(57)【要約】【課題】  本発明は、電子機器の冷却に用いられる圧電ファンに関して、従来と同程度の印加電圧で今まで以上の送風能力を得ることができる圧電ファンを提供することを目的とする。【解決手段】  電圧の印加に応じて伸縮する板状の圧電素子と、前記圧電素子が少なくとも一方の主面に固着されている板状の振動板と、前記振動板の一端を固定する支持体とを備え、前記振動板の一端は固定端、他端は自由端であり、前記圧電素子は引っ張り応力を与えられた状態で維持されていることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加に応じて伸縮する板状の圧電素子と、
前記圧電素子が少なくとも一方の主面に固着されている板状の振動板と、
前記振動板の一端を固定する支持体とを備え、
前記振動板の一端は固定端、他端は自由端であり、
前記圧電素子は引っ張り応力を与えられた状態で維持されていることを特徴とする圧電ファン。
【請求項２】
前記圧電素子は熱硬化性樹脂によって前記振動板の少なくとも一方の主面に固着されており、前記振動板は前記圧電素子よりも線膨張係数の小さい材料から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。
【請求項３】
前記支持体は前記振動板よりも線膨張係数の大きい材料から構成されており、
前記支持体は細長形状をしており、
前記支持体は長手方向が前記振動板の短手方向の両端に至るように、前記振動板のいずれか一方の主面の一端を熱硬化性樹脂によって固定され、前記振動板は引っ張り応力を与えられた状態で維持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電ファン。
【請求項４】
前記支持体は細長形状をしており、
前記支持体は長手方向が前記振動板の短手方向の両端に至るように、前記圧電素子が一方主面に固着されている前記振動板の他方主面に固定されており、
前記支持体の前記振動板との固定面は、支持体の長手方向の中央部分が前記振動板側に凸となるように円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電ファン。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の圧電ファンと、筺体とを備え、
前記圧電ファンの支持体は、両端を前記筺体に押圧して二点固定されており、前記筺体は固定面が平坦に形成され、
前記圧電ファンの支持体は、長手方向の中央部分が前記圧電ファンの振動板側に凸になるように反って固定されるように、前記固定面に接触する前記圧電ファンの支持体の主面が、前記固定面に対して傾斜して形成されていることを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器の冷却に用いられる圧電ファン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が望まれている。このような圧電ファンは、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示されているのは、図６に示すように、ヒートシンク１２０に備えられている複数の放熱フィン１２１の間の暖気を排出する圧電ファン１１０を用いた冷却装置１００である。
【０００３】
圧電ファン１１０は、特に図６（Ｂ）に示すように、所定周波数の駆動交流電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子１１１と、圧電素子１１１が貼付されている振動板１１２とを備えている。振動板１１２の一端は固定部材１３０によってヒートシンク１２０に固定されて固定端１１３となり、他端が自由端１１４となる。前記振動板１１２は、曲げ部１１５で９０度に折れ曲がって形成されている。曲げ部１１５より自由端側の領域は放熱フィン１２１の間隔に合わせて熊手型に複数に分割されて形成されている。
【０００４】
圧電ファン１１０は、圧電素子１１１に形成されている電極（図示せず）と導体からなる振動板１１２とに、駆動交流電源から電圧を印加して駆動させる。圧電素子１１１が伸縮を行うと、振動板１１２の自由端１１４がうちわ状に屈曲振動を行う。このようにして、圧電ファンによりヒートシンク１２０に設けられた放熱フィン１２１間の空気を交換することで、ヒートシンク１２０を冷却するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−６７９０９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では、発熱量の大きな電子機器に対応するためにより高い送風能力が望まれているが、従来の圧電ファンでは、印加電圧に対する振動板の屈曲変位量が小さいために振動板の振幅が小さく、送風能力が十分でないという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、従来と同程度の印加電圧で今まで以上の送風能力を得ることができる圧電ファン及び冷却装置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】
本発明の圧電ファンは、電圧の印加に応じて伸縮する板状の圧電素子と、前記圧電素子が少なくとも一方の主面に固着されている板状の振動板と、前記振動板の一端を固定する支持体とを備え、前記振動板の一端は固定端、他端は自由端であり、前記圧電素子は引っ張り応力を与えられた状態で維持されていることを特徴とする。
【０００９】
この場合は、分極処理に加えて圧電素子に引っ張り応力が与えられているため、従来よりもさらに圧電素子の結晶内の分極方向が揃いやすくなる。このため圧電素子の変位量が大きくなり、圧電ファンの振幅が増加するので送風能力が高くなる。
【００１０】
また本発明は、前記圧電素子は熱硬化性樹脂によって前記振動板の少なくとも一方の主面に固着されており、前記振動板は前記圧電素子よりも線膨張係数の小さい材料から構成されていることが望ましい。この場合は、圧電素子と振動板との接着硬化後に常温に戻った際に、振動板の収縮量が小さいために圧電素子が十分に収縮できず、圧電素子に引っ張り応力が与えられた状態が維持される。このため圧電素子の変位量が大きくなり、圧電ファンの振幅が増加するので送風能力が高くなる。
【００１１】
また本発明は、前記支持体は前記振動板よりも線膨張係数の大きい材料から構成されており、前記支持体は細長形状をしており、前記支持体は長手方向が前記振動板の短手方向の両端に至るように、前記振動板のいずれか一方の主面の一端を熱硬化性樹脂によって固定され、前記振動板は引っ張り応力を与えられた状態で維持されていることが望ましい。この場合は、支持体と振動板との接着硬化後に常温に戻った際に、振動板の収縮量が小さいために支持体が振動板側に凸に反る。振動板は支持体に対して十分に厚みが薄いため、支持体の略中央から振動板、及び圧電素子にかけて引っ張り応力が与えられた状態が維持される。このため圧電素子の変位量が大きくなり、圧電ファンの振幅が増加するので送風能力が高くなる。
【００１２】
また本発明は、前記支持体は細長形状をしており、前記支持体は長手方向が前記振動板の短手方向の両端に至るように、前記圧電素子が一方主面に固着されている前記振動板の他方主面に固定されており、前記支持体の前記振動板との固定面は、支持体の長手方向の中央部分が前記振動板側に凸となるように円弧状に形成されていることが望ましい。この場合は、圧電素子が固着された振動板を支持体に接合した際に振動板が一方主面側に凸に反るため、圧電素子に引っ張り応力が与えられた状態が維持される。このため圧電素子の変位量が大きくなり、圧電ファンの振幅が増加するので送風能力が高くなる。
【００１３】
また本発明の冷却装置は、前記したような圧電ファンと、筺体とを備え、前記圧電ファンの支持体は、両端をねじ止めにより前記筺体に押圧して二点固定されており、前記筺体は固定面が平坦に形成され、前記圧電ファンの支持体は、長手方向の中央部分が前記圧電ファンの振動板側に凸になるように反って固定されるように、前記固定面に接触する前記圧電ファンの支持体の主面が、前記固定面に対して傾斜して形成されていることを特徴とする。
【００１４】
この場合は、支持体を振動板側に凸になるように反らせて固定しているので、支持体の略中央から振動板、及び圧電素子にかけて引っ張り応力が与えられた状態が維持される。このため圧電素子の変位量が大きくなり、圧電ファンの振幅が増加するので送風能力が高くなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、分極処理に加えて圧電素子に引っ張り応力が与えられているため、従来よりもさらに圧電素子の結晶内の分極方向が揃いやすくなる。このため、圧電素子の変位量が大きくなり、圧電ファンの振幅が増加するので送風能力が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態１に係る圧電ファンの斜視図である。
【図２】実施形態１に係る圧電ファンの側面図である。
【図３】実施形態１に係る圧電ファンの反り量の値を示す図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る圧電ファンを示し、同図（Ａ）は斜視図、同図（Ｂ）は正面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る冷却装置の正面図である。
【図６】従来の冷却装置を示し、同図（Ａ）は斜視図、同図（Ｂ）は従来の圧電ファンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施形態に係る圧電ファン及び冷却装置について説明する。
【００１８】
（実施形態１）
以下、実施形態１について、図１と図２を参照しながら説明を行う。本実施形態１の圧電ファン１０は図１に示すように、所定周波数の駆動交流電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子１１と、振動板１２と、支持体１３とから構成されている。圧電素子１１は、振動板１２の両主面に固着されている。振動板１２は、一方主面の一端が支持体１３に支持されている。振動板１２の一端は固定端１４、他端を自由端１５とする。固定端１４は振動の節となる固定端のことを指す。
【００１９】
振動板１２は、幅４６ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚み５０μｍの薄い板状に形成されている。振動板１２は長さ方向の中央に曲げ部１６が設けられており、曲げ部１６にて支持体１３を設けた側に約９０度に折り曲げてＬ字型に形成されている。固定端１４から曲げ部１６までの長さは２５ｍｍ、自由端１５から曲げ部１６までの長さは２５ｍｍである。振動板１２の幅は曲げ部１６を境に変化しており、曲げ部１６よりも自由端１５側の振動板１２の幅は４６ｍｍ、曲げ部１６よりも固定端１４側の振動板１２の幅は３５ｍｍに加工されて形成されている。振動板１２の曲げ部１６よりも自由端１５側では、振動板１２が７枚の分割板１２ａに分割されて熊手型に形成されており、各分割板１２ａは等間隔に形成されている。各分割板１２ａの幅はそれぞれ４．５ｍｍである。振動板１２は、例えば４２Ｎｉから構成されている。４２Ｎｉの線膨張係数は４．４×１０-6／℃である。
【００２０】
圧電素子１１は、幅３３．４ｍｍ×長さ１５．８ｍｍ×厚み５５μｍの板状であり、両主面に電極（図示せず）が形成されている。圧電素子１１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成されている。圧電素子の線膨張係数は８．３×１０-6／℃である。圧電素子１１は、振動板１２の曲げ部１６よりも固定端１４側に固着されている。
【００２１】
支持体１３は、幅４８ｍｍ×長さ５ｍｍ×厚み３ｍｍの直方体形状であり、例えばガラスエポキシ樹脂から構成されている。支持体１３は、両端の２箇所でねじ止めされることで筺体（図示せず）に支持されるものである。
【００２２】
図２に示すように、圧電ファン１０は、圧電素子１１に形成されている一方の電極（図示せず）と導体からなる振動板１２とに、駆動交流電源１７から電圧を印加して駆動させる。圧電素子１１が圧電素子１１の長さ方向に伸縮を行うと、振動板１２は一端が固定されているために、曲げ部１６が圧電素子１１の厚み方向に振動する。その結果、自由端１５が圧電素子１１の長さ方向にうちわ状に屈曲振動を行い、圧電ファンとして駆動する。
【００２３】
本実施形態では、圧電素子は引っ張り応力を与えられた状態で維持されている。このように形成しているので、分極処理に加えて圧電素子に引っ張り応力が与えられているため、従来よりもさらに圧電素子の結晶内の分極方向が揃いやすくなる。これより圧電素子の変位量が大きくなるので、圧電ファンの送風能力が増加する。以下にその根拠となる実験結果を記述する。
【００２４】
（実験例１と比較例１）
実験例１として図１に示す圧電ファン１０を用い、比較例１として実験例１と一部異ならせた圧電ファンを用いて実験を行った。
【００２５】
実験例１と比較例１との異なる点は振動板の線膨張係数である。実験例１として振動板に４２Ｎｉを用い、比較例１として振動板にＳＵＳを用いた。４２Ｎｉの線膨張係数は圧電素子の線膨張係数よりも小さく、４．４×１０-6／℃である。ＳＵＳの線膨張係数は圧電素子の線膨張係数よりも大きく、１７．３×１０-6／℃である。詳しい条件については表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
本実験では、これら２つの圧電ファンを用いて、基本波で駆動させた時の振動板の振幅を測定して送風能力の比較を行った。なお、本明細書での振幅は両振幅のことである。送風能力は、周波数×振幅によって決定される。
【００２８】
振幅の測定にはレーザー変位計を用い、振動板の自由端の圧電素子の長さ方向への振幅を測定した。各圧電ファン共に印加する電圧は２０Ｖｐｐとした。
【００２９】
実験結果を表１に示す。実験例１と比較例１との送風能力を比較すると、実験例１の送風能力は５９６．３Ｈｚ・ｍｍであり、比較例１の送風能力は５１２．９Ｈｚ・ｍｍであった。
【００３０】
これより、振動板が圧電素子よりも線膨張係数の小さい材料から構成されていると、圧電ファンの振幅が増加するので送風能力が高くなり、より望ましいといえる。
【００３１】
これは、圧電素子と振動板とが接着硬化後に常温に戻った際に、振動板の収縮量が小さいために圧電素子が十分に収縮できず、圧電素子に引っ張り応力が与えられた状態が維持されるためである。このため圧電素子の変位量が大きくなり、圧電ファンの振幅が増加する。
【００３２】
（実験例１と実験例２）
実験例１として図１に示す圧電ファン１０を用いて実験を行い、実験例２として実験例１と一部異ならせた圧電ファンを用いて実験を行った。実験例１と実験例２との異なる点は支持体１３の線膨張係数である。実験例１として振動板よりも線膨張係数の低い熱硬化性樹脂を用い、実験例２として振動板よりも線膨張係数の高い熱硬化性樹脂を用いた。詳しい条件については表１に示す。
【００３３】
本実験では、これら２つの圧電ファンを用いて、基本波で駆動させた時の振動板の振幅を測定して送風能力の比較を行った。本実験では、各圧電ファン共に印加する電圧は２０Ｖｐｐとした。
【００３４】
実験結果を表１に示す。実験例１と実験例２との送風能力を比較すると、実験例１の送風能力は５９６．３Ｈｚ・ｍｍであり、実験例２の送風能力は７０１．３Ｈｚ・ｍｍであった。
【００３５】
また、表１の条件下での振動板の位置による変位量を図３に示す。振動板の一端からの距離とは、図１に示す振動板１２の幅方向の一端と支持体１３との幅方向の一方の固着点Ｘを始点として、他方の固着点Ｘ’を終点とする直線状の距離を示す。反り量とは、振動板１２の主面上の一方の点Ｘと他方の点Ｘ’との直線ラインを基準としたときの、基準点からの距離を示す。
【００３６】
実験例１と実験例２とを比較すると、実験例１では、振動板の位置が初期値から１９ｍｍの時に最小値−１１．６μｍを示し、振動板の中央部ほど変位量が大きく、グラフが下に凸となる傾向があった。これに対して実験例２では、振動板の位置が初期値から２４ｍｍの時に最大値３６．１μｍを示し、振動板の中央部ほど変位量が大きく、グラフが上に凸となる傾向があった。
【００３７】
これより、支持体は振動板よりも線膨張係数の大きい材料から構成されており、支持体は直方体形状をしており、支持体は幅方向が振動板の幅方向の両端に至るように、振動板のいずれか一方の主面の一端を熱硬化性樹脂によって固定され、振動板は引っ張り応力を与えられた状態で維持されていると、圧電ファンの振幅が増加するので送風能力が高くなり、より望ましいといえる。
【００３８】
これは、支持体と振動板とが接着硬化後に常温に戻った際に、振動板の収縮量が小さいために支持体が振動板側に凸に反る。振動板は支持体に対して十分に厚みが薄いため、支持体の厚み方向の略中央から振動板、及び圧電素子にかけて引っ張り応力が与えられた状態が維持されるためである。このため圧電素子の変位量が大きくなり、圧電ファンの振幅が増加するのでより送風能力が高くなる。
【００３９】
上記実施形態では、振動板は４２Ｎｉから形成されているが、これに限るものではない。例えば線膨張係数が圧電素子より小さいものであればどのような材料を用いてもよい。
【００４０】
上記実施形態では、圧電素子は両主面に固着されているが、これに限るものではない。圧電素子は少なくとも一方の主面に固着されていればよい。
【００４１】
（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２に係る圧電ファンを示し、同図（Ａ）は斜視図、同図（Ｂ）は正面図である。なお、本明細書において、正面図は理解しやすくするために概略的に示している。
【００４２】
本実施形態の圧電ファン２０は、図４（Ａ）に示すように、圧電素子２１と、圧電素子２１が貼付されている振動板２２と、振動板２２の一端を固定する支持体２３とを備える。振動板２２は長さ方向の中央に曲げ部２６が設けられており、曲げ部２６にて支持体２３を設けた側に約９０度に折り曲げてＬ字型に折り曲げ加工がなされている。振動板２２の自由端２５側の領域は複数の分割板２２ａに分割されて形成されている。
【００４３】
本実施形態における実施形態１との異なる箇所は、支持体２３の形状である。具体的には、支持体２３の前記振動板２２との固定面は、支持体２３の長さ方向の中央部分が前記振動板２２側に凸となるように円弧状に形成されている。
【００４４】
このように構成しているので、振動板を支持体に接合した際に振動板が一方主面側に凸に反るため、圧電素子に引っ張り応力が与えられて圧電素子の変位量が大きくなる。このため圧電ファンの振幅が増加するので送風能力が高くなり、より望ましいといえる。
【００４５】
上記実施形態では、支持体を一体成型して円弧状に形成しているが、これに限るものではない。例えば、別体を用いることで円弧状に形成してもよい。
【００４６】
（実施形態３）
図５は本実施形態３に係る冷却装置５０の正面図である。なお、本明細書において、正面図は理解しやすくするために概略的に示している。
【００４７】
本実施形態の冷却装置５０は、圧電ファン３０とヒートシンク４０とから構成されている。圧電ファン３０は圧電素子と、圧電素子が貼付されている振動板３２と、振動板３２の一端を固定する支持体３３とを備える。振動板３２の一端は固定端、他端は自由端である。振動板３２の自由端側の領域は複数の分割板３２ａに分割されて形成されている。
【００４８】
本実施形態では、圧電ファン３０の支持体３３は、両端をねじ止めによりヒートシンク４０に押圧して二点固定されており、ヒートシンク４０における支持体３３との固定面４１は凹凸のない平坦な主面に形成されている。
【００４９】
支持体３３は、固定面４１と接触する主面３４が固定面４１に対して長さ方向の中央に向かって傾斜して形成されている。このように形成しているので、支持体３３はヒートシンク４０に押圧して固定された際に長さ方向の中央部分が振動板３２側に凸になるように反って固定されるため、支持体の厚さ方向の略中央から振動板、及び圧電素子にかけて引っ張り応力が与えられた状態が維持される。このため圧電素子の変位量が大きくなり、圧電ファンの振幅が増加するので送風能力が高くなり、より望ましいといえる。
【００５０】
（実験例３と比較例２）
実験例３として図５に示す冷却装置５０を用いて実験を行い、比較例２として実験例３と一部異ならせた冷却装置を用いて実験を行った。実験例３と比較例２との異なる箇所は、支持体の主面３４の形状である。実験例３として支持体の長さ方向の中央部分が前記圧電ファンの振動板側に凸になるように反って固定されるように、固定面と接触する支持体の主面が固定面に対して長さ方向の中央に向かって傾斜して形成されている冷却装置を用い、比較例２として固定面と接触する支持体の主面が固定面に対して平行に形成されている冷却装置を用いた。詳しい条件については表２に示す。
【００５１】
【表２】
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【００５２】
本実験では、これら２つの冷却装置を用いて、冷却装置内の圧電ファンを基本波で駆動させた時の振動板の振幅を測定して送風能力の比較を行った。本実験では、各圧電ファン共に印加する電圧は２０Ｖｐｐとした。
【００５３】
実験結果を表２に示す。実験例３と比較例２との送風能力を比較すると、実験例３の送風能力は６０２．５Ｈｚ・ｍｍであり、比較例２の送風能力は５５３．０Ｈｚ・ｍｍであった。
【００５４】
この結果から、支持体の両端を押圧すると支持体が振動板側に凸になるように支持体は、固定面と接触する主面が固定面に対して長さ方向の中央に向かって傾斜して形成されていると、圧電ファンの送風能力が増加するので、より望ましいといえる。
【００５５】
これは、支持体を振動板側に凸になるように反らせて固定しているので、支持体の略中央から振動板、及び圧電素子にかけて引っ張り応力が与えられた状態が維持されるためである。このため圧電素子の変位量が大きくなり、圧電ファンの振幅が増加するので送風能力が高くなる。
【００５６】
なお、本発明に係る圧電ファン及び冷却装置は、最終的に必ずしも引張り応力がかけられているわけではない。製造上などの理由でやむをえず圧縮応力がかかる場合等に、引っ張り応力を与えて構造により圧縮応力を緩和する状態も含んでいる。
【００５７】
なお、本発明に係る圧電ファン及び冷却装置は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。
【００５８】
前記実施形態では、圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成しているが、これに限るものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などから構成してもよい。
【００５９】
前記実施形態では、振動板の中央部に設けられた曲げ部にてＬ字型に折り曲げているが、これに限るものではない。例えば、Ｕ字型やＶ字型に折り曲げてもよいし、折れや曲げがない振動板であってもよい。
【００６０】
前記実施形態では、振動板の曲げ部よりも自由端側に分割板を設けているが、これに限るものではない。例えば、自由端が分割されていなくてもよい。
【００６１】
前記実施形態では、振動板を両面から挟むように圧電素子をそれぞれ固着して、バイモルフ型振動子を構成したが、振動板の一方主面のみに圧電素子を接合したユニモルフ型振動子を構成してもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１０、２０、３０…圧電ファン
１１、２１…圧電素子
１２、２２、３２…振動板
１２ａ、２２ａ、３２ａ…分割板
１３、２３、３３…支持体
１４、２４…固定端
１５、２５…自由端
１６、２６…曲げ部
１７…駆動交流電源
３４…支持体の主面
４０…ヒートシンク
４１…固定面
５０…冷却装置
【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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