JP5560070B2 - 高分子アクチュエータ素子及びそれを用いた駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、一対の電極層に電圧を印加すると湾曲する高分子アクチュエータ素子及びそれを用いた駆動装置に関し、特に、高分子アクチュエータ素子の温度特性の改善構造に関する。

高分子アクチュエータ素子は、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、固定端である基端部側の一対の電極層間に電圧を付与すると、自由端である先端部が湾曲するように構成されている。

一般に高分子アクチュエータ素子は、温度特性を有し、高分子アクチュエータ素子の変位量や発生力等は、使用環境温度により変化する。特に、低温での環境下にて、アクチュエータ特性が低下しやすい。

特許文献１に記載された発明には、低温環境下において安定した動作を得るために、撮像素子側に、高分子アクチュエータ素子を配置して、駆動時における撮像素子からの熱により高分子アクチュエータ素子を暖める構造が開示されている。

特開２００６−２９３００６号公報

特許文献１に示す構造では、撮像素子と高分子アクチュエータ素子とが離れている。撮像素子に放熱板を取り付けて、高分子アクチュエータ素子に発熱部を近づけた構造も開示されているが、高分子アクチュエータ素子を小スペースで且つ効率的に暖めることが出来ない。また特許文献１に示す構造では、撮像素子を必要とし、そもそも撮像素子が設けられない駆動装置には適用できない。また撮像素子の駆動時しか高分子アクチュエータ素子を暖めることができず、更には、暖める必要のない高温時にも高分子アクチュエータ素子が暖められ制御性に劣る構造となっている。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、高分子アクチュエータ素子を小スペースにて効率良く暖めることができる高分子アクチュエータ素子及びそれを用いた駆動装置を提供することを目的としている。

本発明は、電解質層と、前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた導電層とを有し、各導電層の一部あるいは全部が電極層であり、両面に設けられた前記電極層間に電圧を付与すると変形する高分子アクチュエータ素子において、
片面あるいは両面に設けられた前記導電層の少なくとも一部が発熱体として機能し、発熱体となる部分の片面の前記導電層、あるいは発熱体となる部分の両面の各導電層に夫々、電流を流して発熱させるための回路部が接続され、発熱体となる部分の前記導電層には前記回路部が接続される基端部から先端部に向けて形成された導電片部が設けられ、前記導電片部は、前記基端部から前記先端部の方向に対し平面内にて直交する方向に間隔を空けて複数設けられ、各導電片部は、前記基端部よりも前記先端部側で電気的に接続されていることを特徴とするものである。

このように本発明では電解質層の表面に形成された少なくとも一部の導電層そのものを発熱体として機能させるため、発熱用の部材を他に設ける必要がなく、低コスト且つ小スペースにて効率良く高分子アクチュエータ素子を温めることができる。したがって、低温動作での高分子アクチュエータ素子のアクチュエータ特性を改善することができる。

また、発熱体となる部分の片面の前記導電層、あるいは発熱体となる部分の両面の各導電層に夫々、電流を流して発熱させるための回路部が接続されているため、適切に各導電層を発熱させることができる。

さらに、発熱体となる部分の前記導電層には前記回路部が接続される基端部から先端部に向けて形成された導電片部が設けられ、前記導電片部は、前記基端部から前記先端部の方向に対し平面内にて直交する方向に間隔を空けて複数設けられ、各導電片部は、前記基端部よりも前記先端部側で電気的に接続されているため、高分子アクチュエータ素子を広い範囲で暖めることができる。

また本発明では、発熱体は両面に設けられた各電極層であり、前記電極層間には、電解質層を介して対向する一対の前記電極層間に駆動電圧を印加して前記高分子アクチュエータ素子を駆動させるとともに、各電極層に電流を流して各電極層を発熱させるための回路部が接続されており、前記回路部により、各電極層の平面内にて電位勾配が形成されるとともに、前記電解質層を介して対向する一対の前記電極層間に均一な駆動電圧が印加される構成であることが好ましい。これにより、簡単な回路構成で、高分子アクチュエータ素子を暖めつつ高分子アクチュエータ素子を安定して駆動させることができる。

また本発明では、片面あるいは両面に形成された前記導電層は、前記電解質層の表面にて前記電極層と、前記電極層と分離して形成された第１の導電層とを有して形成されており、前記第１の導電層を発熱体として機能させる構成にできる。本発明では、第１の導電層は電極層と同じ材質で且つ同じ厚さで形成できるので、薄型で且つ低コストで、発熱機能を備える高分子アクチュエータ素子を形成できる。また、素子駆動用としての電極層と分離して発熱体を構成する第１の導電層を設けたことで、高分子アクチュエータ素子を安定して駆動させることができるとともに、高分子アクチュエータ素子を暖めることができる。

あるいは本発明は、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導電層とを有し、各導電層の一部あるいは全部が電極層であり、両面に設けられた前記電極層間に電圧を付与すると変形する高分子アクチュエータ素子において、
両面の前記導電層間の少なくとも一部が短絡しており、短絡した両面の前記導電層の部分が発熱体として機能することを特徴とするものである。これにより、高分子アクチュエータ素子を、低コストで且つ薄型化・小型化で効率良く暖めることができる。

本発明では、層間短絡部は、前記導電層と同じ材料で形成されることが好ましい。導電層以外の材料を必要とせず低コストで且つ簡単に層間短絡部を形成できる。

また本発明では、層間短絡部が前記電解質層の露出面に形成されていることが好ましい。これにより簡単に層間短絡部を形成することができる。

また本発明では、両面の前記電極層間が層間短絡部を介して短絡しており、前記層間短絡部は、給電部となる基端部よりも先端部側に形成されていることが好ましい。これにより電極層間を短絡させても、アクチュエータ特性の影響を小さくできる。また高分子アクチュエータ素子を広い範囲で暖めることができる。

また本発明では、複数の前記アクチュエータ素子が絶縁層を介して積層されており、各電解質層を介して対向する各導電層の間、及び、前記絶縁層を介して対向する前記導電層の間の少なくともいずれかが短絡している構成にできる。

また本発明では、両面の前記導電層には、前記電極層と、前記電極層と分離して形成された第２の導電層とが形成されており、両面の前記第２の導電層同士が短絡している構成にできる。この構成によれば、必要に応じて短絡させた第２の導電層間を通電させることができ発熱機能に対する制御性に優れた構造にできる。

また本発明では、両面の前記導電層が夫々、複数に分離されており、一方の面に形成された２以上の導電層と、他方の面に形成された２以上の導電層とが夫々、短絡して、２以上の発熱構造部を構成していてもよい。これにより、環境温度等に応じて、複数の発熱構造部のうち発熱させる発熱構造部を選択することができ発熱機能に対する制御性に優れた構造にできる。

上記において、各発熱構造部でのリーク電流量が異なる構成にできる。これにより、各発熱構造部での発熱量を変えることができ、発熱機能に対する制御性をより効果的に向上させることができる。

また本発明では、前記導電層の全体が前記電極層であり、前記電極層を発熱体とすることができる。より簡単な発熱構造を形成することができる。

また本発明における駆動装置は、上記のいずれかに記載された高分子アクチュエータ素子の基端部を支持し、前記高分子アクチュエータ素子の変形可能領域を備えることを特徴とするものである。

本発明では駆動装置の小型化・薄型化を促進でき且つ効率良く高分子アクチュエータ素子を暖めることができる。また本発明では、高分子アクチュータ素子の変位を低損失にでき、変位が大きく発生力が高い高分子アクチュエータ素子を用いて、例えば、被押圧部を押圧移動させることが可能になる。

本発明の駆動装置は、低コスト且つ小スペースで効率良く高分子アクチュエータ素子を暖めることができる。したがって、低温動作での高分子アクチュエータ素子のアクチュエータ特性を改善することができる。

（ａ）は、本発明の基本構造を説明するための参考例としての高分子アクチュエータ素子の非動作時の部分断面図、（ｂ）は、高分子アクチュエータ素子が湾曲した状態を示す部分断面図、 参考例の高分子アクチュエータ素子の平面図、 本発明の一実施形態における高分子アクチュエータ素子の平面図、 本発明の一実施形態における高分子アクチュエータ素子を斜視的に示した模式図、 本発明の一実施形態における高分子アクチュエータ素子の平面図、 本発明の一実施形態における高分子アクチュエータ素子の平面図、 本発明の一実施形態における高分子アクチュエータ素子の側面図、 本発明の一実施形態における高分子アクチュエータ素子の側面図、 本発明の一実施形態における高分子アクチュエータ素子の上部導電層及び下部導電層の平面形態を示す模式図、 本発明の一実施形態における高分子アクチュエータ素子の側面図、 本発明の一実施形態における高分子アクチュエータ素子の平面図、 本発明の発熱構造部に対する制御系のブロック図、 本実施形態の高分子アクチュエータ素子を使用した駆動装置（ドット表示装置）の部分断面図。

以下、各図を用いて本発明における実施形態の高分子アクチュエータ素子の構造を説明する。各図において同じ符号が付けられた部分は同じ部分を示している。

図１（ａ）は、本発明の基本構造を説明するための参考例としての高分子アクチュエータ素子の非動作時の部分断面図、図１（ｂ）は、高分子アクチュエータ素子が湾曲した状態を示す部分断面図であり、図２は、高分子アクチュエータ素子の平面図を示す。なお図２、図３、図５、図６はいずれも平面図である。

図１（ａ）に示すように、高分子アクチュエータ素子３２は、電解質層３３と、電解質層３３の厚さ方向（Ｚ）の両側表面に形成される上部電極層３４、及び、下部電極層３５を備えて構成される。

例えば、高分子アクチュエータ素子３２は、イオン液体とベースポリマーを有する電解質層３３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上部電極層３４及び下部電極層３５とを有して構成される。上部電極層３４は電解質層３３の図示上面側、下部電極層３５は、電解質層３３の図示下面側に形成される。

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３３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３３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、イオン交換樹脂は例えば、陽イオン交換樹脂である。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。

高分子アクチュエータ素子３２の基端部３６は固定端部であり、高分子アクチュエータ素子３２の基端部３６は、固定支持部３８にて固定支持されている。図１に示すように例えば、高分子アクチュエータ素子３２は、片持ちで支持されている。そして両面の電極層３４，３５間に電圧を印加すると、図１（ｂ）に示すように、電解質層３３内のイオン移動などによって電解質層３３の上下にて膨潤差が生じ、曲げ応力が発生して、高分子アクチュエータ素子３２の自由端部である先端部３７を湾曲変形させることができる。イオン移動で電極間に膨潤の差が生じる原理は一般に一義的ではないとされているが、代表的な原理要因の１つに、陽イオンと陰イオンのイオン半径の差で膨潤に差が生じることが知られている。

なお図１に示す固定支持部３８は、電極層３４，３５と電気的に接続する接続部であることが好ましい。あるいは固定支持部３８と各電極層３４，３５との間に配線基板等が配置される構成であってもよい。

図２に示すように、電解質層３３（図１参照）の上面全体に上部電極層３４が形成されている。下部電極層３５も電解質層３３の下面全体に形成されている。

図２に示すように上部電極層３４には、発熱用の回路部３９が接続されている。回路部３９から上部電極層３４に直接、電流を流すとジュール熱により上部電極層３４を発熱させることができる。このように図２に示す例では、上部電極層３４を発熱体として使用している。回路部３９は直流回路であってもよいし交流回路であってもよい。

上記したように各電極層３４，３５は、例えば、カーボンナノチューブ等の導電性フィラーを含む構成であり、平面方向に電流を流すことでジュール熱により発熱させることが可能になっている。図２に示すように、回路部３９の一方の端子を先端部３７側に他方の端子部を基端部３６側に接続することで、基端部３６から先端部３７に向けて広い範囲に電流を流すことができ、上部電極層３４の全体を発熱させることができて好ましい。ただし図２に示す回路部３９の接続構成は一例でありこれに限定されるものではない。

なお図２に示す例では上部電極層３４を発熱体としたが下部電極層３５に回路部３９を接続して下部電極層３５を発熱体として構成することもできる。

以下、上述の基本構造を有する本発明の実施の形態について説明する。
図３に示す実施形態では、上部電極層３４（下部電極層３５でもよい）には、基端部３６から先端部３７に向けて延出する複数の電極片部（導電片部）３４ａ，３４ｂが形成されている。各電極片部３４ａ，３４ｂは基端部３６から先端部３７の方向（Ｙ）に対して平面内にて直交する方向（Ｘ）に間隔を空けて設けられる。そして各電極片部３４ａ，３４ｂの間が先端部３７側で接続されて一体化している。図３に示すように、発熱用の回路部３９が基端部３６にて接続されているので、接続部３４ｃが基端部３６から離れた先端部３７側に位置することで、上部電極層３４の広い範囲を発熱させることができ、高分子アクチュエータ素子３２を効率良く暖めることができる。接続部３４ｃは図３に示すように、高分子アクチュエータ素子３２の最先端位置（基端部３６からＹ方向に最も離れた位置）に位置することがより好ましいが、接続部３４ｃが、基端部３６と先端部３７間の途中位置でも、基端部３６より先端部３７側に位置させることで、上部電極層３４の発熱領域を広げることができる。

本実施形態では図２、図３に示すように電解質層３３の表面に形成される電極層３４（あるいは電極層３５）自体を発熱体として機能させているから、発熱用の部材を他に設けることが必要なく、低コストで且つ小スペースにて効率良く高分子アクチュエータ素子３２を暖めることができる。したがって低温動作での高分子アクチュエータ素子３２のアクチュエータ特性を改善することが可能である。

図４に示す実施形態では、上部電極層３４と下部電極層３５の双方を発熱体として構成したものである。図４は上部電極層３４及び下部電極層３５を斜視的に示した模式図である。

図４に示す実施形態の各電極層３４，３５は例えば図３と同様の形態であり、各電極層３４，３５の基端部３６に発熱用の第１回路部３９が夫々、接続されている。図４に示すように、例えば、第１回路部３９のプラス極側を各電極層３４，３５のＸ１側に位置する電極片部３４ａ，３５ａの基端部３６に接続する。また、第１回路部３９のマイナス極側を各電極層３４，３５のＸ２側に位置する電極片部３４ｂ，３５ｂの基端部３６に接続する。また図４に示すように、上部電極層３４に接続される第１回路部３９及び、下部電極層３５に接続される第２回路部３９では同じ例えば０．２Ｖの電位差を電極片部３４ａ，３５ａの基端部３６と、電極片部３４ｂ，３５ｂの基端部３６との間に印加している。なお、電極層３４，３５に大電流が流れると素子の破損に繋がるため、電極片部３４ａ，３５ａの基端部３６と、電極片部３４ｂ，３５ｂの基端部３６との間に印加する電圧を小さくし微小電流を流して各電極層３４，３５をジュール熱にて発熱させる。

図４に示すように、例えば、第２回路部４０が各第１回路部３９，３９のマイナス極側に接続され、第２回路部４０のプラス極とマイナス極間の電位差が例えば２Ｖとされている。第２回路部４０にて設定される電位差は高分子アクチュエータ素子３２を湾曲変形させる駆動電圧であり、各第１回路部３９にて設定される電位差よりも大きく具体的には一桁程度大きくすることが好適である。

図４に示す第１回路部３９及び第２回路部４０からなる回路部を設けることで、例えば、下部電極層３５の電極片部３５ｂの基端部３６を０Ｖとすれば、各電極片部３５ｂの基端部３６の電圧値を図４に示す値に設定できる。各電極層３４，３５が各電極片部間に平面的に発熱のための電流が流れるように微小な電位勾配を有しながら、一対の電極層３４，３５間では全体的に均一な電位差（２Ｖ）となっている。このように、各電極層３４，３５に微小電流を流しながら発熱させるとともに、一対の電極層３４，３５間全体に一定の電圧を印加することができる。図４により、簡単な回路構成にて、両面の電極層３４，３５を発熱させて高分子アクチュエータ素子３２全体を効率良く暖めつつ、高分子アクチュエータ素子３２を安定して駆動させることが出来る。

なお図４に示す回路部の構成は一例であり他の回路構成であってもよい。例えば第１回路部３９と第２回路部４０とを別々に設けることもできる。また第１回路部３９と第２回路部４０とを同時に駆動させてもよいし、別々に駆動可能な回路構成にすることも可能である。例えば高温環境下では発熱用の回路部を駆動させないように制御することも出来る。

図５には別の実施形態における、電解質層３３の上面に形成された上部導電層４２の平面形状を示す。

図５に示すように、上部導電層４２は、素子駆動用の電圧を印加するための上部電極層４６と、上部電極層４６と分離された第１導電層４１とを有して構成される。

図５に示すように、第１導電層４１は、上部電極層４６のＸ１側側面、Ｘ２側側面及びＹ１側側面に所定の間隔を空けて形成され、上部電極層４６の周囲をＹ２側を除いて囲んだ形状となっている。

第１導電層４１は上部電極層４６と同じ材質である。すなわち電解質層３３の上面側に上部導電層４２を形成し、このとき、上部導電層４２を２つの領域に分けて一方を上部電極層４６、他方を第１導電層４１とした。

図５に示すように第１導電層４１の基端部４１ａ，４１ａを夫々発熱用の回路部３９に接続している。また上部電極層４６の基端部４６ａは図５にて図示しない下部電極層との間で駆動電圧を付与するための回路部４０に接続されている。

図５に示す第１導電層４１を、上部電極層４６と同じ材質で且つ同じ厚さで形成できるので、薄型で且つ低コストで、発熱機能を備える高分子アクチュエータ素子３２を形成できる。また、素子駆動用としての上部電極層４６と分離して発熱体を構成する第１導電層４１を設けたことで、高分子アクチュエータ素子３２を安定して駆動させることができるとともに、高分子アクチュエータ素子３２を暖めることができる。図５に示す第１導電層４１は、Ｘ１−Ｘ２方向に間隔を空けてＹ１−Ｙ２方向に延びる複数の導電片部が先端で接続された形状であり、これにより、高分子アクチュエータ素子３２を基端部から先端部の広い範囲にわたって暖めることができる。

図６は図５の変形例である。図５では、上部電極層４６の外周に第１導電層４１を形成したが、図６では、上部電極層４６の内側に、上部電極層４６と分離した第１導電層４３を形成している。なお微小電流で十分に発熱効果を得るために図５，図６に示すように第１導電層４１，４３を細く且つ長い形状として抵抗値を上げることが好ましい。第１導電層４１，４３の形成領域に余裕があればミアンダ形状等で第１導電層４１，４３を形成することもできる。

図５，図６では上部導電層４２側に上部電極層４６と分離した第１導電層４１，４３を設けたが、電解質層３３の下面に形成される下部導電層側に、あるいは、上部導電層及び下部導電層の双方に、電極層と分離した第１導電層を設ける形態にすることも可能である。

上記のように図２〜図４では、電解質層３３の両面に形成される導電層全体を電極層３４，３５として構成している。そして、少なくも一方の電極層３４，３５を発熱体として機能させたものである。図２〜図４では素子自体の構造を従来と変える必要がないため低コストで簡単な発熱構造を形成することが可能になる。あるいは、図５，図６に示すように、電解質層３３の両面に形成される導電層を電極層と第１導電層とに分離して、電極層以外の部分で発熱体を構成することも可能である。なお図５，図６の構成において、上部電極層４６（あるいは下部電極層、又は双方）を第１導電層４１，４３とともに発熱体として構成することも可能である。例えば、かかる場合には、図１（ａ）に示す非動作時に、第１導電層４１，４３とともに、素子駆動用としての電極層を発熱体として使用して、高分子アクチュエータ素子３２全体を満遍なく暖め、図１（ｂ）に示す素子駆動時では、第１導電層４１，４３のみを発熱体として用い、各電極層は発熱させずに、素子に対して駆動電圧の供給だけを行うようにすれば、高分子アクチュエータ素子３２の素子駆動をより効果的に安定したものにできるとともに素子駆動時に高分子アクチュエータ素子３２を暖めることができる。

図７は、本発明の一実施形態における高分子アクチュエータ素子の非動作時の側面である。なお、図８、図１０はいずれも側面である。

図７に示す実施形態では、図２と同様に、電解質層３３の上下に形成された導電層全体が、素子駆動用の電圧を印加するための電極層３４、３５である。そして図７に示すように、上部電極層３４及び下部電極層３５間が短絡している。

図７に示すように、上部電極層３４と下部電極層３５間に層間短絡部４４が形成され、上部電極層３４と下部電極層３５が短絡し、上部電極層３４及び下部電極層３５が発熱体として機能する。

図７に示すように、上部電極層３４と下部電極層３５間に接続された回路部４５により層間短絡部４４を介して上部電極層３４と下部電極層３５間に微小電流を流すことができジュール熱により上部電極層３４及び下部電極層３５の双方を発熱させることができる。図７に示すように、高分子アクチュエータ素子３２の基端部は、素子駆動用の回路部が接続された給電部である。そして、層間短絡部４４を図７のように、高分子アクチュエータ素子３２の給電部である基端部３６からできるだけ先端部３７側に設けることで、高分子アクチュエータ素子３２のアクチュエータ特性への影響を小さくすることができる。図８に示すように、層間短絡部４４により、基端部３６から最も離れた最先端位置５１にて上部電極層３４と下部電極層３５間を短絡させることがより好適である。

図７に示す回路部４５は、発熱用と素子駆動用とで兼用することができる。あるいは発熱用の回路部と素子駆動用の回路部とを分けることもできる。

また図７，図８に示す層間短絡部４４は電極層３４，３５と同じ材料で形成されることが好適である。これにより電極層３４，３５以外の材料を必要とせず低コストで且つ簡単に層間短絡部４４を形成することができる。

また、層間短絡部４４の形状は特に限定されないが図７、図８に示すように微細な細長形状として形成される。このように細い層間短絡部４４が、上部電極層３４と下部電極層３５の間に複数本あってもよい。

また図７，図８に示すように層間短絡部４４は、電解質層３３の露出面に形成されていることが好適である。層間短絡部４４を電解質層３３の内部に形成してもよいが、かかる場合、簡単且つ安定して層間短絡部４４を形成することが難しく、またアクチュエータ特性への影響も懸念される。よって図７，図８に示すように、層間短絡部４４を電解質層３３の露出面に形成して電極層３４，３５間を短絡させることが好適である。

図９に示す実施形態には、電解質層３３の上面に形成された上部導電層４９及び電解質層３３の下面に形成される下部導電層５３の平面形状を図示している。図９に示すように、電解質層３３の上面に形成された上部導電層４９は、複数に分離して形成されている。このうち例えば、中央に形成された部分が上部電極層５２を構成する。上部電極層５２のＸ１−Ｘ２方向の両側に間隔を空けて第２導電層４７，４８が形成されている。

また図９に示すように、電解質層３３の下面に形成される下部導電層５３も、下部電極層５４と、第２導電層５５，５６とに分離して形成されている。

図９に示す上側に形成された第２導電層４７と、電解質層３３を介して対向する下側に形成された第２導電層５５とは短絡している。第２導電層４７，５５間の基端部側には夫々、発熱用の回路部７０が接続されている。同様に、上側に形成された第２導電層４８と、電解質層３３を介して対向する下側に形成された第２導電層５６とは短絡している。第２導電層４８，５６間の基端部側には発熱用の回路部７０が接続されている。図９に示す実施形態では、電極層５２，５４間を短絡させていない。電極層５２，５４の基端部側には駆動電圧を印加するための回路部７１が接続されている。

図９に示す実施形態では、必要に応じて短絡させた第２導電層間を通電して発熱させることができる。また電極層５２，５４間は短絡していないのでアクチュエータ特性への影響をより効果的に小さくできる。図９の実施形態では、例えば、高温環境下では、各第２導電層を発熱させず、低温環境下のみ発熱させることができる等、発熱機能に対する制御性に優れた形態にすることが可能である。また、図９では、各第２導電層４７，４８，５５，５６と電極層５２，５４とを同じ材質で且つ同じ厚さで形成できるので、薄型で且つ低コストで、発熱機能を備えるとともに安定したアクチュエータ特性を有する高分子アクチュエータ素子３２を形成できる。

図９に示す実施形態では、電解質層３３の上面及び下面に夫々、２つずつ第２導電層４７，４８，５５，５６を形成しているが、第２導電層は上面、下面に夫々１つずつでであってもよいし上下面の夫々に３つ以上形成されてもよい。

図１０に示す実施形態では、２つの高分子アクチュエータ素子３２，３２が絶縁層５０を介して積層されている。図１０に示す構造では、絶縁層５０の上側に形成された高分子アクチュエータ素子３２の上部電極層３４と下部電極層３５間を層間短絡部４４を介して短絡させている。なお図１０の形態では、絶縁層５０の上面側に配置された高分子アクチュエータ素子３２の電極層３４，３５間、絶縁層５０を介して対向する電極層３４，３５間、及び、絶縁層５０の下面側に配置された高分子アクチュエータ素子３２の電極層３４，３５間の少なくともいずれか１つを短絡させることが出来る。図１０では、電極層間を短絡させる構成としたが図９の構成を用いて第２導電層間を短絡させる構成にすることも可能である。

図１１に示す実施形態では、電解質層３３の上面に形成された上部導電層６０が複数の導電層６１，６２，６３に分離して形成されている。同様に、電解質層３３の下面に形成された下部導電層６４が複数の導電層６５，６６，６７に分離して形成されている。

この実施形態では、例えば、上下面の中央に位置する導電層６２，６６を素子駆動用の電極層（以下、電極層６２，６６という）としている。

図１１に示す実施形態では、上面に形成された導電層６１と下面に形成された導電層６５間を短絡させて第１の発熱構造部６８を形成し、上面に形成された導電層６３と下面に形成された導電層６７間を短絡させて第２の発熱構造部６９を形成している。なお図９でも発熱構造部が２つ形成されている。

図１１に示すように第１の発熱構造部６８を構成する導電層６１，６５の幅寸法と、第２の発熱構造部６９を構成する導電層６３，６７の幅寸法とが異なっている。よって、第１の発熱構造部６８でのリーク電流量と、第２の発熱構造部６９でのリーク電流量とを異ならせることができる。これにより、各発熱構造部６８，６９での発熱量を変えることができ、発熱機能に対する制御性をより効果的に向上させることができる。例えば環境温度に合わせて、発熱量の異なるいずれの発熱構造部６８，６９を発熱させるかを制御することが可能である。

以上のように、図７ないし図１１に示す実施形態では、電解質層３３を介して対向する両面の導電層の少なくとも一部を短絡させて発熱させる構造である。

以上説明した発熱体８０（図２ないし図６で説明した片面あるいは両面の夫々の導電層を発熱体とした構成、図７ないし図１１の両面の導電層間を短絡させて発熱体とした構成のどちらも含む）を、図１２に示すように、制御部８１に接続し、更に制御部８１をモニタ部８２に接続する。また図１２の形態では、モニタ部８２と高分子アクチュエータ素子３２とを接続されている。なお、高分子アクチュエータ素子３２を駆動させると必ず発熱体８０も発熱してしまう構成には図１２は適用できない。

本実施形態における発熱体８０は、環境温度が低温になったときに動作させればよく、高分子アクチュエータ素子３２の変位が十分に得られる高温の場合に動作させなくてもよい。高分子アクチュエータ素子３２には、低温であると電極層間に電流が流れにくいため、高分子アクチュエータ素子３２の駆動電流（ピーク電流）をモニタ部８２でモニタすることで、制御部８１にて発熱体８０の動作を制御することができる。すなわち駆動電流の大きさを検出して、所定量よりも小さければ、制御部８１にて発熱体８０を起動させるための信号が出力されて発熱構造部が発熱される。あるいは、モニタ部８２で高分子アクチュエータ素子３２の変位量をモニタすることで、制御部８１にて発熱体８０の動作を制御することができる。すなわち、高分子アクチュエータ素子３２の変位量が所定量よりも小さければ、制御部８１にて発熱体８０を起動させるための信号が出力されて発熱体８０が発熱される。または、モニタ部８２が感熱素子（温度計）８３と接続されており、モニタ部８２にて周囲温度を検出することで、制御部８１にて発熱体８０の動作を制御することができる。すなわち、環境温度が所定値よりも低い状態であれば、制御部８１にて発熱体８０を起動させるための信号が出力されて発熱体８０が発熱される。なお感熱素子８３とモニタ部８２、高分子アクチュエータ素子３２とモニタ部８２は両方、接続された状態であっても、どちらか一方にのみ接続された状態であってもよい。

図１ないし図１１に示した高分子アクチュエータ素子の構造は例えば次に説明する駆動装置に適用することができる。

図１３には、本発明の高分子アクチュエータの駆動装置の一実施形態としてドット表示装置１の部分縦断面図が示されている。このドット表示装置１は視覚障害者に情報を与える点字セルとして使用される。図１３は、通常、６個のドットで構成される点字のうち、１つのドットの部分を示す縦断面図である。

図１３に示すように、ドット表示装置１は、下ケース１０と上ケース２０とが重ね合わされて薄型の筐体が構成される。図１１に示すように下ケース１０と上ケース２０の間には所定の空間（変形可能領域）１０ｂ，２０ｂが形成されている。

そして図１３に示すように前記空間１０ｂ，２０ｂ内に高分子アクチュエータ素子３２が配置される。

高分子アクチュエータ素子３２の基端部３６は、上ケース２０に形成された上部押圧部２５と、下ケース１０に設けられた下部押圧部１３により挟まれて固定される。なお下部押圧部１３は弾性部１２と一体に接続されている。

また図１３に示すように、基端部３６と上部押圧部２５の間には上部配線板９０が設けられている。上部配線板９０と高分子アクチュエータ素子３２の上部電極層３４（図１等参照）とは電気的に接続されている。また、基端部３６と下部押圧部１３との間には下部配線板８５が設けられる。下部配線板８５と高分子アクチュエータ素子３２の下部電極層３５（図１等参照）とは電気的に接続されている。

図１３に示すように、上ケース２０に穴２１が形成され、その穴２１に突出部材３１が設けられている。突出部材３１は、突出方向であるＺ１方向に向く先端部が曲面形状の接触部３１ａであり、退行方向であるＺ２方向に向く基端部が突出押圧力を受ける被押圧部３１ｂである。

図１３に示す実線の高分子アクチュエータ素子３２は、非動作状態である。このとき、例えば、高分子アクチュエータ素子３２の自由端である先端部３７は、突出部材３１の被押圧部３１ｂに接触した状態となっている。

高分子アクチュエータ素子３２には図２ないし図１１に示すいずれかの発熱体を備える構成を適用できる。図１３に示す実線の非動作時に、発熱体となる部分を発熱させることができ、これにより効果的に、高分子アクチュエータ素子３２を暖めることができる。また、図１３に示すように、高分子アクチュエータ素子３２の電極層３４，３５に電圧を印加して、高分子アクチュエータ素子３２の先端部３７を上方に湾曲変形させ、突出部材３１を押圧しながら点線に示すように上方に移動させる際にも、発熱体となる部分を発熱させることができ、高分子アクチュエータ素子３２を暖めることが出来る。どの時点で、高分子アクチュエータ素子３２を暖めるかを任意に決定できる。

図１３に示すドット表示装置１に本実施形態の高分子アクチュエータ素子３２を使用することで、ドット表示装置１の使用環境が低温である場合に、発熱体となる導電層を発熱させて、高分子アクチュエータ素子３２を暖めることができる。よって低温環境での高分子アクチュエータ素子３２のアクチュエータ特性を改善できる。特に、本実施形態では、高分子アクチュエータ素子３２の電解質層３３の上下面に形成された導電層の少なくとも一部を発熱体とした構造であるから、従来の高分子アクチュエータ素子に対して厚さが厚くなる等の問題は生じず、ドット表示装置１の小型化・薄型化に適切に対応できる。しかも、高分子アクチュエータ素子３２を構成する導電層自体を発熱体として用いているから、高分子アクチュエータ素子３２を効率良く暖めることができる。よって、高分子アクチュエータ素子から空間を介して離れた位置に発熱装置を設置するような場合に比べて小スペース化に対応でき、且つ効率良く高分子アクチュエータ素子３２を暖めることが可能である。

本実施形態のアクチュエータ素子３２は、点字用のドット表示装置１以外の駆動装置にも適用できる。

１ ドット表示装置
１０ 下ケース
１０ｂ、２０ｂ 空間（変形可能領域）
２０ 上ケース
３１ 突出部材
３１ｂ 被押圧部
３２ 高分子アクチュエータ素子
３３ 電解質層
３４、３５、４６、５２、５４ 電極層
３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ 電極片部
３６ 基端部
３７ 先端部
３９、４０、７０、７１ 回路部
４１、４３ 第１導電層
４２、４９、６０ 上部導電層
４４ 層間短絡部
４７、４８、５５、５６ 第２導電層
５０ 絶縁層
６１〜６３、６５〜６７ 導電層
６４ 下部導電層
６８、６９ 発熱構造部
８０ 発熱体
８１制御部
８２ モニタ部
８３ 感熱素子

Claims (13)

1. 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導電層とを有し、各導電層の一部あるいは全部が電極層であり、両面に設けられた前記電極層間に電圧を付与すると変形する高分子アクチュエータ素子において、
   片面あるいは両面に設けられた前記導電層の少なくとも一部が発熱体として機能し、発熱体となる部分の片面の前記導電層、あるいは発熱体となる部分の両面の各導電層に夫々、電流を流して発熱させるための回路部が接続され、発熱体となる部分の前記導電層には前記回路部が接続される基端部から先端部に向けて形成された導電片部が設けられ、前記導電片部は、前記基端部から前記先端部の方向に対し平面内にて直交する方向に間隔を空けて複数設けられ、各導電片部は、前記基端部よりも前記先端部側で電気的に接続されていることを特徴とする高分子アクチュエータ素子。
2. 発熱体は両面に設けられた各電極層であり、前記電極層間には、前記電解質層を介して対向する一対の前記電極層間に駆動電圧を印加して前記高分子アクチュエータ素子を駆動させるとともに、各電極層に電流を流して各電極層を発熱させるための回路部が接続されており、前記回路部により、各電極層の平面内にて電位勾配が形成されるとともに、前記電解質層を介して対向する一対の前記電極層間に均一な駆動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素子。
3. 片面あるいは両面に形成された前記導電層は、前記電解質層の表面にて前記電極層と、前記電極層と分離して形成された第１の導電層とを有して形成されており、前記第１の導電層を発熱体として機能させる請求項１記載の高分子アクチュエータ素子。
4. 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導電層とを有し、各導電層の一部あるいは全部が電極層であり、両面に設けられた前記電極層間に電圧を付与すると変形する高分子アクチュエータ素子において、
   両面の前記導電層間の少なくとも一部が短絡しており、短絡した両面の前記導電層の部分が発熱体として機能することを特徴とする高分子アクチュエータ素子。
5. 層間短絡部は、前記導電層と同じ材料で形成される請求項４記載の高分子アクチュエータ素子。
6. 層間短絡部が前記電解質層の露出面に形成されている請求項４又は５に記載の高分子アクチュエータ素子。
7. 両面の前記電極層間が層間短絡部を介して短絡しており、前記層間短絡部は、給電部となる基端部よりも先端部側に形成されている請求項４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素子。
8. 複数の前記アクチュエータ素子が絶縁層を介して積層されており、各電解質層を介して対向する各導電層の間、及び、前記絶縁層を介して対向する前記導電層の間の少なくともいずれかが短絡している請求項４ないし７のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ素子。
9. 両面の前記導電層には、前記電極層と、前記電極層と分離して形成された第２の導電層とが形成されており、両面の前記第２の導電層同士が短絡している請求項４ないし８のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ素子。
10. 両面の前記導電層が夫々、複数に分離されており、一方の面に形成された２以上の導電層と、他方の面に形成された２以上の導電層とが夫々、短絡して、２以上の発熱構造部を構成している請求項４ないし９のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ素子。
11. 各発熱構造部でのリーク電流量が異なる請求項１０記載の高分子アクチュエータ素子。
12. 前記導電層の全体が前記電極層であり、前記電極層を発熱体とした請求項１、２、４ないし８のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ素子。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載された高分子アクチュエータ素子の基端部を支持し、前記高分子アクチュエータ素子の変形可能領域を備えることを特徴とする駆動装置。

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