JP2018118466A - 離散突起構造を有する金型 - Google Patents

Abstract

【課題】単位面積当たりの薬品保持量が大きく、かつ、形状保持性の高いマイクロニードルや、高開孔率で形状精度のよいフィルターなどの機能フィルムを効率的に成形することができる金型を提供する。
【解決手段】
本発明の金型は、プレート表面に規則的に配置された突起を有する離散突起構造を有する金型であって、該突起は角錐形状からなる尖鋭部と該尖鋭部の土台となる角柱部から構成され、前記尖鋭部の幅をａ１、尖鋭部の高さをｈ１、突起のピッチをＰ、前記角柱部の幅をａ２、角柱部の高さをｈ２としたとき、以下の式（ｉ）〜（iii）を満足することを特徴とする。
Ｐ／ａ１≦２．５・・・（ｉ）
（ｈ１＋ｈ２）／ａ２≧２・・・（ii）
ｈ１＜ｈ２・・・（iii）
【選択図】図１

Description

本発明は、離散突起構造を有する金型に関する。

現在、医療品の分野、および、化粧品等の分野において、表面に微細な凹凸を有する機能フィルムや、微細貫通孔を有する機能フィルムが求められている。表面に微細な凹凸を有する機能フィルムとしては、コラーゲン等の化粧品成分を流し込みマイクロニードル形状の結晶として固化させる工程紙用のマイクロニードル（凹）形状を有するフィルムや、ニードル表面に塗布した薬液を人体に投与するためのマイクロニードル（凸）形状を有するフィルムがあげられる。また、表面に微細貫通孔を有するフィルムとしては、細胞分離や濾過等を行うフィルターがあげられる。

これらの機能フィルムを成形するために、微細突起構造を有する金型が必要とされることが多い。例えば、マイクロニードル（凹）形状を有するフィルムを成形する場合には、その反転形状であるマイクロニードル（凸）形状に相当する離散突起構造を有する金型を用い、射出やインプリント等により成形する方法がある。また、マイクロニードル（凸）形状を有するフィルムを成形する場合には、その反転形状であるマイクロニードル（凹）形状を有する金型を用い、同じく射出やインプリント等により成形する方法がある。ここで、マイクロニードル（凹）形状を有する金型を製作するために、マイクロニードル（凹）形状の反転、すなわち、製品となるマイクロニードル（凸）形状に相当する離散突起構造を有する金型をマスター金型として製作し、マスター金型である離散突起構造を有する金型から電鋳などの反転複製を行って、マイクロニードル（凹）形状の金型を製作する場合がある（例えば、特許文献１、２参照）。

また、微細貫通孔を有するフィルムを成形する場合、離散突起構造を有する金型を加熱し、積層構造体に押し当てることにより、貫通孔を形成する方法がある（例えば、特許文献３、参照）。

このように、マイクロニードルのような微細凹凸形状を有するフィルムの成形は、樹脂の流動性を用いた射出やインプリント等の成形によって行われることが多く、型形状に対する賦形性の高い成形が行われる。また、マスター金型である離散突起構造を有する金型から電鋳などの反転複製を行う場合にも、その転写性が高いことが知られている。すなわち、これらの方法において、マイクロニードルのような微細な凹凸を有する機能フィルムを成形する場合、元となる離散突起構造を有する金型の形状は製品の凹凸形状を決める重要な構成要素である。

また、微細貫通孔を有する機能フィルムを成形する場合、樹脂の流動性を用いたインプリント等の成形によって行われるため、離散突起構造を有する金型の形状が微細孔の形状や配列を決定する重要な構成要素となるほか、突起構造の高さや、先端部の形状が、製品の厚みや貫通性の良否といった成形性に影響する重要な構成要素となる。

このような離散突起構造を有する金型の製法として、特許文献１には、２以上の方向からのワイヤカットにより、錐または錐台形状からなる離散突起構造を有する金型を製造する方法が開示されている。また、特許文献２には、２方向から切削又は研削による溝加工を施すことにより形成した略四角錐台形状に、後工程にてエッチングを行い、先端部分を細らせて鋭利化する金型の製造方法が開示されている。

また、特許文献３には、このような離散突起構造を有する金型構造の例として、錐形状と円柱形状の連結構造や、角錐型と四角柱を組み合わせた金型構造が開示されている。

特表２００６−５１３８１１号公報 特開２００８−１１４３４５号公報 国際公開第２０１４／１７１３６５号パンフレット

特許文献１に記載のような錐または錐台形状からなる離散突起構造を有する金型においては、突起全体が錐又は錐台形状であることから、突起底面の広がりが大きく、単位面積あたりの突起個数を十分大きくし難い。このような離散突起構造を有する金型を用いてマイクロニードルを成形した場合、マイクロニードル底面の広がりが大きく、単位面積あたりのマイクロニードル本数を十分大きくすることができず、単位面積あたりの薬液や化粧品等の保持量が十分得られ難いという課題があった。

単純に、離散突起構造を、底面積を小さな円錐形状とした場合、突起先端部が尖鋭となりすぎて、金型として十分な強度が得られ難く、また成形したマイクロニードルにおいても、突き刺し時に十分な強度が得られ難いという課題があった。

また、ワイヤカット加工によって離散突起構造を形成することから、突起の先端には平坦部が形成されやすく、このような金型をもってマイクロニードルを成形した場合、先端の尖鋭さが不足し十分な穿刺性が得られにくいという課題があった。

特許文献２に記載のような、略四角錐台の先端部を鋭利化した離散突起構造を有する金型においては、先端形状がエッチングによって作られるものであり、先端部形状の任意性に乏しく、使用時に欠けが生じやすいなどの課題があった。また、特許文献２に記載のように、切削または研削という機械加工と、エッチング加工との両方を行う必要があり、工程が煩雑なため金型製作効率が悪いという課題があった。また、このような離散突起構造を有する金型を用いてマイクロニードルを成形した場合、成形したマイクロニードルにおいても、先端の尖鋭部が欠損しやすいなどの課題があった。

特許文献３には、角錐型と四角柱を組み合わせた金型構造が開示されているものの、その配列や詳細な形状が十分明らかとなっていない。このような金型を用いて、貫通孔を有するフィルムを成形する場合、開孔率が高いほど、フィルターとしての分離速度を大きくできるが、特許文献３に記載の金型ではこの点につき適正化がはかられていなかった。

上記課題を解決する本発明の離散突起構造を有する金型は、プレート表面に規則的に配置された突起を有する金型であって、該突起は角錐形状からなる尖鋭部と該尖鋭部の土台となる角柱部から構成され、
前記尖鋭部の幅をａ１、尖鋭部の高さをｈ１、突起のピッチをＰ、前記角柱部の幅をａ２、および角柱部の高さをｈ２としたとき、以下の式（ｉ）〜（iii）を満足することを特徴とする離散突起構造を有する。
Ｐ／ａ１≦２．５・・・（ｉ）
（ｈ１＋ｈ２）／ａ２≧２・・・（ii）
ｈ１＜ｈ２・・・（iii）。

また、発明の離散突起構造を有する金型は、以下の特徴を有することが好ましい。
・前記角柱部の幅ａ２が以下の式を満足する。
ａ２≦５０μｍ。
・前記角柱部の底面形状が三、四、六、八角形のいずれかである。
・前記尖鋭部の頂点がＲを有し、このＲが以下の式を満足する。
Ｒ≦ａ１／４

本発明によれば、プレート表面に規則的に配置された突起を有する金型であって、該突起は角錐形状からなる尖鋭部と該尖鋭部の土台となる角柱部から構成され、前記尖鋭部の幅をａ１、尖鋭部の高さをｈ１、突起のピッチをＰ、前記角柱部の幅をａ２、角柱部の高さをｈ２としたとき、以下の式（ｉ）〜（iii）を満足することを特徴とする離散突起構造を有する金型を提供することにより、単位面積当たりの薬品保持量が大きく、かつ、形状保持性の高いマイクロニードルや、高開孔率で形状精度のよいフィルターなどの機能フィルムを効率的に成形することができる。
Ｐ／ａ１≦２．５・・・（ｉ）
（ｈ１＋ｈ２）／ａ２≧２・・・（ii）
ｈ１＜ｈ２・・・（iii）

図１は本発明の離散突起構造を有する金型の突起について説明する概略図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は上面図である。 図２は本発明の離散突起構造を有する金型の細部について説明する概略断面図である。 図３（ａ）〜（ｈ）は本発明の離散突起構造を有する金型において突起の断面形状を模式的に例示するものである。 図４（ａ）〜（ｈ）は本発明の離散突起構造を有する金型において角柱部の底面形状を模式的に例示するものである。 図５は本発明の離散突起構造を有する金型の尖鋭部を模式的に例示するものである。 図６（ａ）〜（ｅ）は本発明の離散突起構造を有する金型の製作方法を模式的に例示するものである。 図７は実施例において得られた離散突起構造を有する金型のプロファイルを示すものである。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の離散突起構造を有する金型の突起について説明する概略図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は上面図である。本発明の離散突起を有する金型１０における突起２０とは、プレート２３表面に突出した構造物のことである。また突起２０は角錐形状からなる尖鋭部２１と、その土台となる角柱部２２から構成される。このように、尖鋭部と角柱部から構成されることにより、尖鋭部において穿刺性を持ちながら十分な強度を持つ構造とすることができ、また、土台を角柱部とすることによって、個々の突起の広がりを抑え、突起を密に配置することが可能となる。突起２０はプレート２３表面に規則的に配置されていることが好ましい。配置されている突起２０の尖鋭部２１や角柱部２２は互いに異なる形状であってもよいが、同じ形状であることが好ましい。

尖鋭部２１において、プレート表面からの距離が最大になる点を頂点と呼ぶ。本発明の離散突起構造を有する金型１０の突起２０のピッチＰとは、プレート２３表面に配置された突起２０の頂点の繰り返し間隔のうち、最も狭くなる方向にとった間隔のことをいい、ピッチを定める方向と平行に切断した面を突起の断面という。

図２は本発明における離散突起構造の細部について説明する概略断面図である。図２は、離散突起構造の頂点を通り、ピッチ方向に平行に切断した突起の断面図である（以下、単に突起の断面という場合は、この断面のことをいう）。

本発明における突起構造は図２に示すように、突起の断面において、プレート表面から頂点にかけて、突起の幅が連続的または離散的に漸減する形状を有するものとする。

本発明における突起構造は図２に示すように、突起の断面における外形線と、プレート表面の垂線とのなす角度により、尖鋭部２１と、角柱部２２とに分けられる。離散突起構造の頂点を含み、突起の断面における外形線と、プレート表面の垂線とのなす角度が５度より大きい範囲の部分を尖鋭部２１という。図２では２段のみを示したが、３段以上の多段構造においても、離散突起構造の頂点を含み、突起の断面における外形線と、プレート表面の垂線とのなす角度が５度より大きい範囲の部分を尖鋭部とする。尖鋭部の強度を確保するために、離散突起構造の頂点を含み、突起の断面における外形線と、プレート表面の垂線とのなす角度は３０度以上９０度以下であることがより好ましい。突起の断面の左右で外形線の傾きが異なる場合、プレート表面の垂線とのなす角度が大きい側の外形線において、この関係を満たすものとする。

また、角柱部２２とは、尖鋭部とプレート表面との間の部分をいう。角柱部は実質的に角柱と見なせる部分であればよく、突起の断面における外形線とプレート表面の垂線とのなす角度が０度以上５度以下である、いわゆる角錐台形状であってもよい。また、角柱部の一部に、突起の断面における外形線とプレート表面の垂線とのなす角度が５度以上となる部分があっても、角柱部全体において、突起の断面における外形線とプレート表面の垂線とのなす角度の平均値が５度以下であれば、角柱部と見なしてよい。突起を密に配置するためには、突起の断面における外形線とプレート表面の垂線とのなす角度は０度以上３度以下であることがより好ましい。角柱部と尖鋭部との間で、突起の断面形状における外形線が、図２のように屈曲点を有することは特に好ましい態様である。

本発明の突起構造における尖鋭部の幅ａ１とは、突起の断面における、尖鋭部の最下部の幅のことをいう。また、本発明の突起構造における尖鋭部の高さｈ１とは、尖鋭部の最下部から頂点までの、プレート垂線方向長さのことをいう。

本発明の突起構造における角柱部の幅ａ２とは、突起の断面において、プレート面と接する部分の幅のことをいう。また、本発明の突起構造における角柱部の高さｈ２とは、角柱部の最上部（すなわち尖鋭部の最下部）からプレート面までのプレート垂線方向の長さのことをいう。

本発明の突起構造における角柱部の底面形状とは、プレート面における、角柱部の形状のことをいう。本発明において、突起のピッチと角錐形状からなる尖鋭部の幅の関係が、Ｐ／ａ１≦２．５であることが好ましい。すなわち、突起のピッチと角錐形状からなる尖鋭部の幅の関係が、Ｐ／ａ１≦２．５であることは、プレート表面において、突起が密に配置されている構造であることを意味する。ここで、Ｐ／ａ１≦２．５であることにより、マイクロニードルの外形を小さくすることができ、効率的に薬品を人体へ投与することが可能になる。また尖鋭部があることによって、穿刺性を向上させることが可能になる。また分離フィルターにおいては貫通孔を密に配置することが可能になり、効率よく対象物を分離することができる。

本発明において、（ｈ１＋ｈ２）／ａ２≧２であることが好ましい。すなわち、（ｈ１＋ｈ２）／ａ２≧２であることは、マイクロニードルにおいて、薬品の保持量が増加することを意味する。マイクロニードル一本当たりの薬品の保持量が増加することで、効率的な薬品投与が可能になる。分離フィルターにおいては、貫通可能な厚みが増すため、厚みのあるフィルターを作製することが可能になる。

本発明において、角柱部の幅が５０μｍ以下であることが好ましい。すなわち、本発明における突起が微細であることを意味する。このように突起が微細であることにより、マイクロニードルの穿刺性が向上し、皮膚への穿刺において刺激が低減し、痛みを抑えることができる。分離フィルターにおいては、孔径が微細であることから、各種細胞など対象物のサイズに合わせて分離することができる。

本発明の突起において、尖鋭部と角柱部は、穿刺性を損なわず、密に配置するために、図３（ａ）〜（ｈ）に示すような突起の断面形状を有することができる。突起の断面における外形線と、プレート表面の垂線とのなす角度が０度からなる角柱部の組み合わせ（図３（ａ）〜（ｃ））や、突起の断面における外形線と、プレート表面の垂線とのなす角度が０度よりも大きい角柱部を含む組み合わせ（図３（ｄ）〜（ｆ））、または曲面を有する（図３（ｇ）〜（ｈ））などがある。

図４（ａ）〜（ｈ）は本発明の離散突起構造を有する金型の角柱部の底面を模式的に例示するものである。本発明において、角柱部の底面が三、四、六、八角形のいずれかであることが好ましい。角柱部の底面が三、四、六、八角形のいずれかであることで、プレート表面に突起を最密に配置することができる。

図５は本発明の離散突起構造を有する金型の尖鋭部を模式的に例示するものである。本発明において、尖鋭部の頂点はＲを有し、その範囲はＲ≦ａ１／４であることが好ましい。好ましいＲの範囲としては、０．０１μｍ〜１μｍである。頂点がＲを有していることで、 貫通孔を形成する際、突き刺し時における折損リスクを低減することができる。

次に、本発明の離散突起構造を有する金型の突起の製作方法の一例を、図６を用いて説明する。プレート２３の表面（図６（ａ））を工具によって１方向から切削加工し溝を形成する（図６（ｂ））。その後、工具を９０度回転させ、再度プレート２３表面を２方向目から切削加工する（図６（ｃ））。その後、深さ方向に段階的に切削加工し（図６（ｄ））、プレート２３に突起２０を形成（図６（ｅ））することができる。ダイヤモンドバイトを使用することで、細い幅の溝加工が可能で、回転工具によって作製するよりも緻密に高アスペクト形状をプレート２３表面に配置できる。

本発明の離散突起構造を有する金型を構成する材質は特に制限されるものではない。金型の製作に際して、突起部はめっき層に対して形成するのが好ましい。よって切削加工を施す対象となる金型の表面または領域に対して、無電解Ｎｉ−Ｐめっき加工等のめっき加工を施すのが好ましい。これは、めっき加工を施すことで金型の耐食性、及び耐摩耗性を大幅に向上させ、その後の切削加工においても高精度な加工が可能になるためである。めっき加工におけるめっき膜厚は、形成する溝の深さや使用目的に応じて適宜設定可能である。他にも金型の材質として、銅やアルミの合金、ガラス、シリコン、ステンレス鋼、など各種材料を利用できる。切削加工によって製作する手法では、工具をめっき上に走査させ突起部を金型表面に形成する。切削加工の際に、突起部が形成されるよう、工具軌跡は好ましくは２方向以上から走査することが望ましい。形成したい突起部の形状に合わせ、工具軌跡を適宜設定すればよい。

上記の切削加工によれば、金型を様々な形状に切削することができ、これにより本金型を用いた成形品も様々な形状に形成することができる。例えば、成形部分に形成される凸形状あるいは凹形状が、三角錐、四角錐、六角錐、八角錐等の多角錐が形成可能になる。
金型の製作方法は、金属表面への直接切削やレーザー加工、電子線加工を施工する方法、金属表面に形成しためっき層に直接切削やレーザー加工や電子線加工を施工する方法、これらに電気鋳造を施す方法などが挙げられる。また、レジストを基板の上に塗布した後、フォトリソグラフィー手法によって所定のパターンニングでレジストを形成した後、基板をエッチング処理し、レジスト除去後に電気鋳造でその反転パターンを得る方法などが挙げられる。異方性エッチングを適用することにより凹み状のパターンを得ることができる。 基板としては金属板の他にシリコン基板等も適用できる。

金型に加工する際に使用する工作機械には精密切削加工が可能なものが好ましい。使用する工具刃先の材質は高速度鋼や超硬合金、あるいはサーメット、セラミックス等の材質を任意に設定できるが、精密かつ超微細な切削加工を施すことを考慮すれば、ダイヤモンドバイトを使用すること望ましい。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。ただし、本発明は実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
プレートとしてステンレス板の表面に、快削性を有するＮｉを主体とした材料を厚さ１００μｍ程度被覆した。その後、ダイヤモンドバイトによってＮｉ部分を３方向から切削加工し、プレート表面に尖鋭部を形成した。その後、深さ方向に段階的に切削加工し角柱部を形成し、下記の形状を得た。
尖鋭部の形状 ：六角錐
尖鋭部の高さｈ１ ：４μｍ
尖鋭部の幅ａ１ ：８．３μｍ
角柱部の底面形状 ：六角形
角柱部の高さｈ２ ：２４μｍ
角柱部の幅ａ２ ：９．４μｍ
突起高さ ：２８μｍ
突起のピッチ ：１７μｍ
サイズ ：２５ｍｍ×２５ｍｍ（パターン領域）。

得られた金型をキーエンス（株）製レーザー顕微鏡（ＶＫ−８５１０）を用いて観察し、得られた断面形状プロファイルを図７に示す。図７に示すように、得られた金型は尖鋭部を有し、高アスペクトな突起が密に配置されていた。（（Ｐ／ａ１＝２．０５）、（ｈ１＋ｈ２）／ａ２＝２．８６）。

本発明の離散突起構造を有する金型は高アスペクトであり、突起構造が密に配置されていることから、本発明の金型により得られた成形品は、細胞分離、濾過膜、ガス透過等の機能を有するフィルター、超撥水フィルム、防汚フィルム、マイクロニードルなどに用いることができる。

１０：離散突起構造を有する金型
２０：突起
２１：尖鋭部
２２：角柱部
２３：プレート
ａ１：尖鋭部の幅
ａ２：角柱部の幅
ｈ１：尖鋭部の高さ
ｈ２：角柱部の高さ
Ｐ：突起のピッチ

Claims (4)

1. プレート表面に規則的に配置された突起を有する金型であって、該突起は角錐形状からなる尖鋭部と該尖鋭部の土台となる角柱部から構成され、
   前記尖鋭部の幅をａ１、尖鋭部の高さをｈ１、突起のピッチをＰ、前記角柱部の幅をａ２、および角柱部の高さをｈ２としたとき、以下の式（ｉ）〜（iii）を満足する離散突起構造を有する金型。
   Ｐ／ａ１≦２．５・・・（ｉ）
   （ｈ１＋ｈ２）／ａ２≧２・・・（ii）
   ｈ１＜ｈ２・・・（iii）
2. 前記角柱部の幅ａ２が以下の式を満足する、請求項１の離散突起構造を有する金型。
   ａ２≦５０μｍ
3. 前記角柱部の底面形状が三、四、六、八角形のいずれかの形状である、請求項１または２の離散突起構造を有する金型。
4. 前記尖鋭部の頂点がＲを有し、このＲが以下の式を満足する、請求項１〜３のいずれかの離散突起構造を有する金型。
   Ｒ≦ａ１／４

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