JP2008030148A - マイクロブラスト加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ流路の断面を略Ｕ字形状としたマイクロチャンネルデバイスを容易に得ることができるマイクロブラスト加工方法及び加工装置を提供する。
【解決手段】表面が任意形状を残しつつマスク材Ｍで覆われてマスクパターンＰが形成されたガラス基板Ｗを載置する載置台１と、該載置台１上のガラス基板ＷのマスクパターンＰに砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工し、ガラス基板の表面に溝形状のマイクロ流路Ｗａを形成するブラストノズル２とを具備したマイクロチャンネルデバイスを得るためのマイクロブラスト加工装置において、ブラストノズル２の砥粒の噴出方向と載置台１上のガラス基板Ｗの表面とが相対的に所定角度傾斜して成るものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、マスクパターンが形成されたガラス基板等の無機材料の表面に対し砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工することにより、無機材料の表面に溝形状のマイクロ流路を形成してマイクロチャンネルデバイスを得るためのマイクロブラスト加工方法及び加工装置に関するものである。

近時において、例えば化学分野等ではマイクロチャンネルデバイス（或いはマイクロリアクタ）と呼ばれる小型反応器を用いて、微量原料の化学反応を行う研究が活発化するに至っている。かかるマイクロチャンネルデバイスとは、数センチ角の基板の表面に溝形状の微細流路（マイクロ流路）が形成されたものをいい、当該マイクロ流路にて微量の液体試料サンプル等を流動させ、その流動過程で種々化学反応を行わせ得るよう構成されている。

例えば特許文献１にて開示されているように、マスク材で覆われていないガラス基板の表面に砥粒を噴出してマイクロブラスト加工を施し、ガラス基板の表面に溝形状のマイクロ流路を形成することによりマイクロチャンネルデバイスを得る方法が提案されている。かかる方法によれば、ガラス基板の表面に対して容易且つ簡易にマイクロ流路を形成し、マイクロチャンネルデバイスを得ることができる。

また、比較的厚手のフォトレジスト厚膜に対して常法により露光し、その後現像するに当たり、現像液を圧縮ガスによって噴出して吹き付けることにより膨潤な溶出部を排除して、任意形状のパターンを残しつつガラス基板の表面をマスク材で覆うことが、例えば特許文献２にて開示されている。かかる方法によれば、微細で高精細なマスキングパターンを形成することができる。
特開２００２−１３７１６７号公報 特開２００２−１３９８４８号公報

しかしながら、上記従来のマイクロブラスト加工方法においては、マイクロ流路の断面がＶ字形状の溝となってしまうことから、微量原料を流動させる際、所望量の原料を流動させ難い或いは当該原料が滞留し易い等の問題があった。即ち、通常、砥粒を噴出させるノズルをガラス基板に対して直交する方向に向けて配設していることから、マスク材で覆われていない部位がＶ字形状（溝底部が鋭角とされた形状）に刻されてしまうのである。

また、ガラス基板の表面をマスク材で覆うに際し、フォトレジスト厚膜に対して露光して現像することによりマスクパターンを形成するため、露光のための大がかりな装置や器具或いは現像液等を必要とすることから、マイクロチャンネルデバイスの製造コストが嵩んでしまうという問題もあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、第１の目的は、マイクロ流路の断面を略Ｕ字形状としたマイクロチャンネルデバイスを容易に得ることができるマイクロブラスト加工方法及び加工装置を提供することにあり、第２の目的は、簡易且つ容易に無機材料の表面にマスクパターンを形成することができ、そのマスクパターンにてマイクロブラスト加工を施してマイクロチャンネルデバイスを得ることができるマイクロブラスト加工方法及び加工装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、任意形状を残しつつ無機材料の表面をマスク材で覆うことによりマスクパターンを形成するマスクパターン形成工程と、前記マスクパターンに砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工することにより、無機材料の表面に溝形状のマイクロ流路を形成するマイクロ流路形成工程とを有したマイクロチャンネルデバイスを得るためのマイクロブラスト加工方法において、前記マイクロ流路形成工程は、前記砥粒の噴出方向と無機材料の表面とを相対的に所定角度傾斜させてマイクロブラスト加工することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のマイクロブラスト加工方法において、前記マイクロ流路形成工程は、前記砥粒の噴出方向を一定に維持しつつ、前記無機材料を揺動して傾斜させることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載のマイクロブラスト加工方法において、前記マイクロ流路形成工程は、前記無機材料の傾斜を一定に維持しつつ、前記砥粒の噴出方向を前記無機材料の表面に対して所定角度傾斜させることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１記載のマイクロブラスト加工方法において、前記マイクロ流路形成工程は、前記無機材料の表面に対し、複数の方向から砥粒を噴出してマイクロブラスト加工することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、任意形状を残しつつ無機材料の表面をマスク材で覆うことによりマスクパターンを形成するマスクパターン形成工程と、前記マスクパターンに砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工することにより、無機材料の表面に溝形状のマイクロ流路を形成するマイクロ流路形成工程とを有したマイクロチャンネルデバイスを得るためのマイクロブラスト加工方法において、前記マスクパターン形成工程は、無機材料の表面に対してノズルからマスク材を直接吐出して一筆描きで任意形状のマスクパターンを形成することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、表面が任意形状を残しつつマスク材で覆われてマスクパターンが形成された無機材料を載置する載置手段と、該載置手段上の無機材料のマスクパターンに砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工し、無機材料の表面に溝形状のマイクロ流路を形成するブラストノズルとを具備したマイクロチャンネルデバイスを得るためのマイクロブラスト加工装置において、前記ブラストノズルの砥粒の噴出方向と前記載置手段上の無機材料の表面とが相対的に所定角度傾斜して成ることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項６記載のマイクロブラスト加工装置において、前記ブラストノズルの砥粒の噴出方向を一定に維持しつつ、載置手段を揺動して前記無機材料を傾斜させることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項６記載のマイクロブラスト加工装置において、前記ブラストノズルを揺動することにより、前記砥粒の噴出方向を無機材料の表面に対して所定角度傾斜させることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項６記載のマイクロブラスト加工装置において、前記無機材料に対して砥粒の噴出方向が所定角度傾斜した複数のブラストノズルを具備したことを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、表面が任意形状を残しつつマスク材で覆われてマスクパターンが形成された無機材料を載置する載置手段と、該載置手段上の無機材料のマスクパターンに砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工し、無機材料の表面に溝形状のマイクロ流路を形成するブラストノズルとを具備したマイクロチャンネルデバイスを得るためのマイクロブラスト加工装置において、無機材料の表面に対してノズルからマスク材を直接吐出して一筆描きで任意形状のマスクパターンを形成するマスクパターン形成手段を備えたことを特徴とする。

請求項１及び請求項６の発明によれば、砥粒の噴出方向と無機材料の表面とを相対的に所定角度傾斜させてマイクロブラスト加工するので、マイクロ流路の断面を略Ｕ字形状としたマイクロチャンネルデバイスを容易に得ることができる。

また、請求項２及び請求項７の発明の如く、砥粒の噴出方向を一定に維持しつつ、無機材料を揺動して傾斜させる、請求項３及び請求項８の発明の如く、無機材料の傾斜を一定に維持しつつ、砥粒の噴出方向を無機材料の表面に対して所定角度傾斜させる、或いは請求項４及び請求項９の発明の如く、無機材料の表面に対し、複数の方向から砥粒を噴出してマイクロブラスト加工するようにしてもよい。

請求項５及び請求項１０の発明によれば、無機材料の表面に対してノズルからマスク材を直接吐出して一筆描きで任意形状のマスクパターンを形成するので、簡易且つ容易に無機材料の表面にマスクパターンを形成することができ、そのマスクパターンにてマイクロブラスト加工を施してマイクロチャンネルデバイスを得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係るマイクロブラスト加工装置は、マスクパターンが形成されたガラス基板（無機材料）の表面に対し砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工することにより、ガラス基板の表面に溝形状のマイクロ流路を形成してマイクロチャンネルデバイスを得るためのものであり、図１に示すように、載置台１（載置手段）と、ブラストノズル２と、砥粒タンク３と、電磁バルブ４と、コンプレッサ５とから主に構成される。

載置台１は、ガラス基板Ｗを載置するためのもので、ブラストノズル２と対向した位置にて水平面内（Ｘ方向、Ｙ方向）で摺動可能とされている。ガラス基板Ｗは、図３に示すように、表面が任意形状を残しつつマスク材Ｍ（紫外線硬化樹脂等）で覆われてマスクパターンＰが形成されており、数十センチ角の矩形状ガラス材から成るものである。

ブラストノズル２は、載置台１上のガラス基板Ｗの表面に対し、砥粒を噴出させてブラスト加工するためのものであり、微細なセラミック粒子等から成る砥粒が収容された砥粒タンク３と連結されているとともに、電磁バルブ４を介してコンプレッサ５とも連結されている。これにより、コンプレッサ５を駆動しつつ電磁バルブ４を開状態とすると、砥粒タンク３内の砥粒がブラストノズル２から高圧で噴出されるようになっている。

しかして、高圧で噴出された砥粒は、載置台１上のガラス基板Ｗ表面に衝突してマイクロブラスト加工が施されるので、マスクパターンＰ（マスク材Ｍで覆われていない部位）に沿って溝形状のマイクロ流路Ｗａが形成されることとなる。即ち、ガラス基板Ｗ表面のマスク材Ｍで覆われた部分には砥粒が衝突しないため、マスクパターンＰのみが削られることから、当該マスクパターンＰに倣ったマイクロ流路Ｗａが形成されるのである。

ここで、本実施形態においては、ブラストノズル２がガラス基板Ｗの表面に対して揺動し得るよう構成されている。即ち、図１に示すように、ガラス基板Ｗ表面の直交方向に対し所定角度α（５°〜６０°）だけ傾斜するようブラストノズル２を揺動させることができる揺動機構を具備しているのである。尚、本発明の「砥粒の噴出方向とガラス基板の表面とを相対的に所定角度傾斜」とは、ガラス基板Ｗ表面の直交方向に対して所定角度αだけ傾斜した状態をいい、直交方向を含まない。

そして、ブラストノズル２をガラス基板Ｗ表面と直交方向に向けて砥粒を噴出した後、ガラス基板Ｗを水平面（Ｘ、Ｙ方向）内で移動させつつ、右側へ角度αだけ傾斜させた状態で砥粒を噴出し、更に左側へ角度αだけ傾斜させた状態で砥粒を噴出させれば、形成されるマイクロ流路Ｗａの断面が、図４に示すような略Ｕ字形状の溝となる。然るに、上記マイクロブラスト加工は、噴出する砥粒をホワイトアルミナ（♯８００）、噴出圧力を０．５（ＭＰａ）、噴出距離を７５（ｍｍ）、走査速度を１５（ｍｍ／ｓ）、砥粒噴出量を５０（ｇ／ｍｉｎ）とした条件で行うのが好ましい。

その後、マスク材Ｍを剥離すれば、断面が略Ｕ字形状のマイクロ流路Ｗａが表面に形成されたマイクロチャンネルデバイスを得ることができる。かかる表面に略同一形状のガラス板等を積層すれば、マイクロ流路Ｗａにおいて液体試料サンプル等の微量原料を流動させることができ、その流動過程で種々化学反応を行わせることができる。尚、複数のガラス基板Ｗを上下に積層させて上下方向に複数のマイクロ流路Ｗａを形成するよう構成してもよい。

一方、本実施形態に係るマイクロブラスト加工装置は、図５に示すようなマスクパターン形成手段を具備している。かかるマスクパターン形成手段は、載置台６、及び半溶融状態の紫外線硬化樹脂を載置台６上のガラス基板Ｗ上に供給し得るディスペンサ７を有しており、当該ディスペンサ７の先端に形成されたノズル７ａから紫外線硬化樹脂を吐出させ得るよう構成されているとともに、マシニングセンタ等の加工軸８にてディスペンサ７が例えば数値制御等により任意軌跡にて動作し得るよう構成されている。

そして、加工軸８を動作させることにより、ガラス基板Ｗの表面に対してノズル７ａから紫外線硬化樹脂（マスク材）を直接吐出して、図２に示すように、一筆描きで任意形状のマスクパターンＰを形成し得るようになっている。然るに、マスクパターンＰ以外の部位に紫外線硬化樹脂を塗布した後、紫外線を照射すれば紫外線硬化樹脂が硬化し、図３に示す如きマスク材Ｍが形成されることとなる。

従って、本実施形態に係るマスクパターン形成手段が、ガラス基板Ｗの表面に対してノズル７ａから紫外線硬化樹脂（マスク材）を直接吐出して一筆描きで任意形状のマスクパターンＰを形成するので、簡易且つ容易にガラス基板Ｗの表面にマスクパターンＰを形成することができ、そのマスクパターンＰにてマイクロブラスト加工を施してマイクロチャンネルデバイスを得ることができる。

ノズル７ａによる一筆描き吐出は、例えば紫外線硬化樹脂の吐出圧力が０．３（ＭＰａ）、ノズル７ａの吐出部内径及び移動速度が０．４（ｍｍ）及び５（ｍｍ／ｓ）、ノズル７ａとガラス基板Ｗ表面との間のギャップ（間隙寸法）が０．００５（ｍｍ）とした条件下で行うのが線幅のばらつきを抑制する上で好ましい。

次に、本実施形態に係るブラスト加工方法について説明する。
まず、上述の如くマスクパターン形成手段により、ガラス基板Ｗの表面に対して半溶融状態の紫外線硬化樹脂を直接吐出して一筆描きで任意形状のマスクパターンＰを形成するとともに、他の部位（マスクパターンＰ以外の部位）も紫外線硬化樹脂を塗布した後、紫外線を照射して硬化させる。これにより、任意形状を残しつつガラス基板Ｗの表面をマスク材Ｍで覆うことによりマスクパターンＰを形成することができる（マスクパターン形成工程）。

その後、マスク材Ｍを上方へ臨ませつつガラス基板Ｗを載置台１上に載置し、マスクパターンＰに砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工することにより、ガラス基板Ｗの表面に溝形状のマイクロ流路Ｗａを形成する（マイクロ流路形成工程）。かかるマイクロ流路形成工程においては、ガラス基板Ｗの傾斜を一定（水平状態）に維持しつつ、砥粒の噴出方向をガラス基板Ｗの表面に対して所定角度α傾斜させている。

即ち、マスクパターンＰが形成されたガラス基板Ｗに対し、まず直交方向に向けて砥粒を噴出した後（この状態では従来と同様、断面がＶ字形状の溝が形成される）、右側へ角度αだけ傾斜させた状態で砥粒を噴出し、更に左側へ角度αだけ傾斜させた状態で砥粒を噴出させることにより、断面が略Ｕ字形状のマイクロ流路Ｗａを得ることができるのである。そして、マイクロブラスト加工の後、マスク材Ｍをガラス基板Ｗ表面から剥離すれば、任意形状のマイクロ流路Ｗａを有したマイクロチャンネルデバイスを得ることができる。

上記実施形態によれば、砥粒の噴出方向とガラス基板Ｗの表面とを相対的に所定角度α傾斜させてマイクロブラスト加工するので、マイクロ流路Ｗａの断面を略Ｕ字形状としたマイクロチャンネルデバイスを容易に得ることができる。所定角度αは、ガラス基板Ｗ表面の直交方向から左右にそれぞれ略５〜６０°程度が好ましいが、左右にそれぞれ略４５°程度が理想的なＵ字形状のマイクロ流路Ｗａを形成する上で最も好ましい。尚、ブラストノズル２の傾斜角度を任意設定することにより、断面がＵ字形状で且つ溝形状（深さ等）が異なるマイクロ流路を種々形成することができる。

更に、上記実施形態によれば、ガラス基板Ｗの表面に対してノズル７ａからマスク材を直接吐出して一筆描きで任意形状のマスクパターンＰを形成するので、簡易且つ容易にガラス基板Ｗの表面にマスクパターンＰを形成することができ、そのマスクパターンＰにてマイクロブラスト加工を施してマイクロチャンネルデバイスを得ることができる。

以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図６に示すように、マイクロ流路形成工程において、ブラストノズル２からの砥粒の噴出方向を一定に維持しつつ、載置台１（載置手段）を揺動してガラス基板Ｗを揺動して傾斜させるよう構成してもよい。即ち、載置台１を揺動すれば、ブラストノズル２の砥粒の噴出方向と載置台１上のガラス基板Ｗの表面とが相対的に所定角度傾斜して成るので、上記実施形態と同様、マイクロブラスト加工により、断面が略Ｕ字形状のマイクロ流路Ｗａが形成されるのである。

また、図７に示すように、ガラス基板Ｗに対して砥粒の噴出方向が所定角度傾斜した複数のブラストノズル２ａ〜２ｃを具備したものとしてもよい。この場合、各ブラストのずる２ａ〜２ｃに対応する電磁バルブ４ａ〜４ｃが形成され、これら電磁バルブ４ａ〜４ｃを介してコンプレッサ５が連結されるよう構成されており、電磁バルブ４ｂ、４ａ及び４ｃを順次開状態としてマイクロブラスト加工することにより、上記実施形態と同様、断面が略Ｕ字形状のマイクロ流路Ｗａが形成されることとなる。尚、本マイクロブラスト加工が施される対象物として、本実施形態においてはガラス基板を用いているが、他の無機材料（ブラスト加工に適した硬くて脆い例えばシリコンやセラミックス等）としてもよい。

砥粒の噴出方向と無機材料の表面とを相対的に所定角度傾斜させてマイクロブラスト加工するマイクロブラスト加工方法及び加工装置であれば、砥粒の種類が異なるもの或いは装置構成が他の形態のもの等に適用することができる。

本発明の実施形態に係るマイクロブラスト加工装置を示す模式図 同マイクロブラスト加工装置で使用されるガラス基板（無機材料）であって、その表面に任意形状のマスクパターンが一筆描きにて形成されたものを示す模式図 同マイクロブラスト加工装置で使用されるガラス基板であって、その表面にマスク材が塗布されたものを示す模式図 同マイクロブラスト加工装置で形成されたマイクロ流路を示す断面模式図 同マイクロブラスト加工装置に適用されるものであって、ガラス基板Ｗの表面に対してノズルからマスク材を直接吐出して一筆描きで任意形状のマスクパターンを形成するマスクパターン形成手段を示す模式図 本発明の他の実施形態に係るマイクロブラスト加工装置を示す模式図 本発明の更に他の実施形態に係るマイクロブラスト加工装置を示す模式図

符号の説明

１ 載置台（載置手段）
２ ブラストノズル
３ 砥粒タンク
４ 電磁バルブ
５ コンプレッサ
６ 載置台
７ ディスペンサ
７ａ ノズル
８ 加工軸
Ｗ ガラス基板（無機材料）
Ｗａ マイクロ流路
Ｐ マスクパターン
Ｍ マスク材

Claims (10)

1. 任意形状を残しつつ無機材料の表面をマスク材で覆うことによりマスクパターンを形成するマスクパターン形成工程と、
   前記マスクパターンに砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工することにより、無機材料の表面に溝形状のマイクロ流路を形成するマイクロ流路形成工程と、
   を有したマイクロチャンネルデバイスを得るためのマイクロブラスト加工方法において、
   前記マイクロ流路形成工程は、前記砥粒の噴出方向と無機材料の表面とを相対的に所定角度傾斜させてマイクロブラスト加工することを特徴とするマイクロブラスト加工方法。
2. 前記マイクロ流路形成工程は、前記砥粒の噴出方向を一定に維持しつつ、前記無機材料を揺動して傾斜させることを特徴とする請求項１記載のマイクロブラスト加工方法。
3. 前記マイクロ流路形成工程は、前記無機材料の傾斜を一定に維持しつつ、前記砥粒の噴出方向を前記無機材料の表面に対して所定角度傾斜させることを特徴とする請求項１記載のマイクロブラスト加工方法。
4. 前記マイクロ流路形成工程は、前記無機材料の表面に対し、複数の方向から砥粒を噴出してマイクロブラスト加工することを特徴とする請求項１記載のマイクロブラスト加工方法。
5. 任意形状を残しつつ無機材料の表面をマスク材で覆うことによりマスクパターンを形成するマスクパターン形成工程と、
   前記マスクパターンに砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工することにより、無機材料の表面に溝形状のマイクロ流路を形成するマイクロ流路形成工程と、
   を有したマイクロチャンネルデバイスを得るためのマイクロブラスト加工方法において、
   前記マスクパターン形成工程は、無機材料の表面に対してノズルからマスク材を直接吐出して一筆描きで任意形状のマスクパターンを形成することを特徴とする無機材料のマイクロブラスト加工方法。
6. 表面が任意形状を残しつつマスク材で覆われてマスクパターンが形成された無機材料を載置する載置手段と、
   該載置手段上の無機材料のマスクパターンに砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工し、無機材料の表面に溝形状のマイクロ流路を形成するブラストノズルと、
   を具備したマイクロチャンネルデバイスを得るためのマイクロブラスト加工装置において、
   前記ブラストノズルの砥粒の噴出方向と前記載置手段上の無機材料の表面とが相対的に所定角度傾斜して成ることを特徴とするマイクロブラスト加工装置。
7. 前記ブラストノズルの砥粒の噴出方向を一定に維持しつつ、載置手段を揺動して前記無機材料を傾斜させることを特徴とする請求項６記載のマイクロブラスト加工装置。
8. 前記ブラストノズルを揺動することにより、前記砥粒の噴出方向を無機材料の表面に対して所定角度傾斜させることを特徴とする請求項６記載のマイクロブラスト加工装置。
9. 前記無機材料に対して砥粒の噴出方向が所定角度傾斜した複数のブラストノズルを具備したことを特徴とする請求項６記載のマイクロブラスト加工装置。
10. 表面が任意形状を残しつつマスク材で覆われてマスクパターンが形成された無機材料を載置する載置手段と、
    該載置手段上の無機材料のマスクパターンに砥粒を噴出させてマイクロブラスト加工し、無機材料の表面に溝形状のマイクロ流路を形成するブラストノズルと、
    を具備したマイクロチャンネルデバイスを得るためのマイクロブラスト加工装置において、
    無機材料の表面に対してノズルからマスク材を直接吐出して一筆描きで任意形状のマスクパターンを形成するマスクパターン形成手段を備えたことを特徴とするマイクロブラスト加工装置。

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