JP2008172105A - Piezoelectric fan device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、各種電子機器内のLSIやCPUなどのチップ周辺を局所的に冷却する圧電素子からなる圧電ファン装置に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric fan device including a piezoelectric element that locally cools the periphery of a chip such as an LSI or a CPU in various electronic devices.
各種電子機器に組み込まれているLSIやCPUなどのチップは、局所的な発熱源となっているため、製品によっては適宜冷却することが必要とされる。このような要求に答えるものとして、多数の放熱片などを有する単なる放熱体(板)なども使用されているが、小型で、より効率的な冷却ができる、圧電素子(セラミック素子)を用いた圧電ファン装置が提供されている(例えば引用文献1)。
圧電ファン装置の概略構造を示すと、図4の如くである。この装置では、2枚の板状圧電素子(通常PZTなどからなるセラミック素子)11、11を、これより長さの長い弾性金属板12の両面に接着層13、13を介して貼り付けてある。この両板状圧電素子11、11はその両面に電極14、14が形成されていて、弾性金属板12と一体化された形で圧電ファン部10とする一方、これらの両板状圧電素子11、11の外側の電極14、14と弾性金属板12との間には、交流電圧を印加するための交流回路20を接続すると共に、圧電ファン部10の一端(中央などの途中も可)を、固定部品である支持部30で、片持ち型として支持・固定してある。
A schematic structure of the piezoelectric fan device is shown in FIG. In this apparatus, two plate-like piezoelectric elements (usually ceramic elements made of PZT or the like) 11 and 11 are attached to both surfaces of a longer elastic metal plate 12 via
この圧電ファン装置の場合、交流電圧を印加すると、片方の板状圧電素子11が伸びるときには、他方の板状圧電素子11が縮み、逆に、片方の板状圧電素子11が縮むと、他方の板状圧電素子11が伸びるため、圧電ファン部10は、全体として正逆方向に交互に屈曲運動するようになる。
In the case of this piezoelectric fan device, when an AC voltage is applied, when one plate-like
従って、圧電ファン装置を、電子機器内のLSIやCPUなどのチップ周辺に組み付けて、交流電圧として、共振周波数となる正弦波を加えれば、弾性金属板12の自由端(遊端)側が扇子状に振動するため、冷却風が発生する。つまり、所望のファン機能が得られる。ファン機能を高めるため、必要により、弾性金属板12の自由端側にプラスチック製などの薄板からなる振動板を設けることも行われている。 Therefore, when the piezoelectric fan device is assembled around a chip such as an LSI or CPU in an electronic device and a sine wave having a resonance frequency is applied as an alternating voltage, the free end (free end) side of the elastic metal plate 12 is a fan shape. Cooling air is generated. That is, a desired fan function can be obtained. In order to enhance the fan function, a diaphragm made of a thin plate made of plastic or the like is provided on the free end side of the elastic metal plate 12 as necessary.
このような構造の圧電ファン装置は、電磁障害などもなく、LSIやCPUなどの発熱源に近接して設置することができ、かつ、小型で、構造が簡単であるという利点があるものの、以下のような問題点があった。 The piezoelectric fan device having such a structure has no advantage of electromagnetic interference, can be installed close to a heat source such as an LSI or a CPU, and has the advantage of being small in size and simple in structure. There was a problem like this.
つまり、この装置では、圧電ファン部10を支持部30で、片持ち型に支持・固定しているため、振動の振幅が大きくなると、支持部30に応力が集中して、板状圧電素子11、11が破損し易くなるという問題があった。特にファン機能を向上させるため、板状圧電素子11、11の厚さを薄くすると、この問題は顕著となる。素子の厚さが薄くなると、当然機械的強度が低下するため、短期的にはファン機能の向上が得られるものの、使用中に破損するという懸念がある。厄介なことに、損傷があっても、電子機器に組み込まれた後では発見され難いという問題もある。
That is, in this apparatus, since the
しかしながら、近年、電子機器自体の小型化が進み、発熱源であるLSIやCPUなどは高密度で配置される傾向にあるため、圧電ファン装置にあっても、より一層の小型化、高性能のファン機能が求められている。 However, in recent years, electronic devices have become more and more compact, and LSIs and CPUs, which are heat sources, tend to be arranged at high density. Fan function is required.
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その特徴とする点は、圧電ファン部の2枚の板状圧電素子部分において、板状圧電素子の支持部側の厚さを、その自由端側の厚さより厚くして、支持部側では十分な機械的強度を確保する一方、自由端側を薄くすることにより、高いファン機能が得られる、優れた圧電ファン装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems. The feature of the present invention is that the two plate-like piezoelectric element portions of the piezoelectric fan portion are arranged on the support side of the plate-like piezoelectric element. An excellent piezoelectric fan device in which a high fan function can be obtained by making the thickness thicker than the thickness on the free end side to ensure sufficient mechanical strength on the support side, while making the free end side thin. Is to provide.
請求項1記載の本発明は、2枚の板状圧電素子と前記両板状圧電素子より長い長さを有しこれらの板状圧電素子の間に挟まれた弾性金属板とからなる圧電ファン部の一端側又は途中を、支持部で片持ち型に支持・固定すると共に、前記両板状圧電素子の外側面の電極に交流電圧を印加する交流回路を備えた圧電ファン装置において、前記両板状圧電素子の支持部側の厚さを、その自由端側の厚さより厚くしたことを特徴とする圧電ファン装置にある。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric fan comprising two plate-like piezoelectric elements and an elastic metal plate having a longer length than the two plate-like piezoelectric elements and sandwiched between these plate-like piezoelectric elements. In the piezoelectric fan device comprising an AC circuit that supports and fixes one end side or a middle of the unit in a cantilevered manner with a support unit and applies an AC voltage to the electrodes on the outer surfaces of the two plate-like piezoelectric elements. The piezoelectric fan device is characterized in that the thickness of the support portion side of the plate-like piezoelectric element is thicker than the thickness of the free end side thereof.
請求項2記載の本発明は、前記板状圧電素子の厚さを、その支持部側から自由端側にかけて傾斜状に次第に薄くしたことを特徴とする請求項1記載の圧電ファン装置にある。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the piezoelectric fan device according to the first aspect, wherein the thickness of the plate-like piezoelectric element is gradually reduced in an inclined manner from the support portion side to the free end side.
請求項3記載の本発明は、前記板状圧電素子の厚さを、その支持部側が自由端側の2倍以上としたことを特徴とする請求項1又は2記載の圧電ファン装置にある。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the piezoelectric fan device according to the first or second aspect, wherein the thickness of the plate-like piezoelectric element is at least twice that of the free end side on the support side.
本発明の圧電ファン装置によると、圧電ファン部の2枚の板状圧電素子部分において、板状圧電素子の支持部側の厚さを、その自由端側の厚さより厚くして、支持部側では十分な機械的強度を確保する一方、自由端側を薄くすることにより、高いファン機能が得られる。つまり、丈夫で、小型の高性能な圧電ファン装置が得られる。
また、板状圧電素子の厚さを、その支持部側から自由端側にかけて傾斜状に次第に薄くした場合、支持部側から自由端側に掛けて応力の集中し易い部分(段部など)がなくなるため、より良好な機械的強度が得られる。特に、支持部側の厚さを、自由端側の2倍以上とした場合、支持部側の応力が小さくて済み、より大きい機械的強度が得られると同時に、薄い自由端側の大きな振幅により、より高いファン性能が得られる。即ち、理想的な圧電素子形状が得られる。
According to the piezoelectric fan device of the present invention, in the two plate-like piezoelectric element portions of the piezoelectric fan portion, the thickness of the support portion side of the plate-like piezoelectric element is made larger than the thickness of its free end side, Then, while ensuring sufficient mechanical strength, a high fan function can be obtained by thinning the free end side. That is, a strong and small high-performance piezoelectric fan device can be obtained.
In addition, when the thickness of the plate-like piezoelectric element is gradually reduced from the support side to the free end side, there is a portion (stepped portion, etc.) where stress tends to concentrate from the support side to the free end side. Therefore, better mechanical strength can be obtained. In particular, when the thickness on the support portion side is twice or more that on the free end side, the stress on the support portion side can be reduced, and a larger mechanical strength can be obtained. Higher fan performance can be obtained. That is, an ideal piezoelectric element shape can be obtained.
図1は本発明に係る圧電ファン装置の一例を示したものである。
図中、100は圧電ファン装置、110は2枚の板状圧電素子111、111を、これより長さの長い弾性金属板112の両面に接着層113、113を介して貼り付けて、さらに、両板状圧電素子111、111の電極14、14を設けてなる圧電ファン部、120は両板状圧電素子111、111と弾性金属板112との間に交流電圧を印加するための交流回路、130は圧電ファン部110の一端側(中央などの途中も可)を片持ち型に支持する固定部品からなる支持部である。なお、弾性金属板112の自由端側には、ファン機能を高めるため、必要により、プラスチック製などの薄板からなる振動板を適宜設けることができる。
FIG. 1 shows an example of a piezoelectric fan device according to the present invention.
In the figure,
上記2枚の板状圧電素子111、111は、PZTなどのセラミック素子からなり、図示のように、支持部側の厚さを、その自由端側の厚さより厚くしてある。その具体例の一例を示すと、図2〜図3の如くである。例えば、2枚の板状圧電素子111、111の長さが10mm、支持部120の幅が5mm、弾性金属板112の長さ(自由端側とは反対側の支持部120の片面側からの長さ)が20mm、これらの圧電ファン部110の幅は4mmのとき、後述する実施例のデータから明らかなように、、支持部側の厚さ(t1)は0.18〜0.90mm程度の範囲で、自由端側の厚さ(t2)は0.02〜0.45mm程度の範囲で調整するとよい。
The two plate-like
〈実施例・比較例〉
表1〜表5は、上記図2〜図3に示した寸法の圧電ファン装置(実施例1〜30、比較例1〜5)において、支持部側の厚さ(t1)と自由端側の厚さ(t2)との関係を種々の値に設定して、t1/t2の値(比)、支持部側に掛かる応力(σ)、弾性金属板の振幅を求めたものである。なお、比較例1〜5は、板状圧電素子の支持部側の厚さ(t1)と自由端側の厚さ(t2)を同一とした場合である。
<Examples and comparative examples>
Tables 1 to 5 show the thickness (t1) on the support portion side and the free end side in the piezoelectric fan devices (Examples 1 to 30 and Comparative Examples 1 to 5) having the dimensions shown in FIGS. The relationship with the thickness (t2) is set to various values, and the value (ratio) of t1 / t2, the stress (σ) applied to the support portion side, and the amplitude of the elastic metal plate are obtained. In Comparative Examples 1 to 5, the thickness (t1) on the support portion side of the plate-like piezoelectric element is the same as the thickness (t2) on the free end side.
そして、この素子の厚さ(0.05mm、0.04mm、0.03mm、0.02mm、0.01mm)に対応してグループ化(G1〜5)し、このグループ内で、素子の支持部側の厚さ(t1)と自由端側の厚さ(t2)を変えたものを、各実施例1〜30とした。なお、各グループ内の各圧電ファン装置では、比較例も実施例も同じ質量(重さ)としてある。また、各表1〜表5において、支持部側の応力(σ)と弾性金属板の振幅は比較例1〜5の値で規格化してある。これらのデータは有限要素法(FEM)により求めた。その際の印加する交流電圧は200Vppである。 And it groups (G1-5) corresponding to the thickness (0.05mm, 0.04mm, 0.03mm, 0.02mm, 0.01mm) of this element, and in this group, the support part of the element Examples 1 to 30 were obtained by changing the thickness (t1) on the side and the thickness (t2) on the free end side. In each piezoelectric fan device in each group, the comparative example and the example have the same mass (weight). Moreover, in each Table 1-Table 5, the stress ((sigma)) by the side of a support part and the amplitude of an elastic metal plate are normalized by the value of Comparative Examples 1-5. These data were obtained by the finite element method (FEM). The alternating voltage applied at that time is 200 Vpp.
表1〜表5によると、板状圧電素子において、支持部側の厚さ(t1)に対して、遊端側の厚さ(t2)を薄くすると、支持部側の応力(σ)が小さくなることが分かる。
しかしながら、t1/t2の比が2.0未満であると、弾性金属板の振幅が、比較例1〜5の場合により小さくなることが分かる。つまり、ファン機能が低下し、良好な冷却性能が得られなくなる。なお、板状圧電素子の幅、即ち圧電ファン部の幅については、4mm程度から多少変動しても(例えば2mm〜10mm程度の範囲)、支持部側の応力や弾性金属板の振幅にあまり影響はなかった。
According to Tables 1 to 5, in the plate-like piezoelectric element, when the thickness (t2) on the free end side is made thinner than the thickness (t1) on the support part side, the stress (σ) on the support part side is reduced. I understand that
However, it can be seen that when the ratio of t1 / t2 is less than 2.0, the amplitude of the elastic metal plate becomes smaller in the cases of Comparative Examples 1 to 5. That is, the fan function is deteriorated and good cooling performance cannot be obtained. Note that the width of the plate-like piezoelectric element, that is, the width of the piezoelectric fan portion, even if it varies slightly from about 4 mm (for example, in the range of about 2 mm to 10 mm), does not significantly affect the stress on the support side and the amplitude of the elastic metal plate. There was no.
一方で、t1/t2の比が2.0以上、例えは9.0程度までは、支持部側の応力(σ)がより一層小さくなると同時に、弾性金属板の振幅が、比較例1〜5に比べて、より大きくなることが分かる。言い換えれば、支持部側の負荷が小さく、十分な機械的強度が確保できる上に、弾性金属板のより大きな振幅により、高いファン機能が得られることが分かる。従って、これらのことから、板状圧電素子の支持部側の厚さを、その自由端側の厚さをより厚くし、かつ、その厚さを、その支持部側が自由端側の2倍以上とした場合、理想的な圧電ファン装置が得られること分かる。 On the other hand, when the ratio of t1 / t2 is 2.0 or more, for example, up to about 9.0, the stress (σ) on the support portion side is further reduced, and at the same time, the amplitude of the elastic metal plate is compared with Comparative Examples 1 to 5. It can be seen that it is larger than In other words, it can be seen that the load on the support portion side is small and sufficient mechanical strength can be ensured, and that a higher fan function is obtained by the larger amplitude of the elastic metal plate. Therefore, from these, the thickness on the support portion side of the plate-like piezoelectric element is made thicker on the free end side, and the thickness is more than twice that on the free end side on the support portion side. It can be seen that an ideal piezoelectric fan device can be obtained.
なお、上記の説明では、図1に示す、圧電ファン部の一端側を、支持部で片持ち型に支持・固定する場合であったが、本発明はこれに限定されず、例えば、引用文献1のように、圧電ファン部の中央部などの途中を、支持部で片持ち型に支持・固定する場合にも適用することができる。この場合にも、図1の圧電ファン部の一端側を片持ち型に支持・固定する場合と同様の作用、効果が得られる。 In the above description, the one end side of the piezoelectric fan portion shown in FIG. 1 is supported and fixed in a cantilever manner by the support portion. However, the present invention is not limited to this, for example, a cited document. As shown in FIG. 1, the present invention can also be applied to a case where the middle portion of the piezoelectric fan portion or the like is supported and fixed in a cantilever manner by the support portion. Also in this case, the same operation and effect as in the case of supporting and fixing one end side of the piezoelectric fan portion of FIG.
100・・・圧電ファン装置、110・・・圧電ファン部、111・・・板状圧電素子、112・・・弾性金属板、113・・・接着層、114・・・電極、120・・・交流回路、130・・・支持部
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WO2013035477A1 (en) * | 2011-09-06 | 2013-03-14 | 株式会社村田製作所 | Piezoelectric actuator |
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