JP5556968B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、電圧の印加により圧電セラミックスが伸縮する圧電アクチュエータに関するものである。

現在、ＣＰＵやＬＳＩなどの発熱部品を内蔵した電子機器の冷却には、電圧の印加により圧電セラミックスが伸縮する性質を利用して、圧電アクチュエータが多く使用されている。例えば特許文献１には、図１に示す断面形状をした圧電ファン９が開示されている。

図１は、特許文献１の圧電ファン９の構成を示す断面図である。圧電ファン９は、振動板１と、圧電素子２と、支持部３と、駆動回路２０とを備えている。

図１に示すように、振動板１の両主面には、２枚の圧電素子２が接着層５を介して貼付されている。振動板１の一端側には支持部３が貼付され、振動板１が片持ちで固定されている。ここで、振動板１の支持部３によって固定されている一端が固定端、振動板１の他端が自由端である。

圧電素子２及び振動板１は、中間電極となる振動板１を両主面から挟むように２枚の圧電素子２を貼付してなるバイモルフ型振動子を構成している。２枚の圧電素子２は、圧電セラミックス８の表裏面に電極４を形成した構造を有している。各電極４と振動板１とには、交流電圧を出力する駆動回路２０が接続されている。そして、２枚の圧電素子２は、各電極４と振動板１との間に当該交流電圧が印加されたときに振動板１が振動板１の厚み方向に撓んで屈曲振動するよう、分極処理されている。

以上の構成において、各電極膜４と振動板１との間に交流電圧を駆動回路２０から印加すると、一方の圧電素子２が伸びるときには他方の圧電素子２が縮み、逆に、一方の圧電素子２が縮むときには他方の圧電素子２が伸び、これに追従して振動板１が屈曲振動する。

従って、圧電ファン９を、電子機器内のＬＳＩやＣＰＵなどの発熱部品周辺に設置し、交流電圧を加えると、振動板１の自由端が団扇のように揺動する。これにより、冷却風が発生し、発熱部品を冷却できる。

特開２００８−１７２１０５号公報

しかしながら、圧電ファン９では、振動板１の屈曲振動により、振動板１と接する圧電素子２に引張応力がかかる。圧電素子２の圧電セラミックス８は圧縮応力に強いものの引張応力に弱いため、振動板１の屈曲振動時、その引張応力によって圧電セラミックス８に負荷がかかる。

よって、振動板１の屈曲振動が長時間行われ、圧電セラミックス８に負荷が蓄積されると、圧電セラミックス８にクラックが生じ、圧電セラミックス８が壊れる。

したがって本発明は、振動板の屈曲振動時の引張応力による圧電素子の破損を抑制する圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の圧電アクチュエータは、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（１）交流電圧の印加に応じて伸縮する第１圧電素子と、
前記交流電圧の印加に応じて、前記第１圧電素子と逆位相で伸縮する第２圧電素子と、
前記第１圧電素子の少なくとも一方の主面に接合されている第１補強部と、
前記第２圧電素子の少なくとも一方の主面に接合されている第２補強部と、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とに両主面を挟まれており、前記第１、第２圧電素子の伸縮により屈曲する振動板と、
前記振動板を固定する固定部と、を備え、
前記第１、第２圧電素子が設けられている前記振動板の領域の厚みと前記第１補強部の厚みと前記第２補強部の厚みとの和が、前記第１、第２圧電素子が設けられていない前記振動板の領域の平均の厚みより大きく、
前記第２補強部は、前記第１補強部と同じ線膨張係数と弾性率を有する材料から構成されており、
前記第１、第２補強部のそれぞれは、前記振動板の厚み方向の中心面に対して面対称に設けられており、
前記第１、第２圧電素子のそれぞれは、前記振動板の厚み方向の中心面に対して面対称に設けられており、
前記振動板の線膨張係数は、前記第１、第２圧電素子の線膨張係数よりも大きく、
前記第１、第２補強部の線膨張係数は、前記第１、第２圧電素子の線膨張係数よりも大きい。

この構成では、振動板の線膨張係数が、第１、第２圧電素子の線膨張係数よりも大きいため、例えば熱硬化性の樹脂で振動板と第１、第２圧電素子とを接着した後に、常温に戻した際に、第１、第２圧電素子に残留圧縮応力が付加される。さらに、この構成では、第１、第２圧電素子が設けられている振動板の領域の厚みと第１補強部の厚みと第２補強部の厚みとの和が、第１、第２圧電素子が設けられていない振動板の領域の平均の厚みより大きくなっている。そして、第１、第２補強部の線膨張係数も第１、第２圧電素子の線膨張係数より大きいため、第１、第２圧電素子に付加される残留圧縮応力をより増加させることができる。

さらに、この構成では、第１、第２補強部のそれぞれが、振動板の厚み方向の中心面に対して面対称に設けられ、第１、第２圧電素子のそれぞれが、振動板の厚み方向の中心面に対して面対称に設けられている。これにより、例えば熱硬化性の樹脂で接着した後に常温に戻した時に、圧電アクチュエータに反りが発生し難くなるため、より効率よく第１、第２圧電素子に残留圧縮応力を付加することができる。

また、この構成では第１補強部と第２補強部によって部分的に厚みを増加させているため、振動板の幅方向に平行な端部のうち、固定部と逆側の端部（以下、自由端）から第１、第２圧電素子の自由端側の一端まで延伸する振動板の長手方向における距離と振動板の幅とからなる領域に対する、第１、第２圧電素子の自由端側の一端から固定部の自由端側の一端（以下、固定端）まで延伸する振動板の長手方向における距離と振動板の幅とからなる領域の剛性比が増加する。このため、振動板の自由端の振幅を同一量得るために必要な第１、第２圧電素子の屈曲変形量が減少し、その結果、第１、第２圧電素子にかかる引張応力を減少させることができる。

すなわち、この構成では、第１、第２圧電素子にかかる残留圧縮応力の増加と引張応力の減少とを同時に実現することができる。

したがって、この構成の圧電アクチュエータでは、第１補強部と第２補強部によって残留圧縮応力の増加と引張応力の減少とを調整することで、振動板の屈曲振動時、第１、第２圧電素子に加わる最大引張応力よりも、第１、第２圧電素子に付加される残留圧縮応力を大きくすることが容易に実現できる。すなわち、振動板の屈曲振動時、第１、第２圧電素子に対して常に圧縮応力がかかった状態にすることができる。

以上より、この構成によれば、例え振動板の屈曲振動時に第１、第２圧電素子に引張応力が付加されたとしても、第１、第２圧電素子が破損されてしまうことを抑制できる。

（２）前記第１補強部と前記第１圧電素子との前記振動板の幅方向に平行な端部のうち、前記固定部と逆側の端部は、端面が揃うように接合されており、
前記第２補強部と前記第２圧電素子との前記振動板の幅方向に平行な端部のうち、前記固定部と逆側の端部は、端面が揃うように接合されていることが好ましい。

この構成では、振動板の第１、第２圧電素子が設けられていない領域の平均の厚みがより小さくなるため、振動板の幅方向に平行な端部のうち、固定部と逆側の端部（以下、自由端）から第１、第２圧電素子の自由端側の一端まで延伸する振動板の長手方向における距離と振動板の幅とからなる領域に対する、第１、第２圧電素子の自由端側の一端から固定端まで延伸する振動板の長手方向における距離と振動板の幅とからなる領域の剛性比がより増加する。

従って、振動板の自由端の振幅を同一量得るために必要な第１、第２圧電素子の屈曲変形量がより減少し、その結果、振動板の屈曲振動によって第１、第２圧電素子にかかる引張応力をより減少させることができるため、第１、第２圧電素子が破損されてしまうことをより抑制できる。

（３）前記第１、第２補強部と前記振動板とは、同一材料から構成されていることが好ましい。

この構成では、補強板と振動板の接合が容易になる。

（４）前記第１、第２圧電素子および前記第１、第２補強部のそれぞれは、前記振動板の短手方向の中心線に対して線対称に設けられていることが好ましい。

この構成では、圧電アクチュエータの駆動時に振動板にねじれが発生し難くなる。このため、第１、第２圧電素子が破損されてしまうことをより抑制できる。

（５）前記第１、第２補強部の少なくとも一方および前記振動板は、金属材料で形成されていることが好ましい。

この構成では、他の材料と比較して弾性率が高い金属材料を用いているため、高い残留圧縮応力を生じさせることができる。このため、第１、第２圧電素子が破損されてしまうことをより抑制できる。

この発明によれば、例え振動板の屈曲振動時に圧電素子に引張応力が付加されたとしても、圧電素子が破損されてしまうことを抑制できる。

特許文献１の圧電ファン９の構成を示す断面図である。 第１の参考例に係る圧電ファン１０１の構成を示す斜視図である。 第１の参考例に係る圧電ファン１０１の構成を示す断面図である。 第１の参考例の変形例に係る圧電ファン１０２の構成を示す断面図である。 比較例に係る圧電ファン１０の構成を示す断面図である。 第２の参考例に係る圧電ファン２０１の構成を示す断面図である。 第２の参考例の変形例に係る圧電ファン２０２の構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係る圧電ファン３０１の構成を示す断面図である。 第１の実施形態の変形例に係る圧電ファン３０２の構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る圧電ファン４０１の構成を示す断面図である。

《第１の参考例》
本発明の第１の参考例に係る圧電ファンについて以下図２、図３Ａを参照しながら説明する。
図２は、第１の参考例に係る圧電ファン１０１の構成を示す斜視図である。図３Ａは、図２に示すＴ−Ｔ線の断面図である。

圧電ファン１０１は、図３Ａに示すように、振動板１１１と、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂと、補強板１１７と、固定板１１３と、駆動交流電源１２０とを備えている。圧電ファン１０１は、ＣＰＵなどの発熱部品を内蔵した電子機器内に設置され、当該電子機器内を冷却する。

振動板１１１は、例えばステンレススチール製の板であり、幅１５ｍｍ×長さ４０ｍｍ×厚み０．１ｍｍの寸法となっている。振動板１１１は、振動板１１１の一端に設けられた固定板１１３により片持ちで電子機器内に固定される。ここで、振動板１１１の固定板１１３によって固定されている一端が固定端、振動板１１１の他端が自由端である。また、振動板１１１には、振動板１１１の両主面から挟むよう、圧電素子１１２Ａ及び補強板１１７が貼付されている。
なお、振動板１１１はステンレススチール以外にリン青銅などバネ性の高い金属板や樹脂板を用いてもよい。

補強板１１７は、例えばステンレススチール製の板であり、幅１５ｍｍ×長さ１５ｍｍ×厚み０．１ｍｍの寸法となっている。補強板１１７の振動板１１１の長手方向（長さ方向）の長さは、圧電素子１１２Ｂの当該長手方向の長さと同じである。補強板１１７における振動板１１１と逆側の面には、圧電素子１１２Ｂが貼付されている。すなわち、補強板１１７は、振動板１１１全体のうち圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている振動板１１１の領域に貼付されている。また、補強板１１７は、振動板１１１の短手方向（幅方向）の中心線Ｃに対して線対称に貼付されている。
なお、補強板１１７はステンレススチール以外の金属板や樹脂板を用いてもよい。

ここで、振動板１１１は、圧電素子１１２Ａ、Ｂの線膨張係数より大きい線膨張係数を有する材料で構成されている。また、本参考例において、振動板１１１および補強板１１７は同一材料であるため、補強板１１７の線膨張係数および弾性率は振動板１１１の線膨張係数および弾性率と同じである。そして、圧電素子１１２Ａ、Ｂ、補強板１１７、及び振動板１１１は、電源オン時の電子機器内の温度（例えば５０℃）より高い温度（本参考例では１３０℃）で接着剤により貼付されることにより、振動板１１１が圧電素子１１２Ａと接し、補強板１１７が圧電素子１１２Ｂと接している。そのため、貼付後、当該電子機器内の温度において、振動板１１１及び補強板１１７による残留圧縮応力が圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる。

なお、図３Ａでは、補強板１１７と振動板１１１とが別体で形成されているが、実施の際は、図３Ｂに示すように、補強部１２７と振動板１１１とが同一材料から一体形成されていても構わない。

圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂのそれぞれは、幅１５ｍｍ×長さ１５ｍｍ×厚み０．１ｍｍの寸法となっており、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成されている。圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂは、中間電極となる振動板１１１の同じ領域を両主面から挟むように設けられており、圧電素子１１２Ａ、Ｂのそれぞれは、振動板１１１の短手方向（幅方向）の中心線Ｃに対して線対称となっている。中心線Ｃは、振動板１１１の２つの短辺の中心を通る直線である。即ち、圧電ファン１０１は、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂ、補強板１１７及び振動板１１１によってバイモルフ型振動子を構成している。２枚の圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂは、それぞれの圧電セラミックス表裏面に電極膜を形成した構造を有している。各電極膜と振動板１１１には、交流電圧を出力する駆動交流電源１２０が接続されている。そして、２枚の圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂは、各電極膜と振動板１１１との間に交流電圧が印加されたときに振動板１１１が振動板１１１の厚み方向に撓んで屈曲振動するよう、分極処理されている。このようにバイモルフ型にすることによって、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂによる振動板１１１の印加電圧に対する振動板１１１の屈曲変位量を大きくすることができ、振動板１１１の自由端の振幅をより効果的に増大できる。また、このようにバイモルフ型にすることによって、補強板１１７による残留圧縮応力を圧電素子１１２Ａと圧電素子１１２Ｂに均等に生じさせることができる。

固定板１１３は、例えばガラスエポキシ製であり、その寸法は、幅１５ｍｍ×長さ５ｍｍ×厚み２ｍｍである。固定板１１３と両圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂとの間には、１ｍｍの間隔が空けられている。

以上の構成の圧電ファン１０１に対して交流電圧を駆動交流電源１２０から印加すると、圧電素子１１２Ａが伸びるときには圧電素子１１２Ｂが縮み、逆に、圧電素子１１２Ａが縮むときには他方の圧電素子１１２Ｂが伸び、これに追随して振動板１１１が屈曲振動する。

従って、圧電ファン１０１を、電子機器内のＬＳＩやＣＰＵなどの発熱部品周辺に設置し、交流電圧を加えると、振動板１１１の自由端側が団扇のように揺動する。これにより、冷却風が発生し、発熱部品を冷却できる。

この際、本参考例の圧電ファン１０１においても、振動板１１１が屈曲振動している。しかし、本参考例の圧電ファン１０１では、振動板１１１の線膨張係数が、圧電素子１１２Ａ、Ｂの線膨張係数より大きい。そのため、熱硬化性の樹脂で振動板１１１と圧電素子１１２Ａ、Ｂとを接着した後に常温に戻した際に、圧電素子１１２Ａ、Ｂに残留圧縮応力が付加される。

さらに、この構成では、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている振動板１１１の領域の厚みと補強板１１７の厚みとの和が、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられていない振動板１１１の領域の平均の厚みより大きくなっている。そして、補強板１１７の線膨張係数も圧電素子１１２Ａ、Ｂの線膨張係数より大きいため、圧電素子１１２Ａ、Ｂに付加される残留圧縮応力をより増加させることができる。

また、本参考例の圧電ファン１０１では補強板１１７によって部分的に厚みを増加させているため、振動板１１１の自由端から圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域に対する、圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端から振動板１１１の固定端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域の剛性比が増加する。このため、振動板１１１の自由端の振幅を同一量得るために必要な圧電素子１１２Ａ、Ｂの屈曲変形量が減少し、その結果、圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる引張応力を減少させることができる。

すなわち、本参考例の圧電ファン１０１では、圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる残留圧縮応力の増加と引張応力の減少とを同時に実現することができる。

したがって、本参考例の圧電ファン１０１では、補強板１１７によって残留圧縮応力の増加と引張応力の減少とを調整することで、振動板１１１の屈曲振動時、圧電素子１１２Ａ、Ｂに加わる最大引張応力よりも、圧電素子１１２Ａ、Ｂに付加される残留圧縮応力を大きくすることが容易に実現できる。すなわち、振動板１１１の屈曲振動時、圧電素子１１２Ａ、Ｂに対して常に圧縮応力がかかった状態とすることができる。
以上より、本参考例の圧電ファン１０１によれば、振動板１１１の屈曲振動時の引張応力によって圧電素子１１２Ａ、Ｂが破損することを抑制できる。

また、本参考例の圧電ファン１０１では、補強板１１７と圧電素子１１２Ｂとの振動板１１１の幅方向に平行な端部のうち、自由端側の端部は、端面が揃うように接合されている。このように構成しているので振動板１１１の圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられていない領域の平均の厚みがより小さくなるため、振動板１１１の自由端から圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域に対する、圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端から振動板１１１の固定端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域の剛性比がより増加する。このため、振動板１１１の自由端の振幅を同一量得るために必要な圧電素子１１２Ａ、Ｂの屈曲変形量がより減少し、その結果、圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる引張応力をより減少させることができる。

なお、本参考例において、補強板１１７の自由端側の端部と圧電素子１１２Ｂの自由端側の端部とは、端面が揃うように接合されているが、これに限るものではない。例えば、補強板１１７の自由端側の端部が圧電素子１１２Ｂの自由端側の端部より自由端側へ突出するよう補強板１１７と圧電素子１１２Ｂとが接合されていても構わない。

ここで、比較例である圧電ファン１０、１０′、１０１′の送風能力および応力と、圧電ファン１０１の送風能力および応力とを比較する。比較例の圧電ファン１０、１０′、１０１′の送風能力および応力と、本参考例の圧電ファン１０１の送風能力および応力とをＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）で算出した結果を表１に示す。

図４は、上記圧電ファン１０の構成を示す断面図である。表１に示す同圧電ファン１０が本参考例の圧電ファン１０１と相違する点は、補強板１１７を設けていない点であり、その他の構成については同じである。また、表１に示す圧電ファン１０′が圧電ファン１０と相違する点は、振動板１１１全体の厚みが０．２ｍｍである点であり、その他の構成については同じである。また、表１に示す圧電ファン１０１′が圧電ファン１０１と相違する点は、圧電ファン１０１′の補強板１１７が振動板１１１の材料（ステンレススチール３０４）の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する材料（ステンレススチール４３０）で形成されている点であり、その他の構成については同じである。

なお、本参考例では、圧電素子１１２Ａ、Ｂのそれぞれの線膨張係数は、８．３ｐｐｍ／Ｋであり、ステンレススチール３０４の線膨張係数は、１７．３ｐｐｍ／Ｋであり、ステンレススチール４３０の線膨張係数は、１０．４ｐｐｍ／Ｋである。

そして表１では、これらの各圧電ファンに対して共振周波数の２４Ｖｐｐの正弦波交流電圧を所定温度（５０℃）下で一定時間印加し、各圧電ファンを片側振幅で共振振動させた条件で、振動板１１１の自由端の振幅と圧電素子１１２Ａ、Ｂのそれぞれにかかる応力とを算出した結果について示している。ここで、表１に示す応力合計は、振動板１１１の屈曲振動時に圧電素子１１２Ａ、Ｂのそれぞれにかかる最大引張応力と、圧電素子１１２Ａ、Ｂのそれぞれにかかる残留圧縮応力との差に相当する。

表１に示す算出結果により、比較例の圧電ファン１０と１０′では最大引張応力がそれぞれ６７．６ＭＰａと９８．４ＭＰａであるのに対し、本参考例の圧電ファン１０１と比較例の圧電ファン１０１′では最大引張応力が４０．５ＭＰａにまで減少することが明らかとなった。この結果は、補強板１１７を圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている領域に部分的に設けたことで、振動板１１１の自由端から圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域に対する、圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端から振動板１１１の固定端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域の剛性比が増加し、振動板１１１の屈曲振動によって生じる圧電素子１１２Ａ、Ｂの屈曲変形量が減少したためであると考えられる。

また、表１に示す算出結果により、比較例の圧電ファン１０では残留圧縮応力が４３．２ＭＰａであるのに対し、本参考例の圧電ファン１０１と比較例の圧電ファン１０′では応力合計が５４．６ＭＰａにまで増加することが明らかとなった。この結果は、補強板１１７を設けたことで、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている振動板１１１の領域の厚みと補強板１１７の厚みとの和が大きくなり、圧電素子１１２Ａ、Ｂに付加される残留圧縮応力が増加したためであると考えられる。

なお、比較例の圧電ファン１０１’では本参考例１０１と同様に、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている振動板１１１の領域の厚みと補強板１１７の厚みとの和が大きいが、残留圧縮応力が１１．３ＭＰaと小さかった。これは、振動板１１１と補強板１１７の線膨張係数が異なるため、圧電ファン１０１’が反ってしまい、圧電素子１１２A、Bに残留圧縮応力が効率よく付加されなかったためであると考えられる。

また、表１に示す算出結果により、比較例の圧電ファン１０、１０′、１０１′では応力合計がそれぞれ引張応力１４．４ＭＰａ、引張応力４３．８ＭＰａ、引張応力２９．２ＭＰａであるのに対し、本参考例の圧電ファン１０１では応力合計が圧縮応力１３．１ＭＰａにまで増加することが明らかとなった。このことから、本参考例の圧電ファン１０１のみ、振動板１１１の屈曲振動時、圧電素子１１２Ａ、Ｂに対して常に圧縮応力がかかった状態となることが明らかとなった。

そして、実験により、上述の一定時間（本参考例では１００時間）経過後、比較例の圧電ファン１０、１０′、１０１′では圧電素子１１２Ａ、Ｂの少なくともいずれか一方にクラックが生じたのに対し、本参考例の圧電ファン１０１では圧電素子１１２Ａ、Ｂにクラックが生じなかったことが明らかとなった。

以上のことから、圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる残留圧縮応力の増加と引張応力の減少とを同時に実現することができ、振動板１１１の屈曲振動時、圧電素子１１２Ａ、Ｂに対して常に圧縮応力がかかった状態にすることができる本参考例の圧電ファン１０１が、最も好適であるといえる。

また、表１に示す算出結果により、本参考例の圧電ファン１０１では、補強板１１７を設けても送風能力（自由端の振幅×共振周波数）が低下していないことも明らかとなった。このことから、本参考例の圧電ファン１０１では、送風能力を低下させることなく、圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる残留圧縮応力の増加と引張応力の減少とを同時に実現できることが明らかとなった。なお、この結果は、振動板１１１の圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている領域のみに補強板１１７を設けたため、自由端の振幅に寄与する振動板１１１の圧電素子１１２Ａ、Ｂより自由端側の領域の剛性が増加しなかったためであると考えられる。

したがって、本参考例の圧電ファン１０１によれば、送風能力を低下させることなく、振動板１１１の屈曲振動時の引張応力によって圧電素子１１２Ａ、Ｂが破損されることを抑制することができる。

《第２の参考例》
以下、本発明の第２の参考例に係る圧電ファンについて説明する。
図５Ａは、第２の参考例に係る圧電ファン２０１の構成を示す断面図である。第２の参考例の圧電ファン２０１が第１の参考例の圧電ファン１０１と相違する点は、補強板１１７が振動板１１１の圧電素子１１２Ａ側の主面に設けられている点であり、その他の構成については同じである。

詳述すると、本参考例の圧電ファン２０１では、補強板１１７が圧電素子１１２Ｂとともに振動板１１１の両主面を挟むよう振動板１１１に接合されている。そして、補強板１１７における振動板１１１と逆側の面には、圧電素子１１２Ａが貼付されている。即ち補強板１１７は、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている振動板１１１の領域に接合されている。そのため、本参考例の圧電ファン２０１においても、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている振動板１１１の領域の厚みと補強板１１７の厚みとの和が、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられていない振動板１１１の領域の平均の厚みより大きくなっている。そして、上述したように振動板１１１および補強板１１７は同一材料であるため、補強板１１７の線膨張係数および弾性率は振動板１１１の線膨張係数および弾性率と同じである。このため、より圧電素子１１２Ａ、Ｂに付加される残留圧縮応力をより増加させることができる。

また、本参考例の圧電ファン２０１では補強板１１７によって部分的に厚みを増加させているため、振動板１１１の自由端から圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域に対する、圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端から振動板１１１の固定端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域の剛性比が増加する。このため、振動板１１１の屈曲振動によって圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる引張応力を減少させることができる。

すなわち、本参考例の圧電ファン２０１では、圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる残留圧縮応力の増加と引張応力の減少とを同時に実現することができる。

また、補強板１１７と圧電素子１１２Ａとの振動板１１１の幅方向に平行な端部のうち、自由端側の端部は、端面が揃うように接合されている。
そのため、本参考例の圧電ファン２０１においても、振動板１１１の屈曲振動によって圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる引張応力をより減少させることができる。

従って、本参考例の圧電ファン２０１によれば、第１の参考例の圧電ファン１０１と同様の効果を奏する。

なお、図５Ａでは、補強板１１７と振動板１１１とが別体で形成されているが、実施の際は、図５Ｂに示すように、補強部１２７と振動板１１１とが同一材料から一体形成されていても構わない。

また、本参考例では、補強板１１７の自由端側の端部と圧電素子１１２Ａの自由端側の端部とは、端面が揃うように接合されているが、これに限るものではない。例えば、補強板１１７の自由端側の端部が圧電素子１１２Ａの自由端側の端部より自由端側へ突出するよう補強板１１７と圧電素子１１２Ａとが接合されていても構わない。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態に係る圧電ファンについて説明する。
図６Ａは、第１の実施形態に係る圧電ファン３０１の構成を示す断面図である。第１の実施形態の圧電ファン３０１が第１の参考例の圧電ファン１０１と相違する点は、補強板１１７Ａ、Ｂが振動板１１１の両主面に設けられている点であり、その他の構成については同じである。

詳述すると、本実施形態の圧電ファン３０１では、補強板１１７Ａと補強板１１７Ｂが、振動板１１１の両主面を挟むよう振動板１１１に接合されている。これにより、補強板１１７Ａと補強板１１７Ｂは、振動板１１１の厚み方向の中心面に対して面対称となっている。そして、補強板１１７Ａにおける振動板１１１と逆側の面には、圧電素子１１２Ａが貼付されており、補強板１１７Ｂにおける振動板１１１と逆側の面には、圧電素子１１２Ｂが貼付されている。これにより、圧電素子１１２Ａと圧電素子１１２Ｂは、振動板１１１の厚み方向の中心面に対して面対称となっている。

すなわち、本実施形態の圧電ファン３０１では、補強板１１７Ａ、Ｂが、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている振動板１１１の領域に接合されている。そのため、本実施形態の圧電ファン３０１においては、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている振動板１１１の領域の厚みと補強板１１７Ａの厚みと補強板１１７Ｂの厚みとの和が、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられていない振動板１１１の領域の平均の厚みより大きくなっている。そして、補強板１１７Ａ、Ｂは、同一の材料から構成されており、補強板１１７Ａ、Ｂの線膨張係数は圧電素子１１２Ａ、Ｂの線膨張係数よりも大きい。このため、より圧電素子１１２Ａ、Ｂに付加される残留圧縮応力を増加させることができる。

さらに、この構成では、圧電素子１１２Ａ、Ｂと補強板１１７Ａ、Ｂとのそれぞれは、振動板１１１の厚み方向の中心面に対して面対称に設けられている。これにより、圧電ファン３０１を例えば熱硬化性の樹脂で接着した後に常温に戻した時に、圧電ファン３０１に反りが発生し難くなる。したがって、例え振動板１１１と補強板１１７Ａ、Ｂとが異なる線膨張係数および弾性率を有する材料から形成されていたとしても、より効率よく圧電素子１１２Ａ、Ｂに残留圧縮応力を付加することができる。

また、本実施形態の圧電ファン３０１では補強板１１７Ａ、Ｂによって部分的に厚みを増加させているため、振動板１１１の自由端から圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域に対する、圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端から振動板１１１の固定端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域の剛性比が増加する。このため、振動板１１１の自由端の振幅を同一量得るために必要な圧電素子１１２Ａ、Ｂの屈曲変形量が減少し、その結果、屈曲振動によって圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる引張応力を減少させることができる。

すなわち、本実施形態の圧電ファン３０１では、圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる残留圧縮応力の増加と引張応力の減少とを同時に実現することができる。

したがって、本実施形態の圧電ファン３０１では、補強板１１７Ａ、Ｂによって残留圧縮応力の増加と引張応力の減少とを調整することで、振動板１１１の屈曲振動時、圧電素子１１２Ａ、Ｂに加わる最大引張応力よりも、圧電素子１１２Ａ、Ｂに付加される残留圧縮応力を大きくすることが容易に実現できる。すなわち、振動板１１１の屈曲振動時、圧電素子１１２Ａ、Ｂに対して常に圧縮応力がかかった状態とすることができる。

以上より、本実施形態の圧電ファン３０１によれば、振動板１１１の屈曲振動時の引張応力によって圧電素子１１２Ａ、Ｂが破損することを抑制できる。

さらに、圧電ファン３０１では、補強板１１７Ａと圧電素子１１２Ａとの振動板１１１の幅方向に平行な端部のうち、自由端側の端部は、端面が揃うように接合されている。また、補強板１１７Ｂと圧電素子１１２Ｂとの振動板１１１の幅方向に平行な端部のうち、自由端側の端部は、端面が揃うように接合されている。

そのため、本実施形態の圧電ファン３０１においても、振動板１１１の屈曲振動によって圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる引張応力をより減少させることができる。

さらに、本実施形態において、圧電素子１１２Ｂは、圧電素子１１２Ａと同じ厚みであり、同じ線膨張係数と弾性率を有する材料から構成されている。この構成により、接着硬化後に常温に戻した時に、圧電ファン１０１に反りがより発生し難くなるため、より効率よく圧電素子１１２Ａ、Ｂに残留圧縮応力を付加することができ、圧電素子１１２Ａ、Ｂが破損されてしまうことをより抑制できる。

さらに、本実施形態において、圧電素子１１２Ａ、Ｂと補強部１１７Ａ、Ｂとのそれぞれは、振動板１１１の短手方向の中心線Ｃに対して線対称に設けられているため（図２参照）、圧電ファン３０１の駆動時に振動板１１１にねじれが発生し難くなる。このため、圧電素子１１２Ａ、Ｂが破損されてしまうことをより抑制できる。

さらに、本実施形態において振動板１１１および補強部１１７Ａ、Ｂは、他の材料と比較して弾性率が高い金属材料で形成されているため、高い残留圧縮応力を生じさせることができる。このため、圧電素子１１２Ａ、Ｂが破損されてしまうことをより抑制できる。

さらに、本実施形態において振動板１１１および補強部１１７Ａ、Ｂは、同一材料から構成されているため、振動板１１１および補強部１１７Ａ、Ｂの接合が容易である。

ここで、本実施形態では、圧電素子１１２Ａが本発明の「第１圧電素子」に相当し、圧電素子１１２Ｂが本発明の「第２圧電素子」に相当する。また、補強板１１７Ａが本発明の「第１補強部」に相当し、補強板１１７Ｂが本発明の「第２補強部」に相当する。また、固定板１１３が、本発明の「固定部」に相当する。

なお、本実施形態の圧電ファン３０１では、補強板１１７Ａ、Ｂが圧電素子１１２Ａ、Ｂの線膨張係数より大きく振動板１１１と同じ線膨張係数および弾性率を有する材料で形成されているが、実施の際は、補強板１１７Ａ、Ｂが圧電素子１１２Ａ、Ｂの線膨張係数より大きく振動板１１１の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する材料で形成されていても構わない。

また、図６Ａでは、本発明の第１、第２補強部に相当する補強板１１７Ａ、Ｂと振動板１１１とが別体で形成されているが、実施の際は、図６Ｂに示すように、補強部１２７Ａ、Ｂと振動板１１１とが同一材料から一体形成されていても構わない。

また、本実施形態の圧電ファン３０１において、補強板１１７Ａ、Ｂの自由端側の端部と圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の端部とは、端面が揃うように接合されているが、これに限るものではない。例えば、補強板１１７Ａ、Ｂの自由端側の端部が圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の端部より自由端側へ突出するよう補強板１１７Ａ、Ｂと圧電素子１１２Ａ、Ｂとが接合されていても構わない。

《第２の実施形態》
以下、本発明の第２の実施形態に係る圧電ファンについて以下説明する。
図７は、第２の実施形態に係る圧電ファン４０１の構成を示す断面図である。第２の実施形態の圧電ファン４０１が第１の実施形態の圧電ファン３０１と相違する点は、補強板１１７Ａと圧電素子１１２Ａ、および補強板１１７Ｂと圧電素子１１２Ｂの配置を入れ替えた点であり、その他の構成については同じである。

即ち、本実施形態の圧電ファン４０１では、圧電素子１１２Ａ、Ｂが振動板１１１を両主面から挟むよう振動板１１１に接合されている。これにより、圧電素子１１２Ａと圧電素子１１２Ｂは、振動板１１１の厚み方向の中心面に対して面対称となっている。さらに、圧電ファン４０１では、圧電素子１１２Ａの振動板１１１と逆側の面に補強板１１７Ａが接合され、圧電素子１１２Ｂの振動板１１１と逆側の面に補強板１１７Ｂが接合されている。これにより、補強板１１７Ａと補強板１１７Ｂは、振動板１１１の厚み方向の中心面に対して面対称となっている。

すなわち、本実施形態の圧電ファン４０１においても補強板１１７Ａ、Ｂは、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている振動板１１１の領域に接合されている。そのため、本実施形態の圧電ファン４０１においても、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられている振動板１１１の領域の厚みと補強板１１７Ａの厚みと補強板１１７Ｂの厚みとの和が、圧電素子１１２Ａ、Ｂが設けられていない振動板１１１の領域の平均の厚みより大きくなっている。このため、圧電素子１１２Ａ、Ｂに付加される残留圧縮応力をより増加させることができる。

さらに、この構成では、圧電素子１１２Ａ、Ｂと補強板１１７Ａ、Ｂとのそれぞれは、振動板１１１の厚み方向の中心面に対して面対称に設けられている。これにより、圧電ファン３０１を例えば熱硬化性の樹脂で接着した後に常温に戻した時に、圧電ファン３０１に反りが発生し難くなる。したがって、例え振動板１１１と補強板１１７Ａ、Ｂとが異なる線膨張係数および弾性率を有する材料から形成されていたとしても、より効率よく圧電素子１１２Ａ、Ｂに残留圧縮応力を付加することができる。

また、本実施形態の圧電ファン４０１では補強板１１７Ａ、Ｂによって部分的に厚みを増加させているため、振動板１１１の自由端から圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域に対する、圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の一端から振動板１１１の固定端まで延伸する振動板１１１の長手方向における距離と振動板１１１の幅とからなる領域の剛性比が増加する。このため、振動板１１１の自由端の振幅を同一量得るために必要な圧電素子１１２Ａ、Ｂの屈曲変形量が減少し、その結果、圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる引張応力を減少させることができる。

すなわち、本実施形態の圧電ファン４０１では、圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる残留圧縮応力の増加と引張応力の減少とを同時に実現することができる。

さらに、圧電ファン４０１では、補強板１１７Ａと圧電素子１１２Ａとの振動板１１１の幅方向に平行な端部のうち、自由端側の端部は、端面が揃うように接合されている。また、補強板１１７Ｂと圧電素子１１２Ｂとの振動板１１１の幅方向に平行な端部のうち、自由端側の端部は、端面が揃うように接合されている。

よって、本実施形態の圧電ファン４０１においても、振動板１１１の屈曲振動によって圧電素子１１２Ａ、Ｂにかかる引張応力をより減少させることができる。

従って、本実施形態の圧電ファン４０１によれば、第１の実施形態の圧電ファン３０１と同様の効果を奏する。

なお、本実施形態の圧電ファン４０１では、補強板１１７Ａ、Ｂが圧電素子１１２Ａ、Ｂの線膨張係数より大きく振動板１１１と同じ線膨張係数および弾性率を有する材料で形成されているが、実施の際は、補強板１１７Ａ、Ｂが圧電素子１１２Ａ、Ｂの線膨張係数より大きく振動板１１１の線膨張係数と異なる線膨張係数を有する材料で形成されていても構わない。

また、本実施形態の圧電ファン４０１において、補強板１１７Ａ、Ｂの自由端側の端部と圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の端部とは、端面が揃うように接合されているが、これに限るものではない。例えば、補強板１１７Ａ、Ｂの自由端側の端部が圧電素子１１２Ａ、Ｂの自由端側の端部より自由端側へ突出するよう補強板１１７Ａ、Ｂと圧電素子１１２Ａ、Ｂとが接合されていても構わない。

《他の実施形態》
前記実施形態では、圧電素子１１２Ａ、Ｂは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、前記実施形態では、圧電素子１１２Ａと補強板１１７Ａとの大きさをほぼ等しくした例を示したが、これに限るものではない。同様に、圧電素子１１２Ｂと補強板１１７Ｂとの大きさをほぼ等しくした例を示したが、これに限るものではない。例えば、圧電素子１１２Ａ、Ｂのそれぞれより補強板１１７Ａ、Ｂのそれぞれのほうが大きくてもよい。

また、前記実施形態では、振動板１１１は曲げのない例を示したが、これに限るものではない。例えば、前記振動板１１１は、圧電素子１１２Ａ、Ｂと自由端との間で折れ曲がって形成されていてもよい。

最後に、上述の各実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 振動板
２ 圧電素子
３ 支持部
４ 電極
５ 接着層
８ 圧電セラミックス
９ 圧電ファン
１０ 圧電ファン
２０ 駆動回路
１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２、４０１ 圧電ファン
１１１ 振動板
１１２Ａ、１１２Ｂ 圧電素子
１１３ 固定板
１１７ 補強板
１１７Ａ、Ｂ 補強板
１２０ 駆動交流電源
１２７ 補強部
１２７Ａ、Ｂ 補強部

Claims (5)

1. 交流電圧の印加に応じて伸縮する第１圧電素子と、
   前記交流電圧の印加に応じて、前記第１圧電素子と逆位相で伸縮する第２圧電素子と、
   前記第１圧電素子の少なくとも一方の主面に接合されている第１補強部と、
   前記第２圧電素子の少なくとも一方の主面に接合されている第２補強部と、
   前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とに両主面を挟まれており、前記第１、第２圧電素子の伸縮により屈曲する振動板と、
   前記振動板を固定する固定部と、を備え、
   前記第１、第２圧電素子が設けられている前記振動板の領域の厚みと前記第１補強部の厚みと前記第２補強部の厚みとの和が、前記第１、第２圧電素子が設けられていない前記振動板の領域の平均の厚みより大きく、
   前記第２補強部は、前記第１補強部と同じ線膨張係数と弾性率を有する材料から構成されており、
   前記第１、第２補強部のそれぞれは、前記振動板の厚み方向の中心面に対して面対称に設けられており、
   前記第１、第２圧電素子のそれぞれは、前記振動板の厚み方向の中心面に対して面対称に設けられており、
   前記振動板の線膨張係数は、前記第１、第２圧電素子の線膨張係数よりも大きく、
   前記第１、第２補強部の線膨張係数は、前記第１、第２圧電素子の線膨張係数よりも大きい、圧電アクチュエータ。
2. 前記第１補強部と前記第１圧電素子との前記振動板の幅方向に平行な端部のうち、前記固定部と逆側の端部は、端面が揃うように接合されており、
   前記第２補強部と前記第２圧電素子との前記振動板の幅方向に平行な端部のうち、前記固定部と逆側の端部は、端面が揃うように接合されている、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記第１、第２補強部と前記振動板とは、同一材料から構成されている、請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記第１、第２圧電素子および前記第１、第２補強部のそれぞれは、前記振動板の短手方向の中心線に対して線対称に設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記第１、第２補強部の少なくとも一方および前記振動板は、金属材料で形成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。

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