KR20040041456A - Air dynamic bearing, spinddle motor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 공기동압 베어링 및 이를 채용한 스핀들 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 베어링의 윤활특성 및 내마모 특성을 향상시키기 위하여 샤프트와슬리이브에 공기 베어링으로 적합한 코팅을 실시한 공기동압 베어링 및 스핀들 모터에 관한 것이다.The present invention relates to a pneumatic hydrodynamic bearing and a spindle motor employing the same, and more particularly, to a pneumatic bearing and a spindle motor having a suitable coating as an air bearing on the shaft and the sleeve in order to improve the lubrication characteristics and wear resistance characteristics of the bearing. It is about.
일반적으로 회전축을 지지하는 기계요소를 베어링이라 하며, 회전축과 고정체 사이에 미끄럼 요소로 윤활유를 사용하는 베어링을 유체 베어링이라 한다. 특히, 외부장치에 의해 압력을 부가하지 않고 베어링 표면의 형상과 운동에 의한 쐐기 효과(wedge effect)를 이용하여 부하용량(load carring capacity)을 얻는 유체 베어링을 유체동압 베어링(hydro-dynamic bearing)이라 한다.Generally, a mechanical element supporting a rotating shaft is called a bearing, and a bearing using lubricating oil as a sliding element between the rotating shaft and the fixed body is called a fluid bearing. In particular, a fluid bearing that obtains a load carring capacity using a wedge effect due to the shape and movement of the bearing surface without applying pressure by an external device is called a hydro-dynamic bearing. do.
근래 들어, 고정밀도와 고속회전을 요구하는 기기 즉, 하드디스크 드라이브, 광디스크 드라이브 및 각종 디지털 광학 기기등에는 회전체 계(rotor system)의 성능을 향상시키기 위하여 높은 회전속도와 낮은 Non-repeatable Runout(NRRO) 및 낮은 소음 그리고 충격 흡수 등이 요구되어지는 바, 이를 수용하기 위하여 다양한 형태의 베어링 및 이를 적용한 모터가 개발되고 있다.Recently, high rotation speed and low non-repeatable runout (NRRO) are used to improve the performance of the rotor system for devices requiring high precision and high speed rotation, such as hard disk drives, optical disk drives, and various digital optical devices. ) And low noise and shock absorption are required. To accommodate this, various types of bearings and motors using the same have been developed.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 볼 베어링이 적용된 스핀들 모터를 나타낸 도면이다.1 and 2 is a view showing a spindle motor to which a ball bearing according to the prior art is applied.
이를 참조하면 중앙부분에 소정 높이의 모터를 구성하는 고정축(100)이 마련된 베이스(160)의 상부에 모터를 구성하는 고정자인 스테이터(170)가 마련된다. 상기 고정축(100)의 상하에는 베어링(130)이 설치되어 있다. 상기 베어링(130)의 내륜(131)은 상기 고정축(100)에 압입 고정되고, 외륜(132)은 상기 고정축(100)이 관통한 회전체(120)의 내주면에 압입 고정된다. 상기 회전체(120)의 하부에는 상기 스테이터(170)에 대응하는 것으로 모터를 구성하는 로터(180)가 마련되어 있다.Referring to this, the stator 170, which is a stator constituting the motor, is provided on the upper portion of the base 160 having the fixed shaft 100 constituting the motor having a predetermined height. Bearings 130 are provided above and below the fixed shaft 100. The inner ring 131 of the bearing 130 is press-fitted to the fixed shaft 100, and the outer ring 132 is press-fitted to the inner circumferential surface of the rotating body 120 through which the fixed shaft 100 penetrates. The rotor 180 constituting the motor corresponding to the stator 170 is provided below the rotating body 120.
이상과 같은 구조에 있어서, 상기 회전체(120)는 전형적인 볼 베어링(130)에 의해 지지되어 회전되게 된다. 상기 볼 베어링(130)의 볼(133)은 내륜(131)과 외륜(132)의 대향면에 마련된 반원형 단면을 가지는 그루브 내에 위치하며, 축방향의 하중과 축에 수직인 방향으로의 하중을 지지하기 위하여, 상기 볼(133)은 내륜(131)과 외륜(132)의 대각선 방향으로 일정한 기울기를 가지고 접촉되게 된다. 상기 볼(133)이 내륜(131)과 외륜(132)에 대해 일정한 기울기로 접촉되게 하기 위해서는 볼 베어링(130)을 고정축(100)에 조립한 후에 일정량의 예압(Pre-Load)을 가하게 되어 있다.In the above structure, the rotating body 120 is supported by the typical ball bearing 130 to be rotated. The ball 133 of the ball bearing 130 is located in a groove having a semi-circular cross section provided on the opposite surface of the inner ring 131 and the outer ring 132, and supports the load in the axial direction and the direction perpendicular to the axis. To this end, the ball 133 is in contact with a predetermined slope in the diagonal direction of the inner ring 131 and the outer ring 132. In order for the ball 133 to contact the inner ring 131 and the outer ring 132 at a predetermined inclination, a predetermined amount of pre-load is applied after assembling the ball bearing 130 to the fixed shaft 100. have.
이와 같이 볼 베어링(130)에 의해 회전체가 지지되는 경우, 볼(133)을 통해 접촉되고 있는 내륜(131)과 외륜(132), 그리고 볼(133)은 접촉 구름 운동 및 마찰에 의해 변형이 발생된다. 또한 볼 베어링 제작시 내륜, 외륜, 볼등의 부품들이 가지고 있는 가공오차 등으로 인하여 이에 의해 지지되는 회전체가 불균형적으로 회전되게 된다. 이러한 불균형적 회전에 따른 진동특성을 조사해 보면 다양한 인자에 의한 불규칙 진동이 발생되는데, 특히 불규칙 회전 응답 진폭(NRRO; Non-Repeatable Run-Out)이 크게 나타난다.When the rotating body is supported by the ball bearing 130 as described above, the inner ring 131, the outer ring 132, and the ball 133, which are in contact through the ball 133, are deformed by contact rolling motion and friction. Is generated. In addition, due to the processing error of the inner ring, outer ring, ball, etc. parts produced during the production of the ball bearing, the rotating body supported by it is rotated disproportionately. Investigation of the vibration characteristics caused by such an unbalanced rotation generates irregular vibrations due to various factors. In particular, the non-repeatable run-out (NRRO) is large.
이러한 불규칙 회전 진동 진폭은 초정밀 진동 특성이 요구되는 고밀도 저장기기용 스핀들 모터의 성능을 저하시키는 원인이 되게 된다. 볼 베어링으로 지지되는 회전체 시스템의 진동특성을 향상시키기 위해서는 볼베어링을 초정밀 가공을 하는 방법도 있지만, 접촉 지지에 의한 마모, 마찰열 등의 발생으로 회전체 시스템의 내구성 측면에서도 문제가 되고 있다. 최근에는 베어링의 소재로 세라믹등을 적용하는 구조가 제안된 바 있지만, 세라믹의 재료 특성상 가공이 어렵고, 그 단가가 높은 문제가 있다.Such irregular rotation vibration amplitude causes a decrease in the performance of the spindle motor for a high density storage device which requires ultra-precision vibration characteristics. In order to improve the vibration characteristics of the rotor system supported by the ball bearings, there is also a method of ultra-precision machining of the ball bearings, but there is a problem in terms of durability of the rotor system due to wear and frictional heat caused by contact support. Recently, a structure for applying ceramics and the like as a bearing material has been proposed. However, due to the material properties of the ceramic, machining is difficult and the unit cost is high.
이러한 볼 베어링의 문제점을 해결하고자 개발된 것이 유체동압 베어링이며, 이때의 유체동압 베어링은 전술한 볼 베어링에 비해 비접촉 방식으로 사용되는 특징으로 인해 수명의 연장과 댐핑(damping)에 의한 진동특성의 향상 그리고 저마찰 소음 등의 동특성이 매우 우수한 이점으로 정밀 소형 모터의 베어링으로 각광받고 있다.The hydrodynamic bearing was developed to solve the problems of the ball bearing, and the hydrodynamic bearing at this time is used in a non-contact manner as compared to the above-described ball bearing, thereby extending the life and improving vibration characteristics by damping. In addition, it has been spotlighted as a bearing of a precision small motor because of its excellent dynamic characteristics such as low friction noise.
그러나, 이와 같은 유체동압 베어링 역시, 유체 입자 즉, 윤활제로 사용되는 오일의 누유로 인한 기기의 오염 및 신뢰성 저하의 문제점을 발생시키는 단점으로 정밀 기기에서는 채용이 곤란한 단점이 있다.However, such a hydrodynamic bearing also has a disadvantage in that it is difficult to employ in precision instruments due to the disadvantage of generating a problem of contamination and reliability of the device due to leakage of fluid particles, that is, oil used as a lubricant.
상기와 같은 유체동압 베어링이 갖는 오일 누유에 의한 문제점을 해소하면서 고속회전과 고정밀도의 특성실현이 가능한 것이 공기 베어링이다.The air bearing is capable of realizing high-speed rotation and high precision while solving the problems caused by oil leakage of the hydrodynamic bearing as described above.
이때의 상기 공기 베어링은 윤활제로 사용되는 오일 대신 공기를 윤활제를 사용하는 베어링으로서, 오일 누유에 의한 오염 및 구동특성 저하와 같은 문제점이 없으므로 정밀 기기에 많이 채용되고 있다.At this time, the air bearing is a bearing using air as a lubricant instead of the oil used as a lubricant, and there are no problems such as contamination due to oil leakage and deterioration of driving characteristics.
이러한 공기 베어링은 크게 공기정압 베어링과 공기동압 베어링으로 대별되는 바, 하드디스크 드라이브 , 디지털 VTR, 레이저 빔 프린터 등과 같이 초정밀도가 요구되는 기기에는 공기동압 베어링을 채용한 스핀들 모터가 채용된다.These air bearings are largely classified into pneumatic bearings and pneumatic bearings. Spindle motors employing pneumatic bearings are employed in devices that require high precision, such as hard disk drives, digital VTRs, and laser beam printers.
도 3은 종래 기술에 따른 공기동압 베어링을 적용한 스핀들 모터의 단면도를 도시한 것이다.Figure 3 shows a cross-sectional view of a spindle motor to which the pneumatic hydrodynamic bearing according to the prior art is applied.
이에 나타내 보인 바와 같이, 스핀들 모터(1)는 중앙부에 관형상의 버링부(3;burring 部)를 돌출시킨 프레임(2)을 구비하며, 상기 버링부(3)의 내경부에는 관형상의 슬리이브(10)가 끼워지는 구조이고, 그 외경부로는 외주연 단부로 코일(31)이 감겨진 코어(32)로 이루어지는 스테이터(30)가 고정 장착되는 구조이다.As shown in this figure, the spindle motor 1 has a frame 2 which protrudes a tubular burring part 3 in the center part, and has a tubular sleeve in the inner diameter part of the burring part 3. The outer diameter portion is a structure in which the eve 10 is fitted, and the stator 30 made of the core 32 wound around the outer circumferential end is fixedly mounted.
한편, 상기 슬리이브(10)의 내주연으로는 원통체의 베어링 샤프트(20)가 결합되어지며, 이때의 상기 슬리이브(10)와 베어링 샤프트(20)는 수마이크로미터 단위의 미세한 간격을 유지하면서 고속회전시 그 간극사이에 공압을 형성하여 구름 회동되도록 하는 구조이다.On the other hand, the inner periphery of the sleeve 10 is coupled to the bearing shaft 20 of the cylindrical body, the sleeve 10 and the bearing shaft 20 at this time maintain a minute interval of several micrometers unit While forming a pneumatic pressure between the gap at high speed rotation is a structure to rotate.
즉, 상기 슬리이브(10)는 상기 베어링 샤프트(20)를 중심으로 상호 공회전될 수 있도록 지지되어지는 것으로, 상기 슬리이브(10)와 베어링 샤프트(20) 사이에는 베어링면이 형성되어 있어 이를 통해 비접촉 회전되게 지지되는 것이다.That is, the sleeve 10 is to be supported so as to be mutually idling about the bearing shaft 20, the bearing surface is formed between the sleeve 10 and the bearing shaft 20 through this It is supported to be in contactless rotation.
이와 같이 상기 슬리이브(10)와 베어링 샤프트(20)에 베어링면을 형성함에 있어서는 도시되지는 않았으나 상기 슬리이브(10)의 내주면 상에 동압 발생 그루브를 형성하거나, 또는 베어링 샤프트(20)의 외주면에 동압 발생 그루브를 형성하여 상호간의 회전시 발생되는 공기의 압력을 이용하여 상호 비접촉 지지되게 되는 것이다.Although not shown in forming a bearing surface on the sleeve 10 and the bearing shaft 20 as described above, a dynamic pressure generating groove is formed on the inner circumferential surface of the sleeve 10 or the outer circumferential surface of the bearing shaft 20. Dynamic pressure generating grooves are formed in the non-contact support to each other using the pressure of the air generated during the rotation between each other.
한편, 상기 슬리이브(10)의 외주연 일단에는 주연부로 확장되면서 그 끝단부가 하향 연장된 캡형상을 갖는 스커트부(11)가 일체로 형성된다.On the other hand, one end of the outer periphery of the sleeve 10 is integrally formed with a skirt portion 11 having a cap shape extending to the periphery thereof and extending downwardly.
이러한, 상기 스커트(11)의 내주연에는 상기 스테이터(30)와 일정 공극을 두고 배치되는 링형상의 마그네트(15)가 고정되는 바, 이때의 상기 마그네트(15)는 전원이 인가되는 상기 스테이터(30)와 상호작용에 의한 전자기력을 발생시켜 결과적으로 베어링 샤프트(20)를 중심으로 슬리이브(10)가 회전될 수 있게 한다.The ring magnet 15 is fixed to the inner circumference of the skirt 11 at a predetermined gap with the stator 30. At this time, the magnet 15 is the stator (to which power is applied). Electromagnetic force generated by interaction with 30) consequently allows the sleeve 10 to rotate about the bearing shaft 20.
상기와 같이 구성되는 공기 베어링이 적용된 스핀들 모터는 슬리이브(10)와 베어링 샤프트(20)가 수 마이크로미터 단위의 미세한 간격을 유지하면서 고속 회전시 그 간극 사이에 공압을 형성하여 구름 회동을 하게 되는데, 이때 상기 간극으로 유입되는 공기와 작동면 사이에서 건성 마찰력이 크게 작용하고 그로 인해 열이 발생하면서, 작동면에 변형을 야기시키게 된다.In the spindle motor to which the air bearing is configured as described above, the sleeve 10 and the bearing shaft 20 maintain a minute interval of several micrometers, and form a pneumatic pressure between the gaps at high speed to perform rolling rotation. In this case, the dry friction force acts greatly between the air flowing into the gap and the working surface, and as a result, heat is generated, causing deformation of the working surface.
또한, 베어링의 구동시에는 마찰 접촉면에서 마모 파티클(particle)이 간극 사이로 유입될 경우 베어링이 작동하지 않는 경우가 발생한다. 그러므로 공기동압 베어링을 구성하는 각 부품의 재질은 열팽창 계수가 작아야 하며, 접촉면의 마찰계수가 낮고, 경질의 내마모성이 있어야 한다.In addition, when the bearing is driven, the bearing does not operate when the wear particles (particles) flow in the gap between the friction contact surface occurs. Therefore, the material of each component constituting the pneumatic bearing should have a low coefficient of thermal expansion, a low coefficient of friction of the contact surface, and a hard wear resistance.
또한, 가공성이 좋아야 하며 내식성이 있어야 한다.In addition, workability should be good and corrosion resistance.
이러한 조건들을 감안하여 종래에는 베어링의 구동시 슬리이브(10) 및 베어링 샤프트(20) 간의 건성마찰(dry friction)로 인한 마모를 줄이기 위해 상기 베어링 샤프트(20)를 스테인레스 스틸로 성형하고, 상기 슬리이브(10)는 니켈이 도금된 스틸로 성형한 것을 채용하였다.In view of these conditions, in the related art, the bearing shaft 20 is formed of stainless steel in order to reduce wear due to dry friction between the sleeve 10 and the bearing shaft 20 when the bearing is driven. The eve 10 was formed of nickel plated steel.
즉, 종래의 방법은 Ni(Ni, Ni-P, Ni-B)를 전기화학도금 또는 무전해 침전방법을 이용 슬리이브(10)에 도금하였다. 이때 니켈필름의 두께는 상기 슬리이브(10), 베어링 샤프트(20)의 접촉시 받는 하중에 따라 달라진다.That is, in the conventional method, Ni (Ni, Ni-P, Ni-B) was plated on the sleeve 10 using an electrochemical plating or an electroless precipitation method. At this time, the thickness of the nickel film depends on the load received when the sleeve 10, the bearing shaft 20 in contact.
니켈은 오래전부터 장식용, 방식용, 그리고 내마모용으로 많이 쓰여왔다. 니켈 코팅은 인(P), 붕소(133)의 양을 적절히 조절해서 경도를 700HV까지 올릴 수 있고, 열처리를 함으로써 1100HV까지도 높일 수가 있었다. 그러나, 니켈 코팅의 문제점은 경도를 올릴 수 있는데 한계가 있고(∼1100HV), 또한 이정도의 경도를 얻기 위해서는 열처리를 해야하는데, 열처리에의한 치수변형과 코팅의 획일성 및 표면조도의 저하를 야기시키는 문제점이 있게 된다.Nickel has long been used for decorative, anticorrosion and wear resistance. The nickel coating was able to raise the hardness to 700 HV by appropriately adjusting the amounts of phosphorus (P) and boron 133, and to 1100 HV by heat treatment. However, the problem of nickel coating is that there is a limit to increase the hardness (~ 1100HV), and in order to obtain this degree of hardness, heat treatment is required, which causes dimensional deformation and uniformity and surface roughness of the coating. There is a problem.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 슬리이브와 베어링 샤프트의 접촉면에 텅스텐, 주석과 산화피막, 불소수지 계열의 PTFE와 크롬 등을 코팅함므로써 윤활 성능과 내마모 특성을 향상시켜 수명이 길어지도록 하는 공기동압 베어링을 제공하는 데 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, by coating tungsten, tin and oxide film, fluororesin PTFE and chromium on the contact surface of the sleeve and the bearing shaft to improve the lubrication performance and wear resistance characteristics It is an object to provide a pneumatic hydrodynamic bearing which has a long service life.
본 발명의 또 다른 목적은, 텅스텐, 주석과 산화피막, 불소수지 계열의 PTFE와 크롬 등이 코팅된 슬리이브와 베어링 샤프트를 채용하여 구동특성을 개선시킨 스핀들 모터를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a spindle motor having improved driving characteristics by adopting a tungsten, tin and oxide film, a fluorine resin-based PTFE and chromium-coated sleeve and a bearing shaft.
도 1은 종래 기술에 따른 볼 베어링이 적용된 스핀들 모터 조립체를 개략적으로 나타낸 단면도.1 is a schematic cross-sectional view of a spindle motor assembly to which a ball bearing according to the prior art is applied.
도 2는 종래 기술에 따른 볼 베어링을 개략적으로 나타낸 단면도.Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a ball bearing according to the prior art.
도 3은 일반적인 공기동압 베어링이 적용된 스핀들 모터를 나타낸 종단면도.3 is a longitudinal sectional view showing a spindle motor to which a general pneumatic hydrodynamic bearing is applied.
도 4는 본 발명에 따른 공기동압 베어링을 나타낸 분해 사시도.Figure 4 is an exploded perspective view showing a pneumatic hydrodynamic bearing in accordance with the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 : 스핀들 모터 2 : 프레임1: spindle motor 2: frame
3 : 버링부 10 : 슬리이브3: burring part 10: sleeve
11 : 스커트부 15 : 마그네트11: skirt 15: magnet
20 : 베어링 샤프트 30 : 스테이터20: bearing shaft 30: stator
31 : 코일 32 : 코어31 coil 32 core
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 공기동압 베어링은, 베어링 샤프트와, 상기 샤프트에 외주면에 끼워진 슬리이브를 포함하는 공기동압 베어링에 있어서, 상기 슬리이브와 면 마찰되는 상기 샤프트의 외주면은 텅스텐 소재로 코팅된 것을 특징으로 한다.In the pneumatic hydrodynamic bearing according to the present invention for realizing the above object, a pneumatic hydrodynamic bearing comprising a bearing shaft and a sleeve fitted to the outer peripheral surface of the shaft, the outer peripheral surface of the shaft in surface friction with the sleeve is tungsten It is characterized by being coated with a material.
또한, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 상기 공기동압 베어링은, 베어링 샤프트와, 상기 샤프트에 외주면에 끼워진 슬리이브를 포함하는 공기동압 베어링에 있어서, 상기 샤프트의 외주면은 주석으로 코팅되고, 상기 슬리이브의 내주면은 산화피막이 입혀진 것을 특징으로 한다.In addition, the pneumatic hydrodynamic bearing according to the present invention for realizing the above object, in the pneumatic hydrodynamic bearing comprising a bearing shaft and a sleeve fitted to the outer peripheral surface, the outer peripheral surface of the shaft is coated with tin, The inner circumferential surface of the sleeve is characterized in that the oxide film is coated.
또한, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 공기동압 베어링은, 베어링 샤프트와, 상기 샤프트에 외주면에 끼워진 슬리이브를 포함하는 공기동압 베어링에 있어서, 상기 샤프트의 외주면은 불소수지 계열의 PTFE로 코팅되고, 상기 슬리이브의 내주면은 크롬으로 코팅된 것을 특징으로 한다.In addition, the pneumatic hydrodynamic bearing according to the present invention for realizing the above object, the pneumatic hydrodynamic bearing comprising a bearing shaft and a sleeve fitted to the outer peripheral surface of the shaft, the outer peripheral surface of the shaft is made of fluorocarbon PTFE It is coated, the inner peripheral surface of the sleeve is characterized in that coated with chromium.
본 발명에 따른 공기동압 베어링이 적용된 스핀들 모터는, 중앙에 관형상의 버링부를 돌출시킨 판재형의 프레임과, 상기 버링부의 외경부에 고정 장착되는 것으로 외주연 단부로 코일이 감겨진 코어로 구성된 스테이터와, 상기 버링부의 내경부에 끼워지는 것으로 내주면에 공기동압 발생용 그루브가 형성되면서 일정 두께의 코팅층이 형성된 중공의 몸체를 구비하고, 이 몸체의 외주연 단부가 캡형상으로 일체 성형된 스커트부를 형성한 슬리이브와, 상기 슬리이브의 스커트부 내주연에 고정 장착되는 것으로 상기 스테이터 코어와 공극을 두고 대향 배치되는 마그네트와, 상기 슬리이브의 내경부로 수마이크로미터의 미세간격을 두고 끼워지는 것으로 외주면에 공기동압 발생용 그루브가 형성되면서 일정두께의 코팅층이 형성된 베어링 샤프트를 포함하여 구성된 것을 그 특징으로 한다.The spindle motor to which the pneumatic hydrodynamic bearing according to the present invention is applied is a stator including a plate-shaped frame which protrudes a tubular burring portion in the center, and a core wound on an outer circumferential end by being fixedly mounted to an outer diameter of the burring portion. And a hollow body having a coating layer having a predetermined thickness while a groove for generating air dynamic pressure is formed on an inner circumferential surface by being inserted into an inner diameter portion of the burring portion, and an outer peripheral end of the body forms a skirt portion integrally formed in a cap shape. A sleeve, a magnet fixedly mounted to the inner periphery of the skirt of the sleeve, the magnet being opposed to the stator core with a gap therebetween, and the outer peripheral surface of the sleeve having a micro-micrometer spacing between the sleeve and the inner diameter of the sleeve Pneumatic pressure generating groove is formed on the bearing shaft It will be in its being constructed.
본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 베어링 샤프트의 외주면 코팅소재는 텅스텐인 것에 있다.As a preferable feature of the present invention, the outer circumferential surface coating material of the bearing shaft is tungsten.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 슬리이브의 내주면에는 산화피막층이 형성되고, 상기 베어링 샤프트의 외주면 코팅소재는 주석인 것에 있다.As another preferable feature of the present invention, an oxide film layer is formed on the inner circumferential surface of the sleeve, and the coating material on the outer circumferential surface of the bearing shaft is tin.
본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 슬리이브의 내주면 코팅소재는 크롬이고, 상기 베어링 샤프트의 외주면에 코팅소재는 불소수지 계열의 PTFE인 것에 있다.In another preferred aspect of the present invention, the inner circumferential surface coating material of the sleeve is chromium, and the coating material on the outer circumferential surface of the bearing shaft is fluororesin-based PTFE.
이하 본 발명에 따른 공기동압 베어링 및 이를 적용한 스핀들 모터의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of a pneumatic hydrodynamic bearing and a spindle motor using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명에 따른 공기동압 베어링을 나타낸 분해 사시도로서, 이하에서는 도 3을 참조하여 설명하며 동일부품에는 동일한 부호를 부여하였다.4 is an exploded perspective view showing a pneumatic hydrodynamic bearing according to the present invention, which will be described below with reference to FIG. 3 and the same reference numerals are given to the same parts.
먼저, 도 3에 나타내 보인 스핀들 모터의 구성을 간략히 설명하면 다음과 같다.First, the configuration of the spindle motor shown in FIG. 3 will be briefly described as follows.
스핀들 모터(1)는 크게 프레임(2)과 슬리이브(10)와 베어링 샤프트(20) 및 스테이터(30)로 구성되는 바, 상기 베어링 샤프트(20)와 이 베어링 샤프트(20)의 외주연으로 수 마이크로미터의 미세한 간격으로 구비되는 슬리이브(10) 사이에 공압을 형성되게 하여 비접촉 회전을 이루도록 하는 특징을 갖는다.The spindle motor 1 is composed of a frame 2, a sleeve 10, a bearing shaft 20, and a stator 30. The spindle motor 1 has an outer periphery of the bearing shaft 20 and the bearing shaft 20. Pneumatic pressure is formed between the sleeves 10 provided at minute intervals of several micrometers to achieve non-contact rotation.
프레임(2)은 중앙부에 관형상의 버링부(3)가 돌출 형성되는 바, 이때의 버링부(3)의 내경부로는 관형상을 갖는 슬리이브(10)가 끼워지는 구조이고, 그 외경부로는 외주연 단부로 코일(31)이 감겨진 코어(32)로 구성되는 스테이터(30)가 고정 장착되는 구조이다.The frame 2 has a tubular burring portion 3 protruding from the center portion, and the inner diameter portion of the burring portion 3 has a structure in which a sleeve 10 having a tubular shape is fitted into the inner diameter portion thereof. Is a structure in which the stator 30 composed of the core 32 wound around the coil 31 is fixedly mounted.
슬리이브(10)는 대략 내부가 빈 원통 형상의 부재를 구비하고, 이 부재의 외주연 단부를 확장시킨 상태에서 하향 연장한 즉, 스커트부(11)를 일체로 형성한 것으로서, 그 원통 부재의 내주연으로는 베어링 샤프트(20)가 수마이크로 미터의 간격을 두고 끼워지는 구조이다. 한편, 상기 스커트부(11)의 내주연으로는 후술할 스테이터(30)와의 상호작용에 의해 전자기력을 발생시키는 링형상의 마그네트(15)가 부착 고정되는 구성이다.The sleeve 10 is provided with a cylindrical member having an approximately hollow interior and extends downward in a state in which the outer peripheral end of the member is extended, that is, the skirt portion 11 is integrally formed. In the inner circumference, the bearing shaft 20 is fitted at intervals of several micrometers. On the other hand, the inner periphery of the skirt portion 11 is a configuration that the ring-shaped magnet 15 for generating an electromagnetic force by interaction with the stator 30 to be described later is attached and fixed.
여기서, 상기 슬리이브(10)와 베어링 샤프트(20)는 상호 수 마이크로미터 단위의 미세한 간격을 유지하면서 고속 회전시 그 간극사이에 공압을 형성하여 구름 회동되도록 하는 구조로서, 상기 슬리이브(10)와 베어링 샤프트(20)의 상호 대향하는 면에는 고속 회전시 공기를 이용한 동압 발생용 그루브가 형성되어 상호 비접촉 회전지지된다.Here, the sleeve 10 and the bearing shaft 20 is a structure for forming a pneumatic pressure between the gap during high-speed rotation while maintaining a fine interval of a few micrometers of each other, so that the sleeve 10, the sleeve 10 On the mutually opposing surfaces of the and the bearing shaft 20, grooves for generating dynamic pressure using air during high-speed rotation are formed so as to be non-contacted with each other.
베어링 샤프트(20)는 상술한 슬리이브(10)의 내주연에 공기동압을 형성하기 위한 미세간극을 두고 삽입되며, 그 외주면으로는 공기동압을 발생시키기 위한 그루브(미도시)가 형성되는 원통체의 형상으로 구비된다.The bearing shaft 20 is inserted with a microgap for forming air dynamic pressure at the inner circumference of the sleeve 10 described above, and a cylindrical body in which a groove (not shown) is formed at its outer circumferential surface to generate air dynamic pressure. It is provided in the shape of.
스테이터(30)는 상기 프레임(2)의 버링부(3) 외경부에 고정 장착되어지는 구조로 외주연 단부에 코일(31)이 감겨진 코어(32)로 구성된다. 이러한 코일(31)은 외부로부터 인가되는 전원을 공급받도록 배선되어진다.The stator 30 is configured to be fixedly mounted to the outer diameter portion of the burring portion 3 of the frame 2 and is composed of a core 32 wound around a coil 31 at an outer circumferential end thereof. The coil 31 is wired to receive power applied from the outside.
이와 같이 구성되는 스핀들 모터(1)는 스테이터(30)에 전원이 인가되면, 이 스테이터(30)와 마그네트(15) 간에 전자기력이 발생되고, 이 전자기력에 의해 회전자인 슬리이브(10)가 베어링 샤프트(20)를 중심으로 회전을 이루게 되는 것이다.When power is applied to the stator 30 in the spindle motor 1 configured as described above, an electromagnetic force is generated between the stator 30 and the magnet 15, and the sleeve 10, which is a rotor by the electromagnetic force, becomes a bearing shaft. (20) will be made around the rotation.
이와 같은 구성은 일반적인 공기동압 베어링이 적용된 스핀들 모터의 구조와 대동소이하다.This configuration is similar to the structure of a spindle motor to which a general pneumatic hydrodynamic bearing is applied.
다만, 본 발명은 슬리이브와 베어링 샤프트의 상호 대향하는 면 즉, 베어링면을 형성하는 각각의 면에 윤활특성과 내마모 특성을 향상시키기 위한 코팅재를 코팅시킨 것에 특징이 있다.However, the present invention is characterized in that the coating material for improving the lubrication characteristics and wear resistance characteristics on the surfaces of the sleeve and the bearing shaft that face each other, that is, the bearing surfaces.
먼저, 공기동압 베어링의 특성을 향상시키기 위한 코팅재의 선택시 다음과 같은 사항이 고려되어야 한다.First, the following considerations should be taken into consideration when selecting coating materials to improve the characteristics of pneumatic bearings.
즉, 열팽창 계수가 낮고, 접촉면의 마찰계수가 작아야 하고, 내마모성이 있어야 하며, 내식성이 있고, 가공성이 좋아야 한다.That is, the coefficient of thermal expansion should be low, the friction coefficient of the contact surface should be small, the wear resistance should be high, the corrosion resistance should be good, and the workability should be good.
이와 같은 조건들을 만족시키는 슬리이브(10)와 베어링 샤프트(20)의 모재와, 이 모재에 코팅되는 코팅재로 다음과 같은 재질이 사용된다.The following materials are used as the base material of the sleeve 10 and the bearing shaft 20 satisfying such conditions, and the coating material coated on the base material.
먼저, 상기 슬리이브(10)와 베어링 샤프트(20)의 모재는 알루미늄(Aluminum) 또는 스테인레스 스틸(Stainless Steel)이 사용된다.First, the base material of the sleeve 10 and the bearing shaft 20 is aluminum (Aluminum) or stainless steel (Stainless Steel).
다음, 이와 같은 모재에 코팅되는 코팅재는 표 1와 같은 조합으로 코팅한다.Next, the coating material coated on such a base material is coated in a combination as shown in Table 1.
[표 1]TABLE 1
즉, 표 1에 나타난 바와 같이,That is, as shown in Table 1,
상기 '코팅 조합 1'은 알루미늄 또는 스테인레스 스틸로 된 베어링 샤프트(20)의 외주면에만 텅스텐(Tungsten)으로 코팅한다.The 'coating combination 1' is coated with tungsten only on the outer circumferential surface of the bearing shaft 20 made of aluminum or stainless steel.
여기서, 알루미늄(aluminium)은 전성(展性) ·연성(延性)이 풍부하고 비중이 작으며, 열 ·전기의 전도성이 크고 대기 중에서의 내식성이 강하며, 스테인레스스틸(stainless steel)은 통상의 철이 갖는 최대 결점이 내식성(耐蝕性)의 부족을 개선한 내식용 강(鋼)이다.Here, aluminum is rich in malleability, ductility, low specific gravity, high conductivity of heat and electricity, strong corrosion resistance in the atmosphere, and stainless steel is made of ordinary iron. The biggest fault which it has is corrosion resistance steel which improved the lack of corrosion resistance.
상기 '코팅 조합 2'는 슬리이브(10)의 내주면에는 산화피막을 코팅하고, 베어링 샤프트(20)의 외주면에는 주석을 코팅한다.The 'coating combination 2' is coated with an oxide film on the inner circumferential surface of the sleeve 10, and the tin is coated on the outer circumferential surface of the bearing shaft 20.
여기서, 상기 산화피막(oxide film)은 내식성과 내구성을 강하게 하여 수명을 연장시키며, 주석(tin)은 공기 중에서 잘 변하지 않는 성질을 갖는 금속이다.In this case, the oxide film has a strong corrosion resistance and durability to prolong the life, and tin is a metal that does not change well in air.
상기 코팅 조합 3은 베어링 샤프트(20)의 외주면에는 불소수지 계열의 PTFE를 코팅하고, 슬리이브(10)의 내주면에는 크롬으로 코팅한다.The coating combination 3 is coated with a fluororesin-based PTFE on the outer peripheral surface of the bearing shaft 20, and coated with chromium on the inner peripheral surface of the sleeve 10.
여기서, 상기 불소수지 계열의 PTFE은 화학적 물리적 특성을 지닌 불소탄화계로서 통상 페인트처럼 스프레이 후 일정온도에서 소성을 거치면 비활성의 단단한 코팅층을 형성하며, 화학적 비활성화 및 내열성, 우수한 절연 안정성, 낮은 마찰계수를 갖는 특징이 있다. 또한, 크롬(chromium)은 내식성(耐蝕性) 및 내열성이 뛰어난 성질을 가지고 있다.Here, the fluororesin-based PTFE is a fluorocarbon system having chemical and physical properties, and when fired at a predetermined temperature after spraying like a paint, it forms an inert hard coating layer, and has chemical inactivation and heat resistance, excellent insulation stability, and low coefficient of friction. There is a characteristic to have. In addition, chromium has properties of excellent corrosion resistance and heat resistance.
이들 코팅재들을 상기한 슬리이브(10)의 내주면과 베어링 샤프트(20)의 외주면에 코팅하여 사용될 경우 윤활 및 내마모 측면에서 우수한 특성을 나타내므로, 이를 채용한 스핀들 모터의 구동특성이 개선되면서 그 수명이 연장될 수 있게 된다.When these coatings are coated on the inner circumferential surface of the sleeve 10 and the outer circumferential surface of the bearing shaft 20, the coating materials exhibit excellent characteristics in terms of lubrication and abrasion, and thus improve the driving characteristics of the spindle motor employing the same. This can be extended.
상기와 같은 본 발명에 따른 공기동압 베어링은, 모재 및 코팅재를 사용함에 따라 공기동압 베어링의 내구성과 신뢰성을 보장하게 되며, 공압 베어링의 수명을확실히 보장함과 아울러 코팅 비용을 절감함으로써 하드디스크 드라이버 및 청소기 모터 등과 같은 실제품에 적용하면서 제품들의 성능을 증강시키게 되는 효과가 있다.The pneumatic hydrodynamic bearing according to the present invention as described above, by using the base material and the coating material to ensure the durability and reliability of the pneumatic pneumatic bearing, to ensure the life of the pneumatic bearing and to reduce the cost of the hard disk driver and While applying to a real product such as a cleaner motor, there is an effect to enhance the performance of the products.
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