JP2004223790A

JP2004223790A - 曲線形状をもつ微細造形物を光造形法により滑らかに作製する方法および装置

Info

Publication number: JP2004223790A
Application number: JP2003012049A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Muramatsu; 宏村松
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】本発明の課題は、マイクロ光造形加工において、曲線パターンの造形を滑らかに仕上げることができる手法を提示すること、並びにそれを実行する装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の方法は、光硬化性樹脂１５に光を照射することにより光硬化性樹脂１５を硬化させて構造物を形成させる光造形法において、曲線形状をもつ造形物を滑らかに作製するために、造形物基台側の回転駆動と光ビームの一方向走査とを組み合わせるようにした。その方法を実行するマイクロ光造形装置として、液状の光硬化性樹脂１５の液面下にある基板１４を回転させる機構と、上方より光ビームを光硬化性樹脂に照射する光学系に該光ビームを一方向に振らせる機構とを備えるようにした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体形状データを基にして液体状の光硬化性樹脂に対し、形状部分にレーザ光を照射することにより前記樹脂を硬化させて前記立体形状を形成させる所謂光造形の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】光造形のプロセスについて図５の概念図を基にまず説明する。ステップ１で作製したい形状をＣＡＤ情報としてコンピュータ上で作製するか外部からコンピュータに入力する。ステップ２でＣＡＤにより三次元の静止画形態に変換する。ステップ３で該三次元形状を１軸方向に直交する面で厚さｄ毎にスライスして各層毎の断面形状情報を得る。ステップ４で該各層毎の断面形状情報に基づき、下層部分から順次形成する。この手法は液状の光硬化性樹脂の容器内に少なくとも上下方向に駆動されるテーブルを配置し、該テーブル面が樹脂液面下ｄの位置にくるようにセットすると共に、前記テーブル上の樹脂層にレーザスポットを照射しながら最下層の断面形状をなぞるように走査する。すると、厚みｄの樹脂層の内レーザスポットがあてられた部分だけが硬化してテーブル上に最下層形状Ｓ１が形状形成される。ステップ５では前記テーブルをｄだけ下方に変位させる。するとステップ４で形成された最下層形状Ｓ１の面上に厚みｄの液体樹脂層がかぶることになる。この状態で第２層目の断面形状をなぞるようにビームスポットを走査し、最下層形状Ｓ１の面上に第２層形状Ｓ２が光硬化して形成される。以下順次にテーブルの下方移動と各層毎の断面データに基づくレーザ走査を繰り返し、各層毎の形状を形成してゆく。そしてステップ５に示すように最上層の形状Ｓｎを形成して所望の三次元形状の造形を終了する。以上が積層型光造形プロセスの基本である。
【０００３】
この光造形の技術は複雑な立体形状を得るのに適した方法として機械部品の加工等に採用され実用化されている。最近はマイクロマシンの作製にこの光造形技術を用いることが研究されている。ところで、この造形方法は光ビームのスポット部分で樹脂の硬化を起こさせるものであり、二次元パターンの形状形成を行なうときにはＸ（またはＹ）方向の主走査とＹ（またはＸ）方向の副走査とを組み合わせてビームスポットの移動を行なわせパターンを形成させる。この光ビームの走査機構としては機械的なＸＹ二次元駆動機構によるものもあるが、被加工物がマイクロマシンのように微細構造物である場合にはガルバノミラーを用いて光学的にビーム走査を行なうことが一般的である。因みに特許文献１にはＸ方向ガルバノミラーとＹ方向ガルバノミラーとによってビーム走査が行なわれる機構が開示されている。図６に示すようにその装置はレーザ管から成る光源ａを備え、レーザ管ａからの光はミラーｂによって反射されるようになっている。またミラーｂの後方には音響光学変調器から成るシャッターｃが配されていてシャッターｃのさらに後方にはハーフミラーｄが配されている。ハーフミラーｄで反射されたビームは可動ユニット内のミラーｅに導かれるようになっていて、このミラーｅの後方にはフォーカスレンズｆと集光レンズｇとが配されている。またこの可動ユニット３０はＸ方向ガルバノミラーＧＭ−ＸとＹ方向ガルバノミラーＧＭ−Ｙとを備えている。これらのガルバノミラーＧＭ−Ｘ，ＧＭ−ＹはそれぞれスキャナＳ−Ｘ，Ｓ−Ｙによって制御されるようになっている。
【０００４】
この発明は、造形対象物の大きさに合わせてガルバノミラーと光硬化樹脂の液面との間隔を調整して等比的に適切な位置精度および精細度を確保できるようにした立体形状成形装置を提供することを目的としたもので、そのための構成としてＸ方向ガルバノミラーＧＭ−ＸとＹ方向ガルバノミラーＧＭ−Ｙを用いてタンクｈ内の光硬化性樹脂溶液ｉの液面にビームを照射して光造形を行なうようにした装置において、最終段側のガルバノミラーＧＭ−Ｙとタンクｈ内の溶液ｉの液面との間の間隔を可変とするための送りねじｊおよびモーターｋを設け、造形物の大きさに合わせて上記の間隔を調整してスキャン半径を任意に設定できるようにしたものである。
しかし、この従来の、Ｘ方向ガルバノミラーとＹ方向ガルバノミラーとによってビーム走査が行なわれる機構は、Ｘ（またはＹ）方向の主走査とＹ（またはＸ）方向の副走査とを組み合わせてビームスポットの移動を行なわせパターンを形成させるものであるため、楕円や真円といった曲線形状を形成しようとしても滑らかに仕上がらないという問題がある。図２のＡに示すような円や葉パターンを従来の走査方法で光造形で形成させる場合、図の上部に示すように走査線の幅はビーム径φとなり主走査方向にライン走査され、１走査線が終了すると副走査方向にφだけシフトされ次のライン走査がなされ、これが順次繰返される。すると、図のＢに示すように原パターンの情報に基づいて各走査線毎の光照射が行なわれその部分だけ樹脂が硬化する。それによって形成された光造形が図のＣに示される。このＣから判るようにＸ方向とＹ方向の形状は忠実に再現できるのであるが、斜めの線は階段状になってしまい滑らかな形状を形成することができない。この現象は大きな造形物を作製する場合には目立つことはないが、マイクロマシンを作製する場合にはビーム径φが無視できなくなりこの問題が顕現化することになる。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−７７３２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、マイクロ光造形加工において、曲線パターンの造形を滑らかに仕上げることができる手法を提示すること、並びにそれを実行する装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光硬化性樹脂に光を照射することにより前記樹脂を硬化させて構造物を形成させる光造形法において、曲線形状をもつ造形物を滑らかに作製するために、造形物基台側の回転駆動と光ビームの一方向走査とを組み合わせるようにした。
その方法を実現させるマイクロ光造形装置として、少なくとも部分的に液状の光硬化性樹脂の液面下にある基板を回転させる機構と、上方より光ビームを光硬化性樹脂に照射する光学系に該光ビームを少なくとも一方向に振らせる機構とを備えるようにした。また、少なくとも部分的に液状の光硬化性樹脂の液面下にある基台となる軸を回転させる機構と、上方より光ビームを光硬化性樹脂に照射する光学系に該光ビームを少なくとも一方向に振らせる機構とを備えるようにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の方法を実施する装置の全体構成について、図１を参照しつつ説明する。１はレーザ光源であり、２はレーザビームの通過／遮断機能をもつシャッター、３はニュートラルデンシティフィルタ（ＮＤフィルタ）で、レーザ光の透過量を制限する機能を有する。４，５はミラー、６，７，９はレンズ、８はビームをＸ方向に走査させるガルバノミラー、１０は光を透過光と反射光に二分するビームスプリッタ、１１は結像レンズであり、１２は絞り、１３は対物レンズ、そして１４はガラス基板、１５は光硬化性樹脂、１６はモーター、１７はＺ移動機構、１８はＺ移動機構をＸＹ方向に移動させる二次元移動機構であり、１９は観察用の照明で、２０が観察用のＣＣＤ撮像カメラである。レーザ光源１からのレーザ光はＮＤフィルター３で透過量を制限されレンズ６で一旦集光されてから広げられ、レンズ７で平行光線とされる。平行光線とされたレーザ光はガルバノミラー８でＸ方向に振られる。走査偏向されたレーザ光はレンズ９により集光されてから広げられ結像レンズ１１へ入れられるが、本装置では集光点と結像レンズ１１間の位置にビームスプリッタ１０が配設される。この結像レンズ１１でレーザ光は平行光線にされ、絞り１２を通過したレーザ光が対物レンズ１３で光硬化性樹脂層に集光される。このレーザスポットが照射された部分の樹脂が光硬化する。ここで、光硬化させるパターンはＣＡＤ情報から得られた該当層の断面形状であるが、この二次元位置情報に基づきモーター１６によるガラス基板１４の回転運動に対応して前記ガルバノミラー８が走査されレーザスポットが断面形状をなぞる。すなわち、本発明では従来のＸ主走査とＹ副走査とによって二次元平面をカバーする代わりに、回転角と回転中心からの距離で二次元平面をカバーするものである。また、跳びパターンなどの場合にはスポット移動の間シャッター２がレーザ光を遮断する。そして該当層の加工が終了したならばシャッター２がレーザ光を遮断した状態でＺ方向移動機構１７でＺ方向に層の厚み分変位させ、一つ上の層のパターンを形成する。また、図１に示した本装置ではビームスプリッタ１０とその分岐光学路上に配置されたＣＣＤカメラ２０および照明１９を設置しているが、これはこの光硬化現象を加工途上においてリアルタイムで観察できる機能を備えたものである。ここで、シャッター２にＡＯモジュレータ（音響光学変調素子）を用いることができ、この場合には、回転と連動した十分な応答速度を得ることができる。
【０００９】
本発明の特徴点はモーター１６によるガラス基板１４の回転とガルバノミラー８の直線走査を組み合わせ、レーザスポットを偏向走査する点にある。図２を用いて説明したように曲線状のパターン輪郭が階段状になってしまう従来方式の不都合を上記の偏向走査方式によって解消し、滑らかな曲線を形成することができる。すなわち、直線走査線毎に区分形成するのではなく、回転運動と半径方向の直線走査により輪郭に沿ったビームスポットの移動ができるため、パターン輪郭を忠実に再現することができるのである。
図３は光硬化加工が行われる光硬化性樹脂槽近傍の拡大図である。図中２１はへらであり、これは光硬化が行なわれる前に樹脂液面の平滑化をするためのものである。２３はＯリングで樹脂槽の底部を貫通するモーター回転軸２２の回転を許容すると共に樹脂液のシールを確保するためのものである。図のＡはへら２１によって樹脂面の平滑化を実行している図であり、図のＢは光ビーム走査のためへら２１を光学路から退避させている状態を示している。へら２１による平滑化は従来のＸＹ二次元走査を行なう場合にはパターンを形成する領域全体に対して行なう必要があったが、本発明の回転運動と半径方向の直線走査による場合には直線走査がなされる半径方向部分だけ一方向に行えば足り、事前の前処理の負担が軽減される。ちなみに従来はへら２１を円を描くように１回転させたり、縦横縦横と四方に移動させて樹脂面の全体を平滑していたところである。
上記の例では基板１４を水平状態で回転させているが、必ずしも厳密に水平方向の基板に限定する必要はなく、少なくとも部分的に液状の光硬化性樹脂の液面下にある基板１４が水平成分をもって回転させられるようにすればよい。
【００１０】
また、液状の光硬化性樹脂の液面下にある水平方向の軸を回転させる機構と、上方より光ビームを光硬化性樹脂に照射する光学系に該光ビームを少なくとも一方向に振らせる機構とを備え、前記軸の側面を基台となし滑らかな曲線加工を施す手法を提示する。図４に示した例は光造形加工が行なわれる基台を回転駆動される水平軸とし、その軸上に軸方向の直線走査を行なう光ビーム走査とを組み合わせたものである。図中１４’が基台となる基軸であり、１６がモーター、１７がモーター１６を介して基軸１４’を上下駆動するＺ移動機構、１８はＺ移動機構１６と樹脂槽とを相対的に二次元移動させるＸＹ移動機構である。前記基軸１４’は樹脂槽の側壁を貫通させ、しかも上下左右に移動可能である必要から槽の側壁の一部をジャバラ２４構造とし、基軸１４’を進退および回転自在とするためＯリング２３で支承されるようにしている。この基軸１４’を軸回りに回転させつつ光ビームを固定照射すると該基軸の周面にリング状の光造形が実行される。１回転に付ビーム幅分だけ軸方向に直線走査させると該基軸の周面に密に螺旋状に光造形が実行され外周面を被覆するように形成される。この回転運動と直線走査との組み合わせでは円筒形状であるとか円錐形状であるとか棒状体といった軸対称の造形物の形成に適している。図４のＡは棒状体を形成している例を、図のＢでは円錐台形の造形物を形成している例を示している。
上記の例では基軸１４’を水平状態で回転させているが、基台の回転運動と光ビームの直線走査の組み合わせからなる本発明の偏向走査機構は、必ずしも上記の基台の水平回転と光ビームの直線走査の組み合わせに限定されるものではない。少なくとも基軸１４’は部分的に液状の光硬化性樹脂の液面下にあって、水平成分を持った軸であればよい。
【００１１】
【発明の効果】
光硬化性樹脂に光を照射することにより前記樹脂を硬化させて構造物を形成させる本発明の光造形方法は、造形物基台側の回転駆動と光ビームの一方向走査とを組み合わせることにより、光ビームスポットを偏向走査するものであるから曲線形状をもつ造形物を滑らかに作製することができる。
本発明のマイクロ光造形装置は、少なくとも部分的に液状の光硬化性樹脂の液面下にある基板を回転させる機構と、上方より光ビームを光硬化性樹脂に照射する光学系に該光ビームを少なくとも一方向に振らせる機構とを備えるものであるから、基台を回転させ、光ビームスポットを偏向走査することにより曲線形状をもつ造形物を滑らかに作製することができる装置を提供できる。しかも、その場合、へらを用いて光硬化性樹脂の液面の平滑化を行なう前処理は半径方向部分だけ一方向に行えば足り、装置としてはへらの駆動機構が一次元でよいこととなり構成および装置の動作が簡単になる。
また、少なくとも部分的に液状の光硬化性樹脂の液面下にある基台となる軸を回転させる機構と、上方より光ビームを光硬化性樹脂に照射する光学系に該光ビームを少なくとも一方向に振らせる機構とを備えた本発明のマイクロ光造形装置は、曲線形状をもつ軸対称の構造物を滑らかに作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実行するマイクロ光造形装置の全体構成を示す図である。
【図２】ビームスポットをＸＹ二次元偏向走査したときの光造形を説明する図である。
【図３】マイクロ光造形装置における樹脂液面平滑化処理を説明する図である。
【図４】回転する基軸と光ビームの直線走査を組み合わせた本発明の装置を示す図である。
【図５】光造形のプロセスを説明する図である。
【図６】２つのガルバノミラーを用いたＸＹ二次元走査機構を備えた従来装置の説明図である。
【符号の説明】
１レーザ光源１５光硬化性樹脂
２シャッター１６モーター
３フィルター１７Ｚ移動機構
４，５ミラー１８ＸＹ移動機構
６，７，９レンズ１９照明
８ガルバノミラー２０撮像カメラ
１０ビームスプリッタ２１へら
１１結像レンズ２２軸
１２絞り２３Ｏリング
１３対物レンズ２４ジャバラ
１４ガラス基板
１４’基軸

Claims

光硬化性樹脂に光を照射することにより前記樹脂を硬化させて構造物を形成させる光造形法において、造形物基台側の回転駆動と光ビームの一方向走査とを組み合わせて相対変位させることにより、曲線形状をもつ造形物を滑らかに作製する光造形方法。
液状の光硬化性樹脂の液面下にある水平基板を回転させる機構と、上方より光ビームを光硬化性樹脂に照射する光学系に該光ビームを少なくとも一方向に振らせる機構とを備えることによって、曲線形状をもつ造形物を滑らかに作製できることを特徴とするマイクロ光造形装置。
液状の光硬化性樹脂の液面下にある水平方向の軸を回転させる機構と、上方より光ビームを光硬化性樹脂に照射する光学系に該光ビームを少なくとも一方向に振らせる機構とを備え、前記軸の側面を基台となし該基台の回転とビーム走査を組み合わせることにより曲線形状をもつ造形物を滑らかに作製できることを特徴とするマイクロ光造形装置。