KR20140005540A - 스핀들 모터 - Google Patents

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KR20140005540A
KR20140005540A KR1020120073054A KR20120073054A KR20140005540A KR 20140005540 A KR20140005540 A KR 20140005540A KR 1020120073054 A KR1020120073054 A KR 1020120073054A KR 20120073054 A KR20120073054 A KR 20120073054A KR 20140005540 A KR20140005540 A KR 20140005540A
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thrust dynamic
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송정환
정신영
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 스핀들 모터에 관한 것으로서, 자성체 재질의 베이스 부재와, 상기 베이스 부재에 설치되는 하부 스러스트 부재와, 상기 하부 스러스트 부재와 상기 베이스 부재 중 적어도 하나에 고정 설치되는 샤프트와, 상기 샤프트를 유체 동압에 의해 상대 회전 가능하게 지지하고 상기 하부 스러스트 부재의 상부에 배치되어 회전시 상기 하부 스러스트 부재와의 사이에 스러스트 동압 베어링을 형성하는 슬리브와, 상기 슬리브에 결합되어 상기 슬리브와 연동하여 회전하는 로터 허브 및 상기 슬리브의 상부에 위치하도록 상기 샤프트의 상단부에 고정 설치되고 상기 슬리브의 회전시 상기 슬리브와의 사이에 스러스트 동압 베어링을 형성하는 상부 스러스트 부재를 포함하고, 상기 하부 스러스트 부재와 상기 슬리브 간에 형성되는 상향 스러스트 동압은 상기 상부 스러스트 부재와 상기 슬리브 간에 형성되는 하향 스러스트 동압보다 클 수 있다.

Description

스핀들 모터{SPINDLE MOTOR}
본 발명은 스핀들 모터에 관한 것이다.
정보 저장 장치 중 하나인 하드 디스크 드라이브(HDD; Hard Disk Drive)는 기록재생헤드(read/write head)를 사용하여 디스크에 저장된 데이터를 재생하거나, 디스크에 데이터를 기록하는 장치이다.
이러한 하드 디스크 드라이브는 디스크를 구동시킬 수 있는 디스크 구동장치가 필요하며, 상기 디스크 구동장치에는 소형의 스핀들 모터가 사용된다.
이러한 소형의 스핀들 모터는 유체 동압 베어링 어셈블리가 이용되고 있으며, 상기 유체 동압 베어링 어셈블리의 회전축인 샤프트와 상기 샤프트를 상대회전 가능하도록 지지하는 슬리브 사이에는 윤활 유체가 개재되어 상기 윤활 유체에서 생기는 유체 압력에 의해 베어링을 형성하여 상대부재를 지지하게 된다.
또한, 샤프트와 슬리브 중 회전하는 부재에는 기록디스크가 탑재되는 로터 허브가 장착되며, 상기 로터 허브는 회전하는 부재의 상측에 고정 결합되고, 회전축을 중심으로 반경 방향으로 펼쳐진 원반 형상으로 구비된다.
그런데, 종래에는 하드 디스크 드라이브에 제공되는 베이스를 제조하는데 있어서, 알루미늄(Al)을 다이캐스팅(Die-Casting) 한 후 다이캐스팅(Die-Casting)에 의해 발생되는 버(Burr) 등을 제거하는 후가공 방식으로 생산하고 있다.
그러나, 종래의 다이캐스팅(Die-Casting) 방식은 알루미늄(Al)을 용융 상태로 주입하여 형태를 만드는 공정을 거치게 되므로, 고온 고압을 필요로 하여 많은 에너지가 공정에 요구되며, 공정시간과 단가가 증가한다는 문제가 있다.
공개특허공보 US 2010/0315742, US 2011/0019303, US 2012/0033328 등은 다이캐스팅 베이스를 이용한 스핀들 모터를 개시하고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 간단하고 빠르게 제조할 수 있는 베이스 및 그 베이스를 이용한 스핀들 모터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터는 자성체 재질의 베이스 부재; 상기 베이스 부재에 설치되는 하부 스러스트 부재; 상기 하부 스러스트 부재와 상기 베이스 부재 중 적어도 하나에 고정 설치되는 샤프트; 상기 샤프트를 유체 동압에 의해 상대 회전 가능하게 지지하고 상기 하부 스러스트 부재의 상부에 배치되어 회전시 상기 하부 스러스트 부재와의 사이에 스러스트 동압 베어링을 형성하는 슬리브; 상기 슬리브에 결합되어 상기 슬리브와 연동하여 회전하는 로터 허브; 및 상기 슬리브의 상부에 위치하도록 상기 샤프트의 상단부에 고정 설치되고 상기 슬리브의 회전시 상기 슬리브와의 사이에 스러스트 동압 베어링을 형성하는 상부 스러스트 부재;를 포함하고, 상기 하부 스러스트 부재와 상기 슬리브 간에 형성되는 상향 스러스트 동압은 상기 상부 스러스트 부재와 상기 슬리브 간에 형성되는 하향 스러스트 동압보다 클 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터에서 상기 하부 스러스트 부재의 상면 또는 상기 슬리브의 하면에는 복수의 하부 스러스트 동압 그루브가 구비되고, 상기 상부 스러스트 부재의 하면 또는 상기 슬리브의 상면에는 복수의 상부 스러스트 동압 그루브가 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터에서 상기 하부 스러스트 동압 그루브 영역의 면적은 상기 상부 스러스트 동압 그루브 영역의 면적보다 클 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터에서 상기 하부 스러스트 동압 그루브의 개수는 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 개수보다 많을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터에서 상기 하부 스러스트 동압 그루브의 원주방향의 폭 및 인접하는 그루브 사이에 형성되는 랜드의 원주방향의 폭의 차이는, 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 원주방향의 폭 및 인접하는 그루브 사이에 형성되는 랜드의 원주방향의 폭의 차이보다 작을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터에서 상기 하부 스러스트 동압 그루브의 깊이는 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 깊이보다 작을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터에서 상기 하부 스러스트 동압 그루브와 상기 상부 스러스트 동압 그루브는 스파이럴 형상이고, 상기 하부 스러스트 동압 그루브의 내측단과 회전 중심의 연장선이 상기 하부 스러스트 동압 그루브의 내측단에서의 접선과 이루는 각이 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 내측단과 회전 중심의 연장선이 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 내측단에서의 접선과 이루는 각보다 작을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터에서 상기 하부 스러스트 동압 그루브와 상기 상부 스러스트 동압 그루브는 헤링본 형상이고, 상기 하부 스러스트 동압 그루브의 외측 날개와 내측 날개가 이루는 각은 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 외측 날개와 내측 날개가 이루는 각보다 클 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터에서 상기 베이스 부재는 압연 강판을 소성 가공(plastic working)하여 형성한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터는 샤프트와, 상기 샤프트를 유체 동압에 의해 상대 회전 가능하게 지지하는 슬리브와, 상기 샤프트에 반경 방향 외측으로 돌출되도록 구비되어 상기 샤프트와 상기 슬리브의 상대 회전시 대면하는 부재와의 사이에서 스러스트 동압 베어링을 형성하는 상부 및 하부 스러스트 부재를 포함하는 유체 동압 베어링 어셈블리; 상기 유체 동압 베어링 어셈블리가 장착되는 자성체 재질의 베이스 부재; 상기 베이스 부재에 장착되는 전자석; 및 상기 샤프트와 상기 슬리브 중 회전하는 부재에 장착되어 상기 전자석과 상호작용하는 마그네트;를 포함하고, 상기 상부 및 하부 스러스트 부재와 이와 각각 대면하는 부재 간에 형성되는 스러스트 동압 중 회전하는 부재를 축 방향 상측으로 부상시키는 상향 스러스트 동압은 회전하는 부재를 축 방향 하측으로 잡아당기는 하향 스러스트 동압보다 클 수 있다.
본 발명에 따른 스핀들 모터는 프레스 방식 등에 의해 간단하고 빠르게 베이스를 제조할 수 있어 제품의 생산성이 향상될 수 있다. 또한, 베이스의 두께를 얇게 형성하여 박형화 및 경량화가 가능하다. 또한, 축방향으로 작용하는 힘들이 균형을 이루어 안정적으로 작동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부를 나타내는 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬리브와 상부 및 하부 스러스트부재를 나타내는 절개 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스러스트 동압 그루브의 구비 구조를 설명하기 위한 슬리브의 상면 또는 하면의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스핀들 모터를 이용하는 디스크 구동장치의 개략 단면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안한 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터를 나타내는 개략 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 부를 나타내는 확대도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬리브와 상부 및 하부 스러스트 부재를 나타내는 절개 분해 사시도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스러스트 동압 그루브의 구비 구조를 설명하기 위한 슬리브의 상면 또는 하면의 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터(100)는 베이스 부재(110), 하부 스러스트 부재(120), 샤프트(130), 슬리브(140), 로터 허브(150), 상부 스러스트 부재(160) 및 캡 부재(190)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 방향에 대한 용어를 정의하면, 축 방향은 도 1에서 볼 때, 상,하 방향, 즉 샤프트(130)의 하부측으로부터 상부측을 향하는 방향 또는 샤프트(130)의 상부측으로부터 하부측을 향하는 방향을 의미하고, 반경 방향은 도 1에서 볼 때, 좌,우 방향, 즉 샤프트(130)로부터 로터 허브(150)의 외주면을 향하는 방향 또는 로터 허브(150)의 외주면으로부터 샤프트(130)를 향하는 방향을 의미하고, 원주 방향은 회전중심에서 소정 반경을 따라 회전되는 방향을 의미한다. 가령, 로터 허브(150)의 외주면을 따라 회전되는 방향을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터(100)는 유체 동압 베어링 어셈블리를 이용하여 회전부재가 고정부재에 부드럽게 상대회전할 수 있도록 한다.
여기서, 상기 유체 동압 베어링 어셈블리는 윤활 유체를 매개로 유체 동압을 발생시켜 상대 회전하는 부재들로 구성되며, 하부 스러스트 부재(120), 슬리브(140), 샤프트(130), 상부 스러스트 부재(160) 및 로터 허브(150)를 포함할 수 있다.
또한, 회전부재는, 고정부재에 상대적으로 회전하는 부재로, 슬리브(140) 및 로터 허브(150)를 포함할 수 있으며, 상기 로터 허브(150)에 구비되는 마그네트(184)를 포함할 수 있다.
나아가, 고정부재는, 상기 회전부재에 상대적으로 고정되어 있는 부재로, 베이스 부재(110), 샤프트(130), 하부 스러스트 부재(140) 및 상부 스러스트 부재(160)를 포함할 수 있다.
베이스 부재(110)는 로터 허브(150)와 함께 소정 공간를 형성토록 장착홈(112)을 구비할 수 있다. 그리고, 베이스부재(110)는 축방향 상부측으로 연장 형성되어 외주면에 스테이터 코어(102)가 설치되는 결합부(114)를 구비할 수 있다.
또한, 결합부(114)의 외주면에는 스테이터 코어(102)가 안착되어 설치될 수 있도록 안착면(114a)이 구비될 수 있다. 그리고, 결합부(114)에 안착된 스테이터 코어(102)는 상기한 베이스 부재(110)의 장착홈(112) 상부에 배치될 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 상기 베이스 부재(110)는 압연 강판의 소성 가공(plastic working)에 의해 제조될 수 있다. 더욱 상세하게는 상기 베이스 부재(110)는 프레스(press), 스탬핑(stamping), 딥 드로잉(deep drawing) 방식 등으로 제조될 수 있다. 다만, 베이스 부재(110)의 제조는 이에 한정하지 않으며 예시하지 않은 다양한 방식에 의해 제조된 것을 사용할 수 있다.
즉, 일 실시예에 따른 베이스 부재(110)는 압연 강판의 소성 가공에 의해 제조되므로 기본적으로 자성체 재질로 구성될 수 있다. 이에, 로터 허브(150)에 장착되는 마그네트(184)와 상기 베이스 부재(110)는 마그네틱 상호 작용에 의해 상호 끌어당기는 힘이 발생한다. 그러므로, 본 발명에서는 축방향으로 작용하는 힘으로 상기 마그네트(184)와 상기 베이스 부재(110) 간의 힘을 고려해야 한다. 이에 대해서는 상세히 후술하도록 하겠다.
한편, 상기 베이스 부재(110)는 압연 강판의 소성 가공에 의해 제조되므로 베이스 부재(110)의 두께가 얇고 균일하게 제조된다. 그러므로 상기 베이스 부재(110)에 구비되는 결합부(114)를 일체로 형성하기가 용이하지 않을 수 있다. 이에, 일 실시예에 따른 베이스 부재(110)의 경우는 상기 결합부(114)를 별도의 부재로 제작하여 스핀들 모터의 조립시 상기 베이스 부재(110)에 결합할 수 있다.
하부 스러스트 부재(120)는 베이스 부재(110)에 고정 설치된다. 즉, 하부 스러스트 부재(120)는 결합부(114)에 삽입 설치되며, 보다 상세하게는 하부 스러스트 부재(120)의 외주면이 결합부(114)의 내주면에 접합되도록 설치될 수 있다.
한편, 하부 스러스트 부재(120)는 내부면이 샤프트(130)에 고정 설치되며 외부면이 베이스 부재(110)에 고정 설치되는 원반부(122)와, 원반부(122)로부터 축방향 상측으로 연장 형성되는 연장부(124)를 구비할 수 있다.
즉, 하부 스러스트 부재(120)는 중공을 가진 컵 형상을 가질 수 있다. 즉, 단면이 'ㄴ' 자 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
또한, 원반부(122)에는 샤프트(130)의 설치를 위한 설치홀(122a)이 형성될 수 있으며, 샤프트(130)는 설치홀(122a)에 삽입 장착된다.
그리고, 하부 스러스트 부재(120)는 베이스 부재(110)와 함께 고정부재, 즉 스테이터에 포함된다.
한편, 하부 스러스트 부재(120)의 외부면은 베이스 부재(110)의 내부면에 접착제 또는/및 용접에 의해 접합될 수 있다. 다시 말해, 하부 스러스트 부재(120)의 외부면은 베이스 부재(110)의 결합부(114) 내부면에 고정 접합된다.
또한, 하부 스러스트 부재(120)의 상면 또는 슬리브(140)의 저면(140b) 중 적어도 하나에는 스러스트 유체 동압을 발생시키기 위한 스러스트 동압 그루브(148)가 형성될 수 있다. 이에 대해서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
더하여, 하부 스러스트 부재(120)는 윤활유체가 누설되는 것을 방지하기 위한 실링부재의 역할을 동시에 수행할 수 있다. 이에 대해서도 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
샤프트(130)는 하부 스러스트 부재(120)와 베이스 부재(110) 중 적어도 하나에 고정 설치된다. 즉, 샤프트(130)의 하단부가 하부 스러스트 부재(120)의 원반부(122)에 형성된 설치홀(122a)에 삽입되도록 설치될 수 있다.
또한, 샤프트(130)의 하단부는 원반부(122)의 내부면과 접착제 또는/및 용접에 의해 접합될 수 있다. 이에 따라, 샤프트(130)가 고정될 수 있는 것이다.
다만, 본 발명의 일 실시예에서는 샤프트(130)가 하부 스러스트 부재(120)에 고정 설치되는 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 샤프트(130)는 베이스 부재(110)에 고정 설치될 수도 있을 것이다.
한편, 샤프트(130)도 상기 하부 스러스트 부재(120), 베이스 부재(110)와 함께 고정부재, 즉 스테이터에 포함되는 구성이다.
샤프트(130)의 상면에는 덮개부재(미도시)가 고정 설치될 수 있도록 결합수단, 예를 들어 나사가 체결되는 나사부가 구비될 수 있다.
슬리브(140)는 샤프트(130)에 회전 가능하게 설치될 수 있다. 이를 위해 슬리브(140)는 샤프트(130)가 삽입되는 관통홀(141)을 구비할 수 있다. 한편, 슬리브(140)가 샤프트(130)에 설치되는 경우 슬리브(140)의 내주면과 샤프트(130)의 외주면은 소정 간격 이격 배치되어 베어링 간극(B)를 형성한다. 그리고, 이 베어링 간극(B)에 윤활유체가 충진된다.
한편, 슬리브(140)의 상단부에는 슬리브(140)의 상면과 단차지게 형성되어 상부 스러스트 부재(160)와의 사이에 래버린스 형상의 실링부를 형성하기 위한 단차면(144)이 형성될 수 있다. 상기 단차면(144)과 상기 상부 스러스트 부재(160)에 의해 형성되는 래버린스 형상의 실링부에 의해 윤활유체의 실링이 견고하게 이루어질 수 있다.
한편, 상기 상부 스러스트 부재(160)의 상단부 외측면에는 로터 허브(150)와의 사이에 제1 기액계면(F1)을 형성토록 상부측 외경이 하부측의 외경보다 크게 형성되는 경사부(163)를 가질 수 있다.
다시 말해, 상부 스러스트 부재(160)의 외주면과 로터 허브(150)의 내주면 사이 공간에 제1 기액계면(F1)이 형성될 수 있도록 상부 스러스트 부재(160)의 상단부에는 상부측 외경이 하부측의 외경보다 크게 형성되는 경사부(163)가 형성될 수 있다.
또한, 슬리브(140)의 외주면에는 로터 허브(150)가 접합된다. 즉, 단차면(144)의 하부는 로터 허브(150)의 내부면에 대응되는 형상을 가져 로터 허브(150)가 고정 설치될 수 있도록 형성될 수 있다. 즉, 슬리브(140)의 외주면에는 접합면(145)이 형성될 수 있다.
여기서, 상기 슬리브(140)와 로터 허브(150)는 일체형으로 구비될 수 있다. 슬리브(140)와 로터 허브(150)가 일체형으로 구비되는 경우에는 하나의 부재로 슬리브(140) 및 로터 허브(150)가 모두 제공되므로 부품수를 줄여 제품의 조립이 용이하고 조립 공차를 최소화할 수 있다.
한편, 슬리브(140)의 외주면 하단부는 하부 스러스트 부재(120)의 연장부(124)와 함께 기액계면을 형성토록 반경방향 내측을 향하여 상향 경사지게 형성될 수 있다.
즉, 슬리브(140)의 외주면과 하부 스러스트 부재(120)의 연장부(124) 사이 공간에 제2 기액계면(F2)가 형성될 수 있도록 슬리브(140)의 하단부는 반경방향 내측을 향하여 상향 경사지게 형성될 수 있다. 즉, 슬리브(140)의 외주면과 하부 스러스트 부재(120)의 연장부(124) 사이 공간에 윤활유체의 실링부(S2)가 형성될 수 있다.
이와 같이, 제2 기액계면(F2)이 슬리브(140)의 하단부와 연장부(124) 사이 공간에 형성되므로, 베어링 간극(B)에 충진된 윤활유체는 제1 기액계면(F1)과 제2 기액계면(F2)을 형성한다.
또한, 슬리브(140)의 내부면에는 슬리브(140)의 회전시 베어링 간극(B)에 충진된 윤활유체를 매개로 하여 유체 동압을 발생시키기 위한 래디얼 동압 그루브(146)가 형성될 수 있다. 즉, 래디얼 동압 그루브(146)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상,하부 래디얼 동압 그루브(146a,146b)로 이루어질 수 있다.
다만, 래디얼 동압 그루브(146)는 슬리브(140)의 내부면에 형성되는 경우로 한정되지 않으며, 샤프트(130)의 외주면에 형성될 수도 있으며, 헤링본, 스파이럴, 나사선 형상 등 다양한 형상으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 슬리브(140)는 상기 슬리브(140)의 상면과 하면을 연통하는 순환홀(147)을 더 구비할 수 있다. 상기 순환홀(147)은 베어링 간극(B)의 윤활유체에 포함된 기포를 외부로 배출할 수 있으며, 윤활유체의 순환을 용이하게 할 수 있다.
나아가, 상기 슬리브(140)와 상기 샤프트(130)에 의해 형성되는 베어링 간극(B)과 상기 순환홀(147)을 연통시키도록 반경 방향으로 형성되는 연통홀(142)을 더 구비할 수 있다. 상기 연통홀(142)은 상부 및 하부 래디얼 동압 그르브 간의 간격인 베어링 스팬 길이를 길게 형성할 수 있도록 한다. 즉, 상기 상,하부 래디얼 동압 그루브(146)의 펌핑 방향을 유동적으로 활용할 수 있도록 하여 모터의 설계 다양성을 높일 수 있다.
로터 허브(150)는 슬리브(140)에 결합되어 슬리브(140)와 연동하여 회전된다.
로터 허브(150)는 상부 스러스트 부재(160)가 내부에 삽입 배치되는 삽입부(152a)가 형성된 로터 허브 바디(152)와, 로터 허브 바디(152)의 가장자리로부터 연장 형성되어 내부면에 마그네트 어셈블리(180)가 장착되는 장착부(154) 및 장착부(154)의 끝단으로부터 반경방향 외측을 향해 연장 형성되는 연장부(156)를 구비할 수 있다.
한편, 로터 허브 바디(152)의 내부면 하단부는 슬리브(140)의 외부면에 접합될 수 있다. 즉, 슬리브(140)의 접합면(145)에 로터 허브 바디(152)의 내부면 하단부가 접착제에 의해 또는/및 용접에 의해 접합될 수 있다.
이에 따라, 로터 허브(150)의 회전시 슬리브(140)가 로터 허브(150)와 함께 회전될 수 있는 것이다.
또한, 장착부(154)는 로터 허브 바디(152)로부터 축방향 하측을 향하여 연장 형성된다. 그리고, 장착부(154)의 내부면에 마그네트 어셈블리(180)가 고정 설치될 수 있다.
한편, 마그네트 어셈블리(180)는 장착부(154)의 내부면에 고정 설치되는 요크(182)와, 요크(182)의 내주면에 설치되는 마그네트(184)으로 구성될 수 있다.
요크(182)는 마그네트(184)로부터의 자기장이 스테이터 코어(102)를 향하여 향하도록 하여 자속밀도를 증가시키도록 하는 역할을 수행한다. 한편, 요크(182)는 원형의 고리 형상을 가질 수 있으며, 마그네트(184)로부터 발생되는 자기장에 의해 자속밀도를 향상시킬 수 있도록 일단부가 절곡된 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
마그네트(184)는 환고리 형상을 가질 수 있으며, 원주방향을 따라 N극, S극이 교대로 착자되어 일정세기의 자기장을 발생시키는 영구자석일 수 있다.
한편, 마그네트(184)는 코일(101)이 권선되는 스테이터 코어(102)의 선단에 대향 배치되며, 코일(101)이 권선된 스테이터 코어(102)와의 전자기적 상호작용에 의해 로터 허브(150)가 회전될 수 있도록 구동력을 발생시킨다.
즉, 코일(101)에 전원이 공급되면, 코일(101)이 권선된 스테이터 코어(102)와, 이에 대향 배치되는 마그네트(184)의 전자기적 상호작용에 의해 로터 허브(150)가 회전될 수 있는 구동력이 발생되고, 이에 따라 로터 허브(150)가 슬리브(140)와 연동하여 회전될 수 있다.
상부 스러스트 부재(160)는 샤프트(130)의 상단부에 고정 설치되며, 슬리브(140) 또는 로터 허브(150)와 함께 기액계면을 형성한다.
상기 상부 스러스트 부재(160)는 내부면이 샤프트(130)에 접합되는 바디(162) 및 바디(162)로부터 연장 형성되어 경사부(143)와 함께 기액계면을 형성하는 돌출부(164)를 구비할 수 있다.
돌출부(164)는 바디(162)로부터 축방향 하측으로 연장 형성되며, 내부면이 슬리브(140)의 외측면과 대향하고, 외부면이 로터 허브(150)의 내부면과 대향할 수 있다.
또한, 돌출부(164)는 샤프트(130)와 평행하게 바디(162)로부터 연장 형성될 수 있다.
그리고, 상부 스러스트 부재(160)는 샤프트(130)의 외주면 상단부, 슬리브(140)의 외부면 및 로터 허브(150)의 내부면에 의해 형성되는 공간에 삽입 배치될 수 있다.
또한, 상부 스러스트 부재(160)도 베이스 부재(110), 하부 스러스트 부재(120), 샤프트(130)와 함께 고정 설치되는 고정부재로서, 스테이터를 구성하는 부재이다.
한편, 상부 스러스트 부재(160)가 샤프트(130)에 고정 설치되며 슬리브(140)가 로터 허브(150)와 함께 회전되므로, 로터 허브(150)와 돌출부(164)의 사이 공간에 제1 기액계면(F1)이 형성될 수 있다. 이에 상기 로터 허브(150)의 내측면은 경사지도록 구비되는 경사부(153)를 구비할 수 있다.
다만, 상기 상부 스러스트 부재(160)의 돌출부(164)는 슬리브(140)와 로터 허브(150)가 형성하는 사이 공간에 배치된다. 그리고, 슬리브(140)와 상부 스러스트 부재(160)의 바디(162)의 하면, 상기 슬리브(140)의 외측면과 돌출부(164)의 내측면, 상기 돌출부(164)의 외측면과 상기 로터 허브(150)의 내측면이 각각 형성하는 공간을 따라 미로(래버린스) 형상으로 윤활유체가 채워져서 실링부(S1)가 형성된다.
그러므로, 상기 제1 기액계면(F1)은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 상부 스러스트 부재(160)의 외측면과 로터 허브(150)의 내측면이 형성하는 공간에 형성될 수 있을 뿐 아니라, 상기 슬리브(140)의 외측면과 돌출부(164)의 내측면에 형성될 수 있다. 물론, 후자의 경우에는 상기 슬리브(140)의 외측면 또는 상기 돌출부(164)의 내측면이 경사지도록 형성되어 윤활유체의 실링이 용이하도록 할 수 있다.
한편, 상부 스러스트 부재(160)의 저면 또는 상부 스러스트 부재(160)의 저면에 대향 배치되는 슬리브(140)의 상면(140a) 중 적어도 하나에는 스러스트 동압을 발생시키기 위한 스러스트 동압 그루브(148a)가 형성될 수 있다.
그리고, 상부 스러스트 부재(160)는 베어링 간극(B)에 충진되는 윤활유체가 상부측으로 누설되는 것을 방지하는 실링부재의 역할도 동시에 수행할 수 있다.
한편, 기액계면, 즉 제1 기액계면(F1)과 제2 기액계면(F2)을 형성하는 회전부재(즉, 슬리브)와, 고정부재(즉, 상,하부 스러스트 부재) 중 회전부재인 슬리브(140)가 고정부재에 대하여 반경 방향 내측에 배치되므로, 원심력에 의하여 윤활유체가 비산되는 것을 감소시킬 수 있다. 다만, 이는 제1 기액계면(F1)과 제2 기액계면(F2)이 모두 슬리브와 상,하부 스러스트 부재 사이에 형성되는 경우에 해당할 수 있다.
즉, 도 1 및 도 2에 도시된 일 실시예의 경우는 상부 스러스트 부재(160)와 로터 허브(150) 사이에 제1 기액계면(F1)이 형성된다. 그러므로, 이 경우에는 로터 허브(150)의 회전시 윤활유체가 원심력에 의해 반경 방향 외측으로 쏠리면서 유체의 비산이 발생할 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 상부 스러스트 부재(160)와 상기 로터 허브(150)가 형성하는 공간을 상측에서 커버해주는 캡 부재(190)를 구비할 수 있다.
상기 캡 부재(190)는 링 형상으로 구비되어 외측단이 상기 로터 허브(150)의 내측에 고정될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터(100)는 압연 강판을 소성 가공(프레스 등)하여 베이스 부재(110)를 제조할 수 있다. 이 경우에는 로터 허브(150)에 구비되는 마그네트(184)와 상기 베이스 부재(110) 간에 마그네틱 포스가 작용하여 상기 로터 허브(150)가 하측으로 당겨지는 힘이 발생하게 된다.
그러므로, 상기 스핀들 모터(100)가 원활하게 회전 작동하도록 하기 위해서는 상기 스핀들 모터(100)의 구동시 축방향으로 작용하는 힘으로 상기 마그네트(184)와 상기 베이스 부재(110) 간에 작용하는 마그네틱 포스를 고려해주어야 한다.
즉, 로터 허브(150) 및 슬리브(140)를 포함하는 회전부재에 대해서 축방향 하측으로 작용하는 힘과 축방향 상측으로 작용하는 힘이 균형을 이루어야 상기 스핀들 모터(100)의 회전이 원활할 수 있다.
상기 회전부재에 대해서 축방향 하측으로 작용하는 힘으로는, 상부 스러스트 동압 그루브(148a)에 의해 축방향 하측으로 형성되는 동압(FTd), 상술한 상기 마그네트(184)와 상기 베이스 부재(110) 간에 작용하는 마그네틱 포스(FM) 및 회전부재의 자중(FW)을 들 수 있다. 또한, 상기 회전부재에 대해서 축방향 상측으로 작용하는 힘으로는, 하부 스러스트 동압 그루브(148b)에 의해 축방향 상측으로 형성되는 동압(FTu)을 들 수 있다.
한편, 상기 회전부재에 대해 축방향으로 작용하는 힘이 상호 균형을 이루는 경우에 스핀들 모터(100)이 용이하므로 하기의 (수학식 1)이 성립할 수 있다.
FTd + FM + FW = FTu (수학식 1)
또한, 상기 (수학식 1)을 기초로 판단해보면, 상기 하부 스러스트 동압 그루브(148b)에 의해 축방향 상측으로 형성되는 동압(FTu)은 상기 상부 스러스트 동압 그루브(148a)에 의해 축방향 하측으로 형성되는 동압(FTd)보다 항상 더 크게 형성되어야 한다는 결론을 얻을 수 있다.
그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터(100)는 상기 하부 스러스트 부재(120)와 상기 슬리브(140) 간에 형성되는 상향 스러스트 동압은 상기 상부 스러스트 부재(160)와 상기 슬리브(140) 간에 형성되는 하향 스러스트 동압보다 크도록 구비될 수 있다.
스러스트 동압이 더 크게 형성되도록 하기 위해 상부와 하부의 스러스트 동압 그루브의 형상에 차이를 둘 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 스러스트 동압을 더 크게 하기 위해서는, 1) 스러스트 동압 그루브 영역의 면적(ST)을 더 넓게 하거나(스러스트 동압 그루브 영역의 면적(ST)은 그루브의 외측단이 형성하는 원주와 그루브의 내측단이 형성하는 원주 사이 면의 넓이를 의미함), 2) 스러스트 동압 그루브의 개수(NT)를 더 많게 하거나, 3) 스러스트 동압 그루브의 폭(WG)과 스러스트 동압 그루브 간에 형성되는 랜드의 폭(WL)의 차가 더 작게 하거나(스러스트 동압 그루브의 폭(WG)과 스러스트 동압 그루브 간에 형성되는 랜드의 폭(WL)은 소정 반경의 동일 원주 방향을 따라 측정하는 것이 바람직함), 4) 스러스트 동압 그루브의 깊이(WD)를 더 얕게 하거나, 5) 스러스트 동압 그루브가 스파이럴(spiral) 형상인 경우, 스러스트 동압 그루브의 내측단과 회전 중심(O)의 연장선(L0)이 상기 스러스트 동압 그루브의 내측단에서의 접선(LT)과 이루는 각(θS)이 더 작거나, 6) 스러스트 동압 그루브가 헤링본(herringbone) 형상인 경우, 스러스트 동압 그루브의 외측 날개(WO)와 내측 날개(WI)가 이루는 각(θH)이 더 크게 할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여 각 실시예 별로 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 모터(100)에 적용하여 상세히 설명하도록 한다.
먼저, 스러스트 동압 그루브 영역의 면적(ST)을 더 넓게 형성하여 스러스트 동압을 더 크게 형성할 수 있다. 즉, 상기 하부 스러스트 동압 그루브(148b) 영역의 면적은 상기 상부 스러스트 동압 그루브(148a) 영역의 면적보다 크게 형성할 수 있다.
다음으로, 스러스트 동압 그루브의 개수(NT)를 더 많게 하여 스러스트 동압을 더 크게 형성할 수 있다. 즉, 상기 하부 스러스트 동압 그루브(148b)의 개수는 상기 상부 스러스트 동압 그루브(148a)의 개수보다 많게 할 수 있다. 다만, 이 경우는 상부 및 하부 스러스트 동압 그루브의 크기가 대략 유사하고 회전 중심을 기준으로 반경방향으로 대략 유사한 위치에 그루브가 형성되어 있어야 한다.
또한, 스러스트 동압 그루브의 폭(WG)과 스러스트 동압 그루브 간에 형성되는 랜드의 폭(WL)의 차가 더 작게 하여 스러스트 동압을 더 크게 형성할 수 있다. 즉, 상기 하부 스러스트 동압 그루브(148b)의 폭과 인접하는 상기 하부 스러스트 동압 그루브(148b) 간의 간격 차이는 상기 상부 스러스트 동압 그루브(148a)의 폭과 인접하는 상기 상부 스러스트 동압 그루브(148a) 간의 간격 차이보다 작게 형성할 수 있다. 다만, 이 경우는 상부 및 하부 스러스트 동압 그루브의 크기가 대략 유사하고 회전 중심을 기준으로 반경방향으로 대략 유사한 위치에 그루브가 형성되어 있어야 한다.
또한, 스러스트 동압 그루브의 깊이(WD)를 더 얕게 하여 스러스트 동압을 더 크게 형성할 수 있다. 즉, 상기 하부 스러스트 동압 그루브(148b)의 깊이는 상기 상부 스러스트 동압 그루브(148a)의 깊이보다 더 작게 형성할 수 있다. 다만, 이 경우는 상부 및 하부 스러스트 동압 그루브의 크기가 대략 유사하고 회전 중심을 기준으로 반경방향으로 대략 유사한 위치에 그루브가 형성되어 있어야 한다.
또한, 스러스트 동압 그루브가 스파이럴(spiral) 형상인 경우, 스러스트 동압 그루브의 내측단과 회전 중심의 연장선(L0)이 상기 스러스트 동압 그루브의 내측단에서의 접선(LT)과 이루는 각(θS)이 더 작게 하여 스러스트 동압을 더 크게 형성할 수 있다. 즉, 상기 하부 스러스트 동압 그루브(148b)의 내측단과 회전 중심의 연장선이 상기 하부 스러스트 동압 그루브(148b)의 내측단에서의 접선과 이루는 각이 상기 상부 스러스트 동압 그루브(148a)의 내측단과 회전 중심의 연장선이 상기 상부 스러스트 동압 그루브(148a)의 내측단에서의 접선과 이루는 각보다 작게 형성할 수 있다. 다만, 이 경우는 상부 및 하부 스러스트 동압 그루브의 크기가 대략 유사하고 회전 중심을 기준으로 반경방향으로 대략 유사한 위치에 그루브가 형성되어 있어야 한다.
또한, 스러스트 동압 그루브가 헤링본(herringbone) 형상인 경우, 스러스트 동압 그루브의 외측 날개(WO)와 내측 날개(WI)가 이루는 각(θH)이 더 크게 할 수 있다. 즉, 상기 하부 스러스트 동압 그루브(148b)의 외측 날개와 내측 날개가 이루는 각은 상기 상부 스러스트 동압 그루브(148a)의 외측 날개와 내측 날개가 이루는 각보다 크게 형성할 수 있다. 다만, 이 경우는 상부 및 하부 스러스트 동압 그루브의 크기가 대략 유사하고 회전 중심을 기준으로 반경방향으로 대략 유사한 위치에 그루브가 형성되어 있어야 한다.
도 1 내지 도 5의 실시예에서는 로터 허브가 슬리브에 결합하여 회전하는 축고정형 구조에 대해서 설명하였지만, 로터 허브가 샤프트에 결합하여 회전하는 축회전형 구조에 대해서도 적용가능한 것은 물론이다.
즉, 유체 동압 베어링 어셈블리를 이용하는 스핀들 모터라면 어느 구조라도 적용이 가능하다.
더욱 상세히 설명하면, 샤프트와 샤프트를 유체 동압에 의해 상대 회전 가능하게 지지하는 슬리브를 구비하고, 샤프트에서 반경 방향 외측으로 돌출되도록 구비되어 샤프트와 슬리브의 상대 회전시 대면하는 부재와의 사이에서 스러스트 동압 베어링을 형성하는 상부 및 하부 스러스트 부재를 포함하는 유체 동압 베어링 어셈블리를 포함하는 구조이면 적용 가능하다.
여기서, 샤프트에서 반경 방향 외측으로 돌출되는 상부 및 하부 스러스트 부재는 별도로 구비되는 스러스트 부재, 로터 허브, 스토퍼 등 다양한 구성이 해당할 수 있다.
나아가, 유체 동압 베어링 어셈블리는 자성체 재질의 베이스 부재에 장착되어 베이스 부재와 회전부재에 장착되는 마그네트 간에 마그네틱 포스가 형성되어야 한다.
물론, 회전부재에 장착되는 마그네트는 베이스 부재에 장착되는 전자석과 상호작용하여 회전부재에 회전 동력을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예는 샤프트에 구비되는 상부 및 하부 스러스트 부재와 이와 각각 대면하는 부재 간에 형성되는 스러스트 동압 중 회전하는 부재를 축 방향 상측으로 부상시키는 상향 스러스트 동압은 회전하는 부재를 축 방향 하측으로 잡아당기는 하향 스러스트 동압보다 더 크게 형성될 수 있다. 그래야만 베이스 부재와 회전부재에 장착되는 마그네트 간에 마그네틱 포스에 의해 회전부재가 하측으로 당겨지는 힘을 상향 스러스트 동압이 보충할 수 있기 때문이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스핀들 모터를 이용하는 디스크 구동장치의 개략 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 스핀들 모터(100)가 장착된 기록 디스크 구동장치(800)는 하드 디스크 구동장치이며, 스핀들 모터(100), 헤드 이송부(810) 및 하우징(820)을 포함할 수 있다.
상기 스핀들 모터(100)는 상기에서 설명한 본 발명에 따른 스핀들 모터의 특징을 모두 가지며, 기록 디스크(830)를 탑재할 수 있다.
상기 헤드 이송부(810)는 상기 스핀들 모터(100)에 탑재된 기록 디스크(830)의 정보를 검출하는 자기 헤드(815)를 검출하고자 하는 기록 디스크의 면으로 이송시킬 수 있다.
여기서, 상기 자기 헤드(815)는 상기 헤드 이송부(810)의 지지부(817) 상에 배치될 수 있다.
상기 하우징(820)은 상기 스핀들 모터(100)와 상기 헤드 이송부(810)를 수용하는 내부공간을 형성하기 위해, 모터 탑재 플레이트(822)와 상기 모터 탑재 플레이트(822)의 상부를 차폐하는 탑커버(824)를 포함할 수 있다.
100 : 스핀들 모터
110 : 베이스부재
120 : 하부 스러스트 부재
130 : 샤프트
140 : 슬리브
150 : 로터 허브
160 : 상부 스러스트 부재

Claims (10)

  1. 자성체 재질의 베이스 부재;
    상기 베이스 부재에 설치되는 하부 스러스트 부재;
    상기 하부 스러스트 부재와 상기 베이스 부재 중 적어도 하나에 고정 설치되는 샤프트;
    상기 샤프트를 유체 동압에 의해 상대 회전 가능하게 지지하고 상기 하부 스러스트 부재의 상부에 배치되어 회전시 상기 하부 스러스트 부재와의 사이에 스러스트 동압 베어링을 형성하는 슬리브;
    상기 슬리브에 결합되어 상기 슬리브와 연동하여 회전하는 로터 허브; 및
    상기 슬리브의 상부에 위치하도록 상기 샤프트의 상단부에 고정 설치되고 상기 슬리브의 회전시 상기 슬리브와의 사이에 스러스트 동압 베어링을 형성하는 상부 스러스트 부재;를 포함하고,
    상기 하부 스러스트 부재와 상기 슬리브 간에 형성되는 상향 스러스트 동압은 상기 상부 스러스트 부재와 상기 슬리브 간에 형성되는 하향 스러스트 동압보다 큰 스핀들 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 스러스트 부재의 상면 또는 상기 슬리브의 하면에는 복수의 하부 스러스트 동압 그루브가 구비되고,
    상기 상부 스러스트 부재의 하면 또는 상기 슬리브의 상면에는 복수의 상부 스러스트 동압 그루브가 구비되는 스핀들 모터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하부 스러스트 동압 그루브 영역의 면적은 상기 상부 스러스트 동압 그루브 영역의 면적보다 큰 스핀들 모터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 하부 스러스트 동압 그루브의 개수는 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 개수보다 많은 스핀들 모터.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 하부 스러스트 동압 그루브의 원주방향의 폭 및 인접하는 그루브 사이에 형성되는 랜드의 원주방향의 폭의 차이는, 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 원주방향의 폭 및 인접하는 그루브 사이에 형성되는 랜드의 원주방향의 폭의 차이보다 작은 스핀들 모터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 하부 스러스트 동압 그루브의 깊이는 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 깊이보다 작은 스핀들 모터.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 하부 스러스트 동압 그루브와 상기 상부 스러스트 동압 그루브는 스파이럴 형상이고,
    상기 하부 스러스트 동압 그루브의 내측단과 회전 중심의 연장선이 상기 하부 스러스트 동압 그루브의 내측단에서의 접선과 이루는 각이 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 내측단과 회전 중심의 연장선이 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 내측단에서의 접선과 이루는 각보다 작은 스핀들 모터.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 하부 스러스트 동압 그루브와 상기 상부 스러스트 동압 그루브는 헤링본 형상이고,
    상기 하부 스러스트 동압 그루브의 외측 날개와 내측 날개가 이루는 각은 상기 상부 스러스트 동압 그루브의 외측 날개와 내측 날개가 이루는 각보다 큰 스핀들 모터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 부재는 압연 강판을 소성 가공(plastic working)하여 형성한 것인 스핀들 모터.
  10. 샤프트와, 상기 샤프트를 유체 동압에 의해 상대 회전 가능하게 지지하는 슬리브와, 상기 샤프트에 반경 방향 외측으로 돌출되도록 구비되어 상기 샤프트와 상기 슬리브의 상대 회전시 대면하는 부재와의 사이에서 스러스트 동압 베어링을 형성하는 상부 및 하부 스러스트 부재를 포함하는 유체 동압 베어링 어셈블리;
    상기 유체 동압 베어링 어셈블리가 장착되는 자성체 재질의 베이스 부재;
    상기 베이스 부재에 장착되는 전자석; 및
    상기 샤프트와 상기 슬리브 중 회전하는 부재에 장착되어 상기 전자석과 상호작용하는 마그네트;를 포함하고,
    상기 상부 및 하부 스러스트 부재와 이와 각각 대면하는 부재 간에 형성되는 스러스트 동압 중 회전하는 부재를 축 방향 상측으로 부상시키는 상향 스러스트 동압은 회전하는 부재를 축 방향 하측으로 잡아당기는 하향 스러스트 동압보다 큰 스핀들 모터.
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