JP2004058248A - ３次元構造体の製造方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】球形微粒子が高精度にて規定位置に配置された３次元構造体を製造する。
【解決手段】球形微粒子１をカートリッジ２から１個だけ送り出す。精密マニピュレータ３でこの球形微粒子１を保持する。粒径測定装置６で粒径を精密測定し、粒子中心位置を割り出す。目的とする座標位置と粒子中心位置がほぼ一致するようにＸ−Ｙ−Ｚステージとマニピュレータ３の粗動部で粒子を移動し、隣接粒子に接触させる。隣接粒子との接触点へレーザビームを照射して球形微粒子同士を融着させる。溶融部が凝固する前にマニピュレータ３の精動部を駆動して粒子中心位置が正確に目的位置と一致するように微動制御する。マニピュレータ３から粒子を解放する。待機時間後、以上の各工程を必要回数繰り返す。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３次元構造体の製造方法及びそのための装置に係り、特に球形微粒子が３次元に配列され且つ隣接する球形微粒子同士が連結されている３次元構造体を製造する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
球形微粒子を焼結して構造体を製造する方法として、マテリアルインテグレーションＶｏｌ．１４　Ｎｏ．８（２００１）Ｐ．５１〜５４に、粒径約５００μｍのＢｉ−Ｓｂ合金の球形微粒子を一列に配列して配列体とし、この配列体に通電してジュール熱により球形微粒子同士を焼結させる方法が記載されている。また、そのＰ．５４には、球形微粒子を３次元に配列した後、通電して焼結させて３次元構造体を製造する方法が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法により製造される３次元構造体は、球形微粒子の真球度のバラツキや焼結時の位置ズレ等に起因して、球形微粒子同士の位置のバラツキが大きいものとなっている。
【０００４】
例えば、各球形微粒子の粒径分布が各球形微粒子の平均粒径の３％程度あると真球度も２％程度バラツキを有したものとなる。このように真球度がばらついた球形微粒子を上記従来方法により焼結すると、３次元構造体の各球形微粒子の中心位置は目標とする位置から必ずずれる。
【０００５】
また、球形微粒子の真球度が高い場合であっても、焼結時の収縮や局所的溶融のために粒子の位置が変化する。
【０００６】
本発明は、球形微粒子の位置精度が極めて高い３次元構造体をも製造することができる方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の３次元構造体の製造方法は、球形微粒子が３次元に配列され且つ隣接する球形微粒子同士が連結されている３次元構造体を製造する方法であって、球形微粒子同士を接触させると共に接触部位を融着させ、融着部分が硬化する前に該球形微粒子の位置を調整し、その後融着部分を硬化させて球形微粒子同士を連結する工程を繰り返し行うことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の３次元構造体の製造装置は、球形微粒子が３次元に配列され且つ隣接する球形微粒子同士が連結されている３次元構造体を製造する装置であって、球形微粒子を先端にて保持する保持手段と、該保持手段を移動させる移動手段と、該保持手段に保持された球形微粒子の外表面部位に向けてエネルギー線を照射するエネルギー線照射手段と、球形微粒子を保持した保持手段を移動手段で移動させて球形微粒子同士を接触させ、次いで接触部位を融着させ、融着部分が硬化する前に該球形微粒子の位置を調整し、その後融着部分を硬化させて球形微粒子同士を連結する工程を実行させる制御手段と、を有することを特徴とするものである。
【０００９】
かかる本発明によって３次元構造体を製造する場合、球形微粒子同士を融着した後、融着部分が硬化する前に球形微粒子の位置を調整し、目的とする規定位置に球形微粒子を配置させる。これにより、各球形微粒子が高精度にて目的とする位置に配置された３次元構造体が製造される。
【００１０】
この球形微粒子同士の融着を行うには、球形微粒子の接触部位を局所的に加熱して球形微粒子同士を熱溶融により融着させるのが好ましい。この局所加熱手段としてはレーザ等のエネルギー線の照射手段等が好適である。
【００１１】
本発明では、球形微粒子同士を接触させるのに先立って球形微粒子の粒径を測定し、この測定結果に基づいて球形微粒子を移動させて球形微粒子同士を接触させることにより、球形微粒子同士を確実に接触させることができる。
【００１２】
本発明では、３次元構造体を構成する各球形微粒子の中心間距離の平均値をｄとした場合、結合前の球形微粒子の平均粒径は該ｄよりもΔｄだけ大きいｄ＋Δｄであり、この結合前の球形微粒子の粒径分布の標準偏差をσとしたときにΔｄはσの２．５〜４倍であることが好ましい。
【００１３】
本発明では、球形微粒子の直径は１０００μｍ以下、例えば０．１〜１０００μｍ特に１〜５００μｍ程度であることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１は実施の形態に係る３次元構造体の製造方法における球形微粒子配列方法の説明図、図２はマニピュレータの説明図、図３は球形微粒子の配列構造を示す平面図である。
【００１６】
本発明では、球形微粒子としては加熱されることにより融着するものが用いられ、例えば、金属（合金であってもよい。）、セラミックス、熱可塑性合成樹脂が用いられる。
【００１７】
３次元構造体を製造する場合、最初の、即ち第１個目の球形微粒子は、移動手段によって目的位置に配置する。この第１個目の球形微粒子は、基板上に接着、融着、吸引保持等の固定手段によって固定しておくのが好ましい。
【００１８】
次に、第２個目の球形微粒子を保持手段で保持し、第１個目の球形微粒子に接触させ、次いで接触部位にレーザ等のエネルギー線を照射して球形微粒子同士を融着させ、この融着部分が硬化する前に球形微粒子を好ましくは既配置の球形微粒子への接近方向に移動させて第２個目の球形微粒子を目的位置に配置し、融着部分を硬化させる。
【００１９】
以下、第３個目以降の球形微粒子を同様の手順に従って既配置の球形微粒子に融着させ且つ目的位置に配置した後、融着部分を硬化させ、３次元構造体を製造する。
【００２０】
通常の場合、３次元構造体の底面に相当する第１層目を形成した後、その上に順次に第２層目以降を形成する。第１層目を形成する場合、球形微粒子を１次元に即ち１列に配列した後、この列に隣接させて第２列目以降を形成して球形微粒子の２次元配列体よりなる第１層目を形成するのが好ましい。第２層目以降も、同様に形成するのが好ましい。
【００２１】
第１層目の２列目以降及び第２層目以降に配置される球形微粒子は、既配列の複数個の球形微粒子に融着されることになる。
【００２２】
製造された３次元構造体は、球形微粒子を結晶模型の如く規則的に３次元配列したものとなる。そのため、以下の説明では、結晶学用語を用い、各球形微粒子を配置すべき目標位置（３次元座標点）を格子点といい、この格子点の距離を格子間隔ということがある。
【００２３】
上記の通り、本発明では、好ましくは、球形微粒子としての平均粒径が、格子間隔ｄよりある決められた割合だけ大きい、即ちΔｄだけ大きいものを用いる。球形微粒子の平均粒径をｄ＋Δｄ、粒径分布の標準偏差をσとした場合、Δｄは標準偏差σの２．５〜４倍、具体的には３倍程度とすることが望ましい。
【００２４】
Ａ，Ｂ２個の粒子を中心間距離がｄとなるように配列する方法を詳細に説明する。
【００２５】
２個の粒子を接触させた状態では、粒子の中心位置は少なくともΔｄだけずれている。粒径測定装置で精密に粒径を測定し、ずれΔｄ（Ａ，Ｂ）を正確に決定する。次に粒子の材料を溶融させるのに十分なパワーを持った局所加熱源からエネルギー線、好ましくはレーザービームを照射して粒子Ａ，Ｂの接触部を局所的に溶融させ、この溶融物が硬化（例えば凝固）する前に迅速に移動させ、中心間距離がｄとなるように粒子Ａ，Ｂを精密に配列する。
【００２６】
このように、粒子がそれと接触する他の粒子の数に応じて、その接触点を同時に溶融させ、それと同期して粒子の中心位置のずれを補正することにより、いかなる場合でも粒子を精密に配列していくことが可能となる。
【００２７】
図３（１）の単純立方格子構造の場合、まず２次元正方格子点に粒子を配列して第１層目を形成し、この第１層の粒子の真上に１個１個順に粒子を配列し、積層していくことで、単純立方結晶構造を持つ３次元粒子配列接合体が作製される。最多接触点数は３で、レーザービームを３本必要とする。
【００２８】
図３（２）の体心立方格子構造（ＢＣＣ）の場合、まず２次元正方格子点に粒子を配列して第１層を形成する。第２層は第１層の近接４粒子の真中に配し、第１層とは１／２周期ずれた正方格子を形成する。第３層は第１層と同様であり、これを繰り返し積層していくことで、体心立方格子構造（ＢＣＣ）を持つ３次元粒子配列接合体が作製される。最多接触点数は６で、レーザービームを６本必要とする。
【００２９】
図３（３）において、面心立方格子構造（ＦＣＣ）の場合、まず第１層は２次元稠密充填構造に配列する（Ａ層）。第２層は第１層のをｘ方向にｄ，ｙ方向に（１／√３）ｄだけずらしたＢ層とし、さらにＢ層を同様にずらしたＣ層を第３層とし、これを繰り返し積層していくことで、面心立方格子構造（ＦＣＣ）を持つ３次元粒子配列接合体が作製される。最多接触点数は６で、レーザービームを６本必要とする。
【００３０】
図３（３）において、六方稠密格子構造（ＨＣＰ）の場合、まず第１層は２次元稠密充填構造に配列する（Ａ層）。第２層は第１層のをｘ方向にｄ，ｙ方向に（１／√３）ｄだけずらしたＢ層とし、ＡＢＡＢＡＢ…と繰り返し積層していくことで、六方稠密格子構造（ＨＣＰ）を持つ３次元粒子配列接合体が作製される。最多接触点数は６で、レーザービームを６本必要とする。
【００３１】
本発明では、図１の通り、カートリッジ２から球形微粒子１を１個ずつ順次に送り出し、これを精密マニピュレータ３の保持手段で保持する。この保持手段は、図２の通り、真空ポンプからの負圧をマイクロバルブ３ａでマニピュレータ先端の吸引口３ｂに伝達及び伝達解除させるようにしたものが好ましい。３ｃは粒子ホルダを示す。カートリッジ２は、ピエゾアクチュエータ２ａにより送り出しマイクロテーブル２ｂをストロークさせて１個ずつ球形微粒子を送り出すよう構成したものを用いることができる。
【００３２】
保持手段を移動させる手段は、図１，２では上下方向（Ｚ方向）にのみピエゾアクチュエータ３ｄによって粗動及び精動させるようにしたものが好適である。球形微粒子の水平方向（Ｘ−Ｙ方向）移動は、基板４のＸ−Ｙ−Ｚステージを駆動装置５によってＸ−Ｙ方向に移動させることにより行われる。なお、この駆動装置５は、基板４をＺ方向にも移動させる。これは、第２層目以降の形成時には順次に１層分の厚さ分だけ基板４を下降させるためである。
【００３３】
この実施の形態では、カートリッジ２から送り出された球形微粒子を１個ずつ個別に粒径測定装置６によって測定し、この測定データを制御用コンピュータ７に入力する。制御用コンピュータ７は精密マニピュレータ３、駆動装置５及びレーザ発振システム８を制御する。このレーザ発振システム８からのレーザビームは、ビームスプリッタ９、ミラー１０を介して球形微粒子同士の接触箇所に照射される。
【００３４】
図１の装置による３次元構造体の製造手順は次の通りである。
（１）球形微粒子１をカートリッジ２から１個だけ送り出す。
（２）精密マニピュレータ３でこの球形微粒子１を保持する。
（３）粒径測定装置６で粒径を精密測定し、粒子中心位置を割り出す。
（４）目的とする座標位置と粒子中心位置がほぼ一致するようにＸ−Ｙ−Ｚステージとマニピュレータ３の粗動部で粒子を移動し、隣接粒子に接触させる。マニピュレータ３の全体は上下動のみ可能である。なお、この上下動方向は、Ｚ軸から所定角度傾斜している。
（５）隣接粒子との接触点へレーザビームを照射して球形微粒子同士を融着させる。
（６）溶融部が凝固する前にマニピュレータ３の精動部を駆動して粒子中心位置が正確に目的位置と一致するように微動制御する。
（７）マニピュレータ３から粒子を解放する。
（８）待機時間後、以上の（１）〜（７）を必要回数繰り返す。
【００３５】
上記工程（３）において、正確に粒径を測定するのは、粒子の中心位置を求めるためである。球形微粒子１は、粒度の揃ったものを用いたとしても統計的な粒度分布は必ず存在する。そのばらつきの程度は、大略、標準偏差の３倍程度である。したがって、球形微粒子を隣接する粒子に接触させた時点では、粒子の中心位置と目的とする中心座標位置には、最大で標準偏差の３倍程度のずれが生じている。粒子１個ごとに正確に粒径を測定することで、このずれを定量的に求める。
【００３６】
上記の工程（５），（６）では、複数の隣接粒子との接触点に同時にレーザを照射して溶融させ、それと同期してマニピュレータ３の精動部を駆動して、先の述べた粒子の中心位置のずれ分だけ粒子を移動させ、正確に粒子の中心位置を目的とする中心座標位置に一致させる。この移動は、溶融部が凝固する前に行われる必要があり、通常はマイクロ秒オーダーで微動制御される。精動部の駆動方向は粒子中心位置から目的とする中心座標位置へのベクトルの方向へ駆動することが望ましい。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によると、球形微粒子が高精度にて規定位置に配置された３次元構造体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る３次元構造体の製造方法における球形微粒子配列方法の説明図である。
【図２】マニピュレータの説明図である。
【図３】球形微粒子の配列構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１　球形微粒子
３　精密マニピュレータ
４　基板
６　粒径測定装置

Claims (7)

  1. 球形微粒子が３次元に配列され且つ隣接する球形微粒子同士が連結されている３次元構造体を製造する方法であって、
    球形微粒子同士を接触させると共に接触部位を融着させ、
    融着部分が硬化する前に該球形微粒子の位置を調整し、
    その後融着部分を硬化させて球形微粒子同士を連結する工程
    を繰り返し行うことを特徴とする３次元構造体の製造方法。
  2. 請求項１において、球形微粒子の接触部位を局所的に加熱して球形微粒子同士を熱溶融により融着させることを特徴とする３次元構造体の製造方法。
  3. 請求項２において、エネルギー線の照射により局所的に加熱することを特徴とする３次元構造体の製造方法。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、球形微粒子同士を接触させるのに先立って球形微粒子の粒径を測定し、この測定結果に基づいて球形微粒子を移動させて球形微粒子同士を接触させることを特徴とする３次元構造体の製造方法。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、３次元構造体を構成する各球形微粒子の中心間距離の平均値をｄとした場合、結合前の球形微粒子の平均粒径は該ｄよりもΔｄだけ大きいｄ＋Δｄであり、この結合前の球形微粒子の粒径分布の標準偏差をσとしたときにΔｄはσの２．５〜４倍であることを特徴とする３次元構造体の製造方法。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、該球形微粒子の直径が１０００μｍ以下であることを特徴とする３次元構造体の製造方法。
  7. 球形微粒子が３次元に配列され且つ隣接する球形微粒子同士が連結されている３次元構造体を製造する装置であって、
    球形微粒子を先端にて保持する保持手段と、
    該保持手段を移動させる移動手段と、
    該保持手段に保持された球形微粒子の外表面部位に向けてエネルギー線を照射するエネルギー線照射手段と、
    球形微粒子を保持した保持手段を移動手段で移動させて球形微粒子同士を接触させ、次いで接触部位を融着させ、融着部分が硬化する前に該球形微粒子の位置を調整し、その後融着部分を硬化させて球形微粒子同士を連結する工程を実行させる制御手段と、
    を有することを特徴とする３次元構造体の製造装置。
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