JP3520329B2 - マイクロ光造形法 - Google Patents

マイクロ光造形法

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昌史 三輪
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和歌山大学長
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ光造形法
に関し、特にはマイクロセンサ、マイクロアクチュエー
タ及びマイクロマシンの分野で用いることのできる、ケ
ースや構造材などの微小構造物の作製に対して好適に用
いることのできるマイクロ光造形法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の光造形法では、例えば、特開平9
−141749号公報又は特開平10−202756号
公報に記載されているように、作製すべき構造物のスラ
イスデータを基に所定の光を光硬化性樹脂に照射してス
ライス状に硬化させ、このスライス状に硬化した光硬化
性樹脂を積層させることによって、目的とする3次元構
造物を作製していた。
【0003】しかしながら、作製すべき3次元構造物の
大きさが小さくなると、例えば、その3次元構造物に突
起状物を形成しようとした場合、この突起状物を支持す
るための支持部材が必要とされる。この支持部材につい
ても、通常は前述したようなスライスデータに基づき、
前記光硬化性樹脂に光を照射して硬化することによって
作製し、目的とする突起状物が形成された後は手作業に
よって除去される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】3次元構造物の大きさ
が比較的大きい場合は、前記支持部材の作製及び除去は
比較的容易に行うことができるが、前記3次元構造物の
大きさが数十μmオーダあるいは数μmオーダになる
と、極めて困難になる。
【0005】また、従来の光造形法では、光硬化性樹脂
に対して所定の光を照射することにより前記光硬化性樹
脂をスライス状に一括して硬化させ、この硬化したスラ
イス状の光硬化性樹脂を積層させて前記3次元構造物を
作製していたため、硬化に際して長時間を要するという
問題もあった。
【0006】本発明は、簡易かつ比較的短時間で微小な
3次元構造物を作製することのできる新規な光造形法を
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】上記目的を達成すべく、
本発明は、液状の光硬化性樹脂の内部にレーザ光を走査
させながら連続的に照射し、複数の面状体から3次元的
に構成されてなる3次元微小構造物を作製する方法であ
って、前記光硬化性樹脂の前記内部を線分的に連続させ
て硬化することにより、前記3次元微小構造物の底面部
分を形成し、次いで、前記3次元微小構造物の側面部分
を形成し、次いで、前記3次元微小構造物の上面部分を
形成することを特徴とする、マイクロ光造形法に関す
る。
【0008】本発明者らは、上記目的を達成すべく新規
な光造形法を見出すべく鋭意検討を行った。その結果、
液状の光硬化性樹脂の内部の所定の部位に焦点が合うよ
うにしてレーザ光を照射するとともに、前記レーザ光を
走査することによって前記光硬化性樹脂の前記内部を線
分的に硬化し、これをある一定方向に対して連続的に行
うことにより前記線分状に硬化した光硬化性樹脂が積層
され、その結果、前記光硬化性樹脂が面状に硬化してな
る微小構造物が得られることを見出した。
【0009】また、前記操作を前記光硬化性樹脂の前記
内部に対して3次元的に連続して行い、前記面状の構造
物が3次元的に結合してなる3次元微小構造物が得られ
ることを見出した。
【0010】さらに、最初にその構造物の底面を構成
し、順次側面及び上面を構成することにより、前記3次
元微小構造物を構成する各面を連続させて強固に作製す
ることができるため、最終的に得られる構造物の強度を
増大させることができる。
【0011】図1は、本発明のマイクロ光造形法によっ
て微小構造物が作製されるまでの過程を示すモデル図で
ある。最初に、液状の光硬化性樹脂の内部にレーザ光
を、ある一定方向に連続的に走査させて照射すると、図
1(a)に示すように、前記液状の光硬化性樹脂の前記
内部において、硬化した線分状の光硬化性樹脂Aが複数
積層されるようになる。そして、この操作を継続して実
施し、線分状の光硬化性樹脂Aがある程度の量で積層さ
れると、図1(b)に示すように、底面を構成する面状
の微小構造体B1が形成される。
【0012】さらに、前記レーザ光の照射位置を移動さ
せて、前記光硬化性樹脂の前記内部の他の部分を照射す
ることにより、前記同様にして、側面を構成する図1
(c)に示すような面状の微小構造体B2及びB3が形
成される。さらに、図1(d)に示すような上面を構成
する面状の微小構造体B5が形成されて、最終的には、
図1(e)に示すような3次元微小構造体Cが形成され
るものである。
【0013】本発明のマイクロ光造形法によれば、3次
元微小構造体を構成する光硬化性樹脂の表層部分に相当
する、光硬化性樹脂の内部の所定部位に焦点が有るよう
にレーザ光を照射し、この所定部位のみを線分的に硬化
させるので、前記構造体を比較的短時間で作製すること
ができる。
【0014】さらには、光硬化性樹脂を線分的に硬化さ
せ、硬化した線分状の光硬化性樹脂を積層させることに
よって目的とする微小構造物を作製するので、例えば突
起状物であっても、これを線分状の光硬化性樹脂から構
成することによって、支持部材を必要とすることなく形
成することができる。
【0015】なお、図1(e)に示すような3次元微小
構造物を作製した後において、その内部に残留する未硬
化の光硬化性樹脂は、必要に応じて図1(e)に示すよ
うな3次元微小構造物を作製した後、この構造物全体に
紫外光を照射することによって硬化することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に基づいて詳細に説明する。図2は、本発明のマイクロ
光造形法において好適に用いることのできるマイクロ光
造形装置の構成を示す概略図である。図2に示すマイク
ロ光造形装置は、レーザ光源1と、このレーザ光源1か
ら発せられたレーザ光のスポット径を絞るための倒立型
光学顕微鏡2と、溶融状態の光硬化性樹脂を配置し、レ
ーザ光照射によって微小構造物を作製するための3次元
電動ステージ3とを具えている。
【0017】レーザ光源1と倒立型光学顕微鏡2との間
には、電動シャッタ4が設けられており、3次元電動ス
テージ3にドライバ5を介して接続されたコンピュータ
6からの信号に基づき、3次元電動ステージ3の動作に
連動して開閉するように構成されている。また、3次元
電動ステージ3の上方にはCCDカメラ7及びVTR8
が具えられており、レーザ照射による線分状の光硬化性
樹脂の形成過程、及びこれら線分状の光硬化性樹脂が積
層されることによる、面状又は3次元状の微小構造物の
形成過程がリアルタイムで観察できるように構成されて
いる。
【0018】3次元電動ステージ3上には、スポイトな
どを用いて滴下した液状の光硬化性樹脂Xが配置されて
いる。レーザ光源1から発せられたレーザ光は、開状態
の電動シャッタ4を通って倒立型光学顕微鏡2に入射
し、光の波長程度にまでスポット径が絞られた後、3次
元電動ステージ3上に設置された光硬化性樹脂Xの内部
に照射される。そして、3次元電動ステージ3を任意の
方向に適宜に走査させることによって、レーザ光を光硬
化性樹脂Xの内部に走査させながら連続的に照射し、図
1(a)に示すような線分状に硬化した複数の光硬化性
樹脂Aを作製する。
【0019】次いで、3次元電動ステージ3を他の方向
に連続的に走査させながらレーザ光を照射することによ
って、図1(b)〜(d)に示すような面状の微小構造
体を作製し、最終的に図1(e)に示すような3次元微
小構造体を作製する。電動シャッタ4は、レーザ光の走
査方向、すなわち3次元電動ステージ3の走査方向の変
換及び中断などに応じ、コンピュータ6からの信号に基
づいて適宜に閉状態を採る。
【0020】レーザ光源は、使用する光硬化性樹脂の種
類及び要求されるレーザ光強度などに応じて任意のもの
を用いることができる。例えば、He−Cdレーザ、N
d:YAGレーザの第3高調波、チタン酸サファイアレ
ーザの第2高調波、及び青色半導体レーザを用いること
ができる。図2に示すその他の構成要素においては、市
販のものを用いることができる。
【0021】さらに、本発明において使用する光硬化性
樹脂の種類についても、作製すべき面状又は3次元状の
微小構造体の種類に応じて任意に選択することができ
る。具体的には、ウレタンアクリルレート系、エポキシ
アクリルレート系、エステルアクリルレート系、及びア
クリルレート系を例示することができる。また、使用す
るレーザ光源の波長の光を吸収できるように、上記光硬
化性樹脂に対して所定の増感剤、例えば、ベンゾフェノ
ン系を添加することもできる。
【0022】本発明においては、上述したような微小構
造体を作製した後、内部に残留している未硬化の光硬化
性樹脂は、紫外線を照射することによって一括して硬化
させることができる。本発明によれば、光硬化性樹脂の
表層部分のみを硬化させるとともに、内部の未硬化樹脂
についても紫外線照射によって一括して硬化させるの
で、最終的に光硬化性樹脂を全体的に硬化させる必要が
ある場合においても、その硬化時間は従来の比べて極め
て短くすることができる。
【0023】本発明のマイクロ光造形法によれば、1m
m以下のオーダ、特には10μm以下のオーダ、すなわ
ちμmオーダの大きさの微小構造物を簡易に作製するこ
とができる。なお、ここでいう「1mm以下のオーダ」
及び「10μm以下のオーダ」とは、例えば、図1
(e)に示すような矩形状の3次元微小構造物を作製し
た場合の、一辺当たりの大きさをいう。
【0024】なお、3次元微小構造物を作製する場合、
光硬化性樹脂の表層部分にレーザ光を照射させて硬化さ
せることにより、最初にその構造物の底面を構成し、順
次側面及び上面を構成する。これによって、前記3次元
微小構造物を構成する各面を連続させて強固に作製する
ことができるため、最終的に得られる構造物の強度も増
大する。
【0025】
【実施例】図3は、図2に示すような装置を用い、光硬
化性樹脂としてノプコキュア800(アクリル系樹脂)
を用いるとともに、レーザ光源としてチタン酸サファイ
アレーザ(波長800nm)を用い、これをSHGを用
いて400nmに変換したパルス光を用い、ノプコキュ
ア800を二光子吸収による誘起を利用して硬化させ
た、一辺が約10μmの三角柱型の3次元微小構造体で
ある。このように、本発明のマイクロ光造形法に従うこ
とによって、10μmオーダの3次元微小構造体が得ら
れることが分かる。なお、図3に示す3次元微小構造体
の作製に際しては、本発明の好ましい態様にしたがって
最初に底面を作製することにより実施した。
【0026】以上、具体例を挙げながら発明の実施の形
態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は
上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸
脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能であ
る。例えば、上記図2においては、レーザ光のスポット
径を絞るための倒立型光学顕微鏡を用いているが、正立
型光学顕微鏡を用いることもできる。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のマイクロ
光造形法によれば、光硬化性樹脂の表層部分にレーザ光
を照射し、この部分を硬化させることによって目的とす
る微小構造物を作製するので、比較的短時間の作製が可
能となる。さらには、線分状に硬化させた光硬化性樹脂
を積層させることによって、目的とする構造物を作製す
るので、突起状物などの特異形状物もこの線分で構成す
ることにより、支持部材を必用とすることなく簡易に形
成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のマイクロ光造形法よって微小構造物
が作製されるまでの過程を示すモデル図である。
【図2】 本発明のマイクロ光造形法において好適に用
いることのできるマイクロ光造形装置の構成を示す概略
図である。
【図3】 本発明のマイクロ光造形法によって作製した
3次元微小構造物の一例を示す写真である。
【符号の説明】
1 レーザ光源 2 倒立型光学顕微鏡 3 3次元電動ステージ 4 電動シャッタ 5 ドライバ 6 コンピュータ 7 CCDカメラ 8 VTR

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 液状の光硬化性樹脂の内部にレーザ光を
    走査させながら連続的に照射し、複数の面状体から3次
    元的に構成されてなる3次元微小構造物を作製する方法
    であって、 前記光硬化性樹脂の前記内部を線分的に連続させて硬化
    することにより、前記3次元微小構造物の底面部分を形
    成し、次いで、前記3次元微小構造物の側面部分を形成
    し、次いで、前記3次元微小構造物の上面部分を形成す
    ることを特徴とする、マイクロ光造形法。
  2. 【請求項2】 前記3次元微小構造物の全体に対して紫
    外光を照射させることにより、前記3次元微小構造物内
    の未硬化部分を硬化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法。
  3. 【請求項3】 前記3次元微小構造物は、1mm以下の
    オーダの大きさを有することを特徴とする、請求項1又
    は2に記載のマイクロ光造形法。
  4. 【請求項4】 前記3次元微小構造物は、10μm以下
    のオーダの大きさを有することを特徴とする、請求項3
    に記載のマイクロ光造形法。
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