(57)【要約】基板上に取り付けられた圧電又は電歪トランスジューサを有する超音波駆動体であって上記トランスジューサの動作が当該駆動体を屈曲させるように構成された超音波駆動体と、上記トランスジューサ若しくは基板上に配設されるか又は上記トランスジューサ若しくは基板と一体に形成される第１膜体と、前記駆動体と略平行に取り付けられると共に該駆動体から所与の距離隔てられた第２膜体とを有し、これら膜体のうちの１つは有孔であり、これにより前記トランスジューサの駆動に際しての前記駆動体の超音波屈曲が、前記有孔膜体を介してガス流を生じさせる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に取り付けられた圧電又は電歪トランスジューサを有する超音波駆動体であって、前記トランスジューサの動作が当該駆動体を屈曲させるように構成された超音波駆動体と、
前記トランスジューサ若しくは前記基板上に配設されるか、又は前記トランスジューサ若しくは前記基板と一体に形成される第１膜体と、
前記駆動体と略平行に取り付けられると共に、該駆動体から所与の距離隔てられた第２膜体と、
を有し、前記膜体のうちの１つは有孔であり、これにより前記トランスジューサの駆動に際しての前記駆動体の超音波屈曲が前記有孔膜体を介してガス流を生じさせることを特徴とするガス流発生器。
【請求項２】
請求項１に記載のガス流発生器において、前記第１及び第２膜体の何れか又は両方が有孔であることを特徴とするガス流発生器。
【請求項３】
請求項１に記載のガス流発生器において、前記第２膜体は第２超音波駆動体上に配設されるか、又は該第２超音波駆動体と一体に形成されることを特徴とするガス流発生器。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか一項に記載のガス流発生器において、前記超音波駆動体の１つ又は各々が圧電トランスジューサであることを特徴とするガス流発生器。
【請求項５】
請求項４に記載のガス流発生器において、前記基板及び前記圧電トランスジューサが実質的に同等の剛性を有していることを特徴とするガス流発生器。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか一項に記載のガス流発生器において、前記超音波駆動体が環状であることを特徴とするガス流発生器。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れか一項に記載のガス流発生器において、前記第２膜体が前記駆動体の前記基板上にスペーサにより支持されていることを特徴とするガス流発生器。
【請求項８】
請求項７に記載のガス流発生器において、前記スペーサは概ね環状であると共に、ガスが前記駆動体と前記第２膜体との間に形成される空洞へ流入し及び該空洞から流出することができるような開口を有していることを特徴とするガス流発生器。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載のガス流発生器において、前記スペーサは、複数のスポークにより前記超音波駆動体に接続された環状部に取り付けられていることを特徴とするガス流発生器。
【請求項１０】
請求項１ないし９の何れか一項に記載のガス流発生器において、前記第１及び第２膜体の一方又は両方に１以上のチャンネルが設けられていることを特徴とするガス流発生器。
【請求項１１】
請求項１ないし５の何れか一項に記載のガス流発生器において、前記超音波駆動体が直線的であることを特徴とするガス流発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス流発生器に係り、より詳細には、圧電デバイス又は電歪デバイスを組み込んだガス流発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の電子装置、特にはラップトップコンピュータ及び携帯電話等の携帯型装置は、益々強力になってきており、かくして斯様な装置に採用される、特に、マイクロプロセッサにより使用される電力の量を増加させ、従って斯かるマイクロプロセッサの冷却に対する要求が増大している。冷却は電気化学的電池においても必要とされ、他のガス流の必要性は例えば燃料電池においても見付けられるべきものである。
【０００３】
例えば、ファンの使用、ヒートパイプ又はペルチェデバイス等の種々の形式の冷却が知られているが、これらのものは、例えば費用、ノイズ、電力消費又は寸法等の多くの問題を被る。ブレードの運動を生じさせるために圧電トランスジューサを使用することが提案されており（特許文献１参照）、該ブレードはテーパ状にすることができると共に、ヒンジ結合された有孔膜体を担持することができ、該膜体は上記ブレードの周囲にガス流を生じさせる増幅器として作用する。
【０００４】
また、ガスの流れを生じさせるために圧電駆動体を単方向弁と一緒に使用することも知られている（特許文献２参照）。しかしながら、高度に小型化された弁を設けるという要件は、斯かる弁が共に高価且つ故障し易い故に、やっかいである。
【特許文献１】米国特許第4753579号明細書
【特許文献２】米国特許第5914856号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、低い外形を備えると共に軽量を有し、更に別個の弁を使用することを要さないような薄壁状の装置から充分に強力且つ効率的なガス流を供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、
基板上に取り付けられた圧電又は電歪トランスジューサを有する超音波駆動体であって、該トランスジューサの動作が当該駆動体を屈曲させるように構成された超音波駆動体と、
前記トランスジューサ若しくは前記基板上に配設されるか、又は前記トランスジューサ若しくは前記基板と一体に形成される第１膜体と、
前記駆動体と略平行に取り付けられると共に、該駆動体から所与の距離だけ離隔された第２膜体と、
を有し、前記膜体の１つは有孔であり、これにより、前記トランスジューサを駆動した際の前記駆動体の超音波屈曲が前記有孔膜体を経てガス流を生じさせるようなガス流発生器が提供される。
【０００７】
前記有孔膜体は、前記第１及び第２膜体の何れか一方又は両方とすることができる。
【０００８】
前記第２膜体は第２の超音波駆動体上に配設され、又は斯かる第２の超音波駆動体と一体に形成することができる。このようにして、該第２の駆動体は前記第１及び第２膜体を経る面において前記第１の駆動体の鏡像となる。
【０００９】
好ましくは、上記超音波駆動体は、取り付けられる前記基板と略同一の厚さを持つ圧電トランスジューサであり、好ましくは、上記基板と圧電トランスジューサとは略同等の剛性を有し、該剛性は、上記トランスジューサが膨張された（略、当該駆動体の面内で）場合に、第１膜体を担持する当該駆動体を折曲させる。国際公開第WO93/10910号は、液滴の発生に使用される同様のタイプの圧電アクチュエータを開示している。
【００１０】
上記駆動体は、屈曲モードにおいて大きな振幅の振動を生成するために機械的共振において動作することができる。環状の超音波駆動体を使用することができ、その場合には、上記基板は一体的な又は取り付けられた非穿孔膜体を含むことができて、当該駆動体の中央開口を有効に閉じ、ガス流は上記基板から離隔された対向する有孔膜体を介するものとなり、さもなければ、該有孔膜体は上記基板と一体とするか又は該基板上に取り付けられ、上記非穿孔膜体が対向される。他の実施例は、２つの有孔膜体を含むことができ、１つは上記基板上に、また１つはこれに対向し、ガス流は両方を介してのものとなる。
【００１１】
上記有孔膜体は当該駆動体の基板上に例えば概ね環状のスペーサ等のスペーサにより支持することができ、当該駆動体と該有孔膜体との間に形成される空洞内へのガス流を可能にするために、該スペーサを介して開口を設けることができる。使用時において、上記空洞の容積は交互に膨張及び収縮し、差動的圧力、従って当該装置を介してのガス流を生成する。
【００１２】
他の構成においては、第１膜体が有孔であり、ガス流は環状駆動体における開口を経るものとなる。
【００１３】
第２膜体は、好ましくはスペーサを介して、自身が複数のスポークにより当該駆動体に接続されるような環状部に取り付けることができ、その場合、該環状部は当該駆動体の外側部分を囲む。
【００１４】
上記膜体の１つ又は各々は不規則な形状を有することができ、好ましくは、この形状は当該膜体の略中心に向かって延び得る複数のチャンネルを含み、該膜体の有効外周長を増加させる。前記孔の少なくとも幾つかは、当該膜体の周のまわりに、好ましくは縁から略同様の距離で配置されることが好ましい。
【００１５】
本発明によるガス流発生器には１以上のヒートシンクを設けることもでき、これらは単一面型又は両面型とすることができる。斯かるヒートシンクは、当該有効膜体から離れるガス流の方向となるように配置される。
【００１６】
当該ガス流は、前述したようにマイクロ電子の及び他の装置を冷却するために、又はガス流を必要とする装置ではあるが他の目的のためのガス流を供給するために使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明により構成されたガス流発生器の実施例を、添付図面を参照して説明する。
【００１８】
図１及び３は、一方の面において一層大径のステンレス鋼製ディスク３に結合された圧電材料（例えばＰＺＴ）製ディスク２の形態の第１の超音波駆動体１を図示し、上記ステンレス鋼ディスク３の他方の面には円形のステンレス鋼製膜体４が結合されている。上記圧電ディスク２の両面上の電極（明瞭化の目的で、図示されていない）を、該圧電ディスク２の間に電界が印加された場合に該ディスクが形状を変化しようとすることにより応答するよう接続することにより、能動型超音波駆動体が形成される。基板３及び圧電材料２が同等の剛性のものである限り、当該駆動体は屈曲させられ、機械的共振において動作された場合に、当該基板に大きな振動振幅が生成され得る。従って、これによりステンレス鋼膜体４も屈曲される。
【００１９】
同様の駆動体が図２及び４に示され、簡略化のために同一の符号が使用されているが、この場合においては圧電ディスク２及び基板３が環状となっている。前記ステンレス鋼膜体は、円形であり、基板３の中心における開口を有効に閉じている。
【００２０】
対応する直線的に作用する長方形駆動体１１が図５及び６に示され、参照を容易にするために同様の構成要素に対しては同一の符号が使用されている。
【００２１】
図１、３及び５並びに図２、４及び６に各々示されると共に、図９ないし１１の一般例に使用される駆動体の屈曲モードが、図７及び８に示されている。
【００２２】
図２に示される駆動体は、図９、１０及び１１に示されるようにガス流発生器に組み込まれる。図１０に示す装置において、第２のステンレス鋼膜体５は膜体４から適切な距離（典型的には、１０ｍｍまで）で離隔されて示され、環状スペーサ６により当該位置に保持され、これにより膜体５と駆動体１との間に空洞１０を形成する。しかしながら、上記膜体間の分離が小さい（典型的には、２００μｍ未満）場合に一般的に流れの最大点が見られるが、斯かる分離が増加するにつれて、一連の付加的な最大点が見られる。これらは、上記空洞における共振的挙動によるものと考えられる。ステンレス鋼膜体５の中心部分には該膜体を介して孔７が穿たれ、これら孔はテーパ状又は非テーパ状オリフィスの形態とすることができる。オリフィス形状の幾つかの例が、図１５の（ａ）ないし１５の（ｃ）に示されている。テーパ状オリフィスは順方向にテーパが付けられる（即ち、図１５の（ａ）に示されるように流れの方向に狭まる）か、又は逆テーパが付けられる（即ち、図１５の（ｂ）に示されるように流れに対して反対方向に狭まる）。
【００２３】
図９に示す例示的発生器においては、膜体４は中央部においてドーム状部分を形成するように変形され、従って膜体５から近接して離隔されるようになる。膜体５の残部は、スペーサ６’により当該駆動体１の残部から一層大きな距離に保持され、かくして斯かる膜体間の空洞１０に図１０又は１１における対応する空洞よりも一層大きな容積を付与する。
【００２４】
図１１に示す例示的発生器は図９のものと広範に類似しているが、膜体５を、複数のスポーク９（図１２参照）によって駆動体１の基板３に接続された環状部８上のスペーサ６”を介して支持することにより、該膜体５と駆動体１との間の如何なる直接結合をも回避している。
【００２５】
本発明の発生器は幾つかの異なるモードのうちの１つで動作し得るが、この段階では、当該装置及び移動されるべきガスに対する何の条件が、如何なる特定のモードが当該発生器が動作するモードであることを保証するかは正確には明ではない。
【００２６】
上述した全ての装置の動作時において、当該駆動体に取り付けられた膜体４は、膜体４及び５の間の空洞が交互に膨張及び収縮するように振動させられる。当該装置は、上記２つの膜体の間の正弦状運動が空気を圧縮及び希薄化するように動作し得る。前記孔の寸法、形状又はテーパ付け方向の何れかの結果としての又は当該駆動体の位置の非対称性は、図１４に示すように上記空洞内に差動的圧力が発生されるのを可能にし、かくしてＤＣガス流が空洞１０の内側及び外側から発生される。図１１に示す装置においては、ガス流は環状部８及び基板３からの間隙を介して空洞１０内へ、次いで膜体５内の孔を介してとなり得るが、他の構成においては、ガス流は膜体４に又はスペーサ６、６’に形成された開口（図示略）を介してとなり得る。
【００２７】
他の例として、上記発生器は、入口（例えば、２つの膜体４、５の間の間隙）及び出口（例えば、有孔膜体５における孔）を備える圧縮ポンプとして作用することができる。圧電ディスク２が駆動された場合、前記孔の背後の圧力は、上記２つの膜体の分離と調和して変化する。相対的に運動する斯かる２つの膜体は、これら膜体が一緒に近接した場合は弁が“閉状態”である一方、これら膜体が最も離れた場合に該弁が“開状態”となるような、部分的弁動作を生じる。上記孔の背後の圧力が最大点にある場合、プレートの間の間隙の抵抗も、最大点にある。上記孔の背後の圧力が最小点にある場合、上記プレート間の間隙による抵抗も最小点にある。この結果、上記入口から出口への正味のガス流が得られる。
【００２８】
この動作において、流量率は典型的には膜体４及び５の間の間隙を介するガスの粘性抵抗により制限され、有孔膜５における所与の孔の寸法に対して、斯かるプレート間に最適な制限が存在する。上記駆動体と膜体との間の分離が小さい場合、この最適さは上記２つの膜の間の間隙の平均抵抗と上記孔を介する抵抗とが等しい場合に生じる。しかしながら、これは、膜体５における孔の最適位置が存在することも意味する。図１６は、膜体４の前記ドーム状部分の外縁２０に対する、この最適な孔の位置の場所を図示している。図１６においては、有孔膜体５を経る孔２１の単一のリングのみが、最適な位置、即ち入口（即ち、駆動される膜体領域における前記ドーム状部分の縁２０）から設定された距離にあり得る。これを改善するために、当該膜体は図１７に示すように整形することができ、この場合、有孔膜体５にはチャンネル２２が形成されて、該膜体の実効周長を増加させる。これにより、一層大きな実効周長の結果として、最適位置の孔２１の数が増加する。他の例として（図１８に示すように）、入口孔２３（典型的には前記孔より大きい）を膜体４に、該膜体４のドーム状部分の中心と縁との中間において設けることができ、かくして、有孔膜体５には更に内側のリングの最適な孔の位置２４が生成される。図１７ａ及び１７ｂは、図１７の膜体５の、８個のチャンネル２２が設けられると共に有孔部分がドーム状であるようなバージョンを示している。
【００２９】
前述したように、有孔膜体５を経る孔は、図１５の（ａ）及び（ｂ）に示すようにテーパを付けることができる。そして、これは、前記膜体が相対的に移動される際に非対称な正弦状圧力変化を生成するので、これら孔のテーパは正味のＤＣ的流れを生成する。斯かるオリフィスのテーパは受動的弁として作用する。図１５の（ｃ）は、テーパが付けられていないオリフィスを示している。
【００３０】
図１９ａに示す構成において、図１０におけるものと類似したガス流発生器１は、有孔膜体５を経るポンプ流を生じさせるように作用し、該膜体の縁から空洞１０内へガスを引き込む。対照的に、図１９ｂにおいては、空気は膜体５における孔を介して振動する。圧縮行程においては、斯かる孔から高度に指向性の慣性噴射（ジェット）が発生される一方、反対の行程においては、斯かる孔を介して空洞１０内へ、より等方性の流れが生成される。これにより、当該膜体の表面に垂直な強力なジェット流が生じる。
【００３１】
上述した装置の何れも、電気部品からの熱を放散させるためにヒートシンクと一緒に使用することができる。このような構成が図２０ａ及び２０ｂに示され、これら図において、図９に示した構成と略類似したガス流発生器は対応する単一ヒートシンク又は二重ヒートシンクの上面から短い距離だけ隔てられている。図２０ａにおいては、単一のヒートシンクが有孔膜体５に隣接して、該有孔膜体５からのポンプ送りされた流れが中心から複数のチャンネル３４（図２１ａ参照）内を放射方向外側に向かって流れるように取り付けられている。図２０ｂの構成においては、二重両面ヒートシンク３３が設けられ、これは、当該ガス流発生器が図１９ｂに示すようにジェットモードで動作する場合に特に有効である。というのは、有孔膜体５の面に沿って流されるガスが、該ヒートシンクの上面に沿ってチャンネル３５内を流れるようにもされるからである。有孔膜体５からのジェット流は該ヒートシンクの中心を経て通過する。次いで、該ジェット流はヒートシンク３３の下面上のチャンネル３６を経て通過する（図２１ｂ参照）。
【００３２】
２つの膜体４及び５の間の分離は０.０１ｍｍから１０ｍｍまでとすることができるが、好ましくは１ｍｍ以下であり、好ましくは２００μｍ未満とする。膜体５を経る孔の寸法は、好ましくは５〜１５０ミクロン径の範囲であり、典型的には５００ミクロンの六方ピッチ（hexagonal
pitch）で離隔される。しかしながら、好ましい孔の寸法は、２５ミクロンと１２５ミクロンとの間である。テストにおいて、本発明のガス流発生器は、該発生器と熱負荷とが２ｍｍだけ分離された場合、１ワット負荷を１７℃だけ、即ち本発明がない場合の８７℃から本発明による場合の７０℃まで冷却することが示された。これは、当該装置が該装置の表面からジェットを発生するように動作する場合である。
【００３３】
ガス流の特定の方向は、当該ガス流発生器が実用に移される特定の用途に対して決定されるであろう。
【００３４】
今までテストされた例においては、３５０ないし８００μｍのピッチで５０ないし１５０μｍの孔寸法を持つ孔が、５μｍ振幅で動作する駆動体と一緒に使用された。より小さな径の孔、及び対応して小さな孔間の直径のピッチ、並びに膜体間の一層小さな分離での動作は、より低い流量率を一層高い圧力で生じるであろう。例えば、６０ミクロンのピッチでの７ミクロンの直径の孔は、１０ｋＰａまでの圧力を生成することがわかった。
【００３５】
実施例に示した膜体に対してはステンレス鋼が使用されたが、所望又は許容可能な場合は、カプトン（Kapton）及び黄銅等の他の材料を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の発生器に使用することができる薄壁状の超音波駆動体の断面図である。
【図２】図２は、本発明の発生器に使用することができる薄壁状の超音波駆動体の断面図である。
【図３】図３は、図１の駆動体の平面図を示す。
【図４】図４は、図２の駆動体の平面図を示す。
【図５】図５は、外観が図３におけるような円形というよりは長方形であるが、略同一の断面（図１参照）を有するような他の駆動体を平面図で示す。
【図６】図６は、外観が図４におけるような円形というよりは長方形であるが、略同一の断面（図２参照）を有するような他の駆動体を平面図で示す。
【図７】図７は、図１の駆動体の屈曲モードを示す。
【図８】図８は、図２の駆動体の屈曲モードを示す。
【図９】図９は、本発明による発生器の実施例を断面で示す。
【図１０】図１０は、本発明による発生器の実施例を断面で示す。
【図１１】図１１は、本発明による発生器の実施例を断面で示す。
【図１２】図１２は、図１１に断面で示した発生器の平面図である。
【図１３】図１３は、当該駆動体の駆動の間における典型的な膜体の分離を示すグラフである。
【図１４】図１４は、膜体間の空洞内で発生される対応する圧力を示すグラフである。
【図１５】図１５の（ａ）ないし（ｃ）は、有孔膜体における孔の可能性のある異なる断面を示す。
【図１６】図１６は、有孔膜体における孔の或る配列を示す。
【図１７】図１７は、有孔膜体における孔の他の配列を示す。
【図１７ａ】図１７ａは、図１７に示した膜体の側面図を示す。
【図１７ｂ】図１７ｂは、図１７に示した膜体の平面図を示す。
【図１８】図１８は、有孔膜体における孔の他の配列を示す。
【図１９ａ】図１９ａは、ポンプモードで動作する装置を経てのガスの流れを示す。
【図１９ｂ】図１９ｂは、本発明がジェットモードで動作している場合のガス流を示す。
【図２０ａ】図２０ａは、単一ヒートシンクと共に使用された場合の本発明による装置の概略断面図を示す。
【図２０ｂ】図２０ｂは、二重ヒートシンクと共に使用された場合の本発明による装置の概略断面図を示す。
【図２１ａ】図２１ａは、単一ヒートシンクの斜視図を示す。
【図２１ｂ】図２１ｂは、二重ヒートシンクの斜視図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１８】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２１ａ】
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【図２１ｂ】
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【国際調査報告】
2006522896.tif 000029
2006522896.tif 000030
2006522896.tif 000031