JP5097853B2 - アクチュエータ装置及び入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、一端を固定端、他端を自由端とされ、電圧を印加すると湾曲可能であるアクチュエータを備えたアクチュエータ装置及び入力装置に関する。

図１４（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１４（ａ）に示す入力装置１は、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１４（ａ）に示すように、各アクチュエータ２は、支持部４に片持ちで支持されている。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１４（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）。

一般的に湾曲型のアクチュエータは、変位と発生荷重を両立させることが難しく、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、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１４（ａ）の状態から図１４（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では、良好な押し感を得ることができず、入力装置に用いるには不十分なものであった。

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、一端を固定端、他端を自由端とされ、電圧を印加すると湾曲可能であるアクチュエータと、
前記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備えたアクチュエータ装置において、
前記アクチュエータを湾曲させた状態で前記自由端に対して湾曲方向と逆の方向へ力が加わって変形された際に、前記アクチュエータの固定端と自由端との間で変位の支点となる支点部が形成され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、前記アクチュエータが湾曲方向とは逆方向に変形した際に、前記アクチュエータの固定端と自由端との間で変位の支点となる支点部が形成され、支点部から自由端までの素子長さが、固定端から自由端までの素子長さより短くなるため、材料力学的原理により、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、前記アクチュエータの前記固定端と前記自由端の間には、前記ベース部材と接触することによって前記支点部を形成する突起部が設けられる構成にできる。

このとき、前記突起部は、前記高分子アクチュエータを構成する電極層と一体に形成されていることが好ましい。これにより、製造コストを低減でき、また一体化されていることから信頼性を高めることができる。

また本発明では、前記ベース部材には、前記アクチュエータの前記固定端と前記自由端の間の部分で前記アクチュエータと点接触または線接触することによって前記支点部を形成する支持部が設けられる構成にもできる。支点部をベース部材側に設け、アクチュエータ側に設けない構成にすると、前記アクチュエータの変位量等の性能を変えることなく、大きな発生荷重を得ることが可能なアクチュエータ装置にできる。

また本発明では、前記アクチュエータが、電解質層と、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を有し、前記一対の電極間に電圧を付与すると湾曲する高分子アクチュエータである構成に好ましく適用できる。

また本発明では、前記支点部の弾性率あるいは剛性が、前記高分子アクチュエータよりも高いことが好ましい。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できる。

また本発明では、前記支点部は、前記アクチュエータの自由端寄りに設けられていることが好ましい。これにより、発生荷重をより大きくすることができる。

本発明では、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が好ましい。また、前記電極部が前記支点部を兼ねることが好ましい。

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アクチュエータ装置と、前記アクチュエータの高さ方向に対向して設けられた操作部とを有し、
前記操作部は前記高さ方向に移動可能に支持されており、
前記アクチュエータの自由端が前記操作部方向に湾曲した状態で、前記操作部を前記アクチュエータ方向へ移動させ前記自由端側が押圧されて前記湾曲方向とは逆方向へ変位した際に、前記アクチュエータの固定端と自由端との間で変位の支点となる支点部が形成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、前記アクチュエータの固定端と自由端との間で変位の支点となる支点部が形成されることで、材料力学的原理により、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実施形態のアクチュエータ装置の構成を示す図であり、（ａ）は、アクチュエータの非動作時における部分断面図、（ｂ）は、アクチュエータが湾曲した状態を示す部分断面図、（ｃ）は、前記アクチュエータの自由端側が押圧されて、前記アクチュエータと突起部とが接触した状態を示す部分断面図、 アクチュエータ（高分子アクチュエータ）の部分拡大断面図、 第２実施形態のアクチュエータ装置の構成を示す図（部分断面図）、 図３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、 第３実施形態のアクチュエータ装置の構成を示す図（部分断面図）、 電極層間の電位差を説明するための図、 他の実施形態を示す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、 他の実施形態を示すアクチュエータ装置の部分断面図、 他の実施形態を示すアクチュエータ装置の部分断面図、 他の実施形態を示すアクチュエータ装置の斜視図図、 他の実施形態を示す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、アクチュエータが湾曲した状態を示す部分断面図、（ｃ）は、前記アクチュエータの自由端側が押圧されて、前記アクチュエータと突起部とが接触した状態を示す部分断面図、である。

図２に示すように、本実施形態におけるアクチュエータ１０は、例えば、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を備えて構成された高分子アクチュエータである。

本実施形態のアクチュエータ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。また電極層１２，１３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もよい。

図１（ａ）に示すようにアクチュエータ１０の一端部（固定端）１４が固定部１５に固定支持されている。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と固定部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の表面には突起部（支点部）６０が設けられている。

図１（ａ）の非動作状態から、駆動回路２０にて、アクチュエータ１０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、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。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、アクチュエータ１０に曲げ応力が発生して、図１（ｂ）に示すように、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、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、アクチュエータ１０が突起部６０に当接する。図１（ｃ）に示すように突起部６０は、アクチュエータ１０の固定端１４と自由端１６間の途中部２１と対向する位置に設けられる。

図１（ｃ）の状態では、突起部６０は、アクチュエータ１０と接触して支点となる支点部を形成する。このとき、突起部６０から自由端１６までのアクチュエータ１０の素子長さは、固定端１４から自由端１６までの素子長さより短くなり、材料力学的原理により、図１（ｃ）の状態から、さらにアクチュエータ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。

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１０の素子長さを十分に長くでき、図１（ｂ）での湾曲状態において、アクチュエータ１０の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に示す第２実施形態は、図１と異なって、突起部６１をアクチュエータ１０側に設けた例である。前記突起部６１は、アクチュエータ１０におけるの下面（ベース部材１７との対向面）の途中部に設けられている。図２の構成でも、図１と同様に発生荷重を大きくできる。

図３に示す突起部６１は導電性でも非導電性でもどちらでもよい。非導電性の材料、例えば絶縁材料で形成する場合、突起部６１をアクチュエータ１０の下面側に接着剤等で接合すればよい。

ただし、本実施形態では、前記突起部６１を、図４に示すように、第１電極層１２と一体で形成することが好適である。よって突起部６１は導電性で形成される。例えば、第１電極層１２と突起部６１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６１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６１を形成することもできる。

あるいは前記突起部６１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６１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、前記突起部６１を第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６１が力を受けても取れにくい等、信頼性を向上できる。

また、図１や図３に示す突起部６０，６１の弾性率あるいは剛性をアクチュエータ１０よりも高くすることが好ましい。図３のように、突起部６１をアクチュエータ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６１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６１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。

なお図１のように、突起部６０をベース部材１７側に設ける形態では、ベース部材１７の表面に接着等で簡単に突起部６０を形成できる。また、突起部６０をベース部材１７側に設け、アクチュエータ１０側に設けない構成にすると、前記アクチュエータ１０の変位量等の性能を変えることなく、大きな発生荷重を得ることが可能なアクチュエータ装置にできる。

図５は第３実施形態の高分子アクチュエータの部分断面図を示す。図５の実施形態では、ベース部材１７の表面に電極部１８が設けられている。図５に示すように、前記電極部１８は、アクチュエータ１０の固定端１４側の電極層１２，１３間に接続される駆動回路２０に電源を介して接続されている。なお前記駆動回路２０にはダイオードが設けられる。

また図５の実施形態では、前記アクチュエータ１０に設けられた突起部６１は導電性である。

アクチュエータ１０の自由端１６が上方に湾曲した状態から自由端１６側が押圧されてベース部材１７方向へ変位すると、図５に示すように、導電性の突起部６１と電極部１８とが接触通電して、前記アクチュエータ１０の途中部２１に駆動電圧を印加できる。この結果、突起部６１による材料力学的原理のみならず、駆動電圧の印加によって、より効果的に発生荷重を大きくすることができる。

上記したように、本実施形態では、電極層１２，１３（図２）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６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（図６の実線）。よって従来構造では発生荷重が非常に小さくなる。図６の（１）は従来構造での電位差を示す。

これに対して、本実施形態を用いれば、電圧降下により小さくなった電位差を、図６の（２）のように、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。

また、アクチュエータ１０の突起部６１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、高い駆動電圧をアクチュエータ１０の途中部２１に印加するように制御すれば、接触通電後に、より大きな発生荷重を得ることが出来る。

なお、図１のように、ベース部材１７側に突起部６０がある形態では、前記突起部６０を上記した電極部として機能させても、図５の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。

図７に示す実施形態のように、複数個の突起部６２，６３を、アクチュエータ１０の固定端１４側から自由端１６方向に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、まずアクチュエータ１０が突起部６２に接触して突起部６２が支点となる支点部を形成し、発生荷重の増大効果を得ることができ、さらにその後、アクチュエータ１０が前記突起部６２よりも自由端１６側にある突起部６３に接触して突起部６３が支点となる支点部を形成し、より大きな発生荷重を得ることが出来る。

なお突起部６２，６３を全てベース部材１７側に形成したり、あるいは、アクチュエータ１０側に形成したり、又は、いくつかの突起部をベース部材１７側に、残りの突起部をアクチュエータ１０側に形成することも可能である。

図８は、アクチュエータ１０と突起部６０との平面図である。図８（ａ）では、突起部６０は、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、突起部６０は円形状で形成されている。特に突起部６０の平面形状を限定しないが、図８（ａ）の突起部６０のようにアクチュエータ１０を幅方向に横断するように形成したほうがアクチュエータ１０の幅全体にわたって変位支点を設けることができ、より効果的に、発生荷重を大きくできる。

また、突起部は、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に近い側に突起部を形成することで、変位の支点を自由端に近い側にできるため、発生荷重をより大きくすることができる。

図９では、突起部６０とベース部材１７間に弾性体６５が介在している。前記弾性体６５を設けることで、突起部６０にアクチュエータ１０が当接したときに弾性体６５がクッションとなりアクチュエータ１０の保護を図ることができ（耐久性の向上）、また、次に説明する入力装置において押し感に変化を与えることも出来る。なお弾性体６５の形成位置は限定されないが、特に図５の実施形態のように、電極部１８と突起部６１間を接触通電させる形態では、前記接触通電を阻害しないように形成することが必要である。

またアクチュエータ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１０のようにアクチュエータ１０の中間位置に固定部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）であってもよい。

また上記では、支点部を全て突起形状で説明したが、支点部は突起形状に限定されるものでない。

例えば、図１１に示すように、幅方向に間隔を空けて対向するベース部材７０，７０と、ベース部材７０，７０間を連結し、アクチュエータ１０を固定する固定部７１と、ベース部材７０，７０間を連結し、アクチュエータ１０の固定端と自由端間に位置し支点となる支点部を形成する支持部７２，７２とを有する構成にもできる。図１１の構成では、支持部７２とアクチュエータ１０とが線接触する。

また図１２（ａ）に示すように、突起部６０の形成位置は、アクチュエータ１０の非動作時に、アクチュエータ１０の固定端１４よりも下方（アクチュエータ１０の湾曲方向とは逆方向に離れた位置）に位置してもよい。アクチュエータ１０を動作させると自由端１６が上方に湾曲し、自由端１６を下方に押圧すると、図１２（ｂ）に示すように、固定端１４よりも下方位置でアクチュエータ１０が突起部６０と接触する。図１２（ｂ）から更に押圧した状態が図１２（ｃ）である。図１２の形態によりアクチュエータ１０の変異量をより大きくすることができる。

また、アクチュエータ１０の非動作時、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。

また図５の形態において、突起部６１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。

本実施形態のアクチュエータ装置は、図１３に示すように入力装置５０に適用できる。図１３の入力装置５０では、図１に示すアクチュエータ装置を利用して、複数本のアクチュエータ１０を設け、ベース部材１７には突起部（支点部）６０を設けている。図１３に示すように、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。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１３（ａ）の部分断面図では、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、各アクチュエータ１０が上方に向けて湾曲し、各アクチュエータ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、各アクチュエータ１０の自由端１６が押圧され図１３（ｂ）に示すように下方向へ変位する。

図１３（ｂ）の状態では、各アクチュエータ１０が突起部６０に接触している。これにより、前記突起部６０が変位の支点となるため、材料力学的原理により各アクチュエータ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。

ベース部材に突起部を備えるアクチュエータ装置の実施例、及び、突起部が設けられていないアクチュエータ装置の比較例を用いて、発生荷重（発生力）の実験を行った。なお実験で使用した高分子アクチュエータは、図１に示す片持ち型と、バタフライ構造の双方に対して行った。

まず図１に示す片持ち型の場合、アクチュエータ１０の全長を５ｍｍとし、実施例では、突起部６０を固定端１４から自由端１６に向って３ｍｍの位置に形成した。

また、図１０に示すバタフライ構造の場合、アクチュエータ１０の全長を１０ｍｍとし、実施例の場合、中央に位置する支持部５３から両側に４ｍｍの位置に突起部６６を形成した。

実験では、電極層間の印加電圧を２Ｖあるいは２．５Ｖとしてベース部材から離れる方向に湾曲させ、アクチュエータ１０の自由端側をベース部材方向に押圧して得られた最大発生荷重を求めた。
その実験結果が以下の表１に示されている。

突起部を設けた実施例は、突起部を設けていない比較例に比べて発生荷重を大きくできることがわかった。

１０ アクチュエータ
１１ 電解質層
１２ 第１電極層
１３ 第２電極層
１４ 固定端
１６、５４、５６ 自由端
１７、７０ ベース部材
１８ 電極部
２０ 駆動回路
２１ 途中部
５０ 入力装置
５１ キートップ
６０、６１、６２、６３ 突起部（支点部）
６５ 弾性体
７２ 支持部（支点部）

Claims (10)

1. 一端を固定端、他端を自由端とされ、電圧を印加すると湾曲可能であるアクチュエータと、
   前記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備えたアクチュエータ装置において、
   前記アクチュエータを湾曲させた状態で前記自由端に対して湾曲方向と逆の方向へ力が加わって変形された際に、前記アクチュエータの固定端と自由端との間で変位の支点となる支点部が形成されることを特徴とするアクチュエータ装置。
2. 前記アクチュエータの前記固定端と前記自由端の間には、前記ベース部材と接触することによって前記支点部を形成する突起部が設けられる請求項１記載のアクチュエータ装置。
3. 前記突起部は、前記高分子アクチュエータを構成する電極層と一体に形成されている請求項２記載のアクチュエータ装置。
4. 前記ベース部材には、前記アクチュエータの前記固定端と前記自由端の間の部分で前記アクチュエータと点接触または線接触することによって前記支点部を形成する支持部が設けられる請求項１記載のアクチュエータ装置。
5. 前記アクチュエータが、電解質層と、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を有し、前記一対の電極間に電圧を付与すると湾曲する高分子アクチュエータである請求項１に記載のアクチュエータ装置。
6. 前記支点部の弾性率あるいは剛性が、前記アクチュエータよりも高い請求項１に記載のアクチュエータ装置。
7. 前記支点部は、前記アクチュエータの自由端寄りに形成される請求項１に記載のアクチュエータ装置。
8. 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請求項５記載の高分子アクチュエータ装置。
9. 前記電極部が前記支点部を兼ねる請求項８記載の高分子アクチュエータ装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のアクチュエータ装置と、前記アクチュエータの高さ方向に対向して設けられた操作部とを有し、
    前記操作部は前記高さ方向に移動可能に支持されており、
    前記アクチュエータの自由端が前記操作部方向に湾曲した状態で、前記操作部を前記アクチュエータ方向へ移動させ前記自由端側が押圧されて前記湾曲方向とは逆方向へ変位した際に、前記アクチュエータの固定端と自由端との間で変位の支点となる支点部が形成されることを特徴とする入力装置。

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