JP2018501981A - ポリマーマイクロウェッジおよびそれを製造する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2014年12月10日に出願された「POLYMER MICROWEDGES AND METHODS OF MANUFACTURING, TESTING AND APPLICATION」という標題の米国仮出願第62/090,337号、および、2014年12月10日に出願された「DURABLE MICRO/NANO MOLD FABRICATION TECHNIQUES」という標題の米国仮出願第62/090,265号に対して、米国特許法第119条(e)の下での優先権を主張しており、それらのそれぞれは、すべての目的のために、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
本明細書で開示されている態様および実施形態は、概して、新規な人工の「乾燥接着」構造体(乾燥接着という用語は、接着および/または摩擦の両方を強化する構造体を含む)の形成、ならびに、それを作製するための方法および装置に関する。本明細書で開示されている接着および/または摩擦を強化する構造体は、マイクロスケールのエレメント、たとえば、約100μm未満の特徴的寸法を有するエレメントを含むことが可能であり、したがって、本明細書でマイクロスケールの乾燥接着構造体と称される。マイクロエレメントのパターンを含むマイクロスケールの乾燥接着構造体の実施形態の例が、図1Aに図示されている。マイクロスケールの乾燥接着構造体1は、バッキング15の上に配設されている複数のマイクロエレメント、すなわち、マイクロウェッジ10を含む。マイクロウェッジ10は、約80μmから約120μmの間の高さh、および、約20μmから約40μmの間の幅を有するベースb、および、約120μmから約160μmの間の長さを有することが可能である。図1Aに図示されているように、マイクロウェッジは、前縁部10lを含むことが可能であり、前縁部10lは、バッキング15の上側表面15sまたはマイクロウェッジのベースによって画定される線または平面pから約20度から約65度の間の角度Γで角度を付けられている。マイクロウェッジは、後縁部10tを含むことが可能であり、後縁部10tは、線または平面pから約35度から約85度の間の角度αで角度を付けられている。マイクロウェッジは、中心線lを含むことが可能であり、中心線lは、マイクロウェッジを二等分しており、また、中心線lは、線または平面pから約30度から約70度の間の角度βで角度を付けられている。
いくつかの実施形態では、ワックスモールドが、マイクロスケールの乾燥接着構造体の生産のために利用され得る。そのような実施形態では、ワックスモールドベースは、たとえば、金属製のモールド、たとえば、アルミニウムモールドの中に鋳造することによって、所望のサイズおよび形状に形成され、また、ネガティブマイクロエレメントパターンが、たとえば、ミクロトームブレードまたは他のマイクロマシニングツールを使用して、ワックスモールドの上側表面の中に形成されている。マイクロスケールの乾燥接着構造体がそれから形成されることを望まれる材料、たとえば、PDMS、シリコーン、またはウレタン材料が、モールドに適用され、硬化することを許容される。硬化した後に、硬化材料は、モールドから除去され、ポジティブマイクロエレメントパターンが、モールドに接触していた材料の表面の上に形成される。
いくつかの実装形態では、上記に説明されているようなワックスから形成されたモールドよりも耐久性のある、マイクロウェッジ接着構造体のためのモールドを提供することが望ましい可能性がある。モールドが劣化の兆候を示し始め、再調整または交換を必要とする前に、ワックスモールドと比較して、耐久性のあるモールドから鋳造され得るマイクロスケールの乾燥接着構造体がより多数であることに起因して、マイクロスケールの乾燥接着構造体を鋳造するために耐久性のあるモールドを使用することは、ワックスモールドの使用よりも大量の製造を促進させることが可能である。したがって、本明細書で開示されているいくつかの態様は、マシニストワックスよりも強力な材料から形成される、マイクロスケールの乾燥接着構造体の鋳造のための耐久性のあるモールドを含み、また、それを形成する方法を含む。
さらなる態様によれば、ポリマーまたはエポキシモールドよりも耐久性のある、マイクロスケールの乾燥接着構造体を鋳造するためのモールドが、金属または金属合金から形成され得る。いくつかの実施形態では、金属モールドは、電気鋳造、マイクロマシニング、または、その2つの組み合わせによって形成され得る。
たとえば、上記に開示されているようなワックスモールド、ポリマーモールド、エポキシモールド、または金属モールドのいずれかなどのモールドから、マイクロスケールの乾燥接着構造体を鋳造する方法の実施形態が、図20A〜図20Fに図示されている。これらの図は、ワックスモールドのワックス部分25の上にマイクロスケールの乾燥接着構造体を鋳造することを図示しているが、異なる材料、たとえば、ポリマー、エポキシ、または金属から形成されたモールドからマイクロスケールの乾燥接着構造体を鋳造するときに、実質的に同様の行為が実施されることとなるということが理解されるべきである。図20Aは、鋳造材料95、たとえば、液体形態のポリマーを図示しており、鋳造材料95からマイクロスケールの乾燥接着構造体が形成されることとなり、鋳造材料95は、ワックスモールドのワックス部分25の上部表面55の上に堆積させられる。いくつかの実施形態では、ポリマーは、PDMSを含み、または、PDMSから構成されている。他の実施形態では、ポリマーは、シリコーン、ウレタン、または、意図した実装形態に関して選択される別のポリマーを含むことが可能であり、または、それから構成され得る。ワックスモールドが利用されるいくつかの実施形態では、ワックスモールドは、図20A〜図20Fに示されているように構成されているというよりも、図4Aおよび図4Bを参照して図示および説明されているように構成され得るということが理解されるべきである。
され得る。
いくつかの実施形態によれば、本明細書で開示されているようなマイクロスケールの乾燥接着構造体が、より大きいスケールの物体、たとえば、衣類の表面、物体のグリップ表面、または、接着剤特性および/もしくは高い摩擦係数を示すことが望まれる他の表面の中へ組み込まれ得る。本明細書で開示されているようなマイクロスケールの乾燥接着構造体を、より大きいスケールの物体の中または上に組み込むことを促進させるために、ファブリック材料またはメッシュ材料が、マイクロスケールの乾燥接着構造体の実施形態のバッキング15の中へ組み込まれ得る。
10 マイクロエレメント、マイクロウェッジ、マイクロウェッジ構造体
10l 前縁部
10r リエントラントスペース
10t 後縁部
15 バッキング
15s 上側表面
20 強化層
25 ワックスセクション、ワックス部分
30 ベースプレート
35 リテーナー
40 テーパー付きの表面
45 締結具
50 下側表面
55 上側表面、上部表面
55c 第1の中央領域
55d 第2の中央領域
57 剥離剤
60 第1の凹部
65 より深い凹部
70 マイクロエレメントアレイパターン、マイクロウェッジパターン
75 ウォッシュタブ
80 シンク
85 脱イオン水
90 イソプロパノール
95 鋳造材料、ポリマー材料、液体材料
100 リジッドプレート
105 剥離層、剥離材料
110 ウェイト
115 線
120 リジッドプレート
122 液体ポリマー
125 ローラー
130 リジッドチューブ
135 柔軟層
140 インキングプレート
145 剥離剤
150 プレート
155 液体ポリマー
160 ウェイト
165 スタンドオフ
170 硬化プレート
175 剥離剤
180 ウェイト
185 メサプレート
190 縁部部分
195 メサ
200 ダム
205 ポリマーまたはエポキシ
210 リジッドプレート
215 剥離層
220 ウェイト、エポキシモールド
225 バッキング基板
230 プレーティングフィクスチャー
235 キャビティー
240 上側表面
245 フィレット
250 境界部、剥離層
255 接着層
260 シード金属層
265 本体部
270 金属モールド
275 金属ブロック
280 ウェッジスタブ
285 微細溝
290 ポリウレタンメッシュ、ファブリック材料またはメッシュ
300 フレーム
305 乾燥接着構造体パッチ
310 指の部分
315 バッキング、手のひらの手首に近い部分
320 グローブ
340 障害物
345 物体
350 マイクロピラー
355 マイクロタワー
360 マイクロピラー
365 マイクロカラム
本出願は、2014年12月10日に出願された「POLYMER MICROWEDGES AND METHODS OF MANUFACTURING, TESTING AND APPLICATION」という標題の米国仮出願第62/090,337号、および、2014年12月10日に出願された「DURABLE MICRO/NANO MOLD FABRICATION TECHNIQUES」という標題の米国仮出願第62/090,265号に対して、米国特許法第119条(e)の下での優先権を主張しており、それらのそれぞれは、すべての目的のために、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。本発明は、国防高等研究計画局によって認められたN66001-11-C-4101の下で、政府の支援によって行われた。政府は、本発明に一定の権利を有している。
Claims (44)
- 埋め込まれたファブリックを含むマイクロスケールの構造体を鋳造するためのモールドであって、
第1の深さを有する第1のキャビティーを含む上側表面と、
前記第1のキャビティーの表面の中に画定されたマイクロスケールの構造体のアレイのための第1のネガティブパターンと、
前記第1のキャビティーの中に配設されているファブリック保持フレームと
を含む、モールド。 - 前記モールドは、第2の深さを有する少なくとも1つの第2のキャビティーをさらに含み、前記少なくとも1つの第2のキャビティーは、マイクロスケールの構造体の前記アレイのための前記第1のネガティブパターンの外側のキャビティーの中に画定されており、前記少なくとも1つの第2のキャビティーは、前記マイクロスケールの構造体のスタンドオフのための第2のネガティブパターンを画定している、請求項1に記載のモールド。
- マイクロスケールの構造体の前記アレイのための前記ネガティブパターンは、前記第2の深さよりも大きい深さまで、前記モールドの中へ延在している、請求項2に記載のモールド。
- 剥離剤によって少なくとも部分的にコーティングされ、前記モールドと前記マイクロスケールの構造体のための鋳造材料との間の接着を低減させる、請求項1に記載のモールド。
- 前記第1のキャビティーが画定されているワックス部分を含む、請求項1に記載のモールド。
- 前記ワックス部分は、マシニングワックスを含む、請求項5に記載のモールド。
- ベースプレートと、
前記ワックス部分の側壁部のテーパーに対応するテーパー付きの表面を有しており、前記ワックス部分を前記ベースプレートに固定するように構成されている、リテーナーと
をさらに含む、請求項6に記載のモールド。 - エポキシから形成されている、請求項1に記載のモールド。
- マイクロスケールの構造体の前記アレイは、マイクロウェッジのアレイを含む、請求項1に記載のモールド。
- マイクロウェッジの前記アレイの中の前記マイクロウェッジは、前記マイクロウェッジのベースによって画定される平面に対して約30度から約70度の間の角度で配設されている中心線を含む、請求項9に記載のモールド。
- マイクロウェッジの前記アレイの中の前記マイクロウェッジは、前記マイクロウェッジの前記ベースによって画定される前記平面に対して約20度から約65度の間の角度で配設されている前縁部を含む、請求項10に記載のモールド。
- マイクロウェッジの前記アレイの中の前記マイクロウェッジは、前記マイクロウェッジの前記ベースによって画定される前記平面に対して約35度から約85度の間の角度で配設されている後縁部を含む、請求項11に記載のモールド。
- 前記マイクロウェッジは、マイクロウェッジの前縁部と隣接するマイクロウェッジの後縁部との間に画定されるリエントラントスペースを含む、請求項9に記載のモールド。
- 前記マイクロウェッジは、約80μmから約120μmの間の高さを有し、また、約20μmから約40μmの間の幅を有するベースを有している、請求項9に記載のモールド。
- マイクロウェッジの前記アレイの中の前記マイクロウェッジは、約120μmから約160μmの間の長さを有している、請求項14に記載のモールド。
- モールドの中でマイクロスケールの構造体を鋳造する方法であって、
前記モールドの上側表面の中の第1のキャビティーの中に前記マイクロスケールの構造体のためのネガティブパターンを含むモールドを提供するステップと、
前記ネガティブパターンの上に鋳造材料を堆積させるステップと、
前記第1のキャビティーの中の前記鋳造材料の中にファブリックメッシュを配設するステップと、
前記鋳造材料を硬化させるステップと
を含む、方法。 - 前記モールドを提供するステップは、前記マイクロスケールの構造体のための前記ネガティブパターンの外側の前記第1のキャビティーの中に配設されているスタンドオフキャビティーを備える前記モールドを提供するステップをさらに含む、請求項16に記載の方法。
- 前記鋳造材料の中に前記ファブリックメッシュを配設するステップは、前記第1のキャビティーの中に前記ファブリックメッシュを保持するフレームを配設するステップを含む、請求項16に記載の方法。
- 前記方法は、前記モールドの一部分をリテーナーによってベースプレートに固定するステップをさらに含み、前記リテーナーは、前記モールドの前記一部分の側壁部に接触しており、また、前記側壁部のテーパーに対応するテーパー付きの表面を有している、請求項16に記載の方法。
- 減摩剤を前記第1のキャビティーに適用するステップと、
前記第1のキャビティーの中にマイクロスケールのパターンを機械加工するステップと、
前記第1のキャビティーから前記減摩剤を洗浄するステップと
を含むプロセスによって、前記マイクロスケールの構造体のための前記ネガティブパターンを画定するステップをさらに含む、請求項16に記載の方法。 - 前記上側表面を剥離剤によって少なくとも部分的にコーティングするステップをさらに含む、請求項16に記載の方法。
- 前記鋳造材料の硬化の間に、前記鋳造材料に圧力を印加するステップをさらに含む、請求項16に記載の方法。
- 前記ファブリックメッシュを前記鋳造材料の中に押し込むステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
- 前記鋳造材料が硬化した後に、前記マイクロスケールの構造体を前記モールドから除去するステップと、
前記マイクロスケールの構造体を除去した後に、前記モールドを検査するステップと
をさらに含む、請求項16に記載の方法。 - 前記モールドが損傷したということを決定することに応答して、前記モールドを再調整するステップをさらに含む、請求項24に記載の方法。
- 前記マイクロスケールの構造体は、複数のマイクロスケールのエレメントおよび1つまたは複数のスタンドオフを含む、請求項16に記載の方法。
- 前記マイクロスケールの構造体は、1つまたは複数のスタンドオフをさらに含む、請求項26に記載の方法。
- 前記複数のマイクロスケールのエレメントの上側縁部の上に、滑らかさを強化する構造体を形成するステップをさらに含む、請求項27に記載の方法。
- 前記複数のマイクロスケールのエレメントの前記上側縁部の上に前記滑らかさを強化する構造体を形成するステップは、
インキングプレートの上側表面の上に液体ポリマーの層を堆積させるステップと、
前記液体ポリマーに接触している状態で、前記インキングプレートの上に前記マイクロスケールの構造体を設置するステップと、
前記マイクロスケールの構造体を前記インキングプレートから除去するステップと
を含む、請求項28に記載の方法。 - 前記インキングプレートの前記上側表面に接触している状態に前記1つまたは複数のスタンドオフを設置するステップをさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 前記マイクロスケールの構造体を前記インキングプレートの上に設置する前に、前記複数のマイクロスケールのエレメントの前記上側縁部をプラズマによって処理するステップをさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 前記インキングプレートの前記上側表面の上に前記液体ポリマーの前記層を堆積させる前に、前記液体ポリマーをフィルターに通すステップをさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 前記複数のマイクロスケールのエレメントの前記上側縁部の上に配設されている前記液体ポリマーを含む前記マイクロスケールの構造体をメサプレートの上に設置するステップと、前記複数のマイクロスケールのエレメントの前記上側縁部が前記メサプレートに接触している間に、前記液体ポリマーを硬化させるステップとをさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 前記鋳造材料が硬化した後に、前記マイクロスケールの構造体を前記モールドから除去するステップと、
前記マイクロスケールの構造体を物体に連結させるステップと
をさらに含む、請求項16に記載の方法。 - 前記物体は、衣類であり、前記方法は、機械的な締結具によって、前記マイクロスケールの構造体を前記衣類に連結させるステップを含む、請求項34に記載の方法。
- 前記マイクロスケールの構造体を前記衣類に縫合するステップを含む、請求項35に記載の方法。
- 前記物体は、グローブである、請求項36に記載の方法。
- 前記物体は、衣類であり、前記マイクロスケールの構造体を前記グローブに連結させるステップは、接着剤によって、前記マイクロスケールの構造体を前記グローブに接着するステップを含む、請求項34に記載の方法。
- 前記物体は、衣類であり、前記マイクロスケールの構造体を前記グローブに連結させるステップは、前記マイクロスケールの構造体を前記グローブに溶着させるステップを含む、請求項34に記載の方法。
- 前記物体は、グローブであり、前記マイクロスケールの構造体を前記グローブに連結させるステップは、複数の前記マイクロスケールの構造体を前記グローブに連結させるステップを含み、前記複数のマイクロスケールの構造体のうちの少なくとも1つは、前記複数のマイクロスケールの構造体のうちの第2のもののマイクロエレメントの配向とは異なる配向で配設されているマイクロエレメントを含む、請求項34に記載の方法。
- 前記鋳造材料が硬化した後に、前記マイクロスケールの構造体を前記モールドから除去するステップと、
前記マイクロスケールの構造体を衣類の中へ形成するステップと
をさらに含む、請求項16に記載の方法。 - 前記衣類は、グローブである、請求項41に記載の方法。
- 前記ファブリックメッシュは、衣類の一部分である、請求項16に記載の方法。
- 前記ファブリックメッシュは、グローブの一部分である、請求項16に記載の方法。
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