JP2004223809A

JP2004223809A - 樹脂安定供給機能を備えたマイクロ光造形装置

Info

Publication number: JP2004223809A
Application number: JP2003012600A
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、光硬化性樹脂液層内の所望点に光照射を行ないながら、三次元の造形物を得る技術において、光造形物の基台の移動に際してもマイクロ光造形フォーカスポイントの近傍の光硬化性樹脂液が安定状態を保つことができるマイクロ光造形装置を提供することにある。
【解決手段】レーザ光源１からのレーザビームをカバーガラス１５とガラス基板１７間に挟まれた光硬化性樹脂層１６内部にスポット照射する本発明のマイクロ光造形装置は、前記カバーガラス１５と前記ガラス基板１７の距離を変更する際に光硬化性樹脂液１６の流動をスムーズにするために、前記ガラス基板１７は光造形物の基礎となる領域を柱状にＺ方向に高く形成するようにした。また、光造形が行なわれる領域の樹脂の流動状態を安定させるために、カバーガラス１５とガラス基板１７間において該カバーガラス１５に対して所定間隔で固定された状態の有孔板２１を配置した。
【選択図】図３

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】
光ビームスポットを照射して光硬化性樹脂を硬化させ、三次元の形状物に造形する技術は、光造形法として知られている。この三次元光造形法として、樹脂液槽内に垂直方向に上下するテーブルを設け、テーブルを液面下から始め、テーブルと液面との間に所定のレーザーを所定の平面領域照射し、テーブル上に一定厚みの所定形状の硬化層を作り、次に、テーブルを一定深さ沈めて、同様に液面と既硬化層表面レベルとの間に光を照射し、次の硬化層を積層する。その後、テーブルを一定深さ沈め、上記の工程を繰り返して一定厚みの所定形状の硬化層を積み重ねて所要の三次元の造形物を生成する所謂積層法と、光により硬化する光硬化性樹脂液を容器内に収容し、光エネルギーが前記物質の硬化に必要なエネルギーレベルをもって点状に集中するように光照射を行ないながら、前記容器を水平及び垂直に移動させることで、三次元の造形物を得る方法とが知られている。
【０００３】
後者の光造形法としては特許文献１がある。この文献には既に開発されている液状の光硬化性樹脂の内部にレーザースポットを走査し任意の３次元構造を形成する方法（紫外レーザーを光源とした内部硬化型マイクロ造形法：ＳｕｐｅｒＩＨｐｒｏｃｅｓｓ略してＳＩＨ）の技術には光照射条件の最適化、光硬化性樹脂の硬化特性の最適化等各種の高度な最適化が必要であることや、深部での内部硬化が困難である等の問題があることを指摘している。その上で、この問題点を解決することを目的とした新規な発明として、透明性を有する近赤外パルスレーザ光に着目し、この近赤外パルスレーザ光を利用して２光子吸収を誘起することによって焦点近傍のみにおいて紫外レーザーと同じエネルギーに高め、ピンポイントで樹脂を硬化できる２光子マイクロ光造形方法およびその装置を提示している。その具体的な構成として、図５のＡに全体構成をＢに要部拡大図を示す。この方法は、近赤外パルスレーザ光源ａからの光をミラースキャナーｄを通した後、レンズを用いて光硬化性樹脂ｈ中に集光させ、２光子吸収を誘起することによって焦点近傍のみにおいて樹脂を硬化させることを特徴とする。装置としては、近赤外パルスレーザ光源ａからの光をミラースキャナーｄを通した後、レンズｆを用いて光硬化性樹脂ｈ中に集光させる手段と、Ｚステージｅとミラースキャナーｄを高速に走査することにより樹脂中の任意の位置に集光スポットＳを移動させることができる集光スポット移動手段とを備えていることを特徴とする。
【０００４】
しかし、ＳＩＨにせよこの２光子マイクロ光造形法にせよ、光により硬化する光硬化性樹脂液を容器内に収容し、カバーガラスとガラス基板間に光硬化性樹脂層を形成して、光エネルギーが前記物質の硬化に必要なエネルギーレベルをもって点状に集中するように光照射を行ないながら、三次元の造形物を得る光造形法では、光が焦点となって照射されたところで光硬化現象を生じさせることになる。従って、その部分の樹脂が安定した状態で存在していることが重要となる。ところで、この内部硬化方式のマイクロ光造形法では、樹脂層内を光が透過する際に吸収現象を伴うため、焦点位置においてのみ光硬化現象を安定的に起こさせるためには、その焦点を光硬化性樹脂層の所定深さの位置に固定して結ばせることが効果的である。そのため、三次元構造をもつ光造形物はＺ方向に成長するに従いガラス基板のような基台の位置を徐々にＺ方向に下げていくことになる。その場合光硬化性樹脂は外部から供給され、その層が厚くなっていく。その際、光硬化性樹脂は粘性が比較的高いため流動性が良いとはいえず、樹脂が流れ込まないで気泡が混じってしまうことがある。前述したように光硬化現象を起こさせる光が焦点となって照射されたところの樹脂に気泡が混じっていては正常に光造形が行なわれない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５８０５０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、光硬化性樹脂液層内の所望点に光照射を行ないながら、三次元の造形物を得る技術において、光造形物の基台の移動に際してもマイクロ光造形フォーカスポイントの近傍の光硬化性樹脂液が安定状態を保つことができるマイクロ光造形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】
レーザ光源からのレーザビームをカバーガラスとガラス基板間に挟まれた光硬化性樹脂層内部にスポット照射する本発明のマイクロ光造形装置は、前記カバーガラスと前記ガラス基板の距離を変更する際に光硬化性樹脂液の流動をスムーズにするために、前記ガラス基板は光造形物の基礎となる領域を上面にもつ柱状体を一体的に形成するようにした。
また、光造形が行なわれる領域の樹脂の厚みをおおむね一定にして流動状態を安定させるために、カバーガラスとガラス基板間において該カバーガラスに対して所定間隔で固定された状態の有孔板を配置し、当該有孔板の孔を前記ガラス基板の柱状体が貫通する状態で配置するようにした。
ガラス基板のＺ方向位置を変更する際に光硬化性樹脂液の厚みを一定にして流動を少なくし安定させさせるため、本発明のマイクロ光造形装置ではレーザ光源からのレーザビームをカバーガラスとガラス底板間に挟まれた光硬化性樹脂層内部にスポット照射するものにおいて、ガラス基板は光造形物の基礎となる領域を柱状にＺ方向に高く形成すると共に複数の孔を配置したものとし、前記カバーガラスと前記ガラス底板間において該両部材に対して所定間隔で固定された状態の有孔板を配置し、当該有孔板の孔を前記ガラス基板の柱状体が貫通する状態で配置された構成を採用した。
【０００８】
【発明の実施の形態】
液状の光硬化性樹脂の内部にレーザスポットを走査照射し任意の三次元構造を形成する光造形法において、三次元構造物の嵩が高くなるにつれ樹脂層の厚みを徐々に増やしていく必要が生じる。本発明は、樹脂層を増すために外部から樹脂を供給する際、比較的粘性の高い光硬化性樹脂液が加工領域にスムーズに供給され、気泡や流動のない安定した状態の下で光硬化現象が行なわれるようにマイクロ光造形装置のセル部分に工夫を加えたものである。
本発明を具体的に説明する前に本発明で用いられる光造形装置の全体構成を図１に示し説明しておく。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、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、６，７，１０はレンズ、８，９はビームをＸ方向とＹ方向に走査させるガルバノミラー、１１は光を透過光と反射光に二分するビームスプリッタ、１２は結像レンズであり、１３は絞り、１４は対物レンズ、そして１５はカバーガラス、１６は光硬化性樹脂、１７はガラス基板で１８は該ガラス基板をＸＹＺ方向に移動させる三次元移動機構であり、１９は観察用の照明で、２０がカバーガラス１５上に設置された対物レンズ用のＺ移動機構であり、２１は観察用の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（またはＹ）方向に振られ、次いでガルバノミラー９でＹ（またはＸ）方向に振られる。走査偏向されたレーザ光はレンズ１０により集光されてから広げられ結像レンズ１２へ入れられるが、本発明では集光点と結像レンズ１２間の位置にビームスプリッタ１１が配設される。この結像レンズ１２でレーザ光は平行光線にされ、絞り１３を通過したレーザ光が対物レンズ１４で光硬化性樹脂層１６に集光される。カバーガラス１５を介して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情報等から得られた形状情報に基き前記ガルバノミラー８，９が走査されレーザスポットが断面形状をなぞる。そして該当Ｚ位置の加工が終了したならばシャッタ２がレーザ光を遮断した状態でＸＹＺ方向移動機構１８でガラス基板１７の位置をＺ方向に下げて樹脂層の厚み変えて、一つ上の層のパターンを形成する。
【０００９】
当初の光造形はガラス基板１７の上面部から開始されることになるため、その際の樹脂層１６は対物レンズ１４の作動距離に対応する厚さとなる。光造形がＺ方向に成長するにつれ該樹脂層１６は厚くなっていく。その際カバーガラス１５とガラス基板１７との間に外部から樹脂が供給されることになる。特に加工当初はカバーガラス１５とガラス基板１７との間隔は薄い間隙となっているため、高粘性の樹脂の供給には無理が掛かり気泡などを吸い込んでしまいがちである。そこで本発明では図２に示したように光造形物の基台をガラス基板１７の面上ではなくガラス基板に植設した柱状体１７ａの上面とし、加工当初においてもカバーガラス１５とガラス基板１７との間隔は広くとるようにして高粘性の樹脂に対して構造的に粘性抵抗を少なくし、外部から樹脂が供給され易いようにした。すなわち、従来の平板からなるガラス基板と比べ柱状体１７ａの高さｈ分だけ当初の光硬化性樹脂層１６の厚さが厚くなっていることにより、加工に際し両者間距離を変更するときに光硬化性樹脂液の流動がスムーズに行なえ無理無く加工領域に樹脂の供給がなされる。
【００１０】
図３に本発明の異なる実施形態を示す。この実施形態は先の実施形態と同様に光造形物の基台をガラス基板１７の面上ではなくガラス基板に植設した柱状体１７ａの上面とした上に、カバーガラス１５とガラス基板１７間において該カバーガラス１５に対して所定間隔ｌで固定された状態の有孔板２１を配置した。当該有孔板２１には孔２１ａが設けられ、前記ガラス基板１７の柱状体１７ａがこの孔２１ａを貫通する状態で配置したものである。光造形物の基台をガラス基板と比べｈだけ高い柱状体１７ａの上面に持ってきたため、加工当初においてもカバーガラス１５とガラス基板１７との間隔は広くなり、高粘性の樹脂に対して構造的に粘性抵抗を少なくし、外部から樹脂が供給され易いようにした点は、先の実施形態と変りはない。この実施形態の特徴点はカバーガラス１５とガラス基板１７間において該カバーガラス１５に対して所定間隔で配置された有孔板２１の存在である。模式的に示した図３では柱状体１７ａが太めに図示されているが、この柱状体１７ａは寸法が数μｍから数十μｍオーダのマイクロ光造形物の基台であるため、十分に細い径のものである。したがって、光造形物の成長にともないガラス基板１７がＺ方向に下降変位してもカバーガラス１５と固定された有孔板２１との間の樹脂の流入する容積には殆ど変化はない。樹脂層が厚くなる分の樹脂の流入は有孔板２１とガラス基板１７の間のスペースで行なわれることになる。この実施形態ではこのように光造形が行なわれる領域の樹脂の厚みがおおむね一定にされるため、光造形が行なわれるカバーガラス１５と固定された有孔板２１との間の領域の樹脂の流動はほとんどなく安定状態を保つことができる。
【００１１】
図４に本発明の更に異なる実施形態を示す。この実施形態の特徴はカバーガラス１５とガラス底板２２との間を所定間隔で固定的に設置し、その間に光硬化性樹脂層１６を形成させている点である。そして、ガラス基板１７は光造形物の基礎となる領域を柱状にＺ方向に高く形成１７ａすると共に複数の孔１７ｂを配置したものとし、カバーガラス１５と前記ガラス底板２２間において該両部材に対して所定間隔ｌ_１，ｌ_２で固定された状態の有孔板２１を配置し、当該有孔板２１の孔２１ａを前記ガラス基板１７の柱状体１７ａが貫通する状態で配置されるようにしたものである。この実施形態において光造形物の成長に伴いガラス基板１７は徐々にＺ方向を下降変位することになるが、前述したように柱状体１７ａの径は細いのでカバーガラス１５と固定された有孔板２１との間の樹脂の流入する容積には殆ど変化はない。また、ガラス基板１７はＺ方向に変位するが有孔板２１とガラス底板２２間のスペース内で動くだけであるから、そのスペースに存在する光硬化性樹脂１６はガラス基板１７とガラス底板２２間にあったものがガラス基板１７の孔１７ｂを介して有孔板２１とガラス基板１７間に移動するだけで、外部からの樹脂の流入はない。このように作用するため、この実施形態では光造形が行なわれるカバーガラス１５とガラス基板１７の柱状体１７ａ間の領域ではガラス基板１７のＺ方向位置を変更する際にカバーガラスとガラス底板間に挟まれた光硬化性樹脂量に変化がなく、加工領域の光硬化性樹脂液１６の流動を少なくし安定した状態を保つことができる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明のマイクロ光造形装置は、レーザ光源からのレーザビームをカバーガラスとガラス基板間に挟まれた光硬化性樹脂層内部にスポット照射するものにおいて、前記ガラス基板は光造形物の基礎となる領域を上面にもつ柱状体を一体的に形成したものであるから、光造形物の成長に伴い前記カバーガラスと前記ガラス基板の距離を変更する際に構造的に粘性抵抗を少なくして光硬化性樹脂液の流動をスムーズにすることができ、これによって光硬化性樹脂が安定した状態を保った中で光造形が実施できる。
また、カバーガラスとガラス基板間において該カバーガラスに対して所定間隔で固定された状態の有孔板を配置し、当該有孔板の孔を前記ガラス基板の柱状体が貫通する状態で配置した構成を加えた本発明のマイクロ光造形装置は、前記有孔板の存在により、光造形が行なわれる領域の樹脂の流動状態を安定させることができ、その中で光造形が実施できる。
【００１３】
本発明のマイクロ光造形装置は、レーザ光源からのレーザビームをカバーガラスとガラス底板間に挟まれた光硬化性樹脂層内部にスポット照射するものにおいて、ガラス基板は光造形物の基礎となる領域を柱状にＺ方向に高く形成すると共に複数の孔を配置したものとし、前記カバーガラスと前記ガラス底板間において該両部材に対して所定間隔で固定された状態の有孔板を配置し、当該有孔板の孔を前記ガラス基板の柱状体が貫通する状態で配置される構成を採るものであるから、ガラス基板はＺ方向に変位するが有孔板とガラス底板間のスペース内で動くだけで、外部からの樹脂の流入はなく、光造形が行なわれるカバーガラスとガラス基板の柱状体間の領域ではガラス基板のＺ方向位置を変更する際に光硬化性樹脂液の流動を少なくし安定した状態を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロ光造形装置の全体構成を示す図である。
【図２】ガラス基板に基台となる柱状体を植設した本発明の１実施形態を説明する図である。
【図３】固定有孔板を加えた本発明の異なる実施形態を説明する図である。
【図４】カバーガラスとガラス底板との間で固定厚みの光硬化性樹脂の層を形成させた本発明の更に異なる実施形態を説明する図である。
【図５】樹脂内部硬化型マイクロ光造形法の従来技術を説明する図で、Ａはその全体図Ｂはその要部拡大図である。
【符号の説明】
１レーザ光源１６光硬化性樹脂
２シャッター１７ガラス基板
３フィルター１７ａ柱状体
４，５ミラー１７ｂ孔
６，７，１０レンズ１８ＸＹＺ移動機構
８，９ガルバノミラー１９照明
１１ビームスプリッタ２０撮像カメラ
１２結像レンズ２１有孔板
１３絞り２１ａ孔
１４対物レンズ２２ガラス底板
１５カバーガラス

Claims

レーザ光源からのレーザビームをカバーガラスとガラス基板間に挟まれた光硬化性樹脂層内部にスポット照射する機構において、前記ガラス基板に光造形物形成の基礎となる領域を上面にもつ柱状体を一体的に形成することにより、前記カバーガラスと前記ガラス基板間の距離を広くとれ、加工に際し両者間距離を変更するときに光硬化性樹脂液の流動がスムーズに行なえることを特徴とするマイクロ光造形装置。
カバーガラスとガラス基板間において該カバーガラスに対して所定間隔で固定された状態の有孔板を配置すると共に、当該有孔板の孔を前記ガラス基板の柱状体が貫通する状態で配置することにより、光造形が行なわれる領域の樹脂の厚みをおおむね一定にして該領域の流動状態を安定させることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ光造形装置。
レーザ光源からのレーザビームをカバーガラスとガラス底板間に挟まれた光硬化性樹脂層内部にスポット照射する機構において、ガラス基板は光造形物の基礎となる領域を柱状にＺ方向に高く形成すると共に複数の孔を配置したものとし、前記カバーガラスと前記ガラス底板間において該両部材に対して所定間隔で固定された状態の有孔板を配置すると共に、当該有孔板の孔を前記ガラス基板の柱状体が貫通する状態で配置することにより、前記加工に際し前記ガラス基板のＺ方向位置を変更するときにカバーガラスとガラス底板間に挟まれた光硬化性樹脂量に変化がなく、加工領域の光硬化性樹脂液の流動を少なくし安定させたことを特徴とするマイクロ光造形装置。