KR100710792B1

KR100710792B1 - 스핀들 모터 및 스핀들 모터용 복합 베어링 조립체

Info

Publication number: KR100710792B1
Application number: KR1020000022672A
Authority: KR
Inventors: 무라베가오루; 오오쯔끼마꼬또; 고무라오사무
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2007-04-23
Also published as: EP1048863B1; US6307295B1; EP1048863A2; KR20000071842A; JP2000314421A; EP1048863A3; DE60025066D1; DE60025066T2

Abstract

복합 베어링 조립체는 슬리브와 상기 슬리브 내에 삽입된 축을 구비한다. 상기 축은 래디얼 및 축방향 베어링, 즉 유체 동역학적 베어링과 자기 베어링을 통해 슬리브 내에 회전 가능하게 지지되어 있다. 특히, 축방향 베어링은 제1 및 제2 자기 부재 또는 자기 링을 포함한다. 제1 자기 부재는 축상에 동축으로 고정되어 있지만, 제2 자기 링은 편심으로 슬리브 상에 고정되어 있다. 이렇게 하면 회전 축을 소정의 래디얼 방향으로 압박하는 편심 압박력이 발생하여 회전축은 저회전수에서 슬리브와 마찰 접촉을 벗어나게 해준다. 이는 결국 슬리브와 축의 마모 감소를 가져오고, 베어링 조립체의 내구성을 증대시켜준다.

복합 베어링 조립체, 유체 동역학적 베어링, 자기 링, 편심 압박력

Description

스핀들 모터 및 스핀들 모터용 복합 베어링 조립체 {SPINDLE MOTOR AND COMPLEX BEARING ASSEMBLY FOR USE WITH THE SPINDLE MOTOR}

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 베어링 조립체를 채택한 스핀들 모터의 개략적 단면도.

도2는 자석의 편심 배치를 도시한 자석 링의 개략적 횡단면도.

도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다른 복합 베어링 조립체를 채택한 스핀들 모터의 개략적 횡단면도.

도4는 축 또는 슬리브 주위를 추적하는 폐쇄 루프를 확대하여 도시하고, 폐쇄 루프에 대한 최소 외접원 및 최대 내접원을 도시한 도면.

도5a 내지 도5c는 슬리브 및/또는 축의 형상을 도시한 도면.

도6은 회전 부재가 인접 고정 부재와의 마찰 접촉에서 벗어나게 될 때의 모터의 회전수를 측정하는 장치의 개략적 측면도.

도7은 회전수의 변동과 모터에 발생된 진동을 표시하는 신호 파형을 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 하우징

2 : 축

3 : 슬리브

5 : 외부 자석
6 : 내부 자석
18, 19 : 상부 자석

7, 17 : 회전자

9 : 코일

11 : 하우징

본 발명은 래디얼 유체 동역학적 베어링 및 축방향 자기 베어링을 채택한 복합 베어링에 관한 것이다. 또, 본 발명은 복합 베어링 조립체 또는 기구를 채택한 스핀들 모터에 관한 것이다.

래디얼 지지체를 위한 유체 동역학적 베어링과 축방향 지지체를 위한 자기 베어링을 포함하는 복합 베어링 조립체 또는 기구는 하드 디스크 드라이브같은 자기 저장 장치와 모터의 고속 고정밀 회전을 하는 레이저 스캐너 등에 사용되는 스핀들 모터의 부품 중 하나로 널리 채택되고 있다.

종래의 복합 베어링 조립체에 있어서, 특히 래디얼 동역학적 베어링에서 마찰 마모는 해결해야 할 중요한 과제로 생각되게 되었다. 특히, 모터의 회전 속도가 충분히 증가되지 못한 모터 회전의 초기 상태에서, 래디얼 베어링에 발생된 유체 동역학적 압력은 아직 작다. 이는 예를 들어 고정된 슬리브와 이 슬리브에 삽입된 축 등의 지지 부재와 회전을 위해 지지된 회전 부재 사이의 연속적 및/또는 불연속적 마찰 접촉을 일으키는 결점이 있다. 그리고, 모터의 회전 속도가 소정 범위 까지 증가되어 회전 부재의 회전 속도가 안정되게 되면, 지지체와 회전 부재 사이의 마찰 접촉은 종료된다.

기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 마찰 접촉은 마찰 마모를 가져와서 스핀들 모터의 내구성을 저하시킨다. 마찰 마모는 축과 슬리브 사이의 마찰 접촉이 종료되는 전이 회전 속도에 의존하게 된다. 즉, 마찰 마모는 전이 회전 속도에 비례하여 증가된다. 결국, 베어링 조립체와 이런 베어링 조립체를 구비한 스핀들 모터의 신뢰성을 높이기 위해서 전이 회전 속도를 최소화해야 할 필요가 있게 된다.

그런데, 축이 수직으로 연장되는 복합 베어링 조립체에 있어서, 베어링 조립체의 회전부 또는 회전자의 부하 또는 중력이 축방향 베어링에 작용하고 회전자의 불평형력에 의해 발생되는 원심력이 래디얼 베어링에 작용하게 된다. 또, 래디얼 베어링 상에는 어떤 방향으로도 정적인 힘이 작용하는 일이 없게 되고, 결국 래디얼 베어링이 원심력을 받는 부분이 회전자의 회전과 함께 이동하게 된다.

따라서, 회전자가 비교적 저속에서 회전하게 되면 회전자의 불평형력으로 인한 원심력은 래디얼 베어링에서 발생된 유체 동역학적 힘 보다 커서 슬리브가 축과 접촉하게 된다. 축과 슬리브 사이의 접촉부는 축 주위에서 연속적으로 이동하게 된다. 회전자의 속도가 비교적 고속에 달할 때 까지 이 접촉이 유지된다면 접촉력 또는 접촉 회전자와 축 사이의 에너지 소비가 증가될 경우 회전자와 축 모두에 심 각한 마모나 손상을 일으키게 된다.

이 문제를 해결하는 가장 효율적인 방법은 회전자의 회전 속도가 저속일 때의 유체 동역학적 힘을 증가시키는 것이다. 일반적으로, 유체 동역학적 힘은 베어링 부재의 직경, 길이 및 편심도와 대향 슬리브와 사프트 사이의 간극에 좌우된다. 특히, 유체 동역학적 힘은 직경, 길이의 증가 및 간극의 감소에 따라서 증가된다. 직경과 길이를 증가시키는 방법은 모터의 크기의 증가를 초래하게 되고, 이런 모터를 채택한 시스템은 최근의 장치 소형화 추세에 맞지 않게 된다. 또, 간극을 감소시키는 방법은 샤프트와 슬리브의 제조에 있어서 상당한 정밀도를 요하게 된다. 게다가, 불평형 질량에 의해 결정되는 편심도는 실제로 조절할 수가 없다.

한편, 직경 및 길이를 증가시키거나 간극을 감소시키게 되면 회전 마찰 또는 저항이 급격히 증가되게 되어 이런 베어링을 채택하는 모터에 의한 동력 소비가 증가되게 된다. 게다가, 사용중의 온도에 따라 성능이 좌우되는 종래의 유체 동역학적 베어링은 임계 회전수를 저하시켜 반파장 와류 등의 불안정성을 초래하게 된다.

따라서, 본 발명의 복합 베어링 조립체는 물론, 이런 복합 베어링 조립체를 채택하는 스핀들 모터도 베이스 부재와, 내부에 원통형 외주를 갖는 제1 원통형 부재와, 내부에 원통형 내주를 갖는 제2 원통형 부재를 포함한다. 상기 내주는 제1 부재의 외주보다는 직경이 크게 되어 있어서 제1 부재의 외주는 제2 부재의 내주 내에 배치된다. 또, 제1 및 제2 원통형 부재 중 하나는 베이스 부재에 고정되어 제1 및 제2 원통형 부재 중 다른 하나가 고정 부재에 대해 회전하게 된다.

상기 조립체는 상기 내주와 외주에 의해 형성된 래디얼 베어링을 포함한다. 상기 래디얼 베어링은 상기 회전 원통형 부재의 회전 이동시에 발생된 유체 동역학적 힘에 의해 고정 원통형 부재에 대한 래디얼 방향으로 상기 내주와 외주 사이에 회전 원통형 부재가 지지될 수 있게 해 준다. 상기 조립체는 축방향 베어링을 더 포함한다. 축방향 베어링은 회전 원통형 부재 상에 고정되고 상기 베어링 조립체의 회전 축선 주위로 연장된 제1 자기 부재와, 상기 고정 원통형 부재 상에 고정되고 사이에 간격을 남긴 채 제1 자기 부재 주위로 연장된 제2 자기 부재를 구비하고 있다. 이렇게 되면 제1 및 제2 자기 부재는 서로 협동하여 고정 원통형 부재에 대해 축방향으로 회전 부재를 지지하도록 자력을 발생시키게 된다. 특히, 제1 및 제2 자기 부재 중 하나는 베어링 조립체의 회전 축선과 동축으로 배치되어 있고 제1 및 제2 자기 부재 중 다른 하나는 베어링 조립체의 회전 축선에 편심으로 위치된다.

또, 복합 베어링 제조 방법은 조립된 복합 베어링 조립체를 제공하는 단계를 포함한다. 복합 베어링 조립체는 래디얼 및 축방향 베어링에 의해 제1 부재에 대해 회전하도록 지지된 제1 부재 및 제2 부재를 포함한다. 특히, 상기 방법은 회전을 개시한 후에 제2 부재가 제1 부재와 마찰 접촉에서 벗어나게 되는 제2 부재의 회전수를 측정하는 단계도 포함한다.

도면을 참조하여, 이하에는 본 발명의 몇가지 실시예를 설명하기로 한다. 도면에 있어서는 동일한 부품이나 부분은 동일한 부호를 부여하였음을 부언한다.

<제1 실시예>

먼저, 도1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 베어링 조립체 또는 구조가 도시되어 있다. 일반적으로, 복합 베어링 조립체는 래디얼 유체 동역학적 베어링과 축방향 자기 베어링을 포함한다. 특히, 복합 베어링 조립체는 베이스 부재 또는 고정 하우징(1)을 갖는다. 하우징(1)은 수직축(2)을 지지한다. 또, 중공 원통형 슬리브(3)는 축(2) 주위에 배치되어 축(2) 주위에서 회전할 수 있게 되어 있어서 축(2)과 슬리브(3) 사이의 래디얼 유체 동역학적 베어링을 형성한다.

하우징(1)은 슬리브(3) 주위에 이격 배치된 중공 원통형 부분(4)을 포함한다. 외부 자석(5) 또는 자석 링은 원통형 부분(4)의 내면상에 또는 그를 따라 고정된다. 다른 내부 자석(6) 또는 자석 링은 슬리브(3)의 저부 상에 또는 그를 따라 고정되어 외부 자석(5)과는 반경 방향으로 대향되고 있다.

도2를 참조하면, 외부 및 내부 자석(5 및 6)은 서로 견인하도록 축방향으로 자화되어 있어서 축방향 베어링을 형성한다. 특히, 이 실시예에서, 외부 자석(5)의 상하면에는 S극과 N극이 각각 배치되어 있고, 내부 자석(6)의 상하면에는 N극과 S극이 각각 배치되어 있다.

특히, 외부 및 내부 자석(5 및 6)은 축(2)과 슬리브(3)가 동축 관계로 배치되면 내부 자석(6)은 축(2) 및 슬리브(3)와 동축으로 있게 되지만 외부 자석(5)은 축(2) 및 슬리브에 대해 편심으로 있게 되도록 배치된다. 적합하게는, 편심도(도2에서 알파벳 "e"로 표시된)는 다음 수학식 1로 표시되는 평균 간극(즉 d_mean)에 대한 편심도(e)의 비율이 약 0.01 내지 0.3, 보다 적합하게는 0.02 내지 0.1의 범위가 되도록 결정된다.

<수학식 1>

d_mean = (d_max+d_min)/2

d_max: 내부 및 외부 자석 사이의 최대 간극

d_min: 내부 및 외부 자석 사이의 최소 간극

이 실시예에서, 편심도는 예를 들어 외부 자석(5) 주위에 연장되며 외부 자석(5)과 원통형 부분(4) 사이에 배치되는 도시하지 않은 간격 부재를 사용함으로써 외부 자석(5)을 편심적으로 배치하여 간단하게 제공된다. 혹은, 편심도는 적당한 접착제를 사용함으로써 외부 자석(5)을 원통형 부분과 편심 형태로 고정하여 간단하게 제공할 수도 있다.

또, 회전자(7)는 슬리브(3)로부터 외향 연장되는 수평 부분과 상기 수평 부분으로부터 하향 연장되는 수직 부분(중공 원통형 부분)을 보유한다. 또, 회전자(7)는 수직 부분이 하우징(1)의 원통부(4) 주위에 원통형 간극을 형성하도록 설계되어 있다. 회전자(7)의 수직 부분은 상기 수직 부분의 내주면을 따라 배치된 회전자 자석(8) 또는 자석 링을 보유한다. 한편, 원통형 부분(4)은 외주면 주위에 고정자 코일(9)을 보유한다. 고정자 코일(9)은 도시하지 않은 교류 전원과 전기적으로 연결되어 있어서 교류 전력을 공급받아 회전자(7)는 물론 슬리브(3)를 축(2) 주위로 회전할 수 있도록 되어 있다.

이렇게 구성된 복합 베어링 조립체의 작동에 있어서, 교류 전원이 고정자 코일(9)에 공급된다. 이렇게 되면 고정자 코일(9)과 회전자 자석(8) 사이의 자장에 변화가 일어나서 회전자(7)와 슬리브(3)가 소정 방향으로 축(2) 주위를 회전하게 된다. 이런 회전은 축(2)과 슬리브(3) 사이의 유체 동역학적 베어링 챔버 내의 유체 동력학적 힘을 증가시켜 이들 사이에 안정적이고 일정한 간극을 형성해준다. 수직 방향으로는 하우징(1)과 슬리브(3)에 장착된 대향된 외부 및 내부 자석(5 및 6) 사이에 발생된 자기 견인력으로 인해 회전 슬리브(3)가 하우징(1)에 대하여 이격된 상태로 제 위치에 유지되어 있다. 이 점에서, 회전 슬리브(3)와 회전자(7)는 고정 부분과는 마찰 접촉을 전혀 하지 않은 상태에서 축(2) 주위에 유지된다.

특히, 축방향 베어링에서는 외부 자석(5)이 축(2)과 슬리브(3)의 축선에 대하여 래디얼 방향으로 편심 배치되어 있기 때문에, 회전 슬리브(3)는 소정 방향, 예를 들어 도2에서 좌측으로부터 우측으로 자력을 받게 된다. 또, 상술한 바와 같이, 유체 동역학적 힘은 축(2)과 슬리브(3) 사이의 간극이 감소됨에 따라 증가된다. 따라서, 외부 자석(5)의 편심도는 축(2)과 슬리브(3) 사이의 최소 간극 부분에서 보다 큰 유체 동역학적 힘을 발생한다. 또, 외부 자석(5)은 제 위치에 고정되어 있기 때문에, 회전 슬리브(3)는 편심 방향을 향해 항상 밀리게 된다. 이렇게 되면 슬리브(3)가 비교적 저속에서 회전하여 그 방향으로 밀리더라도 슬리브(3)와 축(2) 사이에는 유체 동역학적 힘이 더 커지게 된다. 결국 슬리브(3)는 슬리브(3)의 저속 회전시에 축(2)과 마찰 접촉에서 벗어나게 해 주고 이들 사이에서 발생되는 마찰 접촉으로 인한 축(2)과 슬리브(3) 모두의 마모를 저감시켜 준다.

상술한 바와 같이, 복합 베어링 조립체의 제1 실시예에 따르면, 축방향 베어링 내의 편심 배치된 자석은 한 래디얼 방향으로 편심력을 받게 되어 슬리브와 축 사이의 증가된 유체 동역학적 힘을 발생하여 회전자의 회전 속도가 저하되더라도 회전자가 안정된 상태로 유지될 수 있게 해 준다. 결국, 회전자가 축과 마찰 접촉에서 벗어나게 되는 회전자의 회전 속도를 저감시키게 되어 슬리브와 축의 마모도 저감하게 된다.

자석의 편심도는 상술한 바와 같은 범위 내에서 조심스럽게 결정되어야 함을 이해해야 한다. 이는 편심도가 작으면 편심력이 작아지고 편심도가 커지면 과잉 편심력이 발생되는데 이런 현상은 모두 회전 슬리브가 축과의 마찰 접촉을 벗어나게 되는 회전수 또는 회전 주파수를 증가시키게 한다.

<제2 실시예>

다음에 도3을 참조하면, 예를 들어 스핀들 모터 등에 사용하기 위한 복합 베어링 조립체의 제2 실시예가 도시되어 있다. 복합 베어링 조립체는 중공 원통 형태의 고정 지지 고정자 또는 하우징(11)을 포함한다. 중공 원통 형태의 슬리브(13)는 동축 형태로 원통형 하우징(11) 내에 견고하게 유지된다. 축(12)은 그 종축선에 대해 회전하도록 슬리브(13) 내에 삽입 배치되어 있다. 축(12)은 축(12)의 한 단부로부터 외향으로 슬리브(13) 너머로 연장되는 수평부 또는 디스크를 갖는 회전자(17)를 보유하고 있다. 이어서 수평부는 수평부의 주위 단부로부터 하향 연장되는 수직부를 지지하여 상기 수직부가 사이에 소정의 간극을 남기고 원통형 하우징(11)으로부터 이격되어 둘러싸도록 되어 있다. 회전자(17)의 수직부는 수직부의 내주면 주위에서 이를 따라 연장되는 회전자 자석(8) 또는 자석 링을 보유한다. 회전자 자석(8)에 대응하여, 관련 고정자 코일(9)은 원통형 하우징(11)의 외주면 상에 그리고 그 주위에 고정 배치되어 회전자 자석(8)에 대향되고 이격되어 있다.

또, 하부 외부 자석(15) 또는 자석 링은 하우징(11)의 내주면 주위에 그리고 원통형 슬리브(13)의 저단부에 고정 배치되어 있어서 예를 들어 축(12)의 하단면 등의 부분에 대향하도록 되어 있다. 한편, 축(12)은 하부 외부 자석 및 하부 내부 자석(15, 16)이 이들 사이에 소정의 간극을 남기고 서로 대향되도록 하부 내부 자석(16) 또는 자석 링을 유지해준다. 특히, 제1 실시예와 마찬가지로, 하부 내부 자석(16)은 축(12)과 동축으로 배치되어 있다. 이와는 반대로, 하부 외부 자석(15)은 예를 들어 하부 외부 자석(15)과 원통형 하우징(11) 사이의 편심 스페이서 또는 링을 배치함으로써 간단히 슬리브(13)와 동축이 되지 않도록 배치되어 있다.

이 제2 실시예의 복합 베어링 조립체의 동작에 있어서, 교류 전원이 고정자 코일(9)에 공급되면 회전자(17)와 축(12)이 축(12)의 종축선에 대해 소정 방향으로 회전하게 된다. 또한, 이런 회전은 축(2)과 슬리브(3) 사이의 유체 동역학적 베어링 챔버 내의 유체 동역학적 힘을 증가시켜 이들 사이에 안정적이고 일정한 간극을 형성해준다. 수직 방향으로는, 회전 슬리브(13)는 하우징(11)과 슬리브(13)에 각각 장착된 대향 외부 및 내부 자석(5 및 6) 사이에 발생된 자기 견인력으로 인해 하우징(11)에 대해 하우징(11)과는 이격된 관계로 제 위치에 유지되어 있다. 특히, 편심 배치된 외부 및 내부 자석(5 및 6)은 회전자에 한 쪽 래디얼 방향으로 편심력을 제공하여 슬리브와 축 사이의 유체 동역학적 힘을 증가시킨다. 이렇게 되면 회전자는 회전자의 회전 속도가 저하되더라도 안정된 상태로 유지될 수 있게 된다. 또, 회전자가 축과의 마찰 접촉을 벗어나게 되는 회전자의 회전 속도를 저하시켜서 슬리브와 축의 마모도 저감시켜 준다.

도3에 도시한 바와 같이, 다른 쌍의 상부 자석(18 및 19) 또는 자석 링은 슬리브(13)와 축(12)의 대향 측면, 즉 상단부에 제공될 수 있다. 이 경우에, 상부 자석(18 및 19)은 하부 외부 자석 및 하부 내부 자석(15 및 16)과 마찬가지로 상부 자석(18 및 19) 사이에 발생된 편심력이 하부 외부 자석 및 하부 내부 자석(15 및 16) 사이에 발생되는 것과 동일한 방향을 향하도록 배치해야 한다. 또, 상부 자석(18 및 19)은 도2에 도시한 하부 외부 자석 및 하부 내부 자석(15 및 16)과 마찬가지로 자화되거나 도2에서 괄호를 붙여 도시한 바와 같이 반대로 자화될 수도 있다.

이런 배치에서, 회전축(12)은 양단부에서 지지되고 동일 방향으로 편심되어 축(12)의 안정된 회전을 보장해주고 슬리브(13)와의 마찰 접촉을 신속히 해제시켜 준다.

쌍으로 된 영구 자석 또는 자석 링 중 어느 하나를 예를 들어 실리콘 재료로 된 자성 부재로 대체할 수도 있다.

<제3 실시예>

본 발명에 따른 제3 실시예를 상세히 설명하기에 앞서, 회전 부재의 회전 안정성에 대한 래디얼 베어링을 한정하는 주위면 내의 전이의 영향에 대해 먼저 설명하기로 한다.

도4를 참조하면, 축의 외주 또는 슬리브의 내주를 추적함으로써 형성된 폐쇄 루프(20)가 확대된 형태로 도시되어 있다. 또, 동축으로 배치된 원(21 및 22)은 폐쇄 루프를 최대 직경과 최소 직경으로 외부 및 내부에서 접하는 외접원 및 내접원(21 및 22)이다. 또, 도4에서, 외접원과 내접원(21 및 22)의 반경의 차이는 δ로 도시되어 있고, 외접원과 내접원(21 및 22)의 평균 직경은 "C"로 표시하였다. 유체 동역학적 힘을 증대시키기 위해 슬리브 및/또는 축의 주위면에 형성된 홈 또는 요홈이나 축 및/또는 슬리브를 기계 가공할 때 생기는 바람직하지 못한 스크래치는 폐쇄 루프에 있어서 고려하지 않았다.

본 발명의 발명자들은 각종 변수 값, 즉 "δ", "C" 및 "δ/C"로 표시되는 진원도(out of roundness)를 갖는 예에 대해 수회의 시험을 행하였다. 결국, 슬리브 및/또는 축의 주위에 홈이나 요홈을 형성하지 않고도 고속 회전에서 발생하게 되는 와류를 방지하기 위해서는 진원도는 1×10^-4미만, 적합하게는 7×10^-5미만이어야 한다는 사실을 알게 되었다. 이는 회전부가 한 쪽 래디얼 방향으로 편의된 복합 베어링 조립체는 회전 부재가 급격한 충격이나 외력을 겪더라도 회전 중심의 신속한 조절 또는 회복을 보장하는 보다 큰 유체 동역학적 힘을 발생하기 때문이다.

<제4 실시예>

다음에, 제4 실시예에 따른 복합 베어링 조립체의 특정 구성에 대해 설명하기로 한다. 또, 본 실시예는 베어링에 발생된 유체 동역학적 힘을 증가시키기 위해 주위면이나 주위면들에 홈이 형성된 축 및/또는 슬리브 상에 유체 동역학적 베어링을 형성하는 것을 개량하기 위해 이루어진 것이다. 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 유체 동역학적 힘은 양면에 형성된 홈에 의해 증가될 수 있다. 이는 이 홈들이 베어링 챔버로 공기를 끌어들여서 내부에 유체 동역학적 힘을 증가시키기 때문이다. 이 경우에, 축은 감소된 회전 속도에서 축과의 마찰 접촉에서 벗어난다 고 할 수 있다. 또, 홈은 반와류가 발생되는 회전수를 증가시키게 되어 회전 부재의 회전 운동이 보다 큰 회전수에서 안정되게 한다.

도5a 내지 도5c는 축 및/또는 슬리브의 주위면에 형성된 헤링 보운 홈(herringbone groove, 도5a 및 도5b)과 헬리컬 홈(도5c)을 개략적으로 도시하고 있다. 홈의 배치는 이에 제한되는 것이 아니며, 유체 동역학적 베어링에서 유체 동역학적 힘을 증가시킬 수 있는 것이라면 변경도 가능하다.

적합하게는, 슬리브와 축이 동축으로 배치된다 하더라도 이들이 대향하는 내외주면 사이의 나머지 부분 보다 큰 간극을 갖는 적어도 하나의 확대된 간극부를 한정하고, 또 확대된 간극부는 베어링의 종방향 길이의 약 40% 또는 그 이상 연장된다. 이 경우에, 헤링 보운 홈을 가진 것에 비해 보다 높은 회전수에서도 반와류를 효과적으로 방지할 수 있게 된다. 이 점에서, 이하 예3에서 설명하겠지만, 수회에 걸친 시험 결과, 확대된 간극부는 평균 간극의 10배 미만의 크기를 갖고, 확대된 간극부의 주연 길이(peripheral length)의 각의 범위는 3 내지 90도가 적합하다는 것을 알게 되었다.

<제5 실시예>

이하에는 축과 슬리브의 재료의 개량에 관한 본 발명의 제5 실시예에 대해 설명하기로 한다. 특히, 슬리브와 축의 재료 사이의 열팽창 계수의 차이(Δα)는 8×10^-6/℃ 또는 그 미만으로 하고, 회전 부재의 탄성 계수의 차이는 2.5×10⁴㎏f/㎟ 또는 그 이상으로 하는 것이 바람직하다. 시험 결과로부터, 이런 재료를 사용하게 되면 보다 높은 회전 속도에서 복합 베어링 조립체의 안정성이 증가된다는 것을 알게 되었다.

그런데, 반와류는 실온으로 조정된 간극의 팽창 때문에 -30℃ 내지 60℃정도의 온도에서 발생할 수 있어 반와류에 대한 안정성이 감소된다. 본 발명의 복합 베어링 조립체와 축방향 베어링의 편심 구조는 슬리브와 축의 재료를 상술한 바와 같이 선택함으로서 고온에서도 슬리브와 축 사이에 효율적인 간극을 보유한다. 이는 복합 베어링에 소정의 성능을 확보하게 해준다.

또, 단순히 회전 부재, 즉 슬리브나 축의 재료를 상술한 바와 같이 선택하기만 하면 축방향 베어링의 편심 효과는 확실하게 얻을 수 있다. 이는 곧 축의 변위를 최소화시켜주게 되어 10,000 rpm 이상의 높은 회전 속도에서도 안정되고 고정밀한 회전을 실현할 수 있게 된다.

또, 축과 슬리브는 어느 한쪽 또는 양쪽 모두를 세라믹으로 제작하는 것이 좋다. 상술한 바와 같은 탄성을 가지면서도 강성과 내마모성이 높은 세라믹은 용이하게 선택될 수 있다. 또, 세라믹은 그와 접촉하는 다른 재료에 마모를 덜 주게 된다. 따라서, 세라믹은 저속 회전에 있어서, 특히 시동 개시 및 정지 동작시에 축방향 베어링의 편심 배치 구조에 일부 발생할 수 있는 래디얼 베어링에 있어서 관련 부재와의 마찰 접촉에 효율적으로 대처할 수 있다. 알루미늄 세라믹, 질화 실리콘 세라믹 및 실리콘 카바이드 세라믹을 포함하는 각종 세라믹 재료를 적절히 사용할 수 있다.

<제6 실시예>

이하에는 회전 부재가 관련 고정 부재와의 마찰 접촉에서 벗어나게 되는 회전수(이하에는 "최대 접촉 회전수" 또는 명확히 하기 위해 "MCRN"이라 한다)를 측정하는 단계를 포함하는, 스핀들 모터를 위한 제작 공정상의 개량에 관한 본 발명의 제6 실시예를 설명하기로 한다. 상술한 바와 같이, 증가된 MCRN은 슬리브와 축 사이의 마찰 접촉으로 인해 베어링 조립체의 내구성을 상당히 악화시키게 된다. 따라서, MCRN은 선적하기 전에 스핀들 모터의 제작 공정에서 측정되어야 한다.

도6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스핀들 모터의 MCRN을 측정하기 위한 시스템이 도시되어 있다. 이 도면에서, 복합 베어링 조립체를 포함하는 스핀들 모터(30)는 고정 지지체(32) 상에 하우징(31) 전체에 걸쳐 고정된다. 상기 지지체(32)는 지지체(32)의 진동을 취출하기 위한 픽업 장치(33)를 보유하고 있다. 픽업 장치(33)는 앰프(34)를 통해 오실로스코프(35)와 연결된다. 스핀들 모터(30)에서 회전 부재 또는 회전자의 회전을 감지하기 위한 센서는 다른 앰프(36)를 통해 오실로스코프(35)와 전기적으로 접속된다.

MCRN을 감지하는 동작에 있어서, 우선 스핀들 모터(30)가 여기되어 전력 또는 유체 유동(즉 공기압)을 사용함으로써 회전자(37)를 회전시킨다. 이 때, 일단 회전자(37)의 회전수가 5,000rpm에 달하면, 스핀들 모터(30)는 꺼지고 그 때부터 회전자(37)의 회전수가 저하되기 시작한다. 동작중에, 픽업 장치(33)는 지지체(32)의 진동을 픽업하고 센서(38)는 회전자(37)의 회전수를 감지한다. 픽업 장치(33)와 센서(38)의 출력은 각 앰프(34, 36)에 의해 증폭되어 오실로스코프(35)로 공급된다. 오실로스코프(35)는 진동 및 회전수를 감지하고 MCRN과 같은 회전수의 급격한 증가를 감지한다. 도7은 감지된 회전수 및 진동 수준의 변동을 도시한 것이다. 이 도면에서, MCRN은 "R"로 표시되어 있다.

이런 시스템을 사용함으로써, MCRN은 각 스핀들 모터에 대해 결정될 수 있 고, 제품에 소정 MCRN이 얻어지지 않으면, 선적을 차단하여 소정 MCRN을 갖지 못한 제품이 사용자에세 제공되지 않게 할 수 있다.

<실험예 1>

내구성과 반와류 면에서 복합 베어링 조립체의 시험을 행하였다. 시험에 있어서, 각 소결 알루미나 부재로 제작된 축과 슬리브를 이용하였다. 특히, 각 축은 슬리브에 대향하는 외면부가 연마되어 있어서 표면 거칠기 Ry는 5㎛ 이하, Sm은 100㎛ 이하로 되어 있다. 또한, 각 슬리브는 축에 대향하는 내면부가 연마되어 있어서 표면 거칠기 Ry는 5㎛ 이하, Sm은 10㎛ 이하로 되어 있다. 축의 진원도를 측정하였다.

도1에 도시한 구조를 갖는 복합 베어링 조립체를 시험함에 있어서, 내부 자석(6)은 접착제를 이용하여 슬리브(3)에 접착하였다. 또, 외부 자석(5)은 축(2)에 대해 편심 관계로 하우징(1)의 수직 중공부(4) 상에 고정하였다.

회전자는 일본 공업 표준 규격(JIS) B-0905에 따른 G1 등급의 평형 수준으로 평형되었다.

MCRN은 상술한 바와 같이 검출하였다. 반와류는 고정 프레임으로부터 모터를 현수시켜 감지하고, 진동 픽업 장치에 의해 모터로부터의 진동을 감지하고, 제1 푸리어 변환(FFT)을 이용하여 픽업 장치로부터 출력 신호를 처리하고, 회전수의 절반에 해당하는 주파수에서 피크치의 존재를 결정하였다.

모터의 내구성은 모터를 켜고 모터가 소정 회전수(50,000rpm)에 도달한 후에 꺼서 모터를 정지시키는 동작을 반복함으로써 결정하였다. 이 시험에 있어서, 회전 부재는 MCRN까지 회전수가 저하된 때 고정 부재와의 마찰 접촉을 이루고 이로써 모터의 내구성 평가가 가능해진다.

시험 결과는 이하의 표1에 표시하였다. 이 표에서, 첨자"*"는 비교예를 표시한 것이다. 또, 반와류의 칼럼에서 "N"(즉, 불량)은 반와류가 검출되었음을, "-"(즉, 양호)는 반와류가 검출되지 않았음을 의미한다.

표1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면 MCRN은 베어링 조립체의 부품의 치수나 슬리브와 축 사이의 간극을 변경하지 않더라도 저하시킬 수 있어서 베어링 조립체의 내마모성을 증대시켜준다.

X1 : 진원도(×10⁶)

X2 : 편심도

X3 : MCRN(rpm)

X4 : 내구성(사이클 수)

X5 : 반와류

<실험예 2>

각각의 헤링 보운 홈이 축의 외주면상에 형성된 베어링 조립체에 있어서, MCRN, 내구성, 및 반와류 형성에 대한 시험을 행하였다. 결과는 표2에 표시하였으며, 이 표를 보면 편심 배치된 자석에 의해 발생된 편심력으로 인해 헤링 보운 홈을 가진 베어링 조립체는 완전한 원으로 된 축에 비해서 감소된 회전수에서 회전 부재가 고정 부재와의 마찰 접촉에서 벗어날 수 있게 해 준다는 것을 알 수 있다. 이렇게 하면 반와류가 나타나게 되는 회전수와 베어링의 내구성 모두를 증가시키게 되고, 고속 회전시에 베어링의 성능도 향상된다.

X1 : 진원도(×10⁶)

X2 : 편심도

X3 : MCRN(rpm)

X4 : 내구성(사이클 수)

X5 : 반와류

<실험예 3>

래디얼 베어링에서 확대된 간극부 또는 간극부들을 형성하여 평가 시험을 행하였다. 각 베어링의 확대된 간극부는 종방향으로 연장되었다. 복수의 확대된 간극부는 일정한 간격으로 배치되어 있다. 시험은 표3a 및 표3b에 도시한 바와 같다.

X1 : 간극이 확대된 부분(들)의 수
X2 : 확대된 간극/평균 간극
X3 : 확대된 부분의 중심각(degree)
X4 : 편심도
X5 : 반와류
X6 : MCRN(rpm)
X7 : 내구성(사이클 수)
<실험예 4>

재료, 편심도 및 베어링 표면이 서로 다른[즉, 홈이 없는 것(완전 원), 헤링 보운 홈을 가진 것, 및 수직 홈을 가진 것 등의] 세가지 베어링 형태에 대하여 반와류 형성 여부에 대한 시험을 행하였다. 소정 질량을 가진 회전자를 각각 포함하는 베어링을 사용하였다. 결과는 표4a 내지 표4c에 표시하였다.

<실험예 5>

소정의 편심도를 갖고 각종 재료로 된 베어링의 내구성을 시험하였다. 결과는 표5a 및 표5b에 도시하였다,

회전 축을 소정의 래디얼 방향으로 압박하는 편심 압박력이 발생하여 회전축은 저회전수에서 슬리브와 마찰 접촉을 벗어나게 해준다. 이는 결국 슬리브와 축의 마모 감소를 가져오고, 베어링 조립체의 내구성을 증대시켜준다.

Claims

복합 베어링 조립체에 있어서,

베이스 부재와,

원통형 외주가 형성되어 있는 제1 원통형 부재와,

상기 제1 부재의 상기 외주보다 큰 직경을 갖는 원통형 내주가 형성되어 있는 제2 원통형 부재와,

래디얼 베어링과,

축방향 베어링을 포함하며,

상기 제1 부재의 상기 외주는 상기 제2 부재의 상기 내주 내에 배치되고,

상기 제1 및 제2 원통형 부재 중 하나는 상기 베이스 부재에 고정되어 상기 제1 및 제2 원통형 부재 중 다른 하나가 상기 제1 및 제2 원통형 부재중 상기 하나에 대해 회전하도록 되어 있고,

상기 래디얼 베어링은 상기 대향하는 내주 및 외주 사이에서 상기 하나의 고정 원통형 부재에 대한 상기 다른 하나의 회전 원통형 부재의 회전 운동시에 발생되는 유체 동역학적 힘에 의해 상기 하나의 고정 원통형 부재에 대해 래디얼 방향으로 상기 다른 하나의 원통형 부재를 지지하도록 상기 대향된 내주 및 외주에 의해 형성되며,

상기 축방향 베어링은, 상기 다른 하나의 회전 원통형 부재 상에 고정되고 상기 베어링 조립체의 회전 축선 주위로 연장된 제1 자기 부재와, 상기 하나의 고정 원통형 부재 상에 고정된 제2 자기 부재를 갖고, 상기 제2 자기 부재는 상기 제1 및 제2 자기 부재가 서로 협동하여 상기 다른 하나의 회전 부재를 상기 하나의 고정 원통형 부재에 대해 축방향으로 지지하기 위해 사이에 자력을 발생하도록 사이에 공간을 남기면서 상기 제1 자기 부재 주위로 연장되고, 상기 제1 및 제2 자기 부재 중 하나는 상기 베어링 조립체의 상기 회전 축선과 동축으로 위치되고 상기 제1 및 제2 자기 부재 중 다른 하나는 상기 베어링 조립체의 상기 회전 축선과 편심으로 위치되는 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 대향된 내주 및 외주 사이에 형성된 평균 간극에 대한 상기 하나의 고정 원통형 부재의 상기 주위에 대한 상기 제2 자기 부재의 편심도의 비율은 범위가 0.01 내지 0.3인 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 대향된 내주 및 외주 사이에 형성된 평균 간극에 대한 상기 하나의 고정 원통형 부재의 상기 주위에 대한 상기 제2 자기 부재의 편심도의 비율은 범위가 0.02 내지 0.1인 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 축방향 베어링은 두 쌍의 상기 제1 및 제2 자기 부재를 포함하며, 상기 두 쌍의 부재들은 상기 하나 및 다른 하나의 원통형 부재의 대향 단부에 제공된 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 래디얼 베어링은 이하의 관계, 즉

δ/C≤1.0×10^-4

여기서

δ: 상기 폐쇄 루프에 대해 동축으로 배치된 최소 외접원 및 최대 내접원의 반경의 차

C: 상기 동축으로 배치된 최소 외접원 및 최대 내접원의 평균 직경

을 만족하는 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 래디얼 베어링은 이하의 관계, 즉

δ/C≤7.0×10^-5

여기서

δ: 상기 폐쇄 루프에 대해 동축으로 배치된 최소 외접원 및 최대 내접원의 반경의 차

C: 상기 동축으로 배치된 최소 외접원 및 최대 내접원의 평균 직경

을 만족하는 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 내주 또는 외주는 내부에 헤링 보운 또는 헬리컬 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 내주 및 외주는 하나 이상의 확대된 간극부를 한정하고 상기 확대된 간극부는 각각 상기 대향된 주위의 종방향 길이의 40% 이상으로 연장되도록 설계된 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제8항에 있어서, 상기 확대된 간극부는 상기 내주 및 외주 사이의 평균 간극의 10배 미만의 소정의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제8항에 있어서, 상기 확대된 간극부는 중심각의 범위가 3 내지 90도인 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 원통형 부재 사이의 열팽창 계수의 차는 8×10^-6/℃

이하인 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 다른 하나의 회전 부재는 2.5×10⁴㎏f/㎟ 이상의 탄성을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제1항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 원통형 부재는 세라믹 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제13항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 알루미늄 세라믹, 질화 실리콘 세라믹, 실리콘 카바이드 세라믹으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 상기 베어링 조립체를 구비한 것을 특징으로 하는 스핀들 모터.
제15항에 있어서, 상기 스핀들 모터는 상기 다른 하나의 회전 원통형 부재의 회전 운동시에 상기 다른 하나의 회전 원통형 부재가 2,000rpm의 회전수에서 상기 고정 원통형 부재와의 마찰 접촉을 벗어나도록 구성된 것을 특징으로 하는 스핀들 모터.
복합 베어링 조립체 제조 방법에 있어서,

제1 부재와 래디얼 및 축방향 베어링에 의해 상기 제1 부재에 대해 회전 가능하게 지지된 제2 부재를 포함하는 조립된 복합 베어링 조립체를 제공하는 단계와,

상기 제2 부재가 회전 개시 후에 상기 제1 부재와 마찰 접촉에서 벗어나게 되는 상기 제2 부재의 회전수를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 베어링 조립체의 제조 방법.