WO2009154158A1 - アクチュエータ及びこれを用いた入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　簡単な構成で駆動力が大きく安定した接続状態を確保できるようにしたアクチュエータ及びこれを用いた入力装置を提供すること。 【解決手段】　アクチュエータ１は、一方の面に設けた第１の電極層２と他方の面に設けた第２の電極層３との間に電解質層４が設けることにより形成される。アクチュエータ１の形状を、複数の作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂを固定部１ａに対して対称となる位置にそれぞれ設けた構成とすることにより、接触時の動作が安定し、基板側の電極とアクチュエータ１側の第２の電極層３との間を確実に接続することが可能となる。

Description

アクチュエータ及びこれを用いた入力装置

　本発明は、電極間に電位差を与えると変形を生じるアクチュエータとこのアクチュエータを用いた入力装置に関する。

　従来、高分子アクチュエータの１つとして、イオン交換樹脂層と、このイオン交換樹脂層の表面に相互に絶縁状態で形成された金属電極層とを備えたイオン伝導アクチュエータが知られている（例えば、下記特許文献１）。この高分子アクチュエータは、金属電極層の間に電位差をかけて、イオン交換樹脂層に湾曲及び変形を生じさせることで、アクチュエータとして機能させるというものである。
特開２００２－３３０５９８号公報

　しかし、上記高分子アクチュエータは、電位差に応じて膨潤や収縮を繰り返すため、この際外部から延びる接続線と金属電極層との接続が離れ、接触不良が発生してアクチュエータが動作しなくなるという問題がある。

　特に、高分子アクチュエータの一端を固定部とし、他方を変形可能な自由端とした片持ち支持の場合には、自由端側の変形により力が作用する支持中立点が移動しやすく、高分子アクチュエータの変位量又は駆動力が予定よりも小さくなったり、応答速度が低下したりすることがある。

　本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、簡単な構成で安定した接続状態を確保できるようにしたアクチュエータ及びこれを用いた入力装置を提供することを目的としている。

　本発明は、与えられた電界に応じて内部のイオンが移動する電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられた第１の電極層と、他方の面に設けられた第２の電極層とが積層された積層体からなるアクチュエータにおいて、
　前記積層体には、変形する際に基準となる固定部と、前記電界に応じて変形する作動部とが設けられており、複数の前記作動部が前記固定部に対して対称となる位置に設けられていることを特徴とするものである。

　本発明のアクチュエータは、片持ち支持ではなく、固定部を間に挟んで対称となる位置に設けた作動部が駆動される構成である。このため、固定部側を基準に作動部を駆動させると、各作動部を等しい変形量および駆動力で動作させることができる。このため、基板側の電極とのコンタクトを安定させることができる。また応答速度の遅れも小さくすることができる。
　例えば、前記積層体は、その平面形状にＨ型を含むものとすることができる。

　また本発明は、前記に記載のアクチュエータと、接続電極が形成された基板と、前記基板に対向して配置される押圧部材とが設けられ、前記基板と前記押圧部材との間に前記アクチュエータを挟持すると、前記第１の電極層と前記第２の電極層のうちの一方が前記接続電極に弾圧させられることを特徴とするものである。上記において、前記押圧部材には、前記第１の電極層と前記第２の電極層のうちの一方と接する側に接触電極が設けられることが好ましい。

　本発明では、アクチュエータ側の電極と基板側の電極との間の接続を安定させることができる。

　また本発明は、前記の入力装置において、前記アクチュエータにより移動自在に支持されたキーと、キートップが突出可能な開口部が形成されたパネルとを有し、前記電解質層に電界を与えてアクチュエータを変形させたときに、前記キーがアクチュエータによって持ち上げられ、前記キートップが前記開口部を通じてパネルの表面よりも上方に突出させられる入力装置である。

　本発明では、対称に配置された複数の作動部がキーを移動させるため、キーの動作が安定して十分な荷重を発生させることが可能となる。

　上記において、押下されたキーの先端が、前記基板に当接したときに、前記キーの先端と前記基板との間に前記アクチュエータの作動部を保護する逃げ部が形成されるものが好ましい。

　上記手段では、キーを押下したときに、アクチュエータがキーによって押し潰されることを防止できる。

　また本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記固定部の幅寸法が前記作動部の幅寸法よりも狭く形成されていることを特徴とするものである。

　本発明では、駆動時の基準となる固定部の幅寸法を、動作する作動部間の幅寸法よりも狭く形成し、そしてすべての作動部を使用することにより、大きな変位量および駆動力を有し、しかも変位速度の早いアクチュエータとして利用することが可能となる。

　また本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記作動部の幅寸法は、前記固定部側よりも固定部から離れた先端側ほど狭く形成されていることを特徴とするものである。

　このようなアクチュエータでは、上記アクチュエータに比較して、個々の作動部の変位量が大きく、変位速度が速く、さらには大きな駆動力を発生させることができる。

　また本発明は、前記入力装置において、前記アクチュエータの前記固定部の幅寸法が前記作動部の幅寸法よりも狭く形成されていることを特徴とするものである。
　例えば、前記積層体には平面形状がＨ型となるものが含まれる。

　本発明では、駆動時の基準となる固定部の幅寸法を、動作する作動部間の幅寸法よりも狭く形成し、そしてすべての作動部を使用することにより、大きな変位量および駆動力を有し、しかも変位速度の早い入力装置とすることが可能となる。

　また本発明は、前記入力装置において、前記アクチュエータの前記作動部の幅寸法が前記固定部側よりも固定部から離れた先端側ほど狭く形成されていることを特徴とするものである。

　このようなアクチュエータを用いることにより、個々の作動部の変位量が大きく、変位速度が速く、さらには大きな駆動力を発生させることができるため、前記入力装置の変位、速度、駆動力が向上する。

　また本発明は、与えられた電界に応じて内部のイオンが移動する電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられた第１の電極層と、他方の面に設けられた第２の電極層とが積層された積層体とを有するアクチュエータにおいて、
　前記積層体は、変形時に基準となる固定部と、前記固定部から突出する作動部とを有しており、
　前記固定部の幅寸法が前記作動部の幅寸法よりも狭く形成されていることを特徴とするものである。

　本発明では、駆動時の基準となる固定部の幅寸法を、動作する作動部間の幅寸法よりも狭く形成し、そしてすべての作動部を使用することにより、大きな変位量および駆動力を有し、しかも変位速度の早いアクチュエータとして利用することが可能となる。

　また本発明は、与えられた電界に応じて内部のイオンが移動する電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられた第１の電極層と、他方の面に設けられた第２の電極層とが積層された積層体とを有するアクチュエータにおいて、
　前記積層体は、変形時に基準となる固定部と、前記固定部から突出する作動部とを有しており、
　前記作動部の幅寸法は、前記固定部側よりも固定部から離れた先端側ほど狭く形成されていることを特徴とするものである。

　このようなアクチュエータでは、上記アクチュエータに比較して、個々の作動部の変位量が大きく、変位速度が速く、さらには大きな駆動力を発生させることができる。

　上記において、少なくとも一対の作動部が、前記固定部を挟んで対称となる位置に形成されているものが好ましい。

　上記手段では、個々の駆動力は小さくても、これらを集結させることにより大きな駆動力を発生させることができる。
　例えば、前記積層体には平面形状がＨ型となるものが含まれる。

　本発明では、アクチュエータの各作動部の変形量および駆動力を等しくすることができるこのため、アクチュエータ側の電極と基板側の電極とのコンタクトを安定させることができる。

　またアクチュエータが変形した状態では、アクチュエータの電極と基板側の電極とのコンタクトとの間の弾圧力を強めることが可能となるため、この点でも安定した接続状態を確保することが可能となる。

　また本発明では、大きな駆動力を得ることができるアクチュエータとすることができる。

　図１は本発明のアクチュエータを示す斜視図、図２は図１のアクチュエータの動作を説明するため断面図であり、（Ａ）は駆動前の状態、（Ｂ）は駆動時の状態、図３は形状の違いによる特性を説明するためのアクチュエータの平面図を示し、（Ａ）はＨ型アクチュエータを半分に切断した状態を示す平面図、（Ｂ）は比較例１として長方形状からなるアクチュエータを示す平面図、（Ｃ）は比較例２として長尺状のアクチュエータを示す平面図である。

　図１以下に示す本発明のアクチュエータ１は、イオンの移動に伴い変形する高分子型のアクチュエータである。図２（Ａ）に示すようにアクチュエータ１は、電解質層４と、この電解質層４の一方の面に設けられた第１の電極層２と、電解質層４の他方の面に設けられた第２の電極層３とが重ねられた積層体として形成されている。

　電解質層４は、高分子を主体としてフィルム状に形成されており、イオンを含み、かつ層内をイオンが移動可能に調整されたものである。本実施例ではポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などのフッ素樹脂をベースポリマーとし、イオン液体と混合してゲル化したものを用いた。イオンを含み且つ層内をイオンが移動可能であればよいので、樹脂の多孔質体やイオン交換樹脂などに液体電解質あるいは電解質溶液を含浸させた物なども電解質層４として用いることができる。

　第１の電極層２および第２の電極層３は、電解質層４の両面に金属薄膜を形成して形成してもよい。前記電解質層４としてイオン交換樹脂に電解質溶液を含浸させた物を用いる場合、前記電解質層４の両面に金属膜を無電解めっきで形成することにより第1の電極層２および第２の電極層３を形成することが出来る。本実施例では、電解質層４と同じ樹脂系で導電性フィラーが含まれているものを用いた。すなわち、第１の電極層２と第２の電極層３は、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素樹脂をベースポリマーとし、イオン液体およびカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーなどの導電性フィラーを混入してゲル状に構成されている。

　前記電解質層４を形成しているシート状でゲル状の樹脂と、導電性フィラーが混入されたシート状の第１の電極層２およびシート状の第２の電極層３とが積層され、熱プレスすることで、３層構造のアクチュエータ本体１が形成される。この構成では、樹脂系および電解質が同一なので第1、第２の電極層２、３と電解質層４のなじみがよく、また第1、第２の電極層２、３内部にもイオンを含み、電極層内部のフィラー表面が電極面積となるため、より多くのイオンを移動させることが出来る。

　図２（Ｂ）に示すように、第１の電極層２が陽極側になり第２の電極層３が陰極側となるように、電解質層４に電界が与えられると、電解質層４内の陽イオンおよび極性分子が陰極側である第２の電極層３の方向へ移動する。第１の電極層２と第２の電極層３は、ベースポリマーとイオン液体を混合したゲル状の樹脂に導電性フィラーが混入されたものであるため、第１の電極層２と第２の電極層３内の陽イオンおよび極性分子も第２の電極層３側に移動する。これとは逆に、陰イオンおよび極性分子は第１の電極層２の方向に移動する。その結果、第２の電極層３側において電解質層４の体積が膨張し、曲げ応力が発生して、図６（Ｂ）に示すように、アクチュエータ１に曲げが発生する。

　図１に示すように、本実施の形態に示すアクチュエータ１は、上方から見たときにＨ型形状をしており、その中央に帯状に形成された固定部１ａと前記固定部１ａに対して対称形状で形成された４つの作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂとを有している。作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂは、前記固定部１ａから見て先端であり、且つ自由端となっている。

　固定部１ａ側のＹ方向の幅寸法は、先端側の作動部１ｂ，１ｂ間の幅寸法よりも狭い。すなわち、アクチュエータ１は、Ｈ型に形成された第１の電極層２と第２の電極層３との間に、同じくＨ型に形成された電解質層４が挟まれた状態で一体的に接着固定されている。前記アクチュエータ１のＸＹ方向の縦横寸法は１０ｍｍ×１０ｍｍ程度と小さく、そのＺ方向の厚み寸法は薄く１ｍｍ未満である。

　なお、固定部１ａの中心には、下面側に設けられた接触電極１２ｂとアクチュエータ１の上面側に設けられた第１の電極層２との間を接続するための貫通穴１ｄが形成されている。

　図１に点線で示すように、電圧を印加しない非駆動状態のときには、アクチュエータ１はＸＹ平面に平行となる非変形状態にある。

　一方、図１に実線で示すように、第１，２の電極層２，３の固定部１ａ側の両電極間に所定の電圧を印加すると、固定部１ａを基準として先端側の４つの作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂがＺ１方向に湾曲して持ち上がられる。このとき、４つの作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂは固定部１ａの両側に対称に形成されているため、４つの作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂの変形方向、変位量および発生する駆動力が等しくなる。したがって、４つの作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂが発生する個々の駆動力を合成することにより、アクチュエータ１全体として大きな駆動力を発生させることができる。

　なお、アクチュエータ１の固定部１ａのうち、特に中央に設けられた貫通穴１ｄの近傍は、作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂが変形してもほとんど変形することのない力の中立点を構成している。

　ここで、説明の都合上、図３（Ａ）に示すように、固定部１ａの中心を通る対称軸Ｏ－Ｏ（図１参照）に沿ってアクチュエータ１を半分に切断したうちの一方をアクチュエータ１Ａとし、このアクチュエータ１Ａの固定部１ａ側を片持ち支持状態に固定した場合を説明する。また図３（Ｂ）に示すように、全体が長方形状を有するとともに、Ｘ方向の縦寸法Ｌ１およびＹ方向の横寸法Ｌ２をアクチュエータ１Ａと同寸法として片持ち支持状態に固定したアクチュエータ１Ｂを比較例１とする。

　また図３（Ｃ）に示すように、Ｙ方向の幅寸法が狭いがＸ方向に長い長尺状のアクチュエータの一端を片持ち支持したアクチュエータ１Ｃを比較例２とする。なお、縦寸法Ｌ１，Ｌ４、幅寸法Ｌ２，Ｌ５の関係は、Ｌ４＞＞Ｌ１、Ｌ２＞＞Ｌ５とする。

　まず比較例１のアクチュエータ１Ｂと比較例２のアクチュエータ１Ｃとを比較すると、固定端から自由端までの距離は比較例２の方が長い（Ｌ４＞＞Ｌ１）。このため、先端の変位量および変位速度は、比較例２の長尺状のアクチュエータ１Ｃの方が、長方形状のアクチュエータ１Ｂからなる比較例１よりも大きい。

　一方、固定部側の支持幅は比較例１の方が広い（Ｌ２＞＞Ｌ５）ため、先端における駆動力は、長方形状のアクチュエータ１Ｂからなる比較例１の方が、長尺状のアクチュエータ１Ｃからなる比較例２よりも大きい。

　次に、アクチュエータ１Ａと比較例１（アクチュエータ１Ｂ）とを比較すると、アクチュエータ１Ａの固定部１ａ側の一方の端部（対称軸Ｏ－Ｏを通り作動部１ｂに近い側の端部）１ｃから作動部１ｂまでの直線距離は、図３（Ａ）に示すアクチュエータ１Ａでは，√[（Ｌ１）²＋（Ｌ３）²]であり、図３（Ｂ）のアクチュエータ１Ｂの長さＬ１よりも長い。このため、アクチュエータ１Ａの作動部１ｂの変位量は比較例１よりも大きく、変位速度も速くなる、しかし、固定部１ａの支持幅（Ｌ２－２・Ｌ３）は、支持幅Ｌ２を有する比較例１（アクチュエータ１Ｂ）の方がアクチュエータ１Ａよりも広い。このため、作動部１ｂの１箇所当たりに発生する持ち上げ力（駆動力）ｆは、アクチュエータ１Ａの方が小さい。

　ただし、図１に示すように、本来のアクチュエータ１は作動部１ｂを４つ有するため、全体として４ｆの駆動力を発生することが可能である。

　このように、駆動時の基準となる固定部１ａの幅寸法（支持幅）を、動作する作動部１ｂ，１ｂ間の幅寸法よりも狭く形成し、すべての作動部１ｂを合成使用することにより、大きな変位量および駆動力を有し、しかも変位速度の早いアクチュエータ１とすることが可能となる。

　次に、アクチュエータの他の実施の形態について説明する。
　図４は本発明のアクチュエータの他の実施の形態を示す斜視図であり、点線は変形前の非駆動状態を示し、実線は変形後の駆動状態を示している。

　図４に示すアクチュエータ５は、２ヶのＨ型アクチュエータをＹ方向に一体に連結したような形状（以下、「連結Ｈ型」という）をしている。アクチュエータ５の断面も、上記図２に示すアクチュエータ１と同様であり、第１の電極層２と第２の電極層３との間に電解質層４が挟み込まれて形成されている。

　アクチュエータ５は、中央にＹ方向を長手方向として形成された固定部５ａを有し、この固定部５ａの一方のＸ１側に４つの作動部５ｂ，５ｂ，５ｂ，５ｂが、同じく他方のＸ２側に４つの作動部５ｂ，５ｂ，５ｂ，５ｂがそれぞれ設けられている。一方の４つの作動部５ｂ，５ｂ，５ｂ，５ｂと他方の４つの作動部５ｂ，５ｂ，５ｂ，５ｂとは固定部５ａの中心を通る対称軸Ｏ－Ｏを挟んで左右対称に形成されている。

　図４に実線で示すように、このアクチュエータ５においても、固定部５ａの両面に設けられた第１の電極層２と第２の電極層３に電圧を印加すると、左右４ヶずつの作動部５ｂ，５ｂ，５ｂ，５ｂの自由端側を、固定部５ａを基準として湾曲させることが可能である。

　アクチュエータ５を形成する個々の作動部５ｂの形状は、固定部５ａ側の支持幅（Ｙ方向の幅寸法）が幅広く、先端側の自由端に向かうにしたがって徐々にＹ方向の横寸法が狭くなる略三角形状であり、Ｘ方向の縦寸法がＹ方向の横寸法よりも長い。この点、Ｈ型アクチュエータ１の一方のアクチュエータ１ＡはＴ字形状をしており、Ｙ方向の横寸法がＸ方向の縦寸法がよりも長いのとは異なる（図３（Ａ）参照）。

　このため、このアクチュエータ５は上記アクチュエータ１Ａに比較し、個々の作動部５ｂの変位量が大きく、変位速度が速い。さらに左右４ヶずつ（合計８ヶ）の各作動部５ｂは同時に同じ方向に変位するため、これらの力を合成することにより大きな駆動力ｆを発生させることが可能である。

　従来、この種のアクチュエータの形状としては、長尺状、または平板長方形状とするものが多く、このような長尺状または平板長方形状で形成されたアクチュエータを駆動する場合、一方の先端を固定部とし、他方の先端を自由端として片持ち支持状態で駆動する構成が一般的であったが、変位の大きさ、駆動力、変位速度がトレードオフの関係となり、これ以上大きな変位量および駆動力を発生させ、または変位速度を速めることができないという問題があった。また変位量を拡大し、大きな駆動力を発生させ、または変位速度を速めるためには、どのような形状が適当であるかについては十分な研究がされてこなかったが、上記図１、図４のような構成により、従来の課題を解決し、簡単な構成で大きな変位量および駆動力を得ることができ、しかも変位速度を速めるのにも最適な形状とすることができた。

　次に、上記アクチュエータ１Ａを用いた入力装置について説明する。
　図５はアクチュエータを用いた入力装置を示す斜視図、図６は入力装置の分解斜視図、図７は基板を除いた状態の入力装置を底面側から見た斜視図である。図８は図５のＶ－Ｖ線おける断面図であり、（Ａ）は操作前のアクティブ状態、（Ｂ）は操作後のアクティブ状態を示している。また図９は固定部の近傍を拡大して示す断面図である。

　図５乃至図８（Ｂ）に示す入力装置１０は、例えば携帯電話機などの操作面上に配置される押釦式の入力スイッチとして使用される。

　入力装置１０は、図示Ｚ２方向の最下層に基板１１を有している。図６には、その一部しか示していないが、基板１１の表裏面には複数の導線路１２が形成されている。基板１１には図示しない絶縁膜が形成されており、導線路１２のほとんどは絶縁膜の下に埋設されているが、そのうちの一部は基板１１の表面に露出されており、例えば接触電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃなどを形成している。中央に設けられた接触電極１２ｂの直径は貫通穴１ｄの直径よりも小さく、その両側に設けられた接触電極１２ａ，１２ｃ間の距離は前記貫通穴１ｄの直径より大きい。

　また基板１１の表面には、接触電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃを囲むように形成された枠形状のハウジング１３が図示しない接着剤や係止機構などを介して固定されている。ハウジング１３は絶縁性の合成樹脂材料で形成されており、Ｙ１およびＹ２方向において対向する側面には、Ｙ方向に貫通する貫通孔１３ａ，１３ａが形成されている。この貫通孔１３ａ，１３ａには、長尺状の押圧部材１４が挿通された状態で固定されている。

　図９に示すように、アクチュエータ１を押え込む押圧部材１４の下面（Ｚ２側の面）には金属層からなる接触電極１４ａが形成されている。接触電極１４ａの表面には、接触不良を防止するために断面三角形状からなる凹凸面が形成されている。なお、凹凸面は断面三角形状でなく、例えばドット状に形成されたものであってもよい。

　そして、Ｈ型のアクチュエータ１は基板１１の表面と押圧部材１４との間に設けられている。すなわち、アクチュエータ1は基端側の固定部１ａが押圧部材１４と基板１１の表面との間に挟持され、自由端側の４つの作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂはハウジング１３内においてＺ１方向に弾性変形可能な状態で保持されている。

　この状態では、アクチュエータ１の一方の上面側では、第１の電極層２が押圧部材１４の接触電極１４ａに接触しており、アクチュエータ１の他方の下面側では、第２の電極層３が基板１１上に形成された両側の接触電極１２ａ，１２ｃに弾圧している。

　また基板１１側の中央の接触電極１２ｂと押圧部材１４に形成された接触電極１４ａとは貫通穴１ｄを介して対向している。このため、例えば図９に示すように、貫通穴１ｄ内に、例えば導電材料で形成されたコイルスプリングなどの弾性を有する接続部材１８を配置すると、基板１１側の接触電極１２ｂとアクチュエータ１の第１の電極層２との間を、接続部材１８および接触電極１４ａを介して常に導通状態に設定することが可能となる。

　そして、導線路１２を介して、両側の接触電極１２ａ，１２ｃと中央の接触電極１２ｂとの間に電圧を与えると、アクチュエータ１の一方の第１の電極層２と他方の第２の電極層３との間に電位差に応じた電界を生じさせることができ、アクチュエータ１を駆動することが可能となる。

　このように、本発明では、アクチュエータ１に対する電力の供給を、基板１１上に形成された導線路１２を介して行うことがきる。このため、配線構造を簡素化することができる。

　図５および図６に示すように、ハウジング１３の上方に相当するＺ１側には、キー１５が設けられ、キー１５の上部にパネル１６が配置されている。パネル１６には開口部１６ａが形成されており、この開口部１６ａ内にキートップ１５ａがＺ方向に進退自在に挿入されている。キートップ１５ａの基端側にはフランジ部１５ｂが形成されおり、フランジ部１５ｂはパネル１６の下面に対向している。

　図７に示すように、キー１５の底面（Ｚ２）側には、当接面１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１が形成され、この当接面１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１の外側にはＺ２方向に突出する突当面１５ｃ２，１５ｃ２，１５ｃ２，１５ｃ２が一体的に形成されている。各当接面１５ｃ１と各突当面１５ｃ２との段差には、隙間を形成する逃げ部１５ｃが設けられており、この逃げ部１５ｃの板厚方向の寸法はアクチュエータ１の板厚寸法よりも僅かに高い寸法で形成されている。

　なお、アクチュエータ１の４つの作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂは、当接面１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１に対向する状態で配置されている。

　次に、入力装置１０の動作について説明する。
　アクチュエータ１を構成する第１の電極層２と第２の電極層３との間に所定の電圧を印加すると、作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂが中立点である貫通穴１ｄを含む固定部１ａを基準として、図１に実線で示すような形状に撓み変形する。このとき、図８（Ａ）に示すように、作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂは当接面１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１をそれぞれ等しい駆動力ｆで押し上げる。このため、キー１５は全体として駆動力４ｆで上方（Ｚ１方向）持ち上げられ、キートップ１５ａがパネル１６の表面から突出させられる。このため、操作者は、この入力装置１０は、キー入力が可能なアクティブ状態に設定されていると認識することができる。

　上方に持ち上げられたキー１５は、フランジ部１５ｂがパネル１６の開口部１６ａの下面に当接するため、キートップ１５ａのこれ以上の突出を阻止する。この状態では、パネル１６の下面からの反力が、当接面１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１を介して作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂに作用する。この反力により、アクチュエータ１の固定部１ａ、特に中立点を含む貫通穴１ｄの近傍が基板１１の表面を駆動力４ｆで弾圧する。よって、変形時に力の中立点（貫通穴１ｄを含む固定部１ａ）が移動しにくくなる。またアクチュエータ１は、設計どおりの変位量又は駆動力を発揮することが可能となる。さらには応答速度が低下することもなくなる。このため、第２の電極層３と基板１１に設けられた接触電極１２ａ，１２ｃとの間の接続を安定させることが可能である。

　次に、図８（Ｂ）に示すように、操作者がキートップ１５ａを駆動力４ｆ以上の力で押下すると、キー１５が押し下げられ、キー１５の各当接面１５ｃ１が各作動部１ｂに当接してＺ２方向に押すため、アクチュエータ１は図１の点線で示す元の平面形状に強制的に戻される。このとき、アクチュエータ１の固定部１ａに設けられた第２の電極層３、特に力の中立点である貫通孔１ｄの近傍が基板１１の表面を強く押圧する。アクチュエータ１には大きな圧縮応力が作用しており、この状態では、アクチュエータ１側の第２の電極層３と基板１１側の接触電極１２ａ，１２ｃとの間を確実に導通接続させることができる。すなわち、本発明では、アクチュエータ１がアクティブ状態にあれば、キー１５を押圧する前でも押圧した後においても、第２の電極層３と接触電極１２ａ，１２ｃとの間の接続状態を安定させることが可能である。

　キー１５が押し下げられると、キー１５の底面側では、突当面１５ｃ２，１５ｃ２，１５ｃ２，１５ｃ２が基板１１の表面に当接し、キー１５のＺ２方向へのこれ以上の移動を阻止する。

　この状態では、作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂが、キー１５の底面側に形成された当接面１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１，１５ｃ１と基板１１の表面との間に隙間として形成された逃げ部１５ｃ，１５ｃ，１５ｃ，１５ｃ内にそれぞれ入り込む。このため、アクチュエータ１の作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂに過度な荷重が作用することがなく、作動部１ｂ，１ｂ，１ｂ，１ｂが押し潰されるのを防止することができる。このため、アクチュエータ１を保護し動作寿命を延ばすことが可能となる。

　なお、キー１５によるスイッチの切り替え動作の検出は、アクチュエータ１が、撓み変形した形状から元の平面形状に変形させられる際に発生する電圧の変動を電気的に検知し、これに基づいて行うことが可能である。あるいは、押圧するたびにスイッチの動作状態が切り換えられるスイッチ機構を別途に設けた構成であってもよい。さらには、静電容量式のスイッチ機構を配置する構成であってもよい。

　図１０は複数のアクチュエータを用いて構成した入力装置の他の実施の形態を示す分解斜視図、図１１は図１０のアクチュエータを備えたアクチュエータアレイの詳細を示し、（Ａ）はアクチュエータアレイの一部を拡大して示すアクチュエータの平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｂ－ｂ線における矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）の変形例として図１同様のアクチュエータを採用した場合の平面図である。

　この入力装置は、複数のキーが配列された携帯電話機、あるいはリモコン装置などからなる電子機器の操作面を示している。

　図１０に示すように、この入力装置２０は基板２１上にシート状のアクチュエータアレイ３０が重ねられ、その上に押圧シート２４、キー２５が重ねられ、そして最上層にパネル２６が積層されて形成されている。
　基板２１には、上記同様に複数の導電パターンや電極が形成されている。

　図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、アクチュエータアレイ３０は、薄いフレキシブルシート３２の上に、第２の電極層３を部分的に積層し、その上に電解質層４、さらにその上に第１の電極層２を積層することにより、複数のアクチュエータ３１を有するものとして形成されている。このような、アクチュエータアレイ３０は、フレキシブルシート３２の上に、第２の電極層３、電解質層４、第１の電極層２の３層をこの順で積層した後、熱プレスすることにより容易に形成することが可能である。

　図１０および図１１（Ａ）に示すように、フレキシブルシート３２には、複数の略Ｕ字孔３２ａが形成されており、個々のアクチュエータ３１はこれら複数の略Ｕ字孔３２ａによって明確に仕切られた区画内にそれぞれ形成されている。

　一つのアクチュエータ３１は、一対の略Ｕ字孔３２ａ，略Ｕ字孔３２ａから形成され、一方の略Ｕ字孔３２ａの開放端と他方の略Ｕ字孔３２ａの開放端とが一定の距離を隔て対向するように配置されている。

　一方の略Ｕ字孔３２ａの端部側と他方の略Ｕ字孔３２ａの端部側とが対向するＹ方向の左右２箇所の位置には連結部３３，３３がそれぞれ設けられている。

　各アクチュエータ３１は、それぞれの左右２箇所の位置に設けられた連結部３３，３３をＹ方向に一列に並べた状態でフレキシブルシート３２上に支持されている。

　そして図１０に示すように、左右の連結部３３，３３が一列にＹ方向に並ぶ点線で示す帯状部分が固定部３１ａである。対向する一対の略Ｕ字孔３２ａ，略Ｕ字孔３２ａで囲まれた領域内で、且つ固定部３１ａから図示Ｘ１およびＸ２方向にそれぞれ突出する舌状の部分が、作動部３１ｂ，３１ｂとして動作する部分である。図１０においては図示の都合上省略したが、図１１（Ａ）にあるように、作動部３１ｂ、３１ｂとして動作する部分はＨ型となる。アクチュエータアレイ３０には、このような構成からなる複数のアクチュエータ３１が略マトリックス状に配列されている。なお、固定部３１ａは図１１（Ｃ）に示すようにＸ方向に並んでいてもよい。

　なお、フレキシブルシート３２の表面および裏面には、図示しない複数の導線路が形成されており、各導線路は第１，２の電極層２，３に個別に接続されている。また、第２の電極層３には開口部３ａが設けられており、電解質層４の前記第２の電極層３には開口部３ａと対応する位置にも開口部４ａが設けられている。電解質層４に設けられている開口部４ａが第２の電極層３に設けられた開口部３ａより小さく設定されているため、第１の電極層２はフレキシブルシート３２と直接接合することができ、また第２の電極層４とショートすることはない。このような構造により、導線路を介して各第１，２の電極層２，３に特別な配線部材を用いることなくそれぞれ所定の電圧を印加することが可能とされている。

　押圧シート２４は、例えば硬質な合成樹脂材料、あるいはプリント配線基板（ＰＣＢ）などで形成されている。あるいはアクリルやポリカーボネイトなど透光性を有する透明な樹脂材料で形成されていてもよい。透明な樹脂材料で形成すると、押圧シート２４を導光部材として利用することが可能となり、押圧シート２４の上に配置されるキー２５を照光することが可能となる。

　押圧シート２４には２ヶ一組から構成される複数の開口穴２４ａ，２４ａが穿設されている。一方の開口穴２４ａと他方の開口穴２４ａとの間に設けられた帯状の部分が押圧部２４Ａとして機能する部分である。

　押圧シート２４をアクチュエータアレイ３０の上に重ねると、個々のアクチュエータ３１の固定部３１ａが、押圧シート２４側の押圧部２４Ａと基板２１との間に挟持される。そして、作動部３１ｂ，３１ｂが開口穴２４ａ，２４ａを通じて上方に露出される。

　キー２５は、上記で説明したキー１５と同様の構成である。すなわち、キー２５の上側にはキートップ２５ａとフランジ部２５ｂが設けられ、下側には当接面と突当面からなる逃げ部２５ｃが複数形成されている。

　パネル２６の表面は電子機器の操作面を形成しており、複数の開口穴２６ａが穿設されている。各開口穴２６ａには、キー２５のキートップ２５ａが突出可能な状態で露出されている。

　図１０に示す入力装置２０においても、基板２１に配線された導体パターンを通じて個々のアクチュエータアレイ３０の両面に設けられた第１，２の電極層２、３間に電圧が印加される。すると、電解質層４の両面に電位差に応じた電界が生じて、複数の作動部３１ｂの自由端側が上方（Ｚ１）方向に撓み変形し、個々のキー２５が持ち上げられる。これにより、複数のキー２５が、各キートップ２５ａがこれらに対応する各開口穴２６ａを通じてパネル２６の表面に突出するため、複数の入力装置２０をキー入力が可能なアクティブ状態に同時に設定することができる。

　よって、入力装置２０においては、いずれかのキー２５を押下することにより、キー入力を個別に行うことが可能となっている。

　なお、アクティブ状態に設定する必要のないキー２５については、これに対応する第１，２の電極層２，３間に電圧を与えないことにより、非アクティブ状態とすることが可能である。

　すなわち、この入力装置２０では、個々のキーごとにアクティブ状態に設定するか、非アクティブ状態に設定するかを選択することができる。

　上記アクチュエータアレイは、以下に説明するものであってもよい。
　図１２はアクチュエータアレイの他の実施の形態の詳細を示し、（Ａ）はアクチュエータアレイの一部を拡大して示すアクチュエータの平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ線における矢視断面図である。

　図１２（Ａ）（Ｂ）に示すアクチュエータアレイ４０は、フレキシブルシートを有さない点において上記アクチュエータアレイ３０と異なる。なお、全体の外観形状は、図１０に示すアクチュエータアレイ３０と同様である。

　図１２（Ｂ）に示すように、このアクチュエータアレイ４０は、略Ｕ字孔が形成された第２の電極層３の上に、同形状の略Ｕ字孔が形成された電解質層４が積層され、さらにその上に同形状の略Ｕ字孔が形成された第１の電極層２が積層されて構成されている。第１の電極層２と第２の電極層３は、それぞれ前記略Ｕ字孔を除いた全域が同じ電位に設定される。

　図１２（Ａ）に示すように、アクチュエータ４１は、第１の電極層２、電解質層４および第２の電極層３に形成されている各Ｕ字孔を重ね、一方の略Ｕ字孔４２ａと他方の略Ｕ字孔４２ａとがＸ方向に対向することにより仕切られる１つの長方形状の区画内に設けられている。アクチュエータ４１を構成する積層体は、略Ｕ字孔４２ａと略Ｕ字孔４２ａとの間に設けられた連結部４３，４３によってアクチュエータアレイ４０に支持されている。

　図１２（Ａ）に点線で示す部分が固定部４１ａである。図１２（Ｂ）に示すように、固定部４１ａは、アクチュエータアレイ４０の下面側に設けられた基板１１と上面側に設けられた押圧シート２４に形成された押圧部２４Ａとにより板厚方向から挟持される。個々のアクチュエータ４１は、固定部４１ａを基準として、自由端側である作動部４１ｂ，４１ｂが撓み変形可能な状態に支持されている。

　この実施の形態に示すアクチュエータアレイ４０では、第１の電極層２と第２の電極層３との間に所定の電圧を印加すると、電解質層４の全域に一定の電界を同時に与えることができる。このため、アクチュエータアレイ４０上に設けられた、複数のアクチュエータ４１を構成する作動部４１ｂ，４１ｂを一斉に同じＺ１方向に撓み変形させることが可能である。

　すなわち、上記のように個々のアクチュエータ３０ごとに設けられた各第１，２の電極層２，３の間に所定の電圧をそれぞれ与えなくとも、電解質層４の一方に設けられたシート状の第１の電極層２のいずれか一箇所と、他方に設けられたシート状の第２の電極層３のいずれか一箇所との間に電圧を与えるだけで、すべてのキーをアクティブ状態に設定することが可能である。このため、このアクチュエータアレイ４０では、第１，２の電極層２，３に対する配線構造を簡単にすることができる。

　上記実施の形態では、４つの作動部を有するアクチュエータを用いて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、対称となる位置に形成一対の作動部が複数設けられていればよい。したがって、作動部の数は偶数であればよい。

　また入力装置の説明では、図１に示したアクチュエータ１を用いた場合として説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、図４に示したアクチュエータ５を用いた構成であってもよい。

本発明のアクチュエータを示す斜視図、 図１のアクチュエータの動作を説明するため断面図であり、（Ａ）は駆動前の状態、（Ｂ）は駆動時の状態、 形状の違いによる特性を説明するためのアクチュエータの平面図を示し、（Ａ）はＨ型アクチュエータを半分に切断した状態を示す平面図、（Ｂ）は比較例として長方形状からなるアクチュエータを示す平面図、 本発明のアクチュエータの他の実施の形態を示す斜視図であり、点線は変形前の非駆動状態を示し、実線は変形後の駆動状態、 アクチュエータを用いた入力装置を示す斜視図、 入力装置の分解斜視図、 基板を除いた状態の入力装置を底面側から見た斜視図、 図５のＶ－Ｖ線おける断面図であり、（Ａ）は操作前のアクティブ状態、（Ｂ）は操作後のアクティブ状態、 固定部の近傍を拡大して示す断面図、 複数のアクチュエータを用いて構成した入力装置の他の実施の形態を示す分解斜視図、 図１０のアクチュエータを備えたアクチュエータアレイの詳細を示し、（Ａ）はアクチュエータアレイの一部を拡大して示すアクチュエータの平面図、（Ｂ）は（Ａ）のｂ－ｂ線における矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）の変形例として図１同様のアクチュエータを採用した場合の平面図、 アクチュエータアレイの他の実施の形態の詳細を示し、（Ａ）はアクチュエータアレイの一部を拡大して示すアクチュエータの平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ線における矢視断面図、

１，５　アクチュエータ
１ａ，５ａ　固定部
１ｂ，５ｂ　作動部
１ｄ　貫通穴
１０　入力装置
１１　基板
１２　導線路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ　接触電極
１３　ハウジング
１４　押圧部材
１４ａ　接触電極
１５　キー
１５ａ　キートップ
１５ｃ　逃げ部
１５ｃ１　当接面
１５ｃ２　突当面
１６　パネル
１６ａ　開口部
１８　接続部材
２０　入力装置
２１　基板
２４　押圧シート
２５　キー
２６　パネル
３０，４０　アクチュエータアレイ
３１，４１　アクチュエータ
３１ａ，４１ａ　固定部
３１ｂ，４１ｂ　作動部
３２　フレキシブルシート
３２ａ，４２ａ　略Ｕ字孔
３３，４３　連結部

Claims (15)

1. 　与えられた電界に応じて内部のイオンが移動する電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられた第１の電極層と、他方の面に設けられた第２の電極層とが積層された積層体からなるアクチュエータにおいて、
   　前記積層体には、変形する際に基準となる固定部と、前記電界に応じて変形する作動部とが設けられており、複数の前記作動部が前記固定部に対して対称となる位置に設けられていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 　請求項１記載のアクチュエータと、接続電極が形成された基板と、前記基板に対向して配置される押圧部材とが設けられ、前記基板と前記押圧部材との間に前記アクチュエータを挟持すると、前記第１の電極層と前記第２の電極層のうちの一方が前記接続電極に弾圧させられることを特徴とする入力装置。
3. 　前記押圧部材には、前記第１の電極層と前記第２の電極層のうちの一方と接する側に接触電極が設けられたことを特徴とする請求項２記載の入力装置。
4. 　前記アクチュエータにより移動自在に支持されたキーと、キートップが突出可能な開口部が形成されたパネルとを有し、前記電解質層に電界を与えてアクチュエータを変形させたときに、前記キーがアクチュエータによって持ち上げられ、前記キートップが前記開口部を通じてパネルの表面よりも上方に突出させられることを特徴とする請求項２記載の入力装置。
5. 　押下されたキーの先端が、前記基板に当接したときに、前記キーの先端と前記基板との間に前記アクチュエータの作動部を保護する逃げ部が形成される請求項４記載の入力装置。
6. 　前記固定部の幅寸法が前記作動部の幅寸法よりも狭く形成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
7. 　前記作動部の幅寸法は、前記固定部側よりも固定部から離れた先端側ほど狭く形成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
8. 　前記積層体は、その平面形状にＨ型を含むものである請求項１または６記載のアクチュエータ。
9. 　前記アクチュエータの前記固定部の幅寸法が前記作動部の幅寸法よりも狭く形成されていることを特徴とする請求項２記載の入力装置。
10. 　前記アクチュエータの前記作動部の幅寸法は、前記固定部側よりも固定部から離れた先端側ほど狭く形成されていることを特徴とする請求項２記載の入力装置。
11. 　前記積層体は、その平面形状にＨ型を含むものである請求項２または９記載のアクチュエータ。
12. 　与えられた電界に応じて内部のイオンが移動する電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられた第１の電極層と、他方の面に設けられた第２の電極層とが積層された積層体とを有するアクチュエータにおいて、
    　前記積層体は、変形時に基準となる固定部と、前記固定部から突出する作動部とを有しており、
    　前記固定部の幅寸法が前記作動部の幅寸法よりも狭く形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
13. 　与えられた電界に応じて内部のイオンが移動する電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられた第１の電極層と、他方の面に設けられた第２の電極層とが積層された積層体とを有するアクチュエータにおいて、
    　前記積層体は、変形時に基準となる固定部と、前記固定部から突出する作動部とを有しており、
    　前記作動部の幅寸法は、前記固定部側よりも固定部から離れた先端側ほど狭く形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
14. 　少なくとも一対の作動部が、前記固定部を挟んで対称となる位置に形成されている請求項１２または１３記載のアクチュエータ。
15. 　前記積層体には平面形状がＨ型となるものが含まれる請求項１２ないし１４のいずれかに記載のアクチュエータ。

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