JP2019052590A - ファン装置、およびそれを用いた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子を備えたファン装置の小型化を図る。【解決手段】ファン装置１００Ａは、モータにより回転する軸流ファン１０３（１０３ｂ、１０３ｃ）と、軸流ファン１０３に取り付けられ、軸流ファン１０３と共に回転する発光素子（例えばＬＥＤ１０５）と、発光素子１０５に非接触で給電を行う給電手段とを備える。軸流ファン１０３の少なくとも一部は金属材料で形成され、発光素子１０５は金属材料に密着接合され、また、軸流ファン１０３の吸込み領域以外の位置に取り付けられる。発光素子１０５は、モータのシャフトを延在させた位置、軸流ファン１０３のインペラ１０３のハブまたはボス上の位置、および軸流ファンのインペラ１０３のハブまたはボスを回転軸の伸びる方向に延在させた位置のいずれかの位置に取り付けられる。【選択図】図１

Description

本発明はファン装置およびそれを用いた照明装置に関し、特に、発光素子を備えたファン装置およびそれを用いた照明装置に関する。

発光素子を備えたファン装置として、回転冷却構造を有する放熱用の固体照明装置が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

下記特許文献１に記載の照明装置において、ヒートシンクインペラ２１０は、トッププレート２１４に複数のフィン２１８が立設してなり、ヒートシンクインペラ２１０の中央に吸込み領域２２０が形成されている。吸込み領域２２０には、複数のＬＥＤ２０８が配置されている。そして、モータ２２２によってヒートシンクインペラ２１０は回転する。複数のＬＥＤ２０８への電力は、１次側コア２２８と２次側コア２３０とからなるトランス組立体２２４によって、非接触によって給電される。

米国公開特開公報 ＵＳ２０１２/０２２３６４０Ａ１

上記特許文献１の技術では、ヒートシンクインペラ２１０の中央に形成された吸込み領域２２０から、複数のフィン２１８の間を空気が抜けて流れる遠心ファンを構成している。このため、径方向を小径化することが難しいという問題がある。

また、吸込み領域２２０には複数のＬＥＤ２０８が配置されている。このため、空気が吸込み領域２２０からフィン２１８の間に案内される際、多数のＬＥＤ２０８によって流れが阻害され、通風抵抗が大きくなる。すなわち、フィン２１８による放熱性が悪いという問題がある。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、小径化が可能なファン装置、およびそれを用いたファン装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、ファン装置は、モータにより回転する軸流ファンと、前記軸流ファンに取り付けられ、前記軸流ファンと共に回転する発光素子と、前記発光素子に非接触で給電を行う給電手段とを備える。

好ましくは前記軸流ファンの少なくとも一部は金属材料で形成され、前記発光素子は前記金属材料に密着接合される。

好ましくは前記発光素子は、前記軸流ファンの吸込み領域以外の位置に取り付けられる。

好ましくは前記発光素子は、前記モータのシャフトを延在させた位置、前記軸流ファンのインペラのハブまたはボス上の位置、および前記軸流ファンのインペラのハブまたはボスを回転軸の伸びる方向に延在させた位置のいずれかの位置に取り付けられる。

好ましくは前記発光素子は、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐｓ ｏｎ Ｂｏａｒｄ）素子である。

好ましくは、前記モータによって回転する部材が、前記給電手段の磁心として機能する。

この発明の他の局面に従うと照明装置は、上記ファン装置を備え、前記発光素子は、前記モータの回転軸の伸びる方向とは交わる方向に光を発し、照明装置は前記光を反射させるリフレクターを備える。

この発明のさらに他の局面に従うと照明装置は、上記ファン装置を備え、前記発光素子は、前記モータの回転軸の伸びる方向に光を発し、照明装置は前記光を入射させるレンズを備える。

この発明によると、小径化が可能なファン装置、およびそれを用いたファン装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態におけるファン装置の斜視図である。 図１に示すファン装置の断面図である。 本発明の第２の実施の形態におけるファン装置の斜視図である。 図３に示すファン装置の断面図である。 図３に示すファン装置を用いた照明装置の概念図である。 本発明の第３の実施の形態における照明装置の斜視図である。 図６に示す照明装置の断面図である。 図７に示す照明装置のフロントカバーを取り外した状態を示す図である。

[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるファン装置１００Ａの斜視図である。図２は、図１に示すファン装置１００Ａの断面図である。以下、第１の実施の形態のファン装置について説明する。

（１）ファン装置１００Ａの構造について
発光素子（ここではＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）１０５）を備えたファン装置１００Ａは、インペラ１０３を含む軸流ファンからなる。軸流ファンの構造は、公知の軸流ファンと大きな違いはなく、ケーシング１０９（風洞部）と、ケーシング１０９の内部に配置されたインペラ１０３と、インペラ１０３を回転させるためのモータとから構成されている。インペラ１０３のハブ１０３ｂの天面（上面）には発光素子（ＬＥＤ１０５）が配設されている。

（２）ケーシングについて
ケーシング１０９は、円筒状の風洞部と、風洞部の両端のフランジ部１１１ａ，１１１ｂとを具備している。ケーシング１０９の一方端側にはモータベース部１３５が形成され、モータベース部１３５は複数のスポーク１３９でケーシング１０９と連結している。換言すれば、スポーク１３９の一端はモータベース部１３５の外周面に連結し、他端はケーシング１０９の内周面に連結している。ケーシング１０９、モータベース部１３５およびスポーク１３９は樹脂成型にて一体成形されるが、樹脂に限定されず、アルミ合金等の金属材料から形成されてもよい。

モータベース部１３５は円板状で、その中央には軸方向に立設する円筒状の突起部１３１を備えている。

（３）インペラについて
インペラ１０３はカップ状のハブ１０３ｂと、ハブ１０３ｂの外周面の複数の羽根１０３ｃとを備える。ハブ１０３ｂと羽根１０３ｃとは、熱伝導性のよい金属材料（例えば、アルミニウム、マグネシウム等）にて一体成型されている。羽根１０３ｃはすべて同じ形状で、周方向に等間隔で配置されている。このインペラ１０３は、後述する発光素子（ＬＥＤ１０５）の熱を放熱させる放熱部（ヒートシンク）として機能する。

（４）モータについて
モータは、ステータとロータから構成されている。ステータは、ステータコア１２１と励磁コイル１２３とからなる。ステータコア１２１は、軟磁性材料（例えば、ケイ素鋼板）からなる輪状のコアを所定枚数、軸方向に積層して構成されている。ステータコア１２１は環状部から径外方に延在する複数のティースを備え、各ティースの先端は周方向に広がる先端部を有し、ステータコア１２１に装着されたインシュレータ１２５を介して各ティースに励磁コイル１２３を巻回している。ステータコア１２１の環状部の開口をモータベース部１３５に立設する突起部１３１の外周に嵌合させ、ステータが配設される。

ロータは、純鉄等の軟磁性材料からなるリング状のバックヨーク（ロータヨーク）１４３と、バックヨーク１４３の内周面に配設されたリング状のマグネット１４１とから構成されている。

モータの組立は、以下のように行われる。インペラ１０３のハブ１０３ｂの中央に形成されたボス部１０３ａの孔にシャフト１２９が圧入、接着される。ハブ１０３ｂの内周面にマグネット１４１を配設したバックヨーク１４３を接着する。シャフト１２９は、突起部１３１の内周面に嵌着された一対の軸受１２７にて回転可能に支持される。これによって、マグネット１４１は所定のギャップを隔ててステータコア１２１の外周に対向配置される。

インシュレータ１２５の軸方向の下端には、モータ制御回路基板１３７が配設されている。モータ制御回路基板１３７には配線パターンが形成され、モータを駆動するための電子部品が実装されている。

（５）発光素子について
インペラ１０３のハブ１０３ｂの上面の中央に、インペラ１０３の回転中心と一致した位置でＬＥＤ１０５が配置され、それはハブ１０３ｂと密着して貼着されている。ＬＥＤ１０５の外周側にはドーナッツ状の制御回路基板１０７が配置されている。この制御回路基板１０７にはＬＥＤ１０５の駆動制御回路が形成されている。また制御回路基板１０７には、後述する受電コイル１１５の制御回路も併せて形成されている。

制御回路基板１０７とＬＥＤ１０５とは、例えば、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などによって電気的に接続されている。発光素子であるＬＥＤ素子１０５は、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐｓ ｏｎ Ｂｏａｒｄ）ＬＥＤで構成されており、インペラ１０３のハブ１０３ｂの上面に放熱シート又は放熱グリースを介して密着されている。

（６）給電構造について
本実施の形態におけるファン装置内のＬＥＤ１０５の給電構造は非接触給電である。

モータのインシュレータ１２５の軸方向上端には送電コイル１１７が配設され、インペラ１０３のカップ状のハブ１０３ｂの底面には送電コイル１１７と対向する位置に所定のギャップを隔てて受電コイル１１５が配設されている。

受電コイル１１５はハブ１０３ｂの底面に配設されている。受電コイル１１５と制御回路基板１０７とはハブ１０３ｂの貫通孔１１３を挿通した配線によって電気的に接続されている（制御回路基板１０７のスルーホールに受電コイル１１５の端末を挿通して接続されている）。また、シャフト１２９の先端をＤカットし、Ｄカットの箇所に受電コイル１１５の端末を挿通し、引き出して、制御回路基板１０７のランドに接続した構成であってもよい。

送電コイル１１７は絶縁樹脂材料からなるホルダー１１９に保持されてモータのインシュレータ１２５の軸方向の上端に配設されている。ステータコア１２１の環状部の開口の周縁の一部に切欠（図示省略）が形成されている。この切欠の箇所に送電コイル１１７の端末を挿通し、送電制御回路基板１３３に引き出し、送電制御回路基板１３３のランドに接続している。送電コイル１１７の端末には絶縁性のチューブを被せている。

送電制御回路基板１３３はモータベース部１３５の裏面側に配設しているが、モータベース部１３５の底面側に配設した構成であってもよい。

本形態における非接触給電（ワイヤレス給電）装置は、直流電源のスイッチングによる直流共鳴方式によるワイヤレス給電システムを構成している。なお、非接触給電（ワイヤレス給電）は、直流電源のスイッチングによる直流共鳴方式に限定されず、高周波交流信号の磁界共鳴方式の非接触給電（ワイヤレス給電）でもよく、また電磁誘導方式の非接触給電（ワイヤレス給電）でもよい。これらの非接触給電（ワイヤレス給電）として、公知の技術を適用できる。

送電コイル１１７はホルダー１１９に保持されてモータのインシュレータ１２５の軸方向上端に配設されている。このため、モータの励磁コイル１２３の近傍に配置されるため、モータの励磁コイル１２３の影響を受ける場合がある。このため、送電コイル１１７とステータコア１２１に巻回された励磁コイル１２３との間には、薄板のフェライトコアを配置してシールドすることが好ましい。具体的には、軸方向において、フェライトコア上に送電コイル１１７を配置し、フェライトコアが送電コイル１１７とモータの励磁コイル１２３との間に位置するように構成するものである。

[第２の実施の形態]
図３は、本発明の第２の実施の形態におけるファン装置１００Ｂの斜視図である。図４は、図３に示すファン装置１００Ｂの断面図である。以下、第２の実施の形態のファン装置について説明する。

（１）ファン装置１００Ｂの構造について
本実施の形態における発光素子を備えたファン装置１００Ｂは、軸流ファンからなる。軸流ファンの構造は、第１の実施の形態と略同じである。インペラのハブ１０３ｂの天面（上面）には円筒部２０１が立設し、円筒部２０１の外周面には複数の発光素子（ＬＥＤ１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ）が配設されている（図では３個のＬＥＤ１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃを配設している）。

（２）インペラについて
インペラは、カップ状のハブ１０３ｂと、ハブ１０３ｂの外周面に備えた複数の羽根１０３ｃと、ハブ１０３ｂの上面に立設した円筒部２０１とを備える。ハブ１０３ｂと円筒部２０１と羽根１０３ｃとは、熱伝導性のよい金属材料（例えば、アルミニウム、マグネシウム等）にて同時に一体成型されているが、熱伝導樹脂を用いて一体成型してもよい。

羽根１０３ｃは全て同じ形状で、周方向に等間隔で配置されている。このインペラは、ＬＥＤ１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃの熱を放熱させる放熱部（ヒートシンク）として機能する。

（３）発光素子について
インペラのハブ１０３ｂの上面には円筒部２０１が立設し、円筒部２０１には少なくとも一箇所のスリット２０３が形成されている。円筒部２０１の外周面には３個のＬＥＤ１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃが均等配置され、円筒部２０１と密着して貼着している。円筒部２０１の内側にはドーナッツ状の制御回路基板１０７がインペラのハブ１０３ｂの上面に配置されており、制御回路基板１０７にはＬＥＤ１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃの駆動制御回路が形成されている。また制御回路基板１０７には、受電コイルの制御回路も併せて形成されている。

発光素子の光源として、ＬＥＤ素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃが設けられている。回路基板１０７とＬＥＤ１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃとは、例えば、ＦＰＣなどによって、第１の実施の形態と同様、電気的に接続されている。

（４）第２の実施の形態による適用例について
図５は、第２の実施の形態によるファン装置を照明装置に適用した例を説明する概念図である。

台座２５１にファン装置１００Ｂが取り付けられ、円筒状のリフレクター２５３で囲繞されている。３箇所の発光素子（ＬＥＤ１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃ）から径外方に出射された光は、リフレクター２５３で反射して上方に照射する。照射された光は上方に配置されたレンズ（図示省略）を通過して前方に出射される。

３つのＬＥＤ素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃは、円筒部２０１とともに同一円上を高速で回転する。このため、３つのＬＥＤ素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃはリング状の光源として機能する。リフレクター２５３の反射曲面の形状を調整することで、図５に示されるように、３つのＬＥＤ素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃからの光を１点に集光させることも可能である。また、ＬＥＤ素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃからの光をリフレクター２５３によって拡散させることも可能であり、平行光とすることもできる。このようにして、ファン装置１００Ｂを備えた照明装置の適用分野によって光学特性を変更することができる。

本実施の形態では、ＬＥＤ素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃが回転することで風が直接にＬＥＤ素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃに当たるため、冷却効果が高い。また、ファンからの風も直接にＬＥＤ素子１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃに当たるため、冷却効果が高い。

[第３の実施の形態]
図６は、本発明の第３の実施の形態における照明装置の斜視図である。図７は、図６に示す照明装置の断面図である。図８は、図７に示す照明装置のフロントカバーを取り外した状態を示す図である。

図に示すように、照明装置は、樹脂製のフロントカバー３０５と樹脂製のリアカバー３０７からなるカバーと、発光素子（ＬＥＤ３５１）を搭載した軸流ファンと、リアカバー３０７に取り付けられたインペラ３１１を回転させるモータ３１５とから構成され、発光素子（ＬＥＤ３５１）を搭載した軸流ファンがケーシングの中に収納されている。

フロントカバー３０５の中央にはレンズ取り付け部３０９が備えられる。レンズ取り付け部３０９と外周円筒部とは、複数のスポーク３０３によって接合されている。リアカバー３０７の中央には環状の突起部３６７からなるモータベース部３１７が形成され、モータベース部３１７と外周円筒部とは複数のスポークリブ３１３によって接合している。

ファンによって生み出された風は、スポーク３０３，３１３の近傍の空間を通って、シャフト３６９の軸の伸びる方向の流れとなる。

軸流ファンの金属製のインペラ３１１のハブ３６３の上面には、発光素子（ＬＥＤ３５１）を取り付けた樹脂製のホルダー３５３が装着されている。インペラ３１１の中央には環状の突起部３６１が形成されており、この環状の突起部３６１にモータ３１５のシャフト３６９が圧入されている。また、環状の突起部３６１の外周には受電コイル３５７が形成された円板状の制御回路基板３５５が装着されている。

リアカバー３０７の中央には環状の突起部３６７からなるモータベース部３１７が形成され、モータベース部３１７の環状の突起部３６７の端面上にはモータ３１５の取付プレート３７１が載置され、取付プレート３７１の上面にはスペーサ３７５を介して送電コイル３５９が形成された円板状の制御回路基板３７３が装着され、ねじ等でモータベース部３１７の環状の突起部３６７に取り付けられている。送電コイル３５９は、所定の間隔を隔てて受電コイル３５７と対向配置されている。そして、送電コイル３５９と受電コイル３５７による非接触給電にてＬＥＤ３５１素子への給電が行われる。また、モータ３１５への給電は外部と接続したリード線で行われる（不図示）。

インペラ３１１の回転軸上には発光素子であるＬＥＤ素子３５１が配置され、ＬＥＤ素子３５１から出射された光は、レンズ取り付け部３０９に装着された薄型フレネルレンズ３０１を通過して前方に出射される。レンズ取り付け部３０９の円錐状の傾斜面にはリフレクターが配設されている。このＬＥＤ素子３５１はＣＯＢ（Ｃｈｉｐｓ ｏｎ Ｂｏａｒｄ）ＬＥＤで構成されており、金属製のインペラ３１１のハブ３６３の上面に密着接合されている。密着接合は直接でも、放熱シート又は放熱グリースを介して密着接合した構成であってもよい。

このため、ＣＯＢ ＬＥＤ３５１からの熱はインペラ３１１に伝導し、羽根の回転によって生じる気流によって効率よくインペラ３１１から放熱される。

インペラ３１１の環状の突起部３６１を熱可塑性樹脂に軟磁性材料を混合して成形し、他の箇所は熱伝導樹脂で成形した２色成形にて形成してもよい。この構成であれば、軟磁性材料を混合して成形したインペラ３１１の環状の突起部３６１が送電コイル３５９と受電コイル３５７の磁心として機能し、伝送特性を向上することができる。

[変形例]
上述の実施の形態では、発光素子の具体例としてＬＥＤ素子（特にＣＯＢ（Ｃｈｉｐｓ ｏｎ Ｂｏａｒｄ） ＬＥＤ）を例示したが、有機ＥＬ（Ｏｒｇａｎｉｃ ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、レーザーなどを用いてもよい。これらの発光素子においても、発熱の課題を解消することができる。

[実施の形態における効果]
以上の実施の形態によると、ファン装置（照明装置）は、軸流ファンを利用しているため、遠心ファンに比べて装置の小径化が可能となる。

また、熱伝導性の良い金属材料でインペラを形成し、それを放熱部として機能させている。羽根の回転によって気流が生じ、効率良く放熱できるという効果がある。

また、非接触（ワイヤレス）給電により、回転部に搭載したＬＥＤに給電を行うことができる。

さらにファンの吸込み領域以外の位置（特に風の流れを妨げない位置であるモータシャフトを延在させた位置（図１、２、７、８参照）、インペラのハブまたはボス上の位置（図１〜４、７、８参照）、インペラのハブまたはボスを回転軸の伸びる方向に延在させた位置（図１〜４、７、８参照））に発光素子を設けることで、通風効率を上げることができ、放熱性もよくすることができる。また、発光素子を背の低いＣＯＢ素子とすることでも通風効率を上げることができ、放熱性をよくすることができる。

上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００Ａ，１００Ｂ ファン装置
１０３，３１１ インペラ（軸流ファンの一例）
１０３ｃ 羽根
１０５，１０５ａ〜１０５ｃ，３５１ ＬＥＤ（発光素子の一例）
１１５，３５７ 受電コイル（非接触給電手段の一例）
１１７，３５９ 送電コイル（非接触給電手段の一例）
２５３ リフレクター
３０１ フレネルレンズ（レンズの一例）
３１５ モータ

Claims (8)

1. モータにより回転する軸流ファンと、
   前記軸流ファンに取り付けられ、前記軸流ファンと共に回転する発光素子と、
   前記発光素子に非接触で給電を行う給電手段とを備えた、ファン装置。
2. 前記軸流ファンの少なくとも一部は金属材料で形成され、前記発光素子は前記金属材料に密着接合される、請求項１に記載のファン装置。
3. 前記発光素子は、前記軸流ファンの吸込み領域以外の位置に取り付けられる、請求項１または２に記載のファン装置。
4. 前記発光素子は、前記モータのシャフトを延在させた位置、前記軸流ファンのインペラのハブまたはボス上の位置、および前記軸流ファンのインペラのハブまたはボスを回転軸の伸びる方向に延在させた位置のいずれかの位置に取り付けられる、請求項１から３のいずれかに記載のファン装置。
5. 前記発光素子は、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐｓ ｏｎ Ｂｏａｒｄ）素子である、請求項１から４のいずれかに記載のファン装置。
6. 前記モータによって回転する部材が、前記給電手段の磁心として機能する、請求項１から５のいずれかに記載のファン装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のファン装置を備え、
   前記発光素子は、前記モータの回転軸の伸びる方向とは交わる方向に光を発し、
   前記光を反射させるリフレクターを備えた、照明装置。
8. 請求項１から６のいずれかに記載のファン装置を備え、
   前記発光素子は、前記モータの回転軸の伸びる方向に光を発し、
   前記光を入射させるレンズを備えた、照明装置。
   
   
   

Images