KR200177723Y1 - 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치 - Google Patents

Abstract

마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치의 구조가 개시된다. 소정 직경의 제 1 면과 제 1 면보다 직경이 큰 제 2 면이 평행하도록 양측에 형성된 상부 및 하부반구는 제 1 면이 상호 대향하도록 축의 상부 및 하부에 각각 고정되고, 부싱은 상부 및 하부반구 사이에 회전 가능하도록 축에 끼워진다. 이때, 하부반구의 표면상에는 축방향으로 평행하게 다수개의 동압 발생홈들이 형성되고, 상부반구의 표면 전면에 걸쳐 마이크로 포켓들이 형성되는 바, 이때, 마이크로 포켓들은 상부반구의 제 2 면으로 갈수록 크기가 감소한다. 이에 따라 제조가 용이하고 생산성이 향상되며, 외란에 의한 부싱의 틸팅에 강성을 갖도록 할 수 있는 이점이 있다.

Description

마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치

본 고안은 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반구형 유체 베어링 장치에서 상부반구의 표면상에 크기가 순차적으로 가변되는 다수의 마이크로 포켓들(micro pocket)을 형성시켜 반경방향의 외란에 대해 강성을 갖도록 한 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치에 관한 것이다.

최근 들어 널리 공지된 바와 같이, 전기전자 및 기계산업의 급격한 발달로 초고속 회전 성능을 필요로 하는 구동모터들, 예를 들면, 레이저 프린터의 스캐닝 모터, 하드디스크 드라이버(HDD)의 스핀들 모터, VCR의 헤드 구동모터 등은 기기의 특성상 보다 많은 데이터의 검색 및 저장, 재생을 짧은 시간에 수행하기 위해 축 흔들림이나 축 진동이 없는 고정밀, 초고속 회전 성능을 요구하고 있는 실정이다.

이에 따라서, 구동모터의 축 흔들림이나 축 진동을 억제하며 안정적으로 고속 회전하는 구동모터의 개발과 함께 이와 같은 모터의 회전 성능 향상을 가능케 하는 베어링 장치의 다양한 형태에 대하여서도 활발한 연구 개발이 진행되고 있다.

이와 같은 베어링 장치의 종류로는 고체 마찰에 의해 마찰력을 감소시키는 볼 베어링보다 뛰어난 성능을 갖고 초고속, 고정밀 안정성이 입증된 바 있는 유체 베어링 장치가 널리 사용되고 있는 바, 유체 베어링 장치는 윤활성능이 뛰어난 유체와 고체 사이의 유체윤활 원리가 적용된다.

이와 같은 유체 베어링 장치 또한 기기의 독특한 특성에 따라서 여러 가지 종류가 사용될 수 있지만 특히, 초고속, 고정밀 회전에 적합하고 회전대상물체의 레이디얼 하중과 스러스트 하중을 동시에 지지하는 반구형 유체 베어링 장치 및 원추 베어링 장치가 널리 사용되고 있다.

이와 같은 유체 베어링 장치에는 회전체와 회전체를 지지하는 회전체 지지부재 사이에서 유체윤활이 작용하도록 회전체와 회전체 지지부재중 어느 일측에 소정 유체압을 발생시키는 스파이럴 형상의 동압발생홈이 형성되어 있다.

이 유체 베어링 장치중 하나인 반구형 유체 베어링 장치는 반구 형상으로 동압을 발생시키는 동압발생홈이 형성되어 있는 동압발생부재인 회전체 지지부재와, 이 동압발생부재를 감싼 상태에서 회전하는 반구홈이 형성되어 있는 부싱의 정밀도, 즉 동압발생홈의 위치 및 동압발생홈면적에 따라서 성능에 큰 차이를 발생시키는 것으로 알려져 있다.

이와 같은 유체 베어링 장치중 하나인 반구형 유체 베어링 장치의 반구의 구조에 대해 설명한다.

도 1을 참조하면, 반구(10)의 내부에는 축이 삽입되는 관통공(15)이 형성되고 제 1 면(13)과 제 2 면(14)이 평행하도록 가공된다. 또한, 반구면상에는 다수개의 스파이럴 형상의 동압발생홈(12)이 축방향으로 경사하게 형성된다, 이와 같이 제조된 반구(10)는 제 1 면(13)이 상호 대향되도록 축의 양측에 각각 고정되어 상부 및 하부반구를 구성한다.

통상 동압발생홈(12)은 에칭에 의해 형성되는데, 특히 동압발생홈(12)의 면적은 발생되는 동압의 크기와 밀접한 관계를 갖고 있기 때문에 에칭시에 전체적으로 동일한 폭과 깊이의의 동압발생홈(12)이 형성되도록 하는 것이 중요하다. 종래에는 이를 위해서 반구면에 대응되는 입체 메탈마스크를 씌운 뒤에 에칭액의 조성비나 에칭시간 등의 공정조건을 제어하여 동압발생홈(12)을 형성한다.

그러나 이와 같은 방법에 의해서는 마스크와 반구면이 입체적으로 정확히 맞아야 하므로 공차가 수 미크론으로 제한되어 생산효율이 저하될 뿐 아니라 정밀하게 제어하더라도 어느 정도의 오차가 발생하며 이에 따라 발생되는 동압이 전체 반구면에 걸쳐 균일하지 못하다는 문제점이 있다.

또한, 반구면에 형성된 동압발생홈(12)으로부터 발생되는 동압은 축방향에 대해 스러스트 하중으로 작용하고, 반경방향에 대해 레이디얼 하중으로 작용하지만, 레이디얼 하중이 외란에 의한 회전체, 예를 들어 부싱의 틸팅(tilting)에 대해 반구의 45。 아래쪽만이 유효하므로 반구의 전면이 적용되는 스러스트 하중에 비하여 강하지 못하기 때문에 반경방향 회전이 불안정하다는 문제점이 있다.

따라서 본 고안은 제작이 간단하고 생산성이 우수하며, 외란에 의한 회전체의 틸팅에 강성을 갖는 반구형 유체 베어링 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 동압발생홈이 형성된 종래의 반구의 사시도이고,

도 2는 본 고안의 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치가 적용된 스캐닝 모터의 단면도이고,

도 3은 본 고안에 의해 마이크로 포켓들이 형성된 반구의 사시도이고,

도 4는 본 고안에 사용되는 평판 마스크의 평면도이다.

소정 직경의 제 1 면과 제 1 면보다 직경이 큰 제 2 면이 평행하도록 양측에 형성된 상부 및 하부반구는 제 1 면이 상호 대향하도록 축의 상부 및 하부에 각각 고정되고, 부싱은 상부 및 하부반구 사이에 회전 가능하도록 축에 끼워지며, 하부반구의 표면상에는 축방향으로 평행하게 다수개의 동압 발생홈들이 형성되고, 상부반구의 표면 전면에 걸쳐 마이크로 포켓들이 형성된다.

바람직하게, 마이크로 포켓들은 축방향을 따른 위치에 대응하여 상부반구의 원주방향을 따라 하나의 열을 이루며, 하나의 열을 따라 형성된 마이크로 포켓들은 동일한 크기를 갖는다.

또한, 바람직하게, 상부반구의 제 2 면의 중심을 기준으로 원주각 45도 이내에 상부반구와 부싱간의 간극에 대해 1 내지 2배의 깊이를 갖는 마이크로 포켓들이 형성된다.

또한, 마이크로 포켓의 직경과 마이크로 포켓간의 랜드의 길이는 1 : 1인 것이 효과적이다.

한편, 바람직하게, 마이크로 포켓들은 에칭의 의해 형성되며, 에칭공정에 사용되는 마스크는 평판 마스크이다.

도 2를 참조하면, 본 고안에 따른 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치가 적용되는 스캐닝 모터가 도시되어 있다.

스캐닝 모터는 전체적으로 보아 폴리건 미러(100)의 회전 중심인 축(20)과, 축(20)에 억지끼워맞춤되어 있는 상부 및 하부반구(200)(200')와, 상부 및 하부반구(200)의 레이디얼 하중 및 스러스트 하중을 동시에 지지하기 위해 반구홈(30a)(30b)이 양단에 형성되어 있는 원통 형상의 부싱(40)과, 구동장치인 로우터(50) 및 스테이터(55)와, 폴리건 미러가 장착되며 부싱(40)의 외주면에 고정된 허브(60) 및 축(20)의 하부를 고정하는 하부 베어링 브라켓(70) 등으로 구성되어 있다.

부싱(40)은 소정 직경을 갖는 속이 찬 원통 형상으로 그 원통의 양단 회전 중심에 축(20) 보다 큰 직경으로 관통공을 형성한 다음, 부싱(40)의 양단의 표면에는 기 형성되어 있는 상부 및 하부반구(200)(200')의 곡률과 동일한 형상의 반구홈(30a)(30b)을 형성하고, 부싱(40)의 관통공에는 상부 및 하부반구(200)(200')와 반구홈(30a)(30b) 사이의 간극 간격을 조정하기 위한 스페이서(40a)가 삽입된다.

또한, 본 고안에 따르면, 상부반구(200)의 표면 전면에 걸쳐 마이크로 포켓들이 형성되며, 하부반구(200')의 표면상에는 축방향으로 평행하게 다수개의 동압 발생홈들이 형성된다.

도 3을 참조하면, 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 상부반구가 도시되어 있다.

상부반구(200)의 내부에는 축이 삽입되는 관통공(250)이 형성되고 제 1 면(230)과 제 2 면(240)이 평행하도록 가공된다.

제 1 면(230)과 제 2 면(240)은 평행하도록 상부반구(200)의 양측에 형성되며, 제 2 면(240)의 직경은 제 1면(230)의 직경보다 크다.

상부반구(200)의 표면 전면에는 다수의 마이크로 포켓들(220a, 220b...220n)이 형성된다. 이 실시에에서 마이크로 포켓들(220a, 220b...220n)의 형상은 타원형으로 형성되지만, 원형이나 기타 다른 형태이어도 무방하다. 바람직하게, 마이크로 포켓들(220a, 220b...220n)은 상부반구(200)의 제 2 면(240)으로 갈수록 크기가 감소한다.

또한, 마이크로 포켓들(220a, 220b...220n)은 축방향을 따른 위치에 대응하여 상부반구(200)의 원주방향을 따라 하나의 열을 이루는데, 같은 열을 따라 형성된 마이크로 포켓들(220a, 220b...220n)은 동일한 크기를 갖는다.

이를 구체적으로 설명하면, 제 1 면(230)에 가장 근접하여 형성된 제 1 마이크로 포켓들(220a)은 가장 큰 크기를 가지며, 다음 열의 제 2 마이크로 포켓들(220b)은 2번째의 크기들을 갖는다. 이와 같이 점차 크기가 작아지는 패턴으로 형성되어 제 2 면(240)에 가장 근접하는 마이크로 포켓들(220n)은 가장 작은 크기를 갖는다.

또한, 바람직하게 상부반구(200)의 제 2 면(240)의 중심을 기준으로 원주각이 45도 이내에는 작은 크기의 포켓들이 밀집하는데, 바람직하게 상부반구(200)와 도 2의 부싱(40)간의 간격에 대해 1 내지 2배의 깊이를 갖는 마이크로 포켓들이 형성된다.

한편, 도 3을 참조하면, 마이크로 포켓들(220a, 220b...220n)의 직경 ℓ과 마이크로 포켓들(220a, 220b...220n) 사이의 랜드의 길이 ℓ'의 비율은 바람직하게 1 : 1이다.

이하 본 고안에 따른 상부반구를 제작하는 방법에 대해 간략히 서술한다.

먼저, 구를 이등분하여 반구(200)를 만든 후, 반구면의 상부를 소정 높이만큼 절단하여 제 1 및 제 2 면(230, 240)을 형성하고, 제 1 및 제 2 면(230, 240)을 가로지르는 소정 직경의 관통공(250)을 형성한다.

이어 반구면에 대해 래핑(lapping) 및 폴리싱(polishing)을 시행하여 표면 거칠기 및 진구도를 허용공차 내에 있도록 한다.

다음, 반구(200)의 표면에 포토레지스트를 균일하게 도포하고, 표면에 형성될 마이크로 포켓에 대응하는 위치에 통공을 갖는 평판 메탈 마스크를 이용하여 포토레지스트를 노광, 현상한 후, 소정의 에칭액을 이용하여 에칭한다.

이후, 포토레지스트를 제거하고, 종래와 같이 내마모성이 강하고 표면의 매끈함을 증대시켜주는 TiN(질화 티타늄)을 반구면 전면에 걸쳐 기상증착한다. 이때, 선택적으로 마찰계수를 감소시키는 DLC(Diamond-Like-Carbon)를 TiN층 위에 수 ㎛의 두께로 코팅할 수 있다.

이와 같은 본 고안에 따른 반구를 갖는 반구형 유체 베어링 장치가 적용된 스캐닝 모터의 작용을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.

먼저, 로우터(50) 및 스테이터(55)에 전원이 인가되어 부싱(40)이 회전하기 시작하기 전에 부싱(40) 자체의 하중에 의해 반구홈(30a)은 하부반구(200')와 간극없이 밀착되고, 상부반구(200)는 반구홈(30b)과 수 ㎛의 간극을 유지한다.

이어 부싱(40)이 회전을 시작하여 유체가 유입되면, 하부반구(200')에 형성된 스파이럴 형상의 동압발생홈(12)에 의해 제 1 동압이 발생하고, 상부반구(200)에 형성된 마이크로 포켓들(220a, 220b...220n)에 의해 제 2 동압이 발생된다. 이때, 반구홈(30a)과 하부반구(200') 사이의 간극이 반구홈(30b)과 상부반구(200) 사이의 간극보다 더 작기 때문에 제 1 동압이 제 2 동압보다 크게 되어 부싱(40)이 부상하기 시작한다.

이어 반구홈들(30a, 30b)과 반구들(200, 200') 사이의 간극의 변화에 반비례하는 동압에 의해 부싱(40)은 상부반구(200)와 하부반구(200') 사이를 이동하다가 동압이 평형되는 위치에서 안정적인 회전을 유지한다.

이하 본 고안에 따른 반구형 유체 베어링 장치의 이점을 설명한다.

먼저, 종래의 방법에 비해 제조가 용이하고, 이에 따라 생산성이 향상된다는 이점이 있다. 즉, 종래에는 동일한 폭과 깊이의 동압발생홈들을 형성하기 위해 반구면에 대응되는 입체 메탈마스크를 제작해야 하며, 이를 반구에 씌운 뒤에 노광하고 현상한 후, 에칭할 때에 에칭액의 조성비나 에칭시간 등의 공정조건을 제어하여야 하였으나, 본 고안의 마이크로 포켓은 동일한 열에서 직경과 깊이에 있어 차이가 있어도 효과에는 영향을 끼치지 않으며, 또한 마이크로 포켓의 형상에도 관계가 없기 때문에 제조가 용이하고, 생산성이 향상된다.

통상 반구 베어링에 있어서는 유체가 유입되는 면의 중심에서의 원주각이 45도 이하인 부분에서 발생되는 동압은 레이디얼 하중과 관련되고, 스러스트 하중은 전면에서 지지되나 수압면의 영향으로 보면 시뮬레이션시 45。 이상인 부분이 지배적인 역할을 한다.

따라서 본 고안에 따르면, 상부반구의 제 2 면의 중심에서의 원주각이 45도 이하인 부분에서 마이크로 포켓들이 조밀하게 형성되어 큰 동압을 발생시키므로서 레이디얼 하중이 증가하며, 이에 따라 외란에 의한 부싱의 틸팅에 강성을 가지게 되어 안정적인 회전이 가능하다는 이점이 있다.

상기한 바와 같이, 본 고안에 따르면, 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치의 상부반구의 표면 전면에 걸쳐 직경이 작은 제 1 면으로 갈수록 직경이 감소하는 마이크로 포켓들을 형성하므로서 제조가 용이하고 생산성이 향상되며, 외란에 의한 부싱의 틸팅에 강성을 갖도록 할 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 축과;

   소정 직경의 제 1 면과 상기 제 1 면보다 직경이 큰 제 2 면이 평행하도록 양측에 형성되어 상기 제 1 면이 상호 대향하도록 상기 축의 상부 및 하부에 각각 고정되는 상부반구 및 하부반구와;

   중심에 관통공이 형성되어 상기 상부 및 하부반구 사이에 회전 가능하도록 상기 축에 끼워진 부싱을 포함하며,

   상기 하부반구의 표면상에는 축방향으로 평행하게 다수개의 동압 발생홈들이 형성되고,

   상기 상부반구의 표면 전면에 걸쳐 마이크로 포켓들이 형성되며, 상기 마이크로 포켓들은 상기 상부반구의 제 2 면으로 갈수록 크기가 감소하는 것을 특징으로 하는 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 포켓들은 상기 축방향을 따른 위치에 대응하여 상기 상부반구의 원주방향을 따라 하나의 열을 이루며, 상기 하나의 열을 따라 형성된 상기 마이크로 포켓들은 동일한 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 상부반구의 제 2 면의 중심을 기준으로 원주각 45도 이내에 상기 상부반구와 상기 부싱간의 간극에 대해 1 내지 2배의 직경을 갖는 마이크로 포켓들이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서, 상기 마이크로 포켓의 직경과 상기 마이크로 포켓간의 랜드의 길이는 1 : 1인 것을 특징으로 하는 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 포켓들은 에칭의 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 에칭에 사용되는 마스크는 평판 마스크인 것을 특징으로 하는 마이크로 포켓을 구비한 공기 동압 베어링 장치.