JP3716504B2 - Method and apparatus for manufacturing microstructure - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、インクジェットプリンタのノズルやマイクロレンズ等の超精密機械部品、マイクロマシン等に適用される微小構造体の製造方法および装置に関し、特に、三次元の曲面形状を有し、より微細かつ精密な微小構造体の製造方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
精密機械機構,精密光学機器,精密電子装置等においては、例えば、数ミクロンから数十ミクロン程度の寸法に微小構造化された構造体(以下「微小構造体」という。)が、例えば、センサ要素,作動装置要素,流体装置または電子機器のコンポーネント,光学装置のマイクロレンズアレイ等として使用されている。この微小構造体は、精密成形技術や金型加工技術の発展により、小型,高精度なものが製造されつつあり、量産性の良い精密金型を用いた転写成形技術による製造にも用いられている。
【0003】
このような微小構造体を製造する方法には、従来より以下の方法が知られている。
(1) 総形ダイヤモンドバイトの切削加工による方法
(2) 精密機械加工による方法
(3) 蒸気相からの物理的または化学的析出等による付加的構造化による方法
(4) レーザ加工やエッチング加工等による除去的構造化による方法
【0004】
上記(1) の総形ダイヤモンドバイトの切削加工による微小構造体の製造方法としては、例えば、特開平2−205401号公報に開示されているものがある。この製造方法は、微細な総形ダイヤモンドバイトで微細な矩形状の溝を有する微小構造体を製造するものである。
【0005】
上記(2),(3),(4) の精密機械加工等による微小構造体の製造方法として、例えば、特開平6−320550号公報に開示されているものがある。この製造方法は、精密機械加工等により成形インサートを製造し、これを金型として注型成形,反応射出成形または射出成形等によって微小構造体を製造するものである。
【0006】
上記(1),(4) の方法は精密な構造体に適し、上記(2) の方法は、曲面を有する構造体に適し、上記(3) の方法は微細な構造体に適しているが、上記(1) の方法は、複雑な形状のダイヤモンドバイトを作ることが困難であるため、複雑で微細な形状の加工は困難であり、上記(3),(4) の方法は、深さ方向の制御が困難である。これに対し、上記(2) の方法は、加工工具の位置を三次元で制御することで三次元形状の加工を行えることから、三次元の曲面形状を有し、微細かつ精密な微小構造体の製造には、上記(2) の精密機械加工を用いた方法が、最も適切と考えられる。
【0007】
一方、三次元の曲面形状を有し、微細かつ精密な微小構造体を精密機械加工によって製造するには、加工工具の微小化,高精度化が必要とされる。
【0008】
周知の旋盤やフライス盤等により高硬度材料である加工工具を製造するのは、加工工具をチャッキングする時の軸心合せが難しいため、軸心ずれが生じて加工工具を精度よく微小なサイズで製造することは困難であり、工具破損も発生させる。
【0009】
ところが、近年、微小の加工工具をワイヤ放電研削法で作製する技術が、文献「マイクロマシニング技術に関する研究協力分科会研究成果報告書,平成7年2月,P37−P49:(社)精密工学会産学共同研究協議会」に開示されている。この方法によれば、微小工具を加工装置の加工軸に組み込んだ状態で形成するので、加工工具を装着するときの軸芯ずれの発生を回避して直径数10μm程度の微小寸法の加工工具が可能となってきている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記(2) の精密機械加工による従来の微小構造体の製造方法によると、加工工具を微小化すればする程、工具の強度を向上させることは難しくなるため、工具が破損しやすいという問題がある。
【0011】
従って、本発明の目的は、加工工具の破損を招くことなく製造することができ、三次元の曲面形状を有し、より微細かつ精密であり、使用に際し変形,傷等を防止して取扱性に優れた微小構造体の製造方法および装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
また、本発明は、上記目的を達成するため、所定の物理的処理に応じて硬化する反応硬化性材料に切削,研磨等の加工を行って微小構造体を形成する微小構造体の製造方法において、前記反応硬化性材料における半硬化の硬度を、加工工具の強度に応じた積算光量を照射して制御し、前記反応硬化性材料を前記加工工具により半硬化状態で加工して半硬化微小構造体を形成し、前記半硬化微小構造体に所定の物理的処理を施して硬化微小構造体を形成することを特徴とする微小構造体の製造方法を提供する。
上記構成によれば、反応硬化性材料の半硬化状態で加工して半硬化微小構造体を形成することで、加工工具の破損防止が可能となる。加工後は、半硬化微小構造体に所定の物理的処理を施して硬化微小構造体を形成することで、使用に際し変形,傷等が防止される。
【0014】
また、本発明は、上記目的を達成するため、反応硬化性材料における半硬化の硬度を、加工工具の強度に応じた積算光量を照射して制御する手段と、反応硬化性材料を前記加工工具により半硬化状態で加工して半硬化微小構造体を形成する加工手段と、前記半硬化微小構造体を硬化して硬化微小構造体を形成する硬化手段とを有することを特徴とする微小構造体の製造装置を提供する。
上記構成によれば、加工手段は、反応硬化性材料の半硬化状態で加工して半硬化微小構造体を形成するので、加工工具の破損防止が可能となる。加工後は、硬化手段によって半硬化微小構造体を硬化して硬化微小構造体を形成することで、使用に際し変形,傷等が防止される。
【0015】
また、本発明は、上記目的を達成するため、反応硬化性材料における半硬化の硬度を、加工工具の強度に応じた積算光量を照射して制御し、前記反応硬化性材料を前記加工工具により半硬化状態で加工して半硬化微小構造体を形成し、前記半硬化微小構造体に所定の物理的処理を施して前記硬化微小構造体を形成し、前記硬化微小構造体と相補的な内面形状を有する金型を電鋳法によって形成し、前記金型を用いて射出成形,注型成形,プレス成形等の成形により前記硬化微小構造体と同一構造の微小構造体を形成することを特徴とする微小構造体の製造方法を提供する。
上記構成によれば、硬化微小構造体を形成した後、その硬化微小構造体と相補的な内面形状を有する金型を電鋳法によって形成し、その金型を用いて成形により硬化微小構造体と同一構造の微小構造体を形成する。これにより、三次元の曲面形状を有し、より微細かつ精密な微小構造体の量産が可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の実施の形態に係る製造装置を適用した三次元加工機を示す構成図である。
この三次元加工機1は、定盤2と、定盤2の後方に立設されたコラム3と、定盤2上に設けられ、被加工材4を水平方向のX軸,Y軸方向にそれぞれ移動させるX軸テーブル5a及びY軸テーブル5bからなるXY軸テーブル5と、加工工具6を回転可能に支持するとともに、コラム3に対し上下方向(Z軸方向)に移動するZ軸テーブル7と、加工工具6の先端部に微細工具(図5(b) 参照)6Aを作製する微細工具作製装置8と、Y軸テーブル5b上に載置された被加工材4の上面全体に亘って紫外線13Aを照射する後述する第1の紫外線照射光源(図5(d) 参照)13と、Y軸テーブル5b上に載置された被加工材4に紫外線9Aをスポット的に照射する第2の紫外線照射光源9と、各種のモード選択キー等を備えた操作部10と、この加工機1の各部を操作部10の操作に基づいて制御する制御部11とを具備している。
【0017】
被加工材4は、所定の物理的処理に応じて硬化する反応硬化性材料からなるものである。このような反応硬化性材料としては、例えば、光照射量に応じて硬化する反応硬化性樹脂や光照射以外の加熱,加湿,主剤と硬化剤の混合(プライマー硬化)等に応じて硬化する反応硬化性樹脂がある。光照射量に応じて硬化する反応硬化性樹脂としては、アクリル系の紫外線硬化型樹脂等があり、加熱硬化型の材料としては、アクリル樹脂,ウレタンゴム,エポキシ樹脂等がある。
【0018】
加工工具6は、例えば、直径1mmの導電性を有するタングステンカーバイト系超硬合金からなる。
【0019】
第2の紫外線照射光源9は、光源9からの紫外線を導いて先端から紫外線9Aをスポット的に照射するフレキシブルガイド9Bを備え、ガイド9Bの先端部とZ軸テーブル7とをフレキシブルジョイント9Cによって接続し、Z軸テーブル7の上下動に追従してガイド9Bの先端部が上下動するようになっている。
【0020】
操作部10は、加工工具6の先端部に微細工具6Aを作製するための微細工具作製モードを選択する微細工具作製モード選択キーと、被加工材4を加工して微小構造体を作製するための微小構造体作製モードを選択する微小構造体作製モード選択キーとを備えている。
【0021】
制御部11は、CPU,ROM,RAM等から構成され、操作部10に対するオペレータの操作により選択されたモードを実行するものであり、微細工具作製モードが選択された場合は、微細工具作製モードを実行し、微小構造体作製モードが選択された場合は、微小構造体作製モードを実行するものである。この制御部11のROMには、CPUが上記各モードを実行するためのプログラムが記憶され、RAMには、微細工具6Aを作製するのに必要な加工データと、微小構造体を作製するのに必要な三次元加工データとが記憶されている。
【0022】
図2はZ軸テーブル7の側面図である。
Z軸テーブル7には、出力軸70aが例えば7000rpmで回転するモータ70を支持する支持部材71を取り付け、この支持部材71には、下端部で上記加工工具6を保持する工具ホルダ72を回転可能に保持するセラミック製ホルダ73を取り付けている。また、工具ホルダ72の上部端面と工具ホルダ72の上部端面に対向する支持部材71との間には、点接触する鋼球74を設けている。また、工具ホルダ72の中間部には、プーリ75Aを取り付け、モータ70の出力軸70aに取り付けられたプーリ75Bと工具ホルダ72のプーリ75Aとの間には、モータ70の回転トルクを工具ホルダ72に伝達する丸ベルト76を張設している。なお、両プーリ75A,75B間に図2に示すように高低差を設けることで、モータ70の駆動によって工具ホルダ72が回転したときに上昇する力を発生させて、上下方向の振動を抑えて、被加工材4の上下方向の加工精度の向上を図っている。
【0023】
図3は微細工具作製装置8の要部を示す斜視図である。
微細工具作製装置8は、WEDG(Wire Electrodischarge Grinding,ワイヤ放電研削)法によって加工工具6を放電加工し、先端部に微細工具6Aを作製できるように構成されている。すなわち、微細工具作製装置8は、ワイヤガイド80と、ワイヤガイド80をX方向に移動させる図示しないワイヤガイド移動部と、ワイヤガイド80に沿ってワイヤ電極81を供給する図示しないワイヤ電極供給部と、加工工具6とワイヤ電極81に電圧を印加するマイクロ放電加工電源82と、放電加工液83をノズル84から供給する図示しない放電加工液供給部とを具備し、ワイヤ電極81の消耗の影響を除去するために放電加工液83を常に供給し、かつ、ワイヤ電極81も供給させながら、加工工具6とワイヤ電極81との間に放電を発生させて加工工具6を放電加工して微細工具6Aを作製するようになっている。
【0024】
ワイヤ電極81は、例えば、電極消耗の点で有利なタングステン,超硬合金等の耐熱性を有する直径100μm程度の材料からなる。
【0025】
次に、本発明の第1の実施の形態に係る微小構造体の製造方法を図4,図5を参照して説明する。なお、ここでは被加工材4を構成する反応硬化性材料として紫外線の照射によって硬化するアクリル系の紫外線硬化型樹脂を用いた場合について説明する。
【0026】
図4はその紫外線硬化型樹脂の特性を示す図であり、同図(a) は紫外線硬化型樹脂に照射した積算光量と紫外線硬化型樹脂の表面の硬度との関係を示す図であり、同図(b) は当該樹脂に照射した積算光量と当該樹脂の硬化収縮率との関係を示す図である。なお、図4において、40は加工抵抗が少なくなる半硬化領域としての第1の領域(例えば、1.5〜3J/cm2 )を示し、41は紫外線硬化型樹脂が使用に際して必要とされる機械的強度を備えることのできる第2の領域、例えば完全硬化領域(例えば、4J/cm2 以上)を示している。第1の領域40と第2の領域41との間には、一定の余裕を設けている。
【0027】
(1) 微細工具6Aの作製
まず、加工工具6の先端部に微細工具6Aとして例えば、単刃のマイクロエンドミルを作製する。
【0028】
図5(a),(b) は加工工具6の先端部に単刃のマイクロエンドミル(6A)を作製する工程を説明するための模式図である。
オペレータは、操作部10の微細工具作製モード選択キーを押下する。制御部11は、微細工具作製モード選択キーの押下に基づき、RAMが記憶する、微小工具6Aを作製するのに必要な加工データを基に、モータ70,Z軸テーブル7および微細工具作製装置8を制御して微細工具作製モードを以下に説明する如く実行する。
【0029】
すなわち、制御部11は、モータ70を駆動させつつ、Z軸テーブル7を除々に下降させる。モータ70の駆動により出力軸70aが回転すると、モータ70からの回転トルクは、プーリ75B,丸ベルト76,プーリ75Aを介して工具ホルダ72に伝達され、工具ホルダ72は高速で回転する。また、工具ホルダ72はZ軸テーブル7の下降によって下方向へ移動する。従って、工具ホルダ72に保持されている加工工具6は、図5(a) に示すように、回転しながら除々に下降する。
【0030】
また、制御部11は、図5(a) に示すように、これと同時に微細工具作製装置8によって加工工具6の放電加工を行い、加工工具6の先端部を所望の直径に削る。つまり、ワイヤガイド移動部によってワイヤガイド80を加工工具6側へ移動させ、放電加工液供給部からノズル84を経て放電加工液83を加工工具6に掛けながら、ワイヤ電極供給部からワイヤ電極81をワイヤガイド80に沿って放電加工領域に連続的に供給させつつマイクロ放電加工電源82によって加工工具6とワイヤ電極81との間に放電を発生させ、加工工具6の放電加工を行う。この放電加工により、加工工具6の先端部を所望の直径、例えば25μmまで細くする。
【0031】
加工工具6の先端部が所望の直径に加工されると、制御部10は、図5(b) に示すように、モータ70の駆動を停止して加工工具6の回転を止め、Z軸テーブル7を一旦上方のスタート位置に戻した後、再び除々に下降させるとともに、微細工具作製装置8によって加工工具6の放電加工を行い、加工工具6の先端部の側面を削る。つまり、ワイヤガイド80を加工工具6側へ更に移動させ、加工工具6に放電加工液83を掛けながら、ワイヤ電極81をワイヤガイド80に沿って放電加工領域に連続的に供給させつつ加工工具6とワイヤ電極81との間で放電を発生させ、加工工具6の放電加工を行う。この放電加工により、ワイヤ電極81の側面を削って幅12.5μmとし、加工工具6の先端部に微細工具6Aとして単刃のマイクロエンドミルを作製する。
【0032】
(2) 微細工具6Aによる微小構造体の作製
図5(c),(d) は被加工材4から微小構造体を作製する工程を示す図である。
オペレータは、図5(c) に示すように、Y軸テーブル5b上に枠部材12を載置し、枠部材12の内側に紫外線照射前の液状の紫外線硬化型樹脂4Aを注入する。続いて、図5(d) に示すように、第1の紫外線照射光源13から紫外線硬化型樹脂4Aの上面全体に紫外線13Aを照射(1次照射)する。ここでは、例えば、積算光量が図4(a) の第1の領域40に属する2J/cm2 となる紫外線9Aを照射し、紫外線硬化型樹脂4Aを半硬化状態にして枠部材11を外す。
【0033】
次に、既に加工工具6の先端部に作製したマイクロエンドミル(6A)で半硬化状態の紫外線硬化型樹脂4Aを加工して微小構造体を作製するため、オペレータは、操作部10の微小構造体作製モード選択キーを押下する。制御部11は、微小構造体作製モード選択キーの押下に基づいて微小構造体作製モードを実行する。
【0034】
すなわち、制御部11は、モータ70を駆動して加工工具6を回転させつつ、RAMが記憶する、微小構造体を作製するのに必要な三次元加工データを基に、XYテーブル5及びZ軸テーブル7の移動制御を行い、加工工具6を半硬化状態の紫外線硬化型樹脂4Aに対して三次元的に移動させる。このとき、制御部11は、図4(b) の収縮率を考慮して加工工具6の移動制御を行う。例えば、溝加工であれば、溝幅を後の収縮を考慮して大きめに加工する。なお、RAMが記憶する三次元加工データを既に収縮率を考慮したデータとしてもよい。制御部11は、加工工具6先端のマイクロエンドミル(6A)により紫外線硬化型樹脂4Aを切削して微小構造体を形成するとともに、微小構造体の形成が終了した領域に紫外線照射部9から例えば積算光量が2J/cm2 となる紫外線9Aをスポット的に順々に照射(2次照射)し、その微小構造体の形成が終了した領域の1次照射における積算光量2J/cm2 との合計の積算光量(4J/cm2 )が図4(a) に示す第2の領域41に到達するようにして紫外線硬化型樹脂4Aを完全に硬化させ、三次元の曲面形状を有し、微細かつ精密な微小構造体を完成させる。
【0035】
図6,図7はこのようにして製造された微小構造体の一例を示す図である。
図6はインクジェットプリンタに用いられるインクジェットのノズルを構成する微小構造体を示す要部斜視図である。この微小構造体42には、幅30μmを有する溝42aが42μmピッチで形成されている。
【0036】
図7は光導波路に用いられるマイクロレンズの要部断面図である。この微小構造体43には、光ファイバーアレイ43bが配置される側の面に直径約30μm程度のレンズ43aがアレイ状に配列されている。
【0037】
また、本三次元加工機1によって製造された微小構造体の一例として、直径約30μm程度の凹面状を有するマイクロミラーをアレイ状に配列したものを挙げることができる。
【0038】
上述した第1の実施の形態に係る微小構造体の製造方法によれば、紫外線硬化型樹脂4Aを半硬化状態の加工抵抗の低い状態で加工工具6に対する三次元の移動制御を行って微小構造化しているので、微細工具6Aの破損を招くことなく、三次元の曲面形状を有し、より微細かつ精密な微小構造体を得ることができる。また、加工後に紫外線硬化型樹脂4Aを硬化させることで、所定の機械的強度を持たせることができ、これにより、使用に際し、変形,傷等を防止して取扱性に優れたものとなる。
また、被加工材4を半硬化状態にして切削加工しながら、直ちにその部分を硬化させているので、微小構造体の製造時間を短縮することができ、不要な変形を防止することができる。
また、紫外線9Aの積算光量を制御することで、被加工材4の硬度を任意に制御することができるので、加工工具の強度に応じた積算光量を照射して被加工材4を加工工具が破損しないような硬度とすることができる。
【0039】
次に、本発明の第2の実施の形態に係る微小構造体の製造方法を図8(a) 乃至(h) を参照して説明する。
まず、第1の実施の形態と同様に、図8(a) に示すように、半硬化状態の反応硬化性材料、例えば紫外線硬化型樹脂4Aを微細工具6Aで加工して微小構造体を得た後、図8(b) に示すように、半硬化状態の微小構造体である紫外線硬化型樹脂4Aに紫外線9Aを照射して硬化させる。次に、図8(c) に示すように、金属からなる治具100の上に導電性接着剤101により硬化状態の紫外線硬化型樹脂4Aを固定する。続いて、図8(d) に示すように、紫外線硬化型樹脂4Aの表面に蒸着プロセス等により導電性薄膜102を形成する。次に、導電性薄膜102が表面に形成された紫外線硬化型樹脂4AをNi溶液に浸漬し、治具100とNi溶液間に直流電圧を印加して図8(e) に示すように、紫外線硬化型樹脂4Aの表面に厚さ5mm乃至1cm程度のNi層103を形成する。次に、図8(f) に示すように、治具100を加工機械に取り付け、Ni層103の外形を精密加工して紫外線硬化型樹脂4Aに対し相補的な内面形状104aを有する上型104を得る。続いて、図8(g) に示すように、紫外線硬化型樹脂4Aから上型104を外す。最後に、図8(h) に示すように、上型104を組み込んだ金型上母型105と、凹部106a,流路106b等が加工された金型下母型106とを組み合わせ、射出成形により、ノズル107から流動性樹脂を金型上母型105と金型下母型106との間に空間108に流し込み、微小構造体を次々と製造する。
【0040】
このような第2の実施の形態に係る製造方法によれば、三次元の曲面形状を有し、より微細かつ精密な微小構造体を容易に量産することができる。
また、反応硬化性材料が樹脂であっても、金属からなる微小構造体を得ることができる。
【0041】
なお、電鋳金属としては、上記Niの他に銅や鉄等を用いることができる。また、成形法としては、上記射出成形の他に注型成形やプレス成形等により行ってもよい。なお、射出成形によれば、量産性に優れ、注型成形によれば、高速性に優れる。また、プレス成形によれば、必要な部分に微小構造を形成することが可能となる。
【0042】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々な実施の形態が可能である。
例えば、上記実施の形態では、被加工材4を切削する場合について説明したが、切削後に研磨を行って微小構造体を製造してもよく、研磨のみで微小構造体を製造してもよく、切削,研磨以外の加工によって微小構造体を製造してもよい。
また、上記実施の形態では、加工後に紫外線硬化型樹脂4Aを硬化させたが、加工前にマスク等を用いて加工しない領域を予め硬化させてもよい。これにより、不要な変形をより防止することができる。
また、半硬化状態で完全に微小構造体を形成し終えた後、全体を硬化させてもよい。
【0043】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、反応硬化性材料を半硬化状態、すなわち加工抵抗の少ない状態で加工して微小構造化することで、加工工具の破損を防止することができる。
従って、微細工具を用いることができ、その微細工具に対する三次元の移動制御を行うことで、三次元の曲面形状を有し、より微細かつ精密な微小構造体を製造することが可能となる。
また、加工後は、必要な機械的強度を備えるよう反応硬化性材料に物理的処理を施すことで、使用に際し変形,傷等が防止され、取扱性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る製造装置を示す構成図
【図2】本発明に係るZ軸テーブルの側面図
【図3】本発明に係る微細工具作製装置の要部を示す斜視図
【図4】本発明に係る被加工材を構成するアクリル系の紫外線硬化型樹脂の特性を示す図であり、同図(a) は積算光量と硬度の関係を示す図、同図(b) は積算光量と硬化収縮率の関係を示す図
【図5】本発明の第1の実施の形態に係る製造方法を示す図であり、同図(a),(b) は加工工具の先端部に単刃のマイクロエンドミルを作製する工程を説明するための模式図、同図(c),(d) は被加工材から微小構造体を作製する工程を示す図
【図6】本発明の第1の実施の形態に係る製造方法によって得られた微小構造体を示す要部斜視図
【図7】本発明の第1の実施の形態に係る製造方法によって得られた微小構造体を示す断面図
【図8】同図(a) 乃至(h) は本発明の第2の実施の形態に係る製造方法を示す図
【符号の説明】
1 三次元加工機
2 定盤
3 コラム
4 被加工材
4A 紫外線硬化型樹脂
5 XY軸テーブル
5a X軸テーブル
5b Y軸テーブル
6 加工工具
6A 微細工具
7 Z軸テーブル
8 微細工具作製装置
9 第2の紫外線照射光源
9A 紫外線
9B フレキシブルガイド
9C フレキシブルジョイント
10 操作部
11 制御部
12 枠部材
13 第1の紫外線照射光源
40 半硬化領域
41 完全硬化領域
42,43 微小構造体
42a 溝
43a レンズ
43b 光ファイバーアレイ
70a 出力軸
71 支持部材
72 工具ホルダ
73 セラミック製ホルダ
74 鋼球
75A,75B プーリ
76 丸ベルト
80 ワイヤガイド
81 ワイヤ電極
82 マイクロ放電加工電源
83 放電加工液
84,107 ノズル
100 治具
101 導電性接着剤
102 導電性薄膜
103 Ni層
104 上型
104a 内面形状
105 金型上母型
106a 凹部
106b 流路
106 金型下母型
108 空間[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for manufacturing a microstructure applied to, for example, ultra-precise machine parts such as nozzles and microlenses of inkjet printers, micromachines, and the like. a manufacturing method and apparatus for precise microstructure.
[0002]
[Prior art]
In precision mechanical mechanisms, precision optical instruments, precision electronic devices, etc., for example, a structure (hereinafter referred to as a “microstructure”) that is microstructured to a size of several microns to several tens of microns, for example, is a sensor element. , Actuator elements, fluid devices or electronic components, microlens arrays for optical devices, etc. This microstructure is being manufactured in small size and high precision with the development of precision molding technology and mold processing technology, and is also used for manufacturing by transfer molding technology using precision molds with good mass productivity. Yes.
[0003]
As a method for manufacturing such a microstructure, the following methods are conventionally known.
(1) Method of cutting a total diamond bit
(2) Method by precision machining
(3) Method by additional structuring such as physical or chemical precipitation from the vapor phase
(4) Method by removing structure by laser processing or etching processing etc.
As a method for manufacturing a microstructure by cutting a general diamond tool (1), there is one disclosed in, for example, JP-A-2-205401. This manufacturing method is to manufacture a microstructure having a fine rectangular groove with a fine total diamond bit.
[0005]
As a method for manufacturing a microstructure by precision machining or the like of the above (2), (3), and (4), for example, there is one disclosed in JP-A-6-320550. In this manufacturing method, a molding insert is manufactured by precision machining or the like, and a microstructure is manufactured by cast molding, reaction injection molding, injection molding, or the like using this as a mold.
[0006]
The methods (1) and (4) are suitable for precise structures, the method (2) is suitable for structures having curved surfaces, and the method (3) is suitable for fine structures. The above method (1) is difficult to make a diamond bit with a complicated shape, so it is difficult to process a complicated and fine shape.The methods (3) and (4) Direction control is difficult. On the other hand, since the method (2) can process a three-dimensional shape by controlling the position of the processing tool in three dimensions, it has a three-dimensional curved surface shape and is a fine and precise microstructure. The method using precision machining (2) above is considered the most appropriate for the production of the above.
[0007]
On the other hand, in order to manufacture a fine and precise microstructure having a three-dimensional curved surface shape by precision machining, it is necessary to reduce the size and accuracy of the processing tool.
[0008]
Manufacturing a machining tool that is a high-hardness material using a known lathe or milling machine is difficult to align the axis when chucking the machining tool. It is difficult to manufacture and causes tool breakage.
[0009]
However, in recent years, a technique for producing a micro-machining tool by the wire electric discharge grinding method has been published in the literature “Research Cooperation Report on Micromachining Technology, February 1995, P37-P49: Japan Society for Precision Engineering” It is disclosed in the “Industry-University Joint Research Council”. According to this method, since the minute tool is formed in a state of being incorporated into the machining axis of the machining apparatus, a machining tool having a minute dimension of about several tens of μm can be obtained by avoiding the occurrence of axial misalignment when the machining tool is mounted. It has become possible.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the conventional microstructure manufacturing method by precision machining (2) above, it is difficult to improve the strength of the tool as the processing tool is miniaturized. There's a problem.
[0011]
Therefore, the object of the present invention is that it can be manufactured without causing damage to the processing tool, has a three-dimensional curved surface shape, is finer and more precise, and is easy to handle by preventing deformation, scratches, etc. in use. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for manufacturing a microstructure having an excellent structure.
[0013]
[ Means for Solving the Problems ]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a microstructure manufacturing method in which a microstructure is formed by performing a process such as cutting and polishing on a reactive curable material that is cured in accordance with a predetermined physical treatment. The semi-cured hardness of the reaction curable material is controlled by irradiating an integrated light amount corresponding to the strength of the processing tool, and the reaction curable material is processed in a semi-cured state by the processing tool to form a semi-cured microstructure. There is provided a method for manufacturing a microstructure, comprising forming a body and subjecting the semi-cured microstructure to a predetermined physical treatment to form a cured microstructure.
According to the above configuration, the processing tool can be prevented from being damaged by forming the semi-cured microstructure by processing in a semi-cured state of the reaction curable material. After processing, the semi-cured microstructure is subjected to a predetermined physical treatment to form a cured microstructure, thereby preventing deformation, scratches, and the like during use.
[0014]
In order to achieve the above object, the present invention provides a means for controlling the hardness of semi-curing in a reactive curable material by irradiating an integrated amount of light according to the strength of the processing tool, and the reactive curable material as the processing tool. A microstructure having processing means for forming a semi-cured microstructure by processing in a semi-cured state by means of, and curing means for curing the semi-cured microstructure to form a cured microstructure A manufacturing apparatus is provided.
According to the above configuration, the processing means processes the semi-cured state of the reactive curable material to form the semi-cured microstructure, and thus it is possible to prevent the processing tool from being damaged. After processing, the semi-cured microstructure is cured by a curing means to form a cured microstructure, thereby preventing deformation, scratches, etc. during use.
[0015]
In order to achieve the above object, the present invention controls the semi-cured hardness of the reactive curable material by irradiating an integrated light amount corresponding to the strength of the processing tool, and the reactive curable material is controlled by the processing tool. processed in a semi-cured state to form a semi-cured microstructure, wherein the semi-cured microstructure by performing predetermined physical treatment to form the hardened microstructure, complementary inner surface and said curing microstructure A mold having a shape is formed by an electroforming method, and a microstructure having the same structure as the cured microstructure is formed by injection molding, cast molding, press molding, or the like using the mold. A method for manufacturing a microstructure is provided.
According to the above configuration, after forming the cured microstructure, a mold having an inner shape complementary to the cured microstructure is formed by electroforming, and the cured microstructure is formed by molding using the mold. To form a microstructure having the same structure. Thereby, it is possible to mass-produce a finer and more precise microstructure having a three-dimensional curved surface shape.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a three-dimensional processing machine to which a manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention is applied.
This three-
[0017]
The
[0018]
The
[0019]
The second ultraviolet irradiation
[0020]
The
[0021]
The
[0022]
FIG. 2 is a side view of the Z-axis table 7.
A support member 71 that supports a
[0023]
FIG. 3 is a perspective view showing a main part of the fine
The fine
[0024]
The
[0025]
Next, a method for manufacturing a microstructure according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, a case where an acrylic ultraviolet curable resin that is cured by irradiation of ultraviolet rays is used as the reaction curable material constituting the
[0026]
FIG. 4 is a diagram showing the characteristics of the ultraviolet curable resin, and FIG. 4 (a) is a diagram showing the relationship between the integrated light amount irradiated to the ultraviolet curable resin and the hardness of the surface of the ultraviolet curable resin. FIG. (B) is a diagram showing the relationship between the integrated light amount irradiated to the resin and the curing shrinkage rate of the resin. In FIG. 4,
[0027]
(1) Production of the
[0028]
FIGS. 5A and 5B are schematic views for explaining a process of producing a single-edged micro end mill (6A) at the tip of the
The operator presses the fine tool production mode selection key of the
[0029]
That is, the
[0030]
Further, as shown in FIG. 5 (a), the
[0031]
When the tip of the
[0032]
(2) Fabrication of microstructure with
As shown in FIG. 5 (c), the operator places the
[0033]
Next, in order to fabricate the microstructure by processing the semi-cured ultraviolet
[0034]
That is, the
[0035]
6 and 7 are views showing an example of the microstructure manufactured in this way.
FIG. 6 is a perspective view of a main part showing a microstructure constituting an ink jet nozzle used in an ink jet printer. In this
[0036]
FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part of a microlens used for an optical waveguide. In this
[0037]
Further, as an example of the microstructure manufactured by the three-
[0038]
According to the manufacturing method of the microstructure according to the first embodiment described above, the microstructure is obtained by performing the three-dimensional movement control with respect to the
In addition, since the
Further, since the hardness of the
[0039]
Next, a method for manufacturing a microstructure according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 (a) to 8 (h).
First, as in the first embodiment, as shown in FIG. 8 (a), a semi-cured reaction curable material, for example, an ultraviolet
[0040]
According to the manufacturing method according to the second embodiment, it is possible to easily mass-produce a finer and more precise microstructure having a three-dimensional curved surface shape.
Even if the reactive curable material is a resin, a microstructure made of metal can be obtained.
[0041]
In addition to the above Ni, copper, iron, etc. can be used as the electroformed metal. In addition to the injection molding, the molding method may be cast molding, press molding, or the like. The injection molding is excellent in mass productivity, and the cast molding is excellent in high speed. Moreover, according to press molding, it becomes possible to form a microstructure in a necessary portion.
[0042]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Various embodiment is possible.
For example, in the above embodiment, the case where the
Further, in the above embodiment, the ultraviolet
Alternatively, the entire structure may be cured after the microstructure is completely formed in a semi-cured state.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, breakage of a processing tool can be prevented by processing a reaction curable material in a semi-cured state, that is, in a state having a low processing resistance to form a microstructure.
Therefore, a fine tool can be used, and by performing three-dimensional movement control on the fine tool, it is possible to manufacture a finer and more precise microstructure having a three-dimensional curved surface shape.
In addition, after processing, the reaction curable material is subjected to physical treatment so as to have necessary mechanical strength, so that deformation, scratches and the like are prevented during use, and the handling property is excellent.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural view showing a manufacturing apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a side view of a Z-axis table according to the present invention. FIG. 3 is a perspective view showing a main part of a fine tool manufacturing apparatus according to the present invention. FIG. 6 is a diagram showing the characteristics of an acrylic UV curable resin constituting the workpiece according to the present invention, in which (a) shows the relationship between the integrated light quantity and the hardness, and (b) shows the integrated light quantity. FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 5 (a) and 5 (b) show a single blade at the tip of a processing tool. FIG. 6C is a schematic diagram for explaining a process for producing a micro end mill, and FIGS. 6C and 6D are diagrams showing a process for producing a microstructure from a workpiece. FIG. 6 is a first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a perspective view of a main part showing a microstructure obtained by the manufacturing method according to the embodiment. FIG. 7 shows a microstructure obtained by the manufacturing method according to the first embodiment of the invention. Cross-sectional view showing the forming
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記反応硬化性材料における半硬化の硬度を、加工工具の強度に応じた積算光量を照射して制御し、前記反応硬化性材料を前記加工工具により半硬化状態で加工して半硬化微小構造体を形成し、前記半硬化微小構造体に所定の物理的処理を施して硬化微小構造体を形成することを特徴とする微小構造体の製造方法。In a manufacturing method of a microstructure that forms a microstructure by performing processing such as cutting and polishing on a reaction curable material that is cured according to a predetermined physical treatment,
The semi-cured hardness in the reaction curable material is controlled by irradiating an integrated light amount corresponding to the strength of the processing tool, and the reaction curable material is processed in a semi-cured state by the processing tool. And forming a cured microstructure by applying a predetermined physical treatment to the semi-cured microstructure.
前記微小構造体のサイズに応じた微細工具を準備し、前記反応硬化性材料における半硬化の硬度を、前記微細工具の強度に応じた積算光量を照射して制御し、前記微細工具により前記反応硬化性材料を半硬化状態で加工して半硬化微小構造体を形成し、前記半硬化微小構造体に所定の物理的処理を施して硬化微小構造体を形成することを特徴とする微小構造体の製造方法。In a manufacturing method of a microstructure that forms a microstructure by performing processing such as cutting and polishing on a reaction curable material that is cured according to a predetermined physical treatment,
A fine tool corresponding to the size of the microstructure is prepared, and the semi-cured hardness of the reaction curable material is controlled by irradiating an integrated light amount according to the strength of the fine tool, and the reaction is performed by the fine tool. A micro structure characterized in that a semi-cured microstructure is formed by processing a curable material in a semi-cured state, and a predetermined physical treatment is applied to the semi-cured microstructure to form a cured microstructure. Manufacturing method.
反応硬化性材料を前記加工工具により半硬化状態で加工して半硬化微小構造体を形成する加工手段と、
前記半硬化微小構造体を硬化して硬化微小構造体を形成する硬化手段とを有することを特徴とする微小構造体の製造装置。 Means for controlling the hardness of semi-curing in the reaction curable material by irradiating an integrated light amount according to the strength of the processing tool;
Processing means for processing a reaction curable material in a semi-cured state by the processing tool to form a semi-cured microstructure;
A manufacturing apparatus for a microstructure, comprising: a curing unit that cures the semi-cured microstructure to form a cured microstructure.
反応硬化性材料における半硬化の硬度を、前記微細工具の強度に応じた積算光量を照射して制御する手段と、
前記微細工具により反応硬化性材料を半硬化状態で加工して半硬化微小構造体を形成する加工手段と、
前記半硬化微小構造体を硬化して硬化微小構造体を形成する硬化手段とを有することを特徴とする微小構造体の製造装置。Tool production means for producing a fine tool;
Means for controlling the hardness of semi-curing in the reaction curable material by irradiating an integrated light amount according to the strength of the fine tool;
Processing means for processing the reaction curable material in a semi-cured state by the fine tool to form a semi-cured microstructure,
A manufacturing apparatus for a microstructure, comprising: a curing unit that cures the semi-cured microstructure to form a cured microstructure.
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