JPH10285877A - モータの冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期に亘り連続使用することのできるモータ
の冷却構造を提供する。 【解決手段】 軸部材１９の中心軸線を中心にして回転
する回転体２６を有するモータにおいて、軸部材１９が
密閉中空状に形成されるとともに、その内部に真空脱気
した状態で作動流体Ｗが封入されて、軸部材１９自体が
ヒートパイプ２１として形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、モータの軸受の
冷却に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７および図８は、ハードディスクドラ
イブ（以下、ＨＤＤと記す。）に備えられたスピンドル
モータを示す概略図である。プラスチック製の中空平板
容器からなるＨＤＤ１のケース２の内部に、複数枚のハ
ードディスク３（１枚のみ図示）およびそれらを回転駆
動させるためのスピンドルモータ４、更に読み書き用ヘ
ッド５およびそれを駆動させるステッピングモータ６等
が設けられている。

【０００３】そのスピンドルモータ４は、一例としてダ
イレクトドライブのＤＣブラシレスモータが採用されて
おり、そのシャフト７を図８での上下方向に向けた姿勢
でケース２の底部に設けられている。このシャフト１９
は、一例としてＳＵＳ３０４からなる円形断面のパイプ
であって、その上端部は、ケース２の上側の内壁面に固
定されている。

【０００４】これに対して、シャフト７の下端部は、ケ
ース２の下側の内壁面に固定されている。すなわち、ケ
ース２の上面部と下面部とがシャフト７によって支承さ
れた構成となっている。また、シャフト７の長さ方向で
のほぼ中央箇所の外周部には、巻線８を巻き付けた鉄心
９が設けられている。更に、シャフト７には鉄心９の上
方および側方を覆うアウターロータ１０が設けられてい
る。

【０００５】このアウターロータ１０は、ほぼ有底円筒
状の胴部１１と、その胴部１１の外周面のうち下方箇所
から図８での半径方向に突出したフランジ部１２とによ
って構成されている。胴部１１の内縁部には、ボールベ
アリング１３が設けられていて、このボールベアリング
１３がアウターロータ１０をシャフト７に対して回転自
在に支持している。また、胴部１１の内周面うち鉄心９
と対向する箇所には、永久磁石１４が取り付けられてい
る。これに対して、フランジ部１２には、複数枚のハー
ドディスク３が積層状態に設けられている。また、図示
しないが、スピンドルモータ４には、アウターロータ１
０を定速回転させるための駆動回路が組まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、パーソナル
コンピータの分野では、多機能化や処理速度の高速化が
日進月歩の状態で進行しており、これに関連して例えば
ハードディスク３の設置枚数の増加やスピンドルモータ
４の回転数の増加などがＨＤＤ１に望まれている。

【０００７】しかしながら、上記従来のスピンドルモー
タ４では、例えばハードディスク１３の枚数を従来より
も多くした状態、あるいは回転速度を上げた状態で、長
期に亘り連続して駆動させた場合に、ボールベアリング
１３のグリースが過熱して劣化し、異常振動や騒音など
が発生するおそれが多分にあった。

【０００８】これは、アウターロータ１０を回転させた
場合にボールベアリング１３に生じる摩擦熱の大部分
が、ボールベアリング１３自体からケース２の内部雰囲
気に放出されるか、あるいはシャフト７およびケース２
に伝達されるなどして、それらの壁面から放出されるの
みであり、換言すれば、発熱部に対する冷却が自然空冷
であることに起因している。

【０００９】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、長期に亘り連続使用することのできるモータの冷
却構造を提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段およびその作用】この発明
は上記の目的を達成するために、請求項１に記載した発
明は、軸部材の中心軸線を中心にして回転する回転体を
有するモータにおいて、前記軸部材が密閉中空状に形成
されるとともに、その内部に真空脱気した状態で作動流
体が封入されて、前記軸部材がヒートパイプ化されてい
ることを特徴とするものである。

【００１１】したがって、請求項１の発明によれば、回
転体のみが回転する場合には、両者の摺動箇所に熱が生
じ、これに対して、回転体が軸部材と共に回転する場合
には、軸部材を支持する軸受に熱が生じる。いずれの場
合にも、発生した熱は軸部材を介してその内部の作動流
体に伝達され、それを蒸発させる。

【００１２】作動流体の蒸気は、軸部材の内部空間のう
ち温度と内部圧力とが共に低い箇所に向けて流動し、そ
こで空気など熱を奪われて凝縮する。すなわち、外部に
向けて熱が放出される。このように、作動流体によって
発熱箇所の熱が外部に運ばれるから、その箇所の過熱が
未然に防止される。

【００１３】また、請求項２に記載した発明は、軸部材
の中心軸線を中心にして回転する回転体を有するモータ
において、前記軸部材が中空状に形成されるとともに、
その軸部材よりも熱伝導性の高い材料からなる伝熱部材
が軸部材の中空部分に設けられていることを特徴とする
ものである。

【００１４】請求項２の発明においても、回転体のみが
回転する場合には、両者の摺動箇所に熱が生じ、これに
対して、回転体が軸部材と共に回転する場合には、軸部
材を支持する軸受に熱が生じる。いずれの場合にも、発
生した熱は軸部材を介してその内部の伝熱部材に伝達さ
れ、その内部を伝導して外部に向けて放出される。これ
により、発熱箇所が冷却される。その場合、伝熱部材の
熱伝導性が軸部材よりも優れているから、従来に比べて
冷却能力が向上する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、請求項１の発明に係る一具
体例を図１および図２を参照して説明する。なお、この
具体例では、冷却の対象としてＨＤＤに内蔵されたスピ
ンドルモータを例に挙げて説明する。ＨＤＤ１５のケー
ス１６は、プラスチック製の中空平板容器であって、そ
の内部には、複数枚のハードディスク１７（１枚のみ図
示）およびそれらを回転駆動させるためのスピンドルモ
ータ１８、更に読み書き用ヘッドおよびそれを駆動させ
るステッピングモータ（共に図示せず）等が設けられて
いる。

【００１６】一例としてスピンドルモータ１８は、ダイ
レクトドライブのＤＣブラシレスモータが採用されてお
り、そのシャフト１９を図２での上下方向に向けた姿勢
でケース１６の底部に設けられている。この発明の軸部
材に相当するシャフト１９は、一例としてＳＵＳ３０４
からなる円形断面のパイプであって、その上端部は後述
する放熱板を兼用する四角形のＣｕプレート２０によっ
て閉じられており、これに対して下端部は円形の端板に
よって閉じられている。

【００１７】また、シャフト１９の内部には、真空脱気
した状態で純水が作動流体Ｗとして封入されてヒートパ
イプ化されている。換言すれば、シャフト１９自体がヒ
ートパイプのコンテナとして形成されており、その内壁
面のうち側面には金属メッシュ製のウィック（図示せ
ず）が布設されている。なお、このシャフト１９が第一
ヒートパイプ２１とされている。

【００１８】更に、シャフト１９の下端部は、ケース１
６の下側の内壁面に対してＥ型輪止め２２を介して固定
されており、これに対してシャフト１９の上端部は、ケ
ース１６の上面部に形成された凹部２３にＣｕプレート
２０を嵌め込むことによってケース１６に固定されてい
る。すなわち、シャフト１９は、Ｃｕプレート２０をケ
ース１６から露出させた状態でケース１６の上面部と下
面部とを支承するように配設されている。

【００１９】シャフト１９の長さ方向でのほぼ中央箇所
の外周部には、巻線２４を巻き付けた鉄心２５が設けら
れている。更に、シャフト１９には鉄心２５の上方およ
び側方を覆うアウターロータ２６が設けられている。

【００２０】アウターロータ２６は、この発明の回転体
に相当するものであり、ほぼ有底円筒状の胴部２６ａ
と、その胴部２６ａの外周面のうち下方箇所から図２で
の半径方向に突出したフランジ部２６ｂとによって構成
されている。そして、アウターロータ２６は、胴部２６
ａの内周部に取り付けられた２個のボールベアリング２
８を介してシャフト１９の外周面に回転自在に取り付け
られている。これらのボールベアリング２８は、図２で
の上下方向に位置をずらして配置されている。

【００２１】アウターロータ２６の胴部２６ａの内周面
うち鉄心２５と対向する箇所には、永久磁石２９が取り
付けられている。これに対して、フランジ部２６ｂに
は、複数枚のハードディスク１７が積層状態に設けられ
ている。

【００２２】他方、ケース１６の上面部には、Ｃｕプレ
ート２０からなる放熱板３１が露出している。この放熱
板３１の上面部には、後述の第二ヒートパイプ３３を固
定するための取り付け溝３２が形成されており、その取
り付け溝３２には、第二ヒートパイプ３３の一端部が密
着状態に嵌め込まれている。

【００２３】一例として、第二ヒートパイプ３３として
は、矩形断面のＣｕ製コンテナに純水を作動流体Ｗとし
た平板型ヒートパイプが採用されており、取り付け治具
３４によってケース１６の上面部に固定されている。な
お、第二ヒートパイプ３３の内部には、毛細管圧力を生
じるウィック（図示せず）が設けられている。このよう
に、第一ヒートパイプ２１と第二ヒートパイプ３３とが
放熱板３１を介して熱授受可能な構成となっている。ま
た、図示しないが、スピンドルモータ１８には、アウタ
ーロータ１０を定速回転させるための駆動回路が組まれ
ている。

【００２４】つぎに、上記のように構成されたスピンド
ルモータ１８の作用について説明する。ＨＤＤ１５が駆
動していない場合、第一ヒートパイプ２１は、ウィック
の毛細管圧力によって、コンテナ側壁面のほぼ全域に作
動流体が供給された状態となっている。他方、この具体
例においても、ＨＤＤ１５の駆動時には、ハードディス
ク１７を保持したアウターロータ２６がシャフト１９の
外周部を回転する。これにより、２個のボールベアリン
グ２８にそれぞれ摩擦熱が生じる。この熱は、シャフト
１９の壁面を介して内部の作動流体Ｗに伝達される。

【００２５】この時点でシャフト１９の両端部において
温度差が生じるから、第一ヒートパイプ２１の動作が自
動的に開始される。すなわち、コンテナ内部のうち各ボ
ールベアリング２８との対応箇所の近傍で液相作動流体
Ｗが加熱されて蒸発し、その蒸気がコンテナのうちの内
部圧力の低い上端部に向けて流動し、ケース１６の外部
に露出した放熱板３１および第二ヒートパイプ３３のコ
ンテナに熱を奪われて凝縮する。

【００２６】その場合、放熱板３１自体がケース１６よ
りも熱伝導性に優れていることに加えて、受熱側のヒー
トパイプが放熱側の放熱板３１の上面に面接触状態に配
設されているために、第一ヒートパイプ２１と第二ヒー
トパイプ３３との熱伝達が良好に行われる。なお、放熱
して液化した第一ヒートパイプ２１の作動流体Ｗは、ウ
ィックの毛細管圧力あるいは重力によってケース１６の
底部側に配設された端部に向けて還流し、その一部が上
方に位置するボールベアリング２８の熱によって再度蒸
発し、更に残りの分が下方に位置するボールベアリング
２８の熱によって再度蒸発する。

【００２７】他方、第一ヒートパイプ２１から熱が伝達
されると、第二ヒートパイプ３３の動作が開始される。
コンテナの内部に生じた作動流体Ｗの蒸気は、図１での
右斜め上方に配設された端部に向けて流動し、そこで空
気やケース１６の上面部に熱を奪われて凝縮する。換言
すれば、放熱板３１を含めたケース１６の上面部のほぼ
全域がヒートシンクとして作用する。

【００２８】なお、放熱して液相に戻った作動流体Ｗ
は、ウィックの毛細管作用によって放熱板３１に配設さ
れた端部に向けて還流し、第一ヒートパイプ２１の作動
流体によって運ばれるボールベアリング２の熱によって
再度蒸発する。以降、同様のサイクルが継続され、その
結果、シャフト１９とボールベアリング２８との接触箇
所が冷却される。

【００２９】このように、シャフト１９自体をヒートパ
イプ化することによって、発熱箇所の熱をケース１６ま
で積極的に運び、この熱を第二ヒートパイプ３３によっ
てケース外部に放出するから、過熱に起因したボールベ
アリング２８の騒音や振動などを防止することができ、
これにより、スピンドルモータ１８の長期連続駆動が可
能になる。なお、第一ヒートパイプ２１は、既存するシ
ャフト１９をヒートパイプ化したものであり、第二ヒー
トパイプ３３は厚さの薄い平板型のものであるから、ケ
ース１６の大きさは従来一般のＨＤＤとほぼ同じとする
ことができる。

【００３０】つぎに、図３および図４を参照して請求項
１の発明に係る他の具体例について説明する。ここに示
す例は、上記第一具体例における第二ヒートパイプ３３
を省いた構成である。なお、上記具体例と同じ構成につ
いては、その詳細な説明を省略する。

【００３１】ケース１６の内部には、スピンドルモータ
１８がシャフト１９を図４での上下方向に向けた姿勢で
収容されている。スピンドルモータ１８のシャフト１９
は、放熱板３１を兼用した四角形のＣｕプレート２０に
よってその上端部を閉じられるとともに、円形の端板に
よって下端部を閉じられた構成の円形断面のパイプであ
り、その内部には真空脱気した状態で純水が作動流体Ｗ
として封入され、ヒートパイプ２７として形成されてい
る。また、シャフト１９の内壁面の側面には、金属メッ
シュ製のウィック（図示せず）が布設されている。

【００３２】放熱板３１は、ケース１６の上面部に露出
した状態に設けられている。この平板状のＣｕプレート
２０からなり、第一具体例に対する４倍程度の表面積を
有している。

【００３３】つぎに、上記のように構成されたスピンド
ルモータ１８の作用について説明する。この具体例にお
いても、ＨＤＤ１５の駆動時には、ハードディスク１７
を保持したアウターロータ２６がシャフト１９の外周部
を回転する。これにより、各ボールベアリング２８に熱
が生する。この熱は、シャフト１９の壁面を介して内部
の液相作動流体Ｗに伝達される。すると作動流体Ｗは、
蒸発するとともに、放熱板３１を備えた端部に向けて上
昇し、その放熱板３１を介してケース１６外部の空気に
熱を奪われて凝縮する。すなわち、放熱板３１の表面か
ら外部に向けて熱が放出される。

【００３４】なお、放熱して液化したヒートパイプ２７
の作動流体Ｗは、ケース１６の底部側に配設された端部
に向けてウィックに沿うように下方に還流するととも
に、２個のボールベアリング２８とそれぞれ対応した箇
所で再度蒸発する。以降、同様のサイクルが継続され、
その結果、各ボールベアリング２８とシャフト１９との
接触箇所が冷却される。

【００３５】このように、ヒートパイプ化したシャフト
１９とその上端部に一体化し、かつケース１６から露出
した放熱板３１とにより、ボールベアリング２８に生じ
る熱を積極的にケース１６の外部に排出するから、上記
具体例と同様に長期連続駆動時での過熱を確実に防止で
きる。また、上記第一具体例における第二ヒートパイプ
３３に替えて表面積の大きい放熱板３１を備えた構成と
したから、イニシャルコストがより低下する。

【００３６】更に、図５および図６を参照して請求項２
の発明に係る一具体例について説明する。ここに示す例
は、上記第一具体例における第一ヒートパイプ２１を省
いた構成である。なお、上記いずれかの具体例と同じ構
成については、その詳細な説明を省略する。

【００３７】スピンドルモータ１８は、そのシャフト１
９を図６での上下方向に向けた姿勢でＨＤＤ１５のケー
ス１６に収容されている。ケース１６の内壁面には、上
下に対向する一対のスリーブ３５が形成されている。こ
れらのスリーブ３５は、ケース１６の内壁面からそれぞ
れ対向する方向に突出したパイプ状のものであり、その
内外径はスピンドルモータ１８のシャフト１９と等しく
設定されている。

【００３８】上下のスリーブ３５同士の間には、円形断
面のパイプからなるシャフト１９が両スリーブ３５と同
軸上に配設されている。換言すれば、上側のスリーブ３
５の端面とシャフト１９の上端面とが密着状態に連結さ
れ、下側のスリーブ３５の端面とシャフト１９の下端面
とが密着状態に保持されている。更に、下側のスリーブ
３５およびシャフト１９の内部には、ケース１６の底面
部側から止め捩子３６が挿入されていて、これによりシ
ャフト１９がケース１６に対して固定されている。

【００３９】また、シャフト１９の内部には、シャフト
１９の内径と等しい外径の棒状の伝熱部材３７が配設さ
れている。この伝熱部材３７の上端面は、ケース１６の
上面部の凹部３２に嵌め込まれた放熱板３１の底面にま
で延ばされて、そこに密着している。一例として伝熱部
材３７は、シャフト１９の材料であるＳＵＳ３０４より
も熱伝導率が２倍程度に高いＣｕからなっている。

【００４０】前述の通り、ケース１６の上面部には、放
熱板３１が露出した状態に設けられている。この放熱板
３１の上面部には、取り付け溝３２が形成されており、
その取り付け溝３２には、一例として矩形断面のＣｕ製
コンテナに純水を封入した平板型のヒートパイプ３８が
密着状態に嵌め込まれて固定されている。すなわち、放
熱板３１を介して伝熱部材３７とヒートパイプ３８とが
熱授受可能に連結されている。

【００４１】つぎに、上記のように構成されたスピンド
ルモータ１８の作用について説明する。ＨＤＤ１５の駆
動に伴って、ハードディスク１７を保持したアウターロ
ータ２６がシャフト１９の外周部を回転すると、各ボー
ルベアリング２８に熱が生じる。この熱は、シャフト１
９の側壁面を介して伝熱部材３７に伝達されるととも
に、その内部を伝導して、その上端部から伝熱板３１の
底面部に伝達され、更にヒートパイプ３８の一端部に伝
達される。その場合、受熱側のヒートパイプ３８が放熱
側の伝熱部材３７の上部に配設され、更に互いに面接触
しているから、両者の熱伝達が良好に行われる。

【００４２】ヒートパイプ３８に熱が伝達されると、コ
ンテナの内部に作動流体蒸気が生じ、その上記は図５で
の右斜め上方の端部に向けて流動するとともに、空気お
よびケース１６の上面部に熱を奪われて凝縮する。した
がって、ケース１６の上面部が伝熱部材３７およびヒー
トパイプ３８のヒートシンクとして作用し、各ボールベ
アリング２８が冷却される。

【００４３】このように、シャフト１９自体よりも熱伝
導性に優れる伝熱部材３７をシャフト１９内に配設させ
ることによって、ボールベアリング２８に生じる熱が放
熱板３１までスムースに伝達され、そこからヒートパイ
プ３８によって熱を奪いかつ放出するから、発熱箇所の
過熱を確実に防止することができ、これにより、スピン
ドルモータ１８の長期連続駆動が可能になる。更に、こ
の具体例は、Ｃｕ製中実材を既存のシャフト１９に組み
付けた簡単な構成であるから、シャフト１９自体をヒー
トパイプ化した第一具体例よりもコストが低下する利点
もある。

【００４４】なお、上記各具体例では、ＨＤＤ用のスピ
ンドルモータを例示したが、この発明は上記具体例に限
定されず、例えばＣＤプレーヤーあるいはＦＤＤ（フロ
ッピーディスクドライブ）に備えられるスピンドルモー
タ、更にロータとなる巻線と共にシャフトが回転する一
般のＤＣモータ等に適用することもできる。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１および請求項２のいずれの発明においても、軸部材に
おける熱輸送能力が良好になるから、軸部材とそれを支
持する軸受との摺動箇所、あるいは回転体と軸部材との
摺動箇所の過熱を防止でき、これにより長期連続駆動が
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明に係るＨＤＤ用スピンドルモー
タの外観を示す概略図である。

【図２】そのスピンドルモータおよびケースの構成を示
す断面図である。

【図３】請求項１の発明に係る他の具体例を示す概略図
である。

【図４】そのスピンドルモータおよびケースの構成を示
す断面図である。

【図５】請求項２の発明に係るＨＤＤ用スピンドルモー
タの外観を示す概略図である。

【図６】そのスピンドルモータおよひせケースの構成を
示す断面図である。

【図７】従来のＨＤＤ用スピンドルモータを示す概略図
である。

【図８】そのスピンドルモータおよびケースの構成を示
す断面図である。

【符号の説明】

１５…ＨＤＤ、 １６…ケース、 １７…ハードディス
ク、 １８…スピンドルモータ、 １９…シャフト、
２１…第一ヒートパイプ、 ２４…巻線、 ２６…アウ
ターロータ、 ２８…ボールベアリング、 ３１…放熱
板、 ３５…スリーブ、 ３７…伝熱部材、 ３８…ヒ
ートパイプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 和彦 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸部材の中心軸線を中心にして回転する
   回転体を有するモータにおいて、 前記軸部材が密閉中空状に形成されるとともに、その内
   部に真空脱気した状態で作動流体が封入されて、前記軸
   部材がヒートパイプ化されていることを特徴とするモー
   タの冷却構造。
2. 【請求項２】 軸部材の中心軸線を中心にして回転する
   回転体を有するモータにおいて、 前記軸部材が中空状に形成されるとともに、その軸部材
   よりも熱伝導性の高い材料からなる伝熱部材が軸部材の
   中空部分に設けられていることを特徴とするモータの冷
   却構造。