KR100364406B1 - 스핀들 모터의 유체동압베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터의 구동시 공기의 원활한 배출에 의해 오일 비산이 방지되게 하므로서 베어링 강성이 안정적으로 유지되도록 하는 동시에 가공이 용이한 스핀들 모터의 유체동압베어링에 관한 것으로서, 이를 위해 본 발명은 샤프트의 외경면 상부와 하부에 형성되는 동압 발생 그루브의 사이에 위치되는 고정부재인 샤프트의 외경면 또는 슬리이브의 내경면에 일정량의 오일을 보유하게 되는 공간인 챔버가 형성되도록 하고, 이 챔버측 고정부재에는 공기를 배출시키는 밴트홀과 함께 챔버내에서 쐐기효과에 의해 오일과 공기가 분리되도록 하는 오일유도 그루브가 동시에 형성되게 하므로서 베어링내에서 유동하는 오일과 공기입자가 위치하는 영역이 서로 구분되게 하므로서 공기의 열팽창에 의한 베어링내의 지나친 압력상승을 방지하면서 오일 비산에 의한 불필요한 소모를 억제하고, 베어링 간극으로의 안정된 윤활에 의해 베어링 강성이 증강될 수 있도록 하는 것이 특징이다.

Description

스핀들 모터의 유체동압베어링{A hydrodynamic bearing of the spindle motor}
본 발명은 모터의 구동시 공기의 원활한 배출에 의해 오일 비산이 방지되게 하므로서 베어링 강성이 안정적으로 유지되도록 하는 동시에 가공이 용이한 스핀들모터의 유체동압베어링(A hydrodynamic bearing of the spindle motor)에 관한 것이다.
일반적으로 컴퓨터의 하드 디스크 드라이브와 같은 고용량 및 고속화가 요구되는 기기에서는 저소음과 저NRRO(NON-REPEATABLE RUNOUT)를 달성시키기 위하여 볼베어링보다는 구동마찰이 적은 유체동압베어링이 적용되는 스핀들 모터를 사용하고 있다.
스핀들 모터에서의 유체동압베어링은 통상 저널(journal)의 외경면이나 스러스트 플레이트(thrust plate)의 상하면에 각각 헤링본(herringbone) 또는 스파이럴(spiral)형상의 동압(hydrodynamic pressure)발생 그루브(groove)가 형성되도록 하고, 저널과 슬리이브(sleeve) 또는 스러스트 플레이트와 슬리이브간으로 미세하게 형성되는 베어링 간극(clearance)으로 오일이 충진되게 하므로서 베어링 간극에서의 동압발생으로 마찰부재간 서로 비접촉상태가 되도록 하여 마찰부하가 저감되도록 하는 구성이다.
한편 베어링 간극에 공급되는 오일내에는 다량의 공기입자(air bubble)가 존재하게 되는데 이들 공기입자는 구동초기에 베어링 간극에서 발생되는 마찰열에 의해 온도가 상승되면서 열팽창하게 되고, 이렇게 팽창되는 공기가 오일을 베어링 간극에서 밀어내게 되므로 오일이 외부로 누유되는 문제가 있다.
따라서 현재 반경방향의 하중을 지지하기 위한 저널베어링(journal bearing) 또는 축방향의 하중을 지지하기 위한 스러스트베어링(thrust bearing) 및 이들 베어링이 동시에 적용되도록 한 스핀들모터에서는 도 1에서 보는바와 같이 대개 상하동압발생 그루브간 저널(1)의 외경면과 이에 대향하는 슬리이브(2)의 내경면간 베어링 간극(3) 또는 스러스트 플레이트(4)의 외경면과 슬리이브(2)간 간극(3)으로 다량의 공기입자들이 모여지도록 하면서 이들 공기를 저널(1) 또는 스러스트 플레이트(4)에 형성한 밴트 홀(5)을 통해서 배출되도록 하고 있다.
다시말해 밴트 홀(5)은 회전하는 부재에 대해서 고정되어 있는 부재에 형성되도록 하여 베어링 간극(3)로부터 모여지게 되는 공기가 외부로 원활하게 배출되게 하므로서 오일의 누유가 방지되도록 하는 것이다.
하지만 이와같은 구성에서 모터의 구동시 베어링 간극(3)에는 순수한 공기만이 유도되는 것이 아니고 오일도 함께 유도되면서 밴트 홀(5)을 통해 공기와 함께 오일이 동시에 유출되기도 하는 문제가 있다.
이와같이 공기와 함께 오일이 외부로 유출되면 모터의 내부가 심하게 오염될 뿐만 아니라 베어링내에서의 오일부족이 유발되면서 마찰부재간 마모가 촉진되어 사용수명이 단축되는 문제가 있다.
따라서 최근에는 특히 베어링 간극(3)에서의 공기 유출과 오일의 원활한 재공급을 실현시키기 위하여 도 2에서와 같이 저널(1)의 동압발생 그루브(1a)간 외경면과 대향하는 슬리이브(2)의 내경면으로 저널(1)의 축방향 중심에 대해서 일측으로 편심되도록 하여 챔버(6)가 형성되도록 한 구성이 제안되기도 하였다.
즉 저널(1)과 슬리이브(2)는 동심원을 갖도록 결합되며, 이때 저널(1)의 외경면과 슬리이브(2)의 내경면간에는 미세한 간격으로 베어링 간극(3)이 형성된다.
그리고 저널(1)의 외경면에는 상하부로 헤링본 또는 스파이럴 형상의 동압발생 그루브(1a)가 형성되도록 하여 이 그루브(1a)에서 발생되는 동압에 의해서 반경방향의 하중을 지지하게 되며, 이 상하부 그루브(1a)의 사이 외경면과 대향하는 슬리이브(2)의 내경면에는 저널(1)에 대해서 축방향으로 편심되게 하여 베어링 간극(3)으로 공급되거나 회수되는 오일이 보유되는 챔버(6)가 형성되도록 한 것이다.
따라서 챔버(6)는 저널(1)의 외경면에 대해서 일측으로는 간극이 작고, 그와 대응되는 타측으로는 간극이 크게 형성되는 공간을 이루게 되며, 이렇게 간극이 크게 형성된 공간측 슬리이브(2)의 내경면에는 밴트 홀(5)이 형성되도록 하였다.
이와같은 구성은 도 3에 도시한 바와같이 모터 구동에 의해서 저널(1)이 회전하게 될 때 동압발생 그루브(1a)가 형성되어 있는 베어링 간극(3)에서의 동압에 의해 반경방향의 하중을 지지하게 되는 동시에 베어링 간극(3)으로부터 유도되는 오일은 쐐기효과(wedge effect)에 의해 챔버(6)의 주로 간극이 좁은 공간으로 모이게 되고, 베어링 간극(3)에서 발생되는 공기는 챔버(6)의 간극이 넓은 공간으로 모여지게 되면서 오일은 다시 베어링 간극(3)으로 재공급되고, 공기는 슬리이브(2)의 내경면에 형성시킨 밴트 홀(5)을 통해 외부로 배출될 수 있도록 하였다.
하지만 이와같은 구성은 저널(1)이 회전하는 구조에서만 적용이 가능할 뿐만 아니라 슬리이브(2)의 내부에 챔버(6)를 편심되게 형성하기가 대단히 어려운 가공문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 시정 보완하기 위한 것으로서, 본 발명은 샤프트또는 슬리이브에 형성되는 오일 보유용 챔버를 샤프트와 동심원을 이루는 구성으로 형성되게 하므로서 보다 손쉬운 가공이 될 수 있도록 하는데 주된 목적이 있다.
또한 본 발명은 밴트 홀이 구비되는 고정부재에 오일유도 그루브가 축방향으로 형성되게 하므로서 베어링 간극으로부터 유도되는 오일과 공기가 용이하게 분리되게 하므로서 오일의 불필요한 소모가 방지되도록 하는데 다른 목적이 있다.
특히 본 발명은 베어링 간극으로의 원활한 오일 공급으로 안정된 구동성이 유지될 수 있도록 하는데 또다른 목적이 있다.
도 1 은 저널베어링과 스러스트베어링이 동시에 적용되는 종래 유체동압베어링의 일례를 도시한 측단면도,
도 2 는 종래 다른 실시예를 도시한 유체동압베어링의 측단면도,
도 3 은 도 2의 A-A선 단면도,
도 4 는 본 발명에 따른 제1실시예를 도시한 측단면도,
도 5 및 도 6 은 본 발명의 제1실시예에 따른 평단면 요부 확대도,
도 7 내지 도 9 는 본 발명의 제1실시예에 따른 오일유도 그루브의 실시예를 도시한 일부 단면 사시도,
도 10 및 도 11 은 본 발명에 의한 오일과 공기의 분포를 도시한 평단면도,
도 12 는 본 발명의 제1실시예에 따른 챔버에서의 오일 분포도,
도 13 은 본 발명에 따른 제2실시예를 도시한 측단면도,
도 14 및 도 15 는 본 발명의 제2실시예에 따른 챔버에서의 오일 분포를 도시한 평단면 요부 확대도,
도 16 내지 도 19 는 본 발명의 제2실시예에서 오일유도 그루브의 다양한 형상을 도시한 일부 단면 사시도,
도 20 은 본 발명에 따른 제3실시예를 도시한 측단면도,
도 21 및 도 22 는 본 발명의 제3실시예에 따른 오일 분포를 도시한 평단면 요부 확대도,
도 23 은 본 발명에 따른 제4실시예를 도시한 측단면도,
도 24 및 도 25 는 본 발명의 제4실시예에 따른 오일 분포를 도시한 평단면 요부 확대도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 10a, 10b, 10c : 샤프트
20, 20a, 20b, 20c : 슬리이브
30, 30a, 30b, 30c : 베어링 간극
40, 40a, 40b, 40c : 챔버
50, 50a, 50b, 50c : 밴트 홀
60, 60a, 60b, 60c : 오일유도 그루브
70b, 70c : 스러스트 플레이트
80b, 80c : 부시
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 샤프트의 외경면 상부와 하부에 형성되는 동압 발생 그루브의 사이에 위치되는 고정부재인 샤프트의 외경면 또는 슬리이브의 내경면에 일정량의 오일을 보유하게 되는 공간인 챔버가 형성되도록 하고, 이 챔버측 고정부재에는 공기를 배출시키는 밴트홀과 함께 챔버내에서 쐐기효과에 의해 오일과 공기가 분리되도록 하는 오일유도 그루브가 형성되도록 하는데 가장 두드러진 특징이 있다.
즉 회전부재에 대해서 미세하게 베어링 간극을 갖는 고정부재의 주면을 균일한 두께로서 요입되게 하여 베어링 간극에 비해 보다 수평단면적이 확장되도록 한오일 보유 공간인 챔버가 형성되도록 하고, 이 챔버측 고정부재의 균일하게 요입시킨 주면에는 공기를 외부로 배출시키기 위한 통로인 밴트 홀이 형성되도록 하면서 주면 일부가 챔버의 높이만큼 요입되게 하여 오일유도 그루브를 형성되도록 한 구성이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 전술한 바와같이 하드 디스크 드라이버등에 적용되는 스핀들 모터의 유체동압베어링에 대한 것으로서, 특히 샤프트가 회전하는 타입과 샤프트가 고정되어 있는 타입에 모두 적용 가능한 구성이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1실시예를 도시한 것으로서, 본 실시예에서는 축의 반경방향에서의 하중을 지지하는 저널베어링만으로 이루어지는 구조에서 샤프트가 회전하는 타입의 베어링을 개선한 구조이다.
즉 도면부호 10은 샤프트이며, 이 샤프트(10)에는 외경면의 상부와 하부에 각각 동압발생 그루브(11)를 형성시킨 회전부재이다.
샤프트(10)의 외측으로 구비되는 슬리이브(20)는 원통형의 베어링홀더(90) 내경부에 억지끼워져 일체로 결합되는 원통형의 고정부재이며, 내경부에는 샤프트(10)가 회전 가능하게 삽입되고, 삽입된 샤프트(10)의 외경면과의 사이에는 미세하게 베어링 간극(30)을 형성한다.
또한 샤프트(10)의 상부와 하부에 형성되는 동압발생 그루브(11)사이에 위치되는 슬리이브(20)의 주면에는 샤프트(10)와 동심원을 이루도록 내경면을 균일한 두께로 요입시켜 슬리이브(20)의 내경부보다 수평단면적이 큰 공간인 챔버(40)가 형성되도록 한다.
즉 챔버(40)는 슬리이브(20)의 내경면 일부를 균일하게 요입시켜 샤프트(10)와의 간극이 균등하게 확장되도록 한 공간으로서, 이 챔버(40)에는 소정량의 오일이 유지되면서 내부 압력의 상승시 상하부 샤프트(10)와 슬리이브(20)간 베어링 간극(30)으로 오일을 공급하게 된다.
그리고 슬리이브(20)의 내부에는 일단이 챔버(40)에 연통되고, 타단은 외부와 연통되는 밴트 홀(50)이 형성되도록 하여 챔버(40)내로 유입되는 공기가 외부로 원활하게 배출될 수 있도록 한다.
이상과 같은 구성은 종전의 유체동압베어링의 구성과 대동소이한바 다만 본 실시예에서는 전기한 바와같이 챔버(40)를 샤프트(10)와 동심원을 이루는 구조로 형성되도록 하면서 특히 챔버(40)내에 위치하게 되는 슬리이브(20)의 주면에는 내경면의 일부가 외측으로 요입되게 하여 오일유도 그루브(60)가 형성되도록 하는것이 가장 두드러진 특징이 있다.
이때의 오일유도 그루브(60)는 도 5에서와 같이 밴트 홀(50)이 형성되는 면과 대응되는 면에 형성되게 할 수도 있고, 도 6에서와 같이 밴트 홀(50)의 선단이 형성되는 슬리이브(20)의 내경면을 요입시켜 형성되게 할 수도 있다.
또한 오일유도 그루브(60)는 도 7내지 도 9에 도시한 바와같이 "Ｕ"자형 또는 "Ｖ"자형 또는 사각과 같은 다양한 형상으로도 형성이 가능하다.
전기한 실시예에 따른 작용에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
모터의 스테이터 코어와 마그네트간 상호 작용에 의해서 전자기력이 발생하게 되면 로터 허브(100)가 회전하게 되고, 동시에 로터 허브(100)와 일체로 결합된 샤프트(10)도 회전하게 된다.
샤프트(10)의 회전시 샤프트(10)의 상,하부 외주면으로 형성되어 있는 동압발생 그루브(11)의 샤프트(10)와 슬리이브(20)간 베어링 간극(30)에서는 강력한 동압력이 발생하게 되면서 동압발생 그루브(11)간 챔버(40)에 채워져 있던 오일을 샤프트(10)와 슬리이브(20)간 베어링 간극(30)으로 공급하게 되고, 이를 다시 동압발생 그루브(11)의 중심부로 유도하게 되며, 이렇게 유도되는 오일은 일정 이상으로 상승되는 압력에 의해 일부가 다시 챔버(40)로 순환유동하게 된다.
이때 챔버(40)에서는 슬리이브(20)의 내경면에 형성되는 오일유도 그루브(60)의 형성 위치에 따라 도 10과 도 11에서와 같이 오일(A)은 일측으로 모여지게 되는데 이는 종전에 챔버를 샤프트에 대해서 편심되게 형성시키므로서 챔버내의 압력차에 의해 오일과 공기입자가 위치하는 영역이 구분되는 쐐기효과 즉 대기압을 0이라 할 때 챔버내의 압력이 0 이하인 곳에는 공기가 모이게 되고, 0 이상인 곳에는 오일이 모여지게 되는 현상과 동일한 효과에 의해 가능해진다.
이를 구체적으로 설명하면 챔버(40)내에서 오일유도 그루브(60)의 전후 부분에는 대기압보다 높은 압력상태를 나타내게 되면서 오일이 채워지게 되며, 그 부분을 제외한 부분에서는 낮은 압력상태에서 공기입자로서 채워지게 되는데 이는 도 12에서와 같이 챔버(40)에서의 압력 분포에 따른 오일의 분포상태를 보인 실험결과에 의해서도 명백하게 증명된다.
한편 챔버(40)에 채워지는 공기입자는 밴트 홀(50)의 일단이 형성되어 있는 부분에 위치하게 되므로 이들 공기입자는 밴트 홀(50)을 통해서 원활하게 외부로 배출시켜 제거할 수가 있다.
이렇게 챔버(40)의 샤프트(10)와 슬리이브(20)의 주면간 간극이 좁아지는 부위에서 압력이 높아지게 되어 채워지게 되는 오일은 다시 상,하부의 샤프트(10)와 슬리이브(20)간 베어링 간극(30)으로 재공급된다.
그리고 챔버(40)에 모여지는 공기입자는 밴트 홀(50)을 통해 외부로 배출되게 하므로서 베어링 간극(30)내 지나친 압력상승이 억제되도록 하여 오일의 비산이 방지되도록 한다.
특히 종전에는 쐐기효과의 달성을 위해 챔버(40)를 슬리이브(20)의 내경에 대해 일측으로 편심되게 형성시키게 되므로 챔버(40)를 가공하기가 매우 난해하였으나 본 실시예에서는 챔버(40)를 슬리이브(20)의 내경과 동일 중심선상에 형성되게 하고, 슬리이브(20)의 내경면에는 간단히 오일유도 그루브(60)를 형성하게 되므로 가공이 매우 용이해지면서 베어링을 제작하는데 소요되는 공정 및 시간의 단축이 기대된다.
도 13는 본 발명에 따른 제2실시예를 도시한 것으로서, 본 실시예에서의 베어링은 제1실시예와 같이 축의 반경방향의 하중을 지지하는 저널베어링만이 적용되는 구조에서 샤프트가 고정되는 타입을 개선한 구조이다.
도면부호 10a는 샤프트이며, 이 샤프트(10a)에는 외경면의 상부와 하부에 각각 동압발생 그루브(11a)가 형성되도록 한 고정부재이다.
그리고 슬리이브(20a)는 로터 허브(100a)의 내경면에 억지끼워져 로터 허브(100a)와 함께 회동 가능하게 결합되며, 내경부에는 샤프트(10a)가 삽입되면서 삽입되는 샤프트(10a)의 외경면과의 사이에는 미세하게 베어링 간극(30a)이 형성되도록 하는 원통형의 회전부재이다.
또한 샤프트(10a)의 상부와 하부에 형성되는 동압발생 그루브(11a) 사이의 외경면은 샤프트(10a)와 동심원을 이루면서 균일한 두께로 요입되게 하여 샤프트(10a)와 슬리이브(20a)간 수평단면적이 보다 확장되는 공간인 챔버(40a)가 형성되도록 한다.
즉 챔버(40a)는 샤프트(10a)의 내경면 일부를 균일하게 요입시켜 슬리이브(20a)와의 간극이 더욱 확장되도록 한 공간으로서, 이 챔버(40a)에는 소정량의 오일이 유지되면서 상하부 샤프트(10a)와 슬리이브(20a)간 베어링 간극(30a)으로 오일을 공급하게 된다.
그리고 샤프트(10a)의 내부에는 일단이 챔버(40a)에 연통되고, 타단은 외부와 연통되는 밴트 홀(50a)이 형성되도록 하여 챔버(40a)내로 유입되는 공기가 외부로 원활하게 배출될 수 있도록 한다.
이상과 같은 구성은 종전의 유체동압베어링의 구성과 대동소이한바 다만 본 실시예에서는 전기한 바와같이 챔버(40a)를 샤프트(10a) 및 슬리이브(20a)와 동심원을 이루는 구조로 형성되도록 하면서 특히 챔버(40a)내에 위치하게 되는 샤프트(10a)의 주면에는 외경면의 일부가 외측으로 요입되게 하여 오일유도 그루브(60a)가 형성되도록 하는것이 가장 두드러진 특징이다.
이때의 오일유도 그루브(60a)는 도 14와 도 15에서와 같이 밴트 홀(50a)이 형성되는 면과 대응되는 면에 형성되게 할 수도 있고, 밴트 홀(50a)의 선단이 형성되는 샤프트(10a)의 내경면을 요입시켜 형성되게 할 수도 있다.
또한 오일유도 그루브(60a)는 도 16내지 19에 도시한 바와같이 "Ｕ"자형 또는 "Ｖ"자형 또는 사각형 또는 외경면을 축방향에 수직이 되게 절개한 형상과 같은 다양한 형상으로도 형성이 가능하다.
전기한 실시예에 따른 작용에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
모터의 스테이터 코어와 마그네트간 상호 작용에 의해 전자기력이 발생되면 로터 허브(100a)가 회전하면서 로터 허브(100a)에 일체로 결합되어 있는 슬리이브(20a)를 동시에 회전시키게 된다.
슬리이브(20a)의 회전시 샤프트(10a)의 상,하부 외주면으로 형성되어 있는 동압발생 그루브(11a)에서는 강력한 동압력이 발생하게 되면서 동압발생 그루브(11a)간 챔버(40a)에 채워져 있던 오일을 샤프트(10a)와 슬리이브(20a)간 베어링 간극(30a)으로 유도하고, 이를 다시 동압발생 그루브(11a)의 중심부로 유도되게 하며, 이렇게 유도되는 오일은 일부가 다시 챔버(40a)로 순환유동하도록 한다.
이때 챔버(40a)에서는 샤프트(10a)의 내경면에 형성되는 오일유도 그루브(60a)의 형성 위치에 따라 도 14과 도 15에서와 같이 오일(A)은 오일유도 그루브(60a)의 양측으로 모여지게 되는데 이는 종전에 챔버를 샤프트에 대해서 편심되게 형성시키므로서 챔버내의 압력차에 의해 오일과 공기입자가 위치하는 영역이 구분되는 쐐기효과와 동일한 효과에 의해서 가능해진다.
이를 구체적으로 설명하면 챔버(40a)내에서 오일유도 그루브(60a)의 전후 부분에는 대기압보다 높은 압력상태를 나타내게 되면서 오일이 채워지게 되며, 그 부분을 제외한 부분에서는 낮은 압력상태에서 공기입자로 채워지게 되는데 이는 도 12에서와 같은 챔버(40a)에서의 압력 분포에 따른 오일의 분포상태를 보인 실험결과에 의해서도 명백하게 증명된다.
한편 챔버(40a)에 채워지는 공기입자는 밴트 홀(50a)의 일단이 형성되어 있는 부분에 위치하게 되므로 이들 공기입자는 밴트 홀(50a)을 통해서 원활하게 외부로 배출되면서 제거된다.
이렇게 챔버(40a)의 샤프트(10a)와 슬리이브(20a)의 주면간 간극이 좁아지는 부위에서 압력이 높아지게 되어 채워지게 되는 오일은 다시 상,하부의 샤프트(10a)와 슬리이브(20a)간 베어링 간극(30a)으로 재공급된다.
그리고 챔버(40a)에 모여지는 공기입자는 밴트 홀(50a)을 통해 외부로 배출되므로서 베어링 간극(30a)내의 지나친 압력상승을 억제하게 되고, 이로서 오일의 비산을 방지하게 된다.
특히 본실시예에서의 챔버(40a)는 샤프트(10a) 및 슬리이브(20a)와 동심원으로 이루어지는 구성으로 형성하게 되므로서 가공이 매우 용이할 뿐만 아니라 베어링을 제작하는데 소요되는 공정 및 시간을 단축시킬 수가 있도록 한다.
도 20은 본 발명에 따른 제3실시예를 도시한 것으로서, 본 실시예에서의 베어링은 축의 반경방향으로의 하중을 지지하는 저널베어링과 축방향의 하중을 지지하는 스러스트베어링이 동시에 구비되는 구성에서 샤프트가 회전하는 타입을 개선한 구조이다.
샤프트(10b)는 외경면의 상부와 하부에 각각 동압발생 그루브(11b)가 형성되도록 한 회전부재이며, 슬리이브(20b)는 원통형의 베어링홀더(20b) 내경부에 억지끼워지는 원통형의 고정부재로서, 내경부에는 샤프트(10b)가 회전 가능하게 삽입되고, 삽입된 샤프트(10b)의 외경면과의 사이에는 미세하게 베어링 간극(30b)이 형성되도록 하는 구성은 제1실시예의 구조와 동일하다.
다만 본 실시예에서는 샤프트(10b)의 일단부에 평판의 스러스트 플레이트(70b)가 억지끼워져 일체로 결합되도록 하고, 스러스트 플레이트(70b)의 상부면과 하부면에는 각각 동압발생 그루브가 형성되도록 하며, 이렇게 동압발생 그루브가 형성된 상부면과 하부면은 슬리이브(20b)와 부시(80b)와 마주보면서 그 사이에는 미세하게 베어링 간극(30b)이 형성되도록 한 구성이다.
따라서 샤프트(10b)의 동압발생 그루브(11b)를 통해서는 축의 반경방향으로의 하중을 지지하게 되며, 스러스트 플레이트(70b)의 동압발생 그루브에 의해서는 축방향으로의 하중을 지지하게 된다.
그리고 샤프트(10b)의 상부와 하부로 형성되는 동압발생 그루브(11b) 사이에 위치되는 슬리이브(20b)의 주면에는 챔버(40b)가 형성되도록 하되 챔버(40b)는 샤프트(10b)와는 동심원을 이루면서 슬리이브(20b)의 내경면을 균일한 두께만큼 외측으로 확장되게 하여 샤프트(10b)와 슬리이브(20b)간 간극보다 크게 형성되도록 한 원형의 공간이다.
한편 슬리이브(20b)의 내부에는 샤프트(10b)와 슬리이브(20b)간 베어링 간극(30b)과 스러스트 플레이트(70b)와 슬리이브(20b) 및 부시(80b)간 베어링 간극(30b)에 연통되도록 밴트 홀(50b)을 구비하며, 이 밴트 홀(50b)은 또한 외부와 연통되면서 챔버(40b)와 스러스트 플레이트(70b)의 외경면측에 모여지게 되는 공기를 외부로 배출하게 된다.
이상과 같은 구성은 종전의 저널베어링과 스러스트베어링이 동시에 구비되는 유체동압베어링의 구성과 대동소이한바 다만 본 실시예에서는 전기한 바와같이 챔버(40b)를 샤프트(10b)와 동심원을 이루는 구조로 형성되도록 하면서 특히 챔버(40b)와 스러스트 플레이트(70b)의 외경면에 마주보는 슬리이브(20b)의 주면에는 내경면의 일부가 외측으로 요입되게 하여 오일유도 그루브(60b)가 형성되도록 하는것이 가장 두드러진 특징이다.
이때 챔버(40b)측 오일유도 그루브(60b)는 도 5와 도 6에서와 같이 밴트 홀(50b)과 대응되는 면 또는 밴트 홀(50b)의 선단측 슬리이브(20b)의 내경면을 요입시켜 형성되게 하며, 스러스트 플레이트(70b)의 외경면과 대응되는 슬리이브(20b)의 내경면에서도 도 21과 도 22에서 보는바와 같이 밴트 홀(50b)과 대응되는 면 또는 밴트 홀(50b)의 선단측 슬리이브(20b)의 내경면을 요입시켜 형성되도록 한다.
또한 오일유도 그루브(60b)는 도 7내지 도 9에 도시한 바와같이 "Ｕ"자형 또는 "Ｖ"자형 또는 사각형의 다양한 형상으로도 형성이 가능하다.
전기한 실시예에 따른 작용에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
모터의 스테이터 코어와 마그네트간 상호 작용에 의해서 전자기력이 발생하게 되면 로터 허브(100b)가 회전하게 되고, 동시에 로터 허브(100b)와 일체로 결합된 샤프트(10b)도 회전하게 되며, 샤프트(10b)의 회전시 샤프트(10b)의 상,하부 외주면으로 형성되어 있는 동압발생 그루브(11b)와 스러스트 플레이트(70b)의 상,하부면에 형성된 동압발생 그루브에서는 강력한 동압력을 발생하게 되면서 챔버(40b)에 채워져 있던 오일을 샤프트(10b)와 슬리이브(20b)간 베어링 간극(30b)과 스러스트 플레이트(70b)와 슬리이브(20b) 및 부시(80b)간 베어링 간극(30b)으로 공급한다.
이때 챔버(40b)와 스러스트 플레이트(70b)의 외측에서는 슬리이브(20b)의 내경면에 형성되는 오일유도 그루브(60b)의 형성 위치에 따라 도 10과 도 11 및 도 21과 도 22에서와 같이 오일(A)은 오일유도 그루브(60b)의 양측으로 모여지게 되는데 이는 종전에 챔버를 샤프트에 대해서 편심되게 형성시키므로서 챔버내의 압력차에 의해 오일과 공기입자가 위치하는 영역이 구분되는 쐐기효과와 동일한 효과에 의해서 가능해진다.
이를 구체적으로 설명하면 챔버(40b)와 스러스트 플레이트(70b)의 외측에서 오일유도 그루브(60b)의 전후 부분에는 대기압보다 높은 압력상태를 나타내게 되면서 오일이 채워지게 되며, 그 부분을 제외한 부분에서는 낮은 압력상태에서 공기입자로 채워지게 되는데 이는 도 12에서와 같은 챔버(40b)에서의 압력 분포에 따른 오일의 분포상태를 보인 실험결과에 의해서도 명백하게 증명된다.
한편 챔버(40b)와 스러스트 플레이트(70b)의 외측에 채워지는 공기입자는 밴트 홀(50b)측에 위치하게 되므로 이들 공기입자는 밴트 홀(50b)을 통해서 원활하게 외부로 배출시켜 제거할 수가 있다.
이렇게 챔버(40b)의 샤프트(10b)와 슬리이브(20b)의 주면간 간극이 좁아지는 부위에 채워지게 되는 오일은 압력의 상승에 의해서 다시 상,하부의 샤프트(10b)와 슬리이브(20b)간 베어링 간극(30b) 및 스러스트 플레이트(70b)의 상하부면과 슬리이브(20b) 및 부시(80b)간 베어링 간극(30b)으로 재공급된다.
그리고 밴트 홀(50b)을 통해 공기입자는 외부로 배출시키게 되므로 베어링 간극(30b)내의 지나친 압력상승을 억제하게 되면서 오일의 비산이 방지되도록 한다.
특히 종전에는 쐐기효과의 달성을 위해 챔버를 슬리이브의 내경에 대해 일측으로 편심되게 형성시키게 되므로 챔버를 가공하기가 매우 난해하였으나 본 실시예에서는 챔버(40b)를 슬리이브(20b)의 내경과 동심원상에 형성되게 하면서 슬리이브(20b)의 내경면에는 간단히 오일유도 그루브(60b)를 형성시키기만 하면 되므로 가공이 매우 용이해지면서 베어링을 제작하는데 소요되는 공정 및 시간의 단축을 기대할 수가 있다.
도 23은 본 발명에 따른 제4실시예를 도시한 것으로서, 본 실시예에서의 베어링은 제2실시예와 같이 축의 반경방향으로의 하중을 지지하는 저널베어링과 축방향의 하중을 지지하는 스러스트베어링이 동시에 구비되는 구성에서 샤프트가 고정되는 타입을 개선한 구조이다.
샤프트(10c)는 외경면의 상부와 하부에 각각 동압발생 그루브(11c)가 형성되도록 하여 베어링홀더(90c)의 내경부에 견고하게 일체로 결합되도록 한 고정부재이며, 슬리이브(20c)는 로터 허브(100c)의 내경면에 억지끼워지는 원통형의 회전부재로서, 내경부에는 샤프트(10c)가 삽입되고, 삽입된 샤프트(10c)의 외경면과의 사이에는 미세하게 베어링 간극(30c)이 형성되도록 하는 구성은 제2실시예의 구조와 동일하다.
다만 본 실시예에서는 샤프트(10c)의 일단부에 평판의 스러스트 플레이트(70c)가 억지끼워져 일체로 결합되도록 하고, 스러스트 플레이트(70c)의 상부면과 하부면에는 각각 동압발생 그루브가 형성되도록 하며, 이렇게 동압발생 그루브가 형성된 상부면과 하부면은 슬리이브(20c)와 부시(80c)와 마주보면서 그 사이에는 미세하게 베어링 간극(30c)이 형성되도록 한 구성이다.
따라서 샤프트(10c)의 동압발생 그루브(11c)를 통해서는 축의 반경방향으로의 하중을 지지하게 되며, 스러스트 플레이트(70c)의 동압발생 그루브에 의해서는 축방향으로의 하중을 지지하게 된다.
또한 샤프트(10c)의 상부와 하부에 형성되는 동압발생 그루브(11c) 사이의 외경면은 샤프트(10c)와 동심원을 이루면서 균일한 두께로 요입되게 하여 샤프트(10c)와 슬리이브(20c)간 수평단면적이 보다 확장되는 공간인 챔버(40c)가 형성되도록 한다.
즉 챔버(40c)는 샤프트(10c)의 내경면 일부를 균일하게 요입시켜 슬리이브(20c)와의 간극이 더욱 확장되도록 한 공간으로서, 이 챔버(40c)에는 소정량의 오일이 유지되면서 상하부 샤프트(10c)와 슬리이브(20c)간 베어링 간극(30c)으로 오일을 공급하게 된다.
그리고 샤프트(10c)의 내부에는 일단이 챔버(40c)와 스러스트 플레이트(70c)의 외경면측 미세공간에 연통되고, 타단은 외부와 연통되는 밴트 홀(50c)이 형성되도록 하여 챔버(40c)와 스러스트 플레이트(70c)의 외경면측 미세공간내로 유입되는 공기가 외부로 원활하게 배출될 수 있도록 한다.
이상과 같은 구성은 종전의 저널베어링과 스러스트베어링이 동시에 구비되는 유체동압베어링의 구성과 대동소이한바 다만 본 실시예에서는 전기한 바와같이 챔버(40c)를 샤프트(10c)와 동심원을 이루는 구조로 형성되도록 하면서 특히 챔버(40c)측 샤프트(10c)의 요입된 외경면과 스러스트 플레이트(70c)의 외경면에는 주면의 일부가 내측으로 요입되게 하여 오일유도 그루브(60c)가 형성되도록 하는것이가장 두드러진 특징이다.
이때 챔버(40c)측 오일유도 그루브(60c)는 도 14와 도 15에서와 같이 밴트 홀(50c)과 대응되는 면 또는 밴트 홀(50c)의 선단측 샤프트(10c)의 외경면의 일부를 요입시켜 형성되게 하며, 스러스트 플레이트(70c)의 외경면에서도 도 24와 도 25에서 보는바와 같이 밴트 홀(50c)과 대응되는 면 또는 밴트 홀(50c)의 선단측 샤프트(10c)의 외경면을 일부 요입시켜 형성되도록 한다.
또한 오일유도 그루브(60c)는 도 16내지 도 19에 도시한 바와같이 "Ｕ"자형 또는 "Ｖ"자형 또는 사각형 또는 외경면을 축방향에 수직이 되게 절개한 형상과 같은 다양한 형상으로도 형성이 가능하다.
전기한 실시예에 따른 작용에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
모터의 스테이터 코어와 마그네트간 상호 작용에 의해 전자기력이 발생하게 되면 로터 허브(100c)가 회전하면서 로터 허브(100c)에 일체로 결합되어 있는 슬리이브(20c)를 동시에 회전시키게 된다.
슬리이브(20c)의 회전시 샤프트(10c)의 상,하부 외주면으로 형성되어 있는 동압발생 그루브(11c)와 스러스트 플레이트(70c)의 상,하부면에 형성된 동압발생그루브에서는 강력한 동압력이 발생하게 되면서 챔버(40c)에 채워져 있던 오일을 샤프트(10c)와 슬리이브(20c)간 베어링 간극(30c)과 스러스트 플레이트(70c)와 슬리이브(20c) 및 부시(80c)간 베어링 간극(30c)으로 공급한다.
이때 챔버(40c)가 형성되는 샤프트(10c)와 스러스트 플레이트(70c)의 외경면에 형성되는 오일유도 그루브(60c)의 형성 위치에 따라 도 14와 도 15 및 도 24와 도 25에서와 같이 오일(A)은 오일유도 그루브(60c)의 양측으로 모여지게 되는데 이는 종전에 챔버를 샤프트에 대해서 편심되게 형성시키므로서 챔버내의 압력차에 의해 오일과 공기입자가 위치하는 영역이 구분되는 쐐기효과와 동일한 효과에 의해서 가능해진다.
이를 구체적으로 설명하면 챔버(40c)와 스러스트 플레이트(70c)의 외측에서 오일유도 그루브(60c)의 전후 부분에는 대기압보다 높은 압력상태를 나타내게 되면서 오일이 채워지게 되며, 그 부분을 제외한 부분에서는 낮은 압력상태에서 공기입자로 채워지게 되는데 이는 도 12에서와 같은 챔버(40c)에서의 압력 분포에 따른 오일의 분포상태를 보인 실험결과에 의해서도 명백하게 증명된다.
한편 챔버(40c)와 스러스트 플레이트(70c)의 외측에 채워지는 공기입자는 밴트 홀(50c)측에 위치하게 되므로 이들 공기입자는 샤프트(10c)와 스러스트 플레이트(70c)에 형성되는 밴트 홀(50c)을 통해서 원활하게 외부로 배출시켜 제거할 수가 있다.
이렇게 챔버(40c)의 샤프트(10c)와 슬리이브(20c)의 주면간 간극이 좁아지는 부위에 채워지게 되는 오일은 압력의 상승에 의해서 다시 상,하부의 샤프트(10c)와슬리이브(20c)간 베어링 간극(30c) 및 스러스트 플레이트(70c)의 상하부면과 슬리이브(20c) 및 부시(80c)간 베어링 간극(30c)으로 재공급된다.
그리고 밴트 홀(50c)을 통해 공기입자는 외부로 배출시키게 되므로 베어링 간극(30c)내의 지나친 압력상승을 억제하게 되면서 오일의 비산이 방지되도록 한다.
특히 종전에는 쐐기효과의 달성을 위해 챔버를 슬리이브의 내경에 대해 일측으로 편심되게 형성시키게 되므로 챔버를 가공하기가 매우 난해하였으나 본 실시예에서는 챔버(40c)를 슬리이브(20c)의 내경과 동심원상에 형성되게 하면서 슬리이브(20c)의 내경면에는 간단히 오일유도 그루브(60c)를 형성시키기만 하면 되므로 가공이 매우 용이해지면서 베어링을 제작하는데 소요되는 공정 및 시간의 단축을 기대할 수가 있다.
이상에서 살펴본 바와같이 본 발명은 샤프트의 동압발생 그루브간으로 형성시키게 되는 챔버를 샤프트 및 슬리이브와 동심원상에 형성되게 하므로서 챔버를 형성하기 위한 가공작업을 보다 용이하게 수행할 수 있게 되어 제품 생산성을 높일 수가 있게 된다.
또한 회전하는 부재에 대해서 고정되어 있는 부재와 스러스트 플레이트에 공기를 외부로 배출하게 되는 통로인 밴트 홀을 형성하면서 동시에 주면 일부가 축방향으로 요입되게 하여 오일유도 그루브(60)가 형성되게 하므로서 베어링내 특히 챔버와 스러스트 플레이트 외측의 간극에서 유동하게 되는 오일과 공기입자의 위치하는 영역이 서로 구분되게 하고, 이로서 공기의 원활한 배출에 의해 베어링내의 지나친 압력상승을 방지하게 되므로서 오일 비산에 의한 불필요한 오일소모를 억제하여 경제적인 관리가 가능토록 하며, 특히 베어링 간극으로의 안정된 윤활을 제공하므로서 베어링 강성을 증강시키게 되므로서 사용수명이 연장되도록 하는 매우 유용한 효과가 있다.

Claims (26)

  1. 외경면 상부와 하부에 동압발생용 그루브가 각각 형성되는 회전부재인 샤프트와;
    원통형의 베어링홀더 내경부에 억지끼워져 일체로 결합되고, 내경부에는 상기 샤프트가 삽입되면서 삽입되는 샤프트의 외경면과의 사이에는 미세하게 베어링 간극이 형성되도록 하는 원통형의 고정부재인 슬리이브와;
    상기 샤프트의 상부와 하부의 동압발생용 그루브 사이에 위치되는 상기 슬리이브의 내경면을 상기의 샤프트와 동심원을 갖도록 하면서 균일하게 외측으로 확장되게 한 챔버와;
    상기 슬리이브의 내부에서 일단은 상기 챔버에 연통되고, 타단은 외부와 연통되도록 하여 상기 챔버내로 유입되는 공기만을 배출하는 밴트 홀과;
    상기 챔버내에서의 오일과 공기의 영역이 서로 구분되게 상기 슬리이브의 밴트 홀이 형성되는 면에 대응되는 면과, 상기 슬리이브의 밴트 홀이 형성되는 면에 각각 축방향으로 주면 일부를 요입시킨 오일유도 그루브;
    로서 이루어지는 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 슬리이브의 밴트 홀이 형성되는 면에 마련되는 오일유도 그루브는 상기 밴트 홀의 선단을 포함하여 주면 일부를 요입시킨 구성인 스핀들 모터의 유체동압 베어링.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    "Ｕ"자형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    "Ｖ"자형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    사각형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  7. 외경면 상부와 하부에 동압발생용 그루브가 각각 형성되는 고정부재인 샤프트와;
    로터 허브의 내경면에 억지 끼워져 일체로 결합되고, 내경부로 상기 샤프트가 삽입되면서 삽입되는 샤프트의 외경면과의 사이에는 미세하게 베어링 간극이 형성되도록 하는 원통형의 회전부재인 슬리이브와;
    상기 샤프트의 상부와 하부의 동압발생용 그루브 사이의 외경면을 상기 샤프트와 동심원을 갖도록 하면서 균일하게 내측으로 요입시켜 확장되는 공간인 챔버와;
    상기 샤프트의 내부에서 일단은 상기 챔버에 연통되고, 타단은 외부와 연통되도록 하여 상기 챔버내로 유입되는 공기를 배출하는 밴트 홀과;
    상기 챔버내에서의 오일과 공기의 영역이 서로 구분되게, 상기 밴트 홀이 형성되는 면에 대응되는 샤프트의 외경면과, 상기 밴트 홀이 형성되는 샤프트의 외경면에 각각 축방향으로 주면 일부를 내측 요입시킨 오일유도 그루브;
    로서 이루어지는 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서, 상기 밴트 홀이 형성되는 샤프트의 외경면에 마련되는 오일유도 그루브는 상기 밴트 홀의 선단을 포함하여 주면 일부를 요입시킨 구성인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    "Ｕ"자형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    "Ｖ"자형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    사각형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    외경면을 축방향에 수직이 되게 절개한 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  14. 외경면 상부와 하부에 동압발생용 그루브가 각각 형성되는 회전부재인 샤프트와;
    원통형의 베어링홀더 내경부에 억지 끼워져 일체로 결합되고, 내경부에는 상기 샤프트가 삽입되면서 삽입되는 샤프트의 외경면과의 사이에는 미세하게 베어링 간극이 형성되도록 하는 원통형의 고정부재인 슬리이브와;
    상기 샤프트의 일단부에 억지끼워지며, 상부면과 하부면에는 각각 동압발생용 그루브가 형성되도록하고, 상기 슬리이브와 부시와의 사이에 미세한 간극을 갖는 스러스트 플레이트와;
    상기 샤프트의 상부와 하부의 동압발생용 그루브 사이에 위치되는 상기 슬리이브의 내경면을 상기의 샤프트와 동심원을 갖도록 하면서 균일하게 외측으로 확장되게 한 챔버와;
    상기 슬리이브의 내부에서 일단은 상기 챔버와 상기 스러스트 플레이트의 외경면측 간극에 연통되고, 타단은 외부에 연통되도록 하여 상기 챔버와 간극내로 유입되는 공기를 배출하는 밴트 홀과;
    상기 챔버와 상기 스러스트 플레이트의 외경면측 간극에서의 오일과 공기의 영역이 서로 구분되게, 상기 밴트 홀이 형성되는 면에 대응되는 슬리이브의 내경면과, 상기 밴트 홀이 형성되는 슬리이브의 내경면에 각각 축방향으로 주면 일부를 외측으로 요입시킨 오일유도 그루브;
    로서 이루어지는 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  15. 삭제
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 밴트 홀이 형성되는 슬리이브의 내경면에 마련되는 오일유도 그루브는 상기 밴트 홀의 선단을 포함하여 주면 일부를 요입시킨 구성인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    "Ｕ"자형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    "Ｖ"자형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    사각형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  20. 외경면 상부와 하부에 동압발생용 그루브가 각각 형성되는 고정부재인 샤프트와;
    로터 허브의 내경면에 억지끼워져 일체로 결합되고, 내경부에는 상기 샤프트가 삽입되면서 삽입되는 샤프트의 외경면과의 사이에는 미세하게 베어링 간극이 형성되도록 하는 원통형의 회전부재인 슬리이브와;
    상기 샤프트의 일단부에 억지끼워져 일체로 결합되며, 상부면과 하부면에는 각각 동압발생용 그루브가 형성되도록 하고,상기 슬리이브와 부시와의 사이에는 미세하게 베어링 간극을 갖는 스러스트 플레이트와;
    상기 샤프트의 상부와 하부의 동압발생용 그루브 사이의 외경면을 상기 샤프트와 동심원을 갖도록 하면서 균일하게 내측으로 요입시켜 확장시킨 공간인 챔버와;
    상기 샤프트의 내부에서 일단은 상기 챔버와 상기 스러스트 플레이트의 외경면측 간극에 연통되고, 타단은 외부와 연통되도록 하여 상기 챔버내로 유입되는 공기를 배출하는 밴트 홀과;
    상기 챔버와 상기 스러스트 플레이트의 외경면측 간극에서의 오일과 공기의 영역이 서로 구분되게, 상기 밴트 홀이 형성되는 면에 대응되는 샤프트의 외경면과, 상기 밴트 홀이 형성되는 샤프트의 외경면에 각각 축방향으로 주면 일부를 내측 요입시킨 오일유도 그루브;
    로서 이루어지는 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  21. 삭제
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 밴트 홀이 형성되는 샤프트의 외경면에 마련되는 오일유도 그루브는 상기 밴트 홀의 선단을 포함하여 주면 일부를 축방향으로 요입시킨 구성인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    "Ｕ"자형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  24. 제 20 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    "Ｖ"자형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    사각형으로 요입되는 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
  26. 제 20 항에 있어서, 상기 오일유도 그루브는
    외경면을 축방향에 수직이 되게 절개한 형상인 스핀들 모터의 유체동압베어링.
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