JPH10202757A

JPH10202757A - 微小構造体、およびその製造方法および装置

Info

Publication number: JPH10202757A
Application number: JP9010907A
Authority: JP
Inventors: Shunei Tanaka; 俊英田中; Shinichi Kawamata; 進一川俣
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 1998-08-04

Abstract

(57)【要約】【課題】加工工具の破損を招くことなく製造すること
ができ、平滑な曲面を持つ三次元立体形状を有し、より
微小かつ精密であり、使用に際し変形，破損，傷等の発
生を防止して取扱性に優れた微小構造体を提供する。【解決手段】被加工材４を構成する紫外線硬化樹脂に
半硬化状態となるよう紫外線を照射することにより、紫
外線硬化樹脂は加工抵抗の少ない状態となり、この加工
抵抗の少ない状態で加工して微小構造化することで、加
工工具の破損防止が可能となる。従って、微細工具を用
いることができるので、その微細工具の位置を連続的に
三次元制御を行うことで、平滑な曲面を持つ三次元立体
形状を有し、より微細かつ精密な微少構造体を製造する
ことが可能となる。加工後は、必要な機械的強度を備え
る硬化状態となるよう第２の紫外線照射光源９から紫外
線硬化樹脂に紫外線を照射することで、使用に際し変
形，破損，傷等の発生が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、マイクロ
レンズやマイクロミラー等の微小光学部品、インクジェ
ットプリンタのノズルやマイクロマシン部品等の超精密
機械部品等の微小構造体、およびその製造方法および装
置に関し、特に、平滑な曲面を持つ三次元立体形状を有
し、より微細かつ精密な微小構造体、およびその製造方
法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種製品の超小型化、精密化、超
高性能化が盛んに進められており、例えば、数ミクロン
から数十ミクロン程度の寸法に微小化、微細化された構
造体（以下「微小構造体」という。）の製造要求が増し
てきている。例えば、微小光学部品としてマイクロレン
ズやマイクロミラー、超精密機械部品としてインクジェ
ットプリンタのノズル等が微小構造体として求められて
いる。

【０００３】従来、これらの微小構造体を製造する方法
としては、以下の方法が知られている。 (1) 精密機械加工による除去加工 (2) 総形ダイヤモンドバイトによる除去加工 (3) エネルギービームによる除去加工 (4) 電気的、化学的または電気化学的なプロセスによる
除去加工 (5) 物理的または化学的析出による付加加工

【０００４】上記(1) の精密機械加工による除去加工に
は、例えば、特開平６−３２０５５０号公報に示されて
いるものがある。この製造方法は、精密機械加工等によ
り型形状の構造体を製造し、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。

【０００５】上記(2) の総形ダイヤモンドバイトによる
除去加工には、例えば、特開平２−２０５４０１号公報
に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
構造体を切削加工するものである。

【０００６】上記(3) のエネルギービームによる除去加
工には、例えば、特開平１−２６１６０１号公報に示さ
れているものがある。この製造方法は、基板上に塗布さ
れたレジスト膜に強度調整した電子ビームを照射して微
小構造体を製造するものである。

【０００７】上記(4) の電気的、化学的または電気化学
的なプロセスによる除去加工には、例えば、精密工学会
誌Vol.61.No.10の1369ページから1372ページに示されて
いる、マイクロ放電加工による形状創成がある。この製
造方法は、微細な電極による放電加工で微小構造体を製
造するものである。また、例えば、精密工学会誌Vol.6
1.No.10の1373ページから1376ページに示されている、
エッチングによる微細な三次元構造体の加工がある。こ
の製造方法は、フォトリソグラフィを利用して被加工物
に微細なマスクパターンを形成し、露出部分をエッチン
グにより除去加工して微小構造体を製造するものであ
る。

【０００８】上記(5) の物理的または化学的析出による
付加加工には、例えば、特開平７−３２９１８８号公報
に示されている、光造形法による方法がある。この製造
方法は、液状の光硬化樹脂にレーザービームを照射して
形成される薄膜を順次積層して微小構造体を製造するも
のである。

【０００９】上記(1) の方法は、曲面を有する三次元立
体形状の構造体に適し、上記(2) の方法は、精密な面を
有する構造体に適し、上記(3) の方法は二次元の形状精
度が求められる微細な構造体に適し、上記(4) の方法
は、高硬度材料の構造体に適し、上記(5) の方法は、複
雑な形状の構造体に適している。しかし、上記(2) の方
法では、ダイヤモンドの硬さゆえに形状加工が極めて難
しいため、ダイヤモンドバイトの形状自由度に限界があ
り、複雑で微細な形状の加工が困難である。上記(3) の
方法は、加工可能な厚さに限界があり、また、厚さ方向
の形状自由度も小さい。上記(4) の方法において、放電
加工は加工中の工具消耗による工具形状崩れや工具対被
加工物間距離の変動により微細形状や高精度加工が難し
い。また、エッチングによる加工は、マスクの下部まで
エッチング除去が進むサイドエッチングの発生や厚さ方
向の形状自由度も小さいことから複雑で微細な形状の加
工が困難である。上記(5) の方法は、積層した層間に段
差が発生するため、平滑な曲面が得られない。これらに
対し、上記(1) の方法は、加工工具の位置を連続的に三
次元制御して被加工物を加工するので、平滑な曲面を持
つ三次元立体形状の加工に最も適していると考えられ
る。

【００１０】一方、平滑な曲面を持ち、微細かつ精密な
三次元立体形状の微小構造体を精密機械加工によって製
造するには、加工装置主軸心と工具軸心の一致、および
高精度で微細な工具が必要とされる。加工装置主軸心と
工具軸心の一致した高精度で微小な工具の製造技術につ
いては、「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，３７ページから４
９ページ：（社）精密工学会産学共同研究協議会」に示
されている、ワイヤ放電加工法によるものがある。この
方法は、工具素材を形状加工装置主軸に予め取り付けら
れた状態で微細で高精度な工具を加工するものであり、
軸心ずれのない外径数ミクロン程度までの微細工具の形
成が可能である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記(1) 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、工具を
用いて接触加工を行う機械加工であるので、切削抵抗に
抗する工具強度が必要である。しかし、微細化とともに
工具強度が低下するので、加工可能な最小工具径に限界
があり、その限界を越える程の微細な工具は加工中に破
損が起こるため、微小構造の加工が不可能となる問題が
ある。

【００１２】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、平滑な曲面を持つ
三次元立体形状を有し、より微細かつ精密であり、使用
に際し変形，破損，傷等の発生を防止して取扱性に優れ
た微小構造体、およびそ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】本発明は、上記目的を達
成するため、反応硬化性材料によって形成された微少構
造体において、要求される形状精度あるいは寸法精度に
応じて前記反応硬化性材料の半硬化状態の硬度を選択し
て加工され、加工後の硬化によって所定の形状，寸法，
物性を得た三次元立体形状を有する微小構造部を備えた
ことを特徴とする微小構造体を提供する。上記構成によ
れば、反応硬化性材料の半硬化状態、すなわち硬度の低
い、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、加工工具の破損防止が可能となる。従って、微細
工具を用いることができるので、その微細工具の位置を
連続的に三次元制御を行うことで、平滑な曲面を持つ三
次元立体形状を有し、より微細かつ精密な所定の形状，
寸法，物性を得た微小構造部を備えた微小構造体を製造
することが可能となる。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を硬化させることで、使用に
際し変形，破損，傷等の発生が防止される。

【００１４】また、本発明は、上記目的を達成するた
め、所定の硬化処理に応じて硬化する反応硬化性材料に
切削，研削，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、要求される形状精度
あるいは寸法精度に応じて前記反応硬化性材料の半硬化
状態の硬度を選択し、選択された前記硬度において前記
反応硬化性材料を加工して三次元立体形状を有する半硬
化微小構造体を形成し、前記半硬化微小構造体に所定の
硬化処理を施して三次元立体形状を有する硬化微小構造
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
状態で加工して三次元立体形状を有する半硬化微小構造
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硬化処理を施
して三次元立体形状を有する硬化微小構造体を形成する
ことで、使用に際し変形，破損，傷等の発生が防止され
る。

【００１５】また、本発明は、上記目的を達成するた
め、所定の硬化処理に応じて硬化する反応硬化性材料に
切削，研削，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、前記微小構造体の形
状、あるいは寸法に応じた形状、あるいは寸法に仕上げ
られたエンドミル，ドリル，バイト等の微細工具を準備
し、要求される形状精度あるいは寸法精度に応じて前記
反応硬化性材料の半硬化状態の硬度を選択し、選択され
た前記硬度において前記微細工具を用いた機械加工によ
り前記反応硬化性材料を加工して三次元立体形状を有す
る半硬化微小構造体を形成し、前記半硬化微小構造体に
所定の硬化処理を施して三次元立体形状を有する硬化微
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。

【００１６】また、本発明は、上記目的を達成するた
め、要求される形状精度あるいは寸法精度に応じて反応
硬化性材料の半硬化状態の硬度を選択し、選択された前
記硬度において前記反応硬化性材料を加工して三次元立
体形状を有する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硬化処理を施して三次元立体形状を
有する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。

【００１７】また、本発明は、上記目的を達成するた
め、要求される形状精度あるいは寸法精度に応じて反応
硬化性材料の半硬化状態の硬度を選択する選択手段と、
選択された前記硬度において前記反応硬化性材料を加工
して三次元立体形状を有する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三次元
立体形状を有する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三次元立体形状を有する半硬化
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
を硬化して三次元立体形状を有する硬化微小構造体を形
成することで、使用に際し変形，破損，傷等の発生が防
止される。

【００１８】

【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および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をスポットで照射す
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１
０の操作に基づいて制御する制御部１１とを具備してい
る。

【００１９】被加工材４は、所定の硬化処理に応じて硬
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
化する光反応硬化性樹脂や、加熱によって硬化する加熱
硬化性樹脂、さらに光照射や熱以外の加湿，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光反応硬化
性樹脂としては、ウレタン樹脂，アクリル樹脂，エポキ
シ樹脂等があり、加熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹
脂，フェノール樹脂等があり、主剤と硬化剤の混合に応
じて硬化する反応硬化性樹脂としては、ポリウレタン樹
脂，ポリイミド樹脂等がある。

【００２０】加工工具６は、例えば、外径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。

【００２１】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をスポットで照射す
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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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７０００ｒｐ
ｍ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７５
Ａ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７
５Ａ，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。

【００２５】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（Ｗｉｒ
ｅＥｌｅｃｔｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅＧｒｉｎｄｉ
ｎｇ，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。ワイヤ電極８１は、例え
ば、電極消耗の少ないタングステン，超硬合金等の耐熱
性を有する直径数十〜１００μｍ程度の材料からなる。

【００２６】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紫外線硬
化型樹脂を用いた場合について説明する。

【００２７】図４はアクリル系紫外線硬化型樹脂の特性
を示す図であり、同図(a) は照射紫外線積算光量とアク
リル系紫外線硬化型樹脂の表面の硬度の関係を示す図で
あり、同図(b) は照射紫外線積算光量とアクリル系紫外
線硬化型樹脂の硬化収縮率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、１〜３Ｊ／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、３Ｊ／ｃｍ²以上）を示し
ている。

【００２８】(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、複数の刃を持つマイクロエンドミルを作製する。

【００２９】図５(a),(b) は加工工具６の先端部に複数
の刃を持つ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。

【００３０】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７
６，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７
２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。

【００３１】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、例えば外径２０μｍまで細くする。

【００３２】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
って加工工具６の先端部に微細工具６Ａとして外径２０
μｍで複数の刃を持つマイクロエンドミルを作製する。

【００３３】(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４
Ａ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
１．５Ｊ／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。

【００３４】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。

【００３５】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１．５Ｊ
／ｃｍ²となる紫外線９Ａをスポッで順々に照射（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１．５Ｊ／ｃｍ²との合計の積算
光量（３Ｊ／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、三次元立体形状を有し、微細かつ精密な微小構
造体を完成させる。なお、表面に光学鏡面（平滑な曲面
を含む）が必要なものには、完全に硬化した硬化微小構
造体になった後に、研磨加工を施して完成させる。

【００３６】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は微小光学素子を
示す要部斜視図である。この微小光学素子５０は、平板
部５１の一方の面５１ａに直径２０μｍ、高さ１０μｍ
の光学鏡面を有するマイクロレンズ５２を４０μｍのピ
ッチでアレイ状に配列したものである。

【００３７】図７はインクジェットプリンタのインク吐
出部を示す要部斜視図である。このインク吐出部６０
は、平板部６１に溝幅３０μｍ、溝深さ１５μｍを有す
るノズル６２を５０μｍピッチで配列し、ノズル６２の
溝内には高さ５μｍの平滑な曲面からなる突起部６３を
形成している。

【００３８】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２０μｍ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。

【００３９】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。

【００４０】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３〜１０ｍｍ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，注型成形等の成形手段により、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。

【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】このような第２の実施の形態に係る製造方
法によれば、平滑な曲面を持つ三次元立体形状を有し、
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。例えば、図６
に示す微小光学素子５０を用いて上記電鋳法により金型
を作製し、その金型に射出成形法でポリカーボネート樹
脂を注入・充填させ、冷却固化後に金型から固化したも
のを取り出すことによって、短時間で大量の微小光学素
子を製造することができる。

【００４３】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。

【００４４】

【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、すなわち硬度の低い、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、その微細工具の位置を連続的に
三次元制御を行って被加工物を加工することで、平滑な
曲面を持ち三次元立体形状を有し、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を硬
化させることで、使用に際し変形，破損，傷等の発生を
防止でき、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５ＸＹ軸テーブル５ａＸ軸テーブル５ｂＹ軸テーブル６加工工具６Ａ微細工具７Ｚ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５０微小光学素子５１平板部５１ａ平板部の一方の面５２マイクロレンズ６０インク吐出部６１平板部６２ノズル６３突起部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１０３Ｎｉ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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応硬化性材料によって形成された微少構
造体において、要求される形状精度あるいは寸法精度に応じて前記反応
硬化性材料の半硬化状態の硬度を選択して加工され、加
工後の硬化によって所定の形状，寸法，物性を得た三次
元立体形状を有する微小構造部を備えたことを特徴とす
る微小構造体。
【請求項２】前記微小構造部は、平滑な曲面を有する構
成の請求項１記載の微小構造体。
【請求項３】所定の硬化処理に応じて硬化する反応硬化
性材料に切削，研削，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、要求される形状精度あるいは寸法精度に応じて前記反応
硬化性材料の半硬化状態の硬度を選択し、選択された前
記硬度において前記反応硬化性材料を加工して三次元立
体形状を有する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硬化処理を施して三次元
立体形状を有する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。
【請求項４】前記半硬化微小構造体の形成は、前記反応
硬化性材料を加工する加工工具が形状崩れを起こさず、
かつ、前記加工工具の受ける抵抗力を最小とする前記硬
度を選択して行う構成の請求項３記載の微小構造体の製
造方法。
【請求項５】所定の硬化処理に応じて硬化する反応硬化
性材料に切削，研削，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、前記微小構造体の形状、あるいは寸法に応じた形状、あ
るいは寸法に仕上げられたエンドミル，ドリル，バイト
等の微細工具を準備し、要求される形状精度あるいは寸法精度に応じて前記反応
硬化性材料の半硬化状態の硬度を選択し、選択された前
記硬度において前記微細工具を用いた機械加工により前
記反応硬化性材料を加工して三次元立体形状を有する半
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硬化処理を施して三次元
立体形状を有する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。
【請求項６】前記半硬化微小構造体の形成は、所定の寸
法より小なる前記微細工具を用いるときは、前記半硬化
状態の前段で加工を行い、形状精度、あるいは寸法精度
の高い前記硬化微小構造体を得るときは、前記半硬化状
態の後段で加工を行う構成の請求項５記載の微小構造体
の製造方法。
【請求項７】前記微細工具の準備は、ワイヤ放電研削法
によって行われる請求項５記載の微小構造体の製造方
法。
【請求項８】前記所定の硬化処理は、光照射，加熱，加
湿およびプライマ硬化のうち少なくとも１つの処理であ
る請求項３又は５記載の微小構造体の製造方法。
【請求項９】要求される形状精度あるいは寸法精度に応
じて反応硬化性材料の半硬化状態の硬度を選択し、選択
された前記硬度において前記反応硬化性材料を加工して
三次元立体形状を有する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硬化処理を施して三次元
立体形状を有する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。
【請求項１０】前記半硬化微小構造体および前記硬化微
小構造体の形成は、平滑な曲面を有する前記半硬化微小
構造体および前記硬化微小構造体を形成する構成の請求
項３，５又は９記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１１】要求される形状精度あるいは寸法精度に
応じて反応硬化性材料の半硬化状態の硬度を選択する選
択手段と、選択された前記硬度において前記反応硬化性材料を加工
して三次元立体形状を有する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三次元立体形状を有す
る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。
【請求項１２】エンドミル，ドリル，バイト等の微細工
具を作製する工具作製手段と、要求される形状精度あるいは寸法精度に応じて反応硬化
性材料の半硬化状態の硬度を選択する選択手段と、選択された前記硬度において前記微細工具により前記反
応硬化性材料を加工して三次元立体形状を有する半硬化
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三次元立体形状を有す
る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。
【請求項１３】前記加工手段および前記硬化手段は、そ
れぞれ平滑な曲面を有する前記半硬化微小構造体および
前記硬化微小構造体を形成する構成の請求項１１又は１
２記載の微小構造体の製造装置。
【請求項１４】前記硬化手段は、光照射，加熱，加湿お
よびプライマ硬化のうち少なくとも１つの処理を前記半
硬化微小構造体に施すことによって硬化させる請求項１
１又は１２記載の微小構造体の製造装置。
【請求項１５】前記工具作製手段は、ワイヤ放電研削法
によって前記微細工具を作製する請求項１２記載の微小
構造体の製造装置。