JP4952785B2 - 振動発生兼冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器の装置内の発熱源を冷却するための装置に関し、特に、電子機器に搭載されている振動発生装置を用いた冷却装置に関する。

近年の技術の発展に伴い、携帯電子機器の小型化が進んでいる一方、高機能化及び電子部品の高密度実装化によって、発熱量及び発熱密度はともに上昇する傾向にある。

携帯電話端末のような小型化が特に進む電子機器においては、筐体内で発生した熱を拡散させる機構を搭載することは非常に困難であり、仮に搭載できたとしても、小型化とともに薄型化が進む筐体内で効率的に空気を対流させることは難しい。

その理由の一つとして、ファンなどを搭載するにあたって必要となるスペースを筐体内に確保することが難しいことが挙げられる。風を実際に発生させる羽根部以外にも回転力を発生させるモータが必要であり、回転翼の中心にモータを搭載したような一般的なファンの場合、その直径が１０ｍｍ以上となり、携帯端末機器の厚さに迫る大きさとなってしまう。

特許文献１には、携帯電話端末などに既に搭載されている振動発生用のモータの軸上にファン翼を付ける構造が開示されている。これは、モータの回転に応じてファン翼も回転する構造である。振動子は電磁式の「クラッチ機構」によって必要に応じてモータに接続される。

この構造では、何らかのクラッチ機構が必要であることに加え、振動子とクラッチ機構とがファンの風下に位置することにより、ファンの径を大きくして風量を維持する必要がある。

ギヤなどを排除してコンパクトにしようとするならば、モータ、振動子、ファン翼を直列に接続することが考えられる。しかし、小型化が進む携帯型電子機器では、装置内の空間は非常に小さくなりつつあるため、モータが空気の流れを遮るように配置される可能性がある。

また、空気流を生じさせる原理は従来型の回転ファンと同じであり、あくまでもこれを小型化したに過ぎない。

特許文献２には、振動発生装置組み込み型のファン翼を一番風下に設置した構造が開示されている。モータの回転方向に応じてファン翼を回転させられる構造とすることで、クラッチ機構の簡素化を図っている。しかし、筐体内の容積量として、ファンを搭載する分の体積分が余計に必要となることは避けられない。

特許文献３は、圧電素子を用いた揺動型ファンを提案している。圧電素子を用いることにより、搭載機器にとっては新たな電力消費部品と発熱体とが加わることとなる。また、圧電素子の動作を管理するための電気回路も設けなければならない。しかも、送風量は、比較的剛性の高い圧電素子の変形量に限定されてしまう。
特開２０００−２５２６６７号公報（図１〜４） 特開２００６−２８０１０４号公報（図３、６、７） 特開２００２−１３４９７５号公報 特開平７−２４３７３８号公報

ミクロン単位で設計される近年の携帯型電子機器において、冷却問題の解決は重要な課題となってきているが、機器の市場での優位性を維持するためには小型であることも重要である。高性能化が進むこれらの機器において、熱伝導に頼った冷却構造はもはや限界に近づきつつある。

特許文献４には冷却媒体をチューブに封入し、これを振動させることによって熱伝達を促進させる発明が開示されているが、小型化・軽量化が要求される携帯端末においては、端末内にチューブを引き回したり、冷却媒体となる液体を端末内に保持したりすることは困難である。すなわち、特許文献４に開示される発明は携帯端末に適用可能な構成ではない。

本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、振動発生のための機構を用いて筐体内外に対流を生じさせることにより、低容積、省エネルギーかつ効果的な熱伝達を行える振動発生兼冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、モータと、該モータの回転軸に搭載された磁石性の偏心錘と、該偏心錘と物理的に離れて配置され磁性を示す磁性部材とを有し、磁性部材は、偏心錘の回転に伴って該偏心錘に接近及び離間を繰り返し、磁性部材の移動によって生じた噴流によって冷却対象物を冷却することを特徴とする振動発生兼冷却装置を提供するものである。

本発明においては、磁性部材は、少なくとも一つのノズル部を除いて所定の空間を閉鎖するように配置されたダイアフラムであり、ダイアフラムが偏心錘の回転に伴って変形することにより、所定の空間内の流体をノズル部から噴流として噴射させ、冷却対象物に吹き当てることが好ましい。

又は、本発明においては、磁性部材は、少なくとも一つのノズル部を除いて所定の空間を閉鎖するように配置されたピストンであり、ピストンが偏心錘の回転に伴って変位することにより、所定の空間内の流体をノズル部から噴流として噴射させ、冷却対象物に吹き当てることが好ましく、これに加えて、ピストンは、磁性材料と樹脂材料とを一体成形して形成されていることがより好ましい。また、ノズル部の少なくとも一つは、ピストンのストローク方向とは異なる向きに噴流を発生させるように配置されていることがより好ましい。

又は、本発明においては、磁性部材は、発熱体と物理的に接続されたダクトの内部に設置された揺動ファンであり、揺動ファンが偏心錘の回転に伴って揺動することによってダクト内に発生した噴流が、発熱体からの熱伝導によって加熱されたダクトを冷却することが好ましく、これに加えて、ダクトの内壁面に凹凸が形成されていることがより好ましい。

本発明によれば、振動発生のための機構を用いて筐体内外に対流を生じさせることにより、低容積、省エネルギーかつ効果的な熱伝達を行える振動発生兼冷却装置を提供できる。これにより、機器の小型化に対応しつつ、より高性能な電子部品を搭載することが可能となる。

〔第１の実施形態〕
本発明を好適に実施した第１の形態について図面を用いて説明する。
図１は、振動発生装置の構成を示す斜視図である。この振動発生装置は、振動子１に磁石２が用いられている。振動子１は偏心おもり形状に形成されており、モータ４の高速の回転とおもりの偏心量とによって振動を発生させる。振動子１の最大加速度で表される発生振動の強さは、おもりの重さと振動子１からおもりの重心までの距離とに比例し、回転速度の２乗に比例する。したがって、冷却動作時に、例えば４分の１の回転速度でモータ４を回転させることによって、振動量は１６分の１になる。さらに、磁石の動きに呼応して機能する冷却構造は、高回転領域においては共振を抑えるような構造とすることにより、モータ４の回転数を変えるだけで、振動発生装置と冷却装置との切り替えを容易に行える。

磁石の動きに呼応した冷却構造の一例として、シンセティックジェットを用いた方法を説明する。吸排気を行う開口部以外を密閉した構造の中でピストンなどを動かすことで、密閉構造内の体積変化を利用し、開口部を通る流れを発生させる。

図２に、シンセティックジェットの概念を示す。シンセティックジェット７は、吸気口と排気口とが同一（ここではノズル６）のジェット発生装置であり、吸気口と排気口とが同一のため、ネットの流量が０になる。また、吸排気口がある面以外には流れのための空間を設ける必要がない。吸気の際には、ノズル６周辺の流体を吸い込み、排気の際には指向性をもって比較的高い流速で流体を排出する。このジェット流の先に発熱体となる電子部品を配置することにより、冷却効果が得られる。

吸気の時は、ノズル６近傍の空気を吸い込み、排気の時はノズル６から直線的に空気を遠方へ排気することにより、筐体内部の微量な空気を効率よく循環させられる。

本実施形態係る振動発生装置は、これまでの対流による冷却機構を搭載することが困難であった小型電子機器に適用可能である。主に熱伝導によって熱を筐体に伝えていた冷却構造では、局所的に筐体の温度が高くなるという問題があるが、本実施形態では筐体内部の密閉空間内で空気の流れを発生させるため、電子部品の冷却のみならず、筐体表面温度の均一化という効果も得られる。

図３に示すように、稼働するピストン５に磁性体を用いることにより、振動子１の磁石２に呼応してピストン５を動作させることが可能となる。限定される磁力の下でもピストン５が稼働できるように樹脂材料と一体成形することでピストン５を軽量化することが好ましい。

直径１０ｍｍ、ストローク１ｍｍのシリンダを形成し、振動子１を振動発生時の回転数の１０分の１以下の毎分１０００回転で回転させた場合、ノズル６の形状を１ｍｍ×３ｍｍに限定しても秒速４０ｃｍ以上のジェット流を発生させられる。これは、８ｍｍ角の小型ファンと比較した場合、回転数で１５分の１に抑えながら約４０％の流速を達成していることとなる。
小型ファンの場合、ファンそのものの厚さは２ｍｍに抑えられているが、厚さ方向が通風方向にあたるため、通風のための空間を設ける必要があり、薄型の機器筐体を考えた場合、通風方向に発熱体置くような配置は非常に困難である。

シンセティックジェット７の場合、ノズル６をピストン５の振動方向に配する必要がなく、図４（ａ）のようにピストン５の振動に対して横方向など任意の方向にジェット流を発生させることができ、薄型の筐体内の限定された空間に対応可能である。さらに、冷却対象物が２カ所以上にある場合、図４（ｂ）のようにジェットを発生させる開口部６を複数設けることで、ジェット流によって直接冷却できる。ファンの場合には、小型であっても一方向にしか風を生じさせることができないため、複数方向に送風する場合にはダクトの形成が不可避となってしまう。

本実施形態に係る振動発生装置は、電子機器内部の微小な空間を利用して、筐体内部に撹拌効果を持つ空気流を発生させることができる。すなわち、ファンを搭載する構造と比較して小型化が可能である。また、シンセティックジェットの径（ノズルの形状）を変化させることにより、流量を保ったまま流速を変化させることが可能であり、ファン径が直接流量に影響を及ぼす構造と比較して、冷却効果を効率的に得ることが可能となる。

〔第２の実施形態〕
本発明を好適に実施した第２の実施形態について説明する。
本実施形態においては、磁石振動子に呼応して動作する振動体をダイアフラムで構成する。この構成においては、ピストン動作時に生じる摩擦抵抗が無くなり、ダイアフラム自身を筐体内壁に直接搭載して、構造を簡略化できる。図５に、本実施形態にかかる冷却装置の構成を示す。

一般に、筐体内部に筐体８によって保持されるモータ１１の振動子１２側の筐体８内面にダイアフラム１３を取り付ける張出部を設ける。プリント基板９に搭載された電子部品１０に面するところでは部分的に張出部を形成しないことによってノズル１５を形成する。そして図６に示すように、ダイアフラム１３の動きに応じて、ダイアフラム１３と張出部と筐体８とによって内包された空間（空気溜り）１４で空気を吸排気する。

ダイ４アフラム１３には、薄型でフレキシブルな磁石シートを用いることが理想的である。例えば、粉末磁性体と一体成形することによってフレキシブルで伸縮性も持ち合わせた１ｍｍ厚の磁石シートが開発されている。このような磁石シートを筐体内壁の張出部に接着することにより、ジェット発生のためのシリンダ構造の体積を最小化できる。
磁力は、シートの厚さに依存するが、本実施形態ではシート状磁石を揺動させるため、１ｍｍ以下の厚さでも十分な効果が得られる。よって、シートを０．５ｍｍ以下の薄さとすることで、本来柔軟性を持たない磁性材料を含んだシートに柔軟性を持たせることが好ましい。

〔第３の実施形態〕
本発明を好適に実施した第３の実施形態について説明する。図７に本実施形態に係る振動発生装置を適用した携帯電話端末の外観を示す。本実施形態においては、筐体の外において自然対流によって効率的に放熱する。
図示するように、携帯電話端末１６のような小型電子機器でも、ダクト１７を設けて、ダクト１７内壁に効果的に熱を集めることが可能である。よって、ダクト１７内に冷却用の対流を効果的に発生させられるのであれば、筐体内に配された磁石振動子１によって、筐体外に流れを発生させることができる。

図８に示すように、発熱体１０から放熱部であるダクト１７まではシート状の高熱伝導材料を用いることで熱を移動させることが可能である。発熱体から放熱部である筐体まで熱伝導させる冷却構造では、筐体外面の温度が規定以上となる可能性があるが、本実施形態の構造においてはダクト１７の内壁が規定温度に達したとしてもダクト１７の外側は規定以下の温度に保てる。

また、ダクト１７の内面を高くできる（内面の表面積を大きくできる）ことはダクト１７内を通過する空気に対して熱を伝える上で有利である。

図５に、磁石２を用いた振動子１に呼応して動作する往復型ファン１８を搭載した冷却ダクト１７の構成を示す。ファン１８を往復型にすることにより、ダクト１７内に回転軸などを設ける必要が無くなり、塵などの侵入に対しても耐久性を高めることができる。

このように、磁石を振動子に用いることにより、機械的な接続を介さずに冷却機構を動作させることが可能となる。よって、筐体外に配された冷却用ダクトに往復型ファンを設置した場合、防塵防滴機能を備えた筐体内部にある振動発生装置を用いて筐体外のファンを動作させることができる。

上記各実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、これらに限定されることはない。
例えば、本発明は、携帯電話端末のみならず、ノート型コンピュータ、携帯型ゲーム機、携帯型再生機、ＰＤＡなどの半導体装置が使用されるあらゆる携帯型電子機器に適用可能である。
このように、本発明は様々な変形が可能である。

この出願は、２００７年３月２０日に出願された日本出願特願２００７−０７３５７３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

振動発生装置の構成を示す斜視図である。 シンセティックジェットの概念を示す図である。 ピストンに磁性体を用いた第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。 ピストンの振動に対して横方向にジェット流を発生させる冷却装置の構成及び、複数のジェット流を発生させる冷却装置の構成を示す図である。 本発明を好適に実施した第２の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。 第２の実施形態に係る冷却装置の動作を示す図である。 本発明を好適に実施した第３の実施形態に係る冷却装置を搭載した携帯電話端末の外観を示す図である。 第３の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 振動子
２ 磁石
４ モータ
５ ピストン
６ ノズル
７ シンセティックジェット
８ 筐体
９ プリント基板
１０ 発熱体（電子部品）
１１ モータ
１２ 振動子
１３ ダイアフラム
１４ 空気溜まり
１５ ノズル
１６ 携帯電話端末
１７ ダクト
１８ 往復型ファン

Claims (7)

1. モータと、該モータの回転軸に搭載された磁石性の偏心錘と、該偏心錘と物理的に離れて配置され磁性を示す磁性部材とを有し、前記磁性部材は、前記偏心錘の回転に伴って該偏心錘に接近及び離間を繰り返し、前記磁性部材の移動によって生じた噴流によって冷却対象物を冷却することを特徴とする振動発生兼冷却装置。
2. 前記磁性部材は、少なくとも一つのノズル部を除いて所定の空間を閉鎖するように配置されたダイアフラムであり、
   前記ダイアフラムが前記偏心錘の回転に伴って変形することにより、前記所定の空間内の流体を前記ノズル部から前記噴流として噴射させ、前記冷却対象物に吹き当てることを特徴とする請求項１記載の振動発生兼冷却装置。
3. 前記磁性部材は、少なくとも一つのノズル部を除いて所定の空間を閉鎖するように配置されたピストンであり、
   前記ピストンが前記偏心錘の回転に伴って変位することにより、前記所定の空間内の流体を前記ノズル部から前記噴流として噴射させ、前記冷却対象物に吹き当てることを特徴とする請求項１記載の振動発生兼冷却装置。
4. 前記ピストンは、磁性材料と樹脂材料とを一体成形して形成されていることを特徴とする請求項３記載の振動発生兼冷却装置。
5. 前記ノズル部の少なくとも一つは、前記ピストンのストローク方向とは異なる向きに前記噴流を発生させるように配置されていることを特徴とする請求項３又は４記載の振動発生兼冷却装置。
6. 前記磁性部材は、発熱体と物理的に接続されたダクトの内部に設置された揺動ファンであり、
   前記揺動ファンが前記偏心錘の回転に伴って揺動することによって前記ダクト内に発生した噴流が、前記発熱体からの熱伝導によって加熱された前記ダクトを冷却することを特徴とする請求項１記載の振動発生兼冷却装置。
7. 前記ダクトの内壁面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項６記載の振動発生兼冷却装置。

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