JP2009112173A - 圧電ファン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、各種電子機器内のＩＣチップ周辺などを局所的に冷却する冷却性能の優れた電子機器用冷却装置を提供するものである。
【解決手段】 かゝる本発明は、１枚の板状圧電素子１１１と当該板状圧電素子１１１が固定されると共に、板状圧電素子１１１より長い長さを有する平板状の弾性金属板１１２とからなる圧電ファン部１１０の一端側又は途中を、支持部１３０で片持ち型に支持・固定すると共に、板状圧電素子１１１の外側面の電極と弾性金属板１１２に交流電圧を印加する交流回路１２０を備えた圧電ファン装置１００Ａにおいて、弾性金属板１１２の一部に矩形状の開口１１２ａなどの振動時の空気抵抗低減手段Ａ設けた圧電ファン装置にあり、これにより、振幅の増長効果が得られる。
【選択図】 図１

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。

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）。
特開２０００−３２３８８２号

圧電ファン装置の概略構造を示すと、図７や図８の如くである。これらの装置では、１枚又は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を、これより長さの長い弾性金属板（ブレード）１２の片面又は両面に接着層１３を介して貼り付けてある。この板状圧電素子１１は、通常その両面に電極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としてある。
そして、板状圧電素子１１の両電極１４、１４間に通電されるように、圧電ファン部１０に交流電圧を印加するための交流回路２０を接続する一方、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。また、通常板状圧電素子１１が１枚のものをモノモルフ型（ユニモルフ型）といい、２枚のものをバイモルフ型という。

このような圧電ファン装置の場合、交流電圧を印加すると、板状圧電素子１１が伸びたり、縮んだりするため、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。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の遊端（自由端）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。

また、２枚の板状圧電素子１１がある場合、一方の板状圧電素子１１が伸びるときには、他方の板状圧電素子１１が縮み、逆に、一方の板状圧電素子１１が縮むと、他方の板状圧電素子１１が伸びるため、正逆方向の屈曲運動が増幅されるようになる。このため、より大きな冷却風が発生する。つまり、より良好なファン機能が得られる。

このような構造の圧電ファン装置において、冷却性能を高めるため、弾性金属板１２のより大きな高振動を得るには、弾性金属板１２の長さを長くするか、或いは、通電する電圧を高くすることが必要となる。

しかしながら、近年、電子機器の小型化に伴い冷却部品である、圧電ファン装置を設置するスペースも制限されてきており、装置サイズを大きくすることは困難となってきている。また、一方では、電子機器では多機能化の進行によって、消費電力が上がってきており、圧電ファン装置を高電圧で駆動させることは困難な状況となってきている。

つまり、上記従来構造と同等サイズで、より大きな冷却性能を有する圧電ファン装置が求められている。さらには、従来構造より小サイズても、同等の冷却性能を有する圧電ファン装置が求められている。

そこで、本発明者等は、弾性金属板１２の振動時における空気抵抗に着目し、同一の弾性金属板を用いて、同一条件（駆動条件）下で、大気下（空気中）と真空中（真空容器内に金属板収納させた状態）で振動させたところ、真空中では、大気下の振幅値に対して、１．８〜２．０倍にもなることを見出した。これは、弾性金属板の上下振動（往復振動）には、空気抵抗が少なからず、影響しているものと考えられる。
このことから、大気下でも、弾性金属板に対して、空気抵抗低減手段を設ければ、振幅の向上が得られるものと考え、金属板自体に適宜大きさの開口を開けたところ、後述する試験結果から明らかなように、より高い振幅が得られることを見出した。

本発明は、この点に着目して発明されたものであり、弾性金属板（ブレード）に開口などの空気抵抗低減手段を設けることにより、高い振幅、即ち高冷却性能を有する、優れた圧電ファン装置を提供するものである。

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平板状の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間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、
前記弾性金属板の一部に振動時の空気抵抗低減手段を設けたことを特徴とする圧電ファン装置にある。

請求項２記載の本発明は、１枚の板状圧電素子と当該板状圧電素子が固定されると共に、当該板状圧電素子より長い長さを有する平板状の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、前記板状圧電素子の外側面の電極と前記弾性金属板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、
前記弾性金属板の一部に振動時の空気抵抗低減手段を設けたことを特徴とする圧電ファン装置にある。

請求項３記載の本発明は、前記弾性金属板の空気抵抗低減手段が、弾性金属板に開けた開口である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。

請求項４記載の本発明は、前記開口が矩形状であることを特徴とする請求項３記載の圧電ファン装置にある。

請求項５記載の本発明は、前記開口が矩形状で、かつ、前記開口面積が前記弾性金属板の全表面積に対して、５％以上４５％未満であることを特徴とする請求項４記載の圧電ファン装置にある。

本発明の圧電ファン装置によると、モノモルフ型やバイモルフ型のものにおいて、弾性金属板（ブレード）に対して、開口などの空気抵抗低減手段を設けてあるため、振幅時弾性金属板の空気抵抗が下がり、結果として、弾性金属板の振動がし易くなる。これにより、弾性金属板の大きな振動が得られ、その結果、高い冷却性能が得られる。
また、この冷却性能を向上させるに際して、弾性金属板の長さを長くしたり、或いは、通電電圧を高くする必要がないため、装置サイズの小型化が可能となり、高電圧駆動が必要とされることもなくなる。

図１は本発明に係る圧電ファン装置の一例を示し、図２は一部を省略した斜視方向からの圧電ファン装置を示したものである。
図中、１００Ａはバイモルフ型の圧電ファン装置で、１１０はその圧電ファン部である。この圧電ファン部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あり、また、板状圧電素子１１１の両面には電極１１４、１１４が設けてある。１２０は２枚の板状圧電素子１１１、１１１の外側面の電極１１４、１１４と弾性金属板１１２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。

上記弾性金属板１１２の振動端側（遊端側）の適宜位置には、矩形状の開口１１２ａからなる振動時の空気抵抗低減手段Ａを設けてある。なお、空気抵抗低減手段Ａの開口形状は特に限定されない。また、複数の開口とすることも可能である。

この開口１１２ａの形成により、弾性金属板１１２の振動時、板周囲（表側及び裏側）の空気がこの開口１１２ａを介して通されるため、空気抵抗の低減が図られる。
結果として、後述するように、弾性金属板１１２の大きな振幅向上効果が得られることになる。つまり、高い冷却性能が得られることになる。

しかし、開口１１２ａの開口面積が、弾性金属板１１２の全表面積）に対して、あまり小さいと、十分な空気抵抗低減効果は得られない。また、逆に開口面積が大きくなると、空気抵抗低減効果は大きくなるものの、ファン効果が小さくなる。つまり、得られる風量が小さくなる。従って、最適な開口面積とする必要がある。
後述する試験例から明らかなように、開口が矩形状の場合、開口面積が弾性金属板１１２の全表面積に対して、５％以上４５％未満とする必要がある。

上記板状圧電素子１１１の内側の電極１１４への通電は通常の方法で行う。上記のように弾性金属板１１２側から通電するときには、接着層１１３の厚さは薄いため、通常の接着材料により層でも問題なく、通電可能であるが、導電性接着層とすることもできる。
このように導電性接着層とする場合、本発明では、板状圧電素子１１１の内側の電極１１４を省略することもできる。これにより、装置の薄型化が得られる。また、接着層１１３が非導電性接着層の場合には、交流回路１２０側のリード線などを直接板状圧電素子１１１の内側の電極１１４側に接続してもよい。

上記弾性金属板１１２（ブレード）は、通常平板状の真鍮やＳＵＳなどの金属板などからなる。この金属板の基端側から延びる振動端側には、上記したように、矩形状の開口１１２ａを開け、空気抵抗低減手段Ａとしてある。この開口１１２ａは、プレス加工などで開けることができる。また、マスク処理とエッチング処理の組み合わせなどにより、化学的に形成することも可能である。

図３は本発明に係る圧電ファン装置の他の例を示し、図４は一部を省略した斜視方向からの圧電ファン装置を示したものである。図中、この圧電ファン装置１００Ｂはモノモルフ型の圧電ファン装置で、圧電ファン部１１０が、１枚の板状圧電素子１１１とこれが接着層１１３を介して貼り付られる弾性金属板１１２からり、基本的には、上記圧電ファン装置１００Ａと同構造のものである。勿論、弾性金属板１１２の振動端側には、矩形状の開口１１２ａを開け、空気抵抗低減手段Ａとしてある。なお、圧電ファン装置１００Ａと同一構成部分には同符号を付してある。
この圧電ファン装置１００Ｂでは、板状圧電素子１１１が１枚あるため、上記圧電ファン装置１００Ａに比較すると、弾性金属板１１２の振幅は小さくなるが、装置の薄型化が可能となる。

〈実施例・比較例〉
このような本発明に係る圧電ファン装置の効果を確認するため、図１に示す本発明のバイモルフ型の圧電ファン装置１００Ａと同構造であって、図５に示す寸法のもの（実施例１〜１６、比較例２〜８）と、図８に示す従来型のバイモルフ型と同構造であって、図６に示す寸法のもの（比較例１）とからなる各サンプルを製造して、±１２Ｖの交流電圧を印加し、弾性金属板の振幅試験を行なった。その結果は表１の如くであった。

なお、上記各サンプルの圧電ファン装置において、弾性金属板１１２の長さ、及び弾性金属板１２の長さは共に２０ｍｍ、これらの幅は４．０ｍｍである。板状圧電素子１１１の基端側の長さ（Ｌ０）は１０ｍｍ、遊端側の長さ（Ｌ１）は１０ｍｍ、弾性金属板１２の基端側の長さ（Ｌ０）は７．５ｍｍ、遊端側の長さ（Ｌ１）は１２．５ｍｍである。
また、板状圧電素子１１１、１１の厚さは２００μｍ、弾性金属板１１２、１２の厚さは１５０μｍである。さらに、圧電ファン装置１００Ａと同構造のものにおける、空気抵抗低減手段Ａをなす開口部分の長さＬ２、幅Ｗ１、開口中心位置の値は、表１の通りである。なお、開口中心位置の値は、図５中の板状圧電素子１１１の基端側の長さ（Ｌ０）の先端から弾性金属板１１２の矩形状の開口１１２ａの長さ（Ｌ２）の先端までの中心部分の長さ（Ｌ３）の値である。

表１の振幅データ（振幅評価結果）からすると、弾性金属板の振動端側に矩形状の開口などからなる空気抵抗低減手段Ａを設けると、弾性金属板の振幅の増大効果が得られるこが分かる。ただし、開口面積が弾性金属板の全表面積に対して、５％未満であると、狭すぎて、大きな振幅向上効果が得られないことが分かる（比較例２〜６）。また、逆に開口面積が弾性金属板の全表面積に対して、４５％となると、大きな振幅向上効果が得られるものの、ファン効果が小さくなることが分かる（比較例７〜８）。
これらのことから、開口が矩形状で、かつ、開口面積が弾性金属板の全表面積に対して、５％以上４５％未満であることが必要であることが分かる

なお、上記と同様の試験を、圧電ファン装置がモノモルフ型のものにおいても行ったところ、同様の結果が得られることが確認できた。

本発明に係る圧電ファン装置の一例を示した概略縦断側面図である。 図１の圧電ファン装置の一部省略斜視図である。 本発明に係る圧電ファン装置の他の例を示した概略縦断側面図である。 図３の圧電ファン装置の一部省略斜視図である。 図１の圧電ファン装置に対応するサンプルの一部分解斜視図である。 下記図８の圧電ファン装置に対応するサンプルの斜視図である。 従来の圧電ファン装置を示した概略縦断側面図である。 従来の他の圧電ファン装置を示した概略縦断側面図である。

符号の説明

１００Ａ〜１００Ｂ・・・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、１１２ａ・・・開口、１１３・・・接着層、１１４・・・電極、１２０・・・交流回路、１３０・・・支持部、Ａ・・・空気抵抗低減手段

Claims (5)

1. 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平板状の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間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、
   前記弾性金属板の一部に振動時の空気抵抗低減手段を設けたことを特徴とする圧電ファン装置。
2. １枚の板状圧電素子と当該板状圧電素子が固定されると共に、当該板状圧電素子より長い長さを有する平板状の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、前記板状圧電素子の外側面の電極と前記弾性金属板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、
   前記弾性金属板の一部に振動時の空気抵抗低減手段を設けたことを特徴とする圧電ファン装置。
3. 前記弾性金属板の空気抵抗低減手段が、弾性金属板に開けた開口である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。
4. 前記開口が矩形状であることを特徴とする請求項３記載の圧電ファン装置。
5. 前記開口が矩形状で、かつ、前記開口面積が前記弾性金属板の全表面積に対して、５％以上４５％未満であることを特徴とする請求項４記載の圧電ファン装置。

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