JPWO2011068144A1 - 圧電マイクロブロア - Google Patents

Abstract

振動板（１０）は、そのダイヤフラム（１１）に中間板（１３）を介して圧電素子（１２）が貼付されることにより構成されている。ブロア室板（４０）の中央には、円形の開口（４０Ｓ）が形成されている。ダイヤフラム（１１）、流路板（５０）、及びブロア室板（４０）の開口（４０Ｓ）で構成されるブロア室（ＢＳ）は、ダイヤフラムの振動により内部の圧力変化がほぼ一様に変化する大きさに定められている。ブロア室板（４０）には吹出口（４０ＢＨ）、流路板（５０）には吹出口（５０ＢＨ）がそれぞれ設けられている。ブロア室ＢＳで加圧された圧縮性流体は吹出口（４０ＢＨ，５０ＢＨ）から吹出される。

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マイクロブロアに関するものである。

ノートパソコンやディジタルＡＶ機器のような小型の電子機器において、内部に生じる熱を効率よく冷却するためにブロアが設けられる。このような冷却用のブロアとしては、小型・低背、低消費電力、及び静音性が重視され要求される。

圧電マイクロブロアに関しては、例えば特許文献１に開示されている。図１は特許文献１に係る圧電マイクロブロアの断面構造及びその動作を示す図である。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（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（ｂ）は圧電素子３への印加電圧の最初の１／４周期の状態であり、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。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（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。

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。

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。

国際公開第２００８／０６９２６６号パンフレット

特許文献１の圧電マイクロブロアにおいては、ダイヤフラムの中心部に対向する壁部に開口部を設け、その開口部から流体を吐出するため、吐出した流れは圧電マイクロブロア本体に対して垂直方向となる。

しかし、このように、圧電マイクロブロア本体に対して垂直方向に圧縮性流体を吹出する構造では、小型の低背電子機器向内に組み込もうとする場合に、製品自体を如何に低背化しても、圧電マイクロブロアから吹出される流体の流れを確保するために、垂直方向の空間が必要になってしまう。電子機器の筐体内で流体の流れを水平方向にしようとすれば、圧電マイクロブロアを電子機器の筐体内で縦向きにして置くか、一旦垂直方向に排出した流れを別途の経路を設けて水平方向に変換する必要が生じ、結局は高さが必要になってしまう。そのため、低背電子機器向けには使用できなかった。

一方、これを解決するために、圧電マイクロブロアのブロア室の側方に開口部を配置して、圧電マイクロブロア本体の側方へ流体を吹出するように構成することが考えられる。しかし、特許文献１の駆動音を防ぐために、例えば１５ｋＨｚ以上の難可聴周波数領域又は超音波領域の高い周波数で駆動する圧電マイクロブロアでは、ブロア室の側方に開口部を配置しても流れは発生せず、側方へ流体を吐出することができない課題があることが分かった。

本発明の目的は、前記課題を解消して、ブロア室の側方へ圧縮性流体を吹出できるようにして、組み込み先の高さ方向の占有域を大幅に縮小化できるようにした、圧電マイクロブロアを提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明は、次のように構成する。
圧電素子と、この圧電素子が取り付けられるダイヤフラムと、このダイヤフラムの周囲を支持するダイヤフラム支持部と、前記圧電素子に電圧が印加されて前記ダイヤフラムが屈曲変形することにより、容積変化を起こすブロア室と、を備え、
前記ダイヤフラム支持部は、前記ブロア室に連通された吹出口を側部に備え、
前記ブロア室は、前記圧電素子がおおむね１５ｋＨｚ以上の交番電圧で駆動される状態で前記ダイヤフラムの振動により内部の圧力変化がほぼ一様に変化する大きさにする。

この構成により、側方に圧縮性流体が吹出される圧電マイクロブロアとして用いることができる。

前記ブロア室は、例えば前記ダイヤフラムの周囲を支持するダイヤフラム支持部と、前記ダイヤフラムとの間で構成される。

また、例えば、前記ダイヤフラムと前記圧電素子との間に挟まれたブロア室枠体を備え、前記ダイヤフラム、前記圧電素子、及び前記ブロア室枠体でブロア室が構成される。

本発明によれば、ブロア室の側方へ圧縮性流体を吹出できるようにして、組み込み先電子機器の筐体内での高さ方向の占有域を大幅に縮小化できる。

特許文献１に係る圧電マイクロブロアの断面構造及びその動作を示す図である。 第１の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０１の斜視図である。 図２においてＸ−Ｘ方向に切った、圧電マイクロブロア１０１の中央縦断面図である。 図２・図３に示した圧電マイクロブロア１０１の各構成部材の平面図である。 ブロア室の直径Ｄが、ブロア室内に生じる圧力波の波長より大きい場合の例である。 ブロア室の直径Ｄが、ブロア室内に生じる圧力波の波長の１／２である場合の例である。 ブロア室の直径Ｄが、ブロア室内に生じる圧力波の波長の１／４である場合の例である。 ブロア室ＢＳの直径Ｄと、圧電マイクロブロア１０１から吹出される空気の流量との関係を示す図である。 第１の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０１を３段重ねにして用いる例を示す断面図である。 第２の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０２の断面図である。 図１０に示した圧電マイクロブロア１０２の各構成部材の平面図である。 第３の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０３の断面図である。 第４の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０４の断面図である。 図１３に示した圧電マイクロブロア１０４の各構成部材の平面図である。 第５の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０５の断面図である。 図１５に示した圧電マイクロブロア１０５の各構成部材の平面図である。 第６の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０６の断面図である。 第７の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０７の断面図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る圧電マイクロブロアについて、図２〜図９を参照して説明する。
図２は第１の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０１の斜視図である。外形は略正方形板状を成し、その一つの側面の中央部に吹出口（４０ＢＨ，５０ＢＨ）が開口されている。また、圧電マイクロブロア１０１の主面に吸入口が開口されている。図２に示す向きでは上面に吸入口６０Ａが見えている。

図３は、図２においてＸ−Ｘ方向に切った、圧電マイクロブロア１０１の中央縦断面図である。但し、断面構造をわかりやすくするために、厚み方向に拡大し、上下左右のアスペクト比を変えている。この圧電マイクロブロア１０１は、底板６０、流路板５０、ブロア室板４０、スペーサ３０、振動板１０、側壁板２０を備えている。

振動板１０は、そのダイヤフラム１１にリング状の中間板１３を介して実質的に中間板１３と同径のリング状圧電素子１２が貼付されることにより構成されている。すなわち、振動板１０は一体化されている。

流路板５０、ブロア室板４０、スペーサ３０、ダイヤフラム１１、及び側壁板２０にはネジを通す孔（不図示）が開口されていて、底板６０にはネジが螺合するネジ穴（不図示）が切られている。側壁板２０側からネジを通し、底板６０のネジ穴に螺合させることによって、底板６０、流路板５０、ブロア室板４０、スペーサ３０、ダイヤフラム１１、及び側壁板２０が一体化される。

ブロア室板４０の中央には直径Ｄの円形の開口４０Ｓが形成されている。振動板１０は、そのダイヤフラム１１の周辺部がスペーサ３０とともに、ブロア室板４０と側壁板２０とで挟まれている。すなわち、ダイヤフラム１１はスペーサ３０を介して、ブロア室板４０と側壁板２０とで支持されている。このスペーサ３０、ブロア室板４０、流路板５０、底板６０、及び側壁板２０が本発明に係る「ダイヤフラム支持部」に相当する。

ダイヤフラム１１、流路板５０、及びブロア室板４０の開口４０Ｓで囲まれた空間がブロア室ＢＳである。
ブロア室板４０には吹出口４０ＢＨ、流路板５０には吹出口５０ＢＨがそれぞれ設けられていて、ブロア室ＢＳと吹出口４０ＢＨ，５０ＢＨとの間に吹出用流路４０Ｆ，５０Ｆがそれぞれ形成されている。

側壁板２０には、その厚み方向に縦穴２０Ｖが形成されている。ダイヤフラム１１及びスペーサ３０には縦穴２０Ｖに連通し、且つ吹出用流路４０Ｆの途中に繋がる穴が形成されている。縦穴２０Ｖの一方端は吸入口２０Ａで開放されている。また、底板６０にはその厚み方向に、吹出用流路５０Ｆの途中に繋がる縦穴６０Ｖが形成されている。この縦穴６０Ｖの一方端は吸入口６０Ａで開放されている。

ブロア室ＢＳで加圧された圧縮性流体（例えば空気である。以降、空気を例にして説明する。）は吹出用流路４０Ｆ，５０Ｆを通って、吹出口４０ＢＨ，５０ＢＨから吹出される。その際、吸入口２０Ａ，６０Ａから空気が吸入され、この吸入された空気は、ブロア室ＢＳからの空気と一緒になって吹出口４０ＢＨ，５０ＢＨから吹出される。したがって、圧電マイクロブロア１０１の吹出口４０ＢＨ，５０ＢＨ側に隣接配置された部材を冷却できる。

図４は、図２・図３に示した圧電マイクロブロア１０１の各構成部材の平面図である。図４（Ａ）に示すように、側壁板２０は、外形が方形板状であり、その中央に円形の開口２０Ｓが形成されている。この円形の開口２０Ｓは、ダイヤフラム１１の周辺部のみを支持するために形成されている。また、側壁板２０には二つの縦穴２０Ｖが形成されている。前述したように、この縦穴２０Ｖは吸入用流路の一部である。

図４（Ｂ）に示すように、圧電素子１２及び中間板１３は共にリング板状である。
図４（Ｃ）に示すように、ダイヤフラム１１は外形が方形板状であり、二つの穴１１Ｖが形成されている。これらの穴１１Ｖは側壁板の縦穴２０Ｖと連通する。

図４（Ｄ）に示すように、スペーサ３０は、外形が方形板状であり、その中央に円形の開口３０Ｓが形成されている。また、スペーサ３０には二つの穴３０Ｖが形成されている。これらの穴３０Ｖはダイヤフラム１１の穴１１Ｖと連通する。このスペーサ３０の平面形状は側壁板２０の平面形状と同じである。

図４（Ｅ）に示すように、ブロア室板４０は、外形が方形板状であり、その中央に円形の開口４０Ｓが形成されている。また、ブロア室板４０には二つの横穴４０Ｈ及び吹出用流路４０Ｆが形成されている。吹出用流路４０Ｆは開口４０Ｓと吹出口４０ＢＨとを連通させる。

横穴４０Ｈの第１の端部は吹出用流路４０Ｆの根元付近（開口４０Ｓ寄りの位置）に繋がっている。横穴４０Ｈの第２の端部はスペーサ３０の穴３０Ｖと連通している。スペーサ３０の穴３０Ｖはダイヤフラム１１の穴１１Ｖ及び側壁板２０の縦穴２０Ｖに連通しているので、横穴４０Ｈの第２の端部は、図３に示した吸入口２０Ａにまで連通している。

図４（Ｆ）に示すように、流路板５０は、外形が方形板状であり、二つの横穴５０Ｈ及び吹出用流路５０Ｆが形成されている。これらの横穴５０Ｈ及び吹出用流路５０Ｆは、ブロア室板４０の二つの横穴４０Ｈ及び吹出用流路４０Ｆと同一形状であり、互いに重なる。このように流路板５０にも横穴５０Ｈ及び吹出用流路５０Ｆを設けることによって、横穴及び吹出用流路の厚みを稼いでいる。

吹出用流路４０Ｆ，５０Ｆ及び吹出口４０ＢＨ，５０ＢＨは吹出用のノズルを構成している。このノズルの作用によって、ブロア室から吹出される空気が一定方向に整流され、且つブロア室から吹出口４０ＢＨ，５０ＢＨまでの圧力変化が所定パターンとなるように制御される。しかも、従来の縦方向に吹出するブロアでは、ノズルを設けた場合に圧電マイクロブロア１０１の高さ方向に寸法が大きくなってしまうが、本構造ではノズルはブロア室の吹出用流路や底板に形成することができ、寸法を大きくすることなく構成できる。

図４（Ｇ）に示すように、底板６０は外形が方形板状であり、二つの縦穴６０Ｖが形成されている。これらの縦穴６０Ｖは流路板５０の横穴５０Ｈと連通する。

このように、図４の各構成部材を積層し、ネジ留めすることによって、図３に示した圧電マイクロブロア１０１を構成する。なお、ここでは各構成部材をネジ留めにより固定させているが、接着やカシメ等のその他の手段で一体化されていてもよい。

図５〜図７は、圧電マイクロブロア１０１のブロア室ＢＳのサイズとブロア室ＢＳ内の圧力変化との関係を示す図である。但し、説明に必要な部材のみについて、且つそれらを簡略化して表している。これらの例では、何れもダイヤフラム１１のリング状の圧電素子１２及び中間板１３の内径部分だけが大きく変位するような３次高調波で屈曲振動する、３次振動モードの場合について図示している。

図５は、ブロア室の直径Ｄが、ブロア室内に生じる圧力波の波長より大きい場合の例である。図５中の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はダイヤフラム１１の振動周期の９０°位相差毎の、ダイヤフラム１１及びブロア室ＢＳの変化と圧力波を示している。

まず、位相０°は、それ以前の位相２７０°の状態から、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを圧縮する方向に変位する途中である。このとき、ダイヤフラム１１の変位は０、速度は最大である。図中の白抜きの矢印はダイヤフラム１１の変位方向を表している。ダイヤフラム１１の変位速度は大きいので、ダイヤフラム１１の中央部の圧力が大気圧より高くなる。図中の破線の楕円は、その領域で圧力が高まっていることを表している。この圧力の高い領域からダイヤフラム１１の周囲方向へ圧力波が伝搬する。図中の矢印はその伝搬を表している。

その後、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを収縮させる方向へ変位し、位相９０°で変位が最大、速度が０となる。

その後、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを拡張させる方向へ変位し、位相１８０°で変位が０、速度が最大となる。このとき、ブロア室ＢＳの中央の圧力は大気圧より低くなる。図中の白抜きの矢印はダイヤフラム１１の変位方向を表している。図中の破線の楕円は、その領域で圧力が低くなっていることを表している。

その後、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを拡張させる方向へ変位し、位相２７０°で変位が最大、速度が０となる。
以上の動作を繰り返す。（ａ）に示した位相０°付近で、ブロア室ＢＳの中央で発生した圧力波は、ブロア室ＢＳの周囲へ伝搬していく。図５に示した例では、ブロア室ＢＳの直径Ｄが、ブロア室ＢＳ内に生じる圧力波の波長より大きく、ブロア室ＢＳの周囲へ伝播するうちに圧力波は減衰していく。したがって、ブロア室ＢＳの中央部の圧力変化は大きいが、ブロア室の周辺部の圧力変化は小さくなる。そのため、このようなブロア室のサイズでは、ブロア室の側方から空気を吹出することができない。

図６は、ブロア室の直径Ｄが、ブロア室内に生じる圧力波の波長の１／２である場合の例である。図６中の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はダイヤフラム１１の振動周期の９０°位相差毎の、ダイヤフラム１１及びブロア室ＢＳの変化と圧力波を示している。

まず、位相０°は、それ以前の位相２７０°の状態から、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを圧縮する方向に変位する途中である。図５の（ａ）の場合と同様に、このとき、ダイヤフラム１１の変位は０、速度は最大である。ダイヤフラム１１の変位速度は大きいので、ダイヤフラム１１の中央部の圧力が大気圧より高くなる。この圧力の高い領域からダイヤフラム１１の周囲方向へ圧力波が伝搬する。

その後、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを収縮させる方向へ変位し、位相９０°で変位が最大、速度が０となる。ブロア室ＢＳの半径（Ｄ／２）は１／４波長であるので、位相０°の時にブロア室の中央で発生した圧力波は１／４周期後にブロア室板４０の開口４０Ｓの内壁で反射することになる。

その後、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを拡張させる方向へ変位し、位相１８０°で変位が０、速度が最大となる。このとき、ブロア室ＢＳの中央の圧力はダイヤフラム１１の変位に応じて低くなろうとするが、ブロア室板４０の開口４０Ｓの内壁で反射してブロア室ＢＳの中央方向へ戻って来た圧力波は、ブロア室中央の圧力変化を打ち消す方向に作用する。

その後、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを拡張させる方向へ変位し、位相２７０°で変位が最大、速度が０となる。このとき、ブロア室ＢＳの中央の圧力は大気圧と同等かそれより低くなる。
以上の動作を繰り返す。このように、ダイヤフラム１１の変位によってブロア室ＢＳの中央で発生した圧力波は、ブロア室ＢＳの周囲へ伝搬し、ブロア室板４０の開口４０Ｓの内壁で反射し、再びブロア室ＢＳの中央方向へ戻って干渉する。図６に示した例では、ブロア室ＢＳの直径Ｄが、ブロア室ＢＳ内に生じる圧力波の波長の１／２であるので、ブロア室板４０の開口４０Ｓの内壁で反射しブロア室ＢＳの中央方向へ戻る圧力波と、ブロア室ＢＳの中央で発生した圧力波とは逆位相で干渉し、互いの圧力を打ち消し合う。したがって、ダイヤフラム１１はブロア室内の圧力を有効に変化させることができない。そのため、ブロア室ＢＳが小さく、ブロア室ＢＳの周囲へ伝播する時の減衰が少ないとはいうものの、このようなブロア室のサイズでも、ブロア室の側方から空気を十分に吹出することができない。

図７は、ブロア室の直径Ｄが、ブロア室内に生じる圧力波の波長の１／４である場合の例である。図７中の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はダイヤフラム１１の振動周期の９０°位相差毎の、ダイヤフラム１１及びブロア室ＢＳの変化と圧力波を示している。

まず、位相０°は、それ以前の位相２７０°の状態から、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを圧縮する方向に変位する途中である。図５の（ａ）の場合と同様に、このとき、ダイヤフラム１１の変位は０、速度は最大である。ダイヤフラム１１の変位速度は大きいので、ダイヤフラム１１の中央部の圧力が大気圧より高くなる。この圧力の高い領域からダイヤフラム１１の周囲方向へ圧力波が伝搬する。

その後、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを収縮させる方向へ変位し、位相９０°で変位が最大、速度が０となる。ブロア室ＢＳの半径（Ｄ／２）は１／８波長であるので、位相０°の時にブロア室の中央で発生した圧力波は１／８周期後にブロア室板４０の開口４０Ｓの内壁で反射し、１／４周期後にブロア室の中央に戻ったとき、圧力の高い領域と低い領域とが同一時点で重ならない。

その後、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを拡張させる方向へ変位し、位相１８０°で変位が０、速度が最大となる。

その後、ダイヤフラム１１がブロア室ＢＳを拡張させる方向へ変位し、位相２７０°で変位が最大、速度が０となる。このとき、ブロア室ＢＳの中央の圧力は大気圧と同等かそれより低くなる。
以上の動作を繰り返す。

このように、ダイヤフラム１１の変位によってブロア室ＢＳの中央で発生した圧力波は、ブロア室ＢＳの周囲へ伝搬し、ブロア室板４０の開口４０Ｓの内壁で反射し、すぐにブロア室ＢＳの中央方向へ戻る。図７に示した例では、ブロア室ＢＳの直径Ｄが、ブロア室ＢＳ内に生じる圧力波の波長の１／４であるので、ブロア室板４０の開口４０Ｓの内壁で反射しブロア室ＢＳの中央方向へ戻る圧力波と、ブロア室ＢＳの中央で発生した圧力波とは互いに打ち消し合うことがない。したがって、ブロア室ＢＳ内部の圧力はほぼ一様に変化する。そのため、ブロア室の周辺部での圧力変化は中央部と同様に大きく変化し、ブロア室の側方から空気を吹出することができる。なお、この例では波長の１／４としたが、１／４以下であれば互いに打消し合うことはなく、また小さければ小さいほど瞬間的に圧力波が伝搬し、より一様に圧力が変化する。

図８は、ブロア室ＢＳの直径Ｄと、圧電マイクロブロア１０１から吹出される空気の流量との関係を示す図である。ここで、横軸は駆動周波数での圧力波（媒体中を伝わる音波）の波長に対するブロア室ＢＳの直径Ｄの比である。室温での音速を約３４０ｍとして、ブロア室内に生じる駆動周波数での圧力波（音波）の波長を計算し、それに対してブロア室ＢＳの直径Ｄの比を求めた。

ここで、圧電マイクロブロア１０１の各部の寸法は次のとおりである。
［圧電素子１２］
厚み0.2[mm]
外径12[mm]
内径5[mm]
［中間板１３］
厚み0.1[mm]
外径12[mm]
内径5[mm]
［ダイヤフラム１１］
厚み0.08[mm]
外径15[mm]
［ブロア室板４０］
厚み0.2[mm]
内径3〜11[mm]
［流路板５０］
厚み0.5[mm]
［底板６０］
厚み0.5[mm]
［圧電素子１２へ印加する駆動電圧］
周波数20kHz
電圧50Vppの交流電圧
直径Ｄが０．５以下、つまり圧力波の波長の１／２未満で横吹きの流量が得られ始めており、さらに直径Ｄが０．２５以下、つまり圧力波の波長の１／４以下では流量は０．２３［Ｌ／ｍｉｎ］となっており大きな空気の吹出が生じている。

このように、ブロア室ＢＳの直径Ｄがブロア室ＢＳ内に発生する圧力波の波長の１／４以下であると、（１／４以下であるほど、）ブロア室板４０の開口４０Ｓの内壁で反射しブロア室ＢＳの中央方向へ戻るまでの時間が短くなり、圧力波が瞬間的に伝搬することになり、ブロア室内の圧力変化の一様性が向上する。但し、ブロア室ＢＳの直径Ｄがあまりに小さくなり過ぎると、ダイヤフラム１１の変位が小さくなってブロア室の容積変化が小さくなり、流量が稼げなくなるので、ブロア室ＢＳの直径Ｄは、ブロア室ＢＳ内に発生する圧力波の波長の１／４以下の条件を満足しつつ、所定の流量が得られる寸法に設定すればよい。そのような場合、第１の実施形態のようにブロア室の寸法は小さく保ちながらそれとは別に駆動部を大きくすることで、変位を大きくしながらブロア室内の圧力分布を一様にすることができ、良好な流量特性が得られる。

また、実験結果より、ブロア室ＢＳの直径Ｄが圧力波の波長の１／２未満の場合、ブロア室の側方から空気の吹出が確認できている。上記範囲は、理論上、圧力が打ち消し始める領域ではあるが、完全に打ち消す訳ではなく、圧力が一様になるように何らかの作用が働いているものと考えられる。

図９は、第１の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０１を３段重ねにして用いる例を示す断面図である。第１の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０１は、その上下面の吸入口２０Ａ，６０Ａが平面視で同じ位置にあるため、複数の圧電マイクロブロア１０１を積層した状態で、それぞれの圧電マイクロブロア１０１の吸入口２０Ａ，６０Ａは連通する。そのため、各圧電マイクロブロア１０１は正常に動作し、全体の吹出量の流量が稼げる。しかも、吹出口４０ＢＨ，５０ＢＨは同一面に並んで同方向を向くので、それらから吹出された空気は周囲の空気を巻き込み、周囲の空気を含めた全体の流量が更に向上することになる。

《第２の実施形態》
図１０は第２の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０２の断面図である。第１の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０１と異なるのは、図３に示した流路板５０を備えていないことと、吸入口６０Ａが単一であることである。

図１１は、図１０に示した圧電マイクロブロア１０２の各構成部材の平面図である。図１１（Ａ）に示すように、側壁板２０は、外形が方形板状であり、その中央に円形の開口２０Ｓが形成されている。

図１１（Ｂ）に示すように、圧電素子１２及び中間板１３は共にリング板状である。
図１１（Ｃ）に示すように、ダイヤフラム１１は外形が方形板状である。

図１１（Ｄ）に示すように、スペーサ３０は、外形が方形板状であり、その中央に円形の開口３０Ｓが形成されている。

図１１（Ｅ）に示すように、ブロア室板４０は、外形が方形板状であり、その中央に円形の開口４０Ｓが形成されている。また、ブロア室板４０には吹出用流路４０Ｆが形成されている。吹出用流路４０Ｆは開口４０Ｓと吹出口４０ＢＨとを連通させる。

図１１（Ｆ）に示すように、底板６０は外形が方形板状であり、一つの縦穴６０Ｖが形成されている。この縦穴６０Ｖはブロア室板４０の吹出用流路４０Ｆの根元付近（開口４０Ｓ寄りの位置）に繋がっている。

このように、図１１の各構成部材を積層し、ネジ留めすることによって、図１０に示した圧電マイクロブロア１０２を構成する。

《第３の実施形態》
図１２は第３の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０３の断面図である。第１の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０１と異なるのは、圧電素子１２及び中間板１３を円板状にしたことである。その他の構成は圧電マイクロブロア１０１と同じである。この場合は、一次振動モードで使用してもよい。第１の実施形態として比較して、非常に小型化することが可能になる。

ダイヤフラム１１、圧電素子１２、及び中間板１３による振動板１０の振動モードは第１の実施形態で示したものと異なるが、ブロア室ＢＳのサイズとブロア室内の圧力が一様に変化するための条件は同じである。したがって、このような円板状の圧電素子を備えた圧電マイクロブロアにも適用できる。つまり、本発明のブロア室構造を有すれば、ダイヤフラム、圧電素子、中間板の有無等の構成や振動モードによらず、内部の圧力変化がほぼ一様にでき、同様の効果が得られる。

《第４の実施形態》
図１３は第４の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０４の断面図である。この圧電マイクロブロア１０４は、底板６０、流路板５０、振動板１０、側壁板２０を備えている。振動板１０は、圧電素子１２とダイヤフラム１１と中間板１３とで構成されている。

第１〜第３の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０１〜１０３と異なるのは、振動板１０及びブロア室ＢＳの構成である。
振動板１０は、そのダイヤフラム１１の周辺部が流路板５０と側壁板２０とで挟まれている。すなわち、ダイヤフラム１１は流路板５０と側壁板２０とで支持されている。この流路板５０及び側壁板２０が本発明に係る「ダイヤフラム支持部」に相当する。

中間板１３は本発明に係る「ブロア室枠体」に相当する。圧電素子１２は円板状であるの対し、中間板１３はリング板状である。ダイヤフラム１１と圧電素子１２との間に中間板１３が挟み込まれている。この構造によって、ダイヤフラム１１、圧電素子１２、及び中間板でブロア室ＢＳが構成されている。

中間板１３には吹出用流路１３Ｆが形成されている。側壁板２０には吹出口２０ＢＨ、流路板５０には吹出口５０ＢＨがそれぞれ設けられている。さらに、吹出用流路１３Ｆの延長位置と吹出口２０ＢＨとの間に吹出用流路２０Ｆが形成されている。

流路板５０、ダイヤフラム１１、及び側壁板２０にはネジを通す孔（不図示）が開口されていて、底板６０にはネジが螺合するネジ穴（不図示）が切られている。側壁板２０側からネジを通し、底板６０のネジ穴に螺合させることによって、底板６０、流路板５０、ダイヤフラム１１、及び側壁板２０が一体化される。

図１４は、図１３に示した圧電マイクロブロア１０４の各構成部材の平面図である。図１４（Ａ）に示すように、側壁板２０は、外形が方形板状であり、その中央に円形の開口２０Ｓが形成されている。また、側壁板２０には吹出用流路２０Ｆが形成されている。吹出用流路２０Ｆは開口２０Ｓと吹出口２０ＢＨとを連通させる。

図１４（Ｂ）に示すように、圧電素子１２は円板状である。
図１４（Ｃ）に示すように、中間板１３はリング板状の一部に切れ目が入っている。この切れ目が吹出用流路１３Ｆである。
図１４（Ｄ）に示すように、ダイヤフラム１１は外形が方形板状であり、内部に複数の円弧状のスリットが形成されている。また、開口部が吹出口１１ＢＨと繋がっている吹出用流路１１Ｆが形成されている。

図１４（Ｅ）に示すように流路板５０は、外形が方形板状であり、その中央に円形の開口５０Ｓが形成されている。また、流路板５０には吹出用流路５０Ｆが形成されている。吹出用流路５０Ｆは開口５０Ｓと吹出口５０ＢＨとを連通させる。
図１４（Ｆ）に示すように、底板６０は外形が方形板状である。

このように、図１４の各構成部材を積層し、ネジ留めすることによって、図１３に示した圧電マイクロブロア１０４を構成する。

このように、ダイヤフラム１１、圧電素子１２、及び中間板で構成されるブロア室ＢＳは、ダイヤフラム１１に支持されて浮島状になっているので、ダイヤフラム１１と圧電素子１２は個別に屈曲変位可能である。圧電素子１２が上方へ膨らむように変位するとき、ダイヤフラム１１は下方へ下がるように変位し、圧電素子１２が下方へ凹むように変位するとき、ダイヤフラム１１は上方へ上がるように変位する振動モードが生じるように、圧電素子１２、中間板１３、及びダイヤフラム１１の寸法を定めている。圧電素子１２に対する駆動電圧の周波数は、圧電素子１２及びダイヤフラム１１が上記のモードで振動するように定める。

このように、圧電素子１２及びダイヤフラム１１がブロア室ＢＳの縮小方向と拡張方向に同期して変位することによって、第１〜第３の実施形態で示した圧電マイクロブロアのブロア室よりその容積変化が大きくなる。したがって、吹出流量を効果的に増大できる。

ここで、圧電マイクロブロア１０４の各部の寸法は次のとおりである。
［圧電素子１２］
厚み0.1[mm]
外径9[mm]
［中間板１３］
厚み0.15[mm]
外径9[mm]
内径4[mm]
［ダイヤフラム１１］
厚み0.05[mm]
外径12[mm]
［流路板５０］
厚み0.5[mm]
［底板６０］
厚み0.5[mm]
［圧電素子１２へ印加する駆動電圧］
周波数21.6kHz
電圧15Vppの交流電圧
以上の条件で、駆動電圧が低いにもかかわらず、第１の実施形態と同等の０．２２［Ｌ／ｍｉｎ］の流量が得られた。

この第４の実施形態によれば、ブロア室形成のためだけの部材が不要となり、全体に低背化できる。また、ダイヤフラム１１の駆動部周辺部にスリットを入れたため、ダイヤフラム支持部材である流路板５０及び側壁板２０への振動漏れが抑制される。さらに、構成部品の積層圧力や、圧電マイクロブロアの取り付け応力などの影響を受けずに安定動作できる。

《第５の実施形態》
図１５は第５の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０５の断面図である。第１の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０１と異なるのは、ブロア室板４０の構成である。その他の構成は圧電マイクロブロア１０１と同じである。

第５の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０５では、ダイヤフラム１１とブロア室板４０の開口４０Ｓと流路板５０とで構成される空間に、その空間を仕切るブロア室仕切り４０Ｐを備えている。そして、このブロア室仕切り４０Ｐとダイヤフラム１１とでブロア室ＢＳが構成されている。

図１６は、図１５に示した圧電マイクロブロア１０５の各構成部材の平面図である。図１６（Ａ）に示すように、側壁板２０は、外形が方形板状であり、その中央に円形の開口２０Ｓが形成されている。また、側壁板２０には二つの縦穴２０Ｖが形成されている。

図１６（Ｂ）に示すように、圧電素子１２及び中間板１３は共にリング板状である。
図１６（Ｃ）に示すように、ダイヤフラム１１は外形が方形板状であり、二つの穴１１Ｖが形成されている。これらの穴１１Ｖは側壁板の縦穴２０Ｖと連通する。

図１６（Ｄ）に示すように、スペーサ３０は、外形が方形板状であり、その中央に円形の開口３０Ｓが形成されている。また、スペーサ３０には二つの穴３０Ｖが形成されている。

図１６（Ｅ）に示すように、ブロア室板４０は、外形が方形板状であり、その中央に開口４０Ｓが形成されている。この開口４０Ｓ内にブロア室仕切り４０Ｐが形成されている。また、ブロア室板４０には横穴４０ＢＨ及び吹出用流路４０Ｆが形成されている。吹出用流路４０Ｆは、ブロア室仕切り４０Ｐ内と吹出口４０ＢＨとを連通させる。

図１６（Ｆ）に示すように、流路板５０は、外形が方形板状であり、二つの横穴５０Ｈ及び吹出用流路５０Ｆが形成されている。横穴５０Ｈの第１の端部は吹出用流路５０Ｆの根元付近に繋がっている。横穴５０Ｈの第２の端部はブロア室板４０の穴４０Ｖと連通している。ブロア室板４０の穴４０Ｖはスペーサ３０の穴３０Ｖ、ダイヤフラム１１の穴１１Ｖ及び側壁板２０の縦穴２０Ｖに連通しているので、横穴５０Ｈの第２の端部は、図１５に示した吸入口２０Ａにまで連通している。

図１６（Ｇ）に示すように、底板６０は外形が方形板状であり、二つの縦穴６０Ｖが形成されている。これらの縦穴６０Ｖは流路板５０の横穴５０Ｈと連通する。

このように、図１６の各構成部材を積層し、ネジ留めすることによって、図１５に示した圧電マイクロブロア１０５を構成する。

尚、以上に示した例では、ダイヤフラム支持部側にブロア室仕切りを設けたが、ダイヤフラム１１側にブロア室仕切りを設けてもよい。
第１〜第４の実施形態で示したように、ダイヤフラム１１が変位する領域にブロア室板４０が設けられてブロア室が構成されると、ダイヤフラム１１が変位する時に空気の抵抗が生じてダイヤフラム１１の変位が阻害されるおそれがある。しかし、第５の実施形態のように、ブロア室板４０の開口４０Ｓを大きくし、その開口による空間内にブロア室仕切り４０Ｐを設ければ、ダイヤフラム１１の下に変位可能な空間を確保することができるので、変位を阻害するおそれが小さくなる。特に、ブロア室仕切り４０Ｐをダイヤフラム１１の振動の節に対応する位置にすれば、その効果が大きい。また、特にブロア室の寸法Ｄが小さい場合に効果が大きい。

《第６の実施形態》
図１７は第６の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０６の断面図である。第１の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０１と異なるのは、図３に示した底板６０を備えていないこと、図３に示した縦穴２０Ｖ，６０Ｖを備えていないこと、同様にダイヤフラム１１及びスペーサ３０に、縦穴２０Ｖと連通する穴を備えていないこと、及び図３に示した吹出用流路５０Ｆを備えていないことである。

すなわち、吸入口を備えていない。そのため、吸入口から吸入した空気を吹出口から吹出するといった一方向への流体の輸送はできないが、吹出口４０ＢＨからブロア室ＢＳへ吸引した空気を同じブロア室ＢＳから吹出口４０ＢＨ周辺の空気を巻き込んで吹出するという“ふいご動作”を行う。

このふいご動作によって空気の流れを生じさせ、もしくは空気に乱れを発生させることで、冷却効率を上げる効果が期待でき、小型機器における冷却に利用できる。
第６の実施形態によれば、底板が無いためさに、第１の実施形態の圧電マイクロブロア１０１に比べて低背化でき、材料部品も簡素化できる。

《第７の実施形態》
図１８は第７の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０７の断面図である。これまでに示した各実施形態では、板状の部材を用いてスペーサ３０、ブロア室板４０、流路板５０、底板６０を積層することでマイクロブロアが構成されていたが、第７の実施形態は樹脂成型や削りだしなどの加工法により一体形成された部材が用いられている。

第７の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０７では、例えば図１５に示したスペーサ３０、ブロア室板４０、流路板５０、底板６０に相当する部材が、単一の樹脂部材である下部板３４５で構成されている。下部版３４５には凹部が形成されて、この下部板３４５の凹部とダイヤフラム１１とでブロア室ＢＳが構成されている。また、下部板３４５には横穴４５ＢＨ及び吹出用流路４５Ｆが形成されている。下部板３４５には吸入口３４５Ａが形成されている。

振動板１０は、そのダイヤフラム１１に中間板１３を介して圧電素子１２が貼付されることにより一体化されている。その他の構成は図１５に示したものと同様である。

このように、一体成型された樹脂部材によりブロア本体を形成する場合、ブロア室の形状は任意の形状に加工しやすい。例えば、ブロア室の流路側の角にテーパやＲ（丸み）をつけたり、ブロア室をドーム状にしてダイヤフラムの変形形状により近づけたりして、ブロア室内の圧力変化をより一様にする事ができる。この場合は、ブロア室の形状が厚み方向に一様ではないが、広がり方向の最大寸法Ｄがブロア室寸法と考えればよい。

さらにブロア室だけではなく、吹出用流路の形状も任意に構成することができ、流れに最適な形状とすることでより特性の改善が可能となる。

《他の実施形態》
圧電マイクロブロアの駆動周波数は、問題となる程の可聴音雑音が生じないように、超音波の周波数帯域であることが望ましいし、高いほど単位時間当たりのダイヤフラムの振動サイクル数が多くなるので、流量を高めることができる。しかし、振動板の共振周波数の設計によっては、１５ｋＨｚ以上である難可聴周波数領域や超音波の周波数（おおむね２０ｋＨｚ以上）の周波数であってもよいし、この周波数範囲から多少外れていてもよい。

ＢＳ…ブロア室
１０…振動板
１１…ダイヤフラム
１１Ｖ，３０Ｖ，４０Ｖ…穴
１２…圧電素子
１３…中間板
１１Ｆ，１３Ｆ，２０Ｆ，４０Ｆ，５０Ｆ…吹出用流路
２０…側壁板
２０Ａ，６０Ａ…吸入口
２０Ｓ，３０Ｓ，４０Ｓ，５０Ｓ…開口
２０Ｖ，６０Ｖ…縦穴
３０…スペーサ
４０…ブロア室板
４０ＢＨ，５０ＢＨ…吹出口
４０Ｈ，５０Ｈ…横穴
４０Ｐ…室仕切り
５０…流路板
６０…底板
１０１〜１０７…圧電マイクロブロア

しかし、このように、圧電マイクロブロア本体に対して垂直方向に圧縮性流体を吹出する構造では、小型の低背電子機器内に組み込もうとする場合に、製品自体を如何に低背化しても、圧電マイクロブロアから吹出される流体の流れを確保するために、垂直方向の空間が必要になってしまう。電子機器の筐体内で流体の流れを水平方向にしようとすれば、圧電マイクロブロアを電子機器の筐体内で縦向きにして置くか、一旦垂直方向に排出した流れを別途の経路を設けて水平方向に変換する必要が生じ、結局は高さが必要になってしまう。そのため、低背電子機器向けには使用できなかった。

ここで、圧電マイクロブロア１０１の各部の寸法は次のとおりである。
［圧電素子１２］
厚み0.2[mm]
外径12[mm]
内径5[mm]
［中間板１３］
厚み0.1[mm]
外径12[mm]
内径5[mm]
［ダイヤフラム１１］
厚み0.08[mm]
外径15[mm]
［ブロア室板４０］
厚み0.2[mm]
内径3〜11[mm]
［流路板５０］
厚み0.5[mm]
［底板６０］
厚み0.5[mm]
［圧電素子１２へ印加する駆動電圧］
周波数20kHz
電圧50Vppの交流電圧
直径Ｄが０．５未満、つまり圧力波の波長の１／２未満で横吹きの流量が得られ始めており、さらに直径Ｄが０．２５以下、つまり圧力波の波長の１／４以下では流量は０．２３［Ｌ／ｍｉｎ］となっており大きな空気の吹出が生じている。

この第４の実施形態によれば、ブロア室形成のためだけの部材が不要となり、全体に低背化できる。また、ダイヤフラム１１の駆動部周辺部にスリットを入れたため、ダイヤフラム支持部である流路板５０及び側壁板２０への振動漏れが抑制される。さらに、構成部品の積層圧力や、圧電マイクロブロアの取り付け応力などの影響を受けずに安定動作できる。

図１６（Ｅ）に示すように、ブロア室板４０は、外形が方形板状であり、その中央に開口４０Ｓが形成されている。この開口４０Ｓ内にブロア室仕切り４０Ｐが形成されている。また、ブロア室板４０には吹出口４０ＢＨ及び吹出用流路４０Ｆが形成されている。吹出用流路４０Ｆは、ブロア室仕切り４０Ｐ内と吹出口４０ＢＨとを連通させる。

このふいご動作によって空気の流れを生じさせ、もしくは空気に乱れを発生させることで、冷却効率を上げる効果が期待でき、小型機器における冷却に利用できる。
第６の実施形態によれば、底板が無いために、第１の実施形態の圧電マイクロブロア１０１に比べて低背化でき、材料部品も簡素化できる。

第７の実施形態に係る圧電マイクロブロア１０７では、例えば図１５に示したスペーサ３０、ブロア室板４０、流路板５０、底板６０に相当する部材が、単一の樹脂部材である下部板３４５で構成されている。下部板３４５には凹部が形成されて、この下部板３４５の凹部とダイヤフラム１１とでブロア室ＢＳが構成されている。また、下部板３４５には横穴４５ＢＨ及び吹出用流路４５Ｆが形成されている。下部板３４５には吸入口３４５Ａが形成されている。

ＢＳ…ブロア室
１０…振動板
１１…ダイヤフラム
１１Ｖ，３０Ｖ，４０Ｖ…穴
１２…圧電素子
１３…中間板
１１Ｆ，１３Ｆ，２０Ｆ，４０Ｆ，５０Ｆ…吹出用流路
２０…側壁板
２０Ａ，６０Ａ…吸入口
２０Ｓ，３０Ｓ，４０Ｓ，５０Ｓ…開口
２０Ｖ，６０Ｖ…縦穴
３０…スペーサ
４０…ブロア室板
４０ＢＨ，５０ＢＨ…吹出口
４０Ｈ，５０Ｈ…横穴
４０Ｐ…ブロア室仕切り
５０…流路板
６０…底板
１０１〜１０７…圧電マイクロブロア

Claims (10)

1. 圧電素子と、
   前記圧電素子が取り付けられるダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムの周囲を支持するダイヤフラム支持部と、
   前記圧電素子に電圧が印加されて前記ダイヤフラムが屈曲変形することにより、容積変化を起こすブロア室と、を備え、前記ブロア室の前記容積変化によって圧縮性流体を輸送する圧電マイクロブロアにおいて、
   前記ダイヤフラム支持部は、前記ブロア室に連通された吹出口を側部に備え、
   前記ブロア室は、前記圧電素子が１５ｋＨｚ以上の交番電圧で駆動される状態で、前記ダイヤフラムの振動により内部の圧力変化がほぼ一様に変化する大きさである、圧電マイクロブロア。
2. 前記ブロア室は、前記ダイヤフラムの周囲を支持するダイヤフラム支持部と、前記ダイヤフラムとの間で構成された、請求項１に記載の圧電マイクロブロア。
3. 前記ダイヤフラムと前記ダイヤフラム支持部との間に構成される空間であって、前記ダイヤフラムと前記ダイヤフラム支持部の少なくともいずれかに、当該空間を仕切るブロア室仕切りを備え、
   前記ダイヤフラム、前記ダイヤフラム支持部及び前記ブロア室仕切りで前記ブロア室が構成された、請求項２に記載の圧電マイクロブロア。
4. 前記ダイヤフラム支持部は、前記吹出口と前記ブロア室とを連通する吹出用流路を内部に備え、前記ダイヤフラム支持部に吸入口を備え、前記吸入口と前記吹出用流路の途中との間を連通する吸入用流路を備えた、請求項２又は３に記載の圧電マイクロブロア。
5. 前記ダイヤフラムと前記圧電素子との間に挟まれたブロア室枠体を備え、前記ダイヤフラム、前記圧電素子、及び前記ブロア室枠体で前記ブロア室が構成された、請求項１に記載の圧電マイクロブロア。
6. 前記ダイヤフラム支持部は、前記吹出口と前記ブロア室とを連通する吹出用流路を内部に備え、前記ダイヤフラムに吸入口を備え、前記吸入口と前記吹出用流路の途中との間を連通する吸入用流路を備えた、請求項５に記載の圧電マイクロブロア。
7. 前記ブロア室の広がり方向の寸法は、前記ダイヤフラムの振動領域の範囲より小さい、請求項１乃至６の何れかに記載の圧電マイクロブロア。
8. 前記吹出口と前記吹出用流路とでノズルが構成された、請求項１乃至７の何れかに記載の圧電マイクロブロア。
9. 前記ブロア室の広がり方向の寸法は、前記ダイヤフラムの駆動周波数での圧力波の波長に対して１／２倍未満である、請求項１乃至８の何れかに記載の圧電マイクロブロア。
10. 前記ブロア室の広がり方向の寸法は、前記ダイヤフラムの駆動周波数での圧力波の波長に対して１／４倍以下である、請求項１乃至８の何れかに記載の圧電マイクロブロア。

Images