JP2005224096A - 薄型電動ファン - Google Patents

Abstract

【課題】 ボールベアリングの耐久性低下や振動等を伴わずに電動ファンの薄型化を実現する。
【解決手段】 コイル12を備えた固定子11および円筒形マグネット33を備えた外転型回転子からなる無整流子モータ２と、上記回転子の外周に設けられた送風用ブレード３と、固定子11を支持するケーシング１とを備えてなる薄型電動ファンにおいて、ステンレス等の薄い金属板で送風用ブレード３を成型し、回転子の中心に固定された回転軸34を、ケーシング側１に設けた１個のボールベアリング35を介して回転自在に支持するとともに、ケーシング１の底部に円筒形マグネット33の端面に対向する磁性板21を配置し、この磁性板21は円環状をなすとともに円周方向の一部に切欠部38を有し、この切欠部38に磁極検出用のホール素子18を配置し、磁性板21と円筒形マグネット33との間に生じる磁気的吸引力によってボールベアリング35に予圧を付与したものである。
【選択図】 図２

Description

この発明は、ＣＰＵ等の電子素子やコンピュータ関連電子機器等を強制冷却したり、あるいはアスピレータとして機器内の温度を均一化するために用いられる薄型電動ファンに関する。

近時の電子機器は、高密度化ならびに小型化する一方で、消費電力は増大する傾向にあり、それだけ発熱量が大きなものとなる。そして、一定のスペースの機器内に、多数の部品が高密度化されて配置されると、内部の自然対流による放熱を十分に期待することができないので、機器内の気流の流れを強制的に生じる電動ファンは、不可欠のものとなっている。

例えば、パーソナルコンピュータにおけるＣＰＵは、近年の高性能化に伴って発熱量も増大しており、一般に、ＣＰＵのパッケージの上に電動ファンを重ねて搭載し、その冷却を行っている。

このような電動ファンとしては、回転子にマグネット（永久磁石）を用いた無整流子の直流モータが多く利用されており、回転子自体に送風用ブレードを設けて、軸流ファンもしくは遠心ファンとして構成している。そして、このような電動ファンにおいては、下記特許文献１等に開示されているように、回転子の回転軸を回転自在に支持するために、通常一対のボールベアリングを用いており、かつコイルスプリングでもって各ボールベアリングに予圧を付与するように構成されている。
実開昭６４−３０６５４号公報

このように、最近の電子機器においては、全体の小型化とともに部品の高密度化および高性能化が進んでいるので、電動ファンとしても、当然のことながら、小型かつ薄型のものが望まれている。特に、いわゆるノート型のパーソナルコンピュータにおけるＣＰＵ等では、非常に薄型の電動ファンが必要である。

しかし、このように一対のボールベアリングを軸受に使用し、しかもその予圧付与のためにコイルスプリングを設けた従来の構成では、各部品をいかに小型化しても、軸受部分の軸方向の寸法がある程度大きなものとなってしまい、電動ファンの薄型化に限界があった。

なお、コイルスプリングのような予圧付与手段を省略すると、回転子の僅かなアンバランスやマグネットのコッキング、さらには潤滑油の油膜切れ等によって振動や摩耗が発生しやすく、ボールベアリングの耐久性を著しく低下させることになる。

この発明の薄型電動ファンは、コイルを具備した固定子および円筒形マグネットを具備した外転型回転子からなる無整流子モータと、上記回転子の外周に設けられた送風用ブレードと、上記固定子を支持するケーシングとを備えてなる薄型電動ファンにおいて、ステンレス等の薄い金属板で上記送風用ブレードを成型し、上記回転子の中心に固定された回転軸をケーシング側に設けた１個のボールベアリングを介して回転自在に支持するとともに、ケーシングの底部に上記円筒形マグネットの端面に対向する磁性板を配置し、上記磁性板は円環状をなすとともに円周方向の一部に切欠部を有し、この切欠部に磁極検出用のホール素子を配置し、上記磁性板と上記円筒形マグネットとの間に生じる磁気的吸引力によって上記ボールベアリングに予圧を付与したものである。

すなわち、ボールベアリングを介して回転自在に支持されている回転子は、円筒形マグネットからの漏洩磁束によって磁性体からなる磁性板に引き寄せられるため、ボールベアリングに適宜な予圧が付与される。この磁性板は、ボールベアリングと軸方向に重ならない位置に配置し得るので、軸受部分の軸方向寸法を制約することがなく、ボールベアリングを１個とすることと相俟って、軸方向寸法が非常に短いものとなる。なお、ボールベアリングを１個にすると、２個の場合に比べて、回転子のアンバランスやマグネットコッキングによって振動が一層生じやすいので、もし予圧が付与されていないと、到底使用に耐えられないものとなってしまう。本発明では、ボールベアリングが１個であっても、予圧を付与することにより、回転軸の振れが抑制されて円滑な回転が可能であり、十分な耐久性を確保し得る。

請求項１に記載の発明においては、上記磁性板は、円環状をなすとともに、円周方向の一部に切欠部を有し、この切欠部に、磁極検出用のホール素子が配置されている。

無整流子モータとして回転子の磁極を検出するためにホール素子を用いる場合、このホール素子も円筒形マグネットの漏洩磁束を受ける位置に配設する必要がある。請求項１に記載の構成においては、ホール素子が円筒形マグネットの端面に対向する位置に配置され、かつこれ以外の部分における磁性板と円筒形マグネットとの間の磁力によって所定の予圧が付与される。従って、磁性板がホール素子の検出を妨げることはない。なお、切欠部としては、窓状に開口形成されたものであってもよい。

さらに、請求項２に記載の発明においては、上記磁性板は、１８０°離れた２カ所にそれぞれ切欠部を有する対称形状をなし、その一方の切欠部に上記ホール素子が配置されている。

磁性板にホール素子のための切欠部を設けた場合、この部分では、吸引力が発生しないので、吸引力のアンバランスが発生し、好ましくない。請求項２のように対称に切欠部を設ければ、吸引力のアンバランスが回避される。

この発明の薄型電動ファンによると、コイルスプリングのような軸方向のスペースを必要とする手段を用いずにボールベアリングに予圧を付与することができ、振動や騒音が少ない円滑な回転を確保することができる。また、送風用ブレードとしてステンレス等の薄い金属板で成型したものを使用することにより、送風用ブレード自体を合成樹脂で作ったものに比して薄型に形成することができる。従って、ボールベアリングを単一にすることができ、電動ファンを非常に薄型に構成することが可能となる。

また、ホール素子を避けるように磁性板に切欠部を設けることにより、ホール素子の磁極検出が何ら阻害されず、また、ホール素子および磁性板の双方を円筒形マグネットに近接配置することができるので、この部分における厚さの増加を回避することができる。

請求項２に記載の構成では、切欠部38を対称位置に形成することにより、磁気的吸引力の局部的な欠損を２カ所でバランスさせることができ、切欠部38の形成によるアンバランスの発生を回避できる。

以下、この発明の薄型電動ファンの好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る薄型電動ファンの実施の形態を示す平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿って切断したた断面図である。この電動ファンは、例えば、ノート型パーソナルコンピュータのＣＰＵの冷却に用いられるものであって、ＣＰＵのパッケージの上面に重ね合わせて取り付けられる略矩形の偏平なケーシング１を有し、このケーシング１内に無整流子モータ２が送風用ブレード３とともに収容されている。

ケーシング１は、図２に示すように、上面が開口した箱型に形成されており、かつこの開口部を覆うように、薄い金属板からなるカバー４が固定されている。このカバー４には、ブレード３の位置に対応して円形の空気入口５が開口形成されている。また、ケーシング１は、図１に破線で示すように、三方の側面が壁部で囲まれ、一方の側面が空気出口６として開口している。なお、このケーシング１は、熱伝導性の優れたアルミニウム合金で形成されており、それ自体がＣＰＵのヒートシンクとしても機能するものである。

ケーシング１の略中央の底部には、円筒形のボス部７によって囲まれた円形の孔が設けられており、ここに、円筒形のスリーブ８が圧入固定されている。このスリーブ８の上部外周には、偏平な円環状をなす固定子11が固定されている。この固定子11は、円筒状に巻回されたコイル12と、このコイル12の上端面および下端面にそれぞれ設けられた一対の板状の鉄心13と、コイル12の内周に配置されたインシュレータ14とにより構成されている。鉄心13は、図３に示すように、周方向の４カ所に、突極13ａを有しており、かつ上下の一対の鉄心13が、互いに４５°ずれた状態に組み合わされている。つまり、上方の鉄心13の隣接する２つの突極13ａの間に、下方の鉄心13の突極13ａが位置している。これにより、コイル12の転流に伴って一対の鉄心13が交互にＮ極、Ｓ極に磁化され、固定子11全体としては、４５°毎にＮ、Ｓの磁極が生じることになる。

コイル12の巻線の末端は、このコイル12の下方に位置する一種のプリント配線基板からなる円環状のコイルボード15にハンダ付けされており、このコイルボード15を介して、ケーシング１底面に設けられた駆動回路を備えた回路基板16に接続されている。なお、図２の符号17は、この回路基板16とコイルボード15との間のハンダ付け部分を示している。回路基板16の一端部には、磁極検出用のホール素子18が取り付けられている。このホール素子18は、矩形のパッケージを有し、コイルボード15には、このホール素子18との干渉を避けるために、矩形の切欠部が設けられている。なお、このホール素子18は、回路基板16の下面からも僅かに突出しているが、これに対応してケーシング１底面に一段低く形成された凹部内に収容されている。

また、コイルボード15と固定子11下面の鉄心13との間には、後述する磁性板21が合成樹脂製の環状スペーサ22とともに挟持されている。

固定子11とともに無整流子モータ２を構成する回転子は、ファン31として送風用ブレード３と実質的に一体に構成されている。すなわち、ファン31は、円形のステンレス等の薄い金属板からなり、その外周部分が下方へ向かって一段低くなるように屈曲しているとともに、この外周部に、放射状に延びる多数の送風用ブレード３が形成されている。

また、中央の平坦部分31ａとブレード３との間に生じる円筒壁部31ｂの内周に、マグネットケース32とともに円筒形マグネット33が固定されている。この円筒形マグネット33は、内周面に磁極を有するもので、図４に示すように、４５°間隔でＮ極およびＳ極が交互に着磁されている。なお、この円筒形マグネット33および固定子11の磁極の数は、言うまでもなく、図示例の８個に限定されるものではない。マグネットケース32は、磁性体からなり、円筒形マグネット33の外周面を覆っている。

円筒形マグネット33は、固定子11の外周を囲うように配置されており、固定子11の磁極と円筒形マグネット33の磁極とが半径方向に対向して配置されている。なお、この実施の形態においては、固定子11の磁極の磁気中心（図２における軸方向の高さ位置）が円筒形マグネット33の磁気中心と互いに一致している。つまり、磁気中心のオフセットによる軸方向の付勢力は生じることがない。

ファン31の中心には、円形の孔が開口しているとともに、円筒状のボス部31ｃが形成されており、このボス部31ｃの内周に、回転軸34が圧入固定されている。この回転軸34は、上述したケーシング１側のスリーブ８内に配置された単一のボールベアリング35を介して回転自在に支承されている。このボールベアリング35は、両側にシールドを備えたシールド玉軸受からなり、かつインナレース35ａおよびアウタレース35ｂのそれぞれに鋼球を受ける凹溝が形成されている。

インナレース35ａは、回転軸34に対しいわゆる隙間ばめとなっており、ファン31のボス部31ｃ先端がインナレース35ａ上端面に当接している。なお、回転軸34先端の凹溝にスナップリング37が取り付けられており、回転軸34の脱落が防止されている。また、アウタレース35ｂは、同様にスリーブ８に対し隙間ばめとなっており、スリーブ８内に圧入固定された円筒状をなす上下一対のベアリングストッパ36によって軸方向に固定されている。

従って回転子となるファン31全体は、１個のボールベアリング35によって回転自在に支持されており、よく知られているように、ホール素子18の磁極検出に基づくコイル12への電流の転流によって、円筒形マグネット33とともにファン31が一方向に回転するのである。

ここで、円筒形マグネット33の端面に対向して、ケーシング１の底部に上述した磁性板21が設けられている。この磁性板21は、ステンレスもしくは鉄等の磁性体からなり、図５および図６に示すように、ケーシング１のボス部７の外周に嵌合する円環状をなしている。そして、この磁性板21は、図５に示すように、１８０°離れた２カ所に略矩形の切欠部38を有する対称形状をなしており、その一方の切欠部38に、ホール素子18が配置されている。つまり、磁性板21の外周部21ａは、円筒形マグネット33の端面に対応する半径位置にあり、同様に、ホール素子18も円筒形マグネット33の端面に対応する半径位置にあるが、この切欠部38を通してホール素子18が円筒形マグネット33端面に対向している。なお、磁性板21の外周部21ａは、円筒形マグネット33の端面との間に適宜な微小間隙が得られるように、図６の断面図に示すように、中央部に比較して一段高く折曲形成されている。

この実施の形態の構成によれば、回転子となる円筒形マグネット33と磁性板21との間で磁気的吸引力が発生し、円筒形マグネット33を含むファン31全体がケーシング１の底部へ向けて付勢される。これにより、ボールベアリング35に軸方向の予圧が付与され、回転軸34の振れが防止される。従って、ボールベアリング35が１個であっても、ファン31の僅かなアンバランスやマグネットのコッキング等に影響されずに非常に円滑な回転を確保することができ、また耐久性の点でも十分に良好なものとなる。そして、この予圧付与のための磁性板21は、中心の軸受部分ではなく、ボールベアリング35の外周側に配置されるので、軸受部分の軸方向寸法の増大を招くことがない。従って、ボールベアリング35を単一にしたことと相俟って、電動ファン全体を非常に薄型に構成することができる。具体的な寸法を例示すれば、例えばＣＰＵ用の電動ファンとして、厚さ５ｍｍ以下に構成することが可能となる。

また、上記実施の形態においては、ホール素子18を避けるように切欠部38を設けることにより、ホール素子18の磁極検出が何ら阻害されず、また、ホール素子18および磁性板21の双方を円筒形マグネット33に近接配置することができるので、この部分における厚さの増加を回避することができる。しかも、上記構成では、切欠部38を対称位置に形成することにより、磁気的吸引力の局部的な欠損を２カ所でバランスさせることができ、切欠部38の形成によるアンバランスの発生を回避できる。

なお、上記実施の形態においては、上述したように固定子11の磁極の磁気中心が円筒形マグネット33の磁気中心と互いに一致しており、磁気中心のオフセットによる軸方向の付勢力を生じることがないが、円筒形マグネット33の磁気中心を固定子11の磁気中心に対し上方にオフセットさせた構成とすれば、円筒形マグネット33がケーシング１底部へ向かうような軸方向の力が発生し、ボールベアリング35の予圧をさらに増加させることが可能である。また、上記実施の形態においては、電動ファンを遠心型ファンとして構成した例について説明したが、これに限られず、軸流ファンとして構成することも勿論可能である。

この発明の薄型電動ファンの実施の形態を示す平面図、 図１のＡ−Ａ線に沿った切断した断面図、 鉄心の平面図、 円筒形マグネットの平面図、 磁性板の平面図、 磁性板の側面図である。

符号の説明

１ ケーシング
２ 無整流子モータ
３ 送風用ブレード
11 固定子
18 ホール素子
21 磁性板
31 ファン
33 円筒形マグネット
35 ボールベアリング
38 切欠部

Claims (2)

1. コイルを具備した固定子および円筒形マグネットを具備した外転型回転子からなる無整流子モータと、上記回転子の外周に設けられた送風用ブレードと、上記固定子を支持するケーシングとを備えてなる薄型電動ファンにおいて、
   ステンレス等の薄い金属板で上記送風用ブレードを成型し、上記回転子の中心に固定された回転軸を、ケーシング側に設けた１個のボールベアリングを介して回転自在に支持するとともに、ケーシングの底部に上記円筒形マグネットの端面に対向する磁性板を配置し、上記磁性板は円環状をなすとともに円周方向の一部に切欠部を有し、該切欠部に磁極検出用のホール素子を配置し、上記磁性板と上記円筒形マグネットとの間に生じる磁気的吸引力によって上記ボールベアリングに予圧を付与したことを特徴とする薄型電動ファン。
2. 上記磁性板は、１８０°離れた２カ所にそれぞれ切欠部を有する対称形状をなし、その一方の切欠部に磁極検出用のホール素子が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の薄型電動ファン。
   

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