JPWO2008069266A1 - 圧電マイクロブロア - Google Patents

Abstract

【課題】逆止弁を使用せずに圧縮性流体を効率よく輸送でき、流量を確保できる圧電マイクロブロアを提供する。【解決手段】ブロア本体１に第１壁部１ａと第２壁部１ｂとを設け、ダイヤフラム５０の中央部と対向する壁部の位置に開口部５ａ，５ｂを形成する。両壁部の間に、開口部５ａ，５ｂと外部とを連通させる流入通路７を形成する。圧電素子３に電圧を印加してダイヤフラム５０を振動させると、開口部５ａ周辺の第１壁部１ａが振動し、流入通路７から気体を吸い込み、開口部５ｂから気体を排出することができる。【選択図】 図１

Description

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

ノートパソコンなどの小型電子機器の冷却水輸送用ポンプや燃料電池の燃料輸送用ポンプなどに、圧電マイクロポンプが用いられている。一方、ＣＰＵ等の冷却用ファンに代わる送風用ブロア、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を用いることができる。圧電マイクロポンプ及び圧電マイクロブロアは共に、圧電素子への電圧印加により屈曲変形するダイヤフラムを用いたポンプ（ブロア）であり、構造が簡単で、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。

液体のような非圧縮性流体を輸送する場合には、流入口および流出口にそれぞれゴムや樹脂のような柔らかい材料を用いた逆止弁を設け、数十Ｈｚ程度の低い周波数で圧電素子を駆動するのが一般的である。ところが、逆止弁を持つマイクロポンプを空気のような圧縮性流体を輸送するために用いた場合、圧電素子の変位量が非常に小さく、流体を殆ど吐出できない。圧電素子をダイヤフラムの共振周波数（１次共振周波数又は３次共振周波数）付近で駆動すると、最大変位が得られるが、共振周波数はｋＨｚのオーダーの高周波数のため、逆止弁が追従動作できない。そのため、圧縮性流体を輸送するためには逆止弁を有しない圧電マイクロブロアが望ましい。

特許文献１には、ポンプ本体と圧電素子との間にポンプ室を形成し、ポンプ室の側面側に流入ポートを形成し、圧電素子と対向する面に排出ポートを形成した冷却デバイスが開示されている。流入ポートは外部からポンプ室に向かって開口面積が漸次小さくなるテーパ形状に形成され、排出ポートはポンプ室から外部に向かって開口面積が漸次小さくなるテーパ形状に形成されている。このように流入ポートと排出ポートとをテーパ形状とすることにより、流入ポートと排出ポートを通過する流体抵抗に差を与え、圧電素子がポンプ室の容積を増大する方向に変位した時には流入ポートから流体（例えば空気）を流入させ、ポンプ室の容積が減少する方向に変位した時には流出ポートから流体を排出させることができ、流入ポート，排出ポートの逆止弁を省略することができる。

しかしながら、前記のように流入ポートと排出ポートのテーパ形状を設定したとしても、圧電素子がポンプ室の容積を増大する方向に変位した時、流体は流入ポートから流入するだけでなく、流出ポートからも流入する。逆に、ポンプ室の容積が減少する方向に変位した時には、流体が流出ポートから排出されるだけでなく、流入ポートからも排出される。そのため、流出ポートから吐出されるポンプの全体流量は、圧電素子の体積変化量に比べて小さくなる。圧電素子の体積変化量自体は極めて小さいので、流量もそれに応じて非常に少なくなり、冷却デバイスとして十分な冷却効果を得ることが困難であるという問題があった。

特許文献２には、ステンレス鋼製ディスク上に取り付けられた圧電ディスクを有する超音波駆動体と、超音波駆動体を取り付けた第１のステンレス鋼膜体と、超音波駆動体から所定の間隔を隔てて超音波駆動体と略平行に取り付けられた第２のステンレス鋼膜体とを備えたガス流発生器が開示されている。圧電ディスクに電圧を印加することにより、超音波駆動体が屈曲変位し、第２のステンレス鋼膜体の中心部分に形成された孔から空気が放出される。このガス流発生器も逆止弁を有しないので、超音波駆動体を高周波で駆動することができる。

前記ガス流発生器の場合、超音波駆動体を高周波で駆動すると、第２ステンレス鋼膜体の中心部分に形成された孔の周囲の空気を吸い込み、あるいは巻き込みながら、空気を孔の直交方向に吐出し、慣性噴射（ジェット）を発生させることができる。しかし、第２ステンレス鋼膜体の中心孔の周囲の状況により、流量が大きく変動する。例えば、中心孔の近傍に障害物が存在すると、吐出流量が極端に減少してしまう。また、このガス流発生器をＣＰＵ等の発熱源の冷却用ファンとして使用した場合、発熱源の周囲にある温かい空気をそのまま発熱源に吹き付けるだけであるため、単に空気をかき混ぜているだけであり、熱交換効率が悪い。
特開２００４−１４６５４７号公報 特表２００６−５２２８９６号公報

そこで、本発明の好ましい実施形態の目的は、逆止弁を使用せずに圧縮性流体を効率よく輸送でき、流量を確保できる圧電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、外周部がブロア本体に対して固定され、圧電素子を有するダイヤフラムと、ブロア本体とダイヤフラムとの間に形成されたブロア室とを備え、前記圧電素子に電圧を印加してダイヤフラムを屈曲変形させることにより、圧縮性流体を輸送する圧電マイクロブロアにおいて、前記ダイヤフラムとの間でブロア室を形成するブロア本体の第１壁部と、前記ダイヤフラムの中心部と対向する前記第１壁部の部位に形成され、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壁部を間にしてブロア室と反対側に、第１壁部と間隔をあけて設けられた第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壁部との間に形成され、外側端部が外部に連通され、内側端部が第１開口部及び第２開口部に接続された流入通路とを備える圧電マイクロブロアを提供する。

図１は本発明にかかる圧電マイクロブロアの基本構造の一例を示す。この圧電マイクロブロアは、ブロア本体１と、外周部がブロア本体１に対して固定されたダイヤフラム２とを備え、ダイヤフラム２の背面中央部には圧電素子３が貼り付けられている。ブロア本体１の第１壁部１ａとダイヤフラム２との間にはブロア室４が形成されている。ダイヤフラム２の中心部と対向する第１壁部１ａの部位に第１開口部５ａが形成されている。圧電素子３に電圧を印加することにより、ダイヤフラム２を屈曲変形させ、第１開口部５ａとダイヤフラム２との距離を変化させることができる。ブロア本体１には、第１壁部１ａを間にしてブロア室４と反対側に、第１壁部１ａと間隔をあけて第２壁部１ｂが設けられ、第１開口部５ａと対向する第２壁部１ｂの部位に第２開口部５ｂが形成されている。第１壁部１ａと第２壁部１ｂとの間には、外側端部が外部に連通され、内側端部が第１開口部５ａ及び第２開口部５ｂに接続された流入通路７が形成されている。

図１の（ａ）〜（ｅ）はダイヤフラム２を１次共振モードで変位させた場合のブロア動作を示す。図１の（ａ）は初期状態（非電圧印加時）であり、ダイヤフラム２は平坦状である。図１の（ｂ）は圧電素子３への印加電圧の最初の１／４周期を示し、ダイヤフラム２が下に凸に屈曲するので、第１開口部５ａとダイヤフラム２との距離が増大し、第１開口部５ａを介してブロア室４内に流体が吸い込まれる。矢印は流体の流れを示す。このとき、流入通路７の流体の一部がブロア室４内に吸い込まれる。次の１／４周期では、図１の（ｃ）のようにダイヤフラム２は平坦状に戻る時、第１開口部５ａとダイヤフラム２との距離が減少し、流体は開口部５ａ，５ｂを通って上方向に押し出される。この時、流入通路７の流体を一緒に巻き込みながら上方に流れるので、第２開口部５ｂの出口側では大流量が得られる。次の１／４周期では、図１（ｄ）のようにダイヤフラム２が上に凸に屈曲するので、第１開口部５ａとダイヤフラム２との距離が減少し、ブロア室４内の流体が高速で開口部５ａ，５ｂから上方向に押し出される。この高速流は、流入通路７の流体を一緒に巻き込みながら上方に流れるので、第２開口部５ｂの出口側では大流量が得られる。次の１／４周期では、図１の（ｅ）のようにダイヤフラム２は平坦状に戻る時、第１開口部５ａとダイヤフラム２との距離が増大し、流体は第１開口部５ａを通過してブロア室４内に若干吸い込まれるが、流入通路７の流体は慣性により中心方向、及びブロア室外に流体が押し出される方向に流れ続ける。その後、ダイヤフラム２の動作は図１の（ｂ）に戻り、それ以後（ｂ）〜（ｅ）の動作を周期的に繰り返す。ダイヤフラム２を高周波で屈曲振動させることにより、流入通路７を流れる流体の慣性が終息する前に、開口部５ａ，５ｂに次の流れを発生させることができ、流入通路７の中に常に中心方向への流れを起こさせることができる。この動作は、第１開口部５ａとダイヤフラム２との距離が増大する方向にダイヤフラム２が変位するとき、流入通路７内の流体を第１開口部５ａを介してブロア室４内に吸引し、第１開口部５ａとダイヤフラム２との距離が減少する方向にダイヤフラム２が変位するとき、第２開口部５ｂからブロア室４外に押し出される高速流と一緒に、ブロア室４外の流入通路７に存在する流体も一緒に巻き込んで押し出すという作用が生じているものと考えられる。

本実施形態の場合には、ダイヤフラム２の変位に伴って開口部５ａ，５ｂを高速で流れる流体により、流入通路７から流体を開口部５ａ，５ｂへ引き込むことができる。つまり、ダイヤフラム２が下に凸に変位する時だけでなく、上に凸に変位する時にも流入通路７から流体を開口部５ａ，５ｂへ引き込むことができる。流入通路７から引き込まれた流体と、ブロア室４から押し出された流体とが合流して第２開口部５ｂから吐出されるので、ダイヤフラム２の変位体積以上の吐出流量を得ることができる。流入通路７は開口部５ａ，５ｂの間の空間に接続され、ブロア室４に直接接続されていないので、流入通路７がブロア室４内の圧力変化の影響を受けない。そのため、逆止弁を設けなくても開口部５ａ，５ｂを流れる高速流が流入通路７に逆流することがなく、流量を効果的に増大させることができる。

本圧電マイクロブロアでは、流体の流出口である第２開口部５ｂと流入口である流入通路７の外側端部とを離れた位置に設けることができるので、本圧電マイクロブロアを例えばＣＰＵ等の発熱源の冷却用ファンに適用した場合、第２開口部５ｂを発熱源に向け、流入通路７の外側端部を冷気空間に接続すれば、冷気空間から吸い込んだ冷気を発熱源に対して吹き付けることが可能となる。

第１開口部及び第２開口部と接続された流入通路の内側端部に、第１開口部及び第２開口部より大きな開口面積を有する中央空間を形成するのがよい。この場合には、流入通路を通った流体が一旦中央空間に集められ、第１開口部から吹き出される流体の流れによって、一緒に第２開口部から排出される。この場合、流入通路を中央空間から放射方向に伸びる複数の通路で構成し、各流入通路の外側端部にそれぞれ流入口を形成すれば、流入通路の通路面積を確保できるので、流路抵抗を低減でき、さらなる流量増加を図ることができる。

前記のように流入通路の内側端部に第１開口部及び第２開口部より大きな開口面積を有する中央空間を形成した場合、ダイヤフラムの変位に伴い、第１壁部の中央空間と対向する部分が共振するように、中央空間の開口面積を設定するのがよい。即ち、第１壁部の中央空間と対向する部分の固有振動数をダイヤフラムの振動周波数と近づけることにより、ダイヤフラムの変位に追随して第１壁部を共振させることができる。この場合には、ダイヤフラムが発生する流体の流量を第１壁部の変位によって増加させる働きがあり、さらなる流量増加を実現できる。

本発明におけるダイヤフラムとは、樹脂板または金属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、樹脂板または金属板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、樹脂板または金属板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、さらにはダイヤフラム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、圧電素子に交番電圧（正弦波電圧または矩形波電圧）を印加することによって、板厚方向に屈曲振動するものであればよい。

圧電素子を含むダイヤフラムを１次共振モード（１次共振周波数）で駆動するのが、最も大きな変位量が得られるので望ましいが、１次共振周波数は可聴域となるため、騒音が大きくなる場合がある。これに対し、３次共振モード（３次共振周波数）を用いると、１次共振モードに比べて変位量が小さくなるものの、共振モードを使用しない場合より大きな変位量が得られ、しかも可聴領域を越えた周波数で駆動できるため、騒音を防ぐことができる。なお、１次共振モードとは、ダイヤフラムの中央部と周辺部とが同方向に変位するモードのことであり、３次共振モードとは、ダイヤフラムの中央部と周辺部とが逆方向に変位するモードのことである。

３次共振モードを用いた場合、ダイヤフラムの中央部が上に凸に変位したとき、ダイヤフラムの周辺部は下に凸に変位する。圧電素子を円板状とした場合、ダイヤフラムの中央部と周辺部との間に変位のノード点が存在するので、そのノード点に対応した圧電素子の部位に配線を行うのが一般的である。しかし、ノード点はかなり狭い領域に制限され、しかも圧電素子の中間領域に位置するため、はんだ付けなどの配線作業がしにくく、信頼性が低下する可能性がある。これに対し、圧電素子をリング状とした場合、圧電素子の外周部をダイヤフラムの外周部を保持しているブロア本体に近づけることができるので、圧電素子の外周部に配線を接続すればよく、配線作業が容易になり、信頼性が向上する。

発明の好ましい実施形態の効果

以上のように、本発明の圧電マイクロブロアによれば、ダイヤフラムを屈曲振動させることにより、流入通路内の流体を第１開口部を介してブロア室内に吸引し、第２開口部からブロア室外に押し出される高速流と一緒に、ブロア室外の流入通路に存在する流体も一緒に巻き込んで押し出すことができる。そのため、ダイヤフラムの変位体積以上の吐出流量を得ることができ、大流量のブロアを実現できる。また、逆止弁を使用しなくても両開口部を流れる高速流が流入通路に逆流するのを防止できるので、流量を効果的に増大させることができる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。

図２〜図５は本発明にかかる圧電マイクロブロアの第１実施例を示す。本実施例の圧電マイクロブロアＡは、電子機器の空冷用ブロアとして用いた例であり、天板（第２壁部）１０、流路形成板２０、セパレータ（第１壁部）３０、ブロア枠体４０、ダイヤフラム５０及び底板６０が上方から順に積層固定されている。ダイヤフラム５０の外周部は、ブロア枠体４０と底板６０との間で接着固定されている。ダイヤフラム５０を除く部品１０，２０，３０，４０，６０はブロア本体１を構成しており、金属板や硬質樹脂板のような剛性のある平板材料で形成されている。

天板１０は四角形平板で形成されており、その中心部には表裏に貫通する吐出口（第２開口部）１１が形成されている。

流路形成板２０も天板１０と同一外形を有する平板であり、図５に示すように、その中央部には吐出口１１より大径な中央孔（中央空間）２１が形成されている。中央孔２１から４つのコーナ部に向かって放射方向に延びる複数（ここでは４本）の流入通路２２が形成されている。本実施例の圧電マイクロブロアＡの場合、流入通路２２が中央孔２１に対して４方向から連通しているため、ダイヤフラム５０のポンピング動作に伴って流体が抵抗なく中央孔２１に引き寄せられ、さらなる流量の増加を図ることができる。

セパレータ３０も天板１０と同一外形を有する平板であり、その中心部には吐出口１１と対向する位置に、吐出口１１とほぼ同一径の貫通孔３１（第１開口部）が形成されている。なお、吐出口１１と貫通孔３１とは同一径であってもよいし、異なる径であってもよいが、少なくとも中央孔２１より小さい径を有する。４つのコーナ部近傍には、流入通路２２の外側端部と対応する位置に流入孔３２が形成されている。天板１０と流路形成板２０とセパレータ３０とを接着することにより、吐出口１１と中央孔２１と貫通孔３１とが同一軸線上に並び、後述するダイヤフラム５０の中心部と対応している。なお、後述するように、セパレータ３０の中央孔２１と対応する部分を共振させるため、セパレータ３０を薄肉金属板で形成するのが望ましい。

ブロア枠体４０も天板１０と同一外形を有する平板であり、その中心部には大径な空洞部４１が形成されている。４つのコーナ部近傍には、前記流入孔３２と対応する位置に流入孔４２が形成されている。ブロア枠体４０を間にしてセパレータ３０とダイヤフラム５０とを接着することにより、ブロア枠体４０の空洞部４１によってブロア室４が形成される。なお、ブロア室４は閉鎖された空間である必要はなく、一部開放されていてもよい。例えばブロア枠体４０の中心部に形成された空洞部４１にスリットが形成されブロア枠体４０の外部と連通されていたり、流入孔４２付近にのみブロック状のブロア枠体を形成していてもよい。すなわち、本発明のブロア室４はセパレータ３０とダイヤフラム５０とで挟まれ区画された空間であればよい。

底板６０も天板１０と同一外形を有する平板であり、その中心部にはブロア室３とほぼ同形の空洞部６１が形成されている。底板６０は圧電素子５２の厚みと振動板５１の変位量との合計より厚肉に形成されており、マイクロブロアＡを基板などに搭載した場合でも、圧電素子５２が基板と接触するのを防止できる。前記空洞部６１は後述するダイヤフラム５０の圧電素子５２の周囲を取り囲む空洞部を形成している。底板６０の４つのコーナ部近傍には、前記流入孔３２，４２と対応する位置に流入孔６２が形成されている。

ダイヤフラム５０は、振動板５１の中央部下面に円形の圧電素子５２を貼り付けた構造を有する。振動板５１としては、ステンレス、真鍮等の種々の金属材料を用いることができる他、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料からなる樹脂板を用いてもよい。圧電素子５２は上述のブロア枠体４０の空洞部４１より小径な円板である。この実施例では、圧電素子５２として表裏面に電極を持つ単板の圧電セラミックスを使用し、これを振動板５１の裏面（ブロア室３と逆側の面）に貼り付けてユニモルフ型ダイヤフラムを構成した。圧電素子５２に交番電圧（正弦波または矩形波）を印加することにより、圧電素子５２が平面方向に伸縮するので、ダイヤフラム５０全体が板厚方向に屈曲変形する。圧電素子５２にダイヤフラム５０を１次共振モード又は３次共振モードで屈曲変位させる交番電圧を印加することにより、それ以外の周波数の電圧を印加する場合に比べてダイヤフラム５０の変位体積を格段に大きくでき、流量を大幅に増加させることができる。

振動板５１の４つのコーナ部近傍には、前記流入孔３２，４２，６２と対応する位置に流入孔５１ａが形成されている。前記流入孔３２，４２，６２，５１ａによって、一端が下方に開口し、他端が流入通路２２へ通じる流入口８が形成される。

図４に示すように、圧電マイクロブロアＡの流入口８はブロア本体１の下方に向かって開口しており、吐出口１１は上面側に開口している。圧縮性流体を圧電マイクロブロアＡの裏側の流入口８から吸込み、表側の吐出口１１から排出することができるので、燃料電池の空気供給用ブロアやＣＰＵの空冷用ブロアとして好適な構造となる。なお、流入口８は下方に開口している必要はなく、外周に開口していてもよい。

図４では、振動板５１と圧電素子５２とで構成されるダイヤフラム５０を用いたが、図６のように、振動板５１と圧電素子５２との間に中間板５３を設けたダイヤフラム５０ａを用いてもよい。中間板５３はＳＵＳ等の金属板を利用することができる。このような中間板５３を振動板５１と圧電素子５２との間に設けることによって、ダイヤフラム５０ａが屈曲変位する際の中立面を中間板５３内に位置させることができ、変位を阻害する要因を取り除くことができる。その結果、変位効率がさらに良好になり、低電圧で流量の大きな圧電マイクロブロアＢを得ることができる。

本実施例の圧電マイクロブロアＡの作動は図１に示したものとほぼ同様である。但し、本実施例では、流入通路２２の内側端部に第１開口部３１および第２開口部１１より大きな開口面積を持つ中央空間２１を形成し、かつセパレータ３０を薄肉金属板で形成してある。そのため、図７に示すような作動を行うことができ、さらなる流量増加を実現できる。

図７は圧電マイクロブロアＡの作動を説明するための概略図であり、理解を容易にするため、変位を大きく表してある。図７の（ａ）は初期状態（非電圧印加時）であり、（ｂ）〜（ｅ）は圧電素子５２への印加電圧（例えばｓｉｎ波）の１／４周期毎にダイヤフラム５０とセパレータ３０の変位を図示したものである。圧電素子５２に交番電圧を印加することにより、（ｂ）〜（ｅ）の動作を周期的に繰り返す。図示するように、ダイヤフラム５０の振動に伴ってセパレータ３０が共振し、セパレータ３０はダイヤフラム５０に対して約９０°位相が遅れた形で振動する。セパレータ３０が共振することによって、第１開口部３１から大きな圧力波が上方向に向けて生成され、この圧力波によって中央空間２１内の空気が第２開口部１１から外部へ向けて排出されるため、セパレータ３０が共振しない場合に比べて流量増加を達成できる。中央空間２１の空気が外部へ排出されることによって、流入通路２２内の空気は中央空間２１に向かって引き込まれ、第２開口部１１から連続的に空気流を発生させることができる。

図７ではダイヤフラム５０が１次共振モードで変位する例を記載したが、３次共振モードで変位する場合も同様である。また、セパレータ３０の変位量がダイヤフラム５０の変位量より大きい例を示したが、中央空間２１の大きさ、セパレータ３０のヤング率および厚み等によって、セパレータ３０の変位量がダイヤフラム５０より小さい場合もありうる。さらに、セパレータ３０のダイヤフラム５０に対する位相遅れは９０°に限るものではない。要するに、セパレータ３０がダイヤフラム５０に対してある位相遅れをもって共に振動し、それによってダイヤフラム５０とセパレータ３０との距離が、セパレータ３０が振動しない場合に比べてより大きく変化するように構成してあればよい。

以下に示すデータは、前記構成よりなるマイクロブロアＡの一実験例である。まず、厚み０．1ｍｍのＳＵＳ板上に、厚み０．１５ｍｍ、直径１２．７ｍｍのＰＺＴ単板からなる圧電素子を貼り付けたダイヤフラムを用意した。続いて、真鍮板からなるセパレータ、及びＳＵＳ板からなる天板、流路形成板、ブロア枠体及び底板を用意した。なお、天板の中心には直径０．８ｍｍの第２開口部が設けられ、セパレータの中心には直径０．６ｍｍの第１開口部が設けられている。また、流路形成板の中心には、直径が６ｍｍで高さが０．４ｍｍの中央空間が設けられている。続いて、前記の構成部材を、底板、ダイヤフラム、ブロア枠体、セパレータ、流路形成板、天板の順に積み重ねて接着し、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×高さ２．４ｍｍのブロア本体を作製した。なお、ブロア本体のブロア室は高さ０．１５ｍｍ、直径１８ｍｍに設計されている。

前記構成のマイクロブロアＡに、周波数１７ｋＨｚ、６０Ｖｐ−ｐのｓｉｎ波形の電圧を印加して駆動したところ、１００Ｐａ時で流量８００ｍｌ／ｍｉｎを得た。これは３次モードで駆動させた場合の例であるが、１次モードでも駆動することが可能である。このように、流量が大きいマイクロブロアを得ることができた。

表１は、ダイヤフラム５０の駆動周波数と、中央空間２１の直径とを変化させた場合の流量の違いを示したものである。流量の単位はＬ／ｍｉｎである。

なお、駆動周波数２４．４ｋＨｚにおける４２Ｎｉ板の厚みは０．０８ｍｍ、駆動周波数２５．５ｋＨｚにおける４２Ｎｉ板の厚みは０．１ｍｍのものを使用した。

表１から明らかなように、中央空間２１の直径が５ｍｍの場合には、周波数を高くする方が流量が増加するが、中央空間２１の直径が６ｍｍの場合には、周波数を低くする方が流量が増加することがわかる。このように、中央空間２１に対応するセパレータ３０の振動が流量に影響していることがわかる。これは振動板５１の材質及び厚みによってダイヤフラムの固有振動数も異なってくるが、中央空間２１の直径を調整することで、中央空間２１に対応するセパレータ３０の固有振動数を、ダイヤフラムの固有振動数に近づけ共振させることができ、それによって流量が増大したものと思われる。

図８は、振動板５１と圧電素子５２との間に中間板５３を設けたダイヤフラム５０ａを用いたマイクロブロアＢの実験結果を示す。この実験は、表２に示すように、セパレータ３０の材質及び厚みを変化させたときの流量を比較したものである。サンプル１はセパレータとして厚みが０．０５ｍｍのりん青銅を使用し、サンプル２はセパレータとして厚みが０．１ｍｍのＳＵＳ３０４を使用した。その他の構成は、マイクロブロアＡと同一である。セパレータ以外の構成は、サンプル１とサンプル２とで共通とし、駆動周波数は共に２４．４ｋＨｚとした。

りん青銅とＳＵＳ３０４は、同じ厚みで比較した場合、ＳＵＳ３０４の方がりん青銅より１．５倍程度剛性が高くなるが、厚みの違いが２倍あるので、サンプル１に比べてサンプル２の方がセパレータの剛性が格段に高くなっている。換言すると、サンプル１では中央空間に面するセパレータ部分が振動するが、サンプル２ではセパレータ部分が殆ど振動しないと考えられる。この実験は、中央空間に面するセパレータ部分の振動の流量に及ぼす影響を測定したものである。

図８の（ａ）に示すように、例えば印加電圧２０Ｖｐｐで比較すると、サンプル２では約０．４２Ｌ／ｍｉｎであるのに対し、サンプル１では約０．７８Ｌ／ｍｉｎであり、サンプル１の流量はサンプル２の約２倍となっている。つまり、セパレータ部分の振動が流量増加に大きく寄与していることがわかる。図８の（ｂ）は消費電力に基づく流量を比較したものである。インピーダンスが変化するため、消費電力も変化するが、同じ消費電力で比較しても、サンプル１の方が有利であることがわかる。

図９は本発明にかかるマイクロブロアの第２実施例を示す。第１実施例と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例のマイクロブロアＢでは、圧電素子として中心部に空洞を持つリング形状の圧電素子５２ａを使用し、圧電素子５２ａの外周部をダイヤフラム５０ｂの外周部を保持しているブロア本体１に近づけたものである。

図１０は円板状の圧電素子とリング状の圧電素子とを用いたダイヤフラムの３次共振モードでの変位を示す。円板状圧電素子５２を用いた場合、（ａ）に示すように中心位置（０ｍｍの位置）から６ｍｍの位置まで圧電素子が取り付けられている。リング状圧電素子５２ｂを用いた場合には、（ｂ）で示すように中心位置（０ｍｍの位置）から２．５ｍｍの位置まで空洞があり、２．５ｍｍ〜８ｍｍの範囲に圧電素子が取り付けられている。いずれの場合も、ダイヤフラム５０，５０ｂの外周側の８ｍｍ以上の領域がブロア本体１で固定されている。

図１０の（ａ）に示すように、円板状圧電素子５２を有するダイヤフラム５０を３次共振モードで振動させた場合、圧電素子５２の中間領域（４ｍｍの位置）にノード点が存在する。圧電素子５２へのリード線の接続はノード点に行うのが望ましいが、ノード点は圧電素子５２の中間部にあり、かつ点であるため、振動によって断線しないように接続しようとすると、小さい面積で高精度な位置合わせが必要となり、配線の難易度が高い。これに対し、リング状圧電素子５２ａを有するダイヤフラム５０ｂの場合、図１０の（ｂ）のように、圧電素子５２ａの外周部をブロア本体１と近接させることができるので、圧電素子５２ａの外周部に配線を接続すればよく、接続位置が殆ど振動しないので、配線が容易になり、信頼性が向上する。

以下に示すデータは、リング状圧電素子を有するダイヤフラムを用いたマイクロブロアＣの一実験例である。まず、厚み０．１ｍｍの真鍮板に、厚みが０．２ｍｍ、外形１８ｍｍ、内径５ｍｍのリング状のＰＺＴ単板からなる圧電素子を貼り付けたダイヤフラムを用意した。続いて、真鍮板からなるセパレータ、及びＳＵＳ板からなる天板、流路形成板、ブロア枠体及び底板を用意した。なお、天板の中心には直径１．０ｍｍの第２開口部が設けられ、セパレータの中心には直径０．８ｍｍの第１開口部が設けられている。また、流路形成板の中心には直径６ｍｍで高さが０．５ｍｍの中央空間が設けられている。続いて、前記の構成部材を、底板、ダイヤフラム、ブロア枠体、セパレータ、流路形成板、天板の順に積み重ねて、それぞれ接着し、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×高さ４．０ｍｍのブロア本体を作製した。なお、ブロア本体のブロア室は高さ０．０５ｍｍ、直径１８ｍｍに設計されている。

前記構成のマイクロブロアＣに、周波数２５．２ｋＨｚ、６０Ｖｐ−ｐのｓｉｎ波形の電圧を印加して駆動したところ、１００Ｐａ時で流量７００ｍｌ／ｍｉｎ：最大発生圧力０．７ｋＰａを得た。これは３次モードで駆動させた場合の例であるが、１次モードでも駆動することが可能である。図１０の（ｂ）に示すように、リング状圧電素子５２ａを使用した場合、ダイヤフラム５０ｂの中心部の変位量が非常に大きくなる。例えば、厚み０．１ｍｍ、直径５ｍｍの真鍮板の固有振動数は約２５ｋＨｚであるため、振動板５１の厚みを０．１ｍｍ、リング状圧電素子５２ａの内径を５ｍｍとした場合、２５ｋＨｚ付近で駆動するとリング状圧電素子５２ａの屈曲によりダイヤフラム５０ｂの中央部が共振するため、ダイヤフラム５０ｂの中心部に非常に大きな変位が得られ、流量増加を実現できる。また、この最大変位部分には圧電素子が存在しないので、圧電素子の変位・駆動速度を小さくでき、耐久性の向上を実現できる。

図１１〜図１３は本発明に係るマイクロブロアの第３実施例を示す。第１実施例と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例のマイクロブロアＤでは、流路形成板２０の中央部に流入通路を兼ねる四角形の中央空間２３が形成されている。中央空間２３はブロア室４を構成するブロア枠体４０の空洞部４１より広い開口面積を持つ。セパレータ（第１壁部）３０、ブロア枠体４０、底板６０及びダイヤフラム５０の対角の２つコーナ部には、それぞれ切欠部３３，４３，６３及び５１ｂが形成され、これら切欠部は前記中央空間２３のコーナ部と対応しており、これら切欠部が流入口８を構成している。なお、底板６０には切溝６４が形成されているが、これはマイクロブロアＤを基板などに搭載した場合に、ダイヤフラム５０の下面側空間が密閉空間になるのを防止する通気溝として、及び圧電素子５２の配線を引き出すための溝として使用される。

以下に示すデータは、前記構成よりなるマイクロブロアＤの一実験例である。まず、厚み０．１ｍｍのＳＵＳ板上に、厚み０．２ｍｍ、直径１２．７ｍｍのＰＺＴ単板からなる圧電素子を貼り付けたダイヤフラムを用意した。続いて、ＳＵＳ板からなるセパレータ、天板、流路形成板、ブロア枠体及び底板を用意した。なお、天板の中心には直径０．６ｍｍの第２開口部が設けられ、セパレータの中心には直径２．０ｍｍの第１開口部が設けられている。また、流路形成板には、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍの中央空間が設けられている。続いて、前記の構成部材を、底板、ダイヤフラム、ブロア枠体、セパレータ、流路形成板、天板の順に積み重ねて接着し、縦２２ｍｍ×横２２ｍｍ×高さ２ｍｍのブロア本体を作製した。なお、ブロア本体のブロア室の高さは０．１ｍｍ、直径１８ｍｍに設計されている。

前記構成のマイクロブロアＣに、周波数１６ｋＨｚ，６０Ｖｐ−ｐのｓｉｎ波形の電圧を印加して駆動したところ、１００Ｐａ時で流量９０ｍｌ／ｍｉｎを得た。これは３次共振モードで駆動した場合の例であるが、１次共振モードでも駆動することが可能である。

この実施例では、中央空間２３が開口部１１，３１を中心として全方向に開放する流入通路として機能するので、流入空気の空気抵抗を減らすことができる。また、ブロア室と対向するセパレータ３０のほぼ全領域が中央空間２３によって開放されているので、セパレータ３０の広い領域がダイヤフラム５０の振動と共に振動できる。そのため、ダイヤフラム５０が一次共振モードで振動する場合でもセパレータ３０を共振させることが可能である。

前記各実施例では、中央空間と対応するセパレータ（第１壁部）の部分をダイヤフラムの振動に伴って共振させる例を示したが、必ずしもセパレータが共振する必要はなく、ダイヤフラムの振動と共にセパレータに振動が励振され、かつセパレータがダイヤフラムに対して所定の位相遅れをもって振動する構造であれば、流量増加を達成できる。

また、前記実施例ではブロア本体を複数の板状部材を積層接着して構成したが、これに限るものではない。例えば、天板１０と流路形成板２０、セパレータ３０とブロア枠体４０、流路形成板２０とセパレータ３０を、樹脂又は金属で一体形成することも可能である。

流入通路の形状は、図５に示すような放射方向に直線的に延びた形状に限るものではなく、任意に選択できる。また、流入通路の本数も任意であり、流量、騒音の程度に応じて選択できる。

本発明の一実施形態の圧電マイクロブロアの動作原理図である。 本発明に係る圧電マイクロブロアの第１実施例の全体斜視図である。 図２に示す圧電マイクロブロアの分解斜視図である。 図２のIV−IV線断面図である。 図４のＶ−Ｖ線断面図である。 図４に示す圧電マイクロブロアの変形例の断面図である。 図２に示す圧電マイクロブロアの概略動作図である。 セパレータの材質及び厚みを変えたサンプルにおける印加電圧に対する流量特性と、消費電力に対する流量特性とを示す。 本発明に係る圧電マイクロブロアの第２実施例の断面図である。 円板状圧電素子を用いたダイヤフラムとリング状圧電素子を用いたダイヤフラムの変位を比較した図である。 本発明に係る圧電マイクロブロアの第３実施例の斜視図である。 図１１のXII−XII線断面図である。 図１１に示す圧電マイクロブロアの分解斜視図である。

符号の説明

Ａ〜Ｄ 圧電マイクロブロア
１ ブロア本体
２ ダイヤフラム
３ 圧電素子
４ ブロア室
８ 流入口
１０ 天板（第２壁部）
１１ 吐出口（第２開口部）
２０ 流路形成板
２１ 中央空間
２２ 流入通路
３０ セパレータ（第１壁部）
３１ 貫通孔（第１開口部）
４０ ブロア枠体
５０，５０ａ，５０ｂ ダイヤフラム
５１ 振動板
５２，５２ａ 圧電素子
６０ 底板

Claims (6)

1. ブロア本体と、外周部がブロア本体に対して固定され、圧電素子を有するダイヤフラムと、ブロア本体とダイヤフラムとの間に形成されたブロア室とを備え、前記圧電素子に電圧を印加してダイヤフラムを屈曲変形させることにより、圧縮性流体を輸送する圧電マイクロブロアにおいて、
   前記ダイヤフラムとの間でブロア室を形成するブロア本体の第１壁部と、
   前記ダイヤフラムの中心部と対向する前記第１壁部の部位に形成され、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壁部を間にしてブロア室と反対側に、第１壁部と間隔をあけて設けられた第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壁部との間に形成され、外側端部が外部に連通され、内側端部が第１開口部及び第２開口部に接続された流入通路とを備えることを特徴とする圧電マイクロブロア。
2. 前記第１開口部及び第２開口部と接続された流入通路の内側端部に、前記第１開口部及び第２開口部より大きな開口面積を有する中央空間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電マイクロブロア。
3. 前記流入通路は、前記中央空間から放射方向に伸びる複数の通路で構成され、各流入通路の外側端部にそれぞれ流入口が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電マイクロブロア。
4. 前記ダイヤフラムの変位に伴い、前記第１壁部の前記中央空間と対向する部分が共振するように、前記中央空間の開口面積が設定されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の圧電マイクロブロア。
5. 前記圧電素子は、中心部に空洞を持つリング形状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電マイクロブロア。
6. 前記圧電素子に、圧電素子を含むダイヤフラムが１次または３次の共振モードで変位する電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電マイクロブロア。

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