JP4386767B2 - Electrical elements using polymer actuators - Google Patents
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Description
本発明は高分子アクチュエータを用いた電気素子に関し、より詳細には接点等を押動する駆動体として高分子アクチュエータを使用した電気素子に関する。 The present invention relates to an electric element using a polymer actuator, and more particularly to an electric element using a polymer actuator as a driver that pushes a contact or the like.
ある種の高分子材料は、これに電圧を印加したり電流を流したりすることによって変形することから、アクチュエータとして利用することが試みられている。たとえば、特許文献1には、イオン性物質を含有する非導電性高分子に電圧を印加すると変形する高分子アクチュエータが開示されている。この高分子アクチュエータは、非導電性高分子を電解質溶液に浸漬し、膨潤させてイオン性物質を含有させた後、乾燥させて短冊状等に形成することができ、短冊状に形成した高分子材料の両面に電極を設けて電圧を印加すると、電極から高分子材料へ電荷が注入され、注入された電荷同士の静電反発によって高分子材料が伸長し、注入された電荷の拡散が遅いことから、高分子材料中に不均一または非対称に電荷が分布して高分子材料が屈曲変形を示す。
Some polymer materials are deformed by applying a voltage or applying a current to the polymer material, so that attempts have been made to use them as actuators. For example,
このような高分子材料に電圧を印加して高分子材料が屈曲変形を起こす駆動原理を利用すれば、高分子材料をアクチュエータとして利用することが可能である。高分子材料は非導電性高分子であることから電圧印加時に流れる電流は小さく、ジュール熱によるエネルギー損失が少ないという利点がある。また、この高分子材料は空気中で使用できるという利点があり、高分子膜を貼り合わせたりせずに、単体で屈曲変形を起こすという点で有効活用が可能である。 If a driving principle that causes a bending deformation of the polymer material by applying a voltage to the polymer material is used, the polymer material can be used as an actuator. Since the polymer material is a non-conductive polymer, there is an advantage that a current flowing when a voltage is applied is small and energy loss due to Joule heat is small. Further, this polymer material has an advantage that it can be used in the air, and can be effectively used in that it causes bending deformation alone without attaching a polymer film.
なお、電圧を印加して屈曲変形を生じさせることができる高分子材料として、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ナイロン6、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル等の各種の非導電性材料が報告されている。
上述した高分子アクチュエータは、小型で薄く形成することができ、両面に蒸着等によって電極を形成することによって、屈曲変形可能なアクチュエータとすることができる。その変形は、電極に電圧を加えるだけで可能であり、電圧の印加向き(正負の向き)を変えることによって屈曲向きを逆にすることができる。
この高分子アクチュエータは、大きな駆動力を発生させることには向かないが、電圧のON−OFFに対する応答性にすぐれていることから、この応答性を有効に利用することが可能であり、またきわめて小型に形成できることから、種々の電気素子に利用することが可能である。
The polymer actuator described above can be made small and thin, and an actuator that can be bent and deformed by forming electrodes on both surfaces by vapor deposition or the like. The deformation is possible only by applying a voltage to the electrode, and the bending direction can be reversed by changing the voltage application direction (positive or negative direction).
Although this polymer actuator is not suitable for generating a large driving force, it has excellent responsiveness to voltage ON-OFF, so that this responsiveness can be used effectively and is extremely Since it can be formed in a small size, it can be used for various electric elements.
このように高分子アクチュエータは、接点等を押動する駆動体として特徴的な機能を備えているものであり、その特徴を利用することによって、従来製品にはない新規な電気素子を構成することが可能である。
本発明は、上述した高分子アクチュエータの特性を効果的に利用した新規な電気素子を提供することを目的としている。
As described above, the polymer actuator has a characteristic function as a driving body that pushes the contact and the like, and by using the feature, a new electric element that does not exist in the conventional product can be configured. Is possible.
An object of the present invention is to provide a novel electric element that effectively utilizes the characteristics of the polymer actuator described above.
本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、高分子アクチュエータが形成された可動処理用フィルム層と、電気的な接点が形成された伸縮性を備える接点フィルム層と、前記接点に対向して回路パターンが形成された回路パターン層が、高分子アクチュエータと接点フィルム層との間、接点と回路パターンとの間を離間させて、この順に、基板内に積層して設けられた基板内蔵型の電気素子であって、前記高分子アクチュエータは、先端側が可動端となる舌片状に形成され、直流電圧を印加した際に、前記接点フィルム層を押動し、直流電圧を遮断した際に元の形状に復帰して、前記回路パターンと接点とを電気的に接離させることを特徴とする。
The present invention has the following configuration in order to achieve the above object.
That is, a movable processing film layer on which a polymer actuator is formed, an elastic contact film layer on which an electrical contact is formed, and a circuit pattern layer on which a circuit pattern is formed facing the contact, A substrate built-in type electric element provided by laminating the polymer actuator and the contact film layer, the contact and the circuit pattern in this order, and laminating the substrate in this order. The tip side is formed in a tongue-like shape that becomes a movable end, and when the DC voltage is applied, the contact film layer is pushed, and when the DC voltage is cut off, the original shape is restored, and the circuit pattern and The contact point is electrically connected and separated .
また、前記接点フィルム層に舌片部を設けるとともに、該舌片部の先端側に前記接点を設け、前記高分子アクチュエータにより前記舌片部を押動して回路パターンと接点とを電気的に接離させることを特徴とする。 In addition, a tongue piece is provided on the contact film layer, the contact is provided on a tip side of the tongue piece, and the tongue portion is pushed by the polymer actuator to electrically connect the circuit pattern and the contact. It is made to contact and separate .
また、前記接点フィルム層に、前記回路パターンと接点とを電気的に接離させた際に電気的に接離される回路パターンが設けられていることを特徴とする。 The contact film layer may be provided with a circuit pattern that is electrically contacted and separated when the circuit pattern and the contact are electrically contacted and separated .
また、基板の内部に平行平板型のキャパシタを構成する導体と可動導体とを基板の厚さ方向に離間させて設け、高分子アクチュエータにより前記可動導体を前記導体に接離する向きに押動して、キャパシタンスを可変とした基板内蔵型の電気素子であって、前記可動導体が、前記導体に対向して伸縮性を有する接点フィルム層に形成され、該接点フィルム層の前記導体に対向する面とは反対面側に、高分子アクチュエータが形成された可動処理フィルム層が設けられ、前記高分子アクチュエータは、先端側が可動端となる舌片状に設けられ、直流電圧を印加した際に、前記接点フィルム層を押動し、直流電圧を遮断した際に元の形状に復帰して、前記可動導体を前記導体に接離する向きに押動することを特徴とする。 In addition, a conductor constituting a parallel plate type capacitor and a movable conductor are provided in the substrate so as to be spaced apart from each other in the thickness direction of the substrate, and the movable conductor is pushed in a direction in which the conductor is in contact with and separated from the conductor. A substrate-embedded electric element having a variable capacitance, wherein the movable conductor is formed on a contact film layer having elasticity in opposition to the conductor, and the surface of the contact film layer facing the conductor A movable processing film layer on which a polymer actuator is formed is provided on the side opposite to the surface, and the polymer actuator is provided in a tongue-like shape with the tip side serving as a movable end, and when a DC voltage is applied, When the contact film layer is pushed and the DC voltage is cut off, the contact film layer returns to its original shape, and the movable conductor is pushed toward and away from the conductor .
また、前記導体と可動導体の間に、キャパシタンスを増大させるための高誘電体層あるいは導体層が設けられていることが有効である。 It is also effective to provide a high dielectric layer or a conductor layer for increasing the capacitance between the conductor and the movable conductor.
本発明に係る高分子アクチュエータを用いた電気素子は、高分子アクチュエータを駆動体として利用したきわめて小型の製品として基板内に組み込むことが可能であり、リレー部品等の電気素子として基板内に組み込んで搭載することが可能となる。 Electric element using a polymer actuator according to the present invention can be incorporated into very small products and to group the plate using a polymer actuator as a drive member, the substrate as an electrical element of the relay parts and the like It can be installed and mounted.
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面とともに詳細に説明する。
図1は高分子アクチュエータを利用した電気素子として、電気接点のON−OFFを制御する接点部品(リレー部品)として構成した例を示す。同図で10が電気的絶縁体からなる支持体であり、12が支持体10に立設した固定接触子、14が固定接触子12に対向させて支持体10に並設した可動接触子である。可動接触子14は固定接触子12に対し先端側が接離可能に支持体10に支持されており、常時は頂部に形成した接点14aが固定接触子12の接点12aから離間するように成形して設けられている。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings .
FIG. 1 shows an example in which an electric element using a polymer actuator is configured as a contact part (relay part) for controlling ON / OFF of an electric contact. In the figure,
16が可動接触子14の側方に可動接触子14と並列に支持体10に取り付けた高分子アクチュエータである。この高分子アクチュエータ16は樹脂材料を用いて細いフィルム状に形成したものであり、フィルム体の両面間に電圧を印加することによって湾曲変形が生じるように処理されている。本例の高分子アクチュエータ16は、プレポリマー法によって形成したポリウレタン膜を0.1重量モル濃度で酢酸ナトリウムを含むメタノール/アセトン=40/60混合溶媒に15時間浸漬し、乾燥させて膜厚0.2mm、幅1mm、長さ5mmのフィルム体に形成したものを使用している。
高分子アクチュエータ16の基部の両面に各々電極17を形成し、高分子アクチュエータ16の基部を支持体10に支持している。電極17には金等の適宜導体材料が使用でき、めっき、蒸着等の適宜方法によって形成することができる。18は電極17から延出する電極端子である。
A
本例の電気素子は、高分子アクチュエータ16の電極端子18に電圧を印加することにより、フィルム体が湾曲する変形を起こし、図1(b)に示すように、可動接触子14が高分子アクチュエータ16によって押動されて接点14aが接点12aに押接され、固定接触子12と可動接触子14とが電気的に導通する。また、高分子アクチュエータ16に印加する電圧を切ると、可動接触子14の弾性によって可動接触子14が元の位置に復帰し、接点12aと接点14aとが開放される。
なお、本例においては、可動接触子14の高分子アクチュエータ16が当接する部位を高分子アクチュエータ16側へ膨出するように湾曲させて形成し、湾曲部14bに高分子アクチュエータ16の可動端が当接して効率的に可動接触子14が押動されるようにした。
In the electric element of this example , the film body is deformed by applying a voltage to the
In this example , the portion of the
高分子アクチュエータ16の湾曲量は高分子アクチュエータ16に印加する電圧によって変わり、本例の高分子アクチュエータ16では、電極端子18、18間に300ボルト程度の電圧を印加することによって高分子アクチュエータ16の先端部を0.5mm程度以上湾曲移動させることができた。
このように、本例の電気素子は、高分子アクチュエータ16に加える電圧をON−OFF制御することにより、可動接触子14と固定接触子12との電気的導通をON−OFF制御することができ、これによってリレー部品として利用することができる。
The amount of bending of the
As described above, the electrical element of this example can control the electrical continuity between the
高分子アクチュエータ16はきわめて微細に形成することが可能であり、本例の電気素子は、きわめて小型に形成することが可能である。また、高分子アクチュエータ16は電気的応答性に優れること、高分子アクチュエータ16には比較的高電圧を印加する必要はあるものの、消費電流は小さいから電気素子としての消費電力は小さいという利点がある。
なお、本例では、高分子アクチュエータ16としてその先端部に可動処理を施していないものを使用した。樹脂材料からなる高分子アクチュエータ16の先端部に可動処理を施さないようにすることで、高分子アクチュエータ16に電圧を印加した際に高分子アクチュエータ16の先端部に湾曲等の変形を起こさせないようにすることができ、これによって高分子アクチュエータ16による駆動作用を効果的に行うことができる。以下の例についても本例と同様に、高分子アクチュエータ16として、その先端部には可動処理を施していないものを使用している。
The
In this example , the
なお、本例においては、固定接触子12と可動接触子14とが常時は離間した状態にあり、高分子アクチュエータ16に電圧を印加した際に、固定接触子12に可動接触子14が押接される(a接点)ようにしたが、これとは逆に、固定接触子12と可動接触子14との中間に高分子アクチュエータ16を配置し、固定接触子12と可動接触子14とが常時は接触した状態にあって、高分子アクチュエータ16に電圧を印加した際に固定接触子12から可動接触子14が離間する(b接点)ように構成することも可能である。
In this example , the stationary contact 12 and the
図2は高分子アクチュエータを用いた電気素子の構成を示す説明図である。本例の電気素子は、図2(a)に示すように、固定接触子12を2つ、可動接触子14を2つ設けて、固定接触子12と可動接触子14とを各々対向させて配置し、一つの高分子アクチュエータ16によって2つの可動接触子14、14を一括して押動して、2つの固定接触子12と2つの可動接触子14との電気的導通を同時にON−OFF制御するように構成した例である。この例のように、一つの高分子アクチュエータ16を用いて複数の接点の電気的導通をON−OFF制御するように構成することもできる。
Figure 2 is an explanatory diagram showing a configuration of an electrical device using the high molecular actuator. As shown in FIG. 2 (a), the electric element of this example is provided with two fixed contacts 12 and two
図3は高分子アクチュエータを用いた電気素子の構成を示す説明図である。本例の電気素子は、対向して配置した対となる固定接触子12、13の間に可動接触子14を配置し、可動接触子14の接点14aが、常時は一方の固定接触子13の接点13aを弾性的に押接するように設けた例である。高分子アクチュエータ16は上述した例と同様に、可動接触子14を一方向から他方向へ押動する位置に設けられ、高分子アクチュエータ16に電圧を印加することによって、高分子アクチュエータ16が可動接触子14を押動して、一方の固定接触子13と可動接触子14の端子間の電気的導通をOFFとし、他方の固定接触子12と可動接触子14の端子間の電気的導通をONとすることができる。
Figure 3 is an explanatory diagram showing a configuration of an electrical device using the high molecular actuator. In the electric element of this example , a
この電気素子は、高分子アクチュエータ16に電圧を印加した際にのみ、固定接触子12と可動接触子14とが電気的に導通され、高分子アクチュエータ16に印加する電圧を切ると、可動接触子14の弾性力によって可動接触子14が一方の固定接触子13に接触する元位置に復帰する。このように、接点を切り替える方式の電気素子(リレー部品)にも高分子アクチュエータ16を利用することができる。なお、固定接触子12、13は一対配置してもよいし、複数対配置してもよい。本例では固定接触子12、13を複数対配置し、一つの高分子アクチュエータ16によって可動接触子14を一括して押動するように構成している。
This electric element is electrically connected to the fixed contact 12 and the
図4は高分子アクチュエータを用いた電気素子の他の例を示す。本例の電気素子は、固定接触子12、13を対向させて所定距離離間させて配置し、その中間に高分子アクチュエータ16を配置したものである。本例において特徴的な構成は、高分子アクチュエータ16自体に、上述した例における可動接触子14と同様な作用をさせることにある。
図4(a)に示すように、高分子アクチュエータ16は対向して配置されている固定接触子12、13の中間に、常時は一方の固定接触子13に接触するように配置され、電極17に電圧を印加することによって高分子アクチュエータ16が湾曲して可動端が他方の固定接触子12に接触するように設けられている。
Figure 4 shows another example of an electrical device using the high molecular actuator. In the electric element of this example, the
As shown in FIG. 4 (a), the
高分子アクチュエータ16は可動端の両面に導体被膜16aが設けられたものである。導体被膜16aは、高分子アクチュエータのフィルム体の表面にたとえば金やアルミニウムなどを蒸着して形成することができる。導体被膜16aは一方の固定接触子13の接点に接触することにより、隣接する端子13a、13b間と、13c、13d間が電気的に導通するように設けられ、同様に他方の固定接触子12の接点に接触することによって、隣接する端子間が電気的に導通するように設けられている。
図4(a)は、高分子アクチュエータ16に電圧が印加されていない状態で、固定接触子13の接点に高分子アクチュエータ16の一方の面に設けられた導体被膜16aが接触している状態を示す。
The
FIG. 4A shows a state in which the conductor coating 16 a provided on one surface of the
図4(c)は、高分子アクチュエータ16を側面方向から見た状態である。隣接する端子同士が電気的に導通するように、フィルム体にスリット16bが設けられていることを示す。なお、スリット16bを設けるかわりに、導体被膜16aのパターンを、隣接する2つの固定接触子12同士または固定接触子13同士のみが電気的に導通される形状に分割して設けておいてもよい。
また、フィルム体の表面に設ける導体被膜16aは、単なる導通パターンでなく、所要の回路パターンとして形成することも可能であり、フィルム体の表面に半導体素子や回路部品を前記回路パターンと電気的に接続して搭載することもできる。高分子アクチュエータ16の可動端に可動処理を施さないようにしてフィルム体の変形を防止することにより、フィルム体に回路パターンを形成したり回路部品を搭載したりしやすくなる。
FIG. 4C shows a state in which the
In addition, the conductor coating 16a provided on the surface of the film body can be formed as a required circuit pattern instead of a simple conduction pattern. A semiconductor element or a circuit component is electrically connected to the circuit pattern on the surface of the film body. It can be connected and installed. By preventing the film body from being deformed by not performing the movable process on the movable end of the
本例では、固定接触子12、13を4個ずつ対向させて配置したが、さらに多数個の固定接触子を配置するように形成することも可能である。また、本例では固定接触子12、13のすべてに対して、一度に高分子アクチュエータ16を接離させるようにしているが、固定接触子12、13の隣接するそれぞれの2つを一組として個別に高分子アクチュエータ16を配置し、これらの高分子アクチュエータ16を個別に制御するようにして、2つの固定接触子ごとに電気的導通をON−OFF制御するように構成することもできる。
In this example , four fixed
上述した電気素子では、高分子アクチュエータを電気接点をON−OFF制御するものとして使用しているが、図5、6では高分子アクチュエータをバリアブルキャパシタの構成部品として使用する例を示す。
本例の電気素子は、平行平板型キャパシタの電極板32、33間に移動体として導体板30を設け、導体板30を電極板32、33の間で挿抜してキャパシタンスを変化させる駆動体として高分子アクチュエータ16を使用している。
Above I mentioned the electrical elements, but are used as the ON-OFF controlling the electrical contacts of the polymer actuator, an example of using in FIGS polymer actuator as a component of the variable capacitor.
The electric element of this example is provided with a
図5(b)は本例の電気素子の正面図である。短冊状のフィルム体に形成された高分子アクチュエータ16は、基部の両面に電極17が設けられ、支持体10にその基部を固定して、電極端子18に電圧を印加しない通常時においては電極板32、33の間に導体板30を挿入した状態となるように設定されている。
導体板30は高分子アクチュエータ16の可動端側に取り付けられており、図5(a)の平面図に示すように、高分子アクチュエータ16のフィルム体に抜け止めして取り付けられている。
5 (b) is a front view of an electrical device of the present embodiment. The
The
電極板32、33は、支持体10と一体に形成された支持側板10aから延出する支持板34、34に、導体板30を挿抜する間隔をあけて板面が平行になるように支持されている。32a、33aは電極板32、33と電気的に接続して支持板34の外方まで引き出された接続端子である。
図5(c)は電気素子の左側面図であり、導体板30が電極板32、33に挟まれて配置されていることを示す、図5(d)は電気素子の右側面図であり、高分子アクチュエータ16が短冊状に形成されていることを示す。
The
5 (c) is a left side view of the electric element, and shows that the
図5(b)に示した状態で高分子アクチュエータ16に電圧を印加すると、高分子アクチュエータ16は、図6に示すように、電極板32、33間から導体板30を抜き出す方向に湾曲するように変形する(湾曲位置)。また、高分子アクチュエータ16への印加電圧を切ると、高分子アクチュエータ16は図5(b)に示す元の状態に復帰する(復帰位置)。電極板32、33間のキャパシタンスは、電極板32、33間を挿抜させる導体板30の移動量(面積)によって変わるから、高分子アクチュエータ16に印加する電圧を制御することによって、導体板30の移動量を制御することができ、これにともなって電極板32、33間のキャパシタンスを変えることができる。
When a voltage is applied to the
こうして、本例の接続端子32a、33aに電気回路の導線を接続し、高分子アクチュエータ16に印加する電圧を調節することによって、電気回路のバリアブルキャパシタとして使用することができる。
なお、高分子アクチュエータ16をバリアブルキャパシタを構成する駆動部品として使用する方法は、図5に示す構成に限られるものではない。たとえば、本例では電極板32、33間に導体板30を挿抜させる構造としたが、この導体板30にかえて高誘電体板を挿抜させるようにすることもできる。また、他の形態として、2枚の電極板の中間に高分子アクチュエータを配置し、高分子アクチュエータに電圧を印加することによって、2枚の電極板間で高分子アクチュエータを平板形状から湾曲形状に変形させ、これによってバリアブルキャパシタとすることもできる。
In this way, by connecting the conductor of the electric circuit to the connection terminals 32a and 33a of this example and adjusting the voltage applied to the
Note that the method of using the
なお、上述した各例においては、高分子アクチュエータ16に電圧を印加し、高分子アクチュエータ16を駆動体として種々の機能を発揮させるようにしている。この場合、高分子アクチュエータ16には直流電圧を加えたり切ったりして、断続して電圧を印加するようにしているが、高分子アクチュエータ16に印加させる電圧を連続的に増減調節する方法で印加し制御することも可能である。高分子アクチュエータ16に印加する電圧については、以下の実施形態においても同様に制御することができる。
In each example described above, a voltage is applied to the
(実施の形態1)
図7は薄形の基板内に高分子アクチュエータを組み込んだ電気素子の実施の形態を示す。図7は基板40の断面図を示すものであり、図7(a)は高分子アクチュエータ16に電圧を印加していない状態、図7(b)は高分子アクチュエータ16に電圧を印加した状態を示す。
基板40は、基板の最外層を構成する所定の強度を備えたケーシング層42、44と、絶縁フィルム層46と、一方の面に接点50が設けられた接点フィルム層48と、可動処理用フィルム層52との5層構成からなる。ケーシング層42の接点50に対向する内面には所定の回路パターン54が形成されている。
(Embodiment 1 )
FIG. 7 shows an embodiment of an electric element in which a polymer actuator is incorporated in a thin substrate. 7 shows a cross-sectional view of the
The
図7では、説明上、各層の層間を若干あけて描いているが、これらの各層は電気的絶縁性を有する接着剤層によって相互に接着されている。このように、ケーシング層42、44と、絶縁フィルム層46と、接点フィルム層48と、可動処理用フィルム層52とを積層して多層に形成する方法としては、たとえば各層間に接着性フィルムを介在させて加熱および加圧してラミネートしたり、対向する各層の一方側に接着剤を塗布して接着剤層を形成した後、各層を相互に位置合わせし、加熱および加圧して一体化したりして基板状に形成する方法を利用することができる。
In FIG. 7, for the sake of explanation, the layers are drawn with a slight gap between them, but these layers are bonded to each other with an adhesive layer having electrical insulation. As described above, as a method of laminating the casing layers 42, 44, the insulating
図8(b)に可動処理用フィルム層52の平面図(図7(a)のY−Y’矢視図)を示す。高分子アクチュエータ16は、可動処理用フィルム層52をコの字状に窓抜きした窓52a内に舌片状に突出して形成され可動処理が施されている。
高分子アクチュエータ16の基部の両面に電極17を設けた構成は、上述した各実施形態における構成と同様である。可動処理用フィルム層52の両面に、電極17に電気的に接続する配線パターン17aを設け、配線パターン17aに電極端子18を接続する。電極端子18に電圧を印加することによって高分子アクチュエータ16は、可動端が接点フィルム層48を押す向きに湾曲する。
FIG. 8B shows a plan view of the movable processing film layer 52 (viewed along the arrow YY ′ in FIG. 7A). The
The configuration in which the
図8(d)は可動処理用フィルム層52に設ける高分子アクチュエータ16の他の例を示す。図8(d)に示す高分子アクチュエータ16は可動端側を平面形状で先細状に形成したものである。高分子アクチュエータ16の可動端側を徐々に幅狭に形成することによって高分子アクチュエータ16の可動端側の自重を軽くし、高分子アクチュエータ16の自重によるたわみを減らし、動作速度を向上させることが可能となる。
FIG. 8D shows another example of the
53は可動処理用フィルム層52に設けたスリットである。可動処理用フィルム層52には高分子アクチュエータ16を隣接させて多数個形成することが可能である。スリット53は高分子アクチュエータ16を動作させた際に、隣接する高分子アクチュエータ16(駆動体)に可動処理用フィルム層52を介して応力が波及することを防止する目的で設けられている。電気素子を平面的に多数個形成するような場合に、隣接する電気素子間で応力が影響を及ぼし合うことを防止する構成を設けることは重要である。
また、このスリット53の位置で複数の電気素子に分割することにより、電気素子を容易に量産化することも可能である。
Further, by dividing into a plurality of electric elements at the position of the
可動処理用フィルム層52はポリウレタン膜等の樹脂フィルムからなり、電圧を印加することによって部分的に可動となるように処理することが可能である。可動処理用フィルム層52に高分子アクチュエータ16を形成する方法としては、可動処理用フィルム層52で高分子アクチュエータ16として機能させる部位のみを可動処理するように形成することもできるし、可動処理用フィルム層52全体を可動処理し、高分子アクチュエータ16として機能させる部位のみに電圧が印加されるように形成することもできる。
実際に図7に示すような電気素子を形成する際には、可動処理用フィルム層52やケーシング層42、44として大判のワークを使用し、同一形状の電気素子を同時に多数個作り込んだ後、個片の電気素子に切断して製品とする方法が効率的である。大判の可動処理用フィルムに所定のパターンで窓抜き加工を施したり、蒸着法によって電極17を形成したりすることは容易に可能である。
The movable
When actually forming an electric element as shown in FIG. 7, after using a large-sized work as the movable
接点フィルム層48は回路パターン54に押接される接点50が設けられている層であり、高分子アクチュエータ16の押動力を利用して接点50を回路パターン54に接離させる作用をなす。すなわち、接点フィルム層48は高分子アクチュエータ16が裏面(接点50が設けられている面の反対面)を押圧した際に、接点50を回路パターン54に押接させ(図7(b)の状態)、高分子アクチュエータ16が元位置に復帰した際に接点50を回路パターン54から離間させる(図7(a)の状態)。このような作用をなすため、接点フィルム層48は容易に弾性変形が可能で、伸縮性の優れた材料、たとえばエラストマによって形成するのがよい。
The
接点フィルム層48が容易に変形できる材料からなる場合、あるいは高分子アクチュエータ16による押圧力が十分である場合には、接点フィルム層48は面的に高分子アクチュエータ16を覆うように形成してかまわないが、高分子アクチュエータ16による押圧力が弱い場合には、図8(a)(図7(a)のZ−Z’矢視図)に示すように、接点50を支持する支持部48aの周囲に透孔を設け、細幅の吊り片49によって支持部48aを支持するように形成するのがよい。吊り片49を介して支持部48a(接点50)を支持することにより、高分子アクチュエータ16の押圧力によって容易に接点50を押動させることができ、回路パターン54に接点50を押接させることが容易に可能となる。
なお、接点50は回路パターン54に接触した際に回路パターン54と電気的な導通がとれる材料であれば適宜材料によって形成でき、金めっき、金蒸着等の適宜方法によって形成することができる。
When the
The
絶縁フィルム層46は、回路パターン54と接点50とを電気的に絶縁するとともに、通常時において、接点50が回路パターン54に接触しないように接点50と回路パターン54とを離間させるスペーサとして設けられている。絶縁フィルム層46で接点50と対向する部位については、所定の大きさの透孔が設けられ、透孔内に接点50を配置して接点50が回路パターン54(ケーシング層42)に対向するように設けられる。
図8(c)(図7(a)のX−X’矢視図)は、ケーシング層42に設けられている回路パターン54の例を示す。本実施形態の回路パターン54は先端部が若干離間して配置された一対のパターンからなるものである。接点フィルム層48に設けられている接点50は、回路パターン54に押接された際に、回路パターン54の一対の先端部と交差して双方の回路パターン54を導通するように設けられている。本実施形態において接点50が平面形状で細長に形成されているのは、離間して配置されている回路パターン54の先端部間と交差させるようにするためである。
The insulating
FIG. 8C (an XX ′ arrow view in FIG. 7A) shows an example of a
図示例の回路パターン54は、接点50が回路パターン54に押接された際に、電気的な導通がとられる例として示したものであり、回路パターン54は任意の形状に形成することができる。また、接点50と回路パターン54との接続も1点だけに限らず、複数点で回路パターン54と接続されるようにすることも可能である。
図8(c)では、回路パターン54を端子55に電気的に接続するようにパターン形成しているが、ケーシング層42に回路パターン54を形成する方法は、銅張り樹脂基板等からなる配線基板の従来の製造工程において、樹脂基板の表面に被着されている銅箔をエッチング等によって所定の配線パターンに形成するといった従来方法を利用することが可能であり、製品に合わせて任意のパターンを形成したり、微細なパターンに形成したりすることも容易である。
The
In FIG. 8 (c), the
図7(b)は、高分子アクチュエータ16に電圧を印加し、高分子アクチュエータ16が湾曲変形して接点フィルム層48を押動し、接点50が回路パターン54に押接された状態を示す。接点50が回路パターン54に押接されることにより、図8(c)に示すように、回路パターン54が電気的に導通された状態になる。また、高分子アクチュエータ16への印加電圧を切ると、高分子アクチュエータ16は元位置に復帰し、接点50が回路パターン54から離間する。
こうして、高分子アクチュエータ16に印加する電圧を制御することによって、回路パターンの電気的導通をON−OFF制御することが可能となる。
FIG. 7B shows a state in which a voltage is applied to the
Thus, by controlling the voltage applied to the
本実施形態の電気素子は、高分子アクチュエータ16がきわめて薄く、小型に形成できることから、薄形の基板内に高分子アクチュエータ16を組み込んだ小型部品として形成することができる。基板内に高分子アクチュエータ16が組み込まれて、密閉された状態となることから、高分子アクチュエータ16が外気によって経年変化することを防止することができる。また、従来の配線基板を製造する方法を利用して容易に量産することが可能であり、製品の種々のバリエーションに容易に対応することができるという利点がある。
The electric element of this embodiment can be formed as a small component in which the
(実施の形態2)
図9は基板内に高分子アクチュエータを組み込んだ電気素子の他の実施形態を示す。
本実施形態においても、基板40がケーシング層42、44、絶縁フィルム層46、接点フィルム層48および可動処理用フィルム層52の5層構造からなること、可動処理用フィルム層52に設けられた高分子アクチュエータ16により接点フィルム層48を押動して、接点50をケーシング層42の内面に設けられた回路パターン54に押接する構成とした点は、上述した実施の形態6の電気素子と同様である。
上記実施の形態と相違している構成は、図11に示すように、接点フィルム層48に舌片部48bを形成し、舌片部48bの先端部に接点50を設けて、舌片部48bを高分子アクチュエータ16によって押動するように構成した点である。図11(a)は、舌片部48bを平面形状で矩形状に形成した例、図11(b)は舌片部48bを平面形状で先細に形成した例である。図11(b)に示すように舌片部48bを先細状に形成することで舌片部48bが曲がりやすくなる。51は舌片部48bの基部に設けたスリット孔である。スリット孔51を設けることで舌片部48bがさらに曲がりやすくなり、自重を軽減することができる。
(Embodiment 2 )
FIG. 9 shows another embodiment of an electrical element incorporating a polymer actuator in the substrate.
Also in this embodiment, the
As shown in FIG. 11, the configuration different from the above embodiment is that a tongue piece 48b is formed in the
図10(a)は、高分子アクチュエータ16に電圧が印加されておらず、舌片部48bを高分子アクチュエータ16が押動していない状態、図10(b)は、高分子アクチュエータ16に電圧が印加され、高分子アクチュエータ16が湾曲変形して可動端が舌片部48bを押動して接点50を回路パターン54に押接している状態を示す。このように、本実施形態においても高分子アクチュエータ16に印加する電圧を制御することにより、回路パターン54における電気的導通のON−OFFを制御することができる。
なお、図9、10では、高分子アクチュエータ16の可動端を舌片部48bの可動端に対向させて配置しているが、高分子アクチュエータ16の可動端と舌片部48bの可動端とが同じ向きに延出するように高分子アクチュエータ16と舌片部48bとを配置し、舌片部48bの裏面(下側)から高分子アクチュエータ16を湾曲させるように変形させ、高分子アクチュエータ16と同じ向きに舌片部48bを湾曲させるように舌片部48bを押動することによって接点50を回路パターン54に押接させることも可能である。
10A shows a state where no voltage is applied to the
9 and 10, the movable end of the
また、上述した実施の形態1、2では、高分子アクチュエータ16を接点フィルム層48が配置された一方側に湾曲させているが、電極17に印加する直流電圧の正負の向きを逆にすることによって、高分子アクチュエータ16を逆向きに湾曲させることができる。したがって、接点フィルム層48、絶縁フィルム層46を高分子アクチュエータ16を挟んで対称に配置し、他方のケーシング層44の内面にも回路パターン54を設けて、高分子アクチュエータ16を他方側にも湾曲させるように駆動することにより、ケーシング層42、44の双方に設けた回路パターン54の電気的導通を高分子アクチュエータ16によって制御するように形成することもできる。
In the first and second embodiments described above, the
また、実施の形態1、2において、接点フィルム層48の一方の面あるいは両面に回路パターンを設けて、接点50をケーシング層42、44の回路パターンに押接した際に、接点フィルム層48に設けた電気回路とケーシング層42、44に設けた電気回路の一方あるいは双方が電気的に導通されるようにすることもできる。
In the first and second embodiments, when a circuit pattern is provided on one or both surfaces of the
図12は、基板内に高分子アクチュエータを組み込んだ電気素子を示す。
本例では、接点フィルム層48を省略し、高分子アクチュエータ16自体に接点50を設けたこと、高分子アクチュエータ16を一方側と他方側に湾曲可能に形成したことを特徴とする。
接点50は高分子アクチュエータ16の可動端近傍の両面に形成する。本例では高分子アクチュエータ16の可動端の近傍については可動処理を施さないようにしている。162が可動処理を施していない部位であり、接点50はこの可動処理を施していない部位に設ける。高分子アクチュエータ16の全体に可動処理を施すと、高分子アクチュエータ16に電圧を印加した際に、接点50を支持している部位を含めて高分子アクチュエータ16が湾曲変形してしまい、接点50が正確に回路パターン54に押接されなくなる場合があるからである。
Figure 12 shows an electrical element incorporating the polymer actuator in the substrate.
In this example , the
The
また、この可動処理を施していない部位162については、可動処理用フィルム層52を構成する樹脂材自体の電気的絶縁性を有するから、接点50を確実に電気的に絶縁した状態とすることが可能である。また、高分子アクチュエータ16の表面に回路パターンを形成するような場合も、可動処理を施していない部位162に回路パターンを形成することによって回路パターンを電気的に絶縁した状態で形成することが可能となる。
Further, the
図13は、高分子アクチュエータ16に電圧を印加して、高分子アクチュエータ16を一方側と他方側に湾曲するように変形させ、回路パターン54に接点50が押接される状態を示している。図13(a)は、高分子アクチュエータ16に電圧が印加されていない状態で、高分子アクチュエータ16の両面に設けた接点50が回路パターン54の双方と離間している状態である。図13(b)は、高分子アクチュエータ16に電圧を印加してケーシング層42の内面に設けた回路パターン54に接点50が押接された状態、図13(c)は、図13(b)の状態とは逆向きの電圧を高分子アクチュエータ16に印加してケーシング層44の内面に設けた回路パターン54に接点50が押接された状態を示す。
FIG. 13 shows a state in which a voltage is applied to the
図14は、高分子アクチュエータ16の一面のみに接点50を設けた例で、高分子アクチュエータ16を一方側にのみ変形するように制御する例である。この場合は、ケーシング層42の内面にのみ回路パターン54を設け、基板40は4層構成となる。
図12、14のいずれの場合も、接点50および回路パターン54は、図8(c)に示したように、接点50が回路パターン54に押接された際に、接点50と回路パターン54とが交差する配置として、回路パターン54の電気的導通をON−OFFするように設けることができる。なお、高分子アクチュエータ16自体に電気的絶縁層を介する等によって接点50と電気的に接続される回路パターンを設け、ケーシング層42、44に設けた回路パターン54と高分子アクチュエータ16に設けた回路パターンとの電気的導通をON−OFF制御するように構成することも可能である。
FIG. 14 is an example in which the
Both cases of 12 and 14, the
図15は、ケーシング層42、44と高分子アクチュエータ16の双方に回路パターンを設けた例である。図15(b)は、ケーシング層42に設けた回路パターン54の平面図であり、回路パターン54の端部の、接点50が押接される位置に接点50aが設けられている。他方のケーシング層44にも図15(b)と同様な回路パターンおよび接点が設けられている。
図15(a)は、高分子アクチュエータ16および高分子アクチュエータ16が設けられている可動処理用フィルム層52に設けられた回路パターンの平面図を示す。高分子アクチュエータ16の可動端側と両側縁部には可動処理を施していない部位162が設けられており、高分子アクチュエータ16の先端部に設けられた接点50に、可動処理を施していない部位162を経由して回路パターン56が接続されている。高分子アクチュエータ16の裏面に設けられた接点50についても可動処理を施していない部位162を経由して裏面側の接点50に接続する回路パターン56aが設けられている。57、57aは可動処理用フィルム層52に設けた回路パターン56、56aに接続して設けられた端子である。 図15(c)は、高分子アクチュエータ16の他の例を示すもので、可動端側を平面形状で先細状に形成し、高分子アクチュエータ16の自重を軽減して、動作特性を向上させるように形成した例を示す。
FIG. 15 shows an example in which circuit patterns are provided on both the casing layers 42 and 44 and the
FIG. 15A shows a plan view of the circuit pattern provided on the movable
このように、ケーシング層42、44に回路パターン54を形成し、可動処理用フィルム層52に回路パターン56、56aを設けたことにより、高分子アクチュエータ16に電圧を印加して接点50がケーシング層42あるいはケーシング層44に設けられた接点50aに押接されると、ケーシング層42あるいはケーシング層44に設けられた端子55と可動処理用フィルム層52に設けられた端子57あるいは端子57aとが電気的に導通した状態になり、高分子アクチュエータ16への印加電圧を切ると、ケーシング層42あるいはケーシング層44に設けた端子55と可動処理用フィルム層52に設けた端子57、57a間が電気的に開放される。このように、高分子アクチュエータ16に印加する電圧を制御することによってケーシング層42、44と可動処理用フィルム層52の端子間での電気的導通がON−OFF制御されることになる。
Thus, by forming the
(実施の形態3)
図16は、基板内に高分子アクチュエータを組み込んだ電気素子のさらに他の実施形態を示す。本実施形態の電気素子は、基板内に高分子アクチュエータを組み込み、高分子アクチュエータを利用してバリアブルキャパシタを構成した例である。
平行平板形のキャパシタは、平板間の間隔を変えることによってキャパシタンスを変えることができる。本実施形態では基板40内に平行平板を構成し、高分子アクチュエータによって平行平板の間隔を制御するように構成したものである。
図16において、60は絶縁フィルム層46に形成した導体であり、62は接点フィルム層48に形成した可動導体である。本実施形態においては接点フィルム層48には接点のかわりに可動導体62を形成しているが、上述した実施形態における接点フィルム層48と同一の動きをする層という意味で接点フィルム層と呼ぶことにする。
なお、絶縁フィルム層46はバリアブルキャパシタのキャパシタンスを大きくするため高誘電体材料によって形成するのがよい。また、導体60はケーシング層42の側に形成してもよい。47は可動導体62を絶縁フィルム層46から離間して支持するためのスペーサ層である。
(Embodiment 3 )
FIG. 16 shows yet another embodiment of an electrical element incorporating a polymer actuator in the substrate. The electric element of this embodiment is an example in which a polymer actuator is incorporated in a substrate and a variable capacitor is configured using the polymer actuator.
The parallel plate type capacitor can change the capacitance by changing the distance between the plates. In the present embodiment, parallel plates are formed in the
In FIG. 16, 60 is a conductor formed on the insulating
The insulating
図17(a)は、絶縁フィルム層46に設けた導体60の平面図(X矢視図)を示す。本実施形態では導体60を円形に形成している。64は配線パターンを介して導体60と電気的に接続して設けた接続端子である。
図17(b)は、接点フィルム層48に設けた可動導体62の平面図(Z矢視図)を示す。可動導体62も導体60と同様に円形に形成されている。可動導体62には同芯状に円弧状のスリット部を設けているが、これは高分子アクチュエータ16によって接点フィルム層48を押圧した際に、可動導体62が湾曲して変形しやすくするためである。もちろん、可動導体62をベタパターンに形成してもよい。可動導体62は配線パターンを介して接続端子65に電気的に接続される。
FIG. 17A shows a plan view (as viewed in the direction of the arrow X) of the
FIG. 17B shows a plan view (as viewed from the arrow Z) of the
図17(b)では、接点フィルム層48の下層側に配置される高分子アクチュエータ16の電極17の配置および電極17と電気的に接続される電極端子18を併せて示している。また、図17(b)では、基板40内に複数個のキャパシタを組み込む場合に、可動導体62等を並列させて配置する例を示している。63は隣接する可動導体62の境界に設けたスリットである。スリット63は高分子アクチュエータ16によって可動導体62が押圧されて湾曲した際に、隣接する可動部(キャパシタ)に応力が伝播しないようにするために設けられている。
FIG. 17B shows the arrangement of the
図16(a)は、高分子アクチュエータ16に電圧を印加していない状態で、接点フィルム層48を押圧していない状態、すなわち、可動導体62が導体60からもっとも離間した位置にある状態である。図16(b)は双方の高分子アクチュエータ16、16に電圧を印加し、高分子アクチュエータ16、16によって接点フィルム層48を絶縁フィルム層46に向けて押圧した状態を示す。接点フィルム層48が押圧されることにより、可動導体62が固定側の導体60にもっとも接近した位置にまで移動する。本実施形態では、一つの可動導体62に対して一対の高分子アクチュエータ16を対称配置に設け、高分子アクチュエータ16によって可動導体62を絶縁フィルム層46に対して略平行に移動するようにしている。
本実施形態の電気素子では、このように、高分子アクチュエータ16、16を駆動することによって導体60と可動導体62との間隔が変動し、これにともなってキャパシタンスが変動することからバリアブルキャパシタとして使用することができる。
FIG. 16A shows a state where no voltage is applied to the
In the electric element of the present embodiment, the distance between the
(実施の形態4)
図18は、高分子アクチュエータを利用したバリアブルキャパシタの他の実施形態を示す。本実施形態の電気素子は可動導体62を一つの高分子アクチュエータ16によって押動するように設けたことを特徴とする。
図19(a)は、絶縁フィルム層46に設けた導体60の平面図(X矢視図)を示す。本実施形態では導体60および可動導体62を平面形状で矩形状に形成している。図19(b)(Z矢視図)に示すように、接点フィルム層48では可動導体62に隣接して透孔を設け、細幅の吊り片49によって可動導体62を支持して、一つの高分子アクチュエータ16によって容易に可動導体62を押動できるようにしている。接点フィルム層48を高分子アクチュエータ16によって押動することによりキャパシタンスを変動させるようにする作用は実施形態9と同様である。
(Embodiment 4 )
FIG. 18 shows another embodiment of a variable capacitor using a polymer actuator. The electric element of the present embodiment is characterized in that the
FIG. 19A shows a plan view (as viewed in the direction of arrow X) of the
以上、本発明に係る高分子アクチュエータを用いた電気素子の各種の実施形態について説明した。これらのうち、実施形態1〜4は基板40を多層構造として基板40の内部に高分子アクチュエータ16を組み込んだ基板内蔵型の電気素子として構成したものである。基板40に高分子アクチュエータ16を組み込む工程は、一般的な配線基板の製造工程中に組み入れることが可能である。すなわち、電気部品として使用される配線基板内に高分子アクチュエータを組み込むことによって、電気的接点や電気回路をON−OFFする構造やバリアブルキャパシタを配線基板内に搭載することが可能である。これによって、基板の薄形化を図るとともに、新たな作用および用途の配線基板として提供することが可能である。とくに、上述した基板40内に高分子アクチュエータ16を組み込む方法は、多層に積層する配線基板の従来の製造方法に類似する方法によるから、従来の配線基板の製造方法を容易に適用して量産することが可能である。また、多数個の電気素子を形成した後に分割して個片の電気素子にすることも容易に可能である。
As described above, various embodiments of the electric element using the polymer actuator according to the present invention have been described. Among these, the first to fourth embodiments are configured as an electric element with a built-in substrate in which the
10 支持体
10a 支持側板
12、13 固定接触子
12a、13a、14a 接点
13 固定接触子
14 可動接触子
14b 湾曲部
16 高分子アクチュエータ
16a 導体被膜
16b スリット
17 電極
18 端子
30 導体板
32、33 電極板
40 基板
42、44 ケーシング層
46 絶縁フィルム層
48 接点フィルム層
50 接点
52 可動処理用フィルム層
53 スリット
54、56、56a 回路パターン
55、55a、57、57a 端子
60 導体
62 可動導体
63 スリット
64、65 接続端子
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記高分子アクチュエータは、先端側が可動端となる舌片状に形成され、直流電圧を印加した際に、前記接点フィルム層を押動し、直流電圧を遮断した際に元の形状に復帰して、前記回路パターンと接点とを電気的に接離させることを特徴とする電気素子。 A movable processing film layer on which a polymer actuator is formed, a stretchable contact film layer on which an electrical contact is formed, and a circuit pattern layer on which a circuit pattern is formed facing the contact include a polymer Between the actuator and the contact film layer, the contact and the circuit pattern are separated from each other, and in this order, the board-embedded electric element provided by being laminated in the substrate,
The polymer actuator is formed in a tongue-like shape with the tip side serving as a movable end. When a DC voltage is applied, the contact film layer is pushed, and when the DC voltage is cut off, the polymer actuator returns to its original shape. An electric element characterized in that the circuit pattern and the contact point are electrically connected and separated.
前記可動導体が、前記導体に対向して伸縮性を有する接点フィルム層に形成され、
該接点フィルム層の前記導体に対向する面とは反対面側に、高分子アクチュエータが形成された可動処理フィルム層が設けられ、
前記高分子アクチュエータは、先端側が可動端となる舌片状に設けられ、直流電圧を印加した際に、前記接点フィルム層を押動し、直流電圧を遮断した際に元の形状に復帰して、前記可動導体を前記導体に接離する向きに押動することを特徴とする電気素子。 Provided a conductor and a movable conductor constituting the internal capacitor of the parallel plate type of the substrate is separated in the thickness direction of the substrate, and pushing in the direction approaching and moving away from said movable conductor to the conductor by the polymer actuator, A board-embedded electrical element with variable capacitance,
The movable conductor is formed in a contact film layer having a stretchability facing the conductor ,
A movable processing film layer on which a polymer actuator is formed is provided on the side of the contact film layer opposite to the surface facing the conductor,
The polymer actuator is provided in a tongue-like shape with the tip side serving as a movable end. When a DC voltage is applied , the polymer actuator pushes the contact film layer and returns to its original shape when the DC voltage is interrupted. The electric element is configured to push the movable conductor in a direction in contact with or away from the conductor.
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