專利名稱：低構型軸流單葉片壓電風扇的制作方法
技術領域：
本發明涉及壓電風扇，尤其涉及一種低構型軸流單葉片壓電風扇。
背景技術：
在本領域，采用風扇在電路板上吹送空氣來冷卻是眾所周知的。通常，這采用壓電型風扇或旋轉型風扇來實現。
旋轉型風扇有許多缺點。它們需要許多包括軸承的運動部件，其中軸承需要某種類型的潤滑。旋轉型風扇一般也比壓電風扇有更大的尺寸和更大的能源消耗需求，并且旋轉型風扇可產生顯著的電磁干擾(EMI)和無線電頻率干擾(RFI)噪聲信號。此外，旋轉型風扇一般比壓電風扇的壽命更短。
壓電風扇已經用于替代旋轉型風扇，且呈現出顯著的優點，它們有更少的運動部件、產生非常少的熱，且可用于有很寬的溫度范圍、很寬的濕度范圍的惡劣環境，或者甚至用于危險的爆炸性氣體環境中。
現有技術的壓電風扇通常是采用雙葉片設計而制造的。這兩個折彎式葉片一般互相異相180度振動。這兩個葉片的互補的前后運動形成動態平衡，而且將該設備的振動和噪聲減到最小。遺憾的是，雙葉式壓電風扇的高度(在電路板上方的高度)在許多應用場合不能被接受。
圖1顯示了一根據現有技術的雙葉式壓電風扇100。在圖1中，外殼102支撐著兩個風扇葉片104和104’，該兩葉片互相異相180度被驅動。壓電元件在外殼102的內部，由一對導線106、106’激勵。葉片104’周圍的氣流模式由箭頭來表示，其中箭頭示出了進出風扇100的氣流。現有技術的風扇，比如圖1中所示的，有很高的構型且占用較大的空間體積。雖然它們容易應用到空間限制不是問題的應用場合，但它們不適于冷卻現代電子產品中密集組裝的電子元件。
圖2顯示了現有技術中另一扁平型雙葉片壓電風扇200的實施例。風扇200含有兩個風扇葉片202、202’，該兩葉片由一安裝桿203所分開。每一風扇葉片含有一壓電元件204，該壓電元件被驅動而產生風扇葉片202、202’的偏轉。有一電流激勵該壓電元件，在圖2中這通過附接于元件204上的正負導線示出。
風扇葉片周圍的氣流模式由示出了進出風扇的氣流的箭頭來表示。主進入氣流在風扇的角部206進入，而次進入氣流沿風扇的側邊緣208處進入。風扇的排出氣流在與安裝桿203相對的風扇端部210處排出。
壓電風扇200有一顯著的設計缺陷。進入風扇200的氣流是非軸向的，因而由于通道的緣故需要相當大的體積。此外，對于特定的應用場合，該雙葉片設計的高度可能要受到限制。
因此，在本領域中，一種低構型的單葉片壓電風扇將被作為一種改進，該風扇提供了一種低能源、低噪聲、低成本和低振動的設計，且能提供一充分軸向的氣流來冷卻粗糙的專用外殼組件中的電子元件，該外殼組件是為使電子產品的總體尺寸更小而設置的。
附圖簡要說明圖1顯示了一種根據現有技術的雙葉片壓電風扇；圖2顯示了根據現有技術的雙葉片壓電風扇的另一實施例；圖3顯示了根據本發明的低構型軸流單葉片壓電風扇的一實施例；圖4顯示了圖3中所示的低構型軸流單葉片壓電風扇的平面圖；圖5顯示了圖3中所示的添加了葉片止擋塊的低構型軸流單葉片壓電風扇的側視圖；圖6A-6C顯示了具有卷繞電極設計的壓電元件的頂視圖、側視圖和底視圖。
優選實施例的詳細描述圖3顯示了低構型軸流單葉片壓電風扇300的一實施例。該風扇的主要優點是在低外形包裝中的自身通道(self-ducting)的軸向氣流設計。
參照圖3，設有一壓電風扇組件300。風扇300含有一基本中空且縱向延伸的外殼302，該外殼有一近端304和一遠端306。外殼302包括一基板308、一頂部封蓋310和一對位于基板308和頂部封蓋310之間的低構型側壁312、312’。在外殼302的近端304的空氣進入區域和在外殼302的遠端306的空氣排出區域形成一從空氣進入區域到空氣排出區域延伸的軸向空氣流。
風扇300還含有一單獨風扇葉片314，其位于外殼302的內部且通過多個垂直安裝柱316附接于外殼的靠近空氣進入區域附近。這些安裝柱316的外形很窄，以促使在安裝柱316之間從空氣進入區域到空氣排出區域的空氣流動。在一實施例中，該單獨風扇葉片314包含一有較高硬度-質量比的石墨復合材料。該單獨風扇葉片314依據設計方案還可有錐度。
風扇300還含有一固定安裝于該單獨風扇葉片314上的壓電元件318。這可用一種粘結材料或其它任何可行的安裝技術來完成。該壓電元件318包含至少一塊壓電陶瓷材料片。當采用了多于一片的陶瓷片時，這些薄片在一定溫度和壓力下被層壓在一起。該層壓薄片的全部外表面基本上被一導電的金屬涂層所覆蓋(見圖6)。然后，將一對導線320接附于壓電元件318上。在一實施例中，導線320連接于一驅動電路，該驅動電路以交變電流激勵壓電元件。
而且在圖3中，有一對端塊322、322’位于側壁312、312’和該單獨風扇葉片314的非附接端之間的空氣排出區域。該對端塊322、322’有助于控制通過外殼302的空氣流動。在圖3中通過外殼302的空氣流動由一系列箭頭示出。進入氣流在外殼的近端304處進入，而排出氣流在外殼302的遠端306處排出。
盡管圖3顯示了該低構型、軸流、單葉片壓電風扇的一實施例的詳細圖，但應當理解對于該壓電風扇組件，必需的部件是一用于限定軸向氣流通過的內部空腔的外殼，一位于該外殼內且僅以其一端附接于該外殼上的單獨風扇葉片，一固定安裝在該單獨風扇葉片上的壓電元件，以及一激勵該壓電元件的裝置。在一優選實施例中，該激勵壓電元件的裝置將是一驅動電路。
對于低構型單葉片壓電風扇來說，一種理想的具體應用是膝上型計算機。隨著工業上朝向更小的提供性能更高的膝上型計算機發展的趨勢，目前其難以冷卻元件、處理器和與這些日益復雜的機器相關的電路。膝上型計算機電路板的局部區域控制高級圖形和類似系統可產生大量的熱量，這些熱量被必須驅散，以便確保計算機的可靠運行。由于其較高的外形和缺乏軸向氣流，雙葉片壓電風扇可能不適合于這種應用。
圖4顯示了圖3中所示的低構型軸流單葉片壓電風扇的平面圖。在圖4中，有在圖3中已經示出、標記且討論過的各種元件。在此，通過參照圖4的討論將這些元件結合起來。在圖4中，尤其示出了從外殼302的近端304到外殼的遠端306的空氣流動。在圖4中通過一系列箭頭示出了進入氣流和排出氣流，這些箭頭顯示了空氣通過外殼的方向。值得注意的是，圖4明確地示出該對端塊322、322’與風扇葉片314一起如何使空氣改變路徑的，從而空氣繞端塊322、322’周圍行進。
圖5顯示了圖3中所示的具有葉片止擋塊的低構型軸流單葉片壓電風扇的側視圖。從該圖看出，示出的壓電風扇外殼302具有近端304和遠端306，還有基板308和頂部封蓋310。在該外殼內，還沒有安裝柱316、單獨的風扇葉片314、壓電元件318以及導線320。在外殼302的近端304的進入氣流和外殼的遠端306的排出氣流由箭頭示出。從該圖可看出，該單獨的風扇葉片314根據壓電元件318的激勵而進行的偏轉示為在該單獨風扇葉片314的上方及下面的一組虛線。應注意的是在一優選實施例中，外殼將這樣來設計，即該單獨風扇葉片接近但從不實際接觸基板308或頂部封蓋310。
在本發明的另一實施例中，該外殼可含有葉片止擋塊，以用于需要一個可控制的峰值偏轉的高比重應用場合。葉片止擋塊僅設定葉片在外殼內的行程限制。葉片止擋塊還可為葉片提供一支撐，以消除振動劇烈的環境中較高的陶瓷張應力。在圖5中的一對葉片止擋塊示為標號324和324’。
現在還不能毫無保留地強調本發明的軸向氣流的重要性。軸向氣流是很重要的，因為它消除了對布置到葉片角部入口的額外通道的需要。這樣允許更高密度的封裝。換一種說法，在具有軸向氣流的壓電風扇中所需要的以利于空氣進入的空間體積明顯小于具有普通的氣流設計的壓電風扇所需要的空間體積。因此，在電子封裝件中為軸流壓電風扇奉獻的材料量明顯小于普通氣流的壓電風扇的。
對于包括一在外殼組件中的基本上扁平的電路板或電子元件系統的應用來說，軸流是有利的，該外殼組件幾乎沒有氣流流動的間隙。在這樣的環境下，由壓電風扇產生的強勁的軸向空氣流可證明是適合為電路板上的局部熱區通風的，且形成遍及整個電子元件箱的空氣的有效傳遞。隨著電子產品的設計采用更小且更輕的元件，以單葉片壓電風扇形式的一種低構型的冷卻系統可滿足苛刻的高度要求且可容易地集成到低構型電子產品中。盡管旋轉型風扇可制作得小到20mm高，但類似容量的單葉片壓電風扇可以僅高約5mm或更小。
傳統的振動風扇設計不能產生軸向流。在本發明中，強勁的軸向流是該風扇葉片和外殼設計的重要特征，且這些部件的設計使得通過該壓電風扇的軸向流最大。
為了得到所希望的軸向氣流，外殼的形狀是一重要的設計要點。為了獲得所希望的氣流特性，外殼設計將與風扇葉片設計協同完成。在本發明的一實施例中，例如，外殼可直接集成于膝上型計算機的外部殼體上。在本發明的另一實施例中，該外殼可由一基板、一頂部封蓋及其中間的一對低構型側壁形成。
與雙葉片設計相對比，采用單葉片的一個主要的優點是風扇的外形僅是一半的高度。簡單地說，單葉片風扇僅是雙葉片風扇高度的一半，且僅采用其一半的材料。這使得單葉片風扇可集成到雙葉風扇不可行的產品和應用中。在單葉片壓電風扇中有一個問題是與雙葉片設計相比存在額外的振動。
振動作用可通過兩種方法來減至最小。本發明采用下面所述的兩種技術來使振動最小化。首先，通過最小化運動質量可顯著減小振動的產生。采用高硬度的葉片材料，使得葉片更薄、重量減小但仍然保持所希望的共振頻率。而且，通過采用高氣孔的陶瓷材料，形成該壓電元件的陶瓷片的質量可減小，該陶瓷片可切割成更薄的片式元件，然后附著于風扇葉片上。
本發明采用的另一種減少振動的方法包括將該風扇的質量從電子封裝去耦。這具有減輕振動傳遞給最終用戶的作用。因此，振動作用已經減輕的單葉片(也叫單獨葉片)風扇設計可用于許多新的應用中。
通常，風扇葉片的振動頻率依賴于輸入電壓的大小和風扇葉片的長度和硬度。依據設計變量，葉片可以以任何合適的速度驅動，比如從大約20到大約1000赫茲的頻率。該驅動頻率約等于葉片的自然共振頻率(基頻)，以優化風扇效率。
風扇葉片設計和激勵壓電元件的裝置(一般是一驅動電路20)之間的關系是另一項重要的設計要點。在一優選實施例中，一交流輸入電壓以調諧到風扇葉片設計的共振頻率引入，從而可獲得葉片的最大的擺動高度。因此，驅動電壓將是一控制風扇葉片偏移的機構。在一優選實施例中，為了得到最高的效率，該風扇葉片將以其自身的共振頻率來驅動。
壓電風扇葉片的材料將依賴于風扇所運行的特定環境，然而，通常風扇葉片將由具有較高的硬度-重量比和較小質量的材料制成。例如，石墨-環氧材料滿足這些要求，而且顯示出各向異性性能，該性能可使它在一個軸線方向上相對于其它的方向更硬。其它合適的葉片材料包括鋼、鋁、聚脂薄膜或玻璃纖維，但不局限于這些。當然，輕量級的風扇可使振動減輕且需要更少的能源消耗。
壓電風扇葉片構型也可特別設計。在一優選實施例中，風扇葉片將有錐度，從而一端比另一端更寬。通常，安裝端將比葉片的偏轉端更窄。此外，風扇葉片的端部也可有錐度以進一步限定氣流。該壓電風扇葉片的厚度也可依據特定的應用，然而，希望它具有結構完整性以便在其工作環境中不易破碎。
壓電片可連接于葉片的側面，使得它們成為單壓電晶片或雙壓電晶片，以便施加電壓時適于偏轉和彎曲。涂敷壓電片的方式也在本發明的范圍內。電極涂層可通過包括噴霧干燥、濺射、氣相沉積的任何一種沉積技術或其它粘附技術來涂敷。
本發明的另一重要方面包括通過外殼的空氣的可控制流動，更準確地說，繞壓電風扇葉片流動。通過采用專用的通道和風扇葉片設計，大多數氣流參數可被控制，其中這些設計是在特定的應用基礎上設計的。重要變量包括所期望的流速和壓力下降以及在該流管內的壓力、外部溫度、流動管路的幾何形狀、該系統中的壓電風扇的數量和位置，以及許多其它變量。
該低構型軸流單葉片壓電風扇的流動特性將在特定的應用基礎上得以決定。風扇葉片可構形成使流動方向最優且不犧牲性能，其中性能可通過參數比如流速和壓力下降來測量。
在壓電風扇的設計中一個重要的問題是將該壓電元件安裝到風扇葉片上。為了利用壓電作用，風扇葉片和壓電元件必須緊密接觸。根據彎片式壓電換能理論和設計，希望以一種最有效的方式將壓力從壓電元件傳遞到風扇葉片上。這樣，在一優選實施例中，一種具有較薄粘合層的粘合劑適用于將壓電元件粘結到風扇葉片上。然而，可以采用其它的安裝技術比如機械安裝或其它固定組裝。
本發明的另一重要方面包括在壓電風扇葉片上使用卷繞電極。這在圖6中詳細示出。采用卷繞模式的壓電片電極使它們可用于導電的和非導電的葉片材料。直到此時，為了形成一與安裝面電極直接連接的電連接，壓電風扇設計一直采用導電的葉片材料。通過結合一種成一定模式的電極(如圖6中所示)，其可采用非導電材料以滿足重量、硬度和設計性能要求。
圖6A-6C顯示了有一卷繞電極設計的壓電元件(壓電片電極)的頂視圖、側視圖和底視圖。參照圖6A，設有一成一定模式的涂敷在壓電片600上的電極的頂視圖。應當指出的是電極A(602)和電極B(604)的模式都可從該頂視圖中看到。圖6B示出了壓電片600的側視圖，它具有在頂面的電極A(602)和卷繞配置的電極B(604)。應當指出的是兩電極連接于一公同的交流電源。圖6C示出了該壓電片600的底視圖。從該圖可看出電極B的模式。采用卷繞模式的壓電片電極將允許它們用于導電的和非導電的葉片材料。
本發明的另一重要特征是端塊的引入，可以在一些實施例中采用，。端塊位于側壁和該單獨風扇葉片的非附接端之間的空氣排出區域(圖3中的322、322’)。端塊的目的是形成通過外殼的軸向氣流。端塊的形狀將控制氣流排出外殼的出口速度。雖然端塊將被定制設計以滿足用戶的標準，但本發明的一個實施例將具有有錐度的端塊來增加氣流排出外殼的出口速度。
端塊還有一個額外的作用，防止短路。短路是本領域的術語，表述為空氣不再沿真正的軸流方向運行，而是代之以產生小環流模式的狀態。這就降低了壓電風扇的總的運行效率且減小了最大質量傳遞。因此，該端塊用作一種非常有用且必須的設計特征并且可用戶定制以適于特定的應用。
依據特定應用的尺寸和氣流要求本發明的壓電風扇可放縮。然而一實施例試圖提供一種冷卻非常小的封閉區的微型風扇葉片，該封閉區可能僅有一個電子元件。另一實施例可能是一冷卻大型封裝件的大型風扇葉片和外殼的設計，其中它需要使用大量的能源。
盡管已經示出和描述了本發明的各種實施例，但應當理解的是可由那些本領域的技術人員對前面的實施例作出各種改型和替代，以及重新布置和組合，而不會脫離本發明的實質和范圍。
權利要求
1.一種壓電風扇組件，其包括一限定軸流通過的內部空腔的外殼；一位于該外殼內部且僅以其一端附接于該外殼的單獨風扇葉片；一固定于該單獨風扇葉片上的壓電元件；以及一激勵該壓電元件的裝置。
2.如權利要求1所述的壓電風扇，其特征在于，該風扇葉片是一種具有較高硬度-重量比和較小質量的石墨-環氧材料。
3.如權利要求1所述的壓電風扇，其特征在于，該風扇葉片有一安裝端和一非安裝端且有一帶錐度的邊緣，從而該風扇葉片在該非安裝端比在該安裝端更寬。
4.如權利要求1所述的壓電風扇，其特征在于，該外殼的總高度大約0.200英寸或更小。
5.如權利要求1所述的壓電風扇，其特征在于，該用于激勵該壓電元件的裝置包含一驅動電路，該電路可以大約20至1000赫茲的頻率運行。
6.如權利要求1所述的壓電風扇，其特征在于，該外殼直接集成于膝上型計算機的外部殼體上。
7.如權利要求1所述的壓電風扇，其特征在于，該壓電元件有一卷繞電極設計。
8.如權利要求1所述的壓電風扇，其特征在于，該外殼含有葉片止擋塊。
9.一種壓電風扇組件，其包含一限定軸流通過的內部空腔的外殼；一位于該外殼內部且僅以其一端附接于該外殼的單獨風扇葉片，該風扇葉片上有一層導電的涂敷而成的壓電元件；以及一激勵該壓電元件的裝置。
10.一種壓電風扇組件，其包含一基本中空且縱向延伸的外殼，該外殼有一近端和一遠端，該外殼包括一基板，一頂部封蓋和一對位于基板和頂部封蓋之間的低構型側壁，以及在外殼的近端的空氣進入區域和在外殼的遠端的空氣排出區域，且形成一從空氣進入區域到空氣排出區域延伸的軸向氣流；一單獨風扇葉片，其位于外殼內部且通過多個垂直安裝柱附接于外殼的靠近空氣進入區域附近處，該單獨風扇葉片包含一有較高硬度-質量比的石墨復合材料，該風扇葉片在靠近側壁的邊緣處有一錐度；一用一種粘結材料固定于該單獨風扇葉片上的壓電元件，該壓電元件包含至少一片壓電陶瓷材料片，該材料的全部外表面基本上被一導電的金屬涂層所覆蓋，該壓電元件有一對電極，電極的一主表面上有導線；一對端塊位于側壁和該單獨風扇葉片的非附接端之間的空氣排出區域，以控制通過外殼的空氣流動；以及一以交流電來激勵該壓電元件的驅動電路。
全文摘要
一種低構型、軸流、單葉片壓電風扇。該風扇為壓電風扇組件(300)的形式,其含有一限定軸流通過的內部空腔的外殼(302)。在外殼(302)內部是一單獨風扇葉片(314),該葉片僅以其一端附接于外殼(302)上。一壓電元件(318)固定安裝于該單獨風扇葉片(314)上且當該壓電元件(318)被激勵時使該單獨風扇葉片(314)偏轉。這種壓電風扇組件(300)可用于冷卻需要低能源、低體積的風扇應用的電子部件。
文檔編號H01L23/467GK1265777SQ98807796
公開日2000年9月6日 申請日期1998年5月4日 優先權日1997年5月30日
發明者A·羅辛斯基 申請人:Cts公司