KR20030074396A - 고정 축을 구비한 저동력 스핀들 모터 - Google Patents

Abstract

디스크 드라이브에 사용하기 위한 스핀들 모터는 기부 프레임, 하우징 커버, 고정 축, 및 회전 베어링 슬리브를 구비한다. 고정 축은 대경부와 소경부를 구비하며 그 대경부와 소경부 사이에는 계단부가 형성된다. 회전 베어링 슬리브는 원통형 중앙 개구를 구비하고, 그 원통형 중앙 개구 안으로 축이 삽입된다. 고정 축과 회전 베어링 슬리브 사이에 베어링 간극부가 형성되고, 상기 베어링 간극부에는 윤활 유체가 충전된다. 고정 축의 일 단부는 기부 프레임에 고정되고 축의 타 단부는 하우징 커버에 고정된다.

Description

고정 축을 구비한 저동력 스핀들 모터{LOW POWER SPINDLE MOTOR WITH A FIXED SHAFT}

[관련 출원]

본 발명은 2002년 3월 12일자 출원된 미국 가특허 출원 제60/363,818호(계류 중)와, 2002년 3월 12일자 출원된 미국 가특허 출원 제60/363,821호(계류 중)와, 2002년 8월 19일자 출원된 독일 특허 출원 DE 102 37 848.7호(계류 중)와, 2002년 8월 19일자 출원된 독일 특허 출원 DE 102 37 849.5호(계류 중)와, 2002년 8월 22일자 출원된 독일 특허 출원 DE 102 38 558.0호(계류 중)의 우선권을 주장하는 출원이다.

본 발명은 디스크 드라이브에 사용되는 전자 스핀들 모터에 관한 것이며, 특히 전자 스핀들 모터의 유체 베어링의 개선에 관한 것이다.

디지털 정보를 저장하기 위하여, 수년간 컴퓨터 및 기타 전자 장치에 디스크 드라이브 시스템이 사용되어 왔다. 자기 디스크 매체의 동심원의 메모리 트랙에 정보가 저장되는데, 실제의 정보는 자기 신호의 형태로 매체 내에 저장된다. 디스크 자체는 스핀들 상에 회전 가능하도록 장착되며, 디스크 표면 위를 반경 방향으로 움직이는 선회 암(arm)에 위치한 변환기에 의해 정보에 접근한다. 정보를 정확히 읽고 쓰기 위해서는, 판독/기록 헤드 또는 변환기가 디스크 상의 저장 트랙과 정확히 정렬되어야 하며, 따라서 디스크는 안정적으로 회전하여야 한다.

디스크 드라이브에 사용되는 종래의 전기 스핀들 모터에는, 회전 허브와 같은 회전 부재를 지지하는 볼 베어링 및 축과 같은 고정 부재가 사용된다. 볼 베어링은 마모가 발생하는 부재이며, 시간이 흐르면 마찰에 의해 모터가 손상된다. 또한, 볼 베어링은, 모터에 의해 구동되는 회전 자기 디스크를 수납하는 청정 공간 내로 유입될 수 있는 먼지나 미세한 입자와 같은 부스러기를 발생시킨다. 볼 베어링 자체의 특성인 기계적 마찰로 인하여, 디스크 드라이브 모터에 바람직하지 않은 열과 소음이 발생한다.

유체 베어링은 스핀들 구동 모터의 종래 볼 베어링을 상당히 개선시킬 수 있다. 이러한 형태의 시스템에서는, 가스 또는 액체와 같은 윤활 유체가 고정 기부(基部) 또는 회전 스핀들 내의 하우징 또는 모터의 회전 허브 사이의 실제 베어링 표면으로서의 기능을 한다. 예를 들어, 오일, 보다 정교한 강자성 유체 또는 심지어는 공기와 같은 액체 윤활제가 유체 동압 베어링 시스템에 사용되어 왔다. 유체 동압 베어링은 볼 베어링에 비해서 향상된 주행 정확도를 가지며, 보다 큰 충격 강도와 낮은 소음을 발생시킨다. 종래의 유체 동압 베어링을 이용하는 스핀들 모터에 대한 일 예가 미국 특허공보 제5,658,080호에 개시되어 있다. 상기 공보에 기재된 모터는 축 받이통(shaft retainer) 안에 유지되는 축과, 상기 축에 제공된 스러스트 판을 포함한다. 스러스트 동압 유체 베어링(thrust dynamic pressure fluid bearing)이 상기 축 받이통과 축 사이에 제공된다. 상기 스러스트 판의 외주 표면과 상기 축 받이통의 내주 표면에 형성된 라디얼 동압 유체 베어링(radial dynamic pressure fluid bearing)은 부분적으로 오일로 채워져 있다. 링 형태의 돌출부가 상기 스러스트 판의 외주 표면 위에 제공된다. 모터가 고속으로 작동될 때, 링 형태의 공간 안의 오일은 상기 축 받이통 위에 유지되고, 이 오일을 통하여 상부 및 하부 측면에 있는 스러스트 동압 유체 베어링 안의 오일이 서로 교류하게 된다.

본 발명의 목적은 작동 전류를 절약함으로써 모터의 전력 소비를 감소시키는단축(stepped shaft, 段軸)이 구비된 스핀들 모터를 제공하는 것이다.

본 발명은 기부 프레임, 하우징 커버, 고정 축, 및 회전 베어링 슬리브를 구비하는 디스크 드라이브에 사용하기 위한 스핀들 모터를 제공한다. 고정 축은 대경부와 소경부를 구비하며 그 대경부와 소경부 사이에는 계단부가 형성된다. 회전 베어링 슬리브는 원통형 중앙 개구를 구비하고, 그 원통형 중앙 개구 안으로 축이 삽입된다. 고정 축과 회전 베어링 슬리브 사이에 베어링 간극부가 형성되고, 상기 베어링 간극부에는 윤활 유체가 충전된다. 고정 축의 일 단부는 기부 프레임에 고정되고 축의 타 단부는 하우징 커버에 고정된다.

본 발명의 전술한 목적, 그 밖의 목적, 양태, 특징 및 장점들은, 첨부 도면 및 바람직한 실시예의 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.

도 1은 스러스트-와셔를 구비하며 디스크 드라이브의 (도시되지 않은) 상부 하우징 커버에 부착될 수 있는 고정 단축(stepped shaft, 段軸)을 구비하는 전자 스핀들 모터의 측단면도.

도 2는 디스크 드라이브의 (도시되지 않은) 상부 커버에 부착될 수 있는 고정 축을 구비하는 전자 스핀들 모터의 측단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 플랜지 12: 베어링 슬리브

14: 축 16: 회전자

18: 고정자 40, 40': 환형 디스크

44: 베어링 간극부 46, 48: 계단부

56: 스러스트 판

본 발명을 비한정적인 실시예 및 첨부 도면을 통하여 설명한다. 도면 상의 동일한 도면 부호는 동일한 부재 또는 그에 대응하는 부재를 나타낸다.

도 1에 도시된 스핀들 모터는 디스크 드라이브에 일체로 결합된 플랜지(10)를 포함한다. 선택적으로 플랜지는 디스크 드라이브(도면에 미도시)의 기부 판 안에 일체로 결합될 수 있다. 축(14)의 일 단부는 플랜지(10) 또는 기부 판에 연결되고, 축(14)의 타 단부는 디스크 드라이브의 또 다른 하우징 부분, 특히 상부 커버에 연결된다. 축(14)은 베어링 슬리브(12)에 의해 약간의 반경 방향 거리로 둘러싸이고, 베어링 슬리브는 회전자(16)에 견고하게 연결된다. 고정자(18)는 플랜지(10) 또는 기부 판을 거쳐서 축(14)에 연결된다. 베어링 슬리브(12)는 축(14)에대해서 회전한다.

회전자(16)는 허브(20)와 회전자 자석(22)을 포함하는데, 상기 회전자 자석은 회전자 허브(20)의 주변 벽의 내측에 성형 또는 부착 방식으로 연결된다. 회전자 허브(20)의 주변 벽 외측은 하나 이상의 자기 디스크(미도시)를 보유 지지하도록 하는 방식으로 성형된다.

고정자(18)는 코어(24)와 고정자 권선(26)을 포함하는데, 상기 고정자 권선은 코어(24) 둘레에 권취된다. 고정자(18)와 회전자(16)는 폭이 작은 동심 간극부, 즉 공기 간극부에 의해 분리된다.

도 1의 실시예에서, 축(14)은 3개의 부분, 축 대경부(30)와 2개의 축 소경부(32, 34)로 구분된다. 축(14)은 베어링 슬리브(12)에 의해 둘러싸이는데, 베어링 슬리브도 역시 도 1의 실시예에서는 3개의 부분으로 구분된다. 베어링 슬리브(12)의 제1 및 제2 부분(36, 38)은 베어링 슬리브의 개방 단부에 위치되고 비교적 크고 일정한 내경을 가지는데, 이들 베어링 슬리브 부분에는 환형 디스크(40, 40')가 성형이나 부착에 의해 삽입된다. 환형 디스크(40, 40')는 이하에서 상세하게 설명하겠지만 맞닿음을 위해 제공된다. 베어링 슬리브(12)의 제3 부분(42)은 보다 작고 일정한 내경을 가지며 축 대경부(30)를 이격시키는 한도의 간격으로 둘러싸이므로, 그와 같은 축 대경부와 베어링 슬리브(12) 사이에 베어링 간극부(44)가 형성된다.

도 1에 도시된 본 발명에 따른 유체 동압 베어링의 경우, 2개의 유체 동압 스러스트 베어링이 다음과 같은 방식으로 해서 형성된다. 축 대경부(30)와 제1 축소경부(32) 사이에는 계단부 또는 견부(46)가 형성되고, 상기 계단부는 상기 환형 디스크(40)의 한 면과 대면한다. 환형 디스크(40)와 계단부(46) 의 대면하는 표면들 중 하나 또는 모두에 축방향 스러스트 베어링을 형성하는 홈 패턴이 제공된다. 제2 유체 동압 스러스트 베어링은, 축 대경부(30)와 제2 축 소경부 사이에서 성형되는 계단부 또는 견부(48)에 형성된다. 상기 계단부(48)는 환형 디스크(40')의 한 면과 대면하고, 그 대면하는 면에도 또한 홈 패턴을 형성시킬 수 있다.

축 대경부(30)의 주변에는 가용 축 길이 및 베어링 강성에 대한 요구의 기능으로서 하나 이상의 저널 베어링을 제공할 수 있다.

환형 디스크(40, 40')의 중앙 내부 개구와 이들을 둘러싸는 축 소경부(32, 34) 사이에는 원추형으로 테이퍼진 환형 틈새(50)가 형성되는데, 상기 환형 틈새는 환형 모세관 간극부에 의해 베어링 간극부(44)에 연결된다. 베어링 유체의 연속하는 모세관 막은 베어링 간극부(44)로부터 환형 틈새(50) 안으로 연장된다. 환형 틈새(50)는 베어링 간극부(44)용의 보상 용적 및 윤활 저장실 역할을 하며 모세관 밀봉부를 형성한다.

각 측면에 클랭핑된 축을 구비하는 유체 동압 베어링을 구비하는 도 1에 도시된 축 스핀들 모터는 작동 시에 특히 낮은 진동 특성을 갖는다. 축이 양 측면에 연결되물, 스러스트 베어링이 최소 접촉 표면을 갖도록 구성된 경우라 해도 양호한 축 방향 및 반경 방향 강성을 갖는 베어링 장치가 얻어진다. 다라서, 베어링의 동력(전력) 소비가 감소된다.

축(14)은 디스크 드라이브 등의 커버에 연결하기 위한 내부 나사를 갖춘 구멍(52)을 구비한다.

도 1의 유체 동압 베어링의 경우, 제1 및 제2 유체 동압 스러스트 베어링은 대향된 축 방향 힘이 흡수될 수 있도록 하기 위해 제1 및 제2 계단부(46, 48) 각각에 형성된다. 이러한 스러스트 베어링은 축(14)의 계단부에 의해 형성된 견부와 환형 디스크(40, 40')의 대향 표면들 사이에 스러스트 판을 사용하지 않으면서 간단한 방식으로 형성된다. 도시된 본 실시예에서는 환형 디스크(40, 40')가 베어링 슬리브(12) 내의 대응하는 공동 내에 삽입되지만, 다른 실시예에서는 베어링 슬리브의 단부에 맞물릴 수도 있다.

도 1에 도시된 유체 동압 베어링은 그 형상으로 인해 스풀 베어링이라고도 한다.

도 2는 본 발명에 따른 유체 동압 베어링을 구비하는 스핀들 모터의 도 다른 실시예를 도시하는 것이다. 도 2의 스핀들 모터는 도 1의 구조와 동일한 구조를 가지므로, 동일한 부재에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙이며, 다시 설명하지 않는다. 유체 동압 베어링은, 한 단부가 플랜지(10)에 클램핑되며 타 단부가 디스크 드라이브의 하우징 커버에 클램핑되거나 혹은 그에 견고하게 연결되는 축(14)을 포함한다. 이러한 목적을 위해 축(14)에 구멍(52)이 형성된다.

도 2의 실시예에서, 축(14)은 대경부(30)와 소경부(32)를 구비한다. 상기 2개의 축 부분들 사이에는 계단부 또는 견부(54)가 형성되고, 그에 인접한 위치에서는 스러스트 판(56)이 축에 일례로 가압이나 접착 방식으로 결합된다. 스러스트 판(56)은 베어링 슬리브(12)와 이 베어링 슬리브 위나 혹은 안에 배치된 환형 디스크(40) 사이에 위치된다. 스러스트 판은 계면(58, 60)에 환형 디스크(40)를 구비하는 유체 동압 스러스트 베어링을 형성한다. 스러스트 판(56)의 상기 계면(58, 60) 및/또는 환형 디스크(40")의 대면하는 표면에는 작동 중에 재료가 접촉하게 되는 것을 방지하기 위하여 홈 패턴이 제공될 수 있다. 홈 패턴은 나선형, 헤링본(herringbone) 형상 등으로 할 수 있다.

도 2의 유체 동압 베어링의 경우에는 스러스트 베어링이 계단부(54)에 있는 대략 축 중앙부의 스러스트 판(56)의 영역에 형성되는 반면에, 도 1의 실시예에서는 스러스트 베어링이 계단부(46, 48)의 영역에서 다시 한번 더 베어링 슬리브(12)의 단부에 근접해서 형성된다. 이들 두 가지 경우에서, 스러스트 베어링은 비교적 제한된 축 방향 강성을 갖도록 하여 실시될 수 있는데, 이렇게 되면 축의 측방향 클램핑이 베어링의 적절한 안정성을 확보시켜주기 때문에 스러스트 베어링용의 동력 소모가 제한된다.

도 1과 관련하여 설명한 바와 같이, 도 2의 실시예에서 동심의 원추형으로 테이퍼진 공간들이 모세관 밀봉부를 형성하도록 축 단부에 제공될 수 있다. 이들 원추형으로 테이퍼진 공간들은 도 2에 도시된 보아 같이 대응하는 축 부분의 테이퍼에 의해 형성될 수 있다. 선택적으로, 축 부분들은 직선형으로 할 수 있으며, 원추형으로 테이퍼진 공간이 형성될 수 있도록 환형 디스크(40) 상이나 혹은 베어링 슬리브(12)의 단부 영역에 모따기 부분을 제공할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 작동 전류를 절약함으로써 모터의 전력 소비를 감소시키는 단축이 구비된 스핀들 모터가 제공된다.

이상의 설명에서는, 독자의 편의를 위해, 모든 가능한 실시예들 중에서 대표적인 예에 초점을 맞추었는데, 대표적인 예는 본 발명의 원리를 개시하며 이를 실행하는 데 있어서의 최상의 실시 태양을 전하는 것이다. 이상의 설명은 모든 가능한 변형 예들을 모두 열거하려는 것은 아니다. 설명되지 않은 기타 다른 변형 또는 수정도 가능하다. 일례로, 다수의 선택적인 실시예들을 설명할 때, 대다수의 경우는 각기 다른 실시예들의 요소들이나 혹은 여기에서 설명한 실시예들의 요소들을 여기서 설명하지 않은 기타 다른 수정 또는 변형과 함께 결합시킬 수 있다. 이와 같이 설명되지 않은 변경, 수정 및 변형들은 첨부된 특허청구범위의 문언적 범위 내에 있으며, 기타 다른 것들은 균등물을 구성한다.

Claims (14)

1. 디스크 드라이브용 스핀들 모터에 있어서,

   대경부와 소경부를 구비하며 또한 이들 사이에 형성된 계단부를 구비하는 고정 축과,

   축이 안으로 삽입되는 원통형 중앙 개구를 구비하는 회전 가능한 베어링 슬리브와,

   고정 축과 회전 가능한 베어링 슬리브 사이에 형성되며 윤활 유체로 채워지는 베어링 간극부와,

   기부 프레임과,

   하우징 커버를 포함하고,

   상기 고정 축의 한 단부는 기부 프레임에 고정되고 고정 축의 타 단부는 하우징 커버에 고정된 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
2. 제1항에 있어서, 제1 유압식 스러스트 베어링이 상기 계단부의 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
3. 제2항에 있어서, 상기 베어링 슬리브의 원통형 중앙 개구를 밀봉하는 환형 디스크를 더 포함하고, 상기 환형 디스크는 상기 계단부에 대해 대향되는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
4. 제3항에 있어서, 상기 계단부와 상기 환형 디스크 사이에 상기 제1 유압식 스러스트 베어링이 형성된 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
5. 제4항에 있어서, 상기 축의 대경부의 영역에 유압식 라디얼 베어링이 형성된 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
6. 제5항에 있어서, 제2 계단부를 구비하는 제2 소경부를 더 포함하고, 상기 제2 계단부는 상기 제2 소경부와 상기 대경부 사이에 형성되고, 상기 제2 계단부의 영역에 제2 유압식 스러스트 베어링이 형성되고, 상기 제1 유압식 스러스트 베어링과 상기 제2 유압식 스러스트 베어링 사이에 유압식 라디얼 베어링이 위치된 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
7. 제6항에 있어서, 상기 베어링 슬리브의 원통형 중앙 개구를 밀봉하는 제2 환형 디스크를 더 포함하고, 상기 제2 환형 디스크는 상기 제2 계단부에 대해 대향되는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
8. 제7항에 있어서, 상기 제2 계단부와 상기 제2 환형 디스크 사이에 상기 제2 유압식 스러스트 베어링이 형성된 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
9. 제3항에 있어서, 상기 환형 디스크의 개방 단부에 테이퍼형 모세관 밀봉부가 형성되고, 상기 테이퍼형 모세관 밀봉부는 윤활 유체를 상기 베어링 간극부 내에 밀봉시키는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
10. 제7항에 있어서, 상기 제2 환형 디스크의 개방 단부에 제2 테이퍼형 모세관 밀봉부가 형성되고, 상기 제2 테이퍼형 모세관 밀봉부는 윤활 유체를 상기 베어링 간극부 내에 밀봉시키는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
11. 디스크 드라이브용 스핀들 모터에 있어서,

    대경부와 소경부를 구비하며 또한 이들 사이에 형성된 계단부를 구비하는 고정 축과,

    축이 안으로 삽입되는 원통형 중앙 개구를 구비하는 회전 가능한 베어링 슬리브와,

    고정 축과 회전 가능한 베어링 슬리브 사이에 형성되며 윤활 유체로 채워지는 베어링 간극부와,

    상기 계단부의 영역 내에서 상기 축 상에 고정되게 장착된 스러스트 판과,

    기부 프레임과,

    하우징 커버를 포함하고,

    상기 고정 축의 한 단부는 기부 프레임에 고정되고 고정 축의 타 단부는 하우징 커버에 고정된 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
12. 제11항에 있어서, 상기 원통형 중앙 개구를 밀봉시키도록 상기 베어링 슬리브 안에 환형 디스크를 배치하되 상기 환형 디스크와 상기 스러스트 베어링이 대향된 관계로 위치되도록 배치한 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
13. 제12항에 있어서, 유압식 스러스트 베어링이 상기 스러스트 판과 상기 환형 디스크 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.
14. 제12항에 있어서, 상기 환형 디스크의 개방 단부에 테이퍼형 모세관 밀봉부가 형성되고, 상기 테이퍼형 모세관 밀봉부는 윤활 유체를 상기 베어링 간극부 내에 밀봉시키는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브용 스핀들 모터.