壓電風扇及使用該壓電風扇的空冷裝置的製作方法
2023-05-02 21:55:06 2
專利名稱：壓電風扇及使用該壓電風扇的空冷裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過驅動壓電元件來使葉片激振、從散熱器等發熱源排出暖氣的壓電風扇及空冷裝置。
背景技術：
近年來，作為可攜式的電子設備，隨著小型化及元器件的高密度安裝化，電子設備內部所產生的熱量的散熱措施成為要解決的問題。作為使此類電子設備高效地進行空冷的裝置，提出了使用被稱為壓電風扇的空冷裝置。在非專利文獻1中，提出了使用壓電(piezo)元件的壓電風扇。該壓電風扇如圖 5所示那樣，在平板狀的金屬板21的一端側的兩面粘貼有壓電元件22，在粘貼有壓電元件 22的部分形成雙層壓電晶片致動器部23，以支承構件M支承致動器部23的一端，並在金屬板21的另一端側形成梳齒狀的多個葉片21a。將葉片21a插入散熱器30的翅片31之間，驅動壓電元件22，從而能夠使葉片21a激振，來高效地排出翅片31之間的暖氣。在上述結構的壓電風扇中，由於葉片21a從致動器部分筆直延伸，因而，存在致動器部分23大幅向散熱器30的外部突出、佔有體積較大的缺點。另外，由於壓電元件22的振動向葉片21a傳遞，從而葉片21a發生較大的位移，但是，另一方面，由於葉片21a的振幅較大，因此，其反作用也會導致壓電元件22進行較大的振動。其結果是，施加到壓電元件上的負荷增大，可能會導致壓電元件發生裂紋等使可靠性降低。在專利文獻1中，揭示了以下小型風扇即，將壓電振動器的一端部固定到支承構件，沿與該壓電振動器的延長方向正交的方向將葉片安裝到壓電振動器的另一端。在這種情況下，由於能夠縮短縱向和橫向的長度，因此，具有能夠減小設置空間的優點。然而，採用上述結構的風扇由於是將分開設置的葉片通過連接構件安裝到壓電振動器，因此，應力集中到連結構件的部分，不能獲得長期穩定的激振效果。而且，由於是對一個壓電振動器安裝一個葉片的結構，因此，不能將葉片插入到散熱器的多個翅片間，不能高效地排出翅片間的暖氣。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本專利實開平02-127796號公報專利文獻2 日本專利特開2010-67909號公報非專利文獻非專利文獻1 網際網路(PC Watch)的以下頁面HTTP://dc. watch, impress, co. ip/ docs/2007/0423/intel. htm
發明內容
本發明的目的在於提供一種冷卻效果及耐久性優異的、在以共用的壓電元件來使多個葉片激振時能夠抑制各葉片振幅的偏差的壓電風扇及空冷裝置。
此處，在說明本發明前，對直到完成本發明的過程進行說明。圖6是將非專利文獻 1所記載的結構應用到專利文獻1的壓電風扇的設想例。該壓電風扇20採用以下結構即， 在振動板21的一端側的兩面粘貼有壓電元件22，並在振動板21的另一端側一體形成多個葉片21a，在葉片21a的根部附近呈直角彎曲。振動板21的一端部由支承構件M進行固定支承。在採用該結構的情況下，如圖7所示，由於能夠將各葉片21a沿直角方向插入到散熱器30的翅片31間，因此，能夠集中對散熱器30的底部中央進行冷卻，並能夠沿加熱器30 的外部配置致動器部分，因此，能夠節省空間。而且，如後面所述的那樣，與非專利文獻1所示的一條直線狀的風扇相比，可認為葉片21a的振動對壓電元件22的影響減小，因此，壓電元件22的可靠性升高。圖8是表示將施加到壓電元件的施加電壓設為30Vpp、60Vpp時的葉片的彎曲角度與壓電元件的位移量之間的關係的圖。此外，設振動板是厚度為0. Imm的不鏽鋼板，葉片寬度是4mm，從葉片的彎曲部到前端的長度Ll是22mm，從彎曲部到支承構件的長度L2是 20mm。從圖8可知，與葉片為直線狀(角度0° )的情況相比，隨著葉片的彎曲角度增大，壓電元件的位移量減小。例如，在葉片的彎曲角度為90°時，壓電元件的位移量與葉片為直線狀的情況相比，約為其60%。因而，通過彎曲葉片，能夠減小施加到壓電元件的負荷。圖9是表示將施加到壓電元件的施加電壓設為30Vpp、60Vpp時的葉片的彎曲角度與位移比之間的關係的圖。所謂位移比，是指葉片前端部的位移量與壓電元件的位移量之比，位移比越大則激振效率越好。在葉片為直線狀(角度0° )的情況下位移比大約為M， 與此相比，在葉片的彎曲角度成為90°時，位移比增大到大約35。即，在彎曲葉片的情況下，能夠更高效地激振葉片的前端部。由此，儘管彎曲葉片的壓電風扇具有優勢，但另一方面也會發生以下那樣的問題。 艮口，由於在葉片21a的中途對其進行彎曲，因此，各葉片21a的諧振頻率的偏差增大，葉片前端部的振幅的偏差增大。若驅動壓電元件22，則如圖6所示，在葉片21a的根部(彎曲前) 沿A方向進行振動，在葉片21a的前端部沿與A方向正交方向的B方向進行振動。儘管預先進行設計，使得各葉片21a以相同的諧振頻率進行振動，但是，實際上各葉片21a的諧振頻率會因為彎曲部的角度、圓度的稍微不同而不同。然而，由於是以一定頻率驅動壓電元件 22，因此，各葉片21a的振幅會出現偏差。因此，存在加熱器的各翅片間的冷卻效果出現偏差的問題。因此，在本發明中提供了一種壓電風扇，該壓電風扇包括振動板，該振動板的長度方向上的一端被固定支承，長度方向上的另一端側為自由端；以及壓電元件，該壓電元件至少粘貼在上述振動板的表面、背面的一個面上，通過驅動上述壓電元件來使上述振動板沿板厚方向進行激振，來產生空氣流，其特徵在於，在上述振動板的長度方向上的中間部形成有正交方向上的彎曲部，通過形成狹縫，從而形成分割成多個的葉片，上述狹縫從上述振動板的自由端起、到相距上述彎曲部為規定長度的自由端側的位置，上述壓電元件相比上述彎曲部粘貼在更靠近固定端側的位置。本發明是基於以下發現完成的即，相比使各葉片較大地激振的方式，連結各葉片但使諧振頻率一致來進行振動的方式能夠抑制各葉片的增幅的偏差，能夠獲得冷卻效果及耐久性優異的壓電風扇。儘管如圖6所示那樣在葉片部分形成彎曲部，能在葉片前端部獲得較大的振幅，但是若按照振幅最大的葉片的諧振頻率來驅動壓電元件，則由於諧振頻率存在偏差，因此，某一個葉片的振幅會減小。而且，應力會集中到葉片的彎曲部，在彎曲部分容易發生斷裂。與此不同的是，在本發明中，由於在尚未分割成多個葉片的階段就沿正交方向形成彎曲部，因此，儘管葉片的最大增幅會稍稍減小，但是由於彎曲部的角度、圓度的偏差減小，因此，能夠減小葉片間的諧振頻率的偏差。即，與將彎曲部形成於葉片部分的情況相比，最大振幅會減小，但最小振幅會增大。因此，葉片整體的振幅會大致一樣，能獲得均勻的冷卻效果。另外，由於能夠增大彎曲部的截面積，因此，能夠減輕彎曲部的應力集中，從而提高不在彎曲部分發生疲勞斷裂的可靠性。本發明的所謂正交方向，不需要是嚴格的90°，只要在90° 士 10°的範圍內，都能獲得相同的效果。作為振動板，不限於不鏽鋼板那樣的金屬板，還可以是樹脂板。壓電元件粘貼在振動板的單面或雙面，在粘貼於單面的情況下構成單層壓電晶片致動器，在粘貼於雙面的情況下構成雙層壓電晶片致動器。只要適當地設定振動板(葉片)的厚度、楊氏模量，葉片的長度等，使葉片能夠因壓電元件的驅動而發生一次諧振即可。能將振動板的彎曲部形成為圓面。能將彎曲部彎曲成稜角狀，但是，容易因加工變形而發生疲勞破壞。與此不同的是，若將彎曲部形成為圓面，則能夠減少加工變形，能夠抑制疲勞破壞的發生。還能採用以下結構即，在振動板的長度方向上的一端形成有未粘貼有壓電元件的延長部，該延長部由支承構件進行固定支承。儘管能用支承構件對壓電元件的端部進行固定支承，但是，支承構件會約束壓電元件的位移，因而，從電能轉換為振動能的轉換效率會降低。與此不同的是，若對振動板的延長部進行固定支承，則壓電元件容易自由進行位移，轉換效率升高。優選具有以下驅動電路即，該驅動電路在一定範圍內掃描輸出提供給壓電元件的信號的頻率，基於其阻抗的變化來自動檢測出葉片的諧振頻率，在該諧振頻率下驅動壓電元件，從而將葉片維持在諧振狀態。作為驅動壓電元件的驅動電路，雖然也有的將預定的頻率信號施加到壓電元件來激振葉片，但是若信號的頻率與葉片的諧振頻率之間存在偏差，則不能高效地激振葉片。因此，能夠使用以下驅動電路即，該驅動電路在一定範圍內掃描輸出提供給壓電元件的信號的頻率，自動檢測出葉片的諧振頻率，在該諧振頻率下驅動壓電元件，從而將葉片維持在諧振狀態。在這種情況下，若如上述設想例那樣，各葉片的諧振頻率的偏差較大，則由於驅動電路會獲得多個頻率，因此，有可能不能正常地工作。另外， 驅動電路的指令信號中可能會存在波動。本發明的壓電風扇由於在尚未分割成多個葉片就進行彎曲，因此，各葉片的諧振頻率的偏差較小，自動檢測型的驅動電路能夠檢測出適當的頻率。因此，能夠以適當的頻率高效地激振葉片。若將上述壓電風扇應用於具有隔開間隔並排設置的多個散熱翅片的散熱器，則能夠實現空冷裝置。即，將壓電風扇的多個葉片插入到散熱器的散熱翅片之間，以使得葉片的激振方向與散熱翅片的側面平行。由此，能夠高效地排出散熱翅片之間的空氣，並能夠抑制壓電風扇從散熱器突出的突出量，能夠實現小型的空冷裝載。在上述空冷裝置中，優選將壓電風扇的多個葉片沿與散熱器的底面正交的方向插入，將壓電元件配置成與散熱器的翅片的頂面平行。在這種情況下，由於能夠集中冷卻散熱器的底面中央，並能夠將壓電元件沿散熱器的上部進行配置，因此，能夠節省空間。由此，根據本發明，由於能夠在尚未分割成多個葉片的位置形成彎曲部，因此，能夠減小葉片間的諧振頻率的偏差。因此，葉片整體的振幅會大致一樣，能獲得均勻的冷卻效果。另外，由於能夠增大彎曲部的截面積，因此，能夠減輕彎曲部的應力集中，從而提高不在彎曲部分發生疲勞斷裂的可靠性。
圖1是本發明的壓電風扇的實施方式1的立體圖。圖2是圖1所示的壓電風扇的分解立體圖。圖3是將比較例1的壓電風扇和本發明的壓電風扇的各葉片前端部的振幅進行對比而示出的圖。圖4是將圖1所示的壓電風扇用於散熱器的空冷裝置的立體圖。圖5是非專利文獻1所示的壓電風扇的立體圖。圖6是將非專利文獻1所記載的結構應用到專利文獻1的比較例1的立體圖。圖7是將圖6所示的壓電風扇用於散熱器的空冷裝置的立體圖。圖8是表示將施加到壓電元件的施加電壓設為30Vpp、60Vpp時的葉片的彎曲角度與壓電元件的位移量之間的關係的圖。圖9是表示將施加到壓電元件的施加電壓設為30Vpp、60Vpp時的葉片的彎曲角度與位移比之間的關係的圖。圖10是應用專利文獻2的比較例2的立體圖。圖11是示出表示本發明和比較例2的冷卻能力的頻率X振幅的值的圖。圖12是比較本發明與比較例2的壓電體的振動大小的圖。附圖標記1壓電風扇2振動板2a基板部2b彎曲部2c延長部2d 葉片2e 狹縫3壓電元件5支承構件6驅動電路10散熱器11散熱翅片
具體實施例方式下面，基於附圖，說明本發明的優選實施方式。圖1、圖2表示本發明的壓電風扇的實施方式1。該壓電風扇1具備由不鏽鋼板等薄壁金屬板形成的振動板2，在振動板2的長度方向上的一端(固定端)側設有平板狀的基板部2a，在該基板部加的正面和背面粘貼有壓電元件3、3，從而構成雙層壓電晶片致動器。
6此外，也可在基板部加的單面粘貼有壓電元件3，從而構成單層壓電晶片致動器。在振動板 2的長度方向上的另一端(自由端)側，形成有多個平行的狹縫加，從而一體形成多個(此處為7個)葉片2d。在振動板2的長度方向上的中間部形成有呈90°彎曲的彎曲部2b，狹縫2e形成在從振動板2的自由端起到相距彎曲部2b為規定長度S的自由端側的位置。因此，在相比彎曲部2b而言位於長度方向上的另一端側，葉片2d被分割成多個。換言之，在尚未分割成多個葉片2d的位置將振動板2進行彎曲。本實施例的彎曲部2b是由圓面構成的。葉片2d沿著與壓電元件3的主面方向正交的方向延伸。在振動板2的基板部加的終端側、即與彎曲部2b相反一側的端部，形成有未粘貼壓電元件3的延長部2c，延長部2c由固定在未圖示的固定部的支承構件5支承。兩個壓電元件3、3及振動板2與驅動電路6進行電連接。從驅動電路6向兩個壓電元件3、3施加相互反相的頻率信號，則致動器部沿上下進行彎曲振動，在彎曲部2b發生沿A方向上的振動。因此，在葉片2d的前端部會以相對於 A方向正交且振幅較大的B方向的振動進行激振。本實施例的驅動電路6具有以下功能 艮口，在一定範圍內掃描輸出提供給壓電元件3、3的信號的頻率，基於其阻抗的變化來自動檢測出葉片2d的諧振頻率，在該諧振頻率下驅動壓電元件3、3，從而將葉片2d維持在諧振狀態。由於該驅動電路6由例如日本專利特開昭64-57000號公報等公開，因此省略其詳細說明。7片葉片2d在比彎曲部2b更前端的前端側被分割，因此，如後述那樣，各葉片2d的諧振頻率的偏差減小，驅動電路6能夠正確地檢測出葉片2d的諧振頻率。因此，能夠高效地激振所有的葉片2d。圖3是將比較例1的壓電風扇(參照圖6)與本發明的壓電風扇(參照圖1)的各葉片前端部的振幅進行比較的圖，上述比較例1的壓電風扇是在分割成7片葉片的位置彎曲成直角，上述本發明的壓電風扇是在尚未分割成7片葉片的位置彎曲成直角。振動板及葉片的條件如下所示。振動板厚度0. Imm的不鏽鋼板葉片的寬度4mm從葉片的彎曲部起到前端的長度Ll :22mm從彎曲部起到支承構件的長度L2 :20mm從彎曲部起到狹縫的長度S :2mm狹縫的寬度2mm振動板的長度42mm所有葉片的整體寬度W :45mm壓電元件的施加電壓30Vpp，頻率145kHz從圖3中可知，在比較例1的壓電風扇(參照圖6)中，在設定施加到壓電元件的信號使得一端的第1片葉片以最大振幅(Ilmm)進行諧振的情況下，則靠近另一端側的第5 第7片葉片的振幅下降至大約8mm。即，最大振幅與最小振幅之差為3mm，振幅產生了大約 30%的偏差。圖3是使施加到壓電元件的信號與第1個葉片的諧振頻率相一致的例子，但是，無論使上述信號與哪一個葉片的諧振頻率一致，都會獲得相同的結果。另一方面，在本發明的壓電風扇(參照圖1)中，在將施加到壓電元件的信號設定為使得第7片葉片以最大振幅(10. 2mm)進行諧振時，儘管兩端的葉片(第1片和第7片)的振幅增大，但是中間部分的葉片(第2片 第6片)的振幅大致一定，最大振幅與最小振幅之差大約為1mm。即，振幅偏差不過大約為10%，所有葉片2d的諧振頻率的偏差較小。因此，在將該壓電風扇用於散熱器的冷卻的情況下，冷卻效果幾乎不會產生偏差。在對本發明的壓電風扇1使用自動檢測出葉片2d的諧振頻率的方式的驅動電路6的情況下，能夠適當地檢測出諧振頻率，能夠高效地激振所有的葉片2d。而且，由於在尚未分割葉片的位置就彎曲成直角，因此，彎曲部的截面積與比較例1相比要大，彎曲部分對於疲勞斷裂的可靠性提尚ο圖4表示將本壓電風扇1用作為散熱器10的空冷裝置的例子。散熱器10包括隔開間隔並排設置的多片(這裡是8片)散熱翅片11。散熱器10例如與安裝在電路基板上的發熱元件(CPU等)的上表面以熱結合的狀態安裝。因而，發熱元件所產生的熱量傳導至散熱器10，從而使各散熱翅片11之間的空氣變熱。壓電風扇1的各葉片2d沿著與散熱器 10的底面成直角的方向，以非接觸的方式插入至各翅片11之間。狹縫加的寬度比翅片11 的厚度要大，因而，葉片不會與翅片11相接觸。包括振動板2的基板部加及壓電元件3的致動器部沿散熱器10的上端與之平行地配置。因此，致動器部分不會大幅向散熱器10的外部突出，能夠節省空間。如上述那樣驅動壓電元件3、3，從而能夠使葉片2d沿平行於散熱翅片11的側面的方向進行振動，以葉片2d來扇動散熱翅片11附近的暖氣，從而使散熱器 10高效冷卻。圖10表示相對於本發明的比較例2。在該比較例2中，使用專利文獻2的圖10所示的壓電風扇來形成總共7片葉片。40是壓電風扇，41是振動板，42是壓電元件，43是支承構件。從振動板41的直角的彎曲部41b起遍及整個自由端形成狹縫41c，從而分割成多個葉片41a。彎曲部41b的內側及外側固定有支承塊44，以增強彎曲部41b。此處，為了比較本發明(參照圖1)和比較例2的特性，測定了振動特性。振動板及葉片的條件如下所示。振動板厚度0. 05mm的不鏽鋼板葉片的寬度4mm從葉片的彎曲部起到前端的長度Ll :26mm從彎曲部起到支承構件的長度L2 :25mm狹縫的寬度2mm支承塊4mmX4mmX55mm的不鏽鋼材壓電元件的施加電壓20Vpp，頻率45kHz圖11示出表示冷卻能力的指標即頻率X葉片的振幅的值。在比較例2中，向彎曲部追加支承塊44，從而其振動狀態不同於本發明，儘管驅動頻率升高，但葉片的振幅減小。 其理由是，由於支承塊起到作為重物的作用，因此，質量(慣性)增加，振動所需要的能量增大。在本發明中，與比較例2相比，驅動頻率稍稍降低，但是，由於葉片的平均振幅增大，因此，頻率X振幅的值也大於比較例2。因而，能夠理解本發明的壓電風扇的冷卻能力高於比較例2。圖12表示壓電體前端的振動的大小。振動的大小是對接近彎曲部的壓電體的端部的振幅進行測定而獲得的。比較例2中由於支承塊進行較大的振動，因此，與本發明相比，壓電體的振動增大。在實驗中，比較例2的振動的大小是本發明的4倍以上。若壓電體
8的振動增大，則施加到壓電體及支承它的支承構件上的負荷也增大。在比較例2中，儘管利用支承塊提高了彎曲部的可靠性，但是施加到壓電體及支承構件上的負荷也增大，因此，壓電風扇容易損壞。與此不同的是，由於本發明的壓電體的振動是比較例2的壓電體的振動的1/4以下，因此，施加到壓電體及支承構件上的負荷較小，耐久性提高。如上所述可知，若比較冷卻能力和耐久性，則本發明與比較例2相比要優異。在上述實施方式中，對在振動板的兩面粘貼有壓電元件的雙層壓電晶片型的壓電風扇進行了說明，但是也可以是在振動板的單面粘貼有壓電元件的單層壓電晶片型的壓電風扇。另外，粘貼到振動板的一面的壓電元件不限於一個，還可在振動板的寬度方向上分割為多個。但是，需要配置壓電元件，使得各葉片的振幅大致相等。
權利要求
1.一種壓電風扇，包括振動板，該振動板的長度方向上的一端被固定支承，在長度方向上的另一端側為自由端；以及壓電元件，該壓電元件至少粘貼在所述振動板的表面、背面的一個面上，通過驅動所述壓電元件來使所述振動板沿板厚方向進行激振，來產生空氣流，其特徵在於，在所述振動板的長度方向上的中間部形成有正交方向上的彎曲部，通過形成狹縫，從而形成分割成多個的葉片，所述狹縫從所述振動板的自由端起、到相距所述彎曲部為規定長度的自由端側的位置，所述壓電元件相比所述彎曲部粘貼在更靠近固定端側的位置。
2.如權利要求1所述的壓電風扇，其特徵在於，在所述彎曲部形成圓面。
3.如權利要求1或2所述的壓電風扇，其特徵在於，在所述振動板的長度方向上的一端形成有未粘貼有壓電元件的延長部，所述延長部由支承構件固定支承。
4.如權利要求1 3的任一項所述的壓電風扇，其特徵在於，具有以下驅動電路即，該驅動電路在一定範圍內掃描輸出提供給所述壓電元件的信號的頻率，基於其阻抗的變化來自動檢測出所述葉片的諧振頻率，在該諧振頻率下驅動所述壓電元件，從而將所述葉片維持在諧振狀態。
5.一種空冷裝置，包括權利要求1所述的壓電風扇、以及具有隔開間隔並列設置的多個散熱翅片的散熱器，其特徵在於，將所述壓電風扇的所述多個葉片插入到所述散熱器的散熱翅片之間，以使得所述葉片的激振方向與所述散熱翅片的側面平行。
6.如權利要求5所記載的空冷裝置，其特徵在於，將所述壓電風扇的所述多個葉片沿與所述散熱器的底面正交的方向插入，將所述壓電元件配置成與所述散熱器的翅片的頂面平行。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種冷卻效果及耐久性優異的、在以共用的壓電元件來使多個葉片激振時能夠抑制各葉片振幅的偏差的壓電風扇。壓電風扇(1)包括振動板(2)，該振動板(2)的長度方向上的一端被固定支承，長度方向上的另一端側為自由端；以及壓電元件(3，3)，該壓電元件(3，3)至少粘貼在上述振動板的表面、背面的一個面上。在振動板(2)的長度方向上的中間部形成有正交方向的彎曲部(2b)，通過形成狹縫(2e)，從而形成分割成多個的葉片(2d)，狹縫(2e)從振動板的自由端起、到相距彎曲部為規定長度(S)的自由端側的位置。壓電元件(3)相比彎曲部(2b)粘貼在更靠近固定端側的位置因此，各葉片(2d)的諧振頻率的偏差減小，能以共用的壓電元件來高效地激振葉片。
文檔編號F04D33/00GK102483075SQ20108003951
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月26日 優先權日2009年9月1日
發明者和田寬昭, 谷田昌義, 須永綠 申請人:株式會社村田製作所