JP2015001693A - 消音装置及びそれを備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンの騒音を消音する消音装置が、効率よく消音しやすくなる冷却ファン装置、消音装置及びそれを備えた電子機器を提供する。【解決手段】ブレード枚数が１回転あたりのＦＧ信号の波数の倍数である冷却ファンと、前記冷却ファンの回転周波数及び前記複数のブレードの回転の１周期が始まるタイミングを示すＦＧ信号を検出する信号検出部９と、前記複数のブレードの回転によって発生する周期的な騒音の音圧レベル波形と逆位相の音圧レベル波形を有する逆位相音、前記ＦＧ信号及び前記複数のブレードの回転周波数と前記騒音音圧レベル波形の振幅との関係に基づいて前記逆位相音の周波数及び音圧レベル波形の振幅を調整する逆位相音調整部１０と、前記ＦＧ信号と前記逆位相音との１周期が始まるタイミングを合致させるタイミング調整部１１と、調整された前記逆位相音を出力するスピーカ１２と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、例えばノート型パソコンなどに設置されている冷却ファンなどから発生する雑音やノイズ音を消音するための消音装置及びそれを用いた電子機器に関する。

近年、ノート型パソコンなどの電子機器においては、ＣＰＵのクロック周波数の高速化が進んでいる。このクロック周波数の高速化に伴いＣＰＵで発生する熱量が増大しているため、筐体内部に搭載された冷却用のファンの冷却能力を向上させることが求められている。一方、ノート型パソコンは小型化が進んでおり、冷却モジュールに与えられるスペースは制限される。従って、冷却用ファンの回転数を上げて風量を増やすこととなるが、冷却ファンの回転によって生じる音が騒音になるという問題が生じる。この問題を解決するために、騒音に対して逆位相かつ同振幅の音をぶつけて騒音を消去するアクティブ・ノイズ・キャンセル法（以下、ＡＮＣ法と称する）を用いることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
さらに、そのＡＮＣ法でも、消去する騒音を予め予測することにより、効率よく消去する範囲を広くする技術が開発されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２４４６７７号公報 特開２０１０−１７４７７１号公報

しかしながら、従来のＡＮＣ法は以下のような問題を有している。まず、マイクによって集音した騒音信号（アナログ）をデジタル信号に変換して信号処理し、そのデジタル信号をアナログに逆変換してスピーカから音を出すというルーチンにおいて、各演算処理に時間遅れが生じ、逆位相音を出した時には元の音に対して大幅に位相遅れてしまう。そこでこの位相遅れを調整するためには、音速に対し処理後の音が先回りするよう冷却ファンとスピーカの距離を大きくとる必要がある。しかしながら一般的に数１０センチの距離が必要となるため、ノートパソコンのような小型の電子機器には不向きである。また、冷却ファンとスピーカの距離を大きくとるほど、冷却ファンから発生する騒音と、スピーカから出力される逆位相音が音を打ち消しあって聞こえる範囲が狭くなってしまう。すなわち、それ以外の場所では冷却ファンの騒音と逆位相音が強め合ってしまい、オペレータの位置が限定されてしまう。その上、構造的に大きくなるためコストも高くなってしまう。

そこで、特許文献２となる消去する騒音を予め予測する方法が開発されたが、この方法はモーターから出力されるＦＧ信号をファンブレード騒音と同調させる必要がある。この同調させる作業は、モーターが停止、駆動する度に必要だが、複雑で誤作用の原因となる。

そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、同調させる作業を簡略化し、誤作用のない遠心ファン装置、消音装置及びそれを備えた電子機器を提供することを目的とする。

そこで本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ブレード枚数が１回転あたりのＦＧ信号の波数の倍数である冷却ファンと、前記冷却ファンの回転周波数及び前記複数のブレードの回転の１周期が始まるタイミングを示すＦＧ信号を検出する信号検出部と、前記複数のブレードの回転によって発生する周期的な騒音の音圧レベル波形と逆位相の音圧レベル波形を有する逆位相音、及び前記複数のブレードの回転周波数と前記騒音音圧レベル波形の振幅との関係を記憶する記憶部と、前記ＦＧ信号及び前記複数のブレードの回転周波数と前記騒音音圧レベル波形の振幅との関係に基づいて前記逆位相音の周波数及び音圧レベル波形の振幅を調整する逆位相音調整部と、前記ＦＧ信号と前記逆位相音との１周期が始まるタイミングを合致させるタイミング調整部と、前記逆位相音調整部及び前記タイミング調整部において調整された前記逆位相音を出力するスピーカと、を備えたことを特徴とする。

以上の構成により、本発明は以下の効果を有するものである。すなわち、逆位相音を予め記憶しておくためマイクを必要とせず、さらに複雑な演算処理を必要としないため、逆位相音の位相遅れを防止することができる。従ってスピーカを冷却ファンの近傍に設けることが可能となり、スピーカから出力される逆位相音は、広い範囲で冷却ファンから発生する騒音を消去することができる。さらに、予め冷却ファンのみの逆位相音を記憶しているため、冷却ファン以外の騒音に影響されることがない。また、ブレード枚数を１回転あたりのＦＧ信号の波数の倍数にすることにより、前記ＦＧ信号と前記逆位相音との１周期が始まるタイミングを合致させる作業を簡略化できるので、誤作用を防止することができる。

本実施例における遠心ファン装置の斜視図 本実施例におけるファンカバーを取り除いた状態の遠心ファン装置の斜視図 本実施例における消音装置を表す動作図 騒音と逆位相音を示す波形図 図４より遠心ファン装置の回転数が高い場合の騒音と逆位相音を示す波形図 筐体とオペレータとの位置と騒音との関係を示す概念図 オペレータが聞こえる騒音を示す波形図 波数が２のＦＧ信号波形とブレード枚数が１３枚と１２枚の逆位相音を示す波形図 波数が３のＦＧ信号波形とブレード枚数が１３枚と１２枚の逆位相音を示す波形図

本発明の請求項１記載の発明は、ブレード枚数が１回転あたりのＦＧ信号の波数の倍数であるブレードが回転する冷却ファンと、前記冷却ファンの回転周波数及び前記複数のブレードの回転の１周期が始まるタイミングを示すＦＧ信号を検出する信号検出部と、前記複数のブレードの回転によって発生する周期的な騒音の音圧レベル波形と逆位相の音圧レベル波形を有する逆位相音、及び前記複数のブレードの回転周波数と前記騒音音圧レベル波形の振幅との関係を記憶する記憶部と、前記ＦＧ信号及び前記複数のブレードの回転周波数と前記騒音音圧レベル波形の振幅との関係に基づいて前記逆位相音の周波数及び音圧レベル波形の振幅を調整する逆位相音調整部と、前記ＦＧ信号と前記逆位相音との１周期が始まるタイミングを合致させるタイミング調整部と、前記逆位相音調整部及び前記タイミング調整部において調整された前記逆位相音を出力するスピーカと、を備えたことを特徴とする消音装置である。

これにより、逆位相音を予め記憶しておくためマイクを必要とせず、さらに演算処理を必要としないため、逆位相音の位相遅れを防止することができる。従ってスピーカを冷却ファンの近傍に設けることが可能となり、スピーカから出力される逆位相音は、広い範囲で冷却ファンから発生する騒音を消去することができる。さらに、予め冷却ファンのみの逆位相音を記憶しているため、冷却ファン以外の騒音に影響されることがない。

本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の消音装置が備えられた電子機器であって、前記電子機器を使用しているオペレータの位置を認識するカメラを備え、前記カメラにより認識された位置によって、前記タイミング調整部は前記ＦＧ信号と前記逆位相音との１周期が始まるタイミングを調整することを特徴とする電子機器であって、逆位相音を予め記憶しておくためマイクを必要とせず、さらに演算処理を必要としないため、逆位相音の位相遅れを防止することができる。従ってスピーカを冷却ファンの近傍に設けることが可能となり、スピーカから出力される逆位相音は、広い範囲で冷却ファンから発生する騒音を消去することができる。さらに、予め冷却ファンのみの逆位相音を記憶しているため、冷却ファン以外の騒音に影響されることがない。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

（実施例）図１は、本実施例における遠心ファン装置の斜視図である。遠心ファン装置１の箱形のファンケース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、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、その底面には図示しない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。

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遠心ファン５が配置される。

図２は、本実施例においてファンカバーを取り除いた状態の遠心ファン装置の斜視図である。図２において、その遠心ファン５は円筒形状の外周面を有するハブ部６とその外周面から遠心方向へ略放射状に延びる複数のブレード部７とから構成されている。

また、ブレード部７の回転方向の面（正圧面）の所定の領域における回転軸方向の表面形状は、そのブレード部７の上下方向の両側端部がブレード部７の中央部よりも回転方向側に位置する形状となっている。さらに、ブレード部７の外周部において回転軸方向の上側端部に連続的に連なる上側円環板８設けられている。

ここで、遠心ファン５が矢印Ｒで示した回転方向に高速で回転するとそのハブ部６の上面に対向するようにファンカバー２ｂの中央部に配設された吸気口とファンフレーム２ａの底面に配設された吸気口から空気が後述する遠心ファン５の回転軸（図示せず）方向より吸気され、さらにその吸気された空気が複数のブレード部７の回転運動によりファンケース２の内部でそのブレード部７の遠心方向へと風向きが変えられるので、その大部分はフレーム２ａやカバー２ｂの内壁にぶつかりながら、その内壁に沿って遠心ファン５の矢印Ｒで示した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。

次に、本発明の消音装置の具体的な手段について説明する。図３は、本実施例における消音装置を表す動作図である。

図３において、１は遠心ファン装置であり、９は遠心ファン装置１からのＦＧ信号を検出し、完全な矩形波としてＦＧ信号を生成するＦＧ信号検出部、１０は予め記憶した逆位相音の周波数と振幅をＦＧ信号検出部９により検出した完全な矩形波（ＦＧ信号）を元に調整する逆位相音調整部、１１は逆位相音調整部１０からの出力信号を入力するとともに、オペレ−タからの操作により、出力信号の位相を調整するタイミング調整部、１２はスピーカである。

なお、以下本実施例では、ノートＰＣを例に挙げて説明し、この場合、遠心ファン装置１は、ノートＰＣに搭載されている冷却ファン、ＦＧ信号検出部９、逆位相音調整部１０、タイミング調整部１１は、ノートＰＣのＣＰＵまたは、冷却ファン専用のＣＰＵ、スピーカ１２は、ノートＰＣに搭載されているスピーカとする。

次にこの消音装置の動作を説明する。遠心ファン装置１は、遠心ファン装置１が１回転する間に発生する騒音を、１回転する毎に繰り返し出力しており、周期性をもっている。従って、冷却ファンが１回転する間に発生する騒音の逆位相音を、予め記憶しておくことができる。まずＳ１において、ＦＧ信号検出部９において遠心ファン装置１の回転周期情報であるＦＧ信号を検出する。このとき上述したように、ＦＧ信号は完全な矩形波として検出される。Ｓ２において、遠心ファン装置１のＦＧ信号は逆位相音調整部１０に取り込まれる。逆位相音調整部１０は図示しない記憶部に予め記憶している逆位相音の波形を、検出されたＦＧ信号に基づいて遠心ファン装置１からの騒音に対して周波数と振幅とが等しくなるように調整する。

なお、振幅については遠心ファン装置１の回転数によって、騒音も大きくなり振幅が大きくなるが、回転数を示すＦＧ信号と振幅との関係を予め記憶することで、検出したＦＧ信号を元に振幅を調整している。

Ｓ３において、振幅、周波数が調整された逆位相音は、タイミング調整部１１に取り込まれる。同時にＳ４において、ＦＧ信号もＦＧ信号検出部９からタイミング調整部１１に送られて取り込まれる。タイミング調整部１１は、逆位相音の１周期が始まるタイミングを、実際の遠心ファン装置１の騒音に対応するＦＧ信号の１周期が始まるタイミングに合致させる。また、オペレータの入力がある場合はその入力に従って、逆位相音の１周期が始まるタイミングを変更する。Ｓ５において、１周期の始まるタイミングを調整された逆位相音は、スピーカ１２から出力される。これにより、Ｓ６において、遠心ファン装置１からの騒音と、スピーカから出力された逆位相音は合成される。

しかし、一般的な遠心ファンのブレード枚数は、素数になっている。これは、其々のブレードが起こす音同士が合成し大きな騒音となることを防止する為である。それに対し、モーターのＦＧ信号の波数は１回転あたりに２つの波数か３つの波数であることが多い。図８は波数が２のＦＧ信号波形とブレード枚数が１３枚と１２枚の逆位相音を示す波形図である。図８（ａ）は波数が２のＦＧ信号波形とブレード枚数が１３枚ファンブレードの波形図だが、このように遠心ファン騒音の１周期が始まるタイミングがＦＧ信号波形の第１の波形か第２の波形かで位置関係のズレ量が異なってしまうので、第１の波形と第２の波形を取り違えた場合、消音できない事態が発生してしまう。しかも、ＦＧ波形は第１の波形か第２の波形かを区別することは困難である。

そこで、図８（ｂ）のようにブレード枚数を波数２つの倍数である１２枚にすると、ＦＧ波形のどの波形も遠心ファンの騒音波形と位置関係が同じになる。したがって、ＦＧ波形のどの波形からでも、遠心ファン騒音の逆位相音をスタートすることができる。

さらに、図９は、波数が３のＦＧ信号波形とブレード枚数が１３枚と１２枚の逆位相音を示す波形図である。図９（ａ）のように、波数が３の場合、遠心ファン騒音の１周期が始まるタイミングがＦＧ信号波形の第１の波形、第２の波形、第３の波形の其々で位置関係のズレ量が異なってしまう

しかし、図９（ｂ）のように、ブレード枚数が波数３の倍数である１２枚にすると、ＦＧ波形のどの波形も遠心ファンの騒音波形と位置関係が同じになる。

Ｓ７において、合成された遠心ファン装置１の騒音と逆位相音がオペレータに届く。そのとき、オペレータの位置によっては、遠心ファン装置１の騒音は消音されずにオペレータに届いてしまう場合がある。

その場合、Ｓ８において、オペレータ自身が逆位相音の１周期が始まるタイミングを、遠心ファン装置１の騒音の１周期が始まるタイミングと等しくなるように、タイミング調整部１１に入力する。タイミング調整部１１はオペレータの入力に従って、遠心ファン装置１が１回転を始めるタイミングと、逆位相音の１周期が始まるタイミングが合致するように調整する。そして、調整された逆位相音が改めてスピーカ１２から出力され、遠心ファン装置１の騒音と合成され、消音される。

仮に遠心ファンのブレード枚数が素数である場合、遠心ファンが停止後、再び駆動を始めると、再度、ＦＧ信号の波形と逆位相音のタイミング調整が必要となる。しかし、ブレード枚数がＦＧ信号の波数の倍数であれば、タイミング調整のズレ量は１度目と同じにできるので、複雑な作業となるタイミング調整が簡略化することができる。

なお、ここで予め記憶している逆位相音は、遠心ファン５の形状によって異なるものであるが、上述したように周期性をもつものである。

次に、遠心ファン装置１の騒音とその逆位相音について、遠心ファン装置１から発生する騒音の音圧レベルを示す波形と、騒音を消音する逆位相音の音圧レベルを示す波形を参照して説明する。図４は、騒音と逆位相音を示す波形図、図５は、図４より遠心ファン装置の回転数が高い場合の騒音と逆位相音を示す波形図である。

図４において、図４（ａ）は、通常遠心ファン装置から発生する騒音の音圧レベルを示す波形図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の騒音を消音する逆位相音の音圧レベルを示す波形である。

図４（ａ）に示すＦＧ信号を検知することで、実際に遠心ファン装置から発生する騒音であるノイズを特定し、図４（ｂ）に示すように遠心ファン装置からの騒音と周波数、振幅が同じ逆位相音であるキャンセル音を生成し、図４（ｂ）に示す逆位相音は図４（ａ）に示す遠心ファン装置からの騒音の正負を反転させた信号となっている。

そして、図４（ｂ）のキャンセル音と、図４（ａ）に示す騒音を合成することによってと、合成波の音圧レベルはゼロとなり、騒音は消音される。

次に、モータの回転数が上がった場合について説明する。図５（ａ）は、図４（ａ）に比べて回転数が多くなった際の遠心ファン装置１から発生する騒音の音圧レベルを示す波形図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の騒音を消音する逆位相音の音圧レベルを示す波形図である。通常、遠心ファンは図４（ａ）の速さで回転しているが、ＣＰＵなどの冷却する対象が通常よりも発熱している場合、遠心ファンの回転数は増加する。そのとき、遠心ファンの騒音は図５（ａ）のような波形となる。このとき、ＦＧ信号検出部９が遠心ファン装置１の回転周波数の変化をＦＧ信号により検出し（図３、Ｓ１）、逆位相音調整部１０が逆位相音の周波数および振幅を調整する（図３、Ｓ２）ことによって、予め記憶されていた図４（ｂ）に対応する逆位相音の波形は、図５（ｂ）のようになる。そして、図５（ａ）に示す遠心ファン装置から発生する騒音と図５（ｂ）を合成すると、合成波の音圧レベルはゼロとなり、遠心ファンの回転周波数が変化した場合でも騒音は消音される。

なお、本実施例では、検出したＦＧ信号によって、予め記憶している逆位相音の波形を調整しているが、ＦＧ信号に対応する逆位相音をそれぞれ記憶しておき、逆位相音を生成してもよい。

次に、遠心ファン装置の騒音と、逆位相音との位相の関係について図６、図７を用いて説明する。図６は、筐体とオペレータとの位置と騒音との関係を示す概念図であり、図７は、オペレータが聞こえる騒音を示す波形図であり、図６（ａ）、図７（ａ）は、遠心ファンの騒音が消音されず、逆に騒音と逆位相音が強め合ってしまう範囲にオペレータが位置する場合、図６（ｂ）、図７（ｂ）は、オペレータが逆位相音の１周期が始まるタイミングを調整することにより、遠心ファンの騒音を消音した場合である。なお、説明を簡単にするために騒音と逆位相音との関係を、正弦波を用いて説明する。また、図６において、＋は例えば音圧レベルが正である位置を表し、−は、音圧レベルが負である位置を表し、遠心ファンの騒音とスピーカから出力される逆位相音の周波数は等しいとする。

遠心ファン装置の騒音を消音するためには、上述したように逆位相音によってキャンセルする必要があるが、ノートＰＣを操作するオペレータの位置によっては、図６（ａ）に示すように、オペレータは、遠心ファンの騒音の音圧レベルが−、かつ逆位相音の音圧レベルが−である範囲に位置することがある。この位置では、図７（ａ）に示すように、遠心ファンの騒音（ファンノイズ）の１周期が始まるタイミングに対して、逆位相音（キャンセル音）の１周期が始まるタイミングがずれてしまい、合成した結果、図７（ａ）に示すようにお互いの音を強め合ってしまっている。これは、遠心ファンの騒音の音圧レベルが＋、かつ逆位相音の音圧レベルが＋である範囲でも、同様のことが言える。

このような場合、オペレータの位置において、遠心ファンの騒音の音圧レベルが＋、かつ逆位相音の音圧レベルが−、もしくは遠心ファンの騒音の音圧レベルが−、かつ逆位相音の音圧レベルが＋となるように、オペレータが逆位相音の１周期が始まるタイミングを調整する。すなわち、逆位相音の１周期が始まるタイミングを、図７（ａ）から図７（ｂ）となるように、タイミング調整部に入力する。その結果、遠心ファンの騒音と逆位相音を合成すると図７（ｂ）のようになり、消音される。

なお、オペレータが作業中であるなどといった理由により、逆位相音の１周期が始まるタイミングを調整することができない場合がある。そのような場合、例えばノート型パソコンといった遠心ファンを搭載する電子機器にカメラを備え、オペレータの位置をカメラによって認識する。カメラによって認識されたオペレータの位置情報は、タイミング調整部に送られる。タイミング調整部は、オペレータの位置において、逆位相音の１周期が始まるタイミングと遠心ファンの１回転が始まるタイミングが合致するように調整する。従って、オペレータがどこに位置しても、逆位相音は遠心ファンの騒音を消音することができる。

なお、上記消音装置は、騒音に周期性があり、騒音を打ち消すスピーカを持ち、遠心ファン装置を備えるものであればよく、上述したノートＰＣ以外にも、デスクトップＰＣ、テレビ等の電子機器にも利用できる。

本発明の消音装置は、小型化された電子機器に搭載した場合であっても逆位相音の位相が遅れることなく、広い範囲で遠心ファンから発生する騒音を消去することができ、さらに遠心ファン以外の騒音に影響されることのないため、パソコンなどの電子機器に有用である。

１ 遠心ファン装置
２ ファンケース
３ 排気口
４ 吸気口
５ 遠心ファン
６ ハブ部
７ ブレード部
８ 円環板
９ ＦＧ信号検出部
１０ 逆位相音調整部
１１ タイミング調整部
１２ スピーカ

Claims (2)

1. ブレード枚数が１回転あたりのＦＧ信号の波数の倍数であるブレードが回転する冷却ファンと、
   前記冷却ファンの回転周波数及び前記複数のブレードの回転の１周期が始まるタイミングを示すＦＧ信号を検出する信号検出部と、
   前記複数のブレードの回転によって発生する周期的な騒音の音圧レベル波形と逆位相の音圧レベル波形を有する逆位相音、及び前記複数のブレードの回転周波数と前記騒音音圧レベル波形の振幅との関係を記憶する記憶部と、
   前記ＦＧ信号及び前記複数のブレードの回転周波数と前記騒音音圧レベル波形の振幅との関係に基づいて前記逆位相音の周波数及び音圧レベル波形の振幅を調整する逆位相音調整部と、
   前記ＦＧ信号と前記逆位相音との１周期が始まるタイミングを合致させるタイミング調整部と、
   前記逆位相音調整部及び前記タイミング調整部において調整された前記逆位相音を出力するスピーカと、を備えたことを特徴とする消音装置。
2. 請求項１記載の消音装置が備えられた電子機器であって、前記電子機器を使用しているオペレータの位置を認識するカメラを備え、前記カメラにより認識された位置によって、前記タイミング調整部は前記ＦＧ信号と前記逆位相音との１周期が始まるタイミングを調整することを特徴とする電子機器。

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