KR20000048675A

KR20000048675A - 미공을 구비한 베어링 및 그 설계 방법

Info

Publication number: KR20000048675A
Application number: KR1019990702623A
Authority: KR
Inventors: 엣션이작; 킨로트오퍼
Original assignee: 서페이스 테크놀로지스 리미티드
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-22
Publication date: 2000-07-25
Also published as: US6002100A; US5834094A; US6046430A; US5952080A

Abstract

본 발명은 부하 지지 표면이 약 2 내지 10 미크론의 깊이와, 바람직하게 7 내지 20 정도의 종횡비를 갖고 있는 성능이 개선된 베어링을 설계하는 방법을 제공한다. 상이한 미공 형태 및 밀도를 가진 한쌍의 지지 표면의 유체역학 압력 분포는 수치적으로 모델화된다. 베어링(13)의 부하 지지 표면은 수치 모델화에 의해 결정된 최적의 밀도 및 형태를 가진 미공을 구비하여 제조된다. 원뿔형 미공(20, 22)은 단일 레이저 펄스에 의해 형성될 수 있으며, 구멍 사이즈 및 형상은 레이저 비임 프로파일과, 레이저 비임 파워과, 초점 시스템의 최적의 파라미터를 제어함으로써 제어된다.

Description

미공을 구비한 베어링 및 그 설계 방법{BEARING HAVING MICROPORES, AND DESIGN METHOD THEREOF}

유체역학 윤활의 이론으로부터 알 수 있는 바와 같이, 윤활 막에 의해 분리된 2개의 나란한 표면이 서로에 대해 어느 정도의 상대 속도로 슬라이드되는 경우, 윤활 막에서 유체역학 압력이 발생하지 않을 수 있으며 그에 따라 분리력이 발생하지 않을 수 있다. 유체역학 압력 증진을 위한 메카니즘은 슬라이딩의 방향에서 수렴하는 막 두께가 요구된다. 종래의 적용에 있어서, 이러한 것은 슬라이딩 표면 사이, 예를 들면 유체역학 트러스트와 저널 베어링 사이에서의 몇몇 형태의 오정렬 또는 편심이 종종 발생할 수 있다. 과거에 슬라이딩 표면상에서의 웨이브 형태인 매크로표면 조직은 평행한 면 트러스트 베어링 및 기계적 시일 양자에 대해서 연구되어 왔다. 이들 경우에서 부하 지지 성능은 웨이브 표면상의 비대칭 유체역학 압력 불균형으로 인한 것이다. 수렴하는 막 영역내의 압력 증가는 발산하는 막 영역에서의 압력 강하보다 상당히 크다. 이것은 압력 강하가 아래로부터 공동에 의해 한정되는 반면에 압력 증가는 유효하게 상부 한계를 갖고 있지 않기 때문이다. 또한, 활주 표면상의 돌출하는 마이크로거칠기의 형태인 마이크로표면 조직이 국부적인 공동과 함께 국부적으로 비대칭인 압력 분포를 발생시키는데 사용될 수 있다. 이러한 마이크로거칠기의 집적 효과는 평행한 슬라이딩 표면 사이에서 분리력을 발생하는데 유용할 수 있다. 또한, 비대칭 압력 분포는 눌려진 표면 조직에 의해 이뤄질 수 있으며, 다양한 형태의 홈이 베어링 및 기계적 시일에서 사용된다. 예를 들면 티. 더블유. 라이(T. W. Lai)의 "비접촉, 비누설 나선형 홈 액체 면 시일의 개발"이라는 문헌(Lubr. Eng. vol. 625-640)(1940년)에 기술되어 있다.

미공 형태의 마이크로표면 조직은 다른 마이크로표면 조직 보다 몇몇 이점을 갖고 있는데, 특히 이들은 하중 지지 표면을 포함한 돌출 조직을 포함한다. 이들 장점은:

① 제조가 용이하다는 것과,

② 이론적 모델을 이용하여 미공 사이즈, 형상 및 분포를 최적화할 수 있다는 것과,

③ 고정 기계류에서의 우수한 밀봉 성능과,

④ 결핍된 윤활 상태, 예를 들면 시동시와 윤활제 손실후와 같은 상태하에서 윤활제용의 마이크로용기를 제공하는 것과,

⑤ 작은 마모 부스러기를 격리시킬 수 있는 성능을 제공하는 것이다.

따라서, 부하 지지 표면에 미공 조직을 갖고 있는 베어링과, 미공의 분포 및 형태를 설계하는 방법이 광범위하게 필요하고, 이러한 이점을 구비할 필요성이 있게 되었다.

발명의 요약

따라서, 본 발명에 따르면, 표면에 다수의 미공을 구비한 베어링을 설계 및 제조하는 방법에 있어서, ① 다수의 구멍 분포 및 비반구형 구멍 형태를 선택하는 단계와, ② 비압축성 유체에 의해 분리된 지지 표면 쌍의 유체역학 압력 분포를 모델화하는 단계로서, 상기 쌍의 각각의 하나의 지지 표면은 그 슬라이딩 면상의 형태중 하나의 다수의 구멍의 분포중 하나를 구비하는, 상기 모델화 단계와, ③ 상기 모델화에 의거해서 최적의 구멍 분포 및 최적의 구멍 형태를 선택하는 단계를 포함하는 베어링 설계 및 제조 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 표면에 다수의 미공을 구비한 베어링을 설계 및 제조하는 방법에 있어서, ① 다수의 구멍 분포 및 구멍 형태를 선택하는 단계와, ② 압축성 유체에 의해 분리된 지지 표면 쌍의 유체역학 압력 분포를 모델화하는 단계로서, 상기 쌍의 각각의 하나의 지지 표면은 그 슬라이딩 면상의 형태중 하나의 다수의 구멍의 분포중 하나를 구비하는, 상기 모델화 단계와, ③ 상기 모델화에 의거해서 최적의 구멍 분포 및 최적의 구멍 형태를 선택하는 단계를 포함하는 베어링 설계 및 제조 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 베어링에 있어서, ① 표면을 구비한 표면 영역과, ② ㉠ 다수의 비구형 설계 형태를 선택하는 단계와, ㉡ 비압축성 유체에 의해 분리된 지지 표면 쌍의 유체역학 압력 분포를 모델화하는 단계로서, 상기 쌍의 각각의 하나의 지지 표면은 그 슬라이딩 면상의 설계 형태중 하나의 다수의 구멍을 구비하는, 상기 모델화 단계에 의해 선택된 구멍 형태를 가진 다수의 미공을 포함하는 베어링이 제공된다.

본 발명에 따르면, 베어링에 있어서, ① 표면을 구비한 표면과, ② 실질적으로 회전 대칭이고 비구형 구멍 형태를 가진 다수의 미공을 구비한 베어링이 제공된다.

아이. 에션(I. Etsion)과 엘. 버스타인(L. Burstein)[설명하는 바와 같은 목적을 위해 참고로 인용하는 것으로 "규칙적인 미공면 조직을 구비한 기계적 시일용 모델(STLE Preprint No. 95-TC-2B-1, 1995년 10월)]은 시일 링의 표면적상에 균일하게 분포된 반구형 구멍을 모델화했다. 이들은 시일의 작동 성능상에서 구멍에 의해 커버된 링 표면적의 구멍 사이즈 및 비율의 영향을 연구했다. 본 발명은 원뿔형 및 구형 캡과 유사하게 형성된 구멍을 포함한 작업의 연장이다. 본 발명의 영역은 베어링의 부하 지지 표면에 대한 최적의 미공 밀도 및 형태를 설계하기 위한 방법과, 그에 따라 설계된 베어링을 포함한다. 여기에서 모델화된 부하 지지 표면은 "시일 링"이라고 하지만, 본 발명의 방법은 단지 시일 링만이 아닌 부하 지지 표면에 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 더우기, 여기에서 사용한 용어 "베어링(bearing)"이란 부하를 지지하고 실린더에서 피스톤과 같은 왕복 시스템에서 서로 상대 운동하는 표면을 구비하며, 단지 베어링만이 아닌 모든 시스템을 포함한다. 또한, 사용한 "시일 유체"라는 용어는 유체의 제 1 기능이 시일로서 또는 윤활제로서 작용하는 것에 따라서 지지 표면을 분리하는 유체를 말한다.

본 발명의 미공은 수미크론 내지 수십 미크론의 깊이와 수십 미크론의 넓이의 정도가 최적이다. 이러한 미공을 형성하도록 레이저 비임을 사용하는 것이 제안되었으며, 특히 자체 윤활 탄화규소 베어링을 개발하도록 "Commission of the European Communities"에 의해 지원되는 "BRITE-EURAM Proposal NR 5820"이 있다. 이 프로젝트에서, 레이저는 조사 모드에서 사용되어 탄화규소 베어링을 사용하도록 최적의 사이즈, 형상 및 밀도를 결정하기 위해 다양한 제어된 사이즈, 형상 및 밀도의 미공을 형성한다. 레이저는 종래의 방법으로 제공되어 특정 형상의 미공을 형성한다. 단일 레이저 펄스는 실질적으로 원뿔형 구멍을 형성한다. 신중하게 제어된 위치 및 에너지의 다중 펄스의 적당한 패턴에 의해 다양한 형상이 형성될 수 있다.

본 발명은 기능적 작용이 개선된 베어링에 관한 것이며, 특히 미공(micropores)이 존재함으로써 그 부하 지지 성능이 개선된 부하 지지 표면을 구비한 베어링에 관한 것이다.

도 1a는 반구형 미공을 구비한 베어링의 개략적인 단면도,

도 1b는 구형 캡의 형태인 미공을 구비한 베어링의 개략적인 단면도,

도 1c는 원추형 미공을 구비한 베어링의 개략적인 단면도,

도 2는 시일 링의 일부분의 개략적인 평면도,

도 3a 및 도 3b는 구형 캡의 형태인 미공에 대한 깊이/직경대 간극 비율의 그래프,

도 4a 및 도 4b는 원추형 미공에 대한 깊이/직경대 간극 비율의 그래프,

도 5는 철로된 미공의 프로파일의 도면,

도 6은 본 발명에 따른 하드 디스크 슬라이더 헤드의 사시도.

본 발명은 베어링의 부하 지지 표면을 설계하는 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 부하 지지 표면이 최적의 밀도 및 형상의 미공을 구비하고 있는 베어링을 설계 및 제조하는데 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 베어링 설계의 원리 및 작동을 도면과 그 설명을 참조하면 이해될 수 있을 것이다.

이제 도면을 참조하면, 모델 유체역학 압력 분포에 사용되는 구멍 형태 및 분포가 도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1a는 폭(h_O)의 갭(16)에 의해 분리된 상부 시일 링(12)의 상부 표면(11)과, 하부 시일 링(14)의 하부 표면(13)을 포함하는 베어링(10)의 개략적인 단면도이다. 하부 표면(13)에는 직경(D)과 반경(R_O=D/2)의 2개의 반구형 구멍(20, 22)이 있다. 이것은 에티션(Etision)과 버스타인(Burstein)에 의해 모델화된 형태이다. 도 1b는 또한 폭(h_O)의 갭(116)에 의해 분리된 상부 시일 링(112)의 상부 표면(111)과, 하부 시일 링(114)의 하부 표면(113)을 포함하는 베어링(110)의 개략적인 단면도이다. 하부 표면(113)에는 직경(D)과 깊이(a)의 구형 캡과 같이 형성된 2개의 구멍(120, 122)이 있다. 또한, 도 1c는 폭(h_O)의 갭(216)에 의해 분리된 상부 시일 링(212)의 상부 표면(211)과, 하부 시일 링(214)의 하부 표면(213)을 포함하는 베어링(210)의 개략적인 단면도이다. 하부 표면(213)에는 직경(D)과 깊이(a)의 2개의 반구형 구멍(220, 222)이 있다.

도 2는 그 횡방향 형태를 도시하는 시일 링(14)의 일부분의 개략적인 평면도이다. 시일 링(14)은 내경(r_i)과 외경(r_o)을 가진 고리이다. 각각의 구멍은 변(2R₁×2R₁)의 가상 "제어 셀(control cell)"의 중간에 위치된다. 예를 들면, 구멍(20)은 제어 셀(30)의 중간에 도시되어 있다. 또한, x축 지점대 직각 z축 지점으로 모델화하는데 사용된 데카르트 좌표계의 일부분을 도시한 것이다. y축(도시하지 않음)은 도면의 평면을 향하고 있다. 도 1a, 도 1b 및 도 1c에서, y축은 상부 표면(11, 111 또는 211)으로부터 하부 표면(13, 113 또는 213)까지를 가리킨다. 구멍은 장방형 그리드에 배열되지만, 모든 다른 규칙적인 배열, 예를 들면 축대칭 배열로 구성될 수 있다. 시일 링(114, 214)은 유사하게 모델화된다.

구멍은 시일 링(14)의 표면적의 약 30% 보다 크지 않은 면적비(S)와, 시일 링(14)의 폭(r_o- r_i)보다 적어도 작은 크기 정도인 구멍 직경(D)을 갖도록 균일하게 분포된다. 따라서, 인접하는 구멍(2R₁) 사이의 거리는 구멍 사이의 인접가능한 교차점의 가정을 증명하기에 충분하게 크다. 본 명세서에 기술한 방법 및 결과가 균일한 구멍 분포를 이용하지만, 본 기술 분야에 숙련된 자들은 비균일한 구멍 분포에 대한 방법에도 쉽게 적용시킬 수 있다.

제어 셀은 계산을 위한 기본 단위로서 작용한다. 본 설명에서 이용한 기본 가정은 다음과 같다.

① 시일은 모두 액체 비접촉 시일이며, 평행한 면은 일정한 막 두께(h_O)에 의해 분리되어 있다.

② 시일 링의 곡률 영향은 무시될 수 있다. 따라서, 균일한 원주 속도(U)가 가정되며, 선형 압력은 시일 외부로부터 원주까지 강하된다.

③ 시일 유체는 일정한 점성(μ)을 가진 뉴톤 액체(Newtonian liquid)이다.

④ 공동이 형성되는 경우는 하프-솜머펠드 상태(half-Sommerfeld condition)이다. 이러한 가정이 제어 셀 둘레에서 흐름의 특정 에러를 유발할지라도, 부하 용량을 위한 해결책의 일반적인 경향을 변경시킴이 없이 연산 시간을 절약한다.

단일 제어 셀에 있어서의 유체역학 압력 성분에 대한 레이놀즈(Renolds) 방정식은 다음과 같다.

제어 셀의 영역(2R₁×2R₁)에서의 국부적 막 두께(h)는 (x₂+z₂)^1/2>D/2인 구멍 외측에서 다음과 같다.

h=h₀

구멍 영역상에서, 막 두께는 구형인 경우는 하기와 같다.

막 두께는 구형 캡인 경우는 하기와 같다.

여기서이다.

막 두께는 원뿔형인 경우는 하기와 같다.

수학식 1의 경계 상태는 x=±R₁및 z=±R₁인 경우 p=0이다.

각 제어 셀상의 전체 국부 압력은 수학식 1로부터 구한 압력(p)과, 하기와 같이 주어진 국부 유체정력학 압력 성분(P_s)의 합이다.

형태 X=2x/D, Z=2x/D, ξ=2R₁/D, H=h/h₀, ψ=D/2h₀및 P=p/Λ의 무차원 변수를 이용하면, 단 Λ=3μUD/h₀ ²라면, 무차원 레이놀즈 방정식은 하기와 같다.

여기에서 H는 구멍 외측에서 1이며, 구멍상에서 H는 수학식 2b의 우측변의 무차원 등가 또는 비반구형 형태에 대한 아날로그와 동일하다. 무차원 경계 조건은 X=±ξ 및 Z=±ξ에서 P=0이다. 제어 셀의 무차원 사이즈(ξ)는 하기의 식에 의해 구멍 비로부터 발견될 수 있다.

16R₁ ²S=πD²또는

전체 무차원 국부적 압력(P_t)은 하기의 합이다.

P_t=P+P_s

여기에서 P_s는 수학식 3으로부터 구한 무차원 국부적 유체정역학 압력 성분이다.

공동을 구비한 단지 하나의 셀이 시일 링의 유체역학 부하 지지 성능에 기여한다. 따라서, 모든 성능 예측이 이뤄지기 전에, 공동을 구비한 구멍의 조사가 실행되어야 한다. 시일 내경(r_i)에 보다 근접한 구멍은 공동을 위한 보다 높은 가능성을 가진 것이다. 이들 구멍상에서의 유체정역학 압력(P_s)은 공동을 제거하기에는 충분히 높지 않을 수 있다. 따라서, 조사는 내경(r_i)으로부터 시작되어 외경(r_o)쪽으로 반경 라인을 따라 진행한다. 수학식 8의 전체 압력(P_t)이 음인 공동형 n번째 제어 셀의 각각의 지점에서, 유체역학 압력(P)은 공동에 대한 하프-솜머펠드 상태에 따라 제로와 동일하게 설정된다. 다음에, 이러한 공동형 n번째 제어 셀에 의해 제공된 유체역학 부하 지지는 하기 식으로부터 구해진다.

전체 면적상에서 양의 압력(P)을 가진 제어 셀이 발견되면, 이러한 반경 라인을 따라 조사가 종료되며, 다음 반경 라인이 조사된다.

시일 링을 분리하는 경향이 있는 전체 차원 개방력은 하기 식에서 구해진다.

여기에서 N_c는 공동형 제어 셀의 개수이며, n번째 셀의 차원 부하 지지부 W_n은 수학식 9의를 하기 식에 대입한 것과 관련이 있다.

과 그에 따른 W는 실제로 이전에 공지되지 않은 시일 간극(h_o)에 따라 좌우되는 ψ의 소정 값에 대한 것으로 발견되어야 한다. 이러한 간극은 하기 식에 의해 주어진 개방력(W)과 폐쇄력(F_c) 사이의 평형의 결과이다.

여기에서 p_f는 스프링 압력이며, k는 시일 평형비이다. 따라서, h_o를 발견하기 위해 반복 절차가 필요하다. 우선, 특정 간극이 가정되며, 대응하는 개방력(W)을 계산하고 폐쇄력(F_c)과 비교한다. 평형이 이뤄지지 않았다면, 시일 간극은 변경되고 절차가 반복된다. 이러한 반복은 특정 수렴 기준이 부합될 때까지 또는 시일 간극의 수치가 특정 한계 이하로 떨어질때까지 계속된다. 이러한 경우에, 부분적인 면 접촉은 가정된다.

반구형 미공에 대한 수치 결과는 에티션(Etision)과 버스타인(Burstein)에 존재한다. 여기에서 구형 캡 및 원뿔에 대한 시일 간극의 계산된 수치가 존재한다.

도 3a는 50, 70 및 90미크론과 동일한 직경(D)을 가지며 하부 표면(114)의 20%를 커버하는 구형 캡의 형태인 미공에 대한 비율(a/D)(종횡비의 역수)대 h_o의 수치(미크론)를 나타낸 것이다. 이러한 예에서 다른 시스템 파라메터는 다음과 같다.

평균 슬라이딩 속도 U=6.702m/sec

내경 r_i=13㎜

외경 r_o=19㎜

유체 점도 μ=0.03Pa-sec

내부 압력 p_i=0.11Mpa

외부 압력 p_o=0.1Mpa

스프링 압력 p_s=0.1044Mpa

평형비=0.75

발생된 최고 큰 간극(h_o)은 직경이 90미크론인 미공을 이용하여 2.412미크론이며 0.07의 비(a/D)를 갖고 있다. 곡선은 우측으로 단조롭게 감소되는 것을 알 수 있다. 반구형 구멍(a/D=0.5)은 모델화된 높은 종횡비 구멍보다 상당히 빈약한 성능을 나타낸다.

도 3b는 직경(D)이 50, 70 및 90미크론이며 하부 표면(114)의 30%를 커버하는 구형 캡의 형태인 미공에 대한 비율(a/D)대 h_o의 수치(미크론)를 나타낸 것이다. 다른 시스템 파라메터는 도 3a의 것과 동일하다. 발생된 최고 큰 간극(h_o)은 직경이 90미크론인 미공을 이용하여 2.476미크론이며 0.07의 비(a/D)를 갖고 있다.

도 4a는 직경(D)이 50, 70 및 90미크론이며 하부 표면(214)의 20%를 커버하는 원뿔형 미공에 대한 비율(a/D)대 h_o의 수치(미크론)를 나타낸 것이다. 다른 시스템 파라메터는 도 3a의 것과 동일하다. 발생된 최고 큰 간극(h_o)은 직경이 90미크론인 미공을 이용하여 2.335미크론이며 0.095의 비(a/D)를 갖고 있다.

도 4b는 직경(D)이 50, 70 및 90미크론이며 하부 표면(214)의 30%를 커버하는 원뿔형 미공에 대한 비율(a/D)대 h_o의 수치(미크론)를 나타낸 것이다. 다른 시스템 파라메터는 도 3a의 것과 동일하다. 발생된 최고 큰 간극(h_o)은 직경이 90미크론인 미공을 이용하여 2.397미크론이며 0.12의 비(a/D)를 갖고 있다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 구형 캡에 대한 결과는 도 4a 및 도 4b에 도시된 원뿔에 대한 결과와 양적으로 유사하다. 일반적으로, 최고 성능의 미공은 약 7과 약 20 사이의 종횡비에 대응하는 약 0.05와 0.15 사이의 a/D 비를 갖고 있다. 그럼에도 불구하고, 실제적인 문제로서, 원뿔형 미공은 구형 캡의 형태인 미공보다 우수하다. 우선, 원뿔형 미공은 구형 미공보다 형성하기가 보다 쉽다. 상술한 바와 같이, 단일 레이저 펄스는 실질적으로 원뿔형 미공을 형성한다. 몇몇 레이저 펄스는 실질적으로 구형 미공을 형성하는 것이 요구된다. 둘째로, 도 4a 및 도 4b의 a/D 곡선대 h_o은 도 3a 및 도 3b의 a/D 곡선대 h_o보다 그 최대값에 근사한 대체로 보다 평평하며, 이것은 원뿔형 미공을 구비한 베어링이 구형 미공을 구비한 베어링보다 기하학적 최적 근처에서의 작은 변형에 덜 민감한 것을 나타낸다. 다른 것이 동일한 경우, 보다 큰 미공 밀도를 가진 베어링은 보다 낮은 미공 밀도를 가진 베어링 보다 약 우수한 성능을 나타낸다. 이 사실은 보다 많은 미공을 제조하는데 보다 많은 비용이 들어 평형화된다.

본 발명의 방법은 유체역학 압력 분포를 모델화하는 것에 의거한 것이며, 그에 따라 서로에 대해 운동시에 윤활된 부하 지지 표면에만 적용된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 베어링은 예를 들면 상대 운동의 개시시에 또는 윤활 유체의 손실의 조건하에서 빈약한 윤활 조건 동안에 설계되는 미공을 구비한 베어링을 포함한다. 이러한 조건하에서, 미공은 윤활 유체용 용기로서 작용해야 한다. 깊이(a)와 직경(D)에 의해 변수화된 회전 대칭 미공에 대한 최적 형상은 반구형 구멍과 같은 약 0.5의 a/D 비이다. 이러한 구멍의 최저의 깊이는 약 20미크론과 약 60미크론 사이이다. 본 발명의 베어링의 가장 바람직한 실시예는 그 부하 지지 표면상에 유체역학 부하 지지 상태에 대해서 최적화된 미공과, 빈약한 윤활 상태에 대해서 최적화된 미공 양자를 포함하고 있다.

단일 레이저 펄스에 의해 형성된 실질적으로 원뿔형 미공의 형상은 레이저 비임 프로파일을 변경시킴으로써 제어될 수도 있다. 따라서, 형성된 미공은 실질적으로 원뿔형이지만, 미공 둘레에서의 벌지(bulges) 또는 림과 같은 원하지 않는 교란은 이러한 방법으로 제거될 수도 있다. 레이저 비임 프로파일은 광학 경로에서 레이저의 초점 스폿에서의 회절 효과를 형성하는 장치를 삽입하거나, 또는 상부 평탄 강도 프로파일을 형성하도록 레이저 비임의 다중 모드 작동을 허용함으로써 변경될 수 있다. 다른 방법은 예를 들면 상부 평탄 또는 환형 강도 프로파일을 형성하도록 회절 렌즈와 같은 맞춤 렌즈를 이용하는 것이다.

미공의 사이즈는 레이저 비임을 표면상에 초점을 맞추는데 사용된 최적 시스템의 파라메터를 변경시킴으로써 제어된다. 최적 시스템은 팽창 망원경 및 초점 렌즈를 포함한다. 망원경의 팽창비 및/또는 렌즈의 초점 길이를 변경시킴으로써 초점 스폿의 면적 및 파워 밀도를 변경시킨다. 미공 사이즈를 제어하도록 조정되는 다른 파라메터는 펄스 에너지이며, 이 펄스 에너지는 비임의 감쇠 또는 레이저 파워의 제어에 의해 그 피크 값으로부터 낮아질 수 있다.

도 5는 철로 형성된 미공의 프로파일을 도시한 것이다. 도 5에서 수직 눈금은 횡방향 눈금과 비교해서 확대된 것이다. 철로 형성된 미공은 중앙 구멍 둘레에서 림에 의한 것이 전형적으로 특징이다. 이 경우에 레이저 비임 및 광학 시스템의 파라메터는 다음과 같다.

펄스 에너지 : 4mJ

망원경 비임 팽창비 : 1:7.5

초점 렌즈의 초점 길이 : 77㎜

따라서, 형성된 미공은 약 5미크론 깊이(h), 약 100미크론 직경(u)을 가지며, 약 0.5미크론과 약 1.5미크론 사이의 림 높이(Δh)를 갖고 있다. 약 7 내지 8 미크론 깊이인 구멍이 형성된 팽창비 1:20을 제조함으로써 가장 얕은 스폿에 레이저 비임의 초점을 맞추는 것은 림이 필요없고 약 60 내지 70미크론의 직경을 갖고 있다.

탄화규소로 형성된 미공은 모든 측정가능한 림을 거의 갖고 있지 않다. 도면에 도시된 미공을 형성하는데 이용된 것과 동일한 파라메터를 이용하면, 탄화규소에 형성된 미공은 깊이가 약 7 내지 8미크론이고 직경은 약 80미크론이다.

철과 탄화규소의 작용의 차이는 금속과 세라믹의 용융 작용 사이의 차이의 결과 발생한 것이다. 철에 미공을 형성하는 프로세스는 용융시키는 단계와 표면층의 보일링 및 기화 단계를 포함한다. 레이저의 초점 스폿은 스폿의 중앙에서 고파워 밀도를 가지며 물질의 기화를 위해 충분하다. 그러나, 중앙 외측에는 파워 밀도가 매우 충분하여 표면층을 용융시키기에 충분한 영역이 있으며, 그에 따라 초점 중앙으로부터 멀리 흐르는 물질의 림을 형성한다. 탄화규소의 미공 형성은 세라믹을 기화시키거나 그 성분내로 분해되는 용융 단계를 포함하지 않는다. 따라서, 무시할만한 림은 탄화규소에서 미공 둘레에 형성된다. 가능한 차등 미공 깊이(5미크론대 8미크론)은 철에서 보다는 탄화규소에서 보다 낮은 회절 손실로 인한 것이다.

본 발명의 베어링은 균일할 필요는 없다. 예를 들면, 본 발명의 베어링의 표면 영역은 베어링의 나머지보다 다른 금속일 수 있다. 표면 영역이 금속성이라면, 상술한 바와 같이 실질적으로 편평한 미공 사이의 표면을 형성하도록 미공 둘레에 림의 높이를 최소화하는 프로세스를 조정하는 것이 종종 중요하다.

비압축성(일정한 밀도) 유체에 의해 분리된 베어링 표면에는 이전 처리가 가해진다. 시일 유체가 압축성이라면, 다음에 압축가능한 레이놀즈 방정식을 해결하여 밀도의 횡방향 변화를 계산하여야 한다. 이 경우에, 단일 제어 셀상에서의 유체역학 압력 성분에 대한 압축가능한 레이놀즈 방정식은 하기와 같다.

여기에서 ρ는 유체의 밀도이다. 일반적으로, ρ와 p는 유체의 상태의 방정식과 관련이 있다. 많은 적용에 있어서, 공기의 막에 의해 하드 디스크로부터 분리된 하드 디스크 드라이브의 슬라이더 헤드의 설계에 있어서, 유체는 이상 가스로서 모델화될 수도 있다. 이러한 경우에, ρ는 p에 비례하며, 수학식 13은 다음과 같이 된다.

수학식 1과 달리, 수학식 14는 p에서 비선형이며, 이와 같이 수학식 1을 풀기가 보다 어렵다. 압축가능한 레이놀즈 방정식을 풀기 위한 기술은 본 기술 분야에 잘 공지되어 있다. 예를 들면, 오스카 핑커스(Oscar Pinkus)와 베노 스턴리치트(Beno Sternlicht)의 "유체역학 윤활의 이론(McGraw-Hill, 뉴욕 1961년)"이란 문헌의 챕터 5(pp. 136-176)와; 제이. 더블유. 화이트(J. W. White)의 "매우 낮은 공간에서의 레이놀즈 방정식의 수치 해석을 위한 인자 음도표(Trans ASME, Jour. OF Lubr. Tech. vol. 102 no. 1 pp. 80-85, 1980년)"와; 아이. 에션(I. Etsion)과 와이. 새크드(Y. Shaked)의 "경계적인 가스 트러스트 베어링의 부하 지지 성능의 곡선 효과(Tribolgy Transactions vol. 33 no. 3 293-300, 1990년)"에 공지되어 있다. 압축가능한 레이놀즈 방정식의 비선형성에 의해 유도된 복잡성을 제외하고, 또 물론 뉴톤보다 길지 않은 밀봉유를 제외하고, 유체역학 압력 분포의 모델화는 비압축성 밀봉유에 대해 상술한 것과 같이 처리된다.

본 발명의 상술한 적용에 있어서, 하드 디스크 드라이브의 슬라이더 헤드의 설계는 디지탈 데이타의 보다 높은 밀도 저장을 위해 연속적으로 찾는 것이 중요하다. 회전하는 하드 디스크의 표면에 보다 근접하여 슬라이더 헤드의 레일로 이동되면, 하드 디스크상에 저장된 보다 밀집한 데이타가 그 위에 채워질 수 있지만, 하드 디스크가 손상되지 않도록 하여야 하므로 슬라이더 헤드는 하드 디스크에 접촉하지 않아야 한다. 특히, 이것은 하드 디스크가 서서히 회전하고, 시동 및 차단되는 경우에 중요한 문제이다. 도 6은 슬라이더 헤드(40)를 하방으로부터 본 것이다. 레일(44)의 표면(42)은 미공(46)을 구비한 것으로 구성되어 있다. 화살표(48)는 슬라이더 헤드(40)에 대한 하드 디스크의 이동 방향을 나타낸 것이다. 미공(46)의 사이즈 및 기하학적 분포는 본 발명의 방법을 이용하여 선택된다.

본 발명을 제한된 수의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 많은 변경, 변형 및 다른 적용이 이뤄질 수 있다.

Claims

표면에 다수의 미공을 구비한 베어링을 설계 및 제조하는 방법에 있어서,

① 다수의 구멍 분포 및 비반구형 구멍 형태를 선택하는 단계와,

② 비압축성 유체에 의해 분리된 지지 표면 쌍의 유체역학 압력 분포를 모델화하는 단계로서, 상기 쌍의 각각의 하나의 지지 표면은 그 슬라이딩 면상의 형태중 하나의 다수의 구멍의 분포중 하나를 구비하는, 상기 모델화 단계와,

③ 상기 모델화에 의거해서 최적의 구멍 분포 및 최적의 구멍 형태를 선택하는 단계를 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 구멍 형태는 원통형으로 대칭인 형태를 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 구멍 형태는 구형 캡 및 직각 원형 원뿔을 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

④ 베어링의 표면에 실질적으로 최적인 구멍 분포 및 실질적으로 최적인 구멍 형태를 구비한 다수의 미공을 형성하는 단계를 더 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 미공은 펄스형 레이저 비임을 이용하여 형성되는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 미공의 각각은 상기 레이저 비임의 하나의 펄스를 이용하여 형성되는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 레이저 비임은 비임 프로파일을 구비하며,

⑤ 비임 프로파일 제어 메카니즘을 제공하는 단계를 더 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 비임 프로파일 제어 메카니즘은 맞춤 렌즈 및 제어된 다중 모드 작동으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 6 항에 있어서,

⑤ 팽창비를 가진 팽창형 망원경 및 초점 길이를 가진 초점 렌즈를 포함하는 초점 광학 시스템을 제공하는 단계와,

⑥ 상기 팽창비 및 상기 초점 길이로 구성되는 그룹으로부터 선택된 매개변수를 조정하는 단계를 더 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 펄스의 각각은 펄스 에너지를 가지며,

⑤ 상기 펄스 에너지를 조정하는 단계를 더 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
표면에 다수의 미공을 구비한 베어링을 설계 및 제조하는 방법에 있어서,

① 다수의 구멍 분포 및 구멍 형태를 선택하는 단계와,

② 압축성 유체에 의해 분리된 지지 표면 쌍의 유체역학 압력 분포를 모델화하는 단계로서, 상기 쌍의 각각의 하나의 지지 표면은 그 슬라이딩 면상의 형태중 하나의 다수의 구멍의 분포중 하나를 구비하는, 상기 모델화 단계와,

③ 상기 모델화에 의거해서 최적의 구멍 분포 및 최적의 구멍 형태를 선택하는 단계를 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 모델화는 압축가능한 레이놀즈 방정식을 풀음으로서 실행되는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 압축가능한 유체는 이상 가스로서 모델화되는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 구멍 형태는 원통형으로 대칭인 형태를 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 구멍 형태는 구형 캡 및 직각 원형 원뿔을 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

④ 베어링의 표면에 실질적으로 최적인 구멍 분포 및 실질적으로 최적인 구멍 형태를 구비한 다수의 미공을 형성하는 단계를 더 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 미공은 펄스형 레이저 비임을 이용하여 형성되는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 미공의 각각은 상기 레이저 비임의 하나의 펄스를 이용하여 형성되는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 레이저 비임은 비임 프로파일을 구비하며,

⑤ 비임 프로파일 제어 메카니즘을 제공하는 단계를 더 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 비임 프로파일 제어 메카니즘은 맞춤 렌즈 및 제어된 다중 모드 작동으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 18 항에 있어서,

⑤ 팽창비를 가진 팽창형 망원경 및 초점 길이를 가진 초점 렌즈를 포함하는 초점 광학 시스템을 제공하는 단계와,

⑥ 상기 팽창비 및 상기 초점 길이로 구성되는 그룹으로부터 선택된 매개변수를 조정하는 단계를 더 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 펄스의 각각은 펄스 에너지를 가지며,

⑤ 상기 펄스 에너지를 조정하는 단계를 더 포함하는

베어링 설계 및 제조 방법.
베어링에 있어서,

① 표면을 구비한 표면 영역과,

② ㉠ 다수의 비구형 설계 형태를 선택하는 단계와, ㉡ 비압축성 유체에 의해 분리된 지지 표면 쌍의 유체역학 압력 분포를 모델화하는 단계로서, 상기 쌍의 각각의 하나의 지지 표면은 그 슬라이딩 면상의 설계 형태중 하나의 다수의 구멍을 구비하는, 상기 모델화 단계에 의해 선택된 구멍 형태를 가진 다수의 미공을 포함하는

베어링.
제 23 항에 있어서,

상기 구멍 형태는 실질적으로 회전 대칭인

베어링.
제 24 항에 있어서,

상기 구멍 형태는 깊이(a)와 직경(D)에 의해 변수화되며, a/D는 약 0.05와 약 0.15 사이인

베어링.
제 25 항에 있어서,

상기 구멍 형태는 원뿔형 및 구형 캡으로 구성된 그룹으로부터 선택되는

베어링.
제 25 항에 있어서,

상기 미공의 깊이는 약 2미크론과 약 10미크론 사이인

베어링.
제 25 항에 있어서,

상기 미공은 레이저에 의해 형성되는

베어링.
제 28 항에 있어서,

상기 표면 영역은 금속성이며, 상기 표면은 상기 미공 사이에서는 실질적으로 평평한

베어링.
베어링에 있어서,

① 표면을 구비한 표면과,

② 실질적으로 회전 대칭이고 비구형 구멍 형태를 가진 다수의 미공을 구비한

베어링.
제 30 항에 있어서,

상기 구멍 형태는 깊이(a)와 직경(D)에 의해 변수화되며, a/D는 약 0.05와 약 0.15 사이인

베어링.
제 31 항에 있어서,

상기 미공의 깊이는 약 2미크론과 약 10미크론 사이인

베어링.
제 30 항에 있어서,

상기 구멍 형태는 깊이(a)와 직경(D)에 의해 변수화되며, a/D는 약 0.5인

베어링.
제 33 항에 있어서,

상기 미공의 깊이는 약 20미크론과 약 60미크론 사이인

베어링.
제 30 항에 있어서,

상기 구멍 형태는 원뿔형 및 구형 캡으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는

베어링.
제 35 항에 있어서,

상기 미공은 레이저에 의해 형성되는

베어링.
제 36 항에 있어서,

상기 표면 영역은 금속성이며, 상기 표면은 상기 미공 사이에서는 실질적으로 평평한

베어링.