JP2010041860A - 高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路及び操作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な回路構成でアクティブ・キーだけを突出させるとともに照光できるようにした高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路及び操作装置を提供すること。
【解決手段】 第１回路Ａの起動スイッチＳＷ０を閉じると、電源１６から第１の電極層３と第２の電極層４との間に電圧Ｅ１が印加され、アクチュエータ本体１０の自由端１０Ｂが上方に変形してキー１１を突出状態に設定する。そして、第１の電極層３が操作パネル３０の下面に設けられた導電路３３の接点３４に接触し第２回路Ｂが閉じられると、電源１８の電圧Ｅ２が発光素子７の端子７ａ，７ｂに印加するため、発光素子７が点灯してキー１１の表面が照光される。これにより、アクティブ・キーだけを突出させるとともに照光できるようにすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電力やイオン移動を利用して高分子層に曲げ変形を生じさせる高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路及び操作装置に係わり、特に曲げ変形によってキーの突出状態や照光状態を変化させる高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路及び操作装置に関する。

従来より、操作部に複数のキーが配列されるとともに、複数のキーの照光を行う照明機能を備えた装置としては、例えば以下の特許文献１に記載されたスイッチモジュールなどが存在する。

特許文献１に記載されたスイッチモジュールでは、基板上にドーム式の可動接点が設けられており、基板と可動接点の表面に導光性シートが積層されている。

導光性シートの端面に発光素子が対向配置されており、発光素子から出射された光は、導光性シート内を導光し、可動接点を構成する金属面によって上方に反射される。そして、キートップに入射され、キートップの上面を照明するというものである。

一方、複数のキーのうち機能の割り当てがあるものだけを隆起させて感触のみで確認ができるリモコンのスイッチが以下の特許文献２に記載されている。
特開２００７−５３０６３号公報 特開２０００−２８７２８４号公報

しかし、特許文献１に記載された発明では、常に配列された複数のキーの全てが基板から突出する構成である。このため、感触によりキーが配列されていることはわかるが、隣接してキーが配置されている場合には必ずしも目的とするキーを操作できるとは限らない。

また特許文献１に記載のものでは全てのキーが照明されてしまう。このため、ブラインドタッチ入力を習得したような上級者を除き、キーの表面に表示されている文字等を目で見て確認しなければ、正しい操作を行うことは困難である。

また、特許文献２に記載のものには照明機能がないため、暗い所での操作に困難がある。

基板上にキーごとに発光素子を設けて、アクティブ・キーだけを照明するようにすれば一見して入力すべきキーが判別でき、入力ミスを低減することが可能となる。

しかし、発光素子の総数が多く配線が複雑化するため、小型化または薄型化しにくくなるという問題がある。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、簡単な回路構成でアクティブ・キーだけを突出させるとともに照光できるようにした高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路及び操作装置を提供することを目的としている。

本発明は、操作パネル内に進退自在に支持されたキーの進退動作を行う高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路であって、
前記高分子アクチュエータは、対向配置された第１の電極層および第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に設けられた高分子層とを有し、
前記キーは、前記キーの表面が前記操作パネルの表面に対して同一平面をなす一致状態と、前記キーの表面が前記操作パネルの表面よりも上方に持ち上げられる突出状態のいずれかの状態に設定可能であり、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電界が与えて、前記高分子アクチュエータを変形させ、このとき前記キーを前記一致状態と前記突出状態の一方から他方の状態に移行させる第１回路と、
前記第１の電極層と前記操作パネルまたは前記キーに設けられた接点との間が接離することにより開閉状態が切り換えられる第２回路と、が設けられていることを特徴とするものである。

本発明では、アクティブ・キーだけを操作部の表面に突出させることができる。このため、視覚および触覚（手に触れたキーの感触）からキーの操作状態を知覚することが可能となり、操作ミスが発生する確率を低減することができる。この点で、盲人に対する操作性を向上させることができる。

上記においては、前記第２回路が、前記キーを照光する光源を有し、前記高分子アクチュエータが変形することによって前記光源の照光状態が切り換えられるものが好ましい。

上記手段では、アクティブ・キーだけを照光状態に切換えることが可能となるため、視覚的な面における操作性をさらに向上させることができる。

また前記高分子層が透光性の高分子材料で形成され、前記光源が前記高分子層の一方の端面に設けられており、
前記高分子アクチュエータが変形したときに、前記高分子層の他方の端面を有する側の前記高分子アクチュエータの端部が前記キーの下面を持ち上げるとともに、前記他方の端面から出射した光によって前記キーが照光させられるものが好ましい。

上記手段では、光源（発光素子）をキーの近傍に密集して配置する必要がなくなるため、設計上の自由度を高めることが可能となる。

例えば、前記高分子層は電解質を含み、前記高分子層の一方の面に前記第１の電極層が他方の面に前記第２の電極層が設けられ、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に、電界が与えられたときに、前記高分子アクチュエータ内のイオンが移動することによって曲げ変形するものである。

また本発明は、前記いずれかに記載のスイッチ回路を利用した操作装置であって、
前記操作体には複数のキーが配列されており、個々のキーに対して前記光源の点滅と前記キーの進退動作が行われるものである。

上記発明では、例えば、配列された複数のキーのうちから、アクティブ・キーとなるいくつかのキーのみを予め突出させておくことができる。さらにはアクティブ・キーのみを照光状態に設定することが可能となるため、操作ミスが起き難い操作装置とすることができる。
そして、前記キー操作に連動してキー入力を行うキー入力機構が設けられている。

本発明では、簡単な回路構成でアクティブ・キーだけを突出させるとともに、照光状態に設定することが出来る。

また本発明では、動作待機状態に合わせて発光素子を点灯状態に切り換えるとともに、キーの押下に合わせて消灯状態に切り換えるための専用のドライブ回路を不要にできるため、回路構成を容易化とコストの低減を図ることができる。

図１（Ａ），（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態の切換回路に利用される高分子アクチュエータ本体の動作原理を示す断面図、図２は高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路の構成を示す概略図である。

第１の実施の形態に使用される高分子アクチュエータ１の動作原理について説明する。
第１の実施の形態に使用される高分子アクチュエータ１は、電界印加によるイオン移動を利用したイオン導電型アクチュエータとして機能するアクチュエータ本体１０を有している。

図１（Ａ），（Ｂ）に示すようにアクチュエータ本体１０は、電解質層である高分子層２と、この高分子層２の一方の面に設けられた第１の電極層３と、高分子層２の他方の面に設けられた第２の電極層４とが重ねられて構成されている。
高分子層２は、ベースポリマーにイオン液体を混合したゲル状のフィルムである。

第１の電極層３および第２の電極層４は、高分子層２と同じベースポリマー、およびイオン液体と導電性フィラーを混合しゲル状としたものである。たとえば、ベースポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデンなどを用いることが出来る。また、導電性フィラーとしては、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーなどを用いることが出来る。

前記高分子層２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３およびシート状の第３の電極層４とが積層されて３層構造のアクチュエータ本体１０が形成される。

図１（Ｂ）に示すように、第１の電極層３が陰極側になり第２の電極層４が陽極側となるように、電界が与えられると、高分子層２内の陰イオンおよび極性分子が陽極側である第２の電極層４の方向へ移動する。第１の電極層３と第２の電極層４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３と第２の電極層４内の陰イオンおよび極性分子も第２の電極層４の方向に移動する。これとは逆に、陽イオンおよび極性分子は第１の電極層３の方向に移動する。

その結果、第２の電極層４側において高分子層２の体積が膨張し、曲げ応力が発生して、図１（Ｂ）に示すように、アクチュエータ本体１０に曲げが発生する。

次に、高分子アクチュエータ１を利用したスイッチ回路および操作装置について説明する。

図２に示すように、アクチュエータ本体１０は、その基端部１０Ａが拘束材５ｂと基板２０上に固定された拘束材５ａとで挟まれて、片持ち支持されている。アクチュエータ本体１０の先端は自由端１０Ｂを構成しており、電界が与えられていない状態ではアクチュエータ本体１０は図示点線で示す真っ直ぐに延びた水平な状態にある。

基板２０の上方には、基板２０に対して平行に設けられた操作パネル３０が設けられている。操作パネル３０には貫通孔３１が形成されており、この貫通孔３１の内部にはキー１１が設けられている。キー１１の底面側には外周側に広がるフランジ部１２が一体に設けられている。

貫通孔３１の内面には、板厚方向（Ｚ方向）に、フランジ部１２の板厚寸法よりも高い高さ寸法を有する切欠部３２が部分的に形成されている。フランジ部１２はこの切欠部３２内に保持されており、この切欠部３２の内部を高さ（Ｚ）方向に移動可能である。

図２に実線で示すように、切欠部３２の内部をＺ１方向に移動したフランジ部１２の上端が、切欠部３２の上端に当接すると、キー１１の表面が操作パネル３０の表面から図示上方に突出する（突出状態）。また図２に点線で示すように、フランジ部１２の下端が、Ｚ２方向の切欠部３２の下端に当接すると、キーの表面が操作パネル３０の表面とほぼ同一平面に設定される（一致状態）。つまり、キー１１は、フランジ部１２が切欠部３２の上端と下端との間を移動可能な範囲で、貫通孔３１内を板厚方向に進退自在に保持されている。

操作パネル３０の下面には、金やカーボン材料などからなる導電路３３がパターン形成されている。導電路３３の端部は、前記貫通孔３１の縁部から貫通孔３１の内面に沿って折れ曲がるようにして入り込んでおり、折れ曲がったエッジ部分が接点３４を形成している。

図２に示すように、キー１１の下方（Ｚ２方向）で、前記アクチュエータ本体１０と重ならない基板２０上の位置には、ＬＥＤなどからなる発光素子（光源）７が固定されている。発光素子（光源）７は所定の電流が与えられると、光を上面から周囲に放つ。

前記基板２０上には、複数の導電路２１がパターン形成されている。このような導電路２１のいずれかを用いることにより、アクチュエータ本体１０の第１の電極層３と第２の電極層４との間には、電源１６と起動スイッチＳＷ０が直列に接続されている。この状態では、第１の電極層３と第２の電極層４に電源１６の電圧Ｅ１が印加可能な状態にある。

また別の導電路２１ａは、その間に設けられた電源１８を介して発光素子（光源）７の一方の端子７ａと導電路３３との間を接続し、さらに別の導電路２１ｂは発光素子７の他方の端子７ｂと第１の電極層３との間を接続している。導電路２１ａと導電路３３とはＧＮＤに接地されている。発光素子（光源）７の一方の端子７ａと他方の端子７ｂとの間は、電源１８の電圧Ｅ２が印加可能な状態にある。

前記電源１６と起動スイッチＳＷ０を含む回路が高分子アクチュエータ本体１０を駆動する第１回路Ａを形成し、電源１８を含む回路が発光素子７を点灯および消灯させる第２回路Ｂを形成している。

なお、第２回路Ｂの導電路３３が、常にＧＮＤ対して接地されるようにしたことから、操作パネル３０外へのノイズの放出を抑制し、または外部からのノイズの影響を受け難くするシールド効果が期待できる。

図２に示すように、第１回路Ａの起動スイッチＳＷ０を閉じて第１の電極層３と第２の電極層４との間に電源１６の電圧Ｅ１を印加して電界を発生させると、アクチュエータ本体１０に曲げが発生する。すなわち、アクチュエータ本体１０は拘束されている基端部１０Ａを支点として自由端１０Ｂ側が持ち上げられる。また起動スイッチＳＷ０を開き、与えていた電圧Ｅ１を解除して電界を０にすると、変形前の元の状態に戻される。

次に、高分子アクチュエータ１を利用したスイッチ回路の動作について説明する。
（初期状態）
初期状態では、前記第１回路Ａの起動スイッチＳＷ０は開いた状態にある。このため、第１の電極層３と第２の電極層４には電圧Ｅ１は印加されておらず、アクチュエータ本体１０は点線で示すように水平姿勢の状態にある。

同時に、発光素子（光源）７と電源１８との間の第２回路Ｂは回路的に開いているため、発光素子（光源）７は消灯した状態にある。

この状態では、キー１１は、その表面が操作パネル３０の表面と同一平面となる一致状態に設定されている。

（動作待機状態）
ここでの動作待機状態とは、第１回路Ａの起動スイッチＳＷ０を閉じた状態を意味する。この動作待機状態では、第１の電極層３と第２の電極層４に所定の電圧Ｅ１が印加される。図２に実線で示すように、起動スイッチＳＷ０を閉じて動作待機状態に設定すると、アクチュエータ本体１０が図示Ｚ１方向に曲げ変形する。そして、アクチュエータ本体１０の自由端１０Ｂは操作パネル３０の貫通孔３１に入り込み、さらにはキー１１の底部に当接してキー１１全体を上方（Ｚ１方）に持ち上げる。これにより、キー１１はその表面が操作パネル３０の表面よりも図示Ｚ１方向に突出するアクティブ・キーに設定される（突出状態またはアクティブ状態）。

なお、薄型キーの場合には、キー１１の表面が操作パネル３０の表面とほぼ一致する位置まで持ち上げられた状態をアクティブ・キーとする構成であってもよい。

オペレータは、キー１１の表面が操作パネル３０の表面から突出しまたは一致する状態にあることで、視覚によりまたは触れたときの感触により、キー１１がアクティブ・キーに設定されたことを知覚することが可能である。

図２に示すように、キー１１が全体的に持ち上がると、アクチュエータ本体１０の第１の電極層３が操作パネル３０の下面に形成されている接点３４に接触する。すると、第１の電極層３と導電路３３とが導通接続されて第２回路Ｂが形成される。すなわち、発光素子７の端子７ａ，７ｂ間に電源１８の電圧Ｅ２が印加されるため、発光素子７を点灯させることができる。

なお、アクチュエータ本体１０の第１の電極層３のうち接点３４と接触する部分に、例えばＡｕメッキなどを施すことによって接点電極（図示せず）を部分的に厚く形成した構成にするとよい。このようにすると、第１の電極層３上の接点電極が導電路３３側のエッジ部分である接点３４に接触するようになり、例えば磨耗などによって第１の電極層３の当該部分が変形することによる接点不良を防止することが可能となる。

発光素子（光源）７から放たれた光は、キー１１の下面を照らし出す。キー１１が透光性の合成樹脂などで形成されている場合には、光はキー１１の内部を透過してキー１１の表面からキー１１の外部に出射する。これにより、キー１１の表面が照光される。あるいはキー１１の表面に文字等が形成されている場合には、その文字等が明るく浮かび上がる。また光がキー１１の内部を透過しない場合でも、キー１１と貫通孔３１との間から漏れる光により、キー１１の周囲が明るく照らし出される。

このため、オペレータは照光状態を見極めることにより、いずれのキー１１がアクティブ・キーであるかを視覚的に判別することが可能である。

また、第２回路Ｂが形成されたことを検知して他に設けられた処理装置で処理を行ったり、図示しない表示装置に表示を行ったりすることも可能である。 オペレータは、アクティブ状態のキー１１の表面を押下し、アクチュエータ本体１０に持ち上げられているキー１１を押し下げることにより、キー入力を行いうことができる。キー１１が押し下げられると、第１の電極層３が前記接点３４から離れ、電源１８と発光素子７との間を形成する第２回路Ｂが断たれる。このため、押下されたキー１１に対応する発光素子７を消灯させることができる。

このように、第１の電極層３と操作パネル３０に形成されている導電路３３の接点３４との部分は、発光素子（光源）７を点灯または消灯させる切換スイッチＳとして機能している。

なお、キー１１による入力操作は、例えばプッシュ式のキー入力機構や静電容量式のキー入力機構（図示せず）などをキー１１の裏面に設けることによって検知することが可能である。

さらには、内部に光センサを設置し、いずれの発光素子７が点灯または消灯したかを検出することにより、キー１１の入力を検出するようにしてもよい。

図３は第１の実施の形態の第１変形例としての高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路の構成を示す概略図である。

図３の切換回路で使用される高分子アクチュエータは、上記の高分子アクチュエータとほぼ同様の構成であるが、高分子層２に導光機能を持たせた点で相違している。

図３に示すアクチュエータ本体１０は、電解質層である高分子層２と第１の電極層３および第２の電極層４が、共にイオン交換が可能な透明なゲル状の高分子で形成されているが、ここでは、第１の電極層３および第２の電極層４を構成しているゲル状の樹脂の屈折率が、高分子層２を構成しているゲル状の樹脂の屈折率よりも低く設定されている。このようにすると、高分子層２と第１の電極層３との境界を屈折率境界面にでき、また高分子層２と第２の電極層４との境界を屈折率境界面にできる。その結果、高分子層２を伝播する光が、第１の電極層３と第２の電極層４内に洩れにくくなって、光が高分子層２内を高い効率で伝播するようになる。

しかも、電解質層である高分子層２内の陰イオンは第２の電極層４内に移動できるので、アクチュエータ本体１０の全体に大きな曲げ応力を与えることができる。

図３に示すように、この高分子層２は、片持ち支持されている基端部１０Ａ側の基端面２ａが光入射端面を構成し、自由端１０Ｂ側の先端面２ｂが光出射端面を構成している。基端面２ａの近傍には発光素子（光源）７が対向して配置されており、発光素子（光源）７から発せられた光は一方の基端面２ａから高分子層２の内部に入射する。高分子層２の内部に入射した光は、高分子層２内を伝播して他方の先端面２ｂから外部に出射する。

図３に示すように、この第１変形例においても、第１回路Ａの起動スイッチＳＷ０を閉じると、アクチュエータ本体１０の第１の電極層３と第２の電極層４との間に電源１６からの電圧Ｅ１が印加されて電界が発生するため、アクチュエータ本体１０が曲げ変形する。このとき、キー１１が上方に持ち上げられて、キー１１の表面を操作パネル３０の表面から突出（突出状態又はアクティブ状態）させることができる。

またアクチュエータ本体１０が曲げ変形すると、第１の電極層３が操作パネル３０の導電路３３の接点３４に接触する。すると、第２回路Ｂが閉じて、発光素子７の一方の端子７ａと他方の端子７ｂとの間に電源１８の電圧Ｅ２が印加されて、発光素子（光源）７が発光する。

そして、高分子層２内を伝播して先端面２ｂから出射した光は、キー１１及びその裏面を照光する。このため、突出状態に変化したアクティブ・キー１１のみを照光することができる。

図３に示す変形では、発光素子７をキー１１と対向する位置、すなわち貫通孔３１の下面の位置に設ける必要がないため、設計上の自由度を高めることができる。すなわち、キー１１と対向する基板２との間のスペースを、発光素子（光源）７以外のために有効活用することが可能となる。

また図３に示す第１変形例においても、第２回路Ｂの導電路３３が、常にＧＮＤに接地されている。このため、操作パネル３０外へのノイズの放出を抑制し、または外部からのノイズの影響を受け難くするシールド効果が期待できる。

図４は第１の実施の形態の第２変形例を示す高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路の概略図である。

第２変形例の回路構成は上記第１の実施の形態と同様であるが、接点をキー１１の底面に設けた点が異なっている。なお、図４では省略しているが、操作パネル３０に対するキー１１の支持構造は上記第１の実施の形態と同様である。

図４に示す高分子アクチュエータでは、操作パネル３０の下面に導電路３３が形成され、キー１１の下面に金属導体が露出する状態で形成された接点３４が設けられている。そして、導電路３３の端部と接点３４との間がフレキシブルケーブル３５を介して接続されている。

図４に示すように、起動スイッチＳＷ０が開いた非駆動状態では、アクチュエータ本体１０は水平姿勢にあり、キー１１は図示Ｚ２方向の下降位置にある。この状態では、フレキシブルケーブル３５は略Ｕ字形状からなる撓み部３５ａを有して形成されている。フレキシブルケーブル３５は、この撓み部３５ａの長さ寸法分だけ図示Ｚ１方向に移動可能な状態にある。

そして、起動スイッチＳＷ０が閉じられて駆動状態に至ると、アクチュエータ本体１０が上記同様に変形し、アクチュエータ本体１０の自由端１０Ｂがキー１１をＺ１方向に持ち上げられる。このとき、フレキシブルケーブル３５が延ばされ、前記撓み部３５ａが解消される。そして、前記アクチュエータ本体１０の第１の電極層３が前記キー１１の底面に形成された接点３４に接触すると、発光素子７側の回路がオン状態となるため、発光素子７が点灯し、キー１１が照光される。

また起動スイッチＳＷ０を開く状態に切り換えると、キー１１がＺ２方向の下降位置に戻るため、発光素子７を消灯させることが可能である。このとき、フレキシブルケーブル３５には撓み部３５ａが再形成される。

このように、図４の第２変形例では、撓み部を備えたフレキシブルケーブル３５を利用することにより、キー１１の上下（Ｚ）方向の自由な移動が拘束されることなく、キー１１の移動と、これに伴う発光素子７の点灯および消灯を行うことが可能である。

上記第１の実施の形態および第１，第２変形例では、高分子アクチュエータ１のみを制御して起動スイッチＳＷ０を動作待機状態に設定するだけで、キー１１を突出状態（アクティブ状態）に設定することができ、さらには発光素子７を照光状態に設定することができる。しかも、オペレータがキー１１を押下すると、キー入力とともに発光素子７を消灯状態に切り換えることができる。このため、動作待機状態に合わせて発光素子７を点灯状態に切り換えるとともに、キーの押下に合わせて消灯状態に切り換えるための専用のドライブ回路を不要とすることができる。この点で、回路構成を容易化することができ、コストの低減を図ることが可能である。

なお、上記第１の実施の形態および第１，第２変形例では、照光スイッチの構成として、アクチュエータ本体１０の一方の面に設けられた第１の電極層３が、発光素子７に電力を供給する電源供給ラインの一部として機能する構成を示して説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、第１の電極層３の表面に絶縁シートを介して別電極としての接点電極を形成し、操作パネル３０の下面に第１の対向電極と第２の対向電極を互いに絶縁された状態で且つ接近する状態で形成しておいてもよい。この構成では、アクチュエータ本体１０が曲げ変形したときに、前記接点電極が第１の対向電極と第２の対向電極の双方に接触することで、第１の対向電極と第２の対向電極との間が導通接続され、これにより照光スイッチが形成される。これにより第１の電極層３の代わりに接点電極を電源供給ラインとし機能させることができる。

図５（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２の実施の形態のスイッチ回路に利用される高分子アクチュエータの動作原理を示す断面図であり、（Ａ）は駆動状態、（Ｂ）は動作待機状態を示している。

図５（Ａ），（Ｂ）に示される高分子アクチュエータ４１は、シート状の高分子層４２を有している。高分子層４２は電気活性ポリマーと称されるものである。前記電気活性ポリマーは、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂などのエラストマーであり、対向する電極層間で絶縁誘電体として機能する。また、高分子層４２に使用される電気活性ポリマーは透光性である。本明細書での透光性とは、内部を光が伝播できる状態であり、透明であるか、または内部に光の伝播を損ねない範囲でフィラーや不純物などが混入されている状態を意味する。

高分子層４２の下側の面である第１の表面４２ａに第１の電極層４３が密着して設けられ、高分子層４２の上側の面である第２の表面４２ｂに、第２の電極層４４が密着して設けられている。

第１の電極層４３には円形の穴４３ａが開口し、第２の電極層４４にも円形の穴４４ａが開口している。第１の電極層４３の穴４３ａと第２の電極層４４の穴４４ａは、その中心が高分子層４２の上下において一致している。

高分子層４２および第１の電極層４３と第２の電極層４４とが重ねられたアクチュエータ本体４０は、その外周縁４０ａが前記穴４３ａ，４４ａと同心円の円形である。そして、アクチュエータ本体４０は、前記外周縁４０ａよりも内側部分において、下側の拘束リング４５ａと上側に拘束リング４５ｂとで挟まれている。拘束リング４５ａと拘束リング４５ｂは、合成樹脂やセラミックなどの非導電性で実質的に変形しない剛性を有する材料で形成されている。アクチュエータ本体４０の外周縁４０ａは、その半径が増大する方向へ広がらないように、前記拘束リング４５ａと拘束リング４５ｂとで保持されている。

前記第１の電極層４３と第２の電極層４４は、ポリマーを主体として構成されている。例えば、オレフィン系などの導電性ポリマーに銀粉やカーボンなどの導電性フィラーが混入されている。第１の電極層４３と第２の電極層４４は、高分子層４２とほぼ同じ弾性率を有しており、高分子層４２が面方向に向けて膨張するときに、第１の電極層４３と第２の電極層４４が一緒に面方向へ膨張することができる。

アクチュエータ本体４０の前記外周縁４０ａには、高分子層４２の端面４２ｃが露出している。前記外周縁４０ａの外側には、少なくとも１個の発光素子（光源）７が設けられている。発光素子（光源）７はＬＥＤなどの可視光を発する。発光素子（光源）７から発せられる光は、前記端面４２ｃから高分子層４２の内部に入射させられる。なお、発光素子（光源）７の周囲が、端面４２ｃに向く側以外で遮蔽されており、発光素子（光源）７からの光が高分子層４２が存在する方向以外に洩れにくくすることが好ましい。または、前記発光素子（光源）７と前記端面４２ｃとの間に、発光素子（光源）７からの光を高分子層４２の内部に集光させるための集光レンズが設けられていてもよい。

第２の電極層４４の上部で、前記拘束リング４５ｂの内側には、操作パネル４６が設けられている。操作パネル４６には、第２の電極層４４に形成された穴４４ａに対向して設けられた穴４６ａが形成されている。この穴４６ａの内部には板厚（Ｚ）方向に対して進退自在に設けられたキー５１が設けられている。

また操作パネル４６の下面には導体５３が形成されている。導体５３は放射状に延びる複数の導線路であってもよいし、一面が金属膜（ベタ膜）で形成された構成であってもよい。導体５３の中心側は折れ曲がった状態で穴４６ａの内部に入り込んでいる。そして、折れ曲がったエッジ部分が周状の接点５４を形成している。

キー５１の表面は、操作パネル４６の表面とほぼ同一平面で形成されている。
次に、第２の実施の形態の高分子アクチュエータの動作について説明する。

アクチュエータ本体４０は、穴４３ａ，４４ａの中心から半径方向の各方向へ均一に張力が与えられた状態で、拘束リング４５ａと拘束リング４５ｂとで挟まれている。アクチュエータ本体４０に対して、放射方向の各方向へ均等な歪みが予め適正に与えられていると、第１の電極層４３と第２の電極層４４との間に電圧を印加したときに、高分子層４２に面方向に沿う歪みが発生しやすくなる。

図５（Ａ）は、第１の電極層４３と第２の電極層４４に電圧が印加されていない状態（非駆動状態）を示している。アクチュエータ本体４０には放射方向へ均等な歪みが予め与えられているため、図５（Ａ）の状態の高分子層４２は、第１の表面４２ａと第２の表面４２ｂが互いに平行で且つ平坦な状態である。

このため、キー５１は、穴４６ａの内に入り込んでおり、キー５１の表面は操作パネル４６の表面と同一平面となるように設定されている（一致状態）。

図５（Ｂ）に示すように、第１回路Ａの起動スイッチＳＷ０を閉じて、第１の電極層４３と第２の電極層４４との間に電圧Ｅ１を印加すると、動作待機状態に設定することができる。この動作待機状態では、第１，第２の電極層４３，４４間に挟まれている高分子層４２が絶縁性で且つ誘電体として機能するため、第１の電極層４３にプラスの電荷が帯電し、第２の電極層４４にマイナスの電荷が帯電する。よって第１の電極層４３と第２の電極層４４との間に作用する静電引力により、第１の電極層４３と第２の電極層４４との間に距離を縮めようとする力が作用する。高分子層４２はエラストマーであるため、第１の電極層４３と第２の電極層４４の距離が縮むように厚さ方向へ収縮変形するとともに、エラストマー材料に由来するポアッソン比に基づいて、高分子層４２に面方向への伸び歪みが発生しようとする。このとき、第１の電極層４３と第２の電極層４４も高分子層４２に追従して面方向へ伸び歪みを生じようとする。

アクチュエータ本体４０の外周縁４０ａは拘束リング４５ａ，４５ｂで拘束されているため、高分子層４２と第１の電極層４３および第２の電極層４４の３層構造の部分で生じる面方向の歪みにより、アクチュエータ本体１０は、前記穴４３ａ，４４ａの直径が縮むように変形する。その結果、穴４３ａ，４４ａ内に位置する高分子層４２が、図５（Ｂ）に示すようにドーム状に変形する。

穴４３ａ，４４ａ内に位置する高分子層４２は、図１の上方向と下方向のいずれの方向へもドーム状に変形することができる。しかし、高分子層２の第１の表面に無機フィラーを薄く混入させたり、または第２の表面４２ｂに面粗れの表面処理を施すなどして、第１の表面４２ａよりも第２の表面４２ｂの弾性率をほんのわずかだけ低下させることで、穴４３ａ，４４ａ内に位置する高分子層２を必ず上向きに変形させることができる。なお、穴４３ａを封鎖することによっても高分子層２必ず上向きに変形させることが可能である。

図５に示すアクチュエータ本体４０は、高分子層４２が第１の電極層４３と第２の電極層４４とで挟まれた領域、すなわち穴４３ａ，４３ｂを除く領域で、厚さ寸法が大きく、穴４３ａ，４４ａ内よりも剛性がやや高いため、この領域が拘束領域４０Ｂとなる。そして、穴４３ａ，４４ａの内部において高分子層４２が単層で存在している領域が変形領域４０Ａとなる。第１の電極層４３と第２の電極層４４との間に電圧Ｅ１が印加されると、前記拘束領域４０Ｂにおいて、面方向への伸びが生じるが、その力は、前記拘束領域４０Ｂよりも剛性の低い変形領域４０Ａに集中し、その結果、変形領域４０Ａ内において高分子層４２がドーム状に変形する。

その結果、高分子層４２のドーム状に変形した部分が、操作パネル４６の穴４６ａ内に進入してキー５１を上方に持ち上げる。よって、キー５１の表面を操作パネル４６の表面よりも図示上方に突出させることができる（突出状態またはアクティブ状態）。またキー５１を薄く形成した薄型キーでは、キー５１の表面が操作パネル４６の表面とほぼ同一面となる一致状態に設定される。

図５（Ｂ）に示すように、この状態では、第２の電極層４４の中心側の上面が、操作パネル４６の下面に形成されている導体５３の接点５４に当接し、導体５３と第２の電極層４４とを導通接続する。これにより、発光素子（光源）７の一方の端子７ａと他方の端子７ｂとの間の第２回路Ｂが閉じられて電圧Ｅ２が印加されるため、発光素子（光源）７を点灯させることができる。

図６は、高分子アクチュエータを利用した操作装置の操作部の概略を示す斜視図、図７は図６の操作装置に設けられたスイッチ回路の一構成例を示す等価回路図である。

図６に示す操作装置は、例えば携帯電話機などの携帯端末機の操作部、あるいは現金自動預け払い機（ＡＴＭ：Automated Teller Machine）などの操作部、さらにはＦＡＸやコピー機などのその他の機器の操作部に使用することも可能である。

このような、操作部には複数の穴が形成されており、各穴には、板厚方向に進退自在に支持された複数のキーが設けられている。そして、これらのキーの下面（裏面）には上記第１または第２の実施の形態に示すいずれかの種類の高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路６０がそれぞれ設けられている。

なお、以下においては第１の実施の形態として示した高分子アクチュエータ１を用いて説明する。

図６において、操作パネル３０から突出しているキー１１が、アクティブ・キー１１ａを示している。このように、操作前の状態においてあらかじめアクティブ・キー１１ａが操作パネル３０の表面から突出するようにすると、あらかじめ操作が可能なキー１１を視覚や感触（操作パネル３０に触れたときの凹凸感）により知ることができるため、操作ミスの発生を低減することが可能となる。

図７に示すように、このスイッチ回路６０には、複数の高分子アクチュエータ本体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・と、発光素子（光源）７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，・・・と、電源１６，１８と、トランジスタなどから構成される起動スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，・・・が設けられている。

起動スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，・・・は、制御端子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・を有しており、図示しない制御回路からこの制御端子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・を介して与えられる制御信号に基づいて動作する。

図７に示すスイッチ回路６０では、起動スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，・・・のそれぞれが、２ヶ一組のトランジスタＴ１，Ｔ２からなるプッシュプル回路で形成されており、各トランジスタのベース端子は制御端子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・に接続されている。

例えば、制御端子Ｄ１にハイ・レベル信号が入力されると、これに対応する起動スイッチＳＷ１の一方のトランジスタＴ１がオンに、他方のトランジスタＴ２はオフに設定される。これにより、一方の電源１６ａの電圧Ｅ１（＋）が起動スイッチＳＷ１のトランジスタＴ１を介してアクチュエータ本体１０ａの第１の電極層３と第２の電極層４との間に印加される。よって、アクチュエータ本体１０ａが変形し、キー１１が操作部から突出したアクティブ・キー１１ａに設定される。

同時に、切換スイッチＳ１がオン状態に切り換わり、アクチュエータ本体１０ａの第１の電極層３と操作パネル３０下面に設けられた導電路３３との間が接点３４（図１参照）を介して導通接続され、これに対応する発光素子（光源）７Ａが点灯させされる。よって、発光素子７Ａに対応するアクティブ・キー１１ａを明るく照光することができる。同時に、アクティブ・キー１１ａに対応するキー入力機構（図示せず）を用いてキー入力することが可能となる。

そして、点灯しているアクティブ・キー１１ａを押圧すると、このアクティブ・キー１１ａに対応する第１の電極層３と導電路３３の接点３４との間の接続が断たれ、切換スイッチＳ１がオフ状態に切り換わるため、このアクティブ・キー１１ａを照明している発光素子（光源）７Ａを消灯させることができる。同時に、アクティブ・キー１１ａに対応するキー入力機構（図示せず）を用いてのキー入力が行われる。なお、これらの動作は他の起動スイッチＳＷ２，ＳＷ３においても同様である。

このように、起動スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，・・・の一方のトランジスタＴ１の動作を制御するだけで、アクチュエータ本体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の駆動、発光素子（光源）７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，・・・の点灯および各キー入力機構によるキー入力を行うことが可能であるが、図７の起動スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，・・・には他方のトランジスタＴ２，Ｔ２，Ｔ２，・・・もそれぞれ設けられている。

制御端子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，・・・のいずれかにロウ・レベル信号が入力されると、これに対応するいずれかの各起動スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，・・・に設けられた他方のトランジスタＴ２，Ｔ２，Ｔ２，・・・がオンし、一方のトランジスタＴ１，Ｔ１，Ｔ１，・・・がオフ状態に切り換わる。これにより、他方の電源１６ｂの電圧Ｅ１（−）がトランジスタＴ２，Ｔ２，Ｔ２，・・・を介していずれかのアクチュエータ本体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の第１の電極層３と第２の電極層４との間に印加されるが、電源１６ｂの極性は電源１６ａとは逆極性であるため、アクチュエータ本体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・を逆方向に変形させることができる。このため、例えばキー１１を凹状態に設定することもできる。あるいは突出状態にあるアクティブ・キー１１ａの表面を操作パネル３０の表面と一致する一致状態に強制的に戻すことが可能となる。

したがって、操作パネル３０に配列されている複数のキーの凹凸状を変えることにより、様々な利用形態を提案することができるようになる。

図７に示すように、上記のスイッチ回路６０では、アクチュエータ本体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・を駆動するための電源１６ａ，１６ｂを含む第１回路Ａと、発光素子（光源）７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，・・・を点灯させる電源１８を含む第２回路Ｂとのうち、ＧＮＤに接地する導電路３３を一部共通化することができる。このため、配線数を少なくすることができ、この点で回路構成を簡素化することが可能である。

また第１回路Ａでは、起動スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，・・・を構成する一方のトランジスタＴ１，Ｔ１，Ｔ１，・・・の各コレクタ端子が共通の配線経路Ｌ１を介して電源１６ａに接続され、同様に他方のトランジスタＴ２，Ｔ２，Ｔ２，・・・の各コレクタ端子も共通の配線経路Ｌ２を介して電源１６ｂに接続される構成である。さらに第２回路Ｂでは、発光素子（光源）７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，・・・のアノード側の各端子が共通の配線経路Ｌ３を介して電源１８に接続される構成である。よって、このスイッチ回路６０は、これらの点でも配線数を少なくして回路構成の簡素化を図っている。

なお、上記実施の形態では、第２回路Ｂを発光素子の点灯および消灯用の切換え回路として機能する場合を示して説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、その他の機能、例えばビープ音を発生させるための回路として機能させる構成であってもよい。

（Ａ）（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態のスイッチ回路に利用される高分子アクチュエータ本体の動作原理を示す断面図、 高分子アクチュエータを利用した切換回路の構成を示す概略図、 第１の実施の形態の第１変形例を示す高分子アクチュエータを利用した切換回路の構成を示す概略図、 第１の実施の形態の第２変形例を示す高分子アクチュエータの概略図、 本発明の第２の実施の形態のスッチ回路に利用される高分子アクチュエータの動作原理を示す断面図であり、（Ａ）駆動状態、（Ｂ）は動作待機状態、 高分子アクチュエータを利用した操作装置の操作部の概略を示す斜視図、 操作装置に設けられた切換回路の一構成例の等価回路図、

符号の説明

１ 高分子アクチュエータ
２ 高分子層
３ 第１の電極層
４ 第２の電極層
５ａ，５ｂ 拘束材
７ 光源（発光素子）
１０ アクチュエータ本体
１１ キー
２０ 基板
２１，２１ａ，２１ｂ 導電路
３０ 操作パネル
３１ 貫通孔
３３ 導電路
３４ 接点
４０ アクチュエータ本体
４１ 高分子アクチュエータ
４２ 高分子層
４３ 第１の電極層
４４ 第２の電極層
４５ａ，４５ｂ 拘束リング
４６ 操作パネル
５１ キー
５３ 導体
５４ 接点
６０ スイッチ回路
Ａ 第１回路
Ｂ 第２回路
ＳＷ０，ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３ 起動スイッチ
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 切換スイッチ

Claims (6)

1. 操作パネル内に進退自在に支持されたキーの進退動作を行う高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路であって、
   前記高分子アクチュエータは、対向配置された第１の電極層および第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に設けられた高分子層とを有し、
   前記キーは、前記キーの表面が前記操作パネルの表面に対して同一平面をなす一致状態と、前記キーの表面が前記操作パネルの表面よりも上方に持ち上げられる突出状態のいずれかの状態に設定可能であり、
   前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電界が与えて、前記高分子アクチュエータを変形させ、このとき前記キーを前記一致状態と前記突出状態の一方から他方の状態に移行させる第１回路と、
   前記第１の電極層と前記操作パネルまたは前記キーに設けられた接点との間が接離することにより開閉状態が切り換えられる第２回路と、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を利用したスイッチ回路。
2. 前記第２回路が、前記キーを照光する光源を有し、前記高分子アクチュエータが変形することによって前記光源の照光状態が切り換えられる請求項１記載の高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路。
3. 前記高分子層が透光性の高分子材料で形成され、前記光源が前記高分子層の一方の端面に設けられており、
   前記高分子アクチュエータが変形したときに、前記高分子層の他方の端面を有する側の前記高分子アクチュエータの端部が前記キーの下面を持ち上げるとともに、前記他方の端面から出射した光によって前記キーが照光させられる請求項２記載の高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路。
4. 前記高分子層は電解質を含み、前記高分子層の一方の面に前記第１の電極層が他方の面に前記第２の電極層が設けられ、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に、電界が与えられたときに、前記高分子アクチュエータ内のイオンが移動することによって曲げ変形するものである請求項１ないし３のいずれかに記載の高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路。
5. 前記請求項２ないし４のいずれかに記載のスイッチ回路を利用した操作装置であって、
   前記操作体には複数のキーが配列されており、個々のキーに対して前記光源の点滅と前記キーの進退動作が行われる高分子アクチュエータを利用した操作装置。
6. 前記キー操作に連動してキー入力を行うキー入力機構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を利用した操作装置。

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