(57)【要約】【課題】  製造ばらつきや、温度変化などの環境変化が生じた際においても、一定の大きさ以上の風力を安定して維持できる圧電式ファンを提供すること。【解決手段】  薄板１、２、３と、それらを連結する連結部４と、それぞれの薄板上に設置された圧電素子５、６、７とを有し、圧電素子５、６、７は、それぞれ、圧電体とその圧電体を挟むように設置された駆動電極とを有し、それらの駆動電極に交流電圧を印加することにより、それぞれの薄板を屈曲振動させるよう構成されている。連結部４にはモニタ電極を備えたモニタ用圧電素子８が設置され、モニタ用圧電素子８のモニタ電極から得られる信号により、圧電素子５、６、７の駆動電極に加える電圧を個々に調整する。【選択図】図１
2013017344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の薄板と、前記複数の薄板を連結する連結部と、前記複数の薄板の少なくとも一部に設置された圧電体とを有する振動子を用いた圧電式ファンにおいて、前記複数の薄板を各々屈曲振動させるための複数の駆動電極と、前記連結部に設置されたモニタ電極とを備え、前記モニタ電極から得られる信号により、前記複数の駆動電極に加える電圧を個々に調整することを特徴とする圧電式ファン。
【請求項２】
前記複数の薄板と前記連結部とが同一の平板内に一体として形成され、前記複数の駆動電極と前記モニタ電極が、前記平板の同一面上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電式ファン。
【請求項３】
発振回路から得られる出力電圧、または前記発振回路から得られる出力電圧を反転した電圧と、前記モニタ電極から得られる信号を電流検出回路および移相回路を経由させて得られる電圧とを加算して、前記複数の駆動電極に印加することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電式ファン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子機器の冷却等に用いる圧電振動を利用した圧電式ファンに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電式ファンとは、一般的に、軽量且つ高強度な材料からなる薄板に圧電体を接合し、圧電体に交流電圧を印加することで、薄板を屈曲振動させて風をおこす送風機である。大きな風力を得るためには薄板の振動振幅を大きくする必要があるため、薄板の振動は片持ち支持した際の１次の屈曲振動モードを用いるのが有利である。
【０００３】
電磁モータを用い金属または樹脂製のプロペラを回転させる送風機である電磁式ファンと比較した場合、圧電式ファンは消費電力が少なく、かつ、周辺機器の電子信号に干渉する電磁ノイズを発生させず、かつ、静音である等の長所を有するが、風力が小さいという欠点を有する。
【０００４】
現在、圧電式ファンは、前述の特徴を活かすべく、例えば、携帯機器に搭載される電子部品の冷却用途等への実用化が検討されており、大きな風力を得ることが実用上重要な課題となっている。
【０００５】
大きな風力を得るための従来の技術として、例えば、特許文献１に記載された音叉型の振動子構造が知られている。図７は、特許文献１に記載された従来の圧電式ファンに用いる振動子の平面図である。図７において、薄板３１には、圧電素子３６ａ、３６ｂが、薄板３２には、圧電素子３７ａ、３７ｂがそれぞれ接合されており、薄板３１、３２は連結部３４の一端にて片持ち支持され、連結部３４の他端が固定されている。それぞれの圧電素子３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂに交流電圧を印加することにより、薄板３１、３２がＸ軸方向にそれぞれ逆向きに屈曲振動する所謂音叉振動を励起させる。このような音叉型構造をとることによって振動子のＱ値が高くなり、発振も安定し、風力が増大すると同時に、支持固定部である連結部３４からの振動の漏れが少なくなる。支持固定部からの振動の漏れを少なくすることにより、振動振幅の低下や周辺機器への悪影響を抑えることができる。
【０００６】
また、特許文献２には、圧電式ファンの振動子の薄板を３枚、平面的に配置したものが記載されている。図８は、特許文献２に記載された従来の圧電式ファンに用いる振動子の平面図である。図８において、薄板４１、４２、４３には、それぞれ圧電素子４５、４６、４７が接合されており、連結部４４にて片持ち支持して固定するものである。それぞれの圧電素子に交流電圧を印加し、外側の薄板４１、４３を同位相で、中央の薄板４２を逆位相でＺ軸方向に屈曲振動させる。外側の薄板４１、４３と中央の薄板４２の振動エネルギーが等しくなるように薄板及び圧電素子の構造を設計すれば、支持固定部である連結部４４からの振動漏れを小さくでき、特許文献１の振動子と同等の効果を得ることができる。さらに、図８の振動子は、構造が平面的であるため、組み立てやすさも兼ね備えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−５５５００号公報
【特許文献２】実開平３−３５２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の圧電式ファンの振動子では、製造ばらつきや温度変化などの環境変化が生じた場合に、複数の薄板の振動エネルギーのバランスが崩れ、その結果、支持固定部から外部に振動が漏れ、送風能力が低下したり、周辺機器へ悪影響を及ぼしたりする恐れがあった。
【０００９】
そこで本発明の課題は、製造ばらつきや、温度変化などの環境変化が生じた際においても、一定の大きさ以上の風力を安定して維持できる圧電式ファンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明の圧電式ファンは、複数の薄板と、前記複数の薄板を連結する連結部と、前記複数の薄板の少なくとも一部に設置された圧電体とを有する振動子を用いた圧電式ファンにおいて、前記複数の薄板を各々屈曲振動させるための複数の駆動電極と、前記連結部に設置されたモニタ電極とを備え、前記モニタ電極から得られる信号により、前記複数の駆動電極に加える電圧を個々に調整することを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記複数の薄板と前記連結部とが同一の平板内に一体として形成され、前記複数の駆動電極と前記モニタ電極が、前記平板の同一面上に形成されていてもよい。
【００１２】
また、発振回路から得られる出力電圧、または前記発振回路から得られる出力電圧を反転した電圧と、前記モニタ電極から得られる信号を電流検出回路および移相回路を経由させて得られる電圧とを加算して、前記複数の駆動電極に印加してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
上記のように、本発明においては、複数の薄板の支持部である連結部にモニタ電極を備え、そのモニタ電極から得られる信号を基に、それぞれの薄板を振動させるための駆動電極に加える電圧を個々に調整することとした。これにより、製造のばらつきや温度変化などの環境変化が生じた場合にも、常に複数の薄板の振動エネルギーのバランスを保つように調整することができるので、支持固定部への振動漏れがなく、一定の大きさ以上の風力を安定して維持できる圧電式ファンが得られる。
【００１４】
また、複数の薄板と連結部とを同一の平板内に一体として形成し、複数の駆動電極とモニタ電極を、その平板の同一面上に形成することにより、振動子の構造を簡素化でき、製造が容易でありながら一定の大きさ以上の風力を安定して維持できる圧電式ファンが得られる。
【００１５】
さらに、本発明において、発振回路から得られる出力電圧、または発振回路から得られる出力電圧を反転した電圧と、モニタ電極から得られる信号を電流検出回路および移相回路を経由させて得られる電圧とを加算して、前記複数の駆動電極に印加することにより、振動子を駆動制御するための回路を簡素化でき、制御部も含めて安価でありながら一定の大きさ以上の風力を安定して維持できる圧電式ファンが得られる。
【００１６】
以上のように、本発明により、製造ばらつきや、温度変化などの環境変化が生じた際においても、一定の大きさ以上の風力を安定して維持できる圧電式ファンが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による圧電式ファンの第１の実施の形態に用いる振動子の平面図。
【図２】本発明による圧電式ファンの第１の実施の形態に用いる振動子の実施例の断面図。
【図３】本発明による圧電式ファンの第１の実施の形態に用いる駆動回路の一例を示すブロック図。
【図４】本発明による圧電式ファンの第２の実施の形態に用いる振動子の平面図。
【図５】本発明による圧電式ファンの第３の実施の形態に用いる振動子の平面図。
【図６】本発明による圧電式ファンと従来の圧電式ファンの薄板先端の振動振幅の温度特性の測定結果を示す図。
【図７】従来の圧電式ファンに用いる振動子の平面図。
【図８】従来の圧電式ファンに用いる振動子の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明による圧電式ファンの第１の実施の形態に用いる振動子の平面図である。図１において、本実施の形態の振動子は、３個の薄板、薄板１、薄板２、薄板３と、それらの薄板を連結する連結部４と、薄板１、２、３のそれぞれの上に設置された圧電素子５、６、７とを有している。圧電素子５、６、７は、それぞれ、圧電体とその圧電体を挟むように設置された駆動電極とを有し、それらの駆動電極に交流電圧を印加することにより、それぞれの薄板を屈曲振動させるよう構成されている。また、連結部４にはモニタ電極を備えたモニタ用圧電素子８が設置されている。図１のように、本実施の形態の振動子においては、３個の薄板、薄板１、２、３と連結部４とが同一の平板内に一体として形成され、３個の圧電素子５、６、７の駆動電極とモニタ用圧電素子８のモニタ電極が、その平板の同一面上に形成されている。また、本実施の形態の圧電式ファンにおいては、モニタ用圧電素子８のモニタ電極から得られる信号により、圧電素子５、６、７の駆動電極に加える電圧を個々に調整する。本実施の形態においては、振動子の薄板１及び薄板３と薄板２とが逆位相で、且つＺ軸方向に１次の屈曲振動モードを生じさせるように駆動する。この場合、モニタ用圧電素子８のモニタ電極から得られる信号を、圧電素子５、６、７の駆動電極に加える個々の駆動電圧信号にフィードバックさせ、薄板１及び薄板３の振動エネルギーの総和と薄板２の振動エネルギーを等しくすることにより、連結部４からの振動漏れを抑えることができる。
【００２０】
図４は、本発明による圧電式ファンの第２の実施の形態に用いる振動子の平面図である。図４において、本実施の形態の振動子は、２個の薄板、薄板１１、薄板１２と、それらの薄板を連結する連結部１４と、薄板１１、１２のそれぞれの上に設置された圧電素子１６、１７とを有している。圧電素子１６、１７は、それぞれ、圧電体とその圧電体を挟むように設置された駆動電極とを有し、それらの駆動電極に交流電圧を印加することにより、それぞれの薄板を屈曲振動させるよう構成されている。また、連結部１４にはモニタ電極を備えたモニタ用圧電素子１８が設置されている。図４のように、本実施の形態の振動子においては、２個の薄板１１、１２と連結部１４とが同一の平板内に一体として形成され、２個の圧電素子１６、１７の駆動電極とモニタ用圧電素子１８のモニタ電極が、その平板の同一面上に形成されている。また、本実施の形態の圧電式ファンにおいては、モニタ用圧電素子１８のモニタ電極から得られる信号により、圧電素子１６、１７の駆動電極に加える電圧を個々に調整する。
【００２１】
本実施の形態の圧電式ファンの振動子は２つの薄板を用いた振動子である。本実施の形態の圧電式ファンにおいては、圧電素子１６、１７に逆相の交流電圧を印加することにより、互いに逆相のＺ軸方向の屈曲振動を薄板１１、１２に励起する。連結部１４に設けたモニタ用圧電素子１８の出力を反転させ、圧電素子１６、１７にフィードバックすることにより、薄板１１、１２に励起する振動のバランスを制御でき、製造のばらつきや温度変化などの環境変化が生じた場合にも、高い振幅を安定維持できる。なお、本発明は２個以上の薄板を有する振動子であれば実現可能であり、薄板の数は４個以上であってもよい。
【００２２】
図５は、本発明による圧電式ファンの第３の実施の形態に用いる振動子の平面図である。図５において、本実施の形態の振動子は、２個の薄板、薄板２１、薄板２２と、それらの薄板を連結する連結部２４と、薄板２１を挟むように接合された圧電素子２６ａ、２６ｂと、薄板２２を挟むように接合された圧電素子２７ａ、２７ｂとを有している。圧電素子２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂは、それぞれ、圧電体とその圧電体を挟むように設置された駆動電極とを有し、それらの駆動電極に交流電圧を印加することにより、それぞれの薄板を屈曲振動させるよう構成されている。また、連結部２４にはモニタ電極を備えたモニタ用圧電素子２８ａ、２８ｂが設置されている。図５のように、本実施の形態の振動子は、モニタ用圧電素子２８ａ、２８ｂを除けば、図７に示した従来の音叉型の振動子構造と同様な構造を有している。また、本実施の形態の圧電式ファンにおいては、モニタ用圧電素子２８ａ、２８ｂのモニタ電極から得られる信号により、圧電素子２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂの駆動電極に加える電圧を個々に調整する。
【００２３】
すなわち、モニタ用圧電素子２８ａ、２８ｂから得られるモニタ信号を、駆動用の圧電素子２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂの個々の駆動電圧信号にフィードバックさせれば、薄板２１、２２に励起する振動のバランスを制御でき、製造のばらつきや温度変化などの環境変化が生じた場合にも、高い振幅を安定維持できる。なお、本実施の形態の圧電式ファンの振動子の圧電体としては、通常の焼成等で得られるバルクの圧電体等を使用し、それを薄板に貼り付けて振動子が構成されている。
【実施例】
【００２４】
以下、図１に示した本発明による圧電式ファンの第１の実施の形態に用いる振動子の具体的な一実施例について、詳細に説明する。本実施例において、薄板１、２、３及び連結部４は、単結晶シリコンの平板によって一体的に構成する。また、圧電素子５、６、７およびモニタ用圧電素子８を構成する圧電体としては、チタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴと称する）を用いた。
【００２５】
具体的な製造方法は、先ず、ポリッシング加工で鏡面にした４インチの単結晶シリコン基板の表面に厚さ１００ｎｍのシリコン酸化膜を熱処理で形成した後、下部電極となる厚さ数十ｎｍのチタン膜および厚さ１００ｎｍの白金膜、圧電体となる厚さ２μｍのＰＺＴ膜、上部電極となる厚さ１００ｎｍの白金膜を順次スパッタで成膜した。尚、各電極やＰＺＴ膜の成膜方法はスパッタに限定するものではなく、例えばＰＺＴ膜の場合、ゾル・ゲル法、イオンプレーティング法、水熱合成法、ＭＯＣＶＤ法、エアロゾル堆積法、スクリーン印刷法等でも成膜することができる。成膜中に加熱処理し結晶成長させられない成膜法については、ＰＺＴの圧電性を高めるために成膜後に熱処理する必要がある。熱処理温度は、ＰＺＴの内部応力による剥離やシリコンの拡散によるＰＺＴ組成ずれ等を考慮する必要があるが、凡そ６００℃程度が好ましい。
【００２６】
上記の成膜後は、レジスト塗布、露光、現像の工程からなる一般的なフォトリソグラフィー技術を用い、レジストを所望のパターンに形成した。なお、露光の際に使用するマスクのパターンは、４インチの単結晶シリコン基板に百個程度の圧電式ファン用の振動子が作製できるようレイアウトした。
【００２７】
次に、レジストが開口している箇所の最表面の白金膜層をドライエッチングで除去した後、レジストを除去する。以下同様に、ＰＺＴ膜層、白金膜層及びチタン膜層、シリコン層の不要部を、順次フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより除去した。
【００２８】
図２は、本発明による圧電式ファンの第１の実施の形態に用いる振動子の実施例の断面図であり、図１における圧電素子５、６、７を含むＺＸ面の断面図を示した。上部電極５ａ、６ａ、７ａは最表面の白金膜層である。圧電体膜５ｂ、６ｂ、７ｂはＰＺＴ膜層である。下部電極５ｃ、６ｃ、７ｃはチタン膜を下地とした白金膜層である。薄板１、２、３は表面に酸化膜が形成されたシリコン単結晶基板である。なお、モニタ用圧電素子８が設置された連結部４も同様な断面構造を有している。振動子の作製後に下部電極と上部電極間に１０Ｖ／μｍの高電界を数分間印加して、圧電性を高めるための分極処理を施した。以上のような工程で、本発明による圧電式ファンの第１の実施の形態に用いる振動子が作製できた。
【００２９】
図３は、本発明による圧電式ファンの第１の実施の形態に用いる駆動回路の一例を示したブロック図である。まず、下部電極はすべて接地もしくは基準電源に接続しておく。発振回路５１の出力を加算回路５３に入力し、加算回路５３の出力を圧電素子６の上部電極に接続し、圧電素子６の上部電極及び下部電極間に交流の駆動電圧信号を印加した。同時に、その駆動電圧信号の位相を反転させる反転回路５２を経由してその出力を加算回路５４、５５に入力し、加算回路５４、５５の出力をそれぞれ圧電素子５及び圧電素子７に接続した。この場合、駆動電流をモニタすることで自励発振させることができた。尚、振動子の薄板１及び薄板３と薄板２とが逆位相で、且つＺ軸方向に１次の屈曲振動モードで共振するように、発振回路の位相特性やフィルタ特性、および圧電素子５、６、７の形状を設計する必要がある。ここで、例えば、上記の実施例において、振動子の薄板の長さを２ｍｍ、厚みを８０μｍとして小型の振動子を構成した場合、１次の屈曲振動の共振周波数は２３ｋＨｚとなるので、この共振周波数で自励発振させればよい。なお、モニタ用圧電素子８の出力は、電流検出回路５６および移相回路５７を経由して、加算回路５３、５４、５５に入力される。
【００３０】
薄板１及び薄板３の幅の総和と薄板２の幅をほぼ等しくすれば、駆動振動時における薄板１及び薄板３の振動エネルギーの総和と薄板２の振動エネルギーは凡そ等しくでき、連結部４で各々の振動エネルギーを効率良く反射させる状態、すなわち減衰の少ない共振状態にすることができた。この場合、連結部４に生じる振動漏れを抑えることができ、支持固定部から振動が漏れることによる振動振幅の低下、すなわち風力の低下や周辺機器への悪影響を抑えることができた。なお、振動子の振動は、屈曲の他に捩れの要素もあり複雑であるため、実際には有限要素法解析などを利用し、連結部４の振動振幅が最小となるように、薄板１、２、３の形状を厳密に設計する必要がある。
【００３１】
連結部４の支持固定部の近傍に設けたモニタ用圧電素子８は、振動漏れが無い理想的な状態において発生電荷は０（ゼロ）であった。正確には、外側の薄板が撓んだ際に生じる連結部の歪と、中央の薄板が撓んだ際に生じる連結部の歪が、連結部の中で混在する形となり、トータルとして発生電荷が０（ゼロ）となった。
【００３２】
実際には、振動子の加工誤差が原因で振動漏れが生じたり、常温で振動漏れが無い状態でも、温度変化に伴う材料定数変化が原因で振動漏れが生じたりすることがあり、この場合、モニタ用圧電素子８に電荷が発生する。例えば、中央の薄板の振動エネルギーよりも外側の薄板の振動エネルギーが大きい場合、モニタ用圧電素子８には、外側の薄板の駆動用の圧電素子５、７の駆動電圧信号と同位相の信号が発生することとなった。逆に、中央の薄板の振動エネルギーが大きい場合、モニタ用圧電素子８からは、圧電素子６の駆動電圧信号と同位相の信号が発生することとなった。
【００３３】
そこで、振動漏れを抑えるためには振動エネルギーが大きい薄板の駆動電圧を下げればよいので、モニタ用圧電素子８の出力を電流検出回路及び移相回路を経由させて圧電素子５、６、７にフィードバックした。基本的には、モニタ用圧電素子８の発生電荷を反転させて得た電圧を駆動用の圧電素子５、６、７の駆動電圧信号に加算すれば良い。具体的には、図３に示すように、モニタ用圧電素子８からの発生電荷を電流検出回路５６にて電圧に変換し、移相回路５７を経由させて位相を調整した出力と、発振回路５１の出力及び反転回路５２の出力とを、それぞれ加算回路５３、５４、５５により加算し、それらの出力を各々の駆動用の圧電素子に印加すれば良い。なお、図３の駆動回路において、電流検出回路５６の出力が小さくなるように増幅率を自動可変できるオートゲインコントロール回路を付加すると、振動子の加工誤差がばらつきを持ち個体差が生じていても、或いは、シリコン、ＰＺＴの材料定数が温度で変化しても、各薄板の振動エネルギーが自動的に調整され、振動漏れが自動的に低減できた。
【００３４】
次に、上記の本発明による圧電式ファンの第１の実施の形態に用いる振動子の実施例を上記の製造方法により実際に試作し、本発明の効果の評価を行った結果について説明する。試作した実施例の振動子は、室温において、１次の屈曲振動モードのＱｍ値が１６００であり、１Ｖｐ−ｐの駆動電圧信号の印加により生ずる薄板の先端の振動振幅は５０μｍであった。なお、振動子はガラスエポキシ回路基板にエポキシ樹脂で接着実装し、ワイヤーボンディングで回路部品に接続している。上記の試作した振動子を用い、モニタ用圧電素子８の信号を圧電素子５、６、７の駆動電圧信号にフィードバックする駆動回路を用いて本発明による圧電式ファンを構成した場合と、モニタ用圧電素子８を用いないで圧電素子５、６、７を駆動する従来の圧電式ファンを構成した場合について、薄板先端の振動振幅の温度特性を評価した。この評価においては、ホットプレート上に評価試料をセットして温度を変化させ、レーザドップラー振動計にて振動振幅を測定した。図６は、本発明による圧電式ファンと従来の圧電式ファンの薄板先端の振動振幅の温度特性の測定結果を示す図である。図６のように、本発明による圧電式ファンでは、室温２０度を基準とした振動振幅の温度変化の度合を、従来の圧電式ファンに比べて約１０分の１に低減できた。
【００３５】
なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、薄板の形状や材料、圧電素子やモニタ用圧電素子の構造、形状、配置場所、薄板の数、等、用途に応じて変更可能である。また、薄板のすべてまたは振動を励起する部分のみを圧電体とすることができ、この場合には振動の駆動部分に電極を設置して、薄板自体に上記の圧電素子やモニタ用圧電素子の機能をもたせることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１、２、３、１１、１２、２１、２２、３１、３２、４１、４２、４３      薄板
４、１４、２４、３４、４４      連結部
５、６、７、１６、１７、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ、３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ、４５、４６、４７      圧電素子 
８、１８、２８ａ、２８ｂ        モニタ用圧電素子
５ａ、６ａ、７ａ      上部電極
５ｂ、６ｂ、７ｂ      圧電体膜
５ｃ、６ｃ、７ｃ      下部電極
５１      発振回路
５２      反転回路
５３、５４、５５      加算回路
５６      電流検出回路
５７      移相回路
【図１】
2013017344.tif 000003
【図２】
2013017344.tif 000004
【図３】
2013017344.tif 000005
【図４】
2013017344.tif 000006
【図５】
2013017344.tif 000007
【図６】
2013017344.tif 000008
【図７】
2013017344.tif 000009
【図８】
2013017344.tif 000010