KR100257834B1 - 유체 베어링 장치 - Google Patents

Abstract

축의 일측에 중심이 고정된 실링 캡과, 실링 캡에 대향하여 소정거리 이격되어 축의 타측에 중심이 고정된 반구와, 실링 캡 및 반구 사이에 회전 가능하게 축에 중심이 삽입된 부싱을 포함하며, 반구와 부싱 사이의 간극으로 유입된 유체를 부싱과 실링 캡 사이의 공간 체적의 확대-축소 영역을 통해 유출하므로서, 반구와 부싱 사이에서는 부싱을 부상시키는 제 1 스러스트 하중을 발생하고 부싱과 실링 캡 사이에서는 제 1 스러스트 하중에 반대방향으로 작용하는 제 2 스러스트 하중 및 부싱의 틸팅에 대항하는 레이디얼 하중을 발생한다. 이에 따라 제조원가를 감소시키고 제조를 용이하게 할 수 있고, 정지 중에도 마그네트에 의한 부상력을 제공하여 초기 회전시의 안정성을 확보할 수 있으며, 외란에 의한 부싱의 틸팅에 강한 복원력을 제공한다.

Description

유체 베어링 장치

본 발명은 유체 베어링 장치에 관한 것으로, 특히 일측 방향으로 유체가 유입되면서 동압이 발생되고 타측으로 유체가 유출되면서 동압이 발생되도록 한 유체 베어링 장치에 관한 것이다. 더욱이 본 발명은 자석간의 척력을 이용하여 초기 부상력을 얻을 수 있는 공기-마그네트 복합 베어링 장치에 관한 것이다.

최근 들어 정보, 컴퓨터 산업의 급격한 발달로 각종 기기를 구동시키는데 필요한 구동 모터들, 예를 들면, 레이저 프린터의 폴리건 미러 구동장치, 하드디스크의 스핀들 모터 및 VCR의 헤드 구동 모터 등은 기기의 특성상 보다 많은 데이터의 검색, 저장 및 재생을 짧은 시간에 수행하기 위해서 축 흔들림이나 축 진동이 없는 고정밀, 초고속 회전 성능을 요구하고 있다. 이에 따라서 구동모터의 축 흔들림이나 축 진동을 억제하며 안정적으로 고속 회전하는 구동 모터의 개발과 함께 이와 같은 모터 회전을 가능하게 하는 베어링 장치에 대하여 연구 개발이 추진되고 있다. 이와 같은 베어링 장치 중 특히 레이디얼 하중과 스러스트 하중을 동시에 지지하며 초고속 회전에 적합한 동압형 유체베어링 장치에 대해 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

도 1은 동압형 유체 베어링 장치의 일종인 반구형 베어링 장치가 적용된 레이저 프린터의 폴리건 미러 구동장치를 나타낸 단면도이다.

도시된 바와 같이, 하부 하우징(70)에는 축(20)이 고정되며, 축(20)의 소정위치에 상부 및 하부반구(30)(35)가 소정거리 이격되어 상호 대향하도록 고정된다.

또한, 부싱(40)의 내부에는 관통공 및 반구홈(30a, 30b)이 형성되어 부싱(40)이 회전할 수 있도록 축(20)과 상부 및 하부반구(30)(35)를 수용하며, 관통공 내에는 상부 및 하부반구(30)(35)와 반구홈(30a)(30b) 사이의 간극(clearance)을 조정하기 위한 스페이서(40a)가 끼워진다. 도시되지는 않았지만, 반구홈(30a)(30b) 각각의 반구면 상에는 동압 발생홈이 축방향으로 다수개 형성된다. 또한, 부싱(40)의 외주면에는 폴리건 미러(10)와 스테이터(50) 및 로터(55)를 장착한 허브(60)가 압입되어 부싱(40)과 함께 회전한다.

스테이터(50)에 전원을 인가하면, 이에 대향한 로터(55)와의 전자기적 작용에 의해 로터(55)가 회전하며, 이에 따라 허브(60), 부싱(40)이 회전한다. 회전 초기에는 부싱(40)의 자체 중량에 의해 중력 방향으로 힘이 작용하여 부싱(40)은 하부반구(30)와 접촉하고 상부반구(35)와는 일정간격을 유지한다.

이어 부싱(40)이 회전함에 따라 상부 및 하부반구(30)(35)와 반구홈(30a, 30b) 사이의 간극을 통하여 유체가 유입되어 동압이 각각 발생한다. 이때, 하부반구(30)와 반구홈(30a) 사이의 간극이 더 작기 때문에 더 큰 동압이 발생하고 이에 따라 부싱(40)이 부상하게 된다.

이후 부싱(40)은 상호 대향한 상부 및 하부반구(30, 35) 사이에서 상하로 유동되다가 양측 반구(30)(35)와 반구홈(30a)(30b)이 이루는 간극이 동일해지는 동압 평형점에서 평형 상태를 이루면서 회전하게 된다.

그러나 이러한 방식으로 동작하는 유체 베어링 장치를 제조하기가 매우 어렵고 제조원가가 높아진다는 문제점이 있다.

먼저, 부싱 내부에 형성된 관통공에 끼우는 스페이서는 동작특성상 매우 정밀한 치수로 가공되어야 하기 때문에 스페이서 가공에 많은 시간과 비용이 소요되며, 치수 불량이 발생하였을 경우에는 베어링 장치의 성능이 크게 저하된다.

또한, 반구면은 래핑 등의 공정을 통해 정밀하게 가공되어야 하며, 반구면에 동압 발생홈을 형성해야 하므로 제조가 어렵고, 더욱이 이러한 반구를 상하로 2개씩 사용해야 하므로 제조원가가 상승한다.

한편, 초기 회전시에는 부싱이 하부반구와 접촉하므로써 마찰이 발생하고, 이에 따라 회전이 불안정해지고 소음 및 진동이 크다는 문제점이 있다.

또한 외란에 의한 부싱의 틸팅(tilting)에 대해 약하다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 스페이서를 제거하고 사용되는 반구의 개수를 감소시켜 제조원가를 감소시키고 제조를 용이하게 하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 정지 중에도 마그네트에 의한 부상력을 제공하여 초기 회전시의 안정성을 확보하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 외란에 의한 부싱의 틸팅에 대한 강성을 갖도록 하는데 있다.

도 1은 종래의 반구 베어링 장치의 단면을 도시한 단면도이고,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 베어링 장치를 도시한 일부 절단 단면도이고,

도 3A는 도 2의 A-A'를 절단한 평면도이고,

도 3B는 도 2의 B부분을 확대한 단면도이고,

도 3C는 필터구조를 나타내는 저면도이고,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 베어링 장치를 도시한 일부 절단 단면도이고,

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 베어링 장치를 도시한 일부 절단 단면도이다.

본 발명에 따르면, 축의 일측에 중심이 고정된 실링 캡과, 실링 캡에 대향하여 소정거리 이격되어 축의 타측에 중심이 고정된 반구와, 실링 캡 및 반구 사이에 회전 가능하게 축에 중심이 삽입된 부싱을 포함한다. 이에 따라 반구와 부싱 사이의 간극으로 유입된 유체를 부싱과 실링 캡 사이의 공간 체적의 확대-축소 영역을 통해 유출하므로서, 반구와 부싱 사이에서는 부싱을 부상시키는 제 1 스러스트 하중을 발생하고 부싱과 실링 캡 사이에서는 제 1 스러스트 하중에 반대방향으로 작용하는 제 2 스러스트 하중 및 부싱의 틸팅에 대항하는 레이디얼 하중을 발생한다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 유체 베어링 장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 발명에서는 유체 중에서 공기를 이용한 경우를 예로 들어 설명한다.

도 2를 참조하면, 축(120)의 상부에는 실링 캡(150)이 고정된다. 실링 캡(150)은 중심부에 축(120)이 삽입되는 관통공(156)이 형성되어 링형상을 이루며, 관통공(156)을 중심으로 일정 깊이의 리세스(154)가 형성된다. 리세스(154)의 단부에는 테이퍼 영역(152)이 형성되어 실링 캡(150)의 원주까지 연장된다.

또한 축(120)의 하부에는 베이스(160) 및 반구(130)가 적층되어 고정된다. 베이스(160)와 반구(130)의 중심부에는 각각 축(120)이 삽입되는 관통공(166)이 형성된다. 도 3A를 참조하면, 반구(130)의 가장자리를 따라 일정깊이와 폭의 슬롯(162)이 연속적으로 형성된다. 따라서 도 3A에 도시된 바와 같이, 슬롯(162)은 일정직경을 갖는 링형상이 된다. 또한 슬롯(162)의 저면에는 다수의 개구들(165)이 일정한 간격으로 형성된다. 개구들(165)의 직경 및 배열 간격 등은 개구들(165)을 통해 유입되는 공기의 양에 관련하여 결정된다.

또한 도 3C에 도시된 바와 같이, 바람직하게 베이스(160)의 저면에는 개구들(165)을 커버하도록 링형상의 필터(164)가 설치되어 개구들(165)로 흡입되는 공기중에 포함된 오염물질을 제거한다.

반구(130)의 반구면 상에는 통상의 동압 발생홈들(135)이 형성된다.

부싱(140)은 내부에 관통공(146)이 형성된 원주형상으로 실링 캡(150)과 베이스(160) 사이에 축(120)에 회전 가능하게 끼워진다. 부싱(140)의 상부면은 실링 캡(150)의 리세스(154)에 대향하고, 하부면에는 반구홈(142)이 형성되어 반구(130)의 반구면 및 베이스(160)의 표면에 걸쳐서 대향한다.

또한 바람직하게, 실링 캡(150), 부싱(140) 및 베이스(160)의 직경은 동일하며, 도 2에 도시된 바와 같이, 외관상으로는 길이가 짧은 2개의 원기둥이 축(120)의 양측에 고정되고 그 사이에 길이가 긴 원기둥이 회전 가능하게 삽입된 형태를 이룬다.

한편, 부싱(140)의 외주면 상에는 도 1에 도시된 바와 같이 허브(60)가 장착되며, 다른 구성요소는 도 1을 참조하여 상기한 바와 동일하며, 이에 대한 상세한 기술을 생략한다.

이하, 이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 베어링 장치의 동작을 구체적으로 설명한다.

스테이터에 전원을 인가하면, 이에 대향한 로터와의 전자기적 작용에 의해 로터가 회전하며, 이에 따라 허브 및 부싱(140)이 회전한다. 회전을 시작하기 전에는 부싱(140)의 자체 중량에 의해 중력 방향으로 힘이 작용하여 부싱(140)은 베이스(160)의 표면과 접촉하고 실링 캡(150)과는 일정간격을 유지한다.

부싱(140)의 회전이 시작되면, 베이스(160)의 슬롯(162) 저면에 형성된 개구들(165)을 통하여 외부의 공기가 유입된다. 이때, 개구들(165) 내부에 필터가 설치되는 경우에는 유입되는 공기에 포함되어 있는 오염물질을 제거할 수 있다, 유입된 공기는 반구(130)의 반구면에 형성된 동압 발생홈(135)에 의해 반구홈(132)과 반구면 사이에 동압을 발생시키며, 회전 초기에는 반구홈(132)과 반구면이 최소의 간극을 유지하고 있기 때문에 가장 큰 동압을 발생시키게 된다. 이어 발생된 동압에 의해 스러스트 하중이 발생하여 부싱(140)을 베이스(160)의 표면으로부터 이격되도록 부상시킨다.

이때, 부싱(140)의 상부면에서는 실링 캡(150)과의 간극이 작아지면서 실링 캡(150) 내부에 형성된 리세스(154)에 의해 스러스트 하중과 레이디얼 하중이 발생하게 된다. 이를 도 3B를 참조하여 구체적으로 설명한다.

개구들(165)을 통해 유입된 공기는 부싱(140) 내부에 형성된 관통공(146)과 축(120) 사이의 간극을 통해 실링 캡(150)의 리세스(154)로 유입된다. 이때, 리세스(154)는, 도 3B에 도시된 바와 같이, 편평한 저면을 갖는 영역 Ra와 테이퍼 영역 Rb로 나누어진다. 따라서 공간 체적이 큰 영역 Ra로부터 공간 체적이 작은 영역 Rb로 공기가 유출되면서 공간 체적의 확대-축소 유동에 의해 하중이 발생된다. 이때, 발생되는 하중은 실링 캡(150)의 가장자리와 부싱(140)의 단부와의 간극 t에 관련하며, 간극 t가 작을수록 큰 하중을 발생하기 때문에 반구(130)의 동압 발생홈(135)에 의해 발생된 동압이 부싱(140)을 부상시켜 간극 t가 작아지게 됨에 따라 더욱 큰 하중이 발생한다.

발생된 하중은 실링 캡(150)과 부싱(140)에 동시에 하중을 가하지만, 실링 캡(150)은 축(120)에 고정되어 있기 때문에 부싱(140)만이 하중에 영향을 받게된다. 하중은 부싱(140)에 대해 레이디얼 하중 및 스러스트 하중을 가하는 바, 스러스트 하중은 반구(130)의 동압 발생홈(135)에 의해 발생된 스러스트 하중에 대응하여 부싱(140)을 하부로 밀어내리게 된다.

부싱(140)이 하부로 밀려내려감에 따라 부싱(140)의 반구홈(132)과 반구면 사이의 간극은 작아지게 되고, 이에 따라 발생되는 동압이 증가하여 다시 부싱(140)을 부상시키게 된다. 이후 상기한 과정을 반복하면서 부싱(140)은 실링 캡(150)과 반구(130) 사이에서 상하로 유동되다가 양 단부에서 발생되는 스러스트 하중이 평형을 이루는 상태에서 유동이 정지되어 안정적인 회전을 지속한다.

한편, 외란에 의한 부싱(140)의 틸팅에 대해서는 실링 캡(150)의 리세스(154)에서의 공간 체적의 확대-축소 유동에 의해 발생되는 레이디얼 하중에 의해 강성을 갖기 때문에 회전이 안정적이다.

이와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 베어링 장치에 따르면 여러 가지 이점을 갖는다.

먼저, 반구를 1개만 사용하므로써 제조원가가 감소하고, 제조공정을 보다 간단하게 할 수 있다. 또한, 실링 캡에 의해 부싱의 상부표면의 오염을 막을 수 있다. 또한 개구를 동해 공기를 유입하므로서 회전초기에 부싱의 하부면과 베이스의 표면이 접촉되더라도 공기를 원활하게 유입시킬 수 있으며, 개구들 내부에 필터를 설치하므로서 유입되는 공기에 포함된 오염물질을 제거할 수 있어 오염된 환경에서도 사용 가능하다.

또한, 유출되는 공기에 의해 레이디얼 하중을 발생시켜 외란에 의한 부싱의 틸팅에 강성을 갖기 때문에 안정적인 회전을 확보할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 단면도로써, 도 2에 도시한 일실시예와 달리 반구(130)에 대향하여 부싱(140)의 상부에 반구(170)가 축(120)에 고정되어 설치된다. 또한 부싱(40)의 하부면에는 반구(170)를 수용하기 위한 반구홈(175)이 형성된다.

반구(170)의 표면상에는 반구(130)와 달리 동압 발생홈이 형성되지 않는데, 이는 부싱(140)의 상부에서 동압을 발생시킬 필요가 없기 때문이다.

이와 같은 구성의 다른 실시예에서는 개구들(165)로 유입된 공기를 단시간에 리세스(154)내의 테이퍼 영역으로 유도할 수 있기 때문에 공간 체적의 확대-축소 유동의 효과를 빠르게 나타낼 수 있어 회전 초기의 불안정을 단시간에 제거할 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단면도이다. 이 실시예에 따른 구성은 기본적으로 도 2의 일실시예와 동일하며, 이하 차이점에 대해서만 설명한다.

도시된 바와 같이, 부싱(140)의 하부면의 가장자리를 따라 소정 폭의 제 1 마그네트(182)가 부착되고, 이에 대응하여 베이스(160)의 표면 가장자리를 따라 상기 폭과 동일한 폭의 제 2 마그네트(184)가 부착된다. 바람직하게 제 1 및 제 2 마그네트(182, 184)는 링형상으로 연속하여 이어진다. 이때, 본 발명에 따르면, 제 1 및 제 2 마그네트(182, 184)는 상호 동일한 자극이 대향하도록 부착되어 항상 마그네트간에 척력이 작용하도록 한다. 이때, 실링 캡(150)과 부싱(140)의 상부면이 접촉하지 않을 정도의 자기력을 갖도록 제 1 및 제 2 마그네트(182, 184)를 자화시키는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성에 의하면, 부싱(140)은 제 1 및 제 2 마그네트(182, 184)의 척력에 의해 베이스(160)의 표면으로부터 항상 부상되어 있다. 따라서 회전 초기에 부싱(140)의 하부면과 베이스(160)의 표면이 접촉되어 진동 및 소음이 발생되는 것을 방지할 수 있으며, 기동시의 소비전력을 감소시킨다.

또한 부싱(140)의 하부면과 베이스(160)의 표면 사이에 항상 척력이 작용하기 때문에 회전 초기시에 외란에 의해 부싱(140)이 틸팅되는 것을 방지할 수 있어, 회전 안정성을 확보할 수 있다. 즉, 부싱(140)에 틸팅이 발생하여 부싱(140)의 하부면과 베이스(160)의 표면 사이의 간극이 작아지게 되면, 작용하는 척력이 더욱 커지게 되어 틸팅에 대한 복원 모우멘트가 증대되어 단시간에 틸팅을 복원한다. 더욱이 유출되는 공기에 의해 발생되는 레이디얼 하중과 함께 부싱(140)의 틸팅에 대해 더욱 강하게 대항할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 일측에 형성된 반구와 부싱 사이의 간극으로 유입된 유체를 타측에 형성된 부싱과 실링 캡 사이의 공간 체적의 확대-축소 영역을 통해 유출하므로서, 일측에서는 타측으로 향하는 스러스트 하중을 발생하고 타측에서는 일측으로 향하는 스러스트 하중 및 레이디얼 하중을 발생하여 회전을 안정적으로 유지하고 외란에 의한 부싱의 틸팅에 강하도록 한다.

Claims (8)

1. 유체 베어링 장치에 있어서,

   축의 일측에 중심이 고정된 실링 캡과;

   상기 실링 캡에 대향하여 소정거리 이격되어 상기 축의 타측에 중심이 고정된 반구와;

   상기 실링 캡 및 반구 사이에 회전 가능하게 상기 축에 중심이 삽입된 부싱을 포함하며,

   상기 반구와 부싱 사이의 간극으로 유입된 유체를 상기 부싱과 실링 캡 사이의 공간 체적의 확대-축소 영역을 통해 유출하므로서, 상기 반구와 부싱 사이에서는 상기 부싱을 부상시키는 제 1 스러스트 하중을 발생하고 상기 부싱과 실링 캡 사이에서는 상기 제 1 스러스트 하중에 반대방향으로 작용하는 제 2 스러스트 하중 및 상기 부싱의 틸팅에 대항하는 레이디얼 하중을 발생하는 것을 특징으로 하는 유체 베어링 장치.
2. 유체 베어링 장치에 있어서,

   축과;

   상기 축의 일측에 고정되는 실링 캡과;

   상기 축의 타측에 고정되고 유체가 유입되는 다수의 개구들이 형성된 베이스와;

   상기 베이스 상에 적층되고 상기 축에 고정되며, 표면상에 다수개의 동압 발생홈들이 형성된 제 1 반구와;

   상기 실링 캡 및 베이스 사이에 회전 가능하게 상기 축에 끼워지며, 상기 타측 단부에 상기 제 1 반구를 수용하는 반구홈이 형성된 부싱을 포함하며,

   상기 유입된 유체는 상기 부싱의 일측 단부와 상기 실링 캡 사이에서 공간 체적 확대-축소 유동을 하여 유출되는 것을 특징으로 하는 유체 베어링 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 실링 캡의 중심에는 상기 축이 삽입되는 관통공이 형성되고, 상기 관통공을 중심으로 상기 부싱의 일측 단부에 대향하는 측면에는 리세스가 형성되며, 상기 리세스는

   상기 관통공을 중심으로 편평한 저면을 갖는 소정 직경의 제 1 영역과;

   상기 제 1 영역으로부터 상기 실링 캡의 가장자리까지 연장되며 일정한 테이퍼 각을 갖는 제 2 영역으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체 베어링 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 반구의 가장자리를 따라 상기 베이스의 표면에는 소정 폭과 깊이의 슬롯이 형성되며, 상기 개구들은 상기 슬롯의 저면에 일정간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 베어링 장치.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 반구와 대향하여 상기 축에 고정되고 상기 부싱의 일측 단부와 이면이 일치하며 표면상에 상기 동압 발생홈을 갖지 않는 제 2 반구를 더 포함하며;

   상기 부싱의 일측 단부에는 상기 제 2 반구를 수용하는 반구홈이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 베어링 장치.
6. 제 2 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 부싱의 타측 단부의 가장자리를 따라 부착된 제 1 마그네트와;

   상기 베이스의 표면 가장자리를 따라 부착되며, 상기 제 1 마그네트에 동일한 자극으로 대향하는 제 2 마그네트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 베어링 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 마그네트는 연속하여 이어지는 것을 특징으로 하는 유체 베어링 장치.
8. 축과;

   상기 축의 일측에 고정되는 링형상의 실링 캡과;

   상기 실링 캡과 소정거리 이격되고 상기 축의 타측에 고정되는 링형상의 베이스와;

   상기 베이스 상에 적층되고 상기 축에 고정되며, 표면상에 다수개의 동압 발생홈들이 형성된 제 1 반구와;

   상기 제 1 반구와 소정거리 대향하여 상기 축에 고정되며, 표면상에 상기 동압 발생홈이 형성되지 않은 제 2 반구와;

   상기 실링 캡 및 베이스 사이에 회전 가능하게 상기 축에 끼워지며, 상기 타측 단부에 상기 제 1 반구를 수용하는 제 1 반구홈이 형성되고, 상기 일측 단부에 상기 제 2 반구를 수용하는 제 2 반구홈이 형성된 부싱과;

   상기 부싱의 타측 단부의 가장자리를 따라 부착된 제 1 마그네트와;

   상기 베이스의 표면 가장자리를 따라 부착되며, 상기 제 1 마그네트에 동일한 자극으로 대향하는 제 2 마그네트를 포함하며,

   상기 실링 캡의 상기 부싱의 일측 단부에 대향하는 측면에는 리세스가 형성되며, 상기 리세스는 상기 축을 중심으로 편평한 저면을 갖는 소정 직경의 제 1 영역과, 상기 제 1 영역으로부터 상기 실링 캡의 가장자리까지 연장되며 일정한 테이퍼 각을 갖는 제 2 영역으로 이루어지고,

   상기 베이스에는 상기 제 1 반구의 가장자리에 대응하는 위치를 따라 소정 폭과 깊이의 슬롯이 형성되며 상기 슬롯의 저면에 일정간격으로 다수개의 개구들이 형성되며,

   상기 개구들을 통해 공기가 유입되고, 상기 유입된 유체는 상기 리세스를 통해 유출되는 것을 특징으로 하는 공기-마그네트 복합 베어링 장치.

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