JP4021436B2 - 電動送風機、およびこの電動送風機が用いられる電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、電動送風機、この電動送風機が用いられる電気掃除機やドライヤー等の電気機器に関する。

特許文献１の図３によれば、制御・駆動集積回路基板を含むパッケージを、区切り板よりファン側で、ディフューザからの空気が直接当る領域のケーシングに取り付ける例が示されている。

また、特許文献２の図２によれば、モータの電流をスイッチングするパワーデバイスが、モータ筐体の内部に配置されている基板に実装されている例が示されている。
特開平６−２６１８４７号公報（図３） 特開２００１−３４２９９６号公報（図２）

特許文献１の図３に示す電動送風機では、ファンとモータとの間の風路に制御・駆動集積回路基板を含むパッケージを配置している。しかしながら、このような構成において、大きな電流によりモータを駆動すると、その大きな駆動電流が流れる配線の温度がジュール熱により上昇し、ソケット等の端子部の信頼性が低下する。

特許文献２の図２に示す電動送風機では、大きな電流によりモータを駆動すると、パワーデバイスに接続されたパワー配線部の温度は、パワーデバイスの発熱および配線部自体のジュール熱により上昇し、回路基板に歪みが生じ、回路基板の信頼性が低下する。

そこで、本発明の目的は、モータの電流をスイッチングするパワーデバイスに接続され、モータの駆動電流を流すパワー配線部を効率的に冷却し、回路基板や回路部品の信頼性を向上することである。

モータと、このモータの回転軸に取り付けられたファンと、前記モータを駆動するための駆動回路と、前記駆動回路の一部を構成し前記モータ２接続されモータに流れる電流をスイッチングするパワーデバイスと、前記パワーデバイスが接続され前記モータ２の駆動電流を流すパワー配線パターンを含む配線パターンが形成された駆動回路基板と、を備える電動送風機１において、前記駆動回路基板は、その略中央に通風口を備え、前記モータと前記ファンとの間であって前記回転軸と交叉する方向に配置され、前記パワー配線パターンは、前記通風口を囲うように前記駆動回路基板に形成されるようにした。

本発明によれば、モータへの電流をスイッチングするパワーデバイスに接続されモータの駆動電流を流すパワー配線部が、効果的に冷却され、回路基板や回路部品の信頼性が向上する。

本発明の第1の実施の形態を図１ないし図６に基づいて説明する。本実施の形態の電動送風機１は、概略的には、モータ２と、このモータ２の回転軸３に取り付けられたファン４と、これらを収納するケース５とで構成されている。このケース５は、主にモータ２を収納するモータケース６とファン４を覆うファンカバー１５とから構成される。

本実施の形態のモータ２は、ブラシ付きモータの例を示している。モータケース６は、後板部２１による有底状構造でファンカバー１５側が開口部７として開口しており、モータ２を収納する。また、モータケース６の軸方向の後面側の後板部２１の中央部が後方に向けて略円筒状に突出し、内側にベアリング１１ｂを収容するベアリング収納部１３ｂが設けられている。このモータケース６の開口部７側を閉塞するように、フレーム８がモータケース６に、回転軸３に垂直になるように、ネジ等により取り付けられている。このフレーム８は、モータケース６よりも外周が大きい円盤形状で、ファンカバー１５の外周側下端部に連結される。このフレーム８によりモータケース６とファンカバー１５とが一体化され、電動送風機１のケース５が形成される。なお、モータケース６、フレーム８およびファンカバー１５の外周の大きさは、同じであってもよい。このフレーム８の略中央には、前方に向けて略円筒状に突出し、回転軸３用の貫通孔（図示しない）が開口形成されたベアリング収納部１３ａが設けられている。このベアリング収納部１３ａにベアリング１１ａが収納される。そして、フレーム８にはモータケース６内をファンカバー１５内に連通させるためのフレーム通風口１０が形成されている。

フレーム８に隣接して駆動回路基板２７が回転軸３に交叉する方向に配置され、ネジ等によりフレーム８に固定される。この駆動回路基板２７の略中央には、基板通風口９１が形成されている。駆動回路基板２７は、従来から使用されている樹脂ベースのプリント配線板であり、基板材料としては、紙フェノール系、紙エポキシ系、またはガラスエポキシ系の材料などである。また、セラミック等の無機系配線板等も駆動回路基板２７に使用可能である。そして、この基板通風口９１は、ファン４とモータ２との間の風路の一部を構成し、ファン４の性能に応じて、モータ２の冷却に必要な風量を確保するように設計される。

また、フレーム８の吸込前方側には、ディフューザ１４が固定されている。ディフューザ１４は図２（ａ）に示すように、略円板上の円板部８１と、この円板部８１の略中心に形成されて回転軸３が貫通する貫通孔８２と、フレーム８にネジで固定するためのネジ孔８３ａ、８３ｂと、ファン４の外周部に位置するようにディフューザ１４の外周縁部寄りに立設された複数の円弧状ブレード８４と、図２（ｂ）に示すように円板部８１の他面側である裏面に渦巻状に立設された複数の円弧状ブレード８５と、を備えている。そして、ディフューザ１４は、フレーム８に対向してこのフレーム８のベアリング収納部１３ａの外周に嵌挿され、フレーム８にネジで固定される。

さらに、このディフューザ１４の吸込前方側にファン４が配置されている。ファン４は、例えば、図３に示すような遠心ファンであり、主板３２２、側板３２３、及び複数の羽根３２４から構成されている。羽根３２４には複数の凸部３２５が設けられていて、この凸部３２５を、主板３２２と側板３２３とに設けられた穴３２６に嵌合しカシメられて、羽根３２４が主板３２２と側板３２３でサンドイッチされた状態でそれぞれが固定される。流入口１７は、側板３２２の中央に形成され、そして、吐出口２２は、主板３２２と側板３２３の間の外周端に形成される。

そして、フレーム８の外周部にはファンカバー１５が嵌合され、このファンカバー１５により遠心ファン４やディフューザ１４が覆われている。このファンカバー１５は、前面の中央部にファン４の流入口１７に対向する吸込開口部１６を有するとともに、後面の全前面に後部開口部（図示せず）が形成され、全体では略円筒状に形成されている。

一方、モータ２は、図１に示すように、モータケース６に固定されたステータ１９と、このステータ１９の内側に配置されたロータ２０とにより構成されている。そして、ロータ２０の中心の回転軸３の両端部がベアリング１１ａ、１１ｂにより回転自在に軸支されている。さらに、モータケース６の後面近傍の周面には、略径方向に位置させて排気口としての吹出口（図示せず）が開口形成されている。

このような構成において、回転軸３が回転すると、その回転と一体にファン４が回転し、この回転によって空気が吸引される。この空気は、ファンカバー１５の前面側に形成された吸引開口部１６からファン４を通り、吐出口２２から吹き出される。そして、この空気は、ファンカバー１５の内周面に沿って円弧状ブレード８４の間を、軸方向に広がるように流れる。次に、この空気は、円板部８１裏面において、円弧状ブレード８５の間を渦巻状にディフューザ１４の中心に向けて流れる。このようにして、ディフューザ１４は、ファン４の吐出口２２から吹き出される空気を、一様に整流させ、モータ２へと導く。

一方、当該電動送風機１は、図４に示すように、電力制御用のパワーデバイスであるスイッチング素子２３を介して商用交流電源２４に接続されている。このスイッチング素子２３の制御端子には、マイコン２５などで構成される電動送風機制御部２６からのスイッチング信号が出力される出力部が接続されている。そして、これらスイッチング素子２３及び電動送風機制御部２６は駆動回路基板２７に実装されている。さらに、この電動送風機制御部２６には、電動送風機１の始動、停止又は電力を選択するための操作部２８が接続されている。

駆動回路基板２７の表面またはその内部には、回路設計に基づいて回路部品間を接続するための、導体の配線パターン（図示せず）が形成されている。そして、この配線パターンの中で、スイッチング素子２３に接続され電動送風機１の駆動電流が流れるパワー配線パターン１５１ａおよび１５１ｂを、図５に示すように、基板通風口９１を囲むように形成する。配線パターンは、数十μ厚の銅箔を用いた従来技術などで、形成される。そして、これらパワー配線パターン１５１ａおよび１５１ｂは、パワー配線端部１５２ａおよび１５２ｂを介して電動送風機１および商用交流電源部２４に接続される。電動送風機１の駆動中において、パワー配線パターン１５１ａおよび１５１ｂの近傍は、それ自体のジュール発熱とスイッチング素子２３の損失発熱による熱の影響により、温度が上昇する。

上記説明したような構成によれば、ファン４の回転により吸引された空気は、駆動回路基板２７に形成した基板風路口９１、モータ２を通り、吹出口（図示せず）からモータケース６の外へ排出される。駆動回路基板２７はモータ２よりもファン４側に位置するので、モータ２から発生する熱の影響が小さい。そして、基板風路口９１を流れる空気の温度は、モータ２の下流側の空気温度よりも低い。したがって、この基板風路口９１を囲うように配置されたパワー配線パターン１５１ａおよび１５１ｂは効果的に冷却され、スイッチング素子２３からの熱、およびパワー配線パターン１５１ａおよび１５１ｂ自体のジュール熱による温度上昇が抑制される。従って、温度上昇による駆動回路基板２７の反りが軽減され、駆動回路基板２７や回路部品の信頼性が向上する。特に電動送風機１の駆動電流が大きい場合に有効である。

また、図５に示すように、パワー配線パターン１５１ａおよび１５１ｂの上面に、配線パターンの厚さよりも厚くなるように導電性部材１５３ａおよび１５３ｂを接続する。接続には、半田等を使用する。導電性部材１５３ａおよび１５３ｂは、例えば、銅板等の金属製の０.５ｍｍ〜１ｍｍ厚のプレート状部材で、パワー配線パターン１５１ａおよび１５１ｂと略同一形状に形成されている。この導電性部材１５３ａおよび１５３ｂによりパワー配線部の電気的抵抗が大幅に小さくなり、流れる電流によるジュール熱を低減させることができると共に、ファン４からの吸引空気に接する表面積が増大し、冷却が促進される。

また、電動送風機１の駆動中において、モータ２とファン４との間に位置する駆動回路基板２７は、ファン４からの吸引空気により圧力を受ける。このような駆動回路基板２７において、導電性部材１５３ａおよび１５３は、基板通風口９１の周囲の構造的な補強としても機能し、駆動回路基板２７の圧力による反りを抑制する。

また、電動送風機１の駆動回路の規模によっては、図６に示すように、駆動回路基板１６０の両面に配線パターンを形成し、パワー配線パターンを１６１ａと１６１ｂに分割する。そして、それぞれを駆動回路基板１６０の異なる面に形成する。このような構造において、ファン４からの吸引空気に接するパワー配線パターンの表面積が増大し、冷却が促進されるとともにパワー配線の配線抵抗値がさらに減少し電流によるジュール熱の発熱量が低減する。

また、パワー配線パターン１６１ａと１６１ｂを略同一に形成することによって、電気的、強度的に補強するための導電性部材１６３ａと１６３ｂとを、共通部材で実現することができるので、低コスト化が可能となる。また、パワー配線パターン１６１を駆動回路基板１６０の周端部に配置したために他の回路部品等の配置に制約されないので上記した構造を可能にならしめたものである。

本発明の第２の実施の形態を図７ないし図９に基づいて説明する。第１の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。

本実施の形態は、基本的には、第1の実施の形態に準ずるものであるが、ブラシ付きのモータ２に代えてブラシレスモータ４１が用いられている。

まず、ブラシレスモータ４１を用いる場合の駆動回路を含む駆動制御系の構成例を、図９を参照して説明する。本実施の形態では、直流電源部４３を駆動源として駆動されるインバータ駆動回路４４から発生する交流電流によってブラシレスモータ４１からなる電動送風機４２を回転駆動させる。電動送風機４２の駆動を制御する電動送風機制御部４５とドライブ回路４６ａ〜４６ｆとが接続され、インバータ駆動回路４４を構成するパワーＭＯＳＦＥＴ等のパワーデバイスであるスイッチング素子４７ａ〜４７ｆをスイッチング制御する。以下、各部の詳細を説明する。

直流電源部４３は、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池、ニッケル水素電池、又はリチウムイオン電池などの２次電池を複数本組み合わせた組電池、又は、商用交流電源を整流平滑したものである。この直流電圧が、インバータ駆動回路４４に供給される。

インバータ駆動回路４４は、６個のスイッチング素子４７a〜４７ｆを３相ブリッジ接続した構成になっている。これらのスイッチング素子４７a〜４７ｆは、マイコン４８を主体とする電動送風機制御部４５から出力されるパルス信号に基づき、高電圧側ドライブ回路４６ａ〜４６ｃ及び低電圧側ドライブ回路４６ｄ〜４６ｆにて駆動され、交流電流を電動送風機４２のＹ結線の巻線４９ａ〜４９ｃに供給する。

また、電動送風機制御部４５には、電動送風機４２の始動、停止又は電力を選択するための操作部５０、インバータ駆動回路４４に流れる電流を検出する電流検出手段５１、そして、入力電圧を検出する入力電圧検出手段５２等が接続されている。

さらに、電動送風機制御部４５には、ステータ５３に囲まれたロータ５４の磁極を検出するための磁極検出手段５５が接続されている。このような磁極検出手段５５としては、電気角１２０°間隔で設置した３つの磁気センサを用いる。磁気センサとしては、ホールセンサやホールＩＣ等がある。また、その他の磁極検出方法として、特に図示しないが光学式パルスエンコーダを使用する方法や、巻線４９ａ〜４９ｃに誘起される電圧を電圧位相検出手段によって検出する方法などが使用可能である。

そして、図８に示すように、スイッチング素子４７ａ〜４７ｆに接続され電動送風機４２の駆動電流が流れる高電圧側パワー配線パターン１７２ａおよび低電圧側パワー配線パターン１７２ｂが、基板通風口１７１を囲むように形成される。この実施の形態では、駆動回路基板１７０の一方の面に高電圧側パワー配線パターン１７２ａが、他方の面に低電圧側パワー配線パターン１７２ｂが形成されている。そして、高電圧側パワー配線パターン１７２ａと低電圧側パワー配線パターン１７２ｂは、それぞれ高電圧側パワー配線端部１７３ａと低電圧側パワー配線端部１７３ｂを介して直流電源部４３に接続される。そして、スイッチング素子４７ａ〜４７ｆは、前記高電圧側パワー配線パターン１７２ａおよび低電圧側パワー配線パターン１７２ｂに対して、放射上に配置されている。

このような構成において、複数のスイッチング素子４７ａ〜４７ｆを備える実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

さらに、このような構成において、フレーム８において、モータケース６よりも外周寸法が大きい部分である連結部１８が、ファン４の吐出口２２とブラシレスモータ４１との間の流路２９を構成する隔壁２９ａの一部を形成している。このフレーム８の外面に位置させてパワーデバイスである複数個のスイッチング素子４７ａ〜４７ｆがネジ５７により固定されている。

このようなスイッチング素子４７ａ〜４７ｆの取り付け配置構造とすることによって、スイッチング素子４７ａ〜４７ｆを、電動送風機４２の圧力損失を増大させることなく効果的に冷却することができる。特に、本実施の形態のようなブラシレスモータ４１を駆動させる場合、スイッチング素子が複数個必要であるが、これらの複数個のスイッチング素子４７ａ〜４７ｆを、電動送風機４２の寸法を大きくすることなく、流路の圧力損失を増大させずに、効果的に冷却することができるので、特に効果的である。

また、冷却効果がスイッチング素子４７ａ〜４７ｆのそれぞれでばらつくと、冷却効果の小さいスイッチング素子が最も厳しい条件で動作をすることとなり、そのスイッチング素子の寿命が他のスイッチング素子の寿命に比べて最も短くなる可能性が高い。すなわち、駆動回路基板９０において、動作条件の厳しいスイッチング素子に故障が生じた場合は、駆動回路基板９０の交換が必要となり、全体として電動送風機の寿命が短くなってしまう。本実施の形態では、これらの複数個のスイッチング素子４７ａ〜４７ｆを回転軸３を中心に略同一円周上に位置させて放射状に配置させているので、これらのスイッチング素子４７ａ〜４７ｆの冷却ばらつきを軽減し、均等に冷却する上でも効果的となり、スイッチング素子４７ａ〜４７ｆの動作、および回路動作を安定させることができる。

また、これらの実施の形態では、モータケース６の閉塞構造として有底状構造のものとして説明したが、後板部２１が別部材で閉塞するように構成されたものであってもよい。

また、これらの実施の形態では、パワーデバイスとしてトライアックやパワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子２３、４７ａ〜４７ｆの例で説明したが、これらの素子に限らず、駆動により発熱を伴うもの、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子も適用対象となり、又は、これらの素子単体に限らず、１チップにパッケージ化又はデバイス化したものでも適用対象となる。

（請求項６）
次に、本発明の第３の実施の形態を図１０に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような構成の電動送風機１、４２を搭載するのに特に適した電気機器としての電気掃除機への適用例である。その他の電気機器としては、ハンドドライヤー、電動工具や調理器具などがある。

本実施の形態の電気掃除機６１は、その基体をなすハウジング６２、一端をハウジング６２に着脱自在に接続されたホース６３、ホース６３の他端側に設けられた手元操作部６４、一端側を手元操作部６４に着脱自在に接続された２分割構成の延長管６５、延長管６５の他端側に着脱自在に取り付けられた吸込口体６６、ハウジング６２内に収納保持された電動送風機１又は４２、ハウジング６２内に形成された集塵室６７等により構成されている。

ホース６３は、その基端が集塵室６７を介して電動送風機１又は４２の吸込側に連通するようにハウジング６２に接続されており、そのホース６３の他端側に設けられた手元操作部６４には、後方に向けて延出した握り部６８と、この握り部６８を握った操作者の指で操作可能な範囲に位置する操作手段６９が設けられている。

操作手段６９は、電動送風機１又は４２の電源スイッチを兼ね、この電動送風機１又は４２を各々異なる駆動状態にする複数種類の運転モードを選択することができるように構成されている。具体的には、握り部６８から延長管６５の方向に向けて、運転モードを停止状態とする停止操作ボタン６９ａ、運転モードを弱運転状態とする弱運転操作ボタン６９ｂ、運転モードを強運転状態とする強運転操作ボタン６９ｃが一列に順次並んで配設されている。このような構成で、例えば強運転状態の時に、電動送風機１又は４２は３０，０００〜４０，０００ｒｐｍレベルの高速で回転し、ゴミを吸引する。

電気掃除機のゴミ吸込力に影響を与える要因は幾つかあるが、その中に、入力電力と風路損失がある。入力電力が大きいと、ゴミ吸引力は向上するが、その電力制御をする駆動回路基板、および駆動回路を構成するスイッチング素子の発熱量は大きくなる傾向にある。発熱量が大きすぎる場合は、入力電力を抑制する場合もある。従って、本実施の形態のように、駆動回路基板の冷却を効果的に実現できる前述の電動送風機１または４２を搭載することは、電気掃除機６１の動作信頼性を向上させるために特に有効である。

本発明の第１の実施の形態の電動送風機の構成を一部切欠いて示す側面図である。 ディフューザの構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図である。 遠心ファンを説明する図である。 当該電動送風機の駆動回路を示す概略回路図である。 駆動回路基板を説明する平面図である。 駆動回路基板を説明する斜視図である。 本発明の第２の実施の形態の電動送風機の構成を一部切り欠いて示す側面図である。 図７に示す電動送風機の駆動回路基板を説明する平面図である。 図７示す電動送風機の駆動回路を示す概略回路図である。 本発明の第３の実施の形態の電気掃除機の外観構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 電動送風機
２ モータ
３ 回転軸
４ ファン
５ ケース
６ モータケース
１４ ディフューザ
１５ ファンカバー
２２ 吐出口
２３ パワーデバイス（スイッチング素子）
２７ 駆動回路基板
２９ 流路
４１ ブラシレスモータ
４２ 電動送風機
４７ａ〜４７ｆ パワーデバイス（スイッチング素子）
６２ ハウジング
６６ 吸込口体
９１、１７１ 基板風路口
１５１ａ、１５１ｂ パワー配線パターン

Claims (6)

1. モータと、このモータの回転軸に取り付けられたファンと、前記モータを駆動するための駆動回路と、前記駆動回路の一部を構成し前記モータと接続されモータに流れる電流をスイッチングするパワーデバイスと、前記パワーデバイスが接続され前記モータの駆動電流を流すパワー配線パターンを含む配線パターンが形成された駆動回路基板と、を備える電動送風機において、
   前記駆動回路基板は、その略中央に通風口を備え、前記モータと前記ファンとの間であって前記回転軸と交叉する方向に配置され、
   前記パワー配線パターンは、前記通風口を囲うように前記駆動回路基板に形成されていることを特徴とする電動送風機。
2. 前記パワー配線パターンの上面に、前記配線パターンの厚さよりも厚くなるように導電性部材が接続されていることを特徴とする請求項１記載の電動送風機。
3. 前記パワー配線パターンが分割され、前記駆動回路基板の異なる面にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１記載の電動送風機。
4. 前記分割されたパワー配線パターンのそれぞれの形状が略同一であることを特徴とする請求項３記載の電動送風機。
5. 前記モータがブラシレスモータであり、このブラシレスモータに流れる電流をスイッチングする複数の前記パワーデバイスと、を備え、
   前記駆動回路基板に形成された前記パワー配線パターンが高電圧側パワー配線パターンおよび低電圧側パワー配線パターンから構成され、
   前記複数のパワーデバイスそれぞれを、前記高電圧側パワー配線パターンおよび低電圧側パワー配線パターンに対して放射状に配置したことを特徴とする請求項１記載の電動送風機。
6. 請求項１ないし５何れか一記載の電動送風機を備える電気機器。

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