KR20020035734A - 수지 베어링을 적용한 정밀 소형 모타 - Google Patents

Abstract

컴퓨터(Computer)의 하드 디스크 드라이브(HDD), 플로피 디스크 드라이버 (FDD), 콤펙트 디스크 드라이브(CD) ,사무기기, 가전제품, 카메라, 소형 카세트, CDP, LDP, 헤드폰 스트레오, 카드 리드기 및 자동차 등에 사용되고 있는 브레시레스 (Brushless) Type의 정밀 소형 모타용 베어링의 개발에 관한 것으로 더욱 상세하게는 현재 사용중인 오일레스 메탈 베어링(Oiless Metal bearing) 또는 볼 베어링 (Ball Bearing) 대신 내마모성,내습동성이 우수한 자기 윤활성 수지계 베어링을 정밀 절삭하여 사용함으로써 장시간 사용하여도 상대 재질인 축을 전혀 마모시키지 않으므로 소음 및 진동의 발생을 최소화 하고 회전 정밀도가 우수한 고 품질 베어링의 개발에 그 목적이 있다.

Description

수지 베어링을 적용한 정밀 소형 모타{ Polymer bearing for precision motor}

본 발명은 현재 사용중인 오일레스 메탈 베어링(Oiless Metal bearing)또는 볼 베어링(Ball Bearing) 대신 내마모성 ,내습동성이 우수한 자기 윤활성 수지계 베어링을 정밀 절삭하여 사용함으로써 장시간 사용하여도 상대 재질인 축을 전혀 마모시키지 않으므로 소음 및 진동의 발생을 최소화하고 회전 정밀도가 우수한 고 품질 베어링의 개발에 그 목적이 있다.

컴퓨터(Computer)의 하드 디스크 드라이브(HDD), 플로피 디스크 드라이버 (FDD), 콤펙트 디스크 드라이브(CD) ,사무기기, 가전제품, 카메라, 소형 카세트 및 자동차 등에 사용되고 있는 브레시레스 Type의 정밀 소형 모타의 일반적인 구조는 도 1과 같이, 축수(1), 베어링 (2), 하우징(3) 회전체(4), 하부 캡(5) 등으로 구성되어 있다.

상기에서 열거한 모타들은 점차적으로 고속화, 고정밀화가 요구되고 있으며, 현재의 오일레스 베어링 또는 볼 베어링의 성능으로는 대응하기 힘들어 동압 베어링의 개발이 진행되고 있으나,제조가 까다로워 고가의 비용이 소요된다.

상기 모타의 성능은 베어링에 지지된 축이 고속 회전시의 회전진도값(RUN-OUT)과 소음 및 진동 등에 의해 평가되며 ,이러한 성능은 베어링의 정밀도에 크게 좌우 되고 있으나 종래의 메탈 베어링이나 볼 베어링은 고정밀 가공이 불가능하며, 장시간 사용시 베어링은 상대 재질인 회전축을 마모시키고 이로 인하여 소음 및 진동이 발생되고, 회전 정도를 나쁘게 한다.

본 제안에서는 금속성분, 탄소 섬유 또는 유리 성분재로 강화 처리하여, 우수한 내 마모성, 내 습동성 ,기계적 강도, 열적강도(내 열성) 및 낮은 열팽창 계수를 가지고 있는 고 기능성 수지를 베어링 재질로 사용하여, 현재 브레시레스 (Brushless) 타입 소형정밀 모타의 회전축 지지용으로 사용되고 있는 오일레스 메탈베어링(Oiless Metal Bearing) 또는 볼 베어링(Ball Bearing)의 문제점인 소음,진동 및 회전 진도값을 개선할 수 있는 고성능 수지계의 베어링을 개발하고자 한다.

일반적으로, 컴퓨터,사무기기 및 자동차 등에 사용되고 있는 브레시레스 Type의 정밀 소형 모타는 하우징(Housing)에 조립되어 있는 베어링과 그에 의해 지지된 축이 회전하게 되는 구조로 되어 있으나 기존의 볼 베어링(또는 오일레스 베어링 )의소음, 진동 및 회전 진도(Run-out)의 불량 문제로 모타의 고속화 및 고성능화에 대응하기 어렵다.

따라서 본 제안에서는 수 미크론 이하의 정밀절삭이 가능하며 내 마모성 ,내 습동성이 우수한 루론, 샤프론, 샤미드, 유피론, 자이론 및 폴리 카보나이트 등의 수지를 상기 모타의 축수 지지용 무급유 베어링으로 개발하여 축수의 마모를 방지하여 소음, 진동 및 회전 정밀도를 향상시키고자 한다.

상기에서 기술한 수지 재질은 일반적으로 금속성분, 탄소 섬유 또는 유리 성분재로 강화 처리한 고 기능성 수지재로, 우수한 내마모성, 내습동성 , 기계적 강도, 열적강도(내 열성) 및 낮은 열팽창 계수를 가지고 있어 베어링 재질로 충분히사용할 수 있다.

본 발명의 기술적 과제로는 수지베어링의 치수 정밀도는 3미크론 이하로 가공되어야 하며 또한 축수와 접촉되어 회전되는 베어링의 내경 진원도 값은 1미크론 이하가 되어야 소음, 진동 및 회전 정도가 만족 될수 있으며 , 또 수지 재질은 일반적으로 모타 하우징(금속) 재질보다 열 팽창계수가 크므로 온도 변화에 따른 베어링과 하우징의 조립 공차 변화를 고려하여 베어링의 형상과 치수를 설계하여야 한다.

일반적으로 수지재는 금속재질 보다 열팽창 계수가 크므로 상온에서는 문제가 없으나 50℃ 이상의 고온에서는 모타 하우징 재질(금속)보다 치수 팽창량이 크게되어 결국 수지 베어링의 내,외경 치수는 모타 하우징의 치수 변화보다 큰 폭으로 증가되고 팽창된 량은 모타 하우징에 의해 구속되므로 상대적으로 인장 강도가 약한 수지 베어링의 내경 축소와 내경 진원도가 나쁘게 되어 소음, 진동 및 회전정도를 나쁘게 한다.

또한 -20℃ 정도의 저온에서는 수지베어링의 치수가 모타 하우징보다 크게 축소되므로 베어링 외경 치수를 하우징 내경 치수보다 약 0.02 mm 정도 크게 하여 억지 조립하여야 저온에서 탈락되지 않게 되나, 억지조립 시 수지베어링은 강도값이 상대적으로 낮기 때문에 모타 하우징 내경면의 진원도 등 치수 정밀도가 나쁠 경우 베어링의 정밀도 역시 나쁘게 되며, 50℃ 이상의 고온에서는 열 팽창 계수의 차이로 베어링의 외경 치수가 하우징의 내경 치수보다 약 0.02mm 정도 크게 팽창되어 역시 인장 강도가 약한 베어링의 변형이 발생되어 ,소음 진동 및 회전 정도를나쁘게 한다.

따라서, 상온에서 모타 하우징에 수지 베어링을 조립할 때 하우징의 내경과 베어링의 외경과의 끼워 맞춤 공차는 "0" 으로 하고, 신율 800%, 경도 70Hv 정도의 탄성체 접착제(일예, MP.Elastomer-belzona2211, 실리콘계, 에폭시계 )를 사용함으로써, -20℃ 정도의 저온에서 수지 베어링이 축소 되어도 베어링은 하우징 내부면에 부착되어 있게 된다.(즉 -20℃ 정도의 저온에서 수지 베어링이 축소되면 탄성을 가진 접착재는 모타 하우징에서 분리되지 않고 큰 탄성력으로 수지베어링의 축소량 보다 크게 확대 된다.)

본 발명에서 제안된 무급유 자기 윤활 타입의 수지계 베어링의 열 팽창 계수는 일반적으로 약 20 - 30 ×10 ㎠℃ 정도로 금속재질과 거의 비슷하며, 수지베어링의 외경을 온도 변화에 따른 치수 변화를 최소화 할 수 있는 구조로 구성되어 있다.

도 1은 종래의 일반적인 브레쉬레스(Brushless) 타입의 정밀소형 모타의 구조도.

도 2는 본 발명의 일 실시 예로 수지 베어링과 접착제를 사용한 정밀 소형 모타의 구조도.

도 3은 본 발명의 일 실시 예로 수지 베어링의 외경부를 코팅 처리하여 정밀 소형 모타에 적용한 구조도.

도 4는 본 발명의 일 실시 예로 수지 베어링의 외경부에 튜브재를 삽입한 타입의 정밀 소형 모타의 구조도.

도 5는 본 발명에서 제시하는 수지 베어링의 형상도.

도 6은 본 발명에서 제시하는 또 다른 수지 베어링의 형상도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 축수 4 : 회전체 10 : 접착재

2 : 베어링 5 : 하부 캡 20 : 코팅재

3 : 하우징 30 : 튜브재

본 발명에서 제안 하고자 하는 일반 브레시레스 Type의 정밀 소형모타의 일반적인 구조는 회전체에 조립된 축수(1), 그와 조합되어진 무급유 수지베어링 ,그를 지지하는 하우징(3)과 하부 캡(5)으로 구성되어 있으며(도2 참조), 사용된 무급유 수지 베어링은(도5 및 도6 참조) 앞에서 거론한 바와 같이 내마모성 ,내습동성이 우수한 자기 윤활성 수지계 베어링용 재질을 정밀 절삭하여 사용함으로써 장시간 사용하여도 상대 재질인 축을 전혀 마모시키지 않으므로 소음 및 진동의 발생을 최소화 할 수 있고 ,회전 정도가 아주 양호하다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예로 자기 윤활성 수지 베어링재의 형상을 도 5와 같이 내경을 구배지게 가공하여 회전 시 축과 접촉되는 면적을 최소화함으로써 마찰 소음 및 진동을 최소화 할 수 있고, 회전 토크를 향상시킬 수 있으며, 또 외경부에 홈을 가지게 하여 온도 변화에 따른 수지 베어링의 치수 변화량을 최소화 할 수 있다. (즉 고온에서 수지 베어링의 팽창 부피를 최소화 할 수 있다.)

또 상온에서 모타 하우징에 수지 베어링을 조립할 때 하우징의 내경과 베어링의 외경과의 끼워 맞춤 공차는 "0" 으로 하고, 신율 800%, 경도 70 정도의 상온 경화형, 고무상태의 탄성체 접착제(10),( 일 예, MP.Elastomer-belzona2211, 실리콘계, 에폭시계) 등을 사용함으로써, -20℃정도의 저온에서 수지 베어링이 축소 되어도 베어링은 하우징 내부면에 부착되어 있게 된다.( -20℃ 정도의 저온에서 수지 베어링이 축소되면 탄성을 가진 접착재는 모타 하우징에서 분리되지 않고 큰 탄성력으로 수지베어링의 축소량 보다 크게 확대 된다.) 즉, 약 50℃의 고온에서 수지 베어링이 팽창되면 상대적으로 탄성율이 높은 접착재가 변형되어 수지 베어링의 변형을 방지 하게되며, -20℃ 이하의 저온에서 수지 베어링이 축소되면 열 팽창 계수와 탄성율이 상대적으로 높은 접착재가 변형되어 수지 베어링의 변형을 방지할 수 있어 본래의 높은 정밀도를 그대로 유지하게 되고, 모타 하우징과 수지 베어링 사이의 탄성체 접착제는 모타의 고속 회전 시 발생되는 진동을 흡수 하게 된다.

일반적으로 수지재질은 금속재질 보다 열팽창 계수가 크므로 상온에서는 문제가 없으나 50℃ 이상의 고온에서는 모타 하우징 재질(금속)보다 치수 팽창량이 크게되어 결국 수지 베어링의 내, 외경 치수는 모타 하우징의 치수 변화보다 큰 폭으로 증가되고 팽창된 량은 모타 하우징에 의해 구속되므로 상대적으로 인장 강도가 약한 수지 베어링의 내경 축소와 내경 진원도가 나쁘게 되어 소음, 진동 및 회전정도를 나쁘게 한다 .

도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시 예로 메탈 베어링 또는 볼 베어링 대신 도 6 과 같은 형상의 자기 윤활성 수지 베어링 재질 을 적용하여 베어링의 성능을 향상시킨 예를 나타내고 있으며, 수지 베어링의 형상을 도 6과 같이 내경을 구배지게 가공하여 회전 시 축과 접촉되는 면적을 최소화함으로써 마찰 소음 및 진동을 최소화 할 수 있고, 또 회전 토크를 향상시킬 수 있으며, 수지 베어링의 외경부를 수지 베어링 재질보다 인장 강도가 약하고, 탄성 계수가 크며, 온도 변화에 따른 치수 변화가 큰 테프론, P.V.C 등의 수지재로 약 0.03mm 두께로 코팅처리 하여 적용함으로써, 50℃의 고온에서 수지 베어링의 치수 확대량을 흡수하여 내경 치수의 축소 현상을 방지 할 수 있어, 온도변화에 따른 수지 베어링의 치수 변화량을 최소화 할 수 있다.

즉, 약 50℃의 고온에서 수지베어링이 팽창되면 상대적으로 탄성율이 큰 0.03mm 코팅재(20)가 변형되어 수지 베어링의 변형을 방지 하게되며, -20℃이하의 저온에서 수지 베어링이 축소되면 열 팽창 계수와 탄성율이 상대적으로 높은 코팅재가 변형되어 수지 베어링의 변형을 방지할 수 있어 본래의 높은 정밀도를 그대로 유지하게 되며, 또한 모타 하우징에 코팅 처리된 수지 베어링을 조합하는 방법은 앞에서 제한한 일 실시 예와 같으며, 탄성체 접착제를 사용하여 고정함으로써 역시, 모타의 진동 흡수 작용을 하게 된다.

도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시 예로 메탈 베어링 또는 볼 베어링 대신 도 6 과 같은 형상의 자기 윤활성 수지 베어링 재질의 외경부에 약 0.5mm 두께의 테프론, P.V.C 등 열 팽창 계수 및 탄성율이 아주 큰 튜브재질(30)을 끼워 모타 하우징에 조합함으로써, 베어링의 성능을 향상시킨 예를 제시하고 있다.

본 제안에서도 역시, 수지 베어링의 내경 형상을 도 6과 같이 구배지게 가공하여 회전 시 축과 접촉되는 면적을 최소화함으로써 마찰 소음 및 진동을 최소화 할 수 있고, 또 회전 토크를 향상시킬 수 있으며, 수지 베어링의 외경부에 수지 베어링 재질보다 인장 강도가 약하고, 탄성 계수가 크며, 온도 변화에 따른 치수 변화가 큰 테프론, P.V.C 등의 약 0.5mm 두께의 튜브재를 끼워, 즉, 약 50℃의 고온에서 수지베어링이 팽창되면 상대적으로 탄성율이 큰 튜브재가 변형되어 수지 베어링의 변형을 방지 하게되며, -20℃ 이하의 저온에서 수지 베어링이 축소되면 열 팽창 계수와 탄성율이 상대적으로 높은 튜브재가 변형되어 수지 베어링의 변형을 방지할 수 있어, 본래의 높은 정밀도를 그대로 유지하게 된다.

또한 모타 하우징에 베어링을 고정하는 방법으로 앞에서 제안한 탄성체 접착제를 사용하여 고정함으로써 역시, 모타의 진동 흡수 작용을 하게 된다.

브레쉬레스(Brushless)타입 소형의 정밀 모타 베어링으로 본 발명에서 제안한 자기윤활성 수지계 재질을 정밀 절삭 가공하여 종래의 베어링 대용으로 사용함으로써, 베어링의 제조 단가를 절감 할 수 있으며, 상대축의 마모를 방지하고 소음 및 진동의 발생을 감소시켜 종래의 기존 모타보다 성능이 향상된 고 품질, 고속 회전용의 모타 제조가 가능 하다.

또한 본 발명에서 제시한 수지 재질 베어링은 2 미크론 이하의 초정밀 절삭 가공이 가능하므로 종래의 메탈 베어링 또는 볼 베어링으로 불가능한 모타의 회전 정밀도를 유지 할 수 있어 현재 고속, 고품질용 모타의 베어링으로 개발중인 고가의 동압 베어링을 대체 할수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 컴퓨터(Computer)의 하드 디스크 드라이브(HDD), 플로피 디스크 드라이버 (FDD), 콤펙트 디스크 드라이브(CD) ,일반 사무기기, 가전제품, 카메라, 소형 카세트, 스트레오, 헤드폰, 알람시계, LDP, CDP, 카드 리드기, 자동차 등에 사용되고 있는 5w급 이하의 브레시레스 Type의 정밀 소형 모타 및 초음파 모타의 베어링으로 자기 윤활성 타입의 수지계 베어링을 적용 하는 방안.
2. 컴퓨터(Computer)의 하드 디스크 드라이브(HDD), 플로피 디스크 드라이버 (FDD), 콤펙트 디스크 드라이브(CD) ,일반 사무기기, 가전제품, 카메라, 소형 카세트, 스트레오, 헤드폰, 알람시계, LDP, CDP, 카드 리드기, 자동차 등에 사용되고 있는 5w급 이하의 브레시레스 Type의 정밀 소형 모타 및 일반 초음파 모타의 베어링으로 수지재를 사용하여 외경을 단가공 하고(도 5 참조)내경부를 구배지게(도 6 참조) 하는 구조의 자기 윤활 타입의 수지계 베어링을 적용 하는 방안.
3. 제 1항에 있어서, 수지 베어링을 모타 하우징에 고정할 때 실리콘, 에폭시계등의 고 탄성체 접착재를 사용하는 방안.
4. 제 1항에 있어서, 수지 베어링의 외경부에 베어링 재질과 상이한 수지 재질을 코팅 하여 베어링으로 적용하는 방안.
5. 제 1항에 있어서, 수지 베어링의 외경부와 모타 하우징 사이에 베어링 재질과 상이한 수지 재질의 튜브재를 삽입하여 모타를 제조하는 방안.