JP4982805B2

JP4982805B2 - 三層型アクチュエータにおいて各層の伸縮を測定する方法

Info

Publication number: JP4982805B2
Application number: JP2008025837A
Authority: JP
Inventors: 健司清原; 卓司杉野; 欣志安積
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-02-06
Also published as: JP2009186297A

Description

本発明は、三層型アクチュエータにおいて各層の伸縮を測定する方法に関する。

２つの電極層の間に電解質層を有する三層型アクチュエータは公知である（例えば特許文献１〜３）。

これらのアクチュエータは、電解質層を２つの電極層で挟んだ構造をしており、電極層に電圧を印加することで、アクチュエータを一定の方向に曲げることができる。

この現象は、電圧印加時における２つの電極層の伸び、縮み、あるいはこれらの程度が異なるために起こると考えられるが、各電極層が電圧の印加により伸びるのか縮むのかについては明らかにされていなかった。
特開2007-126624 特開2006-288040 特開2005-224027

三層型アクチュエータには、電解質層とそれを挟む電極層がある。両電極層の間に電圧をかけると電極層が伸縮してアクチュエータが屈曲運動を示す（図１）が、これは両電極層間の電位差のために、両電極層の伸縮率に差が生じるためである。屈曲の程度を表す極率の測定から、両電極層の伸縮率の差を求めることができる。しかし、正極・負極の電極層のそれぞれの伸縮率を決定する簡便な方法はこれまでない。例えば図1の場合、負極(右側)が伸びて正極(左側)が縮んでいるのか、負極・正極がともに伸びるが負極が相対的に
正極よりも伸びが大きいのか、区別がつかない。

三層型アクチュエータを応用したデバイスを設計するにあたって、負極・正極のそれぞれの伸縮率を予め知っておく必要がある。特に、負極・正極のそれぞれが伸びているのか縮んでいるのかを決定することは重要である。

本発明は、三層型アクチュエータにおける各電極層が伸びているのか縮んでいるのかを、理論解析と実験とを比較することで簡便に判定する方法を提供する。

電極層（第１層）−電解質層（第２層）−電極層（第３層）から構成される三層型アクチュエータの電極層間に電圧を印加したときの電極層の伸びまたは縮みを測定する方法であって、以下の工程を含むことを特徴とする方法：
（１）電極層（第３層）に電解質層（第４層）と電極層（第５層）をこの順に積層して五層構成のアクチュエータを作製する工程、
（２）以下の三つの組み合わせの少なくとも１種で電圧の印加を行い、そのときの５層構成のアクチュエータの屈曲の方向を測定する工程、
(i) 第１層（正極）と第５層（負極）
(ii) 第１層（正極）と第３層（負極）
(iii) 第３層（正極）と第１層（負極）
（３）第２工程で得られた結果と理論解析で求められたパターンを比較して、第１層と第３層が２つの電極の電圧印加時に伸びるか縮むかについての判定を行う工程。

本発明によれば、正極・負極の電極層のそれぞれの伸縮率を簡便な方法により決定することができ、三層型アクチュエータあるいは電極層と電解質層を繰り返し積層する多積層型アクチュエータを応用したデバイスの設計を容易に行えるようになった。

本発明の好ましい実施形態では、三層型アクチュエータと同じ材料で五層型アクチュエータを作製し、それぞれに電圧をかけたときの動作を観測して、理論解析で得られたパターンに当てはめて判定することができる。

さらに、より定量的な弾性体論的解析により、各電極層の伸縮率を決定することも可能である。また、パラメータを振って理論解析をすることで、実験に先立って特定の材料や条件でのアクチュエータの性能を予測することができる。

本発明では、まず、三層型アクチュエータの動作パターンを確認する。例えば図1のよ
うに、相対的に左側（正極）が右側（負極）よりも縮む場合は、それぞれの電極層の伸縮については、以下の5つのパターンが可能性としてある。すなわち、
パターン１．負極が伸びて正極は不変、
パターン２．負極が伸びて正極が縮む、
パターン３．負極も正極も伸びるが負極の方がより伸びる、
パターン４．負極は不変で正極は縮む、
パターン５．負極も正極も縮むが正極の方がより縮む
の５パターンである。また逆に、相対的に右側（負極）が左側（正極）よりも縮む場合についても５つの独立なパターンがある。以下では、相対的に正極が負極よりも縮む場合の５パターンのみを解説する。逆の場合も同様に議論ができる。

次に、三層型アクチュエータと同じ材料でできた、五層型アクチュエータを考える。これは電極層(第一層)−電解質層(第二層)−電極層（第三層）−電解質層(第四層)−電極層(第五層)の順で五層を積層させたものである(図2)。ここで「第一層を正極、第五層を負
極に選び、第三層を電気的に開放」すれば、対称性から、上で考えた三層型アクチュエータと同じ屈曲方向を示す。電極の選び方によって、上に挙げた５つのパターンに対応して、各層が伸びるか縮むかが決まる。「第一層を正極、第三層を負極に選び、第五層を電気的に開放した場合」と、「第一層を負極、第三層を正極に選び、第五層を電気的に開放した場合」と合わせて、各層の伸縮と対称性から決まる屈曲方向を表１に示す。ここで、伸びることを“＋”、縮むことを“−”、伸びも縮みもしないことを記号無しで表し、“＋＋”は“＋”よりも大きく伸びることを示すことにする。「伸縮」の行において、“｜”は左右の電極の仕切りあるいは電解質層を示す。また、「屈曲方向」の行において、相対的に左側が右側よりも縮んで屈曲する場合を“）”、その逆に屈曲する場合を“（”で、屈曲しない場合を“｜”で表す（「伸縮」の行における同じ記号とは意味が異なることに注意）。ここで、例えば第一層を正極、第五層を負極に選んだ場合のパターン２の「伸縮」の行における記号《−｜｜＋》は、第一層が“−”（縮む）、第三層が“記号無し”（伸びも縮みもしない）、第五層が“＋”（伸びる）、ということを示す。表１からは、屈曲の程度についてもある程度は読み取ることができる。例えば、パターン３における「《＋｜｜＋＋》の“）”」と「《＋＋｜＋｜》の“（”」では、対称性から後者の屈曲の
方が大きいことがわかる。なぜならば、《＋｜｜＋＋》では第一層が第五層による屈曲を妨げる方向に伸びるのに対し、《＋＋｜＋｜》では第三層は中心にあるために、その伸
びが直接には左右に曲がる原因とはならないからである。

表１においては、相対的に正極が負極よりも縮む場合に限ったため、上段の正極＝第一層、負極＝第五層の組み合わせは、全て“）”となっている。相対的に正極が負極よりも縮むのか、あるいはその逆なのかは、上段の組み合わせに対する屈曲方向を見れば区別ができる。一つのパターンを選べば、三つの電極の付け方に対応する三つの屈曲方向が定まるが、表１からわかるように、三つの屈曲方向が一致する二つのパターンはない。よって、五層型アクチュエータで三つの電極の付け方で実験を行って屈曲方向を観測して、パターンを１〜５のうちから当てはまるものを見つければ、正極、負極のそれぞれが伸びているのかあるいは縮んでいるのかが判定できる。

なお、正極＝第一層、負極＝第三層（表１の中段）の組み合わせにおいて、“｜”はパターン１のみを示し、“（”はパターン３のみを示す。また、正極＝第三層、負極＝第一層（表１の下段）の組み合わせにおいて、“｜”はパターン４のみを示し、“）”はパターン５のみを示す。従って、本発明では表１の中段又は下段の１種のみの組み合わせを実施することで、どのパターンに該当するかを決定できるケースがあるので、全ての組み合わせを実施する必要は必ずしもない。

さらに、各電極層の伸縮率について定量的に解析をするには、弾性体論にしたがって伸縮と屈曲の関係を計算すれば良い。各層の弾性定数、発生応力、そして形状（長さと厚さ）がパラメータとして与えられれば、屈曲率は弾性体論から求めることができる。計算結果が実験結果に合うようなパラメータを選べば、これらは各層の伸縮率を決定する。

本発明の好ましい実施形態では、電極層（第１層、第３層、第５層）と、電解質層（第２層、第４層）は、各々同じ素材、厚みで構成される場合を想定しているが、例えば第１層と第５層の電極層の条件（構成要素となる素材、厚みなど）、あるいは、第２層と第４層の電解質層の条件（構成要素となる素材、厚みなど）を変更してパラメータを増やすことで、伸縮の程度などのより詳細な情報を得ることができる。

電極層と電解質層の素材、厚み等は、電圧を印加することで屈曲が生じるアクチュエータであれば特に限定されず、従来のアクチュエータで使用されている素材、厚み等を好ましく使用できる。

以下、本発明を実施例に基づきより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例１
１．理論計算
各層が伸びるか縮むかだけを見るには、実験結果と表１を見比べるだけで良い。ここで
は定量的な議論を行うため、実際のアクチュエータの物性値に近いパラメータを用いて、五層型アクチュエータについて弾性体論的なモデル解析を行った。

第二および第四層の電解質層は電極層に比べて十分薄くて柔らかく、弾性体論的解析においては無視できるとした。第一、三、五層の電極層の形状はそれぞれ長さ10mm、厚さ50μmで、全厚さは150μmとした。電極層のヤング率とポアソン比はそれぞれ10⁷N/m²、0.49とした。また、伸びる電極層における発生応力は1.0x10⁶N/m²、縮む電極層における発生
応力は-0.5x10⁶N/m²とした。

上の条件で表１に対応する五層型アクチュエータの屈曲の様子を弾性体論的に計算した結果を図３に示す。この計算により、各層の伸縮率が決定される。

２．実験
図４は、測定装置を示す。図５は、第一、第五層に電圧印加した場合と、第一、第三層に電圧印加した場合の電圧・電流・変位を示す。図５の右は五層型アクチュエータの構成を示す。

３．結果と考察
今回実験で使用した素子については、屈曲方向が、パターン２に一致した。よって、負極は伸び、正極は縮むことが明らかになった。また、第一層を正極・第三層を負極に選んだときの変位の方が、第三層を正極・第一層を負極に選んだときの変位よりも小さかった。これは負極における伸び率が正極における縮み率よりも大きいことを示す。

両電極層の間に電圧をかけると電極層が伸縮して屈曲運動を示す三層型アクチュエータを示す。五層型アクチュエータの構成を示す。表１に対応する五層型アクチュエータの屈曲の様子を弾性体論的に計算した結果を示す。アクチュエータ評価装置の概略を示す第一、第五層に電圧印加した場合と、第一、第三層に電圧印加した場合の電圧・電流・変位を示す。

Claims

電極層（第１層）−電解質層（第２層）−電極層（第３層）から構成される三層型アクチュエータの電極層間に電圧を印加したときの電極層の伸びまたは縮みを測定する方法であって、以下の工程を含むことを特徴とする方法：
（１）電極層（第３層）に電解質層（第４層）と電極層（第５層）をこの順に積層して五層構成のアクチュエータを作製する工程、
（２）以下の三つの組み合わせの少なくとも１種で電圧の印加を行い、そのときの５層構成のアクチュエータの屈曲の方向を測定する工程、
(i)第１層（正極）と第５層（負極）
(ii) 第１層（正極）と第３層（負極）
(iii) 第３層（正極）と第１層（負極）
（３）第２工程で得られた結果と理論解析で求められたパターンを比較して、第１層と第３層が２つの電極の電圧印加時に伸びるか縮むかについての判定を行う工程。