WO2009116455A1 - 圧電ファン及び圧電ファンを用いた空冷装置 - Google Patents

圧電ファン及び圧電ファンを用いた空冷装置 Download PDF

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blade
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piezoelectric fan
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寛昭 和田
神谷　岳
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株式会社村田製作所
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D33/00—Non-positive-displacement pumps with other than pure rotation, e.g. of oscillating type
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric fan that discharges warm air between heat radiation fins of a heat sink by bending and displacing a blade connected to the piezoelectric vibrator by bending vibration.
  • Patent Document 1 a plurality of movable pieces are attached to a rotating shaft, and each movable piece is inserted between a plurality of heat dissipating fins arranged in parallel with a heat generating portion of a heating element, and the rotating shaft is continuous.
  • a radiator is disclosed in which, by rotating or swinging within a predetermined angle range, cool air is sent between the radiation fins, and at the same time, warm air between the radiation fins is discharged.
  • Patent Document 2 discloses a piezoelectric fan that has a wind-generating vibrator including a piezoelectric element and has an exhaust port and an intake port provided on the same surface.
  • the piezoelectric fan is provided with a pair of partition walls extending inwardly from the opening of the case body so as to sandwich both sides of the wind vibrator, and the opening between each partition wall and both sides of the case body is provided.
  • An opening that is formed as an intake port and is sandwiched between both partition walls is formed as an exhaust port.
  • the distance between the two partition walls is made as close as possible to the width of the wind generating plate (blade), that is, the gap between the partition wall and the blade is made as small as possible. It is desirable.
  • the gap between the blade and both side partition walls (radiating fins) is as small as possible. This is because the thermal boundary layer on the surface of the radiating fin is directly “scraped” to promote heat dissipation from the fin, and the air flowing into the back side of the blade through the gap between the fin and the blade is reduced. According to the effect of increasing the air flow forward. However, this is nothing more than blocking the place where it was easy to flow, and the air resistance acting on the blade is greatly increased.
  • FIG. 10 shows a state of the blade 51 that moves between the radiation fins 50. As indicated by the solid line, it is ideal that the blade 51 is displaced in a direction parallel to the side surface of the radiating fin 50. However, if the gap between the blade 51 and the radiating fin 50 is small, the blade 51 reduces the air resistance as much as possible. In order to move, the blade 51 is twisted so as to widen the gap with the heat radiating fin 50 as indicated by a broken line. Although FIG. 10 shows the case where the left edge of the blade 51 is twisted upward and the right edge is twisted downward, the blade 51 may be twisted in the opposite direction due to the difference in air resistance between the left and right edges of the blade 51.
  • the torsion recovers due to the spring stiffness, and this time, a complicated behavior such as torsional vibration may be exhibited.
  • a complicated behavior such as torsional vibration may be exhibited.
  • Unexpected vibration such as torsional vibration affects the durability and reliability of the piezoelectric fan, and contact with the heat radiating fin not only leads to noise generation but also may cause changes in characteristics due to damage and wear.
  • An object of the present invention is to provide a piezoelectric fan having high durability and reliability by suppressing twisting of a blade when a plurality of blades are bent and displaced between a plurality of heat radiation fins of a heat sink.
  • the present invention provides a piezoelectric vibrator that bends and vibrates when a voltage is applied in a piezoelectric fan that discharges warm air between the heat dissipating fins from a heat sink having a plurality of heat dissipating fins arranged in parallel at intervals. And a plurality of parallel blades connected to or integrated with the piezoelectric vibrator so as to be excited by the piezoelectric vibrator, and in the region from the middle in the longitudinal direction of the blade to the free end, Provided is a piezoelectric fan provided with a connecting portion for connecting blades to each other.
  • the blade is resonantly oscillated by connecting the blade to the piezoelectric vibrator and applying an AC voltage to the piezoelectric vibrator.
  • the air between the heat radiating fins can be replaced, and heat can be efficiently radiated.
  • the piezo fan is also formed with multiple blades arranged and inserted between the fins. It is good to do.
  • the blades are in contact with the radiating fins because the blades are prevented from being twisted by being connected to each other by a connecting portion provided in the region from the intermediate portion in the longitudinal direction of the adjacent blade to the free end.
  • the gap dimension between the blade and the radiation fin can be made as small as possible, warm air in the vicinity of the fin can be scraped off, and efficient cooling can be achieved.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the piezoelectric vibrator may be configured by bonding a piezoelectric element and a metal plate.
  • 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 attached 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.
  • a plurality of blades may be connected in parallel to a single piezoelectric vibrator, or a plurality of piezoelectric fans in which one blade is connected to one piezoelectric vibrator are arranged in parallel. May be.
  • a piezoelectric vibrator may be configured by providing a substrate portion integrally with a plurality of blades and attaching a piezoelectric element to the substrate portion.
  • the connecting portion may be an integral structure with the blade or may be constituted by a separate member. For example, when the connecting portion is made more rigid than the blade, the torsional vibration can be more effectively suppressed.
  • the connecting portion is made of a material having a specific gravity greater than that of the blade, the weight is formed at the tip portion of the blade, so that there is an effect that the moment of inertia due to the weight increases and the amount of displacement of the blade increases.
  • the blade is inserted between each radiating fin so that it can be bent and displaced in the direction parallel to the side surface of the radiating fin, and the free end of the blade in the longitudinal direction is projected outside the heat sink, and the length of the blade protruding outside the heat sink
  • the free ends in the vertical direction may be connected to each other by a connecting portion.
  • the blade usually resonates in a first order vibration mode that provides the greatest amplitude. At that time, since the blade tip portion has the largest amplitude and the high speed, the largest air resistance acts on the blade tip portion. The air resistance and the distance from the fixed end overlap, and the torsion and torsional vibration are most likely to occur at the blade tip. Therefore, connecting the blade at the tip of the free end of the blade is most effective in suppressing torsion and torsional vibration.
  • a groove portion may be formed in the middle portion in the length direction of the heat radiating fin of the heat sink, and the connecting portion of the blade may be inserted into the groove portion so as to be displaceable.
  • the connecting portion since the connection is made at the position of the groove formed in the radiating fin, such as an intermediate portion of the blade, the connecting portion does not protrude to the outside of the radiating fin, and space is saved.
  • a heat sink with a groove in the middle is required.
  • a groove for inserting a clip is formed in advance.
  • the connecting portion can be arranged.
  • the connecting portion for connecting a plurality of blades to each other is provided in the region from the intermediate portion in the longitudinal direction of the blade to the free end portion, the blade vibrates between the radiating fins. Then, twisting of the blade can be prevented, and a situation where the blade comes into contact with the heat radiating fin can be avoided. Furthermore, since the gap dimension between the blade and the radiation fin can be made as small as possible, efficient cooling becomes possible.
  • FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment of an air cooling device using a piezoelectric fan according to the present invention. It is a perspective view of the piezoelectric fan shown in FIG. It is a disassembled perspective view of the piezoelectric fan shown in FIG. It is sectional drawing of the electronic device provided with the air cooling apparatus shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. 4. It is a disassembled perspective view of 2nd Embodiment of the piezoelectric fan which concerns on this invention. It is a perspective view of 3rd Embodiment of the air-cooling apparatus using the piezoelectric fan which concerns on this invention.
  • FIGS. 4 and 5 show an example in which the first embodiment of the piezoelectric fan according to the present invention is used as an air cooling device for a heat sink 1.
  • the heat sink 1 has a plurality of (four in this case) heat radiation fins 2a to 2d arranged in parallel at intervals.
  • the heat sink 1 is attached to the upper surface of a heating element (CPU or the like) 4 mounted on the circuit board 3 in a thermally coupled state. Therefore, the heat generated from the heat generating element 4 is conducted to the heat sink 1, and the air between the radiation fins 2a to 2d is heated.
  • a heating element CPU or the like
  • the piezoelectric fan 10 of this embodiment includes a metal plate 11 rich in spring elasticity such as a stainless steel plate.
  • a substrate portion 11a continuous in the width direction is formed on one end side in the length direction of the metal plate 11, and a plurality of (here, three) bands of the same length and the same width extending in parallel to each other are formed on the substrate portion 11a.
  • Plate-shaped blades 12a to 12c are integrally formed.
  • Piezoelectric elements 13a and 13b are attached to the upper and lower surfaces of the substrate portion 11a of the metal plate 11, and the substrate portion 11a and the piezoelectric elements 13a and 13b constitute a bimorph type piezoelectric vibrator 16.
  • One edge (the edge opposite to the extending direction of the blades 12a to 12c) of the substrate portion 11a and the piezoelectric elements 13a and 13b is fixedly held by the support body 14.
  • a connecting member 15 for connecting them to each other is provided.
  • the blades 12a to 12c are inserted between the radiation fins 2a to 2d so that the displacement direction of the blades is parallel to the side surfaces of the radiation fins 2a to 2d.
  • the support 14 is fixed to a fixing member 5 such as a case located in the vicinity of the heat sink 1.
  • the blades 12a to 12c penetrate the radiation fins 2a to 2d in the length direction, and the connecting member 15 is provided at the tip of the blades 12a to 12c protruding from the radiation fins 2a to 2d.
  • the connecting member 15 synchronizes the displacement of each blade and suppresses twisting of the blade, and may be made of the same material as the metal plate 11 or may be formed of a different material such as resin. In order to effectively eliminate the twist generated in each blade, it is desirable that the connecting member 15 has higher rigidity than the blades 12a to 12c. Further, in order to cause the connecting member 15 to function as a weight, it may be formed of a material having a specific gravity greater than that of the blades 12a to 12c. In this case, the connecting member 15 reduces the resonance frequency of the blades 12a to 12c and increases the amplitude.
  • the piezoelectric vibrator 16 By applying an AC voltage between the upper and lower electrodes of the piezoelectric elements 13a and 13b and the metal plate 11 as an intermediate electrode, the piezoelectric vibrator 16 has an amplitude V1 (see FIG. 4) in the length direction of the blades 12a to 12c. Bends and vibrates. The vibration causes the blades 12a to 12c to resonate, and the free ends of the blades 12a to 12c vibrate with an amplitude V2 (see FIG. 4) larger than that of the piezoelectric vibrator 16.
  • the gap between the blades 12a to 12c and the radiation fins 2a to 2d it is desirable to set the gap between the blades 12a to 12c and the radiation fins 2a to 2d as narrow as possible.
  • the blade tends to be twisted due to air resistance acting on the blade.
  • the connecting member 15 since the free ends of the blades 12a to 12c are connected to each other by the connecting member 15, the twist of each blade is suppressed.
  • FIG. it is ideal that the blades 12a to 12c translate in a posture perpendicular to the side surfaces of the radiating fins 2a to 2d.
  • the gap between the blade and the radiating fin is small, the blade is as much as possible.
  • FIG. 6 shows a second embodiment of a piezoelectric fan according to the present invention.
  • portions common to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • a connecting portion 15a is formed integrally with the blades 12a to 12c at the free ends in the length direction of the blades 12a to 12c.
  • the substrate portion 11a is integrally formed with an extension portion 11b that extends in the opposite direction to the blade extending direction and to which the piezoelectric elements 13a and 13b are not attached.
  • the extension 11b is held by a support (not shown).
  • the substrate portion 11a, the blades 12a to 12c, and the connecting portion 15a are formed from a single metal plate, the number of components can be reduced and an inexpensive piezoelectric fan 10a can be configured. Further, since the ends of the piezoelectric elements 13a and 13b are not restrained by the support, the piezoelectric elements 13a and 13b can be displaced more freely.
  • FIG. 7 shows a third embodiment in which the piezoelectric fan according to the present invention is used as an air cooling device for the heat sink 1a.
  • portions common to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the intermediate portions in the length direction of the blades 12a to 12c are connected to each other by the connecting portion 17, and the intermediate portions in the length direction of the radiating fins 2b and 2c of the heat sink 1a corresponding to the connecting portion 17.
  • Grooves 2e and 2f are formed in the part. Therefore, when the blades 12a to 12c are displaced in the thickness direction, the connecting portion 17 can freely move up and down in the groove portions 2e and 2f, and can prevent contact with the radiation fins 2b and 2c.
  • the free ends of the blades 12a to 12c are not connected to each other and are located inside the heat sink 1a. Therefore, the blades 12a to 12c do not protrude long outside the heat sink 1a and can be miniaturized.
  • the connecting portion 17 of the present embodiment is formed integrally with the blades 12a to 12c, but may be connected by a separate member. Of the radiating fins 2b and 2c divided by the grooves 2e and 2f, the edge on the piezoelectric vibrator 16 side is not touched with the connecting portion 17 when the blades 12a to 12c are displaced. 2h is formed.
  • the groove portions 2e and 2f are formed only in the two heat radiation fins 2b and 2c at the center of the heat sink 1a.
  • the groove portions are similarly formed in the heat radiation fins 2a and 2d on both sides, and the groove portions are continuous in the width direction. It is good.
  • a known Z-type clip can be inserted into the groove to attach the heat sink 1a to a circuit board or the like.
  • FIG. 8 shows a fourth embodiment in which the piezoelectric fan according to the present invention is used as an air cooling device for the heat sink 1a.
  • portions common to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the piezoelectric fan 10c of the present embodiment the intermediate portions in the length direction of the blades 12a to 12c are connected by the connecting portion 17, and the free ends in the length direction are also connected by the connecting portion 18.
  • the connecting portion 17 that connects the intermediate portions in the length direction is slidably inserted into the groove portions 2e and 2f formed in the intermediate portions of the heat radiation fins 2b and 2c of the heat sink 1a, so that the length direction can be freely set.
  • the connecting portion 18 that connects the end portions protrudes outside the heat sink 1a. In this case, since the blades 12a to 12c are connected to each other at two locations in the length direction, the twist can be more effectively suppressed.
  • FIG. 9 shows various embodiments of the piezoelectric fan according to the present invention.
  • one end of one piezoelectric vibrator 21 is connected to the support 22, and a plurality of blades 23 a to 23 c are fixed in parallel to the other end of the piezoelectric vibrator 21.
  • the free ends of the blades 23a to 23c are connected to each other by the connecting member 24.
  • the blades 23a to 23c are inserted between the heat radiation fins of the heat sink.
  • the piezoelectric vibrator 21 bends and vibrates in the direction of the arrow when an AC voltage is applied, and may be a bimorph vibrator or a unimorph vibrator.
  • the piezoelectric fan 30 shown in FIG. 9B has one end in the length direction of a plurality of rectangular piezoelectric vibrators 31a to 31c connected in parallel to a support 32, and the length of each piezoelectric vibrator 31a to 31 is shown. Blades 33a to 33c are individually fixed to the other end in the direction, and the free ends of the blades 33a to 33c are connected to each other by a connecting member 34.
  • the base end side of the blades 33a to 33c may be extended in the length direction, and a unimorph type or bimorph type vibrator may be configured by attaching a piezoelectric element to one or both sides of the extended portion.
  • a piezoelectric fan 40 shown in FIG. 9C supports blades 45a to 45c via three U-shaped piezoelectric vibrators 41 to 43.
  • Each of the piezoelectric vibrators 41 to 43 includes a first vibrator 41a to 43a and a second vibrator 41b to 43b, and the length of the first vibrator 41a to 43a and the second vibrator 41b to 43b.
  • One end in the vertical direction is connected to each other via spacers 41c to 43c to form a U-shaped structure, and the blades 45a to 45c are connected to the other longitudinal ends of the first vibrators 41a to 43a to generate the second vibration.
  • the other ends in the length direction of the children 41b to 43b are connected and supported in parallel to the support body 44.
  • the free ends of the blades 45a to 45c are connected to each other by a connecting member 46.
  • the first vibrators 41a to 43a and the second vibrators 41b to 43b are vibrators having the same vibration characteristics, and are bent and displaced in directions opposite to each other. For example, when the first vibrators 41a to 43a are bent and displaced upward and convex, the second vibrators 41b and 43b are bent and displaced downward and convex. Therefore, the blades 45a to 45c are vibrated with twice the amplitude of each vibrator, and the amplitudes of the blades 45a to 45c are increased accordingly, so that a significant increase in the air volume can be realized.

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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。

Description

圧電ファン及び圧電ファンを用いた空冷装置
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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