(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体型能動電子構成要素を伴う物品を製造する方法であって、
付加製造プロセスを用いることにより、
ａ）非導電性基板を形成することと、
ｂ）アパーチャを有する非導電性穿孔層を形成することと、
ｃ）前記アパーチャにおいて間隔を空けて配置された導電性のアノード要素およびカソード要素を形成することと、
ｄ）前記要素の間に電位差を付与するために適した、前記要素の各々に対する伝導性電気接続部を堆積させることと、
ｅ）前記穿孔層における前記アパーチャを維持しかつシールするために、前記穿孔層の上に非導電性シール層を形成することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記基板、前記穿孔層、および前記シール層のうちの１つ以上を形成することは、前記アパーチャと前記物品の排出ポートとの間に流体連通を提供するチャネルを形成することを含み、前記排出ポートは、前記アパーチャにおいて真空のような状態を生成するために、前記アパーチャからガスを排出するために適している、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記付加製造プロセスは、前記シール層の形成時に前記アパーチャに不活性ガスを入れるために、実質的に不活性ガスから構成されたシールされた雰囲気内で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記アノードおよび前記カソードは、前記アパーチャの両側に位置付けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記カソードは、前記アパーチャにおける中央に置かれ、前記アノードは、前記アパーチャの壁の少なくとも一部分を占有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記付加製造プロセスは、押し出し堆積プロセスを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記付加製造プロセスは、粒状物質結合プロセスを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
使用中に前記カソードにより熱イオン放出を誘起するために、前記カソードと熱的に近接してフィラメント要素を形成するように、前記付加製造プロセスを用いることをさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記付加製造プロセスを用いることにより、
前記アノード要素および前記カソード要素から間隔を空けて配置され、かつ、前記アノード要素と前記カソード要素との間に位置付けられた、伝導性グリッド要素を形成することと、
前記グリッドが前記カソードから前記アノードへの電子の伝達を調節するように、前記グリッドに電気信号を提供するために前記グリッドに対する伝導性電気接続部を堆積させることと
をさらに含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記非導電性基板、前記穿孔層、および前記シール層のうちの少なくとも１つは、セラミックで形成される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記アノードおよび前記伝導性電気接続部のうちの少なくとも１つは、ガリウム合金から形成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ガリウム合金は、ガリウムおよびインジウムの二元共晶合金である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記カソードは、タングステンを含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
一体型能動電子構成要素を伴う物品を製造するための付加製造装置であって、
前記装置は、
コンピュータシステムと、
非導電性３次元構造を形成するように適合された第１の付加製造構成要素と、
導電性３次元構造を形成するように適合された第２の付加製造構成要素と
を含み、
前記第１の付加製造構成要素および前記第２の付加製造構成要素は、前記コンピュータシステムの制御のもとで動作可能であり、
前記コンピュータシステムは、
ａ）非導電性基板を形成することと、
ｂ）アパーチャを有する非導電性穿孔層を形成することと、
ｃ）前記アパーチャにおいて間隔を空けて配置された導電性のアノード要素およびカソード要素を形成することと、
ｄ）前記要素の間に電位差を付与するために適した、前記要素の各々に対する伝導性電気接続部を堆積させることと、
ｅ）前記穿孔層における前記アパーチャを維持しかつシールするために、前記穿孔層の上に非導電性シール層を形成することと
を行うように前記構成要素を制御するように適合されている、装置。
【請求項１５】
付加製造装置を制御するためのコンピュータシステムであって、前記付加製造装置は、非導電性物質および導電性物質の両方から３次元構造を同時に製造するように適合されており、前記コンピュータシステムは、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法を実行するように前記付加製造装置を制御するように動作可能である、コンピュータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、能動電子構成要素の製造に関する。特に、本発明は、物品のファブリックと統合された、３Ｄ印刷された熱イオン電子構成要素を含む３Ｄ印刷された物品の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
付加製造（３次元（３Ｄ）印刷としても知られる）は、付加プロセス（そのプロセスでは、固体対象物が形成されるまで、積層、接着、結合、または堆積が逐次なされる）により、デジタルモデル等のモデルから３次元固体対象物を製造するプロセスである。このようなアプローチは、物品が部品（部品自体は機械加工、鋳造、または成形され得る）の組立体から形成される伝統的な製造技術とは対照的である。
【０００３】
従来の製造技術に対する付加製造の利点は、技術的利点および商業的利点を含め、多く存在する。技術的には、付加製造は、増加し続ける物質（プラスチック、金属、セラミックを含む）から形成されるべき３次元対象物のほぼ任意のアレンジメントを可能にする。アレンジメントは、複雑な特徴（内的なものであっても）を含み得る。なぜなら、製造のための付加アプローチは、複雑な構造を生成することが可能だからである。付加アプローチは、伝統的なアプローチと比較して、より少ない浪費を生じ、複数の製造物品の間により増加した一貫性を提供し、最小の設定が必要とされる初期設定により、向上した製造速度を提供し、新規な構造および形状ならびに新しい物質の組み合わせの利点を提供する。
【０００４】
商業的には、付加製造は、特に製造のための物品数が比較的少ない場合に、伝統的な製造技術に対して相当のコスト節減を提供する。例えば、プロトタイプ、概念実証、スペア部品、および軌道または宇宙等における隔離位置または遠隔位置において製作される物品は、付加製造を用いて低コストで容易に製造される。また、この製造速度は、３次元物品が３次元設計から比較的高速に製作され得ることから、有益である。
【０００５】
付加製造は、多くのアプローチをカバーする。押し出し堆積は、付加製造に対するアプローチであり、該アプローチにおいては、可動押し出し成形機（「プリントヘッド」）により、可動テーブルまたは支持部により、あるいは両方により、制御された態様で、物質のビーズが押し出される。押し出されたビーズは、迅速に硬化されて、物品の層または部分を形成し、該物品上では、さらなる押し出しが実行され得る。このようにして、物品が付加的に構築される。
【０００６】
代替的アプローチは、金属またはポリマーの選択的な焼結または溶解等の、粒状物質の選択的な溶射である。このようなアプローチを用いることにより、例えば対流熱、レーザ、または電子ビームを用いて、粒状物質が層に堆積され、選択的に焼結され、溶解され、または結合される。選択は、積層態様における物品の３次元モデルに基づいてなされる。このようにして、物品が付加的に構築される。
【０００７】
電気デバイスまたは電子デバイスを製作するための付加製造の使用は、厳しく束縛されてきた。なぜなら、付加製造は、多くの異なる物質から複雑な現代的な電子構成要素を製造するために適していないからである。付加製造は、電気接続のためのトレンチまたはルートとの組み合わせにおける構成要素ソケットおよび相互接続部を有する平面回路基板レイアウトの印刷において用途を見出されているが、付加製造プロセスに続く電気構成要素および電子構成要素の位置付け、設置、および／または組立てに対する必要性が、現在のところ存在する。製造後の組立ておよび／または設置に対するこの必要性は、構成要素位置、ソケット、およびルートが、付加製造されたプロダクトにおいてアクセス可能である必要があるという点で、相当の不利を有する。したがって、複雑な、内在化された、潜在的にアクセス不可能な構造を精密に製作する付加製造の極めて有益な特性は、電子分野においては完全に失われている。さらに、製造後の組立ておよび／または設置に対する必要性は、付加製造の利点を相当に侵食する、追加の製造ステップという重荷を課すことになる。
【０００８】
したがって、上述した不利を伴わずに、付加製造アプローチを用いて電子デバイスを製作することは、有益であり得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の概要）
本発明は、したがって、第１の局面において、一体型能動電子構成要素を伴う物品を製造する方法であって、付加製造プロセスを用いることにより、ａ）非導電性基板を形成することと、ｂ）アパーチャを有する非導電性穿孔層を形成することと、ｃ）前記アパーチャにおいて間隔を空けて配置された導電性のアノード要素およびカソード要素を形成することと、ｄ）前記要素の間に電位差を付与するために適した、前記要素の各々に対する伝導性電気接続部を堆積させることと、ｅ）前記穿孔層における前記アパーチャを維持しかつシールするために、前記穿孔層の上に非導電性シール層を形成することとを含む、方法、を提供する。
【００１０】
したがって、本発明の実施形態は、付加製造プロセスによる３次元物品の製作を提供する。このような製造プロセスの使用は、物品のファブリック内にダイオードおよびトリオード等の能動電子構成要素が一体化された、潜在的に複雑な内的特性を有する３次元物品の製作を可能にする。物品の製造プロセスの一部分としての能動電子構成要素の製造および一体化のおかげで、電子構成要素の製造後の組立てまたは設置に対する必要性が存在しない。したがって、設置された電子構成要素を伴う物品の製造は、物品の実質的３次元構造の製造と同時に行われ得る。これは、電子構成要素の製造後の組立ておよび設置の考慮（アクセス可能な一体化インターフェース等を用いた多部品製造を必要とする従来技術の重荷となるアプローチ等）から製造プロセスを解放する。さらに、特に少数の物品が、例えば、プロトタイプ製造または概念実証製造において必要とされる場合、または、軌道または宇宙等における遠隔位置またはアクセス不可能位置において必要とされる場合に、製造のコストは、付加製造プロセスの使用のおかげで、劇的に低減される。
【００１１】
３次元物品のファブリック内に能動電子部品を含めることは、付加的な構成要素、付属物がないおかげで、物品の全体重量を低減し得る。さらに、電子構成要素が、（例えば、物品内の知覚不可能位置、検出不可能位置、および／または目立たない位置において内的に）物品内に埋め込まれることにより、物品は、より簡素化され得る。能動電子構成要素が物品内に埋め込まれる場合、構成要素は、水分または空気等の流体に露出することから保護され得る。マイクロスケールにおける物品を製作する付加製造の能力は、全ての態様の用途において、潜在的に「インテリジェントな」（電子構成要素を含む意味での）物品を提供し、該物品としては、携帯電話のケースまたはカバー内に埋め込まれた電子部品、ケーブルシース内に埋め込まれた電子部品、ファブリックまたはおおい内に埋め込まれた電子部品、その他のデバイス（例えば、コンシューマデバイスまたはエンターテイメントデバイス）のケース、カバー、壁またはその他の構造的要素内に埋め込まれた電子部品、スペア部品に埋め込まれた電子部品等を含む。
【００１２】
製造後の組立てまたは設置のための電気回路および構成要素の位置のアクセス可能性に対する必要性の除去は、電気回路および電子デバイスが、製造物品においていかにして設計され得、実装され得るかを、大幅に再定義する。本発明の実施形態は、個々の構成要素または接続部のアクセス可能性に対する必要性なしに、能動電子構成要素の正しい３次元アレンジメントおよびそれらの間の接続を提供する。これは、必要に応じて、制御下にある同じデバイスの回路により、潜在的には能動電子構成要素の再使用のために、物品の空間または体積の効率的な使用の増大を提供する。垂直方向の相互接続は、電子構成要素および回路の立方体アレンジメントまたはその他の３次元アレンジメント等の３次元処理要素を提供し得る。電子構成要素の積層アーキテクチャは、単一の３次元物品内の能動電子構成要素の層により製作され得る。電力の提供、電力の散逸、熱エネルギーの散逸等の共通サービスが、電力供給のための金属層、または、熱の散逸または移送のための熱効率のよい伝導物質の層等の、付加製造プロセスの一部分として含まれるサービス層の階層によって提供され得る。想定可能なところでは、能動電子構成要素によって生成された熱のような物品内からの熱の移送等のサービスを電子構成要素にさらに提供するための冷却材またはガス等の流体の連通のために、付加製造プロセスの一部分として製造されたチャネルおよび導管が提供され得る。
【００１３】
熱イオン電子構成要素の使用の特定の利点は、シリコンに対するこのような構成要素の利益が、シリコントランジスタ等と同等であるということである。熱イオン構成要素は、相当のロバスト性を有しており、改善されたアナログ信号移送特性を提供する。例えば、熱イオン構成要素は、電磁パルスおよび太陽フレア活性に対して高耐性であり、衛星技術または重要なインフラシステムに対する用途に対して特定の利益を提供する。
【００１４】
熱イオン電子構成要素の使用は、半導体の同等物によって大きく取って代わられてきたが、発明者らは、このような構成要素を製造することの単純性、付加製造の分野において現在存在するこのような構成要素に対する可能性、このような構成要素の有効性、およびそれらの信頼性に基づいて、付加製造の分野におけるこのような構成要素の驚くべき利益を認識した。
【００１５】
好ましくは、基板、穿孔層、およびシール層のうちの１つ以上を形成することは、アパーチャと物品の排出ポートとの間に流体連通を提供するチャネルの形成を含み、排出ポートは、アパーチャにおいて真空のような状態を生成するために、アパーチャからガスを排出するために適している。
【００１６】
好ましくは、付加製造プロセスは、シール層の形成時に、アパーチャに不活性ガスを入れるために、実質的に不活性ガスから構成されたシールされた雰囲気内で実行される。
【００１７】
好ましくは、アノードおよびカソードは、アパーチャの両側に位置付けられる。
【００１８】
好ましくは、カソードは、アパーチャにおける中央に置かれ、アノードは、アパーチャの壁の少なくとも一部分を占有する。
【００１９】
好ましくは、付加製造プロセスは、押し出し堆積プロセスを含む。
【００２０】
好ましくは、付加製造プロセスは、粒状物質結合プロセスを含む。
【００２１】
好ましくは、方法は、使用中にカソードにより熱イオン放出を誘起するために、付加製造プロセスを用いることにより、カソードと熱的に近接してフィラメント要素を形成することをさらに含む。
【００２２】
好ましくは、方法は、付加製造プロセスを用いることにより、アノード要素およびカソード要素から間隔を空けて配置され、かつ、アノード要素とカソード要素との間に位置付けられた、伝導性グリッド要素を形成することと、グリッドが、カソードからアノードへの電子の伝達を調節するように、グリッドに電気信号を提供するためにグリッドに対する伝導性電気接続部を堆積させることとをさらに含む。
【００２３】
好ましくは、非導電性基板、穿孔層、およびシール層のうちの少なくとも１つは、セラミックで形成される。
【００２４】
好ましくは、アノード、グリッド、および伝導性電気接続部は、ガリウム合金から形成される。
【００２５】
好ましくは、ガリウム合金は、ガリウムおよびインジウムの二元共晶合金である。
【００２６】
好ましくは、カソードは、タングステンを含む。
【００２７】
したがって、本発明は、第２の局面において、任意の先行クレームのいずれかのプロセスによって製造された一体型能動電子構成要素を伴う物品を提供する。
【００２８】
したがって、本発明は、第３の局面において、装置のファブリックと一体の３Ｄ印刷された熱イオン電子構成要素を含む３Ｄ印刷された装置を提供する。
【００２９】
好ましくは、熱イオン電子構成要素は、カソードとアノードとを含むダイオードである。
【００３０】
好ましくは、熱イオン電子構成要素は、カソードと、アノードと、カソードからアノードへの電子の通過を調節するグリッドとを含むトリオードである。
【００３１】
好ましくは、装置は、３Ｄ印刷された回路をさらに含む。
【００３２】
したがって、本発明は、第４の局面において、一体型能動電子構成要素を伴う物品を製造するための付加製造装置を提供し、装置は、コンピュータシステムと、非導電性３次元構造を形成するように適合された第１の付加製造構成要素と、導電性３次元構造を形成するように適合された第２の付加製造構成要素とを含み、第１の付加製造構成要素および第２の付加製造構成要素は、コンピュータシステムの制御のもとで動作可能であり、コンピュータシステムは、ａ）非導電性基板を形成することと、ｂ）アパーチャを有する非導電性穿孔層を形成することと、ｃ）アパーチャにおいて間隔を空けて配置された導電性のアノード要素およびカソード要素を形成することと、ｄ）要素の間に電位差を付与するために適した、要素の各々に対する伝導性電気接続部を堆積させることと、ｅ）穿孔層におけるアパーチャを維持しかつシールするために、穿孔層の上に非導電性シール層を形成することとを行うように構成要素を制御するように適合されている。
【００３３】
したがって、本発明は、第５の局面において、付加製造装置を制御するためのコンピュータシステムを提供し、付加製造装置は、非導電性物質および導電性物質の両方から３次元構造を同時に製造するように適合されており、コンピュータシステムは、上記方法にしたがって付加製造装置を制御するように動作可能である。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
３Ｄ印刷された装置であって、上記装置のファブリックと一体の３Ｄ印刷された熱イオン電子構成要素を含む、装置。
（項目２）
上記熱イオン電子構成要素は、カソードとアノードとを含むダイオードである、上記項目に記載の装置。
（項目３）
上記熱イオン電子構成要素は、カソードと、アノードと、上記カソードから上記アノードへの電子の通過を調節するグリッドとを含むトリオードである、上記項目のいずれか一項に記載の装置。
（項目４）
上記装置は、３Ｄ印刷された回路をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載の装置。
（項目５）
一体型能動電子構成要素を伴う物品を製造する方法であって、
付加製造プロセスを用いることにより、
ａ）非導電性基板を形成することと、
ｂ）アパーチャを有する非導電性穿孔層を形成することと、
ｃ）上記アパーチャにおいて間隔を空けて配置された導電性のアノード要素およびカソード要素を形成することと、
ｄ）上記要素の間に電位差を付与するために適した、上記要素の各々に対する伝導性電気接続部を堆積させることと、
ｅ）上記穿孔層における上記アパーチャを維持しかつシールするために、上記穿孔層の上に非導電性シール層を形成することと
を含む、方法。
（項目６）
上記基板、上記穿孔層、および上記シール層のうちの１つ以上を形成することは、上記アパーチャと上記物品の排出ポートとの間に流体連通を提供するチャネルを形成することを含み、上記排出ポートは、上記アパーチャにおいて真空のような状態を生成するために、上記アパーチャからガスを排出するために適している、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目７）
上記付加製造プロセスは、上記シール層の形成時に上記アパーチャに不活性ガスを入れるために、実質的に不活性ガスから構成されたシールされた雰囲気内で実行される、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目８）
上記アノードおよび上記カソードは、上記アパーチャの両側に位置付けられる、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目９）
上記カソードは、上記アパーチャにおける中央に置かれ、上記アノードは、上記アパーチャの壁の少なくとも一部分を占有する、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１０）
上記付加製造プロセスは、押し出し堆積プロセスを含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１１）
上記付加製造プロセスは、粒状物質結合プロセスを含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１２）
使用中に上記カソードにより熱イオン放出を誘起するために、上記カソードと熱的に近接してフィラメント要素を形成するように、上記付加製造プロセスを用いることをさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１３）
上記付加製造プロセスを用いることにより、
上記アノード要素および上記カソード要素から間隔を空けて配置され、かつ、上記アノード要素と上記カソード要素との間に位置付けられた、伝導性グリッド要素を形成することと、
上記グリッドが上記カソードから上記アノードへの電子の伝達を調節するように、上記グリッドに電気信号を提供するために上記グリッドに対する伝導性電気接続部を堆積させることと
をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１４）
上記非導電性基板、上記穿孔層、および上記シール層のうちの少なくとも１つは、セラミックで形成される、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１５）
上記アノード、上記グリッド、および上記伝導性電気接続部は、ガリウム合金から形成される、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１６）
上記ガリウム合金は、ガリウムおよびインジウムの二元共晶合金である、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１７）
上記カソードは、タングステンを含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１８）
上記項目のいずれか一項に記載のプロセスによって製造される一体型能動電子構成要素を伴う物品。
（項目１９）
一体型能動電子構成要素を伴う物品を製造するための付加製造装置であって、
上記装置は、
コンピュータシステムと、
非導電性３次元構造を形成するように適合された第１の付加製造構成要素と、
導電性３次元構造を形成するように適合された第２の付加製造構成要素と
を含み、
上記第１の付加製造構成要素および上記第２の付加製造構成要素は、上記コンピュータシステムの制御のもとで動作可能であり、
上記コンピュータシステムは、
ａ）非導電性基板を形成することと、
ｂ）アパーチャを有する非導電性穿孔層を形成することと、
ｃ）上記アパーチャにおいて間隔を空けて配置された導電性のアノード要素およびカソード要素を形成することと、
ｄ）上記要素の間に電位差を付与するために適した、上記要素の各々に対する伝導性電気接続部を堆積させることと、
ｅ）上記穿孔層における上記アパーチャを維持しかつシールするために、上記穿孔層の上に非導電性シール層を形成することと
を行うように上記構成要素を制御するように適合されている、装置。
（項目２０）
付加製造装置を制御するためのコンピュータシステムであって、上記付加製造装置は、非導電性物質および導電性物質の両方から３次元構造を同時に製造するように適合されており、上記コンピュータシステムは、上記項目のいずれか一項に記載の方法を実行するように上記付加製造装置を制御するように動作可能である、コンピュータシステム。
（摘要）
一体型能動電子構成要素を伴う物品を製造するための方法は、付加製造プロセスを用いることにより、ａ）非導電性基板を形成することと、ｂ）アパーチャを有する非導電性穿孔層を形成することと、ｃ）前記アパーチャにおいて間隔を空けて配置された導電性のアノード要素およびカソード要素を形成することと、ｄ）前記要素の間に電位差を付与するために適した、前記要素の各々に対する伝導性電気接続部を堆積させることと、ｅ）前記穿孔層における前記アパーチャを維持しかつシールするために、前記穿孔層の上に非導電性シール層を形成することとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
ここで、単なる例示として添付図面を参照することにより、本発明の実施形態が記載される。
【図１】図１は、本発明の実施形態にしたがって製作された一体型ダイオード電子構成要素を伴う例示的な３次元物品を描写している。
【図２】図２は、本発明の実施形態にしたがって製作された一体型トリオード電子構成要素を伴う例示的な３次元物品を描写している。
【図３】図３は、本発明の実施形態にしたがう上に非導電性穿孔層を有する非導電性基板のアレンジメントを描写している。
【図４】図４は、本発明の実施形態にしたがってアパーチャ内に形成された導電性アノード、カソードおよびグリッド要素を有する図３のアレンジメントを描写している。
【図５】図５は、本発明の実施形態にしたがってアパーチャ内に形成された要素の各々に対する伝導性電気接続部を有する図４のアレンジメントを描写している。
【図６】図６は、本発明の実施形態にしたがって穿孔層の上に形成された非導電性シール層を有する図５のアレンジメントを描写している。
【図７】図７は、本発明の実施形態にしたがう、一体型能動電子構成要素を伴い、かつ、物品の排出ポートへのチャネルを有する、例示的な３次元物品を描写している。
【図８】図８は、本発明の実施形態にしたがって層に配置された一体型能動電子構成要素を伴う例示的な３次元物品を描写している。
【図９】図９は、本発明の実施形態にしたがう付加製造機械の動作を制御するために適したコンピュータシステムのブロック図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態にしたがう付加製造装置の構成要素ダイヤグラムである。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態にしたがう一体型能動電子構成要素を伴う物品の製造方法のフローチャートである。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態にしたがう物品のアパーチャに配置された一体型能動電子構成要素のアレンジメントを描写している。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
（実施形態の詳細な説明）
図１は、本発明の実施形態にしたがって製作された一体型ダイオード１２０の電子構成要素を伴う例示的な３次元物品１００を描写している。物品１００は、１つ以上の技術を含む付加製造アプローチを用いて構成される。該技術は、例えば、とりわけ、押し出し堆積プロセス；例えば選択的レーザ焼結、直接的金属レーザ焼結、選択的レーザ溶解、または、電子ビーム溶解等の、物質結合プロセス；および／または、光重合等のステレオリソグラフィーアプローチなどである。このような技術は、３Ｄ印刷としても知られ、このような技術のプロダクトまたは結果として得られる物品は、３Ｄ印刷された物品または装置として知られる。物品１００は、実質的構造１０２から構成され、該構造は、物品を実質的に構成する本体、枠組み、格子、アレンジメントまたはその他の構造などであり、別様には物品のファブリックと呼ばれる。例えば、物品１００は、とりわけ、部品、プロトタイプ、構成要素、アプライアンス、ツール、カバー、ケース、モデル、または任意のその他の想定可能な３次元物品であり得る。実質的構造１０２は、付加製造プロセスにより、非導電性物質から形成される。例えば、実質的構造１０２は、例えばポリマー等のプラスチックであり、好ましくは、高温を許容することが可能なプラスチックである。代替的に、実質的構造１０２は、セラミックまたは同様の物質から形成され得る。実質的構造１０２を形成するために適したその他の非導電性物質は、当業者にとって明白であり得る。
【００３６】
物品１００は、ダイオード１２０としての能動電子構成要素を、実質的構造１０２内に形成しており、かつ、該構造に一体化して形成している。ダイオード１２０は、物品１００のファブリックに一体化しており、物品１００の実質的構造１０２によって少なくとも部分的に構成されている。当業者であれば、能動電子構成要素（ダイオード、整流器、トリオード等）は、その機能のうちの１つ以上に対する電源を必要とする電子構成要素であり、動作のための電源を必要としない受動電子構成要素（抵抗器またはキャパシタ等）とは異なることを理解し得る。ダイオード１２０は、物品１００の実質的構造１０２内のアパーチャにおいて形成される。アパーチャの１つの端部において、カソード１０６が導電性要素として形成される。アパーチャの他の端部において、そして、カソード１０６から間隔を空けられて、アノード１０８が、第２の導電性要素として形成される。カソード１０６およびアノード１０８は、付加製造プロセスによって形成される。１つの実施形態において、アノードは、液体金属構造のための３Ｄ印刷技術によって形成される。このことは、Ｌａｄｄらにより、“３Ｄ  Ｐｒｉｎｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｆｒｅｅ  Ｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”  （Ｃｏｌｌｉｎ  Ｌａｄｄ  ｅｔ  ａｌ，  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ２５，  Ｉｓｓｕｅ  ３６，  ｐａｇｅｓ  ５０８１-５０８５，  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２５，  ２０１３）において記載されている。Ｌａｄｄらは、室温において伝導性金属ワイヤを押し出すためのアプローチを記載している。このようなアプローチは、ポリマー押し出し等のその他の物質の押し出しとの組み合わせに特に適している。例えば、アノード１０８は、ガリウムおよびインジウムの二元共晶合金等のガリウム合金から構成され得、Ｌａｄｄらによって記載されているように、室温において付加製造プロセスにおいて押し出され得る。追加的に、または、代替的に、カソード１０６および／またはアノード１０８は、焼結等の物質結合プロセスによって形成される。例えば、金属粉末を正確および選択的に焼結するためにレーザが用いられる直接金属レーザ焼結は、アノード１０８および／またはカソード１０６の形成のために採用され得る。
【００３７】
カソード１０６は、カソード１０６からの電子の熱イオン放出を引き起こすために過熱する高温カソードである。一実施形態において、カソード１０６はまた、必要な加熱を達成するために、フィラメントとして機能する。代替的に、カソード１０６による熱イオン放出を誘起するようにカソード１０６を加熱するために、別個のフィラメント１０４が、カソード１０６と熱的に近接して提供される。好ましくは、カソード１０６は、タングステンまたはタングステン合金等の高耐熱性を有する電気導体から形成される。このような物質は、ＥｘＯｎｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ（例えば、ＥｘＯｎｅ’ｓ  Ｍ−Ｆｌｅｘ  ３Ｄプリンタ）から利用可能な結合タングステン３Ｄ印刷プロセス等の付加製造プロセスによって形成可能であることが知られている。
【００３８】
アノード１０８およびカソード１０６の各々は、伝導性電気接続部１１４、１１２に電気的に接続される。電気接続部１１４、１１２は、アノード１０８とカソード１０８との間に電位差を付与するために適している。例えば、アノード１０８の電気接続部１１４は、正電圧等の正電位の供給源に接続されているが、カソード１０６の電気接続部１１２は、接地等の比較的低い電位の供給源に接続されている。提供された場合、フィラメント１０４もまた、熱を生成するためにフィラメントに電力供給するために、電気接続部１１０を有している。電気接続部１１０、１１２、１１４は、上述したＬａｄｄらのアプローチ、または、物品１００を製造する間に付加製造によって伝導性電気接続部を堆積するための任意の適切なアプローチ等の、付加製造プロセスの一部分として形成される。
【００３９】
最も好ましくは、ダイオード１２０に対して形成されたアパーチャは、シールされた真空であり、例えば、後述される方法によって達成され得る。代替的に、アパーチャは、希ガスまたは窒素等の不活性ガスの格納のためにシールされ、熱イオン放出に対するその反応性および効果、ならびに、カソードによる電子の移送またはカソードからの電子の移送は、予測可能であり、知られている。物品１００のアパーチャにおける不活性ガスの提供を確実にするために、物品１００に対する付加製造プロセスは、アパーチャのシール時にアパーチャに不活性ガスを入れるために、実質的に、好ましくは完全に、不活性ガスから構成されたシールされた雰囲気において実行され得る。
【００４０】
したがって、物品１００は、ダイオード１２０としての能動電子構成要素を含む。高温カソード１０６とアノード１０８との間に電位差が付与されたとき、電子は、真空管ダイオードから知られている態様で、カソード１０６からアノード１０８へと移動し得る。
【００４１】
図２は、本発明の実施形態にしたがって製作された一体型トリオード２４０の電子構成要素を伴う例示的な３次元物品２００を描写している。図２の特徴の多くは、図１に関連して上述されたものと同一であり、これらは、ここで繰り返されない。図２は、カソード１０６およびカソード１０８から間隔を空けて配置され、かつ、アノード１０６とカソード１０８との間に配置された、導電性要素としてのグリッド２２０要素をさらに含み、グリッド２２０に電気信号を提供するために、関連する堆積された電気接続部２２４を伴う。グリッド２２０は、カソード１０６の熱イオン放出から生じる電子によって横断可能であり、グリッド２２０は、電気信号によって決定されたグリッド２２０の電位に応じて、カソード２０６からアノード１０８への電子の移送を調節する。このようなグリッド２２０は、例えば導電性要素のグリッド、格子、またはアレイアレンジメントを形成することに特に適した上述したＬａｄｄらのアプローチ等により、物品２００の付加製造プロセスの一部分として形成される。
【００４２】
したがって、物品２００は、トリオード２４０としての能動電子構成要素を含む。高温カソード１０６とアノード１０８との間に電位差が付与されたとき、電子は、真空管トリオードまたはバルブから知られている態様で、グリッド２２０に対する電気信号によって決定されたグリッド２２０における電位によって調節されて、カソード１０６からアノード１０８へと移動し得る。
【００４３】
したがって、図１または図２にしたがって配置された本発明の実施形態は、３Ｄ印刷された物品または装置１００、２００を提供し、該装置は、該装置１００、２００のファブリック１０２と一体の３Ｄ印刷された熱イオン電子構成要素１２０、２４０を含む。熱イオン電子構成要素１２０、２４０は、カソード１０６とアノード１０８とを含むダイオードであるか、あるいは、カソード１０６と、アノード１０８と、カソードからアノードへの電子の通過を調節するグリッド２２０とを含むトリオードである。装置１００、２００は、導電性接続部１１０、１１２、１１４、２２４を経由する３Ｄ印刷された回路をさらに含み得る。該導電性接続部は、装置の外部に接続するか、あるいは、想定可能なところでは、装置１００、２００内のいずれかの場所にあるその他の能動電子構成要素に接続する。
【００４４】
ここで、物品（物品１００または２００等）の付加製造のための例示的な方法が記載される。図３は、本発明の実施形態にしたがう、上に非導電性穿孔層３０４を有する非導電性基板３０２のアレンジメントを描写している。最初に、基板３０２が、後述されるような付加製造プロセスを用いて、非導電性物質（プラスチック、ポリマー、セラミック等）から形成される。次に、穿孔層３０４が、基板のものと同様の（１つ以上のアパーチャ３０６が、穿孔層３０４に形成されることは除く）製造プロセスを用いて、基板の上に形成される。アパーチャ３０６は、長方形の形状で図示されているが、任意の形状が用いられ得ることが理解され得る。一実施形態において、アパーチャ３０６の形成は、アパーチャ３０６の位置において非伝導性物質を押し出すことまたは結合することを省略すること等により、アパーチャ３０６を生成するように付加製造プロセスを制御するために、穿孔層３０４のデジタルモデルを定義すること（アパーチャ３０６の定義、付加製造プロセスの制御装置またはプロセスによるデジタルモデルの解釈を含む）によって達成される。
【００４５】
図４は、本発明の実施形態にしたがう、アパーチャにおいて形成された導電性のカソード４０２と、アノード４０６と、グリッド４０４とを有する図３のアレンジメントを描写している。付加製造プロセスは、上述された導電性要素として、カソード４０２と、アノード４０６と、（オプションとして）グリッド４０４とを形成するために用いられる。例えば、Ｌａｄｄらのアプローチは、アノード４０６とグリッド４０４とを提供するために用いられる。カソード４０２は、直接金属レーザ焼結等の焼結技術を用いることにより、結合タングステン３Ｄ印刷によって提供され得る。図４は、グリッド４０４要素を伴って図示されているが、ダイオードの能動電子構成要素の製作は、グリッド４０４を必要としないことがあり得るということが理解され得る。さらに、別個のフィラメントが、カソード４０２と熱的に近接してアパーチャにおいてさらに提供され得ることが理解され得る。図５は、本発明の実施形態にしたがってアパーチャ３０６内に形成された要素４０２、４０４、４０６の各々に対する伝導性電気接続部５０２、５０４、５０６を有する図４のアレンジメントを描写している。伝導性電気接続部５０２、５０４、５０６は、好ましくは、上述したＬａｄｄらのアプローチによって提供される。
【００４６】
図６は、本発明の実施形態にしたがって穿孔層３０４の上に形成された非導電性シール層６０２を有する図５のアレンジメントを描写している。非導電性シール層６０２は、基板３０２および穿孔層３０４と同様の態様で、そして、同様または同一の物質を用いることにより、形成される。シール層６０２は、穿孔層３０４におけるアパーチャ３０６を維持しかつシールする役目を担っている。一実施形態において、少なくともシール層６０２は、製造物品が、希ガスから構成されるシールされた雰囲気内に閉じ込められている間に形成され、アパーチャ３０６のシールは、密閉的であることによって、アパーチャ３０６の内外への流体連通は存在しない。
【００４７】
代替的な実施形態において、シール層６０２は、図７に関連して記載され得るように、装置を気密的にシールしない。図７は、本発明の実施形態にしたがう、一体型能動電子構成要素を伴い、かつ、物品の排出ポート７０２へのチャネル７０６を有する、例示的な３次元物品７００を描写している。物品７００は、一体型能動電子構成要素が、装置７００のファブリックと一体であるように、上述されたような付加製造プロセスによって製造される。さらに、付加製造プロセスは、（潜在的には複数の）能動電子構成要素のアパーチャと排出ポート７０２との間の流体連通のためのチャネル７０６を形成するように適合されている。チャネル７０６は、基板３０２、穿孔層３０４、または、シール層６０２のうちのいずれかまたは複数のものにおいて形成され得、チャネル７０６の方向、経路、またはルートは、チャネル７０６が物品７００におけるどのような伝導性電気接続をも妨害することができないということを除き、制限されない。チャネル７０６は、電子構成要素のアパーチャの中へ開口部７０４を介して各電子構成要素とインターフェースを取る。排出ポート７０２は、物品７００におけるチャネル７０６または能動電子構成要素のアパーチャからのガスの排出をもたらすために、チャネル７０６の１つの端部において提供されるか、または、チャネル７０６に沿った地点において提供される。能動電子デバイスのアパーチャにおいて真空のような状態を維持するために、排出が、真空ポンプ等の使用によって達成され得、その後に、排出ポート７０２をシールすることが続き得る。好ましくは、アパーチャは、カソード４０２における熱イオン放出から生じる電子の移送を改善するために、真空を含む。
【００４８】
図８は、本発明の実施形態にしたがって層８０２、８０４に配置された一体型能動電子構成要素を伴う例示的な３次元物品８００を描写している。本発明の実施形態にしたがって物品を製造するために採用される付加製造プロセスのおかげで、新規で、効率的で、かつ、効果的な、能動電子構成要素のアレンジメントの範囲が、増大される。図８は、物品８００を階層化するために、このような構成要素が、層８０２、８０４においてどのように配置され得るかを図示しており、電子構成要素間の潜在的な電気接続が、層内および層間に生じ、潜在的には、多くの層に及んでいる。このような接続は、物品８００の３Ｄモデルによってモデル化され得、このような接続が生じる方向とは無関係に、付加製造プロセスの一部分として生成され得る。同様に、能動電子構成要素自体の向き、形状、および寸法は、物品８００の要件に応じて、適用され、変更され、構成され、かつ／または誂えられ得る。
【００４９】
受動電子構成要素（抵抗器およびキャパシタ等）もまた、付加製造プロセスの一部分として形成され得るということが理解され得る。このような受動構成要素は、比較的製造が単純である。例えば、抵抗器は、セラミック物質の固体印刷ブロックとして形成され得る。物品の実質的本体からの受動構成要素の絶縁のための手段が必要とされ得、そして、該絶縁は、電気接続によって定所に懸垂または保持される、物品内のアパーチャにおいてこのような構成要素を閉じ込めることにより、達成され得る。同様に、キャパシタは、２つの平行な金属プレートが装置内に堆積されているということを除き、能動電子デバイスと同様の構造を用いて形成され得る。したがって、電子装置の実質的に全ての電子要件および論理要件に対して必要とされる能動構成要素および受動構成要素は、付加製造アプローチを用いて３次元物品内に一体的に形成され得る。
【００５０】
図９は、本発明の実施形態にしたがう付加製造機械の動作を制御するために適したコンピュータシステムのブロック図である。中央処理装置（ＣＰＵ）９０２は、データバス９０８を介してストレージ９０４および入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース９０６に通信可能に接続されている。ストレージ９０４は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または不揮発性格納デバイス等の任意の読み取り／書き込み格納デバイスであり得る。不揮発性格納デバイスの例は、ディスクまたはテープの格納デバイスを含む。Ｉ／Ｏインターフェース９０６は、データの入力または出力のための、または、データの入力および出力の両方のための、デバイスへのインターフェースである。Ｉ／Ｏインターフェース９０６に接続可能なＩ／Ｏデバイスの例は、キーボード、マウス、ディスプレイ（モニタ等）、ネットワーク接続部等を含む。
【００５１】
図１０は、本発明の実施形態にしたがう付加製造装置１００６の構成要素ダイヤグラムである。付加製造装置１００６は、導電性物質から３次元構造を形成するための伝導性付加製造機１００８と、非導電性物質から３次元構造を形成するための非伝導性付加製造機１０１０とを含む組み合わせ装置である。製造機１００８および１０１０は、物品が伝導性コンテンツの製造または非伝導性コンテンツの製造のいずれかまたは両方を受け得るように、製造の間に同じ対象物品上で動作するように配置される。当業者であれば、２つの製造機１００８、１０１０は、伝導性物質および非伝導性物質の両方に適応することが可能な複数のモデルにおいて動作することが可能な単一の構成要素に組み合わされ得るか、または、一体化され得るということを理解し得る。２つの製造機１００８、１０１０は、同期的におよび／または同時発生的に、あるいは、同期的モードおよび同時発生的モードの両方の混合で、動作する。例えば、伝導性付加製造プロセスが、非伝導性プロセスが同時に発生し得るように発生する場合、動作の同時発生的モードが、（必須ではないが）採用され得る。製造機１００８、１０１０の動作は、好ましくは、コンピュータ制御式である。図１０の実施形態において、コンピュータシステム１０１２は、引き受けられるべき付加製造動作に関して、製造機１００８、１０１０の各々に命令するために、伝導性付加製造機１００８および非伝導性付加製造機１０１０に通信可能に接続されている。コンピュータシステム１０１２は、製造のための物品に対する仕様１００４に応答する。一実施形態において、仕様１００４は、製造のための物品の３次元仕様のデジタル表現である。例えば、押し出しに基づく製造プロセスに対して、仕様は、押し出しのための物質の定義、ならびに、１つ以上の押し出しヘッド、結合剤、セッター、エポキシ等のためのヘッド、および／または、テーブル、ワークピース、または、物品ホルダーの位置、場所、アレンジメント、または、構成を含み得る。製造プロセスは、不連続移動または相対的移動あるいは再配置等を指定するベクトル定義を用いて定義され得る。代替的に、粒状溶射に基づく付加製造アプローチにおいて、溶射、結合、加熱等の位置は、レーザまたは同様の溶融機構に対する命令を制御すること等により、仕様１００４によって指定され得る。本発明の実施形態において、仕様１００４は、付加製造ファイルフォーマット（ＡＭＦ）またはステレオリソグラフィーファイルフォーマット（ＳＴＬ）の形式である。
【００５２】
仕様１００４は、当該技術分野において知られている３Ｄモデリングシステム、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムまたはコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）システム等の仕様定義システム１００２によって提供される。このようなシステムは、ＡＭＦフォーマットまたはＳＴＬフォーマットにおける仕様１００４を生成することに適合され得る。このようなフォーマットは、能動構成要素および受動構成要素ならびにそれらの間の電気接続部等の電子回路要素に関係する追加的な情報を含むように適合され得る。
【００５３】
図１１は、本発明の実施形態にしたがう一体型能動電子構成要素を伴う物品の製造方法のフローチャートである。最初に、ステップ１１０２において、プラスチック層またはセラミック層等の非導電性物質の層が、基板３０２として付加製造プロセスによって堆積される。ステップ１１０４において、１つ以上のアパーチャ３０６を伴う非導電性物質の層が、穿孔層３０４としての付加製造プロセスによって堆積される。アパーチャ３０６の構成は、製造のための物品の仕様１００４に含まれる回路設計によって定義される。ステップ１１０６において、一連の金属要素が、付加製造プロセスによってアパーチャ３０６において堆積され、カソード、アノード、および、必要に応じて、フィラメントおよびグリッド（トリオード）として配置される。ステップ１１０８において、アパーチャ３０６内の要素のための伝導性接続部が、付加製造プロセスによって堆積される。ステップ１１１０において、シール層６０２が、穿孔層３０４の上に堆積される。
【００５４】
図１２は、本発明の実施形態にしたがう物品のアパーチャに配置された一体型能動電子構成要素のアレンジメントを描写している。前述では、アパーチャ３０６は、形状が略長方形として図示されている。図１２は、略円形の断面を有し、かつ、形状が略円柱形であるアパーチャの１つの代替的な構成を図示している。図１２のアレンジメントにおいて、カソード１２０６は、アパーチャの中央に配置されており、アノード１２０２は、アパーチャの壁の少なくとも一部分を占有するように、そして潜在的にはアパーチャの壁の全体を占有するように配置される。カソード１２０６は、カソード１２０６の中心長手方向軸のまわりに配置されたフィラメントをさらに提供され得る。図１２のアレンジメントは、非導電性基板３０２、穿孔層３０４、および／またはシール層６０２が、特定のプラスチックおよびポリマーのように、高温に対する耐性が低い場合に好ましい。なぜなら、フィラメントは、アパーチャの壁から遠くに配置され得、適切に配置され電気接続手段等によって支持される場合、中央に位置付けられたカソード１２０６において実質的に中央に配置されていることにより基板およびシール層６０２からも遠くに配置され得るからである。さらに、トリオードアレンジメントにおいて、グリッド１２０４は、高温カソード１２０６からアノード１２０２への熱イオン放出に起因して生じる電子の流れを調節するために、カソード１２０６のまわりの同心アレンジメントにおいて提供される。
【００５５】
少なくとも部分的に、ソフトウェア制御式のプログラム可能処理デバイス（マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、またはその他の処理デバイス等）、データ処理装置またはシステムを用いることにより、記載されている本発明の実施形態が実装可能である限りにおいて、プログラム可能デバイス、装置またはシステムを構成するためのコンピュータプログラムが、上述された方法を実装するために、本発明の一局面として構想されることが理解され得る。コンピュータプログラムは、例えば、ソースコードとして具現化され得るか、あるいは、処理デバイス、装置、またはシステム上での実装のためのコンパイルを受けるか、あるいは、オブジェクトコードとして具現化され得る。
【００５６】
適切には、コンピュータプログラムは、例えば固体状態メモリ、磁気メモリ（ディスクまたはテープ等）、光学的または磁気光学的な読み取り可能メモリ（コンパクトディスクまたはデジタル多用途ディスク等）などの、機械またはデバイスの読み取り可能形式においてキャリア媒体上に格納され、処理デバイスは、動作のためにそれを構成するために、プログラムまたはその一部分を利用する。コンピュータプログラムは、電子信号、無線周波数搬送波、または光学的搬送波等、通信媒体において具現化され、遠隔供給源から供給され得る。このような搬送媒体もまた、本発明の局面として構想される。
【００５７】
当業者であれば、本発明は、上述された例示的な実施形態に関係して記載されてきたが、本発明は、それらに限定されないこと、ならびに、本発明の範囲内にある多くの可能な変形および改変が存在することを理解し得る。
【００５８】
本発明の範囲は、本明細書中に開示されている任意の新規な特徴または特徴の組み合わせを含む。出願人は、このことから、本願または本願から派生する任意のさらなる出願の手続の過程で、このような特徴および特徴の組み合わせに対して、新たな請求項が練り上げられ得るということについて、付言するものである。特に、添付の請求項に関連して、従属請求項からの特徴は、独立請求項からの特徴と組み合わされ得、それぞれの独立請求項からの特徴は、任意の適切な態様で、そして、請求項中に列挙されている特定の組み合わせに限らずに、組み合され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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