KR102097689B1 - 에어 베어링 스핀들 - Google Patents

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KR102097689B1
KR102097689B1 KR1020190059395A KR20190059395A KR102097689B1 KR 102097689 B1 KR102097689 B1 KR 102097689B1 KR 1020190059395 A KR1020190059395 A KR 1020190059395A KR 20190059395 A KR20190059395 A KR 20190059395A KR 102097689 B1 KR102097689 B1 KR 102097689B1
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김종민
원찬희
신정용
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주식회사 빅스턴
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Abstract

본 발명은, 축 방향으로 형성되는 관통홀을 구비하고, 내부 일측으로 형성되며 상기 관통홀과 연통되는 제1 에어 공급 통로와, 내부 타측으로 형성되며 상기 관통홀과 연통되는 에어 배출 통로를 구비하는 원통형의 하우징과; 상기 관통홀에 삽입되고 축 방향 일측 단부는 상기 하우징의 축 방향 일측 단부로부터 돌출되며, 돌출된 축 방향 일측 단부의 외경에 원주를 따라 반경 방향으로 연장 형성되는 회전축 플랜지를 구비하는 회전축과; 상기 하우징과 상기 회전축 사이에 배치되며, 상기 관통홀에 억지끼워맞춤되고 탄소재질로 이루어지는 원통형의 베어링 본체를 포함하는 레이디얼 베어링부와; 상기 하우징의 축 방향 일측 단부에 결합되고 상기 회전축 플랜지를 지지하는 액시얼 베어링부; 및 상기 하우징의 축 방향 타측 단부에 결합되고 상기 제1 에어 공급 통로로 에어가 공급되는 에어 주입구와, 상기 에어 배출 통로로부터 배출되는 에어가 외부로 배출되는 에어 배출구를 구비하는 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 베어링 스핀들을 제공한다.

Description

에어 베어링 스핀들{An Air Bearing Spindle}
본 발명은 에어 베어링 스핀들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조가 간단하고 흔들림이 적으며, 작동 수명이 긴 에어 베어링 스핀들에 관한 것이다.
일반적으로 스핀들은 샤프트와 베어링 등으로 구성되어 회전 가공 분야에 사용되는 장치로써, 일반적인 기계산업 분야뿐만 아니라 반도체 소자, PCB 기판, 소형전자부품의 가공을 위한 전자산업 분야나 광학렌즈 등의 연삭과 가공을 위한 광학기기산업 분야 등에 널리 이용되고 있다.
이와 같은 스핀들은 종래에 샤프트와 직접 접촉하는 볼베어링을 이용하였는데, 직접적인 접촉에 의한 구동으로 인하여 발생하는 마찰과 마모의 문제로 내구성이 최대 6개월 정도에 지나지 않아 정기적인 베어링 요소의 교체가 요구되어 번거로울 뿐만 아니라 유지 보수 비용의 상승의 문제점이 있었다.
또한, 볼베어링을 이용하는 경우 접촉식 베어링의 한계로 초고속 회전이 불가능하여 최대 60,000rpm 정도의 회전 성능을 구현할 수밖에 없을 뿐만 아니라 회전 정밀도 또한 크게 떨어져 초고속, 고정밀 가공 분야에는 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
이와 같은 접촉식 볼베어링의 문제를 해결하기 위하여 비접촉식 방식인 에어베어링을 이용한 스핀들이 제안되었는데, 종래의 에어베어링을 이용한 스핀들은 동력원으로 전기모터를 채택하였으며, 외부에 회전모터를 구비하고 커플링 등 축이음 요소를 이용하여 회전 동력을 전달하는 구조이거나 스핀들 자체에 회전모터를 구비한 빌트인 모터 구조를 이루고 있다.
전기 모터를 이용하여 스핀들을 구성하는 경우, 전기 모터에서 발생하는 진동과 열 등에 의하여 회전 정밀도가 크게 저하될 뿐만 아니라 초고속으로 구동하기 위해서는 냉각에 필요한 여러 부수 장비를 구비하여 두어야 하는 문제점이 있었다. 즉, 종래의 비접촉 방식인 에어베어링을 이용한 스핀들의 경우, 구조가 복잡하고, 고속에서 회전축의 흔들림이 크고, 이로 인해, 수명이 단축되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록번호 제10-1492439호 등록특허공보 대한민국 등록번호 제10-1649973호 등록특허공보 대한민국 등록번호 제10-1809830호 등록특허공보
본 발명은 상기와 같은 종래 기술이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 구조가 간단하고 흔들림이 적으며, 작동 수명이 긴 에어 베어링 스핀들을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명은, 축 방향으로 형성되는 관통홀을 구비하고, 내부 일측으로 형성되며 상기 관통홀과 연통되는 제1 에어 공급 통로와, 내부 타측으로 형성되며 상기 관통홀과 연통되는 에어 배출 통로를 구비하는 원통형의 하우징과; 상기 관통홀에 삽입되고 축 방향 일측 단부는 상기 하우징의 축 방향 일측 단부로부터 돌출되며, 돌출된 축 방향 일측 단부의 외경에 원주를 따라 반경 방향으로 연장 형성되는 회전축 플랜지를 구비하는 회전축과; 상기 하우징과 상기 회전축 사이에 배치되며, 상기 관통홀에 억지끼워맞춤되고 탄소재질로 이루어지는 원통형의 베어링 본체를 포함하는 레이디얼 베어링부와; 상기 하우징의 축 방향 일측 단부에 결합되고 상기 회전축 플랜지를 지지하는 액시얼 베어링부; 및 상기 하우징의 축 방향 타측 단부에 결합되고 상기 제1 에어 공급 통로로 에어가 공급되는 에어 주입구와, 상기 에어 배출 통로로부터 배출되는 에어가 외부로 배출되는 에어 배출구를 구비하는 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 베어링 스핀들을 제공한다.
여기서, 상기 레이디얼 베어링부는, 상기 베어링 본체의 축 방향 일측 및 타측에 형성되는 제1 에어 안내홈과, 상기 베어링 본체의 외경에 원주를 따라 형성되고 축 방향으로 복수 개 구비되는 제2 에어 안내홈과, 상기 제2 에어 안내홈에 원주를 따라 복수 개 구비되고 상기 베어링 본체의 반경 방향으로 관통 형성되며 상기 베어링 본체의 내경측으로 갈수록 폭이 좁아지는 형태를 가지는 에어 노즐공과, 상기 베어링 본체의 반경 방향으로 관통 형성되고 상기 에어 배출 통로와 연결되는 에어 배출공을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 에어 주입구를 통해 주입되는 에어 중 일부 에어는 상기 제1 에어 공급 통로와, 상기 제1 에어 안내홈과, 상기 제2 에어 안내홈을 경유하여 상기 에어 노즐공을 통해 상기 회전축의 외경측에 분사되어 상기 회전축의 반경 방향 흔들림을 구속하고, 상기 회전축의 외경측에 분사된 에어는 상기 회전축과 상기 베어링 본체 사이에 형성되는 베어링 갭으로 유입된 후 상기 에어 배출공과, 상기 에어 배출 통로와, 상기 하우징의 축 방향 타측 관통홀에 장착되는 모터부를 경유하여 상기 에어 배출구를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 액시얼 베어링부는, 상기 회전축의 외경에 배치되고 상기 하우징의 축 방향 일측 단부와 상기 회전축 플랜지의 축 방향 내측면 사이에 배치되는 제1 본체와, 상기 회전축의 외경에 배치되고 상기 제1 본체와 축 방향으로 마주하게 상기 회전축 플랜지의 축 방향 외측면에 배치되는 제2 본체와, 상기 회전축 플랜지의 축 방향 내측면과 마주하게 상기 제1 본체에 장착되고 상기 회전축 플랜지의 축 방향 외측면과 마주하게 상기 제2 본체에 장착되는 탄소패널을 구비하며, 상기 제1 본체와 상기 제2 본체는 상기 회전축 플랜지의 외경측에 위치하는 스페이서에 의해 축 방향으로 서로 이격되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1 본체는, 축 방향 외측면에 형성되어 상기 회전축 플랜지의 축 방향 내측면과 마주하며 상기 탄소패널의 안착 공간을 제공하는 탄소패널 안착면과, 상기 탄소패널 안착면에서 축 방향으로 내향 형성되는 가압 오목홈과, 상기 제1 본체의 일측에 축 방향으로 관통 형성되고 상기 하우징에 형성되는 제2 에어 공급 통로와 연통되는 에어 유입공과, 상기 가압 오목홈과 상기 에어 유입공 사이에 형성되는 제1 에어 이동 통로와, 상기 회전축의 외경측과 연통되는 제2 에어 이동 통로와, 상기 제1 본체의 타측에 축 방향으로 관통 형성되고 일측은 상기 제2 에어 이동 통로와 연통되고 타측은 상기 에어 배출 통로와 연통되는 에어 배출공을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 본체는, 축 방향 내측면에 형성되어 상기 회전축 플랜지의 축 방향 외측면과 마주하며 상기 탄소패널의 안착 공간을 제공하는 탄소패널 안착면과, 상기 탄소패널 안착면에서 축 방향으로 내향 형성되는 가압 오목홈과, 상기 제2 본체의 일측에 축 방향으로 관통 형성되고 상기 하우징에 형성되는 제2 에어 공급 통로와 연통되는 에어 유입공과, 상기 가압 오목홈과 상기 에어 유입공 사이에 형성되는 제1 에어 이동 통로와, 상기 회전축의 외경측과 연통되는 제2 에어 이동 통로와, 상기 제2 본체의 타측에 축 방향으로 관통 형성되고 일측은 상기 제2 에어 이동 통로와 연통되고 타측은 상기 에어 배출 통로와 연통되는 에어 배출공을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 에어 주입구를 통해 주입되는 에어 중 나머지 에어는 상기 제2 에어 공급 통로와, 상기 에어 유입공과, 상기 제1 에어 이동 통로를 경유하여 상기 가압 오목홈을 통해 상기 회전축 플랜지의 축 방향 내, 외측면에 공급되어 상기 회전축의 축 방향 흔들림을 구속하고, 상기 가압 오목홈에 공급된 후 상기 회전축 플랜지의 축 방향 내, 외측면에 공급된 에어는 상기 제2 에어 이동 통로와, 상기 에어 배출공과, 상기 에어 배출 통로와, 상기 하우징의 축 방향 타측 관통홀에 장착되는 모터부를 경유하여 상기 에어 배출구를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 에어 베어링 스핀들은 구조가 간단하고 흔들림이 적으며, 작동 수명이 긴 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 에어 베어링 스핀들을 도시한 단면도이고,
도 2는 도 1의 D-D'선을 따라 자른 단면도이며,
도 3은 도 1의 E-E'선을 따라 자른 단면도이고,
도 4는 도 1의 B-B'선을 따라 자른 단면도이며,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 에어 베어링 스핀들에서, 레이디얼 베어링부의 베어링 본체를 도시한 사시도이고,
도 6은 도 5의 종단면도이며,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 에어 베어링 스핀들에서, 액시얼 베어링부의 제1 본체를 도시한 측면도와 단면도이고,
도 8은 도 7의 A-C선(a)과 A-B선(b)을 따라 자른 단면도이며,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 에어 베어링 스핀들에서, 액시얼 베어링부의 제2 본체를 도시한 측면도와 단면도이고,
도 10는 본 발명의 실시 예에 따른 에어 베어링 스핀들에서, 액시얼 베어링부의 제2 본체를 도시한 부분 절개 사시도이며,
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 에어 베어링 스핀들에서, 액시얼 베어링부의 제2 본체에 탄소패널이 삽입되기 전 상태를 도시한 사시도이고,
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 에어 베어링 스핀들에서, 액시얼 베어링부의 제2 본체에 탄소패널이 삽입된 상태를 도시한 사시도이며,
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 에어 베어링 스핀들에서, 액시얼 베어링부의 스페이서를 도시한 측면도와 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 에어 베어링 스핀들에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 이하에서, 첨부된 도면에서 세로 방향을 "반경 방향"으로 하고, 가로 방향을 "축 방향"으로 하여 기재한다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 에어 베어링 스핀들(100)은 하우징(110)과, 회전축(120)과, 레이디얼 베어링부(130)와, 액시얼 베어링부(150) 및 커버(160)를 포함하여 형성된다.
하우징(110)은 원통형으로 형성된다. 이러한 하우징(110)은 축 방향으로 형성되는 관통홀을 구비한다. 하우징(110)의 축 방향 일측 단부에는 액시얼 베어링부(150)가 결합되고, 하우징(110)의 축 방향 타측 단부에는 커버(160)가 결합된다. 이때, 하우징(110)의 축 방향 타측 관통홀과 커버(160)의 내부에 형성되어 있는 홈부(163)가 이루는 공간에는 모터부(140)가 장착된다.
이러한 하우징(110)은 제1 에어 공급 통로(111)와, 에어 배출 통로(112)와, 제2 에어 공급 통로(113)를 포함한다. 제1 에어 공급 통로(111)는 하우징(110)의 내부 일측으로 형성된다. 보다 상세하게, 제1 에어 공급 통로(111)에서 메인 유로는 하우징(110)의 축 방향으로 하우징(110)의 내부 일측에 형성되고, 메인 유로로부터 또 하나의 유로가 반경 방향으로 분기되어 관통홀과 연통된다. 이러한 분기 유로를 형성하기 위해서는 하우징(110)의 반경 방향 외측에서 내측으로 홀을 가공하여 메인 유로와 연결시킨 다음 이 홀, 즉, 폐쇄 볼트공(114)에 볼트(115)를 체결함으로써, 도시된 바와 같은 구조의 제1 에어 공급 통로(111)를 형성한다.
에어 배출 통로(112)는 하우징(110)의 내부 타측으로 형성된다. 보다 상세하게, 에어 배출 통로(112)에서 메인 유로는 하우징(110)의 축 방향으로 하우징(110)의 내부 타측에 형성되고, 메인 유로로부터 2개의 유로가 반경 방향으로 분기되어 관통홀과 연통된다. 여기서, 메인 유로로부터 분기된 하나의 유로는 레이디얼 베어링부(130) 측의 관통홀과 연통되고, 메인 유로로부터 분기된 다른 하나의 유로는 모터부(140) 측으로 관통홀과 연통된다. 마찬가지로, 이러한 분기 유로를 형성하기 위해서는 하우징(110)의 반경 방향 외측에서 내측으로 홀을 가공하여 메인 유로와 연결시킨 다음 이 홀, 즉, 폐쇄 볼트공(114)에 볼트(115)를 체결함으로써, 도시된 바와 같은 구조의 에어 배출 통로(112)를 형성한다.
제2 에어 공급 통로(113)는 액시얼 베어링부(150)에 에어를 공급하기 위한 통로이다. 여기서, 공급되는 에어 중 일부는 레이디얼 베어링부(130)에 공급되고, 나머지는 액시얼 베어링부(150)에 공급된다. 이러한 제2 에어 공급 통로(113)는 액시얼 베어링부(150)와 인접한 하우징(110)의 내부에 형성된다. 보다 상세하게, 제2 에어 공급 통로(113)에서 메인 유로는 하우징(110)의 축 방향으로 하우징(110)의 내부에 형성되고, 일측 단부는 하우징(110)의 축 방향 일측 단부를 개구시키며, 타측 단부는 메인 유로로부터 반경 방향으로 분기되어 레이디얼 베어링부(130) 측의 관통홀과 연통된다. 마찬가지로, 이러한 분기 유로를 형성하기 위해서는 하우징(110)의 반경 방향 외측에서 내측으로 홀을 가공하여 메인 유로와 연결시킨 다음 이 홀, 즉, 폐쇄 볼트공(114)에 볼트(115)를 체결함으로써, 도시된 바와 같은 구조의 제2 에어 공급 통로(113)를 형성한다.
한편, 하우징(110)은 냉각수 통로(116)를 더 포함할 수 있다. 냉각수 통로(116)는 하우징(110)의 축 방향 내측으로 형성된다. 이때, 냉각수 통로(116)는 하우징(110)의 원주를 따라 복수 개 구비되어 워터 자켓을 형성할 수 있다. 이러한 냉각수 통로(116)는 냉각수 유입 통로(116a)와, 냉각수 배출 통로(116b)와, 냉각수 리턴홈(116c)을 포함할 수 있다. 냉각수 유입 통로(116a)와 냉각수 배출 통로(116b)는 하우징(110)의 축 방향 내측으로 형성되고, 냉각수 유입 통로(116a)와 냉각수 배출 통로(116b)를 흐르는 냉각수를 순환시키기 위해, 하우징(110)의 축 방향 일측 단부에 냉각수 리턴홈(116c)이 형성된다. 냉각수 리턴홈(116c)은 하우징(110)의 축 방향 일측 단부에서 축 방향으로 내향 형성되고, 이러한 냉각수 리턴홈(116c)의 바닥면에 냉각수 유입 통로(116a)의 단부와 냉각수 배출 통로(116b)의 단부가 형성된다. 냉각수 유입 통로(116a)를 통해 흐르는 냉각수는 이의 단부로 배출된 후 냉각수 리턴홈(116c)을 통해 냉각수 배출 통로(116b)로 유입되는 순환 구조를 이루게 된다. 이때, 냉각수 리턴홈(116c)은 하우징(110)의 축 방향 단부에 결합되는 커버(160)에 의해 유로를 형성하게 되며, 하우징(110)의 축 방향 단부에는 커버(160)와의 볼트 체결을 위한 볼트 체결공(117)이 형성된다. 볼트 체결공(117)은 하우징(110) 축 방향 일측 단부의 원주를 따라 형성되어 있는 냉각수 리턴홈(116c)들 사이 사이에 형성될 수 있다.
회전축(120)은 하우징(110) 내부에 이의 축 방향으로 형성되는 관통홀에 삽입된다. 회전축(120)의 축 방향 일측 단부는 하우징(110)의 축 방향 일측 단부로부터 돌출된다. 이때, 하우징(110)의 축 방향 일측 단부로부터 돌출된 회전축(120)의 외경에는 원주를 따라 반경 방향으로 연장 형성되는 회전축 플랜지(121)가 구비된다. 회전축(120)의 축 방향 타측 단부는 하우징(110)의 축 방향 타측 단부측에 장착되어 있는 모터부(140)에 축 결합된다. 이러한 회전축(120)은 회전 시, 레이디얼 베어링부(130)에 의해 지지되어 반경 방향 흔들림이 구속되고, 액시얼 베어링부(150)에 의해 지지되어 축 방향 흔들림이 구속되어 안정적으로 회전하게 되는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
레이디얼 베어링부(130)는 하우징(110)과 회전축(120) 사이에 배치되어 회전축(120)을 지지한다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 레이디얼 베어링부(130)는 베어링 본체(131)를 포함한다. 베어링 본체(131)는 레이디얼 베어링부(130)의 외관을 이룬다. 베어링 본체(131)는 회전축(120)을 감싸도록 원통형으로 형성된다. 이때, 베어링 본체(131)는 하우징(110)의 관통홀에 억지끼워맞춤된다. 또한, 베어링 본체(131)는 탄소재질로 이루어진다.
레이디얼 베어링부(130)는 제1 에어 안내홈(132)과, 제2 에어 안내홈(135)과, 에어 노즐공(133)과, 에어 배출공(134)을 더 포함할 수 있다.
제1 에어 안내홈(132)은 베어링 본체(131)의 축 방향 일측 및 타측에 형성된다. 제1 에어 안내홈(132)은 제1 에어 공급통로(111)와 연통된다. 이에 따라, 제1 에어 공급통로(111)를 통해 이동하는 에어는 제1 에어 안내홈(132)으로 유입된다. 또한, 제1 에어 안내홈(132)은 제2 에어 공급통로(113)와 연통된다. 이에 따라, 제1 에어 안내홈(132)으로 유입된 에어의 일부는 제2 에어 공급통로(113)를 통해 액시얼 베어링부(150) 측으로 공급된다.
제2 에어 안내홈(135)은 베어링 본체(131)의 외경에 원주를 따라 형성된다. 이러한 제2 에어 안내홈(135)은 베어링 본체(131)의 축 방향으로 복수 개 형성된다. 이에 따라, 제1 에어 공급 통로(111)를 통해 제1 에어 안내홈(132)으로 유입된 에어는 제1 에어 안내홈(132)을 통해 흐르다가 각각의 제2 에어 안내홈(135)으로 유입된다.
에어 노즐공(133)은 각각의 제2 에어 안내홈(135)에 이의 원주를 따라 복수 개 구비된다. 이러한 에어 노즐공(133)은 베어링 본체(131)의 반경 방향으로 관통 형성된다. 이를 통해, 제2 에어 안내홈(135)으로 유입된 에어는 에어 노즐공(133)을 통해 회전축(120)의 외경측에 분사되고, 이를 통해, 회전축(120)은 에어를 매개체로 하여 베어링 본체(131)에 의해 비접촉 지지된다. 그 결과, 회전축(120)의 회전 시, 회전축(120)의 반경 방향 흔들림이 구속된다. 이때, 에어 노즐공(133)을 통해 분사되는 에어의 분사 압력을 높이기 위해, 베어링 본체(131)의 반경 방향으로 관통 형성되는 에어 노즐공(133)은 베어링 본체(131)의 내경측으로 갈수록 폭이 좁아지는 형태를 가지는 것이 바람직하다.
에어 배출공(134)은 베어링 본체(131)의 일측에 반경 방향으로 관통 형성된다. 구체적으로, 에어 배출공(134)은 회전축(120)과 베어링 본체(131) 사이에 형성되는 베어링 갭(136)에서 반경 방향으로 관통 형성된다. 이러한 에어 배출공(134)은 하우징(110)에 형성되는 에어 배출 통로(112)와 연통된다. 여기서, 베어링 갭(136)은 에어 노즐공(133)을 통해 회전축(120)의 외경에 분사된 에어가 배출되기 위해 모이는 공간이다. 이러한 공간을 형성하기 위해, 베어링 본체(131)에는 베어링 본체(131)의 내경으로부터 반경 방향으로 내향하는 홈이 형성될 수 있다.
커버(160)에 형성되어 있는 에어 주입구(161)를 통해 주입되는 에어 중 일부 에어는 레이디얼 베어링부(130) 측으로 공급되고, 나머지 에어는 액시얼 베어링부(150) 측으로 공급된다.
레이디얼 베어링부(130) 측으로 공급되는 에어의 이동 경로에 대해 설명하면, 에어는 제1 에어 공급 통로(111)와, 제1 에어 안내홈(132)과, 제2 에어 안내홈(135)을 경유하여 에어 노즐공(133)으로 공급된다. 에어 노즐공(133)으로 공급된 에어는 에어 노즐공(133)을 통해 회전축(120)의 외경측에 분사되어 회전축(120)을 가압한다. 이를 통해, 회전축(120)의 반경 방향 흔들림은 구속된다.
회전축(120)의 외경측에 분사된 에어는 회전축(120)과 베어링 본체(131) 사이에 형성되는 베어링 갭(136)으로 유입된 후 에어 배출공(134)과, 에어 배출 통로(112)와, 하우징(110)의 축 방향 타측 관통홀에 장착되는 모터부(140)를 경유하여 커버(160)에 형성되어 있는 에어 배출구(162)를 통해 외부로 배출된다. 본 발명의 실시 예에서는 배출되는 에어가 모터부(140)를 경유함에 따라, 별도의 냉각장치 없이 모터부(140)를 냉각시킬 수 있게 된다.
액시얼 베어링부(150)는 하우징(110)의 축 방향 일측 단부에 결합된다. 액시얼 베어링부(150)는 회전축 플랜지(121)를 지지한다. 이를 통해, 액시얼 베어링부(150)는 회전축(120)의 축 방향 흔들림을 구속한다.
이러한 액시얼 베어링부(150)는 제1 본체(151)와, 제2 본체(152)와 탄소패널(155)을 구비한다. 제1 본체(151)는 하우징(110)의 일측 단부로부터 축 방향으로 돌출된 회전축(120)의 외경측에 구비된다. 제1 본체(151)는 하우징(110)의 축 방향 일측 단부와 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내측면 사이에 배치된다. 제2 본체(152)는 하우징(110)의 일측 단부로부터 축 방향으로 돌출된 회전축(120)의 외경에 제1 본체(151)와 나란하게 축 방향 외측으로 배치된다. 제2 본체(152)는 제1 본체(151)와 축 방향으로 마주하게 회전축 플랜지(121)의 축 방향 외측면에 배치된다. 이러한 제1 본체(151)와 제2 본체(152)는 회전축 플랜지(121)의 외경측에 위치하는 스페이서(153)에 의해 축 방향으로 서로 이격된다. 이때, 도 13에 도시된 바와 같이, 스페이서(153)가 제1 본체(151)와 제2 본체(152) 사이에 배치됨에 따라, 스페이서(153)에는 축 방향으로 관통 형성되고 제1 본체(151)로 유입되는 에어를 제2 본체(152)로 공급하기 위한 에어 유입공(153a)과, 내경측에 축 방향으로 형성되고 회전축 플랜지(121)의 축 방향 외측면으로 공급된 에어를 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내측면으로 이동시키기 위한 에어 배출홈(153b)이 형성된다. 또한, 스페이서(153)에는 원주를 따라 볼트 체결공(153c)이 복수 개 형성된다. 볼트 체결공(153c)은 스페이서(153)를 매개체로 하여, 제1 본체(151)와 제2 본체(152)를 볼트 체결시킨다.
한편, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 본체(151)는 탄소패널 안착면(151a)과, 가압 오목홈(154)과, 에어 유입공(151b)과, 제1 에어 이동 통로(151g)와, 제2 에어 이동 통로(151h)와, 에어 배출공(151c)을 포함하여 형성될 수 있다.
탄소패널 안착면(151a)은 제1 본체(151)의 축 방향 외측면에 형성된다. 탄소패널 안착면(151a)은 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내측면과 마주한다. 이러한 탄소패널 안착면(151a)은 탄소패널(155)의 안착 공간을 제공하여, 탄소패널(155)이 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내측면과 마주할 수 있도록 한다.
가압 오목홈(154)은 탄소패널 안착면(151a)에서 축 방향으로 내향 형성된다. 가압 오목홈(154)은 탄소패널 안착면(151a)에 안착된 탄소패널(155)의 축 방향 내측면에 에어를 공급하여, 에어로 하여금 탄소패널(155)의 축 방향 내측면을 가압하게 한다. 이를 통해, 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내측면이 지지되어, 회전축 플랜지(121)의 축 방향 일측(도면기준 좌측)으로의 움직임이 구속되고, 그 결과, 회전축(120)의 축 방향 일측(도면기준 좌측)으로의 움직임이 구속된다.
에어 유입공(151b)은 제1 본체(151)의 일측에 축 방향으로 관통 형성된다. 에어 유입공(151b)은 스페이서(153)의 에어 유입공(153a)과 연통된다. 또한, 에어 유입공(151b)은 하우징(110)에 형성되는 제2 에어 공급 통로(113)와 연통된다.
제1 에어 이동 통로(151g)는 가압 오목홈(154)과 에어 유입공(151b) 사이에 형성된다. 제1 에어 이동 통로(151g)는 제1 본체(151)의 반경 방향으로 형성된다. 축 방향으로 형성되는 에어 유입공(151b) 및 가압 오목홈(154)과 연결되는 제1 에어 이동 통로(151g)를 형성하기 위해서는 제1 본체(151)의 반경 방향 외측에서 내측으로 홀을 가공하고, 이 홀, 즉, 폐쇄 볼트공(151e)에 볼트(151f)를 체결함으로써, 도시된 바와 같은 구조의 제1 에어 이동 통로(151g)를 형성한다. 이러한 제1 에어 이동 통로(151g)는 에어 유입공(151b)을 통해 유입된 에어가 가압 오목홈(154)으로 이동하는 통로를 제공한다. 제2 에어 이동 통로(151h)는 회전축(120)의 외경측과 연통된다. 제2 에어 이동 통로(151h)는 제1 본체(151)의 반경 방향으로 형성된다. 축 방향으로 형성되는 에어 배출공(151c)과 연결되는 제2 에어 이동 통로(151h)를 형성하기 위해서는 제1 본체(151)의 내경과 외경을 관통하는 홀을 가공하고, 이 홀, 즉, 폐쇄 볼트공(151e)에 볼트(151f)를 체결함으로써, 도시된 바와 같은 구조의 제2 에어 이동 통로(151h)를 형성한다.
에어 배출공(151c)은 제1 본체(151)의 타측에 축 방향으로 관통 형성된다. 에어 배출공(151c)의 일측은 제2 에어 이동 통로(151h)와 연통된다. 에어 배출공(151c)의 타측은 하우징(110)에 형성되어 있는 에어 배출 통로(112)와 연통된다.
한편, 제1 본체(151)는 볼트 체결공(151d)을 더 포함할 수 있다. 볼트 체결공(151d)은 제1 본체(151)의 축 방향 내, 외측면을 관통하여 형성된다. 볼트 체결공(151d)은 제1 본체(151)의 내, 외측면 원주를 따라 복수 개 형성된다. 이러한 볼트 체결공(151d)은 스페이서(153)에 형성되어 있는 볼트 체결공(153c)과 제2 본체(152)에 형성되어 있는 볼트 체결공(152d)과 볼트 체결을 위한 단일 유로를 형성한다. 이들에 체결되는 볼트는 하우징(110)의 단부에 형성되어 있는 볼트 체결공(117)에 체결되어, 제1 본체(151)와, 스페이서(153)와, 제2 본체(152)를 하우징(110)에 일체로 결합시킨다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 본체(152)는 탄소패널 안착면(152a)과, 가압 오목홈(154)과, 에어 유입공(152b)과, 제1 에어 이동 통로(152g)와, 제2 에어 이동 통로(152h)와, 에어 배출공(152c)을 포함하여 형성될 수 있다.
탄소패널 안착면(152a)은 제2 본체(152)의 축 방향 내측면에 형성된다. 탄소패널 안착면(152a)은 회전축 플랜지(121)의 축 방향 외측면과 마주한다. 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 이러한 탄소패널 안착면(152a)은 탄소패널(155)의 안착 공간을 제공하여, 탄소패널(155)이 회전축 플랜지(121)의 축 방향 외측면과 마주할 수 있도록 한다.
가압 오목홈(154)은 탄소패널 안착면(152a)에서 축 방향으로 내향 형성된다. 가압 오목홈(154)은 탄소패널 안착면(152a)에 안착된 탄소패널(155)의 축 방향 외측면에 에어를 공급하여, 에어로 하여금 탄소패널(155)의 축 방향 외측면을 가압하게 한다. 이를 통해, 회전축 플랜지(121)의 축 방향 외측면이 지지되어, 회전축 플랜지(121)의 축 방향 타측(도면기준 우측)으로의 움직임이 구속되고, 그 결과, 회전축(120)의 축 방향 일측(도면기준 우측)으로의 움직임이 구속된다. 결국, 회전축(120)의 축 방향 양측 움직임은 에어에 의해 가압되는 탄소패널(155)에 의해 직접 가압되어 구속된다.
에어 유입공(152b)은 제2 본체(152)의 일측에 축 방향으로 관통 형성된다. 에어 유입공(1512)은 스페이서(153)의 에어 유입공(153a)과, 제1 본체(151)의 에어 유입공(151b)과 연통된다.
제1 에어 이동 통로(152g)는 가압 오목홈(154)과 에어 유입공(152b) 사이에 형성된다. 제1 에어 이동 통로(152g)는 제2 본체(152)의 반경 방향으로 형성된다. 축 방향으로 형성되는 에어 유입공(152b) 및 가압 오목홈(154)과 연결되는 제1 에어 이동 통로(152g)를 형성하기 위해서는 제2 본체(151)의 반경 방향 외측에서 내측으로 홀을 가공하고, 이 홀, 즉, 폐쇄 볼트공(152e)에 볼트(152f)를 체결함으로써, 도시된 바와 같은 구조의 제1 에어 이동 통로(152g)를 형성한다. 이러한 제1 에어 이동 통로(152g)는 에어 유입공(152b)을 통해 유입된 에어가 가압 오목홈(154)으로 이동하는 통로를 제공한다. 제2 에어 이동 통로(152h)는 회전축(120)의 외경측과 연통된다. 제2 에어 이동 통로(152h)는 제2 본체(152)의 반경 방향으로 형성된다. 축 방향으로 형성되는 에어 배출공(152c)과 연결되는 제2 에어 이동 통로(152h)를 형성하기 위해서는 제2 본체(152)의 내경과 외경을 관통하는 홀을 가공하고, 이 홀, 즉, 폐쇄 볼트공(152e)에 볼트(152f)를 체결함으로써, 도시된 바와 같은 구조의 제2 에어 이동 통로(152h)를 형성한다.
에어 배출공(152c)은 제2 본체(152)의 타측에 축 방향으로 관통 형성된다. 에어 배출공(152c)의 일측은 제2 에어 이동 통로(152h)와 연통된다. 에어 배출공(152c)의 타측은 하우징(110)에 형성되어 있는 에어 배출 통로(112)와 연통된다. 구체적으로, 에어 배출공(152c)은 스페이서(153)의 에어 배출홈(153b)과, 제1 본체(151)의 에어 배출공(151c)을 통해 하우징(110)에 형성되어 있는 에어 배출 통로(112)와 연통된다.
한편, 제2 본체(152)는 볼트 체결공(152d)을 더 포함할 수 있다. 볼트 체결공(152d)은 제2 본체(152)의 축 방향 내, 외측면을 관통하여 형성된다. 볼트 체결공(152d)은 제2 본체(152)의 내, 외측면 원주를 따라 복수 개 형성된다. 이러한 볼트 체결공(152d)은 스페이서(153)에 형성되어 있는 볼트 체결공(153c)과 제1 본체(151)에 형성되어 있는 볼트 체결공(1521)과 볼트 체결을 위한 단일 유로를 형성한다. 이들에 체결되는 볼트는 하우징(110)의 단부에 형성되어 있는 볼트 체결공(117)에 체결되어, 제1 본체(151)와, 스페이서(153)와, 제2 본체(152)를 하우징(110)에 일체로 결합시킨다.
액시얼 베어링부(150) 측으로 공급되는 에어, 즉, 커버(160)에 형성되어 있는 에어 주입구(161)를 통해 주입되어 레이디얼 베어링부(130) 측으로 공급된 에어를 제외한 나머지 에어의 이동 경로에 대해 설명하면, 에어는 제2 에어 공급 통로(113)와, 에어 유입공(151b, 152b)과, 상기 제1 에어 이동 통로(151g, 152g)를 경유하여 가압 오목홈(154)으로 공급된다. 가압 오목홈(154)으로 공급된 에어는 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내, 외측면에 공급되어, 이를 가압한다. 이를 통해, 회전축 플랜지(121)의 축 방향 흔들림이 구속되고, 그 결과, 회전축(120)의 축 방향 흔들림 또한 구속된다.
가압 오목홈(154)에 공급된 후 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내, 외측면에 공급된 에어는 제2 에어 이동 통로(151h, 152h)와, 에어 배출공(151c, 152c)과, 에어 배출 통로(112)와, 하우징(110)의 축 방향 타측 관통홀에 장착되는 모터부(140)를 경유하여 커버(160)에 형성되어 있는 에어 배출구(162)를 통해 외부로 배출된다. 본 발명의 실시 예에서는 배출되는 에어가 모터부(140)를 경유함에 따라, 별도의 냉각장치 없이 모터부(140)를 냉각시킬 수 있게 된다.
한편, 커버(160)는 하우징(110)의 축 방향 타측 단부에 결합된다. 커버(160)에는 하우징(110)의 관통홀에 장착되는 모터부(140)의 후면(도면기준 좌측)에 공간을 이루는 홈부(163)가 내측으로 형성된다. 커버(160)는 에어 주입구(161)와 에어 배출구(162)를 구비한다. 에어 주입구(161)는 하우징(110)에 형성되어 있는 제1 에어 공급 통로(111)로 에어를 공급한다. 이때, 커버(160)의 내부에는 커버(160)의 일측 단부에 형성되는 에어 주입구(161)와 하우징(110)에 형성되어 있는 제1 에어 공급 통로(111)를 연통시키는 에어 공급 통로(164)가 축 방향으로 형성된다.
에어 배출구(162)는 커버(160)의 타측 단부에 형성된다. 에어 배출구(162)는 하우징(110)의 에어 배출 통로(112)로부터 배출되어 모터부(140)를 경유하여 홈부(163)로 유입되는 에어를 외부로 배출한다.
지금까지 본 발명에 따른 에어 베어링 스핀들은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100; 에어 베어링 스핀들 120; 회전축
130; 레이디얼 베어링부 140; 모터부
150; 액시얼 베어링부 160; 커버

Claims (7)

  1. 축 방향으로 형성되는 관통홀을 구비하고, 내부 일측으로 형성되며 상기 관통홀과 연통되는 제1 에어 공급 통로(111)와, 내부 타측으로 형성되며 상기 관통홀과 연통되는 에어 배출 통로(112)를 구비하는 원통형의 하우징(110)과; 상기 관통홀에 삽입되고 축 방향 일측 단부는 하우징(110)의 축 방향 일측 단부로부터 돌출되며, 돌출된 축 방향 일측 단부의 외경에 원주를 따라 반경 방향으로 연장 형성되는 회전축 플랜지(121)를 구비하는 회전축(120)과; 상기 하우징(110)과 회전축(120) 사이에 배치되며, 상기 관통홀에 억지끼워맞춤되고 탄소재질로 이루어지는 원통형의 베어링 본체(131)를 포함하는 레이디얼 베어링부(130)와; 상기 하우징(110)의 축 방향 일측 단부에 결합되고 상기 회전축 플랜지(121)를 지지하는 액시얼 베어링부(150)와; 상기 하우징(110)의 축 방향 타측 단부에 결합되고 상기 제1 에어 공급 통로(111)로 에어가 공급되는 에어 주입구(161)와, 상기 에어 배출 통로(112)로부터 배출되는 에어가 외부로 배출되는 에어 배출구(162)를 구비하는 커버(160);를 포함하며,
    상기 액시얼 베어링부(150)는 회전축(120)의 외경에 배치되고 하우징(110)의 축 방향 일측 단부와 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내측면 사이에 배치되는 제1 본체(151)와, 상기 회전축(120)의 외경에 배치되고 상기 제1 본체(151)와 축 방향으로 마주하게 상기 회전축 플랜지(121)의 축 방향 외측면에 배치되는 제2 본체(152)와, 상기 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내측면과 마주하게 상기 제1 본체(151)에 그리고 상기 회전축 플랜지(121)의 축 방향 외측면과 마주하게 상기 제2 본체(152)에 각각 장착되는 탄소패널(155)을 구비하며;
    상기 제1 본체(151)에는 탄소패널 안착면(151a)이 형성되어 탄소패널(155)이 탄소패널 안착면(151a)에 구비되고, 제2 본체(152)에는 탄소패널 안착면(152a)이 형성되어 탄소패널(155)이 탄소패널 안착면(152a)에 구비되며;
    상기 탄소패널 안착면(151a, 152a)에는 각각 가압 오목홈(154)이 오목하게 형성되어, 에어 주입구(161)를 통하여 제1 에어 공급 통로(111)로 유입된 공기의 일부가 각 가압 오목홈(154)으로 유동하여 탄소패널(155)을 축 방향 내측과 외측에서 회전축 플랜지(121)로 가압하여, 회전축(120)의 축 방향 양측 움직임은 양측의 탄소패널(155)에 의해 직접 가압 구속되는 것을 특징으로 하는 에어 베어링 스핀들(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이디얼 베어링부(130)는,
    상기 베어링 본체(131)의 축 방향 일측 및 타측에 형성되는 제1 에어 안내홈(132)과, 상기 베어링 본체(131)의 외경에 원주를 따라 형성되고 축 방향으로 복수 개 구비되는 제2 에어 안내홈(135)과, 상기 제2 에어 안내홈(135)에 원주를 따라 복수 개 구비되고 상기 베어링 본체(131)의 반경 방향으로 관통 형성되며 상기 베어링 본체(131)의 내경측으로 갈수록 폭이 좁아지는 형태를 가지는 에어 노즐공(133)과, 상기 베어링 본체(131)의 반경 방향으로 관통 형성되고 상기 에어 배출 통로(112)와 연결되는 에어 배출공(134)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 베어링 스핀들(100).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에어 주입구(161)를 통해 주입되는 에어 중 일부 에어는 상기 제1 에어 공급 통로(111)와, 상기 제1 에어 안내홈(132)과, 상기 제2 에어 안내홈(135)을 경유하여 상기 에어 노즐공(133)을 통해 상기 회전축(120)의 외경측에 분사되어 상기 회전축(120)의 반경 방향 흔들림을 구속하고,
    상기 회전축(120)의 외경측에 분사된 에어는 상기 회전축(120)과 상기 베어링 본체(131) 사이에 형성되는 베어링 갭(136)으로 유입된 후 상기 에어 배출공(134)과, 상기 에어 배출 통로(112)와, 상기 하우징(110)의 축 방향 타측 관통홀에 장착되는 모터부(140)를 경유하여 상기 에어 배출구(162)를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 에어 베어링 스핀들(100).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 본체(151)와 상기 제2 본체(152)는 상기 회전축 플랜지(121)의 외경측에 위치하는 스페이서(153)에 의해 축 방향으로 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 에어 베어링 스핀들(100).
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 탄소패널 안착면(151a)은 제1 본체(151)의 축 방향 외측면에 형성되어 상기 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내측면과 마주하며 상기 탄소패널(155)의 안착 공간을 제공하며, 상기 가압 오목홈(154)은 탄소패널 안착면(151a)에 축 방향으로 오목하게 형성되며;
    상기 제1 본체(151)는 그 일측에 축 방향으로 관통 형성되고 상기 하우징(110)에 형성되는 제2 에어 공급 통로(113)와 연통되는 에어 유입공(151b)과, 상기 가압 오목홈(154)과 상기 에어 유입공(151b) 사이에 형성되는 제1 에어 이동 통로(151g)와, 상기 회전축(120)의 외경측과 연통되는 제2 에어 이동 통로(151h)와, 상기 제1 본체(151)의 타측에 축 방향으로 관통 형성되고 일측은 상기 제2 에어 이동 통로(151h)와 연통되고 타측은 상기 에어 배출 통로(112)와 연통되는 에어 배출공(151c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 베어링 스핀들(100).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탄소패널 안착면(152a)은 제2 본체(152)의 축 방향 내측면에 형성되어 상기 회전축 플랜지(121)의 축 방향 외측면과 마주하며 상기 탄소패널(155)의 안착 공간을 제공하며, 상기 가압 오목홈(154)은 탄소패널 안착면(152a)에 축 방향으로 오목하게 형성되며;
    상기 제2 본체(152)는 그 일측에 축 방향으로 관통 형성되고 상기 하우징(110)에 형성되는 제2 에어 공급 통로(113)와 연통되는 에어 유입공(152b)과, 상기 가압 오목홈(154)과 상기 에어 유입공(152b) 사이에 형성되는 제1 에어 이동 통로(152g)와, 상기 회전축(120)의 외경측과 연통되는 제2 에어 이동 통로(152h)와, 상기 제2 본체(152)의 타측에 축 방향으로 관통 형성되고 일측은 상기 제2 에어 이동 통로(152h)와 연통되고 타측은 상기 에어 배출 통로(112)와 연통되는 에어 배출공(152c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 베어링 스핀들(100).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 에어 주입구(161)를 통해 주입되는 에어 중 나머지 에어는 상기 제2 에어 공급 통로(113)와, 상기 에어 유입공(151b, 152b)과, 상기 제1 에어 이동 통로(151g, 152g)를 경유하여 상기 가압 오목홈(154)을 통해 상기 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내, 외측면에 공급되어 탄소패널(155)을 가압하여 상기 회전축(120)의 축 방향 흔들림을 구속하고,
    상기 가압 오목홈(154)에 공급된 후 상기 회전축 플랜지(121)의 축 방향 내, 외측면에 공급된 에어는 상기 제2 에어 이동 통로(151h, 152h)와, 상기 에어 배출공(151c, 152c)과, 상기 에어 배출 통로(112)와, 상기 하우징(110)의 축 방향 타측 관통홀에 장착되는 모터부(140)를 경유하여 상기 에어 배출구(162)를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 에어 베어링 스핀들(100).
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