(110)에서의 충분히 연장된 패턴이 윤활유가 베어링 영역으로 부터 배출되는 것을 방지하기 위해서 윤활유가 동압 베어링의 중앙으로 안내되도록 제공될 것이다. 이와 대조적으로, 샤프트가 쓰러스트와 플레이트와 만나는 하부 단부(108)에서, 동일 압력(90)의 영역은 바람직하게는 동압 베어링의 표면을 가로질러 유체가 동일하게 분포되게 하고 유지 되도록 형성된다.

이 패턴의 홈은 회전 샤프트 또는 이 회전 샤프트에 면하는 정지 표면상에 제공될수도 있다. 각각의 경우에, 상기 패턴은 회전 표면과 고정 표면사이에서 압력을 생성하고 그리고 윤활유가 분출되지 않도록 하면서 회전 표면과 고정 표면사이의 갭내에 유체를 유지하도록 할 것이다. 상기 베어링의 반경상의 하중 운반 용량은 홈 표면과 홈이 없는 표면사이에서 이루어진 동압 윤활유 압력에 의해 이루어진다.

더 주목하여야 할 것은 도 1의 홈 패턴을 사용하는 동압 베어링에서, 최저압 지점은 정점(10)인 반면에 최고압 지점은 정점(16)이라는 것이다. 이와 대조적으로, 도 4에 도시된 바와 같은 정현 형상의 홈 패턴을 사용하면, 최고압 영역은 홈이 최고인 영역(104, 106)내에 있게되며, 최저압 영역은 홈이 최저인 면적(105)에 있게 될 것이다. 그러나, 직선 패턴과는 다른 정현 형상의 패턴을 사용하기 때문에 압력 분포는 도 1의 통상적인 홈 패턴에 의한 압력분포와 같이 드라마틱하지는 않을 것이다. 즉, 고압 영역(104, 106)과 저압 영역(105)사이의 압력 차이는 통상적인 홈 패턴에 의한 것 보다는 더 작을 것이다. 그러나, 더 작은 압력차이는 보다 높은 양력을 결과하도록 더 증가된 베어링 랜드(land) 면적에 가해질 것이다. 즉, 도 1의 직선의 홈 패턴의 경우와는 달리 마주하여 상관되는 회전 표면에 면하는 홈이 없는 표면은 더 평평해질 것이다. 이것은 상기 베어링 디자인의 안정성 또는 강성도를 한정하는 2개의 상관되는 회전 표면사이의 압력으로부터 결과되는 양력을 생성하는 홈이 없는 표면 또는 랜드이다.

도 5에서는 본 발명의 2개의 장점을 예시하였다. 첫 번째 것은 각 라인에서 뾰족한 지점 및 전환점을 한정하는 도 1의 홈과 비교하여 정현 형상의 형태를 갖는 본발명의 홈을 제조하는 것을 더 용이하게 한다는 것이다. 명확하게는, 공지된 홈파기 기구를 사용하는 것은 이러한 뾰족한 전환 홈을 제조하는 것을 곤란하게 하고 그리고 이러한 홈파기 기구를 유용하게 사용할수 있는 수명을 매우 단축한다. 두 번째로, 홈들사이의 상당히 큰 홈이 없는 면적(150)이 직선 홈들의 경우에서 보다 유용하다는 특징을 고려하여 볼 때 더 분명하다. 압력이 직선 홈들로 행하여진것과 같이 홈들의 최고 지점에서 높은 수준에 도달하지는 않지만, 효과가 높고 그리고 이 실시예를 사용한 증가된 랜드 또는 홈이 없는 면적은 동압 베어링내의 전체 압력을 크게 증가시켜서 상기 베어링의 강성도를 상당하게 증가시키도록 한다. 이에따라, 이러한 베어링 홈파기 패턴은 특히 디스크 드라이브에서 사용하는 경우 안정된 동압 베어링 시스템을 생성하는데 매우 효과적일 것으로 여겨진다. 본원의 홈파기 패턴은 바람직한 형식으로서, 정현 형상으로서 기술되어 있다. 그러나, 또한 전환 영역이 만곡되어 있으며 본 발명의 범위내에 있는 다른 홈 패턴이 가능하고 그리고 이것은 본 발명의 일부 장점을 달성한다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 본 발명에 관심이 있는 당해업자에게는 더욱 명백해질 것이다. 또한 본 발명의 범위는 단지 다음 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (8)

1. 동압 베어링에 있어서, 서로에 대해서 상대 회전할수 있는 2개의 표면과, 상기 베어링이 회전하는 동안 상기 2개의 표면사이의 갭내에 위치되는 윤활 매질과, 그리고, 상기 베어링의 2개의 표면중 어느 하나의 표면위로 상기 윤활 매질을 분배하여 강성의 동압 베어링을 생성하기 위한 압력 분포를 상기 베어링내에 생성하도록 상기 2개의 표면중 어느 하나의 표면에 형성된 정현 형상의 홈 패턴을 갖춘 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 정현 형상의 홈 패턴은 제 2 표면에 대해서 상대 회전되는 제 1 표면상에 형성된 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 정현 형상의 홈 패턴이 회전하는 제 2 표면에 대해서 정지된 제 1 표면 상에 형성된 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 홈 표면을 따른 상기 홈 패턴의 한 부분만이 정현 형상을 형성하고, 나머지는 직선인 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 정현 형상의 패턴은 상기 동압 베어링의 상하단부에서 그리고 상기 동압 베어링의 중앙에서 저압 영역을 이루도록 하는 저 지점을 갖추고, 단지 상기 동압 베어링의 중앙에 있는 저 지점만이 원형 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 정현 형상은 각각의 상기 압력 영역들 사이의 고압 영역에서 원형 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
7. 동압 베어링에 있어서, 서로에 대해서 상대 회전할수 있는 2개의 표면과, 상기 베어링이 회전하는 동안 상기 2개의 표면사이의 갭내에 위치된 윤활 매질과, 그리고, 상기 베어링 표면위로 상기 윤활 매질을 분포시켜서 상기 동압 베어링내에 압력 분포를 생성하도록 상기 2개의 표면중 어느 하나의 표면에 형성된 연속 홈 패턴을 갖추고 있으며, 상기 연속 홈 패턴은 갑작스런 방향 변경이 없을 뿐만 아니라 상기 압력 분포내의 고압 면적에서 홈 베어링 표면의 부분이 더 작은 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 연속 홈 패턴의 실제 부분은 정현 형상인 것을 특징으로 하는 동압 베어링.

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