微細貫通孔成形装置、微細貫通孔成形品の製造方法、およびその方法により製造されたミスト形成用フィルター
【課題】簡易かつ短時間に、合成樹脂のシートに多数の微細な貫通孔を容易に形成することが可能な微細貫通孔成形装置を提供する。
【解決手段】受台と、受台上に保持され、耐熱性を有するとともに合成樹脂製の基材シートを支持するバックシートと、バックシート上方に配置され、下方部に多数の突状部を有する超音波成形型と、を備えた微細貫通孔成形装置であって、前記受台は、受台上面を所望の温度に加温して、前記バックシート上方に配置された基材シートを所望の温度に加熱できる温度制御装置を備え、前記超音波成形型は、上下方向に移動可能となり、かつ前記突状部が超音波振動し、前記受台を加温して、前記基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱するとともに、前記超音波成形型が下降して、前記突状部が前記基材シートに当接し、基材シートを振動加熱して基材シートを振動加熱し、前記突状部を基材シート下面まで貫入させ、基材シートに多数の微細貫通孔を形成する。
【解決手段】受台と、受台上に保持され、耐熱性を有するとともに合成樹脂製の基材シートを支持するバックシートと、バックシート上方に配置され、下方部に多数の突状部を有する超音波成形型と、を備えた微細貫通孔成形装置であって、前記受台は、受台上面を所望の温度に加温して、前記バックシート上方に配置された基材シートを所望の温度に加熱できる温度制御装置を備え、前記超音波成形型は、上下方向に移動可能となり、かつ前記突状部が超音波振動し、前記受台を加温して、前記基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱するとともに、前記超音波成形型が下降して、前記突状部が前記基材シートに当接し、基材シートを振動加熱して基材シートを振動加熱し、前記突状部を基材シート下面まで貫入させ、基材シートに多数の微細貫通孔を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成樹脂からなる基材シートに多数の微細貫通孔を形成するための微細貫通孔成形装置、微細貫通孔成形装置を用いて多数の微細貫通孔を有する微細貫通孔成形品を製造する微細貫通孔成形品の製造方法、およびこのような微細貫通孔成形品の製造方法によって製造されたミスト形成用フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属シートに対して多数の微細な貫通孔を形成することが行われている。この場合、まず金属シートにフォトリソグラフィ法によって所定のパターンをパターニングし、その後、これに化学エッチングまたはドライエッチングを施すことにより、多数の貫通孔を形成するのが一般的である。またレーザービーム、電子ビーム、中性子ビームで貫通孔をあける方法もある。
【０００３】
しかしながら、このような方法を用いた場合、加工上の制約を受けることにより、微細な貫通孔の形状を機能用途に合わせて自在に設定することは困難である。また、対象となるシートはガラス、半導体、金属等に限られる。さらに、貫通孔を形成するための工程数が多いため、多数の製造装置を用いる必要がある（例えば、特開平５−２８９１２号公報）。
【０００４】
一方、合成樹脂製のシートに多数の微細な（例えば直径１００μｍ以下の）貫通孔を形成しようとする場合、ナノインプリント技術（金型に形成された微細な凹凸を樹脂材料上に転写する技術）を用いることも考えられる。しかしながら、ナノインプリント技術を用いた場合、樹脂材料表面に微細な凹凸を形成することはできるが、樹脂材料を貫通する貫通孔を形成することはできない。
【０００５】
また、合成樹脂製のシートに多数の微細な貫通孔を形成する場合、射出成形方法を用いることも考えられる。しかしながら、この場合、金型内で溶融樹脂がうまく流動せず、微細な貫通孔を形成することはできない。さらに、圧縮成形方法を用いたとしても、同様に微細な貫通孔を形成することはできない。このように、合成樹脂製のシートに多数の微細な貫通孔を形成することは容易でない。
【０００６】
ところで、本出願人は、特開２０１０−１３７３１３号公報において、超音波振動する突状部を有する超音波成形型を用いて、合成樹脂からなる基材シートに多数の微細貫通孔を形成することが提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２８９１２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３７３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特開２０１０−１３７３１３号公報で提案されている微細貫通孔成形装置は、超音波振動する突状部を合成樹脂からなる基材シートに当接させて、超音波振動のエネルギーを熱エネルギーに変えて基材シートを局部的に溶融させて、突状部の形状を基材シートに賦型することにより、基材シートに多数の微細貫通孔を形成するものである。しかしながら、形成しようとする微細孔の直径が小さかったり孔数が多い場合に、貫通孔を形成するのに時間を要する場合があった。
【０００９】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、簡易かつ短時間に、合成樹脂のシートに多数の微細な貫通孔を容易に形成することが可能な微細貫通孔成形装置、微細貫通孔成形品の製造方法、およびこのような方法を用いて作成されたミスト形成用フィルター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】
本発明による微細貫通孔成形装置は、受台と、
受台上に保持され、耐熱性を有するとともに合成樹脂製の基材シートを支持するバックシートと、
バックシート上方に配置され、下方部に多数の突状部を有する超音波成形型と、
を備えた微細貫通孔成形装置であって、
前記受台は、受台上面を所望の温度に加温して、前記バックシート上方に配置された基材シートを所望の温度に加熱できる温度制御装置を備え、
前記超音波成形型は、上下方向に移動可能となり、かつ前記突状部が超音波振動し、
前記受台を加温して、前記基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱するとともに、前記超音波成形型が下降して、前記突状部が前記基材シートに当接し、基材シートを振動加熱して基材シートを振動加熱し、
前記突状部を基材シート下面まで貫入させ、基材シートに多数の微細貫通孔を形成することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の別の実施形態による微細貫通孔形成品の製造方法は、上記微細貫通孔成形装置を用いて、微細貫通孔形成品を製造する方法であって、
受台上に耐熱性を有するバックシートを保持する工程と、
前記バックシート上に合成樹脂製の基材シートを支持する工程と、
前記受台を加温して、前記基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱する工程と、
バックシート上方に予め配置され、下方部に多数の突状部を有する超音波成形型を、下降させて、超音波振動する突状部を前記基材シートに当接させて、基材シートを振動加熱し、突状部が当接した部分の基材シートを軟化ないし溶融させる工程と、
前記超音波成形型をさらに下降させて、軟化ないし溶融した基材シートに前記突状部を貫入させて多数の微細貫通孔を形成する工程と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の別の実施形態によれば、上記の製造方法により得られる微細貫通孔形成品も提供される。
【００１３】
さらに、本発明の別の実施態様によれば、合成樹脂製の基材シートに多数の微細貫通孔が形成されたミスト形成用フィルターであって、前記貫通孔の直径が、基材シートの表裏において異なっており、一方の面の直径が１〜１０μｍであり、他方の面の直径が２０〜８０μｍであることを特徴とするミスト形成用フィルターも提供される。
【００１４】
また、本発明の別の実施態様によれば、超音波振動子を振動させて液体をミスト化するミスト発生装置であって、前記超音波振動子とミスト発生口との間に、上記のミスト形成用フィルターが設けられていることを特徴とするミスト発生装置も提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の微細貫通孔成形装置によれば、受台が温度制御装置により昇温して基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度まで加熱するとともに、超音波振動する突状部が基材シートに当接し、基材シートを振動加熱して基材シートを振動加熱するため、突上部が基材シートに当接してから、突状部が基材シート下方まで貫入させるまでを短時間で行うことができる。そのため、簡易かつ短時間に、合成樹脂のシートに多数の微細な貫通孔を容易に形成することができる。
【００１６】
また、本発明の微細貫通孔成形装置によれば、従来の金属製のミスト形成用フィルターと同等の性能を有する多数の微細な貫通孔を有する微細貫通孔成形品を再現性良く得ることができる。また、超音波成形型の形状を自在に設計することができるので、微細貫通孔成形品の貫通孔を任意の形状で任意の位置に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置を示す概略正面図。
【図２】図１の微細貫通孔成形装置の一部を拡大した拡大概略正面図。
【図３】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置の超音波成形型を示す正面図。
【図４】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置の超音波成形型を示す底面図（図３のIV方向矢視図）。
【図５】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置の超音波成形型を示す垂直断面図（図４のV−V線断面図）。
【図６】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置の超音波成形型を作製する方法を示す概略斜視図。
【図７】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置の超音波成形型を作製する方法を示す概略断面図。
【図８】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形品の製造方法を示す概略図。
【図９】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形品の製造方法において、超音波成形型の突状部先端の挙動を示す図。
【図１０】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形品を示す平面図。
【図１１】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形品を示す垂直断面図（図１０のXI−XI線断面図）。
【図１２】本発明の一実施の形態によるミスト発生装置の一部を拡大した拡大概略正面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１〜図８は本発明の一実施の形態を示す図である。
【００１９】
＜微細貫通孔成形装置＞
まず、図１により微細貫通孔成形品を成形する微細貫通孔成形装置の全体構成について説明する。
【００２０】
図１に示すように、微細貫通孔成形装置１０は、固定された受台１１と、受台１１上に保持され、耐熱性を有するとともに合成樹脂からなる基材シート２０を支持するバックシート１２とを備えている。
【００２１】
受台１１は、温度制御装置１６により、その上面を所望の温度に加熱できるようになっており、後記するバックシート１２を介して基材シート２０を加熱できるようになっている。
【００２２】
バックシート１２は、耐熱性を有する（溶融温度が２５０℃以上である）とともに弾性変形により振動を吸収する振動吸収性及び貫入圧に抗して接触圧を発生するスプリングバック性を有することが好ましい。またバックシート１２は、基材シート２０に対して剥離性に優れているものであることが好ましい。このようなバックシート１２としては、例えばポリイミド、ポリテトラフルオロテチレン（ＰＴＦＥ）のシート、フッ素コーティングされた層やシリコン樹脂コーティングされた層（バックシート剥離層）１２ａを有する耐熱プラスチックのシート等、またはこれらを積層して組合せたもの等を用いることができる。
【００２３】
一方、基材シート２０は、超音波により溶融する性質を有する熱溶融性プラスチックからなっているが、ある程度の剛性および耐熱性を有することが好ましい。この場合、基材シート２０の溶融温度は、バックシート１２の溶融温度より５０℃以上低いことが好ましい。仮に基材シート２０の溶融温度とバックシート１２の溶融温度とが近い場合、基材シート２０の成形時に、バックシート１２が熱変形してしまうからである。このような基材シート２０の材料としては、例えばポリカーボネート（ＰＣ）、非晶質ポリエチレンテレフタレート（Ａ−ＰＥＴ）、結晶性ポリエチレンテレフタレート、延伸性ポリエチレンテレフタレート、メタクリル酸エステル重合体（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＢＳ等を用いることができる。その他、ＰＥ、ＰＰ、ＰＶＣ等の熱可塑性プラスチックを適用することもできる。なお、基材シート２０の厚みは任意であるが、後述する超音波成形型３０の振動幅および超音波成形型３０の上下方向の位置精度から考えて、１０μｍ〜１０ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００２４】
また、微細貫通孔成形装置には、図１に示すように、バックシート１２内を貫通する吸引部１３が設けられている。この吸引部１３を介して真空吸引することにより、基材シート２０をバックシート１２上に固定保持できるようになっている。
【００２５】
さらにバックシート１２の上方には、超音波ホーン型からなる超音波成形型３０が配置されている。超音波成形型３０は、ベース部３３と、ベース部３３に取り付けられ、下方部に多数の突状部３１が形成されたホーンヘッド３２とを有している。さらに超音波成形型３０に加熱装置１４が接続されており、加熱装置１４により超音波成形型３０の多数の突状部３１を補助的に加熱できるようになっている。超音波成形型３０が超音波振動することによる加熱に加え、このような加熱装置１４を補助的に用いることにより、超音波成形型３０の突状部３１を効率よく加熱することができる。
【００２６】
また、超音波成形型３０に成形型制御装置１５が接続されている。超音波成形型３０は、この成形型制御装置１５により制御され、上下方向に昇降移動するとともに、上下方向に超音波振動する。この成形型制御装置１５による超音波成形型３０の昇降位置精度および超音波振動の振幅精度は、いずれも１μｍオーダーであることが好ましい。
【００２７】
超音波成形型３０は、成形型制御装置１５により制御され、上下方向に超音波振動しながら下降し、基材シート２０に当接して基材シート２０を振動加熱する。この振動加熱のみによって、基材シート２０を軟化ないし溶融させて超音波成形型３０により基材シート２０を賦型するのには時間を要する。超音波振動のエネルギーを増加させると、振動の振幅も大きくなるため、形成しようとする貫通孔の位置精度が低下してしまう。本発明においては、上記したように、受台が昇温して基材シート２０をガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱できるため、位置精度を保てるような超音波振動エネルギーを基材シートに付与すれば、容易に基材シートを賦型できる状態（即ち、基材シートが軟化ないし溶融した状態）にすることがでる。その結果、簡易かつ短時間に、合成樹脂のシートに多数の微細な貫通孔を容易に形成することができる。
【００２８】
受台１１は、基材シート２０の温度がガラス転移温度ないし軟化温度付近となるように温度制御されるが、好ましくは、合成樹脂の軟化温度よりも少し低い温度となるように制御される。基材シート２０の温度が、合成樹脂の軟化温度以上の温度となると、基材シート２０の加熱されている部分全体が軟化し始める。基材シート２０の超音波成形型３０の突状部３１が当接する部分以外の部分が軟化すると、精度の高い貫通孔が形成できなくなる場合がある。基材シート２０の温度は、軟化温度よりも１〜５０℃、より好ましくは約５〜３０℃低い温度が好適である。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態においては、図２に示すように、受台１１は、超音波成形型３０の突状部３１が基材シート３０と当接する領域に対応した領域１１ａが上方に突出している。このような構成とすることにより、受台１１からの熱が、基材シート３０の微細孔が形成される領域（即ち、１１ａの部分に対応する部分）以外の領域に伝達されないようになる。そのため、基材シートの熱による変形等を最小限に抑えることができる。
【００３０】
バックシート１２上方に配置される基材シート３０が平坦面を維持できるように、受台１１の突出した領域１１ａ以外の領域と基材シート３０とに間にスペーサー１７が設けられていてもよい。スペーサー１７を断熱材で形成することにより、基材シート２０の平滑性を維持しながら、受台１１からの熱が、基材シート３０の微細孔が形成される領域（１１ａの部分に対応する部分）以外の領域に伝達されないようにすることができる。
【００３１】
基材シート２０が軟化ないし溶融すると、成形型制御装置１５により、超音波成形型３０がさらに下降して、超音波成形型３０の先端に設けられた突状部３１が基材シート２０に貫入する。突状部３１の先端が、バックシート１２に達すると、成形型制御装置１５により、超音波成形型３０の超音波振動が停止するとともに、温度制御装置１５により、受台１１を降温して基材シート２０を冷却するか、あるいは、温度制御装置１５により受台１１の温度を合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度以下の温度となるように制御し、基材シート２０から受台１１への熱伝導により、基材シート２０を所望の温度に冷却する。
【００３２】
上記のようにして冷却された基材シート２０の、超音波成形型３０が接している部分（突状部が貫入している部分）の合成樹脂が固化した後、成形型制御装置１５により、超音波成形型３０を上方に移動させて、突状部３１を抜出する。この時、突状部３１が基材シート２０に形成された貫通孔から剥離しない場合もあり、超音波成形型３０が上方に移動するのに伴って、超音波成形型３０のホーンヘッド３２下端にある突状部３１とともに基材シート２０も上方に持ち上がり、微細な貫通孔を変形させてしまうことがある。本発明においては、超音波成形型３０を再度、超音波振動させることにより、突出部の抜出が容易にすることができる。その結果、基材シートに、より精度の高い貫通孔を形成することができる。
【００３３】
＜超音波成形型＞
次に、図３〜図５により、上述した超音波成形型３０の構成について更に説明する。
【００３４】
図３に示すように、超音波成形型３０は、上方から下方に向けて先細となる形状を有するベース部３３と、ねじ部３２ｂによりこのベース部３３下端に螺着されたホーンヘッド３２とを有している。このうちホーンヘッド３２下端には、円筒形の先端凸部３２ａが形成されている。さらにこの先端凸部３２ａから下方に向けて多数の突状部３１が突設されている。なおホーンヘッド３２は、例えばチタン、アルミニウム等の金属からなっている。また、突状部３１をこれらの金属上に設けたＮｉメッキ層、Ｃｒメッキ層により構成することもできる。
【００３５】
次に。図４および図５により、超音波成形型３０の突状部３１の構成について更に説明する。図４および図５に示すように、ホーンヘッド３２の先端凸部３２ａ上に、互いに同一形状を有する多数の突状部３１が形成されている。各突状部３１は、それぞれ山形形状を有している。すなわち各突状部３１は、平面円形状の頂部３１ａと、頂部３１ａから周囲に延びる裾部３１ｂとを有している。このうち裾部３１ｂは、頂部３１ａ側からホーンヘッド３２の先端凸部３２ａ側に向けて徐々に直径が大きくなる円形の水平断面を有している。なお各突状部３１は、抜きテーパーを有する任意の形状であれば良いが、とりわけ各突状部３１先端を鋭角的に形成することが好ましい。各突状部３１先端を鋭角にすることにより、成形の際、基材シート２０に最初に接触する部分の面積を小さくすることができる。このことにより、振動エネルギーを基材シート２０に伝えやすくし、基材シート２０の溶融を開始させやすくすることができる。
【００３６】
図５において、各突状部３１の頂部３１ａの直径ｄ1は、微細貫通孔成形品４０の形状によって任意に定めることができるが、例えば１μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。隣接する頂部３１ａ同士間の距離Ｌ1は、同様に微細貫通孔成形品４０の形状によって任意に定めることができるが、例えば２０μｍ〜１００μｍ程度とすることが好ましい。各突状部３１の高さｈ1も同様に任意に定めることができるが、例えば１０μｍ〜１００μｍ程度とすることが好ましい。
【００３７】
次に、図６および図７により、このような超音波成形型３０を作製する方法、とりわけ超音波成形型３０の複数の突状部３１を形成する方法について説明する。
【００３８】
まず、例えばチタン等からなる未加工のホーンヘッド３２を準備する。次に、この未加工のホーンヘッド３２を超精密切削加工機３６に装着する。ここで超精密切削加工機３６は、図５および図６に示すように、先端にダイヤモンド刃先３８が設けられた切削工具３７を有している。このような超精密切削加工機３６としては、１ｎｍ程度の制御精度を有し、かつ加工後の金型の表面粗さＲａが数ｎｍとすることができるものが好ましい。具体的には、超精密切削加工機３６として、例えばファナック株式会社製の超精密ナノ加工機（ＲＯＢＯＮＡＮＯ）等を挙げることができる。
【００３９】
次に、超精密切削加工機３６の切削工具３７は、軸Ａ1を中心に時計回りに回転（自転）しながらホーンヘッド３２の先端凸部３２ａに当接する。続いて切削工具３７は、ホーンヘッド３２の先端凸部３２ａのうち、各突状部３１の頂部３１ａとなる部分を中心に反時計回りに回転（公転）しながら、ホーンヘッド３２の先端凸部３２ａを切削加工する。この結果、ホーンヘッド３２の先端凸部３２ａに、頂部３１ａと裾部３１ｂとを有する山形形状の突状部３１が形成される。その後、このような作業を突状部３１の個数分繰り返すことにより、ホーンヘッド３２の先端凸部３２ａ上に多数の突状部３１が形成される。
【００４０】
＜微細貫通孔成形品の製造方法＞
次に、図８（ａ）〜（ｆ）および図９を参照しながら、上記した微細貫通孔成形装置１０を用いて微細貫通孔成形品４０を製造する方法について説明する。
【００４１】
まず、製造しようとする微細貫通孔成形品４０の３次元形状データに基づき、超精密切削加工機３６を用いてホーンヘッド３２を切削加工し、上記したような方法によって超音波成形型３０を作製する。
【００４２】
続いて、超音波成形型３０を微細貫通孔成形装置１０に装着するとともに、加熱装置１４により超音波成形型３０を、通常の室温（２０℃）から基材シートを構成する合成樹脂のガラス転移点温度ないし軟化温度付近の温度となるように加熱する。
【００４３】
次いで、受台１１上にバックシート１２を保持し、このバックシート１２上に基材シート２０を載置する。また、吸引部１３により真空吸引することにより、基材シート２０をバックシート１２上で動かないように固定支持する（図８（ａ））。
【００４４】
続いて、受台を加温して、基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱する。
【００４５】
次に、成形型制御装置１５により、バックシート１２上方に予め配置された超音波成形型３０を上下方向に超音波振動させ、さらにこのように超音波振動させた状態で超音波成形型３０を基材シート２０に向けて下降させる。なお、この場合、超音波成形型３０の振動数は任意に設定することができるが、２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ程度に設定することが好ましい。
【００４６】
超音波成形型３０の下降により、各突状部３１が基材シート２０に当接する。この際、基材シート２０のうち各突状部３１が接触した箇所が超音波振動の振動エネルギーにより振動加熱される。この振動エネルギーによる振動加熱と、受台から加えられる熱エネルギーにより、基材シートを構成する合成樹脂が軟化ないし溶融温度まで達し、その結果、基材シートの突状部が当接している部分のみが局所的に軟化ないし溶融する（図８（ｂ））。
【００４７】
続いて、超音波成形型３０を更に下降させる。この間、超音波成形型３０の各突状部３１は、超音波振動により基材シート２０を加熱しながら、基材シート２０中を貫入していく。また、超音波成形型３０が下降している間、突状部３１が基材シート２０に貫入する際に負荷重がかかるようにしておく。このようにして、超音波成形型３０の各突状部３１先端をバックシート１２に当接させる（図８（ｃ））。各突状部３１先端がバックシート１２に当接すると、超音波成形型３０の下降を停止させる。この時、負荷重をモニターしておくことにより、バックシート１２に突状部３１が当接したことがわかるため、負荷重のモニタリングにより、超音波成形型３０の下降移動を制御してもよい。その後、各突状部３１先端の振動下端がバックシート１２の表面上に位置するように維持したまま、超音波成形型３０の超音波振動の振幅を徐々に減衰させていき、最終的に停止させる。
【００４８】
このように超音波成形型３０が下降する間、超音波成形型３０は、成形型制御装置１５により制御され、成形時の前段において大きな振幅をもち、成形時の後段において小さな振幅をもつように振動することが好ましい。
【００４９】
具体的には、図９に示すように、超音波成形型３０は、突状部３１先端がバックシート１２に当接するまで相対的に大きな振幅で振動しながら下降する（図９の時間Ｔ1）。これに対して、突状部３１先端がバックシート１２に当接した後、超音波成形型３０は、徐々に振幅が小さくなるように減衰振動し、その後停止する（図９の時間Ｔ2）。なお、超音波成形型３０が減衰振動している間、突状部３１先端の振動下端は、バックシート１２の表面上にくるように維持される（図９参照）。このように超音波成形型３０の振動を制御することにより、微細貫通孔成形品４０の微細貫通孔４１を高精度で賦形することが可能となる。また、突状部３１の貫入時に超音波成形型３０の振幅を変動させることなく、同一の低振幅（２μｍ〜５μｍ）で基材シート２０に貫入し、そのまま先端位置（バックシート１２表面）に到達させ、停止する方法もある。
【００５０】
次に、加熱装置１４が停止し、超音波成形型３０を冷却すると同時に、温度制御装置１６により受台１１を降温して基材シート２０が合成樹脂のガラス温度ないし軟化温度以下の温度となるまで冷却する。これにより、局部的に軟化ないし溶融していた基材シート２０が固化し、基材シート２０に多数の微細貫通孔４１が形成され、基材シート２０から多数の微細貫通孔４１を有する微細貫通孔成形品４０が成形される。この場合、図示しない冷却装置を用いることにより、超音波成形型３０および基材シート２０を積極的に冷却しても良い。
【００５１】
次に、成形型制御装置１５により超音波成形型３０を上昇させる。この場合、超音波成形型３０および微細貫通孔成形品４０（基材シート２０）は冷却されて寸法がわずかに縮んでいるので、微細貫通孔成形品４０を超音波成形型３０から容易に離型することができる（図８（ｄ））。また、微細貫通孔成形品４０（基材シート２０）が超音波成形型３０に付着する場合には、まず超音波成形型３０をわずかに上昇させ、そこで再度極短時間超音波成形型３０を振動させることで、微細貫通孔成形品４０を超音波成形型３０から容易に離型することができる。
【００５２】
続いて、吸引部１３による真空吸引を停止し、受台１１からバックシート１２および微細貫通孔成形品４０を取外す（図８（ｅ））。最後に、バックシート１２から微細貫通孔成形品４０を剥離することにより、微細貫通孔成形品４０が得られる（図８（ｆ））。なお、受台１１上に保持された状態のバックシート１２から直接微細貫通孔成形品４０を剥離しても良い。
【００５３】
＜微細貫通孔成形品＞
次に、図１０および図１１により、上記した微細貫通孔成形装置１０により成形された微細貫通孔成形品４０の構成について説明する。図１０は、微細貫通孔成形品を示す平面図であり、図１１は、図１０のXI−XI線断面図である。
【００５４】
図１０および図１１に示す微細貫通孔成形品４０は、微細貫通孔成形装置１０を用いて基材シート２０を成形することにより製造されたものである。このような微細貫通孔成形品４０は、例えばフィルター部材、通気性部材、ネブライザーで使用される微粒液滴生成用のメッシュ等、様々な機能を発揮する部材として用いられる。このような微細貫通孔成形品４０を構成する材料としては、上述したような各種の熱溶融性樹脂、例えばポリカーボネート（ＰＣ）、非晶質ポリエチレンテレフタレート（Ａ−ＰＥＴ）、結晶性ポリエチレンテレフタレート、延伸性ポリエチレンテレフタレート、メタクリル酸エステル重合体（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＢＳ等が挙げられる。その他、ＰＥ、ＰＰ、ＰＶＣ等の熱可塑性プラスチックを適用することもできる。
【００５５】
図１０および図１１に示すように、微細貫通孔成形品４０は、成形品本体部４２と、成形品本体部４２の全体にわたって形成された複数の微細貫通孔４１を有している。各微細貫通孔４１は、それぞれ超音波成形型３０の各突状部３１によって賦形されたものであり、したがって、各突状部３１の形状に対応する形状を有している。各微細貫通孔４１は、成形品本体部４２の一面４２ａに設けられた円形開口４１ａと、円形開口４１ａから成形品本体部４２の他面の円形開口４２ｂ側に向けて延びる斜面部４１ｂとを有している。斜面部４１ｂは、直線や曲線としてよいが、特に、後記するようなミスト形成用フィルターとして微細貫通孔成形品４０を使用する場合には、斜面部４１ｂが放物線となるようなラバルノズル形状の貫通孔とすることが好ましい。
【００５６】
斜面部４１ｂが放物線となるようなラバルノズル形状の貫通孔では、図１１に示すように、微細貫通孔成形品４０の表裏において貫通孔の直径が異なる。例えば、各微細貫通孔４１の円形開口４１ａの直径ｄ2は、例えば１μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。また、円形開口４２ａの直径ｄ３は、例えば２０μｍ〜８０μｍ程度とすることが好ましい。貫通孔の数は、微細貫通孔成形品４０の単位面積あたり、２００〜１０００個／ｍｍ２程度であることが好ましく、各貫通孔４１が上記のような数となるには、隣接する円形開口４１ａ同士間の距離Ｌ2は、例えば３２μｍ〜７０μｍ程度とすることが好ましい。さらに微細貫通孔成形品４０の厚さｔ2は、例えば１０μｍ〜１００μｍ程度とすることが好ましい。
【００５７】
上記したような微細貫通孔成形品４０は、ネブライザー等のミスト発生装置のミスト形成用フィルターとして好適に使用できる。例えば、図１２に示すように、ミスト発生装置５０の超音波振動子５１とミスト発生口５２との間に、微細貫通孔成形品４０（ミスト形成用フィルター５４）を配置する。超音波振動子５１上に供給された液体５３は、超音波振動子５１からの振動エネルギーにより粒状の液滴が形成されるが、ミスト形成用フィルター５４の貫通孔を液滴が通過してミスト発生口５２へ放出されることにより、所望の粒径を有する液滴を形成することができる。上記のような表裏で直径の異なる貫通孔が設けられた微細貫通孔成形品４０の貫通孔の直径の大きい側が超音波振動子側となるように微細貫通孔成形品を配置することにより、液滴の粒径が１〜１０μｍ程度のミストを形成することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 微細貫通孔成形装置
１１ 受台
１１ａ 受台突出部
１２ バックシート
１２ａ バックシート剥離層
１３ 吸引部
１４ 加熱装置
１５ 成形型制御装置
１６ 温度制御装置
１７ スペーサー
２０ 基材シート
３０ 超音波成形型
３１、５１、６１ 突状部
３１ａ、５１ａ、６１ａ 頂部
３１ｂ、５１ｂ、６１ｂ 裾部
３２ ホーンヘッド
３２ａ 先端凸部
３３ ベース部
３６ 超精密切削加工機
３７ 切削工具
４０ 微細貫通孔成形品
４１、５２、６２ 微細貫通孔
４１ａ、４２ａ 円形開口
４１ｂ、５２ｂ、６２ｂ 斜面部
４２ 成形品本体部
５０ ミスト発生装置
５１ 超音波振動子
５２ ミスト発生口
５３ 液体
５４ ミスト形成用フィルター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成樹脂からなる基材シートに多数の微細貫通孔を形成するための微細貫通孔成形装置、微細貫通孔成形装置を用いて多数の微細貫通孔を有する微細貫通孔成形品を製造する微細貫通孔成形品の製造方法、およびこのような微細貫通孔成形品の製造方法によって製造されたミスト形成用フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属シートに対して多数の微細な貫通孔を形成することが行われている。この場合、まず金属シートにフォトリソグラフィ法によって所定のパターンをパターニングし、その後、これに化学エッチングまたはドライエッチングを施すことにより、多数の貫通孔を形成するのが一般的である。またレーザービーム、電子ビーム、中性子ビームで貫通孔をあける方法もある。
【０００３】
しかしながら、このような方法を用いた場合、加工上の制約を受けることにより、微細な貫通孔の形状を機能用途に合わせて自在に設定することは困難である。また、対象となるシートはガラス、半導体、金属等に限られる。さらに、貫通孔を形成するための工程数が多いため、多数の製造装置を用いる必要がある（例えば、特開平５−２８９１２号公報）。
【０００４】
一方、合成樹脂製のシートに多数の微細な（例えば直径１００μｍ以下の）貫通孔を形成しようとする場合、ナノインプリント技術（金型に形成された微細な凹凸を樹脂材料上に転写する技術）を用いることも考えられる。しかしながら、ナノインプリント技術を用いた場合、樹脂材料表面に微細な凹凸を形成することはできるが、樹脂材料を貫通する貫通孔を形成することはできない。
【０００５】
また、合成樹脂製のシートに多数の微細な貫通孔を形成する場合、射出成形方法を用いることも考えられる。しかしながら、この場合、金型内で溶融樹脂がうまく流動せず、微細な貫通孔を形成することはできない。さらに、圧縮成形方法を用いたとしても、同様に微細な貫通孔を形成することはできない。このように、合成樹脂製のシートに多数の微細な貫通孔を形成することは容易でない。
【０００６】
ところで、本出願人は、特開２０１０−１３７３１３号公報において、超音波振動する突状部を有する超音波成形型を用いて、合成樹脂からなる基材シートに多数の微細貫通孔を形成することが提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２８９１２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３７３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特開２０１０−１３７３１３号公報で提案されている微細貫通孔成形装置は、超音波振動する突状部を合成樹脂からなる基材シートに当接させて、超音波振動のエネルギーを熱エネルギーに変えて基材シートを局部的に溶融させて、突状部の形状を基材シートに賦型することにより、基材シートに多数の微細貫通孔を形成するものである。しかしながら、形成しようとする微細孔の直径が小さかったり孔数が多い場合に、貫通孔を形成するのに時間を要する場合があった。
【０００９】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、簡易かつ短時間に、合成樹脂のシートに多数の微細な貫通孔を容易に形成することが可能な微細貫通孔成形装置、微細貫通孔成形品の製造方法、およびこのような方法を用いて作成されたミスト形成用フィルター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】
本発明による微細貫通孔成形装置は、受台と、
受台上に保持され、耐熱性を有するとともに合成樹脂製の基材シートを支持するバックシートと、
バックシート上方に配置され、下方部に多数の突状部を有する超音波成形型と、
を備えた微細貫通孔成形装置であって、
前記受台は、受台上面を所望の温度に加温して、前記バックシート上方に配置された基材シートを所望の温度に加熱できる温度制御装置を備え、
前記超音波成形型は、上下方向に移動可能となり、かつ前記突状部が超音波振動し、
前記受台を加温して、前記基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱するとともに、前記超音波成形型が下降して、前記突状部が前記基材シートに当接し、基材シートを振動加熱して基材シートを振動加熱し、
前記突状部を基材シート下面まで貫入させ、基材シートに多数の微細貫通孔を形成することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の別の実施形態による微細貫通孔形成品の製造方法は、上記微細貫通孔成形装置を用いて、微細貫通孔形成品を製造する方法であって、
受台上に耐熱性を有するバックシートを保持する工程と、
前記バックシート上に合成樹脂製の基材シートを支持する工程と、
前記受台を加温して、前記基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱する工程と、
バックシート上方に予め配置され、下方部に多数の突状部を有する超音波成形型を、下降させて、超音波振動する突状部を前記基材シートに当接させて、基材シートを振動加熱し、突状部が当接した部分の基材シートを軟化ないし溶融させる工程と、
前記超音波成形型をさらに下降させて、軟化ないし溶融した基材シートに前記突状部を貫入させて多数の微細貫通孔を形成する工程と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の別の実施形態によれば、上記の製造方法により得られる微細貫通孔形成品も提供される。
【００１３】
さらに、本発明の別の実施態様によれば、合成樹脂製の基材シートに多数の微細貫通孔が形成されたミスト形成用フィルターであって、前記貫通孔の直径が、基材シートの表裏において異なっており、一方の面の直径が１〜１０μｍであり、他方の面の直径が２０〜８０μｍであることを特徴とするミスト形成用フィルターも提供される。
【００１４】
また、本発明の別の実施態様によれば、超音波振動子を振動させて液体をミスト化するミスト発生装置であって、前記超音波振動子とミスト発生口との間に、上記のミスト形成用フィルターが設けられていることを特徴とするミスト発生装置も提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の微細貫通孔成形装置によれば、受台が温度制御装置により昇温して基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度まで加熱するとともに、超音波振動する突状部が基材シートに当接し、基材シートを振動加熱して基材シートを振動加熱するため、突上部が基材シートに当接してから、突状部が基材シート下方まで貫入させるまでを短時間で行うことができる。そのため、簡易かつ短時間に、合成樹脂のシートに多数の微細な貫通孔を容易に形成することができる。
【００１６】
また、本発明の微細貫通孔成形装置によれば、従来の金属製のミスト形成用フィルターと同等の性能を有する多数の微細な貫通孔を有する微細貫通孔成形品を再現性良く得ることができる。また、超音波成形型の形状を自在に設計することができるので、微細貫通孔成形品の貫通孔を任意の形状で任意の位置に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置を示す概略正面図。
【図２】図１の微細貫通孔成形装置の一部を拡大した拡大概略正面図。
【図３】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置の超音波成形型を示す正面図。
【図４】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置の超音波成形型を示す底面図（図３のIV方向矢視図）。
【図５】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置の超音波成形型を示す垂直断面図（図４のV−V線断面図）。
【図６】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置の超音波成形型を作製する方法を示す概略斜視図。
【図７】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形装置の超音波成形型を作製する方法を示す概略断面図。
【図８】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形品の製造方法を示す概略図。
【図９】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形品の製造方法において、超音波成形型の突状部先端の挙動を示す図。
【図１０】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形品を示す平面図。
【図１１】本発明の一実施の形態による微細貫通孔成形品を示す垂直断面図（図１０のXI−XI線断面図）。
【図１２】本発明の一実施の形態によるミスト発生装置の一部を拡大した拡大概略正面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１〜図８は本発明の一実施の形態を示す図である。
【００１９】
＜微細貫通孔成形装置＞
まず、図１により微細貫通孔成形品を成形する微細貫通孔成形装置の全体構成について説明する。
【００２０】
図１に示すように、微細貫通孔成形装置１０は、固定された受台１１と、受台１１上に保持され、耐熱性を有するとともに合成樹脂からなる基材シート２０を支持するバックシート１２とを備えている。
【００２１】
受台１１は、温度制御装置１６により、その上面を所望の温度に加熱できるようになっており、後記するバックシート１２を介して基材シート２０を加熱できるようになっている。
【００２２】
バックシート１２は、耐熱性を有する（溶融温度が２５０℃以上である）とともに弾性変形により振動を吸収する振動吸収性及び貫入圧に抗して接触圧を発生するスプリングバック性を有することが好ましい。またバックシート１２は、基材シート２０に対して剥離性に優れているものであることが好ましい。このようなバックシート１２としては、例えばポリイミド、ポリテトラフルオロテチレン（ＰＴＦＥ）のシート、フッ素コーティングされた層やシリコン樹脂コーティングされた層（バックシート剥離層）１２ａを有する耐熱プラスチックのシート等、またはこれらを積層して組合せたもの等を用いることができる。
【００２３】
一方、基材シート２０は、超音波により溶融する性質を有する熱溶融性プラスチックからなっているが、ある程度の剛性および耐熱性を有することが好ましい。この場合、基材シート２０の溶融温度は、バックシート１２の溶融温度より５０℃以上低いことが好ましい。仮に基材シート２０の溶融温度とバックシート１２の溶融温度とが近い場合、基材シート２０の成形時に、バックシート１２が熱変形してしまうからである。このような基材シート２０の材料としては、例えばポリカーボネート（ＰＣ）、非晶質ポリエチレンテレフタレート（Ａ−ＰＥＴ）、結晶性ポリエチレンテレフタレート、延伸性ポリエチレンテレフタレート、メタクリル酸エステル重合体（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＢＳ等を用いることができる。その他、ＰＥ、ＰＰ、ＰＶＣ等の熱可塑性プラスチックを適用することもできる。なお、基材シート２０の厚みは任意であるが、後述する超音波成形型３０の振動幅および超音波成形型３０の上下方向の位置精度から考えて、１０μｍ〜１０ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００２４】
また、微細貫通孔成形装置には、図１に示すように、バックシート１２内を貫通する吸引部１３が設けられている。この吸引部１３を介して真空吸引することにより、基材シート２０をバックシート１２上に固定保持できるようになっている。
【００２５】
さらにバックシート１２の上方には、超音波ホーン型からなる超音波成形型３０が配置されている。超音波成形型３０は、ベース部３３と、ベース部３３に取り付けられ、下方部に多数の突状部３１が形成されたホーンヘッド３２とを有している。さらに超音波成形型３０に加熱装置１４が接続されており、加熱装置１４により超音波成形型３０の多数の突状部３１を補助的に加熱できるようになっている。超音波成形型３０が超音波振動することによる加熱に加え、このような加熱装置１４を補助的に用いることにより、超音波成形型３０の突状部３１を効率よく加熱することができる。
【００２６】
また、超音波成形型３０に成形型制御装置１５が接続されている。超音波成形型３０は、この成形型制御装置１５により制御され、上下方向に昇降移動するとともに、上下方向に超音波振動する。この成形型制御装置１５による超音波成形型３０の昇降位置精度および超音波振動の振幅精度は、いずれも１μｍオーダーであることが好ましい。
【００２７】
超音波成形型３０は、成形型制御装置１５により制御され、上下方向に超音波振動しながら下降し、基材シート２０に当接して基材シート２０を振動加熱する。この振動加熱のみによって、基材シート２０を軟化ないし溶融させて超音波成形型３０により基材シート２０を賦型するのには時間を要する。超音波振動のエネルギーを増加させると、振動の振幅も大きくなるため、形成しようとする貫通孔の位置精度が低下してしまう。本発明においては、上記したように、受台が昇温して基材シート２０をガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱できるため、位置精度を保てるような超音波振動エネルギーを基材シートに付与すれば、容易に基材シートを賦型できる状態（即ち、基材シートが軟化ないし溶融した状態）にすることがでる。その結果、簡易かつ短時間に、合成樹脂のシートに多数の微細な貫通孔を容易に形成することができる。
【００２８】
受台１１は、基材シート２０の温度がガラス転移温度ないし軟化温度付近となるように温度制御されるが、好ましくは、合成樹脂の軟化温度よりも少し低い温度となるように制御される。基材シート２０の温度が、合成樹脂の軟化温度以上の温度となると、基材シート２０の加熱されている部分全体が軟化し始める。基材シート２０の超音波成形型３０の突状部３１が当接する部分以外の部分が軟化すると、精度の高い貫通孔が形成できなくなる場合がある。基材シート２０の温度は、軟化温度よりも１〜５０℃、より好ましくは約５〜３０℃低い温度が好適である。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態においては、図２に示すように、受台１１は、超音波成形型３０の突状部３１が基材シート３０と当接する領域に対応した領域１１ａが上方に突出している。このような構成とすることにより、受台１１からの熱が、基材シート３０の微細孔が形成される領域（即ち、１１ａの部分に対応する部分）以外の領域に伝達されないようになる。そのため、基材シートの熱による変形等を最小限に抑えることができる。
【００３０】
バックシート１２上方に配置される基材シート３０が平坦面を維持できるように、受台１１の突出した領域１１ａ以外の領域と基材シート３０とに間にスペーサー１７が設けられていてもよい。スペーサー１７を断熱材で形成することにより、基材シート２０の平滑性を維持しながら、受台１１からの熱が、基材シート３０の微細孔が形成される領域（１１ａの部分に対応する部分）以外の領域に伝達されないようにすることができる。
【００３１】
基材シート２０が軟化ないし溶融すると、成形型制御装置１５により、超音波成形型３０がさらに下降して、超音波成形型３０の先端に設けられた突状部３１が基材シート２０に貫入する。突状部３１の先端が、バックシート１２に達すると、成形型制御装置１５により、超音波成形型３０の超音波振動が停止するとともに、温度制御装置１５により、受台１１を降温して基材シート２０を冷却するか、あるいは、温度制御装置１５により受台１１の温度を合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度以下の温度となるように制御し、基材シート２０から受台１１への熱伝導により、基材シート２０を所望の温度に冷却する。
【００３２】
上記のようにして冷却された基材シート２０の、超音波成形型３０が接している部分（突状部が貫入している部分）の合成樹脂が固化した後、成形型制御装置１５により、超音波成形型３０を上方に移動させて、突状部３１を抜出する。この時、突状部３１が基材シート２０に形成された貫通孔から剥離しない場合もあり、超音波成形型３０が上方に移動するのに伴って、超音波成形型３０のホーンヘッド３２下端にある突状部３１とともに基材シート２０も上方に持ち上がり、微細な貫通孔を変形させてしまうことがある。本発明においては、超音波成形型３０を再度、超音波振動させることにより、突出部の抜出が容易にすることができる。その結果、基材シートに、より精度の高い貫通孔を形成することができる。
【００３３】
＜超音波成形型＞
次に、図３〜図５により、上述した超音波成形型３０の構成について更に説明する。
【００３４】
図３に示すように、超音波成形型３０は、上方から下方に向けて先細となる形状を有するベース部３３と、ねじ部３２ｂによりこのベース部３３下端に螺着されたホーンヘッド３２とを有している。このうちホーンヘッド３２下端には、円筒形の先端凸部３２ａが形成されている。さらにこの先端凸部３２ａから下方に向けて多数の突状部３１が突設されている。なおホーンヘッド３２は、例えばチタン、アルミニウム等の金属からなっている。また、突状部３１をこれらの金属上に設けたＮｉメッキ層、Ｃｒメッキ層により構成することもできる。
【００３５】
次に。図４および図５により、超音波成形型３０の突状部３１の構成について更に説明する。図４および図５に示すように、ホーンヘッド３２の先端凸部３２ａ上に、互いに同一形状を有する多数の突状部３１が形成されている。各突状部３１は、それぞれ山形形状を有している。すなわち各突状部３１は、平面円形状の頂部３１ａと、頂部３１ａから周囲に延びる裾部３１ｂとを有している。このうち裾部３１ｂは、頂部３１ａ側からホーンヘッド３２の先端凸部３２ａ側に向けて徐々に直径が大きくなる円形の水平断面を有している。なお各突状部３１は、抜きテーパーを有する任意の形状であれば良いが、とりわけ各突状部３１先端を鋭角的に形成することが好ましい。各突状部３１先端を鋭角にすることにより、成形の際、基材シート２０に最初に接触する部分の面積を小さくすることができる。このことにより、振動エネルギーを基材シート２０に伝えやすくし、基材シート２０の溶融を開始させやすくすることができる。
【００３６】
図５において、各突状部３１の頂部３１ａの直径ｄ1は、微細貫通孔成形品４０の形状によって任意に定めることができるが、例えば１μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。隣接する頂部３１ａ同士間の距離Ｌ1は、同様に微細貫通孔成形品４０の形状によって任意に定めることができるが、例えば２０μｍ〜１００μｍ程度とすることが好ましい。各突状部３１の高さｈ1も同様に任意に定めることができるが、例えば１０μｍ〜１００μｍ程度とすることが好ましい。
【００３７】
次に、図６および図７により、このような超音波成形型３０を作製する方法、とりわけ超音波成形型３０の複数の突状部３１を形成する方法について説明する。
【００３８】
まず、例えばチタン等からなる未加工のホーンヘッド３２を準備する。次に、この未加工のホーンヘッド３２を超精密切削加工機３６に装着する。ここで超精密切削加工機３６は、図５および図６に示すように、先端にダイヤモンド刃先３８が設けられた切削工具３７を有している。このような超精密切削加工機３６としては、１ｎｍ程度の制御精度を有し、かつ加工後の金型の表面粗さＲａが数ｎｍとすることができるものが好ましい。具体的には、超精密切削加工機３６として、例えばファナック株式会社製の超精密ナノ加工機（ＲＯＢＯＮＡＮＯ）等を挙げることができる。
【００３９】
次に、超精密切削加工機３６の切削工具３７は、軸Ａ1を中心に時計回りに回転（自転）しながらホーンヘッド３２の先端凸部３２ａに当接する。続いて切削工具３７は、ホーンヘッド３２の先端凸部３２ａのうち、各突状部３１の頂部３１ａとなる部分を中心に反時計回りに回転（公転）しながら、ホーンヘッド３２の先端凸部３２ａを切削加工する。この結果、ホーンヘッド３２の先端凸部３２ａに、頂部３１ａと裾部３１ｂとを有する山形形状の突状部３１が形成される。その後、このような作業を突状部３１の個数分繰り返すことにより、ホーンヘッド３２の先端凸部３２ａ上に多数の突状部３１が形成される。
【００４０】
＜微細貫通孔成形品の製造方法＞
次に、図８（ａ）〜（ｆ）および図９を参照しながら、上記した微細貫通孔成形装置１０を用いて微細貫通孔成形品４０を製造する方法について説明する。
【００４１】
まず、製造しようとする微細貫通孔成形品４０の３次元形状データに基づき、超精密切削加工機３６を用いてホーンヘッド３２を切削加工し、上記したような方法によって超音波成形型３０を作製する。
【００４２】
続いて、超音波成形型３０を微細貫通孔成形装置１０に装着するとともに、加熱装置１４により超音波成形型３０を、通常の室温（２０℃）から基材シートを構成する合成樹脂のガラス転移点温度ないし軟化温度付近の温度となるように加熱する。
【００４３】
次いで、受台１１上にバックシート１２を保持し、このバックシート１２上に基材シート２０を載置する。また、吸引部１３により真空吸引することにより、基材シート２０をバックシート１２上で動かないように固定支持する（図８（ａ））。
【００４４】
続いて、受台を加温して、基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱する。
【００４５】
次に、成形型制御装置１５により、バックシート１２上方に予め配置された超音波成形型３０を上下方向に超音波振動させ、さらにこのように超音波振動させた状態で超音波成形型３０を基材シート２０に向けて下降させる。なお、この場合、超音波成形型３０の振動数は任意に設定することができるが、２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ程度に設定することが好ましい。
【００４６】
超音波成形型３０の下降により、各突状部３１が基材シート２０に当接する。この際、基材シート２０のうち各突状部３１が接触した箇所が超音波振動の振動エネルギーにより振動加熱される。この振動エネルギーによる振動加熱と、受台から加えられる熱エネルギーにより、基材シートを構成する合成樹脂が軟化ないし溶融温度まで達し、その結果、基材シートの突状部が当接している部分のみが局所的に軟化ないし溶融する（図８（ｂ））。
【００４７】
続いて、超音波成形型３０を更に下降させる。この間、超音波成形型３０の各突状部３１は、超音波振動により基材シート２０を加熱しながら、基材シート２０中を貫入していく。また、超音波成形型３０が下降している間、突状部３１が基材シート２０に貫入する際に負荷重がかかるようにしておく。このようにして、超音波成形型３０の各突状部３１先端をバックシート１２に当接させる（図８（ｃ））。各突状部３１先端がバックシート１２に当接すると、超音波成形型３０の下降を停止させる。この時、負荷重をモニターしておくことにより、バックシート１２に突状部３１が当接したことがわかるため、負荷重のモニタリングにより、超音波成形型３０の下降移動を制御してもよい。その後、各突状部３１先端の振動下端がバックシート１２の表面上に位置するように維持したまま、超音波成形型３０の超音波振動の振幅を徐々に減衰させていき、最終的に停止させる。
【００４８】
このように超音波成形型３０が下降する間、超音波成形型３０は、成形型制御装置１５により制御され、成形時の前段において大きな振幅をもち、成形時の後段において小さな振幅をもつように振動することが好ましい。
【００４９】
具体的には、図９に示すように、超音波成形型３０は、突状部３１先端がバックシート１２に当接するまで相対的に大きな振幅で振動しながら下降する（図９の時間Ｔ1）。これに対して、突状部３１先端がバックシート１２に当接した後、超音波成形型３０は、徐々に振幅が小さくなるように減衰振動し、その後停止する（図９の時間Ｔ2）。なお、超音波成形型３０が減衰振動している間、突状部３１先端の振動下端は、バックシート１２の表面上にくるように維持される（図９参照）。このように超音波成形型３０の振動を制御することにより、微細貫通孔成形品４０の微細貫通孔４１を高精度で賦形することが可能となる。また、突状部３１の貫入時に超音波成形型３０の振幅を変動させることなく、同一の低振幅（２μｍ〜５μｍ）で基材シート２０に貫入し、そのまま先端位置（バックシート１２表面）に到達させ、停止する方法もある。
【００５０】
次に、加熱装置１４が停止し、超音波成形型３０を冷却すると同時に、温度制御装置１６により受台１１を降温して基材シート２０が合成樹脂のガラス温度ないし軟化温度以下の温度となるまで冷却する。これにより、局部的に軟化ないし溶融していた基材シート２０が固化し、基材シート２０に多数の微細貫通孔４１が形成され、基材シート２０から多数の微細貫通孔４１を有する微細貫通孔成形品４０が成形される。この場合、図示しない冷却装置を用いることにより、超音波成形型３０および基材シート２０を積極的に冷却しても良い。
【００５１】
次に、成形型制御装置１５により超音波成形型３０を上昇させる。この場合、超音波成形型３０および微細貫通孔成形品４０（基材シート２０）は冷却されて寸法がわずかに縮んでいるので、微細貫通孔成形品４０を超音波成形型３０から容易に離型することができる（図８（ｄ））。また、微細貫通孔成形品４０（基材シート２０）が超音波成形型３０に付着する場合には、まず超音波成形型３０をわずかに上昇させ、そこで再度極短時間超音波成形型３０を振動させることで、微細貫通孔成形品４０を超音波成形型３０から容易に離型することができる。
【００５２】
続いて、吸引部１３による真空吸引を停止し、受台１１からバックシート１２および微細貫通孔成形品４０を取外す（図８（ｅ））。最後に、バックシート１２から微細貫通孔成形品４０を剥離することにより、微細貫通孔成形品４０が得られる（図８（ｆ））。なお、受台１１上に保持された状態のバックシート１２から直接微細貫通孔成形品４０を剥離しても良い。
【００５３】
＜微細貫通孔成形品＞
次に、図１０および図１１により、上記した微細貫通孔成形装置１０により成形された微細貫通孔成形品４０の構成について説明する。図１０は、微細貫通孔成形品を示す平面図であり、図１１は、図１０のXI−XI線断面図である。
【００５４】
図１０および図１１に示す微細貫通孔成形品４０は、微細貫通孔成形装置１０を用いて基材シート２０を成形することにより製造されたものである。このような微細貫通孔成形品４０は、例えばフィルター部材、通気性部材、ネブライザーで使用される微粒液滴生成用のメッシュ等、様々な機能を発揮する部材として用いられる。このような微細貫通孔成形品４０を構成する材料としては、上述したような各種の熱溶融性樹脂、例えばポリカーボネート（ＰＣ）、非晶質ポリエチレンテレフタレート（Ａ−ＰＥＴ）、結晶性ポリエチレンテレフタレート、延伸性ポリエチレンテレフタレート、メタクリル酸エステル重合体（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＢＳ等が挙げられる。その他、ＰＥ、ＰＰ、ＰＶＣ等の熱可塑性プラスチックを適用することもできる。
【００５５】
図１０および図１１に示すように、微細貫通孔成形品４０は、成形品本体部４２と、成形品本体部４２の全体にわたって形成された複数の微細貫通孔４１を有している。各微細貫通孔４１は、それぞれ超音波成形型３０の各突状部３１によって賦形されたものであり、したがって、各突状部３１の形状に対応する形状を有している。各微細貫通孔４１は、成形品本体部４２の一面４２ａに設けられた円形開口４１ａと、円形開口４１ａから成形品本体部４２の他面の円形開口４２ｂ側に向けて延びる斜面部４１ｂとを有している。斜面部４１ｂは、直線や曲線としてよいが、特に、後記するようなミスト形成用フィルターとして微細貫通孔成形品４０を使用する場合には、斜面部４１ｂが放物線となるようなラバルノズル形状の貫通孔とすることが好ましい。
【００５６】
斜面部４１ｂが放物線となるようなラバルノズル形状の貫通孔では、図１１に示すように、微細貫通孔成形品４０の表裏において貫通孔の直径が異なる。例えば、各微細貫通孔４１の円形開口４１ａの直径ｄ2は、例えば１μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。また、円形開口４２ａの直径ｄ３は、例えば２０μｍ〜８０μｍ程度とすることが好ましい。貫通孔の数は、微細貫通孔成形品４０の単位面積あたり、２００〜１０００個／ｍｍ２程度であることが好ましく、各貫通孔４１が上記のような数となるには、隣接する円形開口４１ａ同士間の距離Ｌ2は、例えば３２μｍ〜７０μｍ程度とすることが好ましい。さらに微細貫通孔成形品４０の厚さｔ2は、例えば１０μｍ〜１００μｍ程度とすることが好ましい。
【００５７】
上記したような微細貫通孔成形品４０は、ネブライザー等のミスト発生装置のミスト形成用フィルターとして好適に使用できる。例えば、図１２に示すように、ミスト発生装置５０の超音波振動子５１とミスト発生口５２との間に、微細貫通孔成形品４０（ミスト形成用フィルター５４）を配置する。超音波振動子５１上に供給された液体５３は、超音波振動子５１からの振動エネルギーにより粒状の液滴が形成されるが、ミスト形成用フィルター５４の貫通孔を液滴が通過してミスト発生口５２へ放出されることにより、所望の粒径を有する液滴を形成することができる。上記のような表裏で直径の異なる貫通孔が設けられた微細貫通孔成形品４０の貫通孔の直径の大きい側が超音波振動子側となるように微細貫通孔成形品を配置することにより、液滴の粒径が１〜１０μｍ程度のミストを形成することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 微細貫通孔成形装置
１１ 受台
１１ａ 受台突出部
１２ バックシート
１２ａ バックシート剥離層
１３ 吸引部
１４ 加熱装置
１５ 成形型制御装置
１６ 温度制御装置
１７ スペーサー
２０ 基材シート
３０ 超音波成形型
３１、５１、６１ 突状部
３１ａ、５１ａ、６１ａ 頂部
３１ｂ、５１ｂ、６１ｂ 裾部
３２ ホーンヘッド
３２ａ 先端凸部
３３ ベース部
３６ 超精密切削加工機
３７ 切削工具
４０ 微細貫通孔成形品
４１、５２、６２ 微細貫通孔
４１ａ、４２ａ 円形開口
４１ｂ、５２ｂ、６２ｂ 斜面部
４２ 成形品本体部
５０ ミスト発生装置
５１ 超音波振動子
５２ ミスト発生口
５３ 液体
５４ ミスト形成用フィルター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受台と、
受台上に保持され、耐熱性を有するとともに合成樹脂製の基材シートを支持するバックシートと、
バックシート上方に配置され、下方部に多数の突状部を有する超音波成形型と、
を備えた微細貫通孔成形装置であって、
前記受台は、受台上面を所望の温度に加温して、前記バックシート上方に配置された基材シートを所望の温度に加熱できる温度制御装置を備え、
前記超音波成形型は、上下方向に移動可能となり、かつ前記突状部が超音波振動し、
前記受台を加温して、前記基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱するとともに、前記超音波成形型が下降して、前記突状部が前記基材シートに当接し、基材シートを振動加熱して基材シートを振動加熱し、
前記突状部を基材シート下面まで貫入させ、基材シートに多数の微細貫通孔を形成することを特徴とする、微細貫通孔成形装置。
【請求項２】
前記超音波成形型は、前記突状部が基材シートに貫入する際に負荷重がかかるように降下し、前記突状部が前記バックシートに当接すると降下が停止する、請求項１に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項３】
前記突状部は、前記基材シートに当接してから前記バックシートに当接するまでの間、徐々に振幅が小さくないように減衰振動し、バックシートに当接すると超音波振動が停止する、請求項１または２に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項４】
前記受台は、前記超音波成形型の突状部が基材シートと当接する領域に対応した領域が上方に突出している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項５】
バックシート上方に配置される基材シートが平坦面を維持できるように、前記受台の突出した領域以外の領域と前記基材シートとに間に、スペーサーが設けられている、請求項４に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項６】
前記スペーサーが断熱材からなり、受台からの熱が、基材シートの、前記超音波成形型の突状部が当接する領域のみに付与される、請求項５に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項７】
前記突状部が基材シートを貫通してバックシートに当接した後、受台は、温度制御装置により降温して、基材シートを、合成樹脂のガラス温度ないし軟化温度以下の温度となるまで冷却する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項８】
前記超音波成形型は、前記基材シートが冷却された後、上昇し、前記突状部が前記基材シートから抜出される、請求項７に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項９】
前記突出部は、超音波振動しながら基材シートから抜出される、請求項８に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の微細貫通孔成形装置を用いて、微細貫通孔形成品を製造する方法であって、
受台上に耐熱性を有するバックシートを保持する工程と、
前記バックシート上に合成樹脂製の基材シートを支持する工程と、
前記受台を加温して、前記基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱する工程と、
バックシート上方に予め配置され、下方部に多数の突状部を有する超音波成形型を、下降させて、超音波振動する突状部を前記基材シートに当接させて、基材シートを振動加熱し、突状部が当接した部分の基材シートを軟化ないし溶融させる工程と、
前記超音波成形型をさらに下降させて、軟化ないし溶融した基材シートに前記突状部を貫入させて多数の微細貫通孔を形成する工程と、
を備えることを特徴とする、方法。
【請求項１１】
前記突状部が基材シートに貫入する際に負荷重がかかるように、前記超音波成形型を下降させる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記微細貫通孔の形成工程において、前記突状部が基材シートに当接してからバックシートに当接するまでの間、徐々に振幅が小さくないように前記超音波成形型を減衰振動させ、突状部がバックシートに当接すると超音波振動を停止させる、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記微細貫通孔の形成工程の後、前記超音波成形型を上昇させて前記突状部を基材シートから抜出する工程をさらに備える、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記微細貫通孔の形成工程の後、前記突状部の抜出工程までの間、受台を温度制御装置により降温して、基材シートを、合成樹脂のガラス温度ないし軟化温度以下の温度となるまで冷却する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記突状部の抜出工程において、前記突出部を超音波振動させながら、基材シートから抜出する、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の方法によって得られる微細貫通孔形成品。
【請求項１７】
合成樹脂製の基材シートに多数の微細貫通孔が形成されたミスト形成用フィルターであって、前記貫通孔の直径が、基材シートの表裏において異なっており、一方の面の直径が１〜１０μｍであり、他方の面の直径が２０〜８０μｍであることを特徴とする、ミスト形成用フィルター。
【請求項１８】
前記貫通孔が、２００〜１０００個／ｍｍ２である、請求項１７に記載のミスト形成用フィルター。
【請求項１９】
前記貫通孔が末広がりのラバルノズル形状を有している、請求項１７または１８に記載のミスト形成用フィルター。
【請求項２０】
超音波振動子を振動させて液体をミスト化するミスト発生装置であって、前記超音波振動子とミスト発生口との間に、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載のミスト形成用フィルターが設けられていることを特徴とする、ミスト発生装置。
【請求項２１】
前記ミスト形成用フィルターは、微細貫通孔の直径が大きい側が前記超音波振動子側となるように配置されている、請求項２０に記載のミスト発生装置。
【請求項１】
受台と、
受台上に保持され、耐熱性を有するとともに合成樹脂製の基材シートを支持するバックシートと、
バックシート上方に配置され、下方部に多数の突状部を有する超音波成形型と、
を備えた微細貫通孔成形装置であって、
前記受台は、受台上面を所望の温度に加温して、前記バックシート上方に配置された基材シートを所望の温度に加熱できる温度制御装置を備え、
前記超音波成形型は、上下方向に移動可能となり、かつ前記突状部が超音波振動し、
前記受台を加温して、前記基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱するとともに、前記超音波成形型が下降して、前記突状部が前記基材シートに当接し、基材シートを振動加熱して基材シートを振動加熱し、
前記突状部を基材シート下面まで貫入させ、基材シートに多数の微細貫通孔を形成することを特徴とする、微細貫通孔成形装置。
【請求項２】
前記超音波成形型は、前記突状部が基材シートに貫入する際に負荷重がかかるように降下し、前記突状部が前記バックシートに当接すると降下が停止する、請求項１に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項３】
前記突状部は、前記基材シートに当接してから前記バックシートに当接するまでの間、徐々に振幅が小さくないように減衰振動し、バックシートに当接すると超音波振動が停止する、請求項１または２に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項４】
前記受台は、前記超音波成形型の突状部が基材シートと当接する領域に対応した領域が上方に突出している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項５】
バックシート上方に配置される基材シートが平坦面を維持できるように、前記受台の突出した領域以外の領域と前記基材シートとに間に、スペーサーが設けられている、請求項４に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項６】
前記スペーサーが断熱材からなり、受台からの熱が、基材シートの、前記超音波成形型の突状部が当接する領域のみに付与される、請求項５に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項７】
前記突状部が基材シートを貫通してバックシートに当接した後、受台は、温度制御装置により降温して、基材シートを、合成樹脂のガラス温度ないし軟化温度以下の温度となるまで冷却する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項８】
前記超音波成形型は、前記基材シートが冷却された後、上昇し、前記突状部が前記基材シートから抜出される、請求項７に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項９】
前記突出部は、超音波振動しながら基材シートから抜出される、請求項８に記載の微細貫通孔成形装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の微細貫通孔成形装置を用いて、微細貫通孔形成品を製造する方法であって、
受台上に耐熱性を有するバックシートを保持する工程と、
前記バックシート上に合成樹脂製の基材シートを支持する工程と、
前記受台を加温して、前記基材シートを、合成樹脂のガラス転移温度ないし軟化温度付近まで加熱する工程と、
バックシート上方に予め配置され、下方部に多数の突状部を有する超音波成形型を、下降させて、超音波振動する突状部を前記基材シートに当接させて、基材シートを振動加熱し、突状部が当接した部分の基材シートを軟化ないし溶融させる工程と、
前記超音波成形型をさらに下降させて、軟化ないし溶融した基材シートに前記突状部を貫入させて多数の微細貫通孔を形成する工程と、
を備えることを特徴とする、方法。
【請求項１１】
前記突状部が基材シートに貫入する際に負荷重がかかるように、前記超音波成形型を下降させる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記微細貫通孔の形成工程において、前記突状部が基材シートに当接してからバックシートに当接するまでの間、徐々に振幅が小さくないように前記超音波成形型を減衰振動させ、突状部がバックシートに当接すると超音波振動を停止させる、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記微細貫通孔の形成工程の後、前記超音波成形型を上昇させて前記突状部を基材シートから抜出する工程をさらに備える、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記微細貫通孔の形成工程の後、前記突状部の抜出工程までの間、受台を温度制御装置により降温して、基材シートを、合成樹脂のガラス温度ないし軟化温度以下の温度となるまで冷却する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記突状部の抜出工程において、前記突出部を超音波振動させながら、基材シートから抜出する、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の方法によって得られる微細貫通孔形成品。
【請求項１７】
合成樹脂製の基材シートに多数の微細貫通孔が形成されたミスト形成用フィルターであって、前記貫通孔の直径が、基材シートの表裏において異なっており、一方の面の直径が１〜１０μｍであり、他方の面の直径が２０〜８０μｍであることを特徴とする、ミスト形成用フィルター。
【請求項１８】
前記貫通孔が、２００〜１０００個／ｍｍ２である、請求項１７に記載のミスト形成用フィルター。
【請求項１９】
前記貫通孔が末広がりのラバルノズル形状を有している、請求項１７または１８に記載のミスト形成用フィルター。
【請求項２０】
超音波振動子を振動させて液体をミスト化するミスト発生装置であって、前記超音波振動子とミスト発生口との間に、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載のミスト形成用フィルターが設けられていることを特徴とする、ミスト発生装置。
【請求項２１】
前記ミスト形成用フィルターは、微細貫通孔の直径が大きい側が前記超音波振動子側となるように配置されている、請求項２０に記載のミスト発生装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２２６８９（Ｐ２０１３−２２６８９Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６０３４６（Ｐ２０１１−１６０３４６）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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