JP5113689B2 - ピエゾファン - Google Patents

Description

この発明は、圧電セラミックス板などからなる圧電素子の伸縮すなわち振動によって送風板を駆動するピエゾファンに関するものである。

電子機器の局所的発熱源を冷却するためのピエゾファンが提案されている（特許文献１および特許文献２）。このピエゾファンは、低消費電力、長寿命、コンパクトサイズおよび低ノイズなどのメリットがあるため、電子機器に限られることなく、一般的な送風装置としての可能性も有している。

図１０および図１１は、ピエゾファン３０の基本的な構造を示している。細長い平板状の送風板３１と、送風板３１の固定端側（図１０および図１１において左端側）の一方の面に接着された方形もしくは矩形の圧電素子３２とを備えている。圧電素子３２は、厚さ方向で電圧を印加すると長さ方向で伸縮する。印加する電圧を交流として伸縮を繰り返して振動させると、送風板３１も共振し、送風板３１の自由端側は図１１の点線で示すように上下に大きく振動し、空気の流れを発生させる。

特開昭５９−２２４５００号公報 特開昭６３−３２９７５号公報

前記の如くのピエゾファンにおいて、圧電素子と送風板とは接着剤で接着されていた。ここで接着剤は、圧電素子が発生する動エネルギーをできるだけ送風板に伝達できることが望ましいことから、できるだけ薄く、しかも強い接着力を発揮できるものが必要とされている。しかしながら、圧電素子が振動することにより送風板に生じる変形は、その固定端と自由端とを結んだ長手方向での曲げだけではなく、これに直交する方向での曲げ変形もあり、このような複雑な変形に伴う応力が、圧電素子と送風板とを剥離させる力として作用する。そのため、接着剤の厚みがある値より薄くなると、粘着性および強度が低下し、送風板の振動に耐えなくなり、ついには送風板と圧電素子とが次第に剥離し、ピエゾファンとしての寿命が短くなる。また塗布厚を厚くすると、圧電素子から送風板へ伝達される動エネルギーが少なくなり、送風板の最大変位（振幅）が小さくなるといった問題があった。

また、一般に、接着剤の接着力は、高温で低下する傾向がある。そのため、接着剤を高温の雰囲気で使用すると、圧電素子と送風板との接着が常温より高い速度で剥がれる。図１２は、室温で１ヶ月駆動しても性能が変わらないピエゾファンを高温雰囲気で使用した時の性能の調査結果を示している。ピエゾファンをその共振周波数で駆動した間に、雰囲気温度を室温と１００℃との間に繰り返し変化させる。雰囲気温度が１００℃になる度には１時間継続した。図１２に示された共振周波数および振幅は雰囲気温度が室温になるときに測定されたデータである。

図１２に示されているように、共振周波数が徐々に低下し、測定開始から３時間経過の時点では共振周波数、最大振幅が共に急減し、ファンとしての機能が失われるに至っている。

このような性能の低下は、圧電素子と送風板の接着の剥離が原因となっている。図１１において、送風板３１の自由端部が図の上側の点線で示した位置に向かって変位する時には、送風板３１から圧電素子３２に押圧力が作用するが、図の下側に点線で示した位置に向かって変位する時には送風板３１と圧電素子３２の接着部分に剥離応力が作用する。この剥離応力によって送風板３１と圧電素子３２の接着が徐々に剥がれ、ファンとしての性能も前記の測定結果のように変化するものと説明できる。

送風板と圧電素子の接着の剥離の問題を解決する手段として、図１０および図１１に示したモノモルフタイプのピエゾファンを、図１３に示したバイモルフタイプのピエゾファンとする手段がある。すなわち、送風板３１の固定端側の表裏両面に圧電素子３２，３２を接着した構成のものである。このようなバイモルフタイプのピエゾファンは、一方の圧電素子が他方の圧電素子と送風板の接着部分に作用する剥離応力を緩和し、高温雰囲気での使用でも性能の低下を避けることが考えられるが、２枚の圧電素子を必要とし、コストを上昇させる問題が残っている。

前記特許文献１のピエゾファンの構造を図１４に示した。このピエゾファンでは、２枚の圧電素子３３，３３がシム材３４を挟み、送風板３５の固定端に形成したクリップ部３６が２枚の圧電素子３３とシム材３４の先端部をクリップする構造とされている。この構造では、送風板３５の振動によって圧電素子３３とシム材３４の接着を剥離する応力は作用しないと認められるが、送風板３５がクリップ部３６を備えるため合成樹脂の成形品とする必要があり、材料、製造法上の制約が生ずると共に、送風板３５をクリップ部３６を介して圧電素子３３に連結されることから、圧電素子３３が発生する動エネルギーの利用効率が小さくなるといった問題をあげることができる。

この発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構造でコストの上昇を避け、しかも高温雰囲気での使用によっても性能の低下しないピエゾファンを提供することを目的としている。

上記の目的を達成する請求項１の発明は、一端部が固定される板状の圧電素子における表裏両面のいずれか一方の面に、薄板状の送風板が接着され、かつその送風板の一方の端部が前記圧電素子の自由端側から更に延びていて前記圧電素子によって振動させられるように構成されたピエゾファンにおいて、前記送風板における前記圧電素子に接着された面とは反対側の面で、かつ前記圧電素子の自由端側端縁部に対向する部分に、前記送風板の他の部分より板厚の厚い厚肉部が設けられていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記厚肉部は、前記送風板における前記圧電素子に接着された面とは反対側の面に接着した支持ブロックによって構成されていることを特徴とするピエゾファンである。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記厚肉部は、前記送風板における該厚肉部とは反対側の面に接着されている前記圧電素子の幅と同じ長さのビード状の部分であり、前記送風板は該厚肉部と前記圧電素子とによって挟まされていることを特徴とするピエゾファンである。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記厚肉部は、方形もしくは矩形の貫通孔を有する細幅の支持リングによって構成され、前記貫通孔に送風板と圧電素子の端縁部が挿通されて、支持リングが圧電素子と送風板の外周を囲んだ構成とされていることを特徴とするピエゾファンである。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記厚肉部は、中央背板部分と両端の脚部分で断面を凹字形とした細幅の支持ブロックで構成されるとともに、該支持ブロックが前記圧電素子の自由端側の端縁と平行に設けられて、前記中央背板部分と圧電素子とが送風板を挟み、前記両端の脚部分が圧電素子と送風板の側縁に接した構成とされていることを特徴とするピエゾファンである。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記中央背板部分と両端の前記脚部分を備えた前記支持ブロックは、中央背板部分に更に短突起を有しており、この短突起が送風板に予め設けられた開口部に嵌め込まれていることを特徴とするピエゾファンである。

請求項７の発明は、請求項５の発明において、前記中央背板部分と両端の前記脚部分を備えた前記支持ブロックは、中央背板部分に複数の短突起を有しており、各短突起が送風板の自由端部に予め形成したスリットに嵌め込まれていることを特徴とするピエゾファンである。

請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれかの発明において、前記圧電素子が複数枚積層され、その積層された圧電素子が、前記送風板の少なくとも一方の側面に接着されていることを特徴とするピエゾファンである。

請求項１の発明に係るピエゾファンによれば、圧電素子の自由端側端縁部に対向する位置に設けた厚肉部が、圧電素子に対する送風板の相対的な変形を抑制するので、送風板と圧電素子の接着部分に作用する剥離応力が緩和され、送風板と圧電素子の接着を剥離させる不具合をなくすることができる。この為、圧電素子を１枚としてコストの上昇を抑え、しかも高温雰囲気でも性能が低下することなく安定して駆動を継続できるピエゾファンを得ることができる。

請求項２の発明によれば、厚肉部が送風板に接着された支持ブロックによって構成されているので、請求項１の発明の効果に加えて、全体としての構造を簡素化することができる。そして、支持ブロックを細幅のものとすれば、圧電素子の駆動すなわち変位に対する影響が小さく、圧電素子の動エネルギーの利用効率を良くし、送風板を大きな振幅で振動させることができる効果も得られる。

請求項３の発明によれば、圧電素子における自由端部において送風板と圧電素子との相対変位が大きくなるが、この部分における送風板の表裏両面側に剛性もしくは厚さが、支持ブロックを設けたことにより近似したものとなり、その結果、圧電素子と送風板との剥離を防止もしくは抑制することができる。

請求項４の発明によれば、前記厚肉部が方形もしくは矩形の貫通孔を有する細幅の支持リングによって構成されているので、請求項１あるいは請求項２の発明と同様の効果に加えて、支持リングの装着あるいは位置決めを簡単に行うことができ、製造の容易なピエゾファンとすることができる効果が得られる。

請求項５の発明によれば、厚肉部が断面を凹字形とした細幅の支持ブロックによって構成されているので、請求項１あるいは請求項２の発明と同様の効果に加えて、組立の自動化への対応が容易であり、高速で能率の良い製造を可能とする効果が得られる。

また、請求項６の発明によれば、断面を凹字形とした細幅の支持ブロックの中央背板部分に短突起を設け、この短突起を送風板の開口部に嵌め込んだ構成であるので、送風板の長手方向における支持ブロックの位置決めを短突起を介して行うことができる。したがって、請求項４の発明と同様の効果に加えて、組立の自動化の際の位置決め精度を向上できる効果を得ることができる。

そして、請求項７の発明によれば、断面凹字形の細幅の支持ブロックの中央背板部分の短突起を複数として、送風板に形成したスリットに嵌め込んだ構成なので、この複数の短突起を、ピエゾファンと冷却対象部品の組立の際の基準面として利用できるようになる。したがって、請求項５の発明の効果に加えて、実装の自動化、精度向上に寄与できる効果を得ることができる。

またさらに、請求項８の発明によれば、上述した請求項１ないし７の発明と同様の作用・効果を得ることができ、これに加えて振動特性を多様に変化させることが容易であり、また送風板を振動させる起振力を相対的に大きくすることができる。

以下、この発明の実施の形態を添付の図を参照して説明する。図１は、第１の実施形態のピエゾファン１０の斜視図である。幅Ｗに比べて長さＬが長い細長い平板状の送風板１１の固定端側（図の左側）下面に、送風板１１の幅Ｗに略等しい幅と、送風板１１の長さＬの約半分の長さとした方形の圧電素子１２が固定端縁を揃えるようにして接着されている。また、送風板１１の上面には、圧電素子１２の自由端側端縁部１２ａに略対向する位置に、送風板１１の幅Ｗに略等しい長さｌと細い幅ｗを有する支持ブロック１３が圧電素子１２の端縁部１２ａと略平行として接着されている。その幅ｗは、一例として、圧電素子１２の長さが４１ｍｍの場合、２ｍｍ程度である。したがって、支持ブロック１３は、送風板１１の幅方向に延びたビード状部分を形成している。

上記の送風板１１は、金属板、樹脂、ガラス繊維やカーボン繊維と樹脂との複合材で構成することができる。圧電素子はｄ31方向を使用するものである。また、支持ブロック１３の素材は限られないが、重いものを使うとピエゾファンが撓むため、エポキシガラスなど軽くて強度がある材料が望ましい。

上記の圧電素子１２を振動させた場合、その圧電素子１２の自由端側で、圧電素子１２と送風板１１との相対変位が大きくなるが、前記支持ブロック１３は、圧電素子１２の自由端に相当する位置における送風板１１の一方の面（圧電素子１２とは反対側の面）に接着されている。したがって、この部分での送風板１１の剛性（もしくは断面二次モーメント）が他の部分より大きくなっている。すなわち、支持ブロック１３がこの発明における厚肉部を構成している。したがって、送風板１１が圧電素子１２と共振して振動した場合、送風板１２はその固定端と自由端とを結んだ線に沿って湾曲するとともに、その線に直交する方向（すなわち幅方向）にも僅かなりとも撓もうとするが、支持ブロック１３が設けられていることにより、圧電素子１２に対する送風板１１の相対的な変位が抑制される。また、このような作用は、圧電素子１２の自由端部における送風板１１の表裏両面側の厚さあるいは剛性が、支持ブロック１３によって近似させられていることに伴って生じるものと思われる。

その結果、上記のように構成されたピエゾファン１０によれば、送風板１１の上面に接着した支持ブロック１３によって、送風板１１が図の上側に変位した際に、送風板１１と圧電素子１２の接着面に作用する剥離応力が緩和され、両者の剥離による性能低下を防止もしくは抑制することができる。また、支持ブロック１３の幅ｗは細幅であるために、圧電素子１２の自由端の変位に対する影響はなく、圧電素子１２の駆動エネルギーを送風板１１側に十分に伝達し、大きな振幅で振動させることが可能である。

送風板１１の最大応力を有限要素法でコンピュータ解析した。それによれば、圧電素子１２の端縁部１２ａに対応する部分の応力は、前記支持ブロック１３を設けることによって、支持ブロック１３を設けない場合（図１０および図１１のものに対応）に比べて平均的に５０％とできることが判明した。

また、前記図１２の結果を得た試験と同様の高温雰囲気のテストも試みた。すなわち、ピエゾファン１０を先ず常温雰囲気で共振周波数で駆動し、その後周囲雰囲気温度を１００℃として駆動を継続した。それから周囲雰囲気温度を常温に下げ、共振周波数と最大振幅の変化を測定した。その結果を示したのが図２である。図に明らかなように、共振周波数、最大振幅共に加熱前と変化はなく、支持ブロック１３の設置による接着部に対する剥離応力の低減効果を確認することができた。

図３は、この発明の第２の実施形態のピエゾファン１０を示す。第１の実施形態と同様に、細長い平板状の送風板１１の固定端側下面に方形もしくは矩形の圧電素子１２が接着されている。そして、図４に示したような金属製の支持リング１４が圧電素子１２の自由端側端縁部に略対向する位置に設けられ接着によって固定されている。支持リング１４は、前記支持ブロック１３と同様に細幅のものであり、送風板１１とこれに接着された圧電素子１２をそれらの固定端側から挿通できる方形もしくは矩形の貫通孔１５が形成されている。したがって、送風板１１と圧電素子１２を挿通して、圧電素子１２の端縁に揃うように位置設定するだけで、簡単に取り付けることができる。支持リング１４を装着すると、重ねられた送風板１１と圧電素子１２の外周を支持リング１４が囲んだ構成となる。ピエゾファン１０の製造を簡単にすることができる。

図５は、この発明の第３の実施形態のピエゾファン１０を示す。この例においても、前記各実施形態と同様に、平板状の送風板１１の固定端側下面に方形もしくは矩形の圧電素子１２が接着されている。そして、図６に示したような細幅の支持ブロック１６が、送風板１１の上面側に、圧電素子１２の自由端側端縁部と略対向する位置に接着によって取り付けられている。支持ブロック１６は、細幅の中央背板部分１７の両端に脚部分１８，１８を有し、断面凹字形とされている。脚部分１８，１８の内法寸法が送風板１１および圧電素子１２の幅に略等しくしてある。この結果、支持ブロック１６を送風板１１の上面側から装着することで、送風板１１の幅方向における支持ブロック１６の位置決めが自動的になされることになる。支持ブロック１６を装着すると、中央背板部分１７と圧電素子１２の端縁部が送風板１１を挟んだ構成となり、また両端の脚部分１８，１８がそれぞれ送風板１１と圧電素子１２の側縁に接した構成となる。このように構成される第３の実施形態では、支持ブロック１６の位置決めの一部が自動的にできるから、ピエゾファン１０の組立の自動化への対応が容易となり、高速で能率の良い製造を可能にすることができる。

次に、図７はこの発明の第４の実施形態のピエゾファン１０を分解して示した図である。この実施形態では、前記断面を凹字形とした細幅の支持ブロック１６の中央背板部分１７に短突起１９が設けてある。この短突起１９に対応して、送風板１１には予め開口部２０が設けられている。支持ブロック１６を装着する際には、短突起１９を開口部２０に嵌め込むようにする。この結果、この第４の実施形態では、支持ブロック１６の装着に際し、支持ブロック１６の送風板１１の幅方向における位置決めを、両端の脚部分１８，１８と送風板１１および圧電素子１２の側縁を係合させることにより自動的に行わせ、送風板１１の長手方向における位置決めを、短突起１９と開口部２０を係合させることにより自動的に行わせることができるようになる。このように、支持ブロック１６の位置決めが二方向で自動的に行われるので、自動組み立てにおける組立精度をより向上させることが可能となる。

図８は、この発明の第５の実施形態のピエゾファン１０を分解して示した図である。この実施形態では、細幅の中央背板部分１７に設けられる短突起１９を複数としてある。これは、送風板１１の自由端側にスリット２１を複数設けて、送風板１１の自由端側を細幅のフィン２２に分割し、各フィン２２を放熱部材、例えば放熱ブロック（図示せず）の放熱フィン間に挿入して使用するようなピエゾファン１０の使用態様に対応させたものである。

前記スリット２１は、圧電素子１２の自由端側端縁部に重なる位置まで形成される。支持ブロック１６の装着に際しては、両側の脚部分１８が送風板１１と圧電素子１２の側縁に接するようにすると共に、複数の短突起１９の一つ一つを対応するスリット２１の中に嵌め込むようにする。この実施形態によっても、支持ブロック１６の位置決めを直交する二方向で自動的に行うことができるので、自動組立の組立精度の向上が可能である。そして更に、前記複数の短突起１９は、ピエゾファン１０を実機に実装する際の位置決めの基準面として利用することが可能である。この為、放熱部材やピエゾファン１０の自動実装に寄与し、実装精度を向上することができる。

さらに、この発明では、送風板の一方の側面側、もしくは両面側に、複数枚の圧電素子を積層して配置してもよい。その場合、圧電素子の間に金属板を挟み込む構成を採用することもできる。その例を図９に示してあり、二枚の圧電素子１２，１２がこれらの圧電素子１２，１２より薄い電極となる金属板Ｍを挟んだ状態で互いに接着され、その結果、三層構造の圧電素子ユニット１２Ａが構成されている。その圧電素子ユニット１２Ａの一方の面（図９では下面）に送風板１１が接着され、その送風板１１の自由端部が圧電素子ユニット１２Ａの自由端部から延び出ている。そして、圧電素子ユニット１２Ａに電圧を印加してこれを振動させることにより送風板１２の自由端部が振動するように構成されている。

なお、この発明における厚肉部は、上述した支持ブロックによって構成する以外に、送風板にビードを肉盛りして形成したり、あるいは送風板の製造過程で一体に形成したりして設けたものであってもよい。

この発明の第１の実施形態の斜視図である。 第１の実施形態の高温雰囲気のテストにおける測定結果のグラフである。 この発明の第２の実施形態の斜視図である。 第２の実施形態で用いた支持リングの平面図である。 この発明の第３の実施形態の斜視図である。 第３の実施形態で用いた支持ブロックの斜視図である。 この発明の第４の実施形態の分解斜視図である。 この発明の第５の実施形態の分解斜視図である。 圧電素子を積層した例を示す側面図である。 従来のピエゾファンの斜視図である。 同じく従来のピエゾファンの動作を説明する正面図である。 従来のピエゾファンの高温雰囲気のテストにおける測定結果のグラフである。 従来のバイモルフタイプのピエゾファンの斜視図である。 従来の更に別の構成のピエゾファンの斜視図である。

符号の説明

１０…ピエゾファン、 １１…送風板、 １２…圧電素子、 １２ａ…端縁部、 １２Ａ…圧電素子ユニット、 １３…支持ブロック、 １４…支持リング、 １５…貫通孔、 １６…支持ブロック、 １７…中央背板部分、 １８…脚部分、 １９…短突起、 ２０…開口部、 ２１…スリット、 ２２…フィン。

Claims (8)

1. 一端部が固定される板状の圧電素子における表裏両面のいずれか一方の面に、薄板状の送風板が接着され、かつその送風板の一方の端部が前記圧電素子の自由端側から更に延びていて前記圧電素子によって振動させられるように構成されたピエゾファンにおいて、
   前記送風板における前記圧電素子に接着された面とは反対側の面で、かつ前記圧電素子の自由端側端縁部に対向する部分に、前記送風板の他の部分より板厚の厚い厚肉部が設けられていることを特徴とするピエゾファン。
2. 前記厚肉部は、前記送風板における前記圧電素子に接着された面とは反対側の面に接着した支持ブロックによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のピエゾファン。
3. 前記厚肉部は、前記送風板における該厚肉部とは反対側の面に接着されている前記圧電素子の幅と同じ長さのビード状の部分であり、前記送風板は該厚肉部と前記圧電素子とによって挟まされていることを特徴とする請求項１または２に記載のピエゾファン。
4. 前記厚肉部は、方形もしくは矩形の貫通孔を有する細幅の支持リングによって構成され、前記貫通孔に送風板と圧電素子の端縁部が挿通されて、支持リングが圧電素子と送風板の外周を囲んだ構成とされていることを特徴とする請求項１に記載のピエゾファン。
5. 前記厚肉部は、中央背板部分と両端の脚部分で断面を凹字形とした細幅の支持ブロックで構成されるとともに、該支持ブロックが前記圧電素子の自由端側の端縁と平行に設けられて、前記中央背板部分と圧電素子とが送風板を挟み、前記両端の脚部分が圧電素子と送風板の側縁に接した構成とされていることを特徴とする請求項１に記載のピエゾファン。
6. 前記中央背板部分と両端の前記脚部分を備えた前記支持ブロックは、中央背板部分に更に短突起を有しており、この短突起が送風板に予め設けられた開口部に嵌め込まれていることを特徴とする請求項５に記載のピエゾファン。
7. 前記中央背板部分と両端の前記脚部分を備えた前記支持ブロックは、中央背板部分に複数の短突起を有しており、各短突起が送風板の自由端部に予め形成したスリットに嵌め込まれていることを特徴とする請求項５に記載のピエゾファン。
8. 前記圧電素子が複数枚積層され、その積層された圧電素子が、前記送風板の少なくとも一方の側面に接着されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のピエゾファン。

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