스핀들모터 구조체 및 이를 채용한 하드 디스크 드라이브{Spindle motor structure and hard disk drive employing the same}

도 1은 종래의 하드 디스크 드라이브를 보인 분리 사시도.

도 2는 도 1의 부분 단면도.

도 3은 유체동압베어링의 온도 변화에 따른 마찰 토오크 변화를 보인 그래프.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하드 디스크 드라이브를 보인 분리사시도.

도 5는 도 4의 부분 단면도.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 온-피씨비(On-PCB) 히터를 보인 사시도.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 On-PCB 히터를 보인 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

111...베이스 115...디스크

120...액츄에이터 121...기록/재생헤드

130...스핀들모터 구조체 140...스핀들모터

143...로터 143a...샤프트

145...구동원 150...유체 동압 베어링

151...베어링 하우징 153...저널 베어링부

155...스러스트 베어링부 157...유체

159...캡부재 160...회로기판

170...히터 171...발열부

173...절연몸체 175...리드

180...절연부재

본 발명은 유체동압베어링에 의하여 지지되는 스핀들모터 구조체 및 이를 채용한 하드 디스크 드라이브에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스핀들모터 자체의 구조적인 변형 없이도 스핀들모터에 열을 가하여 저온 분위기에서 스핀들모터를 원활히 구동할 수 있도록 된 구조의 스핀들모터 구조체 및 이를 채용한 하드 디스크 드라이브에 관한 것이다.

정보저장매체 중 하나인 하드 디스크 드라이브(HDD; Hard Disk Drive)는 기록/재생 헤드를 사용하여, 스핀들모터에 의하여 회전 구동되는 디스크에 데이터를 기록하거나, 기록된 데이터를 재생하는 장치이다.

도 1은 종래의 하드 디스크 드라이브를 보인 분리 사시도이고, 도 2는 도 1의 부분 단면도이다. 도면들을 참조하면, 하드 디스크 드라이브(10)는 베이스(11)와, 상기 베이스(11)에 결합되는 커버부재(12)를 구비한다. 상기 베이스(11) 상에는 디스크(20)를 회전시키기 위한 스핀들모터(30)와, 기록/재생 헤드(44)를 디스크 (20) 상의 원하는 위치로 이동시키기 위한 액츄에이터(40)가 설치된다.

상기 액츄에이터(40)는 상기 베이스(11) 상에 설치된 액츄에이터 피봇(41)에 회전 가능하게 결합된 스윙 아암(42)과, 스윙 아암(42)의 일측 단부에 설치되어 상기 헤드(44)를 디스크(20) 쪽으로 탄성 바이어스되게 지지하는 서스펜션(43) 및, 스윙 아암(42)을 회전시키기 위한 보이스 코일 모터(50)를 가진다.

그리고, 상기 베이스(11)의 하부에는 절연체(60)를 사이에 두고 결합 설치된 인쇄회로기판(70)이 마련된다. 이 인쇄회로기판(70)은 상기 스핀들모터(30), 기록/재생 헤드(44) 및 액츄에이터(40) 등을 작동시키기 위한 반도체 칩들(71)과 각종 회로소자들(73)이 탑재되어 있다.

여기서, 상기 스핀들모터(30)는 베이스(11)에 대해 고정 설치된 스테이터(31)와, 상기 디스크(20)를 고정하는 것으로 상기 스테이터(31)에 대해 회전 가능하게 설치된 로터(33)와, 상기 스테이터(31)와 로터(33) 사이에 개재되어 상기 로터(33)를 회전 가능하게 지지하는 유체 동압 베어링(35) 및, 상기 로터(33)에 대해 회전 구동력을 제공하는 자기구동부(39)를 포함한다.

상기 유체 동압 베어링(35)은 상기 로터(33)의 회전축(33a)을 반경방향으로 지지하는 저널(journal) 베어링부(36)과, 회전축(33a)을 축방향으로 지지하는 스러스트(thrust) 베어링부(37) 및, 상기 저널 베어링부(36) 및 스러스트 베어링부(37) 내에 주입된 유체(38)를 포함한다. 따라서, 상기 유체 동압 베어링(35)은 상기 자기구동부(39)에 의하여 상기 디스크(20)의 회전 구동시, 저널 및 스러스트 베어링부(36)(37)과 회전축(33a) 사이에 주입된 유체(38)가 유막을 형성하여 동압을 발생 시킨다. 따라서, 유체 동압 베어링(35)은 스테이터(31)와 로터(33)가 서로 비접촉 된 상태로 상기 회전축(33a)이 회전되도록 지지하여 마찰 부하를 저감시킬 수 있다.

한편, 상기한 바와 같이 구성된 유체 동압 베어링을 적용한 스핀들모터는 저온에서 유체 동압 베어링의 성능이 저하되는 문제점이 있다.

도 3은 유체동압베어링의 온도 변화에 따른 마찰 토오크 변화를 보인 그래프이다. 도면을 참조하면, 유체 동압 베어링이 적용되는 하드디스크 드라이브는 주변온도가 대략 15℃ 이상에서는 스러스트 베어링부의 마찰 토오크가 대략 1.5×10 ^-4 [N·m] 이하이고, 저널 베어링부의 마찰 토오크가 대략 0.5×10 ^-4 [N·m] 이하로서 특별한 문제점이 발생되지 않는다. 하지만, 주변온도가 대략 5℃ 이하로 내려가는 경우는 유체의 점도가 상승하여, 저널 및 스러스트 베어링부 각각과 회전축 사이의 마찰 토오크가 커지게 된다. 예를 들어, 스러스트 베어링부의 온도 변화에 따른 마찰 토오크 변화를 살펴보면, -5℃에서는 대략 3.1×10 ^-4 [N·m] 정도의 마찰 토오크를 가지는 반면, 이보다 5℃ 낮은 -10℃에서는 급격히 증가하여 대략 4.2 ×10 ^-4 [N·m] 정도의 마찰 토오크를 가짐을 알 수 있다. 즉, 5℃ 차이에 따른 마찰 토오크 변화 폭 △T _f 값이 대략 1.1×10 ^-4 [N·m]로서 매우 크다는 사실을 알 수 있다.

상기한 결과로부터, 유체 동압 베어링을 적용한 하드 디스크 드라이브는 영하 특히 -5℃ 이하의 온도에서는 스핀들모터를 회전하는데 필요한 기동전류가 증가 되는 문제점 내지는 소정 시간 내에 정상적인 회전 기동이 곤란하다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 하드디스크 드라이브에 열을 가하여 유체의 점도를 낮춤으로 인해 스핀들 모터의 회전속도를 상승시키는 방식이 일본국 특개평 5-166291호(공개일 : 1993년 7월 2일, 발명의 명칭 : 자기 디스크 장치의 스핀들모터)가 개시된 바 있다. 이 개시된 장치는 스핀들모터 내에 히터를 내장한 구조를 가짐으로써, 저온 환경에서 히터를 통하여 가열하여 윤활제의 점도를 내리도록 한다.

한편, 개시된 장치는 상기한 히터를 스핀들모터 내부에 내장하는 구조를 가짐으로, 스핀들모터 구조가 복잡해지고 가격이 상승한다는 단점이 있다.

또한, 유체 동압 베어링을 적용하여 하드 디스크 드라이브를 구성함에 있어서, 상기한 히터 구조를 포함하는 스핀들모터를 채용시에만 그 성능이 발휘되고, 도 2에 도시된 바와 같은 구조의 히터 구조를 포함하지 않는 스핀들모터를 채용시에는 저온 환경에서 상기한 마찰 토오크 증가에 의한 기동 불량 문제점을 여전히 내포하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 점들을 감안하여 안출된 것으로, 스핀들모터 자체의 구조적 변형 없이도 유체 동압 베어링 구조의 스핀들모터에 열을 가하여 저온 분위기에서 스핀들모터를 원활히 구동할 수 있도록 된 구조의 스핀들모터 구조체 및 이를 채용한 하드 디스크 드라이브를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스핀들모터 구조체는 베이스 상에 설치되어 유체 동압에 의하여 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 유체 동압 베어링과, 전자기력에 의해 상기 샤프트를 회전 구동시키는 구동원을 구비한 스핀들모터와; 상기 베이스와 마주하게 설치되는 것으로, 상기 구동원에 구동전원을 인가하는 회로기판과; 상기 회로기판 상의 상기 유체 동압 베어링과 마주하는 위치에 설치되어, 유체 동압 베어링을 가열하는 히터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하드 디스크 드라이브는 베이스와; 상기 베이스 상에 설치되어 유체 동압에 의하여 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 유체 동압 베어링과, 전자기력에 의해 상기 샤프트를 회전 구동시키는 구동원을 구비한 스핀들모터와; 상기 스핀들모터의 샤프트에 설치되는 것으로 데이터가 저장되는 적어도 하나의 디스크와; 상기 베이스 상에 회동 가능하도록 설치되어, 상기 디스크에 대해 데이터의 기록/재생을 수행하는 기록/재생 헤드를 상기 디스크 상의 소정 위치로 이동시키는 액츄에이터와; 상기 베이스와 마주하게 설치되는 것으로, 상기 기록/재생헤드, 상기 구동원 및 상기 액츄에이터를 전기적으로 작동시키기 위한 회로기판과; 상기 회로기판 상의 상기 유체 동압 베어링과 마주하는 위치에 설치되어, 유체 동압 베어링을 가열하는 히터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스핀들모터 구조체 및 이를 채용한 하드 디스크 드라이브를 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스핀들모터 구조체 및 이를 채용한 하드 디스크 드라이브를 보인 분리 사시도이고, 도 5는 도 4의 부분 단면도이다.

도면들을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하드 디스크 드라이브는 베이스(111)와, 상기 디스크(115)에 대해 데이터의 기록/재생을 수행하는 기록/재생 헤드(121)와, 상기 베이스(111) 상에 설치되어 상기 기록/재생 헤드(121)를 구동하는 액츄에이터(120)와, 상기 디스크(115)를 회전 구동시키는 스핀들모터 구조체(130)를 포함한다.

상기 베이스(111) 상에는 그 상부에 설치된 구성요소들을 보호하는 커버부재(113)가 나사(114) 등에 의하여 결합 설치되어 있다. 따라서, 상기 베이스(111)와 커버부재(113) 사이의 내부 공간에 구비된 디스크(115), 기록/재생 헤드(121), 액츄에이터(120) 등의 구성요소들을 보호한다.

상기 디스크(115)는 적어도 1매 구조로 이루어진 것으로, 상기 스핀들모터 구조체(130)의 샤프트(143a)에 설치되어 회전 구동된다.

상기 액츄에이터(120)는 상기 베이스(111) 상에 설치된 액츄에이터 피봇(123)에 회전 가능하게 결합된 스윙 아암(125)과, 스윙 아암(125)의 일측 단부에 설치되어 상기 기록/재생헤드(121)를 상기 디스크(115) 쪽으로 탄성 바이어스되게 지지하는 서스펜션(127) 및, 상기 스윙 아암(125)을 회전시키기 위한 보이스 코일 모터(129)를 가진다.

상기 스핀들모터 구조체(130)는 스핀들모터(140), 회로기판(160) 및 히터(170)를 포함하여 구성된다.

상기 스핀들모터(140)는 베이스(111)에 대해 고정 설치된 스테이터(141)와, 상기 디스크(115)를 고정하는 것으로 상기 스테이터(141)에 대해 회전 가능하게 설치된 로터(143)와, 상기 스테이터(141)와 로터(143) 사이에 개재되어 상기 로터(143)를 회전 가능하게 지지하는 유체 동압 베어링(150) 및, 전자기력에 의해 상기 로터(143)에 대해 상기 샤프트(143a)를 회전 구동시키는 구동원(145)을 구비한다.

상기 유체 동압 베어링(150)은 유체(157)가 주입되는 내부공간을 가지는 베어링 하우징(151)과, 상기 베어링 하우징(151) 내부에 마련되는 것으로 상기 샤프트(143a)를 반경방향으로 지지하는 저널(journal) 베어링부(153)와, 상기 베어링 하우징(151) 내부에 마련되는 것으로 샤프트(143a)를 축방향으로 지지하는 스러스트(thrust) 베어링부(155) 및, 상기 베어링 하우징(151)의 단부에 결합되어 상기 스러스트 베어링부(155)의 하부를 지지하는 캡부재(159)를 포함한다. 따라서, 상기 유체 동압 베어링(150)은 상기 구동원(145)에 의하여 상기 디스크(115)의 회전 구동시, 상기 저널 및 스러스트 베어링부(153)(155)와 상기 샤프트(143a) 사이에 주입된 유체(157)가 유막을 형성하여 동압을 발생시킨다. 이에 따라, 유체 동압 베어링(150)은 로터(143)와 스테이터(141)가 서로 비접촉 된 상태로 상기 샤프트(143a)이 회전되도록 지지하여 마찰 부하를 저감시킬 수 있다.

여기서, 상기 스핀들모터(140)가 구동되지 않는 경우, 상기 유체(157)는 자중에 의하여 상기 베어링 하우징(151)의 하부 즉, 상기 스러스트 베어링부(155) 주변에 주로 위치된다.

상기 회로기판(160)은 상기 베이스(111)와 마주하게 설치되는 것으로, 상기 구동원(145)에 구동전원을 인가한다. 또한, 상기 회로기판(160)은 상기 기록/재생 헤드(121) 및 액츄에이터(120) 등을 전기적으로 작동시킨다. 이를 위하여, 이 회로기판(160)에는 다수의 반도체 칩들(161)과, 여러 전기회로소자들(165)이 탑재되어 있다.

상기 히터(170)는 상기 회로기판(160) 상의 상기 유체 동압 베어링(150)과 마주하는 위치에 설치된다. 이 히터(170)는 저온 환경에서 상기 베어링 하우징(151) 내에 주입된 유체(157)를 가열함에 의하여, 그 점도를 낮추어줌으로써 초기 기동시 스러스트 베어링부(155) 마찰 토오크를 줄여 준다.

이를 위하여, 상기 히터(170)는 전류 인가시 발열되는 발열부(171)와, 절연몸체(173) 및 상기 회로기판(160)에 전기적으로 접속되어 상기 발열부(171)에 전류를 인가하는 접속단자(175)를 포함한다. 상기 절연몸체(173)는 상기 히터(170)의 몸체를 이루는 부분으로서, 이 발열부(171)와 상기 회로기판(160) 사이에 배치되어 상기 발열부(171)에서 발생된 열이 상기 회로기판(160) 쪽으로 전달되는 것을 차단한다. 상기 발열부(171)는 니켈-크롬 계열 등의 발열체를 도포 내지는 도금에 의하여 상기 절연몸체(173) 상에 형성함으로써 제작된다. 여기서, 상기 발열부(171)는 상기 캡부재(159)의 하부에 접촉되어, 상기 캡부재(159)를 직접 가열할 수 있도록 된 것이 바람직하다. 또한, 상기 캡부재(159)와 상기 발열부(171)의 접촉 부분에 서멀 그리스(thermal grease)(179)가 도포되어, 열전도율을 높일 수 있도록 된 것이 바람직하다.

상기 히터(170)는 상기 접속단자(175)의 구조에 따라 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 형상을 가질 수 있다. 도 6은 접속단자로서 상기 절연몸체(173)의 하부로 돌출 된 한 쌍의 리드(175a)를 나타낸 것이다. 이 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 회로기판(160) 상에 마련된 결합공(미도시)에 상기 리드(175a)를 결합하고, 납땜 등을 통하여 회로기판(160) 상의 통전경로에 연결함으로써 상기 히터(170)의 장착이 완료된다. 도 7은 접속단자로서 상기 절연몸체(173)의 측부로 인출 된 한 쌍의 리드(175b)를 나타낸 것이다. 이 경우는 회로기판(160) 상의 본딩패드(미도시)에 대해 상기 리드(175b)를 표면 실장함으로써, 히터(170)를 장착할 수 있다.

상기 히터(170)는 스핀들모터 구조체(130) 주변의 온도가 낮아 유체(157)의 점도가 높아짐으로써, 상기 디스크(115)가 정상적으로 회전되지 않는 경우 상기 유체(157)를 가열하여 그 점도를 낮추어 준다. 따라서, 저온 환경에서 초기 구동시 야기되는 마찰 토오크에 의한 기동 불량을 방지할 수 있다. 여기서, 상기 히터(170)는 디스크(115)의 회전속도가 정상속도 미만으로 검출된 경우, 상기 유체(157)를 가열하기 시작하여 디스크(115)의 회전속도가 정상속도 이상이 될 때까지 가열함으로써 주변 온도를 측정하는 온도감지센서 없이도 저온 환경에서 스핀들모터를 정상적으로 구동할 수 있다.

또한, 상기 스핀들모터(140)와 상기 회로기판(160) 사이에는 상기 히터(170)를 회피하여 개재된 절연부재(180)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 절연부재(180)는 상기 회로기판(160)과 그 상부에 위치된 베이스(111) 사이를 전기적으로 절연시킨다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 스핀들모터 구조체는 히터를 구비하여 유체 동압 베어링을 이루는 유체를 가열함으로써, 저온 분위기에서 유체의 점도를 낮추어 초기 스핀들모터의 기동 불량을 방지할 수 있다.

또한, 상기 히터를 회로기판 상에 실장하여 유체를 가열하는 구조를 가짐으로써, 유체 동압 베어링 구조의 스핀들모터 자체의 구조적 변형 없이도 저온 분위기에서 스핀들모터를 원활히 구동할 수 있다. 따라서, 일반적인 스핀들모터를 채용하여 하드 디스크 드라이브를 구성할 수 있어서, 구성을 단순화하고 제조비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위 내에서 정해져야만 할 것이다.