(57)【要約】【課題】  本発明は、冷却性能を実質的に低下させずに、振動板のねじれ振動を抑制して騒音が小さい圧電ファン装置を提供することを目的とする。【解決手段】  所定周波数の交流電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子が接合されている振動板と、前記振動板の一端を固定する固定部材とを備え、前記振動板の前記固定部材によって固定された一端を固定端、他端を自由端とする圧電ファン装置において、前記振動板は、前記圧電素子の伸縮により、固定端を除き少なくともひとつの節を生じる３倍波以上の奇数倍波で屈曲振動を行い、前記振動の節に補強構造部が設けられている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数の交流電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子が接合されている振動板と、前記振動板の一端を固定する固定部材とを備え、前記振動板の前記固定部材によって固定された一端を固定端、他端を自由端とする圧電ファン装置において、
前記振動板は、前記圧電素子の伸縮により固定端を除き少なくともひとつの節を生じる３倍波以上の奇数倍波で屈曲振動を行い、前記振動の節に補強構造部が設けられていることを特徴とする圧電ファン装置。
【請求項２】
前記補強構造部は、前記振動板とは別の部材が貼付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装置。
【請求項３】
前記補強構造部は、前記振動板に折り曲げ加工を行い、曲げ部を設けたものであることを特徴とする請求項１に記載の圧電ファン装置。
【請求項４】
前記補強構造部は、前記振動板の短手方向の両端に至るように設けられていることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の圧電ファン装置。
【請求項５】
前記圧電ファン装置は、前記圧電素子が前記振動板を両面から挟むように接合されているバイモルフ型であることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項に記載の圧電ファン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等の冷却に用いられる圧電ファン装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡＶ機器やコンピュータなどの発熱する部品を内蔵した電子機器の冷却には、ファン装置が広く用いられている。近年では、実装形態に適した小型で静音性が高い圧電ファン装置が望まれている。このような圧電ファン装置は、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された圧電ファン装置１００は、図６に示すように、導電体からなる板状の振動板１０２を備えている。前記振動板１０２の一端側の両面には、それぞれ圧電素子１０１が貼付されている。前記圧電素子１０１の両面には電極（図示せず）が形成されている。前記振動板１０２の一端は、固定部材１０３によって固定されており、より具体的には、前記固定部材１０３は、前記振動板１０２に貼付された圧電素子１０１を両主面から挟んで固定されている。前記固定部材１０３によって固定されている端が固定端、他方の端が自由端となっている。
【０００３】
前記圧電ファン装置１００は、前記圧電素子１０１の外側の電極と前記振動板１０２との間に、所定周波数の正弦波交流電圧を交流電源１０５より印加することで、前記圧電素子１０１を主として長手方向に伸縮させる。これにより、前記振動板１０２が基本波により厚み方向に屈曲振動を行い、ファン装置として駆動するものである。
【０００４】
また、周知の技術として、冷却性能を上げるためにこれらの圧電ファン装置を高次モードで振動させるという方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１１０７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような圧電ファン装置では、圧電素子の長手方向の伸縮を利用して振動板を厚み方向に屈曲振動させている。しかし、圧電素子は短手方向にも伸縮するために、長手方向と短手方向の駆動周波数が近いと短手方向の伸縮の影響が大きくなり、振動板がねじれながら屈曲振動するという不具合が発生する。これらのねじれ振動が発生すると、騒音が大きくなるという問題がある。このような問題は、高次モードで駆動されるほど顕著に表れる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、冷却性能を実質的に低下させずに、振動板のねじれ振動を抑制して騒音が小さい圧電ファン装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記問題点を解決するために、本発明に係る圧電ファン装置は、所定周波数の交流電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子が接合されている振動板と、前記振動板の一端を固定する固定部材とを備え、前記振動板の前記固定部材によって固定された一端を固定端、他端を自由端とする圧電ファン装置において、前記振動板は、前記圧電素子の伸縮により、固定端を除き少なくともひとつの節を生じる３倍波以上の奇数倍波で屈曲振動を行い、前記振動の節に補強構造部が設けられている。
【０００９】
この場合は、圧電素子の長手方向の伸縮による振動板の厚み方向の屈曲振動に影響を与えず、短手方向の伸縮により発生する振動板のねじれ振動を抑制するため、冷却性能を実質的に低下させずに、騒音を低減することができる。
【００１０】
また本発明は、前記補強構造部は、振動板とは別の部材が貼付されていることが望ましい。この場合は、一体成型をするよりも圧電ファン装置の製造や管理が簡単になる。
【００１１】
また本発明は、前記補強構造部は、振動板に折り曲げ加工を行い、曲げ部を設けたものであることが望ましい。この場合は、曲げ部を設けているので、短手方向の断面二次モーメントが大きくなり、振動板のねじれ振動を抑制することができる。
【００１２】
また本発明は、前記補強構造部は、前記振動板の短手方向の両端に至るように設けられていることが望ましい。この場合は、振動板の短手方向全体が補強されるので、圧電素子の短手方向の伸縮により発生する振動板のねじれ振動の影響をより抑制することができる。
【００１３】
また本発明は、前記圧電ファン装置は、前記圧電素子が前記振動板を両面から挟むように接合されているバイモルフ型であることが望ましい。この場合は、振動板の厚み方向の屈曲振動の振幅が大きくなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、振動板を振動の節が生じる奇数倍波で屈曲振動させる。振動の節は振幅を生じない箇所であるので、振動板の厚み方向の屈曲振動に影響を与えない。これにより、圧電素子の長手方向の伸縮による振動板の厚み方向の屈曲振動に影響を与えず、短手方向の伸縮により発生する振動板のねじれ振動を抑制するため、冷却性能を実質的に低下させずに、騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態による圧電ファン装置の側面図と上面図である。
【図２】実験例に基づく圧電ファン装置の補強箇所と周波数の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施形態の変形例１による圧電ファン装置の側面図である。
【図４】本発明の実施形態の変形例２による圧電ファン装置の側面図である。
【図５】本発明の実施形態の変形例３による圧電ファン装置の側面図である。
【図６】先行技術を説明する圧電ファン装置の側面図と上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施形態に係る圧電ファン装置について説明する。
【００１７】
図１（Ａ）に本発明の実施形態に係る圧電ファン装置１０の側面図を示す。また、図１（Ｂ）に圧電ファン装置１０の上面図を示す。なお、本明細書において、側面図と上面図は理解しやすくするために概略的に示している。
【００１８】
本実施形態の圧電ファン装置１０は、図１（Ａ）に示すように、圧電素子１、振動板２、固定部材３、及び補強構造部４から構成されている。
【００１９】
圧電素子１は、圧電セラミクスの両面に電極（図示せず）が形成されており、例えば長さ３３ｍｍ×幅１６ｍｍ×厚み０．０５ｍｍの板状に形成されている。圧電素子１は厚み方向に分極されており、交流電源５からの正弦波交流電圧の印加に応じて主として長手方向に伸縮する振動子である。
【００２０】
振動板２は、例えば長さ９５ｍｍ×幅１６ｍｍ×厚み０．０８ｍｍの板状からなり、例えばＳＵＳから構成されている。振動板２の両主面には圧電素子１が例えば接着剤により接合されており、バイモルフ型振動子として構成されている。
【００２１】
固定部材３は、例えば長さ１６ｍｍ×幅６ｍｍ×厚み１．６ｍｍの直方体からなり、例えばガラスエポキシ樹脂から構成されている。固定部材３は筺体と振動板２の一端を固定するために設けられている。振動板２の固定部材３によって固定された一端を固定端、他端を自由端と規定する。また、固定部材３によって振動板２が筺体（図示せず）と固定される。
【００２２】
補強構造部４は、例えば長さ１６ｍｍ×幅５ｍｍ×厚み１．６ｍｍの直方体からなり、例えばガラスエポキシ樹脂から構成されている。補強構造部４は、振動板２が固定端を除きひとつの節を生じる３倍波により屈曲振動をする際に、振動の節に当たる箇所に設けられている。補強構造部４は、図１（Ｂ）に示すように、振動板２の短手方向の両端に至るように設けられている。
【００２３】
なお、補強構造部４は、振動板２の長手方向に貼付される長さが短いほうが振動板の長手方向の屈曲振動を阻害しない。また、補強構造部４は、厚みが厚いほうが振動板のねじれ振動の抑制に効果的である。
【００２４】
以下に、圧電ファン装置１０の動作を示す。
【００２５】
圧電ファン装置１０は、２枚の圧電素子１の各電極と振動板２との間に、２枚の圧電素子１の分極方向に応じた正弦波交流電圧を印加する。このように印加することにより圧電素子１が主として振動板の長手方向に伸縮し、振動板２が厚み方向に屈曲振動するものである。
【００２６】
圧電ファン装置１０に印加される正弦波交流電圧の駆動周波数は、振動板の長手方向の長さ等の条件により決定される。本実施形態では、振動の節を生じさせるために、圧電ファン装置を３倍波で駆動させる。印加する正弦波交流電圧は、例えば電圧２４Ｖｐｐ、周波数６３．７Ｈｚとする。
【００２７】
これにより、図１（Ａ）に示す破線のように、振動板２が固定端を除きひとつの節を生じる３倍波により振動板の厚み方向に屈曲振動を行う。
【００２８】
振動の節は振幅を生じない箇所であるので、振動板の厚み方向の屈曲振動に影響を与えない。具体的には、振動の節に補強構造部４を設けたとしても、振動板２の厚み方向の屈曲振動の振幅が変化しない。このため、圧電素子１の長手方向の伸縮による振動板２の厚み方向の屈曲振動に影響を与えず、短手方向の伸縮により発生する振動板２のねじれ振動を抑制できるので、冷却性能を実質的に低下させずに、騒音を低減することができる。
【００２９】
本実施形態では、補強構造部４は、振動板２とは別の部材が貼付されて形成されている。このように構成しているので、一体成型をするよりも圧電ファン装置１０の製造や管理が簡単になる。
【００３０】
本実施形態では、補強構造部４は、振動板２の短手方向の両端に至るように設けられている。このように構成しているので、振動板２の短手方向全体が補強され、圧電素子１の短手方向の伸縮により発生する振動板２のねじれ振動の影響をより抑制することができる。
【００３１】
本実施形態では、圧電ファン装置１０は、圧電素子１が振動板２を両面から挟むように接合されているバイモルフ型である。このように構成しているので、振動板２の厚み方向の屈曲振動の振幅が大きくなる。
【００３２】
本実施形態では、固定端を除きひとつの節を生じる３倍波で振動板２を屈曲振動させているが、これに限るものではない。３倍波以上の奇数倍波で振動板２を屈曲振動させても構わない。この場合は、固定端以外の少なくともひとつの節に補強構造部４が設けられていればよい。具体的には、節が複数設けられる場合には、補強構造部４も複数設けられていてもよい。
【００３３】
本実施形態では、補強構造部４は、振動板２とは別の部材が貼付されているが、これに限るものではない。例えば、振動板２と補強構造部４を一体成型してもよい。
【００３４】
本実施形態では、振動板２を両面から挟むように２枚の圧電素子１をそれぞれ貼付してバイモルフ型振動子を構成しているが、これに限るものではない。振動板２の一方の面に圧電素子１を接合したユニモルフ型振動子を構成してもよい。
【００３５】
本実施形態では、振動板２はＳＵＳから構成されているが、これに限るものではない。例えば、真鍮、インバー、リン青銅等のばね性の高い金属板等を用いてもよい。
【００３６】
（実験例と従来例）
実験例として、図１に示す実施形態に係る圧電ファン装置１０を用い、従来例として、図６に示す圧電ファン装置１００を用いて実験を行う。実験例と従来例との構造の違いは、振動の節に補強構造部が設けられているかどうかである。
【００３７】
本実験では、これら２つの圧電ファン装置を用いて、３倍波で駆動させた時の常温の騒音のレベルを測定して比較を行う。
【００３８】
本実験では、各圧電ファン装置共に印加する電圧は電圧２４Ｖｐｐ、周波数６３．７Ｈｚの正弦波交流電圧、駆動は固定端を除きひとつの節を生じる３倍波で駆動することとする。常温は２５℃とする。騒音のレベルは、圧電ファン装置から振動板の厚み方向に０．７ｍ離れた箇所に測定器を設置して測定を行う。
【００３９】
従来例の騒音のレベルは３８．６ｄＢＡであった。実験例の騒音のレベルは２７．７ｄＢＡであった。従来例に対して、実験例の騒音のレベルのほうが低いので、振動の節に補強構造部が設けられていると、騒音が低減するといえる。
【００４０】
（実験例と比較例１〜４）
実験例として、図１に示す実施形態に係る圧電ファン装置１０を用い、比較例１〜４として、表１に示す条件の圧電ファン装置を用いて実験を行う。
【００４１】
比較例１〜４は、実験例と比較して補強構造部を設ける箇所が異なるサンプルである。補強構造部は、振動板の短手方向の両端に至るように設けられている。これらの各条件の駆動周波数をシミュレーションにより測定して比較を行う。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
図２に表１の条件下での実験結果を示す。実験例、及び比較例１〜４を比較すると、実験例では駆動周波数が６３．７Ｈｚであった。これに対して、比較例１〜４の駆動周波数は、実験例の駆動周波数より低くなっており、振動の節から距離が離れるにつれて駆動周波数が低下する傾向がある。駆動周波数が低下すると、圧電ファン装置の冷却性能も低下してしまうので、望ましい結果であるとはいえない。
【００４４】
これより、振動の節に補強構造部を設けると、冷却性能を実質的に低下させずに、振動板の短手方向の補強を行うことができるので、より望ましいといえる。
【００４５】
（実施形態の変形例１）
図３は実施形態の変形例１に係る圧電ファン装置２０の側面図である。実施形態と同一の部分には、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４６】
本変形例１の圧電ファン装置２０は、図３に示すように、圧電素子１、振動板２２、固定部材３、及び補強構造部２４から構成されている。図３に示す破線は、補強構造部２４が設けられていない場合の振動板２２の屈曲振動の様子を示す。
【００４７】
本変形例１における実施形態との異なる箇所は、振動板２２の形状である。具体的には、振動板２２の振動の節に当たる箇所（図３の破線の交点）に折り曲げ加工を行い、曲げ部を設けて補強構造部２４としている。このように構成しているので、短手方向の断面二次モーメントが大きくなり、振動板２２のねじれ振動を抑制することができる。
【００４８】
（実施形態の変形例２）
図４は実施形態の変形例２に係る圧電ファン装置３０の側面図である。実施形態と同一の部分には、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４９】
本変形例２の圧電ファン装置３０は、図４に示すように、圧電素子１、振動板３２、固定部材３、及び補強構造部３４から構成されている。図４に示す破線は、補強構造部３４が設けられていない場合の振動板３２の屈曲振動の様子を示す。
【００５０】
具体的には、振動板３２の振動の節に当たる箇所（図４の破線の交点）に折り曲げ加工を行い、曲げ部を２箇所に設けて補強構造部３４としている。このように構成しているので、短手方向の断面二次モーメントが大きくなり、より振動板３２のねじれ振動を抑制することができる。
【００５１】
（実施形態の変形例３）
図５は実施形態の変形例３に係る圧電ファン装置４０の側面図である。実施形態と同一の部分には、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００５２】
本変形例３の圧電ファン装置４０は、図５に示すように、圧電素子１、振動板４２、固定部材３、及び補強構造部４４から構成されている。図５に示す破線は、補強構造部４４が設けられていない場合の振動板４２の屈曲振動の様子を示す。
【００５３】
具体的には、振動板４２の振動の節に当たる箇所（図５の破線の交点）にアール曲げ加工を行い、曲げ部を弓型形状に設けて補強構造部４４としている。このように構成しているので、短手方向の断面二次モーメントが大きくなり、より振動板４２のねじれ振動を抑制することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０、２０、３０、１００…圧電ファン装置
１…圧電素子
２、２２、３２、４２…振動板
３…固定部材
４、２４、３４、４４…補強構造部
５…交流電源
【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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