JP2010004591A - アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解質層内の陽イオンが陰極側に偏移して曲げ変形するイオン導電型アクチュエータにおいて、同じ電圧を印加したときに場所によって湾曲方向が相違するイオン導電型アクチュエータを提供する。
【解決手段】 ポリフッ化ビリニデンなどのベースポリマーにイオン液が含まれた電解質層１０に第１の電極層２０と第２の電極層３０が重ねられる。ただし、第１の電極層２０と第２の電極層３０のそれぞれが、電解質層１０を上下に貫通して交差するように組み合わされ、第１の領域２と第２の領域とで、第１の電極層２０が現れる面と第２の電極層３０が現れる面とが入れ替わっている。よって、第１の電極層２０と第２の電極層３０との間に電界を印加すると、第１の領域２と第２の領域３が逆向きに湾曲する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質層に含まれるイオンが偏移するときの体積膨張を利用して、複雑な曲げを生じさせるイオン導電型アクチュエータおよびその製造方法に関する。

以下の特許文献１には、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などのベースポリマーに、スルホン酸基やカルボキシル基などの親水性官能基が導入された陽イオン交換樹脂を使用したアクチュエータ素子が開示されている。

前記アクチュエータ素子は、電解液を含む陽イオン交換樹脂の両側にそれぞれ電極が設けられており、電極間に電界を与えると、電解液に含まれる陽イオンがイオン交換樹脂の内部において陰極の電極側へ偏移する。その結果、陰極側において陽イオン交換樹脂が膨張し、アクチュエータ素子全体に曲げ応力が作用して湾曲変形するというものである。

前記アクチュエータ素子は、電極間に電界を与えると、陰極側が凸側となる単純な曲げ変形を生じるだけであり、複雑な変形を生じさせることはできない。

そこで、以下の特許文献２には、長方形であり、その一方の半分である第１の領域と他方の半分である第２の領域とを、互いに逆向きの曲率となるように変形させる高分子アクチュエータ装置が開示されている。

この高分子アクチュエータ装置は、還元剤水溶液を含んだイオン交換樹脂で形成された電解質層の２つの表面に、金属めっきによって電極層を形成している。そして、第１の領域と第２の領域とで、電極層を互いに分離させ、第１の領域の表面の電極層と第２の領域の裏面の電極層とを導通させ、第１の領域の裏面の電極層と第２の領域の表面の電極層とを導通させている。

電極間に電界を与えると、第１の領域と第２の領域とで陰極側となる電極層が互いに逆向きとなるため、第１の領域と第２の領域とで、曲率が逆向きとなる曲げが発生する。
特開２００４−２８９９９４号公報 特開２００７−２８７４９号公報

前記特許文献２に記載された高分子アクチュエータ装置は、第１の領域の表面の電極層と第２の領域の裏面の電極層とを接続する第１の接続層が、電解質層の側面に引き回されるようにめっきで形成され、第１の領域の裏面の電極層と第２の領域の表面の電極層とを接続する第２の接続層が、前記第１の接続層とは逆側において、電解質層の側面に引き回されるようにめっきで形成されている。

このように、電解質層の表面と裏面および２つの側面に金属めっきを立体的に施す必要があるため、電極の形成工程がきわめて複雑であり、量産に不向きである。

また、特許文献２に記載された高分子アクチュエータ装置は、第１の領域と第２の領域とで曲率が逆であるＳ字変形を実現できるが、それ以外の複雑な変形をさせることができず、例えば中央部のみを大きく突出させるなどの動作ができない。特許文献２には、高分子アクチュエータを複数個組み合わせることで、中央部分を突出させる態様も記載されているが、高分子アクチュエータを複数個組み合わせるための工程が必要となり、アクチュエータの全体の寸法も大きくなる。また動作の俊敏性など動作特性が劣る不安が生じる。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、電極層の形成を容易にして、領域によって曲率の向きを変えることができるイオン導電型アクチュエータを提供することを目的としている。

また本発明は、中央部を大きく突出させるなど、複雑な変形を可能としたイオン導電型アクチュエータを提供することを目的としている。

さらに本発明は、複雑に変形するアクチュエータを比較的容易に製造することができるイオン導電型アクチュエータの製造方法を提供することを目的としている。

第１の本発明は、第１の電極層と第２の電極層と前記両電極層の間に位置する電解質層とを有し、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電圧が印加されると前記電解質層に含まれるイオンが移動して曲げ応力が発生するイオン導電型アクチュエータにおいて、
前記電解質層の両側縁部よりも内側部分で、前記第１の電極層と前記第２の電極層のそれぞれが、前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過しており、
その通過部を挟む一方の領域と他方の領域とで、表面に現れる前記第１の電極層と前記第２の電極層とが入れ替わっていることを特徴とするものである。

本発明のイオン導電型アクチュエータは、第１の電極層と第２の電極層とが、電解質層の中間部分をその厚さ方向へ貫通して、一方の領域と他方の領域とで第１の電極層と第２の電極層とが入れ替わっている。第１の電極層と第２の電極層を、電解質層に貫通させているため、従来のように、電解質層の側面などに立体的にめっき処理を施すなどの複雑な製造工程が不要になる。
なお、前記イオンは、陽イオンであってもよいし陰イオンであってもよい。

本発明は、前記電解質層にその一部が欠損した欠損部が設けられており、前記通過部では、前記第１の電極層と前記第２の電極層のそれぞれが、前記欠損部を通過しているものである。

例えば、本発明は、前記電解質層の２箇所に第１の欠損部と第２の欠損部が離れて形成されており、前記第１の電極層が前記第１の欠損部を通過し、前記第２の電極層が前記第２の欠損部を通過しているものである。

本発明での「欠損部」とは、図１に示す実施の形態のように、電解質層の辺から中央にスリット状に切り欠かれた切欠き部や凹部または溝であってもよいし、または、電解質の両辺から内側に離れた中央部に形成されたスリット状の長穴であってもよい。

また、本発明は、前記第１の電極層と前記第２の電極層のうちの一方の電極層が前記電解質層の前記欠損部を通過している部分において、他方の電極層の縁部が、前記電解質層の前記欠損部の縁部から遠ざかる位置に形成されていることが好ましい。

上記のように構成することで、第１の電極層または第２の電極層が、電解質層に形成された欠損部を通過している部分において、第１の電極層と第２の電極層の電気的短絡の発生を防止しやすくなる。

例えば、本発明は、第１の領域と第２の領域の２つの領域に区分され、前記第１の領域と前記第２の領域との境界部で、前記第１の電極層と前記第２の電極層とが前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過し、前記第１の領域と前記第２の領域とで、表面に現れる前記第１の電極層と前記第２の電極層とが入れ替わっているものである。

上記構成のイオン導電型アクチュエータは、電極間に電界を与えたときに、側方から見てＳ字状に変形する。

あるいは、本発明は、中央領域と、その両側に位置する第１の側部領域と第２の側部領域とに区分され、前記中央領域とそれぞれの側部領域との境界部で、前記第１の電極層が前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過すると共に、前記第２の電極層が前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過しており、
前記中央領域とそれぞれの側部領域とで、前記第１の電極層が現れる面と前記第２の電極層が現れる面が入れ替わっているものである。

上記構成のイオン導電型アクチュエータは、第１の側部領域と第２の側部領域とが同じ向きに湾曲し、中央領域が、それぞれの側部領域と逆向きに湾曲する。そのため、第１の側部領域の端部と第２の側部領域の端部とを拘束することなどにより、中央領域を大きく突出させるなどの動作が可能になる。

あるいは、本発明は、中央領域と、第１の方向で前記中央領域の両側に隣接する第１の側部領域および第２の側部領域と、前記第１の方向と交差する第２の方向で前記中央領域の両側に隣接する第３の側部領域および第４の側部領域とに区分され、
前記中央領域と全ての前記側部領域との境界部で、前記第１の電極層が前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過すると共に、前記第２の電極層が前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過しており、
前記中央領域とそれぞれの側部領域とで、前記第１の電極層が現れる面と前記第２の電極層が現れる面とが入れ替わっているものである。

このイオン導電型アクチュエータは、前後左右の４箇所の側部領域と、中央領域とで湾曲方向が逆向きであるため、立体的で複雑な変形を実現できる。特に、４つの側部領域で支えられて、中央領域を大きく突出させるなどの変形も可能となる。

本発明は、前記電解質層と前記第１の電極層および前記第２の電極層が、内部に陽イオンを含むポリマーであり、前記第１の電極層と前記第２の電極層に導電体が含まれているものである。

次に、第２の本発明は、第１の電極層と第２の電極層と前記両電極層の間に位置する電解質層とを有し、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電圧が印加されると前記電解質層に含まれるイオンが移動して曲げ応力が発生するイオン導電型アクチュエータの製造方法において、
（ａ）両側縁から内部に延びる一対の欠損部を有するシート状の電解質層と、シート状の第１の電極層およびシート状の第２の電極層を形成する工程と、
（ｂ）前記第１の電極層を一方の前記欠損部に通過させて、前記欠損部を挟む一方の領域と他方の領域とで、前記第１の電極層を前記電解質層の互いに逆に向く表面に重ねると共に、前記第２の電極層を他方の前記欠損部に通過させて、前記欠損部を挟む一方の領域と他方の領域とで、前記第２の電極層を前記電解質層の互いに逆に向く表面で且つ前記第１の電極層と反対側の表面に重ねる工程と、
（ｃ）前記電界質量と前記第１の電極層および前記第２の電極層を互いに固着させる工程と、
を有することを特徴とするものである。

例えば本発明は、前記（ａ）の工程で、前記電解質層を、中央領域とその両側に位置する第１の側部領域と第２の側部領域とに区分するとともに、前記中央領域とそれぞれの側部領域との境界部に一対の前記欠損部を形成し、
前記（ｂ）の工程で、前記中央領域とそれぞれの側部領域との境界部で、前記第１の電極層を一方の前記欠損部に通過させると共に、前記第２の電極層を他方の前記欠損部に通過させて、前記中央領域とそれぞれの側部領域とで、前記第１の電極層が重ねられる面と前記第２の電極層が重ねられる面を入れ替えるものである。

あるいは、前記（ａ）の工程で、前記電解質層を、中央領域と、第１の方向で前記中央領域の両側に隣接する第１の側部領域および第２の側部領域と、前記第１の方向と交差する第２の方向で前記中央領域の両側に隣接する第３の側部領域および第４の側部領域とに区分するとともに、前記中央領域とそれぞれの側部領域との境界部に一対の前記欠損部を形成し、
前記（ｂ）の工程で、前記中央領域とそれぞれの側部領域との境界部で、前記第１の電極層を一方の前記欠損部に通過させると共に、前記第２の電極層を他方の前記欠損部に通過させて、前記中央領域とそれぞれの側部領域とで、前記第１の電極層が重ねられる面と前記第２の電極層が重ねられる面を入れ替えるものである。

このイオン導電型アクチュエータの製造方法に使用される前記電解質層と前記第１の電極層および前記第２の電極層は、内部に陽イオンを含むポリマーで、前記第１の電極層と前記第２の電極層に導電体が含まれており、前記（ｃ）の工程で、前記電解質層と前記第１の電極層および前記第２の電極層を、熱圧着させるものである。

本発明のイオン導電型アクチュエータは、立体的で複雑な曲げ変形を生じさせることができる。また、単一のアクチュエータで中央部のみを突出させる変形を生じさせることができる。

また、本発明のイオン導電型アクチュエータの製造方法は、シート状の電解質層と、シート状の第１の電極層およびシート状の第２の電極層を組み合わせるだけであるため、製造工程を簡単にすることができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態のイオン導電型アクチュエータを構成する電解質層と第１の電極層および第２の電極層を個別に示す平面図、図２は、電解質層と第１の電極層および第２の電極層の組み合わせ工程を示す平面図、図３は、電解質層と第１の電極層および第２の電極層とが重ねられたイオン導電型アクチュエータを示す斜視図、図４はイオン導電型アクチュエータの側面図、図５は前記イオン導電型アクチュエータの動作説明図である。

図３は本発明の第１の実施の形態のイオン導電型アクチュエータ１を示している。このイオン導電型アクチュエータ１は、図１に示すシート状の電解質層１０と、シート状の第１の電極層２０およびシート状の第２の電極層３０を組み合わせて構成されている。

電解質層１０は、内部に電解質を含み且つ電界によって陽イオンが移動可能なポリマーシートである。このポリマーシートは、例えばベースポリマーとイオン液体とで形成されたゲル状組成物である。ベースポリマーは、ポリフッ化ビニリデンや、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などである。イオン液体は、有機のカチオンとアニオンを用いて生成された、常温において溶融塩として存在するものである。なお、電解質層を選択することによって陰イオンが移動可能なポリマーシートを構成することもできる。

第１の電極層２０と第２の電極層３０は、電解質層１０と同じポリマーシートに、カーボン粒子やカーボンナノチューブなどのナノカーボン、あるいは金属フィラーなどの導電体が混入されたものであり、シート全体が導電性である。この第１の電極層２０と第２の電極層３０は、電解質層１０と同様に内部で陽イオンが移動可能なゲル状組成物であり、しかも内部に混入された導電体によって、シート全体が比較的低抵抗の導電性である。

または、第１の電極層２０と第２の電極層３０が、電解質層１０と全く違う材料である導電性エラストマーで形成されていてもよい。

あるいは、電解質層１０が、陽イオン交換樹脂に電解液が含浸されたものであってもよい。陽イオン交換樹脂は、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基やカルボキシル基などの親水性官能基が導入されたものである。電解液は、塩を含有する分極性有機溶媒やイオン液体などである。この場合、第１の電極層２０と第２の電極層３０は、電解質層１０と同様に電解液が含浸された陽イオン交換樹脂にカーボンナノチューブや金属フィラーなどの導電体が混入されたものであってもよいし、あるいは第１の電極層２０と第２の電極層３０が、導電性エラストマーで形成されてもよい。

図１と図２に示すように、電解質層１０は長方形のシートである。電解質層１０は、長辺である右側縁部１０ａと左側縁部１０ｂの長さを二分するように、第１の部分１１と第２の部分１２に区分されている。第１の部分１１と第２の部分１２との境界部には、右側縁部１０ａから中央部に向かってスリット状の第１の欠損部１３が形成され、左側縁部１０ｂから中央部に向ってスリット状の第２の欠損部１４が形成されている。第１の欠損部１３は右側縁部１０ａと直交する向きに延びており、第２の欠損部１４は左側縁部１０ｂと直交する向きに延びている。また、電解質層１０は左右対称形状である。

第１の電極層２０は、平面の形状および平面の寸法が電解質層１０とほぼ同じ長方形のシートである。第１の電極層２０は、右側縁部２０ａと左側縁部２０ｂの長さを二分するように第１の部分２１と第２の部分２２とに区分されている。第１の部分２１と第２の部分２２との境界部には、左側縁部２０ｂから垂直に延びるスリット状の欠損部２３が形成されている。この欠損部２３と右側縁部２０ａとの間に連結部２４が残されている。

第２の電極層３０は、平面の形状および平面の寸法が第１の電極層２０と同じ長方形のシートである。第２の電極層３０は、右側縁部３０ａと左側縁部３０ｂの長さ寸法を二分するように、第１の部分３１と第２の部分３２とに区分されている。第１の部分３１と第２の部分３２との境界部には、右側縁部３０ａから垂直に延びる欠損部３３が形成されている。欠損部３３と左側縁部３０ｂとの間には連結部３４が残されている。

図３と図４では、第１の電極層２０と第２の電極層３０の厚さ寸法は電解質層１０の厚さ寸法よりもやや小さく図示されている。各層の厚さ寸法の関係は、イオン導電型アクチュエータ１の用途などに応じて決めることができる。ただし、第１の電極層２０と第２の電極層３０が、電解質層１０と同じベースポリマーとイオン液体および導電体を含むものである場合は、電解質層１０の厚み寸法を第１の電極層２０および第２の電極層３０の厚み寸法よりも小さくすることが好ましい。電解質層１０の厚み寸法を小さくすることで、第１の電極層２０と第２の電極層３０との距離を狭めて、通電時の応答感度を向上させることができる。

図１に示すように、第１の電極層２０と第２の電極層３０は、その平面形状が互いに左右対称である。よって、第１の電極層２０と第２の電極層３０とが互いに同じ厚さで且つ平面形状が同じ電極層を２枚使用し、それぞれを表裏逆向きとして、第１の電極層２０および第２の電極層３０として使用することができる。

電解質層１０と第１の電極層２０および第２の電極層３０は、図２ないし図４に示すように組み合わせられる。第１の電極層２０の連結部２４が、電解質層１０の第１の欠損部１３内を貫通するように組み合わされ、欠損部２３で区分される第１の部分２１が、電解質層１０の第１の部分１１の一方の面（図３の上面）に重ねられ、欠損部２３で区分される第２の部分２２が、電解質層１０の第２の部分１２の他方の面（図３の下面）に重ねられる。図３に示すように、第１の電極層２０の第１の部分２１と電解質層１０の第１の部分１１とがほぼ揃うように重ねられ、第１の電極層２０の第２の部分２２と電解質層１０の第２の部分１１がほぼ揃うように重ねられる。

第２の電極層３０の連結部３４は、電解質層１０の第２の欠損部１４を貫通するように組み合わせられ、欠損部３３で区分される第１の部分３１が、電解質層１０の第１の部分１１の他方の面（図３の下面）に重ねられ、欠損部３３で区分される第２の部分３２が、電解質層１０の第２の部分１２の一方の面（図３の上面）に重ねられる。図３に示すように、第２の電極層３０の第１の部分３１と電解質層１０の第１の部分１１とがほぼ揃うように重ねられ、第２の電極層３０の第２の部分３２と電解質層１０の第２の部分１１とがほぼ揃うように重ねられる。

電解質層１０と第１の電極層２０および第２の電極層３０が、図３のように組み合わされて重ねられた後に、熱を与えながら上下から加圧されて、各層が接合されて一体化される。この際、第１の電極層２０および第２の電極層３０の平面形状の寸法が、電解質層１０の平面形状の寸法よりもわずかに小さくなっていると、第１の電極層２０と第２の電極層３０との間の電気的なショートを防止でき望ましい。

また、図１に示すように、第１の電極層２０の欠損部２３の幅寸法および第２の電極層３０の欠損部３３の幅寸法が、共に、電解質層１０の第１の欠損部１３の幅寸法および第２の欠損部１４の幅寸法よりも大きく形成されている。

その結果、図４に示すように、電解質層１０の第１の欠損部１３内を第１の電極層２０の連結部２４が通過している部分において、第２の電極層３０の欠損部３３の側縁部３３ａ，３３ｂが、共に電解質層１０の第１の欠損部１３の側縁部１３ａ，１３ｂから離れた位置に配置される。よって、第２の電極層３０の欠損部３３の側縁部３３ａ，３３ｂと第１の電極層２０の連結部２４とを離すことができ、第１の電極層２０の連結部２４が電解質層１０の第１の欠損部１３を通過する部分において、第１の電極層２０と第２の電極層３０との電気的に短絡するのを防止しやすくなる。これは、第２の電極層３０の連結部３４が、電解質層１０の第２の欠損部１４を通過している部分においても同じである。

一体化されたイオン導電性アクチュエータでは、電解質層１０と第１の電極層２０および第２の電極層３０の３層の接合面がほぼ目視できない状態に一体化される。そして、第１の電極層２０の一部が、電界質層１０を厚み方向へ貫通し通過し、第２の電極層３０の一部が、電解質層１０を厚み方向へ貫通して通過する構造となる。

図３に示すように、イオン導電型アクチュエータ１は、第１の電極層２０と第２の電極層３０が電界質層１０を貫通している通過部を挟んで第１の領域２と第２の領域３とに区分できる。

第１の電極層２０は、第１の領域２と第２の領域３とで逆向きの表面に現れ、第２の電極層３０も、第１の領域２と第２の領域３とで逆向きの表面に現れている。また、第１の領域２と第２の領域３の双方において、第１の電極層２０と第２の電極層３０は、互いに逆の表面に現れる。すなわち、第１の領域２と第２の領域３とで、第１の電極層２０が現れる面と第２の電極層３０が現れる面とが互いに入れ替わっている。

図４と図５には、イオン導電型アクチュエータ１を厚さ方向に二分して長手方向に延びる中心線をＯ−Ｏで示している。図４に示すように第１の電極層２０と第２の電極層３０との間に電界が与えられていない非駆動時は、イオン導電型アクチュエータ１が平面状であり、その中立軸は前記中心線Ｏ−Ｏに一致している。

図５は、第１の電極層２０と第２の電極層３０との間に電界が与えられたときのイオン導電型アクチュエータ１の変形動作を中立軸のみの変形で示している。図５では、第１の電極層２０が低電位側で第２の電極層３０が高電位側となるように電界が与えられている。このとき、電解質層１０内の陽イオンおよび極性分子が低電位側の第１の電極層２０へむけて偏移する。その結果、陽イオンが偏移した第１の電極層２０側に膨張歪みが発生し、第１の領域２では、第１の電極層２０の第１の部分２１が凸側となるように湾曲し、第２の領域３では、第１の電極層２０の第２の部分２２が凸側となるように湾曲する。その結果、図５に示すように、中立軸はほぼＳ字状の変形となる。

図６に示すように、本発明の第２の実施の形態のイオン交換型アクチュエータ１０１は、それぞれが長方形のシート状である、電解質層１１０と、第１の電極層１２０および第２の電極層１３０とが組み合わされて構成されている。

電解質層１１０は、中央部１１１とその両側に位置する第１の側部１１２および第２の側部１１３に区分される。中央部１１１と第１の側部１１２との境界部に、右側縁部１１０aから内方に向けて垂直に形成された第１の欠損部１１４と、左側縁部１１０ｂから内方に向けて垂直に形成された第３の欠損部１１６が互いに対向して形成されている。また、中央部１１１と第２の側部１１３との境界部に、右側縁部１１０ａから内方に向けて垂直に形成された第３の欠損部１１６と左側縁部１１０ｂから内方へ向けて垂直に形成された第４の欠損部１１７が互いに対向して形成されている。

第１の電極層１２０は、中央部１２１と、その両側に位置する第１の側部１２２と第２の側部１２３とに区分される。中央部１２１と第１の側部１２２との境界部に、右側縁部１２０ａから垂直に形成された第１の欠損部１２４が形成され、第１の欠損部１２４と左側縁部１２０ｂとの間に第１の連結部１２６が残されている。中央部１２１と第２の側部１２３との境界部に、左側縁部１２０ｂから垂直に形成された第２の欠損部１２５が形成され、第２の欠損部１２５と右側縁部１２０ａとの間に第２の連結部１２７が残されている。

第２の電極層１３０も、中央部１３１と、その両側に位置する第１の側部１３２と第２の側部１３３に区分されている。中央部１３１と第１の側部１３２との境界部に、左側縁部１３０ｂから垂直に形成された第１の欠損部１３４が形成され、第１の欠損部１３４と右側縁部１３０ａとの間に第１の連結部１３６が残されている。中央部１３１と第２の側部１３３との境界部に、右側縁部１３０ａから垂直に形成された第２の欠損部１３５が形成され、第２の欠損部１３５と左側縁部１３０ｂとの間に第２の連結部１３７が残されている。

図７に示すように、第１の電極層１２０の中央部１２１が、電解質層１１０の中央部１１１の下面に重ねられて、右側縁部１１０ａ，１２０ａと左側縁部１１０ｂ，１２０ｂがほぼ一致するように揃えられる。第１の電極層１２０の第１の連結部１２６が、電解質層１１０の第２の欠損部１１５内を下から上へ向けて貫通して通過し、第１の電極層１２０の第１の側部１２２が電解質層１１０の第１の側部１１２の上に重ねられる。第１の電極層１２０の第２の連結部１２７は、電解質層１１０の第３の欠損部１１６を下から上に向けて貫通し、第２の側部１２３が、電解質層１１０の第２の側部１１３の上に重ねられる。

第２の電極層１３０の中央部１３１は、電解質層１１０の中央部１１１の上面に設置され、右側縁部１１０ａ，１３０ａと左側縁部１１０ｂ，１３０ｂがほぼ一致するように揃えられる。第２の電極層１３０の第１の連結部１３６は、電解質層１１０の第１の欠損部１１４を上から下に貫通し、第１の側部１３２が電解質層１１０の第１の側部１１２の下に重ねられる。第２の電極層１３０の第２の連結部１３７は、電解質層１１０の第４の欠損部１１７を上から下に貫通し、第２の側部１３３が、電解質層１１０の第２の側部１１３の下に重ねられる。

電解質層１１０と第１の電極層１２０および第２の電極層１３０が図７のように重ねられた後に、各層が加熱され加圧され固着されて一体化される。その結果、イオン導電型アクチュエータ１０１は、中央領域１０２と第１の側部領域１０３および第２の側部領域１０４に区分される。

中央領域１０２では、電解質層１１０の下に第１の電極層１２０が位置して、上に第２の電極層１３０が位置する。第１の側部領域１０３と第２の側部領域１０４では、電解質層１１０の上に第１の電極層１２０が位置し、下に第２の電極層１３０が位置する。

図８（Ａ）は、イオン導電型アクチュエータ１０１を駆動したときの変形状態を、中立軸のみで図示している。なお、図７と図８（Ａ）には中心線をＯ−Ｏで示している。図８（Ａ）は、第１の電極層１２０が高電位側となり、第２の電極層１３０が低電位側となるように、第１の電極層１２０と第２の電極層１３０との間に電界を与えたときの、イオン交換型アクチュエータ１０１の変形状態を示している。中央領域１０２では、電解質層１１０内の陽イオンが、上側に位置する第２の電極層１３０の中央部１３１に偏移するため、中央領域１０２は上に凸側が向くように湾曲変形する。第１の側部領域１０３と第２の側部領域１０４は、下に凸側が向けられるように湾曲変形する。

図８（Ａ）に示すように、イオン導電型アクチュエータ１０１が自由状態であると、中央領域１０２と第１の側部領域１０３および第２の側部領域１０４は、中心線Ｏ−Ｏが波の高さの平均線となるように波状に変形する。ただし、図８（Ｂ）に示すように、第１の側部領域１０３の端部と第２の側部領域１０４の端部を、規制部１０５および規制部１０６，１０６で上下から規制し、ただし左右方向には動けるように保持すると、中央領域１０２を上側へ大きく突出させることができる。この動作では、携帯機器の操作部などにおいて、中央領域１０２によって表示部や操作部を局部的に突出させることなどが可能となる。

図９は本発明の第３の実施の形態のイオン導電型アクチュエータ２０１を構成する電解質層２１０と、第１の電極層２２０および第２の電極層２３０を示す平面図である。

電解質層２１０は、中央部２１１と、その上下両側に位置する第１の側部２１２および第２の側部２１３とが一体に形成されている。第１の側部２１２と第２の側部２１３とが連続している方向と直交する向きである左右方向において、中央部２１１の両側に第３の側部２１４と第４の側部２１５とが連続して形成されている。そして、中央部２１１と第１の側部２１２との間に一対の欠損部２１６，２１６が形成され、中央部２１１と第２の側部２１３との間に一対の欠損部２１７が形成されている。同様に、中央部２１１と第３の側部２１４との間に一対の欠損部２１８，２１８が、中央部２１１と第４の側部２１５との間に一対の欠損部２１９，２１９が形成されている。

第１の電極層２２０は、中央部２２１と、第１の側部２２２および第２の側部２２３と、第３の側部２２４および第４の側部２２５とが一体に形成されている。中央部２２１と第１の側部２２２との間に欠損部２２６が形成されている。同様に、中央部２２１とその他の側部２２３，２２４，２２５との間に、それぞれ欠損部２２７，２２８，２２９が形成されている。

同様に、第２の電極層２３０は、中央部２３１と、第１の側部２３２および第２の側部２３３と、第３の側部２３４および第４の側部２３５が一体に形成されている。中央部２３１と第１の側部２３２との間に欠損部２３６が形成されている。同様に、中央部２３１とその他の側部２３３，２３４，２３５との間に、それぞれ欠損部２３７，２３８，２３９が形成されている。

第１の電極層２２０と第２の電極層２３０とを比較すると、第１の電極層２２０の欠損部２２６と、第２の電極層２３０の欠損部２３６が、互いに左右逆向きに形成されている。同様に、欠損部２２７と欠損部２３７が左右逆向きに形成されており、欠損部２２８と欠損部２３８とが上下逆向きで、欠損部２２９と欠損部２３９が上下逆向きに形成されている。

第１の電極層２２０は、その中央部２２１が電解質層２１０の中央部２１１の下に重ねられ、それぞれの側部２２２，２２３，２２４，２２５が、電解質層２１０のそれぞれの側部２１２，２１３，２１４，２１５の上に重ねられる。第２の電極層２３０は、その中央部２３１が電解質層２１０の中央部２１１の上に重ねられ、それぞれの側部２３２，２３３，２３４，２３５が、電解質層２１０のそれぞれの側部２１２，２１３，２１４，２１５の下に重ねられる。そして、各層が加熱され加圧されて一体化される。

図１０は、図９に示す電解質層２１０と第１の電極層２２０および第２の電極層２３０が組み合わされたイオン導電型アクチュエータ２０１を示している。このイオン導電型アクチュエータ２０１は、中央領域２０２と、第１の側部領域２０３と、第２の側部領域２０４と、第３の側部領域２０５および第４の側部領域２０６を有している。そして、中央領域２０２と、それぞれの側部領域２０３，２０４，２０５，２０６とでは、第１の電極層２２０と第２の電極層２３０とが現れる面が逆であり、全ての側部領域２０３，２０４，２０５，２０６では、第１の電極層２２０と第２の電極層２３０が、同じ側に現れている。

第１の電極層２２０と第２の電極層２３０とに電界を与えると、図１０に示すように、中央領域２０２と、それぞれの側部領域２０３，２０４，２０５，２０６とで、上下逆向きに湾曲する。イオン導電型アクチュエータ２０１に外力を与えていないとき、図１０に示すＯｘ軸で切断した断面における中立軸の湾曲状態は図８（Ａ）と同じであり、Ｏｙ軸で切断した断面における中立軸の湾曲状態も図８（Ａ）と同じである。

また、それぞれの側部領域２０３，２０４，２０５，２０６の端部を上下で拘束し、ただし、それぞれの端部をＯｘ軸とＯｙ軸に沿う上方へ移動できるように支持すると、Ｏｘ軸で切断した断面における中立軸の湾曲状態が図８（Ｂ）と同じになり、Ｏｙ軸で切断した断面における中立軸の湾曲状態も図８（Ｂ）と同じになる。その結果、中央領域２０２を上方へ向けて大きく突出させることができる。しかも、中央領域は前後左右の側部領域２０３，２０４，２０５，２０６で支えられるため、安定した突出形状となる。

本発明の第１の実施の形態のイオン導電型アクチュエータを構成する電界質層と、第１の電極層および第２の電極層を個別に示す平面図、 第１の実施の形態のイオン導電型アクチュエータを構成する電界質層と、第１の電極層および第２の電極層との組み合わせ状態を説明する平面図、 第１の実施の形態のイオン導電型アクチュエータの斜視図、 第１の実施の形態のイオン導電型アクチュエータの側面図、 第１の実施の形態のイオン導電型アクチュエータが動作したときの中立軸の変形状態を示す説明図、 本発明の第２の実施の形態のイオン導電型アクチュエータを構成する電界質層と、第１の電極層および第２の電極層を個別に示す平面図、 第２の実施の形態のイオン導電型アクチュエータの側面図、 （Ａ）（Ｂ）は、第２の実施の形態のイオン導電型アクチュエータが動作したときの中立軸の変形状態を示す説明図、 本発明の第３の実施の形態のイオン導電型アクチュエータを構成する電界質層と、第１の電極層および第２の電極層を個別に示す平面図、 第３の実施の形態のイオン導電型アクチュエータの動作状態を示す斜視図、

符号の説明

１ イオン導電型アクチュエータ
２ 第１の領域
３ 第２の領域
１０ 電解質層
１１ 第１の部分
１２ 第２の部分
１３，１４ 欠損部
２０ 第１の電極層
２１ 第１の部分
２２ 第２の部分
２３ 欠損部
３０ 第２の電極層
３１ 第１の部分
３２ 第２の部分
３３ 欠損部
１０１ イオン導電型アクチュエータ
１０２ 中央領域
１０３ 第１の側部領域
１０４ 第２の側部領域
１１０ 電解質層
１１１ 中央部
１１２ 第１の側部
１１３ 第２の側部
１１４，１１５，１１６，１１７ 欠損部
１２０ 第１の電極層
１２１ 中央部
１２２ 第１の側部
１２３ 第２の側部
１２４，１２５ 欠損部
１３０ 第２の電極層
１３１ 中央部
１３２ 第１の側部
１３３ 第２の側部
１３４，１３５ 欠損部
２０１ イオン導電型アクチュエータ
２０２ 中央領域
２０３ 第１の側部領域
２０４ 第２の側部領域
２０５ 第３の側部領域
２０６ 第４の側部領域
２１０ 電解質層
２１１ 中央部
２１２ 第１の側部
２１３ 第２の側部
２１４ 第３の側部
２１５ 第４の側部
２１６，２１７，２１８，２１９ 欠損部
２２０ 第１の電極層
２２１ 中央部
２２２ 第１の側部
２２３ 第２の側部
２２４ 第３の側部
２２５ 第４の側部
２２６，２２７，２２８，２２９ 欠損部
２３０ 第２の電極層
２３１ 中央部
２３２ 第１の側部
２３３ 第２の側部
２３４ 第３の側部
２３５ 第４の側部
２３６，２３７，２３８，２３９ 欠損部

Claims (12)

1. 第１の電極層と第２の電極層と前記両電極層の間に位置する電解質層とを有し、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電圧が印加されると前記電解質層に含まれるイオンが移動して曲げ応力が発生するアクチュエータにおいて、
   前記電解質層の両側縁部よりも内側部分で、前記第１の電極層と前記第２の電極層のそれぞれが、前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過しており、
   その通過部を挟む一方の領域と他方の領域とで、表面に現れる前記第１の電極層と前記第２の電極層とが入れ替わっていることを特徴とするイオン導電型アクチュエータ。
2. 前記電解質層にその一部が欠損した欠損部が設けられており、前記通過部では、前記第１の電極層と前記第２の電極層のそれぞれが、前記欠損部を通過している請求項１記載のイオン導電型アクチュエータ。
3. 前記電解質層の２箇所に第１の欠損部と第２の欠損部が離れて形成されており、前記第１の電極層が前記第１の欠損部を通過し、前記第２の電極層が前記第２の欠損部を通過している請求項２記載のイオン導電型アクチュエータ。
4. 前記第１の電極層と前記第２の電極層のうちの一方の電極層が前記電解質層の前記欠損部を通過している部分において、他方の電極層の縁部が、前記電解質層の前記欠損部の縁部から遠ざかる位置に形成されている請求項２または３記載のイオン導電型アクチュエータ。
5. 第１の領域と第２の領域の２つの領域に区分され、前記第１の領域と前記第２の領域との境界部で、前記第１の電極層と前記第２の電極層とが前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過し、前記第１の領域と前記第２の領域とで、表面に現れる前記第１の電極層と前記第２の電極層とが入れ替わっている請求項１ないし４のいずれかに記載のイオン導電型アクチュエータ。
6. 中央領域と、その両側に位置する第１の側部領域と第２の側部領域とに区分され、前記中央領域とそれぞれの側部領域との境界部で、前記第１の電極層が前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過すると共に、前記第２の電極層が前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過しており、
   前記中央領域とそれぞれの側部領域とで、前記第１の電極層が現れる面と前記第２の電極層が現れる面が入れ替わっている請求項１ないし４のいずれかに記載のイオン導電型アクチュエータ。
7. 中央領域と、第１の方向で前記中央領域の両側に隣接する第１の側部領域および第２の側部領域と、前記第１の方向と交差する第２の方向で前記中央領域の両側に隣接する第３の側部領域および第４の側部領域とに区分され、
   前記中央領域と全ての前記側部領域との境界部で、前記第１の電極層が前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過すると共に、前記第２の電極層が前記電解質層をその厚さ方向へ向けて通過しており、
   前記中央領域とそれぞれの側部領域とで、前記第１の電極層が現れる面と前記第２の電極層が現れる面とが入れ替わっている請求項１ないし４のいずれかに記載のイオン導電型アクチュエータ。
8. 前記電解質層と前記第１の電極層および前記第２の電極層が、内部に陽イオンを含むポリマーであり、前記第１の電極層と前記第２の電極層に導電体が含まれている請求項１ないし７のいずれかに記載のイオン導電型アクチュエータ。
9. 第１の電極層と第２の電極層と前記両電極層の間に位置する電解質層とを有し、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電圧が印加されると前記電解質層に含まれるイオンが移動して曲げ応力が発生するイオン導電型アクチュエータの製造方法において、
   （ａ）両側縁から内部に延びる一対の欠損部を有するシート状の電解質層と、シート状の第１の電極層およびシート状の第２の電極層を形成する工程と、
   （ｂ）前記第１の電極層を一方の前記欠損部に通過させて、前記欠損部を挟む一方の領域と他方の領域とで、前記第１の電極層を前記電解質層の互いに逆に向く表面に重ねると共に、前記第２の電極層を他方の前記欠損部に通過させて、前記欠損部を挟む一方の領域と他方の領域とで、前記第２の電極層を前記電解質層の互いに逆に向く表面で且つ前記第１の電極層と反対側の表面に重ねる工程と、
   （ｃ）前記電界質量と前記第１の電極層および前記第２の電極層を互いに固着させる工程と、
   を有することを特徴とするイオン導電型アクチュエータの製造方法。
10. 前記（ａ）の工程で、前記電解質層を、中央領域とその両側に位置する第１の側部領域と第２の側部領域とに区分するとともに、前記中央領域とそれぞれの側部領域との境界部に一対の前記欠損部を形成し、
    前記（ｂ）の工程で、前記中央領域とそれぞれの側部領域との境界部で、前記第１の電極層を一方の前記欠損部に通過させると共に、前記第２の電極層を他方の前記欠損部に通過させて、前記中央領域とそれぞれの側部領域とで、前記第１の電極層が重ねられる面と前記第２の電極層が重ねられる面を入れ替える請求項９記載のイオン導電型アクチュエータの製造方法。
11. 前記（ａ）の工程で、前記電解質層を、中央領域と、第１の方向で前記中央領域の両側に隣接する第１の側部領域および第２の側部領域と、前記第１の方向と交差する第２の方向で前記中央領域の両側に隣接する第３の側部領域および第４の側部領域とに区分するとともに、前記中央領域とそれぞれの側部領域との境界部に一対の前記欠損部を形成し、
    前記（ｂ）の工程で、前記中央領域とそれぞれの側部領域との境界部で、前記第１の電極層を一方の前記欠損部に通過させると共に、前記第２の電極層を他方の前記欠損部に通過させて、前記中央領域とそれぞれの側部領域とで、前記第１の電極層が重ねられる面と前記第２の電極層が重ねられる面を入れ替える請求項９記載のイオン導電型アクチュエータの製造方法。
12. 前記電解質層と前記第１の電極層および前記第２の電極層が、内部に陽イオンを含むポリマーで、前記第１の電極層と前記第２の電極層に導電体が含まれており、
    前記（ｃ）の工程で、前記電解質層と前記第１の電極層および前記第２の電極層を、熱圧着させる請求項９ないし１１のいずれかに記載のイオン導電型アクチュエータの製造方法。

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