JPWO2009119431A1 - Piezoelectric fan device and air cooling device using this piezoelectric fan device - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化された複数の圧電ファンを使用し、圧電振動子の駆動によって支持部に生じる振動を低減できる圧電ファン装置を提供する。【解決手段】4個の圧電ファン10a〜10dを幅方向に並列配置し、各圧電ファンにおけるブレードの延在側と逆側の端部を支持体11によって並列に連結支持する。各圧電ファンは、電圧印加により屈曲振動する圧電振動子13a〜13dと、当該圧電振動子により励振されるよう各圧電振動子に連結されたブレード12a〜12dとを備える。電圧印加手段15により中央の2個の圧電ファン10b,10cを同位相で駆動し、両端の2個の圧電ファン10a,10dを逆位相で駆動するため、支持体11に作用する重心振動だけでなく、3軸回りのモーメントも打ち消される。【選択図】 図5A piezoelectric fan device that uses a plurality of miniaturized piezoelectric fans and can reduce vibration generated in a support portion by driving a piezoelectric vibrator. Four piezoelectric fans (10a to 10d) are arranged in parallel in the width direction, and the ends of the piezoelectric fans on the side opposite to the extending side of the piezoelectric fans are connected and supported in parallel by a support body (11). Each piezoelectric fan includes piezoelectric vibrators 13a to 13d that bend and vibrate when a voltage is applied, and blades 12a to 12d that are coupled to the piezoelectric vibrators so as to be excited by the piezoelectric vibrators. Since the two piezoelectric fans 10b and 10c at the center are driven in the same phase by the voltage application means 15 and the two piezoelectric fans 10a and 10d at both ends are driven in the opposite phases, only the center of gravity vibration acting on the support 11 is required. In addition, moments around the three axes are canceled out. [Selection] Figure 5
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、風を起こす圧電ファン装置に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric fan device that generates a wind by bending and displacing a blade connected to the piezoelectric vibrator by bending and vibrating the piezoelectric vibrator.
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放熱させる手段として、圧電ファンを用いた空冷装置が提案されている。 In recent years, with miniaturization and high-density mounting of parts in portable electronic devices, measures to dissipate heat generated in the electronic devices have become issues. An air cooling device using a piezoelectric fan has been proposed as means for efficiently radiating heat from such an electronic device.
特許文献1には、一対の板状圧電素子の間に金属薄板を挟持接着してなる圧電バイモルフ振動子を具備し、この圧電バイモルフ振動子の両端に弾性薄板を直角方向に貼り付け、圧電バイモルフ振動子の中央部を支持部により挟持して支持固定した構造の圧電ファンが開示されている。
上記構造の場合、1つの圧電バイモルフ振動子の中央部を支持部により支持しているため、支持部両側の圧電振動子は左右対称な変形をする。つまり、支持部より左側が上に凸の変形をすると、右側も上に凸の変形をし、支持部を境にして左側と右側の重心は圧電振動子面に垂直な方向では常に同じ向きに動く。圧電体の振動(重心移動)によって発生する支持部への反力は、左側の運動による反力も右側の運動による反力も同じ向きに働くため、支持部では、もし片側だけしかなかった場合の倍の力の振動を受けていることになる。その結果、支持部は非常に振動しやすくなり、この振動が他の部分へ伝わり、他の部品や接点の信頼性に悪影響を与えるという問題がある。また、例えばヒートシンクの多数の放熱フィン間の暖気を排出する用途にこの圧電ファンを用いた場合には、圧電ファンの構成が大型となり、その設置位置に制約が生じる。 In the case of the above structure, since the central part of one piezoelectric bimorph vibrator is supported by the support part, the piezoelectric vibrators on both sides of the support part deform symmetrically. In other words, if the left side of the support part is convexly convex upward, the right side is also convexly upward, and the center of gravity on the left and right sides of the support part is always the same in the direction perpendicular to the piezoelectric vibrator surface. Move. The reaction force generated by the vibration of the piezoelectric body (moving the center of gravity) is the same as the reaction force caused by the left-hand motion and the reaction force caused by the right-hand motion. It is subject to vibration of the power of. As a result, the support portion is very likely to vibrate, and this vibration is transmitted to other portions, which adversely affects the reliability of other components and contacts. For example, when this piezoelectric fan is used for the purpose of discharging warm air between a large number of radiating fins of a heat sink, the configuration of the piezoelectric fan becomes large, and the installation position is restricted.
特許文献2には、圧電素子によって発風振動子を団扇のように振動させ、ヒートシンクの多数の放熱フィン間の暖気を排出する圧電ファンが開示されている。この場合には、逆方向に変位する一対の圧電素子の間に発風板を固定し、発風板を圧電素子の一端側から長く突出させ、圧電素子の他端側をケースに固定する構造(図2参照)となっているので、発風板の振動に伴って圧電ファン全体の重心が大きく振動する。そのため、圧電素子を支持している支持部に大きな振動とモーメントとが作用し、その圧電素子の振動が直接ケース本体に伝わり、騒音の原因になると共に、ケースの耐久性を損なうという問題がある。もし、圧電素子をゴム等の弾性体を介してケースに固定すれば、ケースへの振動の波及を抑えることは可能であるが、その場合には支持部の剛性が低くなるため、発風板の振幅が極端に小さくなってしまい、所望の風量が得られない。
特許文献3には、複数の圧電ファンを並列に支持し、各圧電ファンに供給する交流電圧の位相を交互に逆位相とした送風機が開示されている。この場合には、幅方向に並んだ圧電ファンが交互に逆位相で駆動されるので、同位相で駆動する場合に比べて風量を増大させることができる。ところで、複数の圧電ファンを支持している支持体には、重心振動の他に、長さ方向軸、幅方向軸及び厚み方向軸の3軸回りのモーメントが作用する。特許文献3のように圧電ファンを交互に逆位相で駆動し、かつ圧電ファンの数が偶数であれば、上下方向の重心振動は互いに打ち消されると共に、幅方向回り及び厚み方向軸回りのモーメントもほぼ相殺される。しかし、長さ方向軸回りのモーメントは相殺されず、支持体に負荷がかかる。そのため、支持体が回転振動し、支持体を通して他の部位に振動が波及したり、騒音の原因になるという問題がある。また、支持体が振動するということは、圧電ファンが発生する振動エネルギーの一部が失われることを意味する。
図13は特許文献3に関連した送風機において、3軸を示した図である。ここでは説明を簡単にするため4個の圧電ファン101〜104を用いている。図13において、Xは長さ方向軸、Yが幅方向軸、Zが厚み方向軸である。矢印D1〜D4で示すように圧電ファン101〜104を相互に逆位相で駆動すると、Y軸回り及びZ軸回りのモーメントはほぼ零となり、支持体105には殆ど負荷が掛からない。一方、X軸回りには、第2,第3の圧電ファン102,103による左回り方向のモーメントML が発生し、第1,第4の圧電ファン101,104による右回り方向のモーメントMR が発生する。ところが、X軸から第2,第3の圧電ファン102,103までの距離に対し、第1,第4の圧電ファン101,104までの距離が長いので、モーメントMR はモーメントML より大きい。これらモーメントの違いによって支持体105に回転振動が発生する。
本発明は、小型化された複数の圧電ファンを使用し、圧電振動子の駆動によって支持部に生じる振動を低減できる圧電ファン装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric fan device that uses a plurality of miniaturized piezoelectric fans and can reduce vibration generated in a support portion by driving a piezoelectric vibrator.
前記目的を達成するため、本発明は、電圧印加により屈曲振動する圧電振動子と、当該圧電振動子に連結又は一体化されて前記圧電振動子により励振されるブレードとを有し、幅方向に並列配置された複数の圧電ファンと、前記複数の圧電ファンにおける前記ブレードの延在側と逆側の端部を並列に連結支持する支持体と、を備えた圧電ファン装置において、幅方向中央に位置する圧電ファン又は幅方向中央に位置する圧電ファン間を境にして、両側の圧電ファンの駆動方向が線対称で、かつ半数の圧電ファンの駆動方向が残りの半数の圧電ファンの駆動方向に対して逆位相になるように、前記各圧電振動子に電圧を印加する電圧印加手段を設けたことを特徴とする圧電ファン装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention includes a piezoelectric vibrator that bends and vibrates when a voltage is applied, and a blade that is connected to or integrated with the piezoelectric vibrator and is excited by the piezoelectric vibrator. A piezoelectric fan device comprising: a plurality of piezoelectric fans arranged in parallel; and a support body for connecting and supporting in parallel the ends of the plurality of piezoelectric fans opposite to the extending side of the blade. The drive direction of the piezoelectric fans on both sides is axisymmetrical and the drive direction of half of the piezoelectric fans is the drive direction of the remaining half of the piezoelectric fans, with the piezoelectric fan located at the center in the width direction as the boundary. A piezoelectric fan device is provided, characterized in that voltage applying means for applying a voltage to each of the piezoelectric vibrators is provided so as to have an opposite phase.
同じ振動特性を有する複数の圧電ファンを並列して支持体に支持するとともに、これら圧電ファンを交互に逆位相で駆動した場合には、圧電ファン相互間で重心振動を打ち消し合うことができ、支持体に生じる振動を低減することができる。しかし、長さ方向軸回りのモーメントは相殺されず、支持体が振動し、支持体を通して他の部位に振動が波及する。本発明では、複数の圧電ファンのうち、中央に位置する圧電ファン(奇数の場合)又は中央に位置する圧電ファン間(偶数の場合)を境にして、両側の圧電ファンの駆動方向が線対称で、かつ半数の圧電ファンの駆動方向が残りの半数の圧電ファンの駆動方向に対して逆位相になるように、圧電振動子に電圧を印加している。そのため、支持体に生じる重心振動だけでなく、3軸回りのモーメントをも解消ないし低減でき、支持体の回転振動を抑制できる。これにより、ブレードの振動によって生じる支持体の振動がケースなどに波及するのを効果的に抑制でき、低騒音で、信頼性の高い圧電ファンを実現できる。また、圧電ファンの振動が外部へ波及するのを抑制できることから、圧電振動子への入力電気エネルギーをブレードの振動に効率良く変換でき、風量の増大、ひいては冷却効率の向上を達成できる。さらに、支持体に対する振動に起因する負荷が小さくなるので、支持体をケース等に固定する固定部分の剛性が低くてもブレードを大きな振幅で駆動することができる。これにより、たとえ支持体に幾分振動が発生しても、その振動を振動吸収体で吸収でき、外部への波及を抑制できる。つまり、風量の増大と、振動に伴う悪影響の抑制とを両立することができる。 When multiple piezoelectric fans with the same vibration characteristics are supported on the support in parallel, and these piezoelectric fans are driven alternately in opposite phases, the center of gravity vibration can be canceled between the piezoelectric fans. Vibration generated in the body can be reduced. However, moments around the longitudinal axis are not canceled out, and the support vibrates, and the vibrations propagate to other parts through the support. In the present invention, among the plurality of piezoelectric fans, the driving directions of the piezoelectric fans on both sides are axisymmetric with respect to the piezoelectric fan located at the center (in the case of odd number) or between the piezoelectric fans located in the center (in the case of even number). In addition, a voltage is applied to the piezoelectric vibrator so that the driving direction of half of the piezoelectric fans is in an opposite phase to the driving direction of the remaining half of the piezoelectric fans. Therefore, not only the center-of-gravity vibration generated in the support but also the moments around the three axes can be eliminated or reduced, and the rotational vibration of the support can be suppressed. Thereby, it is possible to effectively suppress the vibration of the support body caused by the vibration of the blade from spreading to the case or the like, and to realize a piezoelectric fan with low noise and high reliability. Further, since it is possible to suppress the vibration of the piezoelectric fan from spreading to the outside, it is possible to efficiently convert the electric energy input to the piezoelectric vibrator into the vibration of the blade, thereby achieving an increase in the air volume and thus an improvement in cooling efficiency. Furthermore, since the load caused by vibration on the support is reduced, the blade can be driven with a large amplitude even if the fixing portion for fixing the support to the case or the like has low rigidity. Thereby, even if some vibration is generated in the support, the vibration can be absorbed by the vibration absorber, and the spread to the outside can be suppressed. That is, it is possible to achieve both an increase in the air volume and suppression of adverse effects caused by vibration.
本発明に用いられる圧電ファンは、それぞれが同一の振動特性を有するものである。ここでいう同一の振動特性とは、圧電ファン単体で振動させた場合の共振周波数及び振幅特性が略一致することである。圧電ファンは同一形状であることが好ましいが、ブレードの幅については、ブレードの幅の増減に合わせて圧電素子の幅も増減させるならば、同等の振動特性が得られる。このため、同一の振動特性が得られれば、同一幅のブレードを使用する必要はない。 The piezoelectric fans used in the present invention have the same vibration characteristics. Here, the same vibration characteristic means that the resonance frequency and the amplitude characteristic substantially match when the piezoelectric fan is vibrated alone. The piezoelectric fans preferably have the same shape, but with regard to the width of the blade, equivalent vibration characteristics can be obtained if the width of the piezoelectric element is also increased or decreased in accordance with the increase or decrease of the width of the blade. For this reason, if the same vibration characteristic is obtained, it is not necessary to use blades having the same width.
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、単板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、この圧電振動子にブレードを固定してもよい。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、圧電振動子に連結さ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。電圧印加手段は、複数の圧電ファンを相互に逆位相で駆動するために、各圧電振動子に逆位相の電圧を印加してもよいが、圧電振動子を構成する圧電素子の分極方向が逆であれば、同位相の電圧を印加しても逆位相で駆動することができる。 The piezoelectric vibrator in the present invention is one that bends and vibrates when an AC voltage is applied, but various configurations can be employed. For example, a unimorph type piezoelectric vibrator can be configured with the blade and the piezoelectric element by attaching a single-plate piezoelectric element to the main surface on one end side of the blade. Also, a bimorph type piezoelectric vibrator can be configured by adhering two piezoelectric elements expanding and contracting in opposite directions to both surfaces of the blade. Further, apart from the blade, a piezoelectric vibrator may be configured by bonding a single plate piezoelectric element and a metal plate, and the blade may be fixed to the piezoelectric vibrator. Although the amplitude itself accompanying the bending vibration of the piezoelectric vibrator is very small, the amplitude of the piezoelectric vibrator can be amplified many times by the resonance of the blade connected to the piezoelectric vibrator. The blade may be a metal plate or a resin plate. The thickness, length, Young's modulus, etc. of the blade may be set appropriately so that the blade can perform primary resonance by vibration of the piezoelectric vibrator. In order to drive the plurality of piezoelectric fans in opposite phases with each other, the voltage applying means may apply voltages having opposite phases to each piezoelectric vibrator, but the polarization directions of the piezoelectric elements constituting the piezoelectric vibrator are reversed. Then, even if the voltage of the same phase is applied, it can be driven in the opposite phase.
圧電ファンの個数は偶数に限らず、奇数でもよい。奇数の場合には、幅方向中心に位置する1個の圧電ファンを除いて、残り半数ずつが逆位相で駆動される。奇数の場合には、重心振動の影響が出るが、圧電ファンの個数が多くなるに従いその影響が小さくなる。偶数の場合、特に4個、8個、12個のように4の倍数とするのが望ましい。この場合には、幅方向中点を境にして両側にそれぞれ偶数個の圧電ファンが存在するので、重心振動及び3軸回りモーメントを打ち消すことが容易になる。 The number of piezoelectric fans is not limited to an even number, and may be an odd number. In the case of an odd number, except for one piezoelectric fan located at the center in the width direction, the remaining half are driven in opposite phases. In the case of an odd number, the influence of the center of gravity vibration appears, but the influence decreases as the number of piezoelectric fans increases. In the case of an even number, it is particularly desirable to set a multiple of 4 such as 4, 8, or 12. In this case, since there are an even number of piezoelectric fans on both sides of the middle point in the width direction, it becomes easy to cancel the center-of-gravity vibration and the moment about the three axes.
4個の圧電ファンを並列配置した場合に、中央の2個の圧電ファンを同位相で駆動し、両端の2個の圧電ファンを中央の2個の圧電ファンに対して逆位相で駆動するのが望ましい。この場合には、構造が簡単になると共に、重心移動と3軸回りのモーメントとを効果的に解消できる。 When four piezoelectric fans are arranged in parallel, the two central piezoelectric fans are driven in the same phase, and the two piezoelectric fans at both ends are driven in opposite phases with respect to the two central piezoelectric fans. Is desirable. In this case, the structure is simplified, and the movement of the center of gravity and the moment about the three axes can be effectively eliminated.
各圧電ファンは、細長い帯板状のブレードと、当該ブレードの長さ方向一端部に固定された圧電素子とを含み、ブレードの長さ方向一端部と前記圧電素子とで圧電振動子を構成し、ブレードの長さ方向一端部を支持体に連結支持したものがよい。この場合には、ブレードを支持体で直接支持するので、圧電素子が支持体で拘束されず、圧電素子をより自由に変位させることができる。また、圧電ファンの構造が簡素になり、個々の圧電ファンの振動特性にばらつきが発生しにくい。 Each piezoelectric fan includes an elongated strip-like blade and a piezoelectric element fixed to one end portion in the length direction of the blade, and a piezoelectric vibrator is configured by the one end portion in the length direction of the blade and the piezoelectric element. It is preferable that one end of the blade in the longitudinal direction is connected to and supported by a support. In this case, since the blade is directly supported by the support, the piezoelectric element is not restrained by the support, and the piezoelectric element can be displaced more freely. Further, the structure of the piezoelectric fan is simplified, and variations in vibration characteristics of individual piezoelectric fans are less likely to occur.
各圧電振動子は第1の振動子と第2の振動子とを有し、第1の振動子と第2の振動子の長さ方向一端部同士を相互に連結し、第1の振動子の長さ方向他端部にブレードを連結し、第2の振動子の長さ方向他端部を支持体に支持し、第1の振動子と第2の振動子とが逆向きに屈曲振動するよう電圧印加手段が接続されている構成としてもよい。この場合には、2個の振動子によって振幅が倍加し、その振動に伴ってブレードが共振するため、ブレードの振幅がさらに増幅される。その結果、大幅な風量の増大を実現できる。 Each piezoelectric vibrator has a first vibrator and a second vibrator. The first vibrator and one end in the length direction of the second vibrator are connected to each other, and the first vibrator A blade is connected to the other end in the length direction, the other end in the length direction of the second vibrator is supported on the support, and the first vibrator and the second vibrator are bent in opposite directions. The voltage application means may be connected to do so. In this case, the amplitude is doubled by the two vibrators, and the blade resonates with the vibration. Therefore, the amplitude of the blade is further amplified. As a result, a significant increase in air volume can be realized.
本発明に係る圧電ファン装置をヒートシンクと組み合わせて使用するのが望ましい。すなわち、本圧電ファン装置を、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の近傍に配置し、各ブレードをその変位方向が放熱フィンの側面と平行になるように各放熱フィンの間に挿入するのがよい。この場合には、ブレードの屈曲変位によって放熱フィン間に存在する暖気を掻き取り、ブレードの長さ方向に効率よく排出することができる。放熱フィンによって各ブレードが隔離されているので、空気を介したブレード間の相互作用を無くすことができ、想定外の振動モードが発生して支持体に負荷がかかるようなことがない。 It is desirable to use the piezoelectric fan device according to the present invention in combination with a heat sink. That is, this piezoelectric fan device is disposed in the vicinity of a heat sink having a plurality of heat dissipating fins arranged in parallel at intervals, and each blade is arranged so that its displacement direction is parallel to the side surface of the heat dissipating fin. Insert it in between. In this case, the warm air existing between the radiating fins is scraped off by the bending displacement of the blade, and can be efficiently discharged in the length direction of the blade. Since each blade is isolated by the heat radiating fin, the interaction between the blades via the air can be eliminated, and an unexpected vibration mode is not generated and a load is not applied to the support.
以上のように、本発明によれば、複数の圧電ファンを並列して支持体に支持するとともに、幅方向中心を境にして両側の圧電ファンの駆動方向が線対称で、かつ半数の圧電ファンの駆動方向が残りの半数の圧電ファンの駆動方向に対して逆位相になるように駆動しているため、重心振動と3軸回りのモーメントとが共に抑制される。そのため、ブレードの振幅が大きくなり、冷却効率が向上すると共に、これら振動による支持体を通して他の部分への振動伝播が小さくなる。その結果、他の部品やケース等の信頼性に悪影響を与えることが少なく、かつ低騒音になる。 As described above, according to the present invention, a plurality of piezoelectric fans are supported on the support in parallel, and the driving directions of the piezoelectric fans on both sides are axisymmetric with respect to the center in the width direction, and half of the piezoelectric fans Are driven in such a manner that their driving directions are opposite in phase to the driving directions of the remaining half of the piezoelectric fans, both the vibration of the center of gravity and the moment about the three axes are suppressed. Therefore, the amplitude of the blade is increased, the cooling efficiency is improved, and vibration propagation to other parts through the support due to the vibration is reduced. As a result, there is little adverse effect on the reliability of other parts and cases, and the noise is reduced.
本発明に係る圧電ファン装置を説明する前に、圧電ファン装置の基本構造を図1〜図3に基づいて説明する。 Before describing the piezoelectric fan device according to the present invention, the basic structure of the piezoelectric fan device will be described with reference to FIGS.
図1において、同一振動特性を持つ2個の圧電ファン1a,1bが支持体6に幅方向に並べて連結固定されている。圧電ファン1a,1bは、厚み方向に屈曲変位自在な複数のブレード2a,2bと、各ブレード2a,2bの長さ方向一端部に連結され、電圧印加により屈曲振動する複数の圧電振動子3a,3bとで構成されている。ブレード2a,2bの自由端には、それぞれ重り4a,4bが固定されている。圧電振動子3a,3bは、中間電極となる金属板の両面に圧電素子を貼り付けたバイモルフ型振動子である。圧電振動子3a,3bには電圧印加手段5が電気的に接続されており、この電圧印加手段5から圧電振動子3a,3bに交流電圧を印加することにより、圧電振動子3a,3bを屈曲振動させ、ブレード2a,2bを一次共振させて圧電振動子3a,3bより大きく上下に屈曲変位させることができる。圧電ファンにおけるブレード2a,2bの延在方向と逆側の端部、ここではブレード2a,2bのうち圧電振動子3a,3bが配置された側の端部が支持体6によって並列に連結支持されている。支持体6は図示しないケース等の固定部に固定されている。ブレード2a,2bが逆位相で動くことによる互いの反力が支持体6の幅方向に伝わり、反力を打ち消しあう作用が生じるので、支持体6にはその反力を伝達できる程度の剛性が必要である。
In FIG. 1, two
電圧印加手段5は、交流電源5aと、この電源5aから位相が反転した信号を各圧電振動子3a,3bに供給する配線5b,5cとで構成されている。すなわち、交流電源5aの一方端が配線5bを介して圧電振動子3aの上下電極と圧電振動子3bの中間電極とに接続され、交流電源5aの他方端が配線5cを介して圧電振動子3aの中間電極と圧電振動子3bの上下電極とに接続されている。そのため、一方の圧電振動子3aの自由端が下方へ変位するとき、他方の圧電振動子3bの自由端は上方へ変位する。その結果、図2に示すように、一方の圧電振動子3aの自由端に連結されたブレード2aと、他方の圧電振動子3bの自由端に連結されたブレード2bとは相互に逆位相で変位し、図2の矢印Aで示す方向の気流が発生する。2つの圧電ファン1a,1bの振動特性(長さ、厚み、共振周波数など)が互いに同一であるため、両ブレード2a,2bの振動周波数及び振幅も同等になる。なお、ブレード2a,2bの自由端に重り4a,4bが固定されているため、ブレード単体に比べて共振周波数が低くなるとともに、振幅が大きくなる。
The
前記のように2個の圧電ファン1a,1bを逆位相で駆動することにより、支持体6に作用する重心振動を低減できる理由を以下に説明する。圧電振動子3とブレード2の振動によって、1つの圧電ファン1の重心は厚み方向(z)と長さ方向(x)に周期運動する。大幅に単純化して、図3のような圧電ファン振動モデルを考える。ここで、支持体6からRの距離に集中質量M(=重心)を考え、θ=Θsin ωtという振動をしているとする。この場合、x方向とz方向の重心の運動は、
x=Rcos(Θsin ωt)
z=Rsin(Θsin ωt)
のように書ける。ここで、x方向の振幅は(R/2)sinΘ tanΘであり、z方向の振幅はRsin Θである。すなわち、Θが小さい場合には、x方向の振幅は微少量の2乗となるので、無視できる。一方で、逆位相の振動をしているものは、
x=Rcos(−Θsin ωt) =Rcos(Θsin ωt)
z=Rsin(−Θsin ωt) =−Rsin(Θsin ωt)
となる。これら2つの圧電ファンを合わせた場合の重心は、
x=(MRcos(Θsin ωt) +MRcos(Θsin ωt))/(M+M)
=Rcos(Θsin ωt)
z=(MRsin(Θsin ωt) −MRsin(Θsin ωt))/(M+M)
=0
と計算できる。The reason why the center of gravity vibration acting on the
x = Rcos (Θsin ωt)
z = Rsin (Θsin ωt)
It can be written as Here, the amplitude in the x direction is (R / 2) sin Θ tan Θ, and the amplitude in the z direction is R sin Θ. That is, when Θ is small, the amplitude in the x direction becomes a very small square, and can be ignored. On the other hand, the ones that are oscillating in antiphase are
x = Rcos (−Θsin ωt) = Rcos (Θsin ωt)
z = Rsin (−Θsin ωt) = − Rsin (Θsin ωt)
It becomes. The center of gravity when these two piezoelectric fans are combined is
x = (MRcos (Θsin ωt) + MRcos (Θsin ωt)) / (M + M)
= Rcos (Θsin ωt)
z = (MRsin (Θsin ωt) −MRsin (Θsin ωt)) / (M + M)
= 0
Can be calculated.
このように、互いに逆位相で動いている2つの圧電ファン1a,1bのペアでは、重心は厚み方向に振動しないことが分かる。したがって、2つの圧電ファンのペアを支持している支持体6には、厚み方向の力はかからない。長さ方向の振動は残るが、前述のようにΘが小さい場合には無視できるレベルである。したがって、支持体6に働く力はほぼキャンセルされることになる。
Thus, it can be seen that the center of gravity does not vibrate in the thickness direction in the pair of two
前述のように2つの圧電ファン1a,1bを逆位相で駆動することにより、支持体6に働く荷重をキャンセルできるが、ブレード2a,2bが振幅することの反力による振動は支持体6に発生する。しかし、従来における圧電ファンと異なり、支持体6をケース等に強く固定しなくても、ブレード2a,2bに十分な振幅を得ることができる。つまり、支持体6とケースとの間にゴム等の振動吸収体を介在させることが可能になる。したがって、支持体6に生じる振動がケースなどに波及するのを効果的に抑制でき、低騒音で、信頼性の高い圧電ファンを実現できる。
As described above, by driving the two
図1では、圧電ファン1a,1bを厚み方向に同一の向きで支持体6に固定し、電圧印加手段5から両圧電ファン1a,1bに対して逆位相の電圧を印加する例を示したが、圧電ファン1a,1bを厚み方向逆向きで支持体6に固定した場合には、同位相の電圧を印加してもよい。また、各圧電ファン1a,1bの圧電振動子3a,3bが逆の特性を有する場合、つまり各圧電振動子3a,3bを構成する圧電素子の分極方向が逆向きである場合には、圧電振動子3a,3bに対して同位相の電圧を印加しても、両圧電ファン1a,1bを逆位相で振動させることができる。
FIG. 1 shows an example in which the
〔第1実施形態〕
図4〜図7は本発明に係る圧電ファン装置の第1実施形態を、ヒートシンクの空冷装置として用いた例を示す。図4において、同一振動特性を持つ4個の圧電ファン10a〜10dが支持体11に幅方向に並べて等間隔で連結固定されている。圧電ファン10a〜10dは、図1に示した圧電ファン1a,1bと同様な構造を有する。すなわち、厚み方向に屈曲変位自在な複数のブレード12a〜12dと、各ブレード12a〜12dの長さ方向一端部に連結され、電圧印加により屈曲振動する複数のバイモルフ型圧電振動子13a〜13dとをそれぞれ備えている。ブレード12a〜12dの自由端には、それぞれ重り14a〜14bが固定されている。圧電振動子13a〜13dには電圧印加手段15が接続されており、この電圧印加手段15から圧電振動子13a〜13dに交流電圧を印加することにより、圧電振動子13a〜13dを振動させ、ブレード12a〜12dを共振させることができる。圧電振動子13a〜13dのブレード12a〜12dの延在方向と逆側の端部が支持体11によって並列に連結支持されている。[First Embodiment]
4 to 7 show an example in which the first embodiment of the piezoelectric fan device according to the present invention is used as an air cooling device for a heat sink. In FIG. 4, four
この実施形態では、電圧印加手段15が、交流電源15aと、この電源15aから位相が反転した信号を各圧電振動子13a〜13dに印加する配線15b,15cとで構成されている。すなわち、交流電源15aの一方端が配線15bを介して第1と第4の圧電振動子13a,13dの上下電極と第2と第3の圧電振動子13b,13cの中間電極とに接続され、交流電源15aの他方端が配線15cを介して第1と第4の圧電振動子13a,13dの中間電極と第2と第3の圧電振動子13b,13cの上下電極とに接続されている。そのため、第1と第4の圧電振動子13a,13dが下方へ変位するとき、第2と第3の圧電振動子13b,13cは上方へ変位し、その結果、図5に示すように、第1と第4の圧電振動子13a,13dに連結されたブレード12a,12dと、第2と第3の圧電振動子13b,13cに連結されたブレード12b,12cとは相互に逆位相で変位する。各圧電ファン10a〜10dの振動特性(長さ、厚み、共振周波数など)が互いに同一であるため、全ブレード12a〜12dの振動周波数及び振幅も同等になる。
In this embodiment, the voltage application means 15 includes an
圧電ファン10a〜10dの近傍には、間隔をあけて並設された5枚の放熱フィン21a〜21eを有するヒートシンク20が配置されている。ブレード12a〜12dは各放熱フィン21a〜21eの間に挿入され、かつその変位方向が放熱フィン21a〜21eの側面と平行になるように配置されている。ヒートシンク20は、図6、図7に示すように回路基板22上に実装された発熱素子(CPU等)23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23から生じる熱はヒートシンク20に伝導され、各放熱フィン21a〜21e間の空気は熱せられる。放熱フィン21a〜21eの間に挿入されたブレード12a〜12dが放熱フィン21a〜21eの側面と平行に変位するため、放熱フィン21a〜21e間の暖気がブレードでかき取られ、ブレード12a〜12dの長さ方向に排出される。その結果、図6の矢印Aで示すようにブレード12a〜12dの長さ方向の空気の流れによって、放熱フィン21a〜21e間の熱が効率よく排出され、放熱効果に優れた空冷装置を実現できる。また、隣合うブレードが逆位相で変位するため、空気を介した相互作用によりブレード12a〜12dに捩れのような想定外の振動モードが生じる可能性があるが、図7のように放熱フィン21b〜21dによって各ブレード12a〜12dが隔離されているので、空気を介したブレード間の相互作用を無くすことができ、想定外の負荷が支持体11にかかることがない。
In the vicinity of the
本実施形態では、4個の圧電ファン10a〜10dのうち、半数ずつが逆位相で振動するため、図3に示した理由と同様に、支持体11に作用する重心振動をほぼ0にできる。さらに、本実施形態の場合には、中央の2個の圧電ファン10b,10cは同位相で駆動され、両端の2個の圧電ファン10a,10dは中央の2個の圧電ファン10b,10cに対して逆位相で駆動されるため、支持体11の3軸回りのモーメントも解消できる。その理由を図8を参照しながら説明する。
In the present embodiment, since half of the four
図8の(a)は4個の圧電ファン10a〜10dを長さ方向(X方向)から見た図である。ファン10a〜10dを矢印D1〜D4方向に駆動すると、長さ方向軸(X軸)を中心として、第1と第3の圧電ファン10a,10cに右回り方向のモーメントが発生し、第2と第4の圧電ファン10b,10dに左回り方向のモーメントが発生する。これらモーメントは同じであるから、これらモーメントが打ち消しあい、長さ方向軸回りのモーントは0になる。
FIG. 8A is a view of the four
図8の(b)は圧電ファン10a〜10dを幅方向(Y方向)から見た図である。幅方向軸(Y軸)を中心として、第1と第4の圧電ファン10a,10dに左回り方向のモーメントが発生し、第2と第3の圧電ファン10b,10cに右回り方向のモーメントが発生するので、両モーメントが相殺され、幅方向軸回りのモーメントも0になる。
FIG. 8B is a view of the
図8の(c)は圧電ファン10a〜10dを厚み方向(Z方向)から見た図である。既述のように圧電ファン10a〜10dを駆動したとき、各圧電ファンの長さ方向振動はほぼ無視できるレベルであるため、厚み方向軸(Z軸)回りの各圧電ファンのモーメント自体が小さい。しかも、第1と第2のファン10a,10bと、第3と第4のファン10c,10dに作用するモーメントとが相殺されるので、厚み方向軸(Z軸)回りのモーメントも0になる。このように支持体11に作用する3軸回りのモーメントが全て相殺されるので、振動や負荷の少ない支持構造を実現できる。
(C) of FIG. 8 is the figure which looked at the
なお、圧電ファンに関して、大きなブレード振幅を得るためには連結具のねじり剛性が下記の関係を満たすことが好ましい。
D>kmAf2 LW
ここで、D:ねじり剛性〔Nm2 /rad〕
m:ファンの連結具以外の質量〔kg〕
A:ブレード先端の振幅(tip-to-tip)〔m〕
f:駆動周波数〔Hz〕
L:ファンの長さ〔m〕
W:連結具幅〔m〕
k:係数
である。また、3軸モーメントを打ち消す場合は、上記係数kは10以上の値があるとより振動伝播を小さくでき、他の部品やケース等の信頼性に悪影響を与えることが少なく、かつ低騒音になる。Regarding the piezoelectric fan, in order to obtain a large blade amplitude, it is preferable that the torsional rigidity of the coupler satisfies the following relationship.
D> kmAf 2 LW
Here, D: Torsional rigidity [Nm 2 / rad]
m: Mass other than fan connector [kg]
A: Blade tip amplitude (tip-to-tip) [m]
f: Drive frequency [Hz]
L: Length of fan [m]
W: Connector width [m]
k: a coefficient. When canceling the triaxial moment, if the coefficient k has a value of 10 or more, vibration propagation can be made smaller, the reliability of other parts, cases, etc. is hardly adversely affected, and noise is reduced. .
図9は、圧電ファン装置の冷却性能を確認するための実験構造を示す。4個の圧電ファン30a〜30dは、それぞれ細長い帯板状のブレード31a〜31dを備え、これらブレードの長さ方向一端部が保持具33a〜33dの一端部に固定されている。ブレードの保持具に固定された一端部近傍に圧電素子32a〜32dが固定され、圧電振動子を構成している。保持具33a〜33dの他端部は幅方向に延びる連結具(支持体)34に連結されている。連結具34は幅方向一方側へ伸び、固定部35に固定されている。
FIG. 9 shows an experimental structure for confirming the cooling performance of the piezoelectric fan device. Each of the four
前記構造の圧電ファン装置において、各ファンの振動の位相関係が表1に示す4種類の場合におけるブレード先端部の振幅(ファン1の位相を0°とする)を評価した。圧電体への印加電圧は45Vppで一定とし、ブレードとして42Ni、保持具及び連結具としてガラスエポキシ板を使用した。なお、連結具のねじり剛性の影響を見るために、厚みが0.3mm,0.6mmの2種類の連結具を用いた。各部品の寸法は図9に図示の通りである。CASE1は全てのファンを同位相で駆動する例、CASE2は中央を境にして左半分と右半分を逆位相にした例、CASE3は交互に逆位相とした例、CASE4(本発明)は幅方向中央を境にして線対称に逆位相とした例である。
In the piezoelectric fan device having the above-described structure, the amplitude of the blade tip portion (the phase of the
図10の(a),(b)は、連結具の厚みを0.3mm,0.6mmとした場合のCASE1〜CASE4におけるブレード先端部の振幅を示す。図10から明らかなように、CASE1に比べて、CASE2の方が振幅が大きく、CASE3はさらに大きくなる。そして、3軸モーメントを打ち消すことができるCASE4では、ブレードの振幅が最大になることがわかる。
10A and 10B show the amplitude of the blade tip in CASE1 to CASE4 when the thickness of the coupler is 0.3 mm and 0.6 mm. As is clear from FIG. 10,
CASE1では、全てのファンの振動を連結具で支える必要があるため、連結具の剛性が低下すると大きな振幅が得られない。CASE2では、逆位相で動くファンによる反力が連結具を通して支え合う。但し、打ち消し合うのは重心振動だけで、モーメントは残る。したがって、連結具の剛性があれば、ある程度の重心振動を抑えることができ、CASE1よりは大きな振幅が得られるが、モーメントは打ち消されていないので、連結具が全体として回転振動することになり、連結具の剛性が低下すると、振幅が大きく低下する。CASE3はCASE2と同じ状況であるが、CASE2よりも逆方向に動くファン間の距離が小さいため、モーメントとしては小さくなり、回転振動も小さくなる。したがって、同じ連結具剛性があれば、CASE2よりも大きな振幅が得られる。CASE4では、連結具内で重心振動・モーメント振動が共に打ち消し合うことができるため、CASE3に比べてさらに大きな振幅が得られる。
In
CASE3とCASE4とのブレードの振幅差は、連結具の厚みが0.6mmの場合には僅かであるが、0.3mmでは振幅差は5%程度となる。連結具のねじれ剛性が低いほど、CASE3とCASE4の振幅差が拡大する。5%の振幅差は数値的には小さいが、熱源に対するファンの設置位置によっては、冷却性能に約15%の差が生じる。したがって、外部への振動波及を抑制するためにファンを支持する連結具の剛性を低くすると、冷却性能に大きな差が生じることになる。
The amplitude difference between the blades of
図11は、8個の圧電ファンを並列配置した場合の駆動方法の例を示す。幅方向に第1〜第8のファン41〜48が等間隔で配置され、図示しない支持体によって連結保持されている。矢印D1〜D8がその駆動方向を示す。X軸は幅方向中央の長さ方向軸、Z軸は厚み方向軸である。(a)では、中央の2個のファン44,45は同位相で駆動され、他のファンは隣り合うファンに対して交互に逆位相で駆動される。この場合は、Z方向の重心振動は勿論、X軸回り、Y軸回り、Z軸回りのモーメントが打ち消し合うので、ファン41〜48を連結する支持体の剛性が低くても大きな振幅を得ることができる。(b)では、両端のファン41,48と中央の2個のファン44,45は同位相で駆動され、第2,第3,第6,第7のファン42,43,46,47は逆位相で駆動される。この場合も、重心振動及び3軸のモーメントが打ち消しあい、支持体の剛性を低くできると共に、大きな振幅が得られる。
FIG. 11 shows an example of a driving method when eight piezoelectric fans are arranged in parallel. The first to
図12は圧電ファンの構造の種々の態様を示す。図12の(a)に示す圧電ファン50は、単板の圧電素子51の一方主面に金属板よりなるブレード52の一端部主面を貼り付けてユニモルフ型振動子とした例である。圧電ファン50のブレード突出側と逆側の端部が支持体53に固定されている。圧電素子51とブレード52との間に交流電圧を印加することにより、伸縮する圧電素子51と伸縮しないブレード52とによって、全体として圧電ファン50が屈曲変形する。この場合は、圧電素子51の一方の電極をブレード52で兼用できる。
FIG. 12 shows various aspects of the structure of the piezoelectric fan. A
図12の(b)に示す圧電ファン60は、金属板よりなるブレード61の一端部両主面にそれぞれ圧電素子62,63を貼り付けてバイモルフ型振動子とした例である。圧電ファン60のブレード突出側と逆側の端部が支持体64に固定されている。圧電素子62,63が厚み方向同方向に分極されている場合、両主面の電極とブレード61との間に交流電圧を印加することにより、全体として圧電ファン60が屈曲変形する。
A
図12の(c)に示す圧電ファン70は、第1の振動子71と第2の振動子72とを有し、第1の振動子71と第2の振動子72の長さ方向一端部同士をスペーサ73を介して連結することでU字形構造とし、第1の振動子71の長さ方向他端部にブレード74を連結し、第2の振動子72の長さ方向他端部を支持体75に支持したものである。第1の振動子71と第2の振動子72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71が上に凸に屈曲変位したとき、第2の振動子72は下に凸に屈曲変位する。ブレード74には各振動子71,72の2倍の振幅の振動が与えられ、それに応じてブレード74の振幅も拡大するため、大幅な風量増加を実現できる。
A
図12の(d)に示す圧電ファン80は、図12の(c)に示す圧電ファン70の変形例であり、同一部品には同一符号を付して重複説明を省略する。第1の振動子71の長さ方向他端部に連結されるブレード81がV字状に折り曲げられている。この場合には、2つの振動子71,72がU字形構造を成し、ブレード74が振動子71,72側に折り返されているため、長さ寸法を短縮でき、全体としてコンパクトな圧電ファンを実現できる。
A
10a〜10d 圧電ファン
11 支持体
12a〜12d ブレード
13a〜13d 圧電振動子
14a〜14d 重り
15 電圧印加手段
15a 交流電源10a to
Claims (6)
前記複数の圧電ファンにおける前記ブレードの延在側と逆側の端部を並列に連結支持する支持体と、を備えた圧電ファン装置において、
幅方向中央に位置する圧電ファン又は幅方向中央に位置する圧電ファン間を境にして、両側の圧電ファンの駆動方向が線対称で、かつ半数の圧電ファンの駆動方向が残りの半数の圧電ファンの駆動方向に対して逆位相になるように、前記各圧電振動子に電圧を印加する電圧印加手段を設けたことを特徴とする圧電ファン装置。A plurality of piezoelectric fans arranged in parallel in the width direction, each having a piezoelectric vibrator that bends and vibrates when voltage is applied, and a blade that is connected to or integrated with the piezoelectric vibrator and is excited by the piezoelectric vibrator;
In the piezoelectric fan device comprising: a support body for connecting and supporting in parallel the ends of the plurality of piezoelectric fans opposite to the extending side of the blade;
Piezoelectric fans located in the center in the width direction or the piezoelectric fans located in the center in the width direction as a boundary, the driving directions of the piezoelectric fans on both sides are axisymmetric, and the driving directions of half of the piezoelectric fans are the remaining half A piezoelectric fan device comprising voltage applying means for applying a voltage to each of the piezoelectric vibrators so as to have an opposite phase with respect to the driving direction.
前記ブレードの長さ方向一端部と前記圧電素子とで前記圧電振動子を構成しており、
前記ブレードの長さ方向一端部が前記支持体に連結支持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装置。Each piezoelectric fan includes an elongated strip-like blade and a piezoelectric element fixed to one end in the length direction of the blade,
The one end of the blade in the length direction and the piezoelectric element constitute the piezoelectric vibrator,
4. The piezoelectric fan device according to claim 1, wherein one end portion of the blade in the length direction is connected to and supported by the support body. 5.
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