(57)【要約】【課題】圧電アクチュエータにおける連続駆動時の駆動トルク低下を防止し、長時間に亘り安定した駆動トルクを維持させる。【解決手段】バイモルフ圧電素子を用いた駆動体６を回転軸２に取り付ける。回転軸２にはフランジ部１１が設けられ、その外周部に環状の摺動部１２を突設する。摺動部１２の端面は接触面１３となっており軸受面１４と摺接する。軸受面１４には、接触面１３に対向して開口するスリット２１が形成されている。スリット２１は、軸受面１４の軸孔２２を中心に放射状に複数本形成される。接触面１３と軸受面１４との摺接により発生する摩耗粉はスリット２１内に入り込み両面の摺接部から排除され、接触面１３と軸受面１４が均一に接触し駆動トルクが安定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部材に取り付けられ、少なくともその一部に振動する部位を有する駆動体と、前記軸部材に形成された接触面と接する軸受面と、前記軸受面に前記接触面を押接させる弾性部材とを備えてなるアクチュエータであって、
前記軸受面は、前記接触面に対向して開口する溝部を有することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記接触面は、前記軸部材に設けられたフランジ部に突設された環状突起の端面に形成されることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記軸受面は前記軸部材が挿通される軸孔を備え、前記溝部は前記軸孔を中心に放射状に複数本形成されることを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用いた駆動体が回転軸を中心に揺動若しくは回転運動するアクチュエータに関し、特に、自動車や野外監視カメラ等に取り付けられるワイパ装置に使用して有効なアクチュエータに関する。
【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超音波モータが開発され、その実用化が進められている。図７は、このようなアクチュエータの一例を示す説明図である。図７の圧電アクチュエータ５１では、駆動体５２は圧電セラミックスにて形成され、筐体５３に回転自在に支持された回転軸５４に固定される。回転軸５４にはフランジ部５５が形成されており、フランジ部５５は筐体５３の凹部５６に収容されている。フランジ部５５の下面５５ａは、凹部底面の軸受面５７と接触している。回転軸５４の下端は引張ばね５８にて軸方向に引っ張られており、フランジ下面５５ａと軸受面５７が押接され、その間の摩擦力により回転軸５４に回転抵抗力が付与される。そして、駆動体５２の振動に伴う慣性力と回転抵抗力とのバランスにより、駆動体５２が回転軸５４を中心に所定方向に回動する。
【０００３】
一方、図７のアクチュエータでは、フランジ下面５５ａの全面が凹部底面５６ａと接触しており、平面度等のバラツキなどにより接触点が変動し易い。このため、安定した回転抵抗力が得にくく、駆動トルクを安定的に向上させることが難しい。そこで、本発明者らは、駆動トルクの向上を図るべく、特願2003-396289号において、図８のようなアクチュエータ６１を提案した。図８のアクチュエータ６１では、回転軸６２に形成されたフランジ部６３の外周部に環状の摺動部６４が突設されている。摺動部６４の端面６４ａは、筐体表面等の軸受面６５と接触している。これにより、摺動部６４と軸受面６５の摺動位置が限定され、回転抵抗力が安定し最大駆動トルクも安定的に向上する。
【特許文献１】特開2003-102184号公報
【特許文献２】特開2003-309984号公報
【特許文献３】特願2002-350442号
【特許文献４】特願2003-396289号
【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、このようなアクチュエータでは、軸受面５７,６５の全面でフランジ下面５５ａや摺動部端面６４ａと接触しているため、摩耗粉が両者の摺接部に滞留し易い。このため、アクチュエータを長時間連続駆動させると、摺接部に滞留した摩耗粉により、接触点が不均一となり回転抵抗力にムラが生じて駆動トルクが低下するという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、圧電素子を用いたアクチュエータにおける連続駆動時の駆動トルク低下を防止し、長時間に亘り安定した駆動トルクを維持させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のアクチュエータは、軸部材に取り付けられ、少なくともその一部に振動する部位を有する駆動体と、前記軸部材に形成された接触面と接する軸受面と、前記軸受面に前記接触面を押接させる弾性部材とを備えてなるアクチュエータであって、前記軸受面は、前記接触面に対向して開口する溝部を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明にあっては、軸受面に前述のような溝部を設けたので、接触面と軸受面との摺接により発生する摩耗粉がこの溝部内に入り込み、両面の摺接部から排除される。このため、接触面と軸受面の摺接部に摩耗粉が滞留せず、接触面と軸受面が均一に接触し、回転抵抗力が安定し駆動トルクが安定する。
【０００８】
前記アクチュエータにおいて、前記接触面を、前記軸部材に設けられたフランジ部に突設された環状突起の端面に形成しても良い。また、前記軸受面に前記軸部材が挿通される軸孔を設け、前記溝部を前記軸孔を中心に放射状に複数本形成しても良い。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアクチュエータによれば、駆動体が取り付けられる軸部材に形成された接触面と押接される軸受面に、接触面に対向して開口する溝部を設けたので、接触面と軸受面との摺接により発生する摩耗粉をこの溝部を用いて両面の摺接部から排除することができる。このため、接触面と軸受面の摺接部に摩耗粉が滞留せず、接触面と軸受面が均一に接触させることができ、回転抵抗力を安定させ駆動トルクの安定化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例である圧電アクチュエータを使用したワイパ装置の構成を示す断面図である。図１のワイパ装置１は、自動車のサイドバンパーやフロントグリル内などに設置されるＣＣＤカメラに取り付けられる。ワイパ装置１には、回転軸（軸部材）２を中心に揺動するゴム製のワイパブレード３が取り付けられている。ワイパブレード３は、ＣＣＤカメラの筐体４のガラス面５上にて揺動運動し、面上の水滴や埃を除去する。
【００１１】
ワイパブレード３は、電気−機械変換素子の一つであるバイモルフ圧電素子を用いた圧電アクチュエータ１０の駆動体６に取り付けられている。駆動体６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。駆動体６の一端側は回転軸２に固定され、他端側は自由になっている。回転軸２の内部は中空になっており、その中に駆動体６の圧電素子に対し電力を供給するリード線７が配線されている。リード線は図示しない圧電ワイパドライバと接続されている。また、回転軸２の下端部には、フック８を介して引張ばね（弾性部材）９が取り付けられている。
【００１２】
回転軸２の略中央部にはフランジ部１１が設けられている。フランジ部１１の外周部に環状の摺動部（環状突起）１２が突設されている。摺動部１２の端面は筐体表面等の軸受面１４と接触しており、接触面１３を形成している。フランジ部１１の摺動部１２の内周側は、軸受面１４とは接触しない非接触部１５が凹設されている。回転軸２は、引張ばね９によって図１において軸方向下方側に引っ張られており、この付勢力により接触面１３は軸受面１４に押接される。そして、回転軸２が回転すると両面１３,１４間に摩擦力が生じ、これにより回転軸２に回転抵抗力が付与される。
【００１３】
一方、軸受面１４の表面にはスリット（溝部）２１が形成されている。図２は、スリット２１の形態を示す説明図である。軸受面１４には回転軸２が挿通される軸孔２２が設けられており、スリット２１はこの軸孔２２を中心として放射状に複数本形成されている。スリット２１は、接触面１３に対向して開口した断面略四角形状の有底溝となっており、約０.３mm程度の幅と深さで凹設されている。軸孔２２中心からスリット２１の端部までの長さＬは、フランジ部１１の半径Ｒよりも大きくなっており、接触面１３は回転軸２の回転に伴いスリット２１上を横切る形となる。
【００１４】
このようなワイパ装置１は、次のようにして回転軸２を中心とした揺動運動を行う。図３は駆動体６の圧電素子に印加される電圧の波形を示す説明図、図４は図３の電圧が印加された場合の駆動体６の挙動を示す説明図である。ここでは、ワイパブレード３は、＋電圧のときには図４において右方に変位し、−電圧のときには図中左方に変位する。
【００１５】
図３のように印加電圧を変化させると、まず図３の（１）のときは電圧は±０であり、駆動体６は初期位置Ｐ0にて停止状態にある。次に、図３（２）の状態に電圧を変化させると、＋電圧であることから、図４（１→２）のように駆動体６は右方に変位する。その後、図３の（２→３）のように電圧が＋から−に変化させると、駆動体６もまたそれに応じて図４（２→３）のように左方に変位する。
【００１６】
この場合、図３の（２→３）の電圧変化が急激であるため、図３（１→２）のようにゆっくりと電圧が変化する場合とでは駆動体６の変形速度に差が生じる。すなわち、（１→２）では駆動体６はゆっくりと曲がり、（２→３）では急激に曲がる。その際、駆動体６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６の変形速度差から、（１→２）のときの慣性力よりも（２→３）のときの慣性力の方が大きくなる。
【００１７】
この慣性力に対しては、回転軸２に付与される回転抵抗力が作用する。すなわち、駆動体６の変形に伴い慣性力と摩擦力とが対抗する形となる。当該アクチュエータでは、回転抵抗力Ｆrが、（１→２）のときの慣性力Ｆ12よりも大きく、（２→３）のときの慣性力Ｆ23よりも小さくなるよう設定されている（Ｆ12＜Ｆr＜Ｆ23）。従って、（１→２）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６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２は回転しない。これに対して、（２→３）の場合には、慣性力Ｆ23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６が電圧変化に伴い急激に反対方向へに変位するに伴い、慣性力Ｆ23によって回転軸２が駆動体６の変形方向と逆の方向に回転する。
【００１８】
鋸歯状の印加電圧では、図３（２）→（３）にて急激に電圧が変化した後、（３）→（４）では電圧が徐々に＋側へと変化し、駆動体６は、電圧変化に合わせて、図４（３→４）のように右方に変位する。この場合は、電圧変化率が小さいため、駆動体６の慣性の影響は小さく、電圧に応じた変位量だけ駆動体６が右方に変位するものの回転軸２は回転しない。電圧が図３（４）に至ると、電圧は再び急変して（５）に至る。このときも前述のように、駆動体６の変形の速度差に基づき大きな慣性力が発生し、それにより回転軸２が反時計方向に回転する。
【００１９】
このように鋸歯状電圧を印加すると、駆動体変形の速度差に基づく慣性力の働きにより、駆動体６は図４のように徐々に右方へと移動し、反時計回りに回転する。図４において線分Ｑは、１往復振動後における駆動体６の中心位置を示しており、図４の（２→３），（４→５）に示すように、駆動体６の振動と共にこの線分Ｑも右方へ移動していることが分かる（Ｑ1→Ｑ2）。なお、図４における一点鎖線Ｐ0は、図３（１）の場合の駆動体６の位置（初期位置）を示している。
【００２０】
すなわち、駆動体６は、ゆっくり曲げて急激に戻す動作の繰り返しにより、ゆっくり曲げたときの変位側に自走する。そして、電圧変化を図３とは逆に、ゆっくりと−側へと変化させ、急激に＋側へと変化させることにより、駆動体６は図４において左方（時計回り）に回転することになる。従って、電圧変化パターンの切り換えにより、駆動体６を適宜往復動させることができ、その際に電磁モータやリンク機構は不要である。
【００２１】
一方、駆動体６が作動すると、接触面１３と軸受面１４とが摺接する。それらの摺接により、両者からは微量ながらも摩耗粉が発生する。前述のように、この摩耗粉が接触面１３と軸受面１４の間に滞留すると、接触点が不均一となり駆動トルクが低下する。これに対し、当該圧電アクチュエータでは軸受面１４の表面にスリット２１が形成されており、発生した摩耗粉はこのスリット２１内に入り込み、接触面１３と軸受面１４の摺接部から排除される。このため、両者の摺接部に摩耗粉が滞留せず、接触面１３と軸受面１４が均一に接触し、回転抵抗力が安定し駆動トルクが安定する。
【００２２】
図５は、圧電アクチュエータ１０の駆動トルク（ロックトルク）の時間変動を示すグラフであり、（ａ）は軸受面にスリットがない場合、（ｂ）は軸受面にスリットがある場合をそれぞれ示している。図５（ａ）に示すように、スリットを設けないものでは、100時間程度でロックトルクが30％以上低下している。これに対し、スリットを設けたものでは、900時間経過してもロックトルクがほとんど低下しなかった。
【００２３】
また、スリットなしの場合には、接触面１３や軸受面１４に形成される摺動痕にムラが見られた。すなわち、周回中に摺動痕の濃い部分と薄い部分が存在し、不均一な接触状態であることが推認された。これに対し、スリット２１を設けたものでは、摺動痕が全周に亘り均一に形成されており、接触面１３と軸受面１４が安定的に接触していることが推認された。
【００２４】
本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、スリット２１の形態は図２のような放射状のものには限定されず、図６に示すように、(a)楕円軌道状や(b)井桁状、(c)渦巻き状など、種々の形態を採用することができる。また、先に述べたスリット２１の断面形状や寸法はその一例であり、前述の形状や数値には限定されない。例えば、スリット２１を三角形断面に形成したり、底のない貫通溝とすることもできる。なお、底の一部に摩耗粉排出用の孔を設けても良い。
【００２５】
さらに、前述の実施例では、フランジ部１１の外周部に摺動部１２を設けた構成を示したが、摺動部１２をフランジ部１１の外周よりも回転軸２寄りに突設することも可能である。但し、回転抵抗力の付与という面では、摺動面積が大きくなる外周部に摺動部１２を設置した方がより大きな抵抗力を付与できる。また、摺動部１２は必ずしも全周が連続的につながった円環状でなくとも良く、摺動部１２の一部に切れ目があっても良い。すなわち、ここで言う環状とは、全周が連続的な形態のみならず、一部に不連続部があっても全体として円周状に摺動部１２が配置されている形態も含まれる。なお、摺動部１２の一部に切れ目を設けることにより、摩耗粉の除去はより容易になる。
【００２６】
一方、前述の実施例では、図８の構成のアクチュエータに摩耗粉除去用のスリットを設けたものを示したが、図７の構成のアクチュエータにスリットを設けても良い。また、本発明の圧電アクチュエータは、ＣＣＤカメラ用のワイパ装置以外の野外設置カメラ等にも広く適用できる。さらに、ワイパ装置以外にも回転駆動源として種々の装置に適用可能である。
【００２７】
加えて、当該アクチュエータでは、必ずしも駆動体６の全体が振動しなくとも良く、図４のような運動が実現できるものであれば、例えば先端部のみなど、その一部が振動する形態も可能である。また、駆動体６の圧電素子に印可する電圧も前述のような鋸歯状のものには限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施例である圧電アクチュエータを使用したワイパ装置の構成を示す断面図である。
【図２】スリットの形態を示す説明図である。
【図３】駆動体の圧電素子に印加される電圧の波形を示す説明図である。
【図４】図３の電圧が印加された場合の駆動体の挙動を示す説明図である。
【図５】圧電アクチュエータの駆動トルクの時間変動を示すグラフであり、（ａ）は軸受面にスリットがない場合、（ｂ）は軸受面にスリットがある場合をそれぞれ示している。
【図６】スリット形状の変形例を示す説明図である。
【図７】従来の圧電アクチュエータの一例を示す説明図である。
【図８】従来の圧電アクチュエータの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    ワイパ装置
２    回転軸
３    ワイパブレード
４    筐体
５    ガラス面
６    駆動体
７    リード線
８    フック
９    引張ばね（弾性部材）
１０    圧電アクチュエータ
１１    フランジ部
１２    摺動部（環状突起）
１３    接触面
１４    軸受面
１５    非接触部
２１    スリット（溝部）
２２    軸孔
５１    圧電アクチュエータ
５２    駆動体
５３    筐体
５４    回転軸
５５    フランジ部
５５ａ  フランジ下面
５６    凹部
５６ａ  凹部底面
５７    軸受面
５８    引張ばね
６１    アクチュエータ
６２    回転軸
６３    フランジ部
６４    摺動部
６４ａ  摺動部端面
６５    軸受面
Ｌ      スリット長
Ｒ      接触面半径
【図１】
2005218184.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005218184.tif 000005
【図４】
2005218184.tif 000006
【図５】
2005218184.tif 000007
【図６】
2005218184.tif 000008
【図７】
2005218184.tif 000009
【図８】
2005218184.tif 000010