JP5170238B2 - 圧電ファン装置及びこの圧電ファン装置を用いた空冷装置 - Google Patents

Description

本発明は圧電振動子を屈曲振動させることにより、それに連結されたブレードを大きく屈曲変位させ、風を起こす圧電ファン装置に関するものである。

近年、携帯型の電子機器では小型化と部品の高密度実装化に伴って、電子機器内部で発生する熱の放熱対策が課題になっている。このような電子機器を効率よく放熱させる手段として、圧電ファンを用いた空冷装置が提案されている。

特許文献１には、一対の板状圧電素子の間に金属薄板を挟持接着してなる圧電バイモルフ振動子を具備し、この圧電バイモルフ振動子の両端に弾性薄板を直角方向に貼り付け、圧電バイモルフ振動子の中央部を支持部により挟持して支持固定した構造の圧電ファンが開示されている。

上記構造の場合、１つの圧電バイモルフ振動子の中央部を支持部により支持しているため、支持部両側の圧電振動子は左右対称な変形をする。つまり、支持部より左側が上に凸の変形をすると、右側も上に凸の変形をし、支持部を境にして左側と右側の重心は圧電振動子面に垂直な方向では常に同じ向きに動く。圧電体の振動（重心移動）によって発生する支持部への反力は、左側の運動による反力も右側の運動による反力も同じ向きに働くため、支持部では、もし片側だけしかなかった場合の倍の力の振動を受けていることになる。その結果、支持部は非常に振動しやすくなり、この振動が他の部分へ伝わり、他の部品や接点の信頼性に悪影響を与えるという問題がある。また、例えばヒートシンクの多数の放熱フィン間の暖気を排出する用途にこの圧電ファンを用いた場合には、圧電ファンの構成が大型となり、その設置位置に制約が生じる。

特許文献２には、圧電素子によって発風振動子を団扇のように振動させ、ヒートシンクの多数の放熱フィン間の暖気を排出する圧電ファンが開示されている。この場合には、逆方向に変位する一対の圧電素子の間に発風板を固定し、発風板を圧電素子の一端側から長く突出させ、圧電素子の他端側をケースに固定する構造（図２参照）となっているので、発風板の振動に伴って圧電ファン全体の重心が大きく振動する。そのため、圧電素子を支持している支持部に大きな振動とモーメントとが作用し、その圧電素子の振動が直接ケース本体に伝わり、騒音の原因になると共に、ケースの耐久性を損なうという問題がある。もし、圧電素子をゴム等の弾性体を介してケースに固定すれば、ケースへの振動の波及を抑えることは可能であるが、その場合には支持部の剛性が低くなるため、発風板の振幅が極端に小さくなってしまい、所望の風量が得られない。

特許文献３には、複数の圧電ファンを並列に支持し、各圧電ファンに供給する交流電圧の位相を交互に逆位相とした送風機が開示されている。この場合には、幅方向に並んだ圧電ファンが交互に逆位相で駆動されるので、同位相で駆動する場合に比べて風量を増大させることができる。ところで、複数の圧電ファンを支持している支持体には、重心振動の他に、長さ方向軸、幅方向軸及び厚み方向軸の３軸回りのモーメントが作用する。特許文献３のように圧電ファンを交互に逆位相で駆動し、かつ圧電ファンの数が偶数であれば、上下方向の重心振動は互いに打ち消されると共に、幅方向回り及び厚み方向軸回りのモーメントもほぼ相殺される。しかし、長さ方向軸回りのモーメントは相殺されず、支持体に負荷がかかる。そのため、支持体が回転振動し、支持体を通して他の部位に振動が波及したり、騒音の原因になるという問題がある。また、支持体が振動するということは、圧電ファンが発生する振動エネルギーの一部が失われることを意味する。

図１３は特許文献３に関連した送風機において、３軸を示した図である。ここでは説明を簡単にするため４個の圧電ファン１０１〜１０４を用いている。図１３において、Ｘは長さ方向軸、Ｙが幅方向軸、Ｚが厚み方向軸である。矢印Ｄ１〜Ｄ４で示すように圧電ファン１０１〜１０４を相互に逆位相で駆動すると、Ｙ軸回り及びＺ軸回りのモーメントはほぼ零となり、支持体１０５には殆ど負荷が掛からない。一方、Ｘ軸回りには、第２，第３の圧電ファン１０２，１０３による左回り方向のモーメントＭＬ が発生し、第１，第４の圧電ファン１０１，１０４による右回り方向のモーメントＭＲ が発生する。ところが、Ｘ軸から第２，第３の圧電ファン１０２，１０３までの距離に対し、第１，第４の圧電ファン１０１，１０４までの距離が長いので、モーメントＭＲ はモーメントＭＬ より大きい。これらモーメントの違いによって支持体１０５に回転振動が発生する。
特開平２−１９７００号公報 特開２００２−３３９９００号公報 実開昭６２−１２２１９９号公報

本発明は、小型化された複数の圧電ファンを使用し、圧電振動子の駆動によって支持部に生じる振動を低減できる圧電ファン装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、電圧印加により屈曲振動する圧電振動子と、当該圧電振動子に連結又は一体化されて前記圧電振動子により励振されるブレードとを有し、幅方向に並列配置された複数の圧電ファンと、前記複数の圧電ファンにおける前記ブレードの延在側と逆側の端部を並列に連結支持する支持体と、を備えた圧電ファン装置において、前記圧電ファンの個数は４の倍数であり、幅方向中央に位置する圧電ファン間を境にして、両側の圧電ファンの駆動方向が線対称で、かつ半数の圧電ファンの駆動方向が残りの半数の圧電ファンの駆動方向に対して逆位相になるように、前記各圧電振動子に電圧を印加する電圧印加手段を設けたことを特徴とする圧電ファン装置を提供する。

同じ振動特性を有する複数の圧電ファンを並列して支持体に支持するとともに、これら圧電ファンを交互に逆位相で駆動した場合には、圧電ファン相互間で重心振動を打ち消し合うことができ、支持体に生じる振動を低減することができる。しかし、長さ方向軸回りのモーメントは相殺されず、支持体が振動し、支持体を通して他の部位に振動が波及する。本発明では、複数の圧電ファンのうち、中央に位置する圧電ファン間（偶数の場合）を境にして、両側の圧電ファンの駆動方向が線対称で、かつ半数の圧電ファンの駆動方向が残りの半数の圧電ファンの駆動方向に対して逆位相になるように、圧電振動子に電圧を印加している。そのため、支持体に生じる重心振動だけでなく、３軸回りのモーメントをも解消ないし低減でき、支持体の回転振動を抑制できる。これにより、ブレードの振動によって生じる支持体の振動がケースなどに波及するのを効果的に抑制でき、低騒音で、信頼性の高い圧電ファンを実現できる。また、圧電ファンの振動が外部へ波及するのを抑制できることから、圧電振動子への入力電気エネルギーをブレードの振動に効率良く変換でき、風量の増大、ひいては冷却効率の向上を達成できる。さらに、支持体に対する振動に起因する負荷が小さくなるので、支持体をケース等に固定する固定部分の剛性が低くてもブレードを大きな振幅で駆動することができる。これにより、たとえ支持体に幾分振動が発生しても、その振動を振動吸収体で吸収でき、外部への波及を抑制できる。つまり、風量の増大と、振動に伴う悪影響の抑制とを両立することができる。

本発明に用いられる圧電ファンは、それぞれが同一の振動特性を有するものである。ここでいう同一の振動特性とは、圧電ファン単体で振動させた場合の共振周波数及び振幅特性が略一致することである。圧電ファンは同一形状であることが好ましいが、ブレードの幅については、ブレードの幅の増減に合わせて圧電素子の幅も増減させるならば、同等の振動特性が得られる。このため、同一の振動特性が得られれば、同一幅のブレードを使用する必要はない。

本発明における圧電振動子とは、交流電圧を印加することにより屈曲振動するものであるが、種々の構成を採用することができる。例えば、ブレードの一端側主面に単板の圧電素子を貼り付けることにより、ブレードと圧電素子とでユニモルフ型の圧電振動子を構成することができる。また、逆方向に伸縮する２枚の圧電素子をブレードの両面に接着してバイモルフ型の圧電振動子を構成することもできる。さらに、ブレードとは別に、単板圧電素子と金属板とを接着することにより圧電振動子を構成し、この圧電振動子にブレードを固定してもよい。圧電振動子の屈曲振動に伴う振幅自体は非常に小さいが、圧電振動子に連結されたブレードが共振することで、圧電振動子の振幅を何倍にも増幅することができる。ブレードは金属板でもよいし、樹脂板でもよい。圧電振動子の振動によってブレードが一次共振できるように、ブレードの厚み、長さ、ヤング率等を適切に設定すればよい。電圧印加手段は、複数の圧電ファンを相互に逆位相で駆動するために、各圧電振動子に逆位相の電圧を印加してもよいが、圧電振動子を構成する圧電素子の分極方向が逆であれば、同位相の電圧を印加しても逆位相で駆動することができる。

圧電ファンの個数は、４個、８個、１２個のように４の倍数とするのが望ましい。この場合には、幅方向中点を境にして両側にそれぞれ偶数個の圧電ファンが存在するので、重心振動及び３軸回りモーメントを打ち消すことが容易になる。

４個の圧電ファンを並列配置した場合に、中央の２個の圧電ファンを同位相で駆動し、両端の２個の圧電ファンを中央の２個の圧電ファンに対して逆位相で駆動するのが望ましい。この場合には、構造が簡単になると共に、重心移動と３軸回りのモーメントとを効果的に解消できる。

各圧電ファンは、細長い帯板状のブレードと、当該ブレードの長さ方向一端部に固定された圧電素子とを含み、ブレードの長さ方向一端部と前記圧電素子とで圧電振動子を構成し、ブレードの長さ方向一端部を支持体に連結支持したものがよい。この場合には、ブレードを支持体で直接支持するので、圧電素子が支持体で拘束されず、圧電素子をより自由に変位させることができる。また、圧電ファンの構造が簡素になり、個々の圧電ファンの振動特性にばらつきが発生しにくい。

各圧電振動子は第１の振動子と第２の振動子とを有し、第１の振動子と第２の振動子の長さ方向一端部同士を相互に連結し、第１の振動子の長さ方向他端部にブレードを連結し、第２の振動子の長さ方向他端部を支持体に支持し、第１の振動子と第２の振動子とが逆向きに屈曲振動するよう電圧印加手段が接続されている構成としてもよい。この場合には、２個の振動子によって振幅が倍加し、その振動に伴ってブレードが共振するため、ブレードの振幅がさらに増幅される。その結果、大幅な風量の増大を実現できる。

本発明に係る圧電ファン装置をヒートシンクと組み合わせて使用するのが望ましい。すなわち、本圧電ファン装置を、間隔をあけて並設された複数の放熱フィンを有するヒートシンクの近傍に配置し、各ブレードをその変位方向が放熱フィンの側面と平行になるように各放熱フィンの間に挿入するのがよい。この場合には、ブレードの屈曲変位によって放熱フィン間に存在する暖気を掻き取り、ブレードの長さ方向に効率よく排出することができる。放熱フィンによって各ブレードが隔離されているので、空気を介したブレード間の相互作用を無くすことができ、想定外の振動モードが発生して支持体に負荷がかかるようなことがない。

発明の好ましい実施形態の効果

以上のように、本発明によれば、複数の圧電ファンを並列して支持体に支持するとともに、幅方向中心を境にして両側の圧電ファンの駆動方向が線対称で、かつ半数の圧電ファンの駆動方向が残りの半数の圧電ファンの駆動方向に対して逆位相になるように駆動しているため、重心振動と３軸回りのモーメントとが共に抑制される。そのため、ブレードの振幅が大きくなり、冷却効率が向上すると共に、これら振動による支持体を通して他の部分への振動伝播が小さくなる。その結果、他の部品やケース等の信頼性に悪影響を与えることが少なく、かつ低騒音になる。

圧電ファン装置の参考例の斜視図である。 図１に示す圧電ファン装置の駆動状態の斜視図である。 図１に示す圧電ファン装置の振動モデル図である。 本発明に係る圧電ファン装置の第１実施形態の斜視図である。 図４に示す圧電ファン装置の駆動状態の斜視図である。 図４に示す圧電ファン装置をヒートシンクと組み合わせた空冷装置の断面図である。 図６に示す空冷装置を長さ方向からみた側面図である。 図４に示す圧電ファン装置の支持体に加わるモーメントを示す図である。 ブレード振幅を比較するための実験構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 連結具の厚みを０．３ｍｍ，０．６ｍｍとした場合のブレード先端部の振幅比較図である。 ８個の圧電ファンを用いた圧電ファン装置の駆動方法を示す図である。 圧電ファンの構造の種々の態様を示す図である。 従来の圧電ファン装置における３軸モーメントを説明する図である。

発明を実施するための形態

本発明に係る圧電ファン装置を説明する前に、圧電ファン装置の基本構造を図１〜図３に基づいて説明する。

図１において、同一振動特性を持つ２個の圧電ファン１ａ，１ｂが支持体６に幅方向に並べて連結固定されている。圧電ファン１ａ，１ｂは、厚み方向に屈曲変位自在な複数のブレード２ａ，２ｂと、各ブレード２ａ，２ｂの長さ方向一端部に連結され、電圧印加により屈曲振動する複数の圧電振動子３ａ，３ｂとで構成されている。ブレード２ａ，２ｂの自由端には、それぞれ重り４ａ，４ｂが固定されている。圧電振動子３ａ，３ｂは、中間電極となる金属板の両面に圧電素子を貼り付けたバイモルフ型振動子である。圧電振動子３ａ，３ｂには電圧印加手段５が電気的に接続されており、この電圧印加手段５から圧電振動子３ａ，３ｂに交流電圧を印加することにより、圧電振動子３ａ，３ｂを屈曲振動させ、ブレード２ａ，２ｂを一次共振させて圧電振動子３ａ，３ｂより大きく上下に屈曲変位させることができる。圧電ファンにおけるブレード２ａ，２ｂの延在方向と逆側の端部、ここではブレード２ａ，２ｂのうち圧電振動子３ａ，３ｂが配置された側の端部が支持体６によって並列に連結支持されている。支持体６は図示しないケース等の固定部に固定されている。ブレード２ａ，２ｂが逆位相で動くことによる互いの反力が支持体６の幅方向に伝わり、反力を打ち消しあう作用が生じるので、支持体６にはその反力を伝達できる程度の剛性が必要である。

電圧印加手段５は、交流電源５ａと、この電源５ａから位相が反転した信号を各圧電振動子３ａ，３ｂに供給する配線５ｂ，５ｃとで構成されている。すなわち、交流電源５ａの一方端が配線５ｂを介して圧電振動子３ａの上下電極と圧電振動子３ｂの中間電極とに接続され、交流電源５ａの他方端が配線５ｃを介して圧電振動子３ａの中間電極と圧電振動子３ｂの上下電極とに接続されている。そのため、一方の圧電振動子３ａの自由端が下方へ変位するとき、他方の圧電振動子３ｂの自由端は上方へ変位する。その結果、図２に示すように、一方の圧電振動子３ａの自由端に連結されたブレード２ａと、他方の圧電振動子３ｂの自由端に連結されたブレード２ｂとは相互に逆位相で変位し、図２の矢印Ａで示す方向の気流が発生する。２つの圧電ファン１ａ，１ｂの振動特性（長さ、厚み、共振周波数など）が互いに同一であるため、両ブレード２ａ，２ｂの振動周波数及び振幅も同等になる。なお、ブレード２ａ，２ｂの自由端に重り４ａ，４ｂが固定されているため、ブレード単体に比べて共振周波数が低くなるとともに、振幅が大きくなる。

前記のように２個の圧電ファン１ａ，１ｂを逆位相で駆動することにより、支持体６に作用する重心振動を低減できる理由を以下に説明する。圧電振動子３とブレード２の振動によって、１つの圧電ファン１の重心は厚み方向（ｚ）と長さ方向（ｘ）に周期運動する。大幅に単純化して、図３のような圧電ファン振動モデルを考える。ここで、支持体６からＲの距離に集中質量Ｍ（＝重心）を考え、θ＝Θsin ωｔという振動をしているとする。この場合、ｘ方向とｚ方向の重心の運動は、
ｘ＝Ｒcos(Θsin ωｔ)
ｚ＝Ｒsin(Θsin ωｔ)
のように書ける。ここで、ｘ方向の振幅は（Ｒ/2)sinΘ tanΘであり、ｚ方向の振幅はＲsin Θである。すなわち、Θが小さい場合には、ｘ方向の振幅は微少量の２乗となるので、無視できる。一方で、逆位相の振動をしているものは、
ｘ＝Ｒcos(−Θsin ωｔ) ＝Ｒcos(Θsin ωｔ)
ｚ＝Ｒsin(−Θsin ωｔ) ＝−Ｒsin(Θsin ωｔ)
となる。これら２つの圧電ファンを合わせた場合の重心は、
ｘ＝（ＭＲcos(Θsin ωｔ) ＋ＭＲcos(Θsin ωｔ))/(Ｍ＋Ｍ)
＝Ｒcos(Θsin ωｔ)
ｚ＝（ＭＲsin(Θsin ωｔ) −ＭＲsin(Θsin ωｔ))/(Ｍ＋Ｍ)
＝０
と計算できる。

このように、互いに逆位相で動いている２つの圧電ファン１ａ，１ｂのペアでは、重心は厚み方向に振動しないことが分かる。したがって、２つの圧電ファンのペアを支持している支持体６には、厚み方向の力はかからない。長さ方向の振動は残るが、前述のようにΘが小さい場合には無視できるレベルである。したがって、支持体６に働く力はほぼキャンセルされることになる。

前述のように２つの圧電ファン１ａ，１ｂを逆位相で駆動することにより、支持体６に働く荷重をキャンセルできるが、ブレード２ａ，２ｂが振幅することの反力による振動は支持体６に発生する。しかし、従来における圧電ファンと異なり、支持体６をケース等に強く固定しなくても、ブレード２ａ，２ｂに十分な振幅を得ることができる。つまり、支持体６とケースとの間にゴム等の振動吸収体を介在させることが可能になる。したがって、支持体６に生じる振動がケースなどに波及するのを効果的に抑制でき、低騒音で、信頼性の高い圧電ファンを実現できる。

図１では、圧電ファン１ａ，１ｂを厚み方向に同一の向きで支持体６に固定し、電圧印加手段５から両圧電ファン１ａ，１ｂに対して逆位相の電圧を印加する例を示したが、圧電ファン１ａ，１ｂを厚み方向逆向きで支持体６に固定した場合には、同位相の電圧を印加してもよい。また、各圧電ファン１ａ，１ｂの圧電振動子３ａ，３ｂが逆の特性を有する場合、つまり各圧電振動子３ａ，３ｂを構成する圧電素子の分極方向が逆向きである場合には、圧電振動子３ａ，３ｂに対して同位相の電圧を印加しても、両圧電ファン１ａ，１ｂを逆位相で振動させることができる。

〔第１実施形態〕
図４〜図７は本発明に係る圧電ファン装置の第１実施形態を、ヒートシンクの空冷装置として用いた例を示す。図４において、同一振動特性を持つ４個の圧電ファン１０ａ〜１０ｄが支持体１１に幅方向に並べて等間隔で連結固定されている。圧電ファン１０ａ〜１０ｄは、図１に示した圧電ファン１ａ，１ｂと同様な構造を有する。すなわち、厚み方向に屈曲変位自在な複数のブレード１２ａ〜１２ｄと、各ブレード１２ａ〜１２ｄの長さ方向一端部に連結され、電圧印加により屈曲振動する複数のバイモルフ型圧電振動子１３ａ〜１３ｄとをそれぞれ備えている。ブレード１２ａ〜１２ｄの自由端には、それぞれ重り１４ａ〜１４ｂが固定されている。圧電振動子１３ａ〜１３ｄには電圧印加手段１５が接続されており、この電圧印加手段１５から圧電振動子１３ａ〜１３ｄに交流電圧を印加することにより、圧電振動子１３ａ〜１３ｄを振動させ、ブレード１２ａ〜１２ｄを共振させることができる。圧電振動子１３ａ〜１３ｄのブレード１２ａ〜１２ｄの延在方向と逆側の端部が支持体１１によって並列に連結支持されている。

この実施形態では、電圧印加手段１５が、交流電源１５ａと、この電源１５ａから位相が反転した信号を各圧電振動子１３ａ〜１３ｄに印加する配線１５ｂ，１５ｃとで構成されている。すなわち、交流電源１５ａの一方端が配線１５ｂを介して第１と第４の圧電振動子１３ａ，１３ｄの上下電極と第２と第３の圧電振動子１３ｂ，１３ｃの中間電極とに接続され、交流電源１５ａの他方端が配線１５ｃを介して第１と第４の圧電振動子１３ａ，１３ｄの中間電極と第２と第３の圧電振動子１３ｂ，１３ｃの上下電極とに接続されている。そのため、第１と第４の圧電振動子１３ａ，１３ｄが下方へ変位するとき、第２と第３の圧電振動子１３ｂ，１３ｃは上方へ変位し、その結果、図５に示すように、第１と第４の圧電振動子１３ａ，１３ｄに連結されたブレード１２ａ，１２ｄと、第２と第３の圧電振動子１３ｂ，１３ｃに連結されたブレード１２ｂ，１２ｃとは相互に逆位相で変位する。各圧電ファン１０ａ〜１０ｄの振動特性（長さ、厚み、共振周波数など）が互いに同一であるため、全ブレード１２ａ〜１２ｄの振動周波数及び振幅も同等になる。

圧電ファン１０ａ〜１０ｄの近傍には、間隔をあけて並設された５枚の放熱フィン２１ａ〜２１ｅを有するヒートシンク２０が配置されている。ブレード１２ａ〜１２ｄは各放熱フィン２１ａ〜２１ｅの間に挿入され、かつその変位方向が放熱フィン２１ａ〜２１ｅの側面と平行になるように配置されている。ヒートシンク２０は、図６、図７に示すように回路基板２２上に実装された発熱素子（ＣＰＵ等）２３の上面に熱的に結合された状態で取り付けられている。したがって、発熱素子２３から生じる熱はヒートシンク２０に伝導され、各放熱フィン２１ａ〜２１ｅ間の空気は熱せられる。放熱フィン２１ａ〜２１ｅの間に挿入されたブレード１２ａ〜１２ｄが放熱フィン２１ａ〜２１ｅの側面と平行に変位するため、放熱フィン２１ａ〜２１ｅ間の暖気がブレードでかき取られ、ブレード１２ａ〜１２ｄの長さ方向に排出される。その結果、図６の矢印Ａで示すようにブレード１２ａ〜１２ｄの長さ方向の空気の流れによって、放熱フィン２１ａ〜２１ｅ間の熱が効率よく排出され、放熱効果に優れた空冷装置を実現できる。また、隣合うブレードが逆位相で変位するため、空気を介した相互作用によりブレード１２ａ〜１２ｄに捩れのような想定外の振動モードが生じる可能性があるが、図７のように放熱フィン２１ｂ〜２１ｄによって各ブレード１２ａ〜１２ｄが隔離されているので、空気を介したブレード間の相互作用を無くすことができ、想定外の負荷が支持体１１にかかることがない。

本実施形態では、４個の圧電ファン１０ａ〜１０ｄのうち、半数ずつが逆位相で振動するため、図３に示した理由と同様に、支持体１１に作用する重心振動をほぼ０にできる。さらに、本実施形態の場合には、中央の２個の圧電ファン１０ｂ，１０ｃは同位相で駆動され、両端の２個の圧電ファン１０ａ，１０ｄは中央の２個の圧電ファン１０ｂ，１０ｃに対して逆位相で駆動されるため、支持体１１の３軸回りのモーメントも解消できる。その理由を図８を参照しながら説明する。

図８の（ａ）は４個の圧電ファン１０ａ〜１０ｄを長さ方向（Ｘ方向）から見た図である。ファン１０ａ〜１０ｄを矢印Ｄ１〜Ｄ４方向に駆動すると、長さ方向軸（Ｘ軸）を中心として、第１と第３の圧電ファン１０ａ，１０ｃに右回り方向のモーメントが発生し、第２と第４の圧電ファン１０ｂ，１０ｄに左回り方向のモーメントが発生する。これらモーメントは同じであるから、これらモーメントが打ち消しあい、長さ方向軸回りのモーントは０になる。

図８の（ｂ）は圧電ファン１０ａ〜１０ｄを幅方向（Ｙ方向）から見た図である。幅方向軸（Ｙ軸）を中心として、第１と第４の圧電ファン１０ａ，１０ｄに左回り方向のモーメントが発生し、第２と第３の圧電ファン１０ｂ，１０ｃに右回り方向のモーメントが発生するので、両モーメントが相殺され、幅方向軸回りのモーメントも０になる。

図８の（ｃ）は圧電ファン１０ａ〜１０ｄを厚み方向（Ｚ方向）から見た図である。既述のように圧電ファン１０ａ〜１０ｄを駆動したとき、各圧電ファンの長さ方向振動はほぼ無視できるレベルであるため、厚み方向軸（Ｚ軸）回りの各圧電ファンのモーメント自体が小さい。しかも、第１と第２のファン１０ａ，１０ｂと、第３と第４のファン１０ｃ，１０ｄに作用するモーメントとが相殺されるので、厚み方向軸（Ｚ軸）回りのモーメントも０になる。このように支持体１１に作用する３軸回りのモーメントが全て相殺されるので、振動や負荷の少ない支持構造を実現できる。

なお、圧電ファンに関して、大きなブレード振幅を得るためには連結具のねじり剛性が下記の関係を満たすことが好ましい。
Ｄ＞ｋｍＡｆ² ＬＷ
ここで、Ｄ：ねじり剛性〔Ｎｍ² ／ｒａｄ〕
ｍ：ファンの連結具以外の質量〔ｋｇ〕
Ａ：ブレード先端の振幅（tip-to-tip）〔ｍ〕
ｆ：駆動周波数〔Ｈｚ〕
Ｌ：ファンの長さ〔ｍ〕
Ｗ：連結具幅〔ｍ〕
ｋ：係数
である。また、３軸モーメントを打ち消す場合は、上記係数ｋは１０以上の値があるとより振動伝播を小さくでき、他の部品やケース等の信頼性に悪影響を与えることが少なく、かつ低騒音になる。

図９は、圧電ファン装置の冷却性能を確認するための実験構造を示す。４個の圧電ファン３０ａ〜３０ｄは、それぞれ細長い帯板状のブレード３１ａ〜３１ｄを備え、これらブレードの長さ方向一端部が保持具３３ａ〜３３ｄの一端部に固定されている。ブレードの保持具に固定された一端部近傍に圧電素子３２ａ〜３２ｄが固定され、圧電振動子を構成している。保持具３３ａ〜３３ｄの他端部は幅方向に延びる連結具（支持体）３４に連結されている。連結具３４は幅方向一方側へ伸び、固定部３５に固定されている。

前記構造の圧電ファン装置において、各ファンの振動の位相関係が表１に示す４種類の場合におけるブレード先端部の振幅（ファン１の位相を０°とする）を評価した。圧電体への印加電圧は４５Ｖｐｐで一定とし、ブレードとして４２Ｎｉ、保持具及び連結具としてガラスエポキシ板を使用した。なお、連結具のねじり剛性の影響を見るために、厚みが０．３ｍｍ，０．６ｍｍの２種類の連結具を用いた。各部品の寸法は図９に図示の通りである。CASE１は全てのファンを同位相で駆動する例、CASE２は中央を境にして左半分と右半分を逆位相にした例、CASE３は交互に逆位相とした例、CASE４（本発明）は幅方向中央を境にして線対称に逆位相とした例である。

図１０の（ａ），（ｂ）は、連結具の厚みを０．３ｍｍ，０．６ｍｍとした場合のCASE１〜CASE４におけるブレード先端部の振幅を示す。図１０から明らかなように、CASE１に比べて、CASE２の方が振幅が大きく、CASE３はさらに大きくなる。そして、３軸モーメントを打ち消すことができるCASE４では、ブレードの振幅が最大になることがわかる。

CASE１では、全てのファンの振動を連結具で支える必要があるため、連結具の剛性が低下すると大きな振幅が得られない。CASE２では、逆位相で動くファンによる反力が連結具を通して支え合う。但し、打ち消し合うのは重心振動だけで、モーメントは残る。したがって、連結具の剛性があれば、ある程度の重心振動を抑えることができ、CASE１よりは大きな振幅が得られるが、モーメントは打ち消されていないので、連結具が全体として回転振動することになり、連結具の剛性が低下すると、振幅が大きく低下する。CASE３はCASE２と同じ状況であるが、CASE２よりも逆方向に動くファン間の距離が小さいため、モーメントとしては小さくなり、回転振動も小さくなる。したがって、同じ連結具剛性があれば、CASE２よりも大きな振幅が得られる。CASE４では、連結具内で重心振動・モーメント振動が共に打ち消し合うことができるため、CASE３に比べてさらに大きな振幅が得られる。

CASE３とCASE４とのブレードの振幅差は、連結具の厚みが０．６ｍｍの場合には僅かであるが、０．３ｍｍでは振幅差は５％程度となる。連結具のねじれ剛性が低いほど、CASE３とCASE４の振幅差が拡大する。５％の振幅差は数値的には小さいが、熱源に対するファンの設置位置によっては、冷却性能に約１５％の差が生じる。したがって、外部への振動波及を抑制するためにファンを支持する連結具の剛性を低くすると、冷却性能に大きな差が生じることになる。

図１１は、８個の圧電ファンを並列配置した場合の駆動方法の例を示す。幅方向に第１〜第８のファン４１〜４８が等間隔で配置され、図示しない支持体によって連結保持されている。矢印Ｄ１〜Ｄ８がその駆動方向を示す。Ｘ軸は幅方向中央の長さ方向軸、Ｚ軸は厚み方向軸である。（ａ）では、中央の２個のファン４４，４５は同位相で駆動され、他のファンは隣り合うファンに対して交互に逆位相で駆動される。この場合は、Ｚ方向の重心振動は勿論、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りのモーメントが打ち消し合うので、ファン４１〜４８を連結する支持体の剛性が低くても大きな振幅を得ることができる。（ｂ）では、両端のファン４１，４８と中央の２個のファン４４，４５は同位相で駆動され、第２，第３，第６，第７のファン４２，４３，４６，４７は逆位相で駆動される。この場合も、重心振動及び３軸のモーメントが打ち消しあい、支持体の剛性を低くできると共に、大きな振幅が得られる。

図１２は圧電ファンの構造の種々の態様を示す。図１２の（ａ）に示す圧電ファン５０は、単板の圧電素子５１の一方主面に金属板よりなるブレード５２の一端部主面を貼り付けてユニモルフ型振動子とした例である。圧電ファン５０のブレード突出側と逆側の端部が支持体５３に固定されている。圧電素子５１とブレード５２との間に交流電圧を印加することにより、伸縮する圧電素子５１と伸縮しないブレード５２とによって、全体として圧電ファン５０が屈曲変形する。この場合は、圧電素子５１の一方の電極をブレード５２で兼用できる。

図１２の（ｂ）に示す圧電ファン６０は、金属板よりなるブレード６１の一端部両主面にそれぞれ圧電素子６２，６３を貼り付けてバイモルフ型振動子とした例である。圧電ファン６０のブレード突出側と逆側の端部が支持体６４に固定されている。圧電素子６２，６３が厚み方向同方向に分極されている場合、両主面の電極とブレード６１との間に交流電圧を印加することにより、全体として圧電ファン６０が屈曲変形する。

図１２の（ｃ）に示す圧電ファン７０は、第１の振動子７１と第２の振動子７２とを有し、第１の振動子７１と第２の振動子７２の長さ方向一端部同士をスペーサ７３を介して連結することでＵ字形構造とし、第１の振動子７１の長さ方向他端部にブレード７４を連結し、第２の振動子７２の長さ方向他端部を支持体７５に支持したものである。第１の振動子７１と第２の振動子７２は、同一の振動特性を有する振動子であり、互いに逆向きに屈曲変位する。例えば、第１の振動子７１が上に凸に屈曲変位したとき、第２の振動子７２は下に凸に屈曲変位する。ブレード７４には各振動子７１，７２の２倍の振幅の振動が与えられ、それに応じてブレード７４の振幅も拡大するため、大幅な風量増加を実現できる。

図１２の（ｄ）に示す圧電ファン８０は、図１２の（ｃ）に示す圧電ファン７０の変形例であり、同一部品には同一符号を付して重複説明を省略する。第１の振動子７１の長さ方向他端部に連結されるブレード８１がＶ字状に折り曲げられている。この場合には、２つの振動子７１，７２がＵ字形構造を成し、ブレード７４が振動子７１，７２側に折り返されているため、長さ寸法を短縮でき、全体としてコンパクトな圧電ファンを実現できる。

符号の説明

１０ａ〜１０ｄ 圧電ファン
１１ 支持体
１２ａ〜１２ｄ ブレード
１３ａ〜１３ｄ 圧電振動子
１４ａ〜１４ｄ 重り
１５ 電圧印加手段
１５ａ 交流電源

Claims (5)

1. 電圧印加により屈曲振動する圧電振動子と、当該圧電振動子に連結又は一体化されて前記圧電振動子により励振されるブレードとを有し、幅方向に並列配置された複数の圧電ファンと、
   前記複数の圧電ファンにおける前記ブレードの延在側と逆側の端部を並列に連結支持する支持体と、を備えた圧電ファン装置において、
   前記圧電ファンの個数は４の倍数であり、
   幅方向中央に位置する圧電ファン間を境にして、両側の圧電ファンの駆動方向が線対称で、かつ半数の圧電ファンの駆動方向が残りの半数の圧電ファンの駆動方向に対して逆位相になるように、前記各圧電振動子に電圧を印加する電圧印加手段を設けたことを特徴とする圧電ファン装置。
2. 前記圧電ファンは４個並列に配置され、中央の２個の圧電ファンは同位相で駆動され、両端の２個の圧電ファンは中央の２個の圧電ファンに対して逆位相で駆動されることを特徴とする請求項１に記載の圧電ファン装置。
3. 前記各圧電ファンは、細長い帯板状のブレードと、当該ブレードの長さ方向一端部に固定された圧電素子とを含み、
   前記ブレードの長さ方向一端部と前記圧電素子とで前記圧電振動子を構成しており、
   前記ブレードの長さ方向一端部が前記支持体に連結支持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電ファン装置。
4. 前記各圧電振動子は第１の振動子と第２の振動子とを有し、前記第１の振動子と第２の振動子の長さ方向一端部同士を相互に連結し、第１の振動子の長さ方向他端部に前記ブレードを連結し、第２の振動子の長さ方向他端部を前記支持体に支持してなり、第１の振動子と第２の振動子とが逆向きに屈曲振動するよう電圧印加手段が接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電ファン装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電ファン装置が、間隔をあけて並設された複数の放熱フィンを有するヒートシンクの近傍に配置され、前記各ブレードはその変位方向が放熱フィンの側面と平行になるように前記各放熱フィンの間に挿入されていることを特徴とする空冷装置。

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