(57)【要約】【課題】使用雰囲気（湿度環境）に影響されることなく、良好に回転軸を回転させることができるアクチュエータ、及びワイパ装置を提供する。【解決手段】回転軸８に取付けられ、少なくともその一部に振動する部位を有する駆動体２７と、回転軸８に形成された軸本体１３の下端１３ａと当接するエンド部１７ｂと、エンド部１７ｂに軸本体１３の下端１３ａを押接させ、これらエンド部１７ｂと軸本体１３の下端１３ａとの摩擦抵抗によって回転軸８に回転抵抗力を付与する加圧スプリング２５とを備え、回転軸８の回転の際に、これと同期してエンド部１７ｂを振動させる圧電素子１８を設けた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に取付けられ、少なくともその一部に振動する部位を有する駆動体と、
前記回転軸に形成された接触面と当接する軸受け面と、
前記軸受け面に前記接触面を押接させ、これら軸受け面と接触面との摩擦抵抗によって前記回転軸に回転抵抗力を付与する弾性部材とを備えたアクチュエータであって、
前記回転軸の回転の際に、これと同期して前記軸受け面を振動させる振動付与部材を設けたことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動体、及び前記振動付与部材は、圧電素子を用いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記振動付与部材は、前記軸受け面の前記接触面とは反対側に配設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３に記載のアクチュエータの前記駆動体にワイパブレードを設け、前記ワイパブレードで被払拭面を払拭させることを特徴とするワイパ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動する駆動体が回転軸を中心に揺動又は回転運動するアクチュエータ、及びこれを用いたワイパ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型の回転駆動型アクチュエータとして、近年、圧電セラミックス等を用いた圧電アクチュエータが開発され、その実用化が進められている。
このようなアクチュエータは、バイモルフ型圧電素子を用いて形成された板状の駆動体を有している。この駆動体の一端には、筐体に回転自在に支持された回転軸が設けられている。回転軸には、フランジ部が形成されており、このフランジ部が筐体の凹部に収容されている。フランジ部の下面は、凹部底面の軸受け面と接触している。
【０００３】
回転軸の下端は引張バネにて軸方向に引っ張られており、フランジ下面と軸受け面が押接され、その間の摩擦力により回転軸に回転抵抗力が付与される。
そして、駆動体の振動に伴う慣性力と回転抵抗力とのバランス、すなわち、フランジ下面と軸受け面との間の静摩擦トルクと動摩擦トルクとの差を利用して駆動体が回転軸を中心に所定方向に回転するようになっている。
また、この駆動体にワイパブレードを取付けることで被払拭面を払拭するワイパ装置として利用する技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００４−２０１４８９号公報
【特許文献２】特開２００５−２１８１８４号公報
【特許文献３】特開２００５−２５３１６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来技術にあっては、摩擦トルクが使用雰囲気の湿度により大きく変化し、湿度が高い（例えば、８０％ＲＨ程度）と摩擦トルクが大きくなる。つまり、高湿度の場合、回転抵抗力が駆動体の振動に伴う慣性力よりも大きくなり、回転軸が回転しないおそれがあるという課題がある。
また、高湿度の場合であっても回転軸が回転できるように回転軸のフランジ下面の軸受け面に対する押接力を小さく設定することも考えられる。しかしながら、押接力を小さく設定すると、低湿度や水滴が付着した場合（例えば、４０％ＲＨ程度や１００％ＲＨ程度の場合）に、駆動体の振動に伴う慣性力と回転抵抗力とのバランスが崩れ、回転軸の回転方向の制御ができなくなるおそれがあるという課題がある。
【０００５】
そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、使用雰囲気（湿度環境）に影響されることなく、良好に回転軸を回転させることができるアクチュエータ、及びワイパ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、回転軸に取付けられ、少なくともその一部に振動する部位を有する駆動体と、前記回転軸に形成された接触面と当接する軸受け面と、前記軸受け面に前記接触面を押接させ、これら軸受け面と接触面との摩擦抵抗によって前記回転軸に回転抵抗力を付与する弾性部材とを備えたアクチュエータであって、前記回転軸の回転の際に、これと同期して前記軸受け面を振動させる振動付与部材を設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、前記駆動体、及び前記振動付与部材は、圧電素子を用いて形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、前記振動付与部材は、前記軸受け面の前記接触面とは反対側に配設されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載した発明は、請求項１〜請求項３に記載のアクチュエータの前記駆動体にワイパブレードを設け、前記ワイパブレードで被払拭面を払拭させることを特徴とするワイパ装置とした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、回転軸が回転する際、軸受け面を振動させて摩擦抵抗を小さくすることができる。すなわち、使用雰囲気が高湿度であっても、フランジ下面と軸受け面との間の静摩擦抵抗と動摩擦抵抗を小さくすることができる。このため、回転軸の接触面と軸受け面との間に回転軸の回転制御が可能な回転抵抗力を弾性部材によって付与した場合であっても、回転軸を常に良好に回転させることが可能になる。
しかも、回転軸が回転するときだけ軸受け面を振動させるので、回転軸が回転するときと回転しない時の摩擦抵抗の差を大きくすることができる。このため、駆動特性を向上させることができ、高性能なアクチュエータ、及びワイパ装置を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１、図２に示すように、ワイパ装置１は、例えば、自動車のサイドバンパー、フロントグリル、及びリヤガラス等に取付けられるＣＣＤカメラに用いられるものであって、略円環状のレンズホルダ３と、この一側に設けられたアクチュエータ部４とを備えている。
レンズホルダ３は、ステンレス材（例えば、ＳＵＳ３０４Ｌ）で形成されたものであって、内周面５にはレンズホルダ３に対応するレンズ６が内嵌固定されている。
【００１２】
アクチュエータ部４は、レンズホルダ３と一体成形されているベースプレート７と、このベースプレート７に回転自在に支持された回転軸８と、回転軸８に取付けられた駆動体２７とを備えている。
駆動体２７は、回転軸８の外周面８ａから径方向外側に向かって延出するアーム部９を有している。このアーム部９には、電気−機械変換素子の１つであるバイモルフ型圧電素子１０が使用されている。バイモルフ型圧電素子１０は、薄い金属板の中心電極両面に圧電セラミックスを貼り合わせた構造となっている。バイモルフ型圧電素子１０は、この全体がゴム製のブレードラバー１２で被覆された状態になっている。アーム部９の下側、つまり、レンズ６側には、アーム部９の長さに対応するゴム製のワイパブレード１１が設けられている。このワイパブレード１１は、レンズ６を払拭するためのものであって、ブレードラバー１２と一体成形されている。
【００１３】
回転軸８は、コプナ樹脂等の熱硬化性樹脂（例えば、株式会社大西ライト工業所製「ＳＫレジン（商品名）」等）で形成されたものであって、駆動体２７が取付けられている軸本体１３を有している。この軸本体１３の下端１３ａ（図２における下側）には、段差によって縮径された縮径部１４が一体成形されている。
【００１４】
これら軸本体１３と縮径部１４は、内部が中空状になっており、ここにバイモルフ型圧電素子１０に対して電力を供給するためのリード線（不図示）が配線されている。このリード線は、一端がバイモルフ型圧電素子１０に接続され、他端が不図示のバイモルフ型圧電素子ドライバに接続されている。軸本体１３の上端（図２における上側）には、径方向略中央に凸部１５が形成されている。
【００１５】
縮径部１４は、ベースプレート７に回転自在に支持されている。ベースプレート７には、縮径部１４に対応する部位に縮径部１４を回転自在に支持可能な軸孔１６が形成されている。また、ベースプレート７の軸本体１３とは反対側には、軸方向平面視略円形の凹部１７が形成されている。
【００１６】
凹部１７の内周面１７ａには、雌ネジ部１９が刻設されており、ここに固定ネジ２０が螺入されている。固定ネジ２０の外周面には、雄ネジ部２１が刻設されている。固定ネジ２０の径方向略中央には、回転軸８の縮径部１４を挿通可能な挿通孔２２が形成されている。この挿通孔２２は、固定ネジ２０を締め付けるときに使用される工具（不図示）を挿入する部位としても利用され、挿通孔２２の縮径部１４とは反対側開口部周縁には、鉤部２３が形成されている。
【００１７】
固定ネジ２０の回転軸８側端には、略円環状の突出部２４が形成され、ここに略円環状の圧電素子１８が外嵌されている。この圧電素子１８は、積層型の圧電素子であって、不図示の圧電素子ドライバに電気的に接続されている。
圧電素子１８は、固定ネジ２０によって凹部１７内に固定されている。すなわち、圧電素子１８は、固定ネジ２０を締め付けることによって、凹部１７のエンド部（上面）１７ｂと固定ネジ２０とで軸方向に挟持される一方、固定ネジ２０の突出部２４によって、径方向への移動が規制されるようになっている。
【００１８】
また、凹部１７のエンド部１７ｂには、内周面１７ａに沿って軸方向平面視略円環状の凹部３５が形成されている。この凹部３５によってエンド部１７ｂの剛性が低くなるようになっている。つまり、エンド部１７ｂは、凹部３５を支点にして厚さ方向に可撓可能な状態になっている。
【００１９】
この他に、ベースプレート７には、断面略ハット状の加圧スプリング２５がボルト２６，２６によって締結固定されている。
加圧スプリング２５は、ステンレス材（例えば、ＳＵＳ３０４のバネ材等）で形成されたものであって、駆動体２７と交差する方向に延び回転軸８の凸部１５を押圧する上壁２８を有している。上壁２８の長手方向両端には、下方に向かって屈曲延出する側壁２９，２９が形成されている。
【００２０】
側壁２９，２９の高さ方向略中央には、内側に向かって屈曲するくびれ部２９ａ，２９ａが形成されている。側壁２９，２９の先端（下端）には、水平方向に沿って外側に向かって屈曲延出する取付け座３０，３０が形成されている。この取付け座３０，３０には、ボルト孔３１，３１が形成されており、ここにボルト２６が螺入されるようになっている。
【００２１】
加圧スプリング２５によって下方に向かって押圧された回転軸８は、軸本体１３の下端１３ａがベースプレート７、すなわち、エンド部１７ｂに押接されている。したがって、軸本体１３の下端１３ａをベースプレート７のエンド部１７ｂに接触する接触面とする一方、エンド部１７ｂを軸本体１３と当接する軸受け面としている。そして、これら軸本体１３の下端１３ａ（接触面）とエンド部１７ｂ（軸受け面）との間には、加圧スプリング２５によって回転軸８の回転に際し摩擦力が発生し、回転軸８に対して回転抵抗力（軸保持力）が付与されるようになっている。
【００２２】
次に、図３に基づいてアクチュエータ部４の作用について説明する。
図３は、縦軸を電圧（Ｖ）とし、横軸を時間（ｓ）とした場合の駆動体２７のバイモルフ型圧電素子１０に印加される電圧の入力波形αと、ベースプレート７の凹部１７に固定されている圧電素子１８に印加される電圧の入力波形βを示し、これらの下方に駆動体２７の挙動を示した説明図である。なお、この実施形態において、駆動体２７はプラス電圧のときには回転軸８を中心にして右方向に変位し、マイナス電圧のときには左方向に変位する。
【００２３】
同図に示すように、まず、バイモルフ型圧電素子１０にマイナス電圧を印加させた状態では、駆動体２７は回転軸８を中心にして左方向に変位した状態にある（図３におけるＸ１）。
次に、電圧をマイナスからプラスにゆっくり変化させると駆動体２７もそれに応じてゆっくりと右方向に変位する（図３におけるＸ２）。
【００２４】
続いて、電圧をプラスからマイナスに変化させる（Ｘ３→Ｘ５）。このとき、電圧変化を（Ｘ１→Ｘ２）のときよりも急激にする。すると、（Ｘ３→Ｘ５）では、駆動体２７が（Ｘ１→Ｘ２）のときよりも急激に変位する（曲がる）。つまり、電圧変化がゆっくりな場合と急激な場合とでは、駆動体２７の変形速度に差が生じる。
【００２５】
駆動体２７が急激に変位すると、駆動体２７にはその重量によってその場に残ろうとする慣性力が発生する。そして、駆動体２７の変形速度差から（Ｘ１→Ｘ２）のときの慣性力よりも（Ｘ３→Ｘ５）のときの慣性力の方が大きくなる。
この慣性力に対しては、回転軸８に付与される回転抵抗力が作用する。すなわち、駆動体２７の変形に伴い慣性力と摩擦力とが対抗する形となる。アクチュエータ部４では、回転抵抗力Ｆｒが（Ｘ１→Ｘ２）のときの慣性力Ｆ１２よりも大きく、（Ｘ３→Ｘ５）のときの慣性力Ｆ３５よりも小さくなるように設定されている（Ｆ１２＜Ｆｒ＜Ｆ３５）。
【００２６】
したがって、（Ｘ１→Ｘ２）の場合の慣性力Ｆ１２は、回転抵抗力Ｆｒによって打ち消される形となり、駆動体２７は電圧値に応じた角度だけゆっくりと変位するが、回転軸８は回転しない。これに対して、（Ｘ３→Ｘ５）の場合には、慣性力Ｆ３５は、回転抵抗力Ｆｒによって打ち消されない。このため、駆動体２７が電圧変化に伴い急激に反対方向へ変位するに伴い、慣性力Ｆ３５によって回転軸８が駆動体２７の変形方向と逆の方向（図３においては反時計回り）に回転する。
【００２７】
そして、これを順次繰り返し行うことによって、駆動体２７は、ゆっくりと曲げたときの変位側に自走する。なお、電圧変化を図３とは逆に、ゆっくりとマイナス側へと変化させ、急激にプラス側へと変化させると、駆動体２７は図３において右方向（時計回り）に回転する。つまり、アクチュエータ部４では、この電圧変化パターンの切り換えにより駆動体２７を適宜往復運動させることができる。
【００２８】
また、電圧変化の周波数を変化させることにより駆動体２７の移動速度も制御できる。このように（Ｘ１→Ｘ２）では静摩擦トルクが、（Ｘ３→Ｘ５）では動摩擦トルクが駆動体２７の挙動に影響し、これら静摩擦トルクと動摩擦トルクとの差を利用して駆動体２７が回転軸８を中心に所定方向に回転するようになっている。
【００２９】
さらに、バイモルフ型圧電素子１０への印加電圧（波形α）では、鋸歯波形の上下に電圧を一体に保持した休止時間ｔ１，ｔ２が設定されている。
ここで、鋸歯波形に休止時間を設けることなく電圧印加方向を即座に急転させると、急転時に駆動体２７が駆動方向とは逆方向にすべり、このすべり発生により駆動速度が低下する場合がある。そこで、鋸歯波形に休止時間ｔ１，ｔ２を設定し、印加電圧を台形波形とすると、駆動方向に反する逆すべりが減少し、駆動速度低下を抑制することができる。
【００３０】
一方、（Ｘ３→Ｘ５）のときに圧電素子１８に矩形波状の電圧を印加し、ベースプレート７のエンド部１７ｂを超音波振動させている。すると、圧電素子１８に電圧を印加した場合の回転抵抗力Ｆｒ’は圧電素子１８に電圧を印加しない場合の回転抵抗力Ｆｒよりも小さくなる（Ｆｒ’＜Ｆｒ）。
【００３１】
具体的に、図４に基づいて説明する。図４は、縦軸を摩擦トルク（ｍＮ・ｍ）とし、横軸を湿度（％ＲＨ）とした場合の動摩擦トルク、静摩擦トルクの違いを示す説明図である。
同図に示すように、ベースプレート７のエンド部１７ｂが振動している場合の静摩擦トルクや動摩擦トルクは、振動していない場合の静摩擦トルクや動摩擦トルクよりも小さくすることができる。
【００３２】
このため、図３における（Ｘ３→Ｘ５）の場合の慣性力Ｆ３５とベースプレート７のエンド部１７ｂを超音波振動させた場合の回転抵抗力Ｆｒ’との差が大きくなり、より一回あたりの駆動体２７の回転量（回転角度θ、図３参照）が大きくなる。
【００３３】
なお、圧電素子１８への電圧変化の周波数は、約３ｋＨｚ以上であることが望ましい。また、圧電素子１８の振幅が少なくとも１μｍ以上発生する大きさを入力することが望ましい。さらに、圧電素子１８の共振周波数を入力することによって、摩擦トルクの低減効果を大きくできることはいうまでもない。
【００３４】
したがって、上述の実施形態によれば、回転軸８を回転させる際（図３におけるＸ１→Ｘ５）、ベースプレート７のエンド部１７ｂ（軸受け面）を圧電素子１８によって超音波振動させ、動摩擦トルクを小さくすることができる。すなわち、使用雰囲気が高湿度であっても、回転抵抗力Ｆｒ’を小さくすることができる。このため、回転軸８における軸本体１３の下端１３ａ（接触面）とベースプレート７のエンド部１７ｂ（軸受け面）との間に回転軸８の回転制御が可能な回転抵抗力Ｆｒを加圧スプリング２５によって付与した場合であっても、回転軸８を常に良好に回転させることが可能になる。
【００３５】
しかも、回転軸８を回転させるときだけベースプレート７のエンド部１７ｂを振動させるので、回転軸が回転するときと回転しない時の摩擦抵抗の差を大きくすることができる。このため、駆動特性を向上させることができ、高性能なアクチュエータ部４、及びワイパ装置１を提供することが可能になる。
【００３６】
また、回転軸８における軸本体１３の上端（図２における上側）に凸部１５を形成し、これを加圧スプリング２５の上壁２８で押圧するようにしているため、加圧スプリング２５が軸本体１３に片当りすることがない。このため、加圧スプリング２５によって常に回転軸８の中心を押圧することができるので、軸本体１３の下端１３ａとベースプレート７のエンド部１７ｂ（軸受け面）との間に安定した回転抵抗力Ｆｒを生じさせることが可能になる。
【００３７】
さらに、ベースプレート７の凹部１７には、エンド部１７ｂに内周面１７ａに沿って軸方向平面視略円環状の凹部３５が形成されているため、エンド部１７ｂの剛性を低くすることができる。つまり、エンド部１７ｂは、凹部３５を支点にして厚さ方向に可撓可能な状態になっているため、圧電素子１８による振動をエンド部１７ｂに伝達し易くすることができ、容易にエンド部１７ｂを振動させることが可能になる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
また、上述の実施形態では、圧電素子１８に印加する電圧の入力波形β（図３参照）が矩形波である場合について説明したが、これに限られるものではなく、正弦波であってもよい。
【００３９】
さらに、上述の実施形態では、回転軸８はコプナ樹脂等の熱硬化性樹脂で形成されたものである一方、ベースプレート７（レンズホルダ３）はステンレス材（例えば、ＳＵＳ３０４Ｌ）で形成されたものである場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、使用雰囲気（湿度環境）が変わっても回転軸８とベースプレート７との間の摩擦トルクの変動が少ない材質の組み合わせとしてもよい。
そして、例えば、回転軸８、及びベースプレート７の各々接触面の面粗さを使用雰囲気が変わっても摩擦トルクの変動が少ない面粗さとしてもよいし、両者８，７の接触面の少なくとも一方に溝等を形成して使用雰囲気が変わっても摩擦トルクの変動が少ない構造としてもよい。
【００４０】
また、上述の実施形態では、回転軸８を加圧スプリング２５で押圧し、ベースプレート７のエンド部１７ｂを振動させない状態での回転抵抗力Ｆｒを常に一定とした場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、使用雰囲気に応じて回転抵抗力Ｆｒが一定になるように加圧スプリング２５の回転軸８への押圧力を制御する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態におけるワイパ装置の斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の実施形態における電圧の入力波形、及び駆動体の挙動を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態における摩擦トルクと湿度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１  ワイパ装置
８  回転軸
１０  バイモルフ型圧電素子
１１  ワイパブレード
１３  軸本体
１３ａ  下端（接触面）
１７  凹部
１７ｂ  エンド部（軸受け面）
１８  圧電素子（振動付与部材）
２５  加圧スプリング（弾性部材）
２７  駆動体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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