(57)【要約】【課題】レーザー照射及びエッチングプロセスを利用して透明な部材中に３次元構造体を可動体として形成し、部材の内部に可動要素を含んだマイクロマシンを製作すること。【解決手段】レーザーに対して透明な母材２と、レーザーの３次元的照射及びエッチングプロセスを利用して母材２の内部において母材２から分離形成された３次元可動構造体であるギア３，４が互いに作用し合う状態に形成され、それらのギアの回転軸３Ｂ，４Ｂが母材２の軸受２Ｂに支持されて外部と通じているマイクロギア１。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーに対して透明な母材と、
前記レーザーの照射及びエッチングプロセスを利用して前記母材の内部において該母材から分離形成された３次元可動構造体とを、
備えたことを特徴とするマイクロマシン。
【請求項２】
レーザーの照射及びエッチングプロセスを利用して形成された前記母材外部から前記３次元可動構造体への駆動力供給部及び前記３次元可動構造体から前記母材外部への作用力送出部を備えたことを特徴とする請求項１記載のマイクロマシン。
【請求項３】
前記３次元可動構造体が複数ありそれらが互いに作用し合う状態で形成されていることを特徴とする請求項２記載のマイクロマシン。
【請求項４】
前記３次元可動構造体が球体であり、前記母材の内壁面の対向する位置を起点として該母材の外部に通じる前記球体の外径より小さな内径を有する１対の流路と、前記内壁面の前記１対の流路起点間の中間部を起点として該母材の外部に通じる中間流路とが形成されていることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載のマイクロマシン。
【請求項５】
前記３次元可動構造体が回転軸を備えたギヤであり、前記母材に前記回転軸に対応する軸受けが形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロマシン。
【請求項６】
レーザーと該レーザーに対して透明な母材とを３次元的に相対移動させながら前記レーザーを前記母材の所定範囲に照射して該母材内部に加工変質部又は微細クラック部を形成するステップと、
前記加工変質部又は微細クラック部をエッチング処理し所望形状の３次元可動構造体を前記母材内部に該母材から分離して形成するステップと、
を備えたことを特徴とするマイクロマシンの製造方法。
【請求項７】
前記レーザーと前記母材との相対移動は、レーザーを平面方向に走査させるガルバノスキャナと、母材を垂直方向に移動させる１軸ステージとを利用して行なわれることを特徴とする請求項６記載のマイクロマシンの製造方法。
【請求項８】
前記エッチング処理の前又は途中において、前記加工変質部又は前記微細クラック部の一部を前記母材の表面に露出させることを特徴とする請求項６又は７記載のマイクロマシンの製造方法。
【請求項９】
前記エッチング処理を前記加工変質部又は微細クラック部に加えてそれらに隣接する非変質部に対しても行うことを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載のマイクロマシンの製造方法。
【請求項１０】
前記レーザーは、そのエネルギー密度が焦点近傍でクラックの発生および変質を起こす閾値以上になるものであることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載のマイクロマシンの製造方法。
【請求項１１】
前記レーザーがフェムト秒レーザーであることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれかに記載のマイクロマシンの製造方法。
【請求項１２】
前記母材が石英、ガラス、水晶、サファイアの内のいずれかであることを特徴とする請求項６乃至１１のいずれかに記載のマイクロマシンの製造方法。
【請求項１３】
前記レーザーを分岐し、分岐した複数のレーザーを同時に前記母材に照射することを特徴とする請求項６乃至１２のいずれかに記載のマイクロマシンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー照射とエッチング処理とを利用した加工により、レーザーに対して透明性を有する部材中に３次元可動構造体が分離形成されているマイクロマシン並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透明な部材中に３次元構造体を形成する技術としては、レーザーを用い、マスクパターン投影像のフォーカスポイントを、加工の開始時には被加工物のレーザー照射と反対側の外径境界面に設定すると共に、該フォーカスポイント部分にアブレーションを生じさせ、該レーザー光の照射による加工の進行に同期させて被加工物をレーザーが照射する方向に徐々に移動させながら、挿引するかたちで加工すると同時に、マスクパターンを加工の進行に同期して動的に変化させながら加工する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、シリカガラス中の所定箇所に３次元的にフェムト秒レーザーを照射し、それにより光学的にダメージを受けた部位をエッチングにより除去して、シリカガラス中にＨ型マイクロ構造を製作することも知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２１２７９８（段落０００６、図２）
【非特許文献１】
Ａ．Ｍａｒｃｉｎｋｅｖｉｃｉｕｓ，Ｓ．Ｊｕｏｄｋａｚｉｓ，Ｍ．Ｗａｔａｎａｂｅ，  Ｍ．Ｍｉｗａ，  Ｓ．Ｍａｔｓｕｏ，  Ｈ．Ｍｉｓａｗａ，Ｊ．Ｎｉｓｈｉｉ，  ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ，  Ｖｏｌ．２６，  Ｎｏ．  ５，  Ｍａｒｃｈ  １，  ２００１
（第２７７ページ、右欄最終段落、Ｆｉｇ．１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のレーザー等を利用して透明な部材に形成された３次元構造体は、固定構造物やホールであり、部材内部における可動要素として形成されたものではなかった。このため、従来の透明な部材に形成された３次元構造体の作用は、動きを伴わないものに限定されていた。
本発明は、この点に鑑みなされたもので、レーザーの３次元的照射及びエッチングプロセスを利用して、透明な部材中に３次元構造体を可動体として分離形成し、その可動体の組込工程を省略可能としたマイクロマシンを製作すること、及びその製造方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロマシンは、レーザーに対して透明な母材と、前記レーザーの照射及びエッチングプロセスを利用して前記母材の内部において該母材から分離形成された３次元可動構造体とを、備えたことを特徴とするマイクロマシンである。母材と母材内部の可動構造体とからなるこのマイクロマシンは、従来これと同等の機能を有する製品を製造する際に必要とされていた複数の部品の組立て工程なしに製作できるという利点を有する。
また、上記の場合において、レーザーの照射及びエッチングプロセスを利用して形成された前記母材外部から前記３次元可動構造体への駆動力供給部及び前記３次元可動構造体から前記母材外部への作用力送出部を備えたことを特徴とする。このように、駆動力供給部及び作用力送出部もレーザーの照射及びエッチングプロセスを利用して形成することで、マイクロマシンの全体をレーザーの照射とエッチングプロセスの工程だけで製造できるため製造工程が簡略化される。
また、３次元可動構造体は互いに作用し合う状態で複数形成されていても良い。これにより、より複雑な機構のマイクロマシンを得ることができる。
また、前記３次元可動構造体を球体とし、前記母材の内壁面の対向する位置を起点として該母材の外部に通じる前記球体の外径より小さな内径を有する１対の流路と、前記内壁面の前記１対の流路起点間の中間部を起点として該母材の外部に通じる中間流路とを形成することを特徴とする。これにより、マイクロ逆止弁が形成できる。
また、前記３次元可動構造体を回転軸を備えたギヤとし、前記母材の前記回転軸に対応する部分を軸受けとして形成することを特徴とする。これにより、回転自在のマイクロギアが形成できる。
【０００６】
本発明のマイクロマシン製造方法は、レーザーと該レーザーに対して透明な母材とを３次元的に相対移動させながら前記レーザーを前記母材の所定範囲に照射して該母材内部に加工変質部又は微細クラック部を形成するステップと、前記加工変質部又は微細クラック部をエッチング処理し所望形状の３次元可動構造体を前記母材内部に該母材から分離して形成するステップと、を備えたことを特徴とする。これにより、母材と母材内部の可動構造体とからなるマイクロマシンが、複数の部品の組立て工程なしに、レーザーの照射とエッチング処理のみにより直ちに得られる。
また、上記の場合、前記レーザーと前記母材との相対移動は、レーザーを平面方向に走査させるガルバノスキャナと、前記母材を垂直方向に移動させる１軸ステージとを利用して行うようにしても良い。前記レーザーと前記母材との相対移動は、母材を３軸ステージに載置してそのステージを３次元に移動させることでも可能であるが、レーザーの方を所定位置に沿って移動させる方が、レーザー照射位置決めをより簡単な制御で正確にできる。
【０００７】
また、前記エッチングの前又は途中において、前記加工変質部又は前記微細クラック部の一部を前記母材の表面に露出させるようにするのが良い。こうすることで、レーザー照射によりエッチングレートが増加された加工変質部又は微細クラック部が選択的にエッチングが進行して除去されるので、前記母材の表面と３次元構造体を収納している母材内部の空間とが機械加工等することなしに連通され、母材の外側からの内部の可動構造体にエッチング液が回り込めるようになるからである。
また、前記エッチング処理を前記加工変質部又は微細クラック部に加えてそれらに隣接する非変質部に対しても行うようにしても良い。これにより、母材内面と可動構造体との間の隙間を任意の大きさに、設定することができる。
【０００８】
なお、前記レーザーは、そのエネルギー密度が焦点近傍でクラックの発生および変質を起こす閾値以上になるものである。
例えば、前記レーザーはフェムト秒レーザーとしても良い。フェムト秒レーザーはレーザーに対して透明性を有する母材に対しても集光点で多光子吸収による吸収が起こり、それらの部材に対して加工変質や微細クラックを生じさせやすい点で優れている。
また、前記母材は石英、ガラス、水晶、サファイアの内のいずれかとして良い。レーザーを利用した母材の内部加工のためには、レーザーが母材内部にまで侵入することが必要であり、従って、レーザーに対して透明性を有する材料を利用することが本発明には必須である。これらの部材はその点で好適である。
さらに、前記レーザーを分岐し、分岐した複数のレーザーを同時に前記母材に照射するようにしても良い。こうすることで多点同時加工が可能となり、加工効率を向上させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態に係るマイクロギアの内部を側面方向からから見た場合の透視図である。このマイクロギア１は、直方体の石英の母材２の内部に、複数の歯３Ａ，４Ａを外周に備えたギア３とギア４とが形成されたものであり、母材２の内壁面２Ａとギア３，４の外周面との間には、ギア３，４が適切に回転できる隙間５を有している。ギア３，４は互いに回転可能に作用して噛み合っており、ギア３，４の中心から母材２の表面に至る回転軸３Ｂ，４Ｂが、ギア３，４とそれぞれ一体に形成されている。なお、ギア３，４の回転軸３Ｂ，４Ｂの中間部に対応する部分における母材２の内壁面は、回転軸３Ｂ，４Ｂに対応する軸受２Ｂとして形成されている。上記構成のマイクロギア１は、外部から回転軸３Ｂ，４Ｂの一方へ駆動力が供給されると、各ギア３，４の回転比に応じた作用力が、回転軸３Ｂ，４Ｂの他方から外部へ送出される。
【００１０】
上記マイクロギア１の母材２内部の回転軸付きギア３，４は、最終的にウェットエッチングにより母材２から分離して形成される。そして、そのウェットエッチングにより除去される範囲又は部分は、基本的に、レーザーの照射によって母材２が変質した部分（微細クラックが生じた部分を含む）である。従って、まず、上記ウェットエッチングにより除去したい母材２の範囲（又は部分）に対してレーザーの照射を行う。この母材２に対するレーザーの照射は、回転軸付きギア３，４の下側から、順に母材２の上方に進めてゆくとともに、回転軸付きギア３，４の３次元形状に沿って行われる。これによって、母材２に対するレーザーの照射は３次元にわたって行われることになる。
【００１１】
なお、母材２に対するレーザーの照射を下側から順に行うのは、レーザー照射によって変質した層をレーザーが透過するのを避けるためである。また、ギア３とギア４とが噛み合っている部分や、回転軸３Ｂ，４Ｂと軸受２Ｂとの対向部分は、ほぼ線状にレーザーを照射して、ウェットエッチング時に必要以上にエッチングが進んで、それらの間の隙間が広がりすぎないように注意する必要がある。
【００１２】
上記のようにしてレーザーが照射された母材２は、続いて、エッチング液、例えばフッ化水素（ＨＦ）水溶液、に浸され、レーザー照射により変質した部分がエッチングにより除去される。これにより、母材２の内部に３次元可動構造体としての回転軸付きギア３，４が形成される。なお、このマイクロギア１のように、回転軸３Ｂ，４Ｂを受け入れる軸受２Ｂがあって、回転軸３Ｂ，４Ｂと軸受２Ｂとの間のエッチング液導入路が非常に狭い場合には、エッチング液の母材２内部への浸入路を別途形成すべく、エッチングの前に浸入路を形成したい部分にレーザー照射を施してそこを加工変質層あるいは細穴としておいても良い。
【００１３】
以上のようにして製造されるマイクロギア１にあっては、従来の歯車列組立のように、マイクロギアを構成する各要素部品をそれぞれハンドリングして、それらを組み付けるといった工程や手段が不要となり、生産効率の上昇及びコストの低減が可能となる。なお、マイクロギア１はその母材内部に２つのギアを備えたが、母材内部に３つ以上のギアを互いに作用し合う関係に形成しても良い。
【００１４】
図２は本発明の実施形態に係るマイクロ弁の内部を側面方向からから見た場合の透視図である。このマイクロ弁１１は、立方体の石英の母材２０の内部に、球体３０が形成されたものであり、母材２０の内壁面２０Ａと球体３０との間には、球体３０が回転及び移動できる隙間２５を有している。そして、母材２０の上部には、母材内壁面２０Ａの上端中央部から母材２０の上面に連通する第１流路２１が形成されている。また、母材２０の下部には第１流路２１と対向して、母材内壁面２０Ａの下端中央部から母材２０の底面に連通する第２流路２２が形成されている。さらに、母材内壁面２０Ａの第１流路２１と第２流路２２との両起点間の中間部を起点として、母材内壁面２０Ａから母材２０の底面に連通する第３流路２３及び第４流路２４が形成されている。なお、第３流路２３及び第４流路２４は、必ずしも母材２０の底面に連通する必要はなく、母材２０の側面へ連通してもよい。これら第３流路２３と第４流路２４とを併せて中間流路と称することとする。上記構成のマイクロ弁１１は、第１流路２１から流体が弁内部に導入されているときには、球体３０が第２流路２２の入口側に押されてその流路を塞ぐが、中間流路２３，２４の入口が開いているため、第１流路２１から入った流体は中間流路２３，２４を通って外部へ流れる。これに対して、流体が第２流路２２及び中間流路２３，２４から弁内部入った場合には、第２流路２２から出る流体の圧力で球体３０が第１流路２１の入口側に押されてその流路を塞ぐため、流体の出口が無くなって、流体の流れは停止する。従って、マイクロ弁１１は逆止弁として作用する。
【００１５】
上記マイクロ弁１１の内部の球体３０もまた、最終的にウェットエッチングにより母材２０から分離して形成される。そして、そのウェットエッチングにより除去される範囲又は部分は、基本的に、レーザーの照射によって母材２０が変質した部分（微細クラックが生じた部分を含む）である。従って、まず、上記ウェットエッチングにより除去したい母材２０の範囲（又は部分）に対してレーザーの照射を行う。また、母材２０に対するレーザーの照射は、下側から順次上方に進めて行くことを原則とするため、第２流路２２、第３流路２３及び第４流路２４に対応する部分に対するレーザー照射を行い、その途中から球体３０を分離するための部分に対するレーザー照射を行う。母材２０に対するレーザーの照射は、その後、球体３０を分離するための球体上部に対応する部分に順次進めてゆき、最後に、第１流路２１に対応する部分に対する照射を行う。なお、各流路２１〜２４の形成に関しては、球体３０の周囲に対する加工変質部を形成した後、エッチング前に、各流路２１〜２４が形成される母材の外面からレーザーの照射を行って、各流路２１〜２４に対応する加工変質層あるいは細穴を形成するようにしても良い。
【００１６】
上記のようにしてレーザーが照射された母材２０は、続いて、フッ化水素水溶液等のエッチング液に浸され、レーザー照射により変質した部分がエッチングにより除去される。これにより、母材２０の内部に３次元可動構造体としての球体３０及び各流路２１〜２４が形成される。なお、母材２０の内壁面２０Ａと球体３０との隙間の形成には、レーザーによる加工変質部又は加工変質層のエッチングだけでなく、レーザーにより変質されていない非変質部に対するエッチングも併せて行って、上記隙間の大きさを調整することもできる。
【００１７】
以上のようにして製造されるマイクロ弁１１にあっては、従来のマイクロ弁組立のように、マイクロ弁を構成する各要素部品をそれぞれハンドリングして、それらを組み付けるといった工程や手段が不要となり、生産効率の上昇及びコストの低減が可能となる。
【００１８】
（本発明に利用されるレーザー照射装置について）
ここで、本発明のマイクロマシン製造において使用するレーザー照射装置の構成の一例を説明しておく。このレーザー照射装置は、加工エネルギー源となるレーザー発振器４０、レーザー発振器４０から射出されたレーザー４１のビーム径を拡大するビームエキスパンダ４２、拡径されたレーザーの強度を調整するレーザー強度調整器４３、光の進行方向を調整するミラー４４（これは必要に応じて任意の個数設けて良い）、レーザーを集光するための集光レンズ４５（できるだけ開口率Ｎ．Ａ．の高いものが望ましい）、照射レーザー４１に対して透明性を有する母材５０を載置してＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能な３軸自動ステージ４６、３軸自動ステージ５６の動作を制御するステージコントローラ４７、ステージコントローラ４７をコンピュータ制御するＰＣ４８等からなる。なお、レーザー発振器４０から射出されるレーザーは、母材５０に対して加工開始しきいち値以上のエネルギーを蓄積させることができるものとする必要があり、その点からは、超短パルスであるフェムト秒レーザーが好適といえる。ただし、フェムト秒レーザーのみに限定されるものではない。
【００１９】
なお、上記レーザー照射装置では、母材５０と母材５０に照射するレーザーとの相対移動を、３軸自動ステージ４６の移動により行っているが、３軸の内の２軸方向の移動についてはレーザーの方を走査させても良い。レーザーの方を走査させる手段としては、例えば、図４に示すような、ガルバノミラーを２台組み合わせたガルバノスキャナが利用できる。図４において、７０はＸ軸方向に対して回転する第１ガルバノミラー、７１はＹ軸方向に対して回転する第２ガルバノミラーで、両者７０，７１は、所定の位置に精度よく配置され、駆動手段（図示せず）によって同期して駆動される。このようなガルバノミラー７０，７１を有する加工装置においては、レーザー発振器（図示せず）から発振されたレーザービーム７２は、第１ガルバノミラー７０で反射されるとともに第２ガルバノミラー７１で反射され、図示しない集光レンズによって集光されて、被加工物の水平面方向の任意の位置、例えば符号７３に示す位置、に照射できることになる。従って、例えば、図４のレーザー走査機構と、母材５０を載せたステージの垂直方向移動機構とを組み合わせれば、母材５０と照射レーザーとの３次元相対移動が可能となる。なお、このようにする利点は、レーザー自身を走査させた方が、より簡単に正確な位置決めができることである。
【００２０】
次に、母材中に、母材から分離した３次元可動構造体を形成する基本工程を説明する。図５は母材５０から球体５１を分離して、それを母材５０の内部における可動球体５１Ａとする際の工程図である。この工程では、まず、分離しようとする球体５１の外周に沿って、その球体の下方からレーザーの照射を始め順次上方へレーザーを照射しながら、加工変質部５２（微細クラックも含む）を３次元に形成して行く（図５（ａ））。以上のようにして、分離しようとする球体５１の全外周にわたって加工変質部５２が形成できたら、続いて、球体５１の周囲に形成した加工変質部５２に母材５０外側から繋がるエッチング液導入路変質部５３Ａ，５３Ｂ（又は細穴）を、レーザーの照射によって形成する。次に、加工変質部が形成された母材５０をエッチング液６０中に浸す（図５（ｂ））。エッチング液６０としては、フッ化水素酸の他、水酸化カリウム水溶液、フッ化アンモニウム等が挙げられる。そして、エッチング処理により母材５０から球体５１を分離して、母材５０の内部に可動球体５１Ａを形成するとともに、可動球体５１Ａが母材５０の内部で必要とされる隙間５４が形成されるまでエッチング処理を行う。そして、所望の隙間５４が形成されたらエッチング処理を終了する（図５（ｃ））。なお、エッチング液導入路変質部５３Ａ，５３Ｂは、エッチング処理終了時点では、その変質部がエッチングにより除去されて細穴となる。
【００２１】
ところで、図５においては、エッチング液導入路変質部５３Ａ，５３Ｂの形成を、分離しようとする球体５１の全外周にわたって加工変質部５２が形成できてから行ったが、加工変質部５２とエッチング液導入路変質部５３Ａ，５３Ｂとを一体の形状として把握し、下側エッチング液導入路変質部５３Ｂ、球体５１の全外周の加工変質部５２、上側エッチング液導入路変質部５３Ａの順にレーザー照射を行って、加工変質部を形成しても良い。また、分離された可動球体５１Ａと母材５０内面とのすき間５４の大きさの調整は、レーザーの照射範囲を広く又は狭くして加工変質部幅を変更して行うことができるほかに、エッチング時間を調整して加工変質部以外の非変質部領域までエッチングを施すことによっても可能である。
【００２２】
なお、上記実施形態においては、集光した一本のレーザー（ビーム）により母材に加工変質部を形成する例を示したが、図６に示すように、レーザー発振器４０から発振された１本のビームを位相格子４９等の光分岐素子を用いて複数のビームに分岐させ、分岐した複数のビームを同時に母材５０の複数箇所に照射するようにしても良い。これによれば、図２に示したマイクロ弁１１を母材２０中に複数製作する場合等において、その加工効率を向上させることができる。
【００２３】
また、上記実施形態においては、母材の材質を石英としていたが、この発明ではレーザーに対して透明性を有する他の材料も母材として使用できる。そのような性質を有するものとしては、石英の他に、ガラス、水晶、サファイア等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るマイクロギアの内部を側面方向から見た場合の透視図。
【図２】本発明の実施形態に係るマイクロ弁の内部を側面方向から見た場合の透視図。
【図３】マイクロマシンの製造に利用するレーザー照射装置の構成図。
【図４】レーザーを２次元的に走査させるガルバノスキャナの構成図。
【図５】母材の内部において母材から可動球体を分離形成させる工程図。
【図６】分岐させた複数のビームを母材に照射するためのレーザー照射装置の構成図。
【符号の説明】
１…マイクロギア、２…母材、２Ａ…母材の内壁面、２Ｂ…ギアの回転軸を受ける母材の内壁面、３，４…ギヤ、３Ａ，４Ａ…ギヤの歯、３Ｂ，４Ｂ…ギヤの回転軸、５…母材の内壁面とギヤとの隙間、１１…マイクロ弁、２０…母材、２０Ａ…母材の内壁面、２１…第１流路、２２…第２流路、２３…第３流路、２４…第４流路、２５…母材の内壁面と球体との隙間、３０…球体、４０…レーザー発振器、４１…レーザー（又はレーザービーム）、４５…集光レンズ、４６…３軸自動ステージ、４９…位相格子、５０…母材、５１…分離しようとする球体、５１Ａ…分離された可動球体、５２…加工変質部、５３Ａ，５３Ｂ…エッチング液導入路変質部、５４…隙間、６０…エッチング液、７０…第１ガルバノミラー、７１…第２ガルバノミラー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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