(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元構造の製作方法において、
複数のパターン化された層を積み重ねて、層間の複数の接合部を含む積層体構造を形成するように、前記複数のパターン化された層を選択された位置において接合するステップと、
前記積層体構造を、前記層間の接合部の少なくともいくつかを維持しながら、層間に間隙を生成するように少なくとも１つの層を選択的に変形させることによって、拡開された３次元の形態に拡開するステップと、
を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
３次元構造の製作方法において、
全く異なるパターンを有する複数の層を作製するステップであって、前記層は、少なくとも１つの剛性層と少なくとも１つの可撓層とを包含し、その場合、前記剛性層は前記可撓層より少なくとも１０倍高い剛性を有する複数の剛性セグメントを包含する、ステップと、
前記複数の層を積み重ねて、層間の複数の接合部を含む積層体構造を形成するように、前記複数の層を選択された位置において接合するステップと、
拡開された３次元構造を作製するために、前記積層体構造を、前記剛性セグメントの間の継手において曲げるステップであって、前記選択された接合位置においては、前記層が接合され、他の位置においては分離されている、ステップと、
を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、前記複数の層が、前記剛性層を前記可撓層に接合する少なくとも１つの接着層を更に含む、ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、前記接着剤がＢステージのアクリルのシート接着剤である、ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項２に記載の方法において、前記複数の層を、合わせピンを前記層における配列オリフィスに通して積み重ね、かつ、圧力によって接合する、ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項２に記載の方法において、前記層を積み重ねる際に、層間に少なくとも１つの追加の構成要素を差し込むステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記追加の構成要素が刺激反応性の材料を包含し、この刺激反応性の材料は、この刺激反応性の材料が接合されるカンチレバー用のアクチュエーターとして機能し、更に、前記刺激反応性の材料は電源に電気的に接続される、ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、前記刺激反応性の材料が圧電プレートである、ことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項２に記載の方法において、前記拡開された３次元構造を形成するための曲げるステップの後、前記構造における少なくとも１つの継手を締結するステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記締結されるべき継手において前記剛性層にフラックス化金属を被膜処理するステップと、前記継手を締結するために前記フラックス化金属にハンダを塗着するステップとを更に含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、前記継手を締結するために、前記締結されるべき継手に接着剤を塗着するステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法において、前記構造が剛性セグメントを接合する少なくとも１つの犠牲ブリッジを含み、前記方法が、前記剛性セグメントを変位させるための少なくとも１つの追加自由度を解放するために、前記継手を締結するステップの後で前記犠牲ブリッジを切断するステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項２に記載の方法において、前記積層体構造の少なくとも１つの層が、予備ひずみを付与された屈曲スプリングを包含する、ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記屈曲スプリングがバネ鋼の層を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、前記積層体構造が、前記積層体構造の折り曲げを防止する少なくとも１つの犠牲ブリッジを包含し、前記方法が、前記犠牲ブリッジを切断することによって前記スプリング中のひずみを解放するステップを更に含み、このひずみの解放が、前記３次元構造を１つの組み立て自由度でもって自己組み立てする折り曲げ動作を作動させる、ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項２に記載の方法において、前記拡開された３次元構造における少なくとも２つの層が、１００μｍ〜１０ｍｍの範囲の距離だけ前記層間の接合部から離れて分離される、ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項２に記載の方法において、前記層の少なくともいくつかが１．５μｍ〜１５０μｍの範囲の厚さを有する、ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項２に記載の方法において、前記剛性セグメントを形成するために、前記剛性層をレーザーで切断するステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項２に記載の方法において、前記積層体構造が、フレームと、最終製品を作製するために曲げられる少なくとも１つの構造とを包含し、かつ、前記フレームと、前記最終製品を作製するために曲げられる前記構造とは少なくとも１つの犠牲ブリッジによって接合され、更に、前記方法が前記犠牲ブリッジを切断するステップを更に含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、前記積層体構造が、最終製品を形成するために曲げることが可能な複数の構造を包含し、その複数の構造のそれぞれは、少なくとも１つの犠牲ブリッジによって前記フレームに接合され、その犠牲ブリッジを切断することによって前記フレームから取り外される、ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２に記載の方法において、前記剛性層が導電回路で被膜処理される、ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２に記載の方法において、前記拡開された３次元構造が少なくとも１つのＩビームを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、複数の剛性層が、パターン化され、かつ積み重ねられることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載の方法において、複数の可撓層が、パターン化され、積み重ねられ、かつ曲げられる、ことを特徴とする方法。
【請求項２５】
３次元構造用の積層体の前駆構造において、
切り込みによって分離される複数の剛性セグメントを形成するために全厚に及ぶ切り込みを包含する複数の剛性層と、
前記剛性セグメントより剛性が大幅に低い複数の可撓層であって、各可撓層は、折り曲げ用の継手を形成するように前記剛性層における切り込みにおいて曝露されるように、少なくとも１つの前記剛性層に接合される、複数の可撓層と、
を包含する複数の層の配列された積み重ね体を含み、更に、
前記積層体が前記継手において折り曲げられる時に前記積層体の拡開された３次元構造への拡開を可能にするために、少なくともいくつかの層が、層間の接合部のアイランドを形成する選択された位置においてのみ隣接層に接合される、
ことを特徴とする積層体の前駆構造。
【請求項２６】
骨格内における拡開及び回転用として装着された複数の相互結合面を利用する３次元構造の形成方法において、
前記骨格を拡開するステップと、
少なくとも１つの前記面を前記骨格の拡開によって持ち上げるステップと、
少なくともいくつかの前記面を前記骨格の拡開によって回転させるステップと、
結果的に生成された３次元構造における前記持ち上げられかつ回転された面を締結するステップと、
を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法において、前記３次元構造が正２０面体である、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府支援
本発明は、全体的に又は部分的に、陸軍研究所（Ａｒｍｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）からの契約番号Ｗ９１１ＮＦ−０８−２−０００４に基づく補助金、国立科学財団（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）からの契約番号ＣＭＭＩ−０７４６６  ３８及びＣＣＦ−０９２６１４８に基づく補助金、及び、空軍科学研究局（Ａｉｒ  Ｆｏｒｃｅ  Ｏｆｉｉｃｅ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ）からの契約番号ＦＡ９５５０−０９−１−０１５６−ＤＯＤ３５ＣＡＰに基づく補助金によって支援されたものである。米国政府は、本発明における特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
ミクロンスケールのデバイスの製作についてはマイクロ電気機械構造（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＭＥＭＳ）技術が優勢な立場にあるが、この技術は、通常、単一の平面基板と順次処理とを対象としている。一方、センチメートルスケールの製造は、多数の従来型機械加工プロセスがそれを担っている。しかし、ミリメートルスケールにおける製造は、マイクロロボット及びこのスケールにおける他の機能的機械デバイスのコストと性能とに大きく影響する製作上及び組み立て上の問題に悩まされている。
【発明の概要】
【０００３】
本明細書においては、３次元構造及びその製作方法を記述する。この構造及び方法の種々の具現化形態は、以下に記述する要素、特徴及びステップのいくつか又は全てを包含することができる。
【０００４】
３次元は、複数のパターン化された層を積み重ねて、層間の複数の接合部を含む積層体構造を形成するように、その複数のパターン化された層を選択された位置において接合することによって構成できる。続いて、この積層体構造を、層間に間隙を生成するように、少なくとも１つの層を選択的に変形させることによって、拡開された３次元の形態に拡開することが可能である。但し、その間、層間の複数の接合部の少なくともいくつかは維持されるのである。
【０００５】
構造における層は、少なくとも１つの剛性層と少なくとも１つの可撓層とを包含することができ、その場合、剛性層は複数の剛性セグメントを包含し、可撓層は、継手として機能するように、剛性セグメントの間に広がることができる。可撓層の剛性は剛性層より大幅に低く、その剛性よりも少なくとも１桁大きい剛性（即ち１０倍より大きい、或いは１００倍より大きい剛性）を有することができる。同様に、可撓層は、剛性層の可撓率の少なくとも１０倍、或いは少なくとも１００倍の可撓率を有することができる。続いて、層を積み重ね、選択された位置において接合して、層間の接合部を有する積層体構造を形成することができ、更に続いて、この積層体構造を変形させるか或いは曲げて、拡開された３次元構造を作製することができる。この場合、層は、選択された接合位置において結合され、他の位置では分離されている。
【０００６】
本明細書に記述する方法及び構造は、例えば、全ミリメートルスケール（例えば１００μｍ〜１０ｍｍの寸法の器具用）の製造プロセス全体にわたって、かつそれを超えて用いることが可能であり、このスケールにおける精密製作された機構、機械及び自律ロボットの大量生産を可能にする。本明細書に記述する製造技術のいくつかは、多層のプリント回路基板（ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）の製造に用いられる技術と同じ、或いはそれと同様又はそれに類似している可能性があり、一方、組み立て技術のいくつかは、ＭＥＭＳ、折り紙及びポップアップ絵本用として用いられる組み立て技術と同じ、或いはそれと同様又はそれに類似している可能性がある。これらの分野に用いられる付加的な技術は、本発明による使用に適合させることができる。
【０００７】
伝統的なＭＥＭＳに比較すると、本明細書に記述する方法は、使用し得る材料に関して極端に多能である。更に、伝統的なＭＥＭＳは、主として材料のバルク体としての追加に制限されるが、本明細書に記述する方法は、精密にパターン化された層を追加するためだけでなく、集積回路、可撓回路、アクチュエーター、電池などの完全なサブコンポーネントの追加用としても用いることができる。本明細書に記述する多層の超平面構造の熱的な要求も大幅に低くすることが可能であり、製作機器のコストもより低く抑えることができる。更に、種々の層に対するこの方法の処理ステップは、ＭＥＭＳ処理の多くの部分が順次的に連続方式で行われるのに対して、同時に平行して遂行することが可能である。
【０００８】
この方法は、デバイス内部の非常に多様なデバイス及び構造の製作、例えば、Ｉビーム、光スイッチとして使用する大型作動ミラー、操縦可能アンテナ、高速高出力物理スイッチ及びロボット飛行機器などを包含するデバイス及び構造の製作にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、ＰＣ−ＭＥＭＳ機械の製作の模式的表現における製作、組み立て、及び取り外しステップを示す。
【図２】図２は、折り曲げ継手の形成を示す。
【図３ａ】図３ａは、チタン酸ジルコン酸鉛（ｌｅａｄ  ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  ｔｉｔａｎａｔｅ：ＰＺＴ）プレートを支持する中央プレートを用いたモノリシック蜂（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｂｅｅ：ｍｏｂｅｅ）製作における順次積層化ステップの１ステップを示す。
【図３ｂ】図３ｂは、図３ａの順次積層化ステップの別のステップを示す。
【図３ｃ】図３ｃは、図３ａの順次積層化ステップの更に別のステップを示す。
【図４】図４は、０−９０−０炭素繊維複合材からなる単一層の図である。
【図５】図５は、加圧硬化用の１５層の積層材の分解斜視図である。
【図６】図６は、製作されたままの図５の全１５層の斜視写真画像である。作動用の２つのＰＺＴプレートを画像の底部の近くに見ることができる。
【図７】図７は、加圧硬化用として準備された図５の積層材の斜視写真画像である。ピックアンドプレースされた後の１つの圧電プレートを見ることができる。第２のアクチュエータープレートは積層材の中の内部空洞内にある。
【図８】図８は、アクチュエーターを所定位置に保持するスプリングクリップの拡大写真画像である。
【図９ａ】図９ａは、所要の組み立て軌跡を実現する組み立て用骨格の機能を示す模式的な斜視図である。
【図９ｂ】図９ｂは、別の位置における図９ａの組み立て用骨格を示す。
【図１０ａ】図１０ａは、モノリシックロボット蜂（ｍｏｂｅｅ）の斜視図であり、ハンダ付け締結継手が矢印で強調表示されている。
【図１０ｂ】図１０ｂは、真鍮プレート及びハンダによる折り曲げ及び締結ステップの１つのステップを模式的に示す。
【図１０ｃ】図１０ｃは、図１０ｂのステップの別のステップを示す。
【図１０ｄ】図１０ｄは、図１０ｂのステップの更に別のステップを示す。
【図１１】図１１は、取り外されたｍｏｂｅｅのポップアップ組み立てする前の斜視写真画像である。
【図１２】図１２は、取り外されたｍｏｂｅｅのポップアップ組み立て後の斜視写真画像である。
【図１３】図１３は、本発明の方法によって多層の積層体から組み立てられた周囲フレーム中のｍｏｂｅｅの後ろ側から見た斜視写真画像である。
【図１４】図１４は、図１３のｍｏｂｅｅを前から見た斜視写真画像である。
【図１５】図１５は、図１３のｍｏｂｅｅを高い位置の前から見た斜視写真画像である。
【図１６】図１６は、図１３のｍｏｂｅｅを右側方から見た斜視写真画像である。
【図１７】図１７は、図１３のｍｏｂｅｅを側方から拡大して見た斜視写真画像である。
【図１８】図１８は、図１３のｍｏｂｅｅを完全組み立てする前に後ろ側から見た斜視写真画像である。層が部分的にのみ折り曲げられている。
【図１９】図１９は、図１３のｍｏｂｅｅを白地の背面に対して後ろ側から見た斜視写真画像である。
【図２０】図２０は、周囲の骨格から取り外した後のｍｏｂｅｅの斜視写真画像である。
【図２１】図２１は、ｍｏｂｅｅにおいて翼とハンダ付けパッドとを形成するチタン及び真鍮の共有層における切り込みを示す。
【図２２】図２２は、膜の層が取り付けられたｍｏｂｅｅの最終的な翼を示す。
【図２３】図２３は、積層体の積み重ね体とモノリシック製作のための配列工具とを示す。
【図２４】図２４は、モノリシック製作によって製作されるインターロッキングチェーンリンク構造を示す。
【図２５】図２５は、インターロッキングチェーンリンクの別の図である。
【図２６】図２６は、インターロッキングチェーンリンクの更に別の図である。
【図２７】図２７は、インターロッキングチェーンリンクの更に別の図である。
【図２８】図２８は、Ｗｒｉｇｈｔ  Ｆｌｙｅｒ号モデルの折り曲げ機構及び層を示す。
【図２９】図２９は、同じくＷｒｉｇｈｔ  Ｆｌｙｅｒ号モデルの折り曲げ機構及び層を示す。
【図３０】図３０は、同じくＷｒｉｇｈｔ  Ｆｌｙｅｒ号モデルの折り曲げ機構及び層を示す。
【図３１】図３１は、８面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。
【図３２】図３２は、同じく８面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。
【図３３】図３３は、同じく８面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。
【図３４】図３４は、同じく８面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。
【図３５】図３５は、同じく８面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。
【図３６】図３６は、同じく８面のエンクロージャに組み立てるためのスプリング付勢されたモノリシック構造を示す。
【図３７】図３７は、正２０面体の折り曲げ解除組み立てを示す一連のフィルム捕捉動画の一場面を示す。
【図３８】図３８は、図３７の正２０面体の折り曲げ解除組み立ての別の場面を示す。
【図３９】図３９は、図３７の正２０面体の折り曲げ解除組み立ての更に別の場面を示す。
【図４０】図４０は、図３７の正２０面体の折り曲げ解除組み立ての更に別の場面を示す。
【図４１】図４１は、図３７の正２０面体の折り曲げ解除組み立ての更に別の場面を示す。
【図４２】図４２は、図３７の正２０面体の折り曲げ解除組み立ての更に別の場面を示す。
【図４３】図４３は、正２０面体の折り曲げ解除組み立てからの一場面を示す。骨格の殆どの部分は図から取り除かれている。
【図４４】図４４は、図４３の折り曲げ解除組み立てからの一場面を示す。
【図４５】図４５は、図４３の折り曲げ解除組み立てからの別の場面を示す。
【図４６】図４６は、図４３の折り曲げ解除組み立てからの更に別の場面を示す。
【図４７】図４７は、図４３の折り曲げ解除組み立てからの更に別の場面を示す。
【図４８】図４８は、図４３の折り曲げ解除組み立てからの更に別の場面を示す。
【図４９】図４９は、骨格の中心部における組み立てられた正２０面体の側面図を示す。
【図５０】図５０は、正２０面体の組み立てに寄与する骨格の下側及び回転プレートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
添付の図面においては、同じ参照符号は、異なる図面を通して、同じ又は類似の部分／部品を表す。図面は、必ずしもスケールどおりではなく、その代わりに、以下に言及する特定の原理を表現するために強調されている。
【００１１】
本発明の種々の態様の以上及び他の特徴及び利点は、本発明の広い範囲内の種々の概念及び特定の実施形態に関する以下の具体的な説明から明らかになるであろう。上記に導入され、以下に詳しく説明する主題事項の種々の態様は、その主題事項がいかなる特定の実施方式にも限定されないので、任意の数多くの方法で実施することができる。特定の実施方法及び適用の例は、一義的には例示目的用として提供される。
【００１２】
本明細書において、他の意味に規定され、使用され、又は特徴付けられない限り、本明細書で使用する用語（技術用語及び科学用語を包含する）は、当該分野の現況において受入れられるその意味と合致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書において明示的にそのように定義されない限り、理想化された意味又は過度に形式的な意味に解釈されるべきではない。例えば、特定の組成物に言及する場合、その組成物は、完全に純粋ではないが、実質的には、実際的かつ不完全な現実が適用され得るようなものであると理解できる。即ち、例えば、少なくとも微量（例えば１又は２重量％又は容積％未満）の不純物の潜在的な存在はその記述の範囲内にあると理解できる。同様に、特定の形状に言及する場合、その形状は、理想的な形状からの不完全な変動、例えば機械加工の許容公差による変動を包含するように意図されている。
【００１３】
本明細書においては、種々の要素を記述する場合に、第１、第２、第３などの用語を用いることがあるが、これらの要素はこの用語によって制限されない。この用語は一つの要素を他の要素から区別する為のみに使われる。従って、以下に述べる第１要素は、事例的な実施形態に関する教示から逸脱することなく第２要素と呼称することが可能である。
【００１４】
空間的な関係を表す用語、例えば、「より上に（ａｂｏｖｅ）」、「上の方の（ｕｐｐｅｒ）」、「の下に（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「より下に（ｂｅｌｏｗ）」、「下の方の（ｌｏｗｅｒ）」などは、本明細書においては、図に示すように、１つの要素の別の要素に対する関係を記述するために、表現を容易にする語として用いられてもよい。空間的な関係を表す用語は、記述され及び／又は図に表現された方位に加えて、使用又は運転中の装置の異なる方位をも包摂するように意図されていることが理解されるであろう。例えば、図中の装置が反転されると、他の要素又は形体「より下に（ｂｅｌｏｗ）」又はそれ「の下に（ｂｅｎｅａｔｈ）」として記述された要素は、他の要素又は形体「より上に（ａｂｏｖｅ）」位置することになるであろう。従って、事例的な用語としての「より上に（ａｂｏｖｅ）」は、「より上に」と「より下に」との両者を包摂することができる。また、装置は他の方位に（例えば９０°回転又は他の方位に）向け得るので、本明細書において用いる空間的な関係を表す記述子は、それに応じて解釈される。
【００１５】
本明細書においては、更に、ある要素が、別の要素「の上に（ｏｎ）」にある、別の要素「に結合されている（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｔｏ）」又は「に連結されている（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｏ）」場合には、それは、直接他の要素の上にある、又は、他の要素に直接結合又は連結されているとすることができるか、或いは、他の形に規定されない限り、介在要素が存在し得る。
【００１６】
本明細書において用いる用語法は、具体的な実施形態の記述を目的としており、事例としての実施形態の制限を意図したものではない。本明細書で用いる単数の冠詞「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に指示しない限り、複数の形態をも包含するように意図されている。更に、用語「包含する（ｉｎｃｌｕｄｅｓ／ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ／ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及された要素又はステップの存在を規定するが、１つ以上の他の要素又はステップの存在又は追加を排除しない。
【００１７】
本明細書に記述される本開示の装置は、多様な用途において利用できる。この多様な用途には、「高周波数振動システムにおける受動的トルク平衡化（Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｂａｌａｎｃｉｎｇ  ｉｎ  ａ  Ｈｉｇｈ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）」なる表題の国際出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２４４７９号明細書に記述されるＰＡＲＩＴｙ駆動トレインが包含される。
【００１８】
装置は多層の超平面構造である。発明者らは、「平面（の）（ｐｌａｎａｒ）」という用語によって、変形できる、曲げることができる、或いは折り曲げることができる（これらの用語は本明細書においては交換可能に用いることができる）１つの層又は平面を意味する。この構造の一実施形態は、例えば、次の順序の層を含む５層の複合材、即ち、剛性層、接着層、可撓層、接着層、剛性層の複合材を形成することによって実現できる。代わりの方式として、剛性層、接着層及び可撓層だけを積み重ねてより薄い複合材を形成することが可能であるが、この構造は対称ではない。剛性層は折り曲げ線に合致する間隙を有するように機械加工され、一方、可撓層は連続である。これによって、可撓層が剛性層から機械加工された間隙を横断して広がる継手が構成される。
【００１９】
構造の「超平面（ｓｕｐｅｒ−ｐｌａｎａｒ）」としての特徴付けは、多重平面層を取り上げ、それを選択的に結合することを意味している。この場合、回路基板に類比させることが可能である。回路基板においては、電気的ビアが異なる層上の回路を接続するが、この場合は、対照的に、構造に「機械的ビア（ｍａｃｈａｎｉｃａｌ  ｖｉａｓ）」が作製される。多重平面層を積み重ねることによって、実現し得るデバイスの範囲は大きく拡大される。超平面構造は、また、デバイスが１枚の平面シートのみから作製できる場合には適合しないような形体及び構成要素をも、構造に組み込むことを可能にする。平面に垂直に動作する機構を含む超平面構造をこの技術によって作製できることが有利である。実際、平面層の間のＳａｒｒｕｓリンク機構の形成は、組み立て機構／骨格設計のための有利な方策である。意図する構成要素の回転を効果的に実現するために、Ｓａｒｒｕｓリンクに他の機構を取り付けることができる。
【００２０】
多層の超平面構造は、以下に詳述するが、次の順序のステップによって製作できる。即ち、（１）各平面層を機械加工する、（２）接着剤を機械加工又はパターン化する、（３）層を効果的な接合条件の下で積み重ねて積層化する、（４）多層構造をポスト積層化機械加工する、（５）多層構造をポスト積層化処理する、（６）各構造における組み立て自由度を解放する、（７）構造部材間の結合を締結する、（８）いかなる非組み立て自由度をも解放する、及び、（９）完成した部分をスクラップフレームから分離する、の各ステップである。
【００２１】
ＰＣ−ＭＥＭＳプロセスの模式的な表現が図１に示されている。この図は、ＰＣ−ＭＥＭＳ機械１０６を製造するために、マイクロ機械加工１０１と、積層化及びピックアンドプレース１０２と、折り曲げ１０３と、締結１０４と、付加的なマイクロ機械加工１０５との基本的操作をどのように配置できるかを示している。
【００２２】
この組み立て技術は、図２ａ〜ｄに示すように、折り曲げ継手２１の形成を包含することができる。この場合、（ａ）最初に、形体を、個々の材料層内においてマイクロ機械加工１０１し、生じたチップ１３が除去される。（ｂ）積層化の間、合わせピン２０が材料層を所定位置に配列し、熱及び圧力が印加される。ここでは、１枚の可撓ポリイミドフィルム層１６に接着剤１４で接合された２枚の剛性の炭素繊維層１２が、「リンク機構副積層体（ｌｉｎｋａｇｅ  ｓｕｂ−ｌａｍｉｎａｔｅ）」と呼称される５層の積層体１５を形成している。（ｃ）マイクロ機械加工が、個々の要素を拘束する機械ブリッジ１７を切断し、これによって、関節構造が作出される。（ｄ）完全な折り曲げ継手２１が形成され、周囲の骨格１９から取り出される。凹凸のパターンによって、この可撓継手２１が理想的な回転継手に近いものになる。更に複雑なアセンブリにおける全ての組み立て折り曲げを、単一の「ポップアップ（ｐｏｐ−ｕｐ）」自由度に組み込むことが可能である。このポップアップ自由度は、ポップアップ後にハンダ付け法によって所定位置に締結でき、続いて、マイクロ機械加工によって取り外すことができる。
【００２３】
Ａ）Ｍｏｂｅｅ
一実施形態において、この製作方法は、例えば図１２に示すモノリシック蜂（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｂｅｅ：ｍｏｂｅｅ）構造２６であって、剛性の機体２７と、圧電アクチュエーター２４と、単一自由度の動力伝達装置と、２つの翼２８とを包含するモノリシック蜂２６を作製できる。このｍｏｂｅｅ２６は、８個のサブコンポーネント（例えば、１つのアクチュエーター２４、１つの機体２７、１つのスライダクランク、１つの動力伝達装置、２つの翼ヒンジ、及び２つの翼）を包含でき、これらサブコンポーネントの全ては、単一の多層積層体の中において同時製作され、炭素繊維強化ポリマー、ポリイミドフィルム、アクチュエーター２４用の圧電チタン酸ジルコン酸鉛（ｌｅａｄ  ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  ｔｉｔａｎａｔｅ：ＰＺＴ）、継手締結用のパッド４７用真鍮、及び翼桁５２用のチタンを包含するさまざまな材料層のパレットを一体化している。一実施形態において、ｍｏｂｅｅ２６は、３９ｍｍの翼幅と、１８ｍｍの長さと、２．４ｍｍの面外高さと、９０ｍｇの質量とを有し、翼２８は大きな角度（例えば１２０°を超える角度）で往復動できる。更に、「ポップアップ」折り曲げと浸漬ハンダ付け締結との平行処理が、先行プロセスにおいて用いられる手動操作の折り曲げ、組み立て及び糊付けに置き換わっている。全ての熟練手動ステップの省略によって、ｍｏｂｅｅ２６のパネル化された大量生産が可能になる。本明細書に記述するプロセスは、ｍｏｂｅｅ２６の他に、非常に多様な他の構造の形成にも同様に使用可能である。
【００２４】
１）層の機械加工
一実施形態において、多層の構造が、図３ａ〜ｃに示すように、種々の材料の多数の薄い層（１．５μｍ〜約１５０μｍ厚さの層）から形成される。図３ａに示すように、炭素繊維１２と、接着剤１４と、ポリイミド１６との層が、それぞれのリンク機構３５及び３７を上下に分離するスペーサー層３９と共に積み重ねられる。圧電アクチュエーター２４支持用の隆起部３３を有する中央プレート２３も、スペーサー層３９と下側のリンク機構３７との間に挿入される。
【００２５】
これらの層を、所要の形体を得るように、レーザーマイクロ機械加工する（例えば、ダイオード励起ソリッドステートパルス化レーザーによって）。この場合、通常、層の全厚さを切り込んで、例えば図６〜８に示すような個々の平面構造を作出する。各層は、周囲の配列穴に対する頑丈な結合部を有する一体化（連続）部分を残すようにマイクロ機械加工される。このマイクロ機械加工は、１０μｍのような小さい寸法を有する複雑な面内の形体を作製できる。特定のいくつかの実施形態においては、ｍｏｂｅｅデバイス２６の多数のコピーが１枚の積層体パネルの上に形成され、機械加工のプロセスが、十分な材料を取り除いて、各部分及び部分的な形体を形成し、一方では、各デバイスを周囲の積層体に結合する薄いタブを残す。この点に関しては、積層体パネル内におけるデバイスの配置を、容易に破断可能な薄いタブによって周囲の積層体構造に取り付けられる１バッチの回路基盤の配置に類似したものとすることができる。
【００２６】
この場合、デバイスを周囲の積層体に結合するこのタブ（ブリッジ）１７（図２ａ〜ｃに示される）は、積層化又は組み立ての後に除去されるであろう。金属、複合材、ポリマーなどの層は、事実上任意の方法によって機械加工又は成形され、かつ、事実上任意の材料を用いることができる。機械加工方法の例として、シート材料のレーザー切断、光化学エッチング、打ち抜き、電鋳法、放電加工など−基本的には、適切な解像度と、所望の材料との適合性とを備えた任意の方法−が包含される。続いて、機械加工された層に、加工残渣を取り除くための清浄化／エッチング、メッキ（例えば、ハンダの付着を容易にするための層に対するフラックス化銅のメッキ）、接合用の前処理、焼きなましなどの付加的な処理を施すことができる。各層が統一された特性を有すると、取り扱い及び後処理が簡単になる。各層を異なる材料とすることができると共に、他の各層とは異なって機械加工及び処理できることが有利である。
【００２７】
各層を、十分な剛性を有し、強固かつ強靭な材料から形成できる点も有利である。これによって、配列ピン２０用の穴２２及び他の形体を層に機械加工でき、容易な取り扱いが可能になり、かつ、積層材の中に配置された場合、及び、配列ピン３０によって拘束された場合に変形しないようになる。それにも拘らず、他のいくつかの実施形態においては、配列用の形体を支持する構造的安定性を有しない層を用いることが可能である。これは、そのような層を、積層体における他の層又は部分を撹乱するような十分な付加的厚さを導入することなく、バルク形態において、これらの目的に適合する剛性のフレームに取り付けることによって行うことができる。
【００２８】
特定のいくつかの例においては、非常に薄いポリマーフィルム（例えば２〜５ミクロン厚さ）が層間に包含される。その薄さと絶縁性とによって、この薄いポリマーフィルムには、皺と、静電的な取り扱い上の問題とが生じやすい。この傾向に対処するために、この薄いポリマーフィルムを、バルク形態において、平坦な制御された状態に軽く引き伸ばし、続いて、例えば薄い金属又はガラス繊維複合材からなる薄いフレームに接合することが可能である。次に、この薄いポリマー層を、精細な部分的形態（例えば正確な位置におけるポリマーの小さい孔）を有するように機械加工でき、かつ、配列穴の形体をフレーム材料に機械加工できる。
【００２９】
付加的ないくつかの実施形態においては、薄層の取り扱い問題を緩和するようにデバイスを設計できる。例えば、デバイス内部の一部分を、脆弱な層に関係する全ての機械加工を積層化後に実行するように設計できる。従って、この層は、積層体への挿入時には精密な配列を必要としないであろう。しかし、それでも、材料を、有利に、積層体内に十分に平坦に配置でき、かつ、材料は、デバイスの所要部分をカバーするのに十分な面積の上に広がるのである。
【００３０】
典型的ないくつかの実施形態においては、バルク状のポリマーフィルム（例えば、ポリエステル、ポリイミドなどから形成される）、金属シート及び箔（例えば、ステンレス鋼、バネ鋼、チタン、銅、インバール（ｉｎｖａｒ：ＦｅＮｉ３６）、ニッケルチタン合金（ｎｉｔｉｎｏｌ）、アルミニウムなどから形成される）、銅クラッド積層体、炭素繊維及びガラス繊維複合材、熱可塑性又は熱硬化性接着フィルム、セラミックシート、などをレーザー機械加工して、多層構造形成用として積層化される層を作製することが可能である。このレーザー機械加工は、例えば、３５５ｎｍレーザー（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ州Ｓａｎｔａ  ＣｌａｒａのＤＰＳＳ  Ｌａｓｅｒｓ  Ｉｎｃ．社の製品による）によって、通常１〜１５０μｍの厚さの材料上の約７ミクロンのスポットサイズで遂行できるが、更に厚い層も同様にこのレーザーで機械加工可能である。従って、このタイプのレーザーによって、非常に高い解像度と、殆どのタイプの材料を機械加工する能力とが可能になる。
【００３１】
２）接着剤の機械加工又はパターン化
層間の接着は、非接着層の片面又は両面に接着剤をパターン化することによって、或いは、独立の接着層（「接合パイル（ｂｏｎｄｐｉｌｅ）」）１４を用いて行われる。後者の場合には、例えば、熱可塑性又は熱硬化性のフィルム接着剤のシートの形態の本来の接着層１４、或いは、片面又は両面に予備接合された接着剤を含む構造的材料層のような接着性積層体が対象になる。接着層１４は他の層と同様に機械加工される。接着層１４として使用可能なシートの具体的な例として、フレックス回路作製に使用されるシート接着剤（例えば、ＤｕＰｏｎｔ社のＦＲ１５００接着シート）、或いは、片面又は両面にＦＥＰ熱可塑性接着剤１４が被膜処理されたポリイミドフィルム１６が包含される。独立のシート接着剤は、熱硬化性用としてはアクリルベースのものとすることができる。代替的に、接着剤を熱可塑性にすることが可能である。この場合は、熱可塑性フィルムを、ポリエステル、フッ化エチレンプロピレン（又は他のフルオロポリマー）、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、熱可塑性ポリイミドなどから形成できる。また、これらの接着剤の任意のものを、非接着性の担体の片面又は両面に貼付することも可能である。いくつかの追加的実施形態においては、１つの層が、構造層１２及び熱硬化性接着剤１４の両者−例えば、液晶ポリマー又は熱可塑性ポリイミド−として機能することができる。更に、特殊なタイプの構造層に対しては、例えば溶融接合のような、接着剤を要しない種々のウエハ接合技術を用いることができる。
【００３２】
層間の接着を実現するための別の一技術においては、接着剤１４を、非接着性の層１２の上に直接塗着してパターン化する。この技術は、例えば、所望のタイプの接着剤が独立の形態になじまない場合に用いることができる。このような接着剤１４の例として、本来非常に薄い層を形成する傾向があるハンダ、或いは、液体形態において塗着され（スプレー、ステンシル塗り、浸漬、スピンコーティングなどによって）、続いて、ｂステージ硬化及びパターン化される接着剤が包含される。ｂステージ段階のエポキシフィルムは一般的に利用可能であるが、それらは、通常、非常に厚くなければ、或いはスクリム織物で補強されなければ自己支持できない。
【００３３】
生じる接合は「タックボンド（ｔａｃｋ  ｂｏｎｄ）」とすることができる。この接合においては、接着剤１４が、レーザーマイクロ機械加工の前に、引き続く機械加工に対して隣接層を所定位置に保持するのに十分な粘着性を有するように、かつ、接着性の背面層の取り外しを可能にするのに十分な強度を有するように、隣接層に軽く橋架けされる。このタックボンドによって、加圧積層材における接着剤１４の「アイランド（ｉｓｌａｎｄ）」であって連続品の一部分ではない「アイランド」の作出が可能になり、これは能力の大幅な増大をもたらす。接着剤１４を隣接する構造層に粘着させるもう１つの理由は、支持されない接着剤１４の「アイランド」が、配列用の形体を含む材料の周囲「フレーム（ｆｒａｍｅ）」に対する所望の接着剤のパッチからの物理的リンクを確立する必要なく、もう１つの層に取り付けられることを可能にすることにある。一実施形態においては、ベンゾシクロブテンのような写像可能な液体接着剤を、薄い層において塗着し、ソフトに焼成し、続いてリソグラフィーによってパターン化して、接着剤の選択的パターンを残すことが可能である。ウエハの接合に用いられる他の写像可能な接着剤を用いることもできる。
【００３４】
接着剤１４は、当初はその担体フィルムに粘着されるが、パターン化され、ピン２０によって構造層１２に配列され、続いて、積層材２９における少なくとも１つの隣接層に、熱及び圧力によって（例えば２００℃及び３４０ｋＰａで１時間）粘着される。代わりの方式として、接着層を、それをフリーシートとしてマイクロ機械加工することによってパターン化できる。タックボンドは、接着の完全な接合に必要な場合より低い強さ及び短い時間の熱及び圧力の印加を含むことができる。更に別の一実施形態においては、接着フィルム１４を、バルク状態においてタックボンド接合し、続いて、例えば、レーザースカイビング／エッチングによって機械加工することが可能である。有利には、この変形態様の使用は、機械加工プロセスがホスト層を損傷しない範囲に限定することができる。この変形態様は、両者共、ＤｕＰｏｎｔ社のＦＲ１５００接着シート及びレーザースカイビングを用いて試行した。
【００３５】
３）層の積み重ね及び積層化
多層の積層体構造３１を形成するために、多数のこれらの層（例えば１５層までが表現されている）を、超音波清浄化し、接合を促進するために酸素プラズマに曝露し、積み重ね体に配列する。この積み重ね体への配列は、垂直に向けられたいくつかの精密合わせピン２０を、それぞれ、図４、５及び７に示すように、各層におけるいくつかの配列開口２２を通すことによって、かつ、配列ピン２０用の適合レリーフ穴を有する１組の平坦な工具プレートを用いて実施される。他のいくつかの実施形態においては、他の配列技術（例えば光配列）を用いることができる。全ての層を配列し、一緒に積層化することができる。
【００３６】
積層化された層におけるリンク機構は、平面状（この場合全ての継手軸が平行）とすることが可能である。或いは、継手軸を、球状継手のような非平面状のリンク機構を可能にする非平行型とすることも可能である。
【００３７】
１５層の例においては、最終的な積層材２９は、１対のリンク機構を形成する以下の層を含んでいた（即ち、可撓層１６が、剛性セグメント１２に接合されかつ剛性セグメント１２の間の間隙の全域にわたって広がる構造であって、それによって、剛性セグメント１２の、剛性セグメント１２の間の間隙内の可撓層１６における相互の屈曲が可能になり、その場合、可撓層１６の曝露された部分が継手として有効に機能する構造である）。図５の実施形態においては、層は、次のような積み重ね順序において特定され、その場合「剛性（ｒｉｇｉｄ）」層１２は炭素を含み、「可撓（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）」層１６はポリイミドから形成される。
リンク機構１
１）炭素層１２
２）アクリルシート接着剤１４
３）ポリイミドフィルム１６
４）アクリルシート接着剤１４
５）炭素層１２
６）アクリルシート接着剤１４
スペーサーとしての炭素単独層
７）炭素層１２
８）アクリルシート接着剤１４
リンク機構２
９）炭素層１２
１０）アクリルシート接着剤１４
１１）ポリイミドフィルム１６
１２）アクリルシート接着剤１４
１３）炭素層１２
１４）アクリルシート接着剤１４
翼膜
１５）翼膜（ポリイミド又はポリエステルフィルム）１８
【００３８】
ポリマー−この例ではポリイミド−から形成可能な可撓層１６の選択は、炭素繊維におけるマトリックス樹脂との適合性に基づく。４時間の硬化曲線を用いると、硬化サイクルは１７７℃の最高温度に達する可能性がある。例えば、ポリイミドフィルム（例えば、Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ社からカプトンフィルムとして入手可能）は、この硬化ステップを乗り切るに十分な（４００℃までの）高い稼動温度を有する。ポリイミドフィルムの厚さは、例えば、７．５μｍとすることができる。
【００３９】
この実施形態における剛性層１２は、例えば１００μｍの厚さの標準的に硬化された炭素繊維シートである（例えば、３層の一方向繊維を有するもの。但し、２つの直交する方向の厚さをもたらすために、繊維の層が０°、９０°及び０°に向けられる）。１５層を用いるのは、この実施形態における接着シート１４（例えば、Ｂステージ状態のアクリルシート接着剤の形態であって、例えばＤｕＰｏｎｔ社のＰＹＲＡＬＵＸ  ＦＲ１５００アクリルシートとして商業的に入手可能なもの）がこの実施形態における積層材２９の構造材料の各層とは別個のものであるからである。従って、この接着シート１４は、どの構造層とも異なるパターンにレーザー機械加工することが可能であり、多くの層が配列された積層材２９を作製できる。この可能性によって、完全に又はほぼ完全に配列された多くのリンク機構層を含む部品の製作が可能になる。
【００４０】
各層を積み重ねて積層材２９を形成した後、接着層を硬化／橋架けするために、通常、加熱したプラテンプレスによって圧力及び熱を印加する。具体的には、積層材２９を、加熱プレス、オートクレーブ、或いは、その接着剤に必要な接合条件を実現するための雰囲気（又は雰囲気の排除）、温度及び圧力を提供する他の装置内で硬化させることができる。硬化プロセスの一実施形態は、ＤｕＰｏｎｔ社のＰＹＲＡＬＵＸ  ＦＲ１５００アクリルシートを硬化するために、温度、圧力及び雰囲気制御を具備した加熱プレスにおいて、１平方インチ当り５０〜２００ポンド（ｐｓｉ）の締結圧力と、３５０°Ｆ（１７７℃）の温度と、２時間の硬化時間（場合によっては温度上昇勾配制御を含んで）とを用いる。
【００４１】
以上、単一ステップの積層化プロセスを例示したが、２つの順次的な積層化ステップを含むプロセスが、種々の実施形態において好ましい場合がある。その理由は、それが、層化組成物を変更するための第３の技術を提供するからであり、また、それが、チップ除去の問題を容易にし得るからである。「中央プレート（ｍｉｄｐｌａｔｅ）」２３と呼称される別個のプリント回路マイクロ電気機械システム（ＰＣ−ＭＥＭＳ）構造を、ＰＺＴプレート２４の下の層積み重ね体を初期積層化の間に変更するために、導入することが可能であり、続いて、図３に示すように取り除くことができる。これによって、圧電プレート２４の厚さを正確に占めることが可能になる。中央プレート２３は、簡単な再利用可能ＰＣ−ＭＥＭＳ積層体の形態であって、配列穴と、下側のＰＺＴプレート２４を支持するように構成される中心のポリイミドの突起体３３とを含む平坦な炭素繊維プレートの形態とすることができる。この初期積層化の結果、２つの副積層体３５及び３７が生じるが、この両者は、それぞれ、図３ｂ及び３ｃに示すように、炭素１２、接着剤１４、ポリイミド１６、接着剤１４、炭素１２の順序を包含する層化構造を有する。中央プレート２３は、下側の副積層体３７の頂部の接着層１４に置き換わっている。上部の副積層体３５は２つのＰＺＴプレート２４をも包含する。
【００４２】
接着層１４は、下側の副積層体３７に粘着されてマイクロ機械加工され、一方、上部の副積層体３５は、中央の炭素スペーサー層３９上の機械的ブリッジを切断するようにマイクロ機械加工される。中央の炭素スペーサー層３９からチップを取り除いた後、これらの２つの副積層体３５及び３７を積み重ねて一緒に積層化し、図３ｃに示す積層体構造３１を作製する。
【００４３】
対応する単一ステップのプロセスは、下側のＰＺＴプレート２４の下に、支持用として別々のシムを利用する。更に、機械加工ステップは、多くの場合、好ましくない材料領域もしくは「チップ（ｃｈｉｐ）」を生成するが、これは物理的に除去しなければならない。初期積層化後にスペーサー層３９をマイクロ機械加工すると、マイクロ機械加工から生じる全てのチップを曝露表面から容易に除去できる。単一ステップのプロセにおいてポスト積層化機械加工すると、チップが捕捉される結果が生じ、この捕捉されたチップを内部のスペーサー層３９から物理的に除去できるようにするには、高度の技術に拠らなければならない。
【００４４】
４）ポスト積層化機械加工
次に、デバイス２６を、積層体３１における周囲のフレーム構造から取り外すために、積層体３１を機械加工する（例えば、タブをレーザーで切断する）。いくつかの実施形態においては、デバイス２６を外部のフレーム（積層体３１においてデバイス２６を取り囲むフレーム）から切り離すことに伴わない付加的な機械加工は、積層化後に行うように留保される（例えば、柔弱な層は積層化後により良好に支持されるので、構造的に柔弱な層、或いは、何らかの他の理由で精密に配列できない層のポスト積層化機械加工がそれに該当する）。
【００４５】
５）ポスト積層化処理
ポスト積層化処理は、曝露層に対するメッキ又は被膜処理を包含できる。及び／又は、ポスト積層化処理は、例えば、図１０に示すように、後段の継手「締結（ｌｏｃｋｉｎｇ）」ステップ用としてのハンダペーストのような材料の、シルクスクリーン印刷法又は他の何らかの方法による追加を包含することが可能である。追加の構成要素は、ピックアンドプレース方式によって積層体３１に取り付けることができる。ピックアンドプレース操作は、加圧積層化の前に、積層材２９の中に別々の構成要素を挿入するのに用いることができる。
【００４６】
例えば、電気活性材料のような刺激反応性材料２４を、アクチュエーターとして機能するように、層の間に差し込むことが可能である。一実施形態においては、チタン酸ジルコン酸鉛の圧電プレート２４が、炭素層１２におけるバネクリップ２５の上に装着される（図８に示される）が、これは、デバイス内部における機能的なバイモルフカンチレバーアクチュエーターを作出することが示された。この方法で、非常に広範囲の別々の構成要素、例えば、ミラー又は他の光学素子、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）、個別センサーなどを差し込むことができる。代替的に、これらの構成要素を、更に早期に−例えば、積層化の前に、積み重ねプロセスのいずれかの時点で−付加することができるか、或いは、引き続くデバイスの組み立て後に付加することが可能である。
【００４７】
加圧積層化及びレーザーマイクロ機械加工は複数の時点で実施可能である。例えば、５層をレーザーマイクロ機械加工し、続いて加圧積層化し、更に続いて再度レーザーマイクロ機械加工することが可能である。別の３層を、別個にレーザーマイクロ機械加工し、続いて加圧積層化し、更に再度レーザーマイクロ機械加工できる。続いて、この２つの部分積層材を、９層の最終的な積層材にするために、単一の接着層をその間に挟み込んで一緒に加圧積層化することが可能である。
【００４８】
６）各部品における組み立て自由度の解放
次に、各部品における機能的な構成要素を「取り外す（ｒｅｌｅａｓｅ）」ために、得られた積層体をレーザーマイクロ機械加工でき、かつ／又は、スクラップ材料を積層体から取り除くことが可能である。積層化されたままの部品は折り曲げ解除されており、多くの能動的及び受動的機械自由度を有することができる。但し、いくつかの実施形態においては、これらの非組み立て自由度を、組み立て折り曲げプロセスの間拘束することが有利である。例えば、屈曲リンク機構の要素を、−リンク機構が曲がるのを防止するために、−その要素に沿う剛性の棒状要素によって、或いは、その要素と周囲構造との間の一体的ブリッジを形成する固定タブによって、所定位置に保持（即ち締結）できる。組み立て自由度を拘束するこのタブ又は他の形体は、機械加工プロセス（例えば、打ち抜きダイ又はレーザー切断）によって切断される。
【００４９】
７）組み立て
製作されたままの状態のｍｏｂｅｅは、限定された３次元構造を有する平坦な多層積層体とすることができる。その構成要素は、完全な最終的３次元トポロジーを実現するためにさまざまな組み立て軌跡を経る。「組み立て用骨格（ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｓｃａｆｆｏｌｄ）」と呼称される同時製作される機械的動力伝達装置が、全てのこれらの組み立て軌跡を単一の自由度に連結する。ｍｏｂｅｅは、この製造プロセスから３自由度の機械として出現するが、組み立ての間は、内部の機械的結合のために、この能動的自由度は除外される。結果として得られる機構は、完全な３次元トポロジーを１つの動作で生じさせるために、ポップアップ絵本における紙の折り曲げによって作出される場合に類似して、１３７個の折り曲げ継手を用いている。
【００５０】
ｍｏｂｅｅ２６の組み立て体は、組み立て用骨格１９の２つの平行プレート４２及び４３を包含できる。この２つの平行プレートの１つはそれぞれリンク機構の副積層体３５及び３７から構成され、この２つの平行プレートは、機械的に連結されて、Ｓａｒｒｕｓリンク機構６７を形成する。このプレート４２及び４３は、ｍｏｂｅｅの機械的構成要素を取り囲み、その法線軸に沿ってプレート４２及び４３を分離する単一の直線自由度に制限される。プレートの分離によって駆動される内部のリンク機構４４及び４５は、ｍｏｂｅｅの各中核構成要素に結合され、図９ａ及び９ｂに示すように、全ての所望の組み立て軌跡を実現する。骨格１９の頂部の水平に向けられたプレート４２が持ち上げられると、内部のリンク機構がｍｏｂｅｅの組み立て折り曲げを駆動する。
【００５１】
Ｓａｒｒｕｓリンク機構の組み立て用骨格１９は、単一の自由度に一緒に連結された種々の組み立て動作を作出する多目的のフレーム構造を提供する。リンク機構の平面内における任意の軸の回りの広範囲の角度への回転を、適切に設計された内部のリンク機構によって実現できる。また、ｍｏｂｅｅは、翼２８及びアクチュエーター２４を、折り曲げ組み立ての間回転することなく３つの別個の円弧に沿って平行移動させるための更に複雑な内部リンク機構をも組み込んでいる。
【００５２】
組み立て用骨格１９の１つのプレート４２／４３は、対向するプレート４３／４２を分離するために、固定されたプレートのクリアランスホールを通して６個の合わせピン２０を押し込む外部の治具に固定される。骨格のプレート４２及び４３を分離すると、単一自由度の折り曲げ組み立てが開始され、ｍｏｂｅｅの構成要素がその最終的な３次元形態に組み上がる。折り曲げが完成すると、種々の機械的要素が干渉して、継手の停止状態が作出される。１つの骨格プレート４２／４３のタブを、手動で折り曲げて、対向するプレート４３／４２のスロットに差し込むことができる。これによって、組み立て用骨格１９をその折り曲げられた状態に保持する支持パイロンが作出され、組み立て用骨格１９を外部治具から取り外すことが可能になる。
【００５３】
最終デバイス２６の組み立て（リンク機構４４及び４５を多重平面に折り曲げ解除する操作を包含する）は、外部操作によって手動で実施できるか、或いは、組み立て操作を自発的に生じさせることができる。自発的組み立ての場合には、１つ以上の層に予備ひずみを加えると、その予備ひずみ層を弛緩させることによって、組み立て自由度が解放されると直ちにデバイスの組み立てを生じさせることができる。予備ひずみが加えられる層は、例えば、バネ鋼又はスプリングになり得る他の材料から形成されたパターン化スプリングとすることができる。後者の材料としては、超弾性ニッケルチタン合金（ｎｉｔｉｎｏｌ）、或いは、焼きなまし又は劣化なしに積層化の条件を耐え得る弾性材料が挙げられる。合わせピンと、予備ひずみ層におけるピン配列穴とは、予備ひずみ層が積層化を通して積み重ね体の中にある時にこの緊張を維持するように構成できる。予備ひずみは、例えば張力又は圧縮の形態にすることができるが、圧縮の場合は、リンク機構が面外に座屈する傾向を考慮しなければならない場合もある。
【００５４】
他のいくつかの実施形態においては、組み立てを効果的に行うために、アクチュエーターを積層体の中に構築することが可能である。例えば、圧電曲げアクチュエーター、形状記憶層、又は他のタイプのアクチュエーターを、ピックアンドプレース構成要素として構造の中に積層化でき、或いは、積層材２９における層の一体的な部分として差し込むことが可能である。アクチュエーターは、拡開された３次元構造２６を組み立てるために、例えば電流供給によって、又は温度変化によって作動させることができる。一実施形態においては、アクチュエーターは、２枚の１２７μｍのニッケルメッキされたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）圧電プレート（Ｐｉｅｚｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．社のＰＳＩ−５Ｈ４Ｅ）を包含するバイモルフカンチレバーである。この圧電プレートは、下流側の締結プロセスの間の保護とするためにクロムで被膜処理され、中央の炭素繊維層に接合される。炭素繊維層１２又はチタン層４１における準運動学的に適合する形体と、平面状のスプリングクリップとが、積層化の間、各プレートを所定の配列位置に保持できる。
【００５５】
いくつかの実施形態においては、組み立てが部分ごとにではなく全パネルに対して平行に進行するように、全ての部品の組み立てを単一の組み立て自由度によって作動させるのが有利である。組み立ては、部品の構成及び複雑さに応じていくつかの方法で効果的に実施できる。例えば、操作者が組み立て自由度を、手動で又は半自動で作動させることができる。一実施形態においては、組み立て自由度は、Ｓａｒｒｕｓリンク機構６７に結合されるプレートであって、図９ａ及び９ｂに示すように引き上げられ又は押し下げられるプレートの形態である。球状継手又は四棒機構をＳａｒｒｕｓリンク機構に取り付けて、他の構成要素をその３次元位置に上昇させかつ折り曲げることができる。多重の剛性−可撓平面層と、選択的接着部とを有することによって、複雑な機構と、機構の集まりとを組み立てのステップにおいて解放できることに留意されたい。
【００５６】
８）組み立て部品の継手の締結
最終的な３次元構造に組み立てた後、構造部材は、固定された形態に一緒に接合できる（即ち、締結、固定又は凍結）。一実施形態においては、接着剤を、手動で構造部材及び／又は継手に塗着できるが、この方法は、多数の部品を作製している場合は理想的ではない場合がある。代わりの方式として、締結された継手を一緒に形成することになった隣接部材を自動レーザー溶接することが可能である。隣接部材４５及び４６がその上に金属パッド１７（例えば真鍮製）を有していると、ウェーブハンダ付け又は浸漬ハンダ付けによって、部材間に強固な隅肉接合４８を形成できる。代わりの方式として、積層体に組み立てる前に、例えばスクリーン印刷法によってハンダペーストを塗着できる。続いて組み立て後に、高温炉内における再流動ステップによって接合が作出される。他の変形態様は、２成分接着剤の使用などを包含する。
【００５７】
一実施形態においては、ｍｏｂｅｅ２６は、図１０ａに示すように、かつ図１０ａにおける矢印で示すように、そのリンク機構の副積層体の外面全体に分布される５２個所の真鍮パッド４７を包含する。折り曲げた後、異なるリンク上のパッドが、図１０ｃ及び１０ｄに示すように直角に向き合う２つのパッド４７か、或いは、立方体の角を形成する３つのパッドのいずれかの形態の２４個所の「接合点（ｂｏｎｄ  ｐｏｉｎｔｓ）」に配列される。この構造を、その折り曲げられた状態に保持したまま、水溶性のフラックス（例えばＳｕｐｅｒｉｏｒ  Ｓｕｐｅｒｓａｆｅ  Ｎｏ．３０）の中に浸漬し、続いて炉内において１００℃で１０分間予熱し、次に、２６０℃のスズ−鉛共晶ハンダの中に約１秒間浸漬する。最後に、この構造を、水溶性フラックスの残渣を除去するために、脱イオン蒸留水中で超音波清浄化する。このハンダ付けプロセスの結果、全ての接合点に、図１０ｄに示すようなハンダの隅肉４８が形成される。この隅肉４８によって、組み立て自由度が取り除かれ、全ての別々の機械的構成要素が一緒に締結される。
【００５８】
９）非組み立て自由度の解放
部品２６における任意の非組み立て自由度は、それを拘束している任意の形体（例えば結合タブ）を例えばレーザー機械加工により取り除くことによって解除できる。
【００５９】
１０）スクラップフレームからの部品の分離
この段階で、個々の部品が完全に組み立てられ、運転する準備ができたので、部品２６を、骨格１９のスクラップフレーム（例えば、部品が材料のブリッジによって結合されている外側フレーム）から、レーザー機械加工、打ち抜きなどによって分離できる。
【００６０】
以上述べた１５層によるこの技術によって製作した、ＰＡＲＩＴｙ駆動トレインを有する別のモノリシックな「ロボット蜂（ｒｏｂｏｔｉｃ  ｂｅｅ）」、「ロボ蜂（ｒｏｂｏｂｅｅ）」又は「ｍｏｂｅｅ」が、ポップアップ組み立て前の（即ち平坦に横になっている）状態で図１１に示されている。寸法比較のため、米国の１セント硬貨がロボット蜂２６の横に置かれている。ポップアップ後のロボット蜂２６は図１２に示される。
【００６１】
ｍｏｂｅｅ２６の別の実施形態の斜視図が、図１３〜２０の写真画像に示される。この場合、ｍｏｂｅｅ２６は、周囲の組み立てフレーム１９（六角形のベースプレート５０と、その上部に持ち上げられたより小さい嵌め込みプレート５１とを包含する）を含む中央領域に、接合及び積層化の後製造される（図１１に示すような）平坦な形態から折り曲げ解除された後の状態で装着されている。最終的に取り外されたｍｏｂｅｅが、寸法比較のための米国２５セント硬貨と並べて図２０に示されている。図２０に見られるように、ｍｏｂｅｅ２６は、機体２７と、継手によって分離されるリンク機構であって駆動トレインを形成する複数のリンク機構と、飛行するための１対の翼２８と、圧電バイモルフカンチレバーアクチュエーター１４と、アクチュエーター２４を駆動トレインの残りの部分と連結する入力プラットホーム及び動力伝達装置４９とを包含する。
【００６２】
ｍｏｂｅｅ２６における持ち上げられた平面は、例えば次のような方法によって形成される。即ち、多層内に３つの交差する直交切断部を作製して、垂直方向に延びるように９０°折り曲げることができる機械的ビアを形成し、かつ、３次元組み立ての後に層間の結合を維持するように機械的ビアの端部で層を接合する方法によって形成される。ｍｏｂｅｅ２６の回りに明白に見られる長方形の空所（図１３〜１９に示される）は、機械的ビアがベース平面から折り曲げられる時に残される。ｍｏｂｅｅ２６は、継手の締結後にフレームからレーザー切断されるであろう。この実施態様は、チタン製の生体模倣の翼桁５２を組み込んでおり、かつ、デバイスを浸漬ハンダ付けする際に継手を締結するように、例えば１２．５μｍの厚さの真鍮パッドを折り曲げ位置において組み込んでいる。チタンは、マイクロ機械加工によって生じた曲がりを低減又は除去するために、組み立てに先立って平坦にクランプして、５５０℃で１時間、応力除去することが可能である。翼の膜は、プロセスの後段のステップで追加されるであろう。ｍｏｂｅｅ２６は、高剛性かつ軽量の構造構成要素としての炭素繊維構成要素１２と、弾性屈曲材としてのポリイミドフィルム１６と、頑丈かつ複雑な翼桁５２用としてのグレード２５のチタン合金４１と、自動継手締結のためのハンダ付けパッド４７用の半硬真鍮とを包含する。
【００６３】
モノリシック蜂２６の別の一実施形態においては、いくつかの追加概念が実行される。即ち、層の共有、取り外し後の翼膜成形、及び浸漬ハンダ付けパッドである。
【００６４】
このデバイスは１０個の構造層と８個の接着層とを有する。その積層材は次の順序で積み重ねられている。
継手の締結を容易にするための浸漬ハンダ付けパッド
１）半硬真鍮、２５．４μｍ厚さ
２）接着剤
リンク機構１
３）炭素繊維
４）接着剤
５）カプトン
６）接着剤
７）炭素繊維
８）接着剤
スペーサーとしての単独炭素層
９）炭素繊維
１０）接着剤
リンク機構２
１１）炭素繊維
１２）接着剤
１３）カプトン
１４）接着剤
１５）炭素繊維
１６）接着剤
継手の締結を容易にするための浸漬ハンダ付けパッド
１７ａ）半硬真鍮、２５．４μｍ厚さ
翼桁
１７ｂ）グレード９又は２５のチタン合金、５０．８μｍ厚さ
【００６５】
初期設計の層１〜１３は、モノリシック蜂のこの実施形態においては、層３〜１５として出現する。この新しい実施形態においては、層１及び２は、ハンダ付けパッドがデバイスの底面上に置かれるのを可能にし、一方、層１６及び１７ａは、ハンダ付けパッドがデバイスの頂面上に置かれるのを可能にする。
【００６６】
六角形の骨格プレート５０と、その上部に平行に浮かして支持されるそれより小さいプレート５１であって、その内部に蜂２６がリンク機構によって浮かして支持される（図１３〜１９に見られる）プレート５１とが、Ｓａｒｒｕｓリンク機構６７を形成し、いくつかのリンク機構を結合することによって、１つの自由度を有するように拘束される。より小さいプレート５１は、六角形のプレート５０から上方に直線的に平行移動することが可能であり、これが組み立て自由度である。蜂２６の全ての構成要素は、リンク機構によってこれら２つのプレートと結合されており、これらのリンク機構を切断して蜂２６を取り外すために、レーザーを後刻に使用できる。Ｓａｒｒｕｓリンク機構を作動させると、蜂２６の各個別の構成要素が、その所要の最終形態に折り曲げられる。
【００６７】
層の共有
上記の概要においては、最上層の真鍮４０とチタン４１の層（それぞれ層１７ａ及び１７ｂ）との間には接着層は存在しない。これら２つの副層は同じ層を共有していると考えることができる。それは、それらが重なり合っていないからであり、また、両者が、接着層１４（上記の概要では層１６）、例えば接着剤と係合して、炭素繊維層１２（上記の概要では層１５）と接合しているからである。
【００６８】
層の共有を実現する２つの方法は次のように記述される。第１の場合は、多層が、ｘ−ｙ平面において重なり合いの面積を有しないことである。例えば、４個の配列ピン２６を用いることができる。真鍮層４０（１７ａ）は、デバイスの全面積の１／２をカバーし得るが、一方、チタン層４１（１７ｂ）は残りの１／２をカバーできる。真鍮４０はハンダ付けパッド４７の形成に使用でき、一方、チタン４１は翼桁５２の形成に用いることができる。各副層（１７ａ及び１７ｂ）は、４個の配列ピン２０の内の丁度２つと係合できる（即ち、２つのピンは真鍮の副層（１７ａ）と係合し、残りの２つのピンはチタン副層（１７ｂ）と係合する）。極端な場合を考えると、各副層が十分な個数の配列ピンと係合されれば、層を多数の副層に分割できる。例えば、６個の副層を有する単一の層をニューイングランド（Ｎｅｗ  Ｅｎｇｌａｎｄ）の地図のように見ることができる。この場合、各州が異なる材料から作製され、各州に２つの配列ピンが設けられる。
【００６９】
層の共有を実現する第２の方法（モノリシック蜂のこの実施形態において実施される）は、下側から支持されない層に圧力を印加して、その層を下部の空間内に曲げ込む方法である。基本的に、薄い層に大きな穴が切開される場合、その薄い層のすぐ上部（又は下部）の層への圧力印加を、その隣接層を穴の端部の回りに反らせかつ曲げて穴の中を埋めるように設計できる。この実施形態においては、真鍮層４０（１７ａ）は全積層体面積をカバーしているが、大きな翼形状の穴（図２１の白い輪郭線５４によって示される）を有するように機械加工される。チタン層（１７ｂ）は真鍮層４０（１７ａ）の頂部に積み重ねられる。翼桁のパターン５２がチタン４１の中に機械加工され、その場合、ブリッジが翼桁５２をチタンのバルクシートに結合する。名目的には、この翼桁のパターン５２は、真鍮層４０の切開された穴の上部に浮かして支持される。しかし、チタン層４１は、積層化の圧力が印加されるとそれが僅かに曲るように設計される。それによって、圧力が印加されると、翼が、真鍮層４０の穴を通して接着層（１６）と係合できるようになる。
【００７０】
浸漬ハンダ付けパッド
浸漬ハンダ付け用の真鍮パッド４７は、図１２〜１９（特に図１８）に示されるモノリシック蜂の画像に明らかである。真鍮パッド４７は、金色であり（継手を形成する明るい黄色のポリイミドフィルムと対称的に）、アクチュエーター２４の基部の近傍に多くの長方形のパッド４７を見ることができる。このデバイスを、フラックスに、続いてハンダに浸漬して、密着近接している全ての真鍮パッド４７にハンダの隅肉４８を形成させ、ｍｏｂｅｅ２６における組み立て自由度を締結する。この締結が完成すると、内部のｍｏｂｅｅ２６が大きな周囲の組み立て機構から切り離される。
【００７１】
翼膜の積層化
初期積層化、ポップアップ組み立て及び継手の締結の後、モノリシック蜂２６の翼桁５２の上には膜は存在しない。いかなる膜５３も浸漬ハンダ付けプロセスを経て残存することは困難だからである。ｍｏｂｅｅ２６は、周囲のＳａｒｒｕｓヒンジ組み立て機構６７から取り外されるが、その能動自由度はまだ解放されていない。続いて、ｍｏｂｅｅ２６に、翼桁５２を２枚の１．５μｍのポリエステルフィルム（熱可塑性プラスチック）の層の間に挟み込む第２の積層化ステップを実施する。熱及び圧力（例えば、１２０℃、３４０ｋＰａで１５分間）によって、２枚のフィルムが相互に接合されて翼桁５２に密着し、そして、それによって、膜５３が形成される。続いて、デバイスをレーザー装置の中にセットして、翼の輪郭線５４を切断する。その時になって初めて、蜂２６の能動自由度が解放される。結果として得られる翼２８が図２２に示される。
【００７２】
１１）運転
圧電アクチュエーター２４に３本のワイヤを手動で取り付けると、ｍｏｂｅｅ２６の運転準備完了である。圧電アクチュエーターに振動電圧を印加すると、例えば１００Ｈｚの翼２８の往復動の羽ばたき運動が生じる（図１９）。完成した機械としてのｍｏｂｅｅ２６は、初期のＨａｒｖａｒｄマイクロロボット飛行体（Ｈａｒｖａｒｄ  ｍｉｃｒｏｒｏｂｏｔｉｃ  ｆｌｙ：ＨＭＦ）に構造的に類似している可能性があるが、ｍｏｂｅｅ２６は、その作製に用いられる製造プロセスの精密さとスケーラビリティとの点で優れている。
【００７３】
Ｂ）追加の実施形態
剛性−可撓の回路基板構成に類似の屈曲機構及び組み立て折り曲げ部が、剛性層及び柔軟層の交互のパターン化及び積層化から生じる。発明者らは、超平面トポロジーの概念によってこの方法を拡張する。即ち、接着層をレーザーでパターン化して、多重の剛性−可撓平面層の間の選択的な機械的結合を可能にする。この「機械的ビア（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｖｉａｓ）」によって、Ｓａｒｒｕｓリンク機構のような、作業面に垂直に作動し得る複雑な多層機構の作出が可能になる。この場合、デバイスの構成要素は別個の平面層の上に載ることができ、折り曲げの間の干渉が低減されると共に、単一の平坦なパターンの場合に可能なものより大きな複雑性が可能になる。以下に、その可能性を示すために、製作方法の詳細を説明すると共に３つの事例部品を提示する。提示される最後のデバイスは、部品積層体の中に予備ひずみ層を導入することによって、自己組み立てを実現している。
【００７４】
プロセスは多層積層体の作製によって開始される。各層は、最初に、部品の形状を規定するためにバルク機械加工される。（機械加工後の）層は、各層の構造的一体性を保存するために、かつ、各デバイスの構成要素から配列ピンへの結合をもたらすために連続した状態のままである。殆どの形体は、部品を周囲のバルク材料に結合する小さいタブ又はブリッジを残して機械加工できる。このタブ又はブリッジは、パネル化された回路基板における、或いは、プラスチックの模型キットに見られる部品パネルにおける折り取りタブに類似している。後段のステップにおいて、第２回目の機械加工によって、個別の部品が解放される。層の材料に適合する機械加工方法であって、特定用途の精度要求を満たす、例えば、深掘り反応性イオンエッチング（ｄｅｅｐ  ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｉｎｇ：ＤＲＩＥ）、光化学機械加工及び電鋳法（金属用）、レーザー機械加工、及び打ち抜きのような任意の機械加工方法を用いることができる。
【００７５】
発明者らの研究目的のために、発明者らは、そのマスクレス特性と、広範囲の材料に対する適合性との点から、レーザーマイクロ機械加工を使用し、Ｑスイッチ型及び３５５ｎｍに周波数が３倍化されたＮｄ：ＹＶＯ４ＤＰＳＳレーザーを採用した。レーザーの最大平均出力は約１．５ワットであり、発明者らは、これが１〜１５０ミクロンの厚さ範囲の層を機械加工するのに十分であると見做した。ビームは、テレセントリックレンズ系を用いて、直径約８ミクロンのスポットに集束した。ビーム／部品位置決めの全範囲精度及び再現性は２ミクロン又はそれより良好であった。このタイプのレーザーは、ガラス及び３５５ｎｍ放射の透過性が高い他の材料を除いて、殆どの材料を容易に機械加工する。
【００７６】
各層を機械加工した後、電気研摩、超音波清浄化及びプラズマ処理のような任意選択のステップを、各層の積層化の準備用として実施することができる。剛性のプリント回路基板（ｐｒｉｎｔｅｄ−ｃｉｒｃｕｉｔ−ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）の製作においては、回路層は、通常、予備含浸ガラス繊維−エポキシ複合材シート（プリプレグ（ｐｒｅｐｒｅｇｓ））又は接着ボンドプライ層を交互配置して接合される。この作業のため、発明者らはアクリルのシート接着剤を用いた。この接着剤は、ボンドプライ（２面上）又はカバーレイ（片面上）積層体を形成するためにポリイミド（又は他のポリマーの）フィルムを被膜処理するのに最も一般的に用いられているが、独立のシート形態においても利用可能である。ＰＣＢシート接着剤は、調整された熱膨張特性を有しかつ接合サイクルの間に殆ど流動しない高度の技術による材料である。発明者らは、０．０００５インチ（１２．５ミクロン）厚さのＤｕＰｏｎｔ社のＦＲ１５００アクリルシート接着剤を用いた。最初に、アクリルシート接着剤を、配列穴を有するように機械加工し、第２に、アクリルシート接着剤を、独立層として積み重ね体に追加するか、或いは代替的に隣接層にタックボンド接合した。いずれの技術の場合も、接着剤のパターン化にはレーザー機械加工を用いる。他の接着剤又は接着方法も使用可能であるが、発明者らは、このタイプの接着剤が有する特性の組合せが、ＭＥＭＳスケールのマイクロ製作に適していると見ている。
【００７７】
図２３は、積み重ねた積層体と、この作業に用いられる配列工具とを示す。部品層は側面で２５ｍｍである。各外層６６は、圧力分布を可能にする共形の取り外し用層を表す。この外層６６の間に、次の各層が底部から頂部への順序で積み重ねられる。即ち、炭素繊維層１２、接着層１４、ポリイミドフィルム１６、接着層１４、予備ひずみ化バネ鋼層６８、接着層１４、ポリイミドフィルム１６、接着層１４、及び炭素繊維層１２である。炭素繊維層１２は、約１００μｍ厚さの発明者らの標準の０−９０−０の３層積層体である。接着層１４は、１２．５μｍ厚さのＤｕＰｏｎｔ社のＰＹＲＡＬＵＸ  ＦＲ１５００であり、ポリイミド層１６は、７．６μｍ厚さのカプトンポリイミドフィルムである。最後に、バネ鋼層６８は、０．００３インチ（７６μｍ）厚さで、平面スプリングとなるようにレーザー機械加工されている。配列穴は、この層６８を、積み重ねの間伸張しなければならないような位置に配置される。これによって、平面スプリングが延伸され、積層体の中にエネルギーが蓄えられる。このスプリングは、デバイスが完成すると、自己ポップアップ組み立てを駆動する。
【００７８】
多重の部品積層材２９は、積み重ね体間の剛性の分離プレートを用いて同時に接合することができる。配列の精度は、配列穴２２及びピン２０の精度、層材料の熱膨張係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ：ＣＴＥ）及び積層体のサイズなどのいくつかの因子によって決定される。発明者らは、配列用として、標準的な精密合わせピン（１／１６インチ）と、弾性平均化の利点を享受するために通常数ミクロンだけ小さい配列穴とを用いた。実際には、積層化後の配列は５ミクロンより良好である。正確な数字は、この精度が、発明者らの材料及び機械加工プロセスの材料の均質性と端部の粗さの限界とに近付くので、測定が困難であった。
【００７９】
発明者らは、最初に、きわめて簡単な積層材からかなり複雑な部品を作製することによってこの方法を例証した。即ち、発明者らは、単一の接着層１４によって分離されるただ２つの剛性層１２によって連鎖チェーン５６を作製できる。図２４及び２５は、簡単な２リンク形態の場合のプロセスを示す。本質的に、２つのインタロックされるリングの輪郭５７が各剛性層の中に機械加工される。しかし、それらが重なり合う部分においては、１つの剛性層１２（頂部又は底部）は連続し、もう一方は間隙を有する。もう一方の交差部については逆になる。接着層１４は、両方の重なり合いの領域において２つの剛性層１２の間の接合を防止するように機械加工される。選択的な接着部がこの部品の実現要因である。
【００８０】
レーザー機械加工後に、層を、ピン２０によって配列して接合する。この適用例においては、接着層１４が独立であることに留意されたい。発明者らは、ＰＣＢタイプの（僅か１２．５ミクロン厚さの）アクリルシート接着剤が、それ自体を支持すると共に積層材における正確な配列を維持するのに十分な強度及び安定性を有することを見出した。チェーンは、接合後に、輪郭の切断を完成させることによって「単体分離される（ｓｉｎｇｕｌａｔｅｄ）」。このようにして製作された５４９リンクを含むチェーン５６が図２６及び２７に示されている。剛性層は炭素繊維複合材であり、それぞれ９５ミクロン厚さである。これは、シアン酸エステル樹脂を含浸させた一方向炭素繊維の予備硬化０−９０−０積層体（プライ当り３３グラム／ｍ２）から切り出されたものである。この材料は、非常に強く、硬く、かつ軽く、レーザー機械加工が容易で、熱膨張係数が低い。積層化及び単体分離の後、チェーン５６は骨格フレーム１９から簡単に切り離される。
【００８１】
折り曲げによる構造
チェーン５６は、積層化構造において選択的接着を使用する場合に可能な複雑性の良い例を提供している。層の数を増やすと、複雑性がより大きい部品が可能になる。しかし、この３Ｄ印刷法はいくつかの限界に逢着する。即ち、部品の厚さが大きくなるにつれて、単体分離の深い切り込みを部品の中に行うことがますます難しくなり、過剰の支持材料を通常除去しなければならず、作業面に垂直に配列される構造要素は、交互配置される接着層によって弱められるのである。本明細書に記述するように、発明者らは、３Ｄ構造を作製するための代替方案として折り曲げを探求した。
【００８２】
折り曲げには、折り紙、シート金属構造及び剛性−可撓ＰＣＢを包含する多くの例がある。平坦なパターンは、折り目において、切り込み線において、或いは可撓ヒンジにおいて折り曲げられる。発明者らのプロセスにおける平坦なパターンを形成するために、発明者らは、剛性材料から、柔軟な材料で繋がれる狭い間隙によって分離される「リンク（ｌｉｎｋ）」を機械加工する。これらの屈曲部は、組み立て折り曲げ部又は機構の継手として機能する。信じられないほどの複雑な構造が折り紙の折り曲げによって可能であり、現代のアルゴリズムは、３Ｄモデルから直接折り目のパターンを生成できる。
【００８３】
折り曲げ操作に対する欠点が、通常、組み立ての問題点である。単一の剛性−可撓平面層によって作動する場合は、複雑な形状を形成するには、通常、多数の順次折り曲げ、従って多数の組み立て自由度が必要である。バッチ生産が目標であれば、組み立ては、理想的には、単一の自由度のみを用いて行われるであろう。参考になる例はポップアップ絵本である。ポップアップ絵本においては、単一の回転によって、多くの相互結合された構成要素の折り曲げ及び組み立てがもたらされる。折り紙と違って、ポップアップ絵本の状景は−閉じられかつ折り曲げ解除された場合−多重の折り曲げ層を包含する。本明細書に記述する積層化構成法のプロセスを用いると、同様の構造を作出できる。
【００８４】
「Ｗｒｉｇｈｔ」  ｆｌｙｅｒ号のモデル５８が図２８〜３０に示される。Ｗｒｉｇｈｔ  ｆｌｙｅｒ号用の折り曲げ機構の模式図が図２８に示され、モデル５８の（折り曲げ／ポップアップ前の）写真画像が図２９に示される。最後に、Ｗｒｉｇｈｔ  Ｆｌｙｅｒ号のモデル５８の第１実施形態の斜視画像が、図３０において、折り曲げた後（ポップアップ後）の状態で米国２５セントの硬貨の上に示されている。
【００８５】
別の一実施形態、即ちスプリング作動する８面の六角形の筺体５９の実施形態が図３１〜３６に示される。具体的には、畳まれた状態（ポップアップ前）及び作動状態（ポップアップ後）の構造９５の斜視図が、それぞれ、図３１及び３２に示されている。畳まれた構造５９の上部及び側面から見た模式図が、それぞれ、図３３及び３４に示され、一方、バネ鋼層６８におけるスプリング６０の作動によって引張力の下でポップアップしている構造５９の側面模式図が図３５に示されている。最後に、スプリング機構６０の上面図が図３６に示されている。
【００８６】
モノリシック正２０面体
ＰＣ−ＭＥＭＳポップアップ正２０面体６２の組み立てが図３７〜４８に示される。これらの図は、約３秒増分におけるポップアップ組み立てプロセスを示す。２枚の平坦なプレート３２を包含する骨格内にかつその骨格によって包み込まれる畳まれた構造が図３７に示される。正２０面体６２は、２０個のほぼ同一の三角形の面３４を含み、３０本の稜線及び１２個の頂点を有するほぼ球状の形体に折り曲げることができる。頂部のディスク３２を支持する合わせピンは、プレート３２間の分離を増大するように、図３８〜４２において高くされており、その場合、各図の底部には実際の静止捕捉画像が示され、対応するコンピュータ生成画像が上部に示されている。
【００８７】
頂部プレート３２’には３つの厚板３６が装着され、各厚板３６は、１つの折り曲げ部を介して頂部プレート３２’に回転可能に装着され、かつ、最上層の三角形の面３４’に隣接するそれぞれの三角形の面３４に固定される。これは、図４３〜４８においてよく見ることができるが、これらの図は、ポップアップ組み立てを、表示の明確化のため骨格プレート３２を取り外して示している。三角形の面（即ち面３４、３４’及び３４）に対する異なるダッシュ記号は、表示及び特性化を容易にするために付したもので、本明細書における「面（ｆａｃｅ）３４」に対する言及は、これらの面のいずれについても当てはまり得る。
【００８８】
頂部プレート３２’が底部プレート３２’’に対して上昇すると、厚板３６が、下向きに回転して、その厚板３６が取り付けられているそれぞれの三角形の面３４を、それぞれがその端部の回りに相互結合されている他の三角形の面３４と一緒に上方に引き上げる。
【００８９】
正２０面体６２は、その基部においては、内側の回転可能なディスク３８（例えば図４１参照）に取り付けられる。この内側の回転可能なディスク３８は、下側の骨格プレート３２’’上のスロット６４の下部に延びる複数の外向きに延びるタブ６３を包含し、その下側の骨格プレート３２’’は、そのプレート３２’’内における往復動軸回転用の平面の線状ベアリングとして機能する。下側の骨格プレート３２’’の下面は、下側の骨格プレート３２’’におけるそれぞれのスロット６４に対向するタブ６３を示しているが、この下側の骨格プレート３２’’の下面が図５０に示されている。但し、この場合、回転可能なディスクを駆動するリンク機構が、理論的には、他のいかなる結合もなしに、ディスクの平面内回転を十分に維持するので、このタブ−スロット構造はバックアップとして機能する。回転可能なディスク３８は、下方に延びるリンク機構６５の、旋回点を介しての頂部プレート３２’からの引き込みによって回転される。各リンク機構６５が持ち上げられるにつれて、リンク機構６５は、各リンク機構６５が連結されるそれぞれのタブ６３を、リンク機構６５が頂部プレート３２’に接合される位置の下方に引き寄せ、それによって、ディスク３８をプレート３２に対して回転させる。頂部プレート３２’を底部プレート３２’’の上部に支持するために、付加的な折り曲げ機械的ビア４４が設けられる。
【００９０】
この場合、正２０面体が組み立てられると、多くの折り曲げは約４５°の角度になり、内側のディスク３８は、正２０面体６２が折り曲げ解除された時のプレート３２に対して、最終的に約６０°だけ平面内に回転する。続いて、得られた構造を、例えば前記のようなハンダ付け技術によって所定位置に締結することが可能である。拡開された骨格内における折り曲げられた正２０面体の側面図が図４９に示される。
【００９１】
得られた正２０面体６２は、例えば、カメラシャッターの光学系又はバルーン血管形成術などの多様な用途に用いることが可能である。他のいくつかの実施形態においては、各面３４にセンサー（例えばカメラ）を設けて、昆虫のような多方向視野及び認知を実現できる。更に別のいくつかの実施形態においては、ミラー、回路基板及び／又は通信伝送器又は受信機を各三角形の面に装着できる。同様に、多様な他の複雑な形状も、折り曲げ、リンク機構、厚板、面、機械的ビアなどの形態を変更することによって、折り曲げ解除と捩りとを組み合わせて形成することが可能である。
【００９２】
本発明の実施形態の記述においては、明解さを確保するため、特定の用語法を用いている。記述目的のため、特定の用語は、同様な態様で作用して、同様な結果を実現する技術的及び機能的等価物を少なくとも包含するように意図される。更に、本発明の１つの特定の実施形態が複数のシステム要素又は方法のステップを包含するいくつかの例においては、これらの複数の要素又はステップは、単一の要素又はステップによって置き換えることができる。同様に、単一の要素又はステップは、同じ目的に寄与する複数の要素又はステップに置き換えることができる。更に、種々の特性に関するパラメータ又は他の値が本明細書において本発明の実施形態用として特定される場合、それらのパラメータ又は値は、他の形に規定されない限り、１／１００、１／５０、１／２０、１／１０、１／５、１／３、１／２、２／３、３／４、４／５、９／１０、１９／２０、４９／５０、９９／１００などだけ上方又は下方に、（又は係数１、２、３、４、５、６、８、１０、２０、５０、１００などだけ上方に）調整可能であり、或いは、それらの数値を丸める近似が可能である。更に、本発明を、その特定の実施形態を参照して示しかつ記述したが、当業者は、本発明において、本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における種々の置換及び変更をなし得ることを理解するであろう。更にまた、他の態様、機能及び利点も、本発明の範囲内である。即ち、本発明の全ての実施形態は、以上述べた全ての利点を実現すること、或いは、以上述べた全ての特徴を有することを必ずしも必要としない。更に、本明細書において、１つの実施形態に結び付けて言及されるステップ、要素及び特徴は、同様に他の実施形態に結び付けて使用することが可能である。参照文献のテキスト、雑誌論文、特許、特許出願などを包含する本明細書全体にわたって引用される参照文献の内容は、参照によってその全体が本願に組み込まれ、これらの参照文献からの適切な構成要素、ステップ及び特徴を、本発明の実施形態の中に包含させることができ、或いは、包含させなくてもよい。また、更に、背景技術の項に特定した構成要素及びステップは、本開示に統合されており、本開示の他の個所で記述される構成要素及びステップと連携して、或いはそれに置き換えて、本発明の範囲内において用いることができる。特定の順序において段階が列挙される方法に関わる請求項においては、参照を容易にするための順序の記号が付されていてもいなくても、その段階は、それが列挙される順序に時間的に制限されると解釈されるべきではない。この点は、そうでない旨規定されない限り、或いは用語及び表現法によってそれが含意されない限り、そうである。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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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９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ−１０ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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