KR200464390Y1 - 스핀들 유닛 - Google Patents

Abstract

본 고안은 스핀들 유닛 위에서 회전하는 스핀들 샤프트를 지지하기 위한 수단으로서 공기 베어링을 이용하는 스핀들 유닛에 관한 것이다. 스핀들 유닛은 스핀들 샤프트의 드릴 단부와 액추에이터 코일의 주위 영역을 냉각할 수 있는 냉각 시스템을 포함하고, 특히 상기 냉각 시스템은 상기 영역에서 접촉 냉각 기능을 제공하기 위한 냉각 매체로써 냉각제(물 또는 오일)를 이용한다. 냉각 시스템은 유닛의 구조적 단일성과 정밀성이 유지될 수 있도록 스핀들 유닛 내에 일체 구성된다. 스핀들 유닛의 공기 베어링은 축방향 및 반경방향 지지부를 회전하는 스핀들 샤프트로 제공하기 위하여 공기 흡입량을 증가시키는 흡입 슬롯과 흡입구를 포함한다. 공기 베어링은 스핀들 샤프트의 드릴 단부에 인접한 영역이 냉각될 수 있도록 이를 통해 냉각제가 흐르도록 구성된다. 본 고안의 스핀들 유닛은 드릴링 머신, 특히 PCB 드릴링 머신과 같은 고속 드릴링 머신에서 이용하기에 적합하다. 스핀들 유닛의 부품들이 자체적인 기능에 따라 작동됨에 따라 스핀들 유닛은 용이하게 조립되고, 재조립되며, 수리되고 및 보수될 수 있다.

공기 베어링, 스핀들 유닛

Description

스핀들 유닛{SPINDLE UNIT}

본 고안은 스핀들 유닛에 관한 것으로, 특히 스핀들을 지지하기 위한 수단으로써 공기 베어링을 이용하는 스핀들 장치에 관한 것이며, 상기 스핀들 유닛은 인쇄회로기판(PCB) 드릴링 머신과 같은 고속 드릴링 머신 상에서 이용될 수 있다.

기술이 진보되고 개선됨에 따라 고-정밀 전자 장치의 요구사항이 증가되어 져 왔다. 이러한 요구 사항의 증가로 인해 장치 내에서 주요 부품들의 드릴링 공정이 보다 중요하게 작용되어 져 왔다. 실질적으로 PCB는 대부분의 전자 장치에 있어서 기초가 되는 요소들 중 하나이다. PCB의 드릴링 공정은 보다 중요하며, 우수한 수익률을 가지도록 높은 정밀도를 가져야 한다. 고속으로 회전하는 드릴을 포함하는 스핀들 유닛은 고속 드릴링의 본질이다. 현재, 스핀들 유닛 내에서 회전하는 스핀들을 지지하기 위한 수단으로써 공기 베어링의 이용함으로써 고속 및 고 정밀성의 드릴링을 효과적으로 수행할 수 있다.

도 1은 하우징(10)의 내부에 형성된 챔버(11)에서 스핀들(1)을 회전하도록 지지하기 위하여 공기 베어링(A, B, C)을 이용하는 공지된 스핀들 드릴링 장치의 횡단면도를 도시한다. 스핀들 장치는 스핀들(1)을 회전 구동시키는 원통형 모터를 포함한다. 파워가 하우징(1) 내의 액추에이터 모터 코일(12)(스타터)로 공급될 때, 구리와 같은 전도성 재료 또는 금속으로 제조된 외부 링(9)(로터)을 가진 스핀들(1)은 축 O 상에서 회전 구동한다. 스핀들(1)의 단부(2)에 부착된 드릴(3)은 스핀들(1)의 회전과 함께 회전하도록 구동될 수 있다.

가압된 공기 또는 가스는 스핀들 장치의 공기 유입부(14, 16)로 공급되고, 그 뒤 가압된 공기는 스핀들(1)이 챔버(11) 내에서 회전하는 동안 공기의 쿠션에 의해 지지되도록 공기 베어링(A, B, C)의 공기 배출부(13, 15)로부터 배출된다. 상기 공기 베어링(A, B)(레이디얼 베어링)은 반경 방향으로 스핀들(1)을 지지할 수 있으며, 반면 상기 공기 베어링(C)(축방향 베어링)은 공기 배출부(15)로부터 스핀들(1)의 플랜지(4)로 가압된 공기를 배출시킴으로써 축방향으로 스핀들(1)을 지지한다. 스핀들(1)은 반경방향 및 축방향으로 회전하도록 지지되거나 지탱될 수 있다. 스핀들 장치는 드릴링 장치(도시되지 않음)에 장착되거나 부착될 수 있으며, 하부에 위치된 PCB와 같은 작업편(도시되지 않음)의 드릴링 공정을 수행하기 위하여 그리고 스핀들의 축방향으로 상하로 이동시키기 위해 선형 모터에 의해 추가적으로 구동될 수 있다. 스핀들 장치가 분당 수천 또는 수만 회전의 고속으로 회전함에 따라, 부품의 정밀도, 구조적 일체성 및 안정성이 이의 제조 및 구성에 있어서 보다 중요한 인자로 작용한다.

드릴링 장치 또는 스핀들 장치는 장단점을 가진다. 종래 기술의 당업자들에 게 공지된 바와 같이, 드릴링 공정 동안에 발생된 열은 스핀들의 수명과 성능에 상당한 영향을 미친다. 이러한 열은 주요하게 작동 중 액추에이터 모터 코일(12)과 드릴링 공정 동안 작업편과 스핀들의 드릴(2) 사이의 마찰에 의해 발생된다. 스핀들 장치 내의 대부분의 부품들이 금속 또는 금속 합금으로 제조됨에 따라 열과 높은 온도는 이러한 부품들의 기계적인 특성에 상당히 영향을 미치며, 이들의 수명을 감소시킬 수 있다. 이러한 부품들이 마모됨에 따라 드릴 홀과 그릴링 공정의 정밀성이 저하되며, 드릴은 드릴링 공정 동안 크랙이 발생되거나 또는 파단될 수 있다. 스핀들 장치, 특히 모터(12), 공기 베어링(A, B, C) 및 드릴(3)의 부품들의 강성과 기계적인 특성에 대한 열과 높은 온도의 효과는 바람직하지 못한 작동을 방지하기 위하여 주의 깊게 제어되어 져야 한다. 따라서 효과적인 냉각 시스템을 스핀들 장치에 제공해야 하며, 동시에 장치의 부품 정밀성과 구조적 일체성을 유지시켜야 한다.

미국 특허 제 5,798,587호는 냉각 영역의 3가지의 그룹의 냉각 루프(cooling loop)를 제공하는 "고속 스핀들의 냉각 루프"를 기술하며, 여기서, 제 1 그룹은 프론트 베어링 냉각 영역이고, 제 2 그룹은 모터 냉각 영역이며, 제 3 그룹은 리어 베어링 냉각 영역이다. 냉각 장치의 배출부로부터 공급되는 냉각 유체는 스핀들의 후방 단부를 통하여 프론트 베어링 냉각 영역으로 흐르고, 그 뒤 리어 베어링 냉각 영역으로 유입되기 전 모터 냉각 영역으로 흐른다. 냉각 유체는 재차 냉각 장치의 유입부로 이동하여 온도-제어 냉각 루프를 형성한다. 상기 냉각 루프는 베어링 및 액추에이터 모터로 냉각 기능을 제공할 수 있다. 그러나 루프의 구조적 제한점으로 인해 냉각 루프는 선호되는 냉각 기능을 구현하기 위하여 스핀들 장치의 내부 부품을 둘러싸도록 구성되어야 한다. 이는 부품들 사이의 공간에 상당한 정밀성이 요구되고 공기 베어링을 이용하는 스핀들 유닛의 경우 바람직하지 못하다. 특히 금속 또는 전도성 재료로 제조된 나선형 형태의 냉각 루프는 스핀들 장치의 부품과 일치되는 정밀한 형태로 형성되어야 하며, 이에 따라 제조 비용이 감소되고 추가 부분과 복잡성이 제공됨에 따라 장치의 전체적인 구조적 일체성(integrity)이 감소된다. 게다가 상기 냉각 루프는 공기 베어링을 이용하는 스핀들 장치에 대해 실질적인 해결 방법을 제공하지 못한다. 특히 공기 베어링의 외부 주변들이 공기를 유입시킬 수 있는 공기 유입부를 가지며, 상기 냉각 루프는 루프가 베어링의 이부 표면들을 둘러쌈으로써 공기 베어링의 공기 흡입을 방지할 수 있다. 공기 베어링을 포함하는 스핀들 장치 내에 냉각 루프가 제공됨에 따라 베어링의 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 베어링의 강성을 감소시킨다. 추가적으로 냉각 유체의 회로는 루프가 파단되었을 때 차단될 수 있으며, 냉각 유체의 누출로 인해 스핀들 장치의 기능 장애가 발생된다. 이에 따라 장치의 구조적 일체성을 유지시키는 동시에 스핀들 유닛에 보다 효율적인 냉각 시스템을 제공할 필요가 있다.

미국 특허 제 6,373,158호는 "신속 냉각 수단이 제공된 모터 샤프트"를 공개하며, 상기 특허의 공개 내용에 따르면 열 전달을 돕기 위하여 제공된 마이크로-핀으로서 운동 시 스핀들 또는 메인 샤프트의 과열을 방지하기 위하여 스핀들 장치 내에 구성된 복수의 마이크로 핀이 제공된다. 상기 마이크로 핀들은 이러한 마이크로 핀들이 보다 우수하게 열을 분산시키기 위하여 상대적으로 큰 표면 영역을 제공 하도록 하우징 내의 베어링과 액추에이터 모터 코일(스타터)에 인접하게 배열된다. 그러나 이러한 마이크로 핀을 이용하거나 또는 이러한 형상에 따라 효율적이고 비용-효율적인 열 분산 기능을 제공하지 못한다. 상기 마이크로 핀들은 상대적으로 작인 공기 순환부 및 전달부를 가진 스핀들 장치 내에 배열되어 마이크로 핀에 의해 수행되는 열 전달과 분산이 제한된다. 게다가 이러한 마이크로 핀은 주로 휠 베어링 용으로 적합하며, 공기 베어링을 가진 스핀들 내에서 이용됨에 따라 공기 베어링을 하우징으로 그리고 주변으로부터 공기 흡입부로 부착시키는데 방해가 되고, 이에 따라 베어링의 강성, 성능 및 정확성이 감소된다. 하우징의 내부 표면에 마이크로 핀을 형성하고 구성하는데 있어서 보다 많은 제조 비용과 유지비용이 소요되며, 이에 따라 바람직하지 못하다.

공기 베어링을 이용하는 고속 스핀들 장치를 이용하기 위하여, 공기 베어링의 공기 흡입량를 증가시키는 것이 선호된다. 즉 장치의 내부에서 고속으로 회전하는 스핀들 샤프트의 안정성을 증가시키기 위하여 공기 베어링으로 유입되는 공기의 양을 증가시킬 필요가 있다.

종래 기술의 당업자들에게 공지된 바와 같이, 지지 매체로서 공기 또는 가스를 이용하는 공기 베어링이 윤활제로서 오일을 이용하는 휠 베어링과 같이 임의의 다른 타입의 베어링보다 청결한 작업 환경을 가질지라도 공기 베어링은 공기와 가스내에 존재해는 잔해와 불순물에 오랜 시간 동안 노출됨으로써 손상 받기 쉬울 것이다. 따라서 조립, 재조립, 수리 및 보수가 용이한 구조물을 가진 스핀들 유닛을 제공할 필요가 있다.

본 고안의 한 특징은 공기 베어링을 포함하는 고속 스핀들을 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템을 가진 스핀들 유닛을 제공하는 데 있다.

본 고안의 다른 특징은 냉각 시스템이 액추에이터 모터 코일(스타터), 드릴을 가진 스핀들 단부 및/또는 스핀들 샤프트의 단부에 인접한 공기 베어링을 냉각시키기 위하여 공기 베어링을 포함하는 스핀들 내에 일체 구성된 냉각 시스템을 제공하는 데 있다. 이러한 냉각 시스템은 물 또는 오일을 포함하는 임의의 공지된 냉각제를 이용한다. 이러한 냉각 시스템이 제공됨에 따라 본 고안의 스핀들 유닛은 스핀들을 지지하기 위하여 증가된 공기 흐름을 제공할 수 있는 공기 베어링을 가진 개선된 구조물이 제공된다. 게다가 스핀들 장치는 이의 부품을 통해 냉각제가 흐르도록 구성될 수 있다. 스핀들 유닛은 드릴링 머신, 예를 들어 PCB용 고속 드릴링 머신에 부착될 수 있다.

본 고안의 한 특징에 따라서, 스핀들 유닛은 스핀들 유닛의 부품들, 특히 공기 베어링과 액추에이터 코일을 냉각시킬 수 냉각 시스템이 제공된다. 특히 액추에이터 코일을 둘러싸는 영역은 접촉 냉각에 의해 냉각될 수 있다. 공기 베어링, 특히 스핀들 유닛 내에서 회전 가능하게 지지된 스핀들 샤프트의 단부에 인접한 베어링은 냉각제가 냉각제 채널을 통해 스핀들 샤프트의 단부를 둘러싸도록 구성된 냉각제 챔버를 가진 베어링으로 흐름에 따라 냉각될 수 있다.

본 고안의 한 실시예에 따라서, 스핀들 유닛은 하우징, 하우징 내에 부착된 냉각 실린더, 하우징의 내부 표면의 적어도 일부분을 덮는 액추에이터 코일(스타터), 하우징 내에서 액추에이터 모터 코일 내에 회전 가능하게 배열된 스핀들 샤프트(로터) 및 하우징 내에 장착된 복수의 공기 베어링을 포함하고, 상기 하우징은 하나 이상의 공기 유입부, 하나 이상의 냉각제 유입부 및 하나 이상의 냉각제 배출부를 포함하며, 상기 냉각 실린더는 공기를 상기 복수의 공기 베어링으로 흐르도로 하기 위하여 하우징의 공기 유입부에 유체가 통하도록 연결된 하나 이상의 공기 개구부를 가진 공기 도관을 추가적으로 포함하며, 상기 냉각 실린더는 냉각제가 하우징의 냉각제 유입부로부터 상기 복수의 공기 베어링으로 흐르도록 하는 베어링 냉각 채널을 포함한다. 본 고안의 한 실시예에서, 각각의 상기 공기 베어링들은 하우징의 공기 유입부와 냉각 실린더의 공기 개구부로 유체가 통하도록 연결된 복수의 흡입 및 배출구를 포함하며, 상기 하나 이상의 공기 베어링은 공기흡입량을 증가시키기 위하여 외부 표면상에 슬롯을 포함한다. 한 실시예에서, 냉각 실린더와 공기 베어링은 하우징의 공기 유입부로부터 공기 베어링의 흡입구로 공기가 흐르도록 구성될 수 있으며 동시에 냉각 실린더를 통하여 흐르는 냉각제가 공기 베어링의 흡입구로 유입되거나 차단되는 것을 방지할 수 있다. 다른 실시예에서, 액추에이터 코일의 외부 링은 상기 냉각 실린더에 부착될 수 있으며 이를 통해 흐르는 냉각제를 안내하기 위한 계면으로 기능을 하도록 구성될 수 있다. 하우징의 한 실시예에서, 하우징은 드릴링 머신으로 부착시키기 위한 접합 기저부를 추가적으로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 하우징의 냉각제 유입부, 배출부 및 공기 유입부는 이의 기저부 상에 배열된다. 본 고안의 한 실시예에서, 스핀들 샤프트의 적어도 일부분이 액추에이터 코일에 의해 개시된 시동(startup)을 돕기 위한 전도성 재료로 제조된다.

본 고안의 다른 실시예에서, 스핀들 유닛은 프론트 베어링, 리어 베어링, 스러스트 베어링을 포함하고, 상기 리어 베어링은 하우징 내에 횡방향으로 스핀들 샤프트를 지지할 수 있으며, 상기 프론트 베어링은 스러스트 베어링과 함께 하우징 내에서 스핀들 샤프트를 축방향으로 지지하기 위해 제공될 뿐만 아니라 하우징 내에서 스핀들 샤프트를 횡방향으로 지지할 수 있다. 베어링의 흡입 및 배출구는 유체가 통하도록 연결된다. 한 실시예에서, 바람직하게 흡입구의 직경은 노즐 효과가 유발되거나 또는 발생시키기 위하여 대응 배출구의 직경보다 작게 형성될 수 있다. 스러스트 베어링의 한 실시예에서, 상기 스러스트 베어링의 한 측부는 냉각제가 스핀들 샤프트의 단부에 인접한 냉각제 챔버를 통하여 흐르고 냉각 실린더의 베어링 냉각 채널에 유체가 통하도록 연결된 냉각제 개구부를 포함하며, 이에 따라 스핀들 샤프트의 드릴링 단부는 전도성으로 냉각된다. 다른 실시예에서, 상기 스러스트 베어링은 공기 흡입량이 증가되도록 흡입구에 유체가 통하도록 연결된 공기 슬롯으로 포함한다. 스핀들 샤프트의 한 실시예에서, 상기 스핀들 샤프트는 스러스트 베어링과 프론트 베어링 사이에 플랜지를 포함하고, 상기 플랜지는 이에 플랜지를 수용하기 위하여 플랜지의 두께보다 크거나 또는 실질적으로 동일한 두께를 가진 스페이 서 링 내에 배열된다. 한 실시예에서, 스페이서 링은 베어링의 냉각제 도관에 유체가 통하도록 연결된 하나 이상의 냉각제 관통구를 추가적으로 포함한다.

본 고안의 다른 특징에 따라서, 스핀들 유닛은 냉각제 시스템이 제공됨에 따라 공기 베어링의 공기 흡입량이 증가될 수 있다. 본 고안의 한 실시예에서, 스핀들 유닛은 하우징 내에서 스핀들 샤프트를 축방향으로 지지하기 위한 하나 이상의 축방향 베어링과 스핀들 샤프트를 횡방향으로 지지하기 위한 하나 이상의 레이디얼 베어링을 포함하며, 베어링의 외부 주변 표면은 공기 수용 공간을 증가시키고 교대로 공기 흡입량을 증가시키기 위한 슬롯을 포함하고, 베어링의 외부 표면은 냉각 실린더에 부착되도록 구성된다. 다른 실시예에서, 스핀들 유닛은 프론트 베어링, 리어 베어링 및 스러스트 베어링을 포함하고, 상기 프론트 베어링은 스러스트 베어링과 함께 스핀들 샤프트를 축방향으로 그리고 횡방향으로 지지할 수 있으며, 상기 리어 및 프론트 베어링의 외부 주변 표면은 공기 흡입량을 증가시키기 위한 슬롯을 추가적으로 포함하고, 상기 스러스트 베어링은 배출구에서 공기를 효과적으로 배출시키기 위하여 베어링의 흡입구에 유체가 통하도록 연결된 공기 슬롯을 추가적으로 포함한다.

본 고안의 다른 특징에 따라서, 스핀들 유닛은 유닛의 기계적인 특성과 구조적 일체성을 유지시키는 냉각 시스템이 제공된다. 상기 언급된 실시예에 따라서, 냉각 시스템은 스핀들 유닛과 일체 구성될 수 있으며, 특히 냉각 실린더, 공기 베어링 및 액추에이터 코일은 스핀들 유닛 내에서 냉각 시스템의 일체성을 제공하도록 구성된다. 일체성의 결과, 전체적인 구조적 단일성과 정밀성이 유지된다. 게다 가 공기 베어링의 강성이 유지되며 공기 흡입량이 증가된다.

본 고안은 고정밀 부품 및 구조를 가진 스핀들 유닛을 제공한다. 스핀들 유닛은 공기 베어링을 이용하며, 20,000 내지 160,000 RPM 또는 그 이상의 회전 속도로 고속 드릴링 머신에서 이용될 수 있다.

본 고안의 다른 특징에 따라서, 조립, 재조립, 보수 및 수리가 용이한 스핀들 유닛이 제공된다. 외부 또는 추가 파이프, 핀 또는 구조물이 유닛의 복합성을 증가시키거나 또는 전체적인 일체성을 감소시키기 위하여 스핀들 유닛 내에 제공되지 않는다. 스핀들 유닛의 부품들을 서로 탈착 가능하게 연결하거나 또는 부착시키며, 각각의 부품들에 높은 정밀도를 유지시키며 및 각각의 기능에 따라 각각의 부품들을 배열시킴으로써 스핀들 유닛의 전체적인 구조가 용이하게 조립될 수 있다.

상기 기술 내용은 본 고안의 선호되는 실시예를 기술하며, 본 고안을 한정하도록 구성되지 않는다. 상기 언급된 실시예는 본 고안의 범위로 여겨지는 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 상기 언급된 실시예의 세부 사항은 본 고안을 추가적으로 기술하기 위해 하기에 제공된다.

본 고안은 드릴링 머신(drilling machine)용 스핀들 유닛에 관한 것이다. 상기 스핀들 유닛은 냉각 시스템과 일체 구성된 스핀들 샤프트를 회전 가능하게 지지 하기 위한 수단으로서 공기 베어링(air bearing)을 이용한다. 상기 스핀들 유닛은 고속으로 회전할 수 있는 초정밀 스핀들을 제공하며, PCB 드릴링 머신과 같은 고속 드릴링 머신 위에서 이용될 수 있다. 하기에서는 본 고안의 선호되는 실시예의 세부 사항이 기술되며, 명확함을 위해 첨부된 도면에는 도면 부호가 도시된다. 선호되는 실시예의 기술 내용은 오직 실례의 실시예로서 제공되며, 상기 실시예의 임의의 개조 또는 변형은 본 고안의 범위 내에서 구성될 수 있다.

도 2는 본 고안에 따르는 스핀들 유닛(10)의 선호되는 실시예의 횡단면도를 도시한다. 상기 스핀들 유닛(10)은 공기 유입부(22), 냉각제 유입부(24) 및 냉각제 배출부(26)를 포함하는 하우징(20)을 포함한다. 외부 표면(31)을 포함하는 냉각 실린더(30)는 하우징(20)에 부착되고 하우징(20)의 공기 유입부(22)에 유체가 통하도록 연결된 공기 개구부(32)와 공기 도관(39)을 포함하며, 상기 냉각 실린더(30)는 하우징(20)의 냉각제 배출부(26) 뿐만 아니라 냉각제 유입부(24)에 유체가 통하도록 연결된 코일 냉각 채널(34)과 베어링 냉각 채널(36)을 추가적으로 포함한다(도 2에 도시된 바와 같이 냉각제 배출부는 다른 측부 상에서 냉각제 유입부에 인접하게 배열된다). 액추에이터 코일(스타터)(40)은 냉각 실린더(30)의 내부에 부착되고, 냉각 실린더(30)의 코일 냉각 채널(34)들 사이에 계면(interface)을 형성하도록 구성된 외부 링(42)을 포함한다. 공기 베어링(70, 80, 90)에 의해 회전 가능하게 지지된 스핀들 샤프트(50)(로터)는 액추에이터 코일(40)의 내측에 배열되고 스핀틀 샤프트(50)의 외부 표면(51)으로부터 횡방향으로 연장된 플랜지 부분(flange portion, 52)을 포함한다. 상기 공기 베어링(70, 80, 90)은 스핀들 샤프트(50)를 축방향으로 지지하기 위하여 스핀들 샤프트(50)의 플랜지 부분(52) 주위에 배열된 축방향 베어링(90)과 스핀들 샤프트(50)를 횡방향으로 지지하기 위하여 액추에이터 코일(40)의 2개의 개별적인 단부(43, 45)에 배열된 레이디얼 베어링(radial bearing, 70, 80)을 포함한다.

한 실시예에서, 각각의 상기 레이디얼 베어링(70, 80)은 복수의 배출구(75, 85)를 각각 포함하는 내부 주변 표면과 공기 흡입구(73, 83)를 각각 가지는 외부 주변 표면을 포함할 수 있다. 베어링의 상기 흡입구(73, 83)는 냉각 실린더(30)의 공기 개구부(32)와 공기 도관(39)에 유체가 통과하도록 연결되고, 흡입구(73, 83)는 베어링 상에서 대응하는 배출구(75, 85)로 유체가 통하도록 연결된다. 한 실시예에서, 상기 배출구들은 배출구(75, 85)로부터 배출된 공기가 상기 스핀들 샤프트(50)에 대한 횡방향 지지부를 제공하도록 스핀들(50)의 횡방향 또는 반경방향에 대해 실질적으로 평행하게 형성된다. 축방향 베어링(90)은 복수의 배출구(95)와 복수의 흡입구(93)를 포함할 수 있다. 이와 유사하게 축방향 베어링(90)의 흡입구(93)는 냉각 실린더(30)의 공기 개구부(32)와 공기 도관(39)에 유체가 통하도록 연결되며, 흡입구(93)는 배출구(95)에 유체가 통하도록 연결된다. 한 실시예에서, 축방향 베어링(90)의 배출구(95)의 개구부들은 배출구(95)로부터 배출된 공기가 하우징(20) 내에서 축방향 또는 회전 방향으로 상기 샤프트(50)를 지지할 수 있도록 스핀들 샤프트(50)의 플랜지 부분(52)에 대해 실질적으로 수직하게 형성된다. 스핀들 샤프트의 작동 동안 단부(57)에 부착된 드릴(55)을 포함하는 상기 스핀들 샤프트(50)의 온도를 낮추기 위하여 축방향 베어링(90)은 냉각 실린더(30)의 베어링 냉 각 채널(36)에 연결되고 서로 유체가 통하도록 연결된 냉각제 챔버(91)와 냉각제 도관(96)을 추가적으로 포함한다. 따라서 하우징(20)의 냉각제 유입부(24)로부터의 냉각제는 냉각 실린더(30)를 통해 이동될 수 있으며 축방향 베어링(90), 특히 냉각 채널(91)로 유입될 수 있어서 냉각 챔버(91)의 인접 영역은 스핀들 유닛(10)의 작동 동안 연속적으로 냉각될 수 있으며, 즉 스핀들 샤프트(50)의 단부(57)에서의 온도는 축방향 베어링(90)의 냉각 챔버(91) 내에서 이를 통해 냉각제가 흐름에 따라 전도성 냉각 및/또는 접촉에 의해 하강될 수 있다.

스핀들 유닛의 공기 베어링의 작동에 따르는 한 실시예에서, 가압된 공기가 하우징(20)의 공기 유입부(22)로 유입되기 때문에 가압된 공기는 공기 도관(39)을 통해 이동하고 냉각 실린더(30)의 공기 개구부(32)에서 배출된다. 그 뒤 공기는 냉각 실린더(30)에 부착된 레이디얼 베어링(70, 80)으로 흐르며, 스핀들 샤프트(50)의 플랜지 부분(52) 둘레에 배열된 축방향 베어링(90)으로 흐른다. 가압된 공기는 외부 주변 표면상에서 흡입구(73, 83)로부터 해당 배출구(75, 85)까지 레이디얼 베어링(70, 80)으로 유입된다. 이와 유사하게 가입된 공기는 흡입 표면(92)의 흡입구(93)로부터 축방향 베어링(90)으로 유입되고, 그 뒤 배출구(95)에서 배출된다 . 따라서 공기가 레이디얼 베어링(70)의 배출구(75, 85)로부터 스핀들 샤프트(50)의 외부 표면(51)을 향하여 배출됨에 따라 상기 스핀들 샤프트(50)는 반경방향 또는 횡방향으로 공기 쿠션에 의해 지지된다. 축방향 베어링(90)의 배출구(95)를 통하여 플랜지 부분(52)의 상부 및 하부 표면(58, 59)을 향하여 공기가 배출됨에 따라, 스핀들 샤프트(50)는 이의 작동 동안 축방향 또는 회전 축 O에 적절히 지지될 수 있 다. 본 고안의 다른 실시예에서, 스핀들 유닛(10)은 복수의 축방향 베어링과 3개 이상의 레이디얼 베어링을 포함한다. 다른 실시예에서, 스핀들 샤프트(50)는 단일의 축방향 베어링과 단일의 레이디얼 베어링을 포함한다. 다른 실시예에서, 스핀들 샤프트(50)는 축방향 베어링(90)에 인접한 2개 이상의 플랜지 부분(52)을 포함할 수 있다. 상기 언급된 배출구(75, 83, 95)는 “노즐 효과(nozzle effect)"를 구현하기 위하여 흡입구(73, 83, 93)의 직경보다 작은 직경으로 형성될 수 있다. 본 고안의 다른 실시예에서, 공기 베어링은 레이디얼 및 축방향 베어링의 효과를 구현하기 위하여 프론트 베어링, 리어 베어링 및 스러스트 베어링(thrust bearing)을 추가적으로 포함할 수 있으며, 이는 하기에서 상세히 기술된다.

스핀들 유닛(10)의 작동 동안, AC 파워 서플라이(도시되지 않음)와 같은 파워 서플라이가 액추에이터 코일(40)(스타터)로 전류를 전달함에 따라 전도성 재료(54)(로터)로 제조되거나 또는 이로 덮여진 외부 표면(51)의 적어도 일부분을 포함하는 스핀들 샤프트(50)는 축 O 상에서 회전하도록 코일(40)에 의해 구동될 수 있다. 스핀들 샤프트(50)가 회전함에 따라, 상기 스핀들 샤프트는 공기 베어링(70, 80, 90)으로부터 배출된 가압된 공기로 인해 액추에이터 코일(40)과 냉각 실린더(30) 내측에 매달리거나 지지될 수 있다. 상기 언급된 전도성 재료는 구리, 금속 합금 또는 그 외의 전도성 재료로 구성된 재료를 포함한다. 도 3은 본 고안의 스핀들 샤프트(50)의 실시예에 따르는 횡단면도를 도시한다. 한 실시예에서, 전도성 재료는 전도 영역(54)을 형성하기 위하여 스핀들 샤프트(50)의 외부 표면(51)으로 코팅된다. 다른 실시예에서, 스핀들 샤프트(50)의 외부 표면(51)은 전체적으로 전도 성 재료로 코팅된다. 다른 실시예에서 스핀들 샤프트(50)는 전체적으로 전도성 재료로 제조된다. 따라서 스핀들 샤프트는 축 O 상에서 회전하도록 액추에이터 코일(40)에 의해 구동될 수 있다. 다른 실시예에서, 전도 영역(54)은 스핀들 샤프트(50)의 외부 표면(51)상에서 축 O를 따라 연장된 복수의 스트립을 형성하도록 구성된다. 한 실시예에서, 외부 표면(51)을 둘러싸는 각각의 상기 스트립들은 전도 영역(54)의 구동 회전이 개시되도록 축 O에 대해 일정한 각도, 바람직하게 5°로 기울어지며, 이에 따라 스핀들 샤프트(50)는 평활하게 형성되거나 작동이 수월해진다. 스핀들 샤프트(50)의 한 단부(57)에 부착된 드릴(55)은 스핀들의 바로 밑에 위치된 작업편(도시되지 않음)에 고속 드릴링 작업을 수행하기 위하여 축 O 상에서 회전하도록 구동될 수 있다.

상기 언급된 바와 같이, 액추에이터 코일(40)은 스핀들의 온도를 상승시키는 주요 열원중 하나이다. 따라서 스핀들 유닛에 냉각 시스템을 제공하는 것이 필수적이다. 본 고안의 다른 실시예에서, 스핀들 유닛(10)은 도 2, 4 및 5에 도시된 바와 같이 냉각 실린더(40)를 포함하는 냉각 시스템과 일체 구성된다. 도 2는 스핀들 유닛(10)의 선호되는 실시예를 도시하며, 상기 스핀들 유닛(10)의 하우징(20)은 냉각제 유입부(24)와 냉각제 배출부(26)를 포함한다. 냉각제가 냉각 장치(도시되지 않음)로부터 스핀들 유닛(10)의 외부로 공급됨에 따라 냉각제는 냉각제 유입부(24)에 의해 냉각 실린더(30)의 외부 표면(31)으로 흐른다. 즉, 냉각제는 하우징(20)의 내부 표면(21)과 냉각 실린더(30)의 외부 표면(31) 사이에서 흐른다. 냉각 실린더(30)의 선호되는 실시예에서, 상기 냉각 실린더(30)의 외부 표면(31)은 하우 징(20)의 내부 표면에 부착된 2개의 마주보는 단부(33, 37)를 포함한다. 예를 들어, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각 실린더(30)의 2개의 단부(33, 37)는 하우징(20)의 내부 표면(21)과 냉각 실린더(30)의 외부 표면(31) 사이에서 연결 수단으로서 기능을 하고 이에 배열된 O-링을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, O-링과 연결 수단은 냉각 실린더(30)의 단부(33, 37)보다 하우징(20)의 내부 표면(31)에 탈착 가능하게 부착된다. 한 실시예에서, 상기 O-링은 하우징(20)과 냉각 실린더(30) 사이에서 냉각제의 흐름을 제한하는 밀봉부로써 기능을 할 수 있다. 냉각 실린더(30)는 냉각 실린더(30)의 외부 표면(31)이 O-링 없이 하우징의 내부 표면(21)과 연결되도록 압축 끼워 맞춤 또는 밀폐 치수 끼워 맞춤(close dimensional fitting)에 의해 하우징(20)으로 부착될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 냉각 실린더의 외부 표면(31)과 하우징(20)의 내부 표면(21) 사이에서 흐르는 냉각제는 액추에이터 코일(40)이 이의 작동 동안 접촉 냉각에 의해 냉각되도록 코일 냉각 채널(34)에 의해 안내될 수 있으며, 이에 따라 상기 냉각제는 냉각 실린더(30)로 유입되고 액추에이터 코일(40)의 외부 링(42)에 도달된다. 한 실시예에서, 냉각 실린더(30)는 냉각제를 축방향 베어링(90)의 냉각제 도관(96)을 통해 흐르고 냉각제 챔버(91)로 흐르도록 할 수 있는 베어링 냉각 채널(36)을 추가적으로 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각 실린더(30)의 외부 표면(31)은 이를 통해 흐르는 냉각제를 안내하고 돕기 위한 냉각제 슬롯(38)을 추가적으로 포함한다. 냉각 실린더(30)의 다른 실시예에서, 베어링 냉각 채널(36)과 코일 냉각 채널(34)의 유입부 또는 개구부는 상기 냉각제 슬롯(38) 내에 배열된다. 냉각 실린더(30)는 냉각 실린더(30)의 외부 및 내부 표면(31, 35) 사이에 배열된 공기 도관(39)에 유체가 통하도록 연결된 공기 개구부(32)를 추가적으로 포함한다. 냉각 실린더(30)의 상기 공기 도관(39)은 공기가 냉각 실린더(30) 내에서 이동될 수 있도록 공기 개구부(32)와 하우징(20)의 공기 유입부(22)로 유체가 통과하도록 연결된다. 냉각제와 공기의 경로가 분리됨에 따라 공기는 냉각 실린더(30) 내에서 흐를 수 있으며, 동시에 냉각제는 코일 냉각 채널(34)에 의해 냉각 실린더(30)의 내부로 유입될 수 있다. 상기 기술된 바와 같이, O-링은 하우징(20)과 냉각 실린더(30) 사이에서 연결 수단 및/또는 밀봉부로 구성될 수 있다. 따라서 냉각제는 하우징(20)에 부착된 냉각 실린더(30)를 통하여 냉각제 유입부(24)에 의해 흐를 수 있으며, 작동 동안 냉각제 배출부(26)에서 배출된다. 냉각 실린더(30)의 다른 실시예에서, 냉각 실린더(30)의 외부 또는 외부 표면(31)은 냉각 실린더(30) 상에서 냉각제의 흐름을 보다 우수하게 돕기 위해 금속성 또는 비-금속성 페인트로 추가적으로 코팅될 수 있다.

도 5는 액추에이터 코일(40)의 선호되는 실시예를 도시한다. 상기 언급된 바와 같이, 액추에이터 코일(40)은 스핀들 유닛(10)의 작동 동안 주요 열원중 하나일 수 있다. 냉각 장치(도시되지 않음)로부터의 냉각제는 하우징(20)의 냉각제 유입부(24)에 의해 냉각 실린더(3)의 코일 냉각 채널(34)로 흐르며, 냉각제는 액추에이터 코일(40)의 외부 링(42)과 접촉하고 냉각제 배출부(26)에 의해 하우징(20)과 냉각 실린더(3)로 배출되기 전 외부 링을 통해 흐르며, 이에 따라 스핀들 유닛(10)과 일체 구성된 냉각 루프(cooling loop)가 형성된다. 도면에 도시된 바와 같이, 외부 링(42)은 냉각 실린더(30)의 코일 냉각 채널(34)들 사이에 계면(interface)을 형성한다. 한 실시예에서, 외부 링(42)은 이를 통해 흐르는 냉각제를 안내하고 돕기 위한 냉각제 슬롯(48)을 추가적으로 포함할 수 있다. 추가적으로 냉각제가 스핀들 샤프트(50)의 한 단부(57)에 배열된 축방향 베어링(90)으로 흐르게 하기 위하여 냉각 실린더(3)의 한 실시예는 베어링 냉각 채널(36)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각 실린더(30)의 코일 냉각 채널(34)은 냉각제가 슬롯(48)에 직접적으로 도달되고 이를 통해 흐르도록 액추에이터 코일(40)의 외부 링(42) 상에서 상기 슬롯(48) 위의 영역에 배열된다. 그 결과, 액추에이터 코일(40)은 냉각제가 이를 통해 흐름에 따라 직접 또는 접촉 냉각에 의해 효과적으로 냉각된다.

테이블 1 및 2는 액추에이터 코일(40)의 외부 표면을 통해 냉각제가 직접적으로 흐름에 따라 냉각되는 "접촉"의 효과 및 차이점을 도시한다. 특히 테이블 1에 기재된 데이터는 냉각제가 코일 냉각 채널(34)로 유입되지 않고 액추에이터 코일(4)과 직접적으로 접촉됨이 없이 오직 냉각 실린더(30)의 외부 표면(31)을 통해 흐르는 실시예를 나타내며, 반면 테이블 2는 냉각제를 "접촉" 냉각을 위해 외부 링(42)과 직접적으로 접촉시키고 냉각 실린더(30)의 코일 냉각 채널(34)을 통해 흐르도록 하는 스핀들 유닛(10)의 실시예에 관한 것이다. 그 뒤 액추에이터 코일(40)의 온도는 하기 기술된 바와 같이 측정되고 기록된다.

	냉각제 온도(°C)	측정된 코일 저항(옴)	변환된 코일 온도(°C)
액추에이터 코일의 온도(냉각제와 코일은 직접적으로 접촉되지 않음)	18.2	2.01	66
	18.5	1.98	67
	18.7	1.93	67
	18.8	1.95	67
	19.1	1.93	67
	19.5	1.91	68
	19.8	1.89	68
	20.2	1.87	68
	19	1.88	68
	18	1.92	67
	16.9	1.98	67

테이블 1: 액추에이터 코일의 온도(코일은 냉각제와 직접적으로 접촉하지 않음)

	냉각제 온도(°C)	측정된 코일 저항(옴)	변환된 코일 온도(°C)
액추에이터 코일의 온도(냉각제와 코일은 직접적으로 접촉됨)	16.6	3.62	50
	16.8	3.57	50
	17	3.52	51
	17.2	3.49	51
	17.4	3.45	51
	17.7	3.43	51
	17.9	3.4	52
	18.1	3.38	52
	18.3	3.36	52
	18.5	3.32	52
	18.7	3.3	52
	18.9	3.28	53
	19.1	3.26	53
	19.4	3.22	53
	19.6	3.2	53
	19.7	3.19	53
	19.5	3.19	53
	19.3	3.2	53
	19.1	3.21	53
	18.9	3.23	53
	18.7	3.25	53
	18.5	3.26	53
	18.3	3.29	52
	18	3.32	52
	17.7	3.34	52
	17.6	3.37	52
	17.4	3.38	52
	17.2	3.41	51

테이블 2: 액추에이터 코일의 온도(코일은 냉각제와 직접적으로 접촉됨)

테이블 1과 2에서의 결과값은 "접촉" 냉각에 따라 액추에이터 코일(40)에 의해 발생된 열을 분산시키기 위하여 액추에이터 코일(40)을 통해 직접적으로 흐르는 냉각제를 가지는 효율을 나타낸다. 예를 들어 테이블 1에서 강조된 바와 같이 냉각 장치로부터의 냉각제의 온도가 19.1°C일 때 코일의 온도는 67°C이다. 테이블 2에 도시된 바와 같이 코일이 접촉 냉각에 의해 냉각되는 동안 냉각제의 온도가 19.1°C일 때 코일의 온도는 53°C(볼드체로 강조됨)로 떨어진다. 이러한 결과값은 10°C보다 큰 차이를 나타낸다. 사용된 변환 및 온도 측정의 방법은 "열 저항 측정"의 원리에 관한 것이다. 액추에이터 코일(40)의 저항은 코일 재료의 R-T 관계와 공지된 재료 특성에 기초로 하고 측정된다. 저항값의 해당 온도는 계산될 수 있으며, 변환될 수 있다. 열 저항성 센서의 이용하여 형성된 측정값들은 본 고안의 범위 내에 있다. 추가적으로 상기 언급된 냉각제는 냉각 오일 또는 물을 포함하는 임의의 타입의 냉각 매체로 형성될 수 있으며, 냉각제의 온도는 핵심 특성(key property)들 중 하나이다. 상기 측정값과 데이터는 코일의 접촉 냉각의 효과를 나타낸다. 임의의 타입의 냉각제가 이용될 수 있으며, 본 고안의 범위는 테이블에 도시된 임의의 값들에 제한되지 않는다.

도 6 내지 도 11은 본 고안에 따르는 다른 선호되는 실시예를 도시한다. 도 6은 스핀들 유닛(110)의 실시예에 따른 횡단면도이다. 스핀들 유닛(10)의 상기 언 급된 실시예에 따라서, 실시예들 간의 주요 차이점은 공기 베어링(70, 80, 90, 170, 180, 190)과 하우징(20, 120)의 구조에 있다. 본 고안의 한 특징에 따라서, 스핀들 유닛의 구조는 이에 일체 구성된 냉각 시스템을 가지는 반면 보수와 조립에 용이하게 형성된다. 한 실시예에서, 스핀들 유닛(10, 110)의 하우징(20, 120)은 전체 구조를 개선시키도록 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 공기 베어링(70, 80, 90, 170, 180, 190) 상에서 흡입된 공기의 양은 스핀들 샤프트(50, 150)에 대해 보다 우수하게 공기 쿠션 효과 또는 지지 효과를 제공하도록 증가된다. 게다가 다른 실시예에서, 적어도 하나의 공기 베어링, 특히 공기 베어링(90, 190)은 드릴(55, 155)을 가진 스핀들 샤프트(50, 150)의 단부 부분(57, 157)을 포함하는 인접한 영역과 공기 베어링이 연속하여 냉각되도록 냉각제과 관통하여 흐를 수 있는 구조로 형성된다. 상세 사항은 하기에 기술된다.

한 실시예에서, 스핀들 유닛(110)은 상기 언급된 그 외의 다른 유사 요소들 뿐만 아니라 냉각 실린더(130), 액추에이터 코일(140), 냉각제 유입부(124), 냉각제 배출부(126)를 포함하는 코일 냉각 시스템을 포함한다. 추가적으로 도 2 및 6에 도시된 바와 같이, 스핀들 유닛(10, 110)의 스핀들 샤프트(50, 150)의 한 실시예는 공압식 또는 유압식 피스톤 로드(60, 160)가 이에 배열될 수 있는 중공 튜브의 형태로 형성된다. 공압식 또는 유압식 피스톤 로드(60, 160)는 스핀들 샤프트(50)의 단부에 부착된 드릴(55, 155)의 작동을 위해 제공된 메커니즘이며, 이에 따라 드릴(55, 155)은 교체를 위해 스핀들로부터 제거될 수 있다. 그 외의 다른 실시예에서, 스핀들 샤프트(50, 150)는 중공 튜브 형상 및/또는 피스톤 로더(60, 160) 없이 형성될 수 있다.

스핀들 유닛(110)의 하우징(120)에 따르는 한 실시예에서, 하우징(120)은 도 7에 도시된 바와 같이 외부 쉘(123)과 접합 기저부(125)를 포함한다. 선호되는 실시예에서, 외부 쉘(123)은 2개의 마주보는 단부(127, 129)에 배열된 공기 베어링(170, 180)과 냉각 실린더(130)의 전체를 실질적으로 뒤덮을 수 있다. 외부 쉘(120)은 냉각 실린더(130)의 내부에 부착된 액추에이터 코일(140)을 추가적으로 둘러싸며, 이에 배열된 스핀들 샤프트(150)의 적어도 일부분을 뒤덮을 수 있다. 한 실시예에서, 공기 베어링(170, 180, 190)은 베어링의 안정성과 강성을 증가시키기 위하여 예를 들어 나사, 볼트 또는 접착제에 의해 외부 쉘(123)로 탈착 가능하게 고정될 수 있다. 하우징(120)의 한 실시예에서, 상기 접합 기저부(125)는 예를 들어 나사, 볼트 또는 접합제에 의해 쉘(123)의 한 단부(129)로 탈착 가능하게 고정된다. 다른 실시예에서, 공기 유입부(122), 냉각제 유입부(124) 및 냉각제 배출부(126)는 접합 기저부(125) 상에 배열된다. 도면에 도시된 바와 같이, 스핀들 유닛(110)은 이의 기능에 따라 레이-아웃 부품들과 우수하게 형성된 구조를 가지도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 전체 구조물은 용이하게 조립되거나 재조립될 수 있으며, 부품들은 교체 및 보수의 목적으로 용이하게 탈착될 수 있다. 따라서 부품 고장의 경우 스핀들 유닛을 전체적으로 교체하는 위험성이 상당히 감소된다. 그 외의 다른 실시예에서, 하우징(120)은 냉각 실린더(30, 130)와 일체 구성되도록 형성될 수 있으며, 그 외의 다른 실시예에서 외부 쉘(123), 접합 기저부(125), 냉각 실린더(130) 및 액추에이터 코일(140)은 단일의 부분으로 일체 구성될 수 있다.

하기 기술 내용은 공기 베어링(170, 180, 190)(70, 80, 90뿐만 아니라)에 관한 것이며, 스핀들 유닛(110)(10뿐만 아니라) 내에 베어링의 공기 흡입을 증가시키는 메커니즘이 제공된다. 도 8A 및 도 8B는 공기 베어링(170)의 선호되는 실시예를 도시하며, 상기 언급된 바와 같이 상기 공기 베어링은 레이디얼 베어링일 수 있다. 따라서 공기 베어링(170)의 외부 주변 표면(173)상에 흡입구(173)가 형성됨에 따라 배출된 공기가 베어링 내측의 스핀들 샤프트(150)에 대한 반경방향 지지부를 제공할 수 있도록 공기는 베어링으로 유입되고 베어링의 내부 주변 표면상에 배열된 대응 배출구(175)에서 배출된다. 공기 베어링(170)의 한 실시예에서, 공기 베어링은 스핀들 유닛(110) 내의 리어 베어링(rear bearing)일 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 한 실시예에서, 리어 베어링(170)은 외부 쉘(123)의 단부(129)에 인접하게 및/또는 스핀들 샤프트(150)의 단부(159)에 인접하게 위치될 수 있다. 선호되는 실시예에서, 공기 베어링(170)의 외부 주변 표면(172)은 흡입 슬롯(177)을 추가적으로 포함한다. 다른 실시예에서, 적어도 다수의 흡입구(173)가 흡입 슬롯(177) 상에 배열된다. 공기 베어링(170)의 외부 주변 표면(172)은 냉각 실린더(130)와 연결시키기 위한 O-링을 추가적으로 포함할 수 있다. 스핀들 유닛(110)의 부품들은 고정밀 상태로 형성되며, 외부 주변 표면(172)은 냉각 실린더(130)에 인접한 위치에 배열된다. 흡입 슬롯(177)은 공기 수용 공간을 효과적으로 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 베어링의 흡입된 공기의 양이 증가된다. 다른 실시예에서, 공기 베어링(170)은 냉각 실린더의 연결 기능을 추가적으로 보강하기 위하여 한 단부 상에 플랜지(flange, 179)를 추가적으로 포함한다. 상기 기술 내용은 공기 베어링(170)에 관 한 실시예이며, 상기 공기 베어링은 상기 기술된 바와 같이 공기 베어링(80)을 포함하는 레이디얼 베어링에 적용될 수 있다.

도 9A 및 도 9B는 본 고안의 공기 베어링(180)의 실시예를 도시한다. 한 실시예에서, 공기 베어링(180)은 스러스트 공기를 상기 스핀들 샤프트로 축방향으로 제공함으로써 축방향 지지부의 일부분으로서 기능을 하며 반경방향 지지부를 스핀들 샤프트(150)로 제공할 수 있는 프론트 베어링(front bearing)이다. 스핀들 유닛(100)의 몇몇 실시예에서, 공기 베어링(180)은 축방향 지지부를 스핀들 샤프트(150)로 제공하기 위하여 내부 표면(184) 상에 복수의 배출구(185)와 외부 표면(182) 상에 복수의 흡입구(183)를 포함한다. 한 실시예에서, 프론트 베어링(180)은 스핀들 샤프트(150)의 플랜지(152)에 실질적으로 평행한 스러스트 면(thrust plane, 189)를 추가적으로 포함하고, 스러스트 판(189)은 공기가 스핀들 샤프트(150)에 대해 축방향으로 배출될 수 있도록 플랜지(152)에 실질적으로 수직한 복수의 배출구(185)를 추가적으로 포함할 수 있다. 이와 유사하게 공기 베어링(180)의 외부 주변 표면은 흡입 슬롯(187)을 추가적으로 포함할 수 있으며, 몇몇 실시예에서, 적어도 다수의 흡입구(183)는 흡입 공기의 양을 증가시키기 위하여 흡입 슬롯(187) 상에 배열된다. 다른 실시예에서, 공기 베어링(180)의 외부 주변 표면(182)은 냉각 실린더(130)와 연결시키기 위한 O-링을 포함할 수 있다. 바람직하게 몇몇 실시예에서, 공기 베어링(180)은 스핀들 샤프트(150)의 단부(157) 근처에 배열된다. 도 9A 및 도 9B에 도시된 바와 같이, 냉각제를 냉각 실린더(130)의 베어링 냉각 채널(136)로부터 프론트 베어링 또는 공기 베어링(180)의 내부로 흐르게 하기 위하여 상기 공기 베어링(180)은 냉각제-관통구(186)를 추가적으로 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 공기 베어링(180)의 적어도 일부분을 통과함에 따라 냉각제 관통구(186)는 냉각 실린더(130)의 베어링 냉각 채널(136)과 유체가 통하도록 연결된다.

도 10A 및 도 10B는 본 고안의 공기 베어링(190)의 선호되는 실시예를 도시한다. 공기 베어링(190)은 이를 통해 드릴 가공을 허용하고 스핀들 샤프트(150)의 단부(157)를 수용하기 위한 축방향 개구부(198)를 포함한다. 한 실시예에서, 공기 베어링(190)은 스러스트 베어링일 수 있으며, 축방향 지지부를 스핀들 샤프트(150)로 제공하기 위하여 공기 베어링(180)의 상기 언급된 실시예로 구성될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 스러스트 베어링(190)은 상부 표면(192)과 하부 표면(194)을 포함하며, 상기 상부 표면은 스핀들 샤프트(150)의 플랜지(152)에 인접하고 이에 평행하게 형성된다. 상부 표면(192)은 스핀들 샤프트(150)의 플랜지(152)에 대해 수직한 복수의 배출구를 추가적으로 포함하며, 반면 하부 표면은 흡입구를 포함하도록 배열될 수 있다. 한 실시예에서, 상부 표면(192)도 또한 흡입구를 포함할 수 있다. 흡입 공기의 양을 증가시키기 위하여, 공기 베어링(190)은 베어링 내에 공기 수용 공간을 증가시키기 위하여 공기-전달 슬롯(air-convection slot, 197)을 추가적으로 포함하며, 이에 따라 보다 많은 공기가 배출구(195)로부터 배출될 수 있다. 바람직하게 스러스트 베어링(190)은 플랜지(152)가 스러스트 및 프론트 베어링에 의해 축방향으로 지지되도록 상기 언급된 프론트 베어링(180)의 방향에 대해 상반된 방향으로 축방향 지지부를 제공하기 위하여 스핀들 유닛(150)의 단부(157) 에 배열된다. 게다가 한 실시예에서, 스페이서 링(spacer ring, 200)은 스러스트 베어링(190)과 상기 프론트 베어링(180) 사이에 배열될 수 있다. 선호되는 실시예에서, 스핀들 샤프트(150)의 드릴 단부를 통과시키기 위하여 스페이서 링은 이에 플랜지(152)를 수용할 수 있는 축방향의 두께를 가지도록 구성될 수 있다.

한 실시예에서 스핀들 샤프트(150)의 단부(157)에 냉각 기능을 제공하기 위하여 도 10A 및 도 10B에 도시된 바와 같이 공기 베어링(190)은 냉각제 도관(196)과 냉각제 챔버(191)를 추가적으로 포함한다. 냉각제가 베어링 냉각 채널(136)로부터 흐름에 따라, 냉각제는 스페이서 링(200)의 냉각제 개구부(206)와 공기 베어링(180)의 냉각제-관통구(186)로 유입되고, 이를 통해 냉각제 도관(196)을 경유하여 공기 베어링(190)의 내부로 이동한다. 한 실시예에서, 공기 베어링(190)의 내부는 상기 냉각제 도관(196)과 유체가 통하도록 연결된 냉각제 챔버(191)를 추가적으로 포함하며, 이러한 형상으로 인해 냉각제는 스핀들 샤프트(150)의 드릴 단부에 인접하게 배열된 상기 냉각제 챔버(191)를 통해 흐를 수 있으며, 이에 따라 드릴이 부착되는 지지 및 주위 영역이 냉각된다. 게다가 도면에 도시된 바와 같이, 상기 냉각제 챔버(191)의 한 실시예에서, 냉각제 챔버는 공기 전달 슬롯(197)으로부터 분리되도록 구성된다. 즉 공기가 베어링 내에서 특히 스핀들 유닛(110)이 작동 중 냉각제가 냉각 챔버(191)를 통해 동시에 흐르는 동안 공기 전달 슬롯을 통해 이동할 수 있도록 냉각제 챔버와 공기 전달 슬롯은 서로 완벽히 분리되거니 또는 유체가 통과하도록 연결되지 않는다. 한 실시예에서, 냉각제 챔버(191)는 상기 언급된 축방향 개구부(98, 198)에 인접하게 형성된다.

도 11은 공기 베어링(190')의 그 외의 다른 선호되는 실시예를 도시한다. 한 실시예에서, 스러스트 베어링(190')은 스핀들 샤프트(150)의 구동 회전 속도와 액추에이터 코일(140)(스타터)에 공급된 파워를 제어하기 위하여 피드백 시스템(도시되지 않음)으로 신호를 전송하고 스핀들 샤프트(로터)(150)의 회전 속도를 감지할 수 있는 회전 속도 센서(도시되지 않음)를 추가적으로 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 스러스트 베어링(190')의 한 실시예는 센서를 수용하기에 적합한 센서 수용구(199')를 포함할 수 있다. 바람직하게 수용구(199')는 스핀들 샤프트(150)의 플랜지(152)에 마주보고 스러스트 베어링(190')의 상부 표면(192')에 배열된다. 한 실시예에서, 부착된 센서와 상기 수용구(199')는 냉각제 챔버(191')와 축방향 개구부(198')의 횡방향 측부에 배열된다. 보다 바람직하게 상기 수용구는 냉각제 도관(191')과 흡입구(193')로부터 이격된 거리에 그리고 공기 전달 슬롯(197')의 횡방향 측부 상에 배열된다. 한 실시예에서, 상기 회전 속도 센서는 홀 센서(hall sensor) 또는 자기저항 부품(magnetoresistive component)과 같은 자전기 센서(magnetorelectric sensor)이다. 본 고안의 한 실시예에 따라서, 스러스트 베어링(190')의 센서 수용구(199')는 홀 센서 또는 홀 부품을 수용하기에 적합하며, 이에 따라 로터의 위치와 스핀들 샤프트(로터)의 자기장이 감지될 수 있으며, 신호들이 스핀들 샤프트(150)의 회전 속도를 제어하기 위해 발생되고 추가적으로 처리될 수 있다. 한 실시예에서, 바람직하게 센서 수용구(199')는 베어링의 강성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 크기 또는 직경으로 형성된다. 상기 언급된 회전 속도 센서는 예를 들어 광학 센서를 포함하는 그 외의 다른 타입의 센서를 포함할 수 있 다. 추가적으로 본 고안의 한 실시예에 따라서, 센서는 공기 베어링(90)과 같이 축방향 베어링의 스러스트 면(89)에 배열될 수 있다.

본 고안은 상기 상세한 실례와 선호되는 실시예에 따라 기술되지만 이러한 실시예는 본 고안을 제한하기 위함이 아니며 기술의 목적으로 제공된다. 예를 들어 상기 명세서에 기술된 용어 "공기"는 오직 공기에 제한되지 않으며 공기를 포함하는 가스성 유체에 관한 것이다. 게다가 명세서와 청구항에 기술된 용어 "하나"는 "하나 이상"의 의미이다. 개조물과 조합물은 종래 기술의 당업자들 사이에서 자명하며, 첨부된 청구항의 범위와 본 고안의 사상 내에서 구성된다.

본 고안은 첨부된 도면에 따라 기술되는 선호되는 실시예의 상세 사항과 다양한 형태로 구성될 수 있다. 도면들은 범위 내에 제한되지 않는 본 고안의 선호되는 실시예를 도시하고 나타낸다.

도 1은 공지된 스핀들 드릴링 장치의 횡단면도.

도 2는 본 고안의 스핀들 유닛의 선호되는 실시예를 도시하는 횡단면도.

도 3은 회전축 O를 따라 절단한 스핀들 유닛의 스핀들 샤프트의 선호되는 실시예를 도시한 횡단면도.

도 4는 축을 따라 절단한 스핀들 샤프트의 하우징의 선호되는 실시예를 도시하는 횡단면도.

도 5는 스핀들 유닛의 액추에이터 코일의 선호되는 실시예의 측면도.

도 6은 스핀들 유닛의 선호되는 실시예의 횡단면도.

도 7은 스핀들 유닛의 그 외의 다른 선호되는 실시예를 도시한 도면.

도 8A은 스핀들 유닛의 공기 베어링/리어 베어링의 선호되는 실시예를 도시한 상면도.

도 8B는 선 A-A를 따라 도 8A에 도시된 공기 베어링/리어 베어링의 횡단면도.

도 9A는 스핀들 유닛의 공기 베어링/리어 베어링의 선호되는 실시예의 상면도.

도 9B는 선 A-A를 따라 도 9A에 도시된 공기 베어링/리어 베어링의 횡단면 도.

도 10A는 스핀들 유닛의 공기 베어링/스러스트 베어링의 선호되는 실시예를 도시한 상면도.

도 10B는 선 A-A를 따라 도 10A에 도시된 공기 베어링/스러스트 베어링의 횡단면도.

도 11은 스핀들 유닛의 공기 베어링/스러스트 베어링의 선호되는 그 외의 실시예를 도시한 상면도.

Claims (30)

1. 드릴링 머신용 스핀들 유닛에 있어서, 상기 스핀들 유닛은

   -하나 이상의 공기 유입부, 하나 이상의 냉각제 유입부 및 하나 이상의 냉각제 배출부를 가지는 하우징을 포함하고,

   - 상기 하우징에 부착된 냉각 실린더를 포함하며, 상기 냉각 실린더는 하우징의 공기 유입부에 유체가 통과하도록 연결된 하나 이상의 공기 개구부와 공기 도관, 하나 이상의 코일 냉각 채널 및 하우징의 냉각제 유입부에 유체가 통과하도록 연결된 하나 이상의 베어링 냉각 채널을 포함하고,

   - 상기 냉각 실린더에 의해 둘러싸인 액추에이터 코일(스타터)을 포함하고, 상기 액추에이터 코일(스타터)은 냉각 실린더의 하나 이상의 코일 냉각 채널들사이에서 계면(interface)을 형성하는 외부 링을 가지며,

   - 상기 액추에이터 코일내에 회전가능하게 배열된 스핀들 샤프트(로터)를 포함하며, 상기 스핀들 샤프트(로터)는 외부 표면으로부터 외부을 향해 연장된 플랜지를 포함하고 전도성 재료로 코팅된 외부 표면을 가지며,

   - 냉각 실린더에 부착된 하나 이상의 레이디얼 베어링을 포함하고, 상기 레이디얼 베어링은 복수의 배출구를 가진 내부 주변 표면과 복수의 흡입구를 가진 외부 주변 표면을 포함하고, 상기 흡입구는 냉각 실린더의 상기 하나 이상의 공기 개구부에 유체가 통하도록 연결되고 배출구에 연결되며, 상기 배출구는 스핀들 샤프트의 반경방향에 대해 평행하게 형성되고,

   - 냉각 실린더에 부착된 하나 이상의 축방향 베어링을 포함하며, 상기 축방향 베어링은 복수의 흡입구를 가진 흡입 표면, 복수의 배출구를 가진 스러스트 면 및 하나 이상의 냉각제 도관을 포함하고, 상기 흡입구는 냉각 실린더의 공기 개구부로 유체가 통하도록 연결되고 배출구로 연결되며, 상기 배출구는 스핀들 샤프트의 상기 플랜지에 대해 수직하게 형성되고, 상기 냉각제 도관은 냉각 실린더의 베어링 냉각 패널에 유체가 통하도록 연결되며,

   냉각제는 냉각제 유입부에 의해 스핀들 유닛으로 배출되고, 냉각제의 적어도 일부분은 코일 냉각 채널을 통하여 냉각 실린더에 의해 둘러싸인 액추에이터 코일의 외부 링으로 이동되고, 냉각제의 그 외의 다른 일부분은 베어링 냉각 채널을 통하여 축방향 베어링의 냉각제 도관으로 흐르고, 상기 축방향 베어링은 상기 냉각제 도관에 유체가 통하도록 연결된 냉각 챔버를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
2. 제 1 항에 있어서, 하우징은 드릴링 머신에 부착되어 지도록 구성된 접합 기저부를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 하나 이상의 공기 유입부, 하나 이상의 냉각제 유입부 및 하나 이상의 냉각제 배출부는 접합 기저부 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 실린더는, 냉각제의 흐름을 안내하기 위하여 냉각제 슬롯을 형성하는 외부 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
5. 제 4 항에 있어서, 코일 냉각 채널과 베어링 냉각 채널은 상기 냉각제 슬롯 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
6. 제 4 항에 있어서, 냉각 실린더의 외부 표면은 하우징을 연결시키기 위한 하나 이상의 O-링을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
7. 제 1 항에 있어서, 액추에이터 코일의 외부 링 상에 형성된 상기 계면은 이를 통해 흐르는 냉각제를 안내하기 위한 슬롯인 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
8. 제 1 항에 있어서, 액추에이터 코일의 상기 외부 링은 냉각 실린더를 연결시키기 위한 하나 이상의 O-링을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
9. 제 1 항에 있어서, 스핀들 샤프트의 외부 표면상에서의 상기 전도성 재료는 스핀들 샤프트의 회전축과 각을 형성하여 기울어지고 외부 표면을 따라 축방향으로 연장된 복수의 스트립으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
10. 제 1 항에 있어서, 레이디얼 베어링의 외부 주변 표면은 다수의 상기 흡입구가 배열되는 하나 이상의 흡입 슬롯을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
11. 제 1 항에 있어서, 레이디얼 베어링의 외부 주변 표면은 냉각 실린더를 연결시키기 위한 하나 이상의 O-링을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
12. 제 1 항에 있어서, 축방향 베어링은 이를 통해 스핀들 샤프트의 단부를 수용하기 위한 축방향 개구부를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
13. 제 1 항에 있어서, 축방향 베어링은 이의 흡입구에 유체가 통하도록 연결된 공기 전달 슬롯을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
14. 제 1 항에 있어서, 배출구는 흡입구보다 작은 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
15. 제 1 항에 있어서, 축방향 베어링은 한 쌍의 스러스트 베어링을 포함하고, 상기 스러스트 베어링 내에서 상기 스러스트 베어링의 배출구는 스핀들 샤프트를 축방향으로 지지하기 위하여 스핀들 샤프트의 플랜지의 마주보는 측부 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 한 쌍의 스러스트 베어링들은, 상기 스핀들 샤프트의 단부가 통과하는 것을 허용하고 스핀들 샤프트의 플랜지를 수용하기 위한 두께를 가진 스페이서 링에 의해 이격되는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 스페이서 링은 축방향 베어링의 냉각제 도관에 유체가 통하도록 연결된 냉각제 개구부를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
18. 제 1 항에 있어서, 축방향 베어링의 스러스트 면은 하나 이상의 회전 속도 센서를 수용하기 위한 센서 수용구를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 회전 속도 센서는 홀 센서인 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
20. 드릴링 머신용 스핀들 유닛에 있어서, 상기 스핀들 유닛은

    - 외부 쉘을 포함하고,

    - 상기 외부 쉘에 탈착가능하게 연결된 접합 기저부를 포함하며, 상기 접합 기저부는 하나 이상의 공기 유입부, 하나 이상의 냉각제 유입부 및 하나 이상의 냉각제 배출부를 포함하고,

    - 상기 외부 쉘에 부착된 냉각 실린더를 포함하며, 상기 냉각실린더는 접합 기저부의 공기 유입부에 유체가 통하도록 연결된 하나 이상의 공기 개구부와 공기 도관을 포함하고 하나 이상의 코일 냉각 채널 및 접합 기저부의 냉각제 유입부에 유체가 통하도록 연결된 하나 이상의 베어링 냉각 채널을 포함하며,

    - 상기 냉각 실린더에 의해 둘러싸인 액추에이터 코일(스타터)을 포함하고, 상기 액추에이터 코일(스타터)은 냉각 실린더의 상기 하나 이상의 코일 냉각 채널들사이에서 계면을 형성하는 외부 링을 가지며,

    - 상기 액추에이터 코일내에 회전가능하게 배열된 스핀들 샤프트(로터)를 포함하며, 상기 스핀들 샤프트(로터)는 외부 표면으로부터 외측을 향하여 연장된 플랜지를 포함하고 전도성 재료로 코팅된 외부 표면을 가지고,

    - 상기 냉각 실린더에 부착된 하나 이상의 프론트 베어링을 포함하고, 상기 프론트 베어링은 복수의 제 1 흡입구를 가진 외부 주변 표면, 복수의 제 1 배출구와 하나 이상의 냉각제 관통구를 가진 내부 주변 표면 및 스러스트 면을 포함하며, 상기 제 1 흡입구들은 상기 제 1 배출구와 냉각 실린더의 하나 이상의 공기 개구부에 유체가 통하도록 연결되며, 상기 내부 주변 표면상의 제 1 배출구는 스핀들 샤프트의 반경 방향에 평행하게 형성되고, 스러스트면 상의 제 1 배출구는 스핀들 샤프트의 플랜지에 대해 수직하게 형성되며, 상기 냉각제 관통구는 냉각 실린더의 베어링 냉각 채널에 유체가 통하도록 연결되며,

    - 상기 냉각 실린더에 부착된 하나 이상의 리어 베어링을 포함하고, 상기 리어 베어링은 복수의 제 2 흡입구를 가진 외부 주변 표면과 복수의 제 2 배출구를 가진 내부 주변 표면을 포함하며, 상기 제 2 흡입구는 냉각 실린더의 하나 이상의 공기 개구부와 제 2 배출구에 유체가 통하도록 연결되며, 상기 제 2 배출구는 스핀들 샤프트의 반경 방향에 대해 평행하게 형성되고,

    - 상기 프론트 베어링과 마주보는 하나 이상의 스러스트 베어링을 포함하고, 상기 스러스트 베어링은 복수의 제 3 흡입구를 가진 흡입 표면, 복수의 제 3 배출구 및 하나 이상의 냉각제 도관을 가진 스러스트 면을 포함하며, 상기 제 3 배출구는 스핀들 샤프트의 상기 플랜지에 대해 수직하게 형성되며, 상기 냉각제 도관은 프론트 베어링의 냉각제 관통구와 유체가 통하도록 연결되며,

    -스핀들 샤프트의 단부를 통과시키고 회전시키기 위한, 프론트 베어링과 스러스트 베어링 사이에 배열된 스페이서 링을 포함하며,

    냉각제가 냉각제 유입부에 의해 스핀들 유닛으로 배출됨에 따라 냉각제의 적어도 일부분이 코일 냉각 채널을 통하여 액추에이터 코일의 외부 링으로 이동하고, 냉각제의 그 외의 다른 부분이 베어링 냉각 채널을 통하여 프론트 베어링의 제 1 냉각제 관통구로 흐르며, 스러스트 베어링의 냉각제 도관으로 흐르고, 상기 스러스트 베어링은 상기 냉각제 도관에 유체가 통하도록 연결된 냉각 챔버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 냉각 실린더는, 냉각제의 흐름을 안내하기 위하여 냉각제 슬롯을 형성하는 외부 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
22. 제 21 항에 있어서, 코일 냉각 채널과 베어링 냉각 채널은 상기 냉각제 슬롯 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
23. 제 20 항에 있어서, 냉각 실린더의 외부 표면은 외부 쉘을 연결시키기 위한 하나 이상의 O-링을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
24. 제 20 항에 있어서, 액추에이터 코일의 외부 링 상에 형성된 상기 계면은 이를 통해 흐르는 냉각제를 안내하기 위한 슬롯인 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
25. 제 20 항에 있어서, 액추에이터 코일의 상기 외부 링은 냉각 실린더를 연결하기 위한 하나 이상의 O-링을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
26. 제 20 항에 있어서, 스핀들 샤프트의 외부 표면상의 상기 전도성 재료는 스핀들 샤프트의 회전축과 각을 형성하도록 기울어지고 외부 표면을 따라 축방향으로 연장된 복수의 스트립으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
27. 제 20 항에 있어서, 프론트 및 리어 베어링의 외부 주변 표면은 하나 이상의 흡입 슬롯을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
28. 제 20 항에 있어서, 스러스트 베어링의 스러스트 면은, 제 3 흡입구에 유체가 통하도록 연결된 공기 전달 슬롯을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
29. 제 20 항에 있어서, 상기 스페이서 링은 스러스트 베어링의 냉각제 도관과 프론트 베어링의 냉각제 관통구로 유체가 통하도록 연결된 냉각제 개구부를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.
30. 제 20 항에 있어서, 스러스트 베어링의 스러스트 면은 하나 이상의 회전 속도 센서를 수용하기 위한 센서 수용구를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛.

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