JP2015105639A - 低騒音型ピエゾファン - Google Patents

Abstract

【課題】振動板で発生する所定の周波数の振動を抑制して騒音を低減することのできるピエゾファンを提供する。
【解決手段】圧電素子１５Ａ，１５Ｂが貼着されている振動板１３Ａ，１３Ｂが前記圧電素子１５Ａ，１５Ｂの圧電効果によって振動することにより空気流を生じさせる低騒音型ピエゾファンであって、前記振動板１３Ａ，１３Ｂの振動に含まれる所定の振動数の振動を抑制する薄膜１９Ａ，１９Ｂが前記振動板１３Ａ，１３Ｂの表面に形成されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、圧電素子によって振動を生じさせることにより送風を行うピエゾファンに関するものである。

ピエゾ素子と称される圧電素子は、電圧を印加することにより変形して力を発生するから、所定の周波数の電圧を掛けることにより振動する。このような圧電効果による振動を利用して送風を行う装置が例えば特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載されている構成の一例を説明すると、ニッケル鋼などの金属製の薄板にピエゾ素子を貼り付けて振動板を作成し、その一対の振動板を対向させるとともにその周辺部に一部を残して樹脂部材を介在させ、前記一対の振動板をその樹脂部材を挟んで接合して構成されている。したがって、これら一対の振動板の間に中空部が形成され、その中空部は前記樹脂部材が欠けている箇所で開口している。そのため、各振動板のピエゾ素子に所定の周波数の電圧を印加することにより振動板が振動し、それらの間の中空部の容積が増減することにより、開口部から空気を吸入し、またその空気を外部に吹き出し、いわゆる吹子（ふいご）と同様の送風機能を奏する。

これを原理的に示すと図１の（ａ）および（ｂ）のとおりであり、金属製薄板１Ａ，１Ｂの一方の面の中央部にピエゾ素子２Ａ，２Ｂが貼り付けられて振動板３Ａ，３Ｂが形成され、それらの振動板３Ａ，３Ｂの互いに対向する周辺部が、一部を残して樹脂部材４によって接合され、これらの振動板３Ａ，３Ｂの間に中空部５が形成されている。そして、樹脂部材４の欠けている部分が開口部６となっている。したがって、各ピエゾ素子２Ａ，２Ｂが、その金属製薄板１Ａ，１Ｂに対する接合面側が収縮するように変形すると、図１の（ａ）に示すように振動板３Ａ，３Ｂは中空部５に対して外側に膨らむように変形する。その結果、中空部５の容積が増大して、外気が開口部６から中空部５内に吸い込まれる。これとは反対に、各ピエゾ素子２Ａ，２Ｂが、その金属製薄板１Ａ，１Ｂに対する接合面側が延びるように変形すると、図１の（ｂ）に示すように振動板３Ａ，３Ｂは中空部５に対して内側に窪むように変形する。その結果、中空部５の容積が減少して、その内部の空気が開口部６から吹き出される。

特開２０１３-８０７６５号公報

特許文献１に記載された装置では、振動板３Ａ，３Ｂが上記のように繰り返し変形することにより、すなわち振動することにより、開口部６から繰り返し空気が吹き出し、実質的に連続した送風が可能になる。その送風は、原理的には、図１に示すように、各振動板３Ａ，３Ｂがその中央部を図１の上下方向に往復動するように変形することにより行われる。すなわち、振動板３Ａ，３Ｂはその幅あるいは長さのほぼ２倍の波長で振動すればよい。しかしながら、振動板３Ａ，３Ｂの振動には、２次振動あるいは３次振動などの複数の高次の振動が含まれる。そして、その振動は、周囲の空気を介して伝播されるから、例えばモバイルコンピュータなどの薄型モバイル機器の狭い筐体の内部に上記の送風ファンを設置した場合には、筐体が振動して騒音を発する不都合がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、振動板の振動や送風を損なうことなく騒音を低減することのできる低騒音型のピエゾファンを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、圧電素子が貼着されている振動板が前記圧電素子の圧電効果によって振動することにより空気流を生じさせる低騒音型ピエゾファンにおいて、前記振動板の振動に含まれる所定の振動数の振動を抑制する薄膜が前記振動板の表面に設けられていることを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記振動板は、前記圧電素子が中央部に貼着された金属製薄板によって構成され、一対の前記振動板が互いに対向して配置されるとともに、それらの振動板の互いに対向する面の周辺部が、一部を残して樹脂部材を挟んで接合され、前記樹脂部材のない箇所を開口部とした中空部が前記振動板の間に形成されていることを特徴とする低騒音型ピエゾファンである。

さらに、請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記薄膜は、合成樹脂製シートからなることを特徴とする低騒音型ピエゾファンである。

そして、請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記振動板の表面に前記圧電素子に電気的に導通された接続部が設けられ、前記薄膜は、絶縁性のシートから構成されるとともに前記接続部を覆っていることを特徴とする低騒音型ピエゾファンである。

この発明によれば、圧電素子が取り付けられている振動板の表面に薄膜が設けられていて、振動板から生じる所定の周波数の振動がその薄膜によって抑制される。その抑制される周波数の振動は、薄膜の振動特性に応じた振動であり、したがってこの発明によれば、騒音となる振動を薄膜によって抑制できる。また、その薄膜は、振動板の振動自体を制限するものではないので、振動板の振動やそれに起因する送風が損なわれるなどの事態を回避することができる。その結果、この発明によれば、静粛性に優れたピエゾファンを得ることができる。

いわゆるふいご式のピエゾファンの動作原理を説明するための模式図である。 この発明に係るピエゾファンの一例を示す平面図である。 この発明に係るピエゾファンにおける送風部を分解して示す模式的な斜視図である。

つぎにこの発明に係る低騒音型のピエゾファンの一例を説明する。この発明に係るピエゾファンは、圧電素子を金属製の薄板に取り付けて振動板を形成し、その振動板の振動によって空気流を生じさせるものであるから、基本的な構成は従来知られているピエゾファンと同様である。図２にはいわゆるふいご式のピエゾファンを示してあり、一方向に開いたフレーム１１の内側に送風部１２が保持されている。そのフレーム１１はモバイル機器（図示せず）などにピエゾファンを取り付けるためのものであって、金属もしくは合成樹脂などの所定の強度もしくは剛性を有する材料によって一辺が切り欠かれた矩形状に形成されている。なお、フレーム１１の形状は適宜であって、一部が切り欠かれて開いた円形状や楕円形状あるいは多角形状などであってもよい。

送風部１２は、圧電素子の圧電効果による振動で空気流を生起させる部分であり、その構成を図３に分解して示してある。空気流を生起させるように振動する一対の振動板１３Ａ，１３Ｂが設けられている。これらの振動板１３Ａ，１３Ｂは、ニッケル鋼などの金属製の薄板１４Ａ，１４Ｂの中央部に圧電素子１５Ａ，１５Ｂを貼り付けて構成されている。この振動板１３Ａ，１３Ｂの形状は適宜に決めることができ、図３に示す例では方形状もしくは矩形状に形成されている。また、圧電素子１５Ａ，１５Ｂは図３に示す例では、薄い円板状に形成され、上記の薄板１４Ａ，１４Ｂの中央部に貼り付けられている。なお、この圧電素子１５Ａ，１５Ｂと薄板１４Ａ，１４Ｂとは電気的に導通している。

これらの振動板１３Ａ，１３Ｂは、スペーサ１６を挟んで互いに対向した状態に配置されて接合されている。このスペーサ１６は、振動板１３Ａ，１３Ｂを、振動可能な状態で一定の間隔に保持するためのものであり、振動板１３Ａ，１３Ｂの円滑な振動を生じさせるためにシリコンゴムなどの弾性のある合成樹脂によって形成されている。また、その形状は、振動板１３Ａ，１３Ｂの輪郭に近い形状であり、図３に示す例では、振動板１３Ａ，１３Ｂの互いに対向する面の周辺部に倣った矩形状であり、その一辺を前述したフレーム１１と同様に切り欠いた形状になっている。したがって、振動板１３Ａ，１３Ｂ同士はスペーサ１６の厚さに応じて離隔し、これらの振動板１３Ａ，１３Ｂの間に、図１に示す中空部５と同様の中空部が形成され、その中空部は、スペーサ１６における切り欠かれた箇所を開口部１７として外部に連通している。なお、スペーサ１６の外周の３箇所に突片部（もしくはタブ）１８が一体に形成されており、この突片部１８を前述したフレーム１１に接合することにより、送風部１２をフレーム１１に連結して保持するようになっている。

そして、各振動板１３Ａ，１３Ｂの表面（圧電素子１５Ａ，１５Ｂが取り付けられている面）に、所定の周波数の振動を抑制もしくは制限するための防振用薄膜１９Ａ，１９Ｂが設けられている。この薄膜１９Ａ，１９Ｂは、数十μｍ〜数百μｍ程度の合成樹脂製の膜であって、例えば３０μｍ〜５００μｍ程度の厚さの防振ゴムシートあるいはシリコンシートもしくはゲルシート、ウレタンシートなどのフィルムを直接貼着して形成されている。なお、シート材を貼着する替わりに、これらのいずれかの合成樹脂を振動板１３Ａ，１３Ｂの表面に塗布して薄膜１９Ａ，１９Ｂを形成することとしてもよい。また、薄膜１９Ａ，１９Ｂを振動板１３Ａ，１３Ｂの表面全体に形成するとした場合、例えば図２に示すように、リード線２０を圧電素子１５Ａ，１５Ｂに接続している接続部２１および金属製の薄板１４Ａ，１４Ｂに接続している接続部２２を薄膜１９Ａ，１９Ｂによって覆うことになる。したがって、絶縁性のある薄膜１９Ａ，１９Ｂを用いれば、これらの接続部２１，２２を絶縁被覆することができる。

上記の薄膜１９Ａ，１９Ｂを振動板１３Ａ，１３Ｂの表面に形成することにより振動板１３Ａ，１３Ｂの振動モードが変化し、その振動特性は薄膜１９Ａ，１９Ｂの素材や厚さ（すなわち弾性）、あるいは薄膜１９Ａ，１９Ｂの位置などによって異なる。一方、いわゆる騒音とされる周波数の振動はある程度特定される。したがって、薄膜１９Ａ，１９Ｂの厚さや大きさあるいは位置は、騒音とされる周波数の振動を抑制するように、振動板１３Ａ，１３Ｂの大きさや圧電素子１５Ａ，１５Ｂに印加する電圧などに応じて実験的に定めることができる。

上述した構成のピエゾファンは、従来のものと同様に、所定の周波数の電圧を各圧電素子１５Ａ，１５Ｂに印加することにより、振動板１３Ａ，１３Ｂを振動させ、それに伴う前記中空部の容積の増減（すなわち中空部の圧力の増減）によって空気流を生じさせ、ファンとして機能する。すなわち、各振動板１３Ａ，１３Ｂは、前述した図１に示すように中空部に対して凹および凸に繰り返し変形する。その結果、中空部の圧力が正負に変化し、開口部１７から外気を吸入し、かつ外部に空気を吹き出す。その場合、振動板１３Ａ，１３Ｂの振動には多様な周波数の振動が含まれるが、この発明に係る上記のピエゾファンにおいては、振動板１３Ａ，１３Ｂの表面に設けられた薄膜１９Ａ，１９Ｂに応じた所定の周波数の振動が抑制される。当該所定の周波数の振動が、いわゆる騒音として聴取される振動となるように薄膜１９Ａ，１９Ｂを構成しておくことにより、上記のピエゾファンが騒音発生源となることが回避もしくは抑制される。すなわち、低騒音型のピエゾファンとなる。

上述したように薄膜１９Ａ，１９Ｂの構成や位置と抑制される周波数の振動とには所定の関係があり、その関係を求めるべく本発明者等が行った実験で得た結果の一例を示すと以下のとおりである。

使用した振動板は、厚さ０．１ｍｍで、５０ｍｍ×５０ｍｍの矩形形状ニッケル薄板に、直径３０ｍｍの円板状の圧電素子を貼り付けて構成した。その振動板を上述した図２および図３に示すように組み付けてピエゾファンを構成した。比較例として、振動板には前述した防振用の薄膜を設けていないものを用意した。また、本発明例として図３に記載の各種の防振用薄膜（厚さ０．１ｍｍないし０．５ｍｍの防振フィルム）を振動板の表面に形成したものを用意した。厚さ０．１ｍｍの防振フィルムは日東電工（株）製ポリイミドテープＮｏ．３６０ＵＬ、厚さ０．２ｍｍおよび厚さ０．３ｍｍの防振フィルムは東レ・デュポン社製ハイトレル３０７８、厚さ０．５ｍｍの防振フィルムは内外ゴム（株）製ハネナイトＧＰ−３５Ｌをそれぞれ使用した。なお、比較例および本発明例のいずれについても、圧電素子には駆動周波数が８５Ｈｚ、９０Ｈｚ、１００Ｈｚでそれぞれ２５ｍＶの電圧を印加して送風を行った。比較例および本発明例の各々について、ノイズレベル（ｄＢＡ）および最大風量（リットル／ｍｉｎ）を測定した。結果を表１に示してある。

表１に示すように、本発明例および比較例のいずれにおいても、駆動周波数の増大に応じてノイズレベルおよび最大風量が増大した。しかしながら、比較例では、ノイズレベルが３４．２ｄＢＡないし３７．６ｄＢＡとなり、実用に適さない。これに対して防振フィルムの厚さを０．１０ｍｍないし０．３０ｍｍとした本発明例ではノイズレベルを３５．０ｄＢＡ以下に抑えることができた。また、駆動周波数を高くすることにより最大風量が２０ｍｌ／ｍｉｎ以上となり、実用領域の送風量を確保することができた。一方、防振フィルムの厚さを０．５ｍｍに増大させた場合には、ノイズレベルを低下させることができるものの、最大風量が２０ｌ／ｍｉｎを大きく下回ってしまい、実用に適さないと判断された。以上の結果から、ノイズレベルの低減効果と十分な最大風量とを確保するためには、０．１０ｍｍないし０．３０ｍｍ程度の防振フィルムを用いることが好ましい。

なお、この発明は上述した具体例に限られないのであって、圧電素子によって振動板を振動させて空気流を生起させるように構成された送風装置に広く適用することができる。

１１…フレーム、 １２…送風部、 １３Ａ，１３Ｂ…振動板、 １４Ａ，１４Ｂ…薄板、 １５Ａ，１５Ｂ…圧電素子、 １６…スペーサ、 １７…開口部、 １８…突片部（もしくはタブ）、 １９Ａ，１９Ｂ…薄膜、 ２０…リード線、 ２１，２２…接続部。

Claims (4)

1. 圧電素子が貼着されている振動板が前記圧電素子の圧電効果によって振動することにより空気流を生じさせる低騒音型ピエゾファンにおいて、
   前記振動板の振動に含まれる所定の振動数の振動を抑制する薄膜が前記振動板の表面に設けられていることを特徴とする低騒音型ピエゾファン。
2. 前記振動板は、前記圧電素子が中央部に貼着された金属製薄板によって構成され、
   一対の前記振動板が互いに対向して配置されるとともに、それらの振動板の互いに対向する面の周辺部が、一部を残して樹脂部材を挟んで接合され、前記樹脂部材のない箇所を開口部とした中空部が前記振動板の間に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の低騒音型ピエゾファン。
3. 前記薄膜は、合成樹脂製シートからなることを特徴とする請求項１または２に記載の低騒音型ピエゾファン。
4. 前記振動板の表面に前記圧電素子に電気的に導通された接続部が設けられ、
   前記薄膜は、絶縁性のシートから構成されるとともに前記接続部を覆っている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の低騒音型ピエゾファン。