(57)【要約】微細構造の配列を微細成形する方法であって、材料シートを対応する微細構造に変形させるためそれぞれ成形した突起部の配列を有するパンチを、前記パンチとダイの間に配置された材料シートに向かって前進させる工程と、材料シートを定位置に保持するためのホルダを設ける工程と、材料シートにパンチの突起部で穴を開けて、材料シート上に前記微細構造の配列を成形する工程とを備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細構造の配列を微細成形する方法であって、
材料シートを対応する微細構造に変形させるために形成された突起部の配列を有するパンチを、該パンチとダイの間に配置された材料シートに向かって前進させる工程と、
材料シートを定位置に保持するためのホルダを設ける工程と、
材料シートに前記パンチの突起部で穴を開けて、材料シート上に前記微細構造の配列を成形する工程とを備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記微細構造は、極微針からなる方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の方法であって、
微細成形中に前記微細構造それぞれの領域内の材料シートにほぼ一定の反作用支持を与える工程をさらに備える方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、
前記ほぼ一定の反作用支持は、前記ダイによって与えられる方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、
前記ダイは、変形可能なダイである方法。
【請求項６】
前記の請求項のいずれか一つに記載の方法であって、
前記微細構造の成形中に材料シート内における平面応力を減らす又は避けるように材料シートの特定の厚さに対して前記パンチのアスペクト比が選択されている方法。
【請求項７】
前記の請求項のいずれか一つに記載の方法であって、
非中空の頂上部を有するように各微細構造を成形する方法。
【請求項８】
請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の方法であって、
頂上部に穴を有するように各微細構造を成形する方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、
微細成形の初期段階で穴やひびが成形されるように材料シートの特定の厚さに対して前記パンチの各突起部の頂上部の曲率が選択されており、
前記穴やひびは、微細成形中に実質的に拡大し、前記微細構造それぞれの頂上部で開口となる方法。
【請求項１０】
請求項５に記載の方法であって、
前記変形可能なダイは、変形後少なくとも一部が回復する材料からなる方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、
前記材料は、半結晶高分子材料からなる方法。
【請求項１２】
請求項１０又は請求項１１に記載の方法であって、
前記変形可能なダイは、高密度ポリエチレン（ＨＯＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、テフロン（ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥ）及びポリエチレテレフタレート（ＰＥＴ）のうちいずれか一つの材料からなる方法。
【請求項１３】
前記の請求項のいずれか一つに記載の方法であって、
固体潤滑剤を前記パンチに塗布する工程をさらに備えた方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
固体潤滑剤は、Ｔａ−Ｃコーティングからなる方法。
【請求項１５】
前記の請求項のいずれか一つに記載の方法であって、
前記微細構造を強化するために前記微細構造それぞれの内面をコーティングする工程をさらに備える方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記コーティング工程は、電気めっき工程を含む方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、
前記電気めっき工程は、ニッケルめっきを含む方法。
【請求項１８】
前記の請求項のいずれか一つに記載の方法であって、
材料シートは、鉄鋼、１１００アルミニウム及び銅（９９％）のうちいずれか一つの金属材料からなる方法。
【請求項１９】
微細構造の配列を微細成形する装置であって、
突起部の配列を有するパンチと、
ダイと、
微細成形中に材料シートを定位置に保持するためのホルダとを備え、
各突起部は、材料シートを対応する微細構造に変形させるために形成されており、材料シートに該突起部の配列で穴を開けて、前記微細構造の配列を成形する装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の装置であって、
前記微細構造は、極微針である方法。
【請求項２１】
請求項１９又は請求項２０に記載の装置であって、
微細成形中に前記微細構造それぞれの領域内の材料シートにほぼ一定の反作用支持を与える装置。
【請求項２２】
請求項１６に記載の装置であって、
前記ほぼ一定の反作用支持は、前記ダイによって与えられる装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の装置であって、
前記ダイは、変形可能なダイである装置。
【請求項２４】
請求項１９から請求項２３のいずれか一つに記載の装置であって、
前記微細構造の成形中に材料シート内における平面応力を減らす又は避けるように材料シートの特定の厚さに対して前記パンチのアスペクト比が選択されている装置。
【請求項２５】
請求項１９から請求項２３のいずれか一つに記載の装置であって、
非中空の頂上部を有するように各微細構造を成形する装置。
【請求項２６】
請求項１９から請求項２３のいずれか一つに記載の装置であって、
頂上部に穴を有するように各微細構造を成形する装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載の装置であって、
微細成形の初期段階で穴やひびが成形されるように材料シートの特定の厚さに対して前記パンチの各突起部の頂上部の曲率が選択されており、
前記穴やひびは、微細成形中に実質的に拡大し、前記微細構造それぞれの頂上部で開口となる装置。
【請求項２８】
請求項２３に記載の装置であって、
前記変形可能なダイは、変形後少なくとも一部が回復する材料からなる装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載の装置であって、
前記材料は半結晶ポリマー材料からなる装置。
【請求項３０】
請求項２８又は請求項２９に記載の装置であって、
前記変形可能なダイは、高密度ポリエチレン（ＨＯＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、テフロン（ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥ）及びポリエチレテレフタレート（ＰＥＴ）のうちいずれか一つの材料からなる装置。
【請求項３１】
請求項１９から請求項３０のいずれか一つに記載の装置であって、
固体潤滑剤が前記パンチに塗布されている装置。
【請求項３２】
請求項３１に記載の装置であって、
固体潤滑剤は、Ｔａ−Ｃコーティングからなる装置。
【請求項３３】
請求項１９から請求項３２のいずれか一つに記載の装置であって、
前記微細構造を強化するために前記微細構造それぞれの内面をコーティングする手段をさらに備える装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載の装置であって、
前記コーティングは、電気めっき工程を含む装置。
【請求項３５】
請求項３４に記載の装置であって、
前記電気めっき工程は、ニッケルめっきを含む微細成形方法。
【請求項３６】
請求項１９から請求項３５のいずれか一つに記載の装置であって、
材料シートは、鉄鋼、１１００アルミニウム及び銅（９９％）のうちいずれか一つの金属材料からなる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、微細構造の配列の微細成形方法及び微細構造の配列の微細成形装置に関連する。
【背景技術】
【０００２】
極微針等の微細構造は、多くの異なる技術分野において利用されている。例えば、皮下注射や経口投与は、その即効性、有効性、直接性から、人間の体に薬剤を投与するために最も一般的に使用されている方法である。これらの方法にも、スパイク濃度や皮下注射によるトラウマ、薬剤を経口投与した際に消化管が受ける薬剤によるダメージや薬剤使用目的の臓器以外で起こる合併症等、いくつか不利な点もある。一方、経口投与や静脈内注射を代替する方法である経皮薬剤輸送は、痛みを生じずに人間の体に薬剤を投与する手段であり、これらの薬剤輸送手段は、薬剤が消化管内でダメージを受けることや、薬剤が肝臓にすぐに吸収されてしまうことを防ぐ。従来の経皮薬剤輸送用の製品は、患者の動きを制限せずに長時間の薬物輸送ができるよう、通常、人間の体に吸着できるパッチ形状とする。これらの製品は、通常、不浸透性の裏当てと定常状態の薬剤輸送率を制御する膜表面に挟まれた薬剤用のリザーバを有する。既存の経皮性薬剤輸送の応用例としては、乗り物酔い防止薬のスコポラミンや、禁煙用ニコチンパッチ、狭心痛治療用のニトログリセリン、ホルモン置換治療用のエストロゲンがある。
【０００３】
経皮性薬剤輸送システムは、一般的に、能動輸送システムと受動拡散システムに分類される。能動輸送システムは、イオン注入法、電気穿孔法、超音波等の外的方法を使用し、皮膚バリアを超えた人間の体内への薬剤の侵入を増加させる。これらの方法は、電気的手段又は高周波数電気パルスや音波の適用することによって薬物の皮膚への拡散を増進させて、薬剤の吸収を改善する。上記の方法を行う従来の装置は、機器費用及び作業費用が高いことや、持ち運び可能な電気機器が必要になる等の不都合があり、未だ商業的な成功には至っていない。
【０００４】
上記の経皮パッチは、受動拡散システムの例であり、その機能性は、皮膚内への薬剤の拡散に基づくもので、皮膚の多孔性、薬剤分子の大きさ及び多孔性、角質層（ヒトの皮膚の最も外側にある層）の濃度勾配等のパラメータに依存する。一般的に、従来の経皮パッチでは、薬剤から皮膚への薬剤の拡散率が低いことが問題であった。
【０００５】
この低拡散率を改善する方法として、皮膚（角質層）の破壊によって拡散バリアを壊す方法がある。これは、非中空又は中空の突起、例えば、極微針列を使用して、引っ掻いたり、皮膚に直接浸透させて行ってもよい。これは、経皮薬剤輸送で一般的な問題である低拡散を克服するための、効果的、かつ、低費用の方法である。
【０００６】
従来の極微針列を製造する方法としては、例えば、金属堆積法や射出成形法に伴ってシリコン基板を使った方法がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらの方法は、製造コスト及び時間が多くかかり、大量生産には向いていない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様にしたがって、微細構造の配列を微細成形する方法であって、材料シートを対応する微細構造に変形させるためにそれぞれ形成された突起部の配列を有するパンチを、該パンチとダイの間に配置された材料シートに向かって前進させる工程と、材料シートを定位置に保持するためのホルダを設ける工程と、材料シートにパンチの突起部で穴を開けて、材料シート上に前記微細構造の配列を成形する工程とを備える方法を提供する。
【０００９】
前記微細構造は、極微針からなっていてもよい。
【００１０】
本発明による微細構造の配列を微細成形する方法は、微細成形中に、前記微細構造それぞれの領域内の材料シートにほぼ一定の反作用支持を与える工程をさらに備えていてもよい。
【００１１】
前記ほぼ一定の反作用支持は、前記ダイによって与えられてもよい。
【００１２】
前記ダイは、変形可能なダイであってもよい。
【００１３】
前記微細構造の成形中に、材料シート内で平面応力を減らす又は避けるように材料シートの特定の厚さに対して前記パンチのアスペクト比を選択してもよい。
【００１４】
非中空の頂上部を有するように各微細構造を成形してもよい。
【００１５】
頂上部に穴を有するように各微細構造を成形してもよい。
【００１６】
微細成形の初期段階で穴やひびが成形されるように材料シートの特定の厚さに対して前記パンチの各突起部の頂上部の曲率が選択されていてもよく、前記穴やひびは、微細成形中に実質的に拡大し、前記微細構造それぞれの頂上部で開口となる。
【００１７】
前記変形可能なダイは、変形後少なくとも一部が回復する材料からなってもよい。
【００１８】
前記材料は、半結晶高分子材料からなっていてもよい。
【００１９】
前記変形可能なダイは、高密度ポリエチレン（ＨＯＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、テフロン（ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥ）及びポリエチレテレフタレート（ＰＥＴ）のうちいずれか一つの材料からなってもよい。
【００２０】
固体潤滑剤をパンチに塗布する工程をさらに備えていてもよい。
【００２１】
固体潤滑剤は、Ｔａ−Ｃコーティングからなってもよい。
【００２２】
本発明の微細成形方法は、前記微細構造を強化するために、前記微細構造それぞれの内面をコーティングする工程をさらに備えていてもよい。
【００２３】
前記コーティング工程は、電気めっき工程を含んでもよい。
【００２４】
記電気めっき工程は、ニッケルめっきを含んでいてもよい。
【００２５】
材料シートは、鉄鋼、１１００アルミニウム及び銅（９９％）のうちいずれか一つの金属材料からなっていてもよい。
【００２６】
本発明の第２の態様によれば、微細構造の配列を微細成形する装置であって、突起部の配列を有するパンチと、ダイと、微細成形中に材料シートを定位置に保持するためのホルダとを備え、各突起部は、材料シートを対応する微細構造に変形させるために形成されており、材料シートに前記突起部の配列で穴を開けて、前記微細構造の配列を成形する装置を提供する。
【００２７】
前記微細構造は、極微針であってもよい。
【００２８】
微細成形中に前記微細構造それぞれの領域内の材料シートにほぼ一定の反作用支持を与えてもよい。
【００２９】
前記ほぼ一定の反作用支持は、前記ダイによって与えられてもよい。
【００３０】
前記ダイは、変形可能なダイであってもよい。
【００３１】
前記微細構造の成形中に材料シート内における平面応力を減らす又は避けるように材料シートの特定の厚さに対して前記パンチのアスペクト比が選択されていてもよい。
【００３２】
非中空の頂上部を有するように各微細構造を成形してもよい。
【００３３】
頂上部に穴を有するように各微細構造を成形してもよい。
【００３４】
微細成形の初期段階で穴やひびが成形されるように材料シートの特定の厚さに対して前記パンチの各突起部の頂上部の曲率が選択されていてもよく、前記穴やひびは、微細成形中に実質的に拡大し、前記微細構造それぞれの頂上部で開口となる。
【００３５】
前記変形可能なダイは、変形後少なくとも一部が回復する材料からなってもよい。
【００３６】
前記材料は、半結晶高分子材料からなっていてもよい。
【００３７】
前記変形可能なダイは、高密度ポリエチレン（ＨＯＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、テフロン（ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥ）及びポリエチレテレフタレート（ＰＥＴ）のうちいずれか一つの材料からなっていてもよい。
【００３８】
固体潤滑剤がパンチに塗布されていてもよい。
【００３９】
固体潤滑剤はＴａ−Ｃコーティングからなっていてもよい。
【００４０】
本発明の微細成形装置は、前記微細構造を硬化するために、前記微細構造それぞれの内面をコーティングする手段をさらに備えていてもよい。
【００４１】
前記コーティング工程は、電気めっき工程を含んでいてもよい。
【００４２】
前記電気めっき工程は、ニッケルめっきを含んでいてもよい。
【００４３】
材料シートは、鉄鋼、１１００アルミニウム及び銅（９９％）のうちいずれか一つの金属材料からなっていてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本明細書に記載の実施形態は、一般的に、微細成形を用いた、例えば極微針等の微細構造の製造に関する。極微針は、列状に成形してもよく、生体に薬剤を投与するため又は生体から体液を抽出するための経皮性薬剤輸送システムにおいて使用してもよい。
【００４５】
微細成形とは、１ｍｍ以下の少なくとも二次元の金属成形による構造体の一部又は構造体を製造することである。一般的に、微細成形は、従来の金属成形プロセスを小型化したものとして考えられ、微細成形及び金属成形は、用いられる材料、使用手段、使用プロセス、使用機械の４つの主要要素で構成されることを特徴とする。用いられる材料は、重要な要素である。従来の金属成形の小型化に伴う問題に関連する材料は、材料自身の小型化と強く結びついている。（ａ）微細構造は、例えば、プロセスの寸法には依存せず、（ｂ）表面トポグラフィーは不変である。これらの要素によって、例えば、結晶粒径等の微細構造や表面のパラメータに対するある部分の寸法の割合が小型化に伴って変化する所謂サイズ効果が起こる。これらの要素すべてによって、従来の金属成形プロセスのノウハウを微細成形の分野で応用することが妨げられている。
【００４６】
技術的には、微細成形では、流動応力や垂直平均異方性、延性が低下して、成形性の限界が徐々に低下することが示唆される。乾式成形法の場合は摩擦が寸法に依存しないのに対し、油で潤滑する場合は小型化に伴い摩擦が増加する。
【００４７】
微細成形用に使用される装置１０の一実施形態を図１（ａ）と図１（ｂ）に示す。図１（ａ）は、装置１０の分解斜視図を示す。装置１０は、パンチ２０とホルダ３０とダイ４０とを有する。本実施形態では、パンチ２０とホルダ３０とダイ４０とは、円筒形の形状を有する。しかし、これらは他のいかなる形状に成形されてもよい。図１（ｂ）は、パンチ２０とホルダ３０とダイ４０とを組立てた際の装置１０の透視断面を示す。装置１０は、例えば、プレス機等、様々な手段によって作動させてもよく、手動で作動させてもよい。また、サーボプレス機を使用して、装置１０を作動させ、より精密に製造工程を進めてもよい。サーボプレス機の動作範囲の例としては、穿孔負荷が５Ｎ〜５００Ｎ、穿孔スピードが０．１ｍｍ／ｓ〜３５ｍｍ／ｓとしてもよい。望ましい極微針列の大きさに応じて、穿孔負荷と穿孔スピードを増加してもよい。
【００４８】
パンチ２０とダイ３０とは、例えば、フライス加工法や、放電加工法（ＥＤＭ）、精密ワイヤ切断法等の様々な方法で製造してもよい。ダイ３０は、例えば、ワイヤ切断法で成形し、ダイに貫通孔を製造してもよい。一方、ダイの貫通孔が必要でない場合は、ダイは、ＥＤＭで製造してもよい。
【００４９】
図２（ａ）は、他の実施形態にしたがって、フライス加工法で製造した、円錐形状の突起部２２５を有するパンチ２２０を示す。パンチ２２０の表面仕上げは、一貫した結果を得るために十分とみなされ、典型的に、極微針（又は、微細構造）成形後のパンチの後退に大きく依存している。従来のＣＮＣフライスによる仕上がり表面の表面粗さ（表面仕上げ）は、例えば、寸法が約５００ミクロンよりも大きい応用例のほとんどに対して十分である。例えば、寸法が、約１００ミクロンより小さい構造を作成するには、求められる平均表面粗さは、約０．１ミクロンよりも小さいものであることがわかる。さらに、固体潤滑剤を使用する場合、表面粗さの要件は、０．１ミクロンから０．５ミクロンまで緩和されてもよい。図２（ｂ）に示すように、パンチ２２０を穿孔ホルダ２３０に装着する前に、各パンチ２２０に、それぞれ別々にフライス加工とトリミング加工とを施して、パンチ２２０の列を得てもよい。本実施形態では、４つのパンチ２２０は、パンチホルダ２３０に装着され、２×２列のパンチ２２０を成形する。
【００５０】
図２（ｃ）は、他の実施形態にしたがって、ＥＤＭによって成形されたパンチ２５０を示す。ＥＤＭより成形したパンチ２５０の仕上がり表面は、ミリングや精密ワイヤ切断に比べてなだらかである。
【００５１】
図２（ｄ）と図２（ｅ）は、他の実施形態にしたがって、精密ワイヤ切断によって成形された６×６列のパンチ列２６０の立体視図と側面図をそれぞれ示している。パンチ２６５は、３つの切断パスを有するように成形されており、各パンチ２６５の寸法は、底面の幅が０．２５ｍｍ、高さが０．７５ｍｍである。パンチ２６５の底部、したがって、極微針（図２（ａ）〜図２（ｅ）には図示せず）の底部には、ワイヤ切断プロセスによって使用するワイヤの半径に応じて、固有の有限湾曲が生じる。そうではあっても、図２１（ｂ）に見られるように、極微針の底部の外側におけるワイヤの半径によって、該底部の外側が鋭い端縁となることが回避され、パンチ構造を強化している。実施形態において、パンチ（及び、ダイ）はテーパー加工された壁を有し、微細成形中のパンチの後退を可能にしている。さらに、微細成形と共に打ち抜きプロセス又は穴あけプロセスを行うときには、材料を塑性的に変形させてパンチの形状に一致させるように、パンチの壁をある程度テーパー加工することが必要となる。
【００５２】
上記の実施形態では、パンチは、ほぼ円形の断面を有しているが、用途によっては、例えば、三角形状、矩形状、八角形状等、様々な形状とすることができる。
【００５３】
図３（ａ）〜図３（ｅ）は、他の実施形態にしたがって、微細成形によって極微針を製造する工程の流れを示す概略図である。金属シート３４０をパンチ列３２０と固定ダイ３３０の間に配置する。ホルダ３１０を金属シート３４０の上面上に配置し、金属シート３４０が微細成形プロセス中に動かないように、また、金属シート３４０のしわを防ぐようにする。反りやしわが生じないよう金属シート３４０を拘束するために、金属シート３４０の固定ダイ３３０へのさらなる固定（図示せず）が必要となる場合がある。金属シート３４０は、３０４鋼、１１００アルミニウム、銅（９９％）等の金属材料で構成してもよい。金属シート３４０は、金属シート３４０の最小の長さがダイ３３０の直径の約５倍を超えるように、影響を受ける領域（ダイ３３０の直径）を十分に被う必要がある。
【００５４】
ラム３５０を設定し、適切なスピードでパンチ列を落下させ、続いて、図３（ｂ）に示すように、極微針３４５の列を金属シード３４０に作成する。本実施形態において、パンチ３２０は、円錐形状の突起部３２５を有しており、ダイ３３０は、パンチ３２０上の円錐形突起部３２５に対応する凹形状を持つ。極微針３４５の表面形状は、パンチ３２０とダイ３３０とに対応するように成形される。極微針３４５を金属シート３４０に成形した後、パンチ３２０をラム３５０によって後退させる。パンチ３２０は、図３（ｃ）に示すように、極微針３４５の列が成形された金属シート３４０がダイ上に残るように後退させてもよい。また、パンチ３２０は、図３（ｄ）に示すように、ホルダ３１０と極微針３４５の列が成形された金属シート３４０とがパンチ３２０上に残るように後退させてもよい。最終的に、装置のデザインや違いに応じて、作成した極微針３４５をパンチ列３２０又は固定ダイ３３０から取り外すことができる（図３（ｅ））。なお、極微針列が大きいほど、大きいパンチ負荷が必要となる場合がある。パンチ負荷は、作成される極微針列の極微針の数にほぼ比例して増加することがわかっている。
【００５５】
作成された極微針３４５がパンチの後退ストローク中にダメージを受ける得るパンチの後退においては、摩擦の作用が大きい。パンチ後退による極微針のダメージを防ぐため、潤滑剤コーティングをパンチに適用してもよい（図示せず）。
【００５６】
他の実施形態において、Ｔａ−Ｃ等の固体潤滑剤をパンチに塗布する。Ｔａ−Ｃは、約２ミクロンの膜厚を有するダイアモンド状炭素コーティングである。図４には、約６ｍｍの高密度ポリエチレン（ＨＯＰＥ）パッドをダイ（図示せず）として使用して、０．１５ｍｍの膜厚を有するアルミニウムシート（純度９９％）上に微細成形した、アスペクト比が約１．２の極微針４１０の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。パンチ（図示せず）は底面直径が１ｍｍ、高さが１．５ｍｍ、約１．５のアスペクト比であった（パンチの先端を切り取った後の実際の高さは、およそ１．４５ｍｍ）。パンチの先端を切り取ることで、非中空の極微針を開口なしで成形することができ、また、裂け目や穴の拡張を遅らせることもできる。
【００５７】
図５は、他の実施形態にしたがって成形した極微針５１０のＳＥＭ写真であり、極微針５１０の底面半径へのレトロパンチング効果を示している。極微針５１０は強く削られ、オーバーエッチ効果が残った。極微針５１０は、底面の直径が約０．５ｍｍ、高さが約１ｍｍの寸法を持つパンチ（図示せず）によって、膜厚が約０．１５ｍｍのアルミニウムシート（純性９９％）を使用して作成された。極微針５１０の内表面の底面に亘るストリップは、研削プロセス中に作られて蓄積していったばりのような人工物である。そして、極微針５１０を、本質的にテーパー穴である雌パンチ（図示せず）によってレトロパンチした。このレトロパンチ工程によって、極微針５１０の底面半径はかなり小さくなり、アスペクト比が約１．４の極微針５１０が得られる。このような寸法の大幅な縮小にも関わらず、極微針５１０のは、取り扱い時や皮膚浸透中の機械負荷を維持するのに十分な膜厚を有する。また、ここでは、皮膚浸透を促進するために、微細成形された極微針の側面にどのようなパターンが成形されるのかが示されている。例えば、各極微針の外側表面に、極微針を鋭利にする波形の細い線や他の模様を成形すること、又は、刻むことで皮膚浸透を促進してもよい。
【００５８】
図６（ａ）〜図６（ｅ）は、他の実施形態にしたがって、微細成形で極微針を製造する工程の概略図である。本実施形態では、図３（ａ）〜図３（ｅ）に示す固定ダイ３３０を変形可能なダイ６３０に置き換える。変形可能なダイ６３０は、例えば、高密度ポリエチレン（ＨＯＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）、テフロン（ポリテトラフルオロエチレン、ＰＴＦＥ）、ポリエチレテレフタレート（ＰＥＴ）等の変形可能な半結晶性高分子である軟質材料から成るシート状に成形してもよい。これらの材料は、通常、非結晶性高分子に比べて、強度が高く、熱による分解や軟化に対してもより耐性が高い。変形可能なダイ６３０に使用する材料は、パンチ６２０によって穴をあけた後、部分的又は実質的に回復し、変形可能なダイ６３０が再利用できるような材料であることが好ましい。変形可能なダイ６３０によって、パンチ６２０が前進している間の材料の流れを継続でき、したがって、微細成形プロセス中の引き伸ばしによって、極微針のネッキングを防ぐことができる。図３（ａ）〜図３（ｅ）の固定ダイ３３０に比べ、微細成形の前に、パンチ６２０の突起部６２５の形状の凹形状を変形可能なダイ６３０に成形する必要はない。パンチ６２０は、例えば、Ｔａ−Ｃ等の固体潤滑剤で覆われていてもよい。パンチ６２０を下げ、図６（ｂ）に示すように、変形可能なダイ６３０上に配置した金属シート６４０に押し付ける。同時に、パンチ６２０によって、変形可能なダイ６３０に穴をあけ、パンチ６２０上の突起部６２５の形状の凹形状に相当するキャビティ６３５を成形する。極微針６４５の長さ分に到達したら、パンチ６２０の動きを止める。同様に、成形した極微針６４５は、プロセスのデザインや違いに応じて、パンチ６２０又は変形可能なダイ６３０から取り外すことができる。成形された極微針６４５の取り外しの簡便さは、成形圧力と変形可能なダイ６３０と金属シート６４０に使用した高分子材料の性質による。キャビティ６３５は変形可能なダイ６３０に永久的に設けられるが、キャビティ６３５は縮んだり、元の形状に戻ることができるので、変形可能なダイ６３０は十分に再利用できる。
【００５９】
図７（ａ）〜図７（ｅ）は、他の実施形態にしたがって、微細成形で極微針を製造する工程の概略図である。本実施形態では、固体潤滑パンチ７２０を、変形可能な高分子ダイ７３０上に配置した金属シート７４０に押し付ける。極微針７４５の長さ分に到達した後、図７（ｃ）と図７（ｄ）に示すように、追加圧力をかけパンチ７２０をさらに前進させ、成形した極微針列７４８を金属シート７４０の残りの部分から打ち抜く。成形した極微針列７４８は、プロセスのデザインや違いに応じて、後退したパンチ７２０（図７（ｃ））に付着させてもよいし、変形可能なダイ７３０（図７（ｄ））上に残してもよく、その後、極微針列７４８を取り除いて、図７（ｅ）に示すような極微針列７４８が得られる。
【００６０】
ダイが従来の金属成形において一般的に果たす２つの役割、すなわち、加工品を特にダイの肩の部分で三次元構造に変形させる役割、及び／又は、アイアニング効果による材料の精密な薄膜化を確実に行う成形プロセス中に三次元構造の側体において「アイロン・ボード」として働く役割は、一般的に、微細成形には適応できないことがわかる。極微針の成形は、パンチのデザイン、特にパンチのアスペクト比と、極微針の成形に使用する材料から成るシートの膜厚とに依存することがわかる。また、材料シートに対する反作用支持によって、成形プロセス中の極微針の初期不具合を遅らせることができることもわかる。一般的には、パンチと材料シート間の接触面では、微細成形中は、膜厚が厚いシートも薄いシートもパンチの形状に厳密に一致しているが、膜厚が厚いシート材料に比べ、膜厚が薄いシート材料は、極微針の外面において、その形状がパンチの形状と一致するように改善されることが観察された。一般的に、材料シートの膜厚がパンチの高さより約５〜１０倍小さい場合は、材料シートは薄膜であるとみなされる。
【００６１】
微細成形中の材料シートに対する一定の反作用支持は、例えば、図６（ａ）〜図６（ｅ）、図７（ａ）〜図７（ｅ）の実施形態に示すように、変形可能なダイ６３０、７３０によって与えられてもよい。図８（ａ）は、アスペクト比がほぼ３（パンチの後退なし）に等しいパンチ（図示せず）を使って、約０．２ｍｍの膜厚を有するアルミニウムシート（１１００）から成形した極微針８５０の実施例を示すＳＥＭ写真を示す。図８（ｂ）は、極微針８５０の拡大写真であり、寸法を概寸で示している。ダイアモンド状炭素コーティング、例えば、テトラヘデラルアモルファスカーボンコーティング等の固体潤滑剤でパンチ上を被い、極微針８５０がパンチの後退の際にダメージを受ける原因である摩擦を減らすようにしてもよい。また、パンチの表面粗さを改善し、パンチと材料シート間の摩擦と接触を減らし、材料とパンチ間の界面接着を最小限に抑えるようにしてもよい。本実施形態では、パンチは硬化工具鋼から成り、極微針８５０を成形するシート材料はアルミニウムから成る。パンチが後退する際に起こる極微針８５０の不具合の原因の一つとして、微細成形中に材料シートが晒されていた高度の変形が考えられる。
【００６２】
さらに、変形可能なダイを使用することの利点として、僅かに上昇した圧力、例えば、成形圧力の約１０％−５０％の圧力でプレス加工する目的で、変形可能なダイを汎用のダイとして使用することができる。図９（ａ）と図９（ｂ）は、可変ポリマーダイ（図示せず）を使って、約０．１５ｍｍの膜厚を有するアルミニウムシートからプレス加工して成形した極微針９２０、９３０の極微針列の一例の写真を示す。極微針９２０、９３０の配列は、特に、複雑な表面形状を持つそのような単位ダイの大きな配列が必要な場合には高い製造コストが必要となる剛性ダイと比べて、より優れた変形可能なダイの性能を示している。
【００６３】
サイズ効果は、加工製品のサイズを小型化したときに、材料の微細構造は変化しないという事実に由来する。極微針の極微成形に使用する材料シートの微細構造を、それぞれ試料の異なる位置、すなわち、集中的な伸張が起こった極微針のウエスト（高さの中間点）、変形が起こっていない極微針から離れた底面領域において分析した。変形した領域と変形していない領域の粒径を観察することで、材料の微細構造の大きな変化を引き起こすことなく、そのような変形が起こることがわかり、数１０ｎｍの領域における粒径は、典型的な標準粒径である。極微針の成形に使用する材料の膜厚は、高アスペクト比の極微針を得る際に、重要な役割を果たす。例えば、材料の膜厚に対するパンチの高さの比が約４よりも小さいような膜厚が厚い材料シートを使用すると、はっきりとした針は成形できず、また、例えば、材料の膜厚に対するパンチの高さの比が約２０よりも大きいような膜厚がパンチのサイズに比べて薄すぎる材料シートを使用すると、穴あけプロセス又は打ち抜きプロセスを行う場所で平面応力がかかり、極微針の代わりに、穴だけが成形されてしまう。パンチサイズの減少に伴い、材料シートの膜厚も減らす必要があるが、この縮小は線形である。材料の膜厚には最適な範囲があり、その最適な範囲では、変形ダイのサポートを伴う、特定の表面形状を有するパンチを使って、満足のいく極微針を成形できることが観察された。
【００６４】
図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、約５０ミクロンの膜厚を有するアルミニウムシートから得た極微針の実施例を示している。図１０（ａ）と図１０（ｂ）は、それぞれ、極微針１０２０の斜視図と断面図を示す写真であり、極微針１０２０は、底面直径が１ｍｍで、高さが１．５ｍｍ（アスペクト比は１．５）のパンチ（図示せず）を使って成形した。極微針１０２０の壁厚１０２２は、元のシート膜厚１０２４の約半分より大きい程度の膜厚に減少したことが観察された。図１１（ａ）と図１１（ｂ）は、それぞれ、アスペクト比が約２で底面が約１ｍｍのパンチ（図示せず）によって成形した極微針１１２０の斜視図と断面図を示している。断面の下部にある、ばり状のひれ１１２５は、研削の結果できたものである。図１２（ａ）と図１２（ｂ）は、それぞれ、底面直径が約０．５ｍｍ、高さが約１ｍｍ（アスペクト比は約２）のパンチ（図示せず）で成形した極微針１１２０の斜視図と断面図を示している。極微針１２２０の先端（頂点）と平均壁厚はそれぞれ、大体２０〜３０ミクロンと、１５〜３０ミクロンの範囲である。
【００６５】
より小さい極微針を作るためにより膜厚の薄い材料シートが必要となることから、作成される極微針の壁厚の下限は、成形した針の壁厚を元の膜厚の半分から５分の１の間の厚さまで減らしてもよいというように決められる。この下限は、実用的には適さない針を作ってしまう値である。極微針のサイズが極めて小さい場合、例えば、底面寸法で約１５０ミクロより小さい場合は、求められる最適な材料膜厚は極めて小さくなる。これにより、曲げ加工や変形加工を施す極微針列のソフトプラットフォームが成形される。このサイズ及び膜厚の縮小によって、極微針が弱くなり、信頼性が低下してしまう。極微針としてニッケルなどの材料でできた層を電鋳法で成形することで極微針の総膜厚を増やして、この問題を克服するようにしてもよく、これによって極微針を強化することができる。また、極微針を陽極酸化処理し、硬質で脆いアルミナの層を成形してもよい。
【００６６】
極微針列の列を製造する方法の一つとして、一つのパンチ（図示せず）を繰り返し使って材料シート上の各列内の各針を成形してもよい。図１３（ａ）と１３（ｂ）に、それぞれ、一つのパンチ（図示せず）を使って成形した極微針１３２０の実施例の平面図と等角図の写真を示す。極微針の周りでは大きな変形は起こらないことが観察され、したがって、隣接する極微針１３２５は、互いに接近して成形されてもよい。
【００６７】
図１４（ａ）と図１４（ｂ）は、アスペクト比が１〜１．５のワイヤ切断パンチ列（図示せず）によって成形した極微針列１４２０、１４３０の例を示す。これらのパンチ列は、十分な表面仕上がりを確実に得るために３つのパスでワイヤ切断されており、約２ミクロの膜厚を有する固体潤滑剤で覆われている。極微針１４２０、１４３０は、底面直径が約０．５ｍｍで、２×２列の極微針列１４２０では、高さが約０．５ｍｍで（図１６（ａ））、３×３列の極微針列１４３０では、高さが約０．７５ｍｍである。極微針列１４２０、１４３０の成形に使用したアルミニウムシート（１１００）の膜厚は、約５０ミクロだった。極微針１４２５、１４３５の最終的な壁厚は、約８−２０ミクロの間である。最終的な壁厚は、陽極酸化処理、又は、極微針１４２５、１４３５の外表面をニッケル、又は、例えば、ポリマー材料等の他の金属／非金属材料で電気めっき／堆積してさらに大きくしてもよい。さらに、極微針１４２０、１４３０の両面は、極微針列１４２０、１４３０を硬化するために、酸化アルミニウムの層で陽酸化処理してもよい。極微針１４２０、１４３０を５％シュウ酸中で、３分間、４５Ｖの一定の電圧（おおよそ１０×１０ｍｍ２の有効領域）で陽酸化処理した後、極微針１４２５、１４３５の壁厚は約２０ミクロンから約３０ミクロンへ増加した。図１５（ａ）〜図１５（ｃ）は、他の実施形態にしたがった極微針１５５０全体、極微針１５５０の底面部、極微針１５５０の先端（頂点）それぞれの断面を示すＳＥＭ写真である。極微針１５５０の例は、３×３列の極微針列（図示せず）の一部を示している。極微針底面部が最も変形しており、微細成形後、極微針１５５０の頂点が最も移動させられている。
【００６８】
他の実施形態において、膜厚が約０.２ｍｍのアルミニウムシートを、過塩素酸（３０％）と（純）メタノールを１：４の比で混合した混合液中で電解研磨した。１２．５Ｖの一定の電圧を一定の時間印加し、アルミニウムシートを望ましい膜厚にする。電解研磨を９分間行った後と、１４分間行った後には、それぞれ、膜厚８５ミクロンと、膜厚１３０ミクロンとが得られた。その後、アルミニウムシートに穴をあけ、陽酸化処理を行い、図１６（ａ）と図１６（ｂ）に示すように、それぞれ、１．０と０．６のアスペクト比が得られた。これらの実施例両方において、極微針１６２０、１６３０は、極微針列のプラットフォーム（図示せず）を含め、皮膚浸透の間の取り扱いや歪み力に持ちこたえるのに十分に強くなる。なお、図１６（ｂ）の極微針１６３０は、図１６（ａ）の極微針１６２０よりもかなり大きな底面外半径を有する。これは、図１６（ｂ）の極微針１６３０の成形に使うアルミニウムシート（１３０ミクロン）の膜厚のほうが大きいからであり、これにより、極微針１６３０のアスペクト比は約４０％の減少となる。
【００６９】
ほぼ同様の実験設定及び上記の実施形態に記載した材料を使って、非中空及び中空極微針の両方を製造してもよい。パンチの鋭さを頂上部で制御することによって、極微針を非中空状（パンチのストロークの際に穴を成形せず）や中空状（パンチストローク際にパンチの頂上部で穴を成形・拡大）に成形してもよい。非中空極微針及び中空極微針を成形する際の唯一のプロセスの違いは、パンチの頂上部の鋭さである。パンチ頂上部の鋭さは、金属シートの相対厚さに厳密に依存している。したがって、ある特定のパンチ頂上部は、比較的厚い金属シートにとっては十分に鋭くても、同じ材料でより薄いシートに対しては全く尖っていないかもしれない。頂上部を丸くすることで、成形ストローク中に材料シート上にひびが生じることや不具合が生じることがなくなり、これにより非中空の極微針を成形できることは容易に想像できる。逆に、中空極微針には、成形ストローク中の初期段階で穴やひびを生じる鋭い頂上部が必要であり、この穴やひびはパンチのストロークにしたがって適度に広がり、結果的に頂上部で均一な開口となる。この穴の作成・拡大メカニズムは、第３の欠陥モード、又はクレーターモードに従うものである。図１７（ａ）〜図１７（ｃ）は、異なるアルミニウムシートの膜厚とパンチの表面形状とを利用して製造した中空極微針の一例を示すＳＥＭ写真である。図１７（ａ）は、アスペクト比が１．５のパンチと膜厚が０．２ｍｍのアルミニウムシートを使って成形された中空極微針１７５０を示す。図１７（ｂ）は、５０ミクロンの中空頂上部１７６５を有する極微針１７６０の平面図である。図１７（ｃ）と図１７（ｄ）は、それぞれ、アスペクト比が２のパンチ（図示せず）で成形した中空極微針１７７０の平面図と等角図である。
【００７０】
図１８（ａ）〜図１８（ｄ）は、他の実施形態にしたがって極微針１８５０を製造する工程を示した概略図である。極微針１８５０は、膜厚が５０ミクロンの４×４のパンチ列１８２０でアルミニウムシート１８４０に穴をあけることで得られる。各極微針１８５０の内面は、ニッケルめっき等の電子めっきによってコーティングされる。突起表面１８６０は、エポキシ１８５５でコーティングされ、極微針１８５０の外表面上のニッケルめっきを防ぐ。穴をあけた極微針列１８４０は塩化ニッケル溶液内で、１２時間、０．０８Ａの一定の電流で電気めっきが施され、これにより、図１８（ｃ）と図１８（ｄ）に示すように、ニッケルめっき１８５８の層を極微針１８５０の内表面上に成形する。図１９（ａ）は、図１８（ａ）〜図１８（ｄ）の実施形態に従って成形した、凹凸のはっきりとした極微針列１９２０を示す。極微針１９２０は、軽く外向きに屈曲しており、皮膚を引っ掻きやすくしている。図１９（ｂ）は、陽酸化処理を施した極微針列の膜厚の異なる様々な例、例えば１９２２を示している。ここで、色の濃い部分は膜厚が増加したことを示す。
【００７１】
図２０（ａ）〜図２０（ｃ）は、微細成形で製造した極微針の３つの欠陥モード、すなわち、キャップモード、クラウンモード、クレーターモードをそれぞれ示す。これらの種類の欠陥モードは、ネッキングが生じる（酷使された）材料内の位置に依存する。キャップモード欠陥は、成形された極微針の側壁でネッキングが起こる場合に生じ、その後、図２０（ａ）に示すように、ひびが周囲に広がって、半球形の蓋が円錐形の極微針に取り付けられるように成形される。一方、クラウンモード欠陥は、パンチ（図示せず）の頂上部があたった領域に生じたひびが放射状に広がることによって起こり、その材料シートは、通常、パンチサイズ（底面直径）に比べて十分に薄い。クラウンモード欠陥が起こるパンチサイズに対する材料シートの膜厚の一般的な比は、約１０以上である。多くの場合、ひびが広がるにつれて、極微針の寸断面が反り返り、引っ掻くのに都合のよい鋭利な先端（２０２０）（図２０（ｂ））が成形される。最後に、クレーターモード欠陥とは、穴拡大プロセスであって、パンチによって穴を作り、その後、パンチが進むにつれて穴が拡大される。図２０（ｃ）に示すように、このモードでは、極微針の頂上部に、比較的鋭利でスムーズな円周２０３０が作成される。クレーターモード欠陥は、上記のように、中空極微針の成形に使用される。
【００７２】
上記の実施形態において、微細成形を使って、極微針を成形する。他の形状の微細構造を他の実施形態で製造してもよい。
【００７３】
微細成形を使って極微針を成形することで、このような極微針列の製造時間とコストを実質的に削減でき、この技術を商業的にも実現可能にすることができる。
【００７４】
さらに、上記の実施形態によって、広い範囲の長さやアスペクト比の中空微細構造、又は、非中空微細構造を、現在、特定の技術、例えば、シリコン技術にとって制限要因である微細成形で成形することができるようになる。例えば、適切な膜厚の金属シートを使用すると共に、パンチのテーパーを大きくすることによって、様々なアスペクト比の微細構造を得ることができる。
【００７５】
微細成形は、また、成形、トリミング、カービング、研削、穴掘削、電子成形等の製造後プロセスによって、複雑な表面形状を有する極微針列の製造を可能にする。
【００７６】
追加工程を組み込んで、さらに成形された極微針の機械特性を操作／最適化してもよいし、極微針の表面形状をさらに改善してもよい。
【００７７】
本発明は、ＩＣキャリアや、微細ドライバー、締め具、支持構造体、バネ、パッドやピン等の接続素子等を含むマイクロシステム技術（ＭＳＴ）や電気・電子モジュールにおいて使用する他の微細構造にも適用してもよい。
【００７８】
上記特定の実施形態に示すように、広義に定義される本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、本発明に対して、様々な変形及び／又は変更をしてもよいことは、当業者に認識されるであろう。したがって、本実施形態は、あらゆる意味において、例示目的であって、限定的なものではないと見なされる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
本発明の実施形態は、図面と共に、例示目的で示される以下の記載によって、当業者によりよく、容易に理解される。
【図１】図１（ａ）は、実施形態に係る極微針を成形するための装置の分解斜視図である。図１（ｂ）は、図１の装置の透視図である。
【図２】図２（ａ）は、他の実施形態にしたがって、フライス加工法で製造したパンチを示す。
【００８０】
図２（ｂ）は、図２（ａ）の複数のパンチを示す。
【００８１】
図２（ｃ）は、他の実施形態にしたがって、ＥＤＭで製造したパンチを示す。
【００８２】
図２（ｄ）は、他の実施形態にしたがって、精密ワイヤ切断によって成形された６×６のパンチ配列の立体視図である。
【００８３】
図２（ｅ）は、図２（ｄ）のパンチ配列の側面図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｅ）は、他の実施形態にしたがって、微細成形によって極微針を製造する工程の流れを示す概略図である。
【図４】図４は、他の実施形態にしたがって成形した、アスペクト比が約１．２の極微針の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。
【図５】図５は、他の実施形態にしたがって成形した極微針のＳＥＭ写真を示す。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｅ）は、他の実施形態にしたがって、微細成形で極微針を製造する工程の概略図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｅ）は、他の実施形態にしたがって、微細成形で極微針を製造する工程の概略図である。
【図８】図８（ａ）は、他の実施形態に係る極微針のＳＥＭ写真を示す。図８（ｂ）は、図８（ａ）の極微針の拡大写真を示す。
【図９】図９（ａ）は、他の実施形態にしたがって成形した極微針配列の写真を示す。図９（ｂ）は、他の実施形態にしたがって成形した極微針配列の写真を示す。
【図１０】図１０（ａ）と図１０（ｂ）は、それぞれ、他の実施形態に係る極微針の斜視図と断面図を示す写真である。
【図１１】図１１（ａ）と図１１（ｂ）は、それぞれ、他の実施形態に係る極微針の斜視図と断面図を示す。
【図１２】図１２（ａ）と図１２（ｂ）は、それぞれ、他の実施形態に係る極微針の斜視図と断面図を示す。
【図１３】図１３（ａ）と１３（ｂ）は、それぞれ、他の実施形態に係る極微針の平面図と等角図の写真を示す。
【図１４】図１４（ａ）と図１４（ｂ）は、アスペクト比が１〜１．５のワイヤ切断パンチ配列によって成形した極微針配列の例を示す。
【図１５】図１５（ａ）〜図１５（ｃ）は、他の実施形態に係る極微針全体、極微針の底面部、極微針の先端（頂点）それぞれの断面を示すＳＥＭ写真である。
【図１６】図１６（ａ）は、他の実施形態に係る極微針の断面のＳＥＭ写真を示す。図１６（ｂ）は、他の実施形態に係る極微針の断面のＳＥＭ写真を示す。
【図１７】図１７（ａ）〜図１７（ｃ）は、アルミニウムシートの異なる膜厚とパンチの表面形状を使って製造した空洞極微針の例を示すＳＥＭ写真である。図１７（ｄ）は、それぞれ、図１９（ｃ）の空洞極微針の等角図である。
【図１８】図１８（ａ）〜図１８（ｄ）は、他の実施形態にしたがって極微針を製造する工程を示した概略図である。
【図１９】１９（ａ）は、図１８（ａ）〜図１８（ｄ）の実施形態にしたがって成形した極微針配列を示す。極微針１９２０は、軽く外向きに屈曲しており、皮膚を引っ掻きやすくしている。
【図２０】図２０（ａ）〜図２０（ｃ）は、微細成形で製造した極微針の３つの欠陥モード、すなわち、キャップモード、クラウンモード、クレーターモードをそれぞれ示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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