計測自動制御学会東北支部第 232 回研究集会(2006．11．24)
資料番号 232-3光歪特性を光歪特性を用いた形状変形制御可能
いた形状変形制御可能なする研究
形状変形制御可能な型に関する研究
Study on a Mold Controllable Transform Uses Photostrictive Characteristic○相澤大輔*，小林義和**，白井健二**○Daisuke Aizawa*，Yoshikazu Kobayashi **，Kenji Shirai ****日本大学大学院，**日本大学

Graduate School, Nihon University,**

Nihon University

キーワード：光歪特性(Photostrictive characteristic)，光硬化性樹脂(Photopolymerizing),計測(Measuring)

連絡先：〒963-8642 福島県郡山市田村町徳定字中河原１番地
日本大学 工学部 情報工学科 生産システム工学研究室

相澤大輔，℡:(024)956-8824，Fax:(024)956-8863，E-mail:d17601 @cc.ce.nihon-u.ac.jp

１. 緒言
小部品の需要の増加に伴い，様々なマイクロ

２. 形状変形制御可能な形状変形制御可能な型
２ . １ 微小部品成形における微小部品成形 における型における 型 の 問
題点と題点と解決策

生産技術が進歩し，マイクロ，ナノレベルの従来の型を応用したマイクロ成形におい医療，情報，精密機械分野などにおける微微小部品が作成できるようになってきた．しては以下の問題がある．

かしながら現状の生産技術においては使用

１）微細な成形形状を型として加工するため，されている装置と生産される製品が高価で高精度な加工機を必要とする．

ある．

２) 成形形状を分割して積層成形する場合，そこで，本研究においては光歪特性を有す合わせ面の正確な位置決めを必要とする．

る素材を利用した型と大量に部品を供給でそこで，紫外線の照射により光歪特性を示きる金型構造を応用したマイクロ成形シス

す素材 PLZT（ジルコン酸チタン酸鉛ラタン）

テムの開発を目的としている．

セラミックスを型として使用した．これは，PLZT セラミックス自体が形状変形するため-1-

型としての加工を必要としない．また，型がされた紫外線を反射させるための反射鏡，光同位置にあるため，積層成形時に合わせ面のを平行にするための凹凸レンズにより構成位置決めも必要としない．

されている．

２.２ 光歪特性の光歪特性の発生原理

光ファイバー

ガラスプレート

マス
ク

PLZT セラミックスは波長約 365nm の紫外線を照射すると，光起電力効果により分極方PLZT

反射鏡向に内部起電流が発生する．光起電力効果により発生した電荷が電極に蓄えられること(a) 成形形状に応じたマスクを設置するによって，逆圧電効果歪を発生する．この光

光硬化性樹脂(b) 紫外線を照射しマスクを通過した紫外光によりPLZTを変形させる

起電力効果と逆圧電効果歪の重畳作用として，紫外線を照射すると PLZT セラミックスが自己変形する光歪効果が発生する１）２）．
(c) 光硬化性樹脂を充填する

３. 成形原理の成形原理の概要(d) 型を閉じ紫外線を照射し成形物をガラスプレートに付着させる(e) 型を開き成形を完了する

Fig.１
Fig.１ 成形原理の成形原理の概要

Fig.１に成形原理を示す．成形形状に対応したマスクを配置し，光を透過するガラスプ
レーザー変位計
レーザー変位計

レート上に光歪特性素材である PLZT セラミ
PLZTックスを設置する．マスクを通し紫外線の照射範囲を限定する事によって，任意の形状へ凸レンズ

反射鏡

凹レンズ

PLZT セラミックス表面を変形できる．変形した型に樹脂を充填し，スクレーパーによっ紫外線照射装置て表面を平坦化し，上部より紫外線を照射することにより樹脂を硬化させ成形できる．三次形状を成形する場合は，形状に応じたマスXステー
ジ

クを複数枚用意し，同様の工程を繰り返すこージ
Yス テとにより成形物を積層させ成形する．

Fig.２
Fig.２ 計測装置の計測装置の構成

４. 計測装置の計測装置の構成
マイクロ成形システムの開発に当たり，PLZT セラミックスの特性を調べるため，計測装置の開発及び制御ソフトウェアを開発した．
Fig.２に計測装置の概観を示す．計測装置は上部に試料の表面形状を計測するためのレーザー変位計が固定されており，X-Y ステージを使用し試料を移動させることにより，試料表面を３次元的に計測する．また，PLZTを変形させるための紫外線照射装置と，照射

Fig.３
Fig.３ 制御ソフトウェアダイアログ
制御ソフトウェアダイアログ
2５. 計測装置の計測装置の制御ソフトウェア
制御ソフトウェア

0計測装置制御ダイアログを Fig.３に示す．

段差（μm）-0.5

制御ソフトウェアは表面形状計測及び変位量計測の機能がある．形状計測部においては-1-1.5

計測範囲を選択することにより X-Y 軸方向-2に 10μm 間隔で立体的に試料表面の形状を-2.5
0100200300400計測する．PLZT セラミックスの紫外線照射

計測距離（μm）

時間による光歪変位量の推移を計測する場(ａ)２Ｄ計測結果

500

合には，計測の時間間隔を設定し，一定間隔における変位量の推移を計測できる．また計測値を視覚的に分かり易くするためにグラ0.8

フ表示し，計測結果はそれぞれ CSV 形式ファ0.6イルとして出力される．

0.4６. 表面形状の表面形状の計測-0.2-0.4Fig.４に試料表面計測結果を示す．計測条-0.6

件としては装置の精度を調べるために，石英-0.8は約 50μm，段差については最大 0.08μm の

240
160
80
0320

400

560

640

720

0480

-1.4170800

１ライン計測した．その結果，溝幅について340880ている標準試料を用い，10μm 間隔で 1mm を-1-1.2960m]
離[μX 軸距850680510

基盤に段差 1.8μm，溝幅 250μm が描画され高低差[μm]0.20[μm]
Y軸距離（ｂ）３（ｂ）３Ｄ計測結果

誤差があるものの表面形状の計測が可能で

Fig.４
Fig.４ 試料表面計測結果ある事を確認した．
3位量測定結果を示す．PLZT 表面の１点を 152.5変位量（μm）

Fig.５に紫外線照射時間における PLZT 変秒間隔で 900 秒計測したものである．照射開始から約 800 秒後に形状変形の飽和を示し，

21.5
10.5

約 2.5μm の変位を確認したが，変位量が大0である．

0200

400

600

800

1000

紫外線照射時間（s）

７. 結言
７.１ 結論

Fig.５
Fig.５ PLZT 変位量計測結果（３）紫外線の照射による PLZT セラミックスの形状の変形が安定するまでの時間を確認した．

光歪素子を用いた形状変形制御可能な型の開発を目的として，計測ソフトウェアの作成及び計測実験を行い以下の結論を得た．
（１）計測ソフトウェアの開発により試料表面の形状及び PLZT セラミックスの変位を計測できた．
（２）試料の段差については誤差が 0.08μmと，ほぼ正確に計測できることを確認した．

７.２ 今後の今後の課題（１）PLZT セラミックス表面の温度と変位量の関係について計測を行う．
（２）段差のある PLZT セラミックスを使用し，PLZT セラミックス計測時の計測精度を検証する．
3

参考文献
１）

Sada,t., Inoue, M. and Uchino, K., J.
Ceram. Soc. Japan, Vol.95, pp. 545-550(1987)

２）

Dogan, a., Pllsanaas, P., Abothu, I.-R.,
Komarneni, S. and Uchino, K., J.
Ceram. Soc. Japan, Vol.109, pp.
493-499(2001)

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