KR20010015086A - 모터용 스러스트 베어링 - Google Patents

Abstract

모터의 스러스트 베어링에 있어서, 적어도 회전축에 접하는 부분이 폴리에테르에테르케톤 (PEEK) 재로 형성되어 있는 모터용 스러스트 베어링.

Description

모터용 스러스트 베어링{thrust bearing for motor}

본 발명은 예를 들면 정보기기, 사무기기, 오디오ㆍ비디오기기 등에 사용되는 고속 마이크로모터, 냉각팬모터에 사용되는 스러스트 베어링재료에 관한 것이다.

최근, 소형 모터는 퍼스널컴퓨터, 정보기기, 사무기기, 오디오ㆍ비디오기기의 가정용 및 산업용의 시장확대에 따른 경박단소(輕薄短小)하며 장수명이라는 요구가 높아짐에 따라 연속사용시간이 해마다 장시간이 되며 콤팩트하면서 장수명화가 요구되고 있다.

정보기기, 사무기기, 오디오ㆍ비디오기기의 성능 향상과 함께 그들에 사용되는 모터의 회전수가 10000 rpm 을 초과하는 고회전 성능이 요구되고 있다. 고회전수에 견딜 수 있는 모터의 각종 재료나 구조가 개발되어 왔다.

또, 퍼스널컴퓨터 중에는 CPU, 하드디스크, CD-ROM 드라이브, 비디오칩 등이 탑재되어 있다. 특히, 최근의 퍼스널컴퓨터의 고성능화에 따라 탑재부품의 소비전력이 증가하여 발열량은 증가하는 경향에 있다. 퍼스널컴퓨터 내부의 온도가 상승하면 탑재부품의 동작이 불안정해져 정상적으로 작동하지 않게 될 우려가 있다.

퍼스널컴퓨터 내부의 온도상승을 막기 위해 히트싱크 및 퍼스널컴퓨터 내부의 공기를 외부로 방열하기 위해 냉각 팬이 필요해진다. 장시간 연속사용에 견딜 수 있는 냉각 팬 모터의 각종 재료 및 구조가 개발되어 왔다.

소형 모터구조의 하나인 레이디얼 베어링에는 구름 베어링 구조와 미끄럼 베어링 구조가 있고, 전자인 구름 베어링 구조의 대표적인 것은 볼 베어링을 들 수 있으며, 후자인 미끄럼 베어링 구조의 대표적인 것으로는 소결 함유 베어링을 들 수 있다.

최근에는, 미끄럼 베어링 구조로 유체 베어링 또는 동압 베어링으로 불리는 오일 및 공기 등을 윤활에 이용하여 그 동압력에 의해 회전축과 레이디얼 베어링간을 비접촉으로 지지하는 베어링 구조를 갖는 것이 개발되고 있다.

도 1 은, 유체 베어링을 갖는 고속 마이크로모터의 회전축 부분의 단면의 모식도이다. 도 1 에 있어서, 회전축 (1) 이 레이디얼 베어링 (4) 과 스러스트 베어링 (6) 에 의해 회전이 자유롭도록 지지되고 있다. 회전축 (1) 에는 비스형상 등의 홈 드릴 (2) 이 가공되어 있으며 회전축 (1) 이 회전 중에 레이디얼 베어링 (4) 과 회전축 (1) 간의 윤활제 (3) 가 균일하게 충만함으로써 회전에 의한 마찰저항을 저감시켜 고속회전 성능을 가질 수 있다.

베어링부에 접하는 회전축 선단부 (1a) 는 스러스트 베어링 (6) 의 마모를 방지하기 위해 선단 부분을 원호형상 등으로 형성한 회전축 (1) 을 사용한 것도 있다.

또, 종래부터 저회전 분야에서 사용되고 있는 소결 함유 베어링에 대해서도 10000 rpm 이상의 고회전에 대응할 수 있는 것이 개발되고 있다. 그리고, 여하튼 미끄럼 베어링 구조의 것은, 종래부터 볼 베어링으로 대표되는 구름 베어링과 비교해도 저렴하며 장수명인 것이 제창되고 있다.

구름 베어링 구조에서는 레이디얼 베어링인 볼 베어링이 스러스트 방향에서도 회전축을 지지하는 구조로 되어 있지만, 미끄럼 베어링 구조에서는 스러스트 방향에서 회전축을 받는 별도의 베어링이 필요해진다.

스러스트 베어링에는 회전축과 접하는 면에 마모량이 적은 슬라이딩 특성이 우수한 금속 및 수지가 사용되고 있다.

스러스트 베어링 (6) 의 마모발생에 대해서는 스러스트 베어링 (6) 의 표면 평활성이 중요함이 알려져 있다. 표면이 평활하면, 회전축 (1) 과 스러스트 베어링 (6) 간의 마찰저항을 저감시킬 수 있으며 마찰저항, 마찰열에 의한 스러스트 베어링 (6) 의 마모를 방지할 수 있다.

스러스트 베어링부는 특히 회전시에 회전축 (1) 의 스러스트 방향의 하중을 스러스트 베어링 (6) 으로 받는 구조로 되어 있기 때문에 스러스트 베어링 (6) 의 마모를 피할 수 없다. 스러스트 베어링 (6) 의 마모를 해결하기 위해 스러스트베어링 (6) 의 표면에 윤활제 (7) 를 도포한 것, 또는 내마모성이 우수한 재질로 이루어지는 스러스트 베어링판 (5) 을 회전축 (1) 과 스러스트 베어링 (6) 의 사이에 설계한 것이 있다. 스러스트 베어링판 (5) 의 재질을 선택함으로써 회전축 (1) 에 사용하는 금속재에 대한 슬라이딩시의 마모를 저감시키는 검토가 여러모로 행해지고 있다.

회전축 (1) 에는 경도가 높은 금속을 사용하는 것이 일반적이다. 한편, 스러스트 베어링재에는 금속 또는 수지성의 것을 사용한다.

스러스트 베어링재로 경도가 높은 금속인 SUS 강, 철 등을 사용한 경우에는 중량이 증가하며 또 정도가 높은 가공을 실시할 때의 가공시간, 비용이 많아진다는 문제점이 있다. 또, 경도가 높은 재질간에서는 슬라이딩에 의해 마모가 발생한다.

회전축, 스러스트 베어링 모두 금속재를 사용한 소형 모터의 설계는 중량, 비용, 슬라이딩음, 내구수명이라는 점에서 문제점이 있다.

종래부터 각종 수지가 스러스트 베어링재로서 검토되어 사용되고 있다. 예를 들면, 66 나일론계, 6 나일론계, POM 계, PBT 계, PPS 계, PTFE 계, DAP 계, 초분자량 PE 계 수지, PI 계 및 그들의 복합수지, 나아가 각 수지에 대해 흑연, 유리섬유, 카본섬유, 목분, 석면 등의 충진제를 충진한 재료이다.

소형 모터의 스러스트 베어링재로서 상기 재료를 사용한 경우 까다로운 마모상황 하에서 마모가 발생하는 경우가 있다. 또, 슬라이딩시의 마찰열에 의해 내구성에 문제가 발생하는 경우가 있다. 경도가 낮은 재질을 사용하여 마찰이 발생하지 않는 경우에 있어서도 회전축의 하중을 지탱하지 못하고 베어링 부분에 움푹 패이는 경우가 있다.

상기 유체 베어링은 구름 베어링 구조와 달리, 미끄럼 베어링 구조로 분류되기 때문에 스러스트 방향의 베어링이 필요하지만, 그 회전수가 매우 높기 때문에 슬라이딩 적성이 우수하고 또한 내마모성이 우수하며 사용환경에 의한 온도변화에 대응하고, 또 윤활제에 오일을 사용하는 경우가 많기 때문에 내유성을 필요로 했지만 적합한 재료가 없었다. 또 각 재료를 복합시킴으로써 상기 특성을 만족시키는 재질로 이루어지는 베어링 부재가 연구되고 있는데 모두 필요시 하는 특성을 충분히 만족시키는 것은 개발되지 않았다.

스러스트 베어링 (6) 의 마모를 해결하기 위해 스러스트 베어링 (6) 의 표면에 윤활제 (7) 를 도포한 것, 또는 내마모성이 우수한 재질로 이루어지는 스러스트 베어링판 (5) 을 회전축 (1) 의 스러스트 방향에 설계한 것이 있지만 내마모성, 마찰에 의한 발열의 영향을 받아 장수명화를 실현시키는 것이 곤란하다.

또 회전수가 고회전 (10000 rpm 이상) 이 되면 마모에 의한 많은 문제가 발생하기 때문에 슬라이딩 적성이 우수하고 또한 내마모성이 우수하며 사용환경에 의한 온도변화에 대응하고, 또한 윤활제에 오일을 사용하는 경우가 많은 이유로 내유성을 필요로 한 재료가 요구되었지만 적합한 재료가 없었다. 마모에 의한 문제로서는 회전축의 회전중심으로부터의 좌우ㆍ상하 방향의 진동 등이 있다.

또한 각 재료를 복합시킴으로써 상기 특성을 만족시키는 재질로 이루어지는 베어링 부재가 연구 개발되고 있지만 매우 고가이기 때문에 비용적으로 문제가 있다.

본 발명의 목적은 모터의 고속회전 성능 및 장수명화를 실현하기 위해 내마모성 및 슬라이딩성이 우수한 스러스트 베어링판을 제공하는 것에 있다.

본 발명은 모터의 스러스트 베어링에 있어서, 적어도 회전축에 접하는 부분이 폴리에테르에테르케톤 (PEEK) 재로 형성되어 있는 모터용 스러스트 베어링이다.

바람직한 실시형태로서는, PEEK 재는 시트형상으로 용융 압출한 후, 펀칭한 평판, 또는 펀칭시에 성형한 곡면형상으로 두께가 25 ∼ 1000 ㎛ 이고, 펀칭경은 φ1 ㎜ ∼ φ20 ㎜ 이며, PEEK 재의 표면 평활성이 중심선 평균조도 (Ra) 에 있어서 2 ㎛ 이하인 상기 모터용 스러스트 베어링이다.

더욱 바람직한 실시형태로서는, 모터의 레이디얼 베어링이 유체 베어링 구조, 또는 오일리스 메탈 구조인 상기 모터용 스러스트 베어링이다.

또 본 발명은 모터가 고속 마이크로 모터이며, 고속 마이크로 모터의 회전수가 10,000 rpm 이상인 상기 모터용 스러스트 베어링이며 이것을 사용한 고속 마이크로 모터이다.

또 본 발명은 모터가 냉각 팬 모터인 상기 모터용 스러스트 베어링이며 이것을 사용한 냉각 팬 모터이다.

도 1 은, 모터의 회전축 부분의 단면의 모식도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 회전축 2 : 홈드릴 3 : 윤활제

4 : 레이디얼 베어링 6 : 스러스트 베어링

본 발명에 있어서 사용되는 PEEK 재는 용융 압출성형에 의해 시트화되는 것이 바람직하지만 그 압출방법, 인출방법에 대해서는 특별히 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 PEEK 재 시트의 제법은 용융 압출 직후에 인출 냉각 롤에 의해 냉각 고화시키는 방법이 바람직하다. 냉각 롤의 표면을 평활하게 해둠으로써 용융 PEEK 가 고화할 때에 롤 표면의 평활성을 시트 표면으로 전사시킬 수 있다. 그에 따라 얻어지는 고평활성을 갖는 PEEK 시트를 펀칭가공하여 스러스트 베어링재로서 사용한 경우 마모의 발생을 방지할 수 있다.

냉각 고화 공정에 있어서는 냉각 롤을 사용하는 방법 외에 벨트 컨베이어식의 인출벨트를 사용하는 방법이 있다. 인출벨트의 표면을 평활하게 해둠으로써 용융 PEEK 가 고화할 때에 벨트 표면의 평활성을 시트 표면으로 전사시킬 수 있다.

냉각 롤을 사용할 경우, 시트의 편면 냉각을 행하는 방법 및 시트 양표면을 2 대 이상의 롤을 사용하여 동시에 냉각 고화시키는 방법이 있다.

벨트 컨베이어식으로 인출할 경우, 시트 편면을 벨트 반송에 의해 인출하는 방법 및 2 대 이상의 벨트를 사용하여 시트 양표면을 벨트로 사이에 끼우면서 냉각 고화 반송하는 방법이 있다.

회전축과 접하는 스러스트 베어링재로서 사용하는 PEEK 는 그 표면이 가능한 한 평활할 것이 내마모성을 위해 필요하다. PEEK 시트의 표면 평활성에 대해서는 중심선 평균조도 (Ra) 가 2 ㎛ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 0.5 ㎛ 이하이다.

표면 평활성이 우수한 PEEK 시트를 얻기 위해서는 시트로의 이물질 혼입이 없을 것도 필요시 된다. 용융 압출 시트형상으로 가공시, 용융한 PEEK 를 여과함으로써 혼합반죽 이물질 등의 제거를 할 수 있다. 여과에 사용하는 이물질 제거 필터의 종류 및 조건에 대해서는 특별히 한정하는 것은 아니다.

PEEK 재의 형상으로서는 특별히 한정하지 않지만 펀칭한 원반형상의 평판, 또는 펀칭시에 성형한 곡면형상판이 바람직하다.

PEEK 재의 두께로서는 25 ∼ 1000 ㎛ 이 바람직하고, 25 ㎛ 미만의 경우는 펀칭 등의 가공성 및 조립시의 안정성이 나쁘며, 1000 ㎛ 을 초과하면 펀칭하기 어렵거나 비용적으로 고가가 되어 버린다.

상기 수단에 의해, 고속회전하는 회전축으로부터 스러스트 방향의 하중을 받는 베어링판의 마모를 방지하여 모터의 고속회전 성능 및 장수명화의 실현을 가능하게 한다.

이하에 본 발명의 적용예에 대해 도면을 참조하면서 설명하지만 본 발명은 적용예에 의해 한정되는 것은 아니다. 적용예로서 PEEK 재는 빅트렉스사 제조의 PEEK 450G 를 사용하며 압출조건은 실린더온도가 340 ℃, 다이스온도 390 ℃ 의 조건으로 압출을 행한 시트를 사용하였다.

스러스트 베어링의 형상으로서는 용융 압출한 것을 펀칭 성형함으로써 얻었다. 사이즈는 두께가 200 ㎛ 이며 펀칭경은 φ5 ㎜ 의 평판이다.

표면 평활성은 중심선 평균조도 (Ra) 에 있어서 0.5 ㎛ 이였다.

도 1 은 본 발명의 실시예에서의 베어링 장치를 갖는 고속 마이크로 모터의 베어링부의 단면도이다.

도 1 에 나타낸 베어링 구조는 일반적으로 유체 베어링 (동압 베어링) 구조로 불리우는 것이다. 레이디얼 베어링 (4) 과 스러스트 베어링판 (5) 에 의해 회전축 (1) 을 지지하며 회전축 (1) 에는 비스형상의 홈 드릴 (2) 의 가공이 실시되어 회전축 (1) 과 레이디얼 베어링 (4) 간에 윤활제 (3) 가 균일하게 충만함으로써 회전에 의한 마찰저항의 저감을 도모하여 10000 rpm 이상의 고속회전이 가능해 졌다.

회전축 (1) 이 회전하면 스러스트 베어링판 (5) 과의 사이에서 슬라이딩이 발생하여 슬라이딩부에는 마찰에 의한 저항, 발열이 발생하지만, 스러스트 베어링판 (5) 의 재질에 상기의 PEEK 성형물을 사용한 경우 베어링재의 마모를 방지할 수 있었다.

본 발명에 의하면, 스러스트 베어링판에 슬라이딩성이 우수한 PEEK 재를 사용함으로써 베어링판의 내마모성이 향상하여 모터의 고속회전 성능 및 장수명화를 달성하였다.

Claims (9)

1. 모터의 스러스트 베어링에 있어서, 적어도 회전축에 접하는 부분이 폴리에테르에테르케톤 (PEEK) 재로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 모터용 스러스트 베어링.
2. 제 1 항에 있어서, PEEK 재는 시트형상으로 용융 압출한 후, 펀칭한 평판, 또는 펀칭시에 성형한 곡면형상으로 두께가 25 ∼ 1000 ㎛ 이고, 펀칭경은 φ1 ㎜ ∼ φ20 ㎜ 인 모터용 스러스트 베어링.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, PEEK 재의 표면 평활성이 중심선 평균조도 (Ra) 에 있어서 2 ㎛ 이하인 모터용 스러스트 베어링.
4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서, 모터의 레이디얼 베어링이 유체 베어링 구조, 또는 오일리스 메탈 구조인 상기 모터용 스러스트 베어링.
5. 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서, 모터가 고속 마이크로 모터인 모터용 스러스트 베어링.
6. 제 5 항에 있어서, 고속 마이크로 모터의 회전수가 10,000 rpm 이상인 모터용 스러스트 베어링.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 기재된 모터용 스러스트 베어링을 사용한 고속 마이크로 모터.
8. 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서, 모터가 냉각 팬 모터인 모터용 스러스트 베어링.
9. 제 8 항에 기재된 모터용 스러스트 베어링을 사용한 냉각 팬 모터.