KR100233010B1 - 자성물질을 이용한 베어링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자성물질을 이용한 베어링 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 회전시키고자 하는 회전 대상인 회전체와, 상기 회전체에 대하여 고정된 상태로 상기 회전체의 하중을 지지하는 회전체 지지수단과, 상기 회전체와 상기 회전체 지지수단 사이에 발생하는 저항을 최소로 하기 위해 회전체와 상기 회전체 지지수단에 연관되어 형성된 베어링과, 상기 회전체 지지수단과 상기 베어링이 상호 반발하여 소정 반발력을 발생하도록 하기 위한 반발력 발생 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

자성물질을 이용한 베어링 장치
본 발명은 자성물질을 이용한 베어링 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 베어링에 작용하는 하중의 크기를 한 쌍 또는 두 쌍의 자성물질의 반발력에 의해 경감하여 회전체 및 베어링 장치가 상호 무접촉되는 부상 시간을 단축시킨 자성물질을 이용한 베어링 장치에 관한 것이다.
최근 들어 정보, 컴퓨터 산업의 급격한 발달로 각종 기기를 구동시키는데 필요로 하는 구동 모터들, 예를 들면, 레이저 프린터의 폴리건 미러 구동장치, 하드 디스크의 스핀들 모터, VCR의 헤드 구동 모터 등은 기기의 특성상 보다 많은 데이터의 검색 및 저장, 재생을 단축된 시간에 수행하기 위해서는 축 흔들림이나 축 떨림 없는 고정밀, 초고속 회전 성능이 요구되고 있는 상태이다.
이에 따라서 구동모터의 축 흔들림이나 축 진동을 억제하며 안정적으로 고속회전 하는 구동 모터의 개발과 함께 이와 같은 모터 회전을 가능하게 하는 베어링 장치의 다양한 형태에 대하여 연구가 진행되고 있으며, 이와 같은 베어링 장치의 종류로는 초고속, 고정밀 안정성이 입증된 바 있는 유체 베어링 장치가 널리 사용되고 있고, 이와 같은 유체 베어링 장치로는 레이디얼 하중과 드러스트 하중을 동시에 지지하는 반구 베어링 장치 및 원추형 베어링 장치가 사용되고 있다.
이와 같은 베어링 장치중 상기 원추형 베어링 장치가 적용된 레이저 프린터의 폴리건 미러 구동장치를 일례로 첨부된 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
원추형 베어링이 적용된 레이저 프린터의 폴리건 미러 구동장치는 크게 보아 폴리건 미러(10)의 회전 중심인 고정축(20)과, 고정축에 압입되어 있되 압입된 상태의 단면이 사다리꼴 형상으로 사디리꼴 양단부중 그 면적이 작은 제 1 단부, 제 1 단부보다 큰 면적을 갖는 제 2 단부 및 테이퍼진 경사면에 소정 개수로 형성된 스파이럴 동압 발생홈이 한 쌍으로 형성된 원추(30),(35)와, 원추(30)(35)의 레이디얼 하중 및 드러스트 하중을 지지하는 부싱(40), 구동장치인 모터(50),(55) 및 허브(60), 상하부 하우징(75)(70) 등으로 구성되어 있다.
상기 폴리건 미러(10), 고정축(20), 원추(30)(35), 부싱(40)의 결합관계를 살펴보면 하부 하우징(70)에는 제 1 단부가 상호 대향하고 있는 한 쌍의 원추(30)(35)가 압입되어 고정되어 있는 고정축(20)이 압입 고정되어 있으며, 부싱(40)의 외주면에는 허브(60)에 고정되어 있는 폴리건 미러(10) 및 모터 로터(55)가 설치되어 있고 모터 로터(55)와 소정 간격 이격되어 모터 스테이터(50)가 설치되어 있다.
결과적으로 원추(30)(35) 및 고정축(20)은 고정되어 있으며 부싱(30)은 고정축(20)에 대하여 회전할 수 있도록 되어 있다.
한편, 상기 부싱(40)은 소정 직경을 갖는 원통 형상으로 원통의 회전 중심에는 원추(30)(35)와 후술될 원추홈(30a)(30b) 사이의 간극 간격을 조정하기 위한 링 형상의 스페이서(40a)가 삽입되도록 스페이서(40a)의 두께를 감안한 직경으로 관통공을 형성하고, 원통의 양단 회전중심에는 원추(30)(35)의 단면과 닮은꼴인 원추홈(30a)(30b)을 형성한다.
도 2는 종래의 원추 베어링 장치의 부싱과 원추가 압입되어 있는 고정축을 도시한 도면으로 부싱(40)의 원추홈(30a),(30b)은 고정축(20)에 압입되어 있는 원추(30),(35)와 동일한 형상이되, 그 크기가 다소 큼으로 인해 원추(30),(35)와 원추홈(30a),(30b)사이에는 수 ㎛의 간극 t1, t2가 형성하고 있다.
즉, 간극 t1, t2중 t2는 부싱(40)의 자중 및 폴리건 미러, 구동모터 등의 하중으로 인해 중력방향으로 밀려내려가 t2의 간극은 없는 상태이며, t1은 수 ㎛의 간극을 이루고 있다.
한편, 부싱(40)에는 모터 로터(50)가 설치되어 있으며, 상기 모터 로터(50)와 소정 간격 이격되어 스테이터 모터(55)가 하부 하우징(70)에 고정되어 있다.
이와 같이 레이져 프린터에 적용된 폴리건 미러 구동장치의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 모터 스테이터(55) 및 모터 로터(50)에 전원이 인가되어 부싱(40)이 회전하기 시작할 때, 부싱(40)의 일측 원추홈(30a)은 부싱(40)에 걸리는 하중에 의해 중력 방향으로 내려가 일측 원추(30)와 간극없이 밀착되어 있다.
이와 같이 원추(30)가 하부 원추홈(30a)과 밀착되어 있고, 상부 원추(35)는 상부 원추홈(30b)과 수 ㎛의 간극이 형성되어 있음으로 부싱(40)이 회전할 때, 상하부 원추(30)(35)에 기 형성되어 있는 스파이럴 동압 발생홈으로 유입되는 유체에 의해 발생한 동압은 상부 원추홈(30b)와 상부 원추(35)가 이루고 있는 간극 간격이 하부 원추(30)와 하부 원추홈(30a)의 간극보다 더 크기 때문에( t1> t2) 하부에서 발생한 동압이 크게 되어 하부 원추홈(30a)은 상기 발생한 동압에 의해 하부 원추(30)로부터 부상하게 된다.
그러나, 하부 원추(30)로부터 부싱(40)의 하부 원추홈(30a)이 부상될수록 하부 원추(30)와 하부 원추홈(30a)의 간극 간격은 넓어지고 반대로 상부 원추(35)와 상부 원추홈(30b)의 간극 간격은 점차 좁아지게 되어 결국 상부 원추(35)와 상부 원추홈(30b)에 의해 형성된 동압은 점차 커지는 경향을 보이며 이는 소정 시간 간격으로 반복한다.
이와 같이 한 쌍의 원추 사이에 형성되어 있는 부싱(40)은 상향, 하향으로 조금씩 간극 간격을 가변하다가 결국 상부 원추(35)에서 발생한 동압과 하부 원추(30)에서 발생한 동압의 차이가 회전체의 자중과 일치되는 간극에서 부싱(40)은 평형 상태로 회전하게 된다.
그러나, 이와 같은 상하부 원추 및 상하부 원추홈중 하부 원추와 하부 원추홈은 기동 및 정지시 원추로부터 원추홈이 부상되기까지는 소정 시간이 소요되며 상기 소정 시간 내 동안은 원추와 원추홈이 상호 접촉된 상태에서 회전하게 되어 원추와 원추홈의 마찰이 증가하여 간극 간격이 마멸에 의해 가변되어 유체압 발생이 불안정하게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 회전체를 지지하는 축과 상기 축과의 마찰을 최소로 하는 베어링에 자성물질을 부착하여 자성물질의 반발력에 의해 축에 걸리는 하중을 상기 반발력에 의해 상쇄하여 축의 하중감소에 의해 축으로부터 베어링이 이격되는 시간을 단축하여 마찰에 의한 베어링 장치의 수명 단축을 방지한 자성물질을 이용한 원추 베어링 장치를 제공함에 있다.
도 1은 종래의 베어링 장치가 적용된 폴리건 미러 구동장치를 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 부싱과 부싱에 끼워져 있는 축을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 베어링 장치가 적용된 폴리건 미러 구동장치를 도시한 단면도.
도 4는 도 3의 허브를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 또다른 일실시예를 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 폴리건 미러 40: 부싱
60: 허브 100: 제 1 영구 자석
150: 제 2 영구 자석 200: 제 3 영구 자석
250: 제 4 영구 자석
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 자성물질을 이용한 베어링 장치는 회전시키고자 하는 회전 대상인 회전체와;
상기 회전체에 대하여 고정된 상태로 상기 회전체의 하중을 지지하는 회전체 지지수단과;
상기 회전체와 상기 회전체 지지수단 사이에 발생하는 저항을 최소로 하기 위해 회전체와 상기 회전체 지지수단에 연관되어 형성된 베어링과;
상기 회전체 지지수단과 상기 베어링이 상호 반발하여 소정 반발력을 발생하도록 하기 위한 반발력 발생 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명 자성물질을 이용한 원추 베어링 장치가 적용된 레이저 프린터의 폴리건 미러 구동장치를 바람직한 일실시예로 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 자성물질을 이용한 베어링 장치가 적용된 레이저 프린터의 폴리건 미러 구동장치를 일례로 도시한 단면도로써, 폴리건 미러 구동장치는 크게 보아 레이저 빔을 감광드럼(미도시)으로 반사시켜 주는 회전체(이하 폴리건 미러;10)와, 폴리건 미러(10)를 최소의 마찰로 초고속 회전시켜주기 위한 베어링 장치와, 상기 베어링 장치와 결합되어 회전력을 발생시키는 회전력 발생 장치(50),(55) 및 상기 구성 요소들이 안착될 수 있도록 하부 지지 브라켓(70) 및 상부 지지 브라켓(75)으로 구성되어 있다.
회전 대상 물체인 상기 폴리건 미러(10)에는 소정 직경의 관통공이 형성되어 있으며, 상기 폴리건 미러(10)의 관통공에는 다시 폴리건 미러(10)와 베어링 장치를 고착시키는 허브(60)가 결합되는 바, 허브(60)를 도 4에 도시하였다.
허브(60)는 서로 다른 두 개의 직경을 갖는 두 개의 원통(60a)(60b)이 접합되어 있는 형상으로 두 개의 원통중 작은 직경을 갖는 원통(60a)에는 상기 폴리건 미러(10)에 형성되어 있는 관통공이 끼워지며, 타측 큰 직경을 갖는 원통(60b)에는 소정 직경, 소정 깊이의 요홈(60c)이 파여져 있으며, 상기 요홈(60a)으로는 베어링 장치의 하나인 부싱(40)이 결합된다.
부싱(40)은 소정 높이를 갖는 원통형상으로 그 직경은 허브(60)의 상기 요홈(60c)보다 다소 커서 허브(60)의 요홈(60c)에 억지 끼워맞춤되는 직경을 갖고 있다.
또한, 상기 부싱(40)의 회전 중심에는 소정 직경의 관통공이 형성되어 있으며, 상기 관통공은 하부 지지 브라켓(70)에 고정되어 있는 고정축(20)보다 다소 큰 직경으로 형성되어 있으며, 부싱(40)의 양단에는 소정 높이를 갖는 단면이 사다리꼴 형상으로 작은 면적을 갖는 단부가 상호 대향하고 있도록 원추홈(30a),(30b)이 형성되어 있다.
이와 같은 형상의 원추홈(30a),(30b)의 사이에 형성되어 있는 관통공에는 상기 원추홈(30a),(30b)과 원추(30),(35) 사이에는 유체압을 발생시키기 위해 적정 간극이 필요하므로 상기 부싱(40)의 관통공에는 정밀하게 가공된 높이를 갖는 링 형상의 스페이서(40a)가 끼워져 상기 원추(30),(35)와 원추홈(30a),(30b) 사이에 소정 간극을 유지하도록 되어 있다.
또한, 상기 부싱(40)에는 상기 원추홈(30a),(30b)의 형상과 동일한 형상, 즉 원뿔 형상이되 원뿔의 꼭지 부분이 소정 길이로 절단되어 즉, 그 단면이 사다리꼴 형상이며 테이퍼진 표면에 소정 간격으로 스파이럴 동압 발생홈(37)이 형성되어 있는 원추(30),(35)가 압입된 고정축(20)이 결합된다.
이와 같은 부싱(40)의 외주면으로는 모터 로터(50)가 형성되어 있으며, 모터 로터(50)와 소정 간격 이격된 곳에는 모터 스테이터(55)가 기 언급한 하부 지지 브라켓(70)의 소정 위치에 설치되어 있다.
기 언급한 바와 같은 축에 압입되어 있는 한 쌍의 원추(30),(35)와 원추(30),(35)가 압입되어 있는 고정축(20)과 고정축(20)이 다시 압입되어 있는 하부 지지 브라켓(70)은 상기 폴리건 미러(회전체;10)를 지지하기 위한 회전체 지지 수단이 된다.
또한, 상기 부싱(40)의 외주면중 하단부에는 도우넛 형상의 제 1 영구자석(100)이 부싱(40)의 외주면에 고착되어 있으며, 제 1 영구자석(100)은 다시 접합된 두 개의 극성판(N극, S극)으로 형성되어 폐루프인 자력선(magnatism line)을 형성하고 있으며, 상기 제 1 영구 자석(100)과 소정 간격 이격된 상기 회전체 지지 수단의 하나인 하부 지지 브라켓(70)에는 상기 제 1 영구자석(100)과 대향함과 동시에 소정 간극(ΔL)을 유지하도록 형성되어 있는 제 2 영구자석(150)이 형성되어 있으며, 상기 제 2 영구자석(150) 또한 제 1 영구자석(100)과 동일하게 두 개의 극성판으로 형성된다.
상기 제 1 영구자석(100)과 상기 제 2 영구자석(150)의 극성판은 모두 동일한 극성이 상호 접하고 있도록 형성되어 제 1 영구자석(100)과 상기 제 2 영구자석(150)은 상호 자기 반발력을 발생시키며, 상기 자기 반발력의 크기는 일반적으로 제 1 영구자석(100)과 상기 제 2 영구자석(150)의 간극 간격(ΔL)의 제곱에 반비례하는 것으로 알려져 있다.
또한, 상기 제 1 영구자석(100)과 제 2 영구자석(150)이 이루고 있는 간극 간격(ΔL)은 제 1 영구자석(100), 제 2 영구자석(150)의 자력선 밀도에 의해 결정되며, 상기 자력선 밀도에 의해 형성된 간극 간격(ΔL)에 대응하여 다시 부싱(40)의 원추(30),(35)와 원추홈(30a),(30b)의 간극 간격(t1, t2)이 가변 되므로 제 1 영구자석(100)과 제 2 영구자석(150)이 자기 반발력에 의해 이루고 있는 상기 간극 간격을 조절하여 상기 원추(30),(35)와 상기 원추홈(30a),(30b)은 정지 상태에서 항상 소정 간극을 이루고 있도록 형성되어 있는 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명 자성물질을 이용한 베어링 장치의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도시된 모터 스테이터(50), 및 모터 로터(55)에 전원을 인가하여 모터 로터(55)가 소정 회전수로 회전하기 시작하면 원추(30),(35)의 원추면에 형성되어 있는 스파이럴 형상의 동압 발생홈(37)에 의해 동압이 발생하여 부싱(40)의 원추홈(30a),(30b)은 원추(30),(35)로부터 이격된 후, 동압이 점차 커져 소정 시간이 경과하면 부싱(40)은 원추(30)(35)로부터 소정 간극을 유지하는 평형 상태에서 초고속 회전하게 된다.
이와 같이 모터 스테이터(50)에 의해 부싱(40)이 회전하기 시작할 때 부싱(40)에 형성되어 중력 방향의 반대로 힘을 작용시키는 제 1 영구 자석(100) 및 제 2 영구 자석(150)의 자기 반발력과 원추(30),(35)에 형성되어 있는 스파이럴 형상의 동압 발생홈에 의해 발생한 유체압으로 부싱(40)은 상기 원추(30),(35)와 이격된다.
또한, 제 1 영구 자석(100)과, 제 2 영구 자석(150)의 간극 간격의 제곱에 반비례하는 상기 자기 반발력이 원추(30),(35)와 원추홈(30a),(30b) 사이의 간극 간격에 반비례하는 스파이럴 형상의 동압 발생홈에 의해 발생합 유체압에 추가 작용하므로, 부싱(40)이 원추(30),(35)로부터 부상되는 시간을 급격히 감소시켜 부싱(40)의 원추홈(30a),(30b)이 원추(30),(35)와 접촉하여 발생하는 마멸에 의한 베어링 장치의 파손을 방지하여 베어링 장치의 수명을 증대시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 또다른 일실시예를 도시한 도면으로 기 언급한 일실시예에서는 한 쌍의 영구자석, 즉, 제 1 영구자석(100) 및 제 2 영구자석(150)을 각각 부싱(40)의 외주면과, 하부 지지 브라켓(70)에 형성하여 제 1 영구자석(100) 및 제 2 영구자석(150)의 자기 반발력을 이용하여 베어링 장치의 기동 정지시 마찰을 감소시켰다.
한편, 도 5에 의한 일실시예는 도 4의 허브(60) 상부중 A 부분에 두 개의 극성을 갖는 제 3 영구자석(200)으로부터 소정 간격 이격된 거리에 형성되어 있는 상부 지지 브라켓(75)에 제 3 영구 자석(200)과 동일한 구조를 갖는 제 4 영구자석(250)을 형성하고 제 3 영구자석(200)과 제 4 영구자석(250)이 소정 간극(ΔL1)을 유지하도록 하여 제 1, 제 2 영구자석(100),(150)에 의해 부싱(40)을 중력의 반대 방향으로 밀어올리려는 힘에 대하여 제 3 영구 자석(200)과 제 4 영구 자석(250)의 자속 밀도를 조정하여 부싱(40)의 원추홈(30a),(30b)과 원추(30),(35)의 간격을 조정할 수 있다.
이상에서 상세히 살펴본 바와 같이, 베어링 장치에 제 1 영구자석 및 제 2 영구자석을 형성하여 베어링 장치가 기동 및 정지할 때 베어링 장치와 회전체의 마찰면을 소정 간극을 형성하여 접촉에 의한 마멸을 방지하여 베어링 장치의 수명을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 회전시키고자 하는 회전 대상인 회전체와;
    지지 브라켓에 고정되며 단면이 사다리꼴인 제 1 원추, 제 2 원추가 입입되어 상기 회전체의 하중을 지지하는 축과;
    상기 회전체와 상기 축 사이에 발생하는 저항을 최소로 하기 위해 회전체와 상기 축에 연관되어 형성된 베어링과;
    상기 축과 상기 베어링이 상호 반발하여 소정 반발력이 발생하도록 반발력 발생 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자성물질을 이용한 베어링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 원추, 상기 제 2 원추의 양측 단부중 단면적이 작은 제 1 단부는 상호 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 자성물질을 이용한 베어링 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 축은 상기 축의 형상과 대응하는 공간부가 형성되어 있는 부싱과 면접하고 있는 것을 특징으로 하는 자성물질을 이용한 베어링 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반발력 발생수단은 한 쌍으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자성물질을 이용한 베어링 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 반발력 발생수단은 상기 부싱과 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 자성물질을 이용한 베어링 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 반발력 발생수단은 상기 축의 상기 지지 브라켓에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자성물질을 이용한 베어링 장치.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반발력 발생수단은 소정 간격 이격되어 상호 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 자성물질을 이용한 베어링장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 반발력 발생수단은 영구 자석인 것을 특징으로 하는 자성물질을 이용한 베어링 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 영구 자석은 같은 극성이 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 자성물질을 이용한 베어링 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 반발력 발생 수단은 상기 베어링 장치를 사이에 두고 양측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자성물질을 이용한 베어링 장치.
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