JP2021507837A - 可逆的な付着について構造化された表面を有する形成体 - Google Patents

Abstract

本発明は、最大１０までのアスペクト比を有する突起部を備える、表面に対する可逆的な付着について構造化された表面を有する成形体に関する。上記構造は、横運動によって表面から容易に分離することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、表面に対する又は物体の可逆的な付着について構造化された表面を有する成形体、及び、そのような構造の分離についての方法に関する。成形体は、物体又は表面から再び容易に分離することができる。

２つの物体間の分子付着は、繊維状の表面構造によって強化又は制御することができる。この原理は、ゲッコー効果（gecko effect）として既知である。構造化されたエラストマー表面が、比較的平らな表面に対して或る特定の押圧力をかける場合、ファンデルワールス（van der Waals）相互作用が起こり得る。また、可逆的な付着、すなわち、対象の方法で取り付け及び分離を切り替えることができることは、性質から既知である。しかしながら、ゲッコー効果はその剛毛の剥離によって分離を達成する一方、これは、技術的構造に対しては不可能であることが多く、通常、剪断付着、すなわち、基板の表面／物体の表面の方向における付着が用いられるのを意図される場合にのみ役立つ。いわゆる通常の付着、すなわち物体の表面に対して垂直な付着力の場合、分離は、何らかの他の方法で着手されなければならない。

その目的は、付着（接触領域が大きい）及び分離（接触領域が小さい）を切り替えるため、対象の方法で付着構造及び物体の表面間の有効な接触領域を変化させ、ひいては選択的分離を促すことである。

高いアスペクト比、例えば、３よりも高いアスペクト比を有する構造を用いる場合、基板からの分離について、いわゆるオイラー座屈（Euler buckling）を用いることができるということが既知である。接触領域の低減は、圧縮荷重を受けて突起部が座屈することによって起こり得るということが既知である。十分な圧縮荷重を伴って、弾性不安定性は、突起部の座屈をもたらす。これは、オイラー座屈とも称される。臨界力は、以下である。

Ｆ＝（ｎπ／Ｌ）^２ＥＩ

ここでは、Ｅは弾性率であり、Ｉは慣性の領域モーメントであり、Ｌは突起部の長さ（高さ）であり、ｎは突起部の機械クランプに基づく予備的因子である。円筒形構造における慣性の領域モーメントは、Ｉ＝πｄ^４／６４である。これは、以下の関係、すなわち、短い長さ、大きい直径、又は高い弾性率を有する突起部より小さい力を受ける大きい高さ、小さい直径、又は小さい弾性座屈率を有する突起部をもたらす。ここでは、物体の方向における更なる圧力は、構造の座屈、及びひいては、表面に対する接触領域の低減をもたらす。ここでの不利点は、その構造が高いアスペクト比を持たなければならないことである。上記構造は、したがって、生成が難しく、不安定になる傾向がある。また、物体に依拠して、その物体の方向における圧力は、敏感な物体の場合、分離について不利である。

本発明によって対処される問題は、特に、通常の付着の場合、簡単な選択的分離を可能にする構造、及びまた、そのような構造の分離についての方法を提供することである。

上記問題は、独立請求項の特徴を用いて、本発明によって解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項に記載される。請求項の全ての表現は、参照することによって本明細書の文脈に組み込まれる。本発明は、独立請求項及び／又は従属請求項の全ての便宜的な、特に全ての言及された組み合わせも包含する。

この問題は、構造化された表面を有する成形体によって解決され、この表面は、少なくとも各々が軸部を有し、表面から離れて面する端面を有する複数の突起部（支柱）を備える構造を有する。上記端面によって、突起部が付着する物体の表面と接触する。

突起部の弾性率は、一定であることが好ましいが、軸勾配又は横の勾配を有することもできる。

驚いたことに、ここで、１０未満のアスペクト比を有する突起部を特に容易に分離することができるということがわかった。例えば、上記の突起部は、付着表面に対して平行な剪断負荷によって変形することができる。突起部は、それらの曲げ剛性（Ｅ^＊Ｉ）に依拠して変形する。結果として、付着力は、同様に低減され、その構造は分離する。これは、付着結合の剪断強さに依拠せず、むしろ、その構造の変形は付着力の低減をもたらす。容易に屈曲することができる構造は、この機構によって容易に分離することができる。剪断負荷は、表面に対して平行な任意の運動によって生じ得る。これは、線形な運動又は回転とすることができる。剪断負荷による分離の利点は、オイラー座屈による切り離しのように、圧力が付着表面に対して垂直にかかる必要がないということである。

したがって、上記構造の場合、端面が表面から分離し、付着が低減されるように、物体の表面に対して平行に構造化された表面を動かすことによって、それらの構造を屈曲させることができる。

端面の垂直高さは、突起部が配置される表面からの端面の距離を意味するように理解される。

本発明の好ましい一実施の形態では、本発明の構造化された表面の突起部は、柱状に構成される。これは、これらが表面に対して垂直に構成され、軸部及び端面を有する突起部であることが好ましく、軸部及び端面が任意の所望の断面（例えば、円形、楕円形、長方形、正方形、菱形、六角形、五角形等）を有することができるということを意味する。

突起部の基部に対して垂直な端面の幾何学的な突起部が、基部を有する重複領域を形成し、重複領域、及び、端面に対する重複領域の幾何学的な投影が突起部内に完全に位置する本体にかかるように、突起部は構成されることが好ましい。本発明の好ましい一実施の形態では、重複領域は、基部の少なくとも５０％、好ましくは基部の少なくとも７０％を覆い、特に好ましくは、重複領域は基部の全体を覆う。突起部は、したがって、傾かないことが好ましいが、傾く可能性もある。

好ましい一実施の形態では、端面は、基部及び表面に対して平行に向けられる。端面が表面に対して平行に向けられず、したがって異なる垂直高さを有する場合、端面の平均垂直高さは、突起部の垂直高さとみなされる。

１つの実施の形態では、突起部の端面は、基部よりも大きい。

本発明の好ましい一実施の形態では、突起部の軸部は、その平均直径に対して、１〜１０の高さ対直径のアスペクト比、好ましくは１〜５、特に好ましくは１〜３のアスペクト比を有する。

１つの実施の形態では、アスペクト比は最大５まで、特に、最大３までである。そのような構造は、物体に対して高い負荷を伴わず、オイラー座屈によって分離することができない。

平均直径は、この場合、突起部の全体高さを平均した、突出部の対応する断面と同じ領域を有する円の直径を意味していると理解される。

本発明の更なる一実施の形態では、突起部の全体高さを超える或る特定の高さにおいて、突起部の垂直高さ対直径の比は、常に１〜１０、好ましくは１〜５、特に好ましくは１〜３である。１つの実施の形態では、上記アスペクト比は、最大５まで、特に最大３までである。これは、突起部の最小直径にもあてはまることが好ましい。これは、突起部が最小直径及び最大直径を有する場合、例えば、楕円形基部の場合、関係がある。

突起部は、拡大した端面、いわゆるマッシュルーム構造を有することができる。

突起部の端面は、それらの表面を増大させるために、自身を構造化することができる。この場合、端面の平均垂直高さは、突起部の垂直高さとみなされる。

好ましい一実施の形態では、全ての突起部の垂直高さは、１μｍ〜１０ｍｍ、好ましくは１μｍ〜５ｍｍ、特に１μｍ〜２ｍｍ、好ましくは１μｍ〜２ｍｍの範囲内にある。

好ましい一実施の形態では、基部は、領域に関して、０．１μｍ〜５ｍｍ、好ましくは０．１μｍ〜２ｍｍ、特に好ましくは１μｍ〜５００μｍ、特に好ましくは１μｍ〜４５０μｍの直径を有する円に対応する。１つの実施の形態では、基部は、０．３μｍ〜２ｍｍ、好ましくは１μｍ〜４５０μｍ、好ましくは１０μｍ〜４５０μｍの直径を有する円である。

軸部の平均直径は、好ましくは０．１μｍ〜５ｍｍ、好ましくは０．１μｍ〜２ｍｍ、特に好ましくは１μｍ〜４５０μｍ、好ましくは１０μｍ〜４５０μｍである。高さ及び平均直径は、好ましいアスペクト比に対応するように適合されるのが好ましい。

例として、本発明に係る構造は、６００μｍ〜２．５ｍｍの垂直高さ、１０を超えないアスペクト比、好ましくは５のアスペクト比を有する、３００μｍ〜５００μｍの直径を有する。

例として、本発明に係る構造は、２０μｍ〜５００μｍの垂直高さ、７を超えないアスペクト比、好ましくは５のアスペクト比を有する、１０μｍ〜１００μｍの直径を有する。

１つの実施の形態では、これらは、例えば、３００μｍ〜５００μｍの直径、及び、７００μｍ〜１５００μｍの高さ、例えば、８００μｍ又は１２００μｍの高さを有する４００μｍの直径を有する構造とすることができる。

別の実施の形態では、これらは、１０μｍ〜１００μｍの直径、及び、１０μｍ〜１００μｍの高さ、７を超えないアスペクト比、好ましくは５のアスペクト比を有する構造とすることができる。これらは、例えば、１０μｍ〜６０μｍの直径、及び、３０μｍ〜６０μｍの高さ、好ましくは、４０μｍ〜５０μｍの高さを有する１５μｍ〜５０μｍの直径を有する構造である。明確には、低いアスペクト比を有するそのような小さい突起部は、簡単な方法で生成することができる。

好ましい一実施の形態では、端面を拡大した場合、突起部の端面の表面は、突起部の基部の領域の大きさと比較して、少なくとも１．０１倍であり、好ましくは少なくとも１．４倍である。その表面は、例えば、１．０１倍〜２０倍大きくすることができる。

更なる一実施の形態では、端面は、基部よりも５％〜１００％大きく、特に好ましくは、基部の１０％〜５０％大きい。

好ましい一実施の形態では、２つの突起部間の距離は、２ｍｍ未満、特に１ｍｍ未満である。

突起部は、周期的に、規則的なパターンで配置されることが好ましい。

突起部の全ての領域の弾性率は、５０ｋＰａ〜３ＧＰａであることが好ましい。好ましくは、柔らかい領域、すなわち、特に端面を含む領域の弾性率は、５０ｋＰａ〜２０ＭＰａ、好ましくは１００ｋＰａ〜１０ＭＰａである。それとは別に、高い弾性率を有する領域の弾性率は、好ましくは１ＭＰａ〜３ＧＰａ、好ましくは２ＭＰａ〜１ＧＰａである。好ましくは、柔らかい領域及び硬い領域の全てについて、弾性率は、上記で記載した範囲内である。突起部の領域の弾性率は、端面の方向に向かって低減することが好ましい。

また、突起部の弾性は、用いられる材料、好ましくはエラストマーの硬さによって定義することができる。突起部の材料は、ショアＡ２０〜ショアＡ８０、好ましくはショアＡ３０〜ショアＡ７０の硬さを有することが好ましい。

突起部は、多量の異なる材料、好ましくはエラストマー、特に好ましくは熱可塑性エラストマーから構成することができる。より高い弾性率のために、熱硬化性樹脂を使用することもできる。

突起部は、したがって、以下の材料、すなわち、エポキシをベースとする及び／又はシリコーンをベースとするエラストマー、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）、ポリウレタン、エポキシ樹脂、アクリレート系、メタクリレート系、ホモポリマー及びコポリマーとしてのポリアクリレート、ホモポリマー及びコポリマーとしてのポリメタクリレート（ＰＭＭＡ、アクリロニトリル／メチルメタクリレート（ＡＭＭＡ））、ポリウレタン（メタ）アクリレート、シリコーン、シリコーン樹脂、ゴム、例えばＲゴム（天然ゴム（ＮＲ）、ポリイソプレンゴム（ＩＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ））、Ｍゴム（エテン−プロペンゴム（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ））、不飽和ポリエステル樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、ビニルエステル樹脂、ホモポリマー又はコポリマーとしてのポリエチレン、並びに更には上述の材料の混合物及びコポリマーを含むことができる。また、ＥＵ（２０１１年１月１５日に発行された、２０１１年１月１４日のＥＵ規則第１０／２０１１に係る）若しくはＦＤＡによって、パッケージング、医薬品及び食物の分野での使用に対して承認されたエラストマー、又は、ＰＶＤ及びＣＶＤ処理技術によるシリコーンフリーのＵＶ硬化性樹脂が好ましい。この場合、ポリウレタン（メタ）アクリレートは、ポリウレタンメタクリレート、ポリウレタンアクリレート、並びに更にはそれらの混合物及び／又はコポリマーを表す。

エポキシをベースとする及び／又はシリコーンをベースとするエラストマー、ポリウレタン、シリコーン、シリコーン樹脂（ＵＶ硬化性ＰＤＭＳ等）、ポリウレタン（メタ）アクリレート、ゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ等）が好ましい。

構造化された表面は、剪断付着が可能な突起部を有することもできる。これは、本発明に係る成形体の付着力に悪影響を及ぼす可能性がある更なる力、例えば重力が生じるように、成形体に付着する物体とともに成形体が空間で回転する場合、付着を支持することができる。

本発明はまた、成形体が互いに並んで共通面と接触することができるとともに、成形体がまた個別に共通面に対して少なくとも横方向に動くことができるように構成される、少なくとも２つの成形体を含む、構成に関する。

また、本発明は、本発明に係る成形体の可逆的な付着、又は、表面に対する成形体の構成についての方法に関する。

個々の方法ステップは、以下でより詳細に記載する。ステップは、必ずしも、記載の順序で実行される必要はなく、記載の方法は、示されていない更なるステップを含むこともできる。

このため、付着接合が成形体及び表面の間に形成されるように、本発明に係る成形体の突起部の端面は、表面と接触する。

成形体の分離について、成形体は、少なくとも表面に対して横方向に動かされる。このため、成形体の相対運動が起こる可能性があるので、表面、又は上記表面を伴う物体を固定する必要がある場合がある。

上記の運動の結果として、突起部が屈曲し、これが端面の少なくとも部分的な分離をもたらす。これは付着に寄与する接触領域を低減し、完全に分離するまで付着力を低減させる。

相対的な横移動は、直線とすることができ、すなわち、成形体は、一方向に向かって横に動かされる。

相対的な横移動は、円形でも行われ得る。このため、成形体は、表面に対して回転する。上記の回転の結果として、物体の負荷は、より均一になる。

突起部の弾性が理由で、成形体は、その後、表面に接触し、ひいては乾燥付着（正：dry adhesion）するのに再び用いることができる。

方法の更なる一実施の形態では、表面は、本発明に係る少なくとも２つの成形体を含む構成の端面と接触する。接触は、成形体がほぼ同じ付着力で表面に固定されるように、選択されることが好ましい。

成形体は、互いに並んで直接、表面に接触する必要はない。成形体は、表面の異なる点において配置することもできる。

したがって、分離のために、構成の個々の成形体の各々が表面に対して少なくとも横方向に動くことができる。これは、表面上に、ひいては物体上にベクトルとして作用する成形体の横モーメントが最小、理想的には０と等しくなるように、行われることが好ましい。結果として、物体を固定する必要がないか、又はわずかに物体を固定するだけでよい。上記方法はまた、敏感な物体について特に適している。また、物体に作用する力は、ほんのわずかである。２つの成形体の場合、成形体は、例えば反対方向に向かって、双方が動くことができる。

横成分に加えて、成形体又は構成の成形体の運動が更なる成分、例えば、表面から垂直に離れる運動、すなわち回転運動、例えば、表面と平行した１つ以上の回転軸を有する同時に作用する回転運動を有することも可能である。この場合、回転は、突起部の圧縮が起こらないように、行われることが好ましい。成形体は、例えば円軌道に動くことができる。

回転の結果として、状況を達成することができ、それによって、いくつかの特定の突起部の端面は、まず表面から分離する。

成形体の構成の場合、成形体の全てが均一な方法で動く必要がない。

同様に、構成の成形体は、回転又は動かすこともできる。

分離運動並びにまた突起部の形成及び弾性は、得られる付着力並びに表面及び物体の感度によって決まる。

特に、マイクロチップ、集積回路、ディスプレイ又はタッチスクリーン等、非常に小さい、敏感な構成要素部品の場合、本発明に係る成形体を有する本発明に係る方法は、物体の大きな負荷を伴わず選択的な付着及び分離についての可能性をもたらす。上記方法を用いて、更なる手段を用いず従来の吸引装置によって拾うことができない物体に対処することもできる。

更なる詳細及び特徴は、従属請求項と併せて、好ましい例示の実施の形態の以下の説明から明らかとなる。ここでは、それぞれの特徴は、それ自体で実現することもできるし、複数の特徴を互いに組み合わせて実現することもできる。問題を解決する可能性は、例示の実施の形態に限定されない。したがって、例えば、範囲のインジケーションは、常に、全ての記載されない中間値及び全ての想到する部分区間を含む。

例示の実施の形態は、図において概略的に示されている。個々の図における同一の参照符号は、本明細書では、同一の若しくは機能的に同一の要素、又はそれらの機能に関して互いに対応する要素を示している、

本発明に係る成形体の概略図である。 表面に対する付着の概略図である。 分離の概略図である。 本発明の一実施形態の概略図である。 本発明の一実施形態の概略図である。

図１は、本発明に係る成形体１００の概略図を示している。成形体１００は、表面１３０上に複数の突起部１１０を有し、上記突起部は、端面１２０を有する。

図２は、本発明に係る成形体１００がどのように物体１５０の表面１４０（の上部）に接触するかを示している。ここでは、突起部１１０の端面１２０は、表面１４０に接触し、上記端面及び上記表面は互いに付着する。物体１５０は、その後、成形体１００に固定される。

図３は、物体１５０を成形体１００から分離する一実施形態のシーケンスを示している。そのために、成形体１００は、物体１５０に対して横方向に動かされる（上の矢印）。結果として、圧力（複数の場合もある）が突起部１１０に生じ、突起部１１０が屈曲する。これによって、端面１２０が物体１５０の表面１４０から部分的に分離する。これは、端面１２０の接触領域を低減し、物体１５０が成形体１００に固定される付着力が低減され、場合によっては、その後物体１５０が完全に離れる。

図４は、本発明の更なる一実施形態を示している。本発明に従って構造化される成形体２００は、ここで、物体２５０に対して回転する。これはまた、突起部の屈曲による剪断負荷及び分離をもたらす。

図５は、本発明の更なる一実施形態を示している。ここで、物体２５０は、本発明に従って構造化される複数の成形体２０２及び２０４と接触する。上記成形体２０２及び２０４は、物体２５０の表面に対して動かされる。その運動は、この場合、物体に伝わる結果的にもたらされるモーメントが可能な限り小さくなるように選択される。この例では、２つの成形体は、反対方向に動かされる。これは、突起部の屈曲による分離をもたらす。

１００ 成形体
１１０ 突起部
１２０ 端面
１３０ 表面／裏材層／裏側層
１４０ 付着用表面
１５０ 物体
２００ 成形体
２０２ 成形体
２０４ 成形体
２５０ 物体

Claims (4)

1. 構造化された表面を有する成形体（１００）であって、前記構造化された表面は、少なくとも各々が軸部を有するとともに前記表面から離れて面する端面（１２０）を備える複数の突起部（１１０）を備える構造を有し、前記突起部（１１０）は、最大１０までの垂直高さ及び平均直径のアスペクト比を有することを特徴とする、成形体。
2. 前記成形体が互いに並んで共通面と接触し、前記成形体がまた個別に前記共通面に対して少なくとも横方向に移動可能であるように、前記成形体が構成されることを特徴とする、請求項１に記載の本発明の少なくとも２つの前記成形体を含む、構成。
3. ａ）付着接合が形成されるように、前記端面を前記表面に接触させるステップと、
   ｂ）前記端面及び前記表面間の前記接触領域は、前記突起部が屈曲された結果として低減されるように、前記表面に対して少なくとも横方向に、前記成形体又は前記構成の少なくとも１つの成形体を動かすステップと、
   を含む、請求項１に記載の成形体、又は前記表面に対する請求項２に記載の成形体の構成の前記可逆的な付着についての方法。
4. 前記横運動の結果として、前記表面上に作用するモーメントが最小となるように、前記成形体の全てが動かされることを特徴とする、請求項３に記載の方法。

Images