(57)【要約】【課題】  電力消費しない態様で移動体を二位置で確実に保持することができ、小型化を実現可能な二位置アクチュエータを得る。【解決手段】  互いに離間している一端位置と他端位置の間を移動自在な移動体と、該移動体を一端位置と他端位置でそれぞれ保持する一対の保持部とを備えた二位置アクチュエータにおいて、移動体の少なくとも一部を、電圧印加により該移動体の移動方向に対して平行な方向に伸張する圧電素子で形成し、この圧電素子に、一方の保持部に保持された状態の移動体を該一方の保持部から離間させ、且つ、他方の保持部まで移動させるに足る衝撃を付加する電圧制御手段を設けた。移動体と一対の保持部は永久磁石及び磁性体のいずれか一方と他方を備え、磁力によって移動体を保持する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間している一端位置と他端位置の間を移動自在な移動体と、前記一端位置と他端位置にそれぞれ設けられ、前記移動体を保持する一対の保持部とを備えた二位置アクチュエータにおいて、
前記移動体の少なくとも一部を、電圧印加により該移動体の移動方向に対して平行な方向に伸張する圧電素子で形成し、
この圧電素子に、一方の保持部に保持された状態の前記移動体を該一方の保持部から離間させ、且つ、他方の保持部まで移動させるに足る衝撃を付加する電圧制御手段を設けたことを特徴とする二位置アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載の二位置アクチュエータにおいて、前記移動体及び前記一対の保持部には永久磁石及び磁性体のいずれか一方と他方が備えられ、この永久磁石と磁性体の磁力によって前記移動体が保持される二位置アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２記載の二位置アクチュエータにおいて、前記一対の保持部は磁性体で形成され、この一対の保持部にそれぞれ対向する一対の永久磁石と、この一対の永久磁石に挟まれた圧電素子とにより前記移動体が形成されている二位置アクチュエータ。
【請求項４】
請求項２記載の二位置アクチュエータにおいて、前記一対の保持部は永久磁石で形成され、この一対の保持部にそれぞれ対向する一対の磁性体と、この一対の磁性体に挟まれた圧電素子とにより前記移動体が形成されている二位置アクチュエータ。
【請求項５】
請求項２記載の二位置アクチュエータにおいて、前記一対の保持部は磁性体で形成され、この一対の保持部にそれぞれ対向する一対の圧電素子と、この一対の圧電素子に挟まれた永久磁石とにより前記移動体が形成されている二位置アクチュエータ。
【請求項６】
請求項２記載の二位置アクチュエータにおいて、前記一対の保持部は永久磁石で形成され、この一対の保持部にそれぞれ対向する一対の圧電素子と、この一対の圧電素子に挟まれた磁性体とにより前記移動体が形成されている二位置アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１記載の二位置アクチュエータにおいて、前記一対の保持部には、前記移動体との対向面に、外部の吸引装置からの吸引力を該移動体との対向面に生じさせるエアー吸引穴が形成されており、吸引力によって前記移動体を保持する二位置アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１記載の二位置アクチュエータにおいて、前記一対の保持部には、前記移動体との対向面に粘着剤がそれぞれ塗布されていて、この粘着剤の粘着力によって前記移動体を保持する二位置アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の二位置アクチュエータにおいて、前記一対の保持部の間に、前記移動体を移動自在に挿通支持するシャフトを設けた二位置アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の二位置アクチュエータにおいて、前記一対の保持部の間に、前記移動体を移動可能に支持し、前記一端位置と他端位置の間を所定の軌跡に沿って移動させるガイド機構を備えた二位置アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の二位置アクチュエータにおいて、前記移動体の一端側に、該移動体の前記一端位置と他端位置との移動に連動して開閉動作する弁を備えた二位置アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばバルブ駆動やポンプ駆動等に用いられる軽量小型（薄型）の二位置アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
バルブ駆動やポンプ駆動に用いられるアクチュエータとしては、電磁アクチュエータが知られている。電磁アクチュエータは、一般的に、互いに離間して配置された第１の電磁石及び第２の電磁石と、この２つの電磁石の間を移動する移動体とを有している。各電磁石は、ステータコアとこのステータコアに関連したソレノイドからそれぞれ構成され、ソレノイドが通電されることによりステータコアに電磁力を生じさせる。この電磁力により、移動体はステータコアで保持される。移動体は、その移動方向にばね付勢されており、一方の電磁石のステータコアに保持されている状態では、該ステータコアに関連したソレノイドへの通電が遮断されたときに、ばねによって他方の電磁石に向かって移動する。電磁アクチュエータは、移動体を第１の電磁石と第２の電磁石とに移動させることにより、該移動体に結合されたバルブを開閉動作（またはポンプを動作）させることができる。
【０００３】
最近では、例えばノート型パソコン等の移動体通信機器（モバイル）に、冷却バルブ（またはポンプ）用の駆動アクチュエータとして、上記電磁アクチュエータが利用されている。移動体通信機器に搭載されるアクチュエータには、軽量小型化及び薄型化が要求されている。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−７５０６５号公報
【特許文献２】特開平１−１７６８７２号公報
【特許文献３】特開２０００−４０６１８号公報
【特許文献４】特開２０００−２３０６６３号公報
【特許文献５】特開２００１−１５９３０２号公報
【特許文献６】特開２００２−８１５６５号公報
【特許文献７】米国特許第５５９３１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の電磁アクチュエータはソレノイドを励磁させることにより移動体をステータコアに保持しているため、小型化されるほどステータコアに生じる電磁力が減少し、移動体をステータコアで保持するための保持力が低下してしまう。この保持力を高めるためにはソレノイドに流す電流を増大させればよいが、ソレノイドでの消費電力が増大すると、移動体通信機器の電池寿命が短くなってしまい、好ましくない。特に燃料電池を搭載する移動体通信機器に対しては大きな課題になり、アクチュエータの小型化と移動体の保持力維持との両立は困難であった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電力消費しない態様で移動体を二位置で確実に保持することができ、小型化を実現可能な二位置アクチュエータを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、衝撃的電圧を印加すると突発的に伸張するという圧電素子の特性に着目し、圧電素子が突発的に伸張する際の衝撃力のみを利用して移動体を移動させるものである。
【０００８】
すなわち、本発明は、互いに離間している一端位置と他端位置の間を移動自在な移動体と、一端位置と他端位置にそれぞれ設けられ移動体を保持する一対の保持部とを備えた二位置アクチュエータにおいて、移動体の少なくとも一部を、電圧印加により該移動体の移動方向に対して平行な方向に伸張する圧電素子で形成し、この圧電素子に、一方の保持部に保持された状態の移動体を該一方の保持部から離間させ、且つ、他方の保持部まで移動させるに足る衝撃を付加する電圧制御手段を設けたことを特徴としている。
【０００９】
この態様によれば、電圧制御手段による電圧印加時に圧電素子が突発的に伸張し、この伸張時の衝撃力によって、一方の保持部に保持された状態の移動体が他方の保持部へ移動する。より具体的には、移動体は、圧電素子伸張時の衝撃力で一方の保持部を押圧すると同時に、該保持部からの反発を受けて離間する方向に押し返されて保持部との係合が外れ、慣性により他方の保持部に向かって移動する。このように移動体自体がその移動に必要な衝撃力を発生させれば、ソレノイドを用いた従来の電磁駆動式よりも電力消費が少なく、また、電力消費しない態様で保持部を保持することが可能である。さらに、アクチュエータの更なる小型化及び薄型化にも対応可能である。
【００１０】
電力消費しない態様で移動体を保持する構成としては、磁力を利用することが可能である。すなわち、移動体及び一対の保持部には永久磁石及び磁性体のいずれか一方と他方が備えられ、この永久磁石と磁性体の磁力によって移動体を保持することが好ましい。具体的には、一対の保持部は磁性体で形成され、この一対の保持部にそれぞれ対向する一対の永久磁石と、この一対の永久磁石に挟まれた圧電素子とにより移動体が形成されていることが好ましい。または、一対の保持部は永久磁石で形成され、この一対の保持部にそれぞれ対向する一対の磁性体と、この一対の磁性体に挟まれた圧電素子とにより移動体が形成されていてもよい。あるいは、一対の保持部は磁性体で形成され、この一対の保持部にそれぞれ対向する一対の圧電素子と、この一対の圧電素子に挟まれた永久磁石とにより移動体が形成することが好ましい。または、一対の保持部は永久磁石で形成され、この一対の保持部にそれぞれ対向する一対の圧電素子と、この一対の圧電素子に挟まれた磁性体とにより移動体が形成されていてもよい。
【００１１】
また電力消費しない態様で移動体を保持する構成としては、一対の保持部の移動体との対向面に、外部の吸引装置からの吸引力を該移動体との対向面に生じさせるエアー吸引穴を形成し、吸引力によって移動体を保持することも可能である。あるいは、一対の保持部には、移動体との対向面に粘着剤をそれぞれ塗布し、この粘着剤の粘着力によって移動体を保持してもよい。
【００１２】
上記一対の保持部の間には、移動体の位置精度を高めるため、移動体を移動自在に挿通支持する軸部を設けることができる。あるいは、移動体を移動可能に支持し、一端位置と他端位置の間を所定の軌跡に沿って移動させるガイド機構を備えることができる。
【００１３】
上記構成の二位置アクチュエータは、移動体の一端側に、該移動体の一端位置と他端位置との移動に連動して開閉動作する弁を設けることにより、バルブ駆動アクチュエータ及びポンプ駆動アクチュエータに適用可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電力消費しない態様で移動体を二位置で確実に保持することができ、小型化を実現可能な二位置アクチュエータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１及び図２は、本発明の第１実施形態による二位置アクチュエータを示す概略構成図である。二位置アクチュエータ１１は、互いに離間している一端位置と他端位置の間を移動自在な移動体１２と、この移動体１２を図１に示す一端位置及び図２に示す他端位置でそれぞれ保持する一対の保持部１３、１４とを備えている。第１実施形態の二位置アクチュエータ１１は、移動体１２を二位置間で移動させることにより、該移動体１２と一体に結合されたバルブ１７を駆動させて流路１８を開閉するバルブ駆動用アクチュエータである。
【００１６】
移動体１２は、一対の保持部１３、１４にそれぞれ対向する一対の圧電素子（第１圧電素子１２ａ、第２圧電素子１２ｂ）と、この一対の圧電素子１２ａ、１２ｂに挟まれた永久磁石１２ｃとにより形成されている。第２圧電素子１２ｂには、他端位置側の保持部１４を貫通する支持軸１６を介してバルブ１７が結合されており、移動体１２とバルブ１７は一体となって移動する。第１圧電素子１２ａ及び第２圧電素子１２ｂは、電圧制御装置１５にそれぞれ接続されている。一対の保持部１３、１４は、例えばＦｅなどの磁性体により形成され、移動体１２の永久磁石１２ｃとの間の磁力により移動体１２を保持する。本実施形態の各保持部１３、１４は、移動体１２の移動方向の両端面を密接させて保持できるように、断面平板状をなしている。
【００１７】
電圧制御装置１５は、移動体１２が一方の保持部１３（１４）に保持されている状態において、移動体１２を一方の保持部１３（１４）から離間させ且つ他方の保持部１４（１３）まで移動させるに足る衝撃を、第１圧電素子１２ａまたは第２圧電素子１２ｂに付加する。具体的には、移動体１２が一端位置側の保持部１３に保持されている状態では第１圧電素子１２ａに電圧印加し、他端位置側の保持部１４に保持されている状態では第２圧電素子１２ｂに電圧印加する。ここでいう「電圧印加」は、図３に示すように、電圧立ち上がり時間ｔを極めて短時間に設定して急激に印加し、所定時間だけ印加継続する高電圧（高電圧信号Ｖ）であり、パルス的な電圧印加を意味している。電圧立ち上がり時間ｔと印加電圧（高電圧信号Ｖ）の大きさは、移動体１２の必要な移動量（保持部１３、１４の距離間隔）に応じて適宜設定することが好ましい。
【００１８】
移動体１２が一端位置側の保持部１３に保持されている状態で第１圧電素子１２ａに上記電圧印加がなされると、第１圧電素子１２ａが移動体１２の移動方向に対して平行な方向に突発的に伸張し、この伸張時の衝撃によって保持部１３を押す。すると、保持部１３からの反発力により、移動体１２は保持部１３から離間する方向に押し返され、移動体１２と保持部１３の係合が外れる。移動体１２は、慣性により他端位置側の保持部１４に向かって移動する。そして移動体１２が保持部１４に近づくと、移動体１２の永久磁石１２ｃと磁性体からなる保持部１４とが互いに引き寄せ合い、磁力により移動体１２と保持部１４が係合し、電力消費しない態様で移動体１２が保持される。この保持状態で第２圧電素子１２ｂに上記電圧印加がなされると、第２圧電素子１２ｂは、第１圧電素子１２ａと同様、移動体１２の移動方向に対して平行な方向に突発的に伸張し、この伸張時の衝撃によって保持部１４を押す。これにより、保持部１４からの反発力を受けて移動体１２は保持部１４から離間する方向に押し返され、移動体１２と保持部１４の係合が外れる。移動体１２は、慣性により一端位置側の保持部１３に向かって移動し、移動体１２の永久磁石１２ｃと磁性体からなる保持部１３とが磁力により互いに引き寄せ合って、電力消費しない態様で移動体１２が保持部１３に保持される。このようにして移動体１２が一端位置と他端位置の間を往復移動することにより、移動体１２と一体に結合されたバルブ１７の開閉駆動がなされる。
【００１９】
以上の実施形態において、電圧印加時に生じる第１圧電素子１２ａ及び第２圧電素子１２ｂの変位量は電圧印加継続時間に依存しておらず、電圧立ち上がり時間と第１圧電素子１２ａ及び第２圧電素子１２ｂの素子変位寸法、及び移動体１２の質量によって得られる加速度と力によって、一端位置及び他端位置（一対の保持部１３、１４）の一方から離れて他方側へ移動する衝撃が移動体１２に与えられている。
【００２０】
図４は、本発明の第２実施形態による二位置アクチュエータを示す概略構成図である。第２実施形態による二位置アクチュエータ２１は、一対の保持部１３、１４にそれぞれ対向する一対の永久磁石２２ａ、２２ｂと、この一対の永久磁石２２ａ、２２ｂにより挟まれた圧電素子２２ｃとにより形成された移動体２２を備えている。電圧制御装置１５は、圧電素子２２ｃに接続されている。移動体２２は、第１実施形態と同様に、電圧制御装置１５により衝撃的電圧が印加されることで突発的に生じる圧電素子２２ｃの伸張力を利用して移動し、移動した一端位置または他端位置で、保持部１３（または１４）を構成する磁性体と該磁性体に対向する永久磁石２２ａ（または２２ｂ）との間の磁力により電力消費しない態様で保持される。この二位置アクチュエータ２１は、移動体以外の構成は第１実施形態による二位置アクチュエータ１１と同一であり、図４では第１実施形態と同一の構成要素に対して図１と同一符号が付されている。
【００２１】
図５は、本発明の第３実施形態による二位置アクチュエータを示す概略構成図である。第３実施形態による二位置アクチュエータ３１は、永久磁石により形成された一対の保持部３３、３４と、該一対の保持部３３、３４に一端位置及び他端位置で保持される移動体３２とを備え、この移動体３２が、一対の保持部３３、３４にそれぞれ対向する一対の磁性体３２ａ、３２ｂと、該一対の磁性体３２ａ、３２ｂに挟まれた圧電素子３２ｃとにより形成されている。電圧制御装置１５は、圧電素子３２ｃに接続されている。移動体３２は、第１及び第２実施形態と同様に、電圧制御装置１５により衝撃的電圧が印加されることで突発的に生じる圧電素子３２ｃの伸張力を利用して一端位置と他端位置の間を移動し、保持部３３（または３４）を構成する永久磁石と該永久磁石に対向する磁性体３２ａ（または３２ｂ）との間の磁力により、電力消費しない態様で一端位置または他端位置に保持される。二位置アクチュエータ３１は、移動体３２と一対の保持部３３、３４の構成を第２実施形態と逆にした態様であり、移動体及び保持部以外の構成は第１及び第２実施形態と同一である。図５では、第１実施形態と同一の構成要素に対して図１と同一符号が付されている。
【００２２】
以上の各実施形態では、バルブ１７を支持するための支持軸１６が移動体１２（２２、３２）に連結されているが、移動体１２（２２、３２）自体を支持するための機構は設けておらず、支持機構がなくても移動体１２が一対の保持部１３、１４（３３、３４）の間を確実に移動できるように、該一対の保持部１３、１４（３３、３４）の間隔及び移動体１２（２２、３２）の移動量が設定されている。移動体１２の位置精度が要求される場合には、例えば図６に示すように、一対の保持部１３、１４の間に、移動体１２を移動自在に挿通支持するシャフト４０を設けることが好ましい。バルブ１７の支持軸１６は、シャフト４０を内挿した状態で移動体１２に設ける。あるいは、図７に示すように、一対の保持部１３、１４の間に、移動体１２を所定のガイド溝に沿って移動させるガイド機構５０を設けてもよい。
【００２３】
また各実施形態では、移動体１２（２２、３２）と一対の保持部１３、１４（３３、３４）に備えられた永久磁石と磁性体の磁力により移動体１２（２２、３２）を一端位置及び他端位置で保持しているが、電力消費せずに移動体を保持する態様は種々の変形が可能である。例えば図８に示すように、一対の保持部１３、１４に、移動体１２との対向面に位置させて、外部の吸引装置からの吸引力を該移動体１２との対向面に生じさせるエアー吸引穴６０を貫通形成し、吸引力によって移動体１２を保持することも可能である。あるいは、一対の保持部の移動体に対向する面に粘着剤をそれぞれ塗布し、この粘着剤の粘着力によって移動体を保持してもよい。
【００２４】
また各実施形態では、一対の保持部１３、１４（３３、３４）が断面平板状に形成されているが、図９に示すように、移動体１２（２２、３２）の移動方向の両端部を収納して保持できるよう断面コ字形状に形成されていてもよい。一対の保持部は、断面コ字形状及び断面平板形状のいずれであっても、良好に移動体を保持することができる。
【００２５】
以上では、本発明の二位置アクチュエータをバルブ駆動アクチュエータとして利用する実施形態について説明したが、本発明は、移動体の二位置駆動に連動して開閉動作するポンプにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態による二位置アクチュエータ（一端位置で保持された状態）を示す模式断面図である。
【図２】同第１実施形態による二位置アクチュエータ（他端位置で保持された状態）を示す模式断面図である。
【図３】図１及び図２の圧電素子に印加される衝撃的高電圧を説明する模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態による二位置アクチュエータ（一端位置で保持された状態）を示す模式断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態による二位置アクチュエータ（一端位置で保持された状態）を示す模式断面図である。
【図６】図１及び図２に示す第１実施形態に、移動体の支持機構としてシャフトを適用した場合の模式断面図である。
【図７】図１及び図２に示す第１実施形態に、移動体の支持機構としてガイド機構を適用した場合の模式断面図である。
【図８】吸引力によって移動体を保持する態様の二位置アクチュエータを示す模式断面図である。
【図９】図１の保持部を断面コ字形状で形成した態様の二位置アクチュエータを示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１１   二位置アクチュエータ
１２   移動体
１２ａ 第１圧電素子
１２ｂ 第２圧電素子
１２ｃ 永久磁石
１３   保持部
１４   保持部
１５   電圧制御装置
２１   二位置アクチュエータ
２２   移動体
２２ａ 永久磁石
２２ｂ 永久磁石
２２ｃ 圧電素子
２３   保持部
２４   保持部
３１   二位置アクチュエータ
３２   移動体
３２ａ 磁性体
３２ｂ 磁性体
３２ｃ 圧電素子
３３   保持部
３４   保持部
４０   シャフト
５０   ガイド機構
６０   エアー吸引穴
【図１】
2005325947.tif 000003
【図２】
2005325947.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005325947.tif 000008
【図７】
2005325947.tif 000009
【図８】
2005325947.tif 000010
【図９】
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