(57)【要約】【課題】本発明の課題は、光量を増加させると、面分解能が低下してしまうという問題を回避しながら速い走査を実現すること、また、そのために開口数や倍率の異なる対物レンズ交換を行おうとする際に、フォーカスや位置がずれ、樹脂中の造形物を見失ってしまうという問題を回避することにある。【解決手段】薄く小さな領域を硬化させる場合には対物レンズ１４の開口数を大きくとって微小スポットを形成し、逆に厚い領域を硬化させる場合には開口数を小さくし光強度を上げることにより、面内方向をしぼりつつ厚さ方向の硬化領域を増すようにして、光硬化樹脂１６の硬化層の厚みをその状況に応じて変化させるものである。【選択図】    図２
2004314406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄く小さな領域を硬化させる場合には対物レンズの開口数を大きくとって微小造形スポットを形成し、逆に厚い領域を硬化させる場合には開口数を小さくすると共に光強度を上げることにより面方向にしぼりつつ厚さ方向の造形スポット領域を増すようにして、樹脂の硬化層の厚みをその状況に応じて変化させることで面分解能を落とさずに厚い樹脂硬化を実現させることを特徴とする層厚可変のマイクロ光造形方法。
【請求項２】
薄く小さな領域を硬化させる場合には光強度を押さえ高倍率の対物レンズ用いて微小造形スポットを形成し、逆に厚い領域を硬化させる場合には低倍率の対物レンズ用いると共に光強度を上げることにより面内方向をしぼりつつ厚さ方向の硬化領域を増すようにして、樹脂の硬化層の厚みをその状況に応じて変化させることで面分解能を落とさずに厚い樹脂硬化を実現させることを特徴とする層厚可変のマイクロ光造形方法。
【請求項３】
レーザ光源からのレーザの光強度を調整する手段と、対物レンズへの入射光の開口度を調整する可変絞りと、被加工物の形状に対応させて前記２つの調整手段への調整量を出力するコントローラとを備え、レーザの光強度と対物レンズへの入射光の開口度を一括して変化させることを特徴とする層厚可変型マイクロ光造形装置。
【請求項４】
倍率、開口数および焦点深度を変更するため準備した各種の対物レンズを、あらかじめ切り替え機構の各位置に取り付け、前記対物レンズ切り替えた時、光軸位置および／または焦点位置が同じとなるように調整してシステムに取り付けたことを特徴とする層厚可変型マイクロ光造形装置。
【請求項５】
積層法によって光造形を行う際に、厚み方向に連続する構造部分を形成するときは１回の樹脂層の厚みを大きくすると共に開口数を絞ると共に光強度を増加させて樹脂硬化を行わせることで面分解能を落とさずに厚い樹脂硬化を実現させることを特徴とする層厚可変のマイクロ光造形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光硬化樹脂にレーザビームを照射して樹脂内部の硬化を起こさせる焦点走査型のマイクロ光造形装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】光造形の手法には光硬化樹脂の薄膜を順次積層させながら、立体構造を下から上へ形成する所謂積層法がよく知られている。この従来の光造形法とは全く造形原理が異なる光造形の手法として、内部硬化型マイクロ光造形法と呼ばれる光造形の手法が開発されている。その１つはヘリウムカドミウムレーザ等を用いた焦点走査型のマイクロ光造形法と呼ばれるものである。この方式は、光硬化樹脂の内部にレーザー光を集光させ、集光点を３次元的に走査せることで、積層することなく立体構造を形成するものである。このようにして光造形を行うものであるため、奥行き方向の加工分解能が積層厚さに制限されることがなく、光の回折限界に迫る加工分解能を達成できる長所がある。また、これとは別に２光子造形法という技術もある。この２光子造形法は、光硬化性樹脂の内部で３次元造形法を行うものである点で、先に述べた「焦点走査型のマイクロ光造形法」と同じであるが、硬化原理を全く異にする。本手法では、「２光子吸収」と呼ばれる非線形光学現象すなわち、２つのフォトンを同時に吸収することによって、照射させた光の２倍のエネルギーに相当する吸収が生じる現象を利用して光硬化性樹脂を硬化させるものである。
【０００３】
特許文献１には積層法の短所である硬化層の剥離の問題を解消でき、しかも、加工分解能をさらに向上できる光造形加工法、該加工法を用いた可動装置および光造形加工装置を提供することを目的とした焦点走査型のマイクロ光造形法が開示されている。図７に液状の光硬化性樹脂ｈに光を照射して、該光硬化性樹脂ｈを所望の形状に硬化させる光造形加工法を用いた光造形加工装置を示す。この装置はレーザ発振器ａと、レーザ発振器ａから出射されたレーザビームＬを集光するためのレンズｇと、レンズｇで集光されたレーザビームＬが照射される液状の光硬化性樹脂ｈを載置するステージｉと、レーザ発振器ａとレンズｇとの間に配置され、レーザ発振器ａから出射されたレーザビームＬのビーム幅を拡げることにより、レンズで集光されるレーザビームの焦点Ｆの部分のみが光硬化性樹脂ｈの硬化に必要なエネルギー強度を有するようにするためのビームエキスパンダｅとを設けた構成が示されている。このような構成を採ることによりビームの焦点部分のみが光硬化性樹脂の硬化に必要なエネルギー強度を有するようにしたので、光硬化性樹脂の内部でビームの焦点部分のみを硬化させることが可能になり、これにより、硬化層の剥離の問題を解消でき、加工分解能を一層向上できるとともに、粘性の高い材料を使うことができる。
また、特許文献２には近赤外パルスレーザ光源からの光をミラースキャナーを通した後、レンズを用いて光硬化性樹脂中に集光させ、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した２光子マイクロ光造形方法が提示されている。
【０００４】
ところで上記した焦点走査型のマイクロ光造形によって、構造物全体を線密な描画を行って構造物を作成しようとすると、微細な焦点部分の光硬化を重ねて順次形成するという造形原理上その作業に長時間を要してしまう。また、光造形時にはビームを硬化樹脂内で走査させているので、硬化に伴う樹脂の収縮や膨張の影響や液状樹脂の揺らぎによって造形構造が崩れる可能性がある。その理由から、走査はなるべく速く行ったほうが望ましいし、加えて、生産ライン時の場合も走査が速くできたほうが効率化が図れることになって好ましい。しかし、走査を速く行うために光強度を増加させると、ビームウエスト周辺のスポットのみの硬化にとどまらず、開口数にあわせた広がりをもって入射方向に硬化してしまうため、面分解能が低下してしまうという問題が生じることがある。
また、造形速度を改善するため用途に合わせて開口数や倍率の異なる対物レンズを用いようとした場合、レンズ交換の作業ごとにフォーカスや位置がずれ、樹脂中の造形物を見失ってしまうという問題が生じる。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１７０３７７号公報「光造形加工法、該加工法を用いた可動装置および光造形加工装置」平成１１年６月２９日公開
段落番号［００３４］乃至［００３６］、［００６１］  図１
【特許文献２】２００１−１５８０５０号公報「２光子マイクロ光造形方法およびその装置、２光子マイクロ光造形法によって形成した部品および可動機構」平成１３年６月１２日公開
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記の問題を解決すること、すなわち、光量を増加させると、面分解能が低下してしまうという問題を回避しながら速い走査を実現すること、また、そのために開口数や倍率の異なる対物レンズ交換を行おうとする際に、フォーカスや位置がずれ、樹脂中の造形物を見失ってしまうという問題を回避することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の層厚可変のマイクロ光造形方法は、面分解能を落とさずに厚い樹脂硬化を実現させるため、薄く小さな領域を硬化させる場合には対物レンズの開口数を大きくとって微小スポット（樹脂内での硬化領域をスポットと定義する。）を形成し、逆に厚い領域を硬化させる場合には開口数を小さくすると共に光強度を上げることにより、あるいは薄く小さな領域を硬化させる場合には光強度を押さえると共に高倍率の対物レンズ用いて微小造形スポットを形成し、逆に厚い領域を硬化させる場合には低倍率の対物レンズ用いると共に光強度を上げることにより面内方向をしぼりつつ厚さ方向の硬化領域を増すようにして、樹脂の硬化層の厚みをその状況に応じて変化させるものである。
また、本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置は、被加工物の形状に対応させた加工を容易に実行できるように、レーザ光源からのレーザの光強度を調整する手段と、対物レンズへの入射光の開口度を調整する可変絞りと、被加工物の形状に対応させて前記２つの調整手段への調整量を出力するコントローラとを備え、レーザの光強度と対物レンズへの入射光の開口度を一括して変化させる。
また、本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置は、倍率、開口数および焦点深度を変更するため準備した複数の対物レンズを交換することによって、フォーカスや位置がずれ、樹脂中の造形物を見失ってしまうという問題を回避させるため、複数の対物レンズをリボルバ機構に焦点位置が同じとなるように配置してシステムに取り付けるようにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
【０００９】本発明に係る層厚可変型マイクロ光造形装置の全体構成を図１を参照しながら説明する。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は本発明で重要な役割を果たす光量調整手段で音響光学変調器（ＡＯモジュレータ）やニュトラルデンシティフィルタ（ＮＤフィルタ）が用いられ、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は本発明で重要な役割を果たす可変絞り、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１８はガラス基板を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からのレーザ光は光量調整手段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。本発明ではレンズ１０による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、可変絞り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、光硬化させる部分はＣＡＤ情報から得られたパターン該当領域であるが、この三次元位置情報に基き前記ＸＹＺ移動機構１８のＺ駆動と前記ガルバノミラー８，９が走査されレーザスポットがパターン形状をなぞって光造形する。また跳びパターンなどの場合にはスポット移動の間シャッタ２がレーザ光を遮断する。
【００１０】
上記の光造形装置を用いてレーザ光を照射したとき、樹脂層内部に焦点を結び樹脂硬化の現象を引き起こす造形スポットについて、図２を参照して説明する。図の（ａ）に示すように可変絞り１３（図１参照）の開口数に応じた幅で対物レンズ１４に入射された平行光線は該対物レンズ１４の焦点位置に集光される。樹脂硬化の現象を引き起こすための条件は光強度であるから、光量調整手段３（図１参照）から出射されるレーザの光強度と可変絞り１３の開口数で決まる対物レンズ１４の入射光の径、そして該対物レンズ１４の焦点距離がそれを決める要素となる。高開口数でレーザ照射を行ったとき樹脂硬化が起こる造形スポットは図の（ｂ）に示されるように焦点位置近傍の平面方向にも深さ方向にもビームウエストオーダの寸法領域である。同じ開口数同じ対物レンズを用いた状態で光量調整手段３を調整して光強度を上げて照射を行うと、樹脂硬化を起こす光量レベルの領域すなわち、造形スポットが焦点位置から広がって図の（ｃ）に示されるように面方向にも高さ方向にも大きくなる。これによって微細な形状形成はできなくなり、分解能が低下することとなる。次に同じ対物レンズを用い、光量調整手段３の調整量は（ｃ）の状態と同じにし可変絞り１３の開口数を下げて照射を行うと、対物レンズ１４への入射光量が開口数に応じて少なくなると共に焦点深度が深くなる。したがって、図の（ｄ）に示されるように樹脂硬化を起こす光量レベルの領域すなわち、造形スポットが図の（ｃ）のときより面方向には狭められ、高さ方向には若干小さくなる。更にこの状態で光量調整手段３を調整して光強度を上げて照射を行うと、樹脂硬化を起こす光量レベルの領域すなわち、造形スポットは焦点深度が深くされているため図の（ｅ）に示されるよう面方向にはあまり広がらず、高さ方向に大きくなる。
【００１１】
本発明は可変絞り１３を調整して開口数を下げた状態で光量調整手段３を調整して光強度を上げることにより、造形スポットの面方向への広がりを少なくし、高さ方向にだけ広げることができるとの知見から、面分解能を落とさずに１回の走査で厚く樹脂を硬化させることができることに想到した。この形成方法は面方向には微細な変形を有するが深さ方向には単純な連続構造を持つ構造体を光造形するには形成時間短縮に極めて有利である。以上の知見を総合すると、焦点走査型のマイクロ光造形法において、加工時間を短縮し効率よく作製するためには、薄く小さな領域（この表現は本明細書においては平面方向にも深さ方向にもビームウエストオーダの寸法領域を意味する。）を硬化させる場合には対物レンズの開口数を大きくとって微小スポットを形成し、逆に厚い領域（この表現は本明細書においては深さ方向にビームウエストを遙かに越える寸法領域を意味する。）を硬化させる場合には開口数を小さくし光強度を上げるように樹脂の硬化層の厚みを状況に応じて変化させることが有利であるといえる。
【００１２】
上記の層厚可変のマイクロ光造形方法を実行する層厚可変型マイクロ光造形装置のブロック図を図３に示す。造形物の形状情報が例えばＣＡＤ情報としてコンピュータに蓄積または外部入力される。この形状情報を受けたコントローラはその形状内容により、如何なる造形スポットを光硬化樹脂内に結ばせるのが最適であるかを判定して出力する。すなわち、記憶部に蓄積されている造形スポットの形状に対応するレンズ倍率、開口数、光強度のテーブル情報に基づいて最適データを読み出し、その値を光量調整手段３と可変絞り１３の開口数を調整する絞り開口調整手段に送るとともに、その造形を行う位置情報をガルバノメータ８，９の駆動手段とＸＹＺ移動機構１８のＺ移動機構に送信する。図中波線で囲んだＣＡＤ情報とテーブル情報を蓄積した記憶手段とコントローラの構成はコンピュータで対応できる。この情報を受けたガルバノメータ８，９の駆動手段はＸ方向Ｙ方向二次元走査を行い、Ｚ移動機構は受信した情報に従ってＺ方向位置を決める。その際の造形スポットは開口数と光強度が最適量に調整される。本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置はレーザ光強度と対物レンズへの入射光の開口度を一括して変化させる。
【００１３】
また、本発明は焦点走査型のマイクロ光造形法において、加工時間を短縮し効率よく作製することを課題として出発したものであるが、面分解能を落とさずに１回の走査で厚く樹脂を硬化させることができる現象は従来の積層法にも応用できる。すなわち、積層法は上記した焦点走査型のマイクロ光造形法のように造形物の寸法を超える厚さの光硬化性樹脂の層をガラス基板とカバーガラス間に介在させて形成するのではなく、図４に示すようにアームに取り付けられた刷毛２１もしくは平坦なへらで光硬化性樹脂１６の薄い層を塗布すると共に表面を平坦化し、そこにレーザスポットを照射させて造形部分の樹脂を硬化させ、更に次のステップで光硬化性樹脂の薄い層を塗布すると共に表面を平坦化し、そこにレーザスポットを照射させて造形部分の樹脂を硬化させて順次積層形成してゆくものである。したがって、その造形物の分解能は面方向にはビーム照射による造形スポットの面積であり、深さ方向には積層塗布する光硬化性樹脂１６の層の厚さということになる。したがって、もし、深さ方向の構造に連続して変化のない部分があれば、その部分を形成する際の塗布する光硬化性樹脂１６の層の厚さは厚くても分解能を低下させることはない。この考えに基づいて、本発明は積層法においても可変絞り１３を調整して開口数を下げた状態で光量調整手段３を調整して光強度を上げることにより、造形スポットの面方向への広がりを少なくし、高さ方向にだけ広げることで、効率的な光造形を提示する。
【００１４】
次に、対物レンズの倍率を変えた場合の造形スポットについて検証する。図５に示すように同じ開口数で対物レンズ１４に入射された平行光線はその対物レンズの倍率の対応して焦点位置を異にする。低倍率の場合はＡに示されるように光束は緩く絞られて焦点距離が長くなる。逆に高倍率の場合はＣに示されるように光束はきつく絞られて焦点距離が短くなり、中倍率ではＢに示されるようにその中間をとる。このことから、高倍率のレンズを用いて光強度を増加した場合、造形スポットは面方向に広くなり面分解能を低下させることは容易に理解されよう。これに対して低倍率のレンズを用いて光強度を増加した場合は、光の収束角が鋭角であるため造形スポットは面方向にはあまり広がらず、深さ方向に広がって高アスペクト比となる。この現象を利用して、本発明では面方向だけでなく深さ方向にも微細な構造変化の光造形には高倍率の対物レンズ１４を用い光強度を押さえたビーム照射で図のＤに示したように微小造形スポットを用い、深さ方向には変化のない連続した構造の光造形には低倍率の対物レンズ１４を用い光強度を増したビーム照射で図のＥに示したように高アスペクト比の造形スポットを用いることで効率的な光造形を実現することを提示する。
このように開口数を変えなくても対物レンズの倍率を変えることでも高アスペクト比の造形スポットを実現できるし、絞りを変化させる開口数調整と組み合わせてこの造形スポットを変更させることが可能である。
【００１５】
ところで、このレンズ交換を実際のマイクロ光造形装置において実行しようとした場合、交換作業によってフォーカスや位置ずれがおこり、樹脂中の造形物を見失ってしまうといった不都合が生じることがある。そこで、本発明者はレンズ交換が容易に行えしかも交換作業によって光軸の位置ズレを起こさない構成として、リボルバ機構を用いることを提示する。すなわち、種類の異なる複数のレンズの各々を例えば図６に示すようなリボルバ機構の各位置に組み込む。リボルバ機構によりレンズを切り替えたとき、各レンズは対物レンズ位置にくるようにする。リボルバ機構は、その切り替えの際に各種類のレンズを選択するとレンズ中心が装置の光学軸となるべく一致するように調整が可能である。
ここでいうリボルバは回転式だけに限定されず、切り替え動作とその際の位置合わせができる機構であれば直線スライド方式であってもよい。この光造形方法を実行する装置においては、図３に示したブロック図において、ＣＡＤに基づく形状情報により、コントローラが如何なる造形スポットを光硬化樹脂内に結ばせるのが最適であるかを、記憶部に蓄積された造形スポットの形状に対応するレンズ倍率、開口数、光強度のテーブル情報に基づいて判定し、例えば可変絞り１３の開口数を決めた上で光量調整手段３の最適調整量と、最適倍率の対物レンズを選択すべくリボルバ２２を駆動する対物レンズ切替手段へ切替情報とを出力することになる。その造形を行う位置情報をガルバノメータ８，９の駆動手段とＸＹＺ移動機構１８のＺ移動機構に送信する点は先の例と全く同様である。
また、異なる形態としては可変絞り１３の開口数の調整を含めて最適調整を行うこともでき、その際には絞り開口調整手段への調整信号も同時に送信されることになる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の層厚可変のマイクロ光造形方法は、薄く小さな領域を硬化させる場合には対物レンズの開口数を大きくとって微小造形スポットを形成し、逆に厚い領域を硬化させる場合には開口数を小さくし光強度を上げることにより、あるいは薄く小さな領域を硬化させる場合には光強度を押さえと共に高倍率の対物レンズ用いて微小造形スポットを形成し、逆に厚い領域を硬化させる場合には低倍率の対物レンズ用いると共に光強度を上げることにより、面内方向をしぼりつつ厚さ方向の硬化領域を増すようにして、面方向に厚さ方向の造形スポット領域を増すようにして光造形を行うものであるから、樹脂の硬化層の厚みをその状況に応じて変化させることで面分解能を落とすことなく厚い樹脂硬化を実現させることができ、また、速い走査による迅速な光造形を実現することができる。
本発明の層厚可変のマイクロ光造形方法は従来の積層法によって光造形を行う際にも、厚み方向に連続する構造部分を形成するときは１回の樹脂層の厚みを大きくすると共に開口数を絞り光量を増加させて樹脂硬化を行わせることで面分解能を落とさずに厚い樹脂硬化を実現させることを可能とし、また、迅速な光造形を実現することができる。
【００１７】
本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置は、レーザ光源からのレーザの光強度を調整する手段と、対物レンズへの入射光の開口度を調整する可変絞りと、被加工物の形状に対応させて前記２つの調整手段への調整量を出力するコントローラとを備えるものであるから、レーザの光強度と対物レンズへの入射光の開口度を一括して変化させることができ、焦点走査方式のマイクロ光造形を効率よく迅速に実行することができる。
また、本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置は、倍率、開口数および焦点深度を変更するため準備した複数の対物レンズを、リボルバ機構に光軸位置および／または焦点位置が同じとなるように配置してシステムに取り付けた構成を採ったものであるから、レンズ交換によってフォーカスや位置がずれを起こし、樹脂中の造形物を見失ってしまうという問題を確実かつ容易に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る層厚可変型マイクロ光造形装置の全体構成を示す図である。
【図２】開口数と光強度を変えてレーザ光を照射したとき、樹脂層内部に焦点を結び樹脂硬化の現象を引き起こす造形スポットの形態を説明する図である。
【図３】本発明に係る層厚可変型マイクロ光造形装置の主要構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の層厚可変のマイクロ光造形方法を応用する積層法のシステムを示す図である。
【図５】対物レンズの倍率と光強度を変えてレーザ光を照射したとき、樹脂層内部に焦点を結び樹脂硬化の現象を引き起こす造形スポットの形態を説明する図である。
【図６】リボルバを用いて対物レンズを切替える本発明の層厚可変型マイクロ光造形装置を説明する図である。
【図７】従来の焦点走査型のマイクロ光造形法を説明する図である。
【符号の説明】
１  レーザ光源                    １４  対物レンズ
２  シャッター                    １５  カバーガラス
３  光量調整手段                  １６  光硬化樹脂
４，５  ミラー                    １７  ガラス基板
６，７，１０  レンズ                １８  ＸＹＺ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  ＣＣＤカメラ
１２  結像レンズ                  ２１  刷毛（樹脂塗布、平滑用）
１３  可変絞り                    ２２  リボルバ
【図１】
2004314406.tif 000003
【図２】
2004314406.tif 000004
【図３】
2004314406.tif 000005
【図４】
2004314406.tif 000006
【図５】
2004314406.tif 000007
【図６】
2004314406.tif 000008
【図７】
2004314406.tif 000009