CN101568728A - 压电微型鼓风器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种不使用单向阀就能输送大流量的压缩性流体、可以抑制噪声向外部漏出的压电微型鼓风器。在鼓风器本体(1)设置第一壁部(12)与第二壁部(10)，在与膜片(2)的中央部对置的壁部的位置形成开口部(12a)、(10a)。在两壁部之间，形成使开口部(12a)、(10a)与外部连通的流入通路(11b)。若对压电元件(22)施加电压使膜片(2)振动，则开口部(12a)周边的第一壁部(12)振动，可以从流入通路(11b)吸入气体，从开口部(10a)排出气体。在流入通路(11b)的中途连接吸音用的多条支路(11c)，防止在开口部(10a)附近产生的噪声从流入口(4)漏出。
Description
技术领域
本发明涉及适于输送空气这样的压缩性流体的压电微型鼓风器(blower)。
背景技术
对于笔记本电脑等小型电子设备的冷却水输送用泵或燃料电池的燃料输送用泵等，使用压电微型泵。另一方面，作为取代CPU等冷却用风扇的送风用鼓风器、或者用于提供由燃料电池发电所需的氧的送风用鼓风器，可以使用压电微型鼓风器。压电微型泵及压电微型鼓风器都是使用通过向压电元件施加电压而弯曲变形的膜片的泵(鼓风器)，具有结构简单、可以形成得轻薄、且耗电量低这样的优点。
在输送液体这样的非压缩性流体时，一般在流入口及流出口分别设置使用橡胶或树脂这样的柔软材料的单向阀，以几十Hz左右的较低频率驱动压电元件。然而，在使用具有单向阀的微型泵用于输送空气这样的压缩性流体时，压电元件的位移量非常小，几乎不能排出流体。若以膜片的谐振频率(一次谐振频率或者三次谐振频率)附近的频率驱动压电元件，则虽然可以得到最大位移，但由于谐振频率是kHz级的高频，所以单向阀不能进行跟踪动作。因此，为了输送压缩性流体，没有单向阀的压电微型鼓风器较为理想。
在专利文献1披露了一种气流发生器，包括：具有安装在不锈钢制盘片上的压电盘片的超声波驱动体；设置在不锈钢制盘片上的第一不锈钢膜体；以及与超声波驱动体近似平行地安装、且与超声波驱动体隔开规定距离的第二不锈钢膜体。通过对压电盘片施加电压，使超声波驱动体弯曲。在第二不锈钢膜体的中心部分有穿孔。
空气通过第二不锈钢制膜体的孔而振动。在压缩行程中，从该孔产生具有高度方向性的惯性喷射(喷射，jet)，另一方面，在相反的行程中，通过该孔向空洞内生成更为各向同性的流动。据此，产生与该膜体的表面垂直的强力的喷射流。由于该气流发生器也没有单向阀，所以能以高频驱动超声波驱动体。
另外，该气流发生器为了使来自电气元器件的热量散发，可以与双层两面散热器一起使用。沿着具有孔的第二不锈钢制膜体的面流动的气体，沿着散热器的上表面在通道内流动。来自膜体的喷射流经过该散热器的中心而通过。接下来，喷射流经过散热器的下表面上的通道，进行流动。
在如上所述输送气体时，通过以其谐振频率附近的频率驱动超声波驱动体，虽然可以产生期望的喷射流，但不能无视在排出口或者流入口附近产生的噪声。一般而言，人类的耳朵可以听到频率为几十Hz～20kHz左右的声音，但特别是7kHz～10kHz附近的高频声音非常刺耳。在专利文献1所示的气流发生器中，由于在第二不锈钢膜体与双层两面散热器之间的空间，只不过形成了直线形状的流通路径，所以具有在孔周边产生的噪声(风切音)会通过流通路径漏出至外部这样的问题。
专利文献1：日本专利特表2006-522896号公报
发明内容
因此，本发明的理想的实施例的目的在于，提供一种不使用单向阀就能输送较大流量的压缩性流体、可以抑制噪声向外部漏出的压电微型鼓风器。
为了达到上述目的，本发明的第一实施方式提供的压电微型鼓风器，包括：鼓风器本体；外周部固定在鼓风器本体、具有压电元件的膜片；以及在鼓风器本体和膜片之间形成的鼓风器室，对上述压电元件施加电压使膜片弯曲变形，输送压缩性流体，其特征是，包括：在与上述膜片之间形成鼓风器室的鼓风器本体的第一壁部；在与上述膜片的中心部对置的上述第一壁部的部位形成、使鼓风器室的内部与外部连通的第一开口部；将上述第一壁部至于其间、在与鼓风器室相反侧与第一壁部隔开间隔设置的第二壁部；在与上述第一开口部对置的上述第二壁部的部位形成的第二开口部；在上述第一壁部和第二壁部之间形成、外侧端部与外部连通而内侧端部与第一开口部及第二开口部连接的流入通路；以及与上述流入通路的中途连接、前端关闭的多条支路。
本发明的第二实施方式提供的压电微型鼓风器，包括：鼓风器本体；外周部固定在鼓风器本体、具有压电元件的膜片；以及在鼓风器本体和膜片之间形成的鼓风器室，对上述压电元件施加电压使膜片弯曲变形，输送压缩性流体，其特征是，包括：在与上述膜片之间形成鼓风器室的鼓风器本体的第一壁部；在与上述膜片的中心部对置的上述第一壁部的部位形成、使鼓风器室的内部与外部连通的第一开口部；将上述第一壁部至于其间、在与鼓风器室相反侧与第一壁部隔开间隔设置的第二壁部；在与上述第一开口部对置的上述第二壁部的部位形成的第二开口部；在上述第一壁部和第二壁部之间形成、外侧端部与外部连通而内侧端部与第一开口部及第二开口部连接的流入通路；与上述第二壁部隔开间隔设置的第三壁部；在上述第二壁部和第三壁部之间、一端流出口与外部连通而另一端与上述第二开口部连接的流出通路；以及与上述流入通路的中途连接、前端关闭的多条支路。
在本发明的第一实施方式中，利用膜片的弯曲变形使膜片与第一开口部的距离变化，随着该鼓风器室的膜片与第一开口部的距离的变化，压缩性流体会高速流过第一开口部及第二开口部，利用该压缩性流体的流动，可以将流体从流入通路引进第一、第二开口部。由于在本发明中不使用单向阀，所以能以高频使膜片弯曲振动，在流入通路中流动的流体的惯性停止前，可以在第一、第二开口部产生下一次流动，在流入通路中可以始终产生向中心方向的流动。即，不仅在膜片和第一开口部的距离增大时从流入通路通过第一开口部向鼓风器室引进流体，而且在膜片与第一开口部的距离减小时从鼓风器室经过第一开口部、第二开口部向外部挤出流体，利用该流体的流动，可以从流入通路向第二开口部引进流体。由于从流入通路引进的流体与从鼓风器室挤出的流体合流，从第二开口部排出，所以可以得到膜片的位移体积以上的排出流量。而且，第一开口部与第二开口部对置，从第一开口部挤出的流体不会损失能量就从第二开口部排出。因此，在开口部中流动的高速流体不会向流入通路倒流，可以有效地使流量增大。
在如上所述结构的微型鼓风器的情况下，从流入通路泄漏的噪声将成为问题。特别是，在以其谐振频率(一次谐振频率或者三次谐振频率)附近的频率驱动膜片时，在2kHz～10kHz的范围内会产生刺耳的风切音。认为其原因是：由于排出口即第二开口部与流入通路连通，所以在第二开口部周边产生的噪声会向流入通路倒流，从流入口漏出。因此，在本发明中，在流入通路的中途形成前端关闭的多条支路。即使在第二开口部周边产生的噪声向流入通路倒流，其声音会由于支路的吸音效果而衰减，从流入口侧的泄漏将大幅降低。通过使流入通路为迷宫构造，将通路长度变长，虽然也可以降低噪声，但这会导致流通路径阻力增加，流量下降。与之相反，由于在本发明中不将流入通路本身的长度变长，只需连接前端关闭的支路就可以降低噪声，所以不会使流量下降。
在本发明的第二实施方式中，取代在流入通路形成的吸音用支路，而在流出通路形成吸音用支路。第一实施方式的流入口露出在外部，在应用于希望可以使流入口的风切音降低的微型鼓风器时是有效的，第二实施方式的流出口露出在外部，在应用于希望可以使流出口的风切音降低的微型鼓风器时是有效的。
本发明的膜片可以是在由树脂板或者金属板制成的振动膜的一个面粘贴在平面方向伸缩的压电元件的单压电晶片结构、在振动膜的两面粘贴在相反方向伸缩的压电元件的双压电晶片结构、或在振动膜的一个面粘贴弯曲变形的双压电晶片型压电元件等各种结构。只要是利用施加在压电元件的交变电压(正弦波电压或者矩形波电压)在板厚方向能弯曲振动的膜片即可。
上述流入通路可以是从与第一开口部及第二开口部连接的中心部向放射方向延伸的多个曲线形或者弯曲形状的通路。通过使流入通路弯曲，与直线形的通路相比，可以提高使声音衰减的效果。通过设置多条流入通路，可以进一步降低流体阻力。
上述支路可以是以第一开口部及第二开口部为中心而形成同心圆弧状。支路的形状是任意的，但如果形成同心圆弧状，则即使支路的条数增加，鼓风器本体的形状也不会增大，可以实现小型的微型鼓风器。特别是，通过将支路形成为梳齿状，互相啮合，可以实现更小型的、吸音特性较好的微型鼓风器。另外，支路的宽度及长度可以根据应该使其衰减的声音的频率而自由设定。
如上所述，根据本发明的第一实施方式，由于在与膜片的中心部对置的鼓风器本体的第一壁部形成第一开口部，并在与第一壁部隔开间隔设置的第二壁部的对置位置形成第二开口部，在第一壁部与第二壁部之间形成流入通路，所以利用高速流过第一、第二开口部的流体的流动，不仅在膜片与第一开口部的距离增大时，在其减小时也能使流体从流入通路向开口部卷入。因此，可以得到膜片的位移体积以上的排出流量。另外，由于在流入通路的中途连接前端关闭的多条支路，因此即使在第二开口部周边产生的噪声向流入通路倒流，但该噪声由于支路的吸音效果而衰减，可以抑制从流入口漏出。
根据本发明的第二实施方式，由于在第二壁部与第三壁部之间的流出通路形成吸音用支路，所以可以有效降低噪声从流出口漏出。
附图说明
图1是本发明所涉及的压电微型鼓风器的第一实施例的剖视图。
图2是沿图1的II-II线的剖视图。
图3是图1所示的压电微型鼓风器的分解立体图。
图4是图1所示的压电微型鼓风器的工作原理图。
图5是表示从压电微型鼓风器产生的声音的测定方法的图。
图6是表示比较样品的流入通路的形状的图。
图7是监测样品与样品B的声压级的频率特性图。
图8是监测样品与本发明所涉及的微型鼓风器的声压级的频率特性图。
图9是本发明所涉及的压电微型鼓风器的第二实施例的剖视图。
标号说明
A 压电微型鼓风器
1 鼓风器本体
2 膜片
22 压电元件
3 鼓风器室
4 流入口
10 顶板(第二壁部)
10a 排出口(第二开口部)
11 流通路径形成板
11a 中央孔
11b 流入通路
11c 支路
12 隔板(第一壁部)
12a 贯穿孔(第一开口部)
13 鼓风器框体
14 底板
具体实施方式
下面，基于实施例说明本发明的理想的实施方式。
实施例1
图1～图3表示本发明所涉及的压电微型鼓风器的第一实施例。本实施例的压电微型鼓风器A是作为电子设备的气冷用鼓风器使用的例子，大致由鼓风器本体1、外周部固定在鼓风器本体1的膜片2构成。
鼓风器本体1从上方依次层叠固定有：顶板(第二壁部)10；流通路径形成板11；隔板(第一壁部)12；鼓风器框体13；和底板14，在鼓风器框体13与底板14之间粘接固定有膜片2。除了膜片2的零部件10～14由金属板或硬质树脂板这样的有刚性的平板材料形成。
顶板10由四边形平板形成，在中心形成有贯穿表面和背面的排出口(第二开口部)10a。
流通路径形成板11也是具有与顶板10同一外形的平板，在其中央部形成直径比排出口10a大的中央孔11a。从中央孔11a向四个角部形成向放射方向延伸的圆弧状的流入通路11b。进一步与流入通路11b连接前端关闭的多条支路11c。在本实施例中，形成四条流入通路11b，对于每一条流入通路11b都有三条支路11c延伸为以中央孔11a为中心的同心圆弧状。从邻近的两条流入通路11b向对置方向延伸的支路11c，在径向交替啮合。
隔板12也是具有与顶板10同一外形的平板，在其中心部与排出口10a对置的位置，形成直径与排出口10a大致相同的贯穿孔12a(第一开口部)。在四个角部附近，在与流入通路11b的末端部对应的位置形成流入孔12b。通过将顶板10与流通路径形成板11与隔板12粘接，排出口10a与中央孔11a与贯穿孔12a排列在同一轴线上，与后述的膜片2的中心部对应。
鼓风器框体13也是具有与顶板10同一外形的平板，在其中心部形成直径较大的空洞部13a。在四个角部附近，在与上述流入孔12b对应的位置形成流入孔13b。通过将鼓风器框体13至于其间，将隔板12与膜片2粘接，由鼓风器框体13的空洞部13a形成鼓风器室3。
底板14也是与顶板10具有同一外形的平板，在其中心部形成与鼓风器室3大致相同形状的空洞部14a。底板14的壁厚比压电元件22的厚度与金属板21的位移量的总计形成得要厚，将微型鼓风器A安装在基板等上时，也可以防止压电元件22与基板接触。上述空洞部14a形成将后述的膜片2的压电元件22的周围围住的空洞部。在底板14的四个角部附近，在与上述流入孔12b、13b对应的位置形成流入孔14b。
膜片2具有在金属板21的中央部下表面粘贴圆形的压电元件22的结构。压电元件22是比上述的鼓风器框体13的空洞部13a的直径要小的圆板。在该实施例中，使用在表面和背面具有电极的单板的压电陶瓷作为压电元件22，将其粘贴在金属板21的背面(与鼓风器室3相反侧的面)，构成单压电晶片型膜片。由于通过对压电元件22施加交变电压(正弦波或者矩形波)，压电元件22会在平面方向伸缩，所以整个膜片2在板厚方向弯曲变形。通过对压电元件22施加以一次谐振模式或者三次谐振模式使膜片2弯曲位移的交变电压，与施加除此之外的频率的电压时相比，可以使膜片2的位移格外增大，可以使流量大幅增加。
在金属板21的四个角部附近，在与上述流入孔12b、13b、14b对应的位置形成流入孔21a。利用上述流入孔12b、13b、14b、21a，形成一端在下方开口、另一端与流入通路11b相通的流入口4。
如图1所示，压电微型鼓风器A的流入口4向鼓风器本体1的下方开口，排出口10a在上表面侧开口。由于可以将压缩性流体从压电微型鼓风器A的背面侧的流入口4吸入，从表面侧的排出口10a排出，所以作为燃料电池的空气提供用鼓风器或CPU的气冷用鼓风器，是较为理想的结构。另外，流入口4也可以不必在下方开口，而在外周开口。
接下来，根据图4说明上述结构构成的压电微型鼓风器A的工作。图4(a)是初始状态(未施加电压时)，膜片2是平坦状。图4(b)表示向压电元件22施加电压的最初的1/4周期，由于膜片2向下方凸起弯曲，所以膜片2与第一开口部12a的距离增大，从流入通路11b通过第一开口部12a向鼓风器室3内吸进流体。箭头表示流体的流动。在下一个1/4周期中，如图4(c)所示，由于膜片2返回平坦状时，处于膜片2与第一开口部12a的距离减少的倾向，所以流体通过开口部12a、10a向上方挤出。此时，由于流入通路11b的流体被一起卷入并向上方流动，所以在第二开口部10a的出口侧可以得到较大的流量。在下一个1/4周期中，如图4(d)所示，由于膜片2向上方凸起弯曲，所以膜片2与第一开口部12a的距离进一步减小，鼓风器室3内的流体从开口部12a、10a高速向上方挤出。由于该高速流进一步将流入通路11b的流体一起卷入并向上方流动，所以在第二开口部10a的出口侧可以得到较大的流量。在下一个1/4周期中，如图4(e)所示，由于膜片2返回平坦状时，处于膜片2与第一开口部12a的距离增大的倾向，所以虽然有一些流体通过第一开口部12a吸进鼓风器室3内，但流入通路11b的流体由于惯性，继续向中心方向及被挤出鼓风器室外的方向流动。之后，膜片2的动作返回图4(b)，这之后周期地重复图4(b)～图4(e)的动作。通过以高频使膜片2弯曲振动，在流过流入通路11b的流体的惯性停止前，可以在开口部12a、10a产生下一次流动，在流入通路11b中可以始终产生向中心方向的流动。
在本实施例的压电微型鼓风器A的情况下，由于流入通路11b与中心的开口部12a、10a从四个方向进行连通，所以随着膜片2的泵浦动作，将流体没有阻力地向开口部12a、10a吸拉，可以实现流量进一步增大。这样，虽然本微型鼓风器A具有可以得到较大流量的优点，但由于排出口10a与流入通路11b连通，所以具有的问题是：在排出口10a产生的风切音会通过流入通路11b而倒流，从流入口4向外部漏出。在本发明中，作为控制该噪声的措施，是与流入通路11b连接前端关闭的多条支路11c。
为了确认本发明所涉及的微型鼓风器A的噪声降低效果，使用作为比较例的监测样品M与样品B，在下述条件下进行噪声实验。下面表示微型鼓风器A的一个结构。首先，准备在厚度0.08mm的42Ni板上粘贴由厚度0.15mm、直径11mm的PZT单板制成的压电元件的膜片。接下来，准备由黄铜板制成的隔板、以及由不锈钢板制成的顶板、流通路径形成板、鼓风器框体及底板。另外，在顶板的中心设置直径0.8mm的第二开口部，在隔板的中心设置直径0.6mm的第一开口部。另外，流通路径形成板使用图2所示的板，从直径6mm的中央孔11a向放射方向形成长10mm、宽1.6mm、高0.4mm的延伸为圆弧状的流入通路11b。进一步从流入通路11b形成多条长5～10mm、宽1.6mm的枝状的圆弧状支路11c。接下来，将上述的构成构件以底板、膜片、鼓风器框体、隔板、流通路径形成板、顶板的顺序堆积粘接，制作长20mm×宽20mm×高2.4mm的鼓风器本体。另外，鼓风器本体的鼓风器室被设计为高度0.15mm、直径16mm。
对上述结构的微型鼓风器A，施加频率24kHz、±20Vp-p的正弦波形的电压进行驱动，在100Pa时得到800ml/min的流量。这是在三次模式下驱动时的例子，但也可以在一次模式下驱动。这样，可以得到流量较大的微型鼓风器。
图5表示噪声测定的情况，安装微型鼓风器A，使其排出口10a朝向壳体5的内部，在从微型鼓风器A离开70cm的位置配置麦克风6，测定驱动微型鼓风器A时从流入口4漏出的声音。
监测样品M如图6(a)所示，形成有从中央孔11a向放射方向直线地延伸的流入通路11b，样品B如图6(b)所示，形成有从中央孔11a向放射方向圆弧状地延伸的流入通路11b。无论哪种样品都未形成有支路。
图7表示监测样品M与样品B的相对声压级的频率特性，图8表示监测样品M与本发明所涉及的微型鼓风器A的相对声压级的频率特性。在监测样品M中，在2kHz～10kHz的较宽的频率范围内产生较大的风切音，特别是刺耳的高频音即7kHz～10kHz的高频声压较大。样品B的情况下，虽然2kHz～6kHz的低频范围的声压与监测样品M相比有所下降，但在高频范围，声压几乎没有下降。另一方面，可知在本发明的情况下，如图8所示，7kHz～10kHz的高频范围的声压大幅下降。由于样品B与本发明的微型鼓风器A的差异仅在于有无支路11c，所以证明了通过支路11c可以有效降低高频范围的噪声。
实施例2
图9表示本发明的第二实施例。对与第一实施例相同的部分，标注相同的符号，省略重复说明。在该第二实施例中，在顶板10的上表面通过第二流通路径形成板15固定第二顶板16。在第二流通路径形成板15形成与图2所示的流通路径形成板11同样形状的流出通路15a与支路(未图示)。各流出通路15a的外周端分别与在第二顶板16的外周部形成的喷出口(流出口)16a连通。因此，从排出口10a排出的流体通过流出通路15a从喷出口16a排出。该实施例的情况下，虽然从排出口10a也会产生高频的噪声，但由于形成于流出通路15a的支路的吸音效果，可以抑制声音从喷出口16a漏出。另外，流通路径形成板11的流入通路11b及支路11c不必是与图2所示的形状相同，也可以省略支路11c。
如上所述，通过在流出通路15a形成支路，尽管流量与第一实施例相比减少了，但在排出口10a的周边产生的噪声中，从第二顶板16的喷出口16a排出的噪声降低了。
第一实施例如图5所示，是对于在流入口4露出在外部的状态下使用的流入口露出式的微型鼓风器有效的结构，可以降低从流入口4漏出的噪声。另一方面，第二实施例是对于在喷出口16a露出在外部的状态下使用的流出口露出式的微型鼓风器有效的结构，可以降低从流出口16a漏出的噪声。
在上述实施例中，流入通路是从中央孔向放射方向且圆弧状地延伸的四条通路，但流入通路的条数或形状可以根据流量等条件适当选择。另外，是将支路形成为与中央孔同心圆弧状延伸的形状，但不限于此，其条数也不限于实施例。本发明的鼓风器本体不限于如实施例所示的层叠多个板状构件的结构，可以任意变动。
Claims (4)
1.一种压电微型鼓风器，包括：鼓风器本体；外周部相对鼓风器本体固定、具有压电元件的膜片；以及在鼓风器本体和膜片之间形成的鼓风器室，对所述压电元件施加电压使膜片弯曲变形，输送压缩性流体，其特征在于，包括：
在与所述膜片之间形成鼓风器室的鼓风器本体的第一壁部；
在与所述膜片的中心部对置的所述第一壁部的部位形成、使鼓风器室的内部与外部连通的第一开口部；
将所述第一壁部至于其间、在与鼓风器室相反的一侧设置与第一壁部隔开间隔的第二壁部；
在与所述第一开口部对置的所述第二壁部的部位形成的第二开口部；
形成于所述第一壁部与第二壁部之间、外侧端部与外部连通而内侧端部与第一开口部及第二开口部连接的流入通路；以及
与所述流入通路的中途连接、前端关闭的多条支路。
2.如权利要求1所述的压电微型鼓风器，其特征在于，所述流入通路是从与第一开口部及第二开口部连接的中心部向放射方向延伸的多个曲线形或者弯曲形状的通路。
3.如权利要求1或2所述的压电微型鼓风器，其特征在于，所述支路形成为以第一开口部及第二开口部为中心的同心圆弧状。
4.一种压电微型鼓风器，包括：鼓风器本体；外周部相对鼓风器本体固定、具有压电元件的膜片；以及在鼓风器本体和膜片之间形成的鼓风器室，对所述压电元件施加电压使膜片弯曲变形，输送压缩性流体，其特征在于，包括：
在与所述膜片之间形成鼓风器室的鼓风器本体的第一壁部；
在与所述膜片的中心部对置的所述第一壁部的部位形成、使鼓风器室的内部与外部连通的第一开口部；
将所述第一壁部至于其间、在与鼓风器室相反的一侧设置与第一壁部隔开间隔的第二壁部；
在与所述第一开口部对置的所述第二壁部的部位形成的第二开口部；
形成于所述第一壁部与第二壁部之间、外侧端部与外部连通而内侧端部与第一开口部及第二开口部连接的流入通路；
与所述第二壁部隔开间隔设置的第三壁部；
在所述第二壁部与第三壁部之间、一端流出口与外部连通而另一端与所述第二开口部连接的流出通路；以及
与所述流出通路的中途连接、前端关闭的多条支路。
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| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20091028 |
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| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |