JPWO2009116455A1 - 圧電ファン及び圧電ファンを用いた空冷装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒートシンクの複数の放熱フィンの間で複数のブレードを屈曲変位させたとき、ブレードの捩れを抑制し、耐久性、信頼性の高い圧電ファンを提供する。【解決手段】圧電ファン10は、電圧印加により屈曲振動する圧電振動子16と、圧電振動子に連結又は一体化された複数の並列なブレード12a〜12cとを備え、各ブレードはヒートシンク1の放熱フィンの側面と平行方向に屈曲変位できるように各放熱フィン2a〜2dの間に挿入されている。ブレード12a〜12cの長さ方向自由端部にブレードを相互に連結する連結部15を設けてある。ブレードを圧電振動子により励振させ、放熱フィン間の暖気を排出するとき、連結部15によって各ブレードの捩れを抑制する。【選択図】 図1

Description

本発明は圧電振動子を屈曲振動させることにより、それに連結されたブレードを大きく屈曲変位させ、ヒートシンクの放熱フィン間の暖気を排出する圧電ファンに関するものである。
近年、携帯型の電子機器では小型化と部品の高密度実装化に伴って、電子機器内部で発生する熱の放熱対策が課題になっている。このような電子機器を効率よく空冷する手段として、圧電ファンを用いた空冷装置が提案されている。
特許文献1には、複数の可動片を回転軸に取り付け、発熱体の発熱部に所用の間隔をおいて並設された複数の放熱フィンの間に各可動片を挿入し、回転軸を連続回転又は所定角度範囲で揺動させることで、放熱フィン間に冷気を送り込むと同時に、放熱フィン間の暖気を排出するようにした放熱器が開示されている。
特許文献2には、圧電素子を含む発風振動子を有し、排気口と吸気口とが同一の面に設けられて成る圧電ファンが開示されている。この圧電ファンは、発風振動子の両側を挟むように、ケース本体の開口部から内側へ延長する一対の仕切り壁が設けられ、夫々の仕切り壁とケース本体の両側部との間の開口が吸気口として形成され、両仕切り壁に挟まれた開口が排気口として形成されている。
特許文献1のような放熱器は、各可動片が放熱フィンの近傍に位置する暖気を強制的に外部へ放出する機能を備えるので、放熱効果が優れている。しかし、電子機器の小型化の要請を考えれば、特許文献1のような回転羽根方式の放熱器をそのまま用いることには不都合がある。そこで、特許文献1の構造に代えて、例えば特許文献2で示されたような小型軽量の圧電ファンを用いることが考えられる。圧電ファンを用いた場合、その発風能力は発風振動子中の圧電素子の変位量に依存することになるが、圧電素子の変位量は特許文献1の可動片の動きほど大きくはない。そこで、出来るだけ効率的に電子機器内部の冷却を行なうために、両仕切り壁間の間隔を発風板(ブレード)の幅に出来るだけ近づける、つまり仕切り壁とブレードとの隙間を出来るだけ小さくすることが望ましい。
圧電ファンではブレードを屈曲変位させて空気の流れを発生させるので、変形しやすいフレキシブルなブレードを採用する必要がある。他方で、ブレードと両側仕切り壁(放熱フィン)の隙間寸法をできるだけ小さくすることが、効率的な冷却にとって望ましい。これは、放熱フィン表面の熱境界層を直接"かきとる"ことで、フィンからの放熱を促進する効果と、フィンとブレードの隙間を通ってブレードの裏側に流れ込む空気を少なくすることで、ファン前方への空気の流れを増やす効果とによる。しかし、これは流れやすかった場所を塞ぐということに他ならないから、ブレードに作用する空気抵抗を大幅に大きくしてしまう。
図10は、放熱フィン50間を動くブレード51の様子を示したものである。実線で示すように、ブレード51は放熱フィン50の側面と平行方向に変位するのが理想であるが、ブレード51と放熱フィン50との隙間が小さいと、ブレード51はなるべく空気抵抗を小さくしながら動こうとするため、破線で示すようにブレード51が捩れて放熱フィン50との隙間を広くするような姿勢を取る。図10ではブレード51の左側縁が上方に、右側縁が下方に捩れる場合を示したが、ブレード51の左右側縁の空気抵抗の違いによって、逆方向に捩れることもある。場合によっては、捩れがバネ剛性により回復して、今度は逆側に捩れるというような、捩れ振動のような複雑な挙動を示すことがある。実際、ブレードが細長い場合には、この捩れ変形によってブレード先端が放熱フィンと接触するということが観察される。捩れ振動のような想定外の振動発生は、圧電ファンの耐久性・信頼性に影響を与え、放熱フィンとの接触は騒音の発生につながるだけでなく、損傷・磨耗などによる特性変化を引き起こす可能性がある。
実開平02−127796号公報 特開2002−339900号公報
本発明は、ヒートシンクの複数の放熱フィンの間で複数のブレードを屈曲変位させたとき、ブレードの捩れを抑制し、耐久性、信頼性の高い圧電ファンを提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、間隔をあけて並設された複数の放熱フィンを有するヒートシンクから、前記放熱フィン間の暖気を排出する圧電ファンにおいて、電圧印加により屈曲振動する圧電振動子と、当該圧電振動子により励振されるよう前記圧電振動子に連結又は一体化された複数の並列なブレードとを備え、前記ブレードの長さ方向中間部から自由端部までの領域内に、前記ブレードを相互に連結する連結部を設けたことを特徴とする圧電ファンを提供する。
圧電振動子にブレードを連結し、圧電振動子に交流電圧を印加することで、ブレードを共振振動させる。ブレードを放熱フィンの間で振動させることで、放熱フィンの間の空気の入れ替えを行うことができ、効率よく放熱することができる。放熱フィンの間の空気を圧電ファンで入れ替えようとする場合、放熱フィンは複数枚が平行に設置されているので、圧電ファンについても、複数のブレードを並べて形成し、それらを各フィン間に挿入するのがよい。その際、隣り合うブレードの長さ方向中間部から自由端部までの領域内に設けた連結部で互いに連結することにより、各ブレード単体の捩れを抑制しているので、ブレードが放熱フィンと接触するという事態を回避でき、耐久性、信頼性の高い圧電ファンを得ることができる。また、ブレードと放熱フィンの隙間寸法をできるだけ小さくできるので、フィン近傍の暖気をかき取ることができ、効率的な冷却が可能になる。
本発明における圧電振動子とは、交流電圧を印加することにより屈曲振動するものであるが、種々の構成を採用することができる。例えば、ブレードの一端側主面に単板の圧電素子を貼り付けることにより、ブレードと圧電素子とでユニモルフ型の圧電振動子を構成することができる。また、逆方向に伸縮する2枚の圧電素子をブレードの両面に接着してバイモルフ型の圧電振動子を構成することもできる。さらに、ブレードとは別に、圧電素子と金属板とを接着することにより圧電振動子を構成してもよい。圧電振動子の屈曲振動に伴う振幅自体は非常に小さいが、圧電振動子に取り付けられたブレードが共振することで、圧電振動子の振幅を何倍にも増幅することができる。ブレードは金属板でもよいし、樹脂板でもよい。圧電振動子の振動によってブレードが一次共振できるように、ブレードの厚み、長さ、ヤング率等を適切に設定すればよい。
圧電振動子とブレードとの関係は、単一の圧電振動子に複数のブレードを並列に連結してもよいし、1つの圧電振動子に1つのブレードを連結した圧電ファンを複数個並列配置してもよい。さらには、複数のブレードと一体に基板部を設け、この基板部に圧電素子を貼り付けて圧電振動子を構成してもよい。連結部は、ブレードと一体構造であってもよいし、別部材で構成してもよい。例えば連結部をブレードより高剛性とした場合には、捩れ振動を一層効果的に抑制できる。また、連結部をブレードより比重の大きな材料で構成した場合、ブレードの先端部に重りが形成されることによって、重りによる慣性モーメントが大きくなり、ブレードの変位量が大きくなるという効果がある。
ブレードを放熱フィンの側面と平行方向に屈曲変位できるように各放熱フィンの間に挿入すると共に、ブレードの長さ方向自由端部をヒートシンクの外部に突出させ、ヒートシンクの外部に突出したブレードの長さ方向自由端部を連結部によって相互に連結してもよい。ブレードは、通常、最も大きな振幅が得られる1次の振動モードで共振させる。その際、ブレード先端部分が最も振幅が大きくなり、速度も大きいため、ブレード先端部分に最も大きな空気抵抗が作用する。この空気抵抗と、固定端から離れていることが重なって、ブレード先端部で最も捩れや捩れ振動が発生しやすい。したがって、ブレードの自由端部先端部でブレードを連結することにより、捩れや捩れ振動の抑制に最も効果がある。
ヒートシンクの放熱フィンの長さ方向中間部に溝部を形成し、ブレードの連結部を溝部に変位自在に挿入してもよい。この場合には、例えばブレードの中間部等、放熱フィンに形成された溝部の位置で連結しているため、連結部が放熱フィンの外側に張り出すことがなく、省スペースとなる。なお、この場合には中間部に溝部のあるヒートシンクが必要になるが、例えばZ型クリップを用いて取り付ける方式のヒートシンクの場合、クリップ挿入用の溝部が予め形成されているので、この溝部を利用して連結部を配置することができる。
発明の好ましい実施形態の効果
以上のように、本発明によれば、ブレードの長さ方向中間部から自由端部までの領域内に複数のブレードを相互に連結する連結部を設けたので、ブレードが放熱フィンの間で振動したとき、ブレードの捩れを防止でき、ブレードが放熱フィンと接触するという事態を回避できる。さらに、ブレードと放熱フィンの隙間寸法をできるだけ小さくできるので、効率的な冷却が可能になる。
本発明に係る圧電ファンを用いた空冷装置の第1実施形態の斜視図である。 図1に示す圧電ファンの斜視図である。 図1に示す圧電ファンの分解斜視図である。 図1に示す空冷装置を備えた電子機器の断面図である。 図4のV−V線断面図である。 本発明に係る圧電ファンの第2実施形態の分解斜視図である。 本発明に係る圧電ファンを用いた空冷装置の第3実施形態の斜視図である。 本発明に係る圧電ファンを用いた空冷装置の第4実施形態の斜視図である。 本発明に係る圧電ファンの種々の態様を示す図である。 圧電ファンのブレードが放熱フィンの間を動く様子を示す図である。
発明を実施するための形態
以下に、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔第1実施形態〕
図1〜図5は本発明に係る圧電ファンの第1実施形態を、ヒートシンク1の空冷装置として用いた例を示す。ヒートシンク1は、間隔をあけて並設された複数枚(ここでは4枚)の放熱フィン2a〜2dを有している。ヒートシンク1は、図4,図5に示すように回路基板3上に実装された発熱素子(CPU等)4の上面に熱的に結合された状態で取り付けられている。したがって、発熱素子4から生じる熱はヒートシンク1に伝導され、各放熱フィン2a〜2d間の空気は熱せられる。
本実施形態の圧電ファン10は、図2,図3に示すように、ステンレス板等のばね弾性に富む金属板11を備えている。金属板11の長さ方向一端側には、幅方向に連続する基板部11aが形成され、この基板部11aに、互いに平行に延びる同一長さ、同一幅の複数(ここでは3本)の帯板状のブレード12a〜12cが、一体に形成されている。金属板11の基板部11aの上下面には圧電素子13a,13bが貼り付けられ、基板部11aと圧電素子13a,13bとによってバイモルフ型の圧電振動子16が構成されている。基板部11aと圧電素子13a,13bとの一縁部(ブレード12a〜12cの延在方向と逆側の縁部)が支持体14で固定保持されている。ブレード12a〜12cの自由端部には、それらを相互に連結する連結部材15が設けられている。ブレード12a〜12cは各放熱フィン2a〜2dの間に、各ブレードの変位方向が放熱フィン2a〜2dの側面と平行になるように挿入されている。支持体14は、ヒートシンク1の近傍に位置するケース等の固定部材5に固定されている。ブレード12a〜12cは放熱フィン2a〜2dを長さ方向に貫通しており、連結部材15は放熱フィン2a〜2dから突出したブレード12a〜12cの先端部に設けられている。連結部材15は、各ブレードの変位を同調させ、ブレードの捩れを抑制するためのものであり、金属板11と同質材料でもよいし、樹脂等の別材質で形成されていてもよい。各ブレードに発生する捩れを効果的に解消するためには、連結部材15はブレード12a〜12cよりも高剛性であることが望ましい。また、連結部材15を重りとして機能させるため、ブレード12a〜12cより比重の大きな材料で形成してもよい。この場合には、連結部材15によってブレード12a〜12cの共振周波数が低下し、かつ振幅が大きくなる。
圧電素子13a,13bの上下電極と中間電極である金属板11との間に交流電圧を印加することにより、圧電振動子16はブレード12a〜12cの長さ方向に振幅V1(図4参照)で屈曲振動する。その振動によりブレード12a〜12cが共振し、ブレード12a〜12cの自由端は圧電振動子16より大きな振幅V2(図4参照)で振動する。ブレード12a〜12cが放熱フィン2a〜2dの側面と平行に変位するので、放熱フィン2a〜2d近傍の暖気がブレード12a〜12cでかき取られ、その暖気はブレード12a〜12cの長さ方向に排出される。なお、図1〜図3では、金属板11の表裏面にそれぞれ単一の圧電素子13a,13bを貼り付けたが、各面にブレードを個別に駆動するための複数の圧電素子を貼り付けても良い。
効率的な冷却にとって、ブレード12a〜12cと放熱フィン2a〜2dとの隙間をできるだけ狭く設定するのが望ましいが、その反面、ブレードに作用する空気抵抗によりブレードに捩れが発生しやすい。本実施形態では、各ブレード12a〜12cの自由端が連結部材15によって相互に連結されているので、各ブレードの捩れが抑制される。その動作を、図5を参照しながら説明する。図示するように、ブレード12a〜12cは放熱フィン2a〜2dの側面に対して直交方向の姿勢のまま平行移動するのが理想であるが、ブレードと放熱フィンとの隙間が小さいと、ブレードはなるべく空気抵抗を小さくしながら動こうとするため、個々のブレード12a〜12cに捩れ方向の力が作用する。特に、速度と振幅が最も大きな自由端での捩れが最大となる。しかし、ブレード12a〜12cの自由端が連結部材15によって相互に連結されているので、ブレード12a〜12cの捩れは連結部材15によって抑制され、放熱フィン2a〜2dの側面に対してほぼ直交方向の姿勢を維持したまま平行移動することができる。そのため、ブレード12a〜12cと放熱フィン2a〜2dとの隙間を狭く設定しても、ブレード12a〜12cが放熱フィン2a〜2dと接触したり、捩れ振動が発生するといった不具合を解消できる。
例えば、放熱フィンの長さL=30mm、ブレードの幅D=4mm、ブレードの厚み100μm、放熱フィンとブレードとの隙間0.3mmに設定した条件下で、ブレードを50〜100Hzで駆動したところ、ブレードと放熱フィンとが接触せず、ブレードを安定して駆動することができた。
〔第2実施形態〕
図6は本発明に係る圧電ファンの第2実施形態を示す。本実施形態において、第1実施形態と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。本実施形態の圧電ファン10aは、ブレード12a〜12cの長さ方向自由端部に、ブレード12a〜12cと一体に連結部15aを形成したものである。基板部11aにはブレード延在方向と逆側に延び、かつ圧電素子13a,13bが貼り付けられない延長部11bが一体に形成されている。この延長部11bが図示しない支持体によって保持されている。この場合には、基板部11a、ブレード12a〜12c及び連結部15aが1枚の金属板から形成されるので、部品数が少なくて済み、安価な圧電ファン10aを構成できる。また、圧電素子13a,13bの端部が支持体によって拘束されないので、圧電素子13a,13bがより自由に変位できる。
〔第3実施形態〕
図7は本発明に係る圧電ファンをヒートシンク1aの空冷装置として用いた第3実施形態を示す。本実施形態において、第1実施形態と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。本実施形態の圧電ファン10bでは、ブレード12a〜12cの長さ方向中間部が連結部17によって相互に連結されており、連結部17と対応するヒートシンク1aの放熱フィン2b,2cの長さ方向中間部に、溝部2e,2fが形成されている。そのため、ブレード12a〜12cが厚み方向に変位したとき、連結部17は溝部2e,2fの中を上下に自由に移動でき、放熱フィン2b,2cとの接触を防止できる。
本実施形態では、ブレード12a〜12cの自由端部は相互に連結されておらず、ヒートシンク1aの内部に位置している。そのため、ブレード12a〜12cがヒートシンク1aの外部へ長く突出せず、小型化することができる。本実施形態の連結部17はブレード12a〜12cと一体に形成されているが、別部材で連結してもよい。なお、溝部2e,2fによって分断された放熱フィン2b,2cのうち、圧電振動子16側の縁部には、ブレード12a〜12cが変位した時に連結部17と接触しないように、R面2g,2hが形成されている。
この実施形態では、ヒートシンク1aの中央の2つの放熱フィン2b,2cにのみ溝部2e,2fを形成したが、両側の放熱フィン2a,2dにも同様に溝部を形成し、幅方向に連続した溝部としてもよい。この場合は、この溝部に公知のZ型クリップを挿入してヒートシンク1aを回路基板等に取り付けることが可能になる。また、図2又は図6に示した圧電ファン10、10aを上述のヒートシンク1aに適用してもよい。つまり、ブレードの自由端部に形成された連結部材又は連結部を、放熱フィンの中間部に形成した溝部に挿入してもよい。
〔第4実施形態〕
図8は本発明に係る圧電ファンをヒートシンク1aの空冷装置として用いた第4実施形態を示す。本実施形態において、第1実施形態と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。本実施形態の圧電ファン10cでは、ブレード12a〜12cの長さ方向中間部を連結部17によって連結するとともに、長さ方向自由端部も連結部18によって連結したものである。長さ方向中間部を連結する連結部17は、第2実施形態と同様にヒートシンク1aの放熱フィン2b,2cの中間部に形成された溝部2e,2fに変位自在に挿入され、長さ方向自由端部を連結する連結部18はヒートシンク1aの外部に突出している。この場合は、ブレード12a〜12cを長さ方向2箇所で相互に連結しているので、捩れを一層効果的に抑制できる。
図9は本発明に係る圧電ファンの種々の態様を示す。図9の(a)に示す圧電ファン20は、1個の圧電振動子21の一端側を支持体22に連結し、圧電振動子21の他端部に複数のブレード23a〜23cを並列に固定し、これらブレード23a〜23cの自由端部を連結部材24によって相互に連結したものである。ここでは図示していないが、各ブレード23a〜23cはヒートシンクの放熱フィンの間に挿入される。圧電振動子21は交流電圧を印加することによって矢印方向に屈曲振動するものであり、バイモルフ振動子でもよいし、ユニモルフ振動子でもよい。
図9の(b)に示す圧電ファン30は、複数の長方形状の圧電振動子31a〜31cの長さ方向一端部を支持体32に並列に連結し、各圧電振動子31a〜31の長さ方向他端部にブレード33a〜33cを個別に固定し、ブレード33a〜33cの自由端部を連結部材34によって相互に連結したものである。なお、ブレード33a〜33cの基端側を長さ方向に延長し、その延長部の片面又は両面に圧電素子を貼り付けることで、ユニモルフ型又はバイモルフ型の振動子を構成してもよい。
図9の(c)に示す圧電ファン40は、3個のU字形圧電振動子41〜43を介してブレード45a〜45cを支持したものである。各圧電振動子41〜43は、第1の振動子41a〜43aと第2の振動子41b〜43bとを有し、第1の振動子41a〜43aと第2の振動子41b〜43bの長さ方向一端部同士をスペーサ41c〜43cを介して連結することでU字形構造とし、第1の振動子41a〜43aの長さ方向他端部にブレード45a〜45cを連結し、第2の振動子41b〜43bの長さ方向他端部を支持体44に並列に連結支持したものである。ブレード45a〜45cの自由端部は連結部材46によって相互に連結されている。第1の振動子41a〜43aと第2の振動子41b〜43bは、同一の振動特性を有する振動子であり、互いに逆向きに屈曲変位する。例えば、第1の振動子41a〜43aが上に凸に屈曲変位したとき、第2の振動子41b〜43bは下に凸に屈曲変位する。そのため、ブレード45a〜45cには各振動子の2倍の振幅の振動が与えられ、それに応じてブレード45a〜45cの振幅も拡大するため、大幅な風量増加を実現できる。
符号の説明
1,1a ヒートシンク
2a〜2d 放熱フィン
2e,2f 溝部
10 圧電ファン
11 金属板
11a 基板部
12a〜12c ブレード
13a,13b 圧電素子
14 支持体
15 連結部材
15a,17,18 連結部
16 圧電振動子

Claims (8)

  1. 間隔をあけて並設された複数の放熱フィンを有するヒートシンクから、前記放熱フィン間の暖気を排出する圧電ファンにおいて、
    電圧印加により屈曲振動する圧電振動子と、当該圧電振動子により励振されるよう前記圧電振動子に連結又は一体化された複数の並列なブレードとを備え、
    前記ブレードの長さ方向中間部から自由端部までの領域内に、前記ブレードを相互に連結する連結部を設けたことを特徴とする圧電ファン。
  2. 前記複数のブレードの長さ方向自由端部と逆側の端部には、これらブレードを幅方向に連結する基板部が一体に形成されており、
    前記基板部の表裏面の少なくとも1面に圧電素子を貼り付けることにより、前記圧電振動子が構成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電ファン。
  3. 前記連結部は前記ブレードより剛性が高いことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電ファン。
  4. 前記連結部は前記ブレードより比重の大きな材料で構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の圧電ファン。
  5. 前記連結部は、前記ブレードと一体に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電ファン。
  6. 前記ブレードは、前記放熱フィンの側面と平行方向に屈曲変位できるように各放熱フィンの間に挿入されており、
    前記ブレードの長さ方向自由端部は前記ヒートシンクの外部に突出しており、
    前記連結部は、前記ヒートシンクの外部に突出したブレードの長さ方向自由端部を相互に連結していることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の圧電ファン。
  7. 前記ヒートシンクの前記放熱フィンの長さ方向中間部に溝部が形成されており、
    前記連結部は、前記溝部に変位自在に挿入されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに1項に記載の圧電ファン。
  8. 請求項1乃至7のいずれかに1項に記載の圧電ファンと、前記ヒートシンクとを組み合わせてなる空冷装置。
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