(57)【要約】【課題】新たな電子部品や回路を付加することなく、冷却の必要なときに自動的に作動する冷却用圧電アクチュエーター駆動回路を構成する。【解決手段】圧電アクチュエーター駆動回路は、冷却用ファンを振動させる圧電アクチュエーターに対する電圧印加に応じて生じる検出信号を増幅して前記圧電アクチュエーターに正帰還させる正帰還回路を備える。圧電アクチュエーターのインピーダンスの温度特性は負特性であり、圧電アクチュエーターの周囲温度が所定温度を超えない状態では圧電アクチュエーターのインピーダンスが高く、ループゲインが１未満（０ｄＢ未満）である。そのため、冷却が必要な温度に達したときにのみ自励発振して圧電アクチュエーターが駆動される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却用フィンを振動させる圧電アクチュエーターに対する電圧印加に応じて生じる検出信号を増幅して前記圧電アクチュエーターに正帰還させる正帰還回路を備えた、冷却用圧電アクチュエーターの駆動回路において、
前記正帰還回路は、前記圧電アクチュエーターに直列接続された電流検出抵抗と、当該電流検出抵抗の降下電圧を増幅して前記圧電アクチュエーターに駆動電圧を印加する増幅回路とを備え、
前記圧電アクチュエーターは、そのインピーダンスの温度特性が負の特性であり、前記圧電アクチュエーターを駆動させる温度であるときに、前記正帰還回路のループゲインが１以上となるように前記正帰還回路の特性が設定された冷却用圧電アクチュエーター駆動回路。
【請求項２】
前記正帰還回路のループゲインを調整する調整手段を備えた、請求項１に記載の冷却用圧電アクチュエーター駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却用ファンを振動させる圧電アクチュエーターの駆動回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のパソコン等の電子機器においては演算処理能力の増大に伴って消費電力の大きなプロセッサー等の発熱部品が搭載されている。このような発熱部品を冷却する小型の冷却装置として、例えば特許文献１が開示されている。
【０００３】
図１は特許文献１に示されている圧電ファン（冷却用圧電アクチュエーター）の構成を示す斜視図である。この圧電ファンは、圧電素子２０１の先端に送風プレート２０２を接合して、圧電素子２０１を支持体２０３に固定した圧電ファンであり、圧電素子２０１に通電駆動することにより、送風プレート２０２が上下に振動して、冷却対象物に空気を送る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９１１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、冷却対象物に空気を送って冷却する装置においては、送風する空気と冷却対象物との温度差及び冷却対象物の表面熱伝導率が一定であるとすると、送風量に応じて冷却熱量が定まる。冷却の目的は冷却対象物の温度が規定値を超えて異常動作しないようにすることであるから、冷却が不要なほど冷却対象物の温度が低い場合には送風を停止することが低消費電力化の観点から望ましい。
【０００６】
しかし、そのためには冷却対象物の温度を検知する温度センサと、その検知結果に応じて冷却装置を制御する制御回路が必要になる。そもそも冷却用圧電アクチュエーターは小型且つ高効率な冷却装置として用いられるが、前記温度センサや制御回路を設けることは小型化を阻む要因となる。
【０００７】
そこで、本発明は新たな電子部品や回路を付加することなく、冷却の必要なときに自動的に作動する冷却用圧電アクチュエーター駆動回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、この発明の圧電アクチュエーター駆動回路は、冷却用フィンを振動させる圧電アクチュエーターに対する電圧印加に応じて生じる検出信号を増幅して前記圧電アクチュエーターに正帰還させる正帰還回路を備えた、冷却用圧電アクチュエーターの駆動回路において、
前記正帰還回路は、前記圧電アクチュエーターに直列接続された電流検出抵抗と、当該電流検出抵抗の降下電圧を増幅して前記圧電アクチュエーターに駆動電圧を印加する増幅回路とを備え、
前記圧電アクチュエーターは、そのインピーダンスの温度特性が負の特性であり、前記圧電アクチュエーターを駆動させる温度であるときに、前記正帰還回路のループゲインが１（０ｄＢ）以上となるように前記正帰還回路の特性が設定されている。
【０００９】
この構成により、圧電アクチュエーターの周囲温度が所定温度より低いときには圧電アクチュエーターが駆動されず、周囲温度が高くなり冷却が必要になると圧電アクチュエーターが自動的に駆動されるという動作を、温度センサ及び温度制御回路を用いることなく実現できる。
【００１０】
また、必要に応じて前記正帰還回路のループゲインを調整する調整手段を備える。これにより、圧電アクチュエーターを組み込み先の電子機器に適した所望の温度で駆動するように設定できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、新たな電子部品や回路を付加することなく、冷却の必要なときに自動的に作動する、圧電アクチュエーターを備えた冷却装置が構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は特許文献１に示されている圧電ファン（冷却用圧電アクチュエーター）の構成を示す斜視図である。
【図２】図２（Ａ）は、圧電ファンを構成する圧電アクチュエーター１の斜視図である。図２（Ｂ）は、その圧電アクチュエーター１を備えた冷却ユニットの斜視図である。
【図３】図３は第１の実施形態に係る冷却用圧電アクチュエーター駆動回路の回路図である。
【図４】図４は、図３に示した圧電アクチュエーター１の第１の端子への印加電圧Ｖａ、第２の端子への印加電圧Ｖｂ、及び圧電アクチュエーター１の両端子間の印加電圧Ｖａｂのそれぞれの波形図である。
【図５】図５は圧電アクチュエーター１の温度変化に対するインピーダンスの周波数特性の変化を示す図である。
【図６】図６は、図３に示した駆動回路において、圧電アクチュエーター１のインピーダンスを変化させたときのループゲインの特性を示す図である。
【図７】図７は第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター駆動回路において、図３に示した圧電アクチュエーター１に流れる電流検出用の抵抗Ｒ１１の抵抗値を変化させたときのループゲインの特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
《第１の実施形態》
図２（Ａ）は、圧電ファンを構成する圧電アクチュエーター１の斜視図である。図２（Ｂ）は、その圧電アクチュエーター１を備えた冷却ユニットの斜視図である。
【００１４】
図２（Ａ）に示すように、圧電アクチュエーター１はステンレス板などの薄肉金属板よりなる振動板２を備えており、振動板２の長さ方向の一端側に平板状の基板部２ａが設けられ、この基板部２ａの表裏面に圧電素子３，３を貼り付けることで、バイモルフ型の圧電アクチュエーターが構成されている。振動板２は９０°の折り曲げ部２ｂで折り曲げられている。振動板２の長さ方向の他端側には複数（ここでは７つ）のフィン２ｄが分割形成されている。
【００１５】
フィン２ｄは圧電素子３の主面方向に対して直交方向に延びている。振動板２の基板部２ａの終端側、つまり折り曲げ部２ｂとは逆側の端部には、圧電素子３が貼り付けられていない延長部２ｃが形成されている。この延長部２ｃは図示しない固定部に固定された支持部材５によって保持されている。２個の圧電素子３，３及び振動板２は圧電アクチュエーター駆動回路６に電気的に接続されている。
【００１６】
図２（Ｂ）に示すように、冷却ユニットは、圧電アクチュエーター１とヒートシンク１０とで構成されている。ヒートシンク１０は、間隔をあけて並設された複数枚（ここでは８枚）の放熱フィン１１を備えている。ヒートシンク１０は、例えば回路基板上に実装された発熱素子（ＣＰＵ等）の上面に熱的に結合された状態で取り付けられている。
【００１７】
圧電アクチュエーター１の各フィン２ｄは各放熱フィン１１の間にヒートシンク１０の底面と直角方向に非接触で挿入されている。振動板２の基板部２ａ及び圧電素子３で構成される圧電アクチュエーターは、ヒートシンク１０の上端にそって平行に配置されている。
【００１８】
圧電アクチュエーターにより、振動板２が振動すると、フィン２ｄが放熱フィン１１の側面に対して平行な方向に振動し、放熱フィン１１近傍の暖気をフィン２ｄで掻き取るので、ヒートシンク１０が効率よく冷却される。
【００１９】
図３は第１の実施形態に係る冷却用圧電アクチュエーター駆動回路６の回路図である。
電源回路ＰＳは、電源電圧ＤＣ１２Ｖを抵抗Ｒ３１，Ｒ３２により例えば等分圧し、ＤＣ６Ｖにした電圧を、オペアンプＯＰ５による電圧フォロア回路に入力することによって安定した基準電位ＶＭ（例えばＤＣ６Ｖ）を発生する。
【００２０】
フィルタ回路Ａ２１は、オペアンプＯＰ１を備え、フィードバック回路Ａ２４から出力される信号を増幅し、非反転増幅回路Ａ２３へ与える。非反転増幅回路Ａ２３はフィルタ回路Ａ２１の出力電圧を所定ゲインで増幅し、抵抗Ｒ１１を介して圧電アクチュエーター１の第１の端子に印加する。反転増幅回路Ａ２２は非反転増幅回路Ａ２３の出力電圧をゲイン１で反転増幅し、圧電アクチュエーター１の第２の端子に印加する。非反転増幅回路Ａ２３及び反転増幅回路Ａ２２によって平衡駆動回路Ａ２５を構成している。
【００２１】
フィードバック回路Ａ２４は、圧電アクチュエーター１に対する電圧印加に応じて圧電アクチュエーター１に流れる電流（検出信号）を抵抗Ｒ１１の両端から取り出し、差動増幅し、フィルタ回路Ａ２１の非反転入力端子へ与える。
【００２２】
抵抗Ｒ１１の両端には、圧電アクチュエーター１に流れる電流に比例した電圧が現れる。フィードバック回路Ａ２４は抵抗Ｒ１１の両端電圧を増幅して不平衡信号を出力する。このとき、Ａ２４→Ａ２１→Ａ２５の経路で、作動時にループゲインが１を超える正帰還回路が構成されるように、フィードバック回路Ａ２４の出力電圧が定められている。すなわち、圧電アクチュエーター１に流れる電流が増大する程、圧電アクチュエーター１への印加電圧が増大する関係にある。
【００２３】
フィルタ回路Ａ２１の負帰還ループＮＦＬ中には帯域阻止フィルタＢＥＦが接続されている。この帯域阻止フィルタＢＥＦは圧電装置の基本波共振周波数の信号成分の挿入損失が大きく、高次共振周波数の信号成分の挿入損失は小さい。すなわち高次共振周波数におけるループゲインを低下させるように作用する。
【００２４】
前記非反転増幅回路Ａ２３及び反転増幅回路Ａ２２の出力電圧の振幅は何れも電源電圧に等しく、且つ逆位相であるので、圧電アクチュエーター１は電源電圧の２倍の電圧で駆動されることになる。
【００２５】
フィルタ回路Ａ２１の帯域通過フィルタＢＰＦは正帰還ループＰＦＬ中に接続されている。この帯域通過フィルタＢＰＦは前記基本周波数を通過し、高調波成分を抑圧する。すなわち、圧電装置の高次共振周波数の信号を抑制する高調波抑制フィルタとして作用する。そのため、高調波の周波数成分は正帰還が掛からず、高調波の周波数帯でのループゲインが１以下となり、高調波では発振しない。すなわち圧電アクチュエーター１が取り付けられた圧電装置の基本周波数で発振する。
【００２６】
前記非反転増幅回路Ａ２３はオペアンプＯＰ３、抵抗Ｒ７，Ｒ８で構成され、所定ゲインで非反転増幅する。
反転増幅回路Ａ２２はオペアンプＯＰ４、抵抗Ｒ９，Ｒ１０で構成され、ゲイン１で反転増幅する。すなわち反転増幅回路Ａ２２は前記増幅回路Ａ２３の出力信号を等振幅で反転増幅する。
【００２７】
フィードバック回路Ａ２４は、オペアンプＯＰ２と抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ１１で構成され、抵抗Ｒ１１の両端電圧を差動増幅する。
前記フィルタ回路Ａ２１は、自励発振のための正帰還ループの位相量を調整する機能を兼ねている。すなわち、正帰還ループの位相量が０°となるように帯域通過フィルタＢＰＦの特性が定められている。
【００２８】
図４は、図３に示した圧電アクチュエーター１の第１の端子への印加電圧Ｖａ、第２の端子への印加電圧Ｖｂ、及び圧電アクチュエーター１の両端子間の印加電圧Ｖａｂのそれぞれの波形図である。増幅回路Ａ２２，Ａ２３は正電源が＋１２Ｖ、負電源が０Ｖで動作するので、圧電アクチュエーター１の第１の端子には０Ｖ〜＋１２Ｖの範囲の電圧が印加され、圧電アクチュエーター１の第２の端子には＋１２Ｖ〜０Ｖの範囲の電圧が印加される。そのため、圧電アクチュエーター１の両端間への印加電圧Ｖａｂは（Ｖａ−Ｖｂ）となる。すなわちピークｔｏピークの電圧として２４Ｖｐ−ｐが印加されることになる。
【００２９】
図５は圧電アクチュエーター１の温度変化に対するインピーダンスの周波数特性の変化を示す図である。図５において各特性曲線Ｔａ〜Ｔｅと温度との対応関係は次のとおりである。Ｔａ：０℃、Ｔｂ：２５℃、Ｔｃ：３５℃、Ｔｄ：５０℃、Ｔｅ：７０℃
このように、温度が高くなる程圧電アクチュエーターのインピーダンスは低くなる。すなわち圧電アクチュエーターのインピーダンスの温度特性は負特性である。
【００３０】
図５において、周波数ｆｒは圧電アクチュエーターの共振周波数、周波数ｆａは圧電アクチュエーターの反共振周波数である。図３に示した圧電アクチュエーター駆動回路６の発振周波数は、共振周波数ｆｒまたはそれより少し高い周波数である。この例では圧電アクチュエーター１は約４１〜４２Ｈｚで発振駆動される。この発振周波数でのインピーダンスは７０℃で約７ｋΩ〜約８ｋΩ、０℃で約１１ｋΩ〜約１２ｋΩとなっている。
【００３１】
図６は、図３に示した駆動回路において、圧電アクチュエーター１のインピーダンスを変化させたときのループゲインの特性を示す図である。図６において各特性曲線Ｒａ〜Ｒｅと圧電アクチュエーター１のインピーダンスとの対応関係は次のとおりである。Ｒａ：８ｋΩ、Ｒｂ：９ｋΩ、Ｒｃ：１０ｋΩ、Ｒｄ：１１ｋΩ、Ｒｅ：１２ｋΩ
このように、圧電アクチュエーター１のインピーダンスが低くなる程ループゲインは大きくなる。この例では、発振周波数が約４２Ｈｚの時に圧電アクチュエーター１のインピーダンスが約１１ｋΩ未満のインピーダンスでループゲインが０ｄＢ以上となり、約１１ｋΩ以上ではループゲインが０ｄＢ未満となる。発振条件の一つはループゲインが１以上（０ｄＢ以上）であることなので、圧電アクチュエーター１のインピーダンスが約１１ｋΩ以上であると発振しない（発振が停止する。）。
【００３２】
図５に示した特性の圧電アクチュエーター１を、図６のような特性を持つ駆動回路に接続し、約４２Ｈｚで発振駆動させた場合、圧電アクチュエーター１の周囲温度が０℃付近のとき、圧電アクチュエーター１のインピーダンスは１２ｋΩ程度となり、駆動回路のループゲインは０ｄＢ以下となるため、圧電アクチュエーター１は発振駆動されない。周囲温度が上昇し、約２５℃以上になると、圧電アクチュエーター１のインピーダンスは１１ｋΩ以下となり、駆動回路のループゲインが０ｄＢ以上となって圧電アクチュエーター１は発振駆動されるようになる。
【００３３】
上述の作用により、圧電アクチュエーター１の周囲温度が低い時は圧電アクチュエーター１の動作が停止し、周囲温度が高くなって冷却が必要になると圧電アクチュエーター１が動作するという制御を、特別な温度センサ及び温度制御回路を設けることなく自動的に行うことができる。
【００３４】
《第２の実施形態》
第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター駆動回路は、ループゲインの調整手段を備えたものである。第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター駆動回路は図３に示した圧電アクチュエーター駆動回路６の抵抗Ｒ１１を可変抵抗器で構成したものである。
【００３５】
図７は第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター駆動回路において、図３に示した圧電アクチュエーター１に流れる電流検出用の抵抗Ｒ１１の抵抗値を変化させたときのループゲインの特性を示す図である。ここでは、圧電アクチュエーター１の周囲温度を約２５℃（圧電アクチュエーター１のインピーダンスが約１１ｋΩ）のときの特性である。図７において各特性曲線Ｒ１１ａ〜Ｒ１１ｅと抵抗Ｒ１１の抵抗値との対応関係は次のとおりである。Ｒ１１ａ：７０Ω、Ｒ１１ｂ：６０Ω、Ｒ１１ｃ：５０Ω、Ｒ１１ｄ：４０Ω、Ｒ１１ｅ：３０Ω
このように、電流検出用の抵抗Ｒ１１の抵抗値が大きくなる程ループゲインは大きくなる。この例では、発振周波数が約４２Ｈｚの時に抵抗Ｒ１１の抵抗値が５０Ω以上であればループゲインが０ｄＢ以上となり、約５０Ω以下となるとループゲインが０ｄＢ未満となる。そのため、抵抗Ｒ１１の抵抗値が約５０Ω以下となると発振しない（発振が停止する。）。したがって、抵抗Ｒ１１の抵抗値を約５０Ωに設定すれば、約２５℃以上でループゲインが０ｄＢ以上となって、圧電アクチュエーター１は発振駆動される。抵抗Ｒ１１の抵抗値を５０Ωより小さくすれば２５℃では未だ停止したままであり、それより高い温度で発振駆動されることになる。
【００３６】
このようにして、圧電アクチュエーター１に流れる電流検出用の抵抗Ｒ１１を設定することによって、圧電アクチュエーターの駆動開始温度を所定温度に定めることができる。
【００３７】
圧電アクチュエーター駆動回路のループゲインを調整する手段としては、電流検出用抵抗（Ｒ１１）を設定すること以外に、フィードバックループのゲインに関与する回路定数を可変としてもよい。例えば、図３中の抵抗Ｒ５，Ｒ６の抵抗値を可変にすることによってフィードバック回路Ａ２４のゲインを可変としてしてもよい。また、図３中の抵抗Ｒ７，Ｒ８の抵抗値を可変にすることによって非反転増幅回路Ａ２３のゲインを可変としてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
Ａ２１…フィルタ回路
Ａ２２…反転増幅回路
Ａ２３…非反転増幅回路
Ａ２４…フィードバック回路
Ａ２５…平衡駆動回路
ＢＥＦ…帯域阻止フィルタ
ＢＰＦ…帯域通過フィルタ
ＮＦＬ…負帰還ループ
ＯＰ１〜ＯＰ５…オペアンプ
ＰＦＬ…正帰還ループ
ＰＳ…電源回路
Ｒ１１…電流検出用抵抗
１…圧電アクチュエーター
２…振動板
２ａ…基板部
２ｃ…延長部
２ｄ…フィン
３…圧電素子
５…支持部材
６…圧電アクチュエーター駆動回路
１０…ヒートシンク
１１…放熱フィン
【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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