圧電ファン及び冷却装置
【課題】振動板の送風能力を向上させて冷却能力を向上させた圧電ファン、及び該圧電ファンを用いた冷却装置を提供する。
【解決手段】圧電ファン１０１は、振動板１１１における圧電素子１１２Ｂと固定板１１３との隙間Ｇの区間の剛性を上げるため、ステンレススチール製の補強板１５１、１５２を備えている。補強板１５１、１５２は、この隙間Ｇを跨ぐように、第１端部が振動板１１１における圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの接合箇所の幅方向の両側に接合され、第２端部が振動板１１１の固定端部を固定板１１３と両面から挟むように振動板１１１の固定端部に接合されている。補強板１５１、１５２は、振動板１１１の隙間Ｇの区間が振動するのを抑制して、両圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの伸縮によって生じる振動エネルギーの一部が当該隙間Ｇの区間で消費されるのを防ぎ、複数のブレード１１４先端の振幅を強める。
【解決手段】圧電ファン１０１は、振動板１１１における圧電素子１１２Ｂと固定板１１３との隙間Ｇの区間の剛性を上げるため、ステンレススチール製の補強板１５１、１５２を備えている。補強板１５１、１５２は、この隙間Ｇを跨ぐように、第１端部が振動板１１１における圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの接合箇所の幅方向の両側に接合され、第２端部が振動板１１１の固定端部を固定板１１３と両面から挟むように振動板１１１の固定端部に接合されている。補強板１５１、１５２は、振動板１１１の隙間Ｇの区間が振動するのを抑制して、両圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの伸縮によって生じる振動エネルギーの一部が当該隙間Ｇの区間で消費されるのを防ぎ、複数のブレード１１４先端の振幅を強める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、放熱器の近傍から暖気を放出する圧電ファン、及び該圧電ファンを用いた冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器では、機器本体の小型化と部品の高密度実装化が進むにつれて、機器内部における発熱対策が課題となっている。例えばパーソナルコンピュータにおいては、機器本体の小型化とともに、情報処理性能を向上させるためにＣＰＵの高速化が進んでいる。そのため、電子機器内部は、部品の高密度実装により電子機器内部の通風性が低下する一方で、発熱体であるＣＰＵの発熱量が増大する環境となっている。よって、当該環境下において、ＣＰＵの上面に配置するヒートシンク等の放熱器で暖められた暖気を、放熱器の近傍から放出させてＣＰＵの温度上昇を抑えることが重要な課題となっている。
【０００３】
そこで、例えば非特許文献１において、ヒートシンクの放熱フィン間の暖気を放熱フィンから排出する圧電ファンが提案されている。以下、非特許文献１に示されている圧電ファンと該圧電ファンを備える冷却装置との構造について、図１〜図３を用いて説明する。
【０００４】
図１は、非特許文献１の圧電ファン１０の構成を示す斜視図であり、図２は、同圧電ファン１０の構成を示す側面図である。図３は、同圧電ファン１０を備える冷却装置９の構成を示す斜視図である。圧電ファン１０は、振動板１１と、圧電素子１２Ａ、１２Ｂと、固定板１３とを備えている。ヒートシンク２０は、ベース部２１から上方へ互いに平行に延びる複数の放熱フィン２２を備えている。図３では回路基板にＣＰＵ等の発熱体（発熱部品）５０を実装していて、この発熱体５０の上面にヒートシンク２０の底面が熱的に結合するように配置されている。冷却装置９は、圧電ファン１０をアルミニウム製のヒートシンク２０に固定することによって構成されている。
【０００５】
図１、図２に示すように、振動板１１は、２枚の圧電素子１２Ａ、１２Ｂが両面に貼付され、これらの圧電素子１２Ａ、１２Ｂが伸縮することにより屈曲する。さらに、振動板１１には、その屈曲により揺動される複数のブレード１４が自由端側に形成されている。また、振動板１１の固定端側には、固定板１３が貼り付けられている。
【０００６】
圧電素子１２Ａ、１２Ｂ及び振動板１１は、中間電極となる振動板１１を両面から挟むように２枚の圧電素子１２Ａ、１２Ｂを貼付してなるバイモルフ型振動子を構成している。２枚の圧電素子１２Ａ、１２Ｂは、それぞれの圧電セラミクッス表面に電極膜を形成している。そして、各電極と中間電極となる振動板１１との間に駆動電圧を印加することによって振動板１１が長手方向に撓んで屈曲振動するよう分極処理している。
【０００７】
ここで、２枚の圧電素子１２Ａ、１２Ｂは、一方の圧電素子１２Ｂが固定板１３に接するように、且つ両側から振動板１１の同じ部分を挟むように位置合わせしてから、振動板１１に貼付けられる（図１、図２参照）。そして、振動板１１の固定端部は、ヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に複数のブレード１４のそれぞれが挿入される状態で、ヒートシンク２０の上部に固定板１３を介してネジ１５で固定される（図３参照）。
【０００８】
以上の構成では、発熱体５０で発生する熱がヒートシンク２０に伝導し、放熱フィン２２によって空気が暖められ、放熱フィン２２間に暖気が発生する。圧電ファン１０は、駆動時、複数のブレード１４の揺動により放熱フィン２２間の当該暖気を放熱フィン２２から排出する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】金子 寛人、“振動して風を送るヒートシンクを実演展示”、［online］、平成２１年９月２５日、日経WinPC、［平成２１年１０月１６日検索］、インターネット＜URL：http://pc.nikkeibp.co.jp/article/news/20090925/1018872/?f=news＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述のように固定板１３や両圧電素子１２Ａ、１２Ｂを位置合わせしてから振動板１１に貼り付けたとしても、固定板１３と両圧電素子１２Ａ、１２Ｂとの間には隙間Ｇが生じてしまう（図２参照）。これは、位置合わせの精度に限界があったり、固定板１３の表面に微視的な凹凸が存在したりするためである。
【００１１】
振動板１１における上記隙間Ｇの区間は、図２に示すように振動板１１のみの剛性となるため、振動板１１における固定板１３の接合区間や両圧電素子１２Ａ、１２Ｂの接合区間より剛性が低い。このため、非特許文献１の圧電ファン１０では、振動板１１の隙間Ｇの区間が振動して、両圧電素子１２Ａ、１２Ｂの伸縮によって生じる振動エネルギーの一部が当該隙間Ｇの区間で消費されてしまい、複数のブレード１４先端の振幅を弱めてしまうという知見を本願の発明者は得た。即ち、この隙間Ｇが圧電ファン１０の送風能力を弱めてしまうことがわかった。
【００１２】
よって、非特許文献１の圧電ファン１０をヒートシンク２０に装着しても、放熱フィン２２からの放熱効果が十分に得られない可能性がある。一方、近年、発熱量の大きい高速なＣＰＵが多数登場しており、非特許文献１の圧電ファン１０よりも、より大きな冷却能力が求められている。
【００１３】
この発明の目的は、振動板の送風能力を高めて冷却能力を向上させた圧電ファン、及び該圧電ファンを用いた冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の圧電ファンは、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（１）電圧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前記圧電素子の伸縮により共振周波数で屈曲する振動板であって、その屈曲により揺動される振動板と、
前記振動板の固定端部を別部材に固定する固定部材と、
前記圧電素子と前記固定部材との境界が見える方向から前記振動板を側面視して、第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合区間内にきて、第２端部が前記振動板における前記固定部材の接合区間内にくるように、前記振動板に配置された補強部材と、を備えた。
【００１５】
この構成では、発熱体で発生する熱が放熱器に伝導し、放熱器によって空気が暖められ、放熱器の近傍に暖気が発生する。放熱器は、例えばヒートシンク、ヒートスプレッダである。この構成における圧電ファンは、放熱器に直接または別部材に固定され、振動板の揺動により放熱器の近傍から当該暖気を放出する。
この際、補強部材を上記の位置に配置しているため、振動板における圧電素子と固定部材との隙間の区間の剛性が増し、次のような現象が起こる。即ち、補強部材が、振動板の隙間Ｇの区間が振動するのを抑制して、圧電素子の伸縮によって生じる振動エネルギーの一部が当該隙間Ｇの区間で消費されるのを防ぎ、振動板の自由端の振幅を強める現象が起こる。よって、この構成における圧電ファンによれば送風能力を向上させることができる。
従って、この構成における圧電ファンによれば、振動板の送風能力を高めて、冷却能力を向上させることができる。
【００１６】
（２）上記（１）において、前記補強部材は、前記第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合箇所の幅方向の両側に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合されている。
【００１７】
（３）上記（１）において、前記補強部材は、前記固定部材の一部であり、前記第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合箇所の幅方向の両側に接合されている。
【００１８】
（４）上記（１）において、前記補強部材は、前記第１端部が前記圧電素子の前記固定部材側の端部に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合された。
【００１９】
（５）上記（４）において、前記振動板は、前記圧電素子の接合個所の幅方向の両側に除去領域を有する。
【００２０】
この構成において、振動板は、圧電素子の接合箇所の両側に開口部または切欠部が形成された形状となっている。
【００２１】
（６）上記（１）において、前記補強部材は、前記第１端部が前記振動板を前記圧電素子と両面から挟むように前記振動板に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合されている。
【００２２】
この構成では、圧電素子および振動板がユニモルフ型振動子を構成する場合に適用される。
【００２３】
（７）上記（１）から上記（５）のいずれかにおいて、前記圧電素子は、前記振動板の両面を挟む位置に２つ接合されている。
【００２４】
ここでは、圧電素子および振動板がバイモルフ型振動子を構成している。この構成により、印加電圧に対する屈曲変位量が大きくなり、振動板の自由端の振幅が大きくなる。そのため、圧電ファンの送風能力が一層向上する。
【００２５】
（８）発熱体で発せられる熱を放熱する放熱器に前記固定部材が固定される。
【００２６】
この構成における圧電ファンは、放熱器に固定され、振動板の揺動により放熱器の近傍から当該暖気を放出する。
【００２７】
また、本発明の冷却装置は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（９）上記（８）に記載の圧電ファンと、
前記放熱器と、を備え、
前記放熱器は、複数の放熱フィンを有するヒートシンクであり、
前記振動板は、複数のブレードが自由端側に形成された形状であり、
前記固定部材は、前記ヒートシンクの前記複数の放熱フィン間の溝に前記複数のブレードのそれぞれが挿入される状態で、前記振動板の固定端部を前記ヒートシンクの上部に固定されている。
【００２８】
この構成により、上記（８）の圧電ファンを用いることで、当該圧電ファンを備える冷却装置も同様の効果を奏する。
【００２９】
（１０）前記振動板は、前記複数のブレードが前記放熱フィン間の溝側へ折り曲げられた形状としている。
【００３０】
この構成では、振動板をそのまま用いるのでなく、複数のブレードを放熱フィン間の溝側へ折り曲げて用いる。そのため、冷却装置の外形形状を低背化できるため、冷却装置全体の大型化を抑えつつ冷却能力を高めることができる。
【発明の効果】
【００３１】
この発明によれば、振動板の送風能力を高めて、冷却能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】非特許文献１の圧電ファン１０の構成を示す斜視図である。
【図２】非特許文献１の圧電ファン１０の構成を示す側面図である。
【図３】非特許文献１の圧電ファン１０を備える冷却装置９の構成を示す斜視図である。
【図４】第１の実施形態に係る圧電ファン１０１の構成を示す斜視図である。
【図５】第１の実施形態に係る圧電ファン１０１の構成を示す側面図である。
【図６】第１の実施形態に係る圧電ファン１０１を備える冷却装置１の構成を示す斜視図である。
【図７】圧電ファンの振動板における固定端からの位置とその位置における振動板の変位量との関係を示すグラフである。
【図８】図８（Ａ）は、第２の実施形態に係る圧電ファン２０１の固定板２１３の構成を示す上面図であり、図８（Ｂ）は、同固定板２１３の構成を示す正面図であり、図８（Ｃ）は、同固定板２１３の構成を示す側面図である。
【図９】第２の実施形態に係る圧電ファン２０１の構成を示す上面図であり、
【図１０】第２の実施形態に係る圧電ファン２０１の構成を示す側面図である。
【図１１】比較例であり圧電ファン１０の変形例である圧電ファン３０の構成を示す斜視図である。
【図１２】第３の実施形態に係る圧電ファン３０１の構成を示す斜視図である。
【図１３】第３の実施形態に係る圧電ファン３０１の構成を示す側面図である。
【図１４】第３の実施形態に係る圧電ファン３０１を備える冷却装置３の構成を示す斜視図である。
【図１５】図１５（Ａ）は、他の実施形態に係る圧電ファン４０１の構成を示す斜視図であり、図１５（Ｂ）は、他の実施形態に係る圧電ファン５０１の構成を示す斜視図である。
【図１６】図１６（Ａ）は、他の実施形態に係る圧電ファン６０１の構成を示す斜視図であり、図１６（Ｂ）は、他の実施形態に係る圧電ファン６０１の構成を示す側面図である。
【図１７】図１７（Ａ）は、他の実施形態に係る圧電ファン７０１の構成を示す斜視図であり、図１７（Ｂ）は、他の実施形態に係る圧電ファン７０１の構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
《第１の実施形態》
本発明の第１の実施形態に係る圧電ファンについて以下説明する。
図４は、第１の実施形態に係る圧電ファン１０１の構成を示す斜視図であり、図５は、同圧電ファン１０１の構成を示す側面図である。図６は、同圧電ファン１０１を備える冷却装置１の構成を示す斜視図である。なお、図５の側面図は、圧電素子と固定部材との境界が見える方向から振動板を側面視した図である。ここで、隙間Ｇは、圧電素子と固定部材との間に見える境界の隙間を説明し易くするため、実際の隙間より少し大きく描いている。
【００３４】
圧電ファン１０１は、振動板１１１と、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂと、固定板１１３と、補強板１５１、１５２とを備えている。一方、ヒートシンク２０は、ベース部２１から上方へ互いに平行に延びる複数の放熱フィン２２を備えている。図６では回路基板ＰにＣＰＵ等の発熱体（発熱部品）５０を実装していて、この発熱体５０の上面にヒートシンク２０の底面が熱的に結合するように配置されている。冷却装置１は、この圧電ファン１０１とアルミニウム製のヒートシンク２０とを備える装置である。
【００３５】
図４、図５に示すように、振動板１１１は、２枚の圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂが振動板１１１の両面に貼付され、これらの圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂが伸縮することにより屈曲する。さらに、振動板１１１には、その屈曲により揺動される７枚のブレード１４１が振動板１１１の自由端側に形成されている。さらに、振動板１１１は、７枚のブレード１４１が放熱フィン２２間の溝側へ約９０°に折り曲げられている。
【００３６】
なお、振動板１１１は、ステンレススチール製の板であり、その寸法は、以下のとおりである。
・全幅（即ち７枚のブレード１４１部分の幅）４５ｍｍ
・各ブレードの幅２.０ｍｍ
・全長５０ｍｍ
・振動板１１１の固定端から振動板１１１のエッジ部分（即ち折曲げ部分）までの長さ２５ｍｍ
・７枚のブレード１４１の先端から振動板１１１のエッジ部分（即ち折曲げ部分）までの長さ２５ｍｍ
・厚み０．１ｍｍ。
【００３７】
圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂのそれぞれは、幅３０ｍｍ×長さ１５ｍｍ×厚み０．０５ｍｍの寸法となっている。圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂ及び振動板１１１は、中間電極となる振動板１１１を両面から挟むように２枚の圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂを貼付してなるバイモルフ型振動子を構成している。２枚の圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂは、それぞれの圧電セラミクッス表裏面に電極膜を形成している。そして、各表面電極と中間電極となる振動板１１１との間に、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの分極方向に応じた駆動電圧を印加することによって振動板１１１が長手方向に撓んで屈曲振動するよう分極処理している。このようにバイモルフ型にすることによって、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂによる振動板１１１の印加電圧に対する振動板１１１の屈曲変位量を大きくすることができ、ブレード１４１の振幅をより効果的に増大できる。
【００３８】
ここで、２枚の圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂは、一方の圧電素子１１２Ｂが固定板１１３に接するように、且つ両側から振動板１１１の同じ部分を挟むように位置合わせしてから、振動板１１１に貼付けられる（図４、図５参照）。固定板１１３は、ガラスエポキシ製であり、その寸法は、幅５０ｍｍ×長さ５ｍｍ×厚み２ｍｍである。そして、振動板１１１の固定端部は、ヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に７枚のブレード１４１のそれぞれが挿入される状態で、ヒートシンク２０の上部に固定板１１３を介してネジ１１５で固定される（図６参照）。
【００３９】
そのため、この実施形態の圧電ファン１０１においても、非特許文献１の圧電ファン１０と同様の隙間Ｇが生じてしまう（図５参照）。即ち、固定板１１３や両圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂを位置合わせしてから振動板１１１に貼り付けたとしても、固定板１１３と両圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂとの間には隙間Ｇが生じてしまう。これは、位置合わせの精度に限界があったり、固定板１１３の表面に微視的な凹凸が存在したりするためである。
【００４０】
そこで、この実施形態の圧電ファン１０１は、振動板１１１における上記隙間Ｇの区間の剛性を上げるため、ステンレススチール製の補強板１５１、１５２を備えている。補強板１５１、１５２は、この隙間Ｇを跨ぐように、第１端部が振動板１１１における圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの接合箇所の幅方向の両側に接合され、第２端部が振動板１１１の固定端部を固定板１１３と両面から挟むように振動板１１１の固定端部に接合されている。補強板１５１、１５２のそれぞれの厚みは、０．０５ｍｍである。
【００４１】
以上の構成では、発熱体５０で発生する熱がヒートシンク２０に伝導し、放熱フィン２２によって空気が暖められ、放熱フィン２２間に暖気が発生する。圧電ファン１０の７枚のブレード１４１のそれぞれは、駆動時、隣接する放熱フィン２２の間で放熱フィン２２に当接することなく揺動する。これにより、圧電ファン１０１は、放熱フィン２２間の当該暖気を放熱フィン２２から排出する。
【００４２】
ここで、非特許文献１の圧電ファン１０の送風能力と本実施形態の圧電ファン１０１の送風能力とを比較する。
【００４３】
図７は、圧電ファンの振動板における固定端からの位置とその位置における振動板の変位量との関係を示すグラフである。この図では、圧電ファン１０と圧電ファン１０１に対して各圧電素子の電極と振動板との間に共振周波数の２４Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加した条件で、各ブレード先端の振幅を測定した実験結果について示している。
なお、この実験では、圧電ファン１０を構成する振動板１１と圧電素子１２Ａ、１２Ｂと固定板１３の各寸法や各材質を、圧電ファン１０１を構成する振動板１１１と圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂと固定板１１３の各寸法や各材質と同じにして測定した。
【００４４】
実験により、非特許文献１の圧電ファン１０では共振周波数が８９．１Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が８．０ｍｍであるのに対し、本実施形態の圧電ファン１０１では共振周波数が９５．５Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が８．９ｍｍにまで増大することが明らかとなっている。圧電ファンのブレードの送風能力は『平均振幅×周波数』で示されるが、本実施形態の圧電ファン１０１は非特許文献１の圧電ファン１０と比べて平均振幅及び周波数共が増大していることから、送風能力が大幅に向上することが実験により明らかとなっている。
【００４５】
以上の実験結果は、補強板１５１、１５２を振動板１１１に配置することにより、振動板１１１における上記隙間Ｇの区間の剛性が増し、次のような現象が起こるためであると考えられる。即ち、補強板１５１、１５２が、振動板１１１の隙間Ｇの区間が振動するのを抑制して、両圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの伸縮によって生じる振動エネルギーの一部が当該隙間Ｇの区間で消費されるのを防ぎ、複数のブレード１４１先端の振幅を強める現象が起こるためであると考えられる。
【００４６】
以上より、本実施形態の圧電ファン１０１によれば、ブレード１４１の送風能力を非特許文献１の圧電ファン１０より高めて、冷却能力を向上させることができる。
また、振動板１１１はその全長が長いにもかかわらず折り曲げることで冷却装置１の外形形状を低背化できるため、冷却装置１全体の大型化を抑えつつ冷却能力を高めることができる。
【００４７】
《第２の実施形態》
図８（Ａ）は、第２の実施形態に係る圧電ファン２０１の固定板２１３の構成を示す上面図であり、図８（Ｂ）は、同固定板２１３の構成を示す正面図であり、図８（Ｃ）は、同固定板２１３の構成を示す側面図である。また、図９は、第２の実施形態に係る圧電ファン２０１の構成を示す上面図であり、図１０は、同圧電ファン２０１の構成を示す側面図である。なお、図１０の側面図は、圧電素子と固定部材との境界が見える方向から振動板を側面視した図である。
【００４８】
上記第１の実施形態に係る圧電ファン１０１では、振動板１１１における上記隙間Ｇの区間の剛性を上げるため、補強板１５１、１５２を備えていたが、本実施形態の圧電ファン２０１は、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示すガラスエポキシ製の固定板２１３を備えている。固定板２１３は、この隙間Ｇを跨ぐように、第１端部が振動板１１１における圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの接合箇所の幅方向の両側に接合される補強部２１４Ａ、２１４Ｂを有する。
【００４９】
ここで、圧電ファン１０の送風能力と本実施形態の圧電ファン２０１の送風能力とを比較する。圧電ファン１０と圧電ファン２０１に対して各圧電素子の電極と振動板との間に共振周波数の２４Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加した条件で、各ブレード先端の振幅を測定した実験結果について以下説明する。
なお、この実験では、圧電ファン１０を構成する振動板１１と圧電素子１２Ａ、１２Ｂと固定板１３との各寸法や各材質を、圧電ファン２０１を構成する振動板１１１と圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂと固定板２１３から補強部２１４Ａ、２１４Ｂを除いた部分との各寸法や各材質と同じにして測定した。
【００５０】
実験により、非特許文献１の圧電ファン１０では共振周波数が８９．１Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が８．０ｍｍであるのに対し、本実施形態の圧電ファン２０１では共振周波数が８９．８Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が８．６ｍｍにまで増大することが明らかとなっている。即ち、本実施形態の圧電ファン２０１は、非特許文献１の圧電ファン１０と比べて平均振幅及び周波数共が増大していることから、送風能力が大幅に向上することが実験により明らかとなっている。
【００５１】
以上の実験結果も、固定板２１３の補強部２１４Ａ、２１４Ｂを振動板１１１に接合することにより、振動板１１１における上記隙間Ｇの区間の剛性が増し、第１実施形態の圧電ファン１０１と同じ現象が起こるためであると考えられる。
【００５２】
以上より、本実施形態の圧電ファン２０１によれば、ブレード１４１の送風能力を非特許文献１の圧電ファン１０より高めることができる。従って、図６に示すように、本実施形態の圧電ファン２０１の振動板１１１の固定端部をヒートシンク２０の上部に固定することによって冷却装置を構成した場合、当該冷却装置の冷却能力を向上させることができる。
また、振動板１１１を折り曲げることで当該冷却装置の外形形状を低背化できるため、当該冷却装置全体の大型化を抑えつつ冷却能力を高めることができる。
【００５３】
《第３の実施形態》
図１１は、比較例であり圧電ファン１０の変形例である圧電ファン３０の構成を示す斜視図である。図１２は、第３の実施形態に係る圧電ファン３０１の構成を示す斜視図であり、図１３は、同圧電ファン３０１の構成を示す側面図である。図１４は、同圧電ファン３０１を備える冷却装置３の構成を示す斜視図である。
なお、図１３の側面図は、圧電素子と固定部材との境界が見える方向から振動板を側面視した図である。
【００５４】
まず、圧電ファン１０の変形例である圧電ファン３０の送風能力と本実施形態の圧電ファン３０１の送風能力とを比較するため、圧電ファン３０の構成について以下説明する。
【００５５】
圧電ファン３０が圧電ファン１０と相違する点は、振動板の形状であり、その他の構成については同じである。図１１に示すように、振動板３１１は、幅４５ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚み０．１ｍｍのステンレススチール製の板をプレス金型で打ち抜いて切欠部１１８を形成したものである。これにより、振動板３１１は、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂが貼付られた両側、具体的には、ブレードの長手方向に対して垂直な方向に位置する両側が除去された形状となる。振動板３１１は、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの貼付部分の幅が３５ｍｍであり、その他の寸法については振動板１１１と同じである。
【００５６】
そして、図１２、図１３に示す本実施形態の圧電ファン３０１が比較例の圧電ファン３０と相違する点は、振動板３１１における隙間Ｇの区間の剛性を上げるために、ガラスエポキシ製の補強板３１３を備えた点であり、その他の構成については同じである。補強板３１３は、この隙間Ｇを跨ぐように、第１端部が圧電素子１１２Ａの固定板１１３側の端部に接合され、第２端部が振動板３１１の固定端部を固定板１１３と両面から挟むように振動板３１１の固定端部に接合されている。なお、補強板３１３の厚みは、０．１ｍｍである。
【００５７】
次に、圧電ファン３０の送風能力と本実施形態の圧電ファン３０１の送風能力とを比較する。圧電ファン３０と圧電ファン３０１に対して各圧電素子の電極と振動板との間に共振周波数の２４Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加した条件で、各ブレード先端の振幅を測定した実験結果について以下説明する。
【００５８】
実験により、圧電ファン３０では共振周波数が８２．０Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が９．０ｍｍであるのに対し、本実施形態の圧電ファン３０１では共振周波数が８４．１Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が９．５ｍｍにまで増大することが明らかとなっている。即ち、本実施形態の圧電ファン３０１によれば、圧電ファン３０と比べて平均振幅及び周波数共が増大していることから、送風能力が大幅に向上することが実験により明らかとなっている。
【００５９】
以上の実験結果も、補強板３１３を振動板３１１に配置することにより、振動板３１１における上記隙間Ｇの区間の剛性が増し、第１実施形態の圧電ファン１０１と同じ現象が起こるためであると考えられる。
【００６０】
続いて、圧電ファン３０１の通風性について述べる。図１４に示すように、振動板３１１の固定端部は、ヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に７枚のブレード１４１のそれぞれが挿入され、且つ切欠部１１８が放熱フィン２２の溝の上方にくる状態で、ヒートシンク２０の上部に固定される。これにより、本実施形態では、圧電ファン３０１とヒートシンク２０を備えた冷却装置３を構成している。この構成において、圧電ファン３０１を駆動させてブレード１４１が揺動した際、切欠部１１８の存在により、次のような気流が生じる。即ち、冷気が切欠部１１８の上方から放熱フィン２２及び放熱フィン２２間の溝に流入する気流、又は放熱フィン２２間で暖められた暖気が切欠部１１８の下方から上方へ抜ける気流が生じる。このため、本実施形態の圧電ファン３０１によれば、圧電ファン３０１の送風能力の向上に加え、放熱フィン２２への通風性も向上させることができる。
【００６１】
以上より、本実施形態の圧電ファン３０１によれば、ブレード１４１の送風能力を高めるとともに放熱フィン２２への通風性を向上させて、冷却能力を大幅に向上させることができる。
また、振動板３１１を折り曲げることで当該冷却装置の外形形状を低背化できるため、当該冷却装置全体の大型化を抑えつつ冷却能力を高めることができる。
【００６２】
《その他の実施形態》
以上の実施形態では振動板１１１や振動板３１１を放熱フィン２２間の溝側へ折り曲げた圧電ファン１０１、２０１、３０１を示したが、図１５（Ａ）のに示すように、振動板１１１や振動板３１１を折り曲げずにそのまま用いた圧電ファン４０１を用いても構わない。また、図１５（Ｂ）に示すように、振動板１１１や振動板３１１を所望の角度（例えば４５度）に折り曲げ圧電ファン５０１を用いても構わない。
【００６３】
また、以上の実施形態では、振動板１１１の両面に圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂを接合したバイモルフ型の圧電ファン１０１、２０１、３０１を示したが、実施の際は、図１６（Ａ）（Ｂ）に示すように振動板１１１の上面のみに圧電素子１１２Ａを接合したユニモルフ型の圧電ファン６０１や、図１７（Ａ）（Ｂ）に示すように振動板１１１の下面のみに圧電素子１１２Ｂを接合したユニモルフ型の圧電ファン７０１を用いても構わない。
なお、この圧電ファン７０１は、補強板１５１、１５２の代わりに、第１端部が振動板１１１における圧電素子１１２Ｂの接合区間内にきて、第２端部が振動板１１１における固定板１１３の接合区間内にくる振動板１１１の上面の位置に接合したステンレススチール製の補強板１５３を備えている。
【００６４】
また、以上の実施形態では複数枚のブレードを自由端側に形成した振動板１１１や振動板３１１を用いたが、実施の際は、自由端側が複数枚のブレードに分かれていない振動板を用いても構わない。
【００６５】
また、以上に示した各実施形態において、ブレード１４１はステンレススチール以外にリン青銅などバネ性の高い金属板や樹脂板を用いてもよい。
【００６６】
なお、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６７】
１、３、９…冷却装置
１０…圧電ファン
１１…振動板
１２Ａ、Ｂ…圧電素子
１３…固定板
１４…ブレード
１５…ネジ
２０…ヒートシンク
２１…ベース部
２２…放熱フィン
３０…圧電ファン
５０…発熱体
１０１…圧電ファン
１１１…振動板
１１２Ａ、Ｂ…圧電素子
１１３…固定板
１１４…ブレード
１１５…ネジ
１１８…切欠部
１４１…ブレード
１５１、１５２…補強板
１５３…補強板
２０１…圧電ファン
２１３…固定板
２１４Ａ、Ｂ…補強部
３０１…圧電ファン
３１１…振動板
３１３…補強板
４０１、５０１、６０１、７０１…圧電ファン
Ｇ…隙間
Ｐ…回路基板
【技術分野】
【０００１】
この発明は、放熱器の近傍から暖気を放出する圧電ファン、及び該圧電ファンを用いた冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器では、機器本体の小型化と部品の高密度実装化が進むにつれて、機器内部における発熱対策が課題となっている。例えばパーソナルコンピュータにおいては、機器本体の小型化とともに、情報処理性能を向上させるためにＣＰＵの高速化が進んでいる。そのため、電子機器内部は、部品の高密度実装により電子機器内部の通風性が低下する一方で、発熱体であるＣＰＵの発熱量が増大する環境となっている。よって、当該環境下において、ＣＰＵの上面に配置するヒートシンク等の放熱器で暖められた暖気を、放熱器の近傍から放出させてＣＰＵの温度上昇を抑えることが重要な課題となっている。
【０００３】
そこで、例えば非特許文献１において、ヒートシンクの放熱フィン間の暖気を放熱フィンから排出する圧電ファンが提案されている。以下、非特許文献１に示されている圧電ファンと該圧電ファンを備える冷却装置との構造について、図１〜図３を用いて説明する。
【０００４】
図１は、非特許文献１の圧電ファン１０の構成を示す斜視図であり、図２は、同圧電ファン１０の構成を示す側面図である。図３は、同圧電ファン１０を備える冷却装置９の構成を示す斜視図である。圧電ファン１０は、振動板１１と、圧電素子１２Ａ、１２Ｂと、固定板１３とを備えている。ヒートシンク２０は、ベース部２１から上方へ互いに平行に延びる複数の放熱フィン２２を備えている。図３では回路基板にＣＰＵ等の発熱体（発熱部品）５０を実装していて、この発熱体５０の上面にヒートシンク２０の底面が熱的に結合するように配置されている。冷却装置９は、圧電ファン１０をアルミニウム製のヒートシンク２０に固定することによって構成されている。
【０００５】
図１、図２に示すように、振動板１１は、２枚の圧電素子１２Ａ、１２Ｂが両面に貼付され、これらの圧電素子１２Ａ、１２Ｂが伸縮することにより屈曲する。さらに、振動板１１には、その屈曲により揺動される複数のブレード１４が自由端側に形成されている。また、振動板１１の固定端側には、固定板１３が貼り付けられている。
【０００６】
圧電素子１２Ａ、１２Ｂ及び振動板１１は、中間電極となる振動板１１を両面から挟むように２枚の圧電素子１２Ａ、１２Ｂを貼付してなるバイモルフ型振動子を構成している。２枚の圧電素子１２Ａ、１２Ｂは、それぞれの圧電セラミクッス表面に電極膜を形成している。そして、各電極と中間電極となる振動板１１との間に駆動電圧を印加することによって振動板１１が長手方向に撓んで屈曲振動するよう分極処理している。
【０００７】
ここで、２枚の圧電素子１２Ａ、１２Ｂは、一方の圧電素子１２Ｂが固定板１３に接するように、且つ両側から振動板１１の同じ部分を挟むように位置合わせしてから、振動板１１に貼付けられる（図１、図２参照）。そして、振動板１１の固定端部は、ヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に複数のブレード１４のそれぞれが挿入される状態で、ヒートシンク２０の上部に固定板１３を介してネジ１５で固定される（図３参照）。
【０００８】
以上の構成では、発熱体５０で発生する熱がヒートシンク２０に伝導し、放熱フィン２２によって空気が暖められ、放熱フィン２２間に暖気が発生する。圧電ファン１０は、駆動時、複数のブレード１４の揺動により放熱フィン２２間の当該暖気を放熱フィン２２から排出する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】金子 寛人、“振動して風を送るヒートシンクを実演展示”、［online］、平成２１年９月２５日、日経WinPC、［平成２１年１０月１６日検索］、インターネット＜URL：http://pc.nikkeibp.co.jp/article/news/20090925/1018872/?f=news＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述のように固定板１３や両圧電素子１２Ａ、１２Ｂを位置合わせしてから振動板１１に貼り付けたとしても、固定板１３と両圧電素子１２Ａ、１２Ｂとの間には隙間Ｇが生じてしまう（図２参照）。これは、位置合わせの精度に限界があったり、固定板１３の表面に微視的な凹凸が存在したりするためである。
【００１１】
振動板１１における上記隙間Ｇの区間は、図２に示すように振動板１１のみの剛性となるため、振動板１１における固定板１３の接合区間や両圧電素子１２Ａ、１２Ｂの接合区間より剛性が低い。このため、非特許文献１の圧電ファン１０では、振動板１１の隙間Ｇの区間が振動して、両圧電素子１２Ａ、１２Ｂの伸縮によって生じる振動エネルギーの一部が当該隙間Ｇの区間で消費されてしまい、複数のブレード１４先端の振幅を弱めてしまうという知見を本願の発明者は得た。即ち、この隙間Ｇが圧電ファン１０の送風能力を弱めてしまうことがわかった。
【００１２】
よって、非特許文献１の圧電ファン１０をヒートシンク２０に装着しても、放熱フィン２２からの放熱効果が十分に得られない可能性がある。一方、近年、発熱量の大きい高速なＣＰＵが多数登場しており、非特許文献１の圧電ファン１０よりも、より大きな冷却能力が求められている。
【００１３】
この発明の目的は、振動板の送風能力を高めて冷却能力を向上させた圧電ファン、及び該圧電ファンを用いた冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の圧電ファンは、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（１）電圧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前記圧電素子の伸縮により共振周波数で屈曲する振動板であって、その屈曲により揺動される振動板と、
前記振動板の固定端部を別部材に固定する固定部材と、
前記圧電素子と前記固定部材との境界が見える方向から前記振動板を側面視して、第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合区間内にきて、第２端部が前記振動板における前記固定部材の接合区間内にくるように、前記振動板に配置された補強部材と、を備えた。
【００１５】
この構成では、発熱体で発生する熱が放熱器に伝導し、放熱器によって空気が暖められ、放熱器の近傍に暖気が発生する。放熱器は、例えばヒートシンク、ヒートスプレッダである。この構成における圧電ファンは、放熱器に直接または別部材に固定され、振動板の揺動により放熱器の近傍から当該暖気を放出する。
この際、補強部材を上記の位置に配置しているため、振動板における圧電素子と固定部材との隙間の区間の剛性が増し、次のような現象が起こる。即ち、補強部材が、振動板の隙間Ｇの区間が振動するのを抑制して、圧電素子の伸縮によって生じる振動エネルギーの一部が当該隙間Ｇの区間で消費されるのを防ぎ、振動板の自由端の振幅を強める現象が起こる。よって、この構成における圧電ファンによれば送風能力を向上させることができる。
従って、この構成における圧電ファンによれば、振動板の送風能力を高めて、冷却能力を向上させることができる。
【００１６】
（２）上記（１）において、前記補強部材は、前記第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合箇所の幅方向の両側に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合されている。
【００１７】
（３）上記（１）において、前記補強部材は、前記固定部材の一部であり、前記第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合箇所の幅方向の両側に接合されている。
【００１８】
（４）上記（１）において、前記補強部材は、前記第１端部が前記圧電素子の前記固定部材側の端部に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合された。
【００１９】
（５）上記（４）において、前記振動板は、前記圧電素子の接合個所の幅方向の両側に除去領域を有する。
【００２０】
この構成において、振動板は、圧電素子の接合箇所の両側に開口部または切欠部が形成された形状となっている。
【００２１】
（６）上記（１）において、前記補強部材は、前記第１端部が前記振動板を前記圧電素子と両面から挟むように前記振動板に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合されている。
【００２２】
この構成では、圧電素子および振動板がユニモルフ型振動子を構成する場合に適用される。
【００２３】
（７）上記（１）から上記（５）のいずれかにおいて、前記圧電素子は、前記振動板の両面を挟む位置に２つ接合されている。
【００２４】
ここでは、圧電素子および振動板がバイモルフ型振動子を構成している。この構成により、印加電圧に対する屈曲変位量が大きくなり、振動板の自由端の振幅が大きくなる。そのため、圧電ファンの送風能力が一層向上する。
【００２５】
（８）発熱体で発せられる熱を放熱する放熱器に前記固定部材が固定される。
【００２６】
この構成における圧電ファンは、放熱器に固定され、振動板の揺動により放熱器の近傍から当該暖気を放出する。
【００２７】
また、本発明の冷却装置は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（９）上記（８）に記載の圧電ファンと、
前記放熱器と、を備え、
前記放熱器は、複数の放熱フィンを有するヒートシンクであり、
前記振動板は、複数のブレードが自由端側に形成された形状であり、
前記固定部材は、前記ヒートシンクの前記複数の放熱フィン間の溝に前記複数のブレードのそれぞれが挿入される状態で、前記振動板の固定端部を前記ヒートシンクの上部に固定されている。
【００２８】
この構成により、上記（８）の圧電ファンを用いることで、当該圧電ファンを備える冷却装置も同様の効果を奏する。
【００２９】
（１０）前記振動板は、前記複数のブレードが前記放熱フィン間の溝側へ折り曲げられた形状としている。
【００３０】
この構成では、振動板をそのまま用いるのでなく、複数のブレードを放熱フィン間の溝側へ折り曲げて用いる。そのため、冷却装置の外形形状を低背化できるため、冷却装置全体の大型化を抑えつつ冷却能力を高めることができる。
【発明の効果】
【００３１】
この発明によれば、振動板の送風能力を高めて、冷却能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】非特許文献１の圧電ファン１０の構成を示す斜視図である。
【図２】非特許文献１の圧電ファン１０の構成を示す側面図である。
【図３】非特許文献１の圧電ファン１０を備える冷却装置９の構成を示す斜視図である。
【図４】第１の実施形態に係る圧電ファン１０１の構成を示す斜視図である。
【図５】第１の実施形態に係る圧電ファン１０１の構成を示す側面図である。
【図６】第１の実施形態に係る圧電ファン１０１を備える冷却装置１の構成を示す斜視図である。
【図７】圧電ファンの振動板における固定端からの位置とその位置における振動板の変位量との関係を示すグラフである。
【図８】図８（Ａ）は、第２の実施形態に係る圧電ファン２０１の固定板２１３の構成を示す上面図であり、図８（Ｂ）は、同固定板２１３の構成を示す正面図であり、図８（Ｃ）は、同固定板２１３の構成を示す側面図である。
【図９】第２の実施形態に係る圧電ファン２０１の構成を示す上面図であり、
【図１０】第２の実施形態に係る圧電ファン２０１の構成を示す側面図である。
【図１１】比較例であり圧電ファン１０の変形例である圧電ファン３０の構成を示す斜視図である。
【図１２】第３の実施形態に係る圧電ファン３０１の構成を示す斜視図である。
【図１３】第３の実施形態に係る圧電ファン３０１の構成を示す側面図である。
【図１４】第３の実施形態に係る圧電ファン３０１を備える冷却装置３の構成を示す斜視図である。
【図１５】図１５（Ａ）は、他の実施形態に係る圧電ファン４０１の構成を示す斜視図であり、図１５（Ｂ）は、他の実施形態に係る圧電ファン５０１の構成を示す斜視図である。
【図１６】図１６（Ａ）は、他の実施形態に係る圧電ファン６０１の構成を示す斜視図であり、図１６（Ｂ）は、他の実施形態に係る圧電ファン６０１の構成を示す側面図である。
【図１７】図１７（Ａ）は、他の実施形態に係る圧電ファン７０１の構成を示す斜視図であり、図１７（Ｂ）は、他の実施形態に係る圧電ファン７０１の構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
《第１の実施形態》
本発明の第１の実施形態に係る圧電ファンについて以下説明する。
図４は、第１の実施形態に係る圧電ファン１０１の構成を示す斜視図であり、図５は、同圧電ファン１０１の構成を示す側面図である。図６は、同圧電ファン１０１を備える冷却装置１の構成を示す斜視図である。なお、図５の側面図は、圧電素子と固定部材との境界が見える方向から振動板を側面視した図である。ここで、隙間Ｇは、圧電素子と固定部材との間に見える境界の隙間を説明し易くするため、実際の隙間より少し大きく描いている。
【００３４】
圧電ファン１０１は、振動板１１１と、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂと、固定板１１３と、補強板１５１、１５２とを備えている。一方、ヒートシンク２０は、ベース部２１から上方へ互いに平行に延びる複数の放熱フィン２２を備えている。図６では回路基板ＰにＣＰＵ等の発熱体（発熱部品）５０を実装していて、この発熱体５０の上面にヒートシンク２０の底面が熱的に結合するように配置されている。冷却装置１は、この圧電ファン１０１とアルミニウム製のヒートシンク２０とを備える装置である。
【００３５】
図４、図５に示すように、振動板１１１は、２枚の圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂが振動板１１１の両面に貼付され、これらの圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂが伸縮することにより屈曲する。さらに、振動板１１１には、その屈曲により揺動される７枚のブレード１４１が振動板１１１の自由端側に形成されている。さらに、振動板１１１は、７枚のブレード１４１が放熱フィン２２間の溝側へ約９０°に折り曲げられている。
【００３６】
なお、振動板１１１は、ステンレススチール製の板であり、その寸法は、以下のとおりである。
・全幅（即ち７枚のブレード１４１部分の幅）４５ｍｍ
・各ブレードの幅２.０ｍｍ
・全長５０ｍｍ
・振動板１１１の固定端から振動板１１１のエッジ部分（即ち折曲げ部分）までの長さ２５ｍｍ
・７枚のブレード１４１の先端から振動板１１１のエッジ部分（即ち折曲げ部分）までの長さ２５ｍｍ
・厚み０．１ｍｍ。
【００３７】
圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂのそれぞれは、幅３０ｍｍ×長さ１５ｍｍ×厚み０．０５ｍｍの寸法となっている。圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂ及び振動板１１１は、中間電極となる振動板１１１を両面から挟むように２枚の圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂを貼付してなるバイモルフ型振動子を構成している。２枚の圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂは、それぞれの圧電セラミクッス表裏面に電極膜を形成している。そして、各表面電極と中間電極となる振動板１１１との間に、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの分極方向に応じた駆動電圧を印加することによって振動板１１１が長手方向に撓んで屈曲振動するよう分極処理している。このようにバイモルフ型にすることによって、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂによる振動板１１１の印加電圧に対する振動板１１１の屈曲変位量を大きくすることができ、ブレード１４１の振幅をより効果的に増大できる。
【００３８】
ここで、２枚の圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂは、一方の圧電素子１１２Ｂが固定板１１３に接するように、且つ両側から振動板１１１の同じ部分を挟むように位置合わせしてから、振動板１１１に貼付けられる（図４、図５参照）。固定板１１３は、ガラスエポキシ製であり、その寸法は、幅５０ｍｍ×長さ５ｍｍ×厚み２ｍｍである。そして、振動板１１１の固定端部は、ヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に７枚のブレード１４１のそれぞれが挿入される状態で、ヒートシンク２０の上部に固定板１１３を介してネジ１１５で固定される（図６参照）。
【００３９】
そのため、この実施形態の圧電ファン１０１においても、非特許文献１の圧電ファン１０と同様の隙間Ｇが生じてしまう（図５参照）。即ち、固定板１１３や両圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂを位置合わせしてから振動板１１１に貼り付けたとしても、固定板１１３と両圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂとの間には隙間Ｇが生じてしまう。これは、位置合わせの精度に限界があったり、固定板１１３の表面に微視的な凹凸が存在したりするためである。
【００４０】
そこで、この実施形態の圧電ファン１０１は、振動板１１１における上記隙間Ｇの区間の剛性を上げるため、ステンレススチール製の補強板１５１、１５２を備えている。補強板１５１、１５２は、この隙間Ｇを跨ぐように、第１端部が振動板１１１における圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの接合箇所の幅方向の両側に接合され、第２端部が振動板１１１の固定端部を固定板１１３と両面から挟むように振動板１１１の固定端部に接合されている。補強板１５１、１５２のそれぞれの厚みは、０．０５ｍｍである。
【００４１】
以上の構成では、発熱体５０で発生する熱がヒートシンク２０に伝導し、放熱フィン２２によって空気が暖められ、放熱フィン２２間に暖気が発生する。圧電ファン１０の７枚のブレード１４１のそれぞれは、駆動時、隣接する放熱フィン２２の間で放熱フィン２２に当接することなく揺動する。これにより、圧電ファン１０１は、放熱フィン２２間の当該暖気を放熱フィン２２から排出する。
【００４２】
ここで、非特許文献１の圧電ファン１０の送風能力と本実施形態の圧電ファン１０１の送風能力とを比較する。
【００４３】
図７は、圧電ファンの振動板における固定端からの位置とその位置における振動板の変位量との関係を示すグラフである。この図では、圧電ファン１０と圧電ファン１０１に対して各圧電素子の電極と振動板との間に共振周波数の２４Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加した条件で、各ブレード先端の振幅を測定した実験結果について示している。
なお、この実験では、圧電ファン１０を構成する振動板１１と圧電素子１２Ａ、１２Ｂと固定板１３の各寸法や各材質を、圧電ファン１０１を構成する振動板１１１と圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂと固定板１１３の各寸法や各材質と同じにして測定した。
【００４４】
実験により、非特許文献１の圧電ファン１０では共振周波数が８９．１Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が８．０ｍｍであるのに対し、本実施形態の圧電ファン１０１では共振周波数が９５．５Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が８．９ｍｍにまで増大することが明らかとなっている。圧電ファンのブレードの送風能力は『平均振幅×周波数』で示されるが、本実施形態の圧電ファン１０１は非特許文献１の圧電ファン１０と比べて平均振幅及び周波数共が増大していることから、送風能力が大幅に向上することが実験により明らかとなっている。
【００４５】
以上の実験結果は、補強板１５１、１５２を振動板１１１に配置することにより、振動板１１１における上記隙間Ｇの区間の剛性が増し、次のような現象が起こるためであると考えられる。即ち、補強板１５１、１５２が、振動板１１１の隙間Ｇの区間が振動するのを抑制して、両圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの伸縮によって生じる振動エネルギーの一部が当該隙間Ｇの区間で消費されるのを防ぎ、複数のブレード１４１先端の振幅を強める現象が起こるためであると考えられる。
【００４６】
以上より、本実施形態の圧電ファン１０１によれば、ブレード１４１の送風能力を非特許文献１の圧電ファン１０より高めて、冷却能力を向上させることができる。
また、振動板１１１はその全長が長いにもかかわらず折り曲げることで冷却装置１の外形形状を低背化できるため、冷却装置１全体の大型化を抑えつつ冷却能力を高めることができる。
【００４７】
《第２の実施形態》
図８（Ａ）は、第２の実施形態に係る圧電ファン２０１の固定板２１３の構成を示す上面図であり、図８（Ｂ）は、同固定板２１３の構成を示す正面図であり、図８（Ｃ）は、同固定板２１３の構成を示す側面図である。また、図９は、第２の実施形態に係る圧電ファン２０１の構成を示す上面図であり、図１０は、同圧電ファン２０１の構成を示す側面図である。なお、図１０の側面図は、圧電素子と固定部材との境界が見える方向から振動板を側面視した図である。
【００４８】
上記第１の実施形態に係る圧電ファン１０１では、振動板１１１における上記隙間Ｇの区間の剛性を上げるため、補強板１５１、１５２を備えていたが、本実施形態の圧電ファン２０１は、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示すガラスエポキシ製の固定板２１３を備えている。固定板２１３は、この隙間Ｇを跨ぐように、第１端部が振動板１１１における圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの接合箇所の幅方向の両側に接合される補強部２１４Ａ、２１４Ｂを有する。
【００４９】
ここで、圧電ファン１０の送風能力と本実施形態の圧電ファン２０１の送風能力とを比較する。圧電ファン１０と圧電ファン２０１に対して各圧電素子の電極と振動板との間に共振周波数の２４Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加した条件で、各ブレード先端の振幅を測定した実験結果について以下説明する。
なお、この実験では、圧電ファン１０を構成する振動板１１と圧電素子１２Ａ、１２Ｂと固定板１３との各寸法や各材質を、圧電ファン２０１を構成する振動板１１１と圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂと固定板２１３から補強部２１４Ａ、２１４Ｂを除いた部分との各寸法や各材質と同じにして測定した。
【００５０】
実験により、非特許文献１の圧電ファン１０では共振周波数が８９．１Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が８．０ｍｍであるのに対し、本実施形態の圧電ファン２０１では共振周波数が８９．８Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が８．６ｍｍにまで増大することが明らかとなっている。即ち、本実施形態の圧電ファン２０１は、非特許文献１の圧電ファン１０と比べて平均振幅及び周波数共が増大していることから、送風能力が大幅に向上することが実験により明らかとなっている。
【００５１】
以上の実験結果も、固定板２１３の補強部２１４Ａ、２１４Ｂを振動板１１１に接合することにより、振動板１１１における上記隙間Ｇの区間の剛性が増し、第１実施形態の圧電ファン１０１と同じ現象が起こるためであると考えられる。
【００５２】
以上より、本実施形態の圧電ファン２０１によれば、ブレード１４１の送風能力を非特許文献１の圧電ファン１０より高めることができる。従って、図６に示すように、本実施形態の圧電ファン２０１の振動板１１１の固定端部をヒートシンク２０の上部に固定することによって冷却装置を構成した場合、当該冷却装置の冷却能力を向上させることができる。
また、振動板１１１を折り曲げることで当該冷却装置の外形形状を低背化できるため、当該冷却装置全体の大型化を抑えつつ冷却能力を高めることができる。
【００５３】
《第３の実施形態》
図１１は、比較例であり圧電ファン１０の変形例である圧電ファン３０の構成を示す斜視図である。図１２は、第３の実施形態に係る圧電ファン３０１の構成を示す斜視図であり、図１３は、同圧電ファン３０１の構成を示す側面図である。図１４は、同圧電ファン３０１を備える冷却装置３の構成を示す斜視図である。
なお、図１３の側面図は、圧電素子と固定部材との境界が見える方向から振動板を側面視した図である。
【００５４】
まず、圧電ファン１０の変形例である圧電ファン３０の送風能力と本実施形態の圧電ファン３０１の送風能力とを比較するため、圧電ファン３０の構成について以下説明する。
【００５５】
圧電ファン３０が圧電ファン１０と相違する点は、振動板の形状であり、その他の構成については同じである。図１１に示すように、振動板３１１は、幅４５ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚み０．１ｍｍのステンレススチール製の板をプレス金型で打ち抜いて切欠部１１８を形成したものである。これにより、振動板３１１は、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂが貼付られた両側、具体的には、ブレードの長手方向に対して垂直な方向に位置する両側が除去された形状となる。振動板３１１は、圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂの貼付部分の幅が３５ｍｍであり、その他の寸法については振動板１１１と同じである。
【００５６】
そして、図１２、図１３に示す本実施形態の圧電ファン３０１が比較例の圧電ファン３０と相違する点は、振動板３１１における隙間Ｇの区間の剛性を上げるために、ガラスエポキシ製の補強板３１３を備えた点であり、その他の構成については同じである。補強板３１３は、この隙間Ｇを跨ぐように、第１端部が圧電素子１１２Ａの固定板１１３側の端部に接合され、第２端部が振動板３１１の固定端部を固定板１１３と両面から挟むように振動板３１１の固定端部に接合されている。なお、補強板３１３の厚みは、０．１ｍｍである。
【００５７】
次に、圧電ファン３０の送風能力と本実施形態の圧電ファン３０１の送風能力とを比較する。圧電ファン３０と圧電ファン３０１に対して各圧電素子の電極と振動板との間に共振周波数の２４Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加した条件で、各ブレード先端の振幅を測定した実験結果について以下説明する。
【００５８】
実験により、圧電ファン３０では共振周波数が８２．０Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が９．０ｍｍであるのに対し、本実施形態の圧電ファン３０１では共振周波数が８４．１Ｈｚで全ブレード先端の平均振幅が９．５ｍｍにまで増大することが明らかとなっている。即ち、本実施形態の圧電ファン３０１によれば、圧電ファン３０と比べて平均振幅及び周波数共が増大していることから、送風能力が大幅に向上することが実験により明らかとなっている。
【００５９】
以上の実験結果も、補強板３１３を振動板３１１に配置することにより、振動板３１１における上記隙間Ｇの区間の剛性が増し、第１実施形態の圧電ファン１０１と同じ現象が起こるためであると考えられる。
【００６０】
続いて、圧電ファン３０１の通風性について述べる。図１４に示すように、振動板３１１の固定端部は、ヒートシンク２０の放熱フィン２２間の溝に７枚のブレード１４１のそれぞれが挿入され、且つ切欠部１１８が放熱フィン２２の溝の上方にくる状態で、ヒートシンク２０の上部に固定される。これにより、本実施形態では、圧電ファン３０１とヒートシンク２０を備えた冷却装置３を構成している。この構成において、圧電ファン３０１を駆動させてブレード１４１が揺動した際、切欠部１１８の存在により、次のような気流が生じる。即ち、冷気が切欠部１１８の上方から放熱フィン２２及び放熱フィン２２間の溝に流入する気流、又は放熱フィン２２間で暖められた暖気が切欠部１１８の下方から上方へ抜ける気流が生じる。このため、本実施形態の圧電ファン３０１によれば、圧電ファン３０１の送風能力の向上に加え、放熱フィン２２への通風性も向上させることができる。
【００６１】
以上より、本実施形態の圧電ファン３０１によれば、ブレード１４１の送風能力を高めるとともに放熱フィン２２への通風性を向上させて、冷却能力を大幅に向上させることができる。
また、振動板３１１を折り曲げることで当該冷却装置の外形形状を低背化できるため、当該冷却装置全体の大型化を抑えつつ冷却能力を高めることができる。
【００６２】
《その他の実施形態》
以上の実施形態では振動板１１１や振動板３１１を放熱フィン２２間の溝側へ折り曲げた圧電ファン１０１、２０１、３０１を示したが、図１５（Ａ）のに示すように、振動板１１１や振動板３１１を折り曲げずにそのまま用いた圧電ファン４０１を用いても構わない。また、図１５（Ｂ）に示すように、振動板１１１や振動板３１１を所望の角度（例えば４５度）に折り曲げ圧電ファン５０１を用いても構わない。
【００６３】
また、以上の実施形態では、振動板１１１の両面に圧電素子１１２Ａ、１１２Ｂを接合したバイモルフ型の圧電ファン１０１、２０１、３０１を示したが、実施の際は、図１６（Ａ）（Ｂ）に示すように振動板１１１の上面のみに圧電素子１１２Ａを接合したユニモルフ型の圧電ファン６０１や、図１７（Ａ）（Ｂ）に示すように振動板１１１の下面のみに圧電素子１１２Ｂを接合したユニモルフ型の圧電ファン７０１を用いても構わない。
なお、この圧電ファン７０１は、補強板１５１、１５２の代わりに、第１端部が振動板１１１における圧電素子１１２Ｂの接合区間内にきて、第２端部が振動板１１１における固定板１１３の接合区間内にくる振動板１１１の上面の位置に接合したステンレススチール製の補強板１５３を備えている。
【００６４】
また、以上の実施形態では複数枚のブレードを自由端側に形成した振動板１１１や振動板３１１を用いたが、実施の際は、自由端側が複数枚のブレードに分かれていない振動板を用いても構わない。
【００６５】
また、以上に示した各実施形態において、ブレード１４１はステンレススチール以外にリン青銅などバネ性の高い金属板や樹脂板を用いてもよい。
【００６６】
なお、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６７】
１、３、９…冷却装置
１０…圧電ファン
１１…振動板
１２Ａ、Ｂ…圧電素子
１３…固定板
１４…ブレード
１５…ネジ
２０…ヒートシンク
２１…ベース部
２２…放熱フィン
３０…圧電ファン
５０…発熱体
１０１…圧電ファン
１１１…振動板
１１２Ａ、Ｂ…圧電素子
１１３…固定板
１１４…ブレード
１１５…ネジ
１１８…切欠部
１４１…ブレード
１５１、１５２…補強板
１５３…補強板
２０１…圧電ファン
２１３…固定板
２１４Ａ、Ｂ…補強部
３０１…圧電ファン
３１１…振動板
３１３…補強板
４０１、５０１、６０１、７０１…圧電ファン
Ｇ…隙間
Ｐ…回路基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧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前記圧電素子の伸縮により共振周波数で屈曲する振動板であって、その屈曲により揺動される振動板と、
前記振動板の固定端部を別部材に固定する固定部材と、
前記圧電素子と前記固定部材との境界が見える方向から前記振動板を側面視して、第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合区間内にきて、第２端部が前記振動板における前記固定部材の接合区間内にくるように、前記振動板に配置された補強部材と、を備えた圧電ファン。
【請求項２】
前記補強部材は、前記第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合箇所の幅方向の両側に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合された、請求項１に記載の圧電ファン。
【請求項３】
前記補強部材は、前記固定部材の一部であり、前記第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合箇所の幅方向の両側に接合された、請求項１に記載の圧電ファン。
【請求項４】
前記補強部材は、前記第１端部が前記圧電素子の前記固定部材側の端部に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合された、請求項１に記載の圧電ファン。
【請求項５】
前記振動板は、前記圧電素子の接合個所の幅方向の両側に除去領域を有する、請求項４に記載の圧電ファン。
【請求項６】
前記補強部材は、前記第１端部が前記振動板を前記圧電素子と両面から挟むように前記振動板に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合された、請求項１に記載の圧電ファン。
【請求項７】
前記圧電素子は、前記振動板の両面を挟む位置に２つ接合された、請求項１〜５のいずれかに記載の圧電ファン。
【請求項８】
発熱体で発せられる熱を放熱する放熱器に前記固定部材が固定される、請求項1〜７のいずれかに記載の圧電ファン。
【請求項９】
請求項８に記載の圧電ファンと、
前記放熱器と、を備え、
前記放熱器は、複数の放熱フィンを有するヒートシンクであり、
前記振動板は、複数のブレードが自由端側に形成された形状であり、
前記固定部材は、前記ヒートシンクの前記複数の放熱フィン間の溝に前記複数のブレードのそれぞれが挿入される状態で、前記振動板の固定端部を前記ヒートシンクの上部に固定された、冷却装置。
【請求項１０】
前記振動板は、前記複数のブレードが前記放熱フィン間の溝側へ折り曲げられた形状とした、請求項９に記載の冷却装置。
【請求項１】
電圧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前記圧電素子の伸縮により共振周波数で屈曲する振動板であって、その屈曲により揺動される振動板と、
前記振動板の固定端部を別部材に固定する固定部材と、
前記圧電素子と前記固定部材との境界が見える方向から前記振動板を側面視して、第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合区間内にきて、第２端部が前記振動板における前記固定部材の接合区間内にくるように、前記振動板に配置された補強部材と、を備えた圧電ファン。
【請求項２】
前記補強部材は、前記第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合箇所の幅方向の両側に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合された、請求項１に記載の圧電ファン。
【請求項３】
前記補強部材は、前記固定部材の一部であり、前記第１端部が前記振動板における前記圧電素子の接合箇所の幅方向の両側に接合された、請求項１に記載の圧電ファン。
【請求項４】
前記補強部材は、前記第１端部が前記圧電素子の前記固定部材側の端部に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合された、請求項１に記載の圧電ファン。
【請求項５】
前記振動板は、前記圧電素子の接合個所の幅方向の両側に除去領域を有する、請求項４に記載の圧電ファン。
【請求項６】
前記補強部材は、前記第１端部が前記振動板を前記圧電素子と両面から挟むように前記振動板に接合され、前記第２端部が前記振動板の固定端部を前記固定部材と両面から挟むように前記振動板の固定端部に接合された、請求項１に記載の圧電ファン。
【請求項７】
前記圧電素子は、前記振動板の両面を挟む位置に２つ接合された、請求項１〜５のいずれかに記載の圧電ファン。
【請求項８】
発熱体で発せられる熱を放熱する放熱器に前記固定部材が固定される、請求項1〜７のいずれかに記載の圧電ファン。
【請求項９】
請求項８に記載の圧電ファンと、
前記放熱器と、を備え、
前記放熱器は、複数の放熱フィンを有するヒートシンクであり、
前記振動板は、複数のブレードが自由端側に形成された形状であり、
前記固定部材は、前記ヒートシンクの前記複数の放熱フィン間の溝に前記複数のブレードのそれぞれが挿入される状態で、前記振動板の固定端部を前記ヒートシンクの上部に固定された、冷却装置。
【請求項１０】
前記振動板は、前記複数のブレードが前記放熱フィン間の溝側へ折り曲げられた形状とした、請求項９に記載の冷却装置。
【図２】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１】
【図３】
【図４】
【図６】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１】
【図３】
【図４】
【図６】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−１８５２１１（Ｐ２０１１−１８５２１１Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３３４４（Ｐ２０１０−５３３４４）
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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