WO2009148008A1 - 圧電マイクロブロア - Google Patents

Abstract

【課題】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。 【解決手段】圧電素子２０を有する振動板２の周囲を固定し、振動板との間でブロア室３を形成する内ケース１と、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５とを有し、内ケース１を複数の連結部４を介して外ケース５で弾性的に支持する。振動板の中央部と対向する内ケース１の天板部１０に第１開口部１１が形成され、第１開口部と対向する外ケース５の天板部５２に第２開口部５３が形成され、両天板部１０，５２の間に両ケースの隙間を介して外部から流入した流体が導かれる中央空間６が形成される。振動板２をベンディングモードで駆動させることにより、空気を中央空間６へ吸い込み、第２開口部５３から排出する。振動板２の振動が内ケース１から外ケース５へ漏洩するのを連結部４が抑制し、エネルギー損失を低減する。

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を有する基体と、加圧室に臨むように設けたノズルを有するノズル板と、開口を有し、この開口のほぼ中央にノズルが位置するようにノズル板に装着された振動子とを備え、ノズル板と振動子とを基体に装着すると共に、振動子の共振周波数近傍の周波数の交流信号をこの振動子に供給するようにした流れ発生装置が提案されている。この場合には、逆止弁を省略でき、振動子を高周波で駆動することにより流量を増大させることができる。特許文献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する噴射ユニットと、噴射ユニットから噴射された空気を排出する排出口が形成されたカバー部と、噴射ユニットと結合されるベースユニットとを含むマイクロブロアが開示されている。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片面に圧電素子を貼り付けて超音波駆動体を構成し、ステンレス製ディスクの他面に第１のステンレス製膜体を固定し、このステンレス製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つに高エネルギー効率化がある。すなわち、入力される電気エネルギーを空気の吐出流量にできるだけ無駄なく変換することが必要がある。特許文献１の場合、内ケースと外ケースとの二重壁構造よりなるので、内ケースの振動が外部へ漏れにくい構造となっているが、内ケースと外ケースとを繋ぐ壁部は剛体であり、しかも壁部が振動子の振動方向に延びているため、この壁部を介して振動子の振動が内ケースから外ケースへ伝播しやすい。外ケー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より、エネルギー損失が大きくなると共に、外ケースと筐体との固定構造によって特性が変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バボディを介して振動子が取り付けられ、噴射プレートの外周部は外側のケースと固定されている。噴射プレートは振動子の振動にともなって振動しないような比較的厚肉な板であるため、振動子の振動が外側のケースへ伝播してしまい、特許文献１と同様にエネルギー損失が大きくなる。

特許文献３の場合、第２のステンレス製膜体を筐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外周部で固定されているため、超音波駆動体の振動がそのまま外部へ漏洩し、特許文献１，２に比べてさらにエネルギー損失が大きくなると考えられる。また、筐体への固定構造によっ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、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開口部から吸い込まれ、次の半周期では排出される。振動板の高周波駆動に伴い第１開口部から排出される高速気流により、その周囲にある空気を巻き込みながら第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開口部から排出された空気とが合流して第２開口部から排出されるので、振動板の変位体積以上の吐出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圧電素子を貼り付けたユニモルフ型、ダイヤフラムの両面に互いに逆方向に伸縮する圧電素子を貼り付けたバイモルフ型、ダイヤフラムの片面にそれ自体が屈曲変形する積層型圧電素子を貼り付けたバイモルフ型、さらにはダイヤフラムを省略し、圧電素子自体で振動板が構成されたものでもよい。また、圧電素子の形状は、円板状、矩形状、あるいは円環状であってもよい。圧電素子とダイヤフラムとの間に中間板を貼り付けた構造でもよい。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て、振動板が板厚方向に屈曲振動するものであればよい。

振動板を１次共振モード（１次共振周波数）で駆動するのが、最も大きな変位量が得られるので望ましいが、１次共振周波数は人間の可聴領域となり、騒音が大きくなる場合がある。これに対し、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小さくなるものの、共振モードを使用しない場合より大きな変位量が得られ、しかも可聴領域を越えた周波数で駆動できるため、騒音を防ぐことができる。なお、１次共振モードとは、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、振動板の中央部とその周辺部とでそれぞれ腹が１つずつ生じる振動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、振動板の変位に追随して内ケースの壁部を共振させることができる。この場合には、振動板が発生する流体の流量を内ケースの壁部の変位によって増加させる働きがあり、さらなる流量増加を実現できる。振動板と内ケースの壁部とは同じ共振モードで振動してもよいし、一方が１次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ス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ク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上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下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使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その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。 本発明の第３実施形態に係る圧電マイク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上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下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クロブロアを具体化した他の例の断面図である。 図１９に示す圧電マイクロブロアの斜め上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下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ロアとして用いる例を示す。この圧電マイクロブロアＡは、大略、内ケース１と、内ケース１の外側を所定の隙間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と外ケース５との間が複数の連結部４によって連結されている。本実施形態では、図２に示すように外ケース５は側壁部５０と天壁部５２とを有し、そ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の中に円板形の内ケース１が所定の隙間αをあけて収容されている。連結部４は内ケース１の外周部と外ケース５の側壁部５０との間に設けられている。内ケース１は下方が開口した断面コの字形に形成され、内ケース１の開口を閉じるように振動板２のダイヤフラム２１が固定されて、内ケース１と振動板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、圧電セラミックよりなる圧電素子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であり、圧電素子２０に所定周波数の電圧を印加することにより、振動板２全体がベンディング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の天板部（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の共振駆動に伴って共振するように薄肉に形成されている。内ケース１の天板部１０と対向する外ケース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の天板部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が共振したとき、天板部１０が凸部５４と接触しない寸法に設定されている。凸部５４の高さγは隙間βより大きく、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から放射方向に延びる複数本（ここでは４本）の溝よりなる流入通路７（図２参照）が形成されている。この実施形態では、流入通路７だけでなく、凸部５４と天板部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ので、流路抵抗を低減でき、流量増加に寄与することができる。

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（ここでは４個）設けられ、内ケース１を外ケース５に対して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ケース１が上下方向に振動したとき、その振動が外ケース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の内周との間には、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まれ、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、連結部４は周方向に間隔をあけて配置されているので、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の作動を説明する。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次共振モード又は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の距離が変化する。第１開口部１１と振動板２の距離が増大するとき、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と振動板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へと排出される。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を通過し、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から中央空間６へ向かう連続した空気の流れが生じ、第２開口部５３から空気は噴流となって連続的に排出される。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の共振駆動に伴って共振するように薄肉に形成されている場合には、第１の開口部１１と振動板２との距離が振動板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大する。図１のように天板部１０全体が薄肉に形成されている場合、天板部１０全体を共振させることができるので、さらなる流量増加を実現できる。天板部１０は１次共振モード又は３次共振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下に振動するが、内ケース１は連結部４を介して外ケース５に対して柔らかく支持されているので、内ケース１の振動が外ケース５に殆ど漏洩せず、エネルギー損失を低減できる。その結果、比較的小さい入力エネルギーでも、大流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、流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第２実施形態を示す。本実施形態の圧電マイクロブロアＢのうち、第１実施形態の圧電マイクロブロアＡと同一部分には同一符号を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Ｂでは、内ケース１の天板部１０の上面に上方向に突出する凸部（周壁部）１２を形成し、外ケース５の天板部５２の内面は平坦面としてある。なお、凸部１２には放射方向に流入通路７が形成されている。この場合は、内ケース１の天板部１０のうち凸部１２以外の部分、つまり中央空間６に対面する天板部１０の部分１０ａが振動板２の共振駆動に伴って上下に共振する。

なお、第１，第２実施形態における凸部５４，１２は必須のものではなく、内ケース１の天板部１０の上面及び外ケース５の天板部５２の下面を平坦面としてもよい。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との間全体が中央空間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ブロアを具体化したものであり、新たな符号を付したものを除き、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Ａ'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の下面に固定された環状の第２枠体１４との積層構造となっている。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よりなり、図６に示すように、その外周部に４個の幅狭な連結部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が形成されている。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、この取付部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枠体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の片面の電極は、別途配線を行うことなく、天板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とを中間板２２を間にして接着したものである。中間板２２もダイヤフラム２１と同様な金属板よりなり、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設定されている。

外ケース５は例えば樹脂材料によって一体成形されており、その周壁部端面に他方の電極端子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ド線８１を介して電気的に接続されている。外ケース５の側壁部５０には、周方向４箇所に支持面５５が形成され、これら支持面５５に天板１０の取付部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持される。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、これら取付孔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、ボルトに代えて接着剤により固定してもよい。本実施例では、外ケース５の空洞部５１は下方に開放し、圧電素子２０が外部に露出しているが、圧電素子２０を覆うように外ケース５の下面開口を蓋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（流路形成用の凸部５４は省略）によってシミュレーションを行った。
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）＝（φ17mm、ｔ0.05mm、42Ni）
内ケース天板（駆動領域直径、厚み、材質）＝（φ17mm、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 で駆動したところ、０．８L/minの流量が得られた。この場合には、図９の（ａ）に示すように、振動板の駆動領域（φ17mm）は３次モード、内ケースの天板の駆動領域（φ17mm）は振動板とは異なる３次モードの振動をした。

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

図９の（ａ）は振動板を３次モードで駆動した時であるが、図９の（ｂ）は振動板を１次モードで駆動した時の様子を示す。なお、圧電素子の直径はダイヤフラムとほぼ同径であり、ブロア室の内径より大きい。この場合には、内ケースの天板は中央部とその周辺部とに節を持つ３次モードで振動する。振動板及び内ケースの天板は、その外周端が自由端となるように振動するので、内ケースの天板の外周端を支持する連結部としては、ばね性に富んだ材料で形成するのが望ましい。内ケースの天板の中央部の変位量は、振動板の中央部の変位量より大きくなるので、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実施例のマイクロブロア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の上面に複数の凸部（周壁部）１２を接着したものである。凸部１２の上面と外ケース５の天板５２との間には隙間βが設けられている。凸部１２同士の間には溝状の流入通路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とが連通している。中央空間６は第１開口部１１を中心とする同心円形に形成されている。天板１０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の駆動に伴って共振する。

〔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アの第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実施形態の圧電マイクロブロアＡ，Ｂと同一部分には同一符号を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、内ケース１の天板１０の上面に複数（ここでは４個）の連結部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。連結部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の中心（第１開口部１１）から連結部４までの径方向の距離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、流路形成用の凸部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の天板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の外周端部に接続した比較例とを用いて、駆動時の駆動周波数とダイヤフラムの中心変位量とを解析したものである。ここでは、駆動部分（内ケース１＋振動板２）と外ケース５とを連結部で連結した連結構造に対する、駆動部分のみの構造の特性を比で表してある。駆動周波数は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）＝（φ11mm、ｔ0.1mm、42Ni）
ブロア室天板（駆動領域直径、厚み、材質）＝（φ11mm、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。この実験では、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の天板は、その外周端が自由端となるように振動し、振動の節は外周端よりやや内側に入った部位にある。しかも、内ケースの天板の振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持部で拘束されるため、駆動部分単体に比べて、駆動周波数が約１０％高くなり、かつ自由端である外周部から保持部を介して振動が外ケースに伝わるため、流量特性に影響するダイヤ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）の位置で保持した場合、駆動周波数は駆動部分単体の駆動周波数と同じとなり、ダイヤフラム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、振動板の振動モードのことであり、内ケースの天板（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、内ケースの天板の振動には節が生じており、節の位置は内ケースの外周端よりも内側に入った位置にある。この節の位置は、内ケースの天板の振動を個別にＬＤＶ（レーザー・ドップラー流速計）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が大きくなる理由は、内ケースの天板を節部で支持したためだけでなく、圧電素子２０の直径がブロア室３の直径より大きいことも影響している。すなわち、圧電素子２０の直径がブロア室３の直径よりも大きい場合、圧電素子２０の外周端が第１枠体１３上に位置するため、一般には第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場合、振動板２を含む内ケース１全体が外周端を自由端とするように無理なく変位できる。そのため、振動板２の大きな変位、ひいては内ケース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が共鳴空間となるようにその直径を設定することで、さら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の枠体１３と、枠体１３の下面に固定されたダイヤフラム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よりなり、図１７に示すように、その外周部にクランク状の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との接続位置が天板１０の振動の節となるように、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から放射方向へ突出しており、外ケース５の天板５２の内面に支持されている。外側端部４２の先端部に形成された取付部１０ｂが外ケース５の支持面５５に支持されている。なお、取付部のうちの１つ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に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、天板１０が振動しても連結部４は実質的に振動しない。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と同一面上で放射方向に延びている。連結部４の両側にスリット１０ｄ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２１との間に介設される枠体１３には、連結部４が天板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が形成されている。なお、切欠部１３ａに代えて凹部でもよい。

この実施例では、連結部４の形成のために天板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とダイヤフラム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であってもよい。

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

Claims (8)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。

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