JP2016151229A - 遠心ファン・ユニットの振動を抑制する方法、遠心ファン・ユニットおよび携帯式コンピュータ - Google Patents

Abstract

【課題】携帯式コンピュータの放熱に使用する遠心ファン・ユニットの騒音を軽減する。【解決手段】モータ・ベース１０５とボトム・プレート１１ｂとトップ・プレート１１ａは、ファン・モータ３７を収納するチャンバを形成する。ファン・モータ３７は、ボトム・プレートに固定する。ボトム・プレートとモータ・ベースをスポーク状に配置した弾性部材２００ａで結合する。ファン・モータが回転するとスラスト方向に大きな振動が発生する。弾性部材は曲げ変形をしてボトム・プレートへの振動の伝搬を効果的に抑制する。ボトム・プレートとモータ・ベースは平面２０３上に配置している。弾性部材は平面２０３よりも内側に配置しているため、遠心ファン・ユニットの高さに影響を与えない。【選択図】図４

Description

本発明は、携帯式コンピュータのような電子機器の筐体内部の熱を放熱する薄型の遠心ファン・ユニットに起因する騒音を軽減する技術に関し、さらには、薄型化を維持しながら遠心ファン・ユニットの振動を抑制する技術に関する。

携帯式コンピュータは、電子デバイスの熱を放熱するために筐体の内部に遠心ファン・ユニットを搭載する。遠心ファン・ユニットは、ケーシングで囲まれたチャンバの中にブレードに結合した直流モータを収納している。直流モータはチャンバの中で、ケーシングに固定されている。直流モータは回転子の極性の切り換えのタイミングでトルクが変化して所定の振動数で振動する。このときケーシングおよびケーシングから振動が伝搬した携帯式コンピュータの筐体が騒音源になる。

特許文献１は、遠心ファンのケーシングの側壁に整流突起を設けて騒音を軽減する発明を開示する。特許文献２は、騒音や振動の発生を抑制した送風・吸引装置を開示する。同文献には、従来のケーシングが大きな１つの部材から構成されているために振動が伝達しやすいことを考慮して、ファンの近辺ではケーシングを、ケーシング本体部とハンドル部という別部材によって構成することによって、振動の伝達と騒音の抑制を図ることが記載されている。特許文献３は、固有振動数を調整して共振を抑制した輸送用冷凍装置を開示する。同文献には、補強部材がファンガイドおよびファンガイドの周辺にあるモータなどの周辺部材を含む系の固有振動数を増加させることが記載されている。

特開２０１３−４４２４９号公報 特開２００６−３４６１９９号公報 特開２０１０−８０２７号公報

薄型の遠心ファン・ユニットは、振動を軽減するためにファン・モータとケーシングの間にバネやゴムのような弾性体を設けようとしても高さ方向にスペースを確保することが困難である。したがって、換気や空調などに使用する大型の遠心ファンに関する振動対策は、携帯式コンピュータに搭載する薄型の遠心ファン・ユニットにそのまま適用することはできない。

図６は、これまでの遠心ファン・ユニット３００の外形を示す底面図である。遠心ファン・ユニット３００は、鉄板で形成したボトム・プレート１１ｂとそれに対向するトップ・プレートおよびサイド・プレートで形成したケーシングで囲まれたチャンバにファン・モータを収納している。ファン・モータは、モータ・ベース１０５に取り付ける。モータ・ベース１０５は、４本の金属性のスポーク３０１ａ〜３０１ｄでボトム・プレート１１ｂに結合している。

遠心ファン・ユニット３００が動作すると、モータ・ベース１０５が振動してケーシングに伝搬し騒音を発生する。ケーシングの振動は、さらに、携帯式コンピュータの筐体に伝搬して筐体が騒音を発生する。騒音は振動の振幅が大きいほど大きくなる。図７は、遠心ファン・ユニット３００の振動を測定した結果を示している。図７（Ｃ）は、モータ・ファンのシャフトのスラスト方向（Ｚ軸方向）の振動に対応し、図７（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向の振動に対応する。

図７は、特にＺ軸方向の振動が大きいことを示している。騒音を軽減するためには、Ｚ軸方向の振動を遠心ファン・ユニットの高さに影響を与えないようにして効果的に抑制する必要がある。そこで本発明の目的は、携帯式電子機器に搭載することが可能な振動を抑制した薄型の遠心ファン・ユニット、振動の抑制方法およびそのような遠心ファン・ユニットを搭載した携帯式電子機器を提供することにある。

本発明は、携帯式電子機器の筐体内部の放熱に使用する薄型の遠心ファン・ユニットに関する。チャンバを形成するケーシングは、モータ・ベースとボトム・プレートとトップ・プレートを含んでいる。ファン・モータはモータ・ベースに取り付けている。弾性部材はモータ・ベースとボトム・プレートを結合する。弾性部材は、モータ・ベースを通じてボトム・プレートに伝搬する振動を抑制し、ボトム・プレートが生成する騒音を軽減する。

弾性部材は、モータ・ベースとボトム・プレートが同一の平面に存在するように結合することができる。また、弾性部材はチャンバ内に配置することができる。したがって、弾性部材は遠心ファン・ユニットの高さに影響を与えない。弾性部材はファン・モータの軸受のスラスト方向に垂直な方向に延びるように配置することができる。したがって、弾性部材はファン・モータのスラスト方向の振動に対して曲げ変形をすることで伝搬する振動を効果的に減衰させることができる。

弾性部材は、チャンバに対する吸気口を形成するようにスポーク状に設けることができる。弾性部材は、モータ・ベースとボトム・プレートが吸気口を形成しないように連続的に設け、トップ・プレートだけに吸気口を形成するようにしてもよい。ファン・モータは、ブラシレス直流モータとすることができる。ケーシングは金属板で形成することができる。ケーシングを合成樹脂で形成するときは弾性部材とモータ・ベースおよびボトム・プレートを突き合わせ接合することができる。本発明はブレード外周の直径に対するケーシングの高さが３５％以下といった薄型の遠心ファン・ユニットに適用することができる。

本発明により、携帯式電子機器に搭載することが可能な振動を抑制した薄型の遠心ファン・ユニット、振動の抑制方法および遠心ファン・ユニットを搭載した携帯式電子機器を提供することができた。

遠心ファン・ユニット１０の外形図である。 図１（Ａ）からトップ・プレート１１ａとヒート・シンク１３を取り除いた平面図である。 遠心ファン・ユニット１０を搭載する携帯式コンピュータの斜視図である。 遠心ファン・ユニット１０の断面図である。 遠心ファン・ユニット１０の振動をシミュレーションで計算した結果を示す図である。 金属性のスポークでモータ・ベースとボトム・カバーを結合した従来の遠心ファン・ユニット３００の外形図である。 従来の遠心ファン・ユニット３００の振動を測定した結果を示す図である。

図１は、遠心ファン・ユニット１０の外形を示しており、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は底面図、図１（Ｃ）は側面図である。図２は、図１（Ａ）からトップ・プレート１１ａとヒート・シンク１３を取り除いた遠心ファン・ユニット１０の平面図である。図３は、遠心ファン・ユニット１０を実装する携帯式電子機器の一例としての携帯式コンピュータ５０の斜視図である。携帯式コンピュータ５０は、ディスプレイ筐体５３とシステム筐体５５をヒンジ機構で結合している。システム筐体５５は内部に遠心ファン・ユニット１０を搭載する。遠心ファン・ユニット１０を実装する携帯式電子機器の他の例としてはタブレット端末や、ディスプレイ部分が着脱できる携帯式コンピュータを挙げることができる。

ケーシング１１は、トップ・プレート１１ａ、ボトム・プレート１１ｂ、およびサイド・プレート１１ｃの３つの部品でチャンバを構成している。トップ・プレート１１ａ、ボトム・プレート１１ｂ、およびサイド・プレート１１ｃは、一例として材質がＳＥＣＣで厚さが０．３ｍｍの鉄板で形成している。遠心ファン・ユニット１０は、携帯式コンピュータ５０の筐体の内部に収納できるように、一例において軸方向の高さＨが７ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。

ケーシング１１の平面形状はＤ字型をしており、平面で見た直線状の部分のサイド・プレート１１ｃにはヒート・シンク１３を取り付ける側壁開口２７（図２）を形成している。ヒート・シンク１３には図示しないヒート・パイプが結合され、ＣＰＵやチップ・セットなどの発熱量の多いデバイスの熱を吸熱する。ヒート・シンク１１と反対側に位置するサイド・プレート１１ｃは全体的に曲面で形成している。遠心ファン・ユニット１０は、ヒート・シンク１３が携帯式コンピュータ５０の筐体の側面に形成したルーバに位置が整合するように取り付ける。

トップ・プレート１１ａには吸気口となる開口を形成している。トップ・プレート１１ａの開口からはファン・モータ３７（図４）を構成するロータ１１５の頂部とその周囲に取り付けた複数のブレード１０３の一部が露出している。また、ボトム・プレート１１ｂにも吸気口となる開口を形成しており、ファン・モータ３７を取り付けるモータ・ベース１０５の周囲に形成した吸気口からはブレード１０３の一部が露出している。モータ・ベース１０５は、ボトム・プレート１１ｂと同じ材質で同じ厚さの鉄板で形成している。

ボトム・プレート１１ｂとモータ・ベース１０５は、スポーク状に間隔を空けて配置した３個の弾性ブリッジ２００ａ〜２００ｃで結合している。弾性ブリッジ２００ａ〜２００ｃの材質は一例において硬質ポリウレタンのような硬質ゴムとすることができるが特に限定しない。遠心ファン・ユニット１０は上下の吸気口から携帯式コンピュータ５０の筐体内部の空気を吸気してヒート・シンク１３を通じて外に放出し、さらにヒート・シンクが吸熱した熱を、ヒート・シンク１３を通過する空気流と熱交換して放熱する。

ブレード１０３は、それぞれ基端部がロータ１１５（図４）に連絡し、先端部は上部リング１７ａと下部リング（図示せず）で挟まれるようにして固定されている。上部リング１７ａおよび下部リングの外周と各ブレード１０３の先端の位置は一致している。すなわち、複数のブレード１０３の先端を結ぶ円形の包絡線は、上部リング１７ａおよび下部リングの外周（以下、ブレード外周２５という。）と平面図上で一致する。ブレード外周２５の直径は３２ｍｍ〜４２ｍｍである。

遠心ファン・ユニット１０は、ブレード外周２５の直径に対してケーシング１１の高さＨが低い薄型構造である。ブレード外周２５の直径３２ｍｍと４２ｍｍに対して、ケーシングの高さＨを１０ｍｍとすれば、両者の比率はそれぞれ３２％と２３％に相当する。また、ケーシングの高さＨを７ｍｍとすれば、両者の比率がそれぞれ２２％と１７％に相当する。薄型化としての遠心ファン・ユニット１０のフォームファクターは、ブレード外周２５の直径に対するケーシングの高さＨを３５％以下として特定することができる。

図４（Ａ）は、遠心ファン・ユニット１０をシャフトの中心と弾性ブリッジ２００ａを通過するＹ−Ｚ平面で垂直に切断した断面図である。ファン・モータ３７は一例として、ロータ１１５がシャフト１０１と一体になって電機子鉄心１２５の周囲を回転するアウターロータ型の４極ブラシレスＤＣモータとすることができる。ファン・モータ３７の下部には駆動回路を実装した回路基板１２７を設けている。

ファン・モータ３７は、ロータ１１５、ロータ１１５に結合したシャフト１０１、シャフト１０１によるラジアル方向の軸受荷重を支持する流体動圧軸受１２９、流体動圧軸受１２９が使用する潤滑油をシールするシール・キャップ１３１、流体動圧軸受１２９を収納するハウジング１３３、ハウジング１３３に固定した電機子鉄心１２５、電機子鉄心１２５に巻回した電機子コイル１２３、およびロータ１１５の内側に固定した永久磁石１２１を含んで構成している。弾性ブリッジ２００ａおよび図示しない弾性ブリッジ２００ｂ、２００ｃは、インサート成形または接着剤などで、モータ・ベース１０５とボトム・プレート１１ｂを結合する。

モータ・ベース１０５およびボトム・プレート１１ｂは、Ｘ−Ｙ平面２０３上に存在して遠心ファン・ユニット１０の輪郭を構成する。弾性ブリッジ２００ａ〜２００ｃは、Ｘ−Ｙ平面２０３よりも内側のチャンバ内に配置している。したがって、弾性ブリッジ２００ａ〜２００ｃは、遠心ファン・ユニット１０の高さに影響を与えない。ケーシングは合成樹脂で製作することもできる。

この場合、図４（Ｂ）に示すように、弾性ブリッジ２５５と、合成樹脂のベース・プレート２５３およびモータ・ベース２５１は、二食成型（ダブルモールド）で一体に成形して突き合わせ接合をすることができる。突き合わせ接合をすることで、弾性ブリッジ２５５はチャンバの容積に対する影響を与えないようにすることができる。弾性ブリッジ２００ａ〜２００ｃは、開口を形成しないように連続した面でモータ・ベース１０５とボトム・プレート１１ｂを結合するようにしてもよい。この場合、吸気は上部プレート１１ａに形成した開口だけになる。

ファン・モータ３７は回転すると、電機子コイル１２３の極性の切り換え時にトルクが変化するために、回転速度を磁極の数で除した値に相当する周波数の振動を発生する。このとき図７に示したようにＺ軸方向の振動が大きいため、モータ・ベース１０５はＺ軸方向に大きく振動する。弾性ブリッジ２００ａ〜２００ｃは、Ｚ軸方向に対して曲げ応力が発生して弾性変形するため、圧縮応力に対する弾性変形に比べてボトム・プレート１１ｂに対する振動の伝搬を効率的に抑制することができる。

図５は、遠心ファン・ユニット１０を３５５０ｒｐｍで回転させたときの、トップ・プレート１１ａとボトム・プレート１１ｂの振動をシミユレーションで計算した結果を示している。ファン・モータ３７の極数から計算した回転速度３５５０ｒｐｍに対応する振動周波数は２３７Ｈｚとなる。図５（Ａ）はボトム・プレート１１ｂの振動振幅を示し、図５（Ｂ）はトップ・プレート１１ａの振動振幅を示している。

ライン２０１は、モータ・ベース１０５を図６に示す金属性のスポーク３０１ａ〜３０１ｄで支持する構造に対応し、ライン２０３は図１に示す弾性ブリッジ２００ａ〜２００ｃで支持する構造に対応する。図５は、スポークに代えて採用した弾性ブリッジ２００ａ〜２００ｃが２３７Ｈｚの振動を効果的に軽減できることを示している。

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。

１０ 遠心ファン・ユニット
１１ ケーシング
１１ａ ケーシングのトップ・プレート
１１ｂ ケーシングのボトム・プレート
１１ｃ ケーシングのサイド・プレート
１７ａ ブレードを固定する上部リング
３７ モータ
５０ 携帯式コンピュータ
１０５ モータ・ベース
２００ａ〜２００ｃ 弾性ブリッジ

Claims (13)

1. 携帯式電子機器の筐体内部の放熱に使用する薄型の遠心ファン・ユニットであって、
   チャンバを形成するモータ・ベースとボトム・プレートとトップ・プレートを含むケーシングと、
   前記モータ・ベースに取り付けて前記チャンバに収納したファン・モータと、
   前記モータ・ベースと前記ボトム・プレートを結合する弾性部材と
   を有する遠心ファン・ユニット。
2. 前記弾性部材が前記モータ・ベースと前記ボトム・プレートを同一平面に維持するように結合する請求項１に記載の遠心ファン・ユニット。
3. 前記弾性部材を前記チャンバ内に配置した請求項２に記載の遠心ファン・ユニット。
4. 前記弾性部材が、前記ファン・モータの軸受のスラスト方向に垂直な方向に延びている請求項１に記載の遠心ファン・ユニット。
5. 前記弾性部材を、前記チャンバに対する吸気口を形成するようにスポーク状に設けた請求項１に記載の遠心ファン・ユニット。
6. 前記弾性部材を、前記モータ・ベースと前記ボトム・プレートが吸気口を形成しないように連続的に設け、前記トップ・プレートに吸気口を形成した請求項１に記載の遠心ファン・ユニット。
7. 前記ファン・モータがブラシレス直流モータである請求項１に記載の遠心ファン・ユニット。
8. 前記ケーシングを金属板で形成した請求項１に記載の遠心ファン・ユニット。
9. 前記ケーシングを合成樹脂で形成し前記弾性部材と前記モータ・ベースおよび前記ボトム・プレートを突き合わせ接合した請求項１に記載の遠心ファン・ユニット。
10. ブレード外周の直径に対する前記ケーシングの高さが３５％以下である請求項１に記載の遠心ファン・ユニット。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載の遠心ファン・ユニットを搭載した携帯式電子機器。
12. モータ・ベースとボトム・プレートとトップ・プレートでチャンバを形成した薄型の遠心ファン・ユニットの振動を抑制する方法であって、
    前記モータ・ベースにファン・モータを取り付けるステップと、
    前記モータ・ベースと前記ボトム・プレートを同一の平面上に配置するステップと、
    弾性部材で前記モータ・ベースと前記ボトム・プレートを結合するステップと
    を有する方法。
13. 前記弾性部材が前記モータ・ファンの軸受けのスラスト方向に対して曲げ変形をするように前記弾性部材を前記平面に沿う方向に配置する請求項１２に記載の方法。

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