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JP3988964B2 - Method for forming movable device for micromachine by stereolithography - Google Patents

Method for forming movable device for micromachine by stereolithography Download PDF

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JP3988964B2
JP3988964B2 JP35245697A JP35245697A JP3988964B2 JP 3988964 B2 JP3988964 B2 JP 3988964B2 JP 35245697 A JP35245697 A JP 35245697A JP 35245697 A JP35245697 A JP 35245697A JP 3988964 B2 JP3988964 B2 JP 3988964B2
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curing resin
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幸士 生田
聡 河田
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Description

【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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a movable device for a micromachine by an optical modeling method.
[0002]
[Prior art and problems]
As a processing method for machine parts, an optical modeling processing method has been put into practical use. In general, the stereolithography method is a processing method for irradiating a photocurable resin in a liquid state with light to cure the photocurable resin into a desired shape, and is a method suitable for obtaining a complicated three-dimensional shape. is there.
[0003]
The inventor of the present application has advanced research and development for practical application of this stereolithography processing method as a fundamental technology of a micromachine that is expected to be applied to the medical field.
[0004]
In order to apply the stereolithography method to three-dimensional micromachining for a micromachine, it is necessary to make the minimum curing unit of the photocurable resin, which is the processing resolution, as small as possible.
[0005]
By the way, in the conventional stereolithography processing method, there is a method called a free liquid level method as shown in FIG. 9 and FIG.
In the example shown in FIG. 9, first, a liquid photo-curing resin 110 is put in such an amount that the bottom 100 of the container is covered thinly, and the liquid surface is irradiated with light L such as ultraviolet rays. Then, only the portion irradiated with the light L is cured and solidified (see the cured layer 1 in FIG. 1A).
[0006]
Next, the liquid photocurable resin 110 is added to increase the liquid level so that the upper surface of the cured layer 1 is thinly covered with the photocurable resin 110. From this state, when the liquid surface is irradiated with light L, the photo-curing resin is cured, and a second cured layer 2 is formed on the first cured layer 1 (see FIG. 9B). Hereinafter, by repeating the same operation, a three-dimensional shape in which a large number of layers are stacked is formed.
[0007]
Further, in the structure shown in FIG. 10, unlike FIG. 9, a hardened layer is formed one after another on the stage 120 that can be raised and lowered. That is, first, a certain amount of the liquid photocurable resin 110 is put in the container, and the stage 120 is moved upward, so that a thin layer of the liquid photocurable resin 110 is formed between the stage upper surface 120a and the liquid surface. Like that.
[0008]
From this state, the first hardened layer 1 is formed by irradiating the liquid surface with light L and curing it (see FIG. 10A). Next, the stage 120 is lowered by one stage to form a thin layer of the liquid photo-curing resin 110 between the cured layer 1 and the liquid surface, and from this state, the liquid surface is irradiated with light L, A second hardened layer 2 is formed (see FIG. 5B). Thereafter, by repeating the same operation, a three-dimensional shape composed of a number of layers is formed.
[0009]
In such a free liquid level method, the thinner the liquid layer, the harder it is to have a uniform thickness due to the effect of surface tension, making it easier to control the thickness of the cured layer. However, there is a problem that the resolution cannot be increased. Further, since the viscosity of the liquid photo-curing resin is generally high, there is a problem that it takes time until the liquid level is stabilized.
[0010]
On the other hand, the conventional stereolithography method includes a method called a liquid level regulation method as shown in FIGS.
In what is shown in FIG. 11, first, a certain amount of liquid photo-curing resin 110 is put in a container. From this state, the vertically movable stage 130 having translucency is moved downward so that a thin layer of the liquid photocurable resin 110 is formed between the stage lower surface 130 a and the container bottom surface 140.
[0011]
Next, the cured layer 1 of the first layer is formed by irradiating the photocurable resin 110 with light L from above through the stage 130 and curing it (see FIG. 11A). Next, the stage 130 is raised by one step, a thin layer of liquid photocurable resin is formed between the stage lower surface 130a and the cured layer 1, and from this state, the photocurable resin 110 is irradiated with light L. Then, the second hardened layer 2 is formed (see FIG. 5B). Thereafter, by repeating the same operation, a three-dimensional shape composed of a large number of layers is formed.
[0012]
In the case shown in FIG. 12, a transparent window 150 is provided at the bottom of the container, and light L is emitted from the transparent window 150. That is, in this case, first, a certain amount of the liquid photocurable resin 110 is placed in the container, and the stage 160 is moved downward, so that the liquid photocurable resin 110 is placed between the stage lower surface 160a and the container bottom surface 170. Form a thin layer.
[0013]
From this state, the cured layer 1 of the first layer is formed by irradiating the light curable resin 110 with light L from below through the transparent window 150 and curing it (see FIG. 12A). Next, the stage 160 is moved up by one stage together with the hardened layer 1 to form a thin layer of the liquid photocurable resin 110 between the hardened layer 1 and the bottom surface 170 of the container. From this state, the liquid is passed through the transparent window 150. By irradiating the light curable resin 110 with light L, the second cured layer 2 is formed. Thereafter, by repeating the same operation, a three-dimensional shape composed of a large number of layers is formed (see FIG. 5B).
[0014]
In such a liquid level regulation method, since the distance by which the stage is raised is equivalent to the thickness of the layer, it is relatively easy to control the thickness of one layer of the cured layer, and the resolution can be increased to some extent. At the same time, there is no need to wait for the liquid level to stabilize, so that the processing can be performed quickly. On the other hand, when the stage is raised, the hardened layer is completely removed from the stage lower surface 130a or the transparent window 150. Therefore, it is necessary to apply a release agent on the lower surface of the stage or the transparent window, or to perform a treatment such as Teflon coating.
[0015]
However, even when such treatment is performed, the interface of the hardened layer does not always peel completely from the lower surface of the stage or the transparent window, and peeling occurs inside the hardened layer, resulting in deformation or breakage in the three-dimensional shape. There is.
[0016]
In addition, in this liquid level regulation method, in order to further improve the processing resolution, it is necessary to make the moving distance of the stage as small as possible. However, if the moving distance of the stage becomes too small, it will be cured even if the stage is moved. There are cases where the layer is not elastically deformed and the interface of the hardened layer is not peeled off. Therefore, the processing resolution is limited even by the liquid level regulation method.
[0017]
The present invention has been made in view of such a conventional situation, and an object of the present invention is to solve the problem of peeling of a hardened layer and to further improve the processing resolution of a movable device for a micromachine by an optical modeling processing method. It is to provide a forming method.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for forming a movable device for a micromachine using a stereolithography method in which a photocurable resin is cured by irradiating a liquid photocurable resin with light. This is a method for forming a movable device for a micromachine inside. In this method, a liquid photo-curing resin is confined in a fixed space, a light beam is irradiated inside the photo-curing resin, and only the focal point of the light beam is set to an energy intensity necessary for curing the photo-curing resin. In this state, the light beam is scanned inside the light curable resin to form the first member inside the light curable resin without using the lifting stage , and the light beam is irradiated inside the light curable resin. In addition, the light beam is scanned with a gap between the first member and the first member inside the photo-curing resin in a state where only the focal point of the light beam is set to the energy intensity necessary for curing the photo-curing resin. , inside the photocurable resin formed without using and elevation stage without being fastened to the second member relatively movable to the first member relative to the first member, these relatively movably It is characterized by comprising the step of forming the movable device from the first and second members such.
[0019]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for forming a movable device for a micromachine according to the first aspect, wherein the first member is a shaft and the second member is a rotating body that is rotatable around the shaft. Yes.
[0020]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for forming a movable device for a micromachine according to the first aspect, wherein the first member is a base and the second member is a slider that can slide on the base.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for forming a movable device for a micromachine according to the first aspect, wherein the first and second members are chain members and are connected to each other to form a chain structure. It is a feature.
[0022]
According to the stereolithography method according to the present invention, the light beam applied to the photo-curing resin has an energy intensity necessary for curing the photo-curing resin only at the focal point of the light beam.
[0023]
For this reason, when irradiating a light photocurable resin confined in a certain space with a light beam, the focal point of the light beam may be arranged in a portion to be cured in the photocurable resin. In the photo-curing resin, only the focal portion of the light beam is cured, and no curing occurs in the other irradiated portions of the light beam. Therefore, if the focal point of the light beam is moved inside the photo-curing resin, a desired three-dimensional shape can be obtained.
[0024]
As described above, in the present invention, in order to form a desired three-dimensional shape, the focus of the light beam has only to be moved inside the photo-curing resin, so that an elevating stage is not required, and as a result, there is a problem of peeling of the cured layer. Can be eliminated.
[0025]
In addition, since only the focal portion of the light beam is cured when the light beam is irradiated, the processing resolution can be greatly improved. As a result, it is possible to form a micro movable device for a micromachine including the first and second members that can move relative to each other.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical modeling apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, this stereolithography processing apparatus 1 has passed through a laser oscillator 2, a beam expander 3 for expanding the beam width of the laser beam L emitted from the laser oscillator 2, and the beam expander 3. The lens 4 is mainly composed of a lens 4 for condensing the laser beam L and a stage 6 on which a photocurable resin 5 irradiated with the laser beam L condensed by the lens 4 is placed.
[0027]
In front of the laser oscillator 2, a shutter 7 and a filter 8 for adjusting the amount of light are arranged. A mirror (or prism) 9 for guiding the laser beam L emitted from the laser oscillator 2 to the beam expander 3 side is provided.
[0028]
Between the beam expander 3 and the lens 4, a beam moving mechanism 10 such as a galvano mirror for moving the laser beam L in the X, Y, and Z axis directions at high speed is provided. Here, the horizontal direction in the figure is the X-axis direction, the vertical direction on the paper is the Y-axis direction, and the vertical direction in the figure is the Z-axis direction. The shutter 7 and the beam moving mechanism 10 are controlled by a control signal from a control unit (not shown).
[0029]
As shown in FIG. 2, the liquid photocurable resin 5 is accommodated in a fixed space formed by a translucent base 11, spacers 12 and 13, and a lid body 14.
[0030]
Next, an optical modeling method using the optical modeling apparatus according to this embodiment will be described.
The laser beam L emitted from the laser oscillator 2 passes through the shutter 7 and the filter 8, is reflected by the mirror 9, and enters the beam expander 3. The beam width of the laser beam L incident on the beam expander 3 is expanded in the beam expander 3. That is, a thin parallel light beam before incident is changed to a thick parallel light beam after emission.
[0031]
The laser beam L emitted from the beam expander 3 enters the lens 4 through the beam moving mechanism 10, is condensed by the lens 4, and enters the photo-curing resin 5 on the stage 6 (see FIG. 2).
[0032]
At this time, since the beam width is expanded by the beam expander 3, the opening angle α of the laser beam L incident on the photo-curing resin 5 is large, for example, an obtuse angle, as shown in FIG. Thus, when the energy intensity E of the laser beam L is taken on the vertical axis (axis taken in the depth direction of the photocurable resin 5), only the portion of the focal point F of the laser beam L is used to cure the liquid photocurable resin 5. The necessary energy intensity (critical intensity) ε 0 has been reached, and the energy intensity of the other irradiation region A of the laser beam L is smaller than ε 0 .
[0033]
That is, in the photo-curing resin 5 irradiated with such a laser beam L, only the portion of the focal point F of the laser beam L is cured, and the other irradiation region A is not cured.
[0034]
Therefore, in order to obtain a desired three-dimensional shape from the photo-curing resin 5, the laser beam L is placed inside the photo-curing resin 5 so that the focal point F of the laser beam L is located in the liquid, that is, the back side of the liquid surface 5a. In addition to irradiating, the laser beam L may be moved in the X, Y, and Z axis directions by the beam moving mechanism 10 to move the focal point F inside the photocurable resin 5. As a result, as shown in FIG. 2, the desired three-dimensional shape 20 is cured and formed inside the photocurable resin 5.
[0035]
In the conventional stereolithography method, as shown in FIG. 4, when the opening angle of the laser beam L ′ used is small, and the energy intensity E of the laser beam L ′ is taken on the vertical axis as in FIG. The liquid surface 5a portion of the photo-curing resin 5 reaches the critical strength ε 0 , and the entire in-liquid irradiation area A ′ of the laser beam L ′ is in an energy state necessary for curing the photo-curing resin 5. Therefore, the photo-curing resin 5 is cured over the entire irradiation area A ′ of the laser beam L ′. For this reason, in the conventional method, processing resolution is low.
[0036]
On the other hand, in the stereolithography processing method according to the present invention, only the portion of the focal point F of the laser beam L is cured in the photocurable resin 5, so that the processing resolution is dramatically improved. Thereby, a micro structure for a micro machine can be easily manufactured.
[0037]
In the present embodiment, when a desired three-dimensional shape is formed, the laser beam L is irradiated inside the photocurable resin 5 confined in a certain space, and the focal point F of the laser beam L is photocured. Since it is only necessary to move the inside of the resin 5 appropriately, it is not necessary to move the cured layer of the photo-curing resin 5 together with the lifting stage, thereby eliminating the problem of peeling of the cured layer accompanying the movement of the lifting stage.
[0038]
Furthermore, in this embodiment, since the final three-dimensional shape is formed while the photo-curing resin 5 is confined in a certain space, it is hardly affected by the viscosity of the photo-curing resin 5 and is highly effective as a photo-curing resin. A viscous material can be used.
[0039]
Next, FIG. 5 shows an example of a three-dimensional shape manufactured using such an optical modeling method.
What is shown in the figure is a micromachine rotary drive device such as a gear or a micromotor. The rotary drive device 50 includes a shaft 51, a rotating body 52 that can rotate around the shaft 51, and an upper end of the shaft 51. It is comprised from the formed retaining part 53 of the rotary body 52.
[0040]
In this case, the rotating body 52 is completely separated from the base 55. Such molding is possible with the optical modeling method according to the present invention because, as described above, only the focal portion of the laser beam can be cured when the laser beam is irradiated inside the liquid photo-curing resin. It is.
[0041]
On the other hand, when a similar rotational drive device is manufactured using the conventional free-formation method or the stereolithography method using the liquid-level regulation method, only the internal points away from the liquid surface of the photo-curing resin are cured. Therefore, as shown in FIG. 6, a stay 56 is required below the rotating body 52. By cutting the stay 56, the rotational drive device 50 'can be obtained, but this cutting is not an easy task.
[0042]
On the other hand, in the stereolithography processing method according to the present invention, such a cutting operation becomes unnecessary, and it becomes possible to manufacture a micromachine rotary drive device at a low cost in a short time.
[0043]
Note that this micromachine rotary drive device can be manufactured by a semiconductor microfabrication technique such as thin film formation or etching, which is already known as a micromachine manufacturing technique. In addition, cost and time are required as compared with the optical modeling method according to the present invention.
[0044]
Further, in the above-described embodiment, the focal point moving means for moving the focal point F of the laser beam L in the X, Y, and Z axis directions inside the photocurable resin 5 is a beam that moves the laser beam L from the viewpoint of emphasizing high speed. Although the example using the moving mechanism 10 was shown, application of the present invention is not limited to this.
[0045]
You may make it employ | adopt the stage moving mechanism which moves the stage 6 in the state which fixed the laser beam L. FIG. Alternatively, by employing both the beam moving mechanism 10 and the stage moving mechanism, for example, the X and Y axis directions may be moved by the beam moving mechanism 10 and the Z axis direction may be moved by the stage moving mechanism.
[0046]
Further, the movable device manufactured by using the optical modeling method according to the present invention is not limited to the rotary drive device as shown in FIG. 5, and may be a sliding device as shown in FIG. 7. Good.
[0047]
In FIG. 7, this sliding device 60 is a linear mechanism for a micromachine, for example, a base 61 in which a V-shaped groove 61a is formed, and a substantially V-shaped cross section disposed slidably in the groove 61a. The slider 62 has a shape.
[0048]
In this case, the slider 62 is completely separated from the base 61. As in the case of the above-described rotational drive device 50, such molding can be performed by the optical modeling method according to the present invention only when the laser beam is irradiated inside the liquid photo-curing resin, only the focal portion of the laser beam. This is because it can be cured.
[0049]
Furthermore, according to the stereolithography method of the present invention, a chain structure as shown in FIG. 8 can be manufactured. The chain structure 70 includes a plurality of chain members 71, 72, 73, 74, and the like. Each chain member can move freely in a state where adjacent chain members are engaged with each other.
[0050]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, since only the focal point of the beam has the energy intensity necessary for curing the photo-curing resin, only the focal point of the beam can be cured inside the photo-curing resin. As a result, the problem of peeling of the hardened layer can be solved, the processing resolution can be further improved, and a highly viscous material can be used, so that the first and second members that move relative to each other can be used. This makes it possible to form a movable device for a micromachine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical modeling apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a photo-curing resin portion placed on the stage of the optical modeling apparatus (FIG. 1).
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of an optical modeling processing method executed by the optical modeling processing apparatus (FIG. 1).
FIG. 4 is a view for explaining the principle of a conventional stereolithography method, corresponding to FIG. 3 of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a micromachine rotary drive device manufactured by an optical modeling method.
FIG. 6 is a view showing an example of manufacturing a micromachine rotary drive device by a conventional stereolithography method.
FIG. 7 is a view showing a manufacturing example of a sliding device for a micromachine manufactured by a stereolithography method.
FIG. 8 is a view showing a manufacturing example of a chain structure manufactured by an optical modeling method.
FIG. 9 is a view for explaining a free liquid level method that is a conventional stereolithography method.
FIG. 10 is a view for explaining a free liquid level method which is a conventional stereolithography method.
FIG. 11 is a diagram for explaining a liquid level regulation method, which is a conventional stereolithography method.
FIG. 12 is a diagram for explaining a liquid level regulation method, which is a conventional stereolithography method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical modeling processing apparatus 2 Laser oscillator 3 Beam expander 4 Lens 5 Photocurable resin 5a Liquid level 6 Stage 10 Beam moving mechanism 20 Three-dimensional shape 50 Micromachine rotary drive device 52 Rotating body 60 Micromachine slide device 62 Slider 70 Chain shape Structures 71 to 74 Chain member L Laser beam A Irradiation area E Energy intensity ε 0 Critical strength α Opening angle

Claims (4)

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)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。
A liquid light curable resin (5) is irradiated with light using a stereolithography processing method for curing the photocurable resin (5), a micromachine for the mobile devices within the photocurable resin (5) (50, 60, 70 )
The liquid photo-curing resin (5) is confined in a certain space,
The light beam (L) is irradiated inside the photo-curing resin (5) , and only the focal point (F) of the light beam (L) is set to the energy intensity necessary for curing the photo-curing resin (5). by scanning within the beam (L) a photocurable resin (5), without using the elevation stage, formed inside the first member (51,61,72,74) of a photocurable resin (5) And
The light beam (L) is irradiated inside the photo-curing resin (5) , and only the focal point (F) of the light beam (L) is set to the energy intensity necessary for curing the photo-curing resin (5). By scanning the beam (L) with a gap between the first member (51, 61, 72, 74) inside the photo-curing resin (5) , the inside of the photo-curing resin (5) . the first member without being fixed to (51,61,72,74) the first member (51,61,72,74) movable relative to a second member (52,62,71, 73) is formed without using an elevating stage , and the movable device (50, 60, 70 ) is formed from the first and second members (51, 61, 72, 74; 52, 62, 71, 73) that can move relative to each other. Formed )
A method for forming a movable device for a micromachine.
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。
In claim 1,
The first member is a shaft (51) , and the second member is a rotating body (52) rotatable around the shaft (51) .
A method for forming a movable device for a micromachine.
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。
In claim 1,
The first member is a base (61) , and the second member is a slider (62) that can slide on the base (61) .
A method for forming a movable device for a micromachine.
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。
In claim 1,
The first and second members are chain members (71, 72, 73, 74) that are connected to each other to form a chain structure,
A method for forming a movable device for a micromachine.
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