3 次元に配向した短繊維で強化したマイクロ構造物の光造形
千葉大学

大学院

工学研究科 人工システム科学専攻 機械系コース
教授 中本剛（平成 21 年度一般研究開発助成 AF－2009207）

キーワード：マイクロ構造物，光造形，短繊維

１．緒

２．磁界を利用した製作方法(1)言

現在，マイクロサイズの構造物を製作するために，数2・1

製作方法の概略

多くの方法が開発されており，光造形法による報告も多

図 1 に製作方法の概略を示す．液体の紫外線硬化樹脂

い．しかし，光造形法のみならず，その他の方法においと短繊維を混合する．短繊維は磁界に応答するように，ても，構造物の素材は単一材料である．光造形法でマイその素材は強磁性体とする．この短繊維と樹脂の混合物

クロサイズの造形物を製作するために，樹脂中に粒子をを基板に薄く塗布する．この薄膜化した混合物に対して混合して造形する方法は報告されている．樹脂中に短繊例えば図 1(a)のように，左右方向に磁界を印加すること維を混合する造形は，マクロサイズの構造物では報告さによって短繊維の長手軸方向を左右の磁界方向にそろえれているが，マイクロサイズでは報告されていない．さる．この状態で紫外線レーザービームを所望の経路に沿らに，配向した短繊維で強化した部品の造形は，マクロって樹脂上で描画することによって樹脂を硬化させる．

サイズにおいてもマイクロサイズにおいても報告されて次に図 1(b)のように，樹脂を紙面の奥行き方向に磁界をいない．本研究では磁界や電界を利用して，所望の方向印加することにより，この方向に短繊維をそろえる．こに配向した短繊維で強化したマイクロ部品を，光造形法の状態で同様にレーザービーム描画によって，樹脂を硬を応用して製作することを目的としている．

化させる．このように，磁界による短繊維の配向と樹脂

Laser beam
Lens

Short fiberin liquid
polymer

Solidified
polymer

Secondlayer
First
layer

Direction of magnetic field(a) 短繊維の配向と樹脂の硬化(c) 2 層目の樹脂の硬化

Direction ofmagnetic field(d) 配向した短繊維で強化して積層したマイクロ構造物(b) 異なる方向への配向と樹脂の硬化
図1

Direction of magnetic field

磁界を利用して配向した短繊維で強化して積層したマイクロ部品の製作方法の概略

ー 171 ー

の硬化を必要回数だけ行って，1 層目の樹脂を設計した

方向と強度は独立に調整することができる．印加できる形状に硬化させる．引き続き，図 1(a)，(b)で硬化させた

磁束密度の値は 15mT 程度である．

1 層目の混合物の上に樹脂と短繊維の混合物を薄く積層させる．この混合物に対して図 1(c)のようにレーザービ

2・3

実験結果

ーム描画によって所望の形状に樹脂を硬化させる．この液体樹脂を基板に塗布し，この基板を回転させた．すように，必要な層の数だけ積層した後，未硬化の樹脂をなわち，スピンコートと同様な方法によって薄膜化した．

取り除くと，図 1(d)のように，短繊維の長手軸方向が所

図 4(a)はスピンコートする時間と樹脂の厚さの測定結果望の方向にそろったマイクロ部品を得ることができる．

である．図より，1000rpm 以上では，1 分ほどで樹脂の図 1 は水平面内で短繊維を配向した例を示したが，底面厚さはほぼ一定となることがわかる．スピンコート時間から磁界を印加することにより，樹脂の厚さ方向にも短1 分における回転数と厚さの関係を図 4(b)に示す．図 4(b)に示すように，4000rpm で 1 分間スピンコートを行うと，繊維を配向することができる．
一般に繊維強化した構造物を製作する場合には，繊維樹脂の厚さは 2µm となる．

強化材料を用意し，その材料を加工して製品を得る．こ

本研究では，短繊維と液体樹脂の混合物を薄膜化してれに対して本研究の方法では，配向した短繊維で強化し積層しなければならない．液体の紫外線硬化樹脂に短繊た材料の創製と構造物の製作を同時に行うことになり，維を体積含有率で 0.5％混合し，この混合物をガラス基製作方法の点からも特長がある．

板上に塗布した．0.5％程度の含有率では，図 4 の樹脂のみの場合と同じ厚さが得られた．図 5 に短繊維と液体樹

2・2脂の混合物の光学顕微鏡写真を示す．図 5(a)がスピンコ実験装置

本研究で使用する短繊維と液体樹脂の物性値をそれぞート前であり，図 5(b)はスピンコート後の厚さ 2µm のれ表 1 と表 2 に示す．短繊維はチタン工業（株）製の強混合物である．短繊維は 10µm 程度の大きさに凝集して磁性体γ －Fe2O3 であり，紫外線硬化樹脂は JSR（株）いる．スピンコート後は，短繊維と樹脂の混合物が薄く製 SCR751 を使用した．造形後，未硬化の樹脂は（株）なるため，写真の視野が明るい．
本実験装置で印加できる磁束密度の値は前節で述べた

オリンパス工業製 EE-4210 で除去した．
図 2 に装置全体の概略を示す．樹脂を硬化させる光源

ように，15mT 程度である．短繊維と液体樹脂の混合物として，波長 0.325µm の He－Cd レーザーを使用した．にこの程度の磁束密度を印加しても，短繊維を配向させビーム強度をフィルターで調整した後，焦点距離 50mmることはできない．そこで，短繊維と樹脂を塗布したガのレンズで集束して造形部分に照射した．造形部分はラス基板の底面から 150mT の磁束密度をもつ永久磁石

X-Y テーブル上に設置してあり，テーブルを駆動するこによって混合物中の短繊維をあらかじめ磁化し，その後，とによってビーム描画を行った．ビーム直径は，計算上は 15µm である．樹脂の硬化幅はこの値より，大きくなる．

MirrorHe-Cd Laser

この造形部分を上から見た写真を図 3 に示す．図 3 の中央部分に示した底面の電磁石の端面上に液体樹脂と磁Filter

性酸化鉄短繊維の混合物を塗布した基板を置く．装置は5 個の電磁石から構成されており，基板には，底面の電磁石と水平面内の 4 つの電磁石の合計 5 方向から磁界をPhotopolymer
and short fiber

Lens
Electromagnet

Electromagnet

X-Y table

印加することができる．それぞれの電磁石の磁界の正負
図2
表1

磁性酸化鉄短繊維の物性値

Material

γ - Fe2O3

Diameter (µm)

0.04

Length (µm)

0.32

Density (g/cm3)

4.8

表 2

実験装置の概略図

End surface of the bottom
Electro-magnet
Electromagnet
Electromagnet

紫外線硬化樹脂の物性値

Gel point (mJ/mm2)0.20

Viscosity (Pa s)

0.36

Density (g/cm3)

1.2
図3ー 172 ー

磁界印加装置の写真

図 3 の装置によって配向した．この光学顕微鏡写真を図6 に示す．図 6(a) が配向前で，図 6(b)は配向後である．
配向に要する時間は数秒程度である．短繊維の凝集物の端部では磁界の方向と異なる短繊維も観察されるが，凝500 µm集物全体としては，配向している．
短繊維を混合しない樹脂の薄膜を硬化し，この断面形状を触針式粗さ計で測定した結果を図 7 に示す．これは，先ほど示した図 4 の結果であり，2µm の厚さが得られて(a) スピンコート前
図5いる．図 7(b)の端部が厚くなっているのは，樹脂の正方500 µm(b) スピンコート後スピンコート前後の液体樹脂中の短繊維形の輪郭から先に描画して硬化させたためである．このDirection ofmagnetic field

工程を繰り返して，積層した形状の断面形状を図 8 に示す．図 8(b)から，2µm 程度で積層できていることがわかる．しかし，積層を重ねるごとに，層の厚さは 2µm からずれてくる．

100 µm

短繊維を混合した樹脂を積層して上から見た写真を図9(a)に示す．この構造物では，短繊維は配向していない．
この構造物の断面形状を図 9(b)に示す．0.5%程度の短繊
維の含有率では，樹脂のみの図 8 と同じような厚さが得(a) 配向前
図6100 µm(b) 配向後配向前後の液体樹脂中の短繊維

Surfaceof polymer
Substrate
600 rpm1000 rpm
1400 rpm
4000 rpm

20000(b) 断面(a) 概略図
図71
23
Spin coating time (min)200 µm

基板上で硬化させた 1 層の樹脂

4

Surface ofpolymer layers
Substrate(a) スピンコート時間と樹脂厚さ

20 µm

Thickness (µm)

400

5 µmられている．

200 µm15

図810

基板上で硬化させた積層した樹脂

Surface ofpolymerlayers

5Substrate

20 µm

Thickness (µm)(b) 断面(a) 概略図

Rotating time: 1 min

200 µm001000

2000

3000

4000

500 µmRotating speed (rpm)(a) 顕微鏡写真(b) スピンコート回転数と樹脂厚さ

図9
図4

スピンコート時間および回転数と樹脂厚さー 173 ー(b) 断面

基板上で硬化させた短繊維を混合して積層した樹脂

100 µm(a) 1 層目に焦点を合わせた
写真(b) 2 層目に焦点を合わせた
写真(c) 概略図

図 10 配向した短繊維で強化したマイクロ段付き歯車

2・4

表3

製作例

TiC ウィスカーの寸法と密度0.5－2

前節までで述べた検討結果を用いて，短繊維を配向しDiameter (µm)

たマイクロ歯車を造形した．その光学顕微鏡写真を図

Length (µm)

20－7010(a)，(b)に示す．この歯車は(c)に示すように，歯の部

Density (g/cm3)

4.93分は半径方向に短繊維を配向し，内側および段付き部分は厚さ方向に配向している． (a)は 1 層目の歯の部分に，

zx(b)は 2 層目の段付き部分にピントを合わせた写真であWhisker

る．樹脂 1 層の厚さは 12µm である．

Eo

ところで本論文の造形物では，短繊維の体積含有率は0.5％である．今後，短繊維の含有率を増やして造形した
いと考えている．

3・1

Direction ofelectric field

y３．電界を利用した製作方法(2)α(a) 液体樹脂中の細長楕円体で近似したウィスカー

製作方法の概略

電界を利用して配向するときには，液体樹脂と短繊維

η =const.の混合物に電界を印加すればよい．すなわち，図 1 の磁界の代わりに電界を印加することになる．短繊維は，導xθ =const.

θ =π体でも誘電体でも配向は可能である．しかし，導体のほOうが配向しやすい．本研究では，短繊維として，TiC ウ
ィスカーを使用した．その寸法と密度を表 3 に示す．TiC

ϕ

ウィスカーの平均直径は 1µm，平均長さは 50µm 程度でϕ =const.

あり，導体である．
3・2z
θ =0y(b) 細長楕円体座標

配向に必要な電界強度の基礎式

計算のモデルを図 11 に示す．図 11(a)のように，ウィ

図 11 液体樹脂中のウィスカーと細長楕円体座標

スカーを細長回転楕円体で近似する．細長回転楕円体の中心を原点とし，その長手軸を z 軸とする．z 軸に垂直な原点を含む円形断面内の垂直な 2 方向を x 軸，y 軸とする．この細長楕円体で近似したウィスカーが液体樹脂となる．θ = 0 は正の z 軸と一致し，θ = π は負の z 軸と中にある．液体樹脂には電界強度 E0 の一様な電界が印加一致する．ϕ が一定である面は，z 軸を通る平面となり，されており，細長楕円体の長手軸方向は，電界方向と角ϕ の値は x 軸となす角度になる．
（η, θ, ϕ ）とデカルト座度αをなす．ウィスカーは導体とし，液体樹脂の誘電率標の変数（x, y, z）の関係を式(1)～(3)に示す．

をεとする．ここで，図 11(b)のように，（η, θ, ϕ ）を座標の変数とする細長回転楕円体座標を用いる．図 11(b)x = a ⋅ sinh η ⋅ sin θ ⋅ cos ϕ(1)は，見やすくするために z 軸を水平にして示した．このy = a ⋅ sinh η ⋅ sin θ ⋅ sin ϕ(2)座標で，ηが一定の面は楕円体表面となる．θ が一定であz = a ⋅ cosh η ⋅ cos θ(3)る面は，楕円体表面と直交し，z 軸に対称な，お椀形状(a > 0,ー 174 ー0 ≤ η < ∞, 0 ≤ θ ≤ π , 0 ≤ ϕ ≤ 2π )

ここで，a は正の定数である．ウィスカーの表面はη = ηcについての関係である．図 12 より，両方の直線の勾配で表す．ηc = 0 のときには，ウィスカーは，長さ 2a の線はほぼ等しいが，測定値は原点を通らない．すなわち，せん断速度勾配の値が 0 となってもせん断応力の値は 0分となる．
液体樹脂中のウィスカーは電界方向に向くモーメントを受けるが，周囲の液体樹脂にその回転を妨げられる．とはならず，1Pa 程度の値となる．この値が 3.2 節で述
べたせん断降伏応力τ0 となる．

液体樹脂がニュートン流体ならば，電界の値が小さくて式(4)で示したように，液体樹脂の誘電率も配向に必要もウィスカーは配向する．液体の紫外線硬化樹脂はビンな電界強度の値に影響する．硬化した紫外線硬化樹脂のガム性を有しており，作用するせん断応力が降伏点τ0 に

比誘電率は製造元で測定されているが，液体の樹脂につ達しないと，流動を開始しない．計算の詳細は省くが，いては，測定されていない．このため，液体の紫外線硬ウィスカーが回転を開始するために必要な電界強度 E0化樹脂の誘電率を測定した．液体樹脂を平板間に満たし，の値は，次式求めることができる．

これをコンデンサとみなして静電容量を測定することによって液体樹脂の比誘電率を算出した．その結果を図 13

E0 =(2τ 0 sinh η c cosh η c cosh 3 η c − sinh 3 η cπ ε K sin 2α)に示す．比誘電率の値は印加する周波数が高くなるにつ(4)式(4)の K は，細長楕円体表面を表すηc に関する無次元れて減少する．
3・4

ウィスカーの配向

ウィスカーが回転を始めるために必要な電界強度の計の定数であり，次式のように表される．

算値を図 14 に示す．図 14 の横軸は，ウィスカーの角度

(K=×)

⎡⎛
cosh η c + 1 ⎞⎤22⎟⎥
⎢6 cosh η c − 4 − 3 sinh η c cosh η c ⎜⎜ log ecosh η c − 1 ⎟⎠⎦⎥⎝⎣⎢⎡⎛cosh η c + 1 ⎞ ⎤⎟ − 2⎥⎢(cosh η c )⎜⎜ log ecosh η c − 1 ⎟⎠ ⎦⎥⎝⎣⎢1⎡⎛coshηc + 1 ⎞⎤2⎟⎥⎢2 coshηc − sinh ηc ⎜⎜ logecoshηc − 1 ⎟⎠⎦⎥⎝⎣⎢()である．3・2 節で述べたように，45°のときが最も回転しやすい．印加する周波数は，図 13 に示した比誘電率の値の違いを示している．図 14 より，周波数が高くなると，配向に必要な電界強度の値は高くなるが，顕著な差はない．電界から 45°傾いたウィスカーは 20V/mm以下で回転を開始するが，角度が 45°からずれるにつれ(5)て，必要な電界強度の値は大きくなる．計算上は，電界式(4)より，せん断降伏応力τ0 が大きくなるほど，回転させるために必要な電界強度は大きい値を必要とする．
ウィスカーの長さの半分の値に相当する a は，式(4)には表れない．さらに，この電界強度の値は，ウィスカーが電界方向となす角度αによっても異なる．ウィスカーがShear stress (Pa)6

電界と 45°の角度をなすときに，最も小さい値となる．
すなわち，電界がこの値以下では，ウィスカーは回転をExperimental data
42

Newtonian fluidη = 0.36 (Pa s)

002

始めない．
3・3468Rate of shear (1/s)

1012

図 12 液 体 樹 脂 の せ ん 断 応 力 とせん断速度勾配

せん断降伏応力と誘電率の測定

おいて，液体樹脂中のウィスカーが回転する場合のレイノルズ数は最大でも 10-5 程度である．このため，本研究では速度勾配が非常に小さい場合での液体樹脂の粘度を，落球式測定法により測定した．
測定結果を図 12 に示す．図 12 の横軸はせん断速度勾配に相当する値であり，縦軸はせん断応力に相当する値である．図 12 中の丸印は測定点であり，丸印を通る直線は，直線回帰分析した結果である．この直線の勾配が粘性係数の値となる．一方，原点を通る直線は，製造元の粘性係数の公表値である 0.36Pa･s のニュートン流体

ー 175 ー

Relative dielectric constant

ウィスカーを配向する際の液体樹脂中のウィスカーのまわりの速度勾配は非常に小さい．本研究の造形条件に

60402000100

200 300 400
Frequency (Hz)500

図 13 液体樹脂に印加する交流周波数と比誘電率

Electric field (V/mm)

50Secondlayer

100Hz200Hz
300Hz
400Hz

4030FirstlayerWhisker

20(a) 概略図

10001530456075
Initial inclimental angle (deg.)90

図 14 ウ ィ ス カ ー が 回 転 を 始 め る
電界強度の計算値

100µm

Direction of electric field(b) 1 層目の写真

100µm100µm
図 15 液体樹脂内のウィスカーの配向（電界強度：100 V/mm，印加時間：180 s，電界周波数：100 Hz）(c)

2 層目の写真

図 16 配向したウィスカーで強化したマイクロ積層構造物から 90°の角度をなすウィスカーにはモーメントが作用しないことになる．図 14 によると，計算の上では，造物を，光造形法を応用して実際に製作することができ電界から 85°傾いていても，50V/mm の電界を印加すれた．

ば，回転を開始して，配向することが可能である．

謝

液体樹脂とウィスカーの混合物に交流電界を印加し，辞印加時間と配向のようすを光学顕微鏡で観察した．その本研究を遂行するにあたり，天田金属加工機械技術振一例を図 15 に示す．写真中の黒い線がウィスカーであ興財団より，一般研究開発助成（AF－2009207）を賜りる．図 15 は 180 秒間，印加した状態であるが，100 V/mmました．ここに，厚く御礼申し上げます．の電界強度だと 20 秒以内に配向させることができる．
ウィスカーを配向して樹脂を硬化させた例を図 16 に文示す．図 16(a)は硬化物の概略で，1 層目と 2 層目で異な(1) 中本剛，児嶋伸弥，“磁界によって配向した短繊維で献る方向に配向した．図 16(b)は 1 層目の写真で，図 16(c)

強化したマイクロ部品の光造形（短繊維を配向したは 2 層目の写真である．各層の厚さは 300µm である．

薄膜の積層）”，日本機械学会論文集 C 編，Vol. 76，No. 772（2010），pp. 3843－3848．

４．結(2) 中本剛，金久修，須川陽平，“電界により配向したウ言

以上のように，磁界や電界を利用して紫外線硬化樹脂ィスカーで強化したマイクロ部品の光造形”，日本機中で短繊維を配向するための条件について検討した．こ械学会論文集 C 編，Vol. 77，No. 782（2011），pp.の検討結果から，配向した短繊維で強化したマイクロ構

3881～3890．

ー 176 ー