圧電駆動体及び圧電ブロア
【課題】量産性の高い矩形状の圧電素子を用いながらも、変位が大きく、且つ、圧電素子の角部の剥がれやダイヤフラムの疲労などの問題を解消した圧電駆動体及びそれを備えた圧電ブロアを構成する。
【解決手段】円板状の中間板５３の表面に矩形板状の圧電素子５２を貼り付け、振動部が円形のダイヤフラム５１の中央に中間板５３を貼り付けて、これら圧電素子５２、中間板５３、及びダイヤフラム５１はそれぞれ同心軸関係に配置する。ダイヤフラム５１と中間板５３の間で円形状に剛性差が与えられ、ダイヤフラム５１に直接矩形圧電体を貼り合わせた場合に比べて変位の状態を均一にして変位が低下するのを防止できる。また矩形板状圧電素子５２の角部に応力が集中するのを防ぐことができ、信頼性を高めることができる。さらに矩形板状の圧電素子を使用できるため、製造が容易で低コスト化が図れる。
【解決手段】円板状の中間板５３の表面に矩形板状の圧電素子５２を貼り付け、振動部が円形のダイヤフラム５１の中央に中間板５３を貼り付けて、これら圧電素子５２、中間板５３、及びダイヤフラム５１はそれぞれ同心軸関係に配置する。ダイヤフラム５１と中間板５３の間で円形状に剛性差が与えられ、ダイヤフラム５１に直接矩形圧電体を貼り合わせた場合に比べて変位の状態を均一にして変位が低下するのを防止できる。また矩形板状圧電素子５２の角部に応力が集中するのを防ぐことができ、信頼性を高めることができる。さらに矩形板状の圧電素子を使用できるため、製造が容易で低コスト化が図れる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電素子によって屈曲変形するダイヤフラムを有する圧電駆動体、及びそれを備えた圧電ブロアに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ポンプ、アクチュエータ、スピーカ、ブザー等の駆動体として、圧電素子を利用した小型且つ低消費電力の圧電駆動体が知られている。
【０００３】
圧電駆動体としては、圧電素子単体でも駆動可能であるが、圧電素子の変位はあまり大きくないので、圧電素子よりも大面積の例えば金属薄板からなるダイヤフラムに圧電素子を貼り付けて、ダイヤフラムを大きく変位させる構成が知られている。
【０００４】
圧電駆動体には、ユニモルフやバイモルフ構造などがあるが、いずれの場合も、一般的には円形の金属ダイヤフラムに円形の圧電板を貼り合わせて周辺を環状に保持し、変位状態が同心円状に均一になるように駆動される。
【０００５】
このような構造の圧電駆動体は、圧電材料を成形し、焼成して圧電体を得、得られた圧電体を必要に応じて表面の平行度を出すためにラップ加工し、洗浄乾燥して表裏面に電極形成し、両電極間に電圧を印加して分極し、そして金属ダイヤフラムに貼り合わせる、という工程で製造される。
【０００６】
圧電体を円形にするために、焼成後に外周研磨して加工する方法もあるが、これは非常に手間がかかると同時に研磨時のダメージによりクラックが発生してしまうため、初めから円形の圧電体として焼き上げるのが好ましい。
【０００７】
ところが、そうすると、上記の加工の流れにおいて圧電体を１つ１つ個別に取り扱って加工せざるを得ず、加工の手間とコストが掛かってしまう。このことは製品の小型化に伴なって顕著になり、特に加工の取り扱いが非常に難しくなってしまう。
【０００８】
さらには、後から圧電体の外形形状を加工できないため、分極して特性を確認した後に共振周波数を所望の値に調整することや、その他の金属部材の厚みがずれた場合に圧電体の寸法で調整するといったことは困難である。
【０００９】
一方、例えば、特許文献１では、方形板状の圧電素子またはその四隅を切り落とした形状の圧電素子が金属薄板に貼り付けられた圧電振動子が開示されている。
【００１０】
図１（Ａ）は、特許文献１に示されている圧電振動子の平面図、図１（Ｂ）はその正面図である。この例では、両面に電極５Ａ，５Ｂを形成した方形板圧電素子６を、方形板状の金属板４に貼り付けている。
【特許文献１】実開昭６０−１１４４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
一般的に圧電フィルタや発振子などで用いられる手法として、圧電体形状を矩形板状として、大基板（マザー基板）で加工を進めておいて完成品に組み込む前に個別の圧電素子に切り出す方法が考えられる。この方法によれば加工が容易になるとともに取り個数を多くすることでコストが下がり、またカット寸法を変えることで周波数の調整も可能である。
【００１２】
しかし、このような矩形圧電体のベンディング状態は、角部は変位が大きいが辺中央部は変位が小さい状態になって、変位が不均一になってしまう。
【００１３】
図２は、圧電素子を圧電素子と同じ寸法の金属ダイヤフラムに貼り合わせた場合の変位状態を示す図である。図２（Ａ）は円板状圧電素子の変位状態、図２（Ｂ）は矩形（方形）圧電素子の変位状態をそれぞれＦＥＭ解析した結果である。円板状圧電素子では、図２（Ａ）に示すように、ベンディング振動によって中心点を垂直に通る直線を中心とする回転対称形で均一に振動する。矩形圧電素子では図２（Ｂ）に示すように、圧電素子の角部での変位は大きいが、圧電素子の辺中央部での変位は小さくなってしまい、ダイヤフラムに対して変位が均一に伝わらず、ダイヤフラム内で均一な変位状態にならない。その結果、圧電駆動体としての効率が低く、変位も小さなものとなってしまう。また、圧電素子の角部に応力が集中して、圧電素子の角部がダイヤフラムから剥がれたり、ダイヤフラムと圧電素子の角部との接触部に疲労破壊が生じたりする問題がある。
【００１４】
この発明の目的は、量産性の高い矩形状の圧電素子を用いながらも、変位が大きく、且つ、圧電素子角部の剥がれやダイヤフラムの疲労などの問題を解消した圧電駆動体及びそれを備えた圧電ブロアを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
（１）ダイヤフラムと、当該ダイヤフラムを振動させる圧電素子とを備えた圧電駆動体において、
前記圧電素子は矩形板状を成し、
前記ダイヤフラムの振動部は前記圧電素子より大きな面積を有し、
前記ダイヤフラムの振動部と前記圧電素子との間に少なくとも平面外形が円形である中間板を備えたことを特徴とする。
【００１６】
この構成により、ダイヤフラムと中間板との間で円形状に剛性差ができるため、剛性差が生じている部分で、ダイヤフラムが変形し易くなり、ダイヤフラムとして均一な変位が得られ、大きな変位を維持できる。また、円形の中間板内は均一な変位状態となるので、圧電素子の角部に応力が集中しなくなり、圧電素子の角部がダイヤフラムから剥がれたり、ダイヤフラムが疲労破壊したりするという問題が生じない。
【００１７】
（２）前記ダイヤフラムの振動部は円形とし、前記中間板は前記ダイヤフラムの振動部に対して同軸関係に配置する。
【００１８】
これにより、矩形状の圧電素子の変位がダイヤフラムに対して、その中から放射方向に均一に伝わるため、より大きな変位が得られる。
【００１９】
（３）前記中間板は円環状であり、
前記中間板の中心に対して等角度間隔で等距離位置に前記圧電振動子を複数個配置する。
【００２０】
この構成により、最も変位の大きい中央部分に圧電素子が構成されないため、ダイヤフラムの振幅を大きくできるとともに圧電素子の破損が防止できる。
【００２１】
（４）また、この発明の圧電ブロアは、前記のいずれかに記載の圧電駆動体と、そのダイヤフラムを一方の壁部とし、他方の壁部に流体の流路を設けたブロア室とを備えたものとする。
【００２２】
この構成により、ダイヤフラムの変位が大きくなり、流量の大きな圧電ブロアが得られる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、ダイヤフラムと中間板との間で円形状に剛性差ができるため、剛性差が生じている部分で、ダイヤフラムが変形し易くなり、ダイヤフラムとして均一な変位が得られ、大きな変位を維持できる。また、円形の中間板内は均一な変位状態となるので、圧電素子の角部に応力が集中しなくなり、圧電素子の角部がダイヤフラムから剥がれたり、ダイヤフラムが疲労破壊したりするという問題が生じない。その結果、矩形状の圧電素子を駆動部に用いることができるので、製造が容易で低コスト化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
《第１の実施形態》
図３は第１の実施形態に係る圧電駆動体５０の構成を示す図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は正面図である。
【００２５】
円板状の中間板５３の表面には矩形板状の圧電素子５２を貼り付けている。また、中間板５３は振動部が円形のダイヤフラム５１に貼り付けている。これら圧電素子５２、中間板５３、及びダイヤフラム５１はそれぞれ同心軸関係に配置している。なお、ダイヤフラム５１は矩形でもよいが、例えば外周が固定されるなどして、実質的に振動する振動部が円形状であればよい。
【００２６】
この圧電駆動体５０は次のようにして製造した。まず、一辺５．３ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの矩形板状の圧電素子５２を、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金（４２アロイ）からなり、外径φ７．８ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍの円板状の中間板５３に接着した。次に、中間板５３を、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金（４２アロイ）からなり、厚さ０．０５ｍｍのダイヤフラムの中央に接着し、ダイヤフラムの振動部の直径を１１ｍｍとして、その外周の環状部（拘束部）を保持した。図３ではダイヤフラム５１については、その振動部のみを表している。
【００２７】
第１の実施形態に係る圧電駆動体５０はユニモルフ構造であるが、この場合ベンディング振動の効率を考えると、ダイヤフラムの剛性、中間板の剛性、圧電体の剛性に関して、以下のような関係にするとより好ましい。
【００２８】
圧電体の剛性が、ダイヤフラムの剛性と中間板の剛性との合計の剛性よりも大きい場合、圧電体の一部が屈曲動作に対して逆に動作するため駆動体の変位が小さくなったり、消費電力が増えたりする。
【００２９】
つまりダイヤフラムの曲げ剛性をＳｄ、中間板の曲げ剛性をＳｉ、圧電体の曲げ剛性をＳｐとすると、
Ｓｄ＋Ｓｉ ≧ Ｓｐ の関係とするのが好ましい。
ここで「曲げ剛性」は、材質のヤング率と、主に平面・断面の形状、寸法で定まる係数との積に比例したものである。
【００３０】
また、中間板の曲げ剛性Ｓｉは圧電体の曲げ剛性Ｓｐより小さい方が望ましい。中間板の曲げ剛性Ｓｉが大きすぎると、圧電体が十分な屈曲動作をすることができないため変位が減少する。
【００３１】
つまり Ｓｉ ≦ Ｓｐ とするのが好ましい。
【００３２】
また、圧電素子５２が矩形板状であるので、その矩形に内接する円の内部（圧電素子５２が載っている部分）はどの位置においても剛性の関係は同じであるので均一にベンディング振動しようとする。しかし上記内接円の外側（圧電素子５２が載っていない領域）では、圧電素子５２の各部付近はベンディング振動しようとするが、圧電体のない部分はベンディングしないことになり、変位状態に差が生じる。
【００３３】
そこで、確実に、円形状の中間板によって均一に変位させることを考えると、ダイヤフラムと中間板との間で剛性差をつけて中間板の剛性を大きくすればよい。また、ダイヤフラムの剛性が大きいと駆動体としての変位が阻害されやすいので、
Ｓｄ ≦ Ｓｉ とするとよい。
【００３４】
よって、ここでダイヤフラム５１の曲げ剛性をＳｄ、圧電素子５２の曲げ剛性をＳｐ、中間板５３の曲げ剛性をＳｉで表した場合、ベンディング振動の効率を高めるために、
Ｓｄ ＋ Ｓｉ ≧ Ｓｐ ≧ Ｓｉ
また円形中間板によって均一に変位させダイヤフラムの変位を大きくするために、
Ｓｄ ≦ Ｓｉ
とするのが好ましい。
【００３５】
この圧電駆動体５０の特性を求めるために、比較例として、次の２つの圧電駆動体を作成した。
【００３６】
［比較例１：圧電素子・中間板がともに円板状であるもの］
外径φ７．６ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの円板状圧電素子と、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金からなり、外径φ７．８、厚さ０．０５ｍｍの円板状中間板と、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金からなり、厚さ０．０５ｍｍのダイヤフラムの中央に接着した。そして、枠体でダイヤフラムの外周を保持して、ダイヤフラムの振動部の直径を１１ｍｍとした。
【００３７】
［比較例２：圧電素子・中間板がともに矩形板状であるもの］
□一辺が５．３ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの矩形板状圧電素子と、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金からなり、一辺５．５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍの矩形状中間板と、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金（４２アロイ）からなり、厚さ０．０５ｍｍのダイヤフラムの中央に接着した。そして、枠体でダイヤフラムの外周を保持して、ダイヤフラムの振動部の直径を１１ｍｍとした。
【００３８】
なお、矩形板状圧電素子の一辺を５．３ｍｍとしたのは、対向する頂点間の距離が約７．５ｍｍと円の直径に近いためである。また、矩形板状中間板の材質及び大きさ（一辺及び厚み）を第１実施形態と同じにしたのは、圧電駆動体としての厚みや、圧電素子との厚みの比率が変わることにより、周波数や変位状態が異なってしまうためである。
【００３９】
図４（Ａ）は、第１の実施形態に係る圧電駆動体の変位特性、図４（Ｂ）は比較例１の圧電駆動体の変位特性、図４（Ｃ）は比較例２の圧電駆動体の変位特性である。
いずれも、３次モードの共振周波数で駆動させた。
【００４０】
図４において、横軸はダイヤフラムの振動部の所定方向の径上の位置であり、中央がダイヤフラムの中心位置である。縦軸はダイヤフラムの変位量（振幅）である。現れている４本の曲線は、図３に示した０度方向の直径（ａ−ａ）、４５度方向の直径（ｂ−ｂ）、９０度方向の直径（ｃ−ｃ）、１３５度方向の直径（ｄ−ｄ）についての変位をそれぞれ表している。
【００４１】
図４（Ａ）に示したように、第１の実施形態に係る圧電駆動体は、矩形板状圧電体を使用しているにもかかわらず、円板状圧電体を用いた場合に図４（Ｂ）と同様に、上記４本の曲線は左右対称形で揃っていて殆ど重なっている。このことからダイヤフラムの振動部の変位分布の形状が均一な同心円状になっていることが分かる。また、ダイヤフラムの中央の振幅についても、図４（Ｂ）とほぼ同等の振幅が得られることが分かる。
【００４２】
これに対して、圧電素子・中間板がともに矩形状である比較例２の圧電駆動体では、図４（Ｃ）に示したように、上記４本の曲線は左右非対称形で不揃いになっている。このことからダイヤフラムの振動部の変位分布の形状が不均一になっていることが分かる。また、ダイヤフラムの中央の振幅は図４（Ａ）に比べて１／５程度にしかならないことが分かる。
【００４３】
ダイヤフラム上に矩形板状の圧電素子を配すると、ダイヤフラムの振動部に矩形状に剛性差ができてしまい、その矩形の角部で変位状態が均一でなくなってしまうが、圧電素子とダイヤフラムとの間に円形の中間板を配することによって、ダイヤフラムと中間板との間でまず円形状に剛性差がつき、より剛性の低いダイヤフラムと円形中間板の境界部で変形しやすくなる。その結果、図４（Ａ）に示したように、矩形板状圧電素子を使用しても、矩形板状圧電素子の変位の不均一さの影響を受けずに、ダイヤフラム全体がより均一な状態で変位することができる。
【００４４】
なお、圧電素子５２の面積は中間板５３の面積より大きく、平面視状態で圧電素子５２の角部が中間板５３よりもはみ出ていてもよい。この構造により、大きな圧電素子が利用できるので、変位をより大きくすることができる。さらに、圧電素子５２の角部が中間板５３の周縁よりも外側にはみ出すことになるので、例えば、ダイヤフラム５１に中間板５３及び圧電素子５２を貼り付けた後、すなわち圧電駆動体の完成後でも、圧電素子の角部を削って周波数を容易に調整・変更することができる。
【００４５】
《第２の実施形態》
第２の実施形態は、第１の実施形態とは異なる大きさの矩形板状圧電素子を用いた例である。
第１の実施形態では、一辺が５．３ｍｍの矩形板状圧電素子を用いたが、第２の実施形態では、一辺が４．３ｍｍの矩形板状圧電素子を用いた。その他の構成は第１の実施形態の場合と同様である。但し、圧電素子が小さくなることで、第１の実施形態での共振周波数が２４．８ｋＨｚであったのに対し、第２の実施形態では共振周波数は２４．３ｋＨｚに変化した。
【００４６】
図５は第２の実施形態に係る圧電駆動体の変位特性である。図４（Ａ）に示した第１の実施形態の場合と同様に、ダイヤフラムの振動部の変位分布の形状が均一な同心円状になっていることが分かる。また、ダイヤフラムの中央の振幅についても、圧電素子・中間板がともに円板状である圧電駆動体とほぼ同等の振幅が得られることが分かる。また、図４（Ａ）に示した例より大きな振幅が得られている。これは、圧電素子の一辺の大きさが小さくなったことで、圧電素子の端部が圧電駆動体の振動の腹の位置から離れて、屈曲しやすくなったためと考えられる。
【００４７】
以上のことから、矩形板状圧電素子の一辺の長さを変えることにより、周波数を容易に変更することができるとともに、第１の実施形態と同等の効果が得られるのがわかる。
【００４８】
《第３の実施形態》
図６は第３の実施形態に係る圧電駆動体の構成を示す図であり、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は正面図である。
【００４９】
第１・第２の実施形態では、円板状の中間板を用い、その中央に圧電素子を貼り付けたが、第３の実施形態では円環状の中間板５４を用い、圧電素子５２ａ，５２ｂを中間板５４の中心に対して対称な位置に配置し、中間板５４をダイヤフラム５１の中央に貼り付けている。図６においては、ダイヤフラムは、その円形の振動部のみを表している。ここでは圧電素子を中間板５４の円環状部分の幅よりも小さな辺を有する大きさにしている。二つの圧電素子５２ａ，５２ｂは同相で駆動する。
【００５０】
この構成により、第１・第２の実施形態の場合と同様の効果を奏する。また圧電素子５２ａ，５２ｂをダイヤフラムの駆動部の周辺部位に配置したことにより、最も変位の大きな中央部分に圧電素子がなく、ダイヤフラムの振幅を大きくできるとともに圧電素子の破損が防止できる。
【００５１】
特に圧電駆動体を３次共振モードで駆動させ、かつダイヤフラムの中央部分の固有振動周波数を圧電駆動体の駆動周波数と合わせるような内径とすると、ダイヤフラムの中央部分の変位が大きくなるため好ましい。
【００５２】
図７は第３の実施形態に係る別の圧電駆動体の構成を示す平面図である。この例では圧電素子５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄを中間板５４の中心に対して等角度間隔で等距離位置に配置し、中間板５４をダイヤフラム５１の中央に貼り付けている。この実施形態における圧電素子５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄは、円環状中間板５４の円環状部分の幅よりも小さな辺を有するように構成されている。
【００５３】
このように４つの圧電素子を設けた場合にも第１・第２の実施形態の場合と同様の効果を奏する。さらに、同様に３つの圧電素子を１２０度角度間隔で配置してもよい。
【００５４】
なお、第３の実施形態において、圧電素子は中間板の円環状部分の幅よりも小さな辺を有する圧電素子を用いているが、中間板の中心部分において圧電素子が相互に重なりあわなければ、圧電素子は円環状部分の幅よりも大きな辺を有していてもよい。
【００５５】
《第４の実施形態》
第４の実施形態に係る圧電ブロアについて、図８〜図１１を参照して説明する。
図８は第４の実施形態に係る圧電ブロアの外観斜視図、図９はその分解斜視図、図１０はその断面図である。
【００５６】
この圧電ブロア１００は、電子機器の空冷用ブロアとして用いる例であり、天板（第２壁部）１０、流路形成板２０、セパレータ（第１壁部）３０、ブロア枠体４０、ダイヤフラム５１及び底板６０が上方から順に積層固定されている。
【００５７】
ダイヤフラム５１の外周部は、ブロア枠体４０と底板６０との間で接着固定されている。ダイヤフラム５１を除く部品１０，２０，３０，４０，６０はブロア本体１を構成している。
【００５８】
天板１０は四角形平板で形成されていて、その中心部には表裏に貫通する第２開口部１１が形成されている。
【００５９】
流路形成板２０も天板１０と同一外形を有する平板であり、その中央部には第２開口部１１より大径な中央孔２１が形成されている。中央孔２１から４つのコーナ部に向かつて放射方向に延びる４本の流入通路２２が形成されている。
【００６０】
セパレータ３０も天板１０と同一外形を有する平板であり、その中心部には第２開口部１１と対向する位置に、第２開口部１１とほぼ同一径の第１開口部３１が形成されている。４つのコーナ部近傍には、流入通路２２の外側端部と対応する位置に流入孔３２が形成されている。天板１０と流路形成板２０とセパレータ３０とを接着することにより、第２開口部１１と中央孔２１と第１開口部３１とが同一軸線上に並び、後述するダイヤフラム５１の中心部と対応している。なお、セパレータ３０の中央孔２１と対応する部分をダイヤフラム５１と共振させるため、セパレータ３０を薄肉金属板で形成するのが望ましい。
【００６１】
ブロア枠体４０も天板１０と同一外形を有する平板であり、その中心部には大径なブロア室４１が形成されている。４つのコーナ部近傍には、前記流入孔３２と対応する位置に流入孔４２が形成されている。ブロア枠体４０を間にしてセパレータ３０とダイヤフラム５１とを接着することにより、ブロア枠体４０のブロア室４１によってブロア室４１が形成される。なお、ブロア室４は閉鎖された空間である必要はなく、一部開放されていてもよい。すなわち、ブロア室４はセパレータ３０とダイヤフラム５１とで挟まれ区画された空間であればよい。
【００６２】
底板６０も天板１０と同一外形を有する平板であり、その中心部にはブロア室４１とほぼ同形の空洞部６１が形成されている。底板６０は、ダイヤフラム５１の下面に貼り付けられている中間板および圧電素子の合計厚みとダイヤフラム５１の変位量との合計より厚肉に形成されていて、圧電ブロア１００を基板などに搭載した場合でも、圧電素子が基板と接触するのを防止する。前記空洞部６１は後述するダイヤフラム５１の振動部である空洞部を形成している。底板６０の４つのコーナ部近傍には、前記流入孔３２，４２と対応する位置に流入孔６２が形成されている。
【００６３】
ダイヤフラム５１に中間板５３を介して貼着した圧電素子５２の表裏の電極間に交番電圧（正弦波または矩形波）を印加することにより、圧電素子５２が平面方向に伸縮するので、ダイヤフラム５１全体が板厚方向にベンディング振動（屈曲変形）する。
【００６４】
ダイヤフラム５１の４つのコーナ部近傍には、流入孔３２，４２，６２と対応する位置に流入孔５１ａが形成されている。これらの流入孔３２，４２，６２，５１ａによって、一端が下方に開口し、他端が流入通路２２へ通じる流入孔６２が形成される。
【００６５】
圧電ブロア１００の流入孔６２はブロア本体１の下方に向かつて開口していて、第２開口部１１は上面側に開口している。圧縮性流体を圧電ブロア１００の裏側の流入孔６２から吸い込み、表側の第２開口部１１からり吐出することができるので、燃料電池の空気供給用ブロアやＣＰＵの空冷用ブロアとして好適な構造となる。
【００６６】
図１１は、圧電ブロア１００の動作を説明する主要部の模式断面図である。図中の矢印は気体の流れを示す。
同図（Ａ）は、圧電体素子への交番電圧の非印加時の主要部を示している。このとき、ダイヤフラム５１はほぼ平坦である。
同図（Ｂ）は、交番電圧の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、ダイヤフラム５１は下に凸に屈曲するのでダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離が大きくなるので、開口部３１を介してポンプ室４１内に流入通路２２から気体が吸い込まれる。
【００６７】
同図（Ｃ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、ダイヤフラム５１は平坦に戻り、ダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離が小さくなる。このため、ポンプ室４１内の気体は開口部３１，１１を通って押し出される。この開口部１１から流出する気流には、流入通路２２の気体が巻き込まれ、また、開口部１１の外側でも、開口部１１周囲の気体が巻き込まれる。
【００６８】
同図（Ｄ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、ダイヤフラム５１は上に凸に屈曲し、ダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離が小さくなる。このため、ポンプ室４１内の気体は、開口部３１，１１を通って押し出される。この開口部１１から流出する気流には、流入通路２２の気体が巻き込まれ、また、開口部１１の外側でも、開口部１１周囲の気体が巻き込まれる。
【００６９】
同図（Ｅ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、ダイヤフラム５１は平坦に戻り、ダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離が大きくなる。このため、流入通路２２を流れる気体の一部は、開口部３１を通じてポンプ室４１内に吸い込まれる。しかしながら、流入通路２２を流れる気体のほとんどは、慣性により開口部１１から流出し続ける。
【００７０】
以上の変形をダイヤフラム５１は周期的に繰り返す。ダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離の増大により、中央孔２１、流入通路２２、流入孔３２、流入孔４２、流入孔５１ａ、および、流入孔６２を介して、ポンプ室４１の内部に気体が流入し、ダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離の減少により、ポンプ室４１、開口部３１、中央孔２１、および開口部１１を介して、圧電ブロアの外部に気体が流出する。圧電体素子を高い周波数で振動させることにより、流入通路２２を流れる気体の慣性が終息することなく、開口部１１から気体を連続して流出させられる。
【００７１】
第４の実施形態に係る圧電ブロア１００の特性を求めるために、圧電ブロア１００とその２つの比較例の圧電ブロアをそれぞれ次の条件で作成した。
【００７２】
［共通項目］
セパレータ３０：ＳＵＳ板
天板１０：ＳＵＳ板
第２開口部１１：φ０．８ｍｍ
第１開口部３１：φ０．６ｍｍ
中央孔２１：φ６ｍｍ、高さ０．５ｍｍ
ブロア室４１：高さ０．２ｍｍ、φ１１ｍｍ
圧電ブロア全体の寸法：縦１５ｍｍ×横１５ｍｍ×高さ１．４ｍｍ
駆動：１５Ｖｐｐのｓｉｎ波
［第４の実施形態の圧電ブロア１００］
中間板５３：φ７．８ｍｍの円板状
圧電素子５２：一辺５．３ｍｍの矩形板状
［比較例１：圧電素子・中間板がともに円板状である圧電ブロア］
中間板：φ７．８ｍｍの円板状
圧電素子：φ７．６ｍｍの円板状
［比較例２：圧電素子・中間板がともに矩形板状である圧電ブロア］
中間板：一辺５．５ｍｍの矩形板状
圧電素子：φ５．３ｍｍの矩形板状
この圧電ブロア１００及び比較例の圧電ブロアを、それぞれの振動部の共振周波数に合わせて駆動して特性を測定したところ次の結果を得た。
【００７３】
［第４の実施形態の圧電ブロア１００］
流量：０．１７Ｌ／ｍｉｎ
［比較例１の圧電ブロア］
流量：０．１９Ｌ／ｍｉｎ
［比較例２の圧電ブロア］
流量：０Ｌ／ｍｉｎ
このように、矩形板状の圧電素子を用いたとしても、同程度の駆動周波数において、円板状圧電素子を用いた従来構造の圧電ブロアと同等の流量が得られることが分かる。
【００７４】
また、圧電素子も中間板も矩形板状にした場合には変位状態が悪くてブロアとして動作しないこと、すなわち、円板状の中間板が非常に大きな作用効果を奏することが分かる。
【００７５】
以上に示したとおり、この発明によれば、矩形板状圧電素子とダイヤフラムとの間に円板状の中間板を配して貼り合わせ、ダイヤフラムと中間板の間で円形状に剛性差を与えることによって、ダイヤフラムに直接矩形圧電体を貼り合わせた場合に比べて変位の状態を均一にして変位が低下するのを防止でき、さらに矩形板状圧電素子の角部に応力が集中するのを防ぐことができ、信頼性を高めることができる。さらに矩形板状の圧電素子を使用できるため、製造が容易でコスト化が図れる。
【００７６】
なお、ダイヤフラムの材料としては、４２％Ｎｉ合金以外にＳＵＳ、黄銅等の種々の金属材料を用いることができる他、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料からなる樹脂板を用いることもできる。また、中間板には４２％Ｎｉ合金以外にＳＵＳ等の金属板を利用することができる他、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料からなる樹脂板を用いることができる。また、圧電駆動体の構成として、実施形態ではユニモルフ構造としたが、バイモルフ構造としてもよい。また、圧電体としては単板だけでなく、積層体を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】（Ａ）は、特許文献１に示されている圧電振動子の平面図、（Ｂ）はその正面図である。
【図２】円板状圧電素子と矩形板状圧電素子をベンディング振動ダイヤフラムにそれぞれ適用したときの振動状態の様子を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る圧電駆動体５０の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図４】（Ａ）は、第１の実施形態に係る圧電駆動体の変位特性、（Ｂ）は比較例１の圧電駆動体の変位特性、（Ｃ）は比較例２の圧電駆動体の変位特性である。
【図５】第２の実施形態に係る圧電駆動体の変位特性である。
【図６】第３の実施形態に係る圧電駆動体の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図７】第３の実施形態に係る別の圧電駆動体の構成を示す平面図である。
【図８】第４の実施形態に係る圧電ブロアの外観斜視図である。
【図９】第４の実施形態に係る圧電ブロアの分解斜視図である。
【図１０】第４の実施形態に係る圧電ブロアの断面図である。
【図１１】圧電ブロアの動作を説明する主要部の模式断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１１…第２開口部
２０…流路形成板
２１…中央孔
２２…流入通路
３０…セパレータ
３１…第１開口部
３２，４２，６２，５１ａ…流入孔
４０…ブロア枠体
４１…ブロア室
４２…流入孔
５０…圧電駆動体
５１…ダイヤフラム
５１ａ…流入孔
５２…圧電素子
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ…圧電素子
５３…中間板
５４…円環状中間板
６０…底板
６１…空洞部
６２…流入孔
１００…圧電ブロア
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電素子によって屈曲変形するダイヤフラムを有する圧電駆動体、及びそれを備えた圧電ブロアに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ポンプ、アクチュエータ、スピーカ、ブザー等の駆動体として、圧電素子を利用した小型且つ低消費電力の圧電駆動体が知られている。
【０００３】
圧電駆動体としては、圧電素子単体でも駆動可能であるが、圧電素子の変位はあまり大きくないので、圧電素子よりも大面積の例えば金属薄板からなるダイヤフラムに圧電素子を貼り付けて、ダイヤフラムを大きく変位させる構成が知られている。
【０００４】
圧電駆動体には、ユニモルフやバイモルフ構造などがあるが、いずれの場合も、一般的には円形の金属ダイヤフラムに円形の圧電板を貼り合わせて周辺を環状に保持し、変位状態が同心円状に均一になるように駆動される。
【０００５】
このような構造の圧電駆動体は、圧電材料を成形し、焼成して圧電体を得、得られた圧電体を必要に応じて表面の平行度を出すためにラップ加工し、洗浄乾燥して表裏面に電極形成し、両電極間に電圧を印加して分極し、そして金属ダイヤフラムに貼り合わせる、という工程で製造される。
【０００６】
圧電体を円形にするために、焼成後に外周研磨して加工する方法もあるが、これは非常に手間がかかると同時に研磨時のダメージによりクラックが発生してしまうため、初めから円形の圧電体として焼き上げるのが好ましい。
【０００７】
ところが、そうすると、上記の加工の流れにおいて圧電体を１つ１つ個別に取り扱って加工せざるを得ず、加工の手間とコストが掛かってしまう。このことは製品の小型化に伴なって顕著になり、特に加工の取り扱いが非常に難しくなってしまう。
【０００８】
さらには、後から圧電体の外形形状を加工できないため、分極して特性を確認した後に共振周波数を所望の値に調整することや、その他の金属部材の厚みがずれた場合に圧電体の寸法で調整するといったことは困難である。
【０００９】
一方、例えば、特許文献１では、方形板状の圧電素子またはその四隅を切り落とした形状の圧電素子が金属薄板に貼り付けられた圧電振動子が開示されている。
【００１０】
図１（Ａ）は、特許文献１に示されている圧電振動子の平面図、図１（Ｂ）はその正面図である。この例では、両面に電極５Ａ，５Ｂを形成した方形板圧電素子６を、方形板状の金属板４に貼り付けている。
【特許文献１】実開昭６０−１１４４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
一般的に圧電フィルタや発振子などで用いられる手法として、圧電体形状を矩形板状として、大基板（マザー基板）で加工を進めておいて完成品に組み込む前に個別の圧電素子に切り出す方法が考えられる。この方法によれば加工が容易になるとともに取り個数を多くすることでコストが下がり、またカット寸法を変えることで周波数の調整も可能である。
【００１２】
しかし、このような矩形圧電体のベンディング状態は、角部は変位が大きいが辺中央部は変位が小さい状態になって、変位が不均一になってしまう。
【００１３】
図２は、圧電素子を圧電素子と同じ寸法の金属ダイヤフラムに貼り合わせた場合の変位状態を示す図である。図２（Ａ）は円板状圧電素子の変位状態、図２（Ｂ）は矩形（方形）圧電素子の変位状態をそれぞれＦＥＭ解析した結果である。円板状圧電素子では、図２（Ａ）に示すように、ベンディング振動によって中心点を垂直に通る直線を中心とする回転対称形で均一に振動する。矩形圧電素子では図２（Ｂ）に示すように、圧電素子の角部での変位は大きいが、圧電素子の辺中央部での変位は小さくなってしまい、ダイヤフラムに対して変位が均一に伝わらず、ダイヤフラム内で均一な変位状態にならない。その結果、圧電駆動体としての効率が低く、変位も小さなものとなってしまう。また、圧電素子の角部に応力が集中して、圧電素子の角部がダイヤフラムから剥がれたり、ダイヤフラムと圧電素子の角部との接触部に疲労破壊が生じたりする問題がある。
【００１４】
この発明の目的は、量産性の高い矩形状の圧電素子を用いながらも、変位が大きく、且つ、圧電素子角部の剥がれやダイヤフラムの疲労などの問題を解消した圧電駆動体及びそれを備えた圧電ブロアを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
（１）ダイヤフラムと、当該ダイヤフラムを振動させる圧電素子とを備えた圧電駆動体において、
前記圧電素子は矩形板状を成し、
前記ダイヤフラムの振動部は前記圧電素子より大きな面積を有し、
前記ダイヤフラムの振動部と前記圧電素子との間に少なくとも平面外形が円形である中間板を備えたことを特徴とする。
【００１６】
この構成により、ダイヤフラムと中間板との間で円形状に剛性差ができるため、剛性差が生じている部分で、ダイヤフラムが変形し易くなり、ダイヤフラムとして均一な変位が得られ、大きな変位を維持できる。また、円形の中間板内は均一な変位状態となるので、圧電素子の角部に応力が集中しなくなり、圧電素子の角部がダイヤフラムから剥がれたり、ダイヤフラムが疲労破壊したりするという問題が生じない。
【００１７】
（２）前記ダイヤフラムの振動部は円形とし、前記中間板は前記ダイヤフラムの振動部に対して同軸関係に配置する。
【００１８】
これにより、矩形状の圧電素子の変位がダイヤフラムに対して、その中から放射方向に均一に伝わるため、より大きな変位が得られる。
【００１９】
（３）前記中間板は円環状であり、
前記中間板の中心に対して等角度間隔で等距離位置に前記圧電振動子を複数個配置する。
【００２０】
この構成により、最も変位の大きい中央部分に圧電素子が構成されないため、ダイヤフラムの振幅を大きくできるとともに圧電素子の破損が防止できる。
【００２１】
（４）また、この発明の圧電ブロアは、前記のいずれかに記載の圧電駆動体と、そのダイヤフラムを一方の壁部とし、他方の壁部に流体の流路を設けたブロア室とを備えたものとする。
【００２２】
この構成により、ダイヤフラムの変位が大きくなり、流量の大きな圧電ブロアが得られる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、ダイヤフラムと中間板との間で円形状に剛性差ができるため、剛性差が生じている部分で、ダイヤフラムが変形し易くなり、ダイヤフラムとして均一な変位が得られ、大きな変位を維持できる。また、円形の中間板内は均一な変位状態となるので、圧電素子の角部に応力が集中しなくなり、圧電素子の角部がダイヤフラムから剥がれたり、ダイヤフラムが疲労破壊したりするという問題が生じない。その結果、矩形状の圧電素子を駆動部に用いることができるので、製造が容易で低コスト化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
《第１の実施形態》
図３は第１の実施形態に係る圧電駆動体５０の構成を示す図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は正面図である。
【００２５】
円板状の中間板５３の表面には矩形板状の圧電素子５２を貼り付けている。また、中間板５３は振動部が円形のダイヤフラム５１に貼り付けている。これら圧電素子５２、中間板５３、及びダイヤフラム５１はそれぞれ同心軸関係に配置している。なお、ダイヤフラム５１は矩形でもよいが、例えば外周が固定されるなどして、実質的に振動する振動部が円形状であればよい。
【００２６】
この圧電駆動体５０は次のようにして製造した。まず、一辺５．３ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの矩形板状の圧電素子５２を、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金（４２アロイ）からなり、外径φ７．８ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍの円板状の中間板５３に接着した。次に、中間板５３を、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金（４２アロイ）からなり、厚さ０．０５ｍｍのダイヤフラムの中央に接着し、ダイヤフラムの振動部の直径を１１ｍｍとして、その外周の環状部（拘束部）を保持した。図３ではダイヤフラム５１については、その振動部のみを表している。
【００２７】
第１の実施形態に係る圧電駆動体５０はユニモルフ構造であるが、この場合ベンディング振動の効率を考えると、ダイヤフラムの剛性、中間板の剛性、圧電体の剛性に関して、以下のような関係にするとより好ましい。
【００２８】
圧電体の剛性が、ダイヤフラムの剛性と中間板の剛性との合計の剛性よりも大きい場合、圧電体の一部が屈曲動作に対して逆に動作するため駆動体の変位が小さくなったり、消費電力が増えたりする。
【００２９】
つまりダイヤフラムの曲げ剛性をＳｄ、中間板の曲げ剛性をＳｉ、圧電体の曲げ剛性をＳｐとすると、
Ｓｄ＋Ｓｉ ≧ Ｓｐ の関係とするのが好ましい。
ここで「曲げ剛性」は、材質のヤング率と、主に平面・断面の形状、寸法で定まる係数との積に比例したものである。
【００３０】
また、中間板の曲げ剛性Ｓｉは圧電体の曲げ剛性Ｓｐより小さい方が望ましい。中間板の曲げ剛性Ｓｉが大きすぎると、圧電体が十分な屈曲動作をすることができないため変位が減少する。
【００３１】
つまり Ｓｉ ≦ Ｓｐ とするのが好ましい。
【００３２】
また、圧電素子５２が矩形板状であるので、その矩形に内接する円の内部（圧電素子５２が載っている部分）はどの位置においても剛性の関係は同じであるので均一にベンディング振動しようとする。しかし上記内接円の外側（圧電素子５２が載っていない領域）では、圧電素子５２の各部付近はベンディング振動しようとするが、圧電体のない部分はベンディングしないことになり、変位状態に差が生じる。
【００３３】
そこで、確実に、円形状の中間板によって均一に変位させることを考えると、ダイヤフラムと中間板との間で剛性差をつけて中間板の剛性を大きくすればよい。また、ダイヤフラムの剛性が大きいと駆動体としての変位が阻害されやすいので、
Ｓｄ ≦ Ｓｉ とするとよい。
【００３４】
よって、ここでダイヤフラム５１の曲げ剛性をＳｄ、圧電素子５２の曲げ剛性をＳｐ、中間板５３の曲げ剛性をＳｉで表した場合、ベンディング振動の効率を高めるために、
Ｓｄ ＋ Ｓｉ ≧ Ｓｐ ≧ Ｓｉ
また円形中間板によって均一に変位させダイヤフラムの変位を大きくするために、
Ｓｄ ≦ Ｓｉ
とするのが好ましい。
【００３５】
この圧電駆動体５０の特性を求めるために、比較例として、次の２つの圧電駆動体を作成した。
【００３６】
［比較例１：圧電素子・中間板がともに円板状であるもの］
外径φ７．６ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの円板状圧電素子と、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金からなり、外径φ７．８、厚さ０．０５ｍｍの円板状中間板と、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金からなり、厚さ０．０５ｍｍのダイヤフラムの中央に接着した。そして、枠体でダイヤフラムの外周を保持して、ダイヤフラムの振動部の直径を１１ｍｍとした。
【００３７】
［比較例２：圧電素子・中間板がともに矩形板状であるもの］
□一辺が５．３ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの矩形板状圧電素子と、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金からなり、一辺５．５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍの矩形状中間板と、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金（４２アロイ）からなり、厚さ０．０５ｍｍのダイヤフラムの中央に接着した。そして、枠体でダイヤフラムの外周を保持して、ダイヤフラムの振動部の直径を１１ｍｍとした。
【００３８】
なお、矩形板状圧電素子の一辺を５．３ｍｍとしたのは、対向する頂点間の距離が約７．５ｍｍと円の直径に近いためである。また、矩形板状中間板の材質及び大きさ（一辺及び厚み）を第１実施形態と同じにしたのは、圧電駆動体としての厚みや、圧電素子との厚みの比率が変わることにより、周波数や変位状態が異なってしまうためである。
【００３９】
図４（Ａ）は、第１の実施形態に係る圧電駆動体の変位特性、図４（Ｂ）は比較例１の圧電駆動体の変位特性、図４（Ｃ）は比較例２の圧電駆動体の変位特性である。
いずれも、３次モードの共振周波数で駆動させた。
【００４０】
図４において、横軸はダイヤフラムの振動部の所定方向の径上の位置であり、中央がダイヤフラムの中心位置である。縦軸はダイヤフラムの変位量（振幅）である。現れている４本の曲線は、図３に示した０度方向の直径（ａ−ａ）、４５度方向の直径（ｂ−ｂ）、９０度方向の直径（ｃ−ｃ）、１３５度方向の直径（ｄ−ｄ）についての変位をそれぞれ表している。
【００４１】
図４（Ａ）に示したように、第１の実施形態に係る圧電駆動体は、矩形板状圧電体を使用しているにもかかわらず、円板状圧電体を用いた場合に図４（Ｂ）と同様に、上記４本の曲線は左右対称形で揃っていて殆ど重なっている。このことからダイヤフラムの振動部の変位分布の形状が均一な同心円状になっていることが分かる。また、ダイヤフラムの中央の振幅についても、図４（Ｂ）とほぼ同等の振幅が得られることが分かる。
【００４２】
これに対して、圧電素子・中間板がともに矩形状である比較例２の圧電駆動体では、図４（Ｃ）に示したように、上記４本の曲線は左右非対称形で不揃いになっている。このことからダイヤフラムの振動部の変位分布の形状が不均一になっていることが分かる。また、ダイヤフラムの中央の振幅は図４（Ａ）に比べて１／５程度にしかならないことが分かる。
【００４３】
ダイヤフラム上に矩形板状の圧電素子を配すると、ダイヤフラムの振動部に矩形状に剛性差ができてしまい、その矩形の角部で変位状態が均一でなくなってしまうが、圧電素子とダイヤフラムとの間に円形の中間板を配することによって、ダイヤフラムと中間板との間でまず円形状に剛性差がつき、より剛性の低いダイヤフラムと円形中間板の境界部で変形しやすくなる。その結果、図４（Ａ）に示したように、矩形板状圧電素子を使用しても、矩形板状圧電素子の変位の不均一さの影響を受けずに、ダイヤフラム全体がより均一な状態で変位することができる。
【００４４】
なお、圧電素子５２の面積は中間板５３の面積より大きく、平面視状態で圧電素子５２の角部が中間板５３よりもはみ出ていてもよい。この構造により、大きな圧電素子が利用できるので、変位をより大きくすることができる。さらに、圧電素子５２の角部が中間板５３の周縁よりも外側にはみ出すことになるので、例えば、ダイヤフラム５１に中間板５３及び圧電素子５２を貼り付けた後、すなわち圧電駆動体の完成後でも、圧電素子の角部を削って周波数を容易に調整・変更することができる。
【００４５】
《第２の実施形態》
第２の実施形態は、第１の実施形態とは異なる大きさの矩形板状圧電素子を用いた例である。
第１の実施形態では、一辺が５．３ｍｍの矩形板状圧電素子を用いたが、第２の実施形態では、一辺が４．３ｍｍの矩形板状圧電素子を用いた。その他の構成は第１の実施形態の場合と同様である。但し、圧電素子が小さくなることで、第１の実施形態での共振周波数が２４．８ｋＨｚであったのに対し、第２の実施形態では共振周波数は２４．３ｋＨｚに変化した。
【００４６】
図５は第２の実施形態に係る圧電駆動体の変位特性である。図４（Ａ）に示した第１の実施形態の場合と同様に、ダイヤフラムの振動部の変位分布の形状が均一な同心円状になっていることが分かる。また、ダイヤフラムの中央の振幅についても、圧電素子・中間板がともに円板状である圧電駆動体とほぼ同等の振幅が得られることが分かる。また、図４（Ａ）に示した例より大きな振幅が得られている。これは、圧電素子の一辺の大きさが小さくなったことで、圧電素子の端部が圧電駆動体の振動の腹の位置から離れて、屈曲しやすくなったためと考えられる。
【００４７】
以上のことから、矩形板状圧電素子の一辺の長さを変えることにより、周波数を容易に変更することができるとともに、第１の実施形態と同等の効果が得られるのがわかる。
【００４８】
《第３の実施形態》
図６は第３の実施形態に係る圧電駆動体の構成を示す図であり、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は正面図である。
【００４９】
第１・第２の実施形態では、円板状の中間板を用い、その中央に圧電素子を貼り付けたが、第３の実施形態では円環状の中間板５４を用い、圧電素子５２ａ，５２ｂを中間板５４の中心に対して対称な位置に配置し、中間板５４をダイヤフラム５１の中央に貼り付けている。図６においては、ダイヤフラムは、その円形の振動部のみを表している。ここでは圧電素子を中間板５４の円環状部分の幅よりも小さな辺を有する大きさにしている。二つの圧電素子５２ａ，５２ｂは同相で駆動する。
【００５０】
この構成により、第１・第２の実施形態の場合と同様の効果を奏する。また圧電素子５２ａ，５２ｂをダイヤフラムの駆動部の周辺部位に配置したことにより、最も変位の大きな中央部分に圧電素子がなく、ダイヤフラムの振幅を大きくできるとともに圧電素子の破損が防止できる。
【００５１】
特に圧電駆動体を３次共振モードで駆動させ、かつダイヤフラムの中央部分の固有振動周波数を圧電駆動体の駆動周波数と合わせるような内径とすると、ダイヤフラムの中央部分の変位が大きくなるため好ましい。
【００５２】
図７は第３の実施形態に係る別の圧電駆動体の構成を示す平面図である。この例では圧電素子５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄを中間板５４の中心に対して等角度間隔で等距離位置に配置し、中間板５４をダイヤフラム５１の中央に貼り付けている。この実施形態における圧電素子５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄは、円環状中間板５４の円環状部分の幅よりも小さな辺を有するように構成されている。
【００５３】
このように４つの圧電素子を設けた場合にも第１・第２の実施形態の場合と同様の効果を奏する。さらに、同様に３つの圧電素子を１２０度角度間隔で配置してもよい。
【００５４】
なお、第３の実施形態において、圧電素子は中間板の円環状部分の幅よりも小さな辺を有する圧電素子を用いているが、中間板の中心部分において圧電素子が相互に重なりあわなければ、圧電素子は円環状部分の幅よりも大きな辺を有していてもよい。
【００５５】
《第４の実施形態》
第４の実施形態に係る圧電ブロアについて、図８〜図１１を参照して説明する。
図８は第４の実施形態に係る圧電ブロアの外観斜視図、図９はその分解斜視図、図１０はその断面図である。
【００５６】
この圧電ブロア１００は、電子機器の空冷用ブロアとして用いる例であり、天板（第２壁部）１０、流路形成板２０、セパレータ（第１壁部）３０、ブロア枠体４０、ダイヤフラム５１及び底板６０が上方から順に積層固定されている。
【００５７】
ダイヤフラム５１の外周部は、ブロア枠体４０と底板６０との間で接着固定されている。ダイヤフラム５１を除く部品１０，２０，３０，４０，６０はブロア本体１を構成している。
【００５８】
天板１０は四角形平板で形成されていて、その中心部には表裏に貫通する第２開口部１１が形成されている。
【００５９】
流路形成板２０も天板１０と同一外形を有する平板であり、その中央部には第２開口部１１より大径な中央孔２１が形成されている。中央孔２１から４つのコーナ部に向かつて放射方向に延びる４本の流入通路２２が形成されている。
【００６０】
セパレータ３０も天板１０と同一外形を有する平板であり、その中心部には第２開口部１１と対向する位置に、第２開口部１１とほぼ同一径の第１開口部３１が形成されている。４つのコーナ部近傍には、流入通路２２の外側端部と対応する位置に流入孔３２が形成されている。天板１０と流路形成板２０とセパレータ３０とを接着することにより、第２開口部１１と中央孔２１と第１開口部３１とが同一軸線上に並び、後述するダイヤフラム５１の中心部と対応している。なお、セパレータ３０の中央孔２１と対応する部分をダイヤフラム５１と共振させるため、セパレータ３０を薄肉金属板で形成するのが望ましい。
【００６１】
ブロア枠体４０も天板１０と同一外形を有する平板であり、その中心部には大径なブロア室４１が形成されている。４つのコーナ部近傍には、前記流入孔３２と対応する位置に流入孔４２が形成されている。ブロア枠体４０を間にしてセパレータ３０とダイヤフラム５１とを接着することにより、ブロア枠体４０のブロア室４１によってブロア室４１が形成される。なお、ブロア室４は閉鎖された空間である必要はなく、一部開放されていてもよい。すなわち、ブロア室４はセパレータ３０とダイヤフラム５１とで挟まれ区画された空間であればよい。
【００６２】
底板６０も天板１０と同一外形を有する平板であり、その中心部にはブロア室４１とほぼ同形の空洞部６１が形成されている。底板６０は、ダイヤフラム５１の下面に貼り付けられている中間板および圧電素子の合計厚みとダイヤフラム５１の変位量との合計より厚肉に形成されていて、圧電ブロア１００を基板などに搭載した場合でも、圧電素子が基板と接触するのを防止する。前記空洞部６１は後述するダイヤフラム５１の振動部である空洞部を形成している。底板６０の４つのコーナ部近傍には、前記流入孔３２，４２と対応する位置に流入孔６２が形成されている。
【００６３】
ダイヤフラム５１に中間板５３を介して貼着した圧電素子５２の表裏の電極間に交番電圧（正弦波または矩形波）を印加することにより、圧電素子５２が平面方向に伸縮するので、ダイヤフラム５１全体が板厚方向にベンディング振動（屈曲変形）する。
【００６４】
ダイヤフラム５１の４つのコーナ部近傍には、流入孔３２，４２，６２と対応する位置に流入孔５１ａが形成されている。これらの流入孔３２，４２，６２，５１ａによって、一端が下方に開口し、他端が流入通路２２へ通じる流入孔６２が形成される。
【００６５】
圧電ブロア１００の流入孔６２はブロア本体１の下方に向かつて開口していて、第２開口部１１は上面側に開口している。圧縮性流体を圧電ブロア１００の裏側の流入孔６２から吸い込み、表側の第２開口部１１からり吐出することができるので、燃料電池の空気供給用ブロアやＣＰＵの空冷用ブロアとして好適な構造となる。
【００６６】
図１１は、圧電ブロア１００の動作を説明する主要部の模式断面図である。図中の矢印は気体の流れを示す。
同図（Ａ）は、圧電体素子への交番電圧の非印加時の主要部を示している。このとき、ダイヤフラム５１はほぼ平坦である。
同図（Ｂ）は、交番電圧の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、ダイヤフラム５１は下に凸に屈曲するのでダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離が大きくなるので、開口部３１を介してポンプ室４１内に流入通路２２から気体が吸い込まれる。
【００６７】
同図（Ｃ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、ダイヤフラム５１は平坦に戻り、ダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離が小さくなる。このため、ポンプ室４１内の気体は開口部３１，１１を通って押し出される。この開口部１１から流出する気流には、流入通路２２の気体が巻き込まれ、また、開口部１１の外側でも、開口部１１周囲の気体が巻き込まれる。
【００６８】
同図（Ｄ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、ダイヤフラム５１は上に凸に屈曲し、ダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離が小さくなる。このため、ポンプ室４１内の気体は、開口部３１，１１を通って押し出される。この開口部１１から流出する気流には、流入通路２２の気体が巻き込まれ、また、開口部１１の外側でも、開口部１１周囲の気体が巻き込まれる。
【００６９】
同図（Ｅ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、ダイヤフラム５１は平坦に戻り、ダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離が大きくなる。このため、流入通路２２を流れる気体の一部は、開口部３１を通じてポンプ室４１内に吸い込まれる。しかしながら、流入通路２２を流れる気体のほとんどは、慣性により開口部１１から流出し続ける。
【００７０】
以上の変形をダイヤフラム５１は周期的に繰り返す。ダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離の増大により、中央孔２１、流入通路２２、流入孔３２、流入孔４２、流入孔５１ａ、および、流入孔６２を介して、ポンプ室４１の内部に気体が流入し、ダイヤフラム５１とセパレータ３０の開口部３１との距離の減少により、ポンプ室４１、開口部３１、中央孔２１、および開口部１１を介して、圧電ブロアの外部に気体が流出する。圧電体素子を高い周波数で振動させることにより、流入通路２２を流れる気体の慣性が終息することなく、開口部１１から気体を連続して流出させられる。
【００７１】
第４の実施形態に係る圧電ブロア１００の特性を求めるために、圧電ブロア１００とその２つの比較例の圧電ブロアをそれぞれ次の条件で作成した。
【００７２】
［共通項目］
セパレータ３０：ＳＵＳ板
天板１０：ＳＵＳ板
第２開口部１１：φ０．８ｍｍ
第１開口部３１：φ０．６ｍｍ
中央孔２１：φ６ｍｍ、高さ０．５ｍｍ
ブロア室４１：高さ０．２ｍｍ、φ１１ｍｍ
圧電ブロア全体の寸法：縦１５ｍｍ×横１５ｍｍ×高さ１．４ｍｍ
駆動：１５Ｖｐｐのｓｉｎ波
［第４の実施形態の圧電ブロア１００］
中間板５３：φ７．８ｍｍの円板状
圧電素子５２：一辺５．３ｍｍの矩形板状
［比較例１：圧電素子・中間板がともに円板状である圧電ブロア］
中間板：φ７．８ｍｍの円板状
圧電素子：φ７．６ｍｍの円板状
［比較例２：圧電素子・中間板がともに矩形板状である圧電ブロア］
中間板：一辺５．５ｍｍの矩形板状
圧電素子：φ５．３ｍｍの矩形板状
この圧電ブロア１００及び比較例の圧電ブロアを、それぞれの振動部の共振周波数に合わせて駆動して特性を測定したところ次の結果を得た。
【００７３】
［第４の実施形態の圧電ブロア１００］
流量：０．１７Ｌ／ｍｉｎ
［比較例１の圧電ブロア］
流量：０．１９Ｌ／ｍｉｎ
［比較例２の圧電ブロア］
流量：０Ｌ／ｍｉｎ
このように、矩形板状の圧電素子を用いたとしても、同程度の駆動周波数において、円板状圧電素子を用いた従来構造の圧電ブロアと同等の流量が得られることが分かる。
【００７４】
また、圧電素子も中間板も矩形板状にした場合には変位状態が悪くてブロアとして動作しないこと、すなわち、円板状の中間板が非常に大きな作用効果を奏することが分かる。
【００７５】
以上に示したとおり、この発明によれば、矩形板状圧電素子とダイヤフラムとの間に円板状の中間板を配して貼り合わせ、ダイヤフラムと中間板の間で円形状に剛性差を与えることによって、ダイヤフラムに直接矩形圧電体を貼り合わせた場合に比べて変位の状態を均一にして変位が低下するのを防止でき、さらに矩形板状圧電素子の角部に応力が集中するのを防ぐことができ、信頼性を高めることができる。さらに矩形板状の圧電素子を使用できるため、製造が容易でコスト化が図れる。
【００７６】
なお、ダイヤフラムの材料としては、４２％Ｎｉ合金以外にＳＵＳ、黄銅等の種々の金属材料を用いることができる他、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料からなる樹脂板を用いることもできる。また、中間板には４２％Ｎｉ合金以外にＳＵＳ等の金属板を利用することができる他、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料からなる樹脂板を用いることができる。また、圧電駆動体の構成として、実施形態ではユニモルフ構造としたが、バイモルフ構造としてもよい。また、圧電体としては単板だけでなく、積層体を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】（Ａ）は、特許文献１に示されている圧電振動子の平面図、（Ｂ）はその正面図である。
【図２】円板状圧電素子と矩形板状圧電素子をベンディング振動ダイヤフラムにそれぞれ適用したときの振動状態の様子を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る圧電駆動体５０の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図４】（Ａ）は、第１の実施形態に係る圧電駆動体の変位特性、（Ｂ）は比較例１の圧電駆動体の変位特性、（Ｃ）は比較例２の圧電駆動体の変位特性である。
【図５】第２の実施形態に係る圧電駆動体の変位特性である。
【図６】第３の実施形態に係る圧電駆動体の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図７】第３の実施形態に係る別の圧電駆動体の構成を示す平面図である。
【図８】第４の実施形態に係る圧電ブロアの外観斜視図である。
【図９】第４の実施形態に係る圧電ブロアの分解斜視図である。
【図１０】第４の実施形態に係る圧電ブロアの断面図である。
【図１１】圧電ブロアの動作を説明する主要部の模式断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１１…第２開口部
２０…流路形成板
２１…中央孔
２２…流入通路
３０…セパレータ
３１…第１開口部
３２，４２，６２，５１ａ…流入孔
４０…ブロア枠体
４１…ブロア室
４２…流入孔
５０…圧電駆動体
５１…ダイヤフラム
５１ａ…流入孔
５２…圧電素子
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ…圧電素子
５３…中間板
５４…円環状中間板
６０…底板
６１…空洞部
６２…流入孔
１００…圧電ブロア
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤフラムと、当該ダイヤフラムを振動させる圧電素子とを備えた圧電駆動体において、
前記圧電素子は矩形板状を成し、
前記ダイヤフラムの振動部は前記圧電素子より大きな面積を有し、
前記ダイヤフラムの振動部と前記圧電素子との間に少なくとも平面外形が円形である中間板を備えたことを特徴とする圧電駆動体。
【請求項２】
前記ダイヤフラムの振動部は円形であり、前記中間板は前記ダイヤフラムの振動部に対して同心軸関係に配置された、請求項１に記載の圧電駆動体。
【請求項３】
前記中間板は円環状であり、
前記中間板の中心に対して等角度間隔で等距離位置に前記圧電素子を複数個配置した、請求項１に記載の圧電駆動体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の圧電駆動体と、当該圧電駆動体の前記ダイヤフラムを一方の壁部とし、他方の壁部に流体の流路を設けたブロア室とを備えた圧電ブロア。
【請求項１】
ダイヤフラムと、当該ダイヤフラムを振動させる圧電素子とを備えた圧電駆動体において、
前記圧電素子は矩形板状を成し、
前記ダイヤフラムの振動部は前記圧電素子より大きな面積を有し、
前記ダイヤフラムの振動部と前記圧電素子との間に少なくとも平面外形が円形である中間板を備えたことを特徴とする圧電駆動体。
【請求項２】
前記ダイヤフラムの振動部は円形であり、前記中間板は前記ダイヤフラムの振動部に対して同心軸関係に配置された、請求項１に記載の圧電駆動体。
【請求項３】
前記中間板は円環状であり、
前記中間板の中心に対して等角度間隔で等距離位置に前記圧電素子を複数個配置した、請求項１に記載の圧電駆動体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の圧電駆動体と、当該圧電駆動体の前記ダイヤフラムを一方の壁部とし、他方の壁部に流体の流路を設けたブロア室とを備えた圧電ブロア。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２９３５６６（Ｐ２００９−２９３５６６Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４９６５３（Ｐ２００８−１４９６５３）
【出願日】平成２０年６月６日（２００８．６．６）
【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２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月６日（２００８．６．６）
【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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