JP2013069822A - 圧電ファン及び冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却能力を低下させずに、従来よりも騒音を抑制することができる圧電ファン、及び該圧電ファンを備える冷却装置を提供する。
【解決手段】振動板１１１は、圧電素子１１２が中間部に貼付され圧電素子１１２が伸縮することにより屈曲する。振動板１１１には、その屈曲により揺動される７枚の分割板１４１〜１４７が圧電素子１１２の貼付位置より前方に形成されている。振動板１１１は、圧電素子１１２が貼付された領域の両側に切欠部１１８が形成され、圧電素子１１２より複数の分割板１４１〜１４７側の領域内に長円状の孔部１５２〜１５６が形成され、７枚の分割板１４１〜１４７が折り曲げラインＣで支持部１１３側へ約９０°折り曲げられた形状を有する。孔部１５２〜１５６のそれぞれは、孔部１５２〜１５６のそれぞれの中心を折り曲げラインＣが通過する位置に形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、ヒートシンクに備えられる放熱フィン間の暖気を排出する圧電ファン、及び該圧電ファンを備える冷却装置に関するものである。

近年の電子機器では、機器本体の小型化と部品の高密度実装化が進むにつれて、機器内部における発熱対策が課題となっている。例えばパーソナルコンピュータにおいては、機器本体の小型化とともに、情報処理性能を向上させるためにＣＰＵの高速化が進んでいる。そのため、電子機器内部は、部品の高密度実装により電子機器内部の通風性が低下する一方で、発熱体であるＣＰＵの発熱量が増大する環境となっている。

よって、当該環境下において、ＣＰＵの上面に配置するヒートシンクに備えられる放熱フィン間で暖められた暖気を、放熱フィンから放出させてＣＰＵの温度上昇を抑えることが重要な課題となっている。

そこで、例えば特許文献１において、ヒートシンクの放熱フィン間の暖気を放熱フィンから排出する圧電ファンと該圧電ファンを備える冷却装置とが開示されている。以下、特許文献１に示されている圧電ファンと冷却装置との構造について、図７、図８を用いて説明する。

図７は、特許文献１の圧電ファン９０１の構成を示す斜視図である。図８は、特許文献１の圧電ファン９０１を備える冷却装置９の構成を示す斜視図である。

圧電ファン９０１は、振動板９１１と、圧電素子９１２と、支持板９１３とを備えている。ヒートシンク２０は、ベース部２１から上方へ互いに平行に延びる複数の放熱フィン２２を備えている。図８では回路基板ＰにＣＰＵ等の発熱部品５０を実装していて、この発熱体５０の上面にヒートシンク２０の底面が熱的に結合するように配置されている。冷却装置９は、圧電ファン９０１をアルミニウム製のヒートシンク２０に固定することによって構成している。

圧電素子９１２は、圧電セラミクスの両主面に電極が形成され、さらに分極処理が施されたもので、電圧印加に応じて伸縮する振動子である。

振動板９１１は、圧電素子９１２が両主面の中間部に貼付され、２枚の圧電素子９１２が伸縮することにより屈曲する。さらに、振動板９１１には、その屈曲により揺動される複数の分割板９４１〜９４７が圧電素子９１２の貼付位置より前方に形成されている。

さらに、圧電素子９１２の貼付位置より後方にある振動板９１１の後端部は、ヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に複数の分割板９４１〜９４７のそれぞれが挿入される状態で、ヒートシンク２０の上部に支持板９１３を介してネジ９１５で固定される。

以上の構成において、発熱体５０で発生する熱がヒートシンク２０に伝導し、放熱フィン２２によって空気が暖められ、放熱フィン２２間に暖気が発生する。圧電ファン９０１は、複数の分割板９４１〜９４７の揺動により放熱フィン２２間の当該暖気を放熱フィン２２から排出する。

特開２０１１−１２７５８８号公報

以上のような圧電ファン９０１及び該圧電ファン９０１を備える冷却装置９には、発熱量の大きい高速なＣＰＵを十分に冷却できる冷却能力とともに、振動板９１１の振動によって高いレベルの騒音を生じさせない静音性が要求されている。

しかしながら、従来の圧電ファン９０１では、駆動の際の静音性が十分でないという問題があった。

したがって本発明は、冷却能力を低下させずに、従来よりも振動板の振動によって発生する騒音を抑制することができる圧電ファン、及び該圧電ファンを備える冷却装置を提供することを目的とする。

本発明の圧電ファンは、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（１）一端が自由端であり、自由端側の領域が自由端側に延びる複数の分割板に分割されて形成されている振動板と、
前記振動板の他端側の領域に接合されており、電圧印加に応じて伸縮する圧電素子と、
前記振動板の他端側を固定する固定部と、を備え、
前記振動板における前記圧電素子の接合箇所と前記分割板との間を通過する折り曲げライン上に孔部が形成され、
前記折り曲げラインで前記振動板が折り曲げられて形成されている。

この構成の圧電ファンでは駆動時、孔部の存在により、分割板先端（即ち自由端）の振幅は変化しないものの、共振周波数が低下する。分割板の速度（振幅×共振周波数に比例）や加速度（振幅×共振周波数の二乗に比例）が大きい程増大する音のエネルギーにおいて、この構成の圧電ファンでは共振周波数が低下するため、分割板の速度・加速度が低下し、当該音のエネルギーが低下する。さらに、低周波数ほど聞こえ難いという人間の聴覚特性により、共振周波数の低いこの構成の圧電ファンでは騒音が低減する。これらの理由により、この構成の圧電ファンでは、振動板の振動による騒音レベルが低下する。

また、ヒートシンクの放熱フィン間の溝に複数の分割板のそれぞれが挿入される状態でこの構成の圧電ファンを固定部によってヒートシンクに固定し、当該圧電ファンを駆動させて分割板が揺動したとき、孔部の存在により、次のような気流が生じる。即ち、冷気が孔部の上方から放熱フィンに流入する気流、又は放熱フィンで暖められた暖気が孔部の下方から上方へ抜ける気流が生じる。よって、この構成における圧電ファンでは、放熱フィンへの通風性を向上させることができる。そのため、上述の共振周波数の低下によって、『振幅×共振周波数』で示される圧電ファンの送風能力が若干低下しても、通風性の向上により冷却能力は維持できる。

従って、この構成における圧電ファンによれば、冷却能力を低下させずに、振動板の振動によって発生する騒音を低減させることができる。

（２）前記孔部は、前記折り曲げラインが通過する位置が中心となるように形成されていることが好ましい。

この構成では、分割板の折り曲げ加工時に折り曲げライン以外で意図せず変形することを防止できる。

（３）前記孔部は、前記分割板の短手方向より前記分割板の長手方向に長い形状に形成されていることが好ましい。

（４）特に、前記孔部は、長円状または楕円状に形成されていることが好ましい。

この構成では、分割板の折り曲げ加工時に折り曲げライン以外で意図せず変形することを防止できる。

また、本発明の冷却装置は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の圧電ファンと、
複数の放熱フィンを有するヒートシンクと、を備え、
前記圧電ファンの固定部は、前記ヒートシンクの複数の放熱フィン間の溝に前記圧電ファンの複数の分割板のそれぞれが挿入される状態で、前記圧電ファンの振動板の他端側を前記ヒートシンクの上部に固定している。

この構成により、上記（１）〜（４）のいずれかの圧電ファンを用いることで、当該圧電ファンを備える冷却装置も同様の効果を奏する。

この発明によれば、冷却能力を低下させることなく、従来よりも振動板の振動によって発生する騒音を抑制することができる。

図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る圧電ファン１０１の構成を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す振動板１１１の孔部１５２〜１５４の拡大正面図である。 本発明の実施形態に係る圧電ファン１０１を備える冷却装置１の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る圧電ファン１０１を備える冷却装置１の構成を示す斜視図である。 回路基板Ｐに実装されている発熱体５０の上面に配置された、図２に示す冷却装置１の構成を示す側面図である。 第１の比較例に係る圧電ファン２０１の構成を示す斜視図である。 第２の比較例に係る圧電ファン３０１の構成を示す斜視図である。 従来の圧電ファンの構成を示す斜視図である。 従来の圧電ファンを備える冷却装置の構成を示す斜視図である。

本発明の実施形態に係る圧電ファン及び冷却装置について以下説明する。

図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る圧電ファン１０１の構成を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す振動板１１１の孔部１５２〜１５４の拡大正面図である。図２は、本発明の実施形態に係る圧電ファン１０１を備える冷却装置１の構成を示す斜視図である。図３は、本発明の実施形態に係る圧電ファン１０１を備える冷却装置１の構成を示す斜視図である。図４は、回路基板Ｐに実装されている発熱体５０の上面に配置された、図２に示す冷却装置１の構成を示す側面図である。

圧電ファン１０１は、図４に示すように、振動板１１１と、圧電素子１１２と、支持板１１３と、駆動回路４０とを備えている。一方、ヒートシンク２０は、ベース部２１から上方へ互いに平行に延びる複数の放熱フィン２２を備えている。図２〜図４では回路基板ＰにＣＰＵ等の発熱体（発熱部品）５０を実装していて、この発熱体５０の上面にヒートシンク２０の底面が熱的に結合するように配置されている。

冷却装置１は、この圧電ファン１０１と例えばアルミニウムから構成されているヒートシンク２０とを備える装置である。

振動板１１１は、２枚の圧電素子１１２が振動板１１１の両主面に貼付され、２枚の圧電素子１１２が逆位相で伸縮することにより屈曲する。さらに、振動板１１１には、その屈曲により揺動される７枚の分割板１４１〜１４７が振動板１１１の一端側に形成されている。

また、振動板１１１は、幅４５ｍｍ×長さ５１ｍｍ×厚み０．１３ｍｍの例えばステンレススチールの板に対して切欠部１１８及び孔部１５２〜１５６をプレス金型で打ち抜いたものである。振動板１１１は、圧電素子１１２が貼付された領域の両側に切欠部１１８が形成され、振動板１１１の折り曲げラインＣ上に長円状の孔部１５２〜１５６が形成され、７枚の分割板１４１〜１４７が折り曲げラインＣで支持部１１３側へ約９０°折り曲げられた形状を有する。この折り曲げラインＣは、振動板１１１における圧電素子１１２の接合箇所と分割板１４１〜１４７との間を振動板１１１の幅方向に延びるラインである。孔部１５２〜１５６のそれぞれは、孔部１５２〜１５６のそれぞれの中心を折り曲げラインＣが通過する位置に形成されている。

ここで、振動板１１１の寸法は、以下のとおりである。
・全幅（即ち７枚の分割板１４１〜１４７部分の幅）４５ｍｍ
・各分割板の間隔２.２ｍｍ
・圧電素子１１２の貼付部分の幅３４ｍｍ
・全長５１ｍｍ
・振動板１１１の後端から振動板１１１のエッジ部分（即ち折曲げラインＣ）までの長さ２５ｍｍ
・７枚の分割板１４１〜１４７の先端から振動板１１１のエッジ部分（即ち折曲げラインＣ）までの長さ２６ｍｍ
・厚み０．１３ｍｍ。

また、長円状の孔部１５２〜１５６のそれぞれの寸法は、以下のとおりである。
・両端部の半円の直径１．４ｍｍ
・両端部の半円の中心から折り曲げラインＣまでの長さ２ｍｍ。

圧電素子１１２は、幅３３ｍｍ×長さ１５ｍｍ×厚み５０μｍの寸法となっている。圧電素子１１２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成されている。圧電素子１１２及び振動板１１１は、中間電極となる振動板１１１を両主面から挟むように２枚の圧電素子１１２を貼付してなるバイモルフ型振動子である。２枚の圧電素子１１２は、それぞれの圧電セラミクッス表面に電極膜を形成した構造を有している。各電極と振動板１１１とには、交流電圧を出力する駆動回路４０が接続されている。そして、２枚の圧電素子１１２は、各電極と中間電極となる振動板１１１との間に、圧電素子１１２の分極方向に応じた駆動電圧を駆動回路４０から印加することによって振動板１１１が屈曲振動するよう分極処理している。

このようにバイモルフ型にすることによって、圧電素子１１２による振動板１１１の印加電圧に対する振動板１１１の屈曲変位量を大きくすることができ、分割板１４１〜１４７の振幅をより効果的に増大できる。

支持板１１３は、例えばガラスエポキシ製であり、その寸法は、幅４８ｍｍ×長さ５ｍｍ×厚み２ｍｍである。支持板１１３は、接着剤で振動板１１１の他端部に貼付される。
なお、支持板１１３が本発明の「固定部」に相当する。

振動板１１１の他端部は、ヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に７枚の分割板１４１〜１４７のそれぞれが挿入され、且つ切欠部１１８が放熱フィン２２の溝の上方にくる状態で、ヒートシンク２０の上部に支持板１１３を介してネジ１１５で固定される。これにより、圧電ファン１０１の駆動時、圧電ファン１０１の７枚の分割板１４１〜１４７のそれぞれが、隣接する放熱フィン２２の間で放熱フィン２２に当接することなく揺動する。

以上の構成において、発熱体５０で発生する熱がヒートシンク２０に伝導し、放熱フィン２２によって空気が暖められ、放熱フィン２２間に暖気が発生する。圧電ファン１０１は、分割板１４１〜１４７の揺動により放熱フィン２２間の当該暖気を放熱フィン２２から排出する。

ここで、従来の圧電ファン９０１と本実施形態の圧電ファン１０１とを、騒音レベルと冷却能力で比較する。まず、圧電ファン９０１と圧電ファン１０１に対して各圧電素子の電極と振動板との間に２４Ｖｐｐの共振周波数の正弦波交流電圧を印加した条件で、騒音レベルと各分割板先端の振幅を測定した実験結果について説明する。
なお、当該騒音レベルは、圧電ファン９０１と圧電ファン１０１のそれぞれの振動板の自由端から０．２ｍ離れた地点で測定した。

従来の圧電ファン９０１では騒音レベルが３５．７（ｄＢ）であるのに対し、本実施形態の圧電ファン１０１では騒音レベルが３３．０（ｄＢ）であることが実験により明らかとなった。

また、従来の圧電ファン９０１では共振周波数が８８．４（Ｈｚ）であり、分割板の自由端の平均振幅が６．９（ｍｍ）であるのに対し、本実施形態の圧電ファン１０１では共振周波数が８４．７（Ｈｚ）であり、分割板の自由端の平均振幅が６．９（ｍｍ）であることが実験により明らかとなった。

ここで、各圧電ファン１０１、９０１の送風能力は、『振幅×共振周波数』で示される。すなわち、従来の圧電ファン９０１の送風能力は６０９．９６（Ｈｚ・ｍｍ）となり、本実施形態の圧電ファン１０１の送風能力は５８４．４３（Ｈｚ・ｍｍ）となる。

この結果から、本実施形態の圧電ファン１０１では、従来よりも送風能力が若干低下するものの、従来よりも騒音レベルを抑制できることが実験により明らかとなった。

以上の実験結果となった理由は、分割板１４１〜１４７の速度（振幅×共振周波数に比例）や加速度（振幅×共振周波数の二乗に比例）が大きい程増大する音のエネルギーにおいて、圧電ファン１０１では振幅不変で共振周波数が低下したため、分割板１４１〜１４７の速度・加速度が低下し、当該音のエネルギーが低下したためであると考えられる。加えて、低周波数ほど聞こえ難いという人間の聴覚特性により、共振周波数の低い圧電ファン１０１で騒音が低減したためであると考えられる。

次に、気温が２４℃の環境下において、従来の冷却装置９又は本実施形態の冷却装置１が載置された発熱部品５０に１５Ｗの電力を与えた条件で、ヒートシンク２０の熱抵抗を測定した実験結果について説明する（図２、図８参照）。

なお、上述したように、冷却装置９又は冷却装置１において、圧電ファン９０１又は圧電ファン１０１は、それぞれの分割板１４１〜１４７、９４１〜９４７がヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に挿入された状態で、ヒートシンク２０に固定されている。

従来の冷却装置９では熱抵抗が３．０５Ｋ／Ｗであるのに対し、本実施形態の冷却装置１では熱抵抗が３．０２Ｋ／Ｗであることが実験により明らかとなった。即ち、本実施形態の圧電ファン１０１では、冷却能力がほとんど変化しないことが実験により明らかとなった。

以上の実験結果となった理由は、本実施形態の圧電ファン１０１では上述のように送風能力が若干低下するものの、その低下分以上に放熱フィン２２への通風性が向上したためであると考えられる。詳述すると、圧電ファン１０１を駆動させて分割板１４１〜１４７が揺動した際、孔部１５２〜１５６の存在により、次のような気流が生じる。即ち、冷気が孔部１５２〜１５６の上方から放熱フィン２２及び放熱フィン２２間の溝に流入する気流、又は放熱フィン２２間で暖められた暖気が孔部１５２〜１５６の下方から上方へ抜ける気流が生じる。

以上より、本実施形態の圧電ファン１０１及び冷却装置１によれば、冷却能力を低下させずに、振動板１１１の振動によって発生する騒音を低減させることができる。

次に、孔部１５２〜１５６の位置と形状について説明する。
図５は、第１の比較例に係る圧電ファン２０１の構成を示す斜視図である。図６は、第２の比較例に係る圧電ファン３０１の構成を示す斜視図である。

例えば、図５に示すように折り曲げラインＣより圧電素子１１２側の位置に円状の孔部２５２〜２５６を形成した圧電ファン２０１や、図６に示すように折り曲げラインＣに円状の孔部３５２〜３５６を形成した圧電ファン３０１の場合、ステンレス板をプレス金型で打ち抜いた後の分割板１４１〜１４７の折り曲げ加工時に振動板１１１が折り曲げラインＣ以外で意図せず変形してしまうことが明らかとなっている。折り曲げラインＣ以外で変形した圧電ファン２０１、３０１は、振動板１１１の振幅特性が劣化してしまう。

そこで、圧電ファン１０１では、孔部１５２〜１５６のそれぞれを次のような形状と位置に定めている。すなわち、孔部１５２〜１５６のそれぞれの形状は、長円状であり、孔部１５２〜１５６のそれぞれが、中心を折り曲げラインＣが通過する位置に形成されている。この構成により、圧電ファン１０１では、孔部１５２〜１５６が形成されている振動板１１１の区間の曲げ剛性が一定となっている。

したがって、本実施形態の圧電ファン１０１によれば、分割板１４１〜１４７の折り曲げ加工時に折り曲げラインＣ以外で意図せず変形することを防止できる。したがって、圧電ファン１０１の振動板１１１の振幅特性が劣化することを防止できる。

《その他の実施形態》
前記実施形態では、振動板１１１を両主面から挟むように圧電素子１１２をそれぞれ接合して、圧電素子１１２および振動板１１１でバイモルフ型振動子を構成するタイプを示したが、実施の際は、振動板１１１の一方の面に圧電素子１１２を接合したユニモルフ型振動子を構成するタイプであっても構わない。

また、前記実施形態では、圧電素子１１２はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成しているが、これに限るものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などから構成してもよい。

また、前記実施形態では、振動板１１１の圧電素子１１２が貼付されている箇所と分割板１４１〜１４７との間を、振動板１１１の幅方向に沿って固定部側にＬ字型に折り曲げられた振動板１１１を用いているが、これに限るものではない。例えば、Ｕ字型や、Ｖ字型等に折り曲げられた振動板を用いてもよい。

また、前記実施形態において、分割板１４１〜１４７はステンレススチール以外にリン青銅などバネ性の高い金属板や樹脂板を用いてもよい。

また、前記実施形態では、孔部１５２〜１５６のそれぞれの形状が長円状であるが、これに限るものではない。孔部１５２〜１５６のそれぞれの形状が、分割板１４１〜１４７の短手方向より分割板１４１〜１４７の長手方向に長い形状、具体的には、楕円状でもよい。

また、前記実施形態では、分割板１４１〜１４７の枚数が７枚で、孔部１５２〜１５６の数が５個であるが、これに限るものではない。例えば、分割板の枚数が５枚で、孔部の数が３個でもよい。

なお、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…冷却装置
２０…ヒートシンク
２１…ベース部
２２…放熱フィン
４０…駆動回路
５０…発熱部品
１０１…圧電ファン
１１１…振動板
１１２…圧電素子
１１３…支持板
１１８…切欠部
１４１…分割板
１５２…孔部
２０１…圧電ファン
２５２…孔部
３０１…圧電ファン
３５２…孔部
９…冷却装置
９０１…圧電ファン
９１１…振動板
９１２…圧電素子
９１３…支持板
９１５…ネジ
９４１…分割板
Ｃ…折り曲げライン
Ｐ…回路基板

Claims (5)

1. 一端が自由端であり、自由端側の領域が自由端側に延びる複数の分割板に分割されて形成されている振動板と、
   前記振動板の他端側の領域に接合されており、電圧印加に応じて伸縮する圧電素子と、
   前記振動板の他端側を固定する固定部と、を備え、
   前記振動板における前記圧電素子の接合箇所と前記分割板との間を通過する折り曲げライン上に孔部が形成され、
   前記折り曲げラインで前記振動板が折り曲げられて形成されている、圧電ファン。
2. 前記孔部は、前記折り曲げラインが通過する位置が中心となるように形成されている、請求項１に記載の圧電ファン。
3. 前記孔部は、前記分割板の短手方向より前記分割板の長手方向に長い形状に形成されている、請求項１または２に記載の圧電ファン。
4. 前記孔部は、長円状または楕円状に形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電ファン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電ファンと、
   複数の放熱フィンを有するヒートシンクと、を備え、
   前記圧電ファンの固定部は、前記ヒートシンクの複数の放熱フィン間の溝に前記圧電ファンの複数の分割板のそれぞれが挿入される状態で、前記圧電ファンの振動板の他端側を前記ヒートシンクの上部に固定している、冷却装置。

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