(57)【要約】【課題】電圧を印加することにより駆動するアクチュエータにおいて、１ｍｍ以下の厚さであっても、操作者がタッチパネルのボタンを押圧したことにより指に反力が生じるようなボタンの変形を生じさせる。【解決手段】アクチュエータ１０は、電解質溶液を含浸した高分子電解質膜により形成されるアクチュエータ層１２と、アクチュエータ層１２の中に、アクチュエータ層１２の両側の面に沿って設けられ、電圧が印加される電極１４，１６と、を有し、前記高分子電解質膜は、アニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂で構成されている。そのとき、前記電解質溶液は、非水系溶媒が用いられ、この非水系溶媒は、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が０．３ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒、好ましくは２．０ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を印加することにより駆動するアクチュエータであって、
電解質溶液を含浸した高分子電解質膜により形成されるアクチュエータ層と、
前記アクチュエータ層の中に、前記アクチュエータ層の両側の面に沿って設けられ、電圧が印加される電極を有し、
前記高分子電解質膜は、アニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂で構成されていることを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータ。
【請求項２】
前記電解質溶液には、非水系溶媒が用いられ、この非水系溶媒は、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が０．３ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒である請求項１に記載の高分子電解質膜アクチュエータ。
【請求項３】
前記電解質溶液はイオン性液体であり、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が０．３ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒である請求項１に記載の高分子電解質膜アクチュエータ。
【請求項４】
前記カチオン交換樹脂は、アニオン捕獲能を有する部位を備えるブレンステッド酸型カチオン交換樹脂である請求項１〜３のいずれか１項に記載の高分子電解質膜アクチュエータ。
【請求項５】
前記カチオン交換樹脂は、ルイス酸−ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂である請求項２又は３に記載の高分子電解質膜アクチュエータ。
【請求項６】
前記カチオン交換樹脂は、剛直な高分子主鎖に前記アニオン捕獲能を有する剛直ブレンステッド酸型又は剛直ルイス酸―ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂である請求項１〜３のいずれか１項に記載の高分子電解質膜アクチュエータ。
【請求項７】
前記アクチュエータ層は、厚さが１ｍｍ以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の高分子電解質膜アクチュエータ。
【請求項８】
操作者が押圧することで入力可能なタッチパネルであって、
電解質溶液を含浸した、アニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂膜により形成されるデバイス本体層と、
前記デバイス本体層の中に、前記デバイス本体層の両側の面に沿って設けられる電極と、
前記デバイス本体層の両側の面に設けられ、前記デバイス本体層を駆動するために前記電極に電圧を印加する第１の電極端子と、
前記デバイス本体層の両側の面に設けられ、操作者の接触による前記デバイス本体層の変形に応じて前記デバイス本体層に生じる前記電極の電位差を検知のために取り出す第２の電極端子と、を有することを特徴とする高分子電解質膜を用いたタッチパネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を印加することにより力学的に駆動し（湾曲又は変形し）、これにより反力を発生する高分子電解質膜アクチュエータ及び高分子電解質膜を用いたタッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機、デジタルカメラ、カーナビゲーションシステムのディスプレイ等の小型電子機器にはユーザからの入力デバイスとして、タッチパネル式ディスプレイが用いられている。タッチパネル式ディスプレイは、指等によりディスプレイの所定の部分を押圧することにより、機器に信号を入力することのできる入力デバイスを備えたディスプレイである。しかしながら、このタッチパネル式ディスプレイでは、操作者は入力されたことの確認を入力と同時に発する音や表示画面中の色の変化により知る方法しかない。
【０００３】
近年、運転中タッチパネル式ディスプレイを視認することのできないドライバや視覚障害者を含む操作者は、ディスプレイを視認することができなくても、アナログスイッチを押したときのように操作者が反力の感触を受けるように、あるいは入力に対する到達度（達成感）を操作者に与えるように、種々のデバイスが提案されている。例えば、スイッチを押したとき圧電素子による振動がスイッチに発生するものや、スイッチを押したとき力学的にスイッチが変形するものや、スイッチを押したとき磁力や反力を発生させるもの等が提案されている。これらの方式は、いずれも無機材料を主材料として用いたものであるため、電子機器の小型化の際に必要とされる柔軟性や加工性に富んだデバイスに適用することは難しい。さらに、小型化に伴って軽量化して、スイッチを押した操作者に適切な感触を付与することはきわめて難しい。
【０００４】
下記特許文献１には、高分子ゲルをアクチュエータの基本材料とし、この高分子ゲルに電圧を与えることで体積変化を生じさせて凹凸形状を作る凹凸形成パネル及び情報入力装置が提案されている。
【０００５】
しかし、この凹凸形成パネルのデバイスでは、必ずしも応答時間が短くなく、かつ、厚さを薄くすることもできないといった問題があった。すなわち、高分子ゲルを用いたデバイスでは、厚さを１ｍｍ以下にすると高分子ゲルが凹凸を形成するために必要な潤滑液を保持することが難しくなる。一方、厚さを１０ｍｍ以上にすると良好な凹凸形成ができるが、厚さの増加による重量の増加や部材コストの上昇の他、高分子ゲルの体積変化を短時間に達成できないといった応答性上の問題もある。
【０００６】
上記凹凸形成パネルのデバイスに対して、下記特許文献２では高分子アクチュエータが提案されている。特許文献２に記載される高分子アクチュエータは、イオン交換樹脂成形品とこのイオン交換樹脂成形品の表面に絶縁状態で金属電極を備えた構成であり、含水状態において金属電極間に電位差をかけることで、イオン交換樹脂成形品に湾曲及び変形を生じさせるものである。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２０３０２５号公報
【特許文献２】特許第２９６１１２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献２に記載の高分子アクチュエータでは、厚さが１ｍｍ以下の薄いイオン交換樹脂成形品において十分な湾曲及び変形を生じさせることができない、といった問題があった。すなわち、電解質溶液を含漬して活性化したイオン交換樹脂成形品の網目構造中にはカチオン及びアニオンが存在するが、電圧の印加によって陰極の電極にカチオンは溶媒分子とともに移動する一方、アニオンは溶媒分子とともに陽極の電極に移動するため、溶媒分子の移動が相殺されて、イオン交換樹脂成形品に十分な湾曲及び変形を生じさせることはできない。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、電圧を印加することにより駆動するアクチュエータであって、１ｍｍ以下の厚さであっても、短時間に、例えば操作者が指でスイッチ等のボタンを押圧したときに、押圧したことにより指に反力が生じるような変形を生じさせるアクチュエータを提供するとともに、このアクチェータを用いたタッチパネルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、電圧を印加することにより駆動するアクチュエータであって、電解質溶液を含浸した高分子電解質膜により形成されるアクチュエータ層と、前記アクチュエータ層の中に、前記アクチュエータ層の両側の面に沿って設けられ、電圧が印加される電極を有し、前記高分子電解質膜は、アニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂で構成されていることを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータを提供する。
【００１１】
その際、前記電解質溶液には、非水系溶媒が用いられ、この非水系溶媒は、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が０．３ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒であることが好ましい。
より好ましくは、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が２．０ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒である。
又、前記電解質溶液はイオン性液体であり、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が０．３ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒であることも同様に好ましい。この場合、より好ましくは、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が２．０ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒である。
【００１２】
又、前記カチオン交換樹脂は、アニオン捕獲能を有する部位を備えるブレンステッド酸型カチオン交換樹脂、ルイス酸−ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂、あるいは、剛直な高分子主鎖に前記アニオン捕獲能を有する剛直ブレンステッド酸型又は剛直ルイス酸―ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂であることが好ましい。前記カチオン交換樹脂として前記ルイス酸−ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂を用いる場合、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が２．０ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒である非水系溶媒が前記電解質溶液に用いられる。
なお、前記アクチュエータ層は、厚さが１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明は、操作者が押圧することで入力可能なタッチパネルであって、電解質溶液を含浸した、アニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂膜により形成されるデバイス本体層と、前記デバイス本体層の中に、前記アクチュエータ層の両側の面に沿って設けられる電極と、前記アクチュエータ層の両側の面に設けられ、前記デバイス本体層を駆動するために前記電極に電圧を印加する第１の電極端子と、前記アクチュエータ層の両側の面に設けられ、操作者の接触による前記デバイス本体層の変形に応じて前記デバイス本体層に生じる前記電極の電位差を検知のために取り出す第２の電極端子と、を有することを特徴とする高分子電解質膜を用いたタッチパネルを提供する。
この場合、前記デバイス本体層は、アニオン捕獲能を有する部位を備えるブレンステッド酸型カチオン交換樹脂、ルイス酸−ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂、あるいは、剛直な高分子主鎖に前記アニオン捕獲能を有する剛直ブレンステッド酸型又は剛直ルイス酸―ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、アクチュエータ層にアニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂を用いるので、電極に電圧を印加することによってカチオンが溶媒分子等とともに陰極側に移動するとき、高分子電解質膜の網目構造に残留する多数のアニオンはカチオン交換樹脂に捕獲されるので、厚さの薄いアクチュエータ層であっても、アクチュエータとして大きな変形が生じる。なお、カチオン交換樹脂は、優れた柔軟性、耐環境性及び化学的安定性を有し、さらに、良好な接着性を有し、フレキシブルな膜形状に容易に加工することができる。このアクチュエータは、タッチパネルの入力操作ボタンとして適用することで、操作者が指で押圧するとき、この押圧に対応してボタンが形状変化するので操作者の指先に和む反力感触を与えることができる。このときのアクチュエータの加工も、カチオン交換樹脂が柔軟性、耐環境性、化学的安定性及び接着性を有するので、従来の無機材料等を用いた入力デバイスに比べて好適に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の高分子電解質膜アクチュエータ（以降、アクチュエータという）の一実施形態を示す模式断面図である。
図１に示すアクチュエータ１０は、高分子電解質膜で形成されるアクチュエータ層１２と、アクチュエータ層１２の両側の面に沿って設けられ、アクチュエータ層１２の両側から電圧を印加する電極１４，１６と、電極１４，１６に電圧を印加する電源２０と、電圧の印加を制御するコントローラ２２と、を有して構成される。
アクチュエータ１０について簡単に説明すると、電極１４，１６は、高分子電解質膜であるアクチュエータ層１２に、アクチュエータ層１２の両側の面からメッキ処理が施されてアクチュエータ層１２の表面にメッキ膜１３が形成され、かつ、アクチュエータ層１２の内部に向かって樹枝状に延びた金属により構成されている。電極１４，１６を備えたアクチュエータ層１２は、電解質溶液を含浸しており、電極１４，１６間に電圧を印加することにより、高分子電解質膜中の残留するアニオンを、高分子電解質膜が捕獲しつつ、カチオンが陰極側に移動し、これに伴って電解質溶液の溶媒分子も陰極側に移動する。これにより、アクチュエータ層１２が大きく変形する構成となっている。
【００１６】
アクチュエータ層１２は、高分子電解質膜で構成されている。高分子電解質膜は、アクチュエータ１０の印加電圧に対する変形を大きくするために、アニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂で構成されている。
アニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂は、以下に示す３種類のカチオン交換樹脂が用いられる。
（Ｉ）型：ブレンステッド酸型（Ｈ−Ｘ型）カチオン交換樹脂
（ＩＩ）型：ルイス酸−ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂
（ＩＩＩ）型：剛直な高分子主鎖にアニオン捕獲能を有する剛直ブレンステッド酸型又は剛直ルイス酸―ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂
上記（Ｉ）〜（ＩＩＩ）型のカチオン交換樹脂については後述する。
【００１７】
電極（陰極、陽極）１４，１６は、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜中に、アクチュエータ層１２の両側の面から内側に向かって樹枝状に設けられた金属とメッキ膜１３とからなる電極であり、樹枝状の金属は、アクチュエータ層１２の両側の面に沿って略一様の厚さで設けられている（図１中のドット領域）。このため、電極１４，１６は、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜中に広い電極面積を有する。電極１４，１６は、カチオン交換樹脂によるイオン吸着を利用して金属イオンを吸着させた後、金属イオンを還元させて金属を析出させることで形成される。電極１４，１６は、例えば金、白金又はパラジウムで構成される。特に、メッキ処理による形成の容易性と電極の安全性の点から、金を用いることが好ましい。電極１４，１６は、いわゆる無電界メッキ処理により行われ、例えば下記（ａ）〜（ｅ）の５工程を３〜５回繰り返し行って作製される。なお、電極１４，１６の間には、金属の設けられていない領域（図１中ドットの無い領域）があり、電極間で一定の距離を確保している。
【００１８】
（ａ）洗浄工程
（ｂ）膨潤工程
（ｃ）金属イオンの吸着工程
（ｄ）金属イオンの還元工程
（ｅ）洗浄工程
各工程の一例を挙げると、（ａ）洗浄工程では、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜を沸騰純粋中で１時間加熱して洗浄する。（ｂ）膨潤工程では、メタノール中に１時間浸漬することにより、高分子電解質膜を膨潤させる。（ｃ）金属イオンの吸着工程では、メッキ液として金フェナントロリン錯体溶液に１２時間浸漬することより金イオンを高分子電解質膜に吸着させる。（ｄ）金属イオンの還元工程では、亜硫酸ナトリウム水溶液を金イオンの吸着した高分子電解質膜に浸透させて金イオンを還元させて金を析出させる。（ｅ）洗浄工程では、７０℃の純粋中に３０分浸漬して洗浄する。
【００１９】
電源２０は、電極１４，１６に所定の電位差を与えるために電圧を印加するもので、ＤＣ電源が用いられ、例えばコントローラ２２を介して−２〜＋２Ｖの電圧が電極１４，１６間に印加される。
コントローラ２２は、図示されない外部装置からの制御信号に応じて電圧の印加を調整する部分である。
【００２０】
さらに、アクチュエータ層１２は、非水系溶媒の電解質溶液を含浸させ膨潤させて活性化させる。このとき用いる電解質溶液は、電解質塩が溶媒に溶解して導電性を有するもの、あるいはイオン性液体が好適に用いられる。なお、溶媒は、アクチュエータ層１２に用いるカチオン交換樹脂にアニオン捕獲能を持たせる点及びアクチュエータ１０の気中動作及び長期使用を確保する点から、高粘度でかつ低揮発性溶媒を用いることが好ましい。電解質塩も、特に限定されないが、ゲル電解質塩や固体電解質塩を用いてもよく、カチオン種としては、リチウムイオンを好適に用いることができる。この他、カチオンとして、ジアルキルイミダゾリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、トリアルキルイミダゾリウムイオン、ピペリジニウムイオン、ピラゾリウムイオン、ピロリウムイオン、ピロリジニウムイオンからなる群から選択されるものも用いることができる。又、アニオンとして、ＡlＣｌ4−、ＢＦ4−、ＣｌＯ4−、ＰＦ6−、ＳｂＦ6−、ＯＴf−、スルホニウムイミドアニオン、（ＣＦ5ＳＯ2）2Ｎ−：ＮＴｆ2−からなる群から選択されるものを用いることができる。
【００２１】
このようなアクチュエータ１０のアクチュエータ層１２に用いるカチオン交換樹脂は、下記（Ｉ）〜（ＩＩＩ）型のいずれかのアニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂である。以下、アニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂について説明する。
【００２２】
（Ｉ）型：ブレンステッド酸型（Ｈ−Ｘ型）カチオン交換樹脂
（Ｉ）型のカチオン交換樹脂は、アニオン捕獲能を有する部位を備えるブレンステッド酸型カチオン交換樹脂であれば特に限定されない。ここで、アニオン捕獲能を有する部位とは、カチオン交換樹脂中に電気的に陽性な水素原子を有する部位、例えば、Ｏ−Ｈ，Ｎ−Ｈ，Ｃ−Ｈの部位をいう。一般に、電気的に陽性な水素原子は、電気的に陰性な（塩基性度の高い）アニオン（Ｏ，Ｎ，ハロゲン）と非水系溶媒で強く結合する。又、上記Ｏ−ＨやＮ−Ｈより酸性度の低いＣ−Ｈであっても、電気的に陽性な水素原子は、例えば、Ｃ−Ｈ／ｎ相互作用（ｎ：非共有電子対）、Ｃ−Ｈ／π電子相互作用のように、電気的な陰性の低い（塩基性度の弱い）Ｏ，Ｎ等のヘテロ原子の非共有電子対やベンゼン環中のπ電子と相互作用をする。したがって、電気的に陽性な水素原子はアニオンの捕獲能を有する。
この種類のカチオン交換樹脂として、例えば、下記式（１）に示すような、ベンズイミダゾール骨格を有する樹脂が用いられる。このカチオン交換樹脂に非水系溶媒を含浸したとき、カチオン交換樹脂中の網目構造間に存在するカチオンが電圧の印加に従って溶媒分子とともに陰極側に移動する一方、残留するアニオンは上記アニオン捕獲能を有する部位（電気的に陽性な水素原子を有する部位）に捕獲される。
【００２３】
【化１】
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【００２４】
（ＩＩ）ルイス酸−ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂
（ＩＩ）のルイス酸−ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂は、カチオン交換樹脂中にＣ−ＦやＣ−Ｈ等の脂溶性残基を有するブレンステッド酸型（Ｈ−Ｘ型）のカチオン交換樹脂であれば特に限定されない。例えば、式（２），（３），（４）に示すような、フッ素系樹脂やスルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）系樹脂、さらには、下記式（５）〜（９）に示すような、ブレンステッド酸残基を有するスルホン化ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリアリールエーテル系樹脂又はスルホン化ポリエーテルエーテルケトン系樹脂等が挙げられる。なお、下記式（２），（３）で示されるカチオン交換樹脂には、商品名「Ｎａｆｉｏｎ」（登録商標）、「Ｆｌｅｍｉｏｎ」（登録商標）、「Ａｃｉｐｌｅｘ」（登録商標）、「Ｄｏｗ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ」（登録商標）、「ＢＡＭ３Ｇ」（登録商標）等の公知の膜が挙げられる。
【００２５】
【化２】
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【化３】
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【化４】
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【化５】
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【化６】
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【００２６】
（ＩＩ）のカチオン交換樹脂は、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が０．３ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒、好ましくは２．０ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒である非水系溶媒を用いた電解質溶液を用いることにより、カチオン交換樹脂中の脂溶性残基同士の分子間相互作用を誘起して、樹脂分子の熱運動を抑制することができる。これにより、電解質溶液中のイオンと交換されたプロトンの移動度は抑制され、この移動の抑制されたプロトンはアニオン捕獲能を有する。すなわち、上記粘度の高い溶媒を用いた電解質溶液を含浸したルイス酸−ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂は、電子受容体を備えたルイス酸としての機能を持つことになる。これが、ルイス酸−ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂である。したがって、ルイス酸−ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂は、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が０．３ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒、好ましくは２．０ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒である非水系溶媒を用いた電解質溶液と組み合わせて用いられる。
なお、上記粘度の高い非水系溶媒として、以下の溶媒に限定されるものではないが、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン、スルホラン、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートが挙げられる。特に、ジエチレングリコールが好適に用いることができる。
【００２７】
（ＩＩ）のカチオン交換樹脂に、非水系溶媒かつ高粘度の溶媒を含浸させたアクチュエータ１０では、熱運動が抑制された三次元架橋性の高いカチオン交換樹脂により誘起されたアニオン捕獲能により、カチオン交換樹脂の網目構造中のカチオンは、電圧の印加に伴って高粘度の溶媒分子とともに陰極側に移動するが、残留するアニオンはカチオン交換樹脂中の上記移動度の抑制されたプロトンに捕獲される。すなわち、上記粘度の高い溶媒を用いることにより、アニオン捕獲能を有するルイス酸−ブレンステッド酸複合型として機能する。
【００２８】
なお、本実施形態では、電解質溶液として非水系溶媒を用いたものであるが、イオン性液体を用いることもできる。この場合、カチオンとして、ジアルキルイミダゾリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、トリアルキルイミダゾリウムイオン、ピペリジニウムイオン、ピラゾリウムイオン、ピロリウムイオン、ピロリジニウムイオンからなる群から少なくとも１種選択され、アニオンとして、ＡlＣｌ4−、ＢＦ4−、ＣｌＯ4−、ＰＦ6−、ＳｂＦ6−、ＯＴf−、スルホニウムイミドアニオン、（ＣＦ5ＳＯ2）2Ｎ−：ＮＴｆ2−からなる群から少なくとも１種選択されたイオン性液体を用いることができる。この場合においても、イオン性液体は、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が０．３ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒、好ましくは２．０ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒であるものが用いられる。
【００２９】
（ＩＩＩ）型：剛直な高分子主鎖にアニオン捕獲能を有する剛直ブレンステッド酸型又は剛直ルイス酸―ブレンステッド酸複合型カチオン交換樹脂
（ＩＩＩ）型の剛直な高分子主鎖にアニオン捕獲能を有する剛直ブレンステッド酸型のカチオン交換樹脂は、剛直な主鎖中にアニオン捕獲能を有する部位を備えるブレンステッド酸型（Ｈ−Ｘ型）のカチオン交換樹脂であれば特に制限されない。アニオン捕獲能を有する部位とは、カチオン交換樹脂中に電気的に陽性な水素原子を有する部位、例えば、Ｏ−Ｈ，Ｎ−Ｈ，Ｃ−Ｈの部位をいう。例えば、下記式（１０）に示されるようなポリイミド系ポリマーが例示される。
剛直ルイス酸−ブレンドステッド酸複合型のカチオン交換樹脂は、上述した（ＩＩ）型のルイス酸−ブレンドステッド酸複合型であって、剛直の高分子主鎖構造を有し、カチオン交換樹脂の主鎖中にアニオン捕獲能を有するものをいう。
なお、上記（Ｉ）型及び（ＩＩ）型のカチオン交換樹脂におけるアニオンの捕捉は、水素原子あるいはプロトンの酸性度によりエンタルピー変化として生じるが、（ＩＩＩ）型のカチオン交換樹脂の剛直な高分子主鎖中にアニオン捕獲能を持たせるのは、ポリマー構造の分子構造の変化を抑制できる状態であれは、ギブス自由エネルギーの減少にエントロピーが大きく寄与し、これによりアニオン捕獲能が向上するからである。
【００３０】
【化７】
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【００３１】
このカチオン交換樹脂に、非水系溶媒を電解質溶液の溶媒として含浸させた場合、カチオン交換樹脂の網目構造間に存在するカチオンは電圧印加に従って溶媒分子とともに陰極側に移動し、同時に樹脂中に残留するアニオンは、ポリマー中の水素原子等の電気的に陽性な原子に捕獲される。特に、樹脂分子の熱運動を抑制するように、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が０．３ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒、好ましくは２．０ｍＰａ・秒〜３０．０ｍＰａ・秒である電解質溶液を用いることで、アニオン捕獲効果が向上し、アクチュエータ層１２の変形が大きくなる。
【００３２】
このような（Ｉ）〜（ＩＩＩ）型のカチオン交換樹脂をアクチュエータ層１２の高分子電解質膜に用い、電解質溶液、例えば、過塩素酸リチウム溶液を含浸させてカチオン交換樹脂を膨潤させて（イオン交換させて）、アクチュエータ層１２を活性化させる。この状態で電極１４，１６間に電位差（−２〜＋２Ｖ）を与えると、イオン交換により電解質溶液中に含まれる多数のプロトンが溶媒分子とともにクラスターを形成し、このクラスターがカチオンとして陰極側に移動することで大きな体積変化を起こす。
このとき、アクチュエータ層１２中の残留するアニオンは、アニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂に捕獲されて陽極への移動が抑制される。これにより、カチオン及び溶媒が陰極側へ移動して大きな体積変化を生じさせる。従来のイオン交換樹脂では、カチオン及び溶媒が陰極側に移動するとともに、残留するアニオン及びそれに伴った溶媒の陽極への移動によって体積変化が相殺され易く、アクチュエータ層１２の曲げ変形が小さい。本発明では、この曲げ変形をより大きくするために、アニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂を用いる。特に、アクチュエータ層１２の厚さを１ｍｍ以内に薄くした構成のアクチュエータでは、従来に比べて大きな曲げ変形を実現できる。
【００３３】
以上説明したアクチュエータ１０は、デバイスとして、操作者がボタンに接触することで入力可能なタッチ式パネルに好適に用いることができる。
図２（ａ）は、タッチ式パネル（以降、パネルという）４０の装置構成を示す概略模式図である。パネル４０には、操作面上に、操作者が指で押圧するボタン４２が３段３列で９個設けられている。このボタン４２のそれぞれは、上述したアクチュエータ１０を用いて構成されている。
【００３４】
図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ−Ａ’線に沿って切断し、外側カバーを外したときのＡ−Ａ’断面図である。図２（ｂ）に示されるように、ボタン４２はセパレータ４４によりそれぞれのボタン４２が分離されて構成され、それぞれのアクチュエータ１０の両側の面（アクチュエータ層１２の両側の面）にそれぞれ、第１の電極端子４６，４８及び第２の電極端子５０，５２が設けられている。
【００３５】
図２（ｃ）は、アクチュエータ１０に第１の電極端子４６，４８及び第２の電極端子５０，５２を設けた構成を示す斜視図である。
第１の電極端子４６，４８は、図２（ｂ）中の電源２０から、コントローラ２２の制御に応じて、アクチュエータ層（デバイス本体層）１２の電極１４，１６に電圧を印加するものであり、電源２０及びコントローラ２２と接続されている。
一方、第２の電極端子５０，５２は、コントローラ２２に接続されており、操作者の接触によるアクチュエータ層１２の変形に応じてアクチュエータ層（デバイス本体層）１２に生じる起電力を検出するために、電極間の電位差を取り出すように構成されている。第２の電極端子５０，５２から取り出された電位差はコントローラ２２に送られて、操作者がボタン４２を押圧したことを検知する。すなわち、アクチュエータ１０は、第２の電極端子５０，５２を設けることにより、操作者の押圧の有り無しを検知する圧力検知センサーとして機能する。
【００３６】
コントローラ２２は、検知した操作者の押圧に応じて、アクチュエータ１０に所定の電圧を印加するように構成されている。このため、操作者のボタン４２への押圧に応じて、この押圧によるボタン４２の接触時間内（１秒以内）に、アクチュエータ１０を駆動させて変形させる。すなわち、操作者がボタン４２を押したとき、ボタン４２は瞬時に反応する。これにより、操作者はボタン４２による入力が実行されたことを知覚することができる。
【００３７】
このようなパネル４０は、アクチュエータ１０の厚さ、すなわち、アクチュエータ層（デバイス本体層）１２の厚さを１ｍｍ以下にしても、上述したアニオン捕獲能を有するカチオン交換樹脂をアクチュエータ層（デバイス本体層）１２に用いることで、アクチュエータ１０の変形を大きくすることができ、ボタン４２の押圧に応じて操作者に知覚できる程度の大きな反力を与えることができる。
なお、アクチュエータ層（デバイス本体層）として用いるカチオン交換樹脂は、柔軟性に富みかつ加工性も容易であるため、軽量で人体に馴染む材料であり、色素材料や磁性材料等の機能を有する材料を分散し配合することもでき、パネル４０に用いる利点は大きい。
【００３８】
〔実施例〕
上述したアクチュエータの効果を確認するために、下記表１に示すＮｏ．１〜１１のサンプルを作製した。Ｎｏ．１〜８は実施例、Ｎｏ.９〜１１は比較例である。
サンプルは、アクチュエータ層１２に用いるカチオン交換樹脂の種類、電解質溶液の種類を変えて作製した。表１中のプロピレンカーボネートは、−３０℃〜７５℃の温度範囲で粘度が０．３ｍＰａ・秒以上３０．０ｍＰａ・秒以下であり、エチレングリコールは、粘度が同温度範囲で２．０ｍＰａ・秒以上３０．０ｍＰａ・秒以下であり、ジエチレングリコールは、粘度が同温度範囲で２．０ｍＰａ・秒以上３０．０ｍＰａ・秒以下である。アクチュエータ層１２の厚さはいずれも１ｍｍとした。
電極１４，１６は、上述した無電界メッキ処理の方法、すなわち（ａ）洗浄工程では、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜を沸騰純粋中で１時間加熱して洗浄し、（ｂ）膨潤工程では、メタノール中の１時間浸漬することにより、高分子電解質膜を膨潤させ、（ｃ）金属イオンの吸着工程では、メッキ液として金フェナントロリン錯体溶液に１２時間浸漬することより金イオンを高分子電解質膜に吸着させ、（ｄ）金属イオンの還元工程では、亜硫酸ナトリウム水溶液を金イオンの吸着した高分子電解質膜に浸透させて金イオンを還元させて金を析出させ、（ｅ）洗浄工程では、７０℃の純粋中に３０分浸漬して洗浄した。この処理を５回繰り返して、電極１４，１６の設けられたアクチュエータ層１２を作製し、図２（ａ）〜（ｃ）に示す構成のタッチ式パネル４０のボタン４２に適用した。
【００３９】
【表１】
2008211938.tif 000010
【００４０】
操作者がボタン４２を押圧し、その時、コントローラ２２から電極１４，１６に所定の電圧が印加されるように調整して、ボタン４２の応答を調べた。
Ｎｏ．１は、小型軽量にもかかわらず、歪んだ形状あるいはねじれた形状等、１秒以内に複雑な変形をして動作することが確認された。一方、溶媒として水を用いたＮｏ．９は、溶媒として粘度の高いプロピレンカーボネートを用いたＮｏ．１に対して顕著な動作は確認されなかった。
同様に、Ｎｏ．２は、Ｎｏ．１と同様に、小型軽量にもかかわらず、１秒以内に歪んだ形状あるいはねじれた形状等、複雑な変形をして動作することが確認された。一方、溶媒として水を用いたＮｏ．１０は、溶媒として粘度の高いエチレングリコールを用いたＮｏ．２に対して顕著な動作は確認されなかった。
さらに、Ｎｏ．３〜８も、Ｎｏ．１と同様に、小型軽量にもかかわらず、１秒以内に歪んだ形状あるいはねじれた形状等、複雑な変形をして動作することが確認された。一方、溶媒として水を用いたＮｏ．１１は、溶媒として粘度の高いジエチレングリコールを用いたＮｏ．７に対して顕著な動作は確認されなかった。
以上より、本発明のアクチュエータは、厚さが薄くても大きな変形を呈して短時間に動作することは明らかである。
【００４１】
以上、本発明の高分子電解質膜アクチュエータ及び高分子電解質膜を用いたタッチ式パネルについて詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の高分子電解質膜アクチュエータの一実施形態を示す模式断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明のタッチ式パネルの一実施形態の装置構成を示す概略模式図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ’線に沿って切断したＡ−Ａ’断面図であり、（ｃ）は、アクチュエータに第１の電極端子及び第２の電極端子を設けた構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  高分子電解質膜アクチュエータ
１２  アクチュエータ層
１３  メッキ膜
１４，１６  電極
２０  電源
２２  コントローラ
４０  タッチ式パネル
４２  ボタン
４４  セパレータ
４６，４８  第１の電極端子
５０，５２  第２の電極端子
【図１】
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【図２】
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