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公開番号2025136162
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-19
出願番号2024034389
出願日2024-03-06
発明の名称ガラスアクチュエータ素子及びその製造方法
出願人国立大学法人東京科学大学
代理人個人,個人,個人,個人,個人,個人,個人
主分類H10N 30/853 20230101AFI20250911BHJP()
要約【課題】ガラスアクチュエータ素子の電気-力学エネルギー変換性能を改良すること。
【解決手段】提供されるガラスアクチュエータ素子は、対向する表面を有するガラス層と、ガラス層の対向する表面のそれぞれに設けられた電極層とを具備し;ガラス層がAg,Cu、Kから選ばれた少なくとも1種の金属を含有するリン酸塩系ガラスであるか、及び/又は、ガラス層と電極層の間に厚み10μm未満の誘電体からなるクラッド層を有し;電気―変位変換可能である。そのガラスアクチュエータ素子の製造方法も提供する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
対向する表面を有するガラス層と、ガラス層の対向する表面のそれぞれに設けられた電極層とを具備し、
ガラス層がＡｇ，Ｃｕ、Ｋから選ばれた少なくとも１種の金属を含むリン酸塩系ガラスであるか、及び／又は、ガラス層と電極層の間に厚み１０μｍ未満の誘電体からなるクラッド層を有し、
電気－力学エネルギー変換可能である、
ことを特徴とするガラスアクチュエータ素子。
続きを表示（約 950 文字）【請求項２】
リン酸塩系ガラスが、Ｐ
２
Ｏ
５
を３０モル％以上含む、請求項１に記載のガラスアクチュエータ素子。
【請求項３】
リン酸塩系ガラスが、Ａｇ
２
Ｏを５モル％以上、好ましくは１０モル％以上、さらに好ましくは２０モル％以上含む、請求項１に記載のガラスアクチュエータ素子。
【請求項４】
リン酸塩系ガラスが、Ａｇ
２
Ｏ及びＰ
２
Ｏ
５
に加えて、ＭｏＯ
３
、ＷＯ
３
、ＴｅＯ
２
、Ｂ
２
Ｏ
３
からなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物を含む、請求項１に記載のガラスアクチュエータ素子。
【請求項５】
ガラス層は、６５ＧＰａ以下のヤング率を有するか、及び／又は０．２７以上のポアソン比を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のガラスアクチュエータ素子。
【請求項６】
ガラス層は、透明である、請求項１に記載のガラスアクチュエータ素子。
【請求項７】
クラッド層の誘電体は、結晶性又はアモルファスの無機材料からなる、請求項１に記載のガラスアクチュエータ素子。
【請求項８】
クラッド層の誘電体は、ＴｉＯ
２
，ＢａＴｉＯ
３
，ＳｒＴｉＯ
２
，Ａｌ
２
Ｏ
３
，ＭｇＯ，ＺｒＯ
２
，ＭｇＡｌ
２
Ｏ
４
，ＲＮｂＯ
３
（Ｒ＝Ｌｉ，ＮａまたはＫ又はこれらの組み合わせ）から選ばれる、請求１に記載のガラスアクチュエータ素子。
【請求項９】
クラッド層がガラス層より高い誘電率を有する、請求項１～４、６～８のいずれか一項に記載のガラスアクチュエータ素子。
【請求項１０】
クラッド層が１μｍ未満の厚みを有する、請求項１～４、６～８のいずれか一項に記載のガラスアクチュエータ素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、ガラスアクチュエータ素子及びその製造方法に関する。
続きを表示（約 4,600 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、ロボット産業やメムス（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）等の発展により、電気－力学エネルギー変換素子として種々の用途に種々のアクチュエータが開発されている。ポリマーアクチュエータは、電圧の印加によりポリマー内でイオンが移動し、偏析することで体積変化を引き起こしポリマー層を屈曲させるが（特許文献１，２）、ポリマーアクチュエータは、高温での使用、剛性、透明性の点で難点がある。また、圧電セラミックスアクチュエータは、電気－力学エネルギー変換率が低く、透明性に欠ける難点がある。
【０００３】
本開示者は、このような課題を解決するために、イオン伝導性を有するコアガラス層とそれを覆うクラッドガラス層とのガラス積層構造を有し、電圧の印加に対してコアガラス層に誘導されるイオン伝導と空間電荷分極により応力を誘起し、電気信号（電圧）に応じたガラス積層構造の変形、変位をもたらすガラスアクチュエータ素子を提案している（特許文献３）。しかしながら、このガラスアクチュエータ素子は、素子の耐熱性及び強度を確保するためにコアガラス層と所定の厚みを有するクラッドガラス層から構成されており、電気－力学エネルギー変換性能の点でさらに改良されることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１１－０４５２２１号公報
特開２００６－２０４０９９号公報
特許第６９３７５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、本開示者がガラスアクチュエータ素子の電気－力学エネルギー変換性能を改良すること、及びそのようなガラスアクチュエータ素子の製造方法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】
【０００６】
本開示は、上記の目的を達成するために、下記を提供する。
（態様１）
対向する表面を有するガラス層と、ガラス層の対向する表面のそれぞれに設けられた電極層とを具備し、
ガラス層がＡｇ，Ｃｕ、Ｋから選ばれた少なくとも１種の金属を含むリン酸塩系ガラスであるか、及び／又は、ガラス層と電極層の間に厚み１０μｍ未満の誘電体からなるクラッド層を有し、
電気－力学エネルギー変換可能である、
ことを特徴とするガラスアクチュエータ素子。
（態様２）
リン酸塩系ガラスが、Ｐ
２
Ｏ
５
を３０モル％以上含む、態様１に記載のガラスアクチュエータ素子。
（態様３）
リン酸塩系ガラスが、Ａｇ
２
Ｏを５モル％以上、好ましくは１０モル％以上、さらに好ましくは２０モル％以上含む、態様１に記載のガラスアクチュエータ素子。
（態様４）
リン酸塩系ガラスが、Ａｇ
２
Ｏ，ＣｕｘＯ、Ｋ
２
Ｏのうち１種以上及びＰ
２
Ｏ
５
に加えて、ＭｏＯ
３
、ＷＯ
３
、ＴｅＯ
２
、Ｂ
２
Ｏ
３
からなる群から選ばれた少なくとも１種の酸化物を含む、態様１に記載のガラスアクチュエータ素子。
（態様５）
ガラス層は、６５ＧＰａ以下のヤング率を有するか、及び／又は０．２７以上のポアソン比を有する、態様１～４のいずれか一項に記載のガラスアクチュエータ素子。
（態様６）
ガラス層は、透明である、態様１に記載のガラスアクチュエータ素子。
（態様７）クラッド層の誘電体は、結晶性又はアモルファスの無機材料からなる、態様１に記載のガラスアクチュエータ素子。
（態様８）
クラッド層の誘電体は、ＴｉＯ
２
，ＢａＴｉＯ
３
，ＳｒＴｉＯ
２
，Ａｌ
２
Ｏ
３
，ＭｇＯ，ＺｒＯ
２
，ＭｇＡｌ
２
Ｏ
４
，ＲＮｂＯ
３
（Ｒ＝Ｌｉ，ＮａまたはＫ又はこれらの組み合わせ）から選ばれる、態様１に記載のガラスアクチュエータ素子。
（態様９）
クラッド層がガラス層より高い誘電率を有する、態様１～４、６～８のいずれか一項に記載のガラスアクチュエータ素子。
（態様１０）
クラッド層が１μｍ未満の厚みを有する、態様１～４、６～８のいずれか一項に記載のガラスアクチュエータ素子。
（態様１１）
クラッド層が電気絶縁体である、態様１～４、６～８のいずれか一項に記載のガラスアクチュエータ素子。
（態様１２）
対向する表面を有するガラス層を提供すること、
ガラス層の対向する表面のそれぞれに電極層を形成すること、
ガラス層をＡｇ，Ｃｕ、Ｋから選ばれた少なくとも１種の金属を含むリン酸塩系ガラスで形成するか、及び／又はガラス層と電極層の間に誘電体からなるクラッド層を気相堆積法で形成すること、
【発明の効果】
【０００７】
本開示のガラスアクチュエータ素子によれば、ガラス層としてＡｇ，Ｃｕ、Ｋから選ばれた少なくとも１種の金属を含むリン酸塩系ガラスを用いるか、及び／又は厚み１０μｍ未満の誘電体からなるクラッド層を用いることにより、ガラスアクチュエータ素子の電気－力学エネルギー変換性能を向上させることが可能である。
また、クラッド層を薄膜堆積法で形成することで、クラッド層の膜厚を薄くできるとともに、クラッド層とガラス層との密着性を改良することができる。
本開示の好ましい態様によれば、透明なガラス層を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、本開示のアクチュエータ素子の構造の例を模式的に長さ方向の縦断面図で示す。
図２は、ガラスの作製工程の例を示す。
図３は、実施例４におけるガラス層の加工方法を説明する図である。
図４は、実施例４における加工前のファイバーガラスの外観（上図）と、ファイバーガラスを加工して得られた短冊状のガラスロッドの外観（中図）と、ガラスロッドの横断面（下図）とを示す写真である。
図５（ａ）―（ｄ）は、ヤング率、ポアソン比を測定するために超音波パルス法によって伝搬波の測定する様子を示す。
図６（ａ）―（ｃ）は、ウルトラピクノメーターによって試料の密度を測定する様子を示す。
図７は、実施例５で測定した試料の比誘電率を示すグラフである。
図８（ａ）は、４０Ａｇ
２
Ｏ－１０ＷＯ
３
－１０ＭｏＯ
３
－（４０－ｘ）ＴｅＯ
２
－ｘＰ
２
Ｏ
５
（ｍоｌ％）において、ｘ＝０，４，８，１６，４０とした組成のガラスを示す写真である。図８（ｂ）は、４０Ａｇ
２
Ｏ－ｙＭｏＯ
３
－（１０―ｙ）ＷＯ
３
－４０Ｐ
２
Ｏ
５
（ｍоｌ％）において、ｙ＝０，３．３，６．７，１０，１３．３，１６．７，２０とした組成のガラスを示す写真である。
図９は、実施例７で測定した試料の光透過率を示すグラフである。
図１０は、対向ターゲット式スパッタリング装置の例を示す。
図１１は、実施例８おけるクラッド層の堆積の条件と、得られたクラッド層の膜厚を示す。
図１２は、実施例８におけるクラッド層について解析して得られたＴｉ２ｐのＸＰＳスペクトルのチャートを示す。
図１３は、実施例８におけるクラッド層について解析して得られた薄膜ＸＲＤスペクトルのチャートを示す。
図１４は、実施例５においてヤング率を測定した試料を説明する図である。
図１５（ａ）（ｂ）は、実施例５におけるガラスのヤング率の測定を説明する図である。
図１６（ａ）（ｂ）は、実施例１０における交流電界に対するアクチュエータ素子の振動を測定する様子を示す。図１６（ｃ）は、測定された振幅の周波数依存を示すチャートである。
図１７（ａ）（ｂ）は、実施例１０において測定した振動の周波数依存性を示す図である。
図１８は、実施例１０において測定した振幅の周波数依存性を示す図である。
図１９（ａ）（ｂ）は、実施例１０において測定した振動形状を示す図である。
図２０は、実施例１０において測定した振幅の電圧依存性を示す図である。
図２１－１（ａ）は、実施例１０の実験１に関して、測定位置を示すカンチレバーの平面図を示し、図２１－１（ｂ）は、印加交流電界周波数に対する変位速度(Velocity)を示す。
図２１－２（ｃ）は、変位速度(Velocity)を観測周波数に対して示し、図２１－２（ｄ）は、変位速度(Velocity)のピークが表れるときの印加交流電界周波数と観測周波数との関係をプロットして示す。
図２１－３（ｅ）は、様々な印加交流電界周波数における、測定位置における振幅をプロットして示す。
図２２（ａ）―（ｄ）は、実施例１０の実験２に関する。図２２（ａ）はカンチレバーの測定位置を示す模式平面図である。図２２（ｂ）は、測定した変位速度(Velocity)を示す。図２２（ｃ）はカンチレバーの測定位置を示す模式平面図である。図２２（ｄ）は、電界と打撃によるンチレバーの振幅を示す。
図２３（ａ）は、実施例１０の実験３で得られたカンチレバーの先端の振幅を観測周波数に対してプロットして示す。図２３（ｂ）は、実施例１０の実験３で得られた低交流電界周波数での観測周波数に対する変位速度を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本開示を詳細に説明し、図面を参照するが、本開示はこれらの説明及び図面に限定されるものではない。
【００１０】
〔第１の側面：アクチュエータ素子〕
本開示は、第１の側面において、
（Ａ）対向する表面を有するガラス層と、ガラス層の対向する表面のそれぞれに設けられた電極層とを具備し、
（Ｂ）ガラス層がＡｇ，Ｃｕ、Ｋから選ばれた少なくとも１種の金属を含むリン酸塩系ガラスであるか、及び／又は、（Ｃ）ガラス層と電極層の間に厚み１０μｍ未満の誘電体からなるクラッド層を有し、
（Ｄ）電気－力学エネルギー変換可能である、
ことを特徴とするガラスアクチュエータ素子を提供する。
（【００１１】以降は省略されています）

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