JP5767613B2 - 流体動圧軸受の摩耗を低減する方法および携帯式コンピュータ - Google Patents

Description

本発明は、流体動圧軸受の摩耗を低減する技術に関し、さらには衝撃による流体動圧軸受の摩耗を低減する技術に関する。

ノートブック型パーソナル・コンピュータ（ノートＰＣ）やタブレット端末などの携帯式電子機器は、放熱ファン、ハードディスク・ドライブ、または光学ドライブなどの回転機構を含むデバイスを搭載する。そしてこれらの回転機構は多くの場合に、小型化および薄型化などの点で優れているすべり軸受を採用している。すべり軸受は摩擦を低減するための潤滑形態により、軸と軸受の間の摺動面に流体潤滑膜を形成する方式と、軸受の摺動面に特殊な固体物質を付与して摩擦や摩耗を低減する固体潤滑という方式に分類することができる。

流体潤滑膜による潤滑方式を採用した軸受は、シャフトの摺動面を支える圧力を得る方式の違いにより流体動圧軸受（Fluid Dynamic Bearing）と流体静圧軸受（Fluid Dynamic Bearing）に分類することができる。流体動圧軸受では、シャフトと軸受の相対すべり運動によって流体潤滑膜に動圧を発生させる。流体静圧軸受では、軸受の外部から加圧した潤滑流体を摺動面に供給して流体潤滑膜にシャフトを支持する圧力を付与する。

特許文献１は、ノートＰＣに搭載された磁気ディスク装置を衝撃から保護する技術を開示する。衝撃予測部は、加速度計が重力加速度の急変を検知したときに、それに続いて落下による衝撃が発生すると判断し磁気ヘッドを退避させて保護する。特許文献２は、流体動圧軸受を組み込んだアウターロータ型のファン・モータを開示する。同文献には、鋳鉄部の軸部材の間に充填された潤滑油が軸部材の相対回転時に流体潤滑状態を形成することが記載されている。

特許文献３は、軸受の潤滑状態を評価するストライベック曲線について開示する。特許文献４は、電子システムの電源がオフになったときに電機子コイルを短絡してブレーキをかけ、慣性によりモータが回転し続けている間にユーザが接触してけがをしたり、電源の再開が遅れたりすることを防ぐ技術を開示する。

特開２００４−１４６０３６号公報 特開２０１０−２４９１８２号公報 特開２０１１−１２６９７６号公報 特開２００７−１５９３９１号公報

軸受は、シャフトからラジアル荷重を受けるラジアル軸受とスラスト荷重を受けるスラスト軸受に分類することができる。ラジアル方向の荷重を支持する流体動圧軸受は、シャフトが回転している間にシャフトと軸受を流体潤滑膜で完全に分離して両者が直接接触しないようにしているため、一般的に摺動面の摩耗による故障は少ないと考えられている。ところが、近年の薄型化した電子機器に採用されている流体動圧軸受（ラジアル軸受）は、従来に比べて故障が増加する傾向にある。

そして故障原因の大半は、シャフトと軸受の隙間に金属粉が堆積したことによる焼き付きであることが判明している。金属粉が発生するということは、何らかの原因で流体潤滑膜が破壊されてシャフトと軸受が金属接触していると考えてよい。特に薄型の電子機器では、流体動圧軸受のシャフト方向の長さＬが短くなるため、流体潤滑膜がシャフトを十分に支持することが難しい場合がり故障の傾向が強い。したがって、流体動圧軸受が使用される様々な環境においてシャフトと軸受が接触する機会をできるだけ少なくする必要がある。

そこで本発明の目的は、電子機器に使用する流体動圧軸受の摩耗を低減することが可能な回転機構を提供することにある。さらに本発明の目的は、簡単な方法で流体動圧軸受の摩耗を低減することが可能な回転機構を提供することにある。さらに本発明の目的は、流体動圧軸受の摩耗を低減する方法およびそのような方法を採用した携帯式コンピュータを提供することにある。

本発明は、流体動圧軸受を含む回転機構を提供する。回転機構は、回転体が結合されたシャフトを支持する流体動圧軸受と、シャフトに駆動力を付与するモータと、電子機器の運動を検知するモーション・センサと、モーション・センサの出力に基づいて電子機器に対する衝撃の発生を予測して衝撃予兆信号を出力する衝撃予測部と、衝撃予兆信号を受け取ったときにモータの回転速度を変更する駆動部とを有する。

衝撃予兆信号を受け取った駆動部は、制動力を付与してモータの回転を停止させることができる。衝撃が発生する前にモータは停止するか十分に低い値まで回転速度が低下し、流体動圧軸受の摩耗を防ぐことができる。あるいは衝撃予兆信号を受け取った駆動部は、モータの回転速度を所定値以上に上昇させて衝撃時にも流体潤滑を維持できるようにしてもよい。

モーション・センサは、電子機器の加速度を検出する加速度センサとすることができる。モータをブラシレス直流モータとしたときに、駆動部はモータに印加する電圧をステップ状に低下させて大きい制動力を付与することができる。制動力が大きいほど衝撃時のメタル・コンタクトを軽減することができる。回転機構は電子機器の筐体内部から熱を放熱する放熱ファンを構成することができる。

本発明により、電子機器に使用する流体動圧軸受の摩耗を低減することが可能な回転機構を提供することができた。さらに本発明により、簡単な方法で流体動圧軸受の摩耗を低減することが可能な回転機構を提供することができた。さらに本発明により、流体動圧軸受の摩耗を低減する方法およびそのような方法を採用した携帯式コンピュータを提供することができた。

ハイブリットＰＣの外形を示す斜視図である。 ハイブリッドＰＣの機能ブロック図である。 サーマル・アクション・テーブルを利用した温度制御モードの動作を説明する図である。 放熱ファン・ユニットの外形を示す平面図および側面図である。 放熱ファン・ユニットの断面図である。 流体動圧軸受の断面図である。 流体動圧軸受の設計パラメータを説明する図である。 ファン・モータの制御機構を示す機能ブロック図である。 ステップ状に速度を低下させてファン・モータを停止させるときの様子を示す図である。 流体動圧軸受の摩耗を低減する手順を示すフローチャートである。

［ハイブリッドＰＣ］
図１は、ハイブリッド型パーソナル・コンピュータ（ハイブリッドＰＣ）１０の外形を示す斜視図である。ハイブリッドＰＣは、本発明が適用できる携帯式電子機器の一例であり、本発明を限定するものではない。ハイブリッドＰＣ１０は、相互に物理的な分離および結合が可能な筐体で形成されたタブレット・ユニット１２とベース・ユニット１１で構成されている。図１（Ａ）は、タブレット・ユニット１２とベース・ユニット１１が結合して構成するハイブリッドＰＣ１０を示し、図１（Ｂ）は分離したときのベース・ユニット１１を示し、図１（Ｃ）は分離したときのタブレット・ユニット１２を示す。

タブレット・ユニット１２は、筐体の表面にディスプレイとタッチ・センサで構成されたタッチスクリーン１５を備え、筐体の内部には分離状態でタブレット端末として機能するシステム・デバイスを搭載する。ベース・ユニット１１は、ヒンジ１７で相互に結合されたキーボード筐体１３と支持部材１４で構成されている。本実施の形態においては、ベース・ユニット１１は主要なシステム・デバイスを搭載しないため分離状態においてはコンピュータとしての機能を発揮しない。タブレット・ユニット１２はイジェクト・スイッチ１６を操作してユーザが支持部材１４に対して着脱することができる。

キーボード筐体１３には、上面に入力デバイスとなるキーボード３８およびタッチパッド３６、図示しないＵＳＢ、外部ディスプレイおよびイーサネット（登録商標）などを接続する外部コネクタ、電池パック、およびＡＣ／ＤＣアダプタを接続する電源ジャックなどが設けられている。ハイブリッドＰＣ１０は、タブレット・ユニット１２が支持部材１４に装着された状態ではノートＰＣとして機能し、タッチスクリーン１５がキーボード３７と向き合うようにヒンジ１７を回転させて支持部材１４を閉じることができる。このようにタブレット・ユニット１２を保持する支持部材１４を開閉して使用するときの動作状態をクラムシェル・モードという。

またハイブリッドＰＣ１０は開いた状態の支持部材１４を、ヒンジ１７を中心にして１８０度回転させてから、支持部材１４の背面がキーボード３８に向き合うように閉じることができる。このようにキーボード３８がタブレット・ユニット１２の裏側に隠れた状態で、入力デバイスとしてタッチスクリーン１５を使用するときの動作状態をタブレット・モードという。タブレット・ユニット１２は内部に放熱ファン・ユニット１００を収納する。

図２は、ハイブリットＰＣ１０の一例を示す概略の機能ブロック図である。ハイブリッドＰＣのデバイスは、タブレット・ユニット１２またはキーボード筐体１３のいずれかに搭載される。チップ・セット２７にはＣＰＵ２１、ＳＳＤ２９、およびエンベデッド・コントローラ（ＥＣ）３３が接続されている。ＣＰＵ２１には、ビデオ・チップ２５を経由してタッチスクリーン１５が接続され、さらにメイン・メモリ２３が接続されている。タッチスクリーン１５を構成するタッチ・センサはＥＣ３３に接続されている。ＳＳＤ２９は、ＯＳやアプリケーション・プログラムを格納する不揮発性の記憶装置である。

ＥＣ３３は、ＣＰＵ、ファームウェアを格納するＲＯＭ、およびファームウェアを実行するためのＲＡＭなどで構成されたマイクロ・コンピュータであり、さらにＡ／Ｄ入力端子、Ｄ／Ａ出力端子、タイマー、およびディジタル入出力端子を備えている。ＥＣ３３には、加速度センサ３１、駆動回路３５、複数の温度センサ３９、およびリッド・センサ４１が接続されている。駆動回路３５には、放熱ファン・ユニット１００を駆動するファン・モータ３７が接続されている。

ＥＣ３３は、Ｉ／Ｏコントローラも含んでおり、キーボード３８、タッチパッド３６およびタッチスクリーン１５が接続されている。温度センサ３９は、複数のセンサで構成され、タブレット・ユニット１２の筐体内部やデバイスの温度を検出する。リッド・センサ４１は、クラムシェル・モードまたはタブレット・モードのときにディスプレイ筐体１１が閉じられた状態を検出する。

ＥＣ３３は、ファームウェアをＣＰＵ２１から独立して実行することができる。ファームウェアは、回転制御プログラム５３、サーマル・アクション・テーブル（ＴＡＴ）６１および衝撃予測プログラム６３を含む。回転制御プログラム５３は温度センサ３９が検出した温度およびＴＡＴ６１を参照して駆動回路３５を通じて、ファン・モータ３７の回転速度を制御する。このとき回転制御プログラム５３は、ファン・モータ３７の回転速度に対応するデューティを示すＰＷＭ信号を生成して駆動回路３５に送る。駆動回路３５は、図示しない電力源から供給された直流電圧をＥＣ３３から送られたＰＷＭ信号に基づいてスイッチング制御して、ファン・モータ３７の回転速度をステップ状に変更したり停止したりする。駆動回路３５は、ファン・モータ３７の現在の回転速度を検出してＥＣ３３に送る。

［ＴＡＴによる温度制御モード］
図３はＴＡＴ６１の構成の一例を示す図である。ＴＡＴ６１は４個の温度センサ３９ａ〜３９ｄのそれぞれについて５段階の回転ステージを設定し、それぞれの回転ステージにファン・モータ３７の回転速度を対応付けている。各回転ステージには、当該回転ステージをイネーブルまたはディスエーブルにする基準温度Ｔｅ、Ｔｄが設定されている。

回転制御プログラム５３を実行するＥＣ３３は、いずれかの温度センサ３９ａ〜３９ｄが検出した温度値がいずれかの回転ステージの基準温度Ｔｅを越えたときは、当該回転ステージの回転速度になるように駆動回路３５を制御する。たとえば、現在の回転速度が中速ステージのときに、いずれかの温度センサ３９ａ〜３９ｄが検出した温度値が高速ステージに記述するイネーブルの基準温度Ｔｅを越えると、ＥＣ３３は高速ステージになるように駆動回路３５を制御する。

ＥＣ３３は、すべての温度センサ３９ａ〜３９ｄが検出した温度が現在の回転速度が帰属する回転ステージの基準温度Ｔｄより低いときは現在の回転ステージを１段下げるように駆動回路３５を制御する。たとえば、現在の回転速度が高速ステージのときに、すべての温度センサ３９ａ〜３９ｄが検出した温度値が高速ステージに記述するディスエーブルの基準温度Ｔｄより下がると、ＥＣ３３は中速ステージになるように駆動回路３５を制御する。

ＥＣ３３は、ＴＡＴ６１に基準温度Ｔｅ、Ｔｄが記述されていない温度センサ３９ｂ〜３９ｄの出力は、記述されていない中速、低速、最低速の回転ステージに関する回転速度の制御に関して無視する。ＥＣ３３は現在の回転速度が最低速ステージのときに、温度センサ３９ａが検出した温度がディスエーブルの基準温度Ｔｄより低くなったときにファン・モータ３７を停止する。このように回転制御プログラム５３が、ＴＡＴ６１と現在の回転速度と温度センサ３９ａ〜３９ｄの出力に基づいてファン・モータ３７の回転速度を制御する動作を温度制御モードということにする。

［衝撃予兆条件の認識］
携帯式電子機器であるハイブリッドＰＣ１０に対しては、さまざまな衝撃が加えられる。衝撃は、回転している放熱ファン・ユニット１００の流体動圧軸受に作用して摩耗を加速する。本実施の形態では、衝撃の予兆を検出したときに温度制御モードをオーバーライドするようにファン・モータ３７の回転を制御して流体動圧軸受の摩耗を低減する。ハイブリッドＰＣ１０では、タブレット・ユニット１２が放熱ファン・ユニット１００を収納する。

したがって、クラムシェル・モードおよびタブレット・モードのいずれの場合でも、支持部材１４がキーボード筐体１３に対して閉じられた瞬間に放熱ファン・ユニット１００に衝撃が発生する。これは、ハイブリッドＰＣのように蓋として機能するディスプレイ側の筐体に放熱ファン・ユニット１００が実装されるときに発生する特有の衝撃である。また、ユーザがハイブリッドＰＣ１０またはタブレット・ユニット１２を使用している間に、机上、腕、または膝上から自然落下させてしまうこともある。さらに、鞄に入れたハイブリッドＰＣ１０をユーザが運んでいる途中に、鞄を勢いよく床や机の上などに置いたりするときにも衝撃が発生する。これはハイブリッドＰＣ１０に限らず、通常のノートＰＣやタブレットＰＣにも発生する衝撃である。

ハイブリッドＰＣ１０に衝撃が発生する際には、その前段階としてハイブリッドＰＣ１０が特有の運動をする。このような運動を検出して衝撃予兆条件が成立することを認識するために本実施の形態ではモーション・センサを使用する。加速度センサ３１は、モーション・センサの一例である。加速度センサ３１は、角速度を検出するジャイロ・スコープとすることができる。あるいは加速度センサ３１は、静的加速度といわれる重力加速度を検出する２軸または３軸の直線加速度計とすることができる。また、加速度センサ３１は、静的加速度に加えて移動または衝撃などで発生する動的加速度を検出できる直線加速度計とすることができる。

衝撃予兆条件は、衝撃予測プログラム６３を実行するＥＣ３３が加速度センサ３１の出力、リッド・センサ４１の出力、キーボード３８の出力、タッチパッド３６の出力およびハブリッドＰＣ１０のパワー・ステートなどの情報に基づいて認定することができる。クラムシェル・モードまたはタブレット・モードのときに支持部材１４が閉じられる瞬間に発生する衝撃予兆条件の成立は、タブレット・ユニット１２に収納する加速度センサ３１が所定値以上の角速度を検出したときに認定することができる。あるいは加速度センサ３１に代えて、ヒンジ１７にヒンジの角速度を検出するセンサ、または、ヒンジが所定位置まで回転したことを検出するスイッチを利用することもできる。

ハイブリッドＰＣ１０またはタブレット・ユニット１２が自然落下する際には、通常の使用状態とは異なる急激な回転をする。したがって、自然落下による衝撃予兆条件の成立もＥＣ３３が角速度の大きさで認定することができる。移動中に発生する衝撃予兆条件の成立は、ハイブリッドＰＣ１０が停止状態で、かつ、加速度センサ３１の出力から歩行に特徴的に現れる所定の周波数の揺動を検出したときに認定することができる。

ここに、ハイブリッドＰＣ１０の停止状態は、キーボード３８またはタッチパッド３６から所定の時間入力がないこと、リッド・センサ４１が支持部材１４の閉状態を検出したこと、または、ハイブリッドＰＣ１０のパワー・ステートがサスペンド状態に遷移したことなどにより検出することができる。ここに、サスペンド状態とは、システムのコンテキストをメイン・メモリ２３に記憶し、メイン・メモリ２３の記憶の維持に必要がない多くのデバイスの電力を停止した状態で、ＡＣＰＩのＳ３ステートに相当する。

［放熱ファン・ユニット］
図４は、放熱ファン・ユニット１００の外形図で、図５は図４に記載した放熱ファン・ユニット１００をシャフトの中心を通過する平面で垂直に切断した断面図である。図４（Ａ）は平面図、図４（Ｂ）は底面図、図４（Ｃ）は側面図である。放熱ファン・ユニット１００は、タブレット・ユニット１２の筐体の内部に吸い込んだ外気を、ヒート・シンク１０９を通じて排気することで筐体内部の熱を強制排熱し、各電子デバイスの温度および筐体の表面温度を許容温度以下に維持する。放熱ファン・ユニット１００は、薄型のタブレット・ユニット１２に収納できるように扁平な形状になっているため、シャフト１０１の方向の流体動圧軸受１２９の長さＬ（図５参照）は短い。

上部プレート１０３、下部プレート１０５、および側壁プレート１０７は、内部にファン・モータ３７およびブレード１１１を収納する空気室を形成するケーシングを構成する。ケーシングの平面形状はＤ字型をしており、平面から見たときに直線状の部分の側壁プレート１０７には開口が形成されている。開口にはヒート・シンク１０９が取り付けられる。ヒート・シンク１０９には図示しないヒート・パイプが結合され、ＣＰＵ２１、ビデオ・チップ２５、およびチップ・セット２７などの発熱量の多いデバイスの熱をヒート・シンク１０９に直接移動させる。

上部プレート１０３には吸気口となる開口が形成されており、その開口からはシャフト１０１に結合されたカップ状のロータ１１５の頂部とその周囲に取り付けられた複数のブレード１１１の一部が露出している。また、下部プレート１０５にもファン・モータ３７を取り付けるベース１１３の周囲に吸気口が形成され、吸気口からはブレード１１１の一部が露出している。放熱ファン・ユニット１００は上下の吸気口か筐体内部の高温の空気を吸気してヒート・シンク１０９を通じて外に放出する。

図５において、ファン・モータ３７は、ロータ１１５、ロータ１１５に結合されたシャフト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に固定された電機子鉄心１２５、電機子鉄心１２５に巻回された電機子コイル１２３、およびロータ１１５の内側に固定された永久磁石１２１を含んで構成されている。ファン・モータ３７の下部には駆動回路３５を実装した回路基板１２７が設けられている。ファン・モータ３７は、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ブラシレスＤＣモータである。ただし、本発明においてはファン・モータの型式をアウターロータ型に限定する必要はない。

［流体動圧軸受］
図６は、流体動圧軸受１２９を拡大した図である。一般に流体動圧軸受の中には、使用開始後にほとんど給油を必要としないオイルレス・ベアリング（無給油軸受または自己潤滑型軸受ともいう。）がある。オイルレス・ベアリングは、材料の違いによりプラスチック系、金属系、複層系、炭素黒鉛系、およびセラミック系などに分類することができる。

金属系のオイルレス・ベアリングには、潤滑油を含油するための多孔質部を備える含油材料として、銅系または鉄系の粉末を焼結した焼結材、および特殊な処理をして多孔質化した鋳成銅合金材または成長鋳鉄材などがある。流体動圧軸受１２９は、銅系の焼結材に潤滑油を含油させた焼結含油軸受を採用する。焼結材が含む潤滑油はシャフト１０１が回転するとポンプ作用でシャフト１０１と流体動圧軸受１２９の内面と間隙１５１に吸い出されシャフト１０１が停止すると毛細管現象で再び焼結材に入り込む。

流体動圧軸受１２９は、さらにあらかじめ間隙１５１に潤滑油を給油して使用する。その意味で流体動圧軸受１２９は、焼結材が含む潤滑油以外の潤滑油を使用しないオイルレス・ベアリングとは異なる。ただし、本発明は事前の給油を必要としないオイルレス・ベアリングに適用することもできる。流体動圧軸受１２９は動圧を効果的に生成するために内面に溝１５３を備えている。

シャフト１０１のスラスト荷重は、図示しないスラスト軸受で上下いずれの方向も負担する。スラスト軸受は本発明の説明に必要がないため説明を省略する。流体動圧軸受１２９は、シャフト１０１が停止している間は間隙１５１の潤滑油に動圧が生じないため、シャフト１０１にラジアル荷重が加わるとシャフト１０１と流体動圧軸受１２９の内面が直接接触（メタル・コンタクトという。）する。シャフト１０１が回転するとポンプ作用により焼結材から吸い出された潤滑油とあらかじめ隙間１５１に充填された潤滑油がいわゆる油のくさびを形成して、シャフト１０１と流体動圧軸受１２９の間に動圧を生じさせる。

動圧は、シャフト１０１と流体動圧軸受１２９がメタル・コンタクトをしないように両者を分離する。所定の動圧が発生している間は、シャフト１０１は潤滑油膜の上を滑るように回転する。シャフト１０１はステンレスで形成されているため、動圧が小さいためにシャフト１０１と流体動圧軸受１２９との間にメタル・コンタクトが発生すると焼結材を削り取る。削り取られた金属粉は間隙１５１に堆積して焼き付きの原因になるため、寿命を延長するにはメタル・コンタクトを極力少なくする必要がある。

［流体潤滑と衝撃の予兆検出による回転制御］
流体動圧軸受の設計パラメータには、摺動面の接触圧力であるｐ値、摺動面の周速度であるＶ値、およびそれらの積であるｐＶ値などがある。Ｖ値は、シャフトの回転速度に対応する。ｐ値は軸受金属の疲労強度に関連し、Ｖ値はシャフトの振動による固体接触に関連し、ｐＶ値は発熱に関連する。ここに、接触圧力ｐは軸受の内径をＤ、軸受のシャフト方向の長さをＬ、およびシャフトによる軸受荷重をＰとしたときにｐ＝Ｐ／ＤＬの関係がある。

そして、これらのパラメータには図７（Ａ）に示すようにそれぞれ許容最大値が存在している。流体潤滑膜を形成する潤滑方式に関しては、摩擦係数と摩擦に関連する軸受のパラメータの関係を図７（Ｂ）に示すストライベック線図が説明している。ストライベック線図では、軸受の摩耗に関連する摩擦係数と、潤滑油の粘度η、Ｖ値、およびｐ値を組み合わせて計算した軸受定数（ηＶ／ｐ）の関係により、動作状態を流体潤滑、混合潤滑、および境界潤滑に分類している。ここに軸受定数は、流体潤滑膜の厚さを支配するパラメータとしての意義を有している。

流体潤滑は、摺動面の荷重が十分な厚さの流体潤滑膜に支持されている動作領域で、シャフトと軸受が直接接触しないため摩擦は小さく摩耗はほとんど発生しない。流体潤滑は、一般的にはＶ値やｐＶ値の制限を受けない。混合潤滑は、流体潤滑よりもｐ値が大きくなったり、Ｖ値が小さくなったりしたときの動作領域である。混合潤滑では、摺動面が薄い流体潤滑膜に支持されて軸受面とシャフトの凸部同士に接触が生ずるため、一般的にはｐＶ値の制限を受ける。

境界潤滑は、混合潤滑よりもさらにｐ値が大きくなったり、Ｖ値が小さくなったりしたときの動作領域である。境界潤滑では、流体潤滑膜が摺動面の一部にしか存在しないため軸受面とシャフトの凸部同士の接触が混合潤滑よりも頻繁に発生し、一般的にはｐＶ値やＶ値の制限を受ける。混合潤滑および境界潤滑では、シャフトと軸受の接触により軸受の内面が摩耗する。

電子機器に使用する流体動圧軸受では、通常の動作状態で接触圧力ｐに対して流体潤滑で動作するようにＶ値を設定する。流体潤滑で動作する限りシャフトと軸受は接触しないためメタル・コンタクトが発生することはないが、衝撃が発生すると瞬間的に接触圧力ｐが増大する。ストライベック線図によれば、接触圧力ｐが高いときには軸受定数が低下して混合潤滑、または境界潤滑に移行する。ファン・モータ３７は、アウターロータ型でブレード１１１、ロータ１１５およびシャフト１０１などによるラジアル方向の軸受荷重をすべて流体動圧軸受１２９が負担し、流体動圧軸受１２９の長さＬが短いため、衝撃により高い接触圧力ｐが発生する傾向にある。

したがって、放熱ファン・ユニット１００に衝撃が加わると接触圧力ｐが一時的に増加して流体潤滑膜が消滅する。このとき、金属粉の発生を防止する方法として、ファン・モータ３７の回転速度を上昇させてＶ値を現在よりも増加させることで軸受定数を流体潤滑の領域に維持することができる。また、金属粉はメタル・コンタクトが発生する状態でシャフトが回転する際に発生するため、衝撃の瞬間にシャフトの回転を停止させておくか、少なくとも現在よりも回転速度を低下させておくことで金属粉の低減に有効である。

衝撃の予兆を検出してからファン・モータ３７を停止するまでの時間はできるだけ短いことが望ましい。ブレード１１１およびロータ１１５を含めた回転部が回転するときの運動エネルギーは、回転部の慣性モーメント（ＧＤ２）と角速度の２乗に比例する。回転部が惰性で自然に停止するときは、回転部の運動エネルギーを流体動圧軸受１２９に対するシャフト１０１の摩擦力やブレード１１１の風損などで消費するが、運動エネルギーが大きいほどまた消費エネルギーが小さいほど停止までの時間が長くなる。

回転部の慣性モーメントは比較的大きいため、短時間に停止させるためにはシャフト１０１に制動力を付与することが有効である。シャフト１０１に制動力を付与すれば、衝撃が発生するまでファン・モータ３７の回転を完全に停止させたり、十分に低い回転速度まで低下させたりすることができる。ここに、惰性で自然に停止するとは、ファン・モータ３７のシャフト１０１に対する所定方向の駆動力を停止してから回転時の運動エネルギーを主としてシャフト１０１の摩擦と回転部の風損で消費しながら停止することをいう。さらに惰性で停止するとは、モータの巻線の接続を変更したり駆動時と異なる極性の磁極を形成したりして発電制動、回生制動または逆転制動などの制動力が付与されない状態で停止することをいう。またファン・モータ３７による所定方向の駆動力は、回転体を目的に沿う方向に回転させる駆動力をいう。

［ファン・モータの制御機構］
図８は、ファン・モータの制御機構を示す機能ブロック図である。制御機構２００は、直流電源１７９、制御部１８１、駆動回路３５およびファン・モータ３７を含んでいる。直流電源１７９は、ＡＣ／ＤＣアダプタまたは電池パックなどの電力源と、入力電圧を所定の出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを含んでおり、ハイブリッドＰＣ１０のデバイスに電力を供給する。直流電源１７９は、制御部１８１、駆動回路３５、およびファン・モータ３７にも所定の直流電圧で電力を供給する。

制御部１８１は、ＥＣ３３、加速度センサ３１、リッド・センサ４１、キーボード３８、タッチパッド３６、温度センサ３９および現在のパワー・ステートを記憶するレジスタなどを含んで構成されている。駆動回路３５は、ファン・モータ３７の現在の回転速度を検出して制御部１８１に送る。制御部１８１は温度制御モードにおいて、温度センサ３９が検出した温度とＴＡＴ６１と現在の回転速度を参照して新たなファン・モータ３７の回転速度を決定し駆動部３７にＰＷＭ信号を送る。

駆動回路３５は、制御部１８１から受け取ったＰＷＭ信号により、ファン・モータ３７を現在の回転速度の維持、変更または停止をするように制御する。制御部１８１は、衝撃の予兆を認識したときに、駆動回路３５に衝撃予兆信号を送る。駆動回路３５は温度制御モードのときに衝撃予兆信号を受け取ったときは衝撃モードに移行し、衝撃予兆信号が消滅したときには温度制御モードに復帰する。衝撃モードは、温度制御モードをオーバーライドしてシャフト１０１に制動力を加え、ファン・モータ３７の回転速度を変更したり停止したりする動作をいう。衝撃モードはファン・モータ３７の回転速度を、衝撃予兆信号が生成されたときにＴＡＴ６１が要求する回転速度より上昇させる動作を含む。

ファン・モータ３７は、ステータの電機子鉄心１２５にスター接続で巻回された３個の電機子コイル１２３ａ〜１２３ｃと、ロータ１１５に取り付けられた極性の異なる２個の永久磁石１２１ａ、１２１ｂを含んでいる。電機子コイル１２３ａ〜１２３ｃの中性点は、ライン１７５で駆動回路３５に接続されている。電機子コイル１２３ａ〜１２３ｃは、それぞれ直流電源１７９とグランドとの間に直列に接続された３対のＮ型のＦＥＴ１７３ａ〜１７３ｃの中点に接続されている。

ＦＥＴ１７３ａ〜１７３ｃはそれぞれ、ハイサイドのＦＥＴのドレインが直流電源１７９に接続され、ローサイドのＦＥＴのソースがグランドに接続され、ゲートが駆動回路３５に接続されている。ＦＥＴ１７３ａ〜１７３ｃは、電機子コイル１２３ａ〜１２３ｃとの間で３個のＨブリッジ回路を構成する。ファン・モータ３７の構成は周知である。

つぎに制御機構２００の動作を説明する。制御部１８１はＴＡＴ６１を利用して、駆動回路３５から受け取った現在の回転速度と温度センサ３９の出力によりファン・モータ３７の回転速度を決定する。制御部１８１は決定した回転速度対応するＰＷＭ信号を駆動回路３５に送る。駆動回路３５は衝撃予兆信号を受け取らない限り温度制御モードで動作する。駆動回路３５は、ＦＥＴ１７３ａ〜１７３ｄをＰＷＭ制御して、電機子コイル１２３ａ〜１２３ｃに印加する電圧を制御する。駆動回路３５は、あるタイミングではいずれか一つの対のハイサイドのＦＥＴと他の一つの対のローサイドのＦＥＴを選択して、ファン・モータ３７がＰＷＭ信号に対応する回転速度で回転するようにそれらのデューティを調整する。残りのＦＥＴはオフになり、ローサイドのＦＥＴがオフになる電機子コイルは電流が流れないフローティング状態になる。

たとえば、電機子コイル１２３ａ、１２３ｃに流れた電流により生成された磁界が合成されて、磁界の空間ベクトルが形成される。駆動回路３５は、フローティング状態の電機子コイル１２３ｂに誘起された電圧を検出してロータ１１５の回転位置を検出しＦＥＴ１７３ａ〜１７３ｃの動作を制御して磁界の空間ベクトルを回転させる。永久磁石１２１ａ、１２１ｂは、電機子コイル１２３ａ〜１２３ｃが生成した回転するベクトル磁界から吸引力または反発力を受けてとベクトル磁界と同じ方向に回転する。

制御部１８１は、回転速度を変更するときにＰＷＭ信号のデューティを変更する。これまではファン・モータ３７の回転を停止するときに、制御部１８１はディユーティがゼロのＰＷＭ信号を出力し、それを受け取った駆動回路３５はＦＥＴ１７３ａ〜１７３ｃをすべてオフにして回転体の惰性で停止させていた。このとき電機子コイル１２３ａ〜１２３ｃはすべてフローティング状態になり、シャフト１０１に対してはファン・モータ３７の電磁力による制動力が付与されない。本実施の形態ではファン・モータ３７を停止させる際に制御部１８１が、現在の回転速度をより遅い回転速度にステップ状に変更するようなＰＷＭ信号を順番に駆動回路３５に送ることができる。

図９は、ステップ状に速度を低下させてファン・モータ３７を停止させるときの様子を示す図である。ライン２０１は、惰性により停止する状態を示しており、時刻ｔ０でＦＥＴ１７３ａ〜１７３ｃをオフにしたときに、時刻ｔ１で回転が停止する様子を示している。ライン２０３は、回転速度をステップ状に低下させたときに時刻ｔ２で回転が停止する様子を示している。ライン２０３では、回生制動が行われるためステップ状の各回転速度間で低下する回転速度の単位時間当たりの低下率がライン２０１に比べて大きくなっている。

たとえば制御部１８１は、ファン・モータ３７が４５５０ｒｐｍで回転しているときに回転を停止するために時刻ｔ０で３８５０ｒｐｍに相当するＰＷＭ信号を送り、回転数が３８５０ｒｐｍまで減速するとただちに３５００ｒｐｍに相当するＰＷＭ信号を送る。同様の手順で順番に２８００、２０００ｒｐｍに相当するＰＷＭ信号を送り、２０００ｒｐｍまで減速するとただちに時刻ｔ３ですべてのＦＥＴ１７３ａ〜１７３ｃをオフにする。

すなわち、４５５０ｒｐｍで回転しているときに駆動回路３５が３８５０ｒｐｍに相当するデューティで電機子コイル１２３ａ〜１２３ｃの電圧を制御すると、３８５０ｒｐｍに回転速度が低下するまでファン・モータ３７は直流発電機として動作し、ＦＥＴ１７３ａ〜１７３ｃのオン期間に直流電源１７９で電力が回収されて制動力が発生する。ＦＥＴ１７３ａ〜１７３ｃのオフ期間は回生制動が行われないため、オン期間の長い速い回転速度の方が制動力は大きい。したがって、４５５０ｒｐｍから２０００ｒｐｍまで１段で回転速度を低下させるよりもステップ状に回転速度を低下させた方が停止までの時間を短くすることができる。

制動力を付与するためのステップ状の各回転速度は、ＴＡＴ６１に記述された回転速度とは異なるものであってもよい。また減速は、駆動回路３５が電機子コイル１２３ａ〜１２３ｃを短絡して制動したり、逆方向に回転する磁界を発生させたりして制動することにより行ってもよい。このとき、ステップ状に制動力を付与しないで停止操作を開始してから完全に停止するまで継続的に制動力を付与するようにしてもよい。

［制御機構の動作手順］
つぎに、図１０を参照してハイブリッドＰＣ１０において流体動圧軸受１２９の摩耗を防止する手順を説明する。ブロック３０１でハイブリッドＰＣ１０は、支持部材１４が開かれてパワー・オン状態で動作している。あるいは、支持部材１４が閉じられてサスペンド状態に移行している。さらに、分離状態でタブレット・ユニット１２が単独で使用されていてもよい。

ハイブリッドＰＣ１０は、サスペンド状態でも定期的にパワー・オン状態に移行して所定の処理をするためＣＰＵ２１およびその他のデバイスが動作して内部の温度が上昇する。したがって、サスペンド状態に遷移したときにも放熱ファン・ユニット１００による放熱が必要な程度までデバイスの温度が上昇している場合がある。また、システムによっては、サスペンド状態だけが継続する場合にも放熱ファン・ユニット１００を動作する場合がある。

駆動回路３５は制御部１８１からＰＷＭ信号を受け取って、温度制御モードで動作している。ブロック３０３でＥＣ３３は定期的に加速度センサ３１から加速度に対応する信号を受け取る。ブロック３０５で制御部１８１が衝撃予兆条件の成立を認識すると、ブロック３０７で駆動回路３５に衝撃予兆信号を出力する。

衝撃が発生する前に、ファン・モータ３７の回転を停止させるか回転速度を十分に低下させるためには、衝撃予兆条件の判断と衝撃予兆信号の出力の処理をできるだけ短時間で終了できることが望ましい。衝撃予兆条件の判断をＣＰＵ２１が行うことは、以下の理由で好ましくない。まず、ＣＰＵ２１の処理時間は、割り込みをかけたときの負荷に影響を受ける。また、ＣＰＵ２１は、軽負荷のときまたはアイドルのときにスリープ・ステートに遷移するが、その場合ウェイクアップするまでに所定の時間が必要となる。

さらに、ＣＰＵ２１はさまざまなプログラムを実行するためハングアップすることもある。またＣＰＵ２１は、サスペンド状態では電力が停止するために、サスペンド状態で放熱ファン・ユニット１００が動作することのあるシステムでは利用できない。ＥＣ３３はＣＰＵ２１から独立して所定のファームウェアを実行するためＣＰＵ２１の場合に発生する諸問題の影響を受けることがない。

ブロック３０９で衝撃予兆信号を受け取った駆動回路３５は、衝撃モードに移行する。駆動回路３５はＰＷＭ信号を無視してＦＥＴ１７３ａ〜１７３ｃを制御し、ファン・モータ３７の回転速度を変更する。一例では、駆動回路３５は、現在の回転速度よりも低い回転速度に対応する電圧をファン・モータ３７に順番にステップ状に加えてシャフト１０１に制動力を付与する。

制動力が付与されたファン・モータ３７は、衝撃が発生する際に回転が停止しているか十分に低い回転速度まで回転速度が低下する。他の例では駆動回路３５は、回転速度を所定値以上に上昇させる。所定値は、衝撃が発生しても流体動圧軸受１２９にメタル・コンタクトが発生しない程度の油圧を発生することができる回転速度（これを限界回転速度という。）に相当する。

駆動回路３５は、衝撃予兆信号を受け取ったときの回転速度が限界回転速度以上のときはそのまま維持するようにしてもよい。衝撃予兆信号を受け取ったときの回転速度が遅いほど停止するまでの時間は短くなる。これを考慮して駆動回路３５は、衝撃予兆信号を受け取ったときの回転速度が遅いときは制動力を付与し、早いときは限界回転速度以上まで回転速度を上昇させるいずれかの制御をするようにしてもよい。衝撃予兆信号により回転速度が急激に上昇するときは耳障りな騒音が発生するが、比較的早い回転速度のときにだけさらに限界回転速度まで上昇させる場合は、騒音の違和感を軽減することができる。

ブロック３１１では、予測が的中した場合には衝撃が発生し、外れた場合には衝撃が発生しない。衝撃が発生しても、衝撃発生時にファン・モータ３７は回転が停止するか回転速度が限界回転速度以上に上昇しているため、金属粉の発生を抑制することができる。また、衝撃予兆信号が生成されてから衝撃が発生するまでの時間が短い場合でも、制動力により衝撃時に十分に低い回転速度まで低下していれば摩耗を低減することができる。

ブロック３１３で制御部１８１は、衝撃予兆条件が解除されたか否かを判断する。衝撃予兆条件が解除されたときはブロック３１５で制御部１８１は、衝撃予兆信号を停止する。衝撃予兆信号が停止された駆動回路３５は温度制御モードに移行する。ブロック３１３で衝撃予兆条件が解除されていないときは、ブロック３１７に移行する。ブロック３０９で制動力が付与されていた場合はこの時点でファン・モータ３７の回転が停止している。

そして、システム・デバイスが動作していれば、やがて、筐体の内部やデバイスの温度が上昇する。ブロック３１７で制御部１８１は、温度センサ３９の出力とＴＡＴ６１を比較して、ファン・モータ３７を回転させる必要があるか否かを判断する。ファン・モータ３７の停止を維持できるときはブロック３１３に戻る。ファン・モータ３７を回転させる必要があるときは、制御部１８１はブロック３１９で、ファン・モータ３７を限界回転速度以上の回転速度で回転させてブロック３１３に戻る。

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 ハイブリッドＰＣ
１１ ベース・ユニット
１２ タブレット・ユニット
１３ キーボード筐体
３７ ファン・モータ
１００ 放熱ファン・ユニット
１０１ シャフト
１１１ ブレード
１１５ ロータ
１２１ 永久磁石
１２３ 電機子コイル
１２９ 流体動圧軸受

Claims (20)

1. 電子機器に搭載する回転機構であって、
   回転体に結合されたシャフトを支持する流体動圧軸受と、
   前記シャフトに駆動力を付与するモータと、
   前記電子機器の運動を検知するモーション・センサと、
   前記モーション・センサの出力に基づいて前記電子機器に対する衝撃の発生を予測して衝撃予兆信号を出力する衝撃予測部と、
   前記衝撃予兆信号を受け取ったときに前記流体動圧軸受の流体潤滑を維持するために前記モータの回転速度を変更する駆動部と
   を有する回転機構。
2. 前記衝撃予兆信号を受け取った駆動部は、制動力を付与して前記モータの回転を停止させる請求項１に記載の回転機構。
3. 前記衝撃予兆信号を受け取った駆動部は、前記モータの回転速度を所定値以上に上昇させる請求項１または請求項２に記載の回転機構。
4. 前記モーション・センサが、前記電子機器の加速度を検出する加速度センサである請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転機構。
5. 前記モータがブラシレス直流モータで、前記駆動部は前記モータに印加する電圧をステップ状に低下させて制動力を付与する請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転機構。
6. 前記回転機構が前記電子機器の筐体内部から熱を放熱する放熱ファンを構成する請求項１から請求項５のいずれかに記載の回転機構。
7. 流体動圧軸受を含む放熱ファンを備える携帯式コンピュータであって
   前記携帯式コンピュータの運動を検出するモーション・センサと、
   前記モーション・センサの出力に基づいて前記携帯式コンピュータに対する衝撃の発生を予測して衝撃予兆信号を出力する衝撃予測部と、
   前記衝撃予兆信号に応答して前記流体動圧軸受のメタル・コンタクトを低減するために前記放熱ファンの回転速度を変更する駆動部と
   を有する携帯式コンピュータ。
8. 筐体内部の温度に応じた温度制御信号を前記駆動部に出力して前記放熱ファンの回転速度を制御する温度制御部を有し、前記駆動部は前記衝撃予兆信号に応答して前記温度制御信号をオーバーライドする請求項７に記載の携帯式コンピュータ。
9. 前記駆動部は、前記放熱ファンの回転が停止しかつ前記衝撃予兆信号が停止したときに前記温度制御信号で前記放熱ファンの回転速度を制御する請求項８に記載の携帯式コンピュータ。
10. 前記駆動部は、前記放熱ファンの回転を停止した後において前記衝撃予兆信号が停止していないときに、前記温度制御部が前記放熱ファンの回転を要求したときに所定値以上の回転速度で前記放熱ファンを回転させる請求項８または請求項９に記載の携帯式コンピュータ。
11. 前記衝撃予測部は、前記携帯式コンピュータの中央演算処理装置から独立して所定のファームウェアを実行するコントローラで構成されている請求項７から請求項１０のいずれかに記載の携帯式コンピュータ。
12. 前記携帯式コンピュータが、キーボードを搭載する第１の筐体と該第１の筐体に対して回動できるように取り付けられたディスプレイを搭載する第２の筐体を含み、前記放熱ファンが前記第２の筐体に収納されている請求項７から請求項１１のいずれかに記載の携帯式コンピュータ。
13. 前記モーション・センサが前記第２の筐体の回動を検出する請求項１２に記載の携帯式コンピュータ。
14. 前記モーション・センサが前記第２の筐体に取り付けられた加速度センサである請求項１２に記載の携帯式コンピュータ。
15. 回転体に結合されたシャフトを支持する流体動圧軸受の摩耗を低減する方法であって、
    前記回転体を回転させるステップと、
    前記回転体を収納する筐体の運動の変化を検出するステップと、
    前記運動の変化に基づいて前記流体動圧軸受に対する衝撃を予測するステップと、
    衝撃を予測したときに前記流体動圧軸受の流体潤滑を維持するために前記回転体の回転速度を変更するステップと
    を有する方法。
16. 前記回転速度を変更するステップが、衝撃を予測したときの前記回転体の回転速度を検出するステップと、
    前記検出した回転速度が所定値未満の時に前記回転体に制動力を加え、前記検出した回転速度が所定値以上の時に回転速度を上昇させるステップと
    を有する請求項１５に記載の方法。
17. 携帯式コンピュータから放熱する放熱ファンのシャフトを支持する流体動圧軸受の摩耗を低減する方法であって、
    前記携帯式コンピュータの温度により前記放熱ファンの回転速度を制御するステップと、
    前記携帯式コンピュータの運動の変化を検出するステップと、
    前記運動の変化に基づいて前記携帯式コンピュータに対する衝撃を予測するステップと、
    衝撃を予測したときに前記流体動圧軸受のメタル・コンタクトを低減するために前記放熱ファンの回転速度を変更するステップと
    を有する方法。
18. 前記運動の変化を検出するステップが、ディスプレイを搭載する筐体が閉められるときの状態を検出するステップを含む請求項１７に記載の方法。
19. 前記運動の変化を検出するステップが、前記携帯式コンピュータがサスペンド中のときに人間の歩行を示す揺動を検出するステップを含む請求項１７または請求項１８に記載の方法。
20. 回転体に結合されたシャフトを支持する流体動圧軸受の摩耗を低減するためにコンピュータに、
    前記流体動圧軸受を収納する筐体の運動の変化を検出する機能と、
    前記回転体が回転しているときに、前記運動の変化に基づいて前記流体動圧軸受に対する衝撃を予測する機能と、
    衝撃を予測したときに前記流体動圧軸受の流体潤滑を維持するために前記回転体の回転速度を変更する機能と
    を実現させるためのコンピュータ・プログラム。
    
    

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