(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の光硬化樹脂（５）に光を照射して光硬化樹脂（５）を硬化させる光造形加工法を用いて、光硬化樹脂（５）の内部にマイクロマシン用可動装置（５０、６０、７０）を形成するための方法であって、
液状の光硬化樹脂（５）を一定の空間内に閉じ込め、
光ビーム（Ｌ）を光硬化樹脂（５）の内部に照射するとともに、光ビーム（Ｌ）の焦点（Ｆ）のみを光硬化樹脂（５）の硬化に必要なエネルギ強度にした状態で、光ビーム（Ｌ）を光硬化樹脂（５）の内部で走査させることにより、昇降ステージを用いることなく、光硬化樹脂（５）の内部に第１の部材（５１、６１、７２，７４）を形成し、
光ビーム（Ｌ）を光硬化樹脂（５）の内部に照射するとともに、光ビーム（Ｌ）の焦点（Ｆ）のみを光硬化樹脂（５）の硬化に必要なエネルギ強度にした状態で、光ビーム（Ｌ）を光硬化樹脂（５）の内部において第１の部材（５１、６１、７２，７４）との間に間隙を隔てるように走査させることにより、光硬化樹脂（５）の内部において第１の部材（５１、６１、７２，７４）に固着されることなく第１の部材（５１、６１、７２，７４）に対して相対移動可能な第２の部材（５２、６２、７１，７３）を昇降ステージを用いることなく形成し、これら相対移動可能な第１および第２の部材（５１、６１、７２，７４；５２、６２、７１，７３）から可動装置（５０、６０、７０）を形成した、
ことを特徴とするマイクロマシン用可動装置の形成方法。
【請求項２】
請求項１において、
第１の部材が軸（５１）であり、第２の部材が軸（５１）の回りを回転自在な回転体（５２）である、
ことを特徴とするマイクロマシン用可動装置の形成方法。
【請求項３】
請求項１において、
第１の部材がベース（６１）であり、第２の部材がベース（６１）上をスライド自在なスライダ（６２）である、
ことを特徴とするマイクロマシン用可動装置の形成方法。
【請求項４】
請求項１において、
第１および第２の部材が鎖部材（７１、７２、７３、７４）であって、相互に連結されて鎖状構造を形成している、
ことを特徴とするマイクロマシン用可動装置の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光造形加工法によるマイクロマシン用可動装置の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術およびその課題】
機械部品の加工法として、光造形加工法が実用化されている。一般に、光造形加工法は、液体状態の光硬化樹脂に光を照射して、該光硬化樹脂を所望の形状に硬化させる加工法であって、複雑な立体形状を得るのに適した方法である。
【０００３】
本件出願の発明者は、とくに医療分野への適用が大いに期待されているマイクロマシンの基盤技術として、この光造形加工法を実用化するための研究開発を長年にわたって進めてきた。
【０００４】
光造形加工法をマイクロマシンのための三次元微細加工に適用するためには、加工分解能である、光硬化樹脂の最小硬化単位をできるだけ微小化する必要がある。
【０００５】
ところで、従来の光造形加工法には、図９および図１０に示すような自由液面法と呼ばれる方法がある。
図９に示すものでは、まず、容器の底１００が薄く覆われる程度に液状の光硬化樹脂１１０を入れ、その液面に紫外線等の光Ｌを照射する。すると、光Ｌが照射された部分だけが硬化して固化する（同図（ａ）の硬化層１参照）。
【０００６】
次に、液状の光硬化樹脂１１０をつぎ足して液面を高くし、硬化層１の上面が光硬化樹脂１１０により薄く覆われるようにする。この状態から、液面に光Ｌを照射すると、光硬化樹脂が硬化し、一層目の硬化層１の上に二層目の硬化層２が形成される（図９（ｂ）参照）。以下、同様の操作を繰り返すことにより、多数の層が積層された立体形状が形成されることになる。
【０００７】
また、図１０に示すものでは、図９と異なり、昇降可能なステージ１２０の上に次々に硬化層を形成するようにしている。すなわち、まず、容器内に一定量の液状光硬化樹脂１１０を入れるとともに、ステージ１２０を上方に移動させ、ステージ上面１２０ａと液面との間に液状の光硬化樹脂１１０の薄い層が形成されるようにする。
【０００８】
この状態から、液面に光Ｌを照射して硬化させることにより、一層目の硬化層１を形成する（図１０（ａ）参照）。次に、ステージ１２０を一段階下降させて、硬化層１と液面との間に液状の光硬化樹脂１１０の薄い層を形成し、この状態から、液面に光Ｌを照射させることにより、二層目の硬化層２を形成する（同図（ｂ）参照）。以下、同様の操作を繰り返すことにより、多数の層からなる立体形状が形成される。
【０００９】
このような自由液面法では、液の層が薄くなればなるほど、表面張力の影響により全体を一様の厚みにするのが難しくなるため、硬化層の一層分の厚みを制御するのが容易ではなく、分解能を高くできないという問題がある。また、一般に液状の光硬化樹脂の粘性が高いため、液面が安定するまで時間がかかるという問題もある。
【００１０】
その一方、従来の光造形加工法には、図１１および図１２に示すような液面規制法と呼ばれる方法がある。
図１１に示すものでは、まず、容器内に一定量の液状光硬化樹脂１１０を入れる。この状態から、透光性を有する昇降可能なステージ１３０を下方に移動させ、ステージ下面１３０ａと容器底面１４０との間に液状の光硬化樹脂１１０の薄い層が形成されるようにする。
【００１１】
次に、ステージ１３０を通して上方から光硬化樹脂１１０に光Ｌを照射させて硬化させることにより、一層目の硬化層１を形成する（図１１（ａ）参照）。次に、ステージ１３０を一段階上昇させ、ステージ下面１３０ａと硬化層１との間に液状の光硬化樹脂の薄い層を形成し、この状態から、光硬化樹脂１１０に光Ｌを照射させることにより、二層目の硬化層２を形成する（同図（ｂ）参照）。以下、同様の操作を繰り返すことにより、多数の層からなる立体形状が形成される。
【００１２】
また図１２に示すものでは、容器の底部に透明窓１５０を設け、該透明窓１５０から光Ｌを照射させるようにしている。すなわち、この場合には、まず、容器内に一定量の液状光硬化樹脂１１０を入れるとともに、ステージ１６０を下方に移動させ、ステージ下面１６０ａと容器底面１７０との間に液状の光硬化樹脂１１０の薄い層を形成する。
【００１３】
この状態から、透明窓１５０を介して下方から光硬化樹脂１１０に光Ｌを照射させて硬化させることにより、一層目の硬化層１を形成する（図１２（ａ）参照）。次に、硬化層１ごとステージ１６０を一段階上昇させ、硬化層１と容器底面１７０との間に液状の光硬化樹脂１１０の薄い層を形成し、この状態から、透明窓１５０を介して液状の光硬化樹脂１１０に光Ｌを照射させることにより、二層目の硬化層２を形成する。以下、同様の操作を繰り返すことにより、多数の層からなる立体形状が形成されることになる（同図（ｂ）参照）。
【００１４】
このような液面規制法では、ステージを上昇させた距離が層の厚みに相等するので、硬化層の一層分の厚みを制御するのが比較的容易になって、分解能をある程度高めることができるようになるとともに、液面が安定するのを待つ必要がないので処理を速く行えるようになるという利点がある反面、ステージを上昇させる際には、硬化層がステージ下面１３０ａまたは透明窓１５０から完全に剥離する必要があり、このため、ステージ下面または透明窓に離型剤を塗布したり、テフロンコーティング等の処理を行わなければならない。
【００１５】
しかしながら、このような処理を行った場合でも、硬化層の界面がステージ下面または透明窓から完全に剥離するとは限らず、硬化層の内部で剥離が生じて、立体形状に変形や破損が生じる場合がある。
【００１６】
また、この液面規制法において、加工分解能をさらに向上させるためには、ステージの移動距離をできるだけ小さくすることが必要であるが、ステージの移動距離があまり小さくなると、ステージを移動させても硬化層が弾性変形するだけで、硬化層の界面が剥離するまでに至らない場合もある。したがって、液面規制法によっても加工分解能には限界がある。
【００１７】
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、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によるマイクロマシン用可動装置の形成方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る光造形加工法によるマイクロマシン用可動装置の形成方法は、液状の光硬化樹脂に光を照射して光硬化樹脂を硬化させる光造形加工法を用いて、光硬化樹脂の内部にマイクロマシン用可動装置を形成するための方法である。この方法は、液状の光硬化樹脂を一定の空間内に閉じ込める工程と、光ビームを光硬化樹脂の内部に照射するとともに、光ビームの焦点のみを光硬化樹脂の硬化に必要なエネルギ強度にした状態で、光ビームを光硬化樹脂の内部で走査させることにより、昇降ステージを用いることなく、光硬化樹脂の内部に第１の部材を形成する工程と、光ビームを光硬化樹脂の内部に照射するとともに、光ビームの焦点のみを光硬化樹脂の硬化に必要なエネルギ強度にした状態で、光ビームを光硬化樹脂の内部において第１の部材との間に間隙を隔てるように走査させることにより、光硬化樹脂の内部において第１の部材に対して相対移動可能な第２の部材を第１の部材に固着されることなくかつ昇降ステージを用いることなく形成し、これら相対移動可能な第１および第２の部材から可動装置を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
請求項２の発明に係るマイクロマシン用可動装置の形成方法は、請求項１において、第１の部材が軸であり、第２の部材が軸の回りを回転自在な回転体であることを特徴としている。
【００２０】
請求項３の発明に係るマイクロマシン用可動装置の形成方法は、請求項１において、第１の部材がベースであり、第２の部材がベース上をスライド自在なスライダであることを特徴としている。
【００２１】
請求項４の発明に係るマイクロマシン用可動装置の形成方法は、請求項１において、第１および第２の部材が鎖部材であって、相互に連結されて鎖状構造を形成していることを特徴としている。
【００２２】
本発明に係る光造形加工法によれば、光硬化樹脂に照射される光ビームは、該光ビームの焦点部分のみが光硬化樹脂の硬化に必要なエネルギ強度を有している。
【００２３】
このため、一定の空間内に閉じ込められた液状の光硬化樹脂に光ビームを照射する際には、光ビームの焦点を光硬化樹脂内において硬化させるべき部分に配置すればよい。光硬化樹脂内では、光ビームの焦点部分のみが硬化し、光ビームのその他の照射部分で硬化は生じない。したがって、光ビームの焦点を光硬化樹脂内部で移動させれば、所望の立体形状が得られることになる。
【００２４】
このように本発明において、所望の立体形状を形成するには、光ビームの焦点を光硬化樹脂の内部で移動させればよいので、昇降ステージが不要となり、その結果、硬化層の剥離の問題を解消できる。
【００２５】
しかも、光ビームの照射時には、光ビームの焦点部分のみが硬化するようになっているので、加工分解能を大幅に向上できるようになる。これにより、互いに相対移動可能な第１および第２の部材からなる微小なマイクロマシン用可動装置を形成できるようになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施態様を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施態様による光造形加工装置の概略構成図である。同図に示すように、この光造形加工装置１は、レーザ発振器２と、レーザ発振器２から出射されたレーザビームＬのビーム幅を拡げるためのビームエキスパンダ３と、ビームエキスパンダ３を通過したレーザビームＬを集光するためのレンズ４と、レンズ４で集光されたレーザビームＬが照射される光硬化樹脂５が載置されたステージ６とから主として構成されている。
【００２７】
レーザ発振器２の前方には、光量を調節するためのシャッタ７およびフィルタ８が配置されている。また、レーザ発振器２から出射されたレーザビームＬをビームエキスパンダ３側に導くためのミラー（またはプリズム）９が設けられている。
【００２８】
ビームエキスパンダ３とレンズ４との間には、レーザビームＬをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に高速で移動させるためのガルバノミラー等のビーム移動機構１０が設けられている。なお、ここでは、図左右方向をＸ軸方向、紙面垂直方向をＹ軸方向、図上下方向をＺ軸方向とする。また、シャッタ７およびビーム移動機構１０は、図示しない制御部からの制御信号で制御されるようになっている。
【００２９】
液状の光硬化樹脂５は、図２に示すように、透光性のベース１１と、スペーサ１２，１３と、蓋体１４とで形成される一定の空間内に収容されている。
【００３０】
次に、本実施態様による光造形加工装置を用いた光造形加工法について説明する。
レーザ発振器２から出射されたレーザビームＬは、シャッタ７およびフィルタ８を透過し、ミラー９で反射されてビームエキスパンダ３に入射する。ビームエキスパンダ３に入射したレーザビームＬは、ビームエキスパンダ３内でそのビーム幅が拡げられる。すなわち、入射前は細い平行光線束であったものが、出射後は太い平行光線束に変化する。
【００３１】
ビームエキスパンダ３を出射したレーザビームＬは、ビーム移動機構１０を経てレンズ４に入射し、レンズ４で集光されて、ステージ６上の光硬化樹脂５に入射される（図２参照）。
【００３２】
このとき、ビームエキスパンダ３でビーム幅が拡げられていることにより、図３に示すように、光硬化樹脂５に入射するレーザビームＬの開き角αは大きく、たとえば鈍角になっている。これにより、縦軸（光硬化樹脂５の深さ方向にとった軸）にレーザビームＬのエネルギ強度Ｅをとると、レーザビームＬの焦点Ｆの部分のみが液状の光硬化樹脂５の硬化に必要なエネルギ強度（臨界強度）ε0 に達しており、レーザビームＬのその他の照射領域Ａのエネルギ強度はε0 よりも小さくなっている。
【００３３】
すなわち、このようなレーザビームＬが照射されている光硬化樹脂５内では、レーザビームＬの焦点Ｆの部分のみが硬化し、その他の照射領域Ａでは硬化は生じない。
【００３４】
したがって、光硬化樹脂５から所望の立体形状を得るには、レーザビームＬの焦点Ｆが液中すなわち液面５ａよりも奥側に位置するように、レーザビームＬを光硬化樹脂５の内部に照射するともに、ビーム移動機構１０により、レーザビームＬをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させ、光硬化樹脂５の内部で焦点Ｆを移動させるようにすればよい。これにより、図２に示すように、光硬化樹脂５の内部に所望の立体形状２０が硬化・形成されることになる。
【００３５】
なお、従来の光造形加工法においては、図４に示すように、用いられるレーザビームＬ′の開き角が小さく、図３と同様に、縦軸にレーザビームＬ′のエネルギ強度Ｅをとると、光硬化樹脂５の液面５ａ部分が臨界強度ε0 に達しており、レーザビームＬ′の液内照射領域Ａ′全体が光硬化樹脂５の硬化に必要なエネルギ状態におかれている。したがって、光硬化樹脂５は、レーザビームＬ′の照射領域Ａ′全体で硬化することになる。このため、従来の方法では、加工分解能が低い。
【００３６】
これに対して、本発明による光造形加工法では、光硬化樹脂５内でレーザビームＬの焦点Ｆの部分のみが硬化するので、加工分解能が飛躍的に向上している。これにより、マイクロマシン用の微小構造が容易に製作できるようになる。
【００３７】
また、本実施態様において所望の立体形状を形成する際には、一定の空間内に閉じ込められた光硬化樹脂５の内部にレーザビームＬを照射するとともに、該レーザビームＬの焦点Ｆを光硬化樹脂５の内部で適宜移動させればよいので、光硬化樹脂５の硬化層を昇降ステージとともに移動させる必要がなくなり、これにより、昇降ステージの移動にともなう硬化層の剥離の問題を解消できる。
【００３８】
さらに、本実施態様では、光硬化樹脂５を一定の空間内に閉じ込めた状態のままで最終の立体形状が形成されるので、光硬化樹脂５の粘性の影響を受けにくく、光硬化樹脂として高粘性のものを使用できる。
【００３９】
次に、このような光造形加工法を用いて製作した立体形状の例を図５に示す。
同図に示されるものは、歯車またはマイクロモータ等のマイクロマシン用回転駆動装置であって、この回転駆動装置５０は、軸５１と、その回りを回転可能な回転体５２と、軸５１の上端に形成された、回転体５２の抜止め部５３とから構成されている。
【００４０】
この場合、回転体５２はベース５５から完全に分離されている。このような成形が本発明による光造形加工法で可能なのは、上述のように、レーザビームを液状の光硬化樹脂の内部に照射した際に、レーザビームの焦点部分のみを硬化させることが可能だからである。
【００４１】
一方、従来の自由液面法や液面規制法による光造形加工法を用いて、同様の回転駆動装置を製作した場合には、光硬化樹脂の液面から離れた内部の点のみを硬化させることができないので、図６に示すように、回転体５２の下部にステー５６が必要になる。このステー５６を切断することによって、回転駆動装置５０′が得られることになるが、この切断は容易な作業ではない。
【００４２】
これに対して、本発明による光造形加工法では、このような切断作業が不要になり、マイクロマシン用回転駆動装置を安価にかつ短時間で製作することが可能になる。
【００４３】
なお、このマイクロマシン用回転駆動装置は、マイクロマシンの製作技術として既に公知である薄膜形成やエッチング等の半導体微細加工技術で製作することも可能であるが、この場合には、平面的な構造に限られてしまい、また本発明による光造形加工法に比べてコストも時間もかかる。
【００４４】
また、前記実施態様では、レーザビームＬの焦点Ｆを光硬化樹脂５の内部でＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させる焦点移動手段として、高速化を重視する観点からレーザビームＬを移動させるビーム移動機構１０を用いた例を示したが、本発明の適用はこれに限定されない。
【００４５】
レーザビームＬを固定した状態で、ステージ６を移動させるステージ移動機構を採用するようにしてもよい。あるいは、ビーム移動機構１０およびステージ移動機構の双方を採用することにより、たとえば、Ｘ，Ｙ軸方向はビーム移動機構１０により、Ｚ軸方向はステージ移動機構により移動させるようにしてもよい。
【００４６】
また、本発明による光造形加工法を用いて製作される可動装置としては、図５に示すような回転駆動装置に限定されるものではなく、図７に示すような摺動装置であってもよい。
【００４７】
図７において、この摺動装置６０は、マイクロマシン用のリニア機構であって、たとえばＶ字状の溝６１ａが形成されたベース６１と、該溝６１ａ内にスライド自在に配置された断面略Ｖ字状のスライダ６２とを有している。
【００４８】
この場合、スライダ６２はベース６１から完全に分離されている。このような成形が本発明による光造形加工法で可能なのは、上述の回転駆動装置５０の場合と同様に、レーザビームを液状の光硬化樹脂の内部に照射した際に、レーザビームの焦点部分のみを硬化させることが可能だからである。
【００４９】
さらに、本発明の光造形加工法によれば、図８に示すような鎖状構造を製作することも可能である。この鎖状構造７０は、複数の鎖部材７１，７２，７３，７４等から構成されている。隣り合う各鎖部材同士が互いに係合した状態で、各鎖部材は自由に動き得るようになっている。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ビームの焦点のみが光硬化樹脂の硬化に必要なエネルギ強度を有するようにしたので、光硬化樹脂の内部でビームの焦点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えるようになって、互いに相対移動な第１および第２の部材からなる微小なマイクロマシン用可動装置を形成できるようになる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様による光造形加工装置の概略構成図。
【図２】光造形加工装置（図１）のステージ上に載置される光硬化樹脂部分の拡大図。
【図３】光造形加工装置（図１）により実行される光造形加工法の原理を説明するための図。
【図４】従来の光造形加工法の原理を説明するための図であって、本発明の図３に相当する図。
【図５】光造形加工法により製作されたマイクロマシン用回転駆動装置を示す図。
【図６】従来の光造形加工法によるマイクロマシン用回転駆動装置の製作例を示す図。
【図７】光造形加工法により製作されたマイクロマシン用摺動装置の製作例を示す図。
【図８】光造形加工法により製作された鎖状構造の製作例を示す図。
【図９】従来の光造形加工法である自由液面法を説明するための図。
【図１０】従来の光造形加工法である自由液面法を説明するための図。
【図１１】従来の光造形加工法である液面規制法を説明するための図。
【図１２】従来の光造形加工法である液面規制法を説明するための図。
【符号の説明】
１          光造形加工装置
２          レーザ発振器
３          ビームエキスパンダ
４          レンズ
５          光硬化樹脂
５ａ        液面
６          ステージ
１０        ビーム移動機構
２０        立体形状
５０        マイクロマシン用回転駆動装置
５２        回転体
６０        マイクロマシン用摺動装置
６２        スライダ
７０        鎖状構造
７１〜７４  鎖部材
Ｌ          レーザビーム
Ａ          照射領域
Ｅ          エネルギ強度
ε0         臨界強度
α          開き角
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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