JP5333012B2

JP5333012B2 - マイクロブロア

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Publication number: JP5333012B2
Application number: JP2009176204A
Authority: JP
Inventors: 潔栗原; 大輔近藤; 浩平牧内
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: JP2011027079A

Description

本発明は空気やガスのような圧縮性流体を輸送するのに適したマイクロブロアに関するものである。

携帯型電子機器の筐体内部で発生する熱を外部に放出させるため、あるいは燃料電池で発電するのに必要な酸素を供給するための送風用ブロアとして、圧電マイクロブロアが知られている。圧電マイクロブロアは、圧電素子への電圧印加により屈曲振動する振動板を用いた一種のポンプであり、構造が簡単で、小型・薄型に構成でき、かつ低消費電力であるという利点がある。

特許文献１には、大流量と高圧力とを発生できる圧電マイクロブロアが提案されている。この圧電マイクロブロアは、図９に示すように、ブロア本体１０と、外周部がブロア本体１０に対して固定され、圧電素子２１を有する振動板２０と、ブロア本体１０と振動板２０との間に形成されたブロア室３０とを備えている。ブロア室３０の一つの壁面を構成する第１壁部１１には、振動板２０の中心部と対向する位置にブロア室３０の内部と外部とを連通させる第１開口部１２が形成されている。第１壁部１１を間にしてブロア室３０と反対側には、所定の空間１６をあけて第２壁部１３が設けられており、第１開口部１２と対向する第２壁部１３の部位には第２開口部１４が形成されている。ブロア本体１０には、外部から流体を吸い込み、第１壁部１１と第２壁部１３との間の流入空間１６へ導く流入通路１５が形成されており、流入通路１５はブロア本体１０の下面側に開口している。振動板２０を振動させることにより、ブロア室３０を容積変化させて第１開口部１２に高速の気流を発生させ、流入空間１６へ導入された周囲の流体を巻き込んで、第２開口部１４から連続した噴流として吐出することができる。特に、振動板２０の共振駆動に伴って第１壁部１１を励振させた場合には、流量及び圧力を大幅に増大させることができる。

前記のような構造の圧電マイクロブロアの場合、ブロア室３０の形状を最適化することで、流量や圧力等の特性設計を行っている。一方、流入通路１５（流入空間１６を含む）については、流路抵抗のみを考慮し、ある一定以上の開口部寸法があれば、特性を維持できるとの考えに基づいて設計している。そのため、ブロア室３０や流入通路１５の形状が決まれば、流量及び／又は圧力特性を変更することが困難であった。

ＷＯ２００８／０６９２６６

本発明の目的は、ブロア室や流路の設計を変更することなく、流量及び／又は圧力特性を変更することが可能なマイクロブロアを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、ブロア本体と、外周部が前記ブロア本体に対して固定され、電気信号を印加することにより屈曲振動する振動板と、前記ブロア本体と振動板との間に形成された第１ブロア室と、前記第１ブロア室の一つの壁面を構成し、前記振動板と対向する第１壁部と、前記振動板と対向する前記第１壁部の部位に形成され、前記第１ブロア室の内部と外部とを連通させる第１開口部と、前記第１壁部を間にして第１ブロア室と反対側に設けられた第２壁部と、前記第１開口部と対向する前記第２壁部の部位に形成された第２開口部と、前記第１壁部と第２壁部との間に外部から流体を導入する流入通路とを備え、前記振動板を振動させることにより、前記流入通路を介して導入された流体を第２開口部から吐出するマイクロブロアにおいて、前記振動板を間にして前記第１ブロア室と反対側の前記ブロア本体の部位に、前記振動板との間で第２ブロア室を形成するための第３壁部が設けられ、前記ブロア本体又は第３壁部には、外部と第２ブロア室とを連通させる第３開口部が形成され、前記振動板の振動に伴って前記第３開口部を介して第２ブロア室に流入した流体を前記流入通路へと供給できるように、前記流入通路は前記第２ブロア室と接続されており、前記第３開口部と前記振動板の駆動領域との面積比が０．４〜１．６の範囲であることを特徴とする、マイクロブロアを提供する。

本発明は次のような知見に基づく。即ち、従来のマイクロブロアの場合、振動板の背面側（第１ブロア室とは逆側）は外部へ開放されており、振動板の駆動エネルギーの一部は開放された空間へ放出される。つまり、振動板の駆動エネルギーは、流入通路へ流入する流体の吸い込みには直接寄与していない。本発明では、振動板の背面側に疑似的な共鳴空間（第２ブロア室）を形成することで、開放空間へ放出されていた振動板のエネルギーを有効利用して積極的に流体を第２ブロア室へ吸い込み、流入通路へ送り込むものである。その結果、第１ブロア室や流路を変更しなくても、流量及び／又は圧力特性を変更することができる。

第２ブロア室を形成するために、振動板を間にして第１ブロア室と反対側に第３壁部が設けられている。第３壁部は、例えば蓋部材をブロア本体に固定することで簡単に形成でき、一度組み立てたブロアであっても、第３壁部によって特性変更が可能である。ブロア本体又は第３壁部には外部と第２ブロア室とを連通させる第３開口部が形成されており、振動板の振動に伴って、第３開口部を介して第２ブロア室に流入した流体が流入通路へと導かれるように、流入通路は第２ブロア室と接続されている。振動板の振動に伴って第２ブロア室内で疑似的な共鳴が起こり、第３開口部から流体が吸い込まれ、流入通路へ送り込まれるため、第２開口部から吐出される流体の流量増加及び／又は圧力上昇を実現できる。第３開口部の開口面積を変化させることで、流量及び／又は圧力特性を可変できる。

第２ブロア室の体積を一定値とした場合、第３開口部と振動板の駆動領域との面積比を変化させることによって、流量及び圧力特性の最適値を求めることができる。本発明者の実験によれば、面積比を０．４以上とすることで、全開放状態（従来技術）より流量及び圧力特性が良好となり、面積比＝０．７付近で流量及び圧力の極大値を生じる。さらに面積比の増大に伴って流量及び圧力は低下し、面積比＝１．６付近で全開放状態と同じ特性レベルとなる。そのため、第３開口部と振動板の駆動領域との面積比を０．４〜１．６の範囲とした場合に、良好な流量及び圧力特性を得ることができる。特に、上記範囲の中でも面積比が０．５〜１．４の範囲では、全開放の場合に比べて流量及び圧力が１．２倍以上になり、さらに好ましい。

本発明における振動板とは、ダイヤフラム（金属板又は樹脂板）の片面に平面方向に伸縮する圧電素子を貼り付けたユニモルフ型、ダイヤフラムの両面に互いに逆方向に伸縮する圧電素子を貼り付けたバイモルフ型、ダイヤフラムの片面にそれ自体が屈曲変形する積層型圧電素子を貼り付けたバイモルフ型、さらには振動板全体が積層型圧電素子で構成されたものなどでもよい。いずれにしても、電気信号を印加することによって、屈曲振動するものであればよい。圧電素子をダイヤフラムに貼り付けた振動板の場合、圧電素子の形状は円板状でもよいし、リング状でもよい。振動板の振動モードは３次モードでも、１次モードでもよい。

本発明のマイクロブロアは、圧電素子を比較的低い電圧で駆動する場合に、流量及び圧力の上昇効果が顕著に表れる傾向がある。これは、音響インピーダンスの共鳴現象での効果が、低電圧で駆動した時に顕著に表れるからと推測される。逆に、高電圧の場合は、圧電素子の変位が増大する効果の方が大きいので、音響インピーダンスの共鳴現象の効果が相対的に低下するからである。このため、本発明は低電圧（例えば１０Ｖ以下）で圧電素子を駆動した際に有効であり、低消費電力で流量及び／又は圧力の大きなマイクロブロアを実現できる。

以上のように、本発明によれば、振動板を間にして第１ブロア室と反対側に疑似的な共鳴空間（第２ブロア室）を形成することで、振動板の駆動エネルギーを有効利用して第３開口部から積極的に流体を吸い込み、流入空間へ供給することができる。そのため、第１ブロア室や流路の設計を変更しなくても、第３開口部の開口面積を変更することにより、流量及び／又は圧力特性を変更することができる。

本発明に係るマイクロブロアの第１実施形態の断面図である。図１のII−II線断面図である。第３開口部と振動板の駆動領域との面積比を変化させた時の流量及び圧力特性の変化を示す図である。第３開口部の種々の形状を示す図である。本発明に係るマイクロブロアの第２実施形態の断面図である。図５のVI−VI線断面図である。本発明に係るマイクロブロアの第３実施形態の断面図である。第３開口部の他の例の形状を示す図である。従来のマイクロブロアの断面図である。

〔第１実施形態〕
図１，図２は本発明に係るマイクロブロアの第１実施形態を示し、電子機器の送風用ブロアとして用いる例を示す。このマイクロブロアＡのブロア本体１は、内ケース２と、内ケース２の外側を所定の隙間をもって非接触で覆う外ケース３とを備えている。本実施形態では、外ケース３の中に下方が開口した円筒形の空洞部３ａが形成されており、この空洞部３ａの中に円形の内ケース２が所定の隙間をあけて収容され、内ケース２は外ケース３に対してばね連結部４を介して弾性的に支持されている。ばね連結部４は、内ケース２の外周部と外ケース３の側壁部との間に周方向に間隔を開けて複数個（ここでは４個）設けられている。ばね連結部４は板ばね等のばね部材よりなり、後述する振動板５の振動方向のばね弾性が低く、振動板５の振動方向と垂直な方向のばね弾性が高く設定されている。そのため、振動板５の共振駆動に伴って内ケース２が上下方向に振動したとき、その振動が外ケース３に漏洩するのを抑制する働きを持つ。内ケース２と外ケース３との間には空気の流入通路７が形成されている。

内ケース２は下方が開口した断面コの字形に形成され、内ケース２の開口を閉じるように振動板５が固定されて、内ケース２と振動板５との間に第１ブロア室６が形成されている。本実施形態の振動板５は、圧電セラミックよりなる圧電素子５ａを薄肉な弾性金属板よりなるダイヤフラム５ｂの中央部に貼り付けたユニモルフ構造であり、圧電素子５ａに所定周波数の電圧を印加することにより、振動板５全体がベンディングモードで共振駆動される。この例では圧電素子５ａは、ダイヤフラム５ｂの第１ブロア室側と逆側の面に固定されている。

第１ブロア室６の一つの壁面を構成し、振動板５と対向する内ケース２の部位には、第１壁部２ａが設けられている。ここで、第１壁部２ａを薄肉な弾性金属板で形成し、振動板５を所定のモードで共振駆動したとき、それに伴って第１壁部２ａを励振させるように構成することが好ましい。なお、第１壁部２ａとばね連結部４とを同一部材で形成してもよい。振動板５の中心部と対向する第１壁部２ａの部位には、第１ブロア室６の内部と外部とを連通させる第１開口部２ｂが形成されている。第１壁部２ａと対向する外ケース３の部位には第２壁部３ｂが設けられ、第２壁部３ｂの中心部、即ち第１開口部２ｂと対向する部位には第２開口部３ｃが形成されている。この第２開口部３ｃが空気の吐出口となる。第１壁部２ａと第２壁部３ｂとの間には所定の流入空間７ａが形成され、この空間７ａは前述の流入通路７の一部を構成している。流入空間７ａは、流入通路７から導入された外部の空気を第１開口部２ｂ及び第２開口部３ｃの付近に導く役割を持つ。

外ケース３の下面側、即ち振動板５を間にして第１ブロア室６と反対側には、振動板５との間で第２ブロア室８を形成するための第３壁部９が設けられている。この例では、第３壁部９は外ケース３の下端部開口を閉じるように固定された蓋部材で構成されている。第３壁部９の中央部には、外部と第２ブロア室８とを連通させる第３開口部９ａが形成されている。第２ブロア室８の容積及び第３開口部９ａの開口面積は、振動板５の振動に伴って疑似的な共鳴空間を形成できるように設定されている。第２ブロア室８と流入通路７とは相互に接続されている。そのため、第３開口部９ａを介して第２ブロア室８に流入した空気は、流入通路７を通って流入空間７ａへと供給される。

ここで、前記構成よりなるマイクロブロアＡの動作について説明する。圧電素子５ａに所定周波数の交流電圧を印加すると、振動板５が１次共振モード又は３次共振モードで共振駆動され、それにより第１ブロア室６の容積が周期的に変化する。第１ブロア室６の容積が増大するとき、流入空間７ａ内の空気が第１開口部２ｂを通り第１ブロア室６へと吸い込まれ、逆に第１ブロア室６の容積が減少するとき、第１ブロア室６内の空気が第１開口部２ｂを通り流入空間７ａへと排出される。振動板５は高周波で駆動されるため、第１開口部２ｂから流入空間７ａへと排出された高速／高エネルギーの空気流は、流入空間７ａを通過して第２開口部３ｃから排出される。このとき、流入空間７ａ内にある周囲の空気を巻き込みながら第２開口部３ｃから排出するので、流入通路７から流入空間７ａへ向かう連続した空気の流れが生じ、第２開口部３ｃから空気は噴流となって連続的に吐出される。空気の流れを図１に矢印で示す。特に、振動板５の共振駆動に伴って第１壁部２ａを励振させるようにすれば、吐出流量の飛躍的な増大を図ることができる。

前述の説明では、振動板５と第１ブロア室６との協同作用による空気の流れのみを説明したが、振動板５は第１ブロア室６の容積を変化させるだけでなく、第２ブロア室８の容積も第１ブロア室６と逆位相で変化させることができる。そのため、振動板５と第２ブロア室８との協同作用によって第２ブロア室８を疑似的な共鳴空間とすることができ、第２開口部３ｃから吐出される空気の流量及び／又は圧力の特性を向上させることができる。その際、第２ブロア室８の容積及び／又は第３開口部９ａを適切に設定することで、流量及び／又は圧力の増大を図ることができる。

図３（ａ），（ｂ）は、第３開口部９ａの開口面積（図１のＳ１で示す）と振動板５の駆動領域（図１にＳ２で示す）との面積比（Ｓ１／Ｓ２）を変化させたときの第２開口部３ｃから吐出される空気の流量及び圧力を、第３開口部９ａを全開放状態（Ｓ１＝Ｓ３）とした場合に対する比率として表したものである。なお、面積比の変化は、振動板５の駆動領域の面積Ｓ２を一定とし、第３開口部９ａの開口面積Ｓ１を変化させたものである。面積比＝２．１とは、第２開口部９ａが全開放状態、つまり従来構造と同様に第２ブロア室を形成しない場合に等しい。

図３は、以下の実験条件のもとで実施した結果である。
ブロア全体の縦×横×厚み＝20×20×2mm
第１ブロア室の直径×高さ＝φ13mm×0.2mm
第２ブロア室の直径×高さ＝φ18mm×0.4mm
第２開口部の径＝φ0.8mm
流入空間の高さ＝0.4mm
流入通路の流路幅＝0.5mm
振動板の駆動領域の（径・面積）＝φ13mm、150mm²
圧電素子の（径・面積）＝φ11mm、90mm²
第３開口部の（径・面積）＝φ1〜18mm、3〜255mm²
駆動周波数＝約26ｋＨｚ（３次モードで駆動）
駆動電圧＝10Ｖｐｐ

図３から明らかなように、第３開口部９ａと振動板５の駆動領域との面積比を０から徐々に増大させたとき、０．４以下の領域では流量及び圧力特性は全開放状態に比べて劣る。その理由は、第２ブロア室８の共鳴現象が、第２ブロア室８の空気を第３開口部９ａを介して吐き出す方向に作用したためであると考えられる。面積比が０．４を超えると、流量及び圧力特性は全開放状態に比べて良好となり、面積比＝０．７付近で流量及び圧力の極大値を生じる。極大値付近では、流量は約１．４倍、圧力は約１．７倍となった。さらに面積比が増大すると、流量及び圧力特性は低下し、面積比が１．６付近で全開放状態と同じレベルとなり、面積比＝２．１付近まで続く。このように、面積比を０．４〜１．６の範囲とした場合に、全開放状態に比べて良好な流量及び圧力特性を得ることができた。特に、０．５〜１．４の範囲では、全開放の場合に比べて流量及び圧力が１．２倍以上になり、好ましい結果が得られた。これは、第２ブロア室８が振動板５の振動と共鳴して疑似的な共鳴空間を形成し、この共鳴が逆方向に作用することで、振動板５の振動エネルギーが第３開口部９ａから第２ブロア室８へ空気を積極的に吸い込むのに作用したためと考えられる。このように第３開口部９ａの開口径を変化させることにより、流量及び／又は圧力特性を自由に変更することができる。

なお、図３は圧電素子の駆動電圧を１０Ｖｐｐとした場合であるが、それより高電圧（例えば１５Ｖｐｐ、２０Ｖｐｐ）で駆動することもできる。但し、高電圧で駆動する場合に比べて低電圧で駆動した方が、流量及び／又は圧力特性において良好な結果が得られた。これは、第２ブロア室８の音響インピーダンスの共鳴現象での効果が、低電圧で駆動した時に高電圧に比べてより顕著に表れるからであると推測される。

図４は、第３開口部９ａの種々の形状を示す。（ａ）は単一の円形形状の穴の例、（ｂ）は単一の四角形状の穴の例、（ｃ）は複数の四角形状の穴で構成した例、（ｄ）は複数の円形形状の穴で構成した例である。いずれの場合でも、同等な効果を発揮することができる。なお、第３開口部として複数の穴を有する場合の開口部の面積は、複数の穴の開口面積の和である。

〔第２実施形態〕
図５，図６は本発明に係るマイクロブロアの第２実施形態を示す。このマイクロブロアＢは、ブロア本体１０の下端部に固定される蓋部材（第３壁部）４０を除いて、従来技術のマイクロブロア（図９参照）とほぼ同じ構造であるため、同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

ブロア本体１０の下面には、蓋部材よりなる第３壁部４０が固定され、振動板２０と第３壁部４０との間で第２ブロア室４１が形成されている。第３壁部４０の中央部には、外部と第２ブロア室４１とを連通させる第３開口部４２が形成されている。第２ブロア室４１と流入通路１５との間は、連通溝４３を介して相互に接続されている。そのため、第３開口部４２を介して第２ブロア室４１に流入した空気は、連通溝４３を通って流入通路１５へと導かれる。

本実施形態のマイクロブロアＢの場合も、第１実施形態のマイクロブロアＡと同様に、振動板２０の振動エネルギーを利用して第３開口部４２から空気を第２ブロア室４１へ吸い込み、流入通路１５へと送り出すので、従来技術に比べて流量及び／又は圧力特性を増大させることができる。さらに、第３開口部４２の開口径を変化させることで、図３と同様に流量及び／又は圧力特性を変更することができる。

〔第３実施形態〕
図７は本発明に係るマイクロブロアの第３実施形態を示す。このマイクロブロアＣの構造は第１実施形態のマイクロブロアＡと比べて、第３開口部９ｂを除いて同一であるため、同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施形態では、第３開口部９ｂがブロア本体１の側面に開口している。この例では、第３開口部９ｂが外ケース３の側壁と蓋部材９との境界部に形成されているが、外ケース３に形成してもよいし、蓋部材９に形成してもよい。このマイクロブロアＣは、ブロア本体１の下面側に第３開口部９ｂを形成できない場合に好ましい。

図８は、第３開口部９ｂの幾つかの例を示す。（ａ）は第３開口部９ｂが細長い長孔形状の例、（ｂ）は複数の角穴で構成された例、（ｃ）は複数の丸穴で構成された例である。いずれの場合も、第３開口部９ｂの開口面積を適切に設定することで、第２ブロア室８を疑似的な共鳴空間とすることができ、流量及び／又は圧力特性を可変することができる。

前記実施形態では、第３壁部を構成する蓋部材がマイクロブロア専用の部品である例を示したが、本マイクロブロアを回路基板や電子機器のケースに固定する場合に、基板又はケースの壁部を第３壁部として利用することができる。さらに、第３壁部はブロア本体と別体部品である必要はなく、一体に形成されていてもよい。

Ａ〜Ｃマイクロブロア
１ブロア本体
２内ケース
２ａ第１壁部
２ｂ第１開口部
３外ケース
３ｂ第２壁部
３ｃ第２開口部
４ばね連結部
５振動板
６ブロア室（第１ブロア室）
７流入通路
７ａ流入空間
８第２ブロア室
９第３壁部（蓋部材）
９ａ，９ｂ第３開口部
１０ブロア本体
１１第１壁部
１２第１開口部
１３第２壁部
１４第２開口部
１５流入通路
１６流入空間
２０振動板
２１圧電素子
３０ブロア室（第１ブロア室）
４０第３壁部（蓋部材）
４１第２ブロア室
４２第３開口部
４３連通溝

Claims

ブロア本体と、外周部が前記ブロア本体に対して固定され、電気信号を印加することにより屈曲振動する振動板と、前記ブロア本体と振動板との間に形成された第１ブロア室と、前記第１ブロア室の一つの壁面を構成し、前記振動板と対向する第１壁部と、前記振動板と対向する前記第１壁部の部位に形成され、前記第１ブロア室の内部と外部とを連通させる第１開口部と、前記第１壁部を間にして第１ブロア室と反対側に設けられた第２壁部と、前記第１開口部と対向する前記第２壁部の部位に形成された第２開口部と、前記第１壁部と第２壁部との間に外部から流体を導入する流入通路とを備え、前記振動板を振動させることにより、前記流入通路を介して導入された流体を第２開口部から吐出するマイクロブロアにおいて、
前記振動板を間にして前記第１ブロア室と反対側の前記ブロア本体の部位に、前記振動板との間で第２ブロア室を形成するための第３壁部が設けられ、
前記ブロア本体又は第３壁部には、外部と第２ブロア室とを連通させる第３開口部が形成され、
前記振動板の振動に伴って前記第３開口部を介して第２ブロア室に流入した流体を前記流入通路へと供給できるように、前記流入通路は前記第２ブロア室と接続されており、
前記第３開口部と前記振動板の駆動領域との面積比が０．４〜１．６の範囲であることを特徴とする、マイクロブロア。