光造形法に関する研究

　今日、さまざまな分野においてマイクロマ シンの実現に期待が寄せられている。
本研究ではマイクロマシンの製作技術として微小立体構造体物の作成に優れている光造形法に注目した。
樹脂内部へ局所的に光を照射して樹脂を硬化させる内部硬化式光造形法を用い、微小樹脂構造物を得る。

　光造形法には光を当てることによって硬化する液状の樹脂を用い、作成しようとする構造物の断面の形に光を当て、そ れを順々に積層させることで目的の立体構造物を得る方法である。
光造形法には以下のような区分がある。

• 平面露光形光造形法 …… マスクを用いて断面を一括作成する光造形法。
• 走査型光造形法　　　 …… 一点に集中させた光を走査して断面を作成する光造形法。

さらに、樹脂を硬化させる方法として以下のような区分がある。

• 自由液面型 …… 液面を均一化するもの(透明な板)を置かないで断面を作成する方法。
• 規制液面型 …… 液面を均一化するものを置いて断面を作成する方法。

　本研究では上述の硬化法に加えて、内部硬化式光造形法に注目した。これはレンズで光(紫外光)を樹脂内部に集中させ、樹脂の硬化臨界エネルギーを超える 領域を作ることによって、樹脂内部で硬化させる方法である。
この光造形法には以下の特徴がある。

• 表面張力による表面の乱れが少ない。
• 樹脂内部で硬化するので、酸素による硬化妨害が発生しない。
• 規制板による構造物の破壊がない。

スライドガラス上に100μm厚の樹脂を塗布し、上図左側に示すようなハニカム構造を作 成した。

このハニカム構造は84μm x 88μmの長方形の内に、一辺6μmの六角形のセルが39個作成されている。

　一点照射式の光造形装置では一点一点露光することから製作時間がかかるというのが欠点である。時間の短縮を目的と して平面露光型光造形装置の開発を行った。

平面露光型造形装置は樹脂を硬化する部分の光を通すように作ったマスクを使って所望する平面を一括造形できる。しかし、複雑な立体形状を作るにはそのつど マスクを作成せねばならない。そこで、コンピュータからマスクの形状を変更できる可変マスクを考案した。

　先の装置を用いて、試作した結果を上に示す。
一点照射式の光造形装置では112分かかったが、製作した光造形装置では58分となり、約２倍の造形時間短縮を実現できた。
さらに多くの光ファイバでアレイを構成すれば、より短い時間での造形が可能と考えられる。

　先の光ファイバ用いた造形装置では２次元での硬化は難しい。
そこで、２次元平面を一括硬化させる方法として、簡易印章作成機「たいこバン」を用いた平面露光形光造形装置の開発を行った。
装置の概要を左下図に示す。コンピュータからの操作によってマスクパターンをインクリボンに作成・配置し、マスクパターンからの透過光を下のレンズで縮小 してXYステージ上の樹脂に照射するようになっている。
この造形装置の特徴は、

• マスク作成が容易にできる。
• マスクの交換が簡単にできる。
• マスク下のレンズで任意の大きさに拡縮できる。
• インクリボンの大きさを変えればより大きなものの造形ができる。