JP5053176B2 - ピエゾファン - Google Patents

Description

この発明は、圧電セラミックス板などからなる圧電素子の伸縮すなわち振動によって送風板を駆動するピエゾファンに関するものである。

電子機器の局所的発熱源を冷却するためのピエゾファンが提案されている（特許文献１、２）。このピエゾファンは、低消費電力、長寿命、コンパクトサイズおよび低ノイズなどのメリットがあるため、電子機器に限られることなく、一般的な送風装置としての可能性も有している。

図８および図９は、ピエゾファンの原理的な図である。圧電セラミックス板２１と送風板２２とで構成され、圧電セラミックス板２１に交流電源２３から交流電圧が印加できるようにされる。圧電セラミックス板２１は、交流電圧の印加によって、図のｘの方向で伸縮するように設定される。ピエゾファンとして使うとき、送風板２２は図９の点線で示したように振動する。圧電セラミックス板２１の振動と送風板２２の振動が共振するとき、送風板２２の先端のｚ方向の移動量が大きくなり、冷却に有効な風を起こすことができる。

米国特許第５９２１７５７号明細書 特開昭６３−３２９７５号公報

このようなピエゾファンの動作をより詳しく観察すると、図１０において、圧電セラミックス板２１のｘ方向の長さと、ｙ方向の幅の長／幅の比が大きい場合には、送風板２２の先端にかかる力の中にｙ軸の回りのψ方向の力がいちばん著しくなるが、長／幅の比が小さくなると、送風板２２の側縁にかかるｘ軸の回りのφの方向の力が次第に著しくなることが判った。送風板２２の幅方向の中央部分が側縁部分に比べて、圧電セラミックス板２１の伸縮によって受ける応力に対する抗力が大きく、応力が溜まりやすいためと考えられる。

このことは、図１１および図１２に示す従来技術でよく判る。この設計では、送風板２２の先端がスリット２３で短冊状に分割され、各羽根２４がヒートシンク２５のフィン２６、２６の間に挿入され、冷却効果を向上できるようにされている。この場合、冷却効果を保つため、羽根２４の縁とフィン２６の壁面の隙間が大きくならないように注意が必要である。

しかしながら、圧電セラミックス板２１の長／幅の比が小さくなると、前記のように送風板２２の両側縁の、ｘ軸回りのφ方向の振動が大きくなり、羽根２４がヒートシンク２５のフィン２６に衝突するようになる。そのため、ノイズが発生する上に、送風板２２の変位量も少なくなり、冷却効果が十分に得られなくなる。圧電セラミックス板２１のｘ方向の長さを４０ｍｍ、ｙ方向の幅を６０ｍｍとし、全長７０ｍｍ、羽根２４の幅を１０ｍｍとした送風板２２を駆動した場合、送風板２２の中央部分のｚ方向の変位は３０ｍｍに対して、両側縁部のｚ方向の変位は２５ｍｍであった。

また、図１３に示したように、送風板２２の先端をスリットにより分割しない場合、送風板２２の先端もｘ軸の周りのφ方向の力を受けることとなる。このため、圧電セラミックス板２１の長／幅の比が小さくなると駆動周波数より高い周波数の振動が発生しノイズの原因となる。圧電セラミックス板２１の幅が１０ｍｍ以下でテストする時、共振周波数が１００Ｈｚ以下では人間の耳では聞き取りにくいという結果（法則）があるが、圧電セラミックス板２１の長／幅の比が小さくなるとこの法則があたらなくなる。幅１０ｍｍ、長さ４０ｍｍの圧電セラミックス板２１で、幅１０ｍｍ、長さ７０ｍｍの送風板２２を振動させる場合、ノイズは２０ｄＢにもなる。さらに、ψ方向の振動とφ方向の振動の干渉により、送風板２２の最大変位量も、圧電セラミックス板２１の長／幅の比の減少に従って小さくなる。

特許文献１には、φ方向の振動を抑える方法が記載されている。ここでは、圧電セラミックス板が貼られた金属板の上に、前記ｙ軸の方向（幅方向）に沿って複数の強化リブが設けられている。強化リブによって前記φ方向の振動が抑えられている。この場合、強化リブも圧電セラミックス板と一緒に振動するため、圧電セラミックス板の変位量が小さくなり、強化リブの振動に使われたエネルギー分だけ送風には有効に使えない問題がある。

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、ノイズを低下でき、かつエネルギー利用効率の高い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請求項１の発明は、圧電素子と、この圧電素子に接着された送風板とを備えたピエゾファンにおいて、前記送風板は、前記圧電素子を振動させた際に伸縮する方向で圧電素子を超える長さで延びており、かつ、前記圧電素子と接着されている基部側に、圧電素子の伸縮によって受ける応力の一部を開放する手段が設けられ、前記圧電素子の伸縮によって受ける応力の一部を開放する前記手段は、圧電素子の伸縮する方向に沿って設けられている開口部によって構成され、かつ前記開口部は、圧電素子の伸縮する方向に沿って形成した円形または方形の複数の打ち抜き部によって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、前記開口部は、圧電素子を超えて延び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、圧電素子と、この圧電素子に接着された送風板とを備えたピエゾファンにおいて、前記送風板は、前記圧電素子を振動させた際に伸縮する方向で圧電素子を超える長さで延びており、かつ、圧電素子と接着されている基部側に、圧電素子が伸縮する方向に沿って、圧電素子の伸縮によって受ける応力の一部を開放するための開口部が設けられ、前記開口部は、圧電素子の伸縮する方向に沿って形成した円形または方形の複数の打ち抜き部で構成されていることを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記開口部は、圧電セラミックス板を超えて延びていることを特徴とするピエゾファンである。

請求項１の発明によれば、送風板の基部側、即ち圧電素子と接着されている側に、圧電素子の振動に伴う伸縮によって受ける応力の一部を開放する手段が設けられているので、送風板の幅方向における圧電素子の伸縮によって受ける応力に対する抗力をほぼ均等にすることが可能となり、前記の如くのｘ軸の回りのφ方向の振動が生じないようにできる。このため、ノイズを低下させ、しかも圧電素子から受けるエネルギーをｙ軸の回りのψ方向の振動に有効に利用できるピエゾファンを提供できる効果がある。

また、請求項１の発明によれば、送風板に設けられる圧電素子の伸縮によって受ける応力の一部を開放する手段を開口部で構成してあるので、送風板に簡単に設けることができ、複雑な加工を必要としない効果がある。

さらに、請求項１の発明によれば、送風板に設けられる開口部が、圧電素子が伸縮する方向に沿って形成した円形又は方形の複数の打ち抜き部によって構成したので、請求項３の発明と同様に、開口部を簡単な加工で設けることができる効果がある。

請求項２の発明によれば、送風板に設けられる開口部が、圧電素子を超えて延びている構成なので、圧電素子の大きさや送風板の長さなどを考慮して、応力を開放する手段の設置範囲を設定する自由度を大きくできる効果がある。

請求項３の発明によれば、送風板の基部側、即ち圧電素子と接着されている側に、圧電素子の伸縮によって受ける応力の一部を開放するための開口部が設けられているので、送風板の幅方向における圧電素子の伸縮によって受ける応力に対する抗力をほぼ均等にすることが可能となり、前記の如くのｘ軸の回りのφ方向の振動が生じないようにできる。このため、ノイズを低下させ、しかも圧電素子から受けるエネルギーをｙ軸の回りのψ方向の振動に有効に利用できるピエゾファンを提供できる効果がある。

また、請求項３の発明によれば、送風板に設けられる開口部が、圧電素子が伸縮する方向に沿って形成した円形又は方形の複数の打ち抜き部によって構成されているので、開口部を簡単な加工で設けることができる効果がある。

請求項４の発明によれば、送風板に設けられる開口部が、圧電素子を超えて延びているから、圧電素子の大きさや送風板の長さなどを考慮して、応力を開放する手段の設置範囲を設定する自由度を大きくすることができる効果がある。

つぎに、この発明の具体例を図を参照して説明する。図１はこの発明の第１の実施形態のピエゾファンを示している。圧電素子である圧電セラミックス板１１と、この圧電セラミックス板１１の上面もしくは下面のいずれか一方に接着された送風板１２とを備えている。圧電セラミックス板１１は、図のｚ方向、即ち厚さ方向で交流電圧もしくは矩形波電圧を印加したとき、長さ方向、即ちｘ方向で伸縮するように設定されている。前記送風板１２は、圧電セラミックス板１１の幅（ｙ方向）とほぼ同一の幅を有しており、圧電セラミックス板１１の伸縮する方向で、圧電セラミックス板１１を超える長さで延びている。そして、送風板１２の基部、即ち圧電セラミックス板１１に接着されている部分側に、スリット１３で構成される開口部が３列、並列させて設けられている。スリット１３の一つは送風板１２の幅方向の中央に配置されており、他の二つは、それぞれ送風板１２の側縁と中央を２分割する位置に配置されている。また、各スリット１３の一端は、送風板１２の基端１２ａの近くに位置し、他端は、圧電セラミックス板１１の先端１１ａとほぼ一致する所に位置している。

送風板１２において圧電セラミックス板１１を超えて延びている先端側は、前記スリット１３の延長上にそれぞれ配された別のスリット１４で分割されて、短冊状の羽根１５が構成されている。この別のスリット１４は、各羽根１５をヒートシンク（図１では示していない）のフィン間に挿入できるようにしたものであり、この発明に必須のものではない。

上記のように構成されたピエゾファンにおいては、送風板１２の基部側に設けたスリット１３が、圧電セラミックス板１１の伸縮によって受ける応力の一部を開放する手段を構成する。その結果、送風板１２の振動動作においては、ｘ軸の回りのφ方向の振動を生じないようにでき、したがって羽根１５とヒートシンクのフィンとの衝突によるノイズが発生しないようにできる。また、圧電セラミックス板１１から受けた応力を送風板１２のｙ軸回りのψ方向の振動に集中させて大きな変位量を確保して送風量を多くできるので、エネルギー効率の良いピエゾファンを構成することができる。

前記の別のスリット１４を設けない構成とし、圧電セラミックス板１１の長／幅の比が小さい場合でも、送風板１２の振動は、φ方向の振動を含むことなくψ方向の振動に集中した形態となるので、複雑な形態の振動によるノイズの発生を抑えるとともに、振動による変位量を大きくして送風量を多くすることができる。

上記第１の実施形態では、１枚の圧電セラミックス板１１と１枚の送風板１２で構成されたモノモルフタイプのピエゾファンを示したが、この発明は図２および図３に示したバイモルフタイプのピエゾファンでも実施することが可能であり、前述した例と同様の効果を得ることができる。図２は第２の実施形態のピエゾファンを示している。このピエゾファンは、圧電セラミックス板１１の上に第１の実施形態と同様の送風板１２の基部が接着され、さらに送風板１２の基部の上に別の圧電セラミックス板１１が接着されている。また、図３は第３の実施形態のピエゾファンで、２枚の圧電セラミックス板１１の間に、圧電セラミックス板１１と同じ形の板１６が挟まれている。板１６内には、第１の実施形態と同様のスリット１３が設けられている。そして更に、下側の圧電セラミックス板１１の下面に、第１の実施形態と同様の送風板１２の基部が接着されている。

圧電セラミックス板１１の伸縮によって受ける応力の一部を開放する手段を構成するべく送風板１２に形成するスリット１３の数や面積（幅×長さ）は、圧電セラミックス板１１の面積や積層されている枚数に応じて変化させることができる。ノイズの発生や送風量を考慮して適宜定めればよい。

また、スリット１３の長さも、図４および図５のように変化させることができる。図４はこの発明の第４の実施形態のピエゾファンである。スリット１３の一端は送風板１２の基端１２ａで開口している。また、他端は送風板１４の基部の中間部に位置している。図５は、この発明の第５の実施形態のピエゾファンである。スリット１３の一端は送風板１２の基端１２ａ近くに位置し、他端は圧電セラミックス板１１の先端１１ａを超えた位置まで延びている。

さらに、圧電セラミックス板１１の伸縮によって受ける応力の一部を開放する手段を構成する開口部は、上述したスリット１３に限られるものではない。図６に示したように円形の打ち抜き部１７を複数、圧電セラミックス板１１の伸縮する方向に沿って設けたり、図７に示したように、方形の打ち抜き部１８を複数、圧電セラミックス板１１の伸縮する方向に沿って設けて、応力開放手段を構成することもできる。

図１に示した第１の実施形態において、圧電セラミックス板１１の長さ（ｘ方向）を４０ｍｍ、幅（ｙ方向）を６０ｍｍとし、送風板１２の全長を７０ｍｍ、羽根１５の幅を１０ｍｍとした場合、送風板１２の先端中央部分のｚ方向の変位量が３０ｍｍに対して、先端側両側部分のｚ方向の変位量は、スリット１３を設けないものの２４ｍｍから２８ｍｍに増大することができた。

図１に示した第１の実施形態で、別のスリット１４を設けない構成のピエゾファンのノイズを測定した。圧電セラミックス板１１の長さ（ｘ方向）を４０ｍｍ、幅（ｙ方向）を１０ｍｍとし、送風板１２の長さを７０ｍｍ、幅を１０ｍｍとした。スリット１３を設けない場合のノイズが２０ｄＢであったのに対して、第１の実施形態によって１２ｄＢに低減することができた。

この発明の第１の実施形態のピエゾファンの斜視図である。 この発明の第２の実施形態のピエゾファンの斜視図である。 この発明の第３の実施形態のピエゾファンの斜視図である。 この発明の第４の実施形態のピエゾファンの斜視図である。 この発明の第５の実施形態のピエゾファンの斜視図である。 円形の打ち抜き部で圧電セラミックス板の伸縮によって受ける応力の一部を開放する手段を構成した送風板の一部斜視図である。 方形の打ち抜き部で圧電セラミックス板の伸縮によって受ける応力の一部を開放する手段を構成した送風板の一部斜視図である。 従来のピエゾファンの正面図である。 同じく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振動を説明する図である。 従来の他のピエゾファンの使用状態における斜視図である。 同じく従来の他のピエゾファンの斜視図である。 従来の別のピエゾファンの斜視図である。

符号の説明

１１…圧電セラミックス板、 １１ａ…圧電セラミックス板の先端、 １２…送風板、 １２ａ…送風板の基端、 １３…スリット、 １４…別のスリット、 １５…羽根、 １６…板、 １７…円形の打ち抜き部、 １８…方形の打ち抜き部。

Claims (4)

1. 圧電セラミックス板と、この圧電素子に接着された送風板とを備えたピエゾファンにおいて、
   前記送風板は、前記圧電素子を振動させた際に伸縮する方向で圧電素子を超える長さで延びており、かつ、前記圧電素子と接着されている基部側に、圧電素子の伸縮によって受ける応力の一部を開放する手段が設けられ、
   前記圧電素子の伸縮によって受ける応力の一部を開放する前記手段は、圧電素子の伸縮する方向に沿って設けられている開口部によって構成され、かつ
   前記開口部は、圧電素子の伸縮する方向に沿って形成した円形または方形の複数の打ち抜き部によって構成されている
   ことを特徴とするピエゾファン。
2. 前記開口部は、圧電素子を超えて延び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. 圧電素子と、この圧電素子に接着された送風板とを備えたピエゾファンにおいて、
   前記送風板は、前記圧電素子を振動させた際に伸縮する方向で圧電素子を超える長さで延びており、かつ、前記圧電素子と接着されている基部側に、圧電素子が伸縮する方向に沿って、圧電素子の伸縮によって受ける応力の一部を開放するための開口部が設けられ、 前記開口部は、圧電素子の伸縮する方向に沿って形成した円形または方形の複数の打ち抜き部で構成されている
   ことを特徴とするピエゾファン。
4. 前記開口部は、圧電素子を超えて延び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。

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