(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を有する基板と、基板上に規則的に密に配列・固定された、複数の棒状の微細な支柱と、基板上に支柱を埋め込むように充填された、粘弾性を有する高分子物質と、からなり、
前記支柱の基板とは反対側の、無数の突起を有する断面が前記高分子物質の表面に配列され、
前記支柱の基板とは反対側の表面が電気粘着力を持つことを特徴とする電気粘着素子。
【請求項２】
前記支柱が、前記基板の表面に対して斜めに形成された互いに交わる傾斜した支柱であることを特徴とする請求項１に記載の電気粘着素子。
【請求項３】
前記傾斜した支柱の前記基板から最も遠い交点が、前記高分子物質の表面に一致して配列するようになされた三次元微細網目構造体であることを特徴とする請求項２に記載の電気粘着素子。
【請求項４】
前記支柱が前記基板の表面に対してなす構造角が３０度以上９０度未満とされていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電気粘着素子。
【請求項５】
前記高分子物質が、シリコーンゲル、ウレタンゴム又はブタジエンゴムであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電気粘着素子。
【請求項６】
前記基板が透明基板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電気粘着素子。
【請求項７】
前記基板が、一方の電極を兼ねる基板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電気粘着素子。
【請求項８】
基板上に規則的に密に配列・固定された、複数の棒状の微細な支柱を、裏面露光法により製造する工程と、
前記基板上に、粘弾性を有する高分子物質を前記支柱を埋め込むように充填する工程と、
を含むことを特徴とする、前記支柱の基板とは反対側の表面が電気粘着力を持つようにされた電気粘着素子の製造方法。
【請求項９】
前記基板の表面に対して斜めに形成された互いに交わる傾斜した支柱を有する単位ユニットが、基板の表面に沿って繰り返されてなる三次元微細網目構造体を、多重傾斜裏面露光法により製造することにより、前記支柱が形成されることを特徴とする請求項８に記載の電気粘着素子の製造方法。
【請求項１０】
前記高分子物質が、シリコーンゲル、ウレタンゴム又はブタジエンゴムであることを特徴とする請求項８又は９に記載の電気粘着素子の製造方法。
【請求項１１】
前記基板が、透明基板であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の電気粘着素子の製造方法。
【請求項１２】
前記基板が、一方の電極を兼ねる基板であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の電気粘着素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気粘着素子及びその製造方法に係り、特にクラッチ、ダンパ、アクチュエータ等の動力伝達装置や制動装置等に適用して好適な電気粘着素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電圧を印加することにより見かけの粘度が上昇する、いわゆる電気レオロジー（以下、ＥＲという）効果を発現するＥＲ流体が知られている。ＥＲ流体は、印加する電圧を変化させることによってその粘度を可逆的に変えることができ、しかも電圧の変化に対する応答性に優れていることから、このＥＲ流体を一対の電極間に配したＥＲ素子の形態で、クラッチ、ダンパ、アクチュエータ等の動力伝達装置や制動装置等に適用可能な電子部品として使用することが期待されている。
【０００３】
ところが、ＥＲ流体は、通常、シリコーンオイル等の電気絶縁性分散媒中に分散相粒子（ＥＲ粒子）が分散した形態であるため、長期間静置しておくとＥＲ粒子が沈降・凝集してしまうことから、剪断応力にばらつきが生じ、安定したＥＲ効果が得られにくかった。
【０００４】
そこで、より安定した性能が得られるように、ＥＲゲルを用いて電気粘着効果（ＥＡ効果）が得られるようにした電気粘着素子が提案されている（例えば、特許文献１、２、非特許文献１参照）。
【０００５】
このようなＥＲゲルは、例えばシリコーンオイル等の電気粘性流体、即ち前記ＥＲ流体をゲル化することにより形成したシリコーンゲルに、有機無機複合ＥＲ粒子（例えば、アクリル樹脂の微粒子をコアとして半導体酸化スズをコーテンィングした粒子）を分散させた構造をとる（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
又、発明者等は、ポリマーメッシュシートを積層し、その間にシリコン樹脂等を充填した素子に、高電圧をかけると最表層のメッシュシートの間の樹脂が電気粘着力を持つことを見出している（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２５５７０１号公報
【特許文献２】特開２００８−２６６４０７号公報
【特許文献３】特開２００１−２６７９３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】日本機械学会２００９年度年次大会論文集(２）（２００９年９月）１０９〜１１０頁
【非特許文献２】精密工学会２０１１年度春季大会  学術講演会  講演論文集（２０１１年３月１日発行）１００３〜１００４頁
【非特許文献３】Ｈ．Ｓato，Ｔ．Ｋakinuma，Ｊ．Ｓ．Ｇo，Ｓ．Ｓhoji，“Ｉn-channel  ３−Ｄ  micromesh  structures  using  masklcss  multi-angle  exposure  and  their  microfilter  application”，Ｓensors＆Ａctuators  Ａ，Ｖoll．１１１（２００４）pp８７−９２
【非特許文献４】Ｈ．Ｓato，Ｔ．Ｋakinuma，Ｊ．Ｓ．Ｇo，Ｓ．Ｓhoji，“Ａ  novel  fabrication  of  in-channel  ３−Ｄ  micromesh  structure  using  maskless  multi-angle  exposure  and  its  microfilter  application”，１６ｔｈ  Ｉnt．Ｃonf．Ｏn  Ｍicro  Ｅlectro  Ｍechanical
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前者の特許文献１〜３や非特許文献１で用いられたＥＲゲルは、シリコーンゲルに微粒子であるＥＲ粒子を分散させた構造をとるために、その分散の状態により性能にばらつきが生じやすく、しかもＥＲ粒子は前記のように特殊であるため、粒子そのもののコストが高いという問題があった。
【００１０】
一方、後者の非特許文献２で提案したメッシュシートを用いた電気粘着シートは、安定した電気粘着効果を発現でき、しかも低コスト化を実現することが可能であるが、メッシュシートを用いて電気粘着シートの表面を数μｍ以内の凹凸で作り込むことは容易でなく、また熱処理によるメッシュシート自体の撓みもあって平坦度が高い表面が得られず、広い粘着面積が得られていなかった。
【００１１】
又、非特許文献３や４には、フォトリソグラフィ技術を用いて、マイクロ・ナノ精度の三次元微細網目構造体を作成する多重傾斜裏面露光法が提案されているが、これらの文献では三次元微細網目構造体を、そのままマイクロフィルタやマイクロリアクタ等のマイクロ流体制御素子として用いることしか考えられていなかった。
【００１２】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、表面精度が高い安定した機械的な構造を実現して、安定した電気粘着効果を発現することができる電気粘着素子及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、電極を有する基板と、基板上に規則的に密に配列・固定された、複数の棒状の微細な支柱と、基板上に支柱を埋め込むように充填された、粘弾性を有する高分子物質と、からなり、前記支柱の基板とは反対側の、無数の突起を有する断面が前記高分子物質の表面に配列され、前記支柱の基板とは反対側の表面が電気粘着力を持つことを特徴とする電気粘着素子により、前記課題を解決したものである。
【００１４】
ここで、前記支柱を、前記基板の表面に対して斜めに形成された互いに交わる傾斜した支柱とすることができる。
【００１５】
又、前記傾斜した支柱の前記基板から最も遠い交点が、前記高分子物質の表面に一致して配列するようになされた三次元微細網目構造体とすることができる。
【００１６】
又、前記支柱が前記基板の表面に対してなす構造角を３０度以上９０度未満とすることができる。
【００１７】
本発明は又、基板上に規則的に密に配列・固定された、複数の棒状の微細な支柱を、裏面露光法により製造する工程と、前記基板上に、粘弾性を有する高分子物質を前記支柱を埋め込むように充填する工程と、を含むことを特徴とする、前記支柱の基板とは反対側の表面が電気粘着力を持つようにされた電気粘着素子の製造方法を提供するものである。
【００１８】
ここで、前記基板の表面に対して斜めに形成された互いに交わる傾斜した支柱を有する単位ユニットが、基板の表面に沿って繰り返されてなる三次元微細網目構造体を、多重傾斜裏面露光法により製造することにより、前記支柱を形成することができる。
【００１９】
又、前記高分子物質を、シリコーンゲル、ウレタンゴム又はブタジエンゴムとすることができる。
【００２０】
又、前記基板を透明基板とすることができる。
【００２１】
又、前記基板を、一方の電極を兼ねる基板とすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、例えば多重傾斜裏面露光法により製造された三次元微細網目構造体を用いて、安定した表面形状を実現したことにより、ＥＲゲルに比べて広範囲の粘着面積が得られるだけなく、三次元微細網目構造体が骨組の役割を担うため、機械的な強度も向上する。従って、表面精度が高い安定した機械的な構造を実現して、安定した電気粘着効果を簡便な製造方法で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る電気粘着素子の第１の製造方法の実施形態の手順を示す流れ図
【図２】同じく第１の製造工程を示す断面図
【図３】製造された三次元微細網目構造体の一例を示す写真
【図４】本発明に係る電気粘着素子の実施形態の作用を示す図
【図５】同じく粘着現象を確認した例を示す平面図
【図６】同じく粘着力の測定結果を示す図
【図７】同じく三次元微細網目構造体表面の位置と傾斜支柱の交点との関係の例を示す図
【図８】構造角に関する解析モデルを示す図
【図９】構造角と電場強度の変化を比較して示す図
【図１０】交点間距離に関する解析モデルを示す図
【図１１】交点間距離と電場強度の変化を比較して示す図
【図１２】本発明に係る電気粘着素子の第２の製造方法の実施形態の手順を示す流れ図
【図１３】同じく第２の製造工程を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２５】
図１（フローチャート）および図２（製造工程を示す断面図）は、本発明に係る電気粘着素子２５の第１の製造方法を示したものである。
【００２６】
まず図１のステップ１００で、図２（ａ）に示す如く、透明基板（例えばガラス基板）１０上に金属を蒸着し、パターニングしてフォトマスク１２を形成する。このフォトマスク１２が、三次元微細網目構造体（立体メッシュ構造体とも称する）２０を構成する支柱２１の形状を決定する。このフォトマスク１２は、後でＥＡ効果を発揮させる時の、一方の電極を兼ねる。
【００２７】
蒸着する金属は、たとえばクロムが上げられるが、それ以外のアルミニウムや銅などの金属でもよい。また、フォトマスク１２は、後述するレジスト塗布時の厚さの均一性なども考慮して、透明基板１０よりも小さいことが望ましい。なお、本実施形態では、支柱２１の断面形状は特に限定されず、円形でも角形でもよい。
【００２８】
次いで図１のステップ１１０に進み、図２（ｂ）に示す如く、フォトレジスト（例えばＭＥＭＳ分野で一般的に用いられている高アスペクト比構成体形成用厚膜レジストであるＳＵ−８）１４を、例えばスピンコートにより塗布して、ベーク処理を行なう。フォトレジスト１４は、透明基板１０のフォトマスク１２側に塗布する。またフォトレジスト１４の厚さは、支柱２１の高さおよび構造角θを考慮して決められる。
【００２９】
次いでステップ１２０に進み、透明基板１０に、支柱２１が基板表面に対してなす角度である構造角θに対応する傾斜（図ではθ１）を持たせ、フォトレジスト１４が載った透明基板１０の裏面側（フォトマスク１２が存在しない側）から電磁波を照射する。ここで電磁波はフォトレジスト１４を硬化させることができる波長であればよく、その種類にはよらない。例えば、可視光線や紫外線をあげることが出来る。本実施例のＳＵ−８であれば、波長３５０〜４００ｎｍ程度の紫外線が適している。
【００３０】
次いでさらに電磁波を照射する場合にはステップ１３０に進み、傾斜角度を例えばθ２に変更して、ステップ１２０に戻り、必要な角度・回数で電磁波の照射を繰り返す（図２では（ｃ）（ｄ）の２回）。図２では、１次元方向にのみ支柱２１を形成しているが、電磁波の照射を３回以上繰り返して、２次元方向に支柱２１を形成してもよいことは言うまでもない。
【００３１】
傾斜角度（θ１、θ２等）の大きさは、構造角θ、支柱２１の長さ、塗布されたフォトレジスト１４の材質、透明基板１０の材質等によって適宜選択される。構造角θは、ＥＡ特性を得るために、３０°以上必要である。より望ましくは６０°以上である。また構造角θが９０°のときは、支柱２１は傾斜しないが、支柱の強度に問題がなければ、構造角θが９０°であってもよい。
【００３２】
ステップ１４０で電磁波の照射が終了したと判定されたときは、ステップ１５０に進み、フォトレジスト１４を現像することで、図２（ｅ）に示す如く、傾斜した支柱２１で構成された立体メッシュ構造体２０が得られる。この図では、１本の傾斜した支柱２１が複数の他の傾斜した支柱２１と交わり、結果として交点２２は複数あるが、傾斜した支柱２１が他の１本の傾斜した支柱２１と交わっても、すなわち交点は１個であってもよい。
【００３３】
ここで用いた多重傾斜裏面露光法により、複数回露光を行なうことによって、微細な傾斜した支柱２１が交差した立体メッシュ構造体２０が作製できる。製造された立体メッシュ構造体２０の一例を図３に示す。
【００３４】
この立体メッシュ構造体２０は、フォトレジスト１４の厚さやフォトマスク１２のパターン（支柱２１の径や間隔、支柱２１の配置パターン等）、露光角度及び露光回数を変えることによって、様々な形状に作製することが可能である。又、非常に単純な手法であるにも拘らず、透明基板１０とフォトレジスト１４との隙間が無いので、密着露光と同等のパターン精度が得られる。なお、立体メッシュ構造体２０を製造する方法は、これに限定されない。
【００３５】
次いでステップ１６０に進み、図２（ｆ）に示す如く、立体メッシュ構造体２０の隙間に、例えばシリコーンゲル２３を充填することによって、電気粘着素子２５が得られる。また、シリコーンゲル２３の充填にあたっては、必要に応じて立体メッシュ構造体２０の外側に、枠等を設けてもよい。シリコーンゲル２３は、傾斜した支柱２１の交点２２がシリコーンゲル２３の表面からやや上になるように適量充填される。交点２２がシリコーンゲル２３の表面からやや上にないと、ＥＡ効果が十分に発揮できない。
【００３６】
前記シリコーンゲル２３は、シリコーンオイルを架橋剤により架橋し、ゲル化することにより形成することができる。
【００３７】
シリコーンオイルとしては、例えばジメチルシリコーンオイル、フッ素変性シリコーンオイル、フェニル変性シリコーンオイルが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。フッ素変性シリコーンオイルとしては、例えば、トリフルオロプロピル基（ＣＦ3Ｃ2Ｈ4−）を有するポリシロキサン、ノナフルオロヘキシル基（Ｃ4Ｆ9Ｃ2Ｈ4−）を有するポリシロキサン、環状型ポリシロキサン化合物などがある。
【００３８】
架橋剤としては、例えば不飽和結合をもつアセチレン、エチレン、プロピレン、ブタジエン、イソプレン、イソシアネートなどが用いられる。
【００３９】
なお、シリコーンゲル以外に、粘弾性を有するウレタンゴムやブタジエンゴムなどを用いることも考えられる。
【００４０】
前記立体メッシュ構造体２０は、傾斜した支柱２１の高分子物質（ここではシリコーンゲル２３）表面の交点（θ＝９０°の場合は頂点）が、ＥＲ粒子の代替であると仮定できる。又、フォトリソグラフィ技術を用いた立体構造であるため、非特許文献２で提案したメッシュシートを用いた電気粘着（ＥＡ）素子の問題点であった、熱処理によるメッシュシートの撓みも存在しない。立体メッシュ構造体２０の高さの精度は塗布されるレジスト膜厚の精度に依存するが、スピンコートを用いればレジスト膜厚の精度は格段に向上するため、結果として電気粘着素子２５の表面は、ＥＡ素子に比べて格段に精度の高い表面を得ることができる。
【００４１】
このようにして作製した電気粘着素子２５に対して上下電極間に電圧を印加すると、図４に示す如くシリコーンゲル２３が交点２２の表面を覆うように隆起して粘着力が発生し、電気粘着性が得られる。
【００４２】
作製した電気粘着素子２５の上に図示しないガラス電極（上部電極とも称する）を載せ、フォトマスク１２を兼ねた透明基板（電極）１０と前記ガラス電極との間に電圧を印加し、光学顕微鏡（４５０倍）を用いて表面の状態を観察したところ、図５に示す如く、瞬間的且つ可逆的な電気粘着現象が確認できた。レジスト膜厚を変えることにより、粘着現象が確認できる印加電圧を調整することができる。
【００４３】
粘着力の測定結果を図６に示す。印加電場に比例して粘着力が増加することが確認できた。ここで、粘着力は、電気粘着素子２５を固定し、上部電極（ガラス電極）を一定速度でスライドさせた時の単位面積当たりの剪断力の値である。
【００４４】
更に、立体メッシュ構造体２０の表面と傾斜した支柱２１の透明基板１０から最も遠い（図の最上部の）交点２２との関係を調べたところ、図７（ａ）に示す如く、表面と交点２２が一致している場合に良好な粘着性が得られた。これに対して、図７（ｂ）に示す如く、交点２２よりも表面が上にある場合や、図７（ｃ）に示す如く、表面が交点２２よりも下にある場合には、粘着性能が劣っていた。
【００４５】
又、構造角θの影響を調べるため、図８（ａ）に示すθ＝６０°の場合と図８（ｂ）に示すθ＝８０°の場合について電場分布の解析を行った。解析の条件は、以下の表のとおりである。
【００４６】
【表１】
0006006984.tif 000002
【００４７】
構造角θ＝６０°と８０°の場合について、電場強度とシリコーンゲル表面からの距離の関係を測定したところ、図９に示すような関係が得られた。
【００４８】
非特許文献１にあるように、誘電体表面に電界が作用するとき、誘電体表面に発生する力の大きさは基本的に電界強度に依存する。本発明によるレジスト支柱の表面に作用する力も同様である。シリコーンゲル表面と垂直なｙ方向の成分を示す図９を見ると、どちらの形状でも上部電極に近づくにつれて電場強度が強くなっているが、構造角θが６０°の形状の方が頂点付近の電界強度が強くなっている。これは構造角θの大きさによって得られるＥＡ効果が異なることを示すが、いずれの角度であってもＥＡ効果が発生する。構造角θが３０°以上あれば、ＥＡ効果を発揮する。
【００４９】
なお、単位ユニット当たりの支柱２１の本数は、機械的な強度を確保するために３本以上が望ましいが、３本には限定されず、４本以上、あるいはシリコーンゲルなどの高分子物質が充填されるので、２本以下でも良い。構造角θが９０°のときは、支柱２１は傾斜せずに、透明基板１０に直立することになるが、この場合でもシリコーンゲル２３の表面ではＥＡ効果が発揮される。よって支柱２１は直立する限り、１本でもよい。
【００５０】
更に、傾斜した支柱２１の交点２２（図では頂点）間の間隔ａの影響を考慮するため、交点同士の間隔ａを変え、図１０（ａ）に示すデルタ型と、図１０（ｂ）に示すクロス型の２つのモデルを使って、電場分布の解析を行なった。図１１（ａ）（デルタ型）及び図１１（ｂ）（クロス型）は、縦軸に電場強度をとり、横軸にシリコーンゲル表面からの距離をとったものである。どちらの図においても、多少の誤差はあるものの、ほぼ同様の値であることがわかる。このことから、交点間隔を変えても電場強度への影響はほとんど無いと考えられる。
【００５１】
図１２（フローチャート）および図１３（製造工程を示す断面図）は、本発明に係る電気粘着素子２５の第２の製造方法を表わしたものである。第１の製造方法との違いは、透明基板１０とは異なる基板５０上に電気粘着素子２５を作製するようにしたものである。基板５０は、一方の電極を兼ねるものである。
【００５２】
具体的には、まず図１２のステップ２００で、図１３（ａ）に示す如く、下部電極となる基板５０の上に、フォトレジスト１４を、例えばスピンコートにより塗布して、ベーク処理を行なう。
【００５３】
次いでステップ２２０に進み、図１３（ｂ）に示す如く、フォトマスク１２形成済みの透明基板（例えばガラス基板）１０上に、上下反転させた基板５０のフォトレジスト１４を密着させる。
【００５４】
次いでステップ２３０に進み、図１３（ｃ）に示す如く、透明基板１０に、支柱２１が基板表面に対してなす角度である構造角θに対応する傾斜（図ではθ1）を持たせ、フォトレジスト１４が載った透明基板１０の裏側（図の下側）から電磁波、例えば紫外線を照射する。
【００５５】
次いでステップ２４０に進み、図１３（ｄ）に示す如く、傾斜角度を例えばθ2に変更して、ステップ２３０に戻り、必要な角度・回数で紫外線の照射を繰り返す（図１３では（ｃ）（ｄ）の２回）。
【００５６】
ステップ２５０で必要回数の紫外線の照射が終了したと判定されたときは、ステップ２６０に進み、フォトレジスト１４を現像することで、支柱２１で構成された立体メッシュ構造体２０が得られる。
【００５７】
次いでステップ２７０に進み、不要となる透明基板１０及びフォトマスク１２を取り外して、図１３（ｅ）に示すような立体メッシュ構造体２０を完成させる。
【００５８】
次いでステップ２８０に進み、図１３（ｆ）に示す如く、立体メッシュ構造体２０の隙間に、例えばシリコーンゲル２３などの高分子物質を充填することによって、電気粘着素子２５が得られる。
【００５９】
この方法によれば、フォトマスク１２を複数回使用することが可能になり、第１の製造方法では電気粘着素子製造のたびに必要になるフォトマスク作製の工程を不要とし、製造工程の簡略化およびコスト削減の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６０】
１０…透明基板
１２…フォトマスク
１４…フォトレジスト
２０…三次元微細網目（立体メッシュ）構造体
２１…支柱
２２…交点
２３…シリコーンゲル
２５…電気粘着素子
５０…基板
θ…構造角
ａ…交点間隔
【図１】
0006006984.tif 000003
【図６】
0006006984.tif 000004
【図７】
0006006984.tif 000005
【図１２】
0006006984.tif 000006
【図２】
0006006984.tif 000007
【図３】
0006006984.tif 000008
【図４】
0006006984.tif 000009
【図５】
0006006984.tif 000010
【図８】
0006006984.tif 000011
【図９】
0006006984.tif 000012
【図１０】
0006006984.tif 000013
【図１１】
0006006984.tif 000014
【図１３】
0006006984.tif 000015