디스크장치의 샤프트와 허브의 결합방법과 그 결합체{METHOD FOR COUPLING SHAFT AND HUB IN DISK APPARATUS, AND THE COUPLED BODY THEREBY}
본 발명은 컴퓨터 등의 디스크장치, DVD, CD-ROM 에 사용되는 스핀들모터, 특히 노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 퍼스널컴퓨터에 탑재되는 박형 하드디스크 드라이브 모터로 동압베어링구조의 스핀들모터의 샤프트와 허브의 결합방법에 관한 것이다. 종래의 샤프트와 허브의 결합방법으로는 압입, 슈렁크, 접착제에 의한 접합, 용접 등의 방법이 있다.
그러나 종래의 결합방법에서는 박형 하드디스크장치의 동압베어링형 스핀들모터의 두께가 얇은 허브(예를 들면 두께 1 mm)에 작은 지름 샤프트(예를 들면 외경 3 mm)를 결합하는 경우, 각각 다음과 같은 문제가 있었다. 널리 알려진 바와 같이, 압입법에서는 강도에 한계가 있으며 특히 충격에 약하다. 슈렁크법에 있어서는, 작은 지름때문에 충분한 슈렁크 여유를 확보 할 수 없어 압입과 마찬가지로 강도에 한계가 있다. 또 가열을 필요로 하고 슈렁크후의 정밀도도 좋지 않아 결합후에 가공이 필요하게 된다. 또한 가열, 냉각 등에 시간이 소요되어 생산성도 나쁘다. 접착제에 의한 방법에 있어서는, 접착길이가 짧기 때문에 강도에 한계가 있고, 충격에 약하다. 또 접합부로부터 밀려 나온 여분의 접착제가 모터성능에 악영향을 미친다. 또한 접착제의 경화에 시간과 가열이 필요하므로 생산성이 낮다. 용접에 의한 방법에 있어서는, 열변형이 생기고 특히 열수축에 의해 구부러짐이 생겨 정밀도를 확보할 수 없다. 또 샤프트의 재질이 SUS440C 와 같은 높은 탄소량의 마르텐사이트조직에서는 샤프트에 균열이 생기는 등의 문제가 있었다. 또한 레이저용접기 등의 고가의 설비가 필요하였다. 상기한 바와 같이 종래의 방법에서는 허브에 디스크를 클램프함으로써 샤프트와 허브의 결합부에 생기는 응력에 대하여 필요한 펀치, 벤딩, 회전토크 등의 강도와, 샤프트와 허브의 디스크 탑재면의 흔들림 정밀도를 확보하는 결합, 및 결합부에 밀봉성을 가지게 하는 결합은 곤란하였다. 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하는 것으로, 두께가 얇은 허브에 작은 지름 샤프트를 고강도, 고정밀도로 결합하는 방법 및 접합부에 높은 밀봉성을 가지게 한 결합방법을 제공하는 것이다.
도 1은 허브와 샤프트의 결합체를 사용한 하드 디스크장치의 동압베어링 스핀들모터의 종단면도, 도 2는 허브와 샤프트의 결합체의 종단면도, 도 3은 샤프트의 외관도, 도 4는 허브의 종단면도, 도 5는 압입공정의 금형의 종단면도, 도 6은 압입 끼워맞춤이 완료된 후의 샤프트와 허브의 결합부의 확대 종단면도, 도 7은 소성결합 공정의 금형의 종단면도, 도 8은 소성결합 완료후의 샤프트와 허브의 결합부의 확대 종단면도, 도 9는 샤프트의 홈부의 확대 종단면도, 도 10은 샤프트의 R 형상 홈부의 확대 종단면도, 도 11은 샤프트의 널링공구가 있는 홈부의 확대도, 도 12는 샤프트의 홈 사이에 원통부가 있는 홈부의 확대 종단면도, 도 13은 압입 끼워맞춤이 완료된 후의 응력을 나타내는 샤프트와 허브의 결합부의 확대 종단면도, 도 14는 소성결합 완료후의 응력을 나타내는 샤프트와 허브의 결합부의 확대종단면도이다. ※도면의 주요부분에 있어서의 부호의 설명 1 : 샤프트 2 : 허브 3 : 디스크 12 : 원통부 21 : 결합구멍 31 : 홈 60 : 펀치 66 : 돌기
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 먼저 제 1 목적에 대하여, 샤프트의 바깥 둘레에 고리형상의 홈을 가진 외경부를 허브 중앙의 결합구멍에 압입하여 끼워맞추고, 허브 끝면의 구멍 근방을 전체 둘레에 걸쳐 소성변형시켜 샤프트의 오목부를 메우도록 또한 샤프트에 압축응력을 주도록 허브의 재료를 소성유동시킴으로써 허브의 재료의 전단력과 긴박력(緊迫力)으로 결합력을 얻도록 샤프트와 허브를 결합하였다. 다음에 제 2 목적에 대하여, 샤프트의 바깥 둘레에 고리형상의 복수의 홈을 가지고, 홈 사이에 원통부의 산을 설치한 외경부를 허브 중앙의 결합구멍에 끼워 맞추고, 허브 끝면의 구멍 근방을 전체 둘레에 걸쳐 소성변형시켜 샤프트의 오목부를 메우도록 또한 샤프트에 압축응력을 주도록 허브의 재료를 소성유동시킴으로써 허브의 재료의 전단력과 긴박력으로 결합력을 얻도록 샤프트와 허브를 결합하였다. 여기서 결합력을 얻기 위해서는 압입하여 끼워맞추는 것이 중요하다. 이와 같이 구성한 본 발명에 의하면 두께가 얇은 허브와 작은 지름의 샤프트의 결합에서도 충분한 강도와 정밀도, 또한 밀봉성이 얻어지고, 또 저렴한 설비로 생산성 좋게 결합할 수 있다. 도 1은 본 발명에 의한 허브와 샤프트의 결합체를 사용한 하드 디스크장치의 동압베어링 스핀들모터의 일 실시예를 나타낸 것이다. 도 1에 있어서 샤프트(1)는 허브(2)와 본 발명에 의한 결합방법에 의해 일체화되고, 허브(2)에는 마그넷(13)이 고착되어 있다. 허브(2)의 플랜지(24)에는 기억매체인 복수의 디스크(3)가 디스크 스페이서(4)를 사이에 두고 적층되고, 나사(6)로 샤프트(1)의 암나사(32)에 조여지는 클램프(5)에 의해 고정되어 있다. 샤프트 (1)는 하우징(7)에 고정된 동압베어링 메탈(8)의 내경에 회전가능하게 끼워맞춰지고, 회전에 의해 하우징내에 충전된 자성유체에서 생기는 동압효과에 의해 레이디얼 동압베어링을 구성한다. 하우징(7)은 베이스(11)에 고착되어 있다. 스러스트 받이판(10)은 동압베어링 메탈(8) 사이에 스토퍼링(12)을 끼워 넣어 하우징 (7)에 접합되고, 샤프트(1)의 구형상 끝부(40)를 스러스트 받이면(41)으로 지지하여 스러스트 베어링을 구성하고 있다. 또 샤프트(1)는 스토퍼홈(42)에 끼워맞춘 스토퍼링 (12)에 의해 스러스트방향의 부상을 억제하고 있다. 권선된 스테이터코어(14)는 베이스(11)에 접착제에 의해 고착되고, 통전되면 마그넷(13)이 회전력을 받아 허브(2)를 회전시킨다. 다음에 허브(2)와 샤프트(1)에 대하여 설명한다. 결합체인 허브(2)의 재질은 소성변형되기 쉽고, 피결합체인 샤프트(1)보다도 변형저항이 작은 것이 바람직하며, 내식성 및 모터로서의 자기특성을 고려하여 페라이트계 스테인레스강 예를 들어 SUS430 으로 이루어진다. 샤프트(1)는 베어링성능을 고려하여 내마모성, 내식성에 뛰어난 마르텐사이트계 스테인레스강 예를 들어 SUS440C 로 이루어져 쿠엔칭처리되어 있다. 피결합 외경부에는 고리형상의 홈(31)이 설치되어 있다. 홈형상의 상세에 대해서는 뒤에서 설명한다. 도 2도는 본 발명에 의한 허브와 샤프트의 결합체의 일 실시예를 나타내는 것이다. 샤프트(1)에는 외경에 전체 둘레홈(31)이 형성되고, 샤프트(1)의 바깥지름보다 작은 허브(2)의 결합구멍(21)에 이하에 나타내는 바와 같은 방법으로 소성결합되어 있다. 그 결합공정은 도 3에 나타내는 샤프트(1)를 도 4에 나타내는 허브(2)에 압입하여 끼워맞추는 제 1 공정과 소성결합하는 제 2 공정으로 이루어진다. 먼저 제 1 공정에 대하여 설명한다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 허브(2)를 링(50) 및 프레임(53)으로 유지하고 가이드(51)의 구멍(54)에 샤프트(1)를 삽입하고, 핀(52)으로 구멍(54)에 가이드된 샤프트(1)의 외경(34)을 압입저항력을 넘는 하중으로 도시 생략한 프레스 램에 의해 허브(2)의 결합구멍(21)에 압입하여 끼워맞춘다. 이때 샤프트(1)와 허브(2)가 상대적으로 기울어지지 않도록 각 끼워맞춤부의 간극은 0.005 mm 이하의 미소 간극으로 설정하는 것이 압입정밀도를 얻는 데 있어서 바람직하다. 본 실시예에서는 샤프트의 외경을 3.000 mm, 허브의 결합구멍 내경을 2.992 mm로 설정하고 있다. 압입값이 클 수록 강도가 높으나, 마모가 생기기 쉽고, 그 때문에 압입정밀도는 저하된다. 도 6은 압입하여 끼워맞춤이 완료된 후의 결합부의 확대 종단면도를 나타낸다. 다음에 소성결합하는 제 2 공정에 대하여 설명한다. 도 7에 나타내는 바와 같이 제 1 공정에서 압입하여 끼워맞춘 샤프트(1)와 허브(2)의 압입체의 바닥면 (23)을 프레임(63)으로, 외경(25)을 가이드링(61)의 내경(62)으로 유지하고, 샤프트 (1)를 가이드링(61)의 내경(65)에 가이드된 펀치(60)의 가이드구멍(64)으로 유지하고, 펀치(60)를 도시 생략한 프레스 램에 의해 펀치(60)의 선단에 설치된 링형상의 돌기(66)가 허브(2)의 끝면(22)의 결합구멍(21) 근방을 허브의 재료가 소성변형하는 데 충분한 응력을 생기게 하는 하중으로, 될 수 있는 한 연직으로 가압하여 결합구멍(21) 근방의 재료를 전체 둘레홈(31)에 소성유동시켜 결합한다. 도 8에 소성결합이 완료된 후의 결합부의 확대 종단면도를 나타낸다. 높은 결합정밀도를 얻기 위해서는 가이드구멍(64)과 샤프트(1)의 외경의 간극은 작을 수록 좋다. 또 펀치(60)의 돌기(66)에 의한 돌기폭(W)과 가압깊이 (H)는 지나치게 크면 소성변형시키기 위한 하중이 커지고, 또 홈내에 유동하는 이상의 재료를 유동시키게 되어 결합정밀도를 악화시키기 때문에 홈형상에 맞추어 설정한다. 압입하여 끼워맞추는 제 1 공정과 소성결합하는 제 2 공정을 각각의 금형으로 행하는 방법을 설명하였으나, 압입 끼워맞춤과 소성결합을 1개의 금형내에서 행하여 공정을 단축할 수도 있다. 다음에 샤프트의 홈형상에 관하여 설명한다. 도 9는 홈 부분의 일례를 나타내는 확대 종단면도이다. 홈의 단면형상을 결정하는 요소는, 홈의 깊이(H), 홈의 폭(B), 홈의 각도 (θ), 홈의 수(n) 등이다. 먼저 홈의 깊이(H)는 너무 얕으면 축방향으로 외력이 작용하였을 때 용이하게 소성변형되기 때문에 충분한 전단강도가 얻어지지 않는다. 너무 깊으면 홈내로의 재료의 유입이 불충분하게 되어 공극부를 생기게 하기 때문에 강도가 저하한다. 또 샤프트(1)에는 암나사(32)가 설치되어 결합부 부근의 두께가 얇고, 홈의 깊이를 깊게 하면 샤프트의 강도가 저하되기 때문에 0.07 내지 0.13 mm 정도가 바람직하다. 다음에 홈의 폭(B)은 결합부에 필요로 하는 전단강도에 따라 변화시키면 되나, 너무 폭을 크게 하면 결합할 때 펀치의 선단으로부터 홈의 하부까지의 거리가 길어져 홈내에 유입해야 할 재료의 유동마찰 손실이 커진다. 그 결과, 펀치로 큰 하중을 가하여도 홈의 하부 부근에 있어서의 재료의 내부응력은 소성변형하는 데 충분할 정도로 높아지지 않고, 따라서 소성변형량이 적어져 홈내로의 재료의 유입이 충분하지 않다. 결합부의 허브의 두께가 얇아 홈폭에는 당연히 한계가 있어 B/2 = 0.15 내지 0.25 정도가 바람직하다. 다음에 홈각의 도(θ)는 각도(θ)가 작으면 홈내로 재료가 흐르기 어렵고, 크면강도가 약해지기 때문에 각도(θ)는 60°내지 120°가 좋다. 홈의 수(n)는, n = 2 일 때가 가장 강도가 높다. 이것은 홈의 폭(B)이 동일하며 홈의 수는 n = 1 과 n = 2 인 경우를 비교하면, n = 2 인 쪽이 샤프트와 허브의 접촉면적이 크기 때문에 강도가 높다. 그러나 홈의 수를 많게 하여도 홈내로의 유입이 악화되기 때문에 강도는 저하한다. 또한 홈의 단면형상은 삼각형일 필요는 없고, 도 10과 같이 R 형상이어도 된다. 또 결합부에 높은 토크강도가 필요한 경우는 도 11에 나타내는 바와 같이 홈 사이의 산에 널링공구(36)를 설치하면 된다. 홈이 전체 둘레에 걸쳐 있으면 재료가 전체 둘레에 균등하게 소성유동하고, 긴박력도 전체 둘레에 균등하게 작용하기 때문에 직각정밀도, 강도 모두 향상할 수 있다. 또 홈은 선반가공할 수 있기 때문에 생산성도 높다. 홈의 위치는 될 수 있는 한 허브의 가압면(24)에 근접하도록 설정하는 것이 좋으며, 떨어지면 유동마찰저항이 커져 홈내로 재료가 유입하기 어렵게 된다. 또 본 발명의 제 2 목적에 있어서의 샤프트홈의 실시예를 도 12에 나타낸다. 2개의 홈(31) 사이에 축 외경의 일부인 원통부(12)를 설치하여, 소성변형에 의한 긴박력을 원통부(12)에도 강하게 생기게 함으로써 결합부에 높은 밀봉성을 가지게 할 수 있다. 이에 따라 도 1에 있어서의 스핀들모터에 충격이 가해진 경우, 실링(9)과 샤프트(1)의 간극으로부터 튀어나온 자성유체가 허브(2)와 샤프트(1)의 결합부로부터 디스크측으로 누설되는 것을 방지할 수 있어 누설방지를 위해 결합후에 접착제 등을 도포할 필요가 없어진다. 원통부(12)의 길이(L)는 지나치게 길면 2개째의 홈으로의 소성유동이 방해되어 강도가 저하되기 때문에 L = 0.01 내지 0.05 mm 정도가 바람직하다. 이상과 같이 구성한 본 실시예에 의하면 도 13에 나타내는 바와 같이 바깥 둘레에 고리형상의 홈을 가진 샤프트 외경부를 허브 중앙의 결합구멍에 압입하여 끼워맞추고, 샤프트와 허브의 결합구멍에 간극이 없고, 압입에 의한 응력(σ)이 작용하고 있는 상태에서 허브 끝면의 구멍 근방을 전체 둘레에 걸쳐 소성변형시켜 샤프트의 홈부를 메우도록 또한 샤프트에 압축응력을 주도록 허브의 재료를 소성유동시킴으로써, 도 14에 나타내는 바와 같이 허브의 재료의 전단력과 긴박력(P), 또한 가압부로부터 떨어져 긴박력이 작용하기 어려운 부분에는 압입에 의한 응력(σ)이 작용하고 있기 때문에 허브와 샤프트의 결합강도가 높다. 또한 밀봉성을 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면 두께가 얇은 허브와 작은 지름의 샤프트의 결합으로도 충분한 강도와 정밀도가 얻어지고, 또한 밀봉성을 얻을 수 있다. 또 저렴한 설비로 생산성이 높고, 제조비용의 저감을 도모할 수 있다. |
