KR100692392B1 - 유체동압 스러스트베어링 구조체 - Google Patents

유체동압 스러스트베어링 구조체 Download PDF

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Abstract

축심부근의 기포의 배출을 원할히 할 수 있도록 오일홈의 구조가 개선된 유체동압 스러스트베어링 구조체에 대해 개시한다. 스러스트 베어링의 오일홈(211a)은 베어링의 외경부(211d)로부터 내경부(211c)측으로 소정 곡률로 굴곡된 인워드(inward)형상으로 형성되어 일정간격으로 복수 형성되고, 복수의 오일홈(211a)중 선택된 적어도 하나의 오일홈의 내경부측 단부로부터 보조오일홈(211b)이 소정각도로 연장형성된 구조를 가진다. 또한, 베어링의 중심으로부터 오일홈(211a)의 내경부측 단부에 접한 접선각도(B)는 상기 보조오일홈(211b)의 내경부측 단부에 접한 접선각도(A) 보다 상대적으로 작게 형성된다. 또한, 보조오일홈(211b)은 오일홈(211a)보다 상대적으로 짧은 길이로 형성되고, 보조오일홈(211b)은 오일홈(211a)과 함께 헤링본 형상으로 형성된다. 상기와 같은 유체동압 스러스트베어링 구조체는 오일홈으로부터 베어링의 내경부측으로 연장형성되고 오일홈(211a)의 길이보다 짧은 보조오일홈(211b)을 형성함으로써, 유체동압 스러스트베어링의 중심부근에 존재하는 기포를 외부로 원할히 배출시킬 수 있게 하여 팽창된 기포로 인한 오일의 누출을 방지하고 이로 인한 베어링의 내구성 및 신뢰성을 향상시킨다.
유체동압, 스러스트베어링, 오일홈, 보조오일홈, 기포

Description

유체동압 스러스트베어링 구조체{A structure of hydrodynamic thrust bearing}
도 1은 통상의 유체동압 베어링모터를 나타낸 단면도,
도 2a 및 도 2b는 도 1에 채용되는 스러스트베어링의 베어링면을 나타낸 평면도,
도 3a 및 도3b는 종래 스러스트 베어링의 베어링면을 나타낸 평면도,
도 4는 본 발명 스러스트베어링 구조체가 채용된 유체동압 베어링모터를 나타낸 단면도,
도 5는 도 4의 저널베어링 부분을 나타낸 단면도,
도 6 및 도 7은 본 발명 실시예의 스러스트 베어링 구조체의 베어링면을 나타낸 평면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
211...스러스트 플레이트 211a...오일홈
211b...보조오일홈 210...샤프트
310...슬리이브
본 발명은 유체동압 스러스트베어링 구조체에 관한 것으로써, 특히 축심부근의 기포의 배출을 원할히 할 수 있도록 오일홈의 구조가 개선된 유체동압 스러스트베어링 구조체에 관한 것이다.
컴퓨터 하드 디스크 드라이브는 디스크를 회전가능하게 탑재하는 스핀들 모터 조립체를 채용한다. 디스크는 스핀들 모터 조립체의 허브에 장착되며, 이러한 허브는 베어링 구조체에 의해서 스핀들모터 조립체의 베이스를 중심으로 회전가능하게 지지되고, 전자기적 모터에 의해서 회전된다.
통상, 독취/기록헤드를 디스크 트랙에 정확하게 위치시키기 위하여 베어링 구조체는 진동이 작은 유체동압베어링이 채용된다.
유체동압베어링은 원심력을 기반으로 하기 때문에 금속 마찰이 없고, 고속 회전일수록 안정감이 상승하며 소음과 진동이 적다. 또한 디스크의 고속 회전이 볼베어링보다 순조로와 하이엔드용 하드디스크 제품에 적합하다.
스핀들 모터에서의 유체동압베어링은 통상 슬리이브(sleeve)의 내경면이나 스러스트 플레이트(thrust plate)의 상대면에 각각 헤링본(herringbone) 또는 스파이럴(spiral)형상의 동압(hydrodynamic pressure)발생 그루브(groove)가 형성되도록 하고, 샤프트(shaft)와 슬리이브(sleeve) 또는 스러스트 플레이트와 슬리이브간으로 미세하게 형성되는 베어링 간극(clearance)으로 오일이 충전되게 하므로서 베어링 간극에서의 동압발생으로 마찰부재간 서로 비접촉상태가 되도록 하여 마찰부하가 저감되도록 하는 구성이다.
상기와 같은 유체동압베어링을 채용하는 스핀들 모터의 일예가 도 1에 도시되어 있다.
이는 샤프트가 회전되는 축회전형 모터를 나타낸 것으로서, 하우징(10)과 슬리이브(20) 그리고 코어(30)로 이루어지는 고정부재와, 샤프트(40)와 허브(50) 및 마그네트(60)로 구성된 회전부재로 이루어진다.
이와 같은 스핀들 모터는 샤프트(40)와 슬리이브(20)의 내경에 저널베어링이 형성되고, 슬리이브(20)와 스러스트판(70) 및 스러스트판(70)과 커버플레이트(80) 사이에는 축방향으로 지지하는 스러스트베어링이 형성되어서, 디스크(미도시)를 탑재한 허브(50)를 축방향 및 레이디얼방향으로 안정하게 회전지지시킨다.
한편, 상기 스러스트베어링을 형성하는 슬리이브(20), 스러스트판(70) 및 커버플레이트(80)의 각 상대면에는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 동압발생을 위한 오일홈이 형성되어 있다.
오일홈은 통상 도 2a에 도시된 바와 같은 헤링본(herringbone)형상 또는 도 2b에 도시된 바와 같은 인워드(inward)형상의 것이 채용된다.
헤링본(herringbone)형상의 오일홈(71)의 경우, 오일이 오일홈(71)의 중앙부분(71a)측으로 집중되어서 중앙부분(71a)에서 압력이 피크(peak)를 이루며, 인워드(inward)형상의 오일홈(72)의 경우에는 오일홈(72)의 내측부분(72a)에서 압력이 피크를 이루게 된다.
한편, 베어링 간극에 공급되는 오일내에는 다량의 공기입자(air bubble)가 존재하게 되는데 이들 공기입자는 구동초기에 베어링 간극에서 발생되는 마찰열 및 전자기적 모터 구동에 의해 온도가 상승되면서 열팽창하게 되고, 이렇게 팽창되는 공기가 오일을 베어링 간극에서 밀어내게 하므로 오일이 외부로 누유되는 문제가 있다.
이와 같이 기포에 의한 오일의 유출은 베어링에서의 오일양의 감소로 베어링강성이 저하되고, 오일의 조기 감소에 따른 내구성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이있다. 따라서 팽창된 기포의 신속한 배출이 요구된다.
그러나, 기포는 오일홈(71)(72) 내에서 압력이 낮은 방향으로 이동하게 되므로 헤링본(herringbone)형상의 오일홈(71)의 경우, 환형 스러스트판(70)의 내경부측에서 최소압력이 발생된다.
이에 따라서 샤프트(4)와 접하는 내측에 기포가 포집되어 외부로 방출되지 못하는 문제점이 있다.
또한, 인워드(inward)형상의 오일홈(72)의 경우에는 오일홈(72)의 내측부분(72a)에서 압력이 피크를 이루게 되므로, 스러스트판(70)의 내경부측에 존재하고 있던 기포의 방출이 어렵게 된다.
상기와 같이, 스러스트베어링의 중심부 부근에 포집된 기포는 열팽창계수가 오일보다 크므로 고온환경하에서는 팽창되어 오일을 외부로 유출시키게 된다.
미국특허 제6,493,181호에는 상기 문제점을 개선시킨 스러스트 베어링 구조가 개시되어 있다. 이는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 압력이 낮은 중심부근에 보조홈(91a)(92a)을 형성시킨 것으로써, 중심부 부근에 존재하는 기포들을 보조홈(91a)(92a)에 포집한 후 오일홈(91)(92)을 통하여 스러스트베어링의 외측으로 이동될 수 있도록 한다.
즉, 회전시에 보조홈(91a)(92a)에는 오일홈(91)(92)과 마찬가지로 베어링의 중심부를 향하여 압박하는 동압을 형성시킨다. 이에 따라서 중심부측의 기포들은 보조홈(91a)(92a)으로부터 오일홈(91)(92)측으로 이동되어 베어링의 외측으로 배출될 수 있도록 한다.
그러나 상기와 같은 베어링은 오일홈(91)(92)과 보조홈(91a)(92a)에 의해서 축심에 대하여 비대칭인 동압을 형성시킴으로써 축심부근의 기포를 외부로 배출시킬 수 있도록 하지만, 비대칭 동압이 형성되고 오일홈(91)(92)과 보조홈(91a)(92a)이 불연속으로 연결됨으로써 정보매체(디스크)를 탑재한 허브의 회전이 불안정하게 되고 기포가 연속적으로 외부로 배출되지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로써, 유체동압 스러스트베어링의 중심부근에 존재하는 기포를 외부로 원할히 배출시킬 수 있도록 그 구조가 개량된 유체동압 스러스트베어링 구조체를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하는 본 발명은 상호 상대회전가능하며 일정한 틈새를 가지고 대향되는 제1,2베어링면을 가지며, 상기 제1,2베어링면에 오일이 충전되는 오일홈이 형성된 유체동압 스러스트 베어링 구조체에 있어서,
상기 오일홈은 상기 베어링의 외경부로부터 내경부측으로 소정 곡률로 굴곡 된 인워드(inward)형상으로 형성되어 일정간격으로 복수 형성되고,
상기 복수의 오일홈중 선택된 적어도 하나의 오일홈의 내경부측 단부로부터 보조오일홈이 소정각도로 연장형성되고,
상기 베어링의 중심으로부터 상기 오일홈의 내경부측 단부에 접한 접선각도는 상기 보조오일홈의 내경부측 단부에 접한 접선각도 보다 상대적으로 작게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하는 본 발명은 상호 상대회전가능하며 일정한 틈새를 가지고 대향되는 제1,2베어링면을 가지며, 상기 제1,2베어링면에 오일이 충전되는 오일홈이 형성된 유체동압 스러스트 베어링 구조체에 있어서,
상기 오일홈은 상기 베어링의 외경부로부터 내경부측으로 소정 곡률로 굴곡된 인워드(inward)형상으로 형성되어 일정간격으로 복수 형성되고,
상기 복수의 오일홈중 선택된 적어도 하나의 오일홈의 내경부측 단부로부터 보조오일홈이 소정각도로 연장형성되고,
상기 보조오일홈은 상기 오일홈보다 상대적으로 짧은 길이로 형성되고, 상기 보조오일홈은 상기 오일홈과 함께 헤링본 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명 베어링 구조체는 오일홈으로부터 베어링의 중심부근 측으로 보조오일홈이 연장형성됨으로써 베어링 중심부근에 존재하는 기포들의 배출을 원할하게 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명 실시예의 유체동압 스러스트베어링 구조체는 저널베어링과 만나는 모서리 부근에 형성된 기포가 외부로 원할하게 배출될 수 있도록 개량된 구조를 가진다.
이와 같은 본 발명 실시예의 유체동압 스러스트베어링이 채용된 모터를 나타낸 도 4를 참조하면, 이는 본 발명과 동일자로 출원된 본원 출원인이 개량한 모터를 나타낸 것으로써, 본 발명 실시예의 베어링 구조체를 이 모터에 적용하여 예로 들어 설명하기로 한다.
이는 회전자와 고정자 사이에 오일갭을 형성하여서 유체동압베어링을 형성하여 회전자를 회전가능하게 지지하고, 상기 오일갭을 형성하는 회전자 또는 고정자의 상호 대응면에 오일홈이 형성된 구조를 나타낸다.
상기 고정자는 스테이터(201)가 고정된 베이스(200)와, 상기 베이스(200)의 중심부에 결합고정되는 샤프트(210)와, 상기 샤프트(210)의 상하부에 고정되는 스러스트 플레이트(211) 및 스러스트돌출부(212)를 구비한다.
상기 회전자는 상기 샤프트(210)에 상/하부 저널베어링(413)(414)을 형성하면서 회전가능하게 결합되며 상기 스러스트 플레이트(211) 및 스러스트돌출부(212)와의 사이에 상/하부 스러스트베어링(411)(412)을 형성하는 슬리이브(310)와, 상기 슬리이브(310)의 외주연에 결합고정되며 그 내주면에 상기 스테이터(201)와 대향되어 마그네트(350)가 고정된 허브(320)와, 상기 슬리이브(310)의 상하단부에 결합고정되어 상기 스러스트 플레이트(211)와 스러스트돌출부(212)를 각각 감싸는 상/하부커버(330)(340)를 구비한다.
도 5를 참조하면, 상기 상/하부 저널베어링(413)(414)은 슬리이브(310) 및/또는 샤프트(210)의 외주면에 헤링본(herringbone) 형상의 오일홈(216)(217)이 형성되어서, 슬리이브(310)의 회전시 오일이 화살표방향으로 집중되어 동압을 형성하도록 한다.
한편, 본 발명의 특징적 구성으로서 상기 스러스트베어링(411)(412)의 구조는 다음과 같다.
도 6은 본 발명 일 실시예의 스러스트베어링(411)(412) 구조를 나타낸 것으로써, 이는 슬리이브(310)의 베어링면과 대향되는 상기 스러스트플레이트(211) 및 스러스트돌출부(212)의 베어링면을 나타낸다.
각 스러스트플레이트(211) 및 스러스트돌출부(212)의 베어링면에는 상기 베어링의 외경부(211d)로부터 내경부(211c)측으로 소정 곡률로 굴곡된 인워드(inward)형상의 오일홈(211a)이 형성된 구조를 가지며, 복수의 오일홈중 선택된 적어도 하나의 오일홈(221a)의 내경부측 단부로부터 보조오일홈(211b)이 소정각도로 연장형성된 구조를 가진다.
또한, 상기 베어링의 중심으로부터 상기 오일홈(211a)의 내경부측 단부에 접한 접선각도(B)는 상기 보조오일홈(211b)의 내경부측 단부에 접한 접선각도(A) 보다 상대적으로 작게 형성된 구조를 가진다.
이러한 구성에 의해서 상기 보조오일홈(211b)은 상기 오일홈(211a)보다 상대적으로 짧은 길이로 형성된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로써, 상기 오일홈(211a)으로부터 연장된 상기 보조오일홈(211b)이 상기 오일홈(211a)과 함께 헤링본 형상으로 형성된 것으로써, 상기 보조오일홈(211b)은 상기 오일홈(211a)보다 상대적으로 짧은 길이로 형성된 구조를 가진다.
상기와 같은 스러스트베어링(411)(412)의 구성에 있어서, 상기 오일홈(211a) 및 보조오일홈(211b)은 상기 각 스러스트플레이트(211) 및 스러스트돌출부(212)의 베어링면과 대향되는 슬리이브(310)의 스러스트베어링면에 형성될 수 있다.
상기와 같은 스러스트베어링의 구조는 저널베어링(413)(414)과 만나는 모서리에 형성된 기포를 외부로 원할하게 방출될 수 있도록 한다.
즉, 오일홈(211a)과 접하지 않는 각 스러스트플레이트(211) 및 스러스트돌출부(212)의 내경부측에 존재하는 기포들이 보조오일홈(211b)에 포집되고 오일홈(211a)을 경유하여 외부로 방출될 수 있도록 한다.
이때 보조오일홈(211b)의 길이가 오일홈(211a)의 길이보다 짧게 형성됨으로써 기포의 배출이 신속하게 이루어질 뿐만 아니라, 보조오일홈(211b)이 오일홈(211a)과 연통됨으로써 연속적으로 원할하게 배출할 수 있도록 한다.
상술한 바와 같은 본 발명 실시예의 유체동압 스러스트 베어링을 채용한 유체베어링 모터는 다음과 같이 작동된다.
스테이터(201)에 전원이 인가되면 마그네트(350)와의 전자기력에 의해 고정된 샤프트(210)에 대하여 회전자가 회전된다.
이때 스러스트 플레이트(211) 및 스러스트돌출부(212)와 슬리이브(310) 사이에 유체동압이 발생하여 스러스트베어링(411)(412)이 형성되고, 슬리이브(310)의 내경면과 샤프트(210) 사이에는 저널베어링(413)(414)이 형성된다.
상기와 같이 고정부분과 회전부분 사이에는 오일에 의한 유체동압 베어링이 형성되어서 샤프트(210)에 대하여 디스크(미도시)를 안착한 허브(320)등의 회전자를 안정되게 회전가능하게 한다.
한편, 모터의 구동중에 발생되는 내부열에 의해서 팽창된 기포들은 샤프트(210)의 양단부측을 통하여 배기된다.
저널베어링(413)(414)과 스러스트베어링(411)(412)이 만나는 스러스트베어링(411)(412)의 내경부측의 기포들은 상기 보조오일홈(211b)에 포집되어서 오일홈(211a)을 경유하여 스러스트베어링(411)(412)의 외경부측으로 배출된다.
이때 보조오일홈(211b)은 오일홈(211a)의 길이보다 짧게 형성됨으로써, 보조오일홈(211b)에 포집된 기포들은 오일홈(211a)을 통하여 신속하게 배출될 수 있게 되며, 또한 보조오일홈(211b)은 오일홈(211a)과 연통된 구조로 형성됨으로써 기포들이 연속적으로 원할하게 배출될 수 있게 된다.
상술한 바와 같은 본 발명은 상기 본원의 정신과 범위를 이탈함이 없이 상기 실시예에 한정되지 아니하고 많은 변형을 가하여 실시될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명 유체동압 스러스트베어링 구조체는 오일홈으로부터 베어링의 내경부측으로 연장형성되고 오일홈(211a)의 길이보다 짧은 보조오일홈(211b)을 형성함으로써, 유체동압 스러스트베어링의 중심부근에 존재하는 기포를 외부로 원할히 배출시킬 수 있게 하여 팽창된 기포로 인한 오일의 누출을 방지하고 이로 인한 베어링의 내구성 및 신뢰성을 향상시킨다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 상호 상대회전가능하며 일정한 틈새를 가지고 대향되는 제1,2베어링면을 가지며, 상기 제1,2베어링면에 오일이 충전되는 오일홈이 형성된 유체동압 스러스트 베어링 구조체에 있어서,
    상기 오일홈(211a)은 상기 베어링의 외경부(211d)로부터 내경부(211c)측으로 소정 곡률로 굴곡된 인워드(inward)형상으로 형성되어 일정간격으로 복수 형성되고,
    상기 복수의 오일홈(211a)중 선택된 적어도 하나의 오일홈의 내경부측 단부로부터 보조오일홈(211b)이 소정각도로 연장형성되고,
    상기 베어링의 중심으로부터 상기 오일홈(211a)의 내경부측 단부에 접한 접선각도(B)는 상기 보조오일홈(211b)의 내경부측 단부에 접한 접선각도(A) 보다 상대적으로 작게 형성된 것을 특징으로 하는 유체동압 스러스트베어링 구조체.
  3. 상호 상대회전가능하며 일정한 틈새를 가지고 대향되는 제1,2베어링면을 가지며, 상기 제1,2베어링면에 오일이 충전되는 오일홈이 형성된 유체동압 스러스트 베어링 구조체에 있어서,
    상기 오일홈(211a)은 상기 베어링의 외경부(211d)로부터 내경부(211c)측으로 소정 곡률로 굴곡된 인워드(inward)형상으로 형성되어 일정간격으로 복수 형성되고,
    상기 복수의 오일홈(211a)중 선택된 적어도 하나의 오일홈의 내경부측 단부로부터 보조오일홈(211b)이 소정각도로 연장형성되고,
    상기 보조오일홈(211b)은 상기 오일홈(211a)보다 상대적으로 짧은 길이로 형성되고,
    상기 보조오일홈(211b)은 상기 오일홈(211a)과 함께 헤링본 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 유체동압 스러스트베어링 구조체.
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