JP4006810B2

JP4006810B2 - 電動機及びそれを用いたヒートシンク装置

Info

Publication number: JP4006810B2
Application number: JP04696998A
Authority: JP
Inventors: 彰友山下; 英一郎中園
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2018-02-27
Also published as: US6124657A; JPH11252857A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動圧型流体軸受けを用いた電動機及びそれを用いたヒートシンク装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来における動圧型流体軸受けの電動機を用いたヒートシンク装置の構成を図３および図４に示す。
【０００３】
ここで、図３は従来の半導体冷却用のヒートシンク装置を示す断面図、図４は図３のヒートシンク装置に用いる電動機の軸受け部を示す断面図である。
【０００４】
図示するように、フレーム１の凹部に突出形成されたカップ状のハウジング１ａの周囲には、コイル２の巻かれたステータ３にホール素子等が備え付けられた駆動回路基板４が設置されている。ステータ３はハウジング１ａの外周部に固定されており、駆動回路基板４とフレーム１との間には絶縁シート１０が設置されている。また、フレーム１の外周には空気の流れをスムーズにするためのベルマウス１９が設置されている。ハウジング１ａはカップ状に形成されており、このハウジング１ａの底面には、樹脂等で作られたスラスタ５が設置されている。さらに、ハウジング１ａにはスリーブ６がはめ込まれており、ハウジング１ａとスリーブ６との間にはハウジング１ａの開口部からの底面にまで延びる通気溝１ｂが形成され、ステータユニット１５を構成している。
【０００５】
ファン８には回転軸９が一体成型され、環状のステータ３と対向するようにマグネット１１およびマグネットヨーク１２が接着等で固定されてロータ１６を構成している。そして、回転軸９がスリーブ６に回転自在に取り付けられている。
【０００６】
軸受け部は、図４に示すように、スリーブ６の内周面の中央付近に、他の部分よりも内径を大きくしたオイル溜まり７が形成され、その両側にはボール転造等により動圧発生溝１３ａ，１３ｂが形成されている。また、この動圧発生溝１３ａ，１３ｂには潤滑油としてオイル１４が注油されてラジアル軸受け１７を構成している。さらに、回転軸９のスラスタ５側は球面に仕上げられており、スラスタ５に当接するスラスト軸受け１８を構成している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の電動機では、次のような問題点を有していた。
【０００８】
近年のパソコン等の電子機器や家庭電化製品においてはダウンサイジングが進んでおり、それに伴い、電子機器等に取り付けられるヒートシンク装置及び冷却ファンモータ等の電動機も小型化・薄型化が要求されている。
【０００９】
このような電動機の小型化・薄型化により軸受け部のスペースが非常に小さくなっており、回転軸９の軸径およびスリーブ６の内径は小径化が進んでいる。そして、加工バイトのシャンク径が２ｍｍ程度であるため、従来の内径３ｍｍ以上のスリーブ６に対してはオイル溜まり７が容易に加工できた。
【００１０】
これに対し、内径の小径化によりスリーブ内径が２ｍｍ以下になると、加工バイトのシャンク径を１ｍｍ以下にしなければならない。しかし、加工バイトのシャンク径を１ｍｍ以下にすると、加工の際の材料の振れ回り等により加工バイトが異常な振動を起こして加工バイトの折れが頻繁に発生することになる。また、このような折れを防ぐために加工速度を落すと、加工時間が増大して製造コストの増大を招くことになる。
【００１１】
また、電子機器等は、高性能・小型化により発熱量が増大しており、それに伴い、電子機器等に取り付けられるヒートシンク装置及び冷却ファン等に用いられる電動機は、温度変化の大きい環境に置かれ、冷却効果を高めるために高速回転を行うことが必要となってきている。
【００１２】
これに対し、回転軸９とスリーブ６の隙間による表面張力および動圧発生溝１３ａ，１３ｂによる中央に寄せ集めるポンピング力で保持されたオイル１４は、高速回転化による遠心力および温度変化の増大によるオイル自体の膨張収縮、さらにはオイル中のエアの膨張収縮に耐えきれず、オイル１４が流出してこれが回転軸９やロータを伝わり流出するようになった。このため、軸受けのオイル不足、回転数の低下、電流値の増加、異音などが発生し、さらには、ロータのロックが発生して信頼性を損なっていた。
【００１３】
そこで、本発明は、小径化された軸受けの加工を容易に行うことのできる電動機を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、回転時における軸受けからのオイル流出を防止することのできる電動機を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、上記電動機を用いた冷却効率の高いヒートシンク装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の電動機は、カップ状のハウジングを備えたフレームと、ハウジングの外周部に取り付けられたステータと、ハウジング内にはめ込まれ、内周面が軸方向にストレートに加工されたスリーブと、スリーブの対向位置に凹溝が形成されるとともに先端に向かって径が小さくなるテーパ部が形成されてスリーブに回転自在にはめ込まれた回転軸、およびステータに対向配置されたマグネットを備えたロータと、回転軸とスリーブとの隙間に充填されたオイルとを有し、オイルは凹溝およびテーパ部に溜められるようにされているものである。
【００１７】
これにより、回転軸の凹溝およびテーパ部にオイルが溜るようにすることで、スリーブの内周面を軸方向にストレート形状にすることが可能になり、小径化された軸受けの加工を容易に行うことができる。
【００１８】
また、回転軸の凹溝およびテーパ部にオイルが溜るようになっているので、オイルが遠心力により飛散したり滲み出たりして不足気味になっても、表面張力のより高い軸受け隙間にオイルが随時供給されることになり、回転時における軸受けからのオイル流出を防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、ハウジングを備えたフレームと、ハウジングの外周部に取り付けられたステータと、ハウジング内にはめ込まれ、内周面が軸方向にストレートに加工されたスリーブと、スリーブに回転自在にはめ込まれた回転軸と、ステータに対向配置されたマグネットを備えたロータと、回転軸の外周面またはスリーブの内周面の何れか一方には動圧発生溝が形成され、回転軸とスリーブとの隙間に充填されたオイルとを有し、回転軸は、直径が２ｍｍ以下で、スリーブの対向位置に凹溝が形成されるとともに一端側はスリーブの内側からフレーム側の端面に向かって径が小さくなるテーパ部が形成され、フレーム側の端面は球面に仕上げられ、凹溝の両端は傾斜をもって回転軸の外周面につながり、オイルは凹溝およびハウジングとスリーブとテーパ部との空間に溜められるようにされていることを特徴とする電動機であり、回転軸の直径は２ｍｍ以下である小径化された軸受けの加工を容易に行うことが可能になるとともに、回転時における軸受けからのオイル流出を防止することが可能になるという作用を有する。
【００２１】
また、回転軸の外周面またはスリーブの内周面の何れか一方には、オイルを保持する動圧発生溝が形成されている電動機であり、回転軸の回転がスムーズになるという作用を有する。
【００２２】
また、ハウジングの内壁またはスリーブの外周には、ハウジングの開口部から底面まで延びる通気溝が形成され、通気溝とスリーブまたはハウジングとの隙間は０．３ｍｍ以下である電動機であり、回転軸をスリーブへ挿入する際にスリーブ内のエアが通気溝から逃げるので、回転軸のスリーブへの取り付けをスムーズに行うことが可能になるとともに表面張力でオイルが通気溝を通って流出することがないという作用を有する。
【００２３】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の電動機を備えた冷却用ファンモータであって、前記電動機のフレームには発熱体を取り付け可能としたヒートシンク装置であり、発熱体の熱を直接電動機のフレームで伝導しそしてフレームが放熱作用を行うとともに、ファンが起こす空気流が効率よくフレームに当り放熱効果を高める作用を有する。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図１および図２を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００２７】
図１は本発明の一実施の形態であるヒートシンク装置を示す断面図、図２は図１のヒートシンク装置に用いる電動機の軸受け部を示す断面図である。
【００２８】
本実施の形態における電動機は半導体冷却用のヒートシンク装置に用いられるものであり、図１に示すように、フレーム１の凹部に突出形成されたカップ状のハウジング１ａの周囲には、コイル２の巻かれたステータ３にホール素子等が備え付けられた駆動回路基板４が設置されている。フレーム１の凹部には板状かもしくはピン状のフィン２１が立設され、側壁には空気流の通る開口部（図示せず）が所定の数、所定の大きさで所定の方向に向けて設けられている。また、ハウジング１ａが設けられていない側のフレーム１の底部は半導体素子等の発熱体が取付可能な平面領域を有している。ステータ３はハウジング１ａの外周部に固定されており、駆動回路基板４とフレーム１の間には絶縁シート１０が設置されている。また、フレーム１の側壁には空気の流れをスムーズにするためのベルマウス１９が設置されている。
【００２９】
フレーム１のハウジング１ａはカップ状に形成されており、その底面には、樹脂等で作られたスラスタ５が設置されている。ハウジング１ａにはスリーブ６がはめ込まれており、ハウジング１ａとスリーブ６との間には、ハウジング１ａの開口部から底面にまで延びる通気溝１ｂがハウジングの内壁に形成され、ステータユニット１５を構成している。そして、この通気溝１ｂとスリーブ６との隙間は、ファン８を下側にした時も通気溝１ｂを通ってオイルが流出しないように、０．３ｍｍ以下にして表面張力でオイルの流出を防止している。なお、通気溝１ｂはスリーブ６の外周に形成してもよい。
【００３０】
また、ファン８には直径１．５ｍｍの回転軸９が一体成型され、環状のステータ３と対向するようにマグネット１１およびマグネットヨーク１２が固定されてロータ１６を構成している。そして、回転軸９がスリーブ６に回転自在に取り付けられている。
【００３１】
図示するように、スリーブ６の内周面は、両端の０．１ｍｍ程度の面取り以外は軸方向にストレートに加工され、加工後に、回転軸９の回転がスムーズになるように、ボール転造等により動圧発生溝１３ａ，１３ｂが２ヶ所に形成されている。また、ボール転造により発生した突起を除去してスリーブ内径を±２μｍ以下の高精度で仕上げるため、サイジングが実施されている。動圧発生溝１３ａ，１３ｂには潤滑油としてオイル１４が注油され、回転軸９と片側２〜１２μｍの軸受け隙間を保ってラジアル軸受け１７を構成している。なお、動圧発生溝１３ａ，１３ｂは回転軸９の外周面に形成してもよい。
【００３２】
回転軸９におけるスリーブ６の対向位置、ここでは２ヶ所の動圧発生溝１３ａ，１３ｂの間に位置する箇所の周囲には、余剰なオイルを保持する凹溝９ａが形成されている。
【００３３】
回転軸９の凹溝９ａは、回転軸９を回転させるための動圧を発生させる動圧発生溝１３ａ，１３ｂの間で、動圧発生に寄与しない部分に形成されており、深さ０．１ｍｍ程度でその両端は軸方向に対し５°〜４５°の角度をもって外周面につながっている。
【００３４】
さらに、回転軸９の先端には、スリーブ６の内側から回転軸９のファン８の反対側端面に向けて径が小さくなるテーパ部９ｂが形成されている。このテーパ部９ｂは、軸方向に対して５°〜３０°の角度に加工されている。
【００３５】
また、回転軸９の先端は球面に仕上げられており、スラスタ５と接触してスラスト軸受け１８を構成している。さらに、ハウジング１ａの底面とスリーブ６のテーパ部９ｂとで形成されている空間には、動圧発生溝１３ａ，１３ｂに保持されたオイル１４と同一のオイルが、動圧発生溝１３ａ，１３ｂに保持されたオイル１４の量よりも多く充填されている。
【００３６】
なお、スリーブ６には、切削性や転造性を考慮してＣ３６０４、ＢＣ６Ｃ等の銅合金が用いられ、回転軸９には、耐摩耗性や取り扱い性を考慮してＳＵＳ４２０Ｊ２等のステンレス鋼が用いられている。また、オイル１４は、ファンモータが半導体に直接取り付けられことが多く熱源に近いことから、高温に耐えうるように、フッ素系合成油が用いられ、極圧性を若干改善するために添加剤が加えられている。
【００３７】
このような構成のファンモータによれば、回転軸９の凹溝９ａと先端のテーパ部９ｂにオイル１４が溜まるので、スリーブ６の内周面をその軸方向にストレート形状にすることが可能になる。これにより、スリーブ６が直径２ｍｍ以下の小径でも軸受けの加工が容易になるので、製造コストの上昇を抑制することができる。
【００３８】
また、回転軸９に設けられた２ヶ所のオイル溜まりにより、温度変化によるオイル自体およびオイル中のエアの膨張、収縮によるオイル１４の容積の増減を吸収することが可能になる。
【００３９】
さらに、ハウジング１ａの底面とスリーブ６の間に充填したオイル１４が回転軸９のテーパ部９ｂとスリーブ６との隙間に入り込み、より表面張力の高い回転軸９のテーパ部９ｂの径の大きい方へオイルが吸い上げられる現象が起こる。これにより、回転軸９の遠心力によるオイル飛散やオイルの容積の増減を吸収しきれない分のオイル滲み出し等で動圧発生溝１３ａ，１３ｂのオイルが不足気味になっても、この動圧発生溝１３ａ，１３ｂには随時オイルが供給されることとなり、動圧発生溝１３ａ，１３ｂのオイル不足を防止することができる。
【００４０】
また、ハウジング１ａとスリーブ６の嵌合部に形成された通気溝１ｂにより、回転軸９をスリーブ６へ挿入する際のスリーブ６内のエアが逃げ、ハウジング１ａの底面とスリーブ６の間にあるエアとスリーブ６のファン側のエアとの圧力差がなくなって、回転軸９のスリーブ６への取り付けをスムーズに行うことができる。そして、この通気溝１ｂとスリーブ６との隙間は、ファン８を下側にした時も通気溝１ｂを通ってオイル１４が流出しないように０．３ｍｍ以下にされており、表面張力でオイル１４の流出が防止されている。
【００４１】
ここで、オイル１４の容積の増減をより吸収するためにスリーブ６のファン側端面の内部からファン８の近傍にかけての回転軸９にオイル溜まりを設置すると、このオイル溜まりに多量のオイル１４が溜まってすぐ近くにあるファン８にオイル１４が接触することになる。すると、オイル１４が遠心力で飛ばされやすくなり、また、ファン８に向かうオイル１４の道筋が形成されることでオイル１４が通りやすくなり、オイル不足を早期に招く結果となる。これに対し、本実施の形態では、回転軸９の凹溝９ａとの先端のテーパ部９ｂとに分かれてオイル１４が溜まり、スリーブ６のファン側端面には多量のオイル１４が溜まらないので、ファン８にオイル１４が接触することもなく、オイル飛散によるオイル不足は生じない。
【００４２】
つぎに本実施の形態のヒートシンク装置の動作について説明する。電動機が回転すると、ファン８も回転を行い電動機の軸９方向にそって空気を吸い込み、フィン２１によって形成された空気の流路に従ってながれ、フレーム１の側壁に設けられた開口部から排気される。このとき空気流は発熱体の熱が伝導されたフレーム１、フィン２１から熱を奪い冷却作用を行う。側壁の開口部の方向はヒートシンク装置から排気された空気を他の発熱素子に当てるため、また高温になった空気を電子機器装置からスムーズに排気するため、ヒートシンク装置を用いる電子機器装置に合わせて一方向あるいは複数の方向に開けて用いる。
【００４３】
フィン２１の形状は板状、ピン状に限定されるものではなく、三角状、翼状、渦巻状、円状、放射状等同様の作用、効果を呈するものであればよい。なお、ヒートシンク装置が所定の大きさ（４０ｍｍ角）より小さくなる場合には、電動機の大きさも必然的に小さくなり、その結果電動機の出力も小さくなる。従って、上記の場合、電動機とファンによって発生させられる風力が小さくなり、フィンを立設すると放出される風量が小さくなり、かえって放熱効果を悪くすることがある。このようにヒートシンク装置の大きさが上記の範囲の場合には、フィンを立設せず、放出される風量を多くして放熱効果を向上させることが好ましい。
【００４４】
なお、ヒートシンク装置の構造及び、それに用いられる電動機の構造、電動機の形式、軸受けの構造、オイル等は本実施の形態に限定されるものではなく、様々な設計変更が可能であることは言うまでもない。また、上記実施の形態において、動圧発生溝１３ａ，１３ｂはスリーブ６の内周面に形成されているが、回転軸９の外周面に形成してもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、スリーブの内周面を軸方向にストレート形状にすることが可能になり、小径化された軸受けの加工を容易に行うことができるという有効な効果が得られる。
【００４６】
これにより、低コスト化を図ることができるという有効な効果が得られる。
また、温度変化によるオイル自体およびオイル中のエアの膨張や収縮によるオイルの容積の増減を吸収することが可能になるという有効な効果が得られる。
【００４７】
回転軸の凹溝およびテーパ部にオイルが溜るようになっているので、オイルが遠心力により飛散したり滲み出たりして不足気味になっても、表面張力のより高い軸受け隙間にオイルが随時供給されることになり、回転時における軸受けからのオイル流出を防止することができるという有効な効果が得られる。
【００４８】
これらにより、円滑な動作が可能で、高い信頼性と長寿命を有する電動機を得ることが可能になるという有効な効果が得られる。
【００４９】
回転軸の外周面またはスリーブの内周面の何れか一方に、オイルを保持する動圧発生溝が形成することで、回転軸の回転がスムーズになるという有効な効果が得られる。
【００５０】
ハウジングの内壁またはスリーブの外周に、ハウジングの開口部から底面まで延びる通気溝を形成することで、回転軸をスリーブへ挿入する際にスリーブ内のエアが通気溝から逃げるので、回転軸のスリーブへの取り付けをスムーズに行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるヒートシンク装置を示す断面図
【図２】図１のヒートシンク装置に用いる電動機の軸受け部を示す断面図
【図３】従来の半導体冷却用のヒートシンク装置を示す断面図
【図４】図３のヒートシンク装置に用いる電動機の軸受け部を示す断面図
【符号の説明】
１フレーム
１ａハウジング
１ｂ通気溝
３ステータ
６スリーブ
９回転軸
９ａ凹溝
９ｂテーパ部
１１マグネット
１３ａ動圧発生溝
１３ｂ動圧発生溝
１４オイル
１６ロータ
２１フィン

Claims

ハウジングを備えたフレームと、
前記ハウジングの外周部に取り付けられたステータと、
前記ハウジング内にはめ込まれ、内周面が軸方向にストレートに加工されたスリーブと、
前記スリーブに回転自在にはめ込まれた回転軸と、
前記ステータに対向配置されたマグネットを備えたロータと、
前記回転軸の外周面または前記スリーブの内周面の何れか一方には動圧発生溝が形成され、
前記回転軸と前記スリーブとの隙間に充填されたオイルとを有し、
前記回転軸は、直径が２ｍｍ以下で、前記スリーブの対向位置に凹溝が形成されるとともに一端側は前記スリーブの内側から前記フレーム側の端面に向かって径が小さくなるテーパ部が形成され、前記フレーム側の端面は球面に仕上げられ、
前記凹溝の両端は傾斜をもって前記回転軸の外周面につながり、
前記オイルは前記凹溝および前記ハウジングと前記スリーブと前記テーパ部との空間に溜められるようにされ、
前記ハウジングの内壁または前記スリーブの外周には、前記ハウジングの開口部から底面まで延びる通気溝が形成され、前記通気溝と前記スリーブまたは前記ハウジングとの隙間は０．３ｍｍ以下であることを特徴とする電動機。
請求項１記載の電動機を備えた冷却用ファンモータであって、前記電動機のフレームには発熱体を取り付け可能としたことを特徴とするヒートシンク装置。