中空構造体の製造方法及び中空構造体製造用基板及び中空構造体製造装置
【課題】中空部のピッチ間隔が３０μm以下の中空構造体を精密に製造するのに好適な中空部構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の中空構造体の製造方法は、中空構造体製造用基板５を構成する材料の一部にガス透過性材料を用い、高圧条件下であらかじめガス透過性材料に高圧ガスを注入することにより封じ込め、減圧条件下で塑性変形膜１０を表面５ａに形成すると共にガス透過性材料に封じ込められた高圧ガスの各凹部５ｂへの放出により凹部５ｂへの塑性変形材料の浸入を防止しつつ塑性変形膜１０を各凹部５ｂ内の高圧ガスにより膨張延伸させて、中空構造体を製造する。
【解決手段】本発明の中空構造体の製造方法は、中空構造体製造用基板５を構成する材料の一部にガス透過性材料を用い、高圧条件下であらかじめガス透過性材料に高圧ガスを注入することにより封じ込め、減圧条件下で塑性変形膜１０を表面５ａに形成すると共にガス透過性材料に封じ込められた高圧ガスの各凹部５ｂへの放出により凹部５ｂへの塑性変形材料の浸入を防止しつつ塑性変形膜１０を各凹部５ｂ内の高圧ガスにより膨張延伸させて、中空構造体を製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハニカム形状等の中空構造体の製造方法及び中空構造体製造用基板及び中空構造体製造装置に関し、例えば、異方性を有する光学素子の遮光素子、燃料電池のセパレータ、フィルター等の製造に応用可能であり、また、中空構造体の中空部に機能材料を注入することにより異方性機能部材、例えば、遮光付きマイクロレンズアレイ、異方性導電膜、再生医療用の細胞培養基板への応用が可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来から、図１に示すように、材料塗布装置２１の上部の密閉容器２２内に温度制御装置２３を設け、表面に凹部２４ａが多数配列された中空構造体製造用基板２４をその温度制御装置２３の上部にセットして、材料吐出装置２５からハニカム構造体としての中空構造体を形成するための塑性変形材料を中空構造体製造用基板２４の表面に吐出させ、材料塗布装置２１を回転させて、塑性変形膜２６を中空構造体製造用基板２４の表面に略均一に形成し、密閉容器２２内のガス圧力を減圧させて、塑性変形膜２６を各凹部に貯留されたガスの圧力により膨張延伸させて、多数の中空部を有する中空構造体の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
なお、ハニカム構造体とは、ここでは、六角形状の穴の形状を有するもののみならず、四角形、五角形状のものを含み、形状にかかわらず、複数の中空部を有するシート状体を総称していう。
【特許文献１】特開２００７−９８９３０号公報（第（１５）頁、図７、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示のものでは、中空部の中心から中空部の中心までのピッチ間隔が３５μmの中空構造体が得られている。ところが、中空部の中心から中空部の中心までのピッチ間隔が３０μm以下になると、この製造方法では製造が困難である。その理由を以下に説明する。
【０００５】
中空構造体製造用基板２４の表面に塑性変形膜２６を形成した時点をｔ＝ｔ0とすると（図２参照）、時間ｔ＝ｔ1が経過すると、凹部２４ａによって定義されかつガス圧Ｐ1のガスを有するガス貯留空間が消滅し（図３参照）、減圧条件のガス圧Ｐ0のもとでガスを膨張させることができないからである。
【０００６】
Yung-Laplaceの式によれば、一般に気泡の圧力は気泡を囲む物質の表面張力に比例し、気泡の半径に反比例する。例えば、水中の気泡の場合、直径が１００μmのとき、気泡の圧力と外圧との圧力差は３kPa程度である。ここで、直径を１０μmと小さくすると、気泡の圧力と外圧との差は３０kPa程度となる。気泡の圧力が高くなると、水に対するガスの溶解度が増し、水にガスが溶け込む。すると、気泡の大きさは小さくなり、これに伴ってより一層高圧となり、ガスが水に溶解する。気泡の大きさが小さくなるほど、加速度的に早さが増し、最終的には気泡が消滅する。
【０００７】
これと、同様の現象が塑性変形膜２６にも起こっていると考えられる。この場合は、ピッチ間隔が狭くなると、塑性変形材料の表面張力により、ガス貯留空間の圧力が増し、ガス貯留空間のガスが塑性変形膜２６を形成する塑性材料や中空構造体製造用基板２４がガス透過性材料の場合はそのガス透過性材料に溶解し、そのガスが低圧Ｐ0の大気中に放出される。最終的に、ガス貯留空間が時間ととも塑性変形材料によって埋め尽くされる。
【０００８】
その結果、ピッチ間隔が３０μｍ以下の中空部を有する中空部構造体を精密に形成できないという不都合がある。
【０００９】
本発明は、中空部のピッチ間隔が３０μm以下の中空部構造体を精密に製造するのに好適な中空部構造体の製造方法及び中空構造体製造用基板及び中空構造体製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の中空構造体の製造方法には、塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面に向かって開口しかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部とを有する中空構造体製造用型基板を用いて、複数個の中空部が配列された中空構造体を製造する中空構造体の製造方法であって、
前記中空構造体製造用基板を構成する材料の一部にガス透過性材料を用い、高圧条件下であらかじめ前記ガス透過性材料に高圧ガスを注入することにより封じ込め、減圧条件下で前記塑性変形膜を前記表面に形成すると共に前記ガス透過性材料に封じ込められた高圧ガスの前記各凹部への放出により該凹部への前記塑性変形材料の浸入を防止しつつ前記塑性変形膜を前記各凹部内の高圧ガスにより膨張延伸させて、前記中空構造体を製造することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の中空構造体の製造方法は、前記表面以外から前記ガス透過性材料に前記高圧ガスを注入することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の中空構造体の製造方法は、前記塑性変形材料の表面張力をσ、前記各凹部の平均半径をｒ、塑性変形材料の引っ張り強度をσb、前記各凹部間の凹部間距離をＬとすると、高圧ガスのガス圧と減圧条件下でのガス圧との圧力差ΔＰが、
（２×σ／ｒ）＜ΔＰ＜２×σb・Ｌ／ｒの条件式を満足することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の中空構造体の製造方法は、前記表面とは反対側の裏面側から前記ガス透過性材料に前記高圧ガスを注入することを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の中空構造体の製造方法は、前記ガス透過性材料が高分子材料からなることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の中空構造体の製造方法は、前記高分子材料がポリジメチルシロキサンであることを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の中空構造体製造用基板は、塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面に向かって開口しかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部とを有するものにおいて、塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面と裏面側に向かって開口されかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部を構成するための無機材料体と、前記無機材料体の裏面側に設けられかつ高圧ガスが注入されるガス透過性材料とを含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の中空構造体製造用基板は、前記ガス透過性材料には、前記無機材料体が設けられている面とは反対側の面に、該ガス透過性材料よりも剛性が高い材料から形成されかつ前記ガス透過性材料に通じる貫通孔を有する支持体が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項９に記載の中空構造体製造装置は、請求項８に記載の中空構造体製造用基板を境にして前記各凹部が臨む上部空間と前記支持体が臨む下部空間とに画成された密閉容器と、前記上部空間に連通されて該上部空間のガス圧を加圧・減圧するポンプと、前記上部空間に連通されて該上部空間のガスを排出する排出弁と、前記下部空間に連通されて該下部空間のガス圧を加圧・減圧するポンプと、前記下部空間に連通されて該下部空間のガスを排出する排出弁とを含むことを特徴とする。
【００１９】
請求項１０に記載の中空構造体製造方法は、請求項９に記載の中空構造体製造装置を用いて、前記塑性変形材料の膨張延伸時に少なくとも前記上部空間のガス圧力を制御することにより、前記中空構造体の高さを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、中空構造体製造用基板を構成する材料の一部にガス透過性材料を用い、高圧条件下であらかじめガス透過性材料に高圧ガスを注入することにより封じ込め、減圧条件下で塑性変形膜を表面に形成すると共にガス透過性材料に封じ込められた高圧ガスの各凹部への放出により凹部への塑性変形材料の浸入を防止しつつ塑性変形膜を各凹部内の高圧ガスにより膨張延伸させるので、中空部のピッチ間隔が３０μm以下の中空部構造体を精密に製造できるという効果を奏する。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、中空構造体製造用基板の表面への塑性変形膜の形成と同時に中空構造体製造用基板の一部を構成するガス透過性材料へのガスの注入とを同時に行うことができるので、製造時間の短縮を図ることができるという効果を奏し、ひいては、中空構造体の寸法精度の向上を図ることができる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、塑性変形膜を構成する塑性変形材料の膨張延伸時に、塑性変形材料が破壊されることなく、中空部構造体を製造できるという効果を奏する。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、各凹部から塑性変形膜に向けて放出されるガスの圧力変動を低減することができるので、中空構造体の寸法精度の向上をより一層図ることができる。また、中空構造体の製造時間の短縮も図ることができるという効果を奏する。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、ガス透過性材料を高分子材料を用いて形成したので、構造的に安定しており、ガス透過性係数のばらつきが小さく、各凹部内から均一な圧力のガスを放出させることができるという効果を奏する。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、高分子材料としてポリジメチルシロキサン（PDMS）を用いたので、ガス透過性材料へのガス浸透時間の短縮を図ることができ、ひいては中空構造体の製造時間の短縮化を図ることができ、低価格の中空構造体を提供できるという効果を奏する。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、各凹部を形成する材料とガス透過性材料とに別のものを用いたので、請求項１の効果に加えて、凹部を形成する材料の選択の自由度が増し、例えば、パターン加工が容易な材料選択や表面処理が容易な材料を選択できるという効果を奏する。
【００２７】
請求項８に記載の発明によれば、ガス透過性材料を剛性の高い支持体で補強したので、ガス透過性材料の変形を防止できるという効果を奏する。
【００２８】
請求項９に記載の発明によれば、各凹部を有する表面とは反対側の面からガスをガス透過性材料に注入しつつ各表面に塑性変形膜を形成できるので、請求項２、請求項３に記載の発明と同様に製造時間の短縮を図ることができるという効果を奏する。
【００２９】
請求項１０に記載の発明によれば、塑性変形膜の膨張延伸時に密閉容器内の圧力を調節するので、中空構造体の寸法を制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に、本発明に係わる中空構造体の製造方法及び中空構造体製造用基板及び中空構造体製造装置の発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【実施例】
【００３１】
（中空構造体１の構造）
図４は本発明に係わる中空構造体の製造方法によって製造されるべき中空構造体１としてのハニカム構造体である。この中空構造体１は、ここでは、中空部１ａと中空部１ａとのピッチ間隔ｍが１０μｍ、高さｈが１５μｍ、半径ｒが平均約５μｍ、隔壁ｘの厚さが２μｍ、凹部形成領域の縦横幅が５ｍｍ×５ｍｍである。塑性変形膜を形成する塑性変形材料には、３０％に希釈したゼラチン水溶液が用いられる。なお、本発明に係わる製造法は、ピッチｍが１〜１００μm、高さｈが１〜300μmの範囲内の中空構造体を適宜製造可能である。
（実施例１）
図５は本発明に係わる中空構造体製造装置の一例を示す概要図である。この図５において、３は材料塗布装置である。材料塗布装置３の上部には密閉容器４が設けられる。密閉容器４内には中空構造体製造用基板５が配設される。密閉容器４の上部には塑性変形材料を吐出する材料吐出装置６が設けられている。その密閉容器４には加圧・減圧ポンプ７と排出弁８とが接続されている。加圧・減圧ポンプ７と密閉容器４との間には圧力調整弁９が設けられている。
【００３２】
中空構造体製造用基板５はその表面５ａの側に、中空部１ａを形成するためのガスを貯留する各凹部５ｂを有する。中空構造体製造用基板５はここではガス透過性材料が用いられている。このガス透過性材料には撥水性の高いシリコーンゴム（ポリジメチルシロキサン（ＰＤＳ））等の高分子材料から構成されている。そのガス透過係数は例えば約３×１０-11（ｃｍ3・ｃｍ／（ｃｍ2・ｓ・Ｐａ））である。そのガスの浸透時間は、圧力差を０．４ＭＰａ、厚さを０．１ｃｍ、面積を１ｃｍ2、透過ガス量を０．００１５ｃｍ3として算出すると、約１．２秒である。なお、場合によっては、ガス透過性材料にＰＳ（ポリスチレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）等の熱可塑性材料を用いても良い。
【００３３】
ガス透過性材料には、内部に空洞を有する無機物質を使用することも可能であるが、ガス透過係数のばらつきが大きいので、ガス透過係数のばらつきの少ない高分子材料を用いるのが、微細な中空部を有する精密形状部品としての中空構造体１を製造するうえで好ましい。
【００３４】
次に、中空構造体１の製造方法を説明する。
【００３５】
まず、密閉容器４の内部のガス圧の初期値Ｐ0が０．１ＭＰａとして、加圧・減圧ポンプ７を制御することにより、図５に示すように、ガス圧Ｐ１を０．２５ＭＰａの高圧条件にセットする。密閉容器４内のガス圧Ｐ1をこの高圧条件下に約１０分間維持し、中空構造体製造用基板５にガス圧Ｐ１に相当するガス量を浸透させ、中空構造体製造用基板５にガスを封入する。
【００３６】
次に、図６に示すように、排出弁８により密閉容器４のガスを外部に放出させ、密閉容器４の内部のガス圧を初期値Ｐ0（Ｐ0＝０．１ＭＰａ）に戻し、材料吐出装置６から塑性変形材料を吐出させ、材料塗布装置３を用いて塑性変形膜１０を表面５ａに形成する。なお、塑性変形材料としてのゼラチン水溶液のゲル化温度は３８度Ｃ〜４５度Ｃであり、ここでは、ゲル化温度以上の温度である６０度Ｃで材料吐出装置６からゼラチン水溶液を中空構造体製造用基板５の表面５ａに吐出させ、かつ、厚さ１０μの塑性変形膜１０をスピンコート法により形成した。なお、塑性変形膜１０の形成は、スピンコート法によらず、スリットコート法、ダイコート法、カーテンコート法、シャボン膜法等の方法を用いても良い。
【００３７】
その塑性変形膜１０の形成と略同時に図７に拡大して示すように中空構造体製造用基板５に封入されていたガス圧Ｐ１を有するガスが各凹部５ｂのガス貯留空間に放出され、図８に示すように、塑性変形膜１０が膨張延伸される。また、中空構造体製造用基板５に封入されていたガスの量が時間の経過と共に減少するため、中空構造体製造用基板５の封入ガス圧も減少し、中空部１ａを有する中空構造体１が形成される。なお、凹部５ｂと凹部５ｂとの間の表面5ａと塑性変形膜１０との間には、ゼラチン水溶液の液体が介在するので、この凹部５ｂと凹部５ｂとの間の表面5ａからは、中空構造体製造用基板５に封入されているガスが放出されないという物理的性質がある。
【００３８】
次に、密閉容器４の内部を低湿度雰囲気下にセットして、中空構造体１を乾燥させる。ここでは、密閉容器４の内部温度を２４度Ｃ、湿度４５ｗｔ％の条件下で約５分間乾燥させる。中空構造体１の乾燥を促進させるには、高温・低湿度に密閉容器４の内部を設定するのが望ましく、加熱手段（図示を略す）として、マイクロ波加熱手段を用いることにより、より一層乾燥速度を速めることができ、これにより、乾燥時間を２０秒以下とすることができる。
【００３９】
次に、中空構造体製造用基板５から中空構造体１を手により剥離する。中空構造体製造用基板５にはガス透過性材料として撥水性の高いシリコーンゴムをここでは用いているので、剥離は容易である。
【００４０】
ここで、Yung−Laplaceの方程式によれば、図９に示すように、凹部５ｂ内のガス貯留空間の圧力Ｐ1、塑性変形膜１０を形成する塑性変形材料の表面張力をσ、ｒをガス貯留空間の気泡（球形と仮定）の平均半径、塑性変形材料の圧力（密閉容器４の内部圧力と同じ）をＰ0とすると、
ΔＰ＝Ｐ1−Ｐ0＝２σ／ｒ
σに水の表面張力である数値０．０７３（Ｎ／ｍ）、ｒに半径５μｍを代入すると、ΔＰは約０．０３ＭＰａである。従って、Ｐ0を０．１ＭＰａとすると、中空構造体製造用基板５に封じ込めるガスの圧力Ｐ1は０．１３ＭＰａ以上とする必要がある。
【００４１】
次に、密閉容器４内のガス圧Ｐ1を０．１３ＭＰａから随時複数のガス圧条件下で同様に図５に示す中空構造体製造装置を用いて中空構造体１を試作した。その結果、ガス圧Ｐ1が０．１３ＭＰａ以上０．４ＭＰａ以下のときに、中空構造体１の中空部１ａが破壊されることなく形成できた。ガス圧Ｐ1が０．１３ＭＰａ未満では、中空部１ａが不揃いであるか形成されず、ガス圧Ｐ1が０．４ＭＰａを超えると、中空部１ａの一部が破壊された中空構造体１が見られた。ガス圧Ｐ1が０．２５ＭＰａのときに、中空部１ａの大きさが揃った良好な中空構造体１が得られた。
【００４２】
図１０に拡大して示すように、塑性変形膜１０を形成する塑性変形材料の膨張延伸直後の引っ張り応力をσａ、圧力差ΔＰ、凹部５ｂの平均半径をｒ、凹部５ｂと凹部５ｂとの間の表面５ａの間隔（凹部間距離）の半分をＬとすると、引っ張り応力σａは、
σa＝ΔＰ・ｒ／２Ｌ
ここでは、凹部５ｂの直径ｄを１０μｍ、凹部５ｂと凹部５ｂとのピッチｍ＝１０μｍとすると、Ｌ＝２．５μｍであり、例えば、圧力差ΔＰを０．１５Ｍａ、０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａとすると、それぞれ、引っ張り応力σａは、
σa（０．１５Ｍａ時）＝７５ＫＰａ、σa（０．３ＭＰａ時）＝１５０ＫＰａ、
σa（０．５ＭＰａ時）＝２５０ＫＰａであり、塑性変形材料である希釈時３０％水溶液の引っ張り強度σbはおよそ１５０ＫＰａである。この引っ張り強度σbはゼラチン水溶液を構成する水分子の蒸発により、時々刻々と変化するため、正確な数値を求めることは困難である。また、この引っ張り強度σｂはゼラチン水溶液の希釈濃度が高いほど大きくなる。
【００４３】
圧力差ΔＰが０．１５ＭＰａないし０．４ＭＰａの間では、引っ張り応力σａが引っ張り強度σｂよりも小さいので、破壊されることなく、中空部１ａを有する中空部構造体１を形成可能であると考えられる。０．４ＭＰａ以上では、引っ張り応力σａが引っ張り強度σbよりも大きいので、塑性変形材料が破壊されるため、中空部１ａを有する中空部構造体１が形成されないと考えられる。
【００４４】
従って、圧力差ΔＰは、（２Ｌσa／ｒ）＜（２Ｌσb／ｒ）で表現される範囲内になければならないと考えられる。
【００４５】
この実施例１の中空構造体１の製造方法を概略まとめると、中空構造体製造用基板５への加圧ガスの注入、塑性変形材料を中空構造体製造用基板５の表面５ａへの塗布による塑性変形膜の形成、塑性変形膜１０の形成と略同時の発砲、乾燥、剥離の工程順となる。
（実施例２）
この実施例２では、中空構造体製造用基板５が、図１１に示すように、無機材料体５ｃとガス透過性材料５ｄとから構成されている。無機材料体５ｃは塑性変形材料を用いて塑性変形膜１０が形成される表面５ｅと、この表面５ｅ及び反対側の裏面５ｆの側に向かって開口されかつガスの放出により塑性変形膜１０を膨張延伸させて複数個の中空部１ａを形成するためのガスを貯留する各凹部５ｂを構成する貫通孔５ｇを有する。この無機材料体５ｃは、ここでは、銅箔（金属）が用いられている。ガス透過性材料（ここでは、シリコーンゴム）５ｄは、その無機材料体５ｃの裏面５ｆの側に設けられている。
【００４６】
この中空構造体製造用基板５は、銅箔に未硬化シリコーンを塗布し、その後、未硬化シリコーンを硬化させることにより接合形成する。その後、銅箔に各凹部５ｂに対応する六角形状の貫通孔５ｇのパターンを形成し、エッチング処理により、貫通孔５ｇを形成する。これにより、簡単に中空構造体製造用基板５の凹部５ｂを形成できる。
【００４７】
シリコーンゴムに多数の凹凸を形成する場合には、凹凸形状を有する金型を用いて転写する必要があるが、金型形状の各凹部内のオーバハング等やシリコーンゴムと金型材料との親和性が大きい場合には、シリコーンゴムを金型から剥離させる際に、シリコーンゴムが破損されて、転写不良を起こす危険性があるが、この実施例２による場合、そのような危険性を回避できる。
【００４８】
また、中空構造体製造用基板５の表面５ａや凹部５ｂに表面処理を行う場合、化学的に安定した界面を有するシリコーンゴムでは、表面処理に困難を要するが、これに対して無機材料体５ｃは表面処理が容易である。特に、塑性変形材料の膨張延伸時に中空構造体製造用基板５の表面５ａに対する密着力が不足すると、塑性変形材料がその膨張延伸時に表面５ａから剥離するおそれがある。その一方、塑性変形材料の表面５ａの密着力が大きすぎると、中空構造体１を中空構造体製造用基板５から剥離させる際に、中空構造体１が破壊されるおそれがある。シリコーンゴム単体では、このような密着力の調整が困難であるが、中空構造体製造用基板５を無機材料体５ｃとガス透過性材料５ｄとの複合構成とすることにより、密着力の調整の容易化を図ることができる。
（実施例３）
実施例１に係わる中空構造体の製造方法では、中空構造体製造用基板５を密閉容器４内にセットし、密閉容器４内を高圧ガス条件下のもとで、中空構造体製造用基板５に高圧ガスを浸透させ、その後、密閉容器４内を減圧条件下のもとで中空構造体製造用基板５の表面に塑性変形材料を塗布して発泡させ、塑性変形材料を膨張延伸させて、中空構造体１を製造する工程を経ているので、密閉容器４内の減圧に多少の時間を要し、中空構造体製造用基板５の内部に注入されているガスの圧力が低下する。
【００４９】
この実施例３では、この中空構造体製造用基板５の内部に注入されているガスの圧力低下の防止と中空構造体製造効率の向上とを図ることのできる中空構造体製造用基板５を提供するものである。
【００５０】
中空構造体製造用基板５は、ここでは、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、無機材料体５ｃとガス透過性材料５ｄと支持体５ｈとから構成されている。無機材料体５ｃ、ガス透過性材料５ｄの構成は実施例２と同一であるので、その詳細な説明を省略する。支持体５ｈは無機材料体５ｃとは反対側のガス透過性材料５ｄ側の面に設けられている。その支持体５ｈはガス透過性材料５ｄよりも剛性が高い材料から形成されかつガス透過性材料５ｄに通じる貫通孔５ｊを有する。この貫通孔５ｊはガス透過性材料５ｄにガスを供給する役割を有する。その支持体５ｈは、例えば厚さ５ｍｍの鉄板をプレス手段によって開口径５ｍｍの穴を穿孔することによって得られる。支持体５ｈをガス透過性材料５ｄに設けた理由は、後述する圧力差ΔＰ’に基づくガス透過性材料５ｄの変形、破損を防止するためである。
【００５１】
次に、図１３に示すように、この中空構造体製造用基板５は、例えば、支持体５ｈの表面に未硬化のシリコーンゴムを塗布し、そのシリコーンゴムに銅箔を載置し、その後、未硬化シリコーンを硬化させることにより接合形成する。
【００５２】
中空構造体製造用基板５の側面を密閉容器４に密着させるようにして、密閉容器４内にこの中空構造体製造用基板５をセットする。これにより、密閉容器４の内部を中空構造体製造用基板５を境にして各凹部５ｂが臨む上部空間４ａと支持体５ｈが臨む下部空間４ｂとに画成する。密閉容器４の上部空間４ａは上部空間４ａのガス圧を加圧・減圧するポンプ１１と上部空間４ａのガスを排出する排出弁１２とに連通されている。そのポンプ１１と密閉容器４との間には圧力調整弁１３が設けられている。
【００５３】
密閉容器４の下部空間４ｂは下部空間４ｂのガス圧を加圧するポンプ１４と、下部空間４ｂのガスを排出する排出弁１５とに連通されている。そのポンプ１４と密閉容器４との間には圧力調整弁１６が設けられている。
【００５４】
この実施例3では、下部空間４ｂの側から高圧ガス（ガス圧０．２５ＭＰａ）をガス透過性材料５ｄに注入する。上部空間４ａのガス圧は高圧ガスのガス圧力よりも低ければ良いが、塑性変形材料を中空構造体製造用基板５の無機材料体５ｃへの塗布作業性の観点から大気圧条件下に設定する。
【００５５】
ガス透過性材料５ｄへの高圧ガスの注入時間は、適宜設定すれば良いが、ここでは、図１４に示すように、高圧ガスの下部空間４ｂへの注入開始後約１０分後に、塑性変形材料を無機材料体５ｃの表面５ｅへ塗布して塑性変形膜１０を形成する。この塑性変形膜１０の形成と略同時に各凹部５ｂから高圧ガスが放出され、発泡が開始される。これにより、塑性変形材料が延伸膨張される。ついで、実施例１と同様に低湿度、低温度の雰囲気のもとで、塑性変形材料を乾燥させる。ここでは、温度２４度Ｃ、湿度４５ｗｔ％の雰囲気条件下で、約５分間乾燥させた。これにより、中空構造体１が製造される。
【００５６】
中空構造体１の高さ（厚さ）を制御する場合には、塑性変形材料の発砲開始直前から、上部空間４ａのガス圧を調整する。上部空間４ａのガス圧と下部空間４ｂとのガス圧の圧力差を大きくすると、塑性変形材料の各凹部への浸入がより一層阻止される。塑性変形材料の発泡後は、上部空間４ａのガス圧力を高圧にしても、塑性変形材料の各凹部への浸入は生じない。その一方、上部空間４ａの圧力を高圧に制御することにより、発泡速度が制御され、中空構造体１の高さ（厚さ）が制御される。なお、乾燥時間の短縮化を図るには、密閉容器４の内部をより一層低湿度、高温条件下に設定するのが望ましい。
【００５７】
図１５はこのようにして製造された中空構造体１の写真を示している。中空構造体１の中空部１ａの中心から中空部１ａの中心までの中心間距離（ピッチｍ）は約１０μｍ、中空部１ａと中空部１ａとを仕切る隔壁の厚さｘは０．２μｍ、高さｈは約１５μｍであった。
【００５８】
なお、これらの実施例では、塑性変形材料として、水溶性材料を用いて説明したが、これに限られるものではなく、塑性変形材料として、ＵＶ硬化樹脂、熱可塑性樹脂等を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】従来の中空構造体製造装置の一例を示す概要図である。
【図２】中空構造体製造用基板の表面に塑性変形膜を形成した直後の状態を示す部分断面図である。
【図３】図２に示す各凹部内の気泡が消失する状態を示す部分断面図である。
【図４】実施例１に係わる中空構造体製造装置によって製造されるべき中空構造体の一例を示す断面図である。
【図５】実施例１に係わる中空構造体製造装置の概要を示す説明図である。
【図６】実施例１に係わる中空構造体製造装置の中空構造体製造用基板に塑性変形膜を形成した状態を示す説明図である。
【図７】実施例１に係わる中空構造体製造用基板の発泡過程を示す部分拡大図である。
【図８】塑性変形膜が膨張延伸された状態を示す部分拡大図である。
【図９】Yung−Laplaceの方程式を説明するための説明図である。
【図１０】引っ張り応力と引っ張り強度との関係を説明するための説明図である。
【図１１】実施例２に係わる中空構造体製造用基板の断面図である。
【図１２】実施例３に係わる中空構造体製造用基板の説明図であって、（ａ）は一部を破断して示す平面図であり、（ｂ）は断面図である。
【図１３】実施例３に係わる中空構造体製造装置の概要を示す図であって、塑性変形膜形成前の状態を示す図である。
【図１４】実施例３に係わる中空構造体製造装置の概要を示す図であって、塑性変形膜の膨張延伸時の状態を示す図である。
【図１５】実施例３の製造方法によって得られた中空構造体の一例を示す電子顕微鏡写真図である。
【符号の説明】
【００６０】
５…中空構造体製造用基板
５ａ…表面
５ｂ…凹部
１０…塑性変形膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハニカム形状等の中空構造体の製造方法及び中空構造体製造用基板及び中空構造体製造装置に関し、例えば、異方性を有する光学素子の遮光素子、燃料電池のセパレータ、フィルター等の製造に応用可能であり、また、中空構造体の中空部に機能材料を注入することにより異方性機能部材、例えば、遮光付きマイクロレンズアレイ、異方性導電膜、再生医療用の細胞培養基板への応用が可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来から、図１に示すように、材料塗布装置２１の上部の密閉容器２２内に温度制御装置２３を設け、表面に凹部２４ａが多数配列された中空構造体製造用基板２４をその温度制御装置２３の上部にセットして、材料吐出装置２５からハニカム構造体としての中空構造体を形成するための塑性変形材料を中空構造体製造用基板２４の表面に吐出させ、材料塗布装置２１を回転させて、塑性変形膜２６を中空構造体製造用基板２４の表面に略均一に形成し、密閉容器２２内のガス圧力を減圧させて、塑性変形膜２６を各凹部に貯留されたガスの圧力により膨張延伸させて、多数の中空部を有する中空構造体の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
なお、ハニカム構造体とは、ここでは、六角形状の穴の形状を有するもののみならず、四角形、五角形状のものを含み、形状にかかわらず、複数の中空部を有するシート状体を総称していう。
【特許文献１】特開２００７−９８９３０号公報（第（１５）頁、図７、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示のものでは、中空部の中心から中空部の中心までのピッチ間隔が３５μmの中空構造体が得られている。ところが、中空部の中心から中空部の中心までのピッチ間隔が３０μm以下になると、この製造方法では製造が困難である。その理由を以下に説明する。
【０００５】
中空構造体製造用基板２４の表面に塑性変形膜２６を形成した時点をｔ＝ｔ0とすると（図２参照）、時間ｔ＝ｔ1が経過すると、凹部２４ａによって定義されかつガス圧Ｐ1のガスを有するガス貯留空間が消滅し（図３参照）、減圧条件のガス圧Ｐ0のもとでガスを膨張させることができないからである。
【０００６】
Yung-Laplaceの式によれば、一般に気泡の圧力は気泡を囲む物質の表面張力に比例し、気泡の半径に反比例する。例えば、水中の気泡の場合、直径が１００μmのとき、気泡の圧力と外圧との圧力差は３kPa程度である。ここで、直径を１０μmと小さくすると、気泡の圧力と外圧との差は３０kPa程度となる。気泡の圧力が高くなると、水に対するガスの溶解度が増し、水にガスが溶け込む。すると、気泡の大きさは小さくなり、これに伴ってより一層高圧となり、ガスが水に溶解する。気泡の大きさが小さくなるほど、加速度的に早さが増し、最終的には気泡が消滅する。
【０００７】
これと、同様の現象が塑性変形膜２６にも起こっていると考えられる。この場合は、ピッチ間隔が狭くなると、塑性変形材料の表面張力により、ガス貯留空間の圧力が増し、ガス貯留空間のガスが塑性変形膜２６を形成する塑性材料や中空構造体製造用基板２４がガス透過性材料の場合はそのガス透過性材料に溶解し、そのガスが低圧Ｐ0の大気中に放出される。最終的に、ガス貯留空間が時間ととも塑性変形材料によって埋め尽くされる。
【０００８】
その結果、ピッチ間隔が３０μｍ以下の中空部を有する中空部構造体を精密に形成できないという不都合がある。
【０００９】
本発明は、中空部のピッチ間隔が３０μm以下の中空部構造体を精密に製造するのに好適な中空部構造体の製造方法及び中空構造体製造用基板及び中空構造体製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の中空構造体の製造方法には、塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面に向かって開口しかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部とを有する中空構造体製造用型基板を用いて、複数個の中空部が配列された中空構造体を製造する中空構造体の製造方法であって、
前記中空構造体製造用基板を構成する材料の一部にガス透過性材料を用い、高圧条件下であらかじめ前記ガス透過性材料に高圧ガスを注入することにより封じ込め、減圧条件下で前記塑性変形膜を前記表面に形成すると共に前記ガス透過性材料に封じ込められた高圧ガスの前記各凹部への放出により該凹部への前記塑性変形材料の浸入を防止しつつ前記塑性変形膜を前記各凹部内の高圧ガスにより膨張延伸させて、前記中空構造体を製造することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の中空構造体の製造方法は、前記表面以外から前記ガス透過性材料に前記高圧ガスを注入することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の中空構造体の製造方法は、前記塑性変形材料の表面張力をσ、前記各凹部の平均半径をｒ、塑性変形材料の引っ張り強度をσb、前記各凹部間の凹部間距離をＬとすると、高圧ガスのガス圧と減圧条件下でのガス圧との圧力差ΔＰが、
（２×σ／ｒ）＜ΔＰ＜２×σb・Ｌ／ｒの条件式を満足することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の中空構造体の製造方法は、前記表面とは反対側の裏面側から前記ガス透過性材料に前記高圧ガスを注入することを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の中空構造体の製造方法は、前記ガス透過性材料が高分子材料からなることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の中空構造体の製造方法は、前記高分子材料がポリジメチルシロキサンであることを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の中空構造体製造用基板は、塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面に向かって開口しかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部とを有するものにおいて、塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面と裏面側に向かって開口されかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部を構成するための無機材料体と、前記無機材料体の裏面側に設けられかつ高圧ガスが注入されるガス透過性材料とを含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の中空構造体製造用基板は、前記ガス透過性材料には、前記無機材料体が設けられている面とは反対側の面に、該ガス透過性材料よりも剛性が高い材料から形成されかつ前記ガス透過性材料に通じる貫通孔を有する支持体が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
請求項９に記載の中空構造体製造装置は、請求項８に記載の中空構造体製造用基板を境にして前記各凹部が臨む上部空間と前記支持体が臨む下部空間とに画成された密閉容器と、前記上部空間に連通されて該上部空間のガス圧を加圧・減圧するポンプと、前記上部空間に連通されて該上部空間のガスを排出する排出弁と、前記下部空間に連通されて該下部空間のガス圧を加圧・減圧するポンプと、前記下部空間に連通されて該下部空間のガスを排出する排出弁とを含むことを特徴とする。
【００１９】
請求項１０に記載の中空構造体製造方法は、請求項９に記載の中空構造体製造装置を用いて、前記塑性変形材料の膨張延伸時に少なくとも前記上部空間のガス圧力を制御することにより、前記中空構造体の高さを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、中空構造体製造用基板を構成する材料の一部にガス透過性材料を用い、高圧条件下であらかじめガス透過性材料に高圧ガスを注入することにより封じ込め、減圧条件下で塑性変形膜を表面に形成すると共にガス透過性材料に封じ込められた高圧ガスの各凹部への放出により凹部への塑性変形材料の浸入を防止しつつ塑性変形膜を各凹部内の高圧ガスにより膨張延伸させるので、中空部のピッチ間隔が３０μm以下の中空部構造体を精密に製造できるという効果を奏する。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、中空構造体製造用基板の表面への塑性変形膜の形成と同時に中空構造体製造用基板の一部を構成するガス透過性材料へのガスの注入とを同時に行うことができるので、製造時間の短縮を図ることができるという効果を奏し、ひいては、中空構造体の寸法精度の向上を図ることができる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、塑性変形膜を構成する塑性変形材料の膨張延伸時に、塑性変形材料が破壊されることなく、中空部構造体を製造できるという効果を奏する。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、各凹部から塑性変形膜に向けて放出されるガスの圧力変動を低減することができるので、中空構造体の寸法精度の向上をより一層図ることができる。また、中空構造体の製造時間の短縮も図ることができるという効果を奏する。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、ガス透過性材料を高分子材料を用いて形成したので、構造的に安定しており、ガス透過性係数のばらつきが小さく、各凹部内から均一な圧力のガスを放出させることができるという効果を奏する。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、高分子材料としてポリジメチルシロキサン（PDMS）を用いたので、ガス透過性材料へのガス浸透時間の短縮を図ることができ、ひいては中空構造体の製造時間の短縮化を図ることができ、低価格の中空構造体を提供できるという効果を奏する。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、各凹部を形成する材料とガス透過性材料とに別のものを用いたので、請求項１の効果に加えて、凹部を形成する材料の選択の自由度が増し、例えば、パターン加工が容易な材料選択や表面処理が容易な材料を選択できるという効果を奏する。
【００２７】
請求項８に記載の発明によれば、ガス透過性材料を剛性の高い支持体で補強したので、ガス透過性材料の変形を防止できるという効果を奏する。
【００２８】
請求項９に記載の発明によれば、各凹部を有する表面とは反対側の面からガスをガス透過性材料に注入しつつ各表面に塑性変形膜を形成できるので、請求項２、請求項３に記載の発明と同様に製造時間の短縮を図ることができるという効果を奏する。
【００２９】
請求項１０に記載の発明によれば、塑性変形膜の膨張延伸時に密閉容器内の圧力を調節するので、中空構造体の寸法を制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に、本発明に係わる中空構造体の製造方法及び中空構造体製造用基板及び中空構造体製造装置の発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【実施例】
【００３１】
（中空構造体１の構造）
図４は本発明に係わる中空構造体の製造方法によって製造されるべき中空構造体１としてのハニカム構造体である。この中空構造体１は、ここでは、中空部１ａと中空部１ａとのピッチ間隔ｍが１０μｍ、高さｈが１５μｍ、半径ｒが平均約５μｍ、隔壁ｘの厚さが２μｍ、凹部形成領域の縦横幅が５ｍｍ×５ｍｍである。塑性変形膜を形成する塑性変形材料には、３０％に希釈したゼラチン水溶液が用いられる。なお、本発明に係わる製造法は、ピッチｍが１〜１００μm、高さｈが１〜300μmの範囲内の中空構造体を適宜製造可能である。
（実施例１）
図５は本発明に係わる中空構造体製造装置の一例を示す概要図である。この図５において、３は材料塗布装置である。材料塗布装置３の上部には密閉容器４が設けられる。密閉容器４内には中空構造体製造用基板５が配設される。密閉容器４の上部には塑性変形材料を吐出する材料吐出装置６が設けられている。その密閉容器４には加圧・減圧ポンプ７と排出弁８とが接続されている。加圧・減圧ポンプ７と密閉容器４との間には圧力調整弁９が設けられている。
【００３２】
中空構造体製造用基板５はその表面５ａの側に、中空部１ａを形成するためのガスを貯留する各凹部５ｂを有する。中空構造体製造用基板５はここではガス透過性材料が用いられている。このガス透過性材料には撥水性の高いシリコーンゴム（ポリジメチルシロキサン（ＰＤＳ））等の高分子材料から構成されている。そのガス透過係数は例えば約３×１０-11（ｃｍ3・ｃｍ／（ｃｍ2・ｓ・Ｐａ））である。そのガスの浸透時間は、圧力差を０．４ＭＰａ、厚さを０．１ｃｍ、面積を１ｃｍ2、透過ガス量を０．００１５ｃｍ3として算出すると、約１．２秒である。なお、場合によっては、ガス透過性材料にＰＳ（ポリスチレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）等の熱可塑性材料を用いても良い。
【００３３】
ガス透過性材料には、内部に空洞を有する無機物質を使用することも可能であるが、ガス透過係数のばらつきが大きいので、ガス透過係数のばらつきの少ない高分子材料を用いるのが、微細な中空部を有する精密形状部品としての中空構造体１を製造するうえで好ましい。
【００３４】
次に、中空構造体１の製造方法を説明する。
【００３５】
まず、密閉容器４の内部のガス圧の初期値Ｐ0が０．１ＭＰａとして、加圧・減圧ポンプ７を制御することにより、図５に示すように、ガス圧Ｐ１を０．２５ＭＰａの高圧条件にセットする。密閉容器４内のガス圧Ｐ1をこの高圧条件下に約１０分間維持し、中空構造体製造用基板５にガス圧Ｐ１に相当するガス量を浸透させ、中空構造体製造用基板５にガスを封入する。
【００３６】
次に、図６に示すように、排出弁８により密閉容器４のガスを外部に放出させ、密閉容器４の内部のガス圧を初期値Ｐ0（Ｐ0＝０．１ＭＰａ）に戻し、材料吐出装置６から塑性変形材料を吐出させ、材料塗布装置３を用いて塑性変形膜１０を表面５ａに形成する。なお、塑性変形材料としてのゼラチン水溶液のゲル化温度は３８度Ｃ〜４５度Ｃであり、ここでは、ゲル化温度以上の温度である６０度Ｃで材料吐出装置６からゼラチン水溶液を中空構造体製造用基板５の表面５ａに吐出させ、かつ、厚さ１０μの塑性変形膜１０をスピンコート法により形成した。なお、塑性変形膜１０の形成は、スピンコート法によらず、スリットコート法、ダイコート法、カーテンコート法、シャボン膜法等の方法を用いても良い。
【００３７】
その塑性変形膜１０の形成と略同時に図７に拡大して示すように中空構造体製造用基板５に封入されていたガス圧Ｐ１を有するガスが各凹部５ｂのガス貯留空間に放出され、図８に示すように、塑性変形膜１０が膨張延伸される。また、中空構造体製造用基板５に封入されていたガスの量が時間の経過と共に減少するため、中空構造体製造用基板５の封入ガス圧も減少し、中空部１ａを有する中空構造体１が形成される。なお、凹部５ｂと凹部５ｂとの間の表面5ａと塑性変形膜１０との間には、ゼラチン水溶液の液体が介在するので、この凹部５ｂと凹部５ｂとの間の表面5ａからは、中空構造体製造用基板５に封入されているガスが放出されないという物理的性質がある。
【００３８】
次に、密閉容器４の内部を低湿度雰囲気下にセットして、中空構造体１を乾燥させる。ここでは、密閉容器４の内部温度を２４度Ｃ、湿度４５ｗｔ％の条件下で約５分間乾燥させる。中空構造体１の乾燥を促進させるには、高温・低湿度に密閉容器４の内部を設定するのが望ましく、加熱手段（図示を略す）として、マイクロ波加熱手段を用いることにより、より一層乾燥速度を速めることができ、これにより、乾燥時間を２０秒以下とすることができる。
【００３９】
次に、中空構造体製造用基板５から中空構造体１を手により剥離する。中空構造体製造用基板５にはガス透過性材料として撥水性の高いシリコーンゴムをここでは用いているので、剥離は容易である。
【００４０】
ここで、Yung−Laplaceの方程式によれば、図９に示すように、凹部５ｂ内のガス貯留空間の圧力Ｐ1、塑性変形膜１０を形成する塑性変形材料の表面張力をσ、ｒをガス貯留空間の気泡（球形と仮定）の平均半径、塑性変形材料の圧力（密閉容器４の内部圧力と同じ）をＰ0とすると、
ΔＰ＝Ｐ1−Ｐ0＝２σ／ｒ
σに水の表面張力である数値０．０７３（Ｎ／ｍ）、ｒに半径５μｍを代入すると、ΔＰは約０．０３ＭＰａである。従って、Ｐ0を０．１ＭＰａとすると、中空構造体製造用基板５に封じ込めるガスの圧力Ｐ1は０．１３ＭＰａ以上とする必要がある。
【００４１】
次に、密閉容器４内のガス圧Ｐ1を０．１３ＭＰａから随時複数のガス圧条件下で同様に図５に示す中空構造体製造装置を用いて中空構造体１を試作した。その結果、ガス圧Ｐ1が０．１３ＭＰａ以上０．４ＭＰａ以下のときに、中空構造体１の中空部１ａが破壊されることなく形成できた。ガス圧Ｐ1が０．１３ＭＰａ未満では、中空部１ａが不揃いであるか形成されず、ガス圧Ｐ1が０．４ＭＰａを超えると、中空部１ａの一部が破壊された中空構造体１が見られた。ガス圧Ｐ1が０．２５ＭＰａのときに、中空部１ａの大きさが揃った良好な中空構造体１が得られた。
【００４２】
図１０に拡大して示すように、塑性変形膜１０を形成する塑性変形材料の膨張延伸直後の引っ張り応力をσａ、圧力差ΔＰ、凹部５ｂの平均半径をｒ、凹部５ｂと凹部５ｂとの間の表面５ａの間隔（凹部間距離）の半分をＬとすると、引っ張り応力σａは、
σa＝ΔＰ・ｒ／２Ｌ
ここでは、凹部５ｂの直径ｄを１０μｍ、凹部５ｂと凹部５ｂとのピッチｍ＝１０μｍとすると、Ｌ＝２．５μｍであり、例えば、圧力差ΔＰを０．１５Ｍａ、０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａとすると、それぞれ、引っ張り応力σａは、
σa（０．１５Ｍａ時）＝７５ＫＰａ、σa（０．３ＭＰａ時）＝１５０ＫＰａ、
σa（０．５ＭＰａ時）＝２５０ＫＰａであり、塑性変形材料である希釈時３０％水溶液の引っ張り強度σbはおよそ１５０ＫＰａである。この引っ張り強度σbはゼラチン水溶液を構成する水分子の蒸発により、時々刻々と変化するため、正確な数値を求めることは困難である。また、この引っ張り強度σｂはゼラチン水溶液の希釈濃度が高いほど大きくなる。
【００４３】
圧力差ΔＰが０．１５ＭＰａないし０．４ＭＰａの間では、引っ張り応力σａが引っ張り強度σｂよりも小さいので、破壊されることなく、中空部１ａを有する中空部構造体１を形成可能であると考えられる。０．４ＭＰａ以上では、引っ張り応力σａが引っ張り強度σbよりも大きいので、塑性変形材料が破壊されるため、中空部１ａを有する中空部構造体１が形成されないと考えられる。
【００４４】
従って、圧力差ΔＰは、（２Ｌσa／ｒ）＜（２Ｌσb／ｒ）で表現される範囲内になければならないと考えられる。
【００４５】
この実施例１の中空構造体１の製造方法を概略まとめると、中空構造体製造用基板５への加圧ガスの注入、塑性変形材料を中空構造体製造用基板５の表面５ａへの塗布による塑性変形膜の形成、塑性変形膜１０の形成と略同時の発砲、乾燥、剥離の工程順となる。
（実施例２）
この実施例２では、中空構造体製造用基板５が、図１１に示すように、無機材料体５ｃとガス透過性材料５ｄとから構成されている。無機材料体５ｃは塑性変形材料を用いて塑性変形膜１０が形成される表面５ｅと、この表面５ｅ及び反対側の裏面５ｆの側に向かって開口されかつガスの放出により塑性変形膜１０を膨張延伸させて複数個の中空部１ａを形成するためのガスを貯留する各凹部５ｂを構成する貫通孔５ｇを有する。この無機材料体５ｃは、ここでは、銅箔（金属）が用いられている。ガス透過性材料（ここでは、シリコーンゴム）５ｄは、その無機材料体５ｃの裏面５ｆの側に設けられている。
【００４６】
この中空構造体製造用基板５は、銅箔に未硬化シリコーンを塗布し、その後、未硬化シリコーンを硬化させることにより接合形成する。その後、銅箔に各凹部５ｂに対応する六角形状の貫通孔５ｇのパターンを形成し、エッチング処理により、貫通孔５ｇを形成する。これにより、簡単に中空構造体製造用基板５の凹部５ｂを形成できる。
【００４７】
シリコーンゴムに多数の凹凸を形成する場合には、凹凸形状を有する金型を用いて転写する必要があるが、金型形状の各凹部内のオーバハング等やシリコーンゴムと金型材料との親和性が大きい場合には、シリコーンゴムを金型から剥離させる際に、シリコーンゴムが破損されて、転写不良を起こす危険性があるが、この実施例２による場合、そのような危険性を回避できる。
【００４８】
また、中空構造体製造用基板５の表面５ａや凹部５ｂに表面処理を行う場合、化学的に安定した界面を有するシリコーンゴムでは、表面処理に困難を要するが、これに対して無機材料体５ｃは表面処理が容易である。特に、塑性変形材料の膨張延伸時に中空構造体製造用基板５の表面５ａに対する密着力が不足すると、塑性変形材料がその膨張延伸時に表面５ａから剥離するおそれがある。その一方、塑性変形材料の表面５ａの密着力が大きすぎると、中空構造体１を中空構造体製造用基板５から剥離させる際に、中空構造体１が破壊されるおそれがある。シリコーンゴム単体では、このような密着力の調整が困難であるが、中空構造体製造用基板５を無機材料体５ｃとガス透過性材料５ｄとの複合構成とすることにより、密着力の調整の容易化を図ることができる。
（実施例３）
実施例１に係わる中空構造体の製造方法では、中空構造体製造用基板５を密閉容器４内にセットし、密閉容器４内を高圧ガス条件下のもとで、中空構造体製造用基板５に高圧ガスを浸透させ、その後、密閉容器４内を減圧条件下のもとで中空構造体製造用基板５の表面に塑性変形材料を塗布して発泡させ、塑性変形材料を膨張延伸させて、中空構造体１を製造する工程を経ているので、密閉容器４内の減圧に多少の時間を要し、中空構造体製造用基板５の内部に注入されているガスの圧力が低下する。
【００４９】
この実施例３では、この中空構造体製造用基板５の内部に注入されているガスの圧力低下の防止と中空構造体製造効率の向上とを図ることのできる中空構造体製造用基板５を提供するものである。
【００５０】
中空構造体製造用基板５は、ここでは、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、無機材料体５ｃとガス透過性材料５ｄと支持体５ｈとから構成されている。無機材料体５ｃ、ガス透過性材料５ｄの構成は実施例２と同一であるので、その詳細な説明を省略する。支持体５ｈは無機材料体５ｃとは反対側のガス透過性材料５ｄ側の面に設けられている。その支持体５ｈはガス透過性材料５ｄよりも剛性が高い材料から形成されかつガス透過性材料５ｄに通じる貫通孔５ｊを有する。この貫通孔５ｊはガス透過性材料５ｄにガスを供給する役割を有する。その支持体５ｈは、例えば厚さ５ｍｍの鉄板をプレス手段によって開口径５ｍｍの穴を穿孔することによって得られる。支持体５ｈをガス透過性材料５ｄに設けた理由は、後述する圧力差ΔＰ’に基づくガス透過性材料５ｄの変形、破損を防止するためである。
【００５１】
次に、図１３に示すように、この中空構造体製造用基板５は、例えば、支持体５ｈの表面に未硬化のシリコーンゴムを塗布し、そのシリコーンゴムに銅箔を載置し、その後、未硬化シリコーンを硬化させることにより接合形成する。
【００５２】
中空構造体製造用基板５の側面を密閉容器４に密着させるようにして、密閉容器４内にこの中空構造体製造用基板５をセットする。これにより、密閉容器４の内部を中空構造体製造用基板５を境にして各凹部５ｂが臨む上部空間４ａと支持体５ｈが臨む下部空間４ｂとに画成する。密閉容器４の上部空間４ａは上部空間４ａのガス圧を加圧・減圧するポンプ１１と上部空間４ａのガスを排出する排出弁１２とに連通されている。そのポンプ１１と密閉容器４との間には圧力調整弁１３が設けられている。
【００５３】
密閉容器４の下部空間４ｂは下部空間４ｂのガス圧を加圧するポンプ１４と、下部空間４ｂのガスを排出する排出弁１５とに連通されている。そのポンプ１４と密閉容器４との間には圧力調整弁１６が設けられている。
【００５４】
この実施例3では、下部空間４ｂの側から高圧ガス（ガス圧０．２５ＭＰａ）をガス透過性材料５ｄに注入する。上部空間４ａのガス圧は高圧ガスのガス圧力よりも低ければ良いが、塑性変形材料を中空構造体製造用基板５の無機材料体５ｃへの塗布作業性の観点から大気圧条件下に設定する。
【００５５】
ガス透過性材料５ｄへの高圧ガスの注入時間は、適宜設定すれば良いが、ここでは、図１４に示すように、高圧ガスの下部空間４ｂへの注入開始後約１０分後に、塑性変形材料を無機材料体５ｃの表面５ｅへ塗布して塑性変形膜１０を形成する。この塑性変形膜１０の形成と略同時に各凹部５ｂから高圧ガスが放出され、発泡が開始される。これにより、塑性変形材料が延伸膨張される。ついで、実施例１と同様に低湿度、低温度の雰囲気のもとで、塑性変形材料を乾燥させる。ここでは、温度２４度Ｃ、湿度４５ｗｔ％の雰囲気条件下で、約５分間乾燥させた。これにより、中空構造体１が製造される。
【００５６】
中空構造体１の高さ（厚さ）を制御する場合には、塑性変形材料の発砲開始直前から、上部空間４ａのガス圧を調整する。上部空間４ａのガス圧と下部空間４ｂとのガス圧の圧力差を大きくすると、塑性変形材料の各凹部への浸入がより一層阻止される。塑性変形材料の発泡後は、上部空間４ａのガス圧力を高圧にしても、塑性変形材料の各凹部への浸入は生じない。その一方、上部空間４ａの圧力を高圧に制御することにより、発泡速度が制御され、中空構造体１の高さ（厚さ）が制御される。なお、乾燥時間の短縮化を図るには、密閉容器４の内部をより一層低湿度、高温条件下に設定するのが望ましい。
【００５７】
図１５はこのようにして製造された中空構造体１の写真を示している。中空構造体１の中空部１ａの中心から中空部１ａの中心までの中心間距離（ピッチｍ）は約１０μｍ、中空部１ａと中空部１ａとを仕切る隔壁の厚さｘは０．２μｍ、高さｈは約１５μｍであった。
【００５８】
なお、これらの実施例では、塑性変形材料として、水溶性材料を用いて説明したが、これに限られるものではなく、塑性変形材料として、ＵＶ硬化樹脂、熱可塑性樹脂等を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】従来の中空構造体製造装置の一例を示す概要図である。
【図２】中空構造体製造用基板の表面に塑性変形膜を形成した直後の状態を示す部分断面図である。
【図３】図２に示す各凹部内の気泡が消失する状態を示す部分断面図である。
【図４】実施例１に係わる中空構造体製造装置によって製造されるべき中空構造体の一例を示す断面図である。
【図５】実施例１に係わる中空構造体製造装置の概要を示す説明図である。
【図６】実施例１に係わる中空構造体製造装置の中空構造体製造用基板に塑性変形膜を形成した状態を示す説明図である。
【図７】実施例１に係わる中空構造体製造用基板の発泡過程を示す部分拡大図である。
【図８】塑性変形膜が膨張延伸された状態を示す部分拡大図である。
【図９】Yung−Laplaceの方程式を説明するための説明図である。
【図１０】引っ張り応力と引っ張り強度との関係を説明するための説明図である。
【図１１】実施例２に係わる中空構造体製造用基板の断面図である。
【図１２】実施例３に係わる中空構造体製造用基板の説明図であって、（ａ）は一部を破断して示す平面図であり、（ｂ）は断面図である。
【図１３】実施例３に係わる中空構造体製造装置の概要を示す図であって、塑性変形膜形成前の状態を示す図である。
【図１４】実施例３に係わる中空構造体製造装置の概要を示す図であって、塑性変形膜の膨張延伸時の状態を示す図である。
【図１５】実施例３の製造方法によって得られた中空構造体の一例を示す電子顕微鏡写真図である。
【符号の説明】
【００６０】
５…中空構造体製造用基板
５ａ…表面
５ｂ…凹部
１０…塑性変形膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面に向かって開口しかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部とを有する中空構造体製造用基板を用いて、複数個の中空部が配列された中空構造体を製造する中空構造体の製造方法であって、
前記中空構造体製造用基板を構成する材料の一部にガス透過性材料を用い、高圧条件下であらかじめ前記ガス透過性材料に高圧ガスを注入することにより封じ込め、減圧条件下で前記塑性変形膜を前記表面に形成すると共に前記ガス透過性材料に封じ込められた高圧ガスの前記各凹部への放出により該凹部への前記塑性変形材料の浸入を防止しつつ前記塑性変形膜を前記各凹部内の高圧ガスにより膨張延伸させて、前記中空構造体を製造することを特徴とする中空構造体の製造方法。
【請求項２】
前記表面以外から前記ガス透過性材料に前記高圧ガスを注入することを特徴とする請求項１に記載の中空構造体の製造方法。
【請求項３】
前記塑性変形材料の表面張力をσ、前記各凹部の平均半径をｒ、塑性変形材料の引っ張り強度をσb、前記各凹部間の凹部間距離をＬとすると、高圧ガスのガス圧と減圧条件下でのガス圧との圧力差ΔＰが、
（２×σ／ｒ）＜ΔＰ＜２×σb・Ｌ／ｒの条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の中空構造体の製造方法。
【請求項４】
前記表面とは反対側の裏面側から前記ガス透過性材料に前記高圧ガスを注入することを特徴とする請求項１に記載の中空構造体の製造方法。
【請求項５】
前記ガス透過性材料が高分子材料からなることを特徴とする請求項１に記載の中空構造体の製造方法。
【請求項６】
前記高分子材料がポリジメチルシロキサンであることを特徴とする請求項５に記載の中空構造体の製造方法。
【請求項７】
塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面に向かって開口しかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部とを有する中空構造体製造用基板において、
塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面及び裏面に向かって開口されかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部を構成するための無機材料体と、前記無機材料体の裏面側に設けられかつ高圧ガスが注入されるガス透過性材料とを含むことを特徴とする中空構造体製造用基板。
【請求項８】
前記ガス透過性材料には、前記無機材料体が設けられている面とは反対側の面に、該ガス透過性材料よりも剛性が高い材料から形成されかつ前記ガス透過性材料に通じる貫通孔を有する支持体が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の中空構造体製造用基板。
【請求項９】
請求項８に記載の中空構造体製造用基板を境にして前記各凹部が臨む上部空間と前記支持体が臨む下部空間とに画成された密閉容器と、前記上部空間に連通されて該上部空間のガス圧を加圧・減圧するポンプと、前記上部空間に連通されて該上部空間のガスを排出する排出弁と、前記下部空間に連通されて該下部空間のガス圧を加圧するポンプと、前記下部空間に連通されて該下部空間のガスを排出する排出弁とを含む中空構造体製造装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の中空構造体製造装置を用いて、前記塑性変形材料の膨張延伸時に少なくとも前記上部空間のガス圧力を制御することにより、前記中空構造体の高さを制御することを特徴とする中空構造体製造方法。
【請求項１】
塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面に向かって開口しかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部とを有する中空構造体製造用基板を用いて、複数個の中空部が配列された中空構造体を製造する中空構造体の製造方法であって、
前記中空構造体製造用基板を構成する材料の一部にガス透過性材料を用い、高圧条件下であらかじめ前記ガス透過性材料に高圧ガスを注入することにより封じ込め、減圧条件下で前記塑性変形膜を前記表面に形成すると共に前記ガス透過性材料に封じ込められた高圧ガスの前記各凹部への放出により該凹部への前記塑性変形材料の浸入を防止しつつ前記塑性変形膜を前記各凹部内の高圧ガスにより膨張延伸させて、前記中空構造体を製造することを特徴とする中空構造体の製造方法。
【請求項２】
前記表面以外から前記ガス透過性材料に前記高圧ガスを注入することを特徴とする請求項１に記載の中空構造体の製造方法。
【請求項３】
前記塑性変形材料の表面張力をσ、前記各凹部の平均半径をｒ、塑性変形材料の引っ張り強度をσb、前記各凹部間の凹部間距離をＬとすると、高圧ガスのガス圧と減圧条件下でのガス圧との圧力差ΔＰが、
（２×σ／ｒ）＜ΔＰ＜２×σb・Ｌ／ｒの条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の中空構造体の製造方法。
【請求項４】
前記表面とは反対側の裏面側から前記ガス透過性材料に前記高圧ガスを注入することを特徴とする請求項１に記載の中空構造体の製造方法。
【請求項５】
前記ガス透過性材料が高分子材料からなることを特徴とする請求項１に記載の中空構造体の製造方法。
【請求項６】
前記高分子材料がポリジメチルシロキサンであることを特徴とする請求項５に記載の中空構造体の製造方法。
【請求項７】
塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面に向かって開口しかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部とを有する中空構造体製造用基板において、
塑性変形材料を用いて塑性変形膜が形成される表面と該表面及び裏面に向かって開口されかつガスの放出により前記塑性変形膜を膨張延伸させて複数個の中空部を形成するためのガスを貯留する各凹部を構成するための無機材料体と、前記無機材料体の裏面側に設けられかつ高圧ガスが注入されるガス透過性材料とを含むことを特徴とする中空構造体製造用基板。
【請求項８】
前記ガス透過性材料には、前記無機材料体が設けられている面とは反対側の面に、該ガス透過性材料よりも剛性が高い材料から形成されかつ前記ガス透過性材料に通じる貫通孔を有する支持体が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の中空構造体製造用基板。
【請求項９】
請求項８に記載の中空構造体製造用基板を境にして前記各凹部が臨む上部空間と前記支持体が臨む下部空間とに画成された密閉容器と、前記上部空間に連通されて該上部空間のガス圧を加圧・減圧するポンプと、前記上部空間に連通されて該上部空間のガスを排出する排出弁と、前記下部空間に連通されて該下部空間のガス圧を加圧するポンプと、前記下部空間に連通されて該下部空間のガスを排出する排出弁とを含む中空構造体製造装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の中空構造体製造装置を用いて、前記塑性変形材料の膨張延伸時に少なくとも前記上部空間のガス圧力を制御することにより、前記中空構造体の高さを制御することを特徴とする中空構造体製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２１４３７４（Ｐ２００９−２１４３７４Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５９１７０（Ｐ２００８−５９１７０）
【出願日】平成２０年３月１０日（２００８．３．１０）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１０日（２００８．３．１０）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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