KR100242017B1 - 저어널 베어링 장치 - Google Patents

Abstract

작동 유체인 오일의 누유를 방지한 저어널 베어링 장치가 개시되고 있다.

본 발명에 의하면, 저어널 베어링 장치중 작동 유체인 오일이 저어널 베어링 장치의 외부로 누설되어 주변 기기를 오염시키는 것을 방지하기 위해 오일 누설 방지홈을 형성하고 이 오일 누설 방지홈으로도 누설을 방지하지 못한 오일의 누설을 이중으로 방지하는 저어널 베어링 장치가 제안되고 있다.

Description

저어널 베어링 장치

본 발명은 저어널 베어링 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오일을 작동유체로 사용하는 저어널 베어링 장치의 오일 누설을 방지한 저어널 베어링 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 최근 들어, 비디오 테이프 레코더의 헤드 구동장치, 레이저 프린터의 폴리건 미러 구동장치인 스캐너 모터, 캠코더 구동 모터 등은 점차 고밀도화, 소형화가 진행되고 있으며, 이와 같은 구동장치들은 정밀하고 안정되며 초고속으로 회전할 수 있는 베어링을 필요로 하는데 주로 저어널 베어링이 사용되고 있다. 이와 같은 저어널 베어링들에 있어서 회전축의 회전을 방해하는 마찰력 및 회전축의 진동에 따른 성능 저하, 회전축의 소음을 최소로 하도록 여러 가지 형상의 동압발생홈들이 개발되고 있다.

이와 같은 동압발생홈에 의해 회전축과 회전축을 지지하는 회전축 지지부재 사이에서는 소정 크기를 갖는 유체압이 발생하게 되는 바, 이 유체압의 크기에 대응하여 회전축을 지지하는 강성 또한 커지게 된다.

또한, 동압발생홈에 유체압을 발생시키는 작동 유체의 종류에 따라서도 유체압의 크기가 달라지는 바, 가장 대표적인 작동 유체로는 압축성 유체로 별도의 작동 유체 누설 방지 장치를 필요로 하지 않는 공기가 있을 수 있다.

이와 같이 별도의 실링장치를 요구하지 않는 공기를 작동유체로 사용하는 유체베어링 장치는 큰 회전축 지지 강성을 갖지 못함으로(이유는 공기 자체가 압축성 유체이기 때문이다) 비교적 경량의 하중과 높은 정밀도를 요구하지 않을 경우에 사용해야하는 결함이 있음으로, 정밀하고 높은 회전축 지지 강성을 요구할 경우 예를 들면, 하드 디스크 드라이버의 스핀들 모터, 레이저 스캐닝 유닛트의 스캐닝 모터등에는 작동 유체로 비압축성 유체인 오일을 사용하고 있다.

이와 같은 비압축성 작동 유체인 오일의 경우 동압발생홈에 의해 소정 위치로 유도되어 유도된 오일의 모임 정도에 따라서 회전축과 회전축 지지부재 사이에 비교적 큰 유체압을 발생시켜 회전축은 고속 회전 상태에서도 진동 발생 빈도가 낮고, 높은 정밀도로 회전하게 된다. 그러나, 이와 같이 비압축성 작동 유체를 사용하는 저어널 베어링 장치는 압축성 작동 유체를 사용하는 저어널 베어링 장치에 비하여 작동유체의 누유를 방지하는 장치, 예를 들면 저어널 베어링 장치의 외부 방향으로 진행하는 작동유체를 그 역방향으로 유도하여 누설을 방지하는 사선 형상의 역류홈이 있을 수 있다.

그러나, 이와 같이 종래 비압축성 작동유체를 사용하는 저어널 베어링 장치는 압축성 작동유체를 사용하는 저어널 베어링 장치 보다 주변 장치에 오염이 발생하지 않도록 주의하여야 하는 바, 그 이유로는 회전축과 회전축 지지부재 사이에서 소정 유체압을 발생시키는 오일이 고속으로 회전하면서 저어널 베어링 장치의 외부로 누설되는 경우가 발생할 수 있기 때문이다. 그러나, 오일이 외부로 누유되는 것을 방지하기 위한 누설 방지 수단을 설치한다 하더라도 이 누설 방지 수단에 의해서 완전하게 오일의 누유를 방지하지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 압축성 작동유체를 사용하는 저어널 베어링 장치의 외부로 작동유체가 누유되는 것을 방지한 저어널 베어링 장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 의한 저어널 베어링 장치가 적용된 레이저 프린터의 스캐닝 모터를 일실시예로 도시한 단면도.

도 2는 도 1의 원내 확대 도면.

도 3은 본 발명의 또다른 실시예를 도시한 도면.

도 4는 도 3의 원내 확대 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 회전체 20: 회전체 지지부재

30: 회전력 발생 장치 40: 드러스트 베어링

18: 오일누설 방지홈 22: 슬리이브

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 저어널 베어링 장치는 고속 회전하는 회전체를 지지하는 회전체 지지부재와, 회전체 및 상기 회전체 지지부재중 어느 일측에 형성되며 회전체 및 회전체 지지 사이에 위치한 작동 유체에 의해 소정 유체압을 형성하는 동압발생부와, 동압발생부의 외측에 형성되어 작동 유체의 누설 방향과 반대 방향으로 역류시키기 위한 경사진 직선 홈 형상인 제 1 유체 누설 방지부와, 제 1 유체 누설 방지부에 의해 누설을 방지하지 못한 작동유체의 누설을 방지하기 위한 제 2 유체 누설 방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 제 2 유체 누설 방지부는 회전체와 회전체 지지부재의 단부 사이의 간극을 포함하는 것을 특징으로 하며, 더욱 바람직하게, 간극은 상기 회전체와 상기 회전체 지지부재 사이에서 최소가 되는 것을 특징으로 한다.

선택적으로 간극은 회전체와 회전체 지지부재의 단부로부터 내부 방향으로 갈수록 연속적으로 증가되거나, 선택적으로, 간극은 회전체와 회전체 지지부재의 단부로부터 소정 간격 이격된 곳에서 불연속적인 단턱이 형성되어 있으며, 여기서, 간극은 2 ㎛ 이하로 가공되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명 저어널 베어링 장치의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 저어널 베어링 장치가 적용된 레이저 프린터의 스캐닝 모터를 바람직한 일실시예로 도 1 또는 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

스캐닝 모터(100)는 전체적으로 보아 회전체(10)와, 회전체(10)를 지지하도록 고정되어 있는 회전체 지지부재(20)와, 회전체(10)에 회전력을 발생시키는 회전력 발생장치(30) 및 회전체(10)와 회전체 지지부재(20) 사이의 작동 유체가 외부로 누유되는 것을 방지하기 위해 회전체(10) 또는 회전체 지지부재(20)중 어느 일측에 형성되어 있는 누유 방지수단으로 구성되어 있다.

이와 같은 구성요소중 먼저 회전체(10)의 구성을 살펴보기로 한다.

회전체(10)는 다각형 평판 형상으로 그 모서리면이 매끈하게 처리된 경면(mirror suface;12a)이 형성되어 있는 다각형 폴리건 미러(12)와, 폴리건 미러(12)의 중심 부분에 형성되어 있는 소정 직경을 갖는 관통공에 억지끼워맞춤되어 있는 회전축(14)으로 형성되어 있다.

이 회전축(14)의 외주면에는 중앙부에 절곡점(16a)을 갖는 동압발생홈(16b)이 외주면을 따라서 다수개가 배열되어 동압발생부(16)(16')를 형성하고 있는 바, 여기서 이 절곡점(16a)은 모두 임의의 선분상(A)에서 일렬로 배열되도록 한다.

이와 같이 절곡점(16a)이 형성되어 있는 다수개의 동압발생홈(16b)으로 구성된 동압발생부(16)(16')로부터 회전축(14)의 축 방향으로 다시 소정 간격 이격된 곳에 는 또다른 동압발생부(16')가 형성되어 있다. 즉, 동압발생부(16)(16')는 회전축(14)의 2 곳에 소정 간격 이격되어 형성된다.

이와 같이 동압발생부(16)(16')를 회전축(14)의 2 곳에 형성하는 이유로는, 동압발생부(16)(16')가 회전축(14)의 소정 위치에 1 곳이 형성될 경우, 회전축을 지지하는 지지 강성이 낮아지고 회전축(14)에 흔들림이 발생한 우려가 있기 때문이며, 동압발생부(16)(16')를 회전축(14)의 2 곳에 형성할 경우 회전축(14)이 2 곳에서 지지되는 것과 동일한 효과가 발생하게 되어 회전축(14)의 회전 안정성이 크게 증가되기 때문이다.

다음으로, 앞서 비교적 상세하게 기술한 회전체(10)의 레이디얼 하중 및 드러스트 하중을 지지하는 기능을 갖는 회전체 지지부재(20)를 설명하기로 한다.

회전체 지지부재(20)는 다시 두 부분으로 나뉘어지는 바, 그 하나는 회전체(10)를 직접적으로 지지하는 슬리이브(22)이고, 나머지 하나는 이 슬리이브(22)를 지지하는 베어링 브라켓(24)이다.

이 슬리이브(22)는 회전체(10)의 회전축(14)의 직경보다 수 ㎛ 더 큰 직경을 갖는 관통공(22a)이 형성된 원통 형상으로 회전축(14)이 이 관통공(22a)에 끼워진 후, 동압발생부(16)와 동압발생부(16')의 사이의 위치에 대응하는 슬리이브(22)의 내경면에는 수백 ㎛의 깊이를 갖는 띠 형상으로 소정 깊이를 갖는 오일 저장부(22b)가 형성되어 오일 저장부(22b)는 상,하에 위치한 동압발생부(16)(16')로 오일을 지속적으로 공급하는 역할을 한다.

이와 같이 오일 저장부(22b)가 형성되어 있는 슬리이브(22)중 오일 저장부(22b)의 양단부(22b')(22b")로부터 슬리이브(22)의 상단부 및 하단부로 갈수록 슬리이브(22)의 내경이 연속적으로 감소하도록 형성되어 있다.

여기서, 슬리이브(22)의 상단부와 하단부에서의 내경은 회전축(14)이 슬리이브(22)의 관통공(22a)에 삽입되는 최소의 직경을 갖는 바, 바람직하게는 2 ㎛로 이하의 아주 미세한 간극을 형성하도록 되어 있다.

도 2를 참조하면, 슬리이브(22)의 상단부(22c)와 회전축(14)이 이루고 있는 간극을 δ₂라 정의하고, 슬리이브(22)의 오일저장부(22b)의 상단부(22b')와 회전축(14)이 이루고 있는 간극을 δ₁라고 정의하면,

δ₁＞δ₂

가 된다. 여기서 δ₁은 2 이하로 미세 가공되어야 한다.

이와 같이 테이퍼진 내경면이 형성되어 있는 슬리이브(22)의 상단부(22c)와 회전축(14)이 이루고 있는 간극 δ₂를 아주 미세하게 형성하는 이유는 슬리이브(22)와 오일이 후술될 오일 누설 방지홈(18)에 의해 오일 저장부(22b) 측으로 펌핑(pumping)되면서 미처 펌핑되지 못한 오일중 일부분이 슬리이브(22)의 외부로 누설되는 것을 방지하기 위함이며, 다르게는 오일 누설 방지홈(18)의 펌핑 작용에 의해 외부의 오염물이 회전축(14)과 슬리이브(22)의 내경면으로 유입되는 것을 방지하기 위함이다.

이와 같이 오일 저장부(22b)로부터 테이퍼진 내경면이 형성되어 있는 슬리이브(22)와, 슬리이브(22)에 대하여 수 ㎛의 간격을 유지하면서 대향하고 있는 회전축(14)중 어느 일측(본 발명에서는 바람직하게 회전축(14)에 동압발생부(16)(16')이 형성되어 있다)에는 앞서 간단히 언급한 오일 누설 방지 수단인 오일 누설 방지홈(또는 역류홈;18)이 형성되어 있다.

이 오일 누설 방지홈(18)을 보다 상세하게 설명하면, 회전축(18)의 축방향에 대하여 소정 기울기를 갖는 직선홈 형상으로 이 오일 누설 방지홈(18)의 형성 위치는 슬리이브(22)의 상기 상단부(22c)와 동압발생부(16)의 사이 및 슬리이브(22)의 상기 하단부(22c')와 동압발생부(16')의 사이에 형성되어 있으며, 오일 누설 방지홈(18)의 기울기 방향은 회전축(14)의 회전에 의해 유체를 오일 저장부(22b)측으로 펌핑되는 방향으로 기울어져 있어야 한다.

앞서 언급한 동압발생부(18)와 오일 누설 방지홈(18)은 회전축(14) 또는 회전축(14)과 대향하는 슬리이브(22)의 내경중 어느 일측에 형성되어도 무방하다.

이와 같은 슬리이브(22)의 하단부(22c')는 다시 베어링 브라켓(24)과 나사(24')에 의해 체결되어 고정되고, 관통공(22a)의 저면에는 회전축(14)의 하측 단부와 대향하며, 회전축(14)의 하측 단부 중심을 향해 나선형으로 꼬인 형상의 스파이럴 형상의 동압발생홈(미도시)이 형성되어 있는 드러스트 베어링판(40)이 슬리이브(22)와 나사(24')에 의해 체결되어 있다.

한편, 회전축(14)이 슬리이브(22)에 의해 레이디얼 하중과 드러스트 하중이 지지된 상태에서 회전축(14)에 회전력을 발생시키기 위해 회전축(14)에는 회전력 발생수단(30)이 형성되어 있다.

이 회전력 발생수단(30)은 원판 형상의 플레이트(32)가 결합되어 있는 상태에서 이 플레이트(32)에 부착된 로우터(34)와, 이 로우터(34)와 소정 간격 이격된 베어링 브라켓(24)에 설치된 스테이터(36)로 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일실시예의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 회전축(14)에 부착되어 있는 플레이트(32)의 로우터(34), 스테이터(36)에 전원이 인가되어 회전축(14)에 회전력이 발생하게 되면 회전축(14)은 각속도가 0인 시점으로부터 점차 회전속도가 증가되다가 마침내 2000∼6000 r.p.m의 속도로 정속 회전하게 된다.

이때, 회전속도에 대응하여 회전축(14)에 형성되어 있는 동압발생부(16)(16')의 동압발생홈(16b)으로는 작동 유체인 오일이 동압발생홈(16b)의 절곡점(16a) 부분으로 유도되어 절곡점(16a)에서는 오일이 합쳐지게 되어 소정 유체압이 발생하게 되는 바, 이때, 오일 저장부(22b)에서는 오일을 지속적으로 동압발생홈(16b)으로 공급한다.

한편, 회전축(14)의 동압발생부(16)(16')와 슬리이브(22)의 상단부(22c)의 사이에 형성되어 있는 오일 누설 방지홈(18)에 의해 오일은 슬리이브(22)의 외측으로 누유되지 않고 오일 저장부(22b)측으로 역류된다.

이때, 슬리이브(22)의 상단부(22c)와 슬리이브(22) 사이의 간극 δ₂는 공기를 작동유체로 사용하는 저어널 베어링의 간극과 대등하도록 약 2㎛ 이하의 간극을 유지하고 있음으로, 작동유체인 오일이 외부로 누설되는 것을 이중으로 방지하고 이와 더불어 외부로부터 미세한 먼지 및 이물질이 간극 δ₂을 통해 유입되는 것을 방지한다.

도 3 또는 도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면으로, 앞에서 상세히 설명한 도 1, 도 2의 일실시예에서는 오일 저장부(22b)의 단부(22b'),(22b")와 회전축(14)이 이루고 있는 간극 δ₁이 슬리이브(22)의 상,하 단부로 갈수록 연속적으로 감소하여 슬리이브(22)의 상하단부(22c)(22c')와 회전축(14)이 이루고 있는 간극이 최소가 되도록 한 것을 나타내고 있지만, 도 3 또는 도 4의 실시예에서는 오일 저장부(222b)의 단부(222b'),(222b")와 슬리이브(222)의 상,하단부(222c),(222c') 사이에서 간극이 단속적으로 가변되도록 단턱부(222d)가 형성되어 있는 바, 슬리이브(222)의 상하 단부(222c),(222c')로부터 소정 간격 이격된 곳까지는 회전축(14)과 일정한 간극을 유지하고 있는 바, 이 간극을 δ₃라 정의하고, 앞서 언급한 단턱부(222d)로 인해 가변된 간극을 δ₄라 정의하기로 하면, δ₃, δ₄는 <수학식 2>에 나타내지는 바와 같은 관계를 같는다.

δ₄＞ δ₃

여기서, 앞에서 이미 언급한 바 있는 역할을 하는 오일 누설 방지홈(218)은 회전축(214)과 슬리이브(222)가 δ₄간극을 유지하는 부분 형성되는 바, 이때도 마찬가지로 회전축(214)이 고속 회전하면서 오일 누설 방지홈(218)은 슬리이브(222)의 외측으로 누유되는 오일이 오일 저장부(222b) 측으로 역류되도록 펌핑 작용을 하고, 미처 역류되지 못하고 누유되려는 오일은 미세하게 가공된 δ₃간극에 의해 이중으로 차단된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 저어널 베어링 장치의 회전체와, 회전체 지지부재 사이의 마찰력이 최소가 되도록 유체압을 형성하는 동압발생홈과, 회전체를 지지하는 회전체 지지부재 외부로 작동 유체가 누유되는 것을 방지하도록 작동 유체를 역류 시키는 오일 누설 방지홈중 오일 누설 방지홈에 의해 미쳐 역류되지 못한 작동유체의 누설을 방지하기 위해 회전체 지지부재의 단부와 회전체 사이의 간극이 매우 미세하게 형성되도록 가공하여 작동유체가 누설되어 주변 기기를 오염시키는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 고속 회전하는 회전체를 지지하는 회전체 지지부재와; 상기 회전체와 회전체 지지부재중 어느 일측에 형성되며 상기 회전체와 회전체 지지부재 사이에 위치한 작동 유체에 의해 소정 유체압을 형성하는 동압발생부와; 상기 동압발생부의 외측에 형성되어 상기 작동 유체의 누설 방향과 반대 방향으로 상기 작동 유체를 역류시키기 위한 경사진 직선 홈 형상의 제 1 유체 누설방지부와; 상기 제 1 유체 누설 방지부에 의해서 누설되는 작동유체의 누설을 최종적으로 방지하기 위한 제 2 유체 누설 방지부를 포함하는 저어널 베어링 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 유체 누설 방지부는 상기 회전체와 회전체 지지부재와 단부 사이의 간극에 의해 형성되는 저어널 베어링 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 간극은 상기 회전체와 회전체 지지부재의 단부 사이에서 최소가 되는 저어널 베어링 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 간극은 상기 회전체와 회전체 지지부재의 단부로부터 내부 방향으로 갈수록 연속적으로 증가되는 저어널 베어링 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 유체 누설 방지부는 상기 회전체와 상기 회전체에 대향하여 상기 회전체 지지부재의 단부에 형성되는 단턱 사이의 간극에 의해 형성되는 저어널 베어링 장치.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 간극은 2 ㎛ 이하인 저어널 베어링 장치.

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