JP2010246181A - 高分子アクチュエータ装置及び入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、従来に比べて大きな発生荷重を得ることが出来る高分子アクチュエータ装置及び入力装置を提供することを目的としている。
【解決手段】 電解質層及び、前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた一対の電極層を有し、前記一対の電極層間に電圧を付与すると固定端から自由端にかけて湾曲する高分子アクチュエータ１０と、前記高分子アクチュエータの固定端を固定する固定部を有するベース部材１７とを有する高分子アクチュエータ装置において、前記ベース部材１７には、湾曲した前記高分子アクチュエータの前記自由端側が押圧されて前記ベース部材方向に変位したときに前記高分子アクチュエータの前記電極層と接触通電して駆動電圧を印加可能な電極部１８が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質層と、電解質層の両面に設けられた一対の電極層を有し、一対の電極層間に電圧を付与すると湾曲する高分子アクチュエータを備えた高分子アクチュエータ装置及び入力装置に関する。

図１１（ａ）（ｂ）は従来の問題点を説明するための入力装置の概念図（断面図）である。

図１１（ａ）に示す入力装置１は、高分子アクチュエータ２、ベース部材３、支持部４、キートップ５、及び、筐体６等を有して構成される。

図１１（ａ）に示すように、各高分子アクチュエータ２は、支持部４に片持ちで支持されている。高分子アクチュエータ２は、電解質層と、前記電解質層の厚さ方向の両側に設けられた一対の電極層とを有して構成されている。そして、固定端側の前記一対の電極層間に電圧を付与すると、図１１（ａ）に示すように上方に向けて湾曲するように構成されている（特許文献１も参照）。

高分子アクチュエータ２は、圧電セラミックや形状記憶合金等に比べて低弾性率で低剛性であり大きな変位を得やすい半面、大きな力を発揮しづらい問題があった。また、電極層にカーボンを含んでいるため、導電性が比較的低く、電極内で電圧降下が生じて先端付近では十分な電圧がなかなか、かからないという課題もあった。また、アクチュエータ２を高弾性率化し、また素子厚を厚くすれば、発生荷重を大きくできるが、その分、変位量は小さくなった。

すなわち、十分な変位量に加えて、図１１（ａ）の状態から図１１（ｂ）のように前記キートップ５を下方向に押圧したときに、良好な押し感を与えるほどの発生荷重（発生力）を得ることが困難であった。

特開２００５−２５９４８８号公報 特開２００８−２３８３３０号公報

上記の特許文献に記載の発明には、上記した高分子アクチュエータの従来課題の認識がなく、前記発生荷重を増大させる解決手段が示されていない。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、特に、十分な変位と大きな発生荷重との双方を得ることが出来る高分子アクチュエータ装置及び入力装置を提供することを目的としている。

本発明は、電解質層及び、前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた一対の電極層を有し、前記一対の電極層間に電圧を付与すると固定端から自由端にかけて湾曲する高分子アクチュエータと、前記高分子アクチュエータの湾曲方向とは逆側の位置に設けられたベース部材とを有する高分子アクチュエータ装置において、
前記ベース部材の前記高分子アクチュエータとの対向面には、湾曲した前記高分子アクチュエータの前記自由端側が押圧されて前記ベース部材方向に変位したときに前記高分子アクチュエータの前記電極層と接触通電して駆動電圧を印加可能な電極部が設けられていることを特徴とするものである。

上記により、アクチュエータが湾曲した状態では、アクチュエータの素子長さを十分に長く形成でき、変位を十分に得ることができる。そして上記のように、高分子アクチュエータの変位により電極層と接触通電して駆動電圧を印加可能な電極部を設けたことで、発生荷重を大きくすることができる。このように本発明では、十分な変位と大きな発生荷重の双方を得ることが出来る。

本発明では、前記電極部、あるいは前記電極部に接触する前記電極層の部分の少なくとも一方が突起状で形成されていることが好ましい。これにより、突起部を変位の支点にでき、接触通電後、材料力学的原理も加わって、より効果的に発生荷重を大きくすることができる。

また本発明では、前記電極部は、前記高分子アクチュエータの前記電極層間の駆動回路と接続されていることが好適である。これにより、簡単な回路構成にて、前記電極部から駆動電圧を印加できる。

また本発明では、前記高分子アクチュエータの前記電極層と接触した前記電極部は、前記高分子アクチュエータの自由端寄りに形成されていることが好ましい。これにより、発生荷重をより効果的に大きくすることができる。

また本発明では、前記高分子アクチュエータの前記電極層はカーボン膜で形成されている構成に好ましく適用できる。電圧降下の大きいカーボン膜を用いても本発明により、効果的に、発生荷重を大きくすることができる。

また本発明における入力装置は、上記のいずれかに記載の高分子アクチュエータ装置と、前記高分子アクチュエータの湾曲方向側に設けられた操作部とを有し、
前記操作部は前記ベース部材の方向及び前記ベース部材から離れる方向に移動可能に支持されており、
前記操作部の前記ベース部材方向への移動に伴い、前記電極層間に電圧が付与されて湾曲した前記高分子アクチュエータの前記自由端側が押圧されて前記ベース部材方向に所定量変位したとき、前記高分子アクチュエータの前記電極層が前記ベース部材に設けられた前記電極部に接触通電して前記高分子アクチュエータに駆動電圧が印加されることを特徴とするものである。

本発明の構成によれば、操作部を押圧することで、湾曲状態の高分子アクチュエータの自由端側がベース部材方向に変位し、やがて高分子アクチュエータの電極層がベース部材に設けられた電極部に接触通電すると、高分子アクチュエータに駆動電圧を印加でき、発生荷重を大きくすることができるため、前記操作部を押圧したときの押し感を、従来に比べて、良好にできる。

本発明によれば、十分な変位と大きな発生荷重との双方を得ることができる。

第１実施形態の高分子アクチュエータ装置の構成を示す図であり、（ａ）は、高分子アクチュエータの非動作時における部分断面図、（ｂ）は、高分子アクチュエータが湾曲した状態を示す部分断面図、（ｃ）は、前記高分子アクチュエータの自由端側が押圧されて、前記高分子アクチュエータと電極部とが接触した状態を示す部分断面図、（ｄ）は、高分子アクチュエータの部分拡大断面図、 電極層間の電位差を説明するための図、 第２実施形態の高分子アクチュエータ装置の構成を示す図であり、（ａ）は、高分子アクチュエータが湾曲した状態を示す部分断面図、（ｂ）は、前記高分子アクチュエータの自由端側が押圧されて、前記高分子アクチュエータと電極部とが接触した状態を示す部分断面図、 第３実施形態の高分子アクチュエータ装置の構成を示す図であり、高分子アクチュエータが湾曲した状態を示す部分断面図、 図４の一部を示した高分子アクチュエータの部分拡大断面図、 変形例を示す高分子アクチュエータの部分斜視図、 他の実施形態を示す高分子アクチュエータ装置の部分断面図、 高分子アクチュエータと電極部との部分平面図、 変形例を示す高分子アクチュエータ装置の部分断面図、 本実施形態における入力装置の部分断面図、 従来例における入力装置の部分断面図。

図１は第１実施形態の高分子アクチュエータ装置の構成を示す図であり、（ａ）は、高分子アクチュエータの非動作時における部分断面図、（ｂ）は、高分子アクチュエータが固定端から自由端にかけて湾曲した状態を示す部分断面図、（ｃ）は、前記高分子アクチュエータの自由端側が押圧されて、前記高分子アクチュエータと電極部とが接触した状態を示す部分断面図、（ｄ）は、高分子アクチュエータの部分拡大断面図である。

図１（ｄ）に示すように、本実施形態における高分子アクチュエータ１０は、電解質層１１と、電解質層１１の厚さ方向の両側表面に形成される電極層１２、１３を備えて構成される。なお高分子アクチュエータ１０の構成は図１以外の他の実施形態でも同様の構成である。

本実施形態の高分子アクチュエータ１０は、イオン液体とベースポリマーを有する電解質層１１と、カーボンナノチューブ等の導電性フィラー、イオン液体及びベースポリマーとを有する第１電極層１２及び第２電極層１３とを有して構成される。なお、第１電極層１２はベース部材１７と対向する側の電極層である。

ベースポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）や、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等を提示できる。この具体例では電解質層１１内にイオン交換樹脂を含まないので、陽イオン及び陰イオンのどちらも自由に移動可能な状態となっている。

なお、電解質層１１は、イオン交換樹脂と、塩を含有する分極性有機溶媒又はイオン液体である液状有機化合物とが含まれたものであってもよい。このとき、イオン交換樹脂は陽イオン交換樹脂であることが好適である。これにより陰イオンが固定され、陽イオンが自由に移動可能となる。陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂等の樹脂に、スルホン酸基、カルボキシル基等の官能基が導入されたものを好ましく使用できる。

図１に示すように高分子アクチュエータ１０の一端部（固定端）１４が支持部１５に固定支持されている。図１に示す構成では、高分子アクチュエータ１０は片持ちで支持されており、自由端１６側が、上方に湾曲可能に支持されている。図１（ｂ）に示すように、前記高分子アクチュエータ１０の湾曲方向とは逆面側にベース部材１７が設けられている。ベース部材１７と支持部１５は別体で形成されてもよいし一体で形成されてもよい。

図１（ａ）に示すようにベース部材１７の表面には電極部１８が設けられている。図１（ｃ）に示すように、前記電極部１８は、高分子アクチュエータ１０の固定端１４側に接続される電極層１２，１３間の駆動回路２０に接続される。あるいは図１（ｄ）のように、前記電極部１８は電源を介して前記駆動回路２０に接続されてもよい。図１（ｄ）の前記駆動回路２０にはダイオードが設けられる。

図１（ａ）の非動作状態から、駆動回路２０にて、高分子アクチュエータ１０の固定端１４側の電極層１２，１３間に電圧を印加すると、第１電極層１２側と第２電極層１３側で、膨潤差が生じ、曲げ応力が発生して、図１（ｂ）のように、高分子アクチュエータ１０が上方向に湾曲する。本実施形態では、一例として、第１電極層１２側を負極、第２電極層１３側を正極とした（図１（ｃ）参照）。これにより、電圧印加すると第１電極層１２側に陽イオンおよび極性分子が偏移する。このとき陽イオンが陰イオンより大きいと仮定すると、第１電極層１２側に偏った位置で体積が膨張しようとする。つまり、第１電極層１２側において膨張応力が発生しこれに基づいて膨張歪みが発生するために、高分子アクチュエータ１０に曲げ応力が発生して、図１（ａ）に示すように、高分子アクチュエータ１０が上方に向けて湾曲する。

図１（ｂ）に示すように、高分子アクチュエータ１０の自由端１６側に、ベース部材１７方向への荷重Ｆが加わると、湾曲状態の高分子アクチュエータ１０はベース部材１７方向へ変位する。

所定量変位すると、図１（ｃ）に示すように、高分子アクチュエータ１０の第１電極層１２がベース部材１７に設けられた電極部１８に接触通電する。図１（ｃ）に示すように電極部１８は高分子アクチュエータ１０の固定端１４と自由端１６間の途中部２１で接触するように設けられている。

そして、図１（ｃ）に示すように電極部１８と第１電極層１２とが接触通電すると、図１（ｃ）に示す回路にて、前記高分子アクチュエータ１０の途中部２１から駆動電圧を印加して、駆動電圧の低下を抑制している。この結果、図１（ｃ）の状態から、さらに高分子アクチュエータ１０の自由端１６側にベース部材１７方向への力を加えた際の反力（以下、発生荷重という）を大きくすることができる。

本実施形態では、電極層１２，１３の材質を限定するものでない。カーボン膜であってもよいし、あるいは金や白金等の電極材料がメッキやスパッタ等で形成されたものであってもよい。

ここで、電極層１２，１３にカーボン膜を用い、電極部１８を設けない従来構造の場合、図２（ａ）の実線に示すように固定端から自由端に向けて電圧降下が非常に大きくなる。よって従来構造では発生荷重が非常に小さくなる。図２の（１）は従来構造での電位差を示す。これは、イメージ的には図２（ｂ）に示す等価回路のように抵抗ラダーになっているためである。なお、図２（ｂ）に示すイメージ図は、２次元的であるが、幅方向及び厚さ方向も抵抗ラダーになり、電極内での電圧分布が一様でない。

そこで本実施形態のように電極の片側一方だけでも通電箇所を増やす（図２（ｃ）に示す）ことで、電圧降下により小さくなった電位差を、図２の（２）のように、高分子アクチュエータ１０の途中部２１から自由端１６側にかけて効果的に大きくできる。よって電極層１２，１３にカーボン膜を用いても本実施形態を用いれば、発生荷重を効果的に大きくすることができる。カーボン膜には、例えばカーボンナノチューブが含まれる。

図１に示す実施形態では、ベース部材１７側に向く第１電極層１２が図１（ｃ）のとき、ベース部材１７の電極部１８に接触通電する。よって、通電接触後、負側の電位が図２の点線で示すように大きくなる。形状を工夫すれば、正極である第２電極層１３が電極部１８と接触通電できるようにもできる。ただし、図１（ｂ）のように本実施形態の高分子アクチュエータ１０がベース部材１７から離れる方向に湾曲することの支配的要因は、負極である第１電極層１２側の体積膨張にあると考えられるから、負側の電位を大きくすべく、第１電極層１２を電極部１８に接触通電させることが、より大きな発生荷重を得ることができ好適である。

図１（ｃ）は、駆動回路２０からアクチュエータ１０への印加部を複数設けて、駆動電圧の低下を抑制する構成であり、図２（ａ）に示すように電極部１８との接触通電位置での負側の電位は、固定端での電位までしか戻らない。一方、図１（ｄ）のように駆動回路２０の電源とは別に電極部１８に接続する電源を設けた回路構成とすることで、高分子アクチュエータ１０が電極部１８に接触通電したときに、駆動回路２０から一対の電極層１２，１３間に印加される駆動電圧に比べて、より高い駆動電圧を高分子アクチュエータ１０に印加するように制御でき、電極部１８への接触通電後に、より大きな発生荷重を得ることが出来る。

しかも本実施形態では、発生荷重を高くすべく高弾性率化や素子厚を厚くすることなく、アクチュエータの素子長さを十分に長く形成でき、図１（ｂ）での湾曲状態において、変位を十分に得ることができる。したがって本実施形態によれば、十分な変位と大きな発生荷重との双方を得ることができる。

図３は、第２実施形態の高分子アクチュエータ装置の構成を示す図であり、（ａ）は、高分子アクチュエータが湾曲した状態を示す部分断面図、（ｂ）は、前記高分子アクチュエータの自由端側が押圧されて、前記高分子アクチュエータと電極部とが接触した状態を示す部分断面図である。

図３（ａ）に示すベース部材１７に形成された電極部２５は、突起状で形成されている。よって図３（ａ）のように、湾曲した高分子アクチュエータ１０の自由端１６側がベース部材１７方向に押圧され、図３（ｂ）のように、高分子アクチュエータ１０が前記電極部２５に接触したとき、前記電極部２５が途中部２１から自由端１６までの変位の支点になる。このため、図１，図２で説明した高分子アクチュエータ１０に駆動電圧が印加されることと共に、材料力学的原理も加わって、より効果的に発生荷重を大きくすることができる。

図４は、第３実施形態の高分子アクチュエータ装置の構成を示す図であり、高分子アクチュエータが湾曲した状態を示す部分断面図である。

図４では、図３と異なって、高分子アクチュエータ１０側に突起部２６が形成されている。前記突起部２６は導電性である。前記突起部２６は、ベース部材１７の電極部１８に接触可能な高分子アクチュエータ１０の下面（ベース部材１７）側に設けられる。

図４に示す突起部２６は例えば図５に示すように、第１電極層１２と一体で形成されている。例えば、第１電極層１２と突起部２６とを型で一体成形することができる。あるいは第１電極層１２をプレスするときに突起部２６の形成領域に対する加圧力を減らすことで、第１電極層１２から一体に突出する突起部２６を形成することもできる。

あるいは前記突起部２６を第１電極層１２と同じ電極材料で別個で形成し、続いて、前記突起部２６を例えば第１電極層１２に接着やプレス接合して一体化してもよい。このように、第１電極層１２と一体化することで、製造コストを低減でき、また突起部２６が取れにくい等、信頼性を向上できる。

また、図３や図４のように突起状の電極部２５や突起部２６を形成する場合、前記電極部２５及び突起部２６の弾性率あるいは剛性を高分子アクチュエータ１０よりも高くすることが好ましい。図４のように、突起部２６を高分子アクチュエータ１０側に設ける場合、型で一体成形するときは、電極材等の充填率（密度）を突起部２６の部分で高めるため、２工程で別々にキャスティングしたり、あるいは突起部２６の構造内にワイヤ等の骨材を入れた構成にする。これにより変位支点を強固にできるため、より効果的に、大きく且つ安定した発生荷重を得ることが可能になる。

図６に示す高分子アクチュエータ３０は、図１（ｄ）で示す高分子アクチュエータ１０と同様に、電解質層１１の厚さ方向の両側に一対の電極層３１，３２が設けられた構造である。なお、図６に示す断面部分は、高分子アクチュエータ３０の固定端と自由端間の途中部での断面を示している。

図６では、電解質層１１の上面側に形成された第２電極層３２の一部が高分子アクチュエータ３０の側面を通って電解質層１１の下面側まで延び、前記下面で第１電極層３１と所定の間隔を空けて対向した構造になっている。なお、第１電極層３１と第２電極層３２は接触していない。

そしてベース部材１７には、高分子アクチュエータ３０の第１電極層３１と第２電極層３２の夫々に接触通電する各電極部が設けられ、前記電極部間に駆動電圧を印加する駆動回路が設けられている。

図７に示す実施形態のように、複数個の電極部４０，４１を、高分子アクチュエータ１０の固定端１４から自由端１６方向に向けて間隔を空けて配置してもよい。このような構成にすることで、湾曲した高分子アクチュエータ１０のベース部材１７方向への変位に伴って、複数回にわたり段階的に発生荷重を大きくできる。図７の構成では、まず電極部４０と高分子アクチュエータ１０との接触通電により、発生荷重の増大効果を得ることができ、さらにその後、高分子アクチュエータ１０が電極部４１とも接触通電することで、より大きな発生荷重を得ることが出来る。

図８は、高分子アクチュエータ１０と電極部１８との平面図である。図８（ａ）では、電極部１８は、高分子アクチュエータ１０の幅方向に長く延びて形成されている。また図８（ｂ）では、電極部１８は円形状で形成されている。特に電極部１８の平面形状を限定しないが、図８（ａ）の電極部１８のように高分子アクチュエータ１０を幅方向に横断するように形成したほうが接触通電を確実にでき、また電極部１８を突起状で形成した場合には、高分子アクチュエータ１０の幅方向全体に支点を延ばすことができ、より効果的に大きな発生荷重を得ることができ好適である。

また、高分子アクチュエータ１０の電極層とベース部材１７に設けられた電極部１８とが接触した状態にて、前記電極部１８は、高分子アクチュエータ１０の自由端１６寄りに形成されていることが好ましい。このように自由端１６に近い側にて接触通電するように規制することで、駆動電圧を、自由端１６に近い側で印加できるため、発生荷重をより大きくすることができる。

また高分子アクチュエータ１０の形状は、固定端と自由端があり、湾曲変形可能であれば特に限定されない。短冊状やスリットを設けた形状等であってもよい。

また高分子アクチュエータ１０を支持する位置も限定されない。例えば図９のように高分子アクチュエータ１０の中間位置に支持部５３が設けられ、その両側が自由端５４，５６となる形態（バタフライ構造型）であってもよい。

また、高分子アクチュエータ１０の非動作時、高分子アクチュエータ１０の電極層とベース部材１７に形成された電極部１８とが接触していても非接触でもどちらでもよい。

また、高分子アクチュエータ１０の電極層と電極部１８との導通が、つぶし応力によって行われる構造としてもよい。

本実施形態の高分子アクチュエータ装置は、図１０に示すように入力装置５０に適用できる。図１０の入力装置５０では、図３に示す高分子アクチュエータ装置を利用して、複数本の高分子アクチュエータ１０を設け、ベース部材１７には突起状の電極部２５を設けている。図１０に示すように、高分子アクチュエータ１０の湾曲方向側（上方側）にキートップ（操作部）５１が設けている。高分子アクチュエータ装置は筐体５２内に収納され、前記筐体５２に形成された穴５２ａを介して上下方向に移動可能に前記キートップ５１が支持されている。

図１０（ａ）の部分断面図では、高分子アクチュエータ１０を構成する電極層間に電圧が印加されて、各高分子アクチュエータ１０が上方に向けて湾曲し、各高分子アクチュエータ１０の変位動作によりキートップ５１が上方に持上げられている。

例えば人が前記キートップ５１を指で下方向に向けて押圧すると、キートップ５１が下方へ移動する。それに伴い、各高分子アクチュエータ１０の自由端１６が押圧され図１０（ｂ）に示すように下方向へ変位する。

図１０（ｂ）の状態では、下方向へ変位した各高分子アクチュエータ１０がベース部材１７に設けられた各電極部２５に接触通電して各高分子アクチュエータ１０に駆動電圧が印加される。このため、キートップ５１の下方向への移動過程で各高分子アクチュエータ１０から大きな発生荷重を得ることができ、キートップ５１を押圧したときの押し感を、従来に比べて良好に出来る。

１０、３０ 高分子アクチュエータ
１１ 電解質層
１２、３１ 第１電極層
１３、３２ 第２電極層
１４ 固定端
１６、５４、５６ 自由端
１７ ベース部材
１８、２５、４０、４１ 電極部
２０ 駆動回路
２１ 途中部
２６ 突起部
５０ 入力装置
５１ キートップ

Claims (7)

1. 電解質層及び、前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた一対の電極層を有し、前記一対の電極層間に電圧を付与すると固定端から自由端にかけて湾曲する高分子アクチュエータと、前記高分子アクチュエータの固定端を固定する固定部を有するベース部材とを有する高分子アクチュエータ装置において、
   前記ベース部材には、湾曲した前記高分子アクチュエータの前記自由端側が押圧されて前記湾曲方向と逆の方向に変位したときに前記高分子アクチュエータの前記電極層と接触通電して駆動電圧を印加可能な電極部が設けられていることを特徴とする高分子アクチュエータ装置。
2. 前記電極部、あるいは前記電極部に接触する前記電極層の部分の少なくとも一方が突起状で形成されている請求項１記載の高分子アクチュエータ装置。
3. 前記電極部は、前記高分子アクチュエータの前記電極層間の駆動回路と接続されている請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ装置。
4. 前記高分子アクチュエータの前記電極層と接触した前記電極部は、前記高分子アクチュエータの自由端寄りに形成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ装置。
5. 前記高分子アクチュエータの前記電極層はカーボン膜で形成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ装置。
6. 前記電極部と前記高分子アクチュエータが接触した際に、前記アクチュエータには前記駆動電圧よりも高い電圧が印加される請求項１記載の高分子アクチュエータ装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ装置と、前記高分子アクチュエータの湾曲方向側に設けられた操作部とを有し、
   前記操作部は前記ベース部材の方向及び前記ベース部材から離れる方向に移動可能に支持されており、
   前記操作部の前記ベース部材方向への移動に伴い、前記電極層間に電圧が付与されて湾曲した前記高分子アクチュエータの前記自由端側が押圧されて前記ベース部材方向に所定量変位したとき、前記高分子アクチュエータの前記電極層が前記ベース部材に設けられた前記電極部に接触通電して前記高分子アクチュエータに駆動電圧が印加されることを特徴とする入力装置。

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