JP6097926B2 - ブレード及びそれを用いた送風装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、例えばパーソナルコンピュータなどの電子機器において、発熱部品を冷却する送風装置に備えられるブレードに関し、特に薄型化されたブレード及びそれを用いた送風装置及び電子機器に関する。

最近のコンピュータにおけるデータ処理の高速化の動きはきわめて急速であり、ＭＰＵのクロック周波数は、以前と比較して格段に高いものになってきている。

その結果、ＭＰＵの発熱量が増大し、従来のように放熱フィンを有するヒートシンクを発熱体に接触させて放熱する方法だけでなく、そのヒートシンクを送風装置であるファン装置で直接冷却する方法などが必要不可欠となっている。

一方、前述したファン装置の冷却性能の向上は、その高風量化、高静圧化などの送風性能の向上に大きく依存し、冷却性能を向上させようとするとファン装置は大型化する。しかしながら、コンピュータ自体の小型化、薄型化も求められており、ファン装置に対しては、冷却性能の維持もしくは向上した上での小型化、薄型化が求められる。

そこで、ファン装置の機能を維持しつつファン装置の薄型化をするため、ファン装置のブレードのハブ内部に金属部を設け、金属部とシャフトを溶接接合する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。すなわち、風を発生させるブレード部は一般的に樹脂で形成され、そのハブ内に金属部を形成する。ブレード部を回転させるモータの回転軸となるシャフトはその金属部と溶接され強固に接合される。これにより、ブレード部全体を樹脂で形成し、樹脂とシャフトとを強固に接合する場合と比較して、金属部を薄型化してもブレード部の合成を保つことができる（詳細は、実施の形態にて説明する）。

特開２０１２−０５７６１４号公報

しかしながら、特許文献１の記載のカバー部材は、金属部の上面とシャフトの上面とが同一平面上となるため、溶接時の溶接肉が金属部の上面よりも盛り上がり、ファン装置の厚型化につながる。また、一方が他方に覆いかぶさって溶接されにくいため、シャフトの軸方向と同一方向ばかりで接合され、強固な接合が難しい。そのため、接合部分のクラックが発生しやすいという課題を備える（詳細は後述する）。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、溶接肉が金属部の上面よりも上部に飛び出さないようにしてファン装置の薄型化を達成しつつ、金属部とシャフトとの接合部分のクラック発生を抑え、強固に接合することのできるブレード及びそれを用いた送風装置及び電子機器を提供することである。

本発明は、金属のシャフトと、略中央部に凹部と、前記凹部内に貫通孔を有し、前記貫通孔内に前記シャフトの一部が位置するように前記シャフトと溶接で接合される金属部と、前記金属部の外周から遠心方向外側に形成される羽根部と、を備え、前記シャフトの長手方向において、前記シャフトの上面は、前記金属部に形成された前記凹部の上面と前記金属部の最上面との間に位置することを特徴とするブレードである。

本発明によれば、溶接肉が金属部の上面よりも上部に飛び出さないようにしてファン装置の薄型化を達成しつつ、金属部とシャフトとの接合部分のクラック発生を抑え、強固に接合する。

本発明の実施の形態における送風装置の斜視図 本発明の実施の形態におけるファンブレードの斜視図 本発明の実施の形態におけるファンブレードを示す図 本発明の実施の形態におけるファンブレードの内部を示す図 本発明の実施の形態における金属部とシャフトとの接合方法と従来例の樹脂とシャフトとの接合方法を比較する図 本発明の実施の形態における金属部とシャフトの接合部分を示す図 本発明の実施の形態におけるシャフトと金属部との接合を示す模式図 本発明の実施の形態における３点レーザ照射による接合を説明する図 本発明の実施の形態における３点レーザ照射部分を示す図 比較説明のための１点レーザ照射による接合を説明する図 比較説明のための１点レーザ照射部分を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態）
本実施の形態では、本発明のモータ及びそれを用いた送風装置を発熱備品の冷却に使用する場合について説明する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態における送風装置の斜視図である。図１（Ａ）は、送風装置の斜視図、図１（Ｂ）は、送風装置の上面図である。図１に示すように、送風装置１のファンケース２は、下部に位置するファンフレーム２Ａとその上部に位置するファンカバー２Ｂにより構成されている。ここで、ファンフレーム２Ａは、樹脂成型やアルミニウム合金のダイカスト成型などにより底面と側面が一体的に形成される。もちろん、底面と側面が別々で形成されても良く、それぞれを組み立てて構成しても良い。その一方の側面に吸気した空気を排気する排気口３が配設されており、ファンフレーム２Ａの底面には吸気口が配設されている。また、ファンカバー２Ｂは、アルミニウムやステンレス鋼などの金属材料の打ち抜き成形や樹脂成形によりプレート状に成形されており、その中央部に空気を吸気する略円形状の吸気口４が配設されている。送風装置１の軽量化や低コスト化のためにファンフレーム２Ａは樹脂成形で作られることが多い。吸気口４は、ファンフレーム２Ａとファンカバー２Ｂとのどちらか一方だけに設けてもよいし、両方に設けてもよい。

そして、そのファンフレーム２Ａとファンカバー２Ｂとに挟まれて収容されるようにファンブレード５が配置される。ファンブレード５が高速で回転すると、ファンカバー２Ｂの中央部に配設された吸気口４と、ファンフレーム２Ａの底面に配設された吸気口とから、空気が吸気される。吸気された空気がファンブレード５の回転運動によりファンケース２の内部でファンブレード５の遠心方向へと風向きが変えられる。従って、吸気された空気の大部分はファンフレーム２Ａやファンカバー２Ｂの内壁にぶつかりながら、その内壁に沿ってファンブレード５の回転方向と同一の方向へそれらの空気が送られて排気口３から排気される。送風装置１には必ずしもファンカバー２Ｂを設ける必要はなく、送風装置１が搭載される電子機器などの筐体を利用しても良い。

次に、ファンブレード５について、図２〜４を用いて詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態におけるファンブレードの斜視図である。図３は、本発明の実施の形態におけるファンブレードを示す図である。図３（Ａ）は、ファンブレードの上面図、図３（Ｂ）は、ファンブレードを横から見た図、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のＣ−Ｃにおける断面であって、ブレード部のみを示す図である。図４は、本発明の実施の形態におけるファンブレードの内部を示す図であり、図４（Ａ）は、図１（Ｂ）のＡ−Ａにおける断面であって、モータ部を含む図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ部拡大図である。

ファンブレード５は、内側にモータ部を収納するハブ部の少なくとも一部または全体を構成する円形の金属部６と、金属部６の周囲から遠心方向外側へ伸びる樹脂のブレード部７を備える。金属部６は、図３（Ｃ）の通り、約２３ｍｍの円盤状の上面（略円形の平面状）と、この上面の外周端全周から図面下方向に伸びる側壁と、を備える。この側壁は、後述するシャフト１０と同一方向に伸びる。円盤状の上面の約中心に直径約２ｍｍの円形の凹部１１（深さ０．１ｍｍ）を備え、その凹部１１内に直径約１．２ｍｍの円形の貫通孔１２を備える。凹部１１及び貫通孔１２は円形に限定されないが、回転するシャフト１０が円形であることがこのましく、それに合わせて円形にするとよい。（シャフト１０の段権の直径）＜（貫通孔１２の直径）＜（凹部１１の直径）＜（金属部６の直径）である。凹部１１は、幅（円形であれば直径）が１〜４ｍｍ程度で、シャフト１０の断面の直径の１．１〜２倍程度であることが好ましい。この金属部６の上面の最下面は、凹部１１が形成された部分は凹部１１の深さだけ図面下方へ突出している。このようにすることで、金属部６のうち凹部１１部分のみが薄くなることもなく、接合部分の強度を維持することができる。一方で、下方へ突出しないように形成することで、ハブのモータ部のための空間をより多く確保することができる。ブレード部７は、金属部６の周りに設けられる円環板と、円環板から伸びて空気を推進させる羽根部とを備る。すなわち、ブレード部７は、ファンブレード５の樹脂で構成された部分である。円環板は、ファンフレーム２Ａとファンカバー２Ｂとに設けられた上下の吸気口４から吸気された空気がお互いに衝突しないように整流する。もちろん、羽根部を金属部６の外周から伸ばしてもよい。

円環板や羽根部を構成する樹脂は、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）などである。金属部６を構成する金属は、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）、電気亜鉛めっき鋼板（ＳＥＣＣ）、ステンレス（ＳＵＳ４２０、マルテンサイト系）、ステンレス（ＳＵＳ４３０、フェライト系）などから、適宜選択すると良い。

また、ブレード部７の最上部は、金属部６の上面よりも更に上側に位置せず、ファンブレード５で最も厚みが厚い部分は、図４（Ａ）の通り、金属部６の部分である。

図４に示されるように、送風装置１には、ファンフレーム２Ａに形成されたフレームハウジング８が設けられている。そのフレームハウジング８の外周に沿って、送風装置１を制御する回路基板が設けられ、その回路基板に接続するように上部には、モータ部の固定子を構成するステータ９が設けられている。一般的なモータ部の構成である。

そのステータ９の外周には、ステータ９を覆うようにファンブレード５を設けたロータが設けられている。

図４（Ａ）に示すように、フレームハウジング８に沿って、ファンフレーム２Ａの底面側から、回路基板、ステータ９の順に配置される。シャフト１０を中心とするロータの内周にはロータマグネットが設けられ、ロータの回転軸は、フレームハウジング８によって軸支されている。ステータ９とロータマグネットとは対向している。ロータの回転によってファンブレード５が回転する。

ステータ９は、磁性材料からなる金属板を回転軸の軸方向に積層して形成されたもので、各ティース部には電着塗装などによって絶縁層が形成され、この絶縁層を介してコイルが巻装されている。もしくは、絶縁部材としては絶縁層の代わりに絶縁材で構成しても良いが、絶縁層のほうが上述した効果が得られる。

このとき、ハブ部の一部を金属部６で構成することで、薄型化したとしてもファンブレード５の剛性を保つことができる。すなわち、シャフト１０は、金属部６の上面の略中心に形成された貫通孔１２内に挿入される。そして、金属部６とシャフト１０がレーザ溶接接合され、金属部６の周囲の少なくとも一部（好ましくは図３（Ｃ）のように外周の全周）と樹脂とがインサート成形や接着などの方法によって接合される。この樹脂とは、円環板やブレード部７と一体であり、もちろん別体で形成して接合してもよい。

なお、シャフト１０の材料は、ステンレス（ＳＵＳ４２０、マルテンサイト系）などである。金属部６とシャフト１０との材料は同一材料である必要はないが、溶接の際の熱伝導率を考慮すると、同一系統の材料であるほうがより強固な接続が可能となる。

シャフト１０の断面積の径は１〜３ｍｍ、金属部６の厚みは０．３〜０．５ｍｍ、金属部６の外径は、１０〜３０ｍｍ程度である。

次に、ハブ部の上面とシャフトの接合について、本実施の形態と従来例との違いを説明する。

図５は、本発明の実施の形態における金属部とシャフトとの接合方法と従来例の樹脂とシャフトとの接合方法を比較する図である。図５（Ａ）は、本実施の形態を説明する図、図５（Ｂ）は、従来例を説明する図である。

図５（Ｂ）のように、従来の例えばインサート成形によって樹脂とシャフト１０とを接合しようとすると、接合部を大きく確保しなくては固着強度を維持できない。ここで、ブレード部７は、樹脂のハブ部、円環板や羽根部が金属部６にモールド成形される。また、インサート成形、アウトサート成形、接着剤や硬化樹脂などを介在させての接着、などの方法から適宜選んで、樹脂のハブ部とシャフト１０を接合させてもよい。しかし、どのような方法によって固着させても、接合の強度を十分に得ようとすると、樹脂のハブ部とシャフト１０との接触面積を大きく確保しなくてはならない。その分、接合部分だけで厚みが増す。

一方、図５（Ａ）のように溶接、特にレーザ溶接で金属部６とシャフト１０とを接合させると、溶接という接合方法によって強力な接合強度を得ることができる。この結果、金属部６とシャフト１０との接触面積を大きく確保する必要がなく、図５（Ｂ）と比較して薄型化が可能となる。

ただし、従来のインサート成形などによって形成された図５（Ｂ）の形態の場合、シャフト１０と樹脂の接合部分が盛り上がるなどがない。すなわち、樹脂は成形されて形状から、形状を変化しない。一方で、図５（Ａ）に示される本願発明においては、金属部６とシャフト１０との接合部が、金属部６の上部から溶接肉として突出してしまうことがある。すなわち、その溶接肉の分だけ、送風装置１の高さが増してしまう可能性がある。

本願発明は、この課題を下記のように解決し、薄型化を維持する。

次に、本発明の特徴点について説明する。図６は、本発明の実施の形態における金属部とシャフトの接合部分を示す図である。図６（Ａ）は、金属部とシャフトの拡大断面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＦ部拡大図である。図７は、シャフトと金属部との接合を示す模式図である。

金属部６とシャフト１０は、レーザ溶接によって接続される。このとき、図６（Ｂ）の金属部６の中央部Ｆ領域は、金属部６の上面の最上位から凹形状となる凹部１１となる。シャフト１０の上面はこの中央部Ｆから突出し、かつ金属部６の上面の最上位よりも突出はしない。すなわち、シャフト１０の上面は金属部６の上面の最上位と並ぶか、それよりも下位に位置し、下位に位置したほうが確実に溶接肉の突出の高さを吸収でき、ファンブレード５の薄型を維持できるため好適である。

本実施の形態においては、中央部Ｆの深さが０．１ｍｍであり、シャフト１０の上面は中央部Ｆの上面よりも０．０６ｍｍほど突出している。シャフト１０の上面が、中央部Ｆの上面よりも、中央部Ｄの深さの４０％以上程度突出していると、本願発明の効果を効果的に得ることができる。

また、溶接肉の高さは一般的に０．０５〜０．１５ｍｍ（本実施の形態においては約０．１ｍｍ）程度であるため、十分に溶接肉の突出を中央部Ｆの凹部１１によって吸収することができる。

さらに、本願は上記の構成をとることによって、クラックの発生を防止することができる。図７は、本発明の実施の形態における金属部とシャフトとの溶接接合を説明する図である。図７（Ａ）は、本発明の実施の形態における金属部とシャフトとの溶接接合を示す図であり、図７（Ｂ）は、説明のため従来例における金属部とシャフトとの溶接接合を示す図である。

図７（Ｂ）では、図６（Ａ）の中央部Ｆに凹部１１を設ける必要がない分、中央部Ｆにおける金属部６の位置が高くなり、ハブ部内側の容積が大きくなる。その分余裕をもってステータ９を配置することができる。しかしながら一方で、金属部６の上面とシャフト１０の上面とが略同一平面状となっているため、溶接肉が上面よりも上部に飛び出て盛り上がってしまう。また、それと同時にクラックが生じやすくなってしまう。すなわち、金属部６とシャフト１０との一方が他方に覆いかぶさるということが難しいため、シャフト１０の軸方向に垂直な方向（一方向）ばかりに溶接接合されている。この結果、接合強度を十分に得ることが難しく、クラックが生じやすくなってしまう。

一方、本実施の形態においては、図６に示すとおり、中央部Ｆに凹部１１を形成したため、シャフト１０を中央部Ｆの上面から突出させることができる。この結果、図７（Ａ）に示すとおり、シャフト１０が溶接された部分が金属部６を覆うようになるため、シャフト１０の軸方向に垂直な方向だけでなく、シャフト１０の軸方向にも溶接接合されている。この結果、金属部６とシャフト１０とが強力に接合され、クラックが発生しにくくなる。また、短時間で溶接できるため、レーザ溶接による金属部６とシャフト１０との熱変化も抑えることができる。

なお、シャフト１０の上面が中央部Ｆの上面よりも下に位置するように溶接すると、シャフト１０の全長が相対的に短くなり、送風装置１の駆動寿命へ悪影響を及ぼし、長寿命とすることが難しくなる。
次に、金属部６上面（貫通孔１２上部）とシャフト１０上面との溶接工程について説明する。図８は、本発明の実施の形態における３点レーザ照射による接合を説明する図である。図８（Ａ）は初期レーザ照射位置を示す図であり、図８（Ｂ）レーザ溶接工程を示す図である。図９は、本発明の実施の形態における３点レーザ照射部分を示す図である。図９（Ａ）は、３点レーザ照射部分の上面を示す図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＥ−Ｅにおける断面を示す図である。図１０は、比較説明のための１点レーザ照射による接合を説明する図である。図１０（Ａ）は初期レーザ照射位置を示す図であり、図１０（Ｂ）レーザ溶接工程を示す図である。図１１は、比較説明のための１点レーザ照射部分を示す図である。図１１（Ａ）は、１点レーザ照射部分の上面を示す図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）のＦ−Ｆにおけるレーザ溶接部分の断面を示す図である。

図８（Ａ）に示すように、本実施の形態においては、初期レーザ位置として、ほぼ同時に３点にレーザを照射する。これにより、シャフト１０の外周全方向において、金属部６とシャフト１０との位置関係があまりずれることなく、シャフト１０と金属部６との間の距離を略一定に固定して、初期レーザ照射による溶接することができる。そして、金属部６とシャフト１０との位置関係が固定されたまま全周を溶接することができる。

この結果、図９（Ａ）、（Ｂ）のように金属部６とシャフト１０とを強力に接合することができ、接合部にはクラックが生じにくい。また、３点で同時にレーザ照射するため、各レーザ照射は初期の各点から１２０度しか溶接する必要がなく、溶接工程を短縮することができる。

一方、図１０（Ａ）に示すように、初期レーザ位置として１点のみにレーザを照射すると、初期レーザ位置において、金属部６とシャフト１０との距離が小さくなり、シャフト１０の位置が金属部６に対して初期レーザ位置に引き寄せられて偏ってしまう。その結果、シャフト１０が金属部６の貫通孔１２ないで偏って位置する。したがって、シャフト１０が金属部６の貫通孔１２ないで偏って位置し、振動し、それが騒音の原因となってしまう。また、このような方法では、初期の１点から３６０度溶接する必要があり、溶接工程が長時間となってしまう。

このように、本実施の形態のブレードは、金属のシャフト１０と、金属部６と、金属部６の外周から遠心方向外側に形成される羽根部であるブレード部７と、を備える。金属部６は、略中央部に凹部１１と及び凹部１１内に貫通孔１２を有し、貫通孔１２内にシャフト１０の一部が位置するようにシャフト１０と溶接で接合される。シャフト１０の長手方向において、シャフト１０の上面は、金属部６に形成された凹部１１の上面と金属部６の最上面との間に位置することで、溶接肉が金属部の上面よりも上部に飛び出さないようにしてファン装置の薄型化を達成しつつ、金属部とシャフトとの接合部分のクラック発生を抑え、強固に接合する。送風装置１はこのブレードを備え、さらに、駆動部であるモータ部やファンケース２などを備える。さらに、この送風装置１を備える電子機器は例えばパーソナルコンピュータなどであり、筐体内に送風装置１を備える。この筐体には一般的に開口が備えられ、送風装置が吸排気する風を筐体内外に流すことができる。

また、図８、図９のように３点同時のレーザ溶接にて金属部６とシャフト１０とを接合することによって、シャフト１０の外周全方向において、金属部６とシャフト１０との位置関係があまりずれることなく、シャフト１０と金属部６との間の距離を略一定に固定して、初期レーザ照射による溶接することができる。そして、金属部６とシャフト１０との位置関係が固定されたまま全周を溶接することができる。

本発明によるブレード及びそれを用いた送風装置及び電子機器は、筐体内部に実装されたＭＰＵやさまざまな発熱電子部品を冷却することが可能であり、特により小型化、薄型か求められるノートＰＣ、サーバー、音響機器、映像機器などの電子機器に有用である。

１ 送風装置
２ ファンケース
２Ａ ファンフレーム
２Ｂ ファンカバー
３ 排気口
４ 吸気口
５ ファンブレード
６ 金属部
７ ブレード部
８ フレームハウジング
９ ステータ
１０ シャフト
１１ 凹部
１２ 貫通孔

Claims (4)

1. 金属のシャフトと、
   略中央部に凹部と、前記凹部内に貫通孔を有し、前記貫通孔内に前記シャフトの一部が位置するように前記シャフトと溶接で接合される金属部と、
   前記金属部の外周から遠心方向外側に形成される羽根部と、を備え、
   前記シャフトの長手方向において、前記シャフトの上面は、前記金属部に形成された前記凹部の上面と前記金属部の最上面との間に位置し、
   前記金属部は、前記凹部に対応した凸部を有することを特徴とするブレード。
2. 前記シャフトと前記金属部とはレーザ溶接で接合され、
   前記レーザ溶接の初期レーザ照射位置として、３点が略同時にレーザ照射されて接合されることを特徴とする請求項１に記載のブレード。
3. 請求項１または２のいずれかに記載のブレードと、
   前記金属部ないに収納されたモータ部と、
   前記ブレード及び前記モータ部を支持するファンフレームと、
   前記ファンフレームに少なくともその一部が形成された吸気口及び排気口と、
   を備えたことを特徴とする送風装置。
4. 請求項３に記載の送風装置を備えたことを特徴とする電子機器。