特許 6626667 高分子素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6626667

(24)【登録日】2019年12月6日

(45)【発行日】2019年12月25日

(54)【発明の名称】高分子素子

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20191216BHJP

【ＦＩ】

   H02N11/00 Z

【請求項の数】10

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-173707(P2015-173707)

(22)【出願日】2015年9月3日

(65)【公開番号】特開2017-51019(P2017-51019A)

(43)【公開日】2017年3月9日

【審査請求日】2017年12月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135183

【弁理士】

【氏名又は名称】大窪 克之

(74)【代理人】

【識別番号】100085453

【弁理士】

【氏名又は名称】野▲崎▼ 照夫

(74)【代理人】

【識別番号】100108006

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】高橋 功

【審査官】 若林 治男

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／１１４９６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２４６１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３４３６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１１８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２５０８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１フィルムと、
第２フィルムと、
前記第１フィルムと前記第２フィルムとの間に設けられ互いに離間して配置される複数の積層構造体と、を備え、
前記複数の積層構造体は、前記第１フィルムおよび前記第２フィルムの少なくとも一方の面内方向に並んで配置され、
前記積層構造体は、
前記第１フィルムに形成された第１集電層と、
前記第２フィルムに形成された第２集電層と、
前記第１集電層と前記第２集電層との間に設けられた電解質層と、
前記第１集電層と前記電解質層との間に設けられ、前記第１集電層と前記電解質層とのそれぞれと導通する第１電極層と、
前記第２集電層と前記電解質層との間に設けられ、前記第２集電層と前記電解質層とのそれぞれと導通する第２電極層と、
を備え、
前記複数の積層構造体に電圧が印加されたときに、前記複数の積層構造体とともに、前記第１フィルムおよび前記第２フィルムが変位することを特徴とする高分子素子。

【請求項2】

第１フィルムと、
第２フィルムと、
前記第１フィルムと前記第２フィルムとの間に設けられ互いに離間して配置される複数の積層構造体と、を備える高分子素子であって、
前記積層構造体は、
前記第１フィルムに形成された第１集電層と、
前記第２フィルムに形成された第２集電層と、
前記第１集電層と前記第２集電層との間に設けられた電解質層と、
前記第１集電層と前記電解質層との間に設けられ、前記第１集電層と前記電解質層とのそれぞれと導通する第１電極層と、
前記第２集電層と前記電解質層との間に設けられ、前記第２集電層と前記電解質層とのそれぞれと導通する第２電極層と、
を備え、
前記複数の積層構造体に電圧が印加されたときに、前記複数の積層構造体とともに、前記第１フィルムおよび前記第２フィルムが変位し、
前記第１フィルムと接続され、前記第１フィルムと前記第１集電層との間に設けられた第１支持部と、
前記第２フィルムに接続され、前記第２フィルムと前記第２集電層との間に設けられた第２支持部と、をさらに備え、
前記第１支持部と前記第２支持部との間で前記積層構造体の一部を挟持することを特徴とする高分子素子。

【請求項3】

前記第１フィルムおよび前記第２フィルムの少なくとも一方にはスリットが設けられた請求項１または請求項２に記載の高分子素子。

【請求項4】

前記第１フィルムおよび前記第２フィルムの少なくとも一方には、第１電位用配線パターンと、第２電位用配線パターンとが設けられ、
前記複数の積層構造体のそれぞれは、前記第１電位用配線パターンおよび前記第２電位用配線パターンと導通する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高分子素子。

【請求項5】

前記第１電位用配線パターンには第１電位が与えられ、
前記第２電位用配線パターンには第２電位が与えられ、
前記複数の積層構造体のそれぞれには、前記第１電位用配線パターンおよび前記第２電位用配線パターンから前記第１電位と前記第２電位との電位差が与えられる請求項４に記載の高分子素子。

【請求項6】

前記複数の積層構造体のうちの１つである第１積層構造体と、前記複数の積層構造体のうちの他の１つであって前記第１積層構造体と隣り合う第２積層構造体とを有し、
前記第１積層構造体の前記第１集電層に与えられる電位の前記第２集電層に与えられる電位に対する差である第１電位差と、前記第２積層構造体の前記第１集電層に与えられる電位の前記第２集電層に与えられる電位に対する差である第２電位差とは、互いに極性が異なる請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の高分子素子。

【請求項7】

前記複数の積層構造体のうちの１つである第１積層構造体と、前記複数の積層構造体のうちの他の１つであって前記第１積層構造体と隣り合う第２積層構造体とを有し、
前記第１積層構造体の前記第１集電層に与えられる電位の前記第２集電層に与えられる電位に対する差である第１電位差と、前記第２積層構造体の前記第１集電層に与えられる電位の前記第２集電層に与えられる電位に対する差である第２電位差とは、互いに極性が等しい請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の高分子素子。

【請求項8】

前記第１集電層には第１給電部が設けられ、
前記第２集電層には第２給電部が設けられ、
前記第１給電部および前記第２給電部から前記積層構造体に電位が与えられた場合の前記積層構造体の変位量は、前記第１給電部および前記第２給電部から離れるほど少なくなることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の高分子素子。

【請求項9】

前記第１電位用配線パターンには前記複数の積層構造体のそれぞれから第１電位が与えられ、
前記第２電位用配線パターンには前記複数の積層構造体のそれぞれから第２電位が与えられる請求項４に記載の高分子素子。

【請求項10】

前記複数の積層構造体は一方向に配列される請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の高分子素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高分子素子に関し、詳しくは、電解質層、電極層および集電層をフィルムで挟んだ高分子素子に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、イオン液体とベースポリマーとを含む電解質層と、イオン液体とベースポリマーとカーボンナノチューブとを含む電極とを備えた高分子アクチュエータ素子が開示されている。高分子アクチュエータ素子の一端を固定した状態で電極層に電圧を印加すると、イオン移動などにより電極間に容積に対する差が生じる。これより高分子アクチュエータ素子が変形する。

【0003】

また、特許文献２には、電解質層内の陽イオンが陰極側に偏移して曲げ変形するイオン導電型アクチュエータにおいて、同じ電圧を印加したときに場所によって湾曲方向が相違するイオン導電型アクチュエータが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−０１７３４０号公報

【特許文献2】特開２０１０−００４５９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、高分子アクチュエータとなる積層構造体を一方向に連結して個々の積層構造体を湾曲させるような変位を発生させる場合、複数の積層構造体の連結による負荷によって個々の積層構造体の変位が抑制され、十分な変位量を得られないという問題が生じる。

【0006】

本発明は、複数の積層構造体を備えた高分子素子において、それぞれの積層構造体について十分な変位量を得られるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明の高分子素子は、第１フィルムと、第２フィルムと、第１フィルムと第２フィルムとの間に設けられ互いに離間して配置される複数の積層構造体と、を備え、積層構造体は、第１フィルムに形成された第１集電層と、第２フィルムに形成された第２集電層と、第１集電層と第２集電層との間に設けられた電解質層と、第１集電層と電解質層との間に設けられ、第１集電層と電解質層とのそれぞれと導通する第１電極層と、第２集電層と電解質層との間に設けられ、第２集電層と電解質層とのそれぞれと導通する第２電極層と、を備えたことを特徴とする。

【0008】

このような構成によれば、第１フィルムと第２フィルムとの間で複数の積層構造体を保持することができるとともに、隣り合う積層構造体が離間しているため、個々の積層構造体が互いの動作に与える負荷を軽減することができる。

【0009】

本発明の高分子素子において、第１フィルムおよび第２フィルムの少なくとも一方にはスリットが設けられていてもよい。このようなスリットが設けられていることで、第１フィルムや第２フィルムの剛性が低下して、この剛性による積層構造体への負荷が軽減する。

【0010】

本発明の高分子素子において、第１フィルムおよび第２フィルムの少なくとも一方には、第１電位用配線パターンと、第２電位用配線パターンとが設けられ、複数の積層構造体のそれぞれは、第１電位用配線パターンおよび第２電位用配線パターンと導通していてもよい。これにより、複数の積層構造体のそれぞれに、第１電位用配線パターンおよび第２変位用配線パターンから電位を与えたり、複数の積層構造体のそれぞれから第１電位用配線パターンおよび第２電位用配線パターンに電位を与えたりすることができる。

【0011】

本発明の高分子素子において、第１電位用配線パターンには第１電位が与えられ、第２電位用配線パターンには第２電位が与えられ、複数の積層構造体のそれぞれには、第１電位用配線パターンおよび第２電位用配線パターンから第１電位と第２電位との電位差が与えられるようにしてもよい。これにより、複数の積層構造体のそれぞれに与えられた電位差に応じて各積層構造体を変位させることができる。

【0012】

本発明の高分子素子において、複数の積層構造体のうちの１つである第１積層構造体と、複数の積層構造体のうちの他の１つであって第１積層構造体と隣り合う第２積層構造体とを有し、第１積層構造体の第１集電層に与えられる電位の前記第２集電層に与えられる電位に対する差である第１電位差と、第２積層構造体の第１集電層に与えられる電位の前記第２集電層に与えられる電位に対する差である第２電位差とは、互いに極性が異なるようになっていてもよい。これにより、隣り合う積層構造体は互いに反対方向に変位するようになる。

【0013】

本発明の高分子素子において、複数の積層構造体のうちの１つである第１積層構造体と、複数の積層構造体のうちの他の１つであって第１積層構造体と隣り合う第２積層構造体とを有し、第１積層構造体の第１集電層に与えられる電位の第２集電層に与えられる電位に対する差である第１電位差と、第２積層構造体の第１集電層に与えられる電位の第２集電層に与えられる電位に対する差である第２電位差とは、互いに極性が等しくなるようになっていてもよい。これにより、隣り合う積層構造体は互いに同じ方向に変位するようになる。

【0014】

本発明の高分子素子において、第１集電層には第１給電部が設けられ、第２集電層には第２給電部が設けられ、第１給電部および第２給電部から積層構造体に電位が与えられた場合の積層構造体の変位量は、第１給電部および第２給電部から離れるほど少なくなるよう設けられていてもよい。これにより、第１給電部および第２給電部からの距離に応じた変位量を設定することができる。

【0015】

本発明の高分子素子において、第１電位用配線パターンには複数の積層構造体のそれぞれから第１電位が与えられ、第２電位用配線パターンには複数の積層構造体のそれぞれから第２電位が与えられるようにしてもよい。これにより、複数の積層構造体のそれぞれの変位に応じて発生した電位を第１電位用配線パターンおよび第２変位用配線パターンに与えることができる。

【0016】

本発明の高分子素子において、複数の積層構造体は一方向に配列されていてもよい。これにより、一方向に配列された複数の積層構造体がそれぞれ独立して変位することになる。

【0017】

本発明の高分子素子において、第１フィルムと接続され、第１フィルムと第１集電層との間に設けられた第１支持部と、第２フィルムに接続され、第２フィルムと第２集電層との間に設けられた第２支持部と、をさらに備え、第１支持部と第２支持部との間で積層構造体の一部を挟持してもよい。これにより、第１支持部と第２支持部とで挟持された部分を支点として積層構造体が変位することになる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、複数の積層構造体を備えた高分子素子において、それぞれの積層構造体について十分な変位量を得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る高分子素子の構造を例示する模式図である。

【図2】（ａ）〜（ｃ）は反転変位の例について示す模式図である。

【図3】（ａ）〜（ｃ）は他の変位の例について示す模式図である。

【図4】（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る高分子素子の他の構造を示す断面図である。

【図5】積層構造体の他の例について示す断面図である。

【図6】積層型の例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

【0021】

（高分子素子の構造）
図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る高分子素子の構造を例示する模式図である。
図１（ａ）には高分子素子１の平面図が示され、図１（ｂ）には図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図が示され、図１（ｃ）には図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図が示される。

【0022】

本実施形態に係る高分子素子１は、第１フィルム１０と、第２フィルム２０と、複数の積層構造体５０とを備える。複数の積層構造体５０は、第１フィルム１０と第２フィルム２０との間に設けられ、互いに離間して配置される。図１に示す例では、複数の積層構造体５０は一方向に一列で配置される。説明の都合上、図１（ａ）および（ｂ）には３つの積層構造体５０が示されるが、さらに多くの積層構造体５０が並んでいてもよい。

【0023】

第１フィルム１０および第２フィルム２０には、例えばＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）、ＰＶＤＣ（Polyvinylidene Chloride）、ＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride）、シリコーン、ポリイミドが用いられる。本実施形態では、一例として、厚さ１２μｍ程度のＰＶＤＣや、厚さ１５μｍ程度のＰＶＤＦが用いられる。

【0024】

図１（ｂ）に示すように、複数の積層構造体５０のそれぞれは同じ構成を有する。説明の便宜上、１つ目の積層構造体５０を第１積層構造体５０−１、２つ目の積層構造体５０を第２積層構造体５０−２、３つ目の積層構造体５０を第３積層構造体５０−３と称し、これらを区別しない場合には積層構造体５０と称するものとする。

【0025】

積層構造体５０は、電解質層５１、第１電極層５２、第２電極層５３、第１集電層５４および第２集電層５５を有する。第１集電層５４は第１フィルム１０の一方面に形成される。第２集電層５５は第２フィルム２０の一方面に形成される。第１集電層５４および第２集電層５５には、第１電極層５２および第２電極層５３よりも比抵抗の低い材料が用いられる。

【0026】

例えば、第１集電層５４および第２集電層５５には金属、導電性高分子樹脂、導電性インクが用いられる。第１集電層５４および第２集電層５５として金属を用いる場合、例えばスパッタや蒸着によって第１フィルム１０および第２フィルム２０の上に成膜される。金属の第１集電層５４および第２集電層５５としては、多層膜であってもよい。多層膜としては、例えば、第１電極層５２および第２電極層５３に近位な位置から順に、第１金属膜（Ｔｉ）／第２金属膜（Ａｕ）の積層膜が用いられる。第１金属膜（Ｔｉ）の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下、第２金属膜（Ａｕ）の厚さは、例えば１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

【0027】

第１集電層５４および第２集電層５５として導電性高分子樹脂を用いる場合、例えば蒸着によって第１フィルム１０および第２フィルム２０の上に成膜される。導電性インクの場合、例えば塗布によって第１フィルム１０および第２フィルム２０の上に成膜される。

【0028】

電解質層５１は、第１集電層５４と第２集電層５５との間、すなわち積層構造体５０の中央部分に配置される。電解質層５１は、イオン液体および電解質用ベースポリマーを有する。この電解質層５１の厚さは、例えば１０μｍ以上３０μｍ以下程度である。イオン液体の種類は限定されない。積層構造体５０の動作安定性を高める観点などから、通常、第１電極層５２および第２電極層５３が備えるイオン液体と同種の材料からなる。

【0029】

また、イオン液体のＣＮＴ（カーボンナノチューブ）分散効果を利用している為、高分子素子のカチオンはイミダゾリウム系かピリジウム系（但し、ピリジウム系は電位窓が狭いので、ほとんどの場合イミダゾリウム系カチオンを使用）のＥＭＩ−ＴｆＯ、ＢＭＩ−ＴｆＯなどを使用する。

【0030】

電解質用ベースポリマーの材料は限定されない。電解質用ベースポリマーの材料の例として、ポリフッ化ビニリデン、フィブリル化されたポリテトラフルオロエチレン（Ｆｂ−ＰＴＦＥ）、フィブリル化されていないポリテトラフルオロエチレンなどが挙げられる。ここで、フィブリル化とは、フィブリル構造さらにはミクロフィブリル構造を形成するための繊維化または紡糸化のことであって、例えば、固体の対象物を粉体とともに混練して剪断力を与えることによってフィブリル化し、さらにはミクロフィブリル化する。

【0031】

第１電極層５２は、第１集電層５４と電解質層５１との間に設けられる。第１電極層５２は、第１集電層５４と電解質層５１とのそれぞれと導通する。第２電極層５３は、第２集電層５５と電解質層５１との間に設けられる。第２電極層５３は、第２集電層５５と電解質層５１とのそれぞれと導通する。

【0032】

第１電極層５２および第２電極層５３には、例えば炭素含有フィルムが用いられる。炭素含有フィルムは、ベースポリマーとカーボン材料とイオン液体とを備える。炭素含有フィルムの厚さは限定されない。炭素含有フィルムの厚さは、例えば５０μｍ以上２５０μｍ程度である。

【0033】

本発明の一実施形態に係る炭素含有フィルムは、Ｆｂ−ＰＴＦＥ以外の材料をベースポリマーの一部として含有していてもよい。かかる材料の例として、フィブリル化されていないポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどが例示される。

【0034】

本発明の一実施形態に係る炭素含有フィルムが備えるカーボン材料の種類は限定されない。カーボン材料として、活性炭、カーボンブラック、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、ナノ炭素材、などが例示される。

【0035】

第１電極層５２と第１集電層５４との間、および第２電極層５３と第２集電層５５との間の少なくとも一方には、導電性材料層５６が設けられていてもよい。導電性材料層５６としては、導電性を有し、第１集電層５４および第２集電層５５に比べて弾性率の低い材料（例えば、アクリル系の導電性粘着材）が用いられる。これにより、積層構造体５０の変位に与える影響を少なくして、積層構造体５０を保護することが可能である。

【0036】

第１フィルム１０と第２フィルム２０との間であって積層構造体５０の周囲には、粘着剤層６０が設けられる。粘着剤層６０によって第１フィルム１０と第２フィルム２０とが貼り合わされる。粘着剤層６０には、例えばアクリル系の粘着シートが用いられる。粘着剤層６０を絶縁性とすれば、第１電極層５２と第２電極層５３との間の短絡を防ぐことができる。

【0037】

第１フィルム１０には第１電位用配線パターン７１ａおよび第２電位用配線パターン７２ｂが設けられる。第２フィルム２０には第１電位用配線パターン７１ｂおよび第２電位用配線パターン７２ａが設けられる。第１電位用配線パターン７１ａおよび第２電位用配線パターン７２ｂは、第１フィルム１０の縁部分に沿って延在する。

【0038】

図１（ａ）に示すように、第１電位用配線パターン７１ａは第１フィルム１０の長手方向に沿った縁部の一方側に設けられ、第２電位用配線パターン７２ｂは第１フィルム１０の長手方向に縁部の他方側に設けられる。また、第１電位用配線パターン７１ｂは第２フィルム２０の長手方向に沿った縁部の一方側に設けられ、第２電位用配線パターン７２ａは第２フィルム２０の長手方向に縁部の他方側に設けられる。

【0039】

積層構造体５０を高分子アクチュエータとして機能させる場合、第１電位用配線パターン７１ａおよび７１ｂに第１電位が与えられ、第２電位用配線パターン７２ａおよび７２ｂには第２電位が与えられる。積層構造体５０は、第１電位と第２電位との電位差に応じて変位することになる。

【0040】

積層構造体５０をセンサとして機能させる場合、積層構造体５０の変位に応じて発生した第１電位が第１電位用配線パターン７１ａおよび７１ｂに与えられ、第２電位が第２電位用配線パターン７２ａおよび７２ｂに与えられる。第１電位と第２電位との電位差に応じて積層構造体５０の変位量を検出することができる。

【0041】

第１フィルム１０と第１集電層５４との間には第１支持部８１が設けられる。また、第２フィルム２０と第２集電層５５との間には第２支持部８２が設けられる。第１支持部８１は第１フィルム１０に接続され、第２支持部８２は第２フィルム２０に接続される。この第１支持部８１と第２支持部８２との間で積層構造体５０の一部を挟持する。図１に示す例では、積層構造体５０の積層方向からみて積層構造体５０の中央部に棒状の第１支持部８１および第２支持部８２が設けられる。これにより、第１支持部８１と第２支持部８２とで挟持された部分を支点として積層構造体５０が変位することになる。

【0042】

このような高分子素子１の構成によれば、第１フィルム１０と第２フィルム２０との間で複数の積層構造体５０を保持することができるとともに、隣り合う積層構造体５０が離間しているため、個々の積層構造体５０が互いの動作に与える負荷を軽減することができる。

【0043】

第１フィルム１０および第２フィルム２０の少なくとも一方にはスリットＳＬが設けられていてもよい。図１に示す例では、第１フィルム１０および第２フィルム２０のそれぞれにスリットＳＬが設けられる。スリットＳＬは、第１フィルム１０および第２フィルム２０の短手方向に延びるよう複数設けられる。スリットＳＬが設けられることで第１フィルム１０および第２フィルム２０の剛性が低下し、スリットＳＬが設けられていない場合に比べて積層構造体５０の動作に与える負荷をさらに軽減することができる。

【0044】

１本のスリットＳＬは連続していても、断続的に設けられていてもよい。スリットＳＬの長さ、幅、配置によって第１フィルム１０および第２フィルム２０の剛性を設定することができる。例えば、スリットＳＬを長く、広く、密に配置するほど剛性を低くすることができる。したがって、積層構造体５０の動作に応じてスリットＳＬの長さ、幅、配置を決定すればよい。

【0045】

また、第１フィルム１０と第２フィルム２０との間に粘着剤層６０が無い領域（空間ＳＰ）を設けてもよい。この空間ＳＰが広いほど高分子素子１の全体の剛性が低くなる。特に、隣り合う積層構造体５０の間に空間ＳＰを設けることで、一方の積層構造体５０の動作が他方の積層構造体５０に与える影響を軽減することができる。

【0046】

本実施形態に係る高分子素子１を製造するには、予め第１フィルム１０に第１電極層５２、第１集電層５４および第１支持部８１を形成しておき、第２フィルム２０に第２電極層５３、第２集電層５５および第２支持部８２を形成しておく。そして、この第１フィルム１０と第２フィルム２０との間に電解質層５１を挟み、粘着剤層６０を介してプレス圧着やプレス融着することで一体化する。

【0047】

このように第１フィルム１０および第２フィルム２０で挟むことで複数の積層構造体５０が安定化する。また、予め第１フィルム１０および第２フィルム２０に積層構造体５０の一部構成を形成しておくことで、第１フィルム１０および第２フィルムで電解質層５１を挟むだけで高分子素子１を製造することができ、作業工程の簡素化を図ることができる。

【0048】

（高分子素子の動作）
次に、高分子素子１を高分子アクチュエータとして機能させる場合の動作について説明する。複数の積層構造体５０は、第１電位用配線パターン７１ａ、７１ｂから与えられる第１電位および第２電位用配線パターン７２ａ、７２ｂから与えられる第２電位によって、これらの電位差に応じた変位が発生する。

【0049】

図１に示す例では、隣り合う積層構造体５０について、互いの第１集電層５４に異なる電位が与えられる。すなわち、第１積層構造体５０−１の第１集電層５４は第１電位用配線パターン７１ａと導通し、第２積層構造体５０−２の第１集電層５４は第２電位用配線パターン７２ｂと導通し、第３積層構造体５０−３の第１集電層５４は第１電位用配線パターン７１ａと導通する。これにより、第１積層構造体５０−１および第３積層構造体５０−３の第１集電層５４には第１電位が与えられ、第２積層構造体５０−２の第１集電層５４には第２電位が与えられる。

【0050】

また、第１積層構造体５０−１の第２集電層５５は第２電位用配線パターン７２ａと導通し、第２積層構造体５０−２の第２集電層５５は第１電位用配線パターン７１ｂと導通し、第３積層構造体５０−３の第２集電層５５は第２電位用配線パターン７２ａと導通する。これにより、第１積層構造体５０−１および第３積層構造体５０−３の第２集電層５５には第２電位が与えられ、第２積層構造体５０−２の第２集電層５５には第１電位が与えられる。

【0051】

その結果、第１積層構造体５０−１の第１集電層５４に与えられる電位（第１電位）の第２集電層５５に与えられる電位（第２電位）に対する差である第１電位差（第１電位−第２電位）と、第２積層構造体５０−２の第１集電層５４に与えられる電位（第２電位）の第２集電層５５に与えられる電位（第１電位）に対する差である第２電位差（第２電位−第１電位）とは、極性が異なるようになる。第２積層構造体５０−２と第３積層構造体５０−３との間でも同様に、生じた電位差の極性が互いに異なるようになる。このような配線による電圧印加によって、隣り合う積層構造体５０では互いに反転した変位が発生する。

【0052】

図２（ａ）〜（ｃ）は上記の反転変位の例について示す模式図である。
図２（ａ）には電圧が印加されていない状態が示され、図２（ｂ）には電圧が印加された状態が示される。図２（ｃ）には図２（ｂ）とは反転した電圧が印加された状態が示される。図２に示す高分子素子１では、隣り合う積層構造体５０に互いに異なる極性の電位差が生じるように電位が与えられる配線になっている。

【0053】

図２（ａ）に示すように、高分子素子１の各積層構造体５０に電圧が印加されていない場合には、変位は発生しない。図２（ｂ）に示すように、隣り合う積層構造体５０に互いに反転した電位が与えられた場合、隣り合う積層構造体５０はそれぞれ反対向きに変位する。例えば、第１積層構造体５０−１は上に凸となるよう変位し、第２積層構造体５０−２は下に凸となるよう変位し、第３積層構造体５０−３は上に凸となるよう変位する。したがって、高分子素子１は波形に変位することになる。

【0054】

一方、図２（ｃ）に示すように、図２（ｂ）とは反転した電圧が印加されると、各積層構造体５０のそれぞれは図２（ｂ）とは反対向き変位する。例えば、第１積層構造体５０−１は下に凸となるよう変位し、第２積層構造体５０−２は上に凸となるよう変位し、第３積層構造体５０−３は下に凸となるよう変位する。したがって、高分子素子１は、図２（ｂ）に示す波形とは反転した波形に変位することになる。

【0055】

本実施形態に係る高分子素子１では、個々の積層構造体が分離して設けられていたり、スリットＳＬが設けられていたりすることで、互いの動作に与える負荷が軽減される。したがって、十分な変位量を得られるとともに、バランスの良い波形に変位させることが可能となる。

【0056】

図３（ａ）〜（ｃ）は他の変位の例について示す模式図である。
図３（ａ）には電圧が印加されていない状態が示され、図３（ｂ）には電圧が印加された状態が示される。図３（ｃ）には図３（ｂ）とは反転した電圧が印加された状態が示される。図３に示す高分子素子１では、隣り合う積層構造体５０の第１集電層５４に与えられる電位の第２集電層５５に与えられる電位に対する差である電位差の極性が互いに等しくなるように電位が与えられる配線になっている。

【0057】

図３（ａ）に示すように、高分子素子１の各積層構造体５０に電圧が印加されていない場合には、変位は発生しない。図３（ｂ）に示すように、隣り合う積層構造体５０に同じ電位が与えられた場合、各積層構造体５０はそれぞれ同じ向きに変位する。図３（ｂ）に示す例では、第１積層構造体５０−１、第２積層構造体５０−２および第３積層構造体５０−３ともに上に凸となるよう変位する。したがって、高分子素子１は上向きの凸が連続する形に変位することになる。なお、原理的には第１積層構造体５０−１、第２積層構造体５０−２および第３積層構造体５０−３のそれぞれが同じ向きに変位すると、全体として環状に変位することになるが、実際には第１積層構造体５０−１、第２積層構造体５０−２および第３積層構造体５０−３のそれぞれの自重の影響によって図３（ｂ）に示すような凸が連続する形に変位することになる。

【0058】

一方、図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）とは反転した電圧が印加されると、各積層構造体５０のそれぞれは図３（ｂ）とは反対向き変位する。すなわち、第１積層構造体５０−１、第２積層構造体５０−２および第３積層構造体５０−３はともに下に凸となるよう変位する。したがって、高分子素子１は、図３（ｂ）に示す波形とは反転した下向きの凸が連続する形に変位することになる。

【0059】

ここで、波型や連続する凸型などの変位量は、給電部からの距離によって変化させることができる。例えば、第１支持部８１を第１給電部、第２支持部８２を第２給電部とした場合、第１給電部および第２給電部から離れるほど小さく積層構造体５０の変位量が少なくなるようにしてもよい。第１給電部および第２給電部からの距離と積層構造体５０の変位量との関係は、例えば第１給電部および第２給電部からの距離と電気抵抗との関係や、剛性との関係、電解質層５１の特性との関係を調整すればよい。

【0060】

（高分子素子の他の構造）
図４（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る高分子素子の他の構造を示す断面図である。
図４（ａ）に示す高分子素子１Ｂにおいては、積層構造体５０の側面に絶縁性の粘着剤層６１が設けられる。粘着剤層６１は積層構造体５０の側面と接しており、大気中の水蒸気や水分から積層構造体５０を保護する役目を果たす。

【0061】

第１フィルム１０と第２フィルム２０との間に設けられる粘着剤層６０と、積層構造体５０の側面を覆う粘着剤層６１との間には空間ＳＰが設けられる。この空間ＳＰによって高分子素子１の全体の剛性が低くなり、積層構造体５０の変位に与える影響を軽減することができる。

【0062】

図４（ｂ）に示す高分子素子１Ｃにおいては、第１フィルム１０および第２フィルム２０に設けられたスリットＳＬが第１フィルム１０および第２フィルム２０の厚さの途中まで設けられている。すなわち、スリットＳＬは、第１フィルム１０および第２フィルム２０を厚さ方向に貫通していない。スリットＳＬが貫通していないことで、大気中の水蒸気や水分がスリットＳＬから積層構造体５０に達することを防止できる。また、スリットＳＬを設ける深さによって第１フィルム１０および第２フィルム２０の剛性を調整することもできる。

【0063】

また、図示しないが、スリットＳＬは、第１集電層５４および第２集電層５５の少なくとも一方に設けられていてもよい。すなわち、第１集電層５４および第２集電層５５は、第１電極層５２および第２電極層５３の全面を一様に覆う場合のみならず、一部に隙間が設けられていてもよい。また、第１集電層５４および第２集電層５５の少なくとも一方は、櫛歯型に設けられていてもよい。

【0064】

図５は、積層構造体の他の例について示す断面図である。
図５に示すように、積層構造体５０の電解質層５１には中間電位層５７が設けられていてもよい。中間電位層５７は、電解質層５１の厚さ方向のほぼ中央に配置される。中間電位層５７には基準電位が与えられる。これにより、電解質層５１には基準電位に対して第１電位および第２電位が与えられ、安定した動作を行うことができる。

【0065】

図６は、積層型の例を示す断面図である。
図６に示すように、本実施形態に係る高分子素子１、１Ｂおよび１Ｃは、積層方向に複数重ねられてもよい。図６に示す例では、高分子素子１、１Ｂおよび１Ｃが２段に積層される。この場合、中間のフィルムは第１フィルム１０および第２フィルム２０を兼用にすることができる。複数の高分子素子１、１Ｂおよび１Ｃを積層方向に重ねることで、積層構造体５０の可動による力を増加させることができる。

【0066】

以上説明したように、実施形態によれば、複数の積層構造体５０を備えた高分子素子１，１Ｂ，１Ｃにおいて、それぞれの積層構造体５０について十分な変位量を得ることが可能になる。

【0067】

なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、本実施形態では複数の積層構造体５０を一方向に一列で配置する例を示したが、縦横マトリクス状に配列してもよい。また、前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の構成例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

【0068】

例えば、高分子素子が備える複数の積層構造体５０の第１集電層５４および第２集電層５５に与えられる電位は個別に制御可能であってもよい。この場合には、連続する積層構造体５０の動作のタイミングをずらすなど高分子素子に複雑な動作を行わせることができる。あるいは、第１フィルム１０上に２次元的に複数の積層構造体５０が配置されていてもよい。この場合には、高分子素子は３次元的に複雑な動作を行うことが可能である。

【符号の説明】

【0069】

１，１Ｂ，１Ｃ…高分子素子
１０…第１フィルム
２０…第２フィルム
５０…積層構造体
５０−１…第１積層構造体
５０−２…第２積層構造体
５０−３…第３積層構造体
５１…電解質層
５２…第１電極層
５３…第２電極層
５４…第１集電層
５５…第２集電層
５６…導電性材料層
５７…中間電位層
６０，６１…粘着剤層
７１ａ…第１電位用配線パターン
７１ｂ…第１電位用配線パターン
７２ａ…第２電位用配線パターン
７２ｂ…第２電位用配線パターン
８１…第１支持部
８２…第２支持部
ＳＬ…スリット
ＳＰ…空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】