KR100955721B1

KR100955721B1 - 감소된 외경을 가지는 유체 동압 스러스트 베어링을구비한 저전력 스핀들 모터

Info

Publication number: KR100955721B1
Application number: KR1020030015513A
Authority: KR
Inventors: 컬안드레아스
Original assignee: 미네베아 가부시키가이샤
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2010-05-03
Also published as: US6980393B2; CN1316718C; CN1449090A; US20030197975A1; KR20030074393A

Abstract

회전자 어셈블리와 고정자 어셈블리를 구비하는 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터. 상기 회전자 어셈블리는 외경을 가지는 회전 축과, 상기 회전 축에 회전을 위해서 설치되는 허브를 포함하여 구성된다. 상기 고정자 어셈블리는 하단 개구를 구비하며, 상기 회전 축이 회전을 위해서 삽입되는 베어링 슬리브를 포함하여 구성된다. 카운터 플레이트가 상기 하단 개구를 막기위해서 상기 베어링 슬리브의 상기 하단 개구에 삽입된다. 외경이 구비된 스러스트 플레이트가 상기 카운터 플레이트와 대향하도록 상기 회전 축상에 설치된다. 유체 동압 스러스트 베어링은 상기 카운터 플레이트와 상기 스러스트 플레이트 사이에 형성된다. 상기 축의 상기 외경에 대한 상기 스러스트 플레이트의 외경의 비는 스핀들 모터의 전력 소모를 줄이기 위해 감소된다.

스핀들 모터

Description

감소된 외경을 가지는 유체 동압 스러스트 베어링을 구비한 저전력 스핀들 모터{LOW POWER SPINDLE MOTOR WITH A FLUID DYNAMIC THRUST BEARING HAVING A REDUCED OUTER DIAMETER}

도 1은 스러스트 플레이트가 일체로 형성된 축과, 스러스트 플레이트와 베어링 슬리브 사이에 제공되는 제1 스러스트 베어링과, 스러스트 플레이트와 카운터 플레이트 사이에 제공되는 제2 스러스트 베어링을 포함하는 스핀들 모터의 측단면도.

도 2는 베어링 슬리브에 삽입되며 다수개의 헤링본 형상의 홈들을 구비한 축의 사시도.

도 3은 종래의 전기 스핀들 모터의 측단면도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

12: 축 14: 회전자

16: 허브 18: 고정자

30: 베어링 슬리브 34: 카운터 플레이트

36: 스러스트 플레이트, 스러스트 와셔

[관련 출원]

본 발명은 2002년 3월 12일자 출원된 미국 가특허 출원 제60/363,818호(계류 중)의 우선권을 주장하는 출원이다.

본 발명은 디스크 드라이브에 사용되는 전자 스핀들 모터에 관한 것이며, 특히 전자 스핀들 모터의 개선된 유체 스러스트 베어링에 관한 것이다.

디지털 정보를 저장하기 위하여, 수년간 컴퓨터 및 기타 전자 장치에 디스크 드라이브 시스템이 사용되어 왔다. 자기 디스크 매체의 동심원의 메모리 트랙에 정보가 저장되는데, 실제의 정보는 자기 신호의 형태로 매체 내에 저장된다. 디스크 자체는 스핀들 상에 회전 가능하도록 장착되며, 디스크 표면 위를 반경 방향으로 움직이는 선회 암(arm)에 위치한 변환기에 의해 정보에 액세스한다. 정보를 정확히 읽고 쓰기 위해서는, 판독/기록 헤드 또는 변환기가 디스크 상의 저장 트랙과 정확히 정렬되어야 하며, 따라서 디스크는 안정적으로 회전하여야 한다.

디스크 드라이브에 사용되는 종래의 전기 스핀들 모터에는, 회전 허브와 같은 회전 부재를 지지하는 볼 베어링 및 축과 같은 고정 부재가 사용된다. 볼 베어링은 마모가 발생하는 부재이며, 시간이 흐르면 마찰에 의해 모터가 손상된다. 또한, 볼 베어링은 모터에 의해 구동되는 회전 자기 디스크를 수납하는 청정 공간 내로 유입될 수 있는 먼지나 미세 입자와 같은 부스러기를 발생시킨다. 볼 베어링 자체의 특성인 기계적 마찰로 인하여, 디스크 드라이브 모터에 바람직하지 않은 열과 소음이 발생한다.

유체 베어링은 스핀들 구동 모터의 종래 볼 베어링을 상당히 개선시킬 수 있다. 이러한 형태의 시스템에서는, 가스 또는 액체와 같은 윤활 유체가 고정 기부(基部) 또는 회전 스핀들 내의 하우징 또는 모터의 회전 허브 사이에서 실제 베어링 표면으로 기능한다. 예를 들어, 오일을 포함하는 액체 윤활제, 보다 정교한 강자성 유체 또는 심지어는 공기가 유체 동압 베어링 시스템에 사용되어 왔다.

유체 동압 베어링을 이용하는 종래의 스핀들 모터의 일례가 도 3에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 부싱 내부에서 회전하는 축 위에 저널 베어링이 구비된다. 스러스트 플레이트에는 압력 발생 홈 섹션(미도시)이 구비된다. 상기 축이 회전함에 따라, 회전에 대한 홈의 방향, 너비, 각도 등과 작용하여 유체를 휘저으며 펌핑한다. 이러한 펌핑 동작은 저널과 스러스트 플레이트를 따라 복수 개의 압력 존을 형성하여, 상기 회전 부재들 사이에 유막을 유지하며, 베어링의 강성을 제공한다. 그러나, 도 3과 같이 설계된 스핀들 모터는 전력 소모가 크다.

본 발명의 목적은 작동 전류를 줄이고 그 결과로서 스핀들 모터의 전력 소모를 줄이는 유체 동압 스러스트 베어링을 구비하는 스핀들 모터를 제공하는 것이다.

바람직한 실시예에 따르면, 회전자 어셈블리와 고정자 어셈블리를 포함하는, 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터가 제공된다. 상기 회전자 어셈블리는 외경을 가지는 회전 축과, 상기 회전 축에 회전을 위해서 설치되는 허브를 포함하여 구성된다. 상기 고정자 어셈블리는 상기 회전 축이 회전을 위해 삽입되며, 하단 개구가 형성되어 있는 베어링 슬리브를 포함하여 구성된다. 카운터 플레이트가 상기 하단 개구를 막기 위해서 상기 베어링 슬리브의 상기 하단 개구에 삽입된다. 외경이 구비된 스러스트 플레이트가 상기 카운터 플레이트와 대향하도록 상기 회전 축상에 설치된다. 유체 동압 스러스트 베어링은 상기 카운터 플레이트와 상기 스러스트 플레이트 사이에 형성된다. 상기 축의 외경에 대한 상기 스러스트 플레이트의 외경의 비는 스핀들 모터의 전력 소모를 줄이기 위해 감소된다.

본 발명의 전술한 목적, 그 밖의 목적, 양태, 특징 및 장점들은, 첨부 도면 및 바람직한 실시예의 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.

본 발명을 비한정적인 실시예 및 첨부 도면을 통하여 설명한다. 도면 상의 동일한 도면 부호는 동일한 부재 또는 그에 대응하는 부재를 나타낸다.

도 1은 스러스트 플레이트가 일체로 형성된 축과, 스러스트 플레이트와 베어링 슬리브 사이에 제공되는 제1 스러스트 베어링과, 스러스트 플레이트와 카운터 플레이트 사이에 제공되는 제2 스러스트 베어링을 포함하는 스핀들 모터의 측단면도이다.

도 2는 베어링 슬리브에 삽입되며 다수개의 헤링본 형상의 홈들을 구비한 축의 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 소형 전기 스핀들 모터(10)는 허브(16)가 구비된 회전하는 회전자(14)를 지지하는 중심 축(12)을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 모터(10)가 디스크 드라이브에 사용될 때에는, 상기 허브(16)는 회전하는 동안에 자기디스크(미도시)를 지지하고 회전시킨다. 상기 회전자(14)는 회전자 자석(26)을 지지하는 고리모양의 수직 회전자 지지 벽체(24)를 구비한다. 고정자(18)는 고정자 권선(22)이 회전자 자석(26)과 대응되는 위치에 설치되도록 다수개의 상기 고정자 권선(22)을 지지하는 고리모양의 수직 고정자 지지 벽체(20)를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 고정자 지지 벽체(20)는 내부 실린더형 홀(28)을 형성한다. 베어링 슬리브(30)는 상기 내부 실린더형 홀(28)에 삽입되어 그 내부에서 고정 설치된다. 상기 베어링 슬리브(30)는 상기 홀(28)의 내측면에 접착될 것이다. 실시예에서는 상기 베어링 슬리브(30)는 실질적으로 실린더형 벽과, 양단에 형성된 개구를 구비하는 내부 구멍(32)을 구비한다. 상기 구멍(32)의 하단 개구는 카운터 플레이트(counter-plate: 34)로 막혀지는 것이 바람직하다. 상기 중심 축(12)은 상기 축(12)의 외면과 상기 구멍(32)의 내면 사이에 간극(40)이 형성되도록 상단 개구를 통해서 상기 구멍(32)에 삽입되는 것이 바람직하다.

상기 중심 축(12)은 수직 실린더부(38)와, 상기 수직 실린더부(38)에서부터 바깥쪽으로 돌출되어 상기 수직 실린더부(38)에 일체로 형성된 스러스트 플레이트부(36)를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 베어링 슬리브의 상기 구멍(32)은 수직부(44)와, 상기 수직부(44)의 내부 지름보다 큰 내부 지름을 가지는 외향 확장부(42)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 축(12)이 상기 구멍(32)에 삽입되면, 상기 축(12)의 상기 수직 실린더부(38)는 실질적으로 상기 구멍(32)의 상기 수직부(44) 내부에 위치하는 것이 바람직하다. 유사하게, 축(12)의 스러스트 플레이트부(36)는 실질적으로 상기 구멍(32)의 외향 확장부(42)에 위치하는 것이 바람직하다.

최소한 한 개의 래디얼 동압 베어링(radial dynamic bearing)이 축(12)의 상기 수직 실린더부(38)의 외면과 상기 구멍(32)의 수직부(44)의 내면 사이에 제공된다. 회전 중에는, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 축(12)이나 혹은 상기 구멍(32) 중 어느 하나에 형성된 헤링본(herringbone) 형상의 홈(46)에 의해 동적 압력이 발생된다.

본 발명에 따른 스핀들 모터의 바람직한 실시예에서는 두 개의 스러스트 베어링이 제공된다. 제1 스러스트 베어링은 스러스트 플레이트부(36)의 상면(50)과, 상기 상면(50)과 대향되도록 위치하는 외향 확장부(42)의 표면(52) 사이에 바람직하게 제공된다. 상기 상면(50)과 상기 표면(52)중 어느 한 면에는 동적 압력을 발생시키는 헤링본 형상 혹은 스파이럴(spiral) 형상의 홈이 형성될 것이다. 제2 스러스트 베어링은 축(12)의 스러스트 플레이트부의 하면(54)과, 카운터 플레이트(34)의 상면(56) 사이에 바람직하게 형성된다. 상기 하면(54)과 상기 상면(56)중 어느 한 면에는 동적 압력을 발생시키는 헤링본 형상 혹은 스파이럴 형상의 홈이 형성될 것이다.

유체 동압 스러스트 베어링(fluid dynamic thrust bearing)을 구비하는 스핀들 모터의 전력 소모는 스러스트 플레이트의 외경에 의해 결정된다. 전술한 것과 유사한 유체 동압 베어링 구조와 종래의 스러스트 플레이트를 구비한 종래의 스핀들 모터에 있어서, 스러스트 베어링의 홈들이 스러스트 플레이트의 양면에 동시에 형성된 경우에는, 모터의 전력 소모는 4배가 증가된다. 현재 공개되고 청구된 모터의 전력 소모를 감소시키기 위해, 상기 스러스트 플레이트부(36)의 외경이 현재 이용가능한 디자인에 비교하여 실질적으로 감소된다.

스러스트 플레이트의 외경의 크기는 모터(그리고 디스크)의 크기, 디스크의 갯수 및 모터의 회전속도에 의해 결정된다. 따라서, 디스크 드라이브의 크기가 작은 경우에, 사용되는 디스크의 수가 적을수록 그리고 회전 속도가 빨라질수록, 스러스트 플레이트의 외경은 점점 작아진다. 현재 공개되고 청구되는 스핀들 모터의 전력 소모를 줄여 주는 스러스트 플레이트의 외경의 크기 범위를 결정하기 위해, 실험에 의한 연구를 하였다. 이러한 연구들의 바람직한 결과는 아래의 표1로 요약된다.

디스크 드라이브의 크기 [인치]	디스크의 수	회전속도 [rpm]	스러스트 플레이트의 외경(OD₁) [mm]	축의 외경(OD₂) [mm]	비[OD₁/OD₂]
2.5	1	5400	5	3.002	1.666
2.5	2	7400	5	3.02	1.656
3.5	1	5400	7.1	3.989	1.780
3.5	1	7200	7.1	3.989	1.780
3.5	3	10000	7	3.989	1.755

일반적으로, 3.5인치 디스크 드라이브에 있어서, OD₁/OD₂의 비가 1.86 미만일 때 최상의 전력소모 결과가 나타났다는 것을 알 수 있었다. 2.5인치와 더 작은 디스크 드라이브에 있어서는 동일한 비가 1.71 미만이었을때 최상의 전력 소모 결과가 나타났다.

상기 간극(40)에는 윤활 유체로 채워진다. 상기 스러스트 플레이트(36)는 축(12)이 회전하는 동안 유체가 순환할 수 있도록 하는 유체 흐름 채널(58)을 여러 개 추가로 포함한다. 상기 구멍(32)은 윤활 유체를 저장할 수 있도록 외향 경사진 상부(60)를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 경사진 상부(60)는 또한 축(12)의 회전시 윤활 유체가 간극(40)으로부터 튀겨져 나가는 것을 방지하는 모세관 밀봉부(seal) 역할을 수행한다.

다른 실시예(미도시)에서는, 상기 축(12)은 고정자(18) 혹은 디스크 드라이브의 뚜껑에 고정되고, 상기 베어링 슬리브(30)는 상기 허브(16)에 접착될 것이다. 이러한 다른 실시예에서는, 상기 베어링 슬리브(30)는 고정된 축(12)의 주위로 모터의 회전자가 회전하도록 한다.

이해의 편의를 위해서, 전술한 설명은 모든 가능한 실시예 중 본 발명의 원리를 잘 나타내고 그것을 실시하기 위해 심사숙고된 최상의 내용를 담고 있는 대표적인 예에 초점을 맞추었다. 상기 설명은 모든 가능한 변경을 열거하려고 시도한 것은 아니다. 예를 들면, 복수의 다른 실시예가 설명된 경우, 많은 경우 다른 실시예들의 요소들을 조합하거나, 여기서 설명된 일실시예와 직접적으로 설명되지 않은 변경 및 수정 예 등과 조합하는 것이 가능할 것이다. 많은 설명되지 않은 변경 및 수정 예들과, 후술하는 청구범위의 문언적 범위에 속하는 변경예들과, 기타의 것들은 균등범위에 속한다.

본 발명은 작동 전류를 줄이고 그 결과로서 스핀들 모터의 전력 소모를 줄일는 유체 동압 스러스트 베어링을 구비하는 스핀들 모터를 제공한다.

Claims

외경을 가지는 회전 축과 상기 회전 축에 회전을 위해서 설치되는 허브를 포함하는 회전자 어셈블리와;

하단 개구를 구비하고 상기 회전 축이 회전을 위해서 삽입되는 베어링 슬리브를 포함하는 고정자 어셈블리와;

상기 베어링 슬리브의 상기 하단 개구에 삽입되어, 상기 하단 개구를 막는 카운터 플레이트와;

외경을 가지며 상기 카운터 플레이트와 대향하도록 상기 회전 축상에 설치되며, 안쪽에 유체 흐름 채널들이 형성되어 있는 스러스트 플레이트를 포함하여 구성되며,

상기 카운터 플레이트와 상기 스러스트 플레이트 사이에는 유체 동압 스러스트 베어링이 형성되고, 상기 축의 외경에 대한 상기 스러스트 플레이트의 외경의 비는 1.86 미만인 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터.
제1항에 있어서, 상기 스핀들 모터가 3.5인치 디스크 드라이브에 사용되는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터.
제2항에 있어서, 상기 스러스트 플레이트의 상기 외경은 대략 7mm인 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터.
제2항에 있어서, 상기 비는 대략 1.755인 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터.
제2항에 있어서, 상기 비는 대략 1.780인 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터.
제1항에 있어서, 상기 스핀들 모터는 2.5인치 혹은 그 이하의 디스크 드라이브에 사용되는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터.
제6항에 있어서, 상기 스러스트 플레이트의 상기 외경은 대략 5mm인 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터.
제6항에 있어서, 상기 비는 대략 1.666인 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터.
제6항에 있어서, 상기 비는 대략 1.656인 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터.
제1항에 있어서, 상기 회전 축과 상기 베어링 슬리브 사이에 형성된 유체 동압 래디얼 베어링을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브에 사용되는 스핀들 모터.
스핀들 모터를 포함하는 하드 디스크 드라이브로서,

상기 스핀들 모터는,

외경을 가지는 회전 축과 상기 회전 축에 회전을 위해서 설치되는 허브를 포함하는 회전자 어셈블리와;

하단 개구를 구비하고 상기 회전 축이 회전을 위해서 삽입되는 베어링 슬리브를 포함하는 고정자 어셈블리와;

상기 베어링 슬리브의 상기 하단 개구에 삽입되어, 상기 하단 개구를 막는 카운터 플레이트와;

외경을 가지며 상기 카운터 플레이트와 대향하도록 상기 회전 축 상에 설치되며, 안쪽에 유체 흐름 채널들이 형성되어 있는 스러스트 플레이트를 포함하여 구성되며,

상기 카운터 플레이트와 상기 스러스트 플레이트 사이에는 유체 동압 스러스트 베어링이 형성되고, 상기 축의 상기 외경에 대한 상기 스러스트 플레이트의 상기 외경의 비는 1.86 미만인 것을 특징으로 하는 하드 디스크 드라이브.
제11항에 있어서, 상기 디스크 드라이브는 3.5인치용 디스크 드라이브인 것을 특징으로 하는 하드 디스크 드라이브.
제12항에 있어서, 상기 스러스트 플레이트의 상기 외경은 대략 7mm인 것을 특징으로 하는 하드 디스크 드라이브.
제12항에 있어서, 상기 비는 대략 1.755인 것을 특징으로 하는 하드 디스크 드라이브.
제12항에 있어서, 상기 비는 대략 1.780인 것을 특징으로 하는 하드 디스크 드라이브.
제11항에 있어서, 상기 디스크 드라이브는 2.5인치용 혹은 그 미만의 사이즈용인 것을 특징으로 하는 하드 디스크 드라이브.
제16항에 있어서, 상기 스러스트 플레이트의 상기 외경은 대략 5mm인 것을 특징으로 하는 하드 디스크 드라이브.
제16항에 있어서, 상기 비는 대략 1.666인 것을 특징으로 하는 하드 디스크 드라이브.
제16항에 있어서, 상기 비는 대략 1.656인 것을 특징으로 하는 하드 디스크 드라이브.
제11항에 있어서, 상기 회전 축과 상기 베어링 슬리브 사이에 형성된 유체 동압 래디얼 베어링을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하드 디스크 드라이브.