レーザ微細加工技術を駆使したマイクロマシン製作システムの開発
千葉大学大学院

人工システム科学専攻助教

松坂壮太（平成 20 年度一般研究開発助成AF-2008205）

キーワード： マイクロマシン，ファイバーレーザ，2・3 目的とする製作物の形状

レーザフォーミング，マイクロピンセット，ギアボックス

2・3・1 マイクロギア，ストッパーおよびギアボックス
マイクロギアは，Table 1 に示す大小 2 枚の歯車形状を，板状試料（板厚：100 m）から切り出すことで製作した．

1. 研究の背景と目的
近年，マイクロマシン製作に関する研究が活発に行われまた，ギア固定用のストッパーおよびギアボックスは，板ており，その要素製作技術も，リソグラフィ／エッチング状試料（板厚：50 m）から展開図を切り抜いた後，レー法をはじめとして，機械加工法，レーザ加工法等，多岐にザフォーミング法により曲げ加工を行うことで製作した．

1)

亘っている ．しかしながら，それらの微小要素を集積・切り抜きの際には，実寸法と設計寸法との誤差を低減する統合する手法については，十分に検討が進められているとため，ビーム径( 約 30 m)を考慮してステージを駆動した．

は言えない．レーザ加工法2),3)

は，他の微細加工法と比較目標とするマイクロギア，ストッパーおよびギアボックス

して，加工対象材料に制約がなく，また除去加工のみならの概略を Fig. 2 (a)に示す．

ず曲げ加工，接合加工も実施できるという利点を有してお2・3・2 マイクロピンセット

り，マイクロマシンの一貫製作システム構築に好適な加工

本研究で製作するマイクロピンセットの概略を Fig.

法と考えられる．そこで本研究では，ファイバーレーザ微2(b)に示す．本ピンセットは，2 ないし 3 本の曲がり爪を細加工システムを用いたマイクロ機能要素の製作とそれ有する内側管とスライド可能な外側管から構成され，スラらの把持・組立手法の開発の 2 点を研究目的とした．本稿

イドした外側管が曲がり爪を押すことにより，爪先端部ででは，これらの手法を用いた，1 辺 1.4 mm の微小ギアボ各種要素を把持可能となる．曲がり爪部分は，管状試料かックスの製作例について報告する．

ら爪形状を切り抜いた後，レーザフォーミング法により，爪中央部を管内側へ曲げ，さらに爪根元部を管外側へ曲げ

2. 実験方法ることによって製作した．

2・1 加工システムの構成実験に使用したレーザ発振器は Yb 添加ファイバーレー

2・4 レーザ照射条件

ザ（フジクラ，FL-01，波長：1064 nm，パルス幅：80~100

板状試料の切断・曲げ，管状試料の切断・曲げに用いたns，繰返し周波数：10~100 kHz）である．加工用サンプル

レーザ照射条件を Table 2 に示す．各試料の切断に関して

は，自動 5 軸ステージ（駿河精機，KS201-20HD(x-y 軸)，は，予備実験の結果から，切断面のテーパ化が抑制可能で，KS3232-8N(z 軸)，KS401-60(，軸)上に設置され，可動かつ熱影響部の少ない条件を選定した．一方，レーザフォミラーにより鉛直上方または水平方向よりレーザ光が照ーミング法による曲げ加工に関しては，被加工材の板厚と射される．自動 5 軸ステージは，ステージコントローラをビーム径の比によって，一般的に次の 3 種類のメカニズム介して PC に接続され，VisualBasic (Microsoft)プログラムが知られている．

により制御可能である．Fig. 1(a) に加工装置の概略を，Fig.

(a) Temperature Gradient Mechanism (TGM)：ビーム径が板1 (b) に今回の実験で用いたステージ配置を示す．サンプ

厚に比べて十分に小さい場合．曲げはレーザ照射方向．

ル上方(軸上)および側方(軸上)には CCD カメラを設置(b) Upsetting Mechanism (UM)：ビーム径が板厚と同程度かし，ステージの回転軸とレーザ照射位置の整合ならびに加ら数倍程度の場合．曲げはレーザ照射方向．

工中のサンプル観察に使用した．

(c) Buckling Mechanism (BM)：ビーム径が板厚に比べて十分に大きい場合．曲げ方向は不定．
このうち，TGM では，鋭角に曲げることが可能である

2・2 供試材料
加工対象は，ステンレス鋼板（SUS304，板厚：50, 100が，レーザ照射により加工部分の材料が除去される可能性m）および，ステンレス鋼管（SUS304，外径：1.34 mm，を有することから，本研究では，UM および BM により曲内径：1.25 mm）であり，板状試料は機能要素および格納げ加工を行うことにした．なお，BM では曲げ方向を予測用筐体の製作に，また管状試料は要素把持用マイクロピンすることが困難であるが，UM により初期曲げを行っておセットの製作に使用した．

くことで，任意の曲げ方向を得ることができる．

－ 173 －

Monitor
Ch 1

Table 1θMovable mirror

Ch 2

CCD camerazSample holder

PC controlled stage

(a)

(b)

Fig. 1 Schematic illustrations of experimental set-up. (a) Overview
and (b) stage alignment.

20Pitch circle diameter [m]400800Addendum circle diameter [m]480880Root circle diameter [m]

300

700

Table 2 Experimental conditions for laser cutting and formingof SUS304 steel sheets and pipe.
Sheet[Thickness: 50m]

Pipe[Thickness: 90m]

Cut

Cut

Cut------

Specimen

Sheet[Thickness: 100m]

Process
Bending mechanism①①Frequency [kHz]②

Micro-gears

200.04Pressure angle [degree]xy
MirrorLarge gear

10Module

Beam expander

Condenser lens(f = 40 mm)

Small gear
Number of teethSample

θMirror

Stoppers

Design of micro-gears.

Holder

CCD camera

Micro-tweezers

BendUMBM---BendUMBM52Power [W]

1.3

1.1

1.3

2.5

1.3

2.4

2.8

Beam diameter m]

30304619230208265

Scan speed [m/s]

100

700

8000

8000

120

8000

8000

(a)

Slide(b)③

1.4 mmGearbox

1.4 mmFig. 2

1.4 mm(a)(b)
Design of (a) micro-gearbox, and (b) micro-tweezers.

3. 実験結果

Fig. 3

SEM photographs of processed micro-gears. (a)Small and (b) large gear.

Fig. 4 中で．④⑩⑪は 2 方向からのレーザ照射のみでは加工が困難であり，①②③⑤⑥は 1 列に 4 つの面が並んで3・1 マイクロギア
切断により製作した 2 枚のマイクロギアの SEM 写真をおり，レーザ照射時の熱歪みにより加工面からの位置ズレ

Fig. 3 に示す．ギアには直径約 200 および 400 m の丸穴が大きくなるため除外した．残りの⑦⑧⑨の中で，2 方向をあけ，それぞれ電解エッチングにより若干のテーパを施からボックスを支持可能なものは⑧のみであるため，以下したステンレス鋼線を通して固定している．Fig. 3 から，では⑧の展開図から，曲げ加工によりボックス形状の製作

特に小径のギアにおいて切断面の荒れが見られるものの，を試みた．

概ね設計通りのギアが加工できていることが確認された．

Fig. 5 (a) に製作するギアボックスの展開図を，Fig. 5 (b)に曲げ加工の手順を示す．この展開図を使用することによって，曲げ加工中のボックスは Fig. 5 (a) 中の太い点線で3・2 ギアボックス立方体状のギアボックス製作にあたり，高精度な加工を示される 2 辺で支持され，また Fig. 5 (b) から分かるよう実現するため，まず基本となる展開図の選定を行った．Fig.に，最終工程を除く①～④の曲げ加工を同一平面上で行う

4 に一般的に知られている正六面体の 11 種の展開図を示ことができる．製作したギアボックスの外観を Fig. 6 に示す．同図左の 2～4 の数字は，1 列に並んだ面の最大数をす．Fig. 6 から各面間の隙間の小さいボックス形状が製作示している．これらの展開図に対し，次の 3 点に留意して，できていることが分かる．

ボックス製作に最適な展開図および加工手順を選定した．

一方，マイクロボックスと同様に，切断と曲げ加工によ(a) レーザを照射可能な方向がおよび軸の軸に限定さり，2 種類のギアストッパーを製作した．結果を Fig. 7 にれること示す．これらの要素も，概ね設計通りの加工が可能となっ(b) ボックス作製中の試料の落下を防止するため，少なくていた．とも 1 辺を切断せずに残す必要があること(c) レーザ照射点の位置ズレを抑制するため，レーザ照射軸の変更を多用しないこと．また，可能な限り同一平面上で加工を行うこと．

3・3 マイクロピンセット
管状試料の切断および曲げ加工により製作した曲がり爪形状を Fig. 8 (a) および(c) に示す．いずれの曲がり爪に－ 174 －

4①②③④⑤①④②⑤③⑥⑥3⑦⑧⑨⑩1 mm

2(a)

(b)

⑪Fig. 5
Fig. 4Laser forming procedure for the fabrication of micro-gearbox.

Eleven distinct nets of a cube.

(a)

(b)

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 8Fabricated micro-tweezers. (a) and (b) three fingers,(c) and (d) two fingers.

1.4 mm

1.4 mmFig. 6

SEM photographs of fabricated micro-gearboxes.
(a) Before and (b) after covering.

(a)

(b)

本研究ではこのほか，ボックスとカバーを別個に製作し，組み立てることも行った．その一例を Fig. 10 に示す．特に Fig. 10 のボックスについては，はめ合い部に対してレーザ隅肉溶接を試みたが，レーザ照射位置の制御が困難でFig. 7

SEM photographs of two types of gear-stoppers.

あること，また 2 つの要素に若干のギャップがあること等の理由により，十分な接合強度を有するボックスの製作においても，中央部，根元部ともに十分な曲がり角が得られは至っていない．今後は，より精密な曲げ加工を行い，要ており，外側管のスライド動作によりマイクロ機能要素の素間のギャップを低減する必要がある．

把持が可能になるものと考えられる．そこで，超音波リニ

また，本研究で製作したマイクロピンセットは，20 回アアクチュエータ（テクノハンズ，TULA）に内側・外側程度の開閉動作については支障がないものの，それ以上の管を設置し，スライド動作を試みた．要素の把持結果を開閉を繰り返した場合，曲がり爪部が塑性変形し，十分なFig. 8 (b) および(d) に示す．各種要素の把持を行った結果，把持を行うことができなかった．今回の実験では管状試料

3 指の場合には丸棒等の 3 次元形状物が，2 指の場合には，の入手の容易さから，ステンレス鋼管を使用したが，繰りギアやギアストッパー等の 2 次元形状物の把持に適して返し可能回数を増加させるためには，ばね特性に優れた材いることが分かった．

料の使用が必要となる．

3・4 各種部品の組立

4. 結言

上述の軸付マイクロギア，ギアストッパーを，マイクロ

本研究では，ファイバーレーザ微細加工システムを用いピンセットにより把持，組み立てた後，ギアボックス中にて，1 辺 1.4 mm の微小ギアボックスの製作を試みた．同格納した．結果を Fig. 9 に示す．同図より，全ての要素が時に製作されたマイクロピンセットを用いることにより，設計通りに配置されていることが確認された．また一方のギアボックス中には，2 枚のマイクロギアおよび，2 種類軸の回転により，他方の軸が回転することも確認された．のギアストッパーが格納され，動力伝達も可能であること－ 175 －(a)(b)

Stoppers

Gearbox

Micro-gears
1 mmFig. 10Fig. 9 Two types of covered micro-boxes.

Assembled micro-gearbox.

が確認された．今後は，切断・曲げ精度のさらなる向上を

参考文献

図り，各面間の溶接によるボックスの封止までを行いたい[1] 藤田博之，「マイクロ・ナノマシン技術入門」，工業調と考えている．

査会，(2003)．
[2] A. Kai, and Y. Kawamura, ‘Laser Micro Machining of

謝辞

Ultraviolet and Infrared Simultaneous Irradiation’, Proceedings

本研究の実施に際し，天田金属加工機械技術振興財団of SPIE, 5662, 538-542 (2004).

より研究助成(AF-2008205)を賜りました．ここに厚く御礼[3] 松坂壮太，飯島賢介，渡部武弘，「5 軸レーザ加工法に申し上げます． また，ファイバーレーサ発振器をご貸与

よるマイクロ機能要素の製作」，レーザ加工学会誌，14，頂いたフジクラ（株）および，実験にご協力頂いた，千葉

255-259 (2007)．

大学大学院

伊東聡氏，緒方豪氏，毛塚翔吾氏に感謝致します．

－ 176 －