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JP2012182870A - Piezoelectric fan and cooling device - Google Patents

Piezoelectric fan and cooling device Download PDF

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JP2012182870A
JP2012182870A JP2011042357A JP2011042357A JP2012182870A JP 2012182870 A JP2012182870 A JP 2012182870A JP 2011042357 A JP2011042357 A JP 2011042357A JP 2011042357 A JP2011042357 A JP 2011042357A JP 2012182870 A JP2012182870 A JP 2012182870A
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JP
Japan
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diaphragm
piezoelectric
piezoelectric element
support
fixed
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Withdrawn
Application number
JP2011042357A
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Japanese (ja)
Inventor
Masayoshi Tanida
昌義 谷田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric fan used for cooling an electronic device, which is capable of obtaining higher blowing capacity than ever before at the same applied voltage as conventional ones.SOLUTION: The piezoelectric fan comprises: a plate-like piezoelectric element which expands and contracts according to application of a voltage; a plate-like diaphragm to at least one main surface of which the piezoelectric element is fixed; and a support for fixing one end of the diaphragm. One end of the diaphragm is a fixed end, and the other end is a free end. The piezoelectric element is maintained in a state where tensile stress is applied.

Description

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。   The present invention relates to a piezoelectric fan used for cooling electronic equipment.

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。   Fan devices are widely used for cooling electronic devices incorporating heat-generating components such as AV devices and computers. In recent years, there is a demand for a small and highly quiet piezoelectric fan suitable for mounting. Such a piezoelectric fan is disclosed in Patent Document 1, for example. As shown in FIG. 6, this Patent Document 1 discloses a cooling device 100 that uses a piezoelectric fan 110 that discharges warm air between a plurality of radiating fins 121 provided in a heat sink 120.

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。   As shown in FIG. 6B in particular, the piezoelectric fan 110 includes a piezoelectric element 111 that expands and contracts in response to application of a driving AC voltage having a predetermined frequency, and a diaphragm 112 to which the piezoelectric element 111 is attached. . One end of the diaphragm 112 is fixed to the heat sink 120 by a fixing member 130 to become a fixed end 113, and the other end is a free end 114. The diaphragm 112 is formed by bending at a bent portion 115 at 90 degrees. A region on the free end side from the bent portion 115 is formed by being divided into a rake shape in accordance with the interval between the heat dissipating fins 121.

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。   The piezoelectric fan 110 is driven by applying a voltage from a driving AC power source to an electrode (not shown) formed on the piezoelectric element 111 and a diaphragm 112 made of a conductor. When the piezoelectric element 111 expands and contracts, the free end 114 of the diaphragm 112 performs bending vibration in a fan shape. Thus, the heat sink 120 is cooled by exchanging the air between the radiation fins 121 provided on the heat sink 120 by the piezoelectric fan.

特開2010−67909号公報JP 2010-67909 A

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。   In such a piezoelectric fan, a higher air blowing capability is desired in order to cope with an electronic device having a large heat generation amount. However, in a conventional piezoelectric fan, since the bending displacement amount of the diaphragm with respect to the applied voltage is small, There was a problem that the amplitude was small and the blowing capacity was not sufficient.

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。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoelectric fan and a cooling device that can obtain a higher blowing capacity than before with an applied voltage comparable to that of the prior art.

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。   The piezoelectric fan according to the present invention includes a plate-like piezoelectric element that expands and contracts in response to voltage application, a plate-like diaphragm in which the piezoelectric element is fixed to at least one main surface, and one end of the diaphragm is fixed. And one end of the diaphragm is a fixed end, and the other end is a free end, and the piezoelectric element is maintained in a state where a tensile stress is applied.

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。   In this case, since a tensile stress is applied to the piezoelectric element in addition to the polarization treatment, the polarization directions in the crystal of the piezoelectric element are more easily aligned than in the past. For this reason, the displacement amount of the piezoelectric element is increased, and the amplitude of the piezoelectric fan is increased, so that the air blowing capability is increased.

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。   In the present invention, the piezoelectric element is fixed to at least one main surface of the diaphragm by a thermosetting resin, and the diaphragm is made of a material having a smaller linear expansion coefficient than the piezoelectric element. Is desirable. In this case, when the piezoelectric element and the vibration plate are returned to normal temperature after the adhesive is cured, the vibration amount of the vibration plate is so small that the piezoelectric element cannot be sufficiently contracted and tensile stress is applied to the piezoelectric element. Maintained. For this reason, the displacement amount of the piezoelectric element is increased, and the amplitude of the piezoelectric fan is increased, so that the air blowing capability is increased.

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。   According to the present invention, the support is made of a material having a larger linear expansion coefficient than the diaphragm, the support has an elongated shape, and the support has a longitudinal direction shorter than the diaphragm. It is desirable that one end of one main surface of the diaphragm is fixed with a thermosetting resin so as to reach both ends in the direction, and the diaphragm is maintained in a state where a tensile stress is applied. In this case, when the temperature returns to room temperature after the support and the diaphragm are bonded and cured, the amount of contraction of the diaphragm is small, and the support warps convexly toward the diaphragm. Since the diaphragm is sufficiently thin relative to the support, a state in which a tensile stress is applied from substantially the center of the support to the diaphragm and the piezoelectric element is maintained. For this reason, the displacement amount of the piezoelectric element is increased, and the amplitude of the piezoelectric fan is increased, so that the air blowing capability is increased.

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。   In the present invention, the support has an elongated shape, and the piezoelectric element is fixed to one main surface of the support so that the longitudinal direction reaches both ends of the diaphragm in the short direction. It is fixed to the other main surface of the diaphragm, and the fixed surface of the support body with respect to the diaphragm is formed in an arc shape so that a central portion in the longitudinal direction of the support body protrudes toward the diaphragm side. It is desirable. In this case, when the diaphragm to which the piezoelectric element is fixed is joined to the support, the diaphragm warps convexly toward the one main surface, so that a state in which tensile stress is applied to the piezoelectric element is maintained. For this reason, the displacement amount of the piezoelectric element is increased, and the amplitude of the piezoelectric fan is increased, so that the air blowing capability is increased.

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。   The cooling device of the present invention includes the piezoelectric fan as described above and a housing, and the support of the piezoelectric fan is fixed at two points by pressing both ends of the piezoelectric fan with screws. The fixing surface is formed flat, and the support of the piezoelectric fan is in contact with the fixing surface so that the center portion in the longitudinal direction is fixed so as to protrude toward the diaphragm side of the piezoelectric fan. The main surface of the support body of the piezoelectric fan is formed to be inclined with respect to the fixed surface.

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。   In this case, since the support is bent and fixed so as to protrude toward the diaphragm, a state in which tensile stress is applied from the substantially center of the support to the diaphragm and the piezoelectric element is maintained. For this reason, the displacement amount of the piezoelectric element is increased, and the amplitude of the piezoelectric fan is increased, so that the air blowing capability is increased.

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。   According to the present invention, since tensile stress is applied to the piezoelectric element in addition to the polarization treatment, the polarization directions in the crystal of the piezoelectric element are more easily aligned than in the past. For this reason, the displacement amount of the piezoelectric element is increased, and the amplitude of the piezoelectric fan is increased, so that the air blowing capability is increased.

本発明の実施形態1に係る圧電ファンの斜視図である。1 is a perspective view of a piezoelectric fan according to Embodiment 1 of the present invention. 実施形態1に係る圧電ファンの側面図である。1 is a side view of a piezoelectric fan according to Embodiment 1. FIG. 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。It is a figure which shows the value of the curvature amount of the piezoelectric fan which concerns on Embodiment 1. FIG. 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。The piezoelectric fan which concerns on Embodiment 2 of this invention is shown, The same figure (A) is a perspective view, The same figure (B) is a front view. 本発明の実施形態3に係る冷却装置の正面図である。It is a front view of the cooling device concerning Embodiment 3 of the present invention. 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。The conventional cooling device is shown, (A) is a perspective view, and (B) is a perspective view of a conventional piezoelectric fan.

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。   Below, the piezoelectric fan and cooling device which concern on embodiment of this invention are demonstrated.

(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。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As shown in FIG. 1, the piezoelectric fan 10 of Embodiment 1 includes a piezoelectric element 11 that expands and contracts in response to application of a drive AC voltage having a predetermined frequency, a diaphragm 12, and a support 13. The piezoelectric element 11 is fixed to both main surfaces of the diaphragm 12. One end of the main surface of the diaphragm 12 is supported by the support body 13. One end of the diaphragm 12 is a fixed end 14 and the other end is a free end 15. The fixed end 14 refers to a fixed end serving as a vibration node.

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。 The diaphragm 12 is formed in a thin plate shape having a width of 46 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 50 μm. The vibration plate 12 is provided with a bending portion 16 at the center in the length direction, and is bent at about 90 degrees on the side where the support body 13 is provided at the bending portion 16 and is formed in an L shape. The length from the fixed end 14 to the bent portion 16 is 25 mm, and the length from the free end 15 to the bent portion 16 is 25 mm. The width of the diaphragm 12 changes with the bent portion 16 as a boundary, the width of the diaphragm 12 on the free end 15 side with respect to the bent portion 16 is 46 mm, and the width of the diaphragm 12 on the fixed end 14 side with respect to the bent portion 16. Is processed to 35 mm. On the free end 15 side of the bending portion 16 of the diaphragm 12, the diaphragm 12 is divided into seven divided plates 12a and formed in a rake shape, and the divided plates 12a are formed at equal intervals. Each divided plate 12a has a width of 4.5 mm. The diaphragm 12 is made of, for example, 42Ni. The linear expansion coefficient of 42Ni is 4.4 × 10 −6 / ° C.

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。 The piezoelectric element 11 has a plate shape of width 33.4 mm × length 15.8 mm × thickness 55 μm, and electrodes (not shown) are formed on both main surfaces. The piezoelectric element 11 is made of, for example, lead zirconate titanate ceramic. The linear expansion coefficient of the piezoelectric element is 8.3 × 10 −6 / ° C. The piezoelectric element 11 is fixed to the fixed end 14 side of the bending portion 16 of the diaphragm 12.

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。   The support 13 has a rectangular parallelepiped shape with a width of 48 mm, a length of 5 mm, and a thickness of 3 mm, and is made of, for example, a glass epoxy resin. The support body 13 is supported by a housing (not shown) by being screwed at two locations on both ends.

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。   As shown in FIG. 2, the piezoelectric fan 10 is driven by applying a voltage from a drive AC power supply 17 to one electrode (not shown) formed on the piezoelectric element 11 and a diaphragm 12 made of a conductor. . When the piezoelectric element 11 expands and contracts in the length direction of the piezoelectric element 11, the bending portion 16 vibrates in the thickness direction of the piezoelectric element 11 because one end of the diaphragm 12 is fixed. As a result, the free end 15 performs bending vibration in a fan shape in the length direction of the piezoelectric element 11 and is driven as a piezoelectric fan.

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。   In the present embodiment, the piezoelectric element is maintained in a state where a tensile stress is applied. Since the piezoelectric element is formed in this way, tensile stress is applied to the piezoelectric element in addition to the polarization treatment, so that the polarization directions in the crystal of the piezoelectric element are more easily aligned than in the past. Since the displacement amount of the piezoelectric element becomes larger than this, the blowing capacity of the piezoelectric fan increases. The experimental results that serve as the basis are described below.

(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。
(Experimental Example 1 and Comparative Example 1)
An experiment was conducted using the piezoelectric fan 10 shown in FIG. 1 as Experimental Example 1 and a piezoelectric fan partially different from Experimental Example 1 as Comparative Example 1.

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。

The difference between Experimental Example 1 and Comparative Example 1 is the linear expansion coefficient of the diaphragm. As Experimental Example 1, 42Ni was used for the diaphragm, and as Comparative Example 1, SUS was used for the diaphragm. The linear expansion coefficient of 42Ni is smaller than the linear expansion coefficient of the piezoelectric element, and is 4.4 × 10 −6 / ° C. The linear expansion coefficient of SUS is larger than the linear expansion coefficient of the piezoelectric element, and is 17.3 × 10 −6 / ° C. Detailed conditions are shown in Table 1.

Figure 2012182870
Figure 2012182870

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。   In this experiment, using these two piezoelectric fans, the amplitude of the diaphragm when driven by the fundamental wave was measured, and the blowing capacity was compared. In addition, the amplitude in this specification is both amplitudes. The air blowing capacity is determined by frequency × amplitude.

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。   A laser displacement meter was used to measure the amplitude, and the amplitude in the length direction of the piezoelectric element at the free end of the diaphragm was measured. The voltage applied to each piezoelectric fan was 20 Vpp.

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。   The experimental results are shown in Table 1. When comparing the blowing capacity between Experimental Example 1 and Comparative Example 1, the blowing capacity of Experimental Example 1 was 596.3 Hz · mm, and the blowing capacity of Comparative Example 1 was 512.9 Hz · mm.

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。   From this, it can be said that it is more desirable that the diaphragm is made of a material having a smaller linear expansion coefficient than that of the piezoelectric element, since the amplitude of the piezoelectric fan increases, so that the air blowing capability increases.

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。   This is because when the piezoelectric element and the vibration plate return to room temperature after the adhesive is cured, the vibration amount of the vibration plate is so small that the piezoelectric element cannot be sufficiently contracted, and a state in which tensile stress is applied to the piezoelectric element is maintained. It is to be done. For this reason, the displacement amount of the piezoelectric element increases, and the amplitude of the piezoelectric fan increases.

(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。
(Experiment 1 and Experiment 2)
Experiment 1 was conducted using the piezoelectric fan 10 shown in FIG. 1, and Experiment 2 was conducted using a piezoelectric fan partially different from the experiment example 1. The difference between Experimental Example 1 and Experimental Example 2 is the linear expansion coefficient of the support 13. As Experimental Example 1, a thermosetting resin having a lower linear expansion coefficient than that of the diaphragm was used, and as Experimental Example 2, a thermosetting resin having a higher linear expansion coefficient than that of the diaphragm was used. Detailed conditions are shown in Table 1.

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。   In this experiment, using these two piezoelectric fans, the amplitude of the diaphragm when driven by the fundamental wave was measured, and the blowing capacity was compared. In this experiment, the voltage applied to each piezoelectric fan was 20 Vpp.

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。   The experimental results are shown in Table 1. When comparing the blowing capacity between Experimental Example 1 and Experimental Example 2, the blowing capacity of Experimental Example 1 was 596.3 Hz · mm, and the blowing capacity of Experimental Example 2 was 701.3 Hz · mm.

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。   FIG. 3 shows the amount of displacement depending on the position of the diaphragm under the conditions in Table 1. The distance from one end of the diaphragm refers to one fixing point X in the width direction of the diaphragm 12 and the support 13 shown in FIG. 1 as a starting point and the other fixing point X ′ as an end point. Indicates a linear distance. The amount of warpage indicates a distance from a reference point when a straight line between one point X and the other point X ′ on the main surface of the diaphragm 12 is used as a reference.

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。   Comparing Experimental Example 1 and Experimental Example 2, in Experimental Example 1, when the position of the diaphragm is 19 mm from the initial value, the minimum value is −11.6 μm, and the displacement amount increases toward the center of the diaphragm. There was a tendency to protrude downward. On the other hand, in Experimental Example 2, when the position of the diaphragm was 24 mm from the initial value, the maximum value was 36.1 μm, the displacement amount was larger toward the center of the diaphragm, and the graph tended to be convex upward. .

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。   From this, the support body is made of a material having a larger linear expansion coefficient than the diaphragm, the support body has a rectangular parallelepiped shape, and the support body reaches the both ends in the width direction of the diaphragm, If one end of one of the main surfaces of the diaphragm is fixed with a thermosetting resin, and the diaphragm is maintained in a state where a tensile stress is applied, the amplitude of the piezoelectric fan increases, so the blowing capacity increases. Is more desirable.

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。   This is because when the support body and the diaphragm return to room temperature after adhesion and curing, the support body warps convexly toward the diaphragm side because the contraction amount of the diaphragm is small. This is because the diaphragm is sufficiently thin with respect to the support, and a state in which a tensile stress is applied from the approximate center in the thickness direction of the support to the diaphragm and the piezoelectric element is maintained. For this reason, the displacement amount of the piezoelectric element is increased, and the amplitude of the piezoelectric fan is increased, so that the air blowing capability is further increased.

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。   In the above embodiment, the diaphragm is made of 42Ni, but is not limited to this. For example, any material having a linear expansion coefficient smaller than that of the piezoelectric element may be used.

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。   In the above embodiment, the piezoelectric element is fixed to both main surfaces, but is not limited thereto. The piezoelectric element may be fixed to at least one main surface.

(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。
(Embodiment 2)
4A and 4B show a piezoelectric fan according to Embodiment 2 of the present invention, where FIG. 4A is a perspective view and FIG. 4B is a front view. In the present specification, the front view is schematically shown for easy understanding.

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。   As shown in FIG. 4A, the piezoelectric fan 20 of the present embodiment includes a piezoelectric element 21, a diaphragm 22 to which the piezoelectric element 21 is attached, and a support 23 that fixes one end of the diaphragm 22. Prepare. The vibration plate 22 is provided with a bending portion 26 at the center in the length direction, and is bent at about 90 degrees on the side where the support 23 is provided at the bending portion 26 to be bent into an L shape. The region on the free end 25 side of the diaphragm 22 is divided into a plurality of divided plates 22a.

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。   A different place from Embodiment 1 in this embodiment is the shape of the support body 23. Specifically, the fixed surface of the support 23 to the diaphragm 22 is formed in an arc shape so that a central portion in the length direction of the support 23 is convex toward the diaphragm 22 side.

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。   With this configuration, when the diaphragm is joined to the support, the diaphragm warps convexly toward the one main surface, so that a tensile stress is applied to the piezoelectric element and the displacement of the piezoelectric element increases. . For this reason, since the amplitude of the piezoelectric fan is increased, the air blowing capability is increased, which is more desirable.

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。   In the said embodiment, although the support body is integrally molded and formed in circular arc shape, it does not restrict to this. For example, you may form in circular arc shape by using another body.

(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。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a front view of the cooling device 50 according to the third embodiment. In the present specification, the front view is schematically shown for easy understanding.

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。   The cooling device 50 according to this embodiment includes a piezoelectric fan 30 and a heat sink 40. The piezoelectric fan 30 includes a piezoelectric element, a diaphragm 32 to which the piezoelectric element is attached, and a support 33 that fixes one end of the diaphragm 32. One end of the diaphragm 32 is a fixed end, and the other end is a free end. A region on the free end side of the diaphragm 32 is formed by being divided into a plurality of divided plates 32a.

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。   In the present embodiment, the support body 33 of the piezoelectric fan 30 is fixed at two points by pressing both ends against the heat sink 40 by screwing, and the fixing surface 41 of the heat sink 40 with the support body 33 is a flat main surface without unevenness. Formed on the surface.

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。   The support 33 is formed such that the main surface 34 that contacts the fixed surface 41 is inclined toward the center in the length direction with respect to the fixed surface 41. Since the support body 33 is formed in this way, when the support body 33 is pressed and fixed to the heat sink 40, the support body 33 is fixed to warp so that the central portion in the length direction is convex toward the diaphragm 32 side. A state in which a tensile stress is applied from substantially the center in the thickness direction to the diaphragm and the piezoelectric element is maintained. For this reason, the displacement amount of the piezoelectric element is increased and the amplitude of the piezoelectric fan is increased, so that the air blowing capability is increased, which is more desirable.

(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。
(Experimental Example 3 and Comparative Example 2)
An experiment was conducted using the cooling device 50 shown in FIG. 5 as Experimental Example 3, and an experiment was conducted using a cooling device that was partially different from Experimental Example 3 as Comparative Example 2. The difference between Experimental Example 3 and Comparative Example 2 is the shape of the main surface 34 of the support. As Experimental Example 3, the main surface of the support in contact with the fixed surface is fixed to the fixed surface so that the central portion in the length direction of the support is warped and fixed so as to protrude toward the diaphragm side of the piezoelectric fan. As a comparative example 2, a cooling device in which the main surface of the support that is in contact with the fixed surface is formed parallel to the fixed surface is used. Using. Detailed conditions are shown in Table 2.

Figure 2012182870
Figure 2012182870

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。   In this experiment, using these two cooling devices, the amplitude of the diaphragm when the piezoelectric fan in the cooling device was driven with a fundamental wave was measured to compare the blowing capacity. In this experiment, the voltage applied to each piezoelectric fan was 20 Vpp.

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。   The experimental results are shown in Table 2. When comparing the blowing capacity between Experimental Example 3 and Comparative Example 2, the blowing capacity of Experimental Example 3 was 602.5 Hz · mm, and the blowing capacity of Comparative Example 2 was 553.0 Hz · mm.

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。   From this result, the support surface is inclined toward the center in the length direction with respect to the fixed surface so that the support surface protrudes toward the diaphragm when both ends of the support member are pressed. If it is formed, the air blowing capacity of the piezoelectric fan increases, which is more desirable.

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。   This is because the support is bent and fixed so as to protrude toward the diaphragm side, so that a state in which tensile stress is applied from substantially the center of the support to the diaphragm and the piezoelectric element is maintained. . For this reason, the displacement amount of the piezoelectric element is increased, and the amplitude of the piezoelectric fan is increased, so that the air blowing capability is increased.

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。   Note that the piezoelectric fan and the cooling device according to the present invention are not necessarily subjected to tensile stress finally. When a compressive stress is unavoidably applied for reasons such as manufacturing, a state in which a compressive stress is relaxed by a structure by applying a tensile stress is also included.

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。   In addition, the piezoelectric fan and cooling device which concern on this invention are not limited to the said embodiment, It can change variously within the range of the summary.

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。   In the said embodiment, although the piezoelectric element is comprised from the lead zirconate titanate ceramics, it is not restricted to this. For example, it may be composed of a lead-free piezoelectric ceramic material such as potassium sodium niobate and alkali niobate ceramics.

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。   In the embodiment, the bent portion provided in the central portion of the diaphragm is bent into an L shape, but the present invention is not limited to this. For example, it may be bent into a U shape or a V shape, or may be a diaphragm that is not bent or bent.

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。   In the said embodiment, although the division plate is provided in the free end side rather than the bending part of the diaphragm, it is not restricted to this. For example, the free end may not be divided.

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。   In the above-described embodiment, the piezoelectric element is fixed to sandwich the diaphragm from both sides to configure the bimorph type vibrator. However, the unimorph type vibrator in which the piezoelectric element is bonded to only one main surface of the diaphragm is configured. May be.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20, 30 ... Piezoelectric fan 11, 21 ... Piezoelectric element 12, 22, 32 ... Diaphragm 12a, 22a, 32a ... Dividing plate 13, 23, 33 ... Support body 14, 24 ... Fixed end 15, 25 ... Free end DESCRIPTION OF SYMBOLS 16, 26 ... Bending part 17 ... Drive alternating current power supply 34 ... Main surface of support body 40 ... Heat sink 41 ... Fixed surface 50 ... Cooling device

Claims (5)

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。
A plate-like piezoelectric element that expands and contracts in response to voltage application;
A plate-like diaphragm in which the piezoelectric element is fixed to at least one main surface;
A support for fixing one end of the diaphragm,
One end of the diaphragm is a fixed end, the other end is a free end,
The piezoelectric fan, wherein the piezoelectric element is maintained in a state where a tensile stress is applied.
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。   The piezoelectric element is fixed to at least one main surface of the diaphragm by a thermosetting resin, and the diaphragm is made of a material having a smaller linear expansion coefficient than the piezoelectric element. Item 2. The piezoelectric fan according to Item 1. 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。
The support is made of a material having a larger linear expansion coefficient than the diaphragm,
The support has an elongated shape,
One end of one main surface of the diaphragm is fixed with a thermosetting resin so that the longitudinal direction of the support reaches both ends of the diaphragm in the short direction, and the diaphragm gives a tensile stress. The piezoelectric fan according to claim 1, wherein the piezoelectric fan is maintained in a state where the piezoelectric fan is maintained.
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。
The support has an elongated shape,
The support body is fixed to the other main surface of the diaphragm where the piezoelectric element is fixed to one main surface so that the longitudinal direction reaches both ends in the short direction of the diaphragm,
The fixing surface of the support to the diaphragm is formed in an arc shape so that a central portion in the longitudinal direction of the support is convex toward the diaphragm. The piezoelectric fan described.
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。
A piezoelectric fan according to any one of claims 1 to 4, and a housing,
The support body of the piezoelectric fan is fixed at two points by pressing both ends against the casing, and the fixing surface of the casing is flat.
The main surface of the piezoelectric fan support that is in contact with the fixed surface so that the longitudinally central portion of the piezoelectric fan support is fixed so as to protrude toward the diaphragm side of the piezoelectric fan. Is formed with an inclination with respect to the fixed surface.
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