KR100660474B1 - 스러스트베어링이 튜브형상을 가지는하드디스크드라이브용 스핀들모터 - Google Patents

Abstract

본 발명 하드디스크드라이브용 스핀들모터는 회전체인 샤프트의 하단부에 결합되어 상기 샤프트를 축방향으로 지지하는 스러스트베어링의 형상이 특징적이고, 그로 인한 샤프트와의 결합구조가 개선되어 유체동압베어링모터의 설계에 있어 중요한 요소인 상기 샤프트와 스러스트베어링간에 수직도를 맞추는 것이 용이해진 하드디스크드라이브용 스핀들모터에 관한 것이다.

따라서, 이에 따른 본 발명은 베이스, 상기 베이스의 내측에 결합되고 유체동압발생을 유도하는 그루브가 소정의 위치마다 형성된 슬리브, 상기 베이스의 상부에서 결합되는 고정자코어, 상기 슬리브의 내경에 삽입되어 회전가능하게 결합되고 하단부에 스러스트베어링이 결합되는 샤프트 및 상기 샤프트가 중심부에 일체로 결합되면서 상기 고정자코어와 마주하는 위치에 마그네트가 부착되는 허브를 포함하는 구조로 이루어지는 하드디스크드라이브용 스핀들모터에 있어서, 상기 스러스트베어링의 상부가 수직방향으로 소정의 높이를 갖으며 일부 돌출된 튜브형상으로 이루어지고 상기 돌출된 상부의 내경에 샤프트의 하단부 외경이 삽입되어 결합된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

하드디스크, 스핀들모터

Description

스러스트베어링이 튜브형상을 가지는 하드디스크드라이브용 스핀들모터{SPINDLE MOTOR OF HARD DISK DRIVE COMPRISING THRUST BEARING TYPED TUBE}

도 1은 종래 하드디스크드라이브의 외부구조를 보인 도면.

도 2는 유체동압베어링이 적용된 종래 스핀들모터의 내부구조를 보인 도면.

도 3은 본 발명에 따른 스핀들모터의 내부구조를 보인 도면.

도 4는 본 발명에 따른 스핀들모터의 베어링부분을 설명하기 위한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 샤프트와 스러스트베어링의 결합상태를 보인 도면.

도 6은 본 발명에 따른 스러스트베어링이 결합된 샤프트를 종래와 비교하기 위한 도면.

*** 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명 ***

310 : 베이스 320 : 슬리브

330 : 고정자코어 340 : 샤프트

350 : 허브 360 : 마그네트

370a : 스러스트베어링 370b : 스러스트커버플레이트

380 : 그루브 390 : 오일갭

392 : 저널베어링부분 394 : 스러스트베어링부분

본 발명은 스러스트베어링의 형상이 특징적이고 그로 인한 샤프트와의 결합구조가 개선되어 유체동압베어링모터의 설계에 있어 중요한 요소인 샤프트의 수직도관리가 향상된 하드디스크드라이브용 스핀들모터에 관한 것이다.

일반적으로, 하드디스크드라이브는 자성체를 입힌 원판형 알루미늄 기판을 회전시키면서 자료를 저장하고 읽어 내도록 한 보조기억장치를 지칭하는 것으로 필요에 따라 다른 것과 교환하여 사용할 수 없는 단점이 있으나, 가격이 싸고 기억용량이 크기 때문에 소형 컴퓨터에 많이 사용된다.

특히, 소형 하드디스크드라이브는 개인용 컴퓨터에서 사용하기에 알맞기 때문에 개인용 컴퓨터에서 많이 사용되고 있다. 이러한 개인용 컴퓨터에서 사용되는 하드디스크드라이브의 용량은 1990년대 중반에 1GB급이 기본으로 사용되었으며, 1990년대 후반에는 16GB급이 일반화되고 있다. 세계적으로 저장용량은 매년 60%씩 증가되고 있으며, 가격은 분기당 12%씩 하락하는 추세이다.

보통, 상기 하드디스크드라이브는 플래터가 레코드판처럼 겹쳐져 있고 그 위에는 트랙이라고 하는 동심원이 그려져 있어 이 동심원 안에 데이터를 전자적으로 기록하는데, 하드디스크드라이브(100)는 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이 간략히 플래터(200), 스핀들모터(300), 헤드(400), 헤드암(500) 및 스텝핑모터(600)로 이루어진다.

상기 플래터(200)는 금속 원판에 자성이 있는 자성체를 얇게 코팅한 것으로 한 장에 기록될 수 있는 용량의 한계 때문에 고용량의 하드디스크드라이브(100)는 여러 장의 플래터(200)를 사용하며 그 크기 및 갯수에 따라 하드디스크드라이브(100)의 크기가 결정된다.

그리고, 상기 스핀들모터(300)는 플래터(200)를 회전시켜주는 모터로 전원이 들어가면 일정한 속도(예를 들어, 매분 약 3600번(3600rpm), 5400번(5400rpm), 7200qjs(7200rpm))로 회전을 하는데 스핀들 축에는 한 개 이상의 플래터(200)가 서로 연결되어 동시에 회전하도록 되어 있다. 신뢰성있는 데이터의 읽기/쓰기를 위해서는 이 스핀들모터(300)의 정확한 회전율을 제어하는 것이 무엇보다 중요하다.

그리고, 상기 헤드(400)는 회전하는 플래터(200)의 위 아래에서 수평으로 움직이며 상기 플래터(200)에 데이터를 읽고 쓰고, 상기 헤드암(500)은 헤드(400)를 움직일 수 있게 하는 팔로서 제어회로의 명령을 받아 헤드(400)의 위치를 조정한다.

마지막으로, 상기 스텝핑모터(600)는 헤드(400)를 플래터(200)의 위치에 이동시키는 원동력으로 이 모터의 성능이 좋고 나쁨에 따라 액세스타임(:하드디스크드라이브가 데이터를 메모리로 배치시키거나 전송하는데 소용되는 총시간)이 결정된다.

상기 기술한 내용중 특히, 본 발명이 적용되는 분야인 스핀들모터(Spindle Motor)는 BLDC모터(Brushless-DC Motor)에 속하는 것으로 디스크의 원판인 상기 플래터의 중앙에 회전력을 전달시켜 디스크를 회전시켜 주는 모터로서 하드디스크드 라이브용 모터 외에도 레이져프린터용 레이져빔 스캐너모터, 플로피디스크드라이브(FDD : Floppy Disk Drive)용 모터, CD(Compact Disk)나 DVD(Digital Versatile Disk)와 같은 광디스크 드라이브용 모터등으로 널리 사용된다.

그리고, 최근 상기 하드디스크드라이브와 같은 고용량 및 고속의 구동력이 요구되는 기기에서는 소음과 NRRO(Non Repeatable Run Out)의 발생을 최소화하기 위하여 기존의 볼베어링의 형태보다는 구동부하(또는 구동마찰)가 적은 유체동압베어링이 적용된 스핀들모터를 애용하는 추세이다.

여기서, 상기 유체동압베어링은 기본적으로 회전체와 고정체 사이에 얇은 유막을 형성하여 회전시 발생하는 압력으로 회전체를 지지하므로 회전체와 고정체간에 서로 접촉하지 않아 마찰부하가 저감되는 것이다. 그러므로, 상기 유체동압베어링이 적용되는 스핀들모터(Fluid Dynamic Bearing Spindle Motor)는 디스크를 회전시키는 모터의 샤프트를 윤활유가 동압(:회전축의 원심력에 의해 밀려나는 유압을 중심으로 되돌리는 압력)만으로 유지시키는 것으로 샤프트를 쇠구슬로 지지하는 볼베어링 스핀들모터와 구별된다.

그리고, 상기 볼베어링이 적용된 스핀들모터의 경우 볼베어링이 샤프트와의 마찰로 인하여 소음과 진동(NRRO : Non Repeatable Run Out)이 발생하고 특히 상기 진동이 하드디스크의 트랙밀도를 높이는데 장애요인으로 작용하는 문제점이 있으나, 이와 달리 상기 유체동압베어링은 원심력을 기반으로 하여 금속 마찰이 없고, 고속 회전일수록 오히려 안정감이 상승하므로 소음과 진동이 적은 특성으로 인하여 하드디스크드라이브에 우선적으로 채용되었다.

이와 같이, 유체동압베어링이 적용된 종래 스핀들모터의 내부구조는 첨부된 도 2에 도시된 바와 같이 베이스(310), 슬리브(320), 고정자코어(330), 샤프트(340), 허브(350) 및 마그네트(360)로 이루어진다.

상기 스핀들모터(300)는 외관을 형성하는 베이스(310)의 내측에 수직으로 슬리브(320)가 결합고정되고 베이스(310)의 상측 외부에 코일이 감겨진 고정자코어(330)가 장착되며 상기 슬리브(320)의 내부중심을 관통하여 샤프트(340)가 회전가능하게 삽입된다.

그리고, 상기 샤프트(340)의 하단부에는 원판형상의 스러스트베어링(370a)이 샤프트(340)와 함께 회전가능하도록 결합되고 그 하단은 스러스트커버플레이트(370b)에 의하여 외부와 차폐되며, 상기 샤프트(340)의 상단부에는 내부가 하향 개방된 캡형상의 허브(350)가 결합된다.

그리고, 상기 허브(350)의 끝단부의 내측에는 고정자코어(330)와 마주하는 위치에 마그네트(360)가 부착되며 상기 샤프트(340)의 외주면과 슬리브(320)의 내주면 및 스러스트베어링(370a) 사이에는 오일갭(390)이 형성되어 이 오일갭(390)에 윤활유나 구리스등과 같은 유체가 채워진다.

따라서, 상기와 같은 구조로 이루어진 유체동압베어링 스핀들모터는 외부전원이 가해지면 상기 고정자코어(330)와 마그네트(360)사이에 작용하는 전자기적 반발력에 의하여 허브(350) 및 이와 결합된 샤프트(340)가 회전한다.

그리고, 통상 상기 슬리브(320)의 내주면에는 다수의 그루브(380)가 빗살 무늬(Herringbone) 또는 나선무늬(Sprial)형태로 형성되어 있어 샤프트(340)가 회전하면 상기 오일갭(390)에 충전된 오일이 압력 구배에 의해 그루브(380)의 중심부를 향하여 이동하면서 유체동압을 발생시켜 샤프트(340)의 반경방향으로 슬리브(320)를 지지한다.

또한, 상기 샤프트(340)의 하단에 결합된 스러스트베어링(370a)은 샤프트(340)를 축방향으로 지지하는 것으로 종래에는 그 형태가 얇은 원판형상을 갖는 것으로 샤프트(340)에 압입하여 결합고정한다.

그런데, 상기 결합시 샤프트(340)와 직각을 이루어 결합해야 하는 것을 고려할 때 그 두께가 얇아 상기 직각을 이루는 것이 용이하지 않을 뿐만 아니라 스러스트베어링(370a)을 정확히 수직으로 샤프트(340)에 압입하고자 압입강도를 높이므로 이때 스러스트베어링(370a)의 형태가 변형될 수 있다.

아울러, 유체동압베어링 스핀들모터의 설계에 있어 회전체 즉 샤프트(340)가 정확히 수직을 이루는 것은 중요한 요소이므로 상기 샤프트(340)를 축방향으로 지지하는 스러스트베어링(370a)이 샤프트(340)의 하단에 정확히 직각을 이루어 결합될 수 있는 방안이 기대된다.

따라서, 본 발명은 상기 기술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 샤프트가 회전시 축방향(또는 수직방향)으로 상기 샤프트를 지지하는 스러스트베어링이 샤프트와 결합시 직각을 이루도록 하는 수직도관리 작업의 능률을 향상시키기 위하여 상기 스러스트베어링이 소정의 높이를 갖으며 상부가 일부 돌출된 튜브형상으로 이루어지고 상기 돌출된 상부의 내경에 샤프트의 하단부 외경이 삽입 되는 구조를 이루는 하드디스크용 스핀들모터를 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, 상기 샤프트의 하단에 결합시 그 결합되는 스러스트베어링의 돌출된 상부의 높이가 상기 샤프트의 전체길이 대비 적어도 20% 이상인 것으로 샤프트와 의 결합시 충분한 결합길이를 형성하는 하드디스크용 스핀들모터를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 기술한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 베이스, 상기 베이스의 내측에 결합되고 유체동압발생을 유도하는 그루브가 소정의 위치마다 형성된 슬리브, 상기 베이스의 상부에서 결합되며 코일이 감겨진 고정자코어, 상기 슬리브의 내경에 삽입되어 회전가능하게 결합되고 하단부에 스러스트베어링이 결합되는 샤프트 및 상기 샤프트가 중심부에 일체로 결합되면서 상기 고정자코어와 마주하는 위치에 마그네트가 부착되는 허브를 포함하는 구조로 이루어진 하드디스크드라이브용 스핀들모터에 있어서,

상기 스러스트베어링은 수직방향으로 상부가 소정의 높이를 갖으며 일부 돌출된 튜브형상으로 이루어지고 상기 돌출된 상부의 내경에 샤프트의 하단부 외경이 삽입되어 결합된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 스러스트베어링은 상기 샤프트의 하단에 결합시 그 결합되는 돌출된 상부의 높이가 상기 샤프트의 전체길이 대비 20% ~ 40% 인 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명에 따른 하드디스크용 스핀들모터의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 스핀들모터의 내부구조를 보인 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 스핀들모터의 베어링부분을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 샤프트와 스러스트베어링의 결합상태를 보인 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 스러스트베어링이 결합된 샤프트를 종래와 비교하기 위한 도면이다.

상기 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스핀들모터의 내부구조는 베이스(310), 슬리브(320), 샤프트(340), 고정자코어(330) 및 마그네트(360)가 부착된 허브(350)로 이루어지는 바 그 구성은 종전과 동일하다.

즉, 고정부재인 베이스(310)의 내측에는 상하측이 개방된 원통형상의 슬리브(320)가 고정설치되고 상기 슬리브(320)의 내경부에 샤프트(340)가 회전가능하게 장착되며 상기 샤프트(340)의 외경면 및 슬리브(320)의 내경면 사이에 유체가 채워지는 오일갭(390)이 형성된다. 이 오일갭(390)에 충진된 유체에 의하여 유체동압이 발생하는데 이러한 유체동압이 적용되는 본 발명의 적용분야와 같은 유체동압베어링은 상대 운동을 하는 두 면 사이에 유체 윤활제를 넣어서 마찰이나 마모를 줄이고 외부로부터 가해지는 압력없이 표면의 형상(일명 그루브)에 따라 압력이 발생하여 윤활작용을 하는 것으로, 두 면 사이의 유체가 외부로부터 압력을 받아 윤활작용을 하는 유체정압베어링과 구별된다.

그리고, 상기 샤프트(340)가 하단에 결합된 스러스트베어링(370a)으로 인해 그 결합된 만큼 외경이 늘어나므로 상기 늘어난 샤프트(340)와 결합되는 위치에 슬리브(320)의 내경은 상기 늘어난 샤프트(340)의 외경만큼 크게 형성된다.

그리고, 상기 샤프트(340)의 상부 일측은 허브(350)와 결합고정되고, 상기 베이스(310)의 외측 및 허브(350)의 내측으로는 서로 마주하는 위치에 각기 고정자코어(330) 및 마그네트(360)가 부착된다.

여기서 상기 고정자코어(330)는 전류가 흐르면 자기장이 형성되면서 자속이 발생한다. 이와 마주하는 위치에 장착된 마그네트(360)는 N극과 S극이 반복 착자되어져 상기 고정자코어(330)에서 발생하는 가변전극과 대응하는 전극을 형성한다.

그러므로, 상기 고정자코어(330)와 마그네트(360)는 자속의 쇄교에 따른 전자력에 의하여 상호간 반발력이 생성되고 이에 따라 허브(350) 및 이와 결합된 샤프트(340)가 회전함으로 본 발명이 구동되는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 스핀들모터는 도 4에 도시된 바와 같이, 회전시 회전반경방향으로 샤프트를 지지하는 저널베어링부분(journal bearing part, 392)과 샤프트의 하단부에 스러스트베어링이 결합되고 이를 외부와 차폐하는 스러스트커버플레이트가 결합된 구조로 이루어져 회전시 샤프트가 상부로 부상하는 것을 방지하도록 샤프트를 지지하는 스러스트베어링부분(thrust bearing part, 394)으로 나누어진다. 그리고, 통상 동압발생을 위하여 상기 저널베어링부분(392)과 스러스트베어링부분(394)에는 빗살무늬 또는 나선형의 그루브(380)가 형성된다.

한편, 본 발명은 상기 스러스트베어링부분(394)에 있어 스러스트베어링(370a)의 형상 및 그로 인한 결합구조의 개선에 주요 특징이 있는 것이다.

그러므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스러스트베어링(370a)은 수직방향으로 상부가 소정의 높이를 갖으며 일부 돌출된 튜브형상을 가진다. 그리고 이러한 스러스트베어링(370a)과 샤프트(340)의 결합은 상기 돌출된 상부의 내경에 샤프트(340)의 하단부 외경이 삽입되므로 이루어진다. 여기서, 결합시 통상 샤프트(340)를 스러스트베어링(370a)에 압입(:좁은 구멍이나 홈따위에 세개 눌러서 넣음)하지만 접착제를 이용하여 접착하는 방식이 이용될 수 있다.

여기서, 첨부된 도 6을 참조로 하여 본 발명에 따른 스러스트베어링(370a)과 샤프트(340)의 결합구조를 종래와 비교해보기로 한다.

상기 도 6a에 도시된 바와 같이, 종래에는 그 두께가 매우 얇은 원판형상의 스러스트베어링(370a)을 샤프트(340)의 하단에 압입하여 고정하므로 압입길이(L)가 매우 짧아 상기 샤프트(340)와 스러스트베어링(370a)을 정확하게 수직을 이루어 결합하기가 용이하지 않았을 뿐더러 이에 따른 압입강도의 상승으로 인하여 스러스트베어링(370a)이 손상되는 문제점에 대해서는 이미 상기 종래기술 부분에서 언급한 바 있다.

이와 달리, 상기 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스러스트베어링(370a)은 수직방향으로 돌출된 소정의 높이만큼 압입길이(L)가 확보되므로 샤프트(340)와의 안정적인 결합을 유도한다. 더불어 상기 스러스트베어링(370a)의 돌출된 상부 내경에 샤프트(340)를 삽입하는 형식이므로 수직도를 맞추기도 종래에 비하여 훨씬 용이하다.

또한, 상기 스러스트베어링(370a)은 샤프트(340)의 하단에 결합시 그 결합되는 돌출된 상부의 높이가 상기 샤프트(340)의 전체길이 대비 20% ~ 40%을 차지하도록 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 스러스트베어링(370a)과 샤프트(340)가 결합시 수직도를 맞추기 용이하고 안정적인 결합이 이루어지도록 하는 최적의 결합길이를 확보하기 위함이다.

한편, 상기 샤프트(340)와 결합된 스러스트베어링(370a)의 상부는 슬리브(320)와 소정의 간격을 두는데 이는 상기 슬리브(320)에 형성되는 그루브가공을 용이하게 하기 위함으로 적어도 0.4mm 이상의 공간을 형성함이 좋으며 더욱 바람직하게는 0.6mm인 것이 좋다.

이상에서 살펴본 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었으나 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

이와 같이, 본 발명은 하드디스크드라이브용 스핀들모터의 구동시 회전하는 샤프트를 축방향으로 지지하여 회전시 상기 샤프트가 상측으로 부상하는 것을 방지하는 스러스트베어링이 상측이 일부 돌출된 튜브형상으로 이루어지고, 상기 돌출된 내경에 샤프트의 하단부 외경을 삽입하므로 결합이 이루어진다. 따라서 종래와 비교할 때 상기 스러스트베어링과 샤프트와의 결합길이가 상기 돌출된 높이만큼 길어지므로 수직도를 맞추기가 용이할 뿐만 아니라 결합시 압입강도에 따른 스러스트베어링이 손상되는 것을 방지하는 효과가 있다.

더불어, 유체동압베어링 스핀들모터의 설계에 있어 회전체 즉 샤프트가 정확히 수직을 이루는 것은 회전운동에 있어 중요한 요소이며, 그동안 전량 해외에 의존되어오던 하드디스크드라이브용 스핀들모터의 국산화가 추진되는 업계의 동향을 감안할 때 본 발명으로 인한 효과는 클 것으로 기대된다.

Claims (2)

1. 베이스(310), 상기 베이스(310)의 내측에 결합되고 유체동압발생을 유도하는 그루브가 소정의 위치마다 형성된 슬리브(320), 상기 베이스(310)의 상부에서 결합되며 코일이 감겨진 고정자코어(330), 상기 슬리브(320)의 내경에 삽입되어 회전가능하게 결합되고 하단부에 스러스트베어링(370a)이 결합되는 샤프트(340) 및 상기 샤프트(340)가 중심부에 일체로 결합되면서 상기 고정자코어(330)와 마주하는 위치에 마그네트(360)가 부착되는 허브(350)를 포함하는 구조로 이루어지는 하드디스크드라이브용 스핀들모터에 있어서,

   상기 스러스트베어링(370a)은 수직방향으로 상부가 소정의 높이를 갖으며 일부 돌출된 튜브형상으로 이루어지고 상기 돌출된 상부의 내경에 샤프트(340)의 하단부 외경이 삽입되어 결합된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하드디스크드라이브용 스핀들모터.
2. 제1항에 있어서, 상기 스러스트베어링(370a)은

   상기 샤프트의 하단에 결합시 그 결합되는 돌출된 상부의 높이가 상기 샤프트의 전체길이 대비 20% ~ 40% 인 것을 특징으로 하는 하드디스크드라이브용 스핀들모터.

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