JP2010179584A - 分子配向の揃った分子配向部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な形状の造形物であっても短時間で製造できる分子配向の揃った分子配向部材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】液晶または等方状態に保たれた光配向性を有する光配向性材料２に対してレーザ光Ｌを照射し、光配向性材料２中にレーザ光強度の高い高エネルギ密度領域を形成する配向調整処理と、配向調整処理された光配向性材料２を冷却する冷却処理と、配向調整処理において、高エネルギ密度領域が形成された部分が固化した後、高エネルギ密度領域が形成された部分以外の部分が固化する前に、光配向性材料２における液晶または等方状態の部分を除去する除去処理とを行う。分子ｍの配向が揃った、分子ｍの配向の方向への引張り強度等が高い材料を形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、分子配向の揃った分子配向部材およびその製造方法に関する。

感光性樹脂の表面に選択的に光を照射して硬化樹脂層を形成する工程を繰り返すことにより、硬化樹脂層が複数積層された立体的な造形物を形成する光造形法が知られている。
かかる光造形法では、造形しようとする立体形状をコンピュータなどを用いて複数のスライス形状データとし、この複数のスライス形状データに従って、紫外線レーザなどの放射線を感光性樹脂の表面に選択的に照射して当該樹脂を重合硬化させることによって硬化樹脂層を形成し、このようにして形成された硬化樹脂層を順次積層することにより立体的な造形物を成形する。

上記のごとき光造形法を採用した技術として、特許文献１〜３の技術が開発されている。
特許文献１には、液状の感光性樹脂を容器内に収容し、当該容器の上部に設けられた露光手段を走査させることにより、前記感光性樹脂の表面に選択的に光照射して硬化樹脂層を形成し、この硬化樹脂層上に、一層分の感光性樹脂を供給して液状の樹脂層を形成し、その表面に選択的に光照射することにより、先行して形成された硬化樹脂層上に、これと連続するよう新しい硬化樹脂層を一体的に積層し、さらに、光照射パターンを変化させ、あるいは変化させることなく、感光性樹脂の供給および光照射を所定回数繰り返すことにより、立体的な造形物を形成する方法が開示されている。
また、特許文献２には、感光性樹脂の表面に選択的に光照射する方法として、選択的に光透過するマスク像を介して面露光する方法が開示されている。
さらに、特許文献３には、感光性樹脂の表面に選択的に光を照射して硬化樹脂層を形成することを繰り返すことにより、当該硬化樹脂層が複数積層されてなる立体的な造形物を形成する光造形法であって、感光性樹脂を冷却して凝固させ、この状態で当該感光性樹脂に対して光を照射する工程を含む技術が開発されている。

ところで、上記の光造形技術では、正確なスライス形状データを形成すれば、複雑な形状を有する造形物であっても製造できるという利点はあり、各層の厚さ薄くすればするほど造形物を正確に形成することができる。
しかし、上述した特許文献１〜３の技術では、既に形成されている層の上面に順次層を形成していくため、各層の厚さが薄くなれば造形物を構成する層の数も増加する。しかも、層を移動可能なテーブル上に形成し、このテーブルを順次移動させながら各層を形成して造形物を形成するので、各層の形成に光を照射する位置の移動とテーブルの移動という２つの工程が必要となる。
したがって、造形物の形状が複雑になればなるほど、層の数を増加させなければならなず、作業工程も層の数に比例して増加するので、その加工時間は膨大になる。

特開昭５６−１４４４７８号 特開平９−７０８９７号 特開２００１−４９１２９号

本発明は上記事情に鑑み、複雑な形状の造形物であっても短時間で製造できる分子配向の揃った分子配向部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

第１発明の分子配向の揃った分子配向部材の製造方法は、液晶または等方状態に保たれた光配向性を有する光配向性材料に対してレーザ光を照射し、該光配向性材料中にレーザ光強度の高い高エネルギ密度領域を形成する配向調整処理と、該配向調整処理された前記光配向性材料を冷却する冷却処理と、前記配向調整処理において、前記高エネルギ密度領域が形成された部分が固化した後、該高エネルギ密度領域が形成された部分以外の部分が固化する前に、前記光配向性材料における液晶または等方状態の部分を除去する除去処理とを行うことを特徴とする。
第２発明の分子配向の揃った分子配向部材の製造方法は、第１発明において、前記高エネルギ密度領域は、複数のレーザ光を光配向性材料に対して照射し、該複数のレーザ光に交差させて形成することを特徴とする。
第３発明の分子配向の揃った分子配向部材の製造方法は、第１発明において、前記高エネルギ密度領域は、一本のレーザ光を集光して形成することを特徴とする。
第４発明の分子配向の揃った分子配向部材は、請求項１記載の方法によって形成されたことを特徴とする。

第１発明によれば、液晶または等方状態に保たれた光配向性材料に対してレーザ光を照射し、レーザ光強度の高い高エネルギ密度領域を形成すれば、高エネルギ密度領域の部分では材料の分子の配向が揃った状態となる。すると、光配向性材料内には、分子の配向が揃った部分と分子の配向がランダムになっている部分とが混在した状態となる。かかる状態の光配向性材料を冷却すれば、配向が揃っている部分は、ランダムになっている部分よりも迅速に固化が進む。よって、配向が揃っている部分の固化後、配向がランダムな部分が固化する前に、液晶または等方状態の光配向性材料を除去すれば、高エネルギ密度領域の軌跡の形状を有しかつ分子配向の揃った材料を形成することができる。しかも、高エネルギ密度領域を移動させるだけで分子配向部材の形状を形成できるので、複雑な形状の造形物であっても短時間で製造することができる。
第２発明によれば、光配向性材料に複数のレーザ光を照射して交差させれば、交差した部分ではレーザ光強度を高くできるので、高エネルギ密度領域を形成することができる。しかも、複数のレーザ光を使用することによって、高エネルギ密度領域を同時に複数形成することもできるので、加工速度を向上することができる。
第３発明によれば、光配向性材料中において一本のレーザ光を集光させれば、集光している部分ではレーザ光強度を高くできるので、高エネルギ密度領域を形成することができる。しかも、一本のレーザ光を集光させるだけで高エネルギ密度領域を形成することができるから装置構成を簡略化できるし、正確な位置に高エネルギ密度領域を形成することができる。
第４発明によれば、材料中の分子配向が揃っているので、配向の方向への引張り強度等が高くなる。

本実施形態の分子配向の揃った配向性材料１製造方法の概略説明図である。 本実施形態の分子配向の揃った配向性材料１製造方法の概略説明図である。 本実施形態の分子配向の揃った配向性材料１を製造する工程のフローチャートである。 ３本以上のレーザ光Ｌによって交点ＩＰを形成する実施形態の概略説明図である。 一本のレーザ光Ｌの焦点ＩＦによって高エネルギ密度領域を形成する実施形態の概略説明図である。 一本のレーザ光Ｌの焦点ＩＦによって高エネルギ密度領域を形成する場合において、分子配向の揃った配向性材料１を製造する工程のフローチャートである。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の分子配向の揃った分子配向部材１（以下、単に分子配向部材１という）は、液晶または等方状態の光配向性材料に対して光を照射して所定の形状を形成する方法によって形成されており、材料中の分子の配向が揃っているものである。
かかる分子配向部材１は、分子ｍの配向が揃っている場合、その材料は配向方向に沿った方向の力に対しては強い強度を有するものとなる。

つぎに、本発明の分子配向部材１を製造する方法について説明する。
図１および図２は本実施形態の分子配向の揃った配向性材料１製造方法の概略説明図である。図３は本実施形態の分子配向の揃った配向性材料１を製造する工程のフローチャートである。

まず、分子配向部材１を構成する光配向性材料２を液晶状態とする（図１（Ａ）、Ｓ１）。具体的には、光配向性材料２を加熱して、光配向性材料２の分子が特別な配向性を有しておらず流動性を有している状態、つまり、分子ｍの配向がランダムな液晶または等方状態（以下、両状態をあわせて液晶状態という）となるように調整する。

なお、分子配向部材１を製造する工程において、光配向性材料２は容器に収容される。この容器は、流動性を有している液晶状態の光配向性材料２を保持しておくことができ、しかも、光配向性材料２を冷却したり加熱したりできるものである、また、この容器は、液晶状態の光配向性材料２を排出できる機能を有している必要があるが、その理由は後述する。

分子ｍの配向がランダムな状態となると、光源より一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を光配向性材料２に照射し、一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を交差させて交点ＩＰを形成する（Ｓ２）。すると、交点ＩＰが形成された部分は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２から光配向性材料２に供給されるエネルギ密度が高い高エネルギ密度領域となるので、分子ｍが所定の方向を向くように配向し、交点ＩＰ内では分子ｍの配向が揃った状態となる（図１（Ｂ））。
なお、高エネルギ密度領域において分子ｍが配向する方向は、一対のレーザ光の波長と液晶の特性に依存する。

交点ＩＰの部分における分子ｍの配向が揃うと、交点ＩＰを形成したまま、一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を移動させると（Ｓ３）、新たに交点ＩＰが形成された部分でも分子ｍの配向が揃うこととなる（図２（Ｃ））。
そして、交点ＩＰの位置を、この交点ＩＰの軌跡が所定の形状となるように移動させていけば、この交点ＩＰが通過した部分では、分子ｍが所定の方向に配向した状態となる。つまり、光配向性材料２中において、所定の形状を形成する部分（以下、配向部分Ｂという）に位置する分子ｍの配向だけが揃った状況が形成される。

上記交点の移動を繰り返して配向部分Ｂが形成されると、一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射を停止して、光配向性材料２を冷却する（Ｓ４）。すると、光配向性材料２は、液晶状態から固体状態へと変化を開始する。

このとき、光配向性材料２において、配向部分Ｂは分子ｍの配向が揃っているので、分子ｍの配向がランダムになっている部分よりも固体状態に移行しやすくなっている。
このため、光配向性材料２を冷却すると、配向部分Ｂが他の部分よりも先に固化するから、配向部分Ｂ全体が固化後、配向部分Ｂ以外の部分が固化する前に、光配向性材料２の冷却を停止する。
すると、冷却を停止した時点では、配向部分Ｂ以外の光配向性材料２は液晶状態のままであり流動可能な状態であるから、容器から固化していない光配向性材料２を排出することができる。つまり、配向部分Ｂの周囲から固化していない光配向性材料２を除去することができるから（Ｓ５）、容器内には、固化した配向部分Ｂだけが残される。
固化した配向部分Ｂは、交点ＩＰの軌跡の形状、つまり、所定の形状に形成されているので、所定の形状に形成された分子配向部材１を得ることができる。

例えば、交点ＩＰを直線的に移動させた場合には、図２（Ｄ）に示すように、軸状の分子配向部材１を形成することができる。なお、この軸状の分子配向部材１の断面形状は、交点ＩＰの断面形状、つまり、図２（Ｃ）における紙面と垂直な方向における交点ＩＰの断面形状となる。

以上のごとく、本発明の分子配向部材１は、液晶状態に保たれた光配向性材料２に対して、互いに交差する一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射して配向部分Ｂを形成しその交点ＩＰを移動させているだけであるから、複雑な形状の造形物であっても、一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点ＩＰを移動させるだけで形成することができる。
よって、複雑な形状の造形物であっても、順次層を形成していく場合に比べて、短時間で製造することができる。
しかも、分子配向部材１中の分子ｍの配向を揃えることができるので、形成された分子配向部材１を、分子ｍの配向方向に沿った方向の力に対しては強い強度を有するものとすることができる。

なお、光配向性材料２は、分子鎖中にアゾベンゼンを含む液晶等であるか、とくに限定されない。

また、光配向性材料２中に一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２の交点ＩＰが形成されて分子ｍの配向が揃っても、一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射が停止されれば、交点ＩＰが形成されていた部分の分子ｍの配向は、やがて周囲の分子ｍの影響を受けて元の状態に戻る。つまり、分子ｍの配向がランダムな状態になるので、配向部分Ｂにおける分子ｍの配向が揃っている間に冷却を開始完了させなければならない。
よって、光配向性材料２を迅速に冷却させることが必要となるが、上記のように一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射を停止してから冷却を開始するのではなく、光配向性材料２に対する一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射を行いながら光配向性材料２を冷却すれば、冷却完了までの時間を短くできるので、より好ましい。

また、本発明の分子配向の揃った分子配向部材の製造方法において、光配向性材料２中に高エネルギ密度領域を形成させる方法は、上記のごとく一対のレーザ光Ｌ１，Ｌ２によって交点ＩＰを形成する方法に限られず、複数本のレーザ光Ｌによって一つの交点ＩＰを形成してもよいし、複数本のレーザ光Ｌによって複数の交点ＩＰを同時に形成してもよい(図４)。前者の場合には、交点ＩＰのエネルギ密度を更に高くできるので、分子配向度を高めることができる点で好ましく、また、後者の場合には、複数箇所の配向を同時に揃えることができるので加工速度を向上することができるという点で好ましい。

また、本発明の分子配向の揃った分子配向部材の製造方法ｍにおいて使用するレーザ光は一本でもよい(図５、図６)。この場合には、レンズ等の集光手段によってレーザ光Ｌを集光させれば光配向性材料２中に焦点ＩＦ（高エネルギ密度領域、図５の点線で囲まれた領域）を形成させることができる。この場合、レンズ等によって一本のレーザ光Ｌを集光させて焦点ＩＦを形成しているだけであるから、装置構成を簡略化できるし、高エネルギ密度領域を正確な位置に形成することができるという点で好ましい。

本発明の分子配向の揃った分子配向部材の製造方法は、特定の方向に対する強度の高い分子配向の揃った材料の製造方法に適している。

１ 分子配向部材
２ 光配向性材料
ｍ 分子
Ｌ レーザ光
ＩＰ 交点
ＩＦ 焦点

Claims (4)

1. 液晶または等方状態に保たれた光配向性を有する光配向性材料に対してレーザ光を照射し、該光配向性材料中にレーザ光強度の高い高エネルギ密度領域を形成する配向調整処理と、
   該配向調整処理された前記光配向性材料を冷却する冷却処理と、
   前記配向調整処理において、前記高エネルギ密度領域が形成された部分が固化した後、該高エネルギ密度領域が形成された部分以外の部分が固化する前に、前記光配向性材料における液晶または等方状態の部分を除去する除去処理とを行う
   ことを特徴とする分子配向の揃った分子配向部材の製造方法。
2. 前記高エネルギ密度領域は、複数のレーザ光を光配向性材料に対して照射し、該複数のレーザ光に交差させて形成する
   ことを特徴とする請求項１記載の分子配向の揃った分子配向部材の製造方法。
3. 前記高エネルギ密度領域は、一本のレーザ光を集光して形成する
   ことを特徴とする請求項１記載の分子配向の揃った分子配向部材の製造方法。
4. 請求項１、２または３記載の方法によって形成された
   ことを特徴とする分子配向の揃った分子配向部材。

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