JP2012130101A

JP2012130101A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2012130101A
Application number: JP2010277052A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Adachi; 範哲安達
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-07-05

Abstract

【課題】冷却装置の騒音を低減させると共に、コストも低減させる。
【解決手段】冷却装置は、ロータ２０２に設けられた磁石の磁束密度を検知し、検知された前記磁石の磁束密度に応じた電圧を出力するホール素子２０１を備えたファンモータ２００と、ファンモータ２００を駆動するモータ駆動回路３０４と、ホール素子２０１の出力電圧値と、所定の雰囲気温度におけるホール素子２０１の出力電圧値とを比較した結果に基づいて、モータ駆動回路３０４がファンモータ２００を雰囲気温度に応じた回転速度で駆動するように制御するＣＰＵ３０２と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子機器内部の発熱部の強制冷却や送風に用いるファンモータを備えた冷却装置に関し、特にファンモータの制御に関する。

近年、情報機器の小型化やＣＰＵ等の制御処理装置の高速化に伴い、機器内の熱対策において機内冷却用ファンモータの果たす役割は、日に日に大きくなってきている。また、画像形成装置のような情報機器においても、図書館や一般オフィス等にも広く設置されるようになり、情報機器が発する騒音に対する低減要望がますます強くなってきている。情報機器の機内昇温を抑えるためには、ファンを用いた風冷が一般的によく用いられる。ところが、従来は、機内温度がより高い状態を想定してファンモータの回転数を決めていたため、必要以上の回転数でファンモータを駆動させることとなり、その結果、ファンモータの発する騒音が大きくなり、騒音低減が課題となっていた。そこで、例えば、特許文献１では、サーミスタ等の温度センサを使用して機器内の温度検出を行い、検出された温度によって冷却用ファンを最適な回転数に制御することにより、冷却用ファンの回転による騒音を低減させる手法が開示されている。

特開平７−９３０５５号公報

しかしながら、前述した手法のように、機器内の温度を検知するために、サーミスタ等の温度センサを取り付け、そのセンサ出力に応じて冷却用ファンの回転を制御する場合、機器内部に温度センサを取り付ける必要がある。そのためには、機器内に温度センサを取り付けるスペースを設けると共に、センサへの電源供給を行う装置や回路が必要となる。さらに、温度センサを取り付けるための作業工数や、センサ自体のコストもかかり、機器のコストアップの要因となっていた。

本発明はこのような状況のもとでなされたもので、冷却装置の騒音を低減させると共に、コストも低減させることを目的とするものである。

前述した課題を解決するため、本発明では次のとおりに構成する。

（１）ロータに設けられた磁石の磁束密度を検知し、検知された前記磁石の磁束密度に応じた電圧を出力するホール素子を備えたファンモータと、前記ファンモータを駆動する駆動手段と、前記ホール素子の出力電圧値と、所定の雰囲気温度における前記ホール素子の出力電圧値とを比較した結果に基づいて、前記駆動手段が前記ファンモータを前記雰囲気温度に応じた回転速度で駆動するように制御する制御手段と、を備えた冷却装置。

本発明によれば、冷却装置の騒音を低減させると共に、コストも低減させることができる。

実施例１、２の冷却装置の構成、及びファンモータ駆動回路を示す図実施例１、２のファンモータのホール素子の出力電圧波形、及び冷却装置の制御部の構成を示す図実施例１のファンモータの制御シーケンスを示すフローチャート実施例２のファンモータの制御シーケンスを示すフローチャート

以下、本発明を実施するための形態について、実施例により詳しく説明する。

［冷却装置の概要について］
図１（ａ）は、本実施例の冷却装置の構成を示した図であり、冷却装置はファンモータ２００と制御部３００から構成されている。図１（ａ）において、ファンモータ２００は、コイルが内側にあり、ロータ２０２がコイルの外側で回転するアウターロータ型のファンモータであり、ステータコイル２０３と、ロータ２０２と、複数のホール素子２０１から構成されている。ステータコイル２０３は、回転軸に巻きつけられ、回転磁界を生成する。ロータ２０２はステータの外周を取り巻くように配置された永久磁石を備えており、図１（ａ）において、ロータ２０２上のＮ、Ｓはそれぞれ永久磁石のＮ極、Ｓ極を示す。さらに、ロータ２０２はＮ極とＳ極の２極で構成され、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のステータコイル２０３（電機子巻線）は１２０度の角度間隔で配置されている。ホール素子２０１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に設けられ、ロータ２０２に備えられた永久磁石の磁束密度を検出することにより、ロータ２０２の位置を検出する。また、ファンモータ２００の速度制御は制御部３００により行われる。

［ファンモータの駆動制御について］
次に、図１（ｂ）を用いてファンモータ２００の駆動について説明する。図１（ｂ）において、モータ駆動回路３０４は、６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６から構成されている。ＰＮＰ型のトランジスタＴｒ１のコレクタとＮＰＮ型のトランジスタＴｒ４のコレクタとが接続され、さらにファンモータ２００のＵ相のステータコイル２０３に接続されている。同様に、ＰＮＰ型のトランジスタＴｒ２のコレクタと、ＮＰＮ型のトランジスタＴｒ５のコレクタと、ファンモータ２００のＶ相のステータコイル２０３が接続されている。さらに、ＰＮＰ型のトランジスタＴｒ３のコレクタと、ＮＰＮ型のトランジスタＴｒ６のコレクタと、ファンモータ２００のＷ相のステータコイル２０３が接続されている。また、図１（ｂ）には不図示であるが、各トランジスタのゲートへの電圧印加を制御する回路により、各相のステータコイル２０３に接続された２個のトランジスタのうちの１個のトランジスタがオン状態となる。ただし、ステータコイルの各相への電流流入、又は各相からの電流流出が発生しないように、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、又はトランジスタＴｒ４、Ｔｒ５、Ｔｒ６が同時にオン状態とならないように制御される。そして、モータ駆動回路３０４の６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ状態を順番に切り替えることにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル電流の電流方向が順番に切り替えられ、ファンモータ２００が回転する。また、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン・オフ状態の切り替え速度を調整することにより、ファンモータ２００の回転速度が制御される。

［ホール素子の特性について］
次に、ホール素子が有する機内温度を検出するための特性について説明する。ロータ２０２に備えられた永久磁石のような強磁性体は、雰囲気温度が高くなると、その熱により磁石内部の磁区が乱れ、磁束密度が低下する性質を有している。一方、ホール素子２０１は磁束密度を検知し、磁束密度に応じた電圧を出力する。そこで、ロータ２０２に備えられた永久磁石について雰囲気温度と磁束密度、及びホール素子２０１について磁束密度と出力電圧を測定する。そして、測定結果から得られた永久磁石における雰囲気温度と磁束密度との対応関係、及びホール素子における磁束密度と出力電圧の対応関係に基づいて、永久磁石の雰囲気温度とホール素子の出力電圧の対応関係を導出する。そして、導出された雰囲気温度とホール素子の出力電圧の対応関係を、例えば雰囲気温度を入力すると対応する出力電圧値が出力されるようなテーブル形式のデータに加工して、後述する制御部３００が備えるメモリ３０１等の記憶媒体に予め格納しておく。制御部３００は、ホール素子２０１の出力電圧値と、所定の雰囲気温度におけるホール素子の出力電圧値を記憶媒体に格納された表形式データから読み出し、比較演算することにより、ファンモータ２００の雰囲気温度を把握することが可能となる。

図２（ａ）は、ファンモータ２００が駆動している時のホール素子２０１の出力電圧波形を示した図である。図２（ａ）において、縦軸はホール素子２０１の出力電圧（ＶＨ）を、横軸は経過時間を示す。１００は、雰囲気温度Ｔｄにおけるホール素子２０１の出力電圧波形を示している。図２（ａ）から分かるように、ファンモータ２００の１回転に要する時間（回転周期）が時間ｔに相当し、ファンモータ２００の回転速度が速い場合には時間ｔは短くなり、逆に回転速度が遅い場合には時間ｔは長くなる。１０１は、雰囲気温度Ｔｄよりも高い温度におけるホール素子２０１の出力電圧波形であり、出力電圧波形１００と比較して雰囲気温度が高いためホール素子２０１の出力電圧が低下していることが分かる。すなわち、ホール素子２０１の出力電圧波形の周期はファンモータ２００の回転速度と対応関係があり、出力電圧振幅は雰囲気温度と対応関係があることを示している。

［ファンモータの制御装置について］
図２（ｂ）は、本実施例の冷却装置の制御部３００の構成を示した図である。制御部３００には、ファンモータ２００に取り付けられたホール素子２０１の出力電圧が入力され、ファンモータ２００を駆動するために、ステータコイル２０３への相切り替え信号が出力される。制御部３００は、ＡＤ変換回路３０３、ＣＰＵ３０２、メモリ３０１、モータ駆動回路３０４を備えている。ＡＤ変換回路３０３は、ロータ２０２の検出磁束に応じてホール素子２０１から入力されたアナログ電圧をＡＤ変換し、ＣＰＵ３０２に出力する。ＣＰＵ３０２は、ＡＤ変換回路３０３にてＡＤ変換された電圧データと、メモリ３０１から読み出した所定の雰囲気温度におけるホール素子の出力電圧との比較を行い、その結果に基づいて、回転速度を制御するモータ制御信号をモータ駆動回路３０４に送出する。メモリ３０１には、前述したホール素子２０１の出力電圧と雰囲気温度との対応関係を表形式データにした変換テーブル等が格納されている。さらに、メモリ３０１は、冷却装置を制御するプログラムを格納したＲＯＭや、プログラム処理においてワークメモリとして使用するＲＡＭを備えている。モータ駆動回路３０４は、ＣＰＵ３０２からのモータ制御信号に基づいて、ファンモータ２００の駆動を制御する。

［ファンモータの制御シーケンスについて］
次に、フローチャートを用いて本実施例の制御シーケンスについて説明する。図３は、本実施例のファンモータ２００の回転制御動作を示すフローチャートである。なお、本動作は、メモリ３０１の不図示のＲＯＭに格納されたプログラムに基づいて、制御部３００のＣＰＵ３０２により実行される。

冷却装置の電源が投入されると、制御部３００のＣＰＵ３０２は、ファンモータ２００（図中、単にファンと記載）を最大回転速度の２分の１の半速回転で駆動させるモータ制御信号を、モータ駆動回路３０４に送出する（ステップ（以下、Ｓとする）４００）。次に、ＣＰＵ３０２は、ファンモータ２００のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に設けられたホール素子２０１の複数周期分（ｎ周期分）の出力電圧値のサンプリングを行う（Ｓ４０１）。出力電圧値のサンプリング後、ＣＰＵ３０２は、各周期におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相のホール素子２０１の出力電圧値のうちの最大出力電圧値（ＶＨｔ１ｍａｘ、・・・、ＶＨｔｎｍａｘ）を決定する。そして、ＣＰＵ３０２は、ｎ周期分の各周期における最大出力電圧値の平均値Ｖｈｍａｘａｖｅを算出する（Ｓ４０２）。

次に、Ｓ４０２で算出したホール素子２０１の最大出力電圧値の平均値Ｖｈｍａｘａｖｅが、温度Ｔａ時のホール素子２０１の最大出力電圧値ＶＨ（Ｔａ）よりも高いかどうかの判断を行う（Ｓ４０３）。ここで、温度Ｔａでのホール素子の最大出力電圧値ＶＨ（Ｔａ）は、予め制御部３００のメモリ３０１に格納しておくものとする。なお、温度Ｔａは任意の温度で構わないものとする。Ｖｈｍａｘａｖｅが温度Ｔａ時の最大出力電圧値ＶＨ（Ｔａ）よりも高い場合には、ＣＰＵ３０２は、ファンモータ２００の雰囲気温度は温度Ｔａより低いと判断する。そして、ＣＰＵ３０２は、ファンモータ２００を最大回転速度の３分の１の１／３速回転で駆動させるモータ制御信号をモータ駆動回路３０４に送出し、Ｓ４０１の処理に戻る（Ｓ４０４）。

Ｓ４０３において、ホール素子２０１の最大出力電圧値の平均値Ｖｈｍａｘａｖｅが温度Ｔａ時の最大出力電圧値ＶＨ（Ｔａ）以下の場合には、温度Ｔｂ時のホール素子２０１の最大出力電圧値ＶＨ（Ｔｂ）よりも高いかどうかの判断を行う（Ｓ４０５）。ここで、温度Ｔｂは、温度Ｔａよりも高い任意の温度（Ｔａ＜Ｔｂ）とし、ＶＨ（Ｔｂ）＜ＶＨ（Ｔａ）となる。Ｖｈｍａｘａｖｅが温度Ｔｂ時の最大出力電圧値ＶＨ（Ｔｂ）よりも高い場合には、ＣＰＵ３０２は、ファンモータ２００の雰囲気温度は温度Ｔｂより低いと判断する。そして、ＣＰＵ３０２は、ファンモータ２００を最大回転速度の２分の１の半速回転で駆動させるモータ制御信号をモータ駆動回路３０４に送出し、Ｓ４０１の処理に戻る（Ｓ４０６）。逆に、Ｖｈｍａｘａｖｅが温度Ｔｂ時の最大出力電圧ＶＨ（Ｔｂ）以下の場合には、ＣＰＵ３０２は、ファンモータ２００の雰囲気温度は温度Ｔｂ以上と判断する。そして、ＣＰＵ３０２は、ファンモータ２００を最大回転速度である全速回転で駆動させるモータ制御信号をモータ駆動回路３０４に送出し、Ｓ４０１の処理に戻る（Ｓ４０７）。

以上説明したように、本実施例によれば、ファンモータ２００のホール素子２０１の出力電圧値に基づいて、ファンモータ２００の回転速度を制御することにより、冷却装置の騒音を低減させることができる。さらに、機器内にサーミスタ等の温度センサを取り付ける必要がないため、取り付けスペースが不要となり、センサへの電源供給を行う装置や回路も不要となるため、コストを削減することができる。

本実施例の冷却装置の構成は、実施例１の図１、図２（ｂ）に示す構成と同じであるため、説明を省略する。本実施例は、ファンモータ２００の制御シーケンスにおいて、ファンモータ２００の雰囲気温度が異常高温の場合には、その旨の警告を行う点が実施例１と異なる。

［ファンモータの制御シーケンスについて］
図４は、本実施例のファンモータ２００の回転制御動作を示すフローチャートである。図４のＳ５００〜Ｓ５０７の処理は、実施例１で説明した図３のＳ４００〜Ｓ４０７の処理と同様なので説明を省略し、以下では、Ｓ５０８以降の処理について説明する。Ｓ５０８では、Ｓ５０２で算出したホール素子２０１の最大出力電圧値の平均値Ｖｈｍａｘａｖｅが、温度Ｔｃ時のホール素子２０１の最大出力電圧値ＶＨ（Ｔｃ）よりも高いかどうかの判断を行う（Ｓ５０８）。ここで、温度Ｔｃは、温度Ｔｂよりも高い任意の温度（Ｔａ＜Ｔｂ＜Ｔｃ）とし、ＶＨ（Ｔｃ）＜ＶＨ（Ｔｂ）＜ＶＨ（Ｔａ）となる。Ｖｈｍａｘａｖｅが温度Ｔｃ時の最大出力電圧値ＶＨ（Ｔｃ）よりも高い場合は、ＣＰＵ３０２は、ファンモータ２００の雰囲気温度は温度Ｔｃより低いと判断し、Ｓ５０１の処理に戻る。ところが、Ｖｈｍａｘａｖｅが温度Ｔｃ時の最大出力電圧値以下の場合は、ＣＰＵ３０２は、ファンモータ２００の雰囲気温度は温度Ｔｃ以上と判断する。そこで、ＣＰＵ３０２は、例えば冷却装置に設けられた異常表示用のＬＥＤを点灯させて、ユーザに対し異常警告を行う（Ｓ５０９）。そして、ＣＰＵ３０２は、ファンモータ２００を全速回転させた状態を保持し、ホール素子２０１の出力電圧値のサンプリング処理を中止する。

以上説明したように、本実施例によれば、ファンモータ２００のホール素子２０１の出力電圧値に基づいて、ファンモータ２００の回転速度を制御することにより、冷却装置の騒音を低減させることができる。さらに、ファンモータ２００の雰囲気温度が異常高温の場合には、ユーザに異常警告を行うことにより、ユーザが異常時の対応を迅速に行うことができる。また、機器内にサーミスタ等の温度センサを取り付ける必要がないため、取り付けスペースが不要となり、センサへの電源供給を行う装置や回路も不要となるため、コストを削減することができる。

本実施例では、雰囲気温度の異常高温検出後は、異常警告を行い、ホール素子の出力電圧値のサンプリングを中止していた（Ｓ５０９）が、次のような処理を行う構成でもよい。すなわち、図４のフローチャートにおいて、異常警告を行った（Ｓ５０９）後、ＣＰＵ３０２はＳ５０１の処理に戻り、ホール素子２０１の出力電圧値のサンプリングをそのまま継続し、出力電圧値に応じたファンモータの回転速度の制御を継続して行う構成でもよい。

［その他の実施例］
実施例１，２では、ファンモータ２００の回転速度の制御を、ｎ周期分の各周期における最大出力電圧値の平均値に基づいて行っているが、ｎ周期分の各周期における最小出力電圧値の平均値に基づいてファンモータ２００の回転速度の制御を行う構成でもよい。さらに、各周期におけるホール素子の出力電圧値の平均値を求め、その平均値のｎ周期分を平均した平均出力電圧値を算出し、平均出力電圧値に基づいてファンモータ２００の回転速度制御を行う構成でもよい。また、ｎ周期分のホール素子の出力電圧値の平均値ではなく、ｎ周期の期間におけるホール素子の最小出力電圧値を求め、この最小出力電圧値に基づいてファンモータ２００の回転速度制御を行う構成でもよい。ホール素子の出力電圧値は、雰囲気温度が高いほど低くなるため、最小出力電圧値を選択することにより、最も高い雰囲気温度に基づいたファンモータ２００の回転速度制御を行うことができる。

２００ファンモータ
２０１ホール素子
２０２ロータ
３０２ＣＰＵ
３０４モータ駆動回路

Claims

ロータに設けられた磁石の磁束密度を検知し、検知された前記磁石の磁束密度に応じた電圧を出力するホール素子を備えたファンモータと、
前記ファンモータを駆動する駆動手段と、
前記ホール素子の出力電圧値と、所定の雰囲気温度における前記ホール素子の出力電圧値とを比較した結果に基づいて、前記駆動手段が前記ファンモータを前記雰囲気温度に応じた回転速度で駆動するように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする冷却装置。
前記ファンモータの雰囲気温度における前記ホール素子の出力電圧値を格納した変換テーブルを備え、
前記制御手段は、前記ホール素子の出力電圧値が、前記変換テーブルから読み出した前記ファンモータの所定の雰囲気温度における前記ホール素子の出力電圧値よりも大きい場合には、前記ファンモータの回転速度を下げるように前記駆動手段を制御し、
前記ホール素子の出力電圧値が、前記変換テーブルから読み出した前記ファンモータの所定の雰囲気温度における前記ホール素子の出力電圧値以下の場合には、前記ファンモータの回転速度を上げるように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記制御手段は、前記ホール素子の出力電圧値が所定の電圧値以下の場合には、異常警告を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
前記ファンモータは複数の前記ホール素子を有し、
前記ホール素子の出力電圧値は、前記ファンモータの各回転周期における前記ホール素子の最大出力電圧値の複数周期分の平均値であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記ファンモータは複数の前記ホール素子を有し、
前記ホール素子の出力電圧値は、前記ファンモータの各回転周期における前記ホール素子の最小出力電圧値の複数周期分の平均値であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記ファンモータは複数の前記ホール素子を有し、
前記ホール素子の出力電圧値は、前記ファンモータの各回転周期における前記ホール素子の平均出力電圧値の複数周期分の平均値であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記ファンモータは複数の前記ホール素子を有し、
前記ホール素子の出力電圧値は、前記ファンモータの複数周期における前記ホール素子の最小出力電圧値であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷却装置。