JP6429685B2 - 振動発生装置および発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動発生装置および発光装置に関する。

電子機器などによる発熱を効率よく放熱させるための冷却器として、チャンバ内に空間を二分する振動体を設けて、その振動体を振動させることで発生する気体の噴流を利用する振動（噴流）発生装置が知られている。

例えば、特許文献１には、フレームと、振動方向にほぼ垂直な面を有する振動板を有し、弾性支持部材を介してフレームに振動可能に支持された振動体と、開口を有し、フレームを支持するとともに内部に気体が含まれた筐体と、振動体を駆動して気体に振動を与えることで、開口を介して気体を脈流として吐出させるための駆動部とを有する噴流発生装置が記載されている。

また、特許文献２には、気体に振動を与える振動体と、振動体を駆動する駆動部と、開口部が形成され、上記の気体を含み、弾性支持部材を介して振動体を支持し、振動体の駆動により開口部を介して気体を脈流として吐出させる筐体とを有する噴流発生装置が記載されている。

特開２００６−３２０８９２号公報 特開２００６−２９７２９５号公報

特許文献１，２の噴流発生装置では、振動体を構成する振動板の全周が弾性支持部材で支持されているため、大振幅を作り出すことが難しく、また、全周固定の弓なり振動となって、気体への振動エネルギーの伝達効率が低くなる。また、弾性支持部材はゴムまたは樹脂などであるため、振動による摩耗や経年劣化が発生し、装置の長寿命化には適していない。また、弾性支持部材で支持された振動体を高効率に振動させるためには振動体を共振点で振動させることが望ましいが、共振周波数は材料バラつき、製造バラつき、環境温度などによって変化するため、共振振動により安定した性能を得ることは難しい。

そこで、本発明は、弾性支持部材を用いずに、振動体から気体に振動エネルギーをより高効率に伝達させることができ、かつ長寿命化にも適した振動発生装置を提供することを目的とする。また、本発明は、発光素子による発熱を効率よく放熱させて発光効率を向上させた発光装置を提供することを目的とする。

開口部を有する筐体と、筐体内に配置された磁石と、筐体内で磁石に接するように配置された鉄心と、筐体の内壁と鉄心との間に保持された磁性流体と、側面にコイルが巻き付けられ鉄心を取り囲む筒型の形状を有し、コイルに交流電流が流れることにより筐体の内壁に沿って振動して、筐体内の気体を開口部から脈流として吐出させる振動体とを有し、振動体は、鉄心を取り囲むように側面に磁性材料が巻き付けられることで、磁性流体によって筐体の内壁と鉄心との間に保持されている振動発生装置が提供される。

上記の振動発生装置では、振動体のコイルは、磁性材料を覆うように巻き付けられていることが好ましい。
上記の振動発生装置では、鉄心は、上端と下端の間で幅が細くなることにより、筐体の内壁との間に磁気勾配を形成することが好ましい。

また、上面に発光素子が実装された基板と、基板の下側に配置され、開口部を有する筐体と、筐体内に配置された磁石と、筐体内で磁石に接するように配置された鉄心と、筐体の内壁と鉄心との間に保持された磁性流体と、側面にコイルが巻き付けられ鉄心を取り囲む筒型の形状を有し、コイルに交流電流が流れることにより筐体の内壁に沿って振動して、筐体内の気体を開口部から脈流として吐出させる振動体とを有し、振動体は、鉄心を取り囲むように側面に磁性材料が巻き付けられることで、磁性流体によって筐体の内壁と鉄心との間に保持されている発光装置が提供される。

上記の振動発生装置によれば、弾性支持部材を用いずに、振動体から気体に振動エネルギーをより高効率に伝達させることができ、かつ製品の長寿命化も実現することが可能になる。また、上記の発光装置によれば、発光素子による発熱を効率よく放熱させて発光効率を向上させることが可能になる。

発光装置１の斜視図である。 発光装置１の縦断面図である。 冷却器２内の各部材の形状を示す図である。 発光装置１’の縦断面図である。

以下、図面を参照しつつ、振動発生装置および発光装置について説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。

図１は、発光装置１の斜視図である。発光装置１は、基板１０と、基板１０の下側に配置された冷却器２とを有する。

基板１０は、その上面に、発光部１１および接続電極１２Ａ，１２Ｂを有する。発光部１１は、基板１０の上面中央における円形領域であり、例えば、基板１０の上面に実装された１つまたは複数のＬＥＤ（発光ダイオード）などの発光素子と、その発光素子を封止する封止樹脂で構成される。接続電極１２Ａ，１２Ｂは、発光装置１を外部電源に接続するための電極であり、接続電極１２Ａは基板１０の１つの角部に、接続電極１２Ｂは接続電極１２Ａに対向する基板１０の角部にそれぞれ設けられている。

冷却器２は、振動発生装置の一例であり、その筐体内部に振動体を有し、その振動体を振動させて筐体の開口部から筐体内の気体（空気）を脈流として吐出させることにより、基板１０の発光部１１で発生した熱を放熱させる。冷却器２は、筐体として外装ケース２１とヨーク２２を有する。

外装ケース２１は、冷却器２の筐体の上側部分を構成する箱型の部材であり、例えば樹脂で構成される。外装ケース２１は複数の開口部２１Ａを有し、それらは外装ケース２１の四方の側面に形成されている。冷却器２の内部の振動体が振動すると、それぞれの開口部２１Ａを通して、矢印Ａ１で示すように外部の空気が吸気されたり、矢印Ａ２で示すように冷却器２の内部の空気が排気されたりする。

ヨーク２２は、冷却器２の筐体の下側部分を構成する箱型の部材であり、例えば鉄で構成される。外装ケース２１とヨーク２２の間は仕切られておらず、図１に示すように両者が重ね合わされることにより、全体で１つの内部空間が形成される。

図２は、発光装置１の縦断面図である。また、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、冷却器２内の各部材の形状を示す図である。冷却器２は、外装ケース２１とヨーク２２で構成される内部空間に、磁石２３、トッププレート２４、磁性流体２５、ボビン２６およびダイヤフラム２７を有する。

図３（Ａ）は、冷却器２からヨーク２２、磁石２３およびトッププレート２４以外の部材を取り除き、ヨーク２２を鉛直方向に切断した状態の側面図である。磁石２３は、ヨーク２２の底面の中央部に固定されている。トッププレート２４は、鉄心の一例であり、ヨーク２２の内部で磁石２３の上に固定された鉄製の部材である。トッププレート２４は、磁石２３より幅が大きな円筒形状を有し、トッププレート２４とヨーク２２との間の隙間は、磁石２３とヨーク２２との間の隙間より狭くなっている。冷却器２内では、ヨーク２２、磁石２３およびトッププレート２４により磁気回路が構成される。

磁性流体２５は、ヨーク２２の内壁とトッププレート２４との間に磁力により保持されて、冷却器２の内部空間を上下に二分する。磁性流体とは、界面活性剤を用いて水や油に磁性体の微粒子を分散させた流体であり、流体自体が磁性をもつように振る舞う。冷却器２内では、ヨーク２２の内壁とトッププレート２４との間の隙間が磁気ギャップ部分となり、ここに磁束が集中するため、図２に示すように、磁性流体２５はその隙間に保持される。

図３（Ｂ）はボビン２６の斜視図であり、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）に示すヨーク２２内にボビン２６を差し込んだ状態の側面図である。ボビン２６は、トッププレート２４を取り囲む筒型の形状を有し、例えばプラスチックなどの非磁性材料で構成される。図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に示すように、ボビン２６の側面には、水平方向にボイスコイル２８が巻き付けられている。

また、図３（Ｂ）と図３（Ｃ）には示していないが、ボビン２６の上端にはダイヤフラム２７が固定されている。ダイヤフラム２７は、ボビン２６の上端を塞ぐ円板状の部材である。

発光装置１を外部電源に接続してボイスコイル２８に交流電流を流すと、ボイスコイル２８は、フレミングの左手の法則に従って冷却器２内の磁場から電磁気力を受けて、図２に太い矢印で示すように、外装ケース２１およびヨーク２２の内壁に沿って鉛直方向に振動する。すなわち、ボビン２６とダイヤフラム２７は、冷却器２内の気体に振動を与える振動体として機能する。ボビン２６とともにダイヤフラム２７が鉛直方向に振動すると、冷却器２の内部空間の上部において、外装ケース２１とダイヤフラム２７により囲まれる空気室の容積が変動する。これに伴い、冷却器２では、内部空間の空気が開口部２１Ａから脈流として吐出することにより、基板１０の下側で吸排気の風が発生する。こうして、冷却器２は、上側にある基板１０の発光部１１で発生した熱を放熱させる。

冷却器２では、磁性流体２５の磁気体積力により、ボビン２６がヨーク２２の内部で中空保持される。磁気体積力とは、磁性流体が磁界によって引力を受けているときに、その磁性流体に浸かっている非磁性材料をその引力とは逆方向に押し出す力のことである。ボビン２６には、水平方向および鉛直方向の磁気体積力、重力ならびに浮力（磁性流体２５とボビン２６の比重の違いに起因する力）が働くので、ボビン２６は、鉛直方向の磁気体積力、重力および浮力が釣り合う位置で中空保持される。この原理について、以下でさらに説明する。

図２に示すように、ボビン２６の側面には、鉛直方向の中央付近において、トッププレート２４を取り囲むように磁性材料２９が巻き付けられており、さらに磁性材料２９を覆うようにボイスコイル２８が巻き付けられている。磁性材料２９には、例えばピアノ線などが用いられる。

ボビン２６に磁性材料２９が設けられていないと、ボビン２６を磁性流体２５に浸したときに、ボビン２６には鉛直上向きと鉛直下向きに同じ大きさの磁気体積力が働くため、浮力より重力が大きければボビン２６はヨーク２２の底面まで沈んで静止する。しかしながら、ボビン２６に磁性材料２９が設けられていると、磁性材料２９にはトッププレート２４に引き寄せられる力が働くため、磁性材料２９は磁力が一番強い部分（磁気ギャップ部分）に留まろうとする。そして、鉛直方向におけるトッププレート２４および磁性流体２５の中央付近に磁性材料２９が位置するときに、磁性流体２５から非磁性材料のボビン２６に働く磁気体積力、磁性材料２９がトッププレート２４に引き寄せられる力、ならびにボビン２６の重力および浮力が釣り合う。このため、ボビン２６は、ヨーク２２の底面まで沈むことなく、磁性流体２５を介して冷却器２の内部空間に中空保持される。

また、水平方向では、ボビン２６には、磁性流体２５により、トッププレート２４から放射状に一様に外側に向かう磁気体積力が働く。このため、冷却器２では、磁性流体２５により、水平方向において、ボビン２６の中心が常にトッププレート２４の中心に一致するセンタリング効果も得られる。

ボビン２６を振動させる際は、ボビン２６の振幅がある程度大きくなるまでは、ボイスコイル２８に流す交流電流を強くするほど、ボビン２６の振幅は増加する。しかしながら、磁性材料２９が磁性流体２５から飛び出すほどに振幅が大きくなると、ボビン２６を磁気ギャップ部分に保持するために十分な引力が得られなくなるため、振動が阻害される。そこで、ボイスコイル２８に流す交流電流を調節して、磁性材料２９が常に磁性流体２５内に収まる程度の振幅でボビン２６を振動させるとよい。

ボビン２６を振動させる際は、磁気体積力、重力、浮力および電磁気力に加えて、摩擦力もボビン２６に働く。この摩擦力は、常に進行方向とは逆向きに働くため、ボビン２６の振動を大きく阻害する。特に、磁性流体は低粘度のものであっても空気の１万倍程度の粘度を有するため、磁性流体２５中の振動は、空気中の振動と比べて摩擦力により大きく阻害される。そこで、磁性流体２５とボビン２６との接触面積を狭くして、磁性流体２５の粘度に起因する摩擦力を可能な限り小さくすることが好ましい。

図４は、発光装置１’の縦断面図である。発光装置１’は、基板１０と、基板１０の下側に配置された冷却器２’とを有する。このうち、基板１０は、発光装置１のものと同一である。

冷却器２’は、振動発生装置の一例であり、外装ケース２１、ヨーク２２、磁石２３、トッププレート２４’、磁性流体２５、ボビン２６’およびダイヤフラム２７を有する。冷却器２’は、トッププレート２４’の形状を除いて冷却器２と同様の構成を有するため、以下では冷却器２と異なる部分を中心に説明し、重複する説明を省略する。

図４に示すように、ボビン２６’は、冷却器２のボビン２６と同一の形状を有する。冷却器２’でも、ボビン２６’の側面には、鉛直方向の中央付近において、トッププレート２４を取り囲むように磁性材料２９が巻き付けられており、さらに磁性材料２９を覆うようにボイスコイル２８が巻き付けられている。また、冷却器２’では、トッププレート２４’は、鉛直方向における上端と下端の間の中央付近で幅が細くなっている。すなわち、トッププレート２４’は、鉛直方向の上端から中央付近にかけて次第に幅が細くなるとともに、鉛直方向の中央付近から下端にかけて再び次第に幅が太くなり、上端と下端では同じ幅になっている。

このようなトッププレート２４’の形状により、鉛直方向に沿ってヨーク２２の内壁とトッププレート２４’との間の距離が変化し、それに伴い、この空間（磁気ギャップ部分）において、磁束密度の分布が変化するために磁気勾配が形成される。特に、ヨーク２２の内壁との間隔が狭いトッププレート２４’の上端付近および下端付近では磁束密度が高くなり、ヨーク２２の内壁との間隔が広いトッププレート２４’の中央付近では磁束密度が低くなる。このため、図４に示すように、冷却器２’では、磁性流体２５は、トッププレート２４’の上端付近および下端付近の２か所に分かれて保持される。これにより、冷却器２’では、冷却器２と比べて、磁性流体２５の注入量を減らすことができ、磁性流体２５とボビン２６’との接触面積が狭くなるため、ボビン２６’の振動時に磁性流体２５とボビン２６’の間に働く摩擦力が低減される。

以上説明したように、冷却器２，２’では、磁性流体２５の磁気体積力によりボビン２６，２６’を内部空間に中空保持させる。これにより、冷却器２，２’では、例えば次の効果が得られる。
（１）ボビン２６，２６’の振動は全周自由端振動となるため、大振幅を容易に作り出すことができ、外装ケース２１とダイヤフラム２７により囲まれる空気室内の空気に、ダイヤフラム２７全体で振動エネルギーを伝えることが可能になる。
（２）一般に、冷却器内の振動体（振動板）を弾性支持部材で支持した場合には振動板の面積の制約が生じ得るが、冷却器２，２’では、弾性支持部材を使用しないため、振動板であるダイヤフラム２７の面積が制約されることはない。
（３）ボビン２６，２６’は、磁性流体２５中で振動するので、振動によって摩耗したり劣化したりすることがなく、冷却器２，２’を長寿命化することが可能になる。
（４）振動体であるボビン２６，２６’を中空保持することで、振動体のバネ成分が非常に小さくなるため、冷却器２，２’は、低周波数の共振点を容易に持つことができる。
（５）冷却器２，２’では共振の鋭さが特に小さいため、非共振振動であっても振動の効率が高くなり、また、温度依存性が少ない安定した振動が実現される。
（６）磁性流体２５は磁力で磁気ギャップ部分に留まるため、磁性流体２５を保持するための接着剤などは不要であり、これによって製造のコストが削減されるとともに、装置の構造も簡略化される。

また、発光装置１，１’では、冷却器２，２’の冷却効果により発光部１１内の発光素子の発光効率が向上し、小型の発光部であっても発光量を高めることが可能になる。

１，１’ 発光装置
２，２’ 冷却器
１０ 基板
１１ 発光部
２１ 外装ケース
２２ ヨーク
２３ 磁石
２４，２４’ トッププレート
２５ 磁性流体
２６，２６’ ボビン
２７ ダイヤフラム
２８ ボイスコイル
２９ 磁性材料

Claims (4)

1. 開口部を有する筐体と、
   前記筐体内に配置された磁石と、
   前記筐体内で前記磁石に接するように配置された鉄心と、
   前記筐体の内壁と前記鉄心との間に保持された磁性流体と、
   側面にコイルが巻き付けられ前記鉄心を取り囲む筒型の形状を有し、前記コイルに交流電流が流れることにより前記筐体の内壁に沿って振動して、前記筐体内の気体を前記開口部から脈流として吐出させる振動体とを有し、
   前記振動体は、前記鉄心を取り囲むように側面に磁性材料が巻き付けられることで、前記磁性流体によって前記筐体の内壁と前記鉄心との間に保持されている、
   ことを特徴とする振動発生装置。
2. 前記振動体のコイルは、前記磁性材料を覆うように巻き付けられている、請求項１に記載の振動発生装置。
3. 前記鉄心は、上端と下端の間で幅が細くなることにより、前記筐体の内壁との間に磁気勾配を形成する、請求項１または２に記載の振動発生装置。
4. 上面に発光素子が実装された基板と、
   前記基板の下側に配置され、開口部を有する筐体と、
   前記筐体内に配置された磁石と、
   前記筐体内で前記磁石に接するように配置された鉄心と、
   前記筐体の内壁と前記鉄心との間に保持された磁性流体と、
   側面にコイルが巻き付けられ前記鉄心を取り囲む筒型の形状を有し、前記コイルに交流電流が流れることにより前記筐体の内壁に沿って振動して、前記筐体内の気体を前記開口部から脈流として吐出させる振動体とを有し、
   前記振動体は、前記鉄心を取り囲むように側面に磁性材料が巻き付けられることで、前記磁性流体によって前記筐体の内壁と前記鉄心との間に保持されている、
   ことを特徴とする発光装置。

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