JP2014055553A - 圧電ファン - Google Patents
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Abstract
【課題】圧縮された弾性部材で振動板を支持する圧電ファンにおいて、弾性部材の固定端よりも自由端側への弾性部材の広がりを抑制する。
【解決手段】揺動部114は、固定部115との接続箇所を固定端112として、固定部115から送風方向に延伸する。圧電素子12は、振動板11の天面に配置されており、固定部115と揺動部114とに跨っている。弾性板14は、圧電素子12の天面に配置されており、送風方向とは逆方向に固定端112から延伸している。支持体16は、弾性板14の天面に配置されており、弾性板14を圧電素子12との間で圧縮させる外力を弾性板14に付与している。弾性板14は、圧電素子12と支持体16との間に弾性材が一様に設けられている間隙非形成部141と、圧電素子12と支持体16との間に設けられた弾性材の一部に間隙143が設けられている間隙形成部142とを有し、送風方向とは逆方向に、固定端112から間隙非形成部141が延伸し、間隙形成部142が間隙非形成部141に連なっている。
【選択図】 図1
【解決手段】揺動部114は、固定部115との接続箇所を固定端112として、固定部115から送風方向に延伸する。圧電素子12は、振動板11の天面に配置されており、固定部115と揺動部114とに跨っている。弾性板14は、圧電素子12の天面に配置されており、送風方向とは逆方向に固定端112から延伸している。支持体16は、弾性板14の天面に配置されており、弾性板14を圧電素子12との間で圧縮させる外力を弾性板14に付与している。弾性板14は、圧電素子12と支持体16との間に弾性材が一様に設けられている間隙非形成部141と、圧電素子12と支持体16との間に設けられた弾性材の一部に間隙143が設けられている間隙形成部142とを有し、送風方向とは逆方向に、固定端112から間隙非形成部141が延伸し、間隙形成部142が間隙非形成部141に連なっている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、圧電素子を駆動して振動させることで送風を行う圧電ファンに関するものである。
近年、AV機器やコンピュータ等の発熱する部品を内蔵した電子機器では、冷却のために小型で静音性の高い圧電ファンが採用されることがある。圧電ファンは、片持ち梁状に支持された振動板に圧電素子を取り付け、圧電素子を振動させることで振動板を連続して撓ませるものである。
圧電素子を振動させて片持ち梁を撓ませる物として、圧電ファンの他に圧電アクチュエータがある(例えば特許文献1参照)。図10は特許文献1を参考に構成した圧電ファンの従来例を説明する側面断面図である。
図10に示す圧電ファン1Pは、弾性シム板11Pと、圧電素子12Pと、圧電素子13Pと、弾性部材14Pと、支持部15Pと、を備えている。圧電素子12Pと圧電素子13Pとは、弾性シム板11Pの表裏面に貼付されている。支持部15Pは、弾性シム板11Pと圧電素子12P,13Pとを、弾性部材14Pを介して片持ち梁状に支持する。弾性シム板11Pの支持部15Pに支持されていない端を自由端A、弾性シム板11Pの支持部15Pに支持されている領域のうち自由端A側の端を固定端Bと定義する。弾性部材14Pは、エポキシ系の接着剤、硬質ゴム材、プラスチック材等の圧電体よりも弾性率の小さい材料から構成されている。弾性部材14Pに圧電素子12P,13Pが接触するので、圧電素子12P,13Pが変形する際に支持部15Pから圧電素子12P,13Pに作用する応力の集中が緩和される。そのため、応力集中による圧電素子12P,13Pの損壊を防ぐことができる。
ただし、このような構成の圧電ファン1Pにおいて、支持部15Pによって圧電素子12P,13Pや弾性シム板11Pを強固に支持するためには、支持部15Pによって圧電素子12P,13Pの厚み方向(図10の上下方向)に弾性部材14Pを圧縮させる必要がある。弾性部材14Pが厚み方向に圧縮されることで弾性部材14Pに縦ひずみが生じると、ポアソン効果によって弾性部材14Pに横ひずみが生じ、弾性部材14Pは圧電素子12P,13Pの平面方向(図10の左右方向)に広がり固定端Bよりも自由端A側にはみ出すことがある。
このような圧電ファン1Pにおいては、弾性部材14Pが固定端Bよりも自由端A側にはみ出すと、圧電ファン1Pの固有振動数がばらつき、圧電ファン1Pの駆動時の振動特性が不安定になるという問題がある。
そこで本発明の目的は、支持体によって弾性部材が圧縮されたとしても、ポアソン効果によって弾性部材に生じる、横ひずみによる弾性部材の固定端よりも自由端側への広がりを従来よりも抑制することができる圧電ファンを実現することにある。
この発明の圧電ファンは、振動板と、圧電素子と、弾性板と、支持体と、を備える。振動板は、固定部と、揺動部と、を有する。揺動部は、送風方向に固定部から延伸しており、固定部との接続箇所を固定端として揺動可能である。圧電素子は、振動板の少なくとも一方の主面に配置されており、揺動部と固定部とに跨っている。弾性板は、弾性材からなり、圧電素子の振動板側の主面とは反対側の主面に配置されており、送風方向とは逆方向に固定端から延伸している。支持体は、弾性板の圧電素子側の主面とは反対側の主面に配置されており、弾性板を圧電素子との間で圧縮させる外力を弾性板に付与している。弾性板は、間隙非形成部と間隙形成部とを有する。間隙非形成部は、固定端から送風方向とは逆方向に延伸しており、圧電素子と支持体との間に弾性材が一様に設けられている。間隙形成部は、間隙非形成部の送風方向とは逆方向側の端部に連なり、圧電素子と支持体との間に弾性材が設けられ、弾性材の一部に間隙が設けられている。
この構成では、間隙非形成部が固定端から送風方向の逆方向に延伸して形成されている。このため、支持体によって弾性板が圧縮されたときに、間隙非形成部において固定端を強固に支持することができる。また、間隙形成部が間隙非形成部の送風方向とは逆方向側に連なって形成されているので、支持体によって弾性板が圧縮されたときに、ポアソン効果によって弾性板に生じる横ひずみによる変形の多くが間隙形成部において吸収される。このため、間隙非形成部における横ひずみによる変形が従来よりも抑制される。
すなわち、この構成では、支持部によって弾性部材が圧縮されたとしても、ポアソン効果によって弾性部材に生じる横ひずみによる弾性部材の固定端よりも自由端側への広がりを従来よりも抑制することができる。これにより、圧電ファンの固有振動数のばらつきが抑制され、圧電ファンの駆動時の振動特性の安定化を図ることができる。
上述の圧電ファンにおいて、弾性材の間隙は、支持体に接していると好適である。この構成では、弾性板の支持体近傍の領域において間隙が設けられているため、支持体によって弾性板が圧縮されたときに、弾性板の支持体近傍の領域に、弾性板の圧電素子近傍の領域よりも大きな横ひずみが生じる。しかしながら、固定端においては間隙が設けられていないため、ポアソン効果によって弾性板に生じる横ひずみによる弾性板の広がり量は、弾性板の間隙非形成部で、間隙形成部よりも大きくなる。
上述の圧電ファンにおいて、弾性材の間隙は、圧電素子に接していてもよい。
上述の圧電ファンにおいて、弾性材の間隙は、支持体および圧電素子に接しない中空部であってもよい。
上述の圧電ファンにおいて、揺動部として、固定部から互いに平行に延伸している複数の揺動部を備え、圧電素子として、複数の揺動部それぞれと固定部とに跨っている複数の圧電素子を備え、固定部における複数の圧電素子の間に、外力を支持体に付与する押圧部を備え、弾性板は、押圧部に押圧される位置に間隙非形成部を有していてもよい。
この構成では、押圧部による挟着作業性を良好なものにできる。
上述の圧電ファンは、送風方向に垂直な面を対称面として、前記弾性板が面対称な形状であってもよい。
この構成では、弾性板が圧縮されることによる姿勢の変化が抑制され、より良好な振動特性を実現することが容易となる。
この発明によれば、支持体によって弾性板が圧縮されたとしても、ポアソン効果によって弾性板に生じる横ひずみによる弾性板の固定端よりも自由端側への広がりを従来よりも抑制できる。
≪第1の実施形態≫
本発明の第1の実施形態に係る圧電ファンについて、図1を参照して説明する。
本発明の第1の実施形態に係る圧電ファンについて、図1を参照して説明する。
ここで、図1における図中左右方向に沿う軸をY軸とする。図中上下方向に沿う軸をZ軸とする。図面に垂直な方向に沿う軸をX軸とする。X軸、Y軸、及びZ軸は互いに直交している。そして、圧電ファンにおいてY軸正方向を送風方向と定義する。また、厚み方向がZ軸に沿う板状の部材において、Z軸正方向を向く面を天面、Z軸負方向を向く面を底面と定義する。図1(A)は、本発明の第1の実施形態に係る圧電ファン1の側面図(Y−Z面側面図)である。図1(B)は、圧電ファン1の部分拡大側面図(Y−Z面側面図)である。
圧電ファン1は、振動板11と、圧電素子12,13と、弾性板14,15と、支持体16,17と、押圧部18,19と、を備えている。
振動板11は、厚み方向がZ軸に沿う平板状であり、例えば金属からなる。具体的には、振動板11は、Z軸に沿う厚み寸法が0.1mmのステンレススチールの平板からなる。振動板11は、自由端111と、固定端(固定点)112と、基端113と、を有している。自由端111と、固定端112と、基端113とは、送風方向(Y軸正方向)に向かって、基端113、固定端112、自由端111の順に並んでいる。即ち、振動板11は、固定端112を経由して、基端113から自由端111までY軸に沿って延伸している。
また、振動板11は、揺動部114と、固定部115と、を備えている。固定部115は、Y軸に沿って、固定端112から基端113までの領域である。揺動部114は、固定端112から自由端111までの領域である。揺動部114は、固定端112を振動の節としてZ軸方向に揺動可能である。固定部115は、外部構造体(不図示)に対して固定されている。
圧電素子12,13は、それぞれ、厚み方向がZ軸に沿う平板状である。圧電素子12,13は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる圧電体と、圧電体の天面と底面とのそれぞれに形成されている電極と、を備えている(いずれも不図示)。図1中に白抜きの矢印で示すように、圧電素子12,13は、いずれもZ軸正方向に分極されている。
圧電素子12は、振動板11の一方の主面に、揺動部114と固定部115とに跨って設けられている。具体的には、圧電素子12は、振動板11の天面に設けられており、揺動部114の中程の位置から固定端112を超え基端113の直前の位置まで延伸している。
圧電素子13は、振動板11の他方の主面に、揺動部114と固定部115とに跨って設けられている。具体的には、圧電素子13は、振動板11の底面に設けられており、揺動部114の中程の位置から固定端112を超え基端113の直前の位置まで延伸している。
圧電体の振動板11に当接する面に形成されている電極は、接地のための電極である。圧電体の振動板11に当接する面とは反対側の面に形成されている電極は、駆動信号印加用の電極である。なお、振動板11が導電体であり、振動板11が接地される場合には、圧電体の振動板11側の電極は省略することができる。
弾性板14,15は、例えばエポキシ系の接着剤、硬質ゴム材、プラスチック材など、圧電体よりも弾性率が小さく絶縁性を持つ弾性材からなる。
弾性板14は、圧電素子12の振動板11側の主面とは反対側の主面に配置されている。具体的には、弾性板14は、圧電素子12の天面に配置されており、圧電素子12の固定端112に対向する位置から、基端113に対向する位置まで延伸している。
弾性板15は、圧電素子13の振動板11側の主面とは反対側の主面に配置されている。具体的には、弾性板15は、圧電素子13の底面に配置されており、圧電素子13の固定端112に対向する位置から、基端113に対向する位置まで延伸している。
また、弾性板14は、間隙非形成部141と、間隙形成部142とを備えている。
間隙非形成部141は、固定端112から送風方向とは逆方向(Y軸負方向)に延伸しており、支持体16の底面と圧電素子12の天面との間に弾性材が一様に設けられている。
間隙形成部142は、間隙非形成部141の送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部に連なり、支持体16の底面と圧電素子12の天面との間に弾性材が設けられ、弾性材の一部に間隙143が設けられている。間隙143は、支持体16に接している位置に設けられている。
具体的には、間隙非形成部141は、天面で支持体16の底面に接し、底面で圧電素子12の天面に接している。間隙形成部142は、間隙形成部142の天面と支持体16の底面との間に、間隙143が設けられており、天面が支持体16の底面から離間し、底面で圧電素子12の天面に接している。即ち、弾性板14において、弾性板14の底面から間隙形成部142の天面までの最短距離は、弾性板14の底面から間隙非形成部141の天面までの最短距離よりも短く、弾性板14は間隙形成部142で凹となる凹形状である。また、間隙形成部142の送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部には、間隙非形成部141がさらに連なっている。
弾性板14は、送風方向に垂直なX−Z面、具体的には、弾性板14のY軸方向の中心を通る面を対称面として弾性板14が面対称な形状となるように、間隙非形成部141および間隙形成部142が設けられている。なお、弾性板14のY軸方向の中心を通る面が、本発明の「送風方向に垂直な面」に相当する。このようにして対称性を高めると、弾性板14が圧縮されることによる姿勢の変化が抑制され、良好な振動特性を実現することが容易となる。
弾性板15は、間隙非形成部151と、間隙形成部152とを備えている。間隙非形成部151は、固定端112から送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側に延伸しており、支持体17の天面と圧電素子13の底面との間に弾性材が一様に設けられている。間隙形成部152は、間隙非形成部151の送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部に連なり、支持体17の天面と圧電素子13の底面との間に弾性材が設けられ、弾性材の一部に間隙153が設けられている。間隙153は、支持体17に接している位置に設けられている。
具体的には、間隙非形成部151は、底面で支持体17の天面に接し、天面で圧電素子13の底面に接している。間隙形成部152は、間隙形成部152の底面と支持体17の天面との間に、間隙153が設けられており、底面が支持体17の天面から離間し、天面で圧電素子13の底面に接している。即ち、弾性板15において、弾性板15の天面から間隙形成部152の底面までの最短距離は、弾性板15の天面から間隙非形成部151の底面までの最短距離よりも短く、弾性板15は間隙形成部152で凹となる凹形状である。
また、間隙形成部152の送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部には、間隙非形成部151がさらに連なっている。弾性板15は、送風方向に垂直なX−Z面、具体的には、弾性板15のY軸方向の中心を通る面を対称面として弾性板15が面対称な形状となるように、間隙非形成部151および間隙形成部152が設けられている。なお、弾性板15のY軸方向の中心を通る面が、本発明の「送風方向に垂直な面」に相当する。このようにして対称性を高めると、弾性板15が圧縮されることによる姿勢の変化が抑制され、良好な振動特性を実現することが容易となる。
支持体16,17は、それぞれ、両平板面が平坦な平板状である。支持体16,17は、それぞれ、例えばガラスエポキシ樹脂など、弾性板14,15よりも弾性率の大きい絶縁材からなる。支持体16と支持体17とのうち、少なくとも一方は、図示していない外部構造体に直接固定される。
支持体16は、弾性板14の圧電素子12側の主面とは反対側の主面に配置されている。具体的には、支持体16は、弾性板14の天面を覆うように配置されており、送風方向に沿う軸上において、弾性板14の送風方向(Y軸正方向)側の端、すなわち固定端112よりも送風方向側の位置から、弾性板14の送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端よりも送風方向とは逆方向の位置まで延伸している。支持体16は、圧電素子12との間で弾性板14を圧縮させるZ軸負方向の外力を、弾性板14に付与している。
支持体17は、弾性板15の圧電素子13側の主面とは反対側の主面に配置されている。具体的には、支持体17は、弾性板15の底面を覆うように配置されており、送風方向に沿う軸上において、弾性板15の送風方向(Y軸正方向)側の端、すなわち固定端112よりも送風方向側の位置から、弾性板15の送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端よりも送風方向とは逆方向側の位置まで、延伸している。支持体17は、圧電素子13との間で弾性板15を圧縮させるZ軸正方向の外力を、弾性板15に付与している。
押圧部18は、例えばクリップであり、弾性板14を支持体16と圧電素子12との間で圧縮させるZ軸負方向の外力を、支持体16に付与している。
押圧部19は、例えばクリップであり、弾性板15を支持体17と圧電素子13との間で圧縮させるZ軸正方向の外力を、支持体17に付与している。
具体的には、押圧部18,19を設けない場合の、振動板11と圧電素子12,13と弾性板14,15と支持体16,17とからなる積層体の厚み寸法よりも、押圧部18と押圧部19との最短距離が狭く設定されている。即ち、押圧部18,19は、弾性板14,15が圧縮された状態となるような間隔で固定されている。
このような構成の圧電ファン1では、対向して設けられている圧電素子12,13と振動板11とが、バイモルフ振動子を構成する。圧電素子12と圧電素子13は、駆動電圧が印加された際に、おのおの振動板11に当接する面に形成されている電極が、接地のための電極となり、振動板11に当接する面とは反対側の面に形成されている電極が、駆動信号印加用の電極となる。すなわち、Z軸に沿う電界の作用方向が圧電素子12と圧電素子13とで逆向きになる。一方、圧電素子12と圧電素子13とでは、図1(B)に示すように、Z軸に沿う分極方向が一致している。
そのため、圧電素子12と圧電素子13とでは、X−Y面における広がり振動が逆位相で励起する。具体的には、圧電素子12がX−Y面において伸長するように変形する場合には圧電素子13がX−Y面において収縮するように変形し、圧電素子12がX−Y面において収縮するように変形する場合には圧電素子13がX−Y面において伸長するように変形することになる。そして、振動板11は、揺動部114がZ軸に沿う方向に揺動し、空気が送風方向(Y軸正方向)に送風されることになる。
この圧電ファン1では、圧電素子12,13と支持体16,17との間に、弾性板14,15が設けられ、圧電素子12,13に支持体16,17が直接接触することを防いでいる。これにより、圧電素子12,13が屈曲する際に、弾性板14,15や支持体16,17から圧電素子12,13に作用する応力が、固定端112の近傍に集中することを防ぐことができる。したがって、圧電素子12,13に作用する応力を緩和して圧電素子12,13が損壊することを防ぐことができる。
また、弾性板14,15は、間隙非形成部141,151が固定端112から送風方向の逆方向(Y軸負方向)側に延伸して形成されている。そして、押圧部18,19により支持体16,17が押圧され、支持体16,17により弾性板14,15における間隙非形成部141,151が圧縮されている。したがって、弾性板14,15を設けていても、振動板11において固定端112を強固に支持することができる。
また、弾性板14,15は、間隙形成部142,152が間隙非形成部141,151の送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側に連なって、支持体16,17に接する面に形成されている。したがって、支持体16,17によって弾性板14,15が圧縮されたときに、間隙形成部142,152が圧縮されず、ポアソン効果によって弾性板に生じる横ひずみによる変形の多くが間隙形成部142,152において吸収される。これにより、間隙非形成部141,151が圧縮されてポアソン効果によるY軸に沿う方向の変形が生じていても、間隙形成部142,152にはポアソン効果によるY軸に沿う方向の変形が殆ど生じることがない。したがって、弾性板14,15が固定端112よりも送風方向(Y軸正方向)にはみ出す距離を従来よりも抑制できる。これにより、圧電ファン1の固有振動数のばらつきが抑制され、圧電ファン1の駆動時の振動特性の安定化を図ることができる。
以下に、弾性板14,15が厚み方向(Z軸方向)に圧縮されたとき、弾性板14,15が固定端112よりも送風方向(Y軸正方向)にはみ出す距離を従来よりも抑制できるメカニズムについて式を用いて説明する。
図1(C)は、弾性板14の断面拡大図である。この弾性板14を、図1(C)に示す一点鎖線において平面側領域Q1、間隙側領域Q2の2つのモデルに分けて説明を行う。弾性板14の厚みをt0とし、弾性板14がZ軸方向に圧縮されたときの平均縦ひずみの絶対値をε0とし、間隙143の断面積をA2とし、間隙143の深さをt2とする。
平面側領域Q1は、弾性板14の底面から、Z軸において弾性板14の底面から最短距離となる間隙143の点を通るY軸方向に平行な線(図1(C)に示す一点鎖線)までの領域に相当する。平面側領域Q1の断面積をA1、長さをw1とし、平面側領域Q1がZ軸方向に圧縮されたときの縦ひずみの絶対値をε1とする。
間隙側領域Q2は、図1(C)に示す一点鎖線から、弾性板14の天面までの領域に相当し、2つの独立した領域から構成される。間隙側領域Q2のおのおのの長さをaw1とし、間隙側領域Q2のZ軸方向に圧縮されたときの縦ひずみの絶対値をε2とする。縦ひずみはおのおののモデルの領域において均一と仮定する。
弾性板14に間隙143のある場合と、弾性板14に間隙143の無い場合とにかかわらず、弾性板14をZ軸方向に圧縮させるために必要な圧縮量が等しいので、間隙143の無い弾性板14がZ軸方向に圧縮されたときの平均縦ひずみの絶対値もまたε0となる。これより、弾性板14の変位について、次式の関係が成り立つ。
また、弾性板14に間隙143のある場合に、間隙側領域Q2に作用する外力と、平面側領域Q1に作用する外力とが等しい。これより、弾性板14におけるZ軸方向に加わる力について、次式の関係が成り立つ。
数2を数1に代入することで、次式が成り立つ。
ここで、弾性板14の厚みを次式のように無次元化する。
また、弾性板14の断面積を次式のように無次元化する。
これらの数4、数5を数3に代入すると、平面側領域Q1がZ軸方向に圧縮されたときの縦ひずみの絶対値ε1は、次式となる。
また、数2を変形すると、間隙側領域Q2がZ軸方向に圧縮されたときの縦ひずみの絶対値ε2は、次式となる。
ここで、図1(C)を参照して、平面側領域Q1と間隙側領域Q2の変形を個別に考える。平面側領域Q1の中心を通る線C1におけるY軸方向の変位は、対称性のためゼロとなる。また、おのおのの間隙側領域Q2の断面の中心を通る線D1におけるY軸方向の変位は、平面側領域Q1と間隙側領域Q2で同一となる。線C1から線D1までの距離は(1−a)w1/2となるので、線D1におけるY軸方向の変位は、ポアソン比をνとおくと、ε1×ν×(1−a)w1/2となる。また、線D1から最も近い弾性板14の端までの距離はaw1/2となるので、間隙側領域Q2の外側の端のY軸方向の変位は、次式となる。
数8に数6及び数7を代入すると、間隙側領域Q2の外側の端のY軸方向の変位は、次式となる。
ここで、従来例である間隙の無い弾性板の端の変位は、w1νε0/2である。間隙側領域Q2の外側の端のY軸方向の変位は、数9から必ずw1νε0/2よりも小さい値となる。すなわち、本実施例の弾性板14の端のY軸方向の変位は、従来例の弾性板の変位よりも小さい。
なお、弾性板15においても弾性板14と同様のモデルが適用される。すなわち、弾性板15には弾性板14と同様のメカニズムが働く。これより、弾性板14,15が固定端112よりも送風方向(Y軸正方向)にはみ出す距離を従来よりも抑制できることがわかる。
したがって、本実施形態の圧電ファン1において、振動板11の固有振動数や圧電素子12,13の共振周波数などの振動特性を安定させることができる。
ここでは、弾性板14,15が対称な形状である仮定して説明を行ったが、弾性板14,15が非対称な形状であっても、同様の効果が得られる。
≪第2の実施形態≫
次に、本発明の第2の実施形態に係る圧電ファンについて、図2を参照して説明する。図2(A)は、本発明の第2の実施形態に係る圧電ファン1Aの要部拡大側面図(Y−Z面側面図)、図2(B)は、弾性板14Aの断面拡大図である。
次に、本発明の第2の実施形態に係る圧電ファンについて、図2を参照して説明する。図2(A)は、本発明の第2の実施形態に係る圧電ファン1Aの要部拡大側面図(Y−Z面側面図)、図2(B)は、弾性板14Aの断面拡大図である。
圧電ファン1Aは、振動板11と、圧電素子12,13と、弾性板14A,15Aと、支持体16,17と、押圧部18,19と、を備えている。第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、弾性板14A,15Aに設けられている間隙の位置が、圧電素子12,13に接している点である。その他の構成については、第1の実施形態と同じであるため、記載を省略する。
弾性板14Aは、間隙非形成部141Aと、間隙形成部142Aと、を備えている。
間隙非形成部141Aは、固定端112から送風方向とは逆方向(Y軸負方向)に延伸しており、支持体16の底面と圧電素子12の天面との間に弾性材が一様に設けられている。
間隙形成部142Aは、間隙非形成部141Aの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部に連なり、支持体16の底面と圧電素子12の天面との間に弾性材が設けられ、弾性材の一部に間隙143Aが設けられている。間隙143Aは、圧電素子12に接している位置に設けられている。
具体的には、間隙非形成部141Aは、天面で支持体16の底面に接し、底面で圧電素子12の天面に接している。間隙形成部142Aは、間隙形成部142Aの底面と圧電素子12の天面との間に、間隙143Aが設けられており、底面が圧電素子12の天面から離間し、天面で支持体16の底面に接している。即ち、弾性板14Aにおいて、弾性板14Aの天面から間隙形成部142Aの底面までの最短距離は、弾性板14Aの天面から間隙非形成部141Aの底面までの最短距離よりも短く、弾性板14Aは間隙形成部142Aで凹となる凹形状である。また、間隙形成部142Aの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部には、間隙非形成部141Aがさらに連なっている。
弾性板14Aは、送風方向に垂直なX−Z面、具体的には、弾性板14AのY軸方向の中心を通る面を対称面として弾性板14Aが面対称な形状となるように、間隙非形成部141Aおよび間隙形成部142Aが設けられている。なお、弾性板14AのY軸方向の中心を通る面が、本発明の「送風方向に垂直な面」に相当する。このようにして対称性を高めると、弾性板14Aが圧縮されることによる姿勢の変化が抑制され、良好な振動特性を実現することが容易となる。
弾性板15Aは、間隙非形成部151Aと、間隙形成部152Aとを備えている。間隙非形成部151Aは、固定端112から送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側に延伸しており、支持体17の天面と圧電素子13の底面との間に弾性材が一様に設けられている。間隙形成部152Aは、間隙非形成部151Aの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部に連なり、支持体17の天面と圧電素子13の底面との間に弾性材が設けられ、弾性材の一部に間隙153Aが設けられている。間隙153Aは、圧電素子13に接している位置に設けられている。
具体的には、間隙非形成部151Aは、底面で支持体17の天面に接し、天面で圧電素子13の底面に接している。間隙形成部152Aは、間隙形成部152Aの天面と圧電素子13の底面との間に、間隙153Aが設けられており、天面が圧電素子13の底面から離間し、底面で支持体17の天面に接している。即ち、弾性板15Aにおいて、弾性板15Aの底面から間隙形成部152Aの天面までの最短距離は、弾性板15Aの底面から間隙非形成部151Aの天面までの最短距離よりも短く、弾性板15Aは間隙形成部152Aで凹となる凹形状である。
また、間隙形成部152Aの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部には、間隙非形成部151Aがさらに連なっている。弾性板15Aは、送風方向に垂直なX−Z面、具体的には、弾性板15AのY軸方向の中心を通る面を対称面として弾性板15Aが面対称な形状となるように、間隙非形成部151Aおよび間隙形成部152Aが設けられている。なお、弾性板15AのY軸方向の中心を通る面が、本発明の「送風方向に垂直な面」に相当する。このようにして対称性を高めると、弾性板15Aが圧縮されることによる姿勢の変化が抑制され、良好な振動特性を実現することが容易となる。
以下に、弾性板14A,15Aが厚み方向(Z軸方向)に圧縮されたとき、弾性板14A,15Aが固定端112よりも送風方向(Y軸正方向)にはみ出す距離を従来よりも抑制できるメカニズムについて、式を用いて説明する。
図2(B)は、弾性板14Aの断面拡大図である。この弾性板14Aを、図2(B)に示す一点鎖線において平面側領域Q1、間隙側領域Q2の2つのモデルに分けて説明を行う。弾性板14Aの厚みをt0とし、弾性板14AがZ軸方向に圧縮されたときの平均縦ひずみの絶対値をε0とし、間隙143Aの断面積をA2とし、間隙143Aの深さをt2とする。
平面側領域Q1は、弾性板14Aの天面から、Z軸において弾性板14Aの天面から最短距離となる間隙143Aの点を通るY軸方向に平行な線(図2(B)に示す一点鎖線)までの領域に相当する。平面側領域Q1の断面積をA1、長さをw1とし、平面側領域Q1がZ軸方向に圧縮されたときの縦ひずみの絶対値をε1とする。
間隙側領域Q2は、図2(B)に示す一点鎖線から、弾性板14Aの底面までの領域に相当し、2つの独立した領域から構成される。間隙側領域Q2のおのおのの断面積をaw1とし、間隙側領域Q2のZ軸方向に圧縮されたときの縦ひずみの絶対値をε2とする。縦ひずみはおのおののモデルの領域において均一と仮定する。
弾性板14Aに間隙143Aのある場合と、弾性板14Aに間隙143Aの無い場合とにかかわらず、弾性板14AをZ軸方向に圧縮させるために必要な圧縮量が等しいので、間隙143Aの無い弾性板14AがZ軸方向に圧縮されたときの平均縦ひずみの絶対値もまたε0となる。これより、弾性板14Aの変位について、次式の関係が成り立つ。
また、弾性板14Aに間隙143Aのある場合に、間隙側領域Q2に作用する外力と、平面側領域Q1に作用する外力とが等しい。これより、弾性板14AにおけるZ軸方向に加わる力について、次式の関係が成り立つ。
数2を数1に代入することで、次式が成り立つ。
ここで、弾性板14Aの厚みを次式のように無次元化する。
また、弾性板14Aの断面積を次式のように無次元化する。
これらの数4、数5を数3に代入すると、平面側領域Q1がZ軸方向に圧縮されたときの縦ひずみの絶対値ε1は、次式となる。
また、数2を変形すると、間隙側領域Q2がZ軸方向に圧縮されたときの縦ひずみの絶対値ε2は、次式となる。
ここで、図2(B)を参照して、平面側領域Q1と間隙側領域Q2の変形を個別に考える。平面側領域Q1の中心を通る線C2における変位は、対称性のためゼロとなる。また、おのおのの間隙側領域Q2の断面の中心を通る線D2における変位は、平面側領域Q1と間隙側領域Q2で同一となる。線C2から線D2までの距離は(1−a)w1/2となるので、線D2における変位は、ポアソン比をνとおくと、ε1×ν×(1−a)w1/2となる。また、線D2から最も近い弾性板14Aの端までの距離はaw1/2となるので、間隙側領域Q2の外側の端の変位は、次式となる。
数8に数6及び数7を代入すると、間隙側領域Q2の外側の端の変位は、次式となる。
ここで、従来例である間隙の無い弾性板の端の変位は、w1νε0/2である。間隙側領域Q2の外側の端の変位は、数9から必ずw1νε0/2よりも小さい値となる。すなわち、本実施例の弾性板14Aの端の変位は、従来例の弾性板の変位よりも小さい。
なお、弾性板15Aにおいても弾性板14Aと同様のモデルが適用される。すなわち、弾性板15Aには弾性板14Aと同様のメカニズムが働く。これより、弾性板14A,15Aの送風方向(Y軸正方向)へのはみ出し距離が抑制される。
したがって、本実施形態の圧電ファン1Aにおいて、振動板11の固有振動数や圧電素子12,13の共振周波数などの振動特性を安定させることができる。
ここでは、弾性板14A,15Aが対称な形状である仮定して説明を行ったが、弾性板14A,15Aが非対称な形状であっても、同様の効果が得られる。
≪第3の実施形態≫
次に、本発明の第3の実施形態に係る圧電ファンについて、図3を参照して説明する。図3は、本発明の第3の実施形態に係る圧電ファン1Bの要部拡大側面図(Y−Z面側面図)である。
次に、本発明の第3の実施形態に係る圧電ファンについて、図3を参照して説明する。図3は、本発明の第3の実施形態に係る圧電ファン1Bの要部拡大側面図(Y−Z面側面図)である。
圧電ファン1Bは、振動板11と、圧電素子12,13と、弾性板14B,15Bと、支持体16,17と、押圧部18,19と、を備えている。第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、弾性板14B,15Bに設けられている間隙が、支持体16,17に接している位置と、圧電素子12,13に接している位置に設けられている点である。その他の構成については、第1の実施形態と同じであるため、記載を省略する。
弾性板14Bは、間隙非形成部141Bと、間隙形成部142Bと、を備えている。
間隙非形成部141Bは、固定端112から送風方向とは逆方向(Y軸負方向)に延伸しており、支持体16の底面と圧電素子12の天面との間に弾性材が一様に設けられている。
間隙形成部142Bは、間隙非形成部141Bの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部に連なり、支持体16の底面と圧電素子12の天面との間に弾性材が設けられ、弾性材の一部に間隙143Bが設けられている。間隙143Bは、圧電素子12に接している位置と、支持体16に接している位置とのそれぞれに設けられている。
具体的には、間隙非形成部141Bは、天面で支持体16の底面に接し、底面で圧電素子12の天面に接している。間隙形成部142Bは、間隙形成部142Bの底面と圧電素子12の天面との間、および、間隙形成部142Bの天面と支持体16の底面との間、それぞれに、間隙143Bが設けられており、底面が圧電素子12の天面から離間し、天面が支持体16の底面から離間している。即ち、弾性板14Bにおいて、間隙形成部142Bの天面から底面までの最短距離は、間隙非形成部141Bの天面から底面までの最短距離よりも短く、弾性板14Bは間隙形成部142Bで天面および底面が凹となる凹形状である。また、間隙形成部142Bの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部には、間隙非形成部141Bがさらに連なっている。
弾性板14Bは、送風方向に垂直なX−Z面、具体的には、弾性板14BのY軸方向の中心を通る面を対称面として弾性板14Bが面対称な形状となるように、間隙非形成部141Bおよび間隙形成部142Bが設けられている。なお、弾性板14BのY軸方向の中心を通る面が、本発明の「送風方向に垂直な面」に相当する。このようにして対称性を高めると、弾性板14Bが圧縮されることによる姿勢の変化が抑制され、良好な振動特性を実現することが容易となる。
弾性板15Bは、間隙非形成部151Bと、間隙形成部152Bとを備えている。間隙非形成部151Bは、固定端112から送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側に延伸しており、支持体17の天面と圧電素子13の底面との間に弾性材が一様に設けられている。間隙形成部152Bは、間隙非形成部151Bの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部に連なり、支持体17の天面と圧電素子13の底面との間に弾性材が設けられ、弾性材の一部に間隙153Bが設けられている。間隙153Bは、圧電素子13に接している位置と、支持体17に接している位置とのそれぞれに設けられている。
具体的には、間隙非形成部151Bは、底面で支持体17の天面に接し、天面で圧電素子13の底面に接している。間隙形成部152Bは、間隙形成部152Bの天面と圧電素子13の底面との間、および、間隙形成部152Bの底面と支持体17の天面との間、それぞれに、間隙153Bが設けられており、天面が圧電素子13の底面から離間し、底面で支持体17の天面から離間している。即ち、弾性板15Bにおいて、間隙形成部152Bの天面から底面までの最短距離は、間隙非形成部151Bの天面から底面までの最短距離よりも短く、弾性板15Bは間隙形成部152Bで天面および底面が凹となる凹形状である。
また、間隙形成部152Bの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部には、間隙非形成部151Bがさらに連なっている。弾性板15Bは、送風方向に垂直なX−Z面、具体的には、弾性板15BのY軸方向の中心を通る面を対称面として弾性板15Bが面対称な形状となるように、間隙非形成部151Bおよび間隙形成部152Bが設けられている。なお、弾性板15BのY軸方向の中心を通る面が、本発明の「送風方向に垂直な面」に相当する。このようにして対称性を高めると、弾性板15Bが圧縮されることによる姿勢の変化が抑制され、良好な振動特性を実現することが容易となる。
このような構成の圧電ファン1Bでも、第1の実施形態に係る圧電ファン1や、第2の実施形態に係る圧電ファン1Aと同様の効果を得ることができる。
≪第4の実施形態≫
次に、本発明の第4の実施形態に係る圧電ファンについて、図4〜8を参照して説明する。図4は、本発明の第4の実施形態に係る圧電ファン1Cの斜視図である。図5は、圧電ファン1Cの分解斜視図である。
次に、本発明の第4の実施形態に係る圧電ファンについて、図4〜8を参照して説明する。図4は、本発明の第4の実施形態に係る圧電ファン1Cの斜視図である。図5は、圧電ファン1Cの分解斜視図である。
圧電ファン1Cは、振動板11Cと、圧電素子121C,122C,123C,131C,132C,133Cと、弾性板14C,15Cと、支持体16C,17Cと、押圧部18C,19Cと、を備えている。
振動板11Cは、厚み方向がZ軸に沿う平板状であり、例えば金属からなる。また、振動板11Cは、3枚の羽板部116C,117C,118Cと、ベース部119Cと、を備えている。
本実施形態においては、羽板部116C,117C,118Cと、ベース部119Cとの接続箇所が固定端112Cとなり、羽板部116C,117C,118Cがそれぞれ揺動部114Cに相当し、ベース部119Cが固定部115Cに相当するように、圧電ファン1Cを構成する。即ち、送風方向に沿う軸上において、弾性板14C,15Cの送風方向(Y軸正方向)側の端を、羽板部116C,117C,118Cと、ベース部119Cとの接続箇所に一致させている。これにより、羽板部116C,117C,118Cそれぞれの送風方向(Y軸正方向)側の端は自由端111Cに相当することになり、ベース部119Cの送風方向の逆方向(Y軸負方向)の端は基端113Cに相当することになる。
ベース部119Cは、X軸に沿う方向に長尺である。
羽板部116C,117C,118Cは、固定端112Cから送風方向(Y軸正方向)に延伸されている。羽板部116C,117C,118Cは、送風方向(Y軸正方向)に沿って所定の間隔で、羽板部117C、羽板部116C、羽板部118Cの順に配列されている。両端の羽板部117C,118Cは、互いに略同じ形状で形成されている。中央の羽板部116CのX軸に沿う方向の長さは、両端の羽板部117C,118Cの約2倍である。羽板部116C,117C,118CのY軸に沿う方向の長さは、いずれも略同じである。
なお、羽板部116C,117C,118Cと、ベース部119Cとの接続箇所を、必ずしも固定端112Cとする必要はない。後述する弾性板14C,15Cを、羽板部116C,117C,118Cのベース部119C近傍の領域に重なるように配置し、固定端112Cを羽板部116C,117C,118Cの中頃に設けるようにしてもよい。
羽板部116C,117C,118Cは、固定端112Cを振動の節としてZ軸に沿って揺動可能である。圧電ファン1Cは、羽板部116C,117C,118Cを隣り合う羽板部がおのおの逆位相で振動するように、それぞれをZ軸に沿って揺動させ、送風方向(Y軸正方向)への送風を行う。
ベース部119Cは、外部構造体(不図示)に対して固定されている。また、ベース部119Cは、図5に示す2つの締結用孔1191Cを備えている。2つの締結用孔1191Cは、それぞれ、後述する押圧部18Cの一部が挿入される貫通孔であり、ベース部119Cの天面と底面とに貫通している。第1の締結用孔1191Cは、ベース部119Cの羽板部116Cが連結されている領域と、羽板部117Cが連結されている領域とに挟まれる領域の中央に設けられている。第2の締結用孔1191Cは、ベース部119Cの羽板部116Cが連結されている領域と、羽板部118Cが連結されている領域とに挟まれる領域の中央に設けられている。
圧電素子121C,131C,122C,132C,123C,133Cは、それぞれ、厚み方向がZ軸に沿う平板状である。圧電素子121C,131C,122C,132C,123C,133Cは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる圧電体と、圧電体の天面と底面とのそれぞれに形成されている電極と、を備えている(いずれも不図示)。
圧電素子121Cは、Y軸に沿って羽板部116Cとベース部119Cとに跨るように、振動板11Cの天面に配置されている。圧電素子131Cは、Y軸に沿って羽板部116Cとベース部119Cとに跨るように、振動板11Cの底面に配置されている。また、圧電素子121C,131Cは、いずれもZ軸正方向に分極されている。
圧電素子122Cは、Y軸に沿って羽板部117Cとベース部119Cとに跨るように、振動板11Cの天面に配置されている。圧電素子132Cは、Y軸に沿って羽板部117Cとベース部119Cとに跨るように、振動板11Cの底面に配置されている。また、圧電素子122C,132Cは、いずれもZ軸負方向に分極されている。
圧電素子123Cは、Y軸に沿って羽板部118Cとベース部119Cとに跨るように、振動板11Cの天面に配置されている。圧電素子133Cは、Y軸に沿って羽板部118Cとベース部119Cとに跨るように、振動板11Cの底面に配置されている。また、圧電素子123C,133Cは、いずれもZ軸負方向に分極されている。
圧電体の振動板11Cに当接する面に形成されている電極は、接地のための電極である。圧電体の振動板11Cに当接する面とは反対側の面に形成されている電極は、駆動信号印加用の電極である。なお、振動板11Cが導電体であり、振動板11Cが接地される場合には、圧電体の振動板11C側の電極は省略することができる。
弾性板14C,15Cは、例えばエポキシ系の接着剤、硬質ゴム材、プラスチック材など、圧電体よりも弾性率が小さく絶縁性を持つ弾性材からなる。弾性板14Cは、X軸に沿って圧電素子121C,122C,123Cの天面に跨るように配置されている。また、弾性板14Cは、図5に示す2つの締結用孔144Cを備えている。2つの締結用孔144Cは、それぞれ、弾性板14Cの天面と底面とに貫通していて、押圧部18Cの一部が挿入される貫通孔である。第1の締結用孔144Cは、圧電素子121C,131Cと、圧電素子122C,132Cとに挟まれる領域の中央に設けられている。第2の締結用孔144Cは、圧電素子121C,131Cと、圧電素子123C,133Cとに挟まれる領域の中央に設けられている。
弾性板15Cは、X軸に沿って圧電素子131C,132C,133Cの底面に跨るように配置されている。また、弾性板15Cは、図5に示す2つの締結用孔154Cを備えている。2つの締結用孔154Cは、それぞれ、弾性板15Cの天面と底面とに貫通していて、押圧部18Cの一部が挿入される貫通孔である。第1の締結用孔154Cは、圧電素子121C,131Cと、圧電素子122C,132Cとに挟まれる領域の中央に設けられている。第2の締結用孔154Cは、圧電素子121C,131Cと、圧電素子123C,133Cとに挟まれる領域の中央に設けられている。
また、弾性板14Cは、間隙非形成部141Cと、間隙形成部142Cとを有している。弾性板15Cは、間隙非形成部151Cと、間隙形成部152Cとを有している。間隙非形成部141C,151Cおよび間隙形成部142C,152Cの構成の詳細は後述する。
支持体16C,17Cは、それぞれ、両平板面が平坦な平板状である。支持体16C,17Cは、それぞれ、例えばガラスエポキシ樹脂など、弾性板14C,15Cよりも弾性率の大きい絶縁材からなる。支持体16Cと支持体17Cとのうち、少なくとも一方は、図示していない外部構造体に直接固定される。
支持体16Cは、Y軸に沿って固定端112Cとベース部119Cとに跨るように、弾性板14Cの天面に配置されている。また、支持体16Cは、図5に示す2つの締結用孔161Cを備えている。2つの締結用孔161Cは、それぞれ、押圧部18Cの一部が挿入される貫通孔であり、支持体16Cの天面と底面とに貫通している。第1の締結用孔161Cは、圧電素子121C,131Cと、圧電素子122C,132Cとに挟まれる領域の中央に設けられている。第2の締結用孔161Cは、圧電素子121C,131Cと、圧電素子123C,133Cとに挟まれる領域の中央に設けられている。支持体16Cは、圧電素子12Cとの間で弾性板14Cを圧縮させるZ軸負方向の外力を、弾性板14Cに付与している。
支持体17Cは、Y軸に沿って固定端112Cとベース部119Cとに跨るように、弾性板15Cの底面に配置されている。また、支持体17Cは、図5に示す2つの締結用孔171Cを備えている。2つの締結用孔171Cは、それぞれ、押圧部18Cの一部が挿入される貫通孔であり、支持体17Cの天面と底面とに貫通している。第1の締結用孔171Cは、圧電素子121C,131Cと、圧電素子122C,132Cとに挟まれる領域の中央に設けられている。第2の締結用孔171Cは、圧電素子121C,131Cと、圧電素子123C,133Cとに挟まれる領域の中央に設けられている。支持体17Cは、圧電素子13Cとの間で弾性板15Cを圧縮させるZ軸正方向の外力を、弾性板15Cに付与している。
押圧部18Cは、弾性板14Cを支持体16Cと圧電素子121C,122C,123Cとの間で圧縮させるZ軸負方向の外力を、支持体16Cに付与している。これにより支持体16Cは、圧電素子121C,122C,123Cとの間で弾性板14Cを圧縮させるZ軸負方向の外力を、弾性板14Cに付与している。より具体的には、ここでの押圧部18Cは、2つのボルトであり、それぞれのボルトのねじ切り部が、締結用孔161C,144C,1191C,154C,171Cに挿入され、それぞれのボルトの頭部が、支持体16Cの天面に接している。
押圧部19Cは、弾性板15Cを支持体17Cと圧電素子131C,132C,133Cとの間で圧縮させるZ軸正方向の外力を、支持体17Cに付与している。これにより支持体17Cは、圧電素子131C,132C,133Cとの間で弾性板15Cを圧縮させるZ軸正方向の外力を、弾性板15Cに付与している。より具体的には、ここでの押圧部19Cは、2つのナットであり、それぞれ支持体17Cの底面を介して、押圧部18Cのねじ切り部の先端に締結されている。したがって、弾性板14C,15Cは圧縮された状態となる。
このような構成の圧電ファン1Cにおいては、羽板部116Cおよび圧電素子121C,131Cと、羽板部117Cおよび圧電素子122C,132Cと、羽板部118Cおよび圧電素子123C,133Cと、のそれぞれがバイモルフ振動子を構成する。
各バイモルフ振動子は、駆動電圧が印加された際に、おのおの振動板11Cに当接する面に形成されている電極が、接地のための電極となり、振動板11Cに当接する面とは反対側の面に形成されている電極が、駆動信号印加用の電極となる。各バイモルフ振動子に印加する電圧は同一である。すなわち、各バイモルフ振動子のZ軸に沿う電界の作用方向が同一となる。そして、圧電素子121C,131Cと、圧電素子122C,132Cおよび圧電素子123C,133Cとでは、Z軸に沿う分極方向が逆であるため、羽板部116Cと羽板部117C,118Cは逆の位相で揺動する。このように揺動させることにより、圧電ファン1Cにおいて、羽板部116C,117C,118Cからベース部119Cに伝わる振動は相殺され、ベース部119Cの固定がより安定することになる。
図6(A)は、弾性板14Cの構成例を示す斜視図である。なお、弾性板15Cの構成は弾性板14Cの構成と同様である。
弾性板14Cは、3つの間隙形成部142Cと、弾性板14Cの3つの間隙形成部142Cを除く領域に設けられている間隙非形成部141Cと、を備えている。間隙非形成部141Cは、固定端112Cから送風方向とは逆方向(Y軸負方向)に延伸しており、支持体16Cの底面と圧電素子121C,122C,123Cの天面との間に弾性材が一様に設けられている。
間隙形成部142Cは、間隙非形成部141Cの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部に連なり、支持体16Cの底面と圧電素子121C,122C,123Cの天面との間に弾性材が設けられ、弾性材の一部に間隙143Cが設けられている。間隙143Cは、圧電素子121C,122C,123Cに接している位置に設けられている。
具体的には、間隙非形成部141Cは、天面で支持体16Cの底面に接し、底面で圧電素子121C,122C,123Cの天面に接している。間隙形成部142Cは、間隙形成部142Cの底面と圧電素子121C,122C,123Cの天面との間に、間隙143Cが設けられており、天面が支持体16Cの底面に接し、底面が圧電素子121C,122C,123Cの天面から離間している。即ち、弾性板14Cにおいて、弾性板14Cの天面から間隙形成部142Cの底面までの最短距離は、弾性板14Cの天面から間隙非形成部141Cの底面までの最短距離よりも短く、弾性板14Cは間隙形成部142Cで凹となる凹形状である。また、間隙形成部142Cの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部には、間隙非形成部141Cがさらに連なっている。
また、3つの間隙形成部142Cは、X軸に沿って間隔をあけて並んでおり、それぞれ異なる圧電素子に対向し、X軸に沿う方向の両端部が、対向する圧電素子よりも外側にはみ出すように設けられる。
各間隙形成部142Cは、平面視して、X軸に沿う方向を長手方向とし、Y軸に沿う方向を短手方向として形成されている。また、各間隙形成部142Cは、それぞれ、弾性板14Cの送風方向(Y軸正方向)側の端から一定寸法離れる位置から、弾性板14Cの送風方向の逆方向(Y軸負方向)側の端から一定寸法離れる位置までに形成されている。
なお、ここでは、3つの間隙形成部142Cの間に挟まれる領域には、間隙非形成部141Cが設けられており、その領域の中心に締結用孔144Cが形成されている。締結用孔144Cの周囲が間隙非形成部141Cとされていることで、押圧部による挟着作業性を良好なものにできる。
また、ここでは、弾性板14Cは、送風方向に垂直なX−Z面、具体的には、弾性板14CのY軸方向の中心を通る図6(A)に示す面Eを対称面として弾性板14Cが面対称な形状になるように、間隙非形成部141Cと間隙形成部142Cとは形成されている。このようにして対称性を高めておけば、弾性板14Cと支持体とのずれや、姿勢の変動が抑制され、良好な振動特性を実現することが容易となる。
次に、圧電ファン1Cの実施例における間隙の位置と弾性板のはみ出し距離との関係について説明する。
図7は、上述の圧電ファン1Cにおける弾性材のはみ出し距離とX軸方向位置との関係を示す図である。第1実施例として、第1の実施形態で示した圧電ファン1と同様に、弾性板14,15の支持体側の面に間隙を設けた圧電ファンを用いる。第2実施例として、第2の実施形態で示した圧電ファン1Aと同様に、弾性板14A,15Aの圧電素子側の面に間隙を設けた圧電ファンを用いる。第3実施例として、第3の実施形態で示した圧電ファン1Bと同様に、弾性板14B,15Bの支持体側と圧電素子側の両面に間隙を設けた圧電ファンを用いる。また、比較例として、従来の圧電ファン同様に弾性板に間隙を設けていない圧電ファンを用い、押圧部によってZ軸方向の外力を付与した後、おのおの弾性板の固定端からのはみ出し距離を測定して比較を行った。
ここではいずれの実施例も、圧電ファンのX軸方向の寸法は、50mm、Y軸方向の寸法は6mmとした。中央の羽板部のX軸方向の寸法は、20mmとした。両端の羽板部のX軸方向の寸法は、おのおの10mmとした。各羽板部のY軸方向の寸法はおのおの44mmとした。圧電素子の揺動部側のY軸寸法は、13mmとした。振動板のZ軸方向の寸法は、0.1mmとした。圧電素子のZ軸方向の寸法は、0.1mmとした。弾性板の非圧縮状態でのZ軸方向の寸法は、1.5mmとした。非圧縮状態での間隙のZ軸方向の寸法は、0.5mmとした。弾性板の圧縮状態でのZ軸方向の寸法は、1.1mmとした。支持体のZ軸方向の寸法は、2.0mmとした。なお、各実施例の圧電ファンの異なる点は、支持体の凹状部のみであり、その他の構成部材の材料や寸法、測定条件等は全て同一とした。
比較例の圧電ファンにおいては、弾性板に間隙が設けられていないために、圧電ファンのX軸方向位置によらず、弾性板のY軸方向はみ出し距離は約0.39mmで一定であった。これに対して、第1実施例の圧電ファンにおいては、圧電素子に対向する中心位置(X軸方向位置0)での、弾性板のY軸方向はみ出し距離が約0.28mmに抑制された。第2実施例の圧電ファンにおいては、圧電素子に対向する中心位置(X軸方向位置0)での、弾性板のY軸方向はみ出し距離が約0.30mmに抑制された。第3実施例の圧電ファンにおいては、圧電素子に対向する中心位置(X軸方向位置0)での、弾性板のY軸方向はみ出し距離が約0.27mmに抑制された。
このように、第1乃至第3実施例のいずれにおいても、弾性板に間隙が形成されているために、比較例の弾性板に間隙の無い構成よりも弾性板のY軸方向はみ出し距離が抑制された。ただし、弾性板のY軸方向はみ出し距離を抑制する効果は、第2実施例、第1実施例、第3実施例の順に大きかった。
次に、圧電ファンにおける間隙の深さと弾性板のはみ出し距離との関係について説明する。
図8は、上述の圧電ファン1Cにおける弾性材のはみ出し距離とX軸方向位置との関係を示す図である。第4実施例として、第1の実施形態で示した圧電ファン1と同様に、弾性板14,15の支持体側の面に間隙を設けた構成において、間隙の深さを弾性板の厚みの20%とした圧電ファンを用いる。第5実施例として、第1の実施形態で示した圧電ファン1と同様に、弾性板14,15の支持体側の面に間隙を設けた構成において、間隙の深さを弾性板の厚みの40%とした圧電ファンを用いる。第6実施例として、第1の実施形態で示した圧電ファン1と同様に、弾性板14,15の支持体側の面に間隙を設けた構成において、間隙の深さを弾性板の厚みの60%とした圧電ファンを用いる。第7実施例として、第1の実施形態で示した圧電ファン1と同様に、弾性板の支持体側の面に間隙を設けた構成において、間隙の深さを弾性板の厚みの80%とした圧電ファンを用いる。また、第1比較例として、従来同様に弾性板に間隙を設けていない圧電ファンを用いる。また、第2比較例として、弾性板14,15に設けられた間隙の深さを弾性板の厚みの100%とした圧電ファン、即ち貫通孔を有する弾性板14,15を備える圧電ファンを用いる。
図8に示すいずれの実施例も、圧電ファンの固定部のX軸方向の寸法は、50mm、Y軸方向の寸法は6mmとした。中央の羽板部のX軸方向の寸法は、20mmとした。両端の羽板部のX軸方向の寸法は、おのおの10mmとした。各羽板部のY軸方向の寸法はおのおの44mmとした。圧電素子の揺動部側のY軸寸法は、13mmとした。振動板のZ軸方向の寸法は、0.1mmとした。圧電素子のZ軸方向の寸法は、0.1mmとした。弾性板の非圧縮状態でのZ軸方向の寸法は、1.5mmとした。弾性板の圧縮状態でのZ軸方向の寸法は、1.1mmとした。支持体のZ軸方向の寸法は、2.0mmとした。なお、各実施例の圧電ファンの異なる点は、支持体の凹状部のみであり、その他の構成部材の材料や寸法、測定条件等は全て同一とした。
第1比較例および第2比較例の圧電ファンにおいては、X軸方向位置によらず、弾性板のY軸方向はみ出し距離は約0.390mmで一定であった。これに対して、第4実施例の圧電ファンにおいては、圧電素子に対向する位置(X軸方向位置0)での、弾性板のY軸方向はみ出し距離が約0.294mmに抑制された。第5実施例の圧電ファンにおいては、圧電素子に対向する位置(X軸方向位置0)での、弾性板のY軸方向はみ出し距離が約0.276mmに抑制された。第6実施例の圧電ファンにおいては、圧電素子に対向する位置(X軸方向位置0)での、弾性板のY軸方向はみ出し距離が約0.255mmに抑制された。第7実施例の圧電ファンにおいては、圧電素子に対向する位置(X軸方向位置0)での、弾性板のY軸方向はみ出し距離が約0.229mmに抑制された。
このように、第1の実施形態と同様に弾性板の支持体側の面に間隙を設けた構成では、第4乃至第7実施例のいずれにおいても、弾性板に間隙が形成されているために、比較例の弾性板に間隙の無い構成よりも弾性板のY軸方向はみ出し距離が抑制された。ただし、弾性板のY軸方向はみ出し距離を抑制する効果は、間隙が深いほど大きくなるが、間隙が弾性板を貫通して貫通孔となると、弾性板のY軸方向はみ出し距離を抑制する効果がなくなることがわかった。なお、第1〜第7実施例の圧電ファンでは、押圧部において弾性板のはみ出す先に羽板部が設けられていないので、押圧部にて弾性板のY軸方向はみ出し距離が大きくなったとしても、羽板部(揺動部)の振動特性には殆ど影響が及ぼされない。
図6(B)に、第4の実施形態における弾性板の第1変形例の斜視図を示す。第1変形例が前述の第4の実施形態と異なる点は、弾性板14C,15Cに設けられている間隙143C,153Cの位置である。その他の構成については第4の実施形態と同じであるため、記載を省略する。
図6(B)に示す弾性板14Dは、3つの間隙形成部142Dと、弾性板14Dの3つの間隙形成部142Dを除く領域に設けられている間隙非形成部141Dと、を備えている。3つの間隙形成部142Dは、それぞれ、弾性板14Dの一方の主面において、間隙非形成部141Dよりも凹んで間隙143Dを形成している。ここでは、3つの間隙形成部142Dのうちの両脇に配置されている2つの間隙形成部142Dが、先に説明した弾性板14Cと異なり、それぞれ、X軸に沿って延伸し、外側の一端が弾性板14Dの側面に連通する有底の切欠き状に成形されている。前述の弾性板14C,15Cに替えて、この弾性板14D,15Dを用いても、前述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
図6(C)に、第4の実施形態における弾性板の第2変形例の斜視図を示す。第2変形例が前述の第4の実施形態と異なる点は、弾性板14C,15Cに設けられている間隙143C,153Cの位置である。その他の構成については第4の実施形態と同じであるため、記載を省略する。
図6(C)に示す弾性板14Eは、弾性板14Cと同様、3つの間隙形成部142Eと、弾性板14Eの3つの間隙形成部142Eを除く領域に設けられている間隙非形成部141Eと、を備えている。3つの間隙形成部142Eは、それぞれ、弾性板14Eの一方の主面において、間隙非形成部141Eよりも凹んで間隙143Eを形成している。ここでは、3つの間隙形成部142Eが、それぞれ、先に説明した弾性板14Cと異なり、送風方向の逆方向(Y軸負方向)に延伸し、送風方向の逆方向(Y軸負方向)の端が弾性板14Eの側面に連通する有底の切欠き状に成形されている。前述の弾性板14Cに替えて、この弾性板14Eを用いるようにしてもよい。また、前述の弾性板14C,15Cに替えて、この弾性板14E,15Eを用いても、前述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
≪第5の実施形態≫
次に、本発明の第5の実施形態に係る圧電ファンについて、図9を参照して説明する。図9は、本発明の第5の実施形態に係る圧電ファン1Fの要部拡大側面図(Y−Z面側面図)である。
次に、本発明の第5の実施形態に係る圧電ファンについて、図9を参照して説明する。図9は、本発明の第5の実施形態に係る圧電ファン1Fの要部拡大側面図(Y−Z面側面図)である。
圧電ファン1Fは、振動板11と、圧電素子12,13と、弾性板14F,15Fと、支持体16,17と、押圧部18,19と、を備えている。第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、弾性板14F,15Fに設けられている間隙の位置が、支持体16,17および圧電素子12,13に接しない中空部である点である。その他の構成については、第1の実施形態と同じであるため、記載を省略する。
弾性板14Fは、間隙非形成部141Fと、間隙形成部142Fと、を備えている。
間隙非形成部141Fは、固定端112から送風方向とは逆方向(Y軸負方向)に延伸しており、支持体16の底面と圧電素子12の天面との間に弾性材が一様に設けられている。
間隙形成部142Fは、間隙非形成部141Fの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部に連なり、支持体16の底面と圧電素子12の天面との間に弾性材が設けられ、弾性材の一部に間隙143Fが設けられている。間隙143Fは、圧電素子12と支持体16とから離れている位置に設けられている。
具体的には、間隙非形成部141Fは、天面で支持体16の底面に接し、底面で圧電素子12の天面に接している。間隙形成部142Fは、天面で支持体16の底面に接し、底面で圧電素子12の天面に接し、間隙形成部142Fの底面および天面から離れたZ軸方向の中心付近に間隙143Fが設けられている。また、間隙形成部142Fの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部には、間隙非形成部141Fがさらに連なっている。
弾性板14Fは、送風方向に垂直なX−Z面、具体的には、弾性板14FのY軸方向の中心を通る面を対称面として弾性板14Fが面対称な形状となるように、間隙非形成部141Fおよび間隙形成部142Fが設けられている。なお、弾性板14FのY軸方向の中心を通る面が、本発明の「送風方向に垂直な面」に相当する。このようにして対称性を高めると、弾性板14Fが圧縮されることによる姿勢の変化が抑制され、良好な振動特性を実現することが容易となる。
弾性板15Fは、間隙非形成部151Fと、間隙形成部152Fとを備えている。間隙非形成部151Fは、固定端112から送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側に延伸しており、支持体17の天面と圧電素子13の底面との間に弾性材が一様に設けられている。間隙形成部152Fは、間隙非形成部151Fの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部に連なり、支持体17の天面と圧電素子13の底面との間に弾性材が設けられ、弾性材の一部に間隙153Fが設けられている。間隙153Fは、圧電素子13と支持体17とから離れている位置に設けられている。
具体的には、間隙非形成部151Fは、底面で支持体17の天面に接し、天面で圧電素子13の底面に接している。間隙形成部152Fは、底面で支持体17の天面に接し、天面で圧電素子13の底面に接し、間隙形成部152Fの天面および底面から離れたZ軸方向の中心付近に間隙153Fが設けられている。また、間隙形成部152Fの送風方向とは逆方向(Y軸負方向)側の端部には、間隙非形成部151Fがさらに連なっている。
弾性板15Fは、送風方向に垂直なX−Z面、具体的には、弾性板15FのY軸方向の中心を通る面を対称面として弾性板15Fが面対称な形状となるように、間隙非形成部151Fおよび間隙形成部152Fが設けられている。なお、弾性板15FのY軸方向の中心を通る面が、本発明の「送風方向に垂直な面」に相当する。このようにして対称性を高めると、弾性板15Fが圧縮されることによる姿勢の変化が抑制され、良好な振動特性を実現することが容易となる。
このような構成の圧電ファン1Fでも、第1の実施形態に係る圧電ファン1や、第2の実施形態に係る圧電ファン1A、第3の実施形態に係る圧電ファン1B、第4の実施形態に係る圧電ファン1C、と同様の効果を得ることができる。
上述の各実施形態では、圧電素子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、上述の説明では、3枚の羽板部や、1つの揺動部を設ける実施形態を示したが、本発明は、羽板部の数によって限定されるものではない。また、隣接する羽板部に設けられたバイモルフ振動子を構成する圧電体の分極方向をおのおの異ならせて構成し、中央の羽板部と両端の羽板部とが逆の位相で揺動する実施形態を示したが、隣接する羽板部に設けられたバイモルフ振動子を構成する圧電体の分極方向をおのおの一致するように構成し、全ての羽板部を同じ位相で揺動させてもよい。
また、上述の説明においては、支持体16,17は、それぞれ、両平板が平坦な平板状
であるとしたが、これに限るものではない。例えば、支持体16,17の弾性板側の面と反対側の部分は、必ずしも平坦でなくても構わない。
であるとしたが、これに限るものではない。例えば、支持体16,17の弾性板側の面と反対側の部分は、必ずしも平坦でなくても構わない。
また、上述の各実施形態では、圧電素子12,13と振動板11とによりバイモルフ振動子を構成する例を示したが、圧電素子12,13のうちの一方のみを設けて、ユニモルフ振動子を構成するようにしてもよい。なお、その場合は、前述の構成から一方の圧電素子のみを省いて圧電ファンを構成してもよいし、一方の圧電素子側に設けられている弾性板や支持体も省くように、圧電ファンを構成してもよい。
また、上述の各実施形態では、2つの支持体によりバイモルフ振動子を挟持する実施形態を示したが、何らかの固定方法、例えば接着などの他の方法で、バイモルフ振動子を固定するように構成してもよい。その場合、支持体は1つであってもよい。
1,1A,1B,1C,1F…圧電ファン
11,11C…振動板
111,111C…自由端
112,112C…固定端(固定点)
113,113C…基端
114,114C…揺動部
115,115C…固定部
116C,117C,118C…羽板部
119C…ベース部
12,13,121C,122C,123C,131C,132C,133C…圧電素子
14,14A,14B,14C,14D,14E,14F,15,15A,15B,15C,15D,15E,15F…弾性板
141,141A,141B,141C,141D,141E,141F,151,151A,151B,151C,151D,151E,151F…間隙非形成部
142,142A,142B,142C,142D,142E,142F,152,152A,152B,152C,152D,152E,152F…間隙形成部
143,143A,143B,143C,143D,143E,143F,153,153A,153B,153C,153D,153E,153F…間隙
16,17,16C,17C…支持体
18,19,18C,19C…押圧部
161C,144C,1191C,154C,171C…締結用孔
11,11C…振動板
111,111C…自由端
112,112C…固定端(固定点)
113,113C…基端
114,114C…揺動部
115,115C…固定部
116C,117C,118C…羽板部
119C…ベース部
12,13,121C,122C,123C,131C,132C,133C…圧電素子
14,14A,14B,14C,14D,14E,14F,15,15A,15B,15C,15D,15E,15F…弾性板
141,141A,141B,141C,141D,141E,141F,151,151A,151B,151C,151D,151E,151F…間隙非形成部
142,142A,142B,142C,142D,142E,142F,152,152A,152B,152C,152D,152E,152F…間隙形成部
143,143A,143B,143C,143D,143E,143F,153,153A,153B,153C,153D,153E,153F…間隙
16,17,16C,17C…支持体
18,19,18C,19C…押圧部
161C,144C,1191C,154C,171C…締結用孔
Claims (6)
- 固定部と、前記固定部から送風方向に延伸しており、前記固定部との接続箇所を固定端として揺動可能な揺動部と、を有する振動板と、
前記振動板の少なくとも一方の主面に配置されており、前記揺動部と前記固定部とに跨っている圧電素子と、
前記圧電素子の前記振動板側の主面とは反対側の主面に配置されており、前記固定端から前記送風方向とは逆方向に延伸している、弾性材からなる弾性板と、
前記弾性板の前記圧電素子側の主面とは反対側の主面に配置されており、前記弾性板を前記圧電素子との間で圧縮させる外力を前記弾性板に付与している支持体と、
を備え、
前記弾性板は、
前記固定端から前記送風方向とは逆方向に延伸しており、前記圧電素子と前記支持体との間に前記弾性材が一様に設けられている間隙非形成部と、
前記間隙非形成部の送風方向とは逆方向側の端部に連なり、前記圧電素子と前記支持体との間に前記弾性材が設けられ、前記弾性材の一部に間隙が設けられている間隙形成部と、を有する、
圧電ファン。 - 前記間隙は、前記支持体に接している、請求項1に記載の圧電ファン。
- 前記間隙は、前記圧電素子に接している、請求項1または2に記載の圧電ファン。
- 前記間隙は、前記支持体および前記圧電素子に接しない中空部である、請求項1〜3のいずれかに記載の圧電ファン。
- 前記揺動部として、前記固定部から互いに平行に延伸している複数の揺動部を備え、
前記圧電素子として、前記複数の揺動部それぞれと前記固定部とに跨っている複数の圧電素子を備え、
固定部における前記複数の圧電素子の間に、前記外力を前記支持体に付与している押圧部を備え、
前記弾性板は、前記押圧部に押圧される位置に前記間隙非形成部を有する、
請求項1〜4のいずれかに記載の圧電ファン。 - 前記送風方向に垂直な面を対称面として、前記弾性板が面対称な形状である、請求項1〜5のいずれかに記載の圧電ファン。
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CN107288909A (zh) * | 2017-08-09 | 2017-10-24 | 宁波鄞州竹创信息科技有限公司 | 一种具有防倾倒功能的风扇 |
JP2020038286A (ja) * | 2018-09-04 | 2020-03-12 | サクサ株式会社 | ベル |
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