KR101234839B1 - 가스 베어링 스핀들 및 가스 베어링 스핀들용 가스 베어링 조립체 - Google Patents

Abstract

가스 베어링 스핀들용 가스 베어링 조립체(1)가 개시된다. 조립체(1)는 하우징부(11)와 하우징부(11) 내에 배치되고 하우징부에 대해 탄성 장착된 내부 반경 방향 베어링부(10)를 포함한다. 내부 반경 방향 베어링부(10)는 베어링면을 구비한 내부 쉘 베어링부(12)와 상기 내부 쉘 베어링부(12)와 하우징부(11) 사이에 배치된 중간 슬리브부(14)를 포함하고, 내부 쉘 베어링부(12)와 중간 슬리브부(14) 사이에는 액체 냉매 채널(7)이 마련된다.

Description

가스 베어링 스핀들 및 가스 베어링 스핀들용 가스 베어링 조립체{GAS BEARING SPINDLES AND GAS BEARING ASSEMBLIES FOR GAS BEARING SPINDLES}

본 발명은 가스 베어링 스핀들 및 가스 베어링 스핀들용 가스 베어링 조립체에 관한 것이다.

고속 드릴링 작업 시, 예를 들어 인쇄회로기판(PCB) 드릴링 시 사용하기에 적합한 가스 베어링 스핀들에 특히 관심을 두고 있다. PCB 드릴링 기계에 있어서, 넓은 범위의 여러 직경들에 걸쳐서 홀을 드릴링할 수 있으며 또한 그에 상응해서 넓은 범위의 여러 속도에 걸쳐서 홀을 드릴링할 수 있는 기계에 대한 요구가 있다. 따라서 예를 들어 작동 범위(scale)에 있어서 한쪽 끝의 규모를 6.3mm 직경의 홀들을 15,000 내지 20,000rpm의 속도로 드릴링할 수 있는 것으로 하고 다른 끝의 규모를 일례로 0.1 내지 0.2mm 직경의 홀들을 일례로 200,000 또는 300,000rpm으로 드릴링할 수 있는 것으로 한 기계를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 이와 같은 홀들은 고도로 정확하게 드릴링하는 것이 필요하고, 일반적으로, 인쇄회로기판에는 양호한 품질의 홀들을 마련할 필요가 있다.

항상 그렇지는 않지만 대부분의 속도에서, 드릴링할 때 장치에서 발생되는 반경 방향 및/또는 축 방향 진동으로 인해 드릴링되는 홀의 품질이 저하되는 경향이 있을 수 있다. 그러한 진동을 상당히 감쇠시키는 감쇠 기능(damping)을 제공하면 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 된다.

또한, 이러한 감쇠 기능으로 인해 베어링 가스 막 내에서 반속 와류(half speed whirl)가 발생되는 것이 억제됨으로써 샤프트의 최고 속도가 상당히 더 높아질 수 있게 된다. (반속 와류는 초임계 공기 베어링 시스템에서 일어나는 잘 알려진 공명 상태이며, 상기 반속 와류가 발생되면 가스 막의 불안정한 성질로 인해 스핀들의 고장이 일어날 수 있음. 이는 베어링 가스 막의 임계 속도보다 대략 2배의 속도에서 일어남).

감쇠 기능을 제공하기 위한 기존 방법 한 가지는 스핀들의 베어링을 탄성 중합체 O링에 장착시키는 것이다. 이러한 경우에는, 샤프트의 움직임을 설정된 범위 내로 제약하는 상태로 베어링이 O링 상에서 반경방향 및 축 방향으로 이동할 수 있다. 따라서 드릴링 공정 중에 발생되는 진동 에너지는 O링 재료의 계속되는 변형에 의해 흡수되고, 샤프트의 진동은 양호하게 감쇠된다. 그러나 이 기술을 PCB 스핀들에 적용하는 경우에는 매우 작은 홀들을 드릴링하는 데 높은 속도가 필요하고 가스 막의 전단으로 인해 베어링 내부에 상당한 열이 발생된다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위한 한 가지 방법은 과열을 방지하고 공기 필름 갭의 열 팽창을 제어하기 위해 냉각, 예를 들면 수냉을 하는 것이다.

그러나, 이는 어려운데, 냉각이 적소에 이루어져야 하고 감쇠 효과가 제한되기 때문이다.

본 발명의 목적은 스핀들 내에서의 바람직한 감쇠를 유지하면서도 그러한 냉각이 이루어질 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 하우징부와 하우징부 내에 배치되고 하우징부에 대해 탄성 장착된 내부 반경 방향 베어링부를 포함하는, 가스 베어링 스핀들용 가스 베어링 조립체로서, 내부 반경 방향 베어링부가 베어링면을 구비한 내부 쉘 베어링부와 상기 내부 쉘 베어링부와 하우징부 사이에 배치된 중간 슬리브부를 포함하고, 내부 쉘 베어링부와 중간 슬리브부 사이에는 액체 냉매 채널이 마련된 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체가 제공된다.

이러한 장치에 의하면 하우징부와 내부 반경 방향 베어링부 간의 탄성 장착 효과를 손상시키지 않고도 베어링 조립체, 특히 베어링면의 영역을 냉각시키는 액체 냉매를 사용할 수 있게 된다.

액체 냉매 채널은 중간 슬리브부의 면에 의해서 부분적으로 한정될 수 있다. 액체 냉매 채널은 내부 쉘 베어링부의 면에 의해서 부분적으로 한정될 수 있다.

내부 반경 방향 베어링부와 하우징부 사이에 적어도 하나의 탄성 감쇠 부재가 구비될 수 있다. 이러한 탄성 감쇠 부재에 의하면 내부 반경 방향 베어링부와 하우징부 간의 탄성 장착이 가능하게 되거나 혹은 적어도 탄성 장착이 용이해질 수 있다.

적어도 하나의 탄성 감쇠 부재는 내부 반경 방향 베어링부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 적어도 하나의 탄성 감쇠 부재는 중간 슬리브부에 배치될 수 있다.

바람직하게는, 하우징부와 내부 반경 방향 베어링부 사이에 배치되고 내부 반경 방향 베어링부를 둘러싸는 한 쌍의 탄성 감쇠 부재가 있다. 상기 쌍의 탄성 부재들은 축 방향으로 서로 이격될 수 있다. 상기 쌍의 탄성 감쇠 부재들은 내부 반경 방향 베어링부의 각 대향 단부들을 향해 배치될 수 있다. 상기 쌍의 탄성 감쇠 부재들은 중간 슬리브부에 배치될 수 있다.

적어도 하나의 O링이 하우징부와 내부 반경 방향 베어링부 사이에 배치될 수 있다. 적어도 하나의 O링에 의하면 하우징부와 내부 반경 방향 베어링부 간의 탄성 장착이 가능하게 되거나 적어도 이러한 탄성 장착에 도움이 될 수 있다.

상기 적어도 하나의 O링은 내부 반경 방향 베어링부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 적어도 하나의 O링은 그 축이 내부 반경 방향 베어링부의 축과 대체로 평행하게, 바람직하게는 대체로 일치하게 배치될 수 있다. 적어도 하나의 O링은 중간 슬리브부에 배치될 수 있다.

바람직하게는, 하우징부와 내부 반경 방향 베어링부 사이에 배치되고 내부 반경 방향 베어링부를 둘러싸는 한 쌍의 O링이 있다. 상기 쌍의 O링들은 축 방향으로 서로 이격될 수 있다. 상기 쌍의 O링들은 내부 반경 방향 베어링부의 각 대향 단부들을 향해 배치될 수 있다. 상기 쌍의 O링들은 중간 슬리브부에 배치될 수 있다.

내부 쉘 베어링부는 대체로 환형일 수 있다. 중간부는 대체로 환형일 수 있다.

내부 쉘 베어링부는 중간부 내부에 꽉 끼워질 수 있고, 이는 억지 끼움일 수 있다.

하우징부에는 내부 반경 방향 베어링부가 배치되는 보어가 마련될 수 있고, 내부 반경 방향 베어링부는 상기 보어의 벽과 대면하는 외부 곡면을 구비할 수 있고, 내부 반경 방향 베어링부의 외부 곡면과 보어 사이에는 간극이 마련될 수 있다. 내부 반경 방향 베어링부의 외부 곡면은 중간부의 외부 곡면일 수 있다. 간극은 적어도 하나의 탄성 감쇠 부재에 의해 유지될 수 있다.

상기 보어는 원통형 보어일 수 있다. 내부 반경 방향 베어링부의 외부 곡면은 원통면일 수 있다.

내부 쉘 베어링부와 중간 슬리브부 사이에 마련된 액체 냉매 채널은 내부 반경 방향 베어링부의 외부 곡면에 있는 출구를 구비할 수 있다.

내부 쉘 베어링부와 중간 슬리브부 사이에 마련된 액체 냉매 채널은 내부 반경 방향 베어링부의 외부 곡면에 있는 입구를 구비할 수 있다.

가스 베어링 조립체는 내부 쉘 베어링부와 중간 슬리브부 사이에 마련된 액체 냉매 채널로 들어가는 입구 또는 액체 냉매 채널로부터 나오는 출구 주위에 배치된 적어도 하나의 보조 O링을 포함할 수 있다. 한 쌍의 보조 O링이 있을 수 있는데, 하나는 액체 냉매 채널로 들어가는 입구 주위에 배치되고 하나는 액체 냉매 채널로부터 나오는 출구 주위에 배치된다. 상기 보조 O링 또는 보조 O링들 각각은 중간 슬리브부에 배치될 수 있다. 상기 보조 O링 또는 보조 O링들 각각은 주축이 가스 베어링 조립체의 축을 가로지르는 상태로 배치될 수 있다. 상기 보조 O링 또는 보조 O링들 각각의 주축은 가스 베어링 조립체의 반경을 따라 배향될 수 있다.

일반적으로, 하우징부와 내부 반경 방향 베어링부 사이를 밀봉시키기 위해 밀봉 수단이 마련될 수 있다. 하우징부와 내부 반경 방향 베어링부 사이를 밀봉시키기 위해 O링들 및/또는 보조 O링들이 마련될 수 있다.

밀봉 수단은 내부 쉘 베어링부와 중간 슬리브부 사이에 구비될 수 있다. 밀봉용 O링들은 내부 쉘 베어링부와 중간 슬리브부 사이에 구비될 수 있다.

베어링면은 일반적으로 베어링면과 샤프트 사이에 가스 막을 생성하는 가스를 공급하기 위한 다수의 가스 출구들로 이루어진 적어도 하나의 가스 출구 열을 포함할 것이다.

각 가스 출구는 분출구를 포함할 수 있다.

이격된 보조 밀봉재들, 예를 들어 밀봉용 O링들의 쌍 각각은 상기 가스 출구 열 또는 가스 출구 열들 각각을 위해 내부 반경 방향 베어링부에 구비될 수 있는데, 상기 쌍의 한 밀봉재는 가스 출구 열의 일측에 배치되고 상기 쌍의 다른 밀봉재는 가스 출구 열의 타측에 배치된다.

베어링 조립체는 두 개의 가스 출구 열을 포함하고, 상기 열들은 액체 냉매 채널이 축 방향으로 두 개의 가스 출구 열의 사이에 있는 상태에서 축 방향으로 서로 이격된다.

일례로 상기한 O링들과 같은 밀봉재는 서로가 함께, 베어링 조립체를 통과해서 상기 가스 출구 열 또는 그 가스 출구 열들 각각에 이르는 가스 경로와 베어링 조립체를 통과해서 액체 냉매 채널에 이르는 액체 경로에 밀봉부를 마련할 수 있다.

액체 냉매 채널은 환형 채널일 수 있고, 이 환형 채널은 그 축이 베어링 조립체의 주축과 일치할 수 있다.

가스 베어링 조립체는 축 방향 베어링부를 포함할 수 있다. 가스 베어링 조립체는 제2 액체 냉매 채널을 포함할 수 있고, 이 제2 액체 냉매 채널은 축 방향 베어링부의 영역에 마련되고 내부 쉘 베어링부와 중간 슬리브부 사이에 마련된 액체 냉매 채널과 유체 연통된다. 제2 액체 냉매 채널은 환형 채널일 수 있다.

가스 베어링 조립체는 하우징부를 내부 반경 방향 베어링부에 전기적으로 연결시키기 위한 탄성 전기 접촉 요소를 포함할 수 있다.

접촉 요소는 드릴링 및 다른 기계 가공 공정에서 흔히 사용되는 전기 공구 터치 다운 기법에서의 사용을 위해 베어링 조립체를 통과하는 전기 경로를 제공하면서도 내부 반경 방향 베어링부의 탄성 장착에 큰 영향을 주지는 않도록 배치되어야 한다.

이러한 접촉 요소로서 처음에 고려한 것은 카본 필라멘트 브러시였다. 그러나 이러한 브러시는, 마모 및/또는 유지 보수로 인해 필라멘트들이 손실되고 그런 다음 O링 밀봉재에 끼어 물의 누출을 야기시키는 경향이 있기 때문에 바람직스럽지 않은 것으로 밝혀졌다. 따라서 바람직하게는 탄성 전기 접촉 요소는 압축 스프링을 포함한다.

가스 베어링 조립체는 공기정압 베어링 조립체일 수 있다.

본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 위에서 정의된 가스 베어링 조립체와 그 가스 베어링 조립체 내에 축지지된 샤프트를 포함하는 가스 베어링 스핀들이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 단지 예시적으로 설명한다.

도 1은 본 발명을 이해하는 데 유용한 제1 드릴링 스핀들의 일부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명을 구체화한 경우인 제2 드릴링 스핀들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 스핀들의 베어링 조립체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4a와 도 4b는 도 3에 도시된 베어링 조립체의 중간 슬리브와 상기 중간 슬리브에 마련된 O링 홈을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5a와 도 5b는 도 3에 도시된 베어링 조립체의 변형례로서 탄성 전기 접촉 요소들을 포함하는 베어링 조립체를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1은 많은 부분이 전형적인 고속 PCB 드릴링 스핀들의 일부를 개략적으로 도시한다. PCB 드릴링 스핀들은 공기 베어링 스핀들이고, 스핀들의 몸체부(2) 내에 수용된 두 개의 반경 방향 공기 베어링 조립체(1)를 포함한다. 공구 홀더(4)를 구비하는 샤프트(3)는 반경 방향 공기 베어링(1)들 내에 축지지(journal)된다. 몸체부(2)에 배치된 고정자(51)와 샤프트(3)에 설치된 권선(52)으로 이루어진 모터(5)가 샤프트(3)를 몸체부(4)에 대해 회전 구동시키기 위해 마련된다. 공구 홀더(4)는 공구, 본 실시예에서는 PCB 재료에 홀들을 드릴링하기 위한 드릴링 공구를 유지할 수 있게 배치된다. 공구 홀더(4)로부터 떨어져 있는 샤프트(3)의 단부에 구비된 추력 회전자(thrust runner)(31)에 작용하는 축 방향 공기 베어링 장치(6)가 마련된다.

도 1의 드릴링 스핀들에 대해서 위에서 설명한 정도까지는 전형적인 것이다. 따라서 설명을 간결하게 하기 위해서 드릴링 스핀들의 일반적인 구조와 작용에 대해서는 본 명세서 내에서 상세하게 설명하지 않는다. 구동되는 공구를 유지하기 위한 공구 홀더와 함께 적당한 공기 베어링과 모터 드라이브를 포함하는 공기 베어링 스핀들을 제공하는 것은 공지 기술이라는 점을 주지해야 한다.

본 발명은 주로, 이와 같은 스핀들에 구비될 수 있는 베어링(1, 6)의 일부 측면의 구조와 기능에 관한 것이다.

도 1에 도시된 스핀들의 반경 방향 공기 베어링 조립체(1)들 각각에는 두 개의 주요 부품이 있다. 첫 번째 부품은 외부 베어링 하우징부(11)인데, 상기 외부 베어링 하우징부 내에는 내부 쉘 베어링부(12)가 장착된다. 외부 베어링 하우징부(11)와 내부 쉘 베어링부(12)는 둘 다 대체로 환형인 부품이다. 따라서 내부 쉘 베어링(12)은 외부 베어링 하우징부(11)의 보어 내에 장착된다. 그러나 내부 쉘 베어링부(12)의 외부 곡면과 외부 베어링 하우징부(11)의 보어의 내부 곡면 사이에는 상당한 간극이 마련된다.

내부 쉘 베어링부(12)는 한 쌍의 O링(13)을 거쳐서 외부 베어링 하우징부(11)에 장착된다. O링들 중 하나는 베어링 조립체(1)의 일 단부측에 구비되고, 다른 O링(13)은 베어링 조립체(1)의 타 단부측에 구비된다. 이들 O링(13)은 내부 쉘 베어링부(12)를 외부 베어링 하우징부(11) 내에 탄성 지지하는 작용을 한다.

상술한 이들 두 부분(11, 12) 사이의 간극과 O링(13)들의 탄성 때문에, 내부 쉘 베어링부(12)는 외부 베어링 하우징부(11)에 대해 축 방향 및 반경 방향으로 움직이는데 있어서 약간의 자유도를 갖는다.

물론, 이러한 움직임이 조금이라도 일어나면 O링(13)들은 변형될 것이다. 도 1의 스핀들에 구비된 베어링 조립체(1)들 둘 다에 대해 이러한 구성이 적용된다.

따라서, 스핀들의 작동 중에 샤프트(3)가 진동됨에 따라, 내부 쉘 베어링부(12)는 O링(12)들 상에서 움직일 수 있고, O링(13)들은 이러한 진동 에너지를 흡수하여 샤프트(3)의 진동을 감쇠시킬 수 있다. 또한 이에 따라 더욱 우수한 드릴링 성능을 얻을 수 있다. 본 명세서의 도입부에서 암시된 바와 같이, 그러한 감쇠를 이용하는 기존의 시스템들이 있다.

그러나, 본 발명의 스핀들에서는, 베어링 조립체(1)들 내에 환형의 수냉 채널(7)들이 마련되고 적절한 채널 구성(channelling)을 거쳐 냉매가, 특히 이 경우에서는 물이 냉매 채널(7)들에 공급됨으로써 베어링 조립체(1)의 냉각, 특히 내부 쉘 베어링부(12)의 냉각이 이루어진다.

처음에는 이러한 구성으로 의해 베어링 조립체들(1)의 성능이 개선되고 그에 따라 스핀들 전체의 성능이 개선될 것으로 생각하였다.

그러나 그러한 채널들에서 냉매를 공급하게 되면 베어링 조립체(1)들의 감쇠 성능에 극히 해로운 영향을 미치게 된다는 것으로 밝혀졌다. 이는, 환형 냉매 채널(7)들이 물로 채워지고 나면, 냉매 채널들이 내부 쉘 베어링부(12)에서부터 외부 베어링 하우징부(11)로 에너지를 전달하는 고형물 에너지 전달기(solid transmitter of energy)로서 작용하여 O링(13)의 감쇠 효과를 급격히 감소시키기 때문이다. 또한, 베어링 내부의 수압이 높을수록 최종 감쇠 효과는 더 낮아진다.

따라서 처음에는 도 1에 도시된 스핀들의 구성이 매력적으로 생각하였지만 실상은 다르다.

도 2 내지 도 4는 도 1의 장치에서와 같이 감쇠 성능에 상당히 해로운 영향을 미치지 않으면서 냉각이 이루어질 수 있게 개선된 장치에 관한 것이다.

도 2는 본 발명을 실시하는 PCB 드릴링 스핀들을 도시한다. 이 PCB 드릴링 스핀들은, 예를 들어 대략 200,000rpm 또는 300,000rpm까지의 속도로 고속 드릴링하기 위해 사용될 수 있지만, 15,000 내지 20,000rpm과 같은 비교적 낮은 속도로도 사용될 수 있게 구성된다.

도 2에 도시된 스핀들의 구성과 구조의 많은 부분은 전형적인 것이고 도 1과 관련하여 위에서 설명한 것과 유사하다.

따라서, 다시 설명하면, 스핀들은 스핀들 몸체(2) 내에 장착된 한 쌍의 공기 베어링 조립체(1)를 포함한다. 공구 홀더(4)를 구비하는 샤프트(3)는 반경 방향 공기 베어링(1)들 내에 축지지된다. 또한 모터(5)가 샤프트를 회전 구동시키고 그에 따라 공구 홀더(4) 및 스핀들의 몸체(2)에 구비된 임의의 공구를 회전 구동시키기 위해 마련된다. 또한, 본 실시예에서는 샤프트(3)의 공구 홀더(4)와 동일한 단부에 구비된 추력 회전자(31)에 작용하는 축 방향 베어링 장치(6)가 마련된다.

도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 스핀들의 반경 방향 베어링 조립체(1)들은 도 1에 도시된 스핀들의 반경 방향 베어링 조립체들과 다르다. 공구 홀더(4)와 동일한 스핀들 영역에 배치된 전방 베어링 조립체(1)는 스핀들의 타 단부에 구비된 후방 베어링 조립체(1)와 비록 동일하지는 않지만 유사하다.

전방 베어링 조립체(1)가 도 3에 더욱 상세하게 도시되어 있다. 전방 베어링 조립체(1)를 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 2에 도시된 스핀들의 전방 베어링 조립체(1)에는 외부 베어링 하우징부(11)가 있고, 이 외부 베어링 하우징부 내에 내부 쉘 베어링부(12)가 장착된다. 그러나, 본 실시예에서는, 외부 베어링 하우징부(11)와 내부 쉘 베어링부(12) 사이에 중간 슬리브부(14)가 구비된다. 내부 쉘 베어링부(12)와 중간 슬리브부(14)는 함께 내부 베어링부(10)를 이루는 것으로 볼 수 있다.

또한, 이 경우 외부 베어링 하우징부(11)는 대체로 환형이고 내부 베어링부(10)가 구비되는 보어를 갖는다. 또한, 도 2의 스핀들의 내부 쉘 베어링부(12)는 대체로 환형이고 중간 슬리브부(14) 또한 대체로 환형이다. 본 실시예의 중간 슬리브부(14)는 내부 쉘 베어링부(12)에 수축 끼워 맞춤(shrink fit)된다.

내부 베어링부(10)는, 도 1의 스핀들에서 내부 쉘 베어링부(12)가 외부 베어링 하우징부(11) 내에 장착되는 방식과 유사한 방식으로 외부 베어링 하우징부(11) 내에 탄성 장착된다. 따라서 내부 베어링부(10)는 O링(13)들을 거쳐서 외부 베어링 하우징부(11)에 장착되고, 내부 베어링부(10)의 외부 곡벽과 외부 베어링 하우징부(11)의 내부 곡벽 사이에는 간극이 마련된다.

이 실시예에서는, 환형 홈 형태의 냉매 채널(7)이 내부 베어링부(10)에 마련된다. 특히 이 냉매 채널(7)은 내부 쉘 베어링부(12)와 중간 슬리브부(14) 사이에 마련된다. 냉매 채널(7)은 한편으로는 내부 쉘 베어링부(12)의 면에 의해 다른 한편으로는 중간 슬리브부(14)의 면에 의해서 정해진다. 따라서 냉매 채널(7)은 냉매 채널(7)과 외부 베어링 하우징부(11) 사이에 있는 중간 슬리브(14)에 의해 외부 베어링 하우징부(11)로부터 사실상 보호된다. 이는 사용되는 냉매 채널 내에 채워진 냉매와 외부 베어링 하우징부(11)의 보어의 면간에 어떠한 직접적인, 말하자면 기계적인, 접촉도 없다는 것을 의미한다.

그러나 물론 물은 내부 베어링부(10)에 마련된 환형 냉매 채널(7)로 그리고 냉매 채널로부터 밖으로 공급되어야 한다. 따라서 냉매 채널(7)의 입구(71)는 외부 베어링 하우징부(11)에 구비된 공급 포트(11a)와 맞추어져 있고, 냉매 채널(7)의 출구(72)는 외부 베어링 하우징부(11)에 구비된 배출 포트(11b)와 맞추어져 있다. 따라서 물은 입구 포트(11a)를 거쳐서 냉매 채널로 공급되어 채널(7)을 흐르고 나서 채널(7)에서 나와서 출구(72)를 거쳐 배출 포트(11b)까지 흘러갈 수 있다.

냉매 채널(7)이 내부 베어링부(10) 둘레로 쭉 연장된다는 점을 주지해야 한다. 본 실시예에서, 채널(7)로 들어가는 입구(71)는 출구(72)와 직경 방향으로 대향하고 있고, 따라서 냉매는 입구(71)로 흘러 들어가고 나서 두 개의 경로로 갈라져서 베어링 조립체의 양 측부 주위를 흐르고 난 다음에 출구(72)에서 만나 내부 베어링부(10)를 빠져나간다.

제2 냉매 채널(73)이 외부 베어링 하우징부(11)에서 전방 반경 방향 베어링 조립체(1)에 마련된다. 이 제2 냉매 채널(73)은 축 방향 베어링 장치(6)를 냉각시키기 위한 것이다. 축 방향 베어링 장치(6)의 축 방향 베어링 판(61)은 전방 반경 방향 베어링 조립체(1)의 외부 베어링 하우징부(11)에 접하고, 제2 냉매 채널(73)은 축 방향 베어링 판(61)과 대면하면서 접하는 외부 베어링 하우징부(11)의 면에 환형 홈으로 형성된다.

제2 냉매 채널(73)은, 외부 베어링 하우징부(11) 내에서 축 방향으로 연장되어 배출 포트(11b)를 제2 냉매 채널(73)에 연결하는 공급 채널(74)을 통해 제1 냉매 채널(7)과 유체 연통된다. 따라서, 사용 시에, 물은 우선 내부 베어링부(10)에 마련된 제1 냉매 채널(7)로 공급되어 제1 냉매 채널를 통과하여 흐른 다음, 내부 베어링부(10)에서 나와서 공급 채널(74)을 거쳐 제2 냉매 채널(73)로 흘러들어 간다.

도 4a와 도 4b는 전방 베어링 조립체(1)의 중간 슬리브(14)를 개략적으로 도시한다. 특히, 냉매 채널(7)의 입구(71)와 출구(42)가 도시되어 있다. 입구(71)와 출구(72)를 둘러싸는 것은 O링 홈(71a, 72a)들인데, 이 O링 홈들은 O링(71b, 72b)들(도 3 참조)을 수용한다. 이들 O링(71b, 72b)은 입구(71)와 출구(72) 각각의 둘레에서, 도 3에 도시된 바와 같이 그들이 대면하는 외부 베어링 하우징부(11)의 보어의 벽에 대한 밀봉부 역할을 한다.

상술한 바와 같이, 내부 베어링부(10)의 각 단부에 구비된 O링(13)들은 내부 베어링부(10)를 외부 베어링 하우징부(11)에 대해 탄성 장착시킬 수 있게 하여 요구되는 감쇠 성능을 제공한다. 입구(71)와 출구(72) 주위에 구비된 O링(71b, 72b)들은 이러한 탄성 장착을 파괴하지 않으면서 입구 포트(11a)와 입구(71) 사이에 그리고 출구(72)와 배출 포트(11b) 사이에 밀봉부를 마련시키는 데 필요하다. 이는 상기 영역에서 중간 슬리브(14)의 면과 외부 베어링 하우징부(11)의 보어의 면 사이에 적당한 간극이 있는 것을 보장하고 적당한 O링(71b, 72b)들을 선택함으로써 달성될 수 있다.

여기서, 중간 슬리브(14)가 환형이고 대체로 원통형 외면을 갖지만 환형부의 두께는 슬리브(14)의 축 방향 길이를 따라 일정하지 않다는 점에 유의해야 한다. 특히, 슬리브(14)는 입구(71)와 출구(72)가 형성된 중앙 밴드부에서 외경이 더 크다. 따라서 슬리브(14)의 외부 곡면은 단차지게 형성되어 있다. 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 베어링 조립체(1)의 중앙 영역에서, 즉 입구(71)와 출구(72)의 영역에서 슬리브(14)와 외부 베어링 하우징부(11) 사이의 간극은 더 작아진다.

입구(71)와 출구(72) 주위의 O링(71b, 72b)들이 O링들의 축이 실질적으로 베어링 조립체의 반경을 따라 놓이도록 배향된 상태로 중간 슬리브부(14)의 외면에 배치되어 있지만, 주 감쇠 링(13)들은 내부 베어링부(10)를 둘러싸고 중간 슬리브부(14)를 둘러싸도록 마련되고 주축이 베어링 조립체(1)의 축과 대체로 일치하도록 배향된다는 점에 유의해야 한다.

물론 반경 방향 베어링 조립체(1)가 공기 베어링 조립체라는 점에 유념해야 한다. 따라서 공기를 공기 베어링에 공급하기 위한 공기 공급 경로를 밀봉하고 냉각을 위해 베어링 조립체를 통과하는 적절한 물 채널을 밀봉할 필요가 있다.

이러한 점에서, 베어링 조립체(1)의 단부에 구비된 감쇠용 O링(13)들과 입구(71)와 출구(72) 주위에 구비된 밀봉용 O링(71b, 72b)들도 또한 적당한 공기 공급 채널들을 공기 베어링에 마련시키기 위한 밀봉부를 마련해야 한다는 점에 유의해야 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 베어링 조립체는 내부 쉘 베어링부(12)의 베어링면(12a)에 마련된 두 개의 분출구(8) 열을 포함한다. 작동 시, 분출구(8)들은 공기를 공기 베어링에 공급하여 필요한 가스 막을 베어링면(12a)과 샤프트(3) 사이에 생성시킨다. 분출구(8) 열들은 축 방향으로 서로 그리고 냉매 채널(7)과 이격되고 냉매 채널(7)의 입구(71)와 출구(72)는 축 방향으로 두 개의 분출구 열들 사이에 배치된다는 점에 유의해야 한다.

추가의 밀봉용 O링(12b)들이 내부 쉘 베어링부(12)와 중간 슬리브부(14) 사이에서 분출구 열의 양측에 구비된다. 이들 쌍의 O링(12b)들은 각각 분출구(8)들을 향해 공급되는 공기에 대한 밀봉부를 마련한다. 또한, 이들 밀봉용 O링(12b)들은 O링들의 축들이 베어링 조립체(1)의 주축과 대체로 일치하도록 배향된다.

이상에서는 공구 홀더(4)도 차지하고 있는 스핀들 영역에 있는 전방 반경 방향 베어링 조립체(1)에 대해 설명하였다. 그러나 이상의 설명은 대부분의 점에서 후방 반경 방향 베어링 조립체(1)에도 동일하게 적용될 수 있다. 특히, 후방 반경 방향 베어링 조립체 역시 외부 베어링 하우징부(11) 내에 배치된 중간 슬리브부(14)로 둘러싸인 내부 쉘 베어링부(12)로 된 유사한 장치를 구비한다. 또한 냉매 채널(7)이 중간 슬리브부(14)와 내부 쉘 베어링부(12) 사이에 마련된다. 본 실시예의 두 반경 방향 베어링 조립체(1)들 간의 주된 차이점은 단지 후방 반경 방향 베어링 조립체(1)가, 축 방향 베어링 장치(6) 가까이에 있지 않기 때문에, 제2 냉매 채널(73)을 포함하지 않는다는 점에 있다.

두 반경 방향 베어링 조립체(1)는 함께 베어링들이 수냉될 수 있으면서 또한 스핀들의 동작 시의 진동이 감쇠될 수 있게 한다.

이상에서는 현재의 아이디어를 PCB 드릴링 분야에 사용하는 관하여 설명했지만, 이러한 아이디어가 다른 기계 가공 분야의 베어링들에 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 그러한 기계 가공 분야는 상술한 유형의 고속 이용과 관련되거나 관련되지 않을 수 있고, 상술한 바와 같이 작동 속도가 넓은 범위에서 변하는 기계의 작동과 관련되거나 관련되지 않을 수 있다.

PCB 드릴링 공정 및 다른 기계 가공 공정들에서, 기계는 대개 드릴 팁(또는 다른 공구)이 피가공물과 처음 접촉되는 정확한 지점을 검출하기 위한 공구 터치 다운(touch down) 검출 시스템을 구비한다. 대체로 이들 공구 터치 다운 시스템은 전기적 검출을 이용하고, 공구가 피가공물과 접촉될 때 전기 회로가 이루어지는 것에 기반하여 작업을 행한다. 대체로, 그러한 검출 시스템이 작업하기 위해, 기계 가공 스핀들, 특히 베어링 조립체를 통과하는 도전성 경로가 마련될 필요가 있다.

대부분의 통상적인 베어링 조립체들에는, 스핀들과 베어링 조립체의 구성으로 인해 스핀들을 통과하는 이미 구성되어 있는(ready made) 전기 도전성 경로가 있다.

그러나, 도 2에 도시된 스핀들에 포함된 도 3에 도시되는 유형의 베어링 조립체들에는, 외부 베어링 하우징부(11)와 내부 베어링부(10) 사이에, 구체적으로는 외부 베어링 하우징부(11)와 중간 슬리브부(14) 사이에 탄성 O링 장착부(13)들이 구비됨으로써 전기 도전성 경로가 단절된다.

도 5a와 도 5b는 베어링 조립체를 통과하고 이에 따라 드릴링 스핀들 전체를 통과하는 상기 전기 도전성 경로를 복원하기 위한 목적으로 구성된 도 3에 도시된 베어링 조립체의 개조된 형태를 도시한다.

도 5a는 거의 대부분의 점에서 도 3에 도시된 베어링 조립체와 동일한 제1 개조 베어링 조립체를 도시한다. 그러나 상기 제1 개조 베어링 조립체는 도 5a에서 도 3에서와는 다른 단면으로 도시되며, 외부 베어링 하우징부(11)에 장착되고 순간 접착제를 이용하여 적당한 위치에서 밀봉되는 축 방향 그러브 스크류(grub screw)에 의해 적당한 위치에 고정된 카본 브러시(501)를 구비하도록 개조되었다. 카본 브러시(501)는 구리 홀더에 결집(capture)된 다수의 카본 브러시 필라멘트들 또는 섬유들을 포함한다. 카본 필라멘트들은 유연하고 따라서 외부 베어링 하우징부(11)와 내부 베어링부(10) 간의 탄성 장착부와 불리하게 간섭되지 않는다. 또한 카본 필라멘트들은 양호한 전기 접촉성을 갖는다.

그러나 사용 및/또는 유지보수 중에 하나 이상의 필라멘트가 브러시로부터 풀리는 경향이 있다. 그러한 필라멘트가 풀리면, 특히 조립체가 유지보수 등을 위해 분해되면 조립체의 O링 밀봉재들 중 하나에 낄 수 있다. 그러한 낀 필라멘트는 필라멘트가 낀 O링에 의해 제공되는 밀봉부와 간섭하여 물의 누출을 야기시키는 경향이 있다.

도 5b는 도 3에 도시된 베어링 조립체의 현재로서 바람직한 개조 형태를 도시한다. 여기서도 또한 외부 베어링 하우징부(11)를 내부 베어링부(10)에 전기적으로 연결하기 위해 탄성 전기 접촉 요소가 구비된다. 그러나, 이 경우에서는, 외부 베어링 하우징부(11)에 나선형 압축 스프링(503)이 구비된다. 스프링(503)은 외부 베어링 하우징부(11)의 반경 방향 홀에 구비되고 잠금 그러브 스크류(504)에 의해 내부 베어링부(10), 특히 중간 슬리브부(14)에 대해 부하를 받는다. 그런 다음 이 그러브 스크류는 순간 접착제로 적당한 위치에서 밀봉된다. 이에 따라 나선형 압축 스프링(53)은 베어링 조립체를 통과하는 전기적 연결을 복원시키면서 도 5a에 도시된 베어링 조립체의 제1 개조 형태에 포함된 카본 섬유 브러시와 관련된 문제는 나타내지 않는다. 대안적으로, 장치가 스프링이 내부 베어링부에 장착되는 상태로 반전될 수 있다. 또한, 필요하다면, 그러한 접촉 요소가 하나 이상 구비될 수 있다.

본 발명의 구성에서 내세울 수 있는 유용한 측면들은 다음과 같다.

내부 베어링부(10)와 외부 베어링 하우징부(11)가 이상 부하 아래에서 내부 베어링부(10)가 외부 베어링 하우징부에 대해 회전될 수 있게 배치되는 경우, 스핀들이 고장나는 경우에, 예를 들어 부서지거나 끼는 경우에 일어나는 손상의 위험 및/또는 정도가 감소될 수 있다. 조립체의 O링들은 정상적인 사용 상태에서는 내부 베어링부(10)와 외부 베어링 하우징부(11)의 상대 회전에 저항할 것이다. 그러나, 극심한 부하 하에서는, 약간의 회전이 손상을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

베어링 조립체의 구조로 인해, 내부 베어링부(10)(내부 쉘(12) 및/또는 중간 슬리브(14))에 대한 손상이 일어난 경우, 베어링의 나머지 부분들이 손상되지 않았으면 이들은 교체될 수 있다. 이는 베어링 조립체 전부를 교체하는 것보다 명백하게 더 저렴하다.

Claims (13)

1. 하우징부와 하우징부 내에 배치되고 하우징부에 대해 탄성 장착된 내부 반경 방향 베어링부를 포함하는, 가스 베어링 스핀들용 가스 베어링 조립체로서,
   내부 반경 방향 베어링부가 베어링면을 구비한 내부 쉘 베어링부와 상기 내부 쉘 베어링부와 하우징부 사이에 배치된 중간 슬리브부를 포함하고,
   내부 쉘 베어링부와 중간 슬리브부 사이에 액체 냉매 채널이 마련된 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체.
2. 제1항에 있어서,
   내부 반경 방향 베어링부와 하우징부 사이에 적어도 하나의 탄성 감쇠 부재가 구비된 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체.
3. 제1항에 있어서,
   중간 슬리브부에 적어도 하나의 탄성 감쇠 부재가 구비된 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체.
4. 제2항에 있어서,
   하우징부와 내부 반경 방향 베어링부 사이에 배치되고 내부 반경 방향 베어링부를 둘러싸는 한 쌍의 탄성 감쇠 부재가 있고, 상기 쌍의 탄성 감쇠 부재들은 축 방향으로 서로 이격된 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체.
5. 제1항에 있어서,
   하우징부와 내부 반경 방향 베어링부 사이에 배치되고 내부 반경 방향 베어링부를 둘러싸는 한 쌍의 O링이 있고, 상기 쌍의 O링들은 축 방향으로 서로 이격되고 중간 슬리브부에 배치된 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   하우징부에는 내부 반경 방향 베어링부가 배치되는 보어가 마련되되, 내부 반경 방향 베어링부는 상기 보어의 벽과 대면하는 외부 곡면을 구비하고, 내부 반경 방향 베어링부의 외부 곡면과 보어 사이에는 간극이 마련되고,
   내부 쉘 베어링부와 중간 슬리브부 사이에 마련된 액체 냉매 채널은 내부 반경 방향 베어링부의 외부 곡면에 있는 출구와 입구 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체.
8. 제7항에 있어서,
   액체 냉매 채널의 출구와 입구 중 적어도 하나의 주위에 배치된 적어도 하나의 보조 O링을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체.
9. 제8항에 있어서,
   보조 O링은 중간 슬리브부에 배치된 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체.
10. 제1항에 있어서,
    베어링면은 베어링 조립체에 축지지될 때 베어링면과 샤프트 사이에 가스 막을 생성하는 가스를 공급하기 위한 두 개의 가스 출구 열을 포함하고, 상기 두 개의 가스 출구 열은 액체 냉매 채널이 축 방향으로 두 개의 가스 출구 열 사이에 있는 상태로 서로 이격된 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체.
11. 제1항에 있어서,
    하우징부를 내부 반경 방향 베어링부에 전기적으로 연결시키기 위한 탄성 전기 접촉부로 작용하도록 배치된 압축 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체.
12. 제1항에 있어서,
    축 방향 베어링부와 제2 액체 냉매 채널을 포함하고,
    상기 제2 액체 냉매 채널은 축 방향 베어링부의 영역에 마련되고 내부 쉘 베어링부와 중간 슬리브부 사이에 마련된 상기 액체 냉매 채널과 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 가스 베어링 조립체.
13. 제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 가스 베어링 조립체와 상기 가스 베어링 조립체 내에 축지지된 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 베어링 스핀들.

Images