KR100459875B1

KR100459875B1 - 공기동압베어링구조체

Info

Publication number: KR100459875B1
Application number: KR1019970018429A
Authority: KR
Inventors: 황태연; 박노열
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1997-05-13
Publication date: 2005-01-17
Also published as: KR19980083228A

Abstract

본 발명에 따른 공기동압 베어링 구조체는, 회전체의 축방향 지지를 위해 공기동압 베어링을 형성하는 축방향 지지 베어링부와, 상기 회전체의 반경방향 지지를 위해 공기동압 베어링을 형성하는 반경방향 지지 베어링부를 구비하는 공기동압 베어링 구조체에 있어서, 상기 축방향 지지 베어링부는 동일 축에 상호 소정 거리 이격되어 대직경부가 각각 외부로 향하도록 고정되는 한 쌍의 반구형 베어링 부재로 되어 있고, 상기 반경방향 지지 베어링부는 상기 한 쌍의 반구형 베어링 부재 사이의 축에 고정되는 소정 직경의 원통형 베어링 부재와, 상기 한 쌍의 반구형 베어링 부재 및 원통형 베어링 부재와 소정의 틈새를 유지한 채 그 반구형 베어링 부재 및 원통형 베어링 부재를 에워싸도록 고정되는 베어링 부시 부재로 구성되어 있으며, 상기 원통형 베어링 부재의 외주면은 웨이브형의 곡면으로 되어 있다.

이와 같은 본 발명의 공기동압 베어링 구조체에 의하면, 반구형 베어링 부재에 의해 반구형 공기동압 베어링을 형성하여 회전체를 축방향으로 지지하므로, 종래의 공기동압 스러스트 베어링을 발생시키기 위한 스러스트 플레이트의 고정밀 조립상의 어려움을 해결할 수 있고, 회전체의 반경방향 지지를 위해 그 외주면이 웨이브형으로 되어 있는 원통형 베어링 부재를 사용하므로 회전체의 고속회전 시에도 반경방향의 높은 부하용량을 얻을 수 있다.

Description

공기동압 베어링 구조체 {Hydrodynamic air bearings}

본 발명은 하드 디스크 드라이브 등에 채용되는 공기동압 베어링 구조체에 관한 것으로서, 특히 회전체의 축방향 지지용 공기동압 스러스트 베어링의 형성을 위한 틈새의 정밀도 유지의 기술적 어려움을 해결할 수 있는 공기동압 베어링 구조체에 관한 것이다.

하드 디스크 드라이브는 컴퓨터의 보조기억장치들 중의 하나로서, 자기 헤드에 의해 자기 디스크에 저장된 정보를 독출하여 재생하거나, 자기 디스크에 새로운 정보를 기록함으로써 컴퓨터의 시스템 운영에 기여하게 된다.

이와 같은 하드 디스크 드라이브는 최근 고속화, 고용량화 및 저진동화로 나아가고 있으며, 그와 같은 요구에 부응하기 위해 다양한 연구개발이 추진되고 있다. 특히, 고속화 및 저진동화를 위해 회전체를 비접촉식으로 지지하는 공기동압 베어링 구조체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

도 1은 종래의 공기동압 베어링 구조체가 채용된 하드 디스크 드라이브를 개략적으로 나타내 보인 평면도이다.

도 1을 참조하면, 하드 디스크 드라이브는 베이스 하우징(11)과, 정보의 저장을 위한 자기 디스크(12)와, 그 자기 디스크(12)에 정보를 기록하거나 디스크에 기록된 정보를 읽어내기 위한 헤드 스택 어셈블리(13) 및 헤드 스택 어셈블리(13)를 자기 디스크(12)의 반경방향으로 왕복 선회운동시키기 위한 구동력을 제공하는 보이스 코일 모터(14)로 구성되어 있다.

여기서, 상기 자기 디스크(12)는 클램프(15)에 의해 허브(16)에 고정되고, 상기 헤드 스택 어셈블리(13)는 피봇(pivot)(13p)을 중심으로 선회운동이 가능하게 설치되어 있다. 그리고, 이 헤드 스택 어셈블리(13)는 액츄에이터(13a)와, 그 액츄에이터(13a)에 연장되어 결합된, 탄성력을 가지는 판재형의 로드 빔(load beam) (13b)과, 로드 빔(13b)의 단부에 고정되어 상기 자기 디스크(12)에 기록된 정보를 독출하거나 자기 디스크(12)에 새로운 정보를 기록하는 자기 헤드(13h)로 구성되어 있다.

또한, 상기 자기 헤드(13h)와 반대방향의, 액츄에이터(13a)의 단부에는 강자성체의 철편(17)이 설치되어 있고, 그 철편(17)의 선회운동 궤적 상에는 하드 디스크 드라이브의 정지 시, 상기 철편(17)을 끌어당겨 흡착함으로써 상기 헤드 스택 어셈블리(13)를 고정시키기 위한 래치(latch)(18)가 마련되어 있다. 여기서, 이 래치(18)는 영구자석(18m)과 그 영구자석(18m)을 고정시키는 고정부재(18s)로 구성되어 있다.

한편, 도 2는 도 1의 II-II선에 따라 절단한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 종래 공기동압 베어링 구조체는 고정축(21)과, 그 고정축(21)의 상,하 단부에 각각 설치되며 회전체인 허브(16)의 축방향 지지를 위한 공기동압 스러스트 베어링(23a)(23b)을 형성하기 위한 상,하부 스러스트 플레이트(23u) (23d)와, 그 상,하부 스러스트 플레이트(23u)(23d) 사이의 축의 둘레에 설치되며 상기 허브(16)의 반경방향 지지를 위한 공기동압 저어널 베어링(24a)을 형성하기 위한 상,하부 저어널 베어링(24u)(24d)으로 구성되어 있다. 참조 부호 24v,24h는 공기통로, 26은 스페이서, 27은 회전자용 영구자석, 28은 고정자용 코일, 그리고 11은 베이스 하우징을 각각 나타낸다.

한편, 이상과 같은 구성의 종래 공기동압 베어링 구조체의 조립과정을 살펴보면, 먼저 고정축(21)에 하부 스러스트 플레이트(23d)를 압입하고, 그 상태에서 고정축(21)을 베이스 하우징(11)에 압입한다. 그런 후, 상,하부 저어널 베어링(24u)(24d)을 허브(16)의 상,하부에 각각 조립하고, 그와 같이 조립된 상태의 허브(16)를 상기 고정축(21)에 조립한 다음, 상부 스러스트 플레이트(23u)를 고정축(21)에 압입함으로써 조립이 완료된다. 이때, 상,하부의 공기동압 스러스트 베어링(23a)(23b)을 형성하기 위하여 상기 상부 스러스트 플레이트(23u)와 상부 저어널 베어링(24u)의 사이, 그리고 하부 스러스트 플레이트(23d)와 하부 저어널 베어링(24d) 사이에는 약 수 미크론 정도의 틈새가 유지되도록 조립되어야 한다.

그런데, 상기와 같은 조립과정에서 상기 상,하부 스러스트 플레이트(23u) (23d)는 물리적 변형을 일으키기 쉬우며, 그와 같은 물리적 변형과 주변의 부품들의 평탄도 오차 등으로 인해 상기 상,하부 공기동압 스러스트 베어링(23a)(23b)의 형성을 위한 소정 설계치의 틈새를 유지하기가 기술적으로 매우 어렵다. 특히, 그와 같은 틈새가 유지되지 않을 경우 공기동압 자체가 발생되지 않게 되며, 그 결과 회전체가 부상되지 않아 회전체의 회전이 불가능해지는 문제가 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 회전체의 축방향 지지를 위한 공기동압 스러스트 베어링을 형성하기 위한 틈새의 정밀도 유지의 기술적 어려움을 해결할 수 있는 공기동압 베어링 구조체를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 공기동압 베어링 구조체가 채용된 하드 디스크 드라이브를 개략적으로 나타내 보인 평면도.

도 2는 도 1의 II-II선에 따라 절단한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 공기동압 베어링 구조체의 내부 구조를 보여주는 종단면도.

도 4a 및 도 4b는 도 3의 공기동압 베어링 구조체에 있어서, 반구형 베어링 부재의 평면도 및 측면도.

도 5a 및 도 5b는 도 3의 공기동압 베어링 구조체에 있어서, 원통형 베어링 부재의 평면도 및 측면도.

도 5c는 도 5a의 원통형 베어링 부재의 외주면에 형성되어 있는 정현파 웨이브의 확대도.

도 6은 본 발명에 따른 공기동압 베어링 구조체에 있어서, 웨이브형 원통형 베어링 부재에 의해 발생되는 압력변화를 반경방향으로 나타내 보인 압력분포도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11,40...베이스 하우징 12,36...자기 디스크

13...헤드 스택 어셈블리 13a...액츄에이터

13b...로드 빔 13h...자기 헤드

13p...피봇 14...보이스 코일 모터

15...클램프 16,35...허브

17...철편 18...래치

18m...영구자석 18s...고정부재

21,31...고정축 23a,23b...상,하부 공기동압 스러스트 베어링

23u,23d...상,하부 스러스트 플레이트 24a...공기동압 저어널 베어링

24u,24d...상,하부 저어널 베어링 24v,24h...공기 통로

26,37...스페이서 27,38...회전자용 영구자석

28,39...고정자용 코일 32a,32d...상,하부 반구형 베어링

32g...그루브 33...원통형 베어링 부재

34...베어링 부시 부재 41,42...틈새

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 공기동압 베어링 구조체는, 회전체의 축방향 지지를 위한 공기동압 베어링을 형성하는 축방향 지지 베어링부와, 상기 회전체의 반경방향 지지를 위한 공기동압 베어링을 형성하는 반경방향 지지 베어링부를 구비하는 공기동압 베어링 구조체에 있어서,

상기 축방향 지지 베어링부는 동일 축에 상호 소정 거리 이격되어 대직경부가 각각 외부로 향하도록 고정되는 한 쌍의 반구형 베어링 부재로 되어 있고, 상기 반경방향 지지 베어링부는 상기 한 쌍의 반구형 베어링 부재 사이의 축에 고정되는 소정 직경의 원통형 베어링 부재와, 상기 한 쌍의 반구형 베어링 부재 및 원통형 베어링 부재와 소정의 틈새를 유지한 채 그 반구형 베어링 부재 및 원통형 베어링 부재를 에워싸도록 고정되는 베어링 부시 부재로 구성되어 있으며, 상기 원통형 베어링 부재의 외주면은 웨이브형의 곡면으로 되어 있다는 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 공기동압 베어링 구조체의 내부 구조를 보여주는 종단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 공기동압 베어링 구조체는 크게 회전체의 축방향 지지를 위한 공기동압 베어링을 형성하는 축방향 지지 베어링부와, 상기 회전체의 반경방향 지지를 위한 공기동압 베어링을 형성하는 반경방향 지지 베어링부로 구성된다.

상기 축방향 지지 베어링부는 동일 축(31)에 상호 소정 거리 이격되어 대직경부가 각각 외부로 향하도록 고정되는 한 쌍의 반구형 베어링 부재(32a)(32d)로 되어 있고, 상기 반경방향 지지 베어링부는 상기 한 쌍의 반구형 베어링 부재(32a) (32d)사이의 축(31)에 고정되는 소정 직경의 원통형 베어링 부재(33)와, 상기 한 쌍의 반구형 베어링 부재(32a)(32d) 및 원통형 베어링 부재(33)와 소정의 틈새를 유지한 채 그 반구형 베어링 부재(32a)(32d) 및 원통형 베어링 부재(33)를 에워싸도록 고정되는 베어링 부시 부재(34)로 구성된다.

여기서, 상기 반구형 베어링 부재(32a)(32d)의 곡면부에는 상기 회전체의 회전 시 공기동압 베어링을 형성하기 위하여, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 소정의 폭(w) 및 깊이(d)를 가지는 복수의 그루브(32g)가 수직축에 대하여 소정의 경사 각도(θ)로 각각 형성된다. 그리고, 회전체의 정지 및 회전이 시작될 때까지의 상기 베어링 부시 부재(34)와의 마찰을 고려하여 이 반구형 베어링 부재(32a)(32d)는 바람직하게는 세라믹 재질(예컨대, Al₂O₃)로 제작된다. 또한, 상기 원통형 베어링 부재(33)의 외주면은 도 5에 도시된 바와 같이 웨이브형의 곡면으로 되어 있고, 그 웨이브는 도 5c에서와 같은 소정 주기(2π/n)와 진폭(A)을 가지는 정현파, 예를 들면 Asin(nθ)의 곡선 특성을 갖는다. 그리고, 반구형 베어링 부재(32a)(32d) 및 원통형 베어링 부재(33)와 대면하고 있는 상기 베어링 부시 부재(34)의 내면부는 회전체의 정지 및 회전이 시작될 때까지의 내부 부품들과의 접촉 마찰을 고려하여TiN으로 코팅된다. 참조 번호 35는 상기 베어링 부시 부재(34)를 고정시키고 자기디스크(36)를 장착하기 위한 허브, 37은 스페이서, 38은 회전자용 영구자석, 39는 고정자용 코일, 40은 베이스 하우징을 각각 나타낸다.

그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명의 공기동압 베어링 구조체의 동작에 대해 도 3을 참조하면서 간략히 설명해 보기로 한다.

먼저 고정자용 코일(39)에 전류가 인가되면, 코일(39) 주변에는 자장이 형성되고, 그 자장과 회전자용 영구자석(38)에 의해 형성된 자장과의 상호 작용에 의해 허브(35)가 회전된다. 그에 따라 허브(35)에 압입되어 있는 베어링 부시 부재(34)가 동시에 회전되고, 그 결과 상,하부 반구형 베어링 부재(32a)(32d)의 곡면부에 형성되어 있는 그루브(32g)에 의해 펌핑 작용이 일어나, 상,하부 반구형 베어링 부재(32a)(32d)와 베어링 부시 부재(34)가 대면하는 틈새(41)에는 반구형의 공기동압 베어링이 형성된다. 이에 따라 축방향 및 축에 대하여 직각방향(반경방향)으로의 추력이 발생되며, 그 결과 회전체가 반구형 베어링 부재(32a)(32d)와 각각 비접촉 상태로 부상하게 된다.

한편, 상기 베어링 부시 부재(34)가 회전하면, 상기 원통형 베어링 부재(33)의 웨이브형 외주면에 의해 원통형 베어링 부재(33)와 베어링 부시 부재(34)가 대면하는 틈새(42)에는 공기동압 저어널 베어링이 형성된다. 즉, 상기 틈새(42)의 변화가 웨이브, 즉 사인파(sinθ) 곡선으로 나타나기 때문에 회전방향과 같은 쪽의 틈새 감소부에서는 압축성 유체인 공기의 스퀴징(squeezing) 효과에 의해 압력증가 현상이 발생되고, 틈새 증가부에서는 압력감소 현상이 발생되는데, 이와 같은 압력 증가, 감소분은 틈새의 변화량과는 비선형 관계로서, 전체적으로는 도 6에 도시된바와 같이 압력증가로 나타난다. 이에 따라 반경방향으로의 추력이 발생되며, 그 결과 회전체는 내부의 원통형 베어링 부재(33)와 비접촉 상태로 부상하게 된다. 특히, 상기 틈새 감소부에서의 압력증가분이 틈새 증가부에서의 압력감소분보다 훨씬 큰 값을 보이는데, 이는 반경방향으로의 높은 부하용량을 얻을 수 있음을 의미한다. 도 6에서 Ap, Bp, Cp는 원통형 베어링 부재(33)의 A, B, C 부분의 반경방향의 압력 분포를 각각 나타낸다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 공기동압 베어링 구조체는 반구형 베어링 부재에 의해 반구형 공기동압 베어링을 형성하여 회전체를 축방향으로 지지하므로, 종래의 공기동압 스러스트 베어링을 발생시키기 위한 스러스트 플레이트의 고정밀 조립상의 어려움을 해결할 수 있고, 회전체의 반경방향 지지를 위해 그 외주면이 웨이브형으로 되어 있는 원통형 베어링 부재를 사용하므로 회전체의 고속회전 시에도 반경방향의 높은 부하용량을 얻을 수 있다.

Claims

회전체의 축방향 지지를 위한 공기동압 베어링을 형성하는 축방향 지지 베어링부와, 상기 회전체의 반경방향 지지를 위한 공기동압 베어링을 형성하는 반경방향 지지 베어링부를 구비하는 공기동압 베어링 구조체에 있어서,

상기 축방향 지지 베어링부는 동일 축에 상호 소정 거리 이격되어 대직경부가 각각 외부로 향하도록 고정되는 한 쌍의 반구형 베어링 부재로 되어 있고, 상기 반경방향 지지 베어링부는 상기 한 쌍의 반구형 베어링 부재 사이의 축에 고정되는 소정 직경의 원통형 베어링 부재와, 상기 한 쌍의 반구형 베어링 부재 및 원통형 베어링 부재와 소정의 틈새를 유지한 채 그 반구형 베어링 부재 및 원통형 베어링 부재를 에워싸도록 고정되는 베어링 부시 부재로 구성되어 있으며, 상기 원통형 베어링 부재의 외주면은 웨이브형의 곡면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 공기동압 베어링 구조체.
제 1항에 있어서, 상기 한 쌍의 반구형 베어링 부재의 곡면부에는 상기 회전체의 회전 시 공기동압 베어링을 형성하기 위한 복수의 경사상의 그루브가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공기동압 베어링 구조체.
제 2항에 있어서, 상기 한 쌍의 반구형 베어링 부재는 세라믹 재질로 되어 있는 것을 특징으로 하는 공기동압 베어링 구조체.
제 3항에 있어서, 상기 세라믹 재질은 Al₂O₃인 것을 특징으로 하는 공기동압 베어링 구조체.
제 1항에 있어서, 상기 웨이브는 소정 주기와 진폭을 가지는 정현파인 것을 특징으로 하는 공기동압 베어링 구조체.
제 1항에 있어서, 상기 베어링 부시 부재의 내면부는 TiN으로 코팅되어 있는것을 특징으로 하는 공기동압 베어링 구조체.