KR20110002472U - 공기 베어링 및 이를 갖는 스핀들 장치 - Google Patents

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Abstract

스핀들 장치(100)는 스핀들 유닛(10)을 지지하기 위한 공기 베어링(40, 50)을 포함한다. 공기 베어링(40, 50)은 축(L)을 따라 연장하며 제1 측면(411, 511)을 갖는 중공체(41, 51), 제2 측면(412, 512) 및 제1 측면(411, 511)과 제2 측면(412, 512) 사이에 배치된 최소한 세 개의 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513)을 포함한다. 각 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513)은 반경방향으로 연장하는 다수개의 공기-가이딩 홀들(415, 515)을 포함한다. 두개의 인접한 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513) 사이의 축방향 거리(d)는 3mm 이상 10mm 이하의 값을 갖는다. 상기 각 공기-가이딩 홀들(415, 515)은 0.1mm 이하의 최소 직경을 갖는다.

Description

공기 베어링 및 이를 갖는 스핀들 장치{AIR BEARING AND SPINDLE DEVICE HAVING THE SAME}
본 고안은 공정 기계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 공기 베어링과 스핀들 장치에 관한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 대만등록특허 I230642호에 개시된 스핀들 장치는 샤프트(shaft, 1), 하우징(housing, 2), 샤프트(1)와 하우징(2) 사이에 배치된 모터(3), 모터(3)의 전방에 배치된 전방 공기 베어링(4) 및 모터(3)의 후방에 배치된 후방 공기 베어링(5)을 포함한다. 각각의 전방 및 후방 공기 베어링들(4, 5)은 두 개의 리세스들(401, 501) 및 상기 대응되는 리세스(401, 501)의 단부를 정의하는 벽(403, 503)을 통해 각각 형성되는 다수개의 관통홀들(402, 502)을 갖는다.
관통홀들(402, 502)의 존재로 인해, 상기 스핀들 장치는 요구되는 압축된 공기의 총량 그리고 이에 따른 파워 공급을 감소시키는 이점들을 갖는다. 그러나, 전방 혹은 후방 공기 베어링(401, 501)의 리세스들(401, 501) 사이의 거리가 벽들(403, 503)중 어느 하나에 있는 관통홀들(402, 502) 사이의 거리보다 훨씬 크기 때문에, 샤프트(1) 상의 지지력들의 비균일한 분포를 초래하고 샤프트(1)의 회전동안 샤프트(1)의 안정성에 불리한 영향을 미친다는 문제점이 있다.
본 고안의 목적은 파워 공급을 절감할 수 있으며 간단한 구조를 갖는 공기 베어링을 제공하는 것이다.
본 고안의 다른 목적은 파워 공급을 절감할 수 있으며 스핀들 유닛을 안정적으로 지지할 수 있는 스핀들 장치를 제공하는 것이다.
상기 본 고안의 목적을 달성하기 위해 본 고안에 따른 스핀들 장치는 스핀들 유닛을 지지하기 위한 공기 베어링을 포함한다. 상기 공기 베어링은 축을 따라 연장하고 제1 측면, 제2 측면 및 상기 제1 및 제2 측면들 사이에 배치된 적어도 세 개의 공기-가이딩 통로 유닛들을 갖는 중공체를 포함한다. 각각의 상기 공기-가이딩 통로 유닛들은 다수개의 반경방향으로 연장하는 공기-가이딩 홀들을 포함한다. 두개의 인접한 상기 공기-가이딩 통로 유닛들 사이의 축방향 거리는, 상기 스핀들 유닛 상의 지지력들의 균일한 분포를 확보하기 위해, 3mm 내지 10mm이다. 상기 각 공기-가이딩 홀들은 요구되는 파워 공급량이 상당히 감소될 수 있도록 0.1mm 이하의 최소 직경을 갖는다.
이와 같이 구성된 본 고안에 따른 스핀들 장치는 상기 스핀들 유닛에 가해지는 지지력들의 균일한 분포를 확보할 수 있으며, 요구되는 파워의 공급량을 상당히 감소시킬 수 있다.
본 고안의 특징들 및 기타 이점들은 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하여 다양한 실시예들을 상세하게 기술함으로써 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 대만등록특허 I230642호에 개시된 종래의 스핀들 장치를 나타내는 부분 절개 사시도이다.
도 2는 종래의 스핀들 장치를 나타내는 분해, 부분 절개 사시도이다.
도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 스핀들 장치의 단면도이다.
도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 전방 공기 베어링의 단면도이다.
도 5는 본 고안의 일 실시예에 따른 후방 공기 베어링의 단면도이다.
도 6은 전방 혹은 후방 공기 베어링 개략적인, 분해 단면도이다.
도 7은 수정된 전방 혹은 후방 공기 베어링들을 나타내는 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 고안의 실시예들에 따른 스핀들 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 고안은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 고안을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 고안의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 실질적으로 동일하거나 유사한 참조 부호를 실질적으로 동일하거나 유사한 구성 요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 고안의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 고안의 일 실시예에 따른 스핀들 장치(100) 스핀들 유닛(10), 스핀들 유닛(10)을 감싸는 하우징(20), 스핀들 유닛(10) 및 하우징(20) 사이에 배치된 모터(30), 모터(30) 전방에 배치된 전방 공기 베어링(40), 모터(30) 후방에 배치된 후방 공기 베어링(50), 후방 공기 베어링(50) 뒤에 배치된 스러스트 공기 베어링(60), 및 스러스트 공기 베어링(60) 뒤에 배치된 헤드 안착 유닛(70)을 포함한다.
스핀들 유닛(10)은 축(L)을 따라 연장하며, 전단부(11), 후단부(12), 전단부 및 후단부(11, 12) 사이에 배치된 중간부(13) 및 후단부(12)로부터 반경방향으로 외부로 연장하는 위치조정 디스크(14)를 갖는다.
하우징(20)은 축방향으로 연장하는 공기-가이딩 통로(21)를 갖는다.
모터(30)는 스핀들 유닛(10)의 회전을 유도하기 위해 스핀들 유닛(10)의 중간부(13)와 하우징(20)사이에 배치되어 있다.
도 4 및 도 6을 더 참조하면, 전방 공기 베어링(40)은 스핀들 유닛(10)의 전단부(11) 및 하우징(20) 사이에 배치되고, 중공체(41) 및 중공체(41) 내에 고정된 다수개의 공기-가이딩 노즐들(42)을 포함한다. 중공체(41)는 축(L)을 따라 연장하며, 스핀들 유닛(10)의 전단부(11)를 지지하기 위한 내부 주변부 표면(416), 내부 주변부 표면(416)의 일단부와 직교하여 연결된 제1 측면(411), 제1 측면(411)의 반대측에 위치하고 내부 주변부 표면(416)의 타단부와 직교하여 연결된 제2 측면(412), 제1 및 제2 측면들(411, 412) 사이에 배치되는 다수개의 축방향 배열 등거리 공기-가이딩 통로 유닛들(axially arranged equidistant air-bearing passage units, 413) 및 공기-가이딩 통로 유닛들(413)과 유체 연결되는 다수개의 축방향 연장 연결홀들(axially extending connecting holes, 414)을 갖는다. 제2 측면(412)은 모터(30)와 인접해 있다. 본 실시예는 세 개의 공기-가이딩 통로 유닛들(413) 및 열 개의 각방향 등거리 연결홀들(angularly equidistant connecting holes, 414)을 포함한다. 각각의 공기-가이딩 통로 유닛들(413)은 각방향으로 등거리이며 내부 주변부 표면(416)으로부터 반경방향과 외부로 연장하는 열 개의 공기-가이딩 홀들(415)을 포함한다. 두개의 인접한 공기-가이딩 통로 유닛들(413) 사이의 축방향 거리(d)는 3 mm 이상 10 mm 이하의 값을 가진다. 제1 측면(411)과 제1 측면(411)에 최근접한 공기-가이딩 통로 유닛(413) 사이 혹은 제2 측면(412)과 제2 측면(412)에 최근접한 공기-가이딩 통로 유닛(413) 사이의 거리(D)는 스핀들 유닛(10)을 지지하는 중공체(41) 일부의 축방향 높이(H1)의 8분의 1 이상이며, 축방향 높이(H1)의 5분의 1 이하이다. 공기-가이딩 노즐들(42)은 중공체(41)의 공기-가이딩 홀들(415) 내부에 각각 고정되어 있다. 각각의 공기-가이딩 노즐들(42)은 대구경부(422), 축(L)에 인접한 관통홀(421)의 일단부에 배치된 절두-원추형(frusto-conical)부(423), 및 대구경부(422)와 절두-원추형부(423) 사이에 연결되고 대구경부(422)보다 작으며 0.1mm이하인 직경을 갖는 소구경부(424)를 갖는 관통홀(421)로 형성되어 있다.
도 5를 더 참조하면, 후방 공기 베어링(50)은 스핀들 유닛(10)의 후단부(12)와 하우징(20) 사이에 배치되어 있고, 중공체(51) 및 중공체(51)에 고정된 다수개의 공기-가이딩 노즐들(52)을 포함한다. 중공체(51)는 축(L)을 따라 연장하며, 스핀들 유닛(10)의 후단부(12)를 지지하기 위한 내부 주변부 표면(516), 내부 주변부 표면(516)의 일단부에 직교하여 연결된 제1 측면(511), 제1 측면(511)에 반대하고 내부 주변부 표면(516)의 타단부에 직교하여 연결된 제2 측면(512), 제1 및 제2 측면들(511, 512) 사이에 배치되는 다수개의 각방향 배열된 공기-가이딩 통로 유닛들(513) 및 공기-가이딩 통로 유닛들(513)과 유체 연결되는 다수개의 각방향 연장 관통홀(514)을 갖는다. 제2 측면(512)은 모터(30)와 인접해 있다. 본 실시예는 세 개의 공기-가이딩 통로들(513) 및 열 개의 각방향 등거리 연결홀들(514)을 포함한다. 각각의 공기-가이딩 통로 유닛들(513)은 각방향으로 등거리이며 내부 주변부 표면(516)으로부터 반경방향 및 외부로 연장하는 열 개의 공기-가이딩 홀들(515)을 포함한다. 두개의 인접한 공기-가이딩 통로 유닛들(513) 사이의 축방향 거리(d)는 3 mm 이상 10 mm 이하의 값을 갖는다. 제1 측면(511)과 제1 측면(511)에 최근접한 공기-가이딩 통로 유닛(513) 사이 혹은 제2 측면(512)과 제2 측면(512)에 최근접한 공기-가이딩 통로 유닛(513) 사이의 거리(D)는 스핀들 유닛(10)을 지지하는 중공체(51) 일부의 축방향 높이(H2)의 8분의 1 이상이며 축방향 높이(H2)의 5분의 1 이하이다. 공기-가이딩 노즐들(52)은 중공체(41)의 공기-가이딩 홀들(515) 내부에 각각 고정되어 있다. 각각의 공기-가이딩 노즐들(52)은 대구경부(522), 축(L)에 인접한 관통홀(521)의 단부에 배치된 절두-원추형(frusto-conical)부(523) 및 대구경부(522)와 절두-원추형부(523) 사이에 연결되고 대구경부(522)보다 작으며 0.1 mm 이하의 직경을 갖는 소구경부(524)를 갖는 관통홀(521)로 형성되어 있다.
이와 다르게, 전방 및 후방 공기 베어링들(40, 50) 각각의 세 개의 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513)은 등거리가 아닐 수 있다. 또한, 공기-가이딩 노즐들(42, 52)은 필수적이 아닐 수 있다. 공기-가이딩 노즐들(42, 52)이 생략되었을 때, 소구경부들(424, 524)은 각각 공기-가이딩 홀들(415, 515)의 일부가 된다.
스러스트 베어링(60)은 위치조정 디스크(14)의 후방 측부 상에 배치되어 있으며, 공기-가이딩 통로(21)와 유체 연결되는 가이드 홀(61)로 형성되어 있다.
헤드 안착 유닛(70)은 압축 공기가 스러스트 공기 베어링(60) 내부로 흐르도록 가이딩하기 위한 두 개의 공기 유입 통로들(71)을 갖는다. 상기 압축 공기의 일부는 공기-가이딩 통로(21)를 경유하여 공기 유입 통로들(71)로부터 전방 및 후방 공기 베어링들(40, 50) 내부로 흐른다.
각 전방 및 후방 공기 베어링들(40, 50) 내의 두개의 인접한 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513) 사이의 거리가 적정 거리 범위 내에서 유지되므로, 스핀들 유닛(10) 상에 지지력들의 균일한 분포가 얻어짐으로써 스핀들 유닛(10)의 회전 동안 스핀들 유닛(10)의 안정성을 향상시킬 수 있다.
더욱이, 소구경부들(424, 524)이 충분히 작은 직경을 가지므로, 요구되는 압축 공기의 양을 상당량 감소시켜 파워 공급을 절약할 수 있다.
도 7은 수정된 전방 및 후방 공기 베어링들을 나타내고 있다. 수정된 각 전방 및 후방 공기 베어링들(40, 50)의 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513)의 수는 4개로 늘어난다.
상술한 바와 같이, 본 고안의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 실용신안등록청구범위에 기재된 본 고안의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 고안을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 샤프트 2 : 하우징
3 : 모터 4 : 전방 공기 베어링
5 : 후방 공기 베어링 10: 스핀들 유닛
11 : 전단부 12 : 후단부
13 : 중간부 14 : 위치조정 디스크
20 : 하우징 21 : 공기-가이딩 통로
30 : 모터 40 : 전방 공기 베어링
41 : 중공체 42 : 공기-가이딩 노즐
50 : 후방 공기 베어링 51 : 중공체
52 : 공기-가이딩 노즐 60 : 스러스트 공기 베어링
61 : 가이드 홀 70 : 헤드 안착 유닛
71 : 공기 유입 통로 411 : 제1 측면
412 : 제2 측면 413 : 공기-가이딩 통로 유닛
414 : 연결홀 415 : 공기-가이딩 홀
416 : 내부 주변부 표면 421 : 관통홀
422 : 대구경부 423 : 절두-원추형부
424 : 소구경부 511 : 제1 측면
512 : 제2 측면 513 : 공기-가이딩 통로 유닛
514 : 관통홀 515 : 공기-가이딩 홀
516 : 내부 주변부 표면 521 : 관통홀
522 : 대구경부 523 : 절두-원추형부
524 : 소구경부

Claims (6)

  1. 스핀들 유닛(10), 상기 스핀들 유닛(10)을 감싸는 하우징(20), 및 상기 스핀들 유닛(10)과 하우징(20) 사이에 배치된 모터(30)를 포함하는 스핀들 장치(100) 내에 배치되고, 상기 모터(30)의 일측부에 인접한 공기 베어링(40, 50)에 있어서,
    축(L)을 따라 연장하며 상기 스핀들 유닛(10)을 지지하기 위한 내부 주변부 표면(416, 516)을 갖는 중공체(41, 51), 상기 내부 주변부 표면(416, 516)의 일단부에 직교하여 연결된 제1 측면(411, 511), 상기 제1 측면(411, 511)의 반대 측부에 위치하고 상기 내부 주변부 표면(416, 516)의 타단부와 직교하여 연결된 제2 측면(412, 512), 상기 제1 측면(411, 511)과 상기 제2 측면(412, 512) 사이에 배치되는 적어도 세 개의 축방향 배열 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513) 및 상기 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513)과 유체 연결되는 다수개의 연결홀들(414, 514)을 포함하며,
    상기 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513) 각각은 상기 내부 주변부 표면들(416, 516)로부터 반경방향 및 외부로 연장하는 복수의 공기-가이딩 홀들(415, 515)을 포함하고, 두개의 인접한 상기 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513) 사이의 축방향 거리(d)는 3mm 이상 10mm 이하의 값을 가지며, 상기 공기-가이딩 홀들(415, 515)은 0.1mm 이하의 최소 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 베어링(40, 50).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 측면(411, 511) 및 상기 제1 측면(411, 511)에 최근접한 상기 공기-가이딩 통로 유닛(413, 513) 사이의 거리(D)가 상기 스핀들 유닛(10)을 지지하기 위한 상기 중공체(41, 51) 일부의 축방향 높이(H1, H2)의 8분의 1 이상, 그리고 5분의 1 이하이며,
    상기 제2 측면(412, 512) 및 상기 제2 측면(412, 512)에 최근접한 상기 공기-가이딩 통로 유닛(413, 513) 사이의 거리(D)가 상기 축방향 높이(H1, H2)의 8분의 1 이상, 그리고 5분의 1 이하인 것을 특징으로 하는 공기 베어링(40, 50).
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 공기-가이딩 홀들(415, 515) 내에 각각 고정된 다수개의 공기-가이딩 노즐들(42, 52)을 더 포함하며,
    상기 공기-가이딩 노즐들(42, 52) 각각은 대구경부(422, 522), 상기 축(L)에 인접한 상기 관통홀(421, 521)의 일단부에 배치된 절두-원추형부(423, 523) 및 상기 대구경부(422, 522)와 상기 절두-원추형부(423, 523) 사이에 연결되고 상기 대구경부(422, 522)보다 작고 0.1mm 이하의 직경을 갖는 소구경부(424, 524)를 갖는 관통홀(421, 521)로 형성되는 것을 특징으로 하는 공기 베어링(40, 50).
  4. 축(L)을 따라 연장하며 전단부(11), 후단부(12) 및 중간부(13)를 갖는 스핀들 유닛(10);
    상기 스핀들 유닛(10)을 감싸는 하우징(20);
    상기 스핀들 유닛(10)의 상기 전단부(11) 및 상기 하우징(20) 사이에 배치된 전방 공기 베어링(40); 및
    상기 스핀들 유닛(10)의 상기 후단부(12) 및 상기 하우징(20) 사이에 배치된 후방 공기 베어링(50)을 포함하며,
    상기 전방 및 후방 공기 베어링들(40, 50) 각각은 축(L)을 따라 연장하며 상기 스핀들 유닛(10)을 지지하기 위한 내부 주변부 표면(416, 516)을 갖는 중공체(41, 51), 상기 내부 주변부 표면(416, 516)의 일단부에 직교하여 연결된 제1 측면(411, 511), 상기 제1 측면(411, 511)의 반대 측부에 위치하고 상기 내부 주변부 표면(416, 516)의 타단부에 직교하여 연결된 제2 측면(412, 512), 상기 제1 측면(411, 511) 및 제2 측면(412, 512) 사이에 배치되는 적어도 세 개의 축방향 배열 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513) 및 상기 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513)과 유체 연결되는 다수개의 연결홀들(414, 514)을 포함하며, 상기 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513) 각각은 상기 내부 주변부 표면(416, 516)으로부터 반경방향 및 외부로 연장하는 다수개의 공기-가이딩 홀들(415, 515)을 포함하며, 두개의 인접한 상기 공기-가이딩 통로 유닛들(413, 513) 사이의 축방향 거리(d)는 3mm 이상 10mm 이하의 값을 가지고, 상기 공기-가이딩 홀들(415, 515)은 0.1mm 이하의 최소 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치(100).
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 각 전방 및 후방 베어링들(40, 50)에 대해,
    상기 제1 측면(411, 511) 및 상기 제1 측면(411, 511)에 최근접한 상기 공기-가이딩 통로 유닛(413, 513) 사이의 거리(D)는 상기 스핀들 유닛(10)을 지지하기 위한 상기 중공체(41, 51) 일부의 축방향 높이(H1, H2)의 8분의 1이상 및 상기 축방향 높이(H1, H2)의 5분의 1 이하이며,
    상기 제2 측면(412, 512) 및 상기 제2 측면(412, 512)에 최근접한 상기 공기-가이딩 통로 유닛(413, 513) 사이의 거리(D)는 상기 축방향 높이(H1, H2)의 8분의 1 이상 및 5분의 1 이하인 것을 특징으로 하는 스핀들 장치(100).
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 각 전방 및 후방 베어링들(40, 50)은 상기 공기-가이딩 홀들(415, 515) 내에 각각 고정된 다수개의 공기-가이딩 노즐들(42, 52)을 더 포함하며, 상기 각 공기-가이딩 노즐들(52)은 대구경부(422, 522), 축(L)에 인접한 관통홀(421, 521)의 단부에 배치된 절두-원추형(frusto-conical)부(423, 523) 및 상기 대구경부(422, 522)와 상기 절두-원추형부(423, 523) 사이에 연결되고 상기 대구경부(422, 522)보다 작으며 0.1mm이하인 직경을 갖는 소구경부(424, 524)를 갖는 관통홀(421, 521)로 형성되는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치(100).
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