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Patent Searching and Data


Title:
PIEZOELECTRIC MICRO-BLOWER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/148008
Kind Code:
A1
Abstract:
Provided is a piezoelectric micro-blower in which the vibrations of a vibrating plate do not readily leak to the outside and energy losses can be reduced. The micro-blower has an inner case (1) in which the periphery of a vibrating plate (2), which has a piezoelectric element (20), is fixed, and a blower chamber (3) is formed with the vibrating plate; and an outer case (5) which covers the exterior side of the inner case without contact and with a specified gap. The inner case (1) is elastically supported by the outer case (5) via a plurality of linking members (4). A first opening (11) is formed in a top plate member (10) of the inner case (1) opposite the center part of the vibrating plate. A second opening (53) is formed in a top plate member (52) of the outer case (5) opposite the first opening. A center space (6) into which the inflowing fluid is introduced from the outside via the gap between the two cases is formed between the two top plate members (10, 52). Air is drawn into the center space (6) and discharged from the second opening (53) by driving the vibrating plate (2) in the bending mode. The linking members (4) inhibit the leakage of the vibrations of the vibrating plate (2) from the inner case (1) to the outer case (5)) which reduces the energy losses.

Inventors:
FUJISAKI MASAAKI (JP)
KURIHARA KIYOSHI (JP)
KONDO DAISUKE (JP)
Application Number:
PCT/JP2009/059951
Publication Date:
December 10, 2009
Filing Date:
June 01, 2009
Export Citation:
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Assignee:
MURATA MANUFACTURING CO (JP)
FUJISAKI MASAAKI (JP)
KURIHARA KIYOSHI (JP)
KONDO DAISUKE (JP)
International Classes:
F04B45/04; F04B45/047
Domestic Patent References:
WO2008069266A12008-06-12
WO2009050990A12009-04-23
Foreign References:
JPS58140491A1983-08-20
JP2005113918A2005-04-28
JPS642783B21989-01-18
JP2005113918A2005-04-28
JP2006522896A2006-10-05
Other References:
See also references of EP 2306018A4
Attorney, Agent or Firm:
TSUTSUI HIDETAKA (JP)
Hidetaka Tsutsui (JP)
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Claims:
圧電素子を有する振動板と、
前記振動板の周囲を固定し、振動板との間でブロア室を形成する内ケースと、
前記振動板の中央部と対向する内ケースの壁部に設けられた第1開口部と、
前記内ケースの外側を所定の隙間をもって非接触で覆う外ケースと、
前記第1開口部と対向する外ケースの壁部に設けられた第2開口部と、
前記内ケースと外ケースとの間を連結し、前記内ケースから外ケースへの振動伝播を実質的に抑制する複数の連結部と、
前記振動板と対向する内ケースの壁部と、当該内ケースの壁部と対向する外ケースの壁部との間に形成され、前記隙間を介して外部から流入した流体が導かれ、前記第1開口部及び第2開口部と通じる中央空間と、を備え、
前記圧電素子に所定周波数の電圧を印加して振動板をベンディングモードで駆動させることにより、圧縮性流体を前記隙間を介して中央空間に吸い込み、第2開口部から排出することを特徴とする圧電マイクロブロア。
前記内ケースの壁部が、前記振動板の駆動に伴って振動するよう形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電マイクロブロア。
前記連結部は、前記振動板の振動方向と同方向に変位自在なばね部材で形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電マイクロブロア。
前記振動板と対向する内ケースの壁部は弾性金属板で形成され、
前記連結部は、前記弾性金属板の外周部に周方向に間隔をあけて形成された弾性片であり、
当該弾性片の外側端部が外ケースに固定されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の圧電マイクロブロア。
前記連結部の一端部は、前記内ケースの壁部の振動の節に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の圧電マイクロブロア。
前記圧電素子の直径は前記ブロア室の内径より大きいことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の圧電マイクロブロア。
前記中央空間を取り囲む周壁部が、前記内ケースの壁部又は外ケースの壁部から突設され、
前記周壁部に、内ケースと外ケースとの隙間から中央空間へ通じる流入通路が形成され、
当該周壁部の頂面と、この頂面と対向する内ケースの壁部又は外ケースの壁部との間に微少な隙間が形成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の圧電マイクロブロア。
前記内ケースが金属材料で形成され、外ケースは樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の圧電マイクロブロア。
Description:
圧電マイクロブロア

本発明は空気のような圧縮性流体を輸送す るのに適した圧電マイクロブロアに関するも のである。

携帯型電子機器の筐体内部で発生する熱を 効果的に放出させるためや、燃料電池で発電 するのに必要な酸素を供給するための送風用 ブロアとして、圧電マイクロブロアが知られ ている。圧電マイクロブロアは、圧電素子へ の電圧印加により屈曲変形するダイヤフラム を用いた一種のポンプであり、構造が簡単で 、小型・薄型に構成でき、かつ低消費電力で あるという利点がある。

特許文献1には、流体が満たされた加圧室 有する基体と、加圧室に臨むように設けた ズルを有するノズル板と、開口を有し、こ 開口のほぼ中央にノズルが位置するように ズル板に装着された振動子とを備え、ノズ 板と振動子とを基体に装着すると共に、振 子の共振周波数近傍の周波数の交流信号を の振動子に供給するようにした流れ発生装 が提案されている。この場合には、逆止弁 省略でき、振動子を高周波で駆動すること より流量を増大させることができる。特許 献1の第5図の構造では、ノズル板の前方に流 入空気室を設け、ノズルから噴出した気流が 周囲の空気室の空気を巻き込みながら排出口 から排出する構造となっている。

特許文献2には、外部空気を吸引して噴射 る噴射ユニットと、噴射ユニットから噴射 れた空気を排出する排出口が形成されたカ ー部と、噴射ユニットと結合されるベース ニットとを含むマイクロブロアが開示され いる。特許文献2の図4には、吸引穴と噴射穴 とを有する噴射プレートが設けられ、この噴 射プレートの背後にマグネチックシートを備 える振動板が加圧室を介して取り付けられ、 マグネチックシートをコイルによって振動さ せてキャビティから噴射気流を発生させ、噴 射プレートの前方に位置するカバーキャビテ ィの空気を巻き込んで排出口から排出する構 造が開示されている。

特許文献3には、ステンレス製ディスクの 面に圧電素子を貼り付けて超音波駆動体を 成し、ステンレス製ディスクの他面に第1の テンレス製膜体を固定し、このステンレス 膜体との間に一定の空洞をあけて第2のステ ンレス製膜体を固定した構造のガス流発生器 が開示されている。

マイクロブロアとして求められる特性の1 に高エネルギー効率化がある。すなわち、 力される電気エネルギーを空気の吐出流量 できるだけ無駄なく変換することが必要が る。特許文献1の場合、内ケースと外ケース の二重壁構造よりなるので、内ケースの振 が外部へ漏れにくい構造となっているが、 ケースと外ケースとを繋ぐ壁部は剛体であ 、しかも壁部が振動子の振動方向に延びて るため、この壁部を介して振動子の振動が ケースから外ケースへ伝播しやすい。外ケ スは機器の筐体や基板などに固定されるが 振動子の振動が外ケースに漏洩することに り、エネルギー損失が大きくなると共に、 ケースと筐体との固定構造によって特性が 動してしまうという問題がある。

特許文献2の場合、噴射プレートにリザー ボディを介して振動子が取り付けられ、噴 プレートの外周部は外側のケースと固定さ ている。噴射プレートは振動子の振動にと なって振動しないような比較的厚肉な板で るため、振動子の振動が外側のケースへ伝 してしまい、特許文献1と同様にエネルギー 失が大きくなる。

特許文献3の場合、第2のステンレス製膜体を 体などに固定することになるが、第1のステ ンレス製膜体と第2のステンレス製膜体とが 周部で固定されているため、超音波駆動体 振動がそのまま外部へ漏洩し、特許文献1,2 比べてさらにエネルギー損失が大きくなる 考えられる。また、筐体への固定構造によ て特性変動を招く可能性がある。

特公昭64-2793号公報

特開2005-113918号公報

特表2006-522896号公報

そこで、本発明の目的は、振動板の振動が 外部に漏洩しにくくし、エネルギー損失を低 減できる圧電マイクロブロアを提供すること にある。

前記目的を達成するため、本発明は、圧電 素子を有する振動板と、前記振動板の周囲を 固定し、振動板との間でブロア室を形成する 内ケースと、前記振動板の中央部と対向する 内ケースの壁部に設けられた第1開口部と、 記内ケースの外側を所定の隙間をもって非 触で覆う外ケースと、前記第1開口部と対向 る外ケースの壁部に設けられた第2開口部と 、前記内ケースと外ケースとの間を連結し、 前記内ケースから外ケースへの振動伝播を実 質的に抑制する複数の連結部と、前記振動板 と対向する内ケースの壁部と、当該内ケース の壁部と対向する外ケースの壁部との間に形 成され、前記隙間を介して外部から流入した 流体が導かれ、前記第1開口部及び第2開口部 通じる中央空間と、を備え、前記圧電素子 所定周波数の電圧を印加して振動板をベン ィングモードで駆動させることにより、圧 性流体を前記隙間を介して中央空間に吸い み、第2開口部から排出することを特徴とす る圧電マイクロブロアを提供する。

圧電素子に所定周波数の電圧を印加して振 動板を駆動させると、振動板の変位に伴って 空気がある半周期では第1開口部から吸い込 れ、次の半周期では排出される。振動板の 周波駆動に伴い第1開口部から排出される高 気流により、その周囲にある空気を巻き込 ながら第2開口部から同時に排出する。つま り、内ケースと外ケースとの隙間を介して中 央空間に吸い込まれた空気と、第1開口部か 排出された空気とが合流して第2開口部から 出されるので、振動板の変位体積以上の吐 流量を得ることができる。

駆動部である内ケースと非駆動部である外 ケースとは、内ケースから外ケースへの振動 伝播を実質的に抑制する複数の連結部を介し て連結されているので、内ケースの振動が外 ケースに漏洩するのを少なくでき、エネルギ ー損失が少ない。そのため、圧電素子に入力 された電気エネルギーを効率よく空気流量に 変換でき、効率のよい圧電マイクロブロアを 実現できる。また、駆動部分である内ケース と非駆動部分である外ケースとを別体にして 、分離した構造とすることで、筐体などへの 取付による特性変動を防止することができる 。さらに、内ケースと外ケースとの間の隙間 を全面的に流入通路とすることができるので 、流路抵抗を減少させ、さらなる流量増加を 実現できる。連結部は流入通路の中に形成さ れるが、この連結部は周方向に間隔をあけて 設ければよいので、実質的に流路抵抗とはな らない。

本発明における振動板とは、ダイヤフラム (例えば金属板)の片面に平面方向に伸縮する 電素子を貼り付けたユニモルフ型、ダイヤ ラムの両面に互いに逆方向に伸縮する圧電 子を貼り付けたバイモルフ型、ダイヤフラ の片面にそれ自体が屈曲変形する積層型圧 素子を貼り付けたバイモルフ型、さらには イヤフラムを省略し、圧電素子自体で振動 が構成されたものでもよい。また、圧電素 の形状は、円板状、矩形状、あるいは円環 であってもよい。圧電素子とダイヤフラム の間に中間板を貼り付けた構造でもよい。 ずれにしても、圧電素子に交番電圧(交流電 圧または矩形波電圧)を印加することによっ 、振動板が板厚方向に屈曲振動するもので ればよい。

振動板を1次共振モード(1次共振周波数)で 動するのが、最も大きな変位量が得られる で望ましいが、1次共振周波数は人間の可聴 域となり、騒音が大きくなる場合がある。 れに対し、3次共振モード(3次共振周波数)を 用いると、1次共振モードに比べて変位量が さくなるものの、共振モードを使用しない 合より大きな変位量が得られ、しかも可聴 域を越えた周波数で駆動できるため、騒音 防ぐことができる。なお、1次共振モードと 、振動板の腹が1つの振動モードのことであ り、3次共振モードとは、振動板の中央部と の周辺部とでそれぞれ腹が1つずつ生じる振 モードのことである。

内ケースの壁部が、振動板の駆動に伴って 振動するように形成するのがよい。特に、内 ケースの壁部が、振動板の共振駆動に伴って 共振するように形成するのがよい。即ち、内 ケースの壁部の中央空間と対向する部分の固 有振動数を振動板の共振周波数と近づけるか 、または振動板の共振周波数の整数倍又は整 数分の1に設定することにより、振動板の変 に追随して内ケースの壁部を共振させるこ ができる。この場合には、振動板が発生す 流体の流量を内ケースの壁部の変位によっ 増加させる働きがあり、さらなる流量増加 実現できる。振動板と内ケースの壁部とは じ共振モードで振動してもよいし、一方が1 共振モードで振動し、他方が3次共振モード で振動してもよい。

連結部は、振動板の振動方向と同方向に変 位自在なばね部材で形成されているのがよい 。連結部の変位方向は特に限定されないが、 振動板の振動方向と同方向に変位自在なばね 部材で形成されている場合には、内ケースか ら外ケースへの振動の漏洩をより効果的に低 減することができる。

振動板と対向する内ケースの壁部を弾性金 属板で形成し、連結部を、この弾性金属板の 外周部に周方向に間隔をあけて形成された弾 性片とし、当該弾性片の外側端部を外ケース に固定してもよい。この場合は、内ケースの 壁部を構成する弾性金属板に連結部が一体に 形成されているので、連結部の強度を確保し やすくなると共に、内ケースと外ケースとの 相互の取付が簡単になる。

好ましい実施形態によれば、連結部の一端 部を、内ケースの壁部の振動の節に接続する のがよい。内ケースの壁部の振動が最も生じ にくい部分に連結部が接続されているため、 内ケースの振動が外ケースに漏洩するのをよ り少なくでき、エネルギー損失を小さくする ことができる。内ケースの壁部の振動モード は振動板の振動モードに応じて種々に変化す るが、例えば外周縁が節となるような振動モ ードで内ケースの壁部が振動する場合には、 連結部を内ケースの壁部の外周縁に接続する ことで、振動の漏洩を効果的に低減できる。 また、外周縁より内側に入った部位が節とな るような振動モードで内ケースの壁部が振動 する場合には、連結部をこの節部に連結する ことで、振動の漏洩を効果的に低減できる。 このように節部に連結部を接続した場合には 、連結部は必ずしもばね弾性を有する必要は ないが、内ケースの壁部の節部の角度変化を 許容できるような構造とするのが望ましい。

連結部を内ケースの壁部の振動の節に接続 した場合に、連結部を内ケースの壁部に対し て垂直方向に突設し、連結部の他端部を内ケ ースの壁部と対向する外ケースの壁部に接続 してもよい。この場合には、連結部の長さ分 だけ内ケースの壁部と外ケースの壁部との間 に中央空間となる隙間を設けることができる 。また、連結部を内ケースの壁部の振動の節 に接続した場合に、連結部を内ケースの壁部 と平行に内ケースの径方向外側へ突設し、連 結部の他端部を外ケースの内側壁に接続して もよい。この場合には、連結部と内ケースの 外周部とが接触しないように、内ケースに適 宜切り欠きやスリットなどを設けるのがよい 。

圧電素子の直径をブロア室の内径より大き くしてもよい。圧電素子の直径をブロア室の 内径よりも大きくした場合、振動板及び内ケ ースを含む駆動部全体が外周端を自由端とす るように振動させることが可能である。その ため、駆動部の外周端をばね性を持つ連結部 で支持するか、あるいは駆動部の振動の節を 連結部で支持することで、振動板の大きな変 位、ひいては内ケースの天板の大きな変位が 得られ、流量増加が可能になる。

中央空間を取り囲む周壁部が、内ケースの 壁部又は外ケースの壁部から突設され、前記 周壁部に、内ケースと外ケースとの隙間から 中央空間へ通じる流入通路が形成され、当該 周壁部の頂面と、この頂面と対向する内ケー スの壁部又は外ケースの壁部との間に微少な 隙間が形成されているのがよい。この場合に は、中央空間が流入通路を介して外部と連通 するだけでなく、中央空間は全周にわたって 微少な隙間をもって外部と連通するので、中 央空間へ流れ込む空気の流路抵抗が小さくな り、さらにブロアの効率が向上する。内ケー スの壁部が振動板の共振駆動に伴って共振す る場合、周壁部と内ケースの壁部との間の微 少な隙間は、内ケースの壁部が共振しても接 触しない程度の隙間とする必要がある。この 場合には、中央空間と対面する内ケースの壁 部の部分だけでなく、その周囲の部分も同時 に共振できるので、内ケースの壁部の振動領 域を広くでき、さらに流量増加を実現できる 。

内ケースが金属材料で形成され、外ケース が樹脂材料で形成されているのが望ましい。 内ケースを金属材料で形成すれば、圧電素子 の一方の電極を外部へ引き出す際に内ケース を導電路として利用できる。一方、外ケース が絶縁材料であれば、外ケースを筐体などに 固定した際、圧電素子の電極が筐体と短絡す るのを防止できる。

以上のように、本発明の圧電マイクロブロ アによれば、駆動部分である内ケースと非駆 動部分である外ケースとを別体として分離し 、内ケースと外ケースとを内ケースから外ケ ースへの振動伝播を実質的に抑制する複数の 連結部を介して連結したので、内ケースの振 動が外ケースに漏洩するのを少なくでき、エ ネルギー損失を少なくできる。また、外ケー スを筐体などへ取り付けた場合、取付による 特性変動を少なくすることができる。さらに 、内ケースと外ケースとの間の隙間を全面的 に流入通路とすることができるので、流路抵 抗を減少させることができる。その結果、効 率のよい圧電マイクロブロアを実現できる。

本発明に係る圧電マイクロブロアの第1 実施形態の概略断面図である。 図1のII-II線断面図である。 図1のIII -III 線断面図である。 本発明に係る圧電マイクロブロアの第2 実施形態の概略断面図である。 本発明の第1実施形態に係る圧電マイク ロブロアを具体化した例の断面図である。 図5に示す圧電マイクロブロアを斜め上 方から見た分解斜視図である。 図5に示す圧電マイクロブロアを斜め下 方から見た分解斜視図である。 図5に示す圧電マイクロブロアと比較例 との駆動周波数及びダイヤフラムの中心変位 量を比較した図である。 振動板を3次モードで駆動した場合と、 1次モードで駆動した場合の振動板と内ケー の天板の振動モードを示した図である。 本発明の第2実施形態に係る圧電マイ ロブロアを具体化した例の断面図である。 図10に示す圧電マイクロブロアを斜め 方から見た分解斜視図である。 図10に示す圧電マイクロブロアを斜め 方から見た分解斜視図である。 本発明に係る圧電マイクロブロアの第 3実施形態の概略断面図である。 第3実施形態の圧電マイクロブロアに 用される駆動部分の斜視図である。 第3実施形態の圧電マイクロブロアと の比較例との駆動周波数及びダイヤフラム 中心変位量を比較した図である。 本発明の第3実施形態に係る圧電マイ ロブロアを具体化した一例の断面図である 図16に示す圧電マイクロブロアの斜め 方から見た分解斜視図である。 図16に示す圧電マイクロブロアの斜め 方から見た分解斜視図である。 本発明の第3実施形態に係る圧電マイ ロブロアを具体化した他の例の断面図であ 。 図19に示す圧電マイクロブロアの斜め 方から見た分解斜視図である。 図19に示す圧電マイクロブロアの斜め 方から見た分解斜視図である。 図20の一部の拡大図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、 図面に基づいて説明する。

〔第1実施形態〕
図1~図3は本発明にかかる圧電マイクロブロア の第1実施形態を示し、電子機器の送風用ブ アとして用いる例を示す。この圧電マイク ブロアAは、大略、内ケース1と、内ケース1 外側を所定の隙間αをもって非接触で覆う外 ケース5とで構成されており、内ケース1と外 ース5との間が複数の連結部4によって連結 れている。本実施形態では、図2に示すよう 外ケース5は側壁部50と天壁部52とを有し、 の中に下方が開口した円筒形の空洞部51が形 成されている。この空洞部51の中に円板形の ケース1が所定の隙間αをあけて収容されて る。連結部4は内ケース1の外周部と外ケー 5の側壁部50との間に設けられている。内ケ ス1は下方が開口した断面コの字形に形成さ 、内ケース1の開口を閉じるように振動板2 ダイヤフラム21が固定されて、内ケース1と 動板2との間でブロア室3が形成されている。 本実施形態の振動板2は、圧電セラミックよ なる圧電素子20を金属薄板よりなるダイヤフ ラム21の中央部に貼り付けたユニモルフ構造 あり、圧電素子20に所定周波数の電圧を印 することにより、振動板2全体がベンディン モードで共振駆動される。

振動板2の中央部と対向する内ケース1の天 部(壁部)10には、第1開口部11が形成されてい る。内ケース1の天板部10は、振動板2の共振 動に伴って共振するように薄肉に形成され いる。内ケース1の天板部10と対向する外ケ ス5の天板部(壁部)52には、第1開口部11と一直 線状に並ぶ第2開口部53が形成されている。本 実施形態では、第2開口部53は第1開口部11より やや大きい。外ケース5の天板部52の内面、つ まり内ケース1の天板部10と対向する面には、 内ケース1に向かって突出し、内ケース1の天 部10との間に微少な隙間βをもって近接する 凸部(周壁部)54が形成されている。隙間βは隙 間αより小さくてよく、天板部10が共振した き、天板部10が凸部54と接触しない寸法に設 されている。凸部54の高さγは隙間βより大 く、隙間αと同等でよい。凸部54の内周には 第1開口部11及び第2開口部53と通じる中央空間 6が形成され、凸部54には中央空間6から放射 向に延びる複数本(ここでは4本)の溝よりな 流入通路7(図2参照)が形成されている。この 施形態では、流入通路7だけでなく、凸部54 天板部10との隙間βも流入通路として機能し 、しかも隙間βは全周に亘って連通している で、流路抵抗を低減でき、流量増加に寄与 ることができる。

連結部4は、図3に示すように流入通路7と位 相が異なる部位に、周方向に複数個(ここで 4個)設けられ、内ケース1を外ケース5に対し 柔らかく支持している。連結部4は板ばね等 のばね部材よりなり、振動板のベンディング モードで振動する方向のばね弾性が低く、振 動板のベンディングモードで振動する方向と 垂直な方向のばね弾性が高く設定されている 。そのため、振動板2の共振駆動に伴って内 ース1が上下方向に振動したとき、その振動 外ケース5に漏洩するのを抑制する働きを持 つ。

内ケース1の外周と外ケース5の側壁部50の 周との間には、環状の隙間αが形成されてお り、その隙間αを介して外部の空気が吸い込 れ、流入通路7を通り中央空間6に導かれる 隙間αの途中に連結部4が介在するが、連結 4は周方向に間隔をあけて配置されているの 、空気の流路抵抗となるおそれがない。

ここで、前記構成の圧電マイクロブロアA 作動を説明する。圧電素子20に所定周波数の 交流電圧を印加すると、振動板2が1次共振モ ド又は3次共振モードで共振駆動され、それ により第1開口部11と振動板2の距離が変化す 。第1開口部11と振動板2の距離が増大すると 、中央空間6内の空気が第1開口部11を通りブ ロア室3へと吸い込まれ、逆に第1開口部11と 動板2との距離が減少するとき、ブロア室3内 の空気が第1開口部11を通り中央空間6へと排 される。振動板2は高周波で駆動されるため 第1開口部11から中央空間6へと排出された高 速/高エネルギーの空気流は、中央空間6を通 し、第2開口部53から排出される。このとき 中央空間6内にある空気を巻き込みながら第 2開口部53から排出されるので、流入通路7か 中央空間6へ向かう連続した空気の流れが生 、第2開口部53から空気は噴流となって連続 に排出される。空気の流れを図1に矢印で示 す。

内ケース1の天板部10が、振動板2の共振駆 に伴って共振するように薄肉に形成されて る場合には、第1の開口部11と振動板2との距 が振動板2の振動に同調して変化するため、 天板部10が共振しない場合に比べて、第2開口 部53から排出される空気の流量が飛躍的に増 する。図1のように天板部10全体が薄肉に形 されている場合、天板部10全体を共振させ ことができるので、さらなる流量増加を実 できる。天板部10は1次共振モード又は3次共 モードのいずれで共振してもよい。

内ケース1は振動板2の共振駆動に伴って上 に振動するが、内ケース1は連結部4を介し 外ケース5に対して柔らかく支持されている で、内ケース1の振動が外ケース5に殆ど漏 せず、エネルギー損失を低減できる。その 果、比較的小さい入力エネルギーでも、大 量のマイクロブロアを実現できる。さらに 外ケース5が殆ど振動しないので、外ケース5 を筐体や基板などに固定した際、その固定構 造によって振動板2の振動が影響を受けず、 量等の特性変動をなくすことができる。

〔第2実施形態〕
図4は本発明にかかる圧電マイクロブロアの 2実施形態を示す。本実施形態の圧電マイク ブロアBのうち、第1実施形態の圧電マイク ブロアAと同一部分には同一符号を付して重 説明を省略する。

本実施形態のマイクロブロアBでは、内ケ ス1の天板部10の上面に上方向に突出する凸 (周壁部)12を形成し、外ケース5の天板部52の 面は平坦面としてある。なお、凸部12には 射方向に流入通路7が形成されている。この 合は、内ケース1の天板部10のうち凸部12以 の部分、つまり中央空間6に対面する天板部1 0の部分10aが振動板2の共振駆動に伴って上下 共振する。

なお、第1,第2実施形態における凸部54,12は 須のものではなく、内ケース1の天板部10の 面及び外ケース5の天板部52の下面を平坦面 してもよい。この場合には、内ケース1の天 板部10と外ケース5の天板部52との間全体が中 空間6及び流入通路7となる。

図5~図7は、前述の第1実施形態のマイクロ ロアを具体化したものであり、新たな符号 付したものを除き、対応する部分には同一 号を付して重複説明を省略する。このマイ ロブロアA'の内ケース1は、天板10と、天板10 下面に固定された環状の第1枠体13と、第1枠 体13の下面に固定された振動板2と、振動板2 下面に固定された環状の第2枠体14との積層 造となっている。第1枠体13の厚みによって ブロア室3の厚みが設定される。

天板10はばね弾性を有する円板状の金属板 りなり、図6に示すように、その外周部に4 の幅狭な連結部4が90°間隔で一体に突設され 、各連結部4の外側端部に幅広な取付部10b,10c 形成されている。取付部のうちの1つ10cは外 ケース5より外周方向に突出しており、この 付部10cが圧電素子20に電圧を印加するための 一方の電極端子を兼ねている。第1枠体13、第 2枠体14も金属材料よりなり、第1枠体13と第2 体14との間で振動板2の金属製ダイヤフラム21 の上下面を挟持することにより、圧電素子20 片面の電極は、別途配線を行うことなく、 板10の電極端子10cと電気的に接続できる。

振動板2は、ダイヤフラム21と圧電素子20と 中間板22を間にして接着したものである。 間板22もダイヤフラム21と同様な金属板より り、振動板2が屈曲変形したとき、変位の中 立面が中間板22の厚みの範囲内になるように 定されている。

外ケース5は例えば樹脂材料によって一体 形されており、その周壁部端面に他方の電 端子8が固定されている。この電極端子8には 、圧電素子20の他面に形成された電極がリー 線81を介して電気的に接続されている。外 ース5の側壁部50には、周方向4箇所に支持面5 5が形成され、これら支持面55に天板10の取付 10b,10cを支持固定することにより、内ケース 1は外ケース5に対して浮動状態で弾性的に支 される。外ケース5の周壁部には、上下に貫 通する複数の取付孔56が形成され、これら取 孔56にボルト(又はネジ)を挿入して、筐体又 は基板などに締結することにより、本マイク ロブロアA'は取り付けられる。なお、ボルト 代えて接着剤により固定してもよい。本実 例では、外ケース5の空洞部51は下方に開放 、圧電素子20が外部に露出しているが、圧 素子20を覆うように外ケース5の下面開口を 体で閉じるようにしてもよい。

図8は、以下のような条件でマイクロブロアA' の駆動部分のみ(内ケース+振動板)と、駆動部 分と外ケースとを連結部で連結した連結構造 とにおいて、駆動周波数とダイヤフラムの中 心変位とをシミュレーションにて比較したも のである。なお、内ケース1の天板10と外ケー ス5の天板52との間が中央空間6となる構成(流 形成用の凸部54は省略)によってシミュレー ョンを行った。
ブロア室(内径、厚み)=(φ14mm、t0.15mm)
圧電素子(直径、厚み)=(φ11mm、t0.15mm)
ダイヤフラム(駆動領域直径、厚み、材質)=(φ 17mm、t0.05mm、42Ni)
内ケース天板(駆動領域直径、厚み、材質)=(φ 17mm、t0.1mm、SUS430)
第1開口部(ポンプ室天板)=(φ0.6mm)
連結部(長さ、幅、厚み、材質) =(0.5mm、1mm、0 .1mm、SUS430)
外ケース天板(直径、厚み、材質)=(φ18mm、0.3mm 、PBT)
内ケースの外側と外ケースの側壁部との隙間 =α(0.5mm)
中央空間(直径、厚み)=(φ18mm、0.5mm)

この実験では、振動板を26kHz 、15Vpp で駆 したところ、0.8L/minの流量が得られた。こ 場合には、図9の(a)に示すように、振動板の 動領域(φ17mm)は3次モード、内ケースの天板 駆動領域(φ17mm)は振動板とは異なる3次モー の振動をした。

図8から明らかなように、駆動部分と連結 造とを比較すると、駆動周波数及び中心変 量の違いが非常に小さく、連結部を介した ケースへの振動の漏洩は殆どないことがわ る。特に、図9の(a)ようなモードで振動板及 内ケースの天板を振動させ、かつ圧電素子 直径がブロア室内径より小さい場合、振動 及び内ケースの天板の外周部の変位が共に さいので、その変位の小さい部分をばね弾 を持つ連結部で支持することで、外ケース の振動の漏洩を殆どなくすことができたと えられる。

図9の(a)は振動板を3次モードで駆動した時 あるが、図9の(b)は振動板を1次モードで駆 した時の様子を示す。なお、圧電素子の直 はダイヤフラムとほぼ同径であり、ブロア の内径より大きい。この場合には、内ケー の天板は中央部とその周辺部とに節を持つ3 モードで振動する。振動板及び内ケースの 板は、その外周端が自由端となるように振 するので、内ケースの天板の外周端を支持 る連結部としては、ばね性に富んだ材料で 成するのが望ましい。内ケースの天板の中 部の変位量は、振動板の中央部の変位量よ 大きくなるので、3次モードで駆動した場合 (図9の(a))に比べて流量を増加させることが可 能になる。

上述のように、本実施例のマイクロブロア の場合、内ケースと外ケースとがはね弾性を 持つ連結部を介して連結されているので、駆 動部分の振動エネルギーが外ケースに漏洩す る事によるエネルギーロスを低減でき、小型 化しても所望の流量を得ることができる。ま た、取付方法に関係なく流量特性を維持する ことができる。さらに、内ケースと凸部との 隙間β(0.1mm)が流路として機能する為、流入通 路が同じ厚み場合と比較して、流路抵抗が低 減し、流量が増加するという効果がある。

図10~図12は、第2実施形態のマイクロブロア Bを具体化したものであり、第1実施例のマイ ロブロアA’と対応する部分には同一符号を 付して重複説明を省略する。このマイクロブ ロアB’では、内ケース1の天板10の上面に複 の凸部(周壁部)12を接着したものである。凸 12の上面と外ケース5の天板52との間には隙 βが設けられている。凸部12同士の間には溝 の流入通路7が放射方向に形成され、流入通 路7の内側端には絞り部71が形成されている。 この絞り部71を介して流入通路7と中央空間6 が連通している。中央空間6は第1開口部11を 心とする同心円形に形成されている。天板1 0の中で凸部12の接着部以外の部分、つまり中 央空間6と面する部分10aだけが振動板2の駆動 伴って共振する。

〔第3実施形態〕
図13,図14は本発明にかかる圧電マイクロブロ の第3実施形態を示す。本実施形態の圧電マ イクロブロアCのうち、第1,第2実施形態の圧 マイクロブロアA,Bと同一部分には同一符号 付して重複説明を省略する。

本実施形態のマイクロブロアCでは、内ケ ス1の天板10の上面に複数(ここでは4個)の連 部4を垂直に形成し、これら連結部4を介して 天板10を外ケース5の天板52に固定してある。 結部4はばね弾性を持たない部材で形成して もよいが、ばね部材の方が望ましい。天板10 中心(第1開口部11)から連結部4までの径方向 距離Rは、連結部4の位置が天板10の振動の節 と一致するように設定されている。なお、他 の構成は第1実施形態と略同様であるが、流 形成用の凸部12,54は設けられていない。した がって、内ケース1の天板10と外ケース5の天 52との間の空間が中央空間6となる。

図15は、連結部4を振動の節に垂直に接続した 圧電マイクロブロアCと、連結部4を天板10の 周端部に接続した比較例とを用いて、駆動 の駆動周波数とダイヤフラムの中心変位量 を解析したものである。ここでは、駆動部 (内ケース1+振動板2)と外ケース5とを連結部 連結した連結構造に対する、駆動部分のみ 構造の特性を比で表してある。駆動周波数 25kHzであり、15Vppで駆動した際に、1次共振モ ードで振動する振動板と内ケースとが共振状 態となる周波数を示す。ここで、駆動部分の 各部分の寸法は以下の通りである。内ケース 1の天板10と外ケース5の天板52との間が中央空 間6となる。
ブロア室(内径、厚み)=(φ5mm、t0.15mm)
圧電素子(径、厚み)=(φ11mm、t0.1mm)
ダイヤフラム(駆動領域直径、厚み、材質)=(φ 11mm、t0.1mm、42Ni)
ブロア室天板(駆動領域直径、厚み、材質)=(φ 11mm、t0.05mm、SUS430)
第1開口部(ポンプ室天板)=(φ0.6mm)
連結部(長さ、幅、厚み、材質) =(0.5mm、1mm、0 .05mm、SUS430)
距離R=4mm
外ケースの天板(直径、厚み、材質)=(φ12mm、0. 3mm、PBT)
内ケースの外側と外ケースの側壁部との隙間 =α(0.5mm)
中央空間(直径、厚み)=(φ12mm、0.4mm)

図15のうち、左側は外周部で保持した場合 右側は節部で保持した場合である。この実 では、振動板を1次モードで駆動しているた め、図9の(b)と同様に、振動板及び内ケース 天板は、その外周端が自由端となるように 動し、振動の節は外周端よりやや内側に入 た部位にある。しかも、内ケースの天板の 動の節は振動板の節とほぼ同じ位置にある 図15より明らかなように、外周部で保持した 場合(比較例)では、自由端である外周部が保 部で拘束されるため、駆動部分単体に比べ 、駆動周波数が約10%高くなり、かつ自由端 ある外周部から保持部を介して振動が外ケ スに伝わるため、流量特性に影響するダイ フラムの中心変位量が66%に低下する。一方 圧電マイクロブロアCのように節部(R=4mm)の 置で保持した場合、駆動周波数は駆動部分 体の駆動周波数と同じとなり、ダイヤフラ の中心変位量の差も1%未満である。このこと から、連結部を内ケースの天板の節部に接続 することで、内ケースの振動が外ケースへ漏 洩することによるエネルギー損失が非常に小 さいことが分かる。

なお、ここでいう1次共振モードは、振動 の振動モードのことであり、内ケースの天 (壁部)の振動モードではない。内ケースの天 板は、圧電素子が形成された振動板の振動に 伴って振動するが、この内ケースの天板の振 動は、必ずしも振動板の振動モードと一致す る訳ではなく、複雑な振動を行う。今回の実 験では、圧電素子を備えた振動板は外周が自 由端となる1次共振モードで振動し、内ケー の天板の振動には節が生じており、節の位 は内ケースの外周端よりも内側に入った位 にある。この節の位置は、内ケースの天板 振動を個別にLDV(レーザー・ドップラー流速 )で測定することで求めることができる。こ のため、振動板の振動状況によっては、内ケ ースの天板の外周端に内ケースの振動の節が 位置する可能性もある。

図15のように、ダイヤフラムの中心変位量 大きくなる理由は、内ケースの天板を節部 支持したためだけでなく、圧電素子20の直 がブロア室3の直径より大きいことも影響し いる。すなわち、圧電素子20の直径がブロ 室3の直径よりも大きい場合、圧電素子20の 周端が第1枠体13上に位置するため、一般に 第1枠体13により圧電素子20の変位が拘束され 、変位が小さくなると考えられる。しかし、 圧電素子20の直径をブロア室3の直径よりも大 きくし、第1枠体13を容易に屈曲変位できる厚 みとし、圧電素子20を一次モードで駆動した 合、振動板2を含む内ケース1全体が外周端 自由端とするように無理なく変位できる。 のため、振動板2の大きな変位、ひいては内 ース1の天板の大きな変位が得られたものと 推定される。さらに、ブロア室3が共鳴空間 なるようにその直径を設定することで、さ なる流量増加を期待できる。

図16~図18は、前述の第3実施形態のマイクロ ブロアCを具体化したものであり、図13と対応 する部分には同一符号を付して重複説明を省 略する。このマイクロブロアC'の内ケース1は 、天板10と、天板10の下面に固定された環状 枠体13と、枠体13の下面に固定されたダイヤ ラム21との積層構造となっている。枠体13の 内側にブロア室3が形成される。

天板10はばね弾性を有する円板状の金属板 りなり、図17に示すように、その外周部に ランク状の4個の連結部4が一体に形成されて いる。連結部4は天板10に対して直角に折り曲 げられている。連結部4の内側端部41と天板10 の接続位置が天板10の振動の節となるよう 、連結部4と第1開口部11との距離Rが設定され ている。連結部4の外側端部42は、天板10から 射方向へ突出しており、外ケース5の天板52 内面に支持されている。外側端部42の先端 に形成された取付部10bが外ケース5の支持面5 5に支持されている。なお、取付部のうちの1 10cは外ケース5の支持面55から外部へ突出し 電極端子を兼ねている。

この場合には、連結部4を天板10から一体に 形成できるので、構造が簡単になると共に、 連結部4の外側端部42が外ケース5の天板52の内 面で支持されるので、内ケース1を外ケース5 対して安定して支持できる。また、連結部4 は天板10の振動の節に接続されているので、 板10が振動しても連結部4は実質的に振動し い。つまり、連結部4は弾性を必要としない ので、任意の材質のものを選ぶことができる 。

図19~図22は、前述の第3実施形態のマイクロ ブロアCを具体化した他の具体例を示す。図16 ~図18の例と対応する部分には同一符号を付し て重複説明を省略する。このマイクロブロア C”では、連結部4が天板10と同一面上で放射 向に延びている。連結部4の両側にスリット1 0dを形成し、これらスリット10dの切り込み量 つまり連結部4の内側端41と天板10の中心(第1 開口部11)との距離Rを適切に設定することで 連結部4の内側端41が天板10の振動の節となる ように調整してある。天板10とダイヤフラム2 1との間に介設される枠体13には、連結部4が 板10と振動の節より外側部で接触しないよう に、連結部4と対応する位置に切欠部13aが形 されている。なお、切欠部13aに代えて凹部 もよい。

この実施例では、連結部4の形成のために 板10に曲げ加工を行う必要がないので、天板 10の製作が簡単である。

本発明は前述の実施形態乃至実施例に限定 されるものではない。例えば前記説明では、 中央空間と対応する内ケースの天板部を振動 板の振動に伴って振動させる例を示したが、 必ずしも内ケースの天板部が振動する必要は ない。流入通路の形状は、中央空間から放射 方向に直線的に延びた形状に限るものではな く、任意に選択できる。また、流入通路の本 数も任意であり、流量、騒音の程度に応じて 選択できる。さらに、振動板として、ダイヤ フラムの中央部に円板状圧電素子を貼り付け たもの、及びダイヤフラムに円板状の中間板 を介して円板状の圧電素子を貼り付けたもの を示したが、圧電素子の形状は円板状に限ら ず、リング状でもよい。連結部の一端部を接 続する内ケース側の部材は、どの部材でもよ く、実施例のような天板10に限らず、天板10 ダイヤフラム21との間に介設される第1枠体13 であってもよいし、ダイヤフラム21であって よい。

A,A',B,B',C,C',C'' 圧電マイクロブロア
1      内ケース
10     天板(壁部)
11     第1開口部
12     凸部(周壁部)
13     第1枠体
14     第2枠体
2      振動板
20     圧電素子
21     ダイヤフラム
3      ブロア室
4      連結部
5      外ケース
51     空洞部
52     天板部(壁部)
53     第2開口部
54     凸部(周壁部)
6      中央空間
7      流入通路