JP5895190B2 - 電子機器の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品ならびに電子機器の発生する熱を冷却する為の装置に関する。

近年、電子部品の高密度実装化や処理速度の向上によって、個々のデバイスの発熱が大きくなり、機器によっては、発熱によって、その性能に影響が出るようになってきた。従来から、このような発熱を緩和する方法として、冷却ファンによる空気の吹きつけや吸引が、行われている。冷却ファンは、羽根体を回転させることによって空気の流れを発生させるが、その回転駆動源として、ブラシレスモータなどが使用されている（特許文献１を参照）。

特開平１０−１７４４０６号公報

従来のモータによる回転駆動源では、内部に磁石が設けられているため、漏洩磁束によって電子機器に影響を及ぼす可能性がある。一方で、電子機器の小型化を図るため、ファンの薄型化が望まれている。しかしながら、ファンの薄型化を行うと、モータが小さくなってしまい、十分な回転トルクを発生できず、必要な冷却風量が得られなくなってしまうおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、漏洩磁束に影響されず、薄型化が可能な電子部品ならびに電子機器の冷却装置を提供することにある。

本発明では、冷却装置が、ベース部材と、板状の圧電アクチュエータと、少なくとも１つ拡大機構と、ブレードとを、備えている。板状の圧電アクチュエータは、一端部がベース部材に固定されている。少なくとも１つ拡大機構は、圧電アクチュエータの他端部に連結され、圧電アクチュエータの揺動によって揺動可能である。ブレードは、拡大機構に連結され、拡大機能の揺動によって揺動可能である。この冷却装置では、圧電アクチュエータに交流電力を印加することによって、ブレードが扇ぎ動作を行う。

本発明によれば、非常に薄型であるにもかかわらず、漏洩磁束に影響されず、電子部品や電子機器の冷却が可能となる。

冷却装置の斜視図

本発明の実施形態に係る冷却装置について説明する。なお、以下の実施形態は本発明の一実施形態であり、本発明はこれらの実施形態に限定されない。
＜第１実施形態＞
（１：構成）
（１−１：冷却装置の概要）
図１は、本発明の実施形態に係る冷却装置１の斜視図である。冷却装置１は、ベース部材１１と、バイモルフ１２（圧電アクチュエータの一例）と、拡大レバー１５（拡大機構の一例）と、ブレードレバー１６と、ブレード１７と、アンダーカバー１３及びアッパーカバー１４とから、構成されている。バイモルフ１２の一端部は、ベース部材１１に固定されている。拡大レバー１５は、バイモルフ１２の一端部（固定端）とは反対側の一端部を、狭持している。ブレードレバー１６は、拡大レバー１５に連結されている。ブレード１７は、ブレードレバー１６に一端部を固定されている。アンダーカバー１３及びアッパーカバー１４は、拡大レバー１５およびブレードレバー１６を駆動可能に狭持している。

以下、各部の詳細について説明する。
（１−２：冷却装置の構成）
バイモルフ１２は、セラミックアクチュエータである。セラミックアクチュエータは、２枚の圧電素子にシム材を挟み込んで接合されたものである。セラミックアクチュエータに対して電荷が加えられると、セラミックアクチュエータの一方の圧電素子が伸び、セラミックアクチュエータの他方の圧電素子が縮む。これにより、セラミックアクチュエータの自由端側を変位させることができる。ここで、セラミックアクチュエータに交流の電荷を加えることで、セラミックアクチュエータの自由端に揺動運動を行わせることができる。バイモルフ１２が、パラレル型である場合、この運動変位量は以下の［数１］で表される。

ここで、U₀は無負荷変位量、ｄ₃₁は投下圧電定数、ｌは変位可能なバイモルフ長さ、ｔはバイモルフの総厚、ｔ_ｓはシム厚み、Ｖは印加電圧、αは非線形補正係数である。
たとえば、ｄ₃₁＝−２．６２Ｅ-１０〔ｍ/Ｖ〕、ｌ＝１９ｍｍ、ｔ＝０．８ｍｍ、ｔ_ｓ＝０．２ｍｍ、Ｖ＝１００Ｖ，α＝２のとき、U₀≒−０．１１ｍｍである。また、印加電圧は、交流である。この場合、バイモルフ１２の自由端は、±０．１１ｍｍの範囲で動作する。

バイモルフ１２の一端部は、ベース部材１１に、固定部材例えばネジ２３により、固定されている。ここでは、バイモルフ１２は、図１に示すようなネジを用いた挟み込みによって、固定されているが、バイモルフ１２の一端部を固定することができれば、固定方法は、どのようにしてもよい。例えば、固定方法は、ネジを用いた締結、及び接着剤による接着等であっても良い。

なお、ベース部材１１は、バイモルフ１２と接触しても良いように絶縁体で構成することが望ましい。
拡大レバー１５は、バイモルフ１２の振動を増幅（拡大）しブレード１７に伝達するためのものである。拡大レバー１５は、回転軸１５ａを中心に回転可能にベース部材１１に支持されている。拡大レバー１５には、バイモルフ挟持部１５ｂが設けられている。拡大レバー１５は、バイモルフ狭持部１５ｂによって、バイモルフ１２の自由端側を狭持している。狭持部１５ｂは、バイモルフ１２の変位を効率よく拡大レバー１５に伝達できるように、２つの円柱部１５ｄによりバイモルフ１２を挟み込んでいる。詳細には、２つの円柱部１５ｄは、回転軸１５ａと平行になるように、バイモルフ挟持部１５ｂに形成されている。また、２つの円柱部１５は、互いに対向してバイモルフ挟持部１５ｂに形成されている。このような２つの円柱部１５によって、バイモルフ１２の自由端側が挟持されている。

また、拡大レバー１５は、バイモルフ１２に接触するため、絶縁体で構成されている。また、拡大レバー１５とバイモルフ１２との間でガタによる変位ロスや騒音等が発生しないように、拡大レバー１５をエラストマーなどの弾性を持つ材料で構成し、この拡大レバー１５によってバイモルフ１２を狭持することが望ましい。
また、拡大レバー１５は、第１腕部１５ｅをさらに有している。この第１腕部１５ｅの一端部（先端部）には、連結軸１５ｃが設けられている。ここでは、回転軸１５ａから狭持部１５ｂまでの長さＬ１に対し、回転軸１５ａから連結軸１５ｃまでの長さＬ２の方が長くなるように、第１腕部１５ｅは形成されている。より具体的には、本実施例では、Ｌ２／Ｌ１が約３．８倍の長さに設定されているため、バイモルフ１２の自由端の変位量例えば±０．１１ｍｍの変位量は、拡大レバー１５の連結軸１５ｃの位置では、±０．１１ｘ３．８≒±０．４２ｍｍの変位量に拡大される。

なお、回転軸１５ａから狭持部１５ｂまでの長さＬ１は、回転軸１５ａの軸芯（後述する軸２１の軸芯）と、挟持部１５ｂの円柱部１５ｄがバイモルフ１２に当接する部分との間の距離である。また、回転軸１５ａから連結軸１５ｃまでの長さＬ２は、回転軸１５ａの軸芯（後述する軸２１の軸芯）と連結軸１５ｃの軸芯との間の距離である。
ブレードレバー１６は、回転軸１６ａを中心に回転可能に、アンダーカバー１３とアッパーカバー１４との間に支持されている。ブレードレバー１６は、連結長穴１６ｂを有している。連結長穴１６ｂには、拡大レバー１５の連結軸１５ｃが嵌合されている。さらに、ブレードレバー１６は、第２腕部１６ｃを有している。第２腕部１６ｃの一端部（先端部）には、ブレード１７が固定されている。

ブレード１７は、発熱体１９の表層を冷却するための空気の流れを発生する部材である。ブレード１７は、バイモルフ１２と対向して配置されている。より具体的には、バイモルフ１２と略平行に配置されている。また、ブレード１７が変位する面と、バイモルフ１２が変位する面とが、同一又は平行になるように、バイモルフ１２は配置されている。ここで、ブレード１７が変位する面とは、ブレード１７が振動する面である。バイモルフ１２が変位する面とは、バイモルフ１２が振動する面である。より具体的には、ブレード１７が変位する面とは、ブレード１７の先端部の軌跡を含む面である。また、バイモルフ１２が変位する面とは、バイモルフ１２の揺動部の軌跡を含む面である。

上記の冷却装置１では、拡大レバー１５によって拡大されたバイモルフ１２の変位が、ブレード１７に伝達される。本実施例では、回転軸１６ａと連結長穴１６ｂと間の長さＬ３に対して、回転軸１６ａからブレード１７の先端までの長さＬ４は、約６倍（＝Ｌ４／Ｌ３）の長さに設定されているため、ブレード１７の先端部では、例えば±０．４２ｘ６≒±２．５２ｍｍの範囲で変位する。

なお、回転軸１６ａと連結長穴１６ｂと間の長さＬ３は、回転軸１６ａの軸芯（後述する軸２２の軸芯）と、連結長穴１６ｃに配置された連結軸１５ｃの軸芯との間の距離である。また、回転軸１６ａからブレード１７の先端までの長さＬ４は、回転軸１６ａの軸芯（後述する軸２２の軸芯）から、ブレード１７の先端までの距離である。
拡大レバー１５及びブレードレバー１６は、アンダーカバー１３とアッパーカバー１４との間に配置されている。アンダーカバー１３とアッパーカバー１４とは、拡大レバー１５及びブレードレバー１６を、回転可能に支持している。また、アンダーカバー１３とアッパーカバー１４とは、間隔部材２０を挟持している。この間隔部材によって、アンダーカバー１３とアッパーカバー１４との間の間隔が所定の間隔に保持されている。ここでは、間隔部材２０は、ベース部材１１に固定部材例えばネジにより締結されている。

また、本実施例では、拡大レバー１５の回転軸１５ａには、軸２１が嵌合されている。また、ブレードレバー１６の回転軸１６ａには、軸２２が嵌合されている。これら軸２１及び軸２２の一端部が、アンダーカバー１３にカシメ固定されており、これら軸２１及び軸２２の他端部が、アッパーカバー１４にカシメ固定されている。
また、本実施例では、バイモルフ１２の固定端と揺動端とを結ぶ線の延長線上に、拡大レバー１５の回転軸１５ａが位置するように、バイモルフ１２と拡大レバー１５とは構成されている。
また、拡大レバー１５の第１腕部１５ｅが、回転軸１５ａと狭持部１５ｂとを結ぶ線に対して、略直角になるように、拡大レバー１５は構成されている。また、拡大レバー１５の回転軸１５ａと連結軸１５ｃとを結ぶ線の延長線上に、ブレードレバー１６の回転軸１６ａが位置するように、ブレードレバー１６の連結長穴１６ｂが、拡大レバー１５の連結軸１５ｃに嵌合されている。さらに、ブレード１７を固定している第２腕部１６ｃが、回転軸１６ａと連結長穴１６ｂとを結ぶ線に対して、略直角になるように、ブレードレバー１６は構成されている。

なお、上記のように冷却装置１を構成する場合の条件について、具体的に説明しておく。バイモルフ１２の固定端とバイモルフ１２の揺動端とを結ぶ線は、バイモルフ１２がベース部材１１に固定された部分（バイモルフ１２の揺動端側のネジ２３の軸芯）と、挟持部１５ｂの円柱部１５ｄがバイモルフ１２に当接する部分とを結ぶ線である。
また、拡大レバー１５の回転軸１５ａと拡大レバー１５の狭持部１５ｂとを結ぶ線は、回転軸１５ａの軸芯（軸２１の軸芯）と、２つの円柱部１５ｄの中点とを結ぶ線である。２つの円柱部１５ｄの中点とは、一方の円柱部１５がバイモルフ１２に当接した部分と、他方の円柱部１５がバイモルフ１２に当接した部分との中点である。

また、拡大レバー１５の回転軸１５ａと拡大レバー１５の連結軸１５ｃとを結ぶ線は、回転軸１５ａの軸芯（軸２１の軸芯）と、連結軸１５ｃの軸芯とを結ぶ線である。
さらに、ブレードレバー１６の回転軸１６ａとブレードレバー１６の連結長穴１６ｂとを結ぶ線は、回転軸１６ａの軸芯（軸２２の軸芯）と、ブレードレバー１６の連結長穴１６ｂの中心（連結軸１５ｃの軸芯）とを結ぶ線である。

このように構成することによって、バイモルフ１２と、拡大レバー１５と、ブレードレバー１６と、ブレード１７とは、略Ｃの字状にレイアウトされる。また、バイモルフ１２とブレード１７とは、略平行となる。このように配置することによって、非常にコンパクトな冷却装置１を構成することができる。
（１−３：冷却装置への吸気構成）
ダクト１８の吹出口１８ａ（開口部の一例）は、ブレード１７の基端側（固定側）において、ブレード１７の近傍に配置されている。言い換えると、ダクト１８の吹出口１８ａは、ブレード１７の長手方向における中心部より、揺動角の小さい側において、ブレード１７の近傍に配置されている。

より具体的には、ダクト１８の吹出口１８ａは、ブレード１７の長手方向において、ブレード１７の略１/２の位置から、ブレードレバー１６の回転軸１６ａまでの範囲において、ブレード１７の側方に配置されている。さらに、ダクト１８の吸込口１８ｂは、不図示の電子機器の筐体外部、またはそれに準ずる雰囲気中に開口している。
ここで、バイモルフ１２を交流電力にて揺動駆動すると、ブレード１７が電子部品等の発熱体１９の表層で、扇ぎ運動を開始する。このとき、ブレード１７の長手方向の略１/２の位置から先端側までの範囲において、扇ぎによる空気の流れ、例えばブレード１７から離れる方向に空気の流れ３０が、発生する。一方で、ブレード１７の長手方向の略１/２の位置からブレードレバー１６の回転軸１６ａまでの範囲においては、ブレード１７に接近する方向に空気の流れ３１が、発生する。言い換えると、この場合、空気の流れ３１は巻き込むような流れとなり、回転軸１６ａ近傍の空気を、ブレード１７側に引き寄せている。したがって、この引き寄せる流れ３１、すなわち吸い込む流れによって、冷えた外気が、ダクト１８から取り込まれる。また、冷えた外気は、ダクト１８からだけでなく、ブレード１７の周辺からも取り込まれる。このようにして、冷えた外気すなわち空気の流れ３１を、ブレード１７の基端側において引き寄せ、この冷えた外気すなわち空気の流れ３０をブレード１７の先端側から送り出すことが可能である。すなわち、ブレード１７によって、発熱体１９の表層を冷却することができる。

なお、ここで用いたブレード１７の基端側は、ブレード１７の長手方向の略１/２の位置からブレードレバー１６の回転軸１６ａまでの範囲に対応する文言である。また、ブレード１７の先端側は、ブレード１７の長手方向の略１/２の位置から先端側までの範囲に対応する文言である。
＜実施形態の特徴＞
上記実施形態において特徴的な部分を以下に列記する。なお、上記実施形態に含まれる発明は以下に限定されるものではない。
（１）冷却装置の主たる駆動源は、セラミックアクチュエータであり、具体的にはバイモルフを使用している。
（２）（１）に記載の冷却装置では、バイモルフの変位を拡大する、少なくとも１つの拡大機構を、有している。この場合、少なくとも１つの拡大機構によって、バイモルフの変位を増幅（拡大）することができるので、発熱体を効果的に冷却することができる。
（３）（１）に記載の冷却装置では、拡大機構によって拡大されたバイモルフの変位が、回転揺動駆動するブレードに伝達され、ブレードを扇ぎ駆動させることができる。これにより、電子機器が磁束の影響を受けることなく、発熱体を効果的に冷却することができる。
（４）（１）に記載の冷却装置では、ブレードの扇ぎ駆動面に対して略平行になるように、電子部品などの発熱体が配置される。これにより、冷却装置をコンパクト化することができる。
（５）（１）に記載の冷却装置では、ブレードの略中心より回転中心側に、外気等の発熱体よりも低い温度の空気を取り込むダクトを設けている。これにより、冷却装置を発熱体の近傍に配置したとしても、冷却装置は、常に温度の低い空気を、発熱体に送風することができる。すなわち、発熱体を効果的に冷却することができる。
（６）（１）に記載の冷却装置では、駆動源であるバイモルフと、拡大機構を介して駆動されるブレードとが、略平行に配置される。これにより、冷却装置をコンパクト化することができる。
（７）（１）に記載の冷却装置であって、駆動源であるバイモルフと拡大機構とブレードとが、略Ｃの字状に配置される。これにより、冷却装置をコンパクト化することができる。
（８）（１）に記載の冷却装置では、駆動源であるバイモルフと拡大機構とブレードとが電子機器内でデッドスペースを利用できるように、拡大機構の回転中心に対して入力と出力のなす角度、さらにブレード部材の回転中心に対する入力とブレードのなす角度を自由に設定できる。これにより、冷却装置のレイアウトの自由度を向上することができる。すなわち、冷却装置の設計の自由度を向上することができる。
（９）（１）に記載の冷却装置では、拡大機構とブレード部材が２枚の板部材（アンダーカバー１３及びアッパーカバー１４）で狭持されている。また、これら板部材によって、冷却装置は発熱体に対して接着もしくは粘着させている。これにより、冷却装置を、電子機器の内部において、確実に位置決めすることができる。

＜他の実施形態＞
（Ａ）前記実施形態では、１つの拡大レバー１５を用いる場合の例を示したが、拡大レバー１５の数は前記実施形態に限定されず、どのようにしてもよい。例えば、複数の拡大レバー１５を用いて、バイモルフ１２の振動を増幅するようにしてもよい。この場合でも前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
（Ｂ）前記実施形態では、バイモルフ１２を、圧電アクチュエータとして用いる場合の例を示したが、バイモルフに代えて、他の圧電アクチュエータを用いてもよい。例えば、圧電アクチュエータとして、モノモルフ又はユニモルフ等を用いてもよい。この場合でも前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
（Ｃ）前記実施形態では、ダクト１８がブレード１７に対して片側に配置される場合の例を示したが、ダクト１８をブレード１７の両側に配置するようにしてもよい。この場合、前記実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、冷却効果をさらに高めることができる。

本発明は、電子機器に適用できる。具体的には、デジタルスチルカメラやムービーなど小型電子機器に適用可能である。

１ 冷却装置
１１ ベース部材
１２ バイモルフ
１３ アンダープレート
１４ アッパープレート
１５ 拡大レバー
１６ ブレードレバー
１７ ブレード
１８ ダクト
１９ 発熱体
２０ 間隔部材
２１、２２ 軸
３０、３１ 空気の流れ

Claims (6)

1. ベース部材と、
   一端部が前記ベース部材に固定された板状の圧電アクチュエータと、
   前記圧電アクチュエータの他端部に連結され、前記圧電アクチュエータの厚み方向への揺動によって揺動可能な少なくとも１つの拡大機構と、
   前記拡大機構に連結され、前記拡大機構の揺動によって揺動可能なブレードと、
   前記拡大機構と前記ブレードを連結するブレードレバーと、
   を備え、
   前記圧電アクチュエータに交流電力を印加することによって、前記ブレードが扇ぎ動作し、
   前記圧電アクチュエータ、前記拡大機構、前記ブレードレバー、及び前記ブレードは、同一平面上に位置し、
   前記拡大機構は、前記平面に対して垂直な第１軸で前記ベース部材に対して回転可能に支持されており、
   前記ブレードレバーは、前記平面に対して垂直な第２軸で前記ベース部材に対して回転可能に支持されている、
   冷却装置。
2. 前記圧電アクチュエータが変位する面と、前記ブレードが変位する面とが、同一又は平行である、
   請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記圧電アクチュエータと前記ブレードとが、略平行に配置されている、
   請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 前記圧電アクチュエータは、圧電セラミックス板であり、
   前記圧電アクチュエータは、モノモルフ、ユニモルフ、及びバイモルフのいずれか１つから構成されている、
   請求項１から３のいずれかに記載の冷却装置。
5. 前記ブレード近傍に配置されるダクト、
   をさらに備え、
   前記ダクトの開口部は、前記ブレードの中心部より揺動角の小さい側に、配置されている、
   請求項１から４のいずれかに記載の冷却装置。
6. 前記拡大機構は、絶縁体で構成されている、
   請求項１から５のいずれかに記載の冷却装置。