WO2008069266A1 - 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。

Description

明 細 書

圧電マイクロブロア

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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 ィャ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 消費電力であるとレ、う利点がある。

[0003] 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カ 、材料を用いた逆止弁を設け、数十 Hz程度の低!/、周波 数で圧電素子を駆動するのが一般的である。ところ力 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 常に小さぐ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

[0004] 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力 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力、つて開口 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 一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 力、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 略すること力 Sでさる。

[0005] 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ぐ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ぐ流入ポート 力、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。

[0006] 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!/、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。

[0007] 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 力、き混ぜて!/、るだけであり、熱交換効率が悪!/、。 特許文献 1：特開 2004— 146547号公報

特許文献 2：特表 2006— 522896号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] そこで、本発明の好まし!/、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。

課題を解決するための手段

[0009] 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。

[0010] 図 1は本発明に力、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。プロ ァ本体 1の第 1壁部 l a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 ャフラム 2の中心部と対向する第 1壁部 la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 5 a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 la を間にしてブロア室 4と反対側に、第 1壁部 l aと間隔をあけて第 2壁部 lbが設けられ 、第 1開口部 5aと対向する第 2壁部 lbの部位に第 2開口部 5bが形成されている。第 1壁部 l aと第 2壁部 lb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。

[0011] 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力 S、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レ、う作用が生じて!/、るものと考えられる。

[0012] 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ぐ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ぐ流量を効果 的に増大させることカでさる。

[0013] 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。

[0014] 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。

[0015] 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。 [0016] 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ュニモルフ型、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。

[0017] 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、し力、も可聴領域を越えた周波数で駆動できるため、騒 音を防ぐこと力できる。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。

[0018] 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 ャ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、し力、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 づけること力 Sできるので、圧電素子の外周部に配線を接続すればよぐ配線作業が 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

[0019] 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。

発明を実施するための最良の形態

[0020] 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。

実施例 1

[0021] 図 2〜図 5は本発明に力、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 5 0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, 2 0, 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!/、る。

[0022] 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!/、る。

[0023] 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つのコーナ部に向力、つ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のボンビ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。

[0024] 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!/、。

[0025] 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ぐ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 ァ枠体 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!/、。

[0026] 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 ィャフラム 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。

[0027] 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）に貼り付けてュ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。

[0028] 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。

[0029] 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の下方に向かつ 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口 ァ 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ぐ外周に開口していてもよい。

[0030] 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を用いた力 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。

[0031] 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。

[0032] 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 3 1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に向力 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。

[0033] 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力 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、それによつてダイヤフラム 50とセパレータ 30との距離力 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。

[0034] 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. 6 mm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 ィャフラム、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 X横 20mm X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。

[0035] 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、 lOOPa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力 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。

[0036] 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 流量の違レ、を示したものである。流量の単位は L/minである。

[表 1]

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。

[0037] 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力 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つ てダイヤフラムの固有振動数も異なってくる力 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、それによつて流量が増大したものと思われる。

[0038] 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 3 0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。

[0039] [表 2] サンプル 1 サンプル 2 セパレ一夕材質 りん青銅 SUS304

セパレー夕厚さ（_mm) 0.05 0.1 第 1開口部穴径（mm) 0.6 0.6

天板材質 洋白 洋白 第 2開口部穴径 (mm) 0.8 0.8

ブロア室材質 洋白 洋白 ブロア室高さ（mm) 0.15 0.15 ブロア室直径 (_mm) 16 16

振動板材質 4 2 N i 4 2 N i 振動板厚み（mm) 0.08 0.08

中間板厚み（mm) 0.15 0.15

中間板直径 (mm) 1 1 1 1 圧電素子厚み（mm) 0.20 0.20 圧電素子直径 (mm) 1 1 1 1 中央空間穴径（mm) 6 6 中央空間高さ（mm) 0.5 0.5

[0040] 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力 厚みの違いが 2倍あるので、サンプル 1に比べてサンプ ノレ 2の方がセパレータの剛性が格段に高くなつている。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力 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。

[0041] 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。

実施例 2

[0042] 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 52 a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。 [0043] 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（Ommの位置）力、ら 6mmの位置まで圧電素子が取り付けられて!/、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（Ommの位置）から 2. 5m m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。

[0044] 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 しょうとすると、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ぐ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。

[0045] 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口 ァ 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 18 mm、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. Omm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 X横 20mm X高 さ 4· Omm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。

[0046] 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、 lOOPa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 ィャフラム 50bの中心部の変位量が非常に大きくなる。例えば、厚み 0. lmm、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. lmm、 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 5 Ob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。

実施例 3

[0047] 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が形成されている力 これはマイクロブ口 ァ 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。

[0048] 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. 6 mm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 X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 X横 22mm X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. lmm、直径 18mm に設計されている。

[0049] 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、 lOOPa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。

[0050] 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がー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。

[0051] 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力 必ずしもセパレータが共振する必要はな ぐ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。

[0052] 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。

[0053] 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 ではなぐ任意に選択できる。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。

図面の簡単な説明

[0054] [図 1]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。

[図 2]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。 園 3]図 2に示す圧電マイクロブロアの分解斜視図である。

[図 4]図 2の IV— IV線断面図である。

[図 5]図 4の V— V泉断面図である。

[図 6]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。

園 7]図 2に示す圧電マイクロブロアの概略動作図である。

園 8]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。

園 9]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。

園 10]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。

園 11]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 12]図 11の XII— XII線断面図である。

[図 13]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 , 50a, 50b ダイヤフラム 振動板

, 52a 圧電素子 底板

Claims

請求の範囲

[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!/、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レ、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のいずれ力、 1項に記載の圧電 マイクロブロア。