KR100359185B1 - 자기디스크저장시스템 및 이를 위한 유체역학적 유체베어링장치 - Google Patents

자기디스크저장시스템 및 이를 위한 유체역학적 유체베어링장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축(10)과 허브(12)를 갖춘 유체역학 베어링에 관한 것이며, 이러한 베어링은 상단부 및 하단부 모두가 개방되어 있고, 베어링 내에서의 유체 흐름의 균형이 유지된다.

Description

자기 디스크 저장 시스템 및 이를 위한 유체역학적 유체 베어링 장치 {MAGNETIC DISC STORAGE SYSTEM AND A HYDRODYNAMIC FLUID BEARING SYSTEM FOR THE SAME}
관련출원
본 출원은 1997년 4월 24일자 출원되고 본 출원인에 양도되어 본 발명에 참조된 미국 임시특허 출원번호 제 60/044,100호의 계속 출원이다.
또한, ___일자 출원된 미국 특허출원번호 ___호(대리인번호 A-64698/JAS), ___일자 출원된 미국 특허출원번호 ___호(대리인번호 A-64699/JAS)가 본 발명에 참조되었으며, 상기 출원들은 모두 본 출원인에게 양도되었다.
자기 디스크 드라이브는 정보를 자기적으로 저장하는데 사용된다. 자기 디스크 드라이브에 있어서, 자기 디스크는 고속으로 회전하고 변환헤드(transducing head)는 상기 디스크의 표면위로 "부양"된다. 이러한 변환헤드는 디스크상에 자기장을 부여함으로써 디스크 표면상의 정보를 판독한다. 정보는 디스크 표면의 자기화된 정보를 검출함으로써 다시 판독된다. 상기 변환헤드는 디스크 표면을 가로지르도록 반경방향으로 이동되어 상이한 데이터 트랙에 있는 정보를 판독할 수 있다.
최근에, 저장밀도는 증가되는 반면에 저장 시스템의 크기는 감소되는 추세에 있다. 이러한 추세는 자기 저장 디스크의 제작 및 작동에 있어서 보다 큰 정밀도와 보다 더 낮은 허용공차를 필요로 한다. 예를 들어, 증대된 저장밀도를 달성하기 위해서 상기 변환헤드는 저장 디스크의 표면에 보다 근접되게 놓여야만 한다. 이러한 변환헤드의 근접은 디스크가 실질적으로 단일 평면내에서 회전할 것을 요구한다. 디스크 회전에 있어서의 약간의 경사 및 이탈은 디스크의 표면이 변환헤드와 접촉하는 원인이 될 수 있다. 이는 "충돌(crash)"로 공지되어 있으며 저장 디스크의 표면과 변환헤드를 손상시켜 데이터의 손실을 초래한다.
전술한 설명으로부터, 저장 디스크를 지지하는 베어링 조립체가 매우 중요하다는 것을 알 수 있다. 하나의 통상적인 베어링 조립체는 저장 디스크의 허브가 고정부재에 대하여 회전될 수 있게 하는 한 쌍의 레이스 사이에 지지되는 볼 베어링을 포함한다. 그러나, 볼 베어링 조립체는 마모, 이탈 및 제작상의 난점과 같은 다수의 기계적인 문제점을 갖고 있다. 게다가, 낮은 댐핑으로 인해 작동쇼크 및 진동에 대한 저항이 빈약하다. 따라서, 고밀도 자기 저장 디스크에 사용하기 위한 대안적인 베어링 조립체의 필요성이 남아 있다.
연구되어온 하나의 대안적인 베어링이 유체역학적 베어링(hydrodynamic bearing)이다. 유체역학적 베어링에 있어서, 공기 또는 액체와 같은 윤활 유체가 하우징의 고정부재와 디스크 허브의 회전부재 사이에 베어링 면을 제공한다. 공기이외에도, 통상적인 윤활유로 오일 또는 강자성 유체가 있다. 유체역학적 베어링은 일련의 점 경계면을 포함하는 볼 베어링 조립체에 비해서 넓은 표면적에 걸쳐서 베어링 경계면을 펼친다. 이는 증가된 베어링 표면에 의해 회전 및 고정부재 사이의 요동 이탈을 감소시키므로 바람직하다. 게다가, 경계면 내에 유체를 사용함으로써 베어링에 대한 댐핑 효과(damping effects)를 부여하여 불규칙적인 이탈을 감소시킨다.
그러나, 유체역학적 베어링은 그들이 어떻게 구성되느냐에 따라 다수의 문제점을 갖는다. 예컨대, 단일판 외팔보 베어링은 강성 대 동력 비율이 낮고, 외부 진동, 불균형, 및 충격에 민감한 단점을 갖는다.
이러한 문제점들을 해결하기 위한 바람직한 방법은 디스크 드라이브 하우징의 하부 및 상부 커버에 부착된 스핀들 모터를 제공하는 것이다. 이는 전체 드라이브의 성능을 증대시킨다. 양단부에 부착된 모터는 단지 한 단부에 부착된 모터보다 훨씬 더 강하다.
공지된 유체역학적 모터의 설계로는 상부 커버에의 부착 방법을 제공하지 못한다. 그 이유는 상부 커버에 부착하기 위해서는 모터 베어링이 양 단부상에서 개방되어야 하기 때문이다. 유체역학적 베어링 형태의 모터 베어링의 양 단부를 개방하는 것은 유체역학적 베어링으로부터 오일 또는 유체의 누출 위험을 증가시킨다. 이러한 누출은 특히 베어링 내부의 펌핑압을 상이하게 함으로써 형성되는 유량의 미소한 차이에 의해 유발된다. 베어링 내부의 모든 흐름이 상당히 균형잡히지 않으면, 순수 압력이 한 단부 또는 양 단부쪽으로 상승하여 모세관 시일을 통해유체를 누출시킨다. 더욱이, 베어링의 제조 결함에 기인하여, 저어널내의 갭이 그의 길이를 따라 일정하지 않을 수도 있으며, 이는 베어링내의 압력 불균형을 초래하며, 유체역학적 베어링의 양단부가 개방될 때 누출을 유발한다. 베어링내의 압력 변화로 인한 순수유동(net flow)은 (모든 개별적인 저어널에 의해) 유체가 베어링내에 머무르도록 균형을 이루어야 한다. 저어널의 홈에 의한 펌핑에 기인한 불균형은 일단부에서의 메니스커스가 새로운 평형 위치로 이동할 때까지 모세관 밖으로 유체를 밀어낼 것이다. 이러한 메니스커스의 동역학적 평형 위치는 무엇보다도 속도(N), 저어널 반경(R), 저어널 갭(H), 및 원통모양(cylindricity)상의 공차로부터 나오는 테이퍼의 양에 의존할 것이다.
압력 불균형의 영향을 최소화하기 위해, 베어링은 서로 가능한한 많이 분리되어야 한다. 이를 행하는 방법 중 하나는 베어링의 단부에 대기와 연통하는 통풍공을 형성시키는 것이다. 베어링내에 통풍공을 형성시키는 이유 중 하나는 임의의 형태의 압력 불균형 또는 흐름 불균형을 국부화시킬 수 있기 때문이다. 만일 베어링이 이러한 방법으로 적절하게 통풍되지 않는다면, 베어링은 누출될 가능성이 있다. 따라서, 강성(반경방향 및 축선방향)과 댐핑 효과를 최적화하고 그의 역학적 능력을 최적화할 수 있는 새로운 유체역학적 베어링을 필요로 하게 되었다. 양단부가 개방되고 누출되지 않으며 고유의 특성을 갖는 유체역학적 베어링을 구성하는 것이 또한 바람직하다.
본 발명은 자기 디스크 드라이브 저장 시스템에 관한 것이며, 특히 본 발명은 자기 디스크 드라이브 저장 시스템에 사용하기 위한 유체역학적 베어링에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 유체역학적 베어링 카트리지 및 스핀들 모터를 구비한 자기 디스크 저장 시스템의 사시도이다.
도 2는 스핀들 모터 조립체에 통합된 종래의 유체역학적 베어링 카트리지의 수직 단면도이다.
도 3은 스핀들 모터에 통합된 본 발명에 따른 유체역학적 베어링 카트리지의 수직 단면도이다.
도 4a 및 도 4b도는 모터의 조립체에서 유용한 특징부를 포함하는 본 발명이 통합된 스핀들 모터의 수직 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 것과 다른 실시예를 나타내는 부분적인 개략도이다.
도 6은 본 발명의 설계의 장점 중 일부를 설명하는 개략도이다.
따라서, 본 발명의 목적은 하중 및 회전속도의 변화, 그리고 진동, 충격에상대적으로 민감하지 않은 유체역학적 유체 베어링을 개선하는데 있다. 또한, 본 발명의 또다른 목적은 베어링이 상부 및 하부 단부에서 개방되는 유체역학적 베어링 모터를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 베어링내의 유체 유동의 균형이 유지되는 양단부에서 개방되는 유체역학적 베어링을 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 더욱 용이하게 조립되며 갭이 용이하게 조절되는 유체역학적 베어링 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 여러 구성요소의 조립체를 위한 허용오차가 최소화되어 많은 갭들의 임계치(critical nature)가 감소되는 유체역학적 베어링 설계를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 한 단부에서만 지지되는 공지된 표준 스핀들 모터들보다 큰 강성을 갖는 장치 또는 스핀들 모터에서 유용한 유체역학적 베어링을 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 모터가 스핀들 모터용 하우징의 베이스 및 상부 커버에 부착될 수 있는 스핀들 모터 등에 유용한 유체역학적 베어링을 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적들은 카트리지가 스핀들 모터 등에 통합된 베어링 카트리지에 유용한 유체역학적 유체 베어링에 의해서 달성되며, 상기 베어링은 샤프트, 상기 샤프트상에 지지된 원뿔형 베어링, 및 원뿔형 베어링의 상하에 통상적으로 위치되며 적어도 한 측면에 위치되는 저어널 베어링을 포함한다. 슬리브는 샤프트에 대해 회전하도록 장착되며, 샤프트와 협동하여 원뿔형 유체역학적 베어링과 축방향 저어널 베어링에 필요한 갭을 형성한다. 샤프트의 단부들에서, 모세관 시일부는 유체가 유체역학적 베어링으로부터 벗어나지 않도록 슬리브 및 축 사이에 형성된다. 샤프트 자체는 원뿔형 베어링 및 저어널 베어링과 연통되는 보어와 함께 중앙 통풍공을 포함한다. 이것은 베어링들을 서로 분리시키고, 임의의 압력 불균형은 국부화된다.
또다른 바람직한 특징으로, 샤프트의 한 단부의 직경이 샤프트의 다른 단부의 직경보다 상당히 크다. 이것은 고정 샤프트 직경이 보다 크고, 샤프트와 둘레의 슬리브 또는 저어널 사이의 갭이 보다 크도록 할 수 있으므로, 유체역학적 베어링의 적어도 일부에서의 기밀한 허용오차의 필요성이 감소된다. 바람직하게는, 샤프트의 상단부(예를 들어 디스크 드라이브 스핀들 모터에서 이용될 때, 베이스로부터 멀리 떨어진 축의 단부를 지칭한다)는 큰 직경을 갖는 저어널 베어링을 구비한다.
또한, 원뿔형 베어링을 합체시키면 축선 및 반경방향의 하중을 지지하는 것이 가능하다. 이것은 다수의 디스크들이 회전을 위해 지지될 필요가 있는 디스크 드라이브용 스핀들 모터에 대하여, 제공된 모터상에 부과되는 축선 및 반경방향의 하중을 변경시키는데 있어 특히 유용하다.
또한, 본 발명의 형상에 따른 장점은 상부 및 하부에 샤프트의 부착물을 제공하므로서 샤프트가 보다 단단(rigid)하고, 단일판의 유체역학적 베어링의 샤프트보다 강성(stiff)을 갖게 된다는 점이다. 이것은 베어링의 진동 및 작동 충격에대한 저항을 향상시킨다.
본 발명의 또다른 특징은 원뿔형 베어링의 상하에 축선방향의 저어널 베어링을 갖는 단일 원뿔형 베어링만이 제공되므로서, 완성된 베어링 및 그 둘레의 슬리브의 조립이 보다 용이하게 달성된다는데 있다.
또다른 특징은 베어링이 수직으로 놓여질 때, 원뿔형 베어링의 넓은 측면이 하중을 지탱하는 추력판으로서 작용할 수 있다는데 있다. 원뿔형 베어링 및 추력판에 의해 상기 베어링은 갭을 조절하므로서 편리하게 예비 하중을 받을 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 본 발명의 통상의 숙련자가 용이하게 이해되도록 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술된다.
도 1은 본 발명의 유체역학적 베어링 카트리지를 사용할 수 있는 자기 디스크 드라이브 저장 시스템을 전개하여 개략적으로 도시한 것이다. 하기에 논의될 실례에서, 유체역학적 베어링 및 관련된 카트리지의 사용은 스핀들 모터와 결합하여 도시할 것이다. 명백하게, 이 베어링 카트리지는 단지 실례를 목적으로 도시한 디스크 드라이브의 이와 같은 특정 디자인으로 사용하는 것으로 제한되지 않는다. 본 발명을 이루는 많은 장점들로 인하여, 회전을 위한 작동기를 지지할 수 있다. 또한, 베어링 카트리지는 디스크 드라이브 분야 이외에도 많은 다른 용도를 갖는다.
또한, 본원에 기술된 유체 베어링은 고정 샤프트 및 주변 회전 슬리브를 갖추고 있다. 또한, 이 디자인은 슬리브가 고정되고 샤프트가 회전되는 경우에 유용하다. 유체 베어링이 양쪽 단부에서 개방되어 있기 때문에, 샤프트는 슬리브를 지나 뻗어 있으며, 외측 장치 또는 시스템에 축방향으로 연결될 수 있다.
이 특정한 실례에서, 저장 시스템(10)은 저장 디스크(16)를 회전가능하게 지지하는 스핀들 모터(14)를 갖춘 하우징 베이스(12)를 구비한다. 전기자 조립체(18)는 디스크(16)의 표면을 가로질러 트랜스듀서(20)를 이동시킨다. 디스크(16)의 주변은 시일부(22) 및 커버(24)에 의해 밀봉된다. 조작시, 디스크(16)의 주변은 시일부(22) 및 커버(24)에 의해 밀봉된다. 조작시, 디스크(16)는 고속에서 회전되면서 트랜스듀서(20)는 디스크(16)의 표면에서 반경방향으로 다른 트랙 중 하나에 위치된다. 이로써 트랜스듀서(20)가 선택된 위치의 디스크(16)의 표면에자기적으로 인코딩된 정보를 판독하고 기록하도록 한다. 트랜스듀서가 디스크의 표면 위에서 부양되어 유지되도록 하기 위해, 이 디스크는 매우 고속, 수천 RPM에서 회전된다. 현재의 기술분야에서, 트랜스듀서와 회전 디스크 표면 사이의 이격 거리는 마이크론으로 측정되며, 따라서 디스크가 경사지거나 또는 흔들리지 않을 것이 필수적이다.
도 2는 이미 이 기술분야에서 달성된 타입의 단일 추력판 유체역학적 베어링 모터 디자인의 수직 단면도이다. 이 도면에 도시된 모터의 기초적 구조는 고정식 샤프트(10) 및 샤프트 주변에서 회전하도록 슬리브(13)로부터 지지된 허브(12)를 구비한다. 이 샤프트(10)는 한 단부에서는 추력판(14)을 구비하고, 대칭 단부에서는 숄더(16)에서 단부를 형성한다. 슬리브(13)는 추력판(14) 주변에서 회전하도록 한 단부에서 대향판(19)을 지지한다. 이 대향판(19) 및 추력판(14)은 충분한 갭(22)에 의해 분리되고, 이로써 유체역학적 베어링을 윤활시키는 윤활 유체가 저장조(20)로부터 갭(22)을 통해 추력판(14)의 한 단부와 슬리브(13)의 내측 표면(27) 사이에 형성된 저장조(26)를 통해, 그리고 상기 추력판(14)의 하부 표면(24)과 슬리브(13)의 상부 표면(25) 사이 및 슬리브의 내측 표면(28)과 고정 샤프트 외측 표면(29) 사이에서 순환된다. 이 유체는 주로 중앙 보어(21)를 통해 저장조로 복귀된다. 추력판(14)과 대향판(19) 사이, 추력판(14)과 슬리브(13) 사이, 그리고 샤프트(10)와 슬리브(13) 사이에 형성된 베어링 표면위로 유체의 유동을 촉진시키기 위해서, 전형적으로 이러한 조립체 각각의 2개의 대칭표면 중 하나가 이 기술분야에 주지되어 있는 홈의 영역을 보유한다.
유체는 저장조(20)로부터 모든 윤활 표면에 공급되어 베어링 표면을 지나 유동되도록 하고 보어(21)를 통해 저장조로 복귀되도록 한다. 모터 디자인을 완성시키는데 사용되는 나머지 구조는 베이스(44)의 일부에 나사식으로 고정되는 나사식 영역(31)에서 단부가 형성된 샤프트 연장부(30)를 구비한다. 고정자(42)는 슬리브(13)로부터 지지된 자성체(40)와 협응되고, 고정자 와인딩(42)에 에너지가 가해져서 고정식 샤프트 주변에서 슬리브(13)와 허브(12)가 회전하도록 한다.
디스크 드라이브 모터에서 사용되는 바와 같이, 이 시스템은 회전을 위해 하나 또는 그 이상의 디스크(44)를 지지한다. 트랜스듀서와 디스크 드라이브는 디스크의 표면 위에서 극히 낮은 높이로 부양되기 때문에, 본질적으로 회전시 허브 및 디스크가 요동 또는 진동되지 않는다. 나아가, 중요한 것은 이러한 요동이 발생하면, 이 추력판(14)의 표면과 대향판(19) 및 슬리브(13)의 대칭표면 사이에서 터치다운이 일어나지 않는다는 것이다. 그러나, 상술한 바와 같이, 추력판(14)인 하중 지지표면이 진동 또는 요동이 있을 때 임의의 피봇운동이 발생되는 중앙 지점으로부터 벗어나서 위치되는, 도 2에 도시된 바와 같은 외팔보 타입의 베어링에서, 대면되는 표면들 사이에서 터치다운 또는 접촉이 일어날 가능성은 더욱 크며, 이것은 장기적으로는 양 표면에 마모가 일어나도록 하고 동력소모를 증가시킬 뿐만 아니라 베어링 수명을 감소시키고, 그리고 단기적으로는 디스크의 회전속도의 저하를 증가시킨다.
이러한 이유로 다음 도면의 디자인이 채용되었다. 이 디자인의 하중 지지표면을 채용함에 의해, 드러스트 또는 원뿔형 베어링 타입이 전체 유체역학적 베어링시스템의 중간에 더 가깝게 위치된다. 또한, 베어링의 흔들림(rocking)이 발생할 수도 있는 피봇 지점은 베어링의 중앙에 근접하게 놓여질 수 있다. 이 때문에, 디스크의 중앙에 가능한한 근접하게 하중 지지표면을 이용시킴에 의해, 디스크의 임의의 진동 및 요동이 베어링의 단부에서 터치다운을 일으킬 가능성이 줄어든다.
이에 따라, 도 3, 4a 및 도 4b와 관련하여 기술된 본 발명은 유체역학적 베어링 상단부 및 하단부가 대기로 개방되도록 하는 개선점을 제공한다. 이에 따라, 본 발명이 결합된 고정 샤프트 모터에 있어서, 샤프트의 상부 및 하부 단부 양쪽은 하우징의 베이스 및 상단 커버에 고정될 수 있어서, 모터의 안정성 및 충격 및 진동에 대한 저항성 뿐만 아니라 나머지 시스템에 대한 정렬이 개선되어 유지되도록 한다. 물론 샤프트(100)의 양 단부가 개방되어 있는 이러한 디자인은 슬리브(102)와 샤프트(100)의 상대회전이 동등하게 가능한 어떤 설계일 수도 있다.
도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명에 사용되어질 샤프트의 구성 및 주변의 회전 슬리브와의 관계가 도시되어 있다. 본 발명에 개시된 내용과 도면을 참조한다면 본 발명의 기술분야에서의 당업자에게 있어, 전술한 바와 같이, 도 2에 도시된 카트리지내의 샤프트를 대신하여 상기의 샤프트가 카트리지에 합체되는 방법은 명확할 것이다.
도 3은 샤프트(100)와, 샤프트(100)를 둘러싼 슬리브(102)를 포함하는 유체역학적 유체 베어링의 구성을 도시하고 있는데, 샤프트와 슬리브는 서로에 대해 회전한다. 유체역학적 유체는 슬리브(102)의 내부벽과 샤프트(100)의 외부벽 사이의 갭내에 존재한다. 상기 유체는 베어링의 회전부분과 고정부분을 분리시키고, 그사이에 베어링 면을 제공한다. 임의의 유체가 갭(104)을 빠져 나가는 것을 방지하기 위해, 모세관 시일부(106,108)가 갭의 상단 및 하단에 형성된다. 이는 분기하는 벽을 이용함으로써 행해지며, 도시된 바와 같이, 슬리브의 벽(107)은 마주하는 벽(109)으로부터 분기된다. 이와 반대의 경우도 채용될 수 있다. 시일부(106)를 형성하기 위해 갭(104)의 반대 단부에서 유사한 구성이 이용될 수 있다. 사실상, 본 발명의 영역을 벗어나지 않은채 임의의 다수의 모세관 시일부가 사용될 수 있다.
샤프트의 외부면 또는 회전 슬리브의 내부면상에 형성되어질 갭내의 홈은 도면부호 1 내지 8로 지시되는 8개의 다른 섹션으로 나누어 고려한다. 일반적으로, 상단 및 하단 갭 섹션(7,8;1,2)은 샤프트(100)와 슬리브(102) 각각의 평행 축방향 벽(150,152;154,156)에 의해 형성된 저어널 베어링을 포함한다.
샤프트의 반경방향 벽(204,205)과 슬리브(102)의 대향판 벽(206,207)에 의해 형성된 드러스트 베어링(섹션 4,6)(202)은 인접한 하나의 저어널 베어링 섹션(7,8)에 통합된다. 원뿔형 베어링(섹션 3)(200)은 또다른 저어널 베어링 섹션(1,2)에 인접한 예각의 벽(208,210)에 의해 형성된다.
베어링 섹션(1 내지 8)을 따른 홈은 유체압을 발생시키고 갭 표면위로 유체를 유지하기 위해 필요한 오늬 형상(herringbone), 사인곡선 형상, 반사인(half-sins) 형상 또는 다른 형상을 취하고 있다. 섹션(1,2,3,4,6,7,8)상의 홈들은 통상적으로 균형이 잡혀 있으며, 즉, 어떤 방향으로도 순수 유체 흐름을 발생하지 않도록 형성되어 있다. 전술한 바와 같이, 대부분의 경우, 특히 저장조로 주로 사용될때 보어(104)의 짧은 축방향 섹션(5)상에 반드시 홈을 사용할 필요는 없다는 것이 발견되었다.
도 3의 유체역학적 유체 베어링 시스템의 방향은 하중을 나르는 부재를 결정하기 때문에 중요하다. 예를 들어, 도시된 도 3에서는 추력판(6)이 주요 하중 베어링 표면이다. 나머지의 섹션은 균형을 유지하고 시스템의 총괄적인 강성 및 감쇠를 유지하기 위해 특히 유용하다.
요약하면, 원뿔형 베어링(200)과 드러스트 베어링(202)의 결합물에서, 드러스트 베어링(202)은 홈 패턴(6)과 샤프트의 반경방향 표면(204) 및 슬리브의 보조적인 반경방향 표면(206)에 의해 형성된 갭에 의해 이루어지고, 샤프트 표면(208)과 보조적인 슬리브 표면(210)에 의해 형성되는 원뿔형 베어링(200)과 더불어, 시스템내의 경사 또는 흔들림없이 다수의 회전용 디스크를 지지하기 위해 필요한 강성 및 강도를 제공한다.
이러한 시스템은 도 5에 도시되어진 것과 같이 원뿔형 베어링(200)이 드러스트 베어링(202) 위에 있도록 샤프트와 슬리브가 역전되어 있더라도 균등하게 작동한다. 이러한 경우, 주요 하중 베어링 표면은 도면부호 3으로 표시된 원뿔형 베어링(200)이 된다. 그러나, 전체적인 시스템의 설계에 대하여 동일한 사항이 적용된다.
시스템의 저어널 베어링의 일부 관련 치수에 특별한 주의가 요구된다. 즉, 상부 저어널 베어링을 형성하는 고정 샤프트의 상부 섹션(220)의 너비(D0)는 하부 저어널 베어링을 형성하는 샤프트 섹션(222)의 너비(D1) 보다 더 클 수 있다. 이는 하부 저어널 베어링을 형성하는 갭(226)의 너비와 관련하여, 상부 저어널을 형성하는 상부 갭(224)내에 보다 큰 공차를 허용한다. 드러스트 베어링(202)으로부터 샤프트의 단부에 이르는 상부 저어널 베어링(7,8)의 길이(L0)는 원뿔형 베어링(200)의 단부로부터 샤프트의 단부에까지 연장되는 하부 저어널 베어링(1,2)의 길이(L1) 보다 더 짧다는 것도 유의해야 한다.
본 발명의 또다른 중요한 특성은 서로 인접한 베어링 부재를 효과적으로 분리하는 구성이며, 이는 압력 불균형 효과를 최소화하고 베어링의 한 단부 밖으로 유체가 밀려나갈 우려를 감소시킨다. 따라서, 횡방향 보어(114,115,116,117,118)가 중앙 통풍공(110)으로부터 각각의 주요 베어링 섹션(1 내지 8) 사이의 접합점까지 제공된다. 바람직하게는 중앙 통풍공(110)은 샤프트의 한 단부 또는 다른 단부까지 뻗는다. 더욱이, 슬리브(102)와 샤프트(100)의 벽은 각각의 베어링의 한 면상에서 근소하게 갈라진다. 도 3에 도시되어진 효과는, 베어링 유체가 하나의 베어링 섹션으로부터 다음 섹션으로 흐르지 않도록 방지하고 인접한 베어링 섹션을 효과적으로 분리시키기 위하여, 통상적으로 인접한 베어링 섹션 사이의 접합점에서, 측면 보어 중 하나와 갭(104) 사이의 각각의 접합점의 한 면상에 모세관 시일부의 메니스커스를 형성하는 것이다. 이러한 시도는 베어링의 한 단부로부터 유체 손실의 가능성을 감소시킨다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 베어링의 다른 조립 방법을 도시하는 부분 단면도이다. 이들 각각의 조립 방법은 샤프트 세그먼트(222)에 의해 형성되는 길고 좁은 저어널 베어링(1,2) 보다 작은 임계적인 갭의 폭을 갖는 샤프트세그먼트(220)에 의해 형성되는 랍고 큰 반경 저어널 베어링(7,8)을 합체시키는 설계에 있어 특히 유용하다. 이 실시예에서 상단부가 짧고 넓은 저어널 베어링이라고 가정한다면, 슬리브(102)는 적절하게 고정되고 그 내부에 기다란 저어널 베어링이 삽입된다. 이러한 방법에서, 슬리브(102)는 원뿔형 베어링의 갭의 일측면을 형성하도록 테이퍼진 벽(210)을 가짐과 아울러 계단부(410)에서 종료하는 축방향 연장벽(400)에서 종료한다. 보조 노치(412)가 상부 저어널 베어링(220)의 외벽(418)과 슬리브(102)의 측벽(416) 사이에 있는 갭을 채우는 블록(414)내에 제공된다. 보조 계단부(410) 및 노치(412)가 블록(414)의 위치를 한정하게 되기 때문에, 갭(210,422)은 적당한 정밀도로 설정된다.
대안적으로, 슬리브(210)의 원뿔형 측벽은 비교적 짧은 수직벽(440)에서 종료할 수도 있는데, 그 다음에, 수직벽(440)은 기울어진 벽부(442)로 점점 가늘어진다. 드러스트 베어링(202) 상부의 공간을 채우고 저어널 베어링을 위한 보조 벽을 제공하는 충전 블록(444)이 제위치로 가압되고, 충전 블록은 슬리브의 내측 기울어진 벽(442)에 대해 고정되게 만드는 외측 기울어진 벽(446)을 갖는다. 이들 기울어진 보조 벽을 제공함으로써, 충전 블록이 제위치에 정확하게 놓여질 수 있어, 상부 저어널 베어링 및 원뿔형 베어링 각각을 위한 갭(424,210), 드러스트 베어링(202)을 위한 갭(422)의 폭을 설정한다.
당업자는 본 명세서를 통해 본 발명의 이외의 특징과 이점들을 명백하게 알 수 있을 것이다. 본 발명이 원뿔형 베어링 및 드러스트 베어링 양자의 많은 이점들을 효과적으로 결합함을 이미 개시되었다. 주변 슬리브와의 유체역학적 베어링의 상호작용은 종래의 기술보다 더 넓은 영역에 걸쳐 연장되어, 증가된 베어링 강성과 안정성을 제공한다. 더욱이, 슬리브의 질량 중심이 하중 베어링 표면에 가깝게 위치할수록 회전 시스템은 보다 안정적이 된다. 외팔보 베어링에 있어서, 질량 중심은 일반적으로 베어링의 표면인 추력판(6)의 상단면으로부터 멀리 이격되어 놓인다. 이 특별한 설계에서, 베어링 방위에 의존하는 원뿔형 표면 또는 원뿔형 베어링의 상단중의 하나인 하중 베어링면은 슬리브의 질량 중심에 가깝게 놓인다. 이것은 시스템을 보다 안정적으로 만든다. 또한, 원뿔형 베어링의 예각의 표면은 조립을 용이하게 하고 부드러운 작동을 조장하며 상이한 열적 뒤틀림을 감소시킨다. 특히, 이러한 설계가 드러스트 베어링과 원뿔형 베어링 조합의 어느쪽 측면상에 저어널 베어링을 형성하는 샤프트의 연장부(220,222)를 제공하기 때문에, 유체역학적 베어링상의 힘은 원추부가 협력부내에서 회전할 수 있게 한다. 이러한 설계는 주변 슬리브 또는 구동 샤프트의 작은 경사가 추력판과 주변 슬리브간의 정점 접촉을 야기할 수 있으며, 또는 추력판을 비교적 멀리 이동시킬 수 있는 종래 기술/추력판 설계보다 손상을 덜 입게 됨은 명백하다.
이러한 많은 잇점들은 도 6을 참조하면 더 잘 이해될 수 있다. 도 6에 있어서, 저항기(R1-R9)는 상이한 베어링 섹션에 의해 발생한 움직임 또는 강성에 대한 저항을 나타낸다. 반경방향 강성 및 감쇠는 상부 저어널(7,8), 원뿔형 베어링(3) 및 하부 저어널(1,2)에 의해 제공된다. 그러므로, 이러한 설계는 안정성을 강화시킨다. 흔들림(rocking) 강성은 저어널 섹션(1,2 및 7,8)이 멀리 떨어짐으로써 증가한다. 이것은 베어링 성능을 향상시킨다. 회전 중심 또는 중력 중심이 어디냐에 따라, 상부 및 하부 저어널의 직경(D0,D1)은 강화된 베어링 성능을 위한 최대 흔들림 강성을 얻도록 조절될 수 있다. 추력판(4,6)과 원뿔형 베어링(3)내의 선행적하(preloading)는 안정성을 향상시킨다. 추력판(6)과 원뿔형 베어링(3)내의 갭은 저어널 기본 공차 및 이들이 감소된 성능을 보상하기 위하여 용이하게 제어될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 실시예는 고정 샤프트 설계이지만, 회전 샤프트/고정 슬리브 조합으로 구성될 수도 있다.
당업자는 본 명세서를 통해 본 발명의 이외의 특징과 이점들을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (10)

  1. 자기 디스크 저장 시스템에 있어서,
    베이스와,
    회전축선을 갖는 회전가능한 자기 저장 디스크와,
    디스크상에 정보를 기록 및 판독하기 위한 변환 헤드와,
    상기 베이스에 부착된 커버와, 그리고
    상기 디스크에 부착된 회전 슬리브와 협동하는 제 1 및 제 2 단부들을 갖는 고정 샤프트를 구비하는 유체역학적 유체 베어링 시스템을 포함하여 이루어지며,
    상기 디스크는 상기 샤프트의 중심축과 일치하는 회전축상의 고정 샤프트에 대해 회전하고,
    상기 회전 슬리브는 상기 고정 샤프트와 협동하여 상기 제 1 단부로부터 상기 제 2 단부를 향한 순서로, 제 1 저어널 베어링, 상기 제 1 저어널 베어링에 인접한 제 1 원뿔형 베어링, 제 1 드러스트 베어링, 및 상기 제 1 드러스트 베어링에 인접한 제 2 저어널 베어링을 형성하고,
    상기 슬리브 및 고정 샤프트는 각각의 상기 베어링들을 윤활하기 위해 유체를 보유하는 갭을 형성하도록 협동하며,
    상기 갭은 상기 베어링을 둘러싼 대기에 대해 양단부가 개방되고 상기 갭내의 윤활유체가 상기 샤프트와 상기 슬리브를 분리시키는 자기 디스크 저장 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 원뿔형 베어링은 상기 슬리브의 오목면과 협동하는 상기 샤프트의 볼록면에 의해서 형성되는 자기 디스크 저장 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 저어널 베어링 각각은 상기 고정 샤프트와 상기 상대적으로 회전하는 슬리브 사이에 갭을 포함하며, 상기 원뿔형 베어링과 상기 드러스트 베어링으로부터의 말단인 상기 갭의 단부 각각은 상기 갭으로부터 상기 윤활유체의 손실을 방지하기 위한 제 1 및 제 2 모세관 시일부에서 종결되는 자기 디스크 저장 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 저어널 베어링에 포함된 상기 샤프트는 제 1 저어널 베어링에 포함된 샤프트보다 큰 직경을 가지며, 상기 제 1 저어널 베어링은 상기 원뿔형 베어링의 좁은 단부에 바로 인접하게 위치하며, 이로써 상기 유체역학적 유체 베어링 시스템의 안정성이 향상되는 자기 디스크 저장 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 샤프트내에 중앙 축방향 구멍을 포함하고 상기 각각의 제 1 저어널 베어링, 상기 제 1 원뿔형 베어링, 상기 제 1 드러스트 베어링 및 상기 제 2 저어널 베어링 사이의 접합부로 연장되는 반경방향의 통풍공들을 포함하여, 상기 베어링 각각을 효과적으로 분리하는 상기 접합부 각각의 어느 한쪽 측면상에 메니스커스가 형성되어 있는 자기 디스크 저장 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 갭내의 유체는 액체 또는 가스 중 어느 하나를 포함하여 이루어지거나, 상기 갭을 따라서 있는 모든 상기 베어링내에서 액체 또는 가스 중 어느 하나만을 포함하여 이루어지는 자기 디스크 저장 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 원뿔형 베어링의 보다 넓은 단부는 상기 커버에 보다 가깝고, 상기 원뿔형 베어링의 보다 좁은 단부는, 상기 축방향 구멍으로부터 상기 유체역학적 베어링 갭을 따라서 형성된 인접한 각각의 베어링 사이의 접합부까지 반경방향으로 연장되는 상기 베이스에 보다 가깝게 위치한 자기 디스크 저장 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 접합부 각각에서 상기 샤프트와 상기 슬리브의 벽이 상대적으로 분기되므로, 인접 베어링을 분리시키고 개개의 베어링 내측에 윤활유를 유지하도록 상기 접합부 각각의 어느 한쪽 측면상에 모세관 시일부가 형성되어 있는 자기 디스크 저장 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 샤프트의 벽은 상기 유체역학적 베어링의 갭을 따라 축방향으로 연장되고, 상기 슬리브 벽은 상기 모세관 시일부의 형성을 촉진하도록 상기 접합부의 각각에 반경방향으로 분기하는 자기 디스크 저장 시스템.
  10. 유체역학적 유체 베어링 시스템으로서,
    디스크에 부착된 회전 슬리브와 협동하는 제 1 및 제 2 단부들을 갖는 고정 샤프트를 구비하고,
    상기 디스크는 상기 샤프트의 중심축과 일치하는 회전축상의 고정 샤프트에 대해 회전되며,
    상기 회전 슬리브는 상기 고정 샤프트와 협동하여 상기 제 1 단부로부터 상기 제 2 단부를 향한 순서로, 제 1 저어널 베어링, 상기 제 1 저어널 베어링에 인접한 제 1 원뿔형 베어링, 제 1 드러스트 베어링, 및 상기 제 1 드러스트 베어링에 인접한 제 2 저어널 베어링을 형성하고,
    상기 슬리브 및 상기 고정 샤프트는 각각의 상기 베어링들을 윤활하기 위해 유체를 보유하는 갭을 형성하도록 협동하며,
    상기 갭은 상기 베어링을 둘러싼 대기에 대해 양단부가 개방되고 상기 갭내의 윤활유체가 상기 샤프트와 상기 슬리브를 분리시키는 유체역학적 유체 베어링 시스템.
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