KR100513708B1 - 회전체지지용공기동압베어링구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체는 회전체를 고정하는 축의 상단부에 고정되며, 공기동압 베어링을 형성하기 위한 원추형 경사면을 가지는 상부 원추형 베어링 부재; 상기 축의 하단부에 고정되며, 공기동압 베어링을 형성하기 위한 원추형 경사면을 가지는 하부 원추형 베어링 부재; 및 상기 상,하부 원추형 베어링 부재와 축으로 구성된 구조체와 소정 간극 이격되어 구조체를 축의 반경방향으로 에워싸도록 고정되며, 상기 구조체와의 간극에 의해 공기동압 베어링을 형성하는 한편 그 외주면에 회전체를 고정시키는 원통형 베어링 부시 부재를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 종래와 같은 볼베어링에 의한 접촉식이 아닌 공기동압 베어링에 의한 비접촉식으로 회전체를 지지하므로, 볼베어링 사용 시의 진동 및 소음을 방지할 수 있고, 그에 따라 초고속, 초정밀 회전에의 요구를 실현할 수 있다.

Description

회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체{Hydrodynamic air bearing structure for supporting a rotating body}

본 발명은 하드 디스크 드라이브의 스핀들 모터축 등에 채용되는 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체에 관한 것으로서, 특히 축방향 지지를 위해 자기반발력과 공기동압을 이용하고, 반경방향 지지를 위해 공기동압을 이용하여 회전체의 비접촉 지지를 가능하게 하는 회전체 지지용 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 볼베어링 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, 베이스 하우징(11)에 고정된 축(21)에는 볼베어링(22)이 압입 설치되어 있고, 그 볼베어링(22)의 외륜(22e)에는 허브(16)가 압입 고정되어 있으며, 허브(16)의 외주에는 복수의 자기 디스크(12)가 상호 소정 간격 이격되어 적층으로 설치되어 있다. 또한, 허브(16)의 하단부 일측에는 영구자석(23)이 마련되어 있고, 그 영구자석(23)과 인접하여 베이스 하우징(11)에는 고정자 코일(24)이 마련되어 있다. 참조 부호 22b는 볼, 22i는 내륜, 25는 자기 디스크(12)를 소정 간격으로 고정지지하는 스페이서 부재를 각각 나타낸다.

한편, 이상과 같은 구성의 종래 하드 디스크 드라이브에 있어서, 상기 볼베어링(22)의 볼(22b)은 회전체(허브(16)와 자기 디스크(12)의 조립체)의 축방향(S) 및 반경방향(R) 지지를 동시에 이룰 수 있도록 도 3에 도시된 바와 같이 소정 각도(θ) 기울어진 상태로 내륜(22i)과 외륜(22e)에 각각 접촉되어 있다. 그리고, 이와 같은 소정 각도(θ)의 기울기를 이루기 위해서 볼베어링(22)을 고정축(21)에 조립한 후 일정량의 예압(pre-load)을 가하는 방식을 취하고 있다. 이와 같이 볼베어링(22)을 압입하여 조립한 경우 내륜(22i), 외륜(22e) 및 볼(22b)은 상호 접촉하게 되고, 회전체는 그와 같이 접촉지지된 상태에서 회전하게 된다. 이와 같이 회전체가 볼베어링(22)에 의해 지지되는 경우, 내륜(22i), 외륜(22e) 및 볼(22b)은 상호 접촉에 의해 변형되기 쉽고, 각각의 가공오차 등으로 인해 회전체의 회전에 있어서불규칙 진동 및 소음이 발생되기 쉬우며, 특히 불규칙 회전 응답 진폭(Non- Repeatable Run-Out:NRRO)이 크게 나타난다. 이러한 불규칙 회전 진동 진폭은 초정밀 진동 특성이 요구되는 고밀도 저장기기용 스핀들 모터에 있어서는 그 기구적 성능을 좌,우하는 주요한 요인이 된다. 이와 같이 볼베어링으로 지지되는 회전체의 진동 특성을 향상시키기 위해서는 볼베어링을 초정밀도로 가공하는 방법이 있지만, 접촉지지에 의한 마모 및 마찰열의 발생으로 회전체 시스템의 내구성이 문제가 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 감안하여 창출된 것으로서, 회전체의 회전에 있어서의 불규칙 회전 응답 진폭 및 소음을 극소화시킬 수 있는 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체는, 회전체를 고정하는 축의 상단부에 고정되며, 공기동압 베어링을 형성하기 위한 원추형 경사면을 가지는 상부 원추형 베어링 부재; 상기 축의 하단부에 고정되며, 공기동압 베어링을 형성하기 위한 원추형 경사면을 가지는 하부 원추형 베어링 부재; 및 상기 상,하부 원추형 베어링 부재와 축으로 구성된 구조체와 소정 간극 이격되어 구조체를 축의 반경방향으로 에워싸도록 고정되며, 상기 구조체와의 간극에 의해 공기동압 베어링을 형성하는 한편 그 외주면에 회전체를 고정시키는 원통형 베어링 부시 부재를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 회전체의 정지시로부터 기동되어 부상할 때 까지의 축과 회전체의 접촉현상을 방지하고, 공기동압 베어링에 의한 축방향 및 반경방향의 지지력을 더욱 증진시키기 위하여 바람직하게는 상기 상,하부 원추형 베어링 부재의 원추형 경사면부와, 그 경사면부와 대면하는 베어링 부시 부재의 원추형 경사면부에는 각각 자기 박막이 코팅된다. 이때, 이와 같은 자기 박막은 물론 대면하는 자극이 상호 동일한 극성을 가지도록 코팅된다.

또한, 회전체의 반경방향의 지지력을 높이기 위하여, 바람직하게는 상기 축에 고정된 상,하부 원추형 베어링 부재 사이의 축의 외주면과 그에 대면하는 상기 베어링 부시 부재의 내주면 사이에 물결파형의 저널 공기 베어링(waved journal air bearing)을 형성시키는데, 이의 구현을 위해 상기 축에 고정된 상,하부 원추형 베어링 부재 사이의 축의 외주면 또는 그에 대면하는 베어링 부시 부재의 내주면이 소정 주기 및 진폭을 갖는 정현파 파형의 곡면으로 형성된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 종래와 같은 볼베어링에 의한 접촉식이 아닌 공기동압 베어링에 의한 비접촉식으로 회전체를 지지하므로, 볼베어링 사용 시의 진동 및 소음을 방지할 수 있고, 그에 따라 초고속, 초정밀 회전에의 요구를 실현할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체를 나타내 보인 것으로서, 도 4는 분리사시도이고, 도 5는 조립상태에서의 종단면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체는, 회전체를 고정하는 축(41)의 상단부에 고정되며, 공기동압 베어링을 형성하기 위한 원추형 경사면을 가지는 상부 원추형 베어링 부재(42)와, 상기 축(41)의 하단부에 고정되며, 공기동압 베어링을 형성하기 위한 원추형 경사면을 가지는 하부 원추형 베어링 부재(43) 및 상기 상,하부 원추형 베어링 부재(42)(43)와 축(41)으로 구성된 구조체(44)와 소정 간극 이격되어 그 구조체(44)를 축(41)의 반경방향으로 에워싸도록 고정되며, 상기 구조체(44)와의 간극에 의해 공기동압 베어링을 형성하는 한편 그 외주면에 회전체를 고정시키는 원통형 베어링 부시 부재(45)로 구성된다.

여기서, 특히 회전체의 정지시로부터 기동되어 부상할 때까지의 축(41)과 회전체의 접촉현상을 방지하고, 공기동압 베어링에 의한 축방향(S) 및 반경방향(R)의 지지력을 더욱 증진시키기 위하여 바람직하게는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 상,하부 원추형 베어링 부재(42)(43)의 원추형 경사면부와, 그 경사면부와 대면하는 베어링 부시 부재(45)의 원추형 경사면부에는 각각 자기 박막(42m)(43m)(45m) (45m')이 코팅된다. 이때, 이와 같은 자기 박막(42m)(43m)(45m)(45m')은 물론 대면하는 자극이 상호 동일한 극성(예컨대, N극-N극 혹은 S극-S극)을 가지도록, 약 1∼2㎛의 두께로 코팅된다. 이와 같은 두께(t)는 통상 공기동압 베어링을 형성하는 베어링 클리어런스(clearance)(C)가 3∼4㎛ 정도인 것을 바탕으로 그에 대한 적정 비인 1/3에 근거한 값이다.

또한, 회전체의 반경방향의 지지력을 높이기 위하여, 바람직하게는 상기 축(41)에 고정된 상,하부 원추형 베어링 부재(42)(43) 사이의 축의 외주면과 그에 대면하는 상기 베어링 부시 부재(45)의 내주면 사이에 물결파형의 저널 공기 베어링을 형성시키는데, 이의 구현을 위해 도 7에 도시된 바와 같이 상기 축(41)에 고정된 상,하부 원추형 베어링 부재(42)(43) 사이의 축(41)의 외주면을 N주기 및 수 미크론의 진폭을 갖는 정현파 파형의 곡면으로 형성한다. 이때, 상기 베어링 부시 부재(45)의 내주면은 가능한 한 진원에 가깝게 정밀하게 가공하는 것이 바람직하다.

또는, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 축(41)의 외주면에 대면하는 베어링 부시 부재(45)의 내주면을 마찬가지로 N주기 및 수 미크론의 진폭을 갖는 정현파 파형의 곡면으로 형성한다. 이때도 역시 상기 축(41)의 외주면은 진원에 가깝게 정밀하게 가공하는 것이 바람직하다.

그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체의 동작에 대해 설명해 보기로 한다.

상기 베어링 부시 부재(45)의 외주면에 허브(16:도 2참조) 및 자기 디스크(12)의 조립체로 구성된 회전체가 압입 고정된 상태에서 회전체가 고속으로 회전하면, 도 9에 도시된 바와 같이 상,하부 원추형 베어링 부재(42)(43)의 원추형 경사면부와 그에 각각 대면하는 베어링 부시 부재(45)의 상,하부 원추형 경사면부 사이의 틈새에는 회전체의 정적 편심에 의한 공기동압, 즉 베어링 반력(F)(F')이 각각 발생하여 베어링면에 수직한 방향으로 작용하게 된다. 이때, 이 베어링 반력(F) (F')은 축방향 성분의 반력(Fs)(Fs')과 반경방향 성분의 반력(Fr)(Fr')으로 각각 분리될 수 있으며, 그와 같은 축방향 성분의 반력(Fs)(Fs')과 반경방향 성분의 반력(Fr)(Fr')에 의해 회전체는 축방향(S) 및 반경방향(R)으로 각각 지지된다.

또한, 상기 상,하부 원추형 베어링 부재(42)(43) 사이의 축(41)의 외주면과 그에 대면하는 상기 베어링 부시 부재(45)의 내주면의 틈새에는, 전술한 바와 같이 축(41)의 외주면 혹은 그 외주면에 대면되는 베어링 부시 부재(45)의 내주면이 N주기와 수 미크론의 진폭을 가지는 정현파 곡면으로 형성되어 있어, 저어널 공기 동압 베어링이 형성되고, 그에 따라 저어널 베어링 반력(J)이 발생하여 축(41)에 수직한 방향으로 작용한다. 이에 따라 회전체에 대한 반경방향 지지력은 한층 증진된다. 도 10은 이와 같은 저어널 공기동압 베어링에서 발생되는 반경방향의 무차원 압력 분포(압력 분포값을 대기압으로 나눈 값)의 계산 예를 나타내 보인 것으로서, 반경 1의 점선으로 표시된 진원은 기준 압력으로서 대기압을 나타낸다. 반경방향으로 대기압보다 큰 값은 플러스(+) 압력을, 작은 값은 마이너스(-) 압력을 나타낸다. 최대 압력값을 보이는 위치가 베어링 부시 부재(45)의 회전시의 반경방향의 정적 편심 위치를 나타내며, 압력분포를 원주 방향으로 면적 적분하면 공기 동압 베어링의 베어링 반력을 계산할 수 있다. 이때, 이 베어링 반력은 회전체의 정적 편심 위치 근처로 상기 도 9에서 설명한 바와 같이 회전체의 반경방향 지지를 위한 베어링 반력이라 할 수 있다.

한편, 이상과 같은 공기동압 베어링에 의한 반력은 회전체가 고속으로 회전되고 있을 때만 발생되고, 회전체가 정지되어 있을 때는 회전체, 즉 베어링 부시 부재(45)와 상,하부 원추형 베어링 부재(42)(43) 및 축(41)으로 구성된 구조체(44) 사이의 틈새에는 어떠한 압력도 발생되지 않는다. 따라서, 그와 같은 회전체의 정지 시에는 베어링 부시 부재(45)와 상기 구조체(44)는 접촉되어 있게 되고, 그런 상태에서 회전체가 회전하여 압력이 발생되면 회전체가 부상하여 베어링 부시 부재(45)와 상기 구조체(44)는 다시 비접촉 상태로 된다. 그러나, 회전체가 부상하기 직전까지는 접촉되어 있는 상태로서 베어링 클리어런스가 줄어들수록 접촉에 의한 마모나 마찰 토오크를 증가시켜 시스템의 성능에 악영향을 미칠 우려가 있다. 하지만, 본 발명의 베어링 구조체에서는 이와 같은 점을 감안하여 전술한 바와 같이 상,하부 원추형 베어링 부재(42)(43)의 원추형 경사면부와 그에 각각 대면되는 베어링 부시 부재(45)의 경사면부에 동일한 극성이 상호 대면되도록 자기 박막(42m) (43m)(45m)(45m')을 각각 코팅함으로써 그 자기 박막(42m)(43m)(45m)(45m')에 의한 자기력의 상호 반발력에 의해 회전체를 부상시킴으로써 회전체가 정지되어 있는 상태에서도 접촉에 의한 마모나 마찰 토오크 발생을 방지할 수 있게 된다. 물론, 이와 같은 자기 박막(42m) (43m)(45m)(45m')에 의한 자기력은 그 자기력의 누설에 의한 자기 디스크(12) 상의 자기기록 정보를 상실할 위험이 없을 정도의 값을 갖도록 사전에 실험을 거쳐 적절한 값으로 설정된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체는 종래와 같은 볼베어링에 의한 접촉식이 아닌 공기동압 베어링에 의한 비접촉식으로 회전체를 지지하므로, 볼베어링 사용 시의 진동 및 소음을 방지할 수 있고, 그에 따라 초고속, 초정밀 회전에의 요구를 실현할 수 있다. 또한, 공기동압 베어링면에 자기 박막이 코팅되어 있어 회전체의 정지시로부터 기동되어 부상할 때 까지의 접촉현상을 방지하여 베어링의 내구성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 베어링 클리어런스 형성면에 자기 박막을 코팅하여 코팅 두께만큼의 클리어런스가 감소되므로, 공기동압 베어링의 베어링 강성을 한층 증진시킬 수 있으며, 그와 같은 자기 박막 코팅을 통한 반발 자기력에 의해 베어링 반력과 베어링 강성이 증가하여 회전체 시스템을 보다 안정적으로 지지할 수 있다.

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

도 2는 도 1의 II-II선에 따라 절단한 단면도.

도 3은 종래의 볼베어링 구조체의 볼, 내륜 및 외륜의 조립 상태도.

도 4는 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체를 나타내 보인 분리 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체의 조립상태에서의 종단면도.

도 6은 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체에 있어서, 공기동압 베어링면에 코팅된 자기 박막을 나타내 보인 부분 발췌 확대도.

도 7은 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체에 있어서, 축의 외주면이 정현파 파형의 곡면으로 형성된 경우를 보여주는 횡단면도.

도 8은 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체에 있어서, 베어링 부시 부재의 내주면이 정현파 파형의 곡면으로 형성된 경우를 보여주는 횡단면도.

도 9는 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체에 있어서, 회전체의 회전시 베어링 구조체에 작용하는 베어링 반력을 나타내 보인 도면.

도 10은 본 발명에 따른 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체에 있어서, 저어널 공기동압 베어링에서 발생되는 베어링의 압력분포도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11...베이스 하우징 12...자기 디스크

13...헤드 스택 어셈블리 13a...액츄에이터

13b...로드 빔 13h...자기 헤드

13p...피봇 14...보이스 코일 모터

15...클램프 16...허브

17...철편 18...래치

18m...영구자석 18s...고정부재

21,41...축 22...볼베어링

23...영구자석 24...고정자 코일

25...스페이서 부재 22b...볼

22i...내륜 22e...외륜

42...상부 원추형 베어링 부재 43...하부 원추형 베어링 부재

45...원통형 베어링 부시 부재 42m,43m,45m,45m'...자기 박막

Claims (3)

1. 회전체를 고정하는 축의 상단부에 고정되며, 공기동압 베어링을 형성하기 위한 원추형 경사면을 가지는 상부 원추형 베어링 부재;

   상기 축의 하단부에 고정되며, 공기동압 베어링을 형성하기 위한 원추형 경사면을 가지는 하부 원추형 베어링 부재; 및

   상기 상,하부 원추형 베어링 부재와 축으로 구성된 구조체와 소정 간극 이격되어 구조체를 축의 반경방향으로 에워싸도록 고정되며, 상기 구조체와의 간극에 의해 공기동압 베어링을 형성하는 한편 그 외주면에 회전체를 고정시키는 원통형 베어링 부시 부재를 포함하고,

   상기 상,하부 원추형 베어링 부재의 원추형 경사면부와, 그 경사면부와 대면하는 베어링 부시 부재의 원추형 경사면부에는 각각 자기 박막이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 자기 박막은 대면하는 자극이 상호 동일한 극성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 자기 박막은 1～2㎛의 두께로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 회전체 지지용 공기동압 베어링 구조체.

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