KR101055496B1 - 스핀들모터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 스핀들모터는 상측부에 직교하게 삽입설치된 스러스트판을 구비하는 회전축과, 상기 회전축을 수용하여 회전가능하게 지지하며 상면의 중앙부에 내경의 안쪽베어링면보다 높은 돌출단이 형성되어 회전시 그루브의 마모를 방지하고 힘의 작용거리를 줄임으로써 회전부하토크를 줄이는 베어링 및 상기 회전축에 고정되게 설치되며 상기 베어링의 베어링면과의 사이에 스러스트베어링을 형성하며 상기 베어링의 상기 돌출단의 상부에 안착되는 스러스트판을 포함한다.

스핀들모터, 베어링, 스토퍼, 스러스트판, 부하토크

Description

스핀들모터{Spindle motor}

본 발명은 스핀들모터에 관한 것이다.

일반적으로 스핀들모터는 회전축을 내부에 수용한 베어링이 회전축을 회전가능하게 지지함으로써 고정도의 회전특성을 유지할 수 있고, 이로 인해 하드디스크드라이브, 광디스크드라이브 및 기타 고속회전을 요망하는 기록매체의 구동수돌출단으로 널리 채용되고 있다.

이와 같은 스핀들모터에서, 회전축의 회전을 용이하게 하도록 회전축과 회전축을 축지지하는 베어링 사이에 소정의 유체를 주입하고 회전축의 회전시 동압이 발생하도록 하는 유체동압베어링이 일반적으로 사용되고 있다.

유체동압베어링은 회전축의 회전시 유체에 의한 동압이 발생되도록 소정의 동압발생홈을 형성함으로써 이루어질 수 있으며, 이와 같은 동압발생홈은 회전축을 회전가능하게 지지하는 베어링의 내경부 및 회전축의 축방향에 직교하게 설치되는 스러스트판에 형성될 수 있다.

한편, 스핀들모터의 정지 마찰은 스러스트 베어링과 저널 베어링의 기구접축에 의해 발생한다. 저널 베어링에서 발생하는 마찰은 회전체의 하돌출단길이를 줄이거나, 자기력을 감소시키커나 직각도를 개선함으로써 줄일 수 있지만 이는 조립시 발생하는 오차이거나 모터의 특성을 좌우하는 설계 변수이므로 변경이 쉽지 않다. 이에 따라, 마찰을 줄이기 위해서는 축방향으로 회전체를 지지하는 스러스트 베어링의 마찰을 줄이는 것이 필요하다. 스러스트 베어링의 마찰은 회전체의 무게와 마찰계수 및 힘이 작용하는 거리에 의해 결정된다.

이와 같은 종래기술에 따른 스핀들모터는 베어링 외경의 그루브와 스러스트가 맞닿아 있어 마찰이 크게 발생하는 한편, 정지나 회전 반복시에 그루브의 손상이 발생한다.

따라서, 스핀들모터의 초기 구동시 발생하는 마찰 토크를 감소시켜 기동 불량 및 회전시간을 최소화하고 모터의 잦은 회전이나 정지의 반복시에도 부품의 손실을 줄여 모터의 성능을 장시간 유지할 수 있도록 하는 스핀들모터의 구조에 대한 연구가 시급하다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 모터의 구동시 마찰토크를 감소시키고 기동 불량 및 회전시간을 최소화하여 성능을 장시간 유지할 수 있는 스핀들모터를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상측부에 직교하게 삽입설치된 스러스트판을 구비하는 회전축과, 상기 회전축을 수용하여 회전가능하게 지지하며 상면의 중앙부에 내경의 안쪽베어링면보다 높은 돌출단이 형성되어 회전시 그루브의 마모를 방지하고 힘의 작용거리를 줄임으로써 회전부하토크를 줄이는 베어링 및 상기 회전축에 고정되게 설치되며 상기 베어링의 베어링면과의 사이에 스러스트베어링을 형성하며 상기 베어링의 상기 돌출단의 상부에 안착되는 스러스트판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 돌출단은 상기 안쪽베어링면의 내경에 동일간격으로 3개 또는 4개 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 돌출단은 전해가공법으로 제작되어 상기 베어링의 그루브와 함께 제작되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 돌출단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 베어링의 내측에 안쪽베어링면보다 높은 돌출단을 두어 베어링에 작용하는 힘의 거리를 최소화하였으므로 작용하는 부하 토크를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 구동시 안쪽베어링면과 마찰이 없기 때문에 안쪽베어링면의 마모로 인한 특성저하를 줄일 수 있어 모터의 수명을 연장시킨다.

또한, 전해가공법(ECM:Electrochemical machining)을 이용하여 돌출단을 제작하므로, 베어링의 그루브를 제작하는 공정과 함께 이루어질 수 있어 별도의 공정이 추가되지 않으며, 그루브와 돌출단의 높이차를 일정하게 유지할 수 있다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판돌출단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 베어링의 내측에 안쪽베어링면보다 높은 돌출단을 두어 정지상태에서 스러스트판이 이 돌출단에 닿도록 설계하였다. 베어링에 작용하는 힘은 스러스트판의 상부에 접하는 회전체의 무게이며, 베어링의 안쪽베어링면에 돌출단을 형성함으로써 회전체의 힘이 작용하는 거리를 최소화하였으므로 작용하는 부하 토크를 저감할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 스핀들모터(100)에 대해 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 스핀들모터의 전체 돌출단면도와 부분돌출단면도를 나타낸 것으로, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 스핀들모 터(100)는 베이스플레이트(110), 베어링(120), 스테이터(130), 회전축(140), 스러스트판(150), 로터케이스(160), 스토퍼(170)를 포함하여 구성된다.

베이스플레이트(110)는 스핀들모터(100)를 전체적으로 고정되게 지지하기 위한 것으로, 스핀들모터(100)가 설치되는 하드디스크드라이브 등의 장치에 고정되게 설치된다. 여기서 베이스플레이트(110)는 알루미늄판 또는 알루미늄합금판 등의 경량재질로 제작되나, 이와 달리 강철판으로 제작될 수 있다.

또한, 베이스플레이트(110)는 베어링(120)이 결합되는 결합부(111)가 돌출형성되며 결합부(111)는 중앙부위에 베어링(120)이 삽입되도록 베어링(120)의 외경과 동일한 직경을 갖는 결합공이 형성된다. 즉, 이 결합공에 베어링(120)이 삽입되어 고정되게 결합된다. 이때 베어링(120)을 결합부(111)에 고정시키기 위하여 별도의 접착제를 사용한 접착 결합 공정 등이 수행될 수 있으나, 이와 달리 베어링(120)에 소정의 압력을 인가하여 결합공에 압입함으로써 고정되게 결합시킬 수 있다.

베어링(120)은 회전축(140)을 회전가능하게 지지하기 위한 것으로, 전체적으로 중공의 원통형상을 가지며 회전축(140)과 마주하는 내경부(121) 및 스러스트판(150)과 마주하는 베어링면에 유체동압베어링이 형성된다.

베어링(120)이 회전축(140)의 외주면을 회전시 베어링(120)과 회전축(140) 사이에는 마찰이 발생된다. 이때 발생하는 마찰토크를 감소시키기 위해서는 회전축(140)의 외경을 늘리거나 길이를 줄여야 하지만 이는 모터 특성을 결정하는 주요 인자이기 때문에 변경이 쉽지않다.

한편, 스러스트 베어링에서 발생되는 부하는 회전체의 무게와 회전중심에서 힘이 작용하는 거리에 따라 결정된다. 회전체의 무게는 일정하게 정해져 있으므로, 힘이 작용하는 위치를 변경함으로써 축방향의 마찰을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 요지는 이와 같이 회전체의 힘이 작용하는 베어링(120)의 구조를 변경함으로써 축방향 마찰을 감소시키는 것이며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

스테이터(130)는 광디스크가 탑재되는 로터케이스(160)를 회전시키기 위하여 외부전원을 인가받아 전기장을 형성하기 위한 것으로, 다수 매의 박형 금속판을 적층시킨 코어(131)와 이 코어(131)에 다수회 권선되는 코일(132)로 이루어진다.

여기서, 코어(131)는 베이스플레이트(110)의 결합부(111)의 외주면에 고정되게 설치되며, 코일(132)은 코어(131)에 권선된다. 여기서 코일(132)은 외부로부터 인가되는 전류로 전기장을 형성함으로써 로터케이스(160)의 로터마그네트(163)와의 사이에 형성되는 전자기력으로 로터케이스(160)를 회전시킨다.

회전축(140)은 로터케이스(160)를 축지지하기 위한 것으로, 베어링(120)의 내경부(121)에 삽입되며 베어링(120)에 의해 회전가능하게 지지된다. 한편, 회전축(140)의 상부에 스러스트판(150)이 삽입되어 안착될 수 있도록 상부가 베어링(120)에 삽입되는 부위보다 작은 직경을 갖도록 형성될 수 있으며, 이때 회전 축(140)의 상부에 삽입된 스러스트판(150)을 회전축(140)에 고정시키기 위하여 별도의 레이저 용접 등이 수행될 수 있으나, 이와 달리 스러스트판(150)에 소정의 압력을 인가하여 스러스트판(150)과 회전축(140)을 압입결합할 수 있다.

스러스트판(150)은 회전축(140)에 고정되게 설치되며 베어링(120)의 베어링면(122)과의 사이에 스러스트 베어링을 형성하기 위한 것으로, 베어링(120)에 마주하는 부위에 스러스트 동압발생홈(미도시)이 형성된다. 스러스트 동압발생홈은 회전축(140)의 회전시 베어링(120)와 스러스트판(150) 사이에 보관되는 유체를 이용하여 유체동압을 발생시킴으로써 베어링(120)의 안쪽베어링면(123)과 스러스트판(150) 사이에 스러스트 베어링(122)을 형성한다.

로터케이스(160)는 하드디스크 등의 미도시한 광디스크를 탑재하여 회전시키기 위한 것으로, 회전축(140)이 고정되게 설치되는 원판부(161)와 원판부(161)의 말단으로부터 연장되는 환형의 테두리부(162)를 갖는다.

원판부(161)는 중앙부위에 회전축(160)이 고정되게 삽입결합되며, 테두리부(162)는 그 내주면이 스테이터(130)에 마주하도록 회전축(140)의 축방향으로 연장되며, 코일(132)에서 형성되는 전기장과의 사이에 전자기력을 발생시키도록 자기장을 형성하는 로터마그네트(163)가 테두리부(162)의 내주면에 고정되게 설치된다.

스토퍼(170)는 스러스트판(150)을 지지하여 베어링(120)의 이탈을 방지하기 위한 것으로, 스러스트판(150)의 상부를 지지하도록 베어링(120)의 설치부(미도시)에 레이저 용접, 압입, 열간압입 및 열압슬라이딩 결합 등에 의해 고정되게 결합된다. 여기서 스토퍼(170)는 전체적으로 고리모양을 갖는 원반형상을 가지며, 스러스트판(150)과의 사이에 유체의 테이퍼실(taper seal)을 형성하도록 중심홀이 형성되는 테두리가 스러스트판(150) 쪽으로 테이퍼지게 형성될 수 있다.

즉, 스토퍼(170)의 테두리는 스러스트판(150) 쪽으로 경사면(171)을 갖도록 형성되며, 테두리의 경사면(171)과 스러스트판(150)의 상면 사이에 유체를 보관하는 테이퍼실이 형성될 수 있다. 이 테이퍼실에 보관된 유체는 회전축(140)과 베어링(120) 사이에 보관되던 유체가 증발되어 부족할 경우 공급될 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스핀들모터(100)는 그루브가 형성된 베어링(120)의 안쪽베어링면(123)보다 높은 돌출단(124)을 형성하여 회전체의 힘의 작용거리를 줄임으로써 회전시 부하토크를 감소시킨다.

이때, 안쪽베어링면(123)이라 함은 회전축(110)부터 돌출단(124)까지의 베어링면을 지칭한다.

여기서, 안쪽베어링면(123)의 돌출단차만 변경하고 베어링(120)의 설계를 변경하지 않는다면 돌출단차의 높이만큼 부상의 높이가 발생된다. 따라서, 돌출단차의 높이만큼 부상의 높이를 보상할 수 있는 베어링(120)의 설계가 필요한데, 이는 베어링(120)의 안쪽베어링면(123)의 내경을 줄임으로써 해결된다.

안쪽베어링면(123)의 돌출단(124)의 내부반경을 줄임으로써 초기 발생하는 마찰은 더욱 줄어든다. 여기서, 돌출단(124)은 내경에 연속적으로 설계할 경우 유체경로를 방해하므로 안쪽베어링면(123)의 내경에 동일간격으로 3개 또는 4개 형성한다.

따라서, 본 발명에 따른 스핀들모터(100)는 베어링(120)의 내측에 안쪽베어링면(123)보다 높은 돌출단(124)을 두어 베어링(120)의 면적을 증가시킴으로써 부상높이를 보상한다.

베어링(120)에 작용하는 힘의 거리를 최소화하였으므로 작용하는 부하 토크를 줄일 수 있다. 또한 구동시 안쪽베어링면(123)의 그루브와 마찰이 없기 때문에 그루브의 마모로 인한 특성저하를 줄일 수 있어 모터의 수명을 연장시킨다.

돌출단(124)은 (+),(-)전극을 이용하여 가공함으로써 공차를 줄일 수 있는 전해가공법(ECM:Electrochemical machining)을 이용하여 제작할 수 있으며, 전해가공법은 베어링(120)에 안쪽베어링면(123)을 제작하는 공정과 함께 이루어지므로 별도의 공정이 추가되는 것을 막을 수 있을 뿐 아니라 안쪽베어링면(123)와 돌출단(124)의 높이차이를 일정하게 유지할 수 있다.

이와 같이 베어링(120)에 작용하는 힘의 거리를 최소화하여 작용하는 부하 토크를 줄일 수 있다는 것은 도 4를 참조로 하여 다음과 같이 해석될 수 있다.

전체 작용하는 힘이 N일 경우, 안쪽베어링면(123)에 작용하는 돌출단위 면적당 작용힘은

으로 표현될 수 있고, 이때 발생하는 전체 토크는 힘과 거리의 곱을 이용하여,

로 계산된다. 만약, 안쪽베어링면(123)의 안쪽에 돌출단(124)를 형성할 경우, 발생하는 힘(T₁)은 T₁= R₁N이다.

따라서, T와 T₁ 은 안쪽베어링면(123)의 외경에 따라 차이가 결정되므로, 만약 안쪽베어링면(123)의 외경(R₂)이 내경(R₁)의 1.2배일 경우(R₂=R₁*1.2), 개선 모델에서는 마찰토크가 약 10% 정도 감소된다는 것을 알 수 있다.

하지만, 이 경우는 앞서 말한 부상높이의 손실이 발생하는 경우로, 돌출단(124)의 높이를 보상해주기 위해서는 베어링의 면적을 증가시킬 필요가 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 안쪽베어링면의 내경, 즉 베어링 면적 증가와 부상높이와의 관계를 확인하기 위하여 간단한 스러스트 베어링 모델을 이용하였다. 모델의 설계변수는 다음과 같다.

베어링 내경: 3mm, 안쪽베어링면(123)의 내경: 5mm, 안쪽베어링면(123)의 외경: 6mm, 안쪽베어링면(123)의 형상: 방사형, 각도: 20도, 깊이: 10㎛, 안쪽베어링 면(123)의 각도 비율: 0.6, 회전력: 0.05N

이 조건에서 스핀들모터를 해석한 결과, 베어링(120)의 부상높이는 6.5㎛로 나타났다. 이때, 돌출단(124)의 높이가 5㎛이라면, 베어링(120)의 부상높이가 11.5㎛가 된다.

한편, 이 모델의 안쪽베어링면(123)의 내경을 감소시키며 해석한 결과 내경이 약 4.3mm가 되었을 때 부상높이가 11.5㎛가 되는 것인 것으로 나타난다.

이 경우, 발생하는 마찰토크는 T₂=R₀N 으로, 종래 모델의 마찰토크인,

에 비해, 약 30% 개선 효과가 있는 것을 알 수 있다.

이러한 해석에 따라, 베어링(120)에 작용하는 힘의 거리를 최소화함으로써 작용하는 부하토크가 저감된 것을 확인할 수 있다.

본 해석은 저널 베어링을 제외한 스러스트베어링 돌출단품에 대한 해석결과이지만 베어링의 일반적인 경향에 대한 내용이기 때문에, 전체 시스템을 이용하여 해석하여도 유사한 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 스핀들모터(100)는 회전축(140)과 베어링(120) 의 상대회전시 그 사이에 충전되는 윤활유체에 압력이 생기게 하고, 그 유체압력에 따라 축부재를 지지하는 장치로, 모터의 초기구동시 발생하는 마찰토크를 감소시켜 기동불량 및 회전시간을 최소화하며 스핀들모터의 잦은 회전과 정지의 반복시에도 베어링의 마찰손실을 줄여 모터의 성능을 장시간 유지하도록 한다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 스핀들모터(100)는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 돌출단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 스핀들모터의 돌출단면도;

도 2는 본 발명에 따른 스핀들모터의 확대 돌출단면도;

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 스핀들모터의 상부 평면도;

도 5는 본 발명에 따른 스핀들모터의 홈부의 내경과 베어링의 부상높이의 상관관계를 나타낸 그래프이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

100: 스핀들모터 110: 플레이트

120: 베어링 123: 안쪽베어링면

124: 돌출단 130: 스테이터

140: 회전축 150: 스러스트판

160: 로터케이스 170: 스토퍼

Claims (3)

1. 상측부에 직교하게 삽입설치된 스러스트판을 구비하는 회전축;

   상기 회전축을 수용하여 회전가능하게 지지하며 상면의 중앙부에 내경의 안쪽베어링면보다 높은 돌출단이 형성되어 회전시 그루브의 마모를 방지하고 힘의 작용거리를 줄임으로써 회전부하토크를 줄이는 베어링; 및

   상기 회전축에 고정되게 설치되며 상기 베어링의 베어링면과의 사이에 스러스트베어링을 형성하며 상기 베어링의 상기 돌출단의 상부에 안착되는 스러스트판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들모터.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 돌출단은 상기 안쪽베어링면의 내경에 동일간격으로 3개 또는 4개 형성된 것을 특징으로 하는 스핀들모터.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 돌출단은 전해가공법으로 제작되어 상기 베어링의 그루브와 함께 제작되는 것을 특징으로 하는 스핀들모터.

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