JP2010031708A - 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圧電ファン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振動板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の電極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、弾性振動板１１２の板状圧電素子１１１との非接着側に弾性を低める開口部１１２ａを設ける一方、開口部１１２ａの弾性振動板１１２の少なくとも片面側に、弾性振動板１１２より弾性の低い添え板１４０を設けた圧電ファン装置にあり、これにより、振幅の向上を図ることができる。
【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９や図１０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振動板（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、弾性振動板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、弾性振動板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、弾性振動板１２のより大きな高振動を得るには、弾性振動板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、弾性振動板１２の振動特性に着目し、種々検討したところ、弾性振動板１２では、高弾性であるほど、板状圧電素子１１の伸縮が効率よく伝達されるため、良好な振動特性が得られる反面、板状圧電素子１１の接着されていない非接着側（振動端側）にあっては、高弾性であるほど、撓みが生じ難いため、振動が抑制されているのではないかと推論した。この推論に基づいて、弾性振動板１２の非接着側に弾性を低めるための開口部（高弾性材料の欠損部分）を設ける一方、この開口部の弾性振動板１２の少なくとも片面側に、弾性振動板１２より弾性の低い添え板を設けると、後述する試験結果から明らかなように、より大きい振幅（高振幅）が得られることを見出した。

本発明は、このような点に着目して発明されたものであり、弾性振動板（ブレード）の板状圧電素子との非接着側に弾性を低める開口部を設ける一方、開口部の弾性振動板の少なくとも片面側に、弾性振動板より弾性弾性の低い添え板を設けることにより、大きい振幅、即ち高い冷却性能を有する、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、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振動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振動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、
前記弾性振動板の前記板状圧電素子との非接着側に弾性を低める開口部を設ける一方、前記開口部の弾性振動板の少なくとも片面側に、当該弾性振動板より弾性の低い添え板を設ける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、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振動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、
前記弾性振動板の前記板状圧電素子との非接着側に弾性を低める開口部を設ける一方、前記開口部の弾性振動板の少なくとも片面側に、当該弾性振動板より弾性の低い添え板を設ける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、前記弾性振動板の開口部が１又は複数からな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。

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、弾性振動板（ブレード）に対して、その板状圧電素子との非接着側に弾性を低める開口部を設ける一方、開口部の弾性振動板の少なくとも片面側に、弾性振動板より弾性の低い添え板を設けてあるため、板状圧電素子の伸縮が効率よく伝達されると同時に、弾性振動板の非接着側では、開口部（高弾性材料の欠損部分）と添え板（低弾性材料の補強板）により、弾性が低くなるため、撓み易くなる。これにより、弾性振動板のより大きな振幅（高振幅）が得られる。即ち、結果として、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、従来のように、弾性振動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はモノ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、１枚の板状圧電素子１１１（ＰＺＴなどの素子）を、これより長さの長い弾性振動板１１２の片面（図中上面）に接着層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を設けてある。
この弾性振動板１１２の板状圧電素子１１１との非接着側（振動端側）には、板材の弾性を低めるための開口部１１２ａを設けてある。１２０は板状圧電素子１１１の両電極１１４、１１４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、１４０は弾性振動板１１２の開口部１１２ａの少なくとも片面側に、設けた弾性振動板１１２より弾性の低い添え板である。

上記弾性振動板１１２としては、振動可能な板材であれば、特に問わないが、通常平板状の真鍮やＳＵＳなどの金属板、ＰＥＴなどの樹脂板、ＣＦＲＰ（炭素繊維に樹脂を含浸させ後硬化させて成形したもの）などの複合材料による合成板などが使用できる。
この弾性振動板１１２は、板状圧電素子１１１の伸縮を効率よく、その振動端側に伝達させるには、高弾性のものを用いることが望ましい。しかし、高弾性の振動板の場合、高弾性であるほど、撓みが生じ難いため、振動が抑制されるようになる。
このため、弾性振動板１１２の非接着側には、上記のように、弾性を低めるための開口部１１２ａを設けてある。つまり、開口部１１２ａにより、高弾性材料の欠損部分が生じるため、弾性の低下が得られる。しかし、開口部１１２ａの大きさによっては、過度に強度が低下するため、上述したように、この開口部１１２ａの弾性振動板１２の少なくとも片面側に、弾性振動板１２より弾性の低い添え板１４０を設けてある。これにより、振動板１１２の非接着側の弾性が全体として低下する一方、添え板１４０により、必要な強度が確保されることになる。

上記添え板１４０も、特に限定されないが、弾性振動板１１２より弾性が低い板材であることが条件とされる。例えば、弾性振動板１１２が弾性の高いＳＵＳ板の場合、これより弾性の低いＰＥＴ板を、添え板１４０として用いることができる。勿論、弾性振動板１１２と添え板１４０の組み合わせは、これに限定されない。弾性振動板１１２がＳＵＳ板のとき、これより弾性の低いＳＵＳ板、真鍮板、その他の金属板、さらには、樹脂板、種々の複合材料による合成板を用いることができる。弾性振動板１１２として、ＰＥＴなどの樹脂板やＣＦＲＰ板を用いた場合にも、これより弾性の低い周波数板と組み合わせて用いることができる。

この添え板１４０の取り付けにあたっては、特に限定されないが、振動板の片面に接着剤などで貼り付けるなどして設けることができる。なお、添え板１４０は、片面のみだけではなく、例えば図３に示すように、振動板の両面に設けることもできる。勿論、この場合、添え板厚さを調整するなどして、弾性振動板１１２の非接着側の弾性が全体として低下するようにする。また、上記開口部１１２ａにあっても、図３に示すように、複数の開口とすることもできる。また、長手方向に長い開口に限定されず、高弾性材料の欠損部分が生じる構成であれば、多数のパンチ穴（丸型、角型、菱型を問わない）などとすることもできる。

上記板状圧電素子１１１への通電、特に弾性振動板１１２側の内側の電極１１４への通電は通常の方法で行えばよい。例えば、上記の弾性振動板１１２が金属板の場合には、交流回路１２０の一方のリード線をこの弾性振動板１１２に接続して行う。
弾性振動板１１２と電極１１４間には、接着層１１３があるが、この層は薄いため、通常の接着材料でも問題なく、通電可能である。この接着層１１３を、導電性接着層とすることもできる。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、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。弾性振動板１１２が非金属材料の板からなる場合には、このリード線などによる電極接続が必要となる。

このようにして、このモノモルフ型の圧電ファン装置１００Ａの場合、弾性振動板１１２の板状圧電素子１１１との非接着側（振動端側）に、開口部１１２ａと添え板１４０が設けてあるため、振動時、板状圧電素子１１１の伸縮が良好に伝達され、かつ、弾性振動板１１２の非接着側が大きく振動する。即ち、大きな振幅が得られる。
この結果、同一性能の板状圧電素子１１１であれば、より大きな振動が得られる。つまり、冷却性能の向上に対して、従来のように、弾性振動板の長さを特に長くする必要もなく、また、通電する電圧を特に高くする必要もない。

図４は本発明に係る圧電ファン装置の他の例を示し、図５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はバイモルフ型の圧電ファン装置で、圧電ファン部１１０が、２枚の板状圧電素子１１１、１１１とこれが接着層１１３、１１３を介して貼り付られる弾性振動板１１２からなり、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、弾性振動板１１２の板状圧電素子１１１との非接着側（振動端側）には、上記と同様、開口部１１２ａと添え板１４０が設けてある。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の場合、板状圧電素子１１１が２枚あるため、上記圧電ファン装置１００Ａに比較すると、圧電素子の増設効果と上記開口部１１２ａと添え板１４０の付設効果により、より大きな振幅が得られる。

〈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に示す本発明のモノモルフ型の圧電ファン装置１００Ａと同構造であって、図６に示す寸法のもの（本発明品）と、図９に示す従来型のモノモルフ型と同構造であって、図７に示す寸法のもの（従来品）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、弾性振動板の振幅試験を行なった。その結果は図８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、弾性振動板１１２、１２の長さは２０ｍｍ、それらの幅は４．０ｍｍである。板状圧電素子１１１、１１の長さは１０ｍｍ、その厚さは０．２ｍｍ、弾性振動板１１２、１２の厚さは０．０５ｍｍである。
また、用いた板状圧電素子１１１、１１はＰＺＴである。弾性振動板１１２、１２については、ＳＵＳ３０１（鋼材）を用い、添え板１４０としては、長さ１０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍのＰＥＴ板を用いた。

上記と同様にして、図４に示す本発明のバイモルフ型の圧電ファン装置１００Ｂと同構造であって、図６に示す寸法のものに、もう１枚の板状圧電素子１１１を増設したもの（本発明品）と、図１０に示す従来型のモノモルフ型と同構造であって、図７に示す寸法のものに、もう１枚の板状圧電素子１１を増設したもの（従来品）とからなる各サンプルも製造して、±１２Ｖの交流電圧を印加し、弾性振動板の振幅試験を行なった。その結果も図８の如くであった。なお、この場合も、各部の寸法は、上記図６に示す寸法のものや、図７に示す寸法のものと同一である。

図８の振幅試験データ（振幅評価結果）からすると、モノモルフ型の従来品の振幅を１とした場合、いずれのタイプでも、本発明品では、大きな振幅が得られることが分かる。特にバイモルフ型の本発明品では、振幅向上の改善が顕著であることが分かる。

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９の圧電ファン装置に対応するサンプルの斜視図である。 圧電ファン装置にける弾性振動板の振幅試験を示したグラフである。 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・・・弾性振動板、１１２ａ・・・開口部、１１３・・・接着層、１１４・・・電極、１２０・・・交流回路、１３０・・・支持部、１４０・・・添え板

Claims (3)

1. 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振動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振動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、前記弾性振動板の前記板状圧電素子との非接着側に弾性を低める開口部を設ける一方、前記開口部の弾性振動板の少なくとも片面側に、当該弾性振動板より弾性の低い添え板を設けることを特徴とする圧電ファン装置。
2. 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振動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、
   前記弾性振動板の前記板状圧電素子との非接着側に弾性を低める開口部を設ける一方、前記開口部の弾性振動板の少なくとも片面側に、当該弾性振動板より弾性の低い添え板を設けることを特徴とする圧電ファン装置。
3. 前記弾性振動板の開口部が１又は複数からな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。

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