CN102483075B - 压电风扇及使用该压电风扇的空冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种冷却效果及耐久性优异的、在以共用的压电元件来使多个叶片激振时能够抑制各叶片振幅的偏差的压电风扇。压电风扇(1)包括：振动板(2)，该振动板(2)的长度方向上的一端被固定支承，长度方向上的另一端侧为自由端；以及压电元件(3，3)，该压电元件(3，3)至少粘贴在上述振动板的表面、背面的一个面上。在振动板(2)的长度方向上的中间部形成有正交方向的弯曲部(2b)，通过形成狭缝(2e)，从而形成分割成多个的叶片(2d)，狭缝(2e)从振动板的自由端起、到相距弯曲部为规定长度(S)的自由端侧的位置。压电元件(3)相比弯曲部(2b)粘贴在更靠近固定端侧的位置因此，各叶片(2d)的谐振频率的偏差减小，能以共用的压电元件来高效地激振叶片。

Description

压电风扇及使用该压电风扇的空冷装置

技术领域

本发明涉及通过驱动压电元件来使叶片激振、从散热器等发热源排出暖气的压电风扇及空冷装置。

背景技术

近年来，作为便携式的电子设备，随着小型化及元器件的高密度安装化，电子设备内部所产生的热量的散热措施成为要解决的问题。作为使此类电子设备高效地进行空冷的装置，提出了使用被称为压电风扇的空冷装置。

在非专利文献1中，提出了使用压电(piezo)元件的压电风扇。该压电风扇如图5所示那样，在平板状的金属板21的一端侧的两面粘贴有压电元件22，在粘贴有压电元件22的部分形成双层压电晶片致动器部23，以支承构件24支承致动器部23的一端，并在金属板21的另一端侧形成梳齿状的多个叶片21a。将叶片21a插入散热器30的翅片31之间，驱动压电元件22，从而能够使叶片21a激振，来高效地排出翅片31之间的暖气。

在上述结构的压电风扇中，由于叶片21a从致动器部分笔直延伸，因而，存在致动器部分23大幅向散热器30的外部突出、占有体积较大的缺点。另外，由于压电元件22的振动向叶片21a传递，从而叶片21a发生较大的位移，但是，另一方面，由于叶片21a的振幅较大，因此，其反作用也会导致压电元件22进行较大的振动。其结果是，施加到压电元件上的负荷增大，可能会导致压电元件发生裂纹等使可靠性降低。

在专利文献1中，揭示了以下小型风扇：即，将压电振动器的一端部固定到支承构件，沿与该压电振动器的延长方向正交的方向将叶片安装到压电振动器的另一端。在这种情况下，由于能够缩短纵向和横向的长度，因此，具有能够减小设置空间的优点。然而，采用上述结构的风扇由于是将分开设置的叶片通过连接构件安装到压电振动器，因此，应力集中到连结构件的部分，不能获得长期稳定的激振效果。而且，由于是对一个压电振动器安装一个叶片的结构，因此，不能将叶片插入到散热器的多个翅片间，不能高效地排出翅片间的暖气。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利实开平02-127796号公报

专利文献2：日本专利特开2010-67909号公报

非专利文献

非专利文献1：因特网(PC Watch)的以下页面HTTP: //pc.watch.impress.co.jp/docs/2007/0423/intel.htm

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷却效果及耐久性优异的、在以共用的压电元件来使多个叶片激振时能够抑制各叶片振幅的偏差的压电风扇及空冷装置。

此处，在说明本发明前，对直到完成本发明的过程进行说明。图6是将非专利文献1所记载的结构应用到专利文献1的压电风扇的设想例。该压电风扇20采用以下结构：即，在振动板21的一端侧的两面粘贴有压电元件22，并在振动板21的另一端侧一体形成多个叶片21a，在叶片21a的根部附近呈直角弯曲。振动板21的一端部由支承构件24进行固定支承。在采用该结构的情况下，如图7所示，由于能够将各叶片21a沿直角方向插入到散热器30的翅片31间，因此，能够集中对散热器30的底部中央进行冷却，并能够沿加热器30的外部配置致动器部分，因此，能够节省空间。而且，如后面所述的那样，与非专利文献1所示的一条直线状的风扇相比，可认为叶片21a的振动对压电元件22的影响减小，因此，压电元件22的可靠性升高。

图8是表示将施加到压电元件的施加电压设为30Vpp、60Vpp时的叶片的弯曲角度与压电元件的位移量之间的关系的图。此外，设振动板是厚度为0.1mm的不锈钢板，叶片宽度是4mm，从叶片的弯曲部到前端的长度L1是22mm，从弯曲部到支承构件的长度L2是20mm。从图8可知，与叶片为直线状(角度0°)的情况相比，随着叶片的弯曲角度增大，压电元件的位移量减小。例如，在叶片的弯曲角度为90°时，压电元件的位移量与叶片为直线状的情况相比，约为其60％。因而，通过弯曲叶片，能够减小施加到压电元件的负荷。

图9是表示将施加到压电元件的施加电压设为30Vpp、60Vpp时的叶片的弯曲角度与位移比之间的关系的图。所谓位移比，是指叶片前端部的位移量与压电元件的位移量之比，位移比越大则激振效率越好。在叶片为直线状(角度0°)的情况下位移比大约为24，与此相比，在叶片的弯曲角度成为90°时，位移比增大到大约35。即，在弯曲叶片的情况下，能够更高效地激振叶片的前端部。

由此，尽管弯曲叶片的压电风扇具有优势，但另一方面也会发生以下那样的问题。即，由于在叶片21a的中途对其进行弯曲，因此，各叶片21a的谐振频率的偏差增大，叶片前端部的振幅的偏差增大。若驱动压电元件22，则如图6所示，在叶片21a的根部(弯曲前)沿A方向进行振动，在叶片21a的前端部沿与A方向正交方向的B方向进行振动。尽管预先进行设计，使得各叶片21a以相同的谐振频率进行振动，但是，实际上各叶片21a的谐振频率会因为弯曲部的角度、圆度的稍微不同而不同。然而，由于是以一定频率驱动压电元件22，因此，各叶片21a的振幅会出现偏差。因此，存在加热器的各翅片间的冷却效果出现偏差的问题。

因此，在本发明中提供了一种压电风扇，该压电风扇包括：振动板，该振动板的长度方向上的一端被固定支承，长度方向上的另一端侧为自由端；以及压电元件，该压电元件至少粘贴在上述振动板的表面、背面的一个面上，通过驱动上述压电元件来使上述振动板沿板厚方向进行激振，来产生空气流，其特征在于，在上述振动板的长度方向上的中间部形成有正交方向上的弯曲部，通过形成狭缝，从而形成分割成多个的叶片，上述狭缝从上述振动板的自由端起、到相距上述弯曲部为规定长度的自由端侧的位置，上述压电元件相比上述弯曲部粘贴在更靠近固定端侧的位置。

本发明是基于以下发现完成的：即，相比使各叶片较大地激振的方式，连结各叶片但使谐振频率一致来进行振动的方式能够抑制各叶片的增幅的偏差，能够获得冷却效果及耐久性优异的压电风扇。尽管如图6所示那样在叶片部分形成弯曲部，能在叶片前端部获得较大的振幅，但是若按照振幅最大的叶片的谐振频率来驱动压电元件，则由于谐振频率存在偏差，因此，某一个叶片的振幅会减小。而且，应力会集中到叶片的弯曲部，在弯曲部分容易发生断裂。与此不同的是，在本发明中，由于在尚未分割成多个叶片的阶段就沿正交方向形成弯曲部，因此，尽管叶片的最大增幅会稍稍减小，但是由于弯曲部的角度、圆度的偏差减小，因此，能够减小叶片间的谐振频率的偏差。即，与将弯曲部形成于叶片部分的情况相比，最大振幅会减小，但最小振幅会增大。因此，叶片整体的振幅会大致一样，能获得均匀的冷却效果。另外，由于能够增大弯曲部的截面积，因此，能够减轻弯曲部的应力集中，从而提高不在弯曲部分发生疲劳断裂的可靠性。

本发明的所谓正交方向，不需要是严格的90°，只要在90°±10°的范围内，都能获得相同的效果。作为振动板，不限于不锈钢板那样的金属板，还可以是树脂板。压电元件粘贴在振动板的单面或双面，在粘贴于单面的情况下构成单层压电晶片致动器，在粘贴于双面的情况下构成双层压电晶片致动器。只要适当地设定振动板(叶片)的厚度、杨氏模量，叶片的长度等，使叶片能够因压电元件的驱动而发生一次谐振即可。

能将振动板的弯曲部形成为圆面。能将弯曲部弯曲成棱角状，但是，容易因加工变形而发生疲劳破坏。与此不同的是，若将弯曲部形成为圆面，则能够减少加工变形，能够抑制疲劳破坏的发生。

还能采用以下结构：即，在振动板的长度方向上的一端形成有未粘贴有压电元件的延长部，该延长部由支承构件进行固定支承。尽管能用支承构件对压电元件的端部进行固定支承，但是，支承构件会约束压电元件的位移，因而，从电能转换为振动能的转换效率会降低。与此不同的是，若对振动板的延长部进行固定支承，则压电元件容易自由进行位移，转换效率升高。

优选具有以下驱动电路：即，该驱动电路在一定范围内扫描输出提供给压电元件的信号的频率，基于其阻抗的变化来自动检测出叶片的谐振频率，在该谐振频率下驱动压电元件，从而将叶片维持在谐振状态。作为驱动压电元件的驱动电路，虽然也有的将预定的频率信号施加到压电元件来激振叶片，但是若信号的频率与叶片的谐振频率之间存在偏差，则不能高效地激振叶片。因此，能够使用以下驱动电路：即，该驱动电路在一定范围内扫描输出提供给压电元件的信号的频率，自动检测出叶片的谐振频率，在该谐振频率下驱动压电元件，从而将叶片维持在谐振状态。在这种情况下，若如上述设想例那样，各叶片的谐振频率的偏差较大，则由于驱动电路会获得多个频率，因此，有可能不能正常地工作。另外，驱动电路的指令信号中可能会存在波动。本发明的压电风扇由于在尚未分割成多个叶片就进行弯曲，因此，各叶片的谐振频率的偏差较小，自动检测型的驱动电路能够检测出适当的频率。因此，能够以适当的频率高效地激振叶片。

若将上述压电风扇应用于具有隔开间隔并排设置的多个散热翅片的散热器，则能够实现空冷装置。即，将压电风扇的多个叶片插入到散热器的散热翅片之间，以使得叶片的激振方向与散热翅片的侧面平行。由此，能够高效地排出散热翅片之间的空气，并能够抑制压电风扇从散热器突出的突出量，能够实现小型的空冷装载。

在上述空冷装置中，优选将压电风扇的多个叶片沿与散热器的底面正交的方向插入，将压电元件配置成与散热器的翅片的顶面平行。在这种情况下，由于能够集中冷却散热器的底面中央，并能够将压电元件沿散热器的上部进行配置，因此，能够节省空间。

由此，根据本发明，由于能够在尚未分割成多个叶片的位置形成弯曲部，因此，能够减小叶片间的谐振频率的偏差。因此，叶片整体的振幅会大致一样，能获得均匀的冷却效果。另外，由于能够增大弯曲部的截面积，因此，能够减轻弯曲部的应力集中，从而提高不在弯曲部分发生疲劳断裂的可靠性。

附图说明

图1是本发明的压电风扇的实施方式1的立体图。

图2是图1所示的压电风扇的分解立体图。

图3是将比较例1的压电风扇和本发明的压电风扇的各叶片前端部的振幅进行对比而示出的图。

图4是将图1所示的压电风扇用于散热器的空冷装置的立体图。

图5是非专利文献1所示的压电风扇的立体图。

图6是将非专利文献1所记载的结构应用到专利文献1的比较例1的立体图。

图7是将图6所示的压电风扇用于散热器的空冷装置的立体图。

图8是表示将施加到压电元件的施加电压设为30Vpp、60Vpp时的叶片的弯曲角度与压电元件的位移量之间的关系的图。

图9是表示将施加到压电元件的施加电压设为30Vpp、60Vpp时的叶片的弯曲角度与位移比之间的关系的图。

图10是应用专利文献2的比较例2的立体图。

图11是示出表示本发明和比较例2的冷却能力的频率×振幅的值的图。

图12是比较本发明与比较例2的压电体的振动大小的图。

附图标记

1 压电风扇

2 振动板

2a 基板部

2b 弯曲部

2c 延长部

2d 叶片

2e 狭缝

3 压电元件

5 支承构件

6 驱动电路

10 散热器

11 散热翅片

具体实施方式

下面，基于附图，说明本发明的优选实施方式。

图1、图2表示本发明的压电风扇的实施方式1。该压电风扇1具备由不锈钢板等薄壁金属板形成的振动板2，在振动板2的长度方向上的一端(固定端)侧设有平板状的基板部2a，在该基板部2a的正面和背面粘贴有压电元件3、3，从而构成双层压电晶片致动器。此外，也可在基板部2a的单面粘贴有压电元件3，从而构成单层压电晶片致动器。在振动板2的长度方向上的另一端(自由端)侧，形成有多个平行的狭缝2e，从而一体形成多个(此处为7个)叶片2d。在振动板2的长度方向上的中间部形成有呈90°弯曲的弯曲部2b，狭缝2e形成在从振动板2的自由端起到相距弯曲部2b为规定长度S的自由端侧的位置。因此，在相比弯曲部2b而言位于长度方向上的另一端侧，叶片2d被分割成多个。换言之，在尚未分割成多个叶片2d的位置将振动板2进行弯曲。本实施例的弯曲部2b是由圆面构成的。叶片2d沿着与压电元件3的主面方向正交的方向延伸。在振动板2的基板部2a的终端侧、即与弯曲部2b相反一侧的端部，形成有未粘贴压电元件3的延长部2c，延长部2c由固定在未图示的固定部的支承构件5支承。两个压电元件3、3及振动板2与驱动电路6进行电连接。

从驱动电路6向两个压电元件3、3施加相互反相的频率信号，则致动器部沿上下进行弯曲振动，在弯曲部2b发生沿A方向上的振动。因此，在叶片2d的前端部会以相对于A方向正交且振幅较大的B方向的振动进行激振。本实施例的驱动电路6具有以下功能：即，在一定范围内扫描输出提供给压电元件3、3的信号的频率，基于其阻抗的变化来自动检测出叶片2d的谐振频率，在该谐振频率下驱动压电元件3、3，从而将叶片2d维持在谐振状态。由于该驱动电路6由例如日本专利特开昭64-57000号公报等公开，因此省略其详细说明。7片叶片2d在比弯曲部2b更前端的前端侧被分割，因此，如后述那样，各叶片2d的谐振频率的偏差减小，驱动电路6能够正确地检测出叶片2d的谐振频率。因此，能够高效地激振所有的叶片2d。

图3是将比较例1的压电风扇(参照图6)与本发明的压电风扇(参照图1)的各叶片前端部的振幅进行比较的图，上述比较例1的压电风扇是在分割成7片叶片的位置弯曲成直角，上述本发明的压电风扇是在尚未分割成7片叶片的位置弯曲成直角。振动板及叶片的条件如下所示。

振动板：厚度0.1mm的不锈钢板

叶片的宽度：4mm

从叶片的弯曲部起到前端的长度L1：22mm

从弯曲部起到支承构件的长度L2：20mm

从弯曲部起到狭缝的长度S：2mm

狭缝的宽度：2mm

振动板的长度：42mm

所有叶片的整体宽度W：45mm

压电元件的施加电压：30Vpp，频率：145kHz

从图3中可知，在比较例1的压电风扇(参照图6)中，在设定施加到压电元件的信号使得一端的第1片叶片以最大振幅(11mm)进行谐振的情况下，则靠近另一端侧的第5～第7片叶片的振幅下降至大约8mm。即，最大振幅与最小振幅之差为3mm，振幅产生了大约30％的偏差。图3是使施加到压电元件的信号与第1个叶片的谐振频率相一致的例子，但是，无论使上述信号与哪一个叶片的谐振频率一致，都会获得相同的结果。

另一方面，在本发明的压电风扇(参照图1)中，在将施加到压电元件的信号设定为使得第7片叶片以最大振幅(10.2mm)进行谐振时，尽管两端的叶片(第1片和第7片)的振幅增大，但是中间部分的叶片(第2片～第6片)的振幅大致一定，最大振幅与最小振幅之差大约为1mm。即，振幅偏差不过大约为10％，所有叶片2d的谐振频率的偏差较小。因此，在将该压电风扇用于散热器的冷却的情况下，冷却效果几乎不会产生偏差。在对本发明的压电风扇1使用自动检测出叶片2d的谐振频率的方式的驱动电路6的情况下，能够适当地检测出谐振频率，能够高效地激振所有的叶片2d。而且，由于在尚未分割叶片的位置就弯曲成直角，因此，弯曲部的截面积与比较例1相比要大，弯曲部分对于疲劳断裂的可靠性提高。

图4表示将本压电风扇1用作为散热器10的空冷装置的例子。散热器10包括隔开间隔并排设置的多片(这里是8片)散热翅片11。散热器10例如与安装在电路基板上的发热元件(CPU等)的上表面以热结合的状态安装。因而，发热元件所产生的热量传导至散热器10，从而使各散热翅片11之间的空气变热。压电风扇1的各叶片2d沿着与散热器10的底面成直角的方向，以非接触的方式插入至各翅片11之间。狭缝2e的宽度比翅片11的厚度要大，因而，叶片不会与翅片11相接触。包括振动板2的基板部2a及压电元件3的致动器部沿散热器10的上端与之平行地配置。因此，致动器部分不会大幅向散热器10的外部突出，能够节省空间。如上述那样驱动压电元件3、3，从而能够使叶片2d沿平行于散热翅片11的侧面的方向进行振动，以叶片2d来扇动散热翅片11附近的暖气，从而使散热器10高效冷却。

图10表示相对于本发明的比较例2。在该比较例2中，使用专利文献2的图10所示的压电风扇来形成总共7片叶片。40是压电风扇，41是振动板，42是压电元件，43是支承构件。从振动板41的直角的弯曲部41b起遍及整个自由端形成狭缝41c，从而分割成多个叶片41a。弯曲部41b的内侧及外侧固定有支承块44，以增强弯曲部41b。

此处，为了比较本发明(参照图1)和比较例2的特性，测定了振动特性。振动板及叶片的条件如下所示。

振动板：厚度0.05mm的不锈钢板

叶片的宽度：4mm

从叶片的弯曲部起到前端的长度L1：26mm

从弯曲部起到支承构件的长度L2：25mm

狭缝的宽度：2mm

支承块：4mm×4mm×55mm的不锈钢材

压电元件的施加电压：20Vpp，频率：45kHz

图11示出表示冷却能力的指标即频率×叶片的振幅的值。在比较例2中，向弯曲部追加支承块44，从而其振动状态不同于本发明，尽管驱动频率升高，但叶片的振幅减小。其理由是，由于支承块起到作为重物的作用，因此，质量(惯性)增加，振动所需要的能量增大。在本发明中，与比较例2相比，驱动频率稍稍降低，但是，由于叶片的平均振幅增大，因此，频率×振幅的值也大于比较例2。因而，能够理解本发明的压电风扇的冷却能力高于比较例2。

图12表示压电体前端的振动的大小。振动的大小是对接近弯曲部的压电体的端部的振幅进行测定而获得的。比较例2中由于支承块进行较大的振动，因此，与本发明相比，压电体的振动增大。在实验中，比较例2的振动的大小是本发明的4倍以上。若压电体的振动增大，则施加到压电体及支承它的支承构件上的负荷也增大。在比较例2中，尽管利用支承块提高了弯曲部的可靠性，但是施加到压电体及支承构件上的负荷也增大，因此，压电风扇容易损坏。与此不同的是，由于本发明的压电体的振动是比较例2的压电体的振动的1/4以下，因此，施加到压电体及支承构件上的负荷较小，耐久性提高。

如上所述可知，若比较冷却能力和耐久性，则本发明与比较例2相比要优异。

在上述实施方式中，对在振动板的两面粘贴有压电元件的双层压电晶片型的压电风扇进行了说明，但是也可以是在振动板的单面粘贴有压电元件的单层压电晶片型的压电风扇。另外，粘贴到振动板的一面的压电元件不限于一个，还可在振动板的宽度方向上分割为多个。但是，需要配置压电元件，使得各叶片的振幅大致相等。

Claims (7)

1.一种压电风扇，

包括：振动板，该振动板的长度方向上的一端被固定支承，在长度方向上的另一端侧为自由端；以及压电元件，该压电元件至少粘贴在所述振动板的表面、背面的一个面上，通过驱动所述压电元件来使所述振动板沿板厚方向进行激振，来产生空气流，其特征在于，

在所述振动板的长度方向上的中间部形成有正交方向上的弯曲部，

通过形成狭缝，从而形成分割成多个的叶片，所述狭缝从所述振动板的自由端起、到相距所述弯曲部为规定长度的自由端侧的位置，

所述压电元件相比所述弯曲部粘贴在更靠近固定端侧的位置。

2.如权利要求1所述的压电风扇，其特征在于，

在所述弯曲部形成圆面。

3.如权利要求1或2所述的压电风扇，其特征在于，

在所述振动板的长度方向上的一端形成有未粘贴有压电元件的延长部，所述延长部由支承构件固定支承。

4.如权利要求1或2所述的压电风扇，其特征在于，

具有以下驱动电路：即，该驱动电路在一定范围内扫描输出提供给所述压电元件的信号的频率，基于其阻抗的变化来自动检测出所述叶片的谐振频率，在该谐振频率下驱动所述压电元件，从而将所述叶片维持在谐振状态。

5.如权利要求3所述的压电风扇，其特征在于，

具有以下驱动电路：即，该驱动电路在一定范围内扫描输出提供给所述压电元件的信号的频率，基于其阻抗的变化来自动检测出所述叶片的谐振频率，在该谐振频率下驱动所述压电元件，从而将所述叶片维持在谐振状态。

6.一种空冷装置，

包括权利要求1所述的压电风扇、以及具有隔开间隔并列设置的多个散热翅片的散热器，其特征在于，

将所述压电风扇的所述多个叶片插入到所述散热器的散热翅片之间，以使得所述叶片的激振方向与所述散热翅片的侧面平行。

7.如权利要求6所记载的空冷装置，其特征在于，

将所述压电风扇的所述多个叶片沿与所述散热器的底面正交的方向插入，

将所述压电元件配置成与所述散热器的翅片的顶面平行。