JP2010067909A - ピエゾファンおよび放熱モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】設置空間を実質的に削減できるピエゾファンを提供する。
【解決手段】ピエゾファン１０は、一端部が固定された圧電素子１１と、その圧電素子１１によって振動させられて空気流を生じさせる送風板１２を備えている。前記送風板１２は、固定端側部分１３が前記圧電素子１１に重ねて接着されているとともに、自由端側部分１４が圧電素子１１から突出するように延びており、圧電素子１１を越えて延びた送風板１２の自由端側部分１４は、前記固定端側部分１３の延長方向に対して所定角度で曲がる屈曲部を有し、その屈曲部１５より自由端側の部分がその板厚方向に振動して空気流を生じさせるように構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、圧電素子とこれに重ねて設けられた送風板とを備えたピエゾファンと、このピエゾファンを用いた放熱モジュールに関する。

従来、図１３および図１４に示す構成のピエゾファンが知られている。ここに示すピエゾファン５０は、圧電素子５１と、これに重ねて設けられた送風板５２とで構成され、図１４に示すように、一方の端部が固定された圧電素子５１に交流電圧を印加すると、圧電素子５１の伸縮によって送風板５２が振動する。圧電素子５１と、送風板５２の圧電素子５１に接着されている固定端側部分との変位量は小さいが、この構造の一次共振によって送風板５２の自由端側の部分が、図１４の点線で示すように、大きく振動し、矢示５３の空気の流れを発生することが可能である。

特開昭５９−２２４５００号公報 Yorinaga M．et al， A piezoelectric fan using PZT ceramics， Japanese J． Applied Physics， vol．24，no．3， pp．203-205，1985

従来のピエゾファンは、図示されたように、送風板の自由端側部分は、圧電素子の延びる方向に平行に延びている。そしてこの圧電素子を越えて延びる自由端側部分には、ある程度の長さがないと、要求される振幅や共振周波数などの性能が得られない。このため、ピエゾファンとしては全長が比較的長いものとなり、設置空間としてもそれに対応した長い空間を電子機器の中に確保しなければならないという問題があった。

また、ピエゾファンが発生する風の方向も、圧電素子の延びる方向の延長上であり、送風板の自由端付近で風が最も強くなるので、ここに熱源を配置するか、ここに配置されたヒートシンクを併用する必要があった。したがって、熱源或いはヒートシンクの設置位置が制限され、電子機器の設計上の自由度を小さくしていた。

更に、一つのピエゾファンによって得られる送風方向は一つであり、最近の電子機器のように放熱対策の必要な部分が複数ある場合には、複数のピエゾファンを設置しなければならず、コストおよび設置空間を大きくする問題があった。ノートパソコンを例にあげれば、ＣＰＵの他に、グラフィック・プロセシング・ユニット（ＧＰＵ）、チップセット、通信モジュールなどにも放熱対策が必要である。

この発明は、このような従来のピエゾファンが有していた問題点に鑑みて成されたもので、設置空間を実質的に削減できるピエゾファンを提供することを主要な目的としている。加えて、電子機器の設計上の自由度を向上できるピエゾファンを提供することを他の目的としている。また、一つのピエゾファンで複数の熱源を冷却できるピエゾファンを提供することも目的としている。

上記の目的の下に成されたこの発明のうち、請求項１の発明は、一端部が固定された圧電素子と、その圧電素子によって振動させられて空気流を生じさせる送風板とを備えたピエゾファンにおいて、前記送風板は、固定端側の部分が前記圧電素子に重ねて接着されているとともに、自由端側の部分が圧電素子から突き出るように延びており、その圧電素子から延びた送風板の自由端側部分には、前記固定端側部分の延長方向に対して所定角度で曲がる屈曲部を有し、その屈曲部から自由端までの部分が前記圧電素子に対してその板厚方向に振動して空気流を生じさせるように構成されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記送風板における前記圧電素子に接着されている固定端側部分と前記圧電素子から延び出ている自由端側部分との境界部分に形成されていることを特徴とするピエゾファンである。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記屈曲部には、該屈曲部に沿わせて配置した支持ブロックが更に設けられていることを特徴とするピエゾファンである。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記支持ブロックは、前記屈曲部の曲率半径の方向で外面側と内面側との少なくとも一方に沿わせられ、かつ接着されていることを特徴とするピエゾファンである。

請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの発明において、前記送風板の前記自由端側部分は、前記屈曲部から自由端に亘って形成されたスリットによって複数の分割送風板に分岐していることを特徴とするピエゾファンである。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記複数の分割送風板のそれぞれは、異なる方向に延びていることを特徴とするピエゾファンである。

更に、請求項７の発明は、請求項１に記載のピエゾファンと、複数の放熱フィンを有するヒートシンクとで構成された放熱モジュールであって、前記圧電素子と前記送風板の固定端側部分とが前記ヒートシンクの外部に設置され、前記送風板の自由端側部分が前記ヒートシンクの前記放熱フィンの間に延びていることを特徴とする放熱モジュールである。

請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記屈曲部は、前記送風板における前記圧電素子に接着されている固定端側部分と前記圧電素子から延び出ている自由端側部分との境界部分に形成されていることを特徴とする放熱モジュールである。

請求項９の発明は、請求項７又は８の発明において、前記屈曲部には、該屈曲部に沿わせて配置した支持ブロックが更に設けられていることを特徴とする放熱モジュールである。

請求項１０の発明は、請求項９の発明において、前記支持ブロックは、前記屈曲部の曲率半径の方向で外面側と内面側との少なくとも一方に沿わせられ、かつ接着されていることを特徴とする放熱モジュールである。

請求項１１の発明は、請求項７の発明において、前記送風板の前記自由端側部分は、前記屈曲部から自由端部に亘って形成されたスリットによって複数の分割送風板に分岐し、かつ前記分割送風板のそれぞれが隣り合う放熱フィンの間に延びていることを特徴とする放熱モジュールである。

請求項１の発明によれば、圧電素子から延びている送風板の自由端側部分には屈曲部が形成されていて、圧電素子に接着されている固定端側部分の延長方向に対して所定角度で曲がっているので、一直線上に配置される部分が少なくなってピエゾファンの全長を短いものにできる。また、放熱対策が必要な熱源やヒートシンクは、圧電素子の延長上ではなく、送風板の自由端側が延びている方向の延長上に配置することができる。この結果としてピエゾファンの設置空間を実質的に削減し、電子機器の小型化に寄与する。また、送風板の固定端側部分と自由端側部分との角度を適宜に設定することにより、熱源やヒートシンクの設置場所の選択の幅が広くなる。このため、電子機器の設計に大きな自由度を与えることができる。

請求項２の発明によれば、屈曲部が圧電素子の自由端に可及的に近くなるので、送風板の自由端側を振動させた際の振幅を大きくし、送風量を増大させることができる。

請求項３および請求項４の発明によれば、支持ブロックの内面すなわち送風板に接する面の角度を適宜に設定することにより、ここに接触する送風板を綺麗に屈曲させることができ、またその屈曲角度を維持させることができ、さらには送風板を確実に振動させて送風量を増大させることができる。

請求項５の発明によれば、送風板の自由端側部分にスリットを設けて、自由端側部分を複数の分割送風板に分岐させてあるので、一つのピエゾファンで複数箇所に風を送ることができる。したがって、放熱対策が必要な部分が複数存在する電子機器に対して一つのピエゾファンで対応することができる。

請求項６の発明によれば、複数の分割送風板が、それぞれ異なる方向に延びているので、複数の熱源やヒートシンクが離れた場所にある機器の放熱対策に対応することができる。

請求項７の発明によれば、放熱モジュールが、請求項１のピエゾファンと複数の放熱フィンを有するヒートシンクとで構成され、圧電素子と送風板の固定端側部分とをヒートシンクの外部に設置し、送風板の自由端側部分がヒートシンクの放熱フィンの間に延びているので、圧電素子と送風板の固定端側部分とをヒートシンクの外面に沿って配置した構造とすることができる。この結果、放熱モジュールの体積をヒートシンクの体積と略等しくすることができ、体積の増加を避けることができる。

請求項８の発明によれば、上記請求項２の発明による効果と同様の効果を得ることができる。

請求項９および請求項１０の発明によれば、上記請求項３あるいは請求項４の発明による効果と同様の効果を得ることができる。

請求項１１の発明によれば、複数の放熱フィン間隙に、分岐した分割送風板の一つずつが延びている構成なので、ヒートシンクの放熱を効率良くすることができる。

以下、この発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。図１および図２は、この発明の第１の実施形態のピエゾファン１０を示している。一方の端部が固定された薄い長方形状の圧電素子１１に、圧電素子１１より長い長方形状の送風板１２の固定端側部分１３が重ねられて接着により一体化されている。送風板１２の他方の端部は自由端となっており、その自由端側部分１４は圧電素子１１から突出して延びている。送風板１２の固定端側部分１３と自由端側部分１４とは、自由端側部分１４の途中の屈曲部１５を経て角度θを成して連なっている。送風板１２の固定端側部分１３と自由端側部分１４とが成す角度は、図示した例では略直角とされているが、この角度に限定されるものではない。直角より大きい角度とすることもできる。

このように構成されたピエゾファン１０では、圧電素子１１および送風板１２の固定端部を固定し、圧電素子１１の厚さ方向で交流電圧を印加すると、圧電素子１１が長手方向（図２の左右の方向）で伸縮し、振動する。この振動によって、送風板１２の自由端側部分１４も図２に点線で示すように振動し、矢示１６の方向に風を送ることができる。圧電素子１１に交流電圧を印加した直後は、送風板１２側に伝達される振動エネルギーのうち無効の分力が大きく、自由端側部分１４の振動の振幅は小さいが、振幅は徐々に大きくなり、それに従って、無効の分力は小さくなり、屈曲部１５が設けられていない従来のピエゾファンと同等の振幅で振動させることができる。

従来のピエゾファンと同等の振幅で振動するこの発明のピエゾファンを用いると、熱源やヒートシンクは、圧電素子の延長上ではなく、圧電素子と角度を成している送風板の自由端側の延長上に配置することができる。このことを説明しているのが図３である。従来のピエゾファンでは、図３（ｂ）のように、圧電素子１１および送風板１２の延長上に熱源２０を配置しなければならなかった。したがって、電子機器の筐体２１には熱源２０の設置空間をピエゾファンの延長上に確保しなければならなかった。これに対してこの発明のピエゾファン１０では、図３（ａ）のように、筐体２１の真中付近に熱源２０を配置することも可能である。送風板１２の自由端側部分１４と固定端側部分１３との成す角度θを選定し、そして自由端側部分１４の延長上に配置することが可能である。こうすることで、図３（ａ）に点線およびハッチングで示した部分２２をなくすることも可能であり、ピエゾファン１０の設置空間を実質的に削減し、電子機器の小型化を図ることができる。

送風板１２の自由端側部分１４の途中に設けた屈曲部１５の設置位置と、屈曲部１５を形成する曲げ形状について検討した。図４に示すように、圧電素子１１の自由端側の端面１１ａから屈曲部１５までの距離をｄ、屈曲部１５を形成する曲率半径をＲとして、有限要素法で解析した。結果は、距離ｄおよび曲率半径Ｒを限りなく「０」に近い値にしたとき、すなわち圧電素子１１に接着されている固定端側部分１３と自由端側部分１４との境界部に屈曲部１５を設けると、送風板１２の自由端側部分１４の振幅が最大であった。距離ｄが０．５ｍｍ増すと、共振周波数が５Ｈｚ低下し、振幅が２ｍｍ減少した。また、曲率半径Ｒが０．１ｍｍ増すと、振幅が４ｍｍ減少することが判明した。結論として、屈曲部１５は、圧電素子１１の自由端の端面に至近の距離、好ましくは１ｍｍ以下の距離に設けることで、ピエゾファンとして必要な振幅を確保し、十分な送風能力が得られる。

屈曲部１５の曲率半径Ｒを限りなく「０」に近づけることが好ましく、また設計上設定した角度を維持させることが好ましい。また、圧電素子１１の振動が屈曲部１５で吸収されることなく自由端側部分１４に伝達されることが好ましい。このような要請に応えるためには、屈曲部１５に、相対的に剛性の高い支持ブロック１７を沿わせて配置することが有効である。

支持ブロック１７を設けたこの発明の第２の実施形態が図５および図６に示されている。支持ブロック１７には、重ねられた圧電素子１１と送風板１２の固定端側部分１３を隙間なく収容できる第１溝１８と、送風板１２の自由端側部分１４を隙間なく収容できる第２溝１９が略直角の角度を成して形成されている。送風板１２の自由端側部分１４の外面に当接して支持する支持ブロック１７側の支持面１９ａが、第２溝１９の内壁で構成され、圧電素子１１の延びる方向に対して略直角の方向となっている。この支持ブロック１７を圧電素子１１の自由端部に装着して屈曲部１５を支持ブロック１７の中に配置してある。また、圧電素子１１の自由端側の端面１１ａと送風板１２の自由端側部分１４の一面１４ａを当接させ、接着剤で被着してある。

この図５のピエゾファン１０を構成した支持ブロック１７は、屈曲部１５の曲率半径Ｒを実質的に「０」とし、あるいは設計上設定した製造当初の角度に維持でき、また屈曲部１５の全体としての剛性が高くなることにより、送風板１２の自由端側部分１４の振動の振幅を大きくすることができる。送風板に湾曲部を設けない従来のピエゾファンの送風板の自由端側の振幅が２５ｍｍであったのに対し、屈曲部１５を設けて支持ブロック１７内に収容した実施形態のピエゾファン１０では自由端側部分１４の振動の振幅を２２ｍｍに維持することができた。

圧電素子１１の自由端側の端面１１ａと送風板１２の自由端側部分１４の一方の面１４ａの接着は、圧電素子１１の振動エネルギーを送風板１４に損失なく伝達するのに有効である。この接着部分には、自由端側部分１４の振動で剥離応力が働く。支持ブロック１７はこの剥離応力に対抗する点でも有効で、圧電素子１１の振動エネルギーの損失のない伝達を持続させることができる。また、支持ブロック１７は送風板１２とは別個に加工することができ、したがってその屈曲角度を正確に設定することができる。そのため、このような支持ブロック１７を使用することにより、送風板１２を綺麗に屈曲させることができる。

なお、支持ブロック１７は、図５に示す例では、屈曲部１５において、送風板１２および圧電素子１１を表裏両面側から挟み付けているが、この発明における支持ブロックは、屈曲部１５に沿わさせて配置されることにより、その屈曲形状を維持させ、またその部分の剛性を他の部分よりも大きくできるものであればよく、したがって屈曲部１５における送風板１２の外面（屈曲部１５の曲率半径の方向で外周側の面）に接着された構成のもの、あるいは屈曲部１５の内側（屈曲部１５の曲率半径の方向で内側）で、圧電素子１１および送風板１２に亘らせてこれらの接着された構成のもののいずれであってもよい。

次に、この発明の第３の実施形態を図７に示した。圧電素子１１を越えて延びている送風板１２の自由端側部分１４が、屈曲部１５から自由端に至るスリットで分割されて、２つの分割送風板２３，２４とされている。この実施形態のピエゾファン１０では、各分割送風板２３，２４の延長方向に矢示２５，２５のように送風が可能である。したがって、一つのピエゾファン１０で２箇所の冷却が可能である。各分割送風板２３，２４の固定端側部分１３との成す角度は異なっている。分割送風板２３と固定端側部分１３との成す角度は約９０度であり、分割送風板２４と固定端側部分１３の成す角度は約２７０度である。この場合、分割送風板２４の長さを分割送風板２３の長さより短くすることで、共振周波数を揃えることが可能である。すなわち、送風板１２を折り曲げる角度が大きいほど、その共振周波数が高くなることが実験で確認されている。

図８は分割送風板を更に増やした第４の実施形態を示している。送風板１２の自由端側が７枚の分割送風板２６，２７，…３２に分割されている。送風板１２の自由端側部分１３との成す角度が大きくなるに従って（２６，２７，…の順）、長さが短くされて、各送風板の共振周波数が揃うようにされ、圧電素子１１から与えられる振動エネルギーの損失が少なくなるようにされている。

図９および図１０は、放熱モジュール４０の実施形態を示している。放熱モジュール４０は、図１０に示したピエゾファン１０と、ヒートシンク４１とで構成されている。ピエゾファン１０は、圧電素子１１と、送風板１２と、支持ブロック１７とで構成されている。送風板１２は、固定端側部分１３と自由端側部分１４とが屈曲を経て角度を成して連なっている。そして、屈曲部が圧電素子１１の自由端部に装着した支持ブロック１７の中に収容されている。ここまでは前記図５の実施形態と略同様である。圧電素子１１を越えて延びている送風板１２の自由端側部分１４は、固定端側部分１３に対して略直角の角度をなし、そして屈曲部から自由端に至るスリット３３で複数の分割送風板３４，３４とされている。

ヒートシンク４１は、互いに平行な複数の放熱フィン４２が並列して設けられている。前記ピエゾファン１０は、圧電素子１１と送風板１２の固定端側部分１３とが、並列した放熱フィン４２の上に載せられて、固定部材４３で固定されている。圧電素子の自由端を越えて延びている分割送風板３４，３４が一枚づつ、対向した放熱フィン４２，４２の間に進入するように配置されている。

以上のように構成される放熱モジュール４０によれば、ピエゾファン１０の設置によって突出する部分はないので、その体積をヒートシンク４１の体積に略等しくすることができる。従来のピエゾファンでも図１２に示したように送風板の自由端側部分を複数の分割送風板３４，３４に分割し、これらをヒートシンク４１の放熱フィン４２の間に進入するように設置することができる。しかしながら、送風板の自由端側と固定端側とは一直線上に並んでいるので、圧電素子と送風板の固定端側は、図１１に示すように、放熱フィン４２から外部に突出するのが避けられなかった。このため、放熱モジュールとしても体積の大きなものとなり、筐体には大きな設置空間を必要としていた。この発明の放熱モジュールでは体積の増加を避けて設置空間を小さくすることができる。

この発明のピエゾファンの第１の実施形態の斜視図である。 同じく第１の実施形態の正面図である。 ピエゾファンを電子機器の筐体の中に設置する様子の説明図で、（ａ）はこの発明のピエゾファンの場合を説明する図、（ｂ）は従来のピエゾファンの場合を説明する図である。 この発明の実施形態のピエゾファンの動作解析で用いた図である。 この発明のピエゾファンの第２の実施形態の斜視図である。 第２の実施形態の屈曲部の拡大断面図である。 この発明のピエゾファンの第３の実施形態の斜視図である。 この発明のピエゾファンの第４の実施形態の斜視図である。 この発明の放熱モジュールの実施形態の斜視図である。 実施形態の放熱モジュールを構成したピエゾファンの斜視図である。 従来の放熱モジュールの斜視図である。 従来の放熱モジュールを構成したピエゾファンの平面図である。 従来のピエゾファンの斜視図である。 従来のピエゾファンの正面図である。

符号の説明

１０…ピエゾファン、 １１…圧電素子、 １１ａ…自由端側の端面、 １２…送風板、 １３…固定端側部分、 １４…自由端側部分、 １４ａ…端面、 １５…屈曲部、 １７…支持ブロック、 １８…第１溝、 １９…第２溝、 １９ａ…支持面、 ２０…熱源、 ２１…筐体、 ２３，２４…分割送風板、 ２６，〜３２…分割送風板、 ３３…スリット、 ３４…分割送風板、 ４０…放熱モジュール、 ４１…ヒートシンク、 ４２…放熱フィン、 ４３…固定部材。

Claims (11)

1. 一端部が固定された圧電素子と、その圧電素子によって振動させられて空気流を生じさせる送風板とを備えたピエゾファンにおいて、
   前記送風板は、固定端側の部分が前記圧電素子に重ねて接着されているとともに、自由端側の部分が圧電素子から突き出るように延びており、その圧電素子から延びた送風板の自由端側部分には、前記固定端側部分の延長方向に対して所定角度で曲がる屈曲部を有し、その屈曲部から自由端までの部分が前記圧電素子に対してその板厚方向に振動して空気流を生じさせるように構成されていることを特徴とするピエゾファン。
2. 前記屈曲部は、前記送風板における前記圧電素子に接着されている固定端側部分と前記圧電素子から延び出ている自由端側部分との境界部分に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のピエゾファン。
3. 前記屈曲部には、該屈曲部に沿わせて配置した支持ブロックが更に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のピエゾファン。
4. 前記支持ブロックは、前記屈曲部の曲率半径の方向で外面側と内面側との少なくとも一方に沿わせられ、かつ接着されていることを特徴とする請求項３に記載のピエゾファン。
5. 前記送風板の前記自由端側部分は、前記屈曲部から自由端部に亘って形成されたスリットによって複数の分割送風板に分岐していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のピエゾファン。
6. 前記複数の分割送風板のそれぞれは、異なる方向に延びていることを特徴とする請求項５に記載のピエゾファン。
7. 請求項１に記載のピエゾファンと、複数の放熱フィンを有するヒートシンクとで構成された放熱モジュールであって、前記圧電素子と前記送風板の固定端側部分とが前記ヒートシンクの外部に設置され、前記送風板の自由端側部分が前記ヒートシンクの前記放熱フィンの間に延びていることを特徴とする放熱モジュール。
8. 前記屈曲部は、前記送風板における前記圧電素子に接着されている固定端側部分と前記圧電素子から延び出ている自由端側部分との境界部分に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の放熱モジュール。
9. 前記屈曲部には、該屈曲部に沿わせて配置した支持ブロックが更に設けられていることを特徴とする請求項７又は８に記載の放熱モジュール。
10. 前記支持ブロックは、前記屈曲部の曲率半径の方向で外面側と内面側との少なくとも一方に沿わせられ、かつ接着されていることを特徴とする請求項９に記載の放熱モジュール。
11. 前記送風板の前記自由端側部分は、前記屈曲部から自由端部に亘って形成されたスリットによって複数の分割送風板に分岐し、かつ前記分割送風板のそれぞれが隣り合う放熱フィンの間に延びていることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載の放熱モジュール。

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